电阻层析成像实时测量系统设计

论文摘要

随着工业技术的不断发展,两相/多相流检测需求不断增加,高精度实时的多相流参数检测一直是工程和科研领域尚未有效解决的问题。借助电阻层析成像(ERT)技术可以完成以导电介质为连续相的多相流内部参数可视化测量。目前,ERT技术中检测精度和实时性之间的矛盾,是影响该技术工业化应用的主要原因。本文从ERT技术基本原理出发,研究高精度实时ERT测量系统,以满足实际工业应用需求。首先,本文在总结目前电阻层析成像国内外研究现状的基础上,介绍了本课题的研究背景、意义、基本思想和论文的章节安排。其次,在分析电阻层析成像原理、影响系统测量精度和实时性的各方面因素基础上,从硬件和软件设计两个方面详细介绍了电阻成像实时测量系统的基本思路与实现途径。系统采用单电极双极性脉冲电流激励模式设计16电极的电阻层析成像系统,提出采用微控器直接控制高速高精度DAC芯片产生系统激励信号的设计方法,该方法可节省传统的数据同步采集检测模块,简化系统设计。此外,采用程控放大电路和高精度数据采集电路完成系统数据调理与采集,采用串口模式进行实时数据传输。基于Labwindows/CVI开发环境设计了包含串口通信、有限元生成、数据实时成像和测量等功能的上位机处理平台。最后,给出了系统性能测试结果和进一步改进的方向。从传感器形状、数据采集重复精度和实时成像效果等方面测试了系统实时性与精度。测试结果表明,采用DAC芯片产生激励信号的方法有利于简化系统设计;设计的电阻层析成像系统在满足信号激励、数据采集和软件成像的实时性基础上,测量和成像精度均达到了课题要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状和发展动态
• 1.3 本文的研究内容
• 2. 电阻层析成像系统分析
• 2.1 电阻层析成像基本原理
• 2.2 电阻层析成像系统组成
• 2.2.1 系统电极传感器
• 2.2.2 系统激励源
• 2.2.3 系统激励模式
• 2.2.4 系统成像算法
• 2.3 电阻层析成像系统设计分析
• 2.4 本章小结
• 3. 电阻层析硬件系统设计
• 3.1 硬件系统组成
• 3.2 激励信号产生模块设计
• 3.2.1 数字模拟转换器（DAC）
• 3.2.2 精密电压/电流转换
• 3.3 选通开关模块设计
• 3.3.1 激励电极选通开关
• 3.3.2 测量电极选通开关
• 3.4 信号调理和采集模块设计
• 3.4.1 信号调理电路
• 3.4.2 信号采集电路
• 3.5 微控器控制模块设计
• 3.5.1 微控器接口
• 3.5.2 串口通信电路
• 3.6 电源模块和传感器电极设计
• 3.6.1 电源模块
• 3.6.2 传感器电极
• 3.7 微控器软件设计
• 3.7.1 主处理程序
• 3.7.2 增益自动设置程序
• 3.7.3 串口程序
• 3.8 本章小节
• 4. 电阻层析成像系统上位机软件设计
• 4.1 电阻层析成像系统上位机软件总体结构
• 4.2 通信模块设计
• 4.3 有限元模块设计
• 4.3.1 有限元剖分
• 4.3.2 有限元程序实现
• 4.4 ERT 成像模块设计
• 4.4.1 成像伪迹去除算法
• 4.4.2 成像实现
• 4.5 界面设计
• 4.6 本章小节
• 5. 系统性能测试
• 5.1 实验装置
• 5.2 传感器形状
• 5.3 系统重复性测试
• 5.4 系统实时成像效果测试
• 5.4.1 数据采集实时性分析
• 5.4.2 ERT 成像实时性测量
• 5.4.3 ERT 成像精度测试
• 5.5 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及取得的研究成果
• 致谢