（机械设计及理论专业论文）用于两相流检测的电容层析成像系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电容层析成像( e c t ) 技术是近年来飞速发展起来的一门新技术。它为解决两相 流参数检测问题提供了一条新途径，在工业应用中是一种非常有发展潜力的检测技 术。然而目前该项技术离实际应用尚有很大距离，主要难点在于微小电容测量和图 像重建算法等方面。 本文根据该领域目前研究的实际和实际应用的需要，设计了基于上下位机协同 工作的电容层析成像系统硬件结构，论证了目前己应用的基于交流电容测量电路并 设计了相应的信号变换电路，将信号变为易处理的直流信号经数据采集系统送入下 位机中进行处理。理论分析表明整个硬件系统测量精度很高。通过分析目前应用的 各种图像重建算法，作者对重建图像质量较好的l a n d w e b e r 迭代算法进行了改进， 并论证了该算法的可行性。仿真结果表明，该改进的迭代算法与原迭代算法相比在 图像重建质量和精度方面没有明显差距，而图像重建的速度却明显提高，满足了工 业上实时流型识别的要求。 在前人研究的基础上，本文采用模块化设计方法设计了上下位机各自的软件系 统。整个软件系统使双机分工协作，由上位机控制下位机进行数据采集，上位机获 得下位机的数据后进行图像重建。本文设计的电容层析成像系统可以应用于实际检 测。 关键词：电容层析成像图像重建上下位机迭代算法流型识别 i 华中科技大学硕士学位论文 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 e wt e c h n i q u ed e v e l o p e dr a p i d l yi n r e c e n ty e a r s i ti san o v e la p p r o a c hf o rt w o p h a s ef l o wp a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t ，a n dh a s g r e a td e v e l o p i n gp o t e n t i a li ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n b u tc u r r e n t l yt h e r ei ss t i l lal o to f w o r k t ob ed o n eb e f o r ep r a c t i c a lu s eo f t h e t e c h n i q u e t h em a i np r o b l e m sa r e t h em e a s u r e m e n to f l o wv a l u ec a p a c i t a n c e ，i m a g e - r e c o n s t r u c t i o na n ds o0 n t h i st h e s i sb a s e do nt h i sf i e l d sc u r r e n tr e s e a r c hs t a t u sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nn e e d s ， d e s i g n sae c ts y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r eb a s e d o n u p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r s w h i c ha r e c o o p e r a t m g ，d e m o n s t r a t e st h ea c b a s e dm e a s u r e m e n t c i r c u i tw h i c hh a sb e e n c u r r e n t l yu s e d a n dd e s i g n st h ec o r r e s p o n d i n gs i g n a lt r a n s f o r mc i r c u i t t h i st r a n s f o r mc i r c u i tb e c o m e st h e o u t p u ts i g n a lt od cs i g n a lw h i c h i se a s yt r e a t m e n ta n di st r a n s m i t t e dt ol o w e r c o m p u t e r t o t r e a t t h e o r e t i c a l a n a l y s i s i n d i c a t e st h i sh a r d w a r es y s t e mh a s v e r yh i g hp r e c i s i o nf o r m e a s u r e m e n t t h r o l 】【g ha n a l y z i n gv a r i o u sc u r r e n t l yu s e di m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s ， a na m e n d a t o r yi m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mb a s e do ni t e r a t i v e a l g o r i t h mw h i c hi s a h i g h q u a l i t yi m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m i s p r e s e n t e d t h i sa r n e n d a t o r ya l g o r i t h m s f e a s i b i l i t y i s t h e o r e t i c a l l y d e m o n s t r a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wf l m tt h e i m a g e r e c o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dp r e c i s i o no ft h i sa m e n d a t o r ya l g o r i t h mh a v en oo b v i o u s d i f f e r e n c ec o m p a r e dw i t ht h ep r i m a r yi t e r a t i v e a l g o r i t h m ，b u tt h ei m a g e r e c o n s t r u c t i o n s s p e e d i s o b v i o u s l y f a s t e rs ot h a tc a l l s a t i s f y t h e r e q u e s t o fr e a lt i m ef l o w p a t t e m i d e n t i f i c a t i o n o nt h eb a s i so f p r e v i o u sr e s e a r c h t h i st h e s i sr e s p e c t i v e l yd e s i g n st h eu p p e ra n dl o w e r c o m p u t e r s s o f t w a r es y s t e mb a s e do nm o d u l a r i z ed e s i g nm e t h o d t h ew h o l es o f t w a r e s y s t e ml e t st h ec o u p l ec o m p u t e r sd i v i d eu pt h ew o r ka n dc o o p e r a t e t h eu p p e rc o m p u t e r c o n t r o l st h el o w e rt oc o n d u c td a t aa c q u i s i t i o n ，a n dc o n d u c t si m a g e - r e c o n s t r u c t i o nw o r k a f t e rr e c e i v i n gt h ed a t af r o mt h el o w e r t h ew h o l ee c t s y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i sc a n b e a p p l i e d i np r a c t i c a lm e a s u r e m e n t 。 k e yw o r d s ：e 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 y ；i m a g e r e c o n s t r u c t i o n ；u p p e r a n dl o w e r c o m p u t e r s ；i t e r a t l v ea l g o r i t h m ；f l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o n 1 1 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除文t 1 t 已经标i i , t t 弓1 用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集休已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做i i l 贡献的个人和集体，均已在文i f f 以明确方式标f ! l ：| 。本 人完全意i j 4 至i 木声明的法律结果i i i 木人承担。 学位论文作者签名：；瑶口d ：讯 日期： 沙叶年朔b 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， i t l l 学校有权保留j f ：向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华小科技大学可以将木学位论 文的全部或部分内容编入有关数土i i ；库进行检索，刚以采朋影印、缩印 或扫揣等复制手段保存和_ f _ ：编木学位论文。 保密口，证年解密后适j 1 j 木授权二 本论文属于 不保密口 ( 请在以上方框内打“寸) 学位论文作者签名：漆咖队 日期：p ，乎年j 月8 1 7 1 指导教师签名：扔科 口期：伽中年j - 月膨日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 本课题的介绍和意义 1绪论 本课题是用于两相流检测的电容层析成像系统的研究，由我们实验室根据目前该 领域的研究实际自行选定的。 相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质部 分，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，通常可将自然界中的物质分为 三种相，即气相、液相和固相。所谓两相流或多相流是指同时存在两种或多种不同的 物质流动”i 。 在两相流的研究中，也常常将物质分为连续介质和离散( 非连续) 介质。多相流中 气体和液体属于连续介质，因此又被称为连续相或流体相：固相颗粒、液滴、气泡等 属于离散介质，常被称为离散相或颗粒相。离散相可以是不同物态、不同化学组成、 不同形状的颗粒( 气泡、液滴等) 2 1 0 1 。 自然界存在众多的多相流现象，如空中的烟尘弥漫、水土流失等，特别在化工、 炼油、冶金、轻工、环保及核能等行业中多相流动现象更是普遍存在。随着生产自动 化和信息化的发展，对多相流系统在生产过程中的流型识别也提出了迫切的要求，主 要体现在对管道内部物质截面的各相组成部分要有可视化的图像进行显示。然而，由 于多相流流型复杂多变，现存的多相流测量仪表的精度在不同程度上受流型变化的影 响，所以多相流参数的准确测量难度很大。目前多相流参数检测技术还不是很成熟， 建立起来的图像误差很大，精度不高。 工业中常见的多相流动系统中以两相流( 尤其是气囿两相流、气液两相流和液液 两相流) 最为普遍【i i 。随着国民经济的发展，多相流系统在工业中的应用越来越多， 剥多年f i 流t 业生产过程的计量、节能与控制提出了更高的要求。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，多相流参数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日益突出，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霞要意义。 层析成像( t o m o g r a p h y ) 被定义为产生目标物体横截面的图像，即横截面剖面图 1 2 1 1 4 1 o 重建一副横截面图像就可被称为层析成像，用来对不能直接得到的目标物体的内 部情况进行检测，实际中常用来对管道内部多相流的分布、集装箱内部的物体、人体 华中科技大学硕士学位论文 内部的情况进行检测。绝大部分层析成像技术是通过多个传感器排列在过程中来动态 的获得实时的空间信息和过程参数。工业生产中反映过程状况的参数有很多，常见的 有温度、压力、流量、料量、物位和密度等。对这些参数的检测构成过程检测的基本 内容，对于保证产品的产量和质量，企业节能降耗增效、提高市场竞争力，保障安全 与清洁生产，都起着十分重要的作用。 国内外众多学者将层析成像技术用于多相流检测，取得了一系列的研究成果。电 阻抗层析成像技术( 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 ) ，包括电阻层析成像 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 ，e r t ) 、电容层析成像技术( e 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 y ，e c t ) 和电磁感应层析成像技术( e l e c t r o m a g n e t i c i n d u c t a n c e t o m o g r a p h y ， e m t ) ，是由目前的医用过程成像技术p r o c e s s t 0 m o 矿a p h y ( 简称p t ) 发展起来的1 2 1 - 4 l 。 自七十年代初医学p t 的应用以来得到蓬勃发展，工业上层析成像技术已取得显著成 绩，它的应用范围愈来愈广，水平也愈来愈高，它以p t 为原理，应用于工业产品， 对产品进行质量检测和性能测试。随着在线工业应用要求的不断提高，近年来对过程 成像的需求日益迫切，它在生产过程的自动控制与检测方面应用愈来愈广。由于传统 检测手段受实际检测条件的严格限制，难以得到过程中的动态内部参数。应用电学等 无干扰检测手段可以得到二维断层图像，取得更多的直接可靠的内部过程信息，使工 业过程控制有了崭新的前景。 电容层析成像技术( e c t ) 被公认为最具发展前途的多相流检测技术，优点在于 成本低廉、速度快、非侵入性、适用范围广、安全性能好等，可用来对非导电的多相 流横截面成像，以获取管道截面相分布的微观信息。目前的研究成果已显示出该技术 在多相流参数检测中的巨大潜力。电容层析成像是一种工业检测技术，主要体现在对 管道内部物质的截面的各相组成部分进行可视化图像显示。比较常用的例子是应用于 管道的气，液、气固两相流的检测。电容层析成像的基本思想就是安装一定数量的电极 排列在管道周围，这些电极就是传感器。传感器输出的信号被处理后进入计算机进行 对管道内部两相流成像。 根据传感器系统的物理原理，成像系统可分为硬场检测和软场检测【5 】。硬场检测 的检测场是不受被测物质分布的影响，而软场检测的检测场通常要受检测域中被测物 质分布及特性的影响。在典型的医学上用的c t 扫描，它使用的是放射性的射线源， 如x 光射线，它的感应区是一致的，并且不受目标物体所扭曲，因此，它被称为“硬 场”，而电容层析成像系统，它的感应区易受介质的影响，所以被称为“软场”。由于 电容传感器的敏感场是软场，敏感场易受被测介质分布的影响。软场特性给图像重建 2 华中科技大学硕士学位论文 带来很大困难。为降低软场误差，提高重建图像质量，对软场性能进行分析是极为必 要的。 随着工业上对检测技术的要求越来越高，国内外研究者对电容层析成像技术的研 究也在如火如荼进行，并发表了许多的论文。电容层析成像技术是- - f 7 涉及电子、计 算机技术、图形图像处理、工程热物理等多学科知识的新兴高新技术，该技术被誉为 欧洲的一次重大革命。但是e c t 技术目前无论在理论方面还是在应用方面尚存在些 问题需要解决，这些问题的解决需要各个学科专家的共同参与。而从目前国内外对e c t 技术的研究开发趋势以及所参与的人员学科构成可以看出，e c t 技术正在吸引来自各 学科的研究开发人员共同参与开发。可以预见在不远的将来，e c t 技术将成为广泛应 用于工业生产过程的高新技术，为推动工业发展发挥应有的作用。 1 2层析成像技术国内外发展状况 近年来，随着电予技术、信息技术的迅速发展，层析成像技术的发展也很快。针 对不同对象使用不同检测手段的过程成像系统层出不穷，主要的层析成像检测手段有 电学、超声、核辐射及光学等。 层析成像技术最早是于7 0 年代中期提出。在7 0 年代一系列x 射线和同位素源层 析成像的设备就被设想过，但没有发展起来的主要原因是设备价格昂贵和安全性问题 没有解决，所以大量的基于辐射和射线的方法并没有公布，这也意味着当时进行的实 时过程动态检测并不可行 4 】。 8 0 年代中期在英国曼切斯特理工大学( u m i s t ) 开始进行电容传感器对油井和气 动运输管道的多相流进行检测的研究。几乎同一时期，美国能源部的摩根能源技术中 ，t l , ( m o r g a nt o w ne n e r g yt e c h n o l o g yc e n t e r 简称m e t c ) 的个小组也在尝试使用电 容传感器系统来检测气体流动层的分布。他们当时所设计的电容一电压变送器仅适合 在非导电电场环境1 6 j 。 8 0 年代中期科学家门开始意识到电阻抗层析成像技术用来对人体内部的成像有 着安全性和低成本的潜力。电阻抗断层成像得到快速发展并在英国各大医疗中心广泛 使用。电阻抗断层成像的巨大成功激励了欧联盟建立了电阻抗断层成像在医疗上的标 准。直到今天，该标准仍然在使用1 2 1 1 4 1 。 1 9 8 8 年曼切斯特理工大学丌始研究电阻抗传感器对含有电导体流体管道进行成 像。由于电阻抗断层成像的各种仪器已在医学上使用，前期的研究工作开展的非常顺 华中科技大学硕士学位论文 利。然而他们有明显的区别，电阻抗断层成像在医疗上使用的主要目标是检测物体在 空间的位置，而电阻抗断层成像检测管道内部不仅要测位置而且还要流速，这是电阻 抗断层成像很难做到的。 9 0 年代人们意识到层析检测技术可以作为一种有用的技术应用到工业过程设计 和操作中。因此，欧洲关于层析成像检测建立了一个四年计划并于1 9 9 2 年在曼切斯特 诞生了第一个生产该领域产品的车间。该车问设计了许多种传感器系统例如电学、声 学、光学和辐射技术的传感器。 毫无疑问8 0 年代中期的电阻抗层析成像技术为人们解决了许多以前要用很昂贵 的仪器才能解决的问题。在电阻抗层析成像技术中，电阻层析成像技术和电磁感应层 析成像技术在9 0 年代逐渐成熟。电容层析成像的传感器由于其信号的微弱、计算成像 过程的计算量非常大，一直以来进展很慢。随着计算机的快速发展和普及，巨大的计 算量可以在现代的计算机上很容易解决了，电容层析成像技术也开始被进行研究。 电容层析成像技术是近年来刚发展起来的一项新技术，人们发现采用阵列式电容 传感器对管道内部多相流和检测物料进行层析，有着巨大的潜力和优势。电容层析成 像可以对非导电的物体进行检测，这是电阻层析成像技术和电磁感应层析成像技术所 无法进行的。电容层析成像技术有着成本低廉、速度快、非侵入性、适用范围广、安 全性能好等优点，只要在该技术上有重大突破，就能得到广泛的使用。 国内对电容层析成像也进行了初步研究。从事e c t 技术研究的有清华大学、浙江 大学、东北大学、沈阳工业大学等，他们在图像重建算法、传感器优化设计、敏感场 分析等方面都取得了有意义的研究成剿5 】【6 】。目前利用e c t 技术进行层析成像已在多 相流如气固、油，气、油气水等，液化床工作机理及内燃机内火焰成像等研究中获得 许多成果，并向其它领域发展。如e c t 技术用于高炉块状区物料可视化监测等【7 1 。 最新研究成果表明，e c t 技术已从原来的高等院校或科研机构的原理性研究过 过渡到工业界支持和参与的应用性研究阶段。虽然离实际的应用还有一段距离，但已 显示出该项技术在解决多相流参数检测方面的巨大潜力和良好的工业应用前景。 1 3 本文的主要工作及意义 近几年来e c t 技术得到较大发展，系统的性能指标也有了很大的提高，并正在逐 步走向工业应用。但由于e c t 技术是一门集多学科知识于一体的高新技术，因此不论 在理论上还是应用方面尚存在不少问题值得进一步深入探索和研究。 华中科技大学硕士学位论文 本文在研究前人成果基础上，以管道内部介质参数检测为研究对象，在e c t 系统 测量方案、硬件和软件系统、图像重建算法上进行了研究，使整个系统能够实现对两 相流的实时检测。 本文主要完成的工作及意义： 1 对电容层析成像系统的基本原理、系统构成、基本特点和应用范围进行了较为 详尽的分析，对它们各自的应用现状和发展前景做了较全面的总结。阐述了e c t 技术 独特的优点和应用前景。 2 通过对目前e c t 系统中测量微小电容所使用的两种主要电容电压( c v ) 转 换电路( 基于充放电原理、基于交流激励原理) 的基本原理、电路构成、电路特点 及存在问题的详尽分析后，采用了基于交流a c 的微小电容检测电路，设计了相应的 信号变换电路，对信号进行调理，滤去噪声分量，并且将交流信号转换成易处理的直 流信号。 3 设计了上、下位机并行工作结构的e c t 的数据采集和处理系统，并对其中主 要工作过程和软件进行设计，为图像重建提供高质量的数据做准备；设计了上、下位 机的通信硬件和程序，提供高效率的数据传输。 4 分析了目前国内外研究的其它各种算法的原理和特点，对l a n d w e b e r 迭代算法 做了一些改进。理论和仿真结果分析表明该改进的算法达到同样的图像重建精度所需 的迭代次数很少，从而提高了迭代算法图像重建的速度。 本文对电容层析成像系统的硬件和软件方面的关键技术进行了深入的研究和设 计，通过实验和对结果的分析，积累了经验为e c t 技术应用于工业现场奠定了坚实 的基础。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 系统检测原理 2 电容层析成像系统原理 电容层析成像检测系统主要用来检测管道内部的多相流分布情况，作出比较客 观、准确的判断和描述，使我们对管道内部介质分布有一个恰当的、全面的认识，达 到进一步改造和控制研究对象的目的【5 】【8 1 。两相流是含有不同相成分的混合流体，如石 油工业的油气流，煤炭工业中的水煤浆，造纸工业中的纸浆等，对它们流动参数的检 测和控制是一道难题。由于这些两相流的各组分的介电常数不同，在理论上完全可以 通过测量因介质变化而引起的电容变化来进行检测。 图2 1 是典型的电容层析成像硬件系统，从中可以看出e c t 系统是由电容测 量电路、数据采集系统和计算机图像重建三部分组成。数据采集系统将电容信号送入 成像计算机中，成像计算机根据这些电容值和定的算法重建出管道横截面的介质分 布图像。 图2 1电容层析检测系统原理图 f 七l 容层析成像( e c t ) 系统的工作原理就是利用管道内各组分的介电常数差异而 导致电容量的变化来进行标定各组分的位置i l q 8 1 。当低介电常数的介质中加入高介电 常数介质后，电容量就会上升。通过测量布满管道周围的电极对的电容量，计算各个 电极对的电容变化量，可以测定高介电常数的介质所处的位置。也就是说，传感器电 华中科技大学硕士学位论文 极对之间的电容c 是和管道内部介质分布6 ( x ，y ) 相关的函数，根据测得的电容计算变 化量可以推测各个高介电常数所在的位置 商的介电常数不仅影响电容值的大小 这样就能绘制出两相流的分布情况。 同时也影响电容电场的分布。对于多电极 的传感器，在测量电容时将其中的一个电极加激励电压作为发送极，所要测量的接受 极连接测量电路，其它电极接地；接着再测另一个电极。这样一个循环中共有1 ) 2 个电极对测量数据，但由于电极对之间的互对性，实际只有n _ j + 伽一1 ) 1 2 个独立的 测量数据。这样对于1 2 电极的电容层析成像系统，一共有6 6 个独立的测量数据。 一般在电容层析成像系统中所测的测量值要具有完整性。每一对电容所能包含的 电场区域是线性或一个区域，在空间上具有完整性【l l 【9 】。图2 - - 2 所示的是典型的一个 多电极电容层析成像系统。发射极用s 表示，接受极用r 表示。为了测出其中的任一 点g ( x ，y ) 处的状态是高介电常数还是低介电常数，必须要测出所有的电极对电容值。 图2 - - 2 典型的发射极一接受极电容层析成像系统 电容层析成像系统与其他过程成像系统如x 射线和超声波层析成像系统的一个很 大的区别就是电容系统具有线性性和完整性。在图2 - - 2 中点g ( x ，y ) 处在各个发射极与 接受极的电场直线上，c b m ，i 、q b m ，2 、中m ，3 分别为电场线。所以对于任电场线的分 布是连续的，有下式例 庐。= j g ( x ，y ) d l ( 2 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 l 为电场线的路径。因为电容层析成像系统的电场路径不受外部影响，整个测量 值具有确定的路径，所以大大降低了构造图像的复杂度。其他的过程成像系统是非线 性的，例如光学、辐射成像，由于折射，产生很多路径，在计算分布时要采用路径的 - 2 次积分，所以计算成像时很复杂。这也是电容层析成像优势之一。 2 2 系统电场分析 在电容层析成像系统中，任一对电极之间的电容是和管道内部介电常数相关的， 图2 3 显示了其电学的物理模型。 图2 - - 3 电容层析成像系统测量原理的物理模型 由泊松方程，整个电场的介质位置分布d 与空间分布的电荷p ( z ，y ) 有以下关系 d i v ( d ) = p ( x ，y ) ( 2 - - 2 ) 我们所考虑的模型是建立在管道内部的，在管道内部没有任何电荷分布，所以这 里p ( x ，y ) = 0 。电介质位置分布d 与电场强度e 的关系是 d = c ( x ，y ) e ( 2 3 ) 这里e ( x ，y ) 是管道内部空间介电常数分布函数。在管道内部任一点( 丘，) 的电位 妒( x ，y ) 被定义为 e = 一g r a d ( c o ( x ，j ，) ) ( 2 - 4 ) 根据上述三式以及p ( x ，y ) = 0 的条4 t ：，可得 华中科技大学硕士学位论文 俨烈力+ i 与g m 皈烈五y ) ) g m 诫占以朋= 。 ( 2 6 ) q ，蠢等 沪。， 伊b 力删( 妒( y ) ) 勰 “” 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 基于电场灵敏度的成像原理 2 3 1 电场灵敏度 为了进行图像重建，通常使用一个重要的物理量电场灵敏度s 来解决这个问题”o l 。 几乎所有的e c t 系统图像的重建算法都离不开电场灵敏度的计算。各种不同的层析成 像系统都是基于各个灵敏度原理的。 电容层析成像系统中的电场灵敏度s 是一个矩阵，它的每一个元素s _ 定义为在管 道内第m 个单元的介电常数的改变而引起的电极对i 和j 之间的电容值变化记为 ( 警 ( 刳c m 一船m ， 这里s 0 为当第m 个单元为高介电常数时，电极对i ，之间的电容改变量。也就 是第小个单元在电极对f ，的电场灵敏度；c 0 和c 0 分别是第小个单元为高介电常 数时和整个管道为低介电场常数时的电极对f ，之间的电容量。a 。和厶分别是第m 个单元的面积和整个管道的面积。 对于n 电极组成的电容层析成像系统的电场灵敏度s 是一个n m 的矩阵。是 前述的独立电极对( f ，j ) 的数量= n + 一1 ) 2 ，m 是管道内被划分的成像单元总数。 电场灵敏度既然被定义为电介质与电容的关系，那么根据其定义，假设电场灵敏 度受介质分布影响很小可得下式 c l ，j26 ( x ，y ) ( z ，y ) d x d y ( 2 一l o ) 对于1 2 电极的电容层析成像系统，一共有6 6 个独立的电容数值。可以用一维列 向_ 最【c i ，c ：c k 】7 表示，相应的也有6 6 个电场灵敏度函数量( y ) ，s ：( x ，y ) 瓯。( x ，) ， 根据式( 2 - - 1 0 ) 有 0 华中科技大学硕士学位论文 【c 。，c ：c 6 6 】7 = 【肛( w ) s - ( y ) d x d y ， a 肛( 训) s ：( x ，y ) d x d y ， ( 2 一1 1 ) a 肛( w ) s 。( x ，y ) d x d y 7 a 山式( 2 1 1 ) ，对任意数量电极的电介质和电容的关系可写成矩阵形式为 c = s ( 2 1 2 ) 这里，c 是行列向量，每一个元素的值是电极对f ，的电容量；s 是n x m 的矩 阵；e 是m 行列向量，每一个元素的值是第m 个单元的介电常数。 式( 2 - - 1 2 ) 给出了电容层析成像系统电介质与电容的关系，图像重建的目的就是 根据式( 2 1 2 ) 求解出e ( x ，y ) ，即根据6 6 个己知电容测量值，利用灵敏度作为先验 信息求解电介质分布s ( x ，y ) 。但是由于己知数的个数较少( 6 6 个，远远少于成像象素 个数( 本文中约有1 0 0 0 多个成像单元) ) ，该方程是欠定方程，即条件数不足，求解这 一问题较困难，不可能得到精确解。为了能建立管道内的介质分布图像，必须要有合 适的方法求出其近似解，达到满意的精度。由此可见，通过测量极板间的电容值，可 计算出管道截面内的介质分布图像。有关图像重建的详细内容将在第4 章中阐述。 由于电场灵敏度的计算涉及到每一个单元，所以它必须使用有限元法来进行仿真 计算。目前较好的有限元分析软件是a n s y s 系列。本文中就是采用该有限元软件根 据目前的计算方法来进行仿真计算的。 2 3 2a n s y s 软件仿真 目前获取电场灵敏度的数据有两种：实验法和有限元仿真法。实验法是通过标定 实验来获得这些灵敏度场，一般就是将高介电常数的试棒插入低介电常数背景的管道 内的各个位置，以观察各电极对之间的电容值的上升i i “。这样做一方面工作量大，另 一方面手工放置的位置误差和电容测量的误差等都会对结果产生影响。有限元仿真技 术可以较为精确的获得在给定介质分布的情况下的电容响应值，而且工作都是由计算 机来完成，后续工作也都大大简化。 a n s y s 软件是大型有限元分析计算软件，它包含的模块多，解决问题面广，提供 友好的图形用户界面以及能够连续运行的参数化程序设计语言。多种建模手段利于使 华中科技大学硕士学位论文 用者对有待求解的问题进行描述，通过丰富的后处理工具完成各种数据的运算。能够 按时问序列加载，并取得对应于时间的计算结果，还可形成动画文件，显示动态过程。 附有详细的在线帮助文件，并详细提供用户所需的各种数据文件【l3 j l l 。可广泛应用于 机械、流体、电磁场、电力、多耦合场等诸多领域，而且软件可方便地进行版本升级。 有限元方法的直接作用是求解管道界面的电位分布p ( x ，j ，) ，电荷量和电容的计算 由自行编写的a n s y s 后处理程序完成【5 j 【1 5 】。电容传感器是三维的，为了简化分析， 本文建立了管道横截面静电场的二维模型。划分单元如图2 4 所示。图中a 、b 区域 是管道内部，c 是管壁，d 是屏蔽层。管道内部a 和b 区共有1 5 8 4 个单元，3 2 4 4 个 节点，其中离管壁较近的地方b 处进行一阶细分。这些划分的网格单元也是以后图像 重建的单元，通过计算各单元的电场灵敏度为相应位置的图像重建提供必要的数据。 根据电场灵敏度定义，它是与传感器结构、两相流的介质特性相关，与介质分布 无关( 这是电场灵敏度的前提假设) 1 2 1 1 1 6 1 。因此对于1 2 电极的传感器来说，它具有 旋转对称性，因此6 6 个电场灵敏度也是具有对称性的，位置相间相同灵敏度也相同， 总共只有6 种不同的电场灵敏度数据，分别是电极对1 - - 2 ，1 - - 3 ，1 4 ，l 一5 ，1 6 和1 7 这六种电场灵敏度。 图2 4 网格划分结果 电场灵敏度的每一个元素既然被定义为在管道内的某一单元的介电常数的改变而 引起的电极对i 和j 之问的电容值变化，因此有限元求解时必须要不断改变单元材料， 计算其变化量。使用a n s y s 软件计算电场灵敏度的程序如下 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 将管道内所有单元的介电常数皆置为低介电常数毛。 ( 2 ) 加入边界约束处理后解有限元方程，计算出电极对f ，的系统固有电容值 c o l ，。 ( 3 ) 改变第k 个单元的材料属性为占：，加入边界约束处理后解有限元方程，用电 荷法计算出电极对f ，的电容值c u ( _ j ) 旧，七依次为1 , 2 ，m 。 ( 4 ) 把( 2 ) ，( 3 ) 的结果代入式( 2 - - 9 ) ，便可计算出墨，( ) 。 上述步骤中需要经过改变单元材料来进行步求解，在a n s y s 软件中，m p c h g 命令可以改变所选单元的材料特性【1 3 j 【川。电荷法快速计算电容的原理和公式可见参考 文献 1 5 1 ，a n s y s 中参数化设计语言a p d l 可以编程实现电荷法快速计算电容。 a n s y s 数据库的任何数据( 电位结果、系数矩阵) 都可以使用该语言中的* g e t 命令 得到【1 4 1 。 图2 5 为6 个灵敏度分布值的三维空间显示。 华中科技大学硕士学位论文 “) 电设l 一6 电极l t 图2 - - 56 种不同电极对的电场灵敏度 从图2 - - 5 中可看出敏感场的正灵敏度区域主要分布在相应电极对之间并且离极 板越近数值越大；负灵敏度较大的区域在相应电极对外侧靠近电极处。负灵敏区的存 在是符合其实际的，不能将负灵敏度简单归为0 来处理。但负灵敏度的存在会使重建 图像产生畸变，因此传感器的优化设计目的之一是要减少负灵敏度区域。 在评价一个e c t 系统灵敏度的均匀性时，通常引入参数s v p t l 5 】【1 6 j s v p = 兽( 2 - - 1 3 ) o 嘴 这里， 2 击善s 朋 = 怯黔渺，一， i ( 2 - - 1 4 ) m 为管道内单元数。s v p 越小，均匀性越好。在传感器结构优化设计时s v p 是 决定性的一个参数。传感器结构优化的目的就是使传感器电场灵敏度的s v p 最小，同 时减少负灵敏度区域。 2 4 本章小结 本章中首先介绍了电容层析成像检测系统的基本原理，然后论述了电容层析成像 系统电场的基本特性，和电场灵敏度对图像重建的作用。电容c 是和管道内部介质分 布s ( x ，y ) 相关的函数，在一定系统电场状况下给定介质和介质分布e ( x ，y ) ，电容层析 成像系统的电极对之间的电容c 是可以通过有限元方法计算出来的。基于这个理论， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 有限元法就可以用来计算电场灵敏度。本章中采用当前比较流行的a n s y s 软件对电 场灵敏度分布进行了仿真分析。a n s y s 软件仿真计算结果是很可靠的，相对实验法来 说既提高了计算准确度，也减低了工作复杂度。 华中科技大学硕士学位论文 3 1引言 3e c t 系统检测方案设计 电容层析成像系统应用于两相流识别时，要对瞬时变化的流型进行瞬时描述，要 求硬件系统反映快速，具体反映在数据获取速度、图像重建速度上。所以e c t 系统硬 件集成是在充分考虑系统总体性能前提下，对各硬件单元的合理设计，并将它们有机 连接在一起，形成一个总体性能最优的e c t 系统硬件支撑平台。 e c t 系统硬件由多个基本单元组成，在图2 1 中可以看出有传感器电极、c v 转 换电路、数据采集系统及成像计算机等单元。在进行这些单元设计时，要综合考虑整 个系统的集成后的性能，也就是说整个硬件系统要具有效率最高、性能最优的原则。 当前在实验室应用的硬件测量系统方面主要采用专门的成像计算机进行图像重 建，系统结构图如图3 1 ( a ) 所示。数据采集系统是由数据采集卡( 进行采集工作) 、 数字i o 卡( 进行控制) 连接该成像计算机组成，这种测量系统不存在通讯问题，整 个系统的工作过程全部是由成像计算机统一指挥【5 】。这就意味着对电路的控制、采集 数据、成像都是由同一计算机进行，势必会影响图像重建工作，而且这种系统包括采 集和工业控制卡，造价很高。：亡业应用的测景系统是采用单片机进行现场采集，成像 计算机装有通讯接口卡进行对单片机控制，成像计算机发出的控制指令很多，也会影 响图像重建速度。 本文根据目前工业应用和实验室应用的不同测量方案，基于上述硬件系统集成原 则，设计了基于单片机- - p c 机即上下位机结构的系统方案。系统结构如图3 一l ( b ) 。 在该测量方案中数据采集系统主要是a d 转换器采集数据并转换为数字信号到单片 机，单片机要控制电容测量电路对所有的电极对之间的电容进行测量和信号放大，也 要控制数据采集，保证整个测量一采集工作有条不紊的进行。最后单片机把处理后的 电容测量值通过串行接口送到用来成像的p c 机，完成电容层析成像系统的数据测量 一采集工作。p c 机则只用来进行图像重建工作，对单片机只发送开始和结束的控制信 号，在图像重建过程中不发送任何控制信号，不会影响图像重建工作。p c 机接受数据 和图像重建采用多线程方式并行工作，提高了系统的速度。 华中科技大学硕士学位论文 匣 蘩 c ，v 转 鞣 囊 悻些 孺 换电 测量信号 数字 路 蹄 z 0 - 乍 t 控制藩号 图3 1电容层析成像系统结构 ( a ) 目前实验室应用系统结构 ( b ) 基于上下位桃的结构 基于上下位机测量结构的优点是： ( 1 ) 模块独立性强。上下位机分工独立，相互协同工作。下位机完成所有数据 采集和数据处理工作。上位机则接受下位机处理后的数据，用来图像重建。 使整个系统在采样、通讯、图像重建等关键事务处理中相互独立，彼此的 联系采用中断方式解决，这样使系统各个环节的数据处理几乎不出现等待 现象从而使系统效率得到较大提高。 ( 2 ) 西移植性好。进行图像重建的计算机是用p c 机代替专用成像计算机，所 以该系统移植非常容易。只要p c 机安装了e c t 系统的软件就可进行对两 相流的检测。e c t 软件就可在标准w i n d o w s 平台下开发，易于维护。 ( 3 ) 可以远程监控。基于单机的硬件系统由于同时要进行对现场传感器电路数 华中科技大学硕士学位论文 据采集和控制工作，所以不能远离工业现场。而基于上下位机的系统结构 可以使单片机在工业现场进行采集和控制，将数据通讯给远程的p c 机进 行图像重建，实现远程监控。 ( 4 ) 造价低。相对于使用了采集卡和进行控制的l ，o 卡的系统来说，该结构只 用数模转换器和单片机及少量扩展接口器件即可，因此造价比较低。 ( 5 ) 易于实现产品化。可将传感器测量电路和单片机的整个数据采集系统制作 成集成电路，实现产品化。 3 2 系统硬件设计 3 2 。1 传感器结构设计 常用的电容层析成像系统的传感器是由多个电极贴在被测物体周围。本文中用于 管道两相流的1 2 电极传感器设计基本结构图如图3 2 所示。管道外面有接地的保护 罩，防止外界干扰f 。电极是由薄铜片制成，接地的保护罩必须是电的绝缘体制成。 每个电极周围都有防护隔离板进行与其他电极间的外部隔离。 图3 - 2传感器横截面图 传感器各参数设计要遵循以下原则叫1 7 j ： ( 1 ) 电极数量的选取。电极数量的增加会使独立的电容测量值增多，从而更易 于图像重建，但电极表面积的减少也会使得电场灵敏度降低。本文中采取 1 2 电极代替目前常用的8 电极结构，从第二章电场灵敏度计算结果看电场 华中科技大学硕士学位论文 灵敏度降低不是很明显。 ( 2 ) 各尺寸参数的确定。图3 2 有管道内径、外径、屏蔽层半径以及电极的包 角等。这些参数决定着结构是否紧凑、能否真正屏蔽外界干扰。 ( 3 ) 极板轴向尺寸的确定。轴向尺寸增加可以减少边缘效应，但轴向尺寸太大会 包络管道内不同的介质分布，无法简化为二维的横截面图像重建。 基于以上原则，本文选取的参数力求使传感器结构简单、紧凑、使用。参数为 r 1 = 2 0 m m ，r 2 = 2 2 5 m m ，r 3 - - - - - 2 5 m m ，0 = 2 6 5 。，l = 1 7 r a m 。传感器立体示意图 如图3 3 所示。 电容层析成像检测系统是微弱信号检测系统。为防止外界干扰，电极的引线要采 用屏蔽技术。导线的屏蔽层对来自导线( 或电缆) 外部的干扰电磁波和内部产生的电 磁波起着吸收能量、反射能量和抵消能量的作用。引线使用屏蔽的同轴电缆线。由于 电容测量电路工作在高频区，同轴电缆的外层即屏蔽层一端必须接地。这样既可防止 容性干扰，使干扰源和被干扰部件的耦合电容达到最小，同时还可避免屏蔽与地形成 环路，从而也防止了磁场干扰，达到很好的屏蔽效果。 3 2 21 3 v 转换电路 当测量一对电极对之间的电容时发送极加上激励信号，1 6 路多路模拟开关选通 连接接受极