專利名稱：一種新型的多模態自適應傳感器系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及兩相流測量技術領域，特別是涉及一種新型的多模態自適應傳感器系 統。
背景技術：
兩相流動體系在自然界和工業生產過程中廣泛存在。例如，自然界的大漠揚砂，江 河中的泥砂俱下，以及空中煙塵彌散、雨雹交浸等都是與人類生活有關的兩相流現象。在工 業生產中，常見的兩相流主要有氣/液、氣/固、液/固、液/液兩相流幾種。如工業發電、 冶煉過程中燃燒用煤粉的輸送與噴吹就是典型的氣/固兩相流；石油開采過程中的油/氣 /水流就是氣/液兩相流，也稱作三組份流；奶加工過程中牛奶和水被稱作液/液兩相流； 制陶過程中泥漿和水被稱作液/固兩相流；同時許多化工過程中也都存在氣/液兩相流體。 兩相流系統是一個復雜的非線性動態系統，其參數檢測的難度較大，在很多情況下，兩相流 參數檢測技術已成為兩相流研究的一個制約性因素，因此，有關兩相流的研究目前已成為 國內外給予極大關注的前沿學科。描述兩相流動參數除描述單相流動的參數如速度、壓力降、流量、溫度等，還要增 加一些新的參數。常用的兩相流參數主要包括(1)流型，又稱流態，即流體流動的形式或 結構；(2)分相含率，在氣液兩相流中，分相含率又稱為空隙率或含氣率；在氣固兩相流中， 分相含率又稱空隙度、含固率或濃度；(3)速度，由于兩相流動中空間存在相對速度，所以 除了以混和流體的平均速度描述外，還必須采用分相流速來表示；(4)流量，根據采用單位 制不同，可以用容積流量或質量流量等表示。對于各相流量，可用分相容積流量、分相質量 流量描述。對于兩相混合物的流量，可用平均容積流量和平均質量流量各種參數來描述； (5)密度，在兩相流動中，混合物的平均密度也是一個常用參數，可以由各相密度和分相含 率計算求得；(6)壓力降，壓力降也是兩相流動中的一個基本參數。兩相流混合體流動產生 的壓力降是兩相流系統工程應用必須考慮的因素，它的理論計算和在線測量對多相流系統 的應用和參數檢測有重要作用。上述主要參數中，流型、分相含率和流量是三個最重要同時 也是難以測量的參數。因此，這三個參數的測量一直是兩相流檢測技術研究的重點。目前國內外兩相流檢測所采用的技術線路大致可分為三大類1)運用傳統的單 相流檢測技術及儀表實現兩相流測量。例如，將差壓、渦輪、渦街、靶式、容積、超聲波、電磁、 科里奧利力等多種單相流量計應用于兩相流或多相流的測量。針對不同的組合測量形式， 需要建立相應的測試模型，同時在應用時必須考慮使用條件和測量精度。如當含氣率達 50 %的氣水系統，使用渦輪流量計的誤差可達20 %，但當含氣率小于5%時，則誤差小到可 不需修正而直接應用。在淤漿流量測量中當固相濃度達8%時，用電磁流量計仍能滿足精 度要求，但用超聲波多譜勒流量計測量時，精度和重復性就很差了。在含氣率達10%的氣/ 水系統和含油率達30%的油水系統，使用渦街流量計仍能穩定運行。當科里奧利力流量計 用于含氣率達15%的氣或水系統，其測量誤差可達20%。2)以新的信號處理技術和現有 檢測手段相結合的軟測量方法來解決兩相流測量問題。所謂軟測量方法(Soft Sensor)是利用較易在線測量的輔助過程變量和離線分析信息提供主要過程參數的在線估計的方法。 它主要將模糊數學、狀態估計、過程參數辨識、人工神經網絡、小波變換、模式識別、近代譜 估計等理論問題引入到兩相流參數測試領域中來，解決具有復雜性、不確定性、且很難用數 學模型精確描述的兩相流測試問題。軟測量技術主要包括中間輔助變量選擇，數據處理，軟 測量模型建立和軟測量模型在線校正幾個環節，其中，軟測量模型建立是軟測量技術最重 要的組成部分。3)采用近代新興技術進行兩相流參數測量。近幾十年，人們已將近代許多 新興技術如輻射線技術、激光技術、光纖技術、核磁共振技術、超聲波技術、微波技術、光譜 技術、新型示蹤技術、相關技術和過程層析成象技術等應用于兩相流參數測量。例如在國 外，基于輻射線吸收或散射原理的Y _射線、β -射線和X-射線、中子射線型商品化工業型 儀表是兩相流或多相流組分濃度測量的重要手段，其中以Y _射線密度計應用最為廣泛。過程層析成象技術(Process Tomography，縮寫為PT)是二十世紀80年代中期正 式形成和發展起來的，一種以兩相流或多相流為主要對象的過程參數二維或三維分布狀況 的在線實時檢測技術。它采用非侵入或非接觸方式測量，能在線連續的提供二維或三維的 可視化信息，并可經過進一步處理提取若干有關被測兩相流體的特征參數，如進行特征提 取和流型辨識，分相含率或濃度參數、速度等的測量。因此近二十年來，PT技術受到了國內 外科技工作者的普遍關注。PT技術在兩相流體的流動及反應、分離過程的監測、環境監測與 控制等方面有著巨大應用價值。作為PT技術的重要分支_電學成像(Electrical Tomography, ET)是基于電 磁場理論的新型測量技術，具有無輻射、非侵入、響應速度快、成本低廉以及可視化測量等 優點，在工業測量及醫學監測中具有誘人的發展前景。其基本原理是利用物場的電導、電 容或電磁等特性的變化來獲取物場信息而進行的層析成像。電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography,簡禾爾 ERT)、電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，簡稱ECT)經過近二十年的發展，目前已進入到工業應用研究階段。ERT技術的物理基礎是基于不同媒質具有不同的電導率，判斷出處于敏感場中的 物體電導率分布便可得知物場的媒質分布狀況。當場內的電導率分布變化時，電流場的分 布也會隨之變化，導致場內電勢分布的變化，從而場域邊界上的測量電壓也要發生變化，亦 即邊界測量電壓變化包含了場域內電導率變化的信息。通過實際對象的邊界測量電壓與空 場狀態下對應位置測量電壓的對比，運用相應的成像算法，便可重建出實際對象的電導率 分布，實現可視化測量。由于ERT要求被測對象的連續相必須是導電的，所以其應用對象一 般是氣/液兩相流、液/液兩相流或液/固兩相流等。對于氣/固兩相流它是不能測量的。ECT是利用放置于管道或過程容器周圍的電容傳感器陣列來檢測兩相流體流動時 引起的兩相介質介電常數分布的微小變化，從而重建出管道或過程容器截面的分布圖像。 ECT是最早發展起來的電學層析成像，已有在線應用儀器系統。在顆粒物料的風力輸送方 面，運用ECT系統可對粉狀物料和塊狀物料的風力輸送系統(密相操作)的運行工況進行 可視化測量，可獲得較好的濃度信息，如果再利用靜電傳感器拾取流動的電荷隨機噪聲信 號并進行相關分析處理，可實現流速測量，這樣就可實現氣/固兩相流的質量流量測量。利 用ECT還可對低含水的油/水兩相流進行測量，但ECT不能測連續相導電的氣/液兩相流、 液/液兩相流或液/固兩相流。目前，國內外在氣/固兩相流測量方面，利用電容層析成像(ECT)技術來測密相操
4作的濃度，再利用靜電方法來測固體顆粒流動的速度，然后融合起來測流量的方法已有學 者從事此方面研究。如在ECT研究方面處于領先的有英國曼徹斯特大學W. Q. Yang、中國天 津大學王化祥；在靜電法測速研究方面處于領先的有英國肯特大學Y. Yan等，但他們只是 在各自的研究領域有處于領先的傳感器系統。在氣/液兩相流或油/氣/水測量方面，利 用電容層析成像(ECT)和電阻層析成像(ERT)相融合的傳感器系統國內外亦有學者研究， 如中國天津大學王化祥教授、英國曼徹斯特大學W. Q. Yang教授、英國利茲大學M. Wang教授等。然而上述解決方案中，尤其是傳感器部分，要么只能用于氣/固兩相流測量，要么 只能用于氣/液兩相流測量，也就說根據不同的被測對象需要用不同的傳感器系統，顯然， 這些測量的應用中所存在諸多的不便，同時，也使得整個測量的成本較高。因此，目前需要本領域技術人員迫切解決的一個技術問題就是如何能夠創新地 提出一種方法或者是系統，以解決現有測量中存在的不便，從而能快速有效的完成兩相流 動體的測量。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種新型的多模態自適應傳感器系統，用以解 決現有測量中存在的不便，從而能快速有效的完成兩相流動體的測量。為了解決上述問題，本發明公開了一種新型的多模態自適應傳感器系統，包括12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊，用于測量兩相流密相的濃度信息；數據獲取和處理電箱，其與12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊相連，用于獲 取12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊的測量信息，按被測對象是氣/固或氣/液(油 /氣/水)兩相流分別選擇靜電傳感器或電阻層析成像(ERT)傳感器接通，用獲取的數據進 行圖像重建，動態顯示截面信息，并進行速度測量，獲取兩相流體密相的質量流量。優選的，所述數據獲取和處理電箱包括以下子模塊信號獲取子模塊，用于獲取兩相流是氣/固還是氣/液(油/氣/水)的流型；靜電傳感器子模塊，用于測量氣/固兩相流動速度；電阻層析成像(ERT)傳感器子模塊，用于測量氣/液兩相流的電導率分布。優選的，所述數據獲取和處理電箱還包括以下子模塊電荷放大器子模塊，用于進行信號的放大、濾波以及數據采集，獲取兩相流體的表 現速度。優選的，所述數據獲取和處理電箱還包括以下子模塊校正子模塊，用于對表現速度進行標定和修正，獲取兩相流體密相的速度。優選的，所述12電極電容層析成像(ECT)傳感器采用的測量方式為非接觸測量。優選的，所述濃度信息包括濃度分布和固含率。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明提供一種新型的多模態自適應傳感器系統，在氣/固兩相流和氣/液兩相 流環境下均能使用。對于不同的測量環境，只需對多模態融合傳感器進行不同方式的電纜 連接和模式選擇就可實現測量，這對成像傳感器系統的集成統一和不同工況的測量帶來了 諸多方便。
圖1是本發明實施例所述的一種新型的多模態自適應傳感器系統的結構圖；圖2是本發明實施例所述的氣/固兩相流狀態下，一種新型的多模態自適應傳感 器系統的結構功能和電極連接方式的示意圖；圖3是本發明實施例所述的氣/液兩相流狀態下，一種新型的多模態自適應傳感 器系統的結構功能和電極連接方式的示意圖；圖4是本發明實施例所述的油/氣/水(低含水)三組份流情況下截面流型的示 意圖；圖5是本發明實施例中圖4所述截面圖重建后的示意圖；圖6是本發明實施例所述的水包油的情形的示意圖；圖7是本發明實施例中圖6中所述情況重建后的示意圖。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實 施方式對本發明作進一步詳細的說明。在自然界和工業生產過程中，兩相流動體系都是廣泛存在的。例如，自然界的大漠 揚砂，江河中的泥砂俱下，以及空中煙塵彌散、雨雹交浸等都是與人類生活有關的兩相流現 象，實際應用中，兩相流測量對象具有復雜和多樣的特征，這也給人們提出了研究和發明多 用途和功能的測量系統的必要性，本發明的核心在于提供一種新型的多模態自適應傳感器 系統，它可根據被測環境是氣/固兩相流還是氣/液兩相流來選擇不同的測量模式，通過改 變該傳感器系統的電極連接方式和屏蔽層，來完成不同模式下的測量。實施例參照圖1，示出了本發明的一種新型的多模態自適應傳感器系統的結構圖，所述系 統包括12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊101，用于測量兩相流密相的濃度信息；優選的，所述12電極電容層析成像(ECT)傳感器采用的測量方式為非接觸測量。數據獲取和處理電箱102，其與12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊相連，用 于獲取12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊的測量信息，按被測對象是氣/固或氣/液 (油/氣/水)兩相流分別選擇靜電傳感器或電阻層析成像(ERT)傳感器接通，用獲取的數 據進行圖像重建，動態顯示截面信息，并進行速度測量，獲取兩相流體密相的質量流量。優選的，所述濃度信息包括濃度分布和固含率。優選的，所述數據獲取和處理電箱102包括以下子模塊信號獲取子模塊1021，用于獲取兩相流是氣/固還是氣/液(油/氣/水)的流 型；靜電傳感器子模塊1022，用于測量氣/固兩相流動速度；電阻層析成像(ERT)傳感器1023，用于測量氣/液兩相流的電導率分布。優選的，所述數據獲取和處理電箱102還包括以下子模塊電荷放大器子模塊1024，用于進行信號的放大、濾波以及數據采集，獲取兩相流體 的表現速度。
優選的，所述數據獲取和處理電箱102還包括以下子模塊校正子模塊1025，用于對表現速度進行標定和修正，獲取兩相流體密相的速度。參見圖2，示出了本發明所述的當被測兩相流的流型為氣/固兩相流狀態時，選擇 靜電傳感器接通時一種新型的多模態自適應傳感器系統的結構功能和電極連接方式的示 意圖，12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊連接數據獲取和處理電箱，數據獲取和處理 電箱選擇接通了靜電傳感器，所述靜電傳感器由雙16電極陣列平面中，每個平面的16電極 中成垂直分布的4個探測靜電荷的電極連接在一起形成，接通靜電傳感器后數據獲取和處 理電箱用所獲取的數據進行圖像重建，動態顯示截面信息，并進行速度測量，獲取兩相流體 密相的質量流量，雙16電極陣列平面中除構成靜電傳感器外的其余電極都相互連接并接 屏蔽地，圖2中最右側部分為每個平面內的電極連接側視圖。靜電傳感器與電荷放大器子 模塊相連，由點和放大器子模塊進行信號放大、濾波和數據采集，兩路隨機電荷噪聲信號進 行互相關運算，并測得兩相流體的表觀速度，然后通過校正子模塊實驗標定與修正，最后獲 得兩相流體的客觀速度，在得知濃度信號的情況下，最終測得兩相流體密相的質量流量。圖3示出了本發明所述的當被測兩相流的流型為氣/液兩相流狀態時，選擇電阻 層析成像(ERT)傳感器接通時一種新型的多模態自適應傳感器系統的結構功能和電極連 接方式的示意圖，圖中傳感器左半部分是12電極ECT(電容層析成像)傳感器，右半部分是 雙16電極ERT (電阻層析成像)傳感器。對原油/天然氣/水來說，相對介電常數分別為2. 2,1. 0和80。由于ECT系統的 電容傳感器對多相流體的相對介電常數敏感，理論上講，一方面能較好地分辨出油和氣兩 相，另一方面也能區分水相，因此在油/氣/水(低含水)三組份流情況下，它能將油氣和 水區別開，對如圖4(a)和4(b)所示的截面流型重建出如圖5a)和5 (b)所示的圖像。對于電阻過程成像ERT系統來說，情況相對復雜。由于通常的ERT成像要求連續相 必須是導電的，因此對于含水率較高的情況才適用。也就是說在含水率較高的情況下，往往 出現水包油的情形，如圖6a)、6(b)所示。由于此時的水包油小油團可近似看作連續相，所 以ERT系統能將氣、液相區分開，對如圖6(a) ,6(b)所示的截面流型重建出如圖7 (a) ,7(b) 所示的圖像。對于ECT和ERT所成圖像圖5和圖7，可以通過傳感器數據融合就可得到油/氣/ 水的圖像分布，從而得到含油率，當然要必須滿足ECT和ERT都能正常工作的前提，所以含 水率既不能太低，也不能太高。對于ERT成像傳感器子模塊來說，還可利用成像數據進行像素相關運算，從而得 到速度分布。以上對本發明所提供的一種新型的多模態自適應傳感器系統進行了詳細介紹，本 文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于 幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思 想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對 本發明的限制。
權利要求
一種新型的多模態自適應傳感器系統，其特征在于，包括12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊，用于測量兩相流密相的濃度信息；數據獲取和處理電箱，其與12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊相連，用于獲取12電極電容層析成像(ECT)傳感器模塊的測量信息，按被測對象是氣/固或氣/液(油/氣/水)兩相流分別選擇靜電傳感器或電阻層析成像(ERT)傳感器接通，用獲取的數據進行圖像重建，動態顯示截面信息，并進行速度測量，獲取兩相流體密相的質量流量。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述數據獲取和處理電箱包括以下子模塊信號獲取子模塊，用于獲取兩相流是氣/固還是氣/液(油/氣/水)的流型；靜電傳感器子模塊，用于測量氣/固兩相流動速度；電阻層析成像(ERT)傳感器子模塊，用于測量氣/液兩相流的電導率分布。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述數據獲取和處理電箱還包括以下子 模塊電荷放大器子模塊，用于進行信號的放大、濾波以及數據采集，獲取兩相流體的表現速度。
4.根據權利要求3所述的系統，其特征在于，所述數據獲取和處理電箱還包括以下子 模塊校正子模塊，用于對表現速度進行標定和修正，獲取兩相流體密相的速度。
5.根據權利要求4所述的控制系統，其特征在于所述12電極電容層析成像(ECT)傳感器采用的測量方式為非接觸測量。
6.根據權利要求5所述的系統，其特征在于 所述濃度信息包括濃度分布和固含率。全文摘要
本發明提供了一種新型的多模態自適應傳感器系統，在氣/固兩相流和氣/液兩相流環境下均能使用。對于不同的測量環境，只需對多模態融合傳感器進行不同方式的電纜連接和模式選擇就可實現測量，這對成像傳感器系統的集成統一和不同工況的測量帶來了諸多方便。
文檔編號G01N27/04GK101975801SQ20101050403
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者唐宇, 鄧湘, 黎光宇 申請人:北京交通大學