（检测技术与自动化装置专业论文）电容层析成像油水两相流测量系统开发平台设计.pdf

摘要 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 ) 是监测两相流动的一 种新技术，其采用安装在管壁上的多电极阵列式电容传感器对两相流进行测量研究，可 重建两相流的相分布图像。与其它流动成像技术相比，该技术成本低廉、速度快、非侵 入、适用范围广、安全性能好。本文从e c t 技术的原理性研究出发，以全面认识流体管 道内敏感场分布及得到较高质量的流型重建图像为目标，着重在以下方面进行了研究。 1 基于m a t l a b 建立油水两相流e c t i 煲i 量系统二维有限元模型；基于a n s y s 有限元分 析工具，建立电容传感器三维模型。提出一种仿真电容测量值的新方法，并得到电极间 敏感场的分布。 2 分析电容传感器7 种结构参数如电极尺寸、管壁厚度、屏蔽层厚度、径向屏蔽深 度等对敏感场分布的影响；结合径向基函数( i 也f ) 神经网络和粒子群优化( p s o ) 算 法，以敏感场整体灵敏度大小等系统性能为目标，优化电容传感器结构，使系统成像质 量得到改进。 3 设计一个e c t 图像重建算法软件包，包括线性反投影( l b p ) 算法、t i k h o n o v 正则化算法、基于l a n d w e b e r 的迭代法等。讨论算法中控制参数( 如松弛因子，正则化 因子等) 对图像质量的影响，并根据相关系数和方差两个评价成像质量的指标，分析三 种算法图像重建的精度和抗干扰性；研究一种基于电容测量值和神经网络自适应调整正 则化因子的方法，扩展了t i k h o n o v 正则化算法的应用范围。 4 建立一个完整的油水两相流e c t i 贝 j 量系统仿真平台，可在该平台上实现两相流 建模、传感器建模、正问题有限元计算、图像重建等基本功能，该平台还集成了为解决 各种优化问题而开发的一些特殊功能。 本文为中国石油大学两相流e c t 钡e 量系统的最终设计提供了技术支持，仿真平台的 建立，传感器结构优化方法的提出及图像重建算法软件包的设计为实际系统的开发提供 了理论依据。 关键词：电容层析成像，传感器敏感场，传感器结构优化，图像重建 d e s i g n i n go fe 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 yo i l - w a t e rt w o p h a s e f l o wm e a s u r e m e n ts y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m s u nq i a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rt i a n m i n gs h i a b s t r a c t 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 y ( e c t ) i s an e wt e c h n o l o g yf o rm o n i t o r i n g t w o p h a s ef l o w s b yu s i n ga na r r a yo fc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n te l e c t r o d e sm o u n t e do na c i r c u l a rp i p ew a l l ，i ti sp o s s i b l et om e a s u r ea n ds t u d yt h et w o p h a s ef l o wb ym e a n so f r e c o n s t r u c t e di m a g e s c o m p a r i n gt oo t h e rf l o wi m a g i n gt e c h n o l o g y ，i t sl o w - c o s t ，f a s t ， n o n - i n v a s i v e ，a p p l i c a b l et oaw i d er a n g e ，o p e r a t i o ns a f e ，a n ds oo n i no r d e rt oo b t a i na t h o r o u g hu n d e r s t a n d i n go fe c tm e a s u r e m e n ts e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o nw i t h i naf l o w i n gp i p e a n du l t i m a t e l yaq u a l i t yi m a g eo ft h ef l o w ，t h i sp a p e rp r e s e n t sar e s e a r c hw o r k ，b a s e do nt h e e c tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，o nt h ef o l l o w i n gi s s u e s ： 1 u s i n gm a t l a bt oe s t a b l i s hat w o - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) e c t m o d e lf o ro i l w a t e r t w o - p h a s e f l o w m e a s u r e m e n t ；u s i n g a n s y st oe s t a b l i s ha t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fc a p a c i t a n c ea r r a ys e n s o r s a ne f f e c t i v em e t h o do fc a l c u l a t i n g c a p a c i t a n c ei sp r o p o s e d ，a n dt h ei n t e r - e l e c t r o d es e n s i t i v i t yd i s t r i b u t i o ni sd e s c r i b e di n t h i s t h e s i s 2 a n a l y z i n gt h ei m p a c t so fs e v e ns t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fc a p a c i t a n c es e n s o ro nt h e d i s t r i b u t i o no fs e n s i t i v i t y t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r si n c l u d et h es i z eo fe l e c t r o d e s ，t h e t h i c k n e s so fp i p ew a l l ，t h et h i c k n e s so fs h i e l d i n gl a y e r ，a n dt h ed e p t ho fr a d i a ls h i e l d i n g ，a n d s oo n i no r d e rt om a x i m i z et h em a g n i t u d eo ft h eo v e r a l ls e n s i t i v i t ya n do t h e rs y s t e m p e r f o r m a n c e s ，ar a d i a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) n e u r a ln e t w o r ka n dap a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i t h ma r eu s e dt oo p t i m i z es e n s o rs t r u c t u r e t h eq u a l i t yo fr e c o n s t r u c t e di m a g e si s i m p r o v e da sar e s u l to f t h eo p t i m i z a t i o n 3 d e s i g n i n ga l le c ti m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mp a c k a g et h a ti n c l u d e st h el i n e a r b a c ka r o j e c t i o n ( l b p ) a l g o r i t h m ，t h et i k h o n o vr e g u l a r i z a t i o na l g o r i t h m ，a n dt h el a n d w e b e r i t e r a t i o na l g o r i t h m i na c c o r d a n c ew i t ht h i so b j e c t i v e t h ei m p a c t so ft h ec o n t r o lp a r a m e t e r so f a l g o r i t h m s ( s u c ha st h er e l a x a t i o nf a c t o r , r e g u l a r i z a t i o nf a c t o re r e ) o nt h eq u a l i t yo fi m a g e s a r es t u d i e da n dd i s c u s s e di nt h et h e s i s t h ea c c u r a c yo fi m a g er e c o n s t r u c t i o na n dt h e a n t i n o i s ep e r f o r m a n c eo ft h r e ea l g o r i t h m sa r ea n a l y z e do nt h eb a s i so ft h ei m a g eq u a l i t y e v a l u a t i o nc r i t e r i ao fb o t hi m a g ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta n dv a r i a n c e am e t h o do fa d a p t i v e l y a d j u s t i n gt h er e g u l a r i z a t i o nf a c t o rb a s e do nt h ec a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tb ym e a n so fu s i n g a n e u r a ln e t w o r ki sp r o p o s e d ，t h a te x t e n d st h ea p p l i c a t i o ns c o p eo ft i k h o n o va l g o r i t h m 4 s e t t i n gu pac o m p r e h e n s i v ee c ts i m u l a t i o np l a t f o r mt h a tc a nb eu s e df o ro i l w a t e r t w o p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t t h ep l a t f o r mi n c l u d e st h em o d e l i n go ft w o p h a s ef l o w ，t h e m o d e l i n go fs e n s o r ，af o r w a r ds o l v e rb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n da ne c ti m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mp a c k a g e t h ep l a t f o r ma l s oi n t e g r a t e ss o m eo ft h es p e c i a lf u n c t i o n s t h a ta r ed e v e l o p e df o rv a r i o u so p t i m i z a t i o np u r p o s e s t h ew o r kd e s c r i b e di nt h i st h e s i sp r o v i d e sat e c h n i c a lf o u n d a t i o nf o rt h eu l t i m a t e d e s i g n i n go fa ne c tt w o - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mi nc h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m t h es i m u l a t i o np l a t f o r m ，t h em e t h o do fe c ts e n s o rs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，a n dt h ei m a g e r e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mp a c k a g ec a na l lb eu s e df o rt h ea c t u a ld e v e l o p m e n to fe c t s y s t e m k e yw o r d s ：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 ，s e n s o rs e n s i t i v i t yf i e l d ，s e n s o rs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n ，i m a g er e c o n s t r u c t i o n 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：孙塑 日期：。吵年 占月 午日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 冱沁琵 指导教师签名： 日期：劲矽年多月午日 日期：2 , f r o 罗年易月午日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 两相流的检测 第1 章绪论 1 1 1 两相流及其主要参数 从宏观上，自然界的物质可分为三种不同的相( 或态) ：固相、液相、气相。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部分，各相之间 有明显可分的界面。单相物质的流动即为单相流，如气体流或液体流。两相流或多相流， 是指同时存在两种或多种不同相物质的流动i l 】。 工业生产中两相流动体系最为普遍。通常根据构成系统的相态进行分类【l ，4 j ：1 气液两相流，如石油、天然气的传输过程；2 气固两相流，如煤粉、水泥、谷物等的气 力输送过程；3 液固两相流，如浆液流动，矿石、残渣的水利输送；4 液液两相流，两 种互不相溶的液体混合在一起的流动，如本文的研究对象就是油水两相流，常见于油田 的开采以及集输。 两相流比单相流具有更广泛的普遍性和实用性，两相流动或多相流动相间存在着界 面效应及相对速度，比单相流的流动特性复杂的多。主要有如下特点：流型复杂多变、 两相界面有相间作用力、相间存在着相对速度、物性变化较大、数学描述难度大等等。 由于两相流体系的复杂多样性，使得其较单相流需要更多的描述参数，也使得各种参数 的准确测量存在一定的困难，两相流的主要参数有：流型、分相含率、速度、流量、密 度、压力降等【2 1 。 1 1 2 两相流参数检测的意义 两相流系统广泛应用于工业领域，如在化工、石油、冶金、动力及原子能等工业中， 两相流动过程更是普遍存在。大量实例所反映的两相流涉及范围的广泛性及其应用的重 要性，促使了两相流领域研究工作的迅速发展。但由于两相流体系情况极其复杂，要认 清现象，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的参数检 测问题【2 1 。随着工业生产过程中对提高产品质量、降低成本和安全生产等的重视，对两 相流参数的测量提出了更高的要求。因此两相流参数( 流型、浓度、速度、流量等) 在线 检测及控制在生产过程中变得至关重要，对于两相流参数检测的要求也就越来越迫切， 两相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义l 引。 两相流动体系中存在着一个形状和分布在时间和空间里均是随机可变的相界面，其 第l 章绪论 流动特性远比单相流复杂，致使参数检测的难度较大。但目前两相流参数检测的发展水 平还远未满足工业应用的要求，两相流检测技术无论在国际还是在国内均尚属一个亟需 发展的研究领域【2 j 。 1 1 3 两相流参数检测技术的现状与发展方向 近些年以来，两相流检测技术取得了长足的进步。研究较多的测量方法多涉及新技 术，也有很多研究工作是应用传统的单相流测量仪表和两相流模型进行多参数组合辩识 而检测的。这些两相流参数的检测技术和方法都还处于实验室应用研究阶段，己商品化 应用的还不多。如相关流量计是已商品化的仪表品种之一，但工业在线应用得也还不多。 国内外从事两相流检测技术研究的学者们做了大量工作，采用的技术路线可分为以下几 类【4 】： 1 传统的单相流仪表工作可靠，为许多应用者所熟悉与认同。如将差压式流量计、 涡轮流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波流量计、科里奥利流量 计等多种单相流量计应用于两相流的检测，取得了重大进展。测量装置一般比较简单可 靠，具有很大的工程应用价值。 2 目前实际工业过程中存在许多无法或难以直接用传感器或过程检测仪表进行测 量的重要过程参数，因此，在成熟的硬件技术上，以计算机技术为支撑平台，将软测量 技术引入到两相流参数检测领域中是一个重要研究方向。 3 采用近现代新技术也是一重要研究方向。如辐射技术、激光多谱勒技术、核磁共 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、相关技术、流动 成像技术等。 目前，国内外有许多多相流研究中心和高校及研究所在开展多相流检测方面的研究 工作；每年有多个以多相流研究为主题的国际性学术会议召开；刊登有关多相流学术论 文的国内外期刊杂志已超过3 0 0 种。未来多两相流参数检测的发展趋势及今后的研究 方向总结为【2 ，4 1 ：( 一) 成熟的单相流参数检测技术与测量仪表的应用；( 二) 借助于各 种新技术( 激光技术、光谱技术、全息技术、新型示踪技术等) ，开发研制高灵敏度、 准确度和可靠性的两相流传感器和参数检测仪表；( 三) 应用层析成像技术，获取两相 流系统二维或三维可视化空间分布信息，对两相流局部空间区域进行微观和瞬态测量； ( 四) 应用数理统计、过程识别、参数估计和模式识别等理论和技术，进行两相流参数 估计，同时不断完善与推广目前已有相当基础的相关法等检测技术；( 五) 对两相流动 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 过程中参数测量系统的建模、特征参量的选取等基础理论的研究，以及对两相流参数的 校验标定手段和误差分析等基础方法的研究正逐步受到关注。 1 2 电容层析成像技术简介 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 ) 技术是种基于过 程的层析成像技术，被公认为最具发展前途的多相流检测技术之一，优点在于该技术成 本低廉、速度快、非侵入性、适用范围广、安全性能好等，可用来对多相流横截面成像， 以获取管道截面相分布的微观信剧3 6 1 。 1 2 1 过程层析成像技术概述 ( 一) 过程层析成像简介 上述两相流检测技术研究发展的几个主要趋势中，应用过程层析成像技术实现两相 流参数检测的研究是一个引入注目的发展方向。过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ， 简称p t ) 也常常被称为流动层析成像技术( f l o wt o m o g r a p h y ) ，可以检测工业生产或科 学实验中存在着的许多空间分布参数的二维或三维分布信息，并且可以检测处于密闭的 过程装置或容器内部的对象，实现难以用传统检测手段完成的实时在线测型引。 过程层析成像技术用特殊设计的敏感器空间阵列，以非接触或非侵入方式获取被测 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应装置内部某一横 截面上的分布情况，从而得到两相流离散相浓度分布及其随时间的变化情况，实现被测 两相流体在某一截面上的可视化。过程层析成像技术的出现标志着过程参数在线检测技 术发展到了一个新的阶段，它将检测技术从传统的局部空间单点测量方式发展成为对过 程参数在二维三维空间分布状况的在线实时测量，大大提高了人们对两相流动信息的 获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段3 ，8 1 。p t 技术的出现为 两相流的研究提供了一种强有力的实验手段，通过和现有流体力学微观研究手段相结 合，它将发展出新一代实时分布参数检测系统，并促进两相流体力学理论的进一步发展， 为过程工艺及设备与装置的优化设计提供新的理论依据。层析成像技术将是大有发展前 途的领域，p t 技术已成为目前重点发展的两相及多相流新型检测技术。 ( 二) 过程层析成像技术的分类 对于不同的过程层析成像系统，依据不同的信息获取手段和传感机理，采用不同的 传感器构成空间敏感器阵列，形成的敏感场空间分布也各有特点，分为两大类，即“硬 第1 章绪论 场 和“软场 。所谓“硬场 是指传感器的敏感场分布不随传感器区域内介质分布的 变化而变化，典型的如x 一射线场等；而“软场 是指传感器的敏感场分布受传感器区域 内的介质分布的影响而会发生变化，如电容层析成像技术中的静电场等。按传感器的基 本原理，过程层析成像系统可以分为光学式、电磁辐射式、声学式和电测式四大类。电 学层析成像技术，系统响应速度快，结构简单，造价低，具有广阔的应用前景。基于电 容传感机理的电容层析成像技术，可用于连续相为非导电介质的多相流体参数测量，是 目前p t 技术中的研究热点之一1 4 j 。 1 2 2 电容层析成像技术的发展背景与研究现状 早在1 9 8 8 年英国曼彻斯特大学理工学院( u m i s t ) 开始了基于电容传感机理的层 析成像技术研究，并正式提出了流动层析成像这一概念，研制成的8 电极电容层析成像 系统，对气固两相流体静态模型的测试结果令人大为鼓舞，并于1 9 9 0 年改进成为1 2 电 极系统，针对液相采用煤油，气相采用压缩氮气的气液两相流进行检测，图像重建采用 定性反投影法，其在线成像速度达4 0 帧秒，并可以1 0 0 次秒的速率更新所存储的图 像像素灰度数据。美国能源部也于1 9 9 0 年研制成一种在线监测流化床内物料密度三维 分布的电容层析成像系统，该传感器阵列有四层，每层由1 6 个极板组成，系统能以6 0 1 0 0 幅秒的速度重建图像【5 钆5 7 1 。 随着流动层析成像技术的研究和发展，电容层析成像技术在工业应用中的巨大潜力 逐步为人们所认识。这方面的研究也得到了有关政府的重视和资助，同时一些工业企业 也开始资助和积极参与该技术的研究。1 9 9 5 年英国过程层析成像有限公司( p r o c e s s t o m o g r a p h yl t d ) 推出了商品化的e c t 系统p l t 2 0 0 ，图像重建与显示速率为4 0 幅 秒。美国的杜邦公司的d a v i d m s c e t l 和澳大利亚的c s i r o 公司的r b w h i t e 等人采用该 系统监测流化床的运行工况。另外，d n e u z f e r 和a a r k o 等人运用e c t 系统对粉状物料 风力输送进行控制，这是e c t 技术在流化床及风力输送物料系统的监测方面成功应用 的案例，显示出较为明显的优势。在油水、油气流型识别及流动参数在线检测方面，挪 威比尔根大学教授e a h a m m e r 博士等人采用e c t 技术对三相流的计量方法有所改进1 4 8 1 o 在国内，清华大学和天津大学于2 0 世纪8 0 年代后期率先进行了电容层析成像技术 的研究，而后浙江大学、沈阳工业大学、哈尔滨理工大学、东北大学、武汉大学、浙江 工业大学、中国科学院等高等院校和科研单位也相继开展研究，在流型辨识和反演成像 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 算法方面做了大量的工作，己经开发出电容层析成像样机系统，取得了大量的成果。这 些科研成果得到国家自然科学基金委员会及有关工业部门给予的大力资金资助，以支持 e c t 技术的研究和开发【引。 目前，国内外对e c t 技术的研究在e c t 图像重建算法研究，实验室应用研究，传 感器及数据采集单元设计研究，现场应用研究等方面都取得一定的成果。 1 2 3 电容层析成像系统组成与特点 电极阵列 图1 - 1电容层析成像系统组成 f i g1 - 1e 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 ms t r u c t u r e e c t 系统包括电容传感器，电容数据采集系统和图像重建单元三大部分组成( 如图 1 1 所示) 。当管道中流动形态或成分发生变化时，引起管道内空间电介质的介电常数 发生变化，使得均匀安装在绝缘管道外壁的电容传感器获取的各电极对间电容值随之发 生变化；数据采集系统则将这些电信号转化为数字数据传给计算机，计算机则依据一定 的图像重建算法完成被测区域内两相流相介质分布状况的图像重建工作【5 ，6 1 。因而电容 传感器、电容数据采集系统和图像重建算法构成了e c t 技术的关键。 e c t 技术同其它p t 技术相比还具有以下特点【3 ，4 ，9 】： 1 敏感阵列为非侵入式，由一系列等间隔排布的电极构成。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、排布以及电极的一致性是整个系统至关重要的 一部分。 2 敏感场是软场，与物场的相互作用为非线性，导致敏感场分析和图像重建的困难。 3 传感器输出电容微弱，测量难度大。 1 2 4 电容层析成像技术的关键问题与发展前景 e c t 技术己从原来的高等院校或科研机构的原理性研究过渡到工业界支持和参与 的应用性研究阶段。但e c t 技术目前无论在理论方面还是在应用方面尚存在一些问题 第1 章绪论 需要解决。主要有：( 1 ) 微弱电容检测问题，对传感器灵敏度、抗干扰性要求高；( 2 ) e c t 系统电容传感器的敏感场是软场，敏感场分布受被测介质分布的影响；( 3 ) 成像 算法大都成像精度不够高、实时性不好，大多数场合下只能满足流型辨识的要求【7 ，9 1 。 针对以上所述目前存在的关键问题，需要在以下方向做出努力【4 ，1 ： ( 1 ) 硬件性能的提高：硬件方面包括电极阵列的优化设计，数据采集系统稳定性、 信噪比、实时性的提高。如微弱电容检测对传感器灵敏度、抗干扰性要求高。 ( 2 ) 图像重建算法的改进：要求开发高性能的图像重建算法，实现快速有效的、 准确的定量图像重建，以满足工业过程在线监测的要求。 ( 3 ) e c t “软场”问题的克服：通过对敏感场分布特性的认识与改进，尽可能提 高敏感场灵敏度分布的均匀性。 ( 4 ) 在实现二维图像的基础上向三维图像转化，由于e c 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必然引起误差，这就要求必须研究三维场内的敏感场 分布、图像重建算法等。 ( 5 ) 工业领域的应用开发：技术最终要为生产和科研服务，应用性的开发包括开 拓技术的应用领域和针对不同对象的适用范围，促进e c t 技术的发展，使之成为真正 实用的在线监测技术。 e c t 技术作为一种新兴的过程参数在线实时检测手段，在解决两相流检测问题方面 有独特的优点和很大的潜力。e c t 技术将在以下几个领域发挥重要作用4 ，8 ，9 】： 1 e c t 可用于液气泡混合过程、液固混合过程、液液输送过程、旋涡分离过程、 化学反应过程等的两多相流检测，对这些过程的在线定性定量测量将有助于工业过程 的优化控制、改进产品质量等，可广泛应用于冶金、石油、造纸、化工、环境工程等工 业过程。 2 为过程工艺设计和过程机理研究人员提供一种先进的研究手段。将e c t 测得的 有关过程的详尽直观的信息，与目前广泛应用的流体动力学模型分析相结合，可以建立 起更为符合实际情况的过程模型；进一步优化过程设备和装置的结构、参数设计；也可 以为改进工艺，提高过程效率，增进过程的安全性提供可靠的依据。 3 可以成为流体力学工作者研究两相多相流理论的一个强有力的实验手段，对于 计算流体动力学中需要复杂的数学模型计算得出的多相流参数，提供一种验证其正确性 的途径，从而促进两相流体力学理论的发展。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 本文研究内容 本文主要任务包括以下几个方面：建立电容传感器二维模型，通过仿真认识传感器 敏感场分布规律：分析二维下传感器结构参数对系统性能的影响并优化电容传感器的结 构；基于a n s y s 分析软件，建立e c t 三维模型，将e c t 问题推到三维；深入研究现有 的成像算法，提出一种自适应调整t i k h o n o v 正则化因子的方法。 论文具体内容包括： 1 第一章在阅读大量国内外有关电容层析成像技术研究文献的基础上，从系统构 成、技术特点、应用研究现状、亟待解决的关键问题、发展前景展望等方面对e c t 技 术进行了综合评述。 2 第二章分析了e c t 传感器敏感场的数学物理模型与理论基础及e c t 图像重建算 法的数学原理：解释阐明了e c t 图像重建具有的非线性、不适定性；描述了三维敏感 场域的数学模型。 3 第三章建立e c t 传感器敏感场域有限元模型，应用有限元方法求解电容值，并 得到敏感场的分布规律。提出一种改进的测量电容仿真方法，分析比较了三种电容仿真 方法的特点和不同，并提出一种验证仿真结果正确性的方法。 4 第四章分析7 种传感器结构参数对整体灵敏度大小等系统性能的影响，基于r b f 神经网络建立它们之间的关系模型；并基于这些系统性能指标，应用粒子群算法，优化 电容传感器的结构。 5 第五章应用现有的多种图像重建算法，针对管道内的典型流型，分别进行成像试 验，比较图像的精度，分析算法中控制参数( 迭代步长、迭代初值、正则化因子) 对图 像重建的影响，分析算法抗干扰能力；从实用性出发改进t i k h o n o v 正则化算法，针对 变化的各种介质分布自适应调整正则化因子。 6 第六章建立电容层析成像油水两相流测量系统仿真平台，展示e c t 技术实现的 路线、关键问题的解决方案等。 7 结论部分对整个论文进行了总结，并对今后研究工作进行了展望。 7 第2 章e c t 技术原理与理论摧础 第2 章e c t 技术原理与理论基础 2 1 电容层析成像系统阵列传感器的结构与工作方式 从第一章12 3 可知，e c t 系统电容阵列传感器是系统三大组成部分之一，e c t 技术的关键之一。传感器结构如图2 - i 所示，这是一个1 2 电极传感器。本文第四、五 章所做研究以1 2 电极e c t 系统为例。 ( a ) 传痞器横截面图( b ) 传摩嚣侧面圈 圈2 - 1 传盛器结构示意圈 f i 9 2 - 1s t r u c t u r e o f e c t 7 电容传感器主要由绝缘管道、检测电极和屏蔽电极三部分构成。绝缘管道一般采用 绝缘材料，如聚乙烯，有机玻璃等；检测电极一般由铜箔构成；屏蔽电极主要由屏蔽罩 和径向电极屏蔽组成。屏蔽罩一方面可抑制外界电场的干扰，另一方面可防止屏蔽罩之 外空间的物质的介电常数发生变化影响测量电容值：径向屏蔽电极是与屏蔽罩相连且指 向圆心的金属片，它将各检测电极分开，径向电极不仅可以缩小测量电容值的动态变化 范围，降低数据采集电路的设计难度，而且还能改善传感器敏感场分布，对传感器的性 能改善起到一定的作用1 5 ，6 一i 。 e c t 系统传感器中有大量的结构、尺寸上的可变参数，这些参数值的选取对传感器 的性能有决定性的影响1 1 0 l ，设计参数主要有：电极尺寸、管壁厚度、管壁介电常数、屏 蔽层厚度、屏蔽层填充材料的相对介电常数等。对上述设计参数怎样影响传感器的性能 进行分析也是本文的任务之一( 见第四章) 。 当电容传感器进行工作时，某一激励电极外接固定激励电压u ，检测极板和屏蔽罩 接地。电容传感器的工作方式可分为两种：非组合式和组合式两种。非组合式就是源极 板和检测极板分别由一个电极组成，每次旋转移动一个电极位置( 本文即采用此方式) ： 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 组合式就是源极板和检测极板分别由2 个相邻的电极串接而成，每次旋转移动一个电极 位置。以非组合方式为例：源极板和检测极板分别由一个电极组成，每次旋转移动一个 电极位置。在测量时，源极板为1 电极，检测极板每次旋转移动一个电极位置分别为2 ， 3 ，”，1 2 电极，测量出电容值。下一次循环，源极板为2 电极和检测极板分别为3 ，4 ，”， 1 2 电极( 电极2 作为激励时电极2 与1 之间的电容值，等于电极l 作为激励时电极l 与2 之间的电容值) ，如此反复测量所有独立电极对f l l 】。可以得到独立的电极对( 构成 一个电容) 总数为( 设电极总数为m ) ： ，z = c 乞= m ( m - 1 ) 2 ( 2 1 ) 对于1 2 电极非组合方式，可以得到独立的电容值总数为： ，z = c 磊= m ( m 0 1 ) 2 = 6 6 ( 2 - 2 ) e c t 技术的实现分为正问题和反问题两部分 6 1 。 正问题的任务就是在已知边界激励条件和管内介质分布的情况下求取电容传感器 两电极间的电容值并获取灵敏度分布近似函数s ( x ，y ，占( x ，j ，) ) 。这一过程可通过实验方法 和计算机仿真来实现。实验法是通过标定实验来获得敏感场。这样做一方面由于测试材 料的介电常数等电学参数存在不确定性会造成测量误差，另一方面手工放置的位置误差 和电容测量的误差等都会对结果有影响，造成测量结果的不准确，而且实验工作量大。 计算机仿真可以较为精确地获得在特定介质分布下的响应值，并且由于工作主要由计算 机完成，数据的后期处理等都大为简化【l l ，12 1 ，所以本文采用仿真来实现正问题。 所谓反问题，也就是我们通常所说的图像重建。就是由电容传感器获取管道内的物 场在各方向上的投影数据边界电容值，运用定性或定量的图像重建算法，重建反映 介质在某一二维截面上或某一三维空间上的分布信息的图像。 2 3 、2 5 分别对正反问题进行了数学描述。 2 2e c t 系统可行性分析与敏感区域电磁场数值计算原理 下面以两相流为例对e c t 系统的工作原理及可行性进行分析【6 】。电极间的电容测量 值由三部分组成：电极对间管道内部分的电介质形成的电容及位于管道外和屏蔽罩间的 屏蔽层填充介质所形成的电容，以及管道壁中存在的微量电容。通过合理设计电容传感 器，可使第二、三部分的电容值很小，可忽略其对整个电容测量值的影响。在这一假设 前提下，设两相流的离散相和连续相的介电常数分别为q 和岛，且离散相均匀地分布 9 第2 章e c t 技术原理与理论基础 在连续相中，两种介质的体积分别是k 和，总体积为以则两相流体的等价介电常数 占为： 占= 蜀+ 乞= 钐6 1 + 缈一龟 c 2 剐 = ( r 占：) 蝎 可得，电容测量值c 为： c = k 仁k 厂( 髟) = k f ( f 1 ) ( 2 - 4 ) 式中，k 为系统的特征常数，为离散相浓度。可见，电容测量值的大小可作为浓度测 量的依据。 电磁场的基本方程是麦克斯韦( m a x w e l l ) 方程1 3 ，14 1 ，在电容层析成像系统中也同 样满足。由于求解一般形式的麦克斯韦方程是相当困难的，所以常常根据实际情况来简 化方程，对实际的电容层析成像系统作以下假设： ( 1 ) 电容层析成像系统的场域遵循敏感场( 静电场) 的规律，即不考虑电磁场在 空间上的时间滞后。当测量管道的直径小于六分之一电磁波波长时，这种假设可以成立。 一般情况下，激励源的频率选择小于1 0 0 k h z ，电磁波长为旯v f = 3 x1 0 3 ，；，实际e c t 系统场域直径远小于2 , 6 = 5 0 0 m ，因此敏感场条件成立。 ( 2 ) 两相流各组分的介电常数不会因外部施加的电场而改变 另外，在对二维模型进行研究时，还需要进行如下的假设： ( 1 ) 管道截面上无自由电荷； ( 2 ) 电极沿轴向的边缘效应可忽略，即计算电场时可认为电极和屏蔽罩为无限长； ( 3 ) 两相介质在检测周期内，沿管道在电极板长度的范围内，分布是不变的。 根据以上假设，对于e c t 敏感场内的任意一点，有1 3 , 1 4 , 1 5 】： d = e( 2 5 ) v d = 0 ( 2 6 ) 其中，其中，d 为电位移，占为介电常数，e 为电场强度。又因为 e = - v # ( 2 - 7 ) 其中矽为场内电势分布，则敏感场内电势分布函数( x ，y ) 满足拉普拉斯( l a p l a c e ) 方程的 形式： l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 v k ( x ，y ) v 0 ( x ，少) 】= 0 ( 2 8 ) 其中，( x ，y ) 和8 ( x ，y ) 分别是电势分布和介电常数分布函数。 设管道求解区域是q ，其边界是r 。对于二维平面场，问题即为在给定的求解区域 和边界条件下，求解电势分布函数矽( 工，y ) 随坐标 ，j ，) 的变化规律。电位函数在边界r 上 满足 矽( x ，y ) = ( 2 9 ) 由变分原理，式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 构成的边值问题等价于下列变分问题：在满足条 件列r = 下，求矽，满足下式： 删，= 晔+ 蚓螂刊n ( 2 1 0 ) ，( ) 为具有能量的量纲，故常被称为能量泛函。式( 2 1 0 ) 的物理解释为：处于介 质中的一个固定的带电导体系统，其表面电荷分布应使合成的静电场具有最小的能量 ( 汤姆逊定理) 1 1 4 】。该式为下文有限元方法求解e c t 正问题作好铺垫。 2 3 灵敏度分布函数的原理模型 电容层析成像系统中当在某一极板上施加电压激励时，电容传感器阵列在传感区域 内形成一个非均匀的静电场。假设对给定的电极对，引起电容量变化的单元的介电常数 增量正比于电极对间电容量的变化，则任何两电极组合之间所构成的电容可用下式表 示【1 7 】： c = ii s ( x ，y ) s ( x ，y ，s ( x ，y ) ) d x d y ( 2 1 1 ) 万 式中q 管道截面。 c 为两电极之间的电容值，e ( x ，y ) 为敏感区域内的介电常数分布函数， s ( x ，y ，s ( 五y ) ) 为传感器灵敏度分布的近似函数，它表示当管道内点0 ，y ) 处有离散相介 质而其余地方均为连续相介质时，所引起的电容c 的相对变化量。电容层析成像的过 程就是根据敏感场分布函数s ( x ，y ，s ( x ，y ) 和多组电容测量值求解介电常数分布函数 6 ( x ，y ) ，从而得到相的分布的过程( 见第五章) 。 灵敏度分布函数是图像重建所需的关键数据，对成像质量有着很重要的影响。下面 讨论灵敏度分布函数的具体意义。 第2 章e c t 技术原理与理论基础 由式( 2 - 1 1 ) ，根据函数积分的意义，可得 c s ( f ) s ( i ) 4 ( 2 - 1 2 ) 式中，n 的意义为管道截面( 敏感场域) 分成n 个微元( 微元内部介质分布均匀) ，占( f ) 为第