电容耦合非接触电阻层析成像系统研究

本项目针对现有电阻层析成像传感器电极与流体接触容易导致锈蚀等缺点，拟借鉴电容耦合非接触电导测量技术，结合多电极阵列传感器的要求，研制基于电容耦合非接触电导测量原理的电阻层析成像系统，实现基于电容耦合原理的导电流体空间分布的非接触检测。研究工作主要包括研制电容耦合非接触电阻层析成像传感器，建立有限元模型，并利用该模型对传感器进行优化设计。设计相应的电阻/电压转换电路及数据采集系统。利用传感器有限元模型，获取灵敏场等信息，并以此为基础设计图像重建算法，获得流体在管截面上的分布。本研究有可能克服现有的电阻层析成像技术的一个应用难点，拓展电阻层析成像技术的应用领域，并为多相流参数的检测提供一种新型方法。

本项目针对现有电阻层析成像传感器电极与流体接触容易导致锈蚀等缺点，基于电容耦合非接触电导测量技术，结合多电极阵列传感器的要求，研制了电容耦合非接触电阻层析成像技术（CCERT）。完成的主要工作如下：.(1) 提出了CCERT技术，完成了本技术的原理性实验检验，证明了本项目的可行性。.(2) 基于电磁场有限元方法对传感器进行了建模，利用此模型对各结构参数对传感器性能的影响进行了研究，提出了传感器优化准则。在此模型的基础上，获得了传感器在串行测量模式和并行测量模式下的敏感场分布，研究了图像重建算法。.(3) 提出了基于相敏解调原理的串行和并行两种测量模式的数据采集方法，完成了原理性验证，设计了采用直接数字频率合成（DDS）技术的信号源、相应的相敏解调电路及数据采集模块，并构建了完整的数据采集系统，实现了管道内电导率分布的实时可视化。.(4) 提出了基于石英晶体谐振法的串行和并行两种测量模式的数据采集方法，完成了原理性验证，设计了专用的激励信号源、相应的电流/电压转换和整流滤波放大电路及数据采集模块，根据相应的图像重建算法完成了管道内电导率分布的实时测量。.(5) 将本项目研究的非接触电导率测量方法与水质监测、小管道多相流检测技术相结合进行了一些扩展研究。利用本项目研制的数据采集方法，设计了非接触式地表水电导率测量系统，克服了现有接触式检测系统中因电极污染而必须定期维护的问题，降低了维护工作量，为野外地表水电导率监测引入了新方法；将电容耦合非接触电导测量技术（C4D）结合互相关测速原理提出了一种气泡速度测量新方法，该技术能够避免耦合电容对电导测量的不利影响，为小管道的多相流检测提供了一种新方法。. 本项目研制成功的CCERT系统传感器电极与被测介质不接触，可以避免现有的接触式电阻层析成像技术中存在的电极极化、电化学腐蚀等问题，并且CCERT系统传感器电极贴在管道外壁，不需在管道上钻孔安装电极，不用破坏管道结构，避免降低管道强度，也不会影响被测介质的流动状态。本项目的研究成果表明，本项目提出的方法和技术是可行的，可以大大拓展电阻层析成像技术的应用范围，为多相流检测领域提供了一种新型方法，有广阔的工业应用前景。