馬敏+閆超奇

摘 要： 針對目前氣/固兩相流檢測中流型識別的精度和速度制約等問題，設計基于Xilinx Spartan?3E系列FPGA芯片的圓周型16電極ECT檢測系統(tǒng)，采取DDR2存儲技術以及采用USB總線技術代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PCI總線技術，明顯提高了電學成像速度。同時應用數(shù)字正交解調(diào)代替模擬解調(diào)，有效提高了解調(diào)的實時性和系統(tǒng)成像精度。實驗結果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、處理速度快、采樣精度高，在實際工業(yè)應用方面有一定的參考價值。

關鍵詞： 氣/固兩相流； 檢測系統(tǒng)； 數(shù)字正交解調(diào)； 工業(yè)應用

中圖分類號： TN248.2?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 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

電學層析成像技術是近幾年新型的一種可視化無損檢測技術。伴隨著工業(yè)生產(chǎn)與生活水平不斷的提高，人們對測量的需求不在滿足單一參數(shù)信息的獲取，而對兩相流在工業(yè)應用領域的研究日益重視。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/固兩相流模型對被測物場的內(nèi)部進行模擬仿真，亦可進一步提取被測物場的特征信息，如多相流的流型、相速度、分相含率等，當下已成為兩相流問題的研究熱點與難點[1]。

ECT技術是電學成像技術中的一部分，其是基于電容敏感機理對被測物場進行層析成像的。該技術的工作原理是利用多電極陣列傳感器，采集非導電介質的介電常數(shù)信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理電路部分進行電學信號的傳輸，并采用適當?shù)男畔⒅貥嬎惴ǎ瑢Ρ粶y物場的信息進行可視化圖像重構。它是一種具有非侵入性、便攜性、響應速度快等優(yōu)勢的新型無損檢測技術。目前在工業(yè)中廣泛使用的鍋爐、汽輪機、核反應堆、蒸發(fā)器、精餾塔等可視化監(jiān)測中獲得應用[2]。

1 ECT系統(tǒng)總體設計方案

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、計算機圖像重建單元。系統(tǒng)總設計方案如圖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轉換電路輸出信號的采樣，選用雙通道A/D轉換器進行時序控制，然后將A/D轉換后的數(shù)字信號存儲到DDR2存儲器中。通過實現(xiàn)存儲數(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，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，獲得被測物場的信息量就越多，數(shù)據(jù)源的增多將會提升系統(tǒng)圖像重建的精度，但電極數(shù)目的增多會引發(fā)邊緣效應增大、信噪比降低等相關問題。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測量數(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、極板張角等多項參數(shù)[3]。綜合考慮各項參數(shù)的相關設計，最終設計成型的ECT傳感器系統(tǒng)各項結構參數(shù)指標見表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)的設計

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

2.1 C/V轉換模塊設計endprint

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

（1） 測量動態(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之間的電容值可能相差幾十倍。因此，硬件系統(tǒng)在電路設計時要兼顧微小電容測量以及大電容測量兩種情況。

（2） 抗寄生電容能力。對于圓周型ECT傳感器，測量時耦合的寄生電容值通常為被測電容電容值的幾十倍。開關芯片輸入引腳和屏蔽電纜的電容、電路板之間相關走線的電容以及集成開關電路的電容等均為寄生電容[4]；由于寄生電容值與被測物質電容值同處于一個量級上，故在實際測量中會對實驗產(chǎn)生較大的干擾。

基于交流電壓放大的電容測量電路分辨率高、低漂移、高信噪比，能夠對寄生電容產(chǎn)生較高的抑制效果。因此，在微電容測量電路中得到了廣泛的應用，其原理如圖3所示。

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

2.2 A/D轉換信號轉換設計

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

模/數(shù)轉換芯片LTC1407A?1兩個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)轉換芯片，其輸入信號電壓范圍為-1.25～1.25 V，中點是1.65 V的參考電壓，對應輸出14位二進制補碼的數(shù)字，對于輸入的可變增益放大器的模擬輸入信號來說，雙通道的模/數(shù)轉換芯片輸出端的14位數(shù)字表達式為：

式中：VIN為C/V轉換后的輸出信號；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，進而為模/數(shù)轉換電路部分提供合適的電壓信號，因此雙通道的設計提高了系統(tǒng)信號的電壓轉換精度，為之后的數(shù)字解調(diào)提供了合適的數(shù)字量。

2.3 信號處理模塊設計

為了提升數(shù)據(jù)的處理速度以及對數(shù)據(jù)快速存儲，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Banks[6]。

圖5是DDR2工作時，狀態(tài)機的轉換結構圖。系統(tǒng)首先進入初始化狀態(tài)，緊接著狀態(tài)機進入IDLE狀態(tài)；外界指令請求會要求狀態(tài)機換到對應的工作模式，并且DDR2存儲器會將請求指令存儲起來，信號處理完成后，計數(shù)器開始計數(shù)。在一定的時間間隔之后，外界新的請求信號會發(fā)送給狀態(tài)機，狀態(tài)機會迅速地轉換到新的工作狀態(tài)，同時計數(shù)器完成清零，開始新一輪的計時。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

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

本設計中CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式下，F(xiàn)PGA的時鐘信號為50 Hz，而CY7C68013A的內(nèi)部時鐘信號為48 Hz，時鐘信號頻率的不一致要求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總線進行數(shù)據(jù)傳輸[7]，但測量數(shù)據(jù)采集的實時性一直是評價ECT系統(tǒng)優(yōu)劣的一個標準。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，實現(xiàn)了ECT系統(tǒng)與上位PC機之間的高速通信。ISA總線、PCI總線及USB總線的性能比較見表1。

3 軟件算法設計

以往的ECT系統(tǒng)采用模擬解調(diào)對采集的信號進行處理，經(jīng)過實驗其ECT成像精度并不是很理想，本系統(tǒng)采用數(shù)字解調(diào)的方法對模/數(shù)轉換電路輸出的數(shù)字量進行處理。數(shù)字解調(diào)原理是先用高速ADC對C/V轉換后的信號進行模/數(shù)轉換，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：

設測量信號為u（n），同向參考信號為r（n），正交參考信號為q（n），具體為：

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

4 ECT系統(tǒng)性能試驗研究

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

采取單電極電壓激勵，單電極測量模式對16電極陣列圓周ECT傳感器進行實驗。其具體工作方式是施加交流激勵對1號電極，其他2～16極板接地并作為檢測極板，測量1?2，1?3，…，1?16電極板之間的電容值；再對2號極板加激勵，測量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個獨立的測量電容值，經(jīng)過相應的圖像重建算法對這120組電容數(shù)據(jù)進行處理，進而來反演管內(nèi)介質的分布圖像。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，其中橫坐標對應的是兩極板對組合，縱坐標表示對應極板間的120個電容測量值，從圖8中可以看到所測的電容值的對稱性相對較好，符合預期期望，并且根據(jù)這個可視化的數(shù)據(jù)界面，可以很方便地對硬件系統(tǒng)電路進行調(diào)試。如果系統(tǒng)任一模塊出現(xiàn)故障，則對應的U型曲線就會不正常，故該可視化的功能可以迅速有目的地對電路進行故障檢測。endprint

在ECT系統(tǒng)工作時，對以下各種仿真流型進行了靜態(tài)試驗測試，其模型可總結如下：

（1） 泡狀流：放置介電常數(shù)為3的有機玻璃棒于管道內(nèi)上方，空場是空氣（理想條件下認為空氣的介電常數(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。

通過實驗可以看出，當圓周型16電極傳感器管道內(nèi)放入兩相流介質后，通過本系統(tǒng)能夠成功采集到被測物場的電容值數(shù)據(jù)，并經(jīng)高速USB 2.0通信接口傳送給PC機進行處理。通過對比三種常見的電容層析成像算法做對比，成功實現(xiàn)圖像重建，最終重建出傳感器管道中的氣/固兩相流介質分布圖像，從中得到的ECT圖像分辨率高，偽影相對較少，能從管路中得到管道中加入固體的基本特征信息，所設計的系統(tǒng)滿足實際需要。

5 結 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存儲技術、交流法微型測量電路以及USB總線技術，顯著提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群拖到y(tǒng)的精度。同時本系統(tǒng)采用雙通道的 A/D轉換電路，對外界干擾具有一定的抵抗力。因此，本文設計的16電極圓周型ECT系統(tǒng)符合工業(yè)生產(chǎn)需要，在多相流檢測方面具有一定的應用價值。

參考文獻

[1] 孫晨，陳凌珊，湯晨旭.氣固兩相流模型在流場分析中的研究進展[J].上海工程技術大學學報，2011，25（1）：49?53.

[2] 張珍.電容層析成像感興趣區(qū)域圖像重建算法研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013.

[3] 李楠.相鄰電容傳感器設計及ECT技術研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[4] 郝魁紅，范文茹，馬敏，等.平面式電容傳感器測量復合材料技術研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（2）：35?38.

[5] 馬敏，周苗苗，李新建.基于ECT技術的航空發(fā)動機尾氣監(jiān)測系統(tǒng)設設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（5）：88?91.

[6] 劉建英，于海亭，薛倩，等.基于ECT的航空發(fā)動機滑油檢測系統(tǒng)設計[J].儀表技術與傳感器，2015（9）：50?52.

[7] 馬敏，吳海超.基于ECT的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].電子技術應用，2014，40（1）：72?74.

[8] 戴逸松.測量低信噪比電壓的數(shù)字相敏解調(diào)算法及性能分析[J].計量學報，1997，18（2）：126?132.

[9] 孫犇淵，王化祥，王丕濤.基于內(nèi)部陣列的電容層析成像系統(tǒng)[J].傳感技術學報，2013，26（6）：820?824.

[10] 王化祥，楊五強.電容過程成像技術的進展[J].儀器儀表學報，2000，21（1）：4?7.endprint