一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法技术

本发明专利技术提供了一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，该方法基于一种在线多相测量仪，包括如下步骤：(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，得到两次或多次曝光的颗粒图像；(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；(3)确定有效颗粒；(3)用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将同一颗粒的质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，则颗粒瞬时运动速度为：该方法能够实现多相反应器内气泡、液滴或固体等颗粒速度分布的实时测量，并且测量的精确度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理测量
，涉及一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法。
技术介绍
在化学、冶金及环境等工业中常常涉及多相流动、传质、传热和反应等复杂耦合过程，其中流动过程是其他一切过程的基础，很大程度上决定了其他过程的效率。因此，多相流测速对于工业反应器设计、优化及放大具有非常重要的意义。虽然流体测速技术已获得很大的发展，但对于多相流测速仍是巨大挑战。早期多相流动的测量主要使用毕托管和热力式风速仪。毕托管动态响应频率低，无法记录非定常湍流场内的高频脉动信息；当多相反应器内包含较高黏度的液体或细小固体颗粒时，会造成毕托管探孔堵塞，使其应用受到一定的限制。热力式风速仪分为热线风速仪和热膜风速仪，热线风速仪频响高、灵敏度高、动态范围大、探头尺寸小，但探头和传感器在含有颗粒的强旋流中易碎且高粘度液体容易黏附于探头表面从而影响测量精度。热膜风速仪较为牢固耐磨，但频响较低。激光技术的发展推动了激光多普勒测速技术(LDV)和粒子图像测速技术(PIV)等激光测速技术的快速发展。激光多普勒测速技术(LDV)测量精度高，响应快，已在气固、气液及固液的两相流实验中得到广泛应用。但是，LDV对固相颗粒(或流体示踪粒子)的浓度有严格的要求，且仪器在测量前期需进行复杂的标定，对实验环境也有较高的要求。粒子图像测速技术(PIV)可以得到非定常流场的瞬时整场信息，但由于多相流动粒子示踪的复杂性，PIV技术通<br>常只是被用于多相流中液相速度场测量。粒子追踪测速方法(PTV)是PIV技术中特殊的一种，通过追踪单个粒子的运动轨迹计算其速度，能够实现较高的空间精度。但目前的PTV技术对待测流体通道、示踪剂或分散相和图像处理技术都有很高的要求。因此，多项反应器中颗粒的速度测量方法还有待于进一步的研究。
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，所述测量方法利用一种在线多相测量仪，结合多次曝光技术和图像处理方法，能够实现多相反应器内气泡、液滴或固体等颗粒速度分布的测量，并且测量准确率高。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，所述测量方法为基于一种在线多相测量仪，所述多相测量仪包括：封装管；视窗，密封连接于封装管一端；用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；与信号发生器和图像传感器相连的控制器；与图像传感器相连的信号处理与输出系统；与信号处理与输出系统相连的显示系统；其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期；所述测量方法包括如下步骤：(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，控制图像传感器的曝光时间t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像；(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；(4)识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一颗粒前后两次曝光的时间间隔。步骤(4)选取的坐标原点的位置可以是任意的，优选为质心坐标均能以正数表示。所述同一颗粒前后两次曝光的质心坐标是指所述颗粒在第一次曝光时的质心坐标和在第二次曝光时的质心坐标。步骤(1)所述图像传感器的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍，如2.8倍或2.9倍等，优选为2.8倍。步骤(2)采用刻度尺确定单个像素的实际尺寸，所述刻度尺的精确度至少为0.1mm，如刻度尺的精确度为0.05mm或0.01mm等。具体为，根据图像所占的像素总数，计算出单位长度所占的像素个数。优选地，步骤(4)采用颗粒匹配算法识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像。优选地，所述颗粒匹配算法为采用粒子相关算法进行颗粒的时间匹配。一段时间内多相体系中的颗粒速度的平均流场分布通过对包含至少4000个颗粒的颗粒图像中颗粒的瞬时运动速度在相应的时间段进行平均即可获得。步骤(1)所述颗粒图像为多相体系中的气泡、液滴或固体颗粒中的任意一种或至少两种的组合的图像。所述测量方法可以测量液-固体系，液-气体系，液-固-气体系中颗粒的速度。所述远心镜头的工作距离为250～550mm，如260mm、300mm、350mm、380mm、420mm、470mm或520mm等，景深为1～3.7mm，如1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm或3.5mm等。优选地，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍，如0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍等。优选地，所述远心镜头的外径为19～25mm，如20mm、21mm、22mm、23mm或24mm等。所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机。优选地，所述CCD相机或CMOS相机的曝光时间≤1ms，如0.1ms，0.5ms，1ms等，分辨率为5～15μm，如6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm或14μm等，长和宽方向像素数至少为800(H)×600(V)，如2560(H)×1920(V)、2048(H)×1536(V)、1600(H)×1200(V)、1280(H)×1024(V)或800(H)×600(V)等，帧频至少为60fps，如60fps，100fps，150fps，200fps或1000fps等。所述LED灯的个数至少为12个，如12本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，其特征在于，所述测量方法为基于一种在线多相测量仪，所述在线多相测量仪包括：封装管；视窗，密封连接于封装管一端；用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；与信号发生器和图像传感器相连的控制器；与图像传感器相连的信号处理与输出系统；与信号处理与输出系统相连的显示系统；其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期；所述测量方法包括如下步骤：(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，控制图像传感器的曝光时间t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像；(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表示为有效颗粒；(4)识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一颗粒前后两次曝光的时间间隔。...

【技术特征摘要】
1.一种多相体系中颗粒速度的在线测量方法，其特征在于，所述测量方
法为基于一种在线多相测量仪，所述在线多相测量仪包括：
封装管；
视窗，密封连接于封装管一端；
用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光
源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；
用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；
与信号发生器和图像传感器相连的控制器；
与图像传感器相连的信号处理与输出系统；
与信号处理与输出系统相连的显示系统；
其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传
感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期；
所述测量方法包括如下步骤：
(1)将所述在线多相测量仪置于多相体系中，控制图像传感器的曝光时间
t1和信号发生器的脉冲周期t2，使得t1>2t2，得到两次曝光的颗粒图像；
(2)确定颗粒图像中单个像素的实际尺寸；
(3)确定有效颗粒：首先，确定远心镜头的焦平面位置；之后，将被测物
分别置于封装管前方、焦平面前后l/2处，其中，l为远心镜头的景深，单位为
mm，采用在线多相测量仪对被测物进行拍照，得到被测物图像，并识别读取
被测物图像中被测物边界灰度梯度值Grad(Φl/2)，Φl/2为焦平面前后两侧l/2平
面处灰度值，将颗粒图像中颗粒边界处灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的颗粒表
示为有效颗粒；
(4)识别出颗粒图像中同一有效颗粒前后两次曝光的图像，以颗粒图像的

\t左下角为坐标原点，利用“二值化、截取部分区域、提取质心”的方法读取同
一颗粒前后两次曝光的以像素点序列表示的质心坐标(mt,i，nt,i)和(mt+△t,i，
mt+△t,i)，用步骤(2)获得的单个像素的实际尺寸将质心坐标换算为实际的长
度坐标(xt,i，yt,i)和(xt+△t,i，yt+△t,i)，
则颗粒瞬时运动速度为：其中，△t为同一
颗粒前后两次曝光的时间间隔。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述图像传感器
的曝光时间是信号发生器脉冲周期的2.7～3倍，优选为2.8倍。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)采用刻度尺
确定单个像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，李向阳，王浩亮，王冠琦，毛在砂，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，南京九章化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11