CN108645761A - 测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法，该系统包括：透明透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、监测系统、数据采集传输系统、控制系统。该方法包括：检验透明玻璃球本体的气密性、并将其抽至负压状态、注入粉尘颗粒、粉尘颗粒流动参数在线监测、粉尘颗粒流动参数在线监测数据传输及处理、透明玻璃球本体粉尘清理。因此，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统及测试方法，利用喷粉进气系统及控制系统向透明玻璃球罐体内输送颗粒粉尘，并利用CCD高速摄影仪及PIV测试仪实时监测，实现了粉尘颗粒运动特征的在线快速实时测量，揭示了粉尘颗粒与气相流场间的相互作用关系，该装置自动化程度高，操作简便，测量精度高。
Description
技术领域
本发明涉及粉尘颗粒测量技术领域，尤其涉及一种测试粉尘颗粒运动特征 及参数的可视化系统及方法。
背景技术
流动是粉尘灾害及粉尘爆炸的基本条件之一，属于气固两相流问题。目 前，国内主要采用数值模拟为主、实验为辅对大尺度空间及密闭容器内粉尘颗 粒的运动特征展开了大量研究。对粉尘运动的数值模拟研究是基于流体力学、 理论力学等学科，在相关假设基础上，借助商业软件Fluent、Openfoam等商业 软件等对井下巷道、生产车间及密闭容器内颗粒扩散、沉降特征进行模拟分 析，颗粒特性(粒径、形状)及边界条件等与实际情况差异较大，难以反映真 实情况下粉尘扩散特征。实验研究主要是基于密闭容器、颗粒分离器等为研究 对象，结合现代计算技术、图像分析技术、光学技术等测试手段对粉尘的运动 特征开展针对性的研究。数字高速摄影(CCD)、正电子放射跟踪探测(PEPT)等 测量技术均可以用于跟踪单点颗粒的运动轨迹，但难以获得气固两相流的二维 速度场或其它相关矢量场信息。
综上所述，现有粉尘颗粒运动参数测量技术，难以同时兼顾粉尘颗粒的成 像分辨率和视场大小，难以对颗粒聚团的动态演化进行定量测量问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方 法，解决了现有技术中粉尘颗粒运动参数的测试系统及测试方法无法同时兼顾 粉尘颗粒的成像分辨率和视场大小及难以对颗粒聚团的动态演化进行定量测量 的问题。
一方面，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，包 括：透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、监测系统、及控制系统；该透明玻璃球 罐体包括透明玻璃球本体、用于向该透明玻璃球本体内喷粉尘颗粒的喷嘴、用 于对该透明玻璃球本体抽真空的真空泵及两个平面视窗，该喷嘴设置在该透明 玻璃球罐体内，两个该平面视窗相对设置在该透明玻璃球本体上；该喷粉进气 系统包括储粉罐、第一气瓶、第二气瓶、第三气瓶、配气柜、空气泵，该第一 气瓶及该第二气瓶通过管路与该配气柜进气端连接，该配气柜出气端与通过管 路与该第三气瓶连第三气瓶通过管路与该储粉罐连接，该储粉罐通过管路喷嘴 连接；该监测系统包括CCD高速摄影仪、图像采集仪、PIV测试仪、PIV测试 数据采集仪及可调节激光光源，该CCD高速摄影仪PIV测试仪用于获取该粉 尘颗粒的运动图像，并分别向该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪传输该运 动图像，该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪用于接收并显示该运动图像， 该可调节激光光源用于向该CCD高速摄影仪提供光源；该控制系统包括控制 器及上位机，该上位机用于向该控制器输入控制指令，该控制器用于根据该控 制指令开启或关闭该CCD高速摄影仪、该PIV测试仪、该可调节激光光源及 该配气柜的电磁阀。
另一方面，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试方法，包 括：S1、将该透明玻璃球本体抽至负压状态：利用该上位机启动该真空泵，将 该透明玻璃球本体抽至负压状态；S2、向该储粉罐中注入粉尘颗粒并增压至高 压状态：首先，将待测粉尘颗粒装入储粉罐，利用该上位机及该控制器开启该 配气柜的电磁阀，配置所需气体并输入至该第三气瓶；将配置的气体注入该储 粉罐；将包括该粉尘颗粒的气体注入该透明玻璃球本体，；S3、该粉尘颗粒流 动图像获取：在将含尘气体从储粉罐注入的初始时刻，利用该上位机向控制器 发送控制指令，开启该CCD高速摄影仪及该PIV测试仪，且利用该CCD高速 摄影仪及该PIV测试仪对该粉尘颗粒运动图像进行获取，并将运动图像发送至 该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪；S4、粉尘颗粒粉尘颗粒运动图像处 理：根据公式(1)计算该粉尘颗粒透光率T：其 中，m和n分别为运动图像的像素矩阵的行数和列数，G为该CCD高速摄影仪 获取的运动图像经过灰度处理后灰度值；并根据计算得到的透光率T及公式 (2)得到粉尘颗粒浓度c：(2)其中，Q为无量纲参数，T为透过光路的粉尘云浓度，L为固定光路长度，Ds为粉尘颗粒表面平均粒径，ρ为 粉尘颗粒密度。
综上，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统及测试方 法，通过设置透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、包括CCD高速摄影仪及PIV 测试仪的检测系统、数据处理系统及控制系统，从而可以利用喷粉进气系统及 其控制系统向透明玻璃球罐体内加压输送一定比例的颗粒粉尘，并利用CCD 高速摄影仪及PIV测试仪实时监测，进而利用图像处理、数据采集仪及完成粉 尘颗粒的运动参数采集及处理，实现了粉尘颗粒运动特征的在线快速实时测 量，揭示了粉尘颗粒与气相流场间的相互作用关系，该装置适用范围广，自动 化程度高，操作简便，测量精度高，对粉尘灾害及粉尘爆炸防治具有重大的指 导意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统的结构示 意图；
图2为本发明实施例提供的高速摄影灰度测试点；
图3为本发明实施例提供的透光率T与图像灰度G之间关系的像素矩阵；
图4为本发明实施例提供的高速摄影仪拍摄的粉尘颗粒运动图；
图5为本发明实施例提供的PIV拍摄的粉尘颗粒运动图；
图6为本发明实施例提供的基于高速摄影采集信息计算得到的监测点粉尘 颗粒浓度变化曲线；
图7为本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试方法流程示意 图。
附图标记说明：
1-透明玻璃球罐体，2-静电除尘板，3-密封球盖；4-反射式喷嘴；5-1- 第一视窗；5-2-第二视窗，6-第一压力表，7-真空表，8-1-第一气瓶，8-2- 第二气瓶；8-3-第三气瓶；9-第二进气管；10-配气柜；11-流量计；12-空气 泵；13-储粉罐；14-第二压力表；15-1-第一逆止阀；15-2-第二逆止阀；16- 第一进气管；17-真空泵；18-电磁阀；19-可调节激光光源；20-CCD高速摄 影仪；21-传输线；22-图像采集仪，23-PIV测试仪；24-PIV测试数据采集 仪；25-供电电源；26-第一同步控制器；27-连接线；28-上位机；29-第二 同步控制器。
具体实施方式
下面结合本发明中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的 描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下 所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
下面通过图1至图7详细说明本发明实施例提供的一种测试粉尘颗粒运动 特征及参数的可视化测试系统及方法。如图所示，该系统可以包括：
透明透明玻璃球罐体1、喷粉进气系统、监测系统、控制系统。该喷粉进 气系统可用于向透明玻璃球罐体1输送气体与粉尘颗粒；该监测系统可用于监 测粉尘颗粒的运动图像，并向监测仪发送该运动图像；该控制系统用于控制喷 粉进气系统及监测系统。
具体的，如图1所示，透明玻璃球罐体1可以包括透明玻璃球本体、静电 除尘板2、密封球盖3、反射式喷嘴4、两个平面视窗及用于测试透明玻璃球罐 体1内真空的真空表7及第一压力表6。喷嘴设置在所述透明玻璃球本体内， 两个平面视窗相对设置在所述透明玻璃球本体上，真空泵17的进气口与透明玻 璃球本体连通。
喷粉进气系统可以包括储粉罐13、第一气瓶8-1、第二气瓶8-2、第三气瓶 8-3、配气柜10、空气泵12、真空泵17、第二压力表14及流量计11，储粉罐 13的出口与透明玻璃球罐体1通过第一进气管16连通，入口通过第二进气管9 与第三气瓶8-3连通；配气柜10的出口通过第二进气管9与第三气瓶8-3连 通，入口通过第二进气管9分别与第一气瓶8-1及第二气瓶8-2连通。
第一气瓶8-1及第二气瓶8-2用于提供不同的原始气源，第三气瓶8-3用于 盛装通过配气柜10将第一气瓶8-1及第二气瓶8-2中的原始气源按照一定比例 调节后气源。空气泵12用于向储粉罐13输送及加压第三气瓶8-3的原始气源， 真空泵17用于将透明玻璃球本体抽真空。
监测系统包括CCD高速摄影仪20、PIV测试仪23、图像采集仪22、PIV 测试数据采集仪24及可调节激光光源19。CCD高速摄影仪20及PIV测试仪 23用于拍摄粉尘颗粒的流动状态的图像，并向监测仪发送。可调节激光光源19 用于向CCD高速摄影仪20提供光源。图像采集仪22用于接收CCD高速摄影 仪20监测的运动图像，PIV测试数据采集仪24用于接收PIV测试仪23监测的 粉尘颗粒的运动图像。
控制系统包括第一同步控制器26、第二同步控制器29及上位机28，上位 机28用于输入控制指令，第一同步控制器26用于根据控制指令控制可调节激 光光源19的开启，第二同步控制器29用于根据控制指令控制配气柜10电磁阀 的开启及开度大小、CCD高速摄影仪20及PIV测试仪23的开启。
应理解，图像采集仪22与CCD高速摄影仪20可以通过传输监测数据的传 输线21实现电联接；PIV测试仪23及PIV测试数据采集仪24同样利用传输线 电联接。上位机28分别与第一同步控制器26及第二同步控制器29电联接；第 一同步控制器26与可调节激光光源19电联接；第二同步控制器29分别与PIV 测试仪23、CCD高速摄影仪20及配气柜10电联接；且静电除尘板2及图像采 集仪22与分别与供电电源25电联接，且涉及的电器设备与电源设备电联接。
可选的，第一同步控制器26及第二同步控制器29可以为PLC控制器。
优选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，为了 更加准确的控制实验参数，可以在储粉罐13及第三气瓶8-3之间的第二进气管 9上设有流量计11；储粉罐13上设有第二压力表14。
进一步的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，可 以在第一进气管16靠近储粉罐13的一端设置第一逆止阀15-1，靠近透明玻璃 球罐体1的一端设置第二逆止阀15-2。应理解，第一逆止阀15-1及第二逆止阀 15-2与第二同步控制器29电联接。
可选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，透明 玻璃球本体为直径40cm、厚度为2cm、耐压3MPa的钢化玻璃球，密封罐盖4 直径为8cm、厚度2cm，第一压力表6量程为2MPa，真空表7量程为10MPa， 静电除尘板2厚1cm、直径8.2cm，反射式喷嘴3为高度4m、宽2.5cm、厚 0.1cm的铝合金片，平面视窗5为直径8cm、厚度2cm的无色玻璃。
可选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，密封 罐盖4通过紧固件密封在球罐顶部开口处。
可选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，储粉 罐体积为0.08L，可耐压2MPa，空气泵12功率为20W，真空泵17功率为 30W，第一进气管16内径为2cm，第二进气管9内径为1cm。
可选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，CCD 高速摄影仪20每秒拍100张。PIV测试仪23每秒拍100张。CCD高速摄影仪 20及PIV测试仪23可以安装在高度可调的三角支架上。
应理解，在实际中，CCD高速摄影需与可调节激光光源19同时打开或关 闭，与PIV测试仪进行间隔性测试。
可选的，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，所测 试的粉尘颗粒径为微米。
下面通过图7详细解释本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数可视化测试 方法，具体包括：
步骤一、检验玻璃球的气密性：首先，采用空气泵12，通过管线与储粉罐 13向透明玻璃球本体内充入空气并加压至0.8Mpa。当在透明玻璃球本体上设 置的第一压力表6采集的透明玻璃球本体内气压不稳，则说明透明玻璃球本体 的密封不够完全，否则检查玻璃球本体的安装状态，直至气压稳定。
步骤二、将玻璃球本体抽至负压状态：通过上位机28启动真空泵泵17工 作，将透明玻璃球本体抽至负压状态，压力为-0.08Mpa。
步骤三、向储粉罐中注入粉尘颗粒并增压至高压状态：首先，将待测粉尘 装入储粉罐13，采用上位机28、结合第二PLC控制器29控制配气柜10配置 所需气体至气瓶8-3，关闭逆止阀15-1后采用空气泵将配置气体注入储粉罐至 一定压力，打开逆止阀15-1后将含尘气体注入玻璃球本体1，关闭逆止阀15-2。
步骤四、粉尘颗粒流动参数在线监测：在将高压含尘气体从储粉罐13注入 的初始时刻，通过上位机控制第一PLC同步控制器26、第二PLC同步控制器， 保证CCD高速摄影仪与PIV测试仪对粉尘颗粒运动进行间隔性测试，间隔时 间0.003s。
如图2所示为本发明实施例提供的高速摄影灰度测试点示意图。例如，在 一个实施例中，选取点M1～M5：假设球心为三位坐标系原点(0,0,0)，M1～M5 坐标可以分别为(-8.4,0,0)、(0,8.4,0)、(0,0,0)、(0,-10,0)、(2.6,-12,0)，单位 为cm。
如图3至图6所示为利用CCD高速摄影仪20及PIV测试仪23监测的粉 尘颗粒运动特征图。
步骤五、粉尘颗粒流动参数在线监测数据传输及处理：
根据光衰减原理，透过粉尘颗粒云的透光率T可作为可视为粉尘颗粒浓度 的量度。高速摄影仪拍摄的图像经过灰度处理后为灰度图像，灰度值G代表每 个图像的阴暗度，则图像灰度G与粉尘云透光率T关系如下：
其中m和n分别为像素矩阵的行数和列数。
根据布格定律，粉尘云浓度c与透光率T关系如公式(2)：
其中，Q为一个无量纲参数，T为透过光路的粉尘云浓度，L为固定光路 长度，Ds为粉尘颗粒表面平均粒径，ρ为粉尘颗粒密度。
步骤六、玻璃球本体粉尘清理：完成上述权利要求书任务后，通过上位机 28控制图像采集仪22开启静电除尘板进行除尘。
综上，本发明实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统及测试方 法，通过设置透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、包括CCD高速摄影仪及PIV 测试仪的检测系统、数据处理系统及控制系统，从而可以利用喷粉进气系统及 其控制系统向透明玻璃球罐体内加压输送一定比例的颗粒粉尘，并利用CCD 高速摄影仪及PIV测试仪实时监测，进而利用图像处理、数据采集仪及完成粉 尘颗粒的运动参数采集及处理，实现了粉尘颗粒运动特征的在线快速实时测 量，揭示了粉尘颗粒与气相流场间的相互作用关系，该装置适用范围广，自动 化程度高，操作简便，测量精度高，对粉尘灾害及粉尘爆炸防治具有重大的指 导意义。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限 于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，包括：透明玻璃球罐体(1)、喷粉进气系统、监测系统及控制系统；
所述透明玻璃球罐体(1)包括透明玻璃球本体、用于向所述透明玻璃球本体内喷射粉尘颗粒的喷嘴、用于对所述透明玻璃球本体抽真空的真空泵(17)及两个平面视窗，所述喷嘴设置在所述透明玻璃球本体内，两个所述平面视窗相对设置在所述透明玻璃球本体上，所述真空泵(17)的进气口与所述透明玻璃球本体连通；
所述喷粉进气系统包括储粉罐(13)、第一气瓶(8-1)、第二气瓶(8-2)、第三气瓶(8-3)、配气柜(10)、空气泵(12)，所述第一气瓶(8-1)及所述第二气瓶(8-2)通过管路与所述配气柜(10)进气端连接，所述配气柜(10)出气端通过管路与所述第三气瓶(8-3)连接，所述第三气瓶(8-3)通过管路与所述储粉罐(13)连接，所述储粉罐(13)通过管路与所述喷嘴连接；
所述监测系统包括CCD高速摄影仪(20)、图像采集仪(22)、PIV测试仪(23)、PIV测试数据采集仪(24)及可调节激光光源(19)，所述CCD高速摄影仪(20)及所述PIV测试仪(23)用于获取所述透明玻璃球本体内的粉尘颗粒的运动图像，并分别向所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)传输所述运动图像，所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)用于接收并显示所述运动图像，所述可调节激光光源(19)用于向所述CCD高速摄影仪(20)提供光源；
所述控制系统包括控制器及上位机(28)，所述上位机(28)用于向所述控制器发送控制指令，所述控制器用于根据所述控制指令开启或关闭所述CCD高速摄影仪(20)、所述PIV测试仪(23)、所述可调节激光光源(19)及所述配气柜(10)的电磁阀。
2.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述透明玻璃球罐体(1)还包括静电除尘板(2)及密封球盖(3)，所述静电除尘板(2)设置在所述透明玻璃球本体顶部开口，所述密封球盖(3)设置在所述静电除尘板(2)外。
3.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述透明玻璃球罐体(1)外还设有用于测试所述透明玻璃球罐体(1)内真空的真空表(7)及第一压力表(6)。
4.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述储粉罐(13)及所述第三气瓶(8-3)之间的管路上设有流量计(11)及空气泵(12)；所述储粉罐(13)上设有第二压力表(14)。
5.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述储粉罐(13)与所述喷嘴之间的管路上靠近所述储粉罐(13)一端设有第一逆止阀(15-1)，靠近所述透明玻璃球罐体(1)一端设有第二逆止阀(15-2)。
6.根据权利要求1-3任一项所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述控制器包括第一控制器(26)及第二控制器(29)，所述第一控制器(26)用于开启或关闭所述可调节激光光源(19)，所述第二控制器(29)用于开启或关闭所述PIV测试仪(23)、所述CCD高速摄影仪(20)及所述配气柜(10)的电磁阀。
7.根据权利要求1-3任一项所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述密封球盖(3)通过紧固件密封在球罐顶部开口处。
8.一种用于实施权利要求1中测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化方法，其特征在于，包括：
S1、将所述透明玻璃球本体抽至负压状态：利用所述上位机(28)启动所述真空泵(17)，将所述透明玻璃球本体抽至负压状态；
S2、向所述储粉罐(13)中注入粉尘颗粒并增压至高压状态：首先，将待测粉尘颗粒装入储粉罐(13)，利用所述上位机(28)通过所述控制器开启所述配气柜(10)的电磁阀，配置所需气体并输入至所述第三气瓶(8-3)；将配置的气体注入所述储粉罐(13)；将包括所述粉尘颗粒的气体注入所述透明玻璃球本体；
S3、所述粉尘颗粒流动图像获取：在将含尘气体从储粉罐(13)注入的初始时刻，利用所述上位机(28)向控制器(26)发送控制指令，开启所述CCD高速摄影仪(20)及所述PIV测试仪(23)，且利用所述CCD高速摄影仪(20)及所述PIV测试仪(23)对所述粉尘颗粒运动图像进行获取，并分别将运动图像发送至所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)；
S4、粉尘颗粒运动图像处理：根据公式(1)计算所述粉尘颗粒透光率T：
其中，m和n分别为运动图像的像素矩阵的行数和列数，G为所述CCD高速摄影仪(20)获取的运动图像经过灰度处理后灰度值；
并根据计算得到的透光率T及公式(2)得到粉尘颗粒浓度c：
其中，Q为无量纲参数，T为透过光路的粉尘云浓度，L为固定光路长度，Ds为粉尘颗粒表面平均粒径，ρ为粉尘颗粒密度。
9.根据权利要求10所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化方法，其特征在于，在所述步骤S1之前，还包括：检验玻璃球的气密性：采用所述空气泵(12)，通过所述管路及储粉罐(13)向所述透明玻璃球本体内充入空气并加压至，根据所述压力表(6)采集的所述透明玻璃球本体内气压检查透明玻璃球本体的气密性。
10.根据权利要求10所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化方法，其特征在于，在所述步骤S4之后，还包括：所述图像采集仪(22)根据所述上位机(28)发送的控制指令，开启静电除尘板(2)。
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