（机械电子工程专业论文）用于气固两相流质量流量在线测量的ect传感与数据采集系统设计.pdf

摘要 摘要 电容层析成像技术但c d 是近年来飞速发展起来的一门新技术，是过程成像 技术的研究热点之一，具有非侵入性、适用范围广、成本低廉和安全性能佳等优 点，已发展成为一门重要的两相流参数检测技术。然而目前该项技术离实际应用 尚有很大距离，主要难点在于微小电容测量和数据采集等方面。 论述并分析了各类常用的p t 技术的基本原理和特点，着重阐述了e c t 技术 的基本特点、工作原理和系统构成。针对e c t 系统硬件设计的关键技术进行了 深入的研究，研制出e c t 系统的实验装置，进行了e c t 电容测量与数据采集系 统的实验研究。设计了一套p c 机、单片机并行的1 2 极板e c t 电容测量与数 据采集系统。双机同时工作，单片机完成正弦信号生成任务，p c 机通过数据采 集卡进行数据采集，并完成成像的任务。研制了新型的抗杂散电容干扰、分辨率 高、漂移低的交流型c 转换电路。分析了阵列电极的结构参数对敏感场分布 均匀性的影响，进行了e c t 系统的阵列电极的优化设计。 硬件设计的一个创新点是：采用所有极板共用一个激励信号和一路a v 转 换电路的形式简化了硬件电路结构。并设计了极板开关阵列，使它能与多种传感 器接口，还可实现组合极板的测量。 此外，在早期研究的基础上，设计了电容层析成像的软件系统。整个软件系 统使用数据采集卡进行双机分工协作，由p c 机控制单片机进行正弦波生成，p c 机直接控制数据采集，采集到数据被送入p c 机进行图像重建。 经实验证明该电路具有较好的线性度、分辨率和稳定性。设计并研制一套 e c t 传感与数据采集实验系统，进行了相关的实验研究和验证。 关键词：电容层析成像；电容传感器；电容电压转换电路；优化设计 a b s t m c t b s t r a c t e l e c t r i c a lc a p a d t 柚t o m o 舯p h y c 1 ) i san e wt e c h n i q u ed c v e l o p e dr a p i d l y i nr e c c my c a r s ，i ti sak i mo fp r o c e 豁t o i i l o 伊a p h yt e c l l n i q u e st l l a ta w i d e l ys t l i d i e d e c ti sf a 巩肿n 抽v 雒i v e ，l o wc o s t ，s a f c 柚dw i d c l ya p p l i c a b l e 1 th 鹞b 啪e eo f i m p o n a i l tt e c h n i q u e sf b rt w o - p h a n o wp a 咖e t e rm e 勰u r c m c n t b u tc i l r r e m l yt h e i ss t i ual o to fw o r kt ob cd 伽eb c f o 佗p r a c t i c a lu 辩o ft h ct e c h n i q u e t h em a i n p r o b l e m sa r ct l l em e 醛u r c m c n to fl o wv a l u ec a p a c i t a n c e ，d a t a - c o l l o c t i a n ds o 衄 弛sd i s s e 埘i 帆g 懈d e c pi n t 0 坨s c a r c ho fe c r k e yt e c h i q u ei ni t sh a r d w a r c d c s i 铲i l l 岛s u c h 鸹ah i g h - s e 璐i t i v ca c - b a c a p a d t 蛐m e 鹤u 血gm e t h o d ，t h e d 髂i 印o f 锄yo fs e 璐i n ge l e c 咖d c 柚dd a t aa c q u i r i n gs y s t e m 1 r h eb 龉ep r i n c i p l e 柚d d l 砌d c r i s 石c so f 盱锄c o m p 眦dn eb 勰i cp 血c i p l e ，s y s t e ms t n l c t u r c 觚d c h a m i ：| c r i s t i 岱o fe c ta d i s c i l s s c d ae c ts y s t 锄o f1 2 一e l c c t m d ec x p e r i m e n t a l c q u i p m e mi n d u d co fp c ，p a r a i l e lp r i i l t e rs i n 班e 也i pi sd c v e l o p c d t i ，oc o m p u t c r sa t t h es 栅et i m et ow o r k 柚ds i n 百e c l i i pc o m p l e t c n ew a v e ，p ct m n s m “d a t a c o l l e d i 衄c a r dt oc o l l e c t i 蚰d a t a ，a n da o c o m p l i s ht h ei n i a 画n ga 鹞i g 栅e n t a l la c b a s c dc ，vc o n v c n i n gc j 咖i ti sd e v e l o p e d 1 n h cd r c u i th a s9 0 0 dc h a r a c t c r i s t i c s 锄d i s a p p l i e di ne c ts y s t 啪n ee 胁o f t h es t 删u p a r 锄e t e r so fa m ye l c c t r o d eo n t h e 帅i f b 咖i t yo fs 蛐s i l l gf i c l dd i s 啊b u t i o ni s 卸a l y z c d ，柚dt h e 印t i m u md c s i 萨u s i l l g t h ef i l l i t ce i e m e mm e t h o di sm a d e a i l dd e s i g na m yo fc l e c t r q d es w i t c h ，i t 啪g c t a l o n gw i t h m u l t i s e 璐o rt ol i n k ， 锄dc a na c m p l i s h啪b i n a t i o ne l e c i m d e s m e a s u f e m e n t h 缸d 、v a d e s i g n i n gh 鹤ai n n 0 v a l i o ni st h a ta l le l e 咖d 龉f b fp u b i i cu s e e e x c i t a t i o ns i 印a l 锄do n ea vc i r c u 沁i nas c n s e ，t i l a th 硒p 北d i g c s t e dh a r d w a r cc i 删t f u n h e 咖o r c t h eb a s i so fp r c v i o u sr e a r c h ，t h ee c t 脚a r cs y s t e mi s d e v e l o p c d t h ew h o l es o 撕a r cs y s t e m 懈ed a t ac o l l e c t i o nc a r dt op r o c c s s 押o c o m p u t e 幅d i v i d ct h ew o f kb u tw 0 f _ kt o g c t h e r t h m u g i ip ct oc o n t r o ls i n 舀e c h i pt l l a ti t c 卸p r o d u c cs i n e w a v e ，p cd i r c c t n e s sc o n t m ld a t ac o l l e d i o nc a 咄卸dt h ed a t aw o u l d b ed e l i v e r e dp ct op r o c c 辐i m a 舀n g 佗c o n s t m c t t c s tr c s u l ts h o w e dt h a tt h ec i r c u i th 鹤b e t t c r l i n e a r i 吼s o l u t i o n 柚ds t a b i l i t y a s c to fe c t s y s t e mi sd 髓i 凹c d 卸dd c v e l o p c ds u c o e 蟠f i i l l y k e yw o r 出：e l e d r i c a lc a p a c i t a n c ct o m o g r a p h y ；e l e c t r i c a ls e n s o r ；c vc o n v e n i n g c i r a l i t ；叩t i m u md c s i 龃 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：孙7 喃 c 2 叫年了月罗矿日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月 日年月日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：孙楠 第l 章绪论 第1 章绪论 1 。1 多相流检测技术研究的重要意义 相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物 质部分，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，通常可将自然界中的 物质分为三种相，即气相、液相和固相。所谓两相流或多相流是指存在两种或多 种不同的物质流动。在两相流的研究中，也通常将物质分为连续介质和离散介质。 在多相流中，气体和液体属于连续介质，因此又被称为连续相或流体相；固相颗 粒、液滴、气泡等属于离散介质，常被称为离散相或颗粒相。连续相( 流体相) 或离散相( 颗粒相) 组成的流动叫做两相流或两相流动。在多相流体力学中，相 可以按物态、化学组成、尺寸和形态等区分，即不同的化学组成、不同的尺寸和 不同的物质属于不同相的物质流动。 由于气固两相流动的复杂性，使得测量技术面临着不少困难。这些问题主要 表现在以下几个方面。 1 浓度分布不均 一般情况下，固相浓度沿管道截面和管道长度的分布并不均匀。因此，要知 道某个时刻某个截面或者整个流场浓度分布的话就须使用一定的测量技术与仪 器。单一传感器不能给出固相浓度分布的准确测量结果。 2 流动结构 气固两相流不仅流型多样，而且多种流型会同时存在或互相转化，且不同流 型之间的转化无明显过渡。这就增加了气固两相流的测量难度。 3 加速度 如在循环流化床中应用压差来测定固相浓度时，将固体加速运动的力归于浓 度作用，测量值会发生很大的偏差，而这个问题通常在研究中都被忽视了。 4 速度 气固两相流动的速度在被测区域有时变化很大，这对利用x ，y 射线需要相 对长时问积蓄能量并对被测区域进行机械扫描来获取信息的方法来说，其测量是 有很大困难的 5 非透明性 对于占现在测量比重越来越大的光学测量法来说，若被测区域透光性不好， 如流化床底部浓相颗粒浓度或被测管道不透明，则测量就会变得无能为力。这将 限制利用激光、粒子成像速度计( p a r t i c l ei m a g ev e l o c i m e t e r ，缩写p i v ) 等光 第1 章绪论 学性质的非接触式测量在工业测量中的实际应用。 6 侵入式测量 侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差。接触式气固两相流体的测量元件容 易发生堵塞及磨损，从而妨碍仪器正常工作，减少仪器使用寿命。 7 其他非测量因素干扰 流动中不可避免要受噪声、振动等非测量因素的干扰，使得测量结果不能反 映真实浓度。 以上这些问题使得气固两相流测量技术研究面临严峻的形势。由于人们对气 固两相流物理特性的认识仍有局限，因此，迄今为止仍没有一种较为理想的气固 两相流动的测量仪器。为了解决上述问题，国内外学者们几十年来仍孜孜不倦地 进行研究和探索。 多相流在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛。多相流在自然界、工程设 备及日常生活中都是广泛存在的。自然界中常见的夹着灰粒、尘埃或雨滴的风， 夹着混沙奔流的河水以及湖面或海面上带雾的上升气流都是多相流的实例。在工 程设备中，在原子能发电站，气液分离器，各种热交换设备，化学反应设备以及 其它都广泛存在两相流的流动和传热现象。在日常生活中常见的烟雾，啤酒夹着 气泡从瓶中注入杯中的流动以及沸腾的水壶中水的循环也都属于多相流的范畴。 随着国民经济的发展，多相流系统在工业中的应用也越来越多，其地位也就越来 越高，对多相流工业生产过程的计量、节能与控制提出了更高更为迫切的要求。 多相流检测技术发展现状和水平与飞速发展的现代工业应用需求之间的矛盾日 益突出，因此，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切要求，研究多相流检 测技术对国民经济发展的重要性和意义不言而喻。 1 2 过程层析成像( p r e s st o m g r a p h y ) 技术的研究背景 1 2 1 过程层析成像技术( 简称p t 技术) 的提出 过程层析成象技术( p r o c e s st b m o g r a p h y ，缩写为p t ) 是在2 0 世纪8 0 年 代中期形成和发展起来的，其特点是利用被测目标外部的检测信息，获取被测目 标内部变化状态或高速流动状态“。它是一种以两相流或多相流为主要测量 对象，可显示过程参数二维或三维分布状况的可视化检测技术。p t 技术利用安装 在被测管道或容器周围的传感器阵列，获取被测物场在不同观测角度下的投影数 据，利用图像重建算法，经计算机处理后，给出过程截面状况的二维三维可视 化信息。由于p t 技术能对封闭的工业过程管道、容器、搅拌机等内部多相流物 场运动状态实现二维三维可视化实时监测，从而为两相流参数检测提供了另一 2 第l 章绪论 种可行的新方法。 在多相流体中存在许多需要检测的分布参数，例如气液两相流截面相分布及 速度场分布。然而目前人们通常利用时间或空间上的平均参数检测值来描述过程 对象的相应参数。当然，在某些情况下，人们借助于一些先进的仪器可以获得微 观上某点的数据，但设备投资过大，难以推广应用。过程层析成像技术就是在这 种背景下发展起来的。该技术的出现提供了一种低成本、非侵入的参数检测手段， 目前的研究已显示出该技术在解决多相流参数测量问题中的巨大潜力。 工业过程成像可用于研究石油、化工等各种气动力物料输送管道中的气固 两相流或气固液多相流的混合、流态化、扩散、反应和燃烧等动态过程，以监 控反应器中的气泡大小、分布及其合并、破碎等过程；通过工业过程模型的建立， 研究反应器热量传递、质量传递与反应速率的关系，提高反应器的转化率、选择 性以及安全性h “。过程成像技术实际上是医疗c t 技术在工业过程上的改进及 发展。该技术采用特殊设计的敏感空间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测对 象的场信息，运用图像重建算法重现两相多相流体在管道内或反应装置内部序 列横截面上的动态分布情况，从而得到两相流中离散相浓度分布及其随时间的变 化情况，实现被测流体情况在某一截面上的可视化。过程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，也为两相流的研究提供了一种强 有力的实验手段，通过和现有流体力学其他研究手段相组合，p t 技术必将促进 _ 曲相流体力学理论的进一步发展，并为工艺及设备与装置的优化设计提供新的理 论依据。过程成像技术的应用将会发展出新一代智能化实时分布参数监测系统。 1 2 2 几种常见的p t 技术 按照传感器的基本原理划分，过程成像系统可以分为光学式，核辐射式、核 磁共振式、超声式、电学式、微波式、电荷感应式等。下面将对近年来报道较多 的光学式阿、核辐射式p t 、超声式阿、电学式p t 进行一下简介。 ( i ) 光学式p t 技术 光学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。只有当这两束光想干( 即相位差保持恒定) 时 才能形成干涉纹。 光透过物体时会发生衰减，这种衰减与物体的性质和选定光的波长有关。若 我们对待测流体的透光光谱有全面的了解，则可用某种波长段的光作为流场的探 测信号，从而构成光学吸收式成像系统。 ( i i ) 核辐射式p t 技术 利用两相流不同流体组份对射线的不同作用来获得流体断面分布信息，可以 分为x 一射线式成像，r 一射线式成像等，其最大的优点是获得的图像具有较高的 3 第l 章绪论 分辨率。x - 射线式成像系统和r 一射线式成像系统实际上是医学c t 在过程参数检 测领域中的直接应用和延伸，能用于流体组份不透明的场合，但相应的系统构成 复杂庞大，并要求提供安全保障措施，另外粒子的统计噪声抑制了相应时间，所 以一般应用于低速场合；但是另一方面，由于辐射源具有较强的能量，因此可以 用于测量大管道流动。 ( ) 超声式p t 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。 超声法成像是利用被成像对象中不同介质声学特性间的差异对超声波传播 产生的影响而成像的。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。当流体中非均匀化物体的尺寸比超声波波长大许多时， 超声波传感器的特性可按硬场传感器来对待。超声法一般可分为透射式和反 射式两种，透射式方法既可测量超声波的传播延迟，又可测量其幅度衰减；反射 式方法中，传感器既作发射传感器又作接受传感器。 ( ) 电学式p t 技术 电学式是利用一定形式的电场来探测流体的电特性( 如介电常数、电阻率 等) ，从而推断管道横截面流体不同组份的分布。根据所测电特性的不同，可分 为电容式成像系统( e l e c t r i c a lc 印a c i t a n c et o m o g r a p h y ，简称e c t ) ( 测介 电常数) 和电阻式成像系统( e 1 e c t r i c a lr e s i s t a n c et o g r a p h y ，简称e r t ) ( 测电阻率) 等。电容式成像系统适合于对各种非导电组成的混合物进行测量； 电阻式成像系统则用于连续相介质是导体而离散相介质是非导体的混合物。由于 电测法的电特性响应时间快，所以能测量高流速流动的流体，此外它还有结构简 单、价格便宜、无辐射危害、易实现等优点。但由于电力线受不同组份的影响会 弯曲变形，因此它的分辨率较低，且图像有部分失真。 e r t 是在管道周边均匀嵌入个电极，这些电极应保证与流体有良好的电接 触。在某两个电极上注入交流电流，在其余电极上测量电压的变化，通过边界电 压的变化来推知管内电阻率的分布，从而得知流体中不同组分的分布。 e c t 是在管道周围安装m 个电极，通过测量不同电极对之问的电容来推知场 域内流体介电常数的分布。e r t 与e c t 有许多共同的特点：( 1 ) 对个电极来 说，可提供( 一1 ) 2 个独立测量值；( 2 ) 无论是e r t 法还是e c t 法，传感器 形成的电场形状会受场域内物体分布的变化而变化，这种传感器称为软场传 感器。由软场传感器测得的数据所重建的图像与硬场传感器得到的重建 图像相比空间分辨率相对较低，这是电学式p t 技术的一个缺点。但电学式p t 技术可在很短的时间内( 几毫秒) 完成一帧图像所需数据的采集。因此，它的速 4 第1 章绪论 度可以满足实时性的要求。 ，2 3p t 技术的发展概况 白本世纪八十年代初p t 技术被提出以后，许多国家的科技人员，尤其是从 事两相流及多相流检测的研究人员纷纷投入到该领域研究”。 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 g r a p h y 简称e c t ) 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。 国内外众多研究者将流动层析成像技术应用于多相流检测，取得了一系列研 究成果。人们对两相流流动参数在线测量技术的研究及应用成果主要集中在气 液和液固两相流上，而对气固两相质量流量在线测量的研究仍显欠缺。气固两 相流流动参数主要包括固相介质的流型、流速、截面相浓度、质量流量等。对于 截面相浓度的测量以电容检测法最为常见，多年来一直受到国内外许多专家学者 的青睐，并取得不少研究成果。比如曾先后出现过均化与旋转相结合的方法、阵 列式电容传感器、梯度相关信号处理方法、螺旋式电容传感器等。但是，上述这 些研究成果的应用范围及场合均具有较大的局限性，大多只适用于粉体类且固相 浓度较低的气固两相流。而对于流型复杂多变的气固两相流，特别是散装固体物 料流，其相浓度的在线测量问题一直未能得到根本的解决，普遍存在着测量精度 低、实时性不好等问题，己成为解决质量流量在线测量问题的关键所在。制约这 一方法和技术发展的瓶颈问题在于如何求解电容值与相浓度之间的非线性映射 关系。 早在二十世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特大学( u n i v e r s i t yo f m 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 ，简称u m i s t ) m s b e c k 教授为首的研究小组就提出了“流动成像”( f 1 呷i 嘲g i n e ) 这一概念m ”，于 1 9 8 8 年研制成功8 电极电容成像系统，并于1 9 9 0 年发展成为1 2 电极、采用高 速并行处理器件进行图像重建的系统，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。 现有的电容成像系统微电容测量电路和数据采集速度比过去虽然有很大提 高，但是仍然难以满足多种工业流动实时检测的要求。因此研制超高采样速度的 电容测量电路成为国际上相关研究热点之一，各国的学者在这方面做出了很多工 作，如荷兰d e l f 大学k u h n 等人提出的基于主动差分的测量方法，浙江大学w a n g bl 提出的基于电荷放大的测量方法也具有较高的采集速度。w a n gbl 和k u h n 晌方法与h u a n gsm 提出的充放电激励的方法非常相似，不同之处在于只用了单 个充放电回路，并取消了低通滤波器。 5 第l 章绪论 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，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 英国过程层析成像有限公司( p r o c e s st o g r a p h yl t d ) 推出了商品化的e c t 系 统p l t 一2 0 0 。从美国杜邦公司研究发展部和澳大利亚c s i r 0 矿业公司的研究人 员们使用p l t 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。 从国内外的研究报道中可以看出，f r r 技术经十几年的发展，现己提出十几 种不同敏感机理的系统。其中电容层析成像( e l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y ，简记e c t ) 技术是一种基于电容敏感机理的层析成像技术，它具有 测量速度快、非侵入、成本低、适用范围广等特点，是目前p r r 较为成熟的技术 之一 1 3 电容层析成像技术的应用及目前存在的问题 1 3 1 电容层析成像技术简介 随着工业水平的不断提高，对封闭管道内的流体的计量和控制提出了更高的 要求，对两相流参数进行测量的要求也更加迫切。目前，电容层析成像e c t 技 术被公认为解决该问题的最为有效的途径。 电容成像技术( 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 ) 是8 0 年代初首先 由西方发达国家开始研究开发，主要用于工业管道多相流测量。它类似于医学领 域应用的c t 技术，通过检测阵列电极电容变化，反映管道中多相介质介电常数 分布，从而构造出管道中各相介质的分布图像，如石油输送管道中油水气各 相介质浓度分布。1 9 9 1 年，世界上第一台实时e c t 系统在英国u mi s t 建成。 该系统采用8 电极敏感阵列，经数据采集系统及计算机图像再构技术，可产生 2 5 幅秒图像。经过多年潜心研究发展，e c t 系统取得了令人瞩目的进展。 电容成像系统测量电路和数据采集系统是整个系统最重要组成部分之一，担 负着信息获取的任务。一套具有相当精度和数据采集速度且稳定可靠的电容测量 电路是使整个成像系统正常运行的前提条件，因此对适合电容成像系统的微电容 测量电路的研究一直是国际上相当领域的研究热点之一。 1 3 2 电容层析成像技术目前存在的问题 e ( 汀技术具有非侵入、结构简单、成本低等优点，从原理上讲只要各相介质 6 第1 章绪论 具有不同的介电常数，便可应用该技术。目前存在的主要问题：( 1 ) 微弱电容 检测问题，对传感器灵敏度、抗干扰性要求高；( 2 ) 电容测量的软场问题， 即敏感场分布受被测介质分布的影响；( 3 ) 成像算法大都为定性算法，成像精 度不高，大多数场合下只能满足流型辨识的要求。 1 4 课题来源及主要研究内容 本课题来源于北京市优秀人才培养专项经费资助项目，项目名称为“基于 e c t 技术的气固两流质量流量在线测量系统的研究”。本课题的主要研究内容 包括以下几个方面： 第一深入了解常见的p t 技术和p t 技术的发展现状，以及电容层析成像 技术及其应用的现状，并分析目前存在的主要问题。 第二深入了解电容层析成像系统的基本原理及组成，研究各种微电容测量 电路的设计方法，并比较其优缺点，根据本课题要求选取合适的测量方法。 第三进行电容层析成像系统的设计，包括传感器阵列、数据采集系统和成 像系统软件的设计，研制电容层析成像系统样机。 第四进行阵列电极的优化设计。对阵列电极的结构参数进行优化设计，以 期望获得比较均匀的敏感场分布。 第五设计并研制一套e c t 传感与数据采集实验系统，进行相关的实验研究 和验证。 1 5 本章小结 本章主要说明了课题研究的学术背景及其理论与实际意义；概述了层析成像 技术的发展过程；概述了几种成析成像的工作原理及存在的不足；介绍了电容层 析成像技术的工作原理、相关领域的研究成果及发展趋势，目前所存在的不足及 待深入研究的问题；针对电容层析成像技术存在的关键问题，提出了本文的主要 研究内容。 7 第2 章电容层析成像系统 第2 章电容层析成像系统 2 。1 电容层析成像系统的基本原理 电容层析成像技术是最早发展起来的、目前广泛研究的一种两相流过程层析 成像技术，由于它具有快速、廉价、非侵入性、适用范围广和安全性佳等特点， 具有较好的工业应用前景。 电容层析成像的基本原理是利用两相介质具有不同的介电常数，通过电容传 感器获得管道截面上介质的介电常数分布而获得介质分布的图像1 。它主要由电 容传感器、电容数据采集系统和图像重建计算机三大部分组成，如图2 1 所示。 传感器将两相流体的分布转化为传感器的输出电容；数据采集系统将这些电容转 化为数字量并传送给计算机；计算机则依据一定的图像重建算法完成图像重建工 作。 电容传感器阵列 图2 1 电容层析成像系统示意图 在流体流动管道的某一截面上，沿管道外侧均匀的粘贴若干个电容极板，任 意两个极板均可组成一个两端子电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起 电容极板间综合介电常数变化，从而会改变电容值的大小。依次在每个极板上施 加激励，测量它和其余极板所构成的两端子电容的电溶值，这样对于个极板 构成的成像系统，独立测量的电容值数目为一1 ) 2 。由于各对极板间的电容 值包含了与相分布有关的信息，测量电路的输出将受管道内相分布的影响，将这 些测量值送入计算机按一定的算法进行图像重建，就可以得到管道截面上的相分 布图像。 8 第2 章电容层析成像系统 2 2 电容传感器结构 电容成像系统所使用的传感器主要由绝缘管道、均匀粘贴在管道外壁的铜箔 测量电极、径向电极和屏蔽罩几部分构成，极板数通常取8 个、1 2 个，有时也 可以用1 6 个，要根据需要和条件而定。一般来讲，增加极板数目可获得更多 的扫描数据，从而提高重建图像的质量，但是如果数目过大，数据量增加，就会 遇到信噪比降低、边缘效应增大的问题；并且对数据采集和图像重建速度的要求 也会提高，使得它只能用于速度较低的场合。本课题为满足工业现场的实时性要 求，保证图像重建的质量，采用的是1 2 个极板的电容成像系统。 一般一个n 电极系统可得到的独立电极对总数厅见式( 2 1 ) ： 弹一c 暑- o 、r 一1 ) 2 ( 2 1 ) 以1 2 个极板的某一个极板为起点，顺次为1 2 个编号，即电极板编号依次为 l ，2 ，1 2 。在一个完整的测量过程中，电极板1 首先被选择为源极板，即公 共电极，给电极板1 加上固定电压值u ，分别以电极2 ，3 ，1 2 位检测电极 板，测量电极板对卜2 ，卜3 ，卜1 2 之间的电容值，每次测量时闲置的电极 都接地。下一步，选择电极2 为公共电极，测量电极队2 3 ，2 4 ，2 1 2 的 电容值。依次类推，直至测量完电极对1 1 一1 2 的电容值。这样在1 2 电极系统中 总共可获得6 6 个独立的电容值，并依上述顺序编号为c l ，c ：，c 。以方便整 体运算，此外由于考虑单个电容的来源，本文采用另一种电容表示方式：c 。，表 示极板对i j 之间的电容值。 根据管道形状，传感器一般分为圆形和方形两种“4 ，如图2 2 所示。屏蔽罩 始终接地，保护测量电极不受外部电场的影响；径向电极也始终接地，一方面减 小相邻电极间的静态电容，相应减小了测量电路中静态电容补偿系统的动态范 围，易于电路实现，另一方面，提高了测量电极的相应灵敏度，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，因而电容变化两相对静态电容之比有所增加。 9 第2 章电容层析成像系统 极板 电容传感器阵列 ( a ) 圆形传感器( b ) 方形传感器 图2 2 电容成像系统传感器结构 2 3 电容测量电路 电容的测量电路在许多领域中都有设计，但它在不同的领域中的要求往往大 不相同。在电容成像系统中，不同极板组合之间的电容值通常在1 o p f 以下，属 于微电容测量范围，故要求测量电路具有以下几方面特性； ( 1 ) 抗分布电容能力。电容传感器各电极和屏蔽罩之间以及用于连接电极 和测量电路的同轴电缆与“地”之间均存在分布电容，其量值通常在几十到上百 p f ，远远大于被测电容值，因此为了准确测出电容值。测量电路必须具有克服分 布电容影响的能力。 ( 2 ) 大量程及高灵敏度。电容传感器任意两个极板组合构成一个两端子电 容，而且相邻极板之间和相对极板之间的电容值相差较大。对于我们所设计传感 器而言，相邻极板之间最大电容变化量可达上百f f ( 1 f f - 1 0 。p f ) ，相对极板 间最大电容变化只有几f f ，因此测量电路应具有高灵敏度及较大量程。 ( 3 ) 低漂移和高信噪比。工业现场往往环境恶劣且存在较强环境噪声，因 此要求测量电路具有较低漂移和较高信噪比，使整个系统具有较好的稳定性。 另外，电容成像系统的应用对象通常为快速变化的工业过程，为保证其实时 性，测量电路必须拥有较快的响应速度。 根据这些要求，目前用于电容成像系统的微电容测量常见的方法包括充放 电激励法、有源差分法及交流激励法等。下面将分别对各种测量原理进行介绍。 ( i ) 充放电激励 由h u a n gsm 提出的充放电法是研究较早的一种e c t 电容测量方法“”，为许 多f c t 系统所采用。基于电荷转移原理的电容测量法具有较好的抗杂散电容性能 第2 章电容层析成像系统 和较好的实时性能，其电路原理图如图2 3 所示。 图2 3 充放电激励电路原理图 图中e 为被测电容，其两电极分别与电子开关墨、s ：和墨、s 。相连，c 。 和c 。为两电极分别与地问形成的杂散电容，两个电流检测器电路如图所示。其 输出电压y 与电流j 。关系为： y - r ， ( 2 1 ) 最后得到的电流检测器的输出分别为： k 一一，k c ，r ，+ 巳 ( 2 2 ) 吒一，屹( ：r ，+ p 2 ( 2 3 ) 其中岛，岛是由于电荷注入效应产生的输出。 为了提高测量电路的灵敏度，一般采用差动测量方法，以两个电流检测器输 出电压之差来计算电容值： y 一吃一k ；2 皿r k e + h p ：j ( 2 4 ) 由于该差动结构使用不同的充放电回路，使得在充放电过程中积累在各分布 电容上的电荷不流过电流检测电路，这就在一定程度上消除了电极引线与屏蔽电 缆屏蔽层之间以及电极本身与屏蔽罩之间的分布电容带来的影响。但用这种方法 的电路本身就是不稳定的，输出值在趋向某一值后，会围绕该值作振荡。而且 c o m s 开关处于高频的导通关断状念下，由于其本身存在一定门电容，所以不可 避免的要导入一些注入电荷，在电荷检测器的输出端产生相应的输出电压，给电 荷测量带来误差，虽然采用了一些方法补偿注入电荷，但使得整个系统响应速度 降低，电路控制较为复杂，效果也不明显。在加上采用直流放大方式，会使得电 路随时问和温度漂移较为严重。 l l 第2 章电容层析成像系统 ( ) 有源差分法 荷兰d e l f t 大学k u h n 等提出了一种基于有源差分的微电电容测量方法“4 1 ”， 其原理图如图2 4 所示。 图2 4 基于有源差分的微电容测量电路 k u h n 的方法与h u a n gsm 提出的充放电激励的方法非常相似，不同之处在 于只用了单个充放电回路，这会使得测量信噪比较低。 ( i i i ) 交流激励法 目前在电容成像系统上使用较多的是由英国曼彻斯特大学电机工程和电子系 y a n g 霄q 提出的基于交流激励的微电容测量方法其基本原理如图2 5 所示。 图中c j 为被测电容，e 。和c j ：为电极与地之间的杂散电容。圪o ) 为施加的正弦 激励信号，理想情况下运放的输出可表示为： 喇一蒜州 ( 2 。) j 堋r ，+ 1阳舳 图2 5 基于交流激励的微电容测量电路 其中为激励电压k 0 ) 的角频率。当r ，足够大，使得m r ，c ， l 时，则 式( 2 5 ) 可简化为： 第2 章电容层析成像系统 圪( f ) = 一三三( f ) l ， ( 2 6 ) 即输出交流电压的幅度正比于c 。在图2 5 的电路中，流经c 。，的电流不会 流过被测电容c 。，所以不会对测量结果造成影响。而c ，：接在运算放大器的正负 输入端，在使用开环增益为无穷大的理想运算放大器的时候，由于c 。：两端电位 为零，没有电流流过，、因此不会影响测量结果。然而，使用开环增益有限的实际 运算放大器的情况下，由于运算放大器正负输入端之间电压差不为零，因此会有 电流流过c 但是分布电容c 。：对测量电路输出电压幅度的影响与c 。相比少了 几十万倍，所以可以忽略不计，因此该电路具有抗分布电容的能力。 基于交流法的电容检测电路的分辨率高，并且由于其信号放大为交流放大， 因而可有效抑制直流漂移的发生，稳定性较高。目前，许多用于实验研究和应用 研究的e c t 系统采用此电容测量方法。 通过上述介绍，交流检测电路虽然比直流充放电电路的结构复杂、成本高， 但是它的性能更好、分辨率更高，所以本文采用了交流激励的检测电路。 2 4 电容数据采集系统 电容数据采集系统包括多通道的数据采集控制，电容电压( c v ) 转换，a d 转换及通讯接口等。其中电容电压( c v ) 转换电路的设计是最关键也是最困难 的。用于成像的数据就是该系统采集并传输给计算机的数据，成像的准确性很大 程度上依赖于该系统的准确性。 数据采集系统中的多通道数据采集控制由多通道扫描电路完成，该电路的作 用是根据计算机指令的要求选择相应的两个电极作为测量电极，测量其电容值， 同时使其它闲置电极可靠接地。电容数据采集系统的a d 转换及通讯接口的作 用就是完成a d 转换，并且负责对原始数据的模拟滤波和处理，以及与计算机 进行通讯。本系统的电容电压转换是将两个检测电极间的电容值转换成电压值， 以便于测量。由于电容传感器极板间的电容值很小，在我们所研究的1 2 电极系 统中电容值的数量级是o 0 5 p f 级，最大值和最小值相差近2 0 倍，测量如此微小、 相差倍数又较大的电容是比较困难的，这对数据采集系统尤其是对电容电压转 换部分提出了较高的要求，这是电容层析成像技术发展过程中的主要难题之一， 也是e c t 技术的一个主要研究方向。 第2 章电容层析成像系统 2 5 成像系统 成像系统采用的是p c 机，它主要负责对外围接口电路发出指令控制数据采 集系统采集数据并从数据采集系统接收数据，然后采用相应的算法进行图像重建 和幽像显示。由于应用的环境不同，对图像重建的要求也各不相同。在实时检测 中，对图像重建的速度要求较高，重建的速度不低于2 4 帧每秒；在非实时检测 中对速度的要求相对较低，但对精度的要求则要高一些。 由于课题分工的不同，本论文只探讨系统的传感器优化设计、测量电子线路 的设计和实施以及数据采集，图像重建等方面的内容不在本论文的讨论范围内。 2 6 本章小结 本章对电容层析成像系统的基本原理及组成进行了介绍，其中主要介绍了几 种不同的微电容测量电路的设计及其优缺点，并根据本课题的要求选择了交流激 励的测量方法。 1 4 第3 章电容层析成像系统硬件设计 第3 章电容层析成像系统硬件设计 3 ，1e c t 硬件电路设计总体方案 目前，电容层析成像系统多采用如图3 1 所示的方案在电子测量电路和成像 计算机之间进行连接以实现数据采集和交换，即采用数据采集卡和测量系统之间 完成电气连接，测量系统的工作完全由成像计算机来控制。这种方式的最大优点 就是减小了硬件系统的开发复杂度，即只需要完成测量电子线路的设计和开发。 本设计就是采用这种方案。但是由于数据采集卡通过扁平电缆直接采集测量系统 输出的模拟信号，为减小模拟信号的衰减对测量结果的影响，成像计算机和测量 系统之间的距离受到限制，通常在l 米以内。 微小电容测量电路是整个系统中最核心的部分，它设计的优良与否直接关系 到系统设计的成败。从8 0 年代起，人们就开始了对微小电容测量电路的研究， 其中充放电电路和交流电容检测电路因具有较好的抑制杂散电容干扰的能力， 而最为常用“”。表3 1 对两种电路的优缺点进行了比较。 参考信号 图3 1 电容成像系统框图 第3 章电容层析成像系统硬件设计 表3 1 两种c v 转换电路的比较 电路结构优点 缺点特点 1 c v 转换电路中采1 抗杂散电容 直流充 放电电路 1 结构简单用c m o s 开关存在电荷 2 分辨率可达o 3 f f 2 成本低注入问题 3 充放电频率最高为 2 有漂移问题 2 5 删z 1 低漂移 1 抗杂散电容 交流检测 2 高信噪比1 结构复杂2 分辨率可达o 0 4 f f 3 不存在电荷 2 成本高 3 激励信号频率最高1 姗z 电路 注入问题 由表3 1 可知，交流激励电路虽然比直流充放电电路的结构复杂、成本高， 但是它的性能更好、分辨率更高，所以本文采用了交流激励检测电路。 经过上述两种微小电容测量电路比较分析后，确定了如图3 2 所示的e c t 系统总体方案。整个系统由单片机控制处理电路、正弦信号产生电路、传感器及 极板控制电路、交流c v 转换及放大电路、相敏解调及低通滤波电路、p c i l 7 1 2 数据采集卡等组成。 图3 2e c t 硬件系统组成框图 系统的工作原理如下：正弦信号产生电路由单片机控制，产生两路频率相同 幅度不同的正弦波一路送入传感器极板作为激励信号，产生电容，经过交流c v 转换及放大电路，将电容信号转换成电压信号，并进行放大处理；另一路送入相 敏解调电路中，与测得的电压信号相乘进行调制，再通过低通滤波器进行解调， 最后得到的数据输入到p c l l 7 1 2 数据采集卡中，采集到的数据最终送到计算机进 第3 章电容层析成像系统硬件设计 行图像重建。 f 面将对各个部分电路加以具体介绍。 3 2 单片机控制电路和正弦信号产生电路 本文采用的是交流激励的测量方法，由单片机控制两片a d 7 0