基于電阻層析成像技術的兩相流速度測量系統研究

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基于電阻層析成像技術的兩相流速度測量系統研究

電阻層析成像雙敏感電級陣列ERT系統ERT系統電路框圖TERT-Ⅲ型雙敏感電極陣列

2002年11月(1)

摘要   介紹了電阻層析成像和相關技術相結合實現對氣/液兩相流中氣相速度的測量.討論了雙敏感電極陣列電阻層析成像系統的優化設計,給出了實驗測試結果與分析.

關鍵詞   電阻層析成像    兩相流    速度測量     優化設計

0  引言

   電阻層析成像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,判斷出處于敏感場中的物體電導率分布便可知物場的媒質分布狀況.ERT系統的工作方式通常是電流激勵/電壓測量.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.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.ERT技術具有非接觸或非侵入/多點或截面分布式測量/無輻射/在線可視化監控/能獲得管道或設備內部二維/三維分布信息/結構簡單/成本低/響應速度快等優點[1].ERT技術已在地質勘探與環境檢測[2]/氣/液混合過程研究/多相流(油/水/天然氣混合物)流型識別及流動參數的在線測量[3]等方面有不少成功應用.一個典型的ERT系統(見圖1)一般由獲取被測物場的空間敏感陣列/數據獲取系統(DAS)/圖像重建與顯示/特征參數分析與提取/主控計算機五部分組成.

眾所周知運用相關技術可以測速,如果把ERT和相關技術結合起來就可獲得更多信息,這對氣/液兩相流氣相速度和氣泡可視化測量有實際意義.

       圖1  典型電阻層析成像系統(ERT)基本構成

1 相關測量一般原理[4]

   如圖2所示,在沿流動管道相距為已知距離L的兩截面處分別安裝結構相同的上下游傳感器.流體內部的隨機流動噪聲會對傳感器所發出的能量束或它們形成的能量場產生隨機調制作用,使傳感器輸出產生相應的變化.x(t)/y(t)是上下游傳感器與被測流體流動狀況有關的流動噪聲信號.

                     圖2  相關測量原理圖

當被測流體的流動符合“凝固”圖形假設時, x(t)/y(t)只是在時間上相差了 ,即流體從上游傳感器流動到下游傳感器的時間,稱之為渡越時間. x(t)和y(t)的互相關函數Rxy( )可由下式求得:

Rxy                                (1)

式(1)中,當 時Rxy( )取得最大值,即x(t)/y(t)的互相關函數峰值所對應的 值就是渡越時間.對于數字化互相關計算來說,式(1)可寫成:

Rxy                                (2)

式中:j=0,1,2,…,m<N;Δt為采樣時間間隔;jΔt是延時值;N是樣本長度.對于雙敏感電極陣列ERT系統,當采用測量信號直接相關測量氣/液兩流氣相速度時,ux為上游平面相鄰電極對的測量電壓值,uy為下游平面相對應的相鄰電極對的測量電壓值.

當求得渡越時間 厚,氣相平均速度為

                                                        (3)

2 雙敏感電級陣列ERT系統優化設計

   為了滿足工業應用的需求,雙敏感陣列ERT系統樣機的設計是基于STD總線,同時在實時性能的提高方面作了優化和改進設計.

2.1  實時性能簡析

圖3所示是目前ERT系統常采用的電路框圖.帶通濾波的主要作用是濾掉由電極在導電液中形成原電池所產生的信號直流成分,但在數據獲取時,直流階躍信號會產生過濾過程,若要得到穩定信號,兩次切換必須有延時,對相鄰模式的16電極ERT系統來說,獲取1幅圖象數據需104次等待,通過計算約為10ms,這大大降低了實時性能.

              圖3 帶開關解調的數據獲取系統原理框圖

2.2 提高實時性能的改進設計

如圖4所示,TERT-Ⅲ型雙敏感電極陣列的電阻層析成像系統引入了16路高通濾波器,去掉了帶通濾波,這樣信號直流成分被消除,過渡時間縮短.在新的系統里乘法解調被采用,相同精度下它比開關解調快1.2倍.信號源的產生采用直接數字合成芯片,使得激勵/參考信號的相位/幅值/頻率均可方便調節.信號放大改為兩級組合可編程放大,以適應不同的放大倍數.經過優化設計后,數據獲取系統的濾速由14幅/s增加到50幅/s(單敏感陣列),系統實時性能提高,為實現相關測量打下基礎.

           圖4  TERT-Ⅲ型數據獲取系統原理框圖

 

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