12电极电容层析成像系统的设计

电容层析成像技术(ECT)是基于电容敏感原理的过程层析成像技术(PT).它可进行多相流的相浓度、流型、流量等参数的在线测量,是目前最具发展前景的多相流参数检测方法.本文以12电极电容层析成像系统为研究对象.主要介绍一种基于交流激励型的电容层析成像的C/V转换电路,并分析了该电路的工作原理.该电路能抑制杂散电容的干扰,能...     

电容层析成像用新型电容／电压转换电路的研制

电容／电压转换电路是电容层析成像系统硬件核心部件。现有交流型转换电路均工作在单模式方式,即反馈平衡方式或者非反馈方式,且激励信号幅值固定,使得电路功能较为单一,不能灵活应用于各种传感器结构,各种成像速率要求的场合。本文提出并实现了电容层析成像和激励信号幅值可控双模式交流型电容／电压转换电路,该电路不仅克服了现有转换电路在应用中的不足,而且实验表明电路的线性度、分辨率、稳定性等性能指标均达到成像系统的要求。     

电容层析成像系统阵列传感器的优化设计

电容层析成像系统的结构参数对电容敏感场灵敏度的分布有重要影响,进而影响重建图像的质量.本文提出了一种灵敏场均匀性的评价指标,并据此对电容层析成像系统阵列传感器进行了优化设计.     

电容层析成像系统中径向电极的研究

由于电容层析成像系统中电容测量非常困难,常采用在相邻电极间嵌入径向电极的方法来改善电容敏感场的分布.文中对8电极电容层析成像系统进行了具体的仿真实验和理论分析,并对径向电极及其嵌入尺寸对电容传感器的电容值及敏感场分布的影响进行了研究,根据各项参数对电容传感器性能的影响以及传感器结构参数的优化目标函数,确定了径向电极的最优嵌入尺寸.实验结果表明:采用径向电极最优嵌入尺寸的电容层析成像系统,能够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,同时还能够提高电容响应的灵敏度,改善电容传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能.     

基于PCI总线的小口径高压力电容层析成像系统

介绍了一种应用于高压力气体密相输送煤粉装置中的小口径电容层析成像系统.电容传感器采用8电极结构,交流法电容检测电路可以保证系统具有相当高的电容测量精度,引入带通滤波对信号进行预滤波,可有效提高信噪比.交流和直流两级增益可调,实现宽范围电容检测.硬件系统设计基于PCI数据总线结构,系统运行过程由计算机程序控制,便于后期的数据处理.同时也解决电容层析成像系统和计算机之间通信速度的问题,数据采集速度达300帧/秒.     

电容层析成像技术在气固两相流检测中的应用

电容层析成像是一种对绝缘介质内部状态实现可视化的技术.文中介绍了一种应用于气固高压密相输送的小口径电容层析成像系统.电容传感器采用8电极结构,内径为10 mm,管道内压力达2 MPa.基于交流法的电容检测电路可以实现高分辨率测量,交流和直流两级增益可调可以实现宽范围电容检测.系统的成像速度达100帧/s.     

一种新型的三维ECT传感器及三维图像重建方法

针对二维电容层析成像系统轴向分辨率低,对介电常数在轴向有显著变化介质的分布不适应,在分析电容层析成像基本原理的基础上,提出了一种新型的三维电容层析成像传感器结构。三维电容层析成像传感器检测电极分为3层布置在绝缘管道外壁,在测量时根据需求,采用双电极激励检测模式对同层或不同层之间极板阵列组合进行检测,以获得传感器内部介质的三维数据。实验结果表明,介质轴向分布图像更加客观和真实,与传统的单电极激励模式相比较,检测电容值得到提高,测量区灵敏度均衡性得到改善,图像重建精度得到提高。     

工业过程电容层析成像系统的硬件设计

设计一个具有简化电路结构的8极板电容层析成像系统硬件部分。该系统不仅适合实验室研究用，亦适合工业应用。它的最明显特色是硬件电路结构简单，性能优良，主要论述了该系统的结构特色，包括整体方案，极板控制阵列，基于AC的微小电容检测系统，软件补偿CMOS开关的耦合电容，系统标定和通信电路。     

增加ECT系统投影数据的方法研究

由于受到电极极板数目的限制,目前电容层析成像系统的成像精度不高.如果要增加系统极板的数目,就需减小每块极板的面积,而这样做会降低系统的信噪比.通过细分、组合极板的方法,建立电容层析成像系统组合电容极板阵列.此方法增加了投影数据,提高了重建图像的精度.     

流化床物料密度分布可视化研究

文中针对流化床物料密度分布的特点和要求,分析了电容层析成像（ECT）系统多层电容极板的性能,传感器阵列的各结构参数进行选取,最后给出流化床密度分布三维成像结果及误差。     

电容层析成像技术的研究进展与分析

电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)技术是以医学CT技术为基础,伴随着计算机技术和传感器技术发展起来的一种过程层析成像技术。对ECT系统的各个组成单元和工程应用的研究成果进行分类,并逐类进行总结论述。比较了不同结构的电容传感器,并对传感器参数的优化方法进行总结。讨论了测量电容值的各种方法及其优劣性。在归纳主要图像重建算法及其改进方法的同时,还分析了典型算法的原理和流程。总结了ECT系统的各种主要工程应用和成功案例。在此基础上,指出了有待发展的若干研究课题及关键技术,并对某些发展方向予以展望。     

用于两相流测量的ECT图像重构技术研究

电容层析成像技术(ECT)具有非侵入、响应速度快、成本低等优点,是用于两相流参数检测非常有发展潜力的技术之一。而图像重构是ECT系统研究的关键技术。该文利用有限元方法对12电极ECT系统进行建模仿真,进行正问题求解,获得了图像重构的样本数据;引入改进的径向基函数神经网络,建立了ECT图像重构算法,并在MATLAB平台上进行了仿真验证。结果表明,改进的径向基神经网络算法在图像重构准确度及速度方面有了明显提高。     

基于加权奇异值分解截断共轭梯度的电容层析图像重建

针对电容层析成像技术(ECT)中的"软场"效应和病态问题,提出了一种基于加权奇异值分解(SVD)截断共轭梯度的电容层析(ECT)图像重建算法。阐述了电容层析成像工作原理,提出了12电极ECT系统的测量方法。在分析灵敏度矩阵的奇异值分解理论的基础上,推导出了加权SVD截断共轭梯度的数学模型,并利用Tikhonov方法进行正则化加权处理。最后,分析了算法的收敛性,并将其应用于电容层析成像系统的图像重建中。实验结果表明,对于层流,截断共轭梯度算法的平均误差能达到27.54%,全部流型平均迭代步数达到13步,与LBP、Landweber和CG算法比较,该算法具有成像效果好,成像速度快,易于实现等特点。     

Dynamic imaging method using the low n-rank tensor for electrical capacitance tomography

Imaging objects in electrical capacitance tomography (ECT) measurement are often in a dynamic evolution process, and exploiting the spatial–temporal properties of the dynamic reconstruction objects is crucial for the improvement of the reconstruction quality. Based on the multiple measurement vectors, in this paper a robust dynamic reconstruction model that incorporates the ECT measurement information and the dynamic evolution information of a dynamic object, in which a series of dynamic images is cast as a third-order tensor that the first two dimensions are space and the third is time, is proposed. Under the considerations of the two-dimensional spatial structure property of a difference image and the spatial–temporal property of a third-order image tensor, a new objective functional that fuses the ECT measurement information, the dynamic evolution information, the temporal constraint, the spatial constraint, the low rank constraint of a difference image and the low n-rank constraint of a third-order tensor is proposed, where the images are reconstructed by a batching pattern. The split Bregman iteration (SBI) algorithm is developed for solving the proposed objective functional. Numerical simulations are implemented to demonstrate the advantages of the proposed algorithm on improving the reconstruction quality and the robustness.     

Robust dynamic inversion algorithm for the visualization in electrical capacitance tomography

Electrical capacitance tomography (ECT) is considered as a promising visualization measurement technique, in which reconstructing high-quality images is crucial for real applications. In this paper, a robust dynamic reconstruction model, which incorporates the ECT measurement information and the dynamic evolution information of a dynamic object, is presented. Under the considerations of the low rank property of an ECT image and the inaccuracies on the sensitivity matrix, the reconstruction model and the measurement data, an objective functional that fuses the ECT measurement information, the dynamic evolution information of a dynamic object, the spatial constraint, the temporal constraint and the low rank constraint is proposed. An iteration scheme that integrates the advantages of the fast composite splitting (FCS) algorithm is developed for solving the proposed objective functional. Numerical simulations are implemented to validate the feasibility of the proposed algorithm.     

同心圆环区域电容层析成像传感器数目优化

针对同心圆环区域,设计了不同数目的组合电容层析成像传感器,以提高传感器在测量区域的空间分辨率。基于数值仿真,对内外径之比为0.2、0.3、0.4、0.5的4种同心圆环区域,采用了传统外层12电极和12-4、12-6、12-8 3种内外双层结构电极(IEE),研究了其成像特性。其中IEE传感器测量过程施行外部-对立-内部(EOI)和外部-对立(EO)两种激励策略,对几种典型的介质分布进行测量,并采用LBP、Tikhonov、Landweber算法开展图像重建。结合数值仿真和实验验证,结果显示内外双层电极测量随着同心圆环形区域内外径比增大,内层电极数目存在最优值,12-4型电极结构在不同环形区域的重建图像质量和稳定性更好。采用LBP算法进行成像时,EOI激励策略相比于EO激励策略在成像精度上略有优势;采用Tikhonov算法和Landweber迭代算法时,EO激励策略能有效避免异常电容值的影响,与IEE电极组合时能在不同内外径比的同心圆环区域测量中提高成像质量。     

非闭合电极电容层析成像传感器在冻土测试中的应用

为了实现电容层析成像技术对冻土冻结冰峰面的在线、非侵入测试,研制出了满足冻土测试要求的非闭合电极电容层析成像传感器,并对该种传感器的电容分布特性进行了实测;确定出了适合冻土测试的的高、低介电常数的标定物质;搭建了冻土一维冻结实验系统.对含水量8%的湿土样冻结过程的冰峰面迁移进行了电容层析成像测试,并利用IMNSNOF图像重建算法重建出了冻结过程各时刻的冻结截面物质分布图像,由图像可确定出冻土中已冻土、未冻区以及冰峰面的位置.电容层析成像测试结果与温度测试结果相吻合.     

Application of ECT and relative change ratio of capacitances in probing anomalous objects in water

Nowadays electrical capacitance tomography (ECT) is mainly adopted for detecting dielectrics of low permittivity in chemical and petroleum industries. In these fields, to meet the demand of measuring capacitances within the range of low values, ECT still needs relatively high requirements of designing its system. In this work, an ECT system is simplified to probe anomalous objects in water with high permittivity. Additionally, the relative change ratio (RCR) of capacitances is presented for image reconstruction in terms of the high permittivity background. RCR is the change value of a capacitance divided by its background value. To verify the effectiveness of the simplification of an ECT system and the method of RCR for image reconstruction, simulations and experiments associated with media of high permittivity (i.e. water) were conducted. The obtained results demonstrate that the simplified ECT system based on RCRs of simulated and measured capacitances is capable of effectively probing anomalous objects in tap-water and sodium chloride solutions with different concentrations. Therefore the RCR is recommended when the sensing domain of ECT is of the high permittivity background. Besides the simplification of ECT systems can be appealing and beneficial to introduced ECT into other fields associated with water flows, such as hydrology, hydrogeology, hydroponics, environment science, etc.     

油气润滑ECT传感器的管道电容及其影响

采用COMSOL软件建立油气润滑电容层析成像传感器的三维物理模型,推导计入管道电容的数学模型;定义管道电容影响系数,分析管道厚度和管道半径对其影响。在算法中计入管道电容对环状流进行图像重建,并对重建图像质量进行评价。研究结果表明:管道电容影响系数可以表征管道电容对测量电容的影响;管道厚度增加或管道半径减少,管道电容对测量电容的影响增大,特别是对于油气润滑小管径,管道电容对测量电容有较大影响;计入管道电容影响后,重建图像质量有一定提高。