TELKOM NIKA , Vol.11, No .3, March 2 0 1 3 , pp. 1639 ~ 1645   ISSN: 2302-4 046         1639      Re cei v ed O c t ober 2 9 , 201 2; Revi se d Ja nuar y 25, 20 1 3 ; Acce pted  February 7, 2 013   EIT Based on Virtual Instrument       Ma Jun* 1,2 , Wang  Wen g long 1,3 , Zhang Jianguo 1,3  1 Ke y  L ab of Ad vance d  T r ansducers an d Intell ig e n t Control S y stem, Ministr y  of Educatio n   2 Colle ge of Ph ysics a nd Opto electro n ics,T a iyu an U n ivers i ty of T e chnolo g y   3 T a i y u an U n ive r sit y  of T e chnol og y, T he M easurin g and C ont rolli ng T e chnol og y Institute,  T a iyua n 03 002 4, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : z y maj un@ 12 6. com, lao x i n i @ 12 6.com, iki ng7 9@1 63.co m      A b st r a ct   Design of a electrical im ped ance tom ogr aphy system  based on  virtual instrument, the author  firstly introduc ed the v i rtual  instru me nt into  the el ectrical  imped anc e  i m a g i ng fro m  the p e rspectiv e  o f   hardware and software.  The system   use DAQ of NI to sim p lify  the  har dware structur e and im pr ove the  stability. Softw are of syste m  co mbi nes th e  adva n tag e s o f  LABVIEW and MATLAB,  and v e rify so me   alg o rith ms. Usi ng NI virtual in strume nt, the system  has stro ng exp ansi on  and d o  go od b a sis for enh an cin g   the perfor m anc e  of electrical im pedance imaging system .      Ke y w ords : virtual i n stru ment,   electrical i m p eda nce to mo gr aphy,  MATLAB,  LABVIEW      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  With the rapi d developme n t of scien ce  and  techn o l ogy, two-ph a s e syste m  (li quid,  gas-solid, liq uid-solid, liqu i d-liqui d, etc.) becom e s   more a nd m o re imp o rtan t in the national  eco nomy and  human life. In many case s, the  detecti on techni que s of two-ph a s e have be e n  a   con s trai ning  factor of stu d ying two-ph ase.  Th e proce s s tomog r aphy a s  a  new two-p h a s e   detecte d tech nique ha s be en increa sing  emphasi s   by domestic an d foreign re searche r s [1-2 ].  As a p r o c e s s tomography,  EIT were t r a n spl anted in i ndu strial in th e late 19 80s.  Becau s e it i s  a  visual, non -i nvasive, low-co st, no radi ation-lin e inspectio n  tech nology, it is attended by the   worke r  in the  two-p h a s e / multipha se  flow testin g an d medical testing [3].  In 1986, Nati onal Instrum ents (Nation a l  Inst rume nts USA) first p r opo se d a "virtual  instru ment"  (Virtual In strumentation )  co n c e p t a nd g r adu ally cha nge th e app roa c h  of  measurement  and automat ion of engine ers a nd scien t ists. It consi s ts of three p a rts: co mpute r ,  instru ment ha rdware, appli c ation  softwa r e. Beca us e of its flexible, easy to build , and use r s  can  define their o w n spe c ial in strum ent syst em, so  it is widely ap plie d in resea r ch , developme n t,  measurement , testing, mea s ureme n t, m onitoring a nd control an d so  on.   In the current  electri c al im peda nce tomogr a phy syst em, the ent ire system is  based  on DSP and FPGA or CPLD to collecti on and pro c e ssi ng of data, then s end the processe d data   to a PC for image di splay .  Howeve r the authors  co mbined the a d vantage s of virtual instru ments  and MATLA B  to design a digital electri c al  impe dan ce imagi ng system  based on virtual  instru ment.       2. The Desig n  of Har d w a r e  Sy stem  2.1. Sy stem  Structure   As sh own in  Figure 1, The  system i s  co nsti tute with t he excitation  sou r ce, drive n  and   measurement  channel, signal processing, LABVI EW  data processi ng and image reconst r uction.    System use s  the cu rrent d r ive - voltag e  measurement  pattern, the  driving frequ e n cy  for the si ngle  freque ncy i s  10KHz. Firstly, The  voltage-controlled current  source  gene rated th e   curre n t signal  (sinu s oid a l). T he cu rre nt signal throu g h  the driving chann el with constitute of the  multi-chan nel  switch and CPLD, rea c h the imagin g  objective s su rround ed by electro de. The  two   measured voltage sign al which is extra c ted by  the channel array throu gh the band-pa ss filter  enter i n to the  front differen t ial amplifier.  Then th e  si g nal which is  differential a m plifier o u tpu t  is  re-amplified  by the PGA.  The ba nd-pa ss filter f ilters out interferin g sign als.PXI-625 1' s anal o g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     EIT based o n  virtual in stru m ent (Ma Jun )   1640 input ch ang e  the analo g  signal s into di gital sign als,   the digital si g nals a r e tran smissio n  to the   host co mput er. lastly, the host com puter  re prod uce the go a l  image thro ugh the ima g e   r e co ns tr uc tion  a l g o r ithms .           Figure 1. System stru cture       2.2. Excitatio n  Source   As LABVIEW generated high preci s i on  and less interference signal, LABVIEW  gene rate a freque ncy of 10KHz, amplit ude of 1.5V  the sinu soi dal  voltage sign al in the system.  Then voltage -co n troll ed cu rre nt sou r ce cha nge the voltage sig nal into current signal. Voltag e- controlled  cu rrent so urce  ci rcuit  sho w n in  Figure 2[4 - 5] .          Figure 2. Voltage-co ntrolle d curre n t sou r ce       2.3. Driv en a nd Measu re ment Ch ann e l  Senso r  ele c trode array is the media of bu ilding and  acce ssing to  market sen s itive   informatio n. Therefore, it is ve ry impo rtant to sele ct the app rop r ia te electrode.  The sele cting  of  electrode  mai n ly take s into  accou n t the  material,  sha pe an d si ze.  Relative to th e point el ectrode,  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1639 – 1 645   1641 a re ctang ula r  electrode  ca n sig n ifica n tly improve th e  uniformity of  curre n t den sit y  distributio n  [6 - 7]. So the system use s   a recta ngul ar electro de. Accordi ng to the si ze of the experim ent al  device, the  electrode  si ze is 15 mm  width an d 3 2 mm length.  The sch e m a tic diag ram  of  experim ental  appa ratu s an d electrode a r ray are  sho w n in Figure 3.          Figure 3. Experime n tal app aratu s  and el ectro de a rray       Multiplexers swit ch and  cha nnel arra y are 16-to-1 analog m u ltiplexer swi t ching  device s .MAX306  whi c h M AXIM produ ced is  CM OS1 6  ch ann el an alog multipl e xer. Its maxi mum  resi stan ce i s   100 o h ms. T he maximum   resi stan ce  m a tchin g  erro r  betwe en  cha nnel s is  5 oh ms,  the switchi n g  time is l e ss  than 40 0n s,  and the   cro s stalk  betwee n  ch ann els is less tha n -9 2 db.  To-g rou nd le aka ge cu rren t is less than  2.5nA, equi valent capa ci tance to gro und is less than   140pF[8 -9]. Its pe rform a n c e meets  ou r d e sig n  re qui re ments. CP LD turn on  and t u rn off the d r i v e   and me asure m ent chann e l s. We  ch oice EPM7128 SLC84 - 1 5  of  MAX7000S  seri es  whi c h  is  introdu ce d by Altera Corpo r ation. The  co ntrol se que nce sho w n in Fi gure 4.           Figure 4. Con ductio n  timing control       2.4. Signal Proces sing   Front differe ntial amplifier shoul d have  high inp u t impeda nce a nd co mmon  mode   rejection ratio, low noise and drift. Select ed chi p  is AD620, its CM RR is up to 100db.   Becau s e  of  different el ectrode  have t he di st inct  resi stan ce, th e sig nal h a ve big  diffence afte r the liquid condu ctivity.  Agilent's  L C R meter  me asu r e the  re sista n ce of the  electrode a s  sho w ni ng in Figure 5 and  Figure 6.  Figure 5 is an  empty field. Figure 6 is the   comp ari s o n  chart betwe en the empty field and plac i n g  objects. In order to improv e the accu ra cy  of signal a c quisitio n , we  require the  use of a prog ram m abl e gain ampl ifier for sign al  amplificatio n. TI's THS7 002  chip s is  sele cted for Programmabl e gai n amplifier.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     EIT based o n  virtual in stru m ent (Ma Jun )   1642 Whe n  the si gnal tra n smi ssi on in the  liquid, due  to the asy mmetric  ele c trode   electrolysi s , galvani c acti on and othe r factor s, the output voltage sig nal may contain  DC  comp one nts.  At the same  time in the EIT meas urem ent system, the freq uen cy of noise  sig nal  may not meet the sampling  theorem, so that follow-u p  sampli ng will sho w  aliasi ng  phenome non .  In orde r to  prevent the i n terferen ce  signal, this   sy stem u s e s  the ba nd-pa ss filter which  is   Maxim's MAX 263.           Figure 5. Empty field chart           Figure 6. Co mpari s o n  ch a r t betwee n  the empt y field and pla c e d  o b ject (Blu e cu rve is  empty field, Pink curve is pl ace d  obje c ts)      2.5. DAQ   The sy stem will ch oo se th e PXI-6251 m odel of NI DA Q.  NI M Series high-sp eed  multifunction  data  acq u isiti on (DAQ ) de vices a r e opti m ized  for s u perior ac curac y  at fas t  s a mpling  rates .  Spec ifications  are as  follows :  Analog inp u t: Numbe r  of chann els:  8 differential  or 16 sin g le ende d. ADC  resolution:1 6  bits. Sampling rate: 1.25 MS/s  si ngle ch ann e l , 1.00 MS/s multi-chan nel  (agg re gate). Input ran ge±1 0  V, ±5 V, ±2  V, ±1 V, ±0.5 V, ±0.2 V,  ±0.1 V 。 ab so lut e  ac cur a cy  at  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1639 – 1 645   1643 full scale （ +-10V ） :1.92m V. Sensitivity (+ -10V ):0.11 2mV. absolut e accu ra cy a t  full scale （ +- 0.1V ） :52uV.  Sensitivity (+-0.1V):6uV.   Analog in put  cha nge a nal og sig nal int o  digital si gn al to provide  data for foll ow-up  digital pro c e s sing. As the resolutio n  of 16bits, the  voltage can  be bro k en d o wn into 655 36  copi es 。 T h e  minimum voltage ca n be  detected i s  Vp-p/65 536V  variation. This will imp r ove  measurement  accura cy. Finally, the accura cy of  the imaging  syste m  has be en h i ghly improve d .  Analog O u tp ut: Numbe r   of chan nel s:2. DAC reso lution:16 bits. Maximum update  rate: 1 chan nel: 2.86 MS/s.2 chan nel s:2.00 MS/s.  Output ran g e : ±10 V, ±5  V. Output current  drive:±5 mA.   The anal og o u tput voltage signal s is mainly cr e a te sinu soi dal. The sign al whi c h is  gene rated by  DDS ha s h a rmo n ic inte rferen ce. The  use of LAB V IEW and th e ca rd' s  anal og  output can ef fectively redu ce the inte rfe r en ce.  Th ere b y redu cin g  interferen ce from the si gna l  sou r ce ca n in dire ctly impro v e  the accura cy of the system.  Digital I/O ： Numb er of ch annel s ： 24 total. Maximum clock rate: 10MHz. Logi c level:  TTL. Maximu m input ran g e  0V-5V, the maximum outp u t range of 0 V -5V.  Digital I / O is the com m u n icatio n cha n nel betwe en  host compute r  and CPL D . As its  spe ed ca n re ach 10 MHz, the host  co m puter can qui ckly control  CPLD 。  CPL D  can effici e n t  control of different d r ive an d  measureme n t chan nel switching.       3. Labv ie w   3.1. Digital Phase -Sensiti v e  Detec t ion   EIT demodu lation metho d  has thre e princi pal method s, su ch as switching   demod ulation ,  multiplication demodul ation and di git a l demodul ation. There is the inevitable   interferen ce i n  the pro c e s s of switchi ng  amplifie r for  switch d e mod u lation. As the accuracy a nd  spe ed, multiplication dem o dulator cann ot meet  the  desi gn req u irements  of the system[10 - 11].  Thus it a dopt s all-digital o r thogo nal d e m odulatio n  to reali z e  digi tal pha se-se n sitive dete c t i on.  Digital dem od ulation algo rit h m is shown in Figure 7.          Figure 7. Digi tal phase-sen s itive detecto r      The digital demodulation al gorithm base d on LABVIEW is shown i n  Figure 8.  Input sig nal  amplitude i s   31, pha se i s  23 deg re es.  After demod ulation am plitude i s  also  31,  Phase i s  23.0 01 deg ree s ， satisfy the accuracy requi rements.        3.2. Image Recons truc tio n  Algorithm   Image re con s tru c tion ca n  be divided into dynamic imaging an d static imagin g [12].  Dynami c  ima g ing in clu d in g ba ck-p roje ction algo rithm .  Static imagi ng in clud e Newton -Raph son  algorith m , qu asi-Ne wton  a l gorithm, the  gene rali z ed i n verse matrix  algorith m , NOSRE meth o d ,  pertu rbatio n algorith m , ne ural n e two r k method,  etc. The syste m  first achie v e quasi - Ne wton   algorith m  by  MATLAB, then pa ckage i n to a CO M  co mpone nt. Fin a lly, call the  COM  com p o nent  from the LABVIEW, to achi eve image reconstruction.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     EIT based o n  virtual in stru m ent (Ma Jun )   1644     Figure 8. Digi tal demodul ation algo rithm  based on LA BVIEW      4. Experimental Re sults   This syste m  is 16 electrode s, each  electrode is  15mm width  and 32mm length.  Cylindri c al tank of  28cm di ameter   and 40cm  high filled with  a cert ain conductivity of  salt water.  We pla c e d  pl astic pl ates i n  anywh ere  within t he tan k . Figure 9 is the physical  location im a ge,  Figure 10 for the  target re con s tru c ted i m age. As t he poor cond uctivity of plastic plates, so the  blue part of the image (figu r e 10) is the plasti c plates 。 Re co nstruction of the  target's po sition  is  also  con s i s te nt with the actual locatio n  of the object.           Figure 9. Physical location  image       Figure 10. Ta rget re co nstructed ima g e       5. Conclusio n   The p ape r  firstly introd uce vi rtual  instru ment i n to the el e c tri c al imp e dan ce  tomography f r om the p e rspective of the  hard w a r e  a n d  software. T h is  way sim p l i fy the hard w are   system an d enha nce system scal abilit y. DAQ  use  the NI PXI- 6251 bo ards to improve the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
             ISSN: 2302-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 : 1639 – 1 645   1645 system accuracy. Integrati on advantages of LABVIEW and MA TLAB for processi ng data can  enabl e the system to handle large a m ounts of d a ta  in a timely manne r. Excitation so urce  generated by  the LABVIEW can eas ily change the frequenc y of excitation signal. So it becomes  easy to develop a multi-freque ncy me asu r em ent  system. On this basi s , ada ptive frequen cy  system whi c h   automatic ch oose  a  suitab le frequ en cy according to t he mea s u r e d  obje c t ca n b e   desi gne d. Measu r ed o b je ct in a different environ m ent (su c h a s  temp eratu r e, humi d ity, etc.) have  some differe nce s  in imp edan ce, so the sy stem can add the monitori ng of environme n tal  c o nditions  bas ed on virtual ins t rument. Virtual  ins t rument platform developed by LABVIEW c a n   be remote co ntrol via Internet, Thus virtual instrum e n t  technology make s the system conn e c t  the Internet o f  things in the  future. With t he PC, se micondu ctor  and  softwa r e d e velopme n t in the   future, virtual  instrum entat ion syste m  p r ovide s  an e x cellent mod e l for de signi ng of elect r ical  impeda nce tomography.       Referen ces   [1]    Cui Ha i-li. Par a meters Meas uerme nt of th e Ga s-Liqu id  T w o-P has e F l o w  B a sed o n  the Eleetrie a l   Cap a citanc e T o mogr aPh y . Master thesis. Z heji a n g  Univ er sit y . 20 06.   [2]    Liu  ch en g,She n  yong-m i n g ,T ang yo ng- jun. T he  numer ical  simulati on of S o lid- l i qui d t w o - phas e flo w  i n   horiz ontal tu be .  Journal of Hy drau lic . 200 7; 38(7): 76 7-7 7 2 .   [3]    Z eng li-l a n g , Z han g  w e i-c h e n g .T he design o f  EIT .   Automati on an d instru mentatio n . 200 4; (2): 35-36.   [4]    Yang F u -g ua n g , SHI  T i an-ming, W U  Hua-t uan, LI  T ao, SUN Qian g. A Method to Imp r ove the L oad   Cap a cit y   of ER T  Current Sour ce.  T e chniq ues  of Automation  and Ap plic atio ns . 201 0; 29(1 1 ): 88-91.(i n   chin ese)   [5]   Jian g Aixia.Dri v e Rese arch of Electrical Im ped ance T o mogra p h y . Na njin g: Nan jin g  universit y o f   scienc e an d techno log y . 2 008 .  [6]    T ang Rongfa n g . T he modula r  desig n of e l e c trical  imp e d a n ce tomo grap h y  h a rd w a re s ystem. Master  thesis. Guan g x i Univers i t y . 2 0 05. (in chi nes e )   [7]    W ang M, Ma  YX, H o ll ida y   N ,  et a1. A hi gh —Performanc e  EIT  Sy st em.  IEEE Sensors  Journal . 2 005;   5(2): 289- 29 9.  [8]    W ang Re np ing .  Design  and  i m pleme n tatio n  of thr ee dim e nsio nal  electric al imp eda nce  tomogra p h y   s y stem. Master  thesis. Hebe i Univers i t y   of  T e chn o lo g y . 200 5.(in chi nese)   [9]    Xu Gua n x in, W ang Ping, He W e i. A R eal-tim e El ectrical Imped anc e  T o mograp h y  Sy stem a n d   Exp e rim ental S t ud y .   C h in ese  Journ a l of Scie ntific Instrumen t . 2005; 26(9):  886- 894.   [10]    Qu Z h iga ng. B i olo g ic al El ectri c al Imped anc e   T o mograp h y   Digita liz ed S y s t em Desig n . Master thesis.  T i anjin Un ivers i t y . 20 05.(in ch i nese)   [11]    Qu Zhigang, W ang Hua x i a n g , Jin Shijiu. Digit a liz ed Biol ogic a l Electric al Impeda nce T o mograph y  Sy s t e m .  Jour n a l of Electron ic  Measure m ent and Instru me nt . 2006; 20( 4): 10-14.   [12]    Z hu Qing yo u. Rese arch of  El ectrical Impe d ance T o mogra p h y  Alg o rithm  Based  on Virtu a l Instrument .   Cho ngq in g:Ch ong qin g  Un iver sit y . 20 08.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.