（控制理论与控制工程专业论文）电容层析成像技术图像重建算法研究.pdf

摘要 摘要 两相流动过程广泛存在于石油、化工、冶金等工业领域。两相流参数的准确测 量，可揭示两相流动的机理，建立两相流动模型，并对流动过程预测、设计和优化 控制提供必要的依据。近十多年来迅速发展起来的过程层析成像技术在解决多相流 参数检测问题上有很大的潜力和广阔的工业应用i j 景。电容层析成像技术以其成本 低、适用范围广、结构简单、非侵入式、安全性好等优点，成为目前过程层析成像 技术研究热点。 论文以1 2 电极电容层析成像系统为研究对象，主要探讨电容层析成像技术在建 立有限元模型、图像重建等方面的问题，主要完成了以下工作： 1 对基于不同敏感原理的过程层析成像技术进行了简介。对电容层析成像技术 ( e c t ) ，包括传感技术和图像算法进行了综述，并对多种e c t 图像重建算法作出 了比较分析。 2 对电容层析成像技术正问题的研究。利用有限元方法对电容层析成像的电容 传感器进行了有限元分析，有限元采用三角分割，计算出传感器静电场内各点的电 势，利用电容计算公式得到了各电极施加电压时相应的电容值。利用敏感场计算公 式得到各单元的敏感度，分析电容极板的敏感度分布性质。 3 提出了一种改进的基于t i k h o n o v 正则化的l a n d w e b e r 迭代算法。设定迭代十 次( 耗时均为0 1 s 左右) ，对层状流、环状流、滴状流三种典型流型仿真表明：基 于t i k h o n o v 正则化的l a n d w e b e r 迭代算法较l a n d w e b e r 算法占空比误差分别小 3 1 2 5 ，1 3 8 9 、1 3 8 9 2 ，而空间图象误差分别小0 0 0 6 9 、0 0 3 7 0 、0 5 2 0 9 。实验 证明基于t i k h o n o v 正则化的l a n d w e b e r 迭代算法收敛性和抗噪声性能好于 l a n d w e b e r 迭代算法。 图3 2 表4 参4 9 关键词：电容层折成像；图像重建；t i k h o n o v 正则化；l a n d w e b e r 迭代 分类号：曰3 1 9 河北理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wp r o c e s s e se x i tw i d e l yi ni n d u s t r yf i e l d a c c u r a t em e a s u r e m e n to f m u l t i p h a s ef l o wc a no p e no u t t h em e c h a n i s mo fm u l t i p h a s ef l o w ，s e t u pm o d e lo f m u l t i p h a s ef l o w ，a n da l s op r o v i d ee s s e n t i a lb a s e sf o rf o r e c a s t ，d e s i g na n do p t i m i z e d c o n t r o lo ff l o wp r o c e s s p r o c e s st o m o g r a p h y ( p 3 3t e c h n o l o g y ，w h i c hh a sb e e nd e v e l o p e d r a p i d l yi n r e c e n tt e ny e a r s h a sg r e a td e v e l o p m e n t a lp o t e n t i a la n dw i d ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o np r o s p e c t ，h a v i n gm a n yd i s t i n c ta d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，w i d ea p p l i c a t i o n 6 e l d , s i m p l es t r u c t u r e ，n o n - i n v a s i v em e a s u r e m e n ta n db e t t e rs a f e t y ，e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y ( e c 田h a sb e i n g t h ep o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o na n dt h em a i nd e v e l o p m e n ti n p r o c e s st o m o g r a p h yt e c h n i q u e t h eo b j e c to ft h i sd i s s e r t a t i o ni so nt h er e s e a r c ho f1 2 - e l e c t r o d ee l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h ys y s t e m t h em a i nt o p i c ss t u d i e da r ef i n i t em o d e la n di m a g e r e c o n s t r u c t i o n ；t h em a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： 1 a no v e r a l li n t r o d u c t i o no fp r o c e s st o m o g r a p h yb a s e do nv a r i o u ss e n s i n gt e c h n i q u e s w a sp r e s e n t e d e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ( e c t ) ，i n c l u d i n gs e n s i n gt e c h n i q u ea n d i m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m sw e r ee s p e c i a l l yr e v i e w e d 2 t h es t u d yo ne l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h yi sc a r r i e do u t t h ee c ts e n s o ri s a n a l y z e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es e n s i t i v i t yf i e l d si sd i v i d e db yt r i a n g l ec e l la n d t h ee l e c t r i c a lc a p a c i t a n c ev a l u e sa r ed e s e r v e d w i t hd i f f e r e n ts t i m u l a t ev o l t a g e t h e s e n s i t i v i t yf i e l di sc o n c l u d e da n da n a l y z e d 3 an o v e ll a n d w e b e ri t e r a t i o ni sp r o p o s e db a s e dt i k h o n o vr e g n l a r i z a t i o n t h ei t e r a t e t i m ei ss e t1 0a n di tl a s ta b o u t0 1 s e c o n d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w a l g o r i t h mi sb e t t e rt h a nt h el a n d w e b e r3 1 2 5 、1 3 8 9 、1 3 8 9 2 o no c c u p i e ds p a t i a l r a t i o ( o s r la n d0 0 0 6 9 、o 0 3 7 0 、0 5 2 0 9o ns p a c ei m a g ee r r o r ( s m ) t h er e s u l t so f e x p e r i m e n tm a n i f e s tt h a tt h ec o n v e r g e n c eo fn e wa l g o r i t h mi si m p r o v e dt h a nl a n d w e b e r f i g u r e 3 2 ，t a b l e 4 ，r e f e r e n c e4 9 k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n ；t i k h o n o v r e g n l a r i z a t i o n ：l a n d w e b e ri t e r a t i o n c h i n e s el i b r a r yc a t a l o g ：t p 3 1 9 创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：丞邀日期：裂盟年竺月鱼日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：壑迅导师签名：燃 日期：z 年皇月丝日 引言 引言 两相流系统广泛应用于工业领域。随着工业生产过程对提高产品质量、降低成 本和安全生产等的重视，对过程参数的测量提出了更高的要求。因此两相流参数 ( 流型、浓度、速度、流量等) 在线检测及控制在生产过程中变得至关重要。由于 两相流在流动过程中的空间分布随机性、不均匀性、流动形态的多样性，采用常规 检测技术仅可检测到一个时间或空间上的平均参数、或是微观若干个点上的数据， 无法检测到两相流的空间分布参数如截面相分布、速度场( 二，三维信息) 等，因此 采用常规检测法对两相流参数检测存在较大的局限性，过程层析成像技术就是在这 样的背景下发展起来的。 过程层析成像技术利用安装在被测管道或容器周围的传感器阵列，获取被测物 场在不同观测角度下的投影数据，利用相应的图像重建算法，经计算机处理后，给 出过程截面状况的- - _ 三维信息。 电容层析成像技术以其成本低、适用范围广，结构简单、非侵入式、安全性好 等优点，成为目前过程层析成像技术发展的主流和研究热点，但离实际应用尚有很 大距离，因此有待进一步研究和发展。目前电容层析成像技术的研究主要集中在以 下两点： 1 获得更多、更准确的物场投影信息( 传感器电容值) 。 2 提高图像重建的速度和精度。 通过对目前的电容层析成像技术图像算法的分析，提出了一种改进的 l a n d w e b e r 迭代算法，该算法通过采用成像精度更高的t i k h o n o v 正则化法代替l b p 算法作为l a n d w e b e r 迭代算法的初始步，以减少初始误差在迭代过程中的累积，从 而达到提高算法收敛速度的目的。 河北理工火学硕十学位论文 l 绪论 随着科学技术的迅速发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益 重要。多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。两相流动体系在自然界和工业 生产中涉及范围十分广泛。例如，自然界的大漠扬砂，江河中的泥砂俱下，以及空 中烟尘弥教、雨雹交浸都是与人类生活有关的两相流现象。生物体中所含的流体， 如血液和奶液，也都是含有多种细胞、微粒或液滴悬浮体的两相流。在化工、石 油、冶金、动力及原子能等工业中，两相流动过程更是普遍存在。大量实例所反映 的两相流涉及范围的广泛性及其应用的重要性促使了两相流领域研究工作的迅速发 展。但基于两相流体系情况极其复杂，要认清现象，获得概念，建立模型并进行过 程的预测、设计和控制，首先要解决的就是两相流的检测技术问题。随着工业生产 过程计量、节能及控制要求的提高，对于两相流参数检测的要求也就越来越迫切 了。 由于两帽流动或多相流动比单相流动不仅流动特性复杂得多，且相问存在着界 面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大。为此世界各工业发达国家均作了大 量工作。研究较多的测量方法多涉及新技术：如辐射线技术、激光多普勒技术、核磁 共振技术、超声技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术、相关技术、 流动成像技术等等，也有很多研究工作是应用传统的单相流仪表和两相流模型进行 多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技术和方法大都处于实验室应用 研究阶段，已商品化的工业型仪表为数还很少，可以说，两相流参数检测在国际上 尚属一个待发展的探索研究领域【1 1 。 1 1 两相流 相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质 成份，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为 三类：气相、液相、固相。单相物质的流动即为单相流，如气休或液体流。所谓两相 流是指同时存在两种不同相的物质的流动。 工业中常见的两相流有： 1 气液两相流 在锅炉等汽化单元，天然气，低沸点液体的传输过程，以及传热传质设备大量 的分离和反应过程中，气液两相流的实例比比皆是。 2 1 绪论 2 气固两相流 在干燥塔等气流干燥单元，煤粉，水泥，谷物，食盐等的气力输送过程，以及 煤的沸腾燃烧，矿物的流念化焙烧等流态化技术中，气固两帽流的工业实例大量存 在。 3 液固两相流 在矿浆，纸浆，泥浆，胶浆等浆液流动，矿石，残渣的水利输送和污水处理排 放系统中，液固两相流的工业实例普遍存在。 4 液液两相流 在物质提取的萃取过程中，大都是液液两相流系统。 1 2 过程层析成像技术的发展历史 鉴于两相流学科在国民经济发展中的重要地位和两相流参数检测技术在两相流 研究中的重要意义，许多新的科学技术一旦问世，便被研究和应用到两相流检测领 域中，过程层析成像技术便是这类技术的典型代表【2 j 。 层析成像技术是一种在非侵入被测对象的情况下，通过断层成像揭示被测对象 内部结构的一种技术。这方面的研究最早可以追溯到上个世纪5 0 年代，而第一台层 析成像装置是在1 9 7 2 年由英国人g n h o u n s f i e l d 研制成功的x 射线计算机断层扫描 成像装置，随后就迅速地被推广应用于医学临床诊断：从事无损探测和过程参数检 测技术研究的工程技术人员敏锐的觉察到，计算机断层扫描成像技术( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，简记为c n 在解决物场特性参数的二维仨维分布检测问题上有巨大潜 力。他们立即开展了将c t 技术“移植”于无损探伤和两相流检测的可行性研究； 得到了令人鼓舞的初步结果。然而，由于当时是采用x 射线和核磁共振成像这样的 系统，构造复杂，价格昂贵，再加上当时微电子技术水平的限制，使得大量数据的 实时处理和图像实时重建成为难以逾越的障碍，造成这一探索研究的发展步履艰 难。 到了上个世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) m s b e c k 教授和a p l a s k o w s k i 博士为首的研究小组最早开展了基于电容、超声、红外等适合 工业现场运用的敏感机理的工业过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简记为p t ) 技术 的研究，并于1 9 8 8 年率先研制成功种结构简单、价格低廉、动态响应好以及非侵入 的8 电极电容层析成像系统。对气固两相流体静态模型进行测试结果令人大为鼓 舞。1 9 9 0 年，该系统发展成为一个具有1 2 电极，配备了高速并行处理器件 3 河北理工大学硕士学位论文 ( t r a n s p u t e r 系列1 的电容层析成像系统，可在油气水混合流体试验装置上，稳定可 靠的工作，在线图像重建速度达到4 0 幅秒。美国能源部摩根城能源技术中心 ( m o r g a n t o w ne n e r g yt e c h n o l o g yc e n t e r ) 也于1 9 9 0 年研制成功了一种在线检测流化床 内物料密度的三维分布的电容层析成像系统。在一个直径为1 5 2 4 m m 的流化床的外 壁上，沿其轴向方向日j 距均匀的安装了4 组分别由1 6 个极板构成的电容敏感阵列， 可同时重建出流化床内不同高度处4 个横截面上物料密度分布图像。重建速度达到 3 0 幅，秒，并可以1 0 0 次秒的速度全面更新所储存的数据。 1 9 8 8 年，u m i s t 开始了应用电阻层析成像技术检测导电流体的研究工作。在法 国，欧共体支持的微波层析成像技术也在研究之中。德国k a r l s r u h e 工业大学以 f m e s c h 教授为首的研究小组在气液泡状流超声层析成像系统的研究也取得了较好 的进展。 上述这些科研成果极大的鼓舞了科技工作者，不同学科的人员结合在一起积极 探索基于不同敏感原理的层析成像系统，应用于那些涉及两相多相流体运输、反应 操作的管道，并将这一多学科交叉的高新技术更科学的概括称之为“过程层析成像 技术”。同h 寸，大工业集团和跨国公司的研究部门也逐渐认识到这项新技术的发展 可能为工业部门带来巨大效益，丌始重视和支持有关大学继续丌展研究。从1 9 9 0 年 起，英国科学与工程研究委员会( s e r c 游“过程层析成像技术”列为英国政府科技 部门支持的科技前沿研究课题之一。同年，欧共体( e c ) 科学技术委员会也正式立 项，资助欧共体国家的大学和工业研究部门联合开展为期四年的过程层析成像技术 的研究，称为“欧洲过程层析成像联合行动( e u r o p e a nc o n c e r t e da n i o no np r o c e s s t o m o g r a p h y ，简记为e c a t ) 计划”从1 9 9 2 年到1 9 9 5 年，每年一次分别在英国的 m a c h e s t e r ，德国的k a r l s r h e ，葡萄牙的o p o o 和荷兰的b e r g e n 召开了四届会议。该计 划将原来分散在不同领域的p t 研究者组织到了一起，会议参加人数逐年增加。在 1 9 9 5 年最后一届e c a p t 会议中，由来自1 0 个国家4 8 个研究小组( 包括1 4 个公司) 的1 0 7 名代表参加了会议。由于e c a p t 的实施大大促进了欧洲在p t 技术方面的进 步，并且由于p t 技术所拥有的巨大工业应用潜力逐步为人们所认识，美国工程基 金会( e n g i n e e d n gf o u n d a t i o n ) 分别于1 9 9 5 年在美国加州的s a nl u i so b i s p o 和1 9 9 7 年 在荷兰的d e l f t 召开了工业过程层析成像技术前沿会议( f r o n t i e ri ni n d u s t r i a lp r o c e s s t o m o g r a p h y ) 自1 9 9 9 年开始，每两年召开一次工业过程层析成像技术世界大会。该会议是由 1 9 9 6 年8 月由英国政府t e c h n i c a lf o r e s i g h tc h a l l e n g e 计划组织的三所大学( u m i s t , 4 - i 绪论 u n i v e r s i t yo fl e e d s ，u n i v e r s i t yo fe x e t e 0 所成立的“工业过程层析成像技术虚拟中心 ( t h ev i r t u a lc e n t e rf o ri n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”所发起。第四届工业过程层析 成像技术世界大会于2 0 0 5 年9 月5 日至8 日在日本a i z u 召开1 2 , 3 1 ，第五届会议将在 2 0 0 7 年9 月3 日至9 日在挪威b e r g e n 召开。 随着众多科研人员的努力，p t 技术的研究逐步走向深入，由实验室阶段向工业 现场应用阶段过渡。在1 9 9 4 年，以u m i s t 为技术后盾，成立了一家专门提供过程 层析成像技术设备的公司( p r o c e s st o m o g r a p h yl t o ) 。 于上世纪9 0 年代初，国内多所高校也相继开展了这方面的工作，并取得可喜的 成果。根据文献报道，国内研究较多的p 1 r 技术主要集中在电容、电导、超声、电 磁感应等方面。 现已提出的基于十几种不同敏感机理的过程层析成像技术中，基于电容传感机 理的电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y ，简记为e c t 技术) 具有测量速 度快、非侵入、低成本、安全、适用范围广等特点，是p 1 r 技术中的研究热点之 1 3 电容层析成像系统技术要点和存在的问题 e c t 系统的技术要点主要分为两部分1 4 l ，一是微弱电容的测量和采集，二是由 采集的电容数据进行图像重建。 e c t 微弱电容测量和采集的技术要点： 1 测量电路要求具有很高的抗杂散电容的能力，由于杂散电容一般要比待测量 的电容大得多，如果测量电路的抗杂散电容的能力不好，要测的电容就会被淹没在 杂散电容中而无法准确测量。 2 测量电路要求具有很高的测量分辨率，为了满足工业应用需要，e c i 系统要 求测量电路能够测量出f f 级o f p - - 1 0 - ”n 的电容变化。 3 测量电路要求具有较好的测量线性度，在e c t 系统中，测量范围从l f 级的 电容到p f 级( 1 p f = 1 0 1 2 n 的电容，最小的电容值和最大的电容值相差三个数量级， 测量电路要能够在整个测量范围内具有一致的信号处理性能。 4 测量电路要求具有尽可能高的电容数据采集速度，由于被测对象快速多变， 尽可能高的数据采集速度才可能反应和揭示被测对象的实质。提高电容数据采集速 度现已成为e c t 研究中的重点和难点之一。 5 河北理工大学硕士学位论文 纵观各种e c t 系统，从微弱电容测量电路方面来讲主要存在以下问题。e c t 系 统中微弱电容测量方法见诸报道的有充放电法、交流法、有源差分法、磁感应c n 转换法和高压交流双边激励法，其中研究较多的主要是充放电法和交流法，这两种 微弱电容测量方法在抗杂散电容、测量分辨率和测量线性度方面各有特色，但却存 在一个共同的不足，即由于都需要滤波器滤掉反复激励造成的输出信号中的脉动噪 声，而滤波效果的优劣主要取决于滤波器的时日j 常数，滤波器的时日j 常数大，则滤 波效果好，但电容测量周期长；反之，滤波器的时间常数小，可提高采集速度，但 噪声会变大，时间常数的选择往往处于矛盾中，目i j 国内外文献报道的数据采集速 度最高为1 4 0 幅，秒，滤波器成为数据采集速度提高的一个瓶颈i 习。 图像重建是指由一定的算法处理己知的测量电容值来获得管截面上介质分布的 过程，而所采取的算法称为图像重建算法。虽然医学成像技术经多年的发展已经形 成了一些行之有效的图像重建算法，但对于电容层析成像技术来讲，由于其测量场 的“软场”特性和投影数量过少等特点，致使源于医学上的图像重建算法不能直接 应用，因而必须研究适合e c t 自身特点的图像重建算法【6 】。 由采集的电容数据进行图像重建的技术要点； 1 由于电容层析成像图像重建问题是一不适定逆问题，其不适定性主要表现为 解的不稳定问题，在不完备投影数据条件下还有多解问题，因此克服不适定性是各 种图像重建算法的必须首先要考虑的问题。 2 图像重建速度要满足系统的实时性要求，希望图像重建算法越简单越好，而 为了准确反应被测对象的介质分布情况，希望重建图像的精度要有一定的保证，但 高精度的图像重建算法往往计算量大、复杂且费时，因此e c t 图像重建算法的速度 和精度是必须考虑的另一个问题。 e c r 图像重建算法，经多年发展已经有数十种之多，大体可以分为迭代类算法 和非迭代类算法两大类。虽然e c t 图像重建算法大多借用医学c t 中的图像重建算 法或经改进医学c t 中的图像重建算法而得来，但总体而言，e c t 重建图像的精度 与医学c r 的重建图像精度相比，尚有较大差距。其主要原因有两方面，一方面由 于e c t 传感器的软场特性，表现为强非线性，对其本质尚未完全认识，另一方由于 图像重建问题是一个不适定问题，其不适定性主要表现为解的不稳定性问题。 6 2 过程层析成像技术 2 过程层析成像技术 2 1 过程层析成像技术的基本原理和系统构成 2 1 1r a d o n 变换和r a d o n 逆变换 p t 技术和医学c t 技术都基于相同的数学基础，即基于r a d o n 变换和r a d o n 逆 变换用一 设，r 与) ，为定义在二维空间上的连续有界函数，己为一直线，称函数 ，r 而y j 沿直线的线积分： r f ( x , y ) 。f f ( x , y ) d l ( 1 ) z 为r a d o n 变换，式中讲表示线微元，记符号凡为r a d o n 变换算子。 设a - i x , y ) 是直角坐标系x y 平面上的点，则爿) * ，f 而_ ) ，j 表示在点r 而) ， 上的函数值。平面上任意直线可表示为： l ? t - x c o s o + y s i n 0 ( 2 ) 式中：t 是坐标原点到直线的距离，0 是t 方向与z 轴的夹角( 即直线与正y 轴相交的角度) ，则平面上的直线可由数对似刚确定。，r 毛y ，的r a d o n 变换可表 示为： r f f 而) ，- f f ( x , y ) d l ( 3 _ # c 翻鬲+ ，j - 一 式中：d l 一例2 + r d y 尸 采用新的坐标系( 旋转坐标) t s 与原坐标成0 角，s 轴与直线e 平行。 两坐标系转换关系如下： 阱c o s ；= 料4 ， 将式( 4 ) 代入式( 3 ) ，则可得r a d o n 变换的经典表达式： r f ( x , y ) t 仁f ( t c o s o s s i n o , t s i n o + s c o s o ) d s ( 5 ) - 7 - 河北理工大学硕士学位论文 r a d o n 给出了式( 5 ) 的逆变换公式：函数，似y j 在定义域中任意一点f 而y j 处的值可经过该点的所有线积分的集合按下式唯一的确定。 f ( x , y j _ - 嘉t i m f r x c 0 5 0 + y s i n o + q , o k l o h q ( 6 ) 式中：r l ( q , o j 表示r f f 仍口 关于第一变元口的偏导数。 现在一般将函数，) ，称为“图像”，将r f r 仍刚称为该“图像”沿某一投影 方向( 直线l ) 的“投影”，则r a d o n 逆变换的含义是由“图像”在所有方向上的 “投影”可“重建”该“图像”。因此，r a d o n 变换和r a d o n 逆变换为c t 和p t 奠 定了数学基础。 由上述分析可知，过程层析成像技术的实质就是：基于某种传感机理，用阵列 式传感器以非接触或非侵入方式获取封闭管道、容器、反应器等过程设备内的物场 内部各方向上的投影数据( 即实现r a d o n 变换) ，并运用定性或定量的图像重建算 法，重建反映物场在某一二维截面上或某一三维空问上的分布信息的图像( 即实现 r a d o n 逆变换) ，然后从图像中提取相关特征信息以实现对物场的参数检测和状态 控制【8 】。 p t 技术是一种由数据到图像处理的技术，在图像处理中称为图像重建。 2 1 2 系统基本构成 过程层析成像系统由以下几个部分组成，如图1 所示1 9 j ： 图1 过程层析成像系统 f i g 1s y s t e mo fp r o c e s st o m o g r a p h y 8 2 过程层析成像技术 1 传感器单元。它包括经过优化设计的传感器阵列及其屏蔽罩等部件，其作用 是以非接触或非侵入方式获取被测物场在不同观测角度下的投影数据，其性能的优 劣在很大程度上决定了过程层析成像系统的品质。 2 转换电路及信号调理单元。该单元的主要功能是控制传感器阵列的工作模式 并进行信号转换、放大、滤波等。有的还具有信号并行处理等功能。该单元应具有 信噪比高，稳定性好等特点。 3 图像重建及特征参数提取单元。该单元依据反映物场特性的投影数据，采用 定性或定量的图像重建算法，完成由投影数据到图像显示的功能，并利用相关方法 提取反映物场特征的信息。 4 图像显示单元。该单元根据图像重建获得过程截面各局部的原始信息，经处 理后映射成各像素上的灰度值，以二，三维的图像显示物场的变化历程。 虽然p t 的基本原理与c t 技术是相同的。但是由于测量对象、测量目的以及运 行环境的不同，使得p t 技术相对于c t 技术束i 兑，无论是在信息的获取方式和处理 方法上，还是在测量结果的解释上都有显著的不同。与c t 技术相比较，p t 技术具 有以下特点l 1 0 1 ： 1 被测物场始终处于运动、变化的状态中。要求p t 系统不仅应具有非接触或 非侵入方式的在线获取物场信息的能力，还应具有良好的信息实时处理功能。 2 被测物场往往具有很强的非均匀性，所采用的敏感场多具有软场( s o f t f i e l d ) 性质( 如电容层析成像) ，二者之间相互作用情况复杂；p t 系统的投影数据 又远少于c r 系统，所以p t 系统的数据处理和图像重建困难很大。 3 环境适应性是系统必须满足的基本要求。传感器阵列的设计和选择。不仅要 考虑与被测对象的几何形状、机械、物理特性相匹配，还要考虑对工作环境的适应 性问题。信号的远距离传输能力也是必须具备的。 2 2 基于不同敏感原理的过程层析成像技术 随着p t 技术的发展，目前已经有十几种基于不同敏感原理的p t 系统问世，主 要有：核p t ( z 射线与y 射线等) 、光学、电学( 电磁、电阻、电容) 、超声、电 荷感应、核磁共振、正电子发射、微波等等。大多数的p t 技术可归类为硬场检测 和软场检测。硬场检测的敏感场不受被检测介质分布的影响，如核p t 、光学p t 。 而软场检测的敏感场受被测介质分布及特性的影响，如电学p 一1 1 j 。下面简要介绍一 下核p t 、超声波p t 技术。 一9 ， 河北理工大学硕士学位论文 2 2 1z 射线与y 射线层析成像技术 z 射线与y 射线层析成像技术的检测原理是依据放射线穿过被测介质时产生衰 减作用。当平行、单能的z 射线或y 射线通过某种介质时，光子被介质吸收，射线 强度减弱。其衰减与沿此射线的多相流体各组分的分相含率和相分布有关。利用z 射线或y 射线对管道或过程容器内的多相流体进行不同角度的扫描，用射线探测器 检测出射线穿出多相流体前、后辐射强度变化量，获得关于管道或过程容器截面的 多个测量数据( 即投影数据) ，采用图像重建算法，可重建出该截面的各相分布图 像。由于可以借鉴医学c t 中成熟的技术和方法。z 射线与y 射线层析成像技术从理 论上讲是最成熟和完备的p t 技术i 埘。 z 射线与，射线层析成像技术的应用研究已有很大进展。例如，b a n h d z e r 等将 x 射线层析成像技术应用于流化床的检测和流动成像。v i n g e r 等将z 射线层析成像 技术应用于多相流颗粒分布状态及流型分析，并在实验室中采用高速z 射线层析成 像技术分析在线洗煤的过程参数。s c h m i t z 等人用3 6 0 k e v 2 射线管，实现气液两相 流在不规则结构体内流型的辨识。h a u 采用r 射线层析成像技术与常规p i t o t 管相结 合，重建出管道截面图像，提供了两相流空隙率分布和实时流型。c r o w t h e r 等采用 ，射线源和多固态检测器构成的层析成像系统对气力输送下的粉粒体浓度相质量流 量以及流动模型进行了初步的研究。挪威b e r g e n 大学研制了一种电容，r 射线复合层 析成像系统，用于油气水多相流的测量，8 电极传感器阵列用于区分液相中的油和 水，5 个y 射线源和8 5 个紧密排列的检测器阵列构成的y 射线检测装置，用于区分 气相和液相。 z 射线与r 射线层析成像技术的优点在于【捌； 1 使用范围广。由于它们采用对吸收系数敏感的方法，因此只要被测介质的各 组分具有不同的吸收系数即可使用，而大多数被检测的工业对象都可满足此要求。 2 重建图像精度高。一方面是由于它们属硬场检测，敏感场不受被测介质分布 的影响；另一方面是因为可采用准直技术，形成很细的射线，可获得被测物场多个 角度的投影数据，并且可采用医学c t 中成熟的高精度图像重建算法。 z 射线与y 射线层析成像技术的缺点主要是： 1 成本高。由于射线源和探测器的成本高，因此成像系统成本也高。 2 实时性差。由于采用光子计数和机械扫描装置，所以数掘采集时间长。为提 高光子计数速度而采用大剂量辐射源会引起安全防护等一系列问题。取消扫描装置 1 0 2 过程层析成像技术 而采用多放射源，多探测器结构时，所获得的投影数据减少，图像分辨率亦相应降 低。 3 操作维护安全防护要求高。x 射线与，射线层析成像系统是一个精密的测量 系统，结构复杂。此外还需要昂贵复杂的安全防护装置，对现场操作人员使用维护 管理水平要求高。 2 2 2 超声层析成像技术 超声层析成像技术是目前广泛研究的一种过程层析成像技术。它以超声波为检 测手段，利用被测介质对入射声波的吸收和散射等效应所引起的入射声波幅值的衰 减；声波在不均匀介质中传播时，其传播速度随介质不同而发生变化；不均匀介质 引起散射声场的幅值和相位的同时变化等，从不同的角度对物场进行扫描测量而获 得管道或过程容器截面的投影数据，最后重建截面介质分布图像。 根据超声波和被测介质相互作用机理不同，可将超声波层析成像分为：投射模 式超声层析成像、反射模式超声层析成像、衍射模式超声层析成像。 投射式超声层析成像适用于声波波长远小于被测介质，介质的声阻抗彼此接 近，超声波符合直线假设的场合。当声波在传播路径上遇到两种声阻抗特性相差很 大的介质接触面时，就会发生声波反射，反射模式超声层析成像适用于这种场合。 当介质的不均匀部分的尺寸与声波的波长相当时适合应用衍射模式的超声波层析成 像l 堋。 超声层析成像的成像精度较高，整个系统成本能为工业应用所接受。同时它又 是一种非辐射的测量方法，安全性能好。超声层析成像技术主要还需要迸一步解决 以下问题： 1 。实时性差。超声波是一静机械波，与电磁波、光波相比，超生波在介质中的 传播速度较慢，而为了避免多次反射对数据测量精度的不良影响，超声波传感器每 一次发射和完成一次测量后，要待声波在介质中衰减到足够微弱时才可进行下一次 检测，因此产生一幅图像所需的数据采集时间较长，系统实时性能较差。为保证实 时性而减少观测角度又会引起投影数据的减少，降低系统的分辨率和成像精度。 2 过程对象的强非均匀性。超声层析成像系统的基本方程一般是建立在对象微 弱非均匀性的前提下，超声层析成像系统在医学领域已有许多成功的应用，但都以 被测对象为弱非均匀性为前提，即使存在强非均匀性的物体，也有许多先验知识可 以利用。而过程对象往往表现出随机的强非均匀性，从而给成像造成许多困难。 河北理工大学硕士学位论文 3 传感器的设计和安装。超声层析成像系统虽然具有非侵入的特点，但这些并 不容易实现。如将传感器安装在管壁外壁，则传感器与管壁之间的耦合效率、扇形 波束或窄束声波的引入、如何能得到最多的投影数据等都需要仔细考虑。 目前，超声层析成像技术的研究取得一定的进展，例如，天津大学徐苓安教授 等研制的透射模式超声波层析成像系统，可用于气液两相泡状流体分钿的监测。 s c h l a b e g 等采用3 6 个环状超声传感器阵列构成反射模式超声波层析成像系统。 g j b r o w n 等讨论了将透射模式超声层析成像技术用于气固两相流流型辨识。德国的 m e s c h 等在气液两相流泡状超声层析成像系统的研究也取得了一定的进展。 2 3 过程层析成像技术特点 基于不同敏感机理的p t 技术都具有各自的特点和应用对象。作为一种面向工 业应用的高新技术，可否得到推广，主要取决于p t 系统在应用中的测量精度、重 建图像质量、对工业现场的适应性、安全可靠性、实时性、成本等几方面是否满足 了要求。 核p t 技术的最大优势是敏感场是硬场，投影数据多，重建图像质量商，并具 有可借鉴的成熟的医学c t 技术，近年来人们在提高系统的安全性、实时性等方面 都作了许多的改进，系统工业实用化程度有所改善。由于该技术所固有的慢速缺 陷，要提高其实时性使其满足多相流流动参数的检测要求还相当困难。加上人们对 核辐射恐慌的心理、较昂贵的价格等因素都成了该技术在工业应用推广的障碍，因 此，核p t 技术很难成为p t 技术研究发展的主流。 超声p t 技术成本较低、非辐射无安全防护闯题，实时性较好、重建图像质量 也较高，因此该技术的工业应用前景乐观。但该技术是基于超声波的扫描测量，系 统响应速度慢，不适合高速的两相流参数的在线测量，同时测量结果受介质温度变 化影响也是该技术在应用中面临的问题之一。 电荷p t 技术成本低，实时性好，但它仅适用于带有电荷的多相流，而且影响 流体带电的因素很多。 电学p t ( e m t e r r 、e c t ) 具有成本低、实时性好、非接触或非侵入、系统 结构简单、非辐射安全可靠等优点。但其检测场固有的软场特性，影响了重建图像 精度。 e m t 技术目i i 尚处于研制开发阶段，其独特之处在于它的双模性，即可同时获 得电导率和电磁率的分布，这将有助于消除单模系统中图像重建误差引起的不确定 一1 2 2 过稃层析成像技术 性但对于单纯电阻率的测量来说，与e r t 技术相比并无多少优势，因此其主要应 用领域是导磁介质的测量，这在一定程度上限制了它的应用范围。 e r t 技术是p 1 r 技术研究发展的主流之一，适用于各相具有不同电导率的场 合，它的许多技术是从医学c t 中移植过来的，研究历史相对较长并已取得了许多 令人鼓舞的成果，预示了该技术广泛的工业应用i i i 景。 在所有的p t 技术系统中e c t 系统的传感器结构简单，采用非侵入式测量方 式、广泛的使用范围、快速的响应速度以及较低的成本为其提供了十分广阔的应用 前景，随着微电子技术、并行处理、计算机技术和图像处理技术的发展，e c t 技术 目前存在的问题可望逐步得到解决。因此e c t 技术不仅是p t 技术的主流之一，而 且极有可能在工业中获得广泛应用的一种p t 技术。 1 3 河北理工大学硕士学位论文 3 电容层析成像系统 3 1 电容层析成像系统组成 电容层析成像技术是近年来多相流检测发展较快的一个方向。应用于多相流参 数检测的电容层析成像技术的基本原理是，位于管道或过程容器内的多相流各相介 质具有不同的介电常数，多相流在流动时会引起多相流体介电常数分布的变化，放 置于管道或过程容器周围的电容传感器阵列由均匀地分布在管道或过程容器周围的 多对电容极板组成，它具有较高的精度和灵敏度，能检测到管道或过程容器内各相 介质介电常数的微小变化，以电容的形式感应出来，即极板b j 测量电容值随介电常 数发生变化，电容值的大小反映了多相流介质相浓度的大小和分布状况。电容澳量 值不仅依赖于各相介质介电常数而且还受各相介质的分布影响。电容测量值的大小 作为投影数据，可以用来反映多相流浓度、流型等参数的状况，利用图像重建算 法，可重建管道或过程容器截面介质分布图像【”i 。 电容层析成像技术具有成本低、适用范围广、结构简单、非侵入式、安全性能 好( 非辐射) 等优点。 成像计算机 图2 电容层析成像系统结构图 f i g 2e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h ys y s t e ms t r u c t u r e 电容层析成像系统( e c t ) 主要由电容传感器阵列、数据采集系统和成像计算机三 大部分组成( 如图2 所示) 。电容传感器检测到任意两个极板间的电信号，此信号与 两相介质的介电常数有一定的函数关系，电容传感器检测到电信号后，将此信号输 入给数据采集系统，进行各种信号处理( 如滤波等) ，输出的信号被转换成可被计算 机处理的数字信号，用这些投影数据来进行图像重建。经图像重建算法处理后得到 各像素值，还不能直接来成像，还需进一步处理，如阈值滤波、修正等。最后得到 - 1 4 3 电容层析成