CN102494869A - 稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，其特征在于：该装置包括图像采集端和图像处理单元(8)：图像采集端用于拍摄流化装置(1)内颗粒(2)的运动视频，图像采集端包括激光源(9)、光纤内窥镜(3)、高速工业相机(4)、图像采集卡(6)、计算机(7)；激光源(9)提供的片形激光束(10)确定流化装置(1)中的测量区域；光纤内窥镜(3)作为光学镜头拍摄所确定的测量区域，光纤内窥镜(3)的镜头与激光束(10)平面平行，其之间的距离保持在10mm。本发明由于使用了光纤内窥镜作为光学镜头，从而很方便地实现了流场内多视角测量，克服了无法得到稠密相流场内部颗粒运动参数的困难。

Description

稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置

技术领域

本发明提供一种用于稠密两相流场中运动颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，特别适合于气固喷动床中稠密相颗粒速度和浓度空间分布的测量，属于多相流测量领域。

背景技术

两相流的速度和浓度空间分布规律是分析两相流中流体动力学规律的关键参数，是认识流化装置中两相流体间传热和传质机理的前提，对于工业生产中流化装置的设计和结构参数的优化具有重要的意义。

目前，已有多种测量两相流场中颗粒速度和浓度的手段，传统的测量手段有冲击力法、等速采样法、热平衡法、光纤探头法等，现代测量手段有激光多普勒测试仪（LDV）、粒子成像测速技术（PIV）、电容层析成像法等。传统的两相流测量手段测量精度低，测量结果的重复性和可靠性均不理想；现代测量方法以高空间、时间分辨率等优点被广泛应用于两相流测量领域中，但现存的测量方法只在稀相流测量中得到了成功的推广，比如市面上已有PIV测速仪在销售，而对于稠密相特别是稠密相流场内部颗粒速度和浓度空间分布规律的测量依旧没有实现突破性的进展。由于受稠密两相流测量技术的限制，对喷动流化床等流化装置内部复杂的流动机理研究与认识很少，导致工业生产中流化设备放大运用过程中出现了障碍。因此，市场上急需一种能够解决在稠密多相流中实现准确而全场测量的测量装置和测量方法。

由于光学技术、高速摄影技术、数字图像处理技术的迅速发展，以及计算机处理器速度和内存容量的快速提升，为光纤内窥镜在高速图像采集和处理中的应用提供了有利条件，国内外已经有这方面的应用，比如光纤内窥镜在无损检测中的应用、电子内窥镜在医学领域的应用等，目的就是要提供准确而又实用的获取事物内部信息的手段。本发明正是在现存的应用需求和技术支撑的背景下，提供了一种切实可行的测量稠密两相流场内运动颗粒的速度和浓度空间分布规律的测量装置和测量方法。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提供一种实用、准确、操作方便、性能稳定的稠密两相流场内颗粒速度和浓度空间分布规律的测量装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了一种稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，该装置包括图像采集端和图像处理单元：

图像采集端用于拍摄流化装置内颗粒的运动视频，图像采集端包括激光源、光纤内窥镜、高速工业相机、图像采集卡、计算机；激光源提供的片形激光束确定流化装置中的测量区域；使用光纤内窥镜作为光学镜头拍摄所确定的测量区域，光纤内窥镜的镜头与激光束平面平行，其之间的距离保持在10mm，光纤内窥镜的目镜通过适配器和垫圈与高速工业相机配接；光纤内窥镜、高速工业相机、图像采集卡和计算机串联组成颗粒运动视频拍摄和保存装置； 

图像处理单元用于得到流化装置内颗粒速度和浓度的值，再对固定时间内的颗粒运动过程进行统计分析，得出流化装置内运动颗粒速度和浓度的空间分布规律。

优选的，光纤内窥镜深入流化装置拍摄颗粒运动过程，调节光纤内窥镜镜头端在三维空间上下左右四个方向弯曲，实现多角度测量流化装置中颗粒速度和浓度。

优选的，光纤内窥镜的目镜与高速工业相机通过适配器与垫圈配接，增加垫圈，内窥镜成像缩小，减少垫圈，内窥镜成像放大。

有益效果： 本发明提出的稠密两相流场内颗粒速度和浓度空间分布规律的测量装置具有如下的特色及优点：

1、突破了以往无法得到稠密两相流场内部颗粒流动过程的障碍，可测得稠密两相流场内部颗粒的速度和浓度空间分布规律；

2、不用添加示踪颗粒，直接拍摄稠密两相流装置中的颗粒运动视频；

3、光纤内窥镜镜头能够在三维空间内转动，可在上下左右四个方向120°的视角范围内测量流场内部的流动，实现了颗粒的全场测量。

附图说明

图1 稠密两相场中颗粒速度和浓度空间分布规律测量装置的原理示意图；

流化装置1，颗粒2，光纤内窥镜3，高速工业相机4，数据传输线5，图像采集卡6、计算机7，图像处理单元8，激光源9，激光束10，光纤内窥镜镜头端11，       光纤内窥镜测量口12， 旋钮13，适配器14，垫圈15。

图2 图像处理软件流程图的主程序流程图；

图3 图像处理软件流程图的点阵样板图像处理程序流程图；

图4 校正标定使用的点阵样板。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行说明。

本发明所提供的稠密两相流场中颗粒速度和浓度空间分布规律的测量装置，由光纤内窥镜、高速工业相机、图像采集卡、计算机、片形激光源组成基本的物理构件，实现流场内颗粒运动视频的拍摄与保存，图像处理软件离线处理颗粒运动视频，得出颗粒速度和浓度的空间分布规律。

它的特点是：光纤内窥镜作为高速摄影装置的光学镜头，能够深入稠密相流场内部拍摄颗粒的运动过程；高速工业相机具有高速高分辨率的性能，通过调节相机的拍摄帧率、曝光时间和分辨率等参数，可以针对不同工况得到高质量的颗粒视频图像；激光光源为拍摄的流场区域提供片光源，使拍摄到的颗粒图像具有清晰的区分度，被激光照射的片状区域，颗粒呈高亮显示，其他区域颗粒较暗；图像处理软件是通过针对光纤内窥镜图像特性的处理算法提取运动颗粒的速度和浓度，对固定时间内颗粒运动速度和浓度统计分析得到流场内颗粒速度和浓度的空间分布规律。

本发明中光纤内窥镜的可弯曲部及顶端镜头部需插入被测的稠密相颗粒流场区域，其镜头端可在三维空间内上下左右四个方向弯曲，实现多角度测量；内窥镜的目镜为C型光学接口，可直接与具有C型口的高速工业相机配接，如果相机为F型口，可通过C-F转接环实现内窥镜与相机的配接，在转接环上加C口垫圈，可调节成像大小。由于光纤内窥镜具有广角特性，景深比较大，因此需要使用激光片光源确定被拍摄的颗粒运动区域，片型光束必须与内窥镜镜头平行，且与镜头距离为10mm，使有效的颗粒区域落在片型光束中，这样拍摄到的图像中，片型光束区域的颗粒亮度高，而其他区域亮度暗。高速工业相机与图像采集卡是实现视频拍摄的核心部件，选用具备高速拍摄和传输性能的工业相机和图像采集卡，比如德国BASLER公司的A504k高速高分辨率的工业相机和加拿大Matrox公司的MeteorII-CameraLink图像采集卡。通过改变相机的采集帧率、曝光时间、分辨率，以及图像采集卡的图像分辨率可以调整视频图像的采集速度；图像采集速度低，会使得拍摄的图像中运动颗粒有严重的拖尾现象，影响颗粒运动速度的测量精度。

图像处理软件包括图像处理和随机信号处理两部分，图像处理部分负责提取单帧图像中颗粒的速度和浓度，随机信号处理部分负责分析固定时间内颗粒在流场空间的速度和浓度分布规律，每部分的实现步骤如下：1、图像处理部分的步骤为：①首先将视频分解为单帧图像；②接着对每帧图像进行预处理，预处理包括选取图像中感兴趣的区域、去除图像中的噪声干扰、图像灰度化；③然后校正图像，由于光纤内窥镜具有广角特性，使拍摄到的图像具有桶形畸变，因此需要对拍摄的图像进行校正（校正方法在后面列出），以消除畸变带来的测量误差；④另外，内窥镜图像的亮度不均匀，以图像中心位置亮度最强，沿半径向边缘处逐渐减弱，还需要对图像进行局部增强，这样保证了图像整体对比度得到提高的前提下，局部细节未被丢失；⑤再进行图像分割，得到颗粒的二值图像；⑥之后，计算二值图像中连通域的特征信息，确定出每帧图像中颗粒的数量和像素点坐标，并将此信息保存；⑦重复以上步骤，得出连续三帧图像的颗粒信息；⑧使用互相关算法(王延颋,张永明等. 数字粒子图象速度测量原理与实现方法[J]. 2000年,中国科学技术大学学报, 30(3):302-306)跟踪同一颗粒在不同帧中的像素坐标，将连续三帧图像中颗粒的像素坐标在同一坐标系中拟合成一条直线，所得斜率即为颗粒的像素速度，将像素速度乘以像素坐标到世界坐标的标定值（标定方法会在后面列出），即可得出颗粒的实际运动速度；⑨由像素坐标到世界坐标的标定值确定出拍摄到区域的实际大小，得到颗粒的浓度；⑩最后，将计算出的颗粒速度、浓度以及颗粒运动方向信息保存到硬盘中。2、随机信号处理部分的步骤为：①从硬盘中读取固定时间内颗粒的速度和浓度数据；②使用统计学方法处理空间内大量颗粒的速度和浓度随机信号，得出颗粒在空间中速度和浓度的分布规律。

本发明中的图像标定和校正是通过拍摄并处理点阵样板图像实现的，点阵样板是打印在一张A4纸上的20×20实心点阵，实心点直径为1mm，点心间距为2.5mm。使用本发明中的高速摄影装置拍摄一张点阵图像，光纤内窥镜镜头与点阵样板的距离为10mm。然后使用本发明中提供的点阵样板处理程序，就可以得到内窥镜的校正函数和像素坐标到世界坐标的标定值。

具体的实施步骤为：

1、选定好待测流场区域，并在选定区域处的管道或装置上开孔，孔的大小保证能够插入光纤内窥镜镜头，然后做好孔边缘处的密封措施；

2、根据光纤内窥镜镜头的位置，固定激光片光源，使片型光束与镜头平行且距离为10mm；

3、用内窥镜适配器将内窥镜目镜与工业相机感光口连接起来，使用数据传输线将工业相机图像输出端与图像采集卡输入端连接（图像采集卡已正确安装在计算机上，由于不同的工业相机和图像采集卡的安装和使用方法不尽相同，有关图像采集卡和工业相机的操作参见产品配套的使用说明，本发明不提供有关图像采集卡和高速相机的使用步骤）；

4、计算机和工业相机依次上电，使用图像采集卡配套的视频采集软件，观察拍摄的图像效果，调节内窥镜调焦旋钮使图像清晰为宜，启动稠密相颗粒流场动力装置，打开激光源，继续观察图像效果，根据颗粒运动速度大小，设定工业相机的采集帧率、曝光时间、分辨率，以图像中的颗粒无拖尾现象为宜；

5、准备好待测量的工况条件后，开始拍摄流场视频，单次拍摄时间视单帧图像分辨率、图像采集速度、计算机内存大小而定，保证单次拍摄的视频大小不超过计算机内存可用大小，以8~10s为宜；

6、所有待测工况依次拍摄完毕后，再拍摄点阵样板图像，使内窥镜镜头与点阵样板平行且间距为10mm；

7、使用本发明中图像处理软件先处理点阵图像得到光纤内窥镜图像的校正函数和标定值，接着对拍摄的不同工况下颗粒视频进行处理，得出每种工况下颗粒速度和浓度的空间分布规律。

上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1. 一种稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，其特征在于：该装置包括图像采集端和图像处理单元(8)：

图像采集端用于拍摄流化装置(1)内颗粒(2)的运动视频，图像采集端包括激光源(9)、光纤内窥镜(3)、高速工业相机(4)、图像采集卡(6)、计算机(7)；激光源(9)提供的片形激光束(10)确定流化装置(1)中的测量区域；光纤内窥镜(3)作为光学镜头拍摄所确定的测量区域，光纤内窥镜(3)的镜头与激光束(10)平面平行，其之间的距离保持在10mm，光纤内窥镜(3)的目镜通过适配器(14)和垫圈(15)与高速工业相机(4)配接；光纤内窥镜(3)、高速工业相机(4)、图像采集卡(6)和计算机(7)串联组成颗粒运动视频拍摄和保存装置； 

图像处理单元(8)用于得到流化装置(1)内颗粒速度和浓度的值，再对固定时间内的颗粒运动过程进行统计分析，得出流化装置(1)内运动颗粒速度和浓度的空间分布规律。

2. 根据权利要求1所述的稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，其特征在于：光纤内窥镜(3)深入流化装置(1)拍摄颗粒(2)运动过程，调节光纤内窥镜镜头端(11)在三维空间上下左右四个方向弯曲，实现多角度测量流化装置(1)中颗粒速度和浓度。

3. 根据权利要求1所述的稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置，其特征在于：光纤内窥镜(3)的目镜与高速工业相机(4)通过适配器(14)与垫圈(15)配接，增加垫圈，内窥镜成像缩小，减少垫圈，内窥镜成像放大。

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