電容層析成像（Electrical Capacitance Tomography，ECT）作為一種比較成熟的過(guò)程層析成像技術(shù)，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。多相流領(lǐng)域，例如煤炭氣化、原油精煉、管道輸送等都需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流體動(dòng)態(tài)過(guò)程并獲得相關(guān)物理特性。由工業(yè)總線計(jì)算機(jī)、ECT系統(tǒng)板、傳感器陣列管、屏蔽線纜組成的ECT系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)成像、靈活布局傳感器、非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)低電導(dǎo)率的多相流流動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以更直觀地觀測(cè)管道內(nèi)部流動(dòng)狀況。

ECT原理

在多相流中，各相流體介電常數(shù)不同。當(dāng)各相組分分布或者濃度分布發(fā)生變化時(shí)，混合流體的等價(jià)介電常數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，使得測(cè)量電極對(duì)間的電容值發(fā)生變化。在此基礎(chǔ)上，利用相應(yīng)的圖像重建算法重建被測(cè)流場(chǎng)的節(jié)點(diǎn)分布圖，即可得到各相組分分布或者濃度分布。這種根據(jù)電容測(cè)量結(jié)果計(jì)算介電常數(shù)的分布，進(jìn)而測(cè)量多相流組分分布或者濃度分布的方法，稱(chēng)為電容層析成像方法（ECT）。

在測(cè)量段布置N個(gè)測(cè)量電極，每?jī)蓚€(gè)電極形成一個(gè)電極對(duì)，總共可組成M=N(N-1)/2個(gè)電極對(duì)，如圖1所示。

圖1 ECT系統(tǒng)傳感器示意圖

在測(cè)量每個(gè)電極對(duì)之間的電容后，通過(guò)電容與介電常數(shù)的關(guān)系、圖像重建算法可以計(jì)算截面上的介電常數(shù)分布，進(jìn)而獲得多相流組分或濃度分布，如圖2所示。

圖2 ECT系統(tǒng)的圖像重構(gòu)

ECT系統(tǒng)能夠獲得測(cè)量截面上的濃度分布信息，其空間分辨率與傳感器的電極數(shù)量有關(guān)。如圖3所示，12個(gè)電極的傳感器共構(gòu)成66個(gè)電極對(duì)，則可形成64×64（約4000）個(gè)像素點(diǎn)，用于解析截面上的濃度分布。

理論上，傳感器數(shù)量越多，空間分辨率越高，但圖像重建過(guò)程中的計(jì)算量隨著電極數(shù)的增加會(huì)大幅增加，因此綜合考慮測(cè)量精度需求和圖像重建的速度，目前一般采用8或16個(gè)電極的傳感器。

圖3 ECT傳感器的分辨率

傳感器

傳感器是ECT系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程的關(guān)鍵。一般情況下，制作傳感器管段后將其集成到原有管段上即可，如圖4。傳感器管段內(nèi)壁面一般由不導(dǎo)電的塑料管制成，與原有管段內(nèi)徑相同，確保流場(chǎng)不會(huì)被干擾。在塑料管外壁，均勻布置有電極，由線纜將電極與ECT系統(tǒng)板連接，通過(guò)系統(tǒng)板實(shí)現(xiàn)對(duì)電極的供電和電極對(duì)間電容的測(cè)量。

圖4 某型號(hào)ECT系統(tǒng)板

傳感器的制作非常靈活，可根據(jù)管段的結(jié)構(gòu)與尺寸進(jìn)行定制，滿(mǎn)足管段直徑在數(shù)十毫米至1m范圍內(nèi)的測(cè)量需求，如圖5所示為部分傳感器實(shí)物圖。

圖5 傳感器實(shí)物圖

ECT特點(diǎn)

采用ECT系統(tǒng)進(jìn)行多相流的測(cè)量，主要有如下特點(diǎn)：

□ 非侵入式測(cè)量，僅需在原有管段基礎(chǔ)上連接傳感器管段即可完成測(cè)量，不影響被測(cè)流場(chǎng)內(nèi)的介質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，確保結(jié)果真實(shí)；

□ 可獲得測(cè)量段截面上的多相流濃度分布，而非單點(diǎn)測(cè)量，可用于多相流流型的判斷；

□ 傳感器制作比較靈活，可以匹配較大范圍內(nèi)的管段直徑規(guī)格（10mm-1m）；

□ 傳感器可適應(yīng)較大范圍內(nèi)的溫度和壓力測(cè)量環(huán)境；

□ 快速結(jié)果處理與輸出，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像；

□ 通過(guò)布置兩個(gè)連續(xù)的電極傳感器，進(jìn)行相關(guān)性分析，可以獲取單向的速度。

ECT應(yīng)用

ECT系統(tǒng)可應(yīng)用于多相流過(guò)程可視化與測(cè)試，幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)了解管段內(nèi)的多相流濃度分布并判斷流型，對(duì)于多相流的研究具有重要意義。ECT系統(tǒng)測(cè)量已廣泛應(yīng)用于能源、化工、石油、冶金等領(lǐng)域，例如流化床、油氣水多相體系、煤粉氣力輸送過(guò)程等都可采用ECT進(jìn)行測(cè)量，如圖6-9。

ECT應(yīng)用

圖6 流化床測(cè)量

ECT 應(yīng)用

圖7 油氣水多相流實(shí)驗(yàn)測(cè)量

圖8 超音速濕氣分離器相含率測(cè)量

圖9 兩相流流型測(cè)量