基于电容层析成像系统(ECT)的燃烧实验及三维成像研究

摘要

本篇硕士论文是在基于电容层析成像系统(Electric Capacitance Tomography,ECT)的火焰检测及三维成像实验的基础上完成。ECT是一种应用于可视化检测的新兴成像技术。这种非侵入式测量方法可以在不破坏工质真实流形的状况下，对工业过程内部行为进行实时监测。ECT系统具有实时响应速率快，操作简单，成本较低等优点，因而在工业领域，尤其是多相流检测领域应用较广。尽管目前学术界对ECT系统检测火焰的机理存在争议，但学者们已普遍认可ECT能检测火焰的电离现象，并监测其燃烧状况。国内外相关实验及研究也证实了ECT监测火焰的可行性。本文在前人基础上做了以下工作:
　　1)设计并加工了适用于火焰检测的耐高温电容层析成像传感系统，使其能够在燃烧的高温下感应火焰电离效应强弱，进行实时成像;搭建相应的燃烧实验台，进行一系列以甲烷为主要燃料的扩散火焰和预混火焰特性研究的实验，并在得到了一系列随燃气流量变化火焰内部复等效介电常数的重建图像。
　　2)进一步探究三维成像，在微型燃气轮机燃烧室试验台基础上，设计和制作了全开放式平面电极的三维传感系统，并将其合理嵌入该燃烧系统中。由于该传感器在高度轴上的不对称性，引入高度信息后，可获得不同高度层的三维成像效果。本文首次计算出了基于该传感器的三维敏感场，并在该敏感场的基础上通过仿真实验，得到了传感器内部工质的三维重建图像。
　　本文的主要创新点是应用电容层析成像系统对火焰进行三维成像。这种三维成像方法可以很好地找出火焰位置，测量火焰形状，监测空气和燃气对火焰的影响。本文所作的工作为后续实验深入研究提供了可靠依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究目的

1．1．1 火焰检测技术的研究概况

1．1．2 图像化火焰检测技术的研究概况

1．1．3 图像化火焰检测技术面临的挑战

1．2 本课题的研究内容

第2章 电容层析成像技术(ECT)基本原理

2．1 ECT系统硬件构成及原理

2．1．1 传感器系统

2．1．2 数据采集及成像系统

2．2 ECT系统图像重建

2．1．1 Radon变换

2．1．2 ECT图像重建的正问题

2．1．3 ECT图像重建的逆问题

2．3 本章小结

第3章 火焰检测及成像实验

3．1 火焰成像技术的基本原理

3．1．1 火焰电离效应

3．1．2 基于ECT的火焰成像技术测量原理

3．2 火焰成像检测系统

3．2．1 等离子体助燃烧器

3．2．2 高频高压电源

3．2．3 高温传感器

3．2．4 数据采集及成像系统

3．3 实验过程及实验结果

3．3．1 系统标定

3．3．2 实验过程及图像

3．3．3 实验结果分析

3．4 本章小结

第4章 三维成像研究

4．1 基于微型燃烧室的三维成像技术研究

4．1．1 全开放式三维传感器设计

4．1．2 三维敏感场重建

4．2 三维图像重建数值实验

4．3 数值实验结果分析

4．4 火焰的三维图像重建

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢