一种用于电容层析成像多相流电容归一化方法技术

本申请公开了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，由于现有的归一化方法只针对两相流的问题，它仅考虑两种介电常数相满场分布时的电容值，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针对两相流的归一化模型，仅考虑最高相与最低相满场分布时的电容值，忽略其余介电常数相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。故本发明专利技术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。

Method for normalizing capacitance of multiphase flow in electrical capacitance tomography

The invention discloses a method for electrical capacitance tomography of multiphase flow (hereinafter referred to the multiphase flow are three-phase flow and three-phase flow especially above multiphase flow) capacitance normalization method, the normalization method is available only to the two-phase flow problem, it only considers the dielectric constants of two phase full capacitance field distribution when value, but three or more than three different dielectric constant phase in multiphase flow in this case or if used for normalization of two-phase flow model, considering only the highest and lowest phase field distribution capacitance value, ignoring the rest phase dielectric constant distribution capacitance full value of the cumulative error is. Will cause the normalized, affect the overall accuracy of image reconstruction. The invention provides a multiphase flow capacitance normalization method is used for electrical capacitance tomography, considering the capacitance of different dielectric constant field distribution values of the influence on the measurement of the capacitance values and improve the accuracy of image reconstruction algorithm.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动检测领域，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。
技术介绍
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(ElectricalCapacitanceTomography，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Ci＝(1-c1)Cl+Chc1则有式中，c1为相浓度(高介电常数相浓度)，Ci为极板对间的电容值，Cl和Ch分别表示低相和高相满场分布时的电容值，λP为并联模型电极对归一化电容参数，且与测量电容值Ci为线性关系。根据公式可知，此归一化模型对于两相流来说Cl和Ch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，故本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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专利技术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Ci＝cCh+(1-c)Cl式中，c为相浓度(高介电常数相浓度)，Ci为极板对间的电容值，Cl和Ch分别表示两相流中低相和高相满场分布时的电容值但多相流中不仅仅只存在两种介质，所以在本专利技术中使用不同介质电容值的加权值作为近似高介电常数电容值CH与近似低介电常数CL，公式分别表示为CH＝α1C1+α2C2+...+αnCnCL＝β1C1+β2C2+...+βnCn式中，C1，C2，...，Cn为当管内只充满单一介电常数时所测量到的极板对间电容值。将两相流问题转换为多相流问题，被测电容Ci用公式可表示为Ci＝cCH+(1-c)CL则被测电容归一化值为步骤(3)：图像重建将归一化以后的电容值作为图像重建算法的输入值进行预测，重构出被测管道内横截面上的各相介质分布特性图附图说明图1.本专利技术中提出的电容归一化模型，其中不同形状阴影部分表示不同介质；图2.表示使用一般的归一化模型与本专利技术中提出的电容归一化模型的图像重建后每个剖分单元精度；图3.表示使用一般的归一化模型与本专利技术中提出的电容归一化模型后图像重建测试样本精度；图4.表示图像重建中某测试样本剖面示意图，其中白色部分表示介电常数εl＝1的介质分布，黑色部分表示介电常数εm＝2的介质分布，灰色部分表示介电常数εh＝8的介质分布；图5.表示使用一般的归一化模型后测试样本剖面图像重建结果示意图，其中白色部分表示介电常数εl＝1的介质分布，黑色部分表示介电常数εm＝2的介质分布，灰色部分表示介电常数εh＝8的介质分布；；图6.表示使用本专利技术中提出的电容归一化模型后测试样本剖面图像重建结果示意图，其中白色部分表示介电常数εl＝1的介质分布，黑色部分表示介电常数εm＝2的介质分布，灰色部分表示介电常数εh＝8的介质分布；；图中符号说明如下：(1)图1中表示不同介电常数电容值，CH表示近似高介电常数电容值，CL表示近似低介电常数电容值(2)图2，图3中“1”表示一般的归一化模型；“2”表示本专利技术中提出的电容归一化模型具体实施方式将本专利技术应用于基于支持向量机电容层析成像的8极板ECT系统中进行三相流图像重建，具体实施步骤如下：(1)对于8极板ECT系统，每一种分布都可得到28个独立测量值。利用有限元法，将管道剖面剖分成192个单元，通过改变单元中介质的介电常数达到改变场域的目的，从而得到不同分布下的电容值。其中，三种介质的介电常数分别为εl＝1，εm＝2，εh＝8，单一介质分布产生的电容值分别标记为Cl，Cm，Ch。(2)将(1)中获取的电容值数据代入本专利技术中归一化模型中，对电容值进行归一化处理。具体说明如下：近似高介电常数电容值为CH＝αlCl+αmCm+αhCh近似低介电常数电容值为CL＝βlCl+βmCm+βhCh被测电容Ci＝cCH+(1-c)CL的电容归一化值为(3)将归一化以后的电容值作为支持向量机预测模型的输入值进行预测，发现在本实验中αl＝-0.5，αm＝-0.5，αh＝-0.5，βl＝-0.5，βm＝0.5，βh＝-0.5时预测结果更好，结果如图2，图3所示。由图2可知使用本专利技术提出的归一化模型相较于一般的归一化模型大部分剖分单元的预测精度具有更好的效果，且本专利技术提出的模型预测精度都大于等于0.834996较于一般的模型的0.821949更高。由图3可知测试样本中管内整个剖面的精度明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于电容层析成像多相流(三相流及三相流以上)电容归一化方法，其特征是：(1)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；(2)步骤2：对测量值进行归一化处理；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Ci＝cCh+(1‑c)Cl式中，c为相浓度(高介电常数相浓度)，Ci为极板对间的电容值，Cl和Ch分别表示两相流中低相和高相满场分布时的电容值；但多相流中不仅仅只存在两种介质，所以在本专利技术中使用不同介质电容值的加权值作为近似高介电常数电容值CH与近似低介电常数CL，公式分别表示为CH＝α1C1+α2C2+...+αnCnCL＝β1C1+β2C2+...+βnCn式中，C1，C2，...，Cn为当管内只充满单一介电常数时所测量到的极板对间电容值；将两相流问题转换为多相流问题，被测电容Ci用公式可表示为Ci＝cCH+(1‑c)CL则被测电容归一化值为c=Cl-CLCH-CL=λnew]]>(3)步骤3：图像重建；将归一化以后的电容值作为图像重建算法的输入值进行预测，重构出被测管道内横截面上的各相介质分布特性图。...

【技术特征摘要】
1.一种用于电容层析成像多相流(三相流及三相流以上)电容归一化方法，其特征是：(1)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；(2)步骤2：对测量值进行归一化处理；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Ci＝cCh+(1-c)Cl式中，c为相浓度(高介电常数相浓度)，Ci为极板对间的电容值，Cl和Ch分别表示两相流中低相和高相满场分布时...

【专利技术属性】
技术研发人员：何世钧，张婷，周汝雁，
申请(专利权)人：上海海洋大学，
类型：发明
国别省市：上海;31