测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法，该系统包括：透明透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、监测系统、数据采集传输系统、控制系统。该方法包括：检验透明玻璃球本体的气密性、并将其抽至负压状态、注入粉尘颗粒、粉尘颗粒流动参数在线监测、粉尘颗粒流动参数在线监测数据传输及处理、透明玻璃球本体粉尘清理。因此，本发明专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统及测试方法，利用喷粉进气系统及控制系统向透明玻璃球罐体内输送颗粒粉尘，并利用CCD高速摄影仪及PIV测试仪实时监测，实现了粉尘颗粒运动特征的在线快速实时测量，揭示了粉尘颗粒与气相流场间的相互作用关系，该装置自动化程度高，操作简便，测量精度高。

Visualization system and method for testing movement characteristics and parameters of dust particles

The invention discloses a visual system and a method for testing the movement characteristics and parameters of dust particles. The system comprises a transparent glass spherical tank, a powder injection air intake system, a monitoring system, a data acquisition and transmission system and a control system. The method includes checking the air tightness of transparent glass ball, pumping it to negative pressure state, injecting dust particles, on-line monitoring of dust particle flow parameters, on-line monitoring data transmission and processing of dust particle flow parameters, and dust cleaning of transparent glass ball. Therefore, the visual testing system and the testing method of the dust particle motion parameters provided by the embodiment of the invention utilize the powder injection air intake system and the control system to transport the dust particles into the transparent glass spherical tank, and use the CCD high-speed camera and the PIV tester to monitor the dust particle motion parameters in real time, thus realizing the on-line fast realizing of the dust particle motion characteristics. Time measurement reveals the interaction between dust particles and gas flow field. The device has high degree of automation, simple operation and high measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法
本专利技术涉及粉尘颗粒测量
，尤其涉及一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法。
技术介绍
流动是粉尘灾害及粉尘爆炸的基本条件之一，属于气固两相流问题。目前，国内主要采用数值模拟为主、实验为辅对大尺度空间及密闭容器内粉尘颗粒的运动特征展开了大量研究。对粉尘运动的数值模拟研究是基于流体力学、理论力学等学科，在相关假设基础上，借助商业软件Fluent、Openfoam等商业软件等对井下巷道、生产车间及密闭容器内颗粒扩散、沉降特征进行模拟分析，颗粒特性(粒径、形状)及边界条件等与实际情况差异较大，难以反映真实情况下粉尘扩散特征。实验研究主要是基于密闭容器、颗粒分离器等为研究对象，结合现代计算技术、图像分析技术、光学技术等测试手段对粉尘的运动特征开展针对性的研究。数字高速摄影(CCD)、正电子放射跟踪探测(PEPT)等测量技术均可以用于跟踪单点颗粒的运动轨迹，但难以获得气固两相流的二维速度场或其它相关矢量场信息。综上所述，现有粉尘颗粒运动参数测量技术，难以同时兼顾粉尘颗粒的成像分辨率和视场大小，难以对颗粒聚团的动态演化进行定量测量问题。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统及方法，解决了现有技术中粉尘颗粒运动参数的测试系统及测试方法无法同时兼顾粉尘颗粒的成像分辨率和视场大小及难以对颗粒聚团的动态演化进行定量测量的问题。一方面，本专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统，包括：透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、监测系统、及控制系统；该透明玻璃球罐体包括透明玻璃球本体、用于向该透明玻璃球本体内喷粉尘颗粒的喷嘴、用于对该透明玻璃球本体抽真空的真空泵及两个平面视窗，该喷嘴设置在该透明玻璃球罐体内，两个该平面视窗相对设置在该透明玻璃球本体上；该喷粉进气系统包括储粉罐、第一气瓶、第二气瓶、第三气瓶、配气柜、空气泵，该第一气瓶及该第二气瓶通过管路与该配气柜进气端连接，该配气柜出气端与通过管路与该第三气瓶连第三气瓶通过管路与该储粉罐连接，该储粉罐通过管路喷嘴连接；该监测系统包括CCD高速摄影仪、图像采集仪、PIV测试仪、PIV测试数据采集仪及可调节激光光源，该CCD高速摄影仪PIV测试仪用于获取该粉尘颗粒的运动图像，并分别向该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪传输该运动图像，该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪用于接收并显示该运动图像，该可调节激光光源用于向该CCD高速摄影仪提供光源；该控制系统包括控制器及上位机，该上位机用于向该控制器输入控制指令，该控制器用于根据该控制指令开启或关闭该CCD高速摄影仪、该PIV测试仪、该可调节激光光源及该配气柜的电磁阀。另一方面，本专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试方法，包括：S1、将该透明玻璃球本体抽至负压状态：利用该上位机启动该真空泵，将该透明玻璃球本体抽至负压状态；S2、向该储粉罐中注入粉尘颗粒并增压至高压状态：首先，将待测粉尘颗粒装入储粉罐，利用该上位机及该控制器开启该配气柜的电磁阀，配置所需气体并输入至该第三气瓶；将配置的气体注入该储粉罐；将包括该粉尘颗粒的气体注入该透明玻璃球本体，；S3、该粉尘颗粒流动图像获取：在将含尘气体从储粉罐注入的初始时刻，利用该上位机向控制器发送控制指令，开启该CCD高速摄影仪及该PIV测试仪，且利用该CCD高速摄影仪及该PIV测试仪对该粉尘颗粒运动图像进行获取，并将运动图像发送至该图像采集仪及该PIV测试数据采集仪；S4、粉尘颗粒粉尘颗粒运动图像处理：根据公式(1)计算该粉尘颗粒透光率T：其中，m和n分别为运动图像的像素矩阵的行数和列数，G为该CCD高速摄影仪获取的运动图像经过灰度处理后灰度值；并根据计算得到的透光率T及公式(2)得到粉尘颗粒浓度c：(2)其中，Q为无量纲参数，T为透过光路的粉尘云浓度，L为固定光路长度，Ds为粉尘颗粒表面平均粒径，ρ为粉尘颗粒密度。综上，本专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统及测试方法，通过设置透明玻璃球罐体、喷粉进气系统、包括CCD高速摄影仪及PIV测试仪的检测系统、数据处理系统及控制系统，从而可以利用喷粉进气系统及其控制系统向透明玻璃球罐体内加压输送一定比例的颗粒粉尘，并利用CCD高速摄影仪及PIV测试仪实时监测，进而利用图像处理、数据采集仪及完成粉尘颗粒的运动参数采集及处理，实现了粉尘颗粒运动特征的在线快速实时测量，揭示了粉尘颗粒与气相流场间的相互作用关系，该装置适用范围广，自动化程度高，操作简便，测量精度高，对粉尘灾害及粉尘爆炸防治具有重大的指导意义。附图说明图1为本专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的高速摄影灰度测试点；图3为本专利技术实施例提供的透光率T与图像灰度G之间关系的像素矩阵；图4为本专利技术实施例提供的高速摄影仪拍摄的粉尘颗粒运动图；图5为本专利技术实施例提供的PIV拍摄的粉尘颗粒运动图；图6为本专利技术实施例提供的基于高速摄影采集信息计算得到的监测点粉尘颗粒浓度变化曲线；图7为本专利技术实施例提供的粉尘颗粒运动参数的可视化测试方法流程示意图。附图标记说明：1-透明玻璃球罐体，2-静电除尘板，3-密封球盖；4-反射式喷嘴；5-1-第一视窗；5-2-第二视窗，6-第一压力表，7-真空表，8-1-第一气瓶，8-2-第二气瓶；8-3-第三气瓶；9-第二进气管；10-配气柜；11-流量计；12-空气泵；13-储粉罐；14-第二压力表；15-1-第一逆止阀；15-2-第二逆止阀；16-第一进气管；17-真空泵；18-电磁阀；19-可调节激光光源；20-CCD高速摄影仪；21-传输线；22-图像采集仪，23-PIV测试仪；24-PIV测试数据采集仪；25-供电电源；26-第一同步控制器；27-连接线；28-上位机；29-第二同步控制器。具体实施方式下面结合本专利技术中的附图，对本专利技术实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本专利技术保护的范围。下面通过图1至图7详细说明本专利技术实施例提供的一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化测试系统及方法。如图所示，该系统可以包括：透明透明玻璃球罐体1、喷粉进气系统、监测系统、控制系统。该喷粉进气系统可用于向透明玻璃球罐体1输送气体与粉尘颗粒；该监测系统可用于监测粉尘颗粒的运动图像，并向监测仪发送该运动图像；该控制系统用于控制喷粉进气系统及监测系统。具体的，如图1所示，透明玻璃球罐体1可以包括透明玻璃球本体、静电除尘板2、密封球盖3、反射式喷嘴4、两个平面视窗及用于测试透明玻璃球罐体1内真空的真空表7及第一压力表6。喷嘴设置在所述透明玻璃球本体内，两个平面视窗相对设置在所述透明玻璃球本体上，真空泵17的进气口与透明玻璃球本体连通。喷粉进气系统可以包括储粉罐13、第一气瓶8-1、第二气瓶8-2、第三气瓶8-3、配气柜10、空气泵12、真空泵17、第二压力表14及流量计11，储粉罐13的出口与透明玻璃球罐体1通过第一进气管16连通，入口通过第二进气管9与第三气瓶8-3连通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，包括：透明玻璃球罐体(1)、喷粉进气系统、监测系统及控制系统；所述透明玻璃球罐体(1)包括透明玻璃球本体、用于向所述透明玻璃球本体内喷射粉尘颗粒的喷嘴、用于对所述透明玻璃球本体抽真空的真空泵(17)及两个平面视窗，所述喷嘴设置在所述透明玻璃球本体内，两个所述平面视窗相对设置在所述透明玻璃球本体上，所述真空泵(17)的进气口与所述透明玻璃球本体连通；所述喷粉进气系统包括储粉罐(13)、第一气瓶(8‑1)、第二气瓶(8‑2)、第三气瓶(8‑3)、配气柜(10)、空气泵(12)，所述第一气瓶(8‑1)及所述第二气瓶(8‑2)通过管路与所述配气柜(10)进气端连接，所述配气柜(10)出气端通过管路与所述第三气瓶(8‑3)连接，所述第三气瓶(8‑3)通过管路与所述储粉罐(13)连接，所述储粉罐(13)通过管路与所述喷嘴连接；所述监测系统包括CCD高速摄影仪(20)、图像采集仪(22)、PIV测试仪(23)、PIV测试数据采集仪(24)及可调节激光光源(19)，所述CCD高速摄影仪(20)及所述PIV测试仪(23)用于获取所述透明玻璃球本体内的粉尘颗粒的运动图像，并分别向所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)传输所述运动图像，所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)用于接收并显示所述运动图像，所述可调节激光光源(19)用于向所述CCD高速摄影仪(20)提供光源；所述控制系统包括控制器及上位机(28)，所述上位机(28)用于向所述控制器发送控制指令，所述控制器用于根据所述控制指令开启或关闭所述CCD高速摄影仪(20)、所述PIV测试仪(23)、所述可调节激光光源(19)及所述配气柜(10)的电磁阀。...

【技术特征摘要】
1.一种测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，包括：透明玻璃球罐体(1)、喷粉进气系统、监测系统及控制系统；所述透明玻璃球罐体(1)包括透明玻璃球本体、用于向所述透明玻璃球本体内喷射粉尘颗粒的喷嘴、用于对所述透明玻璃球本体抽真空的真空泵(17)及两个平面视窗，所述喷嘴设置在所述透明玻璃球本体内，两个所述平面视窗相对设置在所述透明玻璃球本体上，所述真空泵(17)的进气口与所述透明玻璃球本体连通；所述喷粉进气系统包括储粉罐(13)、第一气瓶(8-1)、第二气瓶(8-2)、第三气瓶(8-3)、配气柜(10)、空气泵(12)，所述第一气瓶(8-1)及所述第二气瓶(8-2)通过管路与所述配气柜(10)进气端连接，所述配气柜(10)出气端通过管路与所述第三气瓶(8-3)连接，所述第三气瓶(8-3)通过管路与所述储粉罐(13)连接，所述储粉罐(13)通过管路与所述喷嘴连接；所述监测系统包括CCD高速摄影仪(20)、图像采集仪(22)、PIV测试仪(23)、PIV测试数据采集仪(24)及可调节激光光源(19)，所述CCD高速摄影仪(20)及所述PIV测试仪(23)用于获取所述透明玻璃球本体内的粉尘颗粒的运动图像，并分别向所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)传输所述运动图像，所述图像采集仪(22)及所述PIV测试数据采集仪(24)用于接收并显示所述运动图像，所述可调节激光光源(19)用于向所述CCD高速摄影仪(20)提供光源；所述控制系统包括控制器及上位机(28)，所述上位机(28)用于向所述控制器发送控制指令，所述控制器用于根据所述控制指令开启或关闭所述CCD高速摄影仪(20)、所述PIV测试仪(23)、所述可调节激光光源(19)及所述配气柜(10)的电磁阀。2.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述透明玻璃球罐体(1)还包括静电除尘板(2)及密封球盖(3)，所述静电除尘板(2)设置在所述透明玻璃球本体顶部开口，所述密封球盖(3)设置在所述静电除尘板(2)外。3.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述透明玻璃球罐体(1)外还设有用于测试所述透明玻璃球罐体(1)内真空的真空表(7)及第一压力表(6)。4.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述储粉罐(13)及所述第三气瓶(8-3)之间的管路上设有流量计(11)及空气泵(12)；所述储粉罐(13)上设有第二压力表(14)。5.根据权利要求1所述的测试粉尘颗粒运动特征及参数的可视化系统，其特征在于，所述储粉罐(13)与所述喷嘴之间的管路上靠近所述储粉罐(13)一端设有第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海涛，张嬿妮，冯志超，邓军，易欣，王凯，陈晓坤，陈少康，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61