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1、用于两相流流型显示和空隙率测量的电容层析成像技术第52卷第ll期2001年l1月化工Jrr]丑1ofChemicalIndLL~tryandE~neenng(China)Ⅷ52NolIkⅣen1b时200I用于两相流流型显示和空隙率测量的电容层析成像技术黄志尧王保良李海青(工业控制技术国家重点实验室,浙江大学控制系自动化仪表研究所,浙江杭州310027)关键词两相流流化床流型空隙率层析成像电容中国分类号O359q-Q051.13文材标识码A文章编号0438—1157(2001)11—1035—04引言两相流流型的实时显示和空隙率的在线测量对两相流系统的控制,运行乃至机理研究等均具有重要意义,一
2、直是两相流领域中重要的研究方向.现已提出多种实现流型显示和空隙率测量的方法,例如用于流型显示的核辐射线法和光学法,用于空隙率(或浓度)测量的机理估算法,核辐射线法,电学法,光学法,微波法,热学法和核磁共振法等,但是总的来讲还未能满足应用要求,实际应用的例子也较少[.电容层析成像(electricalcapacitancetomogra.phy,简记ECT)技术由于可在不干扰流场的情况下获取反映两相流体各相组分局部的微观的分布信息,且相对于其他两相流检测技术或其他过程成像技术具有结构简单,非侵人性,速度快,成本低和安全性能佳等特点,为解决流型实时显示和空隙率测量问题提供了一条有效的途径然而,EC
3、T为2O世纪8O年代中后期才发展起来的新技术,虽已取得了不少进展并显示了广阔的工业应用前景,但其发展水平总体还处于实验室研究阶段,现场实际应用还十分有限,且绝大多数研究成果还局限于定性图像信息的获取,量化研究成果较少,因此仍有待于进一步研究发展[2--5J.本文基于ECT技术实现了两相流流型显示和空隙率测量,并建立了一套相应的12电极两相流2001—03—30收到初稿,2OOl一06—08收到惨改稿.联系人爰第一作者;黄志尧,男33岁,博士.副教授基盒项目;国家自然科学基金青年基金(No29706008)和国家自然科学基金重大项目(No59995460—5)资助项目感谢陈甘棠和王骥程两位教授对
4、本文研究工作的支持和推荐感谢联合所王樟茂教授和陈伯川高工大庆油田设计院杨菲,郭亮和崔建华3位高工的指导和帮助参数测量系统.研究表明本文提出的流型显示和空隙率测量新方法是有效的.1l2电极ECT检测系统图1示出了12电极EcT检测系统的构成简图.该系统主要由12电极电容传感器,电容数据采集系统和图像重建计算机等3大部分组成[.6J.经测试,ECT硬件系统数据采集速度可达每秒140幅,电容测量分辨率为liT',通讯波特率可达921.6kbps,并已获国家专利.ng.112一electrodeFL'Tsyste~n1--electrode;2—1shieldelectrode;3--~reen;4-
5、-capaeit~ancesen8口:卜aacquisitionunit;5"~computer12电极ECI"测量系统共可获得66个独立电容测量数据.由于各电容反映了两相流各相浓度大小及其分布的信息,可视为投影数据,利用医学CT的原理可获得反映两相流相分布的重建图像.由于图像各个像素的灰度值与该像素内的两相流离散相浓度值一一对应,因此根据图像的灰度分布可实现流型的显示和空隙率测量.同时由于流型显示和空隙率测量对图像重建有着不同的要求,因此系统中有两种不同的图像重建算法以适应不同的测量需求2图像重建算法2.1用于流型显示的加权反投影算法流型是一个定性参数,流型的显示主要用于系化工2001年l1
6、月统的状态监控或故障诊断,大致的相分布图像已能满足一般工业应用,但它对实时性和图像分辨率有一定的要求.因此,本文将整个成像区域用32×32的网格来划分[如图2(a)所示],并选用简单快速的加权反投影算法作为流型显示的图像重建算法,则第j个像素灰度值可由下式计算得出I5.7t8]∑Crls0n其中s为第j个像素相对于第i个测量电容值的(灵敏度)权重系数,具体数值通过有限元分析并辅以实际测量校正获得.同时为改善图像质量和感官视觉效果,还引入了灰度门限滤波,使灰度限定在0和1.0之间,以及图像灰度增强等措施.■◇@(a)(b)∽Fig2Illmt~tionof出ddivision2.2用于空隙率测量
7、的组合型图像重建算法两相流空隙率是量化参数.目前虽已提出不少ECT系统图像重建算法,但这些算法主要用于相分布大致图像等定性信息的获取,难以用于获取确切的量化信息[2-101,因此为实现空隙率测量,本文提出了一种组合型量化图像重建新算法.该算法主要由初始截面图像获取,图像的迭代改善和两相流空隙率计算等3部分组成.所采用的图像重建数学模型为[5,9]P=母(2)其中P=[Pl,P2,…,Ⅳ]为测量电容
