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《哈尔滨理工大学》 2005年
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方形电容敏感场建模与仿真研究

赵士武  
【摘要】:电容层析成像技术(ECT)是一种用于解决多相流检测难题的新兴技术,在许多工业应用中,如工业锅炉和循环流化床等,需要将ECT系统设计成方型结构或矩形结构。 对电容传感器而言,获得均匀的电容场灵敏度分布是传感器优化设计的主要目标;对电容层析成像系统而言,设计传感器阵列结构时需依据电容场灵敏度分布确定最优参数;并且图像重建时又以电容场灵敏度分布为先验知识,因此电容传感器敏感场的确定是极为重要的。 目前电容场灵敏度获取方法有实验法和有限元法仿真法。前者实验工作量巨大而且测量准确度难以得到保证,后者可由计算机较精确地获得在特定介质分布下的响应值,并且数据处理等都大为简化。因此,本文采用有限元法获得电容敏感场的分布。 通过对电容层析成像系统的工作原理进行详尽的理论分析,建立了电容测量值与多相流含相率之间的数学模型,依据变分原理将此二重积分的数学模型转换为对微元的近似求和运算,进而建立系统的有限元模型;在系统有限元模型的基础上,建立了敏感场的数学模型;在电容敏感场的有限元求解过程中,采用电荷法计算各极板上电荷和极板间的电容,该方法具有运算简单速度快的优点,能显著提高电容层析成像系统的实时性;编制出电容敏感场的有限元仿真软件,并从不同角度对有限元仿真电容数值解和实测电容值进行比较,结果表明两者之间的平均相对误差小于0.9%,从而证明电容层析成像系统有限元模型的正确性;利用有限元模型,定性地分析电容传感器各结构参数对其性能的影响,并对传感器结构参数进行优化设计,使其性能得到明显的改善。 电容测量值与多相流含相率之间的数学模型表明,可以应用电容层析成像技术对多相流截面进行图像重建;根据电容敏感场有限元数学模型,编制的电容敏感场的有限元仿真软件,能够得到电容敏感场的数值解,最后将电容敏感场分布结果应用于电容层析成像系统样机之中,经实验证明本文建立的电容敏感场分布符合实际,在实际应用中获得良好效果。
【学位授予单位】:哈尔滨理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TP391.9'TP274.4

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【参考文献】
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