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南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 摘要 随着科学技术的迅速发展，两相流体系在国民经济和人类生活中的地位日益重 要。两相流过程广泛存在于石油、化工、冶金等工业领域，其特征参数的检测对于资 源合理开发和工业过程控制均有重要意义。电容层析成像技术具有非侵入、响应速度 快、成本低等优点，是实现两相流流型在线辨识的一种较为理想的手段。它可以提供 常规检测仪表无法提供的封闭管道及容器中非导电组分物质的相轮廓、运动状态等内 部行为的可视化信息，在工业过程参数可视化检测应用中是一种非常有发展潜力的技 术。这种新型检测技术是目前检测领域尤其是多相流检测领域中的一个研究热点。 本文在原有理论和实验条件下改进了e c t 系统，优化了传感器结构参数，改进了 数据采集系统。提高了分辨率并且在不降低灵敏度的情况下增加了有效测量数据并通 过实验证明了所设计的系统有利于e c t 图像分辨率的提高。 关键词：两相流电容层析成像电容检测图像重建神经网络 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 a b s t r a c t t w o - p h a s ef l o wp r o c c s 辩s e x i s t s w i d e l yi ni n d u s t r yf i e l da n dt h ep a r a m e - r m e a s u f m e n to ft h e s ep r o c e s s e si sv e r yi m p o r t a n tf o rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o no rp r o c e s s c o n t r 0 1 h a v i n gm a n y d i s t i n c t a d v a n t a g e s s u c ha s n o n - i n v a d e ，s w i f tr e s p o n s e ，l o w c o s t , s i m p l es t r u c t u r e ，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 ) h a sb e i n gt h em o s t p o p u l a rr e s e a r c hd i r e c t i o na n d t h em a i nd e v e l o p m e n ti nf l o wi m a g i n gt e c h n i q u e e l e c t r i c a l c a p a c i t a n c et o m o g r a p h yg a la c q u i r ev i s i b l e2 d 3 dd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o no fc l o s e d p i p e l i n eo rv e s s e l s ot h i st e c h n i q u eh a sg 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 lp r o c e s s p a r a m e t e rm e a s u l e m a l t i nt h i st h e s i s , t h ee 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 ys y s t e mw a si m p r o v e do n t h e s t r u c t u r ep a r a m e t e ro fs e n s i n ga r r a ye l e c t r o d ew a so p t m a z e d t h er e s o l v i n gp o w e ro ft h e s y s t e mw a se n h a n c e x l t h en e wm e a s u r i n gm e t h o d o fr e a l i z i n gi n c r e a s e du s e f u ld a t u mw a s a p p l i e d $ 1 l a g er e c o n s t r u c t i o ni so l l eo ft h em o s ti m p o r t a n tp o r t i o no f e c t st e c h n o l o g i e s 。 t h er e s e a r c ho f f a s ta n da c c u r a t ei m a g er e c o n s t r u c t i o n sa r i t h m e t i ci st h eb a s eo f r e a l - t i m e d e t e c t i n gi ne c ts y s t e m t h i sp a p e ra p p l i e dr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e u r a ln e t w o r ki n i m a g er e c o n s t r u c t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t si l l u s t r a t e t h a tt h en e wm e t h o d 撇v a l i dt o e n h a n c et h ec a p a c i t yo f i m a g er e c o n s t r u c t i o no f e c ts y s t e m k e y w o r d s ：t w o p h a s ef l o w ，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 , c 印a c i t a n c e m e a s u r e m e n t ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n ，n e u r a ln e t w o r k 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：助7 年7 月9 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盈建盛彻7 年7 月9 日 1 引言 1 1 两相流概述及其主要参数 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成 份，各相之间有明显可分的界面。从宏观的角度出发，可以把自然界的物质分为三种 相：气相、液相和固相。单相物质的流动称为单相流，如气体或液体流。所谓两相流 是指任意两种存在分界面的独立物质所组成的流动体系，工业中常见的两相流有以下 几种： ( 1 ) 气液两相流：气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。如锅炉等 的汽化，石油、天然气和低沸点液体的传输过程，传热传质设备大量的分离和反应过 程中存在的两相流动体系等。 ( 2 ) 气固两相流：气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。如干燥塔 等气流干燥过程，煤粉、水泥等的气力输送过程，煤的沸腾燃烧和石油的催化裂化等。 ( 3 ) 液固两相流：液体_ 移固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。如矿浆、 纸浆、泥浆等浆液流动，矿石、残渣的水利输送和污水处理排放系统等。 ( 4 ) 液液两相流：两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。如油田 开采中的油水两相流和物质提取的萃取过程。 气滚两相流是各类两相流中最常见、最复杂的两相流动体系之一。因为它们具有 可变形的界面和可压缩的气相。气液两相流根据组份、流动环境和流动状态的不同可 分成各种类型。根据组份的不同，气液两相流可分为单组份气液两相流和双组份气液 两相流。根据流动环境的不周，气液两相流可分为管内气液两相流和管外气液两相流。 根据换热情况的不同，气液两相流可分为绝热气液两相流和有换热的气液两相流等。 在两相流动过程中，由于相界面的形状和分布都是随时间和空间变化的，并且两相之 间存在速度差，使得两相流动过程要比单相流动复杂得多。同时在两相流动中，流型 多种多样，形成相浓度分布：各相闯存在相对速度，形成速度分布。 随着科学技术的迅速发展，两相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益提 高。两相流动过程中参数测量、系统的建模、特征参数的提取，时变性的自适应功能、 动态跟踪能力等基础理论的研究，以及对两相流参数的校验标定方法、误差分析等基 础方法的研究正日益受到关注。本世纪后半期，原子能核电站和航天工业的迅速发展、 动力工业和石化工业高参数的引入以及对环境保护的日益重视，使得两相流领域研究 工作迅速发展起来，目前己成为国内外学者极为关注的前沿学科。两相流动过程广泛 存在于石油、化工、冶金等工业领域，其特征参数的检测对于资源合理开发和工业过 程控制均具有重要意义。 南京理工大学硬士论文电容层析成像系统的实验研究 对两相流体系两言，要认清现象、获得概念、建立模型并进行过程的预测、设计 和控制，首先要解决的就是两相流参数的检测问题。但是由于两相流系统的复杂性和 随机性，其参数检测的难度较大，在很多情况下，两相流检测技术己成为目前两相流 研究中的一个制约性因素。近年来，国际上对两相流的研究兴趣在持续增长，其原因 在于许多生产设备中都存在着两相流体的流动问题，要经济而可靠地研制、设计和运 转这些设备就必须具备各种两相流流动方面的知识，并实时检测相关的两相流参数。 两相流不仅在一系列现代工程中得到了广泛应用，而且对促进这些工程设备的发展和 创新也起到了重要作用。随着核工业的发展，为保证工程设计的可靠性，必须对气液 两相流参数进行更糟确的测量，这也对两相流检测技术的发展提出了更高的要求。气 液两相流在化工工业和石油工业中也广泛存在，气液两相流参数的检测对这些工业中 的计量核算、自动控制至关重要。同样，在其他行业中两相流参数检测技术也发挥着 越来越重要的作用。因此，两相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义晡o 。 1 2 两相流检测技术的发展趋势 两相流参数检测难度较大。根据国内外关于两相流检铡技术的最新研究进展，两 相流检测技术的发展趋势和今后的研究方向可总结为以下几个方面： ( 1 ) 传统的单相流检测技术与单相流仪表应用于两相流检测仍是受到普遍重视的 一个重要的研究方向。 把成熟的单相流仪表应用到两相流参数检测中，一直是人们多年来的愿望，也是 受到普遍重视的研究方向之一。例如，对于工业应用最迫切需要的两相流流量测量， 目前已有将节流式流量计、容积式流量计、涡轮流量计、电磁流量计、超声波流量计 等多种单相流量计应用于两相流流量测量的大量报道，并取得了重大进展。 ( 2 ) 应用近代新技术( 如辐射线技术、激光多普勒技术、核磁荚振技术、超声波技 术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活性示踪技术等) ，研制灵敏度高、准确性高和 可靠性高的两相流传感器和检测仪表。 ( 3 ) 随着计算机技术和图像处理技术的发展，在成熟的硬件基础上，以计算机技 术为支撑平台应用过程层析成像技术，获取两相流体系二维或三维的时空分布信息， 对两相流局部空间区域进行微观和瞬态测量。 两相流动是一个复杂多变的随机过程。随着随机理论和信号处理技术的不断完 善，应用数理统计、过程参数辨识和模式识别等理论和技术进行两相流参数估计的软 测量方法也将成为一个重要的研究方向，目前己有相当基础的相关法等检测技术也正 在不断完善和推广。 从事两相流检测工作的同行们开始探索，拟把将成为2 1 世纪研究热点的状态估 计、过程参数辨识、人工神经网络、模式识别等软测量技术引入到两相流参数检测领 2 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 域中来。通过软测量方法，解决具有复杂性、不确定性且很难用数学模型精确描述的 两相流系统的检测问题。两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数的提取、时 变性的自适应功能、动态跟踪能力等基础理论的研究，以及对两相流参数的校验标定 方法、误差分析等基础方法的研究正日益受到关注，两相流参数检测具有重要的理论 研究和工程应用价值m 1 。 1 3 电容层析成像技术背景 上世纪八十年代中期，成熟的医疗c t 技术应用于过程参数检测领域而产生了多种 基于不同敏感机理的过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称甩) 技术。采用p t 技术 获得被测流体在管道内的实时截面图像，如果图像的精度足够高，则可依据图像确定 两相漉体各相组份在管道中的局部相浓度分布，通过进一步的处理分析可得到各相组 份的总浓度。在过程层析成像技术中，研究和应用较多的技术主要有核辐射层析成像 技术、超声波层析成像技术和电学层析成像技术。其中，基于电学敏感原理的电容层 析成像( 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 ，简称e c t ) 技术是目前得到广泛研究的 一种过程层析成像技术；是一种新型的两相流参数可视化检测技术，适用于非导电介 质构成的两相流系统的参数检测。目前e c t 技术在多相流过程检测中的应用已相当广 泛，这些应用涉及石油混输流化床气力传输及发电机火焰点燃等工业过程系统。 电容层析成像技术是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种多相流参数检测技术，它是处 于发展中的一门新技术，该技术具有测量速度快、不干扰流场、成本低、结构简单、 无辐射、适用范围广等优点。它是利用多相介质具有不同的介电常数，通过电容传感 器获得介电常数分布从而获得介质分布图像，可以用来测量多相流尤其是气固两相流 的流动分布。其测量原理是组成被测对象的各相介质具有不同的介电常数，若不同介 电常数的物质混合在一起，当各物质组分浓度和分布发生变化时，将会引起混合物等 价介电常数的变化，通过设置在设备壁面上均匀分布的传感器电极阵列形成测量截 面，当各相流体组分浓度发生变化时其测量电容值将随之发生变化，电容值的大小反 映了混合物介质相浓度的大小及其分布状况。最后将测量得到的电容值作为投影数 据，经过计算机图象重建处理得到数字图象结果。由于e c t 技术可以在不干扰流场情 况下非介入性地测得反映管截面内相分布局部的和微观的实时信息，因此它的出现为 测量空隙率等两相流参数提供了一条有效途径。 电容层析成像技术经过十几年的发展，在很多工业领域都已经有了一些研究和应 用，如两相流流动状态的可视化和流型的辨识、两相流参数的检测、化工分离过程和 燃烧过程等的监测等。从事两褶流检测工作的同行们得到了许多成果：x i e 等使用线 性反投影算法重建了两相流管截面图像，并采用e c t 方法辨识环状流、核心流、层状 流等典型的两相流流型，另外在图像重建过程中考虑了灵敏场分布的不均匀性，采用 3 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 加权反投影算法改善线性反投影算法的成像效果，将电容层析成像系统用于管道中油 气两相流的监视，并给出了气液两相流相含率测量的一些思路和方法；王化祥等基于 灵敏度矩阵的奇异值分解理论，采用共扼梯度法及其改进算法一正则化共轭梯度法 来进行图像重建。黄志尧等对基于e c t 技术的两相流参数检测的方法和图像重建逆闯 题的求解进行了研究；王保良等建立了1 2 电极电容传感器的有限元仿真模型，并基于 该模型研究了传感器各结构参数变化对传感器性能的影响，在此基础上设计了1 2 电极 电容层析成像系统”“。 e c t 技术经过近十几年的研究已在许多领域得到了应用，主要有： ( 1 ) 将e c t 技术应用于监视管路中的油气两相流并获得了一系列成像结果。 ( 2 ) 将该技术应用于油气水三相分离器分界面的监视。该系统可同时显示水油泡 沫和气的分界面。 ( 3 ) 将e c t 技术与j ，射线成像技术相结合，对管道中的油、气、水三相流进行监视。 e c t 可将水与油、气两相区别开，r 射线技术可将气与油、水两相区别开，将两者加 以综合可获得三相各自的空间分布。 ( 4 ) 用e c t 技术研究流化床的气体分布器上气固两相的分布。 ( 5 ) 用e c t 数据采集系统研究内燃机的燃烧过程。在数据采集过程中可获得电阻与 电容数据并给出若干幅连续的成像结果。 ( 6 ) 采用e c t 技术对流化床中的混沌现象进行分析。 ( 7 ) 将e c t 技术应用于气力输送系统的监视。 从以上e c t 技术的应用实例可以看出，e c t 技术发展迅速，应用领域不断扩展，有 着广阔的应用前景，但是目前该技术主要集中在实验室的应用研究阶段，离工业现场 应用还有一定的距离。由于目前在开发中所遇到的一些理论和技术上的问题，使它尚 未得到迅速地推广。比如，图像重建所需的独立电容测量值数目少：所重建的图像精 度较低。传感器设计和图像重建算法设计都是e c t 系统的关键技术，对这两个技术的 研究是改善图像重建质量的关键，也是e c t 技术开发的重点和难点。 e c r 系统应用到工业中目前存在以下问题： ( 1 ) e c t 通常只能提供较低分辨率的图像。从传感器技术的角度看，图像分辨率低 的主要原因是传感器电极的数目相对较少，导致投影数据( 即测量电容值) 有限。增加 电极有助于提高重建图像的分辨率和精度，但是增加电极数目会引起电极尺寸减小， 导致检测介电常数的微小变化更加困难。此外增加电极将对数据采集和图像重建的效 率提出更高的要求。 ( 2 ) 与医学成像中静止的被测对象不同，多相流通常以较高的速度传输。这要求 成像系统具有较高的数据采集速度和图像重建速度。 ( 3 ) 电极对间的静态电容独立于被测管道尺寸，但依赖于电极数目和电极的轴向 4 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 ( 即多相流体的流动方向) 长度。 ( 4 ) 电容传感器的软场效应，导致试图确定测量电容值与多相流体分相介质分布 关系的图像重建异常困难，并容易导致重建图像失真严重，这与所使用的图像重建算 法也存在直接的关系。 随着计算机技术、信号处理技术、微电子技术等相关学科所取得的进展，e e t 技 术中存在的问题将逐渐得到圆满解决。电容层析成像技术目前已成为过程层析成像技 术中的主流之一，具有广阔的发展前景“。 1 4 本论文的主要工作 电容层析成像系统主要由传感器、传感器控制，数据采集转换单元和图像重建 计算机等三大部分组成。电容传感器的作用是将传感器敏感空间内两相流体的分布转 换为各电极对间的电容。数据采集转换系统一方面采集电容数据，另一方面将电容测 量值转换为数字量并传送给图象重建计算机进行图象的重建。 在电容层析成像系统中，为了提高重建图像的精度，常用的方法是提高成像传感 器的极板数目，以获得较多的图像重建所需的独立电容测量值数目，但这些方法是以 牺牲检测场的灵敏度为代价的，因此，增加图像重建所需的独立电容测量值数目显得 非常重要。目前常用的图像重建算法有：线性反投影法( l b p ) 和迭代法，也有人用神 经网络法。从对数据的处理过程看，l b p 法属单步算法，速度快，特别适用于在线实时 测量，但成像精度低，采用迭代法可以大大提高重建图像的保真度，但迭代过程非常 耗时，不适用于在线成像。因此，研究既能快速成像，又能保证较好的保真度的重建 算法显得非常重要。 综上所述，为了提高图像重建质量和速度，需要增加图像重建所需的独立电容测 量值数目和研究新的图像重建算法，本文的研究正是基于这样的出发点a 本论文在原有的工作基础和实验条件下进行，主要工作是：改进e c t 系统的传感 器结构，优化结构参数，实现在不增加电极数、不降低灵敏度情况下增加有效测量数 据；提高电容层析成像技术中的分辨率；研究图象重建算法，提高成像速度和精度。 5 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 2 电容层析成像系统组成及工作原理 2 1 电容层析成像系统的组成 电容层析成像技术是p 丁技术中较早被研究的一种技术，它利用多相介质往往具 有不同的介电常数，通过电容传感测量获得介电常数分布而获得介质分布的图像。一 个8 电极的典型e c t 系统如图2 1 所示： o j l 。：一- 7 i 一j 板极切i 按电路i - r 。“ ! 抢翻 信号 徽小咆窖 检蠹电路 计算机 f 一1 “d 转挟电路卜 | l l f jf l 懈i 黼 一卜。 一_ j 圈2 18 电极电容层析成像系统 该系统主要由电容传感器、电容数据采集控制单元和图像重建计算机三大部分组 成。电容传感器主要由绝缘管道、管道外壁上均匀粘贴的8 个电极构成，通常还包括 外部屏蔽( 罩) 和相邻极间的径向屏蔽电极组成，传感器将两相流体的分布转化为传感 器的输出电容。 数据采集系统则将这些电容转化为数字量并传送给图像重建计算机。数据采集系 统包括多路切换电路和电容电压( c v ) 转换器。多路切换在8 电极中选择菜两个电极 ( 即激励电极和感应电极的组合) ，由c v 转换器测得这两电极间电容值。在一个采样 周期内共可产生2 8 个独立电容值。 图像重建计算机将接收的测量电容值依据一定的图像重建算法完成图像重建工 作，生成可以反映截面内多相流相分布的重建图像。电容层析成像系统对管道截面上 两相介质空间浓度分布的成像过程实际上是对管道截面上介电常数分布的重建过程。 图像重建从数学上讲是求逆问题，由于e c t 传感器灵敏场为软场，且投影数据较少， 因而图像重建难度较大。图像重建计算机通常还用于控制数据采集过程，以实现下述 功能：选择操作模式( 测量或基准校验) ；选择电极状态( 激励，感应或挂起) ；选择测 量通道输出；零点平衡；增益控制；a d 转换；切换频率选择。 2 2 电容层析成像原理 电容层析威像是2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初提出的一种新型检测技术，是种基于 6 南京理工大学硕士论文 电容层析成像系统的实验研究 电容敏感机理的层析成像技术，它利用多相流中各相介质具有不同介电常数，通过检 测阵列电极电容变化，反映管道中多相介质分布，从而构造出管道截面各相介质的分 布图像，并从图像中提取相关特征。适用于非导电介质构成的两相流系统的参数检测， 是目前得到广泛研究的一种过程层析成像技术。 电容层析成像技术测量多相流参数原理是基于多相流各分相的介电常数的不同， 不同的介质具有不同的介电常数，若不同介电常数的物质混合在一起，当各物质组分 浓度和分布发生变化时，将会引起混合物等价介电常数的变化，其测量的电容数据也 将随之发生变化，电容值的大小反映了混合物介质相浓度的大小及其分布状况。通过 设置在设备壁面上均匀分布的传感器电极阵列形成测量截面，当各相流体组分浓度发 生变化时其测量电容随之发生变化，得到不同电极间的电容值，最后将测量得到的电 容值作为投影数据，经过计算机图象重建处理得到数字图象结果。 7 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 3 电容传感器的分析与设计 3 1 电容传感器的结构介绍 e c t 检测系统的电容传感器横截面结构和侧面结构如图3 1 和图3 2 所示。该传感 器主要由绝缘管道、检测电极和屏蔽罩三部分构成。绝缘管道采用有机玻璃材质，既 可以绝缘又便于观察管内流体流型；检测电极由铜箔构成；屏蔽罩用以抑制外界电磁 场的干扰。 电极安装在管道的中间部分，电极表面与管壁平齐。每个电极上嵌一个铜螺钉， 电极引线连接到螺钉上用螺母固定“。 图3 1 传感器侧面图 图3 2 传感器横截面图 如图3 2 所示，传感器的结构参数主要有：电极张角9 ，绝缘管道内径r ，、绝缘 管道厚度( 是一蜀) 、绝缘管道材料的相对介电常数瓦州以及屏蔽罩与电容极板之间的 间距( 马一是) 3 2 电容传寤器的数学模型 e c t 技术的本质机理是电磁场的求逆过程，其研究的是一个具有特殊边界条件的 电场，它满足麦克斯韦方程： v o d = p ( 3 1 ) 式中，d 为电感应强度，p 为电荷密度。根据电磁场理论，在均匀、各向同性的介质 中( 3 1 ) 式等价于： s 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 v s v 矿+ 占v 2 p = p ( 3 2 ) 式中，s 为介电常数，缈为场域内电势分布函数。 由于系统敏感场采用低频率激励电源且场域内自由电荷为零，则 v 8 v q , + s v 2 9 = 0 ( 3 3 ) 在均匀、线性、各向同性的媒质中，占为常数，则有： v 占= 0 ( 3 4 ) 于是( 3 3 ) 式简化为拉普拉斯方程： v9 =0 ( 3 5 ) e c t 的正问题是指由己知介质的介电常数分布及边界条件求取不同电极对之间的电容 值。基于高斯定理，则电极对i j 之间的电容值c 。可由下式计算： n ss 8 y ，z ) e d ass 8 q ，y ，i 四烈x ，y ，幻d a c = l = 土一= 一生一 ( 3 6 ) 9 一9 i9 | 一节i9 t 一牛i 式中仍一矿，为电极i 与电极j 之间的电势差，a 为包围电极j 的封闭区域，q 为电极j 上的 感应电荷量，e 为电位移量。“。 3 3f c t 传感器的性能分析和优化设计 e c t 系统的敏感场为非线性场，通常称为“软场”，其分布是非均匀的，这将在 很大程度上影响重建图象的质量。其影响可以通过e c t 系统的电容传感器( 阵列电极) 的结构参数进行调整。这种非均匀性体现在：靠近管壁和激励电极处，敏感场的灵敏 度高，而在场的中心区域灵敏度低。而优化传感器的电极结构，就必须对不同电极结 构对敏感场分布以及测量的影响进行深入分析，从而获得优化的结构形式。 将敏感场剖分成若干小单元，灵敏度定义为当某一个小单元由低介电常数物质变 为高介电常数物质，且其余的单元均为低介电常数物质时所引起的电容变化。敏感场 每个单元的灵敏度构成灵敏度分布。电容传感器的软场特性是由电介质在电场中的极 化现象引起的。电介质极化产生的束缚电荷也要产生电场。这个附加电场改变了原来 的电场分布。由于束缚电荷的电量与分布和电介质介电性能、电介质分布、以及自由 电荷所产生的原电场有关，所以介质分布对电容敏感场的影响是个极为复杂的问题。 e c t 传感器的电场分布即使是在空管道下也是极不均匀的，这更增加了问题的复杂性。 对于m 个带电导体的系统，第1 个导体上存储的电荷可以表示为： 硝村 9 = e ，巧= 巧+ c j z , 且c 0 = ，j = l ，2 ，m ( 3 7 ) t - it i -nu m c j j = c j i j - i ， 9 南京理工大学顼士论文电容层析成像系统的实验研究 因此9 也能表示为：g = q ，( 巧一巧) = c ，j ( k 一巧) ( 3 8 ) 其中q ，是第j 个导体上的电荷量，巧是其电势，q ，是第i 个和第j 个极板之间的电容 值，c ，是第j 个导体的固定电容值。 考虑到e c t 传感器有n 个电极，若第i 个电极作为激励电极，则其余电极接地作为 测量电极。第j 个测量电极的电荷仅由第i 个电极决定，表示如下： q i ，= c j ，v ( 3 9 ) 于是第i * 0 第j 个电极之间的灵敏度分布s ，( 置) 为： 既c 耻筹皆击艄= 等等去触， i = l ，2 ，n 一1j = i + l ，n 其中句，岛分别是高介电和低介电材料的相对介电常数；q j ，( 七) 是第j 个测量电极的 感应电荷。第k 个剖分单元填充的是高介电常数瓦的物质，其余的单元填充的是低介 电常数物质q 乙，鱿分别是空场和满场时的感应电荷；c j ( 七) ，q ，c 乞分别是 上述条件下电极，i ，j 2 _ 间相应的电容，( ) 是与第k 个单元体积相关的修正因子， 针对不同的单元，z ( k ) 有不同的值“”。 e c t 传感器的灵敏度分布是极其不均匀的，越靠近电极的区域灵敏度越高。反之， 在中心区域灵敏度很低。为获得较均匀的敏感场分布，需建立不同结构参数电容传感 器的理论模型，分析各结构参数对测量值的影响并进行优化设计。 对于8 电极的传感器，在研究中取n 个测试单元，则n 个测试单元灵敏度的均值和 标准差分别为： 跗= 三i e i 啪) ；蹄= ( 击善( s 脚一s b ) 2 ) “2 3 1 1 其中，置，( f ) 为第e 个测试单元的灵敏度；孵表示灵敏度分布的均匀性。综合考虑 敏感场的灵敏度与均匀性指标，并定义： 只，= 磷”趼 ( i = l ，j = 2 ，3 ，2 8 ) ( 3 1 2 ) 显然，p 越小，表明传感器敏感场的均匀性越好。阵列电极的结构参数主要包括： 管道绝缘层材料的相对介电常数占。、电极张角0 ，管道绝缘层的厚度是一蜀、屏蔽 层与电容极板的间距墨一是、径向电极的插入深度g 。考虑到各种不同管径，根据文 献 1 8 ，将管道绝缘层厚度是一墨、屏蔽层的尺寸、径向电极的插入深度g 对管道内 径冠归一化，即令： 鸸= ( 马一焉) ，蜀，吐= 玛，置l ，h = g & ( 3 1 3 ) 则问题简化为0 ，4 ，d 2 三因素问题。根据文献 1 8 的仿真结果，有以下结论：绝 缘管道的相对壁厚d 对重建图像质量的影响最大，极板张角p 的影响也较大，但屏 蔽罩与极板相对间距吐的影响则小得多。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 由于无法获得目标函数与传感器结构参数问的解析关系，所以只能采用优化试 验的方法寻找最优参数。由于施加在极板间的电压值是有限的，被测流体在极板间流 动时所引起的电容量变化十分微小。虽然增加电极长度可增大电容，但会加大传感器 的结构，同时会使数据处理对于截面的表达不明显，但如果极板的长度很小，电容传 感器的边缘效应也会更加明显。若要使电容传感器满足流动嗓声测量的要求，应设计 合理的电极结构，采用良好屏蔽措施，减小电容的边缘效应，防止外电场对电容电场 的干扰。 表3 ，1 文献 1 8 中仿真试验方案与仿真试验结果 因素 仿真实验号o s 值 口 d i吐 13 8o 10 14 8 8 6 23 80 1 50 1 54 5 0 9 33 8o 2 0 2 3 3 2 6 43 4o 10 1 53 4 4 2 53 4o 1 50 23 9 6 4 63 4o 2 o 1 2 8 4 1 73 0o 1 0 2 4 0 9 3 83 0o 1 5o 14 3 2 7 93 0o 20 1 53 3 3 3 表中o s 综合评价电容层析成像系统重建图像的质量，o s 值越小，图像重建的质 量越好。根据文献 1 8 的仿真结果，本系统中拟采用的电容传感器参数为：置为8 0 e ， 坞# - j 9 0 m m ，伊为2 6 度。 根据上面的参数，电容传感器的实物结构如图3 3 所示。在电极被贴上以前，首 先要焊接引出线，在电极上引出线焊接的位置基本上保持相同，尽量避免电极的不一 致性。电极引出线通过接线柱连接，避免连线的扯动而影响测量的准确性，接线柱是 安装在图3 4 中俯视图所示的极板引出线安装孔处。 在电容传感器的设计和使用过程中，要特别防止寄生电容的于扰。由于电容式传 感器本身电容量很小，因此传感器受寄生电容干扰的问题非常突出。当屏蔽线较长且 其电容与传感器电容相并联时，传感器电容的相对变化量将大大降低，也就是说传感 器的有效灵敏度将大大降低。尤为严重的是，由于电缆本身的电容量随放置位置和其 形状的改变而有很大的变化，这将使传感器特性不稳，严重时，有用电容信号将被寄 生电容噪声所淹没，以至于传感器无法工作。为了克服这种不稳定的寄生电容影响， 必须对传感器及其引出导线采取屏蔽措施。因此，在传感器制作时将传感器用金属壳 包裹起来，并将壳体接地，传感器的引出线采用很短的屏蔽线，与壳体相连而无断开 的不屏蔽间隙，屏蔽线的屏蔽层应同样良好接地。甚至将测量线路的前级或全部与传 感器靠近，或组装在起，这样可一定程度地消除寄生电容的干扰。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 图3 3 电容传感器实物结构 图3 4 电窨传感器俯视图 下面对电容传感器的主要结构参数变化对传感器性能的影响加以分析： ( 1 ) 极板长度。电极沿管轴向的长度越长，管中多相介质的存在引起的电容变化 越大，电容的测量越容易，被测电容的灵敏度和精度将有所提高。由于测量时认为多 相流在电极长度内无变化，所以极板太长会引起三维弱化效应，即不能很好地反映多 相流沿管道流动方向上相分布的变化；极板太短，虽有利于反映多相流沿着管道轴线 方向的变化，但输出电容太小，电容测量难度增加，信噪比降低。极板长度的选取应 根据具体应用的特点来综合考虑。 ( 2 ) 管壁厚度是一蜀，管壁介电常数占。管壁厚度在满足一定的机械强度的要 求下应适当薄一点。若管壁太厚，虽机械强度增加，但由于电容传感器的高灵敏区往 往集中在管壁附近，高灵敏区往往为管壁所占，所以电容传感器对于介质的变化不会 很敏感，甚至出现负向变化( 相浓度增大，电容值变小) 。对于相邻电极有可能使得管 截面成为它的负灵敏区。管壁厚度( 是一曷) 的增加使装满油时的电容增大( 相邻电极 问电容增加明显，其它电容增量较小) ，装满水时的电容值减小( 这是因为部分管道截 面处于负灵敏区) ，并且满油满水电容变化量减小( 这是因为管道壁占据了正灵敏区 的主要部分) 。毛。，的增加使装满油装满水时电容值及其变化量均增加。 ( 3 ) 屏蔽罩至电极距离置一垦，填充材料介电常数。管道与屏蔽罩的填充材料 主要起到加固传感器、固定导线的作用。屏蔽罩至电极间的距离足一岛小一点可使系 统紧凑。最一足的增加使得装满油装满水电容增加，但变化幅度很小。而且绝缘层 厚度的增加将使灵敏度分布场趋于均匀，但另一方面将导致灵敏度降低，对测量不利。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 e 。的增加可使装满油装满水的电容值变大，但变化量很小。因而其介电常数应小一 点，一方面可降低电极与屏蔽罩间形成的杂散电容，另一方面可增加传感器的灵敏度。 ( 4 ) 电极张角p 。电极张角越大，相邻电极对问的电容值就越大，但同时最大常 电容值与最小常电容值的比也随之增大。因此电极张角口存在着一个最优值，过大或 过小对测量均有不利影响。 ( 5 ) 电极数n 。电极数增加，则独立电容测量值( 即投影数据) 也就增多，对图像重 建有利，但将导致电容测量的灵敏度降低，微弱电容检测难度加大，对测量精度有不 利的影响，同时也相应地延长了数据采集和图像重建的时间，系统实时性将降低。 总之，传感器的各项结构参数对传感器的性能有着不同的影响，以上分析只是对 各项参数的影响做了定性分析，如果想使传感器的性能达到最优化，应从整体综合考 虑各项参数的合理设计。本文在综合考虑上述参数的情况下，对e c t 系统的传感器结 构进行了改进，实现了在不增加电极数、不降低灵敏度情况下增加有效测量数据，提 高了电容层析成像技术中的分辨率。 图3 5 是一个常用的具有8 极板的传感器，设极板号为j l ，j 2 ，j 8 。f e z 系统 在一个完整的测量过程中，极板j 1 先被选作激励( 源) 电极，分别对极板对j l j 2 ，j 1 j 3 ，j 1 j 8 之间的电容进行测量；然后选择电极j 2 为激励电极，对极板对j 2 j 3 ， j 2 j 4 ，o oo 9j 2 j a n 的电容进行测量，依此类推，直至电极对j 7 j 8 。这样，在8 极板系统中获得2 8 个独立的测量值。对于一个具有n 极板的e c t 系统，在这样的测量方 法下可得到的独立电容测量值数目为n ( n - 1 ) 2 个。当八极板被三细分时相当于二十四 极板，可得n 8 4 个电容值。 j 8j l 图3 5 八极板e c t 传感器横断面 要把一个事物观察的比较清楚，需要从各个“角度”来看它，每一个角度都会给 一个信息给主体，也就是说足够多的信息量需要观察足够多的“角度”，例如一个固 定的摄像机可以用来拍摄事物的一个侧面，再多个位置安置摄像机则可以拍摄事物的 多个侧面。然而因为条件有限，只能有一台摄像杌的时候，摄像师多半采用的方法是 把摄像机移动到各个角度摄像，从而清楚地记录整个事件。这就是本文结构优化后传 感器的设计理念。为了更加方便地获得不同的传感器细分数，实验采取了从不同角度 观察被测物体的办法，只需要旋转传感器到不同的角度就可以获得被测物体的多个信 息。下面介绍的这种新方法能够通过改变极板的组合方式成倍提高成像系统的独立电 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 容测量值数，从而提高图像重建的质量。 图3 6 传感器极板不同组合方式下的横断面图 旋转传感器的办法可以用以下简便方法等效，现先将每个极板细分为尺寸相等的 n ( 设n = 3 ) 块小极板，极板之间的间隔很小，如图3 6 所示，设传感器的小极板阵列为 j 1 ，j 2 ，j 2 4 。然后将3 块相邻小极板通过模拟开关连接组合成一个等效的 极板。在三块极板并联的条件下所具有的组合方式如表3 2 所示，图3 6 第一幅图的组 合相当于等效极板j 1 j 8 不旋转，第二幅图的组合相当于等效极板j 1 j 8 旋转1 5 度， 第三幅图的组合相当于等效极板j l j 8 旋转3 0 度。在每一种组合方式下，可以获得2 8 个独立电容测量值，则总共可获得3 2 8 个独立电容测量值，是由图3 5 所获得的测量 值数目的3 倍，由此所重建的图像质量会得到较大提高。当n 增大，所获得的独立电容 测量值数目( n x 2 8 ) 增加，从理论上讲所重建的图像质量就会更好。另一方面，由于 每次测量都是由细分的n 块小极板组合成等效的大极板，因此检测场的灵敏度不会下 降。可见，此方法的特点是在不降低检测场灵敏度的前提下成倍的提高独立电容测量 值数目。 具体测量电路如图3 7 所示。该电路实现了极板间的自动切换，相当于将传感器 不断旋转，从而得到八十四个钡量值。具体测量过程如下： ( 1 ) 当u l ，u 2 ，u 3 的管脚1 3 被选通时极板j l ，j 2 ，j 3 被选中，这三个极 板一起构成了图3 6 第一幅图中的极板j 1 ；当u 1 ，u 2 ，u 3 的管脚1 4 被选通时极板j 4 ， j 5 ，j 6 被选中，这三个极板又一起构成了图3 6 第一幅图中的极板j 2 ；直到 j 2 2 ，j 2 3 ，j 2 4 被选中构成极板j 8 为止。首先测量j 1 j 2 ，j l j 8 之间的 电容值，其次测量j 2 j 3 ，1 2 j 8 之间的电容值，直到j 7 j 8 ，这种情况下可得 2 8 个电容测量值。 南京理工大学硕士论文电容层析成像系统的实验研究 一6 一r t zo i i j 是11 】一 li 銎蒌l ； li 萋羹昆4 点 玉i 产：= 1h 兰烈纛嚣il i ii 露嚣i ； h l 嚣篓l ； j ： l o _ ：g 静 j 引黧篓l ! i 萋蠢l 。是 警 潦 li 蕊器il ii 釜：釜li - 吲嚣薰i ； ?1旨哥21击= h ：i |。 刚 三 枞c 一。 厂王，一l - ，：牛厂一。嗣一斜盯时驯。 g ! 襄i ；e 。t i ；o 2 ； 酲。 露i ；l * ：型 i簋峨；- ；i e i l ；i ；i ；：；i l ! ；i ；i 芋 耋划囊；t 吐划瓣啦剥刭；啦 i i |fi i 啦 ：； i ， 南京理工大学硬士论文 电容层析成像系统的实验研究 极板号的选择是通过单片机来选择控制的。c d 4 0 5 1 在这里的主要目的是当其中任 意两个作为源或检测极板时，其它6 个极板通过c d 4 0 5 1 选通接为虚地状态。接为虚地 的目的是当任意两个极板工作时避免其它极板对工作极板产生不必要的影响。c d 4 0 6 6 主要是用来选择哪个极板是做源极板，哪个极扳是傲检测极板的。 表3 2极板的组合方式 第一种 第二种第三种 小极板等效于大小极板等效于大小极板等效于大 组合极板( 旋组合极板( 旋转组合极板( 旋 转0 度) 1 5 度) 转3 0 度) j 1 一j 2 一j 1j 3 一j 4 一j 13 2 一3 3 一 j 1 j 3 j 5 1 4 j 4 一j 5 一j 2j 6 一玎一j 2j 5 一j 6 一2 2 j 6 j 8 孙 矾1 一骆一j 3j 9 一j l o j 33 8 一j 9 一j 3 j 9 一j 1 1 j l o j o - j 1 1j 4j 1 2 - j 1 3j 4j 1 1 一j 1 2j 4 一j 1 2 一j 1 4 一j 1 3 j 1 3 一j 1 4j 5j 1 5 一j 1 6j 5j 1 4 一j 1 5j 5 一j 1 5 一j 1 7 一j 1 6 j 1 6 一j 1 7j 6j 1 8 一j 1 9j 6j 1 7 一j 1 8j 6 一j 1 8 一j 2 0 - j 1 9 j 1 9 一j 2 0j 7j 2 1 一j 2 2 j 7 j 2 0 一j 2 1 j 7 一j 2 1 j 2 3 - j 2 2 j 2 2 一j 2 3j 8j 2 4 一j 1 j 8j 2 3 一j 2 4j 8 7 一j 2 4 一j 2 一j