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哈尔滨理工大学工学硕 ：学位论文 电容层析成像系统图像重建与流型辨识 摘要 电容层析成像技术是上世纪8 0 年代末由英国曼彻斯特大学研究人员提 出的种计算机层析成像技术。它是通过在物体表面设置几组电极，并通过 对电极之间的电容值来计算物体内部节点常数的空间分布。主要用于工业管 道内的多相流检测。这种技术可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容器中 多相介质的浓度、分布、运动状态等可视化信息。与其他技术相比，电容层 析成像技术具有适用范围广、非侵入式、安全性能好等优点，适用于多种工 业生产的过程中常见的多相流检测，并且成本低廉。本文以1 2 电极电容层 析成像系统为研究对象，主要探讨电容层析成像技术中图像重建和流型辨的 问题，主要完成了以下工作： 电容层析成像系统技术原理分析。从理论上分析了电容层析成像技术的 工作原理，建立了电容敏感场的数学模型，并以此为图像重建和流型辨识的 理论基础。 图像算法的分析与改进。对e c t 图像重建算法主要的线性反投影算 法、m o r 法、迭代法、查表法、神经网络法和正则化方法进行了简要介绍 和比较分析。通过对t i k h o n o v 正则化的分析，针对标准t i k h o n o v 泛函的过 度光滑，导致重建图像的细节信息丢失，重建的图像质量不理想的问题。本 文以标准的t i k h o n o v 算法为基础，给出了一种新的迭代算子，利用该算子 可以使重建的图像细节进行一定的修正，通过仿真实验证明其在不损失效率 的情况下图像重建准确度上得到了提高。 流型辨识的分析与改进。介绍了流型辨识的几种主要的方法：最近邻 法、k 近邻算法、神经网络法和特征提取法。并对其优缺点进行了分析和比 较。仿真实验则针对以往流型辨识方法像素数据较少的问题，尝试用一般的 图像重建剖分方法代替以往流型辨识方法的剖分方式。以较大的像素数量为 流型辨识算法提供数据，从而使辨识结果更加精确。 关键词电容层析成像；图像重建：流型辨识：有限元 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s t u d yo ni m a g er e c o n s t r u c t i o na n d f l o wp a t t e r n i d e n t i f i c a t i o nf 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 r a p h ys y s t e m a b s t r a c t 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 ( e c t ) i san o v e lt e c h n o l o g yo fc o m p u t e d t o m o g r a p h yi m a g i n gt e c h n o l o g y , w h i c hb r o u g h tf o r w a r db yu m i s to fu k i n t h el a t e19 8 0 s i th a san u m b e ro fc a p a c i t i v ee l e c t r o d e sm o u n t e da r o u n dt h e p e r i p h e r yo fm e a s u r e do b je c t ，a n d m e a s u r e st h e c a p a c i t a n c ev a l u eb e t w e e n e l e c t r o d e st og e tt h ed i s t r i b u t i o no fd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，w h i c hi sm a i n l yu s e di n d e t e c t i o no fm u l t i p h a s ef l o wi ni n d u s t r i a lp i p e l i n e i tc a np r o v i d ev i s u a l i z e d i n f o r m a t i o n o ft h ec o n c e n t r a t i o n ，d i s t r i b u t i o na n ds t a t u so fm o v e m e n to f m u l t i p h a s ep i p e l i n e s c o m p a r e d w i t ht h eo t h e r t e c h n o l o g i e s ，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 yt e c h n o l o g yh a so b v i o u sa d v a n t a g e s ，s u c ha sw i d e rr a n g e o fu s e s ，n o n i n v a s i v ea n db e u e rs a f e t yp e r f o r m a n c e ，a n di sa p p l i c a b l et oaw i d e r a n g eo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o np r o c e s so fc o m m o nm u l t i p h a s ef l o wd e t e c t i o n ，a n d c o s t sl e s s m o r ep r o f o u n ds t u d yi sf o c u s e do nt h ek e yp r o b l e m ss u c ha si m a g e r e c o n s t r u c t i o na n df l o wp a t t e r n i d e n t i f i c a t i o n b ys t u d y o n12e l e c t r o d e s 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 ys y s t e mw eh a v ed o n ei sa sf o l l o w s p r i n c i p l ea n a l y s i so f 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 ys y s t e m f r o mt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so 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 yt e c h n o l o g yw o r k s ，t h e e s t a b l i s h m e n to fac a p a c i t a n c e - s e n s i t i v ef i e l do ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n du s e i ta st h ei m a g er e c o n s t r u c t i o na n df l o wp a t t e r nr e c o g n i t i o nt h e o r y a n a l y s i s o f i m a g e r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m s i m a g e r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h mf o re c ta r em a i n l yl i n e a rb a c kp r o j e c t i o na l g o r i t h m ，m o d e l b a s e d m o rm e t h o d ，i t e r a t i v ea l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，l o o k u pt a b l em e t h o d ， n e u r a ln e t w o r km e t h o da n dt i k h o n o vm e t h o d sb r i e fi n t r o d u c t i o na n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i s b y t i k h o n o v r e g u l a r i z a t i o na n a l y s i s ，t h e s t a n d a r d - i i 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 t i l d a o n o vf u n c t i o n a l so v e rs m o o t h ，r e s u l t i n gi nt h er e c o n s t r u c t i o no ft h ed e t a i l s o fi m a g ei n f o r m a t i o ni sm i s s i n g ，t h er e c o n s t r u c t i o no ft h ei m a g eq u a l i t yp r o b l e m i sn o ti d e a l i nt h i sp a p e r ，u s i n gas t a n d a r da l g o r i t h mb a s e do nt i k h o n o v , an e w i t e r a t i o no p e r a t o ri sg i v e n ，u s i n gt h eo p e r a t o rc a nm a k et h er e c o n s t r u c t i o no ft h e i m a g ed e t a i lf o rc e r t a i na m e n d m e n t s ，t h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sp r o v et h a t a tt h es p e e da n da c c u r a c yo fi m a g er e c o n s t r u c t i o nh a sb e e ni m p r o v e f l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o na n a l y s i sa n di m p r o v e m e n t s e v e r a lm a j o rf l o w p a t t e r nj d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sa r ei n t r o d u c e d ：n e a r e s tn e i g h b o rm e t h o d kn e a r e s t n e i g h b o ln e u r a ln e t w o r ka n df e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o d a n dt h e i ra d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sa r e a n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ep r e v i o u sf l o wp a t t e r n i d e n t i f i c a t i o nm e t h o dt a k e s s m a l ln u m b e ro fp i x e ld a t at oi d e n t i f yt h ef l o w p a t t e r n b yi n c r e a s et h en u m b e ro fp i x e ld a t at oi m p r o v er e c o g n i t i o na c c u r a c y r a t e s i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v e d t h a tm o r e a c c u r a c y r a t eo f f l o w p a t t e r n i d e n t i f i c a t i o nr a t ei si m p r o v e db yt h i sm e t h o d k e y w o r d se l e c t r i c a l c a p a c i t a n c ec o m o g r a p h y , i m a g er e c o n s t r u c t i o n ，f l o w p a t t e r ni d e n t i f i c a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电容层析成像系统图像重建与 流型辨识，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发 表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名囊纰嗍7 年岁月俨日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电容层析成像系统图像重建与流型辨识系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨 理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密 口， 在年解密后适用授权书。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 1 砘囊点 们参之 日期：吖 l 同期： 年岁月p 日 一了年月纠日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 两相流( 多相流) 体系在工农业生产中涉及范围十分广泛，如石油工业中 的油气、油水两相流，化学工业中流化床反应装置中的气固两相流等。两 相流( 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，对多相 流工业生产过程的计量、节能与控制提出了更高的要求，但目前多相流参数检 测技术的发展水平远远不能满足工业发展的要求，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之间的矛盾同益突出，因此，发展多相流检测 技术是现代工业发展的迫切要求，研究多相流技术对国民经济的发展具有重要 意义。由于其流动特性复杂多变，参数检测难度大，因此两相流( 多相流) 参 数检测技术无论在国内，还是国外都尚属一个急待发展的研究探索领域1 。对 两相流( 多相流) 参数进行测量的迫切要求，使得过程层析成像( p r o c e s s t o m o g r a p h y ，p t ) 技术应运而生。 在现代工业中，多相流系统应用越来越多，特别是在化工、石油、。炼油、 冶金、电力、轻工、环保及核能等国民经济行业中多相流动现象更是普遍存 在，对多相流的计量、控制及节能提出了非常高的要求，发展多相流检测技术 是现代工业发展的迫切要求。但多相流系统极其复杂，它具有比单相流更复杂 的流动特性，描述多相流的参数也比单相流多且复杂。多相流检测技术发展现 状和水平与飞速发展的现代工业需求之间的矛盾日益突出。随着我国各大油田 纷纷进入中晚期的开发阶段，油田多采用注水工艺来提高原油的采收率。井1 3 产出液常常是原油、水和天然气的混合物，同时海上石油生产中的产出液通常 也是由原油、水和天然气组成的多相流体，这些多相流体具有粘度较大和凝固 点较高的特点。油水、气在长距离混相输送时，对管线压力和温度等条件有一 定的要求。各相流体的特征的在线测量也依赖于油水、油气两相流本身的流动 规律，其中，流量、含率、流型的识别等是必须解决的难题之一。因此必需开 展这方面的研究工作，这对相关工业的发展具有重要意义。电容层析成像技术 是上世纪8 0 年代末由英国曼彻斯特大学提出的一种新的计算机层析成像技 术，它是通过测量物体表面邻近区域内所设置电极之间的电容值来计算物体内 部介电常数的空间分布，主要用于工业管道内的多相流检测，这种技术可提供 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 常规仪器无法探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状态等可 视化信息，与其它测量技术或仪表相配合还可应用于多相流总质量流量、分相 质量流量以及流速的实时检测。比之其它技术，电容层析成像技术具有适用范 围广、非侵入式、安全性能好等优点，各种工业生产过程中常见的多相流均能 应用该技术，并且成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术为从根本 上解决多相流的多参数可视化测量问题提供了一条较好的途径，是实现多相流 参数在线检测的一种理想手段因此，完善和发展电容层析成像技术理论是一项 很有意义的研究工作。近年来，国内外的研究人员积极探索，做了大量的工 作，电容层析成像技术的研究已经取得了很大的进展，尤其是在敏感场分析和 图像重建算法方面的研究最为活跃，不断有新的研究成果，但理论研究还不够 完善，与实用化还有相当距离幢一】。 随着我国油田为了提高原油采收率方法的增多，给油井多相流测量带来了 新的挑战。我国陆地油田经过了自喷开采到注水开发阶段，目前国内几大油田 逐步开始转入聚合物驱采油，已经完成了三元复合驱采油的矿场实验，下一步 将进入三元或多元复合开采阶段。由于不同的开采阶段中油井内产出的流体的 组分、特征不同，这就要求在不同阶段使用不同的测量方法及仪器，特别是在 国家提出对老工业基地进行改造的前提下，急需在原有技术的技术基础上对设 备进行改造和技术创新。因此，在新的油田环境下，石油多相流中各组分的分 相含率和分相流量的检测是油田动态监测的最基本参数，对流量和含率测量的 主要难点是流型在很宽的范围内变化，通过多相流检测可以定量判断井内流 体、特征，流型是影响多相流动参数检测的一个主要因素，也是多相流检测中 急待解决的一个重要问题伸- 劓。但是由于多相流动中各相间存在随机可变的相界 面，致使流型多种多样，如层状流、环形流及核心流等，较为复杂，因而对多 相流特征参数的准确测量产生很大影响，特别是在过渡区产生很大误差。另 外，由于不同流型下测量仪器的响应有所不同，如果仪器的测量结果能正确地 反映被测参数，首先要知道仪器是在什么流型下测得，所以对多相流动流型识 别的显得更为重要。在现阶段，电容层析成像技术是解决这方面问题较为理想 的理论方法，而多相流的流量、含率、流型的快速识别又是一难题。 本课题将为解决以上难题在理论上和技术上提供支持，采用电容层析成像 技术完善多相流检测技术的理论，以促进本技术向实用化发展。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 过程层析成像技术 八十年代中后期发展起来的过程层析成像技术是一种以两相流或多相流为 检测对象的过程参数分布状况在线实时检测技术【5 1 。该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 用相应的图像重建算法，经计算机处理后，给出过程截面状况的z - - - 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、流化床、搅拌器等的 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 检测提供了另一种可行的新方法。 p t 技术和常规的过程参数检测方法相比具有如下优点：、 1 敏感阵列采用非接触或非侵入( 有接触但不破坏或干扰流体的流动) 方 式； 2 可实现多点、截面分布式测量： 3 能获得管道或设备内部两相多相流体的二三维分布信息： 4 在线可视化监控。 正是由于p t 技术的这些优点，使得它在生产过程监测和环境监测等诸多 领域有着巨大潜力。p t 技术经十几年的发展，目前己有十几种不同敏感机理 的p t 技术问世。 p t 技术依敏感原理的不同主要有超声、光学、电荷感应、核p t ( z 射线与 y 射线等) 、电学( 电磁、电阻、电容) 等。 超声p t 技术成本较低、非辐射无安全防护问题，重建图像质量又高于一 般的电学p t ，因此该技术具有一定的工业应用潜力，是p t 技术研究发展的主 流之一。但该技术是基于超声波的扫描测量，系统响应速度较慢，不适合较高 流速的两相流参数在线测量。 电荷层析成像技术具有速度快、成本低和对低速的粉体流率非常敏感等优 点，是层析成像技术发展的一个新方向。电荷感应层析成像技术适用于被检测 流体带有电荷的场合。在实际应用中，影响流体带电的因素很多，如流体材 料、颗粒大小、管壁光滑程度、温度、湿度等，这些因素都制约着电荷层析成 像技术的发展。 核p t 的突出优点是精度高适用范围广。在p t 技术的早期阶段，核p t 占 有一定的优势。随着现代工业高效率的发展和人员对自身安全保护意识的增 强，核p t 的不足越来越明显，如结构复杂、易损坏、成像速度缓慢，需要庞 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 大的防护装置等。虽然核p t 不会被其它p t 技术所取代，但它也很难成为p t 技术研究发展的主流方向。电学p t 具有成本低、实时性好、系统结构简单、 非辐射安全可靠等优点。电学p t 又可分为电容层析成像( e c t ) ，电阻层析成像 ( e r t ) ，电磁层析成像( e m t ) 。最近几年来的众多研究成果表明e c t 技术是电 学p t 的一个研究热点。 e c t 技术是一种基于电容传感机理的层析成像技术，理论上只要求被测对 象各相介质介电常数有差异，对过程对象尺寸大小无要求，适用范围较广。目 前利用e c t 技术进行过程成像己在多相流如气固、油气、油汽水等，流化床 工作机理及内燃机内火焰成像等研究中获得许多研究成果，并正在向其它领域 发展，如e c t 技术用于高炉块状区物料可视化监测等。 1 3 电容层析成像技术的研究现状及分析 国内外研究人员对电容层析成像技术进行了深入的研究，至今取得令人鼓 舞的初步研究成果。早在19 8 5 年英国曼彻斯特理工大学( u m i d t ) 研制成5 电 极电容层析成像系统模型，采用简便反投影算法，用水和沙子分别模拟两相流 静态模型，取得初步实验结果。1 9 9 0 年该系统发展为1 2 电极，并采用高速并 行处理器件的电容层析成像系统，在油气混合流体实验装置上稳定运行，在线 图像重建速率为4 0 幅秒，并以1 0 0 次秒的速率更新所存储的图像象素灰度数 据。美国能源部摩根城能源技术中心也于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) ，系统能以6 0 - - - 1 0 0 幅秒的速度来重建图像，从重建图像中可以 观察气泡的复合现象，以及对上升速度、气泡尺寸等参数的提取。1 9 9 5 年英国 过程层析成像有限公司推出了商品化的e c t 系统p l t - 2 0 0 ，该系统采样速率为 1 0 0 帧渺，在线图像重建与显示速率为4 0 帧秒，传感器与二次仪表的最大 距离可达2 5 0 米。美国杜邦公司研究发展部的d a v i d m s c e t l 和澳大利亚的 c s i r o 矿业公司的r b w h i t e 等人采用此p l t - 2 0 0 型e c t 系统监测流化床的 运行工况，表明该技术对于流化床运行工况的优化是一个有价值一的工具。 1 9 9 9 年英国u m i s t 研制了一种用于监控尼龙聚合过程的电容层析成像系统， 并得到了成功的应用。同年英国埃克赛特大学受欧洲煤炭钢铁联合会的赞助进 行了浓相气力输送的控制方面的研究，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，此控制方法在气力输送实验室得到了成功的应用。同年过程层析成像公司 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( i n d s u t r i a lp r c o e s st o m o g r p a h yc , r o u p ) 禾u 用1 2 电极电容层析成像传感器开发了 用于确定火焰位置和火焰稳定情况的电容层析成像系统，并且进行了商业化应 用。2 0 0 2 年，推出了面向实验的两相流成像设备t o m o f l o w ，它可以通过简便 的安装应用到工业现场。近年e c t 的三维成像算法成为一个新的研究热点。 国内在电容层析成像技术方面也进行了初步的研究，浙江大学的黄志尧博 士提出一种正则化广义逆流型辨识重建算法，并根据流型变化的随机特性和模 糊特性提出了一种流型模糊判别方法，取得了较好的实验结果 。清华大学张 宝芬教授采用有限元分析方法，对传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行 了仿真计算，对图像重建过程中的图像失真和电容传感器的“软场”特性进行 了相关分析，为传感器制作及相应的图像重建算法提供了理论依据伸1 。 马宁等介绍了基于电路网络理论的电容层析成像方法阳1 。h u a n g 等人将 t i k h o n o v 方法和a r t ( a l g e b r a i cr e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ) 算法结合提出了新的图 像重建算法训。陈德运等提出了敏感场数值从有限域到成像域的转换方法，并 且提出了基于遗传算法的e c t 图像重建方法1 。黄善仿等结合流型特征和介 入式成像的思想提出了一种介入式网丝电容层析成像方法“引。王化祥等针对电 容层析成像技术中的“软场”效应和不适定问题，在灵敏度矩阵的奇异值分解 理论的基础上，用共轭梯度图像重建算法及其改进算法正则化共轭梯度法 来重建图像，成像效果较好3 1 。王化祥等还针对e c t 系统的不适定性严重影 响图像重建质量的问题，提出了基于l 曲线法的电容层析成像正则化参数优化 方法，并通过仿真实验，说明提出的l 曲线法具有较强的抗噪声性能和较快的 收敛速度，明显改善了e c t 系统的图像重建质量1 。杨钢等提出了一种在最 小坡度曲线段中选择t i k h o n o v 正则化参数的方法用于求解图像重建的不适定 反问题，仿真结果表明，提出的方法成像效果优于l 曲线方法的成像效果“引。 此外，近年人们也进行了e c t 三维成像算法研究，取得了一定成果“ 1 7 川。 对众多的电容层析成像算法进行了比较研究。例如，彭黎辉等对现有的电 容成像图像重建算法进行了对比研究和评价，其中包括线性反投影法( l b p ) 、 基于奇异值分解( s v d ) 的直接算法、t i k h o n o v 正则化方法、n e w t o n r a p h s o n 算 法、最速下降法、l a n d w e b e r 迭代算法、代数重建技术( a r t ) 、同步迭代重建 技术( s i r t ) 和基于模型的重建算法。在此基础上使用仿真和实验数据对目前主 要使用的线性反投影法、基于奇异值分解的直接方法、t i k h o n o v 正则化方法、 t i l ( 1 l o n o v 迭代、投影l a n d w e b e r 迭代等进行了评价9 1 。此外，董向元等根据近 几年在电容层析成像( e c t ) 领域里应用较广泛的迭代方法，给出了一种通用的 基于线性模型的投影迭代公式，推导出了通用优化迭代步长公式，避免了凭主 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 观经验选取步长的缺点幢0 1 。 1 4 电容层析成像系统技术要点和存在的问题 e c t 系统的技术要点主要分为两部分，一是微弱电容的测量和采集，二是 由采集的电容数据进行图像重建。 e c t 微弱电容测量和采集的技术要点乜： 1 测量电路要求具有很高的抗杂散电容的能力，由于杂散电容一般要比待 测量的电容大得多，如果测量电路的抗杂散电容的能力不好，要测的电容就会 被淹没在杂散电容中而无法准确测量： 2 测量电路要求具有很高的测量分辨率，为了满足工业应用需要，e c t 系统要求测量电路能够测量出伊级( 1 伊= 1 0 。1 5 f ) 的电容变化； 3 测量电路要求具有较好的测量线性度，在e c t 系统中，测量范围从伊 级的电容到p f 级( 1 p f = 1 0 。1 2 f ) 的电容，最小的电容值和最大的电容值相 差三个数量级，测量电路要能够在整个测量范围内具有一致的信号处理性能： 4 测量电路要求具有尽可能高的电容数据采集速度，由于被测对象快速多 变，尽可能高的数据采集速度才可能反应和揭示被测对象的实质。提高电容数 据采集速度现已成为e c t 研究中的重点和难点之一。 e c t 系统中微弱电容测量方法见诸报道的有充放电法、交流法、有源差分 法、磁感应c v 转换法和高压交流双边激励法，其中研究较多的主要是充放电 法和交流法，这两种微弱电容测量方法在抗杂散电容、测量分辨率和测量线性 度方面各有特色，但却存在一个共同的不足，即由于都需要滤波器滤掉反复激 励造成的输出信号中的脉动噪声，而滤波效果的优劣主要取决于滤波器的时间 常数，滤波器的时间常数大，则滤波效果好，但电容测量周期长；反之，滤波 器的时间常数小，可提高采集速度，但噪声会变大，时间常数的选择往往处于 矛盾中，目前国内外文献报道的数据采集速度最高为1 4 0 幅秒，滤波器成为 数据采集速度提高的一个瓶颈心2 1 。 图像重建是指由一定的算法处理己知的测量电容值来获得管截面上介质分 布的过程，而所采取的算法称为图像重建算法。虽然医学成像技术经多年的发 展已经形成了一些行之有效的图像重建算法，但对于电容层析成像技术来讲， 由于其测量场的“软场 特性和投影数量过少等特点，致使源于医学的图像重 建算法不能直接应用，因而必须研究适合e c t 自身特点的图像重建算法幢器1 。 由采集的电容数据进行图像重建的技术要点： 6 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 由于电容层析成像图像重建问题是一不适定逆问题，其不适定性主要表 现为解的不稳定问题，在不完备投影数据条件下还有多解问题，因此克服不适 定性是各种图像重建算法的必须首先要考虑的问题； 2 图像重建速度要满足系统的实时性要求，希望图像重建算法越简单越 好，而为了准确反应被测对象的介质分布情况，希望重建图像的精度要有一定 的保证，但高精度的图像重建算法往往计算量大、复杂且费时，因此e c t 图 像重建算法的速度和精度是必须考虑的另一个问题。 e c t 图像重建算法，经多年发展已经有数十种之多，大体可以分为迭代类 算法和非迭代类算法两大类。虽然e c t 图像重建算法大多借用医学c t 中的图 像重建算法或经改进医学c t 中的图像重建算法而得来，但总体而言，e c t 重 建图像的精度与医学c t 的重建图像精度相比，尚有较大差距。其主要原因有 两方面，一方面由于e c t 传感器的软场特性，表现为强非线性，对其本质尚 未完全认识，另一方由于图像重建问题是一个不适定问题，其不适定性主要表 现为解的不稳定性问题。 1 5 课题来源及主要研究内容 论文研究内容来源于国家自然科学基金“两相流电容层析成像系统流型辩 识与图像重建算法研究 ( 6 0 5 7 2 1 5 3 ) 和国家教育部重点科技项目“电容层析成 像系统流型识别及图像重建 ( 2 0 4 0 4 3 ) 。 本论文以1 2 电极电容层析成像系统为研究对象，研究了油水两相流参数 的检测问题。主要研究内容包括以下几方面： 1 电容层析成像系统技术原理的分析。从理论上分析了电容层析成像技术 的工作原理，建立了电容敏感场的数学模型。对系统的其他研究工作均以此模 型为理论基础，从系统的流型识别和图像重建的效果来看，此模型是可行的。 2 建立电容敏感场有限元模型，获得电容敏感场分布信息电容敏感场分布 信息作为图像重建所需的先验数据，对图像重建有至关重要的影响，但它不能 通过实验方法获得，通过对敏感特性的分析建立了有限元模型，完成场域剖 分，最后得到在一种适合油水两相流的有限元模型，满足图像重建对敏感场数 据的精度要求。 3 图像重建是电容层析成像技术中急待解决的一个问题，目前没有满足实 用要求的算法，通过分析系统的工作原理从理论上发现不同流型下系统测量参 数的隐含特征。建立系统模型，对已有重建算法进行分析改进。使图像重建算 法能克服测量数据波动对图像重建影响，并对实验数据进行详细分析。 4 对流型判别方法进行深入研究，为进一步的研究提供理论基础。由于微 处理器对加法运算速度较快，尝试使用一般的图像重建剖分方法，代替以往流 型辨识方法的剖分方式。用较大的像素数量作为流型辨识算法的数据，以求使 辨识结果更加精确。 皇玺薹耋三点：三耋塑：! 兰竺竺耋 第2 章电容层析成像系统原理 电容层析成像技术是上世纪8 0 年代末由英国曼彻斯特大学提出的一种新 的计算机层析成像技术，它是通过测量物体表面周围电极之间的电容值来计算 物体内部介电常数的空间分布，主要用于工业管道内的多相流检测，这种技术 可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状 态等可视化信息，与其它测量技术或仪表相配合还可应用于多相流总质量流 量、分相质量流量以及流速的实时检测。比之其它技术，电容层析成像技术具 有适用范围广、非侵入式、安全性能好等优点，各种工业生产过程中常见的多 相流均能应用该技术并且成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术 为从根本上解决多相流的多参数可视化测量问题提供了一条较好的途径，是实 现多相流参数在线检测的一种理想手段。因此，完善和发展电容层析成像技术 理论是一项很有意义的研究工作。 21 电容层析成像系统的组成结构 e c t 系统的工作机理是：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的介质分布而实现对多相流参数的检 测。其系统由电容传感器、数据采集系统、成像计算机三部分组成，其组成如 图2 一l 所示。 控制信号 膏量矗# 图2 1 电容层析成像系统的组成框图 f i 9 2 1c o m p o s i t i o nc h a r t o f e c t s y s t e m 由于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当欲检测的管道内各相组 哈尔滨理工大学工学硕_ 上学位论文 分浓度及其分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，在管 道外壁均匀对称地粘贴着铜制电极板，用来检测管道内电容值发生的变化，电 容值的大小反映了多相流介质相浓度的大小和分布状况。从而，通过测量各极 板间的电容值就能得到管道内的介质分布和含率信息。与其它流动层析成像技 术相比，电容层析成像技术成本低、适用范围广、结构简单、非侵入式、安全 性能好等优点，因此成为目前流动层析成像技术发展的主流和研究热点之一。 以下分别介绍电容层析成像系统的这三个部分。 2 1 1 电容传感器 电容层析成像( e c t ) 系统的电容传感器与普通测量用的电容传感器有所不 同，它的结构通常采用在绝缘管道外侧均匀地安装多对铜极板所构成，为防止 外界电磁场的干扰，电极板的外部设置接地的屏蔽罩，同时，为了扩大系统的 动态范围，降低相邻极板间的高固有电容，在各极板间还设置了接地的径向保 护极板，结构如图2 2 所示。 图2 - 2e c t 传感器结构图 f i g 2 2s t r u c t u r ec h a r to fe c t t r a n s d u c e r 目前常用的e c t 系统电容极板数目是8 、1 2 、1 6 等，本文以典型的1 2 电 极电容传感器为研究对象。一般地，对于一个电极系统，可得到的独立电极 对总数 为： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 r l = 碍= n ( n 一1 ) 2( 2 - 1 ) 以1 2 个极板中的任意一个极板为起点，逆时针对1 2 个极板编号l ， 2 ，1 2 。在一个完整的测量过程中，首先选择电极板为源极板，并给源极 板l 加一定的正电压形，分别以电极板2 ，3 ，1 2 为检测极板，测量极板 对1 与2 ，1 与3 ，1 与1 2 之间的电容值，每次测量时其它闲置电极都接 地。接着选择电极2 为源电极，测量极板对2 与3 ，2 与4 ，2 与1 2 的电 容值，由于上一步测量中电极l 和2 之f b j 的电容已经测量过了，因此这次测量 中电极l 是冗余的。再以电极3 作为源极板，依此类推，直至测量完电极板1 1 与1 2 之间的电容值。这样，在1 2 电极板系统中总共可获得6 6 个独立的测量 值，为便于整体计算，并依上式编号为c l ，g ，c k 以方便运算。此外在考虑 单个电容并注重电容来源时，在考虑单个电容并注重电容的来源时，也常用另 一种电容表示方式，e ，表示极板对f ：，间的电容。 e c t 传感器的主要结构参数变化对传感器性能的影响分析如下啪川。 1 电容极板数目。测量极板数目增加，独立电容测量值数目( 投影数据) 增多，图像重建质量相应提高。但增加极板数目要通过减少极板面积来实现， 从而使检测场灵敏度降低，同时也相应延长了数据采集和图像重建的计算时 间，降低系统成像的速率。 2 测量极板轴向长度。长度太长会造成空间滤波效应，使传感器对流体空 间结构的高频信号失去响应能力；若长度太短，虽对高频信号的响应能力强， 但输出电容太小，信噪比降低，电容检测难度增加。综合考虑一般取电极长度 是管径的1 2 5 倍。 3 管壁厚度置一心，管壁相对介电常数岛。匀管壁厚度在满足一定的机 械强度要求下应适当薄一点。若管壁太厚，虽机械强度增加，但由于电容传感 器的高灵敏度往往集中在管壁处，因而高灵敏区往往为管壁所占。另外，管壁 厚度的增加使电容的空管满管变化量减少，而管壁介电常数匀的增加却使电 容的空管瞒管变化量增加。 4 屏蔽罩与电极的间距墨一心，填充材料相对介电常数日。介接地屏蔽 罩是必需的以消除外部的电磁干扰、保护极板不受到损坏。管壁与屏蔽罩间填 充材料主要起到加固传感器、固定导线的作用，屏蔽罩至电极间的距离足一飓 小一点可以使系统紧凑。足一r ，的减少使静态电容降低，但变化幅度很小，且 其变化对空管瞒管变化量的影响也很小。应小一点，一方面可降低电极与屏 蔽罩间形成的杂散电容，另一方面可增加传感器的灵敏度。 哈尔滨理工大学丁二学硕士学位论文 5 极板张角口。极板张角p 受极板数目j 的影响。在极板轴向长度一定的 情况下，张角曰增大会使检测场灵敏度相应增加，但会降低极板数量。 6 径向电极。径向电极的存在，大大降低了相邻电极间的电容，对电极间 电容影响的大小与径向极板的宽度及插入管道壁的深度有关。如果径向极板不 插入管壁，对空管或满管电容及其变化量影响不大，而径向极板插入管壁越深 对其相应影响越大。径向电极对非相邻电极间电容的影响不大。 2 1 2 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，数 模转换( a d ) 及通讯接口等。其中c v 转换电路的设计是最关键和最困难的， 系统采集成像的数据并传输给计算机，成像的准确性很大程度上依赖于该系统 的准确性啪1 。 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，同时使其他闲置电极接地。电容数据采集系统的a d 转换及通讯接口的作 用是完成a d 转换，并负责对原始数据的模拟滤波和预处理，及与计算机进行 通讯。 由于电容传感器极板间的电容值很小，且最大值和最小值相差较大。测量 如此微小且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，这也是电容层析成像技术发展过程中 的主要难题之一，也是研究的一个主要方向。 2 1 3 成像系统 成像系统采用的是p c 机，主要负责对外围接口电路发出指令来控制数据 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 像重建和图像显示。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 5 帧每秒；在 非实时检测中对速度的要求较低，但对精度的要求则要高一些。 2 2 电容层析成像系统的工作原理 前面简要介绍了电容层析成像系统的各个组成部分，但未涉及系统的工作 1 2 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 机理和可行性分析，下面将以两相流为例对此进行阐述。 极板间的电容测量值由两部分做成：极板对问管道内部分的电介质形成的 电容和位于管道外和屏蔽罩间屏蔽层的电介质所形成的电容。通过合理设计电 容传感器，可使第二部分的电容值很小，可忽略其对整个电容测量值的影响。 在这一假设前提下，先看一种较简单的情况，两相流的离散相和连续相的介电 常数分别为蜀和占：，且离散相均匀地分布在连续相中，两种介质的体积分别是 k 和巧，则两相流体的等价介电常数占为： 占= ( k y ) q + ( 圪v ) 岛 ( 2 2 ) 式中：v 为两相流的总体积，v = k + 圪： 由式( 2 2 ) 可得： 占= ( k y ) 蜀+ 【( 矿一k ) y 】乞 = 6 2 + ( 巧v ) ( q 一岛) ( 2 3 ) 定义离散相浓度为： 一v ， ( 2 4 ) 这样，可得电容测量值c 为： c = k 占= k 。( 巧v ) = k ( ) ( 2 5 ) 式中：k 为特征常数，由电容的尺寸决定。由( 2 5 ) 可知，电容的测量值c