非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置及方法

本发明涉及生物、化工和湿法冶金工程技术领域，特别是涉及一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置及方法。

背景技术：

气相占气液混合物体积的百分率称之为气含率。气含率为多相流搅拌混合效果的评价方法的一种。目前气含率的测量方法主要有：压差法、体积膨胀法、双电导探针法，γ射线投射法。压差法主要用于测量局部气含率；体积膨胀法在实际试验过程中操作不便；双电导探针法可测量气泡尺寸，但因探针的侵入，扰乱了气液混合流场；γ射线投射法根据气液混合实验装置空场和满场射线衰减强度，以及气液混合态的射线衰减强度可计算出场内局部气含率。

几年来随着图像处理技术的日趋完善以及非侵入式测量的需要，通过高速摄像机对气液混合过程进行拍摄，进而通过图像分析处理得到气含率的方法逐渐进入人们视野。但这种方法所获得的气含率，仅仅是近壁面的气含率，也即局部气含率。因此，如何提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置及方法显得尤为必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置及方法，实用性强，能够直观准确地求取不相容-气液两相混合过程中气含率，能够应用于化工和湿法冶金等诸多领域。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置，包括：气泵、进气管、气-液混合搅拌器；其中，所述气泵通过所述进气管与所述气-液混合搅拌器的底部连接，所述进气管上设有进气阀，所述进气管与所述气-液混合搅拌器连接的一端设有喷嘴，所述喷嘴设于所述气-液混合搅拌器内部；所述气-液混合搅拌器上端设有出气口；所述出气口处设有气体流量测量计；所述气-液混合搅拌器的一侧设有图像采集装置。

所述气-液混合搅拌器内设有液体，所述气泵通过所述进气管向所述气-液混合搅拌器通入气体，所述气体与所述液体不相容；所述气-液混合搅拌器用于对所述液体、气体进行混合；所述图像采集装置用于采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据；所述出气口用于所述气-液混合搅拌器中气体的溢出；所述气体流量测量计用于测量所述气-液混合搅拌器中液体工质内部气体的溢出量。

优选地，所述气-液混合搅拌器的一侧还设有白板，所述白板、所述图像采集装置设于所述气-液混合搅拌器相对的两侧，且对应设置。

优选地，所述图像采集装置包括但不限于高速摄像机。

本发明还提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的方法，包括如下步骤：

s1、通过所述图像采集装置采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据，并对所述视频数据进行图像分割，得到不相容气-液两相混合过程的二值图样；

s2、基于不相容气-液两相混合过程的二值图样，计算近壁处气-液混合物的气含率；

s3、关闭所述进气阀，同时，通过所述气体流量测量计获取所述气-液混合搅拌器中液体工质内部气体的溢出量，基于所述溢出量计算所述气-液混合搅拌器中的气含率系数；

s4、基于气含率系数及近壁处气-液混合物的气含率，对所述气-液混合搅拌器中气-液两相混合的真实气含率进行求解。

优选地，所述步骤s1中，不相容气-液两相混合得到的混合物为透明或半透明液体。

优选地，所述步骤s2中，近壁处气-液混合物的气含率q近壁面的计算如下式所示：

式中，ri为第i个气泡的半径，n为二值图样中气泡的个数，v为所述气-液混合搅拌器中纯液相的体积。

优选地，所述步骤s3中，所述气-液混合搅拌器中的气含率系数a的计算如下式所示：

式中，v为所述气-液混合搅拌器中液体工质内部气体的溢出量；q实测为所述气-液混合搅拌器中气-液混合物的实测气含率。

优选地，所述步骤s4中，所述气-液混合搅拌器中气-液两相混合的真实气含率q综合的计算如下式所示：

q综合＝a×q近壁面。

本发明公开了以下技术效果：

本发明通过图像采集装置采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据，并进行图像分割得到不相容气-液两相混合过程的二值图样，通过二值图样计算近壁处即局部气-液混合物的气含率，通过实验方法测得气含率系数，并通过真实气含率与气含率系数以及局部气含率的关系，求得真实气含率，实现了气含率的全局综合测量，实用性强，能够直观准确地求取不相容-气液两相混合过程中气含率；同时，气含率的测量过程中对流场毫无干扰，实现了气含率的非侵入式测量；本发明气含率测量方法能够应用于化工和湿法冶金等诸多领域，例如，气液直接接触换热过程，也可以用于研究火法冶金的水模型研究。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明非接触式测量不相容气-液两相混合过程气含率的装置结构示意图；

图2为本发明非接触式测量不相容气-液两相混合过程气含率的方法流程图；

图3为本发明实施例中不相容气-液两相混合过程的二值图样；

图中，1为气泵，2为白板，3为进气管，4为喷嘴，5为气-液混合搅拌器，6为出气口，7为图像采集装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的装置，包括：

气泵1、白板2、进气管3、气-液混合搅拌器5、图像采集装置7；其中，所述气泵1通过所述进气管3与所述气-液混合搅拌器5的底部连接，所述进气管3上设有进气阀，所述进气管3与所述气-液混合搅拌器5连接的一端设有喷嘴4，所述喷嘴4设于所述气-液混合搅拌器5内部；所述气-液混合搅拌器5上端设有出气口6；所述出气口6处设有气体流量测量计；所述白板2、图像采集装置7对应设置于所述气-液混合搅拌器5的两侧。

所述气-液混合搅拌器5内设有液体，所述气泵1通过所述进气管3向所述气-液混合搅拌器5通入气体，所述气体与所述液体不相容；所述气-液混合搅拌器5用于对所述液体、气体进行混合；所述图像采集装置7用于采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据；所述白板2用于在视频数据采集过程中提供背景，保证视频数据拍摄的清晰度；所述出气口6用于所述气-液混合搅拌器5中气体的溢出；所述气体流量测量计用于测量所述气-液混合搅拌器5中液体工质内部气体的溢出量。

进一步地优化方案，所述图像采集装置7包括但不限于高速摄像机，本实施例中，高速摄像机采用acs系列摄像机，全画幅1280×800像素，采集速度10万帧/秒，能够适应各种恶劣条件。

进一步地优化方案，所述气-液混合搅拌器5的容器为透明材质。

参照图2所示，本实施例提供一种非接触式测量不相容气-液两相混合气含率的方法，具体包括如下步骤：

s1、通过所述图像采集装置7采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据，并对所述视频数据进行图像分割，得到不相容气-液两相混合过程的二值图样；

本实施例中，对视频数据进行图像分割采用按帧分割或按时间分割的方法，具体为采用kmplayer软件对视频数据进行图像分割，或者使用matlab软件，利用所编代码对视频数据进行图像分割，得到分割后的图像；并采用大律法对分割后的图像进行二值化处理，得到不相容气-液两相混合过程的二值图样。不相容气-液两相混合得到的混合物为透明或半透明液体，方便不相容气-液两相混合过程中视频数据的拍摄，否则无法拍摄到气泡；本实施例中得到的二值图样如图3所示，图3中，白色为气相(气泡)，黑色为液相。

s2、基于不相容气-液两相混合过程的二值图样，计算近壁处气-液混合物的气含率；本实施例中，假定气泡形状为球形，近壁处气-液混合物的气含率q近壁面的计算如下式所示：

式中，ri为第i个气泡的半径，n为二值图样中气泡的个数，v为所述气-液混合搅拌器5中纯液相的体积。

s3、关闭所述进气阀，同时，通过所述气体流量测量计获取所述气-液混合搅拌器5中液体工质内部气体的溢出量v，基于所述溢出量v计算所述气-液混合搅拌器5中的气含率系数a。

气含率系数a的计算如下式所示：

s4、基于气含率系数a及近壁处气-液混合物的气含率q近壁面，对所述气-液混合搅拌器5中气-液两相混合的真实气含率q综合进行求解，如下式所示：

q综合＝a×q近壁面。

本发明具有如下技术效果：

本发明通过图像采集装置采集不相容气-液两相混合过程中的视频数据，并进行图像分割得到不相容气-液两相混合过程的二值图样，通过二值图样计算近壁处即局部气-液混合物的气含率，通过实验方法测得气含率系数，并通过真实气含率与气含率系数以及局部气含率的关系，求得真实气含率，实现了气含率的全局综合测量，实用性强，能够直观准确地求取不相容-气液两相混合过程中气含率；同时，气含率的测量过程中对流场毫无干扰，实现了气含率的非侵入式测量；本发明气含率测量方法能够应用于化工和湿法冶金等诸多领域，例如，气液直接接触换热过程，也可以用于研究火法冶金的水模型研究。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。