（测试计量技术及仪器专业论文）应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究.pdf

摘要 过程层析成像技术是多相流参数检测领域中的- - i 新技术，在工业中有着广 阔的应用前景。本文通过对各种过程层析成像技术的比较，选择了电容层析成像 技术作为研究对象。文中介绍了电容层析成像技术的基本原理以及系统的组成， 通过对8 电极的电容传感器设计加工，基于差动冲放电原理的微小电容检测电路 的设计，完成了数据采集系统的组建工作，通过实验证明数据采集系统是可行的。 对于图像重建算法，本文采用了人工神经网络的方法，通过测试，本算法对于介 质在传感器中的位置判别是可行的。 关键词：过程层析成像电容层析戍像电容传感器微小电容检测图像重建 a b s t r a c t p r o c e s s t o m o g r a p h y i san e wg e n e r a t i o no fp r o c e s s p a r a m e t e r sm e a s u r i n g t e c h n o l o g y , i t h a st h e g o o dp r o s p e c t o fp r o c e s s t o m o g r a p h ya p p l i e d t o p r o c e s s m o n i t e r i n ga n dc o n t r 0 1 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 yw a ss e l e c t e dt h r o u g h c o m p a r i n g a l lk i n d so fp r o c e s s t o m o g r a p h y s t h i sp a p e r d i s c r i b e st h e g e n e r a l p r i n c i p l e so f 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 ys y s t e m , a n a l y s e si t ss e n s o r sd e s i g n , a n d t h e8 - e l e c t r o d ec a p a c i t a n c es e n s o rw a sm a d e a m o n gm a n y c a p a c i t a n c em e s u r e m e n t c i r c u i t s ，t h ec k c m tb a s e do nc h a r g i n g d i s c h a r g i n gp r i n c i p l ew a su s e di nt h ep a p e r a n d t h e n ，ae 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 yd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d t h e d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sf e a s i b l eb ym u c h e x p e r i m e n t an e u r a ln e t w o r km e t h o r d f o re 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 yw a s p r o p o s e d t w om u l t i - l a y e rn e u r a ln e t w o r k m o d e lf o ri m a g er e c o n s t r u c t i o nw a ss t u d i e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h i s m e t h o r di se f f e c t i v ef o ri m a g er e c o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：p r o c e s st o m o g r a p h y ，e l e a r i c a lc a p a c i t a n c et o m o g r a p h y , s e n s o r s ，s m a l l c a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t , i m a g er e c o n s t r u c t i o n 2 6 2 4 7 5 9 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作了明确的说明。 研究生签名： i 基i 口口年? 月? 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：i 基i 叠口( ：f 年7 月7 日 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 1 引言 1 1 多相流参数测量的应用背景 多相流动体系在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。在化工、石油、冶金、 动力及原子能等工业中，多相流动过程更是普遍存在。多相流检测的重要性随着经济 建设的发展而得到普遍的重视。但是由于多相流系统流动特性复杂多变，其参数检 测难度极大，因此多相流参数检测在国内外都尚属一个急待发展的研究探索领域。 【1 【3 基于多相流体系情况的复杂性，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，首先要解决的是多相流的参数检测技术问题。多相流动体系中 又以两相流动最为普遍。两相流的主要参数有，流型、分相含率、速度、流量、密度、 压力降等。其中，气液、气固等两相流流量的检测一直是一个难以解决的问题。例 如，在火力发电厂中，从锅炉汽包供给汽轮机组的蒸气中往往夹带有小小的雾状水珠。 这种气液两相的精确计量一直是电力部门急需解决的难题。而在高压锅炉中，热交换 效率则与管道内气液两相流体的流动状态密切有关。至于核反应堆中水冷却系统中气 液两相流的在线检测和监视，更是关系到核反应堆安全运行的一个重要问题。一般 而言，气液两相流测量系统的运行环境都比较恶劣，如高温、高压、腐蚀性强、安 装条件困难等，这对测量系统的可靠性和适应性提出了较高豹要求。再如，气固两 相流系统的应用日益广泛。在管道内利用气体输送颗粒状的固体物料，可大大提高运 输效率，避免对环境造成污染，增加生产的安全可靠性，而且投资少，运输及系统维 持的费用都较低。如在建筑材料工业中水泥的风力输送，粮食加工工业中面粉的风力 输送，化学工业中物料的风力输送等。这就迫切需要设计和研制气固两相流的测量 和调节系统，以保证该输送系统能高效且安全可靠。近几十年来，虽有不少研究工作 者提出了一些测量方案，并用传统的检测手段，构成了两相流测量系统。但一般说来， 这些系统还远未完善，尤其它们的检测部件直接与被测流体接触，对流体流动产生了 附加阻力，增大了能量损失，也限制了它们在气液、气固和液固等两相流系统中的应 用。 由于两相流动中，流型多种多样，形成相浓度分布；各相间存在相对速度，形成 速度分布，因此严格地说，要测知两相流的流量，必须测知两相的分相速度和分相含 率。但实际应用中，工业管流通常用均相流模型来处理，而其平均密度又可由分相含 率计算求得，因此许多测单相流量的方法经修正后可应用到两相流量测量中。 硕士论文 应用于多相漉参数检测的电容层析成像系统研究 速度法测量流量可以根据下列公式求得流量q ”。： q = v a ( 1 1 ) 其中，v 为流体混合物截面平均流速；a 为管道截面积。 为了确定两相流中各相流体的体积流量，在测出各相流体速度或混合物的速度的 同时，还必须知道混合物中离散相的体积浓度信息。流体混合物中各相流体的体积流 量可表示为： q i = v a n i ( 1 2 ) 其中，q i 为流体混合物中第i 相流体的流量； v 为流体混合物截面平均流速； n ；为流体混合物中第i 相介质的平均体积占空系数； a 为流体管道的横截面积。 由于流体管道的横截面积a 一般是容易得到的，所以要获得流体混合物中第i 相流体的流量关键在于两个参数：流体混合物截面平均流速v 和流体混合物中第i 相介质的平均体积占空系数n t 。 由以上两公式可看出，要求得两相流的各相流量，必须求出平均流速v ，以及以 及某一相介质的平均体积占空系数n t ，对于两相流来说也就是相含率，这样才能得到 各相的体积流量。由于流体流速测量已有比较成熟的技术，所以本课题的工作主要是 围绕两相流的分相含率的测量来展开的。 目前，分相含率的测量方法很多，主要的分相含率测量方法有咀下几种。 ( 1 ) 分相含率的直接测量技术。直接测量分相含率的一个最常用的方法是在气液 两相流试验段的两端安装两个同时动作的快阀门，当两相混合物的流动达到稳定时， 同时关闭这两个阀门，通过气液分离便可求出两阀门间的体积平均分相含率。这种方 法目前主要用于实验室的两相流研究以及对分相含率测量装置的标定。 ( 2 ) 射线吸收法。从某个射线源发出的射线( 如y 射线，x 射线和b 射线等) 经 过流体时部分射线被流体所吸收，吸收的程度与气液两相混合物的分相含率有关。这 就是射线吸收发的主要测量原理。 ( 3 ) 射线散射法。如y 射线散射法和种子散射法。其主要测量原理是根据射线通 过气液混合物时产生衰减来测量分相含率的。虽然这种方法能够测量局部的分相含率 的，但是由于散射的射线经过流体介质时还会产生吸收和散射，从而使测量值受管道 内部分相含率分布的影响，这就给分相含率的精确测量带来了困难。 ( 4 ) 电学法。电学法主要有阻抗法和电阻探针法。响应滞后和气泡变形是影响 电阻探针法测量分相含率准确的主要原因。 此外，测量分相含率的方法还有光学法，热学法等。 从上面的测量方法来看，两相流相浓度测量的主要困难有： 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 ( 1 ) 个别点测量无法体现两相流流场在管道中的分布情况； ( 2 ) 流态的多样性造成测量信号与浓度分布之间的复杂关系： ( 3 ) 传感器对流场的干扰： ( 4 ) 浓度比较高时气回两相流不透明，限制了光学方法的应用； ( 5 ) 传感探头堵塞与磨损。 由此看来，人们在对分相含率测量方面已做了相当多的工作，所用的方法也很多。 但是，除了快关阀以外，几乎还没有一个方法能普遍适用的，而快关阀技术却不能用 于实际生产过程的分相含率检测，因为它需要切断正常的流动进行采样。要真正解决 两相流中分相含率的测量问题，还得借助于新的理论和新的测量方法。 近十几年来，随着传感器、计算机、图像处理等技术的发展，在两相流参数测量 方面出现了一种新型的检测方法流动层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 法，或称过 程层析成像技术。流动成像技术引入多相流参数检测领域有着广泛用途，主要有以下 几方面：( 1 ) 提供被测多相流体管道某一横截面处直观的实时图像，可用于流型的辨 识；( 2 ) 通过对图像的处理和分析，可得到多相流体各相组分的局部浓度分布，进一 步处理可得到各分相的总浓度；( 3 ) 将流动成像技术与相关流速测量技术相结合，可 实现多相流体总质量流量、分相质量流量以及流体在管截面上流速分布的在线实时测 量。 3 1 2 本论文的主要工作 过程层析成像系统主要分为三部分：传感器、传感器控制及数据采集系统、图象 重建及处理计算机。本课题研究的主要任务是建立用于两相流中分相含率测量的层析 成像硬件系统，包括传感器、检测电路、数据采集组成系统的研制、调试和实验的工 作；此外，进行图象重建算法的初步研究和实验。 硕士论文 应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 2 过程层析成像技术综述 过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 技术的产生和发展与科学研究和工 程实践中对两相流多相流过程内部信息的迫切需求密切相关，是2 0 世纪8 0 年代初 期，随着计算机技术和检测技术的进步正式形成和发展起来的一种新型的过程参数检 测技术，是以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数二维或三维分布状况的在线 实时检测技术，是医学诊断中的计算机层析成像( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简称 c t ) 技术在工业过程中的应用。过程层析成像技术还涉及物理、数学、电子学、计算 机、机械以及动力工程、化学工程等学科领域的知识，是一种多学科交叉的高新技术。 它的出现标志着过程参数在线检测技术发展到一个新的阶段，即从传统的、目前仍广 泛采用的基于局部空间上平均的单点测量方式过渡到对过程参数二维三维空间分 布状况及其变化历程的在线实时测量。”。 过程层析成象技术可定义为使用层析成象技术处理从远端传感器获得的数据，以 得到不可到达区域内的定量信息。自从1 9 7 2 年英国人g t h o u n s f i e l d 研制成功第一 台c t 机不久，就有人尝试将c t 技术移植到工业现场的多相流参数检测中来，但是由 于他们使用的是x 射线或同位素放射源，成本及安全等问题当时无法解决，同时他们 也未能充分考虑工业对现场设备的要求，致使这些早期的探索尚未成功。 国内在p t 技术应用研究方面几乎随着国外开展这方面研究后不久就开始了。最 早清华大学和天津大学分别开展了电容和超声p t 技术的研究。不久国内其他一些高 校也分别开展可这方面的研究。迄今，已有一些研究成果发表。从1 9 8 6 年到2 0 0 0 年已连续召开6 届多相流检测技术学术会议，并于1 9 9 5 年4 月和1 9 9 8 年8 月在南京 东南大学和清华大学召开2 届国际多相流学术会议。从会议论文集可知，国内研究的 p t 技术已涉及电容、电导、电磁等多方面，在硬件系统设计和图象重建算法方面都 取得了一定进展。“3 p t 技术经过二十多年的发展，已经有多种不同原理的p t 系统问世。p t 技术依传 感器机理的不同可主要分为核p t ( x 射线、y 射线、中子射线等) 、核磁共振、光学、 电学( 电容、电阻、电磁、电荷感应等) 、微波、超声等。目前大多数的”系统结构 可用图2 1 所示。 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 每 电容 电阻 微波 过程超声 x 射线 f y 射线 光学 核磁共振 图2 1p t 技术结构框图 在过程层析成像系统中，传感器一般由多个包围被检测区域的敏感阵列组成。这 些阵列可在传感器控制及数据采集系统的控制下依次在一定空间内建立其敏感场，并 可依次从不同位置上来对敏感场进行扫描检测。检测到的信息反映了其敏感空间内不 同区域内被检测的物场的物理化学等特性。传感器控制及数据采集系统可完成对传感 器的控制及敏感阵列输出信号的转换任务，并以一定的格式发往计算机。计算机依据 得到的反映物场特性参数分布的投影值，依据敏感阵列与被测物场相互作用的原理， 使用定性或定量的图像重建算法重建出反映参数分布的图象。在重建出的图像的基础 上，采用一定的信息处理方法( 如模糊、神经网络等) ，从中进一步提取出所需要的 参数( 流型、相含率等) 。 2 1 电学层析成像技术简介 2 1 1 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 ) 电容层析成像是较早被研究的一种p t 技术，早在1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工 学院研制成8 极板电容层析成像系统模型，采用简便反投影算法，用水和沙子分别模 拟两相流静态模型，取得初步实验结果。下面以两相流参数检测为例介绍电容层析成 像技术的原理。 应用于两相流参数的检测的e c t 技术的基本原理是：位于管道或过程容器内的两 相流，其各相介质具有不同的介电常数，两相流在流动时，各相含量和分布不断变化， 硕士论文 应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 引起两相流体复合介电常数的变化，电容传感器阵列由均匀的分布在管道或过程容器 周围的多对电容极板组成，任意两个不同极板组成一个两端子电容，对应着不同的测 量敏感区，其容董由数据采集系统测量，在所有不同电极对上获得的测量数据反映出 整个管道截面上介电常数的分布情况，这些数据被馈入计算机并通过某种图像重建算 法，就可以获得被测对象在该管道截面上的分布图像。计算机还对数据采集过程进行 控制。 2 1 2 电阻层析成像技术 电阻层析成象技术是一种非侵入、接触式测量技术，它利用场域边界测量电压的 变化重建出场域内的电导率分布状况，实现可视化测量。可广泛应用于多相流体输送、 反应、分离等操作过程的监测。从而有助于石油、化工、冶金等工业生产过程的优化 控制，改进产品质量。 图2 2 电阻层析成像系统结构 电阻层析成象技术( 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 ) 实质上是 根据敏感场的电导率分布获得物场的媒质分布信息，在敏感场边界施加激励电流，当 场内电导率分布变化时导致场内电势分布变化，从而场域边界上的测量电压发生变 化，通过一定的图象重建算法，可以重建出场内的电导率分布。电阻层析成象系统由 3 部分组成：传感器敏感子系统、数据采集子系统、主控计算机。电阻层析成像系统 结构如图2 2 所示。阳 电阻层析成象系统的图象重建算法分为定性、定量两大类。定性的重建算法比较 容易实现。但图象精度较差。其最大的优点是对测量数据的精度要求不象定量算法那 样高，而且成象速度快。最为常用的有线性反投影算法和灵敏度系数法。定量的图象 重建算法具有较高的精度，较典型的是改进的牛顿一拉芜逊算法( 心r ) 。但该方法运 6 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 算量大，无论对正问题还是对场域形式、电极定位都要求精确，否则m n r 不稳定，易 导致解不收敛。 2 1 3 电磁层析成像 电磁层析成像由英国曼彻斯特大学理工学院于2 0 世纪9 0 年代初期率先提出，目 前还处于起步阶段。在国内，天津大学于1 9 9 3 年开始此项研究。并已研究成功一种 原型系统。嘲 在测量时，由控制及数据处理电路产生的交变激励电路通入激励线圈，在物场空 间产生某一方向的交变磁场，物场空间中导电性或导磁性物质的存在将会改变磁场的 分布，检测线圈以感应方式得到磁场的分布信息，即一个投影。通过电路控制，可以 改变激励场的方向，从而可以得到多个投影信息。这些信息通过数据处理电路的处理、 图像重建显示物场中物体的分布。电磁层析成像能同时获得电导率和磁导率分布的信 息( 双模式成像) 。对物体导致的信号变化进行定量分析表明，工作频率在1 鼢z 以下， 电磁层析成像检测磁性物质和高电导率物质不存在问题。 2 2 声学层析成像技术简介 2 2 1 超声波层析成像技术 超声波流动成像研究始于2 0 世纪8 0 年代，目前已能实现地面管道流动实时成像， 是流动成像研究的主要方向之一。 超声成象所依赖的是透射或反射的超声波的测量。接收到的透射或反射来的超声 波的幅度和相位与物体的形状、方向、相对距离有关。由于声阻不同，在界面上，入 射的超声波假设可以完全被反射，而在不连续介质的超声波被吸收。反射的原理结构 复杂，对传感器性能要求高。通常采用透射接收方式，用一个超声发射器，在对面的 管壁上扇形排列数个超声接收器，根据传给过程的幅值衰减及图象重建，可获得被测 流体的分布a 应用超声波作为扫描源组成的流动层析成像系统有反射式、绕射式及透 射式3 类，其中研究最广泛的是w i e g a n d 等较早提出的气液两相流反射式超声波流动 层析成像系统。”“ 硕士论文应用于多相流参数检测韵电容层析成像系统研究 2 3 光学层析成像技术简介 2 3 1 光学相干层析成像技术( o c t ) 光学相干层析成像系统是基于低相干光的干涉特性，在干涉仪中，一束光分为两 部分，经过不同的路径后再结合。只有当这两柬光相干( 即相位差保持恒定) 时才能形 成干涉条纹。常见的光学相干层析成像仪有2 种。一种为采用后向反射光相干的光纤 迈克尔干涉仪系统。另一种是采用透射光相干的马赫一泽德干涉仪。 现在光相干层析成像技术作为一种非侵袭性的诊断工具，在临床医学中开始发挥 其巨大的作用。因为o c t 图像的轴向分辨率可以达到1 0 u i l l 。比现在任何一种临床诊 断设备的分辨率高达1 0 倍以上。且这种光纤式结构不仅便宜而且很容易进入导管、 内窥镜进行合作。在人体内部的组织器官枪查中得到很高的分辨率，特别在眼科学、 心脏学、皮肤病等学科诊断中具有明显的优势。” 2 3 2 激光传感层析成像技术 激光层析成像技术是利用光在介质内传播过程中的衰减性质来获得某一方向( 或 角度) 的介质分布的投影数据，并通过获得多个方向的投影数据来重构介质( 离散相) 的二维断层分布图像。光予在传播过程中的衰减是由于物质对光的吸收以及散射而引 起的。吸收前后的光强度之间的关系可以表示为： i = i 。e 训( 2 1 ) 式中，i 。为入射光强度；i 为穿过介质后的强度；l 为光穿过的介质的厚度；u 为介质衰减系数( 不同介质p 值不同) 。 光学p t 技术的关键就在于确定多相流的离散相在输送管的某一截面中不同部分 单元体对光束的衰减系数，并通过衰减系数来表征离散相介质( 微粒) 的空间分布图 像，进而还可以对离散相的流型进行辨识，或者通过临近两截面相分布对应各像素的 互相关分析来计算流体的流速和流量等被测量。”羽 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 2 4 核层析成像技术简介 2 4 1x 射线与y 射线层析成像 x 层析成像技术解决了医学对肌体逐层成象的问题。它能将衰减系数在干分之五 的差异区分出来，所以具有高密度分辨率，可以清楚地辨别肿瘤、血块、坏死组织等。 由于近代计算机技术和光学信息处理技术的发展，使得层析成象技术获得更广泛的 应用。1 9 7 4 年，l e d l e y 研制成全人体x c t 装置，装在美国乔治大学医疗中心，自 此x c t 成了家喻户晓的医疗设备。 在多相流参数检测中，从某一放射源发出的射线( x 射线或y 射线) 通过多相流 体时，射线为多相流体所吸收，辐射强度将减弱，其衰减或被吸收的程度与沿此射线 的多相流体各相组分的分相含率和相分布有关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，就可获知有关被测多相流体相分布的有关信息。因此，利用 x 射线或y 射线对管道内多相流体进行不同角度和方向的扫描获得关于管截面的多 个测量数据( 即投影数据，由射线探测器测出) ，采用一图像重建算法，可重建出该管 截面的图像。“。 2 4 2 中子射线层析成像 中子流动层折成像主要是利用中子束穿透辐射的散射来测量多相流分布的。具有 代表性的方法是h i h e i n 等提出的应用单中子束的( 流动) 层析成像法( s i n 9 1 e e x p o s u r en e u t r o nt o m o g r a p h y ，简记s e n t ) 。 气液两相流测试管段置于1 4 m e v 中子束中辐照，测试管段周围放置若干组中子探 测器以测量散射中予的能谱。因为中子被两相流中氢一次弹性散射后的能量与散射角 之间存在单值关系，这样所探测的中子能量就给出了测试管段中水的位置信息。而探 测器的响应幅度就给出水量的信息。经过若干次测量可豺确定所辐照测试管截面每一 假想网格内的空泡份额，再通过计算机处理，可以重建两相流中相分布的图像。 中子射线流动层析成像系统最大的缺点是需要一个强度合适的中子源，而这一般 不易得到，整个系统耗资大，成本高。同时它对被测介质特性有要求，一般适用于含 水( 包括重水或重氢d 2 ) 的多相混合韧流动参数的测量。对于其它某些介质组成的多 相流动很难进行测量，因此，适用范围有限。另外，由于采用的也是放射源，安全性 能差，系统的使用、维护、管理要求也很苛刻。1 9 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 2 4 3 核磁共振( n 脓) 近1 0 年来，n m r 已用于工业过程中，其特点为可区分化学物质之间的差别并同时 得出结构信息、浓度分布信息和流动过程信息。 其原理是基于共振现象的能谱学，强静态磁场b 0 加到所研究的样品，当其核自旋 状态非零时，将会改变其核自旋状态。但这种变化的检出，需= ； l - j j i j 合适的正弦射频频 率( r f ) ，其辐射频率w c 与磁场强度b 。及旋磁比y 相关，每一原子的原子核都有自己 的旋磁比。故受射频激励时，辐射的共振频率w 。不同，从而i , i m r 法可探测元素的特 性。原子核实际位置的检测，需在均匀的极化磁场b 。的基础上再施加一小的磁场梯 度g z ( 表示在方向z 上加的磁场梯度) ，即在z 方向上自旋角频率1 | z 与位置函数关系 为：w z = y ( b o + g z z ) 。测量同一物质的位置时，可根据两者的自旋角频率w ，和w 。而求 出z ，和z 。，其数量多少可由检测到的共振幅值大小求出。“” l y n c h 等人利用核磁共振原理，通过测量两相混合物中液相部分的核磁共振吸收 来测量液相浓度“。实验表明，在静态下，核磁共振信号强度与液相浓度成线性关 系，并且其灵敏度与管道中的质量分布无关“。在流动情况下，仍然可以在各种流 态下精确地测量相浓度用核磁共振法测量相浓度时，要求测罴段的管道是非金属的， 这样可使高频磁场信号穿过管道进入流体。 2 5 各种过程层析成像的比较 过程层析成像技术的出现标志着过程参数在线检测技术发展到了一个新的阶段， 即从传统的对过程参数在局部空间上的平均单点测量方式，发展成为过程参数在二维 三维空间分布状况的在线实时测量，这大大地扩展和加深了人们对生产过程信息的 获取和分析能力。随着新型敏感技术、大规模集成电路、并行处理元件和微电子技术 的高度发展，为该技术的发展创造了可靠的硬件环境；现代信息处理技术和计算机软 件技术的发展，又为该技术的发展提供了良好的软件环境。 目前流动层析成像技术还处于实验室发展研究阶段。系统的实时性、测量精度和 图像质量等还远末满足工业应用要求，离实用化还有相当距离，故流动层析成像技术 还有待进一步研究和发展。 x 射线、y 射线和中子射线流动层析成像等基于核辐射的流动层折成像系统，其 检测系统存在固有的不安全性和经济性问题。光学相干层析成像技术在医学领域有着 巨大的潜力，如果两相流中包含的介质是不透明的，则光学相干层析成像就不适用了。 核磁共振法测相浓度与流体的导电率、温度等物性参数变化无关，属于非接触测量方 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 式，适于测量腐蚀性和易聚合物质；但是核磁共振法结构复杂，成本高，经济性差。 从目前的研究结果来看，电阻层析成像技术、电容层析成像技术以及超声波层析 成像技术在两相流参数检测中具有很大潜力而受到越来越多的重视。电阻层析成像技 术、电容层析成像技术以及超声波层析成像技术具有非侵入、无放射性、响应速度快 等优点。电阻层析成像技术的图像重建一般都采用定性的反投影算法，成像精度不高。 超声波流动层析成像是一种很有前途的流动层析成像方法，从原理上讲能适用于大多 数工业多相流生产过程的参数检测。但是超声波层析成像的实时性不强。影响超声波 流动层祈成像系统实时性的主要因素是超声波固有特性的限制。与电磁波、光波相比 较超声波在介质中的传播速度是较慢的，例如，在2 0 的水中，声波的传播速度只 有1 5 0 0 m s 。这导致为产生一帧图像所需的数据采集时间较长，系统难以对高速多 相流体进行测量。“。电容流动层折成像系统具有成本低廉、速度快、非侵入性、适 用范围广( 它从理论上仅要求多相流动各相介质有一定的介电常数差异，故而适用于 绝大多数工业多相流生产过程的参数检测) 、安全性能好等优点。因此，具有广阔的 工业应用前景。 通过上面的比较分析，选择了电容层析成像技术作为本论文的主要研究对象。 硕士论文应用于争相流参数检测的电容层析成像系统研究 3 电容层析成像系统概述 3 1 电容层析成象技术的发展历史及趋势 电容层析成像技术是一种多学科交叉的高新技术。它的出现扩展了我们对某些 工业过程中多相流动系统所能够获取的信息。但它的发展还未完全成熟，在理论与实 践中尚有许多题有待探讨。经过十多年来理论研究和工业应用，过程层析成像技术应 用于两相流参数检测己取得了初步的研究成果，而电容层析成像的检测方法是过程层 析成像检测方法中最有前途的一种层析成像方法，它具有成本低、响应速度快、非侵 入、安全性能好 非辐射 ，应用广泛等优点，被认为是过程层析成像技术研究和发展 的主流。n 5 1 电容层析成象是较早被研究的一种过程层析成像技术。1 9 9 0 年该系统发展成为 1 2 电极，并采用高速并行处理器件( i n m o s 公司生产的t r a n s p u t e r 晶片计算机) 的电 容层析成像系统，在油气混合流体实验装置上稳定运行，图像重建速率为4 0 幅s ， 并可以1 0 0 次s 的速率更新所存储的图像像素灰度数据实验中液相采用煤油，气 相采用压缩氨气，图像重建采用定性反投影法美国能源部也于1 9 9 0 年研制成一种 在线监测流化床内物料密度三维分布的电容层析成像系统，该传感器阵列有四层，每 层由1 6 个极板组成，系统能以6 0 一1 0 0 幅s 速度重建图像，从重建图像中，可以观 察气泡的复合现象，并可以提取上升速度、气泡尺寸等参数1 9 9 5 年英国过程层析 成象有限公司( p r o c e s st o m o g r a p h yl t d ) 推出了商品化的哪系统p l t 一2 0 0 ，该 系统采样速率为i 0 0 幅s ，图像重建与显示速率为4 0 幅s ，传感器与二次仪表的 最大距离可达2 5 0 m 。从美国杜邦公司研究发展部和澳大利亚c s i o 矿业公司的研究人 员们使用p t l 一2 0 0 的情况来看，该技术对于流床化运行工况的优化是一个有价值的 工具。许多国家研究人员的实验表明：用e c t 来监控颗粒物料的风力输送具有较为明 显的优势。 国内对电容层析成像技术也进行了初步的研究，并取得了一定的成果，浙大黄志 尧博士提出一种正则化广义逆流型辨识重建算法，并根据流型变化的随机特性和模糊 特性提出了一种流型模糊判别方法，取得了较好的实验结果。清华大学张宝芬教授等 采用有限元分析法，对传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行了仿真计算，对图 像重建过程中的图像失真和电容传感器“软场”特性进行了相关分析，为传感器制作 及相应的图像重建算法提供了理论依据。 从国内外的研究报道中可以看出，e c t 已在实验室研究中取得了有意义的研究成 1 2 硕士论文 应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 果。目前e c t 的研究重点是从实验室向工业现场应用的转变。由于从事过程层析成像 技术研究的人员有限以及经费的不足，相对于国外，国内对于这项技术的研究比较落 后。从国内的文章报道中来看，大多都是集中在实验室的仿真计算方匝，对于电容层 析成像系统的某个方面有一定的研究，但是并没有组成完整的电容层析成像系统。 3 2 电容层析成像系统的组成 典型的e c t 系统由三部分组成：传感器系统、数据采集系统、成像用计算机。电 容传感器将被测管道中介质的相分布转化电极问的电容；数据采集系统首先通过电容 电压转换电路( 也称c v 转换电路) 将电容转换为直流电压信号，此信号经a d 转换 变为数字量，并发往计算机，经计算机处理后转为一定的投影数据，并由图像重建单 元重建出图像并显示出来。图3 1 为电容层析成像系统的组成框图。 图3 1 电容层析成像系统组成框图 3 3 电容层析成像系统的技术特点 电容层析成像技术作为过程层析成像中的一种，当然也具有过程层析成像技术应 有的特点。 ( 1 ) 它将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点、截面分布式 的测量； ( 2 ) 它在不破坏、干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部两相多相 流体的二维三维分布信息，为在工业条件下对基于热动力学、反应动 力学和流体动力学原理建立的过程、设备模型的证实提供一种方便的手 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 段； ( 3 ) 还可以为优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现两相多相 流体输送，反应复杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信和辅助 的研究手段。 电容层析成像技术作为电学方法的层析成像技术具有其它过程层析成像技术所 不具有的特点。与其它几种过程层析成像技术相比较，电容层析成像技术结构简单， 成本低，安全性能好，适用范围广泛( 它从理论上仅要求多相流动各相介质有一定的 介电常数差异，故而适用于绝大多数工业多相流生产过程的参数检测) 。 3 4 电容层析成像系统的技术难点 目前电容层析成像技术还处于实验室发展研究阶段，还有许多技术难题需要进一 步的解决。由上面电容层析成像系统的组成可以看出，电容层析成像技术需要研究的 内容包括三方面，一就是电容传感器的结构设计，二就是微小电容测量电路以及数据 采集电路的设计，三就是图像重建算法的研究。这三方面的内容相对独立但又相互紧 密相连。自然这三方面的内容也就是电容层析成像技术的关键技术。 对于电容传感器而言，极板数目的确定，材质的选择，结构尺寸的设计等都是传 感器方面应该解决的问题。因为电容传感器的结构决定了它的软场特性，即电容测量 的灵敏度分布易受被测多相流电介质分布( 即相分布) 的影响。 对于数据采集方面，涉及到最关键的就是微小电容检测电路的设计，因为介质在 传感器中的变化引起的电容的交化是非常微小的，数量级达到f f 级，即毫微微法， 但是一般的杂散电容是被测电容的几百倍，这样对传感器灵敏度、抗干扰性要求就特 别的高。 由于在实际应用中，一般传感器的结构尺寸还会受到管道几何尺寸的限制，所以 在管道壁上不可能安装很多的测量电极，因而，能获得的用来图像重建的电容值的个 数是非常有限的，要想完全反演出管道中的介质分布图像，这就对图像重建算法提出 了很高的要求。 综上所述，电容层析成像系统设计中主要考虑以下几个关键技术： ( 1 ) 电容传感器的极板数目、结构尺寸、材质优化设计； ( 2 ) 高灵敏度、高可靠性微小电容测量方法和电路的研究 “ ( 3 ) 快速、准确、流型适应性强的图像重建算法研究。“ 1 4 硕士论文应用干多相流参数检测的电容层析成像系统研究 4 电容传感器的分析与设计 4 1 传感器的结构介绍 e c t 检测系统电容传感器主要由传感电极、径向电极、屏蔽罩和绝缘管道组 成。其横截面结构如图4 1 所示( 8 极板为例) 。r 1 为绝缘管道内壁半径，r 2 为绝缘 管道外壁半径。r 3 为屏蔽罩半径，e 为极板夹角。 传感电极是由均匀安装在绝缘管道外壁的多对金属极板构成。目前常用的e c t 系 统电容极板数目是6 ，8 ，1 2 ，1 6 。3 增加极板数目，可获得更多的图像重建数据， 从而提高薰建图像的质量，但会遇到信噪比降低、边缘效应增大的问题。将几个小极 板并联成一个较大的极板，即极板的组合运用可克服此问题，且极板的多样化组合 方式又可提供更多的扫描数据，从而提高重建图像质量。 电极板的外部普遍设置接地的屏蔽罩目的是为了防止外界电磁场的干扰，同时也 可削弱传感器外空间介质介电常数变化对测量的影响。另外，电极的引出线也必须采 用屏蔽线，避免杂散电容的干扰。 当安装了径向电极后，传感电极间形成电容的电力线基本都通过管截面的空间， 即两相介质通过的空间，因而电容变化量相对静态电容之比有所增加。也就是说，极 板间设置接地的径向保护极板是为了降低相邻极板间的高固有电容以扩大系统的动 态范围。 目前所研究的传感器的极板轴向尺寸有l o o n m ，7 5 n ：吼，5 0 唧，3 01 1 1 1 1 1 等几种形式。 减少极板轴向尺寸能减少极板对被测流体的轴向平均效应，有利于图像质量的提高， 但同时也降低了信号电平，对检测电路提出了更高的要求。 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 图4 1 电容传感器横截面结构示意图 传感器的结构参数主要有：电极张角e ，绝缘管道内径r l 、绝缘管道厚度r 2 一r 1 、 绝缘管道材料的相对介电常数e p w 以及屏蔽罩与电容极板间的间距r 3 一r 2 。这几个参 数决定着传感器的主要特性。 4 2 电容传感器的数学模型 电容层析成像系统中的电容传感器的敏感场可作为静电场来处理，假定电容敏感 式中e ( x ，y ) 为空间介电常数分布；巾( x ，y ) 为空间电位分布；v 和v 分别为散度和 当极板i ( i = l ，2 ，8 ) 为源极板时，与之相关的d i r i c h l e t 边界条件为： rv c( x ，y ) ri 巾“k ( 4 2 ) l0 ( x ，y ) e a l l r ( k i ) o r ( x ，y ) r s e c t 的正问题就是己知管道内的介电常数分布确定各极板对的电容值，而逆问题 又称图像重建则是通过有限个电容测量值将成像区域内的介电常数分布图重建出来。 逆问题一般说来要比正问题难解得多。逆问题经常存在着非唯一解，有时甚至无解。 为了得到逆问题的有用解经常需要些额外的先验知识以及对解的一些附加的约束 1 6 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 条件，e c t 系统的测量数据极为有限，电容传感器又是“软场”传感器，敏感场分布受 被测介质影响，所以逆问题的求解更为困难，只能在一定假设条件下获得逆问题较为 粗糙的近似解。 对于任意两极板问的电容，我们可用下式表示： c ，= j 占( 薯y ) 墨，【( x ，y ) ，占 ，y ) d x d y ( 4 3 ) 式中：c j ，为电极i 和j 之间的电容值，s ( x ，力为介电常数分布函数，墨，【( x ，_ y ) ，占( x ，_ y ) 】 为测量敏感区分布函数，它表示当管道内点( x ，y ) 有分散相介质( 如固相) 而其余地方 均为连续相介质( 如空气) 时，所引起的电容c ，的相对变化量。 电容层析成像的过程是根据敏感场分布函数s ，【阮y ) ，s 也y ) 】，和多组电容测量 值e ，求解介电常数分布函数“x ，y ) 的过程。可见，敏感场分布函数对于成象系统来 讲是很重要的的。由于s ，很难实测，所以只有借助计算机仿真来获取。对于电容值 的计算都是通过有限元的方法求解的。 4 3 电容传感器等效电路 搞清楚传感器的等效电路对后面的电容测量电路设计是非常有帮助的。图4 2 为 电容传感器横截面等效电路示意图。其中一对电极等效电路示意图如图4 3 所示。1 羽 c a 3 4 2 传感器横截面等效电路示意圈 硕上论文 应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 白丁甲 图4 3 其中一对电极等效电路示意图 其中激励电极与测量电极之间的电容为c x ，每个电极与屏蔽罩、径向电极之间 也会形成电容，图4 3 中分别用c a l 、c a 2 、c a 3 与c b l 、c b 2 、c b 3 表示，每个电极 同测量电路的连接等其他因素也会形成寄生电容，图中分别用c p 与c p l 表示，它们 形成一个三端电容网络。只有c x 是被测电容，而其他电容是不希望存在的，通称为 杂散电容。一般来说，杂散电容的值远远大于要测量的c x 值，同时它们的值也不是 稳定的，会不断的发生波动。这就要求测量电路必须可以从三端网络中测量出c x 的 值，同时抑制c a l 、c a 2 、c a 3 与c b l 、c b 2 、c b 3 及c p 与c p l 对测量结果的影响， 即要具有很强的抗杂散电容的能力。 4 4 电容传感器的结构参数确定 图4 1 为8 极板电容层析成像系统传感器横截面图。传感器的结构参数主要有：电 极张角o ，绝缘管道内径r 1 、绝缘管道厚度r 2 一r l 、绝缘管道材料的相对介电常数 e p w 以及屏蔽罩与电容极板间的间距r 3 一r 2 。本系统中，管道壁由有机玻璃制成，e p w = 3 4 。 由于无法获得目标函数与传感器结构参数间的解析关系，所以只能采用优化试验 的方法寻找最优参数。 由于施加在极板间的电压值是有限的，被测流体在极板问流动时所引起的电容量 变化十分微小。虽然增加电极长度可增大电容，但会加大传感器的结构，同时会使数 据处理是对于截面的表达不明显，但如果极板的长度很小，电容传感器的边缘效应也 会更加明显。若要使电容传感器满足流动噪声测量的要求，应设计合理的电极结构， 采用良好屏蔽措施，减小电容的边缘效应，防止外电场对电容电场的干扰。 根据文献 2 0 ，将管道厚度r 2 - r 1 ，屏蔽罩与电容极板间的r 3 - r 2 对管道内径 硕士论文应用于多相流参数检测的电容层析成像系统研究 r l 归一化，即令：d l = ( r 2 一r 1 ) r 1 ，d 2 = ( r 3 一r 2 ) r 1 ，则问题简化为0 ，d l ，d 2 三 因素问题。根据文献的仿真结果，有以下结论：因此绝缘管道的相对壁厚d l 对重建 图像质量的影响最大，极板张角。的影响也较大，但屏蔽罩与极板相对间距d 2 的影 响则小得多。 表4 1 文献 2 0 中仿真试验方案与仿真试验结果 因素 仿真实验号0d ld 2o s 值 l3 80 10 14 8 8 6 23 80 1 50 1 54 5 0