提高电容层析成像系统实时性研究

　　1　引　　言

　　电容层析成像( electrical capacitance tomography,ECT)技术是20世纪80年代发展起来的一种基于电容敏感机理的过程层析成像技术[1-4],具有无辐射、非侵入式、响应速度快等特点,主要用于工业管道多相流测量[5-6]。

　　目前,交流电容层析成像系统的数据采集速度可以达到约250幅/秒(12电极),可满足多数情况下测量需求。与射线成像系统的扫描方式不同,ECT通过模拟开关切换激励信号至不同电极进行敏感场扫描。模拟开关的切换速度快,约为数十纳秒,使得ECT比射线成像系统具有更快的响应速度。最近,射线成像开始逐渐采用多源扫描代替单射线源的机械旋转扫描,使速度得到了明显提高[7]。

　　对于ECT系统,各电极需要在激励及测量状态之间切换以实现对物场的扫描,其间存在大量的过渡过程[8],限制了数据采集速度的提高。通过对其测量电路中各环节的过渡过程进行分析,发现相敏解调的稳定时间远大于其余电路的稳定时间,是影响系统实时性的主要因素。

　　为此,提出了数字相敏解调与持零开关策略相结合方法。一方面利用持零开关策略削弱储能元件充放电过程对电路造成的冲击;另一方面,将模数转换器单元前移,数字化之后由数字信号处理器进行相敏解调。采用上述方法可减少模拟器件在数据采集系统中的数量,避免模拟器件导致的测量非线性和宽带限制等问题;使ECT系统在保持信噪比的前提下,大幅提高实时性.

　　2　影响系统实时性的主要因素

　　目前,在ECT中广泛采用的微小电容测量电路主要有两种,即充放电[9]和交流C/V转换电路[10-11]。其中,交流C/V转换电路精度高且动态测量范围大,其信号处理流程如图1所示。

　　对于N电极ECT系统,考虑测量数据的互易性,一帧测量数据包括N(N-1) /2个独立测量数。对于采用串行采集方式的系统,其所需要时间为:

　　因为电路各环节为流水线工作方式,实际所需时间进一步缩短,且主要取决于其中耗时最长的环节。

　　2.1　交流C /V转换电路

　　交流C/V转换电路采用电压激励、电流测量的方式,如图2所示,被测电容Cx的一端与正弦交流电压源相连,另一端与运算放大器的反向端相连,处于虚地状态。

　　分析可知,Cs1的存在不会对流过Cx的电流产生影响;Cs2的两端分别处于虚地和地,不会产生分流作用。因而,流过Cx的全部电流注入运放的反向输入端,由反馈电阻Rf与反馈电容Cf转换为电压Uo输出,该电路的传递函数为:

　　在电路的输入端施加单位阶跃信号,即Us=1/s,可得到其响应曲线,如图3所示。对于不同被测电容Cx(0.01~0. 1 pF),其稳定时间均为0. 36μs(稳态误差0.1%),且Cx的变化不对稳定时间产生影响。