ECT系统关键问题研究进展

　　电容层析成像( ECT) 是工业过程层析成像的一种，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，分析各相组分的局部浓度分布、各分相的总浓度，与相关流速测量技术相结合，可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[1]，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[2]。

　　1 ECT 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，极板间边缘效应增强，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[3]，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。

　　数据采集与信号处理单元( 图 2) ，包括 C/V多通道选择电路、数据采集和通讯电路。激励信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间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[4]。

　　2 ECT 关键问题研究进展

　　20 世纪 80 年代中期，以英国曼彻斯特大学理工学院 Beck M S 教授和 Plaskowaski A B 博士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[5，6]，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 12 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[7]。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、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。