[發明專利]一種基于磁阻傳感器的磁導率電磁層析成像方法

在審

• 申請號: 201710585304.2
• 申請日: 2017-07-18
• 公開（公告）號: CN107544040A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 王超;白瑞峰;崔自強
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12;G01N27/74
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于流態化技術的多相流體成像領域，特別涉及磁導率電學層析成像方法。

背景技術

流態化技術具有非常高的傳熱和傳質效率與大量處理顆粒的能力，現已廣泛應用于固體燃料的燃燒、煤炭的氣化與焦化、固體物料的輸送、化工生產中的氣、固相催化反應、物料干燥、加熱與冷卻、石油裂解、冶金、環保等領域，而且其應用領域還在不斷擴大。

多相流化過程多相識別至關重要，尤其是固相催化劑的識別與分布狀態的監控可有效避免大泡、騰涌與溝流等異常流化狀態，提高生產效率，指導流化床的設計、工業放大和優化。固相含率的提高有利于提高反應器的體積利用率，從而提高反應速率和產物濃度，同時也會存在局部顆粒堆積等情況，電導探針、皮托管、光纖探針、超聲探頭等傳統測量方法都不能正常工作或極易損壞。

在常規氣液固三相流化床中，氣相一般為空氣、氫氣等，液相為水或油，固相為催化劑。氣相、液相一般不具有磁導率，而催化劑本身帶有高磁導率或可通過改性的方式使其帶有高磁導率，磁導率上固相顯著區別于氣液兩相。對磁導率敏感的電磁層析成像技術(Electromagnetic Tomography，簡稱EMT)具有無輻射，可適應不透明管壁和流體的特點可實現固相催化劑的相識別與分布測量，且其時間分辨率可達毫秒級，完全滿足流化床在較高表觀氣相和液相速度條件下的測量要求。

傳統EMT使用的是線圈激勵線圈檢測方式，測量線圈靈敏度與頻率成正比，而提高頻率，又會限制該技術在大尺度流化床上的應用。同時由于線圈的尺寸不易設計的很小，這就限制了激勵檢測線圈的個數與檢測精度。

傳統EMT主要基于渦流原理，通過線圈的感應電流(二次場信息)獲得電導率的分布，進而實現的相的區分，二次場場強相對較弱，使得EMT檢測精度受到嚴重限制，為了提高線圈的感應電流，需要提高激勵磁場的幅值和頻率，為激勵電路帶來嚴重考驗與成本消耗。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術上的不足，提供一種靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬的多相流體系中磁導率物質相識別與相分布檢測成像裝置。本發明采取的技術方案為：

一種基于磁阻傳感器的磁導率電磁層析成像方法，用于對位于柱形物場區域的多相流體系中磁導率物質相識別與相分布檢測，所采用的成像系統包括傳感器、通信模塊、控制模塊、信號調理與采集單元、激勵信號產生與功率放大、多通道選通開關和上位機，其特征在于，

所采用的傳感器為電磁成像傳感器，包括M個激勵線圈、N對磁阻傳感器和電磁屏蔽層，激勵線圈和磁阻傳感器均放置于電磁屏蔽層內部；每個激勵線圈有單獨的激勵通道；激勵線圈排布在柱形物場區域外的同一個截面上；各對磁阻傳感器也排布在此同一個截面上，激勵線圈與磁阻傳感器排布在不同的圓周上，且每對磁阻傳感器均位于某個激勵線圈內部；每對磁阻傳感器能檢測物場徑向和切向的磁場大小；

在控制模塊的控制下，激勵信號產生與功率放大單元產生不同幅值不同頻率的激勵信號，通過多通道選通開關接通到指定的激勵線圈上，磁阻傳感器所輸出的信號通過選通開關經過信號調理與采集單元送入控制模塊；控制模塊進行解調后通過通信模塊傳遞到上位機；測量方法如下：

(1)采用對稱增強循環激勵策略，M為偶數，且激勵線圈均勻對稱放置，每次分別對處于對稱位置的兩個激勵線圈施加相同交變電流，且兩激勵線圈產生的磁場方向相同，依次掃描各磁阻傳感器的輸出信號，直至完成全部測量，通過徑向與切向磁阻的矢量合成x+yi，最終得到其模值，組成測量值向量Ui＝P×1，其中P是獨立測量數；

(2)利用所采集的數據得到靈敏度矩陣S＝Pi×Q，其中Q為像素點，激勵線圈個數為M，接收的磁阻傳感器個數為N對，獨立測量數Pi為M×N；

(3)建立靈敏度矩陣線性化模型，并對其歸一化，U＝Sg式中U是歸一化測量值向量，S是靈敏度矩陣，g是表示物質磁導率相對變化的灰度值向量，即可由已知的U求解未知量g，但靈敏度矩陣S不是方陣，是病態矩陣，可利用S^T代替逆陣；構建目標函數g_μ＝(S^TS+μI)^-1S^TU，其中，I是單位矩陣，μ為正則化參數，(S^TS+μI)^-1S^T為正則化過程即敏感場的最優化重建矩陣，由各個像素上的灰度值進行成像。

附圖說明

圖1示電磁層析成像系統結構示意圖