[发明专利]非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法。

背景技术

电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography，简写为ECT）和电阻层析成像（Electrical Resistance Tomography，简写为ERT）是当前过程层析成像领域研究相对较为成熟的两种电学层析成像技术。这两种技术分别适用于多相流检测领域不同的应用范围，ECT适用于连续相为非导电介质的测量，ERT适用于连续相为导电介质的测量。由于多相流复杂多变，常存在连续相的转换问题，例如在油水两相流中，当油较多作为连续相而水较少作为离散相时应采用ECT，当水增多变成连续相而油减少变成离散相时应采用ERT。此外，二者在数学模型、电磁场的正问题和逆问题求解以及数据采集等方面有很大相似性。为扩大测量范围，国内外众多学者纷纷参与研究将ECT和ERT融合形成电容/电阻双模态层析成像系统（即ECT/ERT双模态系统）。

现有的ECT/ERT双模态系统往往将两套独立的ECT和ERT装置进行组合，ECT和ERT的传感器电极分别安装在同一管道的不同截面，或者先将ECT、ERT的电极组合成复合电极然后再安装在管道内外表面上，而且不同模态的数据采集模块需基于不同测量原理分别设计，实际测量时为避免不同工作原理的测量电路之间相互干扰，不同模态的数据采集模块只能交替工作，这些双模态系统往往具有如下缺点：1）传感器电极的单独设计使测量空间的一致性难以得到保证，数据采集模块的交替工作使测量时间的一致性难以得到保证，故两个模态间测量的时空一致性难以得到保证；2）其ERT的电极与管内流体接触，容易产生电极极化和电化学腐蚀问题，接触式的测量也限制了其在存在强酸、强碱等腐蚀性液体的工业生产过程中的应用；3）针对ECT、ERT两种模态需要设计不同的传感器电极和数据采集模块，系统结构较复杂。

1980年，基于四电极结构的电容耦合非接触电导检测（Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection，简写为C⁴D）技术被首次提出。1998年，Zemann等和Fracassi da Silva等分别独立提出了基于两电极的C⁴D测量方法，将C⁴D技术进行了简化。在C⁴D技术中，电极无需与管内被测介质，便可测量两电极之间的电阻。这种非接触的电导（电阻）测量技术为实现非接触的ECT/ERT双模态系统提供了重要参考。

本发明针对当前ECT/ERT双模态系统的发展现状，提出了一种新型的基于C⁴D原理的非接触式一体化电容/电阻双模态层析成像测量装置及方法，通过相敏解调（Phase Sensitivity Demodulation，简写为PSD）的方法，在电极与被测介质非接触的情况下，只利用一套传感器和数据采集模块就可以同时测出管内同一截面的介电常数分布和电导率分布，实现了ECT/ERT双模态层析成像。通过传感器的一体化保证了测量空间的一致性，数据采集模块的一体化保证了测量时间的一致性，从而保证了双模态测量时间和空间的一致性，而且非接触的测量避免了传统接触式双模态测量的电极极化和化学腐蚀问题，简化了双模态系统的结构，拓宽了ECT/ERT双模态技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用范围更广，可以确保ECT、ERT两种模态测量的时空一致性，并且可避免电极极化、电极腐蚀的非接触式一体化ECT/ERT双模态层析成像测量装置及方法。