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圖像分析法與激光法測試霧化性能對比研究
液體霧化是—個典型的多相流與傳質(zhì)問題。噴嘴在表面清理、除塵、機械產(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)確快速測試噴嘴霧化性能對優(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)用較多的檢測方法有馬爾文激光粒度儀法、圖像分析法和機械檢測法。由于棚槭檢測法適用性差，測試誤差較大而應(yīng)用減少。主要對比研究激光測試法和圖像分析法。以螺旋噴嘴在水和石灰石漿液兩種工質(zhì)的霧化性能測試為例，運用自主設(shè)計的試驗臺架進行對比試驗，得到了兩種方法在霧化性能分析中的適用性。
2圖像法與激光法測試霧化性能測試機理及影響因素
2．1圖像法測試機理及影響因素
圖像法屬于光學(xué)成像法，即采用高分辨率數(shù)碼相機對噴霧場進行拍攝，再通過計算機軟件對圖像進行一定處理使之更便
于分析，后提取液滴相關(guān)信息進行分析?？赏ㄟ^拍攝已知尺的物體進行定標(biāo)121，通過像素換算得到液滴尺寸。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拍攝已知尺寸的物體來定標(biāo)，確定像素和實際距離換算關(guān)系，為了獲得較大的圖片放大率，同時避免由于液滴與鏡頭距離不同導(dǎo)致視角不同而產(chǎn)生測量誤差，拍攝時應(yīng)使景深13蛟淺。因此需要采用長焦距，大光圈，并拉近鏡頭與測量空間Iq的距離，同時避免發(fā)生失焦舊現(xiàn)象，保證圖像清晰度。而分析霧化角時則需要有能反映噴霧場整體的圖片，可采用廣角鏡頭，較小光圈，適當(dāng)增大鏡頭與噴霧場距離。焦距，光圈對景深的影響，如圖1所示。噴嘴在霧化過程中液滴處于高速運動狀態(tài)，因此若要獲得清晰的液滴圖像需要減少曝光時間，設(shè)置盡量短的快t'-lo寸間，同時為了避免進光量不足導(dǎo)致圖片亮度過低無法分析，可配合外接閃光燈進行補光。采用深色背景能增強拍攝圖片中液滴0背景的對比度，便于提取分析。
2．1．2定標(biāo)
為了扶得較為準(zhǔn)確的測量空間內(nèi)像素與實際尺寸的換算關(guān)系，需要對參照物進行對焦來定標(biāo)，同時確定測量空間。拍攝時應(yīng)使參照物正對鏡頭避免由?。嵌炔粅一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等兇素·1『能會使拍攝圖像出現(xiàn)亮度不均、部分液滴失焦等現(xiàn)象，可對圖片進行色階調(diào)整、亮度調(diào)整、增強對比度、灰度拉伸f6等操作減少其對檢測結(jié)果的影響，同時避免調(diào)整過大使圖片失真。
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通過對圖片設(shè)置閾值實現(xiàn)f{動提取可減少人工處理工作量，提高檢測效葺夏，降低主觀性。自動閾值分割性能的好壞主要取決于所采用的算法對噴霧圖像的適尉眭。在目前較常用的幾種闖值分割方法中171，通過多次試驗，對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。其中(a)未進行閾值分割圖片；(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激光法測試機理及影響因素
激光粒度儀測試法是一種光學(xué)非成像法，該種儀器通過顆粒的衍射或散射光的空間分布(散射譜)來分析顆粒大小，依據(jù)弗朗和費衍射原理，激光束照射被測粒子后發(fā)生散射，被散射的光信號被光電探測器接收并通過計算機進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測試背景
背景的透光度，均勻程度和穩(wěn)定程度等都會對粒度儀測試精度產(chǎn)生影響。測試時要求樣品窗潔凈，分散介質(zhì)無雜質(zhì)，對光準(zhǔn)確，背景穩(wěn)定不隨時間變化，因此在測試前進行背景測試十分重要，確保背景均勻穩(wěn)定。
2．2．2樣品數(shù)據(jù)充分
檢測過程要求有足夠的信噪比，避免多重散射作用和測量光束的偏轉(zhuǎn)。測量顆粒越大，散射光強越高，信噪比越高；當(dāng)樣品濃度過高時，可能發(fā)生多重散射現(xiàn)象閻，會導(dǎo)致檢測樣品顆粒中細顆粒的存在被夸大；當(dāng)背景不均勻穩(wěn)定時還可能發(fā)生光束偏轉(zhuǎn)，錯誤的檢測到一些大顆粒存在。
2．2．3顆粒形狀
由于粒度儀檢測的是顆粒的當(dāng)量球體直徑，因此當(dāng)顆粒形狀與球形相差越大時檢測結(jié)果和實際相差越大。因此不適用檢測噴嘴附近未充分霧化，形狀不規(guī)則的顆粒。
3實驗研究
3．1實驗裝置
實驗是在自主搭建的實驗臺架上進行的，本系統(tǒng)由水箱，水泵，壓力表，調(diào)節(jié)閥，空氣壓縮機，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)在常溫下進行了大量實驗，并用兩種方法進行分析對比。實驗室由水泵提供壓力，通過調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)，壓力范圍為(O．1—0．6)MPa．
直徑、長度平均直徑、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顆粒的粒度。其公式為：
3．3實驗方案
3．3．1圖像法
實驗采用高速數(shù)碼相機(佳能EOS 600D)，高解析度為5184x3456。拍攝用于粒徑分析的圖像時配合外接鏡頭(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1／4000s，拍攝用于分析粒徑和霧化角的圖片時采用不同參數(shù)。使用ImageJ軟件對圖像進行處理、分析，進而得到霧化效果。由于ImageJ是開源的，用戶自定義java插件可以滿足各種圖像處理和分析要求，具有較強的擴展H拇。能對圖片進行各種預(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等軟件來實現(xiàn)算法應(yīng)用，簡化汾西過程，其顆粒分析功能能自動計算提取出粒子的feret直徑，圓度，周長，粒徑分布等數(shù)據(jù)。分析霧化角時，采用廣角鏡頭，自然光源，在較遠距離對噴霧場進行拍攝，將獲得的圖片導(dǎo)人計算機通過ImageJ軟件直接測量其霧化角。
粒徑分析主要步驟如下：(1)定標(biāo)：以—個立方體為標(biāo)尺，將其置于噴霧場中液滴已充分霧化處，采用長焦大光圈對其進行對焦以確定測量空間，鏡頭與標(biāo)尺距離為60cm，之后固定相機參數(shù)。通過對比測量得到的立方體尺寸和在圖中所占的像素得到像素與實際尺寸換算關(guān)系。測量標(biāo)尺，如圖6所示。(2)圖像拍攝與預(yù)處理：按照定標(biāo)時的拍攝參數(shù)進行拍攝，并對拍攝得到的噴霧圖片進行截取，獲得利于分析的圖片。使用ImageJ軟件，參考文獻喂出的圖片預(yù)處理方法，對其進行了亮度調(diào)整、增強對比度等預(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：對圖片進行二值化處理，轉(zhuǎn)化為8_bit圖像，進行閾值設(shè)定，即按照灰度將液滴從背景中提取出來。后使用“顆粒分析”功能對提取出的液滴進行分析。
3．3．2激光粒度儀法
實驗所使用的激光粒度儀型號為Winner3 1 8A，由濟南某公司設(shè)計制造。Winner318A是針對霧滴粒度測定而專門設(shè)計開發(fā)的臺式噴霧激光粒度儀，采用信息光學(xué)原理，通過測量顆粒群的散射譜來分析其粒度分布。經(jīng)前期實驗觀察，該粒度儀對實驗各工況測量效果較好，其根據(jù)霧場濃度設(shè)計了多重散射自動校正功能，以此保證了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可適應(yīng)不同濃度霧化區(qū)域的測量。由于粒度儀準(zhǔn)確性受顆粒形狀影響，實驗檢測IX．域為霧化場中液滴已充分霧化的部分，并在檢測前進行多次背景測試已確定背景均勻穩(wěn)定。
3．4實驗結(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液滴直徑。以水為_『：質(zhì)時，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I“)|提出的經(jīng)驗擬合公式基本一致，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，采用大熵法自動設(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，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，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兩種方法分析結(jié)果對比，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。綜合兩種方法對不同_丁I質(zhì)在不同壓力下的分析結(jié)果顯示，對于粒徑分析，圖像法采用合理的相機參數(shù)能控制景深和測量空間，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較大：當(dāng)檢測對象為水這類工質(zhì)時，由于液滴和背景的對比度較為明顯，采用大熵法對圖片進行自動閾值分割來提取、判讀液滴能較簡單快速的獲得霧化粒徑，且滿足準(zhǔn)確性要求；但當(dāng)分析對象為石灰石漿液這類顏色較深且易污染背景的工質(zhì)時，由于拍攝背景條件差，液滴和背景對比度小，邊界較為模糊，若要獲得良好的液滴提取效果，不僅對拍攝設(shè)備和環(huán)境條件要求更高，而且還需對圖片進行更進一步的處理或采用更加復(fù)雜的算法，技術(shù)要求高且過程復(fù)雜，在T業(yè)應(yīng)用中難以實現(xiàn)。
通過分析圖片得到此種螺旋噴嘴霧化角較為穩(wěn)定，在實驗壓力范圍內(nèi)霧化角變隨壓力增大而增大，但變化范圍較小。水試驗壓力一霧化角關(guān)系曲線，如圖10所示。對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，范圍附近時霧化角小。圖為壓力在0．3MPa時霧化角對比。壓力為0．3MPa時噴霧角，如圖1 1所示。
4結(jié)論
針對圖像法分析霧化性能，提出了一種應(yīng)用imagej軟件對立對圖片進行預(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，但其對粒徑分析的準(zhǔn)確度受到工質(zhì)和測量環(huán)境的影響相對于激光粒度儀更大。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、通用性好的優(yōu)點。但其只能檢測光路上的粒子信息，無法獲得噴霧場整體特性，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；對石灰石漿液進行霧化時漿液密度為1050k∥m，時粒徑小。上述二種分析方法對水這類工質(zhì)進行分析時結(jié)果一致，但對石灰石漿液進行分析時，圖像法因受到測量環(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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