[發明專利]聯合測量氣固系統顆粒運動參數的裝置及方法

有效

• 申請號: 201410017929.5
• 申請日: 2014-01-15
• 公開（公告）號: CN103776742A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 鐘文琪;周冠文;陳曦;金保昇;邵應娟;張勇
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明涉及一種X射線和光學高速攝影機成像聯合測量氣固系統顆粒運動參數的裝置及方法，屬于氣固兩相流技術領域。

背景技術

氣固系統是指以氣相作為連續介質，挾帶固體顆粒形成的流動系統，又稱氣固兩相流系統。氣固系統在化工及能源動力等領域內應用廣泛，如流化催化裂化工藝、流化床燃燒、流態化干燥等。然而，由于氣固兩相流體系內顆粒與顆粒，顆粒與氣體的相互作用劇烈復雜，尤其是當顆粒為非規則顆粒時，每個顆粒的流動狀態及運動參數很難用較為統一的規律來描述。因此，測量氣固兩相流中顆粒運動參數對掌握氣固兩相流中顆粒運動狀態，研究氣固兩相反應具有重要的意義。

目前，對于氣固系統內的顆粒運動參數，國內外主要測量手段有反射式光纖法及輻射投影成像技術。反射式光纖法是將反射式光纖傳感器的探頭埋入流化床內待測點，光源發出的光經反射后由光電探測器接受，從而根據光的強度獲得其內部顆粒的狀態參數。該方法雖然可以直接對流化床內顆粒濃度進行檢測并獲得局部測量值，但探頭對待測點附近的流場產生了干擾，降低了測量的準確性。輻射投影成像技術是指采用X射線、γ射線等電磁波投射待測對象，通過分析射線被不同物質不同程度吸收后的強度來檢測待測對象內部的信息，如醫用X光CT等設備。該方法可避免測量工具對氣固反應器內部流場的干擾，獲得較為準確的顆粒信息，但往往全套設備造價昂貴，且危險性大，設備移動安裝不便捷。CN101876663A公開了一種測量兩相流顆粒團聚物速度及加速度的方法，基于X射線探測裝置實現，通過分別獲取不含流動信息的反應器本底信號和包含流動信息及反應器的信號，計算各測量時刻、各探測器單元的顆粒體積分率，從而獲得團聚物的形狀及出現的位置，并計算其加速度。該方法雖可實現對流場無干擾測量，但由于采用了線狀探測器陣列，使測量結果局限于所測的單元，限制了測量精度。

近年來，顆粒示蹤法在國內外廣泛應用。通過對單個或數個顆粒進行標記示蹤，可追蹤被測顆粒的運動軌跡和運動狀態。諸如鹽顆粒、磷光顆粒、染色顆粒及放射性顆粒示蹤等測量手段已廣泛應用。放射性顆粒示蹤法采用半衰期較短的放射性元素對顆粒進行標記，可實現全場檢測，且精度較高。但該方法在示蹤顆粒制備、運輸和保存各環節均存在一定的安全隱患，且易對研究人員和周圍環境造成危害。同時，該方法所配套的監測設備，如射線監測器等，造價昂貴，操作復雜。鹽顆粒、磷光顆粒和染色顆粒示蹤法雖然簡單易行，但均存在干擾流場或檢測精度和廣度不高，難以實現全場測量等問題。CN1654962A公開了一種兩相流數字粒子圖像測速的方法及裝置。該方法采用合適的粒子示蹤密相流體運動，用高速CCD記錄下示蹤粒子及分散相的運動圖像，并通過圖像處理技術將各相從原始圖像中分離出來，進而進一步獲得各相流體的速度。該方法雖可實現兩相流動瞬時、全場的測量，但圖像處理過程中采用的基于圖像灰度不連續性和相似性的方法，易帶來誤差。同時由于加入了示蹤顆粒，需采用特殊的光源，從而使檢測設備更加復雜。

隨著氣固兩相流技術的廣泛應用，日益昂貴和復雜的測量裝置和技術已無法滿足科研人員對氣固系統內顆粒運動狀態探索，更為高效、安全、準確且便捷的測量技術更是鮮有報道。因此，為解決上述問題，迫切需要開發新的氣固系統內顆粒運動參數的測量方法與裝置。

發明內容

技術問題：本發明旨在提出一種X射線和光學高速攝影機聯合測量氣固系統顆粒運動參數的裝置及方法。該裝置及方法結合了普通光學測量技術和X射線輻射投影成像技術，操作簡單，安全方便，可以實現全場無擾檢測。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種聯合測量氣固系統顆粒運動參數的裝置，該裝置包括依次間隔設置的X射線發生器、X射線管、準直器、氣固反應器、閃爍探測器和計算機；該裝置還包括第一光學高速攝影機和第二光學高速攝影機；

X射線發生器發出X射線后通過X射線管發射給準直器，然后發送給氣固反應器。X射線被氣固反應器及其內部顆粒吸收衰減，由閃爍探測器接受后發給計算機；

第一光學高速攝影機和第二光學高速攝影機分別在準直器兩端對稱正交布置，其高度與X射線管保持一致；第一光學高速攝影機、第二光學高速攝影機和準直器均布置在以氣固反應器為圓心，半徑為R的圓上；第一光學高速攝影機、第二光學高速攝影機和準直器與氣固反應器的距離相等。

本發明還提供了一種聯合測量氣固系統顆粒運動參數的方法，該方法包括如下步驟：

首先開啟X射線發生器，發出X射線對空反應器進行掃描，使計算機記錄空反應器的信息，關閉X光射線發生器，向氣固反應器內加裝物料；