基于智能算法的电容层析成像系统图像重建技术
发布时间：2021-03-19 20:19
电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography,简称ECT）是一种工业过程层析成像技术,主要用于对两相流和多相流进行测量和成像。该技术根据被测物质各相之间具有不同的介电常数的性质,通过测量排列在管道周围电极对之间的电容值,采用合适的图像重建算法,来获取管道内的介质分布情况。与其它过程层析成像检测技术相比,ECT具有非侵入、无辐射、成本低、安全性能好和成像速度快的特点。电容层析成像技术在两相流或多相流检测上有广泛的应用,例如石油的开采与运输、流化床气固两相浓度分布可视化和气力运输等。本文主要针对电容层析成像系统图像的重建过程,提出了一种基于智能算法的图像重建算法,并通过自主搭建的电容层析成像系统实验环境,对该算法的实际成像效果与传统成像算法进行对比分析,完成理论中算法改良效果的验证。首先对电容传感器中敏感场的物理意义以及灵敏度矩阵求解过程进行了阐述,利用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件将8电极电容传感器进行建模,根据有限元分析的方法对传感器内部场域进行网络分割,对三种流型进行仿真,为后面的实验环境的搭建提供理论基础;然后对经典的...
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ECT技术应用领域Fig.1-1applicationofECTtechnology
中北大学学位论文62电容层析成像技术原理本章将详细的介绍ECT系统的架构和各部分的组成，并解释ECT图像重建技术的数学原理和物理学依据。接着说明了电容传感器物理场内灵敏度的含义，根据灵敏度分布函数，推导了ECT系统中图像重建的所需电容数据的表达式。最后介绍几种常见的图像重建算法，并对这几种算法的进行了仿真，通过对比成像的效果，归纳出不同成像算法的优点和不足。2.1电容层析成像系统组成ECT系统由三个主要部分组成，即电容传感器、信号采集单元和图像重建单元[25]，其架构如图2-1所示。其中信号采集单元包括了微小电容测量模块和用于控制电极激励的电极转换与控制模块。在管道内，由于不同性质和比例的物质形成的混合相具有的等价介电常数也不同，电容传感器能得到变化的电容数据。这些电容数值通常很小，需要用特别设计的微小电容测量模块进行测量，然后信号获取单元将数据传送至图像重建单元，经过图像重建算法进行最终的成像[26]。图2-1电容层析成像系统Fig.2-1Capacitancetomographysystem下面分别对这三个模块进行了说明。（1）电容传感器电容传感器通常由分布在绝缘管道外壁的若干个极板构成[27]。在实际的工作生产中，传感器管道外部的电磁场环境很复杂，会对管壁里的物理场空间造成干扰，因而会对极板间的电容值测量的准确性产生影响，为了防止这种来自外界的干扰，一般会在传感器管道和测量电极外增加一个接地的屏蔽罩。此外，相邻的极板之间会有固定的电容，这
缂?和电极3，一直到电极1和电极8之间的电容值。然后将2号电极作为激励电极，由于1号和2号的电极已经测过，所以只需测量从3号开始的6个电极。根据规律，最后测量出7号和8号电极之间的电容值。经过一轮测量，一共可得到28个独立的电容值。通常对于由N个电极的电容传感器，一个测量周期获得的电容值个数为M=N(N-1)。不同结构和尺寸的ECT传感器对管内介质的测量数据也会有区别，经过几十年的发展，出现了多种构型的传感器结构，不同的结构适用于不同使用场景。目前ECT传感器主要分为UMIST型、METC型和BERGEN型三种[30]。如图2-2所示，这三种结构的传感器区别在于电极的排列和轴向保护电极的结构。UMIST传感器的特点在测量电极的上下方增加了两个接地的环状电极，其设置位置距离测量电极不超过传感器的直径[31]。METC型传感器的特点是在测量电极的上下方增加了两组电极，每组电极与测量电极的宽度和距离相同，在传感器工作时，各组电极上施加上与对应测量电极相同的电压[32]。BERGEN型的传感器上没有设置任何保护电极。图2-2三种类型ECT传感器结构示意图Fig.2-2SchematicdiagramofthreetypesofECTsensors轴向保护极板主要用来削弱测量电极边缘效应所产生的影响。经实验发现METC型
本文编号：3090167
【文章来源】：中北大学山西省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
ECT技术应用领域Fig.1-1applicationofECTtechnology
中北大学学位论文62电容层析成像技术原理本章将详细的介绍ECT系统的架构和各部分的组成，并解释ECT图像重建技术的数学原理和物理学依据。接着说明了电容传感器物理场内灵敏度的含义，根据灵敏度分布函数，推导了ECT系统中图像重建的所需电容数据的表达式。最后介绍几种常见的图像重建算法，并对这几种算法的进行了仿真，通过对比成像的效果，归纳出不同成像算法的优点和不足。2.1电容层析成像系统组成ECT系统由三个主要部分组成，即电容传感器、信号采集单元和图像重建单元[25]，其架构如图2-1所示。其中信号采集单元包括了微小电容测量模块和用于控制电极激励的电极转换与控制模块。在管道内，由于不同性质和比例的物质形成的混合相具有的等价介电常数也不同，电容传感器能得到变化的电容数据。这些电容数值通常很小，需要用特别设计的微小电容测量模块进行测量，然后信号获取单元将数据传送至图像重建单元，经过图像重建算法进行最终的成像[26]。图2-1电容层析成像系统Fig.2-1Capacitancetomographysystem下面分别对这三个模块进行了说明。（1）电容传感器电容传感器通常由分布在绝缘管道外壁的若干个极板构成[27]。在实际的工作生产中，传感器管道外部的电磁场环境很复杂，会对管壁里的物理场空间造成干扰，因而会对极板间的电容值测量的准确性产生影响，为了防止这种来自外界的干扰，一般会在传感器管道和测量电极外增加一个接地的屏蔽罩。此外，相邻的极板之间会有固定的电容，这
缂?和电极3，一直到电极1和电极8之间的电容值。然后将2号电极作为激励电极，由于1号和2号的电极已经测过，所以只需测量从3号开始的6个电极。根据规律，最后测量出7号和8号电极之间的电容值。经过一轮测量，一共可得到28个独立的电容值。通常对于由N个电极的电容传感器，一个测量周期获得的电容值个数为M=N(N-1)。不同结构和尺寸的ECT传感器对管内介质的测量数据也会有区别，经过几十年的发展，出现了多种构型的传感器结构，不同的结构适用于不同使用场景。目前ECT传感器主要分为UMIST型、METC型和BERGEN型三种[30]。如图2-2所示，这三种结构的传感器区别在于电极的排列和轴向保护电极的结构。UMIST传感器的特点在测量电极的上下方增加了两个接地的环状电极，其设置位置距离测量电极不超过传感器的直径[31]。METC型传感器的特点是在测量电极的上下方增加了两组电极，每组电极与测量电极的宽度和距离相同，在传感器工作时，各组电极上施加上与对应测量电极相同的电压[32]。BERGEN型的传感器上没有设置任何保护电极。图2-2三种类型ECT传感器结构示意图Fig.2-2SchematicdiagramofthreetypesofECTsensors轴向保护极板主要用来削弱测量电极边缘效应所产生的影响。经实验发现METC型
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