（控制理论与控制工程专业论文）电容层析成像系统的设计及其应用.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 电容层析成像系统的设计及其应用 摘要 两相流( 多相流) 体系在工农业生产中涉及范围十分广泛，如石油工业中的油气、油 水两相流等。过程层析成像技术就是从中飞速发展起来的一门新技术，与其它多相流参数 检测技术和方法相比，它能提供多相流流动过程中多相流混合体局部区域瞬态微观的信 息。 电容层析成像( e c l ) 技术是过程层析成像技术的研究热点之一，具有非侵入性、适 用范围广、响应速度快、成本低廉和安全性能佳等优点，已发展成为一门重要的两相流参 数检测技术。但电容层析成像技术发展至今还很不完善，在系统设计以及应用上尚存在不 少问题和难点。本文针对制约电容层析成像技术发展和应用的微弱电容测量和数据采集速 度等问题进行了深入研究，研制了一套高速电容层析成像系统。本文的主要工作和创新点 如下： 1 多相流参数测量对于科研及工业生产具有重要的意义，本文分析了多相流参数检测 技术的发展历史和现状，介绍了电容层析成像技术的特点、发展现状和工作原理； 2 探讨了电容成像系统的构成，介绍了e c t 传感器的组成和结构类型，对e c t 系统的 传感器进行了优化设计； 3 着重分析了系统传感器中电容测量的问题，通过比较多种电容测量电路，在基于交 流激励原理的的基础上，提出了一种高速实用的电容电压转换电路，实验结果表明该电路 具有良好的静态特性； 4 提出了电容层析成像系统的数字化方案，利用a d 5 3 6 实现交直流电压转换，设计了 以高速数字信号处理器为核心的数字化e c t 系统； 5 介绍了目前常用的几种e c t 图像重建算法及各自的适用范围和特点，并分析了影响 重建图像质量的主要因素。本文对这些图像重建算法进行了仿真，通过比较仿真结果本系 统选择了迭代算法，从而达到设计的要求： 6 开发了e c t 系统的试验装置，并对系统的静态特性、灵敏度、线性和实用性做了大 量的实验，结果表明该系统可以满足设计的要求： 关键词：两相流，电容层析成像，数字化，高速电路，图像重建算法 t h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no fe 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 yt e c h n i q u es y s t e m s a b s t r a c t t 、0 p h a s es t r e a m ( h e t e r o g e n e o u ss t r e a m ) s y s t e mi s a p p l i e db r o a d l yi ni n d u s t r y a n d a g r i c u l t u r e p r o c e s st 叩o g r a m ci m a g i n gt e c h n o l o g y a sar e c e n t l ya p p e a r e dn o v e lt e c m q 眦j 璐t d e v e l o p e df r o mt h i s c o m p a r e dw i t ho t h e rm 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 o l o g i e s ，i t c a l l p r o v i d ei 1 1 s t 锄t a l l e o u sm i c r o c o s m i ci n f o r m a t i o no f t h ep a r t so fm u l t i p h a s 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 ) i sar e s e a r c hs p o t o nt h ef l o wt o m o g r a p h y t e c m q u e s e c ti sf a s t ，n o n - i n v a s i v e ，l o wc o s t , s a f ea n dw i d e l ya p p l i c a b l e i th a s b e c o m eo n e0 f i i 】 1 p o n 锄1 tt e c h n i q u e sf o rt w o 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 b u t t h e r ea r es o m ep r o b l e m s a n dd i f f i c u l t i e si ne c td e s i g n sa n de c ta p p l i c a t i o n s t h i sp a p e r r e s e a r c h e das e to fh i g h s p e e d e c ts y s t e mc o n s i d e r i n gs o m e r e s t r i c t i o n ss u c ha sw e a kc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n ta n dt h es p e e d o fd a t aa c q u i s i t i o n t h em a i nw o r k sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 m u l t i - p h a s ef l o wp a r a m e t e rd e t e c t i o n i sv e r yi m p o r t a n ti ns c i e n t i f i cr e s e a r c ha n di n d u s t r y , t b j sp a p e ra n a l y z e di t sd e v e l o p m e n th i s t o r y a n da c t u a l i t y , i n t r o d u c e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s 、 d e v e l o p m e n ta c t u a l i t ya n dw o r k i n g t 1 1 e o r yo fe c t ； 2 t h ep a p e rd i s c u s s e st h es t r u c t u r eo fe c ts y s t e m ，w ea l s oi n t r o d u c e dt h ec o m p o s i n g 锄d t 1 1 es 仃u 咖eo fe c ts e n s o r , t h e nw eo p t i m i z e dt h es e n s o ri ne c ts y s t e m ； 3 w ee m p h a s i z eo i lt h ec a p a c i t a n c em e 舢e m e n t i ns y s t e m ss e n s o r t h r o u g hc o m p a n n g m a n vk i n d so fc a p a c i t a n c em e a s u r e m e mc i r c u i t s ，w ep u tf o r w a r do r ek i n do fa p p l i e da n d h i 曲一s p e e dc a p a c i t a n c e v o l t a g ec o n v e r t i n gc i r c u i t e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h i sc i r c u i th a sa g o o ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c ； 4 i tp u t sf o r w a r dt h ed i g i t a lp r o j e c ta b o u te c ts y s t e m ，w ed e s i g n e dad i g i t a le c ts y s t e m b a s e do nt h eh i g h s p e e dd s pp r o c e s s o rt h r o u g ha d 5 3 6w h i c h r e a l i z e da c d cv o l t a g e c o n v e r s i o n ； 5 w ei n t r o d u c e ds o m ek i n d so fe c tr e b u i l d i n ga l g o r i t h m s w h i c ha r ei nu s e ，t h e i r c h a r a c t e r i s t i c sa n ds c o p e sa r ea l s oi n c l u d e d w ee s p e c i a l l ya n a l y s et h em a j o r f a c t o ra f f e c t i n gt h e r e b u i l d i n gi m a g e s w ea s l od i ds o m ec y b e r - s i m u l a t i o no nt h o s er e b u i l d i n gi m a g e sa l g o n m m s ， w ef i n a l l yc h o o s et h ei t e r a t i v ea l g o r i t h mb yc o m p a r i s o ni no r d e rt os a t i s f yt h es y s t e md e s i g n ； 6 w em a d eas e to fe c tt e s t e ra n dd i dm a n ye x p e r i m e n t so nt h es t a t i cc h a r a c t e n s t l c ， 浙江工业大学硕士学位论文 s e n s i t i v e n e s s ，l i n e a r i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h i se c ts y s t e mc a ns a t i s f y t h ed e s i g n ； k e yw o r d s ：t w 唧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 , h i g h s p e e dc i r c u i t ，i m a g e r e b u i l d i n ga l g o r i t h m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 彩、易 日期：刀年万, e j 彬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 一， 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：獭日期：口7 年 刷醛名仳也日 6 - 月碜日 厂月圹日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 两相流体系在工农业生产中涉及范围十分广泛，如石油的催化裂化，矿物的流态 化焙烧，矿石、残渣的水利输送和污水处理排放系统，化学工业中流化床反应装置中 的气固两相流等等。 两相流检测的重要性随着经济建设的发展而得到普遍的重视，对多相流在工业生 产过程中的计量、节能与控制提出了更高的要求，但目前多相流参数检测技术的发展 水平远远不能满足工业发展的要求，多相流检测技术发展现状和水平与飞速发展的现 代工业应用之间的矛盾日益突出。因此，发展多相流检测技术是现代工业发展的迫切 要求，研究多相流技术对国民经济的发展具有重要意义。 由于两相流的流动特性复杂多变，参数检测难度大，因此其检测技术无论在国内， 还是国外都尚属一个急待发展的研究探索领域。对两相流( 多相流) 参数进行测量的迫 切要求，使得过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y 简称p d 技术应运而生i 。 1 2 过程层析成像技术概述 过程层析成像技术也常称为流动成像( f l o wi m a g i n g ) 技术，是本世纪7 0 年代中后 期开始正式形成和发展起来的，是一种以两相流或多相流为主要研究对象，在不损伤 研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，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，在使用计算机生成对象内部的二维或三维图像， 重现对象内部特征的技术。 过程层析成像技术的出现将两相流参数检测方法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分布状况的在线、实时测量，从而大大提高了目前 对人们生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计测量提供了一种全新 手段【2 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 由于气固两相流动的复杂性，使得测量技术面临着不少困难。这些问题主要表现 在以下几个方面： 1 在浓度分布不均情况下，固相浓度沿管道截面和管道长度的分布并不均匀。因 此，要知道某个时刻某个截面或者整个流场浓度分布的话就须使用一定的测量技术与 仪器。单一传感器不能给出固相浓度分布的准确测量结果。 2 流动结构气固两相流不仅流型多样，而且多种流型会同时存在或互相转化，且 不同流型之间的转化无明显过渡。这就增加了气固两相流的测量难度。 3 如果在循环流化床中应用压差来测定固相浓度时，将固体加速运动的力归于浓 度作用，测量值会发生很大的偏差，而这个问题通常在研究中都被忽视了。 4 速度气固两相流动的速度在被测区域有时变化很大，这对利用”j 射线需要 相对长时间积蓄能量并对被测区域进行机械扫描来获取信息的方法来说，其测量是有 很大困难的。 5 非透明性对于占现在测量比重越来越大的光学测量法来说，若被测区域透光性 不好，如流化床底部浓相颗粒浓度或被测管道不透明，则测量就会变得无能为力。这 将限制利用激光、p i v 等光学性质的非接触式测量在工业测量中的实际应用。 6 侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差。接触式气固两相流体的测量元件容易 发生堵塞及磨损，从而妨碍仪器正常工作，减少仪器使用寿命。 7 其他非测量因素干扰流动中不可避免要受噪声、振动等非测量因素的干扰，使 得测量结果不能反映真实浓度。 以上这些问题使得气固两相流测量技术研究面临严峻的形势。由于人们对气固两 相流物理特性的认识仍有局限，因此，迄今为止仍没有一种较为理想的气固两相流动 的测量仪器。 为了解决上述问题，国内外学者们几十年来仍孜孜不倦地进行研究和探索。在我 国，清华大学和天津大学于2 0 世纪8 0 年代率先进行了流动层析成像技术的研究，而 后浙江大学、东北大学、武汉大学、浙江工业大学、中国科学院和哈尔滨理工大学等 高等院校和科研单位也相继开展研究，己经开发出几种基于不同传感机理的流动层析 成像样机系统。国家自然科学基金委员会及有关工业部门也给予有利的资助以支持流 动层析成像技术的研究和开发【4 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 尽管存在一定的困难，但与其他多相流参数检测技术和方法相比，流动层析成像 技术应用于多相流参数检测具有显著的特点和优势，体现在以下几个方面： 1 能够提供多相流混合体流动过程中局部区域瞬态的信息，即管道某一界面处的 多相流断层图像。基于这些信息可对多相流系统的流型进行辨别； 2 通过对图像的处理和分析，可得多相流混合体各分相局部浓度分布，进一步处 理可得各分相的总浓度； 3 与其他测量技术或仪表相配合可应用于多相流总质量流量、部分质量流量以及 流速的实时检测。 4 流动层析成像技术还具有适用范围广的优点，各种工业生产过程中常见的多相 流均能应用该技术。 1 3 过程层析成像技术发展趋势 目前看来多相流检测技术研究的发展趋势主要有以下几个方面： 1 多相流流动过程是一个复杂的多变量随机过程。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) 辩识的理论和技术， 进行多相流参数的估计将成为重要的发展趋势。 2 随着计算机技术和图像处理技术的发展，获取关于多相流体的多个信息，应用 流动层析成像技术，对多相流体局部空问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 在速度测量方面，相关法、空间滤波法和激光多普勒法等测量技术和方法将获 得广泛的应用。 5 如何将成熟的传统单相流参数检测技术和测量仪表用于多相流参数检测仍将 是一个重要的研究方向。 与其它多相流参数检测技术和方法相比，它能提供多相流动过程中多相流混合体 局部区域瞬态微观信息。国内外最新研究进展表明，基于电学( 包括电容、电导、电磁) 浙江工业大学硕士学位论文 和超声波等传感机理的流动层析成像技术将是今后重点发展的过程层析成像技术。因 为这些过程层析成像技术具有成本低、速度快、适用范围广、系统结构简单、安全性 能好等特点，适合工业过程大规模推广应用。尤其是基于电学原理的各种过程层析成 像技术，近年来己经取得了很大的进步，某些研究成果已接近工业实际应用【5 】【6 1 。 1 4 本文的工作 近年来，e c t 技术得到了较大的发展，系统的性能指标也有了很大的提高，并逐 步走向工业应用。但是日前的电容层析成像系统还需在以下方面努力：针对具体应 用场合的电容传感器的优化设计；高灵敏度、高可靠性的微弱电容测量方法和电路 的研究；新的更准确的图像重建算法的研究。只有克服现有电容层析成像系统存在 的误差大，重建图像质量不高等缺点，才能真正应用于工业过程在线测量与控制。 本文主要完成的工作： 1 对e c t 系统的基本构成、发展现状以及存在的一些问题进行叙述，分析其工 作原理； 2 分析了电容测量中存在的主要问题，在比较多种电容测量电路的基础上提出了 高速高精度的c 转换电路，并在大量实验的基础上得出优化电路，使得电路具有 较好的抗杂散电容能力； 3 采用了u s b 进行数据的交换和采集以提高数据传输速度，以d s p 芯片为核心 设计了e c t 数据采集系统； 4 对目前常用的几种e c t 图像重建算法进行比较分析，通过仿真对不同算法进 行成像比较、评测，选取适合的算法； 5 开发了e c t 系统的试验装置，并对系统进行了静态特性、灵敏度、线性和实 用性做了大量的实验，进行分析，得出该系统可以满足设计的要求。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章过程层析成像技术 2 1过程层析成像技术的基本原理 过程层析成像技术的数学基础与医学工程中的计算机成像技术的数学基础相同，都 是雷登( r a d o n ) 变换与雷登反变换。 过程层析成像技术的实质就是运用一个物理可实现的系统完成对被测物场特性分布 函数f ( x ，y ) 的雷登变换与雷登反变换。它的具体内容是，采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物场的信息：运用信号处理技术及定性或定量的图 像重建算法，在线实时重建出被测物场的图像；通过对重建图像信息的分析以及不同时 刻下重建图像信息的比较，获得被测物场的分布状态及其运动变化特征；有时还要根据 从重建图像信息中提取出的特征参数，按照有关的理论模型，发出响应的控制信号，以 实现对被观测过程的调节，保证生产过程高效、安全的进行。 设为定义在二维空间上i 也的连续有界函数，l 为一直线，称函数f ( x ，y ) 沿直线l 的线积分： r f ( 工，j ，) ：f ，( x , y ) d r ( 2 - 1 ) 为r a d o n 变换，式中：d l 表示线微元，记符号r 为r a d o n 变换算子。d l = ( 出) 2 + ( 咖) 2 采用新的坐标系t - s ( 旋转坐标) ，与原坐标成口角，s 轴与直线l 平行。 采用新的坐标系t - s ( 旋转坐标) ，与原坐标成0 角，s 轴与直线l 平行。 两坐标系转换关系如下： x = c o s t 2 f s i n a s y = s i n a x t + c o s t z x s ( 2 2 ) 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) ，可得： 埋 e f ( t ，口) = f ( t c o s a 一s s i n a ，t s i n c r + s c o s a ) d s ( 2 3 ) r a d o n 给出了式( 2 3 ) 的逆变换公式：函数f ( x ，y ) 在定义域r 2 中任意一点( x ，y ) 处的 浙江工业大学硕士学位论文 值可经过该点的所有线积分的集合按下式确定。 m ，j ，) 一2 万1 一一- l i m 。f ；l g 占 r f l ( x c o s a + y s i n c r + q , a ) 蛐 ( 2 - 4 ) 式中：硕( g ，口) 表示：矽( g ，口) 关于第一变元q 的偏导数。现在一般将函数f ( x ，y ) 称 为“图像”，将矽( g ，口) 称为该“图像”沿某一投影方向( 直线l ) 的“投影”，则r a d o n 逆变换 的含义是由“图像”在所有方向上的“投影”可“重建”该“图像”，因此，r a d o n 变换和r a d o n 逆变换为c t 和p t 奠定了数学基础。 由上可以得出过程层析成像的实质是：用传感器以非侵入方式获取封闭管道、容器、 反应器等设备内的物场在各方向上的投影数据( 即实现r a d o n 变换) ，并运用定性或定量 的图像重建算法，重建反映物场在某一二维截面上或某一三维空间上的分布信息的图像 ( 即实现r a d o n 逆变换) ，然后从图像中提取相关特征信息以实现对物场的参数检测和状 态控制【1 3 】【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。 2 2 系统的基本组成 一个典型的过程层析成像系统如图2 1 所示，主要山以下几个部分组成： 1 基于不同物理原理的传感器阵列子系统 这部分包括特殊设计的敏感器空间阵列及其激励电路。传感器的作用是以非接触或 计l i t 机 图2 1 过程层析威像系统的构成 非插入的方式获取被测物场在不同观测角度下的投影数据，它决定着整个系统的检测灵 敏度与准确度，是所有层析成像系统的心脏。 2 数据采集和信号处理子单元 该系统对由传感器子系统获取的投影数据进行放大滤波和a d 转换。为保证在完整 6 浙江工业大学硕士学位论文 的采集和处理间间隔内，被测物场分布基本不变，常采用并行处理结构。另外还要保证 此系统具有抗干扰、低温漂、性能稳定等特点。 3 图像重建单元 该单元是利用扫描测量所得的数据，完成由投影数据到图像这一逆问题的求解。对 管道或过程容器截面内各相组分进行空间定位。图像重建算法的高效性、收敛性及精确 性是影响过程成像系统性能的一个重要因素。 4 图像解释及显示单元 根据图像重建获得的关于管道或过程容器截面各局部的原始信息，通过分析和处理， 给出检测参数值和被测流体相分布的像素灰度值，并在计算机上显示实时图像及相关信 息，并可进一步提取成像物体的特征参数【1 7 1 。 2 3 电容层析成像技术( e c t ) 电容层析成像( e c d 技术是2 0 世纪8 0 年代中后期发展起来的p t 技术。e c t 技术的 工作机理是：非导电物场内介质分布变化而引起电容值的变化，通过测量电容值的变化 来重建物场内介质分布而实现对多相流参数的检测( 具体分析可见本文第三章内容) 。 在所有过程层析成像系统中，电容层析成像系统适用范围广、传感器结构简单、非 侵入式、响应速度快、安全性能好以及较低的成本等特点称为今后过程层析成像技术发 展的重要方向和研究热点之一。而且随着微电子技术、并行处理、计算机技术和图像处 理技术的发展，e c t 技术目前存在的问题可望逐步得到解决。 电容层析成像技术的难点在于： 一、硬件方面 1 杂散电容往往比需要的真实信号大几个数量级，因此要求测量电路具有很强的抗 杂散电容的能力否则真实信号将被杂散电容淹没而无法测量； 2 为了尽量提高介质分布变化的分辨率，相应要求测量电路具有较高的测量分辨率； 3 由于一组测量值的最大值与最小值之间相差较大，往往不在同一数量级，因此要 求测量电路具有较好的测量线性度； 4 一般e c t 的应用场合存在难以避免的噪声干扰，因此要求测量电路具有较高的信 噪比； 5 e c t 的测量对象，尤其是在两相流领域，介质变化快速多样，相应要求测量电路 浙江工业大学硕士学位论文 具有尽可能高的数据采集速度。 二、软件方面：即指图像重建算法方面 图像重建算法方面的研究也在不断的深入，新算法不断涌现，但是从原理上讲，图 像重建这一逆问题是一个不适定问题，且其不适定性主要表现为解的不稳定问题，在不 完备投影数据条件下还有多解问题。总体而言，由于e c t 传感器的软场特性，现有的各 种图像重建算法的重建图像质量和硬场条件下的c t 重建图像质量相比还有不小差距， 还有待进一步的研究和发展。 总而言之，电容层析成像技术今后发展的方向是：1 ) 针对具体应用场合的电容传感 器的优化设计；2 ) 高灵敏度、高可靠性的微弱电容测量方法和电路的研究：3 ) 新的更准确 的图像重建算法的研究。 2 4 本章小结 本章对层析成像的基本原理进行了简述。对电容层析成像技术按硬件部分和软件部 分影响图像重建因素进行了探讨。最后总结了e c t 技术的难点和尚待解决的问题。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第3 章电容层析成像系统的设计 一个典型的电容层析成像系统包括：电容传感器阵列、测量及数据采集电路、成像 计算机三大部分。图3 1 是8 电极电容成像系统的示意图，其基本原理是在流体流动管 道沿管道外侧均匀地粘贴若干电容极板，任意2 个极板均可组成1 个两端子电容。管道 内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板间介电常数变化，从而引起电容值的微小 变化。各对极板间的电容值包含了与相分布有关的信息，通过测量不同极板组合间的电 容值并将值送入计算机按一定的算法进行图像重建，就可以得到管道截面上的相分布图 像。一个系统总可以分为硬件和软件，e c t 系统也可以分为：电容传感器阵列和数据 采集系统中的电路设计合起来称为硬件，数据采集系统中的控制部分和成像系统称为软 件。 电容传感器阵列 3 1e c t 传感器 3 1 1 传感器的组成 图3 18 电极电容成像系统的示意图 电容层析成像系统的传感器结构如图3 2 所示。在绝缘管道壁# i - n 均匀地安装有多 对铜极板，为防止外界电磁场的干扰，电极板的外部设置接地屏蔽罩。为降低相邻极板 9 浙江工业大学硕士学位论文 间的固有电容以扩大系统的动态范围，在极板问设置接地的径向保护电极板。 般地，对于一个n 电极系统，可得到的独立的电极对组合数n 为： n = c ；= n ( n 1 ) 2 ( 3 1 ) 以8 电极传感器系统为例，介绍其工作情况。以8 个极板的某一个极板为起点，顺 次为8 个极板编号，即电极1 ，2 ，8 。在一个完整的测量过程中，电极l 首先被选 择为源极板，作为公共电极，分别对电极对1 - 2 ，1 3 ，1 8 之间的电容进行测量， 即给电极1 加某一电压，分别以电极2 ，3 ，8 为检测电极进行7 次测量，分别测量 出正电位极板与检测极板间的电容，每次测量是闲置电极皆接地。下一步，选择电极2 为源极板，作为公共电极，测量电极对2 3 ，2 - 4 ，2 - 8 的电容值。依此类推，直至 电极对7 8 。这样，在此8 电极系统中总共可获得2 8 个独立的测量值，并依上述顺序 编号为c l ，c 2 ，c 2 8 ，此外在考虑单个电容并注重电容的来源时，常用c h 表示 极板对i i j 间的电容。 图3 - 2电容层析成像系统的传感器 一方面管道内不同位置的介质对同一极板对的电容值影响程度不同，即软场特性； 另一方面管道内同一点的介质对不同极板对的电容值的影响也不同。个电容极板对间 的电容值实际上可近似的看作是管道截面内所有点对该电容不同贡献的迭加，因此，每 对电极电容的测量实质上是对管截面内多相流体的扫描，一个电容测量值就可看成管内 多相流体在某一方向或角度的投影数据。一次完整的测量过程，可对管内多相流体进行 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 8 个不同角度的扫描，获得2 8 个投影数据，电容层析成像就是利用这些投影数据来获 取多相流的各相参数和进行重建图像的。 3 1 2 传感器的结构类型 e c t 系统传感器结构分圆形和方形两种。目前应用较多的是圆形结构，它主要适 用于圆形管道或容器；而方形结构主要适用于方形流化床等。现就圆形结构进行分析 【2 0 】 0 传感器结构按测量极板是贴在绝缘管道的内壁或外壁以及是否使用径向保护，可分 为四种类型，如图3 3 。这四种结构的特点和使用场合如表3 1 所示。 置 一三罩 图3 - 3e c i 传感器的四种类型 ( a ) 类型1 ：外电极不带径向保护极板 ( b ) 类型2 ：外电极带径向保护极板 ( c ) 类型3 ：内电极不带径向保护极板 ( d ) 类型4 ：内电极带径向保护极板 表3 1四种类型e c t 传感器特点 嘉絮 1 234 电极位置外电极外电极内电极 内电极 径向保护极板无 有无有 构造简单成本相邻极板本体电 灵敏度高，构造 灵敏度高；相邻极板 优点低，与被测物场容小，与被测物场本体电容小，无管壁 不接触不接触 简单 电容影响 浙江工业大学硕士学位论文 相邻极板本体电 有管壁电容影响， 与被测物场接 与被测物场接触， 问题 容大，受管壁电触，无管壁电容 容影响 结构较复杂 结构复杂 影响 气力输送；油 流化床：油，气 应用举例 气水双模式p t 输油管路：流化 水三相流测量：火焰监测 床；水锤监测 系统； 火焰监测 3 1 3 影响传感器性能的参数及优化 传感器的优化设计就是研究各个结构参数对传感器性能的影响，合理设计传感器的 结构，使传感器的性能得到优化。这对整个系统的性能都具有深刻的影响。电容层析成 像技术对其电容传感器的性能要求主要衬2 1 】瞄】【2 3 】【2 4 j ： 1 灵敏度高。电容传感器在空管状态下其电极间也会形成一组电容值，而管中为 多相介质时，电极间电容也会发生变化。一方面电容变化量的绝对值要高，另一方面变 化量相对于静态电容值之比要高； 2 抗干扰的能力强。传感器的敏感空间要集中于传感器内部我们所感兴趣的一定 空间内，而敏感空间以外空间内介电常数的变化对传感器输出无影响； 3 高频性能好。 本节先从提高检测场灵敏度分布的均匀性入手，通过几种不同结构传感器的比较， 确定电容传感器的总体设计方案。根据使用要求，对电容传感器的各个结构参数进行优 化选择，以确定适用于电容层析成像系统的电容传感器。 影响传感器性能的因素有： ( 1 ) 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，微弱电容检测难度将加大，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。 ( 2 ) 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，则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，电容检测难度增加，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。 浙江工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 电极张角越大，相邻电极对间的常电容值( 即空管时的电容值) 就越大，但同 时最大电容值与最小电容值的比也随之增大。因此电极张角存在着一个最优化值，过大 或过小对测量均有不利影响。 ( 4 ) 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，因而高灵敏区往往为 管壁所占，那么，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。径向电极的 存在大大降低了相邻电极间的电容。 ( 5 ) 径向极板的作用和径向极板的宽度及其插入管道壁的深度有关。当屏蔽极板 不插入管壁时，对空管满管时的电容值及其变化量影响不大，屏蔽极板插入管壁越深 影响越大【2 5 】1 2 6 1 。 在遵循上述设计原则，力求传感器结构简单、紧凑、实用的基础上，在e c t 系统 实验装置中所设计的传感器，主要体现在两方面： 1 使用径向保护方式。使用的屏蔽罩隔着一层薄绝缘胶和极板紧贴在一起，屏蔽 罩和极板之间不留空隙。屏蔽罩在轴向上比极板长，两端长出的部分直接贴在管壁上， 起到极板的轴向保护作用，如图3 - 4 。实验结果表明采用这种结构要求c v 转换电路具 有较高的灵敏度，但不会影响成像质量： 屏蔽罩，轴向保护 图3 4 传感器结构图 2 通过改变激励源幅值方式( 具体见第三章) ，这样可使传感器结构变得简单。 上面两种方法都可以达到降低相邻极板对检测场灵敏度的功能。 传感器的空管满管电容变化量体现了传感器对管道内所有单元的整体敏感度，其 浙江工业大学硕士学位论文 数值越大传感器对管道内多相流的整体灵敏度越高，因此空管满管电容变化量可作为传 感器性能的一个重要指标。为了研究传感器中各个结构参数对传感器性能的影响，以下 对具有不同结构参数的传感器的性能进行有限元仿真分析，主要分析各项结构参数的变 化对空管与满管电容及其变化量的影响。为了方便比较各参数对性能的影响，本节采用 以下参数的传感器作为参考基准：r 1 = 2 5 5 m m ，r 2 = 3 2 5 m m ，r 3 = 3 6 5 m m ，0 = 3 0 0 ，n = 8 ， 无径向屏蔽极板，管道壁及绝缘填充材料的介电常数8 3 ) 占。都是5 。对传感器如下参数 的变化进行分析：管道壁厚度、管道壁介电常数、填充材料介电常数、电极板与外屏蔽 罩间的距离r 3 r 2 和径向屏蔽罩是否存在，由于传感器的对称性，故只有1 2 ，1 3 ， 1 4 ，1 5 之间的空管与满管的变化量。详情见表3 2 。 表3 - 2 空管电容值变化 单位p f m 传感器结构c i 2c 1 _ 3c 1 4c i - 5 基准传感器 1 8 4 2o 1 8 30 0 9 00 0 7 4 极板宽度= 8 2 9 5 40 2 1 30 0 9 60 0 7 9 极板宽度- - 9 1 7 9 00 1 7 00 0 8 40 0 6 9 r 2 r l = 1 01 8 8 30 2 0 60 0 9 30 0 7 5 r 3 r 2 = l43 6 6 40 2 3 90 1 1 3 0 0 3 9 r 3 r 2 = 2i 2 9 6o 1 5 10 0 7 60 0 6 3 表3 - 3 满管电容值变化 单位p f m 传感器结构c i - 2c 1 0 3c v 4c 1 5 基准传感器 1 8 9 61 0 8 20 9 6 20 9 2 8 极板宽度= 8 3 2 1 31 6 7 21 4 0 81 3 3 8 极板宽度= 9 1 8 7 81 0 3 10 9 1 40 8 8 2 r 2 r 1 = 101 6 6 70 8 2 60 7 5 20 7 3 1 r 3 r 2 = 143 5 4 71 3 5 01 1 9 61 1 5 4 r 3 r 2 = 21 4 3 60 9 2 60 8 2 20 7 9 4 通过对管壁厚度和极板宽度的理论和m a t l a b 实验仿真分析，可以得出最优传感 器参数如下： 表3 - 4 传感器结构参数 管子内径 18 8 c o r n 管子外径2 2 3 c o m 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 屏蔽罩直径 2 5 o c o m 极板长度1 0 c o r n 极板宽度 8 c o r n 极板张角 4 0 6 0 3 2e c i 系统对电容测量电路的要求 由于e c t 传感器的被测电容值一般在0 0 1 p f l p f 之间，属于微弱电容的检测， 因而成为e c t 系统中最关键、也是最难以解决的问题之一。 由于在e c t 系统中，被测电容变化量很小，杂散电容很大，因此e c t 技术对电容 检测提出了极为苛刻的要求。一般在一个e c t 系统中，主要有以下3 个方面的杂散电 容。( 1 ) 用于极板阵列控制电路的c m o s 开关的耦合电容；( 2 ) 电容极板和电容测量 电路之间的连线电容；( 3 ) 极板和接地屏罩间的电容。以上3 个方面加起来的杂散电容 大于需被测的本体电容，因此测量电路必须满足以下几点： 1 强的抗杂散电容干扰； 2 实时性高，较低的漂移和噪声； 3 动态范围大； 4 线性要好。 目前，电容测量常见的方法有直流充放电激励法、交流激励法、磁感应c v 转换 测量法等，其中充放电激励法和交流激励法等由于能有效地克服分布电容的影响，因此 被广泛应用于电容成像系统中。但由于充放电激励法是采用直流放大，所以有漂移及 c m o s 开关的电荷注入问题，需在电路中周期性检测并补偿。与此相比，交流激励法 测量电路中，切换激励极板与测量极板的c m o s 开关阵列不再处于高频的导通关断状 态，使得测量电路受注入电荷的影响大大减少。因此交流激励微电容测量信号的信噪比 和稳定性比充放电激励电路要好【2 7 】【2 8 】。 3 3 交流激励法电容测量电路 正弦信号v s ( t ) 对被测电容进行激励，激励电流流经有反馈电阻r ，、反馈电容e 和 宽带运放组成的检测器d 转换成交流电压v o ( t ) ： 浙江工业大学硕士学位论文 = 一而j w r c , k ( ，) ( 3 2 ) 如果参数w ，尺和c ，满足j w r c ： 1 ，那么( 1 ) 式为： 啪) - 导啊) ( 3 - 3 ) 式( 3 - 7 ) 表明，输出电压值正比于被测电容值。为了使输出直接反映被测电容的变化量， 目前g - 用的是带负反馈回路的c v 转换电路。这种电路的特点是抗杂散性、分辨率可 高达0 0 4 u f 。 图3 5 交流激励电容电压转换电路原理图 由于采用交流放大器，所以有低漂移、高信噪比，但电路较复杂，成本高，频率受 限。在图3 5 中，流经c s l 的电流不会流过被测电容c x ，所以不会对测量结果造成影响。 而c s 2 接在运算放大器的正负输入端，在使用开环增益为无穷大的理想运算放大器的时 候，由于c s 2 两端电位为零，没有电流流过，因此不会影响测量结果。然而，使用开环 增益有限的实际运算放大器的情况下，由于运算放大器正负输入端之间电压差不为零， 因此会有电流流过c s 2 ，但是分布电容c s 2 对测量电路输出电压幅度的影响与相比c x 少了几十万倍，所以可以忽略不计【2 9 】。 】6 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 高速高精度电容测量电路的设计 3 4 1o v 电路的设计 图3 _ 6 高速c n 转换电路 虽然a c 型c v 转换电路己用于新一代e c t 系统中，但它仍存在电路结构复杂、 造价高等不足。作者在分析该电路的工作原理时认为：1 ) 目前a c 型转换电路都是单 模式工作，即非反馈模式或负反馈平衡模式。这两种电路都具有各自的特点：非反馈模 式不存在反馈平衡过程，转换速度较快，但不适合应用于具有大本体电容的传感器结构， 因为它容易使输出饱和；负反馈模式可适用于具有大本体电容的传感器结构，但因为存 在平衡过程，转换速率较慢。如果将两者集成在一起，构成一个具有双模式的转换电路 的话，则该电路不仅可适用于不同的应用场合，而且电路造价比具有同等功能的单模式 电路造价要低。2 ) 目前的a c 型转换电路的激励信号幅值都是固定的，在测量中导致传 感器的相邻极板对的输出很大而相对极板对的输出很小，从而影响了成像质量。如果激 励信号幅值是实时可控的，即在测量相邻极板时，将激励信号幅值降低，而在测量相对 极板时，将激励信号幅值提高，则会使各极板的测量输出相差不大，有利于成像质量。 3 ) 对于电路中的信号发生相位偏移，为保证相位。实现电路相对复杂，可否采用其它方 法实现。根据以上思路，作者结合实际研制了一种c v 转换电路。电路结构如图3 - 6 所示。 通过微机控制开关k 的状态来选择电路的工作模式即非反馈或负反馈方式；通过 浙江工业大学硕士学位论文 微机控制乘法器a 的一路输入信号实现激励信号的幅值可变。图3 - 6 中，最终的输出量 包含着两个电容：本体电容和实际电容变化量。但是本体电容远大于实际电容变化量， 如交流放大器放大倍数过大，则输出容易出现饱和，但放大倍数过小，输出又不易表现 实际电容变化量。因