CN202710481U - 高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，包括气泡生成部分与图像采集及处理部分；气泡生成部分包括气泵，转子流量计，曝气头和测试容器，曝气头与气泵通过胶管相连，曝气头从胶皮塞穿过进入测试容器内部；图像采集处理部分包括计算机、图像采集控制卡、摄像机、光源、测试容器外部支架，图像采集控制卡安装在计算机中，摄像机位于测试容器一侧；外部支架固定在测试容器外，光源通过外部支架悬挂在测试容器内，光源与摄像机处于同一高度且正对摄像机；摄像机与计算机内的图像采集控制卡相连接。该装置利用摄像机采集图像，并利用计算机在线，快速准确的识别图像里高浓度分散相多相流中的气泡，并得到气泡物性参数。

Description

高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置

技术领域

本实用新型属于多相流领域，具体涉及一种高浓度分散相中多相流中的气泡识别及测量装置。 

背景技术

高浓度分散相多相流广泛存在于能源，动力和化工等领域。这些系统中，气体通常以气泡的形式分散在多相流中，在上升过程中，与周围气泡，液流以及分分散相发生相互作用，从而影响系统的传质，传热或反应特性。在诸多工程和实验中，高浓度分散相多相流中气泡的物性参数（如气泡尺寸及数量分布）是重要的工艺参数，气泡识别的精确程度直接影响到气泡动力规律研究的准确性。尤其在反应器研究方面，多相流中分散相与气泡的相互接触以及反应器内环境的均匀性都与气泡的物性和运动特性密切相关。而高浓度分散相的存在，使得对气泡行为的观察更加困难，因此，对多相流中气泡尺寸及数量的定量测量，不仅是认识各种涉及气泡的高浓度分散相多相流动特性的重要前提，也为解决实际工程问题提供理论指导。 

随着对多相流流动特性研究的深入，对于气泡测量手段提出了更高的要求。早期受测量技术的限制，此方面的手段仅限于气液两相流或低浓度分散中气泡的测量，如快速关闭阀门法、电导法、射线衰减法、压差法、微波法、光纤探针、电导探针法、多孔法以及漂移量分析法等。虽然近年来，图像处理作为现代信息处理技术，已被广泛地应用到各种参数检测中，其中高速摄像法是一种非接触式瞬态、整场测量方法，可以直观显示气泡的大小及其分布，以及气泡的运动过程，同时连接计算机和图像处理技术，实现了对气液两相中气泡快速准确的在线识别与测量。但一般高速摄像法采用外部光源，然而由于多相流中高浓度分散相的存在，阻碍了外部光源的射入，使得高速摄像机不能捕捉到清晰的气泡图像进而无法完成后期的图像处理，所以目前的技术多局限于气液两相流和低浓度分散相条件下多相流中对气泡的测量和识别，无法对高浓度分散相多相流中气泡行为进行描述。而采用光源内置的方法，选取体积较小的光源，在不影响多相流整场流动情况下，提供充足光线，同时结合高速摄像相的使用，使得对高浓度分散相多相流中气泡的识别和测量成为可能。 

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本实用新型的目的在于，提供一种高浓度分散 相多相流中的气泡识别和测量装置，该装置利用摄像机采集图像，通过光源内置的方法提供充足的光线，并利用计算机在线，快速准确的识别图像中多相流中的气泡，最后得到气泡的物性参数。 

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术解决方案： 

一种高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，包括气泡生成部分和图像采集部分；其中： 

气泡生成部包括气泵，转子流量计，曝气头，和测试容器，其中，曝气头与气泵通过胶管连接到曝气头的下端，胶管上安装有转子流量计，测试容器底部中心开有圆孔，在该圆孔中塞入中空的胶皮塞，曝气头的上端从胶皮塞的空腔穿过进入测试容器内部； 

图像采集及处理处理部分包括计算机，图像采集控制卡，摄像机，外部支架，光源，其中，图像采集控制卡安装在计算机中，摄像机位于测试容器的一侧并正对测试容器，外部支架固定在测试容器的外部，光源通过外部支架悬挂在测试容器内，光源与摄像机处于同一水平高度且正对摄像机；摄像机与计算机中的图像控制卡相连接。 

本实用新型还包括以下技术特征： 

所述摄像机通过千兆以太网线与计算机内的图像采集控制卡相连接。 

所述气泵采用真空气泵。 

所述曝气头采用石英曝气头。 

所述测试容器侧壁带有刻度。 

所述测试容器底部留有排水阀门。 

所述测试容器采用透明容器。 

所述摄像机采用CMOS高速摄像仪。 

所述光源采用防水强光光源。 

本实用新型的有益产效果：可实现高浓度分散相存在条件下多相流中气泡参数的准确测量，这对深入认识这种流动现象的物理本质，解决实际工程问题均有重要意义，而且可为工程设计人员研发高效机器视觉工业设备提供设计指导。 

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。 

图2是本实用新型的图像处理工作流程图。 

图3是气泡大小等效图。 

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步解释说明。 

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，包括气泡生成部分与图像采集部分；其中： 

气泡生成部分包括气泵1，转子流量计2，曝气头3和测试容器4，其中，气泵1通过胶管6连接到曝气头3的下端，胶管6上安装转子流量计2，转子流量计2用以控制气泡生成速率；测试容器4底部中心开有孔径80MM的圆孔，在该圆孔中塞入中空的胶皮塞，曝气头3的上端从胶皮塞中的空腔穿过而进入测试容器4内部，曝气头3用以生成气泡。测试容器4侧壁带有刻度，以便为拍摄结果提供高度标度。测试容器4底部留有排水阀门（图中未标出）。气泡生成部分的各个接口灵活连接，可卸可接，方便操作。 

气泵1采用真空气泵。 

曝气头3采用石英曝气头。 

测试容器4采用透明容器，如有机玻璃容器。 

图像采集及处理处理部分包括计算机5，图像采集控制卡，摄像机7，外部支架8，光源9，其中，图像采集控制卡安装在计算机5中，摄像机7位于测试容器4的一侧并正对测试容器4，外部支架8固定在测试容器4的外部，光源9通过外部支架8悬挂在测试容器4内，光源9与摄像机7处于同一水平高度且正对摄像机7；摄像机7通过千兆以太网线与计算机5中的图像控制卡相连接。 

摄像机7采用CMOS高速摄像仪。 

为达到布光强度，光源9采用体积较小且防水的强光光源。 

如图2所示，本实用新型的工作步骤如下： 

1）准备光源9，打开真空气泵1开关，气体从软管中经过转子流量计2，进入曝气头3的的气体以鼓泡的方式进入测量容器4底部并上升，开启摄像机7并调节焦距到出现清晰图像； 

2）利用摄像机7获取高浓度分散相多相流中气泡图像，并将采集到的气泡图像实时发送给计算机5。 

3）计算机5对获得的图像进行预处理、滤波、边缘检测、气泡区填充、标定等。利用图2所示的图像处理流程对获得的图像利用边缘检测和图像填充技术提取并计算气泡尺寸，使用基于形态学理论的分水岭算法对气泡图像进行分割，获得分离的气泡图像； 

4）计算机5获得气泡团的各尺寸气泡的分布密度，最终得到气泡参数统计分析。 

其中，利用计算机5对拍摄到的每幅图在线确定气泡的具体位置和尺寸。由于气泡的形状通常为椭球形，通过分析二维图像分析，得到气泡的长径dv(mm)和短径dh(mm)，长径和短径的表示方法如图3所示。采用当量直径deq表示气泡大小，计算方法如下： 

$d_{\mathrm{eq}}={\left(d_v{d}_h^2\right)}^{1/3}$

应用实施例 

应用本实用新型对实际工业中广泛存在的高浓度分散相多相流中的气泡在不同实验条件下（如气泡团，分散相浓度为500,600,700mg/L等不同工况）的上升运动进行记录。实验中，气泡团采用本实用新型气泡发生装置生成，液体使用不同分散相浓度的SBR好氧颗粒污泥。气泡的瞬时运动利用加拿大Mega Speed Corp公司的MS75K高速摄影仪实时记录，获得气泡的形状、大小、轨迹和分布。 

Claims (9)

1.一种高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，包括气泡生成部分和图像采集及处理部分；其中：

气泡生成部包括气泵(1)，转子流量计(2)，曝气头(3)，和测试容器(4)，其中，曝气头（3）与气泵（1）通过胶管连接到曝气头（3）的下端，胶管上安装有转子流量计（2），测试容器（2）底部中心开有圆孔，在该圆孔中塞入中空的胶皮塞，曝气头（3）的上端从胶皮塞的空腔穿过进入测试容器（4）内部；

图像采集及处理处理部分包括计算机(5)，图像采集控制卡，摄像机(7)，外部支架（8），光源(9)，其中，图像采集控制卡安装在计算机(5)中，摄像机(7)位于测试容器(4)的一侧并正对测试容器(4)，外部支架（8）固定在测试容器（4）的外部，光源（9）通过外部支架（8）悬挂在测试容器（4）内，光源（9）与摄像机（7）处于同一水平高度且正对摄像机（7）；摄像机（7）与计算机（5）中的图像控制卡相连接。

2.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述摄像机(7)通过千兆以太网线与计算机（5）内的图像采集控制卡相连接。

3.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述气泵(1)采用真空气泵。

4.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述曝气头(3)采用石英曝气头。

5.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述测试容器(4)侧壁带有刻度。

6.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述测试容器(4)底部留有排水阀门。

7.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述测试容器(4)采用透明容器。

8.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述摄像机(7)采用CMOS高速摄像仪。

9.如权利要求1所述的高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置，其特征在于，所述光源(9)采用防水强光光源。

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