提升管中煙絲運動速度的定量檢測及其運動特性分析

陳 然，張大波，卓浩廉，胡瑞林，郜小萌，劉朝賢，魯端峰，李 斌*

1.廣東中煙工業(yè)有限責任公司廣州卷煙廠，廣州市荔灣區(qū)環(huán)翠南路88號 510000

2.中國煙草總公司鄭州煙草研究院，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2號 450001

氣力輸送和氣流干燥技術(shù)在卷煙制絲加工過程中應(yīng)用廣泛，該技術(shù)利用氣流作為載體和熱媒在管道中輸送和干燥物料，氣體的流動直接為物料運動提供能量［1］。在氣力輸送和氣流干燥過程中，過高的物料運動速度會導(dǎo)致煙絲造碎，氣固兩相的不均勻性會導(dǎo)致煙絲含水率不均勻和煙絲分層問題。煙草物料流動狀態(tài)下的運動速度定量檢測與表征是解決上述質(zhì)量風(fēng)險的理論基礎(chǔ)，也是難點所在。目前，煙絲在氣力輸送過程中的表征，多為顆粒動力學(xué)觀測以及煙絲在管道內(nèi)分布狀態(tài)研究，如煙絲在管道內(nèi)流動特性分析［2］、管道中煙絲運動的可視化分析［3］、煙絲在管道內(nèi)的團聚現(xiàn)象研究［4］等。煙絲是輪廓不規(guī)則的彈性絲狀顆粒，在輸送過程中存在旋轉(zhuǎn)、波動和團聚等無序運動。曾蕾［5］采用的幀差法與圖像塊匹配方法實現(xiàn)了對煙絲速度的定量檢測，但是該算法對于不規(guī)則的煙絲尺寸的適應(yīng)性較差。沈道慶［6］采用圓環(huán)形電容傳感器實現(xiàn)了氣固兩相流中固相物料的流動速度檢測，蔣泰毅等［7］采用靜電測量法實現(xiàn)了氣固兩相流速度及質(zhì)量流量的測量，但這兩種方法主要應(yīng)用于濃相流，與煙絲氣力輸送和氣流干燥過程運動狀態(tài)相差較大。干方建等［8］從力學(xué)分析的角度，計算了風(fēng)力輸送過程中煙草物料的速度，該方法著力于研究個體煙絲的受力情況，且計算過程存在較多等效處理，難以精確表征煙絲群的運動速度。本研究中應(yīng)用高速相機對提升管內(nèi)煙絲進行圖像采樣，對相鄰兩幅圖像中的煙絲進行分割、配準和定量描述，首次利用不變中心矩理論和相機標定技術(shù)實現(xiàn)了煙絲運動速度的定量檢測，并在此基礎(chǔ)上研究了提升管道中煙絲速度變化規(guī)律，以及煙絲尺寸分布和氣流速度對煙絲速度的影響，旨在為煙絲氣力輸送和氣流干燥過程氣速、管道尺寸、加工時間等工藝和設(shè)備參數(shù)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

煙絲速度檢測試驗裝置見圖1。該裝置由煙絲循環(huán)系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)組成。煙絲循環(huán)系統(tǒng)包含矩形提升管（3），管道高5 200 mm，橫截面為一個長150 mm寬100 mm的矩形，采用鋼化玻璃材質(zhì)，透光性好。煙絲由投料口（1）經(jīng)進料氣鎖（2）進入管道內(nèi)，風(fēng)機（7）出口氣體通過布風(fēng)板（8）后，與煙絲形成氣固兩相流，并行沿提升管（3）向上運動，經(jīng)氣固分離裝置（4）后實現(xiàn)煙絲與氣體分離。煙絲經(jīng)出料氣鎖（5）再次由投料口（1）進入管道循環(huán)運動，而分離后的氣體除塵后由回風(fēng)管道（6）回到風(fēng)機，再次進入提升管。在矩形玻璃管道側(cè)面開有一小孔，可采用侵入式熱線風(fēng)速儀檢測玻璃管道內(nèi)風(fēng)速。

圖1 煙絲速度檢測裝置Fig.1 Testing device for velocity of cut tobacco

圖像采集系統(tǒng)包含一面高度可調(diào)的均勻平行光源（9）和在提升管的另一側(cè)與光源同一高度位置的高速相機（10），用來采集經(jīng)過玻璃管道的煙絲圖像，在相機與光源之間的兩個鋼化玻璃兩側(cè)各連接3條地線，用以消除因氣體與玻璃摩擦而產(chǎn)生的靜電，避免粉塵在鋼化玻璃上的吸附對試驗的影響。所使用的高速相機（CP70-1HS-M-1900，Optronis）靶面尺寸為17.536 mm×11.782 mm，幀率為1 500 Hz，鏡頭焦距為90 mm，光圈為F/2.8，物距為769.8 mm。

1.2 材料與方法

1.2.1 試驗材料

試驗所用煙絲，其煙葉產(chǎn)地為四川筠連，部位等級為C3F，切絲寬度1 mm，含水率13.5%。

1.2.2 試驗方法

氣速試驗：煙絲恒流量加入煙絲循環(huán)系統(tǒng)后開始在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率來調(diào)節(jié)提升管內(nèi)氣速，在不同氣速條件下采集提升管內(nèi)部某一固定高度的煙絲圖像，檢測不同氣速下煙絲運動速度。

高度試驗：煙絲恒流量加入煙絲循環(huán)系統(tǒng)后開始在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，將風(fēng)機固定為某一特定頻率，保持提升管內(nèi)氣速恒定，通過調(diào)節(jié)圖像采集系統(tǒng)的高度，來采集提升管中不同高度位置的煙絲圖像，檢測其運動速度。

長度試驗：煙絲恒流量加入煙絲循環(huán)系統(tǒng)后開始在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，其煙絲結(jié)構(gòu)在力的作用下不斷被破壞，使煙絲長度不斷變短。試驗中，每隔一段時間在出料氣鎖處取出少量煙絲，分析其特征尺寸，同時在某一特定高度采集此時的煙絲圖像，來分析不同特征尺寸煙絲的速度。

2 煙絲運動速度檢測

2.1 煙絲圖像配準

圖像配準技術(shù)是實現(xiàn)目標精確跟蹤檢測的方法之一，可分為基于變換域特征的方法、基于視覺特征的方法和基于統(tǒng)計特征的方法等［9］。其中圖像的矩特征屬于統(tǒng)計特征中的一種，適用于經(jīng)過縮放、旋轉(zhuǎn)和平移運動的圖像配準，與煙絲在氣力輸送過程中的運動特性較匹配。本研究中利用該方法構(gòu)造了煙絲圖像的特征向量，并以特征向量間的歐式距離作為圖像間的相似度評價標準，建立了煙絲圖像配準模型，最終實現(xiàn)了煙絲圖像的配準。煙絲常見的3種運動圖像見圖2。

圖2 煙絲常見的3種運動圖像Fig.2 Images of three common moving patterns of cut tobacco

如定義數(shù)字圖像的p+q階中心矩μpq為：

定義歸一化的中心矩ηpq為：

則此歸一化的中心矩ηpq對于圖像具有平移和縮放不變性，即圖像經(jīng)過平移和縮放后，其歸一化的中心矩不變［10］。

為了進一步實現(xiàn)圖像的旋轉(zhuǎn)不變性，MING-KUEI HU［11］提出了基于不變矩的模式識別理論，利用二階和三階歸一化中心矩構(gòu)造了7個不變矩m1～m7：

經(jīng)證明，上述7個不變矩對于圖像的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)變換具有不變性［11］。

定義以上m1～m7構(gòu)成的向量M（m1，m2，m3，m4，m5，m6，m7）為圖像的特征向量，設(shè)有兩幅圖像分別記為i，j，則其特征向量間的歐氏距離dis（i，j）為：

式中：Min表示圖像i的特征向量的第n個元素；Mjn表示圖像j的特征向量的第n個元素；n=1，2，3，…，7。

此歐式距離可作為兩幅圖像之間相似度的評價標準，歐氏距離越小，表示兩幅圖像越相似。

圖3為煙絲1和煙絲2經(jīng)旋轉(zhuǎn)和縮放而形成的圖像，分別計算其7個不變矩，結(jié)果見表1。

圖3 兩條煙絲經(jīng)旋轉(zhuǎn)和縮放后形成的圖像Fig.3 Images of two pieces of cut tobacco before and after rotation and scaling

表1 圖像a、b、c、d的不變矩Tab.1 Invariant moments of Images a，b，c，d

按照公式（10）分別計算圖3中a、b、c、d 4幅圖像特征向量之間的歐氏距離，結(jié)果如表2所示。由表2可知，不同圖像間的歐氏距離中，只有dis（a，b）和dis（c，d）值小于1，其余的都大于4，表示圖像a與b相似度最高，圖像c與d相似度也最高。

表2 圖像a、b、c、d的特征向量間的歐式距離Tab.2 Euclidean distance among Images a，b，c，d

表2中的檢測數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用合適的相似度（歐氏距離）參數(shù)，即可通過不變矩算法實現(xiàn)相鄰兩幅圖像中子圖像間的配準，進而在相鄰兩幅圖像中識別出同一條煙絲。再進一步計算出同一條煙絲在兩幅圖像中的像素位置差，即可得到其像素位移。

2.2 煙絲運動速度計算

2.2.1 煙絲像素位移檢測

如圖4所示，a、b是高速相機采集的相鄰兩幅圖像，分別對其進行濾波、去噪和二值化等預(yù)處理，得到c、d兩幅圖像。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，提取c、d兩幅圖像中每一個聯(lián)通區(qū)域，以每一個聯(lián)通區(qū)域的外接矩形為單位形成一幅子圖像，如e所示的就是提取出來的部分子圖像。

圖4 相鄰時間的兩幅圖像及其預(yù)處理的結(jié)果Fig.4 Two images with adjacent time and their preprocessing results

設(shè)圖像c、d分別提取出N幅子圖像和M幅子圖像，按照圖5所示的流程圖對兩幅圖像中子圖像進行配準。

圖5中相似度閾值K的設(shè)定較關(guān)鍵，如果K值太大，則會出現(xiàn)較多誤匹配子圖像，如果K值太小，則較多準確匹配的子圖像將被剔除，甚至某些像素位置匹配的子圖像為0（圖像分辨率為1 280×860，即水平位置有1 280個像素位置）。由試驗可得K值與子圖像配準效果的關(guān)系如表3所示。由表3可知，為了保證在不出現(xiàn)誤匹配的前提下得到盡量多的匹配子圖像，當K值設(shè)定為3時誤匹配率就已處在可接受水平。

表3 相似度閾值K與配準效果的關(guān)系Tab.3 Relationship between similarity threshold K and registration result

圖5 圖像配準流程圖Fig.5 Flow chart of image registration

由此得到的配準結(jié)果如圖6所示。圖中將相鄰兩幅圖像一起顯示，并將配準的兩個子圖像左上角頂點用白色線連接。以配準的子圖像在像素坐標系下的縱坐標之差作為該子圖像的像素位移，將采集到的所有圖片在某一個像素位置的所有配準子圖像的像素位移的平均值作為該位置煙絲像素位移。

圖6 相鄰兩幅圖像中匹配的子圖像配準結(jié)果Fig.6 Registration results of subimages in two images with adjacent time

2.2.2 相機標定

圖像的配準只能得到煙絲子圖像的像素位移，即像素坐標系下的位移。需將像素坐標系下的位移轉(zhuǎn)化為相機坐標系下的位移，并結(jié)合圖像采集時間間隔，才能得到其運動速度。該轉(zhuǎn)化過程需要對相機進行標定并取得其內(nèi)參矩陣：

式中：f為相機鏡頭焦距（mm）；dx為單位像素在x方向的寬度（mm）；dy為單位像素在y方向的寬度（mm）；（u0，v0）表示相機光軸與CCD的交點的像素坐標。

由相機的內(nèi)參矩陣可以得到：

式中：（u，v）表示在像素坐標系中的坐標；（xc，yc）表示在相機坐標系中的坐標；zc表示相機鏡頭到玻璃管道的距離（m）。

設(shè)相鄰兩幅圖像中互相配準的兩個子圖像在相機坐標系下的坐標分別為（xc，yc）和（x′c，y′c），則該子圖像在相機坐標系下豎直方向的位移S（y單位：m）可以表示為：

式中：Syp表示子圖像在豎直方向上的像素位移。設(shè)圖像采集幀率為F，則該煙絲在豎直方向的速度可以表示為：

相機標定的方法有很多種，其中張正友在1998年提出的“張正友標定法”以其較高的精度和很好的魯棒性已得到廣泛應(yīng)用［12］。利用張正友標定法得到相機標定內(nèi)參矩陣為：

聯(lián)立公式（13）、（14）、（15）即可求得在水平截面該像素點位置豎直方向的速度。按照上述方法計算每一個像素點位置上煙絲的速度，即可得到煙絲在特定水平截面的運動速度。

3 結(jié)果與討論

3.1 氣速試驗

通過調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，使管道內(nèi)氣速分別為12.5、15.0和17.5 m/s，在距離管道底部0.95 m高度采集煙絲圖像（相機幀率為1 500 Hz，每次試驗采集圖像時間為7 s），檢測不同氣速下煙絲速度。試驗結(jié)果見圖7、圖8。圖7為提升管中位于0.95 m處的水平截面中不同像素位置的煙絲速度隨氣速的變化情況，橫坐標表示像素位置。圖8為該水平截面位置煙絲的平均速度隨氣速的變化情況。由圖7、圖8可知：①采用本文中建立的方法可以實現(xiàn)煙絲運動速度的定量檢測。②煙絲運動速度與氣流速度呈明顯的正相關(guān)性，但當氣速由12.5 m/s增加到15.0 m/s時，煙絲平均速度從8.19 m/s增加到9.63 m/s，增加了1.44 m/s；而當氣速從15.0 m/s增加到17.5 m/s時，煙絲平均速度從9.63 m/s增加到10.86 m/s，增加了1.23 m/s?？梢姛熃z的速度并沒有隨氣速一樣保持等差增加，這與陳宜民［13］對圓柱狀粒子氣力輸送過程中速度的理論計算結(jié)果相符。

圖7 不同氣速下煙絲速度Fig.7 Velocity of cut tobacco at different air velocities

圖8 不同氣速下煙絲速度均值變化Fig.8 Average velocity of cut tobacco at different air velocities

3.2 高度試驗

調(diào)整高速相機高度，分別在距離管道底部0.65、0.95、1.25和1.55 m高度來檢測煙絲速度（氣速為15 m/s，相機幀率為1 500 Hz，每次試驗采集圖像時間為7 s）。檢測結(jié)果如圖9、圖10所示。圖9為提升管中不同高度的水平截面中不同像素位置的煙絲速度，橫坐標表示像素位置。圖10為不同高度的水平截面位置煙絲的平均速度變化規(guī)律。由圖9、圖10可知：①煙絲從管道底部向上運動，速度在不斷增加，在1.55 m高度位置與1.25 m高度位置的平均速度相差很小，說明煙絲從底部運動到1.25 m高度的位置時基本已經(jīng)完成了加速過程。②煙絲加速過程加速度逐漸變小，直至為0，煙絲速度隨運動距離的變化曲線為對數(shù)曲線。煙絲加速過程的可視化研究可用于煙絲氣力輸送管道的尺寸、干燥過程的時間等參數(shù)的定量選擇。

圖9 不同檢測高度的煙絲速度Fig.9 Velocity of cut tobacco at different heights

圖10 不同檢測高度煙絲速度的均值變化Fig.10 Average velocity of cut tobacco at different heights

3.3 長度試驗

氣速15 m/s條件下，煙絲樣品在循環(huán)管道循環(huán)到3、6、9 min時，分別取出少量樣品，采用申曉鋒等［14］提出的煙絲結(jié)構(gòu)的特征尺寸表征法來檢測其特征尺寸，其值分別為3.67、3.38和3.29 mm。

分別在上述3個時間節(jié)點，在距離管道底部0.95 m高度檢測煙絲運動速度（相機幀率為1 500 Hz，每次試驗采集圖像時間為7 s），檢測結(jié)果如圖11和表4所示。圖11為提升管中不同特征尺寸的煙絲在水平截面中不同像素位置的煙絲速度，橫坐標表示像素位置。表4為上述煙絲速度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由圖11可知，在管道兩側(cè)的邊壁附近，不同尺寸的煙絲存在一定的速度差，且煙絲尺寸越短，速度越慢，這可能與管道邊壁處氣流速度較慢有關(guān)系，即氣速越慢，不同尺寸的煙絲越容易產(chǎn)生速度差。由表4可知，煙絲尺寸越短，在同一水平截面的平均速度越慢，且在同一水平截面不同位置的速度差異越大，表現(xiàn)為速度標準偏差和變異系數(shù)的明顯增大。

圖11 不同煙絲特征尺寸下的煙絲速度Fig.11 Velocity of cut tobacco at different characteristic sizes

表4 不同特征尺寸煙絲的速度統(tǒng)計Tab.4 Statistical data of cut tobacco velocity at different characteristic sizes

4 結(jié)論

（1）建立了一種定量檢測氣固兩相流中煙絲運動速度的新方法，該方法利用高速相機采集氣固兩相流中煙絲圖像，再以圖像的不變中心矩特征來實現(xiàn)圖像的配準，最后通過相機標定技術(shù)取得相機內(nèi)參，將像素坐標系下的煙絲位移轉(zhuǎn)化為實際速度。

（2）同等條件下，當氣速在12.5 m/s至17.5 m/s范圍內(nèi)等差增加時，煙絲速度的增長幅度會小于氣速的增加幅度，且氣速越快這種現(xiàn)象越明顯；同時，煙絲結(jié)構(gòu)會隨加工時間增加而迅速衰變，因此在選擇氣速參數(shù)前應(yīng)對煙絲運動速度進行定量檢測。

（3）當氣速為15 m/s時，煙絲提升過程是一個由加速到勻速的過程，加速度逐漸變小，直至為0；從管道底部到距離管道底部1.55 m高度位置范圍內(nèi)，煙絲速度隨運動距離變化曲線呈對數(shù)曲線形式。所以加工過程應(yīng)盡量采用長直管道，使煙絲盡量恒速運動。

（4）同等條件下，對于特征尺寸在3.29 mm至3.67 mm范圍內(nèi)的煙絲，不同長度的煙絲在管道兩側(cè)的邊壁附近存在速度差，且尺寸越短，速度越慢；在同一水平截面上也存在速度差，且煙絲尺寸越短，平均速度越慢。