新型电学双模态过程层析成像系统研究

Most traditional ECT/ERT dual-modality tomography systems are implemented through the combination of two independent tomography systems, which may lead to the complication of system structure, the difficulty in realizing spatial-temporal consistency of acquiring process information, etc. Based on capacitively coupled contactless conductivity detection technique, a novel inherently ECT/ERT dual-modality tomography system with one sensor and one data acquisition system is proposed. The inherency of sensor can guarantee the spatial consistency of acquired information in different modalities, while the inherency of data acquisition system can ensure the temporal consistency. The main research works include: studying the new sensing mechanism of the sensor, establishing the simulation model of the sensor, researching the response characteristics of sensor based on the simulation model, setting up comprehensive optimization indexes in dual-modality, optimizing the design of sensor structure, developing a novel inherent dual-modality data acquisition system, acquiring the sensitivity field based on the simulation model of the sensor, proposing new image reconstruction algorithms which can be used in the new dual-modality tomography. This research may overcome several application bottlenecks of electrical dual-modality tomography and extend the application fields of the technique. It will also provide a new measurement method for the imaging of complex fluid and the parameter measurement of multiphase flow.

现有的电容/电阻双模态过程层析成像系统一般是由两套独立的层析成像系统组合而成，存在系统结构复杂、获取的过程信息难以实现时空同步等问题。本项目基于电容耦合非接触电导检测技术，提出了一种传感器和数据采集系统均为一体化的新型电容/电阻双模态系统。一体化传感器使得系统获得的不同模态信息具有空间一致性；一体化数据采集系统使得系统获得的不同模态信息具有时间一致性。本项目主要研究内容包括：研究新型传感器敏感机理，建立传感器的仿真模型，基于该模型对传感器响应特性进行研究，建立双模态下的综合优化指标，并对传感器结构进行优化设计；研制新型一体化双模态数据采集系统；利用传感器仿真模型获取灵敏场，研究适用于新系统的图像重建算法。本研究将克服电学双模态层析成像技术的多个应用难点，拓展该技术的应用领域，并为复杂流体成像和多相流参数的检测提供一种新方法。

现有的电容/电阻双模态过程层析成像系统一般是由两套独立的层析成像系统组合而成，存在系统结构复杂、过程信息难以实现时空同步等问题。本项目基于电容耦合非接触电导检测技术，提出了一种传感器和数据采集系统均为一体化的新型电容/电阻双模态系统。.主要研究内容包括：.(1)研制了新型传感器样机。分析了新型传感器敏感机理，建立了传感器的仿真模型。基于该模型对传感器响应特性进行研究，获得了灵敏场等重要的性能指标数据。设计、优化并制作了传感器样机，并进行了性能测试。.(2)研制了一体化双模态数据采集系统，同时实现了电容和电阻模态下的测量。在分析各模态下被测参数范围的基础上，研制了专用数据采集系统。为满足多电极激励的需要，研制了新型的前端信号转换模块。在原理样机经过充分实验测试后，研制了可应用于工业现场的新样机，为本研究成果的工业应用打下了基础。.(3)对数据处理方法进行了研究。将L-M方法与同步代数重建技术相结合，提出了一种改进的图像重建算法。提出了一种基于KNN算法的模态识别新方法，解决了双模态系统的模态识别问题。研究了多电极激励模式成像效果。.(4)对多相流的流型辨识和相含率测量进行了研究。在流型辨识方面，分别提出了基于KNN和K-均值聚类算法的气液两相流流型辨识新方法，实现了对两相流流型的辨识。在相含率测量方面，将CCERT技术与声发射技术相结合进行测量流化床汽液固三相含率。对声发射系统采集到的声信号进行分析与处理，验证声发射技术测量相含率的可行性。将小波变换与偏最小二乘回归方法相结合建立相含率测量模型，实现了多相流相含率测量。.(5)对研制的双模态系统进行了性能测试。静态和油气水三相流装置上的测试结果表明，系统的设计是成功的。.本项目研制的新型双模态系统使得系统获得的不同模态信息具有空间一致性，一体化数据采集系统使得系统获得的不同模态信息具有时间一致性。本研究成果将克服电学双模态层析成像技术的多个应用难点，并有望在多个领域获得应用。