基本信息
- 項目名稱：
- 基于γ射線技術測量兩相流濃度分布圖像重構的算法研究與可視化軟件編制
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 氣固兩相流在化工工業(yè)和石油工業(yè)中廣泛存在，管內氣固兩相流參數(shù)的檢測對這些工業(yè)中的計量核算、自動控制至關重要。準確地描述顆粒濃度分布規(guī)律對涉及氣固兩相反應器的研究與開發(fā)有著十分重要的意義。 本作品主要分析了采用γ射線技術測量管內氣固兩相流濃度分布的方法，研究了圖像重構多項式算法，并編制了圖像繪制軟件。
- 詳細介紹：
- 石油、石化領域中，在厚重金屬圓形塔器或者管道內流動著主要參與反應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行狀態(tài)。該作品設計發(fā)明的目的是將圓管內物質流動的濃度分布場可視化，以便用于工業(yè)裝置的實時在線測量，以保持裝置的正常運行。而這就需要一套合理的算法和實用的軟件支持。 伽馬射線技術具有穿透力強，非接觸式測量的優(yōu)點。該作品的基本思路是以γ射線技術為測量手段，以多項式函數(shù)法為圖像重構算法，在的計算機編程環(huán)境中重構出測量圓管內濃度分布的等值線圖。 （1）根據(jù)已有的多項式重構算法，加以改進和優(yōu)化，提出判定測量精度的準則，用有限的測線數(shù)據(jù)從而獲得比較準且的濃度分布圖像，滿足工業(yè)應用的要求。 （2）在算法研究的基礎上，采用matlab語言編制圖像重構的可視化軟件，將其用于實驗室的深入研究，注冊軟件著作權。將來可用于指導和解決工業(yè)多相介質的濃度場測量問題，為涉及相關的設備進行理論研究、技術開發(fā)和故障診斷服務。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的和基本思路 石油、石化領域中，在厚重金屬圓形塔器或者管道內流動著主要參與反應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行狀態(tài)。該作品設計發(fā)明的目的是將圓管內物質流動的濃度分布場可視化，以便用于工業(yè)裝置的實時在線測量，以保持裝置的正常運行。而這就需要一套合理的算法和實用的軟件支持。 伽馬射線技術具有穿透力強，非接觸式測量的優(yōu)點。該作品的基本思路是以γ射線技術為測量手段，以多項式函數(shù)法為圖像重構算法，在的計算機編程環(huán)境中重構出測量圓管內濃度分布的等值線圖。 本作品的創(chuàng)新之處在于： （1）根據(jù)已有的多項式重構算法，加以改進和優(yōu)化，提出判定測量精度的準則，用有限的測線數(shù)據(jù)從而獲得比較準且的濃度分布圖像，滿足工業(yè)應用的要求。 （2）在算法研究的基礎上，采用matlab語言編制圖像重構的可視化軟件，將其用于實驗室的深入研究，注冊軟件著作權。將來可用于指導和解決工業(yè)多相介質的濃度場測量問題，為涉及相關的設備進行理論研究、技術開發(fā)和故障診斷服務。 技術關鍵 熟練掌握試驗相關的計算公式和計算的方法，編制一個實用性的射線檢測圖像重構程序，并且在線重構射線檢測濃度分布圖。 主要技術指標 （1）通過對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，找出合理的判定準則。 （2）通過語言程序編制程序實現(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)值的等值線等實用的功能。
科學性、先進性
- 國外伽馬射線成像相關研究較多，而國內研究較少，且大多采用較為成熟的醫(yī)學CT圖像重構算法。但是由于伽馬射線強度高不同于醫(yī)學CT使用的X射線，常使用體積較大的閃爍探頭傳感器。因此，伽馬射線技術測量數(shù)據(jù)慢（一次數(shù)據(jù)采集通常3-5s），測量數(shù)據(jù)量較少。 多項式圖像重構方法可以在較少的數(shù)據(jù)量下重構圖像，算法的關鍵是計算多項式方程組的系數(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)：重構多項式的項數(shù)對求解圖像的精度至關重要，取不同的項數(shù)時，重構多項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。以往文獻中未有多項式圖像重構法采用秩判別的相關記載。 重構程序和軟件是算法實現(xiàn)的途徑，本作品可視化軟件采用多項式重構算法，具有數(shù)據(jù)輸入，顯示，圖像設定輸出等功能，同時結合算法精度判定選擇不同多項式項數(shù)，討論多項式矩陣是否滿秩，從而得到較高精度的重構圖像。編制的該軟件已獲得國家版權局軟件著作權登記證書。
獲獎情況及鑒定結果
- [1] 本作品中軟件于2010年1月20日，原始取得方式獲得《中華人民共和國國家版權局 計算機軟件著作權登記證書》。軟件登記號：2010SR003288 [2] 本作品算法于2010年8月在中國顆粒學會第七屆學術年會暨海峽兩岸顆粒技術研討會發(fā)表論文1篇，題目：伽馬射線測量濃度分布圖像重構的多項式函數(shù)法。 [3] 本作品軟件在實驗室中對旋風分離器測量和圖像重構，并于2009年10月在第五屆重油國際會議發(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
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ?實物、磁盤 、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- γ射線測量氣固兩相流技術中數(shù)據(jù)處理的算法是決定該技術好壞的關鍵步驟。該作品算法具有所需投影數(shù)據(jù)少，測量精度基本滿足工業(yè)檢測定量測量需要的特點，可以方便的用于伽馬射線圖像重構。 該作品軟件主要用于伽馬射線技術圓管內物質的混相濃度的等值線圖重構，可以用于定量的分析和故障診斷。由于應用了伽馬射線技術，測量上具有不受工藝條件限制、不干擾流場、不受高溫高壓惡劣環(huán)境影響和具有在線操作測量等優(yōu)點。但該技術現(xiàn)處于實驗室研究階段，算法研究是技術中的關鍵所在，軟件的開發(fā)還需根據(jù)實際現(xiàn)場的情況加以完善。 在工業(yè)中，該作品軟件可以對測量數(shù)據(jù)進行較為準確的處理，得到未知的圓管內濃度的分布情況，為實際生產(chǎn)提供了一定的指導。憑借所需投影數(shù)據(jù)少，成像精度較高的優(yōu)勢勢必會有一定的市場應用前景和經(jīng)濟效益。
同類課題研究水平概述
- 描述顆粒濃度分布規(guī)律對涉及氣固兩相反應器的研究與開發(fā)有著十分重要的意義。國內外成熟的γ射線技術主要用于天文和工業(yè)無損探傷領域。工業(yè)使用是利用點射線穿過測量物質后強度不同進行物質密度分布分析的技術。例如，金屬厚度均勻度測量，金屬裂紋的測量，油品液位指示器，煉廠塔掃描等診斷領域。而在伽馬射線斷面成像領域，由于伽馬射線的性質與X射線有著很大的差別，目前國內外的相關研究大多處于實驗室研發(fā)階段。 近五年來，國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測量了實驗室有機玻璃提升管的徑向濃度分布。美國密歇根大學Tortora等人使用電阻層析成像和伽馬射線技術測量了14cm內徑，5.77m高的提升管內空氣和催化裂化催化劑的體積分數(shù)從0.25-0.66的混相濃度分布。法國Landeghem等人對提升管進行了模擬，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，等動采樣，皮托管等方法跟蹤測量和工業(yè)模型提升管內顆粒的運動狀態(tài)。美國（芝加哥化學和生物技術研究所，Honeywell公司）Bouillard等人使用伽馬射線技術測量了高質量濃度的提升管進行了測量。印度Thiyagarajan使用伽馬射線衰減技術測量了提升高在密度下的氣液兩相濃度分布。德國Technical大學Schlichthaerlt等人用伽馬射線和光纖探頭對提升管進行了測量。國外大多數(shù)研究采用成熟的醫(yī)學CT的成像方法，由于其適用性差往往消耗大量的成像測量時間。測量一個截面花費幾個小時至十幾個小時的時間。 由于國外的技術保密和伽馬射線源使用和保存審批非常嚴格，國內相關的實驗研究較少。天津大學王化祥課題組進行了相似的研究，構建有自己的軟件和實驗平臺，圖像處理軟件采用傳統(tǒng)的CT成像方法。此外，石油大學從1980年開始從事伽馬射線煉廠領域的應用研究，擁有一定的研究基礎。本作品對基于伽馬射線技術的斷層成像的多相式重構算法深入研究，提出了判定算法精度的準則，可以利用較少的測量數(shù)據(jù)重構較優(yōu)質的圖像，國內外未見有相似方法的報道。并將此算法編制了一套實用的軟件且注冊了軟件著作權。
