[发明专利]一种用于电容层析成像多相流电容归一化方法

说明书

技术领域

本发明属于自动检测领域，涉及一种用于电容层析成像多相流(下文提及的多相流都特指三相流及三相流以上的多相流)电容归一化方法，它是用于在电容层析成像重建图像前，将电容测量值进行归一化处理。

背景技术

多相流是广泛存在于石油、动力、能源等工业领域的一种复杂流动现象。随着科学技术的迅速发展，以及工业生产对计量、节能和控制等方面的需求日益增加，使得多相流研究成为国内外极为关注的前沿，而多相流检测技术的发展在多相流研究中起着关键性的作用。在2013年谭超的文章“多相流过程参数检测技术综述”中提到多相流中的“相”是指具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质，在自然界的常见存在形式有气态、液态或固态。在实际工程应用中，多相流中的“相”不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等划分。在自然界及工业过程中，与单相流相比，多相流更为普遍，其流动特性更为复杂，难以用数学模型完全描述，因而给测量带来困难。

电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography，ECT)是近年来发展较快的一种多相流流动的在线检测技术，相较于其他的层析成像方法，它具有成本低、快速采集、非侵入式、无放射性等特点，在多相流检测领域被广泛应用。电容层析成像技术实质是利用管内被测物场中多相介质具有不同的介电常数，通过阵列电极电容变化，能够反映管道中多相介质分布，再运用一定的图像重建算法，重构出被测管道内横截面上的各相介质分布图。

在ECT系统中，测量采集的是极板间微小电容变化信号，通常伴有强烈的噪声干扰；另一方面ECT被测对象内部敏感场分布依赖被测电介质分布，即所谓的“软场”特性，系统本身具有病态性，因此，ECT图像重建为欠定的、病态的逆问题，系统对测量噪声和干扰非常敏感，逆问题求解更为困难。ECT图像重建时，电容数据需要进行归一化处理，无量纲化的归一化值能够减小测量干扰影响，方便简化数学模型。通过张立峰的文章“一种新的电容层析成像电容测量值归一化模型”可知，采用不同归一化方法获得的归一化值差异很大，从而严重地影响重建图像的质量。但由于ECT极板电容与高低相间介电常数、相含率、流型分布等因素之间存在着复杂的关系，目前的研究还仅用于两相流。

对于ECT测量，被测物场可以以并联形式分布，故ECT测量中使用的归一化模型可用并联模型，其电容归一化模型描述如下：

被测电容可表达为

C_i＝(1-c₁)C^l+C^hc₁

则有

式中，c₁为相浓度(高介电常数相浓度)，C_i为极板对间的电容值，C^l和C^h分别表示低相和高相满 场分布时的电容值，λ^P为并联模型电极对归一化电容参数，且与测量电容值C_i为线性关系。

根据公式可知，此归一化模型对于两相流来说C^l和C^h可以轻易获取。但是在多相流中存在三个或三个以上不同介电常数相，这种情况下若还是采用上述归一化模型，仅考虑最高相与最低相满场分布时的电容值，忽略其余介电常数满场分布时的电容值则会造成归一化的误差累积，影响图像重建整体的精度，故本发明提出了一种用于电容层析成像多相流电容归一化方法，考虑了不同介电常数满场分布时的电容值对测量电容测量值的影响，提高了图像重建算法精度。

发明内容

本发明提出了一种用于电容层析成像多相流电容归一化方法，与两相流归一化模型不同的是本发明的归一化方法考虑了不同介电常数满场分布时的电容值对测量电容测量值的影响，从而提高图像重建算法精度。

具体的步骤为：

步骤(1)：获取电容测量值；

通过对ECT正问题的分析，采用有限元法获取介质不同分布情况下的电容值，对于一个N电极系统，每一种分布都可得到N(N-1)/2个独立测量值。其中，管内充满单一介质时的电容值为Cⁱ(1≤i≤n)，其中n为管内介电常数不同物质的个数。

步骤(2)：对测量值进行归一化处理。具体的说明如下：

以平行板电容器为例，当介质并联分布时，由两相流并联归一化模型可知，待测电容可表示为

C_i＝cC^h+(1-c)C^l