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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于γ射線技術(shù)測(cè)量?jī)上嗔鳚舛确植紙D像重構(gòu)的算法研究與可視化軟件編制
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
氣固兩相流在化工工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛存在，管內(nèi)氣固兩相流參數(shù)的檢測(cè)對(duì)這些工業(yè)中的計(jì)量核算、自動(dòng)控制至關(guān)重要。準(zhǔn)確地描述顆粒濃度分布規(guī)律對(duì)涉及氣固兩相反應(yīng)器的研究與開發(fā)有著十分重要的意義。 本作品主要分析了采用γ射線技術(shù)測(cè)量管內(nèi)氣固兩相流濃度分布的方法，研究了圖像重構(gòu)多項(xiàng)式算法，并編制了圖像繪制軟件。
詳細(xì)介紹：
石油、石化領(lǐng)域中，在厚重金屬圓形塔器或者管道內(nèi)流動(dòng)著主要參與反應(yīng)或輸送的多相混合物，其混相濃度的分布情況可以反映出裝置的運(yùn)行狀態(tài)。該作品設(shè)計(jì)發(fā)明的目的是將圓管內(nèi)物質(zhì)流動(dòng)的濃度分布場(chǎng)可視化，以便用于工業(yè)裝置的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，以保持裝置的正常運(yùn)行。而這就需要一套合理的算法和實(shí)用的軟件支持。 伽馬射線技術(shù)具有穿透力強(qiáng)，非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。該作品的基本思路是以γ射線技術(shù)為測(cè)量手段，以多項(xiàng)式函數(shù)法為圖像重構(gòu)算法，在的計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中重構(gòu)出測(cè)量圓管內(nèi)濃度分布的等值線圖。 （1）根據(jù)已有的多項(xiàng)式重構(gòu)算法，加以改進(jìn)和優(yōu)化，提出判定測(cè)量精度的準(zhǔn)則，用有限的測(cè)線數(shù)據(jù)從而獲得比較準(zhǔn)且的濃度分布圖像，滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。 （2）在算法研究的基礎(chǔ)上，采用matlab語言編制圖像重構(gòu)的可視化軟件，將其用于實(shí)驗(yàn)室的深入研究，注冊(cè)軟件著作權(quán)。將來可用于指導(dǎo)和解決工業(yè)多相介質(zhì)的濃度場(chǎng)測(cè)量問題，為涉及相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行理論研究、技術(shù)開發(fā)和故障診斷服務(wù)。

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

目的和基本思路 石油、石化領(lǐng)域中，在厚重金屬圓形塔器或者管道內(nèi)流動(dòng)著主要參與反應(yīng)或輸送的多相混合物，其混相濃度的分布情況可以反映出裝置的運(yùn)行狀態(tài)。該作品設(shè)計(jì)發(fā)明的目的是將圓管內(nèi)物質(zhì)流動(dòng)的濃度分布場(chǎng)可視化，以便用于工業(yè)裝置的實(shí)時(shí)在線測(cè)量，以保持裝置的正常運(yùn)行。而這就需要一套合理的算法和實(shí)用的軟件支持。 伽馬射線技術(shù)具有穿透力強(qiáng)，非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。該作品的基本思路是以γ射線技術(shù)為測(cè)量手段，以多項(xiàng)式函數(shù)法為圖像重構(gòu)算法，在的計(jì)算機(jī)編程環(huán)境中重構(gòu)出測(cè)量圓管內(nèi)濃度分布的等值線圖。 本作品的創(chuàng)新之處在于： （1）根據(jù)已有的多項(xiàng)式重構(gòu)算法，加以改進(jìn)和優(yōu)化，提出判定測(cè)量精度的準(zhǔn)則，用有限的測(cè)線數(shù)據(jù)從而獲得比較準(zhǔn)且的濃度分布圖像，滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。 （2）在算法研究的基礎(chǔ)上，采用matlab語言編制圖像重構(gòu)的可視化軟件，將其用于實(shí)驗(yàn)室的深入研究，注冊(cè)軟件著作權(quán)。將來可用于指導(dǎo)和解決工業(yè)多相介質(zhì)的濃度場(chǎng)測(cè)量問題，為涉及相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行理論研究、技術(shù)開發(fā)和故障診斷服務(wù)。 技術(shù)關(guān)鍵 熟練掌握試驗(yàn)相關(guān)的計(jì)算公式和計(jì)算的方法，編制一個(gè)實(shí)用性的射線檢測(cè)圖像重構(gòu)程序，并且在線重構(gòu)射線檢測(cè)濃度分布圖。 主要技術(shù)指標(biāo) （1）通過對(duì)已有算法的深入研究，提出較少射線布置情況下的圖像求解的不穩(wěn)定性解決方案，找出合理的判定準(zhǔn)則。 （2）通過語言程序編制程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)讀入、精度判別、圖像輸出、數(shù)據(jù)顯示、并顯示任意所需濃度分布數(shù)值的等值線等實(shí)用的功能。

科學(xué)性、先進(jìn)性

國(guó)外伽馬射線成像相關(guān)研究較多，而國(guó)內(nèi)研究較少，且大多采用較為成熟的醫(yī)學(xué)CT圖像重構(gòu)算法。但是由于伽馬射線強(qiáng)度高不同于醫(yī)學(xué)CT使用的X射線，常使用體積較大的閃爍探頭傳感器。因此，伽馬射線技術(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)慢（一次數(shù)據(jù)采集通常3-5s），測(cè)量數(shù)據(jù)量較少。 多項(xiàng)式圖像重構(gòu)方法可以在較少的數(shù)據(jù)量下重構(gòu)圖像，算法的關(guān)鍵是計(jì)算多項(xiàng)式方程組的系數(shù)，而所求解的是病態(tài)方程組，需要通過最小二乘法得到最優(yōu)解。在研究中發(fā)現(xiàn)：重構(gòu)多項(xiàng)式的項(xiàng)數(shù)對(duì)求解圖像的精度至關(guān)重要，取不同的項(xiàng)數(shù)時(shí)，重構(gòu)多項(xiàng)式矩陣的秩是不同的，而眾所周知，滿秩矩陣可以得到唯一解。以往文獻(xiàn)中未有多項(xiàng)式圖像重構(gòu)法采用秩判別的相關(guān)記載。 重構(gòu)程序和軟件是算法實(shí)現(xiàn)的途徑，本作品可視化軟件采用多項(xiàng)式重構(gòu)算法，具有數(shù)據(jù)輸入，顯示，圖像設(shè)定輸出等功能，同時(shí)結(jié)合算法精度判定選擇不同多項(xiàng)式項(xiàng)數(shù)，討論多項(xiàng)式矩陣是否滿秩，從而得到較高精度的重構(gòu)圖像。編制的該軟件已獲得國(guó)家版權(quán)局軟件著作權(quán)登記證書。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

[1] 本作品中軟件于2010年1月20日，原始取得方式獲得《中華人民共和國(guó)國(guó)家版權(quán)局 計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記證書》。軟件登記號(hào)：2010SR003288 [2] 本作品算法于2010年8月在中國(guó)顆粒學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨海峽兩岸顆粒技術(shù)研討會(huì)發(fā)表論文1篇，題目：伽馬射線測(cè)量濃度分布圖像重構(gòu)的多項(xiàng)式函數(shù)法。 [3] 本作品軟件在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)旋風(fēng)分離器測(cè)量和圖像重構(gòu)，并于2009年10月在第五屆重油國(guó)際會(huì)議發(fā)表論文1篇。題目：Application of γ-Ray Attenuation Technology in Measurement of Solid Concentration Distribution in a Cyclone.

作品所處階段

實(shí)驗(yàn)室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

?實(shí)物、磁盤 、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

γ射線測(cè)量氣固兩相流技術(shù)中數(shù)據(jù)處理的算法是決定該技術(shù)好壞的關(guān)鍵步驟。該作品算法具有所需投影數(shù)據(jù)少，測(cè)量精度基本滿足工業(yè)檢測(cè)定量測(cè)量需要的特點(diǎn)，可以方便的用于伽馬射線圖像重構(gòu)。 該作品軟件主要用于伽馬射線技術(shù)圓管內(nèi)物質(zhì)的混相濃度的等值線圖重構(gòu)，可以用于定量的分析和故障診斷。由于應(yīng)用了伽馬射線技術(shù)，測(cè)量上具有不受工藝條件限制、不干擾流場(chǎng)、不受高溫高壓惡劣環(huán)境影響和具有在線操作測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。但該技術(shù)現(xiàn)處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，算法研究是技術(shù)中的關(guān)鍵所在，軟件的開發(fā)還需根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的情況加以完善。 在工業(yè)中，該作品軟件可以對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的處理，得到未知的圓管內(nèi)濃度的分布情況，為實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的指導(dǎo)。憑借所需投影數(shù)據(jù)少，成像精度較高的優(yōu)勢(shì)勢(shì)必會(huì)有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

描述顆粒濃度分布規(guī)律對(duì)涉及氣固兩相反應(yīng)器的研究與開發(fā)有著十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外成熟的γ射線技術(shù)主要用于天文和工業(yè)無損探傷領(lǐng)域。工業(yè)使用是利用點(diǎn)射線穿過測(cè)量物質(zhì)后強(qiáng)度不同進(jìn)行物質(zhì)密度分布分析的技術(shù)。例如，金屬厚度均勻度測(cè)量，金屬裂紋的測(cè)量，油品液位指示器，煉廠塔掃描等診斷領(lǐng)域。而在伽馬射線斷面成像領(lǐng)域，由于伽馬射線的性質(zhì)與X射線有著很大的差別，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究大多處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。 近五年來，國(guó)外斷面成像管流研究明顯增多。巴西Dantas等人使用伽馬射線技術(shù)測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室有機(jī)玻璃提升管的徑向濃度分布。美國(guó)密歇根大學(xué)Tortora等人使用電阻層析成像和伽馬射線技術(shù)測(cè)量了14cm內(nèi)徑，5.77m高的提升管內(nèi)空氣和催化裂化催化劑的體積分?jǐn)?shù)從0.25-0.66的混相濃度分布。法國(guó)Landeghem等人對(duì)提升管進(jìn)行了模擬，考慮了催化裂化工藝等方面因素，并使用伽馬射線成像技術(shù)，等動(dòng)采樣，皮托管等方法跟蹤測(cè)量和工業(yè)模型提升管內(nèi)顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。美國(guó)（芝加哥化學(xué)和生物技術(shù)研究所，Honeywell公司）Bouillard等人使用伽馬射線技術(shù)測(cè)量了高質(zhì)量濃度的提升管進(jìn)行了測(cè)量。印度Thiyagarajan使用伽馬射線衰減技術(shù)測(cè)量了提升高在密度下的氣液兩相濃度分布。德國(guó)Technical大學(xué)Schlichthaerlt等人用伽馬射線和光纖探頭對(duì)提升管進(jìn)行了測(cè)量。國(guó)外大多數(shù)研究采用成熟的醫(yī)學(xué)CT的成像方法，由于其適用性差往往消耗大量的成像測(cè)量時(shí)間。測(cè)量一個(gè)截面花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)至十幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。 由于國(guó)外的技術(shù)保密和伽馬射線源使用和保存審批非常嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究較少。天津大學(xué)王化祥課題組進(jìn)行了相似的研究，構(gòu)建有自己的軟件和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圖像處理軟件采用傳統(tǒng)的CT成像方法。此外，石油大學(xué)從1980年開始從事伽馬射線煉廠領(lǐng)域的應(yīng)用研究，擁有一定的研究基礎(chǔ)。本作品對(duì)基于伽馬射線技術(shù)的斷層成像的多相式重構(gòu)算法深入研究，提出了判定算法精度的準(zhǔn)則，可以利用較少的測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)較優(yōu)質(zhì)的圖像，國(guó)內(nèi)外未見有相似方法的報(bào)道。并將此算法編制了一套實(shí)用的軟件且注冊(cè)了軟件著作權(quán)。
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