（检测技术与自动化装置专业论文）基于单电极激励模式的电阻层析成像技术的研究.pdf

中文摘要 两相，多相流动体系广泛地存在于自然界和工业过程中，其流动参数的准确 测量，直是工程技术和科学研究领域急需解决而迄今尚未很好解决的研究课 题。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 过程层析成像技术中的一个分支，是电阻抗层析成像技术的一种简化形式，具 有非侵入、无辐射、在线测量等优点，已逐步发展成为新一代过程参数检测技 术。 随着电子和工业技术的发展，工业现场对数据采集及处理系统的要求越来 越高，目前的e r t 系统还不能完全满足工业现场的要求，还有许多实际工作需 要完成。本论文从e r t 技术的原理性研究出发，着眼于提高e r t 系统的工作 性能，主要研究工作及结果如下： ， 1 从e r t 原理入手，总结和分析e r t 技术的数据采集模式，提出一种 新型的电流激励、电流检测的单电极激励数据采集模式，给出这种模式的数理 模型，并应用分离变量法求取了两种媒质分布情况下该模式的e r t f 问题的解 析解： 2 应用a n s y s 仿真软件建立单电极激励模式e r t 系统模型，从场分布 和数据分析两个角度对单电极激励模式进行仿真研究，验证该数据采集模式的 正确性，讨论其与相邻模式的异同，及外接电阻对敏感场分布的影响。在此基 础上，提出新的e r t 数据采集系统设训方案。 3 实现基于单电极激励模式的e r t 数据采集平台，为了简化硬件电路结 构和提高系统实时性，应用幅值可调的方波激励信号：以p c 机为核心，设计 可产生多种波形信号的信号发生器和基本的集成电路，应用p c 一7 4 2 9 和 p c 一7 5 0 1 两块板卡实现数据采集和控制，构成一套e r t 系统；应用该套系统 进行实验研究，从数据分析的角度验证了系统的可靠性，进一步的验证了单电 极激励模式在实际应用中的可行性。 4 讨论基于单电极激励模式的图像重建算法，以定性的线性反投影和灵 敏度系数两种算法为基础，对单电极激励模式的敏感场进行讨论，给出应用改 进灵敏度系数算法的重建结果，提出基于电力线的单电极激励模式的反投影算 法，并给出理论推导。 关键词：电阻层析成像数据采集模式单电极激励方波信号重建算法 a b s t r a c t t h ep r e c i s em e a s u r e m e n to ft w o - p h a s e m u l t i - p h a s ef l o w sw h i c he x i s tw i d e l yi nt h e n a t u r a la n di n d u s t r i a lp r o c e s s e sh a sb e e na ni s s u ed e m a n d i n gt h es o l u t i o nb u ts t i l l n o ts o l v e d 谢t hs a t i s f a c t i o n 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 ) a sab r a n c ho f t h ep r o c e s st o m o g r a p h yt e c h n i q u ei sas i m p l i f i e df o r mo fe i tt e c h n o l o g y a sa f t o n - l i n em e a s u r e m e n tt e c h n i q u ep o s s e s s i n ga d v a n t a g e so fv i s u a l i z a t i o n ，n o n i n v a s i o n ， l o wc o s ta n dn o n r a d i a t i o n ，e r th a sd e v e l o p e di n t ot h en e wg e n e r a t i o no fp r o c e s s p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o na n di n d u s t r yt e c h n i q u e ，t h er e q u i r e m e n t so f d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ( d a s ) i ni n d u s t r i a lf i e l da l eb e c o m i n gh i g h e ra n dh i g h e ra n d t h ee x i s i t i n ge r ts y s t e mc a nn o tr e a c ht h a t t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ee r t s y s t e mp e r f o r m a n c e ，l a u n c h i n go nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fe r ts y s t e m ，t h e m a i nw o r ka n dr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 an e wc u r r e n t e x c i t i n ga n dc u r r e n t m e a s u r i n gd a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d ( d a m ) ， n a m e l y t h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d em e t h o d ，a n di t sm a t h e m a t i cm o d e la r e p r e s e n t e db a s e do nt h es u m m a r i z a t i o na n da n a l y s i so f t h ed a ma d o p t e db ye r t s y s t e m a n dt h ea n a l y t i cs o l u t i o n so fe r tf o r w a r dp r o b l e mu n d e rt w od i f f e r e n t m e d i ad i s t r i b u t t o n sh a v eb e e nw o r k e do u t 2 t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ee r ts y s t e mb a s e do nt h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d e m e t h o dh a sb e e ns e tu pu s i n ga n s y ss o f t w a r e ，t h es i m u l a t i o ns t u d yo ft h e s i n g l ed r i v ee l e c t r o d em e t h o di sc a r r i e do u tf r o mt h ea s p e c t so ft h ed i s t r i b u t i o n o ft h es e n s i n gf i e l da n dd a t aa n a l y s i s t h ev a l i d i t yo ft h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d e m e t h o di sv e r i f i e d ，t h es i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e sb e t w e e nt h es i n g l ed r i v e e l e c t r o d em e t h o da n dt h ea d j a c e n tm e t h o da r ed i s c u s s e da n dt h ei n f l u e n c eo f t h e c o n t a c tr e s i s t a n c eo nt h es e n s i n gf i e l di sp r e s e n t e d b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s an e wd a sw a sp u tf o r w a r d 3 an e we r td a t aa c q u i s i t i o np l a t f o r mb a s e do nt h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d em e t h o d h a sb e e nb u i l t f o rs i m p l i f y i n gt h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n di m p r o v i n gt h e r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fe r ts y s t e m ，t h eb i - d i r e c t i o n a lp u l s ec u r r e n tw i t h a d j u s t a b l ea m p l i t u d ei sa d o p t e da st h ee x c i t i n gs i g n a li nt h en e ws y s t e m an e w s i g n a lg e n e r a t o rt h a tc a r lo u t p u tt h r e ek i n d so fw a v e f o r m sh a sb e e nd e s i g n e d a n dt w op c b b o a r d sn a m e dp c 一7 4 2 9a n dp c 。7 5 0 1w e r eu s e di nt h ed a sa st h e d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ea n dt h ec o n t r o lm o d u l er e s p e c t i v e l y t h ee x p e r i m e n t s u s i n gt h en e ws y s t e mh a v eb e e nf i n i s h e di nt h el a b o r a t o r y , t h er e l i a b i l i t yo f t h e s y s t e mh a sb e e nv e r i f i e db yt h ea n a l y s i so ft h ea c q u i r e dd a t a ，a n dt h ef e a s i b i l i t y o ft h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d em e t h o di na c t u a la p p l i c a t i o nh a sb e e nf u r t h e r v a i i d a t e d 4 b a s e do dt h eq u a l i t a t i v eb a c kp r o j e c t i o na l g o r i t h ma n dt h eq u a l i t a t i v es e n s i t i v i t y a l g o r i t h m ，t h er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mo ft h es i n g l ed r i v ee l e c t r o d em e t h o dh a s b e e ns t u d i e d ，t h er e c o n s t r u c t i o ni m a g e so ft h en e we r ts y s t e mu s i n gt h e m o d i f i e ds e n s i t i v i t ya l g o r i t h mw e r ep r e s e n t e d ，a n dan e wb a c kp r o j e c t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ee l e c t r i cl i n e so ff o r c eh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r dw i t ht h e a c a d e m i ce x p r e s s i o n s k e yw 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 , d a t aa c q u i s i t i o nm e t h o d ， s i n g l ed r i v ee l e c t r o d e ，b i d i r e c t i o n a lp u l s e ，r e c o n s t m c t i o na l g o r i t h m 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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂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：刘军之 签字日期：卸旷年1 月，1 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘鲎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：刘军丈 签字日期：劲r 年1 月i 王日 导师签名：每噜 签字日期：年、 月v 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在自然界和工业生产过程中广泛存在两相多相流动体系，随着科学技术的 迅速发展和人民生活水平不断提高，两相多相流动的研究在工业生产过程和人 类生活中的地位日益重要，比如在石油、化工、冶金、制药等领域都要广泛的 应用到两相多相流的测量。多相流流动参数的准确测量，一直是工程技术和科 学研究领域急需解决而迄今尚未能很好解决的研究课题【n 】。近几十年来，国内 外科技工作者在解决两相多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，已经取得了一些成果，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，远未满足工业应用的要求。 因此，多相流检测技术无论在国际还是在国内都属于一个急待发展的研究领域。 1 2 多相流测量 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。 两相流动或多相流动和单相流动相比不仅流动特性复杂的多，而且相问存在着 截面效应和相对速度，这使得参数检测的难度加大。而多相流需要测量的参数 很多，包括流动参数( 浓度、流量、压力等) ，传质、传热情况，流型以及特征 参数( 相的粒度分布、相速度和相含率、液膜厚度分布等) ，并且还常要求能够 给出许多参数的在线实时测量结果。 多相流量技术就是将一种多相流量计直接安装在油气集输管线上，采用先进 的测量技术，对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动计量。可 以将多相流流量计分为三大类：测量前实行部分分离的测量系统：测量前实施均 相化处理的测量系统：狈4 量前不需任何措施的测量系统f 3 】。 ( 1 ) 部分分离测量系统：部分分离测量系统是在测量前把流体分离成液相占 主导和气相占主导的两部分，因而每一个流体分支都只需要测量在一定相分率范 围内的流体。部分分离的设备包括重力分离和流动转向器两部分。 ( 2 ) 均相化测量系统：均相化测量系统是将流体事先混合均相，以确保在测 量时是在流体均相条件下进行，这样就避免了流型对测量的影响。 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 在自然界和工业生产过程中广泛存在两相多相流动体系，随着科学技术的 迅速发展和人民生活水平不断提高，两相，多相流动的研究在工业生产过程和人 类生活中的地位日益重要，比如在石油、化工、冶金、制药等领域都要广泛的 应用到两相多相流的测量。多相流流动参数的准确测量，一直足工程技术和科 学研究领域急需解决而迄今尚未能很好解决的研究课题”1 1 2 。近几十年来，国内 外科技工作者在解决两相多相流流动参数的检测问题上开展了人量的理论与 实验研究工作，已经取得了一些成果，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，但是仍存在许多问糟，远未满足工业应用的要求。 因此，多相流检测技术无论在国际还是在国内都属于一个急待发展的研究领域。 1 2 多相流测量 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i 固、液，固、液，液( 如油，水) 两相流，以及气，液，液、气，液，固三相流等。 两相流动或多相流动和单相流动相比不仅流动特性复杂的多，而且相司存在着 截面效应和相对速度，这使得参数检测的难度加大。而多相流需要测量的参数 很多，包括流动参数( 浓度、流量、压力等) ，传质、传热情况，流型以及特j ：i f 参数( 相的粒度分布、相速度和相含率、液膜厚度分布等) ，并且还常要求能够 给出许多参数的在线实时测量结果。 多相流量技术就是将一种多 日流量计直接安装在油气集输管线上，采用先进 的测量技术，对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动计量。可 以将多相流流量计分为三大类：测量前实行部分分离的测量系统；测量前实施均 相化处理的测量系统；测量前不需任何措施的测量系统【3 。 ( 1 ) 部分分离测量系统：部分分离测量系统是在测量前把流体分离成液相占 主导和气相占主导的两部分，因而每个流体分支都只需要测量在一定相分率范 围内的流体。部分分离的设备包括重力分离和流动转向器两部分。 ( 2 ) 均帽化测景系统：均相化测量系统是将流体事先混合均相，以确保在测 量时是在流体均相条件下进行，这样就避免了流型对测量的影响。 量时是在流体均相条件r 进行，这样就避免了流型对删量的影响。 第一章绪论 ( 3 ) 测量前不采取任何特殊措施的测量系统：此类流量计一般采用单能源射 线衰减仪结合电容传感器( 用于油相为连续相流体) 电导传感器( 用于水相为连 续相流体) 来测量流体的相分率。使用相关法和文丘流量计来测量组分的速率， 通过设计使流体方向垂直向下流动，通过流量计的流型只能是：气泡流、冲击流、 段塞流及环状流。 目前应用的三相流量计并不十分理想，理想的三相流量计应能精确的测量整 个相分率范围内的各相流速。对理想多相流流量的要求为圈：相分率范围：体积 含气率为0 9 9 ，含水率q 9 0 ；液体流速和气体流速：误差在5 以内。 由于许多多相流体其含水率可能高达9 0 以上，故要求含水率测量绝对误差小于 2 ，从机械设备的角度要求多相流量计是无介入式以避免对传感器腐蚀及对 流动产生附加压降。过去十年中对三相流量计的研制作了大量工作，研制出一些 型号的商用多相流量计，但均不能达到误差在2 以内的要求。目前广泛采用 的综合测量法很难使误差达到5 以内。 综上所述，只有在测量原理上取得重大突破，找到一种能对多相流中各相 质量流量进行独立、直接计量的方法，而且在测量技术上进一步提高，才能制 造出完全适用于现场的产品。过程成像技术是过去十几年中迅速发展起来的 项新技术，但过去一直进行的是两相流成像。直到最近才出现三相流微波成像 技术，所以此技术的性能指标及实际应用前景还有待开发。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 ) 技术是二十世纪八十年代中期，随着计算 机技术和检测技术的进步正式形成和迅速发展起来的新一代过程参数检测技 术；它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，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。 p t 技术特点在于：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；它在不破坏、不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种方 便的手段；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、准确的信息和辅助 的研究手段。 目前已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) 【4 1 1 5 】、超声技术6 1 、光学技术 7 】、微波技术、电学技术等【8 1 。其中，基 于电学敏感原理的电层析成像( e t ) 技术已在许多过程检测中取得了较为成功 的应用 9 】，目前已进入工业应用研究阶段f 10 】f 1 。 第一章绪论 1 3 电阻层| 1 斤成像技术 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 ) 技术是电学 层析成像技术的一种，是电阻抗层析成像( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m e g r a p h y ， 简称e i t ) 技术的一种简化形式。它的物理基础是基于不同媒质具有不同电导 率，通过判断处于敏感场( 测量时建立的电磁场) 中物体电导率分布来得知物 场媒质分布状况。e r t 技术具有非接触或非侵入、多点或截面分布式测量、无 辐射、在线可视化监控、能获得管道或设备内部二维，三维分布信息、结构简单、 成本低、响应速度快等优点，己在地质勘探与环境监测【1 2 】、气，液混合过程研究、 多相流( 油，水，天然气混合物) 流型识别及流动参数的在线测量”3 】等方面有不 少成功应用。 1 3 1 e r t 技术发展概况 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【1 4 【。随着电子技术和计算机技术的发展， 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 ( t c m o g r a p h i cr e s i s t i v i t ym e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ) o l “，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。 2 0 世纪8 0 年代中后期，医学e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析 成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 技术的一种【1 7 】。1 9 9 2 1 9 9 5 年“欧洲 过程层析成像技术联合行动( e c a p t ) ”大大促进了e r t 技术的发展，较为突 出的是：慕尼黑大学研究的定量图像算法，在在线辨识气液两相流流型实验中， 其组分浓度的测量精度可达2 ；英国u m i s t 大学地电机工程系的e d i c k i n 完成了m k 1 b 系统，数据采集速度可达2 0 幅秒以上【1 8 】【1 9 】。 e r t 技术的研究英国u m i s t 大学一直处于领先地位，其研究成果主要表 现为：开发出适用于金属容器的e r t 系统，拓宽了e r t 技术的适用范围【20 1 ： 继m k1 b ，1 9 9 8 年，又开发出m k 2 b 系统，数据采集速度可达1 0 0 幅秒， 数据传输速率大于1m b s 2 ”；( 要) 2 0 0 1 年开发出利用双极性脉冲电流源作为激 励源的电阻层析成像硬件系统设计的新原理，这一技术克服了常规直流激励源 带来的介质电极化效应，系统的运行速度快，为解决实时性提供了一种新的途 径，据报道，该系统数据采集速度可达1 0 0 0 幅秒( 激励频率8 0 k h z ) 2 2 j ； 将e r t 技术应用于两相流参数检测，测量泡沫流的泡沫密度分布，为泡沫流的 过程控制提供了一种新的可视化的监测技术f 2 3 。 第一章绪论 1 9 9 8 年英国l e e d s 大学w i l l i a m s 教授领导的研究小组研制出i t s 一1 0 0 0 型e r t 系统样机，该系统数据采集速度为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1 2 。英国l e e d s 大学最新开发出一套两相流在线数据采集和测量处理双截面e i t 系统，其电压 检测采用并行处理机制，数据采集速度每个电极平面达1 0 0 0 幅，秒，被测流速 可达1 0 m s ，精度5 怔剐； 在我国，对e r t 技术的研究开始于8 0 年代后期徐苓安教授带领的天津大 学p t ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 研究小组。之后国内一些单位也开始了该领域的 研究：北京航空航天大学和东北大学的e r t 小组在算法上取得了很好的成绩； 浙江工学院开发的电阻层析成像系统已用于土壤大地测量；清华大学研究出一 套基于低频电流场灵敏度系数矩阵的图像重建算法的e r t 系统；天津大学的 e r t 科研小组，已开发出t e r t - 1 、2 、3 、4 型系统样机，其采样速率可达5 0 幅，秒( 4 0 k h z ，1 0 4 点，幅，模拟解调) l z 6 】，基于d s p 和u s b 通讯协议的e r t 系统已经处于调试阶段【2 7 1 【2 8 】，其中，t e r t - 4 型电阻层析成像系统已完成动态 实验，为最终设计出工业实用化的系统积累了经验，且天津大学的p t 科研小 组在基于e r t 技术的两相流测量上取得了突出的成绩，成功的进行了两相流的 气含率测量和流型识别的研究【2 9 】【3 0 】。 1 3 2 研究方向 尽管过程e r t 技术同医学e i t 技术之间有很多相似之处，但由于测量对 象、测量目的以及运行环境条件的不同，使得他们之间无论是在信息的获取方 式、处理方法上，还是在结果的解释、应用上都有着显著的不同；尤其是医学 e i t 有丰富的先验知识可以和用，而过程e r t 的检测对象通常是时变的，这使 得过程e r t 的研究过程中存在着相当大的困难。e r t 技术的研究主要集中在 三个方面： 第一：硬件性能的提高：包括传感器子系统，电极阵列的优化设计，数据 采集系统的稳定性、信噪比、实时性的提高； 第二：图像重建算法的改进：要求开发高性能的图像重建算法，实现快速 有效的定量图像重建，以满足工业过程在线监测的要求； 第三：工业领域的应用开发：技术最终要为生产和科研服务，应用性的开 发包括开拓技术的应用领域和针对不同对象的适用范围，这样会促进e r t 技术 的发展，使之成为真正实用的在线监测技术。 当前计算机运算速度大幅提高，且e r t 技术应用时应满足实际多相流速度 要求，硬件性能的提高是e r t 技术急待解决的一个问题。而硬件性能主要集中 第一章绪论 在数据采集的实时性向题，提高数据采集系统实时性主要包括以下几个方面因 素： 1 激励信号：作为系统激励信号，其波形、频率等对系统实时性影响是决 定性的，e t 技术研究者曾经采用过正弦波以及方波，通过电流或是电压等激 励方式，试图减少前端引入的干扰，找到一种快速简单获得传感器幅值信息的 方法。 2 电极系统：电极系统作为数据采集通道前端传感器，其性能的好坏直接 影响采集到的信号质量，进而影响后续信号调理，去除噪声，数据采集等电路 的复杂性及实时性。 3 数据采集通道：作为数据采集的实现环节，数据采集通道在实现方式、 功能电路设计、芯片选择上直接影响系统实时性。针对采集到的信号，在功能 电路设计和芯片选择上，应当考虑有充裕的带宽，响应时问短的信号调理电路 以及方便实用的数据传输通道。 4 数据处理方法：作为数据采集通道的终端，算法的优劣，处理器的速度， 是最终影响系统实时性的因素。 在提高硬件系统性能的工作中，硬件电路的设计由于其开发周期长，和其 对信号实时性的决定性影响，较之数据处理的算法实时性更为重要。而在其中， 激励信号的波形、频率作为提高系统实时性的根本因素，数据采集实现方法作 为提高系统实时性的现实因素，是今后进行系统改造，提高系统实时性的两条 主线。其它的方面或作为补充，或由之决定，可在改进系统的同时达到提高系 统实时性的目的。 1 4 课题主要研究内容 本论文所完成的主要工作如下： 1 在分析e r t 技术常用数据采集模式的基础上提出了电流激励、电流检 测的单电极激励模式，给出该模式的数理模型，并应用分离变量法进行e r t 正问题的解析计算； 2 应用a n s y s 仿真软件对单电极激励模式进行仿真研究，验证该模型理 论的正确性、与相邻模式的异同、测量数据的可靠性及外接电阻对敏感场的影 响等： 3 基于单电极激励模式的e r t 系统的设计，以p c 机为核心，设计e r t 系统，包括：信号发生、电极阵列、数据采集和逻辑时序等部分；采用方波激 励信号简化电路结构，提高数据采集的实时性。 第一章绪论 4 单电极激励模式成像算法的研究，基于最常用的线性反投影和灵敏度 系数算法进行单电极激励模式的成像算法的研究，给出应用灵敏度系数算法的 成像结果，提出基于电力线的单电极激励模式反投影算法，并给出理论推导。 1 5 本论文的组织结构 本论文各章安排如下： 第一章绪论。简单阐述多相流测量和电阻层析成像( e r t ) 技术，包括多 相流测量的内容、发展：e r t 技术的原理、发展概况和研究方向；同时阐述本 论文的主要研究内容和组织结构。 第二章电阻层析成像数据采集模式。从e r t 技术似稳场的概念入手，介 绍e r t 系统的正反问题：总结e r t 技术发展过程中曾采用的数据采集模式， 并进行比较：提出新型的数据采集模式。 第三章单电极激励模式的数理模型。给出单电极激励模式的理论模型，应 用分离变量法进行单电极激励模式的解析解计算；验证单电极模式的等效模型： 从理论和实验两个角度分析方波激励信号在e r t 系统中应用的可行性。 第四章单电极激励模式的仿真研究。应用a n s y s 仿真软件建立单电极激 励模式e r t 系统模型，从场分布和测量数据两个角度验证模式的正确性；与相 邻模式进行比较验证；讨论单电极激励模式e r t 模型中外接电阻对敏感场的影 响。 第五章基于单电极模式的e r t 系统设计及实验结果。介绍了作者所丌发 的数据采集系统，包括信号发生、电极阵列、数据采集和逻辑时序等部分；应 用所设计的系统进行实验研究，验证系统的可靠性和单电极激励模式的可行性。 第六章单电极模式的算法研究及成像结果。以线性反投影和灵敏度系数算 法为基础，对单电极激励模式进行成像研究，给出基于灵敏度算法的成像结果， 提出基于电力线的单电极激励模式的反投影算法，并进行初步讨论。 第七章总结和建议 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 e rr 技术决定系统构成的是采用的数据采集模式，本章从e r t 系统构成 开始，介绍似稳场的概念以及e r t 的正反问题；总结e r t 技术曾经采用过的 多种数据采集模式并进行分析比较；总结传统e r t 系统采用的相邻模式在实际 应用中的不足，提出新的数据采集模式。 2 1e r t 系统的构成 e r t 技术的检测机理是：在管壁处不同电极对上旌加恒定激励( 电流或电 压) ，然后通过测量其它电极上的输出变化( 电压或电流) 并依据合适的图像重 建算法获得反映被测介质分布变化的断层图像。通常e rr 系统的工作方式采用 电流激励、电压测量的相邻模式。 图2 1 典型e r t 系统基本构成 典型的e r t 系统，如图2 1 ，通常由三个主要部分构成： ( 1 ) 获驭被测物场信息的空间敏感阵列。它是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。 ( 2 ) 数据采集与处理单元。它的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实部信息。 ( 3 ) 图像重建与物场参数提取单元。它的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 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 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 应的基于知识工程的软件库，提取出被测物场的特征信息，如流型、相速度、 相含率、相尺寸等等。 e r t 系统的控制单元多采用的是p c 机，它向数据采集单元发出指令，给 某一对电极或多个电极施加激励电流，在过程对象内部建立起敏感场。然后测 量边界上的电压信号，将得到的测量数据送数据处理单元，以适当的算法重建 出对象内部的电导率分布，从而得到媒质分布图像( 二维或三维) 。最后送图像 分析单元，对图像的物理意义加以解释，提取有关的特征参数，为过程控制或 实验研究提供必要的信息。 构成e r t 系统的三部分的特性均是由数据采集模式决定的。数据采集模式 在e r t 系统中具有最重要的作用，它不仅决定硬件系统的结构，控制策略，而 且决定对于给定电极阵列的可能的独立测量次数，及e r t 系统列电极中心乎面 上不同位置电导率变化的检测灵敏度，也能影响到图像重建算法的稳定性。合 理的数据采集模式能够使系统的硬件结构简单、实时性提高，因此采用合理正 确的数据采集模式是e r t 系统设计的决定性因素。 2 2e r t 敏感场的数学描述 2 2 1 似稳场 e r t 的所有理论都建立在似稳场假设的基础上。似稳场是电磁场理论中的 概念，满足微分方程组 3 1 】： v x h = j 。= 疵 v x e ：一罢：一i o h、 磷。| 、l 。l v b = 0 v d = 0 v d = 0 说明这种场中不可能有自由体电荷分布。 似稳场遵循静态场的规律，即矢位a 和电位矿分别满足p o i s s o n 方程和 l a p l a c e 方程： v2 a = 一，( ：2 - 2 ) v 2 击= 0( 2 - 3 ) 满足似稳场条件的电磁场有三类： ( 1 ) 随时间变化很慢或频率很低的电磁场，即缓变电磁场，遵循静态场的 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 规律，是似稳场。 ( 2 ) 导电媒质中位移电流远小于传导电流，位移电流可以忽略不计。电磁 场仍满足方程( 2 - 1 ) ，也是一种似稳场。 ( 3 ) 当电磁场的变化并不缓慢、媒质中的位移电流与传导电流相比并不能 忽略的情况下，场源近区部分属于似稳场。场源近区是指以场源为中心，以远 小于2 6 的距离为半径的空间区域。且是电磁波的波长。 在e r t 系统中，激励电流的频率小于1 0 0 k h z ，以真空中电磁波的传播速 度v = c = 3 1 0 8 m s 计算，电磁波的波长a v f = 3 x 1 0 3 m ，而实际e r t 对 象的直径不会超过1 0 m ，远远小于a 6 = 5 0 0 m 。因而e r t 敏感场满足第三类 似稳场条件，可以用静态场的理论来描述和求解。 根据以上假设，对于e r t 的敏感场内任意一点，有： j = 口e( 2 4 ) v j = 0 ( 2 - 5 ) 其中，为电流密度，盯为电导率，e 为电场强度。又由于 e = 一v 西( 2 - 6 ) 其中庐为场内电势分布，则满足 v t p v ) = 0 ( 2 - 7 ) v c r v + 盯v 2 = 0 ( 2 - 8 ) 在均匀、线性、各向同性的导电媒质中，盯为常数，( 2 8 ) 式可简化l a p l a c e 方程： v 2 西= 0 ( 2 - 9 ) 2 2 2e r t 正问题和反问题 德国学者雷当于1 9 1 7 年提出的雷当变换和雷当逆变换是今天计算机层析 成像的数学基础【3 “。在电磁场分析中存在正问题和反问题的求解，正问题是已 知物场的分布和敏感场的初始及边界条件，求取电磁场分布：反问题则是根据 电磁场的分布及边界条件求取物场的分布。e r t 系统的工作过程就是根据正问 题的解，反映场内介质分布的边界测量电压或电流，求解反问题进行图像 重建，获取物场的介质分布图像。 求解e r t 正问题主要有三种方法 33 】：实际测量法、解析计算法和数值分 析法。实际测量法也是e r t 系统工作过程的一个环节，即在激励电极上加电流， 在测量电极上直接测取边界电压或电流。由于电极安装在过程对象的周围，这 种方法通常不能直接测取敏感场内部的电场分布。解析计算法首先要建立准确 的场模型，然后利用数理方法经理论推导，求得场内电势分布的解析表达式， 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 从而求得边界上测量电压的解析结果；这种方法推导过程复杂，适用于二维规 则形状的均匀场或简单非均匀场的e r t 正问题计算。数值分析方法有边界元素 法( b e m ) 、有限单元法( f e m ) 、有限差分法( f d m ) 等几种，其中在e r t 问题研究中更优先采用的是有限单元法，因为有限元法能更好地模拟电极尺寸 和电极与电解液之间的连接阻抗；本论文中应用a n s y s 仿真软件的有限元应 用程序对e r t 敏感场进行直接的仿真计算。 e r t 反问题主要是根据测量数据进行图形重建，有很多种算法，可以分为 动态式和静态式、直接法和迭代法、定性和定量等很多类别，目前广泛采用的 是等位线反投影算法和灵敏度系数算法。 2 3e r t 系统常用数据采集模式 e r t 技术的物理基础是不同媒质具有不同的电导率，判断出敏感场中的电 导率分布便可知物场的媒质分布状况。电导率的分布通过交叉给物体注入电流 的同时在物体的表面电极测量电压的变化得到。 通常，给定一个电极阵列，就有很多可能的电流一电压组合方式，即数据采 集模式，用来进行测量。然而并非所有的流压组合都是最优的。数据采集模式 决定了e r t 系统对电极中心平面上不同位置电导率变化的检测灵敏度，及对于 给定电极阵列的可能的独立测量次数，也能影响到图像重建算法的稳定性。主 要的几种数据采集模式有相邻( a d j a c e n tm e t h o d ) 、相对( o p p o s i t em e t h o d ) 、 交叉( c r o s sm e t h o d ) 、自适应( a d a p t i v em e t h o d ) 、多参( m u l t i r e f e f e n c e m e t h o d ) 、线性矩阵( l i n e a r a r m y ) ( 用于地球物理研究中) 等几种 3 3 】【3 4 3 5 】， 并已有深入的研究。其中应用最为广泛、也最为简单的是相邻激励模式。 2 3 1 相邻模式 相邻模式，也称四电极模式，如图2 2 所示，最早由s h e f f i e l d 大学在8 0 年代中 期提出用于他们的a p t ( a p p l i e d p o t e n t i a lt o m o g r a p h y ) 系统。由一个相 邻电极对向场域注入激励电流，建立敏感 场，在其它的相邻电极对上测量边界电压。 然后切换到下一个相邻电极对上进行激励 电乐测 图2 ，2 相邻楼式 再在其它的相邻、非激励电极对上 进行测量电压。重复上述过程直到所有的相邻电极对都激励过。不在激励电极 上进行测量是为了减小连接阻抗的影响。对于有n 个电极的e r t 系统，相邻 o 第二章电阻层析成像技术数据采集模式 模式可以采集到n ( n 一3 ) 个边界电压，根据互易原理，实际的独立测量次数只 有m = n + ( n 一3 ) 2 个。相邻的数据采集模式的电流分布非常不均匀，大部分的电 流流过靠近激励电极的区域，所以在这个区间非常敏感，而对于中心区域不敏 感，因为在中心区域的电流密度非常小。 相邻模式是e r t 技术中最具有吸引力的测量方法，它需要很小的硬件实现 电路，图像重建也能够相对更快。 2 3 2 相对模式 相对模式，也称极线方式( p o l a r m e t h o d ) 。由直径上的两个相对电极向场域 注入激励电流建立敏感场。而测量电极对的 选取则有多种方式：( a ) 选取与激励电极相 邻的一个非激励电极作为参考电极，依次与 其它电极构成测量电极对，进行测量：然后 幽2 3 相对模式 再顺时针方向切换激励电极到下两个相对电极，同时相应地切换参考电极、依 次与其它电极构成测量电极对。重复上述过程，直到所用相对的电极对都激励 过。在这种方式下，对于n 个电极的系统，可以有n x ( n 一3 ) 1 2 个测量