兩相流電容層析成像技術(shù)的研究.pdf

1、電容層析成像技術(shù)是上世紀(jì)80年代末由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)研究人員提出的一種新的計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，它是通過測(cè)量物體表面周圍電極之間的電容值來計(jì)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(cè)。這種技術(shù)可提供常規(guī)儀器無法探測(cè)的封閉管道及容器中多相介質(zhì)的濃度、分布、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等可視化信息。比之其它技術(shù)，電容層析成像技術(shù)具有適用范圍廣、非侵入式、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，各種工業(yè)生產(chǎn)過程中常見的多相流均能應(yīng)用該技術(shù)，并且成本低廉，更適合我國(guó)的國(guó)

2、情。本文針對(duì)電容層析成像系統(tǒng)的場(chǎng)域分布模型、傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)、圖像重建算法、流型辨識(shí)及電容層析成像系統(tǒng)的分析和測(cè)量軟件等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)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(shù)原理分析 從理論上分析了電容層析成像技術(shù)的工作原理，建立了電容敏感場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)系統(tǒng)的其他研究工作均以此模型為理論基礎(chǔ)，從系統(tǒng)的流型識(shí)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(chǎng)有限元模型，獲得電

3、容敏感場(chǎng)分布信息 通過對(duì)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(chǎng)域自動(dòng)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(shí)別的有限元模型，滿足圖像重建對(duì)敏感場(chǎng)數(shù)據(jù)的精度要求。 3．電容傳感器的設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)研究 針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電容傳感器性能的影響，從電極數(shù)、電極長(zhǎng)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(jìn)行理論分析，完成了計(jì)

4、算機(jī)仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析，并以此為基礎(chǔ)對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高敏感場(chǎng)的靈敏度和均勻性，減輕測(cè)量電路的設(shè)計(jì)難度，完善了電容傳感器設(shè)計(jì)理論。 4．流型辨識(shí)、圖像重建算法研究 為了克服成像過程測(cè)量數(shù)據(jù)有限、信噪比低及敏感矩陣條件數(shù)偏大對(duì)實(shí)時(shí)成像造成的影響，結(jié)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(yùn)算的廣義逆敏感矩陣求解方法。該方法將測(cè)量數(shù)據(jù)與構(gòu)建的廣義逆敏感矩陣進(jìn)行運(yùn)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(cè)量系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及開發(fā) 根據(jù)敏感特性和本文提出的傳感器場(chǎng)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(cè)量軟件，軟件能夠完成敏感場(chǎng)場(chǎng)域自動(dòng)剖分、計(jì)算及電場(chǎng)特性分析；對(duì)本文建立的離散相分布圖像重建數(shù)學(xué)模型和油水含率計(jì)算的數(shù)學(xué)模型及提出的具有一定自適應(yīng)閾值的圖像重建和油水含率計(jì)算算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，采用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行編