流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，包括管壁内含隔热夹层的耐高温套管、高温玻璃镜头、第一内窥镜、第二内窥镜、固定有第一内窥镜加持头和第二内窥镜加持头并能调节两者之间位置的位置调节器、设置在隔热夹层内的水冷系统、第一高速摄像机、第二高速摄像机、第一视频采集器、第二视频采集器、同步控制器和处理计算机；同时还公开了该装置的测量方法。实现了一种即能获得流化床锅炉内颗粒三维运动过程的信息，性价比又高的流化床锅炉颗粒运动的测量装置及该装置的测量方法。
【专利说明】流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置及方法【技术领域】
[0001]本发明涉及一种流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置及方法，属于流化床和多相流测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]流化床锅炉是洁净煤燃烧领域重要的基础设备，与传统燃煤锅炉相比，流化床锅炉燃烧更加清洁，由于流化床锅炉的燃煤和石灰石一同送入炉膛内进行燃烧，在没有烟气脱硫装置的情况下，脱硫率仍然可达80%~95%，NOx排放可减少50% ;其次，流化床锅炉燃料适应性强，可以燃烧劣质煤，煤矸石，石油焦，生物质等不宜在传统煤粉锅炉中燃烧的燃料，且粒度要求较低，与传统煤粉锅炉相比燃料破碎能耗较低，燃烧效率更高(可达95%~99%);除此之外，流化床锅炉的负荷适应性好，负荷调节范围达30%~100%。正因为以上多种优点，流化床锅炉(特别是循环流化床锅炉)正在逐步替代传统的煤粉锅炉，链条炉和炉排锅炉等，成为工业生产中能源转化和废弃物燃烧处理的主力设备。
[0003]流化床锅炉高效运行的关键是床内颗粒和空气之间良好的气固流动状态。合理的气固流动状态可以加强气固两相之间的混合，增强两相间的传热传质，提高燃烧效率并降低污染物的产生。因此，对流化床锅炉内颗粒进行在线测量，掌握流化床锅炉内颗粒运动规律对于提高流化床锅炉的安全性，优化其运行效率都具有重要意义。
[0004]目前，针对流化床锅炉内颗粒运动测量的方法主要是借鉴气固两相流动测量的方法，手段有PIV方法，光导纤维法，激光多普勒方法和可视化测量方法等。但或多或少都存在着不足，例如Piv方法适合于颗粒含量较少(即稀相颗粒)的情况下的测量，并且往往只能捕获颗粒在一个平面上的运动过程，不能捕捉到颗粒的三维运动过程；光导纤维法是通过分析颗粒在经过一束光导纤维前时反射光信号相关性来确定颗粒的运动速度，其准确性有待考证，同样也不能提供颗粒三维运动过程的信息；激光多普勒方法是通过测量粒子反射激光的多普勒信号频率，再根据速度与多普勒信号频率频率的关系得到速度，精度较高，但价格昂贵；可视化测量方法是通过将摄像机置入流化床锅炉内部，拍摄颗粒运动过程，并通过分析颗粒运动的视频信息以获得颗粒运动参数和分布，精度较高，但是也不能提供颗粒三维运动过程的信息。专利ZL200820071380.8报道了一种医用的立体双内窥镜系统，创新了内窥镜结构设计，但是其结构设计并不适合流化床锅炉内部高温条件和复杂气固条件下的测量需求。专利CN201020033171.1报道了一种双摄像头工业内窥镜，但是需要其结构较为复杂，并且也不适合高温条件下的测量需求。
[0005]因此，开发一种流化床锅炉颗粒运动的测量装置及该装置的测量方法，即能获得流化床锅炉内颗粒三维运动过程的信息，又性价比高，对于科学研究、工程设计和工业应用都具有重要意义。
【发明内容】
[0006]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置及方法，实现了一种即能获得流化床锅炉内颗粒三维运动过程的信息，性价比又高的流化床锅炉颗粒运动的测量装置及该装置的测量方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
[0008]流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，包括管壁内含隔热夹层的耐高温套管、高温玻璃镜头、第一内窥镜、第二内窥镜、固定有第一内窥镜加持头和第二内窥镜加持头并能调节两者之间位置的位置调节器、设置在隔热夹层内的水冷系统、第一高速摄像机、第二高速摄像机、第一视频采集器、第二视频采集器、同步控制器和处理计算机；所述高温玻璃镜头通过密封盖固定在耐高温套管的一端，所述位置调节器固定在耐高温套管的内腔中并且其固定位置靠近高温玻璃镜头，所述第一内窥镜的一端与第一内窥镜加持头连接，另一端延伸出耐高温套管并加装第一高速摄像机，第一高速摄像机的另一端与第一视频采集器的输入端相连，所述第二内窥镜的一端与第二内窥镜加持头连接，另一端延伸出耐高温套管并加装第二高速摄像机，第二高速摄像机的另一端与第二视频采集器的输入端相连，第一视频采集器的输出端和第二视频采集器的输出端均与处理计算机连接，所述处理计算机通过同步控制器控制第一视频采集器和第二视频采集器。
[0009]所述位置调节器包括第一内窥镜加持头、第二内窥镜加持头、调节螺杆、底座、移动座和固定在底座上的固定座，所述第一内窥镜加持头固定在固定座上，所述第二内窥镜加持头固定在移动座上，所述移动座与底座之间为导轨结构，所述移动座通过转动调节螺杆在底座上滑动并调节与固定座的距离。
[0010]所述水冷系统包括设置在隔热夹层内的水冷管以及为水冷管提供循环冷却水的冷却水源，所述水冷管围绕耐高温套管的空腔缠绕成螺旋形。
[0011]所述密封盖与耐高温套管之间采用螺纹连接。
[0012]流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置的测量方法，包括以下步骤，
[0013]步骤一，处理计算机向同步控制器发出指令；
[0014]步骤二，同步控制器控制第一视频采集器和第二视频采集器分别同步采集来自第一高速摄像机和第二高速摄像机的视频数据，同时处理计算机同步记录由第一视频采集器和第二视频采集器传送来的视频数据并还原为视频图像；
[0015]步骤三，对两组还原的视频图像进行畸变校正；
[0016]步骤四，计算视频图像的灰度值；
[0017]步骤五，判断灰度值是否大于设定的阈值，如果大于则转至步骤六，如果不大于则转至步骤七；
[0018]步骤六，拍摄区域属于密相区域，在视频图像上采用边缘识别方法识别出每个颗粒并分别进行跟踪，然后转至步骤八；
[0019]步骤七，拍摄区域属于稀相区域，在视频图像上采用光流场算法识别出每个颗粒并对颗粒进行整体跟踪，然后转至步骤八；
[0020]步骤八，将从第一内窥镜和第二内窥镜中拍摄的视频图像进行合成，根据同一个被识别和跟踪颗粒在两组视频图像中的视差构出其三维运动过程；
[0021]步骤九，进一步得出颗粒三维运动过程的信息。
[0022]本发明的有益效果:1、本发明所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置包括水冷系统，有效的防止高温损坏装置；2、所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置包括同步控制器控制同步高速拍摄，实现实时在线测量；3、所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置包括位置调节器，通过位置调节器能够调节第一内窥镜和第二内窥镜之间的间距，能适应不同颗粒运动的测量；4、本发明所述的测量方法包括灰度值的计算，针对不同的拍摄区域，采取不同的视频图像处理方法，大大提高了不同测量条件下所述装置和方法的实用性；5、采用的视频图像处理方法为比较成熟可靠的处理方法，增加了所述装置和方法的鲁棒性；6、本发明能够精确测量流化床锅炉内颗粒三维运动过程的信息，弥补了传统装置和方法只能进行二维测量的缺点，同时与激光多普勒方法相比性价比更高。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为耐高温套管的结构示意图。
[0024]图2为本发明所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置的结构示意图。
[0025]图3为位置调节器的结构示意图；其中A为正视图，B为侧视图，C为俯视图，D为
立体图。
[0026]图4为本发明所述的测量方法的流程图。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0028]如图1和2所示,流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置,包括管壁内含隔热夹层(如硅酸盐隔热材料的夹层)的耐高温套管1、高温玻璃镜头2、第一内窥镜4、第二内窥镜5、固定有第一内窥镜加持头8和第二内窥镜加持头9并能调节两者之间位置的位置调节器3、设置在隔热夹层内的水冷系统、第一高速摄像机11、第二高速摄像机12、第一视频采集器13、第二视频采集器14、同步控制器15和处理计算机16。
[0029]所述高温玻璃镜头2通过密封盖6固定在耐高温套管I的一端，所述密封盖6与耐高温套管I之间采用螺纹连接，所述位置调节器3固定在耐高温套管I的内腔中并且其固定位置靠近高温玻璃镜头2,所述第一内窥镜4的一端与第一内窥镜加持头8连接,另一端延伸出耐高温套管I并加装第一高速摄像机11，第一高速摄像机11的另一端与第一视频米集器13的输入端相连，所述第二内窥镜5的一端与第二内窥镜加持头9连接,另一端延伸出耐高温套管I并加装第二高速摄像机12，第二高速摄像机12的另一端与第二视频采集器14的输入端相连，第一视频采集器13的输出端和第二视频采集器14的输出端均与处理计算机16连接，所述处理计算机16通过同步控制器15控制第一视频采集器13和第二视频采集器14。
[0030]如图3所不，所述位直调节器3包括弟一内规镜加持头8、弟二内规镜加持头9、调节螺杆19、底座20、移动座18和固定在底座20上的固定座17，所述第一内窥镜加持头8固定在固定座17上，所述第二内窥镜加持头9固定在移动座18上，所述移动座18与底座20之间为导轨结构，所述移动座18通过转动调节螺杆19在底座20上滑动并调节与固定座17的距离。
[0031] 所述水冷系统包括设置在隔热夹层内的水冷管7以及为水冷管7提供循环冷却水的冷却水源10，所述水冷管7围绕耐高温套管I的空腔缠绕成螺旋形，水冷管7材料为不锈钢，通过水冷管7内的循环冷却水吸收热量。
[0032]使用上述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置进行流化床锅炉颗粒运动测量，在测量前，安装上述的装置，先将第一内窥镜4和第二内窥镜5分别与第一内窥镜加持头8和第二内窥镜加持头9固定连接，转动调节螺杆19调节两者间的间距，使两个内窥镜头成像中心在水平方向上间距13毫米，然后将高温玻璃镜头2通过密封盖6固定在耐高温套管I的端口上，然后依次安装其它部件，安装好后将伸入流化床锅炉的锅炉壁上开出的测量孔，在接触边缘用石棉材料密封。安装好后开始测量，所述的测量发方法包括以下步骤如图4:
[0033]步骤一，处理计算机16向同步控制器15发出指令。
[0034]步骤二，同步控制器15控制第一视频采集器13和第二视频采集器14分别同步采集来自第一高速摄像机11和第二高速摄像机12的视频数据，同时处理计算机16同步记录由第一视频采集器13和第二视频采集器14传送来的视频数据并还原为视频图像。
[0035]步骤三，对两组还原的视频图像进行畸变校正。
[0036]步骤四，计算视频图像的灰度值。
[0037]步骤五，判断灰度值是否大于设定的阈值，其中设的阈值为1000，如果大于则转至步骤六，如果不大于则转至步骤七。
[0038]步骤六，拍摄区域属于密相区域，在视频图像上采用边缘识别方法识别出每个颗粒并分别进行跟踪，然后转至步骤八。
[0039]步骤七，拍摄区域属于稀相区域，在视频图像上采用光流场算法识别出每个颗粒并对颗粒进行整体跟踪，然后转至步骤八。
[0040]步骤八，将从第一内窥镜4和第二内窥镜5中拍摄的视频图像进行合成，根据同一个被识别和跟踪颗粒在两组视频图像中的视差构出其三维运动过程。
[0041]步骤九，进一步得出颗粒三维运动过程的信息，比如颗粒分布、运动趋势、三维运动速速度(对每个颗粒的三维运动对时间求微分，即可求得颗粒的三维运动速度)等。
[0042]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，其特征在于:包括管壁内含隔热夹层的耐高温套管(I)、高温玻璃镜头(2)、第一内窥镜(4)、第二内窥镜(5)、固定有第一内窥镜加持头(8)和第二内窥镜加持头(9)并能调节两者之间位置的位置调节器(3)、设置在隔热夹层内的水冷系统、第一高速摄像机(11)、第二高速摄像机(12)、第一视频采集器(13)、第二视频采集器(14)、同步控制器(15)和处理计算机(16); 所述高温玻璃镜头(2 )通过密封盖(6 )固定在耐高温套管(I)的一端，所述位置调节器(3)固定在耐高温套管(I)的内腔中并且其固定位置靠近高温玻璃镜头(2)，所述第一内窥镜(4)的一端与第一内窥镜加持头(8)连接，另一端延伸出耐高温套管(I)并加装第一高速摄像机(11 )，第一高速摄像机(11)的另一端与第一视频采集器(13 )的输入端相连，所述第二内窥镜(5 )的一端与第二内窥镜加持头(9 )连接，另一端延伸出耐高温套管(I)并加装第二高速摄像机(12)，第二高速摄像机(12)的另一端与第二视频采集器(14)的输入端相连，第一视频采集器(13)的输出端和第二视频采集器(14)的输出端均与处理计算机(16)连接，所述处理计算机(16)通过同步控制器(15)控制第一视频采集器(13)和第二视频采集器(14)。
2.根据权利要求1所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，其特征在于:所述位置调节器(3)包括第一内窥镜加持头(8)、第二内窥镜加持头(9)、调节螺杆(19)、底座(20)、移动座(18)和固定在底座(20)上的固定座(17)，所述第一内窥镜加持头(8)固定在固定座(17)上，所述第二内窥镜加持头(9)固定在移动座(18)上，所述移动座(18)与底座(20)之间为导轨结构，所述移动座(18)通过转动调节螺杆(19)在底座(20)上滑动并调节与固定座(17)的距离。
3.根据权利 要求1所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，其特征在于:所述水冷系统包括设置在隔热夹层内的水冷管(7)以及为水冷管(7)提供循环冷却水的冷却水源(10)，所述水冷管(7)围绕耐高温套管(I)的空腔缠绕成螺旋形。
4.根据权利要求1所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置，其特征在于:所述密封盖(6)与耐高温套管(I)之间采用螺纹连接。
5.基于权利要求1所述的流化床锅炉颗粒运动的自冷却双内窥测量装置的测量方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤一，处理计算机(16)向同步控制器(15)发出指令； 步骤二，同步控制器(15)控制第一视频采集器(13)和第二视频采集器(14)分别同步采集来自第一高速摄像机(11)和第二高速摄像机(12)的视频数据，同时处理计算机(16)同步记录由第一视频采集器(13)和第二视频采集器(14)传送来的视频数据并还原为视频图像； 步骤三，对两组还原的视频图像进行畸变校正； 步骤四，计算视频图像的灰度值； 步骤五，判断灰度值是否大于设定的阈值，如果大于则转至步骤六，如果不大于则转至步骤七； 步骤六，拍摄区域属于密相区域，在视频图像上采用边缘识别方法识别出每个颗粒并分别进行跟踪，然后转至步骤八； 步骤七，拍摄区域属于稀相区域，在视频图像上采用光流场算法识别出每个颗粒并对颗粒进行整体跟踪，然后转至步骤八； 步骤八，将从第一内窥镜(4)和第二内窥镜(5)中拍摄的视频图像进行合成，根据同一个被识别和跟踪颗粒在两组视频图像中的视差构出其三维运动过程； 步骤九，进一步得出颗粒三维运动过程的信息。
【文档编号】G01N15/00GK103743658SQ201410019862
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】邵应娟, 钟文琪, 陈曦, 金保昇 申请人:东南大学