（检测技术与自动化装置专业论文）ectert双模态系统检测机理与方法研究.pdf

中文摘要 随着信息技术的发展和工业过程自动化水平的不断提高，多相流在工业过程 中出现的频率越来越高，从而在科学研究和工业过程中对多相流参数的实时检测 提出了更高的要求，对多相流参数进行测量的需求越来越迫切。电学层析成像 ( e l e c t r i c a lt o m o g r a p h y ) 技术具有成本低、实时性好、非侵入、系统结构简单、 非辐射安全可靠等特点，越来越成为关注的焦点。 电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，e c t ) 仅对测量对象的 介电常数分布进行重建，而电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，e r t ) 仅对测量对象的电导率分布进行重建，实际的多相流既具有介电常数分布特征， 也具有电导率分布特征，将e c t 与e r t 相结合，组成双模态测量系统对多相流 进行测量，具有重要的意义。， 本课题开展完成了如下的研究工作： 1 、提出了测量对象的电阻电容并联模型，为e c t 、e r t 系统选用c v 、l w 转换电路，运用电路知识对电路进行分析，研究了电阻r 、电容c 变化的规律， 分析了频率对j 5 c 、c 可测量范围的影响，进而分析了单频激励下、混频激励下r 、 c 可测量范围，为双模态系统检测电路参数选取提供了一种互补优化的方法。 2 、提出了三种双模态电极结构，运用a n s y s 有限元分析软件，分析了三 种电极结构的电势分布，得到较优的电极结构；定义电极优化指标，建立两种微 元结构，采用正交实验法进行试验，分析了各参数对指标的影响，得到了最优的 模型尺寸。， 3 、运用模块化的设计思想，设计了一套双模态硬件系统，通过解调模块分 别获取测量对象的实部、虚部，提高了系统测量的精度；完成了上位机软件设计， 通过i o 口灵活实现各种测量方式的选取。 4 、在硬件软件平台的基础上，进行了可行性实验研究，初步验证了当水为 连续相时，利用虚实部信息，e c t 和e r t 均能体现敏感场的变化，为进一步的 研究奠定了基础。 最后，针对当前研究和双模态系统存在的不足，提出了一些建议。 关键词：多相流电学层析成像双模态互补优化模块化设计 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to f i n d u s t r i a la u t o m a t i o nl e v e l ，t h er e q u e s tf o rt h er e a l t i m ed e t e c t i o nt om u l t i - p h a s ef l o w p a r a m e t e r si ss t r i c t e r , a n dt h e r ei sm o r em e a s u r e m e n tn e e df o r t h ep a r a m e t e r so f m u l t i p h a s ef l o w e l e c t r i c a lt o m o g r a p h yb e c o m e saf o c u sm o r ea n dm o r e ，f o ri t s f o l l o w i n gc h a r a c t e r s ：l o w c o s t ，g o o dr e a l t i m ep e r f o r m a n c e ，n o n i n v a s i o n ，s i m p l e s y s t e ms t r u c t u r e ，n o n - r a d i a t i o na n ds a f e t y e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t r ) o n l yr e c o n s t r u c tt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n t d i s t r i b u t i o no ft h em e a s u r e m e n to b j e c t ，a n de l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) o n l yr e c o n s t r u c tt h ec o n d u c t i v i t yd i s t r i b u t i o no ft h em e a s u r e m e n to b j e c t ，b u tt h e r ea r e b o t hd i e l e c t r i cc o n s t a n td i s t r i b u t i o na n dc o n d u c t i v i t yd i s t r i b u t i o nf o ra c t i v e m u l t i p h a s ef l o w s oi t i so fg r e a ts i g n i f i c a n c et h a te c ta n de r ta r ec o m b i n e d p r o p e r l yt oc o n s t r u c tad u a l m o d a ls y s t e mt om e a s u r et h ep a r a m e t e r so fm u l t i - p h a s e f l o w i nt h i st h e s i s ，t h em a i nw o r ki ss h o w na sf o l l o w s ： 1 t h ep a r a l l e lr e s i s t a n c ec a p a c i t a n c em o d e lo fm e a s u r e m e n to b j e c ti sp r e s e n t e d ， a n dt h ec i r c u i t s ，i n c l u d i n gt h ec vc o n v e r s i o nc i r c u i ta n d1 u vc o n v e r s i o nc i r c u i t ，a r e a n a l y z e db yc i r c u i tt h e o r y t h ev a r i a t i o nr u l e so ft h er e s i s t a n c ea n dt h ec a p a c i t a n c e a r er e s e a r c h e d ，t h ee f f e c to ft h ef r e q u e n c yv a r i a t i o no nt h em e a s u r e m e n tr a n g e so fr a n dci sa n a l y z e d ，t h e nt h em e a s u r e m e n tr a n g e so fra n dcf o rs i n g l ef r e q u e n c y e x c i t e m e n ta n dm u l t i - f r e q u e n c ye x c i t e m e n ta r ea n a l y z e d ，s oac o m p l e m e n t a r y o p t i m i z a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e df o r t h ep a r a m e t e rc h o i c eo fd e t e c t i o nc i r c u i ti n d u a l - m o d a ls y s t e m 2 t h r e ek i n d so fd u a l - m o d a le l e c t r o d es t r u c t u r ea r ep r e s e n t e d ，a n dab e t t e r e l e c t r o d es t r u c t u r ei so b t a i n e db ya n a l y z i n gt h ev o l t a g ed i s t r i b u t i o nw h i c hu s e st h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ；t h eo p t i m i z a t i o ni n d e x e sa r ed e f i n e d ，t w o k i n d so fm i c r o s t r u c t u r ea r eb u i l t ，e x p e r i m e n t sa r ef i n i s h e da c c o r d i n gt oo r t h o g o n a l e x p e r i m e n tm e t h o d ，t h ee f f e c to fe v e r yk i n do fp a r a m e t e r so n t h ei n d e x e si sa n a l y z e d ， a n dt h eo p t i m i z a t i o nm o d e ld i m e n s i o ni so b t a i n e d 3 t h ed u a l m o d a ls y s t e mi sd e s i g n e db yu s i n gt h ei d e ao fm o d u l a r i z a t i o n i nt h e s y s t e m ，t h er e a la n d t h ei m a g i n a r ya r em e a s u r e ds e p a r a t e l ys ot h a tt h ep r e c i s i o no ft h e s y s t e mi si m p r o v e d t h ep cs o f t w a r e i s a c c o m p l i s h e d ，a n dm a n yk i n d s o f m e a s u r e m e n tc a nb ec h o s e nb yc o n t r o l l i n gt h ei 0p o r t 4 af e w e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eo i lt h eb a s i co ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n w h e nt h ew a t e ri sc o n t i n u o u sp h a s e ，t h ec h a n g eo fs e n s i t i v ea r e a sc a nb e r e f l e c t e di ne c ta n de r t s y s t e mb yu s i n gt h er e a la n di m a g i n a r yi n f o r m a t i o n ，w h i c h l a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h f i n a l l y , s o m ei m p r o v e m e n ts u g g e s t i o n sa r ep r e s e n t e da tt h ee n do ft h et h e s i s k e yw o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w ；e l e c t r i c a l t o m o g r a p h y ；d u a lm o d a l i t y ； c o m p l e m e n t a r yo p t i m i z a t i o n ；m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：恕擞 签字日期：。哆年莎月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：g 锰流 导师签名：夏忽 签字日期：幽6 7 年月f f 7 日 签字日期：伽= 7 年6 月f 多日 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 多相流是一种在自然界和工程中广泛存在的混合流动模式。如自然界中常见 的夹着灰粒、尘埃或雨滴的风、夹着泥沙奔流的河水以及地面或海面上带雾的上 升气流；建筑工程中的混凝土浆状流体，除去固相和液相外，还存在气相( 空气) ； 化学工程中采用的各种气液固三相流化床工况中同时有气体、液体和固体颗粒在 一起流动；在油田开采出来的原油中，除去原油和天然气体外还带有水，甚至有 时除了原油、气体和水外还夹有沙粒。冶金、轻工、环保及核能等行业中多相流 动现象更是普遍存在。 随着信息技术的发展和工业自动化水平的不断提高，多相流在工业过程中出 现的频率越来越高，从而在科学研究和工业过程中对多相流参数的实时检测提出 了更高的要求，对多相流参数进行测量的需求越来越迫切，主要体现在对管道内 部物质截面的各相组成部分要有可视化的图像进行显示。然而，由于多相流流型 复杂多变，而现存的多相流测量仪表，其精度在不同程度上受流型变化的影响， 所以多相流参数的准确测量难度很大。目前多相流参数检测技术的发展水平远远 不能满足工业发展的要求，多相流检测技术发展现状和水平与飞速发展的现代工 业应用之间的矛盾日益突出，因此，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切 要求。 1 2 多相流检测的方法 在对多相流的流型、流量、相含率等参数进行测量的众多技术中，目前研究 的热点主要集中于过程层析成像技术【1 1 ( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 。过程层 析成像技术是利用安装在被测管道或容器周围的传感器阵列，获取被测物场在不 同观测角度下的投影数据，利用图像重建算法，经计算机处理后，给出过程截面 状况的二维或三维可视化信息，其结构包括传感器、数据采集系统和图像重建计 算机。 目前的过程层析成像技术主要有：核p t ( x ，y 射线) 、超声p t 、光学p t 和电学p t ( 包括电容层析成像e c t 、电阻层析成像e r t 、电磁层析成像e m t ) 。 第一章绪论 核层析成像【2 】主要借助于射线的衰减强度来分析被测介质的变化，该技术由 于自身的“硬场 特性而使得重建图像的精度高，且能测量多数的物质，具有适 用范围广的优点。但由于该技术要对射线进行扫描，速度慢、实时性差，要使其 满足多相流动参数的实时检测要求相当困难，再加上其复杂的结构、昂贵的价格 以及对人体有害等因素都阻碍了该技术在工业上的应用推广。 超声层析成像【3 川利用超声波到达被测介质时，发生反射、透射、衍射和多 普勒效应，通过测量反射、投射的超声波强度来分析被测介质的变化。该技术成 本较低、无辐射、安全可靠，实时性较好、重建图像质量也较高，但该技术是基 于超声波的扫描测量，系统响应速度慢，不适合于高速流动的多相流参数在线测 量。 光学层析成像通过分析经过被测介质发生干涉、衍射的光，运用某种成像算 法【5 】，得到被测介质的变化图像。该技术具有成本低、速度快等优点，但它要求 被测介质透明或半透明，光路不能受到污染，因此该技术目前也难以应用到条件 复杂而恶劣的工业现场中【6 8 】。 电学层析成像通过测量由于被测介质变化所引起的等效阻抗的变化，运用成 像算法【9 - 1 2 1 得到图像。该技术具有成本低、实时性好、非接触或非侵入、系统结 构简单、非辐射安全可靠等优点。但由于e c t 、e r t 自身存在的不适定问题 ( i 1 1 p o s e dp r o b l e m ) 以及“软场”问题，使得重建的图像精度较低，阻碍了它们 应用于工程实践。 因此，将两种或是多种层析成像方法相结合，从对前端的传感器设计、信号 的提取到对测量数据进行数据处理，逐步成为研究的热点，逐步为应用于工业现 场奠定基础。 1 3 电学层析成像技术简介 电学层析成像包括电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，简称 e c t ) 、电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称e r t ) 、电磁层析 成像( e l e c t r o m a g n e t i ct o m o g r a p h y ，简称e m t ) 。自2 0 世纪9 0 年代以来，电学 p t 技术得到了突飞猛进的发展。 1 3 1 电容层析成像 在e c t 系统中非导电物场内介质分布变化引起介电常数e 变化，进而引起 电容值的变化，通过测量电容值的变化来重建物场内介质分布图，从而实现对多 相流参数的检测。 第一章绪论 至1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院m s b e c k 教授所领导的团队研制出成 功测量水、沙模拟的两相流的8 电极电容层析成像系统 1 3 1 之后，国内的天津大学、 浙江大学、清华大学以及东北大学的一些学者教授也先后投入到电容层析成像系 统的研究中，在整个测量系统设计、激励方式、测量电极优化、成像算法研究、 三维模型有限元分析等方面，开展了大量的工作，推动其快速发展，并成功应用 于实践，在对流型的识别、对相含率测定等方面取得了成功【1 4 。5 1 。中科院工程热 物理研究所在国内率先利用e c t 技术对流化床内气固两相流进行研究，并在国际 上首先实现了矩形管道中的层析成像技术【l 6 。 1 3 2 电阻层析成像 在e r t 系统中导电物场内介质分布变化引起电导率。变化，进而引起阻值 的变化，通过测量电阻值的变化来重建物场内介质分布图，从而实现对多相流参数 的检测。 电阻层析成像源于上世纪2 0 年代，地球物理学研究者提出的线性电极阵列 的电阻率成像( r e s i s t i v i t yi m a g i n g ) 技术。而后在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( t o m o g r a p h i cr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n t t e c h n i q u e ) ，并迅速发展成为医学e i t ( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ) 技术。 e r t 技术是e i t 技术忽略了虚部( 电容) 信息的一种简化形式。 在e r t 系统的研制上，英国曼彻斯特大学理工学院也走在前列，e d i c k i n 所 领导的团队先后开发了m k 1 b 、m k 2 b 系统，数据采集速度可达1 0 0 幅秒，并于 2 0 0 1 年开发出基于双极性脉冲电流源作为激励电源的电阻层析成像系统。国内 东北大学的研究团队对图像重建算法进行了一系列的研究，清华大学电机系研制 出一套基于低频电流场灵敏度系数矩阵的e r t 系统；北京航空航天大学研制出一 套获取图像重建数据的系统；天津大学的研究团队成功开发了t e r t - 1 、2 、3 、4 样机 1 7 - 1 8 1 ，在系统设计方面积累了大量的经验，做了大量的实验，为应用于工业 现场奠定了基础。 1 3 3 电磁层析成像 电磁层析成像基于不同介质具有不同导电率和导磁率的电学特性，通过电磁 感应原理检测被测介质的分布状况，采用图像重建算法重建出被测介质的电磁特 性分布。 电磁层析成像技术适用于不同介质间具有不同的电阻率或导磁率1 9 _ 冽的场 所，由于多相流流体的自身特性的限制，要将其应用于多相流的检测有一些困难， 目前广泛应用于钢铁等行业，在医学上也有应用。国内天津大学也有学者从事 第一章绪论 e m t 系统研究工作，在传感器电极阵列设计f 2 1 1 、检测线圈的动态补偿f 2 2 】、系统 信号检测与处理优化【2 3 】、成像算法f 2 睨5 1 等方面进行了研究。 1 4 多模态技术研究现状 将多模态的层析成像技术最早应用于实践是在医学上。1 9 9 4 年，以色列非 接触式测量研究中心的m s r a p a p o r t 、a g a y e r 等人，开发基于x 射线和y 射线的 c t ，成功应用于机场安检和化工领域1 2 6 】。1 9 9 8 年，由美国匹兹堡大学d a v i d t o w n s e n d 等人发明的p e t c t 技术应用于临床，并在不久以后迅速的转化为产品， 在医学界引起了不小的轰动。p e t c t 将代谢图像与功能图像的融合，双方信息 的互补能够明显提高肿瘤诊断和分期的准确性【2 7 1 。2 0 0 2 年，美国旧金山大学的 a n d r e wb h w a n g 、k o j i1 w a t a 等人成功应用放射性元素和c t 技术，对老鼠等小动 物进行实验，为后续的动物实验打下了基础1 2 引。2 0 0 6 年，美国n e wh a m p s h i r e 学院的h a m i dd e h g h a n i 、b r i a nwp o g u e 等人将近红外成像和核磁共振相结合， 并对两者结合所得到的数据进行处理，应用n e w t o n r a p h s o n 迭代算法得到重构的 图像【2 9 1 。 目前也有部分研究将多模态的层析成像技术应用到多相流领域。1 9 9 5 年， j o h a n s e n 等提出了一种将e c t 技术与y 射线成像技术相结合，对管道中的油气水 三相流进行监视的系统。e c t 技术可将水从气水两相中区别出来，y 射线技术可 将气从油水两相中分离出来，将二者信息加以融合即可获得油气水三相各自的空 间分布 3 0 - 3 1 】。1 9 9 8 年，挪威卑尔根大学的b t h j e r t a k e r 等人，对多传感器流型成 像系统的静态特性进行了分析，他所应用的传感器也为电容传感器和y 射线传感 器【3 2 1 。2 0 0 4 年，英国曼彻斯特大学理工学院( u n i v e r s i t yo f m a n c h e s t e ri n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , u m l s t ) 的zd y a k o w s k i 和南安普敦大学的怀特等人，为 了研究非均匀混合物的特性，将超声波和电学成像相结合，设计了一种能承受高 温、高压和抗腐蚀的传感器，它由大小不同的两个电极( 分别为1 0 r a m * 1 0 m m ， 2 5 m m * 2 5 m m ) 和一个压电中间层( p z t ，锆钛酸铅) 组成，最终在实验室条件 下得到验证f 3 3 1 。2 0 0 6 年，在中国澳门举行的第五届工业过程成像会议上，i t s 公 司推出的m 3 0 0 0 双模态层析成像系统，包括双截面的e c t 和e r t 两套子系统，采 用l b p 算法进行成像，实现e c t 、e r t 单模态数据的成像及双模态的数据融合1 3 4 】， 在双模态甚至多模态系统的研究历程上具有重要意义。 从上述文献中可以看出，很多的研究中都用到了核元素或是放射性元素，若 直接将这些应用于多相流的检测，势必会给测量人员带来一定的生理上的影响。 因此，应用多模态电学方法( e c t 、e r t 、e m t ) 对多相流研究成为大家关注的 第一章绪论 焦点和热点，而在所采用的电学方法中，通常是将e c t 、e r t 电极放于不同的 截面，但是测量数据不能反映被测流体在同一时刻、同一位置的分布信息，具有 很大的局限性，无法发挥e c t 、e r t 互补的优势。本文着重以放于同一截面的 e c t 、e r t 组成的双模态系统进行一系列的研究。 1 5 课题的研究内容 本课题在建立测量对象等效电路模型的基础上，运用电路分析的知识，得到 双模态系统检测电路参数互补优化方法；另外提出三种双模态电极结构，运用 a n s y s 对电极结构尺寸进行优化，最后设计了一套用于双模态系统测量的测量 系统，将系统应用于含水率测量的初步研究，验证了测量的可行性。具体的研究 工作包括： 1 、提出将测量对象等效为电阻电容的并联模型，对e c t 系统采用经典的 c v 转换电路作为检测电路，对e r t 系统采用r v 转换电路作为检测电路，运 用电路知识对电路进行分析，研究r 、c 变化的规律，为双模态系统检测电路参 数的互补优化提供了一种方法； 2 、提出三种双模态电极结构，运用a n s y s 分析三种电极结构的电势分布， 选择其中较优的一种电极结构进行电极结构参数的优化； 3 、设计一套用于测量的双模态系统，完成硬件、软件设计； 4 、在硬件软件平台基础上，用设计的系统进行含水率测量初步研究。 。 1 6 论文的组织结构 本论文包括六章： 第一章绪论。简要概述了多相流检测的必要性、多相流检测的方法一层 析成像技术以及各种层析成像技术的优缺点；简单阐述了电学层析成像技术 ( e c t 、e r t 、e m t ) 的发展历程以及多模态系统的研究现状：介绍了本课题的 主要内容；说明了本论文的组织结构。 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法。实际的多相流既具有介电 常数分布特征，也具有电导率分布特征，提出将测量对象等效为电容电阻的并联 模型，分别为e c t 、e r t 系统选用c n 、r v 转换电路，对组成的电路进行电路 分析，得到实部、虚部值表达式；分析表达式在不同频率下的r 、c 可测量范围， 进而分析单频激励下、混频激励下尺、c 可测量范围；最终得到双模态系统检测 电路参数互补优化的方法。 第一章绪论 第三章双模态电极设计优化。提出三种双模态电极结构，运用a n s y s 有 限元分析软件，采用不同的激励方式，分析三种电极结构的电势分布，得到相对 较优的电极结构；建立两种微元结构，通过测量结果的对称程度，选取圆形微元 结构；定义电极优化的指标，采用正交实验法进行试验，分析各参数对指标的影 响，得到最优的模型尺寸。 第四章双模态系统设计。按照模块化的设计思想，设计一套双模态硬件系 统，完成相应的软件设计。 第五章实验及数据分析。简要介绍实验装置，设计可行性实验，并对测量 数据进行分析处理。 第六章总结与建议。总结全文，在现有研究基础上，对现有系统和方法提 出一些改进意见。 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 电容层析成像系统仅对测量对象的介电常数分布进行重建，而电阻层析成像 系统仅对测量对象的电导率分布进行重建，在相应的测量系统中，仅仅将测量对 象等效为电容或电阻，但实际的多相流既具有介电常数分布特征，也具有电导率 分布特征，在本章中，运用等效电路的思想，提出将测量对象等效为电容和电阻 并联电路，从电路分析的角度更加全面的对双模态系统检测电路参数选取进行研 究。 2 1 双模态系统等效电路模型 2 1 1 双模态系统传感器结构 由电容传感器和电阻传感器组成的双模态系统的传感器模型如图2 1 所示。 管道外部为均匀分布的8 个电容传感器，管道内部为均匀分布的8 个电阻传感器， 两组传感器位于同一个横截面。 图2 - 1 双模态传感器模型 ，一般地，e c t 系统采用电压激励，单个电极作为激励电极，其它电极作为测 量电极进行测量；e r t 系统的激励方式有电压激励和电流激励两种，为减小接触 阻抗对测量的影响，一般采用电流激励，相邻或相对的两个电极作为激励电极， 注入电流，其它电极作为测量电极进行测量。本文中，e c t 系统仍采用电压激励， 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 为了实现e c t 、e r t 系统的同时激励，e r t 系统选用电压激励，借鉴t - s c a n 技术 f 3 5 1 ，采用电流测量。 2 1 2 测量对象等效模型 一般地，电容层析成像( e c t ) 系统仅对测量对象的介电常数分布进行重建， 而电阻层析成像( e r t ) 系统仅对测量对象的电导率进行重建，即仅仅将测量对 象等效为电容或电阻【3 6 1 。实际的多相流既具有介电常数分布特征，也具有电导率 分布特征，因此本文将测量对象等效为电容和电阻的并联电路，如图2 2 所示， 从电路分析的角度更加全面的对双模态系统的检测电路进行分析。 2 1 3e c t 系统模型 c 日 兰= 卜 r 图2 - 2 测量对象等效电路模型 在e c t 系统中非导电物场内介质分布变化引起介电常数e 变化，进而引起 电容值的变化，通过测量电容值的变化来重建物场内介质分布图，从而实现对多 相流参数的检测。 2 1 3 1e c t 系统结构 典型的电容测量系统结构包括电容传感器阵列、数据采集处理单元以及图像 重建计算机，其中，电容传感器阵列主要由测量电极、绝缘管道和屏蔽部分构成， 如图2 1 所示。测量电极采用黄铜或不锈钢等金属；绝缘管道一般使用有机玻璃， 易于观察；屏蔽部分主要由屏蔽罩和径向保护电极构成，屏蔽罩封闭包围极板并 接地，可保护测量电极不受外界干扰。径向保护电极与屏蔽罩相连，置于各极板 间，且指向圆心并接地。 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 2 1 3 2e c t 系统等效电路模型 在e c t 测量系统中；电容传感器阵列位于绝缘管道的外部，进行电路等效模 型时，将绝缘管道的等效电容值记为c w ，选用经典的c 转换电路3 7 1 ，得到如 图2 3 所示的电路，其中虚线的左边为e c t 系统的等效电路模型，虚线的右边为 经典的c v 转换电路。 c 杉- 卑 图2 3e c t 系统等效电路模型及其转换电路 对图2 3 电路进行电路分析，有： r ， 1 七1 文f r r2 1 + j c o c rj c o c 。 矿：一 ! ! 堕尘 。y 。k = 一2 + j a j 二( r c , , + 2 2 一r c ) + k j 蕊w ( 1 + j a l r c ) j c o r ：c 。( 1 - i - j c o r c ) ， ( 1 + j c o c z r ，) 【2 + j c o r ( c + 2 c ) 】。 一0 3 z r c r z c w 七j c o r ：c wt ? 2 一c 0 2 r 尺r c ( 巳+ 2 c ) + j c o 2 c r + r ( c 0 + 2 c ) 】 - - 9 0 2 r c r ，巳 2 一c 0 2 r r ，q ( c w + 2 c ) 】+ 国2 r ，c 2 c r + r ( q + 2 c ) 】矿 【2 一彩2 r r ，c ，( c 。+ 2 c ) 】2 + 国2 - 【2 c ，r + r ( q + 2 c ) 】2 1 r ，c w 【2 一t 0 2 r 尺，c r ( 巳+ 2 c ) 】+ 国2 r c r ，c w 2 c r ，+ 尺( c w + 2 c ) 】， j 【2 一缈2 r r r c r ( q + 2 c ) 】2 + 彩2 2 c y r + r ( c 0 + 2 c ) 1 2 = k 训+ 形。卿刚 ( 2 _ 1 ) 其中： ， 一国2 r c r ：c w 【2 一2 r r ：c ，( c 0 + 2 c ) 】+ 彩2 r c w 2 c ：r + 只( c 。+ 2 c ) 】， | ， = 一y 。刎 【2 0 3 2 r r ：c ：( c 。+ 2 c ) 1 2 + 缈2 2 c r ，+ 尺( c 。+ 2 c ) 1 2 。： ( 2 2 ) = 一缈 q c 。 2 一缈2 r r ，c ，( c w + 2 c ) 】+ 国2 r c r c 。 2 c z r y + 月( 瓯+ 2 c ) 】 【2 一矿邱，c ，( c w + 2 c ) 】2 + 国2 2 c f r i + 尺( g + 2 c ) 1 2 ( 2 3 ) 9 形 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 分别为解调得到的实部电压值和虚部电压值。 2 1 4e r t 系统模型 在e r t 系统中导电物场内介质分布变化引起电导率。变化，进而引起阻值 的变化，通过测量电阻值的变化来重建物场内介质分布图，从而实现对多相流参数 的检测。 2 141e r t 系统结构 典型的电阻测量系统结构包括电阻传感器阵列、数据采集处理单元以及图像 重建计算机，其与电容测量系统结构不同之处在于传感器阵列所处的位置不同， 在电容测量系统中，测量的是管道内被测介质的介电常数的变化，电容传感器阵 列位于管道的外壁；而在电阻测量系统中，测量的是管道内被测介质的电导率的 变化，电阻传感器阵列位于管道的内部，与被测介质直接接触，其电阻传感器阵 列如图2 1 所示。 2 1 4 2e r t 系统等效电路模型 与e c t 系统不同，e r t 系统中的传感器阵列位于绝缘管道的内部，与测量 对象直接接触，从而不存在绝缘管道的等效电容值。本文中e r t 系统采用电压 激励方式，重新设计前端检测电路，如图2 4 所示，该电路可通过r 虎的取值改 变对月的可测量域，其中虚线的左边为e r t 系统的等效电路模型，虚线的右边 为重新设计的r v 转换电路。 图2 4e r t 系统等效电路模型及其转换电路 运用电路分析的知识可得： v o - - 一牛杉= 一r j r ( r 1 + j c o r c ) k 1 4 - j c o r c 同样可得实部电压和虚部电压分别为： = 一警k ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第二章双模态系统检测电路参数- o * 1 , 优化方法 2 2 仿真参数确定 ( 2 6 ) 对于e c t 测量系统，在杨五强的文章【37 】中提到：c ，= 1 0 p f ，r ，满足 c o c r rr l 的关系。当f = 5 0 0 k - z 时，取以r r ，= 1 0 计算可得，r ，= 3 1 8 0 触， 而在黄松明的文纠3 8 】中，对尺，取值为r ，= 1 0 0 m r 2 ；综合考虑取c ，= l o p f ， r ，= 1 0 0 m d 。绝缘管道的等效电容值c 。，在电路分析中，对c 的影响相对较小， 且c 。和c 是串联关系，考虑取c ，为c 的2 个数量级，而在上述的文献中，c 的 取值一般小于l o 矿，考虑c 。的取值为c w = 1 0 0 0 p f 。 对于e r t 系统，r v 电路中的反馈电阻r m 的取值可根据测量对象等效电路 ( 图2 2 所示) 中的等效电阻r 来确定，使得输出能达到最优。 有了上述的一些基本参数后，取激励信号幅值圪= 1 v 代入式( 2 1 ) 、( 2 4 ) 中， 即可得到输出圪。考虑最终的双模态系统用a d 对输出圪进行数据采集，其分 辨率受到a d 位数的影响。为了在同等条件下进行分析和比较，综合各方面条件， 确定a d 的基本参数如下： 1 6 位a d ； 输入范围为：5 v 计5 v 。 仿真分析以此为依据，研究e c t 和e r t 系统的互补可测量域。 2 3 仿真结果 在上述参数条件下，研究了频率对可测量域的影响，单频激励以及混频激励 条件下e c t 系统、e r t 系统对尺、c 的可测量范围，得到双模态检测电路参数 互补优化的方法。 2 3 1 频率对可测量域的影响 从式( 2 1 ) 、( 2 4 ) 中可以看出，解调所得的实部值和虚部值皆是频率的函 数，而实部值和虚部值对应于电容值和电阻值，进而影响双模态系统对r 、c 的 可测量域。因此，频率对可测量域的确定显得至关重要，以下分别分析频率变化 时，e c t 系统、e r t 系统对r 、c 测量范围的变化趋势，为混频激励频率的选取 奠定基础，仿真结果如图2 5 、2 - 6 所示。 。 r ( k o h m ) ( a ) f = 3 0 0 k h z z l l l ! 拦 i i l i | ； _ c 号 r ( k o h m ) ( a ) f = l o o k h z r ( k o h n 时 ( b ) f = 3 0 0 k h z 第二章职模志系统检测电路参数互补优化方法 r o 枷r m 呐 ( c ) f = 5 0 0 k h z( d ) ，= 7 0 0 k h z 图2 - 6e r t 系统中频率对可测量域的影响 从图2 - 6 可看出：在e r t 系统中，随着频率，的增加，对r 、c 的可测量域 在减小：对于某一固定的c 值，所能测量的r 值范围在减小；对于某一固定的r 值，所能涮量的c 值范围在减小，且变化的幅度很大。 2 3 2 单频激励下的可测量域 单频激励下，选用e c t 系统常用的激励频率5 0 0 k h z 作为仿真研究的激励频 率，在激励频率确认的情况下，e c t 系统对詹、c 的可测量域固定，而e r t 系 统对r 、c 的可测量域随r v 电路中反馈电阻月m 的取值而变化，从而使得e c t 系统、e r t 系统能同时测量r 、c 的范围发生变化，如图2 - 7 所示。 ；酒 ；雏 藏 勰姻剿瓣糍镕彝目l 懒g 黼 鬻 ( 砷尺m = l o b ) 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 扒隧 糖 鬯 ( 0 月m = 5 0 m 篇黝 i 黜戮渊删 l 粼黼 誉鲽 ( g ) 月口26 0 m= 7 0 m 第二章职模态系统检测电路参数互补优化方法 坚! 口量e “! 旦! 一! 里! ! 坚曼 。l ，一一一一 n i 。 5 l 。【j 。 硇 。，。，。0i 。一。= i 、。：i 弓i 。j r m = 8 0 地0 ) 月口5 l o o 地 图2 - 7 单频激励下双模态系统的可测量域 从图2 - 7 可看出： e r t 系统中r m 7 0 翩a 或是月m 5 n 时e r t 系统对胄、c 的可测量域 与e c t 系统对r 、c 的可测量域只有一小部分交集但彼此可扩展测量范围r 体现了测量范固的互补： e r t 系统中5 垃 r 。 7 0 t n 时，e r t 系统对r 、c 的可测量域与e c t 系统对r 、c 的可梗i 量域有交集，井且彼此也可扩展测量范围，体现了信息量的 互补与测量范围的互补； 圈2 - 7 ( d ) 中r 。= 3 0 n ，e r t 系统对r 、c 的可测量域与e c t 系统对r 、 c 的可测量域的交集最大，能提供更多的信息量有利于数据的融合，体现了信 息量的互补： 在e c t e r t 所组成的双模态系统中，咀r 。= 3 0 女n 为分界点，当 5 t n ( r 。 3 0 t n 时，e r t 系统对c 、r 的可测量域比较大，是e c t 系统对c 、 r 值测量的一个补充；当3 0 t n 胄。 7 0 t n 时，e r t 系统对c 、r 的可测域只是 e c t 系统对c 的测量域的一部分，但e c t 系统对c 、r 的可测域是e r t 系统对 c 、置值测量的一个补充。 2 , 3 3 混频激励下的可测量域 通过上文分析频率对可测量域的影响，在e c t 系统的激励频率为7 0 0 k h z ， e r t 系统的激励频率为3 0 0 k h z 时，对双模态系统耳、c 的可测量域进行仿真研 究，如图2 8 所示。 第二章双摸态系统检测电路参数互补优化方法 ( 0r m = 5 0 m ( b ) r m = 2 0 m i 蘅 ：f 罐垂羹习 圈 r m = 6 0 m 第二章双模态系统检测电路参数互补优化方法 ( g ) 旯m = 7 0 女n( h ) r m = m 口 ：j 羞i ” 匿盏：| 圈 ，。 二 jss 斟，_ 从图2 - 8 可看出：双模态系统在混频激励方式下的可测量域变化规律与趋势 与单频激励方式基本一致。 2 4 本章小结 分析了从电路角度建立的e c t 、b r t 所组成的双模态系统的等效电路模型， 研究了频率对异、c 的可测量域的影响，对单频和混频条件下对r 、c 的可测量