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圖像分析法與激光法測(cè)試霧化性能對(duì)比研究
液體霧化是—個(gè)典型的多相流與傳質(zhì)問(wèn)題。噴嘴在表面清理、除塵、機(jī)械產(chǎn)品涂裝、各類冷卻設(shè)備、防火、加濕、液體燃料霧化、脫硫塔內(nèi)煙氣脫硫等很多領(lǐng)域1一嘟有廣泛的應(yīng)用。準(zhǔn)確快速測(cè)試噴嘴霧化性能對(duì)優(yōu)化噴嘴結(jié)構(gòu)、減少霧化能耗具有重要意義。液滴平均粒徑及霧滴分布及霧化角是衡量噴嘴霧化特性的主要指標(biāo)。目前應(yīng)用較多的檢測(cè)方法有馬爾文激光粒度儀法、圖像分析法和機(jī)械檢測(cè)法。由于棚槭檢測(cè)法適用性差，測(cè)試誤差較大而應(yīng)用減少。主要對(duì)比研究激光測(cè)試法和圖像分析法。以螺旋噴嘴在水和石灰石漿液兩種工質(zhì)的霧化性能測(cè)試為例，運(yùn)用自主設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，得到了兩種方法在霧化性能分析中的適用性。
2圖像法與激光法測(cè)試霧化性能測(cè)試機(jī)理及影響因素
2．1圖像法測(cè)試機(jī)理及影響因素
圖像法屬于光學(xué)成像法，即采用高分辨率數(shù)碼相機(jī)對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝，再通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件對(duì)圖像進(jìn)行一定處理使之更便
于分析，后提取液滴相關(guān)信息進(jìn)行分析。可通過(guò)拍攝已知尺的物體進(jìn)行定標(biāo)121，通過(guò)像素?fù)Q算得到液滴尺寸。其分析準(zhǔn)確性的主要影響因素分析如下。
2．1．1圖片拍攝質(zhì)量
由于圖像法分析粒徑是通過(guò)拍攝已知尺寸的物體來(lái)定標(biāo)，確定像素和實(shí)際距離換算關(guān)系，為了獲得較大的圖片放大率，同時(shí)避免由于液滴與鏡頭距離不同導(dǎo)致視角不同而產(chǎn)生測(cè)量誤差，拍攝時(shí)應(yīng)使景深13蛟淺。因此需要采用長(zhǎng)焦距，大光圈，并拉近鏡頭與測(cè)量空間Iq的距離，同時(shí)避免發(fā)生失焦舊現(xiàn)象，保證圖像清晰度。而分析霧化角時(shí)則需要有能反映噴霧場(chǎng)整體的圖片，可采用廣角鏡頭，較小光圈，適當(dāng)增大鏡頭與噴霧場(chǎng)距離。焦距，光圈對(duì)景深的影響，如圖1所示。噴嘴在霧化過(guò)程中液滴處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此若要獲得清晰的液滴圖像需要減少曝光時(shí)間，設(shè)置盡量短的快t'-lo寸間，同時(shí)為了避免進(jìn)光量不足導(dǎo)致圖片亮度過(guò)低無(wú)法分析，可配合外接閃光燈進(jìn)行補(bǔ)光。采用深色背景能增強(qiáng)拍攝圖片中液滴0背景的對(duì)比度，便于提取分析。
2．1．2定標(biāo)
為了扶得較為準(zhǔn)確的測(cè)量空間內(nèi)像素與實(shí)際尺寸的換算關(guān)系，需要對(duì)參照物進(jìn)行對(duì)焦來(lái)定標(biāo)，同時(shí)確定測(cè)量空間。拍攝時(shí)應(yīng)使參照物正對(duì)鏡頭避免由丁．角度不|一J導(dǎo)致參照物在岡片中發(fā)生變形。
2．1．3圖像預(yù)處理
由于光照不均或焦距長(zhǎng)等兇素·1『能會(huì)使拍攝圖像出現(xiàn)亮度不均、部分液滴失焦等現(xiàn)象，可對(duì)圖片進(jìn)行色階調(diào)整、亮度調(diào)整、增強(qiáng)對(duì)比度、灰度拉伸f6等操作減少其對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，同時(shí)避免調(diào)整過(guò)大使圖片失真。
2．1．4提取液滴
能否準(zhǔn)確從圖片中提取出液滴顆粒進(jìn)行分析直接影響圖像法分析粒徑的準(zhǔn)確性。液滴提取和判讀中大的問(wèn)題是如何確定顆粒邊界，采用人丁方法提取并判讀顆粒T作量大，且存在一定主觀性。。而f通過(guò)對(duì)圖片設(shè)置閾值實(shí)現(xiàn)f{動(dòng)提取可減少人工處理工作量，提高檢測(cè)效葺夏，降低主觀性。自動(dòng)閾值分割性能的好壞主要取決于所采用的算法對(duì)噴霧圖像的適尉眭。在目前較常用的幾種闖值分割方法中171，通過(guò)多次試驗(yàn)，對(duì)比幾種方法分割效果，如圖2所示。終決定采用大熵法，并人I：去除部分虛化的點(diǎn)。其中(a)未進(jìn)行閾值分割圖片；(b)大熵法；(c)ISO數(shù)據(jù)法；(d)MOM法；(e)Ostu法；(f)i角閾值法。
2．2激光法測(cè)試機(jī)理及影響因素
激光粒度儀測(cè)試法是一種光學(xué)非成像法，該種儀器通過(guò)顆粒的衍射或散射光的空間分布(散射譜)來(lái)分析顆粒大小，依據(jù)弗朗和費(fèi)衍射原理，激光束照射被測(cè)粒子后發(fā)生散射，被散射的光信號(hào)被光電探測(cè)器接收并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理從而得到粒子尺寸分布信息。其基本—[作原理，如圖3所示。其分析主要受測(cè)量背景和樣品數(shù)據(jù)是否充分決定，主要影響因素如下。
2．2．1測(cè)試背景
背景的透光度，均勻程度和穩(wěn)定程度等都會(huì)對(duì)粒度儀測(cè)試精度產(chǎn)生影響。測(cè)試時(shí)要求樣品窗潔凈，分散介質(zhì)無(wú)雜質(zhì)，對(duì)光準(zhǔn)確，背景穩(wěn)定不隨時(shí)間變化，因此在測(cè)試前進(jìn)行背景測(cè)試十分重要，確保背景均勻穩(wěn)定。
2．2．2樣品數(shù)據(jù)充分
檢測(cè)過(guò)程要求有足夠的信噪比，避免多重散射作用和測(cè)量光束的偏轉(zhuǎn)。測(cè)量顆粒越大，散射光強(qiáng)越高，信噪比越高；當(dāng)樣品濃度過(guò)高時(shí)，可能發(fā)生多重散射現(xiàn)象閻，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)樣品顆粒中細(xì)顆粒的存在被夸大；當(dāng)背景不均勻穩(wěn)定時(shí)還可能發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)，錯(cuò)誤的檢測(cè)到一些大顆粒存在。
2．2．3顆粒形狀
由于粒度儀檢測(cè)的是顆粒的當(dāng)量球體直徑，因此當(dāng)顆粒形狀與球形相差越大時(shí)檢測(cè)結(jié)果和實(shí)際相差越大。因此不適用檢測(cè)噴嘴附近未充分霧化，形狀不規(guī)則的顆粒。
3實(shí)驗(yàn)研究
3．1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)是在自主搭建的實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行的，本系統(tǒng)由水箱，水泵，壓力表，調(diào)節(jié)閥，空氣壓縮機(jī)，噴嘴等組成，裝置如圖4所示。以水和不同濃度的石灰石漿液為工質(zhì)在常溫下進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，并用兩種方法進(jìn)行分析對(duì)比。實(shí)驗(yàn)室由水泵提供壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，壓力范圍為(O．1—0．6)MPa．
直徑、長(zhǎng)度平均直徑、體積平均直徑、索特平均直徑(SMD)等。使用索特平均直徑，其意義為與顆粒群的粒形相同，總體積相同、總表面積相同，且粒度均勻的一個(gè)假想顆粒群的粒度。亦即指與該顆粒群的粒形相同，比表面積相同的一個(gè)顆粒的粒度。其公式為：
3．3實(shí)驗(yàn)方案
3．3．1圖像法
實(shí)驗(yàn)采用高速數(shù)碼相機(jī)(佳能EOS 600D)，高解析度為5184x3456。拍攝用于粒徑分析的圖像時(shí)配合外接鏡頭(Sigma18—200mmF3．5_6．3 DC os)和外接閃光燈，采用黑色背景，快門速度可達(dá)1／4000s，拍攝用于分析粒徑和霧化角的圖片時(shí)采用不同參數(shù)。使用ImageJ軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析，進(jìn)而得到霧化效果。由于ImageJ是開(kāi)源的，用戶自定義java插件可以滿足各種圖像處理和分析要求，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展H拇。能對(duì)圖片進(jìn)行各種預(yù)處理，并帶有基于多種算法的閾值劃分插件，不需使用c++和Matlab等軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)算法應(yīng)用，簡(jiǎn)化汾西過(guò)程，其顆粒分析功能能自動(dòng)計(jì)算提取出粒子的feret直徑，圓度，周長(zhǎng)，粒徑分布等數(shù)據(jù)。分析霧化角時(shí)，采用廣角鏡頭，自然光源，在較遠(yuǎn)距離對(duì)噴霧場(chǎng)進(jìn)行拍攝，將獲得的圖片導(dǎo)人計(jì)算機(jī)通過(guò)ImageJ軟件直接測(cè)量其霧化角。
粒徑分析主要步驟如下：(1)定標(biāo)：以—個(gè)立方體為標(biāo)尺，將其置于噴霧場(chǎng)中液滴已充分霧化處，采用長(zhǎng)焦大光圈對(duì)其進(jìn)行對(duì)焦以確定測(cè)量空間，鏡頭與標(biāo)尺距離為60cm，之后固定相機(jī)參數(shù)。通過(guò)對(duì)比測(cè)量得到的立方體尺寸和在圖中所占的像素得到像素與實(shí)際尺寸換算關(guān)系。測(cè)量標(biāo)尺，如圖6所示。(2)圖像拍攝與預(yù)處理：按照定標(biāo)時(shí)的拍攝參數(shù)進(jìn)行拍攝，并對(duì)拍攝得到的噴霧圖片進(jìn)行截取，獲得利于分析的圖片。使用ImageJ軟件，參考文獻(xiàn)喂出的圖片預(yù)處理方法，對(duì)其進(jìn)行了亮度調(diào)整、增強(qiáng)對(duì)比度等預(yù)處理，使液滴和背景的區(qū)分度更大，處理結(jié)果，如圖7所示。(3)提取液滴：對(duì)圖片進(jìn)行二值化處理，轉(zhuǎn)化為8_bit圖像，進(jìn)行閾值設(shè)定，即按照灰度將液滴從背景中提取出來(lái)。后使用“顆粒分析”功能對(duì)提取出的液滴進(jìn)行分析。
3．3．2激光粒度儀法
實(shí)驗(yàn)所使用的激光粒度儀型號(hào)為Winner3 1 8A，由濟(jì)南某公司設(shè)計(jì)制造。Winner318A是針對(duì)霧滴粒度測(cè)定而專門設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的臺(tái)式噴霧激光粒度儀，采用信息光學(xué)原理，通過(guò)測(cè)量顆粒群的散射譜來(lái)分析其粒度分布。經(jīng)前期實(shí)驗(yàn)觀察，該粒度儀對(duì)實(shí)驗(yàn)各工況測(cè)量效果較好，其根據(jù)霧場(chǎng)濃度設(shè)計(jì)了多重散射自動(dòng)校正功能，以此保證了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可適應(yīng)不同濃度霧化區(qū)域的測(cè)量。由于粒度儀準(zhǔn)確性受顆粒形狀影響，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)IX．域?yàn)殪F化場(chǎng)中液滴已充分霧化的部分，并在檢測(cè)前進(jìn)行多次背景測(cè)試已確定背景均勻穩(wěn)定。
3．4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
使用液滴的大feret和小ferel直徑的平均值作為單個(gè)液滴直徑。以水為_(kāi)『：質(zhì)時(shí)，采用圖像法所獲得的分析結(jié)果與粒度儀分析結(jié)果均與文獻(xiàn)I“)|提出的經(jīng)驗(yàn)擬合公式基本一致，均能良好反應(yīng)粒徑隨壓力的變化關(guān)系。
以不同密度石灰石漿液做工質(zhì)時(shí)，采用大熵法自動(dòng)設(shè)置閾值所獲得的分割性能下降，不能準(zhǔn)確確定液滴邊界，結(jié)果使提取的液滴尺寸大于實(shí)際尺寸，且隨漿液密度增大閾值分割法準(zhǔn)確度降低，當(dāng)漿液密度為1090k∥m，時(shí)，已不能良好的反應(yīng)粒徑隨壓力變化關(guān)系。而粒度儀受T質(zhì)性質(zhì)影響較小。其分析結(jié)果顯示壓力相同時(shí)，在一定密度范同內(nèi)顆粒的平均直徑小。不同石灰石漿液濃度時(shí)兩種方法分析結(jié)果對(duì)比，如網(wǎng)9所示。激光粒度儀分析結(jié)果，如圖9(a)所示。圖像法分析結(jié)果，如圖9(b)所示。綜合兩種方法對(duì)不同_丁I質(zhì)在不同壓力下的分析結(jié)果顯示，對(duì)于粒徑分析，圖像法采用合理的相機(jī)參數(shù)能控制景深和測(cè)量空間，從而得到某一層面的粒子粒徑信息。但受拍攝條件因素的影響相對(duì)較大：當(dāng)檢測(cè)對(duì)象為水這類工質(zhì)時(shí)，由于液滴和背景的對(duì)比度較為明顯，采用大熵法對(duì)圖片進(jìn)行自動(dòng)閾值分割來(lái)提取、判讀液滴能較簡(jiǎn)單快速的獲得霧化粒徑，且滿足準(zhǔn)確性要求；但當(dāng)分析對(duì)象為石灰石漿液這類顏色較深且易污染背景的工質(zhì)時(shí)，由于拍攝背景條件差，液滴和背景對(duì)比度小，邊界較為模糊，若要獲得良好的液滴提取效果，不僅對(duì)拍攝設(shè)備和環(huán)境條件要求更高，而且還需對(duì)圖片進(jìn)行更進(jìn)一步的處理或采用更加復(fù)雜的算法，技術(shù)要求高且過(guò)程復(fù)雜，在T業(yè)應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。
通過(guò)分析圖片得到此種螺旋噴嘴霧化角較為穩(wěn)定，在實(shí)驗(yàn)壓力范圍內(nèi)霧化角變隨壓力增大而增大，但變化范圍較小。水試驗(yàn)壓力一霧化角關(guān)系曲線，如圖10所示。對(duì)比分析幾種不同工質(zhì)下霧化角，結(jié)果顯示密度在1 070k咖，范圍附近時(shí)霧化角小。圖為壓力在0．3MPa時(shí)霧化角對(duì)比。壓力為0．3MPa時(shí)噴霧角，如圖1 1所示。
4結(jié)論
針對(duì)圖像法分析霧化性能，提出了一種應(yīng)用imagej軟件對(duì)立對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理、液滴提取及顆粒分析的完整操作與處理方法，不僅可以測(cè)試霧化粒徑及其分布，而且還能獲得霧化角及粒徑形狀等反映噴霧場(chǎng)整體特f生的指標(biāo)，應(yīng)用不同拍攝設(shè)備并設(shè)定相應(yīng)參數(shù)可滿足不同的霧化性能指標(biāo)分析，但其對(duì)粒徑分析的準(zhǔn)確度受到工質(zhì)和測(cè)量環(huán)境的影響相對(duì)于激光粒度儀更大。采用激光粒度儀法分析霧化性能具有快速準(zhǔn)確，且抗干擾能力強(qiáng)、通用性好的優(yōu)點(diǎn)。但其只能檢測(cè)光路上的粒子信息，無(wú)法獲得噴霧場(chǎng)整體特性，且成本較高。若要獲得全面的霧化性能可綜合應(yīng)用兩種方法。綜合兩種方法對(duì)螺旋噴嘴分析結(jié)果表明，旋噴霧化嘴粒徑隨壓力升高而降低；對(duì)石灰石漿液進(jìn)行霧化時(shí)漿液密度為1050k∥m，時(shí)粒徑小。上述二種分析方法對(duì)水這類工質(zhì)進(jìn)行分析時(shí)結(jié)果一致，但對(duì)石灰石漿液進(jìn)行分析時(shí)，圖像法因受到測(cè)量環(huán)境及背景的影響，與激光粒度儀分析結(jié)果差別較大。
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