阅读说明：本技术 基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法 (Three-dimensional liquid-solid two-phase flow detection device and method based on electrical tomography ) 是由 张群 王仕辅 李日新 杜君梅 张红漫 李�浩 王磊 李辛 李蒙 赵进 张敏 周 于 2020-06-09 设计创作，主要内容包括：本发明提出了基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法,在输送管道的内壁上等间距设置三组结构相同的第一电极阵列,每组第一电极阵列中的相同编号的电极沿输送管道内壁轴向方向正对设置,通过第一组第一电极阵列和第三组第一电极阵列确定椭圆长轴端点,通过第二组第一电极阵列确定椭圆短轴端点,通过切换椭圆长轴端点和椭圆短轴端点,可以获取若干个椭圆,在输送管道上相邻的两组第一电极阵列之间选取M个沿输送管道径向方向的横截面,单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列中P个电极的安装位置,进而确定第二电极阵列中各电极的安装位置,提高测量结果的精确度,实现基于电学层析成像的三维液固两相流检测目的。(The invention provides a three-dimensional liquid-solid two-phase flow detection device and a detection method based on electrical tomography, wherein three groups of first electrode arrays with the same structure are arranged on the inner wall of a conveying pipeline at equal intervals, electrodes with the same number in each group of first electrode arrays are oppositely arranged along the axial direction of the inner wall of the conveying pipeline, the end points of the long axis of an ellipse are determined by the first group of first electrode arrays and the third group of first electrode arrays, the end points of the short axis of the ellipse are determined by the second group of first electrode arrays, a plurality of ellipses can be obtained by switching the end points of the long axis of the ellipse and the short axis of the ellipse, M cross sections along the radial direction of the conveying pipeline are selected between two adjacent groups of first electrode arrays on the conveying pipeline, the intersection points of a single cross section and the M ellipses are the installation positions of P electrodes in one group of second electrode arrays, and then the, the accuracy of the measurement result is improved, and the purpose of three-dimensional liquid-solid two-phase flow detection based on electrical tomography is achieved.)

基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及疏浚介质输送过程中流量、浓度测量技术领域，尤其涉及基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法。

背景技术

疏浚为疏通、扩宽或挖深河湖等水域，用人力或机械进行水下土石方开挖工程。耙吸、绞吸、斗轮挖泥船施工是通过管道利用水力完成疏浚土的输送，施工过程中操作人员需要实时掌握液固两相流浓度参数操控施工机具优化施工效率，管理者亦需通过浓度、流量参数计算得到的施工产量实现管理考核。

目前，世界范围内挖泥船浓度的测量以核技术应用最为广泛，是一种主流设备，核技术应用于挖泥船时，因其测量原理与实际施工工况之间存在不可调和的状况，因此在实际使用过程中除测量精确性无法保证外，对施工过程的指导与管理作用也无法达到预期效果。此外，核技术涉及辐射管理、辐射安全风险，给用户造成很大的管理成本，船员在涉源设备的使用和维护方面有很强烈的抵触情绪。

随着传感器技术及软、硬技术的发展，电学层析扫描成像技术(ET技术)为解决上述问题提供了一种解决方案。ET技术通过对被测物体施加电激励，并检测其边界值的变化，利用特定数学手段逆推被测物体内部的电特性参数分布，从而得到物体内部的分布情况。目前，在液固两相流测量中，采用ET技术针对测量截面，可以获知液固两相流在该二维测量截面上实时电导率和电容率分布，采用三维ET技术可以将二维测量截面转换成三维图像，进而获知管道中液固两相流三维电导率和电容率分布。

但是，三维电学层析成像应用领域主要在地质勘察与医学检测，其应用场景、实现方法均不适用于工业管道液固两相流，采用ET技术对管道中实时流动的液固两相流进行三维测量缺乏有效的技术。因此，为解决上述问题，本发明提供基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法，实现对工业管道中实时流动的液固两相流进行三维测量的技术。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置及检测方法，实现对工业管道中实时流动的液固两相流进行三维测量的技术。

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置，包括：输送管道、三组第一电极阵列和若干组第二电极阵列；

三组第一电极阵列分别等间隔设置在输送管道的内壁；

每组第一电极阵列均包括M个电极，其中，M为16N，N为正整数；每组第一电极阵列中的M个电极从1到M顺序编号；每组所述第一电极阵列中M个电极分别沿输送管道内壁的周向方向等间距排列，每组所述第一电极阵列中相同编号的电极沿输送管道内壁轴向方向正对设置；

每组第二电极阵列均包括P个电极，其中，P为32N，N为正整数；

第一组第一电极阵列中编号为1的电极和第三组第一电极阵列中编号为Q的电极几何中心构成椭圆长轴端点，其中，Q为8N+1；第二组第一电极阵列中编号为4N+1和12N+1的电极几何中心构成该椭圆短轴端点；依次循环，直至第一组第一电极阵列中M个电极都被遍历过，并建立M个椭圆；

在输送管道上相邻的两组第一电极阵列之间选取若干个沿输送管道径向方向的横截面，单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列中P个电极的安装位置。

在以上技术方案的基础上，优选的，第二电极阵列的数目为S组，其中，S为8N-2，N为正整数；

S组第二电极阵列分别间隔设置在相邻的两个第一电极阵列之间。

进一步优选的，第一组第一电极阵列与第二组第一电极阵列中均匀等间距设置有Z组第二电极阵列，其中，Z为4N-1，N为正整数。

进一步优选的，S组所述第二电极阵列关于第二组第一电极阵列对称分布在输送管道的内周壁。

进一步优选的，每组第二电极阵列中P个电极分别沿输送管道内壁的周向方向间距排列，其中P个电极分为M个奇数电极及M个偶数电极，且间隔顺序排列，所述相邻两个奇数电极之间的间距相等，所述相邻两个偶数电极之间的间距相等。

另一方面，本发明提供了基于电学层析成像的三维液固两相流检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、依次以第一组第一电极阵列上1-M号电极、Z组第二电极阵列上奇数号电极组或偶数号电极组、第二组第一电极阵列上1-M号电极、Z组第二电极阵列上奇数号电极组或偶数号电极组、第三组第一电极阵列上1-M号电极采用ERT技术或ECT技术测量三组第一电极阵列和S组第二电极阵列截面电导率或电容率分布；

S2、采用相同原理的ERT技术或ECT技术测量第一个椭圆截面至第M个椭圆截面电导率或电容率分布；

S3、建立空间坐标系，如果点在所测量平面上，其所在位置电导率取其在2-3步中通过ERT技术或ECT技术测量所得的电导率或电容率，其所在位置不在测量平面上的点其电导率通过其位置周围已经测得的数据值用机器学习的方式计算求得。

S4、进入下一个测量周期。

本发明的基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置相对于现有技术具有以下有益效果：

(1)在输送管道的内壁上等间距设置三组结构相同的第一电极阵列，每组第一电极阵列中的相同编号的电极沿输送管道内壁轴向方向正对设置，通过第一组第一电极阵列和第三组第一电极阵列确定椭圆长轴端点，通过第二组第一电极阵列确定椭圆短轴端点，通过切换椭圆长轴端点和椭圆短轴端点，可以获取若干个椭圆，在输送管道上相邻的两组第一电极阵列之间选取M个沿输送管道径向方向的横截面，单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列中P个电极的安装位置，使得每组第二电极阵列能有不同两个电极几何中心在M个椭圆周上，进而确定第二电极阵列中各电极的安装位置，提高测量结果的精确度，实现基于电学层析成像的三维液固两相流检测目的；

(2)通过将第二电极阵列的数目设为S组，其中，S为8N-2，N为正整数；第一组第一电极阵列与第二组第一电极阵列中均匀等间距设置有Z组第二电极阵列，其中，Z为4N-1，N为正整数。S组第二电极阵列关于第二组第一电极阵列对称分布在输送管道的内周壁。由于，所有的电极在输送管道轴向方向上呈对称分布，因此，在可以减少运算量的同时，降低工业问题；

(3)每组第二电极阵列中P个电极分别沿输送管道内壁的周向方向间距排列，其中P个电极分为M个奇数电极及M个偶数电极，且间隔顺序排列，相邻两个奇数电极之间的间距相等，相邻两个偶数电极之间的间距相等，可以减小同一组第一电极阵列中的电极之间的安装位置对测量结果的影响，使检测结果更精确，运算量更少；

(4)通过测量第一电极阵列和第二电极阵列所处水平平面截面的电导率或电容率分布，以及测量M个椭圆截面电导率或电容率分布，可以获知输送管道内各处空间上的电导率或电容率分布，进而实现二维图像跨度到三维图像的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置的立体图；

图2为本发明基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置的正视图；

图3为本实施例2中A层俯视图；

图4为本实施例2中B层俯视图；

图5为本实施例2中A1椭圆截面图；

图6为本实施例2中A2椭圆截面图；

图7为本实施例2中采用ERT技术扫描示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术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方式，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明的基于电学层析成像的三维液固两相流检测装置，其特征在于，包括：输送管道1、三组第一电极阵列2和若干组第二电极阵列3；其中，三组第一电极阵列2和若干组第二电极阵列3均用于建立敏感场，通过在一对电极的一端施加激励信号，在剩余电极上检测电压或电流信号即可得出输送管道1内部输送媒质的特性变化。

第一电极阵列2，用于建立敏感场，通过在其中一对电极的一端施加激励信号，在剩余电极上检测电压或电流信号即可得出输送管道1内部输送媒质的特性变化。为了实现采用ET技术对管道中实时流动的液固两相流进行三维测量的目的，本实施例中，第一电极阵列2设置有三组，并且三组第一电极阵列2分别等间隔设置在输送管道1的内壁；每组第一电极阵列2均包括M个电极，其中，M为16N，N为正整数；每组所述第一电极阵列2中M个电极分别沿输送管道1内壁的周向方向等间距排列；每组第一电极阵列2中的M个电极从1到M顺序编号，每组所述第一电极阵列2中的相同编号的电极沿输送管道1内壁轴向方向正对设置，此时，第一组第一电极阵列2中编号为1的电极和第三组第一电极阵列2中编号为Q的电极几何中心构成椭圆长轴端点，其中，Q为8N+1；第二组第一电极阵列2中编号为4N+1和12N+1的电极几何中心构成该椭圆短轴端点；第一组第一电极阵列2中编号为2的电极和第三组第一电极阵列2中编号为10的电极几何中心构成椭圆长轴端点，第二组第一电极阵列2中编号为4N+2和12N+2的电极几何中心构成椭圆短轴端点；依次循环，直至第一组第一电极阵列2中M个电极都被遍历过，并建立M个椭圆。通过给M个椭圆轨迹上相邻的两个电极施加激励信号建立敏感场，采集其他相邻或非相邻电极上电压或者电流信号，通过信号滤波放大处理后，进行数据处理；然后依次切换到下一个相邻电极对上进行激励，再在其它的相邻或非激励电极对上测量电压。重复上述过程直到所有的相邻电极对都激励过、所有的独立测量电压都检测过。当敏感场内电导率分布发生变化时，敏感场内的电势分布随之变化，导致敏感场边界上的测量电压或电流发生相应的变化，结合构成两相流各相具有不同的确定电导率或电容率特征，通过判断敏感场内介质的电导率或电容率分布，来获得敏感场内的各相介质分布信息。

第二电极阵列3，用于建立敏感场，通过在其中一对电极的一端施加激励信号，在剩余电极上检测电压或电流信号即可得出输送管道1内部输送媒质的特性变化。本实施例中，每组第二电极阵列3均包括P个电极，其中，P为32N，N为正整数。由于第二电极阵列3中的电极安装位置直接影响测量结果的精确度，因此，为实现基于电学层析成像的三维液固两相流检测目的，本实施例中，对每组第二电极阵列3中的P个电极安装位置进行详细限定。具体如下：

首先，根据三组第一电极阵列2建立M个椭圆，具体为：第一组第一电极阵列2中编号为1的电极和第三组第一电极阵列2中编号为Q的电极几何中心构成椭圆长轴端点，其中，Q为8N+1；第二组第一电极阵列2中编号为4N+1和12N+1的电极几何中心构成该椭圆短轴端点；第一组第一电极阵列2中编号为2的电极和第三组第一电极阵列2中编号为10的电极几何中心构成椭圆长轴端点，第二组第一电极阵列2中编号为4N+2和12N+2的电极几何中心构成椭圆短轴端点；依次循环，直至第一组第一电极阵列2中M个电极都被遍历过，并建立M个椭圆；

然后，在输送管道1上相邻的两组第一电极阵列2之间选取若干个沿输送管道1径向方向的横截面，单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列3中P个电极的安装位置。

进一步优选的，由于电极数设计对测量结果带来非常大的影响，电极数越多，则成像效果越清晰，但是电极数量过多，在运算处理量成指数式增长的同时，亦会产生大量的工程应用问题。因此，本实施例对第二电极阵列3中的电极数目进行限定。本实施例中，将第二电极阵列3的数目设为S组，其中，S为8N-2，N为正整数；S组第二电极阵列3分别间隔设置在相邻的两个第一电极阵列2之间。

进一步优选的，由于电极在输送管道1轴向方向上的安装间隔也会对测量结果带来非常大的影响，若电极在输送管道1零散布设，则运算处理量成指数式增长的同时，亦会产生大量的工程应用问题。因此，本实施例对每组第二电极阵列3在输送管道1轴向方向上的安装间隔进行限定。本实施例中，在第一组第一电极阵列2与第二组第一电极阵列2中均匀等间距设置有Z组第二电极阵列3，其中，Z为4N-1，N为正整数。S组第二电极阵列3关于第二组第一电极阵列2对称分布在输送管道1的内周壁。由于，所有的电极在输送管道1轴向方向上呈对称分布，因此，在可以减少运算量的同时，降低工业问题。

进一步优选的，由于同一组第一电极阵列2中的电极之间的安装位置也会对测量结果带来非常大的影响，为了使检测结果更精确，运算量更少，本实施例中，每组第二电极阵列3中P个电极分别沿输送管道1内壁的周向方向间距排列，其中P个电极分为M个奇数电极及M个偶数电极，且间隔顺序排列，相邻两个奇数电极之间的间距相等，相邻两个偶数电极之间的间距相等。

本实施例的有益效果为：在输送管道1的内壁上等间距设置三组结构相同的第一电极阵列2，每组第一电极阵列2中的相同编号的电极沿输送管道1内壁轴向方向正对设置，通过第一组第一电极阵列2和第三组第一电极阵列2确定椭圆长轴端点，通过第二组第一电极阵列2确定椭圆短轴端点，通过切换椭圆长轴端点和椭圆短轴端点，可以获取若干个椭圆，在输送管道1上相邻的两组第一电极阵列2之间选取M个沿输送管道1径向方向的横截面，单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列3中P个电极的安装位置，使得每组第二电极阵列3能有不同两个电极几何中心在M个椭圆周上，进而确定第二电极阵列3中各电极的安装位置，提高测量结果的精确度，实现基于电学层析成像的三维液固两相流检测目的；

通过将第二电极阵列3的数目设为S组，其中，S为8N-2，N为正整数；第一组第一电极阵列2与第二组第一电极阵列2中均匀等间距设置有Z组第二电极阵列3，其中，Z为4N-1，N为正整数。S组第二电极阵列3关于第二组第一电极阵列2对称分布在输送管道1的内周壁。由于，所有的电极在输送管道1轴向方向上呈对称分布，因此，在可以减少运算量的同时，降低工业问题；

每组第二电极阵列3中P个电极分别沿输送管道1内壁的周向方向间距排列，其中P个电极分为M个奇数电极及M个偶数电极，且间隔顺序排列，相邻两个奇数电极之间的间距相等，相邻两个偶数电极之间的间距相等，可以减小同一组第一电极阵列2中的电极之间的安装位置对测量结果的影响，使检测结果更精确，运算量更少。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例提供一个实际的应用案例。以解决工业测量常见的16电极传感器布置为例，即N＝1，M＝16，P＝32，S＝6，Z＝3，在一段输送管道1上总共需要安装9层电极阵列，如图2所示，分别标为A层、B层、C层、D层、E层、F层、G层、H层和I层，其中A层为第一组第一电极阵列2，E层为第二组第一电极阵列2，I层为第三组第一电极阵列2；如图2、图3和图4所示，每一层电极数分别为16个、32个、32个、32个、16个、32个、32个、32个和16个。每一层电极标号为A1-A16、B1-B32、C1-C32、D1-D32、E1-A16、F1-F32、G1-G32、H1-H32和I1-I32，其中A层、E层和I层16个电极等间距排列，按照以下方式建立16个椭圆，并将这些椭圆截面分别标为A1-A16椭圆截面。这16个椭圆为：

(1)如图5所示，在以电极A1、I9几何中心为椭圆长轴端点、E5和E13几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(2)如图6所示，以电极A2、I10几何中心为椭圆长轴端点、E6和E14几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(3)以电极A3、I11几何中心为椭圆长轴端点、E7和E15几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(4)以电极A4、I12几何中心为椭圆长轴端点、E8和E16几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(5)以电极A5、I13几何中心为椭圆长轴端点、E9和E1几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(6)以电极A6、I14几何中心为椭圆长轴端点、E10和E2几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(7)以电极A7、I15几何中心为椭圆长轴端点、E11和E3几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(8)以电极A8、I16几何中心为椭圆长轴端点、E12和E4几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(9)以电极A9、I1几何中心为椭圆长轴端点、E13和E5几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(10)以电极A10、I2几何中心为椭圆长轴端点、E14和E6几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(11)以电极A11、I3几何中心为椭圆长轴端点、E15和E7几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(12)以电极A12、I4几何中心为椭圆长轴端点、E16和E8几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(13)以电极A13、I5几何中心为椭圆长轴端点、E1和E9几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(14)以电极A14、I6几何中心为椭圆长轴端点、E2和E10几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(15)以电极A15、I7几何中心为椭圆长轴端点、E3和E11几何中心为短轴端点所构成椭圆；

(16)以电极A16、I8几何中心为椭圆长轴端点、E4和E12几何中心为短轴端点所构成椭圆。

在输送管道1上相邻的两组第一电极阵列2之间选取三个沿输送管道1径向方向的横截面，单个横截面与M个椭圆的交点即为一组第二电极阵列3中P个电极的安装位置，进而确定B层、C层、D层、F层、G层和H层中各电极的安装位置，其中，B层、C层、D层、F层、G层和H层中各层奇数号电极等间距排列，偶数标号电极等间距排列，奇数号电极与偶数号电极之间间距以保证各层能有不同两个电极几何中心在16个椭圆周上。

采用本实施例的三维液固两相流检测装置进行测量时，具体包括以下步骤：

S1、依次以A1至A16号电极、B层奇数号电极组或偶数号电极组，C层奇数号电极组或偶数号电极组、D层奇数号电极组或偶数号电极组、E1-E16号电极、F层奇数号电极组或偶数号电极组，G层奇数号电极组或偶数号电极组、H层奇数号电极组或偶数号电极组、H1-H16号电极采用ERT(电阻层析成像)技术或ECT(电容层析成像)技术测量第A至I截面电导率或电容率分布；

如图7所示，为采用ERT技术扫描第A至I截面电导率或电容率分布示意图，在适当的激励模式下可在任意两对电极之间建立测量电路，在全断面实现多路扫描，其扫描路径和区域如图7所示。

S2、采用相同原理的ERT(电阻层析成像)技术或ECT(电容层析成像)技术测量A1椭圆截面至A16椭圆截面电导率或电容率分布；

S3、建立空间坐标系，如果点在所测量平面上，其所在位置电导率取其在2-3步中通过ERT(电阻层析成像)技术或ECT(电容层析成像)技术测量所得的电导率或电容率，其所在位置不在测量平面上的点其电导率通过其位置周围已经测得的数据值用机器学习的方式计算求得。

S4、进入下一个测量周期。

本实施例的有益效果为：通过测量第一电极阵列2和第二电极阵列3所处水平平面截面的电导率或电容率分布，以及测量M个椭圆截面电导率或电容率分布，可以获知输送管道内各处空间上的电导率或电容率分布，进而实现二维图像跨度到三维图像的目的。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。