电容层析成像技术及其在哈龙灭火剂两相流测量中的应用研究

方丽丽，赵建华

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

电容层析成像技术及其在哈龙灭火剂两相流测量中的应用研究

方丽丽，赵建华*

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，安徽 合肥 230026)

摘要：分析了电容层析成像技术的原理、应用现状，针对灭火管网中常见的哈龙灭火剂与氮气(空气)两相流，研究了将电容层析成像技术应用于哈龙灭火管网内对哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流的流动状态以及空隙率进行测量的方法。根据不同物质的介电常数不同，通过电容传感器获取初始数据，然后根据获取的电容测量值和图像重建算法重建哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流横截面的图像，最终获得灭火管网内哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流的流动状态以及空隙率。

关键词：两相流流动状态；哈龙灭火剂；电容层析成像；空隙率

0引言

哈龙灭火系统由于灭火高效、对灭火现场无破坏作用、不导电等优点得以应用于图书馆、计算机房、飞机等重要场所中。虽然研究表明，哈龙灭火剂对臭氧层有破坏作用并逐渐停止应用，但是目前依然存在着一定库存量的哈龙灭火剂。正常状态下，哈龙灭火剂以液态的形式存储于高压钢瓶中，一旦发生火情，触发灭火系统，哈龙灭火剂从高压钢瓶中喷出，在灭火管网中以液态为主、气液共存的形式进行流动，经过不同的管路部件，其进行不同程度的气化过程，最终到达喷嘴处全部气化。然而对于哈龙灭火剂在管网中的气化过程，以及不同管路部件对气化过程的影响，哈龙灭火剂/氮气(空气)混合的气液两相流在灭火系统管网中流动状态的研究是较少的。在哈龙灭火剂/氮气(空气)不同的混合比例下，不同的环境温度、气压条件下，不同的管路部件布置下，其两相流在管网中的流动状态和空间分布都是不一样的。尽管对于哈龙灭火管网的设计问题的基础研究已经进行了几十年，但是由于其流体特性的复杂性，现在的管网设计依然是根据实验或理论推导的经验公式、模型进行。

近年来，过程层析成像技术迅速发展，为多相流输运过程中的内部可视化需求提供了新的技术。越来越多的非侵入式过程层析成像技术被用来分析研究多相流的特性[1]，例如：采用γ射线断层扫描技术测量泡状流横截面的气体浓度分布[2]，在三相流化床中采用γ射线层析成像技术和电阻层析成像技术测量气体和固体的分布[3]，在三相泡状流中采用多模式超声断层成像技术同时测量横截面的气体和固体浓度[4]。在这方面，电容层析成像技术被认为是所有过程层析成像技术中最有效的方法之一。通过电容层析成像技术可以获得难以接近部位的两相流定量信息，同时也可以用来测量泡状流中的气体和液体的浓度分布，例如：应用于工业管道中的两相流系统中，特别是海上油井的油-气、油-水系统，也可应用于包含气-固系统的制造工艺系统中(如气流输送器、气-固流化床、滴流床反应器)[5,6]。电容层析成像系统具有实时、高速、安全、非侵入、适用于大型或小型容器、管道的优点。在石油管道(气/油或油/水)中的两相流流动、气力传送系统中的气/固两相流流动、压力容器中的混合/分离过程中，由电容层析成像系统提供的层析图像为设备的设计评估和工业过程的在线模拟提供了重要的信息。

借此，我们同样可以将电容层析成像技术应用于哈龙灭火管网中，实现哈龙灭火剂在管网流动过程的内部可视化。通过对哈龙灭火剂/氮气(空气)混合的气液两相流的流动状态、空隙率进行分析，可以为哈龙灭火管网的设计和哈龙灭火剂流动的在线模拟提供数据参考，完善和优化哈龙灭火系统的管网设计，对于其他的气体灭火剂管网(如哈龙替代物、液态二氧化碳等)也可以提供设计参考。

1电容层析成像技术的测量原理及其应用组成

1.1电容层析成像技术的测量原理

电容层析成像技术通常被用来获取管道内混合介质材料的空间分布信息，通过分布在管道壁外部的一系列电极对的电容测量值，将其转化为介电常数的分布图像。

电容层析成像技术是基于管道外部的电极对之间的电容测量从而进行介电常数分布图重建过程的。不同介质具有不同的介电常数，同种介质在不同的状态下的介电常数也是不同的，气液两相流混合流体根据气相与液相的组成成分不同、比例不同而具有不同的等价介电常数值，同时介电常数决定电容极板间的电容值。在电容层析成像技术的应用中，为了获得管道内介电常数分布的空间图，在管道外部布置多个电极并测量其电极对之间的电容值。根据公式(1)可知，电容值主要取决于极板面积、极板之间的距离和介电常数。由于在电容层析成像技术的应用中，保持极板面积、极板之间的距离不变，故电容值的变化取决于介电常数的变化，也就是取决于气相与液相的组成成分与比例。

(1)

其中：ε是介电常数；S是电容极板的面积；k是静电力常数；d是电容极板间的距离

1.2电容层析成像技术的应用组成

电容层析成像技术的应用主要包括三个模块：传感模块，在电极对的工作下获得管道内介质材料的电容值；采集模块，将电容值转换为数字格式，便于计算机进行进一步的处理；重建模块，使用合适的算法读取电容信息重建管道内介电常数的分布图像。

1.2.1传感模块

传感模块主要是指一系列均匀安装在绝缘管外部或内部的电极对组成的电容传感器，这些电容传感器根据其物理结构可以分为以下四类：a.带有径向屏蔽极板的外部电极式；b.不带有径向屏蔽极板的内部电极式；c.不带有径向屏蔽极板的外部电极式；d.带有径向屏蔽极板的内部电极式。这四类电容传感器的结构示意图如图1所示，各自的优缺点如表1所示。

表1　四种基本的电容传感器的特点

图1　四种基本的电容传感器结构示意图Fig.1　Diagram of four basic capacitance sensor structure

对于一个包含E个电极的电容传感器而言，其总共可以获得E(E-1)/2个不同的电容测量值。

1.2.2采集模块

采集模块的主要目的是为了获取到所有极板间的电容测量值，并将其转化为计算机可以识别的数字格式。这个模块主要包括4个子单元：脉冲发生器，产生作用于电极的一定时间的连续脉冲；多路转换器，选择电极给予脉冲信号进行激励，然后测量极板之间的电容值；模拟-数字转换器，测量电容值并且转换为用于图像重建的数字信号；单片机，控制所有的子单元。

1.2.3重建模块

图像重建模块是电容层析成像技术应用中最复杂的过程。图像重建过程是一个从已知的电容测量值估计出介电常数分布的逆问题，对于此类问题目前没有通用的解法，使用最多的是Linear Back-Projection (LBP)算法[9,10]，将通过单个网格的所有投影射线进行累加，再反向估算出该网格的像素值，从而得到管道横截面的介电常数分布图。但是，其

与相对真实图像相比，重建图像中存在尖峰平滑损失的问题，导致图像质量下降。

2电容层析成像技术在哈龙灭火剂两相流测量中的应用研究

2.1电容传感器结构

电容传感器采用双平面结构设计，在每个平面上均匀的布置12个电极，同时为了防止外界磁场对测量结果的误差影响，在极板外部设计绝缘层，在相邻极板间设计接地的径向屏蔽极板，如图2所示。

以某一极板为起点，依次给12个极板编号(1，2，3，……，12)，当以1号极板为公共极板时，分别以2号极板、3号极板、……、12号极板为测量极板，从而可以获得66个电容值。每对极板间的电容测量实质上是对管道截面内两相流的一次扫描，即管道内气液两相流在某一方向的投影数据测量，一次完整的测量过程就是对管道内两相流进行66个不同方向的扫描，获得66个投影数据，然后利用这些投影数据来进行两相流图像重建。

图2　电容传感器结构示意图Fig.2　Diagram of capacitance sensor structure

2.2两相流横截面图像重建以及空隙率测量的基本步骤

将电容层析成像技术应用于灭火管网中监测哈龙灭火剂与氮气(空气)两相流的实时流动状态，其管道横截面图像重建以及测量两相流空隙率的基本步骤如下所示：

1)电容传感器的校准。首先，在哈龙灭火管网内部填充低介电常数的介质，测量其介电常数的范围，同时测量极板间的电容值。然后，在哈龙灭火管网内部填充高介电常数介质，同样地测量其介电常数的范围以及极板间的电容值。

2)建立灵敏度矩阵。依次将电极1、电极2、电极3、……、电极12作为公共电极，测量电极1和2、电极1和3、电极1和4，……电极1和12之间的充电电压，测量电容传感器特性，获取电容传感器的灵敏度矩阵，也就是对管道横截面网格内介质的敏感程度。对于极板i-j在管道网格(x,y)处的灵敏度函数可表示为：

(2)

3)获取哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流电容值。将电容传感器安装在哈龙灭火管道内(如图3所示)，首先将激励脉冲作用于电极1，将电极1作为公共电极，同时保持其他电极处于零电位，以此测量电极1和2、电极1和3、电极1和4，……电极1和12之间的电容值；然后依次对电极2、电极3、……、电极12进行脉冲激励。根据电容传感器测得极板间的电容值，也就是对管道内两相流进行66个不同方向的扫描，获得66个投影数据，然后通过ADC转换器将其转换为便于计算机进行的数字信号，存入计算机缓冲区内。

图3　电容传感器安装示意图Fig.3　Diagram of installation of capacitance sensor

4)重建哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流横截面图像。将管道横截面划分成n个网格进行图像重建过程。采用LBP算法与多目标优化函数相结合的算法，多目标函数：a.实测电容值与来自LBP算法的预测电容值的最小平方误差；b.允许重建图像中存在相对较小尖峰的平滑函数。图像重建的基本模型[9,10]如下所示：

(3)

其中：C=[c1,c2,……,c66]T是测量电容投影向量；K=[k1,k2,……,kn]T是管道截面上n个网格的像素值；S是灵敏度矩阵。

为了减少理论计算值与实际测量值之间的误差，对理论计算值和实际测量值进行归一化数据处理。电容Cj的归一化值Crj为：

(4)

其中：Crj是电容Cj的归一化值；Cjg是管道内充满气相时的电容值；Cjl是管道内充满液相时的电容值。

(5)

首先，通过LBP算法预估出管道网格像素值，然后采用多目标优化函数对算法结果进行优化和选择，最后，得到管道横截面的哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流图像。

5)计算哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流截面空隙率。两相流空隙率是指在管道截面上气相所占的面积与气液两相总流通面积的比值。获得管道横截面的哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流图像后，由于各管道横截面网格的像素值反映了该网格的两相流空隙率，则两相流空隙率计算式为：

(6)

其中：α是管道横截面空隙率；ki是管道横截面第i个网格的像素值；Ai是管道横截面第i个网格的面积；A是管道横截面面积。

3总结

本文针对哈龙灭火系统管网，提出了将电容层析成像技术应用于灭火管网内对哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流的流动状态以及空隙率进行测量的方法。首先，采用12电极电容传感器获得管道内哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流的电容测量值，然后，采用LBP算法与多目标函数相结合重建哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流横截面的图像，最终达到测量灭火管网内哈龙灭火剂/氮气(空气)两相流的流动状态以及空隙率的目的。

参考文献

[1] Williams RA, Beck MS, eds. Process tomography: principles, techniques, and applications[M]. Butterworth-Heinemann, 1995.

[2] Kumar SB, et al. Gas-holdup measurements in bubble columns using computed tomography[J]. AIChE Journal, 1997, 43(6): 1414-1425.

[3] George DL, et al. Quantitative tomographic measurements of opaque multiphase flows[R]. Sandia National Labs., Albuquerque, NM (US); Sandia National Labs., Livermore, CA (US), 2000.

[4] Ohkawa M, et al. Cross-sectional distributions of gas and solid holdups in slurry bubble column investigated by ultrasonic computed tomography[J]. Chemical Engineering Science, 1999, 54(21): 4711-4728.

[5] Reinecke N, Mewes D. Recent developments and industrial/research applications of capacitance tomography[J]. Measurement Science and Technology, 1996, 7(3): 233.

[6] Dyakowski T, et al. Application of capacitance tomography to gas-solid flows[J]. Chemical Engineering Science, 1997, 52(13): 2099-2110.

[7] Yang WQ, et al. Development of capacitance tomographic imaging systems for oil pipeline measurements[J]. Review of Scientific Instruments, 1995, 66(8): 4326-4332.

[8] Yang WQ, et al. Monitoring water hammer by capacitance tomography[J]. Electronics Letters, 1996, 32(19): 1778-1779.

[9] Mukhopadhyay S, Srivastava GP. Characterisation of metal loss defects from magnetic flux leakage signals with discrete wavelet transform[J]. Ndt & E International, 2000, 33(1): 57-65.

[10] Lee JY, et al. Hierarchical rule based classification of MFL signals obtained from natural gas pipeline inspection[A]. Neural Networks, 2000. IJCNN 2000, Proceedings of the IEEE-INNS-ENNS International Joint Conference on[C], IEEE, 2000, 5: 71-76.

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

基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助(WK2320000032)。

作者简介：方丽丽(1992-)，女，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室硕士研究生，主要从事火灾探测技术、飞机防火技术研究。 通讯作者：赵建华，E-mail：zhaojh@ustc.edu.cn

文章编号：1004-5309(2016)-0053-06

DOI:10.3969/j.issn.1004-5309.2016.01.08

中图分类号：X915.2；X915.5

文献标识码：A