電學層析成像系統(tǒng)的工業(yè)應用

劉延泉+王帥

【摘要】 介紹了過程層析成像技術(shù)的發(fā)展歷程，對電學層析成像技術(shù)的基本原理進行了闡述；對當前幾種電學層析成像技術(shù)的特點、適用范圍和工業(yè)應用情況進行綜述；從系統(tǒng)構(gòu)成、技術(shù)特點、應用研究現(xiàn)狀等方面對ET技術(shù)進行了綜合評述；最后總結(jié)了ET技術(shù)之間的異同。

【關鍵詞】 過程層析成像 ET 原理 工業(yè)應用

引言

過程層析成像技術(shù)也常稱為流動成像技術(shù)，是本世紀70年代中后期開始正式形成和發(fā)展起來的，是一種以兩相流或多相流為主要研究對象，在不損傷研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用某種探測源，根據(jù)從對象外部設備所獲得的投影數(shù)據(jù)，運用一定的數(shù)學模型和重建技術(shù)，在使用計算機生成對象內(nèi)部的二維或三維圖像，重現(xiàn)對象內(nèi)部特征的技術(shù)。

過程層析成像技術(shù)的出現(xiàn)將兩相流參數(shù)檢測方法從傳統(tǒng)的局部空間單點測量方式發(fā)展成為對過程參數(shù)在二維/三維分布狀況的在線實時測量，從而大大提高了目前對人們生產(chǎn)過程信息的獲取和分析能力，為在線檢測和優(yōu)化設計測量提供了一種全新手段[1]。

一、電容層析成像技術(shù)

1.1電容層析成像技術(shù)原理

電容層析成像技術(shù)是 PT 技術(shù)中研究較早的一種，是在管道周圍安裝 M 個電極，通過測量不同電極對之間的電容來推知場域內(nèi)流體介電常數(shù)的分布。它利用多相介質(zhì)不同的介電常數(shù)，通過陣列電極電容變化，反映管道中多相介質(zhì)分布，從而構(gòu)造出管內(nèi)各相介質(zhì)的分布圖像。

工作原理：陣列式電極電容敏感系統(tǒng)通常由均勻安裝在絕緣管道外壁的陣列電極構(gòu)成。任意兩個不同極板構(gòu)成一個兩端電容，對應著不同的測量敏感區(qū)，其電容值由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量，反映出整個管道截面上介電常數(shù)的分布情況。通過獲得不同觀察角度下“投影數(shù)據(jù)”并饋入成像計算機。根據(jù)圖像重建算法即可獲得敏感場介質(zhì)分布的斷層圖像。

1.2電容層析成像技術(shù)的工業(yè)應用展望

從原理上講只要各相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，便可應用ECT技術(shù)。經(jīng)過十幾年的研究，已在許多領域得到了應用：多相流參數(shù)檢測及過程安全和可靠性檢測、粉料氣力輸送過程、化工分離過程、生化反應過程、流化床的監(jiān)測等方面。

ECT 技術(shù)具有非侵入、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點。

目前電容層析成像系統(tǒng)的測量精度和圖像重建的質(zhì)量還不盡人意。要使電容層析成像技術(shù)真正應用于工業(yè)過程在線測量與控制，關鍵是要提高系統(tǒng)的測量精度和重建圖像質(zhì)量。尋求精度高且速度快的量化圖像重建算法并使之應用于空隙率、流型辨識等量化參數(shù)測量，是電容層析成像技術(shù)能真正應用于工業(yè)實際的關鍵[2]。

二、電阻層析成像技術(shù)

2.1簡介

ERT 技術(shù)是一種基于電阻傳感器原理的層析成像技術(shù)，通過測量電阻率的分布來獲得多相介質(zhì)的分布。在管道周邊均勻嵌入N個電極，這些電極應保證與流體有良好的電接觸。在某兩個電極上注入交流電流，此時敏感場內(nèi)電導率分布發(fā)生變化，敏感場內(nèi)的電勢分布隨之變化，導致敏感場邊界上的測量電壓發(fā)生相應的變化。也就是說測量電壓的變化情況反映了電導率的變化信息。利用邊界上的測量電壓，通過一定的圖像重建算法，可重建出敏感場內(nèi)的電導率分布，從而實現(xiàn)可視化測量。典型的 ERT 系統(tǒng)主要包括3個單元：電阻傳感器單元、測量及數(shù)據(jù)采集單元、計算機圖像重建單元。電阻傳感器獲取被測敏感場分布狀況的投影信息；測量及數(shù)據(jù)采集單元收集傳感器所獲得的信息，并傳送至計算機；計算機根據(jù)一定的算法重建出場域分布圖像。

2.2工業(yè)應用展望

自從首個ERT系統(tǒng)問世以來，ERT技術(shù)已成功應用于多個領域中，特別是多相流測量[3]。如：三維氣液兩相流氣相含率及速度場分布、三維ERT多相流成像研究、大型壓力過濾裝置的氣固兩相流分離測量、明槽流中懸浮沉積物的濃度和分層研究。利用 ERT技術(shù)對高爐爐襯在冶煉過程中的變化進行可視化檢測。對地質(zhì)、環(huán)境進行監(jiān)測：最具代表性的是，美國Lawrence livermore國家實驗室，所承擔的重大科研項目“ERT技術(shù)在美國核廢料場特征鑒定計劃中的作用”。該項研究為尋找合適的核廢料的長期安全的儲藏場所提供了仿真依據(jù)。另外，對城市中地下管道的泄漏問題進行在線檢測；以及對水利工程堤壩修建中的問題進行監(jiān)測等等都是ERT技術(shù)的價值所在。

三、電磁層析成像技術(shù)

3.1簡介及原理

電磁層析成像技術(shù)是一種基于電磁感應原理的電層析成像技術(shù)由三部分組成：傳感器陣列、接口電路和計算機。激勵線圈內(nèi)通入交變電流產(chǎn)生激勵磁場，激勵磁場與被測區(qū)域內(nèi)導電性或?qū)Т判晕镔|(zhì)相互作用形成物場，檢測線圈獲得物場在邊界上的信息，由此重建物場空間導電率或?qū)Т怕实姆植?。檢測信號經(jīng)接口電路輸出給計算機，經(jīng)過計算機處理，通過一定的逆變換方法，可以從獲得的信息重構(gòu)物場空間的分布，即圖像重建[4]。

3.2 EIT工業(yè)應用

電磁波層析成像方法作為電磁方法的新方法之一，因為其分辨率高、效率高、非侵入無傷害、多點測量實時成像、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的優(yōu)點，現(xiàn)在受到越來越多人的關注。

EMT應用于能用導電率或?qū)Т怕时碚魑矬w特性的所有領域：如地下水、固體礦的探測、剩余油的評價以及危機煤田礦的勘查等等，成為地球物理學的前沿學科；還有運輸中的物品成分檢測、食品檢測、海關中的物品檢驗、無損探傷、石油勘探以及管道中離子水的探測；以及勘查土木工程的地質(zhì)基礎里面有無空洞、斷裂、破碎帶；評價建材質(zhì)量；評價帷幕灌裝質(zhì)量，以及配合水文工作找水等等[5]。

從長遠來看，不管是在深部礦產(chǎn)油氣資源等方面勘查，還是在工程地質(zhì)或地質(zhì)災害的預測方面層析成像都具有重大的現(xiàn)實意義[6]，這也為地下電磁波勘查提供了廣闊的前景，也給社會帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

四、結(jié)束語

我們來對這幾種電學層析成像技術(shù)進行比較，從圖1中可以看出，這三者分別對具有不同屬性的介質(zhì)進行成像。它們的主要區(qū)別是傳感器和測量模塊不同，而數(shù)據(jù)采集模塊和圖像重建單元基本一致。

所以我們在實際應用過程中，對于電學層析成像的具體選擇，要因被測物體的屬性而定，而對于任何一種圖像重建方法都沒有絕對，想要得到更加準確、精確的成像技術(shù)，需要我們不斷地探索鉆研，在經(jīng)典的基礎上融合先進技術(shù)和創(chuàng)新思路，以尋求更加便捷的方式！

參 考 文 獻

[1]何世鈞.電容層析成像系統(tǒng)的研究與應用[D].天津：天津大學.2005.

[2]禹治坤.電容層析成像技術(shù)在電廠氣固兩相流檢測中的應用[D].保定：華北電力大學.2010.

[3]周豐.電容層析成像技術(shù)在氣固兩相流在線監(jiān)測中的應用研究[D].南昌：華東交通大學，2008.

[4]王湃.電阻層析成像（ERT）技術(shù)及其在兩相流檢測中的應用[D].西安：西安電子科技大學.2013.

[5]陳銘.電磁波層析成像方法與應用研究[D].荊州：長江大學.2013.

[6]馬平，周曉寧，田沛.過程層析成像技術(shù)的發(fā)展及應用[J].化工自動化及儀表， 2009， 36（1）： 1-5.

[7]Douglas Smith，Lad wp Lowers Emissions While Adding Capacity[J]，Power Engineering，2002，Jun：35-381.