电容层析成像

电容层析成像 技术根据被测物质各相具有不同的介电常数，当各相组分分布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，从而使测量电极对间的电容值发生变化，在此基础上，利用相应的图像重建算法重建被测物场的介电分布图。目前电容层析成像分为圆周是和平面式两种。

ECT图像重建涉及两个重要的计算过程：正问题和反问题。正问题由已知的介电常数求解电极对间的电容值；反问题由已知的电容数据估计被测区域的介电常数分布。经过20多年的发展，ECT技术在应用领域的扩展、传感器的设计、图像重建算法等方面取得了丰硕的成果。ECT因具有快速、安全、廉价等优点而被认为是一种具有广阔发展前景的过程成像技术。目前，ECT技术已被应用于气液两相流空隙率测量及流型识别、流化床气固两相浓度分布可视化、气力输送、火焰可视化、冻土水分迁移过程的可视化等多个领域。

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     ECT 的正问题，指已经获得传感器结构数据，以及被测对象内部多相流各相介质位置分布信息，以仿真计算为基础求解出各个电极之间的电容数值。通常对 ECT 正问题的研究包括两个基本内容，一个是已知电容传感器的结构参数尺寸和被测对象内部的介质流型，计算已知流型下各组电极极板之间的电容值；另一个是计算 ECT 传感器被测场域的灵敏度分布函数矩阵，该矩阵是后期要进行图像重构的先验信息。通过对 ECT 正问题的研究可以为优化 ECT传感器和研究改进图像重建算法提供先决信息。

    ECT 敏感场的软场特性
    与 X 射线等射线成像技术相区别的是，ECT 中的敏感场具有“软场”特性。其“软场”特性体现在，当电力线穿过被测对象内介质时会受被测介质分布的影响而发生弯曲。ECT 的敏感区域中介电常数的变化将引起敏感场中较为复杂的变化，这增加了对系统研究的难度。电场中电介质的极化现象造成了 ECT 的“软场”特性，极化电荷引起的电场改变了原有敏感场中的电场，因此导致 ECT 敏感场的灵敏度分布会受敏感场内介质的分布而变化，即“软场”特性。另外，即使是在空场情况下，ECT 的电场分布也很不均匀，这更增加了研究的难度。

   ECT 传感器的敏感场具有“软场”特性，同时其敏感场也非常不均匀，主要体现在：在敏感场边缘处，如管道的管壁附近和靠近激励极板的位置，其灵敏度非常高；而在敏感场的中心位置，灵敏度却很低甚至为负值。ECT 敏感场的灵敏度指的是，在被剖分为若干单元的敏感场中，所有单元都被设置为低介电常数物质，当其中一个剖分单元的介电常数改为高介电常数时所引起的电容值的变化即为灵敏度，敏感场中所有单元的灵敏度就构成了灵敏度分布。本节通过引入灵敏度评价设计的规则几何形状 ECT 传感器的灵敏程度和性能。灵敏度的含义是某个剖分单元内部介质变化引起的电容值变化，求解方法是先将管道内区域进行四面体剖分，通过有限元计算法分别计算得到空管和满管时的 28 个电容值，再改变管道内单元 k 的介电常数为高介电常数B 计算得到对应的电容值

 

灵敏度场分布