[發明專利]一種高速攝影條件下微米級別顆粒在撞擊壁面過程中的粒徑測量方法及測量裝置

在審

• 申請號: 202211352686.1
• 申請日: 2022-10-31
• 公開（公告）號: CN115683958A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 鄭志敏;孫麒超;丁柏鑫;邵藝群;門麗麗
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學;元寶山發電有限責任公司
• 主分類號: G01N15/02
• 分類號: G01N15/02;G03B39/00;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/246
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 于婉萍

本發明公開了一種高速攝影條件下微米級別顆粒在撞擊壁面過程中的粒徑測量方法及測量裝置，屬于圖像處理和微觀顆粒粒徑檢測技術領域。本發明在傳統顆粒陰影測速技術的基礎上，借助顆粒輸運裝置，為標準顆粒與待測顆粒創建相同運動工況條件，使用高速相機捕捉在相近拍攝背景下運動的顆粒影像圖片，然后對獲取的圖片進行圖像處理，獲得待測顆粒粒徑的測量值，再通過分析標準顆粒的真實粒徑與其粒徑的測量值之間的數學關系，最后導出待測顆粒的真實粒徑值。本發明建立的一套顆粒圖片的處理流程，可以快速處理大量的圖片樣本，較傳統顆粒陰影測速技術而言，能夠有效實現撞擊壁面過程中微米級顆粒粒徑的高速和高精度測量。

技術領域

本發明屬于圖像處理和微觀顆粒粒徑檢測技術領域，更具體地說，涉及一種高速攝影條件下微米級別顆粒在撞擊壁面過程中的粒徑。

背景技術

鍋爐受熱面的積灰和結渣問題一直困擾著鍋爐的運行。為了深入探求其形成機理及其控制策略，一些研究學者開始著手研究飛灰顆粒碰撞壁面的反彈和黏附特性。在鍋爐受熱面上灰沉積物的形成主要由飛灰顆粒的慣性碰撞產生的，鍋爐產生的飛灰的平均粒徑大都在40-50μm，在高溫煙氣的攜帶作用下以一定的速度撞擊到換熱器表面。為了在實驗室條件下研究這一過程，即追蹤單個顆粒撞擊壁面的過程，這需要借助一些先進的測量技術。其中，粒子陰影圖像測速技術(Particle Shadow Velocimetry，PSV)是最常用的方法，該方法只需要將光源設置在被攝物后面，通過微距鏡頭便可捕捉顆粒物的運動特征。上述基本技術的實施原理可參見申請公布號為CN08957026A的發明專利。

基于前述專利的測量基礎，在實際的測量過程中發現，盡管采用PSV技術手段可以采集到飛灰顆粒的運動影像，但通過常規的圖像測量方法難以實現飛灰顆粒直徑的高精度和高效率測量。具體地，主要問題有以下：其一，飛灰顆粒的影像拍攝結果受環境因素的影響比較大，譬如，當顆粒處于噴嘴或撞擊平臺附近時，顆粒的成像大小因光線采光量的改變而發生較大的變化，同時，顆粒在整個運動過程中通常需要經過不同背景亮度的區域，這使得顆粒的成像大小有著較大的波動與變化，而且這些影響是難以完全規避的；其二，在對細小顆粒進行拍攝時，顆粒粒徑的測量精度受所采用的高速攝像機分辨率與像素大小限制。當所使用的微距鏡頭捕獲的飛灰顆粒影像僅占個位數像素時，采用常規的圖像測量方式對顆粒陰影的直徑進行估量一般至少有0.5個像素的誤差，這樣會導致測量結果無法滿足實驗需求。其三，基于實驗工作的需求，高速相機拍攝的顆粒圖片數量巨大，且圖像之間成像效果存在一定的差異，使得處理工作繁瑣，缺乏高效的批量處理手段。總的來講，一方面由于測量結果通常會受到顆粒環境與拍攝設備等因素的共同影響，對測量方式提出了更高要求；另一方面，因實驗需求在保證測量精度的同時，需要大量的顆粒圖像數據作為支撐。因此，本專利在現有顆粒參數信息的硬件測量基礎上改進了圖像測量方法，并進一步提出了一種可批量化處理實驗圖片的流程。

經檢索，中國專利申請公布號為：CN104390895A，專利名稱為：一種基于顯微成像的圖像灰度測量顆粒粒徑的方法，其公開的方法包括如下步驟：1)通過顯微鏡獲取稀釋溶液中的顆粒的圖像；2)對其x/y方向進行灰度掃描，確定顆粒的中心位置；3)分析得出顆粒的等效直徑D_e；4)測得已知直徑為D_s顆粒的等效直徑D_e，將直徑比例D_e/D_s與D_s進行曲線擬合，從而得到不同直徑顆粒的特征曲線；5)最后測量出待測顆粒的等效直徑D_e，通過查找即可得出真實直徑。該專利中通過對顆粒圖像進行灰度分析得出等效直徑，與已知數據進行比對，從而得出真實直徑，利用直徑已知的顆粒建立了圖像陰影直徑與顆粒真實直徑的關系，利用這種關系從樣本顆粒的圖像陰影直徑出發進行其真實直徑的預測，適用于顆粒成像背景穩定，運動速度較低，且顆粒陰影成像像素較多的情況進行測量，適用性非常有限。