CN110146422A - 一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测装置。目的是提供一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，该装置应采用非接触测量，不会干扰管道内的流场，具有测量精度准确、效率高、环境适应性强以及使用方便的特点。技术方案是：一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：该装置包括用于对待测粉尘和空白气体进行预处理的粉尘与气体预处理单元、用于获取管道内粉尘图像信号的检测单元、用于接收和分析图像信号以获得粉尘浓度值的图像分析处理单元、用于接收检测单元中的粉尘和气体并将其达标排放的粉尘处理排放单元、用于对粉尘处理排放单元中的不达标粉尘进行除尘处理的回流单元以及用于控制回流单元工作的粉尘浓度分类及控制单元。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体是基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置。
背景技术
粉尘颗粒的产生环境非常复杂，并且产生的粉尘颗粒大小不一，分布不均匀。因此粉尘浓度的测量需要非常专业的研究。目前，我国的烟尘浓度监测产品大多是基于滤膜称重法和光散射法，现存的问题是：滤膜称重法程序复杂,称重、烘干、采样、再烘干、再称重及计算等一系列繁琐的过程,不能及时反映现场环境粉尘的情况，自动化程度不高，不能实现实时测量。米氏散射测量的基准都是基于颗粒是理想的球形颗粒，而煤尘颗粒形状复杂，这种假设对于非球形的煤尘颗粒的测量将不可避免带来较大的误差，并且光吸收型粉尘浓度传感器只有在高浓度时,即在8000-15000mg/m3内测量较为准确，在低煤尘浓度范围内测量精度差，并且光学系统易受污染，需要经常维护。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，该装置应采用非接触测量，不会干扰管道内的流场，具有测量精度准确、效率高、环境适应性强以及使用方便的特点。
本发明提供的技术方案是：
一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：该装置包括用于对待测粉尘和空白气体进行预处理的粉尘与气体预处理单元、用于获取管道内粉尘图像信号的检测单元、用于接收和分析图像信号以获得粉尘浓度值的图像分析处理单元、用于接收检测单元中的粉尘和气体并将其达标排放的粉尘处理排放单元、用于对粉尘处理排放单元中的不达标粉尘进行除尘处理的回流单元以及用于控制回流单元工作的粉尘浓度分类及控制单元；所述粉尘与气体预处理单元、检测单元和粉尘处理排放单元通过管道依次连通；所述检测单元、图像分析处理单元、粉尘浓度分类及控制单元和粉尘处理排放单元通过数据线依次连接；所述检测单元的入口和粉尘排放单元的出口之间连接有所述回流单元。
所述粉尘与气体预处理单元包括相互独立的空白气体管路和待测粉尘管路以及用于混合空白气体与待测粉尘以形成气溶胶的气溶胶发生装置；两根管路并联接入气溶胶发生装置后，再输入检测单元；两条管路中的每条管路均依序布置有阀门、过滤网、气泵以及流量计。
所述粉尘与气体预处理单元和检测单元相连通的管道上配置有固体流量计、温度计、湿度计和气压计。
所述气溶胶发生装置包括用于混合空白气体和待测粉尘的受料器以及与受料器上方连通以输入待测粉尘的供料器；所述受料器左右贯通且一端作为空白气体的入口，另一端作为气溶胶的出口；所述供料器中设置有转子，转子上的叶片外径与供料器的内壁半径相适合，以防止受料器内的气体经供料器漏出。
所述检测单元包括与气溶胶发生装置连通的矩形管道以及两组结构相同且分别安装在矩形管道外部相邻两侧面的摄像组件；每组摄像组件均包括用于拍摄矩形管道内粉尘图像的CCD相机、安装在CCD相机镜头前的放大镜、用于照明的光源以及用于将光源的发散光转化为平行光的透镜；所述光源设置在透镜的焦点位置；两组CCD相机分别通过数据线与计算机连接，以便将图像信号输送给计算机。
所述矩形管道上分别设置有与两组摄像组件相对应的观测窗。
所述光源为可见光源且亮度可调，以提供自然状态下的粉尘环境。
所述回流单元由气泵和除尘器连接而成。
本发明的工作原理如下：
本发明先利用粉尘和气体预处理单元对不同浓度的粉尘进行事先标定，获得不同粉尘浓度下的标定图像，然后通过检测单元拍摄到矩形管道中的粉尘图像信号并将该图像信号发送给图像分析处理单元，图像分析处理单元对接收到粉尘图像信号与标定图像进行对比分析，从而得到矩形管道中的粉尘浓度。若粉尘浓度值达到排放标准，则粉尘和气体由粉尘处理排放单元直接排出；若粉尘浓度值未达到排放标准，则粉尘浓度分类及控制单元控制回流单元工作，粉尘处理排放单元中的粉尘和气体通过回流单元进行除尘处理，并经检测单元重新检测粉尘浓度直至达到排放标准后，再经粉尘处理排放单元排出。
本发明的有益效果是：
(1)目前的大多数装置只能静态检测，检测空间受限，检测频率不适应生产要求，误差较大。本装置结合图像处理技术的检测方法，可随时多点在线检测，并能够剔除装置本身和气体杂质造成的误差干扰，大大提高了检测的效率和准确性。
(2)本装置中的检测单元设置在矩形管道外部来获取图像信号，采用非接触测量，不会干扰矩形管道内的流场，提高了测量结果的准确性。
(3)本装置的摄像组件中，CCD相机的镜头前加设有放大镜，能够保证采集到的粉尘颗粒图像占据多个像素，便于后期图像处理时对粉尘颗粒进行识别；光源位于透镜的焦点处，焦点处的发射光经过透镜的折射后以平行光发散出来，平行光可以有效避免不均匀光造成的噪声，有助于图像的采集及后期处理。
(4)本装置中设置了两组摄像组件，可同时采集矩形管道两个面的图像以进行双面成像的图像处理，弥补了单张图像因视野有限而导致采集对象存在误差的弊端，实现管道内粉尘的三维定位，可以有效地解决粉尘颗粒重叠的问题，更好地跟踪粉尘的运动轨迹，增加了数据结果的科学性。
(5)以往粉尘检测系统与除尘系统是两个独立的系统，需要设置两套设备；本装置通过回流单元对不达标的粉尘气体进行除尘处理，并且除尘气体再次进入检测单元进行粉尘浓度检测，使得粉尘浓度检测与除尘一体化，减小了设置两套设备的体积，节约资源和空间，减少了实验过程中造成的污染。
附图说明
图1是本发明的结构框架示意图。
图2是本发明中的气体流程示意图。
图3是本发明中气溶胶发生装置的剖面结构示意图。
图4是本发明中检测单元的主视结构示意图。
图5是本发明中检测单元的左视结构示意图。
图6是本发明中摄像组件的主视结构示意图。
图7是本发明中摄像组件的左视结构示意图。
图8是本发明中光源的光路示意图。
图9是本发明中CCD相机的工作原理框图。
图10是本发明中粉尘浓度分类及控制单元的工作流程示意图。
附图标记：
1、阀门；2、三通阀；31、供料器；32、转子；33、受料器；41、矩形管道；42观测窗；43光源；44、放大镜；45、CCD相机；46、计算机；51、灯泡；52、橡胶圈。
具体实施方式
以下结合附图所示的实施例进一步说明。
1、检测方法及技术
粉尘检测方法：当一束粉尘气溶胶通过一段矩形管道时，采用摄像机拍摄下该粉尘气溶胶的运行过程，即可获取该粉尘浓度下不同时刻的粉尘图像；同时采用国家标准方法采样测定出同一管道内不同时刻的粉尘浓度标准值(本实施例采用粉尘检测仪测得粉尘浓度的标准值，粉尘检测仪可外购获得)。通过大量的实验数据，可建立起图像的分析值与标准方法获得粉尘浓度值之间的动态一致关系如式(1)。那么，当随意的调出某个时刻对应的图片，通过图像处理技术获得图像的分析值，再根据上述数值关系，即可得出该时刻所对应的管道内的粉尘浓度值。
C(t)＝kR....................(1)
式(1)中，C(t)表示t时刻的粉尘浓度值，R表示对应图像的分析值，k表示粉尘浓度值与图像分析值之间的比例系数。
关系式的理论推导如下：
若图像处理后获得的粉尘颗粒数为s，假设管道内的粉尘颗粒数为n,则：
n＝s
令
则
即C(t)＝kR
m-检测单元管道的边长；ρ-粉尘颗粒的密度；υ-粉尘颗粒的体积；
M-管道内粉尘的总质量。
在上述理论推导过程中，粉尘被当做理想的球形颗粒且质地均匀，故粉尘颗粒的密度、体积均是定值。比例系数k取决于粉尘颗粒物的种类、形状和大小。
实验时，首先将待测粉尘经气溶胶发生装置导入矩形管道中，同时打开摄像组件进行图像采集。得到图像信号后，通过计算机分析处理得到所需图像的分析值。接着将之前检测过的粉尘气体再用国家标准方法测得质量浓度，得到一组图像参数值与质量浓度值的相关数据。按上述方法取不同浓度的粉尘气体后多次重复，可拟合出图像的分析值与粉尘质量浓度值的数值对应关系，最终利用这个对应关系达到动态检测粉尘浓度的目的。
2、装置设计
如图1所示，本装置包括粉尘与气体预处理单元、检测单元、图像分析处理单元、粉尘处理排放单元、回流单元和粉尘浓度分类及控制单元，整体结构如图1所示。在检测粉尘流体时，待测粉尘先通过粉尘与气体预处理单元进行一定流量的预排放，然后待测粉尘进入检测单元，由摄像组件完全记录下粉尘运动的图像，之后由图像分析处理单元对其接收到的图像信号进行分析与计算，得到粉尘浓度的数据，最后将粉尘气体由粉尘处理排放单元进行排放。在检测粉尘与气体的混合物时，要先剔除气体的影响。即在检测粉尘与气体的混合物后，通过粉尘浓度分类及控制单元除去粉尘颗粒物，把去尘气体再次通过检测单元，由摄像机记录下气流的运动图像，将其作为图像处理的一个参数；同时，经回流单元处理过的去尘气体也大大减少了实验过程中造成的污染。
2.1粉尘与气体预处理单元
如图2所示，粉尘与气体预处理单元包括空白气体管路、待测粉尘管路和气溶胶发生装置；其中，空白气体管路和待测粉尘管路两者之间相互独立，两根管路并联接入气溶胶发生装置后，再接入检测单元；两条管路中的每条管路均依序布置有阀门、过滤网、气泵以及流量计(阀门、过滤网、气泵以及流量计的安装结构为现有技术)。其中粉尘与气体预处理单元中各部件之间均通过管道连接，管道均选用透明的PVC板，以方便实验过程中对流体的运动情况进行观察和检测。
2.1.1标定过程
首先通入空白气体，剔除气体杂质的误差，然后待测粉尘依次通过控制阀、过滤层网、气泵和流量计进入气溶胶发生装置。当待测粉尘的浓度过高时，可以使用控制阀进行调节，通过流量计来检测气流的流量。接着待测样本依次通过固体流量计、湿度计、温度计和气压计，得到待测样本的湿度、温度和气压情况。而后待测样本进入检测单元，通过摄像组件拍摄待测样本的浓度图像，并经计算机分析后得到待测样本的图像分析值，而后再将已经测过的样本通入粉尘检测仪，测出粉尘的标准浓度值。对不同的样本重复多次，将得到的图像检测数据与粉尘检测仪的检测值一一进行标定，即可得到粉尘浓度值与图像分析值之间的比例系数k。
2.1.2检测过程
①单独检测气体：将待测气体通入管路后，依次经过控制阀、气泵、流量计、气溶胶发生装置、固体流量计、温度计、湿度计和气压计，然后再进入检测单元，通过检测单元上的摄像组件测得待测气体的图像分析值。
②检测粉尘：将待测的粉尘通入管路后，依次经过控制阀、过滤网、气泵、流量计、气溶胶发生装置、固体流量计、温度计、湿度计和气压计，然后再进入检测单元，通过检测单元的摄像组件测得粉尘的图像分析值，再通过先前标定过程中得到的比例系数k计算出粉尘的浓度值。在得到粉尘浓度值的数据后，打开控制回流单元的两个三通阀2，使检测完成的粉尘气体通过回流单元中的除尘器(可外购获得)去除粉尘颗粒物再达标排放。
2.1.3误差消除
在检测单元中完成检测的粉尘气体，在粉尘浓度分类及控制单元的控制下进入回流单元，由除尘器进行除尘处理，然后将除尘气体再次通入检测单元进行检测，将两次测得的数据进行分析对比后可消除由装置本身或其他因素带来的误差干扰。此外，在没有其他因素干扰时，该方法也可用于对除尘器除尘效果的检验。
2.1.4气溶胶发生装置
如图3所示，所述气溶胶发生装置包括用于混合空白气体和粉尘的受料器33以及连通受料器上方以输入粉尘的供料器31；所述受料器左右贯通且一端作为空白气体的入口，另一端作为气溶胶的出口。所述供料器中设置有转子32，其中转子上的叶片将供料器分成若干个(图中为8个)空间。当转子在壳体内旋转时，物料从供料器上部入口下落到空间Ⅰ，再转到空间Ⅱ,Ⅲ，而后在空间Ⅳ中物料落入受料器中。转子上的叶片外径与供料器的内壁半径相适合，并且相邻叶片端部之间的距离小于供料器的入口和出口的最大直径，以保证无论何时至少有两个叶片对应供料器的内壁，以起到密封作用，防止输料管中的气体由供料器漏出。
工作过程中，当待测粉尘浓度过高时，需要将待测粉尘在气溶胶发生装置内进行稀释。气溶胶发生装置主要是依靠强大的气流把待测粉尘流态化，使之在气流中形成悬浮状态。空白气体在气泵的作用下进入受料器，待测粉尘经由供料器被送进受料器，此时，待测粉尘与受料器中的空白气体充分混合，使待测粉尘在气流中悬浮并被送出受料器。本装置可以通过改变待测粉尘管路中的过滤网网孔大小来自由选择不同粒径大小的待测粉尘；本装置可以通过空白气体管路中的气泵工作功率来改变流体的流量，进而调节待测粉尘的浓度，其调节方式如下：
假设待测的样本浓度为C，实验想要测量浓度为C/2、C/3、C/4等不同浓度的情况，则可通过固体流量计检测到气溶胶发生装置中的气溶胶流量为L1，记录下空白气体管路中的流量计检测到的空白气体流量为L2，通过改变气泵的工作功率可以把L2增大到2L2、3L2、4L2、L2/2等不同的档位，并同时记录下不同档位所对应的固体流量计所检测到的气溶胶流量。这样通过调节L2的数值可以获得任意数值的稀释比，实现对不同浓度待测样本的有效检测，且操作较为简单，容易实现。
2.2检测单元
如图4和图5所示，检测单元包括矩形管道41和两组摄像组件；所述矩形管道与气溶胶发生装置相连通；两组摄像组件结构相同且分别安装在矩形管道外部相邻两侧面，对矩形管道内的粉尘进行图像采集。每组摄像组件均包括CCD相机45、光源43、透镜和放大镜44。所述矩形管道上分别开设有与两组摄像组件相对应的观测窗42；两个观察窗的中心线相互垂直。图5中的箭头方向气体的流向。
1)CCD相机
工业CCD相机的主要工作原理如图9所示，在感光像点接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD相机中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输到垂直寄存器、传到水平寄存器中，最后才能形成统一的输出。由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，加上在此过程中会产生大量电压损耗，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理；这项任务是由CCD相机中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；因信号只通过一个放大器进行放大，所以产生的噪点较少。但由于感光元件本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输给专门的DSP处理芯片。所述CCD相机通过USB数据线与计算机46连接，以便将采集到的图像信号发送至计算机进行分析处理。
2)光源
光源用于提供照明环境，是一个能提供有效入射光的装置；所述光源产生适当强度的光线，且光强可调，光源稳定，以保证检测时的稳定性和有效性。由于工业粉尘多处于自然光源或照明光源环境下，故本发明采用可见光源，以保证与自然状态下的粉尘环境相适应。
3)透镜
透镜的作用是将光源的发散光转化为平行光。要求光源位于透镜的焦点处，则焦点处的发射光经过透镜的折射后以平行光发散出来，平行光可以有效避免不均匀光造成的噪声，有助于图像的采集及后期处理。图中未显示透镜。
4)放大镜
根据奈奎斯特采样定理，CCD相机需要至少2个像素来分辨被研究对象的特征尺寸。放大镜的作用是在CCD相机镜头前放大粉尘图像，使采集到的粉尘颗粒图像占据多个像素，便于后期图像处理时对粉尘颗粒进行识别。
如图6和图7所示，本实施例中的光源采用8个灯泡51，灯泡与放大镜同时嵌在相机镜头外，通过橡胶圈52固定住放大镜，使其稳定在实验需要的距离处，8只灯泡均匀分布在镜头周围为实验提供稳定均匀的光源。工作时，检测粉尘与气体的过程相同，打开灯泡，光线通过放大镜(凸透镜)发出平行光，平行光穿过检测装置的透明管道，照亮粉尘。
检测单元的工作原理如下：当待测粉尘通过检测单元的矩形管道时，光源发出的光束经透镜处理后形成的平行光透过观测窗照射在矩形管道内的气体粉尘上，此时经粉尘反射的光信号通过观测窗后经放大镜放大后被CCD相机接收。两组CCD相机分别通过数据线与计算机连接，以便将图像信号输送给计算机。计算机作为图像分析处理单元，对接收到的图像信号进行处理，得到待测粉尘的分析值，进而根据前述的比例系数k计算得到待测粉尘的浓度值。
2.3粉尘浓度分类及控制单元
如图10所示，图像经过分析处理后，最终得到的粉尘浓度数据会被传送给粉尘浓度分类及控制单元，若是粉尘浓度超标，则粉尘浓度分类及控制单元启动报警并控制粉尘进入回流单元进行除尘处理，除尘后的气体再次通入检测单元，进行粉尘浓度检测。若检测到粉尘浓度符合国家排放标准，则粉尘浓度分类及控制装置不动作，允许粉尘由粉尘处理排放单元正常排放。
2.4回流单元
如图2所示，回流单元用于对粉尘处理排放单元中的不达标粉尘进行除尘处理，并且回流单元连接在检测单元的入口和粉尘排放单元的出口之间。所述回流单元由气泵和除尘器连接而成。
本实施例中的所有部件均可通过外购获得。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：该装置包括用于对待测粉尘和空白气体进行预处理的粉尘与气体预处理单元、用于获取管道内粉尘图像信号的检测单元、用于接收和分析图像信号以获得粉尘浓度值的图像分析处理单元、用于接收检测单元中的粉尘和气体并将其达标排放的粉尘处理排放单元、用于对粉尘处理排放单元中的不达标粉尘进行除尘处理的回流单元以及用于控制回流单元工作的粉尘浓度分类及控制单元；所述粉尘与气体预处理单元、检测单元和粉尘处理排放单元通过管道依次连通；所述检测单元、图像分析处理单元、粉尘浓度分类及控制单元和粉尘处理排放单元通过数据线依次连接；所述检测单元的入口和粉尘排放单元的出口之间连接有所述回流单元。
2.根据权利要求1所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述粉尘与气体预处理单元包括相互独立的空白气体管路和待测粉尘管路以及用于混合空白气体与待测粉尘以形成气溶胶的气溶胶发生装置；空白气体管路和待测粉尘管路并联接入气溶胶发生装置后再输入检测单元，两条管路中的每条管路均依序布置有阀门(1)、过滤网、气泵以及流量计。
3.根据权利要求2所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述粉尘与气体预处理单元和检测单元相连通的管道上配置有温度计、湿度计和气压计。
4.根据权利要求3所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述气溶胶发生装置包括用于混合空白气体和待测粉尘的受料器(33)以及与受料器上方连通以输入待测粉尘的供料器(31)；所述受料器左右贯通且一端作为空白气体的入口，另一端作为气溶胶的出口；所述供料器中设置有转子(32)，转子上的叶片外径与供料器的内壁半径相适合，以防止受料器内的气体经供料器漏出。
5.根据权利要求4所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述检测单元包括与气溶胶发生装置连通的矩形管道(41)以及两组结构相同且分别安装在矩形管道外部相邻两侧面的摄像组件；每组摄像组件均包括用于拍摄矩形管道内粉尘图像的CCD相机(45)、安装在CCD相机镜头前的放大镜(44)、用于照明的光源(43)以及用于将光源的发散光转化为平行光的透镜；所述光源设置在透镜的焦点位置；两组CCD相机分别通过数据线与计算机(46)连接，以便将图像信号输送给计算机。
6.根据权利要求5所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述矩形管道上分别设置有与两组摄像组件相对应的观测窗(42)。
7.根据权利要求6所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述光源为可见光源且亮度可调，以提供自然状态下的粉尘环境。
8.根据权利要求7所述的基于多角度采集图像的粉尘浓度检测装置，其特征在于：所述回流单元由气泵和除尘器连接而成。
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