电容层析成像技术
用于气固两相流在线测量的ECT电容测量电路
用于气固两相流在线测量的ECT 电容测量电路3孙 楠 黄 民 祁志生(北京机械工业学院机械工程系,北京100085) 3北京市优秀人才专项资助项目(20041D0500602)摘 要 电容层析成像(ECT )技术是目前最具发展前景的多相流参数检测方法。
介绍了12电极ECT 成像系统的测量原理及设计方法。
研制了一种交流激励的微电容测量电路,该电路具有较强的抗杂散电容性能、结构简单、容易实现等优点,较好地解决了电子开关的电荷注入效应对测量分辨力的影响问题。
经试验证明可达到的实际分辨力为0104f F 。
关键词 电容层析成像(ECT );交流激励;测量电路;两相流0 引言随着当代科学技术的高速发展,对广泛存在于工业过程中的两相流(多相流)体系的认知在科学研究和工程技术领域显得越来越重要。
对于多相流的研究已经成为一个新兴的前沿学科。
电容层析成像,即ECT (Electrical Capacitance Tomography )是上世纪80年代末、90年代初提出的一种新的过程成像技术[1]。
目前,ECT 技术是公认的最具发展前景的两相流参数检测途径之一,其中电容测量电路是该技术的关键和难题之一,设计研制一套具有相当精度和数据采集速度、稳定可靠的电容测量电路是保证整个成像系统正常运行的前提条件。
1 ECT 系统的构成及测量原理ECT 系统主要由传感器、数据采集系统和成像系统三部分组成[3]。
图1是8电极电容成像系统的示意图。
一个典型的电容成像系统包括电容传感器阵列、测量及数据采集电路、成像计算机三大部分。
其基本原理是沿流体流动管道外侧均匀地粘贴若干电容极板,任意两个极板均可组成一个两端子电容。
管道内两相流动介质的不同相分布会引起电容极板间介电常数变化,从而改变电容值的大小。
各对极板间的电容值包含了与相分布有关的信息,通过测量不同极板组合间的电容值并将其送入计算机按一定的算法进行图像重建,就可以得到管道截面上的相分布图像。
常用原油含水率测试方法
常用原油含水率测试方法1、原油含水率静态测试方法分析原油含水率静态测试方法是通过人工取样后运用物理或化学方法实现油水分离后计算原油含水率。
目前主要的静态测试方法有蒸馏法、电脱法、卡尔·费休法。
1.1、蒸馏法蒸馏法的测试原理是通过加热原油将油和水分离，分别测试原油质量以及蒸发出的水分质量，并计算出水分的质量分数。
蒸馏法的测试过程是在原油中加入与水不相溶的溶剂，在原油与溶剂混合以后并开始回流的条件下加热，此时原油、水分和溶剂在沸腾状态时会一起蒸发出来，溶剂因沸点最低第一个被气化，之后水分通过冷凝管进入水分接收器中，通过水分接收器的刻度读出水分的含量，从而计算出原油含水率。
图1为实验装置的示意图。
图1 实验装置示意图最初实验室通常采用蒸馏法测试原油含水率，但石油生产行业主要根据《原油水含量测定法一蒸馏法》(GB/T8929-1988)来测试，石油加工行业则按《石油产品水含量测定法一蒸馏法》(GB/T260-1988)测试。
GB/T8929-1988使用有较大毒性的二甲苯做溶剂，对操作人员危害大，同时也污染样品和环境;GB/T260-1988则以直馏汽油80℃以上的馏分做溶剂，尽管毒性不大，但是测试的结果误差太大。
1.2电脱法电脱法的测试原理是通过高压电场，利用电破乳技术使油水分离，来测试原油的含水率。
这种方法适合一些仪器的设计开发，例如Dst-III石油含水电脱分析仪。
电脱法的分析液量大、分析速度快，操作简单、无“二次采样”误差以及安全可靠等优点使其备受青睐。
但是电脱法同样存在着一些缺点，如在脱水过程中，油样需要加温，易使原油剧烈沸腾而外溢，与带电的内、外电极裸露的金属部分触碰，易引起电击危险。
图2为原油含水电脱分析仪结构示意图。
图2 原油含水电脱分析仪结构示意图1.3卡尔·费休法卡尔·费休法是实验室中标准的微量水分测试方法，对于有机液体，是国际国标方法《原油水含量测定卡尔费休库仑滴定法(GB/T 11146-2009 )。
电容层析成像在高压浓相煤粉气力输送中的应用
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中 图分 类号 ： Ｂ ３ Ｔ ９４ 文 献标 识 码 ： Ａ 国 家标 准 学 科 分 类 代 码 ： ６ ．０ ０ ４ ０ ４ ３
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基于无网格法的电容层析成像正问题的仿真研究
些 问题 ：
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电容层析成像系统微小电容测量电路的设计
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数 进 行 测 量 的要 求 也 更 加 迫 切 ［ 目前 ， 容 层 析 成 １ １ ． 电 像 Ｅ Ｔ技 术 被 公 认 为 是 解 决 该 问 题 的 最 为 有 效 的 Ｃ 途 径 ． Ｃ 系统 由多极 板 阵列组 合 电容 传 感 器、 ＥＴ 数 据 采集 系 统 和 成 像 计 算 机 组 在 ， 中 微 小 电容 测 量 其
士
口
成 为其 关 键 和难 点 之一 ． 因此 本 文 研 制 了一 种 用 于 Ｅ Ｔ系 统 的 微 小 电容 测 量 电 路 ． Ｃ
随 着 工 业 技 术 水 平 的 不 断 提 高 ， 封 闭 管 道 内 对
流 体 的计 量 和 控 制 提 出 了 更 高 的 要 求 ， 两 相 流 参 对
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油水两相流电容层析成像系统传感器仿真分析
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２ ０ 牟第３ ０８ 期
中 图分 类 号 ：Ｎ １ ．３ Ｔ ９ １７ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０９ ５２２ ０ ）３ ０２— ５ １０ —２５ （０８０ —０４ ０
油 水 两相 流 电容层 析 成 像 系统传 感 器 仿真 分 析
栾忠洋 ，于 海
（ 黑龙江省信用信息中心 ，哈尔滨 １００ ） ５０ １
摘
要 ：以 ｌ ２电极 油水 两相 流 电容层析 成像 系统 为研 究对 象 ，分析 了电容 层析 成像 系统 的工 作
原理及 数 学模型 ，针 对 油水 两相 流 电容 层析 成 像 系统 的特 性 ，采 用有 限元 方 法对 其传 感 器灵敏 度分 布 （ 感场 ）进行 仿真 分析 和计 算 ，采 用不 等 间距 网格 剖 分提 高 了计 算精度 ，并分 析 了各 敏 个传 感 器结构参 数 对传 感 器性能 的影响 ，为传 感 器研 制提 供参 考依据 。 关键 词 ：电容层 析成像 ；网格剖分 ；有 限元方 法 ；敏 感场
纪 ８ 年代末 ９ 年代初 由英国曼彻斯特理工大学提 Ｏ Ｏ 出。它是通过测量物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 即各相分布。
与其他技术相 比， 电容层 析成像技术具有适用范 围
广、 非侵入式、 安全性能好 、 成本低等优点 ， 已经发展
成 为 Ｐ （ ｒ ｅｓ ｏ ｏｒｐｙ 技 术 中 的 主 流 技 术 之 Ｔ Ｐｏ ｓ Ｔ ｍ ｇａｈ ） ｃ
一种电容层析成像系统多电极激励方法
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非闭合电极电容层析成像传感器的设计及实验研究
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分 布及 物质浓 度测 量 、 物 化 学及 流 化 床 反应 器 过 生 程 检测 、 搅拌 反应器 及分 离器 中物 质截 面成像 、 火焰 检测 等研 究及 工 业应 用 领 域 ＿］ 随着 Ｅ Ｔ技 术 的 １． 。 Ｃ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｏ ｅ ｎ ｌｓ ｄ ｅｅ ｔｏ ｅ ｅ ｓ ｒｗａ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ａ ｅｔ ｅ ｓ ｒ ｔｅ ｏ ｐ ｓｔ ｎ ａ ｄ ｓｒ ｃ ： ｎ ｖ ｌｕ ｃｏ ｅ ｌｃｒ ｄ ｓ ｓ ｎ ｏ ｓｐ ｅ ｅ ｔｄ ａ ｄ ｍ ｄ ｏ ｍ ａ ｕ ｅ ｍａ ｔｒ ｃ ｍ ｏ ｉ ｏ ｎ ｉ
ＥＥＡＯＣ： ３ Ｈ ７２ ０ 。
学
非 闭合 电极 电容 层 析成 像 传感 器 的设 计 及 实 验研 究
＊
刘 靖 ， 姜 凡 ， 孙 猛 ， 刘 石
（ 中国科学院工程热物理研究所 ， 北京 １０ ８ ） ０ ０ ０
摘 要 ： 提出并制作了一种新型的非闭合电极电容传感器， 对其敏感场进行了计算， 利用该传感器对实际物体进行了测试，
下行床内颗粒浓度的电容层析成像测量的研究
３ 北 京 市 轻 工 业 环境 保 护 研 究 所 ，北 京 １ ０ ８ ． ００ ９）
摘 要 ：利用 电容层析成像 （ ｅｔｃｌ ａａｉｎｅ ｏ ｏｒｐｙ Ｅ Ｔ ， ｅ ｃ ｉ ｐｃａｃ ｔ ｇＡｈ ， Ｃ ） 以非侵入 的方式， 下行床 内气 固流动 ｌ ｒａ ｃ ｔ ｍ 对
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第２ 期
陈 琪等 ：下行床 内颗 粒浓 度 的 电容 层析 成像 测 量 的研 究
１３ ６
流动 的测 量 等 多个 领 域 的研究 中 ， 量速 度 已经 测 可 以达 到 ３ ０幅 ／ ０ ｓ的速度 。
有相 似之 处 ： 在流 体 流 动管 道上 安 装按 一 定规 律 排列 的传感 器 ， 根据 采集 的数据 ， 利用 图像 重建算
法计 算 出物 体 的断面 图像 ， 现流 体 流 动的可 视 实 化。 ２ 世纪 ８ 自 Ｏ Ｏ年 代 中期 开 始 ， 国的曼彻 斯特 英 大 学理工 学 院首次 开展 了一项 应用 ８电极 阵列 式 电容 传感 器对 油气 两相 流和气 固两相 流进 行成 像 的研 究 ［ 。 ３ 至今 ， ］ 电容层析 成 像 的研 究 已涉 及气 固 两 相流 的气 力输送 ， 固旋风 分离器 的测量 ， 固 气 液
情 况 进 行 测 量 研 究 。 对 下 行 床 内 固体 颗 粒浓 度 低 的特 点 ， 用 了 ＳＲＴ 图像 重建 算 法 ， 到 了高 质 量 的 Ｅ Ｔ 针 采 Ｉ 得 Ｃ 图像 。 颗 粒 流 量 和 流 化风 量 变化 的情 况 下 测 量 了不 同截 面 固体 颗 粒 体 积 份 额平 均值 的 变 化 ， 到 了下 行 床 在 得 内 气 固流 动 规 律 。 现 了快 速 的下 行 床 内粉 粒 体 的 Ｅ Ｔ 在 线 可 视 化 测 量 ， 有 较 大 的工 程 和 学术 价 值 。 实 Ｃ 具
基于遗传算法的两相流电容层析成像图像重建算法
数 串来 表示 ， ｋ个像 素 的灰 度值 对 应 串 中第 ｋ个 浮 点数 数 第
图 １ 电 容 层 析 成 像 系统 结 构 图
值 。 于 式 （ ）是 一 欠 定 方 程 ， 多 个 解 。 法 的 目 标 就 是 寻 由 ２ 有 算 找 式 （ ）的 符 合 实 际 情 况 的 最 优 解 。 ２
Ｐ ＝ Ｗ ・Ｆ
（） ２
式 中 ： 为 与 管 道 内 敏 感 场 分 布 相 关 的 灰 度 向 量 的 权 系 数 矩
２ 电 容层 析 成 像 系统 基 本 原 理
电容层 析 成像 系 统 由 电容 传 感 器 、 据 采 集 系 统 、 像 数 成
计算 机 三部 分组 成 如 图 １ 示 。 所
１ 引 言
流 动 层 析 成 像 技术 是 近 年来 飞 速 发 展 起 来 的 一 门新 技
术 ， 项 技 术 在 解 决 多 相 流 检 测 问 题 上 有 巨 大 的 发 展 潜 力 和 该
容 就 会 随 之 变 化 ， 此 ， 根 据 实 际 测 得 的 极 板 电 容 值 反 演 由 可
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管 道 内 每 个 像 素 的 灰 度 值 在 ０到 １ 间 ， 一 个 浮 点 数 之 用
…
，
图像 重建算 法 十分 重要 。
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电容层析成像技术
电容层析成像技术（Capacitive Imaging）是一种非接触式的成
像技术，它可以用于生物医学、机器人学、工业自动化等领域。
本文
将介绍电容层析成像技术的工作原理、应用场景和局限性。
一、电容层析成像技术的工作原理
电容层析成像技术利用电容传感阵列探测物体表面电容变化，通
过计算机处理电容值变化，重建出物体表面的形态和电气特性。
电容
传感阵列由铝箔电极构成，形成一个网状结构，位于物体上空，以固
定的频率向物体表面施加电场。
当电场与物体表面相交时，产生电荷
分布，形成电容变化。
传感器逐个扫描，采集每个像素的电容值数据，再通过图像处理算法实现成像。
二、电容层析成像技术的应用场景
1. 生物医学：电容层析成像技术可以用于检测皮肤病变和深部
组织结构成像，如乳腺癌检测、口腔癌检测等。
与传统的医学成像技
术相比，电容层析成像技术具有无辐射、非侵入性、成本低等优点。
2. 机器人学：电容层析成像技术可以用于机器人的感知和导航，如实现室内移动机器人的自主避障和抓取控制。
3. 工业自动化：电容层析成像技术可以用于质量控制和产品检测，如检测传送带上的产品是否丢失或缺陷等。
三、电容层析成像技术的局限性
1. 分辨率问题：电容层析成像技术的分辨率受限于电容传感阵
列的大小和电场频率。
如果频率过高，电容值变化较小，信噪比降低；如果传感阵列太小，分辨率也会降低。
2. 对电介质敏感：电容层析成像技术对于电介质材料很敏感，
电介质材料与空气的介电常数差距较大，会影响成像的准确性。
3. 成像速度较慢：电容层析成像技术需要逐个扫描电容传感阵列，采集数据后再进行图像处理，成像速度较慢，不适合快速应用场景。
总之，电容层析成像技术在特定场合下具有较高的应用价值，但同时也具有一些局限性。
研究人员需要不断研究和改进技术，提高其性能和应用范围。