方麗麗，趙建華

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

電容層析成像技術及其在哈龍滅火劑兩相流測量中的應用研究

方麗麗，趙建華*

(中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026)

摘要：分析了電容層析成像技術的原理、應用現(xiàn)狀，針對滅火管網中常見的哈龍滅火劑與氮氣(空氣)兩相流，研究了將電容層析成像技術應用于哈龍滅火管網內對哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流的流動狀態(tài)以及空隙率進行測量的方法。根據(jù)不同物質的介電常數(shù)不同，通過電容傳感器獲取初始數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲取的電容測量值和圖像重建算法重建哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流橫截面的圖像，最終獲得滅火管網內哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流的流動狀態(tài)以及空隙率。

關鍵詞：兩相流流動狀態(tài)；哈龍滅火劑；電容層析成像；空隙率

0引言

哈龍滅火系統(tǒng)由于滅火高效、對滅火現(xiàn)場無破壞作用、不導電等優(yōu)點得以應用于圖書館、計算機房、飛機等重要場所中。雖然研究表明，哈龍滅火劑對臭氧層有破壞作用并逐漸停止應用，但是目前依然存在著一定庫存量的哈龍滅火劑。正常狀態(tài)下，哈龍滅火劑以液態(tài)的形式存儲于高壓鋼瓶中，一旦發(fā)生火情，觸發(fā)滅火系統(tǒng)，哈龍滅火劑從高壓鋼瓶中噴出，在滅火管網中以液態(tài)為主、氣液共存的形式進行流動，經過不同的管路部件，其進行不同程度的氣化過程，最終到達噴嘴處全部氣化。然而對于哈龍滅火劑在管網中的氣化過程，以及不同管路部件對氣化過程的影響，哈龍滅火劑/氮氣(空氣)混合的氣液兩相流在滅火系統(tǒng)管網中流動狀態(tài)的研究是較少的。在哈龍滅火劑/氮氣(空氣)不同的混合比例下，不同的環(huán)境溫度、氣壓條件下，不同的管路部件布置下，其兩相流在管網中的流動狀態(tài)和空間分布都是不一樣的。盡管對于哈龍滅火管網的設計問題的基礎研究已經進行了幾十年，但是由于其流體特性的復雜性，現(xiàn)在的管網設計依然是根據(jù)實驗或理論推導的經驗公式、模型進行。

近年來，過程層析成像技術迅速發(fā)展，為多相流輸運過程中的內部可視化需求提供了新的技術。越來越多的非侵入式過程層析成像技術被用來分析研究多相流的特性[1]，例如：采用γ射線斷層掃描技術測量泡狀流橫截面的氣體濃度分布[2]，在三相流化床中采用γ射線層析成像技術和電阻層析成像技術測量氣體和固體的分布[3]，在三相泡狀流中采用多模式超聲斷層成像技術同時測量橫截面的氣體和固體濃度[4]。在這方面，電容層析成像技術被認為是所有過程層析成像技術中最有效的方法之一。通過電容層析成像技術可以獲得難以接近部位的兩相流定量信息，同時也可以用來測量泡狀流中的氣體和液體的濃度分布，例如：應用于工業(yè)管道中的兩相流系統(tǒng)中，特別是海上油井的油-氣、油-水系統(tǒng)，也可應用于包含氣-固系統(tǒng)的制造工藝系統(tǒng)中(如氣流輸送器、氣-固流化床、滴流床反應器)[5,6]。電容層析成像系統(tǒng)具有實時、高速、安全、非侵入、適用于大型或小型容器、管道的優(yōu)點。在石油管道(氣/油或油/水)中的兩相流流動、氣力傳送系統(tǒng)中的氣/固兩相流流動、壓力容器中的混合/分離過程中，由電容層析成像系統(tǒng)提供的層析圖像為設備的設計評估和工業(yè)過程的在線模擬提供了重要的信息。

借此，我們同樣可以將電容層析成像技術應用于哈龍滅火管網中，實現(xiàn)哈龍滅火劑在管網流動過程的內部可視化。通過對哈龍滅火劑/氮氣(空氣)混合的氣液兩相流的流動狀態(tài)、空隙率進行分析，可以為哈龍滅火管網的設計和哈龍滅火劑流動的在線模擬提供數(shù)據(jù)參考，完善和優(yōu)化哈龍滅火系統(tǒng)的管網設計，對于其他的氣體滅火劑管網(如哈龍?zhí)娲?、液態(tài)二氧化碳等)也可以提供設計參考。

1電容層析成像技術的測量原理及其應用組成

1.1電容層析成像技術的測量原理

電容層析成像技術通常被用來獲取管道內混合介質材料的空間分布信息，通過分布在管道壁外部的一系列電極對的電容測量值，將其轉化為介電常數(shù)的分布圖像。

電容層析成像技術是基于管道外部的電極對之間的電容測量從而進行介電常數(shù)分布圖重建過程的。不同介質具有不同的介電常數(shù)，同種介質在不同的狀態(tài)下的介電常數(shù)也是不同的，氣液兩相流混合流體根據(jù)氣相與液相的組成成分不同、比例不同而具有不同的等價介電常數(shù)值，同時介電常數(shù)決定電容極板間的電容值。在電容層析成像技術的應用中，為了獲得管道內介電常數(shù)分布的空間圖，在管道外部布置多個電極并測量其電極對之間的電容值。根據(jù)公式(1)可知，電容值主要取決于極板面積、極板之間的距離和介電常數(shù)。由于在電容層析成像技術的應用中，保持極板面積、極板之間的距離不變，故電容值的變化取決于介電常數(shù)的變化，也就是取決于氣相與液相的組成成分與比例。

(1)

其中：ε是介電常數(shù)；S是電容極板的面積；k是靜電力常數(shù)；d是電容極板間的距離

1.2電容層析成像技術的應用組成

電容層析成像技術的應用主要包括三個模塊：傳感模塊，在電極對的工作下獲得管道內介質材料的電容值；采集模塊，將電容值轉換為數(shù)字格式，便于計算機進行進一步的處理；重建模塊，使用合適的算法讀取電容信息重建管道內介電常數(shù)的分布圖像。

1.2.1傳感模塊

傳感模塊主要是指一系列均勻安裝在絕緣管外部或內部的電極對組成的電容傳感器，這些電容傳感器根據(jù)其物理結構可以分為以下四類：a.帶有徑向屏蔽極板的外部電極式；b.不帶有徑向屏蔽極板的內部電極式；c.不帶有徑向屏蔽極板的外部電極式；d.帶有徑向屏蔽極板的內部電極式。這四類電容傳感器的結構示意圖如圖1所示，各自的優(yōu)缺點如表1所示。

表1　四種基本的電容傳感器的特點

圖1　四種基本的電容傳感器結構示意圖Fig.1　Diagram of four basic capacitance sensor structure

對于一個包含E個電極的電容傳感器而言，其總共可以獲得E(E-1)/2個不同的電容測量值。

1.2.2采集模塊

采集模塊的主要目的是為了獲取到所有極板間的電容測量值，并將其轉化為計算機可以識別的數(shù)字格式。這個模塊主要包括4個子單元：脈沖發(fā)生器，產生作用于電極的一定時間的連續(xù)脈沖；多路轉換器，選擇電極給予脈沖信號進行激勵，然后測量極板之間的電容值；模擬-數(shù)字轉換器，測量電容值并且轉換為用于圖像重建的數(shù)字信號；單片機，控制所有的子單元。

1.2.3重建模塊

圖像重建模塊是電容層析成像技術應用中最復雜的過程。圖像重建過程是一個從已知的電容測量值估計出介電常數(shù)分布的逆問題，對于此類問題目前沒有通用的解法，使用最多的是Linear Back-Projection (LBP)算法[9,10]，將通過單個網格的所有投影射線進行累加，再反向估算出該網格的像素值，從而得到管道橫截面的介電常數(shù)分布圖。但是，其

與相對真實圖像相比，重建圖像中存在尖峰平滑損失的問題，導致圖像質量下降。

2電容層析成像技術在哈龍滅火劑兩相流測量中的應用研究

2.1電容傳感器結構

電容傳感器采用雙平面結構設計，在每個平面上均勻的布置12個電極，同時為了防止外界磁場對測量結果的誤差影響，在極板外部設計絕緣層，在相鄰極板間設計接地的徑向屏蔽極板，如圖2所示。

以某一極板為起點，依次給12個極板編號(1，2，3，……，12)，當以1號極板為公共極板時，分別以2號極板、3號極板、……、12號極板為測量極板，從而可以獲得66個電容值。每對極板間的電容測量實質上是對管道截面內兩相流的一次掃描，即管道內氣液兩相流在某一方向的投影數(shù)據(jù)測量，一次完整的測量過程就是對管道內兩相流進行66個不同方向的掃描，獲得66個投影數(shù)據(jù)，然后利用這些投影數(shù)據(jù)來進行兩相流圖像重建。

圖2　電容傳感器結構示意圖Fig.2　Diagram of capacitance sensor structure

2.2兩相流橫截面圖像重建以及空隙率測量的基本步驟

將電容層析成像技術應用于滅火管網中監(jiān)測哈龍滅火劑與氮氣(空氣)兩相流的實時流動狀態(tài)，其管道橫截面圖像重建以及測量兩相流空隙率的基本步驟如下所示：

1)電容傳感器的校準。首先，在哈龍滅火管網內部填充低介電常數(shù)的介質，測量其介電常數(shù)的范圍，同時測量極板間的電容值。然后，在哈龍滅火管網內部填充高介電常數(shù)介質，同樣地測量其介電常數(shù)的范圍以及極板間的電容值。

2)建立靈敏度矩陣。依次將電極1、電極2、電極3、……、電極12作為公共電極，測量電極1和2、電極1和3、電極1和4，……電極1和12之間的充電電壓，測量電容傳感器特性，獲取電容傳感器的靈敏度矩陣，也就是對管道橫截面網格內介質的敏感程度。對于極板i-j在管道網格(x,y)處的靈敏度函數(shù)可表示為：

(2)

3)獲取哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流電容值。將電容傳感器安裝在哈龍滅火管道內(如圖3所示)，首先將激勵脈沖作用于電極1，將電極1作為公共電極，同時保持其他電極處于零電位，以此測量電極1和2、電極1和3、電極1和4，……電極1和12之間的電容值；然后依次對電極2、電極3、……、電極12進行脈沖激勵。根據(jù)電容傳感器測得極板間的電容值，也就是對管道內兩相流進行66個不同方向的掃描，獲得66個投影數(shù)據(jù)，然后通過ADC轉換器將其轉換為便于計算機進行的數(shù)字信號，存入計算機緩沖區(qū)內。

圖3　電容傳感器安裝示意圖Fig.3　Diagram of installation of capacitance sensor

4)重建哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流橫截面圖像。將管道橫截面劃分成n個網格進行圖像重建過程。采用LBP算法與多目標優(yōu)化函數(shù)相結合的算法，多目標函數(shù)：a.實測電容值與來自LBP算法的預測電容值的最小平方誤差；b.允許重建圖像中存在相對較小尖峰的平滑函數(shù)。圖像重建的基本模型[9,10]如下所示：

(3)

其中：C=[c1,c2,……,c66]T是測量電容投影向量；K=[k1,k2,……,kn]T是管道截面上n個網格的像素值；S是靈敏度矩陣。

為了減少理論計算值與實際測量值之間的誤差，對理論計算值和實際測量值進行歸一化數(shù)據(jù)處理。電容Cj的歸一化值Crj為：

(4)

其中：Crj是電容Cj的歸一化值；Cjg是管道內充滿氣相時的電容值；Cjl是管道內充滿液相時的電容值。

(5)

首先，通過LBP算法預估出管道網格像素值，然后采用多目標優(yōu)化函數(shù)對算法結果進行優(yōu)化和選擇，最后，得到管道橫截面的哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流圖像。

5)計算哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流截面空隙率。兩相流空隙率是指在管道截面上氣相所占的面積與氣液兩相總流通面積的比值。獲得管道橫截面的哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流圖像后，由于各管道橫截面網格的像素值反映了該網格的兩相流空隙率，則兩相流空隙率計算式為：

(6)

其中：α是管道橫截面空隙率；ki是管道橫截面第i個網格的像素值；Ai是管道橫截面第i個網格的面積；A是管道橫截面面積。

3總結

本文針對哈龍滅火系統(tǒng)管網，提出了將電容層析成像技術應用于滅火管網內對哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流的流動狀態(tài)以及空隙率進行測量的方法。首先，采用12電極電容傳感器獲得管道內哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流的電容測量值，然后，采用LBP算法與多目標函數(shù)相結合重建哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流橫截面的圖像，最終達到測量滅火管網內哈龍滅火劑/氮氣(空氣)兩相流的流動狀態(tài)以及空隙率的目的。

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Research on the capacitance tomographytechnology and its application in the two-phase flow measurement of Halon fire extinguishing agent

FANG Lili, ZHAO Jianhua

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Abstract:The principle and application status of the capacitance tomography technology were analyzed. The measurement method for the flow state and void fraction of gas-liquid two-phase flow in Halon fire extinguishing agent pipeline was investigated by using the capacitance tomography technology. According to the uniqueness of dielectric constant of different materials, the initial data were obtained by capacitance sensors, and then the cross-section images of the Halon extinguishing agent/nitrogen(air) two-phase flow were rebuilt, based on capacitance and image reconstruction algorithm. By this method, the flow state and void fraction of Halon extinguishing agent/nitrogen(air) two-phase flow in fire extinguishing agent pipelines were finally achieved.

Keywords:Flow state of two-phase flow; Halon extinguishing agents; Capacitance tomography; Void fraction

收稿日期：2015-12-11；修改日期：2015-12-31

基金項目：中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助(WK2320000032)。

作者簡介：方麗麗(1992-)，女，中國科學技術大學火災科學國家重點實驗室碩士研究生，主要從事火災探測技術、飛機防火技術研究。 通訊作者：趙建華，E-mail：zhaojh@ustc.edu.cn

文章編號：1004-5309(2016)-0053-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.08

中圖分類號：X915.2；X915.5

文獻標識碼：A