兩相流電容層析成像技術的研究.pdf

1、電容層析成像技術是上世紀80年代末由英國曼徹斯特大學研究人員提出的一種新的計算機層析成像技術，它是通過測量物體表面周圍電極之間的電容值來計算物體內(nèi)部介電常數(shù)的空間分布，主要用于工業(yè)管道內(nèi)的多相流檢測。這種技術可提供常規(guī)儀器無法探測的封閉管道及容器中多相介質的濃度、分布、運動狀態(tài)等可視化信息。比之其它技術，電容層析成像技術具有適用范圍廣、非侵入式、安全性能好等優(yōu)點，各種工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的多相流均能應用該技術，并且成本低廉，更適合我國的國

2、情。本文針對電容層析成像系統(tǒng)的場域分布模型、傳感器的優(yōu)化設計、圖像重建算法、流型辨識及電容層析成像系統(tǒng)的分析和測量軟件等關鍵技術問題進行了較全面深入的研究，主要完成了以下工作： 1．電容層析成像系統(tǒng)技術原理分析 從理論上分析了電容層析成像技術的工作原理，建立了電容敏感場的數(shù)學模型。對系統(tǒng)的其他研究工作均以此模型為理論基礎，從系統(tǒng)的流型識別和圖像重建的效果來看，此模型是可行的。 2．建立電容敏感場有限元模型，獲得電

3、容敏感場分布信息 通過對敏感特性的分析建立了等間距和不等間距剖分形式的有限元模型，完成場域自動剖分，比較等間距和不等間距剖分的敏感差別，最后得到一種適合油水兩相流流型識別的有限元模型，滿足圖像重建對敏感場數(shù)據(jù)的精度要求。 3．電容傳感器的設計理論與實驗研究 針對不同的結構參數(shù)對電容傳感器性能的影響，從電極數(shù)、電極長度、電極張角、管道壁厚度、介電常數(shù)、屏蔽罩與電極間絕緣層的厚度、徑向電極等方面進行理論分析，完成了計

4、算機仿真分析和實驗分析，并以此為基礎對傳感器進行優(yōu)化設計，提高敏感場的靈敏度和均勻性，減輕測量電路的設計難度，完善了電容傳感器設計理論。 4．流型辨識、圖像重建算法研究 為了克服成像過程測量數(shù)據(jù)有限、信噪比低及敏感矩陣條件數(shù)偏大對實時成像造成的影響，結合成像系統(tǒng)噪聲水平和敏感矩陣特性，建立了一種基于矩陣運算的廣義逆敏感矩陣求解方法。該方法將測量數(shù)據(jù)與構建的廣義逆敏感矩陣進行運算，從而得到截面圖像，解決電容成像不穩(wěn)

5、定性及半收斂性問題，為電容層析成像系統(tǒng)的研究提供新的理論和方法。 5．電容層析成像測量系統(tǒng)軟件的設計及開發(fā) 根據(jù)敏感特性和本文提出的傳感器場域剖分原則，采用MATLAB和C語言開發(fā)出了電容層析成像系統(tǒng)的分析和測量軟件，軟件能夠完成敏感場場域自動剖分、計算及電場特性分析；對本文建立的離散相分布圖像重建數(shù)學模型和油水含率計算的數(shù)學模型及提出的具有一定自適應閾值的圖像重建和油水含率計算算法進行了實現(xiàn)，采用遺傳算法對其進行編