基于电容层析成像和模糊模式识别的油气两相流流型辨识新方法的研究

基于电容层析成像和模糊模式识别技术别提出了一种油气两相流流型辨识的新方法。建立了12电极电容层析成像流型自动识别系统，该系统利用Tikhonov正则化原理并结合SIRT(Simultaneous Reconstruction Techniques)算法进行图像重建。Tikhonov正则化原理用于克服图像重建过程中的不适定问题，SIRT算法用于提高最终重建图像的质量。根据流型的随机和模糊特性，提出了一种根据管截面重建图像进行流型辨识的模糊流型判别方法。研究结果表明，提出的流型辨识新方法是有效的。对于层状流、核心流、环状流、均相流等流型，流型辨识的准确率高于95％，辨识一个流型所用的时间小于0.3秒。对于塞状流，流型辨识的准确率高于90％。     

基于ECT和蚂蚁算法的油气两相流空隙率在线测量

基于电容层析成像系统（ECT）和蚂蚁算法，提出了一种油气两相流空隙率在线测量的新方法。该方法利用电容层析成像系统12电极电容传感器所获取的66个测量电容信息，首先根据电容层析成像系统所获取的流型辨识结果确定对应流型下的实际空隙率测量模型参数f和b，然后利用蚂蚁算法的信息素信息，找到当前测量状态下对空隙率起主要作用的组合电容集合和相应的权重系数，从而实现空隙率测量。与流型相对应的空隙率测量线性模型参数f和b基于先验数据通过最小二乘方法确定。油气两相流的实验结果表明，该方法对空隙率的在线测量是有效的，避免了复杂的图像重建计算，实时性能佳，测量时间小于0.08 s。在几种典型流型下，提出的空隙率测量方法与常用的快关阀方法相比最大测量偏差小于5.5%。     

基于数据驱动的卷积神经网络电容层析成像图像重建

针对电容层析成像技术的图像重建问题，提出了基于数据驱动的卷积神经网络图像重建方法。根据气固两相流的流型特点，通过数值模拟的方法随机生成了60000组介质分布图像，并利用有限元法计算了与之对应的电容向量，从而建立了一个“电容向量-介质分布”数据集；然后根据电容层析成像图像重建特点建立了卷积神经网络模型，对数据集中的训练集进行学习和训练，并利用测试集对训练结果进行了验证与评价。在此基础上，对获得的ECT图像重建卷积神经网络模型进行了静态实验和流化床测试实验研究。模拟和实验结果表明：所建立的卷积神经网络能较好地实现ECT图像重建，可直接用于流化床内的颗粒浓度分布测量。     

流化床气固稀相流动体积空隙率的图像检测方法

介绍了应用数字图像处理技术检测流化床气固稀相流动体积空隙率的方法.使用高速摄影系统,对流化床气固稀相流动过程进行实时拍摄和图像采集,利用图像处理技术对不同时刻的图像进行消噪、边缘提取、二值化、分割等处理,然后计算出图像中目标颗粒的周长、面积、体积等参数.统计得出每幅图像中颗粒粒径分布曲线.利用数学模型,计算出稀相流动不同时刻的体积空隙率.实验结果表明,该方法较符合实际情况、且具有较高的测量精度,可以用于气固稀相流动参数的在线检测.     

采用二阶导数阵作为正则化的电容成像图像重建算法

Tikhonov正则化方法是解决病态逆问题的常用方法,正则化项的引入能改善问题的病态性。利用Laplace算子对正则化项中所包含的图像信息进行锐化处理,可提高电容成像图像重建的质量。仿真结果表明,相对于标准形式的Tikhonov正则化方法,采用正则算子为二阶导数算子的正则化方法图像重建结果边缘及轮廓清晰,对于各种设定流型均具有良好的适应能力,且图像重建结果对初始设定解不敏感,图像重建结果质量更高。     

气固两相流固相浓度与流速的测量及可视化

气固两相流固相流率的测量是测试领域的难点之一,为了实现气固两相流固相浓度与流速的测量,阐述了电容层析成像的原理,搭建了气固两相流实验台,固相选用聚丙烯颗粒,气相为空气,固相依靠自身的重力流经实验装置,利用ITS公司的M3C电容层析成像装置对气固两相流的固相浓度、速度、质量流量进行了测试研究。实验中的浓度测量采用图像的介电常数分布像素,速度测量选择双层结构的电容传感器,利用相关测速原理,计算上下游传感器成像像素的相关性,最后由测得的速度及浓度分布计算出质量流量,测量结果与重力传感器测量的质量流量结果进行了对比,结果具有较好的一致性,测量误差小于10%,表明利用电容层析成像系统可对气固两相流参数的测量。     

一种气,固流化床料位检测的新方法

料位高度是气、固流化床内重要的基本参数之一。虽然有压降法、测温法、电容法和回波法等可用于料位的测量,但是这些方法作为工业应用都不能令人满意。本文根据流化床内部特性提出了利用流化床内压力波动信号和料面附近的平均压力降测量流化床料位高度的新方法。实验表明,这种方法原理简单,测量精度高。不仅能测量流化床内料位的平均高度。而且还能得到料位的瞬时高度和波动范围;且测量结果不受流化床的几何尺寸、床内物料的特性及流化状态等因素的影响,从而为工业流化床提供了一种料位在线测量的新方法。     

电容层析成像技术研究进展

在介绍了电容层析成像技术原理及组成部分的基础上,详细阐述了电容层析成像技术的研究现状,包括微小电容检测与数据采集系统、图像重建算法和应用研究,总结了电容层析成像技术在多模态成像、图像重建算法及成像质量评价等方面面临的挑战,并指出了未来努力的方向。     

X射线投影成像法测量气固流化床中的固含分布——（1）原理及图像处理方法

X光成像和CT在医疗、工业等领域获得了广泛的应用。本文在轴对称假设的条件下，将X光成像系统用于测量气固流化床固含分布。使用新型X光探测器和改进后的回归算法对投射图像进行重构还原，得到流化床中径向颗粒浓度分布。     

应用于低温流体两相流测量的修正电容层析成像线性反演算法

针对低温流体液、气两相的介电特性,通过向传统的电容-介电分布函数关系的线性近似方程中引入修正偏量,得到了修正的电容层析成像线性反演算法。以8电极电容层析成像传感器作为几何模型,对液氧-氧气管内两相流进行了模拟,对比了4种不同流型下原始线性算法、修正的线性算法及以全变分1范数正则化为代表的非线性算法的反演结果。采用相关性系数及图像误差定量衡量了反演结果的质量,结果表明,修正线性反演算法显著提升了反演结果的质量,全变分1范数正则化的求解耗时是修正线性算法的10倍以上。当赋以3%测量噪声时,非线性算法表现出对噪声极强的敏感性,修正线性算法具备更好的抗噪能力和反演结果准确性。     

Dynamic voidage measurements in a gas solid fluidized bed by electrical capacitance tomography

Based on the electrical capacitance tomography technique, a voidage measurement system that can implement a voidage distribution display and voidage measurement of a gas-solid fluidized bed simultaneously is developed. The back projection algorithm is selected as the image reconstruction algorithm to satisfy the requirement of voidage distribution display. Combining the Tikhnov regularization principle with the ART algorithm, a new quantitative hybrid image reconstruction algorithm is presented to implement the voidage measurement of a gas-solid fluidized bed. Experimental results show that the developed measurement system is successful. The speed of image reconstruction of voidage distribution is greater than 20 frames per second. The maximum error of voidage measurement can be less than 5%.     

DYNAMIC VOIDAGE MEASUREMENTS IN A GAS SOLID FLUIDIZED BED BY ELECTRICAL CAPACITANCE TOMOGRAPHY

Based on the electrical capacitance tomography technique, a voidage measurement system that can implement a voidage distribution display and voidage measurement of a gas-solid fluidized bed simultaneously is developed. The back projection algorithm is selected as the image reconstruction algorithm to satisfy the requirement of voidage distribution display. Combining the Tikhnov regularization principle with the ART algorithm, a new quantitative hybrid image reconstruction algorithm is presented to implement the voidage measurement of a gas-solid fluidized bed. Experimental results show that the developed measurement system is successful. The speed of image reconstruction of voidage distribution is greater than 20 frames per second. The maximum error of voidage measurement can be less than 5%.     

用于两相流流型显示和空隙率测量的电容层析成像技术

引　言两相流流型的实时显示和空隙率的在线测量对两相流系统的控制、运行乃至机理研究等均具有重要意义 ,一直是两相流领域中重要的研究方向 .现已提出多种实现流型显示和空隙率测量的方法 ,例如用于流型显示的核辐射线法和光学法 ,用于空隙率 (或浓度 )测量的机理估算法、核辐射线法、电学法、光学法、微波法、热学法和核磁共振法等 ,但是总的来讲还未能满足应用要求 ,实际应用的例子也较少[1] .电容层析成像 (ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ,简记ＥＣＴ)技术由于可在不干扰流场的情况下获取反映两相流…     

电容层析成像在气固流化床测量中的应用

气固流化床广泛应用于化工、炼油、冶金、电力等工业生产领域。由于流化床中气固两相流动的复杂性,流化床测量方法的研究成为了一个重要的研究领域。电容层析成像（ECT）是20世纪80年代以来发展起来的一种非介入式多相流测量技术,已经在多相流测量领域发挥了重要作用。总结了国内外近年来应用ECT技术进行气固流化床测量的进展,特别是对气固流化床内固体相浓度、流化床流型识别、固体相速度等方面工作进行了总结,并简单介绍了ECT在流化床干燥中的应用,讨论了ECT和其他测量方法结合使用情况。最后对ECT在流化床测量中的局限性和发展方向进行了讨论。     

Investigation of gas–solid bubbling fluidized beds using ECT with a modified Tikhonov regularization technique

Electrical capacitance tomography (ECT) provides a non‐intrusive means to visualize cross‐sectional material distribution of gas–solid bubbling fluidized beds. Successful application of ECT strongly depends on the image reconstruction algorithm used. For on‐line measurements of bubbling fluidized beds, employing an algorithm that can produce high‐quality images without extensive computation is necessary. Using the conventional Tikhonov regularization algorithm, image quality in the central area is basically satisfied but suffers from artifacts in the near‐wall region. To solve this problem, a similar division operation learned from linear back projection was introduced to modify the conventional Tikhonov algorithm. Both numerical simulations and experiments were performed to evaluate the modified technique. The results indicate that the artifacts can be effectively removed and the reconstructed image quality is similar to Landweber method with dozens of iterations. Furthermore, the modified Tikhonov technique shows high accuracy when obtaining important hydrodynamic parameters in gas–solid bubbling fluidized beds. © 2017 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 63: 29–41, 2018     

Verification of fluidized bed electrical capacitance tomography measurements with a fibre optic probe

Previous studies aimed at determining the spatial accuracy of electrical capacitance tomography (ECT) have employed phantoms placed within the ECT measurement space. No previous studies have compared ECT with a second independent measurement technique in an operating fluidized bed. In the present work, radial voidage profiles have been measured with ECT in the 0.14-m I.D. riser of a circulating fluidized bed (CFB) and in a bubbling fluidized bed with a 0.19-m I.D. The dynamic and time-averaged radial voidage profiles have been compared with measurements taken with a fibre optic probe in the same riser and in a slightly narrower (0.15-m I.D.) bubbling fluidized bed. In spite of the intrusiveness of the latter technique, the time-averaged radial profiles in the CFB riser fall within 10% of each other when the CFB is operated at high-flux conditions that lead to a very dense wall region. Iterative reconstruction of the ECT images is not needed in this case. Similar agreement is found between the two techniques in the bubbling fluidized bed, but off-line iterative image reconstruction is clearly necessary in this fluidization regime. These results suggest that ECT, which is often described as a tomographic imaging technique with low spatial resolution, can in fact provide semi-quantitative time-averaged images of the cross-section of fluidized beds of diameter comparable to or less than that used here.