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1、多相流电容层析成像系统的仿真研究№12005电力科学与工程EIECTRICP0WER9CnANDENG1NEERING?5?文覃号:1672-0792【2005)01-0005-03多相流电容层析成像系统的仿真研究张立峰,王化祥2(1.华北电力大学控制科学与工程学院,河北保定071003;2.天津大学自动化学院,天津300072)SimulationofElectricalCapacitanceTomographyImagingSystemforMulti-phaseFlowZHANGLi.feng,WANGH
2、ua.xi(1.NorthChinaElectricPowexUniversity,Baodi~071003,China;2.TianjinUniv~ity,Tianjin300072,China)舢s咖d:ElectricalCapadt撇Tcn均鲫phy(ECT)techniqueisanewtechniqueformulti—phaseflowmeasurement.Thesimula—tionsoftwarebasedonfinitedementmethodfordectricalcapaci-U~tn
3、cetomogtaphysystemisdevdoped.ThenumericalvalueofECTsensingfieldiscalculated,thecharacte~oftheECTsensingfieldisanalyzed.The~nplifieain'~gereconstructionmodelisbuilt,andthenthereeomtruetedimageisobtained.Thesimula—tionr~ultsarepromising.KeyWlI~;multi—phaseflow
4、;dectricalcapacitancetcrnography;finitedmaentmethod;sensingfield;simulation摘要:ECT技术是多相流检测领域中的新技术,在工业中有广阔的应用前景.基于有限元法,作者开发了ECT仿真软件,利用该软件对ECT系统进行了仿真研究.求出ECT敏感场的数值解,分析了敏感场灵敏度特性,建立了简化的图像重建模型,最后得到重建图像,获得了满意的结果.关键词:多相流;电容层析成像;有限元法;敏感场;仿真中图分类号:TK313文献标识码:AECT(电容层析成
5、像)是20世纪80年代发展起来的一种过程层析成像技术…1,主要用于工业管道多相流测量.它通过阵列电极电容变化,反映管道中多相介质分布,从而构造出管道截面各相介质的分布图像.ECT系统主要包括3个单元:阵列式电极电容敏感系统,数据采集与信号处理单元及图像重建与分析显示单元,如图1所示.阵列式电极电容敏感系统通常由均匀安装在绝缘管道外壁的阵列电极构成.数据采集单元测量收稿日期:2004.11.15;修订日期:2004.12.13基金项目:国家高技术研究发展专项(863计划)经费资助(2001AA413210)任意一
6、对电极间的电容值,获得不同观察角度下"投影数据"并馈人成像计算机.根据图像重建算法即可获得敏感场介质分布的断层图像.阵列电极效据lIl图像显示采集与信号处理单元图像重建单元主控计算机图1电容层析成像系统构成原理图Fig.1Principlediagramofdectricalcapacitancet0mogra—physystem系统的有限元模型电容传感器的模型如图2所示.由于ECT系统采用低频率激励,所以对图2所示的二维圆域内的电势分布可用静电场的拉普拉斯方程描述【2】:?[e(z,)(z,)]=0(1)边界
7、条件为当电极(i=1,2,…,11)为激励电极时,其上的电压为U0,而其余的电极(其中包括径向电极,外屏蔽层)上电压为0,即:f)zx,,y))C_Fi++(2)(k=1,2,…,12;k≠i)式中:,和r譬分别为电极i(i=1,2,…,12)上的点,屏蔽层上的点以及径向电极上的点所构成的集合.对方程(1)用有限元法进行数值求解.由于传感?6?电力科学与工程20o5器结构的对称性,对电容传感器场域进行剖分时采取完全对称的剖分方法,并采用三角形单元.图3为管内,管壁,填充层分别剖分8,4,2层时的有限元网格图.填
8、充材料图212电极电容传感器Fig.2ECT,seil1..'~rwith12measurementelectrodes当电极i(i=1,2,…,12)为激励电极时,各节点的电势可用向量表示(¨.通过有限元法把式(1)转换成线性方程组:A(f)=6()(3)对方程(3)用有限元法求解各节点电势后,可由式(4)计算各电极对之间的电容值G图3传感器场域网格剖分Fig.3Meshofserl
