（检测技术与自动化装置专业论文）电阻层析成像测试系统中的微弱信号检测.pdf

摘要 两相流动体系在工业过程中的广泛性及重要性促使两相流领域的研究工作迅速发 展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。两相流系统工作迅速发展，目前已成 为国内外给予极大关注的前沿学科。两相流系统是一个复杂的非线性动态系统，其参数 检测的难度较大，在很多情况下，两相流参数检测技术已成为两相流研究的一个制约性 因素。 用于两相流测量的电阻层析成像技术( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o 铲印h y ，简称e i 汀) 通过测量敏感场内电导率变化，得到对象的流动特性，在工业过程中有广泛的应用前景。 e i 汀系统的信号采集部分是整个系统成功与否的关键，由于e i 盯数据采集系统处理的 是微弱信号，所以具有很大的困难和挑战性。 本论文根据微弱信号检测的基本原理，对e r t 系统的信号采集进行了研究和设计。 首先，根据e i 玎系统信号采集的特点，制定了e i 玎系统信号采集的设计方案。设计内 容包括：信号源，多路模拟开关，前置放大器，滤波器、相敏检波单元，a d 转换等。 然后，用m u l t i s i i t l 和p r o t e u s 软件对上述设计进行了仿真，验证设计方案的可行性和设 计参数的正确性。接着，设计了有关的p c b 板。并且在p c b 板设计中，采取了多种措 施来抑制各种环境噪声，提高系统的性能。硬件电路完成后，对系统各模块分别进行了 调试，并对其进行了分析。最后，对系统中有关的多路开关逻辑控制，放大器增益控制， a d 转换及串口通讯等几部分软件方面作了介绍。 关键词：电阻层析成像，微弱信号采集，相敏检波 t h ew e a ks i g n a ld e t e c t i o ni ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c e r m o g r a p h y1 e s t i n gs y s t e m s o n gj i a n h u i ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya j l da u t o m a t i ce q u i p m e m ) d i r e c t e db yp r o s m t i a n m i n g a b s t r a c t t 、o - p h a s en o ww i d e l ye x i s t si i li n d u s 吼t h er e s e a r c ho nt v 岣- p h a s en o wi sd e v e l o p i n g r a p i d l ya r l dh a sb e e no n eo ft l l e 丘o n t i e rs u b j e c t sc o n c e m e di nt l l ew o r l d h o 、e v e r ，t w o - p h a s e f l o wm e a s u r e m e n ti sd i 伍c u l to w i l l gt 0i t sc o m p l e x i 够i i lm 鲫【yc a s e s ，i t sm e a s u r e m e n t t e c m q u e i sm eb o t t l en e c ko ft 1 1 ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c ho nt w o p h a s en o w 1 1 1 ee l e c t r i c 2 l lr e s i s 伽l c et o m o 肿p h y ( e r t ) t e c q u eu s e d i i l 铆d - p h 2 l s en o w m e a s u r e m e n tc a no b t a i l l 也en o wc h a r a c t e r i s t i cb ym e a s u r i n gt 1 1 ec h a l l g eo fc o n d u c t i 、，i 锣i n t 1 1 es e n s i i l gf i e l d i th 邪a 留e a tp o t e n t i a li n 砌u s t 巧a p p l i c a t i o n s t h ed a t a - a c q l l i s i t i o no fa n e r ts y s t e md e t e n i 血1 e sw h e 也e r 也es y s t e mi s 劬c t i o n a la n d h e n c ei sc m c i a lt om ew h o l e s y s t e m d u et 0t h a te r td a t aa c q l l i s i t i o nd e a l i j l g 诵mw e a l ( s i g n a ld e t e c t i o n ，i ti sv e 巧d i 伍c u l t a n dc h a l l e n 百n g t 1 1 i sp 叩e rr e p o r t sar e s e a r c hp e 面n i l e do ne r td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md e s i 印1 1 1 ed e s i 口 i sc a r r i e do u to nt 1 1 eb a s i so fw e a ks i g n a jd e t e c t i o nt h e o r y ，a n do nm ee i u m e a s u r e m e m p r i n c i p l e t h ed e s i g n f o c u si s m a i l l l yp l a c e d o ns i g n a ls o u r c e ， m u l t i p l e x i n gc i r c u i t ， p r e 锄p l i n e r ，f i l t e r ，p h a s es e n s i t i v ed e t e c t i o n ，a dc o n v e r s i o ne t c s i m u l a t i o ni sp e r f o m e do n t h ed e s i g l lt ov a l i d a t et h ef e a s i b i l i t ya 1 1 dt h ec i r c u i tp a r 锄e t e r su s i n gb o t hm u l t i s i ma n d p r o t e u s p a c k a g e p c bb o a r di s t h e nd e s i g n e dw i t hm e a s u r e st a l ( e nf o rw e a k s i g n a l d e t e c t i o n c i r c u i td e b u g g i n ga n dt e s t r e s u l ta n a l y z i n ga r ea l s od i s c u s s e di nt h ep a p e r f i n a l l y t h er e l e v a j l ts o f t w a r ew o r ko nc o n 仃o l l i n gt h em u l t i p l e x e r ，a g cc i r c u i t ，dc o n v e r s i o na n d t h es e r i a ld a t ac o n u n u n i c a t i o na r ep r e s e m e d k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et b m o g r a p h y ，w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，p h a s e s e n s i t i v e d e t e c t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：毋易月易日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名：_ 买孚卜 v ，1 1 日期：x 邯年易月多日 日期：即g 年占月多日 中国石油人学( 华东) 硕_ 上学位论文 第一章绪论 1 1 两相流多相流检测技术的发展现状 1 1 1 两相流测量概念与研究现状 两相流通常指同时存在两种物质( 相) 的流动，包括气液、气固、液固、液液等， 两相流动广泛存在于生产过程中，例如石油工业中的油气、油水两相流和油气水多相 流；化工、医药、能源等领域中，干燥过程、混合过程、流态化过程、扩散过程、反应 过程等普遍涉及两相流问题。 随着科学技术的发展以及工业发展水平的提高，对两相流的流动特性及变化规律的 研究，及其流动参数的检测，在相关的科研、设计以及生产过程的安全高效运行中具有 十分重要的意义。例如在化工行业的两相流体中，物质的相分布对反应的速度、安全性、 经济性和成品的质量等起关键性作用，而对两相流动状态的转变，目前还难以准确的监 控；在石油工业中，需要对从油井中抽出来的油、天然气和水三种成份混合物的含量和 流动状态进行实时监控，以达到能源高效、科学的利用；在冶金、电力及食品工业中， 为了降低能耗，提高生产效率，各种气力物料输送系统己被广泛采用，为了保证系统能 够安全高效运行，也同样需要掌握和了解多相流动过程的流动状态和机理。 由于两相流的两相之间存在着界面效应和相对速度，而且相界面在时间和空间上随 机可变，因此具有更为复杂的流动特性，其特征参数也比单相流系统多。另外，两相流 动系统是一种随机的多变量非线性系统，其流动的复杂性和随机性使得多相流参数( 流 型、分相含率、分相流量、总流量等) 检测的难度增大，致使两相流流动参数的准确测 量一直是科学与工程领域内尚未有效解决的课题。迄今为止，已有的检测技术和方法还 无法实现多相流动过程的准确测量【l 】。 1 1 2 两相流的测量方法 对于两相流的测量问题，国内外学者提出了各种各样的方法，例如，应用传统方法 中的单相流仪表与流动模型结合的方法也可以实现对两相流动的测量，如差压式流量 计、涡轮流量计、超声流量计以及传统的光学电学传感器等。些新兴的测量技术，例 如，射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、微波技术、光谱技术、新兴示踪 技术、相关技术、过程层析成像技术等都被应用到两相流测量中来【2 】。 目前国内外的两相流测量技术主要在以下几个方向进行研究： 1 应用传统的单相流仪表进行两相流参数测量 第一章绪论 在国内外的众多研究中，采用传统的单相流仪表如差压、涡轮、涡街、靶式、容积、 超声波、电磁、科里奥利力等仪表，在结合流动模型或采用实验修正的方法的基础上测 量两相流。 2 运用现代信号处理技术进行两相流参数测量 这类方法应用软测量技术( s o f ts e n s o r ) ，对较易测量的辅助过程变量和离线分析信 息，提供主要参数的在线估计。随着计算机软件和硬件技术的发展，模糊数学、状态估 计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理论被引入到 两相流参数测试领域中来。 3 采用新兴技术进行两相流参数测量 近几十年，更多的近代新兴技术被引入到两相流测量领域中来，如：射线技术、激 光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、 相关技术、过程层析成像( p r o c e s st o m o 笋a p h y ，简称p d 技术等。 其中，过程层析成像技术由于其自身的特点，在两相流测量领域受到了广泛的关注。本 文研究的e r t 技术正是基于过程层析成像技术而开展的。 1 2 过程层析成像 过程层析成像技术出现于二十世纪八十年代中期，是随着计算机技术和检测技术的 进步迅速发展起来的一种过程参数检测技术。该技术采用非侵入式测量，以两相流或多 相流的流动参数为主要测量对象，可以提供被测对象的二维三维可视化信息。利用统计 方法或现代信息处理技术，可以从测量数据中提取出包含两相流分布与相含率等流动参 数。过程层析成像技术的优点在于，测量点多，所获得的包含对象流动参数的信息比传 统的单相仪表丰富的多，其非侵入的特点可以在不影响对象的前提下，将对象流动状态 与分布的信息完整的提取出来【9 】。 过程层析成像技术将检测技术从传统的局部空间的单点测量方式发展成为对过程 参数在二维三维空间分布状况的在线、实时监测，大大提高了人们对生产过程信息的获 取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段。通过过程层析成像技术 所获得的有关过程参数的动态信息的提取和分析，可以优化过程装备与装置的设计，改 进工艺与流程，并且为基于热动力学、反应动力学和流体动力学原理建立的过程、设备 模型的实证提供一种方便的手段。目前，国内外均开展了过程层析成像技术的研究，但 所研制的各种系统均未在工业现场获得广泛的成功应用。存在的问题中除了过程层析成 像系统本身的性能有待进一步的提高外，如何利用其所获取的测量数据，对其中所包含 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的对象信息进行全面地分析和处理，从中提取被测对象的本质特征仍是需要深入研究的 课题f 4 3 】【4 4 1 。 基于不同敏感性原理的过程层析成像技术包括：电磁辐射式、超声式、电学式等。 其中基于电学敏感原理的电层析成像( e l e c t r i c a lt o m o g r a p h y ，简称e t ) 技术已经在许多 过程检测中取得了成功的应用。 1 3 电阻层析成像技术 1 3 1 电阻层析成像技术的概念 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a l l c et o m o 莎a p h y ，简称e 网技术是基于电学敏感性 的层析成像技术的一种。e i 玎技术的物理基础是不同介质具有不同的电导率，判断出处 于敏感场中的物体电导率分布便可知物场的媒介分布状况。当场内的电导率分布变化 时，电流场的分布也会随之变化，导致场内电势分布的变化，从而场域边界上的测量电 压也发生变化，通过测量实际对象的边界测量电压与空场状态下对应位置测量电压的对 比，运用相应的成像算法，重建出实际对象的电导率分布，实现可视化测量【2 0 1 。 e l 玎技术是从上个世纪8 0 年代中期形成和发展起来的，最早可追溯到2 0 年代， 该技术被应用在石油勘测，通过在地上插入电极阵列，并在一对电极间注入电流，同时 测量其他电极上的电位，以得到地层电阻率分布，进而获得地层分布。在上世纪7 0 年 代，生物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术，并迅速发展成医学 e i t ( e l e c t r i c 2 l li m p e d a l l c et o m o g r a p h ”技术，e i 盯技术是e i t 技术忽略了容性信息的简化 系统。到8 0 年代中后期，医学e i t 技术被移至于工业领域，成为过程层析成像技术的 一种。 当前e r t 技术的研究主要集中在以下几个方面：电极阵列的优化设计，硬件电路 性能的提高，图像重建算法的改进等。通过优化电极阵列改善敏感场的特性，通过改进 硬件电路提高数据采集系统的稳定性、实时性，提高系统的分辨率与信噪比，最后通过 改进的重建算法可以获得高性能、高清晰度的重建图像，并能快速有效的进行图像重建， 以满足工业过程在线检测的要求。 1 3 2 电阻层析成像技术的发展状况和前景 过程层析成像的思想是从医学计算机层析成像( c o m p u t e r i z e dt o m o 伊a p h y ，简称c t ) 移植过来的。自从1 9 7 2 年英国人h o u n s n e l d 研制出第一台c t 机之后，众多学者尝试其 在工业上的应用。作为过程层析成像一支的e r t 技术，近年来也发展的十分迅速。1 9 8 8 第一章绪论 年，英国u m i s t 应用电阻层析成像技术监视导电流体的研究工作，并在搅拌器和旋流 器等试验装置上进行了应用性研究。1 9 9 6 年，m a 衄等人使用e r t 监测搅拌器的情况 取得了很好的效果。1 9 9 8 年英国l e e d s 大学的w i l l i 锄sr a 教授以及d r w a n gm 等人 以自行开发的e i 珂系统及相应的专利作为技术入股组建了“工业层析成像系统有限公 司”( i n d u s t r i a lp r o c e s st o m o 伊印h yl t d i t s ) ，并推出了i t s 1 0 0 0 型e i 汀系统样机。2 0 0 1 年，出现利用双极性脉冲电流源作为激励源的电阻层析成像系统，这一技术克服了常规 直流激励带来的介质电极化效应，为解决系统实时性不高提供了新的途径。2 0 0 3 年， a j w i ( i n s o n 研制出数据采集速度为1 0 0 0 幅秒的新型双极性脉冲式e r t 数据系统。同 年，也有研究工作者开发出以d s p 为处理器的高性能e i t 系统，数据采样速率达到了 1 0 0 0 幅秒。在国内，对e i 盯技术的研究开始于8 0 年代初期，目前天津大学的p t 研究 小组，已经开发出e i 盯系列样机图。清华大学、北京航空航天大学和东北大学的e r t 小组在算法和系统仿真上取得了很好的成就【2 1 1 。 目前从事e i 玎技术较为领先的是英国u m i s t 大学，其研究成果主要有：利用e i 盯 技术对液固水力旋流分离器进行实验研究，所得图像为建模和过程机理研究提供重要信 息；利用e r t 技术来监测气液混合过程，为三维搅拌容器中气液混合过程提供强有力 的定性和定量解释；开发出适用于金属容器的e i 玎系统，拓宽了e r t 技术的适用范围 【4 】 o 英国l e e d s 大学的r a w i l l i 锄s 教授以及d r m w a n g 等人联合开发的i t s 10 0 0 型 e i 盯系统样机，数据采集速率为2 5 行锄e s s 【5 1 ( 3 8 41 ( h z 电流激励，1 0 4 点帧，数字解调) 。 另外，l e e d s 大学使用新型材料导电陶瓷来制作e i 玎系统的传感器，可以对水平管流层 进行测量，扩大了e i 玎系统的应用范围。但是，这种设计降低了中心区域的灵敏度， 导致中心区域无法测量。l e e d s 大学最新的研究成果是称作“f i c ”的e i t 系统，系统采 用d s p 芯片、i e e e l 3 9 4 通讯接口等技术，大大提高了系统的性能【6 l 。 国内从事e r t 技术研究的主要以天津大学的研究小组为代表，目前已开发出 t e r - t - i 、i i 、i i i 、i v 系统样机，其中t e r i v 的采样速率可达5 0 f r 锄e s s ( 4 0k h z ，1 0 4 点帧，模拟解调) i7 1 。浙江工学院开发出应用于土壤环境监测的大范围e i 玎系统；清华 大学、东北大学、中国科学院、浙江大学等也相继开展e r t 技术的研究。在实际工业 过程中，e r t 技术在众多领域己有成功运用瞵j 。 在地质勘探研究与环境工程方面，具有代表性的是美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室 承担并持续了数年的一项重大工程研究项目“e r t 技术在美国核废料场特征鉴定计 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 划中的作用”。此外西班牙学者也开展了e r t 在测量中的应用研究。在气液混合过程的 研究方面，英国l e e d s 大学的学者将e r t 技术应用于水力旋流分离器的运行工况监测研 究已开展了多年，取得了令人鼓舞的成果，利用e r t 系统提供的分离器内某一截面上 离散相( 或空气芯) 分布图像的时间变化历程，为证实水力旋流分离器的机理模型和优化 参数设计提供了新的依据。 在其他的应用领域方面，也有一些探索性研究。英国u m i s t 的学者对于运用e r t 技术在线监测高炉内部炉衬厚度剥蚀状况的可行性进行了初步研究，准确测量炉衬厚度 在高炉冶炼过程中的变化，成为判定该高炉是否需要停炉补衬的重要依据。 表1 1 国内外几套e r t 系统的数据采集系统的采集速度的比较 i - a b l e l - l t h ec o m p a 血go fa c q u i s i 6 0 ns p e e d o fs e 、，e 憎ld o m e s 6 ca n df o 他i g ne r td a t aa c q u i s i t i o ns ) r s t e m e i 系统工作频率电极测量值幅秒备注 数目幅 a c t 3 ( 1 9 9 4 ) 3 0 k h z3 2 4 6 4 7 5 自适应电流 ( r e n s s e l a e r u n i v e r s i t ) ，) 模式 u m i s tm k 2 a5 0 k h z1 61 0 4l o od s p ( 19 9 8 ) ( m a n c h e s t eu 1 1 i v e r s i 妙) i t s 1 0 0 0 型样机 3 8 4 k h z1 61 0 42 5 数字解调 ( 1 9 9 9 ) ( l e e d su 1 1 i v e r s i t ) ，) 1 66 7 开关解调 t e r t1 型样机2 3 4 l 心i z1 6 1 0 41 4 开关解调 ( 1 9 9 9 ) ( 天津大学) t e r t 4 型样机 4 0 l 【h z1 61 0 45 0 开关解调 ( 2 0 0 1 ) ( 天津大学) e i t 双截面( 2 0 0 3 ) ( l e e d s 2 0 0 l ( h z1 61 0 41 0 0 0d s p u n i v e r s i t ) r ) e r t 技术有着美好的发展前景，e i 玎技术作为一种新兴的过程参数在线实时检测手 段，在解决两相流检测问题方面有独特的优点和很大的潜力。但如上所述，还存在许多 问题有待研究解决。随着材料科学、信息处理技术、微电子技术和计算机硬件技术的高 速发展，为e r t 传感器克服目前观测角度少、测量数据少这一严重缺点提供了可能； 数据采集速度、精度和检测灵敏度等指标提高至新水平，这样可以克服限制e r t 图象 重建精度的两大因素而大大提高重建图象的精度和质量。将人工神经网络技术、基于模 糊理沦的信号分析、小波技术、分形理论、信息融合等现代信息处理技术应用于e r t 系统的图象信息处理和特征参数提取，将会使e r t 真正成为实时在线的新一代检测技 术应用于多相流检测，e r t 技术的研究拓宽应用领域而进入新的发展阶段。 第一章绪论 1 3 3 中国石油大学目前的研究现状 我校对电阻层析成像技术的研究尚处于初步阶段，在总结了电阻层析成像技术的研 究现状、技术特点，分析了其数学物理模型的基础上，已经基于m a t l a b 编写了一个电阻 层析成像仿真软件包。该软件包完成了通过有限元方法( f e m ) 对e i 汀正问题的求解； 实现了利用线性反投影算法与修正的牛顿拉夫逊类算法等e i 盯反问题算法进行图 像重建，同时就反问题中的电极数、正则化因子、迭代初值以及噪声的影响做了深入探 讨；并提出了相关系数与方差作为重建图像的质量评价指标，使重建图像的优劣有了在 数值上的比较。另外，将遗传算法与粒子群优化算法这两种人工智能优化算法引入到图 像重建算法中，极大地提高了两相流重建算法的收敛性和准确性。 另外，针对传统基于静态网格的图像重建算法对两相流特殊流型层状流分界面 跟踪能力比较差的问题，利用计算机仿真重点研究了采用动态网格图像重建算法来提高 对层状两相流分界面的跟踪能力。仿真实验表明，对分界面清晰的层状两相流而言，当 两相流电阻率相差较大时，即使在模型误差以及一定幅度噪声的影响下，基于动态网格 调整的变步长迭代图像重建算法也能比较准确的计算两相流的电阻率、跟踪层状两相流 分界面的位置。另外探讨了基于动态网格的神经网络算法及遗传算法，得到了初步的结 果。 在大量仿真研究成果的基础上，本课题开始进行e i 盯中微弱信号采集方面的研究， 实验要想得到较好的成像效果，必须采用微弱的激励信号，而微弱电导测量一直是各领 域的难点。本文结合国内外高校及研究单位在e i 信号采集电路设计方面的研究现状， 对电路中信号源，前置放大，相敏检波以及a d 转换等方面进行了初步探讨和实验，并 且取得了一定的成果。 1 3 4 电阻层析成像技术的原理 e r t 技术的物理基础：不同的介质具有不同的电导率，判断出敏感场中的电导率分 布就可知道物场中介质分布的实际情况。由于电阻率与电导率互为倒数，求得电导率的 变化情况即是求得电阻率变化情况，这是电阻层析成像原理的根本出发点。对于物场中 的介质，目前常采用通过电极向内注入电流的方法，通过对电压数据的计算，进而得到 物场中的电阻率分布情况。但近年来也出现了通过对电流的测量进而得到电阻值的激励 方式，但其本质上也是由于不同的敏感场内电阻率分布，造成被测电流的不同，仍然是 电阻层析成像中的一种。 使用电阻层析成像技术的前提是物场中的连续相介质应有较高电导率，可使激励电 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流通过，离散相介质的电导率应明显小于连续相，而正是由于敏感场内的电流有绕过离 散相的趋势，使得测量数据反应了敏感场内介质的分布情况这个道理很容易理解，但是 需要物理方程进行描述。e i 玎工作原理图如图1 1 所示。 测量电压 蓑囊毒 臌励电极 。| ， q 图1 1e l 盯工作原理示意图 f i g l - l t h e 卵h e m a t i cd i a g 阳mo fe r t r o r kp r i n c i p l e 以相邻激励检测模式为例。当激励电流如图1 1 所示注入到1 2 电极的位置中( 1 1 电 极接地) ，在认为产生的敏感场为似稳场，并且场内没有激励频率范围内的电流源的前 提下，在1 ，2 两个相邻电极处检测到测量电压值。这个测量电压值表征在1 1 ，1 2 电极 激励的时刻下，第1 ，2 电极处检测到的反映场内电导率信息的电压值。然后，测量电 极按照一定次序轮转，直到完成不包括两个激励电极的条件下，全部1 3 对相邻电极测 量电压值的检测。这时，切换激励电极对，检测电极继续依次检测，直到完成全部1 6 组的激励与检测。在这种激励检测模式下共需要进行2 0 8 次测量电压的检测。 这个过程中，敏感场的电位分布与电导率分布及激励电流的关系满足如下l a p l a c e 方程： v ( 仃v 矽) = o 小等孙+ i 如等一一i 在敏感场内 在电流注入电极 在电流引出电极 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 1 3 5 电阻层析成像系统的结构 下面主要以天津大学过程层析成像小组已经研制成功的e r t 系列样机为例来说明 第一章绪论 电阻层析成像系统的构成。整个系统基本上都需要由激励单元，电极切换控制单元，敏 感电极阵列，信号调理单元，图像重建与物场参数提取单元，计算机控制单元等部分组 成。典型的电阻层析成像系统构成如图1 2 所示。 图l - 2电阻层析成像系统构成 f i 9 1 - 2 m es t 皿c 钿他o fe r ts y s t e m e r t 系统各个模块单元，经过不断的改进，正在向模块化和集成化的方向 发展。下面简要地对系统的主要部分加以总结、对比与说明。 激励单元 目前e r t 技术普遍采用正弦电流激励电压检测的方式。采用正弦信号的优势是其 频率成分单一，可通过解调提取测量信号的电阻信息。正弦波信号产生后，经压控电流 源( v c c s ) ，就可得到所需的激励电流信号。系统中采用两个相同的信号发生器分别作 为激励信号发生和解调信号，保证了乘法解调的可靠性。 电极切换控制单元 本单元根据激励方式的不同，按照一定的策略进行电极通道的选择。目前通道由多 路模拟开关组成，采用的是精密、高速、低导通电阻的m a x 3 0 6 ，其导通时间小于2 0 0 n s ， 导通电阻小于l o o q 。由于目前电极阵列一层为1 6 电极，采用1 6 选1 的m a x 3 0 6 是非 常适合的。由于激励和检测都需要一对电极，因此共有四片m a x 3 0 6 来负责一套电极 通道的切换控制。 敏感电极阵列 系统使用的敏感电极阵列由1 6 个钛合金矩形电极组成，具有耐腐蚀和高导电性的 特点，并且均匀分布在管道的一个横截面上，这样使得敏感场内部近似成为一个平行场。 电极阵列通过一组同轴电缆与e r t 系统相连。这部分包括电缆的驱动保护电路和缓冲 8 中国石油大学( 华东) 硕学位论文 放大器，以消除电缆中杂散电容对测量的影响为改善由传感器带入的噪声，在本模块中 还可加入带通滤波环节。 作为本系统的传感器和变送器，敏感电极阵列的优化，是提高e r t 系统性能的研 究工作中一个重要方面。目前也有许多研究工作者在电极材料、数目、宽度、高度以及 保护电极等方面进行了研究。 信号调理单元 信号调理单元的作用是把采集到的电极电压信号进行差分放大、解调、滤波以及模 数转换，通过数据总线传输到计算机中。 由于采用相邻激励方式，测量到的电压信号首先要进行差分处理，但由于这个差分 信号十分微弱( 毫伏级) ，则须要使用可编程增益放大器( p g a ) 进行放大处理。之后这 个信号需要与由激励单元产生的同步正弦信号进行解调，去掉电容性的虚部信息，分离 出反映敏感场内电阻率的实部信息。早期的e i 玎系统中采用开关解调的方式，后来的 系统样机采用了乘法解调的方式，减少了因开关解调带来的开关噪声。解调后的信号经 过低通巴特沃兹( b 眦e n o n h ) 滤波器，滤掉高次谐波部分，只剩下表征测量信号幅值信 息的直流分量。这个信号通过一个1 2 位的a d 转换器转换为数字信号，按照一定的控 制时序传输到数据总线，送入计算机进行处理。 图像重建与物场参数提取单元 计算机把采集到的电压数据送入到图像重建或物场参数提取软件包中，便可在屏幕 上得到在线或离线成像结果，以及相应的流动参数。目前使用的在线图像重建算法多采 用线性反投影法，但精度不高。 后来的研究实现了一系列直接从测量信号中提取物场参数信息的方法，包括分相含 率、流型以及相关速度的测量，提高了系统的实时性，可以使e i 盯系统更好的完成在 线测量。 计算机控制单元 在研制的e r t 系列样机中，上位计算机一方面作为系统的控制单元，通过i s a 总 线( 工控机) 与系统连接，使用计算机i s a 总线中一部分的控制线、数据线与地址线， 系统再把这些信号转换为一种自定义的总线标准。而i s a 总线标准对于编程者是透明 的，可以方便的使用其控制线、数据线与地址线，产生系统所需的各种器件的使能信号、 片选信号、锁存信号，完成读写转换、控制逻辑以及对可编程器件进行设置等功能。 9 第一章绪论 1 4 本论文的主要内容 本文的目的是要设计一个可行的电阻层析成像系统信号采集电路，因此，整个文章 都是围绕基于两相流检测的信号采集展开的。 在第一章中，首先介绍了两相流多相流检测的概念、发展现状以及重要意义，然后 重点介绍了电阻层析成像技术的发展和意义以及采用该技术进行两相流检测的技术原 理。 由于利用电阻层析成像技术在进行两相流参数检测中激励信号和采集信号都非常 微弱，属于信号微弱信号检测的范畴，所以在第二章中，针对微弱信号作了一些简单介 绍，包括微弱信号的概念，微弱信号检测的方法、意义和现状等。 第三章首先提出了一个可行的1 6 电极电阻层析数据采集实验系统的硬件设计方 案，主要包括恒流源，前置放大，相敏检波，a d 转换等几大部分，然后重点介绍了器 件的选择，设计电路图，对电路的仿真以及对各个模块的测试，并对结果进行了详细的 介绍和分析。 第四章是系统中的软件部分的实现，介绍了如何利用c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机来实现对数 据采集系统中多路逻辑控制、程控增益、通讯方式及加转换等。 1 5 本章小结 本章主要介绍了两相流的概念，研究两相流检测的积极意义，目前两相流检测的现 状和发展趋势以及进行两相流检测的一种重要方法过程成像技术【9 1 。然后着重介绍了 基于过程成像技术的一种新兴技术电阻层析成像，最后介绍了电阻层析成像技术的概 念，发展现状和前景，然后介绍了电阻层析成像技术的原理，并且以样机为例，介绍了 e r t 系统构成，最后介绍了文章的主要内容。 l o 中国石油大学( 华东) 硕一l 学位论文 第二章微弱信号检测 2 1 微弱信号的和噪声概念与性质 过程工业中存在大量参数需要测量，但是往往很多信号比较微弱，难以用传统测量 方法直接获得，这就需要研究微弱信号检测技术。因为很多参数的测量可以通过检测相 应的电容或电导值来间接实现，所以研究微弱电容电导检测技术在过程工业中的应用具 有重要意义【5 1 】。 2 1 1 微弱信号 微弱信号检测( w 色a l ( s i 印a 1d e t e c t i o n ) 是一门新兴的技术学科，应用范围遍及光、 电、磁、声、热、生物、力学、地质、环保、医学、激光、材料等领域，其仪器已成为 现代科学研究中不可缺少的设备。微弱信号检测技术是采用电子学、信息论、计算机及 物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点与相关性，检测被噪 声淹没的微弱有用信号。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，或用一些新 技术和新方法来提高检测系统输出信号的信噪比。对微弱信号检测理论的研究，探索新 的微弱信号检测方法，研制新的微弱信号检测设备是目前检测技术领域的一个热点【1 0 1 。 表2 1 对比了常规检测仪器与微弱信号检测方法所能达到的最高分辨率和信噪比，表中 最后一行是专门从事微弱信号检测仪器生产的吉时利公司的产品近年能够达到的指标。 从这些指标中可以看出微弱信号检测技术发展的大致水平。 表2 1 检测的最高分辨率 1 a b l e 2 一lt h eh i g h e s tr e s o l u t i o no fd e t e c t i o n 检测方法检测量 电压n v电流n a温度l ( 电容p f微量分析 s n i r 克分子 常规检测方法 1 0 jo 11 0 qo 11 0 41 0 微弱信号检测方法 o 11 0 3 5 1 0 7 l o 71 0 81 0 3 1 0 。3l o 8 1 0 6 吉时利公司 2 1 2 噪声 噪声是限制微弱信号检测系统的决定因素，因此，它是信号检测中的不利因素。对 于微弱信号检测来说，如能有效克服噪声，就可以提高信号检测的灵敏度。噪声属于电 路中的随机扰动，它可能来自于元器件中的电子热运动，或者是半导体器件中载流子的 不规则运动。噪声无处不在，总与信号共存。w s d 技术，总是首先设法尽量抑制噪声， 第二章微弱信号检测 然后再进行噪声中的信号提取。因此，从某种意义上讲，w s d 技术是一种专门与噪声 作斗争的技术。 噪声的特性：噪声是存在于电路内部的一种固有的扰动信号，它是由于组成电路的 器件材料的物理性质及温度等原因引起电荷载流子的不规则运动而产生的。噪声是一种 随机信号，在任一瞬时不能预知其精确大小，它由振幅随机和相位随机的频率分量组成。 可以测定其长时间的均方根值，即某些噪声是遵循一定的统计分布规律。例如，热噪声 和散粒噪声服从高斯分布规律。因而这类噪声又是统计可知的，图2 1 所示给出了实测 的噪声波形。 0 图2 1 窄带噪声波形 研驴1曲ew a v e f o 珊o f 酗r 加唧b a d 卫。豇峙 e ， ，一 密簇囊；： e 1 0 t 图2 - 2 噪声高斯分布 f i 9 2 - 2 t h eg a u s s i a nd i s t r i b u t i o no fn o i s e 在示波器观察的热噪声也与图2 1 相似。高斯曲线下面的面积代表各事件发生的概 率。因为概率可取值范围为0 1 ，所以总面积代表l 。电压为0 时，电平出现的概率最 大。曲线上下对称，即噪声瞬时电平大于o 或小于0 的概率为0 5 。长时间噪声电压的 平均值为o 。如果考虑晶值，在某一时刻超过该电平的概率即如图2 2 阴影区面积所示。 作为一种好的工程近似，一般的电噪声都位于正负三倍的噪声均方根值之内。峰峰值 电压在9 9 7 的时间内小于6 倍的均方根值。 电噪声最重要的统计特性是它的概率密度p ( p ) ，它表示在某一时刻噪声电压p ( ，) 取 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 值在p ( p ，p + p ) 的相对比值，即 比) = 墨婴掣 ( 2 - 1 ) 知道了p ( p ) ，那么电路噪声电压在某一时刻取值在( p 。，p ：) 之间的概率为 p ( q 啪1 一寿”( 2 5 ) 因此，测量噪声电压时，其测量设备的动态范围必须要大于3 倍的被测噪声的有效 值，否则噪声峰值可能被限幅，使测量带来误差。 例如，用电压表( 交流毫伏表) 来测噪声时，必须使表针指示不得大于1 3 倍，由 于一般的电压表具有2 倍于被测电压的动态范围，因此，实际上在测量噪声时，只要使 表针指示小于一半量程就可以了。普通电子电压表是将被测波进行整流，测量整流的平 均值。对于噪声来讲，这并不是均值根值，最理想的当然是用均方根值表进行测量，如 果普通电压表测噪声均方根值，要把读数乘以1 1 3 进行修正，得到噪声的均方根值。 ( 2 ) 由p ( p ) 对p 求二阶导数p ”( p ) ，令p ”( p ) = 0 ，求得p = 仃为概率曲线p ( p ) 的拐 点，即在该点上p ( p ) 的斜率最大。说明噪声电压过均方根值( 有效值) 仃后出现的概率 很快减小。因此，噪声电压大部分时间是集中在l pi 盯。这样就为噪声电压均方根 值的测量提供了一种可能。，在示波器观察噪声时，其显示图形中亮度的明暗分界面的 第二章微弱信号检测 电压，即为噪声电压的均方根值仃。 常见的噪声类型有热噪声，( 其广泛存在于电阻性元器件中) 散粒噪声，g r 噪声( 产 生一复合噪声) ，1 f 噪声等。 2 2 微弱信号检测的方法 对于众多的微弱量一般都是通过各种微系统( 如微传感器) 作非电量变换，使检测 对象变换成电量。但当检测量极为微弱时，弱检测量本身的涨落、传感器的优劣及检测 系统的噪声影响等，使得有用的被测信号被大量的噪声所淹没，所以，微弱信号检测的 关键在于抑制噪声，恢复、增强和提取有用信号，即提高其信噪改善比( s n r ) 【2 5 1 。 s n r 定义：趴帜= 等钙鲁，即输出信噪比与输入信噪比之比。s n i r 越大，表示处理 噪声的能力越强，检测的水平越高。 2 2 1 传统测量方法 传统的电导测量电路采用交流正弦信号激励，通过对放大、整流、滤波得到与被 测电导对应的直流信号，缺点是测量分辨率低( 约o 1us c m ) 【4 5 】【4 6 】。如图2 3 所示。 图2 - 3 传统的电导测量电路 f i 9 2 - 3 t 阳d i t i o a lc o n d u c t i v i 够m e a s u 他m e n tc i 即u i t 传感器的输出信号变化非常微弱时，信道噪声成为显著的干扰源，信道噪声的幅值 与有用信号的幅值相近或更大的情况下是不可能通过提高放大倍数来改善系统灵敏度。 2 2 2 目前测量方法 人们要检测种类繁多的信号，只有根据不同的信号、不同的要求、不同的条件采用 不同的检测方法，这才是种正确的选择。检测微弱信号要用到的检测技术和方法主要 有：滤波技术、相关原理和相关检测技术、同步积累法、开关电容网络及光子计数等。 本设计根据e r t 自身的特点采用相关检测方法。 ( 1 ) 相关检测原理 信号与噪声有本质的区别。信号是有规律，能够重复，后续信号与早先信号是有关 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 联的。信号可以用一个确定的时间函数来描述。噪声没有规律，是随机的，不能够重复 的，不同时刻的噪声之间( 只要观察时间不太短) 是没有关联的。噪声不能够用一个确 定的时间函数来描述。因此，可以利用信号自身存在的规律性( 相关性) 来寻找信号， 也可以利用一个与被测信号规律性( 二者之间也有相关性) 部分相同的已知信号来寻找 被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关性原理的基本点。根据相关原理而实现对 信号的检测称为相关检测，相关检测用以最大限度的压缩带宽、抑制噪声、达到检测微 弱信号的目的。 ( 2 ) 相关函数 相关函数包括自相关函数和互相关函数，本e i 玎系统采用的是基于互相关函数的 相关检测。其定义为： 1 一 矽f ( r ) = 炮手j ：厂( f ) f ( f 一7 ) 比 ( 2 - 6 ) ( 3 ) 锁定放大器 采用互相关技