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摘 要

电容层析成像技术是20世纪80年代逐渐发展起来的过程检测技术，其主要应用于多相流检测上。它通过分布在管道四周的电极对，获取反应各相流体分布状况的电容值，以此来计算管道内介电常数的分布状况，再利用图像重建算法将被测管道的截面信息展现出来。ECT技术具有非侵入、成本低、响应速度快等优点，是目前微电容检测系统中最有效的检测方法，同时也是多相流检测领域的研究重点之一。

本文在对目前电容传感器结构以及微电容检测原理进行分析讨论的基础上，选择了外置式无径向电极的放置方式与交流激励电容测量电路，同时对C/V转化电路的抗杂散电容能力进行了分析。文章重点设计了微电容数据采集系统，由数据采集卡产生正弦激励信号，并且发出电极控制信号来控制电极开关阵列的切换，经过转换、放大、解调以及滤波后，将输出的电压信号通过数据采集卡中的高速AD模块进行数据采集，并且将其传输到计算机中进行图像重建。

关键词：微电容测量电路 电容层析成像 电极开关阵列 数据采集卡

Micro Capacitance Detection System Based on Multifunctional Data Acquisition Card

ABSTRACT

Capacitance tomography is a process detection technique developed in the 1980s, used in multiphase flow detection. Through the electrode pairs distributed around the pipeline, it obtains the capacitance value reflecting the distribution of the fluid in each phase, so as to calculate the distribution of the dielectric constant in the pipeline. Then, image reconstruction algorithm is used to display the cross-section information of the pipeline under test. ECT technology has the advantages of non-invasion, low cost and fast response speed, etc. It is the most effective detection method in the current micro-capacitance detection system, and also one of the research emphases in the field of multiphase flow detection.

Based on the analysis and discussion of the current structure of capacitance sensor and the principle of micro-capacitance detection, this paper chooses the placement mode of external type without radial electrode and the ac excitation capacitance measurement circuit, and analyzes the ability of the anti-stray capacitance of C/V conversion circuit. Article focuses on design of micro capacitance data acquisition system, sine excitation signal generated by the data acquisition card, and the signal electrode control to control the electrode array of switch. After conversion, amplification, demodulation and filtering, it will process after the voltage signal through the high-speed data acquisition card AD data acquisition module, and sending them to the computer for image reconstruction.

Key Words: Micro-capacitance measurement circuit; Capacitance tomography imaging; Electrode switch array; Data acquisition card

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国外研究现状 1

1.2.1 国外研究状况 2

1.2.2 国内研究状况 3

1.3 电容层析成像系统 5

1.3.1 ECT传感器 5

1.3.2 数据采集系统 6

1.3.3 图像重建 6

1.4 章节结构 7

第二章 ECT系统电容的结构与测量原理 8

2.1 电容传感器的结构 8

2.2 电容测量原理 9

2.2.1 直流法 9

2.2.2 交流法 10

2.2.3 差分采样法 11

第三章 ECT系统数据采集系统设计 12

3.1 电极开关阵列 12

3.2 电容检测电路 14

3.2.1 C/V转换电路 14

3.2.2 交流可调增益放大电路 16

3.2.3 相敏解调 17

3.2.4 低通滤波 18

3.3 电源设计 19

3.4 数据采集卡与采集过程 19

3.5 数据采集的软件设计 21

3.5.1 前面板 22

3.5.2 程序框图 22

第四章 图像重建算法 25

4.1 线性反投影算法 25

4.2 Landweber迭代算法 25

4.3 Tikhonov正则化算法 26

第五章 总结与展望 27

5.1 总结 27

5.2 展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

多相流是一种在国民生活和工业生产中常见的混合流动模式，常见的存在形式是两相流和三相流，其中两相流分为气-液，固-液等，常见的三相流是气液固形式。在原油采集与管道运输的进程中，原油包含石油，天然气和甲烷等可燃物质，其是以气液固三相流的形式广泛存在，导致无法确定各相流的相对含量，流动速度，压强等工业参数，给后续的原油分离增加极大的难度和风险^[1]；在内燃机的汽油燃烧过程中，空气与汽油混合形成两相流进行点燃，内燃机中氧气与汽油混合比例直接决定了内燃机的燃烧效率，对汽油流量的分配对发动机的功率、可靠性以及尾气中的有毒有害气体的含量等起着至关重要的作用；在核能发电领域中，管道流动的过程通常都会出现气液两相流的工况，例如冷凝管，蒸发罐等换热设备，而管道内气液两相流的流动工况对流体的传热效率和流动参数起着极其关键的作用^[2]；在火力发电厂燃烧煤炭的过程中，煤粉与空气的混合物广泛地以气-固两相流的形式表现出来，煤粉与空气的相对含量、流动速度、结合度等参数都会影响煤粉的利用率，同时以气-固两相为主的废气排放也是当代环境问题的重点等^[3]。

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