GB/T 41770-2022 基于背光成像技术的液体燃料喷射特性测试方法（正式版）

ICSCCS27.010基于背光成像技术的液体燃料喷射特性国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会GB/T41770—2022 I 2规范性引用文件 4.1液体燃料喷射特性测试系统 34.2测试环境 34.3燃料喷射系统 54.4图像采集系统 4.5同步控制系统 5 65.1测试环境条件 65.2油箱燃料温度 65.3喷油器燃料温度 65.4系统准备条件 65.5喷射控制参数 76.1布置安装测试设备 7 76.4拍摄比例尺图像 6.5检查同步控制信号 76.6相机记录 76.7测试记录 76.8清洁光学元器件 76.9重复测试 8 87.1喷雾贯穿距离和喷雾锥角确定方法 87.2图像处理 7.3获取喷雾贯穿距离和喷雾锥角 97.4数据表达 9 附录A(资料性)Otsu法计算阈值原理 附录B(资料性)雾束图像程序处理方法 附录C(资料性)测试记录格式 IGB/T41770—2022本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国燃烧节能净化标准化技术委员会(SAC/TC441)提出并归口。本文件起草单位：北京理工大学、合肥顺昌分布式能源综合应用技术有限公司、中国科学技术大学、天一锅炉制造有限公司、国家煤化工产品质量监督检验中心(安徽)、中国人民解放军军事科学院系统工程研究院、南京金锤机械设备有限公司、苏州安鸿泰新材料有限公司。1基于背光成像技术的液体燃料喷射特性测试方法本文件规定了采用背光成像技术进行液体燃料喷射特性测试的测试设备、测试条件、测试步骤，明确了数据处理和测试记录的要求。本文件适用于各种液体燃料的喷射测试。下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T27418—2017测量不确定度评定和表示下列术语和定义适用于本文件。进油管座fuelinletconnection喷油器体上用于安装高压油管的部分。连续喷射continuous-flowinjection连续供给液体燃料的燃油喷射。[来源：GB/T6809.11—2018,3.3.5,有修改]2GB/T41770—20223.6控制喷油器执行一次喷射的时间信号长度。3.73.8喷油器工作压力fuelinjectorworkingpressure使喷油器发挥正常功能的喷油嘴稳定喷射的压力。3.9用来表征液体燃料喷射后所形成雾束的宏观特征参数(喷雾贯穿距离和喷雾锥角)。3.10雾束sprayplume3.113.12喷雾贯穿距离spraypenetrationlength喷射过程中某一时刻，喷油器参考点(如喷油器尖端或喷油嘴孔出口端面中心点)和雾束外包络线3.13喷雾锥角sprayangle喷射过程中某一时刻，过给定喷雾参考线上的喷雾锥角参考点(如喷雾贯穿距离1/2处)做垂线，和雾束外包络线在雾束两侧的交点与喷油器参考点形成的夹角。3.143.15测试时预设的环境气体温度。3.16目标环境压力targetambientpress测试时预设的环境气体压力。3.17将物像从背景中区分出来设置的灰度等级。3GB/T41770—20224测试设备液体燃料喷射特性测试系统示意图如图1所示。光源和匀光板为测试提供了均匀的背景光，相机图1液体燃料喷射特性测试系统示意图4GB/T41770—2022大气坏境6标引序号说明：3——喷油器；4——匀光板；5——光源；受限环境如图3所示，容器内部环境压力和环境温度可以根据测试要求进行调节，环境压力应小于容器最高允许工作压力。其四周至少需要对置安装两块光学观察视窗，用于照明或者拍摄容器内的标引序号说明：2——容器；3——光学视窗；4——匀光板；5GB/T41770—20224.3燃料喷射系统燃料喷射时，可以用加压装置或者高压气体来建立喷油器工作压力。高压气体和液体燃料应分隔开，推荐使用皮囊式或者活塞式蓄能器，防止高压气体溶解到液体燃料中引起的测试误差。对于间断喷射，在进油管座上游设置稳压腔，其体积不小于500倍喷油器最大单次喷射体积，减少由于喷射引起的喷油器工作压力波动。4.4图像采集系统背光成像设备安装示意图如图4所示。背光成像系统主要由照明光源、匀光板和相机构成。光源发射的光线经过匀光板后形成均匀的背景光，由于部分光线被雾束遮挡而导致强度减弱，呈现出较暗的雾束图像。2——雾束；图4背光成像设备安装示意图光源在相机曝光成像过程中，照明强度波动范围不大于平均值的±10%。光源发射的光线经过匀光板形成亮度均匀的背景光，在有效测试区域内，成像后像素灰度值不大于平均值的±10%。相机的成像分辨率宜不小于512×512像素，相机动态范围宜不小于8bit。4.5同步控制系统6GB/T41770—20225测试条件5.1测试环境条件5.1.1环境气体当测试在受限环境中进行时，宜使用氮气作为环境气体；或者使用高密度气体如六氟化硫代替氮气(保证测试环境内气体密度与使用氮气时相同)。5.1.2环境气体的流动速度如测试区域需要使用测试时的环境气体进行扫气，扫气时环境气体的流动速度(vg)应不超过液体燃料喷射最大速度(vm)的1%。且应保证，首次出现雾束信号的前一张图像中不含有上一次喷射残留的液滴。vg按式(1)计算： (1)式中：vg——环境气体流动速度，单位为米每秒(m/s);q——开放环境通风机通风流量或受限环境供气流量，单位为立方米每小时(m³/h);A——开放环境中蜂窝板孔总截面面积或受限环境中气流运动方向的容器横截面面积，单位为平方米(m²)。液体燃料喷射时喷射最大速度vm,按式(2)计算：…………(2)式中：vm——液体燃料喷射最大速度，单位为米每秒(m/s);△p——喷油器工作压力与环境压力之差，单位为帕斯卡(Pa);p——液体燃料的密度，单位为千克每立方米(kg/m³)。5.1.3环境温度测试工况环境温度的最大允许波动范围：目标环境温度的±2.5%。5.1.4环境压力测试工况环境压力的最大允许波动范围：目标环境压力的±2.5%。5.2油箱燃料温度油箱内燃料温度应维持稳定，最大允许波动范围为±2℃。测试温度时宜尽可能靠近进油管座处或用喷油器处的冷却介质温度代替，最大允许波动范围为5.4系统准备条件5.4.1更换燃料时，应使用待测燃料对液体燃料的管路等进行清洗，清洗次数不小于3次，每次清洗时7GB/T41770—2022待测燃料用量为管路容积的4倍以上。5.4.2更换燃料时，应使用待测燃料对喷油器进行清洗。对于间断喷射，清洗时喷射次数不小于500次；对于连续喷射，清洗时喷射时间不小于15s。5.5喷射控制参数间断喷射时，喷射周期不小于1s,并确保相邻的两次喷射不产生干扰(在拍摄到的图像序列中，背景图像不含有上一次喷射残留的液滴)。5.5.2喷油器工作压力测试时喷油器工作压力应维持在目标值，最大允许波动范围为±2.5%。6测试步骤6.1布置安装测试设备布置安装燃料喷射系统、图像采集系统和同步控制系统，确保各系统能够正常工作。6.2调整拍摄区域在开放环境中测试时，通过移动相机调整拍摄区域，使得拍摄区域包含喷油器头部和蜂窝板上表相机光轴方向与匀光板通光方向平行。在满足分辨率和景深的前提下，应尽可能使用大光圈增加通光量，提高拍摄速度和减少曝光时间，来获得液体燃料颗粒清晰的运动图像，且背景亮度强度值不大于相机图像最大灰度值的75%。6.4拍摄比例尺图像拍摄一张比例尺图像，根据图像中比例尺的实际尺寸，计算图像中每两个像素点之间的实际尺寸，以此确定图像和实物的比例放大关系。6.5检查同步控制信号当在计算机上给出喷射信号时，相机可以同时开始拍摄，证明液体燃料喷射系统和图像采集系统间可以同步工作。6.6相机记录6.7测试记录6.8清洁光学元器件8GB/T41770—20226.9重复测试重复该工况点的测试或者进行下一工况点的测试。7数据处理7.1喷雾贯穿距离和喷雾锥角确定方法7.1.1喷雾贯穿距离确定方法如下：如图5a)所示，雾束未超出视窗范围时，喷雾贯穿距离s为喷油器参考点(此处为喷油器尖端)和雾束外包络线各点之间的连线，在给定喷雾参考线(此处为喷油器轴线)上投影的最大值。如图5b)所示，雾束超出视窗范围时，喷雾贯穿距离s为喷油器参考点(此处为喷油器尖端)和可见雾束外包络线各点之间的连线，在给定喷雾参考线(此处为喷油器轴线)上投影的最大值。7.1.2喷雾锥角确定方法如下：如图5a)所示，雾束未超出视窗范围时，喷雾锥角θ为过给定喷雾参考线上(此处为喷油器轴线)的喷雾锥角参考点(此处为喷雾贯穿距离1/2处)做垂线，和雾束外包络线在雾束两侧的交点与喷油器参考点(此处为喷油器尖端)形成的夹角。如图5b)所示，雾束超出视窗范围时，喷雾锥角θ为过给定喷雾参考线上(此处为喷油器轴线)的喷雾锥角参考点(此处为可见雾束喷雾贯穿距离1/2处)做垂线，和雾束外包络线在雾束两侧的交点与喷油器参考点(此处为喷油器尖端)形成的夹角。a)视窗范围内的雾束b)超出视窗范围的雾束图5喷雾贯穿距离和喷雾锥角示意图7.2图像处理在获取的雾束图像序列中，将首次出现雾束信号的前一张图像作为背景图像，如图6a)所示。9GB/T41770—2022选择待处理的雾束图像，如图6b)所示。将雾束图像和背景图像分别求反后相减，可以获得去背景对图像进行二值化处理，得到二值图像，如图6d)所示。所用的阈值计算方法推荐使用Otsu方法，其原理参见附录A。根据得到的二值图像确定雾束外包络线，如图6e)所示。附录B给出了基于MATLAB程序的处b)雾束图像d)二值图像如图5所示计算，获得喷雾贯穿距离和喷雾锥角。在某工况下，进行多次重复测试(应大于或等于5次),获取喷雾贯穿距离和喷雾锥角数据。多次测试获得的结果宜先参照GB/T6379.2—2004中7.3对数据进行核实，通过一致性和离群值检查剔除离群值、错误数据或其他不规则数据。随后计算此工况下各时刻的喷雾贯穿距离和喷雾锥角的算术平均值，并根据GB/T27418—2017中4.2计算算术平均值的试验标准差。绘制喷雾贯穿距离和喷雾锥角随时间变化的算术平均值曲线，并用算术平均值的试验标准差作为误差范围表征不确定度。亦可用数布范围。8测试记录测试记录所需内容如下：a)通用部分：●喷油嘴孔直径。●拍摄分辨率；●光圈值；●环境温度；●喷油器工作压力；●喷油器燃料温度；●光源到雾束的距离；●匀光板到雾束的距离；●相机到雾束的距离；GB/T41770—2022(资料性)Otsu法计算阈值原理对去背景和去噪后的图像序列使用Otsu法计算阈值，Otsu法原理如下。像素灰度值图A.1像素灰度直方图示意图图A.1为图像的灰度直方图，反映了图像中某个灰度的出现频率，阈值将图像灰度分为了两个区域(前景区域I和背景区域Ⅱ),图像灰度分别是(1,2,…,K)和(K+1,K+2,…,L),相应的百分比分别是(p₁,p₂,…,pk)和(pk+1,pk+2,…,pl),其中L为相机动态范围内能记录的最大灰度值。图像平均灰度μT由式(A.1)确定：式中：μT——图像平均灰度；i--——图像灰度值；L——相机动态范围内能记录的最大灰度值；pi——图像灰度值为i时的像素百分比。式中：μ1——区域I的平均灰度；w₁——区域I的像素百分比之和。式中：区域Ⅱ的平均灰度μn由式(A.4)确定：…………(A.1)…………(A.2)…………(A.3)…………(A.4)GB/T41770—2022μn——区域Ⅱ的平均灰度；式中：image_a=rgb2gray(image_a);%将雾束图像转化为灰度图image_b=rgb2gray(image_b);%将背景图像转化为灰度图image_ar=imcomplement(image_a);%对雾束图像求反image_br=imcomplement(image_b);%对背景图像求反level=graythresh(image_c);%使用Otsu方法计算图像阈值image_contour=edge(ima