电容层析成像技术测量电路的设计【文献综述】

毕业设计开题报告

电子信息工程

电容层析成像技术测量电路的设计

1、前言部分

过程成像(PT:PROCESS TOMOGRAPHY)技术是近年来才发展起来的一种两相或多相流测量技术,其优点是利用被测物体外部的检测信息,获得被测物体内部变化∕高速流状态。过程成像经常使用特殊方法设计的探测器,通过非侵入式的方法取得被测两相流或多相流介质的场(如电磁场)信息,可以根据场的信息和被测物体的作用原理,应用数学的方法重建两相流或多相流在管道内或反应装置的内部的横截面上的动态分布的情况。在我们日常生活中，过程成像可用于研究化工、石油等各种固体、气体的物料输送管道中的气或固两相流和气或固或液多相流得流态化、反应、扩散以及混合等动态过程,以监控反应器中气泡的分布和大小以及反应器中气泡的破碎和合并等过程；通过工业过程中的建立的模型,研究反应器中反应速率、质量传递以及热量传递的关系,提高反应器的选择性、转化率以及安全性等[1]。

2、主题部分

2.1 概念

在化工、石油、电力、冶金、建材等中，存在着大量多相物质混合流动情况，如电力、冶金工业中的各种气、物料输送管道中的气/固两相流；石油工业中的油/气/水三相流；化学工业中的非均相反应器中气/固混合物的反应过程等。研究其流动特性及其变化规律，并对其相关参数进行的测量，对于有关的科研和设计工作以及他的生产过程的安全高效运行均具有十分重要的意义。两相流的流动特征复杂，其参数检测一直是他的一个难点。目前已有多种技术应用于两相流检测，过程成像的技术是其中之一【2】。在我们日常生活中，过程成像技术采用特殊设计的敏感器的空间阵列，非接触式或非侵入式的方法获取被测对象的场信

息，运用他的图像重建算法重现两相∕多相流体在管道内部或反应装置的内部的某一横截面上的分布情况，从而的得到两相流中的离散浓度分布以及其随时间的变化情况，实现被测流体流动情况在某一截面上可视化。事实上，过程成像技术在过去10年内得到了飞速发展，已见报道的技术包括光学式、核辐射式的（X-射线式、正电子式等）、超声式的、电学式的（电容式、电阻式、电感式）等。以上各种过程成像技术各有特色，适用于不同场合。

过程成像的技术将检测技术从传统的局部空间点测量的方法发展成为对过程参数在二维/三维空间分布状况的在线实时测量,从而提高了工业过程信息的获取和分析能力,为在线检测和优化设计提供一种全新的手段。在我们日常生活中，对于不同的过程成像系统,并且由于采用不同的探测器构成空间探测阵列,形成的敏感场空间分布也各有其特色。我们利用电学敏感场响应快的特点,能够实现以两相流/多相流快速得变化为检测物体的工业过程的实时成像、检测与在线控制等【3】。

按照探测器的种类分类,过程成像技术可以分为电磁辐射式的、声学式的和电学式的。在电学式成像中,以电容、电阻、电感作为探测器的过程成像技术,分别称之为电容过程的成像技术(ECT)、电阻过程的成像技术(ERT)、电磁过程的成像技术(EMT)。

在在我们日常生活中有的各种实用工业过程成像技术中，电容的成像技术（Electrical Capacitance Tomography,简称ECT）以它廉价、高速和非辐射等特点，在近十几年来获得很大发展。其实，早在二十世纪八十年代中期，以英国曼彻斯特理工大学Beck M S教授为首的研究小组就已经提出了“流动成像”（Flow Imaging）得概念，并研制成功了8电极的电容成像系统。在国外，美国能源部Morgantown研究中心几乎与Beck的研究小组同时发明出了一种在线监测流化床中空隙率分布的16电极电容的成像系统（Capacitance Imaging System,简称CIT），该系统可用于对流化床内物料密度三维分布地监测。电容成像的技术应用于工业上的多种需要进行多相流监测的场合，比如，气∕固、气∕液、火焰等监测【4】。

其实，电容层析成像(Electrical Capacitance Tomo2graphy,ECT)的技术的基本原理是:位于管道内部的两相流,其各相介质具有不同的介电常数,两相流在流动时,各相其含量和其分布不断变化,引起两相流体复合介电常数的变化,电容传感器将获得的测量数据反映出整个管道截面上介电常数的分布情况,这些数据被反应到计算机，并且通过某种图像重建算法,可以得到被测对象在该管道截面上的分布的图像【5】。

图像1是电容成像系统的一个示意图，他是一个典型的电容成像系统它包括电容传感器阵列、测量及数据采集电路、成像计算机三大部分。他的基本原理是在流体流动的管道沿管道外部均匀地粘贴一些电容极板，使任意两个极板均可组成一个两端子得电容。管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板间介电常数变化，从而实现改变电容值的大小【6】。事实上，各对极板间的电容值包含了与分布有关的信息，并且，通过测量不同极板组合间的电容值并将送入计算机按一定的算法进行图像重建，就能够得到管道截面上的相分布的图像。

2.2 电容层析成像技术的发展历程及方向

在过程层析成像的技术研究方面,在国外，欧洲的一些国家目前处于领先地位。英国曼彻斯特理工大学(Uni2versity of M anchester Institute of Science and Technol2ogy,简称UM IST)研究小组首先提出的“流动成像”的概念,他们在1988年研制成功的8电极电容层析成像系统;这个系统在2年后发展成为12电极成像系统,在线图象重建速率达40帧/秒。还有，英国PTL公司开发研制的

PTL2200、PTL2300等ECT系统,可对内径为150 mm～600 mm之间的管道成像,速度最高可以超过200帧/秒;以及，英国Leeds大学PT研究小组研制的ERT系统成功应用在垃圾循环处理、采矿工业工程、水力旋流器的设计中。还有，美国能源部Morgantown研究中心开发出的一个在线监测流化床中空隙率分布的16电极电容成像系统(Capacitance ImagingSystem,简称C IT);还有，美国Law rence L ivermore国家实验室应用电阻层析成像技术对核废料场进行监测,为核废料储存场所的超长期、安全性提供了依据。法国、德国、挪威、荷兰、波兰、日本等国也对过程层析成像的技术开展了积极的研究并建立了相应的探测成像系统【7】。

由于过程成像技术的非侵入式的动态检测特点和潜在的应用前景,在国外，欧洲过程成像研究小组开始从1992年起每年召开一次题为ECAPT(the European ConcertedAction on Process Tomography)地会议,其目的在交流最新研究成果,探讨过程层析成像技术的发展方向,他在95年的会议主题是过程层析成像技术的工业化;在96和97年,ECAPT还和美国工程基金会、杜邦公司联合举办的“Frontiers in Industrial ProcessTomography”的国际的会议,目的在推动过程成像的技术时更快地向工业化和实用化的方向发展。以及，ECAPT的有关组织机构得到了英国国家工程物理研究基金会资助,并且，成立了过程成像技术中心VCIPT(The Virtual Centrefor Industrial Process Tomography),而且建立了相应的互网站点。而且，在1999年4月召开了首届世界工业过程成像的会议(1stWorld Congress on Industrial ProcessTomography)上,会议由VC IPT主办,且由英国国家化学工程学会(IChemE)和电机工程学会(IEE)以及美国工程基金会协办。它在2003年第三届世界工业过程成像会议在加拿大召开的时侯,这次会议的主题为硬件系统、图像重建算法和过程成像技术在工业过程以及在环境监测等方面的应用;在2004年相关检测成像的会议在波兰的Lotz理工大学和中国的浙江大学举行;在2005年第四届世界工业过程成像会议在日本召开【8】。

在中国中科院过程所与曼彻斯特大学合作且在1999年完成了交流激励系统的图像成像的软件,并对成像系统进行的改进,使得12电极ECT探测系统采集速度达到了140幅/秒【9】。他结合典型实际应用的话题,有关于EIT、ECT过程成像德基础理论以及关键技术研究的基金重点项目正在执行过程中。过程成像的技术