通过电流层析传感器测量水/油相流
E.J.Mohamad，R.A.Rahim,M.H.F.Rahiman,H.L.M.Ameran,S.Z.M.Muji,O.M.F.Marwah
1.马来西亚的Tun Hussein Onn 大学的机电一体化，机器人，电气与电子工程学院的侯赛因江，王党，巴株巴辖，马来西亚柔佛86400。
2.马来西亚的过程层析成像和仪器研究集团，信息研究联盟，电气工程系，马来西亚英迪大学附近，81310，马来西亚。
3.机械电子工程学院，马来西亚玻璃，P}auh Putra校园，Pauh 02600，玻璃，马来西亚。
4.计算机工程系、电气与电子工程学院，大学马来西亚屯侯赛因江，王党，巴株巴辖，马来西亚柔佛86400。
5.制造和工业部门，机械制造学院和大学马来西亚屯侯赛因江，王党，巴株巴辖，马来西亚柔佛86400。
文章历史：
收到13七月2015收到修改后的表格23十一月2015接受14十二月2015
可在线21十二月2015
关键词：
电容层析成像便携式电极差动励磁技术流场可视化
摘要：本论文研究了利用便携式16分段电容层析成像的能力（ECT）传感器和一个新的励磁技术测量油/水两相流的浓度分布。从电容测量得到的浓度分布能够提供管道中的水和油流的图像。可视化结果提供有关多相流的流态和浓度分布的信息。这些信息可以帮助设计工艺设备和验证现有的计算机建模和仿真技术。
1. 引言
一个电容层析成像（ECT）系统能够获得关于容器的内容信息，基于测量的变化在流动的物质容器内[ 1 ]介电性能。ECT可用于任何横截面的船只，但迄今为止大多数工作已使用圆形的几何形状[ 2 ]。一个典型的ECT系统由一个传感器组成的8，12或16电极，电容测量电路，中央控制单元和控制PC [ 3 ]。通常由导电板构成的电极作为直接包含测量体积的传感表面。电容测量电路检测介电常数变化，信号调理电路将模拟测量读数转换为数字格式。中央控制单元的设计同步所有的操作和转移数据到控制PC控制PC接收测量所获取的数据存储，实现了图像的重建从积分测量和反馈作用控制流[ 4 ]。在这项工作中，一一六分段电极传感器的开发和安装对称的绝缘水平管道的外表面上。
一个理想的电容测量系统将有一个非常低的噪声水平，宽动态测量范围和高免疫杂散电容。杂散电容是一种噪声的泄漏电容是由于电路和电缆之间的连接到电极[ 2 ]。在实际的ECT系统中，影响电容测量的杂散电容主要有三种：屏蔽电缆、CMOS开关和传感器屏。一个1米长的屏蔽电缆连接传感电极的测量电路引入了约100 pF的杂散电容[ 5 ]。此外，杂散电容与电缆的运动变化，环境温度的变化，组成的变化和外部或内部电场的变化[ 6 ]。典型的测量电容值介于0.01和0.5 pF的。考虑到测量误差应优于1%的所有电容测量[ 7 ]。
在以往的ECT研究中，传感器电极的信号通常通过同轴电缆与信号调理电路相连。同轴电缆能够屏蔽系统外部的干扰或杂散电容。然而，电缆连接测量电极和信号调节电路的杂散电容介绍。因此，连接电缆应尽可能短。在这个项目中，我们提出了一个更好的解决方案，通过完全消除使用电缆连接的电极板直接的信号调理电路。建立在电极传感器上的信号调理电路成为ECT传感器模块。该模块不仅降低了噪音，但也可以依赖于其他模块的工作。
此外，在ECT系统中被称为软场断层扫描的一个已知的挑战是，传感器是不敏感的中心的管道[ 7 ]。这是由于相邻电极对的灵敏度远高于对电极对的灵敏度，从而导致在更高的测量灵敏度附近的壁相比，中心区域。外部传感器的使用也产生在材料介电常数的电容测量功能的非线性变化。因此，一种新的方法，以提高非线性电位分布的情况下，在ECT测量中心区的敏感性较低。采用差分电位激励方案代替传统的单激励技术。
2. 两相流可视化的简要文献综述
Bolton[ 8 ]，是在液体/液体（水/油）流使用ECT在两相流系统成像的先驱之一。他们的系统包括一个ptl-200 12并联电容，术在高频率1.25兆赫。此外，他们采用LBP算法的图像重建。另一个校准程序采用煤油作为低许可性流体，而较高的介电常数液乳液40%的水和60%的煤油。他们发现，ECT系统区分把25%和50%分布随着煤油连续相流量之间的图像。
Jaworski [ 9 ]，他做了一个实验，使用外部和内部电极采用市售的ptl-300 ECT系统，延续了麦克伯顿等人的研究。[ 8 ]。以蒸馏水为连续相的均匀水/油混合成像。内部电极传感器往往高估的油量，而外部电极传感器低估了油量。总的来说，ECT传感器前抑制非线性行为，特别是对高介电常数的介质和管壁厚。
Hasan和Azzopardi[ 10 ]进行分层液/液流在水平和倾斜管道使用ECT系统的成像研究。使用煤油作为低介电常数介质和水作为高介电常数介质的校准。他们的研究表明，在液/液流管内的相分布在几个不同的流动模式或基本流型，主要取决于两相的流量和角度的倾角如图1所示。
上述研究表明，ECT在管道断面空间分布成像中的应用是可靠的，具有很大的潜力。因此，本工作的目的是图像的分层液/液流在水平管道专门为两相流的水/油混合。这种分析的目的是验证沿管道的流动模式，可以确认所提出的分段ECT系统的图像。
3. ECT系统开发
本研究旨在探讨使用的便携式传感器设计的ECT系统。如图2所示，该项目可分为便携式传感器设计、中央控制单元设计和软件编程3个阶段。
ECT系统通常由8个，12个或16个电极组成。每个电极的大小相对减少ECT传感器电极的数量增长[ 7 ]。该传感器提供激励信号，并将测得的电容转换成电压信号，然后进行条件化，然后数字化数据采集。
在这项研究中，16个分段电极已被制作到直径为110毫米的管道。管道材料必须是纯绝缘体，以尽量减少测量误差，这是非常重要的，因为从激发电极接收到的检测信号，而不是从流过管的电流。管道的厚度和介电常数（ε）的物质会影响站的电容测量值。然而，其他因素，如腐蚀，磨损，耐温性和温度稳定性的要求，可能会限制管道材料的选择[ 11 ]。图3显示了16电极传感器在管道在本项目中已覆盖110毫米亚克力管与壁厚5毫米直径的设计安排，R1是管道内半径50毫米，R2是外管道半径，55毫米和22.5°theta;电极伸展角度
半径比越小，管道厚度影响越大。管道厚度不仅对电容，而且对图像有重要影响。最大的电容变化是在rho;=0.85，有利于电容测量和图像重建[ 12 ]。本研究rho;半径的电极比，0.9也可以接受
断层成像系统的空间分辨率取决于独立测量的数量和每个测量的灵敏度焦点的细度。测量值或数据被控制，以便重建管道的横截面图像的计算机编程[ 13 ]。
4. 便携式电极传感器设计
典型的ECT传感器必须具有较高的机械强度，因为电极之间的任何微小移动都会改变电极间电容的值。在ECT以前的研究中，所有的电极传感器固定在容器上。电极板不能移动到其他容器上，安装必须在实际容器上进行。这项研究打破了局限性，开始了新一代ECT世界；便携式ECT系统，可以安装在任何船只。根据管道的直径可以选择电极传感器的数目。电极材料必须是高导电材料。铜已被选中，因为它可以在任何裸露的印刷电路板（PCB）上找到。
在理想的ECT传感器，电场线将是正常的传感器轴。然而，电磁场会在电极的两端从板上展开。如果电极比管的直径短，则可以减小扩散，但这可能会导致测量灵敏度降低。另一种方法，以防止电场线蔓延在测量电极的两端是使用驱动后卫，已被集成到电极传感器在这个项目。通过在测量电极的端部上沿电场方向轴向扩散，所述从动防护罩通过测量电极的区域在传感器两端保持平行的电场图案。这提高了轴向分辨率和传感器的灵敏度。
另外，接地保护电极的轨道，可能还需要减少相邻测量电极之间的相邻电极之间的电容值在足够低以避免超载或饱和电容测量系统。这些驱动的保护电极连接到数据采集模块上的保护驱动电路上。图4示出了用于16电极传感器的电极1和电极的驱动电极保护装置。其余的电极AR相同的方式范围。防护电极的长度为33毫米的左侧，和右侧的43毫米，如图所示5。后卫是非对称电极的右半部分长10毫米，安装螺钉将放置和连接到传感器的夹具。对外，测量电极必须完全包围的一个接地的金属网，在信号调理电路中得到的信号不受外界干扰。在这项研究中，地球屏幕位于顶部的电极PCB层，如图6所示ECT创建，通过使用特殊的设计PCB。
传感器模块由一个双面FR4做（ɛr=4.6）PCB厚度1.6毫米。FR4是一种广泛用于柔性线路板加劲肋，这是一个高端的应用涉及高频阻抗控制和成本效益的解决方案。与过去设计的ECT系统相比，新的电极传感器不再弯曲和卡在管壁上。该传感器安装在管道周围对称十六边形格式。每个电极传感器有19毫米的宽度，和长度为100毫米传感器面积。传感器的长度是根据电极的轴向长度与电极间有关电容、信号带宽和测量不确定度被测介质。较长的电极产生平均信号轴向长度越大，动态性能越差。较短的电极可能导致电容值太小而不能精确测量[ 14 ]。选择的电极长度为100毫米与管径相同。
5. 电极的连接技术
与仪器仪表设计的一个重要问题是在噪声的存在下，这是由外部干扰和组件内的热效应的电路性能[ 6 ]。一个理想的电容测量系统将具有非常低的噪声电平，宽动态测量范围和高抗杂散电容。电容值测量范围从几个到几百微微法拉。
为了达到测量电路和电极之间的连接的最低电阻电平，每个电极通过1毫米间距PCB连接器连接到信号调理电路，如图（图7）所示。相对于传统的方法，使用同轴电缆，传感器板现在只是位于10毫米远离调理电路。测量从传感器板流入交流电容测量电路的输出信号，以获得激励电极与接收电极之间的电容值。
每个信号调理电路是相同的，是能够独立工作，因为所有的测量操作控制由一个单一的微控制器的电路上。电路包括信号切换电路、信号检测与放大电路、绝对值电路、低通滤波电路、可编程增益放大器（PGA）、模数转换器电路和单片机控制单元。所需的序列的电极的信号选择，测量数据和转换数据的操作依赖于单片机编程。电极传感器设计的方式，它可以直接插入到信号调理电路的PCB插座，成为一个单一的传感模块。
这十六个板是通过使用一个26路的IDC电缆互连。这种设计消除了需要使用电缆连接的电极和信号调理电路。本设计能够降低系统的维护成本。在只有一个传感模块发生故障的情况下，用户可以简单地改变它通过不插板和更换它与一个新的董事会。图8（a）显示了传感模块的框图和图8（b）显示了实际设计。图9显示了完整的ECT信号调理系统与16个传感模块。
6. 传感器电极的双激发电位技术
在这项工作中，我们引入了一个新的计划，称为两个激发电位技术，以改善非线性前沿问题在软场ECT [ 7 ]。在这种情况下，两个不同的激发电位被施加在不同的电极对产生一个大致均匀的励磁字段横跨传感器，作为OP构成使用一个激发电位施加到每个传感器电极依次。
利用这一技术，激发和测量序列是常规的单电压源的同。然而，所使用的电位不同，根据所测量的电极对的位置。一个较高的电压被施加到相反的电极对和一个较低的电压被施加到相邻对。这种技术是通过增加潜在的测量相对的电极对改善在中心区域的传感器灵敏度低的问题。
该测量过程中，电极1注射两微分激发电位/电压源（4 Vp-p和24 Vp-p）的顺序，在较低的激励电压源4 Vp-p会高兴收到相邻电极对。例如：1和2、1和3、1和4以及 1和14，1和15的1和16，而相对的电极对，在这种情况下，5至13电极电极，将收到一个高电压激励源24 Vp-p。下一步，电极2作为激励电极3-16进行检测，获得14个电容测量。此过程继续，直到电极15用于前引和电极16用于检测，只获得一个电容测量。在这种情况下，将有120的依赖电容测量。在一般情况下，独立的电容测量的数目表示由N（N- 1）/ 2，其中N是电极的数目[ 9 ]。
信号调理系统将测量电极对在500 kHz的正弦波电压与电压源产生的电容（4 Vp-p 和24 Vp-p）依次注入到一个电极对。与500 kHz的激励信号，该电路具有良好的线性度和稳定性[ 15 ]。控制单元将用于选择要注入正弦波的电极。在接收电路中，信号将经过几个阶段的调理，包括交流电容测量电路、放大电路、交直流变换电路和滤波电路。
- 结果与讨论
在这项工作中，水（ε为80）和油（ε为3.1）的相位的分布式流动通过管道。一种是在电气工程学院的实验室试验段的液/液流的设施，马来西亚工艺大学，是对现在的工作重新配置。流动钻机组成的液体储罐和泵，液体返回到储罐以外的测试部分（管道）。流钻机的设计使得两个阶段的不同组合可以被调查。图10显示了目前研究的水平水/油流钻机。
7.1. 油-水分散液流动
在实验的第一部分，油和水的混合物的浓度进行了验证。水的固定水平变化从低到高或从20%到90%的管直径。一个单一的平面ECT的浓度分析，如图11所示。
由此产生的图像基于LBP算法在重建程序，运行在实时（每秒帧数] [平均10帧）在表1中，白色代表水的浓度显示，黑色代表石油和丰富多彩的像素显示不同介电常数的表示层的油/水在流政权的乳液。两液体呈分层时给他们时间来稳定。所得到的水/油的流动模式和在管道横截面的相位分布与以前的研究结果一致，表明该系统是能够可视化的水平水/油流浓度的重建图像。
7.2. ECT系统图像浓度测量的可重复性
使用Ramp;R方法评价了用于两相流测量实验的液体–气体流动的图像浓度测量的可重复性，是一种测量系统分析技术，采用方差分析（ANOVA）随机效应模型来评估测量系统。该统计软件用于ECT系统图像浓度测量的重复性评价。在目前的研究中，10个部分的不同百分比的液体水平在管道设置与四
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