Voidage measurement based on genetic algorithm and electrical capacitance tomography

A new voidage measurement method based on electrical capacitance tomography (ECT) technique, Genetic Algo- rithm (GA) and Partial Least Square (PLS) method was proposed. The voidage measurement model, linear capacitance combi- nation, was developed to measure on-line voidage. GA and PLS method were used to determine the coefficients of the voidage measurement model. GA was used to explore the optimal capacitance combination which gave significant contribution to the voidage measurement. PLS method was applied to determine the weight coefficient of the contribution of each capacitance to the voidage measurement. Flow pattern identification result was introduced to improve the voidage measurement accuracy. Experi- mental results showed that the proposed voidage measurement method is effective and that the measurement accuracy is satis- factory.

基于SENet双路径多尺度特征融合的ECT图像重建

针对单一神经网络在电容层析成像图像重建过程中难以捕捉复杂、深层电容向量特征的问题,提出一种基于压缩激励网络(squeeze-and-excitation networks,SENet)双路径多尺度特征融合的电容层析成像图像重建算法。构建多尺度密集深度空洞卷积模块,使模型获得更大的局部感受野的同时可以保持较低计算复杂度,并实现多尺度特征融合,以捕获电容向量的多尺度细节特征,增强模型的表征能力;采用残差神经网络解决深层网络提取特征时出现的退化现象,并添加SENet模块重新标定电容特征张量所属通道对应权重,校准特征响应。形成具有双向特征提取能力的双通道多特征融合的混合模型,以更好的拟合电容张量与介电常数之间的非线性映射关系。试验结果表明,BSFF算法相对于Landweber迭代算法、CNN算法等具有更高的图像重建质量,更好的鲁棒性。

局部最优阈值分割算法在ECT相含率计算中的应用

电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)图像重构算法所重建的图像存在边缘不清晰,成像精度低的问题,很容易误判不同介质的交界面,而截面含水率计算的准确度依赖于对重构图像的二值化分割的准确度。该文通过分析全局阈值分割算法的不足,提出了结合模拟退火算法的局部阈值分割算法。为验证算法的有效性,对层流、中心流、环状流的重构图像进行局部最优阈值分割,并进行截面含水率的计算,通过与全局阈值分割算法进行对比,证明了采用局部阈值分割算法进行截面含水率的计算有相对较高的准确率。此外,考虑到ECT系统本身存在非线性误差,通过结合局部最优阈值分割算法,采用一种考虑ECT非线性误差的图像阈值分割算法。通过与全局阈值分割算法和不考虑非线性误差的局部阈值分割算法进行对比,结果表明考虑ECT非线性误差的局部最优阈值分割算法进行截面含水率的计算具有相对较高的准确率。

新型ECT数据采集系统设计与实现

针对电容层析成像数据采集系统数据采集实时性问题,在详细分析ECT数据采集系统工作原理的基础上,提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的新型数据采集系统。该系统以FPGA作为核心控制单元,通过控制交流激励电压信号产生,调整ECT电容传感器各电极状态,在FPGA内部对采集信号进行数字解调,以达到实时数据采集的目的。仿真实验结果表明:新型ECT数据采集系统计算精确度得到提高,数据采集速度快于传统ECT数据采集系统,系统稳定时间缩短,为ECT系统实时数据采集提供一种新方法。

基于双截面ECT的气/固两相流参数检测系统

为了实现多相流的流动过程在线监测和多参数测量,设计并研发了一套应用于气/固两相流检测的双截面8电极电容层析成像系统。采用交流法电容检测原理实现具有16个独立电容检测通道的电容测量电路,实测系统的成像速度为590帧/秒。将双截面电容层析成像系统用于气/固两相流的实时检测,并将两层截面的图像作相关计算,获取成像截面的固相速度分布。由固相速度和浓度最终算出气/固两相流的固相质量流量,从而实现气/固两相流浓度、速度、流量等多参数的综合检测。将双截面ECT传感器算得的质量流量与发料罐重力传感器获取的质量流量作对比发现,两者具有较好的一致性,流量测量误差小于8%。

一种具有迭代约束的最小二乘ECT图像重建算法

针对电容层析成像系统中的"软场"效应和病态问题,将最小二乘法和迭代法相结合,提出了一种最小二乘约束迭代的图像重建算法。给出了算法的数学模型,完成了算法的收敛性分析和证明,算法在图像重建中使迭代步长在保证收敛的情况下达到最优。仿真和实验结果表明,该方法与最小二乘法相比,具有更稳定、成像效果好等特点,为ECT图像重建提供了一种新的有效方法。

基于特征值谱区域优化的Tikonov正则化实现ECT图像重建

电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)中的图像重建是一种病态的逆问题,经常采用正则化技术求解此问题。最常用的Tikhonov正则化算法是通过增加正则化惩罚项,实现正则化求解。基于图拉普拉斯的算子函数,提出构建特征值谱区域优化正则化项的方法。对L2(Rn)空间到再生Hilbert空间映射的Laplacian算子函数及相应核函数特征进行分析;根据介质分布的先验信息,并结合系统灵敏度的局部非线性,选择算子函数构造正则化项,实现局域正则化在线重建算法。实验表明:新方法设计的正则化算法比两种常规Tikhonov正则化算法重建图像质量好,并具有较好抗噪声干扰能力。

基于电容层析成像技术(ECT)对干法重介流化床中分离机制的研究

我国煤炭资源与水资源呈逆向分布的特征,迫切需要开发高效的干法分选技术。研究干法重介流化床中气泡相与煤炭颗粒的运动行为特征,是揭示气固相间作用与煤炭密度离析行为的关键。电容层析成像系统(ECT)作为一种非侵入式三维成像测量手段,可以实现对气泡和煤炭颗粒的精准捕捉。利用电容层析成像技术,基于空气与介质颗粒间介电常数的差异,对气泡运动行为进行了精准捕捉,建立了气泡生长和运动速度的数学模型,揭示了床层中的气固两相分布特征。结合COMSOL仿真模拟证实了ECT对煤炭示踪的可行性,提出了一种可用于实时监测煤炭颗粒运动行为的技术方案,分析了操作条件及煤炭性质对运动行为的影响,实现了煤炭颗粒在径向和轴向的实时捕捉。结合上述气泡和煤炭运动行为的捕捉结果,分析了床层中气固两相分布特征,构建了适用于煤炭分选的密度模型,模型预测值与实验测量值的误差在20%以内,能够实现分选密度的有效预测。通过将电容层析成像技术引入干法分选流化床分选领域,实现流化床分选行为的直接观测,解决了光纤探针、二维成像等技术对气固分选流化床中气泡运动行为捕捉的不足和煤炭分选过程可视化追踪的难题,为理解煤炭的分选机理提供了理论基础,并为流态化干法分选的精准调控提供了理论保障。

带阈值滤波的迭代法三维ECT图像重建

针对Landweber迭代法用于三维ECT重建时,需要的迭代次数多且重建图像中含有大量伪迹的问题,提出了一种带阈值滤波的迭代重建法.该方法利用Landweber迭代法重建一初始图像,用阈值滤波获得改进图像,为了获得最佳阈值,依次用有限个离散化阈值对初始图像做二值化处理,计算出二值化图像对应的电容估计值与电容测量值之间的误差,并将对应最小误差的阈值确定为最佳阈值.仿真实验结果表明,自适应阈值滤波能够显著减少重建图像中的伪迹和重建时间,该方法具有良好的应用潜力.

基于数据融合的ECT图像重建算法

针对固定电极的ECT成像独立测量值较少和因电极位置的影响而导致重建图像失真等问题,提出了基于旋转电极ECT系统模型和数据融合方法来提高重建图像质量。本模型对16电极的ECT模型进行5次旋转,得到的数据采用两种方式进行处理:一是5组数据分别采用线性反投影(LBP)和修正共轭梯度法(MCG)进行重建,再对重建数据进行主分量分析(PCA)的数据融合;二是直接用PCA数据融合再分别进行LBP和MCG图像重建。实验证明:通过增加测量电容数,结合两种数据处理方式可明显提高重构图像质量,降低成像误差。

未知介电常数对象的ECT图像重建方法

电容层析成像技术(ECT)是近年来发展较快、较成熟的一种过程层析成像技术,电容层析成像系统敏感场分布受介质介电常数分布的影响,即敏感场具有“软场”特性,通常以已知介质介电常数的灵敏度分布作为先验知识图像重建。根据对不同介电常数被测对象的检测灵敏度分析,采用一次仿真校验法对管内测量对象分别充满高、低介电常数介质进行仿真校验,并结合滤波反投影算法实现对未知介电常数的测量对象的图像重建。

基于Kalman滤波的ECT图像重建算法

由于测量环境等因素的影响,实测数据往往带有噪声。为此,应用Kalman滤波算法进行电容层析成像(ECT)系统图像重建,在归一化电容值中加入不同程度的噪声信号,利用噪声的统计特性进行测量值滤波,最终得到图像灰度值。在三种流型下与Landweber迭代算法进行了仿真比较,并在ECT实验装置上进行了静态实验。仿真与实验结果表明:Kalman滤波去噪效果优于Landweber迭代算法。

Chebyshev神经网络在ECT图像重建中的研究与应用

针对目前电容层析成像系统图像重建分辨率不高,精确度低的问题,提出了一种新的采用Chebyshev神经网络对电容层析成像系统进行图像重建的方法。该神经网络不仅扩大了网络辨识模型的能力与学习适应性,而且算法简单,学习收敛速度快,有线性、非线性逼近精度高等优异特性。通过对封闭管道的气固两相流进行数据检测,并采用改进后的神经网络算法进行图像重建,实验结果证明该方法能明显改善成像质量,进而证明了该方法的有效性。

基于均匀设计及非线性偏最小二乘法的非闭合电极ECT传感器参数优化设计

提出了一种非闭合电极电容层析成像(ECT)传感器结构参数的优化方法。采用均匀设计结合非线性偏最小二乘(NPLS)回归,提取传感器结构参数(电极极板的宽度 l、绝缘外壳的壁厚δ_1、屏蔽罩与绝缘外壳间距δ_2及绝缘外壳材料的相对介电常数ε)与待优化指标(敏感场的均匀度及灵敏度指标 p′、最大与最小电容的比值 K)间的函数关系,建立相应的优化目标泛函,通过对优化目标泛函的求解,最终获得传感器结构参数的最优值。并以10电极非闭合电极 ECT 传感器为研究对象,进行了结构参数的优化设计,根据优化结果设计制作了非闭合电极 ECT 传感器,对其成像进行了仿真与实测。结果表明,参数优化后的传感器图像重建质量优于未优化的传感器。

新型ECT传感器在燃烧检测中的应用研究

电容层析成像(ECT)是一项基于电容敏感原理的过程成像技术,是极具应用前景的多相流检测技术之一。本文提出了一种新型ECT传感器,该型传感器具有采集信号强、噪音小、结构稳定、有利于高温环境参数检测等优点。本文将该型传感器应用于多孔介质内火焰分布的检测,分析比较了不同燃气/空气流量、不同孔密度分布对燃烧特性的影响,验证了多孔介质内燃烧的优越性,同时证明了该型传感器应用于高温环境的参数检测是完全可行的。

类支集神经网络在ECT图像重建中的研究与应用

以12电极电容阵列传感器ECT系统为背景,从图像重建的稳定性和速度两方面对密闭容器中气-固两相流场的图像重建算法优化进行实验室研究。将基于新型类支集函数的神经网络算法(NSSN),应用于ECT系统图像重建算法中,使得图像重建算法的求解过程稳定并具有良好的计算性能。针对大规模神经网络算法训练速度较慢的问题提出了划分子网络的改进方法。通过对封闭管道的气固两相流进行数据检测,并采用改进后的神经网络算法进行图像重建,实验结果验证了改进后的方法弥补了大规模神经网络运算速度慢的不足,可以简化神经网络的结构,减少神经元的规模,为电容层析成像系统图像重建提供了新的思路。

基于改进Landweber算法的ECT图像重建

电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)系统图像重建算法中,Landweber算法在重建图像质量及实时性方面取得较好的折衷,然而该算法针对不同的流型存在迭代步数差别较大及半收敛等问题。针对上述问题,通过同伦摄动方法推导出二阶迭代公式;并针对二阶迭代公式谱半径可能影响算法收敛的问题,通过添加约束因子以获得一种全收敛的改进Landweber算法。实验结果表明,改进算法在相对误差及相关系数上均优于原Landweber算法及其他对比算法,从而验证了改进算法的收敛性及有效性。

基于平面阵列电极传感器的ECT系统设计

设计了基于平面阵列电极传感器的电容层析成像(ECT)系统。由平面阵列电极传感器ECT系统和计算机成像界面组成,采用电容的边缘效应测量原理,对复合材料的损伤、缺陷进行检测。结果表明:在介电常数ε=3.5的玻璃块材料为被测对象的条件下,得到的ECT图像分辨率高、伪影少。由此表明:该系统是一种简单有效、图像重建效果优良的无损检测(NDT)系统。

基于模糊阈值分割的ECT图像重建方法

电容层析成像(ECT)技术是近年来发展较快的过程成像技术之一,图像重建算法是其应用的关键。但由于ECT的软场特性,重建的图像往往具有边界模糊效应。提出一种基于模糊阈值的ECT图像重建方法。该方法采用Landweber法进行图像重建,引入模糊阈值法确定重建图像的最佳阈值。采用仿真实验对该方法进行了验证,结果表明:该方法重建图像精度较高,具有较大的实用价值。

基于修正隐式Landweber方法的ECT图像重建算法

针对电容层析成像(ECT)技术中存在的软场效应及病态问题,提出一种基于修正隐式Landweber的电容层析成像算法。在分析电容层析成像系统基本原理的基础上,给出隐式Landweber方法解决ECT图像重建问题的求解公式,并对该公式进行迭代修正。同时对修正后的隐式Landweber电容层析成像算法的收敛性进行分析。仿真实验结果表明,修正隐式Landweber方法在解决ECT图像重建问题上,其精度与速度均优于经典Landerber、LBP等方法,且实现简单、稳定性好。