文 献 综 述

1.基于交流法电容检测的电容层析成像系统的技术的介绍及发展状况

电容层析成像,ECT(Electrical capacitance Tomography)是本世纪80年代末,90年代初提出的一种新的层析成像技术。利用这种技术可以把物体内部的介电常数的空间分布,通过测量物体表面所分布的电极之间的电容计算出来。

在ECT中,利用表面所分布的电极间的电容来计算物体内部的电场，电场矢量的方向和大小都与所需测量的介电常数有关,并且电场力线一般也不可能聚集成为一束射线。这种电容场有人称之为是一种”软场”,不可能得到很高的空间分辨率。虽然ECT所能够提供的空间分辨率比之用X射线等所得到的层析成像的分辨率要低,但是它无辐射危害、设备简单、价格便宜、成像快速, 可以用于很多工农业和科学研究领域^[2]。

近年来,由于过程层析成像技术具有非侵入性，结构简单可以实现实时成像等优点，在石油、化工、医药等工业部门得到迅速发展。电容层析成像( Electrical Capacitance Tomography，ECT) 技术由于开发较早，发展较为成熟，现已逐渐应用于实际工业过程，ECT系统构成如图1所示。

图1 　ECT系统构成原理图

1995年，Wang等利用ECT技术研究流化床气体分布器上气固两相的分布。

1996年，Waterfall等利用ECT数据采集系统研究内燃机的燃烧过程。在数据采集过程中同时获得电阻与电容数据，并给出了连续成像结果。

2001 年，刘石等采用ECT技术对流化床中的混沌现象进行了分析。

国内从事ECT技术研究的有清华大学、浙江大学和东北大学等，他们在图像重建算法和传感器优化设计方面均取得了较大成果。中科院工程熟物理研究所在国内率先利用ECT技术对流化床内气固两相流进行研究，并在国际上首先实现了矩形管道中的电容层析成像技术。

电容层析成像系统主要包括3个单元：阵列式电极敏感系统,数据采集与信号处理单元及图像重建与分析显示单元。其中，阵列式电极敏感系统由一系列经过优化设计的阵列电极组成；数据采集与信号处理单元通过测量任意一对电极间的电容值，获得不同观察角度下”投影数据”，并馈入图像重建计算机；图像重建计算机通过重构算法将获得的信息进行反演，从而得到反映过程对象的分布图像。

以交流信号作为激励源的ECT 数据采集系统，与充放电直流激励ECT数据采集系统相比，避免了电荷注入效应、直流漂移等问题,且灵敏度有较大提高，使ECT数据采集系统的整体性能得到较大改善；同时还具有良好的抗杂散电容的能力。

2. 基于交流法电容检测的电容层析成像系统的应用现状

ECT 技术实时地提供了过程物质分布的横截面图像,从两个合适位置(或时刻)的图像测量物质运动方向和速度,进而导出过程内部的模型,用作优化过程设计^[3]。

2.1 电容层析成像在多相流测量中的应用

电容层析成像早期的工作集中在工业管道中两相流的测量,特别是油/气和油/水两相流的测量。从油井引出的油管内有油、气,有时还有水。对这样多相流的传统测量方法是先进行成分分离,然后用流量计分别进行测量。但这方法需要庞大而昂贵的设备,尤其不适合于海洋石油事业的发展,电容层析成像提供了一种新型的在线测量方法,而不需要传统的单成分流量计。图2（a）是ECT图像重建的情况。其中左图表示管道中气/油流的横截面,图中白色的两块是油微滴流,右图是使用反投影算法重建的图像。这样的成像方法可以用于气/固、液/固、气/液/固等情况,例如冶金工业中高炉炼铁的煤粉喷吹系统、各种气力输送固体粉料系统、各种浆料输送系统等。

（a） ECT图像重建的情况

（b） 流化床测试装置

图2

2.2 用于生物化学和流化床反应器的电容层析成像系统

生物材料的形成过程往往要求气相( 空气)物质在容器内均匀地消散,以产生最大的氧接触区。不理想的设计和运作会导致混合死区,降低过程效率。通过层析成像的办法检测空气阱,可以改进过程设计和操作。与此类似,电容层析成像在流化床(例如催化床、粒化过程等)中的应用也是十分有效的。流化床广泛应用于化学工业,它的热效率和床内物质传送情况受操作参数(例如气流速率、微粒大小、颗粒密度、固定床高和气流的型式等)影响。在诸多因素中间,气流的型式影响最大。图2（b）是一个流化床测试装置示意图。通过改变鼓风机的转速来调节空气流速,对各种流型进行试验,电容层析成像可以显示实验结果,提供大量在流化床内的瞬时和空间变化的信息,使气泡的大小、形状、接合等形象化(可视),为动态的定量研究提供了有力的工具。

2.3 应用于搅拌反应器、分离器

在搅拌器、聚合器等的设计和运行过程中,通过连续的层析成像方法得到有效混合区域和聚合产生模式的信息是十分重要的。在搅拌反应容器中,通常是使用几种不同的成分(相)来产生单一均匀的混合物质。在这过程中,有时还伴随有化学反应。利用ECT技术进行物质浓度截面成像,可以提供流体动力学流型以及反应器内流体成分存在时间的分布等信息。与混合过程相反的是分离过程,在工业中使用最多的是重力分离器和离心分离器(例如旋流分选机)。利用电容层析成像技术可以达到更有效的设计和运行目的,从而节约大量的设备资金和节省运行费用。

2.4 过程安全和可靠性的监测

工业生产中常需监测某种有害物质的聚积量,以免引起严重后果。例如锅炉供水中的气体,容器中烧结的固体(引起管道的堵塞)。电容层析成像系统可以可视的形式显示这些有害于正常运行的新相物质的形成。

3.基于交流法电容检测的电容层析成像系统的应用前景与发展趋势

目前ECT系统正朝着智能化、大型化、微型化、集成化和工程化等方面发展。ECT系统已广泛应用于多相流测量领域，在其他工业领域也有很大的应用潜力，但由于传感器的模型化设计方法、微弱电容的测量、电容值标定和自适应图像重建算法等关键技术还存在不足，ECT系统与工业实际应用需求还有较大差距。还需要在上述几方面做进一步的努力和探索，这对ECT 技术的广泛应用具有十分重要的意义。

电容层析成像方法由于它的非接触性(非入侵)、无环境污染、能在线进行实时测量、成本低、工作可靠、维护费用少等优点已逐渐在工业生产中应用, 其中包括成分浓度剖面分布的测量、状态分界线成像、成分速度和成分质量流速成像等。新近的科研成果表明,可以运用电容层析成像的方法优化内燃机设计。由于燃烧气体电离引起介电常数的改变,因而可以通过电容测量的方法来确定引擎燃烧室内的火焰及燃烧过程,使其达到最大的燃烧效率和最小的环境污染。

电容层析成像在石油生产系统和井测试方面的应用前景是十分诱人的。由于电容传感器的电子电路坚固耐用,并不需要在场调整。全部的参数建立和常规灵敏度的检查都由图像重建计算机来控制,即使传感器放置在海洋下使用,系统也很容易校准。很自然,电容层析成像系统将会发展成为海洋石油工业的海下和遥控采集系统以及石油监护传输系统。

必须指出,电容层析成像技术是建筑在静电场理论的基础之上的。电力线由一种物质进入不同介电常数的另一种物质时,在界面处会偏转( 即弯曲)。电容层析成像与核方法直线透射的机理不同, 前者成像的分辨率不及后者高。再则,静电场成像区域各处的灵敏度与电力线的疏密程度有关,往往电极附近的灵敏度会较/中心0处的高。尽管电容层析成像方法有它不理想之处,但如前所述,这种技术的突出优点,使它成为诸多过程成像方法中发展最快的一种。它为工业过程的内部特性提供了可视的新方法,为工业生产和设备设计评价提供有价值的信息,成为工业过程在线监测的有力工具。它的发展前景是难以估量的。

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