一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，包括磁控摄像颗粒、磁控驱动单元、无线信号接收单元、无线遥控器和图像处理单元。磁控摄像颗粒耦合了摄像和无线信号发射接收功能并置于三维稠密气固系统中，其在形状和尺寸上与系统内的非球形颗粒相似，磁控摄像颗粒既在气固流场中作随机运动，又在磁控驱动单元的控制下运动至目标区域；利用磁控摄像颗粒内部的摄像头扫描并摄取周围床层的分布信息；最后，图像信号通过无线发送方式传输至系统外部的无线信号收发系统，经过图像处理获得颗粒浓度。本发明的测量方法及装置可在随机运动和磁控运动模式下获得床层内部直观的颗粒分布信息，具有对流场无干扰、实时在线测量等优点。
【专利说明】
一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量方法及装置，属于多相流测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]稠密气固系统在工业生产中尤其是化工及能源动力等领域有着非常广泛的应用。在这些应用过程中，固体物料不仅含有球形颗粒，而且含有非球形颗粒，如固废回转窑燃烧气化、生物质秸杆流化床燃烧、球形/非球形颗粒混合物流化分选等。显然，无论是物理处理过程，还是化学反应过程，物料之间的传质、传热和动量传递都是极其重要的，直接影响了过程效率和产品质量。颗粒浓度是反应传递过程的一个重要参数。
[0003]颗粒浓度的测量方法通常可以分为直接法和间接法。最常见的直接法就是快速取样法，其基本做法是:将取样器插入床层，突然关闭取样空间而获得固体颗粒，然后，将取样器取出，打开取样空间，分析采集到的颗粒即可获得颗粒浓度。该方法的优点是能直接采集到目标点的颗粒样本，但缺点也很明显，取样器对流场有干扰作用，目标测量区域受到采样点的限制。随着计算机技术和先进的图像处理技术的发展，直接获得颗粒影像的摄像法也得到了广泛应用，摄像法不仅可以测得颗粒浓度的空间变化，还可以获得颗粒浓度在时间尺度上的变化，缺点是颗粒浓度的空间信息仅局限于容器壁面的二维信息，由于稠密系统固体颗粒的遮挡，对于床层内部的信息却无能无力。
[0004]多学科的交叉融合促进了间接法的快速发展，基于不同原理的间接法相继出现，如基于压力测量的差压法、基于放射线技术的放射法、基于电容层析/平板探头的电容法。差压法通过上下游压力差与颗粒重量间接推算出颗粒浓度，因此，该颗粒浓度为床层局部区域的平静颗粒浓度，并非某一点的实际浓度。当X或Y射线射过床层时，固体颗粒能吸收X或Y射线，透射后的射线强度与床层浓度成比例，基于此原理发展的放射法必须注意放射性物质的安全性问题，而且测试设备昂贵。电容层析法不干扰流场，但空间分辨率较低使其测量范围受限，电容平板探头法能深入床层内部测量其浓度，但电容探头对流场扰动较大。
[0005]由以上分析可知，目前常规的测量技术普遍存在干扰流场、仅能获取表观信息、不能实时在线测量等问题，迫切需要开发出一种新的测量方法，以克服常规测量技术的缺陷。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明针对常规的颗粒浓度测量装置会干扰流场、不能提取直接的颗粒浓度信息，部分测量方法只能获取表观的二维信息、不能实现三维全场测量，部分测量方法只适用于静态测量、不能实现在线实时监测等问题，提供了一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置及方法。
[0007]技术方案:为解决上述技术问题，本发明提供一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，包括磁控摄像颗粒、磁控驱动单元、无线信号接收单元、无线遥控器和图像处理单元,其中:
[0008]所述磁控摄像颗粒设置于三维稠密气固系统的内部，其大小与三维稠密气固系统内部的非球形颗粒的尺寸大小相近，所述磁控摄像颗粒包括透明壳体、与所述透明壳体同轴布置的内核通道、透明壳体与所述内核通道之间的滑移通道、设置于所述滑移通道内部的摄像单元、设置于所述内核通道内部的无线信号控制单元以及分别布置在透明壳体内部的两端的内控电磁铁，所述内控电磁铁即为普通的电磁铁；
[0009]所述磁控驱动单元环形布置在三维稠密气固系统的外部，用于调控所述三维稠密气固系统内部的磁场；
[0010]所述无线信号接收单元设置于三维稠密气固系统的外部并与所述图像处理单元电连接，用于接收来自磁控摄像颗粒的无线信号；
[0011]所述无线遥控器设置于三维稠密气固系统的外部，所述无线遥控器为电流控制器，用于向磁控摄像颗粒发送控制信号改变电磁铁的电流从而调整内控电磁铁的电磁力；
[0012]所述图像处理单元布置在在稠密气固系统的外部，用于分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片，从而获得颗粒的浓度。
[0013]其中，所述的摄像单元包括环形磁铁、伸缩环、发光二极管、摄像头、凸透镜和凹透镜，其中，所述环形磁铁和伸缩环从内岛外以同心圆的方式布置在所述滑移通道内，所述凸透镜和凹透镜交替间隔设置在所述伸缩环上，所述发光二极管和摄像头交替地间隔设置在环形磁铁上，所述发光二极管正对着凹透镜，所述摄像头正对着凸透镜；所述的内控电磁铁控制所述环形磁铁和伸缩环在滑移通道内的运动，当一侧的内控电磁铁工作时，伸缩环和环形磁铁以2?5mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁工作时，伸缩环和环形磁铁以2?5mm/s的速度向另一侧移动。
[0014]所述无线信号控制单元包括依次布置在所述内核通道内部的图像传感器、压缩存储模块、信号控制器、无线信号发收器和电源，所述电源为整个磁控摄像颗粒提供工作所需能量。从摄像单元获取的模拟信号通过图像传感器转换成数字信号，并经过压缩存储模块压缩，压缩后的信号在信号控制器的控制下，通过无线信号发收器向外部发送信号。置于三维稠密气固系统外部的无线信号接收单元和无线遥控器与置于磁控摄像颗粒内部的无线信号发收器之间通过无线信号传输。
[0015]所述的磁控驱动单元由3?5套驱动装置环形布置在稠密气固系统的外面，每套驱动装置包括电磁铁、链条、主动链轮、从动链轮、步进电机、变频器和控制器，其中，所述主动链轮和从动链轮水平间隔布置，链条分别与两个链轮相连，当主动链轮旋转时，链条绕着链轮运动；所述电磁铁安装在链条的上部，与控制器相连，并随着链条一起运动，所述控制器为电流控制器，通过控制电流改变电磁铁的磁力；所述步进电机与主动链轮直接相连，并驱动主动链轮转动；所述步进电机与变频器连接，所述变频器用于控制电机的转速和转向。
[0016]所述的图像处理单元分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片的具体过程为:
[0017]以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(χ，y)的像素值 fR,c，,B(x，y) = (R，G, B)；
[0018]在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数；
[0019]获得动态照片在坐标(x，y)的像素值f；,g，,b(X，y) = (r，g，b)，将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的色度值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti,则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色；
[0020]对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界；
[0021]分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni, i = 1,2,…，η，η为颗粒总数，获得目标颗粒的浓度值Ci = NiZM, M是动态照片的总像素点数。
[0022]为了便于制作，磁控摄像颗粒的形状一般可以选择为圆柱状，磁控摄像颗粒的大小可通过如下方式进行确定:从待检测的物料中挑选形状规则的颗粒50?100个，统计这些颗粒的平均直径d，则磁控摄像颗粒的直径可以为0.9d?1.5d，磁控摄像颗粒的长度则可以选择在50?80mm左右。
[0023]本发明还提出了利用上述装置在三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量中的应用，其特征在于，包括如下步骤:
[0024](I)从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径记为d，制作圆柱状的磁控摄像颗粒使其直径范围在0.9d?1.5d，并将其与其他物料一起放入系统内；
[0025](2)在随机运动模式下，磁控摄像颗粒在气固流场作用下与其他颗粒一起作随机运动，并拍摄周围颗粒的图像，拍摄时，通过伸缩环的伸缩实现摄像头的焦距调整；
[0026](3)在磁控运动模式下，磁控驱动单元协调控制多个电磁铁的移动和电磁力的变化，使磁控摄像颗粒能在系统内移动至任意目标区域，在指定目标区域，信号控制器通过改变内控电磁铁的磁力使颗粒内部的摄像单元以2?5mm/s的速度在颗粒内移动,扫描并摄取颗粒周围的图像，同时，通过协调控制内控电磁铁的电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的转动；
[0027](4)从摄像单元获取的模拟信号通过无线信号接收单元处理转换成数字信号并压缩后向外部发送信号，再经过图像处理单元处理获得颗粒浓度。
[0028]在上述步骤中，所述的摄像单元包括环形磁铁、伸缩环、发光二极管、摄像头、凸透镜和凹透镜，其中，所述环形磁铁和伸缩环从内岛外以同心圆的方式布置在所述滑移通道内，所述凸透镜和凹透镜交替间隔设置在所述伸缩环上，所述发光二极管和摄像头交替地间隔设置在环形磁铁上，所述发光二极管正对着凹透镜，所述摄像头正对着凸透镜；所述的内控电磁铁控制所述环形磁铁和伸缩环在滑移通道内的运动，当一侧的内控电磁铁工作时，伸缩环和环形磁铁以2?5mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁工作时，伸缩环和环形磁铁以2?5mm/s的速度向另一侧移动。
[0029]所述无线信号控制单元包括依次布置在所述内核通道内部的图像传感器、压缩存储模块、信号控制器、无线信号发收器和电源，所述电源为整个磁控摄像颗粒提供工作所需能量；从摄像单元获取的模拟信号通过无线信号接收单元的图像传感器转换成数字信号，并经过压缩存储模块压缩，压缩后的信号在信号控制器的控制下，通过无线信号发收器向外部发送信号。
[0030]所述的磁控驱动单元由3?5套驱动装置环形布置在稠密气固系统的外面，每套驱动装置包括电磁铁、链条、主动链轮、从动链轮、步进电机、变频器和控制器，其中，所述主动链轮和从动链轮水平间隔布置，链条分别与两个链轮相连，当主动链轮旋转时，链条绕着链轮运动；所述电磁铁安装在链条的上部，与控制器相连，并随着链条一起运动，所述控制器为电流控制器，通过控制电流改变电磁铁的磁力；所述步进电机与主动链轮直接相连，并驱动主动链轮转动；所述步进电机与变频器连接，所述变频器用于控制步进电机的转速和转向。
[0031]其中，所述的图像处理单元分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片的具体过程为:
[0032]以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(x，y)的像素值fK,e，,B(X，y) = (R，G, B);其中，χ为横坐标，y为纵坐标，R代表红色的像素值，G代表绿色的像素值，B代表蓝色的像素值；
[0033]在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数；
[0034]获得动态照片在坐标(x，y)的像素值f；,g，,b(x，y) = (!■4，13)，其中^为横坐标，y为纵坐标，r代表红色的像素值，g代表绿色的像素值，b代表蓝色的像素值；将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的像素值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti，则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色；
[0035]对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界；
[0036]分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni, i = 1，2，…，η, η为颗粒总数，获得目标颗粒的浓度值Ci =队/M，其中M是动态照片的总像素点数。
[0037]有益效果:与常规的颗粒浓度测量方法和装置相比，本发明具有如下的优点:
[0038](I)对流场无干扰:传统的测量方法通过采样管或探头直接伸入床层内部获得浓度信息，由于测量装置干扰气固流场，因而不可避免引起测量误差，而本发明将测量装置微型化并集成于颗粒内部，用于模拟非球形颗粒并参与整个流动过程，虽然集成微型测量装置的非球形颗粒与物料颗粒直接接触，但这是由于气固流动而产生的颗粒与颗粒之间自然的接触，并非测量设备与物料的接触，不存在干扰流场问题；
[0039](2)可获得内部直观的颗粒分布信息:传统的摄像法虽然获取了直接的颗粒分布图像，但该信息只局限于容器边壁附近的区域，而且由于边壁效应，不能真实反应容器内部更深层次的信息，而本发明改进了传统摄像法的拍摄模式，将摄像头置于非球形颗粒内部，可以遍历颗粒运动路径并准确摄取床层内部的浓度信息；
[0040](3)能实时在线测量:为了不干扰流场获得床层内部的浓度信息，部分改进的测量方法将床层停止运行后取样测量，典型的如床层塌落法，该方法是一种典型的离线测量方法，本发明改进了传统摄像法的有线信号传输模式，采用无线传输方式把容器内部颗粒信息发送至容器外部的接收器，克服了传统测量过程需要布置数据线的弊端，不仅为获取内部浓度信息创造了条件，而且实现了实时在线测量；
[0041](4)可双模式运行:常规的测量方法在测量范围上受到极大限制，如基于探针/探头的测量，只能在有限的固定点测量，如基于摄像机的可视化测量，只能在边壁透明区域测量，而本发明的测量方法可在随机运动模式和磁控运动模式下任意切换运行，测量装置即可在气流场中作随机运动的同时测量，也可在外部磁控装置的控制下对特定目标区域进行针对性测量；
[0042](5)双模态拍摄方式:常规的摄像法往往是摄像头固定在床体外面对透明区域进行拍摄，拍摄方式单一，图像信息片面，而本发明的摄像头不仅可以固定在磁控摄像颗粒上一点拍摄，而且可以沿着颗粒轴向移动，通过扫描的方式摄取周围更多的颗粒信息，这种双模态拍摄方式极大地丰富了图像信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0043]图1是本发明的磁控摄像颗粒的示意图，其中:内控电磁铁1、透明壳体2、滑移通道3、凸透镜4、凹透镜5、摄像头6、发光二极管7、图像传感器8、压缩存储模块9、控制器10、无线信号发收器11、电源12、内核通道13 ；
[0044]图2是本发明的磁控摄像颗粒的剖面示意图，其中有:透明壳体2、凸透镜4、摄像头6、发光二极管7、内核通道13、伸缩环14、环形磁铁15 ;其中，代表摄像头；
[0045]图3是本发明的磁控驱动单元的示意图,其中有:主动链轮16、从动链轮17、链条18、电磁铁19、步进电机20、变频器21、控制器22 ；
[0046]图4是本发明的三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置的整体示意图，其中有:磁控摄像颗粒23、三维稠密气固系统24、磁控驱动单元25、无线信号接收单元26、图像处理单元27和无线遥控器28。
【具体实施方式】
[0047]本发明提供了一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置及方法，其中，上述装置的结构如图1?4所示，包括圆柱形磁控摄像颗粒23、磁控驱动单元25、无线信号接收单元26、无线遥控器28和图像处理单元27，其中，磁控摄像颗粒23设置于三维稠密气固系统的内部，其大小与三维稠密气固系统内部的非球形颗粒的尺寸大小相近，包括透明壳体2、与透明壳体2同轴布置的内核通道13、透明壳体2与内核通道13之间的滑移通道3、设置于滑移通道3内部的摄像单元、设置于内核通道13内部的无线信号控制单元以及分别布置在透明壳体2内部的两端的内控电磁铁I (即为普通的电磁铁)。摄像单元包括环形磁铁15、伸缩环14、发光二极管7 (图中短线所示)、摄像头6 (图中长线所示)、凸透镜4(图中长线所示)和凹透镜5 (图中短线所示)，其中，环形磁铁15和伸缩环14从内到外以同心圆的方式布置在滑移通道3内，凸透镜4和凹透镜5交替间隔设置在伸缩环14上，发光二极管7和摄像头6交替地间隔设置在环形磁铁15上，发光二极管7正对着凹透镜5，摄像头6正对着凸透镜4 ;内控电磁铁I控制环形磁铁15和伸缩环14在滑移通道3内的运动，当一侧的内控电磁铁I工作时，伸缩环14和环形磁铁15以2?5mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁I工作时，伸缩环14和环形磁铁15以2?5mm/s的速度向另一侧移动。
[0048]磁控驱动单元25环形布置在三维稠密气固系统的外部，包括电磁铁和用于控制电磁铁磁力大小的磁力控制单元。无线信号接收单元26设置于三维稠密气固系统的外部并与图像处理单元27电连接。无线信号控制单元包括依次布置在内核通道13内部的图像传感器8 (单片CMOS成像器)、压缩存储模块9 (ADV-JP2000)、信号控制器10、无线信号发收器11和电源12，其中，信号控制器10包括一个RISC处理器和一个蓝牙核，无线信号发收器11包括一个发射器和一个接收器，电源12为整个磁控摄像颗粒23提供工作所需能量，从摄像单元获取的模拟信号通过图像传感器8转换成数字信号，并经过压缩存储模块9将信号进行压缩，压缩后的信号经过在信号控制器10的的控制下，利用蓝牙通过无线信号发收器11向外部发送信号。
[0049]磁控驱动单元25由3?5套驱动装置环形布置在稠密气固系统的外面，每套驱动装置包括电磁铁19、链条18、主动链轮16、从动链轮17、步进电机20、变频器21和控制器22，其中，主动链轮16和从动链轮17水平间隔布置，链条18分别与两个链轮相连，当主动链轮16旋转时，链条18绕着链轮运动；电磁铁19安装在链条18的上部，与控制器22相连，并随着链条18 —起运动，控制器22为电流控制器，通过控制电流改变电磁铁19的磁力；步进电机20与主动链轮16直接相连，并驱动主动链轮16转动；步进电机20与变频器21连接，变频器21控制步进电机20的转速和转向。其中，所述的控制器可以为任何普通的电流控制器。
[0050]无线遥控器28设置于三维稠密气固系统的外部，用于向磁控摄像颗粒23发送控制信号改变电磁铁的电流从而调整内控电磁铁28的电磁力；图像处理单元27布置在在稠密气固系统的外部，用于分析处理磁控摄像颗粒23拍摄的每一张动态照片，从而获得颗粒的浓度。
[0051]在实际的应用中，磁控摄像颗粒的大小可通过如下方式进行确定:从待检测的物料中挑选形状规则颗粒50?100个，统计这些颗粒的平均直径d，则磁控摄像颗粒的直径可以为0.9d?1.5d,磁控摄像颗粒的长度则可以选择在50?80mm左右。
[0052]下述具体实施例在以本技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0053]实施例1
[0054]本实施针对回转窑固体废弃物热解工艺设计实验装置，用于测量固体载热体与固体废弃物的混合程度，具体实施步骤如下:
[0055]从固体废弃物中挑选50个形状较为规则的颗粒，统计50个颗粒的直径为20mm，选用圆柱形的非球形颗粒作为磁控摄像颗粒的形状，回转窑即(三维稠密气固系统)直径500mm，长1500mm。采用有机玻璃制成透明壳体，外径为22mm，高度为60mm，内核通道的直径为8mm。将伸缩环和环形磁铁以同心圆方式布置在透明壳体内，伸缩环在外圈，环形磁铁在内圈。伸缩环和环形磁铁的宽度分别为3mm，5个凸透镜和5个凹透镜(直径为3mm，与伸缩环的宽度一致)均匀布置在伸缩环上，5个发光二极管和摄像头(尺寸为3_)均匀布置在环形磁铁上，发光二极管正对着凹透镜，摄像头正对着凸透镜，两者均在同心圆的直径上。5个摄像头的焦距调整均通过伸缩环的伸缩实现。两个内控电磁铁(即为普通的电磁体)分别布置在透明壳体的两端，当一侧的内控电磁铁通电后，伸缩环和环形磁铁以3_/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁通电后，伸缩环和环形磁铁以3mm/s的速度向另一侧移动。在磁控摄像颗粒的内核通道内依次布置图像传感器(单片CMOS成像器)、压缩存储模块(ADV-JP2000)、信号控制器(包括RISC处理器和蓝牙核)、无线发收器(包括发射器和接收器)和电源。从摄像头获取的模拟信号通过图像传感器转换成数字信号，并经过压缩存储模块压缩，压缩后的信号在信号控制器的控制下，通过无线信号发收器向外部发送信号。磁控摄像颗粒工作所需能量由电源提供。
[0056]在回转窑的周向均匀布置3套磁控驱动装置，每套驱动装置主要由电磁铁、链条、链轮、步进电机、变频器(ABB变频器-ACS550)和电流控制器(LUO JIANG759C电流控制器)组成。每套驱动装置通过以下方式搭建而成:将主动链轮和从动链轮以回转窑长度的距离水平布置，同时将链条分别与两个链轮相连，在链条的上部安装电磁铁，电磁铁与控制器相连；把步进电机与主动链轮直接相连，同时将步进电机与变频器相连。工作时，通过改变变频器的输出参数分别控制电机的转向和转速，通过控制器控制电流的大小从而控制电磁铁的磁力。通过移动电磁铁和改变电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的平动,通过同时改变电磁铁和内控电磁铁的电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的转动。
[0057]无线信号接收单元布置在回转窑的外面，用于接收磁控摄像颗粒发出的信号，并将数据传输至图像处理单元，同时通过无线遥控器向稠密气固系统内的磁控摄像颗粒发送控制信号，用于调整分别布置于磁控摄像颗粒两端的内控电磁铁的电磁力，使摄像头阵列在滑移通道内移动，扫描磁控摄像颗粒周围的颗粒分布。
[0058]图像处理单元布置在回转窑的外面，用于分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片，具体过程为:以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(x，y)的像素值fuJhy) = (R，G，B);在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数；获得动态照片在坐标(x，y)的像素值f；,g，,b(x，y) = (r，g，b)，将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的色度值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti，则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色；对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界；分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni, i = 1,2,…，η,获得目标颗粒的浓度值Ci = NiZM, M是动态照片的总像素点数。
[0059]实施例2
[0060]本实施针对生物质流化床燃烧锅炉设计实验装置，用于测量床料与生物质的混合程度，具体实施步骤如下:
[0061]从生物质秸杆颗粒中挑选80个形状较为规则的颗粒并统计颗粒的直径，为20mm，设计流化床尺寸为400mmX 400mm。采用有机玻璃制成透明壳体,外径为18mm,高度为50mm,内核通道的直径为5_。将伸缩环和环形磁铁以同心圆方式布置在透明壳体内，伸缩环在外圈，环形磁铁在内圈。伸缩环和环形磁铁的宽度为3_，3个凸透镜和3个凹透镜均匀布置在伸缩环上，凸透镜和凹透镜的尺寸为3mm，与伸缩环的宽度一致，3个发光二极管和摄像头(尺寸为3mm)均勻布置在环形磁铁上,发光二极管正对着凹透镜,摄像头正对着凸透镜，两者均在同心圆的直径上。3个摄像头的焦距调整均通过伸缩环的伸缩实现。两个圆柱状的内控电磁铁分别布置在透明壳体的两端，当一侧的内控电磁铁通电后，伸缩环和环形磁铁以3mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁通电后，伸缩环和环形磁铁以3mm/s的速度向另一侧移动。在磁控摄像颗粒的内核通道内依次布置图像传感器(单片CMOS成像器)、压缩存储模块(ADV-JP2000)、信号控制器(RISC处理器和蓝牙核)、无线发收器(发射器和接收器)和电源。从摄像头获取的模拟信号通过图像传感器转换成数字信号，并经过压缩存储模块压缩，压缩后的信号在信号控制器的控制下，通过无线信号发收器向外部发送信号。磁控摄像颗粒工作所需能量由电源提供。
[0062]在流化床的周向均匀布置3套磁控驱动装置，每套驱动装置主要由电磁铁、链条、链轮、步进电机、变频器(ABB变频器-ACS550)和电流控制器(LUO JIANG759C电流控制器)组成。每套驱动装置通过以下方式搭建而成:将主动链轮和从动链轮以回转窑长度的距离水平布置，同时将链条分别与两个链轮相连，在链条的上部安装电磁铁，电磁铁与控制器相连；把步进电机与主动链轮直接相连，同时将步进电机与变频器相连。工作时，通过改变变频器的输出参数分别控制电机的转向和转速，通过控制器控制电流的大小从而控制电磁铁的磁力。通过移动电磁铁和改变电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的平动,通过同时改变电磁铁和内控电磁铁的电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的转动。
[0063]无线信号接收单元布置在流化床的外面，用于接收磁控摄像颗粒发出的信号，并将数据传输至图像处理单元，同时通过无线遥控器向稠密气固系统内的磁控摄像颗粒发送控制信号，用于调整分别布置于磁控摄像颗粒两端的内控电磁铁的电磁力，使摄像头阵列在滑移通道内移动，扫描磁控摄像颗粒周围的颗粒分布。
[0064]图像处理单元布置在流化床的外面，用于分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片，具体过程为:以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(x，y)的像素值fK,e，,B(x，y) = (R，G，B)，其中，X为横坐标，y为纵坐标，R代表红色的像素值，G代表绿色的像素值，B代表蓝色的像素值；在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数；获得动态照片在坐标(x，y)的像素值fr,g，,b(x，y) = (r，g，b),其中，X为横坐标，y为纵坐标，r代表红色的像素值，g代表绿色的像素值，b代表蓝色的像素值，将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的色度值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti，则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色；对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界；分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni,i = 1,2,..., η,获得目标颗粒的浓度值Ci = Ni/M, M是动态照片的总像素点数。
【权利要求】
1.一种三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，其特征在于，包括磁控摄像颗粒(23)、磁控驱动单元(25)、无线信号接收单元(26)、无线遥控器(28)和图像处理单元(27)，其中: 所述磁控摄像颗粒(23)设置于三维稠密气固系统的内部，所述磁控摄像颗粒(23)包括圆柱形透明壳体(2)、与所述透明壳体⑵同轴布置的内核通道(13)、透明壳体⑵与所述内核通道(13)之间的滑移通道(3)、设置于所述滑移通道(3)内部的摄像单元、设置于所述内核通道(13)内部的无线信号控制单元以及分别布置在透明壳体(2)内部的两端的内控电磁铁⑴； 所述磁控驱动单元(25)环形布置在三维稠密气固系统的外部，用于调控所述三维稠密气固系统内部的磁场； 所述无线信号接收单元(26)设置于三维稠密气固系统的外部并与所述图像处理单元(27)电连接，用于接收来自磁控摄像颗粒(23)的无线信号； 所述无线遥控器(28)设置于三维稠密气固系统的外部，用于向磁控摄像颗粒(23)发送控制信号改变电磁铁的电流从而调整内控电磁铁(28)的电磁力； 所述图像处理单元(27)布置在三维稠密气固系统的外部，用于分析和处理磁控摄像颗粒(23)拍摄的每一张动态照片，从而获得颗粒的浓度。
2.根据权利要求1所述的三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，其特征在于，所述的摄像单元包括环形磁铁(15)、伸缩环(14)、发光二极管(7)、摄像头￠)、凸透镜(4)和凹透镜(4)，其中，所述环形磁铁(15)和伸缩环(14)从内到外以同心圆的方式布置在所述滑移通道(3)内，所述凸透镜(4)和凹透镜(5)交替间隔设置在所述伸缩环(14)上，所述发光二极管(7)和摄像头(6)交替间隔设置在环形磁铁(15)上，所述发光二极管(7)正对着凹透镜(5)，所述摄像头(6)正对着凸透镜(4);所述的内控电磁铁(I)控制所述环形磁铁(15)和伸缩环(14)在滑移通道(3)内的运动，当一侧的内控电磁铁⑴工作时，伸缩环(14)和环形磁铁(15)以2?5mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁(I)工作时，伸缩环(14)和环形磁铁(15)以2?5mm/s的速度向另一侧移动。
3.根据权利要求1所述的三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，其特征在于，所述无线信号控制单元包括依次布置在所述内核通道(13)内部的图像传感器(8)、压缩存储模块(9)、信号控制器(10)、无线信号发收器(11)和电源(12)，其中，所述图像传感器(8)将模拟信号转换成数字信号，所述数字信号经过压缩存储模块(9)压缩，压缩后的信号在信号控制器(10)的控制下，通过无线信号发收器(11)向外部发送信号；所述电源(12)为整个磁控摄像颗粒(23)提供工作所需能量。
4.根据权利要求1所述的三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，其特征在于，所述的磁控驱动单元(25)包括3?5套驱动装置，呈环形布置在稠密气固系统的外面，每套驱动装置包括电磁铁(19)、链条(18)、主动链轮(16)、从动链轮(17)、步进电机(20)、变频器(21)和控制器(22)，其中，所述主动链轮(16)和从动链轮(17)水平间隔布置，链条(18)分别与两个链轮相连，当主动链轮(16)旋转时，链条(18)绕着链轮运动；所述电磁铁(19)安装在链条(18)的上部，与控制器(22)相连，并随着链条(18) —起运动，所述控制器(22)为电流控制器，通过控制电流改变电磁铁(19)的磁力；所述步进电机(20)与主动链轮(16)直接相连，并驱动主动链轮(16)转动；所述步进电机(20)与变频器(21)连接，所述变频器(21)用于控制步进电机(20)的转速和转向。
5.根据权利要求1所述的三维稠密气固系统非球形颗粒浓度的无线测量装置，其特征在于，所述的图像处理单元分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片的具体过程为: 以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(X，y)的像素值fuJLy) = (R，G，B);其中，χ为横坐标，y为纵坐标，R代表红色的像素值，G代表绿色的像素值，B代表蓝色的像素值； 在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数； 获得动态照片在坐标(X，y)的像素值fr,g，,b(x，y) = (r，g，b),其中，χ为横坐标，y为纵坐标，r代表红色的像素值，g代表绿色的像素值，b代表蓝色的像素值；将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的像素值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti，则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色； 对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界； 分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni, i = 1,2,…，n，n为颗粒总数，获得目标颗粒的浓度值Ci =队/M，其中M是动态照片的总像素点数。
6.一种利用权利要求1所述的装置在三维稠密气固系统中无线测量非球形颗粒浓度的方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)从待检测非球形颗粒物料中挑选呈规则圆柱状的物料，统计所述圆柱状物料的平均直径记为d，制作圆柱状的磁控摄像颗粒使其直径范围在0.9d?1.5d，并将其与其他物料一起放入系统内； (2)在随机运动模式下，磁控摄像颗粒在气固流场作用下与其他颗粒一起作随机运动，并拍摄周围颗粒的图像，拍摄时，通过伸缩环的伸缩实现摄像头的焦距调整； (3)在磁控运动模式下，磁控驱动单元协调控制多个电磁铁的移动和电磁力的变化，使磁控摄像颗粒能在系统内移动至任意目标区域，在指定目标区域，信号控制器通过改变内控电磁铁的磁力使颗粒内部的摄像单元以2?5mm/s的速度在颗粒内移动,扫描并摄取颗粒周围的图像，同时，通过协调控制内控电磁铁的电磁力，实现磁控摄像颗粒在三维空间的转动； (4)从摄像单元获取的模拟信号通过无线信号接收单元处理转换成数字信号并压缩后向外部发送信号，再经过图像处理单元处理获得颗粒浓度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的摄像单元包括环形磁铁(15)、伸缩环(14)、发光二极管(7)、摄像头￠)、凸透镜(4)和凹透镜(4)，其中，所述环形磁铁(15)和伸缩环(14)从内到外以同心圆的方式布置在所述滑移通道(3)内，所述凸透镜(4)和凹透镜(5)交替间隔设置在所述伸缩环(14)上，所述发光二极管(7)和摄像头(6)交替地间隔设置在环形磁铁(15)上，所述发光二极管(7)正对着凹透镜(5)，所述摄像头(6)正对着凸透镜(4);所述的内控电磁铁(I)控制所述环形磁铁(15)和伸缩环(14)在滑移通道(3)内的运动，当一侧的内控电磁铁(I)工作时，伸缩环(14)和环形磁铁(15)以2?5mm/s的速度向其移动，当另一侧的内控电磁铁⑴工作时，伸缩环(14)和环形磁铁(15)以2?5mm/s的速度向另一侧移动。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述无线信号控制单元包括依次布置在所述内核通道(13)内部的图像传感器(8)、压缩存储模块(9)、信号控制器(10)、无线信号发收器(11)和电源(12)，所述电源(12)为整个磁控摄像颗粒(23)提供工作所需能量；从摄像单元获取的模拟信号通过图像传感器(8)转换成数字信号，并经过压缩存储模块压缩，压缩后的信号在信号控制器的控制下，通过无线信号发收器向外部发送信号。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的磁控驱动单元(25)由3?5套驱动装置环形布置在稠密气固系统的外面，每套驱动装置包括电磁铁(19)、链条(18)、主动链轮(16)、从动链轮(17)、步进电机(20)、变频器(21)和控制器(22)，其中，所述主动链轮(16)和从动链轮(17)水平间隔布置，链条(18)分别与两个链轮相连，当主动链轮(16)旋转时，链条(18)绕着链轮(16)运动；所述电磁铁(19)安装在链条(18)的上部，与控制器(22)相连，并随着链条(18) —起运动，所述控制器(22)为电流控制器，通过控制电流改变电磁铁(19)的磁力；所述步进电机(20)与主动链轮(16)直接相连，并驱动主动链轮(16)转动；所述步进电机(20)与变频器(21)连接，所述变频器(21)用于控制步进电机(20)的转速和转向。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的图像处理单元分析处理磁控摄像颗粒拍摄的每一张动态照片的具体过程为: 以纯红色幕布为固定背景，采用磁控摄像颗粒拍摄背景照片，获得背景照片在坐标(X，y)的像素值fuJLy) = (R，G，B);其中，χ为横坐标，y为纵坐标，R代表红色的像素值，G代表绿色的像素值，B代表蓝色的像素值； 在相同的背景下，采用磁控摄像颗粒拍摄放置在红色幕布上的每种颗粒的静态照片，通过分析直方图的方法确定每种颗粒的最佳阀值Ti, i = 1,2,…，n，其中，η为总颗粒数；获得动态照片在坐标(X，y)的像素值fr,g，,b(x，y) = (r，g，b),其中，χ为横坐标，y为纵坐标，r代表红色的像素值，g代表绿色的像素值，b代表蓝色的像素值；将背景照片和动态照片逐行逐列逐个像素点的像素值进行相减，如果3分量的差的绝对值之和不小于阀值Ti，则保留该像素点色度值，否则该点置为(0，0，0)，即黑色； 对相减后的图像进行先膨胀后腐蚀的形态学处理过程，以填充颗粒内细小空洞，连接邻近颗粒和平滑边界； 分别统计每种颗粒在动态照片中占据的像素点数Ni, i = 1,2,…，n，n为颗粒总数，获得目标颗粒的浓度值Ci =队/M，其中M是动态照片的总像素点数。
【文档编号】G01N15/06GK104165832SQ201410405085
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月15日 优先权日:2014年8月15日
【发明者】张勇, 钟文琪, 金保昇, 郑昕 申请人:东南大学