（工程热物理专业论文）电容成像技术在热物理量测量中的应用研究.pdf

摘要 摘要 电容层析成像技术是近年来发展起来的一项基于电容敏感原理的过程成像 技术，该技术具有非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单、成本低、可获取 二维三维过程参数信息等优点，是一项极具发展潜力的过程成像技术。本文针 对电容层析成像技术的图像重建、传感器设计及标定等关键技术进行了深入的 研究，具体内容如下： 详细总结了电容层析成像图像重建算法，将算法分为非迭代类、迭代类及 智能优化三大类，并对算法的各类准则加以总结。同时，在总结近几年应用较 广泛的迭代方法的基础上，给出了一种通用迭代公式，推导出了通用优化迭代 步长公式，进一步导出了通用迭代单步法公式。 比较了四种不同正则类算法，结果表明，除深度归一法外，标准t i k h o n o v 法、光滑约束法及r u t i s h a u s e r 法成像质量无明显区别。实际应用中考虑f 则参 数的取值范围，应优先采用标准n 蛐o n o v 法、光滑约束法。此外，还采用相关 系数、空间图像误差及归一化均方距离等评价指标对常用的e c t 图像重建算法 进行了比较评价。 提出一种采用均匀设计与最小二乘支持向量机相结合的电容层析成像传感 器结构参数优化方法。该方法以敏感场均匀度为设计目标，采用均匀设计安排 试验，并用因素轮换法进行寻优计算，从而得出优化的传感器结构参数。结果 表明：经过优化的电容成像系统具有较好的成像效果。该方法试验次数少，具 有较强的实用性。 针对常规传感器无法满足 三种不同径向电极布置方法， 并对电极间绝缘介质介电常数 响都进行了详细的探讨。将新 微小尺度脉动热管流型测量的需要，比较分析了 提出一种新型径向电极布置的微小尺度传感器， 及屏蔽罩与电极外表面距离对电极对间电容的影 设计的传感器用于脉动热管流型监测，获得了较 好的结果。 根据代用炸药压制成型测量的特点，提出采用无径向电极的内置电极传感 器布置方式，采用线性标定法，并对该方法进行了验证。 i 电容成像技术在热物理量测量中的麻用研究 针对通道型多孔介质的结构，经适当简化，推导出测量电容与被测物质介 电常数的标定关系式，根据该关系式提出一种三点标定法，并将其应用于多孔 介质燃烧的标定，并用仿真模型及实验证明了该方法的正确性。 关键词：电容层析成像，图像重建，传感器优化，微小尺度传感器，多孔 介质，火焰成像，标定 i i a b s t r a c t d o n gx i a n g y u a l l ( e n 百n e 嘶n gt h e 肌o p h y s i c s ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i us h i e le c _ 缸c a lc a p a d t a n c et o m o 掣a p h y ( e c t ) i sap r o c e s st o m o 群a p h y ( p t ) b a s e d o nc a p a c i t a n c cs e 】1 s i n 晷i th a st h ea d v a n t a g eo f b e i n gn o n i n t m s i v e ，f a s ti nr e s p o n s e ， e a s yt oi m p l e m e n t ，l o wi nc o s t ，n o n - h a z a r d o u sa i l dc a p a b l eo fa c q u m n g2 d 3 d i m a g ei n f b n n a t i o no fp m c e s sp a r 锄e t e r s c u 盯锄t 1 y ，i ti sw i d e l yu s e da i l db e c o m i n g af b c u si np tr e s e a r c h b e i n gan e wt e c h n o l o g y ，m a i l yo fi t sf b l 】1 1 d e 珊e n t a la s p e c t s s t r e q u i r em o r o u g hi n v e s t i g a t i 0 1 1 sf o rc o m p l e xm u l t i p h a s en o w s ，w h i c hb e c o m e s t 1 1 em a i nm e m eo f 血i sd i s s e r t a t i o n 谢t hm a i nc o 删b u t i o n sa sf 0 1 1 0 w s ： t h ei m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t l l 】m so fe c tw e r er e v i e w e di n 山i sd i s s e n a t i o n a n dc a t e g o r i z e di n t ot h r c eg r o u p s ，n o n i t e m t i v ea l g o r i t s ，i t e m t i v ea l g o r i t 胁sa n d i n t e l l i g e n to p t i m i s a t i o na l g o r i t l l i n s t h c nag e n e r a lp r o j e c t e d i t c r a t i v es c h e m e ( ( 谤i ) f - o ri m a g er e c o n s t m c t i o nw i 血c l e c m c a lc 印a c i t 肌c et o m o g r a p h yw a si n t r o d u c e d a n dag c n e r a lo p d m i z e ds t 印1 e n g mw a sd e r i v e df o rm es c h e m e f i n a l l y ，ag c n e r a l i t e r 撕v e s j g l es t e pi m a g er e c o n 蚰c t i o ns c h 锄e ( g i s s ) w a sp f e s e n t e d f o u rd i 岱x 锄tr e g u l a r i z a t i o na l g o r i ( h m s ，i n c l u d i n gm et i k h o n o vr e g u l 耐z a t i o n i ns t a n d a r df 0 眦，t h ed 唧n o 册a l i z a t i o nm 甜1 0 d ，r e g u l a r i z e dg e n e r a li n v e r s e m e t h o db a s e do n 锄o o t l l i n gc o n s 戗缸n ta n dt h er u t i s h a u s e r sm e t h o dw e r ec o m p a r e d i nt h i st h e s i s ni sc o n c l u d e dt 1 1 砒a 1 1m ea l g o f i t h m sp r o d u c es i l i l i l a ri m a g e se x c e p t t 1 1 ed e e pn o 衄a l i z a t i o nm e 1 0 d t h et i k h o n o vr e g u l a r i z a d o ni ns t a l l d a r df o m la 1 1 d m er e g u l a r i z e dg e n e r a l i n v e r s em 甜1 0 db a s e do ns m o o t l l i n gc o n s t r a j n ta r ei np r i o r c o n s i d e r a t i o n u n i f o r n ld e s i 朗a n dl e a s ts q u a r es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( l s - s v m ) w e r e a p p l i e dt oo p t i m i z et h ep a r 锄e t e r so fc a p a c i t a n c et o m o g r a p h ys e n s o r s e x p e r i m e n t s w e r ep 幽咖e dw i mu i l i f o 衄d e s i g n ：t 1 1 es p a t i a ls e n s i d 、，i t yd i s 研b u t i o nw a s t a k e na s ap e r f o n n a n c ep 猢e t e r ，l s s v mw a su s c dt oe s t a b l i s h 血er c g r e s s i o nm o d e l b a s e d i t l 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 o nm ee x p 谢m e n t a lr c s u l t s t h e l l ，as e to fo p t i m 啪p a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e d 丘d m m er e g r c s s i o nm o d e lb yt h ef a c t o rr o t a t i o nm e m o d s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h ep r e s e n t e dm e t l l o di nm i sp a p e rc a nf i n das e to fo p t i m a lp a r a m e t e r sf o r c a p a c i t a l l c et o m o g r 印h ys 锄s o r se 龉c i e n t l ya i l de f f e c t i v e l y an o v e lm i c r o s e n s o rw i mr a d i a ls c r e e i l sw a sd e s i g n e da n du s e df o rn o w v i s u a l i z a t i o no fp u l s a t i n gh e a tp i p e t h ei n n u e n c eo ft h r e et y p e so fr a d i a ls c r e e n s ， t 1 1 ed i e l e c t r i cp e r m i t i v i t yo ft l l em a t e r i a lb e t ，e e n 觚o a d j a c e n te l e c t r o d e s ，t h e d i s 协1 c eb e t w e e ns c r e 饥a n dt h ee l e c 廿o do nc a p a c i t 趴c e ，a r ca n a l ) ，z c di nd e t a i l e c tw a su s e dt oi n s p e c tt l l ed e n s i t yv a r i a t i o n so fc x p l o s i v em a t e r i a iu n d e r p r e s s u d z a t i o n t h es c n s o rs t n l c t i l r co fi n t c m a lc l e c t m d e sw i t l l o u tm d i a ls c r e e n sw a s u s e d a n da1 i n e a rc a l i b m t i o nm e m o dw a s a d o p t e d 趾d 1 i d a t e db ye x p 谢m e n t s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm em e a s i l r c dc a p a c i t a n c c sa n dm ep e m i t i v i t yo ft h e p o r o u sm e d i aw a sd e r i v e db ya i la p p r o p r i a t es i m p l i f i c a t i o n t h e nat h r e e - p o i n t c a l i b r a t i o nm e t h o dw a sp r e s e n t e da i l du s e di nt h ec a l i b r a t i o no fn 锄ev i s u a l i z a t i o n i np o m u sm e d i a s i m l l l a t i o na l l de x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tm en e wm e t l l o d i se f f e c t i v e k e y w o r d ：e 1 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 仃u c t i o n ，o p t i m u m d e s i g n ，m i n i a t u r es e n s o r ， p o r o u sm e d i a ，h n a 西n gc o m b u s t i o 玛c a l i b r a t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 过程参数检测的意义 多相流动广泛存在于石油、化工、能源以及环境监测等各个部门，研究其 流动力学特性，分析其流动参量对于生产过程的安全经济运行具有。卜分重要的 意义。 以两相流为例，气固、气液等两相及多相流现象广1 泛存在于工业领域。 例如在化工和能源领域，流化床和循环流化床技术得到了普遍的应用，是典型 的气圆多相流。气固多相流动特性是非常重要的参数，它决定着辅机的能耗， 床内吸热量，温度分布，燃烧情况，床内载料量和磨损等。良好的综合流体动 力特性是合理设计循环流化床锅炉的基础。但是，由于影响床内气固多相流动 的因素众多，同时气固多相流动自身的复杂流动特点和恶劣的运行环境对测试 手段又提出了苛刻的限制条件。因此迄今为止对循环流化床内气固流动的内在 运动规律，气固混合和离析特性、颗粒团形成和破碎过程，炉内颗粒粒径分布 及浓度分布等的研究工作仍有待进一步加深。不断寻求先进可行的测试手段对 循环流化床内的气固两相流动特性进行深入研究无疑是一个解决问题的重要途 径川。 而在石油工业中，油气水多相混输技术得到广泛应用，可以显著降低管路 投资、减少运行费用、降低井口回压、提高油气田的生产能力、增加老油阳生 产后期的产量 2 o 进行在线计量混输过程中各种组分含量，对抑制流动不稳定 的产生、降低生产运营成本都有着及其重要的作用。 在冶金工业中，高炉粉煤喷吹是一项可提高燃烧效率、大量节约能源的重 大技术措施。目前，虽然喷煤工艺比较成熟，并已在高炉冶炼中得到广泛应用， 但是，由于还不能可靠地、在线实时地检测各喷管内高压气流所携带的煤粉的 质量流量，整个喷吹系统难以维持在合理的工况下运行，煤粉在高炉内的最佳 燃烧也无法实现【3 。这是多年来阻碍高炉煤粉喷吹技术获得最大经济效益的一 个关键环节。 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 在电力行业，煤粉在气力输送过程中，必须保证煤粉和空气的最佳混合比， 降低飞灰中未燃烧碳以提高锅炉燃烧效率；同时，要保证每个吹风管嘴的煤粉 质量流量均匀分布，以避免燃烧熄火、过量的n 0 2 形成、燃烧波动和炉渣问题 等；此外，煤粉速度必须保持高于最小安全值，避免引起管道堵塞发生爆炸等 事故的发生 4 。凡此种种，都需要有可靠的监测手段。 总体说来，多相流动测量的量有许多，可以概括为流型、各相速度、各相 物质份额和浓度、各相流量等。且多相流与单相流相比，多相流不仅流动特征 复杂，而且各相间存在截面效应和相对速度，相界面在空间和时问上都存在随 机可变性，导致多相流测量的难度很大。目前多相流参数检测的发展水平还远 未满足工业应用的要求，多相流检测技术，无论在国际还是在国内均尚属一个 急需发展的探索研究领域【5 。迄今为止，现有的测试技术和方法大多处在实验 室研究阶段，已商品化可广泛应用于在线检测的工业型仪表为数不多。随着工 业生产水平的提高，对于计量、节能和控制等方面提出了更高的要求，对多相 流的测量技术也提出了更高的要求。 多相流测量技术大致可以分为如下几类： 早期多相流测量多采用传统的单相流检测技术实现两相流测量。例如利用 孔板差压流量计建立的基于分相流模型或均相流模型的多种两相流模型和基于 差压脉动噪声的两相流模型，使其能应用于两相流测量领域；利用电导传感器 测量井下油水两相流含水率等。将成熟的单相流检测方法应用于两相流参数测 量仍是重要措施之一。 另一类方法是利用现代信号处理技术和现有检测技术相结合的软测量技术 方法实现两相流检测 6 】。例如运用参数估计法测量两相流流速；应用统计模式 识别技术对气液两相流的两相局部轴向压差信号进行统计分析，对水平管道气 液两相分层流和间隙流流型进行鉴别；应用希尔伯特黄变换及神经网络，应用 统计理论、分形理论及神经网络7 ，8 1 对两相流流型进行鉴别等。 还有一类是近现代新技术：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 动过程成像技术等等。其中，过程成像技术( p r o c e s st o m o g m p h y 简称p t ) 技术 第一章绪论 是8 0 年代兴起的一门新技术。该技术采用特殊设计的传感器，以非接触或非侵 入方式获取被测对象的场信息，应用图像重建算法重现两相多相流体在管道内 或者反应装置内某一横截面上的分布情况，从而得到两相流中离散相浓度分布 及随时间的变化情况，实现被测量流体流动情况在某一截面上的可视化。该技 术由于具有传统检测技术无法相比的优点，近年来在多相流动检测等领域得到 广泛应用。 1 2 过程成像技术的发展历史 过程层析成像技术是医学诊断中c t 技术与工业要求相结合的产物。自从 1 9 7 2 年英国人gt h o u n s f i c d 研制成功第一台c t 机后不久，就有人尝试将c t 技术应用于工业现场的多相流参数测量中 引。 2 0 世纪8 0 年代以前，研究人员多采用x 射线，y 射线以及核磁共振技术 设计多相流过程层析成像系统。这类系统的优点是分辨率( 即区分细节的程度) 高，定位及尺寸精度高，可用于微观机理的研究：缺点是价格昂贵，机构复杂、 庞大，实时性差，工业现场应用困难。 从8 0 年代中期开始，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 及其研究小组首次提出“流动成像( f l o wi n l a 百n g ) ”的概念，开始研制以电学敏 感原理为基础的过程层析成像系统，并于8 0 年代后期研制成功了第一台应用于 两相流检测的电容层析成像系统【”】，该系统为8 电极，之后，又于1 9 9 0 年进 一步推出了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 的电容数据采集系统，并配备了高速并行处理器来对数据进行处理，以提高系 统的实时性，并在流体试验装置上对油气两相流进行了成像实验。同一时期， 美国能源部摩根城实验室研制出1 6 电极电容层析成像系统用于流化床中的空 隙率分布的研究 。此外，英国其他大学及些公司，德国、挪威、荷兰及美 国等大学及研究机构也纷纷开展相应的研究工作。 鉴于过程成像技术的快速发展，9 0 年代初，受欧盟科技委员会支持，为期 4 年的“欧洲过程层析成像联合行动( t l l ce u r o p e a nc o n c e n c da c t i o no np r o c e s s t 0 m o 乒印h ”得以开展。并于1 9 9 2 年至1 9 9 5 年，分别在英国、德国、葡萄牙和 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 荷兰，召开了4 届学术会议。之后，在美国工程基金会支持下，1 9 9 6 年和1 9 9 7 年又分别在美国和荷兰召开了过程层析成像前沿技术会议( f r o n t i e ri ni n d u s t r i a l p r o c e s st 0 m o g r a p h y ) 。1 9 9 6 年7 月，受英国政府资助，由u m i s t ，u n i v e r s i t yo f l e e d s ，u n i v e r s i t yo f e x e t e r 和m a r c hc o n s u l 石n gg r o u p 组成的“工业过程层析成 像虚拟中心( t h e r m a lc e l l t e rf o r1 1 1 d u s 砸a lp m c e s st 0 m o g 豫p h y ) ”成立，该中心 于1 9 9 9 年4 月主持召开了“第一届世界工业过程层析成像技术大会( t h ef i r s t w o r l dc o n g r e s so ni n d u s 砸a lp r o c e s st 0 m o g r a p h y ) ，这一时期的过程层析成像研 究己相当深入，并且不仅限于两相管流流动参数的在线检测，已扩展到两相流 或多相流的反应、分离等过程系统的在线监测。迄今为止，该会议已经连续于 2 0 0 1 年、2 0 0 3 年、2 0 0 5 年在德国、加拿大、日本召开了四届，极大的推动了 过程成像技术的发展，一些新理论及应用研究成果得到及时探讨和交流。 在我国，包括各大学及科研院所在内的研究工作者，在过程成像硬件系统、 原理、图像重建算法及应用等领域开展了广泛研究，并多次参加国际会议，取 得了诸多成果。 1 3 过程成像技术的特点及分类 ? 1 3 1 过程成像技术的特点 虽然过程成像技术( p t ) 是借鉴医学c t 技术的经验而发展起来的，但是p t 技术与医学c t 相比有着许多特殊之处： p t 技术所检测的物场常常具有强非线性和复杂性，造成p t 技术的图像重 建比医学c t 的图像重建困难得多。 p t 系统所能采集的投影数据有限，进一步增加了图像重建的难度。 p t 系统所检测的物场往往处于高速变化状态，为做到实时动态成像，数据 采集要求比医学c t 快得多，图像重建算法的实时性要求也高得多。 p t 系统中的传感器及数据采集系统要安装在工业现场，这要求其不仅要与 检测对象的几何、机械、物理特性相适应，而且还要适应恶劣的现场环境( 如静 电、电磁干扰、振动以及电压波动等1 。 p t 技术般还要求能够通过所采集的数据以及重建的图像进行有关物场 4 第一章绪论 特征参数的提取，如流型辨识、空隙率计算、流速流量测量等等。可以说，p t 系统是适应工业现场应用的智能化过程参数在线实时监测系统。 1 3 2 过程成像技术的分类 针对p t 技术的特点，近年来出现了多种基于不同原理的p t 系统【l ”，已见 报道的主要包括：光学成像( o p t i c a lt o m o 聊h ”、x 射线成像、y 射线成像、 核磁共振成像( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n 龇1 c et 0 m o g r a p hy 简称n m r i 或m r i ) 、 超声成像( u l 仃a s o n i ct o m o 伊a p h y ) 、阻抗成像( e 1 e c m c a li m p e d a j l c et o m o g r a p h y ， 简称e i t ) 、电阻成像( e l e c 伍c a lr e s i s t a n c et 0 m o g r a p h y ，简称e r t ) 、电容成像 ( e l e c n i c a lc a p a c i t a l l c et 0 m o 鲫h y ，简称e c t ) 、电感成像( e 1 e c t c a li n d u c t 柚c e t o m o 掣a p h y ) 和电磁成像( e l e c t r o m a 印e t i ct o m o g r a p h y ，简称e m t ) 等。 对于不同的过程层析成像系统，由于采用不同的传感器构成空间敏感器阵 列，形成的敏感场空间分布也各有其特点，但总的来说，传感器的敏感场分布 可以分为两大类，即“硬场”和“软场”。所谓“硬场”是指传感器的敏感场分 布不随传感器区域内介质分布的变化而变化，典型的如x 一射线场等；而“软场” 是指传感器的敏感场分布受传感器区域内的介质分布的影响而会发生变化，如 电容层析成像技术中的静电场等。针对不同的传感器敏感场类型，在进行图像 重建时应照顾到其不同特点，采取与其相适应的图像重建算法。按传感器的基 本原理，过程层析成像系统可以分为光学式、电磁辐射式、声学式和电测式四 大类。 1 3 2 1 光学层析成像技术 光学层析成像技术“。6 1 是基于两相介质对光的吸收、反射、衍射和折射等 现象实现对介质分布检测的，主要可分为体光学器件方式与光纤光学器件方式。 具有成本低、实时性好、抗电磁干扰、可进行分布式测量、灵敏场近似为“硬 场”以及数据采集系统简单等优点，但它要求过程对象为透明或半透明，并且 要求光路不受污染，这些要求的存在一定程度上限制了其应用领域。光学层析 成像技术主要应用于气液固多相流测量【1 7 ，火焰燃烧检测，喷射气流测量 等方面。 电容成像技术确二热物理量测量中的应用研究 1 3 2 2 电磁辐射式层析成像技术 电磁辐射式层析成像系统是利用不同物质对射线的不同作用来获得物质断 面分布信息。主要包括x 射线、y 射线、核磁共振成像等。其测量基本原理是： 从x 射线或v 射线源发出的射线通过多相流体时，射线被流体吸收，辐射强度将 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x 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 测器检测出射线穿过多相流体前、后辐射强度变化，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。 x 射线和y 射线层析成像技术的应用领域较为广泛，主要包括：流化床的检 测和流动成像2 ”，油气水多相流的研究阮2 3 1 ，气体喷射水力旋流器浮选工艺 研究，气液两相流在不规则结构体内流型的辨识【2 5 】，高压汽水两相流测量 2 6 等。 其优点在于 2 7 】： ( 1 ) 适用范围广。由于它们是对吸收系数敏感的方法，因此只要被测介质 的各相有不同的吸收系数即可使用，且它不受被测物质组分透明与否、导电j 否影响，对于大多数被检测的工业对象都可满足该要求。 ( 2 ) 重建图像精度高。一方面是由于它们的敏感场不受被测介质分布的影 响；另一方面，x 射线和y 射线断层成像技术比其它p t 技术可获得更多投影 数据，并可借鉴医学c t 中成熟的高精度图像重建算法，图像重建相对简单。 以x 射线为例，英国l e e d s 大学使用“s k y s c a n1 0 7 2 ”系统无损测量了矿石、 玻璃纤维垫、金属粉末、食物等物质的微结构2 8 ，2 9 1 ，清晰的构建了毫米级的物 质结构。 而x 射线、y 射线成像技术的缺点在于： ( 1 ) 成本高。 ( 2 ) 安全性能差，操作维护要求高。由于采用的传感源是辐射线，对人体有 害，因此安全性方面差，需要昂贵、复杂的安全保障设备。整个系统是个复 杂而精密的测量系统，对操作人员的素质要求较高，使用、维护和管理要求很 苛刻。 6 第一章绪论 磁共振成像( m r i ) 技术与x 射线、y 射线成像技术相似，其具有较高精度。 s e d e r n l a n 3 0 】等报道了运用超快速m r i 技术进行固定床成像，获得2 维图像可达到 每秒5 0 幅，结果令人鼓舞。但m r i 价格昂贵及安全性方面是其工业应用的最大 障碍。 1 3 2 1 3 声学层析成像技术 声学式层析成像系统中最常见的是超声成像系统( u l t r a s o n i c t o m o 芦a p h y ) ，它又可以分为透射式、反射式和t o f ( t i m e0 ff 1 i 曲t ) 方式c 透 射式成像系统通过探测不同介质对超声波衰减系数的分布来得到管道的截面图 像；反射式成像系统则是通过测定反向散射波从而获得待测截面的反射率分布： t o f 方法则通过测定超声波从发射源到接收器的传播时间，可以得到被测介质 密度分布及被测介质径向流速分布。超声层析成像的成像精度比电学式成像系 统要高，成本也能被工业应用所接受，同时它又是一种非辐射的测量方法，安 全性能好。目前主要应用于工业上的气液两相流截面含气率测量、流型识别， 气固两相流流型识别m3 3 等领域。除此之外，声学层析法还被用来测量大尺寸 炉膛内的二维速度场，用于重建炉膛内的温度场等捭3 6 。 但声学式层析成像系统还存在以下问题【2 ”： ( 1 ) 实时性差。超声波是一种机械波，与电磁波、光波相比，超声波在介质 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 能进行下一次检测，因此产生一幅图像所需要的数据采集时间较长，系统实时 性较差。为保证实时性而减少观测角度又会引起投影数据的减少，降低系统分 辨率和成像精度。 但) 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 象为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， 但都是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 造成很多困难。 ( 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侧，则传感器与管壁之间的耦合效 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 应、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。 1 3 2 4 电学层析成像技术 电学式成像系统是利用流体的电特性来测量流体的分布情况，主要包括电 容式、电阻式、和电感式成像系统等。电学式成像技术是近年来应用最为广泛、 发展速度最快的过程成像技术之一。 电磁层析成像技术： 电磁层析成像技术是基于电磁感应原理的过程层析成像技术，其工作原理 是：激励线圈中通入的交流电流在空问产生一个交变的磁场，检测线圈以感应 的方式得到物场空间边界处磁场的分布信息，即获得一个观测角度的投影信号， 通过对激励电路的控制，可得到多个不同观测角度下的投影数据。当物场空间 存在导电性和( 或) 导磁性物质时，磁场的分布随被测区域内导电率和导磁率分布 改变，此时获得的投影数据反映了被测区域内的介质分布情况，经处理后，由 定性或定量的图像重建算法重建出介质分布图像，并进行图像显示田】。 电磁层析成像技术可适用于被测对象的分布可由导电率和( 或) 导磁率确定 的场合，如金属矿石的输送和精选、化工过程分离、食品和药物生产过程中的 异物检测、高速旋转机械在线安全检测，以及两相流或多相流中具有导电性组 分的检测。 电阻层析成像技术： 电阻成像技术是根据敏感场的电导率( 或电阻率) 分布获得物场的分布信息， 通过给激励电极施加激励电流，在被测区域内建立敏感场，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 一定的图像重建算法，可以重建出场内的电导率分布”】。 电阻层析成像应用领域较为广泛。目前电阻层析成像技术已应用于气液两 相流空隙率测量及流型识别、气液混合过程、环境监测等多领域，主要包括： 在地质勘探研究与环境工程方面，美国劳伦斯利弗摩尔国家实验室，在拉 斯维加斯y u c c a 山脉的现场条件下，运用e r t 技术监测在加热状态下水分在多孔 性岩石材料中的转移( 输运) 现象，从而为证实y u c c a 山脉作为核废料贮存场所的 超长期安全性计算机仿真模型的正确性提供依据 3 8 。 第一章绪论 在气液混合过程的研究方面，英国l e e d s 大学学者采用e r l 技术对水力旋流 分离器的运行工况进行监测研究，前几年的研究工作都是在大学实验室进行， 取得了令人鼓舞的成果。在实验室研究获得成功之后，他们将e r t 安装在英图 陶瓷粘土公司的精制工厂的水力旋流分离器上，进行了现场测试实现了工业环 境下的正常监测。测试结果证实了e r t 对水力旋流分离器运行状况在线测量和 控制的可行性。并利用e r l 系统获得了分离器内截面上不同运行工况下的气孔 分布尺寸，及随时间的变化历程，为证实水力旋流分离器的机理模型和参数优 化没计提供了依据3 9 4 ”。 英国u m i s t 的学者采用1 6 4 层电极的e r t 系统在直径为1 5 米的搅拌器上 进行了实验，其目的是为三维搅拌容器中气液混合过程提供强有力的定性和定 量解释4 ”，并且开发出适用于金属容器的e r t 系统，拓宽了e r t 技术的适用范 围 4 2 】。 在多相流( 油水天然气混合物) 流型识别及流动参数的在线测量方面。挪威 卑尔根大学学者讨论了运用过程层析成像技术增强三相流量计性能的途径，对 检测技术研究工作者具有重要的参考价值。另外，法国、巴西两国学者在“两 相管流的直接成像”技术上也有一些具有意义的研究【4 3 1 。 在其他的应用领域方面，也有一些探索性研究。英国u m i s t 的学者对于运 用e r t 技术在线监测高炉内部炉衬厚度剥蚀状况的可行性进行了初步研究，准 确测量炉衬厚度在高炉冶炼过程中的变化，为判定该高炉是否停炉补衬提供重 要依据 4 ”。b i n l e y 等人用e r t 方法研究了流体在多孔介质中的流动并用示踪染色 剂进行了验证 4 5 ，d i 砌枷i 应用e r - t 技术检测半导体基片的质量【4 6 1 ，“y a s 等运用 e r t 技术对液一液和液固混合过程进行了研究。 电容层析成像技术： 电容层析成像技术是根据被测物质各相具有不同的介电常数，当各相组分 分布或浓度发生变化时，将引起混和流体等价介电常数发生变化，从而使测量 电极对间的电容值发生变化。采用阵列式电容传感器，各电极之间相互组合的 多个测量值便可反映多相流体的浓度以及在管截面上的相分布情况，以这些电 容测量值作为投影数据，通过一定的图像重建算法，便可重建出被测物场的浓 度分布图像。 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 电容层析成像技术是较早被研究的一种过程成像技术，其应用领域也较为 活跃与广泛。目前电容层析成像技术已成功应用在气液两相流空隙率测量及流 型识别、流化床可视化、管内气力输送等多领域，下面分别加以介绍： 油气多相流监测方面，油水天然气混合物流动参数的在线测量是电容层 析成像技术产生与发展的一个直接推动因素。首套e c t 系统就被用于油、气两 相流的监测，x i e 等4 7 ，4 8 隧用电容层析成像系统对管路中油，气两相流环状流、 核心流及层状流等典型的流型进行识别，运用l b p 算法重建出管道内两相流截 面图像，并给出含气率的测量方法。之后，h u a l l g 等【4 明运用多处理器电容层析 成像系统，对管路中的油水两相流进行了测量。1 9 9 3 年，i s a l ( s e n 等m5 1 1 提出 m o r 图像重建算法，并将其用于油气管路中的图像重建、流型识别及三相分 离器中油气水分界面高度的在线监视、油泡沫和气的界面成像。j o h a l l s e n 等f 5 2 提出了基于多模的过程层析成像系统，将电容层析成像技术与y 射线成像技术 相结合，对管道中的油气水三相流进行监视。电容层析成像系统可利用介电 常数差异将水从油气中区别出来，y 射线技术可利用密度差异将气从油水两相 中分离出来，将二者加以综合，可获得油气水三相的空间分布图像。 n o o r a l a l l i y a n 等【53 】使用模拟的电容层析成像系统投影数据由神经网络方法对油 气，水三组分流体进行成像，并定义一专用的滤波方法以获得界面清晰、稳定的 油气水分布图像。谢代梁掣“】将e c t 系统与文丘利管相结合，建立了油气两 相流流量测量系统。采用e c t 系统测量气液两相流的空隙率，研究和分析了空 隙率和干度之间的关系。对利用该系统进行气液两相流总流量和液相流量的测 量作了初步的研究。 在流化床监测方面，电容层析成像技术在流化床监测中的应用也取得了相 当广泛的成果，对于流化床内气固流动规律的掌握起到了一定的辅助作用。美 国能源部摩根城能源技术中心将电容成像系统应用于流化床内物料分布的监测 ”“，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。w a l l 旦 等用e c t 技术研究流化床气体分稚器上气固两相的分布。k u l l i l 等【5 6 利用 e c t 技术对流化床的混沌现象进行了分析。d y a k o w s k i 等利用e c t 实时监视 了流化床的流态过渡，分析了用于流态控制的图像数据信息。l i u 等 5 8 1 开发出 l o 第一章绪论 矩形通道的e c t 传感器，对矩形床内的流态化进行了测量。m a k l ( a w i 等运 用双层e c t 测量分析了流化床中不同流化区域的流化特性。w a r s i t o 【6 0 等采用 多准则神经网络图像重建算法，并采用三相电容模型1 6 1 对三相流化床进行研 究，在此基础上又采用三维图像重建算法进行流化床内三维可视化研究。王海 刚等6 习运用e c t 技术并采用准三维图像可视化技术及相关测速技术对流化床 旋风分离器及料腿内的浓度及速度分布进行了测量。 气力输送方面，n e u 脆r 等6 3 1 利用电容层析成像传感器作为主要信息来源， 并融合温度、压力等信号，用模糊逻辑控制策略对浓相气力输送进行控制，这 种控制方法在气力输送实验室得到了成功的应用。m o s o m v 等【“ 基于e c t 利用 “最佳相关像素法”( b e s t c o r r e l a t e dp i x e l sm 甜1 0 d ) 研究了气固两相流流量测量。 该方法具有不需要假定固相的流动方向的优点，更符合工业现场实际情况。 b r o d o w i c x 等用e c t 技术监视气力输送系统。 火焰监测方面，h e 等【6 5 】利用e c t 测量了内燃机引擎气缸中预混火焰的位 置，大小和脉动特点，对了解内燃机内动态燃烧过程提供了有益的信息。 w a t e 血1 l 6 6 】将e c t 用于燃烧监视，通过图像重建再现了燃烧室中的火焰的位锭 和大小。a n d r z e i 等研究了e c t 在粉末燃烧中的应用。在一个燃烧室中实现 了连续燃烧的可视化，实验结果表明该研究有望对现有基于压力变化的燃烧标 准的计算误差进行修正。 此外，e c t 还被用于管道内水锤过程监测f 6 8 ，监测火箭使用的固体燃料棒 内部缺陷 69 1 ，随温度压力升高时尼龙聚合过程的监测及成像”，气水分离过程 测量 7 1 ，高炉物料可视化监测等领域。 以上详细介绍了过程成像的分类及特点，为了直观比较，表1 1 给出了几 种过程成像系统的分类及其特点的详细对比。 1 4 电容层析成像的研究热点、存在的问题及展望 1 4 1 研究热点 电容层析成像技术是最早发展起来的过程成像技术之一。由于它具有非侵 入的测量方式、价格比较低廉、结构简单、安全性好、易于实现等特点，使其 电容成像技术在热物理量测量中的应用研究 极具有工业应用前景。因此，国内外的很多大学和科研院所都参与到有关的研 究中，并已经取得了丰硕的成果。一些研究组独立地开发成功了基于充放电微 表1 1 过程成像系统的分类及其特点的对比 传感实现敏感场类 分辨率主要特点应用对象 原理 方法型 激光成本低，速度快，火焰成像，液体泡 光学 尚 二极近似硬场安全性好，需要介沫成像，稀相流化 式 替 质有透光性床成像等 流化床检测，气液 x 射线硬场 两相流检测 电磁 成本高，速度慢，离予流成像，气液 辐射 月 y 射线硬场 需防辐射装置两相流检测 a 正电 硬场流速成像 声学超声介于软、气液两相流成像， 较高受声波速度限制大 风法硬场之间炉膛温度场成像 极板不需要接触流油气，气固两相 电容 体，可测量连续相流，流化床，火焰 工 非导电介质成像检测等 电学电阻极板接触流体，连气液两相流，混 低 软场 风 式续相必须导电合，环境监测等 极板不需要接触流 电感 无损检测，磁性材 体，连续相导电或 式料和电离水等 者导磁 1 2 第一章绪论 电容原理和基于交流激励的微电容测量原理的电容层析成像系统，并且研制了 相应的成像软件和仿真环境。在此基础之上，又各自从不同的侧重点有所扩展。 综合已有的研究成果，可以看出，最近四、五年来针对电容层析成像技术的研 究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 电容传感器结构参数的优化 电容传感器的结构参数包括：传感器的电极长度、电极问问距、绝缘管道 壁厚、管道绝缘层材料的相对介电常数、电极张角、屏蔽层与电容极板间的间 距等。王化祥等7 3 1 采用因素轮换法对二维阵列电容传感器进行了结构优化，颜 华等 7 4 1 采用正交试验设计方