电学层析成像系统的工业应用

刘延泉+王帅

【摘要】 介绍了过程层析成像技术的发展历程，对电学层析成像技术的基本原理进行了阐述；对当前几种电学层析成像技术的特点、适用范围和工业应用情况进行综述；从系统构成、技术特点、应用研究现状等方面对ET技术进行了综合评述；最后总结了ET技术之间的异同。

【关键词】 过程层析成像 ET 原理 工业应用

引言

过程层析成像技术也常称为流动成像技术，是本世纪70年代中后期开始正式形成和发展起来的，是一种以两相流或多相流为主要研究对象，在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从对象外部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，在使用计算机生成对象内部的二维或三维图像，重现对象内部特征的技术。

过程层析成像技术的出现将两相流参数检测方法从传统的局部空间单点测量方式发展成为对过程参数在二维/三维分布状况的在线实时测量，从而大大提高了目前对人们生产过程信息的获取和分析能力，为在线检测和优化设计测量提供了一种全新手段[1]。

一、电容层析成像技术

1.1电容层析成像技术原理

电容层析成像技术是 PT 技术中研究较早的一种，是在管道周围安装 M 个电极，通过测量不同电极对之间的电容来推知场域内流体介电常数的分布。它利用多相介质不同的介电常数，通过阵列电极电容变化，反映管道中多相介质分布，从而构造出管内各相介质的分布图像。

工作原理：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。任意两个不同极板构成一个两端电容，对应着不同的测量敏感区，其电容值由数据采集系统测量，反映出整个管道截面上介电常数的分布情况。通过获得不同观察角度下“投影数据”并馈入成像计算机。根据图像重建算法即可获得敏感场介质分布的断层图像。

1.2电容层析成像技术的工业应用展望

从原理上讲只要各相介质具有不同的介电常数，便可应用ECT技术。经过十几年的研究，已在许多领域得到了应用：多相流参数检测及过程安全和可靠性检测、粉料气力输送过程、化工分离过程、生化反应过程、流化床的监测等方面。

ECT 技术具有非侵入、结构简单、成本低等优点。

目前电容层析成像系统的测量精度和图像重建的质量还不尽人意。要使电容层析成像技术真正应用于工业过程在线测量与控制，关键是要提高系统的测量精度和重建图像质量。寻求精度高且速度快的量化图像重建算法并使之应用于空隙率、流型辨识等量化参数测量，是电容层析成像技术能真正应用于工业实际的关键[2]。

二、电阻层析成像技术

2.1简介

ERT 技术是一种基于电阻传感器原理的层析成像技术，通过测量电阻率的分布来获得多相介质的分布。在管道周边均匀嵌入N个电极，这些电极应保证与流体有良好的电接触。在某两个电极上注入交流电流，此时敏感场内电导率分布发生变化，敏感场内的电势分布随之变化，导致敏感场边界上的测量电压发生相应的变化。也就是说测量电压的变化情况反映了电导率的变化信息。利用边界上的测量电压，通过一定的图像重建算法，可重建出敏感场内的电导率分布，从而实现可视化测量。典型的 ERT 系统主要包括3个单元：电阻传感器单元、测量及数据采集单元、计算机图像重建单元。电阻传感器获取被测敏感场分布状况的投影信息；测量及数据采集单元收集传感器所获得的信息，并传送至计算机；计算机根据一定的算法重建出场域分布图像。

2.2工业应用展望

自从首个ERT系统问世以来，ERT技术已成功应用于多个领域中，特别是多相流测量[3]。如：三维气液两相流气相含率及速度场分布、三维ERT多相流成像研究、大型压力过滤装置的气固两相流分离测量、明槽流中悬浮沉积物的浓度和分层研究。利用 ERT技术对高炉炉衬在冶炼过程中的变化进行可视化检测。对地质、环境进行监测：最具代表性的是，美国Lawrence livermore国家实验室，所承担的重大科研项目“ERT技术在美国核废料场特征鉴定计划中的作用”。该项研究为寻找合适的核废料的长期安全的储藏场所提供了仿真依据。另外，对城市中地下管道的泄漏问题进行在线检测；以及对水利工程堤坝修建中的问题进行监测等等都是ERT技术的价值所在。

三、电磁层析成像技术

3.1简介及原理

电磁层析成像技术是一种基于电磁感应原理的电层析成像技术由三部分组成：传感器阵列、接口电路和计算机。激励线圈内通入交变电流产生激励磁场，激励磁场与被测区域内导电性或导磁性物质相互作用形成物场，检测线圈获得物场在边界上的信息，由此重建物场空间导电率或导磁率的分布。检测信号经接口电路输出给计算机，经过计算机处理，通过一定的逆变换方法，可以从获得的信息重构物场空间的分布，即图像重建[4]。

3.2 EIT工业应用

电磁波层析成像方法作为电磁方法的新方法之一，因为其分辨率高、效率高、非侵入无伤害、多点测量实时成像、结构简单、成本低的优点，现在受到越来越多人的关注。

EMT应用于能用导电率或导磁率表征物体特性的所有领域：如地下水、固体矿的探测、剩余油的评价以及危机煤田矿的勘查等等，成为地球物理学的前沿学科；还有运输中的物品成分检测、食品检测、海关中的物品检验、无损探伤、石油勘探以及管道中离子水的探测；以及勘查土木工程的地质基础里面有无空洞、断裂、破碎带；评价建材质量；评价帷幕灌装质量，以及配合水文工作找水等等[5]。

从长远来看，不管是在深部矿产油气资源等方面勘查，还是在工程地质或地质灾害的预测方面层析成像都具有重大的现实意义[6]，这也为地下电磁波勘查提供了广阔的前景，也给社会带来巨大的经济效益和社会效益。

四、结束语

我们来对这几种电学层析成像技术进行比较，从图1中可以看出，这三者分别对具有不同属性的介质进行成像。它们的主要区别是传感器和测量模块不同，而数据采集模块和图像重建单元基本一致。

所以我们在实际应用过程中，对于电学层析成像的具体选择，要因被测物体的属性而定，而对于任何一种图像重建方法都没有绝对，想要得到更加准确、精确的成像技术，需要我们不断地探索钻研，在经典的基础上融合先进技术和创新思路，以寻求更加便捷的方式！

参 考 文 献

[1]何世钧.电容层析成像系统的研究与应用[D].天津：天津大学.2005.

[2]禹治坤.电容层析成像技术在电厂气固两相流检测中的应用[D].保定：华北电力大学.2010.

[3]周丰.电容层析成像技术在气固两相流在线监测中的应用研究[D].南昌：华东交通大学，2008.

[4]王湃.电阻层析成像（ERT）技术及其在两相流检测中的应用[D].西安：西安电子科技大学.2013.

[5]陈铭.电磁波层析成像方法与应用研究[D].荆州：长江大学.2013.

[6]马平，周晓宁，田沛.过程层析成像技术的发展及应用[J].化工自动化及仪表， 2009， 36（1）： 1-5.

[7]Douglas Smith，Lad wp Lowers Emissions While Adding Capacity[J]，Power Engineering，2002，Jun：35-381.