基本信息
- 项目名称：
- 基于γ射线技术测量两相流浓度分布图像重构的算法研究与可视化软件编制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 气固两相流在化工工业和石油工业中广泛存在，管内气固两相流参数的检测对这些工业中的计量核算、自动控制至关重要。准确地描述颗粒浓度分布规律对涉及气固两相反应器的研究与开发有着十分重要的意义。 本作品主要分析了采用γ射线技术测量管内气固两相流浓度分布的方法，研究了图像重构多项式算法，并编制了图像绘制软件。
- 详细介绍：
- 石油、石化领域中，在厚重金属圆形塔器或者管道内流动着主要参与反应或输送的多相混合物，其混相浓度的分布情况可以反映出装置的运行状态。该作品设计发明的目的是将圆管内物质流动的浓度分布场可视化，以便用于工业装置的实时在线测量，以保持装置的正常运行。而这就需要一套合理的算法和实用的软件支持。 伽马射线技术具有穿透力强，非接触式测量的优点。该作品的基本思路是以γ射线技术为测量手段，以多项式函数法为图像重构算法，在的计算机编程环境中重构出测量圆管内浓度分布的等值线图。 （1）根据已有的多项式重构算法，加以改进和优化，提出判定测量精度的准则，用有限的测线数据从而获得比较准且的浓度分布图像，满足工业应用的要求。 （2）在算法研究的基础上，采用matlab语言编制图像重构的可视化软件，将其用于实验室的深入研究，注册软件著作权。将来可用于指导和解决工业多相介质的浓度场测量问题，为涉及相关的设备进行理论研究、技术开发和故障诊断服务。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的和基本思路 石油、石化领域中，在厚重金属圆形塔器或者管道内流动着主要参与反应或输送的多相混合物，其混相浓度的分布情况可以反映出装置的运行状态。该作品设计发明的目的是将圆管内物质流动的浓度分布场可视化，以便用于工业装置的实时在线测量，以保持装置的正常运行。而这就需要一套合理的算法和实用的软件支持。 伽马射线技术具有穿透力强，非接触式测量的优点。该作品的基本思路是以γ射线技术为测量手段，以多项式函数法为图像重构算法，在的计算机编程环境中重构出测量圆管内浓度分布的等值线图。 本作品的创新之处在于： （1）根据已有的多项式重构算法，加以改进和优化，提出判定测量精度的准则，用有限的测线数据从而获得比较准且的浓度分布图像，满足工业应用的要求。 （2）在算法研究的基础上，采用matlab语言编制图像重构的可视化软件，将其用于实验室的深入研究，注册软件著作权。将来可用于指导和解决工业多相介质的浓度场测量问题，为涉及相关的设备进行理论研究、技术开发和故障诊断服务。 技术关键 熟练掌握试验相关的计算公式和计算的方法，编制一个实用性的射线检测图像重构程序，并且在线重构射线检测浓度分布图。 主要技术指标 （1）通过对已有算法的深入研究，提出较少射线布置情况下的图像求解的不稳定性解决方案，找出合理的判定准则。 （2）通过语言程序编制程序实现数据读入、精度判别、图像输出、数据显示、并显示任意所需浓度分布数值的等值线等实用的功能。
科学性、先进性
- 国外伽马射线成像相关研究较多，而国内研究较少，且大多采用较为成熟的医学CT图像重构算法。但是由于伽马射线强度高不同于医学CT使用的X射线，常使用体积较大的闪烁探头传感器。因此，伽马射线技术测量数据慢（一次数据采集通常3-5s），测量数据量较少。 多项式图像重构方法可以在较少的数据量下重构图像，算法的关键是计算多项式方程组的系数，而所求解的是病态方程组，需要通过最小二乘法得到最优解。在研究中发现：重构多项式的项数对求解图像的精度至关重要，取不同的项数时，重构多项式矩阵的秩是不同的，而众所周知，满秩矩阵可以得到唯一解。以往文献中未有多项式图像重构法采用秩判别的相关记载。 重构程序和软件是算法实现的途径，本作品可视化软件采用多项式重构算法，具有数据输入，显示，图像设定输出等功能，同时结合算法精度判定选择不同多项式项数，讨论多项式矩阵是否满秩，从而得到较高精度的重构图像。编制的该软件已获得国家版权局软件著作权登记证书。
获奖情况及鉴定结果
- [1] 本作品中软件于2010年1月20日，原始取得方式获得《中华人民共和国国家版权局 计算机软件著作权登记证书》。软件登记号：2010SR003288 [2] 本作品算法于2010年8月在中国颗粒学会第七届学术年会暨海峡两岸颗粒技术研讨会发表论文1篇，题目：伽马射线测量浓度分布图像重构的多项式函数法。 [3] 本作品软件在实验室中对旋风分离器测量和图像重构，并于2009年10月在第五届重油国际会议发表论文1篇。题目：Application of γ-Ray Attenuation Technology in Measurement of Solid Concentration Distribution in a Cyclone.
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、磁盘 、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- γ射线测量气固两相流技术中数据处理的算法是决定该技术好坏的关键步骤。该作品算法具有所需投影数据少，测量精度基本满足工业检测定量测量需要的特点，可以方便的用于伽马射线图像重构。 该作品软件主要用于伽马射线技术圆管内物质的混相浓度的等值线图重构，可以用于定量的分析和故障诊断。由于应用了伽马射线技术，测量上具有不受工艺条件限制、不干扰流场、不受高温高压恶劣环境影响和具有在线操作测量等优点。但该技术现处于实验室研究阶段，算法研究是技术中的关键所在，软件的开发还需根据实际现场的情况加以完善。 在工业中，该作品软件可以对测量数据进行较为准确的处理，得到未知的圆管内浓度的分布情况，为实际生产提供了一定的指导。凭借所需投影数据少，成像精度较高的优势势必会有一定的市场应用前景和经济效益。
同类课题研究水平概述
- 描述颗粒浓度分布规律对涉及气固两相反应器的研究与开发有着十分重要的意义。国内外成熟的γ射线技术主要用于天文和工业无损探伤领域。工业使用是利用点射线穿过测量物质后强度不同进行物质密度分布分析的技术。例如，金属厚度均匀度测量，金属裂纹的测量，油品液位指示器，炼厂塔扫描等诊断领域。而在伽马射线断面成像领域，由于伽马射线的性质与X射线有着很大的差别，目前国内外的相关研究大多处于实验室研发阶段。 近五年来，国外断面成像管流研究明显增多。巴西Dantas等人使用伽马射线技术测量了实验室有机玻璃提升管的径向浓度分布。美国密歇根大学Tortora等人使用电阻层析成像和伽马射线技术测量了14cm内径，5.77m高的提升管内空气和催化裂化催化剂的体积分数从0.25-0.66的混相浓度分布。法国Landeghem等人对提升管进行了模拟，考虑了催化裂化工艺等方面因素，并使用伽马射线成像技术，等动采样，皮托管等方法跟踪测量和工业模型提升管内颗粒的运动状态。美国（芝加哥化学和生物技术研究所，Honeywell公司）Bouillard等人使用伽马射线技术测量了高质量浓度的提升管进行了测量。印度Thiyagarajan使用伽马射线衰减技术测量了提升高在密度下的气液两相浓度分布。德国Technical大学Schlichthaerlt等人用伽马射线和光纤探头对提升管进行了测量。国外大多数研究采用成熟的医学CT的成像方法，由于其适用性差往往消耗大量的成像测量时间。测量一个截面花费几个小时至十几个小时的时间。 由于国外的技术保密和伽马射线源使用和保存审批非常严格，国内相关的实验研究较少。天津大学王化祥课题组进行了相似的研究，构建有自己的软件和实验平台，图像处理软件采用传统的CT成像方法。此外，石油大学从1980年开始从事伽马射线炼厂领域的应用研究，拥有一定的研究基础。本作品对基于伽马射线技术的断层成像的多相式重构算法深入研究，提出了判定算法精度的准则，可以利用较少的测量数据重构较优质的图像，国内外未见有相似方法的报道。并将此算法编制了一套实用的软件且注册了软件著作权。
