新型電學(xué)層析成像技術(shù)及其應(yīng)用研究.pdf

1、電學(xué)層析成像(Electrical Tomography，簡稱ET)技術(shù)響應(yīng)速度快、設(shè)備成本低、安全性好且無輻射，在兩相/多相流測量領(lǐng)域具有重要的研究價值與廣闊的應(yīng)用前景。目前，ET技術(shù)的研究雖有很大進展，但其發(fā)展尚未成熟。一方面，現(xiàn)有電阻層析成像(Electrical Resistance Tomography，簡稱ERT)系統(tǒng)均采用接觸式測量方法，其電極與被測流體直接接觸，易導(dǎo)致電極的極化、沾污與電化學(xué)腐蝕等問題;另一方面，對于實際

2、工業(yè)過程中的復(fù)雜介質(zhì)分布，如油氣水三相流，單模態(tài)成像系統(tǒng)難以滿足其狀態(tài)監(jiān)控與參數(shù)測量的需求，亟須研究雙模態(tài)或多模態(tài)成像技術(shù)。
　　電容耦合非接觸式電導(dǎo)測量(Capacitvely Coupled Contactless ConductivityDetection，簡稱C4D)技術(shù)能夠避免接觸式電導(dǎo)測量系統(tǒng)的電極極化、沾污與電化學(xué)腐蝕等問題，從而有效消除電極污染所引起的測量誤差，不僅為解決現(xiàn)有ERT系統(tǒng)由于電極與被測流體直接接觸導(dǎo)致

3、的一系列問題提供了有效辦法，而且為ET技術(shù)的發(fā)展提供了一條新思路。
　　本學(xué)位論文旨在提出并研究基于C4D原理的新型ET技術(shù)。一方面，本文提出并研究了一種基于C4D原理的新型ERT技術(shù)，即電容耦合電阻層析成像(Capacitvely Coupled Electrical Resistance Tomography，簡稱CCERT)技術(shù);另一方面，本文提出并研究了一種基于C4D原理的新型雙模態(tài)電容/電阻層析成像(Electrical

4、 Capacitanve Tomography/Electrical Resistance Tomography，簡稱ECT/ERT)技術(shù)。論文的主要研究工作與貢獻如下:
　　(1)提出了CCERT技術(shù)并驗證了該技術(shù)的可行性;建立了CCERT傳感器的數(shù)學(xué)模型并基于有限元方法(Finite Element Method，簡稱FEM)計算與分析了CCERT傳感器的典型敏感場分布;提出了一種基于相敏解調(diào)(Phase SensitiveD

5、emodulation，簡稱PSD)技術(shù)的測量方法以獲取反映被測流體電導(dǎo)率分布的電阻測量值;研制了一套12-電極CCERT樣機系統(tǒng)并驗證了該系統(tǒng)的有效性。
　　(2)為了克服CCERT圖像重建問題的不適定性，一方面將Tikhonov正則化方法與同步迭代重建技術(shù)(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，簡稱SIRT)相結(jié)合，提出了第一種CCERT圖像重建新算法。另一方面，將Le

6、venberg-Marquardt(簡稱L-M)方法與同步代數(shù)重建技術(shù)(Simultaneous AlgebraicReconstruction Technique，簡稱SART)相結(jié)合，提出了第二種CCERT圖像重建新算法。在12-電極CCERT樣機上進行的圖像重建實驗表明:所提出的兩種CCERT圖像重建新算法的重建圖像能夠反映被測場域內(nèi)介質(zhì)的真實分布，比傳統(tǒng)電學(xué)層析成像圖像重建算法更適合于CCERT圖像重建。第二種CCERT圖像重建

7、新算法能夠自適應(yīng)地選擇具有正則性的阻尼因子，因而其使用更加方便。兩種CCERT圖像重建新算法的對比結(jié)果表明:在測量數(shù)據(jù)的誤差與噪聲較小時，建議采用基于L-M與SART的圖像重建新算法，因為這種情況下其圖像重建效果更優(yōu)。在測量數(shù)據(jù)的誤差與噪聲很大時，推薦采用基于Tikhonov正則化與SIRT的圖像重建新算法，因為其穩(wěn)定性更好。
　　(3)研究了CCERT技術(shù)在氣液兩相流流型辨識中的應(yīng)用;基于CCERT技術(shù)并結(jié)合k近鄰(k-Near

8、est Neighbor，簡稱k-NN)算法，提出了一種氣液兩相流流型辨識新方法。在12-電極CCERT系統(tǒng)上進行的流型辨識實驗驗證了該方法的可行性，對于典型流型的氣液兩相流如均相流、層狀流與環(huán)狀流，該方法的流型辨識精度分別為90.6％、91.3％與86.1％。
　　(4)基于C4D技術(shù)的基本原理，提出了一種新型雙模態(tài)ECT/ERT技術(shù);研究并分析了新型雙模態(tài)ECT/ERT技術(shù)的等效電路模型;基于數(shù)字相敏解調(diào)(Didgital P

9、hase Sensitive Demodulation，簡稱DPSD)技術(shù)研制了新型一體化雙模態(tài)ECT/ERT系統(tǒng)，該系統(tǒng)可獲取同一截面上反映被測介質(zhì)分布的電容或電阻信息;分別在ECT模態(tài)與ERT模態(tài)下，采用線性反投影算法實現(xiàn)了圖像重建。在12-電極雙模態(tài)ECT/ERT樣機上進行的靜態(tài)實驗與動態(tài)實驗同時驗證了所提出的雙模態(tài)ECT/ERT技術(shù)的可行性與所研制的雙模態(tài)ECT/ERT系統(tǒng)的有效性。
　　(5)為了實現(xiàn)新型雙模態(tài)ECT/E