СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ФОТОСЪЕМКИ ВРАЩЕНИЯ МИКРОЧАСТИЦЫ В ПОЛЕ ГИДРОЦИКЛОНА Российский патент 2018 года по МПК G01P3/38 

Область техники

Раскрытие принадлежит к области определения двухфазного потока твердая фаза-жидкость и относится к способу и устройству для определения вращательного движения микрочастиц в поле гидроциклона с использованием системы высокоскоростной фотосъемки. Более конкретно, обеспечен способ и устройство для синхронного определения вращательного движения микрочастиц в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных (друг к другу) высокоскоростных цифровых фотоаппаратов (фотокамер).

Уровень техники

Благодаря преимуществам, связанным с высокой эффективностью, сниженным энергопотреблением и т.д., технологию разделения твердо-жидкостным циклоном широко используют в очистке нефти и химическом производстве. Наряду с разработкой технологии очистки тяжелой нефти, восстановление и обработка выработанных пористых катализаторов, содержащих нефть, становится проблемой, сдерживающей разработку технологий очистки нефти. Технология очистки и десорбции с помощью циклона эффективно решает проблему удаления нефти из пористых частиц, содержащих нефть. При исследовании технологии очистки и десорбции с помощью циклона было обнаружено, что микрочастицы не только поворачиваются вокруг центра поля циклона (твердо-жидкостное циклонное разделение в традиционном смысле), но также вращаются вокруг своих собственных мгновенных осей. Вращательное движение частиц усиливает отделение нефти, захваченной частицами. Для исследования эффекта вращательного движения микрочастиц при усилении отделения загрязнителей в поле циклона предложен способ определения вращательного движения микрочастиц в поле циклона и разработано испытательное устройство.

Многие попытки были посвящены изучению вращательного движения частиц, взвешенных в поле вихревого потока (течения) жидкости. Однако, из-за сложности поля потока и ограничений испытательных технологий, исследование в основном ограничено простым вихревым потоком при условии небольших чисел Рейнольдса для частиц. Небольшое исследование было проведено для вращательного движения частиц при турбулентном потоке с высокими числами Рейнольдса для частиц.

Simon Klein и др. (Measurement Science and Technology, 2013, Vol. 24, No. 2, pp. 1-10) сообщили о технологии испытания, которая позволяет одновременно измерять в трех направлениях траектории, перемещение и вращение инерционных частиц с конечными размерами, наряду с турбулентным потоком, в которой три высокоскоростные КМОП-фотокамеры использовали для измерения трехмерных траекторий частиц с использованием способа LPT (low-pressure test, испытания при низком давлении), а вращательное движение частиц в поле потока фон Кармана проанализировали путем отслеживания эволюции во времени множества флуоресцентных частиц размером 100 мкм, внедренных в поверхность сферических частиц сверхводопоглощающего полимера. Благодаря сверхводопоглощающей способности, полимерные частицы растут от 1-2 мм до примерно 10 мм в диаметре после их погружения в воду, и плотность частиц была сопоставима с плотностью воды. Частота кадров трех высокоскоростных КМОП-фотокамер составляла 2900 кадров в секунду, а разрешение изображения составляло 768×768.

Colin R. Meyer и др. (Rotational diffusion of particles in turbulence, arXiv preprint arXiv:1301,0150, 2013) определили вращательное движение сферических и эллиптических частиц в симметрично премешиваемом резервуаре с использованием стереоскопической анемометрии по изображениям частиц (stereoscopic particle image velocimetry, SPIV). Диаметр сферических частиц составлял 8 мм, а большие и малые оси эллиптических частиц составляли 16 мм и 8 мм. Плотность частиц составляла 1007 кг/м³. Числа Рейнольдса сферических и эллиптических частиц в поле потока составляли 22 и 63 соответственно. Разрешение по времени (частота кадров фотокамеры) при измерении составляло 14,773 Гц. Измеренная скорость вращения составляла [Ω_x,Ω_y,Ω_z]=[-0,012, -0,029, 0,021] рад/с для сферических частиц и [Ω_x,Ω_y,Ω_z]=[-0,024, -0,052, 0,011] рад/с для эллиптических частиц.

Однако для твердо-жидкостного микроциклона максимальная тангенциальная скорость в поле циклона составляла до 8-10 м/с, а диаметр отделяемых частиц как правило имел микроный масштаб. Это требует более высокого разрешения по времени и пространству при измерении.

Ввиду вышеуказанных проблем, исходя из повышения идентифицируемости вращающихся частиц, авторы изобретения разработали способ и устройство для определения синхронного обращения и вращения микрочастиц в поле циклона с использованием технологии стереоскопической высокоскоростной цифровой фотосъемки при суммировании достижений при исследованиях, сделанных в прошлом.

Сущность изобретения

Раскрытие обеспечивает способ синхронной высокоскоростной фотосъемки для измерения скорости вращения микрочастицы в поле гидроциклона и устройство для этой цели, с обеспечением таким образом надежного средства для измерения скорости вращения микрочастицы в текучей среде, характеризующейся низкой вязкостью и высокой турбулентностью.

В одном аспекте раскрытие обеспечивает способ синхронной высокоскоростной фотосъемки для определения вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащий:

(1) использование прозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, в качестве частицы для испытания на вращение;

(2) синхронный прием двух групп из двух серий объемных изображений движения микрочастицы в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных фотокамер; и

(3) реконструкцию трехмерной траектории движения микрочастиц из двух групп серий синхронных изображений, и в то же время - определение скорости вращения микрочастиц путем анализа частоты перекрытий и разделений проекций двух внутренних ядер в микрочастице в серии изображений.

В предпочтительном варианте воплощения частица для испытания на вращение представляет собой сферическую частицу, обладающую прозрачной или полупрозрачной оболочкой и содержащей две центросимметрично расположенные частицы внутреннего ядра, которые обладают насыщенным цветом и одинаковым диаметром, при этом частица для испытания обладает диаметром менее 500 микрон и высокой микродисперсностью.

В другом предпочтительном варианте воплощения две высокоскоростные цифровые фотокамеры расположены перпендикулярно, а погрешность синхронной фотосъемки составляет менее 10 микросекунд, причем глубина резкости двух высокоскоростных фотокамер составляет не менее 20% от диаметра поля циклона.

В другом предпочтительном варианте воплощения способ реконструирует трехмерную траекторию движения в зоне, подлежащей испытанию, путем подгонки двумерных траекторий движения микрочастиц в двух группах серий синхронных изображений.

В другом предпочтительном варианте воплощения способ определяет скорость вращения микрочастицы путем анализа частоты перекрытий и разделений проекций двух внутренних ядер в микрочастице в серии изображений, при этом частица для испытания обладает точностью различения (разрешения) угла вращения 90 градусов.

В другом предпочтительном варианте воплощения в способе для определения скорости вращения частицы использована одна высокоскоростная фотокамера.

В другом предпочтительном варианте воплощения поле гидроциклона обладает максимальной тангенциальной скоростью не более 10 м/с.

В другом аспекте раскрытие обеспечивает устройство для синхронной высокоскоростной фотосъемки вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащее:

экспериментальную установку циклонного разделения для обеспечения стабильного поля циклона для испытания; две высокоскоростные цифровые фотокамеры (high-speed digital cameras, HSDC) для синхронного измерения; источник люминесцентного излучения (холодного света) на основе СИДа большой мощности для обеспечения яркого белого света; синхронный триггер для высокоскоростных цифровых фотокамер; и компьютер для управления высокоскоростными цифровыми фотокамерами и хранения данных.

В предпочтительном варианте воплощения экспериментальная установка циклонного разделения представляет собой систему циркуляции, при этом экспериментальная установка содержит резервуар для хранения жидкости и вихревой насос, соединенный с резервуаром для сжатия жидкости, при этом выход вихревого насоса разделяется на два пути, по одному из которых текучая среда идет назад в резервуар через клапан обратного потока, по другому из которых другая жидкость проходит через регулятор расхода и соединитель для подачи частиц, а затем попадает в микроциклон из кварцевого стекла для испытания, при этом текучая среда как из верхней, так и из нижей части микроциклона из кварцевого стекла возвращается в резервуар. Манометр расположен на входе и на каждом из двух выходов микроциклона из кварцевого стекла, а расходомер и регулирующий клапан расположены на входе и верхнем выходе.

В другом предпочтительном варианте воплощения механизм подачи частиц расположен перед входом микроциклона из кварцевого стекла, при этом подача и высвобождение частицы для испытания регулируется двумя двухпозиционными клапанами.

В другом предпочтительном варианте воплощения одна из высокоскоростных цифровых фотокамер имеет частоту кадров 10000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунда или менее и разрешение 800 × 600 или более; а другая высокоскоростная цифровая фотокамера имеет частоту кадров 2000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунда или менее и разрешение 800 × 600 или более.

В другом предпочтительном варианте воплощения в двух высокоскоростных цифровых фотокамер использован макросъемочный объектив.

В другом предпочтительном варианте воплощения в двух высокоскоростных цифровых фотокамерах использован синхронный триггер для внешнего запуска.

В другом предпочтительном варианте воплощения источник люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности имеет цветовую температуру освещения 5500-8000 K и световой поток 12000 лм или более.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, показывающее способ определения вращательного движения прозрачной или полупрозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, показывающее принцип испытания на вращение микрочастицы в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных цифровых фотокамер согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, показывающее устройство для испытания на вращение микрочастицы в твердо-жидкостном микроциклоне с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных цифровых фотокамер согласно варианту воплощения изобретения.

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение, показывающее структуру микроциклона из оптического кварцевого стекла для обеспечения поля гидроциклона согласно варианту воплощения изобретения.

Подробное описание изобретения

При исследовании было обнаружено, что частицы, взвешенные в многофазном поле потока, демонстрируют не только движение, связанное с пространственным смещением вместе со средой непрерывной фазы, но также и движение, связанное с вращением вокруг своих собственных мгновенных осей вращения. Вращательное движение влияет как на макроскопические траектории движения частиц, так и на окружающее поле потока. Авторы изобретения в ходе длительных исследований обнаружили, что частицы в твердо-жидкостном микроциклоне также вращаются вокруг своих собственных мгновенных осей дополнительно к макроскопическому поворотному движению вокруг центра поля циклона. Однако, из-за особенной сложности поля потока в циклоне и высокоскоростного движения частиц, сложно различить вращение обычных частиц. Таким образом, существует большая сложность при определении вращательного движения микрочастиц в поле циклона. Ввиду вышеуказанных проблем, исходя из повышения идентифицируемости вращения частиц, авторы изобретения завершили изобретение использованием технологии синхронной высокоскоростной фотосъемки.

В первом аспект изобретения обеспечен способ синхронной высокоскоростной фотосъемки для определения вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащий:

(1) использование прозрачной или полупрозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, в качестве частицы для испытания на вращение;

(2) синхронный прием двух групп из двух серий объемных изображений движения микрочастицы в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных цифровых фотокамер; и

(3) реконструкцию трехмерной траектории движения микрочастицы из двумерного движения микрочастицы в двух группах серий синхронных изображений и одновременно определение скорости вращения микрочастицы в поле циклона.

Предпочтительно, чтобы частица для испытания на вращение представляла собой сферическую частицу, обладающую прозрачной или полупрозрачной оболочкой, причем частица для испытания обладает диаметром менее 500 микрон и высокой микродисперсностью, т.е. ее коэффициент вариации (значение CV) составляет менее 5%. Две частицы внутреннего ядра должны обладать насыщенным цветом и одинаковым диаметром и должны быть центросимметрично расположенными и непрозрачными.

Предпочтительно, чтобы способ определял скорость вращения микрочастицы путем анализа частоты перекрытий и разделений проекций двух внутренних ядер в микрочастице в сериях двумерных изображений. Частица для испытания обладает точностью различения угла вращения 90 градусов. Обычно для расчета скорости вращения микрочастицы используют серию изображений, в которой внутренние ядра перекрываются дважды.

Предпочтительно, чтобы две высокоскоростные цифровые фотокамеры были расположены перпендикулярно, погрешность синхронной фотосъемки составляла бы не более 5 микросекунд, а глубина резкости составляла бы не менее 20% от диаметра поля циклона.

Предпочтительно, чтобы поле гидроциклона обладало максимальной тангенциальной скоростью не более 10 м/с.

Во втором аспекте изобретения обеспечено устройство для синхронной высокоскоростной фотосъемки для определения вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащее:

экспериментальную установку 1 циклонного разделения для обеспечения поля циклона для испытания; две высокоскоростные цифровые фотокамеры 2 для синхронного измерения; источник 3 люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности для обеспечения яркого белого света; синхронный триггер 4 для высокоскоростных цифровых фотокамер; и компьютер 5 для контроля измерения и хранения данных.

Экспериментальная установка циклонного разделения представляет собой систему циркуляции, при этом экспериментальная установка содержит резервуар 1-1 для хранения жидкости и вихревой насос 1-2, соединенный с резервуаром для сжатия жидкости, при этом выход вихревого насоса разделяется на два пути, по одному из которых текучая среда идет назад в резервуар 1-1 через клапан 1-3-2 обратного потока, по другому из которых другая жидкость проходит через регулятор 1-3-1 расхода и соединитель 1-4-3 для подачи частиц, а затем попадает в микроциклон 1-5 из оптического кварцевого стекла, при этом текучая среда как из верхней, так и из нижей части микроциклона 1-5 из кварцевого стекла возвращается в резервуар 1-1. Манометр расположен на каждом из входа и двух выходов микроциклона 1-5 из кварцевого стекла, а расходомер 1-3-3 и регулирующий клапан 1-3-4 дополнительно расположены на входе и верхнем выходе.

Этапы испытания являются следующими:

(1) запуск вихревого насоса 1-2 экспериментальной установки циклонного разделения и регулирование регулятора 1-3-1 расхода и клапана 1-3-2 обратного потока, чтобы позволить микроциклону 1-5 из оптического кварцевого стекла достигнуть рабочих условий для испытания;

(2) запуск источника 1-3 люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности для облучения зоны, подлежащей испытанию в поле циклона, ярким светом;

(3) загрузка частицы для испытания в механизм 1-4 для подачи частиц и высвобождение частицы во вход микроциклона 1-5;

(4) приведение в действие синхронного триггера 4, чтобы позволить двум высокоскоростным цифровым фотокамерам синхронно фотографировать движение микрочастицы; и

(5) передача данных изображений от высокоскоростных цифровых фотокамер на компьютер 4 и их хранение в нем.

Предпочтительно, чтобы две высокоскоростные цифровые фотокамеры были расположены перпендикулярно, причем высокоскоростная цифровая фотокамера 2-1 имеет частоту кадров 10000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунду или менее и разрешение 800 × 600 или более; а высокоскоростная цифровая фотокамера 2-2 имеет частоту кадров 2000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунду или менее и разрешение 800 × 600 или более.

Предпочтительно, чтобы источник люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности имел цветовую температуру освещения 5500-8000K и световой поток 12000 лм или более для формирования четких изображений частицы.

Предпочтительно, чтобы давление на входе микроциклона составляло 0,1-0,3 МПа, а температура жидкости составляла не более 50°C.

Предпочтительно, чтобы микроциклон из кварцевого стекла имел номинальный диаметр 40 мм или менее и обладал очищенной поверхностью.

Предпочтительно, чтобы в экспериментальной установке циклонного разделения был использован вихревой насос, демонстрирующий небольшое выходное отклонение. Регулятор 1-3-1 расхода и клапан 1-3-2 обратного потока используются для достижения синергетического контроля для улучшения точности регулирования потока в микроциклоне 1-5 и снижения изменения потока со стабилизацией таким образом поля циклона в микроциклоне из оптического кварцевого стекла.

Предпочтительно, чтобы игла из нержавеющей стали, имеющая внутренний диаметр 1,5 мм, была расположена внутри соединителя для подачи частиц, причем игла впрыскивает микрочастицу для испытания через вход микроциклона 1-5 в поле циклона.

Рассмотрим прилагаемые чертежи.

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение, показывающее способ определения вращательного движения прозрачной или полупрозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, согласно варианту воплощения изобретения. Вращение частицы определяют путем перекрывания и разделения проекций двух внутренних ядер в микрочастице. Точность различения угла вращения частицы составляет 90 градусов. n представляет число случаев, когда два внутренних ядра перекрываются и разделяются в серии изображений вращательного движения микрочастицы.

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение, показывающее принцип испытания на вращение микрочастицы в жидкостном микроциклоне с использованием двух высокоскоростных цифровых фотокамер согласно варианту воплощения изобретения. На вращательное движение микрочастицы в поле циклона в основном влияет тангенциальная скорость U_t поля потока. Исходя из соотношения между характеристикой распределения тангенциальной скорости и положением частицы в поле циклона, можно определить, что вращение частицы и вихревое движение текучей среды противоположны по направлению.

Скорость вращения частицы ω_sel может быть рассчитана следующим образом:

где θ - угол вращения микрочастицы, n - число случаев, когда два внутренних ядра в частице перекрываются и разделяются в группе серии изображений, отснятых высокоскоростной цифровой фотокамерой (HSDC-I), τ - время, требуемое на запись вращения частицы, m - число фотографий, записывающих вращательное движение частицы, и f - частота кадров высокоскоростной цифровой фотокамеры.

Координаты частицы y и z могут быть определены согласно фотографиям, отснятым одной (HSDC-I) из высокоскоростных цифровых фотокамер; и координаты частицы x и z могут быть определены согласно фотографиям, отснятым другой (HSDC-II) из высокоскоростных цифровых фотокамер, причем максимальное значение x задано как мгновенный радиус r оборота частицы, вращающейся в зоне для испытания. Таким образом, может быть определена приблизительная траектория движения частицы в зоне для испытания, как таковая.

Способ для расчета скорости оборота частицы является следующим:

где L - расстояние от частицы до центра поля циклона на двумерном изображении.

Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение, показывающее устройство для испытания на вращение микрочастицы в твердожидкостном микроциклоне с использованием двух расположенных перпендикулярно высокоскоростных цифровых фотокамер согласно варианту воплощения изобретения. Это устройство главным образом содержит экспериментальную установку 1 циклонного разделения, высокоскоростные цифровые фотокамеры 2, источник 3 света на основе СИДа большой мощности, пусковой синхронизатор 4 для высокоскоростных фотокамер и управляющий компьютер 5.

Экспериментальная установка циклонного разделения содержит резервуар 1-1 для жидкости, причем жидкость в резервуаре сжимается насосом 1-2. Регулятор 1-3-1 расхода и клапан 1-3-2 обратного потока используются для управления потоком текучей среды, текущей в микроциклон 1-5 из оптического кварцевого стекла, и изменением давления на входе. Частицу добавляют в механизм 1-4 для подачи частиц с помощью переключателя клапанов 1-4-1 и 1-4-2. Под действием перепада давлений частица для испытания доставляется на соединитель 1-4-3 для подачи частиц на входе в микроциклон. Частицы для испытания вводят непрерывно и равномерно во вход микроциклона через точечное отверстие, которое имеет внутренний диаметр 1,5 мм и расположено внутри соединителя 1-4-3 для подачи частиц. Вокруг микроциклона расположена прямоугольная водяная рубашка 1-6, выполненная из чистого стекла, причем водяная рубашка заполнена той же самой средой, что и среда в резервуаре 1-1, с тем, чтобы снизить ошибку испытания, вызванную преломлением света на искривленной поверхности микроциклона. Расходомеры и манометры расположены на входе микроциклона и выходе верхнего слива. Манометр расположен на выходе нижнего слива. Клапаны 1-3-3 и 1-3-4 регулировки расхода также расположены на выходе верхнего слива и выходе нижнего слива соответственно.

Фиг. 4 представляет собой схематическое изображение, показывающее конструкцию микроциклона из оптического кварцевого стекла для обеспечения поля гидроциклона согласно варианту воплощения изобретения. a и b представляют собой соответственно длину и высоту входа, D - внутренний диаметр секции колонны микроциклона (номинальный диаметр), D_o - внешний диаметр трубы верхнего слива, d_o - внутренний диаметр трубы верхнего слива, h - глубина, на которую вставлена труба верхнего слива, H - высота секции колонны, d_u - внутренний диаметр выхода нижнего слива и α - угол сужения.

Основные преимущества способа и устройства по изобретению включают в себя:

Благодаря использованию в качестве частицы для испытания прозрачной или полупрозрачной частицы, содержащей два внутренних ядра, идентифицируемость вращательного движения частицы в поле циклона сильно повышается, и реализуется синхронное определение вращения микрочастицы в низковязком сильном поле циклона и её оборот вокруг геометрического центра поля циклона.

Примеры

Изобретение будет дополнительно проиллюстрировано со ссылкой на следующие конкретные Примеры. Тем не менее, следует учитывать, что эти Примеры предназначены лишь для пояснения изобретения, без ограничения объема изобретения. Способы испытаний в следующих примерах, для которых никакие специальные условия не указаны, должны быть осуществлены, как правило, при стандартных условиях или при условиях, рекомендованных изготовителями. Если не указано иное, все части представляют собой части по массе, а все процентные содержания представляют собой процентные содержания по массе.

Пример 1

При использовании устройства для испытания, как показано на Фиг. 3, авторы изобретения определили скорость вращения микрочастиц в микроциклоне из оптического кварцевого стекла, имеющем номинальный диаметр 25 мм. Жидкая среда представляла собой водопроводную воду при комнатной температуре. Используемая частица представляла собой полупрозрачную сферическую полимерную частицу, содержащую два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, синтезированную с помощью технологии микрофлюидального гранулирования. Средний диаметр частицы составляет 450 микрон, а коэффициент вариации (значение CV) составляет 3%. Как правило, считается, что значение CV менее 5% указывает на хорошую микродисперсность. Относительная плотность частицы составляет 1,15. В Таблице 1 показаны скорости оборота и вращения микрочастицы в секции колонны микроциклона из оптического кварцевого стекла, имеющей номинальный диаметр 25 мм, измеренные при различных рабочих давлениях в устройстве согласно способу по изобретению. В Таблице 2 показаны координаты трехмерной траектории микрочастиц в поле циклона, реконструированные согласно способу по изобретению, когда рабочее давление составляло 0,1 МПа.

Таблица 1

Скорости оборота и вращения микрочастиц при различных рабочих давлениях

Рабочее давление, МПа 0,10 0,14 0,18 0,22 0,26 Радиус r оборота, мм 11,558 11,738 11,648 10,295 11,738 Скорость оборота, рад/мин 2336 2543 3032 4733 4202 Скорость вращения, рад/мин 24330 12697 9668 5427 11038

Таблица 2

Реконструированные координаты трехмерной траектории движения микрочастиц в поле циклона

X Y Z 10,619
10,976
11,194
11,395
11,510
11,558
11,491
11,408
11,197
10,942
10,604 4,563
3,621
2,879
1,934
1,052
0,101
-1,243
1,856
-2,866
-3,722
-4,598 21,780
21,983
22,081
22,286
22,485
22,587
22,688
22,783
22,984
23,088
23,189

Все документы, упомянутые в раскрытии, включены сюда посредством ссылки, как если бы каждый из них был включен сюда по отдельности посредством ссылки. Следует дополнительно понимать, что специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные изменения или модификации изобретения после прочтения вышеуказанных сведений по изобретению, и эти эквивалентные варианты попадают в рамки объема, заданного также прилагаемой формулой изобретения заявки.

Изобретение относится к способу и устройству для синхронной высокоскоростной фотосъемки вращения микрочастицы в поле гидроциклона, в частности к способу и устройству для определения скорости вращения микрочастицы в поле гидроциклона путем использования сочетания системы синхронной высокоскоростной фотосъемки и прозрачной микрочастицы, содержащей два центросимметрично расположенных внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром. Заявленный способ содержит: использование прозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, в качестве частицы для испытания на вращение; синхронный прием двух групп серий двумерных изображений движения микрочастицы в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных цифровых фотокамер; и реконструкцию трехмерной траектории движения микрочастиц из двух групп серий синхронных изображений и одновременно определение скорости вращения микрочастицы в поле циклона. Раскрытие также обеспечивает устройство для синхронной высокоскоростной фотосъемки вращения микрочастицы в поле гидроциклона. Технический результат - обеспечение средства для измерения скорости вращения микрочастицы в текучей среде, характеризующейся низкой вязкостью и высокой турбулентностью. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Способ синхронной высокоскоростной фотосъемки вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащий:

(1) использование прозрачной микрочастицы, содержащей два внутренних ядра, обладающих одинаковым диаметром и расположенных центросимметрично, в качестве частицы для испытания на вращение;

(2) синхронный прием двух групп из серий двумерных изображений движения микрочастицы в поле гидроциклона с использованием двух перпендикулярно расположенных высокоскоростных цифровых фотокамер; и

(3) реконструкцию трехмерной траектории движения микрочастицы из двух групп серий синхронных изображений и одновременно определение скорости вращения микрочастицы в поле циклона.

2. Способ по п. 1, в котором частица для испытания на вращение представляет собой сферическую частицу, обладающую прозрачной или полупрозрачной оболочкой и содержащую две центросимметрично расположенные частицы внутреннего ядра, которые обладают насыщенным цветом и одинаковым диаметром, причем частица для испытания обладает диаметром менее 500 микрон и высокой микродисперсностью (коэффициент вариации <5%).

3. Способ по п. 1, в котором две высокоскоростные цифровые фотокамеры расположены перпендикулярно, погрешность синхронной фотосъемки составляет менее 10 микросекунд, а глубина резкости двух высокоскоростных фотокамер составляет не менее 20% от диаметра поля циклона.

4. Способ по п. 1, при этом в способе реконструируют трехмерную траекторию движения в зоне, подлежащей испытанию, путем подгонки двумерных траекторий движения микрочастицы в двух группах серий синхронных изображений.

5. Способ по п. 1, при этом в способе определяют скорость вращения микрочастицы путем анализа частоты перекрытий и разделений проекций двух внутренних ядер в микрочастице в серии изображений, при этом частица для испытания обладает точностью различения угла вращения 90 градусов.

6. Способ по п. 1, при этом в способе одновременно определяют поворотное движение микрочастицы в поле гидроциклона вокруг геометрического центра поля циклона и вращательное движение вокруг её собственной мгновенной оси.

7. Способ по п. 1, в котором поле гидроциклона обладает максимальной тангенциальной скоростью не более 10 м/с.

8. Способ по п. 5, при этом в способе используют только одну из высокоскоростных фотокамер для определения скорости вращения частицы, а другую используют для трехмерного позиционирования.

9. Устройство для синхронной высокоскоростной фотосъемки вращения микрочастицы в поле гидроциклона, содержащее:

экспериментальную установку (1) циклонного разделения для обеспечения поля циклона для испытания; две высокоскоростные цифровые фотокамеры (2) для синхронного измерения; источник (3) люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности для обеспечения яркого белого света; синхронный триггер (4) для высокоскоростных цифровых фотокамер; и компьютер (5) для управления высокоскоростными цифровыми фотокамерами и хранения данных.

10. Устройство по п. 9, в котором экспериментальная установка циклонного разделения представляет собой систему циркуляции, при этом экспериментальная установка содержит резервуар (1-1) для хранения жидкости и соединенный с резервуаром вихревой насос (1-2) для сжатия жидкости, при этом выход вихревого насоса (1-2) разделяется на два пути, по одному из которых текучая среда идет назад в резервуар (1-1) через клапан (1-3-2) обратного потока, а по другому из которых другая жидкость проходит через регулятор (1-3-1) расхода и через соединитель (1-4-3) для подачи частиц, а затем входит в микроциклон (1-5) из оптического кварцевого стекла, при этом текучая среда как из верхней, так и из нижней частей микроциклона из кварцевого стекла возвращается в резервуар (1-1), при этом манометр расположен на каждом из входа и двух выходов микроциклона из кварцевого стекла, а на входе и на верхнем выходе дополнительно расположены расходомер и регулирующий клапан.

11. Устройство по п. 9 или 10, в котором внутри соединителя (1-4-3) для подачи частиц расположена игла из нержавеющей стали, имеющая внутренний диаметр 1,5 мм, при этом игла впрыскивает микрочастицу для испытания через вход микроциклона (1-5) в поле циклона.

12. Устройство по п. 9, в котором одна (2-1) из высокоскоростных цифровых фотокамер имеет частоту кадров 10000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунда или менее и разрешение 800 × 600 или более; а другая (2-2) из высокоскоростных цифровых фотокамер имеет частоту кадров 2000 кадров в секунду или более, минимальную выдержку 1 микросекунда или менее и разрешение 800 × 600 или более.

13. Устройство по п. 9, в котором в двух высокоскоростных цифровых фотокамерах использован макросъемочный объектив.

14. Устройство по п. 9, в котором источник люминесцентного излучения на основе СИДа большой мощности имеет цветовую температуру освещения 5500-8000K и световой поток 12000 лм или более.

15. Устройство по п. 10, в котором микроциклон из оптического кварцевого стекла имеет номинальный диаметр 40 мм или менее, рабочее давление на входе 0,1-0,3 МПа и рабочую температуру 50°C или менее.

16. Устройство по п. 12, в котором высокоскоростная цифровая фотокамера (2-1) может фотографировать вращение одиночной микрочастицы.