CN102353703A - 一种电容层析成像传感器布置方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电容层析成像传感器布置方法，其方法是在轴瓦内表面布置7～15个轴瓦电极，另将转子作为ECT系统的一个中心电极，通过轴瓦电极和中心电极，使转子外表面与轴瓦内表面之间的环形间隙成为成像区域。与现有技术相比，本发明由于成像区域为环形区域，去除了转子区域，在计算灵敏场时不用对转子区域划分网格，在相同的网格密度情况下可极大减少网格数量，节省了计算量和存储空间，提高了计算效率；在大大减少网格数量的基础上，可适当增加成像区域内的网格密度，提高成像区域的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容层析成像技术（Electrical Capacitance Tomography, 简称ECT）的传感器布置方法，尤其涉及应用到滑动轴承等环形间隙内电容层析成像技术。该方法优化了滑动轴承ECT传感器的布置方法，将成像区域限于润滑介质流过的转子外表面与轴瓦内表面形成的环形间隙。该方法可推广至环形间隙内ECT两相流测试领域中。
背景技术
滑动轴承是燃气轮机、蒸汽轮机、压缩机等重型旋转机械中的关键部件之一，其性能直接影响设备的安全稳定运行。滑动轴承的基本工作原理是润滑油在粘性力作用下进入轴颈和轴瓦间隙中，受到挤压，形成动压力，支撑转子的重量。研究者已经认识到润滑介质油并不能充满整个间隙，在轴承间隙中出现呈现出空泡、流动边界等复杂的气液两相流形态。上世纪90年代开始，研究者开始以两相流角度研究滑动轴承中润滑介质的流动现象，但由于缺乏合适的试验方法，理论研究的发展缺乏实验支撑。最近20年间逐渐发展起来的层析成像方法为滑动轴承润滑介质的研究提供了新的方法。
层析成像（Tomography），也称计算机（断层）成像（Computerized Tomography，简称CT）。该技术以两相或多相流动为主要检测对象，在不损伤研究对象内部结构的条件下，利用某种探测源，根据从对象外部设备所获得的投影数据，运用一定的数学模型和重建技术，使用计算机生成对象内部的二维/三维图像，重现对象内部特征。按照信息获取手段和传感机理不同，可将过程层析成像分为电容层析成像、电阻层析成像、超声波层析成像、X射线（γ射线）层析成像、核磁共振成像、光学层析成像、电荷感应层析成像、微波层析成像、电磁感应层析成像等十几种。
由于滑动轴承中流体为油气（汽）两相结构，这两相具有不同的介电常数，所以可选用电容层析成像（Electrical Capacitance Tomography, 简称ECT）技术对其进行研究。其原理是：多相介质具有不同的介电常数，当相分布发生变化时会引起多相流混合体等价介电常数的变化，而引起传感器测量电容值的变化。通过传感器获得管道截面上各电极对电容，重建出截面介电常数分布，获取介质分布图像，实现多相流动的可视化，提供常规检测仪表无法提供的封闭管道及容器中各组分介质的浓度、运动状态等可视化信息。
ECT技术存在两个计算问题：正问题和逆问题。正问题是从传感器管道内多相介质的分布确定电极对间的电容；而逆问题则是从测量电容确定管道截面的介质分布，也即重建出管道截面的图像。
基于“灵敏场”的图像重构算法是目前的主流技术，“灵敏场”是为了方便描述ECT传感器中介质分布与电容之间的关系而定义出的一个虚拟场，其本质是将电容作为各象素点介电常数的加权和，而象素点权值的大小反映了电容对该点介质变化的灵敏程度。这样就可以通过灵敏场建立介质分布和电容之间的关系，对于有N个电容测量值的测试系统有：
式中：
λ － 归一化电容向量，N×1维；
S － 灵敏场矩阵，N×M维；
g － 归一化介电常数，或图像灰度，M×1维；
其中N为N e 个ECT电极间的电容值数量，，M为图像灰度的阶数。
ECT系统算法可归纳如下：
（1） 对检测区域进行离散化，网格剖分，通过数值求解麦克斯韦方程，得出灵敏场矩阵 S ；
（2） 通过电容采集电路采集N e 个ECT电极间的N个电容，得出电容向量 λ ；
（3） 通过式（1）采用合适的算法求解图像灰度矩阵 g ；
（4） 做出灰度图像，完成图像重建。
其中ECT传感器是系统信息的来源，由多个包围被检测区域的电极组成，从不同位置或角度对敏感场进行扫描检测，完成将传感器敏感空间内多相流体的分布转换为各电极对的电容，检测信息反映了敏感空间内不同区域中被检测物场的物理化学特性。ECT传感器需要根据不同的检测区域进行布置，是ECT系统的一项关键技术，直接决定了整个电容层析成像系统的成像质量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提出一种成像区域分辨率高且计算效率高的应用于滑动轴承的ECT传感器布置方法。
解决其技术问题所采用的技术方案是：在轴瓦内表面布置7～15个轴瓦电极，另将转子作为ECT系统的一个中心电极，通过轴瓦电极和中心电极，使转子外表面与轴瓦内表面之间的环形间隙成为成像区域。具体原理分析如下：
由ECT系统的工作原理可知，ECT传感器的布置要包围整个成像区域，才能获得成像区域内相分布图像。对于滑动轴承，轴瓦内区域可分为两部分：
（1） 转子外表面与轴瓦内表面之间形成的环形间隙，润滑油在其中流动，所以该区域为ECT成像区域，并且为非单连通区域；
（2） 转子区域，对于ECT系统，该区域不是成像区域，为无效区域。
为表示无效区域所占的比例，定义β为同一横截面转子面积Q s 与轴瓦内表面积Q b 的比值，设轴瓦内径为R b ，转子外径为R s ，有
（2）
式中
，c为平均轴承间隙，有c=R b -R s 。
由上式可看出，
。当时，R s =0，即为中空圆管，成像区域为圆管内部区域；当
时，R s =R b ，转子与轴承之间没有间隙，即没有成像区域。
对于常规的滑动轴承，δ为0.001～0.002。带入式（2）可得出
，说明在滑动轴承中无效区域占的比例很大。
对于空心管道等成像区域为单连通区域的情况，传感器电极布置在单一的边界（如管道内壁）即可包围整个边界。而对于环形间隙，如仅在外边界（轴瓦内表面）设置ECT电极，则成像区域变为整个轴瓦内圆形区域，包括了很大的无效区域。而本发明提出将转子布置为一个ECT电极，与轴瓦内表面布置的N e -1个电极相配合，则在这N e 个电极之间形成电场，这样将成像区域限于转子外表面与轴瓦内表面形成的环形间隙中。测量这N e 个电极之间的电容，按照上述ECT成像方法即可得到滑动轴承间隙内气液两相的分布情况。
与现有技术相比，本发明提出的滑动轴承ECT传感器布置方法摒弃了滑动轴承中所占比例很大的无用面积，直接对环形间隙内成像。与现有技术相比，该发明的有益效果体现如下：
（1）由于成像区域为环形区域，去除了转子区域，在计算灵敏场时不用对转子区域划分网格，在相同的网格密度情况下可极大减少网格数量，节省了计算量和存储空间，提高了计算效率；
（2）在大大减少网格数量的基础上，可适当增加成像区域内的网格密度，提高成像区域的分辨率。
附图说明
图1是ECT传感器布置示意图。
图2是ECT传感器布置纵剖示意图。
图中1为轴瓦，2为轴瓦电极，3为轴颈段，5为固定螺栓，6为紧固螺栓绝缘垫片，7为绝缘套筒，8为绝缘垫圈，9为螺帽绝缘垫片，10为螺帽，11为碳刷。
具体实施方式
ECT传感器的电极的数量根据测试精度要求而不同，电极越多，则测试精度越高，但同时运算量大，速算时间长，电极越少，运算量越小，精度较低，所以一般电极选取8～16个，在本实施例中：ECT传感器采用12电极结构，将轴颈段即转子3设为一个电极，具体实施方式为轴颈段3单独作为一段，两侧与转子其它部分采用法兰连接，在法兰之间设有绝缘垫圈8，紧固螺栓5与法兰之间设有紧固螺栓绝缘垫片6，紧固螺栓5上套有绝缘套管7，紧固螺栓5与螺帽10配合，其中螺帽10与法兰端面之间设有螺帽绝缘垫片9。紧固螺栓5、紧固螺栓绝缘垫片6、绝缘套管7、螺帽绝缘垫片9、螺帽10组成紧固套件，在一个法兰圆周均匀分布8个，起到轴颈段与转子其它部分的紧固连接作用。紧固螺栓绝缘垫片6、绝缘套管7、绝缘垫片8、螺帽绝缘垫片9将轴颈段与转子其它部分绝缘。碳刷11与轴颈3接触导通，起到导电作用。轴瓦1中间截面外侧均匀布置11个轴瓦电极2。通过以上设置，将成像区域设为轴颈段3外表面与轴瓦1内表面之间形成的环形间隙中的轴向中间截面4。
所述ECT传感器包括1个ECT轴颈段3中心电极，11个ECT轴瓦电极2，其中11个轴瓦ECT电极均匀周向布置在轴瓦1的中间截面。
Claims (2)
1.一种电容层析成像传感器布置方法，其特征在于：在轴瓦内表面布置7～15个ECT系统的轴瓦电极，另将转子作为ECT系统的一个中心电极，通过轴瓦电极和中心电极，使转子外表面与轴瓦内表面之间的环形间隙成为成像区域。
2.根据权利要求1所述的电容层析成像传感器布置方法，其特征在于：所述的轴瓦电极为11个。
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