CN105738648B - 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法 - Google Patents

一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105738648B
CN105738648B CN201610244969.2A CN201610244969A CN105738648B CN 105738648 B CN105738648 B CN 105738648B CN 201610244969 A CN201610244969 A CN 201610244969A CN 105738648 B CN105738648 B CN 105738648B
Authority
CN
China
Prior art keywords
particle
method described
image
telecentric lens
led light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610244969.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105738648A (zh
Inventor
杨超
李向阳
王浩亮
王冠琦
毛在砂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Jiuzhang Chemical Tech Co Ltd
Institute of Process Engineering of CAS
Original Assignee
Nanjing Jiuzhang Chemical Tech Co Ltd
Institute of Process Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Jiuzhang Chemical Tech Co Ltd, Institute of Process Engineering of CAS filed Critical Nanjing Jiuzhang Chemical Tech Co Ltd
Priority to CN201610244969.2A priority Critical patent/CN105738648B/zh
Publication of CN105738648A publication Critical patent/CN105738648A/zh
Priority to US15/368,804 priority patent/US10247750B2/en
Application granted granted Critical
Publication of CN105738648B publication Critical patent/CN105738648B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/38—Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light using photographic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1429—Signal processing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/1429—Signal processing
    • G01N15/1433—Signal processing using image recognition
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P5/20—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using particles entrained by a fluid stream
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P5/22—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/73—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the exposure time
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/70—Circuitry for compensating brightness variation in the scene
    • H04N23/74—Circuitry for compensating brightness variation in the scene by influencing the scene brightness using illuminating means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0023—Investigating dispersion of liquids
    • G01N2015/0026—Investigating dispersion of liquids in gas, e.g. fog
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0053—Investigating dispersion of solids in liquids, e.g. trouble
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N2015/1027—Determining speed or velocity of a particle
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N2015/1493—Particle size

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)

Abstract

本发明提供了一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，该方法基于一种在线多相测量仪，包括如下步骤：(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，得到两次或多次曝光的颗粒图像；(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；(3)确定有效颗粒；(3)用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将同一颗粒的质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，则颗粒瞬时运动速度为：该方法能够实现多相反应器内气泡、液滴或固体等颗粒速度分布的实时测量，并且测量的精确度高。

Description

一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法
技术领域
本发明属于物理测量技术领域，涉及一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法。
背景技术
在化学、冶金及环境等工业中常常涉及多相流动、传质、传热和反应等复杂耦合过程，其中流动过程是其他一切过程的基础，很大程度上决定了其他过程的效率。因此，多相流测速对于工业反应器设计、优化及放大具有非常重要的意义。
虽然流体测速技术已获得很大的发展，但对于多相流测速仍是巨大挑战。早期多相流动的测量主要使用毕托管和热力式风速仪。毕托管动态响应频率低，无法记录非定常湍流场内的高频脉动信息；当多相反应器内包含较高黏度的液体或细小固体颗粒时，会造成毕托管探孔堵塞，使其应用受到一定的限制。热力式风速仪分为热线风速仪和热膜风速仪，热线风速仪频响高、灵敏度高、动态范围大、探头尺寸小，但探头和传感器在含有颗粒的强旋流中易碎且高粘度液体容易黏附于探头表面从而影响测量精度。热膜风速仪较为牢固耐磨，但频响较低。
激光技术的发展推动了激光多普勒测速技术(LDV)和粒子图像测速技术(PIV)等激光测速技术的快速发展。激光多普勒测速技术(LDV)测量精度高，响应快，已在气固、气液及固液的两相流实验中得到广泛应用。但是，LDV对固相颗粒(或流体示踪粒子)的浓度有严格的要求，且仪器在测量前期需进行复杂的标定，对实验环境也有较高的要求。粒子图像测速技术(PIV)可以得到非定常流场的瞬时整场信息，但由于多相流动粒子示踪的复杂性，PIV技术通常只是被用于多相流中液相速度场测量。粒子追踪测速方法(PTV)是PIV技术中特殊的一种，通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度，能够实现较高的空间精度。但目前的PTV技术对待测流体通道、示踪剂或分散相和图像处理技术都有很高的要求。
因此，多项反应器中颗粒的速度测量方法还有待于进一步的研究。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，所述测量方法利用一种在线多相测量仪，结合多次曝光技术和图像处理方法，能够实现多相反应器内气泡、液滴或固体等颗粒速度分布的测量，并且测量准确率高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，所述测量方法为基于一种在线多相测量仪，所述多相测量仪包括：
封装管；
视窗，密封连接于封装管一端；
用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；
用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；
与信号发生器和图像传感器相连的控制器；
与图像传感器相连的信号处理与输出系统；
与信号处理与输出系统相连的显示系统；
其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期；
所述测量方法包括如下步骤：
(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，控制图像传感器的曝光时间t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像；
(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；
(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；
(4)识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，
则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一颗粒前后两次曝光的时间间隔。
步骤(4)选取的坐标原点的位置可以是任意的，优选为质心坐标均能以正数表示。
所述同一颗粒前后两次曝光的质心坐标是指所述颗粒在第一次曝光时的质心坐标和在第二次曝光时的质心坐标。
步骤(1)所述图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍，如2.8倍或2.9倍等，优选为2.8倍。
步骤(2)采用刻度尺确定单个像素的实际尺寸，所述刻度尺的精确度至少为0.1mm，如刻度尺的精确度为0.05mm或0.01mm等。具体为，根据图像所占的像素总数，计算出单位长度所占的像素个数。
优选地，步骤(4)采用颗粒匹配算法识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像。
优选地，所述颗粒匹配算法为采用粒子相关算法进行颗粒的时间匹配。
一段时间内多相体系中的颗粒速度的平均流场分布通过对包含至少4000个颗粒的颗粒图像中颗粒的瞬时运动速度在相应的时间段进行平均即可获得。
步骤(1)所述颗粒图像为多相体系中的气泡、液滴或固体颗粒中的任意一种或至少两种的组合的图像。所述测量方法可以测量液-固体系，液-气体系，液-固-气体系中颗粒的速度。
所述远心镜头的工作距离为250～550mm，如260mm、300mm、350mm、380mm、420mm、470mm或520mm等，景深为1～3.7mm，如1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm或3.5mm等。
优选地，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍，如0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍等。
优选地，所述远心镜头的外径为19～25mm，如20mm、21mm、22mm、23mm或24mm等。
所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机。
优选地，所述CCD相机或CMOS相机的曝光时间≤1ms，如0.1ms，0.5ms，1ms等，分辨率为5～15μm，如6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm或14μm等，长和宽方向像素数至少为800(H)×600(V)，如2560(H)×1920(V)、2048(H)×1536(V)、1600(H)×1200(V)、1280(H)×1024(V)或800(H)×600(V)等，帧频至少为60fps，如60fps，100fps，150fps，200fps或1000fps等。
所述LED灯的个数至少为12个，如12个、16个、20个或24个等。
优选地，所述LED灯在封装管中组成环形均匀排列。
优选地，所述LED灯与可调制光源之间通过导线连接。
所述封装管由直径不同的前段管和后段管组成。
优选地，所述前段管的外径为25～30mm，如25mm、26mm或28mm等，长度为300～600mm，如320mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm或580mm等。本领域技术人员可根据所选远心镜头的具体参数决定封装管前段管的具体尺寸。
优选地，所述后段管的外径为50mm，长度为50mm。本领域技术人员可根据所选图像传感器的尺寸决定后段封装管的具体尺寸。
优选地，所述封装管的材质为不锈钢。
优选地，所述视窗、LED灯和远心镜头封装于前段管中，所述视窗置于前段管远离后段管的一端，其后依次设置LED灯和远心镜头，所述图像传感器封装于后段管中。
优选地，所述视窗为内侧镀增透膜的圆形玻璃，以使光线透射率超过95％，视窗与封装管之间做防水机械密封。
优选地，所述信号发生器和图像传感器通过高速数据线与控制器相连。
所述显示系统为显示屏。所述显示系统用于显示从信号处理与输出系统接收到的信号。
优选地，所述信号处理与输出系统、控制器及显示系统集成为计算机。所述计算机可实现信号处理与输出系统、控制器及显示系统的功能。
所述基于远心照相的在线多相测量仪，因其独特的平行光路获得的图像几乎不畸变，具有超长物距能够伸入实际的多相反应器内对各个位置局部多相流动进行拍照测量。利用在线多相测量仪所拍摄的多帧图像耦合(或多次曝光技术获得的单张图像)，结合简单的颗粒识别图像处理方法，能够实现两相甚至三相体系中分散相颗粒速度的在线测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种多相反应器内颗粒速度的测量方法，基于在线多相测量仪，通过耦合多次曝光技术和颗粒匹配算法，能够实现多相反应器内气泡、液滴或固体等颗粒速度分布的实时测量。根据CFD模拟所得侵入性误差分析，照相探头测量所得颗粒速度结果误差<15％。
附图说明
图1是实施例1提供的浸入式在线多相测量仪的结构组成示意图。
其中：1，视窗；2，LED灯；3，不锈钢封装管；4，远心镜头；5，微型高速CMOS相机；6，可调制光源；7，导线；8，USB3.0数据传输线；9，高速图像采集卡；10，采样计算机。
图2是实施例1提供的照明闪光和CCD拍照同步的控制模式。
图3是实施例2提供的液-固体系的二次曝光图像。
图4是实施例2提供的液-固体系的二次曝光图像处理结果。
图5是实施例2提供的利用颗粒速度测量方法获得的固体颗粒速度分布图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1
一种浸入式在线多相测量仪，如图1所示。所述在线多相测量仪包括：
不锈钢封装管3；
视窗1，密封连接于不锈钢封装管3一端；
用于照明多相流的照明系统，包括LED灯2和与LED灯2相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；
用于拍照的照相系统，包括远心镜头4和图像传感器，所述图像传感器为微型高速CMOS相机5；
与信号发生器和图像传感器相连的控制器；
与图像传感器相连的信号处理与输出系统；
与信号处理与输出系统相连的显示系统；
其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于不锈钢封装管中，可调制光源、控制器、信号处理与输出系统及显示系统位于不锈钢封装管外；控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。
信号处理与输出系统、控制器及显示系统集成为采样计算机10。
具体地，不锈钢封装管3内最前端为一视窗1，视窗1为一圆形内侧镀增透膜蓝宝石玻璃；视窗1后均布20个高亮度LED灯2，20个LED灯2组成环形，并均匀分布；在LED灯2后端安装远心镜头4，远心镜头相关参数为：倍率1，物方及像方视野均为φ8mm(φ为直径)，工作距离250mm±3％，远心度<0.1°，景深2.1mm，分辨率14.3μm，光学畸变<0.12％，为清晰成像，远心镜头4的前端距离视窗1外侧表面距离为远心镜头的工作距。远心镜头4通过标准C口与微型高速CMOS相机5连接，CMOS相机参数为：分辨率1280×1024，颜色黑白，帧速150fps，接口USB3.0。视窗1、LED灯2、远心镜头4和微型高速CMOS相机5封装在不锈钢封装管3内。所述在线多相测量仪外配置一个可调制光源6，可调制光源6通过导线7与LED灯2相连。远心镜头4通过USB3.0数据传输线8与安装有高速图像采集卡9的采样计算机10相连。
为了获得清晰的图像，采用如图2所示的控制方式实现照明闪光和CMOS拍照的同步，所述控制方式为开启光源开关，通过光源驱动器设置脉冲光的强度和周期，通过计算机上的CMOS控制器设置图像拍摄的曝光时间、光平衡、帧频和增益，使照明信号的脉冲周期与图像传感器的曝光时间相匹配，以实现脉冲光和图像拍摄的同步。
实施例2
利用实施例1提供的在线多相测量仪测定液-固体系中固体颗粒速度分布：
实验是在内径T＝280mm的椭圆底有机玻璃搅拌槽中进行，搅拌转速为480rpm。静止液面高度H＝1.2T，搅拌桨为下压式六斜叶开启涡轮桨，桨直径D＝T/3，桨离底高度C＝T/3，搅拌槽四周均匀分布4块档板，挡板宽B＝T/10。所用固体颗粒为粒径大小为1mm左右的白色塑料珠，整体平均固含率(体积比)为0.01。测量点位置为r＝0.025、0.045、0.065、0.085、0.105、0.125m，z＝0.045、0.090、0.135、0.180、0.220、0.260、0.300m。
测量方法包括如下步骤：
(1)将所述在线多相测量仪置于多相流反应器中，控制图像传感器的曝光时间t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像，如图3所示；
(2)采用精确度为0.1mm的刻度尺标定出0.1mm长度所占的像素个数，从而计算出颗粒图像中单个像素的实际尺寸；
(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；
(4)采用颗粒匹配算法识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，
则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一颗粒前后两次曝光的时间间隔，通过对近4000个颗粒进行分析，获得液-固体系中固体颗粒速度场分布如图5所示。根据CFD模拟所得侵入性误差分析，照相探头测量所得颗粒速度结果误差<15％。
液滴和气泡的速度测量与固体颗粒的速度测量方法相同。
本领域的技术人员应明了，实施例1中图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍，远心镜头的工作距离为250～550mm，景深可为1～3.7mm，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍，所述远心镜头的外径为19～25mm，所述LED灯的个数至少为12个，所述前段管的外径为25～30mm，长度为300～600mm，所述后段管的外径为50mm，长度为50mm。
本领域的技术人员也应该明了，实施例2中步骤(1)所述图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍，步骤(2)所述刻度尺的精确度可为0.05mm或0.01mm等，步骤(4)所述颗粒匹配算法可为。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (25)

1.一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，其特征在于，所述测量方法为基于一种在线多相测量仪，所述在线多相测量仪包括：
封装管；
视窗，密封连接于封装管一端；
用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；
用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；
与信号发生器和图像传感器相连的控制器；
与图像传感器相连的信号处理与输出系统；
与信号处理与输出系统相连的显示系统；
其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期；
所述测量方法包括如下步骤：
(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，控制图像传感器的曝光时间t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像；
(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；
(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；
(4)识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，
则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一颗粒前后两次曝光的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.8倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)采用刻度尺确定单个像素的实际尺寸，所述刻度尺的精确度至少为0.1mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)采用颗粒匹配算法识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述颗粒匹配算法为采用粒子相关算法进行颗粒的时间匹配。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一段时间内多相体系中的颗粒速度的平均流场分布通过对包含至少4000个颗粒的颗粒图像中颗粒的瞬时运动速度在相应的时间段进行算数平均即可获得。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述颗粒图像为多相体系中的气泡、液滴或固体颗粒中的任意一种或至少两种的组合的图像。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述远心镜头的工作距离为250～550mm，景深为1～3.7mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述远心镜头的外径为19～25mm。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述CCD相机或CMOS相机的曝光时间≤1ms，分辨率为5～15μm，长和宽方向像素数至少为800×600，帧频至少为60fps。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED灯的个数至少为12个。
15.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED灯在封装管中组成环形均匀排列。
16.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述LED灯与可调制光源之间通过导线连接。
17.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封装管由直径不同的前段管和后段管组成。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述前段管的外径为25～30mm，长度为300～600mm。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述后段管的外径为50mm，长度为50mm。
20.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述封装管的材质为不锈钢。
21.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述视窗、LED灯和远心镜头封装于前段管中，所述视窗置于前段管远离后段管的一端，其后依次设置LED灯和远心镜头，所述图像传感器封装于后段管中。
22.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述视窗为内侧镀增透膜的圆形玻璃。
23.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号发生器和图像传感器通过高速数据线与控制器相连。
24.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显示系统为显示屏。
25.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述信号处理、控制器及显示系统集成为计算机。
CN201610244969.2A 2016-04-19 2016-04-19 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法 Active CN105738648B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610244969.2A CN105738648B (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法
US15/368,804 US10247750B2 (en) 2016-04-19 2016-12-05 Online measuring method of particle velocity in multiphase system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610244969.2A CN105738648B (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105738648A CN105738648A (zh) 2016-07-06
CN105738648B true CN105738648B (zh) 2018-08-10

Family

ID=56255577

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610244969.2A Active CN105738648B (zh) 2016-04-19 2016-04-19 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10247750B2 (zh)
CN (1) CN105738648B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107578831A (zh) * 2017-07-28 2018-01-12 上海交通大学 一种基于折射率补偿的横向流场可视化测量系统及方法
CN108106981A (zh) * 2017-12-18 2018-06-01 大连理工大学 一种饱和多孔介质中液体流动测量的方法
CN108917728A (zh) * 2018-05-10 2018-11-30 四川省冶地工程勘察设计有限公司 基于精密工程测量中cgcs2000坐标换算编程方法
CN109269952A (zh) * 2018-10-16 2019-01-25 东南大学 一种丝状物料在气流床矩形提升管中三维颗粒浓度信息的测量装置和方法
CN109902760B (zh) * 2019-03-18 2020-10-27 中国石油大学(北京) 一种气固鼓泡床内二维气泡识别方法
CN109990834A (zh) * 2019-03-27 2019-07-09 东南大学 高温飞行颗粒温度、速度、粒径的原位测量方法
CN111721672B (zh) * 2020-05-29 2023-02-21 浙江理工大学 基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法
CN113432829B (zh) * 2021-06-22 2023-01-31 刘雪岭 一种用于气、固、液多相云雾燃爆湍流场piv测量集成系统
CN113721038A (zh) * 2021-08-24 2021-11-30 北京大学 对象处理方法、装置及计算机可读存储介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101509931A (zh) * 2009-03-16 2009-08-19 浙江大学 在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法和装置
CN102313684A (zh) * 2010-07-08 2012-01-11 中国科学院过程工程研究所 气固两相流流场实时测量系统及方法
CN102798512A (zh) * 2012-06-25 2012-11-28 上海理工大学 一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6879708B2 (en) * 2001-05-24 2005-04-12 Case Western Reserve University Planar particle/droplet size measurement technique using digital particle image velocimetry image data
JP2005140528A (ja) * 2003-11-04 2005-06-02 Toshiba Corp 流体計測装置
US20060116531A1 (en) * 2004-11-29 2006-06-01 Wonders Alan G Modeling of liquid-phase oxidation
US9234852B2 (en) * 2005-07-29 2016-01-12 Mitutoyo Corporation Systems and methods for controlling strobe illumination
FI122997B (fi) * 2011-09-06 2012-09-28 Janesko Oy Menetelmä ja sovitelma optisesti epähomogeenisen aineen virtausnopeuden mittaamiseksi

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101509931A (zh) * 2009-03-16 2009-08-19 浙江大学 在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法和装置
CN102313684A (zh) * 2010-07-08 2012-01-11 中国科学院过程工程研究所 气固两相流流场实时测量系统及方法
CN102798512A (zh) * 2012-06-25 2012-11-28 上海理工大学 一种采用单镜头的三维流场图像测量装置及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"基于单帧单曝光图像法的多相流速度场和粒度分布测量研究";张晶晶;《中国优秀硕士学位论文信息科技辑》;20130615(第6期);全文 *
"风沙两相流中沙粒起动规律的实验研究";程旭;《中国优秀硕士学位论文基础科学辑》;20040615(第2期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN105738648A (zh) 2016-07-06
US10247750B2 (en) 2019-04-02
US20170299620A1 (en) 2017-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105738648B (zh) 一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法
CN105928847B (zh) 一种多相体系中颗粒浓度和粒径的在线测量方法
CN102494869B (zh) 稠密两相流颗粒速度和浓度空间分布的测量装置
CN108760234B (zh) 一种基于piv和ptv技术的流体流动与固体运动信息同步测试方法和装置
CN104164537B (zh) 一种炼钢过程中真空精炼物理模拟试验方法及装置
CN105928841B (zh) 一种浸入式在线多相测量仪及测量方法
Hyun et al. Assessment of PIV to measure mean velocity and turbulence in open-channel flow
CN106370885A (zh) 一种基于piv技术测量旋转盘反应器流场的装置及方法
US20130057675A1 (en) Method and arrangement for measuring flow rate of optically non-homogeneous material
CN108375401A (zh) 一种用于两相流空泡份额测量的实验平台
CN110487705A (zh) 一种微囊藻的计数方法、系统及装置
Fuleki et al. Technique for Ice Crystal Particle Size Measurements and Results for the National Research Council of Canada Altitude Ice Crystal Test System
Sobczyk Experimental study of the flow field disturbance in the vicinity of single sensor hot-wire anemometer
Bopp Air-flow and stress partitioning over wind waves in a linear wind-wave facility
Kegerise et al. Schlieren image-correlation velocimetry and its application to free-convection flows
SAADEVANDI et al. Particle velocity and voidage profiles in a draft tube equipped spouted-fluidized bed coating device
CN213336712U (zh) 基于双色脉冲激光扫描的气流可视化系统
CN114994355A (zh) 一种基于非激光光源的气液两相流流场测量方法和系统
Gurka et al. Detecting coherent patterns in a flume by using PIV and IR imaging techniques
JPS6290543A (ja) 風速計較正装置
CN108548762A (zh) 一种测量燃煤电厂超低排放颗粒物质量浓度的装置及方法
JP2008261740A (ja) 粒子計測装置
Frota Analysis of the uncertainties in velocity measurements and technique for turbulence measurements in complex heated flows with multiple hot wires
US3528742A (en) Optical anemometer
Eguti et al. A Laboratory Class for Introducing Hot-wire Anemometry in Mechanical Engineering Course

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant