一种检测气泡在液体中运动行为的装置的制作方法

本发明申请属于实验用气泡运动形态记录技术领域，特别涉及一种检测气泡在液体中运动行为的装置。

背景技术：

在现代炼钢过程中，向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”，具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的co分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中co分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。即向钢液中通入气体可视为气体搅拌，气体搅拌效果的研究在很大程度上取决于气体搅拌效果的好坏。为了更好地了解气泡在钢液中的作用，需要预测气泡的运动行为，窑了解气泡形态的演变，为了更加清晰地研究气泡的运动形态我们需要一套对气泡运动形态检测的装置，现有的一些类似检测气泡运动形态的装置大多存在一个共性的问题，因为在检测气泡运动形态的过程中需要了解到不同孔径碰嘴对气泡生成以及运动形态的影响，进而需要经常更换喷嘴，进行研究，现有的一些装置需要做一次实验更换一个喷嘴，需要将容器内的水取出更换喷嘴，极大地浪费时间，且再次对容器内注水会有一定的水量误差，且注水后需要等水面静止后才能进行实验，使用起来极为不便；为了更好地研究气泡的运动形态我们需要对气泡的产生时间进行研究，也就是通过气体流速的供给来改变气泡形成的频率以及大小，观察不同大小气泡的运动行为。

为了解决上述问题我们提供了一种检测气泡在液体中运动行为的装置和方法。

技术实现要素：

本发明申请旨在解决现有技术中存在的问题而发明的一种检测气泡在液体中运动行为的装置。

本发明申请中的一种检测气泡在液体中运动行为的装置，包括发生机构以及检测机构，所述的发生机构包括塔体、水流产生机构、及气体喷嘴机构，所述气体喷嘴机构包括一底座、一排气管座及多个贯穿设置于排气管座上的排气管，每个排气管的一端均安装一喷嘴，多个喷嘴的孔径不同；底座固定连接在塔体上，底座上设置有连接管，排气管座设置于底座上，排气管座的一侧面固定连接有转杆，转杆端面固定连接有旋钮，转杆贯穿底座中部，排气管座与塔体之间通过轴承可转动连接；连接管左侧的底座上开设有滑槽，滑槽内设置有进气嘴，进气嘴与连接管之间设置有伸缩管，伸缩管外套装有弹簧，弹簧两端分别与进气嘴以及底座连接；转动旋钮带动排气管座进行转动，可以实现不同孔径的喷嘴与连接管相连通。

进一步的，所述的排气管右端开设有内凹倒角，进气嘴左端外侧面开设有边倒角，进气嘴左端与排气管右端相互契合。

进一步的，所述的排气管座与塔体之间设置有密封圈。

进一步的，所述的发生机构还包括空气压缩机与气体流量计，空气压缩机与气体流量计连接，气体流量计后端连接有气体流量控制阀，气体流量控制阀末端连接有所述气体喷嘴机构，所述气体喷嘴机构末端末端位于塔体中间位置。

进一步的，所述水流产生机构包括水流分布器、水流控制阀、转子流量计、水槽及离心泵，水槽通过管道与离心泵连接，离心泵输出端通过管道连接有水流控制阀，水流控制阀与转子流量计连接，转子流量计与塔体连接，塔体底部中间位置开设有进水口，转子流量计通过管道与进水口连接，塔体内下部设置有水流分布器。

进一步的，所述的塔体为透明材质，塔体横截面为矩形。

进一步的，所述检测机构包括有高速相机、计算机，高速相机与计算机连接，高速相机的镜头正对塔体的一侧边。

进一步的，所述的进气嘴与滑槽为间隙配合且可相对移动。

进一步的，所述的转杆与底座之间为间隙配合且可相对转动；排气管座与底座之间紧密连接且可相对转动。

本装置使用时，通过离心泵将水槽内的水向塔体内供水，通过水流控制阀调节水向塔体内供水时的流量，转子流量计可以测量水流流量，水从塔体的底部进入塔体内，再经过水流分布器进入塔体的上部，水流分布器可以使水进入塔体上部时使水速较为缓和，可以使塔体内的水较快时间内达到平静，避免水流速度不规律对实验结果造成影响；通过空气压缩机向气体喷嘴机构供气，气体流量计可以测量气体流量，通过调节气体流量控制阀可以调节气体的流速；气体通过连接管向气体喷嘴机构通气，在多个转杆上分别安装不同孔径的喷嘴，转动旋钮，转杆带动排气管座进行转动，由于进气嘴左侧开设有边倒角且排气管右端开设有内凹倒角，当排气管座转动时，进气嘴受压沿滑槽向右移动，弹簧受压，排气管座继续旋转，当进气嘴位于排气管座的另外一个排气管位置时，进气嘴受瘫痪弹力的作用向左移动，进入排气管右端开设有内凹倒角内，进气嘴向该排气管通气，设置在该排气管上的喷嘴向塔体内喷气形成气泡；通过转动旋钮可以实现快速更换不同孔径的喷嘴，并对该喷嘴产生的气泡进行记录观察；此外，通过空气压缩机向气体喷嘴机构供气时，触发高速摄像机对气泡进行记录并传输到计算机上，方便后期的研究检测。

本发明申请中还提供了一种检测气泡在液体中运动行为的方法，包括步骤如下：

s1、获取高速相机录制的预设时间段内的视频片段或者获取高速相机基于预设的拍摄时间间隔拍摄的若干张连续图片；

s2、若通过所述高速相机获取的信息为预设时间段内的视频片段，基于预设的ai加帧模型，对所述视频片段进行加帧处理，将加帧后的视频片段，作为第一检测视频；

s3、基于预设的分割时间间隔，对所述第一检测视频进行视频剪辑处理，获取若干张连续的剪辑图片，对所述若干张连续的剪辑图片，使用1至n的正整数进行依次编号，并将编号完成后的若干张连续的剪辑图片按照编号从小到大的顺序依次加入到集合中，生成第一检测集合，其中，所述第一检测集合为有序集合，所述n为大于1的正整数；

s4、若通过所述高速相机获取的信息为若干张连续图片，则对所述若干张连续图片，使用1至m的正整数进行依次编号，并将编号完成后的若干张连续图片按照编号从小到大的顺序依次加入到集合中，生成第二检测集合，其中，所述第二检测集合为有序集合，所述m为大于1的正整数；

s5、基于所述第一检测集合或所述第二检测集合中的图片，进行二维坐标系构建，将所述图片的左侧边作为二维坐标系的y轴，将所述图片的下侧边作为二维坐标系的x轴；

s6、基于所述塔体横截面对应的实际长度和实际宽度大小，确定所述二维坐标系的坐标单位；

s7、基于所述二维坐标系和所述第一或第二检测集合中图片，启动预设的圆形目标检测模型，检测图片中气泡中心的坐标信息，并使用(x,y)的格式输出气泡中心二维坐标，同时获取气泡的直径大小ω；

s8、在检测图片中气泡的坐标信息时，同时获取所述检测图片的编号信息，与所述(x,y)格式的气泡的坐标信息，进行二次生成，生成(x,y,z)格式的数据，其中，(x,y,z)与(x,y)中x值和y值相同，z值为所述检测图片的编号；

s9、在所述第一或第二检测集合中所有图片被检测完成后，生成元素为(x,y,z,ω)格式数据的第一表述集合；

s10、基于所述第一表述集合中元素，进行综合二维坐标系构建，基于(x,y,z,ω)格式元素中的x值、y值和z值和预设的运动轨迹模拟工具，生成气泡的模拟运动轨迹图，完成气泡运行轨迹检测。

本发明的有益效果：可以通过离心泵向塔体内供水，并通过转子流量计检测到水流的流速；设置有气体流量计以及气体流量控制阀可以实现对喷嘴内的气体流速进行控制检测，进而对相同喷嘴处不同气体流速情况下观察对气泡的生成时间以及气泡的大小产生的影响；在观察不同的喷嘴口径对产生的气泡的影响时，该装置可以实现对喷嘴的快速的切换，无需将塔体内的水排出再进行更换喷嘴，操作简单便捷，节省时间。

附图说明

图1为发明的结构示意图。

图2为发明的气体喷嘴机构结构示意图

图3为发明的气体喷嘴机构局部结构剖视图。

图4为发明的底座结构剖视图。

附图标记的零件列表

1.水槽、2.离心泵、3.水流控制阀、4.转子流量计、5.进水口、6.空气压缩机、7.气体流量计、8.水流分布器、9.气体喷嘴机构、901.喷嘴、902.排气管、903.密封圈、904.轴承、905.连接管、906.底座、907.转杆、908.旋钮、909.排气管座、910.内凹倒角、911.进气嘴、912.伸缩管、913.弹簧、914.滑槽、10.塔体、11.高速相机、12.计算机、13.气体流量控制阀；

具体实施方式

实施例1，如图1-4所示，一种检测气泡在液体中运动行为的装置，包括发生机构以及检测机构，所述的发生机构包括塔体10、水流产生机构、及气体喷嘴机构9，塔体10为透明材质，塔体10横截面为矩形。所述气体喷嘴机构9包括一底座906、一排气管座909及多个贯穿设置于排气管座909上的排气管902，每个排气管902的一端均安装一喷嘴901，多个喷嘴901的孔径不同；底座906固定连接在塔体10上，底座906上设置有连接管905，排气管座909设置于底座906上，排气管座909的一侧面固定连接有转杆907，转杆907与底座906之间为间隙配合且可相对转动；排气管座909与底座906之间紧密连接且可相对转动。转杆907端面固定连接有旋钮908，转杆907贯穿底座906中部，排气管座909与塔体10之间通过轴承904可转动连接，排气管座909与塔体10之间设置有密封圈903；连接管905左侧的底座906上开设有滑槽914，滑槽914内设置有进气嘴911，进气嘴911与滑槽914为间隙配合且可相对移动。进气嘴911与连接管905之间设置有伸缩管912，伸缩管912外套装有弹簧913，弹簧913两端分别与进气嘴911以及底座906连接；转动旋钮908带动排气管座909进行转动，可以实现不同孔径的喷嘴901与连接管905相连通，排气管902右端开设有内凹倒角910，进气嘴911左端外侧面开设有边倒角，进气嘴911左端与排气管902右端相互契合。

发生机构还包括空气压缩机6与气体流量计7，空气压缩机6与气体流量计7连接，气体流量计7后端连接有气体流量控制阀13，气体流量控制阀13末端连接有所述气体喷嘴机构9，所述气体喷嘴机构9末端末端位于塔体10中间位置。

水流产生机构包括水流分布器8、水流控制阀3、转子流量计4、水槽1及离心泵2，水槽1通过管道与离心泵2连接，离心泵2输出端通过管道连接有水流控制阀3，水流控制阀3与转子流量计4连接，转子流量计4与塔体10连接，塔体10底部中间位置开设有进水口5，转子流量计4通过管道与进水口5连接，塔体10内下部设置有水流分布器8。

检测机构包括有高速相机11、计算机12，高速相机11与计算机12连接，高速相机11的镜头正对塔体10的一侧边。

本发明申请中还提供了一种检测气泡在液体中运动行为的方法，包括步骤如下：

s1、获取高速相机录制的预设时间段内的视频片段或者获取高速相机基于预设的拍摄时间间隔拍摄的若干张连续图片；

s2、若通过所述高速相机获取的信息为预设时间段内的视频片段，基于预设的ai加帧模型，对所述视频片段进行加帧处理，将加帧后的视频片段，作为第一检测视频；

s3、基于预设的分割时间间隔，对所述第一检测视频进行视频剪辑处理，获取若干张连续的剪辑图片，对所述若干张连续的剪辑图片，使用1至n的正整数进行依次编号，并将编号完成后的若干张连续的剪辑图片按照编号从小到大的顺序依次加入到集合中，生成第一检测集合，其中，所述第一检测集合为有序集合，所述n为大于1的正整数；

s4、若通过所述高速相机获取的信息为若干张连续图片，则对所述若干张连续图片，使用1至m的正整数进行依次编号，并将编号完成后的若干张连续图片按照编号从小到大的顺序依次加入到集合中，生成第二检测集合，其中，所述第二检测集合为有序集合，所述m为大于1的正整数；

s5、基于所述第一检测集合或所述第二检测集合中的图片，进行二维坐标系构建，将所述图片的左侧边作为二维坐标系的y轴，将所述图片的下侧边作为二维坐标系的x轴；

s6、基于所述塔体横截面对应的实际长度和实际宽度大小，确定所述二维坐标系的坐标单位；

s7、基于所述二维坐标系和所述第一或第二检测集合中图片，启动预设的圆形目标检测模型，检测图片中气泡中心的坐标信息，并使用(x,y)的格式输出气泡中心二维坐标，同时获取气泡的直径大小ω；

s8、在检测图片中气泡的坐标信息时，同时获取所述检测图片的编号信息，与所述(x,y)格式的气泡的坐标信息，进行二次生成，生成(x,y,z)格式的数据，其中，(x,y,z)与(x,y)中x值和y值相同，z值为所述检测图片的编号；

s9、在所述第一或第二检测集合中所有图片被检测完成后，生成元素为(x,y,z,ω)格式数据的第一表述集合；

s10、基于所述第一表述集合中元素，进行综合二维坐标系构建，基于(x,y,z,ω)格式元素中的x值、y值和z值和预设的运动轨迹模拟工具，生成气泡的模拟运动轨迹图，完成气泡运行轨迹检测。

上述s7步骤中，所述预设的圆形目标检测模型包括：基于霍夫变换对图片中圆形目标进行特征提取，获取气泡的外部轮廓线条，确定圆形目标的周长轮廓。

上述s7步骤中，所述启动预设的圆形目标检测模型，检测图片中气泡中心的坐标信息包括：基于预设的算法公式：l＝ω*π，获取气泡的直径ω，其中，l为圆形目标的周长，π为圆周率。

上述s10步骤中，所述预设的运动轨迹模拟工具可以为基于matalb和第一表述集合中的数据模拟运动气泡的上升轨迹。

上述s10步骤中，所述基于(x,y,z,ω)格式元素中的x值、y值和z值和预设的运动轨迹模拟工具，生成气泡的模拟运动轨迹图，完成气泡运行轨迹检测还包括：在进行气泡的模拟运动轨迹图生成时，在每一个轨迹节点，即(x,y)点，获取气泡的直径ω进行标注。

上述s10步骤中，所述基于(x,y,z,ω)格式元素中的x值、y值和z值和预设的运动轨迹模拟工具，生成气泡的模拟运动轨迹图，完成气泡运行轨迹检测还包括：获取气泡初生成时的图片和气泡消失时的图片，并基于两者的编号信息和s3中预设的分割时间间隔或者基于两者的编号信息和s1中预设的拍摄时间间隔，获取气泡从生成到消失的时间间隔。

本发明使用时，通过离心泵2将水槽1内的水向塔体10内供水，通过水流控制阀3调节水向塔体10内供水时的流量，转子流量计4可以测量水流流量，水从塔体10的底部进入塔体10内，再经过水流分布器8进入塔体10的上部，水流分布器8可以使水进入塔体10上部时使水速较为缓和，可以使塔体10内的水较快时间内达到平静，避免水流速度不规律对实验结果造成影响；通过空气压缩机6向气体喷嘴机构9供气，气体流量计7可以测量气体流量，通过调节气体流量控制阀可以调节气体的流速；气体通过连接管905向气体喷嘴机构9通气，在多个转杆907上分别安装不同孔径的喷嘴901，转动旋钮908，转杆907带动排气管座909进行转动，由于进气嘴911左侧开设有边倒角且排气管902右端开设有内凹倒角910，当排气管座909转动时，进气嘴911受压沿滑槽914向右移动，弹簧913受压，排气管座909继续旋转，当进气嘴911位于排气管座909的另外一个排气管902位置时，进气嘴911受瘫痪弹力的作用向左移动，进入排气管902右端开设有内凹倒角910内，进气嘴911向该排气管902通气，设置在该排气管902上的喷嘴901向塔体10内喷气形成气泡；通过转动旋钮908可以实现快速更换不同孔径的喷嘴901，并对该喷嘴901产生的气泡进行记录观察；通过高速摄像机对气泡的运动形态进行记录并传输储存到计算机12上，方便后期的研究检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。