CN106908353A - 基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪及测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪及测定方法，其特征在于，该测定仪包括底座、料盘、垂直支架、机械臂导轨、动力装置、机械臂夹持装置、容器、拍摄装置和控制装置；底座顶部开设有凹槽，凹槽内固定设置有用于承载释放后水煤浆的料盘，底座顶部一侧固定设置垂直支架，垂直支架上滑动设置机械臂导轨，机械臂导轨固定连接动力装置的输出端，机械臂夹持装置的一端固定连接机械臂导轨，机械臂夹持装置的另一端夹持固定用于容纳水煤浆的容器，垂直支架上还固定连接拍摄装置，拍摄装置电连接固定设置在垂直支架上的控制装置。本发明可以广泛应用于水煤浆流动性的定量或定性测定过程中。

Description

基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪及测定方法

技术领域

本发明涉及一种水煤浆流动性测定仪及测定方法，特别是关于一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪及测定方法，属于水煤浆技术领域。

背景技术

水煤浆是由煤、水和添加剂组成的煤基流体燃料和气化原料，可用于工业锅炉、窑炉和电站锅炉的燃烧发电或供气，亦可用于煤气化生产合成氨、甲醇、烯烃、油品和天然气等化工产品。据不完全统计，截止到2015年底，我国燃料水煤浆用量已达3000万吨/年，气化水煤浆用量已突破1亿吨/年。水煤浆的流变特性是水煤浆制备、输送、雾化和燃烧、气化的基本特性，是影响实际生产的重要指标，其受煤粒间的相互作用，煤粒和水、化学添加剂的作用以及高浓度下煤粒形成的网络结构等因素的影响，不同煤质、不同浓度、不同添加剂及不同粒度级配的浆体表现出的流变性有着巨大的差异。水煤浆的流动性是其流变特性的一种重要表现形式，也是衡量水煤浆质量的重要指标之一，对水煤浆的传输、存储与雾化起着关键作用，它决定着泵送功率、管道流动的压力损失、雾化的质量，因此对工程应用极其重要。

目前大多数水煤浆生产企业习惯于用表观粘度的大小来说明浆体流动性的好坏，而表观粘度的测量方法是直接从常规牛顿流体的测量方法中引用的，该方法对于流态较好、粒度较细、整体较均匀的燃料水煤浆有一定的适用性，但是用于流态较差、粒度较粗的气化水煤浆测定时，测定结果偏差较大，不仅无法反映气化水煤浆的真实粘度值或流动性，而且还常常出现煤浆粘度高流动性反而好的情况。因此，表观粘度的测量方法不具有实际指导意义。现有技术中也有一些研究单位及企业意识到了这种情况，改为人工手动判断浆体流态，根据物料自然流下时的间断状态，把其流动性分为B、B+、C等几个等级，这种方法虽然适合水煤浆流动性的判断，但是存在着较大的人工操作误差，判断的结果受操作人员的操作手法、试验经验及主观意识的影响较大，在应用过程中很容易引起争议，并且当浆体流态仅有细微差别时，不能从数值量化的角度来加以区分。对于水煤浆流动性的测定，要求操作简便易行、去除人为因素干扰、能够进行数值量化以便于区分、对于实际生产及应用具有指导意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够进行数值量化以便于区分的基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪及测定方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，该测定仪包括底座、料盘、垂直支架、机械臂导轨、动力装置、机械臂夹持装置、容器、拍摄装置和控制装置；所述底座顶部开设有凹槽，所述凹槽内固定设置有用于承载释放后水煤浆的所述料盘，所述底座顶部一侧固定设置所述垂直支架，所述垂直支架上滑动设置所述机械臂导轨，所述机械臂导轨固定连接所述动力装置的输出端，所述机械臂夹持装置的一端固定连接所述机械臂导轨，所述机械臂夹持装置的另一端夹持固定用于容纳水煤浆的所述容器，所述垂直支架上还固定连接所述拍摄装置，所述拍摄装置电连接固定设置在所述垂直支架上的所述控制装置。

进一步地，所述底座底部固定设置调平螺母。

进一步地，所述垂直支架上还固定连接一测温传感器，所述测温传感器电连接所述控制装置。

进一步地，测试前，所述料盘内放置有用于对所述水煤浆流动性测定仪进行校准的标准板，所述标准板是由对比度较强的带有容易辨识的已知尺寸和面积的标准图形构成。

进一步地，所述标准板采用边长为400mm的正方形，所述标准板是由黑白相间的边长均为80mm的正方形组成；或者所述标准板采用边长为200mm的正方形，所述标准板是由黑白相间的等腰三角形组成，所述等腰三角形的两腰为50mm。

进一步地，所述料盘采用浅色光滑金属板或钢化玻璃板。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，其特征在于包括如下步骤：1)测试前，通过标准板对固定高度、固定倾斜度的拍摄装置在该标准板平面上的成像数据进行修正，获得修正系数曲面z＝G(x，y)，修正完成后，取走标定板；2)将待测水煤浆物料装填到固定容积的容器内，使待测水煤浆物料充满容器；3)利用机械臂导轨带动机械臂夹持装置使容器匀速提升，待测水煤浆物料被自然释放逐渐在料盘上摊开；4)容器被提升一定时间后，拍摄装置开始对料盘进行连续拍照，测温传感器检测物料温度，并根据步骤1)中得到的修正系数曲面z＝G(x，y)对实际测量目标的成像进行有效像素的逐一修正，根据计算出各时刻拍摄对象的真实面积值，即水煤浆物料在某个温度下所对应的瞬时摊开面积；5)根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定性和/或定量分析。

进一步地，所述步骤1)标定板的修正过程为：1.1)拍摄装置对标准板上的标准图形进行拍照成像，辨识出这些标准图形的面积，通过现有的边缘检测、图像分割和相位计算算法，获得整块标准板区域内任意长度、任意宽度或任意两点间距离的像素标准尺寸，得到各图形的像素标准面积；1.2)将辨识出的面积和标准板的标准图形的已知面积比较，折算出相应的修正系数，将折算出的修正系数与各标准图形的质心相关联，修正系数代表每一个图形质心位置上像素标准面积和图形实际面积的偏差，得到与标准图形数个数相等的修正系数G_i，j，根据标准板上m排n列的标准图形，获得具有m×n个修正系数的阵列G；1.3)将修正系数的阵列G进行插值拟合，拟合出修正系数曲面z＝G(x，y)。

进一步地，所述根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定性分析采用以下评价方法中的一种：A)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开图形的最大直径与最小直径的平均值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好；B)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开面积值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好；C)将某一时间段内物料摊开面积随时间的变化率作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好。

进一步地，所述根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定量分析的具体过程为：根据某一时间点的待测水煤浆物料摊开面积，获得待测水煤浆物料的流动指标，并根据预先设定的待测水煤浆物料的流动指标划分流动性等级进行定量评价。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过拍摄装置对待测水煤浆物料的瞬时摊开面积进行检测，直接考察水煤浆物料宏观的流动能力，简便直观，避免了由于水煤浆物料非牛顿流体特征明显或粒度偏粗不均匀而引起的测定不准确，具有更高的准确性和指导性。2、本发明将原有的人工判断方法改为仪器自动化检测，排除了人为因素影响，具有更好的可靠性和重复性。3、本发明可以对待测水煤浆物料进行定量或定性分析，定量分析过程直接测定的结果为数值量化指标，相比于原有的人为只判断性质的方法具有更高的区分度及对比度。本发明可以广泛应用于水煤浆流动性的定量或定性测定过程中。

附图说明

图1为本发明水煤浆流动性测定仪的结构示意图；

图2为本发明的其中一标准板的结构示意图；

图3为本发明的另一标准板的结构示意图；

图4是本发明的水煤浆流动性测定方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1所示，本发明提供的基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，包括底座1、料盘2、垂直支架3、机械臂导轨、动力装置、机械臂夹持装置4、容器5、测温传感器、拍摄装置6、调平螺母7和控制装置8。

底座1顶部开设有凹槽，凹槽内固定设置有用于承载释放后水煤浆的料盘2，底座1的底部固定设置有调平螺母7，底座1顶部一侧固定设置垂直支架3，垂直支架3上滑动设置有机械臂导轨，机械臂导轨固定连接动力装置的输出端，通过动力装置驱动机械臂导轨沿着垂直支架3上下运动，机械臂夹持装置4的一端固定连接机械臂导轨，机械臂夹持装置4的另一端夹持固定用于容纳水煤浆的容器5，机械臂夹持装置4可以携带容器5在垂直支架3上下运动，垂直支架3上部还固定连接拍摄装置6与测温传感器，拍摄装置6镜头斜向下用于对料盘2内的水煤浆物料进行图像拍摄，测温传感器用于对水煤浆的温度进行采集，拍摄装置6和测温传感器均电连接固定设置在垂直支架3顶部的控制装置8，控制装置8用于对实验过程进行控制以及进行数据采集和处理，例如实验开始、停止操作及数据采集、曲线显示或数据编辑、整理、拷贝等数据处理。

在一个优选的实施例中，测试前，料盘2内可以放置标准板对水煤浆流动性测定仪进行校准。标准板为对比度较强的带有容易辨识的已知尺寸和面积的标准图形构成，例如如图2所示的标准板采用边长为400mm的正方形，标准板是由黑白相间的边长均为80mm的正方形组成，或者例如图3所示的标准板采用边长为200mm的正方形，标准板是由黑白相间的等腰三角形组成，等腰三角形的两腰为50mm，以此为例，但是不限于此，可以根据实际需要进行设置。

在一个优选的实施例中，容器5可以采用上下不封口的圆柱体或圆台体。

在一个优选的实施例中，动力装置可以采用直线步进电机，直线步进电机提供动力使机械臂导轨沿垂直支架做上下匀速运动。

在一个优选的实施例中，机械臂导轨可以采用滚轮导轨或滚珠导轨。

在一个优选的实施例中，料盘2可以采用浅色光滑金属板或钢化玻璃板。底座1的凹槽底部可以嵌设固定有用于固定料盘2的磁铁9或其他固定装置，根据料盘材料进行确定，在此不做限定。

在一个优选的实施例中，测温传感器可以采用红外感应温度传感器。

在一个优选的实施例中，控制装置8可以采用带有触摸屏的控制装置，例如平板电脑或手机等。

本发明可以对容器5内的水煤浆物料进行自然释放，被释放后的水煤浆物料在料盘2上于某一时间摊开的图像参数作为其流动性的量化指标。

如图4所示，本发明的基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，包括如下步骤：

1、测试前，通过标准板对固定高度、固定倾斜度的拍摄装置6在该标准板平面上的成像数据进行修正，具体修正过程为：

1)拍摄装置6对标准板上的标准图形进行拍照成像，辨识出这些标准图形的面积，可以通过现有的边缘检测、图像分割和相位计算等算法，获得整块标准板区域内任意长度、任意宽度或任意两点间距离的像素标准尺寸，得到各图形的像素标准面积。

2)将上述辨识出的面积和标准板的标准图形的已知面积比较，折算出相应的修正系数，将这些修正系数与各标准图形的质心相关联，每一个修正系数对应一个标准图形的质心，修正系数代表每一个图形质心位置上像素标准面积和图形实际面积的偏差，得到与标准图形数个数相等的修正系数G_i，j，根据标准板上m排n列的标准图形(m×n个标准图形)，可获得具有m×n个修正系数的阵列G。

3)将阵列G进行插值拟合，拟合出修正系数曲面z＝G(x，y)，此曲面即为后续测量实际面积时的修正曲面，曲面拟合方法为现有技术，在此不作赘述。

2、将待测水煤浆物料装填到固定容积的容器5内，使待测水煤浆物料充满容器5，其中，待测水煤浆物料可以为质量百分浓度为50％～70％的水煤浆，且满足在不搅拌的条件下60s内不发生煤水分离，即具有一定的稳定性。

3、利用机械臂导轨带动机械臂夹持装置4使容器5匀速提升，待测水煤浆物料被自然释放，逐渐在料盘2上摊开。

4、容器5被提升一定时间后，拍摄装置6开始连续拍照，测温传感器检测物料温度，并根据步骤1中得到的修正曲面z＝G(x，y)对实际测量目标的成像进行有效像素的逐一修正，根据计算出各时刻拍摄对象的真实面积值，即水煤浆物料在某个温度下所对应的瞬时摊开面积。

5、根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定性评价，评价过程可以采用下面三种评价方法的一种：

A)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开图形的最大直径与最小直径的平均值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好。

B)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开面积值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好；

C)将某一时间段内物料摊开面积随时间的变化率作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好。

6、整个测定过程完成后，根据某一时间点的待测水煤浆物料摊开情况，可以采用物料摊开的最大直径与最小直径平均值、摊开面积值或者面积随时间的变化率进行评价，获得待测水煤浆物料的流动指标，并根据划分流动性等级对待测水煤浆物料的流动指标进行定性评价，具体划分流动性等级设定可以根据实际需要进行确定，在此不做限定，本发明实施例的划分流动性等级依次为：水煤浆物料所对应的瞬时摊开面积≥310cm²的流态为A，水煤浆物料所对应的瞬时摊开面积小于40cm²的流态为C，流态为B到B-的范围为：310cm²＞B+≥220cm²＞B≥110cm²＞B-≥40cm²，例如：待测水煤浆物料的摊开面积为249cm²，流动性属于B+范围，待测水煤浆物料摊开面积为135cm²，流动度属于B范围。

下面通过具体实施例详细说明本发明基于数字图像的水煤浆流动性测定方法。

实施例1：

本实施例采用的原料煤为神混1#煤(以下简称“神华煤”)，其全水M_t＝16％，收到基灰分A_ar＝9％，收到基挥发分V_ar＝23％。本实施例所测定的水煤浆为采用神华煤制得的燃料水煤浆，其中粒径≤0.5mm的煤粉占95％，粒径≤0.075mm的煤粉占66％，煤浆浓度为63％。

本实施例测定上述水煤浆流动性的具体过程为：

1)如图2所示，测试前，将标准板放在料盘2上，控制装置8获取拍摄装置6摄取的标准板图像数据，进而进行参数校准操作，得到修正系数曲面z＝G(x，y)，修正完成后，将标准板取走；

2)将浓度63％的燃料水煤浆装入圆台体容器5内，使待测水煤浆物料充满容器5；

3)控制装置8执行测定操作，开始测定其流动性，机械臂夹持装置4逐渐提升容器5，拍摄装置6开始拍照，并根据步骤1)中得到的修正系数曲面z＝G(x，y)进行修正，得到如表1所示的一系列瞬时值：

表1

时间/s	5	10	15	20	25	30	35	40
									平均直径/mm	94	128	165	171	176	176	176	176

4)将第30s的瞬时平均直径作为流动性指标，得到该水煤浆的流动度为176mm，流动性属于B+范围。

实施例2：

本实施例采用的原料煤为准格尔煤田阳塔煤，其分析水M_ad＝5.7％，空干基灰分A_ad＝7.1％，空干基挥发分V_ad＝31.4％。本实施例所测定的水煤浆为用阳塔煤制得的气化水煤浆，其中粒径≤1.43mm的煤粉占99％，粒径≤0.075mm的煤粉占41％，煤浆浓度为62％。

本实施例测定上述水煤浆流动性的具体过程如下：

1)如图3所示，测试前，将标准板放在料盘2上，控制装置获取拍摄装置摄取的标准板图像数据，进而进行参数校准操作，得到修正系数曲面z＝G(x，y)，修正完成后将标准板取走；

2)将浓度62％的气化水煤浆装入圆柱体容器5内，使待测水煤浆物料充满容器5；

3)控制装置8执行测定操作，开始测定其流动性，机械臂夹持装置4逐渐提升容器5，拍摄装置6开始拍照，并根据步骤1)中得到的修正系数曲面z＝G(x，y)进行修正，得到表2所示的一系列物料摊开面积的瞬时值：

表2

时间/s	5	10	15	20	25	30	35	40
										74	95	113	127	133	135	135	135

4)将第40s的瞬时摊开面积值作为流动性指标，得到该水煤浆的流动度为135cm²，流动度属于B范围。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，该测定仪包括底座、料盘、垂直支架、机械臂导轨、动力装置、机械臂夹持装置、容器、拍摄装置和控制装置；

所述底座顶部开设有凹槽，所述凹槽内固定设置有用于承载释放后水煤浆的所述料盘，所述底座顶部一侧固定设置所述垂直支架，所述垂直支架上滑动设置所述机械臂导轨，所述机械臂导轨固定连接所述动力装置的输出端，所述机械臂夹持装置的一端固定连接所述机械臂导轨，所述机械臂夹持装置的另一端夹持固定用于容纳水煤浆的所述容器，所述垂直支架上还固定连接所述拍摄装置，所述拍摄装置电连接固定设置在所述垂直支架上的所述控制装置。

2.如权利要求1所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，所述底座底部固定设置调平螺母。

3.如权利要求1所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，所述垂直支架上还固定连接一测温传感器，所述测温传感器电连接所述控制装置。

4.如权利要求1所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，测试前，所述料盘内放置有用于对所述水煤浆流动性测定仪进行校准的标准板，所述标准板是由对比度较强的带有容易辨识的已知尺寸和面积的标准图形构成。

5.如权利要求4所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，所述标准板采用边长为400mm的正方形，所述标准板是由黑白相间的边长均为80mm的正方形组成；

或者所述标准板采用边长为200mm的正方形，所述标准板是由黑白相间的等腰三角形组成，所述等腰三角形的两腰为50mm。

6.如权利要求1到5任一项所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定仪，其特征在于，所述料盘采用浅色光滑金属板或钢化玻璃板。

7.一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，其特征在于包括如下步骤：

1)测试前，通过标准板对固定高度、固定倾斜度的拍摄装置在该标准板平面上的成像数据进行修正，获得修正系数曲面z＝G(x，y)，修正完成后，取走标定板；

2)将待测水煤浆物料装填到固定容积的容器内，使待测水煤浆物料充满容器；

3)利用机械臂导轨带动机械臂夹持装置使容器匀速提升，待测水煤浆物料被自然释放逐渐在料盘上摊开；

4)容器被提升一定时间后，拍摄装置开始对料盘进行连续拍照，测温传感器检测物料温度，并根据步骤1)中得到的修正系数曲面z＝G(x，y)对实际测量目标的成像进行有效像素的逐一修正，根据计算出各时刻拍摄对象的真实面积值，即水煤浆物料在某个温度下所对应的瞬时摊开面积；

5)根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定性和/或定量分析。

8.如权利要求7所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，其特征在于，所述步骤1)标定板的修正过程为：

1.1)拍摄装置对标准板上的标准图形进行拍照成像，辨识出这些标准图形的面积，通过现有的边缘检测、图像分割和相位计算算法，获得整块标准板区域内任意长度、任意宽度或任意两点间距离的像素标准尺寸，得到各图形的像素标准面积；

1.2)将辨识出的面积和标准板的标准图形与已知面积比较，折算出相应的修正系数，将折算出的修正系数与各标准图形的质心相关联，修正系数代表每一个图形质心位置上像素标准面积和图形实际面积的偏差，得到与标准图形数个数相等的修正系数G_i，j，根据标准板上m排n列的标准图形，获得具有m×n个修正系数的阵列G；

1.3)将修正系数的阵列G进行插值拟合，拟合出修正系数曲面z＝G(x，y)。

9.如权利要求7所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，其特征在于，所述根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定性分析采用以下评价方法中的一种：

A)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开图形的最大直径与最小直径的平均值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好；

B)将固定时间点的待测水煤浆物料实际摊开面积值作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好；

C)将某一时间段内物料摊开面积随时间的变化率作为流动性指标，该值越大，表明所测物料流动性越好。

10.如权利要求7所述的一种基于数字图像技术的水煤浆流动性测定方法，其特征在于，所述根据待测水煤浆物料的瞬时摊开面积对水煤浆的流动性进行定量分析的具体过程为：根据某一时间点的待测水煤浆物料摊开面积，获得待测水煤浆物料的流动指标，并根据预先设定的待测水煤浆物料的流动指标划分流动性等级进行定量评价。