[發(fā)明專利]一種電容層析成像傳感器布置方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110186744.3
• 申請日: 2011-07-05
• 公開（公告）號: CN102353703A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭瑞;楊道業(yè);傅行軍;楊建剛;許傳龍;王式民;曹浩
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01R27/26
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電容層析成像技術(shù)（Electrical?Capacitance?Tomography,?簡稱ECT）的傳感器布置方法，尤其涉及應(yīng)用到滑動軸承等環(huán)形間隙內(nèi)電容層析成像技術(shù)。該方法優(yōu)化了滑動軸承ECT傳感器的布置方法，將成像區(qū)域限于潤滑介質(zhì)流過的轉(zhuǎn)子外表面與軸瓦內(nèi)表面形成的環(huán)形間隙。該方法可推廣至環(huán)形間隙內(nèi)ECT兩相流測試領(lǐng)域中。

背景技術(shù)

滑動軸承是燃氣輪機、蒸汽輪機、壓縮機等重型旋轉(zhuǎn)機械中的關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。滑動軸承的基本工作原理是潤滑油在粘性力作用下進入軸頸和軸瓦間隙中，受到擠壓，形成動壓力，支撐轉(zhuǎn)子的重量。研究者已經(jīng)認識到潤滑介質(zhì)油并不能充滿整個間隙，在軸承間隙中出現(xiàn)呈現(xiàn)出空泡、流動邊界等復(fù)雜的氣液兩相流形態(tài)。上世紀90年代開始，研究者開始以兩相流角度研究滑動軸承中潤滑介質(zhì)的流動現(xiàn)象，但由于缺乏合適的試驗方法，理論研究的發(fā)展缺乏實驗支撐。最近20年間逐漸發(fā)展起來的層析成像方法為滑動軸承潤滑介質(zhì)的研究提供了新的方法。

層析成像（Tomography），也稱計算機（斷層）成像（Computerized?Tomography，簡稱CT）。該技術(shù)以兩相或多相流動為主要檢測對象，在不損傷研究對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，利用某種探測源，根據(jù)從對象外部設(shè)備所獲得的投影數(shù)據(jù)，運用一定的數(shù)學模型和重建技術(shù)，使用計算機生成對象內(nèi)部的二維/三維圖像，重現(xiàn)對象內(nèi)部特征。按照信息獲取手段和傳感機理不同，可將過程層析成像分為電容層析成像、電阻層析成像、超聲波層析成像、X射線（γ射線）層析成像、核磁共振成像、光學層析成像、電荷感應(yīng)層析成像、微波層析成像、電磁感應(yīng)層析成像等十幾種。

由于滑動軸承中流體為油氣（汽）兩相結(jié)構(gòu)，這兩相具有不同的介電常數(shù)，所以可選用電容層析成像（Electrical?Capacitance?Tomography,?簡稱ECT）技術(shù)對其進行研究。其原理是：多相介質(zhì)具有不同的介電常數(shù)，當相分布發(fā)生變化時會引起多相流混合體等價介電常數(shù)的變化，而引起傳感器測量電容值的變化。通過傳感器獲得管道截面上各電極對電容，重建出截面介電常數(shù)分布，獲取介質(zhì)分布圖像，實現(xiàn)多相流動的可視化，提供常規(guī)檢測儀表無法提供的封閉管道及容器中各組分介質(zhì)的濃度、運動狀態(tài)等可視化信息。

ECT技術(shù)存在兩個計算問題：正問題和逆問題。正問題是從傳感器管道內(nèi)多相介質(zhì)的分布確定電極對間的電容；而逆問題則是從測量電容確定管道截面的介質(zhì)分布，也即重建出管道截面的圖像。

基于“靈敏場”的圖像重構(gòu)算法是目前的主流技術(shù)，“靈敏場”是為了方便描述ECT傳感器中介質(zhì)分布與電容之間的關(guān)系而定義出的一個虛擬場，其本質(zhì)是將電容作為各象素點介電常數(shù)的加權(quán)和，而象素點權(quán)值的大小反映了電容對該點介質(zhì)變化的靈敏程度。這樣就可以通過靈敏場建立介質(zhì)分布和電容之間的關(guān)系，對于有N個電容測量值的測試系統(tǒng)有：

??????????（1）?????????????????

式中：

λ?－?歸一化電容向量，N×1維；

S?－?靈敏場矩陣，N×M維；

g?－?歸一化介電常數(shù)，或圖像灰度，M×1維；

其中N為N_e個ECT電極間的電容值數(shù)量，，M為圖像灰度的階數(shù)。

ECT系統(tǒng)算法可歸納如下：

（1）????對檢測區(qū)域進行離散化，網(wǎng)格剖分，通過數(shù)值求解麥克斯韋方程，得出靈敏場矩陣S；

（2）????通過電容采集電路采集N_e個ECT電極間的N個電容，得出電容向量λ；

（3）????通過式（1）采用合適的算法求解圖像灰度矩陣g；

（4）????做出灰度圖像，完成圖像重建。