稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置的製作方法

2023-06-04 14:40:56

專利名稱：稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型提供一種用於稠密兩相流場中運動顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，特別適合於氣固噴動床中稠密相顆粒速度和濃度空間分布的測量，屬於多相流測量領域。
背景技術：
兩相流的速度和濃度空間分布規律是分析兩相流中流體動力學規律的關鍵參數，是認識流化裝置中兩相流體間傳熱和傳質機理的前提，對於エ業生產中流化裝置的設計和結構參數的優化具有重要的意義。目前，已有多種測量兩相流場中顆粒速度和濃度的手段，傳統的測量手段有衝擊力法、等速採樣法、熱平衡法、光纖探頭法等，現代測量手段有雷射都卜勒測試儀(LDV)、粒子成像測速技術(PIV)、電容層析成像法等。傳統的兩相流測量手段測量精度低，測量結果的重複性和可靠性均不理想；現代測量方法以高空間、時間解析度等優點被廣泛應用於兩相流測量領域中，但現存的測量方法只在稀相流測量中得到了成功的推廣，比如市面上已有PIV測速儀在銷售，而對於稠密相特別是稠密相流場內部顆粒速度和濃度空間分布規律的測量依舊沒有實現突破性的進展。由於受稠密兩相流測量技術的限制，對噴動流化床等流化裝置內部複雜的流動機理研究與認識很少，導致エ業生產中流化設備放大運用過程中出現了障礙。因此，市場上急需ー種能夠解決在稠密多相流中實現準確而全場測量的測量裝置和測量方法。由於光學技術、高速攝影技術、數字圖像處理技術的迅速發展，以及計算機處理器速度和內存容量的快速提升，為光纖內窺鏡在高速圖像採集和處理中的應用提供了有利條件，國內外已經有這方面的應用，比如光纖內窺鏡在無損檢測中的應用、電子內窺鏡在醫學領域的應用等，目的就是要提供準確而又實用的獲取事物內部信息的手段。本實用新型正是在現存的應用需求和技術支撐的背景下，提供了一種切實可行的測量稠密兩相流場內運動顆粒的速度和濃度空間分布規律的測量裝置和測量方法。
發明內容技術問題本實用新型的目的在於提供ー種實用、準確、操作方便、性能穩定的稠密兩相流場內顆粒速度和濃度空間分布規律的測量裝置。技術方案為解決上述技術問題，本實用新型提供了ー種稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，該裝置包括圖像採集端和圖像處理單元圖像採集端用於拍攝流化裝置內顆粒的運動視頻，圖像採集端包括雷射源、光纖內窺鏡、高速エ業相機、圖像採集卡、計算機；雷射源提供的片形雷射束確定流化裝置中的測量區域；使用光纖內窺鏡作為光學鏡頭拍攝所確定的測量區域，光纖內窺鏡的鏡頭與激 光束平面平行，其之間的距離保持在10mm，光纖內窺鏡的目鏡通過適配器和墊圈與高速エ業相機配接；光纖內窺鏡、高速エ業相機、圖像採集卡和計算機串聯組成顆粒運動視頻拍攝和保存裝置；圖像處理單元用於得到流化裝置內顆粒速度和濃度的值，再對固定時間內的顆粒運動過程進行統計分析，得出流化裝置內運動顆粒速度和濃度的空間分布規律。優選的，光纖內窺鏡深入流化裝置拍攝顆粒運動過程，調節光纖內窺鏡鏡頭端在三維空間上下左右四個方向彎曲，實現多角度測量流化裝置中顆粒速度和濃度。優選的，光纖內窺鏡的目鏡與高速エ業相機通過適配器與墊圈配接，増加墊圈，內窺鏡成像縮小，減少墊圏，內窺鏡成像放大。有益效果本實用新型提出的稠密兩相流場內顆粒速度和濃度空間分布規律的測量裝置具有如下的特色及優點I、突破了以往無法得到稠密兩相流場內部顆粒流動過程的障礙，可測得稠密兩相流場內部顆粒的速度和濃度空間分布規律；2、不用添加示蹤顆粒，直接拍攝稠密兩相流裝置中的顆粒運動視頻；3、光纖內窺鏡鏡頭能夠在三維空間內轉動，可在上下左右四個方向120°的視角範圍內測量流場內部的流動，實現了顆粒的全場測量。

圖I稠密兩相場中顆粒速度和濃度空間分布規律測量裝置的原理示意圖；流化裝置I，顆粒2，光纖內窺鏡3，高速エ業相機4，數據傳輸線5，圖像採集卡6、計算機7，圖像處通單兀8，雷射源9，雷射束10，光纖內規鏡鏡頭ま而11，光纖內規鏡測量ロ 12，旋鈕13，適配器14，墊圈15。圖2圖像處理軟體流程圖的主程序流程圖；圖3圖像處理軟體流程圖的點陣樣板圖像處理程序流程圖；圖4校正標定使用的點陣樣板。
具體實施方式
下面將參照附圖對本實用新型進行說明。本實用新型所提供的稠密兩相流場中顆粒速度和濃度空間分布規律的測量裝置，由光纖內窺鏡、高速エ業相機、圖像採集卡、計算機、片形雷射源組成基本的物理構件，實現流場內顆粒運動視頻的拍攝與保存，圖像處理軟體離線處理顆粒運動視頻，得出顆粒速度和濃度的空間分布規律。它的特點是光纖內窺鏡作為高速攝影裝置的光學鏡頭，能夠深入稠密相流場內部拍攝顆粒的運動過程；高速エ業相機具有高速高解析度的性能，通過調節相機的拍攝幀率、曝光時間和解析度等參數，可以針對不同エ況得到高質量的顆粒視頻圖像；雷射光源為拍攝的流場區域提供片光源，使拍攝到的顆粒圖像具有清晰的區分度，被雷射照射的片狀區域，顆粒呈高亮顯示，其他區域顆粒較暗；圖像處理軟體是通過針對光纖內窺鏡圖像特性的處理算法提取運動顆粒的速度和濃度，對固定時間內顆粒運動速度和濃度統計分析得到流場內顆粒速度和濃度的空間分布規律。本實用新型中光纖內窺鏡的可彎曲部及頂端鏡頭部需插入被測的稠密相顆粒流場區域，其鏡頭端可在三維空間內上下左右四個方向彎曲，實現多角度測量；內窺鏡的目鏡為C型光學接ロ，可直接與具有C型ロ的高速エ業相機配接，如果相機為F型ロ，可通過C-F轉接環實現內窺鏡與相機的配接，在轉接環上加C ロ墊圈，可調節成像大小。由於光纖內窺鏡具有廣角特性，景深比較大，因此需要使用雷射片光源確定被拍攝的顆粒運動區域，片型光束必須與內窺鏡鏡頭平行，且與鏡頭距離為10mm，使有效的顆粒區域落在片型光束中，這樣拍攝到的圖像中，片型光束區域的顆粒亮度高，而其他區域亮度暗。高速エ業相機與圖像採集卡是實現視頻拍攝的核心部件，選用具備高速拍攝和傳輸性能的エ業相機和圖像採集卡，比如德國BASLER公司的A504k高速高解析度的エ業相機和加拿大Matrox公司的MeteorII-CameraLink圖像採集卡。通過改變相機的採集幀率、曝光時間、解析度，以及圖像採集卡的圖像解析度可以調整視 頻圖像的採集速度；圖像採集速度低，會使得拍攝的圖像中運動顆粒有嚴重的拖尾現象，影響顆粒運動速度的測量精度。圖像處理軟體包括圖像處理和隨機信號處理兩部分，圖像處理部分負責提取單幀圖像中顆粒的速度和濃度，隨機信號處理部分負責分析固定時間內顆粒在流場空間的速度和濃度分布規律，每部分的實現步驟如下1、圖像處理部分的步驟為①首先將視頻分解為單幀圖像；②接著對每幀圖像進行預處理，預處理包括選取圖像中感興趣的區域、去除圖像中的噪聲幹擾、圖像灰度化；③然後校正圖像，由於光纖內窺鏡具有廣角特性，使拍攝到的圖像具有桶形畸變，因此需要對拍攝的圖像進行校正(校正方法在後面列出)，以消除畸變帶來的測量誤差；④另外，內窺鏡圖像的亮度不均勻，以圖像中心位置亮度最強，沿半徑向邊緣處逐漸減弱，還需要對圖像進行局部增強，這樣保證了圖像整體對比度得到提高的前提下，局部細節未被丟失；⑤再進行圖像分割，得到顆粒的ニ值圖像；⑥之後，計算ニ值圖像中連通域的特徵信息，確定出每幀圖像中顆粒的數量和像素點坐標，並將此信息保存；⑦重複以上步驟，得出連續三幀圖像的顆粒信息；⑧使用互相關算法(王延顳，張永明等.數字粒子圖象速度測量原理與實現方法[J]. 2000年，中國科學技術大學學報，30(3) :302-306)跟蹤同一顆粒在不同幀中的像素坐標，將連續三幀圖像中顆粒的像素坐標在同一坐標系中擬合成一條直線，所得斜率即為顆粒的像素速度，將像素速度乘以像素坐標到世界坐標的標定值(標定方法會在後面列出)，即可得出顆粒的實際運動速度由像素坐標到世界坐標的標定值確定出拍攝到區域的實際大小，得到顆粒的濃度；⑩最後，將計算出的顆粒速度、濃度以及顆粒運動方向信息保存到硬碟中。2、隨機信號處理部分的步驟為①從硬碟中讀取固定時間內顆粒的速度和濃度數據使用統計學方法處理空間內大量顆粒的速度和濃度隨機信號，得出顆粒在空間中速度和濃度的分布規律。本實用新型中的圖像標定和校正是通過拍攝並處理點陣樣板圖像實現的，點陣樣板是列印在ー張A4紙上的20X20實心點陣，實心點直徑為1mm，點心間距為2. 5mm。使用本實用新型中的高速攝影裝置拍攝ー張點陣圖像，光纖內窺鏡鏡頭與點陣樣板的距離為10mm。然後使用本實用新型中提供的點陣樣板處理程序，就可以得到內窺鏡的校正函數和像素坐標到世界坐標的標定值。具體的實施步驟為I、選定好待測流場區域，並在選定區域處的管道或裝置上開孔，孔的大小保證能夠插入光纖內窺鏡鏡頭，然後做好孔邊緣處的密封措施；2、根據光纖內窺鏡鏡頭的位置，固定雷射片光源，使片型光束與鏡頭平行且距離為 1Omm ；[0029]3、用內窺鏡適配器將內窺鏡目鏡與エ業相機感光ロ連接起來，使用數據傳輸線將エ業相機圖像輸出端與圖像採集卡輸入端連接(圖像採集卡已正確安裝在計算機上，由於不同的エ業相機和圖像採集卡的安裝和使用方法不盡相同，有關圖像採集卡和エ業相機的操作參見產品配套的使用說明，本實用新型不提供有關圖像採集卡和高速相機的使用步驟) 』4、計算機和エ業相機依次上電，使用圖像採集卡配套的視頻採集軟體，觀察拍攝的圖像效果，調節內窺鏡調焦旋鈕使圖像清晰為宜，啟動稠密相顆粒流場動カ裝置，打開激 光源，繼續觀察圖像效果，根據顆粒運動速度大小，設定エ業相機的採集幀率、曝光時間、解析度，以圖像中的顆粒無拖尾現象為宜；5、準備好待測量的エ況條件後，開始拍攝流場視頻，單次拍攝時間視單幀圖像解析度、圖像採集速度、計算機內存大小而定，保證單次拍攝的視頻大小不超過計算機內存可用大小，以8 10s為宜；6、所有待測エ況依次拍攝完畢後，再拍攝點陣樣板圖像，使內窺鏡鏡頭與點陣樣板平行且間距為IOmm ；7、使用本實用新型中圖像處理軟體先處理點陣圖像得到光纖內窺鏡圖像的校正函數和標定值，接著對拍攝的不同エ況下顆粒視頻進行處理，得出每種エ況下顆粒速度和濃度的空間分布規律。上所述僅為本實用新型的較佳實施方式，本實用新型的保護範圍並不以上述實施方式為限，但凡本領域普通技術人員根據本實用新型所掲示內容所作的等效修飾或變化，皆應納入權利要求書中記載的保護範圍內。
權利要求1.一種稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，其特徵在於該裝置包括圖像採集端和圖像處理單元(8) 圖像採集端用於拍攝流化裝置(I)內顆粒(2)的運動視頻，圖像採集端包括雷射源(9)、光纖內窺鏡(3)、高速工業相機(4)、圖像採集卡(6)、計算機(7);雷射源(9)提供的片形雷射束(10)確定流化裝置(I)中的測量區域；光纖內窺鏡(3)作為光學鏡頭拍攝所確定的測量區域，光纖內窺鏡⑶的鏡頭與雷射束(10)平面平行，其之間的距離保持在10mm，光纖內窺鏡(3)的目鏡通過適配器(14)和墊圈(15)與高速工業相機(4)配接；光纖內窺鏡(3)、高速工業相機(4)、圖像採集卡(6)和計算機(7)串聯組成顆粒運動視頻拍攝和保存裝置； 圖像處理單元(8)用於得到流化裝置(I)內顆粒速度和濃度的值，再對固定時間內的顆粒運動過程進行統計分析，得出流化裝置(I)內運動顆粒速度和濃度的空間分布規律。
2.根據權利要求I所述的稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，其特徵在於光纖內窺鏡(3)深入流化裝置(I)拍攝顆粒(2)運動過程，調節光纖內窺鏡鏡頭端(11)在三維空間上下左右四個方向彎曲，實現多角度測量流化裝置(I)中顆粒速度和濃度。
3.根據權利要求I所述的稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，其特徵在於光纖內窺鏡(3)的目鏡與高速工業相機(4)通過適配器(14)與墊圈(15)配接，增加墊圈，內窺鏡成像縮小，減少墊圈，內窺鏡成像放大。
專利摘要本實用新型公開了一種稠密兩相流顆粒速度和濃度空間分布的測量裝置，其特徵在於該裝置包括圖像採集端和圖像處理單元(8)圖像採集端用於拍攝流化裝置(1)內顆粒(2)的運動視頻，圖像採集端包括雷射源(9)、光纖內窺鏡(3)、高速工業相機(4)、圖像採集卡(6)、計算機(7)；雷射源(9)提供的片形雷射束(10)確定流化裝置(1)中的測量區域；光纖內窺鏡(3)作為光學鏡頭拍攝所確定的測量區域，光纖內窺鏡(3)的鏡頭與雷射束(10)平面平行，其之間的距離保持在10mm。本實用新型由於使用了光纖內窺鏡作為光學鏡頭，從而很方便地實現了流場內多視角測量，克服了無法得到稠密相流場內部顆粒運動參數的困難。
文檔編號G01N15/06GK202403890SQ201120553099
公開日2012年8月29日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者張繼彬, 鍾文琪, 陸勇 申請人:東南大學