联合测量气固系统颗粒运动参数的装置及方法

摘要

本发明公开了一种X射线和光学高速摄影机成像联合测量气固系统颗粒运动参数的装置及方法。通过在以气固反应器为中心，半径为R的圆上分别布置X射线发射装置与两台光学高速摄影机，且两台光学高速摄影机分别在准直器两端正交布置，同时获得气固反应器待测区域的带有气体与颗粒混合信息的X射线信息与普通光学信息。计算机通过对检测到的X射线信息与光学高速摄影机成像信息可分析得出颗粒在气固反应器内的相关运动参数。本发明提出的装置与方法可以在对气固系统内流场无干扰的情况下，实现对气固系统内颗粒运动参数的精准、安全的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种X射线和光学高速摄影机成像联合测量气固系统颗粒运动 参数的装置及方法，属于气固两相流技术领域。

背景技术

气固系统是指以气相作为连续介质，挟带固体颗粒形成的流动系统，又称气 固两相流系统。气固系统在化工及能源动力等领域内应用广泛，如流化催化裂化 工艺、流化床燃烧、流态化干燥等。然而，由于气固两相流体系内颗粒与颗粒， 颗粒与气体的相互作用剧烈复杂，尤其是当颗粒为非规则颗粒时，每个颗粒的流 动状态及运动参数很难用较为统一的规律来描述。因此，测量气固两相流中颗粒 运动参数对掌握气固两相流中颗粒运动状态，研究气固两相反应具有重要的意 义。

目前，对于气固系统内的颗粒运动参数，国内外主要测量手段有反射式光纤 法及辐射投影成像技术。反射式光纤法是将反射式光纤传感器的探头埋入流化床 内待测点，光源发出的光经反射后由光电探测器接受，从而根据光的强度获得其 内部颗粒的状态参数。该方法虽然可以直接对流化床内颗粒浓度进行检测并获得 局部测量值，但探头对待测点附近的流场产生了干扰，降低了测量的准确性。辐 射投影成像技术是指采用X射线、γ射线等电磁波投射待测对象，通过分析射线 被不同物质不同程度吸收后的强度来检测待测对象内部的信息，如医用X光CT 等设备。该方法可避免测量工具对气固反应器内部流场的干扰，获得较为准确的 颗粒信息，但往往全套设备造价昂贵，且危险性大，设备移动安装不便捷。CN 101876663A公开了一种测量两相流颗粒团聚物速度及加速度的方法，基于X射 线探测装置实现，通过分别获取不含流动信息的反应器本底信号和包含流动信息 及反应器的信号，计算各测量时刻、各探测器单元的颗粒体积分率，从而获得团 聚物的形状及出现的位置，并计算其加速度。该方法虽可实现对流场无干扰测量， 但由于采用了线状探测器阵列，使测量结果局限于所测的单元，限制了测量精度。

近年来，颗粒示踪法在国内外广泛应用。通过对单个或数个颗粒进行标记示 踪，可追踪被测颗粒的运动轨迹和运动状态。诸如盐颗粒、磷光颗粒、染色颗粒 及放射性颗粒示踪等测量手段已广泛应用。放射性颗粒示踪法采用半衰期较短的 放射性元素对颗粒进行标记，可实现全场检测，且精度较高。但该方法在示踪颗 粒制备、运输和保存各环节均存在一定的安全隐患，且易对研究人员和周围环境 造成危害。同时，该方法所配套的监测设备，如射线监测器等，造价昂贵，操作 复杂。盐颗粒、磷光颗粒和染色颗粒示踪法虽然简单易行，但均存在干扰流场或 检测精度和广度不高，难以实现全场测量等问题。CN1654962A公开了一种两相 流数字粒子图像测速的方法及装置。该方法采用合适的粒子示踪密相流体运动， 用高速CCD记录下示踪粒子及分散相的运动图像，并通过图像处理技术将各相从 原始图像中分离出来，进而进一步获得各相流体的速度。该方法虽可实现两相流 动瞬时、全场的测量，但图像处理过程中采用的基于图像灰度不连续性和相似性 的方法，易带来误差。同时由于加入了示踪颗粒，需采用特殊的光源，从而使检 测设备更加复杂。

随着气固两相流技术的广泛应用，日益昂贵和复杂的测量装置和技术已无法 满足科研人员对气固系统内颗粒运动状态探索，更为高效、安全、准确且便捷的 测量技术更是鲜有报道。因此，为解决上述问题，迫切需要开发新的气固系统内 颗粒运动参数的测量方法与装置。

发明内容

技术问题：本发明旨在提出一种X射线和光学高速摄影机联合测量气固系统 颗粒运动参数的装置及方法。该装置及方法结合了普通光学测量技术和X射线辐 射投影成像技术，操作简单，安全方便，可以实现全场无扰检测。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种联合测量 气固系统颗粒运动参数的装置，该装置包括依次间隔设置的X射线发生器、X射 线管、准直器、气固反应器、闪烁探测器和计算机；该装置还包括第一光学高速 摄影机和第二光学高速摄影机；

X射线发生器发出X射线后通过X射线管发射给准直器，然后发送给气固反 应器。X射线被气固反应器及其内部颗粒吸收衰减，由闪烁探测器接受后发给计 算机；

第一光学高速摄影机和第二光学高速摄影机分别在准直器两端对称正交布 置，其高度与X射线管保持一致；第一光学高速摄影机、第二光学高速摄影机和 准直器均布置在以气固反应器为圆心，半径为R的圆上；第一光学高速摄影机、 第二光学高速摄影机和准直器与气固反应器的距离相等。

本发明还提供了一种联合测量气固系统颗粒运动参数的方法，该方法包括如 下步骤：

首先开启X射线发生器，发出X射线对空反应器进行扫描，使计算机记录空 反应器的信息，关闭X光射线发生器，向气固反应器内加装物料；

开启第一光学高速摄影机和第二光学高速摄影机，设定其摄片频率，向气固 反应器内通入流化风，使物料充分流化混合后，再次开启X射线发生器，发出X 射线对气固反应器进行扫描；

计算机通过闪烁探测器检测到包含气固反应器和物料的X射线，通过分析获 得气固反应器内颗粒运动参数；

同时，第一光学高速摄影机和第二光学高速摄影机记录了颗粒运动时的相互 正交的画面，该画面信息传输至计算机；计算机根据所得画面的灰度完成图像的 分析处理，并重建出反应器内气固颗粒的三维立体图像。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的特色及优点：

（1）本发明的气固两相流中测量颗粒运动参数的装置和方法结合了普通光 学测量技术和X射线辐射投影成像技术，可实现气固系统内颗粒运动参数的精准 测量；

（2）本发明所述方法属于非浸入式测量，测量装置无需深入反应器内，避 免了测量装置对反应器内气固流动的影响，提高了测量的准确性，使测量结果精 准可靠；

（3）本发明所述方法可直接对任何颗粒进行测量，并通过对反应器内颗粒 流动状态的重建可精准确定每一个颗粒的运行状态，无需加入示踪颗粒，且无需 对颗粒进行预处理，避免了预处理所带来的测量误差；

（4）通过调整X射线管和光学高速摄影机的高度可对反应器不同位置进行 测量，拓展了测量区域，可实现气固反应器全场测量。

附图说明

图1是本发明的气固两相流中颗粒运动参数的测量装置布置平面图，

图2是本发明的气固两相流中颗粒运动参数的测量装置立体图示意图，

其中有：X射线发生器1、X射线管2、第一光学高速摄影机3和第二光学高 速摄影机4、准直器5、气固反应器6、闪烁探测器7、计算机8。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明提供的联合测量气固系统颗粒运动参数的装置，该装置包括依次间 隔设置的X射线发生器1、X射线管2、准直器5、气固反应器6、闪烁探测器7 和计算机8；该装置还包括第一光学高速摄影机3和第二光学高速摄影机4；

X射线发生器1发出X射线后通过X射线管2发射给准直器5，然后发送给 气固反应器6。X射线被气固反应器6及其内部颗粒吸收衰减，由闪烁探测器7 接受后发给计算机8。

第一光学高速摄影机3和第二光学高速摄影机4分别在准直器5两端对称正 交布置，其高度与X射线管2保持一致；第一光学高速摄影机3、第二光学高速 摄影机4和准直器5均布置在以气固反应器6为圆心，半径为R的圆上；第一光 学高速摄影机3、第二光学高速摄影机4和准直器5与气固反应器6的距离相等。

本发明还提供了联合测量气固系统颗粒运动参数的方法，该方法包括如下步 骤：

首先开启X射线发生器1，发出X射线对空反应器进行扫描，使计算机8记 录空反应器的信息，关闭X光射线发生器1，向气固反应器6内加装物料；

开启第一光学高速摄影机3和第二光学高速摄影机4，设定其摄片频率，向 气固反应器6内通入流化风，使物料充分流化混合后，再次开启X射线发生器1， 发出X射线对气固反应器6进行扫描；

计算机8通过闪烁探测器7检测到包含气固反应器6和物料的X射线，通过 分析获得气固反应器6内颗粒运动参数；

同时，第一光学高速摄影机3和第二光学高速摄影机4记录了颗粒运动时的 相互正交的画面，该画面信息传输至计算机8；计算机8根据所得画面的灰度完 成图像的分析处理，并重建出反应器内气固颗粒的三维立体图像。

参见图1-2，本实施例采用圆柱形气固反应器6，反应器尺寸为 Φ100×1500mm。待测物料为颗粒大小约100目的石英砂与圆柱形木条，其尺寸 为Φ4×10mm。

X射线发生器1和X射线管2设置于准直器之前，气固反应器6设置于准直 器与闪烁探测器之间，闪烁探测器与计算机相连。第一光学高速摄影机3和第一 光学高速摄影机4和分别在准直器5两端对称正交布置，其高度与X射线管2 保持一致。第一光学高速摄影机3和第一光学高速摄影机4和准直器5均布置在 以气固反应器6为圆心，半径为R的圆上，确保三者与气固反应器6的距离相等。 自X射线管2发出的X射线经过准直器5后变成相互平行且垂直于气固反应器6 径向的X射线。该X射线经过不透明的气固反应器6待测区域时被反应器内气、 固混合物衰减成为带有气体与颗粒混合信息的X射线。闪烁探测器7检测到X 射线经其内部的光电转换器将信号传输给计算机8，计算机8通过所得信息进行 分析后得出气固反应器6内颗粒的浓度分布。与此同时，两台光学高速摄影机3 和4在与气固反应器6中心的相同距离处拍摄得到同一时间且相互正交的画面， 该画面信息传输至计算机。计算机8根据所得光学高速摄影机成像信息完成图像 的分析处理，构建出反应器内气固颗粒的三维立体图像。根据所得三维立体图像 可分析得出颗粒的相关运动参数。

本发明还提供了一种X射线和光学高速摄影机成像联合测量气固系统颗粒 运动参数的方法，其过程详述如下：

将一根与反应器长度相近的直径小于10mm的直杆插入气固反应器6内，直 杆底部固定于反应器底部圆心处。在距离反应器62m处将X射线管2安装于一 个高度可调的支架上，其X射线发射方向正对反应器内直杆。然后将准直器5 安装于反应器6与X射线管2之间的距反应器1.5m处，并调整高度至与X射线 管2水平处。在反应器的另一端放置闪烁探测器7，并确保其与准直器5和X射 线管2处于同一条直线。闪烁探测器7与计算机8连接。接着，将第一光学高速 摄影机3和第一光学高速摄影机4分别对称正交布置于准直器5两端，高速摄影 机镜头正对反应器内的直杆且与其距离为1.5m，确保其准直器5均布置在以气 固反应器6为圆心，半径为1.5m的圆上。将光学高速摄影机与计算机8连接， 并以反应器内直杆座位参照物调整两台高速摄影机的焦距，使二者的焦距保持一 致。移除直杆，开启X射线发生器1，发出强度为I0的X射线对空反应器进行 扫描，使计算机记录空反应器的信息，即X光强度Ib=I0exp（-μbxb）。其中， μb和xb分别为反应器壁的线性吸收系数和厚度。关闭X光射线发生器1，向反 应器6内加装石英砂和圆柱形木条，其体积比为3:1。设定第一光学高速摄影机 3和第一光学高速摄影机4的摄片频率为800帧/秒，并使其处于开启状态。向 反应器内通入流化风，使待测物料充分流化。10分钟后，流化稳定，石英砂与 小木块充分混合。开启X射线发生器1，发出强度为I0的X射线对反应器进行 扫描。计算机8通过闪烁探测器7检测到流化时的X光，其强度为：I_f=I₀exp （-μ_bx_b-μ_p∫cxdx）。其中，μ_p为颗粒的线性吸收系数，c为颗粒沿x方向的浓 度分布。同时，第一光学高速摄影机3和第一光学高速摄影机4记录了从颗粒运 动时的相互正交的画面，该画面信息传输至计算机8。计算机8获得了包含空反 应器信息的X射线信号和同时包含了空空反应器及颗粒信息的X射线信号后，将 两者相除，得到仅包含颗粒信息的X射线光强分布：I_p=exp（-μ_p∫cxdx）。计 算机通过对该X射线光强分布信息进行进一步分析后可得到气固反应器待测区 域内颗粒浓度分布。同时计算机8还获得了同一时刻不同角度的反应器内颗粒运 行画面，计算机根据所得画面的灰度完成图像的分析处理，并重建出反应器内气 固颗粒的三维立体图像。对三维立体图像进行分析可获得颗粒的相关运动参数。