毕业论文课题相关文献综述
文 献 综 述一、课题研究的背景与意义 两相流是一种广泛存在的混合流动模式，如石油工业中的油气、油水两相流，化学工业中的流化床反应装置中的气固两相流等[1～2]。随着工业生产自动化水平的不断提高，两相流在工业生产中得到了广泛的应用，两相流参数检测技术在科学研究和工业生产中发挥了越来越重要的作用，对两相流的参数进行测量的需求越来越迫切。过程层析成像技术（Process Tomography 简称PT）适应这一发展趋势应运而生。 PT技术的出现将两相流的参数检测方法从传统的局部空间单点测量方式发展为对过程参数在二维或三维空间的分布状况的在线实时测量，大大提高了人们对生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计提供了一种全新的手段[3]。而它具有某些独有的特殊性质，可以对所要测量对象内部的特征数据进行精准的捕捉，为了获得被测对象的特征分布，这个过程需要对捕捉的数据进行分析和提炼，然后根据特定的数学模型和适应的场合进行图像的重建，重现被测对象的截面图像。 经过十多年的理论研究和工业应用，过程层析成像技术应用于两相流参数检测已取得初步的研究成果。而电容层析成像（Electrical capacitance tomography 简称ECT）的检测方法是过程层析成像检测方法中最有前途的一种层析成像方法，它具有低成本、响应速度快、非侵入、适用性强、安全性能好（非辐射）、应用广泛等优点，被认为是过程层析成像技术研究和发展的主流[3～4]。二、国内外的研究发展状况 电容层析成像技术是较早被研究的一种PT技术，早在1988年英国曼切斯特大学理工学院研制成8极板电容层析成像系统模型，采用简单反投影算法，用水和沙子分别模拟两相流静态模型，取得初步结果。1990年，该系统发展成为12电极，并采用高速并行处理器件的电容层析成像系统，在油气混合流体实验装置上稳定运行，图像重建速率为40幅/s，并可以100次/s的速率更新所存储的图像像素灰度数据。实验中液相采用煤油，气相采用压缩氮气，图像重建采用定性反投影算法。美国能源部也于1990年研制成一种在线监测流化床内物料密度三维分布的电容层析成像系统，该系统阵列有四层，每层由16个极板组成，系统能以60～100幅/s速度重建图像，从重建图像中，可以观察气泡的复合现象，并可以提取上升速度、气泡尺寸等参数。1995年英国过程层析成像有限公司（Process tomography Ltd.）推出了商品化的ECT系统PTL-200，该系统采样速率为100幅/s，图像重建与显示速率为40幅/s，传感器与二次仪表的最大距离可达250m。从美国杜邦公司研究发展部和澳大利亚CSIRO矿业研究人员们使用PTL-200的情况来看，该技术对于流化床运行工况的优化是一个有价值的工具。许多国家研究人员的实验表明：用ECT来监控颗粒物料的风力输送具有较为明显的优势。 国内对电容层析成像技术也进行了初步的研究，并取得了一定的成果，浙江大学黄志尧博士提出一种正则化广义逆流型辨识重建算法，并根据流型变化的随机特性和模糊特性提出了一种流型模糊判别方法，取得了较好的实验结果。清华大学张宝芬教授等采用有限元分析法，对传感器敏感场及不同流型对应的电容值进行了仿真计算，对图像重建过程中的图像失真和电容传感器软场特性进行了相关分析，为传感器制作及相应的图像重建算法提供了理论依据。 从国内外的研究报道中可以看出，ECT已在实验室研究中取得了有意义的研究成果。目前ECT的研究重点是从实验室向工业现场的转变[4]。三、电容层析成像技术的原理、关键与难点 应用于两相流参数检测的ECT技术的基本原理是：位于管道或过程容器内的两相流，其各相介质具有不同的介电常数，两相流流动时，各相含量和分布不断变化，引起两相流复合介电常数的变化，电容传感器阵列由均匀分布在管道或过程容器周围的多对电容极板组成，任意两个不同极板组成一个两端子电容，对应着不同的测量敏感区，其容量由数据采集系统测量，在所有不同电极对上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，这些数据被反馈入计算机并通过某种图像重建算法，就可以获得被测对象在该管道截面上的分布图像。计算机还可以对数据采集过程进行控制。 典型的ECT系统由三个部分构成：传感器系统和数据采集系统以及成像计算机。传感器系统由均匀安装在绝缘管道外壁的多对电容极板构成，将被测管道中介质的相分布转化为电极间的电容；数据采集系统首先通过电容/电压转换电路（也称为C/V转换电路）将电容转换成直流电压信号，此信号经过A/D转换为数字量，发往计算机，经计算机处理后转为一定的投影数据，并由图像重建单元重建出图像并显示出来。 在电容层析成像系统设计中主要考虑以下几个关键技术：⑴对电容传感器的极板数目、结构尺寸、材质进行优化设计；⑵高灵敏度、高可靠性的微小电容测量方法和电路的研究；⑶探索一种快速、准确、流型适应性强的图像重建算法。 图像重建算法是该系统的核心。由于电容传感器具有软场特性，且受微电容测量噪声等因素影响，其图像严重失真。为使ECT应用于在线测量，有效的提高其图像重建精度与速度是该技术的关键，常用的重建算法按其原理可以归纳为：①线性反投影算法（LBP）；②基于正则化和多元线性回归算法（MLRR）；③迭代的代数重建算法；④神经网络法 [6～11]。 目前最为广泛应用的是线性反投影算法（LBP），该算法简单、速度快，其本质是把所有的电容测量值加权后投影到整个管道回路截面。早期的LBP算法又称为0/1算法，以二进制电容敏感场灵敏度为权值，图像失真严重，此算法改进后，采用全灵敏度信息，图像质量明显提高。四、电容层析成像系统设计的发展趋势 近年来，单片机以其功能强、体积小、使用方便、性价比较高等优点,在实时控制、自动测试、智能仪表、计算机终端、遥测通讯、家用电器等许多方面得到了广泛的应用。采用单片机进行数据采集与图像重建的集成，有其独特的优势和发展空间以及广阔的市场。
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