光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，該裝置包括圖像采集部分、圖像處理部分和防塵裝置；圖像采集部分包括組合式拍攝單元(1)、傳輸光纖束(3)、金屬套管(4)、內(nèi)窺鏡目鏡(6)、耦合部件(7)和高速相機(8)，傳輸光纖束(3)布置于中空結構的金屬套管(4)內(nèi)，分別連接組合式拍攝單元(1)和內(nèi)窺鏡目鏡(6)，內(nèi)窺鏡目鏡(6)通過耦合部件(7)與高速相機(8)連接；圖像處理部分，包括光纜(9)、采集卡(10)和計算機(11)本發(fā)明將高速攝像技術、光纖內(nèi)窺技術、顯微技術和圖像處理技術集合于一體，能夠對燃煤電廠固定污染源煙氣中超低濃度細微顆粒的濃度進行在線測量。
【專利說明】
光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種含塵煙氣的濃度測量裝置，尤其是一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，屬于多相流測量領域。
【背景技術】
[0002]近年來，全國多地被霧霾籠罩，二氧化硫、氫氧化物和揮發(fā)性有機物等細顆粒PM2.5排放量大幅度的增加，作為PM2.5主要排放源之一的燃煤電廠，了解其排放特性，并對其超低濃度排放煙氣中細顆粒物的濃度進行檢測和控制，從源頭對霧霾進行有效控制是必要的。然而，傳統(tǒng)基于光電散射式或透射式的煙塵在線測量設備用于燃煤電廠超低排放煙塵濃度在線監(jiān)測過程中，其精度或穩(wěn)定性往往受到被測顆粒物大小、粒徑分布、煙氣濕度等因素的影響較大，尤其是當前燃煤電廠在“超低排放”條件下，普遍加裝了濕法脫硫裝置，煙氣中含有大量的液滴，這都使得傳統(tǒng)煙塵在測量裝置由于測量精度及穩(wěn)定性都不能滿足當前環(huán)保部門關于超抵排放煙塵監(jiān)測的要求。
[0003]經(jīng)過多年的積累，目前對于多相流流場中顆粒濃度分布的測量技術和手段已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，已在傳統(tǒng)測量手段的基礎上開發(fā)了很多基于新技術和新型傳感器的測量技術，以及借助于計算機技術和信號采集技術的軟測量方法，主要有粒子圖像處理技術、高速攝像技術、光纖技術、電容層析成像技術等。本發(fā)明在上述的技術背景下，結合高速攝像技術、光纖內(nèi)窺技術、顯微技術和圖像處理技術，提供了一種燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，同時基于“蘭金半體繞流”理論建立了防塵裝置，能夠實現(xiàn)在不干擾流場的情況下對含塵煙氣中超低濃度細微顆粒的濃度進行測量，其經(jīng)裝置中顯微放大鏡(100倍)和內(nèi)窺鏡的兩次放大后，能夠對流場中最小粒徑在Iym左右細微顆粒的濃度進行測量。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]技術問題:針對燃煤電廠超低排放的煙塵濃度測量領域中，傳統(tǒng)的基于光電散射式或透射式的煙塵濃度在線測量設備存在的問題，即測量結果精確度或穩(wěn)定性受被測顆粒的粒徑大小、粒徑分布和煙氣濕度等的因素影響較大的問題。
[0005]技術方案:為解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，該裝置包括圖像采集部分、圖像處理部分和防塵裝置:
[0006]圖像采集部分，包括組合式拍攝單元、一端與組合式拍攝單元連接的傳輸光纖束及套設于傳輸光纖束外面的金屬套管、與傳輸光纖束另一端連接的內(nèi)窺鏡目鏡、與內(nèi)窺鏡目鏡連接的耦合部件和與耦合部件連接的高速相機；
[0007]圖像處理部分，包括光纜、采集卡和計算機，所述采集卡通過光纜與高速相機相連，將高速相機所得到的視頻結果輸送到計算機；
[0008]防塵裝置，包括套設于組合式拍攝單元的前置單元、風管軟管、球閥、設置在球閥下的儲氣罐和與儲氣罐連接的變頻風機;所述球閥下端通過鋼管和儲氣罐出風口連接并固定位置，球閥上端通過鋼管和變徑接頭后與風管軟管相連，根據(jù)測量空間所需的空氣強度來改變閥門開度；
[0009]所述的金屬套管為中空結構，所述的傳輸光纖束布置在風管軟管內(nèi)部，風管軟管再布置到金屬套管內(nèi)部，隨金屬套管進行多角度的彎曲。
[0010]優(yōu)選的，所述的組合式拍攝單元為中空結構，包括內(nèi)窺鏡物鏡、顯微放大鏡、內(nèi)置支架、外置支架、環(huán)形陶瓷LED和玻璃平片;其中，內(nèi)窺鏡物鏡和顯微放大鏡通過內(nèi)置支架固定在組合式拍攝單元的外殼上，內(nèi)窺鏡物鏡和顯微放大鏡之間保持工作距離，以確保內(nèi)窺鏡物鏡清晰地觀察到顯微鏡放大后的圖像。
[0011]優(yōu)選的，所述組合式拍攝單元的前端利用玻璃平片進行密封，防止含塵煙氣污染鏡頭，通過外置支架嵌入到防塵裝置的前置單元內(nèi)部，進一步做防塵保護;環(huán)形陶瓷LED光源布置在玻璃平片后表面，呈圓環(huán)形結構，用于照亮一個圓形區(qū)域，確保組合式拍攝單元采集到清晰的圖像。
[0012]優(yōu)選的，其特征在于，所述的顯微放大鏡放大倍數(shù)為100倍，經(jīng)過顯微放大鏡和內(nèi)窺鏡物鏡的雙重放大作用，在其視窗內(nèi)觀察到煙塵中最小粒徑在Iym的細顆粒。
[0013]優(yōu)選的，所述的金屬套管為中空結構，包括前段、中段、后段、轉動軸和滑軌，其中前段和中段通過轉動軸相連，中段和后段通過滑軌相連，金屬套管與組合式拍攝單元的金屬外殼相連，以確保組合式拍攝單元在流場不受來流沖擊發(fā)生移動，進行穩(wěn)定連續(xù)的圖像采集，實現(xiàn)組合式拍攝單元在同一水平高度上前后左右四分方位的測量，從而實現(xiàn)對整個橫截面的流場進行監(jiān)控。
[0014]優(yōu)選的，所述內(nèi)窺鏡目鏡與高速相機通過耦合部件相連接，耦合部件中含有墊片，改變墊片的厚度，即可改變內(nèi)窺鏡目鏡與高速相機之間的距離，從而改變內(nèi)窺鏡成像的大小。
[0015]有益效果:
[0016]1、有效解決了傳統(tǒng)的基于光電散射式或透射式的煙塵濃度在線測量設備存在的問題，本裝置的測量結果受到被測顆粒的粒徑大小、粒徑分布和煙氣濕度等因素的影響較小。
[0017]2、組合式拍攝單元能夠通過光纖鋼性外殼進行前后伸縮和左右180°的轉動，從而可以對流場中某一橫截面任意方向上的流動情況進行測量。
[0018]3、該裝置所拍攝采集到的視頻圖像結果，經(jīng)過顯微放大鏡和內(nèi)窺鏡的雙重放大后，能夠觀察到煙塵中最小粒徑在Iym的細顆粒。
[0019]4、利用高等流體動力學中“蘭金半體繞流”理論，通過附加氣源和含塵煙氣的相互疊加形成半橢球體旋渦一一即“蘭金半體”的測量空間，在不干擾流場的情況下保護組合式拍攝單元鏡頭不受污染，同時將光纖內(nèi)窺鏡鏡頭和顯微放大鏡固定在密閉的外殼中，通過設置玻璃平片進一步減小煙塵對鏡頭的污染，延長其使用壽命。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明實施例的整體結構示意圖；
[0021 ]圖2是本發(fā)明實施例中組合式拍攝單元示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明實施例中鋼性套管結構示意圖；
[0023]圖4是本發(fā)明實施例中“蘭金半體”原理示意圖。
[0024]圖中，1-組合式拍攝單元，2-前置單元，3-傳輸光纖束，4-金屬套管，5-風管軟管，6-內(nèi)窺鏡目鏡，7-耦合部件，8-高速相機，9-光纜，10-采集卡，11-計算機，12-球閥，13-儲氣罐，14-變頻風機，15-金屬外殼，16-內(nèi)窺鏡物鏡，17-顯微放大鏡，18-內(nèi)置支架，19-外置支架，20-環(huán)形陶瓷LED，21-玻璃平片，22-金屬套管前段，23-金屬套管中段，24-金屬套管后端，25-轉動軸，26-滑動軌道。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發(fā)明做進一步說明。
[0026]本發(fā)明提供的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，該裝置包括圖像采集部分、圖像處理部分和防塵裝置。
[0027]圖像采集部分，包括組合式拍攝單元1、一端與組合式拍攝單元I連接的傳輸光纖束3及套設于傳輸光纖束3外面的金屬套管4、與傳輸光纖束3另一端連接的內(nèi)窺鏡目鏡6、與內(nèi)窺鏡目鏡6連接的耦合部件7和與耦合部件7連接的高速相機8。
[0028]圖像處理部分，包括光纜9、采集卡10和計算機11，所述采集卡10通過光纜9與高速相機8相連，將高速相機所得到的視頻結果輸送到計算機；
[0029]防塵裝置，包括套設于組合式拍攝單元I的前置單元2、風管軟管5、球閥12、設置在球閥12下的儲氣罐13和與儲氣罐13連接的變頻風機14;所述球閥12下端通過鋼管和儲氣罐13出風口連接并固定位置，球閥12上端通過鋼管和變徑接頭后與風管軟管5相連，根據(jù)測量空間所需的空氣強度來改變閥門開度。
[0030]所述的組合式拍攝單元I為中空結構，包括內(nèi)窺鏡物鏡16、顯微放大鏡17、內(nèi)置支架18、外置支架19、環(huán)形陶瓷LED20和玻璃平片21;其中，內(nèi)窺鏡物鏡16和顯微放大鏡17通過內(nèi)置支架18固定在組合式拍攝單元I的外殼上，內(nèi)窺鏡物鏡16和顯微放大鏡17之間保持工作距離，以確保內(nèi)窺鏡物鏡16清晰地觀察到顯微鏡放大后的圖像。
[0031 ]所述組合式拍攝單元的前端利用玻璃平片進行密封，防止含塵煙氣污染鏡頭，通過外置支架19嵌入到防塵裝置的前置單元2內(nèi)部，進一步做防塵保護;環(huán)形陶瓷LED光源20布置在玻璃平片21后表面，呈圓環(huán)形結構，用于照亮一個圓形區(qū)域，確保組合式拍攝單元采集到清晰的圖像。
[0032]所述的顯微放大鏡17放大倍數(shù)為100倍，經(jīng)過顯微放大鏡17和內(nèi)窺鏡物鏡16的雙重放大作用，在其視窗內(nèi)觀察到煙塵中最小粒徑在Iym的細顆粒。
[0033]所述的金屬套管4為中空結構，所述的傳輸光纖束3布置在風管軟管5內(nèi)部，風管軟管5再布置到金屬套管4內(nèi)部，隨金屬套管4進行多角度的彎曲，金屬套管4包括前段22、中段23、后段24、轉動軸25和滑軌26，其中前段22和中段23通過轉動軸25相連，中段23和后段24通過滑軌26相連，金屬套管與組合式拍攝單元的金屬外殼相連，以確保組合式拍攝單元在流場不受來流沖擊發(fā)生移動，進行穩(wěn)定連續(xù)的圖像采集，實現(xiàn)組合式拍攝單元在同一水平高度上前后左右四分方位的測量，從而實現(xiàn)對整個橫截面的流場進行監(jiān)控。
[0034]所述內(nèi)窺鏡目鏡6與高速相機8通過耦合部件7相連接，耦合部件7中含有墊片，改變墊片的厚度，即可改變內(nèi)窺鏡目鏡與高速相機之間的距離，從而改變內(nèi)窺鏡成像的大小。[00；35]如圖1所不，本實施例發(fā)明實施例公開中一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度測量裝置，主要包括圖像采集部分、圖像處理部分和防塵裝置，各部分的具體介紹如下:
[0036]圖像采集部分:如圖1和圖2所示，包括組合式拍攝單元1、傳輸光纖束3及其金屬套管4、內(nèi)窺鏡目鏡6和高速相機8;其中，前述的組合式拍攝單元I為中空結構，主要由金屬外殼15、內(nèi)置支架18、外置支架19、內(nèi)窺鏡物鏡16、顯微放大鏡17和環(huán)形陶瓷LED20構成，在內(nèi)部通過內(nèi)置支架將內(nèi)窺鏡物鏡和顯微放大鏡進行固定，并且內(nèi)窺鏡物鏡和顯微放大鏡之間保持適當?shù)墓ぷ骶嚯x，外部通過外置支架和防塵裝置的前端出風口相連，再由玻璃平片進行密封，環(huán)形陶瓷LED光源則布置在玻璃平片的后表面，可以在玻璃平片外照亮一個圓形區(qū)域，方便拍攝單元進行圖像采集;前述的金屬套管4包括前段22、中段23、后段24、轉動軸25和滑動軌道26，內(nèi)部布置有風管軟管5和傳輸光纖束3，其通過焊接的方式與組合式拍攝單元相連，以確保組合式拍攝單元在流場不受來流沖擊發(fā)生移動，可以進行穩(wěn)定連續(xù)的圖像采集，同時通過轉動軸和滑軌能夠對前段進行水平方向上的左右轉動以及對中段進行水平方向上的伸縮，從而帶動組合式拍攝單元對同一水平高度的不同區(qū)域進行濃度測量，從而可以實現(xiàn)對整個橫截面的流場進行監(jiān)控;前述的高速相機8通過耦合部件7與內(nèi)窺鏡目鏡6相連接，耦合部件7內(nèi)含有墊片，拍攝過程中改變墊片的厚度即可改變內(nèi)窺鏡的成像大小。
[0037]圖像處理部分:如圖1所示該裝置的圖像處理部分包括光纜9、采集卡10和計算機11，其中所述的采集卡通過光纜與高速工業(yè)相機相連，將高速相機所拍攝得到的視頻結果傳輸?shù)接嬎銠C進行在線處理，通過在線圖像處理提取圖片中細微顆粒的濃度信息。
[0038]防塵裝置:如圖3和圖4所示，包括前置單元2、風管軟管5、球閥12、儲氣罐13和變頻風機14，其中所述的球閥，通過鋼管和儲氣罐的出風口連接并固定，當出風口的橫截面保持一定時，調(diào)節(jié)閥門開的得到不同強度的氣流，通過外部氣流和均勻煙氣來流的疊加形成半橢球型的旋渦一一即測量空間“蘭金半體”，如圖4，所述的“蘭金半體”根據(jù)《高等流體力學》中涉及到的定常繞流中柱體受力的勢流理論而來;所述的前置單元2布置在“蘭金半體”測量空間，其外形結構類似于“蘭金半體”的輪廓線，前端與組合式拍攝單元的玻璃平片外表面平行。
[0039]具體地，所述的組合式拍攝單元中，內(nèi)窺鏡物鏡16和顯微放大鏡17通過內(nèi)置支架分別固定在預制外殼15上，并且內(nèi)窺鏡物鏡16與顯微放大鏡17的目鏡之間以及顯微放大鏡17的物鏡和玻璃平片21之間均保持一定距離；內(nèi)窺鏡物鏡16和顯微放大鏡17通過前端設置的玻璃平片21密閉在預制外殼內(nèi)，可以防止含塵煙氣污染鏡頭影響測量結果，同時也可以確保物鏡具有合適的工作距離；環(huán)形陶瓷LED20布置在預制外殼內(nèi)部、緊貼玻璃平片后表面，測量過程中能夠照亮一片圓形區(qū)域，確保拍攝單元能夠采集到清晰的圖像。
[0040]具體地，所述的傳輸光纖束3布置在風管軟管5內(nèi)部，風管軟管5再布置到金屬套管內(nèi)部，所述的金屬套管4為中空結構，預留有圓柱形的孔道，孔道的直徑應確保風管軟管的移動，其主要有依次設置的前段22、與前段連接的中段23和與中段連接的后段24，還包括連接前段22和中段23的轉動軸25和與中段部分連接的滑軌26轉軸和滑軌構成;其中，前段與中段之間通過轉動軸連接，中段與后段之間有滑動軌道，其能夠確保組合式拍攝單元在同一水平高度上前后左右四分方位的測量，從而實現(xiàn)對整個橫截面的流場進行監(jiān)控。所述的傳輸光纖束3的金屬套管4的前段通過焊接的方式固定在組合式拍攝單元的尾部，以確保組合式拍攝單元在流場不受來流沖擊發(fā)生移動，進行穩(wěn)定連續(xù)的圖像采集；
[0041]本發(fā)明實施例的一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度測量裝置，其工作流程主要敘述如下:
[0042]拍攝過程中，首先將顯微放大鏡、內(nèi)窺鏡物鏡和環(huán)形陶瓷LED固定在預制外殼中并用玻璃平片進行密封，隨后將組合式拍攝單元嵌入安裝到前置單元內(nèi)部，調(diào)節(jié)傳輸光纖束金屬套管前中后三段的位置并進行固定，開啟環(huán)形陶瓷LED在組合式拍攝單元前端形成一個拍攝區(qū)域;再根據(jù)含塵煙氣來流的速度調(diào)節(jié)球閥的開度，以得到適當?shù)臍庠磸姸?，從而形成“蘭金半體”測量空間，將組合式拍攝單元和前端出風口伸入流場中，通過顯微放大鏡對“蘭金半體”輪廓線的駐點前端流場的實物圖像進行放大，將獲得的放大圖像送到內(nèi)窺鏡，再經(jīng)過傳輸光纖將信號傳輸給高速相機，通過調(diào)節(jié)高速相機的拍攝幀數(shù)、曝光時間和分辨率等參數(shù)得到不同的視頻結果，高速相機拍攝到的圖像會在電腦上顯示原始圖像，最后利用圖像處理技術提取視頻結果中細顆粒的濃度分布信息。此外，考慮到流場中顆粒濃度分布不均的情況，通過轉動傳輸光纖束的鋼性套管的前端或者通過中段的滑動，能夠對圖像采集單元進行四個方向的移動，實現(xiàn)對整個流場的測量。
[0043]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，目的是為了使本領域技術人員能夠理解或者實際運行本發(fā)明。本文所定義的原理及技術內(nèi)容，專業(yè)的技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍下做出等同的修改，只要符合本發(fā)明的精神，其都將在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.一種光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，該裝置包括圖像采集部分、圖像處理部分和防塵裝置: 圖像采集部分，包括組合式拍攝單元(I)、一端與組合式拍攝單元(I)連接的傳輸光纖束(3)及套設于傳輸光纖束(3)外面的金屬套管(4)、與傳輸光纖束(3)另一端連接的內(nèi)窺鏡目鏡(6)、與內(nèi)窺鏡目鏡(6)連接的耦合部件(7)和與耦合部件(7)連接的高速相機(8); 圖像處理部分，包括光纜(9)、采集卡(10)和計算機(11)，所述采集卡(10)通過光纜(9)與高速相機(8)相連，將高速相機所得到的視頻結果輸送到計算機； 防塵裝置，包括套設于組合式拍攝單元(I)的前置單元(2)、風管軟管(5)、球閥(12)、設置在球閥(12)下的儲氣罐(13)和與儲氣罐(13)連接的變頻風機(14);所述球閥(12)下端通過鋼管和儲氣罐(13)出風口連接并固定位置，球閥(12)上端經(jīng)過鋼管和變徑接頭后與風管軟管(5)連接，并根據(jù)測量空間所需的空氣強度來改變閥門開度； 所述的金屬套管(4)為中空結構，所述的傳輸光纖束(3)布置在風管軟管(5)內(nèi)部，風管軟管(5)再布置到金屬套管(4)內(nèi)部，隨金屬套管(4)進行多角度的彎曲。2.根據(jù)權利要求1所述的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，所述的組合式拍攝單元(I)為中空結構，包括內(nèi)窺鏡物鏡(16)、顯微放大鏡(17)、內(nèi)置支架(18)、外置支架(19)、環(huán)形陶瓷LED(20)和玻璃平片(21);其中，內(nèi)窺鏡物鏡(16)和顯微放大鏡(17)通過內(nèi)置支架(18)固定在組合式拍攝單元(I)的外殼上，內(nèi)窺鏡物鏡(16)和顯微放大鏡(17)之間保持工作距離，以確保內(nèi)窺鏡物鏡(16)清晰地觀察到顯微鏡放大后的圖像。3.根據(jù)權利要求1或2所述的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，所述組合式拍攝單元的前端利用玻璃平片進行密封，防止含塵煙氣污染鏡頭，通過外置支架(19)嵌入到防塵裝置的前置單元(2)內(nèi)部，進一步做防塵保護;環(huán)形陶瓷LED光源(20)布置在玻璃平片(21)后表面，呈圓環(huán)形結構，用于照亮一個圓形區(qū)域，確保組合式拍攝單元采集到清晰的圖像。4.根據(jù)權利要求1或2所述的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，所述的顯微放大鏡(17)放大倍數(shù)為100倍，經(jīng)過顯微放大鏡(17)和內(nèi)窺鏡物鏡(16)的雙重放大作用，在其視窗內(nèi)觀察到煙塵中最小粒徑在Ιμπι的細顆粒。5.根據(jù)權利要求1所述的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，所述的金屬套管(4)為中空結構，包括前段(22)、中段(23)、后段(24)、轉動軸(25)和滑軌(26)，其中前段(22)和中段(23)通過轉動軸(25)相連，中段(23)和后段(24)通過滑軌(26)相連，金屬套管與組合式拍攝單元的金屬外殼相連，以確保組合式拍攝單元在流場不受來流沖擊發(fā)生移動，進行穩(wěn)定連續(xù)的圖像采集，實現(xiàn)組合式拍攝單元在同一水平高度上前后左右四分方位的測量，從而實現(xiàn)對整個橫截面的流場進行監(jiān)控。6.根據(jù)權利要求1所述的光纖顯微內(nèi)窺式燃煤源超低排放煙塵濃度的測量裝置，其特征在于，所述內(nèi)窺鏡目鏡(6)與高速相機(8)通過耦合部件(7)相連接，耦合部件(7)中含有墊片。
【文檔編號】G01N15/06GK105842133SQ201610168746
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】陸勇, 張勉照, 邱嘉明, 王思雨
【申請人】東南大學