一种用于泡状流的电容层析成像方法技术

本发明专利技术公开了一种用于泡状流的电容层析成像方法，包括如下步骤：电容的测量，二阶有限元模型的建立，灵敏度矩阵建立，数据归一化处理，权值计算以及反演计算，最后成像显示。本发明专利技术提供的用于泡状流的电容层析成像方法使用二阶有限元模型计算灵敏度矩阵，对灵敏度矩阵进行两次归一化处理，再根据单元在电场中的位置计算成像权函数，对介质进行加权成像。本发明专利技术主要适用于电容层析成像技术对泡状流的成像显示，针对现有的成像算法对圆管中心区域成像质量低的问题，改进灵敏度矩阵的求解与处理流程，使用加权函数对介质分布进行成像，提高泡状流成像质量。

A capacitance tomography method for bubbly flow

The invention discloses an electrical capacitance tomography method for bubble flow, including the following steps: capacitance measurement, establishment of two order finite element model, establishment of sensitivity matrix, data normalization, weight calculation and inversion calculation, and finally imaging display. The electrical capacitance tomography method for bubbly flow is calculated by the two order finite element model, and the sensitivity matrix is calculated. The sensitivity matrix is normalized two times. Then the imaging weight function is calculated according to the location of the unit in the electric field, and the medium is weighted. The invention is mainly suitable for electrical capacitance tomography imaging display of bubble flow, aiming at the existing problems of the imaging algorithm of tube center image quality low to the circle, improvement of solution and process sensitivity matrix, the dielectric distribution imaging was performed using a weighting function, improve the imaging quality of bubbly flow.

【技术实现步骤摘要】
一种用于泡状流的电容层析成像方法
本专利技术涉及一种电容层析成像方法，特别涉及一种用于泡状流的电容层析成像方法。
技术介绍
电容层析成像技术是一种计算机层析成像技术，因其响应速度快、非侵入式、安全性能好、成本低廉，在物料分布、油气输运、气力输送等工业领域有广泛应用。其主要原理为：测量管道表面阵列电极间的电容值；应用数值算法计算管道内部的灵敏度分布；应用迭代或非迭代算法计算管道内部介电常数分布，获得管道内介质分布和相含率等信息，从而获得介质分布图像。用有限元法计算灵敏度矩阵，根据测量电容使用LBP、Landweber、Tikhonov、牛顿法等等反演算法计算管道内部介电常数分布。目前的电容层析成像算法对圆管中心物质的成像精度低。目前对电容层析成像技术的研究主要集中于对反演算法的改进，圆管中心成像质量低的问题得不到有效的解决。灵敏度矩阵直接影响成像质量，但由于电场本身的“软场”特性，靠近电极的区域灵敏度系数高，距离电极较远的圆管中心区域，灵敏度系数较低。因此圆管中心区域成像质量低，难以识别物质分布，进而影响了管道内介质相含率的计算。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于泡状流的电容层析成像方法，以达到提高圆管中心区域泡状流成像质量的目的。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种用于泡状流的电容层析成像方法，包括如下步骤：步骤1：测量电容层析成像传感器各电极对间的电容值，获得N个独立电容值；步骤2：根据有限元方法将电容层析成像系统离散为二阶单元，根据泊松方程(1)建立电容层析成像系统的二阶有限元模型(2)，根据二阶有限元模型(2)计算电势分布φ，▽·(ε▽φ)＝0，(1)Kφ＝Q，(2)K为系统刚度矩阵，Q为自由电荷量；步骤3：根据式(3)获得N×M维灵敏度矩阵S；Sij(e)为单元e对电极对ij的灵敏度值；分别为激励电极i、j施加电压Vi、Vj时单元e内的电势分布；步骤4：根据式(4)对灵敏度矩阵行归一化，得到行归一化灵敏度矩阵根据式(5)对进行列归一化，得到归一化处理的灵敏度矩阵步骤5：依据单元与各电场中心线的加权距离d(x)，单元与圆管中心的距离D(x)，计算成像权函数P(x)＝f(d(x),D(x))，de(x)为单元e的加权距离，dn(x)为单元e与电场中心线n的距离，s(p)为电场中心线在垂足点p处的取值，根据灵敏度矩阵S的分布，拟合得到；步骤6：对于ECT线性化模型C＝Sg，将g的求解转化为求解最优化问题方程(7)，采用非迭代或迭代优化算法对方程(7)进行求解，获得介电常数分布g，C为N个电容值组成的N×1维向量，g为M×1维的介电常数分布向量；步骤7：根据步骤5中计算出的加权函数P(x)，步骤6计算的介电常数分布g，进行图像重建，将介电常数分布g加权后，对圆管中介质分布进行可视化显示。通过上述技术方案，本专利技术提供的用于泡状流的电容层析成像方法使用二阶有限元模型计算灵敏度矩阵，对灵敏度矩阵进行两次归一化处理，再根据单元在电场中的位置计算成像权函数P(x)，对介质进行加权成像。本专利技术主要适用于电容层析成像技术对泡状流的成像显示，针对现有的成像算法对圆管中心区域成像质量低的问题，改进灵敏度矩阵的求解与处理流程，使用加权函数对介质分布进行成像，提高泡状流成像质量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1为本专利技术实施例所公开的一种用于泡状流的电容层析成像方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所公开的泡状流圆管模型示意图；图3为图2中单元e与电场中心线距离示意图；图4为本专利技术实施例所公开的实际成像效果与现有技术中常规成像效果对比图。图中，1、电极；2、气泡；3、液相；e、单元；p、垂足；n、电场中心线。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本专利技术提供了一种用于泡状流的电容层析成像方法，如图1所示，具体实施例如下：步骤1：测量电容层析成像传感器各电极对间的电容值，获得N个独立电容值；步骤2：根据有限元方法将电容层析成像系统离散为二阶单元，根据泊松方程(1)建立电容层析成像系统的二阶有限元模型(2)，根据二阶有限元模型(2)计算电势分布φ，▽·(ε▽φ)＝0，(1)Kφ＝Q，(2)K为系统刚度矩阵，Q为自由电荷量；步骤3：根据式(3)获得N×M维灵敏度矩阵S；Sij(e)为单元e对电极对ij的灵敏度值；分别为激励电极i、j施加电压Vi、Vj时单元e内的电势分布；步骤4：根据式(4)对灵敏度矩阵行归一化，得到行归一化灵敏度矩阵根据式(5)对进行列归一化，得到归一化处理的灵敏度矩阵步骤5：依据单元与各电场中心线的加权距离d(x)，单元与圆管中心的距离D(x)，计算成像权函数P(x)＝f(d(x),D(x))，de(x)为单元e的加权距离，dn(x)为单元e与电场中心线n的距离，s(p)为电场中心线在垂足点p处的取值，根据灵敏度矩阵S的分布，拟合得到；泡状流圆管模型示意图见图2和图3所示，圆管最外侧为电极。步骤6：对于ECT线性化模型C＝Sg，将g的求解转化为求解最优化问题方程(7)，采用非迭代或迭代优化算法对方程(7)进行求解，获得介电常数分布g，C为N个电容值组成的N×1维向量，g为M×1维的介电常数分布向量；步骤7：根据步骤5中计算出的加权函数P(x)，步骤6计算的介电常数分布g，进行图像重建，将介电常数分布g加权后，对圆管中介质分布进行可视化显示。按照上述步骤对多个泡状流进行成像，成像效果见图4中第三列，对应的现有的常规成像效果分别见图4中第二列，对应的实际气泡分布示意图分别为图4中第一列所示。从图中可以看出，本专利技术所公开的成像方法与现有的成像方法相比，明显提高了成像精度，尤其是圆管中心处的成像精度，本专利技术有助于拓展电容层析成像技术在工业多相流测量领域的应用。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本专利技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本专利技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本专利技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于泡状流的电容层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：测量电容层析成像传感器各电极对间的电容值，获得N个独立电容值；步骤2：根据有限元方法将电容层析成像系统离散为二阶单元，根据泊松方程(1)建立电容层析成像系统的二阶有限元模型(2)，根据二阶有限元模型(2)计算电势分布φ，

【技术特征摘要】
1.一种用于泡状流的电容层析成像方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：测量电容层析成像传感器各电极对间的电容值，获得N个独立电容值；步骤2：根据有限元方法将电容层析成像系统离散为二阶单元，根据泊松方程(1)建立电容层析成像系统的二阶有限元模型(2)，根据二阶有限元模型(2)计算电势分布φ，Kφ＝Q，(2)K为系统刚度矩阵，Q为自由电荷量；步骤3：根据式(3)获得N×M维灵敏度矩阵S；Sij(e)为单元e对电极对ij的灵敏度值；分别为激励电极i、j施加电压Vi、Vj时单元e内的电势分布；步骤4：...

【专利技术属性】
技术研发人员：柴旭，贾欣鑫，王虎，王雷，李俊晓，李遵伟，张照文，
申请(专利权)人：山东省科学院海洋仪器仪表研究所，青岛中乌特种船舶研究设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37