CN107044926A - 实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统 - Google Patents
实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种新型快门式颗粒粒径在线监测工艺的设计方案，此工艺流程可被用于气固两相流中颗粒粒径大小的在线监测。该工艺包括一套颗粒取样装置用于捕集运动的颗粒，捕捉后的样品经工业相机拍摄后传输到处理系统进行分析，从而得出粒径大小分布的结果。该系统结构紧凑，实地可操作性强，通过使颗粒由动到静、由空间到平面的转换，可以使粒径的测量具有更高的准确性和可操作性，通过取样装置插入管道的深度可以测量管道内不同截面颗粒的粒径。
Description
技术领域
本申请涉及气固两相流中对固体颗粒粒径在线监测的系统，尤其是涉及实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统。
背景技术
气力输送是一种利用气流在管道中输送颗粒状固体的适用方法，目前在工业生产中得到了广泛的应用，典型的案例如电厂一次风管道中煤粉的输送。煤粉粒径的在线监测对于评估锅炉经济燃烧、均衡燃烧以及安全燃烧具有重要意义，尤其是对于直吹式制粉系统，煤粉粒径过大会造成锅炉未完全燃烧损失增大，锅炉效率降低；而煤粉粒径过小，则会使制粉系统的能耗增加，金属耗损量增大，而且影响制粉系统的出力。目前较为常用的测量方法需要进行离线分析，无法满足对管道内颗粒流进行在线测量的要求。
近年来，基于颗粒在线测量的技术也取得了一些进展。专利CN101509931A公开了一种基于成像理论在线测量气固两相流颗粒二维速度场和粒径分布的方法和装置，其利用变焦镜头CCD相机选取合适的曝光时间使图像中运动的颗粒轨迹合理化，通过对识别后的图像进行一系列的处理得到颗粒粒径大小和速度。但测试过程中由于颗粒运动并不一定平行于聚焦面，处理结果会引起比较大的偏差；另外管道内聚焦面前后颗粒的轨迹、以及颗粒本身形状的不规则性也会对后期数据处理引入一定量的误差。专利CN104487818A也公开了一种基于成像法的光学流体监测系统，但其适用于管道内颗粒浓度偏低的情况，一旦浓度较大时，其投影的的成像上就会有比较多的颗粒投影重叠，造成结果误差偏大。专利CN103959039A公开了一种基于光学方法测量颗粒大小和浓度的检测方案，其主要通过激光束与颗粒相互作用，测量相互作用信号和光束与颗粒单位时间的相互作用数，利用算法来影射到颗粒的大小和浓度，但其局限于流体中微粒数量不能过多，当颗粒浓度较大时不仅会影响透光率，而且颗粒因二次散射等也将导致较大的偏差，另外透明窗口的沾污也会影响监测结果的准确性。
无论目前颗粒粒径测量的光学法还是激光法，其都是在颗粒运动的过程中进行监测，而粒径的大小、浓度尤其是运动的速度都会对测试结果造成一定量的偏差，另外激光法的设备精密复杂，价格昂贵，且对环境的要求高。
发明内容
为了克服现有技术中存在的偏差，本发明提供了一种实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统，以解决以下技术问题：经取样装置使颗粒由动到静、由空间到平面的转换，使粒径的测量更易于实现，相较于直接对运动颗粒的处理方法，减少了影响因素，使结果具有更高的准确度；对于静止粒径的处理，可以使用较为廉价的光源和工业相机，更省略了传感器、激光器等其他设备，降低了工业应用成本；结构装置较为紧凑，实地操作性更强。
本发明提供了一种实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统，具体流程如附图1所示，取样装置深入到流体管道，正对来流方向为采样孔，采样孔处设置有快门式开关。当开始取样时，控制系统控制快门式开关瞬间完成开启闭合，颗粒经开关进入取样装置内打到正对的采样胶带上完成取样，采样胶带对应快门式开关的位置即A点，然后电机启动，通过拖动轴承使整个采样胶带的方向沿箭头方向运动并起到收集旧采样胶带的作用。在传送过程中，通过接近开关记录导向轮的圈数来计量采样胶带的行程，当采样胶带上的颗粒取样传输到工业相机处，即B点，电机停止动作，控制光源开启，工业相机对取样进行拍摄，拍摄的照片传输到工业控制及处理系统，通过软件处理得到颗粒粒径的分布情况。取样过程中可连续取样，连续取样之间的距离间隔均匀。
颗粒管道外布置导轨，取样装置做成伸缩式，当取样时插入管道内，完成取样后可以拔出管道，另外正对来流方向易磨损区域做防磨处理。
取样装置结构示意图如附图2，正对来流方向设置取样孔，对面设置平衡孔，两平衡孔采用上下对称布置，其中α、β均不小于5°，平衡孔尺寸c不小于取样孔尺寸b的1/2，且采样胶带尺寸a大于取样孔尺寸b。取样装置内设置气路吹扫装置，每隔一段时间对其进行适当的吹扫清洁。在取样时，整个胶带只有取样段暴露在气流中，其他地方处于封装，防止进入管道的粉粉气流污染取样带。其中：定义a为采样胶带的宽度，b为取样孔的宽度，c为平衡孔的宽度，α为平衡孔与来流方向的夹角、β为平衡孔与垂直来流方向的夹角。
快门式开关动作时间由管道内颗粒物速度和浓度共同确定，计算方法如下：
假设流体在管道内的速度v(m/s)，颗粒物浓度a(kg/m3)，颗粒物平均当量直径d(m)，颗粒物质量密度ρ(kg/m3)，取样孔尺寸S1(m2)，定义N(投影倍数)＝S1(投影面)/S2(颗粒投影面积)。
则快门式开关的动作行程时间：
其中N取值范围N≥10。
选择合适的光源和采样胶带组合，光源的亮度要满足工业相机拍摄照片的要求，且保证拍摄时采样胶带背景和颗粒具有明显的分辨度。采样胶带采用合适材质，使通过取样孔的颗粒能够被牢固的采集。
导向轮表面采用耐温绝缘介质，上附金属节点用于触发接近开关，以达到计数目的(权利要求不仅限于利用接近开关计数)，颗粒取样的行程距离(从A点到B点)通过计数反馈到控制系统。
工业相机可采用变焦或者定焦镜头，其聚焦平面要与采样胶带平面(B点处)重合，工业相机要带有内置存储设备，使拍摄的照片能够存储并通过信号线传输的工业控制及处理系统进行分析。
新胶带轮处采用带有一定扭矩的轴承，优先采用磁滞制动器等，在其转动时产生一个恒定的扭矩，使电机带动采样胶带运动时要有一定的拉力，保持采样胶带运行时处于紧绷状态。
新胶带轮、废旧胶带收集轮处选用可拆卸装置，便于采样胶带用完时的更换工作。
电机选用低速电机，电机所连的废旧采样带收集轮可采用单向轴承或者单向轮，防止运转过程中由于反向转动导致采样胶带松弛。
后期图片处理，数据分析方法：
图像分析处理系统配有工业相机和固焦或者变焦的放大镜头。采集到的颗粒图像(如附图3)实时传送到上位机指定路径下，经图像处理后得到颗粒粒径的分布情况(如附图4(示例)：其中横坐标为颗粒粒径大小，纵坐标为颗粒数量)。具体步骤如下：
(1)图像类型转化：原始图像转化为灰度图像并归一化到[0,1]；
(2)对图像的小波压缩处理：用二维离散小波变换函数对图像作多层小波分解，保留表征图像基本信息的部分，再对图像进行重构和量化编码；
(3)对图像的预处理：通过低熵性滤波、自适应对比度调整、分块去背景、空洞填充等对图像进行预处理；
(4)二值化：用OTSU算法区分前景和背景；
(5)去除边缘颗粒等：图像边缘颗粒为不完整颗粒，在粒径统计前应将边缘粒径剔除；
(6)颗粒粒径统计：通过对标记颗粒像素的统计，进一步映射到颗粒粒径的大小。
相对于现有技术，本发明获得了以下优点：
1、在处理具有较高速度的流体速度时，具有更好的准确度；
2、降低了工业应用成本；
3、设备装置结构简单紧凑，工业应用易于实现；
4、利用高速快门和采样带，将空间气体中的颗粒物捕捉到一平面中；
5、为了保证采样的准确性，需要在取样管上合理确定平衡孔的位置和大小；
6、确定采样快门的动作时间间隔和设计取样孔的大小尺寸时，要满足投影倍数大于10，同时单次取样的颗粒不小于1000个；
7、可以实现对40m/s以下的气固气流的粒径测试；
8、对45μm以上的颗粒取样准确性达到100％。
附图说明
图1是本发明的系统的示意图；其中：取样套管(1)、快门式开关(2)、新胶带轮(3)、导向轮(4)、接近开关(5)、采样胶带(6)、工业相机(7)、光源(8)、废旧胶带收集轮(9)、电机(10)、工业控制及处理系统(11)、被测流体管道(12)；
图2是取样套管的结构示意图，图中左边是取样套管的俯视图，右图是取样套管A-A截面的剖面图；其中：快门式开关(2)，采样胶带(6)，平衡孔(13)；
图3是颗粒取样后工业相机拍摄的成像图片；
图4是颗粒成像图片经工业控制及处理系统处理后的计算结果，其中横坐标为颗粒粒径大小，纵坐标为颗粒数量；
具体实施方式
为了克服现有技术中存在的偏差，本发明提供了一种实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统，以解决以下技术问题：经取样装置使颗粒由动到静、由空间到平面的转换，使粒径的测量更易于实现，相较于直接对运动颗粒的处理方法，减少了影响因素，使结果具有更高的准确度；对于静止粒径的处理，可以使用较为廉价的光源和工业相机，更省略了传感器、激光器等其他设备，降低了工业应用成本；结构装置较为紧凑，实地操作性更强。
本发明提供了一种实现空间平面化的新型高速粒径在线测试分析系统，具体流程如附图1所示，取样装置深入到流体管道，正对来流方向为采样孔，采样孔处设置有快门式开关。当开始取样时，控制系统控制快门式开关瞬间完成开启闭合，颗粒经开关进入取样装置内打到正对的采样胶带上完成取样，采样胶带对应快门式开关的位置即A点，然后电机启动，通过拖动轴承使整个采样胶带的方向沿箭头方向运动并起到收集旧采样带的作用。在传送过程中，通过接近开关记录导向轮的圈数来计量采样胶带的行程，当采样胶带上的颗粒取样传输到工业相机处，即B点，电机停止动作，控制光源开启，工业相机对取样进行拍摄，拍摄的照片传输到工业控制及处理系统，通过软件处理得到颗粒粒径的分布情况。取样过程中可连续取样，连续取样之间的距离间隔均匀。
颗粒管道外布置导轨，取样装置做成伸缩式，当取样时插入管道内，完成取样后可以拔出管道，另外正对来流方向易磨损区域做防磨处理。
取样套管结构示意图如附图2，正对来流方向设置取样孔，对面设置平衡孔，两平衡孔采用上下对称布置，其中α、β均不小于5°，平衡孔尺寸c不小于取样孔尺寸b的1/2，且采样胶带尺寸a大于取样孔尺寸b。取样装置内设置气路吹扫装置，每隔一段时间对其进行适当的吹扫清洁。在取样时，整个胶带只有取样段暴露在气流中，其他地方处于封装，防止进入管道的粉粉气流污染取样带。其中：定义a为采样胶带的宽度，b为取样孔的宽度，c为平衡孔的宽度，α为平衡孔与来流方向的夹角、β为平衡孔与垂直来流方向的夹角。
快门式开关动作时间由管道内颗粒物速度和浓度共同确定，计算方法如下：
假设流体在管道内的速度v(m/s)，颗粒物浓度a(kg/m3)，颗粒物平均当量直径d(m)，颗粒物质量密度ρ(kg/m3)，取样孔尺寸S1(m2)，定义N(投影倍数)＝S1(投影面)/S2(颗粒投影面积)。
则快门式开关的动作行程时间：
其中N取值范围N≥10。
选择合适的光源和采样胶带组合，光源的亮度要满足工业相机拍摄照片的要求，且保证拍摄时采样胶带背景和颗粒具有明显的分辨度。采样胶带采用合适材质，使通过取样孔的颗粒能够被牢固的采集。
导向轮表面采用耐温绝缘介质，上附金属节点用于触发接近开关，以达到计数目的(权利要求不仅限于利用接近开关计数)，煤粉取样的行程距离(从A点到B点)通过计数反馈到控制系统。
工业相机可采用变焦或者定焦镜头，其聚焦平面要与采样胶带平面(B点处)重合，工业相机要带有内置存储设备，使拍摄的照片能够存储并通过信号线传输的工业控制及处理系统进行分析。
新胶带轮处采用带有一定扭矩的轴承，优先采用磁滞制动器等，在其转动时产生一个恒定的扭矩，使电机带动采样胶带运动时要有一定的拉力，保持采样带运行时处于紧绷状态。
新胶带轮、废旧胶带收集轮处选用可拆卸装置，便于采样胶带用完时的更换工作。
电机选用低速电机，电机所连的废旧采样带收集轮可采用单向轴承或者单向轮，防止运转过程中由于反向转动导致采样胶带松弛。
后期图片处理，数据分析方法：
图像分析处理系统配有工业相机和固焦或者变焦的放大镜头。采集到的颗粒图像(如附图3)实时传送到上位机指定路径下，经图像处理后得到煤粉粒径的分布情况(如附图4(示例)：其中横坐标为颗粒粒径大小，纵坐标为颗粒数量)。具体步骤如下：
(1)图像类型转化：原始图像转化为灰度图像并归一化到[0,1]；
(2)对图像的小波压缩处理：用二维离散小波变换函数对图像作多层小波分解，保留表征图像基本信息的部分，再对图像进行重构和量化编码；
(3)对图像的预处理：通过低熵性滤波、自适应对比度调整、分块去背景、空洞填充等对图像进行预处理；
(4)二值化：用OTSU算法区分前景和背景；
(5)去除边缘颗粒等：图像边缘颗粒为不完整颗粒，在粒径统计前应将边缘粒径剔除；
(6)颗粒粒径统计：通过对标记颗粒像素的统计，进一步映射到颗粒粒径的大小。
相对于现有技术，本发明获得了以下优点：
1、在处理具有较高速度的流体速度时，具有更好的准确度；
2、降低了工业应用成本；
3、设备装置结构简单紧凑，工业应用易于实现；
4、利用高速快门和采样带，将空间气体中的颗粒物捕捉到一平面中；
5、为了保证采样的准确性，需要在取样管上合理确定平衡孔的位置和大小；
6、确定采样快门的动作时间间隔和设计取样孔的大小尺寸时，要满足投影倍数大于10，同时单次取样的颗粒不小于1000个；
7、可以实现对40m/s以下的气固气流的粒径测试；
8、对45μm以上的颗粒取样准确性达到100％。
Claims (3)
1.一种实现平面化的新型高速粒径在线测试分析系统，所述在线测试分析系统分为颗粒在线取样装置及图像分析处理系统；
1)其中取样装置包含取样套管(1)、快门式开关(2)、新胶带轮(3)、导向轮(4)、接近开关(5)、采样胶带(6)、废旧胶带收集轮(9)、电机(10)、被测流体管道(12)；图像分析处理系统包含：工业相机(7)、光源(8)、工业控制及处理系统(11)；当开始取样时，工业控制及处理系统控制快门式开关瞬间完成开启闭合，颗粒经开关进入取样装置内打到正对的采样胶带上完成取样，采样胶带对应快门式开关的位置即A点，然后电机启动，通过拖动废旧胶带收集轮使整个采样胶带的方向沿箭头方向运动并起到收集旧采样胶带的作用。在传送过程中，通过接近开关记录导向轮的圈数来计量采样胶带的行程，当采样胶带上的颗粒取样传输到工业相机处，即B点，电机停止动作，控制光源开启，工业相机对取样进行拍摄，拍摄的照片传输到工业控制及处理系统，通过软件处理得到颗粒粒径的分布情况。取样过程中可连续取样，连续取样之间的距离间隔均匀；
2)取样装置外布置导轨，取样装置为伸缩式，当取样时取样套管插入管道内，完成取样后可以拔出管道，另外正对来流方向易磨损区域做防磨处理；
3)取样套管的取样孔正对来流方向，背流面设置平衡孔(13)，平衡孔对称设置两个，α、β均不小于5°，平衡孔尺寸c不小于取样孔尺寸b的1/2，且采样胶带尺寸a大于取样孔尺寸b；其中：定义a为采样胶带的宽度，b为取样孔的宽度，c为平衡孔的宽度，α为平衡孔与来流方向的夹角、β为平衡孔与垂直来流方向的夹角；
4)取样套管内设置气路吹扫装置，定时对套管内进行清洁吹扫；
5)取样时，整个采样胶带只有取样段暴露在气流中，其他地方处于封装，防止进入管道的颗粒气流污染取样带。
6)快门式开关的动作行程时间为：
其中流体在管道内的速度v(m/s)，颗粒物浓度a(kg/m3)，颗粒物平均当量直径d(m)，颗粒物质量密度ρ(kg/m3)，取样孔尺寸S1(m2)，定义N(投影倍数)＝S1(投影面)/S2(颗粒投影面积)；
7)N取值范围N≥10；
8)优先选择合适的光源和采样胶带组合，光源的亮度要满足工业相机拍摄照片的要求，且保证拍摄时采样胶带背景和颗粒具有明显的分辨度；
9)采样胶带具有一定的粘性，保证通过取样孔的颗粒能够被牢固的采集；
10)导向轮表面采用耐温绝缘介质，上附金属节点用于触发接近开关，以达到计数目的，煤粉取样的行程距离，即从A点到B点，通过计数反馈到工业控制及处理系统；
11)工业相机可采用变焦或者定焦镜头，其聚焦平面要与采样胶带平面重合，工业相机要带有内置存储设备，使拍摄的照片能够存储并通过信号线传输到工业控制及处理系统进行分析；
12)新胶带轮处采用带有一定扭矩的轴承，采用磁滞制动器，在其转动时产生一个恒定的扭矩，使电机带动采样胶带运动时要有一定的拉力，保持采样胶带运行时处于紧绷状态；
13)新胶带轮、废旧胶带收集轮处选用可拆卸装置，便于采样胶带用完时的更换工作；
14)电机选用低速电机，电机所连的废旧胶带收集轮可采用单向轴承或者单向轮，防止运转过程中由于反向转动导致采样胶带松弛。
2.根据权利要求1所述的在线测试分析系统，其中图像分析处理系统配有工业相机和固焦或者变焦的放大镜头，采集到的颗粒图像实时传送到上位机指定路径下，经图像处理后得到颗粒粒径的分布情况。
3.一种在权利要求1或2所述的在线测试分析系统中应用的后期图像处理方法：
1)图像类型转化：原始图像转化为灰度图像并归一化到[0,1]；
2)对图像的小波压缩处理：用二维离散小波变换函数对图像作多层小波分解，保留表征图像基本信息的部分，再对图像进行重构和量化编码；
3)对图像的预处理：通过低熵性滤波、自适应对比度调整、分块去背景、空洞填充等对图像进行预处理；
4)二值化：用OTSU算法区分前景和背景；
5)去除边缘颗粒等：图像边缘颗粒为不完整颗粒，在粒径统计前应将边缘粒径剔除；
6)颗粒粒径统计：通过对标记颗粒像素的统计，进一步映射到颗粒粒径的大小。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113341483A (zh) * | 2021-06-21 | 2021-09-03 | 安徽省大气探测技术保障中心 | 一种降水现象仪雨滴粒径粒速模拟检测装置 |
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