（控制科学与工程专业论文）电容层析成像及其应用技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 摘要 致使其特征参数的检测难度很大。过程层析成像技术是8 0 年代中期发 展起来的一门新型检测技术，它以两相或多相流动过程为主要检测对 象，可实时、在线检测过程参数的二维或三维分布状况，实现多相流 动过程的可视化测量，为多相流参数检测技术的研究提供了一种重要 手段了 电容层析成像是过程层析成像技术中发展较快的一门技术，它具有 简单、成本低、响应速度快、非接触、安全等优点，已发展成为一门 被广泛研究的多相流参数检测技术但它在理论上和应用中都还存在 不少问题和难点。本文针对传感器仿真、软硬件设计、图像重建算法 研究以及在多相流参数检测领域中的应用等方面的问题进行了以下一 些研究工作： 采用c 语言开发了运行于微机环境下的有限元仿真软件包，仅需 较少的软硬件资源就可完成复杂电磁场的分析工作。通过所开l 发的仿 真软件包对1 2 电极电容传感器进行仿真分析，获得了灵敏场分布；并 对三种具有不同结构的电容传感器进行分析，得出径向屏蔽电极具有 缩小测量电容值的动态变化范围、提高相邻和相近电极的分辨能力、 改善传感器灵敏场分布均匀程度的作用。 电容层析成像系统图像重建是一个不适定的反问题求解过程，敏 感于测量投影数据的微小变化：译文从分析电容层析成像系统图像重 建过程产生的不适定性入手，提出一种新的、定量的垦堡要爱塑譬函吲 即基于最小能量的约束最小二乘图像重建算法，改善了图像重建所对 应的病态方程组的求解条件，有效克服了图像重建过程中的不适定性； 实验表明该算法稳定、计算速度快从而为电容层析成像系统图像重 建提供了一种新方法。 摘要 下研制了一套1 2 电极电容层析成像系统。该系统具有结构简单、响 应速度快等优点。为了在系统的成像质量和实时响应性能间取得较好 地折衷，本文采用精度较高的代数重建算法来重建管截面图像。为了 减少代数重建算法的时间开销，本文从图像重建线性模型的权系数矩 阵出发，通过优化各投影在迭代过程中的选取顺序来改善a r t 算法的 收敛特性，使成像系统仅需增加较小的时间开销就可提高系统的成像 质量，从而提高了成像系统的整体性能。 将1 2 电极电容层析成像系统应用于油气水试验回路，监测处于 垂直管流状态下的油气两相流，采用改进的线性反投影算法重建了一 系列管截面相分布图像，经滤波后的图像较为清晰地给出了油气各相 在管截面上的分布。在主频1 6 6 m h z 、内存3 2 m 的硬件环境下，系统成 像速度不低于15 帧秒，能够满足工业现场对多相流动过程实时监测 的需要。 从l2 电极电容层析成像系统所重建的管截面图像序列出发，通过 融合分相含率、图像灰度及其统计特征等时空分布信息，建立了均相 流、弹状流、断塞流、核心流、环状流等两相流型的模糊判别分析方 法，通过静、动态实验证实了所提出的流型辨识方法的可行性。 对在使用电容层析成像技术监测油气两相流时位于传感器中的水 等高介电常数介质对传感器灵敏场分布的影响进行了仿真分析，研究 结果表明离散水滴位于传感器内不同位置对传感器灵敏场分布的影响 是不同的。 通过有限元仿真获得了测量对象为油水两相流时油、水分别为连 续相情况下的传感器灵敏场分布，结果表明这两种情况下 布较为均匀；虽然此时灵敏度较低，但仍具有一定的分辨能 分 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t w o p h a s e f l o wi s w i d e l y f o u n di nv a r i o u si n d u s t r i a l p r o c e s s e s t h e p a r a m e t e rm e a s u r e m e n to ft w o p h a s ef l o w i si m p o r t a n tf o rt h eo p t i m i z a t i o n a n dc o n t r o lo fi n d u s t r i a l p r o c e s s e s t w o p h a s e f l o w p r o c e s s i ss o c o m p l i c a t e dt h a ti t i sd i f f i c u l tt om e a s u r ei t sp a r a m e t e r sp r e c i s e l y p r o c e s s t o m o g r a p h ye v o l v e dd u r i n g t h em i d - 19 8 0 si san o v e l t e c h n i q u e i t i s m a i n l yu s e dt om o n i t o rt w o p h a s eo rm u l t i p h a s ef l o wp r o c e s s e s i tc a n a c q u i r e t h e2 d 3 dd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o no f p r o c e s sp a r a m e t e r s a n d v i s u a l i z em u l t i - p h a s ef l o wp r o c e s s e s t h i st e c h n i q u ep r o v i d e sa ni m p o r t a n t m o r r i sf o rm e a s u r i n g m u l t i - p h a s ef l o wp a r a m e t e r s e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m g r a p h y i sa q u i c k l y d e v e l o p i n gt o m o g r a p h y t e c h n i q u e i ti ss i m p l e ，c h e a p ，f a s t ，n o n i n v a s i v ea n ds a f e i th a sb e c o m e o n eo fm u l t i - p h a s ef l o w p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s w h i c ha r e w i d e l y s t u d i e d b u tt h e r ea r es o m e p r o b l e m sa n dd i f f i c u l t i e si ns t u d y i n ga n d a p p l y i n gc a p a c i t a n c et o m g r a p h y t h et o p i c so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es e n s o r s i m u l a t i o n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，i m a g er e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e r e s e a r c ha n dt h ea p p l i c a t i o n si nt h ef i e l do fm u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e r m e a s u r e m e n t t h e s ea r el i s l e da sf o f l o w s ： af i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r e p a c k a g eb a s e d o ncl a n g u a g ei s d e v e l o p e d t h i sp a c k a g ec a na n a l y z ec o m p l i c a t e de l e c t r i c - m a g n e t i cf i e l d w i t hal i t t l es o f t w a r e h a r d w a r e s u p p o r t a 12 e l e c t r o d e c a p a c i t a n c e t o m g r a p h ys y s t e m i ss i m u l a t e dw i t ht h i s p a c k a g e a n di t s s e n s i t i v i t y d i s t r i b u t i o n sh a v e b e e n a c q u i r e d t h r e es e n s o r sw i t hd i f i e r e n ts t r u c t u r e sa r e a n a l y z e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tp r o j e c t i o ng u a r de l e c t r o d e sc a n d e c r e a s et h e d y n a m i cr a n g e o fm e a s u r e m e n t c a p a c i t a n c e ，i m p r o v e t h e u n i f o r m i t yo ft h es e n s o rs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o na n de n h a n c et h er e s o l v i n g a b i l i t yo fa d j a c e n ta n dn e a re l e c t r o d ep a i r s c a p a c i t a n c et o m o g r a p h yi m a g e r e c o n s t r u c t i o ni sa n i l l p o s e d i n v e r s e p r o b l e ma n di t i ss e n s i t i v et os m a l lc h a n g eo fm e a s u r e m e n tp r o j e c t i o n s a t f i r s tt h e i l l p o s e d r e a s o no f i m a g er e c o n s t r u c t i o n i s a n a l y z e d a n e w q u a n t i t a t i v ei m a g e r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m i s d e v e l o p e d ，w h i c h i sa c o n s t r a i n e dl e a s ts q u a r er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h el e a s te n e r g y t h i s a l g o r i t h mi m p r o v e s t h es o l u t i o nc o n d i t i o no ft h ei l l c o n d i t i o n e d e q u a t i o n sc o r r e s p o n d i n gt oi m a g er e c o n s t r u c t i o nm o d e la n do v e r c o m e st h e i l l p o s e o fi m a g er e c o n s t r u c t i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s a l g o r i t h mi s s t a b l ea n df a s t t h i s a l g o r i t h mp r o v i d e san e wm e t h o df o r t o m o g r a p h yi m a g e r e c o n s t r u c t i o n a12 - e l e c t r o d ec a p a c i t a n c et o m g r a p h y s y s t e m i sd e v e l o p e d t h i ss y s t e mh a s t h e a d v a n t a g e o f s i m p l i c i t y a n d q u i c k n e s s a l g e b r a i c r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m ( a r t ) i su s e dt or e c o n s t r u c tc r o s s - s e c t i o n a li m a g e ss ot h a tg o o d c o m p r o m i s eb e t w e e ni m a g i n gq u a l i t ya n dr e a l t i m er e s p o n s ep e r f o r m a n c e c a nb ea c q u i r e d b a s e do na n a l y z i n gt h ew e i g h t e dc o e f f i c i e n tm a t r i xo ft h e r e c o n s t r u c t i o nl i n e a rm o d e l ，t h ec o n v e r g e n c es p e e do fa r ti se n h a n c e db y o p t i m i z i n gt h es e l e c t i o no r d e ro fp r o j e c t i o n sd u r i n gi t e r a t i o n t h ew h o l e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e mh a sb e e n i m p r o v e d t h e12 一e l e c t r o d e c a p a c i t a n c et o m g r a p h ys y s t e m i sm o u n t e di nt h e o i l g a s w a t e rl o o pa n di ti su s e d t om o n i t o ro i l g a st w o - p h a s ef l o w u p w a r d s t h r o u g hv e r t i c a lp i p e l i n e s i m p r o v e dl i n e a rb a c k - p r o j e c t i o na l g o r i t h mi s u s e dt or e c o n s t r u c tas e r i e so fc r o s s s e c t i o n a li m a g e s d i s t i n c ti m a g e so fo i l a n dg a sd i s t r i b u t i o no nt h ec r o s ss e c t i o no ft h ep i p e l i n ea r eo b t a i n e da f t e r w a v e - f i l t r a t i o n a ni m a g i n gc o m p u t e rw i t hm a i nf r e q u e n c y16 6 m h za n d m e m o r y3 2m b i su s e d t h ei m a g i n gs p e e do ft h es y s t e mi sf a s t e rt h a n15 f r a m e sp e rs e c o n d t h i si m a g i n gs y s t e mc a ns a r i s f yt h er e q u i r e m e n to fm o s t i n d u s t r i a lp r o c e s s e sf o rm o n i t o r i n g m u l t i p h a s ef l o w b a s e do nas e r i e so fc r o s s s e c t i o n a li m a g e sw h i c ha r er e c o n s t r u c t e dw i t ht h e 12 - e l e c t r o d ec a p a c i t a n c e t o m g r a p h ys y s t e m ，f u z z yj u d g e m e n tm e t h o di s d e v e l o p e dt oi d e n t i f yh o m o g e n e o u sf l o w , s l u gf l o w , p l u gf l o w , c o r ef l o w a n da n n u l a rf l o wb y f u s i n gc o n c e n t r a t i o n ，i m a g eg r a y a n di t ss t a t i s t i c c h a r a c t e r i s t i c s t h i sm e t h o dh a sb e e n p r o v e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t s w h e nc a p a c i t a n c et o m g r a p h yt e c h n i q u ei su s e dt om o n i t o r o i l g a s t w o - 浙江大学博士擎钕论文 p h a s ef l o wt h ee f f e c t o fh i g hd i e l e c t r i cc o n s t a n tm e d i u m ( e g w a t e r ) o n s e n s o rs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o ni ss i m u l a t e da n da n a l y z e d + i ti sf o m a dt h a tt h e e f f e c to fw a t e rd r o p l e to ns e n s o rs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o nd e p e n d so ni t s p o s i t i o ni ns e n s o r 。 w h e no i la n dw a t e ri sac o n t i n u o u s p h a s er e s p e c t i v e l y ，t h es e n s i t i v i t y d i 啦r i b u t i o n so fo i u w a t e rt w o p h a s ef l o wr r ea c q u i r e db yf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n i ti sp r o v e dt h a tt h ea c q u i r e ds e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o n sa r ev e r y h o m o g e n o u s a l t h o u g ht h es e n s i t i v i t y i s v e r yl o w - , t h e s e n s o rs t i l lh a s c o n s i d e r a b l er e s o l v i n ga b i l i t y 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 摘要 本章介绍了多相流及其特征参数的概念，论述了多相流参数检测技术 研究的重要意义，简述了层析成像技术发展演变过程，最后对本文的主要 内容进行了介绍 多相流动过程是指同时存在两种或多种不同相物质的流动过程。其 中，相的概念通常是指某一系统中具有相同成份或相同物理化学性质的均 匀物质部分，各相之间具有明显可分的界面。从宏观的角度出发，可以把 自然界中的物质分为三种，即：气相、液相和固相：自然界中的物质均以 其中的某一相或某几相的组合形态而存在。多相流动常用流量、分相含率、 流型等过程参数来表征。由于多相流动存在相问的界面效应和复杂多变的 流型，因而其参数检测难度比单相流参数检测的难度要大得多( 李海 青，1 9 9 1 ；陈家琅，1 9 8 9 ) 。 多相漉广泛存在于能源、冶金、化工、国防等领域，例如：石油开采 过程中的油气水三相流，气力输送过程和流化床中的气固两相流等。在相 关的工业生产过程中，为了监视生产运行情况，常需在线获取多相流动过 程的一些重要参数，以对生产过程进行寻优和控制，使之能够高效、经济、 安全地运行。所以多相流参数检测技术的研究具有相当重要的意义。但是 多相流动为一复杂的时变过程，使用传统的检测技术来实现对其特征参数 的准确测量存在相当大的难度。因而随着科学技术的发展，许多新的科学 技术一旦问世便被研究和应用以解决多相流参数检测技术上的难题，有 力地推动了多相流参数检测技术的发展；过程层析成像( p r o c e s s t o m o g r a p h y ，简称p t ) 便是这类技术的典型代表。 第l 章绪论 层析成像技术起源于二十世纪五十年代，它提供一种不需侵入物体内 部即可了解物体内部结构的方法( b e c k ，1 9 9 6 ) 。七十年代这种技术和蓬勃 发展的计算机技术、放射科学技术相结合，引起了医学史上的一场革命， 并诞生了一门新技术，即计算机断层扫描技术，简称c t ( c o m p u t e t i z e d t o m o g r a p h y ) 技术；出现了x 一射线断层扫描仪。这种仪器可咀不经过解剖 手段，将人体内各部分横断面图像直观地显示出来，甚至可以显示人体内 部结构的立体图像，从而为体内异常或病变组织的诊断提供可靠依据。层 析成像技术经过几十年的发展，已由x 一射线断层扫描发展成超声波断层扫 描、同位素扫描、正电子发射扫描和核磁共振扫描等新技术( 周光 湖，1 9 8 6 ) ，并已形成了一套成熟的理论和方法。目前，由c t 技术发展而来 的这些理论和方法已广泛应用于射电天文学、雷达探测、电子显微镜图形 学、无损探伤、地震学、地质勘探等非医学领域( 黄志尧，1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 。 二十世纪后期，工业迫于更为有效地利用资源、提高产品质量、降低 环境污染的要求，急需详细了解过程设备内部被测对象的动态行为。而传 统的检测仪器或不适合暴露在工业过程的恶劣环境下，或因它们的存在严 重干扰了工业过程的运行。这种情况下只能使用层析成像方法采用非侵入 的方式来完成。这种层析成像方法采用适应性强、非侵入的传感器监测具 有腐蚀性、快速流动的流体或多相混合物，直接分析过程内部被测对象的 特性。这种层析成像方法最终发展演变成为基于电、磁、声、核、光等多 种不同敏感机理的过程层析成像技术。 过程层析成像技术为使用层析成像方法处理来自远处传感器的数据以 获得不可达到位置处的精确定量信息( b e c k ，1 9 9 6 ) 。它以两相或多相流动 过程为主要检测对象，可实时、在线检测其过程参数的二维或三维分布状 况。 过程层析成像技术在石油、化工、食品、生化等各领域得到了广泛研 究和应用。这种技术将非接触或非侵入的阵列传感器均匀对称地固定在被 测管道或容器周围，传感器的输出信号代表管道或容器内部多相介质的分 相含率及其分布等信息；根据这些信息，计算机便可重建出传感器部位的 管截面图像，并可从中提取反映多相流动过程的各种特征信息 ( d y a k o w s k i ，1 9 9 6 ) 。p t 技术的应用体现在如下几方面( 徐苓安，1 9 9 6 ) ： 1 、多相流特征参数检测：从原理上讲，对于具有任何特性的多相流 浙江大学博士学位论文 体，均可通过某种敏感原理的p t 技术或几种不同敏感原理p t 技术的 组合来实现对其进行实时、在线检测获得多相流体的二维或三维 时空分布信息，实现流型辨识、确定相分布轮廓、测量相含率和相 速度等。 2 、模型验证：目前，化学工业等部门的设计基础大多是依据热动力 学、反应动力学和流体力学等原理所建立的过程或设备模型；而这 些模型以往是采用某种简化的“模型”反应器来验证模型的正确性； 这种验证方法复杂繁琐，只能获得被测对象内部的一小部分信息。 而”技术则为工业条件下的模型验证提供了一种直观、方便手段， 可以实时、在线监测工业过程，直接验证建模的正确性。 3 、设计优化：p t 技术可以提供过程工艺的直观、全面的精细信息， 为更有效地优化过程设备及装置的设计提供一条重要途径。 4 、理论研究：多相流动为一复杂的随机过程，p t 技术为多相流动机 理及流体力学的研究提供了一种先进手段。 5 、过程监测、检测与控制：p t 技术可以实时、在线监测各种多相流 动或反应过程，获得反映过程特征的各种信息，并反馈给过程以对 其进行调整和控制，使之达到最优。 1 2 两相流及其主要特征参数 同时存在两相不同物质的流动过程称为两相流。两相流动过程广泛存 在于石油、化工、冶金等领域。工业中常见的两相流有如下几种( 李海 青，1 9 9 1 ) ： 气液两相流 气液两相流由气相和液相组成。如锅炉中的汽化单元、同时产原油和 天然气的油井中均表现为气液两相流。 气固两相流 气固两相流由气相和固体颗粒相组成。如粉粒物料的气力输送、煤的 沸腾燃烧、矿物的流态化培烧等。 液液两相流 液液两相流由两种不同的液相组成。如油井中的油水两相流动。 液固两相流 第l 苹绪论 液固两相流由液相和固体颗粒相组成。如矿浆、纸浆、泥浆等浆体的 流动，矿石、残渣的水力输送等。 处于两相流动状态下的介质常被分为连续相介质和离散相介质。气相 和液相介质常被称为连续相。固体颗粒、液滴和气泡属于离散相介质，常 称为离散相或颗粒相。连续相介质和离散相介质同时存在并相互作用而形 成了复杂多变的两相流动过程。 两相流动过程是一个复杂的随机过程。各相之间存在着一个形状和分 布随机可变的相界面和相对速度，致使流经管道的分相流量比和分相所占 的管截面积比并不相等。因此，两相流中的每一相除了用单相流的各种特 征参数来描述外，还有一些两相流所特有的特征参数。现将常用的两相流 主要参数介绍如下： 流型 流型又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的 相界面致使两相流动形态多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损 失和传热特性的重要因素。流型对两相流及其特征参数的准确测量会产生 很大影响，特别是在流型的过渡段往往导致很大的测量误差。图1 1 示出 了垂直和水平管路中的气液两相流的常见流型。 4 s 1 增f l o v l 3 u b l 】l ef l o v 分相含率 a l m u l a rn o v l c h u r nf l o v 蜃i i i i 咖一胁 后i i i i i i 蝴唧姗 二二二j 丑o n 舯d b 1 州en o v 【= 】_ j 盟姆n o v 匹盔噩噩圈枷删黜n ”i n i s e 舢 ，_ o o _ _ _ _ _ o o _ o _ k - l - - _ _ _ uw a v y m 】i ff 栅 压要要要圈脚e 喇b 蝴n o v 圈1 1 垂直和水平管道中的气液两相流流型 塑婆查黉竖主堂照丝壅 分相会率为单德时阗或流过过流断蘧鹣离教鞠多少熬度量。分摆含攀 对予不同的两相流体还具有不同的称法，在气液两相流中又称空隙率或禽 气率，在气躅两相流中又称空隙度兢浓度。按着度量单位可分为质量分棚 含率和体积分福含率。如粜对局部分裙含率的分布进行统计测量，将可擒 供两相流中离散相浓度及其分布的数据，也可为判别两相流流型提供定爨 的依据。 速度 由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混含流体的平均速魔 籀述外，还必须采瘸分耜滚速来表示。两个分相流速可以趣与平均速度的 差德表示栩对速废，也可用两个分相流速乏比表永速度滑移比。 流量 流量烧单位时间内流过管道截面的多相流体多少的度量。采用不冈 熬单整割，嚣势襄翔容耪渡蠢或囊囊渡耋袭录。黠子冬攘渡羹，鬻震势穗 容积流量、分相质慧流量表示。对于两相滟合物的流量可用平均容积流煮、 平均质量滚爨来接逑 压力降 篷力降也是两糖流动审蠹每基零参数之一。王纛上港合麓静嚣稽流歪力 降与各分相压力降间已建戴了很多理论的、经验的和半缀验的关联式可供 应搦。 此外，分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及分布、环状流中 熬渡貘滚零、滚貘浮皮以及壁剪螺秀等邈是蘧遽嚣提瀛动熬一撩特薤参 数。温度、传热传质系数等两相流参数与糟相流动一样，不再具体一一说 骧。 l 3 本文的主要内窭 两相，多相流动过程广泛存在予石油、化工、冶金等置业领域，其特 征参数豹捡灏霹手套理遣嚣发嚣弼瓷滚、调整帮德纯工鼗过程筠爨骞耱豢 重骥的意义。传统上常通过改变流杰或采用局部平均的单点测量方式来获 褥多褶滚落瓣特薤参数。这些方法藏是对滚场产垒影穗，竣是其敬襻蒂蠢 很大的局限性，其测量精魔受到了很大影响。过程层折成像技术程不干扰 第1 章绪论 流场的情况下可获得多相流动过程的二维三维时空分布信息，实现了多 相流动过程的可视化测量，为多相流参数检测技术的研究提供了一条新途 径。众多过程层析成像技术中，基于电学原理的层析成像技术因安全、实 时性好、非侵入等优点而更适合应用于检测处于瞬息万变的多相流动过 程；其中，电容层析成像技术( 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 ，简称 e c t ) 因具有造价低廉、易于实现等优点而倍受关注，是一个很有价值的 研究方向。 电容层析成像技术作为一门过程参数的实时、在线检测技术，经过十 多年的发展，在国外己从原理性研究阶段过渡到有工业界参与的应用研究 阶段，其在解决两相流和多相流检测问题方面所具有的巨大潜力已被人们 所认识。但电容层析成像技术毕竟为一门新兴技术，还存在许多理论问题 和工程实现问题有待于进一步研究和探讨。鉴于电容层析成像技术的特点 和发展现状，本文将主要针对传感器仿真、成像系统的软硬件设计、图像 重建以及在两相流参数检测中的应用等方面进行探讨。本文主要研究内容 如下： ( 1 ) 在阅读大量相关文献的基础上，对过程层析成像技术进行较全面地 综述。详细地论述过程层析成像技术的演变过程以及基于各种敏感方法的 过程层析成像技术的原理、特点和适用范围；着重论述电容层析成像系统 的传感器结构、电容数据采集电路、图像重建技术以及电容层析成像技术 的特点、应用情况和发展趋势。 ( 2 ) 在微机环境下，研制开发电容层析成像系统的有限元仿真软件包， 建立电容层析成像传感器的有限元仿真模型。并通过所研制的有限元仿真 软件包对径向电极等因素对传感器响应特性的影响进行分析，优化传感器 的结构和响应特性。该章为后续研究工作的基础。 ( 3 ) 对电容层析成像系统图像重建算法进行研究，分析图像重建逆问题 求解过程产生不适定性的原因，提出一种新的图像重建算法，以期克服图 像重建过程中的不适定性，为层析成像图像重建提供一条新途径。 ( 4 ) 开发研制一套1 2 电极电容层析成像系统，并对其整体性能进行优化， 使其具有较高的成像质量和较强的实时响应能力。 ( 5 ) 从1 2 电极电容层析成像系统所重建的管截面图像出发，采用模糊模 式识别技术融合两相流体的分相含率、管截面相分布图像序列等时空分布 浙江大学博士学位论文 信息对油，气疆媚滚滚型进褥辨识。 ( 6 ) 在电容层析成像系统监测油气两相流的情况下，通过有限冗仿真研 究墩子抟感器疼部举同霞纛豹拳等裹分电簿数介壤对抟感爨灵敏场分布躲 影响。 ( 7 ) 透过蠢羧嚣糖寞，获褥浊求嚣援流程瘩稳 蠹分别戈连续柱黠数灵敏 场分布，并对各种情况下的灵敏场分布避行分析。 1 4 小结 在石油、化工等领域，两相流参数的检测具有相当重要的懑义。两 耜流动体系豳其楣阉存在相互作用舔使箕流动特襁极为复杂，其特征参数 的检测技术仍处于不断发磁和完善过程中。层析成像技术的出现为两相流 特程参数稔涮技术静研究撵供了一条崭新途径；窀霹敬获欷嚣耱滚动过稷 的= 维，三缵时空分布信息，实现两相流动过程的可视化测量；并为两相 流动壤理豹研究帮硷溺彼袭蠹搴优纯设诗提供了一条鸯效筝毅。瑟获层辑袋 像敝术的研究具有相当重黧的意义。 7 第2 章过程层析成像技术综述 第2 章过程层析成像技术综述 摘要 本章对过程层析成像技术进行了较全面地综述详细地论述了过程 层析成像技术的演变过程以及基于各种敏感方法的过程层析成像技术的 原理、特点、适用范围和在多相流参数检测领域中的应用情况。 2 1 过程层析成像技术的形成和发展 过程层析成像技术实际上始于二十世纪八十年代中期。但七十年代 就有将层析成像技术应用于过程设备中的实例；它们大多是基于x 一射线 或同位素的辐射技术，因其价格昂贵和安全性差而不能满足实际工业过 程应用的要求。这些基于辐射的方法因需要很长的测量时间而不适合于 工业过程实时行为的动态测量。在这种情况下，英国曼彻斯特大学理工 学院( u n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e ri n s t i t u t eo fs c i e n e ea n dt e c h n o l o g y ，简记 u m i s t ) 的m s b e c k 教授领导一个研究小组开始从事电容层析成像技术 ( 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 , 简称e c t ) 的研究工作，应用阵列式 电容传感器对油气两相流和气固两相流进行成像。1 9 8 8 年，他们成功研 制了8 电极电容层析成像系统( h u a n g ，1 9 8 9 ：x i e ，1 9 8 9 钆t 9 8 9 b ；黄松明， 1 9 8 9 ) ，于1 9 9 0 年进一步改进成为1 2 电极的电容层析成像系统。该系统采 用了基于电荷转移原理的电容数据采集电路，配备了t r a n s p u t e r 阵列式 处理器来对数据进行并行处理以提高系统的实时性；并且在流体实验装 置上对油气两相流进行了成像实验( x i e ，1 9 9 2 a ) 。同时，美国能源部摩根 城( m o r g a n t o w n ) 能源技术研究中心设计了1 6 电极电容层析成像系统， 用于研究流化床中的空隙率分布( f a s c h i n g ，1 9 9 2 ；h a l o w , 1 9 9 2 ) 。 与此同时，一种安全性好、价格低廉的用于成像人体部位的电阻抗 层析成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简称e i t ) 引起了 医学界科学家的广泛重视，经美国和英国的几个研究中心的共同努力取 得了迅速进展。1 9 8 8 年u m i s t 也开始开发研制对含有导电流体的容器进行 浙江大学博士学位论文 成像的e i t 系统；由于医疗e i t 和工业过程e i t 存在许多共同之处，因而医 疗e i t 的技术积累使得工业过程e i t 技术的研究取得了迅速进展；电阻层 析成像技术( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称e r t ) 作为e i t 技 术的一种简化形式也得到了广泛研究。法国同期也开展了微波成像技术 的研究工作。 到1 9 9 0 年，虽然过程层析成像技术的研究过于零碎和分散，但欧洲 各国己感到这种应用于工业过程的潜在技术日趋成熟；于是制定了为期 四年的过程层析成像协作行动( e u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no np r o c e s s t o m o g r a p h y ，简称e c a p t ) ，并计划开始研究基于声波、光学和辐射 ( r a d i a t i o n ) 技术、放射( e m i s s i o n ) 技术以及核磁共振技术的成像系统。 e c a p t 将相关的各研究部门有机地结合在一起，着力加速过程层析成像技 术的发展和工业应用：并陆续举行国际性的学术会议，将学术组织和工 业伙伴联合起来共同发展过程层析成像技术。 1 9 9 4 年一些传感器系统已经成熟并可以检测管道、反应器、分离器等 各种工业过程中的多相流体和进行环境监测。同时也逐渐认识到对于复 杂的多相流动过程，仅靠单种层析成像技术难以完成对其进行准确检测 的重任；因而出现了将不同敏感机理的层析成像技术相结合或将层析成 像技术和传统检测技术相结合来完成对复杂的多相流动过程的动态监 测。国外北海油田就使用双模传感器( t 射线和电容传感器) 相结合组成 层析成像系统，对原油，水天然气混合流体的在线检测方面进行了研究； 其中，使用p 射线层析成像技术区分气液两相，而使用电容层析成像技术 区分油水两相，从而达到检测油气水三相流的且的( j o h a n s e n ，1 9 9 6 ) 。在 层析成像技术和传统检测技术相结合方面，有将电磁感应层析成像技术 ( e l e c t r i c a l m a g n e t i ci n d u c t a n c et o m o g r a p h y ，简称e m t ) 、电阻抗层析成 像技术和电磁流量计相结合，用以解决不同流态下气、液两相管流的相 速度、含气率和相分布等多参数的同时测量问题( h o m e r , 1 9 9 6 ) 。 随着国外p t 技术研究工作的开展， 东北大学等分别开展基于电容、超声、 工作；并已取得了可喜成绩。 清华大学、天津大学、浙江大学、 电磁感应等原理的p t 技术的研究 9 第2 章过程层析成像技术综述 2 2 过程层析威像技术的理论基础 由于过程层析成像技术是医学计算机层析成像诊断技术在过程检测 领域中的延伸，尽管它们在测量的对象和目的以及信息的获取、处理和 解释等方面存在很大差异，但它们却具有相同的理论基础，即雷登变换 ( r a d o n t r a n s f o r n l ) 和雷登逆变换( 徐苓安，1 9 9 6 ) 。 雷登变换是1 9 1 7 年奥地利数学家( r a d o n ) 在研究天文数学( a n t e n n a s m a t h e m a t i c s ) 中所提出的一种图像重建理论的数学方法，后经柯尔马克 ( c o r m a c k ) 、柏雷斯韦尔( b r a c e w e l l ) 和雷多( r i d d l e ) 等科学家的努力而 发展成为由投影进行图像重建的完善方法( g t 赫尔曼，1 9 8 5 ；周光 湖，1 9 8 6 ；李远钦，杜友福，1 9 9 4 ) 。 设直角坐标系下的函数，0 ，y ) 在大小为2 三2 五的正方形区域内 有意义，如图2 1 所示。在不同的情况下，f ( x ，y ) 具有不同的物理意义； 在透射成像的情况下，它代表线性吸收系数；在放射成像情况下，它代 伍 jr x ， ， ( i ；， o 、- ，一， 。 , f i e 圈2 1 雷登变换的几何解释 表放射性同位素的浓度；在电法成像的情况下，它代表被成像对象的电 特性。在研究中常采用极坐标变量来描述函数，此时，可由f ( r ，庐) 来表 示，有： 1 0 浙江大学博士学位论文 jr = 扣2 + y 2 l 妒= t a n “( y x ) i x = r c o s 妒 【y = r s i a 妒 且定义f ( r ，庐) 在正方形区域矫为零，即： ，( r ，庐) = 0i f r c o s b i 6 振o ri rs i n | 彰压 lf ( r ，) = 0 i f ，e 且假设函数，) 是平方可积的，即积分值 r 4rv ( 堋】2 r d r d q 6 存农。雷登变换涛个舞予，毒铉作矮纛个甄数上鼓，哥产建舅一个 函数。函数，的雷登变换用可来表示。彤在定义域内菜点( ，矿) 处的慎 臻r f i r ，妒】采表示。 对于实数对( r ，庐) ，函数，的雷登变换建义如下： l e f r ，们= r 几厢，矿+ t a n ”( z r ) 净 由黧2 1 霹戳看螯，影秘搦是，浍羞辩线毛煞线积分，鄯必藏量j 篷翟串联 得到的投影值。当函数f ( x ，满足适当祭件时( 这在实际问题中总是满 是鹣) ，交g f ( 爹 蜀戳唯一缝臻定f ( x , y ) t 氇就是说霉鼗交接戆爰演润 题熄存在且唯一的；即雷澄逆变换算子震“存在，使五g f = f ( 杨文采 等，1 9 9 3 ) 。霉登= j 蓑变换公式獾述麴下i 俺咖杀f 峁陆磬毋 峦上式可数喾出嚣数f ( x ，必唯一蟪取决予宅瑟煮绫积分瓣