专利名称：一种针对多相流动系统中ct射线硬化的校正方法
技术领域：
本发明属于多相流动测量技术领域，具体地说，本发明涉及一种CT射线硬化校正参数的获取方法。
背景技术：
多相流动广泛存在于工业生产中。多相流动系统是一典型的复杂系统，其内部的非均匀结构具有多尺度的特征，在远离平衡的条件下，操作参数的微变不仅影响着微观尺度的结构，而且可能导致整个系统宏观结构的巨变，极大的影响了反应器的性能。深入研究和控制多相流装置，需要以可靠的实验数据作为基础，其中，装置截面物料浓度分布的测量是一项重要的内容。
目前常用的多相流浓度测量方法包括光纤探针法、电容探头法、取样法、CT法等。其中前三种方法都需要将测量部件插入反应器内部，这样的弊端有二一是测量部件会对流场产生干扰，使得测量结果失真；二是反应器内部颗粒互相摩擦产生大量的静电进而会干扰测量仪器的正常工作。CT作为一种非干扰式的无损检测手段，近年来引起多相流测量领域的极大关注，目前已经应用于气-液、气-固系统的实验研究(参见参考文献1Chaouki，J.Larachi，F.and Dudukovic，M.P.，Industrial & EngineeringChemistry Research，1997，36，4476-4503)。
CT测量的工作流程一般为被测物置于CT机械转台的中央，CT机的射线源与探测器相对固定于转台上，射线源发射出的射线经过被测物衰减后，由探测器检测到衰减后的射线强度。随着转台的旋转，采集不同角度下被测物对射线的衰减信息，对采集的原始数据进行前处理后，根据相应的算法进行图像重建，得到被测物的二维截面图。CT的重建算法主要可分为两大类滤波反投影(FBP)和数学迭代法(ART)，(参见参考文献2Kak and M.Slaney，Principles of computerized tomographic imaging，IEEE Press(1988))。制约CT测量精度的因素有很多，如射线源的能量选择、探测器的间距和数量、源与探测器之间的距离等。这些因素决定了CT的开发具有针对性，如医学上的CT就分为胸腔CT、颅骨CT等不同种类。工业领域应用的CT，针对性更强。且CT的工作原理决定了CT的测量结果不可避免的具有时均性。从最原始的移动-旋转工作模式的一代CT到目前的多源多探测器的五代CT，测量时间由小时级缩短到秒级，但CT的工作原理决定了它是一种时均测量方法，无法得到被测物的瞬时截面图，这就意味着如果被测物不是绝对静止的，得到的断层重建图将存在运动伪影。对于测量静态模型的工业CT，时均性仅决定了测量的周期，对测量结果影响不大，但对于多相流动系统，被测物的运动对测量结果的影响是不可忽略的。
由于CT射线源发出的X射线是一连续能谱，因此，在射线穿过被测物时其衰减是非线性的，被测物会首先将低能部分的射线衰减掉，从而使得射线的穿透能力增强，即一般意义上的“变硬”，这一过程称为射线硬化。实验测量中，需要针对射线对被测物的硬化特性添加滤片，将射线能谱的低能部分滤掉，从而使射线能谱更接近于理想的单能谱，从而使测量结果真实可信。
CT，尤其是工业CT开发之前，需要进行大量的实验对CT的硬化校正参数进行优化。对于静态的测量对象，可以用特定的标准物标定CT，通过重复实验达到这一目的。但对于多相流动系统，几乎不可能得到一段精确可重复的流场供CT进行实验优化硬化校正参数，因此，目前对于多相流的研究，或者直接采用医学CT，或者使用静态模型代替多相流场，总之，多相流动对CT硬化校正产生的影响，目前缺乏定量的研究方法。
发明内容
本发明针对CT应用于多相流动测量时无法定量确定硬化校正参数这一难题，提出一种通过计算机模拟多相流场和CT扫描，定量的确定扫描对象为多相流场的硬化校正参数，为CT的设计开发节省大量的人力物力财力。
为了实现这一目的，本发明提供的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，包括如下步骤 1)利用流体力学软件生成多相流动系统的模拟流场； 2)选取模拟流场的一个二维截面，得出该二维截面的流场数据； 3)选取不同滤片的材料和厚度，模拟CT对所述二维截面进行扫描的过程，分别得出对应于不同滤片材料和厚度的模拟二维重建图像； 4)根据各模拟二维重建图像与所述模拟流场数据的近似度，确定实际CT测量时所需的滤片的材料和厚度。
上述技术方案中，所述步骤2)中，所述流场数据是所述二维截面在一系列时刻的物料分布数据。
上述技术方案中，所述步骤2)中，所述物料分布数据可以是固相体积分率、固相密度或气相体积分率。
上述技术方案中，所述步骤3)中，所述模拟CT对所述二维截面进行扫描的过程包括 31)根据所述流场数据，以及所选取的滤片材料和厚度，计算出在每个角度下的CT的每个探测器单元的投影数据； 32)根据所述投影数据进行二维重建，得出所述二维重建图像。
上述技术方案中，所述步骤31)包括设定实测过程中不同角度进行扫描的时刻；在计算某一角度下的投影数据时，所述流场数据就是当前角度对应时刻的所述二维截面的物料分布数据。
上述技术方案中，所述步骤4)中，所述模拟流场数据是所述二维截面物料分布数据在一定时间段内的均值；所述时间段是对应于模拟CT扫描起止的时间段。
上述技术方案中，所述步骤4)中，模拟二维重建图像与所述模拟流场数据的近似度根据归一化平均绝对偏差判据得出。
本发明相对于现有技术具有如下技术效果物理实验中无法产生精确的可重复流场做为硬化校正扫描对象，而本发明通模拟计算生成模拟流场的方式很好地解决了这一问题，因此本发明能够获得基于多相流场的CT射线硬化校正参数，优于现有技术中使用静态模型来代替多相流场的做法；另外，本发明通过计算机模拟就可确定CT系统的硬化校正参数，为CT系统的开发提供指导，因此可以节省大量的人力物力财力。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1是发明示意图，其中1为计算机模拟的反应器，2为计算机模拟的CT扫描面，3为该CT的射线源，4为该CT的探测器； 图2是计算机模拟的反应器中一个二维截面处在不同时刻的浓度分布图； 图3模拟CT扫描示意图，线5为模拟的一条X射线经过的路径；实，虚线分别为相临两个角度的投影示意图； 图4为模拟CT所加不同滤片时X-射线能谱； 图5是模拟CT扫描得到的原始数据sinogram图(正弦图)； 图6是根据模拟扫描的投影数据重建得到的二维断层图； 图7是加载不同滤片重建结果的定量比较； 表1为不同工况下，CT对循环流化床测量结果表。
具体实施例方式 下面结合附图和优选实施例对本发明做进一步地说明。
实施例 循环流化床反应器广泛应用于石油冶炼、锅炉、冶金等领域，反应器内截面物料分布情况是反应器运行状况的一项重要招标，CT可以不插入无干扰的测量反应器物料分布截面图，近年来引起了业界极大的兴趣。但对于X-射线CT，由于其能谱是连续分布的，而非一单值，因此实际测量时不可避免的产生射线硬化现象，引起测量结果与真实值间存在偏差，需根据被测对象的特点进行硬化校正。但由于该类反应器内的多相流动系统属于典型的复杂系统，初始操作条件的微变可导致流场局部信息的剧变，因此，难以在实验上产生一段精确可重复的流场，供实验确定硬化校正参数。用模拟的CT扫描计算机模拟的多相流反应器，可避开上面所述难题，达到确定校正参数的目的。
1)根据流体介质、固体介质、反应器形状，利用流体力学软件，生成模拟流场。本实施例中，使用商业计算流体力学软件Fluent，模拟提升管反应器的一段，如图1所示，该提升管反应器以空气为流体介质，玻璃珠为固体介质； 2)选取分布板上方1.505米处，该位置属于提升管浓相段，气固两相流动较剧烈，对于研究流动对CT成像的影响较有代表性。输出该截面高度不同时刻的流场数据，进行线性插值，输出二维截面物料分布数据矩阵，如图2所示，图中右侧的灰度条代表着固相体积分率；需说明的是，此处的流场数据以及二维截面数据的数据可以取固相的体积分率、固相密度、气相体积分率等物料物理参数，各参数实际上可以相互转换，对最终模拟结果不产生实质影响；数据类型可取为int型、float型以及double型，不做特殊限定； 3)通过统计，当流动参数达到收敛标准后，保存时长为1分钟统计步长为20毫秒的计算数据； 4)模拟CT对选定的截面进行扫描。其中，X-射线源的电压为80kVp，内滤片为1.2毫米厚的Be与2毫米厚的Al。CT扫描过程是将断层面上的相应的点的信息映射到相应的探测器通道，该过程是一线积分过程。模拟扫描的过程如下 根据模拟的提升管反应器设定好探测器单元长度、源-探测器距离、旋转角度步长、旋转速度等一系列扫描参数。
第0个角度，源-探测器的位置如图3中实线所示。由Lambert-beer定律可知，X射线穿透均匀介质时发生的衰减遵守以下规律 I＝I0e-μL I0为入射X射线强度，I为出射X射线强度，μ为该均匀介质的线性衰减系数，L为射线穿透该介质的厚度。
对于气固两相流这样的非均匀介质，出射强度(探测器检测到的X射线强度)则为 式中μl指在dl处的介质的线性衰减系数，l为射线路径L上一点。
图中射线1穿过被测流场衰减后，射线被第s个探测器检测到，这一过程可由下式表示 其中p(s，0)代表第0个角度第s个探测器单元上的投影。
对于能谱连续的X-射线，该过程遵循下列规律 p(s，θ)代表第θ个角度第s个探测器单元上的投影。Ω(E)代表射线能谱，μE(x，y)代表在能级为E时点(x，y)的线性衰减系数。
上述公式中被测对象的线性衰减系数μ由NIST(National Institute ofStandard technology)数据库(http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html)查得。
计算完成该角度的投影信息后，模拟CT的射线源和探测器按设定的旋转步长旋转(即空间几何位置进行变化)，同时模拟的流场也同步算出此时的流场物料分布数据，依次计算得到第1个角度所有探测器单元的投影数据。
完成一周扫描后，得到的全角度投影数据以sinogram图的形式表示，如图4所示。
5)根据CT图像重建算法，进行二维图像重建，这里使用的是滤波反投影(FBP)重建算法。
μ(x，y)是指点(x，y)点处介质的线性衰减系数 6)模拟电压为80kVp，分别加载5毫米厚Al、1毫米厚Cu、2毫米厚Cu的X射线谱，重复步骤4-5。需说明的是，Al、Cu是较为常用的滤片材质，但滤片种类并不仅限于这二种材质，也可以为Be、W等材质；材质的厚度越厚，滤去的射线能量越多，最终探测器检测到的光子计量数越少，信号强度越差，具体的材质厚度范围，应根据所用的射线管电压而定。另外，应当说明的是，在模拟计算时，内滤片与外滤片在计算方法上没有区别。
7)将加载不同滤片厚度的模拟CT测量结果与计算流场对比。这里计算流场指的是所述二维截面在一定时间区间内的物料分布数据的均值所组成的流场，所述时间区间指的是模拟CT扫描所对应的时间区间。
如图7所示，由归一化平均绝对偏差判据d，可计算得5毫米Al、1毫米Cu与2毫米Cu的d值分别为15.48％、7.71％、7.67％。判据d的计算方法如下 其中，tn为第n个点的重建值，rn为第n个点的模拟流场值。
可以看出，Cu滤片比Al滤片的重建结果更接近于真实值(计算流场)，当滤片加至1毫米Cu和2毫米Cu时，重建结果差别不是很大，但2毫米Cu滤掉了更多的光子计量，若探测到同样的计量数，后者需用比前者更大的电流。因此，对计算机模拟的流场，加载滤片的最佳厚度为1毫米Cu。
将本方法得到的校正硬化参数应用于多相流反应器循环流化床的测量，测得不同工况(表观气速Ug与物料循环量Gs)下提升管截面平均物料浓度，并将其结果与目前多相流物料浓度测量最为常用的光纤法进行比较。结果见表1，可以看出，本方法可有效的对多相流动对CT产生的射线硬化现象进行有效的校正。
表1
以上所述的具体实施例对本发明的目的、技术方案以及有益效果进行了详细的说明。所应理解的是，上述内容仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神与原则之内，所做的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，包括如下步骤
1)利用流体力学软件生成多相流动系统的模拟流场；
2)选取模拟流场的一个二维截面，得出该二维截面的流场数据；
3)选取不同滤片的材料和厚度，模拟CT对所述二维截面进行扫描的过程，分别得出对应于不同滤片材料和厚度的模拟二维重建图像；
4)根据各模拟二维重建图像与所述模拟流场数据的近似度，确定实际CT测量时所需的滤片的材料和厚度。
2.根据权利要求1所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述流场数据是所述二维截面在一系列时刻的物料分布数据。
3.根据权利要求2所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述物料分布数据可以是固相体积分率、固相密度或气相体积分率。
4.根据权利要求2所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述模拟CT对所述二维截面进行扫描的过程包括
31)根据所述流场数据，以及所选取的滤片材料和厚度，计算出在每个角度下的CT的每个探测器单元的投影数据；
32)根据所述投影数据进行二维重建，得出所述二维重建图像。
5.根据权利要求4所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤31)包括设定实测过程中不同角度进行扫描的时刻；在计算某一角度下的投影数据时，所述流场数据就是当前角度对应时刻的所述二维截面的物料分布数据。
6.根据权利要求2所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述模拟流场数据是所述二维截面物料分布数据在一定时间段内的均值；所述时间段是对应于模拟CT扫描起止的时间段。
7.根据权利要求1所述的针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，其特征在于，所述步骤4)中，模拟二维重建图像与所述模拟流场数据的近似度根据归一化平均绝对偏差判据得出。
全文摘要
本发明提供一种针对多相流动系统中CT射线硬化的校正方法，包括如下步骤1)利用流体力学软件生成多相流动系统的模拟流场；2)选取模拟流场的一个二维截面，得出该二维截面的流场数据；3)选取不同滤片的材料和厚度，模拟CT对所述二维截面进行扫描的过程，分别得出对应于不同滤片材料和厚度的模拟二维重建图像；4)根据各模拟二维重建图像与所述模拟流场数据的近似度，确定实际CT测量时所需的滤片的材料和厚度。本发明的优点在于，通过将计算流体力学与CT模拟相结合，可以克服物理实验中无法产生精确可重复流场这一缺点；并且本发明通过计算机模拟就可确定CT系统的硬化校正参数，从而节省大量的人力物力财力。
文档编号G01N23/02GK101639453SQ20081011744
公开日2010年2月3日 申请日期2008年7月30日 优先权日2008年7月30日
发明者孟凡勇, 维 王, 李静海 申请人:中国科学院过程工程研究所