專利名稱：氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于氣固兩相流在線測量技術范圍，特別涉及基于三色激光器和RGB數字相機拍攝的一種氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法。
背景技術：
氣力輸送是一種利用氣流在管道中輸送顆粒狀固體的有效方法，是目前工業(yè)生產過程中的一項重要技術，廣泛應用于各種工業(yè)部門的粒料、粉料的輸送和干燥工藝。一個典型例子是火力發(fā)電廠中固體燃料如煤粉等的管道輸送。從磨煤機出來的煤粉由壓縮空氣攜帶同時供給多根輸送管道，然后進入燃燒器陣列在爐膛內燃燒。煤粉顆粒粒度的分布與燃燒的效率及污染物排放量有著密切的聯系。然而，煤粉顆粒粒度的分布取決于磨煤機的工作性能及煤的物理特性等。近年來，世界各國的燃煤電廠開始采用煤粉與生物質共燒技術， 以降低二氧化碳的排放。許多電廠已全部采用生物質燃燒發(fā)電。許多生物質如秸稈等要比煤粉顆粒要大，且呈不規(guī)則形狀，因此生物質燃燒或煤粉與生物質共燒與純煤粉燃燒有很大的不同。大顆粒及不規(guī)則燃料顆粒的燃燒會直接影響到燃燒效率及污染物的排放量。燃料粒度過大或過細則會造成燃燒不完全或磨煤機能耗增加等，嚴重時會造成管道堵塞，被迫停機，給電廠造成重大損失。因此，對電廠煤粉和生物質的顆粒粒度分布及形狀分布進行在線連續(xù)檢測，有助于提高鍋爐燃燒的安全性及燃燒效率，降低污染物排放。現有的顆粒測量成像裝置一般采用單一激光器照明管道內一個流場截面，因此只能得到一幅顆粒圖像。如想要獲得整個管道中顆粒的粒度分布及形狀分布，原理上可以采用掃描式的顆粒照明器件和復雜的光學組件。然而，這樣的設計成本高，系統復雜且效率低，可靠性差，難以維護。本發(fā)明利用RGB數字相機R(紅色)G(綠色)B(藍色)圖像信號可區(qū)分的特性，通過RGB三色脈沖激光片光源同時照射顆粒流場，利用RGB數字相機和遠心鏡頭同時攝取被照亮的三個流場截面上流動顆粒的圖像，大大降低了裝置的復雜性，提高了測量效率及可靠性。本發(fā)明不僅適用于火力發(fā)電廠中煤粉顆粒流的連續(xù)在線監(jiān)測，也適用于食品、水泥、鋼鐵等工業(yè)氣力輸送過程的在線監(jiān)測。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，基于采用三色激光器和RGB數字相機圖像采集系統，氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量包括1)由三個具有不同光譜的脈沖激光光片、一個RGB數字相機和遠心鏡頭構成顆粒流成像與圖像采集裝置；其中，激光光片為三色片狀激光束；2)在氣固兩相流體管道中，以三個不同光譜的脈沖激光光片同時照射顆粒流場， 利用RGB數字相機和遠心鏡頭同時拍攝被照亮的三個流場截面上流動顆粒的RGB圖像；3)將每一幀RGB圖像分解成為與三個激光光譜所對應的R(紅色)，G(綠色)和 B(藍色)三幅子圖像，從而同時得到流體管道三個流場截面上固體顆粒的圖像；
4)對三幅子圖像進行處理，從而獲得顆粒的粒度分布及形狀分布。所述具有不同光譜的脈沖激光片，為了達到激光片內覆蓋完整顆粒并沒有重疊顆粒的目的，激光片的厚度應在所測顆粒的最大粒徑的0. 5到1. 5倍范圍內；三個激光片應平行布置，兩個激光片之間的距離選取在所測顆粒的最大粒徑的10到15倍之間。所述相機的光軸與激光光片之間的角度β選取為90°激光光片與管道中心軸之間的角度α應在45°到60°的范圍內。所述RGB數字相機配置的遠心鏡頭是用于實現在三個聚焦面上同時得到清晰的固體顆粒圖像。所述RGB數字相機是利用激光器脈沖信號反饋控制相機的曝光時間，而不是使用相機的快門，從而實現流動顆粒的數字成像，并極大地降低了對相機的要求，降低了成本。本發(fā)明的有益效果是在只采用一個RGB相機的情況下，將每一幀RGB圖像分解成為與三個激光光譜所對應的R(紅色)，G(綠色)和B(藍色)三幅子圖像，從而同時得到流體管道內三個流場截面上顆粒的圖像。對三幅固體顆粒圖像進行空間重構，得到固體顆粒在流場被測區(qū)域內的空間分布。對三幅子圖像進行處理分析，從而獲得顆粒的粒度分布及形狀分布。并極大地降低了對相機的要求，降低了成本。


圖1為顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量裝置結構及原理示意圖。圖中1、顆粒流場，2、激光光片(三色片狀激光束)，3、紅色(I )激光器，4、綠色(G)激光器，5、藍色⑶激光器，6、RGB數字相機，7、遠心鏡頭8、激光器控制模塊9、圖像處理系統10、氣固兩相流管道。α -激光器組與管道之間角度，β -RGB數字相機與管道之間角度，d-激光器之間的距離。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法。采用基于三色激光器和RGB數字相機作為圖像采集裝置，對氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布進行在線測量。下面結合圖1對本發(fā)明的予以說明首先，由三個不同光譜的激光器，即紅色(I )激光器3、綠色(G)激光器4、藍色(B) 激光器5，RGB數字相機6和遠心鏡頭(telecentric lens) 7組成顆粒流場1的成像系統， 并安裝于被測氣固兩相流體管道10上。為了達到激光片內覆蓋完整顆粒并沒有重疊顆粒的目的，激光光片2片狀激光的厚度應在所測顆粒的最大粒徑的0. 5到1. 5倍范圍內。三個激光片應平行布置，相鄰兩個激光片之間的距離選取在被測顆粒的最大粒徑的10到15 倍之間。RGB數字相機6的光軸與激光光片2之間的角度β選取為90°。激光光片2與管道中心軸之間的角度α應在45°到60°的范圍內。三個激光器由激光器控制模塊8控制發(fā)出三個片狀激光束光片，即紅色(R)、綠色 (G)和藍色(B)。RGB相機6在激光器控制模塊8控制相機的曝光時間(不是使用相機的快門)，實現流動顆粒的數字成像及采用遠心鏡頭(telecentric lens) 7實現多個聚焦面上的同時成像；從而采集到三個不同流場截面的固體顆粒的顆粒流場1的RGB圖像。
顆粒流場1的RGB圖像信號傳入圖像處理系統9進行分解，得到與三個激光光片所對應的R、G和B三幅顆粒子圖像。對三幅圖像分別處理分析可以得到管道三個截面上的顆粒粒度分布和形狀分布，并通過軟件用戶界面顯示。顆粒的粒度是由顆粒的等效直徑 (即具有同等面積的圓形顆粒的直徑)來確定的；顆粒的形狀是由顆粒的最大直徑和最小直徑的比值(即長寬比)來確定的；粒度分布及形狀分布是由時間平均意義下的統計結果而得到的。在實時監(jiān)測系統中，顆粒的粒度和形狀分布信息顯示在用戶界面中，當用戶界面中的顆粒個數累計到具有統計意義大小時，將整個用戶界面的統計信息輸出。并根據新進的顆粒信息的更新結果，從而實現在線實時監(jiān)測。
權利要求
1.一種氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，基于采用三色激光器和RGB數字相機圖像采集系統，氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量，包括1)由三個具有不同光譜的脈沖激光片光源、一個RGB數字相機和遠心鏡頭構成顆粒流成像與圖像采集裝置；2)在氣固兩相流體管道中，以三個不同光譜的脈沖激光片光源同時照射顆粒流場，利用RGB數字相機和遠心鏡頭同時拍攝被照亮的三個流場截面上流動顆粒的RGB圖像；3)將每一幀RGB圖像分解成為與三個激光光譜所對應的R(紅色)，G(綠色)和B(藍色)三幅子圖像，從而同時得到流體管道三個流場截面上固體顆粒的圖像；4)對三幅子圖像進行處理，從而獲得顆粒的粒度分布及形狀分布。
2.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，所述具有不同光譜的脈沖激光片，為了達到激光片內覆蓋完整顆粒并沒有重疊顆粒的目的，激光片的厚度應在所測顆粒的最大粒徑的0.5到1.5倍范圍內；三個激光片應平行布置，兩個激光片之間的距離選取在所測顆粒的最大粒徑的10到15倍之間。
3.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，所述相機的光軸與激光光片之間的角度β選取為90°激光片與管道中心軸之間的角度α應在45°到60°的范圍內。
4.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，所述RGB數字相機配置的遠心鏡頭是用于實現在三個聚焦面上同時得到清晰的固體顆粒圖像。
5.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法， 其特征在于，所述RGB數字相機是利用激光器脈沖信號反饋控制相機的曝光時間，而不是使用相機的快門，從而實現流動顆粒的數字成像，并極大地降低了對相機的要求，降低了成本。
6.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，對所得的三幅流場截面上顆粒圖像進行處理分析，得到管道三個截面上的顆粒的粒度分布和形狀分布，并通過軟件用戶界面顯示。
7.根據權利要求1所述氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法，其特征在于，顆粒的粒度是由顆粒的來確定的；顆粒的形狀是由顆粒的最大直徑和最小直徑的比值或長寬比來確定的；粒度分布及形狀分布是由時間平均意義下的統計結果而得到； 其中等效直徑即具有同等面積的圓形顆粒的直徑。
全文摘要
本發(fā)明公開屬于氣固兩相流在線測量技術范圍內的的一種氣流輸送管道中顆粒料粒度分布及形狀分布在線測量方法。在氣固兩相流體管道中，通過三個具有不同光譜的脈沖激光片光源同時照射顆粒流場中的三個截面，利用RGB數字相機同時攝取被照亮的三個流場截面上流動顆粒的RGB圖像。用圖像處理的方法將每一幀RGB圖像進行分解和對三幅子圖像分別進行處理，進而得到被測顆粒的粒度分布和顆粒形狀分布。本發(fā)明采用三個不同光譜的激光器、RGB相機和遠心鏡頭實現同時采集三個不同流場截面的顆粒圖像；實現多個聚焦面上的同時成像；利用激光器脈沖反饋控制相機的曝光時間實現流動顆粒的成像，大大降低了測量裝置的復雜性，提高了測量效率。
文檔編號G01N15/02GK102410974SQ20111041562
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月14日 優(yōu)先權日2011年12月14日
發(fā)明者盧鋼, 閆勇, 高凌君 申請人:華北電力大學