基于神经网络的电容层析成像系统流型识别研究

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1、基于神经网络的电容层析成像系统流型识别研究第1章绪论1.1课题研究的背景与意义多相流是指包含明显分界的流体系统，如气/液两相流，气/液/固三相流等。多相流动广泛存在于现实世界当中，如在自然界中，含有尘埃的大气，天然河道中的含沙水流，含有汽包的液体等。在工业生产当中，如锅炉内的煤粉和空气相对流动，发动机的喷雾燃烧等。在电力，石油，能源，冶金，核工业上，两相流尤其多见，如石油工业中的油气混输，高炉煤粉喷吹，含固体粉末的火箭尾流等[2]。随着多相流系统在现代工业生产中的应用越来越广泛，多相流的检测技术，尤其是在线监测技术在业界得到很大重视。

2、多相流的测量量有许多特征，如流型，各相速度，各相流量，各相物质的浓度等等[3]。由于多相流动特征复杂，并且相界面在时间和空间上都具有流动多变性，给多相流检测技术带来许多困难，因此在国内外该领域都是急需探索和发展的领域[4]。流型是指两(多)相流动中各相介质的分布状况，常见的流型有层流，泡状流，环状流，段塞流等。在空间域和时间域中，流型分布状态随机可变，管道内各相流量比及占管道面积比也不断变换。由于多相流系统各相流动结构的多样性，导致流型复杂，在线监测难度大。同时，在工业生产中在线监测过程参数的准确度通常依靠对流型的准确判别与了解。在线

3、流型识别技术对工业生产至关重要。结合工业需求和技术发展，利用现代高科技仪器进行流型识别势必成为最简单，直观，经济效益最大化的方式。而电容层析成像技术是一种多相流检测技术，由于其高准确性，高可靠性，高灵敏度等特点，作为多相流检测技术的主要手段之一正在迅速发展[5]。电容层析成像技术（ElectricalCapacitanceTomography，简称ECT）是通过测量管道周围电极板间的电容值来计算反演管道内部介电常数的空间分布[6]。该测量技术是一种封闭管道测量的突破性技术，主要应用在工业中的多相流检测中，因为其具有非侵入性，安全性能好

4、，价格低廉在工业过程中得到广泛应用[7]。ECT流型识别技术目前还存在技术难点有待突破，展开相关研究具有实际工业价值及应用意义。1.2流型识别发展现状流型是指空间内内各相介质的分布不同状态，在实际工业两相流系统应用过程中，流型结构的变化直接影响其性能。如不同的流型会对系统的流动性、传热等特性产生不同影响。对流型的正确了解可以提高系统的运行效率和安全性能，并且能够降低运营成本[8]。两相流流型的在线识别对工业生产过程中的监控和故障诊断等均具有重要意义。流型识别是两相流系统研究中的重要研究方向，多年来流型识别技术手段不断发展。传统的两相流

5、流型识别方法大致可以分为两大类：一类是直接法，对流型的判定主要根据流型图和流型判定模型来确定；另一类是间接法，通过仪器仪表测得的数据对其进行分析来确定流型。直接法有目测法：直接用眼睛来辨别流型，简单快速，适合低速的介质流，但在封闭的管道内难以实现[9]；高速摄影法：用高速摄像机进行摄像，简单，要对周围的光线进行考虑，在封闭管道也不可行[10]；射线衰减法：根据通过介质的射线发生的衰减情况来判断流型，简单但判断不够精确[11]；探头法：用探头接触介质以判断流型，但是复杂判断不够精确[12]。间接法有概率密度函数法：属于幅值域处理方法，对

6、信号进行PDF分析，可靠性高但是计算量较大[13]；功率谱密度法：是一种频域处理方法，对信号进行PSD分析，可靠性一般，计算量较大[14]。同时还有非线性处理方法和信息融合方法，如用非线性特征量表示不同的两相流流型，利用模糊信息处理，模式识别等软测量手段[15]。但传统的方法都存在某些局限性，两相流流型识别方法还有待进一步研究。经过学者的不断努力，随后出现了新型的流型识别方法。其中具有代表性的如基于混沌理论的流型识别方法，基于压差波动理论的流型识别，其理论基础都是来自于流体动力学，其实验效果较传统方法有所提升，在实际应用中有待推广。.

7、.第2章电容层析成像系统的构成及其基本原理2.1电容层析成像系统的组成结构电容层析成像系统由三部分组成：电容传感器，数据采集系统，图像重建计算机，如图2-1所示[27]。电容层析成像系统通过电容传感器来获取管道内被测物场的介质分布状况的投影信息，即各极板间的电容值。数据采集系统收集所测量的信息，并经过过滤，变换，放大传输给计算机。图像重建计算机通过不同的图像重建算法，将投影信息重建成介质分布图像并显示出来。电容层析成像系统由以上三部分共同工作来获取封闭管道内部可视化信息。.2.2电容层析成像系统的工作原理在ECT系统中，主要技术包含正

8、问题分析及反问题求解。正问题是指根据已知传感器结构和管道两相流介质分布，用计算机计算求解各电极板间的电容值[28]。电容层析成像系统的正问题研究内容通常分为两部分：一是已知传感器结构和管道内的流型的分布情况，计算与该流型