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南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 摘要 电容层析成像技术是多相流参数检测领域中的一门新技术，在工程应用中有着广 阔的应用前景。本文在原有理论和实验条件下改进了e c t 系统，提出了在不增加电极 对数、不降低灵敏度情况下增加有效测量数据新方法；改进了数据采集系统，实现了 数据采集和板极切换的一体化；改进了图像重建算法，使用r b f 神经网络方法进行了 训练学习、测试仿真和图像重建实验，证明了增加有效测量数据的新方法有利于e c t 系统图像重建能力的提高，新的图像重建方法更加有利于e c t 系统图象重建。 关键词：电容层析成像电容传感器微小电容检测图像重建r b f 神经网络 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 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 yi s an e wg e n e m t i o no fp r o c e s sp 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 th a st h eg o o dp r o s p e c to fe 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 ya p p f i e dt op r o c e s sm o n i t o r i n g a n dc o n t r 0 1 t h ee 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 mw a si m p r o v e di nt h i sp a p e r ，an e wm e t h o d t od e s i g ne l e c t r o d ec a p a c i t a n c es e n s o rw a sa p p f i e d ，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 n s y s t e mw a si m p r o v e d ，a n dt h e n ，t h eo l dm e t h o d sf 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 st a k e np l a c e b y r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e n r a ln e t w o r kf o re l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g m p h y t h ee c ti m a g e r e c o n s t r u c t i o nm e t h o db a s e do nr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r kw a sd e s i g n e dt ot r a i n ，t e s t i n ga n d i m a g er e c o n s t r u c t i o ni nt h i sp a p e r 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 en e wm e t h o dt od e s i g n e l e c t r o d ec a p a c i t a n c es e n s o ra n dt h en e wi m a g er e c o n s t r u c t i o nm e t h o da l ev a l i dt oe n h a n c et h en a t u r a l c a p a c i t yo fe 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 k e y w o r d s ：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 , s e n s o r s ，s m a l lc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n t ，i m a g e r e c o n s t r u c t i o ，r a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r k i i 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 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：立皇 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部分或全部内容，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部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 丢耍万娶 芝i ：年f 月易、) 日 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 1 引言 1 1 电容层析成像技术背景 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。”“3 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汽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的要求。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、气固和液圃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。 速度法测量流量可以根据下列公式求得流量q 。3 ： o = v a( 1 1 ) 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 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 。= v a n ， ( 1 2 ) 其中，q ，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 ，。 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 。，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以下几种。 ( 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问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： ( 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； 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 ( 3 ) 传感器对流场的干扰； ( 4 ) 浓度比较高时气固两相流不透明，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己做了相当多的工作，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，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。流动成像技术应用于多相流参数检测领域的作用主要由以下几个 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。 9 流动层析成像技术的研究开始于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 年代中期开始，以英国的曼彻斯特大学 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 c ea n dt e c h n o l o g y ) 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，以区别于医学的c t 。 由于先期的研究成果极大地鼓舞了科技工作者，不同学科领域的研究人员开始联合起 来，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“5 ”。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。 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像重建算法方面都 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 取得了一定进展。 1 2 电容层析成像系统实验研究的意义 电容层析成像技术( e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c e t o m o g m p h y ，简称e c t ) 是近年发展起来的 两相流参数可视化检测技术，是一种在工业应用中极具发展潜力的过程层析成像技 术。e c t 具有非侵入、结构简单、成本低、响应速度快、安全性能好、适用范围广等 优点，在石油、化工、钢铁等工业领域具有广泛的应用。 但由于目前在开发中所遇到的些理论和技术上的问题，使它尚未得到迅速地推 广。比如，图像重建所需的独立电容测量值数目少，所重建的图像精度较低。传感器 设计和图像重建算法设计都是e c t 系统的关键技术，对这两个技术的研究是改善图像 重建质量的关键，也是e c t 技术开发的重点和难点。 在电容层析成像系统中，为了提高重建图像的精度，常用的方法是提高成像传感 器的极板数目，以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目，但这些方法是以 牺牲检测场的灵敏度为代价的，因此，增加图像重建所需的独立电容测量值数目显得 非常重要。 目前常用的图像重建算法是：线性反投影法l b p 和迭代法，也有人用神经网络法。 从对数据的处理过程看，l b p 法属单步算法、速度快，特别适用用于在线实时测量， 但成像精度低；采用迭代法可以大大提高重建图像的保真度，但迭代过程非常耗时， 不适用于在线成像。”因此，研究既能快速成像，又能保证较好的保真度的重建算 法显得非常重要。 综上所述，为了提高图像重建质量和速度，需要增加图像重建所需的独立电容测 量值数目和研究新的图像重建算法，本文的研究正是基于这样的出发点。 1 3 本论文的主要工作 电容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、图像 重建及处理计算机。本论文的主要工作是：寻找在不增加电极数、不降低灵敏度情况 下，增加有效测量数据的新方法；实现板极切换和数据采集一体化；通过比较几种图 像重建算法，选择适合的算法用于e c t 系统图像重建；通过实验验证建立在上述基 础上的e c t 系统。 4 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 2 电容层析成像系统组成及工作原理 2 1 过程层析成像技术 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 ) 技术是计算机应用技术与现代检测 技术相结合的产物。二十世纪8 0 年代中后期一些专家和学者将医学c t 技术引入工业生 产过程中，采用非接触或非侵入式传感器系统对封闭的过程管道、容器、反应器内部 物场变化行为进行非破坏性的可视化监侧，从而形成了过程层析成像技术，并迅速得 到了发展。埘“1 1 1 2 1 ” 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。根据 获得被测对象投影数据所采用的检测方法不同，主要有：核p t ( 射线与射线等) 、光 学、电学( 电磁、电阻、电容) 、超声、电荷感应、核磁共振、微波等层析成像技术。 基于不同物理原理的空间传感器阵列，具有不同信号处理系统及图像重建算法。表 2 一l 列出了各类过程层析成像系统的基本特点和应用范围。 任何过程层析成像技术的核一e l , 是所采用的传感器子系统，其测量前提是检测到两 相流各相介质的差异，依据其透射、衍射和电学现象选用敏感方法。目前大多数的 ”系统结构可用图2 1 所示。 怔广 电容 电阻 微波 过程超声 ? x 射线 y 射线 光学 核磁共振 图21p 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熏建算法重建出反映参数分布的图像。在重建出的图像的基础。 s 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 表2 - 1 各种层析成像方法基本特点和应用 p t 方法装置分辨率敏感场应用 复杂性性质 电学 电容 低 低软场两相流，流化床，火焰 层析( e c t ) 检测 成像 电阻 ， 水力旋流器，两相流， ( e r t ) 混合过程 电磁两相流，无损检测 ( e m t ) 超声反射低中 介于软气液两相流 层析透射 场和硬泡状流 成像 干涉 场之间 无损检测 t o f 流体空隙率，炉温成像， 流速成像 光学 透射 由 月硬场多相流，火焰检测 层析 辐射温度场成像 成像 干涉混合过程，流动成像 辐射 z 射线 局局 硬场多相流，混合过程，流 层析化床，填料塔 成像 y 射线 多相流，流化床，无损 检测 正电子粒子流，稳态离析过程 发射 正电子各种流动过程中的浓度 粒子示踪轮廓 核磁共振局月软场腐蚀性和易聚合物质 层析 成像 微波层析绕射 由 月软场无损检测，两相流，热 成像 传感 电荷层析静电感应 低中软场气固两相流流速，流型 成像 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 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 参数( 流型、相含率等) 。 如上所述，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、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，重建图像质量高，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、实时性等方面都做 了许多改进，系统工业实用化程度有所改善。但由于该技术所固有的慢速缺陷，要提 高它的实时性以满足多相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 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、非辐射无安全防护问题，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 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 t 、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，影晌了重建图像精度。 e m t 技术日的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 t 研究发展的主流之一，适用于各相介质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前景。 在所有p t 系统中e c t 系统的传感器结构较简单，采用非侵入式测量方式、广泛 的适用范围、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，而且极有可能最早 在工业中获得广泛应用的一种p t 技术。“ 南京理工大学磅注论文电容层析成像系统的实验研究 2 龟容层析成像系统的组成 厂 e c t 的工作机理是：非导电物场内介质分布变化而引起电容值的变化，通过测量 电容值的变化来重建物场内介质分布而实现对多相流参数的检测。e c t 系统由三个基 本部分组成：1 ) 传感器阵列；2 ) 数据采集系统；3 ) 图像重建计算机。传感器阵列通常 是由均匀安装在绝缘管道外壁的多对电容极板构成。数据采集系统测量任一对极板间 的电容值，获得在不同观测角度下的投影数据并送入成像计算机。由于这些测量值反 映了管道内介电常数的分布情况，采用相应图像重建算法，就可以重建被测物场介质 分布图。图2 2 为一8 极板e c t 系统组成框图。 e c t 系统在一个完整的测量过程中，极板l 先被选作激励( 源电极) ，分别对极板 对卜2 ，1 3 ，卜8 之间的电容进行测量。然后选择电极2 为激励电极，极板l 接地，对极板对2 3 ，2 - 4 ，2 8 的电容进行测量，依此类推，直至电极对7 8 。 这样，在8 极板系统中可获得2 8 个独立的测量值，对于一个具有极板的e c t 系统， 可得到的独立电容测量值数目为( 一1 ) 2 个“”n 5 “”3 。 图2 28 电极e c t 系统组成框图 2 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 ( 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 r 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 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) 。 2 4 电容层析成像系统的技术难点 电容层析成像技术的难点在于： ( 1 ) 传感器输出电容微弱，测量难度大，对数据采集系统的灵敏度及抗干扰能 力要求很高。 ( 2 ) 电容层析成像系统固有的软场特性，敏感场受被测物质分布的影响。 ( 3 ) 受微弱电容检测能力的限制，不可能在管壁上安置很多的测量电极，因此， 获得的电容值即投影数据有限，例如：8 电极只能得到2 8 个独立投影数据，1 2 电极 只能得到6 6 个独立投影数据，投影数据少给图像重建带来很多的麻烦。 具体来说e c t 系统的难点还是集中在以下几个方面：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。 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。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。 电容检测在许多领域都有所涉及，在不同的领域里面有着不同的要求，但是e c t 对电容测量提出了非常苛刻的要求，这也成为e c t 进化的主要困难之一，e c t 检测 微弱电容的困难主要有两个方面： 1 ) 电容值极小。 2 ) 杂散电容非常大。 因此，对于一个e c t 系统的c v 转换电路，应具备以下几个基本要求： ( 1 ) 较强的抗杂散电容干扰、低漂移。 ( 2 ) 较高的信噪比( s n r ) 。 ( 3 ) 线性度好。 ( 4 ) 高分辨率； 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 ( 5 ) 较宽的工作频带。“” 另外，由于电容层析成像系统本身固有的非线性特点，以及能得到的独立电容测 量值( 即投影数据) 数量非常有限，远远小于重建图像的像素个数，反演问题不存在 解析解，图像重建的难度较大。因此，图像重建算法一直是电容层析成像技术实用化 及进一步发展的主要难点。因此，需要研究出快速、准确、流型适应性强的图像重建 算法。3 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 3 电容传感器的分析与设计 3 1 电容传感器的结构介绍 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3 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，0 为极板夹角。 图3 1 电容传感器横截面结构示意图 需要设计的传感器结构参数主要有：电极张角0 ，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。 3 1 1 电容传感器的数学模型 根据电学原理，忽略管道径向的多相流体各分相的分布变化以及屏蔽层的影响， 对于8 电极阵列式电容传感器中任意两个电极构成的电容，其测量值c ；为： q = 占( j ，y ) s ， ( z ，y ) ， ( z ，y ) d x d y ( 3 1 ) d， 式中：j 2 l ，2 ，2 8 ，d 为管道截面，s ( y ) 为介电常数分布函数，s ，【( x ，y ) ，e ( x ，y ) 】 为q 敏感场分布函数，它表示当管道内点( x ，y ) 有分散相介质( 如固相) 而其余地方 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 均为连续相介质( 如空气) 时，所引起的电容c ，的相对变化量，即电容c ，对点( z ，y ) 处 介质的敏感程度。 电容层析成像的过程是根据敏感场分布函数5 瓜z ，y ) ，( j ，y ) 】，和多组电容测量值 c ，求解介电常数分布函数占( j ，y ) 的过程。敏感场( s e n s i t i v i t yf i e l d ) 分布数据作为 图像重建所需的先验数据使用，敏感场函数的计算公式为： 蹦岫警署慨z ， 式中：c 为空管电容即管道内充满离散相( 油) 时的电容，且为常数，其中j = l ， 2 ，2 8 。当管道内第k 个微元的介电常数为岛，其他微元的介电常数为时的 电容值为c ，( ) 。通过式( 3 2 ) 可求解敏感场分布情况，但很难通过实验得到精确数据， 并且由于传感器结构和介质分布的复杂性，难以获得此问题的解析解，只能用有限元 法才能得到比较精确的解答。“7 3 3 1 2 电容传感器等效电路 搞清楚传感器的等效电路对了解后面的电容测量电路是非常有帮助的。图3 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3 3 所示。1 9 图3 2 传感器横截面等效电路示意图 1 2 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 唧工甲萌。牛丁1 图33 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3 _ 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。 3 1 3 电容传感器的结构参数确定 图3 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0 ，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之间的间距( 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，被测流体在极板间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。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 根据文献 1 8 ，将管道厚度( r 2 一r 1 ) ，屏蔽罩与电容极板间的( r 3 一r 2 ) 对 管道内径r l 归一化，即令：d l = ( r 2 一r 1 ) m ，d 2 = ( r 3 - r 2 ) r 1 ，则问题简化为0 ，d l ， d 2 三因素问题。根据文献 1 8 的仿真结果，有以下结论：绝缘管道的相对壁厚d 1 对 重建图像质量的影响最大，极板张角0 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31 文献 1 8 中仿真试验方案与仿真试验结果 因素 仿真实验号 e d ld 2o s 值 13 80 1o 14 8 8 6 2 3 8o 1 5o 1 54 5 0 9 33 8o 2o 23 3 2 6 4 3 40 1o 1 53 4 4 2 53 4 o 1 5 o 23 9 6 4 6 3 4o 20 1 2 8 4 1 73 0o 10 24 0 9 3 83 00 1 50 14 3 2 7 93 0o 2o 1 53 3 3 3 表中o s 综合评价电容层析成像系统重建图像的质量，o s 值越小，图像重建的质量越好。 根据文献 1 8 的仿真结果，本系统中拟采用的电容传感器参数为：r l 为8 0 r a m ，r 2 为 9 0 衄，e 为2 6 度。 根据上面的参数，电容传感器的实物结构如图3 2 所示。主视图中标明的浅槽的 深度为l m ，宽度为4 衄，其主要目的是用来径向电极的定位的，径向电极的结构尺 寸为l o o 7 4 m m 3 ，径向电极的两端攻有螺纹，径向电极是通过俯视图中的定位孔位 置，上螺钉来固定的。在电极被贴上以前，首先要焊接引出线，在电极上引出线焊接 的位置基本上保持相同，尽量避免电极的不一致性。电极引出线通过接线柱连接，避 免连线的扯动而影响测量的准确性，接线柱是安装在图3 4 中俯视图所示的极板引出 线安装孔处。 在电容传感器的设计和使用过程中，要特别防止寄生电容的干扰。由于电容式传 感器本身电容量很小，因此传感器受寄生电容干扰的问题非常突出。当屏蔽线较长且 其电容与传感器电容相并联时，传感器电容的相对变化量将大大降低，也就是说传感 器的有效灵敏度将大大降低。尤为严重的是，由于电缆本身的电容量随放置位置和其 形状的改变而有很大的变化，这将使传感器特性不稳，严重时，有用电容信号将被寄 生电容噪声所淹没，以至于传感器无法工作。为了克服这种不稳定的寄生电容影响， 必须对传感器及其引出导线采取屏蔽措施。因此，在传感器制作时将传感器用金属壳 包裹起来，并将壳体接地，传感器的引出线采用很短的屏蔽线，与壳体相连而无断开 的不屏蔽间隙，屏蔽线的屏蔽层应同样良好接地。甚至将测量线路的前级或全部与传 1 4 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 感器靠近，或组装在一起。这样可一定程度地消除寄生电容的干扰。 ， 气 、 j 图3 4 传感器结构 3 2 增加有效测量数据的新方法 在电容层析成像系统中，为了提高重建图像的精度，常用的方法是提高成像传感 器的极板数目，以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目，但这些方法是以 牺牲检测场的灵敏度为代价的。 要把事物观察的比较清楚，需要从各个“角度”来看它，每一个角度都会给一个 信息给主体，也就是说足够多的信息量需要观察足够多的“角度”。例如一个固定的 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 摄像机只可以拍摄事物的一个侧面，转移到另一个角度则可以拍摄到事物的另一个侧 面，要清楚地记录事物，需要从多个角度拍摄事物。下面介绍的电容测量方法就是从 这个思想中总结出来的。为了更加方便地获得独立电容测量值，可以采用旋转传感器 的办法，从不同角度进行测量。 如图3 5 n 示，是一个常用的具有8 极板的传感器，设极板号为- ，l ，2 ，8 。 e c t 系统在一个完整的测量过程中，极板- ，1 先被选作激励( 源) 电极，分别对极板对 j 1 j 2 ，j 1 j 3 ，l ，8 之间的电容进行测量；然后选择电极j 2 为激励电 极，对极板对j 2 一j 3 。，j 2 一j 4 ，。j 2 ，8 的电容进行测量；依此类推，直至 电极对，7 一，8 。这样，在8 极板系统中获得2 8 个独立的测量值。对于一个具有n 极 板的e c t 系统，可得到的独立电容测量值数目为n ( n - 1 ) 2 个。 旋转传感器的办法可以用以下简便方法等效，现先将每个极板细分为尺寸相等的 n ( 设n = 3 ) 块小极板，极板之间的间隔很小，如图3 6 n 示，设传感器的小极板阵列为 j l ，j 2 ，j 2 4 。然后将3 块相邻小极板通过模拟开关连接组合成一个等效的极板。 在三块极板并联的条件下所具有的组合方式如表3 1 所示，图3 6 是对应的3 种组合， 图3 6 第一幅图的组合相当于等效极板，1 ，8 不旋转，第二幅图的组合相当于等效 极板- ，l 一，8 旋转1 5 度，第三幅图的组合相当于等效极板，1 ，8 。旋转3 0 度。在每 一种组合方式下，可以获得2 8 个独立电容测量值，则总共可获得3 2 8 个独立电容测 量值，是由图3 5 n 获得的测量值数目的3 倍，由此所重建的图像质量可能会得到较大 提高。当n 增大，所获得的独立电容测量值数目( n 2 8 ) 增加，从理论上讲所重建的图 像质量就会更好。另一方面，由于每次测量都是由细分的n 块小极板组合成等效的大 极板，因此检测场的灵敏度不会下降。可见，此方法的特点是在不降低检测场灵敏度 的前提下成倍的提高独立电容测量值数目。 一一一、一一一 7r， lf 笠a。筻 、， js ，一一 k 么。，! 图3 5e c t 传感器横断面结构图 1 6 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 图3 6 传感器极板不同组合方式下的横断面结构 表3 2 极板的几种组合方式 第一种组合方式第二种组合方式第三种组合方式 小极板组合 等效于大极 小极板组合 等效于大极 小极板组合等效于大极 板( 旋转0板( 旋转1 5板( 旋转3 0 度)度)度) 7 1 7 2 7 3j l j 2 一j 3 一j 4j l j 3 5 4 j 5 j l j 4 j 5 一j 6 j 2 j 5 一j 6 一j 7j 2 j 6 7 7 7 8 j 2 j 7 一j 8 一j 9j 3 j 8 一j 9 一j 1 0j 3 j 9 5 1 0 一j n j 3 j l o 7 11 - 7 1 2j 4 j l l 一7 1 2 一j 1 3j 4 j 1 2 - 5 1 3 j 1 4j 4 7 j 1 3 一j 1 4 - j 1 5j 5 j 1 4 7 1 5 7 1 6j 5 5 1 5 7 1 6 7 1 7j 5 7 1 6 一j l ? - j 1 8j 6 7 j 1 7 7 1 8 j 1 9j 6 j 1 8 7 1 9 7 2 0 j 6 7 1 9 5 2 0 - 5 2 1j 7 j 2 0 5 2 l 一7 2 2j 7 j 2 1 。7 2 2 7 2 3 j 7 7 2 2 j 2 3 5 2 4j 8 5 2 3 5 2 4 一j lj 8 5 2 4 5 1 7 2j 8 如上所述，把如图36 所示大极板细分为三，三个极板荠联为一个等效极板旋转 三个角度的方式可以获得3x 2 8 个独立电容测量值。如表3 1 所示有三种组合方式， 第一种组合方式等效于大极板旋转0 度，第二种组合方式等效于大极板旋转1 5 度， 第三种组合方式等效于大极板旋转3 0 度，同理，如果如图3 5 所示传感器的每个大 极板四细分的话，只需要把传感器旋转4 个角度( 0 度，1 1 2 5 度，2 2 5 度，3 3 7 5 度) 就可以获得1 1 2 个独立电容测量值。 从理论上讲，极板细分数越多，成像质量应该更高，但是在实际制造这种传感器 的过程中，需要在每个细分极板之间留有足够的空隙，如是，细分越多，空隙所占面 积越大，这样，细分极板组合起来的等效极板的面积就会大量减小。因此，本文只选 择了大极板三细分和四细分两种情况进行实验分析。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 4 电容层析成像系统硬件电路设计 电容层析成像系统硬件电路设计主要包括以下几个方面的内容：微小电容测量电 路设计，极板阵列控制电路设计等。其中微小电容测量电路是硬件电路设计的核心， 其组成框图如图4 1 所示。 图4 ，1 硬件电路组成框图 对电容层析成像系统而言，电容电压( c v ) 转换，即小电容测量问题是影响其 测量精度和图像重建质量的关键和难点之一。 如本文第二章所提到，电容层析成像系统中电容检测的困难有以下几个方面： 1 ) 电容值极小。以本实验设计的八极板e c t 传感器为例，空管道时的固有电容值范 围在0 2 4 5 p f 到几p f 。管内充满水时，电容值变化量最大也只有0 3 p f 。如此小的电 容值和电容变化是很难测量的。 2 ) 杂散电容值大。e c t 传感器中还存在3 个主要的杂散电容源。一是连接电容极板 与测量电路的屏蔽电缆( 大约l o o p f m ) ；二是选择极板工作模式为源或检测的c m o s 模拟开关；三是防止外电磁场干扰的屏蔽罩。故总的杂散电容远大于系统的固有电容 值，且杂散电容会随温度、结构、位置、内外电场分布及器件的选取等诸多因素而变 化。“ 4 1 电容检测电路的主要方法乜们 1 ) 谐振法 谐振法是在被测电容c ，( 常常伴随有一漏电阻凡) 两端并联一个固定电感l ，然后 加一可变频率的电源、调整信号源频率，使电路发生谐振谐振时，e 。呈现的容抗和 l 呈现的感抗相等，从而可求得g 。该方法的优点是：频率范围宽，可从几百千赫到 几百兆赫，适合实验室测量，适于小电容测量。缺点是：不适合自动和在线测量。 2 ) 振荡法 1 8 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 将被测的电容作为振荡电路的一部分，c ，的变化会引起的电路振荡频率的变化r 这样将电容的变化转化测量振荡频率的变化，其频率由下式决定： ，= 葫1 露 ( 4 - 1 ) 式中：l - - - 振荡电路中的电感；c - - 一振荡电路中的等效电路。 而c 一般由传感器电容c ，谐振电路中的固定电容c g 及电缆电容c c 组成，即： c = c ，+ c 。+ c c ( 4 2 ) 利用压转换器，可以将频率信号转换电压值。由于其振荡频率可以选很高，故其 灵敏度可以达到较高水平。但从式( 4 2 ) 可以看出，电路的抗杂散电容的能力很差。 3 ) 交流电桥法 交流电桥的原理是把被测电容放在一个桥臂，可调的参考阻抗放在相邻的另一个 桥臂。两桥臂分别接到频率相同，电压相同的信号源上。调节参考阻抗使桥路平衡， 则被测桥臂中的阻抗与参考阻抗共轭相等。其主要优点是精度高，可做精密电容测量。 但不具备有自动平衡措施，不适合在线使用。 4 ) 运算电容法”“ 利用运算放大器