一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法及测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法及测量装置，属于图像处理和微观颗粒粒径检测技术领域。本发明专利技术在传统颗粒阴影测速技术的基础上，借助颗粒输运装置，为标准颗粒与待测颗粒创建相同运动工况条件，使用高速相机捕捉在相近拍摄背景下运动的颗粒影像图片，然后对获取的图片进行图像处理，获得待测颗粒粒径的测量值，再通过分析标准颗粒的真实粒径与其粒径的测量值之间的数学关系，最后导出待测颗粒的真实粒径值。本发明专利技术建立的一套颗粒图片的处理流程，可以快速处理大量的图片样本，较传统颗粒阴影测速技术而言，能够有效实现撞击壁面过程中微米级颗粒粒径的高速和高精度测量。中微米级颗粒粒径的高速和高精度测量。中微米级颗粒粒径的高速和高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法及测量装置


[0001]本专利技术属于图像处理和微观颗粒粒径检测
，更具体地说，涉及一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径。

技术介绍

[0002]锅炉受热面的积灰和结渣问题一直困扰着锅炉的运行。为了深入探求其形成机理及其控制策略，一些研究学者开始着手研究飞灰颗粒碰撞壁面的反弹和黏附特性。在锅炉受热面上灰沉积物的形成主要由飞灰颗粒的惯性碰撞产生的，锅炉产生的飞灰的平均粒径大都在40
‑
50μm，在高温烟气的携带作用下以一定的速度撞击到换热器表面。为了在实验室条件下研究这一过程，即追踪单个颗粒撞击壁面的过程，这需要借助一些先进的测量技术。其中，粒子阴影图像测速技术(Particle Shadow Velocimetry，PSV)是最常用的方法，该方法只需要将光源设置在被摄物后面，通过微距镜头便可捕捉颗粒物的运动特征。上述基本技术的实施原理可参见申请公布号为CN08957026A的专利技术专利。
[0003]基于前述专利的测量基础，在实际的测量过程中发现，尽管采用PSV技术手段可以采集到飞灰颗粒的运动影像，但通过常规的图像测量方法难以实现飞灰颗粒直径的高精度和高效率测量。具体地，主要问题有以下：其一，飞灰颗粒的影像拍摄结果受环境因素的影响比较大，譬如，当颗粒处于喷嘴或撞击平台附近时，颗粒的成像大小因光线采光量的改变而发生较大的变化，同时，颗粒在整个运动过程中通常需要经过不同背景亮度的区域，这使得颗粒的成像大小有着较大的波动与变化，而且这些影响是难以完全规避的；其二，在对细小颗粒进行拍摄时，颗粒粒径的测量精度受所采用的高速摄像机分辨率与像素大小限制。当所使用的微距镜头捕获的飞灰颗粒影像仅占个位数像素时，采用常规的图像测量方式对颗粒阴影的直径进行估量一般至少有0.5个像素的误差，这样会导致测量结果无法满足实验需求。其三，基于实验工作的需求，高速相机拍摄的颗粒图片数量巨大，且图像之间成像效果存在一定的差异，使得处理工作繁琐，缺乏高效的批量处理手段。总的来讲，一方面由于测量结果通常会受到颗粒环境与拍摄设备等因素的共同影响，对测量方式提出了更高要求；另一方面，因实验需求在保证测量精度的同时，需要大量的颗粒图像数据作为支撑。因此，本专利在现有颗粒参数信息的硬件测量基础上改进了图像测量方法，并进一步提出了一种可批量化处理实验图片的流程。
[0004]经检索，中国专利申请公布号为：CN104390895A，专利名称为：一种基于显微成像的图像灰度测量颗粒粒径的方法，其公开的方法包括如下步骤：1)通过显微镜获取稀释溶液中的颗粒的图像；2)对其x/y方向进行灰度扫描，确定颗粒的中心位置；3)分析得出颗粒的等效直径D
e
；4)测得已知直径为D
s
颗粒的等效直径D
e
，将直径比例D
e
/D
s
与D
s
进行曲线拟合，从而得到不同直径颗粒的特征曲线；5)最后测量出待测颗粒的等效直径D
e
，通过查找即可得出真实直径。该专利中通过对颗粒图像进行灰度分析得出等效直径，与已知数据进行比对，从而得出真实直径，利用直径已知的颗粒建立了图像阴影直径与颗粒真实直径的关
系，利用这种关系从样本颗粒的图像阴影直径出发进行其真实直径的预测，适用于颗粒成像背景稳定，运动速度较低，且颗粒阴影成像像素较多的情况进行测量，适用性非常有限。
[0005]又如，中国专利申请公布号为：CN1084967A，专利名称为：一种颗粒粒径的直接测量方法和测量装置，其公开的方法包括如下步骤：1)将待测样品制成载玻片样本；2)沿横/纵向移动载物台调整视野；3)移动分划板上的刻线扫过颗粒的粒径，最后用公式得出颗粒的粒径。该专利技术通过使用步进电机来操控基本的装置，从而测出颗粒直径。该专利适用于为静态颗粒样本的测量，难以有效用于处于运动状态下颗粒的直径测量。
[0006]再如，中国专利申请公布号为：CN113769797A，专利名称为：一种流固两相输运中的微尺度颗粒直径测定的方法，其公开的方法包括如下步骤：1)配置多分散体系粘弹性流体；2)用压力源从入口端将最终的多分散体系粘弹性流体注入微通道内；3)通过特定的技术手段使得颗粒在微通道出口端的中线位置形成颗粒直径沿流向依次增大的颗粒链，从而测量出颗粒直径。该专利的主要特点是通过控制流体的流变性质和流体中的颗粒直径，从而实现不同颗粒直径的测定，但是采用该专利的技术方案进行测量时，配置流体较为繁琐且测量过程中需要多次调整标准颗粒直径和流体的流变性质，不能很好地适用于高温状态下运动颗粒的直径测量。
[0007]此外，中国专利申请公布号为：CN103424080A，专利名称为：一种纳米颗粒直径测量装置以及纳米颗粒直径测量方法，其公开的方法包括如下步骤：光源发射一束出射光，凹透镜对出射光进行发散，得到发散光，样品池对发散光进行散射，得到第一散射光；小孔构件对经过小孔的第一散射光进行成像，得到第二散射光，滤光片对第二散射光进行过滤得到第三散射光；转换部对第三散射光进行成像得到光学影像，并把光学影像转换为数字信号，计算部根据数字信号计算出纳米颗粒的直径。该专利的主要特点是利用纳米颗粒具有光学性质，进而进行一系列的实验和分析，从而获取颗粒的直径，但是该方法对周围环境要求较高，且使用的光学仪器价格较为昂贵，同时难以适应尺寸较大且尺寸范围波动较广的锅炉烟尘颗粒直径的测量。

技术实现思路

[0008]1.要解决的问题
[0009]本专利技术的目的在于克服采用现有技术对飞灰颗粒撞击壁面过程中的粒径进行测量时，图像采集误差大，图像处理流程复杂、效率低，处理精度差的不足，提供了一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法及测量装置。采用本专利技术的技术方案能够有效解决上述问题，不仅降低了图像后处理程序的复杂度、提高处理效率，还能够显著提升颗粒粒径测量结果的精度。
[0010]2.技术方案
[0011]为了解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0012]本专利技术的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量装置，包括颗粒输运装置、撞击平台和高速相机，所述颗粒输运装置内加工有第一通道和第二通道，两个通道分别独立用于输送不同的气流，其中，第一通道供携带有待测颗粒的气流通过，第二通道供携带有标准颗粒的气流通过，第一通道和第二通道的进料口端分别与其对应的气流供应设备连接，且第一通道和第二通道的出料口端均与给料喷嘴相连，给料喷嘴
用于同时喷出标准颗粒和待测颗粒，需要说明的是，为了降低后续处理误差，本专利技术中使用的待测颗粒，在进行测量前，先使用样品筛筛分出与已知真实粒径的标准颗粒粒径较为接近的待测颗粒进行测量，有利于提高测量的精度。
[0013]所述给料喷嘴内部也对应设置有供两种颗粒运动及喷出的结构，两种颗粒在给料喷嘴内均沿其专属的通道进行运动，并由其专属的喷口进行喷出，两种颗粒的运本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量装置，其特征在于：包括颗粒输运装置、撞击平台(6)、高速相机，所述颗粒输运装置内加工有第一通道(2)和第二通道(9)，其中，第一通道(2)供待测颗粒气流(1)通过，第二通道(9)供标准颗粒气流(10)通过，第一通道(2)和第二通道(9)的出料口端与给料喷嘴(3)相连，给料喷嘴(3)用于同时喷出标准颗粒(8)和待测颗粒(7)；所述撞击平台(6)设于给料喷嘴(3)正下方，撞击平台(6)上的撞击壁面(5)和给料喷嘴(3)之间的距离为3～5mm，撞击壁面(5)仅供待测颗粒(7)进行撞击；所述高速相机用于连续拍摄标准颗粒(8)及待测颗粒(7)下落的过程。2.根据权利要求1所述的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量装置，其特征在于：所述颗粒输运装置加工为同心圆柱筒体结构，其中心处加工有第一通道(2)，沿第一通道(2)外部环向形成第二通道(9)；所述给料喷嘴(3)为漏斗型结构，其中心区域与第一通道(2)连通，边缘区域与第二通道(9)连通。3.根据权利要求1所述的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量装置，其特征在于：所述给料喷嘴(3)出料口处，供标准颗粒喷出的端口内径为D，标准颗粒气流(10)的流量为Qs，供待测颗粒(7)喷出的端口内径为Dt，，待测颗粒(7)喷出的端口壁厚为d，待测颗粒气流(1)的流量为Qt：4.根据权利要求1所述的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量装置，其特征在于：所述撞击壁面(5)的直径D
f
与撞击平台(6)的长度L
f
的比值为1：(10～15)。5.一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法，其特征在于：使用权利要求1
‑
4中任一项所述的测量装置采集颗粒撞击壁面前的图像，并采用图像处理技术对高速相机拍摄的图片进行处理。6.根据权利要求5所述的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法，其特征在于：其包括颗粒图像粒径的识别与待测颗粒(7)粒径的估算。7.根据权利要求6所述的一种高速摄影条件下微米级别颗粒在撞击壁面过程中的粒径测量方法，其特征在于：所述颗粒图像粒径的识别具体包括如下步骤：步骤S1、按拍摄时序依次读取由高速相机拍摄的图片集，并将RGB图像转化为灰度图，得到颗粒图像灰度值的矩阵分布；步骤S2、截取捕捉窗口，确保捕捉窗口内的背景灰度值分布均匀，无干扰物影像，使得颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑志敏，孙麒超，丁柏鑫，邵艺群，门丽丽，
申请(专利权)人：元宝山发电有限责任公司，
类型：发明
国别省市：