基于ECT技術(shù)的氣/固兩相流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬敏+閆超奇

摘 要： 針對(duì)目前氣/固兩相流檢測(cè)中流型識(shí)別的精度和速度制約等問題，設(shè)計(jì)基于Xilinx Spartan?3E系列FPGA芯片的圓周型16電極ECT檢測(cè)系統(tǒng)，采取DDR2存儲(chǔ)技術(shù)以及采用USB總線技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PCI總線技術(shù)，明顯提高了電學(xué)成像速度。同時(shí)應(yīng)用數(shù)字正交解調(diào)代替模擬解調(diào)，有效提高了解調(diào)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)成像精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、處理速度快、采樣精度高，在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用方面有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 氣/固兩相流； 檢測(cè)系統(tǒng)； 數(shù)字正交解調(diào)； 工業(yè)應(yīng)用

中圖分類號(hào)： TN248.2?34； TP216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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

電學(xué)層析成像技術(shù)是近幾年新型的一種可視化無損檢測(cè)技術(shù)。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)與生活水平不斷的提高，人們對(duì)測(cè)量的需求不在滿足單一參數(shù)信息的獲取，而對(duì)兩相流在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的研究日益重視。其中，氣/固兩相流是指氣體與固體顆粒形成的多相流體。如何通過利用氣/固兩相流模型對(duì)被測(cè)物場(chǎng)的內(nèi)部進(jìn)行模擬仿真，亦可進(jìn)一步提取被測(cè)物場(chǎng)的特征信息，如多相流的流型、相速度、分相含率等，當(dāng)下已成為兩相流問題的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1]。

ECT技術(shù)是電學(xué)成像技術(shù)中的一部分，其是基于電容敏感機(jī)理對(duì)被測(cè)物場(chǎng)進(jìn)行層析成像的。該技術(shù)的工作原理是利用多電極陣列傳感器，采集非導(dǎo)電介質(zhì)的介電常數(shù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理電路部分進(jìn)行電學(xué)信號(hào)的傳輸，并采用適當(dāng)?shù)男畔⒅貥?gòu)算法，對(duì)被測(cè)物場(chǎng)的信息進(jìn)行可視化圖像重構(gòu)。它是一種具有非侵入性、便攜性、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)的新型無損檢測(cè)技術(shù)。目前在工業(yè)中廣泛使用的鍋爐、汽輪機(jī)、核反應(yīng)堆、蒸發(fā)器、精餾塔等可視化監(jiān)測(cè)中獲得應(yīng)用[2]。

1 ECT系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)由三大部分組成：圓周型16電極陣列電容傳感器、數(shù)據(jù)采集單元、計(jì)算機(jī)圖像重建單元。系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本系統(tǒng)采用Spartan?3E系列FPGA芯片作為核心處理器，滿足奈奎斯特采樣定律完成C/V轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)的采樣，選用雙通道A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行時(shí)序控制，然后將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到DDR2存儲(chǔ)器中。通過實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的濾波和正交解調(diào)處理后，利用CY7C68013A從控的方式將處理后的數(shù)據(jù)通過USB總線傳給上位機(jī)，由CPU完成圖像重建部分。

目前常用的ECT傳感器電極數(shù)目不一，包括8電極、16電極、32電極等。理論上隨著電極數(shù)目的增多，獲得被測(cè)物場(chǎng)的信息量就越多，數(shù)據(jù)源的增多將會(huì)提升系統(tǒng)圖像重建的精度，但電極數(shù)目的增多會(huì)引發(fā)邊緣效應(yīng)增大、信噪比降低等相關(guān)問題。綜合考慮，此ECT傳感器采用了16電極數(shù)目，并采取一系列抑制信噪比措施：在電極板外設(shè)置接地屏蔽罩；在極板間添加徑向屏蔽板，用來減弱臨近極板間雜散電容對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。ECT傳感器模型如圖2所示。

從傳統(tǒng)ECT角度來看，影響傳感器性能的主要參數(shù)為電極的數(shù)目、屏蔽罩的半徑、屏蔽層材料、極板張角等多項(xiàng)參數(shù)[3]。綜合考慮各項(xiàng)參數(shù)的相關(guān)設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)成型的ECT傳感器系統(tǒng)各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1中各參數(shù)的含義如圖2所示。R1，R2分別為絕緣管內(nèi)徑和外徑；R3為屏蔽罩到軸心的距離；填充材料的介電常數(shù)為ε1；管壁相對(duì)介電常數(shù)為ε2；極板張角為θ；徑向極板插入管道壁深度為h。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集部分是ECT系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要求其能動(dòng)態(tài)地調(diào)整與之相適應(yīng)的測(cè)量范圍。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括C/V轉(zhuǎn)換模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊和USB總線數(shù)據(jù)通信模塊四部分。

2.1 C/V轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)endprint

在設(shè)計(jì)ECT系統(tǒng)硬件電路部分時(shí)，如何測(cè)量微小電容是需要首先考慮的問題，其主要困難可總結(jié)如下：

（1） 測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。例如：圓周型傳感器相鄰電極之間的電容值以及相對(duì)之間的電容值可能相差幾十倍。因此，硬件系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧微小電容測(cè)量以及大電容測(cè)量?jī)煞N情況。

（2） 抗寄生電容能力。對(duì)于圓周型ECT傳感器，測(cè)量時(shí)耦合的寄生電容值通常為被測(cè)電容電容值的幾十倍。開關(guān)芯片輸入引腳和屏蔽電纜的電容、電路板之間相關(guān)走線的電容以及集成開關(guān)電路的電容等均為寄生電容[4]；由于寄生電容值與被測(cè)物質(zhì)電容值同處于一個(gè)量級(jí)上，故在實(shí)際測(cè)量中會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生較大的干擾。

基于交流電壓放大的電容測(cè)量電路分辨率高、低漂移、高信噪比，能夠?qū)纳娙莓a(chǎn)生較高的抑制效果。因此，在微電容測(cè)量電路中得到了廣泛的應(yīng)用，其原理如圖3所示。

由模/數(shù)知識(shí)可知，電路中寄生電容C1與輸入信號(hào)Vi（t）并聯(lián)接地，故此路電流無法通過運(yùn)放，故此部分電路寄生電容不會(huì)干擾輸出信號(hào)Vo（t）；另外，寄生電容C2一端直接接地，另一端與運(yùn)放反相端直接連接，處于虛地狀態(tài)，兩端電勢(shì)差為零，故此路不產(chǎn)生電流，也不會(huì)干擾輸出信號(hào)Vo（t）?？芍魅脒\(yùn)放的電流都是Vi（t）經(jīng)Cx產(chǎn)生的，與寄生電容無關(guān)，因此，該電路對(duì)寄生電容具有一定的抑制能力。

2.2 A/D轉(zhuǎn)換信號(hào)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的模/數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，由IC集成電路LTC6912?1芯片和A/D轉(zhuǎn)換芯片LTC1407?1雙通道組成[5]。

模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片LTC1407A?1兩個(gè)通道的反相端輸入固定電平VREF=1.65 V。LTC1407A?1是高精度的14位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其輸入信號(hào)電壓范圍為-1.25～1.25 V，中點(diǎn)是1.65 V的參考電壓，對(duì)應(yīng)輸出14位二進(jìn)制補(bǔ)碼的數(shù)字，對(duì)于輸入的可變?cè)鲆娣糯笃鞯哪M輸入信號(hào)來說，雙通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片輸出端的14位數(shù)字表達(dá)式為：

式中：VIN為C/V轉(zhuǎn)換后的輸出信號(hào)；Gain為IC集成電路的放大倍數(shù)。由圖4可知，外部輸入電壓經(jīng)IC集成電路部分放大，進(jìn)而為模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路部分提供合適的電壓信號(hào)，因此雙通道的設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)信號(hào)的電壓轉(zhuǎn)換精度，為之后的數(shù)字解調(diào)提供了合適的數(shù)字量。

2.3 信號(hào)處理模塊設(shè)計(jì)

為了提升數(shù)據(jù)的處理速度以及對(duì)數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)，系統(tǒng)使用Micron公司的128 MB的DDR2 SDRAM芯片。它有8 Mb的數(shù)據(jù)容量、16位的數(shù)據(jù)總線和8個(gè)Banks[6]。

圖5是DDR2工作時(shí)，狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，緊接著狀態(tài)機(jī)進(jìn)入IDLE狀態(tài)；外界指令請(qǐng)求會(huì)要求狀態(tài)機(jī)換到對(duì)應(yīng)的工作模式，并且DDR2存儲(chǔ)器會(huì)將請(qǐng)求指令存儲(chǔ)起來，信號(hào)處理完成后，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。在一定的時(shí)間間隔之后，外界新的請(qǐng)求信號(hào)會(huì)發(fā)送給狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)會(huì)迅速地轉(zhuǎn)換到新的工作狀態(tài)，同時(shí)計(jì)數(shù)器完成清零，開始新一輪的計(jì)時(shí)。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

為了降低FPGA的編程難度，縮短開發(fā)周期，更加直觀便捷的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信處理，本設(shè)計(jì)采用Cypress公司生產(chǎn)的CYTC68013A芯片作為USB接口控制芯片。

本設(shè)計(jì)中CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式下，F(xiàn)PGA的時(shí)鐘信號(hào)為50 Hz，而CY7C68013A的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)為48 Hz，時(shí)鐘信號(hào)頻率的不一致要求SLAVE FIFO采用異步模式，兩者之間的連接圖如圖6所示。

以往的電容層析成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常采用ISA總線或PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[7]，但測(cè)量數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性一直是評(píng)價(jià)ECT系統(tǒng)優(yōu)劣的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。故此系統(tǒng)采用了高速USB 2.0接口芯片代替了傳統(tǒng)的PCI總線通信，實(shí)現(xiàn)了ECT系統(tǒng)與上位PC機(jī)之間的高速通信。ISA總線、PCI總線及USB總線的性能比較見表1。

3 軟件算法設(shè)計(jì)

以往的ECT系統(tǒng)采用模擬解調(diào)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)其ECT成像精度并不是很理想，本系統(tǒng)采用數(shù)字解調(diào)的方法對(duì)模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字量進(jìn)行處理。數(shù)字解調(diào)原理是先用高速ADC對(duì)C/V轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，再由高速處理芯片F(xiàn)PGA來處理ADC的輸出，用一定的算法把信號(hào)的幅值信息和相位信息提取出來[8]。

ECT系統(tǒng)的解調(diào)方法就是采用數(shù)字解調(diào)方法中的正交序列解調(diào)方法，其具體算法如下：

設(shè)測(cè)量信號(hào)為u（n），同向參考信號(hào)為r（n），正交參考信號(hào)為q（n），具體為：

經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)后，預(yù)先處理好的信號(hào)會(huì)被內(nèi)部DDR2處理器存儲(chǔ)，離散的參考值只需經(jīng)過查表便可得到。這種方式速度快，同時(shí)為FPGA參數(shù)的選定提供了方便。

4 ECT系統(tǒng)性能試驗(yàn)研究

ECT系統(tǒng)實(shí)物圖如圖7所示，系統(tǒng)主要分為三個(gè)部分：16電極傳感器陣列、數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)成像單元。

采取單電極電壓激勵(lì)，單電極測(cè)量模式對(duì)16電極陣列圓周ECT傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其具體工作方式是施加交流激勵(lì)對(duì)1號(hào)電極，其他2～16極板接地并作為檢測(cè)極板，測(cè)量1?2，1?3，…，1?16電極板之間的電容值；再對(duì)2號(hào)極板加激勵(lì)，測(cè)量2?1，2?3，…，2?16之間的電容值；依次循環(huán)[9]。因此可以得到=120個(gè)獨(dú)立的測(cè)量電容值，經(jīng)過相應(yīng)的圖像重建算法對(duì)這120組電容數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而來反演管內(nèi)介質(zhì)的分布圖像。將圓周型傳感器管道內(nèi)充滿介電常數(shù)為3的塑料球，所得的120組電容值經(jīng)過Matlab繪制成的圖像如圖8所示，其中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的是兩極板對(duì)組合，縱坐標(biāo)表示對(duì)應(yīng)極板間的120個(gè)電容測(cè)量值，從圖8中可以看到所測(cè)的電容值的對(duì)稱性相對(duì)較好，符合預(yù)期期望，并且根據(jù)這個(gè)可視化的數(shù)據(jù)界面，可以很方便地對(duì)硬件系統(tǒng)電路進(jìn)行調(diào)試。如果系統(tǒng)任一模塊出現(xiàn)故障，則對(duì)應(yīng)的U型曲線就會(huì)不正常，故該可視化的功能可以迅速有目的地對(duì)電路進(jìn)行故障檢測(cè)。endprint

在ECT系統(tǒng)工作時(shí)，對(duì)以下各種仿真流型進(jìn)行了靜態(tài)試驗(yàn)測(cè)試，其模型可總結(jié)如下：

（1） 泡狀流：放置介電常數(shù)為3的有機(jī)玻璃棒于管道內(nèi)上方，空?qǐng)鍪强諝猓ɡ硐霔l件下認(rèn)為空氣的介電常數(shù)為1）。

（2） 環(huán)狀流：在管道中央放置空心有機(jī)塑料管套，傳感器內(nèi)壁與其之間填充一定數(shù)量的塑料顆粒（其介電常數(shù)為2.5）。

（3） 層狀流：用塑料顆料和空氣來進(jìn)行仿真，將管道水平放置，上面是空氣，下面是塑料顆粒。

常見的圖像重建反演算法有：線性反投影（LBP）算法、共軛梯度（CG）算法、Tikhonov正則化算法、Landweber迭代法、牛頓?拉夫遜迭代法等[10]。ECT系統(tǒng)采用前三種算法所成圖像見圖9。

通過實(shí)驗(yàn)可以看出，當(dāng)圓周型16電極傳感器管道內(nèi)放入兩相流介質(zhì)后，通過本系統(tǒng)能夠成功采集到被測(cè)物場(chǎng)的電容值數(shù)據(jù)，并經(jīng)高速USB 2.0通信接口傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理。通過對(duì)比三種常見的電容層析成像算法做對(duì)比，成功實(shí)現(xiàn)圖像重建，最終重建出傳感器管道中的氣/固兩相流介質(zhì)分布圖像，從中得到的ECT圖像分辨率高，偽影相對(duì)較少，能從管路中得到管道中加入固體的基本特征信息，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)滿足實(shí)際需要。

5 結(jié) 語

綜上所述，該系統(tǒng)通過采用Xilinx的FPGA作為核心處理控制單元，采用了DDR2存儲(chǔ)技術(shù)、交流法微型測(cè)量電路以及USB總線技術(shù)，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群拖到y(tǒng)的精度。同時(shí)本系統(tǒng)采用雙通道的 A/D轉(zhuǎn)換電路，對(duì)外界干擾具有一定的抵抗力。因此，本文設(shè)計(jì)的16電極圓周型ECT系統(tǒng)符合工業(yè)生產(chǎn)需要，在多相流檢測(cè)方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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