CN101975801A - 一种新型的多模态自适应传感器*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型的多模态自适应传感器***，在气/固两相流和气/液两相流环境下均能使用。对于不同的测量环境，只需对多模态融合传感器进行不同方式的电缆连接和模式选择就可实现测量，这对成像传感器***的集成统一和不同工况的测量带来了诸多方便。

Description

一种新型的多模态自适应传感器***

技术领域

本发明涉及两相流测量技术领域，特别是涉及一种新型的多模态自适应传感器***。

背景技术

两相流动体系在自然界和工业生产过程中广泛存在。例如，自然界的大漠扬砂，江河中的泥砂俱下，以及空中烟尘弥散、雨雹交浸等都是与人类生活有关的两相流现象。在工业生产中，常见的两相流主要有气/液、气/固、液/固、液/液两相流几种。如工业发电、冶炼过程中燃烧用煤粉的输送与喷吹就是典型的气/固两相流；石油开采过程中的油/气/水流就是气/液两相流，也称作三组份流；奶加工过程中牛奶和水被称作液/液两相流；制陶过程中泥浆和水被称作液/固两相流；同时许多化工过程中也都存在气/液两相流体。两相流***是一个复杂的非线性动态***，其参数检测的难度较大，在很多情况下，两相流参数检测技术已成为两相流研究的一个制约性因素，因此，有关两相流的研究目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。

描述两相流动参数除描述单相流动的参数如速度、压力降、流量、温度等，还要增加一些新的参数。常用的两相流参数主要包括：(1)流型，又称流态，即流体流动的形式或结构；(2)分相含率，在气液两相流中，分相含率又称为空隙率或含气率；在气固两相流中，分相含率又称空隙度、含固率或浓度；(3)速度，由于两相流动中空间存在相对速度，所以除了以混和流体的平均速度描述外，还必须采用分相流速来表示；(4)流量，根据采用单位制不同，可以用容积流量或质量流量等表示。对于各相流量，可用分相容积流量、分相质量流量描述。对于两相混合物的流量，可用平均容积流量和平均质量流量各种参数来描述；(5)密度，在两相流动中，混合物的平均密度也是一个常用参数，可以由各相密度和分相含率计算求得；(6)压力降，压力降也是两相流动中的一个基本参数。两相流混合体流动产生的压力降是两相流***工程应用必须考虑的因素，它的理论计算和在线测量对多相流***的应用和参数检测有重要作用。上述主要参数中，流型、分相含率和流量是三个最重要同时也是难以测量的参数。因此，这三个参数的测量一直是两相流检测技术研究的重点。

目前国内外两相流检测所采用的技术线路大致可分为三大类：1)运用传统的单相流检测技术及仪表实现两相流测量。例如，将差压、涡轮、涡街、靶式、容积、超声波、电磁、科里奥利力等多种单相流量计应用于两相流或多相流的测量。针对不同的组合测量形式，需要建立相应的测试模型，同时在应用时必须考虑使用条件和测量精度。如当含气率达50％的气水***，使用涡轮流量计的误差可达20％，但当含气率小于5％时，则误差小到可不需修正而直接应用。在淤浆流量测量中当固相浓度达8％时，用电磁流量计仍能满足精度要求，但用超声波多谱勒流量计测量时，精度和重复性就很差了。在含气率达10％的气/水***和含油率达30％的油水***，使用涡街流量计仍能稳定运行。当科里奥利力流量计用于含气率达15％的气或水***，其测量误差可达20％。2)以新的信号处理技术和现有检测手段相结合的软测量方法来解决两相流测量问题。所谓软测量方法(Soft Sensor)是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法。它主要将模糊数学、状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理论问题引入到两相流参数测试领域中来，解决具有复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确描述的两相流测试问题。软测量技术主要包括中间辅助变量选择，数据处理，软测量模型建立和软测量模型在线校正几个环节，其中，软测量模型建立是软测量技术最重要的组成部分。3)采用近代新兴技术进行两相流参数测量。近几十年，人们已将近代许多新兴技术如：辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术和过程层析成象技术等应用于两相流参数测量。例如：在国外，基于辐射线吸收或散射原理的γ-射线、β-射线和X-射线、中子射线型商品化工业型仪表是两相流或多相流组分浓度测量的重要手段，其中以γ-射线密度计应用最为广泛。

过程层析成象技术(Process Tomography，缩写为PT)是二十世纪80年代中期正式形成和发展起来的，一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。它采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续的提供二维或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，如进行特征提取和流型辨识，分相含率或浓度参数、速度等的测量。因此近二十年来，PT技术受到了国内外科技工作者的普遍关注。PT技术在两相流体的流动及反应、分离过程的监测、环境监测与控制等方面有着巨大应用价值。

作为PT技术的重要分支-电学成像(Electrical Tomography，ET)是基于电磁场理论的新型测量技术，具有无辐射、非侵入、响应速度快、成本低廉以及可视化测量等优点，在工业测量及医学监测中具有诱人的发展前景。其基本原理是利用物场的电导、电容或电磁等特性的变化来获取物场信息而进行的层析成像。电阻层析成像(Electrical Resistance Tomography，简称ERT)、电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography，简称ECT)经过近二十年的发展，目前已进入到工业应用研究阶段。

ERT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分布便可得知物场的媒质分布状况。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，亦即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。由于ERT要求被测对象的连续相必须是导电的，所以其应用对象一般是气/液两相流、液/液两相流或液/固两相流等。对于气/固两相流它是不能测量的。

ECT是利用放置于管道或过程容器周围的电容传感器阵列来检测两相流体流动时引起的两相介质介电常数分布的微小变化，从而重建出管道或过程容器截面的分布图像。ECT是最早发展起来的电学层析成像，已有在线应用仪器***。在颗粒物料的风力输送方面，运用ECT***可对粉状物料和块状物料的风力输送***(密相操作)的运行工况进行可视化测量，可获得较好的浓度信息，如果再利用静电传感器拾取流动的电荷随机噪声信号并进行相关分析处理，可实现流速测量，这样就可实现气/固两相流的质量流量测量。利用ECT还可对低含水的油/水两相流进行测量，但ECT不能测连续相导电的气/液两相流、液/液两相流或液/固两相流。

目前，国内外在气/固两相流测量方面，利用电容层析成像(ECT)技术来测密相操作的浓度，再利用静电方法来测固体颗粒流动的速度，然后融合起来测流量的方法已有学者从事此方面研究。如：在ECT研究方面处于领先的有英国曼彻斯特大学W.Q.Yang、中国天津大学王化祥；在静电法测速研究方面处于领先的有英国肯特大学Y.Yan等，但他们只是在各自的研究领域有处于领先的传感器***。在气/液两相流或油/气/水测量方面，利用电容层析成像(ECT)和电阻层析成像(ERT)相融合的传感器***国内外亦有学者研究，如中国天津大学王化祥教授、英国曼彻斯特大学W.Q.Yang教授、英国利兹大学M.Wang教授等。

然而上述解决方案中，尤其是传感器部分，要么只能用于气/固两相流测量，要么只能用于气/液两相流测量，也就说根据不同的被测对象需要用不同的传感器***，显然，这些测量的应用中所存在诸多的不便，同时，也使得整个测量的成本较高。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种方法或者是***，以解决现有测量中存在的不便，从而能快速有效的完成两相流动体的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的多模态自适应传感器***，用以解决现有测量中存在的不便，从而能快速有效的完成两相流动体的测量。

为了解决上述问题，本发明公开了一种新型的多模态自适应传感器***，包括：

12电极电容层析成像(ECT)传感器模块，用于测量两相流密相的浓度信息；

数据获取和处理电箱，其与12电极电容层析成像(ECT)传感器模块相连，用于获取12电极电容层析成像(ECT)传感器模块的测量信息，按被测对象是气/固或气/液(油/气/水)两相流分别选择静电传感器或电阻层析成像(ERT)传感器接通，用获取的数据进行图像重建，动态显示截面信息，并进行速度测量，获取两相流体密相的质量流量。

优选的，所述数据获取和处理电箱包括以下子模块：

信号获取子模块，用于获取两相流是气/固还是气/液(油/气/水)的流型；

静电传感器子模块，用于测量气/固两相流动速度；

电阻层析成像(ERT)传感器子模块，用于测量气/液两相流的电导率分布。

优选的，所述数据获取和处理电箱还包括以下子模块：

电荷放大器子模块，用于进行信号的放大、滤波以及数据采集，获取两相流体的表现速度。

优选的，所述数据获取和处理电箱还包括以下子模块：

校正子模块，用于对表现速度进行标定和修正，获取两相流体密相的速度。

优选的，所述12电极电容层析成像(ECT)传感器采用的测量方式为非接触测量。

优选的，所述浓度信息包括浓度分布和固含率。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种新型的多模态自适应传感器***，在气/固两相流和气/液两相流环境下均能使用。对于不同的测量环境，只需对多模态融合传感器进行不同方式的电缆连接和模式选择就可实现测量，这对成像传感器***的集成统一和不同工况的测量带来了诸多方便。

附图说明

图1是本发明实施例所述的一种新型的多模态自适应传感器***的结构图；

图2是本发明实施例所述的气/固两相流状态下，一种新型的多模态自适应传感器***的结构功能和电极连接方式的示意图；

图3是本发明实施例所述的气/液两相流状态下，一种新型的多模态自适应传感器***的结构功能和电极连接方式的示意图；

图4是本发明实施例所述的油/气/水(低含水)三组份流情况下截面流型的示意图；

图5是本发明实施例中图4所述截面图重建后的示意图；

图6是本发明实施例所述的水包油的情形的示意图；

图7是本发明实施例中图6中所述情况重建后的示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在自然界和工业生产过程中，两相流动体系都是广泛存在的。例如，自然界的大漠扬砂，江河中的泥砂俱下，以及空中烟尘弥散、雨雹交浸等都是与人类生活有关的两相流现象，实际应用中，两相流测量对象具有复杂和多样的特征，这也给人们提出了研究和发明多用途和功能的测量***的必要性，本发明的核心在于提供一种新型的多模态自适应传感器***，它可根据被测环境是气/固两相流还是气/液两相流来选择不同的测量模式，通过改变该传感器***的电极连接方式和屏蔽层，来完成不同模式下的测量。

实施例：

参照图1，示出了本发明的一种新型的多模态自适应传感器***的结构图，所述***包括：

12电极电容层析成像(ECT)传感器模块101，用于测量两相流密相的浓度信息；

优选的，所述12电极电容层析成像(ECT)传感器采用的测量方式为非接触测量。

数据获取和处理电箱102，其与12电极电容层析成像(ECT)传感器模块相连，用于获取12电极电容层析成像(ECT)传感器模块的测量信息，按被测对象是气/固或气/液(油/气/水)两相流分别选择静电传感器或电阻层析成像(ERT)传感器接通，用获取的数据进行图像重建，动态显示截面信息，并进行速度测量，获取两相流体密相的质量流量。

优选的，所述浓度信息包括浓度分布和固含率。

优选的，所述数据获取和处理电箱102包括以下子模块：

信号获取子模块1021，用于获取两相流是气/固还是气/液(油/气/水)的流型；

静电传感器子模块1022，用于测量气/固两相流动速度；

电阻层析成像(ERT)传感器1023，用于测量气/液两相流的电导率分布。

优选的，所述数据获取和处理电箱102还包括以下子模块：

电荷放大器子模块1024，用于进行信号的放大、滤波以及数据采集，获取两相流体的表现速度。

优选的，所述数据获取和处理电箱102还包括以下子模块：

校正子模块1025，用于对表现速度进行标定和修正，获取两相流体密相的速度。

参见图2，示出了本发明所述的当被测两相流的流型为气/固两相流状态时，选择静电传感器接通时一种新型的多模态自适应传感器***的结构功能和电极连接方式的示意图，12电极电容层析成像(ECT)传感器模块连接数据获取和处理电箱，数据获取和处理电箱选择接通了静电传感器，所述静电传感器由双16电极阵列平面中，每个平面的16电极中成垂直分布的4个探测静电荷的电极连接在一起形成，接通静电传感器后数据获取和处理电箱用所获取的数据进行图像重建，动态显示截面信息，并进行速度测量，获取两相流体密相的质量流量，双16电极阵列平面中除构成静电传感器外的其余电极都相互连接并接屏蔽地，图2中最右侧部分为每个平面内的电极连接侧视图。静电传感器与电荷放大器子模块相连，由点和放大器子模块进行信号放大、滤波和数据采集，两路随机电荷噪声信号进行互相关运算，并测得两相流体的表观速度，然后通过校正子模块实验标定与修正，最后获得两相流体的客观速度，在得知浓度信号的情况下，最终测得两相流体密相的质量流量。

图3示出了本发明所述的当被测两相流的流型为气/液两相流状态时，选择电阻层析成像(ERT)传感器接通时一种新型的多模态自适应传感器***的结构功能和电极连接方式的示意图，图中传感器左半部分是12电极ECT(电容层析成像)传感器，右半部分是双16电极ERT(电阻层析成像)传感器。

对原油/天然气/水来说，相对介电常数分别为2.2、1.0和80。由于ECT***的电容传感器对多相流体的相对介电常数敏感，理论上讲，一方面能较好地分辨出油和气两相，另一方面也能区分水相，因此在油/气/水(低含水)三组份流情况下，它能将油气和水区别开，对如图4(a)和4(b)所示的截面流型重建出如图5a)和5(b)所示的图像。

对于电阻过程成像ERT***来说，情况相对复杂。由于通常的ERT成像要求连续相必须是导电的，因此对于含水率较高的情况才适用。也就是说在含水率较高的情况下，往往出现水包油的情形，如图6a)、6(b)所示。由于此时的水包油小油团可近似看作连续相，所以ERT***能将气、液相区分开，对如图6(a)、6(b)所示的截面流型重建出如图7(a)、7(b)所示的图像。

对于ECT和ERT所成图像图5和图7，可以通过传感器数据融合就可得到油/气/水的图像分布，从而得到含油率，当然要必须满足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。

对于ERT成像传感器子模块来说，还可利用成像数据进行像素相关运算，从而得到速度分布。

以上对本发明所提供的一种新型的多模态自适应传感器***进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种新型的多模态自适应传感器***，其特征在于，包括：

12电极电容层析成像(ECT)传感器模块，用于测量两相流密相的浓度信息；

数据获取和处理电箱，其与12电极电容层析成像(ECT)传感器模块相连，用于获取12电极电容层析成像(ECT)传感器模块的测量信息，按被测对象是气/固或气/液(油/气/水)两相流分别选择静电传感器或电阻层析成像(ERT)传感器接通，用获取的数据进行图像重建，动态显示截面信息，并进行速度测量，获取两相流体密相的质量流量。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述数据获取和处理电箱包括以下子模块：

信号获取子模块，用于获取两相流是气/固还是气/液(油/气/水)的流型；

静电传感器子模块，用于测量气/固两相流动速度；

电阻层析成像(ERT)传感器子模块，用于测量气/液两相流的电导率分布。

3.根据权利要求2所述的***，其特征在于，所述数据获取和处理电箱还包括以下子模块：

电荷放大器子模块，用于进行信号的放大、滤波以及数据采集，获取两相流体的表现速度。

4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，所述数据获取和处理电箱还包括以下子模块：

校正子模块，用于对表现速度进行标定和修正，获取两相流体密相的速度。

5.根据权利要求4所述的控制***，其特征在于：

所述12电极电容层析成像(ECT)传感器采用的测量方式为非接触测量。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于：

所述浓度信息包括浓度分布和固含率。

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