电容层析成像系统的电势仿真分析.pdf

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1、第32卷第1期东北电力大学学报V0I．32．No．12012年2月JournalOfNortheastDianliUniversityFeb．，2012文章编号：1005—2992(2012)01-0049一o4电容层析成像系统的电势仿真分析衣得武，周云龙2，高云鹏(1．东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林132012；2．东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)摘要：利用ANSYS软件的电磁场分析模块分析ECT系统的电场问题，通过模拟，可以计算出节点的电势值，还得出空间的电势分布图，把原来抽象的场形象化、可视化，为以后传感器的优化设计以及图像重建都具有较大的参考依据，以免

2、盲目试验，节约了科研成本且提高了设计效率。关键词：两相流；电容层析成像；有限元分析；电势分布中图分类号：TP216文献标识码：A在动力工程、石油化工、核能利用等领域广泛存在气液两相流动工况，如冷凝器、蒸发器及核反应堆蒸汽发生器等管壳式换热设备¨I2j。管束间的气液两相流型对流体的流动特性和传热规律有着重要的影响J，同时也影响流动参数的准确测量以及两相流系统的运行特性，因此气液两相流流型识别的研究一直是两相流参数测量的一个重要研究方向，同时也为核工业等生产设备安全、经济运行提供了有力的技术支持。电容层析成像(ElectricalCapacitanceTomography，简称ECT)技术是

3、过程层析成像的一种，是上世纪80年代末由英国曼彻斯特大学理工学院提出的一种新的过程层析成像技术，是未来流动层析成像的发展主流之一，它是通过测量绝缘体表面周围电极之间的电容值来计算物体内部介电常数的空间分布，获取管道截面相分布的微观信息的一种方法，比较常用的例子是应用于管道的气／液、气／固两相流的检测j。这种技术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，比之其它多相流检测技术电容层析成像具有成本低廉、非侵人性、适用范围广、安全性能佳等优点。经过20多年的发展，ECT技术在应用领域的扩展、传感器的设计、图像重建算法等方面取得了丰硕的成果。本文是基于本

4、课题组研制的一种基于FPGA的可调高频正弦波发生电路，同时利用FPGA产生多通道扫描电路的控制信号的高速数据采集系统的电容传感器系统进行研究，该系统输出正弦波的幅值为15V，采用VHDL语言编程，克服了硬件设计的复杂性和更新能力差的缺点，高频正弦波电路部分对于8、10、12、16极板全部适用，不需要更改硬件电路。通过测试实验分析，测量装置的线性相关性可达0．9994，电极的实际稳定采集速度达到27415秒，这对于工业现场的高速流体的数据采集需求已经足够。。。采用ANSYS对静电场进行了分析模拟，得出电位以及场分布情况。lECT系统的工作原理及有限元模型电容层析成像系统主要由电容传感器、数

5、据采集系统和图像重建三部分组成，如图1所示。收稿日期：2011—06一O1’基金项目：国家自然科学基金(50976018)作者简介：衣得武(1985一)，男，吉林省长春市人，东北电力大学自动化工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：气液两相流流型识别研究．50东北电力大学学报第32卷图1电容层析成像系统结构图它的基本原理是利用管道内多相流体各分相介质具有不同的介电常数，通过均匀安装在绝缘管道外壁的电容传感器测得各电极对的电容值。由于这些测量值反映了管道内介电常数分布情况，计算机利用这些数据，通过采用某种图像重建算法，得到管截面上的相分布图，直观地获得管道内多相流体的相分布可视化信息。从图1

6、中可以看出，电容传感器是系统的信息来源，影响着整个系统的性能。所以进行优化设计很有必要。图2是电容传感器横截面图，该传感器主要由绝缘管道、检测电极和屏蔽电极三部分构成。绝缘管道一般采用有机玻璃，即可以绝缘，同时又便于观察管道内流体状态；检测电极由金属铜箔构成；屏蔽电极主要由屏蔽罩和径向电极组成，屏蔽罩用来抑制外界电磁场的干扰。径向电极与屏蔽层相连接且指向圆心，用来降低相邻电极间的高固有电容以扩大系统的动态范围。本系统采用低频激励小于1MHz，并且传感器的轴向长度与管道外径之比大于1．5，即可认为是二维场，也就说电极轴向的边缘效应可以忽略q]。假设传感器空间自由电荷为零，则电容层析成像系统

7、的数学模型可用泊松方程表示：·[(，Y)V(，Y)]=0，(1)式中，(，Y)为二维的电势函数，(，Y)为介电常数分布函数。当电极i是激励电极时，相对应的边界条件如下：rq~(x，Y)I()厂J=M，图2电容传感器的横截面图{(，)，)y)E=0(=1，2，i≠8)，(2)tq~(x，Y)I()+F=0，m式中，厂为激励电极(i=1，2⋯，8)，，为检测电极，为径向电极，，厂为屏蔽罩的空间电位。依据电磁场理论静电场中的电场强度E(，