（机械电子工程专业论文）32电极电阻层析成像系统仿真研究.pdf

中文摘要 中文摘要 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 ，e r t ) 技术可在不破坏或不 干扰被测物场的基础上，通过测量敏感场域内的节点电势推导出电导率分布，进 而得知管道或容器内部的物场分布状况。它具有低成本、非侵入等优点，在两相 流检测领域应用前景广阔。 为了提高电阻层析成像系统对离散相如气泡尺寸大小的分辨能力，满足不同 尺寸尤其是大尺寸管道的两相流检测，论文提出了3 2 电极e r t 系统新方案。所做 的主要工作有： ( 1 ) 根据相关电磁场理论建立了e r t 系统的数学模型，求取了均匀媒质分布、 离散相同心分布和离散相偏心分布三种情况下e r t 系统正问题的解析解；建立了 e r t 系统激励电极阵列的阻抗模型，对电极阵列设计具有指导作用；分析了e r t 系统常用的激励n 量模式及特点，为e r t 系统模式选取提供了重要依据。 ( 2 ) 基于m a t l a bp d e 工具箱完成了3 2 电极电阻层析成像系统的仿真研究， 得出了相邻与相对激励模式下敏感场内电势及电场的分布，并研究了流型、电极 数目、气泡位置和大小诸因素对e r t 正问题求解结果的影响，根据仿真结果提出 了一种仿真求解e r t 系统的新方法。 ( 3 ) 应用有限元方法、基于v c + + 编程实现了敏感场场域剖分和有限元方程 组的建立与求解，得出了场域内各剖分节点的电势值的数值解，与基于m a t l a b p d e 工具箱的仿真结果进行了相互验证，同时为后续图像重建研究奠定了基础。 ( 4 ) 分析了图像重建的原理以及常用图像重建算法的优缺点，并着重对l b p 算法的原理及应用进行了优化分析与研究。 关键词：电阻层析成像；正问题；m a t l a bp d e 工具箱；有限元；图像重建 分类号：t p 2 7 4 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 ) c a ni n f e rt h ed i s t r i b u t i o n o ft h e c o n d u c t i v i t yb ym e a s u r i n gt h ej o i n te l e c t r i cp o t e n t i a li nt h es e n s i t i v i t yf i e l da n d t h e ng e t t h ed i s t r i b u t i o no fo b j e c tf i e l di nt h ep i p eo rv e s s e l ，w i t h o u td e s t r o y i n go ri n t e r f e r i n g w i t ht h eo b j e c tf i e l d i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt w o p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t w i t ht h ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dn o n - i n v a s i o ne t c t oi m p r o v et h es i z ed i s c r i m i n a t i o na b i l i t yo ft h ee 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 s y s t e ma n ds a t i s f yt h et w o - p h a s eo rm u l t i p l ep h a s em e a s u r e m e n to f d i f f e r e n tp i p es i z e s ， e s p e c i a l l yl a r g es i z e ，an e wm e t h o do f3 2 一e l e c t r o d ee r ts y s t e mi sp u tf o r w a r d t h e m a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i cp r i n c i p l e ，m a t hm o d e lo fe r ts y s t e mi sb u i l t ， a n a l y t i cs o l u t i o n so ff o r w a r dq u e s t i o no fe r ts y s t e mi n s i t u a t i o n so ft h eu n i f o r m m e d i u m ，d i s c r e t ep h a s ec o n c e n t r i ca n dd i s c r e t ep h a s ee c c e n t r i cd i s t r i b u t i o na r eo b t a i n e d i m p e d a n c em o d e lo ft h ee l e c t r o d ea r r a y si se s t a b l i s h e d i tp l a y st h eg u i d i n g r o l ef o rt h e d e s i g no ft h ee l e c t r o d ea r r a y s s t i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n tm o d e s o fe r ts y s t e ma n d c h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d i tp r o v i d e sb a s i sf o rm o d e ls e l e c t i o n ( 2 ) b a s e do nt h em a t l a bp d e ，s i m u l a t i o nr e s e a r c ho ft h e3 2 - e l e c t r o d ee r t s y s t e mi sa c c o m p l i s h e da n d e l e c t r i cp o t e n t i a la n df i e l dd i s t r i b u t i o n su n d e rt h ec o n d i t i o n o ft h ea d i a c e n ta n dc o m p a r a t i v em o d ei nt h es e n s i t i v i t yf i e l da r eo b t a i n e d t h e i n f l u e n c e so ft h ef l o wp a t t e r n ，e l e c t r o d en u m b e ra n da i rb u b b l e sp o s i t i o na n ds i z eo n t h es o l u t i o no ft h ee r ts y s t e ma r es t u i e d b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，an e w m e t h o do fs o l v i n gt h ee r ts y s t e mi sp r o p o s e d ( 3 ) w i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h em e s h i n g o fs e n s i t i v ef i e l di sr e a l i z e da n d t h ef i n i t ee q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e da n ds o l v e do nt h eb a s i so fv c + + t h e nt h e n u m e r i c a lp o t e n t i a ls o l u t i o n so fa l lt h em e s h i n gp o i n t si nt h es e n s i t i v ef i e l da r eo b t a i n e d ， a n dm u t u a l l yv e r f i e dw i t ht h er e s u l t ss i m u l a t e db ym a t l a bp d e t h e r e f o r e ，t h e f o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w - u pi m a g er e c o n s t r u c t i o nr e s e a r c hi se a t a b l i s h e d ( 4 ) t h ep r i n c i p l e so fi m a g er e c o n s t r u c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i co fu s u a la l g o r i t h m s a r e a n a l y z e d t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fl b pa l g o r i t h ma r ee m p h a t i c a l l yo p t i m i z e d 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 ；d i r e c tp r o b l e m ；m a t l a bp d e t o o l b o x ；f i n i t ee l e m e n t ；i m a g er e c o n s t r u c t i o n c l a s s n o ：t p 2 7 4 图表清单 图表清单 插图清单 图1 1 研究思路框图6 图2 1p t 技术的分类7 图2 2e r t 系统原理图。1o 图2 3 电阻层析成像系统的组成1 0 图2 4 电极形状12 图2 5 电极产生的电场1 3 图2 6 两电极等效电路1 4 图2 7 法拉第阻抗的两种分解等效图1 5 图2 8 电极交流阻抗等效模型16 图2 9 相邻激励测量模式18 图2 1 0 相对激励测量模式1 9 图3 13 2 电极e r t 系统的物场模型图2 3 图3 2 网格剖分模型。2 5 图3 - 33 2 电极e r t 系统的电势分布2 6 图3 43 2 电极e r t 系统的电场分布2 7 图3 5 相对激励模式下不同流型电势分布对比图一2 9 图3 6 相对激励模式下不同流型电场分布对比图3 0 图3 7 相邻激励模式下1 6 电极和3 2 电极e r t 系统电势分布对比图3 2 图3 8 相邻激励模式下1 6 电极和3 2 电极e r t 系统电势分布火柴棒对比图3 3 图3 9 相邻激励模式下1 6 电极和3 2 电极e r t 系统电场分布对比图3 4 图3 1 0 气泡位置对结果的影响3 5 图3 1 1 气泡尺寸对电场分布的影响。3 6 图4 1 二维均匀场解析示意图3 9 图4 2 离散相同心分析时解析分析示意图4 1 图4 3 离散相偏心分布时解析分析示意图4 2 图4 4v c + + 场域剖分程序框图4 5 图4 53 2 电极e l 玎系统剖分结果示意图4 5 图4 6 正问题求解过程流程图51 图4 7v c + + 求解结果三维显示图5 2 图5 1r a d o n 变换原理图5 3 北京交通人学硕十学位论文 图5 2 反投影算法加权优化示意图5 8 表格清单 表2 1 主要p t 技术对比介绍8 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 提供阅览服务，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：黜 辩嗍：纠年枷7 i r 导师签名： 呷俐 签字醐：吖引月，7 同 独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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： 解嗍：1 “月f 7 日 7 6 致谢 本论文的工作是在我的导师邓湘副教授的悉心指导下完成的，从论文题目的 确定到课题的实际开展，整个过程始终渗透着导师的辛劳和汗水。每次论文遇到 困难，导师总是与我反复的讨论，热心的指导，帮我渡过难关。邓老师严谨的治 学态度、渊博的知识、精益求精的科研作风、忘我工作的奉献精神给了我极大的 帮助和影响，导师高尚的人格更是为我今后的工作和生活树立了楷模。在此对恩 师两年来所给予我生活上无微不至的关怀和学业上孜孜不倦的教诲表示衷心的感 谢! 机电学院的王爽心老师，霍凯老师，陈科山老师对于我的科研工作和论文都 提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，我的同学韦正、蔡迪狄、闰波、胡静、张东 亮等对我论文的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情，与他 们相处一年多来的美好时光，使我终身难忘。 另外也感谢我的父母及家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业，也感谢所有关心和支持过我的老师、同学和朋友们。 绪论 1 绪论 本课题来源于国家自然基金项目“基于电阻层析成像与电磁流量计融合的两 相流检测研究”( 项目号：6 0 7 7 2 0 4 4 ) 。本章主要介绍课题的研究背景及意义、国 内外研究现状、论文的研究思路与主要研究内容等。 1 1课题的研究背景及意义 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l i j 。从宏观观点出发，可以把自然界的物质分 成三种相，即：气相、液相和固相。单相物质的流动称为单相流，如气体或液体 流动。所谓两相流是指有明确分界面的两种不同相物质的流动，如石油工业中的 油气、油水两相流和冶金电力工业中各种气力物料输送管道中的气固两相流、化 学工业中非均相反应器中混合物的反应过程等【2 】。 随着科学技术的发展以及工业发展水平的提高，对两相流的流动特性、变化 规律的研究，及其流动参数的检测，在相关的科研、设计以及生产过程的安全高 效运行中具有十分重要的意义【3 儿引。从上个世纪后半叶，原子能核电站及航天技术 的迅速发展，动力工业及石油化工工业高参数的引用，以及对环境保护的同益重 视，促使两相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外都给予极大关注的前 沿学科伶j 。近年来，国际和国内对两相流的研究兴趣都在持续增长，其原因在于两 相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用而且对促进这些工程设备的发展和创 新也起到了重要的作用。涉及两相流的工程设备主要有新型的锅炉、蒸发器、空 问设备、制冷机、核反应堆、分离设备、流化床反应器、气力输送设备、液力输 送设备、石油管道工程设备和多相流泵等。目前，两相流技术在海上油田开发中 也起到了重要的作用，由此可见，两相流检测技术的研究具有重要的理论和工程 意义【5 1 。 由于两相流动系统是一种随机的多变量的非线性系统【l 】，其流动的复杂性和随 机性使得两相流参数( 流型、分相含率、分相流量、总流量等) 检测的难度很大。 要认清两相流体系的复杂现象，揭示两相流动机理，建立两相流动模型并对流动 过程进行预测、设计和对生产系统稳定运行、优化操作进行控制，首先必须要解 决的是两相流的参数测最问题。在很大程度上，两相流检测已成为两相流研究的 一个制约性因素。近年兴起的过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y , p t ) 技术是解 决两相流参数测量难题极具潜力的有效途径之一7 1 。 北京交通人学硕+ 学位论文 过程成像技术是近年来发展起来的一种两相流( 多相流) 测量技术，它采用特殊 设计的敏感器空间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测对象的场信息，运用图 像重建算法再现两相( 多相) 流体在管道内或反应装置内部某一横截面上的分布 情况，从而得到两相流中离散相浓度分布及其随时问的变化规律，实现被测两相 流体在某一截面上的可视化【6 】( 7 1 。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，它将检测技术从传统的局部空间单点测量方式发展成 为对过程参数在二维( - - 维) 空间分布状况的在线、实时测量，极大提高了人们对生 产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段。 通过过程成像技术，可以将所获得的有关过程的动态信息与目前广泛应用的流体 动力学模型相结合，从而建立起更为符合实际情况的过程模型，并进一步优化过 程设备和装置的结构和参数设计，最终改进过程工艺，提高生产效率及安全性。 此外，过程成像技术的出现为两相流的研究提供了一种强有力的实验手段，通过 和现有流体力学微观研究手段相结合，它必将促进两相流体力学理论的进一步发 展，为过程工艺及设备与装置的优化设计提供新的理论依据，并进而发展出新一 代智能化实时分布参数检测系统【l 们。 过程成像技术在过去的十几年中得到了迅速发展，目前国际上已见报道的过 程成像技术有光学成像( o p t i c a lt o m o g r a p h y ) 、正电子成像( p o s i t r o ne m i s s i o n t o m o g r a p h y ) 、y ( 或x ) 射线成像、核磁共振成像( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ) 、超声成像( u l t r a s o n i ct o m o g r a p h y ) 、电学成像( 简称e t ，包括：电 阻成像( e r t ) 、电容成像( e c t ) 、电感成像( e i t ) 和电磁成像( e m t ) ) 等 形式【1 3 】。其中基于电阻传感机理的电阻层析成像( 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 ， e r t ) 技术，由于其成本低廉、结构简单、非侵入性、适用范围广等特点【l 引，成为 了目前p t 技术中的研究热点，并且被认为是p t 技术研究和发展的主流【l 引。 另外在近年的两相流检测领域，多传感器融合技术j 下在迅速发展，其中基于 电阻层析成像和电磁流量计融合的两相流测量是一种新的方法【8 】。从目前国内外文 章发表来看，还没有此方面的研究成果报道。这种新方法主要是利用电阻层析成 像技术来得知两相流流型和离散相的分布，从而在此基础上，建立起影响电磁流 量计输出的权重函数，也就是电磁流量计输出的参数模型，这样会使得电磁流量 计的测量误差减小，测量更为准确 9 1 。 本论文对e r t 系统的仿真研究及数值解求解，以及对诸多影响因素的仿真分 析，为后续的系统设计提供了理论指导和有效依据，同时为图像重建提供了先验 知识和研究基础，为电磁流量计与电阻层析成像系统融合模型的建立奠定了理论 基础。 2 绪论 1 2国内外研究现状 e r t 技术的起源可以追溯至2 0 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，在一对电极间注入电流，测量其他电极上的电位变化来获得 地下的地层分布1 1 6 j 。 随着电子技术和计算机技术的发展，2 0 世纪7 0 年代，该技术被试图应用于医 学诊断等领域，并取得了较大的发展。1 9 7 8 年，h e n d e r s o n 和w e b s e r 首次利用该 技术获得电阻抗图像【1 8 】。1 9 8 3 1 9 8 4 年间，外加电位断层成像( a p p l i e dp o t e n t i a l t o m o g r a p h y ，a p t ) 技术诞生，并由此获得单一电导率分布图倒2 4 1 。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 ，e i t ) 技术以其无损伤低成本的特性吸引 了众多的研究者【1 7 】【1 9 】。 在国际上，欧洲众多国家一直处于过程层析成像技术研究的前列，其中尤以 英国最为突出。早在十九世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特理工大学( u n i v e r s i t y o f m a n c h e s t e ri n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，u m i s t ) m s b e c k 教授为首的研 究小组提出了“流动成像”( f l o wi m a g i n g ) 这一概念，并于1 9 8 8 年研制成功8 电极电容层析成像系统。19 9 0 年该系统发展成为1 2 电极并配备了高速并行处理网 络( t r a n s p u t e r 系列) ，在线图象重建速率达4 0 帧秒，并能以1 0 0 帧秒的速率离线 显示所存储的图象数据。多年来该研究小组投入了大量人力物力，对过程层析成 像技术进行了全面的研究。除u m i s t 的p t 研究小组外，英国众多大学及一些公 司也对该项技术进行研究，如英国p t l 公司开发研制的p t l 2 0 0 、p t l 3 0 0 等型 号的e c t 系统，可对内径为1 5 0 m m 6 0 0 m m 之问的管道成像，速度最高可以超过 2 0 0 帧秒；英国l e e d s 大学p t 研究小组研制的e r t 系统也成功应用在垃圾循坏 处理、采矿工业工程和水力旋流器的设计中。在法国，欧共体支持的微波层析成 像技术也在研究之中。德国、挪威、荷兰等国的大学及相应研究机构也对过程层 析成像技术展开了积极的研究并建立了相应的系统。除了欧洲众多国家外，美国 有关机构也开展了许多研究工作，美国能源部m o r g a n t o w n 研究中心几乎与 m s b e c k 的研究小组同时丌发出了一种在线监测流化床中空隙率分布的1 6 电极电 容成像系统( c a p a c i t a n c ei m a g i n gs y s t e m ，简称c i t ) 。美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家 实验室应用电阻层析成像技术对核废料场进行监测，经过数年研究，为核废料储 存场所的超长期、安全性计算机仿真模型的计算提供了依据。美国的杜邦公司采 用已经商品化的电容层析成像系统对流化床的运行情况进行监测。 自1 9 9 2 年起，以欧洲各国的p t 研究小组为主的众多研究机构每年都要召开 一次题为e c a p t ( t h ee u r o p e a nc o n c e r t e da c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ) 的会议， 目的在于相互交流各自的最新研究成果，探讨过程层析成像技术的发展方向，国 3 北京交通人学硕十学位论文 内清华大学和天津大学的p t 小组也多次参加了这些会议。到9 5 年为止该会议进 行了4 次，9 5 年的会议主题是关于过程层析成像技术的工业化。9 6 年和9 7 年， e c a p t 还与美国工程基金会( e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n ) 和杜邦公司联合举办了两 届题为“f r o n t i e r si ni n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ”的国际会议，旨在推动p t 技 术更快地向工业化和实用化的方向发展。e c a p t 的有关组织机构目前已在国际互 连网上建立了相应站点，称为v c i p t ( 1 1 1 ev i r t u a lc e n t r ef o ri n d u s t r i a lp r o c e s s t o m o g r a p h y ) ，拟将世界上所有从事过程成像技术研究的机构纳入到该网络中，以 便于各研究机构互相之间及时地探讨和交流研究成果。1 9 9 9 年4 月在英国召开了 首届世界工业过程成像会议( 1 s tw o r l dc o n g r e s so ni n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ， 该会议由v c i p t 主办，并由英国化学工程学会( i c h e m e ) 和电机工程学会( i e e ) 以及 美国工程基金会( e n g i n e e r i n gf o u n d a t i o n ) 协办。该会议到目前为止已经进行了五次， 让国内的过程层析成像研究者可喜的是第六届过程层析成像会议将于2 0 1 0 年在北 京召开，国内的研究者将迎来巨大的机遇。 紧随国外e r t 技术的研究步伐，国内多所高校和研究机构，如清华大学、天 津大学、东北大学、中国科学院、浙江大学等，也相继开展了这方面的工作，并 取得可喜的成果。其中天津大学在从事电阻、超声、电磁以及双模念层析成像方 面均取得了比较丰硕的研究成果，并在检测技术与自动化装置国家重点学科的支 持下建有相应的两相流实验装置，开发出了多种系统样机【”】。目前天津大学的电 学层析成像小组的研究水平基本与国际保持同步处于国内领先水平，其开发的电 学层析成像系统的数据采集速度已达到5 0 0 幅秒( 1 0 0 k h z ，基于f p g a 的数字解 调，双截面) ，实时成像速度1 2 0 幅秒，已经开始应用于工业多相流参数检测、医 学监护和地质勘探过程中。 在实际工业过程中，e r t 技术在众多领域己有成功运用【4 】【2 2 】。 在地质勘探研究与环境工程方面，具有代表性的是美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室承担并持续了数年的一项重大工程研究项目“e r t 技术在美囡核 废料场特征鉴定计划中的作用”【】。在气液混合过程的研究方面，英国l e e d s 大 学的学者将e r t 技术应用于水力旋流分离器的运行工况监测研究己开展了多年， 取得了令人鼓舞的成果，利用e r t 系统提供的分离器内某一截面上离散相( 或空气 芯) 分布图像的时间变化历程，为证实水力旋流分离器的机理模型和优化参数设计 提供了新的依据【1 8 】。在其他的应用领域方面，也有一些探索性研究。英国u m i s t 的学者对于运用e r t 技术在线监测高炉内部炉衬厚度剥蚀状况的可行性进行了初 步研究，准确测量炉衬厚度在高炉冶炼过程中的变化，成为判定该高炉是否需要 停炉补衬的重要依据1 2 。 4 绪论 1 3本论文的研究思路及主要研究内容 在论文的研究过程中，根据项目需要，着重对3 2 电极电阻层析成像系统进行 了全面的仿真分析及研究。研究思路如图1 1 所示，虚线框内的部分即为本文的重 点研究内容。论文按照两条线进行的研究，第一条在对e r t 系统数学模型分析的 基础上，通过应用m a t l a bp d e 工具箱建立了e r t 系统的仿真模型，得出e l 玎 系统的定性求解，并对影响e r t 系统的因素进行了仿真分析；第二条在对e r t 正 问题解析解求解的基础上，应用v c + + 编程得到了e r t 系统萨问题的数值解，实 现定量求解，为图像重建提供必要的数据。两者相互验证，相互结合，为后续的 图像重建以及与电磁流量计的融合工作打下了基础。 本论文的主要研究内容包括： ( 1 ) 根据相关电磁场理论建立了e r t 系统的数学模型，求取了均匀媒质分布、 离散相同心分布和离散相偏心分布三种情况下e r t 系统j 下问题的解析解。 ( 2 ) 建立了电极阵列的阻抗模型，对电极阵列设计具有指导作用；分析了e r t 系统常用的激励n 量模式及特点，为e r t 系统模式选取提供了重要依据。 ( 3 ) 基于m a t l a bp d e 工具箱完成了3 2 电极电阻层析成像系统的仿真研究， 得出了相邻与相对激励模式下敏感场内电势及电场的分布，并研究了流型、电极 数目、气泡位置和大小诸因素对e r t 正问题求解结果的影响，根据仿真结果提出 了一种仿真求解e r t 系统的新方法。 ( 4 ) 应用有限元方法、基于v c + + 编程实现了敏感场场域剖分和有限元方程 组的建立与求解，得出了场域内各剖分节点的电势值的数值解，与基于m a t l a b p d e 工具箱的仿真结果进行了相互验证，同时为后续图像重建研究奠定了基础。 ( 5 ) 分析了图像重建的原理及常用图像重建算法的优缺点，并着重对l b p 算 法的原理及应用进行了加权优化分析与研究。 论文的研究思路框图如图1 1 所示。 5 北京交通人学硕十学位论文 一。一 一一一v ，一一一一一 电磁流量计与e r t 系统融合模型的建立 l 一一 一一，一，j 图1 1 研究思路框图 f i g 1 1t h ed i a g r a mo fr e s e a r c hi d e a s 6 j 1 两相流理论及e r t 系统理论分析 v | e r t 系嚣删ip 搿黼i 分析 分析 0一r ， 基于m a t l a bp d e t 具箱的 应用有限元方法基于 电阻层析成像系统的仿真研究 ：v c + + 的正问题数值解求解 t， 敏感场域电势及电场的| 敏感场内节点电势数i 分布仿真 值解的解出 l 电阻层析成像 2 1过程层析成像系统 2 电阻层析成像 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 ) 系统的工作原理为：安装在工艺管 道或反应设备等装置的某个截面上的传感器空间阵列，在交变电流信号激励下， 形成一个可从不同观测角度扫掠被测物场的空间敏感场，物场内部媒质分布或结 构的运动变化对敏感场产生调制作用，使传感器阵列以非接触或非浸入方式获取 被测物场的二维或三维分布状况的“投影”信息，并输出相应的信号。随后，由 信号采集处理单元快速实时地采集传感器阵列输出的反映被测物场二维或三维分 布状况的大量瞬时信号。处理后的数据输入图像重建单元，运用定量或定性的图 像重建算法，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媒质的分布，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和检测参数，从而实现两相流的参数 检测和状态控制【2 3 】【2 8 1 。 过程层析成像系统有多种获取信息的方式，按照传感器的检测原理，系统可 以分为：核p t ( x 射线、t 射线、中子射线等) 、电学p t ( 电容、电导、电磁) 、 微波p t 、光学p t 、声学p t 以及核磁共振p t 掣2 5 1 ，如图2 1 所示。 广一孟f p t 技术 l 一一j l ，一一+ i i 1 r 一lr 1 ：一。1 厂 广 ! ； h 例p t 川俐p t ； f ： f 一一一 e r t ；e c t ! l 一一 一一一 图2 1p t 技术的分类 f i g 2 1t h ec l a s s i f i c a t i o no fp tt e c h n o l o g y 表2 1 对不同盯技术的参数特性及使用范围等进行了介绍( 2 6 】【2 8 】。 7 北京交通人学硕：卜学位论文 表2 1 主要”技术对比介绍 t a b l e 2 1c o m p a r i s o no fp tt e c h n o l o g i e s p t 技术目标函数应用场合被测对象特点 多相流成像、混合过程、无损检 投射( 光子) 衰减系数 测 核p t 辐射( 正电子)辐射系数e无损检测和估计、粒子流成像 散射( 中子) 空隙率 气液两相流的管截面成像 透射 衰减系数 流体研究、燃烧诊断、火焰检测光透明 光学盯 辐射温度分布r温度场成像、等离子体诊断 温度场成像、混合过程、流动成 干涉折射率n光透明 像 连续相导电或 电磁e m t 磁导率 无损检测 导磁 电学阿 电阻e r t电导率口气液两相流成像、环境检测连续相导电 电容e c t介电常数g气液两相流成像、硫化床成像连续相1 f 导电 反射截面分具有明显两相 反射气液两相流成像 奄 截面 透射 吸收系数 泡状流成像 各相具有不同 衰减系数 声学p t 对声具有较高 t o f流速1 ，炉温成像、流速成像 声透系数 衍射压缩率k流体研究、无损检测 微波盯绕射介电常数占热传感、机器人视觉 核磁共腐蚀性和易聚 流速和浓度流速成像、州体悬浮颗粒成像 振合物质 在诸多的p t 技术中，x 射线和丫射线等辐射层析成像系统可从医学c t 直接 应用于两相流参数领域，其测量精度较高，但由于其检测系统固有的不安全性和 电阻层析成像 高昂的成本，在实际应用中受到限制。光学层析成像技术要求被测对象必须具有 透光性，其应用范围受到限制。核磁共振层析成像与流体的导电率、温度等物性 参数变化无关，属于非接触测量方式，适于测量腐蚀性和易聚合物质，其缺点是 要求被测流体中含有氢、氟、氯等成份，结构复杂、造价昂贵、安全防护要求高。 电荷层析成像技术采用的电荷传感器具有鲁棒性、低成本和对低的粉体速率非常 敏感等优点，是层析成像技术发展的一个新方向，但产生的电荷受流体介质类型、 颗粒形状、尺寸大小以及湿度的影响很大。超声波层析成像技术对于成像对象的 光学及电学特性无特殊要求，结构简单，成本较低，但其不足之处在于超声波是 机械波，传播速度较慢( 远低于电磁波传播速度) ，系统响应速度慢，不适合较高流 速的两相流参数在线测量。电学( 电感、电容、电磁等) 层析成像技术，系统响应速 度快，结构简单，造价低，属于非侵入性测量，具有广阔的应用前景【2 7 】【2 9 1 。其中 电阻层析成像技术( e l e c t r i cr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，e r t ) 技术适用于连续相为导 电介质的两相多相流检测，随着计算机技术、信号处理技术等相关学科的不断发 展，该技术目前存在的问题都有望在不远的将来得到解决。e r t 技术目前己成为 p t 技术的研究主流之一l i 2 。 2 2电阻层析成像系统 2 2 1e r t 系统的基本原理 用于两相流参数检测的e r t 技术的基本原理是【3 0 j ：位于管道或过程容器内的 两相流体，其各相介质具有不同的电导率，使得场域边界及场域内各节点之间的 等效阻抗不同，从而使场域边界上及场域内各节点的测量电压不同。从空间敏感 电极阵列上获得的测量数据反映出整个管道截面上电导率的变化信息，这些数据 输入计算机并通过某种图像重建算法，就可以重建出场内的电导率分布或者反映 电导率分布情况的灰度分布，实现可视化测量。 如图2 2 所示，设c 1 为敏感场，c 2 为离散相。假设均匀相电导率为仉，离散 相电导率为以，利用e r t 系统求解物场内媒质分布的步骤如下： 燃一罐磬一襟鞴擎一燃 9 北京交通大学硕士学位论文 测量电极对 图2 2 e r t 系统原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fe r ts y s t e m 2 2 2e r t 系统的组成及特点 典型的e r t 系统主要由以下几个部分构成1 5 】：获取被测物场信息的敏感电极 阵列、数据采集与处理单元、图像重建与物场参数提取单元、敏感场电流激励单 元等，如图2 3 所示。 物场重建圈像 图2 3 电阻层析成像系统的组成 f i g 2 3c o m p o s i t i o no fe r ts y s t e m e r t 系统的电极阵列由特殊设计的电极等间隔排布组成，控制单元( 主控计算 机) 向敏感场电流激励单元发出指令，给某一对电极施加激励电流，在过程对象内 1 0 电阻层析成像 部建立起敏感场。测量边界上的电压信号，将得到的测量数据通过数据采集与处 理单元送到图像重建单元，以适当的算法重建出对象内部的电阻率分布，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依据。 e r t 系统主要有以下几个特点【3 1 3 2 】： ( 1 ) 敏感场的连续相必须是导电的，一般必须是含有液体的生产过程； ( 2 ) 电极阵列由一系列等间隔排布的电极构成。电极阵列的设计对于e r t 系 统的性能有直接的影响。电极的数目、尺寸、形状及排布等是整个系统至关重要 的一部分； ( 3 ) 敏感场的激励信号为恒流源，频率不能过高或者过低。过低容易引起电 极的电化学反应；过高，电磁感应及分布阻抗带来很强的测量噪声。 ( 4 ) 敏感场是“软场”，敏感场的分布受到场内介质分布的影响，具有非线 性，导致图像重建与分析困难。 ( 5 ) 检测信号为微弱的电压信号，要求测量电路必须具有高的灵敏度和信噪 比。 2 3e r t 系统激励电极阵列 e r t 系统激励电极阵列是整个e r t 系统中很重要的部分。它既是激励信号的 输入载体也是系统信息的最初来源【3 5 1 。因此，电极阵列的结构设计对e r t 系统特 性有重要的影响。其设计参数主要有：电极材料、电极形状、电极数目等【3 3 1 。 2 3 1电极材料及形状 用于做e r t 系统电极的材料必须满足【2 0 1 3 5 】： ( 1 ) 具有良好的导电性能。要求电极材料的导电率必须远远高于被测介质， 以保证电极表面为等势面； ( 2 ) 有稳定的化学特性。由于电极与被测媒质之间会发生化学或电化学反应 而腐蚀电极表面，要求电极有稳定的化学特性； ( 3 ) 从加工及成本的方面考虑，希望电极有良好的机械加工特性，容易固定 及焊接，热应力小，材料价格便宜等； ( 4 ) 由于电极是与管道或过程容器直接接触，因此要求电极材料要具有一定 的耐磨性。 北京交通人学硕：卜学位论文 在大多数的应用中，电极都用金属材料加工而成。常用的电极材料有铂、不 锈钢、铜、银等。铂是一种很好的电极材料，然而价格高昂。在实际应用中，一 般采用不锈钢和金属铜做电极材料。在最新的一些研究中，一些新型的材料被引 入到e r t 系统传感器中，如导电陶瓷、钛金属等，取得了较好的效果【1 9 1 。 e t r 系统中采用的电极形状主要有点电极、矩形电极、复合电极三种【3 6 】。 1 2 电阻层析成像 + e ，是、 c 二 i 二：1 i 。彳 ! i ! 一 i ；= = ：i 鋈i 了 一e ( b ) 矩形电极产生的电场 图2 5 电极产生的电场 f i g 2 5t h ee l e c t r i cf i e l dp r o d u c e db ye l e c t r o d e s 复合电极是矩形电极与点电极的组合，在矩形电极上施加激励电流，以建立 均匀性较好的敏感场，在点电极上测量电位信息，以更好地获得测量“点”的电 位信息。复合电极是医学领域提出的一种电极，其目的是希望能综合矩形电极与 点电极的优点，即用矩形电极产生比较均匀的敏感场，用点电极测量点的电位信 息。但这种电极对于工业过程而言，增加了加工、安装、处理电路的难度和复杂 性，因而在工业过程e r t 研究中很少被采用【矧。 2 3 2电极的数目 为了得到更多的测量数据，提高系统的分辨率，增加对大尺寸管道或者小气 泡的分辨能