RU2655728C1 - Устройство определения параметров взвешенных частиц - Google Patents
Устройство определения параметров взвешенных частиц Download PDFInfo
- Publication number
- RU2655728C1 RU2655728C1 RU2017107615A RU2017107615A RU2655728C1 RU 2655728 C1 RU2655728 C1 RU 2655728C1 RU 2017107615 A RU2017107615 A RU 2017107615A RU 2017107615 A RU2017107615 A RU 2017107615A RU 2655728 C1 RU2655728 C1 RU 2655728C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- particles
- digital
- suspended particles
- images
- flow
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume, or surface-area of porous materials
- G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
Abstract
Изобретение относится к области для определения параметров взвешенных частиц. Устройство определения параметров взвешенных частиц содержит воздуховод, лазерный излучатель, объектив, матрицу ПЗС для регистрации и обработки не менее двух изображений плоской области потока частиц, «вырезаемой» световым ножом, а также содержит последовательно соединенные акустический излучатель, усилители мощности, цифроаналоговые преобразователи, датчик температуры, усилители, аналого-цифровые преобразователи, DSP-процессор, ЭВМ, интерфейс сопряжения с внешними устройствами, цифровой индикатор. Технический результат - повышение информативности данных и определение поля скоростей, размер, форму, плотность и массу взвешенных частиц. 2 ил.
Description
Изобретение относится к технике измерений, в частности к оптическим методам контроля, и может использоваться в электронной и химической промышленности, в медицине, биологии, экологии, порошковой металлургии и других областях науки и техники, связанных с определением параметров взвешенных частиц.
Известен способ анализа взвешенных частиц (АС SU 507807, G01N 15/02 от 08.01.1974 г.), основанный на облучении исследуемого объекта электромагнитным и акустическим излучениями и регистрации рассеянного частицами электромагнитного излучения, в котором с целью повышения точности анализа облучение осуществляют одновременно обоими видами излучений, регистрируют изменение частоты: моночастотного электромагнитного излучения, а размер частиц находят по формуле R = где η - коэффициент вязкости среды; V0 - амплитуда скорости частиц под действием акустических колебаний; Δf - максимальное изменение частот отраженного моночастотного электромагнитного излучения; λ - длина волны моночастотного электромагнитного излучения; ρ - плотность частицы; F - частота акустических колебаний.
Недостатком способа является сложность реализации и малая точность при определения размеров и плотности вещества частиц, обусловленные высокой методической погрешностью.
Известен способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта (патент RU 2288476, G01P 5/20, G01M 9/06, от 14.03.2005 г.), который включает размещение на исследуемой поверхности объекта слоя вязкой жидкости с оптически инородными частицами, помещение объекта в поток газа или жидкости и получение картины течения газа или жидкости на поверхности объекта. В качестве оптически инородных частиц используют нерастворимые в вязкой жидкости оптически инородные частицы, которые помещают на поверхности вязкой жидкости или в ее толщу. Для получения картины течения газа или жидкости на поверхности объекта регистрируют при интересующем режиме потока газа или жидкости два или более последовательных изображения распределения частиц на исследуемой поверхности объекта так, чтобы смещение свободной поверхности слоя вязкой жидкости под действием внешнего потока за время проведения регистрации серии последовательных изображений на исследуемом режиме обтекания составляло порядка 0,1-1% от размера регистрируемой поверхности, и этот слой мог быть использован для визуализации другого режима течения газа или жидкости. Далее определяют параметры движения частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и из полученных параметров движения частиц восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности объекта.
Недостатком способа является малая информативность, позволяющая только визуализировать распределение твердых частиц в течении газов или жидкости, т.е. размер, форма и плотность частиц не определяются.
Известен фотоэлектрический способ измерения размеров и концентрации взвешенных частиц (АС SU 1520399, G01N 15/02 от 18.02.1988 г), в котором в потоке частиц, освещенных неподвижным пучком света, возбуждают акустическое колебание в направлении, перпендикулярном направлению потока и оси пучка, и регистрируют "пачки" импульсов рассеянного частицами света, возникающие при пересечении пучка света колеблющимися частицами, по амплитудам которых судят о размерах частиц, а по средней частоте повторения "пачек" - о концентрации частиц.
Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц.
Известен способ определения параметров дисперсных частиц (Пат. RU 2346261, G01N 15/02 от 09.07.2007 г.), в котором объем с дисперсными частицами зондируют пучком маломощного лазерного излучения и одновременно с зондирующим лазерным излучением исследуемый объем подвергают воздействию ультразвуковых колебаний. По динамической составляющей рассеянного и отраженного (под малыми углами относительно направления распространения) от дисперсных частиц излучения определяют их собственные частоты механических колебаний, из которых находят размер частиц.
Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц.
Известен оптический способ бесконтактного измерения скорости течений жидкости и газа, основанный на лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА), позволяющий измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения (Albrecht Н.Е., Borys М., Damascke N., Тгореа С. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003, 738 p.).
Недостатком указанного способа является малая информативность - способ позволяет определять только скорость течения жидкости или газа и не позволяет определять размерные параметры, плотность вещества и массу частиц.
Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке (Патент GB 2480440, G06T 7/20 от 30.06.2010), основанные на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (particle image velocimetry- PIV). Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микроразмеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.
Недостатком способа является отсутствие возможности определения массы и плотности взвешенных частиц в потоке.
Известны способ и устройство для оптического измерения размера или скорости объекта, движущегося в жидкости через поле (пат. FR 2689247, G01P 3/38, 5/00, 5/22, G01N 15/02, G01B 11/00, от 24.03.1992 г.), в котором первое изображение движущегося объекта или жидкости берется вдоль оптической оси для первого момента времени, фиксируется с помощью датчика ПЗС-матрицы камеры, после чего во второй момент времени фиксируется второе изображение движущегося объекта или жидкости по той же оптической оси с помощью датчика ПЗС-матрицы камеры и далее полученные изображения одновременно обрабатываются для того, чтобы определить размер и скорость объекта путем вычитания одного сигнала из другого или вывести скорость жидкости с помощью автокорреляционной функции.
Недостатком способа и основанного на нем устройства является отсутствие возможности определения массы и плотности движущегося объекта в потоке жидкости.
Известны способ и устройство для измерения перемещения изображений частиц для многократного экспонирования велосиметрии (пат. US 4729109, G01P 5/00, G01P 5/18, H04N 13/00 от 29.05.1985 г.), в котором описан цифровой метод измерения смещений компактных изображений, в частности изображения частиц, записанных на любой носитель записи. Метод сжимает двумерное изображение поля частиц двух изображений. Смещение частиц между несколькими экспозициями определяется путем оцифровки двух одномерных изображений, вычисления их автокорреляции и поиска пиков этих автокорреляций. Этот метод особенно пригоден для измерения поля скоростей жидкостей, содержащих много мелких частиц.
Недостатком указанного способа и устройства является то, что он позволяет определять только поле скорости жидкости, содержащей много мелких частиц и не позволяет определять размер, форму, плотность вещества и массу частиц.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому способу является способ цифровой трассерной визуализация - PIV (particle image velocimetry) для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц (М. Raffel, С. Willert and J. Kompenhans, Particle Image Velocimetry, a Practical Guide, Springer, Berlin, 1998), сущность которого заключается в измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. Измерительной областью потока считается плоскость, «вырезаемая» световым ножом. Частицы в измерительной плоскости потока должны быть освещены минимум дважды. Образы частиц регистрируются на цифровую камеру. Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить поле скорости.
Недостатком указанного способа является малая информативность - способ позволяют определять лишь поле скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц и не позволяет определять размер, форму, плотность вещества и массу частиц.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении информативности и точности данных при измерении параметров частиц за счет введения дополнительного акустического излучения и регистрации получаемых при этом изображений колебаний частиц потока.
Этот результат достигается тем, что устройство определения параметров взвешенных частиц, содержащее воздуховод, лазерный излучатель, объектив, матрицу ПЗС для регистрации и обработки не менее двух изображений «вырезаемую» световым ножом плоскую область потока частиц, отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные акустический излучатель, усилители мощности, цифроаналоговые преобразователи, датчик температуры, усилители, аналого-цифровые преобразователи, DSP- процессор, ЭВМ, интерфейс сопряжения с внешними устройствами, цифровой индикатор.
На фиг. 1 представлена схема устройства, а на фиг. 2 - общая схема устройства регистрации изображения перемещения частиц примеси в плоскости светового ножа.
На схеме, поясняющей работу устройства, показано следующее: воздушный поток 1 с частицами 2, плоскость регистрации ПЗС 3, линза, формирующая световой нож 4, смотровое окно, прозрачное для световых волн 5, лазерный излучатель 6, усилители мощности 7, 17, цифроаналоговые преобразватели (ЦАП) 8, 18, датчик температуры 9, усилители 10, 13, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) 11, 14, матрица ПЗС 12 с объективом 12', DSP- процессор 15, акустический излучатель 16, ЭВМ (микроконтроллер) 19, интерфейс сопряжения с внешними устройствами 20, цифровой индикатор 21, узкий световой поток в плоскости (световой нож) 22, воздуховод для пропускания потока через плоскость регистрации ПЗС 23, акустическое излучение 24.
Устройство работает следующим образом.
Воздушный поток 1, содержащий частицы 2, через смотровое окно 5 освещают световым пучком в виде светового ножа 22, формируемого лазерным излучателем 6 и объективом 4. Лазерный излучатель 6 управляется микроконтроллером 19 через цифроаналоговый преобразователь 8 и усилитель мощности 7.
В начале измерения в измерительной плоскости 3, «вырезаемой» световым ножом 22 (в плоскости регистрации ПЗС), поток частиц освещается серией последовательных вспышек лазерным излучателей 6. Полученные изображения регистрируются матрицей ПЗС 12 с объективом 12' и далее через усилитель 13 и АЦП 14 поступают на DSP-процессор, который проводит обработку полученных изображений и рассчитывает смещения частиц за время между вспышками лазерного излучателя. Далее информация поступает на ЭВМ (микроконтроллер) 19, который строит поле скоростей потока частиц с помощью вычисления автокорреляции двух последовательных изображений и поиска пиков этих автокорреляций (М. Raffel, С. Willert and J. Kompenhans, Particle Image Velocimetry, a Practical Guide, Springer, Berlin, 1998), а также определяет размер частиц с помощью цифровой обработки полученных изображений.
Далее начинает работать акустический излучатель 16, амплитуда и частота излучаемых волн которого направляется перпендикулярно потоку частиц. Амплитуда и частота акустического излучения 24 задается алгоритмом работы ЭВМ (микроконтроллера) 19 при помощи формирования управляющих импульсов через ЦАП 18 и усилителя мощности 17 на вход акустического излучателя 16. В измерительной плоскости 3, «вырезаемой» световым ножом 22, в которой поток частиц освещаются лазерным излучателем 6 и акустическим излучателем 16 в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц, и полученные серии колеблющихся изображений потока частиц регистрируются матрицей ПЗС 12 через объектив 12' и далее через усилитель 13 и АЦП 14 поступают на DSP-процессор 15, который проводит предварительную обработку полученных изображений. Затем полученные данные подаются на микроконтроллер 19, который, с учетом температуры среды (газа, жидкости) измеряемого потока, получаемого при помощи датчика температуры 9, усилителя 10 и АЦП 11, рассчитывает плотность и массу частиц, попавших в плоскость регистрации по формулам приведенным ниже в зависимости от амплитуды и частоты звуковых колебаний с учетом данных, полученных в начале измерения.
В результате устройство позволяет определить параметры движения потока - поле скоростей потока и размер и форму частиц с использованием светового излучения, а плотность и массу вещества взвешенных частиц в потоке с использованием светового и акустического излучения.
Результаты проведенных измерений выдаются на жидкокристаллический экран 21, а также могут быть переданы на внешние устройства при помощи интерфейса сопряжения с устройствами 20.
Воздуховод для пропускания потока через плоскость регистрации ПЗС 23 может иметь (фиг. 2) как прямоугольную форму, так и цилиндрическую форму, причем последняя предпочтительней из-за более симметричного распределения воздушного потока, не нарушающего требования изокинетичности отбора пробы для непрерывного измерения.
Алгоритмом ЭВМ (микроконтроллера) 19 устройства предусмотрена оценка коэффициентов увлечения аэрозольных частиц по получаемым при помощи описанного устройства изображениям колеблющихся частиц и определение плотности и массы этих частиц в исследуемом потоке.
В результате работы микроконтроллера 19 по заданному алгоритму с помощью регистрации не менее двух изображений потока частиц определяются параметры движения потока - поле скоростей потока, размер, форма частиц, и с помощью регистрации серий изображений в течение минимум двух периодов звуковых колебаний с учетом релаксации частиц в потоке колеблющихся частиц в акустическом поле определяются значения плотности и массы веществ, взвешенных в потоке частиц с учетом всех полученных ранее данных.
Таким образом, рассмотренное устройство, в отличие от известных, позволяет существенно повысить информативность данных и определять поля скоростей, размер, форму, плотность и массу взвешенных частиц.
Claims (1)
- Устройство определения параметров взвешенных частиц, содержащее воздуховод, лазерный излучатель, объектив, матрицу ПЗС для регистрации и обработки не менее двух изображений плоской области потока частиц, «вырезаемой» световым ножом, отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные акустический излучатель, усилители мощности, цифроаналоговые преобразователи, датчик температуры, усилители, аналого-цифровые преобразователи, DSP-процессор, ЭВМ, интерфейс сопряжения с внешними устройствами, цифровой индикатор.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017107615A RU2655728C1 (ru) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Устройство определения параметров взвешенных частиц |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017107615A RU2655728C1 (ru) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Устройство определения параметров взвешенных частиц |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2655728C1 true RU2655728C1 (ru) | 2018-05-29 |
Family
ID=62560045
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017107615A RU2655728C1 (ru) | 2017-03-07 | 2017-03-07 | Устройство определения параметров взвешенных частиц |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2655728C1 (ru) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7159472B1 (en) * | 1995-03-31 | 2007-01-09 | Cameron International Corporation | Apparatus for determining fluid flow |
US20130215410A1 (en) * | 2010-05-21 | 2013-08-22 | Teledyne Instruments, Inc. | Velocity Measuring System |
RU2529626C2 (ru) * | 2013-01-15 | 2014-09-27 | Владимир Александрович Катенин | Устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории |
US20150168230A1 (en) * | 2013-12-18 | 2015-06-18 | Siemens Energy, Inc. | Active measurement of gas flow temperature, including in gas turbine combustors |
-
2017
- 2017-03-07 RU RU2017107615A patent/RU2655728C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7159472B1 (en) * | 1995-03-31 | 2007-01-09 | Cameron International Corporation | Apparatus for determining fluid flow |
US20130215410A1 (en) * | 2010-05-21 | 2013-08-22 | Teledyne Instruments, Inc. | Velocity Measuring System |
RU2529626C2 (ru) * | 2013-01-15 | 2014-09-27 | Владимир Александрович Катенин | Устройство для определения поправок к глубинам, измеренным эхолотом при съемке рельефа дна акватории |
US20150168230A1 (en) * | 2013-12-18 | 2015-06-18 | Siemens Energy, Inc. | Active measurement of gas flow temperature, including in gas turbine combustors |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rahiman et al. | Ultrasonic transmission-mode tomography imaging for liquid/gas two-phase flow | |
Jonassen et al. | Schlieren “PIV” for turbulent flows | |
Goldstein et al. | Measurement of laminar flow development in a square duct using a laser-doppler flowmeter | |
JP6910083B2 (ja) | 超音波粒子径測定器及び超音波測定装置 | |
Rahiman et al. | The front-end hardware design issue in ultrasonic tomography | |
Rahiman et al. | Design and development of ultrasonic process tomography | |
CN115963292A (zh) | 一种基于可调谐激光器的微流场测速装置和方法 | |
Park et al. | Monitoring of void fraction and bubble size in narrow-channel bubbly-flows using ultrasonic pulses with a super bubble-resonant frequency | |
Gao et al. | Roughness measurement of moving weak-scattering surface by dynamic speckle image | |
JP4054759B2 (ja) | ボディー内に浸入する粒子特性の測定方法、流動材料の特性測定方法、流動材料の粒子速度測定方法、および測定方法を実行するよう準備された装置 | |
RU2655728C1 (ru) | Устройство определения параметров взвешенных частиц | |
RU2346261C1 (ru) | Способ определения параметров дисперсных частиц | |
RU2650753C1 (ru) | Способ определения параметров взвешенных частиц | |
Mordant et al. | Acoustical technique for Lagrangian velocity measurement | |
US20040177693A1 (en) | Ultrasonic tomograph, system and method for ultrasonic tomographic measurement using same | |
Kouchi et al. | Extracting dominant turbulent structures in supersonic flow using two-dimensional Fourier transform | |
Cadel et al. | Time-domain cross-correlation scan DGV (CCS-DGV) for mean-velocity boundary layer measurements | |
Yaacob et al. | A novel laser Doppler anemometer (LDA) for high-accuracy turbulence measurements | |
Semenov | Estimating the Parameters of Suspended Particles Using Acoustic Radiation | |
RU2647157C1 (ru) | Способ комплексной экспресс диагностики периодического нестационарного вихревого течения и устройство для его реализации | |
Lal et al. | Whole-field laser vibrometer for buried land mine detection | |
RU2652654C1 (ru) | Способ определения распределения взвешенных частиц по массе | |
Spiekhout et al. | Time-resolved absolute radius estimation of vibrating contrast microbubbles using an acoustical camera | |
Pyl’nov et al. | Ultrasonic tomography of nonmixing fluid flows | |
Thang | Two advanced non-intrusive methods for velocity distribution measurement in fluid mechanics with some recent research and development |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190308 |