一种烟粉喷送分散特性的测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于造纸法再造烟叶领域，具体涉及考察烟粉喷送到造纸法再造烟叶基片过程中的分散特性，是一种检测分散指标、保证再造烟叶产品质量的测量系统及测量方法。
背景技术
造纸法再造烟叶是卷烟配方中烟草原料之一，具有可调控性强、填充值高、焦油释放量低等特点，被广泛应用在中式卷烟和新型烟草制品中。造纸法再造烟叶在制备过程中由于残留有用烟草致香成分与烟粉(末)在后续长时间加工过程中流失，使得再造烟叶感官质量不佳，烟香平淡，杂气明显。因此，如何高效保留香味物质并使香味物质结构不被破坏，并有效提高再造烟叶产品品质，实现烟草废弃原料的充分合理利用，一直是行业内急需解决的问题。
利用气固两相流喷嘴将烟粉添加到再造烟叶中是一种行之有效的产品提质工艺，由于不同再造烟叶产品的配方、工艺指标各不相同，在喷送过程中，需要不断地改变工艺条件参数，不同工况下烟粉在喷送过程中的分散特性会明显变化，影响最终基片质量。
气固两相流喷嘴所形成的分散区域一般为烟粉颗粒组成的圆锥体，其分散特性包括宏观特性与微观特性，宏观特性主要包括弥散轮廓的形状特征，即弥散角与贯穿距，微观特性主要为烟粉颗粒的浓度分布与速度分布等，烟粉的浓度分布直接影响到烟粉在基片分布的均匀性，速度分布则影响到烟粉对基片的结合力情况，而弥散角与贯穿距影响烟粉的有效利用空间与利用率。
因此，设计一种能够检测烟粉分散区域弥散角、贯穿距及颗粒浓度分布、速度分布的测量系统就能够合理调节工艺条件参数，对于稳定控制再造烟叶产品质量至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种烟粉喷送分散特性的测量系统及测量方法，以解决现有技术中不能快速对烟粉喷送过程中的宏面和微观检测的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种烟粉喷送分散特性的测量系统，包括：烟粉喷送系统及检测系统；
所述烟粉喷送系统包括：
料仓，在所述料仓的侧壁上分别设置进料口、流化风入口及下料口；在所述料仓内设置有搅拌装置，在所述料仓的内下部设置有布气室，所述流化风入口与所述布气室连通；
弥散室，所述弥散室内底部设置有标尺，所述弥散室的侧壁上设置有弥散室进口和弥散室出口；
固定输送管路，一端设置有外流式喷嘴，所述外流式喷嘴与所述弥散式进口连接，另一端与所述下料口连接；
供风系统，所述供风系统分别连接充压风管路、流化风管路、补充风管路及中心风管路；
所述充压风管路与所述充压风入口连接，所述流化风管路与所述流化风入口连接，所述补充风管路与所述固定输送管路的靠近下料口端连接，所述中心风管路与所述外流式喷嘴连接；
所述检测系统，包括：
宏观检测平台、微观检测平台及数据采集系统；
所述宏观检测平台包括高速摄像机，所述高速摄像机的镜头与所述弥散室相对，所述高速摄像机与所述数据采集系统电信号连接；
所述微观检测平台包括双脉冲激光器，所述双脉冲激光器发射的片光源与过所述外流式喷嘴在所述弥散室内形成的喷射区域的轴线的截面重合；
CCD相机，所述CCD相机的镜头垂直过所述喷射区域的片光源；
同步器，分别连接所述双脉冲激光器、所述CCD相机及所述数据采集系统。
所述供风系统包括依次连接的空压机、冻干机及压力缓冲罐，在所述冻干机与所述缓冲罐的管路上设置有球阀。
在所述料仓外侧设置有压差传感器。
所述外流式喷嘴为气固两相流喷嘴，其中心通道与所述中心风管路连通，外环通道与所述固体输送管路连通。
高速摄像机的拍摄速度为1000帧/s,曝光时间为4x 10-5s,图片分辨率为512x1024。
所述双脉冲激光器为钇铝石榴石晶体激光器，激发的每个激光是波长为1064nm的远红外光，每个脉冲能量为135mJ,脉冲间隔可调，通过内部的二级谐波发生器将远红外激光倍频，变为波长为532nm的绿光。
所述CCD相机的图像分辨率为1600x2000的像素，曝光时间为4x 10-5s,拍摄速度为32帧/s。
还包括烟粉回收系统，包括：
引风机，所述引风机的入口与所述弥散室出口通过管路连接，
旋风分离器，所述旋风分离器的入口通过管路与所述引风机的出口连接，所述旋风分离器的烟粉出口通过管路与所述进料口连接；
除尘器，所述除尘器的入口与所述旋风分离器连接，气体出口与排风机连接，粉尘出口通过管路与进料口连接。
一种烟粉喷送分散特性的测量方法，使用上述任一项的测量系统，包括以下步骤：
1)充压风通过充压风管路进入料仓上部，流化风通过流化风管路进入料仓底部的布气室，通过布风板对进入料仓内的烟粉进行均匀流化；
2)经过流化均匀的烟粉在料仓内压差的推动，经过下料口进入到固定输送管路，同时，补充风通过补充风管路及部分流化风与所述烟粉在固定输送管路风混合形成混合气流后进入外流式喷嘴的外环通道；
中心风通过中心风通道进入到外流式喷嘴的中心通道，并在外流喷嘴的出口与混合气流混合后，被喷射到弥散室内；
3)高速摄像机对进入到弥散室内的颗粒流场拍摄静态图片，并将静态图片传递给数据采集系统，所述数据采集系统根据静态图片并获得弥散角；
同时，通过弥散室内的标尺直接读取颗粒流场的贯穿距；
4)双脉冲激光器发出两束时间间隔为Δt的激光，并形成过外流式喷嘴的轴线的片光源；
CCD相机在同步器的控制下，拍摄出两张时间为Δt的颗粒流场图片；
5)将所述颗粒流场图片传递给数据采集系统，通过处理，得到相差Δt时刻同一颗粒的位移，同时得到颗粒的运动速度，并通过连续的多次拍摄，获得相应时间的时间平均流场速度数据及时间平均流场速度分布图；
6)所述数据采集系统同时对不同时刻拍摄的颗粒流场图片进行叠加处理，获得时间平均粒子分布图；
7)移动CCD相机，对所述颗粒流场分区域进行多次拍摄，获得不同颗粒流场区域的时间平均流场速度分布图与时间平均粒子分布图；
8)弥散室内的烟粉及气体由引风机抽出，依次进入旋风分离器及除尘器中，烟粉重新进入料仓，气体由排风机引出。
所述静态图片的处理为，通过改变对比度和亮度增强图形的明暗对比，对污点进行修复，再进行锐化、滤波及边缘检测处理，直接生成相切直线并测量两切线形成的角度即为弥散角；对拍摄的多幅静态图片分析所得弥散角平均获得平均弥散角。
本发明的有益效果是：
通过宏观检测平台拍摄方便，有效性高，实验成本低，能够把握流场的整体形态特征，微观检测平台能够获得局部具体的颗粒流动信息，数据信息量大，两者的综合考察有助于全面了解烟粉喷送过程中的颗粒分散特性，对于指导调整工况、稳定造纸法再造烟叶质量有重要意义。
附图说明
图1为烟粉喷送宏观分散特性检测系统示意图；
图2为烟粉喷送微观检测平台示意图。
附图标记说明
1-空压机，2-冻干机，3-压力缓冲罐，4-齿轮减速电机，5-搅拌器，6-进料口，7-料仓，8-布风室，9-外流式喷嘴，10-有机玻璃弥散室，11-标尺，12-高速摄像机，13-计算机，14-引风机，15-旋风分离器，16-除尘器,17-球阀，18-压力调节阀，19-流量控制器，20-差压传感器，21-充压风管路，22-流化风管路，23-补充风管路，24-中心风管路，25-固体输送管路，26-激光器电源及冷却水系统，27-双脉冲激光器，28-片光源镜头组，29-片光源，30-颗粒流场轮廓，31-CCD相机，32-同步器。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。
本技术方案是针对现有造纸法再造烟叶行业工艺需求而提出的一种可以考察烟粉喷送过程分散特性的检测系统，总体可以分为烟粉喷送系统、检测系统和烟粉回收及排气系统。检测系统包括有机玻璃弥散室，微观检测平台，宏观检测平台与数据采集系统；宏观检测平台可以得到整个流场轮廓的分散信息，包括弥散角和贯穿距，微观检测平台可以得到局部流场的时间平均流场速度的平均分布，浓度平均分布的时间平均粒子分布图。
如图1所示，本申请提供一种烟粉喷送分散特性的测量系统，包括：
料仓为上筒下锥的底部流化侧面出料式料仓，料仓正上方设置有低速搅拌装置，其中搅拌器设置于料仓内，搅拌电机及设置有齿轮减速机设置于料仓外正上方，在料仓的上侧壁分别设置有进料口和压料风入口，在料仓的下侧壁分别设置有流化风入口及下料口，在料仓内部的底部设置有通过布板板隔开的布气室，流化风入口与布气室连通。
弥散室，在本申请中为有机玻璃弥散室，便于检测系统工作，弥散室内底部设置有标尺，所述弥散室的侧壁上设置有弥散室进口和弥散室出口。有机玻璃弥散室在不影响流场的前提下，把弥散区限定在一定的空间范围内，可以清楚观察室内弥散情况，也可根据状况好坏进行相关操作，还可以有效防止实验物料外溢污染环境，还可以收集物料以重复循环利用。
固定输送管路，一端设置有外流式喷嘴，所述外流式喷嘴与所述弥散式进口连接，另一端与所述下料口连接。外流式喷嘴为气固两相流喷嘴，其中心通道与所述中心风管路连通，外环通道与所述固体输送管路连通。
供风系统，所述供风系统分别连接充压风管路、流化风管路、补充风管路及中心风管路，本申请的供风系统为依次连接的空压机、冻干机及压力缓冲罐，在所述冻干机与所述缓冲罐的管路上设置有球阀，在充压风管路、流化风管路、补充风管路及中心风管路均设置有控制阀，用于风量的调整。
所述充压风管路与所述充压风入口连接，所述流化风管路与所述流化风入口连接，所述补充风管路与所述固定输送管路的靠近下料口端连接，所述中心风管路与所述外流式喷嘴连接。
所述检测系统，包括：
宏观检测平台、微观检测平台及数据采集系统；
所述宏观检测平台包括高速摄像机，所述高速摄像机的镜头与所述弥散室相对，所述高速摄像机与所述数据采集系统电信号连接；高速摄像机的拍摄速度为1000帧/s,曝光时间为4x 10-5s,图片分辨率为512x1024,实际拍摄区域尺寸为10cm x 20cm。
如图2所示，微观检测平台包括激光器电源及冷却水系统、双脉冲激光器，片光源镜头组、CCD相机与同步器；激光器电源按一定频率提供激光发生器所需要的能量以及为循环冷却水供应动力；
所述微观检测平台包括双脉冲激光器，所述双脉冲激光器发射的片光源与过所述外流式喷嘴在所述弥散室内形成的喷射区域的轴线的截面重合；冷却水装置对系统提供降温功能，防止激光发生器过热。
双脉冲激光器为Nd-YAG(钇铝石榴石晶体)激光器，激发的每个激光是波长为1064nm的远红外光，每个脉冲能量为135mJ,脉冲间隔可调，通过内部的二级谐波发生器将远红外激光倍频，变为波长为532nm的绿光。
CCD相机，所述CCD相机的镜头垂直过所述喷射区域的片光源；CCD相机的图像分辨率为1600x2000的像素，曝光时间为4x 10-5s,拍摄速度为32帧/s，实际拍摄区域尺寸为9cmx 12cm。
同步器，分别连接所述双脉冲激光器、所述CCD相机及所述数据采集系统，同步器能够协调激光器与相机的工作，分辨率为1ns。
数据采集系统包括计算机及附带的image J、insight 3G软件。
还包括烟粉回收系统，包括：
引风机，所述引风机的入口与所述弥散室出口通过管路连接。
旋风分离器，所述旋风分离器的入口通过管路与所述引风机的出口连接。
所述旋风分离器的烟粉出口通过管路与所述进料口连接。
除尘器，所述除尘器的入口与所述旋风分离器连接，气体出口与排风机连接，粉尘出口通过管路与进料口连接。
本申请还提供一种烟粉喷送分散特性的测量方法，使用上述任一项的测量系统，包括以下步骤：
本申请中，烟粉的目数为50目至3000目中的一种或多种组合。
空压机1和冻干机2产生的高压压缩空气经过压力缓冲罐3分为充压风21、流化风22、补充风23和中心风24四股。
料仓上方设置有齿轮减速机4控制的搅拌杆5，充压风21进入料仓7上部，保证料仓压力稳定，流化风22进入料仓底部的布风室8，经布风板将料仓底部的烟粉均匀流化，流量控制器19控制流化风大小为0.4m3/h，流化后的烟粉在充压风21与流化风22的输送压差作用下从侧面出料进入固体输送管路25。
补充风管路23从侧面汇入固体输送管路25，补充风、流化风及携带的烟粉混合一起进入外流式喷嘴9的外环通道，在外流式喷嘴9出口与经过中心风管路23、喷嘴内环通道输送的中心风混合，一起被喷射到有机玻璃弥散室10，流量控制器控制补充风大小为0.6m3/h，流量控制器控制中心风大小为16m3/h。
高速摄像机12对有机玻璃弥散室10中的流场直接拍摄静态图片；直接导入计算机13中，图像软件image J对静态图片进行编辑，改变对比度和亮度增强图形的明暗对比，对污点进行修复，再进行锐化、滤波及边缘检测处理，直接生成相切直线并测量两切线形成的角度即为弥散角，对拍摄的多幅图片计算所得弥散角取平均值；弥散室中的标尺11直接读取颗粒流场的贯穿距。
双脉冲激光器27发出两束时间间隔为Δt＝100us的激光，经过内部的片光源镜头组28，形成的片光源29到达弥散室喷嘴轴线所在的水平面；架设在激光面垂直上方的CCD相机31在同步器32的的控制下，拍摄出两张时间间隔为Δt＝100us的流场图片直接导入计算机13中，insight 3G软件采取自相关算法处理，得到相差Δt＝100us时同一颗粒的位移，同时得到该颗粒的运动速度，多张瞬时流场的速度数据求取时间平均，获得时间平均流场速度分布图，insight 3G软件对不同时刻拍摄的图片进行叠加处理求取时间平均，获得时间平均粒子分布图。
移动CCD相机31，对弥散室流场分区域进行多次拍摄，获得不同区域的时间平均流场速度分布图与时间平均粒子分布图。
弥散后的烟粉及气体由引风机14抽出，依次进入旋风分离器15与除尘器16中，烟粉经旋风分离器15和除尘器16后重新进入料仓，气体经旋风分离器15和除尘器16过滤后由引风机14引出排入大气。
在本申请的其它实施例中，通过对流化风的风量替换为其它值，比如0.3m3/h，其它参数不变进行检测。
还可以通过调节流量控制器，对补充风的风量替换为其它值，比如0.7m3/h，其它参数不变进行检测。
通过调节流量控制器，对弥散风的大小进行替换，比如替换为20m3/h，其它参数不这进行检测。
通过调节同步器，将双脉冲激光器发出两束时间间隔为Δt调节为110us，其它参数不变时行检测。
还可以将上述的流化风、补充风、弥散风及间隔时间等参数均进行改变，并不影响本申请技术方案的实现。
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、替换和变形，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。
