一种文丘里管掺气气泡微米级直径的测量装置及测量方法与流程

本发明涉及微米级气泡测量技术领域，具体为一种文丘里管掺气气泡微米级直径的测量装置及测量方法。

背景技术：

随着测量技术的发展，实验人员已经开发出了许多种气泡尺寸的测量方法。根据测量的设备和被测系统的位置关系，可以将测量方法分为两类，内置法和外置法。具体方法有：电导探针法、光导纤维法、光电毛细管法、声学法、和高速摄像法等。电导探针法的探针在测量时必须刺穿气泡才能得到信号，因此该方法只有在测量直径较大的气泡时适用，而且由于要把探针头放入到流场的内部，所以会对流场产生一定的干扰。光电毛细管法只能用来测量粒子的数目，不能用来测量相界面积。因为由于探头放在流场中会破坏流体的力学形态，因而改变了气泡的大小与形状。声学法主要是利用气泡在进行流动时会发出一定的振动，因此而产生的声音压力比较高，而它的频率是由气泡的直径决定的，因此可以得出气泡直径与声音频率的相互关系。这种方法在射流曝气中无法应用，主要是由于射流曝气需要用到水泵，水泵运行时的振动会干扰气泡的振动。高速摄像法首先是在流场外进行测量不会对流场产生干扰，本方法可以直观的表现出气泡的运动状况及各项特征参数，所以这种方法得到了大量的运用，与探针法相比摄像法能测量体积更小的气泡。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种文丘里管掺气气泡微米级直径的测量装置及测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种文丘里管掺气气泡微米级直径的测量装置, 包括箱体、光源、计算机和高速相机，所述箱体内设有水泵和气泡碎化器，所述水泵与气泡碎化器一端相连，所述气泡碎化器中心与进气管相连，所述进气管上设有调节阀，所述光源设置在箱体外侧，所述高速相机设置在箱体外侧，且对准气泡碎化器另一端端口处，所述高速相机与计算机相连。

优选的，所述气泡碎化器包括管体，所述管体一端为流体入口端，另一端为流体出口端，所述管体的中心开有气体吸入口，所述管体内腔由收缩段、喉部、扩张段和环腔组成，所述收缩段设置在流体入口端处，所述扩张段设置在流体出口端处，所述喉部设置在收缩段和扩张段之间，所述环腔设置在喉部下端。

优选的，所述计算机内设有图像信号调理模块，所述图像信号调理模块包括运算放大器、两级场效应宽带放大器以及扼流线圈，所述运算放大器的一个输入端分别连接电阻B一端和电容B一端，电容B另一端接地，电阻B另一端分别连接电阻A一端和电容A一端，电容A另一端连接运算放大器的输出端，运算放大器的另一输入端分别连接电阻C一端和电阻D一端，电阻C另一端接地，电阻D另一端连接运算放大器的输出端；所述两级场效应宽带放大器的第一端连接电容E一端，电容E另一端连接电阻F一端，电阻F另一端连接运算放大器的输出端，两级场效应宽带放大器的第二端通过扼流线圈分别连接电容F一端、电容G一端、电容H一端，且电容F另一端、电容G另一端、电容H另一端均接地，两级场效应宽带放大器的第三端通过电容D、电阻E连接运算放大器的输出端，两级场效应宽带放大器第四端接地。

优选的，其测量方法包括以下步骤：

A、开启水泵和进气管调节阀，流体从流体入口端进入收缩段后压力减小，流速增加，同时空气从气体吸入口进入，在喉部流速达到最大值，最后经扩张段压力逐渐恢复，流速降低，流体从流体出口端流出；

B、高速相机拍摄流体出口端流出流体的图像，并通过计算机中图像信号调理模块处理后发送至计算机内控制模块；

C、控制模块对采集的图像进行灰度化、直方图均衡化、背景均匀化、阈值分割及边缘提取操作；

D、最后与高速相机在同等拍摄条件下进行已知尺寸的标定物进行比较，得到流体中气泡的实际尺寸。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明结构原理简单，操作方便，可以测量体积在微米级的气泡，与其他测量方法相比，首先由于测量设备放在流场外面所以它对流场不会产生干扰，其次本方法可以同时得到在某一瞬间内目标断面内所有气泡尺寸。

（2）本发明采用的图像信号调理模块抗干扰能力强，能够对采集的图像信号进行放大，且失真度低，提高了图像的采集效率和质量。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的气泡碎化器结构示意图；

图3为本发明的图像信号调理模块原理图；

图中：1、箱体；2、光源；3、计算机；4、高速相机；5、水泵；6、气泡碎化器；7、进气管；8、调节阀；9、管体；10、流体入口端；11、流体出口端；12、气体吸入口；13、收缩段；14、喉部；15、扩张段；16、环腔；17、运算放大器；18、两级场效应宽带放大器；19、扼流线圈；181、第一端；182、第二端；183、第三端；184、第四端；1a、电阻A；2a、电阻B；3a、电阻C；4a、电阻D；5a、电阻E；6a、电阻F；1b、电容A；2b、电容B；3b、电容C；4b、电容D；5b、电容E；6b、电容F；7b、电容G；8b、电容H。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种文丘里管掺气气泡微米级直径的测量装置, 包括箱体1、光源2、计算机3和高速相机4，箱体1内设有水泵5和气泡碎化器6，水泵5与气泡碎化器6一端相连，气泡碎化器6中心与进气管7相连，进气管7上设有调节阀8，光源2设置在箱体1外侧，光源位置能够根据拍照位置进行调整，高速相机4设置在箱体1外侧，且对准气泡碎化器6另一端端口处，高速相机4与计算机3相连，其中高速相机采用Photron公司FASTCAMSA5型高速摄像机。

本实施例中，气泡碎化器6包括管体9，管体9一端为流体入口端10，另一端为流体出口端11，管体9的中心开有气体吸入口12，管体9内腔由收缩段13、喉部14、扩张段15和环腔16组成，收缩段13设置在流体入口端10处，扩张段15设置在流体出口端11处，喉部14设置在收缩段13和扩张段15之间，环腔16设置在喉部14下端。

本实施例中，计算机3内设有图像信号调理模块，图像信号调理模块包括运算放大器17、两级场效应宽带放大器18以及扼流线圈19，运算放大器17的一个输入端分别连接电阻B 2a一端和电容B 2b一端，电容B 2b另一端接地，电阻B 2a另一端分别连接电阻A 1a一端和电容A 1b一端，电容A 1b另一端连接运算放大器17的输出端，运算放大器17的另一输入端分别连接电阻C 3a一端和电阻D 4a一端，电阻C 3a另一端接地，电阻D 4a另一端连接运算放大器17的输出端；所述两级场效应宽带放大器18的第一端181连接电容E 5b一端，电容E 5b另一端连接电阻F 6a一端，电阻F 6a另一端连接运算放大器17的输出端，两级场效应宽带放大器18的第二端182通过扼流线圈19分别连接电容F 6b一端、电容G 7b一端、电容H 8b一端，且电容F 6b另一端、电容G 7b另一端、电容H 8b另一端均接地，两级场效应宽带放大器18的第三端183通过电容D 4b、电阻E 5a连接运算放大器17的输出端，两级场效应宽带放大器18第四端184接地。运算放大器17对信号进行处理，保证传输信号的质量，并通过反馈原理将信号信息放大 2 倍，然后再传递给后面的两级场效应宽带放大器18再次对信号进行二次放大，最后再将信号输出，本发明采用的图像信号调理模块抗干扰能力强，能够对采集的图像信号进行放大，且失真度低，提高了图像的采集效率和质量。

本发明的测量方法包括以下步骤：

A、开启水泵5和进气管调节阀8，流体从流体入口端10进入收缩段13后压力减小，流速增加，同时空气从气体吸入口12进入，在喉部14流速达到最大值，最后经扩张段15压力逐渐恢复，流速降低，流体从流体出口端11流出；

B、高速相机4拍摄流体出口端11流出流体的图像，并通过计算机3中图像信号调理模块处理后发送至计算机3内控制模块；

C、控制模块对采集的图像进行灰度化、直方图均衡化、背景均匀化、阈值分割及边缘提取操作；

D、最后与高速相机4在同等拍摄条件下进行已知尺寸的标定物进行比较，得到流体中气泡的实际尺寸。

其中，灰度化可以在不影响图像的轮廓的情况下简化图像信息，方便下一步处理。直方图均衡化能使图像变的更清晰，能够看到更多的细节信息。背景均匀化是为了减少背景对图像的干扰。阈值分割则是将图像分成两个区域，即目标图像和背景图像。边缘提取可以提取出气泡的轮廓。由于图像处理只能得到气泡的像素尺寸，所以在进行气泡拍摄前先要在同等拍摄条件下进行已经尺寸的标定物的拍摄，以得到单位像素所代表的实际尺寸，通过上述过程的处理，可以得出气泡的长短径的像素个数及每个气泡所包含的像素个数。由于气泡不是标准的圆形，所以得到的长短径只能作为一个参考，气泡的尺寸用的是与测量面积相同的标准圆的直径。

本发明结构原理简单，操作方便，可以测量体积在微米级的气泡，与其他测量方法相比，首先由于测量设备放在流场外面所以它对流场不会产生干扰，其次本方法可以同时得到在某一瞬间内目标断面内所有气泡尺寸。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。