第5期周云龙等.ECT系统关键问题研究进展503
ECT系统关键问题研究进展
周云龙高云鹏衣得武任库
王牌拖拉机(东北电力大学a.能源与动力工程学院;b.自动化工程学院，吉林吉林132012)
爱西特
摘要根据ECT系统的结构特点，指出了ECT技术中存在的关键问题，介绍了其关键问题的研究进
展，并在微小电容检测，图像重建算法的研究,"软场"特性的研究和数据采集速度方面进行了总结，展望 了ECT今后的发展方向进行.
关键词电容层析成像关键问题研究进展
中图分类号TP216文献标识码A文章编号1000.3932(2011)05-0503-07
电容层析成像(ECT)是工业过程层析成像的
一福建交通职业技术学院
种，是20世纪80年代在医学CT研究基础上形
成和发展起来的.根据被测物质各相之间具有不挑边
同的介电常数，当各相组分或浓度分布发生变化
时，将引起混合流体等价介电常数发生变化，从而
使电容传感器阵列电极对间的电容值发生变化,
通过数据采集和处理，采用合适的图像重建算法,
重构被测物场的介质分布情况.可用于动力，石
油，化工，冶金及医药等两相流或多相流领域，可
以进行流型辨识，分析备相组分的局部浓度分布,
实现多相流体总质量流量，分相质量流量以及流
体在管截面上流速分布的实时测量…，及各相流
量的二维或三维分布情况.例如用于锅炉炉膛火
焰温度场的状态分析，石油管道的流量，流型测量
等，它与其它过程层析成像方法相比，具有结构简
单，非侵入性，安全，成本低，可视化和实时成像的
t一一一一～一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 特点，是目前研究较热门的工业过程成像技术，也
是未来流动成像技术发展的主流.
1EC"I"系统结构
ECT系统(图1)包括电容传感器，数据采集
与信号处理单元以及成像计算机3部分.电容传
感器是电容信息获取的来源,ECT系统对电容传
感器的性能要求主要为灵敏度高，稳定性好，线性
特性好，抗干扰能力强，高频特性好及制造工艺佳
等.极板数的增加可以采集到更多的投影数据,
但是由于管道直径有限，极板问边缘效应增强，源
极板与相邻检测极板间电容值变化较小等因素,
使采集到的电容数据不准确，并且由于要求采集
系统具有更高的分辨率，因此阵列电极结构参数
存在优化问题，传感器阵列基本结构包括电容
极板，径向极板，屏蔽罩，绝缘管道和电极引线.
为了保证成像的准确性，电容传感器在工艺上应
尽量做到极板对称.
数据
采集
信号
处理
图1ECT系统结构简图团队管理的重要性
成像计算机
收稿日期:2OLO-O4-02(修改稿)
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50976018)
504化工自动化及仪表第38卷
数据采集与信号处理单元(图2)，包括C/V
号的生成方式有多种，不同的C/V检测原理，激
励生成方式往往不同.其中C/V转换电路是将
各个极板对问的微小电容值通过多通道选择电路转化为相应的电压值，并经A/D转换后通过通讯电路传送至成像计算机，其关键问题涉及到微弱电容检测，数据采集和传输的速度与准确度，成像计算机采用一定的图像重建算法完成对管道流体图像的重构.ECT系统任何部分的好坏都会对系统的性能产生很大的影响.
飘西丐电路ff戗似fl转茯Il与传输l
图2数据采集与信号处理单元
2ECT关键问题研究进展
20世纪8O年代中期，以英国曼彻斯特大学
理工学院BeckMS教授和PlaskowaskiAB博士
平湖地震为首的研究小组最早开展了对工业过程层析成像技术的研究，于1988年率先研制出8电极电容层析成像系统，并对气/固两相流体静态模型进
行测试,1990年，该系统发展成为一个具有l2电极，配备了Transputer系列高速并行处理器件，可在油/气/水混合流体实验装置上稳定可靠的工作.在线图像重建速度达到40幅/s.美国能源
部摩根城能源技术中心也于1990年研制成功了16电极ECT系统，重建速度达到30幅/s，并可以100次/s的速度全面更新所存储的数据.另
外，英国UMIST大学和Leeds大学等很多科研院所在ECT技术的研究和应用方面也进行了大量
深入的工作；在国内，清华大学，天津大学，东北大学，浙江大学及哈尔滨理工大学等多所科研院所也进行了ECT技术在多相流流动状态监测和参数检测等方面的应用研究，并取得了令人鼓舞的成果.
2.1微小电容检测
微小电容检测是ECT技术的关键和难点之
一
，由于被测电容值比杂散电容要小的多，且电容
极板问静态电容和电容变化范围较大(8极板系
统测量范围相差33倍,12极板系统测量范围
相差8l倍)，同一极板对空管时的固定电容比
充满介质时电容值变化小，这就要求电容检测电路既要具有抗杂散电容的能力，还应该具有较大的测量动态范围和足够高的灵敏度，分辨率.电
极的杂散电容主要来自电极引线和屏蔽电缆芯线与屏蔽层间的电容，典型值为1O0pF/m，系统中CMOS电子开关注入引脚的电容其典型值为8pF, 检测电极与屏蔽层之间还存在电容，另夕}杂散电容还随着温度，结构，位置和内外电场的分布而变化.
陈德运等¨..针对油水两相流电容层析成像
研制了一种微小电容交流测量电路，理论分析和实验研究表明，静态测量误差小于0.2%，漂移为0.05%/h.高彦丽等…分析设计了程控增益负
反馈交流型电容测量电路，采用分立元件设计激励信号，通过控制激励电压的幅值，增加数字电位器和减法环节来提高电路的测量范围和灵敏度, 给出了具体的实验结果.赵进创等用激励信
号幅值可控双模式交流型C/V转换电路实现微小电容检测，电路具有抗杂散电容能力，线性和分辨力良好且输出稳定.陈德运等¨采用前向补
偿法完成了微小电容的测量，并以油水两相流ECT系统为研究对象，通过实验验证了该方法的可行性，较好地解决了微小电容精确测量问题.
由于充/放电电路由CMOS开关控制，存在电荷注入问题"，王雷等¨针对电子开关的电荷注入
效应对测量分辨率的影响问题，提出了一种基于电荷放大原理的微弱电容测量电路，该电路无需滤波器，良好地解决了数据采集速度的瓶颈问题. 白国花和马铁华..针对电荷放大原理的微小电
容测量电路，采用CPLD编程实现对电路开关时序的控制.美国能源部的FaschingGE等采
用了高压双边交流激励的微小电容测量电路，应用于ECT系统流化床内粉体三维动态成像的研究，单边激励电压幅值达250V，而且频率也达400kHz,ShaoFQ等¨副采用高压单边激励与磁性,C/V变换相结合的微小电容检测电路，激励电压达700V，但其灵敏度和分辨力并没有超过双边交流激励¨，周云龙等从交流法微小电容检
测的原理出发，理论研究表明，提高激励电压或者减小反馈电容C，能提高灵敏度，并设计实验，验
证了理论的正确性；律德财等¨采用高压交流激励电路，在370V的激励电压下，也验证了具有良好的灵敏度，分辨率等特性，夏靖波等针对微
小电容测量受许多因素的影响，难以准确测量，采用神经网络的学习功能，出测量值与理论计算值之间的映射关系，仿真结果表明了该方法可以
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