（检测技术与自动化装置专业论文）ert系统电极阵列优化设计及单电极激励模式的研究.pdf

中文摘要 电阻层析成像( e r t ) 技术是基于电学敏感原理的过程层析成像技术，适用于 多相介质成份中以导电性介质为连续相的工业过程，可提供封闭的管道或过程 容器设备内部多相组成物质参数的二维三维可视化信息，是一种可实现两相流 参数在线监测的高新检测技术。 本论文从e r t 技术的原理性研究出发，针对该技术中电极结构设计进行了 分析与优化，并对单电极电流激励模式做了深入的研究和优化。具体完成了以 下几方面的工作： 1 在分析e r t 系统电极结构的基础上，对电极传感器提出了新的设计方法，包 括电极的安装方法、多层电极的排列形式等。对电极高度作了分析，提出均 匀媒质条件下电极高度与敏感场发散性的关系，这有利用合理的进行电极高 度设计。 2 对e r t 系统的多种激励模式作了介绍和特性比较，主要从敏感场的敏感性和 发散性两个指标衡量各种激励模式的性能。从这些对比分析中得出结论，有 助于更合理的选择系统的激励模式。 3 提出了双层e r t 系统加保护电极的设计方案，通过a n s y s 仿真软件对加保 护电极的作用做了验证工作，证明了保护电极对于改善敏感场的平行性、压 缩敏感场空间分布范围的积极意义。 4 基于单电极电流激励模式的e r t 系统设计提出了优化措施，主要包括：外接 电阻对敏感场影响的仿真研究、软场特性分析、硬件电路设计的优化。最后 对单电极电流激励模式做了实验验证工作。通过以上工作，进一步加深了对 这种激励模式的认识，提高了系统的性能。 关键字：电阻层析成像电极设计数据采集模式保护电极单电极电流激励 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 ) b e l o n g st ot h ep r o c e s st o m o g r a p h y t e c h n i q u eb a s i n go nt h ep r i n c i p l eo fe l e c t r i c i t ys e n s i t i z a t i o n , i sah i g l la n dn e w d e t e c t i n gt e c h n o l o g yt h a tc a l lm o u i m rt h eo u i i n ep a r a m e t e r so ft w o - p h a s ef l o w i ti s f i tf o rt h ei n d u s t r i f lp r o c e s sw h e mt h ec o n d u c t i b l em e d i u ms e r v e sa st h ed i s p e r s e p h a s e i n m u l t i - p h a s em e d i u m , a n dp r o v i d e s t w o t h r e e d i m e n s i o n a lv i s i b l e i n f o r m a t i o no f m u l t ic o m p o n e n tp a r a m e t e r si nc l o s ep i p e so rp r o c e s sv e s s e l s i nt h i sp a p e r , t h ee l e c t r o d es t r u c t u r ea n ds i n 百ee l e c t r o d ec u r r e n te x c i t i n gm o d e a r ed e e p l ya n a l y z e da n do p t i m i z e db yt h ef u n d a m e n t a ls t u d yo f e r tt e c h n o l o g y 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 b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee l e c t r o d es t r 、k h ei ne r ts y s t e m ，an e w h e m ef o r e l e c t r o d es e n s o ri sp r o p o s e d ，i n c l u d i n ge l e c t r o d ei n s t a l l a t i o nm e t h o d ，t h ea r r a yo f m u l t i - p l a n ee l e c t r o d e s ，e t c t h es c h e m eo fe l e c t r o d eh e i g h ti sa n a l y z e da n dt h e r e l a t i o n s h i po fs e n s i n gf i e l dd i v e r g e n c ew i t he l e c t r o d eh e i g h tu n d e rt h ec o n d i t i o n o fh o m o g e n e o u sm e d i u mi sp r o p o s e d t h i si n v e s t i g a t i o nm a k e st h ed e s i g no f e l e c t r o d eh e i g h tm o r er e a s o n a b l e 2 v a r i o u s e x c i t i n g m o d e so fe r ts y s t e ma r ei n t r o d u c e da n dc o m p a r e di n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fe a c hm o d ei sm o s t l yj u d g e db yt h e s e n s i t i v i t y w e l la st h ed i v e r g e n c eo fs e n s i n gf i e l d t h es e l e c t i o no fe x c i t i n g m o d ew o u l db em o r ea p p r o p r i a t eo w i n gt ot h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n 3 an e ws c h e m eo fd u a l p l a n ee r ts y s t e mw i t hg u a r de l e c t r o d ei sp r e s e n t e d ，a n d t h ef u n c t i o no fg u a r de l e c t r o d ei sv a l i d a t e di na n s y s ，f o rw h i c ht h eg u a r d e l e c t r o d ei st e s t i f i e dt ob ec a p a b l ei ni m p r o v i n gt h ep a r a l l e l i s ma sw e l l 勰i n c o m p r e s s i n gt h es p a c ed i s t r i b u t i o no f s e n s i n g f i e l d 4 o p t i m i z a t i o ns i n g l ee l e c t r o d ec u r r e n te x c i t i n gm o d eo fe r ts y s t e mi sb r o u g h t f o r w a r d ，i n c l u d i n gt h es i m u l a t i o no ft h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a l r e s i s t a n c eo n s e n s i n gf i e l d ，t h ea n a l y s i so fs o f tf i e l df e a t u r ea n dt h eo p t i m i z a t i o no fh a r d w a r e c i r c u i td e s i g n a tl a s tt h es i n g l ee l e c t r o d ec u r r e n te x c i t i n gm o d ei sv a l i d a t e di n e x p e r i m e n t t h ee x c i t i n gm o d ei sm o r eu n d e r s t a n d i n ga n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h e s y s t e mi si m p r o v e db yt h ea n a l y s i sa b o v e k e y w o r d ：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 l e c t r o d ed e s i g n , d a t aa c q u i s i t i o nm o d e ， g u a r de l e c l l - o d e ，s i n g l ee l e c t r o d ec u r r e n te x c i t i n g 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，也不包含为获得苤生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：霰霭极 签字日期：多驴年月z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤洼盘鲎有关保留、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：钐缸 签字日期：z 刀石年月二日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 是二十世纪八十年代中后期形成 和发展起来的，该技术能够对工业领域中，以截面信息为测量对象的过程参数 分布状况实现在线实时检测【l 捌。电阻层析成像技术是一种基于电学敏感原理 的过程层析成像技术，可应用在连续相为导电性的多相介质成份的可视化检 测，本论文将主要对电阻层析成像技术中的电极结构优化设计及其工作模式进 行研究。 1 2 过程层析成像技术 过程层析成像技术发展自医学诊断中对人体的断面成像，它实际上是c t 技术在工业过程中的改进和发展。用特殊设计的敏感器空间阵列，非接触或非 侵入的方式获取被测对象的场信息，运用图像重建算法重现两相多相流体在 管道内或反映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 度分布及其随时间的变化情况，实现被测两相物体在某一截面上的可视化闭。 它将传统的对过程参数的单点的测量方式，发展成为对过程参数多点、截面分 布式测量：为在工业条件下，基于热动力学、反映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一种方便手段；还可以为优化过程设备及装置 的设计、改进过程工艺，反映复杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信 息和手段h 。 目前已有多种基于不同敏感原理的p t 技术问世，如：射线方法( x 射线、 y 射线) 、光学方法、电学方法、微波方法、核磁共振和声学方法1 5 “。在电学 方法中，根据检测方式不同又分为电容层析成像技术( 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 ，简称e c t ) ，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 e t o m o g r a p h y ，简称e i t ) 和电磁层析成像技术( 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 m t ) ，电学层析成像技术已在许多检测过程中获得了较为成功的应用， 目前己进入工业应用研究阶段“。 过程层析成像技术对多相流体的二维三维的时空局部的微观分布信息 第一章绪论 获取，为我们开展两相流多相流研究提供了强有力的实验手段，同时为在多 相流体的输送、处理和反应等复杂的生产过程中实现实时监测、控制及安全高 效的运行创造了条件【1 2 1 。随着电子技术、计算机技术、信号处理和图像处理技 术的不断发展，过程层析成像技术必将会在多相流参数检测领域取得更广泛的 应用。 1 3 电阻层析成像技术 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 r r ) 的一种简化形式， 它只利用了电阻抗的实部信息。班玎技术主要运用于两相，多相流中以液相为 连续相的生产过程，可以对工业过程中含有气液、液固两相流参数进行可视 化测量【l 引。e r t 技术的起源可追溯到上世纪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，在一对电极间注入电流，测量其它电极上的电位来 获得地下的地层分布【l ”5 1 。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 o m o g r a p h yr 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 ) ， 期望能找到一种快速、安全、低成本的可取代已经成功应用的x 射线c t 机的 替代产品，这使得医学e r t 技术获得了较大的发展【1 6 1 。从八十年代中期开始， e r t 技术被移植于工业领域，成为过程层析成像技术的一种。 1 3 1e r t 的系统构成及其特点 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。e r t 系统的工作方式通常是电流激励、 电压检测。当场内的电导率分布变化时，电流场的分布也会随之变化，导致场 内电势分布的变化，从而场域边界上的测量电压也要发生变化。边界测量电压 包括了场域内电导率变化的信息。通过检测边界测量电压，运用相应的成像算 法，便可重建出实际对象的电导率分布，实现可视化测量l i ”。 e r t 系统结构通常包括电极( 传感器) 阵列单元、数据采集与处理单元、 图像分析与显示单元三个部分【1 8 】( 如图1 1 所示) ： e r t 系统传感器由一组或多组电极阵列等间隔排列在被测管道或过程容 器内壁，控制单元( 计算机) 向数据采集单元发出指令，轮流给某一对电极施 加电流，在过程对象内部建立起敏感场。测量边界电极上的多组电压信号，将 得到的测量数据送给图像重建单元，以适当的算法重建出对象内部的电导率分 第一章绪论 布，从而得到媒质分布图像( - - 维或三维) 。最后送给图像重建与物场参数提 取单元，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不 同电导率的分布，同时又可运用相应的软件，提取出被测物场的特征信息，如 流型、相速度、相含率、相分布等。 图1 - 1 电阻层析成像系统结构图 e r t 技术具有非侵入、响应速度快、成本低、安全性能好、适用范围广等 优点。除此之外，同其他p t 技术相比还具有以下特点： ( 1 )e r t 系统要求被检测物场的连续相必须具有一定的导电性，例如气 液、液固两相流。 ( 2 ) ，敏感电极阵列为非侵入式( 但有接触) ，位于同一截面的电极阵列等 间隔排列。敏感阵列的设计对于敏感场的性能有直接的影响；电极 的设计、排列以及电极的一致性是整个系统至关重要的一部分。 ( 3 )敏感场的激励信号的频率范围一般从几k h z 到几十k h z 。频率过低 容易引起电极的电化学效应，尤其对电解质容易、腐蚀性溶液等等； 频率过高，电磁场感应及分布阻抗等会带来很强的测量噪声。 ( 4 )与其他电学p t 一样，形成的敏感场是软场。敏感场分布要受到场内 媒质分布的影响，敏感场与物场的相互作用为非线形，导致敏感场 分析和图像重建的困难。 ( 5 )通常检测信号为弱的交流电压信号或其微小变化，因而要求测量电 路必须具有高的灵敏度和信噪比。 第一章绪论 1 3 2e r t 技术的国内外研究现状 当前e r t 技术的研究主要集中在以下几个方面：传感器电极阵列的优化 设计，数据采集与处理硬件电路性能的提高，图像重建算法的改进，应用性的 开发等等。近年来，世界上各国学者对e r t 技术做了很多研究工作，从历届 欧洲过程成像会议( e u r o p e a nc o n c e r t e d a c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ) 及近几 届世界工业过程成像大会( w o r l dc o n g r e s so ni n d u s l r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) 资料报道，e r t 技术占了很大比例。经过十多年的发展，e r t 技术的研究重点 已开始从实验室研究向工业应用转变。 1 9 8 8 年英国的u m i s t 大学最早从事电阻层析成像技术监视导电流体的研 究工作l ，之后又相继在搅拌器【2 0 1 和旋流器叫等实验装置上进行了应用研究， 并开发出应用于金属容器的e r t 系统【2 习； wwl o h 等人也曾从事e r t 技术 应用于多相流检测的研究 2 3 】；美国的u n i v e r s i t y o f a r i z o n a 的d j l a b r e c q u e 等人将e r t 应用于环境监测与整治的研究 2 7 ；美国兰开斯特大学的a n d r e w b i m e y 等人用e r t 方法分析土壤和岩石的成分【2 5 j ；美国的l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室和兰开斯特大学联合将e r t 应用于检测污水池泄漏情况1 2 ，分析 拉斯维加斯西北1 2 0 k m 的y u c c a 山脉核废物被岩石的吸收情况而检查核废物存 在情况叨，用e r t 技术分析地下水中含有的颗粒物中的有机成分；英国l e e d s 大学已成功开发出一套两相流在线数据采集和处理双截面e r t 系统，其电压 检测采用并行处理机制，数据采集速度达到1 0 0 0 幅，秒f 2 s 】。 国内最早从事e r t 技术研究的主要以天津大学p t ( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 研 究小组为代表，现已开发出多套系统样机，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 。之后国内一些其他单位也开展了在该领域的研究：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；浙江工学院开展了电阻层 析成像技术应用于土壤大地测量的研究；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 i 汀系统。 1 3 3e r t 技术中需要解决的问题 目前e r t 系统的测量精度不高，为实现定量测量并达到更高的精度，要 求e r t 系统能够提供高精度的重建图像，并能对重建图像的物理意义予以准 确解释，为过程控制提供依据，要求e r t 技术的研究应在以下几个方面做出 努力：( 1 ) e r t 系统的传感器和数据采集硬件系统必须准确可靠，这就要求传 第一章绪论 感器材料的选择、加工的精度、数据采集系统硬件电路工作的稳定性、信噪比、 精度等尽可能满足要求。( 2 ) e r t “软场”问题的克服和解决，对敏感场分布 特性的认识和改进，尽可能提高敏感场灵敏度分布的均匀性【3 l j 。实际上e r t 系统的敏感场是三维非均匀分布的，简单地用二维场近似地分析实际的三维场 势必要引起误差。改进敏感电极阵列的设计使其灵敏度均匀性好，以改善敏感 场的空间分布，使其具有二维场的分布特性；或是基于三维场描述敏感场特性 研究媒质分布、重建图像算法及对图像的解释等1 3 2 1 。( 3 ) 高质量的图像重建算 法及图像物理意义解释算法的开发非常重要。图像重建算法主要是算法收敛性 的改进、精度和实时性的提高。图像物理意义解释算法包括流型辨识、特征参 数的提取、计算等。 1 4 本课题主要研究内容 本课题的研究得到了国家自然科学基金重点项目：多模态过程层析成像关 键技术研究( 批准号：6 0 5 3 2 0 2 0 ) 和天津市应用基础研究计划资助项目：基于多 传感器数据融合两相流测量技术研究f 批准号：0 5 y f j m j c l l 6 0 0 ) 的资助，主要 完成以下方面的内容： 1 在分析e r t 系统电极结构的基础上，对电极提出了新的设计方法，包括电 极的安装方法、多层电极排列形式等。对单层e r t 系统的电极数目进行了 分析，之后对电极高度的尺寸设计进行了一定的分析，提出了均匀媒质条 件下电极高度与敏感场发散性的关系。 2 对e r t 系统的多种激励模式进行了详细的研究和比较，主要从敏感场的敏 感性和发散性指标来衡量各种激励模式对系统性能的影响。 3 提出双层e r t 系统加保护电极的设计方案，首先分析了加保护电极的敏感 场阵列的设计方法，然后通过a n s y s 仿真软件对双层e r t 系统加保护电 极的作用做了验证工作。 4 基于单电极激励模式的e r t 系统设计，提出一定的优化措施，包括：外接 电阻对敏感场影响的仿真研究，软场特性的研究以及硬件电路设计的优化 等。 5 对单电极激励模式的e r t 系统做了实验验证研究。 第一章绪论 1 5 本论文的组织结构 具体安排如下： 第一章绪论：主要叙述过程层析成像技术和电阻层析成像技术( e r t ) ， 包括国内外发展状况、e r t 系统构成及其特点、e r t 系统中需要解决的问题和 本论文的组织结构等。 第二章敏感电极阵列的研究：包括电极结构的设计，具体有电极的形状、 电极的安装方式、电极的排列、以及电极高度的设计，并且提出了均匀媒质情 况下，系统发散性和电极高度的关系。 第三章带保护电极的电阻层析成像系统的研究：首先介绍了加保护电极的 敏感电极阵列的设计，其次对双层e r t 系统加保护电极进行了深入的研究， 包括激励模式、激励电流大小、加保护电极对系统的敏感性和发散性的改善等， 最后对仿真结果进行了一定的理论分析。 第四章电阻层析成像系统数据采集模式的研究：总结了e r t 技术发展过 程中的数据采集模式，并且对常用的几种数据采集模式以及近几年研究出的单 电极激励模式进行了深入的比较，主要从系统的敏感性和发散性角度进行比 较，便于更合理的选择数据采集模式。 第五章基于单电极激励模式的研究：包括介绍了单电极激励理论模型的建 立、敏感场软场特性的研究、外接电阻特性的研究，提出了单电极激励模式的 一种新型外接电阻连接方式，并对其做了初步的仿真验证工作。最后对单电极 激励模式硬件设计进行一定的介绍，对单电极激励模式系统性能做了实验验证 等工作。 第六章总结和建议。 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 e r t 系统的传感器由金属材料( 电极) 组成，大多数e r t 系统电极阵列 是等间隔排列在管道或过程容器内部，电极阵列是e r t 系统的重要组成部分， 是建立敏感场和获取物场信息的媒质，电极阵列的设计对敏感场有较大的影 响，进而将影响到e r t 系统的整体性能。因此，有必要对电极阵列的设计进 行深入的研究。 2 1a n s y s 在e r t 系统中的应用 由于对e r t 系统原理的研究，不仅需要大量的人力、物力、财力，而且 实验条件很难达到。这样，大型的模拟仿真软件在e r t 系统原理性分析上就 显得格外重要，它能够模拟真实条件，实现许多实验条件下难以完成的工作。 在本论文中采用a n s y s 仿真软件来分析工作。 a n s y s 是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是美国j o h ns w a n s o n 博 士于1 9 7 0 年所创建的a n s y s 公司开发出的应用程序。用计算机模拟工程结 构分析，历经3 0 多年的完善和修改，如今a n s y s 己成为全球最受欢迎的应 用程序f 3 3 】f 3 4 】。 a n s y s 典型的分析过程由前处理、求解计算和后处理三部分组成【3 “。 前处理，即有限元建模过程。有限元模型是进行有限元分析的计算模型或 数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是整个有限元分析过程的关键，模 型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完 成。建模主要包括以下几步：( 1 ) 确定工作名和分析标题；( 2 ) 设置分析模块； ( 3 ) 定义单元类型和选项；( 4 ) 定义实常数；( 5 ) 定义材料性质；( 6 ) 创建 分析几何模型；( 7 ) 建立有限元模型；( 8 ) 对模型进行网格划分。 加载和求解，加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和 外界之间的相互作用。求解即应用a n s y s 自代应用程序进行计算，得到有限 元模型中各个节点或单元的计算结果。 后处理，后处理是将计算所得的结果可视化。a n s y s 有两个后处理器： 通用后处理器，它只能观看整个模型在某一时刻的结果；时间历程后处理器， 可观看模型在不同时间的结果。 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 应用a n s y s 软件进行e r t 系统仿真的步骤： ( 1 ) 建立模型，根据提出的问题建立所需要的几何模型，包括定义所建模型 的尺寸单位、实参数、建立模型具体尺寸大小、对区域进行编号和两种不同单 元相关联的部分进行交迭( 以保证所建图元粘结在一起) ，所建的模型主要用 到了电极与连续相介质的交迭与连续相介质与非连续相( 气泡) 的交迭； ( 2 ) 定义材料性能和单元类型，定义物场和电极等材料的相对电导率，选定 划分网格的单元类型； ( 3 ) 指定区域材料属性和划分单元类型，根据区域的不同要求，把定义的材 料和单元分配给适当的区域； ( 4 ) 设置网格密度并划分网格，即对各区域进行剖分之前，定义剖分密度的 大小，剖分的疏密度将影响结果的执行时间，以及结果计算的精度； ( 5 ) 加载和指定边界，指明加载区域和所加载体的类型和大小； ( 6 ) 进行求解和后处理，求解所建立模型并察看所得数据及各种结果显示图 形。 在本论文的仿真中，模型中连续相( 液相) 的电导率设置p = l o s l m ；离 散相( 气相) 的电导率设置p = 2 x 1 0 _ 5 s m ；电极材料选用金属钛合金，电导 率p = 2 x 1 0 5 s m ；定义的单元类型：二维选择p l a n e 6 7 单元，三维选择 s o l i d 9 8 单元。如图2 - 1 所示，( a ) 用于对二维情况进行分析的仿真模型，( b ) 用于进行三维仿真分析的模型。 ( a ) e r t 系统二维模型 ( b ) e r t 系统三维模型 图2 - 1a n s y s 下e r t 系统仿真模型 2 2e r t 系统电极参数分析 电极设计是e r t 系统设计重要的组成部分，电极设计主要包括：电极的 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 材料分析、电极的形状分析、电极排列形式分析、电极的数目分析以及电极的 尺寸分析等。 2 2 1 电极材料 用于做电极的材料必须满足：具有良好的导电性。要求电极材料的导电 性必须远远高于被测媒质，以保证电极表面为等势面，电流密度垂直于电极表 面均匀分布。稳定的化学特性。e r t 系统的电极是与管道或容器内的被测媒 质相接触的，电极接通电流后会在电极与媒质表面发生一定的电化学效应，时 间长了有些材料的电极会发生一定的腐蚀，因此要求电极的材料要有稳定的化 学特性。容易加工特性。因为电极的尺寸有着严格的要求，加工的难易程度 将直接影响到电极尺寸的精度与电极设计的成本问题。目前常见到的电极材料 有铜、不锈钢、钛、镍、银钯合金等。几种材料的电学和化学特性如表2 一l 所 示f 3 6 1 ： 表2 - 1 几种电极材料常温( 2 0 。c ) 下的电化学特性 材料电阻率电阻率金属的化学特性 0 0 6 q c m 、 温度系数 铜1 7 5 3 9 1 0 _ 3 c 电化学特性不稳定 不锈钢 5 0 - 6 0 在电解质溶液中易腐蚀 银1 6 1 3 6 x 1 0 。 化学特性不稳定 碳3 55 0 1 0 。c非金属，耐腐蚀 钛 5 6 - 6 7电化学特性稳定 本e r t 小组实验装置上采用了金属钛做电极，金属钛的比热和电阻率与 不锈钢接近，无磁性。用钛做电极不仅可以保证电极有良好的导电性和稳定的 化学特性，而且容易加工、价格便宜，降低了系统的造价。通过本e r t 小组 长期的实验验证，用金属钛做电极无论从价格上、加工特性上，还是在化学特 性上都很适合，综合评定是一种较好的电极材料。 2 2 2 电极的形状 e r t 系统中采用的电极有点电极、矩形电极、复合电极三种3 7 娜l ，如图 2 - 2 所示： 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 o ( a ) 点电极( b ) 矩形电极( c ) 复合电极 图2 - 2 电极的形状 ( 1 ) 点电极 点电极是直径很小的圆形电极，由于面积很小，因而更能测量到“点”的 电位信息。点电极敏感场内电流密度的分布类似于两个空间点电荷之间的电力 线分布，如图2 - 3 ( a ) 所示。这样的电极设计产生的场在空间分布发散，场域电 流分布的不均匀性强，导致截面上的检测灵敏度不均匀性强。点电极的优点是 对电阻率变化反应灵敏，缺点是对电极位置的尺寸误差过于敏感，因而电极的 安装误差对成像质量有较大的影响。 ( 2 ) 矩形电极 矩形电极比点电极能明显改善场域内电流密度分布的均匀性，如图2 3 ( b ) 所示。在均匀媒质分布情况下，场域内电流密度分布类似于平行极板电容器的 电力线分布。除了电极边缘有发散性外，可以近似认为电流密度在场域内均匀 分布，其电场分布比点电极场域均匀，因而其场域内的灵敏度分布也就比点电 极场域均匀。这样，矩形电极产生的电场比点电极更能符合二维场模型。本实 验室采用的就是矩形电极，设计的尺寸为1 0 2 0 m m 、5 1 0 m m 。 ( a ) 点电极产生的电场( b ) 矩形电极产生的电场 图2 - 3电极形状与场分布示意图 ( 3 ) 复合电极 复合电极是矩形电极与点电极的组合，一般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 第二章e rr 系统电极阵列设计与优化 测量点的电位信息。但这种电极对于工业过程来说，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。 2 2 3 电极的空间排列形式 e r t 系统电极设计主要有五种排列形式，如图2 4 ( a ) ( e ) 所示。( a ) 为单 圈点电极构成的电极阵列，( b ) 为单圈矩形电极阵列，( c ) 为单圈复合电极阵列， ( d ) 为多圈等间隔矩形电极阵列，( c ) 为多圈不等间隔矩形电极阵列。由于点电 极的发散性和不均匀性，( a ) 形式电极敏感场的均匀性最差；( b ) 形式电极敏感 场的均匀性要好些，但为改善敏感场的平行性，需要增加电极的高度，并且仍然 存在着边缘效应问题；( c ) 形式用长的矩形电极激励以产生平行场，从小的点电 极上测量以反应点的电位信息；( d ) 形式由多层同一尺寸的矩形电极构成，用于 被测对象三维成像。 图2 - 4 ( e ) 形式是本论文的贡献之一，为了适应双截面e r t 系统的测速需要， 设置不同截面间距的排列形式，这样可以根据液体的具体流动情况来选择不同 的电极工作截面，这样更有利于做双层截面的数据相关。 国画圄 ( a ) 单圈点电极( b ) 单圈矩形电极( c ) 复合电极 ( d ) 多圈等间距矩形电极( e ) 多圈不等间距矩形电极 图2 - 4e r r 系统几种主要的电极阵列 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 2 2 4 电极的安装 工业过程中的管道或过程容器设备有的是由绝缘材料制成，有的是由具有 导电性质的金属材料制成，有的允许被凿穿来安放电极、有的则不可以。常见 的电极安装方式有四种以适应不同的情况 3 8 1 。 ( a ) ( b )( c ) 图2 - 5 电极安装形式 同辘电曩 擐料盒 龠异电艟 图2 5 ( a ) ( b ) 所示的两种电极安装形式适合于管壁允许凿穿的场合，图2 5 ( a ) 所示为最常用的安装形式，将金属电极直接贴在管道内壁固定好，电极与电路 之间用电缆连接，可采用连接片固定在电极的螺钉上，并用密封胶将缝隙密封。 图2 5 为u m i s td r w a n g 采用的适合于金属管道上的电极安装形式，在金 属电极与导电的金属管壁之间装有绝缘垫片，绝缘垫片的高度和宽度均要大于 电极的尺寸。图2 - 5 ( c ) ( d ) 所示为u m i s t 的e r t 小组采用的适合于以过程容器 为对象不允许凿穿管壁的场合，图2 - 5 ( e ) 中将每个电极分别固定在一个中空的 有机玻璃上，有机玻璃管与管壁紧密粘合，同轴电缆线从有机玻璃管空心中引 出以传输激励电流信号和测量电压信号。图2 - 5 ( d ) 是u m i s t 的多层电极阵列 e r t 系统的安装方案，电极被加工安装在中空的防水的塑料盒内部，他们在直 径为1 5 m 的容器内安装8 层电极、每层1 6 个电极。后两种电极安装形式的缺 点是，电极伸入被测媒质中会导致干扰流体的流动，但他们指出，当电极伸入 场域的长度不超过容器直径的5 时，不会对整体的流型有严重的影响 3 s 】。本 实验室安装的电极类似于图2 5 ( a ) ，经过大量的实验验证，这种方式设计的电 极安全、可靠。 2 2 5 电极数量 电极的数量对e r t 系统性能有很大的影响，对定量成像算法的图像空间 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 分辨率、敏感场分布和测量信号都产生影响口9 】，下面分别进行分析。 1 对定量算法的图像空间分辨率的影响 在e r t 系统中，电极的数量决定了可能的独立测量数。对定量的图像重 建算法而言，其图像的分辨率是由独立测量数决定的。因此，为获得较高的图 像分辨率需要增加电极的数量。比如，采用相邻激励模式的1 6 电极e r t 系统， 其独立测量数目为1 0 4 ，而对于采用相邻激励模式的3 2 电极e r t 系统，其独 立测量数目为5 1 2 个。 2 对敏感场分布的影响 对于e r t 系统，电极数量的增加，必然导致相邻的两个电极之间的间距 变小。这对于不同激励模式的系统产生的影响也是不同的。对于相对激励模式 系统，如果电极尺寸变化不大，敏感场的分布受到的影响较小，但对于相邻激 励模式，激励电极间的距离变小，将使得激励电流更多地流经激励电极附近区 域，因此激励电极附近区域的电流密度更大，这将导致场域内灵敏度分布的不 均匀性更强。如图2 - 6 所示为相邻激励相邻检测模式，电极数量是8 电极与1 6 电极电流密度分布图，可以看出1 6 电极模式在激励电极附近电流密度要远高 于8 电极的情况。 ( a ) 8 电极模式( b ) 1 6 电极模式 图2 - 6 相邻激励模式下不同电极数量电流密度分布图 3 对测量信号的影响 由于电极数量的增加，将导致所获得的各测量电压的差别变小，这将要求 数据采集系统具有更高的分辨率。当两个电极对之间测量电压的差别小到数据 采集系统不能够分辨时，电极数目的增加也就失去了意义。如图2 7 所示，不 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 同电极数量相邻激励相邻检测模式的电压数据。并且电极数量的增加，采集每 一周的数据量增大，采集所用的时间必然增长，这样会降低系统的实时性。 2 2 6 电极高度 图2 - 7 电极数量对测量电压的影响 电极高度的设计是e r t 系统电极尺寸设计中很重要的一部分，由于电极 高度的选取与敏感场的发散性有着直接的关系，这将直接影响到最后所成图像 的质量，故有必要进行深入的探讨和研究。 2 2 6 1 电极高度对敏感场的影响 e r t 系统的敏感场实际是空间非均匀分布的三维场，准确地模拟敏感场的 电势分布需要在三维情况下求解正问题。而在需要迭代求解的e r t 图像重建 时，为提高成像速度只能用二维场近似代替实际的三维场分析。为减少用二维 场近似代替三维场带来的误差，有必要设法改善三维场的分布，使其更接近于 平行平面场，从而更准确地用二维场描述，为此，考虑到增加电极高度的方法。 电极高度越大，敏感场越接近于平行平面场。但是从另一方面来考虑，电极高 度的增加也会带来不利的影响，并且无论电极高度多大，电极的边缘效应都是 存在的。电极高度太大，它将使敏感场的空间分布范围扩大。这意味着更大空 间范围内的电导率变化都将对测量信号产生影响，从而加剧了所成图像物理意 义的模糊性，从而有必要研究电极高度与敏感场发散性的关系，以利于综合来 考虑电极高度的选取问题。 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 2 2 6 2 仿真研究 此电极高度与敏感场发散性关系的仿真是在 a n s y s 环境下进行的，其仿真模型如图2 8 所示， 模型中连续相( 液相) 的电导率设置p = l o s l m ； 激励方式为相邻电流激励，相邻电压检测；电极 材料选用金属钛合金，其电导率p = 2 x 1 0 5 s i r e ， 管道直径1 0 0 m m ，长度2 0 0 m m 。电流密度 o 0 4 m a m m 2 图2 - 8 仿真模型 首先，仿真计算出理想情况下( 电流不发散) 的1 3 组电压差值，设为变量砌“= 1 , 2 ，1 3 ) ，其次仿真计算出在管道长度固定 的情况下，电极高度依次为5 r a m ，1 0 m m ，9 0 r a m 时的电压差值，设变量为 户h o = 1 , 2 ，1 3 ) ，定义公式( 2 1 ) ： 玎：1 一土挚丝 ( 2 1 ) 篙 上式中，r 为发散性指标。说明敏感场中电流在激励电极外侧流动占整个 敏感区的程度。卵值越大说明敏感场越发散，越小说明整个敏感场越接近于平 行平面场。 2 2 6 3 仿真数据分析 根据以上定义的公式，通过仿真可得到表2 - 2 所示数据： 表2 2 ：电极高度与场的发散性关系数据 h ( m m ) 51 01 5 2 0 2 5 3 0 3 54 0 玎0 9 1 90 8 4 30 7 7 5 0 7 1 4 0 6 6 20 6 1 50 5 7 20 5 3 6 h ( m m ) 4 55 05 5 6 0 6 5 7 08 00 0 玎0 5 0 30 4 7 30 4 4 60 4 1 90 3 9 60 3 7 40 3 3 50 2 9 7 根据以上数据中电极高度的变化日为横坐标x ，发散性指标7 7 为纵坐标y 可以做出下面的拟合曲线： 第二章e r t 系统电极阵列设计与优化 ； ； ， ：i ；弋 ；2 ： ： 图2 - 9 电极高度与敏感场发散性的拟合曲线 图2 - 9 说明了，随着电极高度的增加，敏感场的发散性变小。并且在管道 长度一定的情况下，电极高度与敏感场的发散性接近于线性关系。所以在设计 电极高度的时候，在允许的范围内电极高度应该尽量大，这样有利于改善敏感 场的分布。 上面的仿真只能定性的说明电极高度与敏感场发散性的关系，对于电极高 度的选取一直是e r t 系统电极设计中难以解决的问题，为解决电极高度选取的 矛盾问题，英国u m i s t 的p t 小组采用了多圈矩形敏感电极阵列，天津大学的 e r t 小组提出带保护电极的敏感电极阵列，关于带保护电极的敏感电极阵列将 在本论文的第三章作以详细的分析和讨论。 第三章带保护电极e r t 系统的仿真研究 第三章带保护电极e r t 系统的仿真研究 本章主要利用a n s y s 仿真软件对所提出的带保护电极的e r t 系统进行研 究，首先介绍了带保护电极的e r t 系统敏感电极阵列设计，其次仿真验证了 双层e r t 系统加保护电极的作用，最后对仿真结果进行了一定分析。 3 1 带保护电极的e r t 系统敏感阵列的设计 对于单圈电极阵列，增加电极高度可以改善电极中心平面附近的敏感场分 布，但是从第二章关于电极高度的分析知道，增加电极高度同时也会带来一些 不利的影响。由电磁场理论知道，当电流大小相等、方向相反的时候，电流将 会互相抵消，因此想到了增加保护电极的方案。保护电极的设计方案如图3 1 ( c