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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 基于神经网络的电阻层析成像系统流型辨识的研究 摘要 过程层析成像技术是从医学c t 技术发展起来的，以多相流为主要研究 对象，并对多项流中的过程参数在线实时检测，进行多相流参数检测可获得 多相流体二维或三维的时空局部的、微观的分布信息，为解决多相流参数检 测这一难题提供了一条有效途经。过程层析成像技术经过十余年的发展已取 得很大进步。依据信息获取手段和传感机理不同，该技术可分为电容层析成 像、电阻层析成像和电磁感应层析成像等十余种。本文以基于电阻传感机理 的电阻层析成像系统为研究对象，探讨采用模糊聚类对e r t 系统中的测量 电压数据进行模糊化，然后以模糊化后的数据作为b p 神经网络的输入，在 b p 神经网络中对该模糊化后的测量电压数据进行反复学习训练，来实现对 两相流的四种典型流型的辨识。 本文结合国内外研究者应用过程层析成像技术在多项流参数检测方面所 做的工作，归纳总结了多相流检测技术对于科研及工业生产的重要意义，分 析多相流检测技术主要参数及其多相流检测技术的发展现状和发展趋势。阐 明了电阻层析成像系统的构成及技术特点，概括的描述了电阻层析成像系统 的研究现状和广阔的工业应用前景，分析了电阻层析成像技术发展中必须解 决的问题，指出软场问题及图像重建算法精度不高是限制电阻层析成像技术 工业实用化的瓶颈问题。在对流型辨识算法的优缺点比较后，本文提出了用 模糊神经网络来进行流型的辨识，对其必要性在文中作了详细地介绍。建立 了模糊神经网络模型并以此为基础进行了流型辨识的数值分析，实验证明用 模糊神经网络模型来进行流型辨识是正确的，为相关的图像重建算法提供了 依据。并且对四种典型的流型进行分析研究，着重用模糊神经网络模型对这 四种流型进行实验。最后开发了基于神经网络的电阻层析成像流型辨识仿真 软件，界面简洁操作简单，利用该软件可以方便的对两项流流型辨识，促进 了后续研究工作的开展。 关键词电阻层析成像；流型辨识：神经网络；模糊神经网络 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 f l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o nb a s e do nn e u r a l n e t w o r ki ne l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y s y s t e m a bs t r a c t p r o c e s st o m o g r a p h yt e c h n i q u ew h i c hi sf r o mm e d i c a lc tt e c h n i q u ei s m a i n l yu s e dt ot h er e s e a r c ho fm u l t i p h a s ef l o wr e g i m e ，a n da l s oc a nb eu s e dt o r e a l - t i m ed e t e c t i o ni nm u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t w i t hp r o c e s s t o m o g r a p h yt e c h n i q u e ，m u l t i p h a s ef l o wt w o - d i m e n s i o n a lo rt h r e e d i m e n s i o n a l s p a c e t i m ep a r t i a la n dm i c r o s c o p i cd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o nc a nb eo b t a i n e di n m u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t ，w h i c hp r o v i d e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c h i ns o l v i n gt h ed i 伍c u l t yo fm u l t i p h a s ef l o wp a r a m e t e rm e a s u r e m e n t p r o c e s s t o m o g r a p h yt e c h n i q u eh a sm a d eag r e a tp r o g r e s si nt h el a s tt e ny e a r s a c c o r d i n g t ot h ew a yo fa c q u i r i n gi n f o r m a t i o na n dp r i n c i p l eo fs e n s o r ，p r o c e s st o m o g r a p h y t e c h n i q u ec a nb ed i v i d e di n t om o r et h a nt e nk i n d ss u c ha se l e c t r i c a lc a p a c i t a n c e t o m o g r a p h y , e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , e l e c t r o m a g n e t i ct o m o g r a p h ya n d s oo n t h es u b je c t i n v e s t i g a t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni se l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h ys y s t e m ，w h i c hi so nt h eb a s i so fr e s i s t a n c es e n s o rp r i n c i p l e 。f i r s t ， f u z z yc l u s t e r i n gi su s e dt of u z z yt h em e a s u r e m e n tv o l t a g ed a t ao ft h ee r ts y s t e m t h e nt h ef u z z yd a t ai st a k e na si n p u ti n f o r m a t i o nf o rt h eb pn e t w o r k t h ef u z z y d a t ao fm e a s u r ev o l t a g ea r et r a i n e dr e p e a t e d l yi nb pn e t w o r k ，s ot h ef o u rk i n d s o ft w o p h a s ef l o wr e g i m ec a nb ei d e n t i f i e d t h ei m p o r t a n tm e a n i n go fm u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tt ot h es c i e n c e r e s e a r c ha n di n d u s t r yp r o d u c t i o ni ss u m m a r i z e d ，a tt h es a m et i m em a i np a r a m e t e r , c u r r e n ts t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fm u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e a r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h es t r u c t u r ea n dt e c h n i q u ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c a l r e s i s t a n c et o m o g r a p h ys y s t e mi sc l a r i f i e d t h ec u r r e n ts t a t u sa n db r o a di n d u s t r i a i a p p l i c a t i o np r o s p e c to fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h ya r ed i s c u s s e d t h ek e y i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 p r o b l e m st h a tm u s tb e s o l v e d i nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h ya r ea l s op o i n t e do u t i ti se m p h a s i z e dt h a tt h es o f tf i e l dc h a r a c t e r i s t i c a n dt h el o wr e s o l u t i o no fi m a g er e c o n s t r u c t i o na r et h em a i np r o b l e m st h a tr e s u l t i nt h ed i f f i c u l t yo fi t sp r a c t i c a la p p l i c a t i o n c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rf l o wr e g i m e i d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，f u z z yn e u r a ln e t w o r km e t h o di s p r o p o s e df o rr e g i m e i d e n t i f i c a t i o n a n dt h en e c e s s i t yo fw h i c hi sd i s c u s s e d t h em o d e lo ff u z z yn e u r a l n e t w o r ki sb u i l t 。a n di t i st a k e na st h eb a s eo fa n a l i z i n gt h en u m b e ro ff l o w r e g i m ei d e n t i f i c a t i o n t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tf u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e li s f e a s i b l e ，w h i c hp r o v i d e st h eb a s i sf o rr e l a t e di m a g er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s t h ef o u rk i n d so ft w o - p h a s ef l o wr e g i m ei sr e s e a r c h e d ，a n dt h ef o u rk i n d so f t w o p h a s ef l o wr e g i m ei se x p e r i m e n t e db yf u z z yn e u r a ln e t w o r km o d e l f i n a l l y t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo ff l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o nb a s e do nn e u r a ln e t w o r ki n e r ts y s t e mi sd e v e l o p e d 。w h o s ei n t e r f a c ei ss i m p l ea n du t i l i t y i ti se a s i e rt o f l o wp a t t e r n a l s o ，t h es o f t w a r ep r o m o t e st h eo t h e rf o l l o w i n gr e s e a r c ht os t u d y k e y w o r d s e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y , f l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o n ，n e u r a l n e t w o r k ，f u z z yn e u r a ln e t w o r k i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于神经网络的电阻层析成 像系统流型辨识的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 、獬 日期：响扩年争月3 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于神经网络的电阻层析成像系统流型辨识的研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在 年解密后适用授权书。 不保密尉。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 讳拖群 肱 日期：魄万年中月弓日 日期：知务留年q - 月3 日 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 1 1两相流检测技术 第l 章绪论 1 1 1两相流的概念和分类 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( 介质) 部分，各相之间有明显可分的界面1 。从宏观的角度出发，可以把 自然界的物质分为三种相，即气相、液相和固相。单相物质的流动即为单相 流，如气体或液体流。所谓两相流( t w o p h a s ef l o w ) 或多相流( m u l t i p h a s e f l o w ) ，是指同时存在两种或多种不同相物质的流动 2 1 。 在两相流动研究中，根据流动介质的连续与否，可把两相流动介质分为连 续相和离散相，其中连续不断地构成一个整体的相称为连续相( 如气体、液体 等1 ，而以不连续介质如固体颗粒、液滴或水泡等形态存在于连续相中的物质 称为离散相( 或非连续相) 。连续相和离散相组成的流动称为两相流动。 在相关的工业生产过程中，为了监视生产运行情况，常需要在线获取多相 流动过程的一些重要参数，以对生产过程进行寻优和控制，使之能够高效、经 济、安全地运行。由于工作环境的不同主要存在五种类型【3 】。 1 气液两相流。锅炉等汽化单元，石油、天然气、低沸点液体的传输过 程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程。 2 气固两相流。干燥塔等气流干燥单元，煤粉、水泥、谷物、食盐等的 气流输送过程，以及煤的沸腾燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化培烧等流 态化过程。 3 液固两相流。矿浆、纸浆、泥浆、胶浆等浆液流动，矿石、残渣的水 利输送和污水处理排放系统。 4 。液液两相流。物质提取的萃取过程。如金、化工中的萃取过程，石油 工业中油水系统的油水分离、洗涤和排放等多为液液两相流。 5 气液和气液固多相流。油田井口的原油系统，油品加氢和精制中的滴 流床、淤浆反应器以及化学合成和生化反应中的悬浮床。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 2两相流检测技术的主要参数 由于两相流动体系中存在着个形状和分布在时间和空间里均是随机可变 的相界面，而相间实际上又存在个不可忽略的相对速度，致使两相流有比单 相流复杂得多的流动特性。正是由于两相流体系的复杂多样性，使得两相流较 单相流需有更多的描述参数。因此，两相流系统的参数远比单相流系统的参数 复杂，其主要参数包括 4 1 ： 1 流型，又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变 的相界面使两相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和 传热特性的重要因素，同时，对两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流 型的了解。 2 分相含率。采用不同的单位和定义式，可分别用截面含率、容积含率 和体积含率表示。某相的流动在任意流通截面上所占通道截面积与总的流通截 面积之比称作该相的截面含率。通常，气相含率在气液两相流中又称空隙率， 固相含率在气固两相流中又称浓度。此外，在工程上还常用质量流量含气率表 示气相含率，又称干度，是指气相质量流量与两相总质量流量的比值。 3 流量。单位时间内流过通道总流通截面积的两相流体的流量采用不同 的单位制，可分别用容积流量或质量流量表示。对于各相流量，可用分相容积 流量和分相质量流量描述。 4 速度。由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平 均( 等效) 速度描述外，还采用分相流速表示。两个分相流速可以用与平均速度 的差值表示相对速度，也可用两个分相流速之比表示速度滑移比。 5 压力降。压力降也是两相流动中的基本参数之一。混合物的两相流压 力降与各分相压力降间己建立了很多可供工程应用的理论的、实验的和半经验 的关联式。 6 密度。在两相流动中，混合物的平均密度也是一个常用参数，可以由 各相密度和分相含率计算求得。 在上述6 个主要参数中，流型、分相含率和流量是三个最重要和最难以测 量的参数，因此这三个参数的测量一直是多相流检测技术研究的重点。 1 1 3两相流检测技术的现状及发展趋势 迄今为止，两相流体系广泛存在于自然界和工业生产过程中，两相流测量 的研究在人们的生产生活中占有重要的地位。在冶金、化工、食品、电力、建 材及环境工程等方面都广泛存在着两相流动现象。由于两相流动比单相流动不 仅流动特性复杂，而且各相间存在着界面效应和相对速度，相界面在空间和 时间上都是随机可变的，致使两相流参数检测的难度很大。因此国内外的科研 工作者和工程技术人员不断地在这个领域进行探索和研究，世界各工业发达国 家形成许多两相流研究中心，涉及两相流问题的国际学术会议平均每年十多 次，刊登有关两相流学术论文的国际杂志已超过2 0 0 种。我国从1 9 8 6 年起已 连续召开了七次全国两相流检测技术学术会议，并于1 9 9 2 年正式成立了中国 计量测试学会两相流测试专业委员会。 鉴于两相流学科在国民经济发展中的重要地位和两相流检测技术在多相流 研究中的制约性意义，国内外的专家学者们做了大量的研究工作和努力，采用 的技术路线大体可归纳为以下四大类1 5 , 6 , 7 1 ： 1 应用传统的单相流仪表( 差压、涡轮、涡街、靶式、容积、超声波、 电磁、科里奥利力等) 结合流体模型或采用实验修正的方法测量两相流。 2 运用现代信号处理技术进行两相流参数测量。这一类方法以软测量技 术为代表，它在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑，将模糊数学、状态 估计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理 论引入到两相流参数测试领域中来。 3 应用新兴技术测量两相流。近几十年，更多新兴技术被引入到两相流 测量领域中来，如：辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声 波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过程层析成像技术 等。 4 成熟的硬件技术上，以计算机技术为支撑平台，应用基于软测量技术 的软测量方法，传统的通常建立在传感器等硬件基础上的各种现有测试手段， 目前在两相流领域还未能获得令人十分满意的结果，因此从事两相流检测技术 工作的同行们开始探索，把将成为2 1 世纪研究热点的软测量技术引入到多相 流参数测试领域中来。通过软测量方法( s o f t s e n s i n g ，指利用较简易在线测量 的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法) ，可以 解决复杂的、不确定的、很难用数学模型精确描述的多相流系统的测试问题。 目前，两相流检测技术的发展趋势和今后的研究方向可归纳为以下几个方 面【8 ，9 1 ： 1 成熟的单相流参数检测技术与测试仪表应用于两相流测试领域仍是受 到普遍重视的一个重要研究方向； 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 随着计算机技术和图像处理技术的发展，应用过程层析成像技术，获 取两相流体系二维、三维时空分布信息，对两相流局部空间区域进行微观和瞬 态的测量获取关于两相流体的多个信息，应用流动层析成像技术。对两相流局 部空间区域进行微观和瞬态的测量将是一个重要的发展方向； 3 借助电子技术、半导体技术微波技术、核磁共振技术、全息技术、新 型示踪技术的发展，研制高灵敏度、准确度和可靠性的多相流参数检测仪表仍 是重要的基础工作： 4 针对两相流动过程是一多变量的随机过程，随着随机过程理论和信号 处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、参数估计和过程( 系统) 辨识的理 论和技术，进行两相流参数的估计将成为重要的发展趋势： 5 对两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数提取，对时变性的 自适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手段和 误差分析等的基础方法研究正逐步受到关注。 在两相流检测技术发展的几个主要趋势中，过程层析成像技术的研究是一 个引人注目的发展方向。 1 1 4两相流检测技术研究的重要意义 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 日益重要。本世纪后半叶，原子能核电站及航天工业的迅速发展、动力工业及 石油化工工业高参数的引入、以及对环境保护的旦益重视，促使两相流领域研 究工作迅速发展，目前己成为国内外给予极大关注的前沿学科。但由于两相流 的复杂性和随机性，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检测的问题。不少情况下，两相流检 测技术己成为目前两相流研究中的一个制约性的控制因素。 近年来国际上对两相流的研究兴趣在持续增长，其原因在于两相流不仅在 一系列现代工程中得到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。涉及两相流的工程设备有新型的相变换器、锅炉、蒸发器、空间 设备、制冷机、核反应堆、分离设备、流化床反应器、气力输送设备、液力输 送设备。石油工程设备和多相流泵等。目前，两相流技术已得到海上油气行业 的广泛认可。该领域处于领先地位的公司正将其力量集中在海底应用方面。两 相流技术将在海上油田开发中发挥重要的作用。同样，两相流动体系在自然界 和工业生产中涉及范围十分广泛。例如，自然界的大漠扬沙，江河中的泥沙俱 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 下，以及空中烟尘弥散、雨雹交浸都是与人类生活有关的两相流现象。生物系 人体中所含的流体，如血液和奶液，也都是含有多种细胞、微粒或液滴悬浮体 的两相流。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，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 就是两相流的检测技术问题。随着工业生产过程计量、节能及控制要求的提 高，对于两相流参数检测的要求也就越来越迫切，由此可见两相流检测技术的 研究具有重要的理论和工程意义【1 0 l 。 1 2过程层析成像技术 1 2 1 过程层析成像( p t ) 技术简述 过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 也称为计算机过程层析( 断层) 成像 ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ，简记为c t ) ，是指利用某种能量的射线源( x 射 线，丫射线等) ，在不损伤对象内部结构的条件下，根据从对象外部设备所获得 的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生成对象内部的二 维或三维图像，来重现对象的内部特征，是物理学和计算机科学发展的产物 【1 1 1 。 过程层析成像技术实际上始于二十世纪八十年代中期。大概有以下几个发 展阶段【垃】： 第一阶段：8 0 年代中期开始，由英国曼彻斯特大学理工学院6 j m i s t ) ， b e c km s 教授领导的研究小组首次提出“流动成像( f l o wi m a g i n g ) 的概念， 于8 0 年代后期推出了第一台针对油气两相流和气固两相流检测的8 电极电容 层析成像系统，并于1 9 9 0 年进一步改进为1 2 电极电容层析成像系统。此外， 从1 9 8 8 年开始了电阻层析成像技术的研究。同一时期，美国能源部研究中心 研制出1 6 电极电容层析成像系统并用于流化床中的空隙率分布的研究。上述 过程层析成像系统的优点是成本低，实时性好，结构简单，适于工业现场应用 ( 无辐射危险) ，缺点是分辨率低，精度有限。 第二阶段：9 0 年代初，受欧盟科技委员会支持，为期4 年的“欧洲过程 层析成像联合行动”得以开展。“过程层析成像 概念被首次提出，其间进行 了超声，光学，辐射，放射以及核磁共振技术在过程层析成像中的应用研究。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第三阶段：9 0 年代后期，过程层析成像研究并不仅仅局限于两相管流流 动参数的在线检测，已扩展到两相流或多相流的反应、分离等过程系统的在线 监测。同时，出现了将基于不同敏感原理的层析成像技术组合，用于复杂多相 流过程检测，以及将层析成像技术与其它检测技术结合，用于两相流中多参数 的同时测量。 1 2 2p t 技术基本原理 p t 技术的基本原理是在流体流动管道上按一定规律排列若干各对流体分 散相敏感的传感器，收集流动信息，根据采集到的流体在不同角度下的投影数 据，利用快速图像重建算法计算出流体的断面图像，显示出流体在断面上的分 布图形，实现流体流动的可视化。一个典型的p t 系统如图1 1 所示【1 3 1 ，一般 由三大部分组成：传感器阵列、数据采集控制电路和成像计算机。 传感器阵列 物场图像及其 变化历程显示 图l - l 过程层析成像系统结构图 f i g u r el - lt h ep r o c e s st o m o g r a p h ys y s t e ms t r u c t u r e p t 系统的工作过程为：安装在管道或反应设备等装置外的传感器空阐阵 列，在交变电压电流激励下，形成一个可从不同观测角度扫掠被测物场的空间 敏感场，物场内部分布或结构的运动变化对敏感场产生调制作用，使传感器空 间阵列以非接触或非侵入方式获取被测物场的物理、化学或生化特性的二维7 三维分布状况的“投影 信息，并输出相应的信号：随后，由信号采集单元快 速实时地采集空间传感器阵列输出的反映被测物场二维- - 维分布状态的大量 瞬时信号，并完成相应的解调、滤波处理，以获得直接反映物场变化的信息； 处理后的数据输入图像重建单元，运用快速的定量或定性的图像重建算法，获 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 得被测物场的二维或三维图像，使人们直接看到设备或装置内部某一截面上的 组分分布。 1 2 3p t 技术分类 近年来，经国内外众多研究人员的积极探索，p t 技术发展迅速。依据信 息获取手段和传感机理的不同分为：核p t 射线、7 射线、中子射线等) 、核 磁共振、光学、电学( 电容、电阻、电磁) 、超声、微波、电荷感应等，在此简 要地介绍目前国内外研究较多且应用前景较广阔的几种p t 技术【1 4 ，b 1 。 1 x 射线、 r 射线流动层析成像技术是最早发展的两种技术，它们的检测 原理是依据放射线穿透被测介质时产生的衰减( 被介质吸收) 作用，不同介质吸 收放射线的能力不同，因此通过检测出放射线穿过多相流前、后的辐射强度及 变化量，就可获知有关被测多相流体相分布的有关信息。 2 超声波层析成像( u l t r a s o n i ct o m o g r a p h y ) 技术，是目前广泛研究的一种 p t 技术，也是当前p t 技术发展的主流之一，是利用被测介质对入射声波的吸 收和散射效应所引起的入射波幅值的衰减；声波在介质中传播时，其传播速度 随介质的不同而发生变化；不同介质引起散射声场的幅值和相位的同时变化等 特性，超声波以透射、反射或散( 衍) 射模式，从不同方向扫描截面，获得多相 流分相介质的分布信息。系统的成本也能为大多数用户接受，而且采用的是非 辐射测量方法，对人体无害。 3 电磁层析成像( e l e c t r o m a g n e t i ct o m o g r a p h y ，简记为e m t ) 技术，是自 2 0 世纪9 0 年代初发展起来的一种基于电磁感应原理的新型p t 技术，适用于 介质分布可由其电导率或磁导率来确定的应用场所；e m t 是基于电磁学中的 m a x w e l l 方程组，其本质是在场外测量不同激励状态下各电磁感应场分量，并 结合边界条件获得被测物场中介质的电导率和磁导率分布。 4 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 ，篱记为e c t ) 技术的 测量原理是基于多相流体各分相介质具有不同的介电常数，当各相组合浓度及 其分布发生变化时，会引起多相流混合体等价介电常数的变化，从而使其测量 电容值随之发生变化，电容值的大小反映多相流介质相浓度的大小和分布状 况。因此，电容值的大小可以作为多相流浓度的变量。采用多电极阵列式电容 传感器，其各电极之间的相互组合可提供反映多相流体浓度分布的多个电容测 量值，以此为投影数据采用图像重建算法，即可重建被测区域内多相流相介质 分布状况的图像。 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 5 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n tt o m o g r a p h y ，简记为e r t ) 技术，是 基于多相流各介质间电导率的不同，通过测量电阻率分布获得多相流介质分布 从而实现多相流参数检测。e r t 技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的 电导率，判断出处于敏感场中的物体电导率分布便可知物场的媒质分布状况。 e r t 系统的工作方式通常是电流激励、电压测量。当场内的电导率分布变化 时，电流场的分布也会随之变化，导致场内电势分布的变化，从而场域边界上 的测量电压也要发生变化。边界测量电压变化包含了场域内电导率变化的信 息。通过实际对象的边界测量电压与场内仅有导电相状态下对应位置测量电压 的对比，运用相应的成像算法，便可重建出实际对象的电导率分布，实现可视 化测量。 1 2 4p t 技术的发展现状 在国际上，欧洲众多国家一直处于过程层析成像技术研究的前列。p t 技 术起源于二十世纪五十年代，它提供一种不需侵入物体内部即可了解物体内部 结构的方法。1 9 7 2 年由g n h o u n s f i e l d 研制成功第一台p t 装置，随后就迅速 地被推广应用于医学临床诊断。从8 0 年代中期开始，以英国的曼彻斯特大学 理工学院( u n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e ri n s t i t u t eo fs c i e n c e - a n dt e c h n o l o g y ，简记为 u m i s t ) m s b e c k 教授为首的研究小组开始了基于电容、超声等适合于工业应 用传感机理的层析成像技术研究，并正式提出了流动成像这概念以区别于医 学c t 。1 9 8 8 年，u m i s t 率先研制成功一种构造简单、价格低廉、动态响应 好，且不用于被测介质直接接触的8 电极电容层析成像系统。1 9 9 1 年该系统发 展成为1 2 电极并配备了高速并行处理器件的世界上第一套基于电容传感器的 过程层析成像系统。1 9 9 4 年又成功地完成了该系统的商业化工作，除英国本土 外该系统已销售到美国和澳大利亚，成功地用于油田和化工上对输油管道和气 力输送管道中的两相流进行监测。该系统在线图像重建速率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。 从1 9 9 0 年起，英国科学与工程研究委员会( s e r c ) 将“过程层析成像技术” 列为英国政府科技部门支持的科技前沿研究课题之一。同年，欧共体( e c ) 科学 技术委员会也正式立项，资助欧共体国家的大学和工业研究部门联合开展为期 四年的过程层析成像技术的研究，称为“欧洲过程层析成像联合行动( e u r o p e a n c o n c e r t e da c t i o no np r o c e s st o m o g r a p h y ，简记为e c a p t ) 计划。从19 9 2 年到 1 9 9 5 年，共召开了四届会议。其目的就是“将不同学科联合起来以加快过程层 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 析成像技术的开发和应用”。 自1 9 9 9 年开始，每两年召开一次工业过程层析成像技术世界大会。该会议 是1 9 9 6 年8 月由英国政府t e c h n i c a lf o r e s i g h tc h a l l e n g e 计划组织的三所大学 r u m i s t ，u n i v e r s i t yo fl e e d s ，u n i v e r s i t yo fe x e t e r ) 所成立的“工业过程层析成 像技术虚拟中一t 二, ( t h ev i r t u a lc e n t e rf o ri n d u s t r i a lp r o c e s st o m o g r a p h y ) ”所发 起。第四届工业过程层析成像技术世界大会于2 0 0 5 年9 月5 日至8 日在日本a i z u 召开，为层析成像领域的专家和学者提供一个学术与经验交流平台【1 6 1 。 紧随国外p t 技术的研究步伐，国内多所高校和研究机构，如清华大学、 天津大学、东北大学、中国科学院、浙江大学，哈尔滨理工大学等，也相继开 展了基于电容、电阻、超声和电磁感应等原理的p t 技术的研究工作，并已取 得可喜的成果。国家自然科学基金委员会及有关工业部门也给予有力的资助以 支持p t 技术的研究。 1 2 5p t 技术的发展趋势 根据上面的分析，作为一种面向工业应用的高新技术能否得到推广，主要 取决于p t 系统在应用中的测量精度、重建图像质量、对工业现场的适应性、 安全可靠性、实时性、成本等几方面是否满足了要求，未来多相流参数测量的 发展趋势及研究方向可归纳如下四个方面【1 7 懵i ： 1 将成熟的单相流检测技术应用于多相流参数测量，根据不同敏感原理 的p t 系统各自具有的特点和优点，选择好合适的应用场合，开发出实用化、 工程化的p t 系统，仍然是一个重要的研究方向。 2 随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，应用模式识 别、小波变换、系统辨识、谱估计、人工神经网络等理论和方法进行多相流参 数的测量分析，将成为重要的发展趋势。 3 随着激光多普勒技术、核磁共振技术、全息技术、新型示踪技术的发 展，将进一步研制高灵敏度、高准确度和高可靠性的传感器，可用于多相流参 数的测量。先开发出在实验室条件下运行的p t 系统，然后研制适合于工业现 场应用的p t 系统，合理的技术发展策略。 4 随着超大规模集成电路、计算机并行处理技术以及数字图像处理技术 的发展，运用多传感器融合技术，将一种或多种p t 系统与常规测量系统有机 地结合实现两相多相流体流动参数的在线检测，应用层析成像技术，采用非 侵入、非接触测量方法，能在线连续提供多相流的二维三维可视化空间分布 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 信息，经过进一步处理提取有关被测多相流体的特征参数，提高对生产过程信 息获取和分析能力，这将是一个重要的发展方向。 1 3课题来源及研究的主要内容 电阻层析成像技术近年来发展迅猛，在多相流参数检测方面具有很好的应 用潜力。本课题来源于基金项目：国家自然科学基金( 6 0 5 7 2 1 5 3 ) ，国家教育部 重点科技项目( 2 0 4 0 4 3 ) ，黑龙江省重点科技攻关项目( g c 0 2 a 1 2 6 ) 。本文的主要 研究内容包括以下几个方面： 1 探讨电阻层析成像系统构成和技术特点，指出e r t 技术发展必须解决 的关键问题，并对电阻层析成像技术的发展及应用前景进行了展望； 2 运用模糊神经网络建立进行流型的辨识，详细介绍了系统建模的各个 步骤； 3 基于建立的模糊神经网络模型，对两相流的四种典型流型进行流型识 别，并对其数据进行了详细的分析； 4 编制基于神经网络的电阻层析成像流型辨识仿真软件，具有友好的用 户界面，对所建立的数学模型进行验证，为进一步e r t 系统研究提供方便。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章电阻层析成像技术 电阻层析成像( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称e r t ) 1 1 9 1 技术是电学 层析成像技术的一种，是新一代过程参数在线检测技术，也是一种多学科交叉 的高新技术。它的物理基础是基于不同媒质具有不同电导率，通过判断处于敏 感场中物体电导率分布来得知物场媒质分布状况，实现无扰动的可视化测量 2 0 。 e r t 技术具有非接触或非侵入、多点或截面分布式测量、无辐射、在线可 视化监控、能获得管道或设备内部二维三维分布信息、结构简单、成本低、 响应速度快等优点，已在地质勘探与环境监测、气液混合过程研究、多相流 ( 油水天然气混合物) 流型识别及流动参数的在线测量等方面有不少成功应用。 2 1e r t 技术的基本原理 e r t 技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的电导率，判断出处于敏 感场中的物体电导率分布便可知物场的媒质分布状况。e r t 系统的工作方式通 常是电流激励、电压测量。e r t 技术的激励测量方式如图2 1 所示【2 1 1 。 图2 1e r t 系统的激励测量方式 f i g u r e2 - 1t h ei n c e n t i v em e a s u r e m e n tm e t h o d so fe r ts y s t e m 一个完整的e r t 系统包括用于激励和测量的电极阵列、数据采集与处理 单元、图像重建单元、图像显示与分析单元以及系统控制单元。典型的e r t 系统构成如图2 2 所示【2 2 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 2 电阻层析成像系统结构 f i g u r e2 - 2c o m p o s i t i o nc h a r to ft h ee r ts y s t e m 系统工作时，由控制单元向数据采集单元发出指令，给某一对电极或多个 电极施加激励电流，在过程对象内部建立起电流敏感场。当场内的电导率分布 变化时，电流场的分布会随之变化，导致场内电势分布的变化，场域边界上的 测量电压也将变化【2 3 1 。测量电压的变化情况反应了电导率的变化信息。利用边 界上的测量电压，通过一定的成像算法，可以重建出场内的电导率分布。最后 将图像的像素信息送图像显示与分析单元，显示重建结果，获得图像物理意义 的解释，并提取特征参数，为过程控制或实验研究提供信息，实现可视化测 量。 2 2e r t 技术的特点 e r t 技术与传统的过程参数检测方式相比具有诸多突出优点：能提供在线 连续的二维- - 维可视化信息；可提取大量被测对象的特征参数。除此之外， 还具有以下特点 2 4 , 2 5 , 2 6 ： 1 e r t 技术可实现非接触或非侵入测量，可胜任任何环境下的流型辨 识； 2 e r t 技术根据不同媒质具有不同电导率，通过判断处于敏感场中物体 电导率分布来得知物场媒质分布状况，实现无扰动的可视化测量； 3 e r t 技术具有多点、界面分布式、非侵入、无放射性测量，不破坏、 干扰物场；结构简单，成本低； 4 敏感场的激励信号为低频的恒流源，频率过低容易引起电极的电化学 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 反应，尤其对电解质溶液、腐蚀性溶液等等，而频率过高，电磁场感应及分布 阻抗等会带来很强的测量噪声； 5 e r t 技术根据测量对象( 如单相流动的气体或液体、气一固、气一液或液一 固两相流体等) 不同，只需根据被测流体的物理、化学特性、敏感场分布，即 可实现测量要求，因此它具有很强的适应性。 2 3e r t 技术应用研究现状 e r t 技术是过程层析成像系统研究发展的主流之一，它的许多技术是从医 学c t 中移植过来的，研究历史相对较长并己取得了许多令人鼓舞的成果。目 前世界上从事过程e r t 研究的以英国u m i s t ( 曼彻斯特理工学院) 的p t 小组较 为领先，主要应用于多相流检测的研究，已经在搅拌器和旋流器等实验装置上 进行了应用研究，并开发出应用于金属容器的e r t 系统。国内多所高校和研 究机构，如清华大学、东北大学、中国科学院、浙江大学，哈尔滨理工大学等 相继着手于成像算法，对应用性的e r t 系统的研