[发明专利]一种用于泡状流的电容层析成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容层析成像方法，特别涉及一种用于泡状流的电容层析成像方法。

背景技术

电容层析成像技术是一种计算机层析成像技术，因其响应速度快、非侵入式、安全性能 好、成本低廉，在物料分布、油气输运、气力输送等工业领域有广泛应用。其主要原理为： 测量管道表面阵列电极间的电容值；应用数值算法计算管道内部的灵敏度分布；应用迭代或 非迭代算法计算管道内部介电常数分布，获得管道内介质分布和相含率等信息，从而获得介 质分布图像。

用有限元法计算灵敏度矩阵，根据测量电容使用LBP、Landweber、Tikhonov、牛顿法等 等反演算法计算管道内部介电常数分布。目前的电容层析成像算法对圆管中心物质的成像精 度低。目前对电容层析成像技术的研究主要集中于对反演算法的改进，圆管中心成像质量低 的问题得不到有效的解决。

灵敏度矩阵直接影响成像质量，但由于电场本身的“软场”特性，靠近电极的区域灵敏 度系数高，距离电极较远的圆管中心区域，灵敏度系数较低。因此圆管中心区域成像质量低， 难以识别物质分布，进而影响了管道内介质相含率的计算。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于泡状流的电容层析成像方法，以达到提高 圆管中心区域泡状流成像质量的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于泡状流的电容层析成像方法，包括如下步骤：

步骤1：测量电容层析成像传感器各电极对间的电容值，获得N个独立电容值；

步骤2：根据有限元方法将电容层析成像系统离散为二阶单元，根据泊松方程(1)建立 电容层析成像系统的二阶有限元模型(2)，根据二阶有限元模型(2)计算电势分布φ，

▽·(ε▽φ)＝0，(1)

Kφ＝Q， (2)

K为系统刚度矩阵，Q为自由电荷量；

步骤3：根据式(3)获得N×M维灵敏度矩阵S；

S_ij(e)为单元e对电极对ij的灵敏度值；分别为激励电极i、j施加电压V_i、V_j时单 元e内的电势分布；

步骤4：根据式(4)对灵敏度矩阵行归一化，得到行归一化灵敏度矩阵根据式(5) 对进行列归一化，得到归一化处理的灵敏度矩阵

步骤5：依据单元与各电场中心线的加权距离d(x)，单元与圆管中心的距离D(x)，计算成 像权函数P(x)＝f(d(x),D(x))，

d_e(x)为单元e的加权距离，d_n(x)为单元e与电场中心线n的距离，s(p)为电场中心线在 垂足点p处的取值，根据灵敏度矩阵S的分布，拟合得到；

步骤6：对于ECT线性化模型C＝Sg，将g的求解转化为求解最优化问题方程(7)，采用 非迭代或迭代优化算法对方程(7)进行求解，获得介电常数分布g，

C为N个电容值组成的N×1维向量，g为M×1维的介电常数分布向量；

步骤7：根据步骤5中计算出的加权函数P(x)，步骤6计算的介电常数分布g，进行图 像重建，将介电常数分布g加权后，对圆管中介质分布进行可视化显示。

通过上述技术方案，本发明提供的用于泡状流的电容层析成像方法使用二阶有限元模型 计算灵敏度矩阵，对灵敏度矩阵进行两次归一化处理，再根据单元在电场中的位置计算成像 权函数P(x)，对介质进行加权成像。本发明主要适用于电容层析成像技术对泡状流的成像显 示，针对现有的成像算法对圆管中心区域成像质量低的问题，改进灵敏度矩阵的求解与处理 流程，使用加权函数对介质分布进行成像，提高泡状流成像质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种用于泡状流的电容层析成像方法流程示意图；

图2为本发明实施例所公开的泡状流圆管模型示意图；

图3为图2中单元e与电场中心线距离示意图；

图4为本发明实施例所公开的实际成像效果与现有技术中常规成像效果对比图。

图中，1、电极；2、气泡；3、液相；e、单元；p、垂足；n、电场中心线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描 述。