一种ECT数据采集装置及数据处理方法

一种ect数据采集装置及数据处理方法
技术领域
1.本发明属于电容层析成像数据采集及处理领域，更具体地说，涉及一种ect数据采集装置及数据处理方法。


背景技术：

2.对于含导电相的两相混合物的测量，常用基于与感测介质直接接触的内部电极采集电阻数值的方法，内部电极侵入待测区域会对混合物的正常流动造成影响。由于传统ect测量含导电相的两相混合物得不到预期效果，有学者提出基于导纳数据的多模态ect技术，多模态测量会增加系统设计难度。另外有学者提出采用复介电常数对含导电相的两相混合物进行分析，复介电常数的引入势必会增加分析的复杂度。
3.对于含导电相的两相混合物，不同激励频率下两相混合物会表现出不同的介电效应，如果恰当地选择两个不同的激励频率，则两不同激励频率下含导电相的两相混合物的电容数值会发生明显变化。
4.对于含导电相的混合物，导电相无论作为分散相还是连续相，由于导电相具有导电特性或部分导电相(如水)具有高介电常数特性，传统ect数据采集及处理方法并不能获得分散相及连续相的分布状态。根据maxwell-wagner-sillars(mws)效应，对于含导电相的两相混合物，不同激励频率下混合物会表现出不同的介电效应，如果选择色散频率范围的下限频率(ω1)和上限频率(ω2)进行激励，则两不同激励频率下含导电相的混合物的介电效应会发生变化，进而引起混合物的相对介电常数发生变化。
5.对于含有n片电极的电容层析成像传感器而言，有效极间电容值的数量为n*(n-1)/2。对于经典的单频激励和测量方案，信道切换的数量为n-1。信道切换次数与图像重建的速率密切相关，现在亟待一种能够减少信道的切换次数，进而提高图像重建的速率，满足工业两相流监测过程中的实时性及快速性需求的方法。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述提到的问题，提供一种用于含导电相的两相混合物的ect数据采集及处理方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种ect数据采集装置，包括管道、屏蔽罩和若干电极，管道的内壁和外壁之间设置用于放置电极的若干弧形槽，弧形槽呈圆周阵列式均匀分布，相邻的弧形槽之间互不联通；弧形槽与外壁之间设置屏蔽罩；所述管道的内壁围成的区域设置成像区域。
9.进一步，弧形槽的数量n取值按如下公式计算：n＝2
x
，其中，x≥3，x表示信道切换次数。
10.进一步，内壁与弧形槽的距离为1mm～3mm。
11.进一步，电极与弧形槽的数量相同。
12.进一步，还包括用于控制开关阵列的微控制器系统，微控制器系统通过开关阵列
与电极连接。
13.一种ect数据采集及处理方法，基于上述的ect数据采集装置，对于含导电相的两相混合物，选择色散频率范围的下限频率ω1和上限频率ω2进行激励，对两个不同激励频率下采集到的电容数据进行二次归一化处理，提高数据采集速率及图像重建速率，具体包括以下步骤：
14.步骤1：在ect数据采集装置的管道内所有的弧形槽放置电极，在n片电极中选取任一电极作为1号电极并编号为e1，沿逆时针或顺时针方向将剩余的n-1片电极依次编号为e2、e3、e4
…
e(n)；
15.步骤2：在激励频率分别为色散频率范围的下限频率ω1、上限频率ω2条件下，微控制器系统控制开关阵列完成x次切换，分别获取两个不同激励频率下的n*(n-1)/2组极间电容数值；
16.步骤3：在成像区域内充满低介电常数物质的空场、成像区域内充满高介电常数物质满场和成像区域内同时充满高介电常数物质和低介电常数物质混合场的三种条件下，分别进行两次不同激励频率下的并行数据采集，所采集数据记为空场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容空场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容满场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容满场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容混合场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容混合场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容针对两个不同激励频率下采集到的电容数据，分别通过进行并联归一化运算，以获得对应频率下的并联归一化数据为基础，通过进行二次归一化，其中β为调整因子，cd为二次归一化后的电容数值；
17.步骤4：利用步骤3所获得的二次归一化后的电容数据进行图像重建，获得成像区域内含导电相的混合物的各相分布图像。
18.进一步，步骤2中，微控制器系统控制开关阵列完成x次切换的具体步骤如下：
19.步骤2.1微控制器系统控制开关阵列完成第一次切换：e1、e2、e3
…
e(n/2)被分为第1组，连接到激励电路，e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(n)被分为第2组，连接到测量电路m；在激励频率分别为色散频率范围的下限频率ω1、上限频率ω2条件下，测量e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(n)上的电流数值，通过电流电压转换电路及模拟数字转换器转换为数字信号，通过数字信号解调出不同激励频率下的极间电容数值；
20.步骤2.2：微控制器系统控制开关阵列完成第二次切换：在步骤2.1的分组基础上，第1组被等分为第1-1组和第1-2组，第1-1组的e1、e2
…
e(n/4)连接到激励电路，第1-2组的e(n/4 1)、e(n/4 2)、
…
e(n/2)连接到测量电路m；第2组被等分为第2-1组和第2-2组，第2-1组的e(n/2 1)、e(n/2 2)
…
e(3n/4)连接到激励电路，第2-2组的e(3n/4 1)、e(3n/4 2)
…
e(n)连接到测量电路m，解调出两个不同激励频率下的极间电容数值；
21.步骤2.3：前一步骤中所分的若干组电极再次进行等分并分别连接到测量电路m和
激励电路，解调出两个不同激励频率下的极间电容数值；
22.步骤2.4：重复步骤2.3的操作，直到完成x次信道切换，分别获取两不同激励频率下的n*(n-1)/2组极间电容数值。
23.应用本发明提出的基于mws效应的ect数据采集及处理方法能够快速重建敏感区域内含导电相的两相混合物的介电常数分布，介电常数分布能够进一步反映出敏感区域内的各相状态分布。本发明的方法满足实际应用中含导电相的两相混合物的图像重建准确性、及时性需求。针对传统ect技术无法对含导电相的两相混合物各相进行图像重建问题，将含导电相的两相混合物的mws效应与ect技术进行融合，对两不同激励频率下采集到的电容数据进行二次归一化，有效解决前述问题。区别现有单频激励和测量方案，本发明提供了一种ect并行数据采集及处理方法，有效减少信道切换次数，提高ect数据采集速率及图像重建速率。
附图说明
24.图1为本发明的ect数据采集装置的管道结构示意图；
25.图2为本发明的方法实施流程图；
26.图3为本发明涉及到的并行数据采集方法实施流程图；
27.图4为本发明涉及到的电容数据处理方法实施流程图。
28.图中，1-内壁，2-外壁，3-电极，4-弧形槽，5-屏蔽罩，6-成像区域。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，但并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。
30.如图1～4所示，本发明公开了一种用于含导电相的两相混合物的ect数据采集装置，ect数据采集装置包括管道、屏蔽罩5和若干电极3，管道的内壁1和外壁2之间设置用于放置电极3的若干弧形槽4，弧形槽4呈圆周阵列式均匀分布，相邻的弧形槽4之间互不联通，电极3与弧形槽4的数量相同；内壁1与弧形槽4的距离为1mm-3mm弧形槽4与外壁2之间设置屏蔽罩5；管道的内壁1围成的区域设置成像区域6。
31.弧形槽4的数量n取值按如下公式计算：n＝2
x
，其中，x≥3，x表示信道切换次数。
32.本发明还公开了一种用于含导电相的两相混合物的ect数据采集及处理方法，基于上述的用于含导电相的两相混合物的ect数据采集装置，对于含导电相的两相混合物，选择色散频率范围的下限频率ω1和上限频率ω2进行激励，对两个不同激励频率下采集到的电容数据进行二次归一化处理，提高数据采集速率及图像重建速率，具体包括以下步骤：
33.步骤1：在ect数据采集的管道内所有的弧形槽4放置电极3，在n片电极中选取某一电极作为1号电极并编号为e1，沿逆时针或顺时针方向将剩余的n-1片电极依次编号为e2、e3、e4
…
e(n)，编号方向选定后不可更改。
34.步骤2：在激励频率分别为色散频率范围的下限频率ω1、上限频率ω2条件下，开关阵列控制系统完成x次切换，分别获取两个不同激励频率下的n*(n-1)/2组极间电容数值。
35.开关阵列控制系统完成x次切换的具体步骤如下：
36.步骤2.1微控制器系统控制开关阵列完成第一次切换：e1、e2、e3
…
e(n/2)被分为第1组，连接到激励电路，e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(n)被分为第2组，连接到测量电路m；在激励频率分别为色散频率范围的下限频率ω1、上限频率ω2条件下，测量e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(n)上的电流数值，通过电流电压转换电路及模拟数字转换器转换为数字信号，通过数字信号解调出不同激励频率下的极间电容数值。
37.步骤2.2：微控制器系统控制开关阵列完成第二次切换：在步骤二上，，第1组被等分为第1-1组和第1-2组，第1-1组的e1、e2
…
e(n/4)连接到激励电路，第1-2组的e(n/4 1)、e(n/4 2)
…
e(n/2)连接到测量电路m；第2组被等分为第2-1组和第2-2组，第2-1组的e(n/2 1)、e(n/2 2)
…
e(3n/4)连接到激励电路，第2-2组的e(3n/4 1)、e(3n/4 2)
…
e(n)连接到测量电路m，解调出两个不同激励频率下的极间电容数值。
38.步骤2.3：前一步骤中所分的若干组电极再次进行等分并分别连接到测量电路m和激励电路，解调出两个不同激励频率下的极间电容数值。
39.步骤2.4：重复步骤2.3的操作，直到完成x次信道切换，分别获取两不同激励频率下的n*(n-1)/2组极间电容数值。
40.步骤3：在成像区域内充满低介电常数物质的空场、成像区域内充满高介电常数物质满场和成像区域内同时充满高介电常数物质和低介电常数物质混合场的三种条件下，分别进行两次不同激励频率下的并行数据采集，所采集数据记为空场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容空场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容满场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容满场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容混合场条件下激励频率为色散频率范围的下限频率ω1时极间电容混合场条件下激励频率为色散频率范围的上限频率ω2时极间电容针对两个不同激励频率下采集到的电容数据，分别通过进行并联归一化运算，以获得对应频率下的并联归一化数据为基础，通过进行二次归一化，其中β为调整因子，cd为二次归一化后的电容数值；
41.步骤4：利用步骤3所获得的二次归一化后的电容数据进行图像重建，获得成像区域内含导电相的混合物的各相分布图像。
42.在图1所示实施例中，采用3d打印技术打印圆柱形管道，本领域技术人员还可采用其他现有技术生产或制作管道，管道的尺寸可根据实际需求进行调整，考虑到阵列电极沿管道内壁的对称分布可减小甚至消除测量误差，距管道内壁2mm处以均匀分布的方式打印n个弧形槽，弧形槽长度与管道内径相同，弧形槽之间互不连通，用来固定n片电极。在弧形槽与外壁之间打印与弧形槽等长的圆形槽，用来放置屏蔽罩。将屏蔽罩和电极嵌入到管道内外壁之间，可有效避免电极和屏蔽罩受环境腐蚀影响传感器性能，增加电极和屏蔽罩的使用寿命。
43.本实施例中，以x取值为3，即n＝8为例进行叙述，至此，搭建如图1所示的8电极电
容层析成像传感器。
44.对于含导电相的混合物，传统电容层析成像数据采集及处理方法并不能有效获得该两相混合物的各相状态分布图像。根据麦克斯韦-瓦格纳(mws)效应，对于含导电相的两相混合物，选择色散频率范围的下限频率(ω1)和上限频率(ω2)进行激励，则色散频率范围的两个极限频率下含导电相的混合物的电容数值会有最大差别。
45.在n片电极中选取任一电极作为1号电极并编号为e1，沿逆时针方向将剩余的n-1片电极依次编号为e2、e3、e4
…
e(n)。微控制器系统控制开关阵列完成第一次切换，e1、e2、e3
…
e(n/2)被分为一组，连接到激励电路，e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
……
e(n)被分为另外一组，连接到测量电路m。在激励频率分别为色散频率范围的下限频率ω1、上限频率ω2条件下，测量e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(n)上的电流数值，通过电流电压转换电路及模拟数字转换器转换为数字信号，通过数字信号解调出不同激励频率下的极间电容数值；在第一次切换的基础上，微控制器系统控制开关阵列完成第二次切换，两个子组又被等分为四个子组，e1、e2、e3
…
e(n/4)连接到激励电路，e(n/4 1)、e(n/4 2)、e(n/4 3)
…
e(n/2)连接到测量电路m，e(n/2 1)、e(n/2 2)、e(n/2 3)
…
e(3n/4)连接到激励电路，e(3n/4 1)、e(3n/4 2)、e(3n/4 3)
…
e(n)连接到测量电路m，解调出两个不同激励频率下的极间电容数值，重复执行上述分组测量过程。当开关阵列完成x次信道切换，分别获取两不同激励频率下的n*(n-1)/2组极间电容数值。
46.在8片电极中选取某一电极作为1号电极并编号为e1，沿逆时针方向将剩余的7片电极依次编号为e2、e3、e4
…
e8。对于经典的单频激励和测量方案，信道切换的次数为7。对8电极电容层析成像传感器而言，若k(k《8)个正弦激励信号施加到k片电极上可测k*(8-k)个互电容，当k＝4时，每个信道切换的互电容的数量可以最大化，进而可以最小化信道切换的数量，提高数据采集速率及图像重建速率。因此，对于8电极电容层析成像传感器而言，信道切换的最小数量为3。
47.微控制器系统控制开关阵列完成第一次切换，八片电极被分为两组。e1、e2、e3、e4连接到激励电路，激励电路产生激励信号i。e5、e6、e7、e8连接到测量电路mm，在激励频率为ω1、ω2条件下，测量e5、e6、e7、e8上的电流，通过电流电压转换电路及模拟数字转换器转换为数字信号，解调出不同激励频率下的极间电容数值为数字信号，解调出不同激励频率下的极间电容数值为数字信号，解调出不同激励频率下的极间电容数值
48.微控制器系统控制开关阵列完成第二次切换，在第一次切换的基础上，两个子组被分为四个子组。e1、e2连接到激励电路，e3、e4连接到测量电路mm，e5、e6连接到激励电路，e7、e8连接到测量电路mm，解调出不同激励频率下的极间电容数值e7、e8连接到测量电路mm，解调出不同激励频率下的极间电容数值
49.微控制器系统控制开关阵列完成第三次切换，在第二次切换的基础上，四个子组被分为八个子组。e1连接到激励电路，e2连接到测量电路m，e3连接到激励电路，e4连接到测量电路m，e5连接到激励电路，e6连接到测量电路m，e7连接到激励电路，e8连接到测量电路m，解调出不同激励频率下的极间电容数值m，解调出不同激励频率下的极间电容数值
本发明涉及到的并行数据采集方法如图3所示。
50.对于八电极电容层析成像传感器，采用本发明提出的并行数据采集方案，通过三次切换，分别得到了不同激励频率下的28组极间电容数据。相比经典的单频激励和测量方案下的七次信道切换次数，获取相同的极间电容数据信道切换次数减少了四次，由此可见，本发明提出的并行数据采集方法能够提高数据采集速率，进而提高图像重建速率。
51.本发明涉及到的电容数据处理方法如图4所示。在空场(传感区域内充满低介电常数物质)、满场(传感区域内充满高介电常数物质)、混合场(高、低介电常数物质混合)条件下，分别进行两次不同频率下的并行数据采集，所采集数据记为下，分别进行两次不同频率下的并行数据采集，所采集数据记为对不同频率下的电容数值，分别采用进行归一化，以获得的为基础，通过进行二次归一化，β为调整因子。
52.利用二次归一化后的电容数据进行图像重建，获得成像区域内含导电相的混合物的各相状态分布图像。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。