（检测技术与自动化装置专业论文）应用ert技术测量两相流参数方法的研究.pdf

中文摘要 两相流是自然界最常见的一种流动形态，广泛存在于石油、化工、电力、 冶金等行业中。由于两相流动情况复杂多变，实时有效地检测两相流流动参数 一直是国际工程界和科学研究领域中的一个难题。 在众多的两相流测量方法中，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 e t o m o g r a p h y ，简称e r t ) ，可在不破坏或者干扰物场的基础上，通过测量物场 内的电导率分布，进而得到有关流动的各种信息，并能从中提取出大量被测对 象的特征参数。 基于两相流流动特点和电阻层析成像技术，作者应用e r t 系统对两相流进 行流动特征参数测量，如流型和相关速度，为这项技术在工业中的应用做了有 益的尝试与探索。 作者在本课题中完成了如下主要工作： 1 基于e r t 的基本原理，以及e r t 数据采集系统的结构特点，探讨了研 制的t e r t 系列样机功能模块上的区别与发展。实现了基于数字信号处理器 ( d s p ) e r t 新系统中的各单元功能，包括整体控制策略以及激励单元、电极 切换控制单元、信号调理单元、以及d s p 内外部中断的软件实现。 2 根据水平管道中气水两相流流型的特点，在分析实验数据测量边界电 压值变化情况的基础上，对采集到的每幅数据进行了特征值提取，提出了离散 系数( c v ) 这一新的特征指标。使用每幅数据的特征值构成一个连续离散的 时间序列，采用动态聚类中的k - 均值算法( k - m e a n s ) 对数据进行了两类划分。 同时使用隶属度函数和两类聚类中心对划分结果进行了判别，得到了较好的流 型识别结果。 3 使用双截面e r t 系统，进行了在油，气水三相流实验装置上的动态实验。 分析了基于特征值提取的互相关方法。采用归一化相关算法，编写了c 语言的 算法软件包。对提取截面特征值v 。的动态实验数据，进行了互相关运算，得到 了各典型流动状态下的相关速度。与结合漂移模型的运动波速度理论数值进行 了对比和分析，得出了关于实验的结论。 ， 关键词：两相流，电阻层析成像，特征值提取，流型识别，互相关技术 4 a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wi st h em o s tc o i d a i i o nf l o wo ff l u i di nn a t u r e ，w h i c he x i s t si n s o m e w h e r ew i d e l ys u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i s t r ye n g i n e e r i n gp r o c e s s ，p o w e r , m e t a l l u r g y , a n ds oo n b e c a u s et w o - p h a s ef l o wi sc h a n g e f u la n dc o m p l e x ，t h e r e a l t i m ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n ti nt w o p h a s ef l o wi sad i f f i c u l tp r o b l e mi nt h e d o m a i no f i n t e r n a t i o n a le n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e a m o n gt h e m e a s u r e m e n t m e t h o d s ，b ym e a s u r i n gt h e d i s t r i b u t i o no f c o n d u c t i v i t yi ns e n s i n gf i e l d ，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 ) ，ab r a n c ho f p r o c e s st o m o g r a p h y ( p t ) ，c a ng a i na b u n d a n ti n f o r m a t i o no ff l o wc o n d i t i o ne v e nt o g e tv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fm e a s u r e do b j e c t i v e sw i t h o u ti n t e r f e r i n go r e v e nd e s t r o y i n gt h ef i e l d b a s e du p o nt w o - p h a s ef l o w sc h a r a c t e r sa 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 t e c h n i q u e ，t h ea u t h o ra p p l i e de r ts y s t e mt om e a s u r ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f t w o - p h a s ef l o w , s u c ha sf l o wr e g i m ea n dc r o s s c o r r e l a t i o nv e l o c i t y , f o rt h ef u t u r e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n a n dt h ea u t h o rh a sa c c o m p l i s h e dt h et a s k si nt h et h e s i sa sf o l l o w s ： 1 g r o u n d e do nb a s i cp r i n c i p l eo f e r ta n ds t r u c t u r eo f e r td a t aa c q u i r e m e n t s y s t e m ，t h ed i s c r i m i n a t i o na n de v o l u t i o no ft h ep r o t o t y p es y s t e m si nf u n c t i o n m o d u l e sh a v eb e e np r e s e n t e d t h ef u n c t i o nm o d u l e so ft h en e we r t s y s t e mb a s e d o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) h a v eb e e na c h i e v e d ，i n c l u d i n gt h ec o n t r o l s t r a t e g y , e x c i t i n gu n i t ，e l e c t r o d e ss w i t c h i n gu n i t ，s i g n a lp r o c e s s i n g u n i ta n d e x t e m a l i n t e r n a li n t e r r u p ti nd s e 2 b a s e do nc h a r a c t e r so ff l o wr e g i m e so fg a s w a t e rt w o p h a s ef l o wi n h o r i z o n t a lp i p e s ，d i s c r e t ec o e f f i c i e n t ( c v ) ，e x t r a c t e df r o md a t ao fe a c hf r a m e ，h a s b e e np u tf o r w a r dt or e f l e c tt h ed i s t r i b u t i o no ft h ec r o s ss e c t i o n 鹊ac h a r a c t e r i s t i c v a l u e b yt a k i n gt h e s ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e sa sc o n t i n u o u s d i s c r e t et i m es e r i e s ，t h e k - m e a n sm e t h o do fd y n a m i cc l u s t e rm e t h o d sh a sb e e na p p l i e di nt h ep a p e rt od i v i d e t h ed a t ao f t h et i m es e r i e si n t ot w oc l a s s e sw i t h o u tr e c o n s t r u c t i n gi m a g e s t h er e s u l t s h a v eb e e nj u d g e db yt h es u b j e c t i o nf u n c t i o na n dd i s t a n c eo ft w oc o r e s t h e nt h e f l o wr e g i m e sc a nb er e c o g n i z e dw e l l 3 d u a l p l a n ee r ts y s t e mh a sb e e na d o p t e dt oe x p e r i m e n to no i l g a s w a t e r t h r e e - p h a s e f l o w e q u i p m e n t t h ec o r r e l a t i o nm e t h o db a s e du p o ne x t r a c t e d c h a r a c t e f i s t i cv a l u e sh a sb e e na n a l y z e d t h ea l g o r i t h m i cs o f t w a r em a k i n gu s eo fc l a n g u a g eh a sb e e nm a d eo u tt oc r i t yo u tt h eu n i t e dc r o s s - c o r r e l a t i o nc a l c u l a t i o nt o t h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u eo ft h e e x p e r i m e n td a c 乱c o m p a r c da n da n a l y z e d c r o s s c o r r e l a t i o nv e l o c i t ya n dt h et h e o r e t i cv a l u eb yd r i f t - f l u xm o d e la n dk i n e m a t i c t h e o r y , t h ec o n c l u s i o no f e x p e r i m e n th a sb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：t w o p h a s ef l o w , 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 , f l o wr e g i m e r e o r g a n i z a t i o n , c h a r a c t e r i s t i cv a l u ee x t r a c t i o n , c r o s s - c o r r e l a t i o nt e c h n i q u e 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，也不包含为获得盘鲞盘堂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己 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：鸯袭 签字日期： 枷 年，月，3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解。苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞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：俘族 签字日期：谢年f 月，了日 导师签名：与一奉导师签名：专一耷 签字日期：州年，月， 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 两相流测量的研究现状 两相流是自然界最常见的一种流动形态，广泛存在于石油、化工、电力、 冶金等行业中的管道传输和化学反应过程中。由于两相流动情况复杂多变，存 在着两相间界面效应和相对速度，并且相界面在空间和时间上是随机可变的， 使用数学进行描述难度很大，因此，实时、有效地检测两相流流动参数一直是 国际工程界和科学研究领域中的一个难题。广义而言，本文研究的气液两相流 属于流体力学的研究范畴之一，流体力学的基本方程也适用于气液两相流“。3 1 。 在两相流研究领域中，测量参数一般包括分相含率( 空泡率) 、质量分相含 率( 干度) 、体积分相含率、质量流量、质量流速、体积流量、相对速度( 滑动 速度) 、滑动比、扩散速度和漂移速度、两相密度等”“。 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 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 g r a p h y ，简称p t ) 技术等”。1 。 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。本文研究工作正是基于过程层析成像技术而开展的。 第一章绪论 1 2e r t 技术的发展状况 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 ) 技术是过程 层析成像的技术的一种，是一种多学科交叉的高新技术。其物理基础是基于不 同的媒质具有不同的电导率，因而判断出敏感场内物体的电导率分布，便可推 知场中媒质的分布情况。相对于传统的过程参数检测方法，e r t 技术可以提供 在线连续的二维仨维可视化信息，以多测量点、多界面分布的形式，在非侵入、 无辐射、不破坏或者干扰物场的基础上，可提取出大量被测对象的特征参数。“ 嚣】 o 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 g r a p h y ， 简称c t ) 移植过来的。自从t 9 7 2 年英国人h o u n s f i e l d 研制出第一台c t 机之 后伽，众多学者尝试其在工业上的应用啪1 。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 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 n n 等人在工厂级中使用e r t 监测搅拌器的情况取得了很好的效果 m 1 。1 9 9 8 年英国l e e d s 大学的w i l l i a m sr a 教授以及d r w a n gm 等人以自行开 发的e r t 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 g r a p h yl t d i t s ) ，并推出了i t s 1 0 0 0 型e r t 系统样机 3 l l o2 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 l k 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 数据系统洲。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 r t 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 r t 系列样机脚1 。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。 1 3 流型研究的内容与识别方法 在两相流的研究中，流型及其转换的研究是基础性工作，对两相流各种参 数的准确测量也往往依赖于对流型的识别。由于不同的流型具有不同的流体动 力学和传热特性，因而研究并设法预测工程设备中的两相流流型，对于存在气 第一章绪论 液两相流的工业设备的设计和运行工作是十分重要的。 目前对于流型的研究一般有以下4 个方面的内容： ( 1 )通过对流动状况的深入细致地观测，依据其特征，对两相流动的结构形 式进行定义和分类： ( 2 )在实验数据的基础上建立流型预报公式和流型图，以期在生产实践中 知道设备设计、操作运行、提高安全性与效率； ( 3 )探究各种流型形成及相互转变的机理，深入对多相流本质的认识，完善 和发展两相流科学： ( 4 )进一步研制、改善和发展适应范围广、简单方便，且准确可靠的流型观 测技术。 对于流型的识别，很大程度上依靠观测者或测量者的主观分析和判断。而 识别流型最常用的方法是从透明管道视窗中直接观测，高速摄影和高速摄相也 是这种方法的延伸。但这种方法由于无法观测出流型的内在结构，特别是在管 道中心流速很高的时候，不能对流型做出一个清晰的描绘；而在观测时又容易 被管壁附近的流动情况所误导啪1 。这样，其他一系列新的技术也出现了，如基 于压力波动的方法、基于分相含率的方法、和射线吸收法等啪1 。作为一种可视 化测量方法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 g r a p h y ，简称e r t ) 也应用于对多相流参数的测量中啪“”。在实验数据的处理方法上，常把其作为 随机时间序列进行处理和统计，可以使用功率谱密度函数( p s d f ) 、信噪比 ( s n r ) 、自相关函数( a c f ) 、概率密度函数( p d f ) “”，或者使用分形与混沌的方 法和k o l m o g o r o v 熵的方法进行时间序列分析”“。同时，神经网络等模式识别方 法也广泛地用于对流型的识别中“”。 1 4 相关测量技术的产生与现状 早在上世纪五十年代，测量某些扰动在系统中两点之间的传递时间的流量 测量方法便为人熟知。1 9 6 1 年，英国b u t t e r f i e l d 等人在发表的论文中叙述了使 用互相关方法在带钢测速中的应用“”。而第一篇叙述用互相关方法测量流动系 统中两点之间的时间延迟的文章是由k o m i y a 于1 9 6 6 年发表的。之后，众多国 家的测量技术及仪表研究工作者相继开展了相关流速测量技术的研究。b e n t l t y 和d a w s o n 用注入热扰动的方法实现了管道中单相流体平均流速的测量“”。1 9 6 9 年，b e c k 提出了利用自然产生的流动噪声的互相关方法的基本理论，并与 第一章绪论 p l a s k o w s k i 等人采用电容传感技术成功实现了在线气固两相流的非接触式相关 方法测量。b l e g u e n n e e 使用相关技术对水平管流进行了分析”1 。 c k o p p e r m a n n 提出了在互相关流量计中使用的信号模型去分析测量误差“”。 l u c a s 等人应用相关技术结合运动波理论，对垂直上升油水两相泡状流进行了 分析。 我国从7 0 年代末8 0 年代初开始在一些高校和科研部门逐步展开了这方面 的研究工作，并已取得了不少阶段性成果。天津大学过程层析成像小组研制了 基于d s p 的井下油水两相流的相关测量系统，并应用d s p 的高性能完成相关 计算。钟传杰使用电容式相关测量系统，对气固两相流的相速度进行了测量， 并解释了多峰现象的原因o ”。周洁利用自行研制的单片机与扩展系统相结合， 应用极性相关法计算高温烟气的流动速度嘲。何安定等人对采集的油水两相流 的测量信号，通过使用互相关方法计算混合物的流量呻1 。大庆生产测井研究所 与天津大学合作开发了一种电导式相关流量计，已在大庆油田进行现场试验】。 1 5 课题主要研究内容及作者所做工作 本研究课题受国家自然科学基金项目“两相管流测量新方法研究”( 批准号： 5 0 2 7 6 0 4 3 ) 和天津市应用基础研究计划资助项目“基于多传感器数据融合两相 流测量技术研究”( 批准号：0 5 y f j m j c l l 6 0 0 ) 的支持，在天津大学过程层析成 像小组的研究成果基础上，着重对基于d s p 的新型e r t 系统进行开发，并应 用e r t 系统对两相流进行流动特征参数的测量；对测量数据进行特征提取，进 行了流型识别以及相关速度的测量。主要研究内容是： 1 了解并分析电阻层析成像系统的原理，完成对双截面e r t 系统的调试； 完成基于d s p 系统各模块功能的实现，包括硬件调试以及软件编程。 2 对水平管道中的各种流型进行流型识别，完成对每幅数据的截面特征的 提取，并使用动态聚类的方法对流型加以判别。 3 完成应用双截面e r t 系统在油，气水三相流实验装置上进行的动态实验， 对采集的数据进行分析，采用特征值相关的方法，编写归一化相关算法的数据 处理软件包，计算各典型流型下的相关速度，并与应用漂移模型与运动波理论 的理论计算速度进行对比和分析。 第一章绪论 1 6 本论文的组织 本论文各章节安排如下： 第一章绪论。针对两相流测量领域所采用的测量技术与现状进行了简 要地说明，重点介绍了在两相流测量中被广泛关注的电阻层析成像技术和相关 测量技术的产生和发展，以及当前流型识别主要方法。列举出课题的主要内容 和本论文的组织结构。 第二章e r t 系统的构成与实现。介绍了电阻层析成像技术的基本原理， 并以天津大学研制e r t 系列样机作为对象，分析并对比了电阻层析成像系统的 总体结构及各功能模块。着重描述了基于d s p 的e r t 系统各功能模块的功能 实现，包括整体控制策略以及激励单元、电极切换控制单元、信号调理单元、 以及d s p 内外部中断的软件实现。 第三章基于特征提取的水平管道流型识别。介绍了水平管道中流型的特 点，并结合实际实验中测量数据，采用离散系数作为采集到的边界电压数据的 截面特征值，并使用动态聚类的方法对由特征值构成的时间序列加以划分，最 后得到识别结果及流型的判别标准。 第四章基于双截面e r t 系统的动态实验及分析。分析了相关测量技术的原 理，引入了基于双截面e r t 系统的两种相关计算方法：像素相关和特征值相关。 描述了实验装置与实验条件。并通过实际动态实验中的采集到的各种典型流型， 如泡状流、塞状流、弹状流、搅拌状流的数据进行了细致分析，导出归一化的 相关方法，计算出各种典型流型下的相关速度，并与结合漂移模型的运动波速 度理论数值进行了对比与分析，得出了关于实验的结论。 第五章总结与建议对作者的工作进行了总结，并对课题的深入提出建议。 第二章e r t 系统的构成与实现 第二章e r t 系统的构成与实现 本章介绍了e r t 原理，以及e r t 系统的结构与各功能模块。比较了研制 的e r t 系列样机在功能模块上的区别，并着重描述了基于d s p 的e r t 系统各 功能模块的功能实现，包括整体控制策略以及激励单元、电极切换控制单元、 信号调理单元、以及d s p 内# t - 部中断的软件实现。 2 1e r t 系统的原理 2 1 1 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o ”，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 r t 工作原理图如下所示。 量局与鬻量电 柱依欢麓转 l i b 电曩 图2 - 1e r t 工作原理示意图 一6 一 第二章e r t 系统的构成与实现 以相邻激励检测模式为例。当激励电流如图上所示注入到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 内的电流源和电流汇的前提下啪1 ，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l ，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 p v ) = 0 在敏感场内 l 盯等击= + j 在电流注入电极 ( 2 1 ) l 一仃譬西= 一j 在电流引出电极 a 其中矗为边界上任一点的外法向量。 2 1 2 电阻层析成像系统的结构 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。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 系统构成如下所示。 图2 2 电阻层析成像系统构成 第二章e r t 系统的构成与实现 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。 1 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。正弦波信号的产 生，在系统样机最初的设计中，使用了一个基于e p r o m 的数字式波形发生器。 其原理是利用晶振进行分频，产生七级激励频率，送入装有两块正弦波相位信 息的e p r o m ( 相当于正余弦查找表) 中，确定频率和相位；然后经数模转换 器输出双极性正弦阶梯波，再对阶梯波进行低通滤波，便产生确定频率的正弦 波信号；幅值的产生则由电压基准芯片与模数转换器配合所产生的；这样生成 的正弦电压信号，经压控电流源( v c c s ) ，就可得到所需的激励电流信号”1 。 在此之后研制的样机，激励单元采用直接数字合成器( d d s ) 芯片进行信 号发生。这种芯片只需要很少的外围电路，可通过计算机控制，产生频率、幅 值、相位可调的正弦信号，再经过低通滤波和压控电流源( v c c s ) ，就可以得 到正弦激励信号“删。 正是由于d d s 的可控性和确定性，在双截面e r t 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。 2 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 i l s ，导通电阻小于1 0 0 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。 3 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”。 4 信号调理单元 第二章e r t 系统的构成与实现 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 波以及数模转换，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。在e r t - i 、i i 系统中采用开关解调的方式，之后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 u t t e r w o r t 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。 5 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。 本研究小组提出并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 r t 系统更好的完成在线测量“1 删。 6 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。 2 2 基于d s p 的e r t 系统结构与各功能模块的实现 2 2 1 基于d s p 的e r t 系统结构 由于原e r t 系统存在采集速度较慢的问题，而较新的双截面e r t 系统样 机也只能达到5 0 幅秒的数据采集速度( 激励频率4 0 k h z ) ，这样进行在线相关 第二章e r t 系统的构成与实现 速度测量的时候，当截面距离为1 0 c m 时，单个气泡速度大于2 5 m s 则不能被 相临两个截面的电极阵列所检测到，从而影响到测量结果的精度。而目前的激 励模式决定了，各个测量电压值并不是在同一时刻采集到的，较低的数据采集 速度便不能反映某一时刻敏感场内电阻率分布的准确情况。因此，提高数据采 集速度是e r t 技术向工业应用发展的关键。 数字信号处理器( d s p ) ，作为e r t 系统的核心，具有数字器件特有的稳 定性、可重复性、可大规模集成，特别是可编程性高和易于实现自适应处理等 特点。同时由于处理器工作时钟频率的不断提高，以及芯片内部外设的丰富， 其控制功能，数据处理功能都有极大的提高。由于e r t 系统需要采集大量的数 据，并且要经过复杂的在线运算，高速的d s p 便非常适合作为新系统的核心。 结合c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 等其他器件，则能有效 的提高其控制能力。 这套基于d s p 的e r t 系统采用模块化设计，由以下几部分构成( 如图2 - 3 ) ， 激励单元、电极切换控制单元、信号调理单元、d s p 模块、逻辑时序控制模块、 电源模块及自定义背板总线。 图2 - 3 基于d s p 的e r t 系统结构图 系统首先在d s p 模块控制下，激励单元产生正弦波电流激励信号，该信号 通过电极切换控制单元施加到某一电极对上，并从另一对电极上接收该激励信 号在敏感场中产生的电压信号，激励与接收电极对的选择均按激励模式所需， 由逻辑时序控制单元进行选通，采集到的电压信号送入信号调理单元，经过差 动放大、抗混叠滤波送入a d 转换器转换为数字信号，再传输到d s p 模块中， 第二章e r t 系统的构成与实现 对该信号进行处理，得到正弦波信号的电压峰值，该值被用于后续的算法分析 以及图像重建。系统各模块的初始化与工作均由d s p 模块控制，d s p 模块与系 统的接口通过逻辑时序控制模块，而整套系统的各种模拟数字信号以及电源、 地均由自定义系统总线和电源模块提供。 2 2 2 各功能模块的实现 2 2 2 1d s p 模块介绍”o d s p 芯片作为整个d s k 板级系统的核心，承担着大量的数据采集、处理和 系统控制工作。这里采用的是t i ( t e x a s i n s t r u m e n t ，德州仪器) 的t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 。 c 6 7 1 1 的芯片内部分为三大部分，即c p u ( d s p 内核) 、两级c a c h e 、片内外设。 芯片工作时钟频率为1 5 0 m h z ，采用哈佛总线结构，三级流水作业，c p u 处理 内核由8 个功能单元组成，包括两个专用硬件乘法器，其内部存储器结构采用 两级内部c a c h e ，峰值指令处理速度高达1 2 0 0 m i p s ，而且t m s 3 2 0 c 6 7 1 1 是浮 点d s p ，因此非常适于高精度的数字信号处理运算，具有极高的性价比。并且 可以通过1 1 提供的c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 软件开发环境开发底层硬件 驱动程序、烧写调试并进行在线仿真。 2 2 2 2 系统控制策略 在本系统中，通过地址译码电路，将各功能模块中的控制信号作为d s p 的 内存映射单元，应用外部存储器接口e m i f ( e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 的控制 信号，把整个系统视为异步r a m ，进行各功能单元控制信号的读写。 系统上电后，d s p 先根据设定的控制字对系统初始化，如d d s 芯片、a d 转换芯片的初始化，设定默认的有效电极板、电极通路、差动放大器的放大倍 数；初始化完毕后，d s p 跟据用户设置的正弦波参数写入d d s 的控制字，d d s 的输出正弦信号经过v c c s 后得到正弦电流信号：d s p 再按照一定的激励方式 选通电极对，电流激励信号通过该电极对，并得到响应电压信号；该电压信号 按照预置的放大倍率进行差分放大，经过带通滤波后进入中进行模数转换；d s p 通过读转换信号( r c ) 、片选信号( c s ) 、忙信号( b u s y ) 等信号实现对a d 转换器和接口电路的控制；a d 转换器把正弦电压信号，进行a d 转换后连续 送入d s p 片内的存储空间；在数据进入缓冲区后达到固定长度时，送内部中断 给d s p ，启动增强直接存储器存取( e d m a ) 中断服务程序，e d m a 将该地址 第二章e r t 系统的构成与实现 下的数据作为一个数据块搬运到系统使用的目标板上的同步动态存储器 ( s d r a m ) 中。另外在数据调理单元上还有一个过零检测电路，对进入a d 转换器的正弦波信号进行过零检测，在过零点向d s p 送出中断信号，这样在 d s p 获得数据转换结果后就可以根据该中断信号得到判断数据的零点，进而得 到其峰值，用于后续计算。 2 2 2 3 主要功能单元的实现 1 激励单元 在本系统的激励单元中，正弦波发生器为单元核心器件。本系统采用了使 用直接数字频率合成技术( d d s ) 的信号发生芯片，具有频率转换时间短、频 率分辨率高、输出相位连续、可编程、易于集成等优点。采用高性能的d s p 芯 片控制d d s ，可以较好地实现高精度的频率信号源。工作原理如图2 - 4 所示。 时钟参考源 血山甲乌可咿 相位累加器根据经查找表输 频警罄掣字塑出 出线性角度对 d a c 输出平滑滤波 线性角位移应正弦波幅值 图2 _ 4d d s 正弦波发生器工作原理 本系统采用的d d s 芯片包括以下四部分：数控振荡器n c o ( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) + 相位调制器，包括两个3 2 位频率选择寄存器，一个从0 到2 的相位累加器，和一个相位设置寄存器；正余弦查找表l u t ( l o o k u 口 t a b l e s ) ，使相位累加器的输出通过正余弦r o m 查找表的方式被转换为幅值信 号；两个i q ( h ap h a s ea n dq u a d r a t u r em o d u l a t o r ) 调制器，负责幅值调制，使 信号以正弦或余弦的形式输出；以及一个高阻抗、电流输出型的1 0 位数模转换 器。 d d s 芯片的工作原理如下所述： 由于正弦波d ( f ) = s i n ( 耐) ，其频率与输出幅值之间并非线性关系，但相位信 第二章e r t 系统的构成与实现 息与之却是线性关系的这是因为巧= 2 矿，则通过每个崮定时间的相位 舻础，这样就有万= 等= 2 ，其中厂为输出信号频率。设岗砒 则有厂= 垒坚2 血, t ，厂瓯麟为。s 芯片输入参考频率。 由于相位累加器为3 2 位，则0 到2 的相位对应连续时钟信号范围为 o 2 3 ：一l ，则公式变为厂：垒孥。这样在系统运行时，以设置 2 0 尼眈的输出频率为例，经计算有厂：d a 7 4 0 j d r x 6 一m h z ：2 0 k h z ，这样只要输 入频率控制字d a 7 4 0 d 则可选择相应的频率。1 2 相位寄存器的信息可以改变相 位西，即在控制字的基础上累加某个数值，进而起到改变相位的作用，其最小 步进角为氏h = 2 万2 ”；同时i q 调制器，可以用一个1 0 位寄存器设置输出 的幅值，分辨率为壶= 4 0 & 。这样，经过数模转换之后，便可得到任意频率 的下弦波信号。d d s 蕊g - 的软件流稗图如t 所示。 第二章e r t 系统的构成与实现 图2 - 5d d s 信号发生流程图 2 。电极切换控制单元 电极切换控制单元由电极阵列和逻辑控制两部分组成，其中电极阵列作为 整个e r t 系统的传感器部分，其灵敏度及精确度对整个系统的性能有着至关重 要的影响，而逻辑控制部分则由d s p 模块通过c p l d 的译码进行控制，结合对 a d 转换的控制，按照相邻激励模式的顺序对电极对进行激励和采集的选择。 在电极驱动电路、电极选通逻辑电路以及传感器电极的设计等方面都与之前的 e r t 系统相一致。 3 信号调理单元 这一部分负责把电极切换控制单元经过切换得到的正弦电压信号，进行差 分放大、带通滤波、过零检测，最后送入a d 转换器，按照d s p 模块的控制， 第二章e r r 系统的构成与实现 把转换的结果经过c p l d 传输到d s p 指定地址的内存中。系统的数据采集过程 如下图所示。 开嫱 、 j