CN107093476A - 基于ct的非介入式高温空间内温度分布测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法及装置。方法包括：对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；根据高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建高温空间的几何模型；对高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取高温空间新的射线衰减系数的分布；根据射线衰减系数的分布，再处理获取高温空间内的温度分布信息；其中，测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。本发明实施例通过在高温环境内添加测温球，然后，基于测温球内熔融物热胀冷缩前后扫描信号的变化计算获得高温空间内的温度分布信息。

Description

基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法及装置

技术领域

本发明涉及CT应用技术领域及测温技术领域，具体实施例涉及一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法及装置。

背景技术

第四代反应堆有超越前几代反应堆的经济性、安全性、可靠性等标准，超高温气冷堆是第四代核反应堆主要堆型之一，而目前的高温气冷堆技术尚未完全满足第四代反应堆的经济性标准。其中高温气冷堆燃料球床内的温度分布与温度峰值的不确定性是限制高温气冷堆进一步提高其经济性的重要因素之一。

对此相关研究人员开展了大量的高温球床测温方法研究和尝试，如使用热电偶结合高温保护套；研究高温气冷堆内的球流，使用内置不同熔点保险丝的测量球等。

但在实现本发明实施例的过程中，发明人发现上述方法中，第一种方法可以实现测量，但是其保护套寿命有限，一旦损耗，在运行的反应堆或者乏燃料收集装置中就无法实现温度的继续测量；第二种方法在实际运行的高温气冷堆中投放带有热熔丝的测量球，但无法准确获得测量球的位置，测量温度不连续，也不能了解温度最高点所在的位置。

可见，现有的技术方案均不能满足核安全要求，无法给出温度的分布和峰值，难以进一步提升高温气冷堆经济性。

发明内容

本发明实施例的一个目的是解决现有技术无法给出温度的分布和峰值，难以进一步提升高温气冷堆经济性的问题。

本发明实施例提出了一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法，包括：

对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息；

其中，所述测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。

可选的，在对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理之前，所述方法还包括：

获取预定工况数据；

根据所述预定工况数据对所述高温空间进行热态实验。

可选的，在根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息之前，所述方法还包括：

对所述测温球进行加热标定，获取温度与扫描信号之间的关联关系；

相应地，所述根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息包括：

基于对测温球被空心区域的分区处理，对射线衰减系数的分布进行比值处理；

根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

可选的，在对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析之前，所述方法还包括：

采用预建立力学模型对所述高温空间的几何模型进行校验。

可选的，所述结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果；

相应地，所述根据所述高温空间的结构参数构建所述高温空间的几何模型包括：

根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；

在考虑球床内应力分布和加热体及测温球变形的前提下，检验构建高温空间的几何模型。

本发明实施例提出了一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量装置，包括：

扫描模块，用于对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

建模模块，用于根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

第一处理模块，用于对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

第二处理模块，用于根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息；

其中，所述测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。

可选的，所述装置还包括：预处理模块；

所述预处理模块，用于获取预定工况数据；根据所述预定工况数据对所述高温空间进行热态实验。

可选的，所述装置还包括：标定模块；

所述标定模块，用于对所述测温球进行加热标定，获取温度与扫描信号之间的关联关系；

相应地，所述第二处理模块，用于基于对测温球被空心区域的分区处理，对射线衰减系数的分布进行比值处理；根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

可选的，所述建模模块，还用于采用预建立力学模型对所述高温空间的几何模型进行校验。

可选的，所述结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果；

所述建模模块，用于根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；

在考虑球床内应力分布和和测温球变形的前提下，检验构建高温空间的几何模型。

由上述技术方案可知，本发明实施例提出的一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法及装置通过在高温环境内添加测温球，然后，基于测温球内熔融物热胀冷缩前后扫描信号的变化计算获得高温空间内的温度分布信息。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明一实施例提供的一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例提供的一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法的流程示意图；

图3示出了本发明一实施例提供的测温球的结构示意图；

图4a和图4b示出了本发明一实施例提供的CT扫描和球床扫描结果示意图；

图5示出了本发明一实施例提供的重构球床模型的流程示意图；

图6示出了本发明一实施例提供的一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明一实施例提供的一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法的流程示意图，参见图1，该方法可由处理器实现，具体包括如下步骤：

110、对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

需要说明的是，此处的高温空间可以举例为球床反应堆，为方便描述，下文均以球床反应堆为例。本领域技术人员可知的是，球床(球床反应堆)内部添加有燃料球。为了测出球床内的温度分布，本发明实施例通过在部分燃料球内部设置空心区域，并在空心区域中设置有熔融物和相容气体形成测温球，然后将其添加并遍布球床内。

其中，熔融物和相容气体的设置有所需的工况需要有关，例如，工况对应的温度较高的话，则选用的熔融物的熔点偏高。而相容气体的选取标准为相容气体不与燃料球、熔融物发生反应。

不难理解的是，通过CT系统对球床进行扫描时，首先，选取离散的扫描高度，并在每个扫描高度上发射扫描信号，得到每个扫描高度上对应的初始射线衰减系数的分布结果，然后基于每个扫描高度上对应的初始射线衰减系数的分布计算获取高温空间的初步结构。

其中，初始射线衰减系数的分布由多个方程组组成，每个扫描高度的扫描结果对应一个方程组。

120、根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

需要说明的是，基于步骤110中的扫描出的初步结构，结合高温空间的尺寸、测温球的尺寸以及高温空间内其他物体的尺寸等等相关已知量，处理器重构球床的几何结构。

130、对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

140、根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息。

可见，本发明实施例通过在高温环境内添加测温球，然后，基于测温球内熔融物热胀冷缩前后扫描信号的变化计算获得高温空间内的温度分布信息。

图2示出了本发明另一实施例提供的一种球床内温度分布测量方法的流程示意图，参见图2，该方法可由处理器实现，具体包括如下步骤：

201、测温范围、熔融物、相容气体

需要说明的是，基于实际工况对应的测温范围，选择合适的熔融物和相容气体，相容气体一般为惰性气体或者接近惰性气体，具体举例为：氦气。

202、测温球设计、制造、标定

需要说明的是，在球床内的正常燃料球中预制空心域，然后，将步骤201中选取的熔融物添加至空心域中，并充入相容气体，制造完成测温球，参见图3。

203、基于对测温球单独进行加热标定，获取温度和CT信号(扫描信号)的关联关系。

204、在对添加有正常燃料球和测温球的球床进行扫描之前，为最大程度的还原实际的测量环境，处理器获取预定工况数据；

205、处理器根据所述预定工况数据对所述球床进行热态实验。

206、处理器控制CT系统对球床进行初步扫描，得到球床的初步结构，参见图4a和图4b。

207、获取高温空间、测温球的尺寸等相关已知量；需要说明的是，高温空间、测温球的尺寸等信息为建模之前可获取的信息。

208、基于步骤206中的初步结构，以及步骤207中已知的球、球床等尺寸信息，重构球床模型。

需要说明的是，在重构球床模型后，采用预建立力学模型对所述球床模型进行校验，以得到高精度的几何结构。

209、结合步骤208建立的模型，再次求解射线衰减系数的分布。

210、信号处理、反推温度

需要说明的是，对所述射线衰减系数的分布进行比值处理；

根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

图5示出了本发明一实施例提供的重构球床模型的流程示意图，下面参见图5对步骤208中的重建模型的步骤进行说明：

首先，步骤206扫描得到的结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果。

需要说明的是，设定的扫描高度是一组离散的点，CT系统在每个扫描高度上发出射线对球床进行扫描，得到各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果，此处的射线优选为x射线。

然后，结合图5示出的建模步骤根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；

在考虑球床内应力分布和和测温球变形的前提下，检验修正构建高温空间的几何模型。

下面对本发明实施例的工作原理进行详细说明：

步骤一、在常规加热体如燃料球、模拟燃料球中预制空心域，添加合适熔点的熔融物与相容气体，结合图3所示，单独对加入空心域的燃料球或者燃料模拟球进行加热标定，获得温度与最终CT信号的关系。

步骤二、进行对应的热态实验，测量所需的工况。

步骤三、使用工业CT对球床进行扫描，得到初步的射线衰减系数的分布；具体的CT原理如下，当单能或者窄波谱射线穿过物质时候会被吸收，射线能量减弱，该过程可以用Lambert-Beer定律描述：

I＝I_oe^-λd (1)

其中，I_o、I为穿过物质前、后的射线强度，λ为单位厚度该物质的射线吸收系数，d为物质的厚度。

对非均匀的物体，射线穿透物体总的射线衰减特性可将物体分割成小单元来计算，按照级联的方式将式(1)写成如下形式：

此处i为第i次射线照射并测量的过程，j为射线路径上经过的第j个物质单元，Iⁱ _inIⁱ _out分别为第i次测量的射线前后强度。上式两侧取对数后，线性化可得

Aⁱ Bⁱ为公式(2)对数化处理后的得到的数值，为中间变量，其余与上式同。求解式(3)方程组即得到扫描区域的射线衰减系数的分布。根据射线衰减系数的分布情况，结合已知成分的射线衰减系数可以反推得到物质组成分布。常规CT球床扫描结果如图4a和图4b所示。

步骤四、根据气液固物质的射线衰减系数不同的原理，使用射线衰减系数的不同截面的分布，结合已知的球、球床等尺寸信息，重构球床几何结构，并使用力学模型检验结构的合理性，得到高精度的几何结构；相关的力学模型包括摩擦、压力、形变、密实化，结构稳定性判断等，具体的几何结构重构数值过程如图5所示。

步骤五、参考CT原理中的基本方程式(3)，利用已知几何信息，再次求解射线衰减系数的分布；

步骤六、取得熔融物区域对应的射线衰减系数分布，分区加权平均后并做比值，根据之前的标定的信号温度关系，使用比值反查出温度，得到温度信息。

对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。

图6示出了本发明一实施例提供的一种球床内温度分布测量装置的结构示意图，参见图6，该装置包括：扫描模块610、建模模块620、第一处理模块630以及第二处理模块640，其中：

扫描模块610，用于对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

建模模块620，用于根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

第一处理模块630，用于对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

第二处理模块640，用于根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息；

其中，所述测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。

可见，本发明实施例通过在高温环境内添加测温球，然后，基于测温球内熔融物热胀冷缩前后扫描信号的变化计算获得高温空间内的温度分布信息。

在一可行实施例中，所述装置还包括：预处理模块；

所述预处理模块，用于获取预定工况数据；根据所述预定工况数据对所述高温空间进行热态实验。

在一可行实施例中，所述装置还包括：标定模块；

所述标定模块，用于对所述测温球进行加热标定，获取温度与扫描信号之间的关联关系；

相应地，所述第二处理模块，用于基于对测温球被空心区域的分区处理，对射线衰减系数的分布进行比值处理；根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

在一可行实施例中，所述建模模块，还用于采用预建立力学模型对所述高温空间的几何模型进行校验。

在一可行实施例中，所述结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果；

相应地，所述建模模块，用于根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果，结合高温空间等已知尺寸获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；在考虑球床内应力分布和和测温球变形的前提下，检验构建高温空间的几何模型。

对于装置实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。

应当注意的是，在本发明的装置的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本发明不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合。

本发明的各个部件实施方式可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本装置中，PC通过实现因特网对设备或者装置远程控制，精准的控制设备或者装置每个操作的步骤。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，并且程序产生的文件或文档具有可统计性，产生数据报告和cpk报告等，能对功放进行批量测试并统计。应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量方法，其特征在于，包括：

对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息；

其中，所述测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理之前，所述方法还包括：

获取预定工况数据；

根据所述预定工况数据对所述高温空间进行热态实验。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息之前，所述方法还包括：

对所述测温球进行加热标定，获取温度与扫描信号之间的关联关系；

相应地，所述根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息包括：

基于对测温球被空心区域的分区处理，对射线衰减系数的分布进行比值处理；

根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析之前，所述方法还包括：

采用预建立力学模型对所述高温空间的几何模型进行校验。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果；

相应地，所述根据所述高温空间的结构参数构建所述高温空间的几何模型包括：

根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；

在考虑球床内应力分布和加热体及测温球变形的前提下，检验构建高温空间的几何模型。

6.一种基于CT的非介入式高温空间内温度分布测量装置，其特征在于，包括：

扫描模块，用于对添加有测温球的高温空间进行CT扫描处理，获取高温空间的初步结构；

建模模块，用于根据所述高温空间的初步结构，结合相关已知量，构建所述高温空间的几何模型；

第一处理模块，用于对所述高温空间的几何模型进行结构参数的分析，获取所述高温空间的射线衰减系数的分布；

第二处理模块，用于根据所述射线衰减系数的分布获取所述高温空间内的温度分布信息；

其中，所述测温球内部设置有空心区域且空心区域中设置有熔融物和相容气体。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：预处理模块；

所述预处理模块，用于获取预定工况数据；根据所述预定工况数据对所述高温空间进行热态实验。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：标定模块；

所述标定模块，用于对所述测温球进行加热标定，获取温度与扫描信号之间的关联关系；

相应地，所述第二处理模块，用于基于对测温球被空心区域的分区处理，对射线衰减系数的分布进行比值处理；根据比值处理后的结果，结合所述温度与扫描信号之间的关联关系获取所述球床内的温度分布信息。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述建模模块，还用于采用预建立力学模型对所述高温空间的几何模型进行校验。

10.根据权利要求6-9任一项所述的装置，其特征在于，所述结构参数包括：预设的扫描高度以及各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果；

所述建模模块，用于根据各扫描高度对应的初始射线衰减系数的分布结果获取所述高温空间内测温球的球心以及边界；

在考虑球床内应力分布和和测温球变形的前提下，检验构建高温空间的几何模型。