基于电阻层析成像技术的两相流速度测量系统研究

2002年11月(1)

摘要   介绍了电阻层析成像和相关技术相结合实现对气/液两相流中气相速度的测量.讨论了双敏感电极阵列电阻层析成像系统的优化设计,给出了实验测试结果与分析.

关键词   电阻层析成像    两相流    速度测量     优化设计

0  引言

   电阻层析成像技术的物理基础是基于不同媒质具有不同的电导率,判断出处于敏感场中的物体电导率,判断出处于敏感场中的物体电导率分布便可知物场的媒质分布状况.ERT系统的工作方式通常是电流激励/电压测量.当场内的电导率分布变化时,电流场的分布也会随之变化,导致场内电势分布的变化,从而场域边界上的测量电压也要发生变化.边界测量电压变化包含了场域内电导率变化的信息.通过实际对象的边界测量电压与空场状态下对应位置测量电压的对比,运用相应的成像算法,便可重建出实际对象的电导率分布,实现可视化测量.ERT技术具有非接触或非侵入/多点或截面分布式测量/无辐射/在线可视化监控/能获得管道或设备内部二维/三维分布信息/结构简单/成本低/响应速度快等优点^[1].ERT技术已在地质勘探与环境检测^[2]/气/液混合过程研究/多相流(油/水/天然气混合物)流型识别及流动参数的在线测量^[3]等方面有不少成功应用.一个典型的ERT系统(见图1)一般由获取被测物场的空间敏感阵列/数据获取系统(DAS)/图像重建与显示/特征参数分析与提取/主控计算机五部分组成.

众所周知运用相关技术可以测速,如果把ERT和相关技术结合起来就可获得更多信息,这对气/液两相流气相速度和气泡可视化测量有实际意义.

       图1  典型电阻层析成像系统(ERT)基本构成

1 相关测量一般原理^[4]

   如图2所示,在沿流动管道相距为已知距离L的两截面处分别安装结构相同的上下游传感器.流体内部的随机流动噪声会对传感器所发出的能量束或它们形成的能量场产生随机调制作用,使传感器输出产生相应的变化.x(t)/y(t)是上下游传感器与被测流体流动状况有关的流动噪声信号.

                     图2  相关测量原理图

当被测流体的流动符合“凝固”图形假设时, x(t)/y(t)只是在时间上相差了 ,即流体从上游传感器流动到下游传感器的时间,称之为渡越时间. x(t)和y(t)的互相关函数Rxy( )可由下式求得:

Rxy                                (1)

式(1)中,当 时Rxy( )取得最大值,即x(t)/y(t)的互相关函数峰值所对应的 值就是渡越时间.对于数字化互相关计算来说,式(1)可写成:

Rxy                                (2)

式中:j=0,1,2,…,m<N;Δt为采样时间间隔;jΔt是延时值;N是样本长度.对于双敏感电极阵列ERT系统,当采用测量信号直接相关测量气/液两流气相速度时,ux为上游平面相邻电极对的测量电压值,uy为下游平面相对应的相邻电极对的测量电压值.

当求得渡越时间 厚,气相平均速度为

                                                        (3)

2 双敏感电级阵列ERT系统优化设计

   为了满足工业应用的需求,双敏感阵列ERT系统样机的设计是基于STD总线,同时在实时性能的提高方面作了优化和改进设计.

2.1  实时性能简析

图3所示是目前ERT系统常采用的电路框图.带通滤波的主要作用是滤掉由电极在导电液中形成原电池所产生的信号直流成分,但在数据获取时,直流阶跃信号会产生过滤过程,若要得到稳定信号,两次切换必须有延时,对相邻模式的16电极ERT系统来说,获取1幅图象数据需104次等待,通过计算约为10ms,这大大降低了实时性能.

              图3 带开关解调的数据获取系统原理框图

2.2 提高实时性能的改进设计

如图4所示,TERT-Ⅲ型双敏感电极阵列的电阻层析成像系统引入了16路高通滤波器,去掉了带通滤波,这样信号直流成分被消除,过渡时间缩短.在新的系统里乘法解调被采用,相同精度下它比开关解调快1.2倍.信号源的产生采用直接数字合成芯片,使得激励/参考信号的相位/幅值/频率均可方便调节.信号放大改为两级组合可编程放大,以适应不同的放大倍数.经过优化设计后,数据获取系统的滤速由14幅/s增加到50幅/s(单敏感阵列),系统实时性能提高,为实现相关测量打下基础.

           图4  TERT-Ⅲ型数据获取系统原理框图