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专利名称：非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法
技术领域：
本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法。
背景技术：
电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,简写为ECT)和电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography,简写为ERT)是当前过程层析成像领域研究相对较为成熟的两种电学层析成像技术。这两种技术分别适用于多相流检测领域不同的应用范围，ECT适用于连续相为非导电介质的测量，ERT适用于连续相为导电介质的测量。由于多相流复杂多变，常存在连续相的转换问题，例如在油水两相流中，当油较多作为连续相而水较少作为离散相时应采用ECT，当水增多变成连续相而油减少变成离散相时应采用ERT。此夕卜，二者在数学模型、电磁场的正问题和逆问题求解以及数据采集等方面有很大相似性。为扩大测量范围，国内外众多学者纷纷参与研究将ECT和ERT融合形成电容/电阻双模态层析成像系统(即ECT/ERT双模态系统)。现有的ECT/ERT双模态系统往往将两套独立的ECT和ERT装置进行组合，ECT和ERT的传感器电极分别安装在同一管道的不同截面，或者先将ECT、ERT的电极组合成复合电极然后再安装在管道内外表面上，而且不同模态的数据采集�？樾杌�于不同测量原理分别设计，实际测量时为避免不同工作原理的测量电路之间相互干扰，不同模态的数据采集�？橹荒芙惶婀ぷ鳎�这些双模态系统往往具有如下缺点:1)传感器电极的单独设计使测量空间的一致性难以得到保证，数据采集�？榈慕惶婀ぷ魇共饬渴奔涞囊恢滦阅岩缘玫奖Ｖぃ�故两个模态间测量的时 空一致性难以得到保证；2)其ERT的电极与管内流体接触，容易产生电极极化和电化学腐蚀问题，接触式的测量也限制了其在存在强酸、强碱等腐蚀性液体的工业生产过程中的应用；3)针对ECT、ERT两种模态需要设计不同的传感器电极和数据采集�？椋�系统结构较复杂。1980年，基于四电极结构的电容稱合非接触电导检测(Capacitively CoupledContactless Conductivity Detection,简写为 C4D)技术被首次提出。1998 年,Zemann 等和Fracassi da Silva等分别独立提出了基于两电极的C4D测量方法，将C4D技术进行了简化。在C4D技术中，电极无需与管内被测介质，便可测量两电极之间的电阻。这种非接触的电导(电阻)测量技术为实现非接触的ECT/ERT双模态系统提供了重要参考。本发明针对当前ECT/ERT双模态系统的发展现状，提出了一种新型的基于C4D原理的非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，通过相敏解调(PhaseSensitivity Demodulation,简写为PSD)的方法,在电极与被测介质非接触的情况下,只利用一套传感器和数据采集�？榫涂梢酝�时测出管内同一截面的介电常数分布和电导率分布，实现了 ECT/ERT双模态层析成像。通过传感器的一体化保证了测量空间的一致性，数据采集模块的一体化保证了测量时间的一致性，从而保证了双模态测量时间和空间的一致性，而且非接触的测量避免了传统接触式双模态测量的电极极化和化学腐蚀问题，简化了双模态系统的结构，拓宽了 ECT/ERT双模态技术的应用范围。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用范围更广，可以确保ECT、ERT两种模态测量的时空一致性，并且可避免电极极化、电极腐蚀的非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像测量装置及方法。非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置包括相连接的传感器、数据采集�？楹屯枷裰亟�计算机；传感器由绝缘管道和等间距地环绕在绝缘管道外表面的多个矩形金属电极组成，数据采集�？橛芍苯邮�字式频率合成器单元、多个相敏解调单元和控制与通讯单元组成，多个相敏解调单元与多个矩形金属电极一一对应相连，多个相敏解调单元中的任意一个与直接数字式频率合成器单元连接组成测量�？椋�并通过排线与多个相敏解调单元中的其余相敏解调单元相连，多个相敏解调单元的输出端口通过排线和控制与通讯单元相连接，控制与通讯单元通过USB接口与图像重建计算机相连；测量�？榘�括直接数字式频率合成器单元、电极接口、第一电子开关、电流/电压转换电路、第一乘法器U2'第二乘法器U3、第一放大电路、第二放大电路、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第二电子开关、通用逻辑阵列 、控制总线和数据总线；电流/电压转换电路由运放U1和电阻&组成,第一放大电路由电阻R1、电阻R2和运放U4组成，第二放大电路由电阻R3、电阻R4和运放U5组成，第一低通滤波电路由电阻R5和电容C1组成，第二低通滤波电路由电阻R6和电容C2组成；直接数字式频率合成器单元用来产生0°正弦信号VMf(l的第一端口与第一电子开关的第一端口和第一乘法器U2的第一输入端口连接，直接数字式频率合成器单元用来产生与0°正弦信号VMf(l同频的90°正弦信号Vraf9tl的第二端口与第二乘法器U3的第一输入端口连接，第一电子开关的第二端口与电极接口连接，第一电子开关的第三端口与运放U1的反向输入端和电阻Rf的一端连接，运放U1的同相输入端接地，运放U1的输出端与电阻Rf的另一端、第一乘法器U2的第二输入端口、第二乘法器U3的第二输入端口连接,第一乘法器U2的输出端与电阻R1的一端连接，电阻R1的另一端分别与运放U4的反向输入端和电阻R2的一端连接，运放U4的同相输入端接地，运放U4的输出端与电阻R2的另一端以及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与电容C1的一端以及第二电子开关的第一输入端口连接，电容C1的另一端接地，第二乘法器U3的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与运放仏的反向输入端和电阻R4的一端连接，运放U5的同相输入端接地，运放U5的输出端与电阻&的另一端以及电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与电容C2的一端以及第二电子开关的第二输入端口连接，电容C2的另一端接地，第二电子开关的第三端口与数据总线连接，第一电子开关的控制端口和第二电子开关的控制端口分别与通用逻辑阵列的输出端口连接，通用逻辑阵列的输入端口与控制总线连接，控制总线上的控制信号利用通用逻辑阵列控制第一电子开关和第二电子开关的开关状态。所述的多个矩形金属电极为12个矩形金属电极，多个相敏解调单元为12个相敏
解调单元。非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量方法是:非接触式一体化电容/电阻双模态系统的12个矩形金属电极中任意两电极之间的等效电容和等效电阻是通过相敏解调方式测量的；首先将第一相敏解调单元作为激励端，其余十一个相敏解调单元依次作为检测端，先测量第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻，当绝缘管道内多相流体连续相为非导电流体时，传感器工作在电容层析成像模态，12个矩形金属电极中任意两电极之间会形成耦合电容；当绝缘管道内多相流体连续相为导电流体时，传感器工作在电阻层析成像模态，12个矩形金属电极中任意一个电极与绝缘管道内导电流体之间都会形成耦合电容，故无论传感器工作在电容层析成像模态还是电阻层析成像模态，都会形成耦合电容，能将直接数字式频率合成器单元第一端口输出的0°正弦电压信号VMf(l经激励端耦合到绝缘管道内，0°正弦电压信号Vreftl流经装载有多相流体的绝缘管道后形成电流信号，传递到作为检测端的第二相敏解调单元上，在第二相敏解调单元上先经过电流/电压转换电路转换成电压信号U，Vrat分别与直接数字式频率合成器单元产生的同频的0°正弦电压信号Vreftl和90°正弦电压信号VMf9(l进行相敏解调运算，测量第二相敏解调单元的第一低通滤波电路输出端的直流电压Vtl和第二低通滤波电路输出端的直流电压V9tl，用如下公式计算第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻:
权利要求
1.一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置，其特征在于包括相连接的传感器(I)、数据采集�？�(7)和图像重建计算机(8);传感器(I)由绝缘管道(2)和等间距地环绕在绝缘管道(2 )外表面的多个矩形金属电极(3 )组成，数据采集�？�(7 )由直接数字式频率合成器单元(5)、多个相敏解调单元(4)和控制与通讯单元(6)组成，多个相敏解调单元(4)与多个矩形金属电极(3)—一对应相连，多个相敏解调单元(4)中的任意一个与直接数字式频率合成器单元(5)连接组成测量�？椋�并通过排线与多个相敏解调单元(4)中的其余相敏解调单元相连，多个相敏解调单元(4)的输出端口通过排线和控制与通讯单元(6)相连接，控制与通讯单元(6)通过USB接口与图像重建计算机(8)相连；测量模块包括直接数字式频率合成器单元(5)、电极接口、第一电子开关、电流/电压转换电路、第一乘法器U2、第二乘法器U3、第一放大电路、第二放大电路、第一低通滤波电路、第二低通滤波电路、第二电子开关、通用逻辑阵列、控制总线和数据总线；电流/电压转换电路由运放U1和电阻Rf组成，第一放大电路由电阻R1、电阻R2和运放U4组成，第二放大电路由电阻R3、电阻R4和运放U5组成，第一低通滤波电路由电阻R5和电容C1组成，第二低通滤波电路由电阻R6和电容C2组成；直接数字式频率合成器单元(5)用来产生0°正弦信号VMf(l的第一端口与第一电子开关的第一端口和第一乘法器U2的第一输入端口连接，直接数字式频率合成器单兀(5)用来产生与0°正弦信号VMf(!同频的90°正弦信号VMf9(!的第二端口与第二乘法器U3的第一输入端口连接，第一电子开关的第二端口与电极接口连接，第一电子开关的第三端口与运放U1的反向输入端和电阻Rf的一端连接，运放U1的同相输入端接地，运放U1的输出端与电阻Rf的另一端、第一乘 法器U2的第二输入端口、第二乘法器U3的第二输入端口连接，第一乘法器U2的输出端与电阻札的一端连接，电阻R1的另一端分别与运放U4的反向输入端和电阻R2的一端连接，运放U4的同相输入端接地，运放U4的输出端与电阻R2的另一端以及电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端分别与电容C1的一端以及第二电子开关的第一输入端口连接，电容C1的另一端接地，第二乘法器U3的输出端与电阻R3的一端连接，电阻R3的另一端分别与运放U5的反向输入端和电阻R4的一端连接，运放U5的同相输入端接地，运放U5的输出端与电阻R4的另一端以及电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端分别与电容C2的一端以及第二电子开关的第二输入端口连接，电容C2的另一端接地，第二电子开关的第三端口与数据总线连接，第一电子开关的控制端口和第二电子开关的控制端口分别与通用逻辑阵列的输出端口连接，通用逻辑阵列的输入端口与控制总线连接，控制总线上的控制信号利用通用逻辑阵列控制第一电子开关和第二电子开关的开关状态。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置，其特征在于所述的多个矩形金属电极(3)为12个矩形金属电极(3)，多个相敏解调单元(4)为12个相敏解调单元(4)。
3.一种使用如权利要求2所述装置的非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量方法，其特征在于:非接触式一体化电容/电阻双模态系统的12个矩形金属电极(3)中任意两电极之间的等效电容和等效电阻是通过相敏解调方式测量的；首先将第一相敏解调单元作为激励端，其余十一个相敏解调单元依次作为检测端，先测量第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻，当绝缘管道(2)内多相流体连续相为非导电流体时，传感器(I)工作在电容层析成像模态，12个矩形金属电极(3)中任意两电极之间会形成耦合电容；当绝缘管道(2)内多相流体连续相为导电流体时，传感器(I)工作在电阻层析成像模态，12个矩形金属电极(3)中任意一个电极与绝缘管道(2)内导电流体之间都会形成耦合电容，故无论传感器(I)工作在电容层析成像模态还是电阻层析成像模态，都会形成耦合电容，能将直接数字式频率合成器单元(5)第一端口输出的0°正弦电压信号Vreftl经激励端耦合到绝缘管道(2)内，O°正弦电压信号VMf(l流经装载有多相流体的绝缘管道(2)后形成电流信号，传递到作为检测端的第二相敏解调单元上，在第二相敏解调单元上先经过电流/电压转换电路转换成电压信号Vrat, Vrat分别与直接数字式频率合成器单元(5)产生的同频的0°正弦电压信号VMf(l和90°正弦电压信号Vmkci进行相敏解调运算，测量第二相敏解调单元的第一低通滤波电路输出端的直流电压Vtl和第二低通滤波电路输出端的直流电压V9tl，用如下公式计算第一相敏解调单元对应电极和第二相敏解调单元对应电极之间的等效电容和等效电阻:
全文摘要
本发明公开了一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，它包括相连接的传感器、数据采集模块和图像重建计算机；传感器由绝缘管道和等间距环绕在绝缘管道外表面的矩形金属电极组成；数据采集�？榘�括直接数字式频率合成器(DDS)单元、相敏解调(PSD)单元和控制与通讯单元；每个PSD单元都分别与相应矩形金属电极连接，其中任意一个PSD单元与DDS单元相连，并通过排线与其余PSD单元并接，然后再和控制与通讯单元相连。本发明通过传感器的一体化保证测量空间的一致性，数据采集�？榈囊惶寤�保证测量时间的一致性，而且非接触式测量有效克服了传统接触式测量存在的电极极化、腐蚀问题。
文档编号G01N27/22GK103235013SQ20131009730
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月25日 优先权日2013年3月25日
发明者王保良, 龚和, 冀海峰, 黄志尧, 李海青 申请人:浙江大学