（检测技术与自动化装置专业论文）电阻层析成像系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 两相流是自然界最广泛存在的流态之一，在工业生产和日常生活中有着重要 的作用。然而，两相流系统是一个复杂的非线性动态系统，相间存在界面效应和 相对速度，检测难度较大。两相流参数的实时准确测量成为工程和科研领域尚未 得到有效解决的问题。 电阻层析成像( e r t ) 技术是过程层析成像技术中的研究热点之一，它适用 于两相流中以导电性介质为连续相的工业过程，可提供封闭管道或过程容器设备 内部多相组分物质参数的二维三维可视化信息，具有非侵入、适用范围广、成 本低廉和安全性能佳等优点，是一种具有广阔应用前景的两相流测量技术。但是， e r t 技术还不完善，目前主要集中在实验室的研究阶段，真正的工业现场应用不 多。本文从e r t 技术的原理性研究出发，针对e r t 系统实时性欠佳等问题研制 成功了一套新型的高速电阻层析成像系统，实时性达到了实际工业应用的需要。 本文的主要工作和创新点如下： ( 1 ) 提出一套适用于电阻层析成像系统的高速微弱电导变化测量电路，基于双极 性脉冲电流激励技术，削弱了直流激励时的极化效应。另外，相对于正弦交 流激励，电极在受到激励这段时间内，相当于是受直流电流信号的激励，因 此，后续的信号处理电路就可以直接获得测量结果，无需复杂、耗时的滤波 电路，这就消除了滤波器这一限制数据采集速度提高的瓶颈问题。为进一步 提高数据采集速度，系统采取并行采样和串行测量相结合的测量方式。 ( 2 ) 研制成功一套1 6 电极电阻层析成像系统，此仪表完全基于工业现场仪表模 式设计。以d s p 为控制核心，c p l d 辅助实现数字逻辑，使得系统在线可编 程，便于系统升级；采用u s b 2 0 通讯技术，实现上位机和下位机之间的高 速可靠通讯；包括传感器在内，整套系统采用模块化设计，使系统不仅方便 调试，而且易于维护。 ( 3 ) 对系统各方面性能进行测试，结果表明系统的数据采集速度和数据精度均达 到预期目标，成像效果较好。 关键词：电阻层析成像，d s p ，u s b 2 0 ，双极性脉冲 a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wi so n eo ft h em o s tc o m m o nf l u i d si nn a t u r e ，w h i c hp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nm a n yi n d u s t r i a lp r o c e s ss u c ha sc h e m i c a l ，p e t r o l e u mp h a r m a c e u t i c a l f o o da n d c o s m e t i ci n d u s t r y t w o p h a s ef l o ws y s t e mi sac o m p l e x ，n o n l i n e a ra n dd y n a m i c s y s t e m t h e r ea r ei n t e r f a c ee f f e c ta n dr e l a t i v ev e l o c i t yb e t w e e nt h e s et w op h a s e s r e a l - t i m ea n da c c u r a t em e a s u r e m e n to ft w o p h a s ef l o wp a r a m e t e r sb e c o m e sa d i f f i c u l ti s s u ei nt h ef i e l do f e n g i n e e r i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h y ( e r t ) i so n eo fp r o c e s st o m o g r a p h y t e c h n o l o g i e sw h i c hi sw i d e l ys t u d i e d i ti ss u i t a b l ef o rt h et w o p h a s ef l o ww h e r e c o n t i n u o u sp h a s ei sc o n d u c t i v e e r tc a np r o v i d e2 d 3 dv i s u a l i z a t i o ni n f o r m a t i o no f t h em u l t i - p h a s ei n s i d eac l o s ep r o c e s sp i p eo rv e s s e la n di th a ss o m eb e n e f i ts u c ha s n o n - i n v a s i v e ，l o wc o s t ，s a f ea n dw i d e l ya p p l i c a t i o n i th a sb e c o m eo n eo fi m p o r t a n t t e c h n i q u e sf o rt w o - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t h o w e v e r , i ti ss t i l li nt h es t a g eo f l a b o r a t o r yr e s e a r c hd u et oaf e wd i f f i c u l t i e s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h ep r i n c i p l eo f e r t , an e wh i g h - s p e e de r ts y s t e mw a sd e s i g n e dt oi m p r o v er e a l t i m ep e r f o r m a n c e o fe r ts y s t e m t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t ac a p t u r er a t em e e t st h er e a l t i m e r e q u i r e m e n to f p r o c e s si n d u s t r y t h em a i nw o r k so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e da l sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h es w i t c h e dd cc u r r e n tp u l s e ，an e wm e a s u r i n gc i r c u i tf o rw e a k v a r i a t i o no fr e s i s t a n c ew a sp r o p o s e df o re l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h y p o t e n t i a ld i f f e r e n c em e a s u r e m e n t sw e r et a k e no nb o t ht h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e h a l fc y c l e sa n ds u b t r a c t e d ，c a n c e l i n gt h e p o l a r i z a t i o ne f f e c t so fm e a s u r i n g e l e c t r o d e st h a te x i s ti nd ce r ts y s t e m a st h es y s t e mw a sr e g a r d e d 嬲b e i n g e x c i t e db yac o n s t a n td i r e c tc u r r e n ta tt h ed a t aa c q u i s i t i o np o i n t ，n oc o m p l e xa c c i r c u i ts u c ha sf i l t e rw a sr e q u i r e d i ti m p r o v e dt h er a t eo fd a t aa c q u i s i t i o na n d s i m p l i f i e dt h ec i r c u i t r yo fe r ts y s t e m f o rf u r t h e ri m p r o v i n gt h ed a t aa c q u i s i t i o n r a t e ，p a r a l l e l s a m p l i n ga n ds e r i a l m e a s u r e m e n tw e r ec o m b i n e di nt h i ss y s t e m ( 2 ) a n o v e l16 - e l e c t r o d ee r t s y s t e mw a sd e v e l o p e d ，w h i c hw a se n t i r e l yd e s i g n e da s af i e l d b u si n s t r u m e n t d s pw a su s e da st h ec o n t r o lc o r ea n dc p l dw a s u s e dt o i m p l e m e n tt h ed i g i t a ll o g i cf u n c t i o n s o ，t h ec o n t r o ll o g i co ft h es y s t e mc o u l db e i ns y s t e mp r o g r a m m a b l e ah i g h s p e e dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nu s b 2 0 i sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d t h ee r ts y s t e mw a s d e s i g n e di nam o d u l a rf a s h i o n ， h 浙江大学硕士学位论文摘要 w h i c hw a se a s yt om a i n t a i na n dc o n v e n i e n tt oe x p a n d ( 3 ) s o m ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t e s t r e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t ac a p t u r er a t em e e t st h er e a l t i m er e q u i r e m e n to fp r o c e s s i n d u s t r y , 、析t 1 1as a t i s f y i n gp r e c i s i o n k e y w o r d s ：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 ( e r t ) ，d s p , u s b 2 0 ，s w i t c h e dd c c u r r e n tp u l s e 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 在论文完成之际，首先要感谢导师王保良副教授。从论文的选题方向、矽 的规划进展、直至论文的修改润色，王老师都倾注了大量的精力。王老师精汤 硬件知识和认真细致的工作态度是我学习的榜样。他把我领进了硬件的殿堂， 以说，王老师是我专业知识和科研道路上的启蒙恩师，我将永远感谢他。然j 要感谢黄志尧教授，黄老师渊博的学识、严谨的治学态度、敏锐的科学洞察歹 实事求是的学术作风对我产生了深刻的影响。 感谢李海青教授、冀海峰副教授对我学习上的指导。李老师在学术上的朔 造诣和平易近人的人格魅力深深地印在了我的脑海里，使我终生难忘。冀老垌 实的理论基础、耐心随和的性格和朋友般的交流，在学习上给予了我很大的帮 感谢仪表所的其他老师给予我的帮助。 感谢李强伟、彭珍瑞、李霞、刘亦安、罗元国、李力、郑伟军、孟振振、 金章、卢国峰、姜娓娓、贺贞贞、苏瑞东等师兄弟对我的帮助。祝他们学业有 特别感激父母对我的养育之恩，他们在我成长求学的道路上付出了大量曰 血。在此表达我最崇高的敬意，祝父母身体健康。感谢我的姐姐从小以来对羽 照顾和支持，祝她幸福快乐每一天。 最后感谢每一位关心、帮助和支持我的人。 胡松钰 二零零八年六月于求是l 第一章绪论 摘要 第一章绪论 本章主要介绍了两相流的基誉概念、特征参数和参数检测的一些 方法，简述了过程层析成像技术，最后说明了本文的主要工作。 本章主要内容 两相流的基本概念及主要特征参数 两相流参数的主要测量方法 过程层析成像技术的主要技术特点 本文的主要工作及意义 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 两相流概述 1 1 1 两相流及其定义 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【l 】。从宏观观点出发，自然界的物质可分成 三种相，即气相、液相和固相。由任意两种存在分界面的独立物质组成的物体或 系统都称之为两相物体或两相系统【2 1 。两相物体的流动称为两相流。在两相流中， 两相之间不仅存在分界面，而且这一分界面是随着流动在不断变化的。因此，两 相流可定义为存在变动分界面的两种独立物质组成的物体的流动。根据两相流的 定义，可以将两相流大致分为如下4 类： ( 1 ) 气体和液体共同流动的气液两相流，存在如锅炉等汽化单元，石油、天 然气、低沸点液体的传输过程中。 ( 2 ) 气体和固体颗粒共同流动的气固两相流，存在如煤粉、水泥、谷物、食 盐等的气体输送过程，以及煤的沸腾燃烧，石油的催化裂化等流态化技术中。 ( 3 ) 液体和固体颗粒共同流动的液固两相流，如在矿浆、纸浆、泥浆等浆液 流动，矿石、残渣的水利输送和污水处理排放系统中广泛存在。 ( 4 ) 液体和液体共同流动的液液两相流，如冶金、化工的萃取过程中，大都 是液液两相流系统。 1 1 2 两相流主要参数 两相流动中，由于存在着一个形状和分布在时间和空间里均是随机可变的相 界面，而相间又存在着一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量比和 分相所占的管截面比并不相等。因此，描述两相流动的参数除描述单向流动的参 数，如速度、流量、温度等，还要增加一些新的参数1 , 3 1 ： 1 流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面使两 相流动形式多种多样，十分复杂，如水平管中绝热气液两相流的基本流型就包括 气泡流、塞状流、分层流、波状流、弹状流和环状流等。流型是影响两相流压力 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 损失和传热特性的重要因素，对两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流型 的了解。 2 分相含率 分相含率在气液两相流中又称空隙率或含气率；在气固两相流中又称空隙度 或含固率。测得分相含率就可以根据各组分密度求出分相含量。如果对分相截面 含率的分布进行统计测量，将可提供两相流中分散相浓度及其分布的数据，也可 用来判别两相流流型。 3 速度 由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度描述 外，还必须采用分相流速来表示。 4 流量 根据采用的单位制不同，可分别用体积流量或质量流量表示。对于各相流量， 可用分相体积流量、分相质量流量描述；对于两相混合物的流量，可用平均体积 流量和平均质量流量来描述。 5 密度 在两相流系统中，两相混合物的平均密度是一个常用参数，可以由各分相真 实密度和分相含率折算求得。 6 压力降 压力降也是两相流动中的基本参数之一。混合物的两相流压力降与各分相压 力降间己建立了很多理论的、经验的和半经验的关联式，以供工程应用。 另外，分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸、及其分布；环状流中的 液膜流率、液膜厚度以及壁剪切力等也都是描述两相流动的一些特征参数。 1 2 两相流参数的测量 由于两相流流动体系广泛存在于石油、化工、冶金、动力等工业领域，其特 征参数的检测对于资源合理开发、安全生产和工业过程控制均有重要意义【1 1 。随 着土业生产自动化水平的不断提高，两相流参数检测技术在科学研究和工业生产 中发挥着越来越重要的作用，对两相流参数进行检测的需求也越来越迫切。但两 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 相流流动特性复杂多变，归纳起来主要有如下特点：流型复杂多变、两相界面有 相间作用力、相间存在着相对速度、物性变化较大、能耗有增有减、界面有扰动、 声速与临界速度不同、有松弛现象、有电磁效应以及数学描述难度大，致使参数 检测难度较大。为此，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。 目前，两相流参数检测主要采用以下技术路线降1 5 】： ( 1 ) 应用传统的单相流仪表( 差压、涡轮、涡街、靶式、容积、超声波、电磁、 科里奥利力等) 和两相流模型进行多参数组合辨识，具体地如，对孔板差压式流 量计，建立了基于分相流模型或均相流模型的多种两相流量模型和基于差压脉动 噪声的两相流量模型； ( 2 ) 应用现代新技术的软测量方法，包括辐射线技术、激光多普勒技术、核 磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术、相关 技术、流动成像技术等，具体地如，激光在两相流体雾化浓度场测量、激光散斑 方法在瞬态射流场的测量、激光在气、固两相射流中颗粒浓度和粒度分布的测量、 激光在液、固两相传质过程中溶液介稳区宽度的测量，以及多相流中基于激光的 相关流速测量中均有所应用【1 6 l ； ( 3 ) 软测量方法，包括回归分析、模式识别、神经网络、模糊数学、相关分 析、混沌分析、机器学习、进化计算等，传统的各种现有测试手段目前在多相流 领域还未能获得令人十分满意的结果，因此工作者们开始探索，拟通过软测量方 法【17 】( 是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数 的在线估计的方法) ，解决复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确描述的多 相流系统的测试问题。 但是迄今为止，这些两相流参数技术检测技术及相应的测量仪表多数还处于 实验室阶段，已商品化的工业型仪表还很少，可以说，两相流参数检测技术在国 际上还属于一个亟待发展的研究领域。 1 3 过程层析成像技术 在上述两相流参数检测技术中，过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y , 简称 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 p t ) 技术【9 , 1 8 1 是一个引人注目的发展方向。它于2 0 世纪8 0 年代中后期由医学诊 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 ) 技术演变和发展 起来，是一种以c t 技术为基础，以两相流或多相流为主要研究对象的在线实时 检测技术，能够在不破坏或不干扰多相流体流动的情况下，利用被测设备周围的 敏感电极阵列获取被测物场内部不同观测角度的投影数据，给出被测截面的二维 或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取被测两相流体的特征参数【1 1 】。它 将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展成为多点、截面分布式的测量， 大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为多相流参数测量提供了一 条有效的在线测量和监测途径，是目前多相流参数检测技术研究发展的趋势之 o 经过十几年的研究和探索，过程层析成像技术已经在工程应用中取得初步的 研究成果，已见报导的应用研究领域涉及石油、化工、流化床监测、风力输送系 统等。基于不同的敏感机理，p t 技术可分为射线技术【1 9 ，2 们、超声技术【2 1 1 、光学 技术2 2 1 、微波技术【2 3 1 、电学技术、核磁共振和声学技术等。 电阻层析成像技术( 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 ) 是电学层析 成像技术的一个分支，它具有成本低廉、结构简单、非侵入式、实用范围广等特 点，成为目前p t 技术中的研究热点之一。 1 4 本文的主要研究工作 鉴于电阻层析成像系统在两相流检测中的巨大应用潜力，本文针对电阻层析 成像系统实时性欠佳、精度欠高等问题，研制成功了一套基于d s p 和u s b 2 0 技术的电阻层析成像数据采集系统，它采用双极性脉冲电流激励，较大程度地提 高了系统的整体性能，数据采集速率满足了实际工业应用的实时性要求。 本文的主要工作和具体安排如下： 第一章绪论。主要介绍了两相流的基本概念和主要参数，简要介绍了两相 流参数检测的重要意义及两相流参数检测的方法，概述了过程层析成像技术的技 术要点，最后说明了本文所做的新型电阻层析成像系统的研制及在气液两相流 实时成像中的应用工作和意义。 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第二章文献综述。主要介绍了电阻层析成像技术的发展历程和研究现状， 然后说明了电阻层析成像技术的基本原理和基本组成，最后对目前电阻层析成像 中采用的数据采集模式进行了全面的介绍。 第三章基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像系统硬件设计。开发成功 一套基于d s p 和u s b 2 0 技术的电阻层析成像系统，采用模块化设计，使系统易 于维护、方便扩展，并在很大程度上提高了系统性能。双极性脉冲电流激励技术 削弱了采用直流电流激励带来的极化效应，相比于采用高频正弦波激励的系统， 它简化了系统结构，节约了成本，而且更容易获得高速的数据采集能力。 第四章基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像系统软件设计。按工业现 场过程仪表的实际要求编写下位机程序，关键程序采用了c 语言和汇编语言进 行混合编程，在保证程序执行效率的前提下使程序具有良好的可读性和可移植 性。本章详细介绍了研制的e r t 系统的下位机程序，包括主程序、数据采集子 程序和通讯子程序等，并从软件上对e r t 系统的数据采集和通讯进行了优化处 理，进一步的提高系统的数据采集和通讯速度。 第五章系统性能分析。利用新设计的e r t 系统进行性能测试，首先分析了 系统的实时性，然后测试了系统数据的重复性精度和在线成像效果。 第六章总结。对整篇论文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 1 5 小结 本章介绍了两相流的主要特征参数以及两相流参数检测的重要意义和主要 检测方法；简述了过程层析成像技术及在两相流参数检测中的应用；最后说明了 本文的主要工作。 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 p t ) 技术【9 , 1 8 1 是一个引人注目的发展方向。它于2 0 世纪8 0 年代中后期由医学诊 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 ) 技术演变和发展 起来，是一种以c t 技术为基础，以两相流或多相流为主要研究对象的在线实时 检测技术，能够在不破坏或不干扰多相流体流动的情况下，利用被测设备周围的 敏感电极阵列获取被测物场内部不同观测角度的投影数据，给出被测截面的二维 或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取被测两相流体的特征参数【1 1 】。它 将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展成为多点、截面分布式的测量， 大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为多相流参数测量提供了一 条有效的在线测量和监测途径，是目前多相流参数检测技术研究发展的趋势之 o 经过十几年的研究和探索，过程层析成像技术已经在工程应用中取得初步的 研究成果，已见报导的应用研究领域涉及石油、化工、流化床监测、风力输送系 统等。基于不同的敏感机理，p t 技术可分为射线技术【1 9 ，2 们、超声技术【2 1 1 、光学 技术2 2 1 、微波技术【2 3 1 、电学技术、核磁共振和声学技术等。 电阻层析成像技术( 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 ) 是电学层析 成像技术的一个分支，它具有成本低廉、结构简单、非侵入式、实用范围广等特 点，成为目前p t 技术中的研究热点之一。 1 4 本文的主要研究工作 鉴于电阻层析成像系统在两相流检测中的巨大应用潜力，本文针对电阻层析 成像系统实时性欠佳、精度欠高等问题，研制成功了一套基于d s p 和u s b 2 0 技术的电阻层析成像数据采集系统，它采用双极性脉冲电流激励，较大程度地提 高了系统的整体性能，数据采集速率满足了实际工业应用的实时性要求。 本文的主要工作和具体安排如下： 第一章绪论。主要介绍了两相流的基本概念和主要参数，简要介绍了两相 流参数检测的重要意义及两相流参数检测的方法，概述了过程层析成像技术的技 术要点，最后说明了本文所做的新型电阻层析成像系统的研制及在气液两相流 实时成像中的应用工作和意义。 5 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第二章文献综述。主要介绍了电阻层析成像技术的发展历程和研究现状， 然后说明了电阻层析成像技术的基本原理和基本组成，最后对目前电阻层析成像 中采用的数据采集模式进行了全面的介绍。 第三章基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像系统硬件设计。开发成功 一套基于d s p 和u s b 2 0 技术的电阻层析成像系统，采用模块化设计，使系统易 于维护、方便扩展，并在很大程度上提高了系统性能。双极性脉冲电流激励技术 削弱了采用直流电流激励带来的极化效应，相比于采用高频正弦波激励的系统， 它简化了系统结构，节约了成本，而且更容易获得高速的数据采集能力。 第四章基于双极性脉冲电流激励的电阻层析成像系统软件设计。按工业现 场过程仪表的实际要求编写下位机程序，关键程序采用了c 语言和汇编语言进 行混合编程，在保证程序执行效率的前提下使程序具有良好的可读性和可移植 性。本章详细介绍了研制的e r t 系统的下位机程序，包括主程序、数据采集子 程序和通讯子程序等，并从软件上对e r t 系统的数据采集和通讯进行了优化处 理，进一步的提高系统的数据采集和通讯速度。 第五章系统性能分析。利用新设计的e r t 系统进行性能测试，首先分析了 系统的实时性，然后测试了系统数据的重复性精度和在线成像效果。 第六章总结。对整篇论文进行了总结，并对今后的研究工作进行了展望。 1 5 小结 本章介绍了两相流的主要特征参数以及两相流参数检测的重要意义和主要 检测方法；简述了过程层析成像技术及在两相流参数检测中的应用；最后说明了 本文的主要工作。 6 第二章文献综述 摘要 第二章文献综述 本章对电阻层析成像技术进行了较为详细的介绍。首先介绍了电 阻层析成像的发展历程和研究现状，然后阐述了电阻层析成像的基本 原理和基本组成，最后全面介绍了当前e r t 技术采用的数据采集模 式，说明了它们各自的特点。 本章主要内容 电阻层析成像的发展历程和研究现状 电阻层析成像的基本原理和基本组成 电阻层析成像数据采集模式 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 2 1e r t 技术的发展历程和研究现状 2 1 1 发展历程 层析成像技术的发展可追溯到上世纪初，1 9 1 7 年奥地利科学家j r a d o n 在 “天线数学杂志上发表著名的论文“论如何根据某些流形上的积分以确定函 数”，证明了一个二维或三维物体的内部结构能够通过其无限个或连续的投影数 据来重建，并提出了图像重建理论( 现称该理论为r a d o n 变换及其逆变换) ，从 而奠定了层析成像的数学基础n 町。1 9 6 3 年美国科学家a m c o r m a c k 教授在r a d o n 变换的基础上发展可投影重建图像理论，提出了从x 射线投影重建图像的解析数 学方法【2 4 ，2 5 1 。1 9 6 7 英国e m i 公司的g n h o u n s f i e l d 博士研制出世界上第一台可 用于临床的x 一射线c t 扫描仪，1 9 7 1 年他研制的头部x 一射线c t 扫描仪安装在 英国的一家医院中【2 6 】。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。从8 0 年代中期开始，以英国曼彻斯 特大学理工学院m s b e c k 教授为首的研究小组开始了基于电容、超声等适合工 业应用传感器机理的层析成像技术研究，并正式提出了流动成像这一概念以区别 与医学c t 。1 9 8 8 年他们研制成功了8 电极电容层析成像系统，并于1 9 9 0 年改 进成为1 2 电极系统，在线成像速度达4 0 帧秒。同时，美国能源部摩根城研究 中心也设计了1 6 电极电容层析成像系统用于流态化研究，可同时重建出流化床 四个不同高度上空隙率截面分布的图像，速度达3 0 帧秒。这些早期的成果极大 鼓舞了科技工作者，不同学科领域的研究人员开始结合在一起积极探讨基于不同 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称为“过程成像”技 术。 电阻层析成像电阻层析成像( 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 ) 技术是一种基于电阻传感机理的p t 技术，通过测量电阻率分布获得相介质分布。 该技术的起源可追溯至上世纪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，在一对电极问注入电流，测量其他电极上的电位变化来获得地层电阻 率分布，从而描绘出地层中油岩等的分布，然后由于当时无法满足层析成像技术 所需解决的庞大计算量，所以它还不是真正意义上的层析成像技术1 2 7 1 。至上世 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 8 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 能找到一种安全、低成本的产品取代已经成功应用的x 射线c t 机，此后电阻抗 层析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简称e i t ) 技术获得了较大的发展 【2 8 1 ，1 9 7 8 年，h e n d e r s o n 和w e b s e r 首次获得电阻抗图像( 但这还不是断层图像， 只是类似x 射线胸片的投射图像) 。1 9 8 3 - 1 9 8 4 年间，外加电位断层成像技术诞 生，并由此获得单一电导率分布图像，从上世纪8 0 年代中期开始，该技术开始 应用于p t 领域。e r t 技术实际上是医学工程中e i t 应用的一种简化形式，即只 利用了检测信号的实部( 电阻) 信息。 2 1 2 研究现状 当前e r t 技术的研究主要集中在以下几个方面：( 1 ) 传感器电极阵列的优 化设计，主要是克服e r t 的“软场”问题，尽可能提高敏感场灵敏度分布的均 匀性。( 2 ) 提高数据采集系统硬件电路的性能，主要是提高系统的稳定性、实时 性和数据精度。( 3 ) 图像重建算法的改进，要求开发出质量高、速度快的成像算 法，改进非线性算法的收敛性。( 4 ) 工业领域的应用开发，拓展技术的应用领域， 使e r t 技术更好地应用于各个领域。 目前该领域较为先进的是英国的u m i s t 大学，其主要成果主要有：相继在 搅拌器和旋流器【3 卅等实验装置上进行了实验研究；开发出应用于金属容器的 e r t 系统，拓宽了e r t 技术的使用范引3 1 1 ；目前又开发出一套1 6 电极e r t 数 据采集系纠3 2 】，据报道，该系统数据采集速度可达1 0 0 0 幅秒。英国l e e d s 大 学的r a w i l l i a m s 教授以及d r m w a n g 等人联合开发出i t s 1 0 0 0 型系统样机， 数据采集速度为2 5 幅秒( 3 8 4 k h z 电流激励、1 0 4 点幅、数字解调) ，如果采用 模拟解调，其采样速率为7 幅秒【3 4 1 。最新开发出一套称为“f i c ”的两相流在线 数据采集和测量处理双截面e i t 系统，采用d s p 芯片、i e e e 通讯接口等技术， 数据采集速度达1 1 6 4 帧秒，大大提高了系统的性能1 3 5 】。 e r t 技术已有不少成功的应用：在环境监测和地质勘探方面，美国l a w r e n c e l i v e r r n o r e 国家实验室的研究人员们在拉斯维加斯y u c c a 山脉的现场条件下，运 用e r t 技术来监测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 正确性提供了依据【3 够7 1 。另外，西班牙学者做了许多e r t 在地质测量中的应用 9 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 研究工作。在工业过程中，英国l e e d s 大学w i l l i a m s 教授领导的研究小组利用多 年在实验室条件下从事e r t 应用于水力旋流分离器的运行工况监测研究的成果， 将i t s 1 0 0 0 型e r t 系统样机安装在英国陶瓷粘土公司精制工厂的水力旋流分离 器上进行了现场测试。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【3 0 1 。另外，e r t 在贮液池泄漏探测【3 8 1 、过滤饼病理学监测【5 9 】 等方面也有相应报道。其它应用方面：b i n l e y 等人用e r t 方法研究了流体在多 孑l 介质中的流动并用示踪染色剂进行了验证【们2 】；o j a m d j i 研究了应用e r t 技术 检测半导体基片的质量【4 3 1 ；l i y a s 等运用e r t 技术对液液和液固混合过程进行 了研究m 4 5 1 。 在我国，最早进行e r t 技术研究的是8 0 年代后期徐苓安教授带领的天津大 学p t 研究小组，现已开发出t e r t - 1 、2 、3 、4 型系统样机。浙江大学也曾开发 出1 6 电极e r t 系统，电路实现简单，但实时性有待提耐4 6 1 。清华大学、东北大 学、中国科学院、北京航空航天大学、浙江工学院也开展了e r t 技术的研究。 2 2e r t 技术的基本原理和组成 过程层析成像技术依据的基本数学原理为r a d o n 变换及r a d o n 逆变换【1 0 1 。 r a d o n 变换是1 9 1 7 年奥地利数学家r a d o n 在研究天文数学( a n t e n n a s m a t h e m a t i c s ) 中所提出的一种图像重建理论的数学方法，后经c o r m a c k 、b r a c e w e l l 和r i d d l e 等科学家的努力发展成为由投影进行图像重建的完善方法。 设f ( x ，y ) 为定义在二维空间r 2 上的连续有界函数，上为一直线，称函数 f ( x ，y ) 沿直线三的线积分： r f ( 工，少) = 少( x ，y ) d l ( 2 1 ) l 为其r a d o n 变换，其中d ，表示线微分，记符号尺为r a d o n 变换算子。 取直角坐标x j ，x = ( x ，j ，) 表示平面上的点，则f ( x ) = f ( x ，y ) 表示在点 ( x ，y ) 上的函数值。平面上任意直线可表示为如图2 1 所示： l ：f = x c o s o + y s i n o l o ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 这里f 是坐标原点到直线三的距离，9 是t 方向与x 轴的夹角( 即直线三与正 】，轴相交的角度) ，则平面上的直线可由数对( f ，0 ) 确定。f ( x ，y ) 的r a d o n 变换可 表为： r f ( t ，秒) = ，f ( x , y ) d l t = x c o s o + y s i a 口 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，符号r f ( t ，0 ) 表示f ( x ，y ) 沿与原点距离为t 与正】，轴相交角度为0 的直 线三的r a d o n 变换。 采用新的坐标系( 旋转坐标) t s 与原坐标系成0 角，j 轴与直线三平行， 如图2 2 所示，然后进行坐标转换，则可得到r a d o n 变换的经典表达式： r f ( t ，乡) = lf ( t c o s o s s i n o ，t s i n 0 + s c o s o ) d s ( 2 5 ) - 1 9 1 7 年r a d o n 给出了式( 2 5 ) 的反演公式，即r a d o n 逆变换公式( 也称为 r a d o n 定理) 。其简要叙述如下：函数f ( x ，y ) 在定义域r 2 中任一点( x ，y ) 处的值 可由经过该点的所有线积分的集合按下式唯一确定： 】，。 i 夕八 彳0 一 o f 图2 1 】，j ；| i x 彳 l x 图2 2 f ( x , y ) = 一云 , i mf l f ”研( x c o s o + y s i n o + q , o ) d 曲 ( 2 6 ) 其中，硕( g ，0 ) 表示矽( g ，目) 关于第一变元g 的偏导数。 现一般将函数f ( x ，y ) 称为“图像”( i m a g e ) ，将矽( g ，0 ) ( 线积分) 称为该 “图像”沿某一投影方向( 直线) 上的“投影 ( p r o j e c t i o n ) ，则r a d o n 逆变 换的实质就是：由“图像”在所有方向上的“投影可“重建 该“图像 ，因 l l 浙江大学硕士学位论文 第二章文献综述 此r a d o n 变换和r a d o n 逆变换为c t 和p t 奠定了数学基础。相应地实现r a d o n 逆变换的过程，即完成投影重建图像的过程，一般称为“图像重建”( i m a g e r e c o n s t r u c t i o n ) 。由此而言，所谓过程层析成像技术其实质就是：基于某种传感 机理，用阵列传感器以非接触或非侵入方式获取不同方向上反映多相流体流动信 息的投影数据( 即实现r a d o n 变换) ，并运用定性或定量的图像重建算法，重建 反映多相流体某一截面或工艺装置中某一部分流体流动信息的图像( 即实现 r a d o n 逆变换) ，然后依据所获得的重建图像提取特征信息和检测参数实现多相 流参数检测和状态监控。 需要说明的是式( 2 6 ) 是r a d o n 变换的精确表达式，f ( x ，y ) 唯一地取决于 它所有的线积分的集合，但是过程层析成像过程中只能获得有限的投影测量数 据，而唯一地确定f ( x ，y ) 需要足够多的投影，因此r a d o n 逆变换公式只具有理 论上的意义，不适合具体的数值计算，在求解实际问题时，尚需寻找简单、实用、 快速的数值解法来逼近r a d o n 逆变换过程，获得函数f ( x ，y ) 的近似数值解。 而e r t 技术的基本工作原理即为：在一敏感场边界施加激励电流，当场内 电导率分布发生变化时，场内电势会随之发生变化，并最终导致场域边界上的测 量电压发生变化，因此，通过测量边界电压，并利用一定的图象重建算法，可重 建出反映敏感场内电导率分布的灰度分布，即实现介质分布的可视化测量。其中， 在一对电极上加激励电流时，e r t 敏感场的电位分布与电导率分布及激励电流 之间的关系满足如下的l a p l a c e 方程： f ，v ( 仃叫= 0 驴o n 函 ( 2 7 ) 驴导叠， 其中，o r 是电导率，痧是边界电压，i 是激励电流，亓为边界上一点的外法 向量，i 为与亓垂直的微小面积。 e r t 系统通常包括传感器阵列单元、数据采集和处理单元、数据分析和图像 显示单元三部分，基本结构如图2 3 所示。 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章文献综述 敏感场阵列 喇和伽j 卅簪渤 数据采集和处理 图2 3e r t 系统基本结构 匿l 数据分析和图像短示 ( 1 ) 敏感场阵列：在一被测容器或管道内壁均匀嵌上一组或多组电极，通过 给其中一对电极施加电流，在被测物场内建立敏感场，使敏感阵列输出反映场内 信息的相应信号。 ( 2 ) 数据采集和处理：采集敏感阵列输出的电压信号，通过相应的信号处理， 以一定协议将数据发给数据分析和图像显示单元。 ( 3 ) 数据分析和图像显示单元：向数据采集单元发送数据采集命令，接受从 数据采集单元发送上来的信号，利用一定的成像算法进行成像，或用信号处理方 法提取特征信号完成两相流特征参数( 如空隙率) 测量等工作。 2 3e r t 数据采集模式 e r t 技术的物理基础是基于不同的介质具有不同的电导率，根据测得的不同 电导率反推得到敏感场内的介质分布情况。而电导率根据在敏感场阵列上施加激 励电流以建立敏感场，并在不同电极对上测量边界电压计算得到。因此，给定一 个电极阵列，就会有很多种电流激励一电压采样模式，即数据采集模式，不同的 数据采集模式决定了敏感场不同区域电导率变化的灵敏度不同，可能获得的独立 测量电压数也不同，能影响到图像重建算法的稳定性和重建图像的质量。目前， 主要的几种数据采集模式有相邻( a d j a c e n ts t r a t e g y ) 、相对( o p p o s i t es t r a t e g y ) 、 对角( d i a g o n a ls t r a t e g y ) 、导电性边界(