图像分析法与激光法测试雾化性能对比研究

液体雾化是—个典型的多相流与传质问题。喷嘴在表面清理、除尘、机械产品涂装、各类冷却设备、防火、加湿、液体燃料雾化、脱硫塔内烟气脱硫等很多领域1一嘟有广泛的应用。准确快速测试喷嘴雾化性能对优化喷嘴结构、减少雾化能耗具有重要意义。液滴平均粒径及雾滴分布及雾化角是衡量喷嘴雾化特性的主要指标。目前应用较多的检测方法有马尔文激光粒度仪法、图像分析法和机械检测法。由于棚槭检测法适用性差，测试误差较大而应用减少。主要对比研究激光测试法和图像分析法。以螺旋喷嘴在水和石灰石浆液两种工质的雾化性能测试为例，运用自主设计的试验台架进行对比试验，得到了两种方法在雾化性能分析中的适用性。

2图像法与激光法测试雾化性能测试机理及影响因素

2．1图像法测试机理及影响因素

图像法属于光学成像法，即采用高分辨率数码相机对喷雾场进行拍摄，再通过计算机软件对图像进行一定处理使之更便

于分析，后提取液滴相关信息进行分析。可通过拍摄已知尺的物体进行定标121，通过像素换算得到液滴尺寸。其分析准确性的主要影响因素分析如下。

2．1．1图片拍摄质量

由于图像法分析粒径是通过拍摄已知尺寸的物体来定标，确定像素和实际距离换算关系，为了获得较大的图片放大率，同时避免由于液滴与镜头距离不同导致视角不同而产生测量误差，拍摄时应使景深13蛟浅。因此需要采用长焦距，大光圈，并拉近镜头与测量空间Iq的距离，同时避免发生失焦旧现象，保证图像清晰度。而分析雾化角时则需要有能反映喷雾场整体的图片，可采用广角镜头，较小光圈，适当增大镜头与喷雾场距离。焦距，光圈对景深的影响，如图1所示。喷嘴在雾化过程中液滴处于高速运动状态，因此若要获得清晰的液滴图像需要减少曝光时间，设置尽量短的快t'-lo寸间，同时为了避免进光量不足导致图片亮度过低无法分析，可配合外接闪光灯进行补光。采用深色背景能增强拍摄图片中液滴0背景的对比度，便于提取分析。

2．1．2定标

为了扶得较为准确的测量空间内像素与实际尺寸的换算关系，需要对参照物进行对焦来定标，同时确定测量空间。拍摄时应使参照物正对镜头避免由丁．角度不|一J导致参照物在冈片中发生变形。

2．1．3图像预处理

由于光照不均或焦距长等凶素·1『能会使拍摄图像出现亮度不均、部分液滴失焦等现象，可对图片进行色阶调整、亮度调整、增强对比度、灰度拉伸f6等操作减少其对检测结果的影响，同时避免调整过大使图片失真。

2．1．4提取液滴

能否准确从图片中提取出液滴颗粒进行分析直接影响图像法分析粒径的准确性。液滴提取和判读中大的问题是如何确定颗粒边界，采用人丁方法提取并判读颗粒T作量大，且存在一定主观性。。而f通过对图片设置阈值实现f{动提取可减少人工处理工作量，提高检测效葺夏，降低主观性。自动阈值分割性能的好坏主要取决于所采用的算法对喷雾图像的适尉眭。在目前较常用的几种闯值分割方法中171，通过多次试验，对比几种方法分割效果，如图2所示。终决定采用大熵法，并人I：去除部分虚化的点。其中(a)未进行阈值分割图片；(b)大熵法；(c)ISO数据法；(d)MOM法；(e)Ostu法；(f)i角阈值法。

2．2激光法测试机理及影响因素

激光粒度仪测试法是一种光学非成像法，该种仪器通过颗粒的衍射或散射光的空间分布(散射谱)来分析颗粒大小，依据弗朗和费衍射原理，激光束照射被测粒子后发生散射，被散射的光信号被光电探测器接收并通过计算机进行处理从而得到粒子尺寸分布信息。其基本—[作原理，如图3所示。其分析主要受测量背景和样品数据是否充分决定，主要影响因素如下。

2．2．1测试背景

背景的透光度，均匀程度和稳定程度等都会对粒度仪测试精度产生影响。测试时要求样品窗洁净，分散介质无杂质，对光准确，背景稳定不随时间变化，因此在测试前进行背景测试十分重要，确保背景均匀稳定。

2．2．2样品数据充分

检测过程要求有足够的信噪比，避免多重散射作用和测量光束的偏转。测量颗粒越大，散射光强越高，信噪比越高；当样品浓度过高时，可能发生多重散射现象阎，会导致检测样品颗粒中细颗粒的存在被夸大；当背景不均匀稳定时还可能发生光束偏转，错误的检测到一些大颗粒存在。

2．2．3颗粒形状

由于粒度仪检测的是颗粒的当量球体直径，因此当颗粒形状与球形相差越大时检测结果和实际相差越大。因此不适用检测喷嘴附近未充分雾化，形状不规则的颗粒。

3实验研究

3．1实验装置

实验是在自主搭建的实验台架上进行的，本系统由水箱，水泵，压力表，调节阀，空气压缩机，喷嘴等组成，装置如图4所示。以水和不同浓度的石灰石浆液为工质在常温下进行了大量实验，并用两种方法进行分析对比。实验室由水泵提供压力，通过调节阀进行调节，压力范围为(O．1—0．6)MPa．

直径、长度平均直径、体积平均直径、索特平均直径(SMD)等。使用索特平均直径，其意义为与颗粒群的粒形相同，总体积相同、总表面积相同，且粒度均匀的一个假想颗粒群的粒度。亦即指与该颗粒群的粒形相同，比表面积相同的一个颗粒的粒度。其公式为：

3．3实验方案

3．3．1图像法

实验采用高速数码相机(佳能EOS 600D)，高解析度为5184x3456。拍摄用于粒径分析的图像时配合外接镜头(Sigma18—200mmF3．5_6．3 DC os)和外接闪光灯，采用黑色背景，快门速度可达1／4000s，拍摄用于分析粒径和雾化角的图片时采用不同参数。使用ImageJ软件对图像进行处理、分析，进而得到雾化效果。由于ImageJ是开源的，用户自定义java插件可以满足各种图像处理和分析要求，具有较强的扩展H拇。能对图片进行各种预处理，并带有基于多种算法的阈值划分插件，不需使用c++和Matlab等软件来实现算法应用，简化汾西过程，其颗粒分析功能能自动计算提取出粒子的feret直径，圆度，周长，粒径分布等数据。分析雾化角时，采用广角镜头，自然光源，在较远距离对喷雾场进行拍摄，将获得的图片导人计算机通过ImageJ软件直接测量其雾化角。

粒径分析主要步骤如下：(1)定标：以—个立方体为标尺，将其置于喷雾场中液滴已充分雾化处，采用长焦大光圈对其进行对焦以确定测量空间，镜头与标尺距离为60cm，之后固定相机参数。通过对比测量得到的立方体尺寸和在图中所占的像素得到像素与实际尺寸换算关系。测量标尺，如图6所示。(2)图像拍摄与预处理：按照定标时的拍摄参数进行拍摄，并对拍摄得到的喷雾图片进行截取，获得利于分析的图片。使用ImageJ软件，参考文献喂出的图片预处理方法，对其进行了亮度调整、增强对比度等预处理，使液滴和背景的区分度更大，处理结果，如图7所示。(3)提取液滴：对图片进行二值化处理，转化为8_bit图像，进行阈值设定，即按照灰度将液滴从背景中提取出来。后使用“颗粒分析”功能对提取出的液滴进行分析。

3．3．2激光粒度仪法

实验所使用的激光粒度仪型号为Winner3 1 8A，由济南某公司设计制造。Winner318A是针对雾滴粒度测定而专门设计开发的台式喷雾激光粒度仪，采用信息光学原理，通过测量颗粒群的散射谱来分析其粒度分布。经前期实验观察，该粒度仪对实验各工况测量效果较好，其根据雾场浓度设计了多重散射自动校正功能，以此保证了测试结果的准确性和重复性，可适应不同浓度雾化区域的测量。由于粒度仪准确性受颗粒形状影响，实验检测IX．域为雾化场中液滴已充分雾化的部分，并在检测前进行多次背景测试已确定背景均匀稳定。

3．4实验结果及其分析

使用液滴的大feret和小ferel直径的平均值作为单个液滴直径。以水为_『：质时，采用图像法所获得的分析结果与粒度仪分析结果均与文献I“)|提出的经验拟合公式基本一致，均能良好反应粒径随压力的变化关系。

以不同密度石灰石浆液做工质时，采用大熵法自动设置阈值所获得的分割性能下降，不能准确确定液滴边界，结果使提取的液滴尺寸大于实际尺寸，且随浆液密度增大阈值分割法准确度降低，当浆液密度为1090k∥m，时，已不能良好的反应粒径随压力变化关系。而粒度仪受T质性质影响较小。其分析结果显示压力相同时，在一定密度范同内颗粒的平均直径小。不同石灰石浆液浓度时两种方法分析结果对比，如网9所示。激光粒度仪分析结果，如图9(a)所示。图像法分析结果，如图9(b)所示。综合两种方法对不同_丁I质在不同压力下的分析结果显示，对于粒径分析，图像法采用合理的相机参数能控制景深和测量空间，从而得到某一层面的粒子粒径信息。但受拍摄条件因素的影响相对较大：当检测对象为水这类工质时，由于液滴和背景的对比度较为明显，采用大熵法对图片进行自动阈值分割来提取、判读液滴能较简单快速的获得雾化粒径，且满足准确性要求；但当分析对象为石灰石浆液这类颜色较深且易污染背景的工质时，由于拍摄背景条件差，液滴和背景对比度小，边界较为模糊，若要获得良好的液滴提取效果，不仅对拍摄设备和环境条件要求更高，而且还需对图片进行更进一步的处理或采用更加复杂的算法，技术要求高且过程复杂，在T业应用中难以实现。

通过分析图片得到此种螺旋喷嘴雾化角较为稳定，在实验压力范围内雾化角变随压力增大而增大，但变化范围较小。水试验压力一雾化角关系曲线，如图10所示。对比分析几种不同工质下雾化角，结果显示密度在1 070k咖，范围附近时雾化角小。图为压力在0．3MPa时雾化角对比。压力为0．3MPa时喷雾角，如图1 1所示。

4结论

针对图像法分析雾化性能，提出了一种应用imagej软件对立对图片进行预处理、液滴提取及颗粒分析的完整操作与处理方法，不仅可以测试雾化粒径及其分布，而且还能获得雾化角及粒径形状等反映喷雾场整体特f生的指标，应用不同拍摄设备并设定相应参数可满足不同的雾化性能指标分析，但其对粒径分析的准确度受到工质和测量环境的影响相对于激光粒度仪更大。采用激光粒度仪法分析雾化性能具有快速准确，且抗干扰能力强、通用性好的优点。但其只能检测光路上的粒子信息，无法获得喷雾场整体特性，且成本较高。若要获得全面的雾化性能可综合应用两种方法。综合两种方法对螺旋喷嘴分析结果表明，旋喷雾化嘴粒径随压力升高而降低；对石灰石浆液进行雾化时浆液密度为1050k∥m，时粒径小。上述二种分析方法对水这类工质进行分析时结果一致，但对石灰石浆液进行分析时，图像法因受到测量环境及背景的影响，与激光粒度仪分析结果差别较大。

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