电容层析成像系统传感器优化设计及仿真

本文以8电极油水两相流电容层析成像系统为研究对象,针对图像重建的质量依赖于电容敏感场分布这一特性, 采用有限元的方法建立敏感场的数学模型,采用不等间距的方法完成了传感器场域的自动剖分和敏感场的数值计算。对决定传感器性能的结构参数进行选取,通过仿真分析确定了传感器的优化参数,从而使设计的传感器能够在缩小测量电容值的动态变化范围,减轻数据采集电路设计难度的同时,提高电容响应的灵敏度,改善传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能。根据此优化参数设计和研制的电容传感器获得了较为理想的重建图像。     

电容层析成像系统的电容测量电路

目前流动层析成像技术是公认的是具有前景的多相流参数检测途径，其发展主流之一是电容层析成像技术，其中小电容检测是该技术的关键和难题之一。针对电容层析成像系统，通过讨论比较，从三种小电容测量电路中选择出一种用于电容层析成像（ECT）系统，实验结果表明该电路能够满足使用要求。     

电容层析成像系统径向电极对传感器性能及敏感场分布的影响

电容层析成像系统传感器的敏感场分布受多相流介质分布的影响,软场特性给图像重建带来很大困难.该文以8电极油水两相流电容层析成像为研究对象,采用有限元仿真的方法,分析了径向电极及其嵌入尺寸对电容层析成像系统电容值及敏感场分布的影响.通过仿真分析,确定了径向电极的嵌入尺寸,从而能够在缩小测量电容值的动态变化范围,减轻数据采集电路设计难度的同时,提高电容响应的灵敏度,改善传感器敏感场的分布,提高电容层析成像系统的性能.     

基于敏感场变换的电容层析成像图像重建算法研究

快速而又具有一定精度的图像重建算法是电容层析成像(ECT)技术的关键。本文采用有限元方法,通过对敏感场机理的分析,提出一种基于敏感场变换的ECT图像重建新算法,通过对敏感场进行变换来提高电容传感器在管道中心区域的灵敏程度,从而提高管道中心区域的图像重建精度。该算法应用敏感场信息的部分数据和全部数据分别进行一次图像重建,将2次重建得到的图像进行组合得到最终重建图像。仿真和实验表明该算法能够快速而又较高精度的重建出两相流断层图像,尤其是在管道中心区域,图像重建精度有了较大提高。     

基于COMSOL电容层析成像

过程层析成像技术是两相流检测中的一种新型的检测技术,有广泛的适用性.本文采用一种新的方法一COMSOL对电容层析成像研究并仿真.首先介绍电容成像系统的结构和电容传感器的数学模型;其次,用COMSOL对管道横截面建模、划分网格并仿真;最后,分析了不同介电常数和不同介质对成像质量的影响.     

基于遗传算法电容层析成像图像重建算法的研究

采用了有限元法和归一化敏感场对传感器进行了仿真分析和计算，并提出了敏感场数值从有限元域到成像域的转换方法和一种新的基于遗传算法的ECT图像重建方法．该图像重建方法利用流型数据作为初始值在一定的范围内搜索最优解，能以较高的精度重建两相流体的断层图像，为ECT图像重建算法的研究提供了一个新的思路。     

极限学习机在电容层析成像中的应用

针对复合材料的无损检测技术,介绍了一种基于极限学习机(ELM)的电容层析成像算法(ECT)。为保证样本的代表性,随机生成各类训练样本模型。对训练样本及测试样本模型的仿真电容值及其灰度值进行归一化处理,采用极限学习机进行训练及测试。给出了仿真结果及分析,探讨了文中方法的优缺点,该方法具有优越的泛化能力和学习速度,且成像精度得到较大提高,具有一定的参考价值。     

电容层析成像系统三维数据场可视化研究

以油水两相流系统为研究对象，在电容层析成像系统获得的两相流截面相分布数据基础上，对三维数据场可视化最常用的Marching Cubes算法加以改进，将两相流系统的流动、变化过程以可视化形式显示出来，为流动测量、控制提供可视化信息，使工业现场的“黑箱”系统变成透明系统。经仿真实验，可视化效果能形象反映油水两相流系统内部动态变化情况。     

基于MOR两相流电容层析成像图像重建

在电容层析成像系统（ECT）的研制中，普遍采用线性反投影法（LBP）进行图像重建，但LBP产生的图像模糊现象难以消除，通过引入基于模型的重建算法（MOR），利用计算机仿真的方法进行图像重建，可很好消除模糊效应，为流型辨识提供有效的途径。     

电容层析成像系统自适应电容归一化模型研究

电容层析成像(ECT)系统中,电容测量转换电路获得的数据必须经过归一化处理,才能使用重建算法进行图像重建。在并联、串联归一化模型的基础上,利用并联、串联模型的数学关系提出了自适应归一化模型函数关系。模型的自适应因子根据中心电场线(EFCL)划分的两个区域中单元到中心电场线的最小距离与最大距离的比值来计算,仿真及实验结果表明基于该模型的重建图像质量优于并联及串联模型。     

带有径向电极的小尺度电容层析成像传感器设计

电容层析成像应用于小尺度管道内成像的关键问题是传感器的设计，而常规传感器往往无法满足测量需要。该文在分析小管道测量特点后，提出3种不同径向电极布置的小型电容成像传感器结构，并通过有限元仿真比较了不同径向电极布置对测量电容的影响。同时，对电极间绝缘介质介电常数及屏蔽罩与电极外表面距离对电极对间电容的影响进行了详细地探讨。结果表明，对于具有较厚厚度的电极，电极对间的本体电容主要来自电极对侧表面间的电容，且相邻电极间绝缘介质介电常数对电极对间电容的影响不显著，但电极对间电容随着屏蔽罩与电极外表面距离增加而增加。依据仿真结果，设计出一种新型径向电极布置的小尺度传感器，并将其用于实测，获得了较好的结果。     

电容层析成像系统关键技术

介绍电容层析成像系统中两个关键技术：电容／电压转换电路和图像重建算法。电容／电压转换电路采用激励源幅值可控负反馈法设计，电路具有较好的线性度、稳定性和抗杂散电容干扰能力。图像重建算法采用正则化优化修正算法，实验结果表明，所重建的图像质量和图像重建速率都得到提高。     

图像融合理论在电容层析成像中的应用

针对图像重建问题,介绍了电容层析成像的系统构成及基本原理,多分辨率图像融合方法和融合规则,并对预处理投影Landweber算法和改进的Tikhonov正则算法所仿真的结果进行图像融合。结果表明:融合图像成像精确度明显地提高,去除冗余信息后的图像更接近原型,可应用于现场两相流的实时图像重建。     

电容层析成像在滑动轴承润滑油膜测量中的应用

滑动轴承是燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机等重型旋转机械中的关键部件,其安全稳定运行具有重大的经济意义。该文提出将电容层析成像技术用于滑动轴承润滑油膜分布的监测。根据滑动轴承的特点,设计特殊的传感器结构。将轴颈设为特殊的传感器电极,与轴瓦上的常规电极共同形成电极阵列,对轴颈和轴瓦间的环形空隙区域成像。对设计的传感器结构建立有限元模型,计算传感器电容、电极对灵敏场等,以分析传感器的特性。采用LBP和Landweber 2种算法重建滑动轴承润滑油膜分布图像,重建算法能较好地重建设定油膜分布下的图像。     

电容层析成像技术应用于冰水两相测试研究

采用电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)方法研究冰水两相系统中冰在水中的运动和冰锋面的移动等。研究过程中,先采用传统的闭合电极电容层析成像传感器,即电极布置于被测管道某一截面的外侧一周,得到被测截面的冰-水分布,以及冰在水中的运动轨迹。之后,为研究冰锋面的迁移情况,针对测试件的特殊结构设计了新型非闭合电极电容层析成像传感器,即沿容器高度上布置了几组电极,每组电极两两相对。当冰锋面浸没过某一对电极时,该对电极电容值迅速减小,因此采用这种布置方式可以获得冰锋面的运动。采用电容层析成像这种非接触测量方式可以获得冰在水中的移动及冻结情况,为进一步研究冻土中的复杂现象提供新型测试手段。     

利用电容层析成像测量稀疏气固两相流动

采用电容层析成像技术(ECT),对常温下稀疏气力输送的固体浓度、速度和质量流量进行了测试研究。浓度分布采用单层电容传感器,速度分布采用双层电容传感器得出相关信号。由测得的速度及体积分数通过计算可以得出质量流量。为克服电容传感器敏感场的不均匀性对成像造成的影响,实验系统中装置了一旋风分离装置,通过旋风分离作用将固体颗粒主要集中在壁面区域,传感器电极布置在分离器直管上。通过对截面体积分数分布、平均值以及波动特性的分析证明了这种测试方法的可行性及可靠性。相关测量结果与称重法测试结果吻合良好,证明这种方法可获得可靠的测量结果。     

脉动热管内微尺度两相流的电容层析成像测量

利用电容层析成像方法,实现脉动热管内微尺度两相流的可视化监测及液膜厚度的测量。优化设计的微型传感器也可作为流动管道,具有和测量管道基本相同的传热和流动特性。相比普通电容层析成像传感器,其测量精度和空间分辨率都有一定提高,从而拓宽了电容层析成像技术的应用范围。实验结果表明：不同工作条件下,脉动热管存在塞状流、环状流以及混合流3种不同的流型;液膜厚度测量结果与实际相符,通过其变化趋势可以实现流型的识别。     

一种新的电容层析成像电容测量值归一化模型

在电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)图像重建中,测量电容需根据高、低介电常数进行归一化处理.并联模型为常用的归一化模型,其归一化电容值与测量电容值为线性关系.串联归一化模型,其归一化电容值与测量电容值则为非线性关系,与并联归一化模型相比,重建图像有所改善.最新提出的基于电力中心线的混联模型为并联及串联归一化模型的混合,该文针对混联归一化模型提出了确定模型因子的多阈值方法.仿真及实验结果表明.基于多阈值的混联归一化模型,其重建图像质量得到较大提高.     

电容层析成像系统质量实验分析

利用电容层析成像系统实验装置对气/固两相流成像质量进行实验研究.实验结果表明,在图像重建算法一定的情况下,成像质量均受成像传感器极板长度、成像区域像素个数和成像对象等因素的影响.文中还提出了相应的解决方法.