ECT-based bottom blowing stirring device and reactant concentration and distribution measuring method
附图说明 为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 图1为本申请实施例一底吹搅拌装置结构主示图； 图2为本申请实施例一喷头之间剖视图； 图3为本申请实施例一ECT回字形传感器示意图； 图4为本申请实施例二方法流程图。 技术领域 本申请属于冶金熔池反应物分析，具体涉及基于ECT的底吹搅拌装置及反应物浓度与分布测量方法。 具体实施方式 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。 为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。 实施例一：如图1-3所示，基于ECT的底吹搅拌装置，包括底吹搅拌反应器和ECT数据采集系统； 所示底吹搅拌反应器包括：气体输送管、底吹气体喷头、底吹搅拌腔以及双层ECT回字形传感器； 气体输送管，用于输送气体； 底吹气体喷头，用于将所述气体喷入所述底吹搅拌腔； 底吹搅拌腔，用于基于气体对工质(反应物)进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 双层ECT回字形传感器，用于将工质介电常数的变化转换为工质电容信号，并将工质电容信号传输给ECT数据采集系统； ECT数据采集系统，用于基于工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对底吹搅拌反应器内工质浓度与分布的测量。测量的工质浓度与分布为工质离散相浓度与分布。 具体的，实验初始状态底吹搅拌装置内只有空气，启动ECT系统对其进行标定；接着，将常温导热油加入搅拌反应器内，待工质稳定后，对其进行标定；然后点击ECT系统的“录制”按钮并启动气泵，将空气通过气体输送管的底吹气体喷头喷入搅拌反应器的底吹搅拌腔，对工质进行搅拌；利用ECT传感器电极采集底吹搅拌反应器内工质的电容信号，并通过数据线传输给计算机的ECT数据采集系统进行实时成像。 底吹搅拌反应器，为水平设置的圆柱形灌体，半径为300～310mm，长度为1600～1640mm； 底吹气体喷头的喷口直径为4～5mm。 双层ECT回字形传感器包括传感器电极和屏蔽电极； 传感器电极包括8个或16个，16个传感器电极的双层ECT回字形传感器的口字形部分高350mm，宽103.2mm，口字形边框厚13.5mm，矩形部分高250mm，宽54.1mm； 屏蔽电极材质为铜；底吹搅拌装置和气体输送管的材质均为透明有机玻璃。 传感器电极和屏蔽电极之间设置有海绵双面胶层。 具体的，基于工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理ECT图像，获得去噪ECT图像；具体的，ECT图像进行高通滤波去噪处理得到由红、蓝、黄三色组成的去噪ECT图像，红色为合成导热油，蓝色为空气，黄色为气液混合区； 提取去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值；具体的，使用Colorpix软件提取去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的(R,G,B)，其中R取值为0～255、G取值为0～255、B取值为0～255； 采用支持向量机对不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于RGB值数据库对去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图；具体的，为了可以更好的观察，将特征提取图进行灰度处理得到灰度特征提取图，将气相、气液混合相两相与液相区别开，使混合区域更直观，通过色彩对比度定性判别出底吹搅拌装置内工质的浓度与分布。 对灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别底吹搅拌反应器内工质浓度与分布。 工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 所述分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。 具体的，分维反映复杂形体占有空间的有效性，为复杂形体不规则性的量度；在研究混合时间的预测过程中，在对同一幅图像进行腐蚀操作五次后，logN跟logr的拟合曲线始终为一条直线，分形维数D在任何情况下不变，说明分形维数D并没能准确的代表图样中颗粒的分布； 计盒维数腐蚀法：用来表征混合均匀时间，采取分形维数斜率P值平均的方法，来获取最短混合时间t，即：时间序列的演化曲线与充分混合后在小区间内振荡的P值平均值的交点或距离最接近的点，更准确、清晰地描述多相混合的均匀性状况；衡量混合效果的重要指标为形维数斜率值P的大小和最短混合均匀时间的大小； 计盒维数： 分别求取不同工况的P值，在P值第一次达到稳定波动状态时，运用分位数回归分析对附近散点进行拟合，最终得到混匀时间。 实施例二：如图4，使用前述基于ECT的底吹搅拌装置进行反应物浓度与分布测量方法，包括如下步骤： 输送气体； 基于气体对工质进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 将工质介电常数的变化转换为工质电容信号； 基于工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对工质浓度与分布的测量。 具体的基于工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理ECT图像，获得去噪ECT图像； 提取去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值； 采用支持向量机对所述不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于RGB值数据库对所述去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图； 对灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别底吹搅拌反应器内工质浓度与分布。 具体的，工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。 以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。 背景技术 底吹搅拌混合是化工、冶金、材料和环境等领域中必不可少的操作环节之一，是相关生产工艺流程过程中的核心步骤，具有重要的应用研究价值。由于传统的实验方法包括数值模拟方法和高速摄像方法已经无法满足混合过程的监测，并且导致过程效率低，误差大。为使混合过程达到更高的效率，降低物料成本，更准确研究底吹混合搅拌中多相流混合动态分布特征，需一种快速准确，对监测过程无干扰的测量方法。而电容层析成像技术是一种用于工业两相可视化过程的创新技术，其具有结构简单，成本低，无创，安全性好等优点。 电容层析成像系统中的传感器系统是该系统的一切数据来源，它主要由测量电极、绝缘层、屏蔽层以及测量管道构成。电容传感器设计的重点在：灵敏度高，电容变化范围大，抗外界干扰的能力强。在实际应用中，外界的噪声以及设备自身都会对传感器性能产生影响，除了创造较好的实验环境外，对传感器参数进行优化设计也十分重要，良好的传感器参数可以使传感器的敏感场更加均匀，获得较好的重建图像，除此之外，解决方法是改变传感器的几何形状和电极数目，设计有抗噪声性能的新型传感器。 发明内容 本申请提出了基于ECT的底吹搅拌装置及反应物浓度与分布测量方法，利用电容层析成像技术来测量底吹搅拌过程浓度与分布，基于ECT回字形传感器测量底吹搅拌装置可对搅拌过程进行实时连续准确成像，可以更好地检测搅拌过程中工质的浓度与分布，通过分析工质在搅拌器内部的分布状态，探究影响搅拌效果的因素，有效提高成像质量及抗噪声性能。 为实现上述目的，本申请提供了如下方案： 基于ECT的底吹搅拌装置，包括底吹搅拌反应器和ECT数据采集系统； 所示底吹搅拌反应器包括：气体输送管、底吹气体喷头、底吹搅拌腔以及双层ECT回字形传感器； 所述气体输送管，用于输送气体； 所述底吹气体喷头，用于将所述气体喷入所述底吹搅拌腔； 所述底吹搅拌腔，用于基于所述气体对工质进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 所述双层ECT回字形传感器，用于将工质介电常数的变化转换为工质电容信号，并将所述工质电容信号传输给所述ECT数据采集系统； 所述ECT数据采集系统，用于基于所述工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对所述底吹搅拌反应器内工质浓度与分布的测量。 优选的，所述底吹搅拌反应器，为水平设置的圆柱形灌体，半径为300～310mm，长度为1600～1640mm； 所述底吹气体喷头的喷口直径为4～5mm。 优选的，所述双层ECT回字形传感器包括传感器电极和屏蔽电极； 所述传感器电极包括8个或16个，16个所述传感器电极的所述双层ECT回字形传感器的口字形部分高350mm，宽103.2mm，口字形边框厚13.5mm，矩形部分高250mm，宽54.1mm； 所述屏蔽电极材质为铜； 所述传感器电极和屏蔽电极之间设置有海绵双面胶层。 优选的，基于所述工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于所述工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理所述ECT图像，获得去噪ECT图像； 提取所述去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值； 采用支持向量机对所述不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于所述RGB值数据库对所述去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对所述特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图； 对所述灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别所述底吹搅拌反应器内工质浓度与分布。 优选的，所述工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 所述分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。 本申请还公开了基于ECT的反应物浓度与分布测量方法，该反应物浓度与分布测量方法采用前述的基于ECT的底吹搅拌装置，包括如下步骤： 输送气体； 基于所述气体对工质进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 将工质介电常数的变化转换为工质电容信号； 基于所述工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对工质浓度与分布的测量。 优选的，基于所述工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于所述工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理所述ECT图像，获得去噪ECT图像； 提取所述去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值； 采用支持向量机对所述不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于所述RGB值数据库对所述去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对所述特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图； 对所述灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别所述底吹搅拌反应器内工质浓度与分布。 优选的，所述工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 所述分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。 本申请的有益效果为：1)本申请基于回字形传感器ECT测量的底吹搅拌反应器可对搅拌过程进行实时连续成像，可以更好地检测搅拌过程中工质的浓度与分布，通过分析工质在搅拌器内部的分布状态，探究影响搅拌效果的因素；2)本申请基于回字形传感器ECT测量的底吹搅拌装置可实现对搅拌过程实时成像，且安装方便，所需成像的区域靠近传感器电极，成像灵敏度较高；3)本申请基于回字形传感器ECT成像质量更加稳定并且及抗噪声干扰性能优；4)本申请采用双层回字形ECT传感器结构，传感器测量值增加，采集信号更强，物场内灵敏度矩阵变化更明显，图像重建精度明显提高；5)本申请采用双层回字形ECT传感器结构，在图像重建过程中，可以得到在某一时间节点上底吹搅拌腔内区域的立体分布情况。本申请具有广阔的推广空间和使用价值。 The invention discloses a bottom blowing stirring device based on ECT and a reactant concentration and distribution measurement method. The bottom blowing stirring device comprises a bottom blowing stirring reactor and an ECT data acquisition system, the bottom blowing stirring reactor comprises a gas conveying pipe, a bottom blowing gas nozzle, a bottom blowing stirring cavity and a double-layer ECT concentric-square-shaped sensor; the gas conveying pipe is used for conveying gas; the bottom blowing gas nozzle is used for spraying gas into the bottom blowing stirring cavity; the bottom blowing stirring cavity is used for stirring the working medium based on gas to change the dielectric constant of the working medium; the double-layer ECT rectangular-ambulatory-plane sensor is used for converting the change of the dielectric constant of the working medium into a working medium capacitance signal and transmitting the working medium capacitance signal to the ECT data acquisition system; and the ECT data acquisition system is used for performing real-time imaging based on the working medium capacitance signal and obtaining the working medium mixing time so as to measure the concentration and distribution of the working medium in the bottom blowing stirring reactor. The ECT imaging quality of the rectangular-ambulatory-plane sensor is more stable, and the anti-noise interference performance is excellent. 1.基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于，包括底吹搅拌反应器和ECT数据采集系统； 所示底吹搅拌反应器包括：气体输送管、底吹气体喷头、底吹搅拌腔以及双层ECT回字形传感器； 所述气体输送管，用于输送气体； 所述底吹气体喷头，用于将所述气体喷入所述底吹搅拌腔； 所述底吹搅拌腔，用于基于所述气体对工质进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 所述双层ECT回字形传感器，用于将工质介电常数的变化转换为工质电容信号，并将所述工质电容信号传输给所述ECT数据采集系统； 所述ECT数据采集系统，用于基于所述工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对所述底吹搅拌反应器内工质浓度与分布的测量。 2.根据权利要求1所述的基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于， 所述底吹搅拌反应器，为水平设置的圆柱形灌体，半径为300～310mm，长度为1600～1640mm； 所述底吹气体喷头的喷口直径为4～5mm。 3.根据权利要求1所述的基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于， 所述双层ECT回字形传感器包括传感器电极和屏蔽电极； 所述传感器电极包括8个或16个，16个所述传感器电极的所述双层ECT回字形传感器的口字形部分高350mm，宽103.2mm，口字形边框厚13.5mm，矩形部分高250mm，宽54.1mm； 所述屏蔽电极材质为铜； 所述传感器电极和屏蔽电极之间设置有海绵双面胶层。 4.根据权利要求1所述的基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于，基于所述工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于所述工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理所述ECT图像，获得去噪ECT图像； 提取所述去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值； 采用支持向量机对所述不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于所述RGB值数据库对所述去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对所述特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图； 对所述灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别所述底吹搅拌反应器内工质浓度与分布。 5.根据权利要求4所述的基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于，所述工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 所述分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。 6.基于ECT的反应物浓度与分布测量方法，所述反应物浓度与分布测量方法采用权利要求1-5任一项所述的基于ECT的底吹搅拌装置，其特征在于，包括如下步骤： 输送气体； 基于所述气体对工质进行搅拌，使工质的介电常数产生变化； 将工质介电常数的变化转换为工质电容信号； 基于所述工质电容信号进行实时成像，并获取工质混匀时间，实现对工质浓度与分布的测量。 7.根据权利要求6所述的基于ECT的反应物浓度与分布测量方法，其特征在于，基于所述工质电容信号进行实时成像的方法包括： 基于所述工质电容信号，采用改进线性Bregman算法进行图像重建得到ECT图像； 采用高通滤波去噪处理所述ECT图像，获得去噪ECT图像； 提取所述去噪ECT图像中气相区域、液相区域以及气液混合相区域不同颜色的RGB值； 采用支持向量机对所述不同颜色的RGB值进行学习以及训练，获取RGB值数据库； 基于所述RGB值数据库对所述去噪ECT图像进行识别，获取特征提取图； 对所述特征提取图进行灰度处理，获得灰度特征提取图； 对所述灰度特征提取图通过色彩对比度定性判别所述底吹搅拌装置内反应物浓度与分布。 8.根据权利要求7所述的基于ECT的反应物浓度与分布测量方法，其特征在于， 所述工质混匀时间的获取方法包括： 采用计盒维数腐蚀法处理所述ECT图像，获取分形维数斜率P值； 所述分形维数斜率P值达到初始稳定的时间为工质混匀时间。