CN112505048A - 标定氢气浓度的测试装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种标定氢气浓度的测试装置及其方法，标定氢气浓度的测试装置，包括反射式纹影系统和标定盒，标定盒采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；标定盒上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管，通过流量阀控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器；标定盒位于反射式纹影系统待测流场区，保证标定盒与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄纹影图像。本发明首次利用纹影技术直接标定灰度值与浓度的关系，标定结果能满足多场景氢气泄露浓度分布可视化测量要求，不局限于轴对称氢气射流；标定结果具有鲁棒性与重复性，能根据刀口位置选择合适的标定结果。

Description

标定氢气浓度的测试装置及其方法
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，具体涉及一种标定氢气浓度的测试装置及其方法。
背景技术
氢能作为一种新型能源，以其高燃烧效率、燃烧产物洁净、易于低成本储存和输送以及用途多样化等突出优点得到了人们的关注。但是氢气一旦发生泄漏，极易引起爆炸。因此，氢气泄漏与扩散阶段的研究具有重要意义。氢气浓度的可视化测量的结果对于研究氢气泄露浓度分布规律有着重要作用。而氢气浓度的可视化标定是氢气浓度的可视化测量的技术难点，可视化标定的准确性和精度将直接影响到测量的准确性和精度。
纹影技术是一种非接触式流场可视化的手段，纹影图像的显示结果可用来分析在不同测试环境条件下流场内部的复杂结构，该技术被广泛应用于空气动力学、流场观测、火焰燃烧以及风动实验等研究领域。但在实际应用中，纹影技术通常用作流场的定性观察和分析，由于标定方法缺失，较少作为流场的定量测量手段。另外，纹影法可视化结果仅反映空间气体密度变化，不能反应气体浓度变化，难以用氢气泄漏的浓度定量测量。因此，为了能够利用纹影技术对氢气浓度进行定量测量，需要对纹影系统进行标定。
Alvarez-Herrera等人在文献（Temperature measurement of an axisymmetricflame by using a schlieren system）中提出了基于传统刀口纹影光路的定标纹影法，该方法的原理就是当测试区域内不放置流场时按一定的步进量固定地调节刀口，得到一系列的纹影图片，然后根据图片的灰度值变化得到刀口切割量的变化与像面灰度值变化之间的定量关系。
这种标定方法是一种间接标定方法，标定的是光线偏移量与灰度值的关系，不能直接标定气体浓度与灰度值的关系，且标定结果只适用于轴对称流场的温度或密度的定量测量，对于其他非对称流场的测量，该标定结果并不适用。
谢爱民等人在文献（激波风洞流场密度测量的聚焦纹影技术）中将纹影技术与图像处理技术结合，将待测流场的聚焦纹影图像与无待测流场时所获得的纹影图像灰度变化进行对比标定，最终得到了待测流场中聚焦区域的密度值。
该标定方法只适用于流场的密度标定与测量，对于无待测流场的均匀性要求较高，且标定结果容易受到外界光束的影响。
发明内容
针对目前的纹影技术的标定只适用于流场温度与密度的标定，对于气体浓度的标定研究不足、且对于标定的实验条件要求较高、标定的结果的适用场景局限性较小、不能满足多场景测量的要求，本发明目的是提供一种能够简便且精确直观标定整个氢气浓度的装置和方法，使标定结果适用于多场景的氢气泄露可视化浓度测量。
具体的技术方案为：
标定氢气浓度的测试装置，包括反射式纹影系统和标定盒，所述的反射式纹影系统包括光源、聚光镜、准直镜、纹影镜、高速摄像机；所述的标定盒采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；标定盒上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管，通过流量阀控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器；标定盒位于反射式纹影系统待测流场区，保证标定盒与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄纹影图像。
所述的标定盒大小为20cm*20cm*20cm。
本发明还提供标定氢气浓度的方法，利用上述的标定氢气浓度的测试装置，包括以下步骤：
S1、搭建反射式纹影系统，保证光源、聚光镜、准直镜、纹影镜、高速摄像机的中心高度一致；
S2、打开光源与高速摄像机，并调节刀口位置，待高速摄像机中图像画面清晰后，固并记录当刀口前位置；
S3、标定盒未通入氢气时将标定盒放入纹影系统待测流场区，保证标定盒与纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄此时纹影图像；
S4、向标定盒中通入一定量的氢气，读取传感器浓度数据，并拍摄纹影图像；
S5、利用中值滤波对所得的纹影图像进行处理，计算滤波后的图像平均灰度值，并记录其中图像平均灰度值I；
S6、继续向标定盒中通入氢气，并重复步骤4~5，记录多组灰度值与浓度数据，并进行高斯过程回归拟合，得到灰度值与浓度值标定曲线，直到氢气浓度达到4%为止；
S7、再次调节刀口位置，固定并记录新的刀口当前位置，将氢气传感器与进气管卸下，将氢气排空，之后重新将氢气传感器与进气管安装好，步骤重复3~6，获得不同刀口位置下的标定曲线。
其中步骤S4中，向标定盒中通入氢气后，静置2分钟，待标定盒中氢气混合均匀，氢气传感器数值稳定后，开始读取传感器浓度数据，并拍摄纹影图像。
进一步的，步骤S5中图像平均灰度值I，计算公式如下：
Figure 162850DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 540742DEST_PATH_IMAGE002
为图像像素点个数，
Figure 344750DEST_PATH_IMAGE003
为图像水平像素值，
Figure 542513DEST_PATH_IMAGE004
为图像垂直像素值，
Figure 588704DEST_PATH_IMAGE005
代表图像的
Figure 555523DEST_PATH_IMAGE006
位置的灰度值。
优选的，步骤S7中，将氢气传感器与进气管卸下后，向标定盒中通入空气，持续1分钟，将氢气排空。
本发明技术方案带来的有益效果：
1本发明首次利用纹影技术直接标定灰度值与浓度的关系，为纹影技术可视化浓度测量奠定基础；
2本发明标定结果能满足多场景氢气泄露浓度分布可视化测量要求，不局限于轴对称氢气射流；
3本发明标定结果具有鲁棒性与重复性，能根据刀口位置选择合适的标定结果，不需要每次试验前都进行标定。
附图说明
图1为本发明的反射式纹影系统结构示意图；
图2为本发明的标定盒结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，标定氢气浓度的装置，包括反射式纹影系统和标定盒，所述的反射式纹影系统包括光源1、聚光镜2、准直镜3、纹影镜4、高速摄像机5；所述的标定盒8采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；如图2所示，标定盒8大小为20cm*20cm*20cm，标定盒8上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管10，通过流量阀11控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器9；标定盒8位于反射式纹影系统待测流场区7，保证标定盒8与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机5拍摄纹影图像。
本发明还提供标定氢气浓度的方法，利用上述的标定氢气浓度的测试装置，包括以下步骤：
S1、搭建反射式纹影系统，保证光源1、聚光镜2、准直镜3、纹影镜4、高速摄像机5的中心高度一致；
S2、打开光源1与高速摄像机5，并调节刀口6位置，待高速摄像机5中图像画面清晰后，固并记录当刀口6前位置；
S3、标定盒8未通入氢气时将标定盒8放入纹影系统待测流场区7，保证标定盒8与纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机5拍摄此时纹影图像；
S4、向标定盒8中通入氢气后，静置2分钟，待标定盒8中氢气混合均匀，氢气传感器9数值稳定后，开始读取氢气传感器9浓度数据，并拍摄纹影图像；
S5、利用中值滤波对所得的纹影图像进行处理，计算滤波后的图像平均灰度值，并记录其中图像平均灰度值I；计算公式如下：
Figure 999274DEST_PATH_IMAGE001
其中：
Figure 418754DEST_PATH_IMAGE002
为图像像素点个数，
Figure 566839DEST_PATH_IMAGE003
为图像水平像素值，
Figure 388164DEST_PATH_IMAGE004
为图像垂直像素值，
Figure 2816DEST_PATH_IMAGE005
代表图像的
Figure 706330DEST_PATH_IMAGE006
位置的灰度值。
S6、继续向标定盒8中通入氢气，并重复步骤4~5，记录多组灰度值与浓度数据，并进行高斯过程回归拟合，得到灰度值与浓度值标定曲线，直到氢气浓度达到4%为止；
S7、再次调节刀口位置，固定并记录新的刀口当前位置，将氢气传感器9与进气管10卸下，向标定盒8中通入空气，持续1分钟，将氢气排空，之后重新将氢气传感器9与进气管10安装好，步骤重复3~6，获得不同刀口位置下的标定曲线。

Claims (6)

1.标定氢气浓度的测试装置，其特征在于，包括反射式纹影系统和标定盒，所述的反射式纹影系统包括光源、聚光镜、准直镜、纹影镜、高速摄像机；所述的标定盒采用聚甲基丙烯酸甲酯材料制作；标定盒上方开2个10mm的螺纹孔，采用螺纹连接，其中一个螺纹孔是进气孔，连接进气管，通过流量阀控制氢气的通入量；另外一个螺纹孔作为排气孔，并固定有氢气传感器；标定盒位于反射式纹影系统待测流场区，保证标定盒与反射式纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄纹影图像。
2.根据权利要求1所述的标定氢气浓度的测试装置，其特征在于，所述的标定盒大小为20cm*20cm*20cm。
3.标定氢气浓度的方法，其特征在于，利用权利要求书1或2所述的标定氢气浓度的测试装置，包括以下步骤：
S1、搭建反射式纹影系统，保证光源、聚光镜、准直镜、纹影镜、高速摄像机的中心高度一致；
S2、打开光源与高速摄像机，并调节刀口位置，待高速摄像机中图像画面清晰后，固并记录当刀口前位置；
S3、标定盒未通入氢气时将标定盒放入纹影系统待测流场区，保证标定盒与纹影系统的中心高度一致，利用高速摄像机拍摄此时纹影图像；
S4、向标定盒中通入一定量的氢气，读取传感器浓度数据，并拍摄纹影图像；
S5、利用中值滤波对所得的纹影图像进行处理，计算滤波后的图像平均灰度值，并记录其中图像平均灰度值I；
S6、继续向标定盒中通入氢气，并重复步骤4~5，记录多组灰度值与浓度数据，并进行高斯过程回归拟合，得到灰度值与浓度值标定曲线，直到氢气浓度达到4%为止；
S7、再次调节刀口位置，固定并记录新的刀口当前位置，将氢气传感器与进气管卸下，将氢气排空，之后重新将氢气传感器与进气管安装好，步骤重复3~6，获得不同刀口位置下的标定曲线。
4.根据权利要求3所述的标定氢气浓度的方法，其特征在于，步骤S4中向标定盒中通入氢气后，静置2分钟，待标定盒中氢气混合均匀，氢气传感器数值稳定后，开始读取传感器浓度数据，并拍摄纹影图像。
5.根据权利要求3所述的标定氢气浓度的方法，其特征在于，步骤S5中图像平均灰度值I，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为图像像素点个数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为图像水平像素值，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为图像垂直像素值，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
代表图像的
Figure DEST_PATH_IMAGE012
位置的灰度值。
6.根据权利要求3所述的标定氢气浓度的方法，其特征在于，步骤S7中，将氢气传感器与进气管卸下后，向标定盒中通入空气，持续1分钟，将氢气排空。
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