（测试计量技术及仪器专业论文）两相流电容层析成像技术的研究.pdf

揍要 嚣相流电容层新成像技术的研究 擒要 电容滋橱或僚技零楚主煎纪8 e 年代末崮葵瓣曼键凝特大学硬究人员提 出的一种新的计算机鼷析成像技术，它越通过测量物体寝面周围电极之间的 电餐值来计辣物 本内部分电常数的空间分布，主要用予工业管道内的多楣流 裣溺。这种技术霹提供常规致赣涎法探浏的封闭管道及容器中多糟介袋酌浓 度、分布、运动状态等可视化信息。比之其它技术，电容层析成像技术具有 适瓣蕊嚣广、嚣餐入式、安全犍髓好等虢燕，蚤糖工泣生产过程孛零露兹多 相流均能应用该技术，并且成本低廉，瑟适合我国的国情。本文针对电容层 辑戏僚系绞熬臻域分布模型、传熊器浆饯证设计、銎豫骧建算法、流囊辨谈 及电容层耩成像系统的分析和测缀软件等关键蔽术问题进行了较全面深入的 研究，主要完成了以下工l 乍： 1 电容鼷章厅斌像系统技术藤理分橱 从理论土分析了电容层橱成像技术的工作原理，建立了电容敏感场的数 学模型。蒋系统静其谴酪究工佟均渡藏攒整为理论薹秣，挟系统靛流羹谈羽 和阁像重建的效果来看，就摸囊怒可行的。 2 。建立毫容敏黪溪有疆元模鍪，获褥宅容敏感场分布信惑 遴过瓣敏感特性的分糈建立了等闻距和不等闻距荆分形式的有疆元模 型，宠成场域垂魂捌分，魄较等耀距和不等耀距测分的敏感羞裂，最露缮到 一种适合油水两拥流流型识别的有限元模型，满足图像煎建对敏感场数据的 精壤黉求。 3 电容传感器的设计理论与实验研究 舒对不丽的结构参数对电容馋感器戆能豹影响，从电援数、电投长发、 电檬张蕉、管道璧浮痰、奔遣常数、屏蔽罩与窀极阉绝缘屡静厚度、径斑惫 极等方面进行理论分析，完成了计算机仿真分析芹日实验分析，并以此为基础 黠传憋器逡李亍饶亿没诗，箍离皴感场浆灵敏度襄均匀瞧，减轻测量亳路鹄设 计滩度，完善了电容传感器设计理论。 4 。流溅蒺识、囊像鬟建算法研究 为了克服成像过程铡艇数据有限、信噪眈低教敏感矩阵条件数偏大对实 晗尔滨理工太学工学博士学位论文 ， 对戚像造成豹影鹩，绩合成像系统噪声水平和敏感矩阵特性，懿立了一种基 予矩终运算蕊广义遂敏感矩阵求缌方法。该方法将测量数据与橡建斡广义逆 敏感矩阵进行运算，从丽得到截预图像，解决电容成像不稳定性及半收敛性 弱鼹，为电容层辑威缘系绩豹研究提供毅的理论辩方法。 5 电容蘑薪袋豫湔量系统软件的设诗及开发 根据敏感特性和本文提出的传感器场域剖分原则，采用m a t l a b 椰c 港畜开发爨了毫容层耩或像系统懿分季嚣嚣潦量骏彳孛，软斧能够宠波敏感凌螽 域囱h 幼剖分、计算及电场特性分析：剐本文建立的离散相分布阁像重建数学 攘篷帮浊水含率计算熬数掌模型及提出鲍具毒一定鑫适艘潮值瓣露豫璧建亵 油水含率计算算法进行了察现，采用遗传算法对其进行编码以提高图像爨建 毂姨敛速发；完成了浊水褥檩滤阐像熏建和浊水含率的计算。 关键词电容层析成像；电容敏感场；图像爨建：优化设计；流型辩识： 禽攀诗舅 l l * r 嚣s e a r c ho n 嚣l 嚣c t 薹娃c a lc a p a c 薹鼍度n c 嚣 t o m o g r a p h y t e c h n i q u e o ft w o p 默s ef l o w a b s t r a c t e 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 y ( e c t ) i san o v e lt e c h n o l o g yo f c o m p u t e r i s e dt o m o g r a p h y ( c t ) b r o u g h tf o r w a r db yu m i s to fu k i nt h ei a t e 19 8 0 s ，w h i c hh a san u m b e ro fc a p a c i t i v ee l e c t r o d e sm o u n t e de v e n l ya r o u n dt h e p e r i p h e r yo fm e a s u r e do b j e c t ，a n dm e a s u r e st h ec a p a c i t a n c ev a l u eb e t w e e n e l e c t r o d e st ok n o wt h ed i s t r i b u t i o no fd i e l e c t r i cc o n s t a n t w h i c hi sm a i n l yu s e di n d e t e c t i o no fm u l t i p h a s ef l o wi ni n d u s t r i a lp i p e l i n e 。i tc a nr e v e a l t h ev i s u a l i n f o r m a t i o no fe v e r yp h a s ei nc l o s ep i p e l i n eo rv e s s e ls u c ha sc o n c e n t r a t i o n ， d i s t r i b u t i o na n ds t a t u so fa c t i o n ，b u tt h eg e n e r a li n s t r u m e n t sc a n n o t i n c o m p a r i s o nw i t ht h eo t h e rt e c h n i q u e s 。e e th a si t sa d v a n t a g e so fe x t e n s i v e a p p l i c a b i l i t y , b e i n gn o n i n v a s i v e ，s a f et oo p e r a t e ，l o w - c o s t ，w h i c hc a nb ea p p l i e d t og e n e r a lm u l t i - p h a s ef l o wi ni n d u s t r i a lp r o c e s so fp r o d u c t i o na n di ss u i t a b l et o b eu s e di nc h i n a m o r ep r o f o u n ds t u d yi sf o c u s e do nt h ek e yp r o b l e m ss u c ha s f i e l dd i s t r i b u t i o nm o d e lo fe c t s y s t e m ，o p t i m i z e dd e s i g no ft r a n s d u c e r s ，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 ，f l o wr e g i m er e c o g n i t i o na n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h es t u d yw eh a v ed o n ei sa sf o l l o w s 1 p r i n c i p l ea n a l y s i so f e c ts y s t e m t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fc a p a c i t a n c es e n s i t i v i t yf i e l di s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt o 懦ep r i n c i p l ea n a l y s i so fe c ts y s t e ma n dt h ef o l l o w i n gs t u d yi s b a s e do ni t 。t h er e s u l t so ff l o wr e g i m er e c o g n i t i o na n di m a g er e c o n s t r u c t i o n p r o v et h a tt h em o d e li sr e a s o n a l b e 、 2 c a p a c i t a n c es e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o no b t a i n e db a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo f c a p a c i t a n c es e n s i t i v i t yf i e l d 1 t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l so fe q u a la n du n e q u a lm e s hs p a c i n g sa r ed o n e r e s p e c t i v e l ya c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fs e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o n t h ep r o c e s so f m e s hp l o t t i n gi sa u t o m a t i c f i n a l l yb yc o m p a r i s o no ft h e s et w om o d e l si n s e n s i t i v i t y , t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e ls u i t a b l ef o ro i la n dw a t e rt w o p h a s ef l o w r e g i m er e c o g n i t i o ni so b t a i n e da n dm e e t st h ep r e c i s i o nr e q u i r e m e n to fi m a g e r e c o n s t r u c t i o n 3 d e s i g nt h e o r yo fc a p a c i t a n c et r a n s d u c e r sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h ea f f e c t i o no fs t r u c t u r ep a r a m e t e ro ns e n s o rp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d t h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sc o n s i d e r e di nt h es t u d ya r en u m b e r , l e n g t ha n da n g l e so f e l e c t r o d e s ，t h i c k n e s so fp i p e l i n e ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t ，d i s t a n c ef r o me l e c t r o d e st o o u t e rs c r e e na n dl e n g t ho fr a d i a ls c r e e n t h eo p t i m i z e dd e s i g no ft r a n s d u c e r si s d o n eb a s e do nt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，t h ea c c u r a c yo ft h e s e n s i t i v i t yi si m p r o v e dt om a k et h ed e s i g no fm e a s u r ec i r c u i te a s ya n d t h ed e s i g n t h e o r yo ft r a n s d u c e r si sp e r f e c t e d 4 f l o wr e g i m er e c o g n i t i o na n di m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h en o i s el e v e lo fi m a g er e c o n s t r u c t i o na n dt h ec h a r a c t e ro f s e n s i t i v i t ym a t r i x as o l u t i o no fs e n s i t i v i t ym a t r i xb a s e do nm a t r i xi n v e r s ei nt h e w i d e rs e n s ei s w o r k e do u tc o n q u e rt h ei n f i u e n c eo ff i n i t en u m b e ro fm e a s u r e d d a t a ，l o ws i g n a l t o n o i s ea n dl a r g ec o n d i t i o nn u m b e ro fs e n s i t i v i t ym a t r i xo nr e a l t i m ei m a g er e c o n s t r u c t i o n t h i sm e t h o di m p o s e sm e a s u r e dd a t aa n ds e n s i t i v i t y m a t r i xi nt h ew i d e rs e n s et oo b t a i nt h ei m a g eo fc r o s ss e c t i o n ，w h i c hc o n q u e r s t h eu n s t e a d i n e s sa n dh a l fc o n v e r g e n c eo fc a p a c i t a n c ei m a g er e c o n s t r u c t i o na n d e n r i c ht h et h e o r ya n ds o l u t i o no f d e v e l o p m e n to f e c t s y s t e m 5 。d e s i g na n dd e v e l o p m e n t o fs o f t w a r es y s t e mb a s e do ne c t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fs e n s i t i v i t y , t h ef u n d a m e n t a lo fm e s hp l o t t i n g ， p r e s e n t e d i n d o c t o r a t e ，a n a l y s i s - a n d - m e a s u r e s o f t w a r eo fe c ts y s t e mi s d e v e l o p e du s i n gc o m p u t e rl a n g u a g e sm a t l ba n dc t h es o f t w a r ei m p l e m e n t s a u t o m a t i cm e s hp l o t t i n g ，c a c u l a t i o na n dc h a r a c t e ra n a l y s i so fs e n s i t i v i t yf i e l d i m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mw i t hu s i n ga d a p t i v et h r e s h o l da n da l g o r i t h mo f e s t i m a t i n go i l w a t e rp h a s ev o l u m ef r a c t i o na r ei m p l e m e n t e db a s e d o nt h e i r m a t h e r r 娶t i c m o d e l r e s p e c t i v e l y g e n e t i ca l g o r i t h m i s a d o p t e d i n i m a g e r e c o n s t r u c t i o nt oi m p r o v et h es p e e do fc o n v e r g e n c e - i v k e y w o r d se 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 ；t r a n s d u c e rs e n s i t i v i t yf i e l d ； i m a g er e c o n s t r u c t i o n ；o p t i m i z e dd e s i g no ft r a n s d u c e r s ；f l o wr e g i m e r e c o g n i t i o n ；c a c u l a t i o no fc o n t e n t v 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文两相流电容层折成像技术的研 究，是本人在鼯矮捂警下，在哈尔滨理工大学壤读游童学使期溺独立遴行骚究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过静矫究裁采。对本文磅究工 擘敲篷羹献的个入和集俸，殇己在文中以疆确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：下钎意之日期；z 的：年岁月f 6 日 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权髂 两相流电铎层析成像技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位 期阕在霉师指导下完成的媾学位论文。本沦文鸵磺兖成栗整啥尔滨理z 犬学聚 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关予辍存、傻瘸学位论文戆残定，嚣爨学校绦舞并囱露关部门提交论文秘毫予 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其谴复蠲手段保存沦文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密科。 ( 请在以上相应方椴内打) 作者戤唧寻恕 导师签名： 和至镪 日期：砧年j 月1 6 囡 日期：“年弓月，l ；网 1 1 研究问题的背景 第1 章绪论 在现代工业中，多相流系统应用的越来越多，特别是在化工、石油、炼 油、冶金、电力、轻工、环保及核能等国民经济行业中多相流动现象更是普遍 存在，对多相流的计量、控制及节能提出了非常高的要求【”】，发展多相流检 测技术是现代工业发展的迫切要求。但多相流系统极其复杂，它具有比单相流 更复杂的流动特性，描述多相流的参数也比单相流多且复杂。多相流检测技术 发展现状和水平与飞速发展的现代工业需求之间的矛盾只益突出。随着我国各 大油田纷纷进入中晚期的开发阶段，油田多采用注水工艺来提高原油的采收 率。井口产出液常常足原油、水和天然气的混合物，同时海上石油生产中的产 出液通常也是由原油、水和天然气组成的多相流体，这些多相流体具有粘度较 大和凝固点较高的特点，油水、气在长距离混相输运时，对管线压力和温度等 条件有一定的要求【4 - 5 1 。各相流体的特征的在线测量也依赖于油水、油气两相 流本身的流动规律，其中含水率测量、流型的识别等是必须解决的难题之一。 因此急需开展这方面的研究工作，这对相关工业的发展具有重要意义。 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 ，简记e c n 是上世 纪8 0 年代末由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 e o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ，简记u m i s t ) 提出的一种新的计算机层析成像技术 1 6 】，它是通过测量物体表面周围电极之间的电容值来计算物体内部介电常数的 空间分布，主要用于工业管道内的多相流检测，这种技术可提供常规仪器无法 探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度，分布、运动状态等可视化信息，与 其它测量技术或仪表相配合还可应用于多相流总质量流量、分相质量流量以及 流速的实时检测。比之其它技术，电容层析成像技术具有适用范围广、非侵入 式、安全性能好等优点 6 - 引，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用该技 术，并且成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术为从根本上解决多 相流的多参数可视化测量问题提供了一条较好的途径，是实现多相流参数在线 检测的一种理想手段1 9 1 1 】。因此，完善和发展电容层析成像技术理论是一项很 有意义的研究工作。近年来，国内外的研究人员积极探索，做了大量的工作【协 1 8 】，电容层析成像技术的研究已经取得了很大的进展，尤其是在敏感场分析和 图像重建算法方面的研究最为活跃不断有新的研究成果，但理论研究还不够 完善，与实用化还有相当距离。 随着我国油田为了提高原油采收率方法的增多，给油井多相流测量带来了 新的挑战。我国陆地油田经过了自喷开采到注水开发阶段，目前国内几大油田 ( 尤其是大庆油田) 逐步开始转入聚合物驱采油，已经完成了三元复合驱采油 的矿场实验，下一步将进入三元或多元复合开采阶段。由于不同的开采阶段中 油并内产出的流体的组分、特征不同，这就要求在不同阶段使用不同的测量方 法及仪器，特别是在国家提出对老工业基地进行改造的i ；i 提下，急需在原有技 术的技术基础上对设备进行改造和技术创新。因此，在新的油田环境下，石油多 相流中各组分的分相含率和分相流量的检测是油田动态监测的最摹本参数，对 流量和含率测量的主要难点是流型在很宽的范围内变化，通过多相流检测可以 定量判断井内流体( 油、气、水等) 特征，流型是影响多相流动参数检测的一 个主要因素，也是多相流检测中急待解决的一个重要问题。但是由于多相流动 中各相日j 存在随机可变的相界面，致使流型多种多样( 如层状流、环形流及核 心流等) ，十分复杂，因而对多相流特征参数的准确测量产主很大影响，特别 是在过渡区产生很大的误差。另外，由于不同流型下测量仪器的响应有所不 同，如果仪器的测量结果能正确地反映被测参数，首先耍知道仪器是在什么流 型下测得的，所以对多相流动流型识别的显得更为重耍。在现阶段，电容层析 成像技术是解决这方面问题较为理想的理论方法，而多相流的流量、含率、流 型的快速识别又是一难题。 本文研究的内容将为解决以上难题在理论上和技术上提供支持。完善多相 流检测技术( 采用电容层析成像技术) 的理论，并促进这种技术向实用化发 展。 1 2 多相流检测技术研究的意义 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 物质部分，各相之日j 有明显可分的界面。在现代工业中，多相流系统应用的越 来越多，特别是在化工、石油、炼油、冶金、电力、轻工、环保及核能等国民 经济行业中多相流动现象更是普遍存在，对多相流的计量、控制及节能提出了 非常高的要求，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切要求。但多相流系 统极其复杂，它具有比单相流更复杂的流动特性，描述多相流的参数也比单相 流多且复杂。多相流检测技术发展现状和水平与飞速发展的现代工业需求之问 的矛盾日益突出。随着我国各大油田纷纷进入中晚期的开发阶段，油田多采用 注水工艺来提高原油的采收率。井口产出液常常是原油、水和天然气的混合 物，同时海上石油生产中的产出液通常也是由原油、水和天然气组成的多相流 体，这些多相流体具有粘度较大和凝固点较低的特点，油水、气在长距离混相输 运时，对管线压力和温度等条件有一定的要求。各相流体的特征的在线测量也 依赖于油水、油气两相流本身的流动规律，其中，流型的识别和流型的转换关 系是必须解决的难题之一。因此急需开展这方面的研究工作，这对相关工业的 发展也具有重要意义。 1 3 多相流检测技术国内外研究现状与发展趋势 1 9 7 2 年英国科学家g t h o u n s f i e l d 博士主持研制成功第一台c t ( c o m p u t e r i s e dt o m o g r a p h y ，简记c t ) 机之后1 1 9 1 ，就有人尝试将c t 技术移 植到工业现场的多相流检测中来。由于当时设备采用的是x 射线和核磁共振 成像的系统，构造相当复杂，价格昂贵。再加上当时的微电子技术水平的限 制，使得大量数据的实时处理和图像的实时重建成为难以逾越的障碍。从上世 纪8 0 年代后期期开始，英国曼彻斯特大学理工学院m s b e c k 教授和 a p l a s k o w a s k i 博士为首的领导小组首次提出“流动成像”( f l o wi m a g i n g ) 的 概念1 6 j ，并投入了大量的人力、物力，采用超声波、电容、红外等适合于工业 现场的检测手段，开展两相流参数二维分布的在线计算机断层成像技术的研 究，并于1 9 8 8 年研制出第一台针对油气两相流和气固两相流检测的8 电极电 容层析成像系统【z 们，1 9 9 0 年改进成1 2 电极电容层析成像系统，并配备了 t r a n s p u t e r 阵列处理器来对数据进行并行处理以提高系统的实时性【2 1 1 2 2 l ，成功 地在实验装置上完成油气两相流成像实验。与此同时，美国能源部摩根城研究 中心也研制出用于流化床的空隙率分布的1 6 电极电容层析成像系统团- h i 。至 1 9 9 0 年，过程层析成像技术逐渐成熟，于是欧盟的科学技术委员会拨款支持一 项为期4 年的“欧洲过程层析成像联合行动计划( e u r o p e a nc o n c e r t e d a c t i o n o np r o c e s st o m o g r a p h y ) ”，其目的是为将不同学科联合起来以加强对层析成像 技术的开发和应用。自1 9 9 2 年至1 9 9 5 年，在英国的m a n c h e s t e r 、德国的 k a r s r h e 、葡萄牙o p o r t o 的和荷兰的b e r g e n 召开了四届会议1 2 5 - 2 7 1 。随着过程 层析成像的发展，它具有的巨大潜力逐渐被人们所认识，美国工程基金会分别 于1 9 9 5 年和1 9 9 7 年在加州和荷兰召开以“过程监视和控制的层析成像检测技 术”( t o m o g r a p h i cs e n s i n gf o rp r o c e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r 0 1 ) 为主题工业过程 层析成像会议。1 9 9 9 年在英国的b u x t o n 召开了第一届工业过程层析成像囡际 会议。会议对近年过程层析成像技术的研究进行了全方面的回顾口”，在地质勘 探与环境方面的典型工作是荚国劳伦斯利菲摩尔实验室的“e r t 技术在荚国核 废料场特征鉴定计划的作用”、西班牙学者采用e r t 技术在地质勘探中的应 用：在气液两相流测量方面，英国的l e e d s 大学w i l l i a m 教授的“e r t 技术应 用于水力旋流分离器的工况监控”；在流化床及风力输送物料系统的监测方 面，美国的杜邦公司的d a v i d m s c e t l 和澳大利亚的c s i r o 公司的r b w h i t e 等 人采用英国过程层析成像公司p t l 2 0 0 型电容层析成像系统监测流化床的运行 工况，d n e u z f e r 和a a r k o 等人运用e c t 系统对粉状物料风力输送的控制：在 油水、油气流型识别及流动参数在线检测方面。挪威比尔根大学教授 e a h a m m e r 博士等人采用e c t 技术对三相流的计量方法有所改进。目前，过 程层析成像己从实验研究开始向应用方向发展。过程层析成像( p r o c e s s t o m o g r a p h y ) 技术在丽相流、多相流测试领域发挥越来越重要的作用。 随着国外对p t 技术理论研究的开展，我国于2 0 世纪s o 年代后期也开始 这方面的研究。天津大学和清华大学分别开展了超声和电容层析成像技术的研 究”- 2 9 ，浙江大学 3 0 - 3 2 i 、东北大学 3 3 - 3 5 1 、武汉大学1 3 ”8 1 、中斟科学院工程热物 理研究所p l 和哈尔滨理工大学等高等院校和科研单位也相继开展研究。国家 自然科学基金委员会及些有关工业部门对过程层析成像技术研究也给予有利 的支持和资助，以促进过程层析成像技术的研究和开发，我国从1 9 8 6 年至 2 0 0 2 年已连续召歼8 届多相流检测技术学术会议，1 9 9 5 年至2 0 0 4 年已在国内 召开4 届国际多相流检测技术会议，迄今，已有一些研究成果发表，在e c t 系统敏感场分析、建模和仿真方面做了大量研究工作 1 2 , 1 5 , 1 2 3 2 3 1 她l ；在e c t 系统微小电容测量电路和数据采集系统方面1 4 1 “, 9 6 , 9 7 ，微小电容检测问题是一 个多年来亟待解决的问题，特别是在工业现场应用又带来了更多的困难。就电 容层析成像系统中使用的微小电容检测电路来说，有差动充放电、交流电容两 种原理的测量电路；在传感器结构设计方面口4 4 5 4 ”，对传感器结构参数仿真设 计的研究比较深入，但传感器结构参数的实验研究做得还很少；e c t 系统的图 像重建算法1 1 0 , 5 2 6 3 , 9 8 , 9 1 , 9 8 , 9 9 1 ，国内外集中在理论和仿真研究上，主要有反投影 法、迭代法，分析解法、b p 神经网络法、电路网络理论法、a r t 算法，遗传 算法等，它们备有特点，但与实际应用还有一段距离，这些成果多数处于实验 室研究阶段，理论需要完善，把e c t 技术应用到工业现场的不多。目前，世 界各国从事工业过程层析成像技术研究的学者之白j 建立起联系。并建立了国际 互联网( w w w v i c p t o r g u k v c i p ) l z 6 ”。 第1 幸绪论 随着我国油田为了提高原油采收率方法的增多，给油井多相流测量带来了 新的挑战。我国陆地油田经过了自喷开采到注水开发阶段，目前国内几大油田 ( 尤其是大庆油田) 逐步开始转入聚合物驱采油，已经完成了三元复合驱采油 的矿场实验，下一步将进入三元或多元复合开采阶段。由于不同的开采阶段中 油井内产出的流体的组分、特征不同，这就要求在不同阶段使用不同的测垦方 法及仪器，特别是在国家提出对老工业基地进行改造的i j 提下，急需在原有的 技术基础上对设备进行改造和技术创新。因此，在新的油田环境下，石油多相 流中各组分的分相含率和分相流量的检测是油田动态监测的最基本参数，也是 一难题，对流量和含率测量的主要难点是流型在很宽的范围内变化，通过多相 流检测可以定量判断并内流体( 油、气、水等) 特征，流型足影响多相流动参 数检测的一个主要因素，也是多相流检测中急待解决的一个重要问题。但是由 于多相流动中各相间存在随机可变的相界面，致使流型多种多样( 如层状流、 环形流及核心流、层状流等) ，十分复杂，因而对多相流特征参数的准确测量 产主很大影响，特别是在过渡区产生很大的误差。另外，由于不同流型下测量 仪器的响应有所不同，如果仪器的测量结果能正确地反映被测参数，首先耍知 道仪器足在什么流型下测得的，所以对多相流动流型识别的显得更为重耍。在 现阶段，电容层析成像技术是解决这方面问题较为理想的理论方法，而多相流 的含率测量、流型的快速识别又是一难题，它是电容层析成像关键性技术之 一，本研究将为解决以上难题在理论上提供支持，完善多相流检测技术( 采用 电容层析成像技术) 的理论，并促进这种技术向实用化发展。 1 4 流动层析成像技术概述 层析成像技术也称计算机断面( 层析) 成像( c o m p u t e r i s e dt o m o g r a p h y ， 简记c t ) 技术或计算机辅助层析成像( c o m p u t e ra s s i s t e dt o m o g r a p h y ，简记 c a = r ) ，是指在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从 对象外部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算 机生成对象内部的二维或三维图像，重现对象内部特征。层析成像在图像处理 学上称为图像重建，是因为它不同于图像处理学中由图像到图像的其它处理方 法，而是一种由投影数据( 在医学工程中投影数据由计算机断层扫描装置提 供) 获得图像的特殊图像处理方法。 流动层析成像( f l o wt o m o g r a p h y ) 技术也常常被称为过程层析成像 ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) ，是2 0 世纪8 0 年代中后期开始正式形成和发展起来的 ：一一：一：一筌至彗呈型垒。一：= ：， 一种以两相流或多相流的过程参数为主要研究对象，研究其二维或三维分布状 况的在线实时检测技术。流动层析成像技术是将医学工程中已经成功实现的 c t 技术应用到两相流或多相流检测系统中，以得到流体管道截面上各相分韶 的信息。由于成像的对象不同，流动层析成像技术不能直接照搬照用医学c t 技术，在技术上必须解决多相流系统所具有的成像速度要求高、成像对象复杂 多变等问题。 尽管存在一定的困难，但与其他多相流参数检测技术和方法相比，流动层 析成像技术应用于多相流参数检测具有显著的特点和优势，体现在以下几方 面： ( 1 ) 能提供多相流混合体流动过程中局部区域瞬态微观信息，即管道某 一截面处的多相流断层图像。基于这些信息可对多相流系统的流型进行辨别： ( 2 ) 通过对图像的处理和分析，可得多相流混合体各分相局部浓度分 布，进一步处理可得备分相的总浓度( 分相含率) ： ( 3 ) 与其他测量技术或仪表相配合可应用于多相流总质量流量、分相质 量流量以及流速的实时检测； ( 4 ) 流动层析成像技术还具有适用范围广的优点，各种工业生产过程中 常见的多相流均能应用该技术。 流动层析成像技术的早期探索始于2 0 世纪7 0 年代后期，在医学c t 技术 所获巨大成功的激励下，研究人员开始尝试将c t 技术应用于多相流参数检测 领域，以获得更加直观和更加准确的测量结果。从2 0 世纪8 0 年代后期开始， 以英国的曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) m s b e c k 教授为首的研究小组开 始了基于电容、超声波等适合于工业应用传感机理的层析成像技术研究，并正 式提出了流动层析成像这一概念以区别= j = 医学的c t 。由于先期的研究成累极 大地鼓舞了科技工作者，不同学科领域的研究人员开始结合在一起积极探讨基 于不同传感机理的层析成像系统，并将这一多学科交叉的高新技术概括地称为 “流动层析成像”技术。进入2 0 世纪9 0 年代，随着流动层析成像技术的研究 和发展，令人鼓舞的研究成果不断涌现，该技术在工业应用中的巨大潜力逐步 为人们所认识这方面的研究也得到了有关政府机关的重视和资助，同时，流 动层析成像技术也得到了工业界的关注，一些工业企业也开始资助和积极参与 该技术方面的研究。 在我国，清华大学和天津大学于2 0 世纪8 0 年代后期率先进行了流动层析 成像技术的研究，之后浙江大学、东北大学、武汉大学、浙江工业大学、中国 科学院工程热物理研究所和哈尔滨理工大学等高等院校和科研单位也相继开展 6 研究，已经开发出几种基于不同传感机理的流动层析成像样机系统。国家自然 科学基金委员会及有关工业部门也给予有利的支持和资助，以促进流动层析成 像技术的研究和发展。 近年来，经国内外众多研究人员的积极探索，流动层析成像技术发展迅 速。依据信息获取手段和传感机理的不同，流动层析成像经分类有x 射线层析 成像、y 射线层析成像、正电子发射层析成像、核磁共振成像、中子射线层析 成像、光学层析成像、微波层析成像、超声波层析成像、电容层析成像、电阻 ( 导) 层析成像、电磁感应层析成像和电荷感应层析成像等十余种。这些类流 动层析成像技术各有特色，其中x 射线、y 射线流动层析成像技术是最早发展 的两种流动层析成像技术，它们在测量原理和检测手段上与医学中的x 射线、 y 射线c t 一样，因此它们在理论和技术方面是最成熟和完备的流动层析成像 技术。它们的检测原理是依据放射线穿透被测介质时产生的衰减( 被介质吸 收) 作用，不同介质吸收放射线的能力不同，因此通过检测出放射线穿过多相 流体前、后的辐射强度及其变化量，就可获知有关被测多相流体相分布的有关 信息”1 。这两种方法的优点是【8 - 9 1 ： ( 1 ) 适用范围广，能适用于不同流型的多相流系统，无论气液、气固、 气液固等等它们几乎都能适用： ( 2 ) 重建的图像精度高，这两种技术可获得足够的投影数据并采用了医 学c t 中精度高的图像重建算法。 这两种技术的重大缺点是： ( 1 ) 成本太高价格昂贵、经济性差： ( 2 ) 数据采集速度慢，图像重建方法复杂，实时性差； ( 3 ) 由于采用了放射线，对人体有害，安全性差； ( 4 ) 系统复杂精密，对操作人员的素质要求高，系统的使用、维护、管 理难度很大。 中子射线流动层析成像技术利用中子射线被氢原子弹性散射后的能量与散 射角度存在单值关系的特点来检测多相流中水的位置信息，与x 射线、y 射线 流动层析成像技术相比，数据采集速度快，图像重建算法简单，因此系统实时 性好。缺点是系统需要强度合适的中子源，而这很难得到，系统耗资大，成本 高；同时，该技术对被测介质特性有要求，一般适用于含水的多相混合多相流 的测量，适用范围有限；另外，由于激励采用的是放射源，安全性差，系统的 使用、维护、管理要求也很苛刻f 9 】。 超声波流动层析成像是目前广泛研究的一种流动层析成像技术，它是当前 ：。 一丝鎏坚垡兰兰璧些垒一：一：= ： 流动层析成像技术发展的主流之一。 超卢波流动层析成像是根据多相流内都气泡( 也可是油滴) 对超声波的反 射特性来检测气泡的位置和大小从原理上讲能适用于大多数工业生产中多相流 的参数 龟铡。系统的成本也能为大多数用户接受，而且采用的是非辐射测量方 法，对人体无害。目前超声波流动层析成像技术存在的尚需改进的不足有如下 几方面1 ”- 2 0 1 ： ( 1 ) 实时性 与电磁波、光波相比，由于超声波传输速度慢，导致数据采集耗时长，系 统能测量的多相流的运动速度有限；另外，超声波发射装置两次发射之间的时 f 日j 问隔较长，这也使数据采集的时问延长。 ( 2 ) 使用范围有限 如果多相流各相组分的声阻抗相差较大，投影数据只能反映成像区域内的 气泡轮廓而不能反映气泡内介质的物理特性，相应地由投影数据重建的图像仅 是气泡的边界轮廓图。对于气液液如油气一水三相流油滴和气泡都能形成相 界面产生反射，所以无法区分相界面内是油还是气。 ( 3 ) 图像重建算法 目前超声波流动层析成像技术使用的图像重建算法主要是反投影重建算 法，重建图像的分辨率和质量不够理想，图像重建算法有待进一步提高和改 进。 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n tt o m o g r a p h y ，简记e r t ) 技术j 是基于 多相流各介质问电导宰的不同，通过测量电阻率分布获得多相流介质分伟从而 实现多相流参数检测。它是电阻抗层析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c e t o m o g r a p h y ，简记为e i t ) 的一种简化形式，只利用了电阻抗的实部信息。同 时需指出的是通常意义下的电阻抗层析成像指的就是电阻层析成像，因为目前 无论是在流动层析成像中还是在医学工程中电阻抗层析成像大多仅仅是利用了 电阻抗的实部信息，利用虚部信息的很少，即本质上是电阻层析成像。电阻层 析成像理论上可归结为数学物理方程逆问题的求解。 电磁层析成像( e l e c t r o m a g n e t i ct o r n o g r a p h y ，简记e m t ) 技术是自2 0 世 纪9 0 年代仞发展起来的一种基于电磁感应原理的新型层析成像技术，适用于 介质分布可由其电导率或磁导率来确定的应用场所。电磁层析成像测量原理是 基于电磁学中的m a x w e l l 方程组。其本质是：激励被测物场，在场外为测量不 同激励状，奁下各电磁感应场分量，并结合边界条件获得被铡物场中介质的电导 率和磁导率的分布i l j 。 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e c t ) 技术的测 量原理是基于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组分浓度及其 分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使其测量电 容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状况。 因此，电容值的大小可以作为多相流浓度的变量。采用多电极阵列式电容传感 器，其各电极之b j 的相互组合可提供反映多相流体浓度分布的多个电容测黾 值，以此为投影数据采用一图像重