專利名稱：基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣兩相流測(cè)量，尤其涉及一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
兩相流系統(tǒng)在石油、化工等眾多工業(yè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。兩相流參數(shù)如流型、空隙率等的測(cè)量，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。由于兩相流動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，這些參數(shù)的在線測(cè)量十分困難，目前，能夠應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)中的兩相流在線測(cè)量?jī)x表為數(shù)很少。
在實(shí)際工業(yè)兩相流系統(tǒng)中，兩相流流型的不同，不但影響兩相流的流動(dòng)特性、傳熱和傳質(zhì)性能，而且影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和效率。兩相流流型的在線顯示及辨識(shí)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)控、故障診斷和管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行等均具有重要意義。同時(shí)，對(duì)兩相流其它參數(shù)的測(cè)量也有很大的幫助。因此，流型是兩相流系統(tǒng)中具有重要工程意義的基本參數(shù)，流型的自動(dòng)辨識(shí)有著重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值和學(xué)術(shù)價(jià)值。遺憾的是兩相流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，各相間存在隨機(jī)可變的相界面，致使流型的種類多種多樣，并且導(dǎo)致流型在流體流動(dòng)過(guò)程中的變化帶有隨機(jī)性。兩相流流型不僅受各相介質(zhì)自身特性的影響，而且受工業(yè)系統(tǒng)工況(包括壓力、各分相流量、各分相含率、管道的幾何形狀、壁面特性以及安裝方式等)的影響，因此流型的在線自動(dòng)辨識(shí)十分困難。目前，流型辨識(shí)方法有目測(cè)法、高速攝影法、射線衰減法，以及基于差壓/壓力、空隙率波動(dòng)信號(hào)的信號(hào)分析技術(shù)等方法。但是現(xiàn)有的這些方法由于難以獲取真正反映流型的管截面相分布信息，流型辨識(shí)準(zhǔn)確率往往不夠高，實(shí)際應(yīng)用也十分有限。
氣液兩相流中的氣相含率又稱為空隙率，表征氣體截面含率，該參數(shù)的獲取對(duì)工業(yè)系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行狀況監(jiān)控，兩相流系統(tǒng)的自動(dòng)控制和計(jì)量以及進(jìn)一步的兩相流流量的測(cè)量等均具有重要的意義。目前的測(cè)量空隙率的方法主要有三大類第一類是采用單相流測(cè)量?jī)x表。這類方法需要經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到兩相流測(cè)量模型，其應(yīng)用范圍往往局限于獲得測(cè)量模型時(shí)所處工況。第二類是采用分離法，將兩相流體的各相分離，測(cè)量各相含量。這類方法可以對(duì)兩相流空隙率進(jìn)行計(jì)量，但由于要對(duì)兩相流體進(jìn)行分離，系統(tǒng)復(fù)雜，可能影響工業(yè)過(guò)程的連續(xù)性，因此限制了其應(yīng)用范圍。第三類方法是采用各種新技術(shù)，研制特定的儀表直接測(cè)量?jī)上嗔骰旌衔?。這類技術(shù)包括輻射線技術(shù)、核磁共振技術(shù)、電磁技術(shù)、超聲波技術(shù)、光譜技術(shù)、激光多普勒技術(shù)以及過(guò)程層析成像技術(shù)等，但基于這類技術(shù)的兩相流參數(shù)測(cè)量目前大多仍處于實(shí)驗(yàn)研究階段。
電容層析成像(Electrical Capacitance Tomography，簡(jiǎn)記ECT)技術(shù)是近20年發(fā)展起來(lái)的一種新型檢測(cè)技術(shù)，其技術(shù)原理源于醫(yī)學(xué)CT，適用于非導(dǎo)電介質(zhì)構(gòu)成的兩相流系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量，是目前廣泛研究的一種過(guò)程成像技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非介入性、速度快、成本低和安全性能佳等特點(diǎn)。由于ECT技術(shù)可以在不干擾流場(chǎng)情況下非介入性地測(cè)得反映管截面內(nèi)相分布局部的和微觀的實(shí)時(shí)信息，因此它的出現(xiàn)為解決兩相流流型辨識(shí)、空隙率測(cè)量等問(wèn)題提供了一條有效途徑。但基于該技術(shù)的兩相流參數(shù)測(cè)量?jī)x表仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，距離工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用尚有一定距離。
油氣兩相流是一種常見的氣液兩相流動(dòng)，廣泛存在于石油(油氣田的開采和油氣輸送)、化工、煉油、動(dòng)力等領(lǐng)域，油氣兩相流的流型、空隙率等重要參數(shù)的測(cè)量對(duì)能源儲(chǔ)備、管道輸送、過(guò)程控制和計(jì)量核算均有著重要的意義，但目前尚未有很好的測(cè)量方法。隨著生產(chǎn)過(guò)程計(jì)量、節(jié)能和控制要求的提高，這些參數(shù)的測(cè)量就變得越來(lái)越迫切。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法及其裝置。
方法是1)采用反投影算法進(jìn)行圖像重建，實(shí)現(xiàn)流型在線顯示；2)采用模糊模式識(shí)別方法進(jìn)行流型在線自動(dòng)辨識(shí)，能夠識(shí)別均相流、層狀流、波狀流、環(huán)狀流和塞狀流等流型，并能依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘，計(jì)算出段塞的時(shí)間跨度；3)采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法，重建出油氣兩相流截面圖像，并根據(jù)圖像的灰度值計(jì)算出油氣兩相流的空隙率。
裝置依次具有陣列式電容傳感器，電容數(shù)據(jù)采集單元和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)，所說(shuō)的陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭的絕緣管作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架、屏蔽罩、徑向電極，在徑向電極上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)流型的實(shí)時(shí)顯示、流型的在線自動(dòng)辨識(shí)和空隙率測(cè)量。采用反投影算法進(jìn)行流型顯示的圖像重建，流型顯示速度50幀/秒以上。依據(jù)反投影算法重建出的兩相流介質(zhì)分布圖像，采用模糊模式識(shí)別方法進(jìn)行流型在線自動(dòng)辨識(shí)，對(duì)于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等典型流型，其辨識(shí)的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型所用的時(shí)間小于0.3秒，對(duì)于塞狀流的辨識(shí)準(zhǔn)確率高于90％。采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法，重建出油氣兩相流截面圖像，并根據(jù)圖像的灰度值計(jì)算出油氣兩相流的空隙率，空隙率誤差小于5％。


圖1是油氣兩相流測(cè)量框圖；圖2是水平管氣液兩相流的典型流型圖；圖3a～e是一組典型的流型圖；圖4a～b是兩種圖像重建場(chǎng)域剖分圖；圖5是流型辨識(shí)框圖；圖6是組合型圖像重建算法框圖；圖7是空隙率測(cè)量結(jié)果圖。
圖8是基于電容層析成像系統(tǒng)油氣兩相流測(cè)量裝置示意圖；圖9是陣列式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖10是電容測(cè)量電路和時(shí)序圖；圖11是電容數(shù)據(jù)采集模塊方框圖。
具體實(shí)施例方式
利用電容層析成像技術(shù)可以測(cè)量由具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)所組成的兩相流體的特征參數(shù)。對(duì)于具有不同介電常數(shù)的兩相流體，當(dāng)各相組分的空間分布或濃度(含率)發(fā)生變化時(shí)，將引起兩相流體在管截面上的介電常數(shù)分布發(fā)生變化，從而使測(cè)量電極對(duì)間的電容發(fā)生變化。采用陣列式電容傳感器，通過(guò)各電極之間相互組合，測(cè)量這些電容變化量，便可反映兩相流體的濃度以及在管截面上的相分布情況。以這些電容變化量的測(cè)量值為投影數(shù)據(jù)，采用合適的圖像重建算法，便可重建出某一時(shí)刻兩相流體流經(jīng)管道橫截面上的相分布圖像，實(shí)現(xiàn)流型的可視化。通過(guò)圖像處理等技術(shù)對(duì)重建圖像進(jìn)一步進(jìn)行分析，可以得出流型的判別結(jié)果和兩相流體的空隙率。
圖像重建是電容層析成像系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是求解如下圖像重建模型P＝WF其中，P＝[p1，p2，…，pN]T為測(cè)量電容投影數(shù)據(jù)向量，其元素pi值由歸一化處理后的測(cè)量電容值及其靈敏度分布確定。
pi=(∫D∫Si(x,y)dxdy)·Cri]]>式中，Cri歸一化電容值，計(jì)算方法為Cri=Ci-CoiCm-Coi]]>Ci為混合流體電容測(cè)量值，Coi為管中充滿氣相時(shí)的電容測(cè)量值，Cmi為管中充滿油相時(shí)的電容測(cè)量值。Si(x，y)為第i個(gè)測(cè)量電極對(duì)的靈敏度分布函數(shù)，該函數(shù)在各個(gè)像素點(diǎn)上的值通過(guò)電磁場(chǎng)的有限元分析得到。W為權(quán)重系數(shù)矩陣，其元素wij，i＝1，2，…，N，j＝1，2，…，M，由第i個(gè)測(cè)量電容的在第j個(gè)像素上的靈敏度和該像素的面積所決定。F＝[f1，f2，…，fM]T為待求圖像灰度向量，其中的元素fi∈
，0表示該像素點(diǎn)上的介質(zhì)為氣相，1表示該像素點(diǎn)上的介質(zhì)為油相。N表示測(cè)量數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，M表示圖像重建場(chǎng)域的像素剖分個(gè)數(shù)。
圖像重建算法的選取對(duì)圖像重建的實(shí)時(shí)性和圖像質(zhì)量有著重要的影響，依據(jù)各種應(yīng)用場(chǎng)合的對(duì)圖像重建速度和質(zhì)量的不同要求，可以采用不同的圖像重建算法。
如圖1所示，針對(duì)流型的特點(diǎn)和應(yīng)用要求，流型顯示主要應(yīng)用于兩相流工業(yè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，由此用于流型顯示的圖像需采用簡(jiǎn)單快捷的反投影圖像重建算法(LBP)。流型辨識(shí)為一定性參數(shù)測(cè)量，因此仍舊采用反投影圖像重建算法，經(jīng)圖像處理，利用模糊模式識(shí)別技術(shù)進(jìn)行流型辨識(shí)。而空隙率是一個(gè)定量的參數(shù)，重建圖像質(zhì)量越高，越有益于提高測(cè)量精度，所以采用基于Tikhonov正則化和代數(shù)重建技術(shù)(ART)的組合型新型圖像重建算法重建出質(zhì)量較高的介質(zhì)分布圖像，再利用圖像處理技術(shù)計(jì)算圖像灰度，從而得到油氣兩相流的空隙率。
如圖4a所示，在流型顯示和流型辨識(shí)的圖像重建過(guò)程中，采用有限元三角剖分將圖像重建場(chǎng)域剖分成54個(gè)像素，采用反投影算法進(jìn)行圖像重建。重建完成后，為使介質(zhì)分布圖像與數(shù)字圖像相對(duì)應(yīng)，經(jīng)過(guò)插值、平滑等技術(shù)處理，將圖像轉(zhuǎn)換成32×32的網(wǎng)格平面圖像以表征管截面上的兩相流體分布。同時(shí)，選取3秒鐘內(nèi)所有截面圖像的縱向直徑上的一組像素，依次顯示，可以表征在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)沿流體流動(dòng)方向上的介質(zhì)分布圖像。
反投影算法的特點(diǎn)在于計(jì)算量較小，速度快，重建出的圖像也能夠滿足流型在線顯示和定性流型辨識(shí)的應(yīng)用要求，其計(jì)算公式如下式所示
fi=Σi=1NCri·Wi,jΣi=1NWi,j]]>式中，Cri歸一化電容值。
根據(jù)重建的兩相流介質(zhì)分布圖像，采用模糊模式識(shí)別的方法進(jìn)行流型辨識(shí)，其思想方法描述如下1.定義論域U＝{A1，A2，A3}，其中A1＝{均相流}，A2＝{層狀流}，A3＝{環(huán)狀流}。如圖2所示，油氣兩相流動(dòng)系統(tǒng)中典型的流型包括層狀流、環(huán)狀流、波狀流、塞狀流、泡狀流以及管中充滿油相(定義為滿管)和管中充滿氣相(定義為空管)。泡狀流、滿管和空管可以歸結(jié)為均相流；波狀流可以認(rèn)為是由不同層高的層狀流組成；塞狀流可以認(rèn)為是由均相流和層狀流組成。因此設(shè)定三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式A1＝{均相流}，A2＝{層狀流}，A3＝{環(huán)狀流}。
2.定義與U有關(guān)的特征量X＝{x}，根據(jù)流型的隨機(jī)性和模糊特性，并且考慮到均相流、層狀流、環(huán)狀流等典型流型下介質(zhì)在管道截面上的分布特點(diǎn)，把重建的介質(zhì)分布圖像的下述三個(gè)統(tǒng)計(jì)特征作為Fuzzy判別變量(1)整個(gè)圖像的平均灰度值x1；(2)位于上半管道27個(gè)像素的平均灰度和位于下半管道27個(gè)像素的平均灰度之差的絕對(duì)值x2；(3)靠近管壁一圈30個(gè)像素的平均灰度和位于管中心24個(gè)像素的平均灰度之差的絕對(duì)值x3。
3.選取正態(tài)Fuzzy分布函數(shù)為隸屬度函數(shù)的結(jié)構(gòu)形式，則流型判別問(wèn)題歸結(jié)為一個(gè)多因素模糊模式識(shí)別問(wèn)題。此時(shí)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模式與三個(gè)Fuzzy特征量相對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)集為A1:μ1=(μ11,μ12,μ13)=(e-(x1-β11σ11)2,e-(x2-β12σ12)2,e-(x3-β13σ13)2)]]>A2:μ2=(μ21,μ22,μ23)=(e-(x1-β21σ21)2,e-(x2-β22σ22)2,e-(x3-β23σ23)2)]]>A3:μ3=(μ31,μ32,μ33)=(e-(x1-β31σ31)2,e-(x2-β32σ32)2,e-(x3-β33σ33)2)]]>其中參數(shù)βij，σij由人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定；i＝1，2，3；j＝1，2，3。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究獲得用于流型辨識(shí)的參數(shù)βij、σij如下β=1.590.00.00.00.960.00.00.00.95,σ=0.480.080.080.081.00.080.080.081.0]]>
待識(shí)別模式μ相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模式A1，A2，A3的隸屬度函數(shù)為μA1=Mm[μi1(x1),μi2(x2),μi3(x3)]···i=1,2,3]]>其中Mm稱為綜合函數(shù)，其含義是綜合三個(gè)Fuzzy特征給出一個(gè)總體的評(píng)價(jià)。取綜合函數(shù)Mm為映射∑的形式，則待識(shí)別模式相對(duì)于A1，A2，A3的隸屬度分別為μA1=13(e-(x1-β11σ11)2+e-(x2-β12σ12)2+e-(x3-β13σ13)2)]]>μA2=13(e-(x1-β21σ21)2+e-(x2-β22σ22)2+e-(x3-β23σ23)2)]]>μA3=13(e-(x1-β31σ31)2+e-(x2-β32σ32)2+e-(x3-β33σ33)2)]]>4.根據(jù)Fuzzy判別變量求出隸屬度值μA1、μA2、μA3，并依據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則判別當(dāng)前管截面圖像表征何種流型。
圖5示出了流型辨識(shí)框圖，具體的流型辨識(shí)的流程和步驟如下(1)采集電容值，對(duì)于12電極電容層析成像系統(tǒng)，共有66個(gè)獨(dú)立測(cè)量電容值；(2)圖像重建，得到截面各像素灰度值；(3)根據(jù)重建圖像像素灰度值計(jì)算三個(gè)統(tǒng)計(jì)特征值x1、x2、x3；(4)利用模糊模式識(shí)別的方法進(jìn)行模式識(shí)別求得三個(gè)隸屬度值μA1、μA2、μA3；(5)根據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則判別流型，若μA1最大則是均相流，若μA2最大則是層狀流。若μA3最大則是環(huán)狀流。環(huán)狀流、層狀流通過(guò)一次辨識(shí)便可以得到。
(6)若辨識(shí)結(jié)果為均相流，可根據(jù)管截面液相含率進(jìn)一步辨識(shí)當(dāng)前兩相流是滿管、空管還是泡狀流。如果圖像的灰度接近1(大于0.98)，則認(rèn)為是滿管；如果圖像灰度接近0(小于0.02)，則認(rèn)為是空管；如果圖像灰度介于0.02和0.98之間，則認(rèn)為是泡狀流。
(7)波狀流可以認(rèn)為是由不同層高的層狀流組成，因此在判別結(jié)果為層狀流的前提下，分析圖像灰度的波動(dòng)，如果波動(dòng)達(dá)到一定的幅度，則認(rèn)為是波狀流。
(8)塞狀流可以認(rèn)為是由層狀流和均相流組成，因此當(dāng)辨識(shí)結(jié)果是層狀流或均相流(空管、滿管、泡狀流)時(shí)便需要進(jìn)一步辨識(shí)當(dāng)前流型是否為塞狀流。其策略是考察本次辨識(shí)的流型和前幾次辨識(shí)的結(jié)果，如果是層狀流與均相流交替出現(xiàn)且有一定的時(shí)間間隔(由于工況不同，段塞長(zhǎng)度有所不同，所以設(shè)置的時(shí)間間隔根據(jù)工況而定)，則認(rèn)為當(dāng)前流型為塞狀流，否則維持原來(lái)的流型辨識(shí)結(jié)果。最后是流型辨識(shí)結(jié)果的顯示并返回進(jìn)行下一次流型辨識(shí)。
流型顯示的實(shí)驗(yàn)表明，該電容層析成像系統(tǒng)流型顯示的速度50幀/秒以上，顯示的圖像與實(shí)際的圖像相符。圖3a～e給出了該氣液兩相流測(cè)量裝置顯示的一組水平管中典型流型。流型在線自動(dòng)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等流型，其辨識(shí)的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型所用的時(shí)間小于0.3秒，對(duì)于塞狀流的辨識(shí)準(zhǔn)確率高于90％；依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘，可以計(jì)算出段塞的時(shí)間跨度(連續(xù)均相流所持續(xù)的時(shí)間)。
空隙率為一量化參數(shù)，簡(jiǎn)單的反投影算法不能滿足要求，因此本系統(tǒng)在測(cè)量空隙率時(shí)，采用了組合型新型圖像重建算法，該算法利用Tikhonov正則化克服求解圖像重建模型的逆問(wèn)題時(shí)遇到的不適定性并求出初始圖像灰度值，在此初始圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)一步應(yīng)用代數(shù)重建技術(shù)進(jìn)行迭代改善，得到高質(zhì)量的重建圖像，通過(guò)計(jì)算圖像灰度獲得油氣兩相流的空隙率。
圖6示出了該組合型圖像重建算法。該算法分兩步進(jìn)行第一步，圖像重建場(chǎng)域剖分成54個(gè)像素(如圖4a所示)，采用Tikhonov正則化求解初始截面圖像的灰度值；第二步，將圖像重建場(chǎng)域剖分成216個(gè)像素(如圖4b所示)，以初始圖像的灰度值為迭代初值，應(yīng)用ART算法進(jìn)行迭代改善以重建出獲得高質(zhì)量的介質(zhì)分布圖像。
在第一步的圖像重建中，投影數(shù)據(jù)(電容測(cè)量值)有66個(gè)，用有限元三角剖分將管截面剖分成54個(gè)像素，圖像重建是在數(shù)據(jù)完備的情況下進(jìn)行。由于電容層析成像的圖像重建問(wèn)題是一不適定逆問(wèn)題。不適定性主要表現(xiàn)為解的不穩(wěn)定，即測(cè)量數(shù)據(jù)的微小變化會(huì)導(dǎo)致解的很大波動(dòng)。克服不適定問(wèn)題的不適定性的方法是正則化，因此采用Tikhonov正則化，通過(guò)構(gòu)造正則化廣義逆圖像重建算法可以克服圖像重建中的不適定問(wèn)題，獲得初始截面圖像的灰度值。引入正則化參數(shù)λ＞0，圖像重建模型的求解可歸結(jié)為如下最優(yōu)化問(wèn)題定義輔助函數(shù)J(F)J(F)＝‖WF-P‖2+λ‖F(xiàn)‖2→min由∂J∂F=0,]]>從而極小化J，經(jīng)推導(dǎo)可得圖像重建模型的正則解，即初始截面圖像的灰度向量估計(jì)值 F^=(WTW+λI)-1WTP]]>λ是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)，一般取值為0.1左右。
在此基礎(chǔ)上進(jìn)行第二步圖像重建，對(duì)管截面進(jìn)行細(xì)分，剖分成216個(gè)像素，將54個(gè)像素的灰度值作為迭代的初始值，采用ART圖像重建算法，以獲得高質(zhì)量的圖像。
ART算法的主迭代公式為fj[i]=fj[i-1]+[(pi-qi)/Σk=1Mwik2]wij]]>其中qi=Σk=1Mfk[i-1]wik]]>在迭代過(guò)程中，引入fj[i]∈
的先驗(yàn)知識(shí)，對(duì)迭代結(jié)果進(jìn)行濾波 對(duì)重建圖像作進(jìn)一步處理，可以算得氣液兩相流體的空隙率，由于重建的圖像各像素的灰度值對(duì)應(yīng)于該像素區(qū)域內(nèi)液相含率，則根據(jù)最終所獲的圖像，可得空隙率α為α=1-(Σj=1MfiAjA)×100%]]>式中Aj為第j個(gè)像素的面積，A為測(cè)量管道的截面面積。
以柴油和空氣為介質(zhì)進(jìn)行了空隙率測(cè)量實(shí)驗(yàn)，靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空隙率的測(cè)量誤差可小于5％(注目前尚無(wú)空隙率的動(dòng)態(tài)標(biāo)定方法，只能對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定)。一組典型的空隙率測(cè)量結(jié)果如圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為空隙率設(shè)定值，縱坐標(biāo)為采用電容層析成像系統(tǒng)測(cè)量出的空隙率值?？障堵手禍y(cè)量的實(shí)時(shí)性也比較好，測(cè)量獲得空隙率值所需的時(shí)間小于0.1秒。
測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成如圖8、圖9所示，裝置依次具有陣列式電容傳感器1，電容數(shù)據(jù)采集單元2和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)3，所說(shuō)陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭5的絕緣管4作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極9陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架6、屏蔽罩7、徑向電極8，在徑向電極8上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊10。
傳感管段采用的材料為聚乙烯管(PE管)長(zhǎng)500～1000mm，管材規(guī)格為PE63，SDR11，公稱直徑25mm～160mm，公稱壓力1.0～2.0MPa。外殼為屏蔽罩，由半圓型兩片不銹鋼片組成，兩端各有2個(gè)螺絲開孔，可固定在支架上。電極片為12片，均勻粘貼在傳感管段的外壁。電極所采用的材料為銅片，電極張角為26°，電極片長(zhǎng)度為管道內(nèi)徑的1.2倍。電極之間設(shè)有徑向電極，電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊安裝在徑向電極上，共有12個(gè)模塊，每個(gè)電極對(duì)應(yīng)一個(gè)模塊。
圖10示出了電容/電壓模塊進(jìn)行微弱電容測(cè)量電路和測(cè)量時(shí)序。Vi為充放電的激勵(lì)電壓源，運(yùn)放U1，電容Cf和開關(guān)S1構(gòu)成電荷放大器；開關(guān)S2和S3，運(yùn)放U2和U3構(gòu)成兩個(gè)采樣保持器(S/H)；U4為儀表放大器。電路的工作過(guò)程分為兩步。第一步是測(cè)量開關(guān)S1的電荷注入效應(yīng)在電路開始工作之前，Vi電壓為高，開關(guān)S1閉合，兩個(gè)采樣保持器都處于采樣模式。由于S1閉合，U1輸出為0V。在t1時(shí)刻將S1斷開，在理想情況下，V1將保持為0V，但由于開關(guān)S1的電荷注入效應(yīng)，有電荷Qc被注入Cf，導(dǎo)致V1被拉低至VL。在t2時(shí)刻，U1的輸出趨于穩(wěn)定，將S3斷開使采樣保持器U3進(jìn)入保持模式，則U1的輸出值由采樣保持器U3保持，即U3的輸出V3等于VL。第2步是測(cè)量激勵(lì)源引起的Cx中的電荷變化量在t3時(shí)刻，激勵(lì)源Vi產(chǎn)生由高到低的跳變，跳變幅度為ΔV，則在測(cè)量電極上得到感應(yīng)電荷為Q＝-ΔViCxU1的輸出為VH=VL+QCf]]>在t4時(shí)刻，S2斷開使采樣保持器U2進(jìn)入保持模式，即U2的輸出V2等于VH。以采樣保持器U2的輸出VH和采樣保持器U3的輸出VL作為儀表放大器U4的輸入，則儀表放大器的輸出為V4=VH-VL=-ΔViCxCf]]>該值與被測(cè)電容成正比關(guān)系，可以表征被測(cè)電容的大小。
圖11示出的是電容數(shù)據(jù)采集模塊的方框圖，在一個(gè)測(cè)量周期中，首先是微處理器發(fā)出通道控制信號(hào)，用于控制某一電極處于激勵(lì)狀態(tài)而其余電極處于檢測(cè)狀態(tài)，其激勵(lì)與檢測(cè)機(jī)制為選擇電極1為激勵(lì)電極，電極2～電極12為檢測(cè)電極，依次測(cè)量電極1與電極2，電極1與電極3，……，電極1與電極12之間的電容值；然后選擇電極2為激勵(lì)電極，電極3～電極12為檢測(cè)電極，依次測(cè)量電極2與電極3，電極2與電極4，……，電極2與電極12之間的電容值；以此類推，最后測(cè)量電極11與電極12之間的電容值，完成一次測(cè)量。傳感器測(cè)出的電容值經(jīng)C/V模塊(電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊)后轉(zhuǎn)換為電壓值，減掉空管時(shí)電容所對(duì)應(yīng)的電壓值(這些值在系統(tǒng)初始化的時(shí)候得到并存于微處理器中)，得到表征管道內(nèi)電容變化量的電壓增量，再經(jīng)增益可編程放大器(其增益根據(jù)不同的電極對(duì)由微處理器配置)對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大后，送給模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再由微處理器經(jīng)通訊單元傳送至圖像重建和流型顯示的計(jì)算機(jī)。通過(guò)通訊單元，儀表可以采用RS-232或RS-485與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。如果采用RS-232進(jìn)行通訊，需要將儀表和計(jì)算機(jī)的串行口連接起來(lái)，此方式下的傳輸距離為15米，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為115.2KBps。如果采用RS-485進(jìn)行通訊，要求計(jì)算機(jī)配有RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，此方式下的傳輸距離為1200米，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為921.6KBps。
基于12電極電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量裝置的圖像重建、數(shù)據(jù)處理和顯示的計(jì)算機(jī)采用PC-104總線計(jì)算機(jī)，其處理器為奔騰MMX300MHz，內(nèi)存128MByte，主板型號(hào)為PCM3350，顯示器采用9英寸的TFT顯示屏。
權(quán)利要求
1.一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法，其特征在于1)采用反投影算法重建出油氣兩相流介質(zhì)分布圖像，實(shí)現(xiàn)流型在線顯示；2)采用模糊模式識(shí)別方法進(jìn)行流型在線自動(dòng)辨識(shí)，能夠識(shí)別均相流、層狀流、波狀流、環(huán)狀流和塞狀流等流型，并能依據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘，計(jì)算出段塞的時(shí)間跨度；3)采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法，重建出油氣兩相流截面圖像，并根據(jù)圖像的灰度值計(jì)算出油氣兩相流的空隙率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法，其特征在于所說(shuō)的采用反投影算法進(jìn)行圖像重建，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)油氣兩相流流型的實(shí)時(shí)顯示，顯示速度50幀/秒以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法，其特征在于所說(shuō)的采用模糊模式識(shí)別方法進(jìn)行流型的在線自動(dòng)辨識(shí)，所采用的隸屬度函數(shù)為正態(tài)Fuzzy分布函數(shù)，依據(jù)最大隸屬度準(zhǔn)則來(lái)識(shí)別均相流、層狀流、波狀流、環(huán)狀流和塞狀流等流型，同時(shí)根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘，計(jì)算出段塞的時(shí)間跨度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法，其特征在于所說(shuō)的采用基于Tikhonov正則化和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法，該算法分兩步進(jìn)行第一步，將圖像重建場(chǎng)域剖分成54個(gè)像素，采用Tikhonov正則化求解原始圖像灰度分布；第二步，將圖像重建場(chǎng)域剖分成216個(gè)像素，以原始圖像灰度分布為迭代初值，應(yīng)用代數(shù)重建技術(shù)進(jìn)行迭代改善，重建出油氣兩相流截面圖像，根據(jù)圖像的灰度值計(jì)算出油氣兩相流的空隙率。
5.一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量裝置，其特征在于它依次具有陣列式電容傳感器(1)，電容數(shù)據(jù)采集單元(2)和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)(3)，所說(shuō)的陣列式電容傳感器以兩端帶有連接法蘭(5)的絕緣管(4)作為傳感管段，傳感管段外側(cè)軸向均勻粘貼有銅箔電極(9)陣列，傳感管段外側(cè)設(shè)有固定支架(6)、屏蔽罩(7)、徑向電極(8)，在徑向電極(8)上設(shè)有電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊(10)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的傳感管段采用聚乙烯管，聚乙烯管長(zhǎng)度為500～1000mm，公稱直徑25mm～160mm，公稱壓力1.0～2.0MPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的銅箔電極為12片，材料為銅片，電極張角為26°，電極片長(zhǎng)度為管道內(nèi)徑的1.2倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量裝置，其特征在于所說(shuō)的電容數(shù)據(jù)采集單元采用RS-232或RS-485進(jìn)行通訊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于電容層析成像系統(tǒng)的油氣兩相流測(cè)量方法及其裝置。該方法采用反投影算法重建出油氣兩相流介質(zhì)分布圖像，實(shí)時(shí)顯示管道內(nèi)流型，采用模糊模式識(shí)別進(jìn)行流型的在線自動(dòng)辨識(shí)，采用基于Tikhonov正則化原理和代數(shù)重建技術(shù)的組合型新型圖像重建算法重建出反映油氣兩相流介質(zhì)分布的圖像，并經(jīng)圖像處理獲得油氣兩相流的空隙率。該裝置依次具有陣列式電容傳感器，電容數(shù)據(jù)采集單元和用于圖像重建、數(shù)據(jù)處理與顯示的計(jì)算機(jī)。該裝置可以對(duì)油氣兩相流進(jìn)行非介入性測(cè)量，流型顯示速度50幀/秒以上，對(duì)于均相流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流等典型流型，其辨識(shí)的準(zhǔn)確率高于95％，判別一個(gè)流型時(shí)間小于0.3秒，對(duì)于塞狀流的辨識(shí)準(zhǔn)確率高于90％，空隙率測(cè)量誤差小于5％。
文檔編號(hào)G01N27/22GK1538168SQ20031010814
公開日2004年10月20日 申請(qǐng)日期2003年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月21日
發(fā)明者黃志堯, 冀海峰, 謝代梁, 王保良, 李海青 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)