电容层析成像技术在多相流测试中的应用和进展

电容层析成像技术在多相流测试中的应用和进展

摘要

电容层析成像技术是最早发展起来的过程成像技术之一，因其具有非侵入式的测量方式、成本低、安全性好、易于实现等优点，具有极好的工业应用前景，获得了很多学者的研究并取得丰硕成果。本文简单介绍了电容层析成像系统的原理和发展历史，总结了研究热点和现状，指出了发展中的存在的问题和发展方向。

关键词：电容层析成像；电容传感器；图像重建

引言

电容层析成像技术（ECT）是根据被测物质各相具有不同的相对介电常数，在流体流动管道的某一截面上，沿管道壁均匀地布置敏感阵列电极，任意两个电极板均可组成一个两端子电容，当各相组分分布或者浓度发生变化时将引起混合流体等价相对介电常数发生变化，从而使测量电极对间的电容值发生变化。采用阵列式电容传感器，各电极之间相互组合的多个测量值便可反映出多相流体的浓度以及在管道截面上的相分布情况，以这些电容测量值作为投影数据，通过一定的图像重建算法，便可重建出被测物场的浓度分布图像。典型的ECT系统由电容传感器阵列、数据采集系统、图像重构计算机三部分组成。电容成像系统通过传感器阵列从不同方向获得管道内介质分布状况的投影信息；测量及数据采集系统收集电容传感器的输出电容值，并进行滤波、变换、放大，将数据通过接口传给成像计算机；成像计算机通过重建算法重构管道横截面的相分布图像，同时向测量及数据采集系统传送控制信号[1, 2]。目前，电容层析成像的研究多围绕这几部分展开，即电容测量电路研究、电容传感器研究及图像重建与数据处理研究。

该技术在上世纪80年代末由英国曼彻斯特大学理工学院（University of Manchester Institute of Science and Technology，简称UMIST）提出的一种新的计算机层析成像技术[3]，主要用于工业管道内的多相流检测，可提供常规仪器无法探测的封闭管道及容器中多相介质的浓度、分布、运动状态等可视化信息，与其他测量技术或仪表相配合还可应用于多相流总质量流量、分相质量流量以及流速的实时检测。比之其它技术，电容层析成像技术具有适用范围广、非侵入式、安全性能好等优点[4-6]，各种工业生产过程中常见的多相流均能应用该技术，并且

成本低廉，更适合我国的国情。电容层析成像技术为从根本上解决多相流的多参数可视化测量问题提供了一条较好的途径，是实现多相流参数在线检测的一种理想手段[7]。因此，完善和发展电容层析成像技术理论是一项很有意义的研究工作。近年来，国内外的研究人员积极探索，做了大量的工作，电容层析成像技术的研究已经取得了很大的进展，理论研究方面也不断推进，取得了一些新的研究成果[8-13]。

研究热点

1、电容传感器结构参数的优化

电容传感器的结构参数包括：传感器的电极长度、电极间间距、绝缘管道壁厚、管道绝缘层材料的相对介电常数、电极张角、屏蔽层与电容极板间的间距等。王化祥等[14]采用因素轮换法对二维阵列电容传感器进行了结构优化；颜华等[15]采用正交试验设计方法，以典型流型重建图像质量综合评分最优为目标对电容层析成像传感器进行了优化设计；邵富群等[16]考虑了传感器参数间的交互作用；郭红星等[17]也在电极传感器的参数优化设计方面进行了研究。上述研究表明，根据优化确定合理的传感器结构参数确实可以有效地改善图像重建的质量，因此采用适当的设计方法进行结构优化是十分必要的。但无论是因素轮换法还是正交试验设计方法都存在效率低的缺点，如采用正交设计，试验次数随水平数的平方数而增加，当水平数较大时会导致试验次数以平方次幂增加；此外，各个传感器参数间复杂的非线性交互关系也应该在参数设计时加以考虑。因此，需要寻求快速有效的传感器参数新设计方法。

2、ETC图像重建算法

图像重建是电容层析成像技术的关键问题之一。国内外众多学者对该问题展开了广泛的研究。目前，主要的图像重建算法包括线性反投影算法、截断奇异值分解法、正则化方法及迭代类的Landweber迭代法、正则化迭代法等[18, 19]。

3、测量数据的后处理方面

ETC系统的主要目的是对管道中的流体流动状况进行监测，将ECT系统反映出来的测量信息，二维或三维信息与被测量物体的实际情况联系起来，对管道中的流动状况进行有效的监控，是应用ECT技术的最终目的。因此，如果能够准确地对ECT系统的数据、图像进行符合实际情况的解释，也是提高ECT系统应用价值的重要方面。目前，ECT数据后处理方面主要可分为两大类，即基于图像重建的数据分析方法以及直接数据分析方法[2]。

基于图像重建的数据分析方法主要是根据测量数据采用一定的图像重建方法来辨别流型、参数检测及过程控制等。由于该方法直观、可获得的信息量大，目前被广泛采用；缺点是速度相对较慢。

直接数据分析方法不需要重建图像，直接根据所测得的电容值来进行流型辨别、参数检测及过程控制等。该方法与图像重建方法相比，具有快速、直接等优点，在过程检测、控制等方面具有较大优势。目前，直接数据分析方法多基于神经网络法。

两种数据后处理方法各有优点，在应用中应根据具体场合选取合适的方法。

存在的问题

ECT技术的出现标志着过程参数在线检测技术发展到了一个新的阶段，通过它可以进行过程参数的二维/三维空间分布状况的在线实时测量，从而有望克

服传统过程参数检测仪表只能检测到单点信息、一个时间和空间上的平均信息或者若干微观点上的数据的缺点。同时ECT技术的出现，大大提高了对生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段。ECT 技术在过程参数检测和在线监控方面显示了巨大的潜力，有望成为一种较为理想的过程参数检测手段。目前ECT技术还主要集中在实验室的应用研究阶段，距离工业现场应用还有一定的差距。要在工程中广泛应用，还有一些理论和技术问题需要解决。ECT技术主要存在以下几方面的问题：

1、微弱电容检测问题

ECT对电容测量要求苛刻，是ECT技术实现实用化过程中的主要困难之一。ECT系统对微弱电容检测困难之处主要表现为：流体流动达到每秒数米甚至更高的速度，要求检测系统具有较高的采集速度和处理速度，这就对ECT系统的实时性提出了较高的要求；不同电极间的静态电容和电容变化范围往往相差几个数量级，要求ECT具有较大的测量范围；ECT存在的大量杂散电容往往比电极间电容大得多，必须加以抑制；ECT电容传感器电极静态电容及电容变化量很小，为确保ECT系统长时间稳定工作，相应检测电路的漂移必须低，否则漂移信号将淹没有用信号。

2、电容测量的软场特性问题

ECT传感器的敏感场是软场，存在着正、负敏感区，电容测量受被测介质分布的影响，这一特性对ECT图像重建造成了很多困难，尚缺乏有效解决手段。由于传感器结构和介质分布的复杂性，难以获得电容传感器敏感场分布的解析解。目前获得的方法主要有实验法和有限元法两种。实验法工作量大，且因实验材料介电常数等电学参数误差和电容测量误差等因素会造成测量结果不准确。有限元方法可以借助于计算来获得电容软场分布，从而为实际的图像重建提供必须的先验信息。

3、自适应图像重建算法

现有的图像算法都具有一定的针对性，如LBP法适用于成像速度快，但对图像质量要求不高的场合；Newton-Raphson算法可以获取高质量的图像，但成像速度较慢；Landweber算法虽然兼具质量和速度的优势，但需要一些电容测量值的先验信息为了使ECT系统具有智能性，需要一种自适应算法，该算法能够在实际工作中，自适应地整定出与工作环境最适的算法，并可以不断优化算法的参数

4、标定问题

虽然ECT系统可以快速直观地反映流体的浓度等参数的动态信息，但是ETC系统在测量前必须进行标定，以保证测量的准确性。目前尚缺乏基于ECT 的动态流体测量的有效且实用的标定理论和方法。在一些特殊的场合，常常需要针对实际应用问题对电容层析成像系统的标定方法进行研究。