（检测技术与自动化装置专业论文）应用电阻层析成像与相关测量技术测量两相流参数.pdf

摘要 气/ 液两相流广泛地存在于自 然界和工业过程中中，其流体参数的测量一直 以来是工业过程和科学研究中倍受关注的课题。 本文主要围绕两相流中气相的相含率、 相速度以 及气相流量的估计问题， 详 细介绍了将电阻层析成像技术 ( e r t ) 与相关流量测量技术相结合进行气相流量 测量的大体方案、理论依据和实现过程中的一些关键问题。 在本论文的研究中，作者主要完成了以 下几方面的工作: 1 系统阐述了将电阻层析成像技术和相关流量测量技术相结合进行两相流气 相流量测量的思路、 实现方案和理论基础; 并就双e r t电 极阵列的 传感器间 距和系统激励方式的选择， 以 及e r t敏感场的三维效应等实际问 题进行了分 析和讨论。 2 .提出了基于e r t 边界电 压特征值的两相流分相含率估计方法， 通过有限元仿 真和实验手段具体分析了 影响分相含率的因素， 得出了 部分流型下边界电 压 特征值与截面相含率之间的函数关系。 3 .实现了基于e r t的1 2 0 单元像素相关算法， 对于像素相关得到的气相速度进 行了 讨论，并给出了气相流速廓形分布图像的初步处理方法。 4 .提出并实现了将边界电压特征值的分相含率估计与相关运算相结合测量气 相流量的方法。 5 .设计了 模拟实验方案， 对像素相关和边界电 压特征值相关两种气相流量估计 方法的可行性和可靠性进行了验证。通过比 较两种估计方法得到的实验结 果，对其适用性进行了初步的探讨。 本文所讨论的两种气相流量估计方法中，像素相关方法得到的结果参数信 息丰富， 精度相对较高， 而边界电 压特征值相关的方法简单明了，实时性好， 且 对气相速度的方向 要求较低。基于 e r t技术的像素相关和边界电 压特征值相关 方法，是e r t技术与相关测量技术相结合在两相流流量测量方面的一种新的应 用， 对于工业现场条件下的应用具有实际意义。 关键词气/ 液两相流电阻层析成像 相关流量测量技术分相含率 ab s t r a c t t h e g a s / l i q u i d t w o - p h a s e fl o w i s v e r y t y p i c a l i n n a t u r e a n d in d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s , a n d m e as u r e m e n t o f i t s p a r a m e t e r s i s a l w a y s d e s i r e d f o r in d u s t r i a l a n d a c a d e m i c u s e . f o c u s i n g u p o n t h e g a s p h a s e i n a g a s / l i q u i d fl o w , t h i s p a p e r c o m b i n e d t h e e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e t o m o g r a p h y w i t h t h e c r o s s c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e t o g iv e a n e s t i m a t e o f t h e g a s s fl o w r a t e , a n d d i s c u s s e d i n d e t a i l s t h e p r o j e c t , t h e t h e o ry a n d s o m e k e y c o m p o n e n t s w h e n p u tt i n g t h e m e t h o d i n t o p r a c t i c e t h e s p e c i f i c w o r k t h a t t h e a u t h o r h a s f in i s h e d i n t h i s r e s e a r c h i s as f e l l o w s : 1 . t h e o r e t i c a l a n a l y s e s a n d a p p l i c a t i o n d e t a i l s w e r e i n t r o d u c e d a r o u n d m e as u r e m e n t o f t h e g as s fl o w r a t e w i t h t h e e r t t e c h n i q u e a n d t h e c r o s s - c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e . s p e c i f i c d e s i g n i n g w a s c o m p le t e d o n th e s e n s o r s d i s t a n c e a n d t h e w o r k i n g s t y l e o f t h e s a m p l i n g u n i t , a n d t h r e e d i m e n s i o n e ff e c t o f t h e e l e c tr i c f i e l d i n s i d e t h e p i p e wa s d i s c u s s e d a s we l l . 2 . a n e w m e t h o d f o r e s t i m a t in g t h e v o i d fr a c t i o n o f g a s / l i q u i d fl o w s w a s p u t f o r w a r d w h i c h i s b a s e d o n t h e e i g e n v a l u e o f s a m p l e d v o l t a g e d a t a . f i n i t e e l e m e n t m e t h o d a n d s o m e e x p e r i m e n t s w e r e a d o p t e d t o d e m o n s t r a t e t h e f a c t o r s i n fl u e n c i n g t h e fl o w s v o i d fr a c t i o n , a n d th e q u a n t i t y r e l a t i o n b e t w e e n v o i d f r a c t i o n a n d s a m p l e d v o l t a g e s w a s a c q u i r e d u l t i m a t e l y . 3 . a 1 2 0 - p i x e l c r o s s - c o r r e l a t io n a l g o r i t h m w as a c c o m p l i s h e d w h i c h i s b as e d u p o n s e n s i t i v it y c o e ff i c i e n t a l g o r i t h m -a n im a g e r e c o n s t ru c t i o n a l g o r i t h m u s e d i n e r t t h e v e l o c i t y d a t a a c q u i r e d b y t h e 1 2 0 - u n i t p i x e l - c o r r e l a t i o n m e t h o d w a s a l s o p r o c e s s e d t o p r o v i d e a p r o f i l e o f t h e g a s s m o v i n g , a n d s o m e e l e m e n t a r y m e t h o d w a s c a r r i e d o n t o o p t i m i z e t h e p r o fi l e s e ff e c t 4 . c o m b i n a t i o n o f t h e e i g e n v a l u e o f t h e s a m p l e d v o l t a g e s a n d c r o s s - c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m w a s a c h i e v e d t o m e a s u r e t h e g as s fl o w r a t e 5 . t w o e x p e r i m e n t s w e r e p l a n n e d t o e v a lu a t e t h e v a l i d i t y a n d r o b u s t n e s s o f t h o s e t w o m e t h o d s . e x p e r i m e n t s r e s u l t s w e r e c a re f u l l y c o m p a r e d t o a n a l y z e t h e i r c h a r a c t e r s r e s p e c t i v e l y . i t c a n b e c o n c l u d e d t h a t t h e p ix e l - c o r r e l a t io n m e t h o d p r o v i d e s r e l a t i v e l y a b u n d a n t r e s u l t s a n d c a n ma k e e s t i ma t i o n mo r e a c c u r a t e t h a n t h a t o f t h e e i g e n v a l u e - c o r r e l a t i o n m e t h o d . wh i l e t h e e i g e n v a l u e - c o r r e l a t i o n m e t h o d h a s s u c h a d v a n t a g e s t h a t i t c a n b e r e a l i z e d e asi l y a n d c a n p r o c e s s t h e d a t a i n a s h o rt e r t i m e . e s p e c i a l l y w h e n t h e g a s h a s a v e l o c i t y v e r ti c a l t o t h e p ip e l i n e , t h e e i g e n v a l u e - c o r r e l a t i o n m e t h o d i s i m m u n e fr o m i t s i n fl u e n c e , w h i l e t h e p i x e l- c o r r e l a t i o n w i l l p r o d u c e l a r g e e r r o r . b o t h t h e p i x e l - c o r r e l a t i o n m e t h o d a n d t h e e i g e n v a l u e - c o r r e l a t io n m e t h o d a r e n e w a p p l i c a t i o n s o f t h e e r t a n d c r o s s - c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e t o m e a s u r e fl o w r a t e o f t h e g a s / l i q u i d fl o w . t h e y c a n b e r e g a r d e d a s v a l u a b l e t o o l s t o m e a s u r e t w o - p h a s e fl o w s i n i n d u s t ry . k e y w o r d : t h e g as / l i q u i d t w o - p h as e f l o w , c r o s s c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e , e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e t o m o g r a p h y , v o i d f r a c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以 标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己 经发表 或 撰 写 过 的 研 究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得k; 哒一 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而使用过的 材料。 与我一同 工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名乔 愁 签 字 日 期 : 飞 ，弓 年 i 月峥日 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解远生夕数 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 止 互 建 生 j 兰 可以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名: 导师签名 签 字 日 期 ; .卜 帅 弓 年签 字 日 期 飞 声 。 。 令 年 月， ? 日 第一章绪 论 第一章绪论 1 . 1 两相流与两相流参数检测 1 . 1 . 1 两相流及其参数检测意义 多相流通常是指同时存在两种或多种物质 ( 称之为“ 相” )的流动， 包括气/ 液、气/ 固、液/ 固、液/ 液 ( 如油/ 水) 两相流，以及气/ 液/ 液、气/ 液/ 固三相流等。 多相流动体系中又以 两相流动体系最为普遍. 两相流动体系在自 然界和工业过程 中是普遍存在的， 如自 然界的大漠扬砂， 江河中的泥石俱下， 以及空中烟尘弥散、 雨雹交浸等都是与人类生活有关的两相流现象。 而生物系人体中所含的流体， 如 血液和奶液， 也都是含有多种细胞、 微粒或液滴悬浮体的两相流。 在石油、 化工、 电力、建材以及环境工程等领域也都广泛存在着两相流动现象。 由于两相流动中各相间存在着分相含率和相对运动速度的差异以及界面效 应， 致使其流动特性远比单相流系统复杂， 特征参数也比 单相流系统丰富， 数学 描述难度较高， 相应地两相流参数检测的难度也较大。 要认清两相流体系的复杂 现象， 揭示两相流运动的机理， 建立两相流动模型并对流动过程进行预测或控制， 首 先 要 解 决 的 就 是 两 相 流 检 测 的 技 术 问 题 1 1 z 1 。 随 着 海 洋 石 油 开 采 和 海 洋 高 技 术 的发展， 加之工业生产过程中计量、 节能和控制精度的提高， 对于两相流参数检 测 的 要 求 越 来 越 迫 切 3 1 。 此 外 ， 两 相 流 参 数 检 测 技 术 还 能 为 流 体 力 学 工 作 者 提 供 强有力的实验手段， 促进两相流体力学理论的发展， 为两相流过程工艺设计提供 理论依据。 近几十年来，国内外科技工作者在解决两相流流动参数的检测问 题上开展了 大量的理论与实验研究工作， 己经取得了一些成果， 已开发出一些商品化的多相 流量计产品，并在一定范围内得到应用， 但是仍存在许多问题。 例如， 传统的分 离式方法由 于投资大、 结构工艺复杂、 实时性差、 适用范围小、 安装控制复杂以 及难以建立各测量参数之间的相互关系，使得两相1 多相管流的检测只能是在一 定 的 限 制 条 件 下 解 决 。 近 年 来 采 用 的 电 导 探 针 4 1 、 差 压 信 号 分 析 等 方 法 5 1 ， 也 只 是基于单点测量获得的信息量来判断流动形态和估计流动参数， 传感器对流体流 动有阻碍或扰动作用， 获得的信息不能完全真实反映流动状况。 而采用光学传感 器的检测方法，则需要有特定的观测 “ 窗口” 为解决两相1 多相流的计量问题，我国在 “ 八五、九五”规划以 及八六三高 科技计划中都对两相流的研究给予了高度重视， 两相流测试技术的研究也取得了 第一章绪 论 很大进展， 但目 前两相流参数检测的发展水平还远未满足工业应用的要求。 因此， 两 相 流 检 测 技 术 无 论 在国 际 还 是 国 内 都 属 于 一 个 急 待 发 展 的 研 究 领 域 s 7 1 二 ， . 2两相流的参数 两相流动中， 由于两相间的 相互作用， 存在一个形状和分布在时间和空间 里均是随机可变的相界面， 而相间实际上又存在滑差速度， 致使流经管道的分相 流量比和分相所占的管截面面积比并不相等。 因此， 描述两相流动的参数比单相 流动的参数多。 ， .流量和流速 对 两 相流 体的 流 量可 用 质量 流 量m( k g / s ) ， 即 单 位时 间内 流过 管 道 的 介 质 流 量 或 体 积 流 量q ( m 3 /s ) ， 即 单 位 时 间 内 流 过 流 道 的 介 质 体 积 来 表 示 。 对 于 各 相 流 量 可 用分 相 质量 流量m k 、 分 相 体 积 流 量么描 述 其中， ( k = g , 1 ) , g 表 示 气 相， 1 表 示 液 相 m= m b + m r . q = q , + q i 。 以 管 道 总 流 通 截 面 计 算 的 介 质 流 速 为 表 观 速 度( s u p e r f ic ia l v e lo c it y ) ， 用叭 表 示。 u 、 一 么/ a = m , i p k a = 吼i p k ， u 一 u 十 u , 。 同 时 ， 两 相 流 动 中 相 间 存 在 相 对 速 度 v , ( m / s ) , v , = v , - v , ; 滑 速 比( s ) 为 气 i 液 两 相 速 度 的 比 值 ， s 一 ， a w , 2 .截面含气率 流场中 某一考察单元内 气相所占 的 体积份额， 称为空泡率 ( v o id f r a c t io n ) a( 无 量 纲 ) ， 。 一 咋 / v ， 也 称 容 积 含 气 率( v o lu m e f r a c t io n o f g a s ) . 当 所 取 考察体长度为l 二 0 时，a 也称为截面空泡率或截面含气率，简称空泡率。 3 .流型 流型又称流态，即流体流动的形式或结构。 两相间存在随机可变的相界面， 致使两相流动形式多种多样， 十分复杂。 流型不但影响两相流动特性和传质、 传 热性能， 而且两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对它的了解， 也是影响仪 器测量响应变化的主要因素。 对于气液两相管流而言， 在垂直管的气液两相流流动中， 其基本流型有泡状 流( b u b b ly f lo w ) 、 弹 状 流( s lu g f lo w ) . 塞 状 流( p lu g f lo w ) . 揽 拌 流( c h u r n f lo w ) 、环状流 ( a n n u la r f lo w) .雾状流一 ( m is t f lo w )以及各流型的交叉形式。 在水 平流动中， 大致有泡状流、 弹 状流、 塞状 流、 分层流 ( s t r a t if ie d f lo w ) 、 波 状流 ( wa v y f lo w ) 、 环状流、 雾状 流，同 样也 会出 现交叉流型。 第一章绪 论 4 .密度参数 在两相流动中，密度也是一个常用参数，根据研究需要也有几种表示方法。 真 实 密 度 p , ( k g l m 3 ) ， p 。 一 a p g + (1 - a ) p l 。 表 示 两 相 流 场 中 单 位 体 积 的 质 量 。 流 量 密 度p c m( 心l m 3 ) 表 示 单 位 时 间 流 过 管 道 通 过 某 截 面 或 出 口 截 面 ) 的两相流体积计算出的密度，也称为混合密度。 除上述主要参数描述两相流之外， 压力、 温度、 传热系数、 传质系数、临界 热通量、相的尺寸及分布等也都是描述两相流动的一些特征参数。 根据被测参数在设备及系统中的 应用情况，可将两相流主要参数分类如表 1 - 1 所 示 t 表1 一 ， 两相流主要参数分类 参 数 类 别相关参数作用 直接与设计有 关 用以提供系统在稳态或 事故状态下设计的极限数据 与系统研究有 关 压力、差压、分相含率、 流量、传热系数、传质系数 和临界热通量等 流型、相浓度分布 ( 局 部分相含率) 、速度分布、质 量流量分布、气泡、液滴和 颗粒尺寸及分布、膜厚度幅 值分布等 是时间或空间的平均参 数，是为了改进设计并对系 统进行研究所必须了解的参 数 与两相流过程 设备运行状况 有关 是系统随时间变化的波 速度波动、压力波动、 动参数，对过程稳定性、产 温度波动、相浓度波动等品的质量和产量有很大的影 响 本论文着重就气液两相流中 气相的分相含率 ( v o id f r a c t io n ) 、气相的分相 速 度， : ( v e lo c it y o f g a s ) 及 气 相 的 体 积 流 量( v o lu m e f lo w r a t e o f g a s ) 参 数 的 检 测与估计展开讨论。 1 . 2国内外两相流检测方法的研究现状 两相流流动参数的检测是一个难度较大、国内外都急待研究和探索的领域， 其发展趋势和研究方向可归纳为以下几个方面: 将成熟的单相流检a ll 技术应用于 两相流参数测量; 完善与推广目 前已有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试 技术的应用;应用新的信号处理技术和方法进行两相流参数测量、分析和监视; 第一章绪 论 进一步发展两相流动过程中 参数测量系统的建模、 特征参数选取， 对时变性的自 适应功能和动态跟踪能力等的基础理论研究， 以及多相流参数校验标定手段和误 差分析等基础方法研究; 借助于各种新技术的发展， 研制高灵敏度、 高准确度和 高可靠性的两相流传感器和参数检测仪表。 . 传统的两相流参数检测技术 在对各类两相流的不同 流型进行测量时， 由于传统的 单相流测量仪表工作可 靠， 被许多应用者所熟悉， 再根据被测对象工况配以 合适的测量模型， 能在一定 范 围 内 解 决 许 多 两 相 流 参 数 的 测 量 问 题 。 如 ， 对 于 差 压 式 流 量 计 闭 、 涡 轮 流 量 计 s1涡 街 流 量 计 10 1 、 电 磁 流 量 计 以 及 科 里 奥 利 力 流 量 计 等 1 1 , 12 1 ， 分 别 提 出 和 建 立了 两相流量模型，用于平均流量、分相流量、相含率等方面的测量。 . 基于现代信号处理技术的流动参数检测技术 这类方法主要是以 近年来兴起的软测量技术为代表。 所谓软测量是利用较易 在线测量的辅助过程变量和离线分析信息去估计不可测和难测过程参数的在线 估计的方法。 它通常建立在成熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为核心， 通 过建立模型运算处理而完成的。软测量技术在两相流中的应用主要是将模糊数 学、 状态估计、过程参数辨识、 人工神经网络、 小波变换、 模式识别、 近代谱估 计 等 理 论 问 题 引 入 两 相 流 参 数 测 试 领 域 中 来 13- 171 ， 解 决 具 有 复 杂 性 、 不 确 定 性 、 且很难用数学模型精确描述的两相流系统的测试问 题。 . 基于新型传感技术的两相流流动参数检测技术 在近几十年来的两相流参数测试研究中， 人们为了更准确的测量多相流管截 面上的相含率、 局部相含率的 轴向 和径向 分布、 波动频率、 各相速度和结构尺寸、 分相界面以 及组分浓度及分布等信息， 实现非接触、 无扰方式的信息采集， 将许 多新型传感技术和现代信号处理技术应用到两相流测量中。 在两相流测量中所采用的新型传感技术，主要具有以 下几方面的特点: .对流体流动无干扰、无阻碍作用 不破坏流场)的非接触或非侵入式传 感技术; .从一维局部平均观测发展出来的二维/ 三维时空历程的观测技术; . 具有良 好动态性能的实时 在线检测技术; . 将微观检测与宏观检测结合形成的新型检测技术; . 由 单一信息检测发展的多信息检测的 传感器融合技术。 应用于两相流参数测量的具体新型传感技术有:辐射线技术、激光技术、光 第一章绪 论 纤技术、 核磁共振技术、 超声波技术、 微波技术、 光谱技术、 新型示踪技术、 相 关 技 术 、 过 程 层 析 成 像 技 术 等 38 - 22 1 。 过程层析成像技术 ( p r o c e s s t o m o g r a p h y , 缩写为p t ) 是二十世纪8 0 年 代中期正式形成和发展起来的， 一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二 维或三维分布状况的 在线实时检测技术。 它采用非侵入或非接触方式测量， 能在 线连续的提供二维或三维的可视化信息， 并可经过进一步处理提取若干有关被测 两相流体的特征参数，因此受到了 科技工作者的普遍关注。 相关技术在理论上可用来测量任何流体系统的流量 ( 单相流， 气1 液、 气1 固、 液 / 固 两相流及气/ 液i 固多相流) ; 而且测量流速的范围很宽， 可从层流到超音速， 因而为解决两相流系统测试问题提供了一种强有力的技术手段。自 二十世纪 6 0 年代中 期发展起来的、 以 相关技术基础构成的两相流测量系统， 在国外已 形成商 品 化 工 业 仪 表 ， 是 目 前 两 相 流 测 试 中 极 少 数 己 形 成 工 业 型 仪 表 的 一 种 2:31 。 在 工 业喷吹煤粉流量、 纸浆流量、 石油流量测量中均有应用。 但是在非均相流体的多 相流系统中相关流速的物理意义仍不明确， 由测得的渡越时间而得到的相关流速 往 往 大 于 实 际 平 均 流 速 2 97 。 鉴 于 相 关 技 术 有 其 独 特 的 优 点 ， 人 们 也 研 究 各 种 改 进 的 策 略 ， 有 梯 度 相 关 法 、 广 义 互 相 关 法 等 (2 5 1 本文所采用的是基于电阻层析成像 ( e r 下 ) 技术的相关流量测量方法， 进行 气1 液两相流气相流量的测量。 将p t技术与相关流量测量技术相结合进行多相流 流量测量的概念最早由日 e c k 和will ia m s 等人于1 9 9 5 年提出并进行了理论探讨 2 s 1 o l o h 和l u c a s 等 人 于1 9 9 9 年 实 现了e r t 与 相关 测 速 理 论 相 结 合 用 于 液 固 两 相 流 的 流 量 测 量c 27 , 28 1 ， 2 0 0 1 年 a rt u r j j a w o rs k i 和d y a k o w s k i 应 用e c t 技 术 与 相 关 理 论 相 结 合 进 行 了 气 固 两 相 流 的 实 验 2 9 1 。 目 前 在 国 内 ， 本 课 题 组 的 邓 湘博士于2 0 0 1 年首先完成了基于e r t的相关流量测量系统的传感器设计和数 据 采 集 部 分 的 硬 件电 路 设 计 ， 并 进 行 了1 6 像 素 相 关 的 速 度 测 量 3 0 . 3 1 7 1 .3课题的主要研究内容 本研究课题受国家8 6 3 计划项目 “ 海洋探查与资源开发技术的水下多相流油 气自 动开采技术”( 项目号:2 0 0 1 a a 4 1 3 2 1 0 )和国家自然科学基金 ( 项目号: 5 0 2 7 6 0 4 3 )的 支持。主要研究内 容在于: 1 . 提出基于边界电压特征值的两相流分相含率的直接信息提取方法，通过 有限元仿真和模拟实验的手段进行验证， 从而建立边界电压特征值与分相含率之 间函数关系。 第一章绪 论 2实现基于边界电压特征值的相关气相流量测量方法，通过模拟实验初步 证明该方法用于两相流离散相流量测量的可行性。 3 . 实现1 2 0 单元的 基于e r t 灵敏度系数图 像重建算法的像素相关， 得出 气 相速度分布图像，并对图 像效果进行初步处理。 4实现基于 1 2 0 像素相关的气相流量测量，进行实验验证，并对所得到结 果的意义进行分析和探讨。 1 .4 本论文的组织 论文各章节的具体安排如下: 第一章绪论。针对论文讨论的 对象两相流作简要说明，包括其概念、主 要参数、 参数检测的方法以 及目 前两相流检测的 现状， 介绍课题的来源、 主要内 容和本论文的组织结构。 第二章电阻层析成像技术。主要对电阻层析成像技术的基本原理、构成 及应用情况进行简要介绍，重点说明e r t的正问题求解，阐述灵敏度反投影算 法的思想和数学原理。 第三章相关流量测量技术。系统介绍相关流量测量技术的基本原理和主 要应用，进而详细讨论基于 丁算法的相关测速算法。 第四章双e r 下电极阵列相关的气相流量测量系统。 从总体上介绍进行气 相流量估计所需的两个参数， 即气相截面含率和气相速度; 介绍本论文所采用的 两种流量估计方法， 即像素相关和边界电 压特征值相关， 具体包括理论分析、 系 统的体系结构、数据的处理流程以及硬件系统的大致设计。 第五章分相含率的测量研究。说明利用边界电压特征值和图像重建两种 途径进行相含率估计的方法; 重点阐述基于边界电压特征值的分相含率特征提取 方法，并给出 仿真和实验回归的结果;就e r t敏感场三维效应对分相含率估计 的影响进行了 说明。 第六章气相流量测量的模拟实验和处理。 分别讨论单气相模型和双气相 模型模拟实验的设计; 两种实验的数据分别使用像素相关和边界电压特征值相关 处理得到的气相速度和流量的比较; 利用像素相关方法重建出管道截面内气相模 型的移动速度图像，并对图像效果的改进进行初步探讨。 第七章总结与建议。对作者的工作进行概括性的总结，并对课题的继续 深入提出一些建议。 第二章电阻 层析成像技术 第二章电阻层析成像技术 过程层析成像技术 ( p r o c e s s t o m o g r a p h y ) 起源于医 用计算机层析成像技术 ( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) ， 是c t 技术在i业过程参数检测中的 应用。 其基本 内容是，采用特殊设计的敏感器空间阵列，以非接触或非侵入的方式获取被测物 场的信息;运用并行处理技术及定性、定量的图像重建算法，在线实时地重建出 被测物场的图像;通过对重建图像信息的分析以及不同时刻下重建图像信息的比 较， 获得被测物场的分布状态和运动变化特征， 如:管道截面上介质的分布、 介 质的面积含率，多相管流的流动形态等;有时， 还要根据图像提取出的 特征参数， 按 照 有 关 的 理 论 模 型 ， 发 出 相 应 的 控 制 信 号 ， 以 实 现 对 被 测 观 测 过 程 的 调 节 32 1 目 前己 有多种基于不同敏感原理的p t 技术问世， 如: 射线技术 ( x 射线、y 射线) 33 , 34 1 、 超 声 技 术 3 5 、 光 学 技 术 3 6 、 微 波 技 术 、 电 学 技 术 等 3 7 1 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。 最早由天津大学和清华大学分别开展了 超声和电容p t 技术的 研究。 不久国内 其它高校如浙江大学、东北大学等也开展了电容p t技术的研究。根据有关报道， 国内研究的p t 技术已涉及超声、电阻、电容、电 磁感应等方面。目 前， 天津大学 的p t小 组正积极开 展e r t ( 电 阻 ) 、 e m t ( 电 磁 ) 和 超声 层析 成像系统在 科学实 验 及 工 业 生 产 过 程 中 的 应 用 研 究 30 ， 其 中e r t 己 在 气 / 液 两 相 流 和 油 /水 两 相 流 实 验 装 置上进行过动态实验研究，并以申 报了多项国家发明专利。 2 . 1 电阻层析成像( e r t ) 技术 电阻层析成像 ( e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e t o m o g r a p h y ) 技术是基于电学敏感 原 理的电 阻 抗 层析成像技术 ( e l e c t r i c a l i m p e d a n c e t o m o g r a p h y ) 的 一 种简 化 情 况，仅对物场的电阻信息进行检测。电阻层析成像技术的起源可以 追溯到上世纪 2 0年代，当时的地质学家通过在地上插入一定数量的电极，在其中一对电极间注 入电流，同时测量其他电极上的电位来获得地下的地层分布。上世纪7 0 年代， 生 物医学研究者提出了圆形电极阵列的断层电阻率测量技术，期望能找到一种快速、 安 全、 低成本的 技术来取代已 成功 应用的x射线c t 机。 1 9 8 8 年， 英国u m i s t 开 始了 应用电阻层析成像技术监视导电流体的研究工作，并取得了很大进展，已 经 在 搅 拌 器 和 旋 流 器 等 试 验 装 置 上 进 行 了 应 用 性 研 究 3 6 . 3 9 。 为 了 满 足 两 相 流 测 量 的 实时性要求， 1 9 9 8 年u mi s t大学研制出m k 2 a 系统。 该系统数据采集速率可达1 0 0 幅 / 秒 1 0 4 点 / 幅) ， 数据传输速率大于l m b / s ， 并己 在实验室的 石油开采用泥浆测 量装置上进行了实验， 其结果较为令人满意。 1 9 9 8 年英国l e e d s 大学的w i l l i a m s r .a 第二章电阻层析成像技术 教 授以 及d r . w a n g m等 人以自 行开 发 的e r t 系 统 及 相 应的 专 利作为 技 术 入股 组 建 了“ 工业层析成像系统有限公司” ，并推出了i t s - 1 0 0 0 型e r t系统样机。该系统 数据采集速率为2 5 幅/ 秒 c 3 8 .4 k h z 电流激励、1 0 4 点/ 幅、数字解调) 。 己 有 的e r 下 系 统 通 常 是由 以 下 三 个 主 要 部 分 构 成 如 图2 - 1 所 示 ) 6 l 获取被测物场信息的空间 敏感电 极阵列。 它在交流电压电 流激励下， 形成 一个可从不同观测角度扫掠被测物场的空间敏感场，物场内部电导率分布和变化 对敏感场产生调制作用，使敏感阵列输出相应的信号。 数据采集与处理单元。其任务是快速实时的采集空间敏感阵列输出的反 映被测物场二维1 三维分布状态的大量瞬时信号，并完成相应的解调、 滤波处理， 以获得直接反映物场变化的信息。 图像重建与物场参数提取单元。其任务是运用图 像重建算法，根据处理 后的数据，获得被测物场的二维或三维图像以及变化的时间历程，使人们直接看 到过程设备或装置内部某个截面上不同电导率的分布，同时又可运用相应的软件， 提取出 被测物场的特征信息，如流型、相速度、相含率、相分布等等。 物 场 孟 建 图像 物 场特 征参 数 图2 - 1电阻层析成像系统原理图 天津大学过程层析成像小组在徐荃安教授的带领下经过十多年的努力已 经成 功的开发出了 一系列的电阻层像成像系统样机， 本论文进行模拟实验所用的 硬件 系统为双电极阵列的e r t 样机。 2 . 1 e r t 的正问题 e r t中的正问题是指己知物场的分布和敏感场的初始条件及边界条件，求取 电 磁场的 场量分布的 过程， 对于e r t即求激励敏感场内电 势沪 的分布的过程。 论 文中在讨论两相流分相含率的估计问 题和e r t敏感场的三维效应问 题时， 对场域 进行了有限元仿真计算，其数学基础是e r t正问题的数值求解。 第三章相关流量测量技术 第三章相关流量测量技术 3 . ，相关流速测量技术简介 相关流速测量技术是以 随机过程的相关理论和信息理论为基础发展起来的 一种流动参数检测技术。相关技术应用于工业生产过程的连续检测和控制的研 究始于二十世纪六十年代。随着相关流量 ( 速) 测量技术的完善与发展， 越来 越显示出它在解决所谓困难流体的参数测量，特别是两相 ( 气1 液、 气/ 固和液i 固 等) 流体以 及多相 ( 多组 份) 流体的参数测量问 题上所具有的巨 大潜力， 并 己被证明是解决两相管流检测问题的一个强有力的技术工具。 1 9 6 1 年，英国b u tt e rf ie ld 等人利用热轧带钢表面存在的微小凹凸不一致性 在运动过程中所引起的 随机噪声信号，首次提出并实现了热轧带钢速度的相关 测量。此后，英国、西德、美国、日 本等许多国 家的测量技术及仪表研究工作 者相继开展了 相关流速测量技术的研究. b e c k 于 ， 9 6 9年在他的博士论文中提 出 了 利 用 自 然 产 生 的 流 动 噪 声 的 互 相 关 方 法 的 基 本 理 论 (43 . 4 4 7 。 我 国 从7 0 年 代 末8 0 年代初开始在一些高校和科研部门逐步展开了这方面的研究工作， 并己 取 得了 不少阶段性成果。 相关流量计的 研究和开发目 标是解决困 难流体流量的测 量问 题，因此困难流体 ( 尤其是急需解决的两相流或多相流)的流量测量是相 关流量计主要的应用领域。目 前国外己 有多家仪器仪表制造厂商开发出定型的 相关流量计，并在工业现场实际运行多年，取得了 较好的应用效果。例如， 瑞 典的e u r - c o n t r o l 公司制造了基于光纤光学传感器的相关流量计用于纸浆流量的 在线 测量， t e a lg a t e公司开发了 基于电 容 传感器和电 动 力学传感器的 相关 流量 计 用于测量气固两相流和气液固 三相流体， b r o w n - b o v e r i- k e n t 公司的 超声相关 流量计可用于液固和气液两相流体流量的测量， e + 日公司己 研制了系列化的定 型 相 关 器 己 适 用 于 不 同 的 传 感 器 系 统 和 应 用 场 合 4 5 - 4 7 与其它两相流体流动参数测量技术相比 较， 相关流速测量技术有着许多突 出的 优点:如它可直接利用被测流体内部 存在的随机流动噪声现象所产生的对 传 感器的 调制作用来 提取 有用的流动噪声 信号， 而无须在流体中 投入示踪 物; 对于不同的测量对象，只需根据流体的物理、化学特性，选择合适的传感器， 而相关流量 ( 速)测量的主体部分可保持不变，有很强的适应性;系统的传感 器部分可做成夹钳式结构，无可动部件，对被测流体不会产生阻碍作用; 测量 第三章相关流量测量技术 结果与被测流体的工作参数的变化基本无关;与浓度或密度传感器相配合，可 实现两相及多相流体的体积流率或质量流率的分别计量等等。 但在以往的研究中，对于如何优化设计传感器，以更充分的获取两相流流 动随机噪声信息，研究不够深入，且简单地运用相关流速测量方法，对于相关 流速物理意义的阐明和分相流量的确定还有不便之处。鉴于相关流速测量技术 在解决两相流测量问题的特殊作用 ( 优越性) ，国内 外许多学者仍在继续深入研 究这种测量技术。 3 . 2 相关流速测量技术的基本原理 无论是单相流体还是两相流体，当流体在管道或容器内 流动时， 其内部会 产生与流动状况有关的 “ 噪声” 。如果从微观角度来看，单相流体在流动时，除 了沿轴线方向的总体运动外， 流体内 部的“ 微团 ( 或称涡旋) ” 还存在与总体运 动方向垂直的运动分量。在运动过程中，这些 “ 微团” 相互作用并实现能量交 换， 原来的“ 微团” 衰减和消失， 新的“ 微团” 又产生出 来。当从某一固定的 管道或容器横截面来观测流体内 部 “ 微团”的运动时， 那么在相同的流动条件 亦即 流体流动雷诺数及管壁粗糙度不变情况下， 上述流体内 部 “ 微团”的运动 状况将随时间呈现出无规律的变化，也就是说它是一个随机过程。对于气1 液、 气1 固 或液 / 固等两相流体在管道内 流动的 情况， 流体中离散相的局部浓度也是随 机变化的。即使在流体中连续相和离散相的 质量流率保持恒定的情况下， 其流 体中离散相如气泡、颗粒的尺寸和空间分布状况也在随机的变化。 以上所述流体在流动过程中内部所发生的种种随机现象，统称为 “ 流动噪 声” ，表现为随时间变化的无规则性和不可预测性。 由于流动噪声具有随机性质，而相关测量作为一种动态测量，它涉及到对 随机信号作时间域或频率域分析的问 题。 相关测量技术的数学基础主要是随机 过程理论。相关测量技术的基本思想是通过对流动噪声信号的分析，将流速测 量转化为时间间隔的测量。 如图3 - 1 所示，在沿流动管道相距为已知距离l的两个截面处， 分别安装 有结构相同的传感器，即上游传感器和下游传感器。流体内部的随机流