專利名稱：一種針對多相流動系統(tǒng)中ct射線硬化的校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于多相流動測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種CT射線硬化校正參數(shù)的獲取方法。

背景技術(shù)：
多相流動廣泛存在于工業(yè)生產(chǎn)中。多相流動系統(tǒng)是一典型的復(fù)雜系統(tǒng)，其內(nèi)部的非均勻結(jié)構(gòu)具有多尺度的特征，在遠(yuǎn)離平衡的條件下，操作參數(shù)的微變不僅影響著微觀尺度的結(jié)構(gòu)，而且可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)宏觀結(jié)構(gòu)的巨變，極大的影響了反應(yīng)器的性能。深入研究和控制多相流裝置，需要以可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，其中，裝置截面物料濃度分布的測量是一項(xiàng)重要的內(nèi)容。
目前常用的多相流濃度測量方法包括光纖探針法、電容探頭法、取樣法、CT法等。其中前三種方法都需要將測量部件插入反應(yīng)器內(nèi)部，這樣的弊端有二一是測量部件會對流場產(chǎn)生干擾，使得測量結(jié)果失真；二是反應(yīng)器內(nèi)部顆?；ハ嗄Σ廉a(chǎn)生大量的靜電進(jìn)而會干擾測量儀器的正常工作。CT作為一種非干擾式的無損檢測手段，近年來引起多相流測量領(lǐng)域的極大關(guān)注，目前已經(jīng)應(yīng)用于氣-液、氣-固系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究(參見參考文獻(xiàn)1Chaouki，J.Larachi，F(xiàn).and Dudukovic，M.P.，Industrial & EngineeringChemistry Research，1997，36，4476-4503)。
CT測量的工作流程一般為被測物置于CT機(jī)械轉(zhuǎn)臺的中央，CT機(jī)的射線源與探測器相對固定于轉(zhuǎn)臺上，射線源發(fā)射出的射線經(jīng)過被測物衰減后，由探測器檢測到衰減后的射線強(qiáng)度。隨著轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)，采集不同角度下被測物對射線的衰減信息，對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理后，根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行圖像重建，得到被測物的二維截面圖。CT的重建算法主要可分為兩大類濾波反投影(FBP)和數(shù)學(xué)迭代法(ART)，(參見參考文獻(xiàn)2Kak and M.Slaney，Principles of computerized tomographic imaging，IEEE Press(1988))。制約CT測量精度的因素有很多，如射線源的能量選擇、探測器的間距和數(shù)量、源與探測器之間的距離等。這些因素決定了CT的開發(fā)具有針對性，如醫(yī)學(xué)上的CT就分為胸腔CT、顱骨CT等不同種類。工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的CT，針對性更強(qiáng)。且CT的工作原理決定了CT的測量結(jié)果不可避免的具有時(shí)均性。從最原始的移動-旋轉(zhuǎn)工作模式的一代CT到目前的多源多探測器的五代CT，測量時(shí)間由小時(shí)級縮短到秒級，但CT的工作原理決定了它是一種時(shí)均測量方法，無法得到被測物的瞬時(shí)截面圖，這就意味著如果被測物不是絕對靜止的，得到的斷層重建圖將存在運(yùn)動偽影。對于測量靜態(tài)模型的工業(yè)CT，時(shí)均性僅決定了測量的周期，對測量結(jié)果影響不大，但對于多相流動系統(tǒng)，被測物的運(yùn)動對測量結(jié)果的影響是不可忽略的。
由于CT射線源發(fā)出的X射線是一連續(xù)能譜，因此，在射線穿過被測物時(shí)其衰減是非線性的，被測物會首先將低能部分的射線衰減掉，從而使得射線的穿透能力增強(qiáng)，即一般意義上的“變硬”，這一過程稱為射線硬化。實(shí)驗(yàn)測量中，需要針對射線對被測物的硬化特性添加濾片，將射線能譜的低能部分濾掉，從而使射線能譜更接近于理想的單能譜，從而使測量結(jié)果真實(shí)可信。
CT，尤其是工業(yè)CT開發(fā)之前，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)對CT的硬化校正參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對于靜態(tài)的測量對象，可以用特定的標(biāo)準(zhǔn)物標(biāo)定CT，通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)達(dá)到這一目的。但對于多相流動系統(tǒng)，幾乎不可能得到一段精確可重復(fù)的流場供CT進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化硬化校正參數(shù)，因此，目前對于多相流的研究，或者直接采用醫(yī)學(xué)CT，或者使用靜態(tài)模型代替多相流場，總之，多相流動對CT硬化校正產(chǎn)生的影響，目前缺乏定量的研究方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對CT應(yīng)用于多相流動測量時(shí)無法定量確定硬化校正參數(shù)這一難題，提出一種通過計(jì)算機(jī)模擬多相流場和CT掃描，定量的確定掃描對象為多相流場的硬化校正參數(shù)，為CT的設(shè)計(jì)開發(fā)節(jié)省大量的人力物力財(cái)力。
為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，包括如下步驟 1)利用流體力學(xué)軟件生成多相流動系統(tǒng)的模擬流場； 2)選取模擬流場的一個二維截面，得出該二維截面的流場數(shù)據(jù)； 3)選取不同濾片的材料和厚度，模擬CT對所述二維截面進(jìn)行掃描的過程，分別得出對應(yīng)于不同濾片材料和厚度的模擬二維重建圖像； 4)根據(jù)各模擬二維重建圖像與所述模擬流場數(shù)據(jù)的近似度，確定實(shí)際CT測量時(shí)所需的濾片的材料和厚度。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，所述流場數(shù)據(jù)是所述二維截面在一系列時(shí)刻的物料分布數(shù)據(jù)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟2)中，所述物料分布數(shù)據(jù)可以是固相體積分率、固相密度或氣相體積分率。
上述技術(shù)方案中，所述步驟3)中，所述模擬CT對所述二維截面進(jìn)行掃描的過程包括 31)根據(jù)所述流場數(shù)據(jù)，以及所選取的濾片材料和厚度，計(jì)算出在每個角度下的CT的每個探測器單元的投影數(shù)據(jù)； 32)根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行二維重建，得出所述二維重建圖像。
上述技術(shù)方案中，所述步驟31)包括設(shè)定實(shí)測過程中不同角度進(jìn)行掃描的時(shí)刻；在計(jì)算某一角度下的投影數(shù)據(jù)時(shí)，所述流場數(shù)據(jù)就是當(dāng)前角度對應(yīng)時(shí)刻的所述二維截面的物料分布數(shù)據(jù)。
上述技術(shù)方案中，所述步驟4)中，所述模擬流場數(shù)據(jù)是所述二維截面物料分布數(shù)據(jù)在一定時(shí)間段內(nèi)的均值；所述時(shí)間段是對應(yīng)于模擬CT掃描起止的時(shí)間段。
上述技術(shù)方案中，所述步驟4)中，模擬二維重建圖像與所述模擬流場數(shù)據(jù)的近似度根據(jù)歸一化平均絕對偏差判據(jù)得出。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下技術(shù)效果物理實(shí)驗(yàn)中無法產(chǎn)生精確的可重復(fù)流場做為硬化校正掃描對象，而本發(fā)明通模擬計(jì)算生成模擬流場的方式很好地解決了這一問題，因此本發(fā)明能夠獲得基于多相流場的CT射線硬化校正參數(shù)，優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中使用靜態(tài)模型來代替多相流場的做法；另外，本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)模擬就可確定CT系統(tǒng)的硬化校正參數(shù)，為CT系統(tǒng)的開發(fā)提供指導(dǎo)，因此可以節(jié)省大量的人力物力財(cái)力。



以下，結(jié)合附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例，其中 圖1是發(fā)明示意圖，其中1為計(jì)算機(jī)模擬的反應(yīng)器，2為計(jì)算機(jī)模擬的CT掃描面，3為該CT的射線源，4為該CT的探測器； 圖2是計(jì)算機(jī)模擬的反應(yīng)器中一個二維截面處在不同時(shí)刻的濃度分布圖； 圖3模擬CT掃描示意圖，線5為模擬的一條X射線經(jīng)過的路徑；實(shí)，虛線分別為相臨兩個角度的投影示意圖； 圖4為模擬CT所加不同濾片時(shí)X-射線能譜； 圖5是模擬CT掃描得到的原始數(shù)據(jù)sinogram圖(正弦圖)； 圖6是根據(jù)模擬掃描的投影數(shù)據(jù)重建得到的二維斷層圖； 圖7是加載不同濾片重建結(jié)果的定量比較； 表1為不同工況下，CT對循環(huán)流化床測量結(jié)果表。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步地說明。
實(shí)施例 循環(huán)流化床反應(yīng)器廣泛應(yīng)用于石油冶煉、鍋爐、冶金等領(lǐng)域，反應(yīng)器內(nèi)截面物料分布情況是反應(yīng)器運(yùn)行狀況的一項(xiàng)重要招標(biāo)，CT可以不插入無干擾的測量反應(yīng)器物料分布截面圖，近年來引起了業(yè)界極大的興趣。但對于X-射線CT，由于其能譜是連續(xù)分布的，而非一單值，因此實(shí)際測量時(shí)不可避免的產(chǎn)生射線硬化現(xiàn)象，引起測量結(jié)果與真實(shí)值間存在偏差，需根據(jù)被測對象的特點(diǎn)進(jìn)行硬化校正。但由于該類反應(yīng)器內(nèi)的多相流動系統(tǒng)屬于典型的復(fù)雜系統(tǒng)，初始操作條件的微變可導(dǎo)致流場局部信息的劇變，因此，難以在實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生一段精確可重復(fù)的流場，供實(shí)驗(yàn)確定硬化校正參數(shù)。用模擬的CT掃描計(jì)算機(jī)模擬的多相流反應(yīng)器，可避開上面所述難題，達(dá)到確定校正參數(shù)的目的。
1)根據(jù)流體介質(zhì)、固體介質(zhì)、反應(yīng)器形狀，利用流體力學(xué)軟件，生成模擬流場。本實(shí)施例中，使用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent，模擬提升管反應(yīng)器的一段，如圖1所示，該提升管反應(yīng)器以空氣為流體介質(zhì)，玻璃珠為固體介質(zhì)； 2)選取分布板上方1.505米處，該位置屬于提升管濃相段，氣固兩相流動較劇烈，對于研究流動對CT成像的影響較有代表性。輸出該截面高度不同時(shí)刻的流場數(shù)據(jù)，進(jìn)行線性插值，輸出二維截面物料分布數(shù)據(jù)矩陣，如圖2所示，圖中右側(cè)的灰度條代表著固相體積分率；需說明的是，此處的流場數(shù)據(jù)以及二維截面數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)可以取固相的體積分率、固相密度、氣相體積分率等物料物理參數(shù)，各參數(shù)實(shí)際上可以相互轉(zhuǎn)換，對最終模擬結(jié)果不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響；數(shù)據(jù)類型可取為int型、float型以及double型，不做特殊限定； 3)通過統(tǒng)計(jì)，當(dāng)流動參數(shù)達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)后，保存時(shí)長為1分鐘統(tǒng)計(jì)步長為20毫秒的計(jì)算數(shù)據(jù)； 4)模擬CT對選定的截面進(jìn)行掃描。其中，X-射線源的電壓為80kVp，內(nèi)濾片為1.2毫米厚的Be與2毫米厚的Al。CT掃描過程是將斷層面上的相應(yīng)的點(diǎn)的信息映射到相應(yīng)的探測器通道，該過程是一線積分過程。模擬掃描的過程如下 根據(jù)模擬的提升管反應(yīng)器設(shè)定好探測器單元長度、源-探測器距離、旋轉(zhuǎn)角度步長、旋轉(zhuǎn)速度等一系列掃描參數(shù)。
第0個角度，源-探測器的位置如圖3中實(shí)線所示。由Lambert-beer定律可知，X射線穿透均勻介質(zhì)時(shí)發(fā)生的衰減遵守以下規(guī)律 I＝I0e-μL I0為入射X射線強(qiáng)度，I為出射X射線強(qiáng)度，μ為該均勻介質(zhì)的線性衰減系數(shù)，L為射線穿透該介質(zhì)的厚度。
對于氣固兩相流這樣的非均勻介質(zhì)，出射強(qiáng)度(探測器檢測到的X射線強(qiáng)度)則為 式中μl指在dl處的介質(zhì)的線性衰減系數(shù)，l為射線路徑L上一點(diǎn)。
圖中射線1穿過被測流場衰減后，射線被第s個探測器檢測到，這一過程可由下式表示 其中p(s，0)代表第0個角度第s個探測器單元上的投影。
對于能譜連續(xù)的X-射線，該過程遵循下列規(guī)律 p(s，θ)代表第θ個角度第s個探測器單元上的投影。Ω(E)代表射線能譜，μE(x，y)代表在能級為E時(shí)點(diǎn)(x，y)的線性衰減系數(shù)。
上述公式中被測對象的線性衰減系數(shù)μ由NIST(National Institute ofStandard technology)數(shù)據(jù)庫(http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html)查得。
計(jì)算完成該角度的投影信息后，模擬CT的射線源和探測器按設(shè)定的旋轉(zhuǎn)步長旋轉(zhuǎn)(即空間幾何位置進(jìn)行變化)，同時(shí)模擬的流場也同步算出此時(shí)的流場物料分布數(shù)據(jù)，依次計(jì)算得到第1個角度所有探測器單元的投影數(shù)據(jù)。
完成一周掃描后，得到的全角度投影數(shù)據(jù)以sinogram圖的形式表示，如圖4所示。
5)根據(jù)CT圖像重建算法，進(jìn)行二維圖像重建，這里使用的是濾波反投影(FBP)重建算法。
μ(x，y)是指點(diǎn)(x，y)點(diǎn)處介質(zhì)的線性衰減系數(shù) 6)模擬電壓為80kVp，分別加載5毫米厚Al、1毫米厚Cu、2毫米厚Cu的X射線譜，重復(fù)步驟4-5。需說明的是，Al、Cu是較為常用的濾片材質(zhì)，但濾片種類并不僅限于這二種材質(zhì)，也可以為Be、W等材質(zhì)；材質(zhì)的厚度越厚，濾去的射線能量越多，最終探測器檢測到的光子計(jì)量數(shù)越少，信號強(qiáng)度越差，具體的材質(zhì)厚度范圍，應(yīng)根據(jù)所用的射線管電壓而定。另外，應(yīng)當(dāng)說明的是，在模擬計(jì)算時(shí)，內(nèi)濾片與外濾片在計(jì)算方法上沒有區(qū)別。
7)將加載不同濾片厚度的模擬CT測量結(jié)果與計(jì)算流場對比。這里計(jì)算流場指的是所述二維截面在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)的物料分布數(shù)據(jù)的均值所組成的流場，所述時(shí)間區(qū)間指的是模擬CT掃描所對應(yīng)的時(shí)間區(qū)間。
如圖7所示，由歸一化平均絕對偏差判據(jù)d，可計(jì)算得5毫米Al、1毫米Cu與2毫米Cu的d值分別為15.48％、7.71％、7.67％。判據(jù)d的計(jì)算方法如下 其中，tn為第n個點(diǎn)的重建值，rn為第n個點(diǎn)的模擬流場值。
可以看出，Cu濾片比Al濾片的重建結(jié)果更接近于真實(shí)值(計(jì)算流場)，當(dāng)濾片加至1毫米Cu和2毫米Cu時(shí)，重建結(jié)果差別不是很大，但2毫米Cu濾掉了更多的光子計(jì)量，若探測到同樣的計(jì)量數(shù)，后者需用比前者更大的電流。因此，對計(jì)算機(jī)模擬的流場，加載濾片的最佳厚度為1毫米Cu。
將本方法得到的校正硬化參數(shù)應(yīng)用于多相流反應(yīng)器循環(huán)流化床的測量，測得不同工況(表觀氣速Ug與物料循環(huán)量Gs)下提升管截面平均物料濃度，并將其結(jié)果與目前多相流物料濃度測量最為常用的光纖法進(jìn)行比較。結(jié)果見表1，可以看出，本方法可有效的對多相流動對CT產(chǎn)生的射線硬化現(xiàn)象進(jìn)行有效的校正。
表1
以上所述的具體實(shí)施例對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案以及有益效果進(jìn)行了詳細(xì)的說明。所應(yīng)理解的是，上述內(nèi)容僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神與原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換以及改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，包括如下步驟
1)利用流體力學(xué)軟件生成多相流動系統(tǒng)的模擬流場；
2)選取模擬流場的一個二維截面，得出該二維截面的流場數(shù)據(jù)；
3)選取不同濾片的材料和厚度，模擬CT對所述二維截面進(jìn)行掃描的過程，分別得出對應(yīng)于不同濾片材料和厚度的模擬二維重建圖像；
4)根據(jù)各模擬二維重建圖像與所述模擬流場數(shù)據(jù)的近似度，確定實(shí)際CT測量時(shí)所需的濾片的材料和厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述流場數(shù)據(jù)是所述二維截面在一系列時(shí)刻的物料分布數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述物料分布數(shù)據(jù)可以是固相體積分率、固相密度或氣相體積分率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述模擬CT對所述二維截面進(jìn)行掃描的過程包括
31)根據(jù)所述流場數(shù)據(jù)，以及所選取的濾片材料和厚度，計(jì)算出在每個角度下的CT的每個探測器單元的投影數(shù)據(jù)；
32)根據(jù)所述投影數(shù)據(jù)進(jìn)行二維重建，得出所述二維重建圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟31)包括設(shè)定實(shí)測過程中不同角度進(jìn)行掃描的時(shí)刻；在計(jì)算某一角度下的投影數(shù)據(jù)時(shí)，所述流場數(shù)據(jù)就是當(dāng)前角度對應(yīng)時(shí)刻的所述二維截面的物料分布數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟4)中，所述模擬流場數(shù)據(jù)是所述二維截面物料分布數(shù)據(jù)在一定時(shí)間段內(nèi)的均值；所述時(shí)間段是對應(yīng)于模擬CT掃描起止的時(shí)間段。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，其特征在于，所述步驟4)中，模擬二維重建圖像與所述模擬流場數(shù)據(jù)的近似度根據(jù)歸一化平均絕對偏差判據(jù)得出。
全文摘要
本發(fā)明提供一種針對多相流動系統(tǒng)中CT射線硬化的校正方法，包括如下步驟1)利用流體力學(xué)軟件生成多相流動系統(tǒng)的模擬流場；2)選取模擬流場的一個二維截面，得出該二維截面的流場數(shù)據(jù)；3)選取不同濾片的材料和厚度，模擬CT對所述二維截面進(jìn)行掃描的過程，分別得出對應(yīng)于不同濾片材料和厚度的模擬二維重建圖像；4)根據(jù)各模擬二維重建圖像與所述模擬流場數(shù)據(jù)的近似度，確定實(shí)際CT測量時(shí)所需的濾片的材料和厚度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，通過將計(jì)算流體力學(xué)與CT模擬相結(jié)合，可以克服物理實(shí)驗(yàn)中無法產(chǎn)生精確可重復(fù)流場這一缺點(diǎn)；并且本發(fā)明通過計(jì)算機(jī)模擬就可確定CT系統(tǒng)的硬化校正參數(shù)，從而節(jié)省大量的人力物力財(cái)力。
文檔編號G01N23/02GK101639453SQ20081011744
公開日2010年2月3日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者孟凡勇, 維 王, 李靜海 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所