[发明专利]联合测量气固系统颗粒运动参数的装置及方法

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。CN101876663A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；