基于电容层析成像技术的中药提取过程成像研究

中药提取是中药制药的重要工序之一，提取过程中容器内物料的分布、组分、饱和度、颗粒大小等工艺参数很难用常规的方法探测，如何探测和优化工艺参数，以最大限度地提取药材中的有效成分，减少溶剂的用量、降低能耗和生产成本，减少环境污染具有重要的意义，也是中药提取必须解决的难题之一。ECT技术具有适用范围广、结构简单、非侵入式、安全性能好及成本低廉等优点，是解决这方面问题较为理想的理论方法，因此亟需开展相关的研究工作，这对制药工业的发展具有重要意义。.从理论上建立物料与溶剂扩散流动过程数学模型，分析和研究物料与溶剂扩散流动规律，研究适合于生产过程控制参数测量的探测器和数据采集系统，提出有效的图像重建算法重建提取过程的可视化信息，控制优化生产过程，以最大限度地提取物料中的有效成份，缩短提取时间和降低溶剂用量，为中药提取工业过程的两相流特征测量、有效成份分析及参数估计提供新的方法，为解决上述难题提理论支持。

针对中药提取过程所涉及到一些关键问题，系统性地开展了其关键理论、技术和系统集成等问题的研究。建立了物料与溶剂扩散流动过程数学模型，提出了一种细化有限元单元边长的剖分和快速精确计算电容值的方法，给出了改进的数学模型，研究和分析了两相流浓度梯度变化规律；提出了一种基于特征提取和径向基函数神经网络相结合的ECT流型辩识的方法，通过对各种特征参数的定义，完成了对ECT系统测量电容值的特征提取，利用提取的特征值作为RBF网络的输入完成了流型辩识；采用主成份和支持向量机方法完成了主要特征的提取，分析了物料粒度、提取溶剂、物料与溶剂扩散界面层等因素对提取效果的影响；提出了一种适合于硬件实现的串行计算-并行传输模式，给出了硬件系统的总体结构，采用硬件描述语言进行了仿真实验，提高了图像重建的速度和分类精度；提出了一种三电极激励双电极检测的方法，该方法在获得较多的独立测量电极数同时，降低了信号检测电路的难度，提高了测量区灵敏度的均衡性；设计了控制电路及数据采集系统，开发了接口通讯软件，研制了实验装置等，并对中药提取过程工艺参数测量进行了仿真实验研究；提出了基于人工鱼群的ECT图像重建算法、基于非线性最小二乘的ECT图像重建算法、基于改进信赖域的ECT图像重建算法、基于加权SVD截断共轭梯度的ECT图像重建算法、具有迭代约束的最小二乘法ECT图像重建、基于Landweber迭代超分辨率的ECT图像重建算法、基于局部能量的ECT融合和预处理共轭梯度的ECT图像重建算法，较好地解决重建图像的精度问题。