一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法
【專利摘要】本發明提供了一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法，所述方法基于一種在線多相測量儀，所述測量方法包括如下步驟：(1)將在線多相測量儀置于多相體系中，得到多相體系中顆粒的圖像；(2)確定有效顆粒：將顆粒邊界處灰度梯度Grad(Φ)≥Grad(Φl/2)的顆粒表示為有效顆粒；(3)確定單個像素的實際長度，并測得有效顆粒所占的像素個數，則顆粒粒徑di為有效顆粒所占的像素數與單個像素實際長度的乘積；根據計算有效顆粒的濃度。該方法能夠實時在線獲得多相反應器內氣泡、液滴或固體等顆粒濃度和粒徑分布，并且測量的準確率較高。
【專利說明】
一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法
技術領域
[0001] 本發明屬于物料測量技術領域，涉及一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量 方法，尤其涉及一種兩相及三相反應器內分散相顆粒濃度和粒徑分布的測量方法。
【背景技術】
[0002] 在化學工業、冶金及環境等領域常常存在一些復雜多相流過程，涉及一個、兩個甚 至兩個以上的分散相，該類反應器內分散相顆粒濃度和粒徑分布的測量是迫切需要解決的 難題。
[0003] 目前廣泛應用于兩相流中測量的光纖探針法和電導探針法，當存在多個分散相 時，不同分散相的產生同向的電信號，相互之間的干擾導致無法獲得準確的測量結果。例 如，多相管流中相含率和相界面的單絲電容探針測量系統（中國發明專利，授權號ZL 200610042792.4)和基于雙頭電容探針的兩相流參數測量方法和裝置（中國發明專利，授權 號ZL 101413911A)。取樣法可以同時測量多相反應器內的分散相濃度和粒徑分布，原理簡 單，操作方便，然而實際操作中很難達到準確取樣需要的等動量條件，同時因其是離線測量 不適用于非穩態過程。粒度儀是用物理的方法測試固體顆粒的大小和分布的一種儀器，根 據測試原理的不同分為沉降式粒度儀、沉降天平、激光粒度儀、光學顆粒計數器、電阻式顆 粒計數器及顆粒圖像分析儀等。各種粒度儀在使用過程中往往需要先進行繁瑣的制樣，故 粒度儀測量方法也不是真正的在線測量方法。
[0004] 光學拍照法是一種最直觀的測量方法，非侵入式照相法雖然具有不干擾多相流場 的優點，但其要求被測裝置透明或者安裝有視窗，同時被測氣泡或液滴濃度要求較稀，只能 測量有限厚度反應器或壁面附近的流動。侵入式照相法雖然會對反應器內流場產生一定的 干擾，但是該方法對反應器沒有特殊要求。其中比較典型的有利用光纖傳相原理的光纖內 窺鏡法，但該方法受限于光纖直徑導致分辨率較低，同時由于光纖束排絲困難導致其有效 通光直徑往往較小，為了進行有效測量前端需要安裝角度較大的廣角物鏡，造成了較大的 圖像畸變。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種多相體系中顆粒濃度和粒 徑的在線測量方法，能夠實時在線獲得多相反應器內氣泡、液滴或固體等顆粒濃度和粒徑 分布。
[0006] 為達此目的，本發明采用以下技術方案：
[0007] -種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法，所述方法基于一種浸入式在線 多相測量儀，所述浸入式在線多相測量儀包括：
[0008] 封裝管；
[0009] 視窗，密封連接于封裝管一端；
[0010] 用于照明多相流的照明系統，包括LED燈和與LED燈相連的可調制光源，可調制光 源包括電源、信號發生器和示波器；
[0011] 用于拍照的照相系統，包括遠心鏡頭和圖像傳感器；
[0012] 與信號發生器和圖像傳感器相連的控制器；
[0013] 與圖像傳感器相連的信號處理與輸出系統；
[0014] 與信號處理與輸出系統相連的顯示系統；
[0015]其中，LED燈、遠心鏡頭和圖像傳感器位于封裝管中，控制器控制圖像傳感器的曝 光周期小于信號發生器的脈沖周期；
[0016] 所述測量方法包括如下步驟：
[0017] (1)將浸入式在線多相測量儀置于多相體系中，得到多相體系中顆粒的圖像；
[0018] (2)確定有效顆粒:首先，確定遠心鏡頭的焦平面位置;之后，將被測物置于封裝管 前方、焦平面前后1/2處，其中，1為遠心鏡頭的景深，單位為_，采用在線多相測量儀對被測 物進行拍照，得到被測物圖像，識別讀取圖像中被測物邊界灰度梯度值Grad( 〇 1/2)，〇 1/2 為焦平面前后兩側1/2平面處灰度值，將顆粒邊界處灰度梯度Grad(O)多Grad(〇l/2)的顆 粒表不為有效顆粒；
[0019] (3)確定單個像素的實際長度，并測得有效顆粒的像素個數，則有效顆粒粒徑cU為 有效顆粒的像素數與單個像素實際長度的乘積;根據
計算得到有 效顆粒的濃度，其中，S為圖像傳感器感光部件的有效面積，單位為mm2; 1為遠心鏡頭的景 深，單位為mm，di為有效顆粒粒徑，單位為mm; Vc為有效顆粒的總體積，V為測量區域的體積； n為有效顆粒的個數。
[0020] S值由所選圖像傳感器型號確定，1值則由遠心鏡頭型號確定。
[0021] 本發明提供的測量方法基于遠心照相的浸入式在線多相測量儀，所述在線多相測 量儀具有獨特的平行光路，其獲得的圖像幾乎不畸變，具有超長物距能夠伸入反應器內各 個位置進行拍照測量。通過設計適當的操作程序結合圖像處理方法，能夠實現高分散相濃 度的兩相甚至三相反應器中分散相濃度和粒徑分布的實時在線測量。
[0022] 步驟（1)所述多相體系中的顆粒為淺色不透明固體顆粒時，光線在其表面的反射 和周圍介質存在巨大差異，圖像拍攝時只使用多相測量儀同向照明、控制信號發生器的脈 沖周期和圖像傳感器的曝光周期同步即可得到高銳度的圖像。
[0023] 所述常規的信號發生器的脈沖周期和圖像傳感器的曝光周期同步控制步驟主要 包括：
[0024] (a)根據所測體系和周圍環境情況，調節在線多相測量儀的可調制光源的電源的 輸出電流，通過信號發生器和示波器對脈沖信號的波長和周期進行顯示；
[0025] (b)通過控制器設置圖像拍攝的曝光時間、光平衡、幀頻和增益；
[0026] (c)通過控制器設置照明信號的脈沖周期大于圖像傳感器的曝光時間，實現脈沖 光和圖像拍攝的同步。
[0027]由于光線在深色固體顆粒、氣泡或液滴表面的反射和周圍介質差距較小，只通過 淺色顆粒常規的調節難以實現高銳度圖像的拍攝。因此，步驟(2)所述多相體系中的顆粒為 深色固體顆粒、氣泡或液滴時，除進行常規的信號發生器的脈沖周期和圖像傳感器的曝光 周期同步控制外，在線多相測量儀拍照時需加裝反光板，被測顆粒置于反光板和在線多相 測量儀前端面之間。
[0028]優選地，所述反光板與在線多相測量儀前端面的距離大于遠心鏡頭的景深，如是 遠心鏡頭景深的1.2倍、1.4倍、1.6倍、1.8倍、2.0倍或2.5倍等。
[0029]優選地，所述定向反光板與多相測量儀前端面的距離為1.5倍的遠心鏡頭景深。
[0030] 優選地，所述反光板的尺寸與圖像傳感器的有效感光區域相同。
[0031] 優選地，所述反光板為中心凸起的方形板。
[0032 ]優選地，所述反光板表面為亮白色或銀白色。
[0033] 步驟(2)確定焦平面位置的方法為:將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺(如精確 度為0.05mm、0.02mm或0.01mm等)置于與所測多相體系相同的介質中，采用在線多相測量儀 對所述介質拍照，調整刻度尺到浸入式在線測量儀前端的距離，觀察照片中刻度尺的清晰 程度，刻度尺最清晰的位置為焦平面位置。
[0034] 步驟(3)所述確定單個像素的實際長度具體為:將一個精確度至少為0.1mm的刻度 尺置于在線多相測量儀前方，采用圖像傳感器驅動控制軟件拍攝圖像，通過圖像處理軟件 拾取刻度尺上l〇mm距離所對應的像素個數N 1Q，從而確定單個像素的實際長度。所述在線多 相測量儀前方是指視窗前方。所述圖像處理軟件也可拾取刻度尺上20mm、30mm、40mm、45mm 或50mm距離所對應的像素數。
[0035] 優選地，所述圖像處理軟件為Image-Pro Plus;
[0036] 優選地，步驟(3)所述有效顆粒的粒徑為di = 10*m/Ni〇,其中，di為顆粒尺寸，mm;m 為圖像中所測有效顆粒對應的像素個數;N1Q為刻度尺上10mm長度對應的像素數，表示相 乘的意思。
[0037] 為了測量時探頭能深入到多相反應器的各個位置，所述遠心鏡頭的工作距離為 250~550mm，如260mm、300mm、350mm、380mm、420mm、470mm或520mm等，景深為 1 ~3 ? 7mm，如 1 ? 2mm、1 ? 5mm、1 ? 8mm、2 ? 0mm、2 ? 2mm、2 ? 5mm、2 ? 8mm、3 ? 0mm或 3 ? 5mm 等。
[0038] 為了盡可能小的干擾流場，可適當放棄鏡頭的放大倍率。優選地，所述遠心鏡頭的 放大倍率為0.5~1倍，如0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍等。
[0039] 優選地，所述遠心鏡頭的外徑為19~25mm，如20mm、21mm、22mm、23mm或24mm等。
[0040] 所述圖像傳感器為(XD相機或CMOS相機。
[0041 ] 優選地，所述(XD相機或CMOS相機的曝光時間< 1ms，如0.1ms，0.5ms，1ms等，分辨 率為5~15_，如6ym、7ym、8ym、9ym、1 Oym、12_或14ym等，長和寬方向像素數至少為800 (H) X600(V)，如2560(H) X1920(V)、2048(H) X 1536(V)、1600(H) X1200(V)、1280(H) X 1024 (V)或800(H) X 600(V)等，幀頻至少為60fps，如60fps，lOOfps，150fps，200fps或lOOOfps 等。
[0042] 所述LED燈位于封裝管中，所述可調制光源位于封裝管外。通過可調制光源能夠調 制不同多相體系照相所需要的不同波長的脈沖光。為了照明更均勻，所述LED燈的個數至少 為12個，如12個、16個、20個或24個等。
[0043] 優選地，所述LED燈在封裝管中組成環形均勻排列。在保證亮度的前提下環形LED 燈的內徑應盡可能小。
[0044] 優選地，所述LED燈與可調制光源之間通過導線連接。
[0045] 所述封裝管由直徑不同的前段管和后段管組成；
[0046] 優選地，所述前段管的外徑為25~30mm，如25mm、26mm或28mm等，長度為300~ 600mm，如 3 20mm、3 50mm、400mm、450mm、500mm、550mm 或 580mm 等。本領域技術人員可根據所選 遠心鏡頭的具體參數決定封裝管前段管的具體尺寸。
[0047]優選地，所述后段管的外徑為50mm，長度為50mm，本領域技術人員可根據所選圖像 傳感器的尺寸決定后段封裝管的具體尺寸。
[0048] 優選地，所述封裝管的材質為不銹鋼。
[0049] 所述視窗、LED燈和遠心鏡頭封裝于前段管中，所述視窗置于前段管遠離后段管的 一端，其后依次設置LED燈和遠心鏡頭，所述圖像傳感器(CCD或CMOS相機)封裝于后段管中。
[0050] 所述視窗為內側鍍增透膜的圓形玻璃，以使光線透射率超過95%，視窗與封裝管 之間做防水機械密封。
[0051] 所述圖像傳感器與控制器通過高速數據線連接，實現圖像的高速傳輸。
[0052]所述顯示系統為顯示屏。所述顯示系統用于顯示從信號處理與輸出系統接收到的 信號。
[0053]優選地，所述信號處理與輸出系統、控制器及顯示系統集成為計算機。所述計算機 可實現信號處理與輸出系統、控制器及顯示系統的功能。
[0054]與現有技術相比，本發明的有益效果為：
[0055] 本發明提供的一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法，利用一臺基于遠 心照相的多相測量儀所拍攝多相反應器內的多相流動圖像，能夠實時在線獲得多相反應器 內氣泡、液滴或固體等顆粒濃度和粒徑分布，并且測量的準確率較高，粒度測量誤差〈3%， 濃度誤差〈10%。
【附圖說明】
[0056] 圖1是本發明一種實施方式提供的利用浸入式在線多相測量儀測量多相體系中顆 粒粒徑和濃度的實驗裝置。
[0057] 其中：1，攪拌槽，2,攪拌軸，3,擋板，4,攪拌槳，5,固體顆粒，6,氣泡，7,照相探頭， 8，脈沖光源，9，圖像采集計算機。
[0058]圖2是本發明一種實施方式提供的照明閃光和CCD拍照同步的控制模式。
[0059]圖3是實施例1提供的采用浸入式在線多相測量儀得到的液-固體系中顆粒的圖 像，其中，（a)是測量點瞬時圖像;（b)是固體顆粒粒度測量結果。
[0060]圖4是實施例2提供的采用浸入式在線多相測量儀得到的氣-液體系中顆粒的圖 像，其中，（a)是測量點瞬時圖像;（b)是氣泡粒度測量結果。
[0061]圖5是實施例3提供的采用浸入式在線多相測量儀得到的氣-液-固體系中顆粒的 圖像，其中，（a)是測量點瞬時圖像;（b)固體顆粒粒度測量結果；（c)氣泡粒度測量結果。
【具體實施方式】
[0062] 下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0063] 如圖1所示，為浸入式在線多相測量儀測量多相體系中顆粒粒徑和濃度的實驗裝 置。
[0064] 所述多相測量儀包括：
[0065] 不銹鋼封裝管；
[0066] 視窗，密封連接于不銹鋼封裝管一端；
[0067] 用于照明多相流的照明系統，包括LED燈和與LED燈相連的可調制光源，可調制光 源（即脈沖光源8)包括電源、信號發生器和示波器；
[0068] 用于拍照的照相系統，包括遠心鏡頭和圖像傳感器，所述圖像傳感器為微型高速 CMOS相機；
[0069] 與信號發生器和圖像傳感器相連的控制器；
[0070] 與圖像傳感器相連的信號處理與輸出系統；
[0071]與信號處理與輸出系統相連的顯不系統；
[0072]其中，LED燈、遠心鏡頭和圖像傳感器位于不銹鋼封裝管中形成照相探頭7,可調制 光源、控制器、信號處理與輸出系統及顯示系統位于不銹鋼封裝管外;控制器控制圖像傳感 器的曝光周期小于信號發生器的脈沖周期。
[0073]信號處理與輸出系統、控制器及顯示系統集成為圖像采集計算機9。
[0074] 具體地，不銹鋼封裝管內最前端為一視窗，視窗為一圓形內側鍍增透膜藍寶石玻 璃;視窗后均布20個高亮度LED燈，20個LED燈組成環形，并均勻分布;在LED燈后端安裝遠心 鏡頭，遠心鏡頭相關參數為:倍率1，物方及像方視野均為巾8mm(巾為直徑），工作距離250mm ±3%，遠心度〈0.1°，景深2.1mm，分辨率14.3m，光學畸變〈0.12%，為清晰成像，遠心鏡頭 的前端距離視窗1外側表面距離為遠心鏡頭的工作距。遠心鏡頭通過標準C 口與微型高速 CMOS相機連接，CMOS相機參數為：分辨率1280 X 1024，顏色黑白，幀速150fps，接口 USB3.0。 視窗1、LED燈2、遠心鏡頭4和微型高速CMOS相機5封裝在不銹鋼封裝管內。所述在線多相測 量儀外配置一個可調制光源，可調制光源通過導線與LED燈相連。遠心鏡頭通過USB3.0數據 傳輸線與安裝有高速圖像采集卡的圖像采樣計算機9相連。
[0075] 為了獲得清晰的圖像，采用如圖2所示的控制方式實現照明閃光和CCD拍照的同 步，所述控制方式為開啟光源開關，通過光源驅動器設置脈沖光的強度和周期，通過計算機 上的控制器設置圖像拍攝的曝光時間、光平衡、幀頻和增益，使照明信號的脈沖周期與圖像 傳感器的曝光時間相匹配（圖像傳感器的曝光周期小于信號發生器的脈沖周期），以實現脈 沖光和圖像拍攝的同步。
[0076] 所述實驗裝置為攪拌槽1，所述攪拌槽中放置有攪拌軸2和攪拌槳3,用于將多相體 系混合均勻。
[0077] 實施例1:利用浸入式在線多相測量儀對液-固體系內固體顆粒的粒徑分布進行測 量
[0078]實驗在如圖1所示的攪拌槽中進行，攪拌轉速為480rpm。所用固體顆粒為粒徑大小 在1mm左右的白色塑料珠，整體平均固含率(體積比）為0.01，測量點位置為r = 0.07m，z = 0.055m。
[0079]所述測量方法包括如下步驟：
[0080] (1)將在線多相測量儀置于所述液-固體系中，得到液-固體系中固體顆粒的圖像， 如圖3_(a)所示；
[00811 (2)確定有效顆粒：
[0082] 首先，確定焦平面位置:將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于與所測多相體系 相同的介質中，采用在線多相測量儀對其拍照，調整刻度尺到封裝管前端的距離，觀察照片 中刻度尺的清晰程度，刻度尺最清晰的位置為焦平面位置；
[0083] 之后，將被測物置于封裝管前方、焦平面前后1/2處，其中，1為遠心鏡頭的景深，單 位為mm，采用在線多相測量儀對被測物進行拍照，得到被測物圖像，識別讀取圖像中被測物 邊界灰度梯度值Grad( 01/2)，01/2為焦平面前后兩側1/2平面處灰度值，將顆粒邊界處灰 度梯度Grad( 〇 )彡Grad( 〇 1/2)的顆粒表示為有效顆粒；
[0084] (3)將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于在線多相測量儀前方，采用圖像傳感 器驅動控制軟件拍攝圖像，通過圖像處理軟件拾取刻度尺上l〇mm距離所對應的像素個數 N10,從而確定單個像素的實際長度，并測得有效顆粒所占的像素個數，所述有效顆粒的粒徑 為di = 10*ni/N1Q，其中，di為有效顆粒的粒徑，單位為mm; m為圖像中所測有效顆粒對應的像 素數;N1Q為刻度尺上10mm長度對應的像素數；
[0085] 根據 計算有效顆粒的濃度，其中，S為圖像傳感器感光部 .， 件的有效面積，單位為mm2; 1為遠心鏡頭的景深，單位為mm; di為有效顆粒的粒徑，單位為mm; Vc為有效顆粒的總體積，V為測量區域的體積;n為有效顆粒的個數。
[0086] 通過對近4000個顆粒進行分析，得到了測量點處的固體顆粒的粒徑分布，結果如 圖3-(b)所示，測量結果與實際固體顆粒尺寸很接近。統計得到該點處的固體顆粒濃度為 0.0112，與光纖顆粒濃度測量儀得到的0.0109相近，誤差為2.75 %。
[0087] 實施例2:利用浸入式在線多相測量儀對氣-液體系內氣泡的粒徑分布進行測量 [0088]實驗在如圖1所示的攪拌槽中進行，攪拌轉速為450rpm，通過環形氣體分布器進 氣，通氣量為800L/h。測量點位置設置與實施例1中相同。
[0089] 所述測量方法包括如下步驟：
[0090] (1)將在線多相測量儀置于所述氣-液體系中，得到氣-液體系中氣泡的圖像，如圖 4_(a)所示；
[0091] (2)確定有效顆粒：
[0092] 首先，確定焦平面位置:將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于與所測多相體系 相同的介質中，采用在線多相測量儀對其拍照，調整刻度尺到封裝管前端的距離，觀察照片 中刻度尺的清晰程度，刻度尺最清晰的位置為焦平面位置；
[0093] 之后，將被測物置于封裝管前方、焦平面前后1/2處，其中，1為遠心鏡頭的景深，單 位為mm，采用在線多相測量儀對被測物進行拍照，得到被測物圖像，識別讀取圖像中被測物 邊界灰度梯度值Grad( 01/2)，01/2為焦平面前后兩側1/2平面處灰度值，將顆粒邊界處灰 度梯度Grad( 〇 )彡Grad( 〇 1/2)的顆粒表示為有效顆粒；
[0094] (3)將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于在線多相測量儀前方，采用圖像傳感 器控制軟件拍攝圖像，通過圖像處理軟件拾取刻度尺上l〇mm距離所對應的像素個數N 1()，從 而確定單個像素的實際長度，并測得有效顆粒所占的像素個數，所述有效顆粒的粒徑為cU =10*ni/N1Q，其中，di為有效顆粒粒徑，單位為mm;m為圖像中所測有效顆粒對應的像素數； Nio為刻度尺上10mm長度對應的像素數；
[0095]根據
計算得到有效顆粒的濃度，其中，S為圖像傳感器感 光部件的有效面積，單位為mm2; 1為遠心鏡頭的景深，單位為mn^cU為有效顆粒粒徑，單位為 mm;Vc為有效顆粒的總體積，V為測量區域的體積;n為有效顆粒的個數。
[0096]與固體顆粒相比，氣泡尺寸較大易發生變形。通過對近4000個氣泡進行分析，氣泡 尺寸計算結果如圖4-(b)所示，反應器內氣泡尺寸主要集中在1~3mm范圍內。計算得到該點 處氣含率為0.022。
[0097] 實施例3:利用浸入式在線多相測量儀測量氣-液-固三相攪拌槽內固體顆粒以及 氣泡的粒徑分布
[0098] 實驗在如圖1所示的攪拌槽中進行，使用的固體顆粒材料及體積與實施例1相同， 通氣條件與實施例2相同，攪拌轉速480rpm。測量點位置設置與實施例1中相同
[0099] 所述測量方法包括如下步驟：
[0100] (1)將在線多相測量儀置于所述氣-液-固體系中，得到圖像，如圖5-(a)所示；
[0101] (2)確定有效顆粒：
[0102] 首先，確定焦平面位置:將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于與所測多相體系 相同的介質中，采用在線多相測量儀對其拍照，調整刻度尺到封裝管前端的距離，觀察照片 中刻度尺的清晰程度，刻度尺最清晰的位置為焦平面位置；
[0103] 之后，將被測物置于封裝管前方、焦平面前后1/2處，其中，1為遠心鏡頭的景深，單 位為mm，采用在線多相測量儀對被測物進行拍照，得到被測物圖像，識別讀取圖像中被測物 邊界灰度梯度值Grad( 01/2)，01/2為焦平面前后兩側1/2平面處灰度值，將顆粒邊界處灰 度梯度Grad( 〇 )彡Grad( 〇 1/2)的顆粒表示為有效顆粒；
[0104] (3)將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于在線多相測量儀前方，采用圖像傳感 器控制軟件拍攝圖像，通過圖像處理軟件拾取刻度尺上l〇mm距離所對應的像素個數N 1()，從 而單個像素的實際長度，并測得有效顆粒所占的像素個數，所述有效顆粒的粒徑為cU = 10* mMo，其中，di為有效顆粒粒徑，單位為mm; m為圖像中所測有效顆粒對應的像素數;N10為 刻度尺上l〇mm長度對應的像素數；
[0105] 根據
計算得到有效顆粒的濃度，其中，S為圖像傳感器感 光部件的有效面積，單位為mm2; 1為遠心鏡頭的景深，單位為mm，cU為有效顆粒粒徑，單位為 mm;Vc為有效顆粒的總體積，V為測量區域的體積;n為有效顆粒的個數。
[0106] 通過對圖像進行處理，得到了測量點處的固體顆粒和氣泡尺寸分布，結果如圖5-(b)和5- (c)所示，固體顆粒的粒徑集中在0.9-1. 1mm，氣泡的粒徑集中在0.5-2.8mm。計算得 到該點處氣含率和固含率分別為0.016和0.0115。
[0107]
【申請人】聲明，以上所述僅為本發明的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局 限于此，所屬技術領域的技術人員應該明了，任何屬于本技術領域的技術人員在本發明揭 露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。
【主權項】
1. 一種多相體系中顆粒濃度和粒徑的在線測量方法，其特征在于，所述方法基于一種 浸入式在線多相測量儀，所述浸入式在線多相測量儀包括： 封裝管； 視窗，密封連接于封裝管一端； 用于照明多相流的照明系統，包括LED燈和與LED燈相連的可調制光源，可調制光源包 括電源、信號發生器和示波器； 用于拍照的照相系統，包括遠心鏡頭和圖像傳感器； 與信號發生器和圖像傳感器相連的控制器； 與圖像傳感器相連的信號處理與輸出系統； 與信號處理與輸出系統相連的顯示系統； 其中，LED燈、遠心鏡頭和圖像傳感器位于封裝管中，控制器控制圖像傳感器的曝光周 期小于信號發生器的脈沖周期； 所述測量方法包括如下步驟： (1) 將浸入式在線多相測量儀置于多相體系中，得到多相體系中顆粒的圖像； (2) 確定有效顆粒：首先，確定遠心鏡頭的焦平面位置；之后，將被測物置于封裝管前 方、焦平面前后1/2處，其中，1為遠心鏡頭的景深，單位為mm，采用在線多相測量儀對被測物 進行拍照，得到被測物圖像，識別讀取圖像中被測物邊界灰度梯度值Grad( Φ 1/2)，Φ 1/2為 焦平面前后兩側1/2平面處灰度值，將顆粒邊界處灰度梯度Grad(?)多Grad(? 1/2)的顆粒 表不為有效顆粒； (3) 確定單個像素的實際長度，并測得有效顆粒所占的像素個數，則有效顆粒粒徑cU為 有效顆粒所占的像素個數與單個像素實際長度的乘積；計算得到有效顆粒的濃度，其中，S為圖像傳感器感光部件 的有效面積，單位為mm2; 1為遠心鏡頭的景深，單位為mm，di為有效顆粒粒徑，單位為mm; Vc為 有效顆粒的總體積，V為測量區域的體積;η為有效顆粒的個數。2. 根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟（1)所述多相體系中的顆粒為深色固 體顆粒、氣泡或液滴時，在線多相測量儀拍照時需加裝反光板，被測顆粒置于反光板和在線 多相測量儀前端面之間； 優選地，所述反光板與在線多相測量儀前端面的距離大于遠心鏡頭的景深； 優選地，所述定向反光板與多相測量儀前端面的距離為1.5倍的遠心鏡頭景深； 優選地，所述反光板的尺寸與圖像傳感器的有效感光區域相同； 優選地，所述反光板為中心凸起的方形板； 優選地，所述反光板表面為亮白色或銀白色。3. 根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，步驟(2)確定焦平面位置的方法為:將 一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于與所測多相體系相同的介質中，采用在線多相測量 儀對所述刻度尺拍照，調整刻度尺到浸入式多相測量儀前端的距離，觀察照片中刻度尺的 清晰程度，刻度尺最清晰的位置為焦平面位置。4. 根據權利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步驟(3)所述確定單個像素的實際 長度具體為:將一個精確度至少為0.1mm的刻度尺置于在線多相測量儀前方，采用圖像傳感 器驅動控制軟件拍攝圖像，通過圖像處理軟件拾取刻度尺上l〇mm距離所對應的像素個數 N10,從而確定單個像素的實際長度； 優選地，所述圖像處理軟件為Image-Pro Plus; 優選地，步驟(3)所述有效顆粒的粒徑為di= 10*m/Ni〇,其中，di為顆粒尺寸，mm;m為圖 像中所測有效顆粒所占的像素個數;N1Q為刻度尺上10mm長度對應的像素個數。5. 根據權利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，所述遠心鏡頭的工作距離為250~ 550mm，景深為1 ~3.7mm; 優選地，所述遠心鏡頭的放大倍率為0.5~1倍； 優選地，所述遠心鏡頭的外徑為19~2 5mm; 優選地，所述圖像傳感器為(XD相機或CMOS相機； 優選地，所述CCD相機或CMOS相機的曝光時間彡lms，分辨率為5~15μπι，長和寬方向像 素數至少為800 X 600，幀頻至少為60fps。6. 根據權利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述LED燈的個數至少為12個； 優選地，所述LED燈在封裝管中組成環形均勻排列； 優選地，所述LED燈與可調制光源之間通過導線連接。7. 根據權利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，所述封裝管由直徑不同的前段管和 后段管組成； 優選地，所述前段管的外徑為25~30mm，長度為300~600mm; 優選地，所述后段管的外徑為50mm，長度為50mm; 優選地，所述封裝管的材質為不銹鋼； 優選地，所述視窗、LED燈和遠心鏡頭封裝于前段管中，所述視窗置于前段管遠離后段 管的一端，其后依次設置LED燈和遠心鏡頭，所述圖像傳感器封裝于后段管中。8. 根據權利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述視窗為內側鍍增透膜的圓形玻 璃。9. 根據權利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，所述信號發生器和圖像傳感器通過 高速數據線與控制器相連。10. 根據權利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，所述顯示系統為顯示屏； 優選地，所述信號處理與輸出系統、控制器及顯示系統集成為計算機。
【文檔編號】G01N15/06GK105928847SQ201610245330
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】楊超, 李向陽, 王冠琦, 楊士芳, 毛在砂
【申請人】中國科學院過程工程研究所, 南京九章化工科技有限公司