基于ECT技术的气/固两相流系统设计

马敏+闫超奇

摘 要： 针对目前气/固两相流检测中流型识别的精度和速度制约等问题，设计基于Xilinx Spartan?3E系列FPGA芯片的圆周型16电极ECT检测系统，采取DDR2存储技术以及采用USB总线技术代替传统的PCI总线技术，明显提高了电学成像速度。同时应用数字正交解调代替模拟解调，有效提高了解调的实时性和系统成像精度。实验结果表明，该系统性能稳定、处理速度快、采样精度高，在实际工业应用方面有一定的参考价值。

关键词： 气/固两相流； 检测系统； 数字正交解调； 工业应用

中图分类号： TN248.2?34； TP216 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0080?05

Abstract： In view of the difficulties of flow pattern recognition accuracy and speed control in gas/solid two?phase flow detection， a circular 16?electrode ECT detection system based on a Xilinx Spartan?3E FPGA chip is designed in this paper. DDR2 storage technology and USB bus technology are used instead of the traditional PCI bus technology， which can significantly improve the electrical imaging speed. The digital orthogonal demodulation is used instead of the analog demodulation， which can effectively improve the real?time performance and the imaging accuracy of the system. The simulation experiment shows that the system possesses the advantages of stability， fast processing speed and high sampling accuracy， and has a certain reference value in practical industrial applications.

Keywords： gas/solid two? phase flow； detection system； digital orthogonal demodulation； industrial application

0 引 言

电学层析成像技术是近几年新型的一种可视化无损检测技术。伴随着工业生产与生活水平不断的提高，人们对测量的需求不在满足单一参数信息的获取，而对两相流在工业应用领域的研究日益重视。其中，气/固两相流是指气体与固体颗粒形成的多相流体。如何通过利用气/固两相流模型对被测物场的内部进行模拟仿真，亦可进一步提取被测物场的特征信息，如多相流的流型、相速度、分相含率等，当下已成为两相流问题的研究热点与难点[1]。

ECT技术是电学成像技术中的一部分，其是基于电容敏感机理对被测物场进行层析成像的。该技术的工作原理是利用多电极阵列传感器，采集非导电介质的介电常数信息，经过数据采集处理电路部分进行电学信号的传输，并采用适当的信息重构算法，对被测物场的信息进行可视化图像重构。它是一种具有非侵入性、便携性、响应速度快等优势的新型无损检测技术。目前在工业中广泛使用的锅炉、汽轮机、核反应堆、蒸发器、精馏塔等可视化监测中获得应用[2]。

1 ECT系統总体设计方案

该系统由三大部分组成：圆周型16电极阵列电容传感器、数据采集单元、计算机图像重建单元。系统总设计方案如图1所示。

本系统采用Spartan?3E系列FPGA芯片作为核心处理器，满足奈奎斯特采样定律完成C/V转换电路输出信号的采样，选用双通道A/D转换器进行时序控制，然后将A/D转换后的数字信号存储到DDR2存储器中。通过实现存储数据的滤波和正交解调处理后，利用CY7C68013A从控的方式将处理后的数据通过USB总线传给上位机，由CPU完成图像重建部分。

目前常用的ECT传感器电极数目不一，包括8电极、16电极、32电极等。理论上随着电极数目的增多，获得被测物场的信息量就越多，数据源的增多将会提升系统图像重建的精度，但电极数目的增多会引发边缘效应增大、信噪比降低等相关问题。综合考虑，此ECT传感器采用了16电极数目，并采取一系列抑制信噪比措施：在电极板外设置接地屏蔽罩；在极板间添加径向屏蔽板，用来减弱临近极板间杂散电容对测量数据的影响。ECT传感器模型如图2所示。

从传统ECT角度来看，影响传感器性能的主要参数为电极的数目、屏蔽罩的半径、屏蔽层材料、极板张角等多项参数[3]。综合考虑各项参数的相关设计，最终设计成型的ECT传感器系统各项结构参数指标见表1。

表1中各参数的含义如图2所示。R1，R2分别为绝缘管内径和外径；R3为屏蔽罩到轴心的距离；填充材料的介电常数为ε1；管壁相对介电常数为ε2；极板张角为θ；径向极板插入管道壁深度为h。

2 数据采集系统的设计

数据采集部分是ECT系统的关键环节，要求其能动态地调整与之相适应的测量范围。数据采集系统主要包括C/V转换模块、A/D转换模块、信号处理模块和USB总线数据通信模块四部分。

2.1 C/V转换模块设计endprint

在设计ECT系统硬件电路部分时，如何测量微小电容是需要首先考虑的问题，其主要困难可总结如下：

（1） 测量动态范围大。例如：圆周型传感器相邻电极之间的电容值以及相对之间的电容值可能相差几十倍。因此，硬件系统在电路设计时要兼顾微小电容测量以及大电容测量两种情况。

（2） 抗寄生电容能力。对于圆周型ECT传感器，测量时耦合的寄生电容值通常为被测电容电容值的几十倍。开关芯片输入引脚和屏蔽电缆的电容、电路板之间相关走线的电容以及集成开关电路的电容等均为寄生电容[4]；由于寄生电容值与被测物质电容值同处于一个量级上，故在实际测量中会对实验产生较大的干扰。

基于交流电压放大的电容测量电路分辨率高、低漂移、高信噪比，能够对寄生电容产生较高的抑制效果。因此，在微电容测量电路中得到了广泛的应用，其原理如图3所示。

由模/数知识可知，电路中寄生电容C1与输入信号Vi（t）并联接地，故此路电流无法通过运放，故此部分电路寄生电容不会干扰输出信号Vo（t）；另外，寄生电容C2一端直接接地，另一端与运放反相端直接连接，处于虚地状态，两端电势差为零，故此路不产生电流，也不会干扰输出信号Vo（t）。可知流入运放的电流都是Vi（t）经Cx产生的，与寄生电容无关，因此，该电路对寄生电容具有一定的抑制能力。

2.2 A/D转换信号转换设计

本系统采用的模/数信号转换电路如图4所示，由IC集成电路LTC6912?1芯片和A/D转换芯片LTC1407?1双通道组成[5]。

模/数转换芯片LTC1407A?1两个通道的反相端输入固定电平VREF=1.65 V。LTC1407A?1是高精度的14位的模/数转换芯片，其输入信号电压范围为-1.25～1.25 V，中点是1.65 V的参考电压，对应输出14位二进制补码的数字，对于输入的可变增益放大器的模拟输入信号来说，双通道的模/数转换芯片输出端的14位数字表达式为：

式中：VIN为C/V转换后的输出信号；Gain为IC集成电路的放大倍数。由图4可知，外部输入电压经IC集成电路部分放大，进而为模/数转换电路部分提供合适的电压信号，因此双通道的设计提高了系统信号的电压转换精度，为之后的数字解调提供了合适的数字量。

2.3 信号处理模块设计

为了提升数据的处理速度以及对数据快速存储，系统使用Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。它有8 Mb的数据容量、16位的数据总线和8个Banks[6]。

图5是DDR2工作时，状态机的转换结构图。系统首先进入初始化状态，紧接着状态机进入IDLE状态；外界指令请求会要求状态机换到对应的工作模式，并且DDR2存储器会将请求指令存储起来，信号处理完成后，计数器开始计数。在一定的时间间隔之后，外界新的请求信号会发送给状态机，状态机会迅速地转换到新的工作状态，同时计数器完成清零，开始新一轮的计时。

2.4 数据传输模块设计

为了降低FPGA的编程难度，缩短开发周期，更加直观便捷的进行数据通信处理，本设计采用Cypress公司生产的CYTC68013A芯片作为USB接口控制芯片。

本设计中CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式下，FPGA的时钟信号为50 Hz，而CY7C68013A的内部时钟信号为48 Hz，时钟信号频率的不一致要求SLAVE FIFO采用异步模式，两者之间的连接图如图6所示。

以往的电容层析成像数据采集系统中，通常采用ISA总线或PCI总线进行数据传输[7]，但测量数据采集的实时性一直是评价ECT系统优劣的一个标准。故此系统采用了高速USB 2.0接口芯片代替了传统的PCI总线通信，实现了ECT系统与上位PC机之间的高速通信。ISA总线、PCI总线及USB总线的性能比较见表1。

3 软件算法设计

以往的ECT系統采用模拟解调对采集的信号进行处理，经过实验其ECT成像精度并不是很理想，本系统采用数字解调的方法对模/数转换电路输出的数字量进行处理。数字解调原理是先用高速ADC对C/V转换后的信号进行模/数转换，再由高速处理芯片FPGA来处理ADC的输出，用一定的算法把信号的幅值信息和相位信息提取出来[8]。

ECT系统的解调方法就是采用数字解调方法中的正交序列解调方法，其具体算法如下：

设测量信号为u（n），同向参考信号为r（n），正交参考信号为q（n），具体为：

经过数字正交解调后，预先处理好的信号会被内部DDR2处理器存储，离散的参考值只需经过查表便可得到。这种方式速度快，同时为FPGA参数的选定提供了方便。

4 ECT系统性能试验研究

ECT系统实物图如图7所示，系统主要分为三个部分：16电极传感器阵列、数据采集单元和计算机成像单元。

采取单电极电压激励，单电极测量模式对16电极阵列圆周ECT传感器进行实验。其具体工作方式是施加交流激励对1号电极，其他2～16极板接地并作为检测极板，测量1?2，1?3，…，1?16电极板之间的电容值；再对2号极板加激励，测量2?1，2?3，…，2?16之间的电容值；依次循环[9]。因此可以得到=120个独立的测量电容值，经过相应的图像重建算法对这120组电容数据进行处理，进而来反演管内介质的分布图像。将圆周型传感器管道内充满介电常数为3的塑料球，所得的120组电容值经过Matlab绘制成的图像如图8所示，其中横坐标对应的是两极板对组合，纵坐标表示对应极板间的120个电容测量值，从图8中可以看到所测的电容值的对称性相对较好，符合预期期望，并且根据这个可视化的数据界面，可以很方便地对硬件系统电路进行调试。如果系统任一模块出现故障，则对应的U型曲线就会不正常，故该可视化的功能可以迅速有目的地对电路进行故障检测。endprint

在ECT系统工作时，对以下各种仿真流型进行了静态试验测试，其模型可总结如下：

（1） 泡状流：放置介电常数为3的有机玻璃棒于管道内上方，空场是空气（理想条件下认为空气的介电常数为1）。

（2） 环状流：在管道中央放置空心有机塑料管套，传感器内壁与其之间填充一定数量的塑料颗粒（其介电常数为2.5）。

（3） 层状流：用塑料颗料和空气来进行仿真，将管道水平放置，上面是空气，下面是塑料颗粒。

常见的图像重建反演算法有：线性反投影（LBP）算法、共轭梯度（CG）算法、Tikhonov正则化算法、Landweber迭代法、牛顿?拉夫逊迭代法等[10]。ECT系统采用前三种算法所成图像见图9。

通过实验可以看出，当圆周型16电极传感器管道内放入两相流介质后，通过本系统能够成功采集到被测物场的电容值数据，并经高速USB 2.0通信接口传送给PC机进行处理。通过对比三种常见的电容层析成像算法做对比，成功实现图像重建，最终重建出传感器管道中的气/固两相流介质分布图像，从中得到的ECT图像分辨率高，伪影相对较少，能从管路中得到管道中加入固体的基本特征信息，所设计的系统满足实际需要。

5 结 语

综上所述，该系统通过采用Xilinx的FPGA作为核心处理控制单元，采用了DDR2存储技术、交流法微型测量电路以及USB总线技术，显著提高了数据传输的速度和系统的精度。同时本系统采用双通道的 A/D转换电路，对外界干扰具有一定的抵抗力。因此，本文设计的16电极圆周型ECT系统符合工业生产需要，在多相流检测方面具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 孙晨，陈凌珊，汤晨旭.气固两相流模型在流场分析中的研究进展[J].上海工程技术大学学报，2011，25（1）：49?53.

[2] 张珍.电容层析成像感兴趣区域图像重建算法研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013.

[3] 李楠.相邻电容传感器设计及ECT技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[4] 郝魁红，范文茹，马敏，等.平面式电容传感器测量复合材料技术研究[J].传感器与微系统，2014，33（2）：35?38.

[5] 马敏，周苗苗，李新建.基于ECT技术的航空发动机尾气监测系统设设计[J].传感器与微系统，2015，34（5）：88?91.

[6] 刘建英，于海亭，薛倩，等.基于ECT的航空发动机滑油检测系统设计[J].仪表技术与传感器，2015（9）：50?52.

[7] 马敏，吴海超.基于ECT的高速數据采集系统设计[J].电子技术应用，2014，40（1）：72?74.

[8] 戴逸松.测量低信噪比电压的数字相敏解调算法及性能分析[J].计量学报，1997，18（2）：126?132.

[9] 孙犇渊，王化祥，王丕涛.基于内部阵列的电容层析成像系统[J].传感技术学报，2013，26（6）：820?824.

[10] 王化祥，杨五强.电容过程成像技术的进展[J].仪器仪表学报，2000，21（1）：4?7.endprint