专利名称：在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及气固两相流颗粒在线运动特性分析技术，具体涉及一种在线测量管内气固两相流颗粒二维速度场和粒径分布的方法和装置。
背景技术：
气力输送是一种利用气流在管道中输送颗粒状固体的有效方法，是目前工业生产流程中的一项重要技术，广泛应用于各种工业部门的粒料、粉料的输送和干燥工艺，典型的如电厂煤粉的管道输送。在实际生产过程中，人们需要实时了解输送的颗粒流的状态及其变化，从而可以及时的进行调整和优化生产过程。因此，研制颗粒输送过程的在线监测装置非常必要。
传统的取样测量方法需要进行离线分析，无法满足对管道内颗粒流进行在线试试测量的要求。而像探针类的测量方法往往属于单点测量，并且接触流场产生干扰。静电法、传热法、微波法、超声波法以及电容法等测量方法主要应用于管内颗粒浓度的测量，无法对流场内部颗粒的运动进行实时在线测量，无法获得颗粒速度场以及粒径分布等信息。光学方法中，多普勒测量技术在流场诊断领域得到了广泛应用，但它局限于单点测量，而且由于系统复杂、设备昂贵等原因目前还无法应用到工业在线测量。此外，目前比较成熟的粒子图像测速技术(PIV)由于具有全场、非接触、平面二维、瞬态以及高精度测量的特点也广泛应用于流场诊断，然而由于设备庞大、昂贵、现场布置难等原因，目前也无法应用到现场工业生产过程的在线测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种应用于在线测量的管内气固两相流颗粒二维速度场和粒径分布的方法和装置。
本发明提供了一种在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法，包括以下步骤
(1) 低功率连续激光器以片光源的形式照射管内被测运动颗粒流，片光源平面方向与颗粒主流运动方向平行，管道的被测部位安装有透明玻璃窗；
(2) CCD相机从垂直于片光源平面的方向记录视场范围内被照明运动颗粒轨迹；
(3) 对进行颗粒图像处理，获得图像中各颗粒运动轨迹的长度和宽度；(4)依据下述公式获得被测视场范围内颗粒速度"和粒径t/:
(1)
"『 (2)其中Z为颗粒运动轨迹的长度，/f为颗粒运动轨迹的宽度，^为CCD相机的曝光时间。作为一种改进，在设置CCD相机的曝光时间时，控制曝光时间使图像中运动颗粒轨迹长度Z是其宽度/f的5 10倍。
作为一种改进，所述步骤(3)是通过以下方式实现的
(1) 利用中值滤波和图像局部灰度均匀算法进行预处理；
(2) 进行边缘检测和图像二值化操作，获得初步的粒子轨迹轮廓图像；
(3) 进一步进行膨胀和腐蚀的二值图像处理，获得补全的粒子轨迹轮廓图像；
(4) 进行空穴填充操作，获得实心的粒子轨迹轮廓图像；
(5) 进行重叠粒子轨迹图像的判别和分离，并提取各粒子轨迹图像，得到各粒子的长
度A和宽度/r。
本发明还提供了一种在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的装置，包括一个激光器，
该激光器是发射片光源的低功率连续激光器；激光器活动安装于一个环绕被测管道的导轨上，导轨的平面垂直于被测管道的轴心线； 一个CCD相机也活动安装于导轨上，其镜头方向垂直于片光源平面的方向；管道的被测部位安装有透明玻璃窗。作为一种改进，所述CCD相机是配备了变焦镜头的CCD相机。
作为一种改进，所述CCD相机内置存储设备用于储存摄制的图像，用于储存摄制的图像并转移至计算机系统；或者通过信号线与计算机的图像卡相连接。与现有技术相比，本发明的有益效果是
(1)成本低，采用了价格低廉的半导体激光器和工业CCD相机，采用粒子轨迹图像测量颗粒速度及粒径，避免了商用PIV系统采用昂贵的高功率脉冲激光器和高灵敏度跨帧CCD相机；
(2)测量系统紧凑，现场操作性强，可对管道内不同截面流场进行颗粒场二维速度、粒径分布以及颗粒浓度进行在线实时测量。
图1为本发明中测量系统的布置和测量原理示意图2为本发明中测量系统测量不同平面流场方法示意图3为本发明中粒子轨迹图像数据处理流程图；图中的附图标记为激光器l; CCD相机2;颗粒流3;工业气力输送管道4 (测试部分 安装有透明玻璃窗)；导轨5;被测流场区域6;计算机系统7; CCD相机所拍粒子轨迹图像 8;单粒子轨迹示意9。
具体实施例方式
参考附图，下面将对本发明实施方法进行详细描述。
本发明中，用于实现管内气固两相流颗粒二维速度场和粒径分布在线实时测量的装置，
包括一个发射片光源的低功率连续激光器1;激光器1活动安装于一个环绕工业气力输送管
道4的导轨5上，导轨5的平面垂直于工业气力输送管道4的轴心线； 一个配有变焦镜头的 CCD相机2也活动安装于导轨5上，其镜头方向垂直于片光源平面的向；工业气力输送管 道4的被测部位安装有透明玻璃窗。激光器1和CCD相机2均可在导轨上滑动。CCD相机2 使用工业CCD相机。
如图1所示，激光器1中的激光经片光系统形成片光源，透过透明玻璃窗照射管道内颗 粒流。为防止透明玻璃窗沾污，每隔一段时间对其用氮气进行吹扫。片光源平面与管道轴心 线平行，但可以其为转动轴心作一定角度的旋转。如图2所示，CCD相机2可以在导轨上进 行自由滑动，始终保持与片光源平面垂直以照射管道内不用区域的流场(Al与Bl和A2与 B2分别是激光器1和CCD相机2的两个测量位置)。CCD相机2的曝光时间从1/60 1/10000 可调，测量过程中可根据所粒子轨迹图像进行调整，保证粒子轨迹图像的长度是宽度的5 10倍(图1中8)。
一旦获得单幅粒子轨迹图像后，通过信号线传递至带图像卡的计算机系统7。利用图像 处理程序进行计算得到各粒子的长度Z和宽度/f，其流程如图3所示。
首先利用中值滤波和图像局部灰度均匀算法进行预处理，然后进行边缘检测和图像二值 化操作，获得初步的粒子轨迹轮廓图像，进一步进行膨胀和腐蚀的二值图像处理，获得补全 的粒子轨迹轮廓图像，进行空穴填充操作，获得实心的粒子轨迹轮廓图像，进行重叠粒子轨 迹图像的判别和分离，并提取各粒子轨迹图像，得到各粒子的长度A和宽度/T，根据下述方 法获得颗粒速度〃和粒径^
"『 (2) 其中A为颗粒运动轨迹的长度，/T为颗粒运动轨迹的宽度，^为CCD相机2的曝光时间。 利用变换片光源的角度实现管道内不同切面流场颗粒的二维速度场和粒径分布，利用粒 子统计方法计算颗粒场的粒子浓度。对CCD相机2连续拍摄到的粒子轨迹图像进行处理，可以实现管内气固两相流颗粒二维 速度场和粒径分布乃至颗粒浓度的实时在线监测。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是一种具体实施例框架。显然，本发明不限于 以上实施例，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形， 均应认为是本发明的保护范围。
权利要求
1、一种在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法，包括以下步骤(1)低功率连续激光器以片光源的形式照射管道内被测运动颗粒流，片光源平面方向与颗粒主流运动方向平行，管道的被测部位安装有透明玻璃窗；(2)CCD相机从垂直于片光源平面的方向记录视场范围内被照明运动颗粒轨迹；(3)对进行颗粒图像处理，获得图像中各颗粒运动轨迹的长度和宽度；(4)依据下述公式获得被测视场范围内颗粒速度u和粒径dd＝W (2)其中L为颗粒运动轨迹的长度，W为颗粒运动轨迹的宽度，te为CCD相机的曝光时间。
2、 根据权利要求1所述的在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法，其特征在于， 在设置CCD相机的曝光时间的时候，控制曝光时间使图像中运动颗粒轨迹长度Z是其宽度ZT的 5 10倍。
3、 根据权利要求1所述的在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的方法，其特征在于， 所述步骤(3)是通过以下方式实现的-(1) 利用中值滤波和图像局部灰度均匀算法进行预处理；(2) 进行边缘检测和图像二值化操作，获得初步的粒子轨迹轮廓图像；(3) 进一步进行膨胀和腐蚀的二值图像处理，获得补全的粒子轨迹轮廓图像； U)进行空穴填充操作，获得实心的粒子轨迹轮廓图像；(5) 进行重叠粒子轨迹图像的判别和分离，并提取各粒子轨迹图像，得到各粒子的长度 丄和宽度。
4、 一种在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的装置，包括一个激光器，其特征在于， 该激光器是发射片光源的低功率连续激光器；激光器活动安装于一个环绕被测管道的导轨上， 导轨的平面垂直于被测管道的轴心线； 一个CCD相机也活动安装于导轨上，其镜头方向垂直于 片光源平面的方向；管道的被测部位安装有透明玻璃窗。
5、 根据权利要求4所述的在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的装置，其特征在于， 所述CCD相机是配备了变焦镜头的CCD相机。
6、 根据权利要求4所述的在线测量管内颗粒二维速度和粒径分布的装置，其特征在于， 所述CCD相机内置存储设备，用于储存摄制的图像并转移至计算机系统；或者是通过信号线与 计算机系统的图像卡相连接。
全文摘要
本发明涉及气固两相流颗粒在线运动特性分析技术，旨在提供一种在线测量管内气固两相流颗粒二维速度场和粒径分布的方法和装置。该装置包括一个激光器，是发射片光源的低功率连续激光器；激光器活动安装于一个环绕被测管道的导轨上，导轨的平面垂直于被测管道的轴心线；一个CCD相机也活动安装于导轨上，其镜头方向垂直于片光源平面的方向；管道的被测部位安装有透明玻璃窗。本发明成本低、测量系统紧凑，现场操作性强，可对管道内不同截面流场进行颗粒场二维速度、粒径分布以及颗粒浓度进行在线实时测量。
文档编号G01P5/18GK101509931SQ20091009682
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月16日 优先权日2009年3月16日
发明者吴学成, 岑可法, 陈玲红 申请人:浙江大学