过程层析介绍

单纯地从实验测量角度出发,可视化可以广义地理解:它既可以包括利用某种物理或化学的手段,直接获取物理量的空间图象,如通过摄影法直接得到流动的图象,利用红外成像方法直接获取物体表面的温度等;另一种是通过各种传感器,首先测量出空间各点上物理量值的大小,然后从这些数据出发,利用可视化技术重建该物理量在空间的图象。前一种方法从数据处理角度出发相对很容易,其工作难点主要集中在如何获取物质的图象信息以及如何收集这些信息,它同实验时能获得的外界条件直接相关;而后者则要灵活许多,可以从任何仪器测量得到的数据经过一定的计算,给出物理量的空间分布规律。因为这个原因,后者成为现代可视化研究的重点,而且提到可视化时,往往也是指的后者。 
利用点测量实验设备,可以直接得到结构化的数据场,如PDA;面测量设备,测量结果也可以容易地转换为可视化所需的数据形式,如PIV。要对这些仪器测量结果在进行可视化时,前处理工作上并不存在多大难度,但在科学实验中还有很大一类测量设备,其测量的是某一条线上的数据,如前面讲到的衍射式颗粒粒度仪、放射线浓度监测、电阻(电容、电感)式浓度测量仪等,如何将这类仪器测量的投影线上的数据转换为可视化处理所需的空间数据,是研究人员面临的一个难题,也是现代多相流测量技术上一个前沿课题。 1. X射线缺点 
具有一定透射能力的射线等通过空间时,如果该空间中含有不同吸收特性的物质,则透射射线的强度变化中包含有空间中物质的信息。这一原理已经被广泛地应用到了科学研究、工业生成和医学等领域,这方面的工作中医学X射线检查是众所周知的。下面我们就以此为例子展开我们的讨论。 
X射线通过不同密度的物质时所受到的削弱程度是不同的,它在医学上应用非常广泛,但它有很大的缺点,这主要表现在:1. 影像重叠。厚的低密度同薄的高密度物质可能产生相同的衰减;2. X射线辐射方向上的空间分辨率很低,无法辨析深度,见图1(a)和(b)。
3. CT原理 
为了更有效地去除非拍摄物体阴影的影响,人们引入了所谓的CT(Computed Tomograghy)技术,中文中称为电算断层成像技术。通过这种方法可以很大程度上提高成像的清晰度。 它的基本思想如下:


这种方法的原理简单,但它无法清除重建过程中产生的杂条纹。  
b) 代数重建法 
如果能恰当地选取设想方向,有可能通过所有射线方程直接求取物体的象素解,但这样作是需要极大量的计算。可以用反投影法联合迭代方法法来简化计算。 
将反投影法计算的结果做为零级迭代结果,再把零级迭代得到的像用作一级迭代,即从零级分布计算出新的射线穿透结果,然后把这样的计算射线同原射线结果进行比较,把差值再均匀分布给相关的各个


6. 过程层析成象技术(Process Tomograghy—PT)简介 
CT技术在医学领域取得了巨大成功,这一成就也促使研究人员设法将其应用到技术研究和工业生产监控中。自从上世纪80年代中期开始,国际上开始了对这种技术的研究,我国也于上世纪九十年代初开始了这方面的研究。所以说这一技术还是非常新的,其中有许多东西值得我们去探索。 
同CT技术相比,由于测量对象、测量目的以及运行环境的不同,使得PT技术相对于CT来讲都复杂很多。这主要是由于 
1. PT技术应用的对象是一个动态过程,被测对象始终处在一个剧烈运动变化状态中,这不仅要求PT技术能够不接触地获取物理场的各种量,系统还要有很高的运算能力; 
2. 被测对象的物理场具有很强的非均匀性特征,相的分界面严重不连续,造成物场与获取它信息之间相互的严重非线性特性,这对模型的建立带来很大的难度; 
3. PT技术主要应用于工业现场或准工业现场,对非接触式传感器的要求很高,同时还要同现场的环境相匹配,并且能适应现场的恶劣环境; 
4. 
被测场的图象重建并不是PT技术的**终目的,它是要通过这一图象信息给出过程的特征参数,以便对生产过程的情况给出定性和定量的评估。 
因此,单从原理上讲可以将CT技术的所有算法直接应用到PT中去,但由于以上的原因,特别是原因2,图象重建计算还是有许多有待解决的理论问题要解决,这也是PT技术中的一个重点。 
同CT技术一样,PT技术需要对被测物理场进行“扫描”。由于应用对象的不同,PT一般是提前在被测段安装相当数量的传感器阵列,完成所需要的扫描工作。由于技术方面的限制,现在的传感器阵列一般均采用电容、电感或电阻式浓度感应器,在对两相流进行测量和图象重建时,仅能给出被测场的浓度分布,而无法给出颗粒相的粒度大小和分布。同时应为它们都是电介性测量方式,要求测量时管壁是绝缘的,这在一定程度上限制了这种技术在工业现场的应用。 
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