一种浸入式在线多相测量仪及测量方法技术

本发明专利技术提供了一种浸入式在线多相测量仪及测量方法，所述测量仪包括：封装管；视窗；LED灯和可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；远心镜头和图像传感器；控制器；信号处理与输出系统；显示系统；LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。该测量仪所使用照相探头体积小、可移动、不易受流体温度以及周围环境影响，可用于两相、三相甚至三相以上、透明及不透明体系的实时在线、定量测量；能捕捉到多相反应器内局部流体流动的高对比度图像，利用相应的测量方法和专业的图像处理软件即可得到高速流动的多相流中气泡、液滴或固体颗粒等的浓度、粒度和速度分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于物理测量装置，涉及一种浸入式在线多相测量仪及测量方法。
技术介绍
在工业化工反应器内，往往存在复杂的不同相态的流动、混合、分散、传递和反应。气泡、液滴或固体颗粒的粒度和浓度分布等参数是反应器内部特性信息最直接、最有效的反映，是多相反应器分析、选型及设计放大的关键参数。目前对多相流中气泡和固体颗粒分布的测定最常用的手段是基于光反射的光纤探针法和基于电导的电导(电容)探针法，这两种方法在气液和液固两相的研究中获得了很多成功应用。例如，多相管流中相含率和相界面的单丝电容探针测量系统(CN 1865966A)和基于双头电容探针的两相流参数测量方法和装置(CN 101413911A)。但是，这两种方法也存在一些局限性：电导类探针要求多相流中被测相为导电介质；针式光纤探针光纤非常容易断丝损毁；当存在多个分散相时采样信号会相互干扰，影响测量结果。此外，测定多相流中气泡和固体颗粒分布的方法还有超声波断层成像、伽马射线断层成像和电子断层成像技术等，它们最大的优势是非侵入性，但价格昂贵且时空解析率仍需提高。光学拍照是一种最直观的测量方法，分为非侵入式和侵入式照相两种。非侵入式照相的突出优点是不干扰流场，其缺点在于要求被测管道透明或者安装有视窗，同时被测气泡或颗粒浓度要求较稀。侵入式照相中比较典型的光纤内窥镜，可以直接伸入反应器内进行在线测量，但是其缺点是受限于光纤直径分辨率低，前端的广角物镜也会造成较大的图像畸变。远心镜头的突出优点在于通过一组光学镜片形成平行光照射，图像几乎不发生畸变(普通镜头畸变系数通常大于1～2％，远心镜头小于0.1％)。CN 203405417U公开了一种管道内气液两相流的图像法测量装置，采用光源通过透明管道或视窗照明待测液滴，采用激光光源照明液膜液面，采用远心镜头和CCD或CMOS图像传感器对待测区域内的液滴或液膜进行成像；将单个液滴图像的离焦模糊半径与测量系统的容许弥散圆大小进行比较以剔除镜头景深范围外液滴的成像；处理景深范围内运动液滴的图像以提取粒径大小、速度大小和方向，通过对大量液滴进行统计，获得待测区域内液滴粒径分布、速度分布、统计时间段内平均体积浓度和平均体积流量；通过液膜图像中液面与管壁的距离确定液膜厚度。所述装置以非侵入方式对待测区域的液滴或液膜进行成像，虽解决了图像畸变的问题，但也存在前述非侵入式照相的各种缺点。侵入式远心照相或可解决以上技术中存在的种种缺点，但要实现侵入式远心照相仍需要解决：(1)探头需要达到一定长度，以使其能伸入到多相反应器内各个位置进行测量；(2)多相反应器内的流体介质将会使光照强度指数衰减，需要充足的光照以保证照相时足够的曝光量；(3)多相反应器内流体在高速的流动，需要解决高速运动物体捕捉。此外，探头尺寸还应尽可能的小以减小对流场的干扰。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种浸入式在线多相测量仪及测量方法，所述在线多相测量仪能捕捉到多相反应器内局部流体流动的清晰图像，利用专业的图像处理软件即可得到高速流动的多相流中颗粒浓度和粒度分布，实现多相反应器的实时、在线测量。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种浸入式在线多相测量仪，所述多相测量仪包括：封装管；视窗，密封连接于封装管一端；用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；与信号发生器和图像传感器相连的控制器；与图像传感器相连的信号处理与输出系统；与信号处理与输出系统相连的显示系统；其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。LED灯的亮度、颜色和脉冲周期通过所述可调制光源中选择电源、调节信号发生器和示波器示波进行控制。所述图像传感器和可调制光源通过调节匹配光源脉冲周期和图像传感器曝光周期实现脉冲照明和照相同步。最适宜的LED灯亮度、颜色和脉冲周期可根据多次拍照得到的图像的清晰度进行相应调整，直至图像清晰度最高，符合要求即可。所述浸入式在线多相测量仪用于测量多相反应器中流体的状态，不易受流体温度以及周围环境影响，适用的浓度范围广，可以实时在线、定量直观对多相反应器内颗粒特性进行准确测量。为了测量时多相测量仪能深入到多相反应器的各个位置，所述远心镜头的工作距离为250～550mm，如260mm、300mm、350mm、380mm、420mm、470mm或520mm等，景深为1～3.7mm，如1.2mm、1.5mm、1.8mm、2.0mm、2.2mm、2.5mm、2.8mm、3.0mm或3.5mm等。为了尽可能小的干扰流场，可适当放弃镜头的放大倍率。优选地，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍，如0.6倍、0.7倍、0.8倍或0.9倍等。优选地，所述远心镜头的外径为19～25mm，如20mm、21mm、22mm、23mm或24mm等。所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机。优选地，所述CCD相机或CMOS相机的曝光时间≤1ms，如0.1ms，0.5ms，1ms等，分辨率为5～15μm，如6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、12μm或14μm等，长和宽方向像素数至少为800(H)×600(V)，如2560(H)×1920(V)、2048(H)×1536(V)、1600(H)×1200(V)、1280(H)×1024(V)或800(H)×600(V)等，帧频至少为60fps，如60fps，100fps，150fps，200fps或1000fps等。所述LED灯位于封装管中，所述可调制光源位于封装管外。通过可调制光源能够调制不同多相体系照相所需要的不同波长的脉冲光。为了照明更均匀，所述LED灯的个数至少为12个，如12个、16个、20个或24个等。优选地，所述LED灯在封装管中组成环形均匀排列。在保证亮度的前提下环形LED灯的内径应尽可能小。优选地，所述LED灯与可调制光源之间通过导线连接。所述封装管由直径不同的前段管和后段管组成；优选地，所述前段管的外径为25～30mm，如25mm、26mm或28mm等，长度为300～600mm，如320mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm或580mm等。本领域技术人员可根据所选远心镜头的具体参数决定封装管前段管的具体尺寸。优选地，所述后段管的外径为50mm，长度为50mm，本领域技术人员可根据所选图像传感器的尺寸决定后段封装管的具体尺寸。优选地，所述封装管的材质为不锈钢。所述视窗、LED灯和远心镜头封装于前段管中，所述视窗置于前段管远离后段管的一端，其后依次设置LED灯和远心镜头，所述图像传感器(CCD或CMOS相机)封装于后段管中。所述视窗为内侧镀增透膜的圆形玻璃，以使光线透射率超过95％，视窗与封装管之间做防水机械密封。所述图像传感器与控制器通过高速数据线连接，实现图像的高速传输。所述显示系统为显示屏。所述显示系统用于显示从信号处理与输出系统接收到的信号。所述信号处理与输出系统、控制器及显示系统集成为计算机。所述计算机可实现信号处理与输出系统、控制器及显示系统的功能。本专利技术还提供了利用如上所述的在线多相测量仪测量多相流状态的方法，所述方法为：将所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浸入式在线多相测量仪，其特征在于，所述多相测量仪包括：封装管；视窗，密封连接于封装管一端；用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；与信号发生器和图像传感器相连的控制器；与图像传感器相连的信号处理与输出系统；与信号处理与输出系统相连的显示系统；其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。

【技术特征摘要】
1.一种浸入式在线多相测量仪，其特征在于，所述多相测量仪包括：封装管；视窗，密封连接于封装管一端；用于照明多相流的照明系统，包括LED灯和与LED灯相连的可调制光源，可调制光源包括电源、信号发生器和示波器；用于拍照的照相系统，包括远心镜头和图像传感器；与信号发生器和图像传感器相连的控制器；与图像传感器相连的信号处理与输出系统；与信号处理与输出系统相连的显示系统；其中，LED灯、远心镜头和图像传感器位于封装管中，控制器控制图像传感器的曝光周期小于信号发生器的脉冲周期。2.根据权利要求1所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述远心镜头的工作距离为250～550mm，景深为1～3.7mm；优选地，所述远心镜头的放大倍率为0.5～1倍；优选地，所述远心镜头的外径为19～25mm。3.根据权利要求1或2所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述图像传感器为CCD相机或CMOS相机；优选地，所述CCD相机或CMOS相机的曝光时间≤1ms，分辨率为5～15μm，长和宽方向像素数至少为800×600，帧频至少为60fps。4.根据权利要求1-3之一所述的在线多相测量仪，其特征在于，所述LED灯的个数至少为12个；优选地，所述LED灯在封装管中组成环形均匀排列；优选地，所述LED灯与可调制光源之间通过导线连接。5.根据权利要求1-4...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超，李向阳，杨士芳，王冠琦，毛在砂，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，南京九章化工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11