CN103279433A - 一种表征颗粒团聚体的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种表征颗粒团聚体的方法及装置，属于工业技术领域。首先拍摄多相流混合图样，将多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；将区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。装置包括搅拌槽、图像采集装置、计算机和控制器，图像采集装置采集搅拌槽中多相流混合图样并通过图像采集卡存储在计算机中。具有较高的应用价值、简单易行，对多相体系搅拌宏观混合效果的监控及评价具有现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种表征颗粒团聚体的方法及装置，具体地说是一种适用于是化工、冶金、材料、制药、造纸、建筑、食品加工、生物以及环境等应用领域混合搅拌的方法，属于工业技术领域。
背景技术
混合是化工、冶金、材料、制药、造纸、建筑、食品加工、生物以及环境等应用领域必不可少的关键单元操作之一，冶金工业中的艾萨炉、奥斯麦特、HIsmelt炉等均利用顶吹或者侧吹气体进行搅拌冶炼，金属的浸出过程也大多涉及多相搅拌混合，并且85%的聚合反应器是搅拌设备，还有制药发酵过程几乎全部是搅拌混合。搅拌混合的目的在物理反应过程主要是为了获得混合的均匀度，而在有化学反应参加的搅拌过程中则是为了提高化学反应速率。多相混合过程的理想状态就是尽可能在最短的混合时间达到同质化，或者用户自己定义混合均匀的程度，然而，实际的工业搅拌混合过程很难达到完全的混合均匀，即使经过足够长的混合时间达到所谓的均匀之后，由于混合的异质性导致颗粒运动所形成的块、团聚和洞的波动始终伴随着整个混合过程，直接影响到最终搅拌的质量，这种现象被称之为“伪均匀性”，这种伪均匀性将直接影响后期的产品质量，比如制药中的片剂和胶囊以及复合材料的机械性能，特别是任何细微颗粒在搅拌过程中均会发生团聚现象，根据混合技术相关研究报道，粉体混合技术的发展越来越趋于更细小颗粒的混合，这就对目前可用的测量提出了重大的挑战，然而颗粒越小，团聚就越容易发生，大量的实验证明：特别是单一方向的搅拌（比如艾萨炉等），即便是无死角的混合，细小颗粒在分散过程中也骤然会发生团聚，这种伪均匀始终存在且无法避免。因此，如何准确地度量多相体系宏观混合的伪均匀性，将颗粒团聚体区分开来，对搅拌反应器的混合效果评价及监测控制具有重要意义。
目前，研究多相体系宏观搅拌混合效果即：混合伪均匀性的主要方法有电导率法、温差法、成分测定法、光学法、计盒维数-腐蚀法、层析成像法和混沌表征法等，其中电导率测量起来简单方便，因此得到较为广泛的应用，然而该方法的缺点是探针的安放位置、个数以及尺寸均带有主观性，这在一定程度上会影响测量混合时间的精度，而且该方法不适合于高粘流体，搅拌介质要求为去离子水，同时，电导电极对搅拌槽的流场有一定的影响。温差法受到热电偶安放位置和个数的影响，同时热电偶的插入一定程度上也对搅拌反应器的流场进行了干扰。成分测定法通过测量某一组分的浓度变化获得混合均匀性的度量，往往需要采样。为了解决这些局限性，利用数字图像处理技术以及非接触式可视化技术来研究多相混合效果成为了热点和主流。随着层析成像技术的发展，例如电子断层成像、正电子发射断层扫描和核磁共振成像等非接触式成像系统能够实时地获取非透明及透明物料搅拌混合过程的图像，使得其在流体混合效果评价方面的研究具有非常大的潜力。Susan T.L.Harrison 等研究者将先进的电阻层析成像技术等应用到多相混合效果的表征，Catharina Wille则利用原子探针断层扫描技术来计算最一般杂质的均匀性分布。国内的学者在多相混合特性方面的研究主要包括利用数值模拟方法、颗粒团离散单元法、光滑粒子动力学法、超声法、概率密度分布法、浓度方差等，这些技术和方法各有优缺点，在一定程度上促进了工业搅拌混合测试技术的发展。以上所述的研究工作主要从混合均匀性的角度去研究搅拌混合效果，而大量的多相搅拌实验结果发现在实际的搅拌混合过程中即便是搅拌充分均匀后，仍然会有块、团聚、洞的波动所导致的伪均匀性现象存在，这种“伪均匀性”特征会伴随混合过程的始终，直接影响着搅拌的混合效果。
一般而言，多相混合均匀性宏观表现为细小“块”的分散，块的分散度越高混合越均匀，而这些块的分散必定会形成“团聚”，团聚越集中混合均匀度越差，根据这一特性，本专利提出了一种通过可视化技术（电子断层成像技术、核磁共振技术）获取多相流混合图样，再进行二值化处理，通过设定像素个数作为区分团聚体的阈值。本专利对多相体系搅拌宏观混合效果的监控及评价具有现实意义，在方法有效性和实用性上比其他技术极具竞争优势。
发明内容
本发明的目的是克服了以往从混合均匀性的角度去研究搅拌混合效果的不足，提供一种表征颗粒团聚体的方法及装置，具有较高的应用价值的、简单易行，对多相体系搅拌宏观混合效果的监控及评价具有现实意义，在方法有效性和实用性上比其他技术极具竞争优势。
本发明的技术方案是采用可视化技术与计算机技术相结合的方法，获取搅拌槽内多相流混合的图样，通过设定像素个数作为区分团聚体的阈值。具体步骤包括如下：
（1）对于置于透明或半透明搅拌槽中的搅拌状态下的多相流混合体，直接拍摄获得多相流混合图样；对于置于不透明搅拌槽中的搅拌状态下的多相流混合体，采用可视化技术获取搅拌槽内的多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成多个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。
所述多相流混合体是指两种或两种以上的不同物质的流体混合在一起的流动，最终达到的混合均衡状态的混合体。多相混合过程的理想状态就是尽可能在最短的混合时间达到同质化，或者用户自己定义混合均匀的程度。
所述可视化技术是指电子断层成像技术或核磁共振技术。
所述的颗粒团聚体为搅拌过程中混合的异质性导致颗粒运动所形成的块和团聚体。
不属于颗粒团聚体的区域即为搅拌均匀的流体区域。
所述最终得到的颗粒团聚体图像中区域的多少和评价指标根据后续具体需要的工艺条件要求的搅拌混合情况来判定。
本发明表征颗粒团聚体的装置包括搅拌槽1、图像采集装置8、计算机6和控制器4，图像采集装置8采集搅拌槽1中多相流混合图样并通过图像采集卡7存储在计算机中6，计算机6连接控制器4，控制器4连接搅拌器2，搅拌器2置于搅拌槽1内。如图1所示。
所述图像采集装置8为摄像机、照相机、电子断层成像设备或核磁共振成像设备。
所述控制器4通过电动阀3控制搅拌器2的转速。
本发明装置的操作过程为：通过控制器4控制搅拌器对搅拌槽1内的混合体进行搅拌，并通过图像采集装置8对多相流混合体的搅拌状况进行实时监控，需要测定某时刻的颗粒团聚体的情况时，采用图像采集装置8采集图像，并存储在计算机6的图像采集卡7上，然后反应在计算机6的显示屏5上，经过上述发明内容的对比分析，表明颗粒团聚情况后，决定是否需要继续搅拌，通过控制器4进行控制搅拌器4。
本发明的有益效果是:
（1）解决了电导率法、温差法、成分测定法、光学法、计盒维数-腐蚀法、层析成像法和混沌表征法等的不足之处；
（2）该方法操作简单易行，能够及时、灵敏、可靠地监控搅拌槽内混合情况，区分出颗粒团聚体；
（3）该方法具有速度快、实时性较高的特点；
（4）本发明适用于所有涉及混合搅拌的领域，操作控制简单，能动态监控搅拌槽内状况，区别出颗粒团聚体，获得团聚体图像，评价混合效率。
附图说明
图1为本发明的装置的控制系统总体示意图；
图2为本发明的控制程序流程图；
图3为本发明实施方式一中获取的t1时刻的多相流混合图像经图像处理程序转化而成的灰度图像；
图4为本发明实施方式一中获取的t2时刻的多相流混合图像经图像处理程序转化而成的灰度图像；
图5为本发明统计区域值形成的曲线图；
图6为本发明实施方式一的两条曲线交点图；
图中各标号为：1-搅拌槽，2-搅拌器，3-电动阀，4-控制器，5-显示屏，6-计算机，7-图像采集卡，8-图像采集装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施方式一：如图2所示，本实施例的表征颗粒团聚体的方法为：
（1）对冶炼厂不透明搅拌槽中的搅拌状态下的多相流混合体（低碳钢和碳素钢任意比例的熔融状态下的混合物），采用电子断层成像技术获取搅拌槽内的多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵（如图3所示），再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成20个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线（如图4所示），然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域。（如图5、6、7所示），删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像，用于评价综合效果。
本实施方式表征颗粒团聚体的装置包括搅拌槽1、图像采集装置8、计算机6和控制器4，图像采集装置8采集搅拌槽1中多相流混合图样并通过图像采集卡7存储在计算机中6，计算机6连接控制器4，控制器4连接搅拌器2，搅拌器2置于搅拌槽1内。如图1所示。图像采集装置8为电子断层成像设备。控制器4通过电动阀3控制搅拌器2的转速。
实施方式二：如图2所示，本实施例的表征颗粒团聚体的方法为：
（1）对于药厂置于透明搅拌槽中的搅拌状态下的板蓝根多相流混合体（靛蓝（indigotin，indigo），靛玉红（indirubin），蒽醌类、β-谷甾醇（β-sitosterol），γ-谷甾醇（γ-sitosterol）以及多种氨基酸），直接采用照相机拍摄获得多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成15个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。
本实施方式表征颗粒团聚体的装置包括搅拌槽1、图像采集装置8、计算机6和控制器4，图像采集装置8采集搅拌槽1中多相流混合图样并通过图像采集卡7存储在计算机中6，计算机6连接控制器4，控制器4连接搅拌器2，搅拌器2置于搅拌槽1内。如图1所示。图像采集装置8为摄像机。控制器4通过电动阀3控制搅拌器2的转速。
实施方式三：如图2所示，本实施例的表征颗粒团聚体的方法为：
（1）对于肥皂厂置于半透明搅拌槽中的搅拌状态下的肥皂多相流混合体（脂肪类和碱），直接采用摄像机拍摄获得多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成10个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。
本实施方式表征颗粒团聚体的装置包括搅拌槽1、图像采集装置8、计算机6和控制器4，图像采集装置8采集搅拌槽1中多相流混合图样并通过图像采集卡7存储在计算机中6，计算机6连接控制器4，控制器4连接搅拌器2，搅拌器2置于搅拌槽1内。如图1所示。图像采集装置8为照相机。控制器4通过电动阀3控制搅拌器2的转速。
实施方式四：如图2所示，本实施例的表征颗粒团聚体的方法为：
（1）对于水泥厂置于不透明搅拌槽中的搅拌状态下的泥浆多相流混合体（水泥、砂、石、粉煤灰），采用核磁共振技术获取搅拌槽内的多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成18个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。
本实施方式表征颗粒团聚体的装置包括搅拌槽1、图像采集装置8、计算机6和控制器4，图像采集装置8采集搅拌槽1中多相流混合图样并通过图像采集卡7存储在计算机中6，计算机6连接控制器4，控制器4连接搅拌器2，搅拌器2置于搅拌槽1内。如图1所示。图像采集装置8为核磁共振成像设备。控制器4通过电动阀3控制搅拌器2的转速。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种表征颗粒团聚体的方法，其特征在于具体步骤包括如下：
（1）对于置于透明或半透明搅拌槽中的搅拌状态下的多相流混合体，直接拍摄获得多相流混合图样；对于置于不透明搅拌槽中的搅拌状态下的多相流混合体，采用可视化技术获取搅拌槽内的多相流混合图样；
（2）利用Matlab 软件将步骤（1）中获得的多相流混合图样的彩色图像先转化为灰度矩阵，再对灰度矩阵进行二值化处理，变为0-1矩阵，运用Matlab中bwlabeln(a,8)连通区域函数将矩阵按照8连通区域划分成多个区域，并计算各个区域矩阵1的个数作为区域值；
（3）将步骤（2）中计算得到的每个区域的区域值按从小到大的顺序排序，并按排序值拟合出一条曲线，然后求得所有连通区域值总和的1/2值，将曲线从1/2值处分割成两条曲线，并分别以两条曲线的中点为切点作出切线，两条切线的交点即为区分颗粒团聚体的阈值，步骤（2）中划分的连通区域中区域值大于和等于阈值的区域即为颗粒团聚体区域，小于阈值的区域即为搅拌均匀的流体区域，删掉多相流混合图样中小于阈值的区域，即可得到表征颗粒团聚体的图像。
2.根据权利要求1所述的表征颗粒团聚体的方法，其特征在于：所述多相流混合体是指两种或两种以上的不同相的流体混合在一起的流动，最终达到的混合均衡状态的混合体。
3.根据权利要求1所述的表征颗粒团聚体的方法，其特征在于：所述可视化技术是指电子断层成像技术或核磁共振技术。
4.根据权利要求1所述的表征颗粒团聚体的方法，其特征在于：所述的颗粒团聚体为搅拌过程中混合的异质性导致颗粒运动所形成的块和团聚体。
5.一种如权利要求1所述的表征颗粒团聚体的装置，其特征在于：结构包括搅拌槽（1）、图像采集装置（8）、计算机（6）和控制器（4），图像采集装置（8）采集搅拌槽（1）中多相流混合图样并通过图像采集卡（7）存储在计算机中（6），计算机（6）连接控制器（4），控制器（4）连接搅拌器（2），搅拌器（2）置于搅拌槽（1）内。
6.根据权利要求5所述的表征颗粒团聚体的装置，其特征在于：所述图像采集装置（8）为摄像机、照相机、电子断层成像设备或核磁共振成像设备。
7.根据权利要求5所述的表征颗粒团聚体的装置，其特征在于：所述控制器（4）通过电动阀（3）控制搅拌器（2）的转速。
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