CN105928841B - 一种浸入式在线多相测量仪及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种浸入式在线多相测量仪及测量方法，所述测量仪包括：封装管；视窗；LED灯和可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；远心镜头和图像传感器；控制器；信号处理与输出系统；显示系统；LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。该测量仪所使用照相探头体积小、可移动、不易受流体温度以及周围环境影响，可用于两相、三相甚至三相以上、透明及不透明体系的实时在线、定量测量；能捕捉到多相反应器内局部流体流动的高对比度图像，利用相应的测量方法和专业的图像处理软件即可得到高速流动的多相流中气泡、液滴或固体颗粒等的浓度、粒度和速度分布。
Description
技术领域
本发明属于物理测量装置，涉及一种浸入式在线多相测量仪及测量方法。
背景技术
在工业化工反应器内，往往存在复杂的不同相态的流动、混合、分散、传递和反应。气泡、液滴或固体颗粒的粒度和浓度分布等参数是反应器内部特性信息最直接、最有效的反映，是多相反应器分析、选型及设计放大的关键参数。
目前对多相流中气泡和固体颗粒分布的测定最常用的手段是基于光反射的光纤探针法和基于电导的电导(电容)探针法，这两种方法在气液和液固两相的研究中获得了很多成功应用。例如，多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统(CN 1865966A)和基于双头电容探针的两相流参数测量方法和装置(CN 101413911A)。但是，这两种方法也存在一些局限性：电导类探针要求多相流中被测相为导电介质；针式光纤探针光纤非常容易断丝损毁；当存在多个分散相时采样信号会相互干扰，影响测量结果。此外，测定多相流中气泡和固体颗粒分布的方法还有超声波断层成像、伽马射线断层成像和电子断层成像技术等，它们最大的优势是非侵入性，但价格昂贵且时空解析率仍需提高。
光学拍照是一种最直观的测量方法，分为非侵入式和侵入式照相两种。非侵入式照相的突出优点是不干扰流场，其缺点在于要求被测管道透明或者安装有视窗，同时被测气泡或颗粒浓度要求较稀。侵入式照相中比较典型的光纤内窥镜，可以直接伸入反应器内进行在线测量，但是其缺点是受限于光纤直径分辨率低，前端的广角物镜也会造成较大的图像畸变。
远心镜头的突出优点在于通过一组光学镜片形成平行光照射，图像几乎不发生畸变(普通镜头畸变系数通常大于1～2％，远心镜头小于0.1％)。CN 203405417U公开了一种管道内气液两相流的图像法测量装置，采用光源通过透明管道或视窗照明待测液滴，采用激光光源照明液膜液面，采用远心镜头和CCD或CMOS图像传感器对待测区域内的液滴或液膜进行成像；将单个液滴图像的离焦模糊半径与测量系统的容许弥散圆大小进行比较以剔除镜头景深范围外液滴的成像；处理景深范围内运动液滴的图像以提取粒径大小、速度大小和方向，通过对大量液滴进行统计，获得待测区域内液滴粒径分布、速度分布、统计时间段内平均体积浓度和平均体积流量；通过液膜图像中液面与管壁的距离确定液膜厚度。所述装置以非侵入方式对待测区域的液滴或液膜进行成像，虽解决了图像畸变的问题，但也存在前述非侵入式照相的各种缺点。
侵入式远心照相或可解决以上技术中存在的种种缺点，但要实现侵入式远心照相仍需要解决：(1)探头需要达到一定长度，以使其能伸入到多相反应器内各个位置进行测量；(2)多相反应器内的流体介质将会使光照强度指数衰减，需要充足的光照以保证照相时足够的曝光量；(3)多相反应器内流体在高速的流动，需要解决高速运动物体捕捉。此外，探头尺寸还应尽可能的小以减小对流场的干扰。
发明内容
本发明的目的在于提供一种浸入式在线多相测量仪及测量方法，所述在线多相测量仪能捕捉到多相反应器内局部流体流动的清晰图像，利用专业的图像处理软件即可得到高速流动的多相流中颗粒浓度和粒度分布，实现多相反应器的实时、在线测量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种浸入式在线多相测量仪，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。
LED灯的亮度、颜色和脉冲周期通过所述可调制光源中选择电源、调节信号发生器和示波器示波进行控制。所述图像传感器和可调制光源通过调节匹配光源脉冲周期和图像传感器曝光周期实现脉冲照明和照相同步。最适宜的LED灯亮度、颜色和脉冲周期可根据多次拍照得到的图像的清晰度进行相应调整，直至图像清晰度最高，符合要求即可。
所述浸入式在线多相测量仪用于测量多相反应器中流体的状态，不易受流体温度以及周围环境影响，适用的浓度范围广，可以实时在线、定量直观对多相反应器内颗粒特性进行准确测量。
为了测量时多相测量仪能深入到多相反应器的各个位置，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。
为了尽可能小的干扰流场，可适当放弃镜头的放大倍率。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灯位于封装管中，所述可调制光源位于封装管外。通过可调制光源能够调制不同多相体系照相所需要的不同波长的脉冲光。为了照明更均匀，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。在保证亮度的前提下环形LED灯的内径应尽可能小。
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。
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(CCD或CMOS相机)封装于后段管中。
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。
所述图像传感器与控制器通过高速数据线连接，实现图像的高速传输。
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。
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。
本发明还提供了利用如上所述的在线多相测量仪测量多相流状态的方法，所述方法为：将所述浸入式在线多相测量仪置于多相流反应器中，照明系统和照相系统同步进行拍照，获得多相流反应器中流体的图像信息，之后，利用图像分析软件分析图像信息，得到浸入式在线多相测量仪前端面所在位置处多相流的状态信息。
所述浸入式在线多相测量仪前端面是指封装管的前端面。所述前端面是指远心镜头靠近的端面。
所述图像分析软件为Image-Pro Plus软件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的侵入式在线多相测量仪用于多相反应器中，具有体积小、可移动、不易受流体温度(100℃以下，受限于远心镜头和图像传感器材料及密封胶)以及周围电场、磁场等环境影响，理论上可适用浓度上限约为60％的两相体系中固体、液滴或气泡的测量(取决于颗粒尺寸和光路长度)，对具有两种甚至更多种不同分散颗粒的多相流也可适用，也适用于体积较大、不透明的反应器，可以通过连续拍照实时在线、定量直观对多相反应器内稳态和非稳态过程中颗粒特性(浓度、粒径及速度)进行测量。
附图说明
图1是本实施例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。
图6是采用在线多相测量仪得到的气-液-固体系中颗粒的图像，其中，(a)是测量点瞬时图像；(b)固体颗粒粒度测量结果；(c)气泡粒度测量结果。
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(图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期)，以实现脉冲光和图像拍摄的同步。
实施例2：利用实施例1提供的浸入式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的多相体系中，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，如图3所示；
(2)采用精确度为0.1mm的刻度尺标定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；
(3)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％。
实施例3：利用实施例1所述的浸入式在线多相测量仪测量气-液-固三相搅拌槽内固体颗粒以及气泡的粒径分布
实验在搅拌槽中进行，所用固体颗粒为粒径大小在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＝0.07m，z＝0.055m。通过环形气体分布器进气，通气量为800L/h。搅拌转速480rpm。
所述测量方法包括如下步骤：
(1)将在线多相测量仪置于所述气-液-固体系中，得到图像，如图6-(a)所示；
(2)确定有效颗粒：
首先，确定焦平面位置：将一个精确度至少为0.1mm的刻度尺置于与所测多相体系相同的介质中，采用在线多相测量仪对其拍照，调整刻度尺到封装管前端的距离，观察照片中刻度尺的清晰程度，刻度尺最清晰的位置为焦平面位置；
之后，将被测物置于封装管前方、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，识别读取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，将颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；
(3)将一个精确度至少为0.1mm的刻度尺置于在线多相测量仪前方，采用图像传感器控制软件拍摄图像，通过图像处理软件拾取刻度尺上10mm距离所对应的像素个数N10，从而确定单个像素的实际长度，计算有效颗粒所占的像素个数，所述有效颗粒的粒径为di＝10*ni/N10(其中，*表示相乘的意思)，其中，di为有效颗粒粒径，单位为mm；ni为图像中所测有效颗粒所占的像素个数；N10为刻度尺上10mm长度对应的像素个数；
根据计算得到有效颗粒的浓度，其中，S为图像传感器感光部件的有效面积，单位为mm2；l为远心镜头的景深，单位为mm，di为有效颗粒粒径，单位为mm。
通过对图像进行处理，得到了测量点处的固体颗粒和气泡尺寸分布，结果如图6-(b)和6-(c)所示，固体颗粒的粒径集中在0.9-1.1mm，气泡的粒径集中在0.5-2.8mm。计算得到该点处气含率和固含率分别为0.016和0.0115。
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 (20)
1.一种浸入式在线多相测量仪，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，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。
3.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍。
4.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述远心镜头的外径为19～25mm。
5.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机。
6.根据权利要求5所述的在线多相测量仪，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。
7.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述LED灯的个数至少为12个。
8.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述LED灯在封装管中组成环形均匀排列。
9.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述LED灯与可调制光源之间通过导线连接。
10.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，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。
11.根据权利要求10所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述前段管的外径为25～30mm，长度为300～600mm。
12.根据权利要求10所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述后段管的外径为50mm，长度为50mm。
13.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述封装管的材质为不锈钢。
14.根据权利要求10所述的在线多相测量仪，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。
15.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述视窗为内侧镀增透膜的圆形玻璃。
16.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，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。
17.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述显示系统为显示屏。
18.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，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。
19.利用权利要求1-18之一所述的浸入式在线多相测量仪测量多相流状态的方法，其特征在于，所述方法为：将所述浸入式在线多相测量仪置于多相流反应器中，照明系统的照明和照相系统的拍照同步，获得多相流反应器中流体的图像信息，之后，利用图像分析软件分析图像信息，得到浸入式在线多相测量仪前端面所在位置处多相流的状态信息。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述图像分析软件为Image-Pro Plus软件。
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