CN114324080B - 一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置 - Google Patents

Abstract

一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，包括成像探头、降温装置、主机、计算机，工作时，成像探头将获得的含能材料颗粒样本的图像传输给计算机，计算机对图像进行处理和计算，单个颗粒的粒径，统计得到颗粒形貌及粒径分布。本发明消除了现有技术中粒径和颗粒形貌检测耗时长、检测结果滞后，无法进行实时在线检测含能材料颗粒形貌和粒度分布等缺陷，无需取样、制样，实现了在线实时图像采集，在线实时图像处理，为提升产品质量，改进生产工艺提供了最为及时准确的数据。

Description

一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置

技术领域

本发明属于检测设备领域，具体涉及一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置。

背景技术

现有技术中能够对含能材料颗粒形貌和粒径分布进行在线测量的装置一直相当有限，实际操作中含能材料颗粒形貌和粒径分布的测量常常借助离线仪器设备来实现，例如显微镜、尔文粒度仪等。而离线分析时大多需要采样、送样、分析等一系列的操作，测定耗时长，检测结果往往滞后。这些缺陷使得含能材料颗粒形貌及粒径分布的离线检测不能满足生产和科研需求。相当长的一段时间内在含能材料领域，一直没有快速、准确的在线装置能够提供颗粒形貌和粒径分布的实时信息，特别是能够用于含能材料生产中结晶、沉淀、造粒和磨制等操作过程中的在线晶型和粒度检测的装置或设备就更少了。含能材料生产过程有其特殊性：一是含能材料由于其产品的物理化学性质的特殊性带来的生产风险大，安全等级要求高，生产和检测区域通常分离；二是含能材料的粒度分布范围比较大，例如在造粒过程中颗粒的粒径分布可以从几微米到几千微米；三是，含能材料的颗粒形貌对其应用有较大影响，而现有设备无法在上述这些较为严苛的条件下实时在线提供含能材料颗粒形貌和粒度分布，从而限制了在生产过程中对含能材料颗粒形状和大小的检测、优化和调整。

现有技术中有的在线测量仪器要么只能够实现对含能材料颗粒形貌的观察，如梅特勒托利多公司开发的过程视窗和测量系统(PVM，专利号为US5815264A)；德国海德汉施瓦茨公司开发的过程图像分析仪(PIA，专利号为DE10052384A1)；荷兰Perdix公司开发的现场颗粒查看器(ISPV，专利号为NL1026306C2)和马才云、王学重开发的一种高清晰度探头式过程成像仪(专利号为ZL201320179339.3)；要么只能测量得到含能材料颗粒的尺寸及分布，如超声颗粒粒度仪、FBRM等仪器，均无法同时实现在线观察颗粒形貌和测量颗粒尺寸及粒度分布的功能。故针对含能材料的特殊性进行有针对性的安全性设计，实现同时对含能材料颗粒形貌及粒径分布进行在线检测的装置是本领域所急需的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，针对含能材料领域的特殊性，提供一种在线检测含能材料颗粒形貌和粒径分布的装置。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，包括成像探头、降温装置、主机、计算机；

所述的成像探头与降温装置相连接，同时成像探头还与主机相连接，主机通过光纤或网线与计算机进行远距离数据传输；工作时，成像探头将获得的含能材料颗粒样本的图像传输给计算机，计算机首先对图像进行预处理，再用分割技术对含能材料颗粒样本的图像背景进行删除，然后计算单个颗粒的粒径，统计粒径的累计分布和颗粒度频率分布，并输出在软件界面上；

a.所述的成像探头为防爆探头；

所述的成像探头包括探管主体部分和光源；所述的探管主体部分包括探管外壳、蓝宝石玻璃窗口、镜头、相机、相机换热装置、导管；

所述的探管主体部分采用机械密封，从而避免了以往用胶水粘合视窗玻璃的方法不耐腐蚀易于渗漏的缺陷，使得本发明的成像探头能够在强酸、强碱和强腐蚀性环境中使用；

所述的成像探头根据应用的不同，有两种结构：透射式探头和反射式探头；

所述的透射式探头，探管主体部分和光源位于探管的两端，其中光源埋于探管一端的L型支架内，探管的另一端为探管主体部分；对于浓度高的样品，透射式探头可以提供高强度的光照，从而得到清晰的画面；

所述的反射式探头，结构与透射式探头类似，不同之处在没有L型支架，光源置于蓝宝石玻璃窗口之后，与相机均在探管主体部分内部；对于浓度低的样品，反射式探头的反射可以提供均匀的背景；

所述的相机换热装置通过导管与降温装置相连接，及时导出相机工作产生的热量，以保证相机在较高的工作温度下能够正常工作；

b.所述的降温装置包括冷却装置和气体循环装置；所述的冷却装置、循环装置与成像探头相连接，用冷媒为成像探头的相机降温，使得相机在较高的工作温度下能够正常工作；

所述的降温装置所用的冷媒为气体、液体或液氮等；

c.所述的主机为防爆主机，包含控制光源工作状态的光源控制器，和将图像传输到计算机的传输装置；所述的光源控制器控制光源，可实现光源照明与相机快门同步；

d.所述的计算机用于颗粒形貌显示和粒度分布统计，可将采集的含能材料颗粒的图像进行处理和结果输出；所述的计算机应用的软件，可采用多种技术来提高图像的质量和颗粒粒度分布的准确性；

所述的成像探头、主机、降温装置需满足含能材料的防爆等级要求，设置于生产现场；所述的计算机为普通设备，设置于生产现场外的检测区域；所述的主机与计算机通过光纤或网线进行远距离数据交换和传输；

工作时，本发明所述的在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的过程是：

(1)图像采集；成像探头接触待测颗粒，相机进行图像采集，获取图像后，通过主机传输给计算机；

(2)图像预处理；计算机运用多种图像预处理技术如对比度校准等技术对获取的图像进行优化；

(3)图像分割；进行图像分割，将对象与背景分离；

(4)颗粒粒度和粒形统计；进行颗粒粒度和粒形统计，通过查找分割对象的统计数据，就可以确定分割对象粒径分布和颗粒形貌参数等统计数据；

所述的图像采集是通过相机的应用程序接口，用计算机语言编程实现；

所述的获取图像步骤，涉及使相机快门曝光与光源闪光同步的技术以确保成像所需的光照强度和时间；

所述的图像预处理，是在线颗粒粒度分布和粒形参数测量的重要步骤，当检测的是简单体系，如透明度高、颗粒密度低的体系，图像预处理并不是必须的；但是当检测的是复杂体系，如透明度低、颗粒密度高，杂质多的体系，图像预处理可以帮助颗粒从复杂的背景中分离出来，提高在线颗粒粒度分布统计的准确性和重复性；

所述的图像预处理，主要包括对比度和亮度调整等；多种对比度调整的算法可以用来改善画质。根据捕获的不同图像的具体情况，亮度调整对图像的效果也有显著的影响。为此在本发明中软件会根据图片的具体情况自动选用不同的预处理方法来实现颗粒与背景的分离从而提高图片分割步骤的准确性，快速性和重复性；

所述的图像分割，是将对象与背景分离，有多种算法可以应用，如多尺度分割法、Prewiit算法，Roberts算法，Laplacian of Logarithm算法等；

所述的颗粒粒度和粒形统计，是利用算法组件如Blob滤波算法，在分割好的图像基础上进行闭环填充，从而得到对象的统计信息如边界框、面积、高度、宽度等，然后过滤掉不需要的对象；其他类型的过滤也在此阶段应用，例如移除图像边缘的对象，最后，可以使用生成的对象来遮盖原始图像，以便以自然颜色显示检测到的对象。

所述的成像探头可以是一个或多个；所述的计算机应用的软件支持多探头图像捕获，处理和存储。

本发明采用上述技术方案所设计的一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，消除了现有技术中粒径和颗粒形貌检测耗时长、检测结果滞后，无法进行实时在线检测含能材料颗粒形貌和粒度分布等缺陷，与现有技术相比具有以下有益效果：特殊的相机控温设计，保证探头在高温下能够正常工作，且不对反应釜内的颗粒产生影响；针对不同的样品可选用不同类型的探头(透射式和反射式)，保证了高清晰的图片质量；实现了在线实时图像采集，在线实时图像处理，为提升产品质量，改进生产工艺提供了最为及时的数据；直接在线测量含能材料在反应釜中的颗粒的形貌和粒径分布等特征，无需取样、制样，节省了时间成本并能够更加准确的反映实际生产中的状况。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2(a)为本发明的透射式探头的剖视图；

图2(b)为本发明的反射式探头的剖视图；

图3为本发明实施例1的相机换热装置的示意图；

图4为本发明的工作流程图；

图5为本发明实施例1的计算机软件进行颗粒粒度和粒形统计的结果界面，左边窗口是颗粒形貌，右边窗口是粒径分布；

图中：1.光源；2.蓝宝石玻璃窗口；3.镜头；4.相机；5.探管外壳；6.相机换热装置的外壳；7.导管；8.相机绝热外壳；9.换热金属部件。

具体实施方式

实施例1：一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，包括成像探头、降温装置、主机、计算机；

所述的成像探头与降温装置相连接，同时成像探头还与主机相连接，主机通过光纤或网线与计算机进行远距离数据传输；工作时，成像探头将获得的含能材料颗粒样本的图像传输给计算机，计算机首先对图像进行预处理，再用分割技术对含能材料颗粒样本的图像背景进行删除，然后计算单个颗粒的粒径，统计粒径的累计分布和颗粒度频率分布，并输出在软件界面上；

a.所述的成像探头为防爆探头；

所述的成像探头包括探管主体部分和光源；所述的探管主体部分包括探管外壳、蓝宝石玻璃窗口、镜头、相机、相机换热装置、导管；

所述的探管主体部分采用机械密封，从而避免了以往用胶水粘合视窗玻璃的方法不耐腐蚀易于渗漏的缺陷，使得本发明的成像探头能够在强酸、强碱和强腐蚀性环境中使用；

所述的成像探头根据应用的不同，有两种结构：透射式探头和反射式探头；

所述的透射式探头，探管主体部分和光源位于探管的两端，其中光源埋于探管一端的L型支架内，探管的另一端为探管主体部分；对于浓度高的样品，透射式探头可以提供高强度的光照，从而得到清晰的画面；

所述的反射式探头，结构与透射式探头类似，不同之处在没有L型支架，光源置于蓝宝石玻璃窗口之后，与相机均在探管主体部分内部；对于浓度低的样品，反射式探头的反射可以提供均匀的背景；

所述的相机换热装置通过导管与降温装置相连接，及时导出相机工作产生的热量，以保证相机在较高的工作温度下能够正常工作；

本实施例中所述的相机换热装置，包括绝热外壳和换热金属部件；所述的绝热外壳采用聚四氟乙烯这种耐高且温导热性差的材料，将相机严密包裹起来，避免相机与降温装置进行热交换降温时，冷媒气体对探管壳体的温度产生影响，进而影响探头接触的反应釜内的物料的温度；所述的换热金属部件采用铜这种导热性高的金属材料，以保证热交换效率；

b.所述的降温装置包括冷却装置和气体循环装置；所述的冷却装置、循环装置与成像探头相连接，用冷媒为成像探头的相机降温，使得相机在较高的工作温度下能够正常工作；

所述的降温装置所用的冷媒为气体、液体或液氮等；本实施例中冷媒为气体；

c.所述的主机为防爆主机，包含控制光源工作状态的光源控制器，和将图像传输到计算机的传输装置；所述的光源控制器控制光源，可实现光源照明与相机快门同步；

d.所述的计算机用于颗粒形貌显示和粒度分布统计，可将采集的含能材料颗粒的图像进行处理和结果输出；所述的计算机应用的软件，可采用多种技术来提高图像的质量和颗粒粒度分布的准确性；

所述的成像探头、主机、降温装置需满足含能材料的防爆等级要求，设置于生产现场；所述的计算机为普通设备，设置于生产现场外的检测区域；所述的主机与计算机通过光纤或网线进行远距离数据交换和传输；

工作时，本发明所述的在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的过程是：

(1)图像采集；成像探头接触待测颗粒，相机进行图像采集，获取图像后，通过主机传输给计算机；

(2)图像预处理；计算机运用多种图像预处理技术如对比度校准等技术对获取的图像进行优化；

(3)图像分割；进行图像分割，将对象与背景分离；

(4)颗粒粒度和粒形统计；进行颗粒粒度和粒形统计，通过查找分割对象的统计数据，就可以确定分割对象粒径分布和颗粒形貌参数等统计数据；

所述的图像采集是通过相机的应用程序接口，用计算机语言编程实现；

所述的获取图像步骤，涉及使相机快门曝光与光源闪光同步的技术以确保成像所需的光照强度和时间；

所述的图像预处理，是在线颗粒粒度分布和粒形参数测量的重要步骤，当检测的是简单体系，如透明度高、颗粒密度低的体系，图像预处理并不是必须的；但是当检测的是复杂体系，如透明度低、颗粒密度高，杂质多的体系，图像预处理可以帮助颗粒从复杂的背景中分离出来，提高在线颗粒粒度分布统计的准确性和重复性；

所述的图像预处理，主要包括对比度和亮度调整等；多种对比度调整的算法可以用来改善画质。根据捕获的不同图像的具体情况，亮度调整对图像的效果也有显著的影响。为此在本发明中软件会根据图片的具体情况自动选用不同的预处理方法来实现颗粒与背景的分离从而提高图片分割步骤的准确性，快速性和重复性；

所述的图像分割，是将对象与背景分离，有多种算法可以应用，如多尺度分割法、Prewiit算法，Roberts算法，Laplacian of Logarithm算法等；

本实施例中图像分割采用多尺度分割方法：

第一步是检测对象的边缘；在大多数的在线应用中，图像中存在的对象的边缘具有不同的清晰度，多数是由光照、颗粒距相机的距离、颗粒团聚堆叠等因素造成，且简单的边缘检测算法不能准确检测这样的图像。因此，在多尺度分割的边缘检测中，以不同尺度检测图像中存在的对象的边缘，这允许在一个比例下检测到的边缘在另一个比例下被检测到；

第二步是组合来自不同尺度的边缘图像以更好地分离图像中存在的所有对象；

所述的颗粒粒度和粒形统计，是利用算法组件如Blob滤波算法，在分割好的图像基础上进行闭环填充，从而得到对象的统计信息如边界框、面积、高度、宽度等，然后过滤掉不需要的对象；其他类型的过滤也在此阶段应用，例如移除图像边缘的对象，最后，可以使用生成的对象来遮盖原始图像，以便以自然颜色显示检测到的对象；

所述的成像探头可以是一个或多个；

所述的计算机应用的软件支持多探头图像捕获，处理和存储。

Claims (3)

1.一种在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，其特征在于，包括成像探头、降温装置、主机、计算机；

所述的成像探头与降温装置相连接，同时成像探头还与主机相连接，主机通过光纤或网线与计算机进行远距离数据传输；工作时，成像探头将获得的含能材料颗粒样本的图像传输给计算机，计算机首先对图像进行预处理，再用分割技术对含能材料颗粒样本的图像背景进行删除，然后计算单个颗粒的粒径，统计粒径的累计分布和颗粒度频率分布，并输出在软件界面上；

a.所述的成像探头为防爆探头；

所述的成像探头包括探管主体部分和光源；所述的探管主体部分包括探管外壳、蓝宝石玻璃窗口、镜头、相机、相机换热装置、导管；

所述的探管主体部分采用机械密封，使探头能够在强酸、强碱和强腐蚀性环境中使用；

所述的成像探头根据应用的不同，有两种结构：透射式探头和反射式探头；所述的透射式探头，探管主体部分和光源位于探管的两端，其中光源埋于探管一端的L型支架内，探管的另一端为探管主体部分；

所述的反射式探头，结构与透射式探头类似，不同之处在没有L型支架，光源置于蓝宝石玻璃窗口之后，与相机均在探管主体部分内部；

所述的相机换热装置通过导管与降温装置相连接，及时导出相机工作产生的热量，以保证相机在较高的工作温度下能够正常工作；

b.所述的降温装置包括冷却装置和气体循环装置；所述的冷却装置、循环装置与成像探头相连接，用冷媒为成像探头的相机降温，使得相机在较高的工作温度下能够正常工作；

所述的降温装置所用的冷媒为气体、液体或液氮；

c.所述的主机为防爆主机，包含控制光源工作状态的光源控制器，和将图像传输到计算机的传输装置；所述的光源控制器控制光源，可实现光源照明与相机快门同步；

d.所述的计算机用于颗粒形貌显示和粒度分布统计，可将采集的含能材料颗粒的图像进行处理和结果输出；所述的计算机应用的软件，可采用多种技术来提高图像的质量和颗粒粒度分布的准确性；

所述的成像探头、主机、降温装置需满足含能材料的防爆等级要求，设置于生产现场；所述的计算机为普通设备，设置于生产现场外的检测区域；所述的主机与计算机通过光纤或网线进行远距离数据交换和传输；

工作时，所述的在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的过程是：

(1)图像采集；成像探头接触待测颗粒，相机进行图像采集，获取图像后，

通过主机传输给计算机；

(2)图像预处理；计算机运用多种图像预处理技术对获取的图像进行优化；

(3)图像分割；进行图像分割，将对象与背景分离；

(4)颗粒粒度和粒形统计；进行颗粒粒度和粒形统计，通过查找分割对象的统计数据，确定分割对象粒径分布和颗粒形貌参数等统计数据；

所述的图像采集是通过相机的应用程序接口，用计算机语言编程实现；

所述的图像预处理，主要包括对比度和亮度调整等；所述的计算机应用的软件会根据图片的具体情况自动选用不同的预处理方法来实现颗粒与背景的分离从而提高图片分割步骤的准确性，快速性和重复性；

所述的图像分割，是将对象与背景分离，有多种算法可以应用，

所述的颗粒粒度和粒形统计，是利用算法组件，在分割好的图像基础上进行闭环填充，从而得到对象的统计信息如边界框、面积、高度、宽度等，然后过滤掉不需要的对象；其他类型的过滤也在此阶段应用，例如移除图像边缘的对象，最后，可以使用生成的对象来遮盖原始图像，以便以自然颜色显示检测到的对象；

所述的成像探头可以是一个或多个；

所述的计算机应用的软件支持多探头图像捕获，处理和存储。

2.如权利要求1所述的在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，其特征在于，所述的相机换热装置，包括绝热外壳和换热金属部件；所述的绝热外壳采用耐高且温导热性差的材料，将相机严密包裹起来，避免相机与降温装置进行热交换降温时，冷媒气体对探管壳体的温度产生影响，进而影响探头接触的反应釜内的物料的温度；所述的换热金属部件采用导热性高的金属材料，以保证热交换效率。

3.如权利要求1或2所述的在线检测含能材料颗粒形貌及粒径分布的装置，其特征在于，所述的图像分割采用多尺度分割方法：

第一步是检测对象的边缘；以不同尺度检测图像中存在的对象的边缘；

第二步是组合来自不同尺度的边缘图像以更好地分离图像中存在的所有对象。