基于PCNN图像融合的ECT多相流测量系统设计.pdf

仪 表 技 术 与 传 感 器Instrument Technique and Sensor2024 年第 4 期基金项目:国家自然科学基金(41874158,51974250);陕西省自然科学基金(2023-JC-YB-343);西安石油大学研究生创新与实践能力培养计划(YCS23114131)收稿日期:2023-09-06基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统设计李利品1,李 垄1,盛 哲2,白耀文1,胡跃鑫11.西安石油大学陕西省油气井测控技术重点实验室;2.长庆油田分公司技术监测中心 摘要:针对 ECT 在多相流测量过程中存在的成像质量不高、精度低、稳定性差等问题,提出并实现了基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统。系统采用模块化设计,主要包括阵列电极传感器模块、电容采集电路模块、上位机成像软件模块。文中设计改进的网络模型,将 Tikhonov 和 Landweber 算法的成像结果作为输入进行双通道融合成像,改善了传统算法存在的伪影、模糊的现象。实验结果表明:应用尼龙棒模拟气固两相流对系统进行测试,系统对于微小电容的测量具有良好的稳定性和准确性,通过系统的成像结果可以准确地分辨管道内不同介质的位置,其中对于流型的预测成功率为100%,相含率的测量误差在 1%以内。关键词:ECT;多相流测量;图像融合;图像重建中图分类号:TE973 文献标识码:ADesign of ECT Multiphase Flow Measurement SystemBased on PCNN Image FusionLI Lipin1,LI Long1,SHENG Zhe2,BAI Yaowen1,HU Yuexin1 1.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Oil and Gas Well Measurement and Control Technology,Xi an Shiyou University;2.Changqing Oilfield Branch Technical Monitoring CenterAbstract:In order to solve the problems of low imaging quality,low accuracy and poor stability in the process of multiphase flow measurement of ECT,a ECT multiphase flow measurement system based on PCNN image fusion was proposed and implemen-ted.The system adopted modular design,mainly including array electrode sensor module,capacitance acquisition circuit module,and host computer imaging software module.In this paper,an improved network model was designed to use the imaging results of Tikhonov and Landweber algorithms as input for dual-channel fusion imaging,which improved the artifacts and ambiguity of traditional algorithms.The experimental results show that the system is tested by using nylon rod to simulate gas-solid two-phase flow,and the system has good stability and accuracy for the measurement of micro capacitance,and the position of different media in the pipeline can be accurately distinguished through the imaging results of the system,and the success rate of prediction for flow pattern is 100%,and the measurement error of phase content is within 1%.Keywords:ECT;multiphase flow measurement;image fusion;image reconstruction0 引言多相流广泛存在于石油、化工、制药、电力、冶金等现代工业领域中1,多相流参数检测技术在科学研究和工业生产中发挥着越来越重要的作用2-4,它的在线测量对整个工业过程的安全有很重要的意义。多相流参数主要有相含率、流型和流速,其中相含率是多相流检测测量过程中的重要参数,它对生产过程的计量、控制和可靠运行均具有重大意义5-6。目前多相流相含率检测方法主要有差压法、衰减法和电学法等7-9,其中电容法具有非接触、低成本和结构简单的优势,在多相流相含率检测方面得到了广泛应用。电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技术具有可视化、非侵入、无干扰、成像速度快、成本低等优点,正在发展成为多相流测量的重要技术之一,但 ECT 技术在进行多相流参数测量时仍面临着测量数据准确度不够、重建图像存在伪影等问题10-11。为了设计高精确度、高信噪比的电容测量电路,提高ECT 系统对多相流参数测量的精度,改进图像重建质量,本文设计了基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统。84 第 4 期李利品等:基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统设计 1 基于 PCNN 图像融合的 ECT 成像优化模型1.1 PCNN 模型典型的 ECT 成像算法有 LBP、Tikhonov 正则化算法、Landweber 迭代算法、牛顿-拉弗森算法、联立迭代算法等,以上不同算法有着各自的特点,同时也有各自的不足,如 Tikhonov 正则化算法重建图像边缘位置伪影较多,Landweber 迭代算法重建图像中心位置容易出现模糊现象,LBP 算法重建图像中心位置会出现缺失等。为了改善 ECT 成像质量,本文提出了基于PCNN 图像融合的 ECT 成像优化模型。PCNN 是人工神经网络之一,是 Eckhorn 受哺乳动物大脑皮层的视觉区神经元的传递特性启发而提出的,它模拟了小型哺乳动物视觉系统的工作原理。脉冲耦合神经网络是一种不需要大量数据进行训练的神经网络,非常适用于图像处理,在图像融合方面有着广泛应用。典型的 PCNN 神经元模型包括 3 个功能单元:输入区、连接区、脉冲发生器,该神经元模型如图 1 所示。图 1 脉冲耦合神经元模型1.2 基于 PCNN 的 ECT 成像优化模型图像重建的质量对系统至关重要。从图像可以直观地看出多相流的流型,并且能在一定程度上反映相含率信息12。常用的 ECT 成像方法得出的结果通常不够清晰,为了呈现更好的成像效果,本文应用脉冲耦合神经网络(pulse-coupled neural network,PCNN)对成像结果进行融合优化。由于 Tikhonov 正则化算法和 Landweber 迭代算法的成像结果优于 LBP 算法,因此选择 Tikhonov 正则化算法和 Landweber 迭代算法的成像结果输入 PCNN 模型进行融合优化,如图 2 所示。图 2 基于 PCNN 的 ECT 成像优化模型示意图通过此模型进行图像融合的过程中不仅有线性操作还有非线性操作,从2 个通道输入的图像来说,该模型的特点是在相同像素位置灰度值较大的神经元会首先激发兴奋。双通道 PCNN 图像融合模型考虑了人眼视觉特性的研究结果,即人的主观亮度感觉和客观亮度的对数是线性关系。用 PCNN 赋时矩阵作为对数亮度输出,输出的图像既符合了人眼视觉特性又增强了融合图像,所以双通道 PCNN 图像融合模型有融合图像和增强图像双重作用。最后为了使输出图像的轮廓更加清晰,对 PCNN 融合图像进行阈值分割处理,将其转换成二值图像进行成像。2 系统硬件设计2.1 总体方案基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统总体设计如图3 所示,系统主要由传感器部分、数据采集电路部分和上位机部分组成。传感器部分由阵列电极以及屏蔽罩组成,传感器电极通过同轴电缆连接到数据采集电路,传感器和数据采集电路组成的下位机负责采集管道内不同位置的电容,并将电容数据传输到上位机操作软件,由上位机操作软件进行图像重建和相关参数的测量。图 3 系统总体结构示意图2.2 阵列电极传感器设计系统传感器为环形阵列电极传感器,阵列电极的数目为 12,阵列电极传感器截面如图 4 所示。图 4 阵列电极传感器截面示意图电极材质为柔性铜质材料,电极长为 125 mm,电极张角为26,电极厚度为1 mm,电极的覆盖率为 86.33%。传感器的屏蔽罩材质为铜,其与传感器电极之间的垂直距离为10 mm,在应用时通过导线进行接地处理。2.3 CDC 微小电容测量电路设计本文采用基于 CDC 技术的 AD7746 芯片作为微小电容测量电路的核心。AD7746 是一款高性能的电94 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期容数字转换芯片,其芯片内部集成了 24 位的-型AD 和数字滤波模块,具有很高的测量分辨率。基于CDC 设计的微小电容测量电路如图 5 所示,电路分成左右两部分,左侧是以 AD8515 为核心的量程扩展电路,右侧为 AD7746 芯片各引脚的配置电路,Cx表示传感器电极之间的互电容。其中 AD8515 起到了电压跟随器的作用,确保在进行采样时待测电容已经处于充满电的状态。图 5 CDC 微小电容测量电路 AD7746 共有 2 个电容测量通道,每个测量通道都可以配置成单端输入或者差分输入的方式,待测电容 Cx连接在激励端 EXC 和电容测量的输入端 CIN 两端口之间。测量电极电容时为了避免其他电极的影响一般采用逐个激励的方式,其他电极做接地处理。由于阵列电极之间互电容值的最大值超出了芯片的基本量程,需要扩展 AD7746 芯片的量程,其依据是电荷平衡,激励电压减小为原来的 1/K,则芯片的电容测量范围就增大 K 倍。AD7746 有 2 个激励输出端,在设计测量范围扩容电路时需要同时用到这2 个激励输出,须在寄存器中将 EXCA 和 EXCB 配置为反向,同时激励源电压减半。量程扩容倍数 K 等于激励电压VEXC(A-B)与经过扩容电路后输出的衰减激励电压 VEXCS的比值,通过电阻 R3、R4的阻值计算可得,如式(1)所示:K=VEXC(A-B)VEXCS=R3+R4R4-R3(1)式中 R3、R4为相应电阻的阻值。AD7746 的电容测量范围通过电路扩展之后,芯片的测量误差也随之同倍数扩大,所以量程的扩大要根据实际所测电容的最大值来设定。本文选择 100 k 和110 k 的电阻作为扩容电阻,理论放大倍数 K 为 21,在实际应用中经过测量得R3=99.5 k、R4=109.1 k,实际K 值为 21.729,因此电容的最大量程为 87.708 pF。2.4 ARM 控制电路设计ARM 控制电路是整个硬件电路的核心,负责控制电极的切换、选择测量电极、配置 AD7746 芯片并读取其内部存储器中的电容测量结果、数据预处理以及发送测量数据到上位机操作软件。ARM 芯片在控制电极切换时,先连接 GPIO 引脚和模拟开关芯片的控制引脚,再通过改变 GPIO 引脚状态来控制电极的切换。控制 AD7746 的方式是 ARM 通过 IIC 总线向 AD7746的功能配置寄存器中写入操作码,再读取其内部存储器中的电容值。ARM 芯片的数据预处理是将测量电容值进行滤波,滤波后的电容值通过串口通信传输到上位机操作软件。本文选择 STM32F103RCT6 作为硬件电路主控芯片,ARM 主控模块功能框图如图 6 所示,其中外围电路主要包括晶振电路、UART 电路、复位按键电路、LED 电路等。图 6 ARM 主控模块功能框图3 上位机软件流程设计系统通过上位机软件的人机界面操作,基于 PCNN图像融合的上位机成像软件流程如图 7 所示。首先要在上位机软件人机界面中配置串口信息如波特率、数据位等。然后进行电容数据的采集并选择双通道算法成像,再使用 Tikhonov 正则化算法和Landweber 迭代算法成像后的图像进行归一化处理,最后利用 PCNN 模型图像融合后经过阈值分割处理输出重建的图像。系统在工作过程中测量得到的数据都会自动保存到指定的文件夹中,方便记录数据。在软件工作过程中,除串口配置不能更改之外,其他的配置选项如工作模式、算法配置、颜色图渲染主题等都可以随时进行更改。05 第 4 期李利品等:基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统设计 图 7 基于 PCNN 图像融合的上位机成像软件流程4 实验测试分析4.1 精确度与稳定性测试实验为了测试硬件电路系统测量电容的精确度和稳定性,本文采用对比实验的方法,先使用高精度电容测量仪器测量固定电容的电容值作为精确值,再使用本文设计的电容测量电路对固定电容进行多次测量,分析实验数据。考虑到电容数据采集电路的设计量程,本文使用小容量电容来测试电路的精确度和稳定性。将2 个标称 22 pF 的陶瓷电容串联起来,串联后的电容 C 的等效电容值应为 11 pF,使用 LCR 电容测量仪测量串联后的陶瓷电容的电容值为 11.015 pF,将此数值作为其真值用于对比分析电容数据采集电路的性能。应用本文设计的基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统的硬件电路对该电容重复测量,从测量结果的序列中随机抽取 200 次的测量结果,抽取的电容分布如图 8 所示。图 8 固定电容测量结果为了对测量结果进行评价,计算抽取的电容的平均值、标准差、相对误差、最大百分比误差、相对标准偏差等统计特征,统计特征的计算结果如表 1 所示。表 1 固定电容测量结果统计量平均值/pF标准差/pF相对标准偏差/%相对误差/%最大百分比误差/%11.014 40.000 8630.007 840.005 40.017 由表 1 可知,硬件电路测量结果的标准差为0.000 863 pF,表明测量数据的离散程度很小,测量结果的相对标准偏差为 0.007 84%,说明测量结果有很高的精密度,从 2 种误差的大小可以看出硬件电路测量数据有很好的稳定性。测量结果的平均值与 LCR电容测量仪的测量真值相比,测量数据的相对误差为0.005 4%,最大百分比误差为 0.017%,从以上误差数据可以看出测量结果与真实值的误差很小,表明测量结果有很高的准确度。以上实验数据表明,系统的硬件电路的测量数据具有很高的稳定性和准确度。4.2 多相流测量实验实验时模拟了 2 种不同相含率的层流、核心流和多核流共 4 种流型的多相流,气固两相流实验装置图如图 9 所示。图 9 气固两相流实验装置图应用基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统进行成像实验和参数测量实验。对实际流型进行成像实验,分别应用 LBP、Tikhonov 正则化算法、Land-weber 迭代算法以及 PCNN 图像融合模型进行成像,表 2 为成像实验的结果。不同算法应用的原理不同,成像效果存在差别。从表2 中各个算法的成像结果来看,对于每一种流型,PCNN 图像融合模型的结果轮廓更加清晰,对于管道内物质分布的反映更加准确,成像结果中的轮廓和实际流型中物体的轮廓更加接近。实验结果表明本文提出的基于 PCNN 图像融合的成像优化模型结果更精确。15 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期表 2 多相流成像实验结果编号实际流型LBPTikhonovLandweberPCNN1234 表 3 为基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统对实验室中实际多相流的参数测量结果。从表 3中结果来看,基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统对流型的预测全部正确,相含率的测量结果和实际相含率的误差在 1%左右。通过多相流参数测量结果可以看出,基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统对于多相流流型和相含率测量的准确度很高。表 3 多相流参数测量结果流型编号实际流型实际相含率/%预测流型预测相含率/%1层流25.13层流26.612层流63.67层流62.643核心流20.83核心流20.974多核流16.51多核流16.87 多相流成像实验和多相流参数测量实验的结果表明,本文设计的基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统成像效果好,参数测量准确度高。5 结束语针对油气管道的多相流测量问题,经过对现有方法的分析,本文提出基于 PCNN 图像融合的 ECT 多相流测量系统方案,设计了阵列电极传感器、系统硬件测量电路,提出了相含率的检测方法,最后开发了系统上位机操作软件。结果表明,本文设计的系统对于微小电容的测量有着很好的稳定性和准确性,阵列电容传感器对于不同介质具有良好的分辨能力,通过系统的成像结果可以准确地分辨管道内不同介质的位置,在多相流测量方面取得了较好的效果。参考文献:1 吕宇玲,何利民.多相流计量技术综述J.天然气与石油,2004(4):52-54.2 谭超,董峰.多相流过程参数检测技术综述J.自动化学报,2013,39(11):1923-1932.3 林宗虎.多相流体力学及其工程应用J.自然杂志,2006(4):200-204.4 王波,沈诗怡,阮琰炜.冶金过程中的气液两相流模拟J.金属学报,2020,56(4):619-632.5 陈阳正,王小鑫,王博.电容法气液两相流相含率测量系统研究J.仪表技术与传感器,2020(2):114-118.6 赵鑫,金宁德,李伟波.油水两相流相含率的软测量方法J.化工学报,2005(10):1875-1879.7 苏茜.油气水多相流相含率超声测量机理与方法D.天津:天津大学,2017.8 林翀.气液两相流相含率测量新方法研究D.杭州:浙江大学,2015.9 吴东月.用于高含水两相流的同轴电容含率测量初探D.天津:天津大学,2008.10 MOSOROV V,SANKOWSKI D,MAZURKIEWICZ L,et al.The best-correlated pixels method for solid mass flow measurements using electrical capacitance tomographyJ.Measurement Science&Technology,2002,13(12):1810-1814.(下转第 58 页)25 仪 表 技 术 与 传 感 器第 4 期 在塔机作业过程中,通过上位机 Web 网页观测到清晰的 4 个重要部位画面,分别为吊钩状态、卷扬机、吊装环境和驾驶室 4 个区域的视频监控画面,如图 10所示。为了确保监控的实时性,在各个摄像机的监控区域放置了开启了精确到 ms 的移动设备,并在上位机端同样开启了一个相同精度的时钟。通过测试,各摄像机监控画面的每帧画面的延时平均为 20.4 ms,具有优异的实时性。(a)监控区域(b)监控区域(c)监控区域(d)监控区域图 10 视频监控5 结束语本文设计了塔机实时监测系统,该系统采用嵌入式技术,利用各传感器和摄像机对塔机的运行状态进行实时监测。通过监控屏幕的上位机 Web 网页实现了对塔机运行状态在系统局域网下的监测,系统开发的上位机实现了历史数据存储和对各种游览器的兼容。测试结果表明:系统能够实现对吊钩高度、小车变幅、塔身回转角度、吊物的质量与环境的风速、温度、相对湿度进行监测,系统采集数据的平均相对误差为 0.74%,满足系统对准确度的需求。同时也能对塔机操作人员的视觉盲区等重要部位进行视频监控,监控画面平均的延时为 20.4 ms,具有很好的实时性,为塔机安全作业和高效监管提供了一种有效的方法。参考文献:1PRICE L C,CHEN J,PARK J,et al.Multisensor-driven real-timecrane monitoring system for blind lift operations:Lessons learned from a case studyJ.Automation in Con-struction,2021,124:103552.2 曹现刚,张富强,史可欣.基于 ZigBee 协议的矿用设备数据采集分站设计J.仪表技术与传感器,2023(3):65-70.3 何光辉,李晓伟,李鑫奎,等.基于有限元与物联网的塔式起重机安全监测系统J.中国安全科学学报,2020,30(11):7.4 张伟,廖阳新,蒋灵,等.基于物联网的塔式起重机安全监控系统J.中国安全科学学报,2021,31(2):55-62.5 张充,赵挺生,蒋灵,等.塔式起重机结构安全监测参数选取及测点布置J.中国安全科学学报,2021,31(8):112-118.6于松灵,商祥年,韩建虎,等.基于 STM32 的海洋氡同位素原位测量进样控制装置J.仪表技术与传感器,2022(5):28-31.7 蒲明辉,艾振军,尹飞,等.电容式六维力与力矩传感器数据采集系统设计J.仪表技术与传感器,2023(1):17-21.8 范亚南,苏冠明,王增光,等.具有升降云台的轨道式巡检机器人控制系统设计J.仪表技术与传感器,2022(4):69-74.9 丁承君,刘云帆,胡博,等.基于物联网的施工升降机监测系统设计J.传感器与微系统,2022,41(3):101-103.作者简介:胡欣(1975),副教授,博士,主要研究领域为机器学习与深度学习。E-mail:huxin 王生辉(1998),硕士研究生,研究方向为嵌入式系统。E-mail:17765089625 通信作者:肖剑(1975),副教授,博士,主要研究领域为智能感知与计算。E-mail:xiaojian (上接第 52 页)11 刘靖,王雪瑶,刘石.多相流测量用动态电容层析成像图像重建算法J.仪器仪表学报,2015,36(10):2355-2362.12 李艳梅.图像增强的相关技术及应用研究D.成都:电子科技大学,2013.作者简介:李利品(1977),教授,博士,硕士生导师,主要研究方向为多相流检测方法与技术、传感器优化与设计与检测技术、信号与图像处理等。E-mail:lilipin 李垄(2000),硕士研究生,主要研究方向为电容层析多相流检测方法与技术、嵌入式技术与应用。E-mail:1243367930 85