一种基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法及应用与流程

本发明涉及一种基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法及应用，属于冶金工业技术领域。

背景技术

顶吹浸没熔炼技术是由floyd博士在20世纪70年代发明的，主要由顶吹浸没喷枪和圆柱形的炉体构成。其核心是直立浸没式喷枪。国内外很多学者对顶吹浸没式喷枪做了一系列研究。包括对顶吹单个气泡从形成到脱落的研究，气泡对熔池熔炼搅拌效果的影响等等。气泡和熔体之间的相互作用对冶金过程中起着重要的作用，特别是在高温熔池熔炼过程中更是如此，其喷吹的气体不仅用于熔池搅拌，还是熔炼过程中的反应物。气泡在黏性流体中作为一个分散相，其运动是一种典型的两相流动现象，有着非常复杂的运动特性。由于气泡在穿越分界面时运动方式的复杂性及特殊性，对这种存在不稳定界面的多相流动方式的流动机理目前仍然缺乏一个全面的认识，并且目前的研究几乎全部集中于底吹产生的气泡。对于顶吹产生气泡在黏性流体中运动的研究，国内外专家采用高速摄影机ccd测量气泡的运动方式，但ccd容易产生反射现象，拍摄内部运动状态会有误差。此外ccd只能测量管道内一个侧面，缺乏说服力。

综上所述，现有的熔池熔炼顶吹测量方法难以测量气泡在整个熔体过程中的运动状态，而如何精确非侵入式、可视化、实时监测气泡运动状态是亟待解决的难题。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法及应用。本发明通过以下技术方案实现，

一种基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法，其具体步骤如下：

步骤1、通过电容层析成像系统装置测量已标定的熔池熔炼顶吹传感器电容极板间电容值；

步骤2、将步骤1测量得到的电容值进行归一化处理；

步骤3、将经步骤2归一化电容值进行平滑处理；

步骤4、将经步骤3平滑处理电容值采用线性反投影图像重建算法建出气泡在熔体内分布图像。

所述步骤1中电容层析成像系统装置安装在熔池池壁上，电容层析成像系统装置包括阵列式电容传感器1、电容数据收集箱2和数据处理与显示的计算机3，阵列式电容传感器1电极引线与电容数据收集箱2输入端相连，电容数据收集箱2输出端与数据处理与显示的计算机3连接；阵列式电容传感器1包括阵列电极以及阵列电极两端的电极端环形屏蔽电极4和接地屏蔽电极5；电极引线为电缆线，电缆线包括电缆芯和屏蔽丝网，电缆芯与阵列电极连接，屏蔽丝网与接地屏蔽电极5连接。上述电容层析成像系统装置为现有装置，未公开的结构和部件均为本领域技术人员公知技术。

熔池熔炼顶吹传感器电容极板间电容值标定方法具体为：将熔池中充满空气时测定得到熔池中充满低介电常数时的静态电容值cg；以及将熔池中充满熔体时测定得到熔池中充满高介电常数时的静态电容值co。

所述步骤2中归一化处理过程具体为c1＝cm-cg/co-cg，式中，c1为归一化的电容值，cm为工况中实际电容值，cg为熔池中充满低介电常数时的静态电容值，co为熔池中充满高介电常数时的静态电容值。归一化处理就是将测量信号的标定处理能够使测量数据无量纲化，从而有利于数学处理；其次，对标定后的信号进行分析可以减少测量和信号分析过程中带来的误差，提高分析精度。

所述步骤3中平滑处理过程具体为采用五点三次平滑法计算公式：

yk＝1/35(-3c1(k-2)+12c1(k-1)+17c1+12c1(k+1)-3c1(k+2))，式中c1为实际测量并经归一化的电容值数据，y为平滑处理后的电容值数据，k是测量信号的长度，k＝3,4，…。采用滑动平均法对实测电容值进行平滑处理，则可以得到一个相对光滑的趋势向电容值。

所述步骤4中线性反投影图像重建算法为：

g＝s^tyk，

gⁿ⁺¹＝gⁿ+α×s^t×(ykⁿ-s×gⁿ)

式中，yk是五点三次平滑处理后的电容值数据，ykⁿ是五点三次平滑处理后的n阶电容向量，k是测量信号的长度；k＝3，4，…；s是m×n矩阵，g是m阶图像向量，其中n为测量的电容个数，m为测量区域的像素数，α为迭代步长，s矩阵反映了测量区域物质分布变化对测量电容值的影响值数据，t是线性代数中矩阵转置符号。

所述熔体为导热油。

一种基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法的应用，当熔体为熔池熔炼金属物料熔体时，基于电容层析成像系统能应用在熔池熔炼顶吹实时监测气泡运动状态。

本发明的有益效果是：本发明可视化实时监测方法能应用在熔池熔炼顶吹过程中，能显示气泡的空间分布状况，大大提高了人们对顶吹反应气泡从生成到脱落的获取能力，优于传统高速摄像机ccd测量方式，解决现有方法难以可视化实时监测气泡从生成到脱落的难题，具有非辐射、非侵入、响应速度快、结构简单等优点。

附图说明

图1是本发明电容层析成像系统装置结构示意图；

图2是本发明顶吹实验过程流程图；

图3是本发明顶吹气泡在整个熔体过程中的运动状态图，其中图a为气泡的产生，图b为气泡运动过程中开始破裂，图c为气泡的灭亡。

图中：1-阵列式电容传感器，2-电容数据收集箱，3-数据处理与显示的计算机，4-电极端环形屏蔽电极，5-接地屏蔽电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图2所示，该基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法，其具体步骤如下：

步骤1、通过电容层析成像系统装置测量已标定的熔池熔炼顶吹传感器电容极板间电容值；如图1所示，电容层析成像系统装置安装在熔池池壁上，电容层析成像系统装置包括阵列式电容传感器1、电容数据收集箱2和数据处理与显示的计算机3，阵列式电容传感器1电极引线与电容数据收集箱2输入端相连，电容数据收集箱2输出端与数据处理与显示的计算机3连接；阵列式电容传感器1包括阵列电极以及阵列电极两端的电极端环形屏蔽电极4和接地屏蔽电极5；电极引线为电缆线，电缆线包括电缆芯和屏蔽丝网，电缆芯与阵列电极连接，屏蔽丝网与接地屏蔽电极5连接；熔池熔炼顶吹传感器电容极板间电容值标定方法具体为：将熔池中充满空气时测定得到熔池中充满低介电常数时的静态电容值cg；以及将熔池中充满导热油熔体时测定得到熔池中充满高介电常数时的静态电容值co；从图3中可以看出熔池中充满空气时颜色为白色，熔池中充满导热油熔体时颜色为黑色；

步骤2、将步骤1测量得到的电容值进行归一化处理；步骤2中归一化处理过程具体为c1＝cm-cg/co-cg，式中，c1为归一化的电容值，cm为工况中实际电容值，cg为熔池中充满低介电常数时的静态电容值，co为熔池中充满高介电常数时的静态电容值。归一化处理就是将测量信号的标定处理能够使测量数据无量纲化，从而有利于数学处理；其次，对标定后的信号进行分析可以减少测量和信号分析过程中带来的误差，提高分析精度；

步骤3、将经步骤2归一化电容值进行平滑处理；步骤3中平滑处理过程具体为采用五点三次平滑法计算公式：

yk＝1/35(-3c1(k-2)+12c1(k-1)+17c1+12c1(k+1)-3c1(k+2))(k＝3,4，…)，式中c1为实际测量并经归一化的电容值数据，y为平滑处理后的电容值数据，k是测量信号的长度，采用滑动平均法对实测电容值进行平滑处理，则可以得到一个相对光滑的趋势向电容值；

步骤4、将经步骤3平滑处理电容值采用线性反投影图像重建算法建出气泡在熔体内分布图像；步骤4中线性反投影图像重建算法为：

g＝s^tyk，

gⁿ⁺¹＝gⁿ+α×s^t×(ykⁿ-s×gⁿ)

式中，yk是五点三次平滑处理后的电容值数据，ykⁿ是五点三次平滑处理后的n阶电容向量，k是测量信号的长度；k＝3，4，…；s是m×n矩阵，g是m阶图像向量，其中n为测量的电容个数，m为测量区域的像素数，α为迭代步长，s矩阵反映了测量区域物质分布变化对测量电容值的影响值数据，t是线性代数中矩阵转置符号。

本顶吹气泡在整个导热油熔体过程中的运动状态图如图3所示，从图3中可以看出顶吹中气泡从产生，开始破裂到灭亡的过程。

该基于电容层析成像系统的顶吹气泡在粘性流体中可视化实时监测方法的应用，当熔体为熔池熔炼金属物料熔体时，基于电容层析成像系统能应用在熔池熔炼顶吹实时监测气泡运动状态。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。