電容層析成像技術(shù)（Electrical Capacitance Tomography,簡稱ECT）是一種工業(yè)過程層析成像技術(shù),主要用于對兩相流和多相流進(jìn)行測量和成像。該技術(shù)根據(jù)被測物質(zhì)各相之間具有不同的介電常數(shù)的性質(zhì),通過測量排列在管道周圍電極對之間的電容值,采用合適的圖像重建算法,來獲取管道內(nèi)的介質(zhì)分布情況。與其它過程層析成像檢測技術(shù)相比,ECT具有非侵入、無輻射、成本低、安全性能好和成像速度快的特點(diǎn)。電容層析成像技術(shù)在兩相流或多相流檢測上有廣泛的應(yīng)用,例如石油的開采與運(yùn)輸、流化床氣固兩相濃度分布可視化和氣力運(yùn)輸?shù)�。本文主要針對電容層析成像系統(tǒng)圖像的重建過程,提出了一種基于智能算法的圖像重建算法,并通過自主搭建的電容層析成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境,對該算法的實(shí)際成像效果與傳統(tǒng)成像算法進(jìn)行對比分析,完成理論中算法改良效果的驗(yàn)證。首先對電容傳感器中敏感場的物理意義以及靈敏度矩陣求解過程進(jìn)行了闡述,利用COMSOL Multiphysics多物理場耦合軟件將8電極電容傳感器進(jìn)行建模,根據(jù)有限元分析的方法對傳感器內(nèi)部場域進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分割,對三種流型進(jìn)行仿真,為后面的實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建提供理論基礎(chǔ);然后對經(jīng)典的... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

ECT技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域Fig.1-1applicationofECTtechnology

中北大學(xué)學(xué)位論文62電容層析成像技術(shù)原理本章將詳細(xì)的介紹ECT系統(tǒng)的架構(gòu)和各部分的組成，并解釋ECT圖像重建技術(shù)的數(shù)學(xué)原理和物理學(xué)依據(jù)。接著說明了電容傳感器物理場內(nèi)靈敏度的含義，根據(jù)靈敏度分布函數(shù)，推導(dǎo)了ECT系統(tǒng)中圖像重建的所需電容數(shù)據(jù)的表達(dá)式。最后介紹幾種常見的圖像重建算法，并對這幾種算法的進(jìn)行了仿真，通過對比成像的效果，歸納出不同成像算法的優(yōu)點(diǎn)和不足。2.1電容層析成像系統(tǒng)組成ECT系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成，即電容傳感器、信號采集單元和圖像重建單元[25]，其架構(gòu)如圖2-1所示。其中信號采集單元包括了微小電容測量模塊和用于控制電極激勵(lì)的電極轉(zhuǎn)換與控制模塊。在管道內(nèi)，由于不同性質(zhì)和比例的物質(zhì)形成的混合相具有的等價(jià)介電常數(shù)也不同，電容傳感器能得到變化的電容數(shù)據(jù)。這些電容數(shù)值通常很小，需要用特別設(shè)計(jì)的微小電容測量模塊進(jìn)行測量，然后信號獲取單元將數(shù)據(jù)傳送至圖像重建單元，經(jīng)過圖像重建算法進(jìn)行最終的成像[26]。圖2-1電容層析成像系統(tǒng)Fig.2-1Capacitancetomographysystem下面分別對這三個(gè)模塊進(jìn)行了說明。（1）電容傳感器電容傳感器通常由分布在絕緣管道外壁的若干個(gè)極板構(gòu)成[27]。在實(shí)際的工作生產(chǎn)中，傳感器管道外部的電磁場環(huán)境很復(fù)雜，會對管壁里的物理場空間造成干擾，因而會對極板間的電容值測量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，為了防止這種來自外界的干擾，一般會在傳感器管道和測量電極外增加一個(gè)接地的屏蔽罩。此外，相鄰的極板之間會有固定的電容，這

緙?和電極3，一直到電極1和電極8之間的電容值。然后將2號電極作為激勵(lì)電極，由于1號和2號的電極已經(jīng)測過，所以只需測量從3號開始的6個(gè)電極。根據(jù)規(guī)律，最后測量出7號和8號電極之間的電容值。經(jīng)過一輪測量，一共可得到28個(gè)獨(dú)立的電容值。通常對于由N個(gè)電極的電容傳感器，一個(gè)測量周期獲得的電容值個(gè)數(shù)為M=N(N-1)。不同結(jié)構(gòu)和尺寸的ECT傳感器對管內(nèi)介質(zhì)的測量數(shù)據(jù)也會有區(qū)別，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了多種構(gòu)型的傳感器結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)適用于不同使用場景。目前ECT傳感器主要分為UMIST型、METC型和BERGEN型三種[30]。如圖2-2所示，這三種結(jié)構(gòu)的傳感器區(qū)別在于電極的排列和軸向保護(hù)電極的結(jié)構(gòu)。UMIST傳感器的特點(diǎn)在測量電極的上下方增加了兩個(gè)接地的環(huán)狀電極，其設(shè)置位置距離測量電極不超過傳感器的直徑[31]。METC型傳感器的特點(diǎn)是在測量電極的上下方增加了兩組電極，每組電極與測量電極的寬度和距離相同，在傳感器工作時(shí)，各組電極上施加上與對應(yīng)測量電極相同的電壓[32]。BERGEN型的傳感器上沒有設(shè)置任何保護(hù)電極。圖2-2三種類型ECT傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2-2SchematicdiagramofthreetypesofECTsensors軸向保護(hù)極板主要用來削弱測量電極邊緣效應(yīng)所產(chǎn)生的影響。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)METC型


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