CN108444391B - 多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置及测量方法。该装置包括转速测量仪，电动机，透明搅拌釜，距离参照物，计算机和数码相机。测量方法为：向搅拌釜内加入固液相物料，将数码相机放置在搅拌釜前方进行拍摄，将电动机经转速测量仪和计算机连接；在固液相物料液面处粘贴距离参照物，调节搅拌转速至测量转速，待搅拌桨工作稳定后进行拍摄，获取搅拌釜的图像；对图像进行裁剪并获得RGB分量；对RGB分量值进行二值化处理，根据二值化处理结果随高度变化的数据，计算得到固相悬浮高度。本发明解决了依靠肉眼观察等方法带来的测量结果误差大、重复性差等问题。能用于不同粘度体系下沉积颗粒的悬浮高度以及轻浮颗粒的下拉高度测量。
Description
技术领域
本发明涉及固相悬浮高度的测量装置，尤其是涉及一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置及测量方法。
背景技术
搅拌操作广泛应用于污水处理、造纸、冶金等诸多化工过程，这些过程中通常存在固液多相介质。在特定搅拌转速下，固相富集区域与上层清液之间会形成一个分界层，从釜底到分界层的距离称为固相悬浮高度。在搅拌混合过程中，固相富集区域中的固相浓度基本一致，但在固液相分界层处，固相浓度将迅速下降，从而对液相混合性能及传质速率产生显著的影响。此外，当固相悬浮高度达到液面高度的90%左右时，搅拌釜内将达到完全离底悬浮状态，而完全离底悬浮状态对多相搅拌过程具有重要的意义。因此，固相悬浮高度随转速的变化具有重要的研究及工业价值。
对于固相悬浮高度的测量方法，目前通常采用肉眼观察法，但由于搅拌釜内的流动十分复杂，呈现出拟周期性三维非稳态湍流特性，使得固相悬浮高度处于波动状态，且不同位置的测量结果相差较大，从而带来测量结果误差大、重复性差等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置及测量方法，能够适应于不同粘度体系下沉积颗粒的悬浮高度以及轻浮颗粒的下拉高度测量。
本发明采用的技术方案是：
一、一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置
本发明包括转速测量仪，电动机，透明搅拌釜，距离参照物，计算机和数码相机；将数码相机放置在透明搅拌釜前方，透明搅拌釜内装有固液相物料，液面所在高度的透明搅拌釜外粘贴距离参照物，电动机一端的搅拌桨伸入至透明搅拌釜的固液相物料中，电动机另一端经转速测量仪和计算机连接。
所述距离参照物的颜色与固液相物料的颜色具有明显差异。
所述固液相物料中的固相物料的颜色与液相物料的颜色也具有明显差异。
二、一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量方法，包括以下步骤：
步骤1)向透明搅拌釜内加入固液相物料，将数码相机放置在透明搅拌釜前方，调整数码相机设置及其放置的距离，使其能清晰地对透明搅拌釜进行拍摄，电动机经转速测量仪和计算机连接；
步骤2)液面所在高度的透明搅拌釜外粘贴距离参照物，调节搅拌转速至测量转速，待搅拌桨工作稳定后打开数码相机进行拍摄，获取透明搅拌釜的图像；
步骤3)对图像进行裁剪并获得裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量；
步骤4)对裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量值进行二值化处理，根据二值化处理结果随高度变化的数据，计算得到固相悬浮高度。
所述步骤3)中对图像进行裁剪并获得裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量，包括以下步骤：
步骤3-1)对图像进行裁剪，保留距离参照物及固液相所在区域；
步骤3-2)获取裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量的像素矩阵。
所述步骤4)中对裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量值进行二值化处理，根据二值化处理结果随高度变化的数据，计算得到固相悬浮高度，包括以下步骤：
步骤4-1)选取任意一列像素作为研究对象，获取该列所有像素的红色、绿色或蓝色分量值及其对应的像素矩阵行数值；
步骤4-2)计算该列所有像素的红色、绿色或蓝色分量值的检测阀值并对其进行二值化处理，绘制以该列像素的行数值为横坐标，二值化处理后的数值为纵坐标的曲线；
步骤4-3)根据曲线中像素的红色、绿色或蓝色分量值的突变判断出距离参照物区域，上层清液区域及固相富集区域；
分别获取距离参照物及上层清液区域对应像素的行数值范围，并计算相应区域内像素占据的行数；
步骤4-4)利用下列公式，计算固相悬浮高度Hc，
Hc=H-Rcl/Rre*Hre
式中：H为透明搅拌釜内液面高度，Rcl为上层清液区域内像素占据的行数，Rre为距离参照物区域内像素占据的行数，Hre为距离参照物的高度值，Hc，H及Hre的单位需保持一致；
重复上述4-1)～步骤4-4)，获取不同列位置的固相悬浮高度，并取平均值作为最终的透明搅拌釜中固相悬浮高度。
本发明具有的有益效果是：
本发明为工业生产和实验研究提供了可靠的多相透明搅拌釜固相悬浮高度的测量方法，解决了目前依靠肉眼观察等方法带来的测量结果误差大、重复性差等问题。它具有较好的适应性，能够适用于不同粘度体系下沉积颗粒的悬浮高度以及轻浮颗粒的下拉高度测量；本发明具有较好的实用价值。
附图说明
图1是本发明测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例获得的各曲线的示意图。
图中：1、转速测量仪，2、电动机，3、透明搅拌釜，4、距离参照物，5、计算机，6、数码相机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括转速测量仪1，电动机2，透明搅拌釜3，距离参照物4，计算机5和数码相机6；将数码相机6放置在透明搅拌釜3前方，透明搅拌釜3内装有固液相物料，液面所在高度的透明搅拌釜3外粘贴距离参照物4，电动机2一端的搅拌桨伸入至透明搅拌釜3的固液相物料中，电动机2另一端经转速测量仪1和计算机5连接。
所述距离参照物4的颜色与固液相物料的颜色具有明显差异。
所述固液相物料中的固相物料的颜色与液相物料的颜色也具有明显差异。
本发明的实施例：
本实施例采用的工况如下：液相总质量37.5kg，总体积37.5L，固相总质量4kg，总体积1.6L，搅拌釜内液面高度380mm。
向透明搅拌釜3内加入固液相物料，待液面稳定后，在液面所在高度的透明搅拌釜3外粘贴距离参照物4。本实施例中固液相分别为石英砂和水，粘贴高度为10mm的红色胶带作为距离参照物4。
调节搅拌转速至测量转速，待搅拌桨工作稳定后打开数码相机6进行拍摄，获取透明搅拌釜3的图像。
对图像进行裁剪，保留距离参照物及固液相所在区域。
获取裁剪后图像的红色、绿色或蓝色(RGB)分量的像素矩阵。
选取任意一列像素作为研究对象，获取该列所有像素的红色、绿色或蓝色(RGB)分量值及其对应的像素矩阵行数值。本实施例中裁剪后图像像素为588*625的矩阵，以选取第520列像素作为研究对象进行说明。
计算该列所有像素的红色、绿色或蓝色(RGB)分量值的检测阀值并对其进行二值化处理，绘制以该列像素的行数值为横坐标，二值化处理后的数值为纵坐标的曲线。本实施例中采用R(红)值进行分析，采用最大类间方差法计算该列像素的检测阀值，其值为107，将R(红)值大于107的作为255，小于等于107的作为0，二值化处理前后该列所有像素的R(红)值随像素矩阵行数值的变化，如图2所示。
根据二值化曲线中像素的红色、绿色或蓝色(RGB)分量值的突变判断出距离参照物区域，上层清液区域及固相富集区域。本实施例中1~24行为图像边缘区域内像素占据的行数值范围，25~51行为距离参照物区域内像素占据的行数值范围，52~245行为上层清液区域内像素占据的行数值范围，245~588行为固相富集区域内像素占据的行数值范围，距离参照物区域及上层清液区域内像素占据的行数分别为27和194。
利用公式计算固相悬浮高度Hc，公式为Hc=H-Rcl/Rre*Hre，式中：H为搅拌釜内液面高度，Rcl为上层清液区域内像素占据的行数，Rre为距离参照物区域内像素占据的行数，Hre为距离参照物的高度值。本实施例中H为380mm，Rcl为194，Rre为27，Hre为10mm，经计算该位置处固相悬浮高度Hc为308mm。
重复上述步骤，获取不同位置的固相悬浮高度，并取平均值作为最终的搅拌釜中固相悬浮高度。本实施例中共获得10个位置的固相悬浮高度，分别为：293mm、305mm、306mm、309mm、242mm、284mm、294mm、298mm、308mm、296mm，取平均值294mm作为最终的搅拌釜中固相悬浮高度。
以上步骤的论证过程如下：
在RGB色彩模式中，各种颜色可以通过红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)三个颜色分量的变化以及它们相互之间的叠加来得到。由于距离参照物、上层清液区域及固相富集区域之间存在颜色的突然变化，通过获取研究区域的红色、绿色或蓝色(RGB)分量的像素矩阵，并根据像素的红色、绿色或蓝色(RGB)分量值随高度即像素矩阵的行数值变化的突变，可以判断出拍摄图像中距离参照物，上层清液区域及固相富集区域。已知距离参照物高度为Hre，该区域内像素占据的行数为Rre，上层清液区域内像素占据的行数为Rcl，则上层清液区域的高度为Rcl/Rre*Hre。考虑到搅拌釜釜底形状的多样性，而液面为水平面，因此采用液面高度减去上层清液区域高度的方法获得固相悬浮高度，固相悬浮高度Hc为H-Rcl/Rre*Hre。
此外，该方法根据红色、绿色或蓝色(RGB)分量值在不同高度变化的数据来对固相悬浮高度进行测量，而与液相的粘度、固相的形状及密度等性质无关。所以，该方法能够适应于不同的粘度体系下沉积颗粒的悬浮高度以及轻浮颗粒的下拉高度测量。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置的测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：
步骤1)向透明搅拌釜内加入固液相物料，将数码相机放置在透明搅拌釜前方，调整数码相机设置及其放置的距离，使其能清晰地对透明搅拌釜进行拍摄，电动机经转速测量仪和计算机连接；
步骤2)液面所在高度的透明搅拌釜外粘贴距离参照物，调节搅拌转速至测量转速，待搅拌桨工作稳定后打开数码相机进行拍摄，获取透明搅拌釜的图像；
步骤3)对图像进行裁剪并获得裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量；
步骤4)对裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量值进行二值化处理，根据二值化处理结果随高度变化的数据，计算得到固相悬浮高度；
所述步骤4)中对裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量值进行二值化处理，根据二值化处理结果随高度变化的数据，计算得到固相悬浮高度，包括以下步骤：
步骤1)选取任意一列像素作为研究对象，获取该列所有像素的红色、绿色或蓝色分量值及其对应的像素矩阵行数值；
步骤2)计算该列所有像素的红色、绿色或蓝色分量值的检测阀值并对其进行二值化处理，绘制以该列像素的行数值为横坐标，二值化处理后的数值为纵坐标的曲线；
步骤3)根据曲线中像素的红色、绿色或蓝色分量值的突变判断出距离参照物区域，上层清液区域及固相富集区域；
分别获取距离参照物及上层清液区域对应像素的行数值范围，并计算相应区域内像素占据的行数；
步骤4)利用下列公式，计算固相悬浮高度Hc，
Hc＝H-Rcl/Rre*Hre
式中：H为透明搅拌釜内液面高度，Rcl为上层清液区域内像素占据的行数，Rre为距离参照物区域内像素占据的行数，Hre为距离参照物的高度值，Hc，H及Hre的单位需保持一致；重复上述步骤，获取不同列位置的固相悬浮高度，并取平均值作为最终的透明搅拌釜中固相悬浮高度。
2.根据权利要求1所述的一种多相透明搅拌釜中固相悬浮高度的测量装置的测量方法，其特征在于：所述步骤3)中对图像进行裁剪并获得裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量，包括以下步骤：
步骤1)对图像进行裁剪，保留距离参照物及固液相所在区域；
步骤2)获取裁剪后图像的红色、绿色或蓝色分量的像素矩阵。
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