一种基于PIV技术判定大豆蛋白液可喷性的方法
技术领域
本发明涉及材料成型领域，更具体的说，是一种针对大豆蛋白液喷涂覆膜，一种将PIV技术应用到检测大豆蛋白液可喷性的方法。
背景技术
大豆分离蛋白具有价格低廉，生物可降解，易于成膜性等优点,逐渐得到世界各国研究者的关注。纯蔬菜纸作为包装材料不能满足热封性能要求，需以纯蔬菜纸为基材进一步加工制备满足热封性能要求的蔬菜复合纸，大豆蛋白液的喷涂就是在蔬菜纸表面形成一层均匀的大豆蛋白膜，制备满足热封性能要求的蔬菜复合纸。在覆膜成型过程中，大豆蛋白液的可喷性是影响覆膜质量的因素之一，可喷性较差的大豆蛋白液在喷涂时会出现喷头堵塞、喷雾不均匀、液滴雾化不彻底等问题，造成覆膜质量差、浪费原材料和喷雾效率低等后果。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于PIV技术的大豆蛋白液可喷性检测的方法，以便于快速检测不同参数液体的可喷性，找到最佳喷涂参数。
本发明采用的技术方案为：一种基于PIV技术的液体可喷性检测的方法，所述检测方法包括以下步骤：
第一步：基于PIV速度场图像外观定性判定大豆蛋白液的可喷性
基于PIV速度场图像外观定性判定大豆蛋白液的可喷性：先设定喷涂参数如下：喷涂参数喷涂流量40cc/min，喷涂气压为0.20MPa，喷涂液压为0.12MPa，恒定不变喷嘴电子脉冲频率为80Hz；分别配制出质量百分比浓度为4.67％、7.27％、9.73％的大豆蛋白液，然后将水以设定好的喷涂参数进行雾化喷雾，利用PIV系统拍摄，通过Tecplot软件处理后得到速度场图片。
选择不同浓度的大豆蛋白液和水的雾化粒子速度场作对比，水是空白对照组，有较完整且基本对称的速度场外观，没有间断喷涂区域和中心孔洞。根据有速度有粒子，无速度无粒子的原理，可以定性判断，水的可喷性较好。若大豆蛋白液喷雾粒子速度场图像出现不均匀、不连续、有孔洞等现象，则说明定性判断，该浓度下的大豆蛋白液在该喷涂参数下的可喷性较差。
第二步：基于PIV速度场图像截线上的速度有无定量判定可喷性
根据实际情况选取距离喷嘴一定距离的水平面作为基线，测量被覆膜面距离喷嘴距离为30cm，因此在图像上选取距离喷嘴同样距离的水平面作为喷雾基线，选择大豆蛋白液喷涂雾化粒子速度场图像，对喷雾基线和喷嘴轴向方向两条线进行标记，用Tecplot软件提取并处理，作出两条线上速度与距离的曲线图。
根据有速度有粒子，无速度无粒子的原理，基线和轴线上曲线图速度数值为0的点，可判断此处没有粒子，即可定量判断此浓度和喷涂参数下的大豆蛋白液喷，可喷性较差。
本发明新型检测可喷性方法的优点在于：
1、本方法基于数字图像处理，能够快速精确地界定出任意浓度的大豆蛋白液可喷性。
2、本方法可以定性、定量地界定不同液体的可喷性。
3、本方法是一种无接触式的检测方法，不会污染被检测物。
本方法分析PIV粒子速度场图像外观来定性判定可喷性以及基于PIV截线上的速度有无来定量判定可喷性，为以后覆膜阶段选取合适浓度的大豆蛋白液奠定基础，而且使蔬菜复合纸得包装性能得到明显地提升。
附图说明
图1是喷水雾化粒子速度场图；
图2是低浓度(4.67％)大豆蛋白液喷雾粒子速度场图；
图3是中浓度(7.27％)大豆蛋白液喷雾粒子速度场图；
图4是高浓度(7.27％)大豆蛋白液喷雾粒子速度场图；
图5是高浓度(9.73％)大豆蛋白液喷雾粒子速度场截线图；
图6是中浓度(7.27％)大豆蛋白液速度场轴向变化情况图；
图7是高浓度(9.73％)大豆蛋白液速度场轴向变化情况图；
图8是中浓度(9.73％)大豆蛋白液速度场径向变化情况图；
图9是高浓度(9.73％)大豆蛋白液速度场径向变化情况图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明一种基于PIV技术判定大豆蛋白液可喷性的方法，按照下述步骤完成：
第一步：根据实验设计要求，设定好喷涂参数：喷涂流量、喷涂气压、喷涂液压和喷嘴电子脉冲频率；使用等量的水作为对照组进行喷雾实验；再根据实际情况，制定试验方案，按照试验方案配制出不同浓度的大豆蛋白液。利用PIV装置拍摄得到水和不同大豆蛋白液的雾化粒子速度场图像，并用Tecplot软件处理得到速度场图像。
以水的雾化粒子速度场为参照物，根据速度场图像是否连续均匀，有无孔洞来定性判断该喷涂参数和浓度下的大豆蛋白液可喷性。
第二步：选取采集得到的大豆蛋白液喷涂雾化粒子速度场图像，用Tecplot软件对喷雾基线(基线长度根据实际情况进行选择)和喷嘴轴向方向上的速度进行提取并处理作出速度与距离的曲线图。
根据有速度有粒子，无速度无粒子的原理，基线上速度数值为0的点，没有粒子，即喷雾出现缺陷，即可定量判断此浓度和喷涂参数下的大豆蛋白液喷雾雾化不均匀，可喷性较差。
下面利用具体实施例进一步说明:
实施例1
设定喷涂参数喷涂流量40cc/min
喷涂气压为0.20MPa
喷涂液压为0.12MPa
恒定不变喷嘴电子脉冲频率为80Hz。
步骤：
(1)通过以恒定的800g蒸馏水和相同量的添加剂(见表1)，改变大豆蛋白质量得到不同的大豆蛋白液浓度，利用PIV装置测得不同大豆蛋白液浓度下雾化粒子速度场情况，根据Design Expert软件设计试验方案，从方案中选得四组试验作比较分析，分别是高浓度、中浓度、低浓度、和水(对照)表1为实验方案，大豆蛋白液浓度是指大豆蛋白的质量分数。
表1实验方案
(2)为了分析大豆蛋白液的可喷性，选择低浓度、中浓度、高浓度的大豆蛋白液和水的雾化粒子速度场作对比，水是空白对照组。图1为喷涂流量为40cc/min、喷涂气压为0.20MPa、喷涂液压0.12MPa下水的雾化粒子速度场，在图像中显示了水的喷雾特性较好，有较完整且基本对称的速度场外观，没有间断喷涂区域；也从图像里不同颜色区域得出，在喷头喷嘴的中轴线上，雾化粒子喷出后速度先迅速增大而后逐渐减小的趋势，速度场内部没有出现无速度区域。
(3)图2是本实验设定参数下低浓度为4.67％的大豆蛋白液的雾化粒子速度场，而图3是中浓度为7.27％的大豆蛋白液的雾化粒子速度场，从两图像中能明显地看出喷雾场都接近是对称分布的扇形面，喷头中心轴且靠近喷头处的速度比较大，且是无间断连续的喷涂状态，而与图1喷水的速度场外观比较，扇形面都有所收缩，且低浓度的比中浓度的收缩较小。
图4是高浓度为9.73％的大豆蛋白液时雾化粒子速度场状态，在图像中该浓度的雾化特性比图2和图3中两浓度的雾化特性差，雾化粒子场形成的扇形面也不完整，速度场出现间断区域，形成了类似岛屿形状；从图像里不同颜色区域也可以看出粒子速度场内部出现无速度的区域。因此可以得出浓度太高，大豆蛋白液容易堵喷嘴，速度场出现间断区域，雾化特性差，即该浓度下的大豆蛋白液的可喷性差。
(4)对试验装置的调试之后，对喷雾场的尺寸做标定，确定放大倍数，系统标定之后得出的速度放大率0.6619m/s.pixel，图像放大率为0.33099mm/pixel，然后进行试验喷雾，为了避免喷雾瞬时性对某些雾化特性的影响，试验中，每组持续测出20张粒子速度场的原始图像。将测得的20张原始图像处理成粒子速度场平均图像，将平均图像用tecplot软件进行后处理，得到每组试验喷雾粒子速度场以及图像轴向距离为300mm截面处和喷嘴中轴线上的粒子速度变化情况。图5是高浓度为9.73％的大豆蛋白液雾化粒子速度场截线图，图中横截线是图像轴向距离为300mm截面处，纵截线是喷嘴中轴线。用tecplot软件分别提取这两条截线上的速度数据并处理作出速度与距离的曲线图。
(5)图6和图7分别为在上述条件下浓度为7.27％和9.73％的大豆蛋白液的雾化粒子在喷嘴中轴线上的粒子速度场变化情况，即轴向距离上粒子速度变化情况。从图6可以得出喷头中轴线上速度在喷口喷出后速度急剧加快，之后速度迅速下降，而且粒子速度在轴向距离60-670mm都不为零，而喷嘴的坐标为(335,670)，有粒子有速度，因此可得出雾化粒子从喷嘴喷出到喷涂下游一直存在，连续且无间断。图7的粒子速度变化趋势与图6的变化趋势基本一致，但图7的粒子速度明显低于图6的，在图7轴向距离0-230mm和620-670mm上速度几乎为零，可见从喷嘴喷出后在620-670mm没有粒子，喷嘴出现堵塞，因此可以得出在设定的参数下高浓度为9.73％的大豆蛋白液喷涂时，喷涂雾化效果不佳，可喷性差。
图8和图9分别为在上述条件下浓度为7.27％和9.73％的大豆蛋白液的雾化粒子在图像轴向距离为300mm截面处的粒子速度场变化情况，即径向距离上粒子速度变化情况。图8可以看出在固定截面处速度以轴心处为最大，速度场外沿的粒子速度逐渐降低，在径向距离0-670mm上速度都不为零，速度曲线连续没有间断，而图9中粒子速度变化与图8的趋势不同，且速度曲线不连续有间断，在径向距离120-260mm和440-670mm上粒子速度都为零，无速度无粒子，表明在两区域内无粒子，喷涂雾化粒子场有间断区域。
综合轴向和径向距离上的速度变化情况，可以得出浓度为9.73％的大豆蛋白液的喷涂间断且喷嘴易堵塞，可喷性差。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明只局限于上述具体实施。在不脱离本发明整体思路和权利要求所保护的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
