技术领域
[0001] 本
发明涉及两相流
流体检测技术，尤其涉及一种非接触式
电阻抗成像装置及方法。
背景技术
[0002]
气液两相流在石化、
能源、动
力、航空航天、环保和军工等众多工业领域中有着十分广泛和重要的应用。动态监测其流动过程对于气液两相流的机理研究以及相应工业应用系统的可靠运行、节能增效、
质量控制和自动化
水平提高等均具有重要意义。
[0003]
电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,ERT)是一种重要的电学过程成像技术。该技术基于电阻/电导传感机理，可非侵入性地获取导电气液两相流介质二维/三维空间分布信息，并具有安全、实时性能佳和成本低等优点。经过多年的发展，目前ERT已成为工业
过程层析成像领域中的主流技术之一，并已展示出它在解决两相/
多相流系统监测和参数测量方面的巨大潜力。
[0004] 遗憾的是，由于技术发展水平的限制，现有的各种ERT系统的性能还未能满足气液两相流领域日益增长的测量需求，仍有不少工程和科学问题需要进一步研究和探索。目前大多数ERT系统是基于接触式电导测量，相应阵列式
传感器的各个测量
电极是穿过绝缘管道与管道内被测气液两相流体直接接触的，易发生电极极化效应和电化学
腐蚀等问题，在环境恶劣的应用场合常常出现由于电极粘污从而影响测量性能的情况。因此，有必要寻求一种非接触式测量方式以解决这一工程实际问题。
[0005] 针对ERT技术的现状，已有
专利(非接触式电阻层析成像
数据采集装置及方法，专利公开号：CN102323302A)提出了一种非接触式电阻层析成像数据采集装置及方法。该专利结合
电容耦合式非接触电导检测技术，并利用模拟相敏解调技术，实现了ERT技术的非触式测量。其
测量电极安装在管道外壁，不与被测流体直接接触，因此有效地克服了电极极化和电化学腐蚀等问题。
[0006] 然而，作为一种新技术，这种非接触式电阻层析成像技术的成像效果和测量性能还不尽人意，仍有待提高。一方面，两个耦合电容的存在虽然使非接触测量成为了可能，但是从电阻测量
角度来看，其容抗是背景
信号，限制了电导/电阻测量的灵敏度，降低了系统的
信噪比。另一方面，现有各种ERT(包括非接触式电阻层析成像技术)的测量基点均是基于电导测量，即仅利用被测流体电阻抗信号中的
实部信号或简单地将电阻抗幅值信号视为反映气液两相流等效电导的信息并进行分析和处理，而对于气液两相流电阻抗信号中的
虚部信号(电抗信号)未给予足够重视和充分利用。气液两相流为一种混合流体，其完整的电阻抗信号包括幅值信号、实部信号(一般对应于气液两相流等效电导/电阻信号)和虚部信号电抗(对于气液两相流而言主要为容抗，已有研究表明它与气液两相流的气相/气泡含率及其分布密切相关，也包含了反映气液两相流流动特性的丰富信息)。现有ERT系统忽视气液两相流电阻抗虚部信息，不可避免地将导致气液两相流流动特征信息提取的不完备性，相应的成像效果和参数测量性能受到制约。
[0007] 本发明针对当前电阻层析成像的发展现状，提出了一种非接触式电阻抗层析成像装置及方法。通过采用阻抗相消技术、模拟电感技术和数字相敏解调技术，克服耦合电容对测量带来的影响，并获取被测流体(气液两相流)完整的电阻抗信息(实部、虚部和幅值)。相比于过去的电阻层析成像系统，新系统的测量性能和信噪比得到了提升，同时利用被测流体完整的电阻抗信息进行图像重建，提高系统的成像效果和参数测量性能。
发明内容
[0008] 本发明的目的是克服
现有技术的不足，提供一种新型的非接触式电阻抗层析成像装置和方法。具体技术方案如下：
[0009] 非接触式电阻抗层析成像装置包括绝缘测量管道、非接触阵列式电阻抗传感器、激励与检测单元、
信号处理与数据采集单元和图像重建计算机。N
块金属电极安装在绝缘测量管道外壁上，构成非接触阵列式电阻抗传感器，每一块金属电极通过金属
导线与相应的激励与检测单元相连接，N组激励与检测单元和信号处理与数据采集单元通过柔性排线相连接，信号处理与数据采集单元通过USB数据线和图像重建计算机相连接。
[0010] 进一步的，所述的激励与检测单元的结构包括模拟电感模块、
电流-
电压(I/V)转换模块、高速
电子开关和通用阵列逻辑(GAL)。其连接关系为：电子开关S2的一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于接收
激励信号，另一端与电子开关S0和S1的一端分别相连接。电子开关S0的另一端接地，电子开关S1的另一端与电极和电子开关S3的一端分别相连接，电子开关S3的另一端与模拟电感模块的输入端相连接。模拟电感的输出端与I/V转换器的输入端相连接，I/V转换器的输出端与电子开关S4的一端相连接，电子开关S4的另一端与信号处理与数据采集单元相连接，用于传递检测信号。电子开关S0/S1/S2/S3和S4均收到由通用阵列逻辑(GAL)设计的译码器控制。
[0011] 进一步的，当所述高速电子开关的开关S1和开关S2闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在激励模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为激励电极；当所述高速电子开关的开关S0、S3和S4闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在检测模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极为检测电极；当所述高速电子开关的开关S0闭合，其他开关打开时，激励与检测单元(3)工作在空闲模式，此时，激励与检测单元(3)所连接的电极既不是激励电极，也不是检测电极。
[0012] 进一步的，所述的激励与检测单元中，所包含的模拟电感模块的结构为：第一
运算放大器的正相输入端为虚拟电感模块的输入端，检测电极、第三电阻的一端与第一
运算放大器的正相输入端相连，第一电阻、第一电容及第六电阻的一端与第一运算放大器的
反相输入端相连，第一电容的另一端、第二电阻的一端、第六电阻的另一端分别与第一运算放大器的输出端相连，第二运算放大器的正相输入端与第一运算放大器的正相输入端相连，第二电阻的另一端、第五电阻的一端与第二运算放大器的反相输入端相连，第二运算放大器的输出端通过
串联的第四电阻、第三电阻与第二运算放大器的正相输入端相连，第五电阻的另一端与第二运算放大器的输出端相连，第一电阻的另一端与信号处理与通讯模块中电流-电压转换
电路的运算放大器的反相端相连，作为模拟电感模块的输出端。所述模拟电感模块的等效电感值为 Leq值通过调节R3的值进行改变；等效内阻值为调节R6足够大，则模拟电感等效内阻的影响可以忽略不计。
[0013] 所述的信号处理与数据采集单元包括
数字信号处理器(DSP)、现场可编程
门阵列(FPGA)、
数模转换器(DAC)和
模数转换器(ADC)、通用
串行总线(USB)芯片以及一些外围辅助的模拟电路等，其连接关系为：DSP芯片与FPGA芯片和USB芯片通过控制总线和
数据总线相连接，以完成数据信号和
控制信号的传递与交互。FPGA芯片与高速DAC芯片的输入端、ADC芯片的输出端通过数据总线相连接。DAC芯片的输出端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接，ADC芯片的输入端通过柔性排线与N组激励与检测单元相连接。USB芯片与图像重建计算机相连接。
[0014] 所述装置的电阻抗测量原理为：将绝缘测量管道(1)内的被测流体(气液两相流)等效为电阻抗Zx，则等效电路为Zx与耦合电容C1、C2的串联。利用模拟电感技术构造电感模块，。根据阻抗相消原理，在特定的激励
频率下，电感模块的感抗消除掉耦合电容的容抗，使整个测量回路只剩下待测电阻抗Zx。利用数字相敏解调(DPSD)技术，获取被测流体(气液两相流)完整的电阻抗信息(包括实部、虚部和幅值)。
[0015] 该电阻抗测量原理的具体步骤如下：
[0016] 1)信号处理与数据采集单元(4)中的
现场可编程门阵列(FPGA)，在接受到
数字信号处理器(DSP)的信号后，向激励与检测单元(3)发送电极选择控制信号，通过柔性排线送至激励与检测单元(3)，选中1号电极作为激励电极，2号电极作为检测电极。
[0017] 2)FPGA内部的数字式频率合成器(DDS)模块辅以
数模转换器(DAC)产生特定频率f的正弦激励信号，施加在相应的激励电极上。该状态下激励电极与绝缘测量管道(1)内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C1，绝缘测量管道(1)内两个电极间的气液两相流体电阻抗Zx，检测电极与绝缘测量管道(1)内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C2，模拟电感模块的等效电感Leq构成交流测量通路。此时，交流测量通路的总阻抗为[0018] 3)根据阻抗相消原理，当激励频率 时，模拟电感模块等效电感Leq的感抗可消除耦合电容C1、C2的容抗，即 此时，交流测量通路的等
效阻抗可表示为：Z＝Zx+req。
[0019] 4)被测信号经过I/V转换模块后，转换成正弦电压信号Vout(t)。该信号经过信号处理与数据采集单元(4)中的模数转换器(ADC)转换成离散化的电压信号后，送入FPGA中的数字相敏解调模块进行信号解调，获取同相分量VI和
正交分量VQ。至此，一
对电极对的电阻抗测量过程结束。
[0020] 5)接下来，进行循环测量。重复1)至4)的步骤。其中步骤1)中选择另一电极对进行测量，获取该电极对的同相分量VI和
正交分量VQ，如此循环直至所有的电极对的电阻抗测量过程均结束，得到N(N-1)/2组解调结果VI和VQ；N为电极的总数；
[0021] 6)将N(N-1)/2组解调结果通过USB传输至图像重建计算机(5)，计算得到N(N-1)/2组绝缘测量管道(1)内流体的完整电阻抗信息，每组包括电阻抗的实部、虚部和幅值。
[0022] 进一步的，所述的步骤4)具体为：
[0023] 检测电极流出的交流电流，经过I/V转换模块转化为交流电压，该电压经过ADC芯片离散
采样后，送入数字相敏解调模块后分解为同相分量VI和正交分量VQ，根据和VI和VQ，计算被测电阻抗的实部、虚部和幅值。
[0024] 假设激励信号Vin(t)为：
[0025] Vin(t)＝Ainsin(2πft)
[0026] 其中，Ain和f分别是激励信号的幅值和频率。
[0027] 被检测的电阻抗Zx为：
[0028] Zx＝Rx+jIx
[0029] 其中，Rx和Ix分别是被测电阻抗的实部和虚部，则电阻抗的幅值为j是虚数单位。
[0030] 经过I/V转换模块之后的交流电压信号Vout(t)为：
[0031]
[0032] 其中Aout和θ分别为检测信号的幅值和相角，Rf是I/V转换模块中的反馈电阻。
[0033] 该信号通过ADC芯片可以转换为数字信号Vout(n)为：
[0034]
[0035] 式中，N为正弦信号每个周期的采样点数，n＝0,1,2…,N-1。
[0036] 同相参考信号为：
[0037]
[0038] 正交参考信号为：
[0039]
[0040] 式中，B1和B2分别为两路参考信号的幅值，将参考信号Vsin(n)和Vcos(n)分别与Vout(n)进行乘法累加计算，得到
[0041]
[0042]
[0043] 由上述两式得到
[0044]
[0045]
[0046] 通过幅值Aout和
相位θ可以推算出被测流体的电阻抗的实部和虚部为：
[0047]
[0048]
[0049] 则电阻抗的幅值为：
[0050]
[0051] 本发明还提出一种基于所述非接触电阻抗层析成像装置的电阻抗层析成像方法，其具体步骤如下：
[0052] 1)利用非接触电阻抗层析成像装置，获得66组绝缘测量管道内气液两相流体的完整电阻抗(电阻抗的实部、虚部和幅值)信息。
[0053] 2)利用电阻抗的三部分信息，在相应的灵敏场下，利用线性反投影(LBP)
算法分别建立基于电阻抗实部、基于电阻抗虚部和基于电阻抗幅值的初始灰度图像，即，得到三组M*1维的灰度值矩阵FR(实部)、FI(虚部)和FA(幅部)，M是图像的
像素个数。
[0054] 3)利用三个灰度值矩阵，提取特征，组成M个
特征向量，即：
[0055] Vm＝[fRm,fIm,fAm]T,m＝1,2,…,M.
[0056] 其中，fRm、fIm和fAm分别是灰度值矩阵FR、FI和FA中的第m个像素的灰度值。每一个像素点m对应一个特征向量Vm。
[0057] 4)利用K-means算法，对M个特征向量进行聚类计算，具体步骤如下：
[0058] a)针对有M个样本的样本集{V1,V2,…,Vm,…,VM}，根据经验，选择样本分类数为2，即聚成两类。
[0059] b)给定初始聚类中心c1和c2，分别选择样本集中二范数值最大和最小的特征向量作为初始聚类中心，即：
[0060]
[0061]
[0062] 其中，
[0063] c)计算每个样本与聚类中心的距离，本发明采用欧氏距离，即：
[0064]
[0065] D2m＝‖Vm-c2‖2,m＝1,2,…,M.
[0066] 采用与聚类中心距离最小准则，将样本划分到两个聚类簇中。
[0067] d)计算获得新的聚类中心，更新聚类中心c1和c2的值。本发明使用每一类中所有样本的均值作为新的聚类中心，即：
[0068]
[0069] 其中，Ki是被划分至第i类中的样本个数，Vk是被划分至第i类中的样本，二者随着步骤c)的进行不断更新。
[0070] e)计算聚类准则函数，判断是否终止
迭代。本发明采用误差平方和准则函数Jc最小化为目标，即：
[0071]
[0072] 其中，Ki是被划分至第i类中的样本个数，Vk是被划分至第i类中的样本。
[0073] 重复c)至e)步骤，当Jc达到最小值时，停止迭代。
[0074] f)输出此时的聚类中心c1和c2。
[0075] 5)利用聚类中心，结合经验设定灰度值
阈值，确定最终图像的灰度值矩阵F，进而获得反映气液两相流相介质分布的最终重建图像。具体步骤为：
[0076] a)利用步骤4)获得聚类中心c1和c2。
[0077] b)选择c1、c2中二范数小的作为阈值，即：
[0078] thre＝min‖c1‖2,‖c2‖2)
[0079] c)进行判断，如果第m个像素点所对应的特征向量Vm的二范数小于等于阈值，则将第m个像素的灰度值设置为0；否则设置为1，即：
[0080]
[0081] 灰度值为0代表液相分布，灰度值为1代表气相分布。
[0082] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0083] 1)与传统的电阻层析成像技术相比，非接触阵列式电阻抗传感器结构简单，实现了非接触测量，避免了电极极化和电化学腐蚀等问题；
[0084] 2)与非接触式电阻层析成像技术(专利CN102323302A)相比，本发明引入串联电感阻抗相消技术，克服了耦合电容的不利影响，提高了系统的测量性能和信噪比。同时，本发明利用模拟电感技术，成功构造了电感模块，有效地代替了原有的实际电感，具有电感值可调、内阻小、易实现大电感值电感等优点。
[0085] 3)与非接触式电阻层析成像技术(专利CN102323302A)相比，本发明引入数字相敏解调(DPSD)技术，可有效获取被测流体(气液两相流)的完整电阻抗信息(实部、虚部和幅值)。并且系统结构大大简化，数据采集速度和信号处理速度得到提高，运算结果准确性提高。
[0086] 4)与传统的电阻层析成像技术相比，本发明使用被测流体(气液两相流)的完整电阻抗信息(实部、虚部和幅值)而不仅仅使用电阻(电阻抗的实部)信息进行图像重建。系统的成像效果和参数测量性能得以提高。
附图说明
[0087] 图1是非接触式电阻抗层析成像装置的结构示意图(以12块电极为例)；
[0088] 图2是信号处理与数据采集单元结构示意图；
[0089] 图3是激励与检测单元的结构示意图；
[0090] 图4是模拟电感模块和I/V转换模块示意图；
[0091] 图5是非接触阵列式电阻抗传感器中测量电极对的等效电路模型示意图；
[0092] 图6是本发明非接触式电阻抗测量回路的等效电路图；
[0093] 图7是基于非接触电阻抗层析成像装置的电阻抗层析成像方法
流程图。
[0094] 图8是实验效果图像；
[0095] 图中：绝缘测量管壁1，非接触阵列式电阻抗传感器2，激励与检测单元3，信号处理与数据采集单元4，图像重建计算机5。
具体实施方式
[0096] 如图1所示，N块金属电极安装在绝缘测量管道1外壁上，构成非接触阵列式电阻抗传感器2，每一块金属电极通过金属导线与相应的激励与检测单元3相连接，N组激励与检测单元3和信号处理与数据采集单元4通过柔性排线相连接，信号处理与数据采集单元4通过
通用串行总线(USB)数据线和图像重建计算机5相连接。
[0097] 如图2所示，信号处理与通讯模块由DSP、FPGA、DAC、ADC和USB通讯模块组成。DSP芯片是整个模块的控制核心，控制整个信号处理与通讯模块的工作过程和数据通讯；FPGA芯片负责产生激励信号、发送控制信号、接受数据、进行数字相敏解调计算；DAC芯片负责辅助FPGA芯片产生正弦激励信号；ADC芯片负责对检测信号的数字化采样；USB通讯模块负责将运算结果传送至微型计算机中。
[0098] 如图3所示，激励与检测单元3有三种工作状态，分别为激励模式、检测模式和空闲模式，分别为：
[0099] 1)激励模式：当所连接的电极为激励电极时，开关S1和S2闭合，其他开关打开，激励与检测单元3工作在激励模式。此时，正弦激励电压信号施加在检测电极上。
[0100] 2)检测模式：当所连接的电极为检测电极时，开关S0、S3和S4闭合，其他开关打开，激励与检测单元3工作在检测模式。此时，从检测电极传来的检测电流通过模拟电感模块和I/V转换模块，转换成电压信号后，通过柔性排线传输至信号处理与数据采集单元(4)。
[0101] 3)空闲模式：当所连接的电极既不是激励电极，也不是检测电极时，开关S0闭合，其他开关打开，激励与检测单元3工作在空闲模式。
[0102] 如图4所示，所述的模拟电感模块的电路结构为：第一运算放大器A1的正相输入端为模拟电感模块的输入端，检测电极3、第三电阻R3的一端与第一运算放大器A1的正相输入端相连，第一电阻R1、第一电容C1及第六电阻R6的一端与第一运算放大器A1的反相输入端相连，第一电容C1的另一端、第二电阻R2的一端、第六电阻R6的另一端分别与第一运算放大器A1的输出端相连，第二运算放大器A2的正相输入端与第一运算放大器A1的正相输入端相连，第二电阻R2的另一端、第五电阻R5的一端与第二运算放大器A2的反相输入端相连，第二运算放大器A2的输出端通过串联的第四电阻R4、第三电阻R3与第二运算放大器A2的正相输入端相连，第五电阻R5的另一端与第二运算放大器A2的输出端相连，第一电阻R1的另一端与I/V转换模块的运算放大器A3的反相端相连，作为模拟电感模块的输出端。经推导计算，模拟电感的等效电感值为 通过调节第三电阻R3的阻值来改变模拟电感的等效电感值的大小。
[0103] 如图5所示，当绝缘测量管道内为气液两相流时，在交流激励信号作用下，非接触阵列式电阻抗传感器中测量电极对的等效电路模型为，激励电极与绝缘管道内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C1，绝缘管道内两个电极间的气液两相流体可以等效成电阻抗Zx，检测电极与绝缘管道内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C2，三者构成串联交流测量通路。
[0104] 如图6所示，非接触式电阻抗测量回路的等效电路图为：激励电极与绝缘管道内的气液两相流体通过管壁形成耦合电容C1与绝缘管道内两个电极间的气液两相流体可以等效成电阻抗Zx的一端相连，等效成电阻抗Zx的另一端与检测电极与绝缘管道内的导电流体通过的管壁形成耦合电容C2的一端相连，耦合电容C2的另一端与模拟电感模块的输入端相连，模拟电感模块的输出端将反映气液两相流体的等效电阻抗的电流信号输出到I/V转换模块。在阻抗相消状态下(即： )，整个测量回路的等效电路可进一步简化为Zx。
[0105] 气液两相流体电阻抗测量方法的步骤如下：对于绝缘测量管道内的气液两相流体，其测量回路的等效阻抗为 其中，f为激励信号的频率，Zx为电极对之间的气液两相流体的等效电阻抗，Leq为模拟电感模块的电感值，C1为激励电极和管道中气液两相流体经过绝缘管道所形成的耦合电容，C2为检测电极和管道中气液两相流体所形成的耦合电容。其中气液两相流体的等效电阻抗为待检测的值，耦合电容C1和C2为干扰测量的背景信号。实际操作中，可以先设定信号处理与通讯模块产生的正弦激励信号的频率，而后改变虚拟电感模块的电感值，使模拟电感模块的电感值为或者先设定虚拟电感模块的电感值，而后改变信号处理与通讯模块产
生的正弦激励信号的频率，使激励信号的频率为 在上述两种情况下，
电感模块产生的感抗与耦合电容产生的容抗相互抵消，检测电路的等效阻抗即为绝缘管道内导电流体的等效阻抗，Z＝Zx+req；
[0106] 利用该装置和方法测N(N-1)/2组电阻抗的流程为：信号处理与数据采集单元4产生开关控制信号传送至激励与检测单元3，选择相应的激励电极与检测电极。信号处理与数据采集单元4产生特定频率的正弦激励信号施加在激励电极上，在检测电极得到的电流信号经过模拟电感模块和I/V转换模块变成电压信号。该电压信号被送入信号处理与数据采集单元4经过AD转换后进行数字相敏解调。经循环采样后，N(N-1)/2组解调结果通过USB数据线传输至图像重建计算机，图像重建计算机通过上位机接收数据，进行
数据处理和图像重建。
[0107] 如图7所示，一种基于非接触电阻抗层析成像装置的电阻抗层析成像方法流程图，其具体步骤如下：
[0108] 1)利用如
权利要求5中所述的电阻抗测量方法，获得66组绝缘测量管道(1)内气液两相流体的完整电阻抗(电阻抗的实部、虚部和幅值)信息。
[0109] 2)利用电阻抗的三部分信息，在相应的灵敏场下，利用线性反投影(LBP)算法分别建立基于电阻抗实部、基于电阻抗虚部和基于电阻抗幅值的初始灰度图像，即，得到三组M*1维的灰度值矩阵FR(实部)、FI(虚部)和FA(幅部)，M是图像的像素个数。
[0110] 3)利用三个灰度值矩阵，提取特征，组成M个特征向量。
[0111] 4)利用K-means算法，对M个特征向量进行聚类计算，获得每一类的聚类中心。
[0112] 5)利用聚类中心，结合经验设定灰度值阈值，确定最终图像的灰度值矩阵F，进而获得反映气液两相流相介质分布的最终重建图像。
[0113] 相关的实验结果图如图8所示。在“真实分布”一行中，黑色代表介质电导率为0μS/cm，相对
介电常数为1。白色代表介质电导率为100μS/cm，相对介电常数为78。在“三幅初始图像(由LBP算法获得)”一行中，三幅初始重建图像分别是利用由所述的非接触式电阻抗层析成像装置获得的被测流体(气液两相流)电阻抗的实部、虚部和幅值三部分信息，由线性反投影算法获得的初始图像。在“最终重建图像”一行中，该图像是由所述的电阻抗层析成像方法所获得的最终重建图像。
