電容耦合電阻層析成像系統(tǒng)建模及優(yōu)化研究.pdf

1、電阻層析成像(ERT)技術(shù)作為過程層析成像技術(shù)中的研究熱點之一，與其它層析成像技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快和成本低廉等優(yōu)點，是一種具有廣闊應用前景的兩相流參數(shù)測量技術(shù)。
　　 但是，傳統(tǒng)的ERT傳感器檢測電極與被測導電液體直接接觸，易導致電極極化和電化學反應等問題，從而影響ERT在實際工業(yè)中的應用。針對該問題，本課題組基于電容耦合式非接觸電導測量方法(Capacitively Coupled ContactlessCond

2、uctivity Detection，C4D)提出一種新的ERT技術(shù)，電容耦合ERT(CapacitivelyCoupled Electrical Resistance Tomography，CCERT)。該CCERT系統(tǒng)傳感器電極直接安裝在被測絕緣管道外部，從而有效避免了傳統(tǒng)ERT中由于接觸測量引起的各種問題，是一種具有極大應用潛力的成像技術(shù)。雖然目前已經(jīng)初步驗證了該技術(shù)在層析成像領域應用的可行性，但由于該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的ERT系統(tǒng)有很大

3、不同，無法直接借鑒ERT的現(xiàn)有研究成果。因此需要從基礎性研究出發(fā)，對CCERT系統(tǒng)進行理論分析和建模，并提出傳感器設計準則，進而才能實現(xiàn)有效的圖像重建。針對這一現(xiàn)狀，本論文主要從基礎性研究出發(fā)，對傳感器的建模和優(yōu)化問題進行了較深入研究，同時對圖像重建也進行了初步研究，同時根據(jù)研究獲得的傳感器設計準則，設計了CCERT樣機，并進行了實時的圖像重建驗證實驗。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下：
　　 (1)建立CCERT傳感器的數(shù)學模型，并

4、利用二維及三維有限元仿真驗證了電極問RC串聯(lián)等效電路模型的有效性。
　　 (2)針對CCERT傳感器結(jié)構(gòu)的特性，為了降低外部寄生電容影響，借鑒電容層析成像系統(tǒng)中通過增加徑向電極的方法，對該種結(jié)構(gòu)的傳感器進行研究。結(jié)果表明，針對所采用的數(shù)據(jù)采集模式，徑向電極對測量值影響較大，對測量不利，不建議采用徑向電極。
　　 (3)以降低數(shù)據(jù)檢測電路的設計難度為優(yōu)化目標，同時兼顧系統(tǒng)測量靈敏度，對CCERT系統(tǒng)的傳感器幾何及物理參數(shù)進

5、行了優(yōu)化研究。通過研究獲得如下傳感器設計準則：較薄的管壁、較大的管壁相對介電常數(shù)以及較大的電極張角對系統(tǒng)設計是有利的。
　　 (4)基于獲得的傳感器設計準則，設計了CCERT傳感器樣機。對圖像重建所需的靈敏場進行仿真研究，獲得了所設計CCERT傳感器的靈敏場，同時將LBP成像算法應用到本系統(tǒng)。利用該樣機進行了實時的圖像重建驗證實驗。實驗結(jié)果表明，該CCERT系統(tǒng)樣機對目標成像效果良好，進一步驗證了傳感器模型的正確性，傳感器設計準