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电容耦合电阻层析成像系统建模及优化研究
作 者: 张伟波
导 师: 黄志尧;王保良
学 校: 浙江大学
专 业: 检测技术与自动化装置
关键词: 两相流 电阻层析成像 非接触式电导检测 建模 优化设计 灵敏场
分类号: TP212
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
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内容摘要
电阻层析成像(ERT)技术作为过程层析成像技术中的研究热点之一,与其它层析成像技术相比,具有结构简单、响应速度快和成本低廉等优点,是一种具有广阔应用前景的两相流参数测量技术。但是,传统的ERT传感器检测电极与被测导电液体直接接触,易导致电极极化和电化学反应等问题,从而影响ERT在实际工业中的应用。针对该问题,本课题组基于电容耦合式非接触电导测量方法(Capacitively Coupled Contactless Conductivity Detection, C4D)提出一种新的ERT技术,电容耦合ERT(Capacitively Coupled Electrical Resistance Tomography, CCERT).该CCERT系统传感器电极直接安装在被测绝缘管道外部,从而有效避免了传统ERT中由于接触测量引起的各种问题,是一种具有极大应用潜力的成像技术。虽然目前已经初步验证了该技术在层析成像领域应用的可行性,但由于该系统与传统的ERT系统有很大不同,无法直接借鉴ERT的现有研究成果。因此需要从基础性研究出发,对CCERT系统进行理论分析和建模,并提出传感器设计准则,进而才能实现有效的图像重建。针对这一现状,本论文主要从基础性研究出发,对传感器的建模和优化问题进行了较深入研究,同时对图像重建也进行了初步研究,同时根据研究获得的传感器设计准则,设计了CCERT样机,并进行了实时的图像重建验证实验。本文的主要工作和创新点如下:(1)建立CCERT传感器的数学模型,并利用二维及三维有限元仿真验证了电极间RC串联等效电路模型的有效性。(2)针对CCERT传感器结构的特性,为了降低外部寄生电容影响,借鉴电容层析成像系统中通过增加径向电极的方法,对该种结构的传感器进行研究。结果表明,针对所采用的数据采集模式,径向电极对测量值影响较大,对测量不利,不建议采用径向电极。(3)以降低数据检测电路的设计难度为优化目标,同时兼顾系统测量灵敏度,对CCERT系统的传感器几何及物理参数进行了优化研究。通过研究获得如下传感器设计准则:较薄的管壁、较大的管壁相对介电常数以及较大的电极张角对系统设计是有利的。(4)基于获得的传感器设计准则,设计了CCERT传感器样机。对图像重建所需的灵敏场进行仿真研究,获得了所设计CCERT传感器的灵敏场,同时将LBP成像算法应用到本系统。利用该样机进行了实时的图像重建验证实验。实验结果表明,该CCERT系统样机对目标成像效果良好,进一步验证了传感器模型的正确性,传感器设计准则的有效性,同时也表明获得的灵敏场与实际系统相符。
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全文目录
致谢 6-7 摘要 7-9 Abstract 9-13 第1章 绪论 13-21 1.1 两相流概述 14-17 1.1.1 两相流定义及参数检测意义 14-15 1.1.2 两相流参数测量方法 15-17 1.2 过程层析成像技术 17-18 1.3 本文的主要研究工作 18-20 1.4 本章小结 20-21 第2章 文献综述 21-30 2.1 ERT技术的发展历程和研究现状 22-25 2.1.1 发展历程和研究现状 22-24 2.1.2 研究方向 24-25 2.2 ERT的基本原理及测量方法 25-27 2.2.1 ERT技术的基本原理 25 2.2.2 ERT系统的构成及测量模式 25-26 2.2.3 ERT技术中的问题 26-27 2.3 C~4D技术的测量原理和系统构成 27-28 2.3.1 C~4D技术的测量原理 27-28 2.3.2 C~4D系统构成 28 2.4 C~4D技术发展及应用 28-29 2.5 本章小结 29-30 第3章 传感器模型 30-51 3.1 CCERT系统结构及基本测量原理 31-33 3.1.1 CCERT系统基本结构 31 3.1.2 传感器结构及测量原理 31-33 3.2 CCERT正问题分析 33-43 3.2.1 场域数学模型 34-37 3.2.2 有限元方法及验证 37-39 3.2.3 二维有限元求解 39-40 3.2.4 三维有限元求解 40-41 3.2.5 有限元模型实验验证 41-43 3.3 CCERT串联等效电路模型研究 43-45 3.4 液体等效为电阻与电容的并联等效电路模型研究 45-48 3.5 外部寄生电容值研究 48-49 3.6 本章小结 49-51 第4章 传感器结构及参数优化研究 51-63 4.1 传感器基本结构分析 52-56 4.1.1 屏蔽罩对系统的影响 52-54 4.1.2 径向电极对系统的影响 54-56 4.2 传感器物理及几何结构参数优化 56-62 4.2.1 优化目标 56-57 4.2.2 壁厚分析 57-59 4.2.3 管壁相对介电常数分析 59-60 4.2.4 电极张角分析 60-62 4.3 本章小结 62-63 第5章 图像重建实验 63-73 5.1 CCERT样机参数选择及系统构成 64 5.2 灵敏场分析 64-68 5.2.1 灵敏场计算 65-66 5.2.2 灵敏场仿真及分析 66-68 5.3 LBP图像重建算法简介及应用 68-69 5.4 成像实验测试 69-72 5.5 本章小结 72-73 第6章 结论与建议 73-75 参考文献 75-80 作者简介 80
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器(变换器)、传感器
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