气液两相流流量测量的ERT成像技术研究

摘要

气液两相流流量测量在动力、化工、石油、热力等领域被广泛应用，它对于实现过程控制、节能管理等都具有十分重要的意义。但是，在一些特殊工程应用中，例如动力系统的热平衡系统中的流量测量，往往由于空间窄小，环境复杂，使其测量非常困难。同时，在热平衡系统设计中，为了便于改进，还需要辨识各种工况条件下管道内的流体流型。利用ERT过程层析成像方法实现流量测量，具有小型化、非接触、可视化、对流场无干扰及受环境因素影响小等特点，是解决该类问题的有效方法，也是近二十年来备受关注的技术。但在ERT成像重建过程中，受敏感场软场、病态性、重建速度、非刚性运动及工程应用中流体内温度、压力变化等因素影响，导致流量测量精度不高，严重影响了过程层析技术实现流量测量的工程应用。为此本文对气液两相流流量测量的ERT层析成像技术中敏感场软场、病态性、动态估计及受其温度、压力影响等问题进行研究，主要工作如下：
　　（1）针对电阻层析成像技术中敏感场具有软场特性问题，分析不同电极结构及测量模式引起的不同敏感场电特性分布，提出设计适合多模态测量方式的电极结构的思想。通过三维仿真技术对不同激励测量方式下的电极结构进行优化，为本文流量测量 ERT复合传感器的设计提供电极结构参数指标。
　　（2）针对图像重建的病态性求解及在线快速重建问题，将介质分布先验信息和噪声先验信息等统计信息引入到图像重建算法中。在统计先验迭代重建算法的基础上，提出基于正则化统计先验快速重建算法。实验结果表明该算法在满足图像重建质量稳定的情况下，提高了重建速度。
　　（3）针对测量过程中参数不确定性和外部干扰等求解问题，提出基于具有抗干扰、鲁棒性的H∞滤波重建算法研究。同时，为了克服传统 H∞滤波算法中干扰因子计算复杂、实时性弱等问题，提出根据测量值信噪比更新干扰因子的自适应H∞滤波重建算法。在此基础上，为了提高实时测量值对估计值的修正作用，抑制误差的扩散，增加实测数据的权重，将遗忘因子引入到状态变量的测量更新中，提出引入遗忘因子的自适应干扰因子H∞滤波图像重建算法。实验表明，两种算法在重建质量、噪声抑制与伪影去除方面都有较好的效果。
　　（4）针对气液两相流动态非刚性运动估计问题，提出正则化H∞粒子滤波重建算法。该算法利用H∞滤波良好的噪声抑制及鲁棒性特点，将 H∞滤波估计得到的状态值作为粒子滤波的粒子，并通过正则化观测矢量改善粒子滤波中的退化问题。实验验证了算法的可行，在动态重建过程中能够更加准确的确定介质的质心位置，从而提高了运动估计问题的精确度。
　　（5）搭建管道气液两相流流量测量平台。利用不同温度、压力等实验工况下，流动密度、空隙率、质量含气率及流量测量结果，对流量获取关系式进行参数优化及性能比较。最终，通过实验优化结果建立量测参数与气水两相流流量测量关系式。实验表明测量方法稳定可行，提高了两相流流量测量的精度。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2两相流主要测量参数

1.3 相关技术的研究现状

1.4 本文研究技术路线及主要工作内容

第二章 电阻层析成像技术的基本原理

2.1 过程层析成像技术理论基础

2.2 电阻层析成像技术的基本原理

2.3 电阻层析成像的数学模型

2.4 正问题求解

2.5 逆问题模型

2.6 本章小结

第三章 基于敏感场软场特性分析的电极结构优化

3.1 场域中敏感场分布获取

3.2 软场特性研究

3.3 电极结构设计优化

3.4 本章小结

第四章 基于统计先验的快速ERT图像重建算法研究

4.1 统计概率理论

4.2 基于统计先验的图像重建方法

4.3 实验及结果分析

4.4 本章小结

第五章 基于约束最优化理论的ERT图像重建算法研究

5.1 约束最优化理论

5.2 离散H∞滤波原理

5.3 基于H∞滤波的ERT图像重建算法

5.4基于H∞粒子滤波的ERT图像重建算法

5.5 本章小结

第六章 基于ERT成像技术的气水两相流流量测量

6.1 实验装置

6.2 实验方案

6.3 气水流量测量

6.4 本章小结

第七章 结束语

7.1 论文工作总结

7.2 论文创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢