CN101173956A - 气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固体颗粒速度测量领域的用于气力输送管道上的气/固两相流固体颗粒速度测量装置及方法。该装置包括CCD数字照相机、激光片光源、图像采集装置和计算机。激光片光源平行于管道轴线，CCD数字照相机镜头光轴垂直于激光片光源平面，CCD数字照相机与图像采集装置相连，图像采集装置将颗粒运动模糊图像上传给计算机，计算机中配以适当的处理程序，得到颗粒的运动速度。本发明提供的测量方法是利用所述装置，通过图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度间的联系，得到颗粒的运动速度。本发明利在满足低成本的同时达到测量运动颗粒速度的目的，数据处理量小，可满足工业上实时在线测量的要求。

Description

气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法

技术领域

本发明属于固体颗粒速度测量领域，涉及一种气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法。

背景技术

气/固两相流是指由气体和固体两种组分构成的混合流动情况。其涉及到国民经济各领域而且与工农业生产密切相关。如在电力、建材、冶金、化工和粮食加工等工业中。气/固两相流参数的准确测量必将对国民经济产生重大影响。

在气/固两相流中，由于固体颗粒的分布情况在流动过程中是随时变化的，鉴于两相流的复杂性和随机性，两相流参数的检测难度相当大。对于气/固两相流流动参数的在线连续测量和后续控制都是公认的普遍要求，需要有相当大数目的固体流量计来满足不同的工业过程，在世界范围内极具市场潜力。

目前已产生了很多气固两相流测量方法，但由于没有准确的理论模型可以完全阐述气固两相流的流动变化规律，因此可以在工业上成功的应用的方法却很少，这主要是源于两相流测量问题的自身复杂性和工业现场的恶劣条件。气/固两相流速度测量方法主要有基于电容、静电感应、γ-射线等检测原理的相关测速方法，基于超声、微波、光学等原理的多普勒测速方法及空间滤波方法，光学方法目前发展已经较成熟的粒子图像测速仪(PIV)是一种基于CCD图像传感器及图像处理技术的仪器，但由于其高成本及对大数据量处理的特殊要求，目前很难推广应用于工业实际。总之，这些已有检测技术和方法大都还处于实验室应用研究阶段，已商品化可在线检测的工业型仪表为数还很少，且仅适用于某些特定的场合和较窄的范围，其应用在很大程度上受现场工况条件的制约而无法普及。工业上更需要一种成本低廉、数据处理量小并且能够实时在线测量的装置及方法。

CCD图像传感器在采集图像时是一个在曝光时间内对光强进行积分的过程，当用图像传感器拍摄物体图像时，如果在曝光时间内物体与图-像传感器之间发生相对位移，则在所获得的图像中会出现运动模糊(motion blur)。由于运动模糊会造成图像质量的下降，所以在大多数图像及视频系统中要尽量避免运动模糊的出现。但是事物都具有两面性，运动模糊虽然会造成图像质量的下降，但是从另一角度看，在运动模糊图像中包含了物体运动的信息。本发明提出的装置及方法，就是利用本发明充分利用了普通CCD图像传感器曝光时间可调节幅度大的特点，在满足低成本的同时达到测量运动颗粒速度的目的，且无需大数据量处理，可以满足工业上实时在线测量的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法。所述气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置包括CCD数字照相机、激光片光源、图像采集装置和计算机：所述激光片光源平行于管道轴线，CCD数字照相机镜头光轴垂直于激光片光源平面，CCD数字照相机与图像采集装置相连，图像采集装置将CCD数字照相机拍摄到的颗粒运动模糊图像上传给计算机，计算机中配以适当的处理程序，以实现该装置实现对气力输送管道中固体颗粒运动速度的测量。

所述CCD数字照相机必须将焦点准确对准到激光片光源平面。

所述计算机的相应处理程序是指：利用图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数PSF(point spread function)并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而得到颗粒的运动速度。

本发明还提出了一种气力输送管道的气/固两相流固体颗粒速度测量装置的测量方法，该测量方法通过控制CCD照相机的曝光时间获得颗粒的运动模糊图像，在此基础上利用图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数PSF(point spread function)并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而得到颗粒的运动速度，实现本发明所述方法包括如下步骤：

包括如下步骤：

1)激光片光源平行于管道轴线；

2)设置相机的快门速度和光圈值；

3)将CCD数字照相机镜头光轴垂直于激光片光源平面，并将镜头准确聚焦于激光平面位置；

4)启动CCD数字照相机拍摄管道中运动颗粒的图像，并通过图像采集装置将所述颗粒的图像数据传给计算机；

5)计算机利用图像处理的方法处理获得的运动模糊图像；

6)估计出模糊图像的点扩展函数PSF，并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而获得颗粒的运动速度。

本发明的有益效果：

在上述技术方案中，本发明将充分利用普通CCD图像传感器曝光时间可调节幅度大的特点，在满足低成本的同时达到测量运动颗粒速度的目的，且无需大数据量处理，可以满足工业上实时在线测量的要求。

附图说明

图1为气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的颗粒运动模糊图像；

图3为本发明实施例的运动模糊图像的频域图像；

图4为实施例的计算速度与理论速度对比图。

具体实施方式

本发明提供了一种气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置及方法。图1所示为气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置的结构示意图。该装置包括CCD数字照相机101、激光片光源102、图像采集装置103和计算机104。箭头所指的方向为气/固两相流体在气力输送管道105的方向。激光片光源102平行于管道105的轴线，CCD数字照相机101镜头光轴垂直于激光片光源102平面，CCD数字照相机101与图像采集装置103相连，图像采集装置103将CCD数字照相机101拍摄到的颗粒运动模糊图像传给计算机104，计算机104中配以适当的处理程序，实现对气力输送管道中固体颗粒运动速度的测量。

本发明提供的气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量方法，是通过控制CCD照相机101的曝光时间获得颗粒的运动模糊图像(如图2所示)，在此基础上利用图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数PSF(point spread function)并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而得到颗粒的运动速度。

下面我们讨论拍摄到的图像函数与点扩展函数PSF(point spreadfunction)的关系。假定一幅清晰图像f(x，y)(在曝光时间趋于0的条件下)与相应的运动模糊图像g(x，y)之间存在如下关系：

g(x，y)＝f(x，y)h(x，y)

(1)

其中表示卷积运算，h为点扩展函数(PSF)，可以由下式给出：

(2)

θ和L在上式中分别表示运动方向与水平方向的夹角以及运动模糊距离。式(1)的卷积形式可以表示为：

G(u，v)＝H(u，v)F(u，v)

(3)

其中，G(u，v)，H(u，v)和F(u，v)分别表示g(x，y)，h(x，y)和f(x，y)的二维Fourier变换。为了简化问题，假设物体的运动方向为水平方向。

这时：

$H\left(u\right)=\underset{x=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}h\left(x\right)e^{-j2\mathrm{\π}\left(\frac{\mathrm{ux}}{N}\right)}$

$=\underset{x=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{L}{e}^{-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{ux}}{N}}$

(4)

若u≠0，H(u)可以写成：

$H\left(u\right)=\frac{1}{L}\frac{1-e^{-j2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{uL}}{N}}}{1-e^{-j2\mathrm{\π}\frac{u}{N}}}$

(5)

可以看到：当u_k满足Lu_kπ/N＝kπ，k＝±1，±2...±L/2时，H(u)会周期性的出现零点，或者说当u＝N/L，2N/L，…(L-1)N/L时，H(u)＝0。因此G(u，v)上会出现(L-1)个零点，且零点之间等距。因此L可以通过计算G(u，v)零点的个数确定(如图3所示)。通过建立镜头的模型可以由模糊长度L确定颗粒的运动速度如下式。

$V=\frac{(u-f)\mathrm{Le}}{f\·t}---\left(6\right)$

在实际的测量系统中，焦距f，CCD图像传感器像素尺寸e由相机以及镜头确定，而物距u取决于传感器的布置，曝光时间t可以手动设置。L则可以由估计运动模糊图像的PSF得到。实验证明测量系统达到了预期目的。

以实现该装置实现对气力输送管道中固体颗粒运动速度的测量。实现该装置对气/固两相流固体颗粒速度的测量，其具体步骤如下：

1)激光片光源102平行于管道轴线；

2)设置CCD数字照相机101的快门速度和光圈值；

3)将CCD数字照相机101的镜头光轴垂直于激光片光源平面，并将镜头准确聚焦于激光平面位置；

4)启动CCD数字照相机101相机拍摄管道中运动颗粒的图像，为了说明问题且方便拍摄，我们不妨拍摄3次，得到图2中的A，B，C三张图像，并通过图像采集装置103将所述颗粒的3张图像数据上传给计算机；

5)计算机利用图像处理的方法处理获得的运动模糊图像；

6)估计出模糊图像的点扩展函数PSF，并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而获得颗粒的运动速度，本实施例中对应于A，B，C三张图像的运动颗粒的实测速度分别为2.42m/s、3.13m/s、3.69m/s。

如图4所示，为了检验本实施例的准确性，将计算速度与理论速度做了对比。实验证明测量系统达到了预期目的。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置，其特征在于，包括CCD数字照相机、激光片光源、图像采集装置和计算机：所述激光片光源平行于管道轴线，CCD数字照相机镜头光轴垂直于激光片光源平面，CCD数字照相机与图像采集装置相连，图像采集装置将CCD数字照相机拍摄到的颗粒运动模糊图像传给计算机，计算机启动处理程序，实现对气力输送管道中固体颗粒运动速度的测量。

2.根据权利要求1所述气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量装置，其特征在于，所述CCD数字照相机必须将焦点准确对准到激光片光源平面。

3.一种气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量方法，其特征在于：该方法通过控制CCD照相机的曝光时间获得颗粒的运动模糊图像，在此基础上利用图像处理方法估计出模糊图像的点扩展函数PSF，并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而得到颗粒的运动速度，该方法包括如下步骤：

1)激光片光源平行于管道轴线；

2)设置相机的快门速度和光圈值；

3)将CCD数字照相机镜头光轴垂直于激光片光源平面，并将镜头准确聚焦于激光平面位置；

4)启动相机拍摄管道中运动颗粒的图像，并通过图像采集装置将所述颗粒的图像数据传给计算机；

5)计算机利用图像处理的方法处理步骤4的运动颗粒的图像；

6)估计出模糊图像的点扩展函数PSF，并且建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系，从而获得颗粒的运动速度。

4.根据权利要求3所述气力输送管道中气/固相流固体颗粒速度测量方法，其特征在于：所述建立运动模糊图像与颗粒运动速度之间的联系如下式，

$V=\frac{(u-f)\mathrm{Le}}{f\·t}$

在实际的测量系统中，焦距f，CCD图像传感器像素尺寸e由相机以及镜头确定，而物距u取决于传感器的布置，曝光时间t可以手动设置，模糊长度L可以由估计运动模糊图像的PSF得到。

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