基於相分隔和圖像處理的氣液兩相流流量測量裝置及方法與流程

2023-05-28 16:43:01

本發明屬於流量測量技術領域，具體涉及一種基於相分隔和圖像處理的氣液兩相流流量測量裝置及方法。

背景技術：

氣液兩相流體不同於單相流體，它並不是由兩種流體均勻混合而是由兩種不同物理性質的流體共同流動組成，兩相流速不同並且具有明確的分界面。因此氣液兩相流流量的準確測量就需要分別將兩相流體的流量準確測量。然而由於氣液兩相流流型的多樣化，其流動狀態亦容易受到非常多的因素影響，兩相之間還有可能存在交互作用及相變等，這些都使得氣液兩相流體流量測量比單相流體流量測量要複雜的多，科研人員也積極開展研究了多種多樣的測量方法。

根據工業生產實際不同的需求以及限制條件，現有的氣液兩相流體流量測量方法中直接測量的方法有分離法，分流分相法、差壓法、超聲法、射線法、電容法、層析成像法、數字圖像處理法等。此外還有需要同時使用兩種或更多不同測量原理的儀表組合測量的間接測量方法。然而現有的測量方法均存在不同程度的缺點，如傳統的分離法是將兩相流體完全分離開後再針對各相單獨計量最終確定總流量，該法在測量原理上穩定可靠，如公開號cn101025080a採用的方法是通過重力進行自然沉降分離後再單獨測量，但是為了保證分離效果，通常需要體積龐大、結構複雜的分離設備並且測量實時性差，而且需要時刻維護液位的穩定；差壓法是通過測量兩相流流經節流設備的差壓信號構建與氣液兩相流體流量的關聯方程來確定流量的，如公開號cn102252722a採用的方法是通過測量多重差壓信號來關聯兩相流體流量，但由於差壓變送器的量程較小，因而能夠測量的兩相流體流量範圍也會受到很大限制，而且差壓變送器的測量信號會隨著兩相流體的流型、截面含氣率等特性參數的變化而出現非線性變化，這些因素都會導致測量誤差。公開號cn104121955a採用的方法是將液液兩相流先通過相分隔後再採用超聲法確定各相截面以及平均流速來最終確定兩相流體流量的，然而聲波的傳播速度受溫度等各種因素的影響，進而會造成測量誤差，而且這些誤差不易發現和校正。公開號cn101871906採用電學層析成像方法根據電磁激勵信號在管道內的反饋信號確定管道內相分布狀態，隨後通過圖像重建確定各相在管道內分布情況，但是由於兩相流相分布複雜多樣，當激勵信號經過多層互相重疊的氣、液界面後嚴重非線性的反饋信號會導致圖像重建算法非常複雜，而且電學層析成像的軟場特性導致解析度並不高。公開號ep0225741b1是通過測量伽馬射線穿透兩相流後的信號來確定管內兩相流流動狀況，尤其是截面含氣率，雖然伽馬射線不同於電學層析成像的軟場特性，但同樣存在因兩相流多樣而複雜流型而導致的信號嚴重非線性並且解析複雜的問題。公開號cn104457703a的專利採用了一種對管道同一位置布置多個高速攝像機與多個光源相連並對應環繞在小管道透明測量管道周圍同步拍攝獲取二維圖像後重建三維流動狀態的方法來獲取兩相流體參數，該方法先用相機直接拍攝管內流動狀態然後通過圖像處理分析獲取所需流動參數，圖像分析處理方法能夠提高解析度，但是由於氣液兩相流流型眾多，此外還有流型之間的轉換、過渡等狀態導致該法直接拍攝兩相流體原始流動狀態圖像複雜程度非常高，圖像處理算法也變得複雜而低效。公開號us20020176606a1通過piv(particleimagevelocimetry)方法分別測量兩相流中夾帶相(顆粒)的尺寸和速度後再確定夾帶相的質量流量，該方法採用piv測量速度以及顆粒尺寸具有較高的測量精度，然而所測量的兩相流仍然是自然流動狀態，由於兩相流具有眾多複雜的流型，二維平面piv只能拍攝某一平面上的兩相流流動狀態，而僅根據所拍攝平面上的流動狀態分析數據測量總的夾帶相質量流量具有一定的片面性會導致測量誤差。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術不足，本發明充分考慮氣液兩相流的特點,提供一種基於相分隔和圖像處理的氣液兩相流流量測量裝置及方法，結合管內相分隔技術以及數字圖像處理技術，首先使氣液兩相流體通過旋流裝置進行整流，隨後通過工業相機拍攝實時流動圖像後進行數字圖像處理計算各相平均流量，最後計算兩相流體總流量。整個測量過程不受兩相流體特性參數變化和重力的影響，圖像採集、處理分析自動化完成，具有實時性好和解析度高的優點，便於在工程上廣泛應用。

為達到上述目的，本發明採用如下技術方案：

一種基於管內相分隔和數字圖象處理技術的氣液兩相流體流量測量裝置，包括依次相連接的均為透光材質的入口段1、測量管段3和出口段4，所述測量管段3內壁上固定有旋流裝置2，旋流裝置2與測量管段3相對靜止；還包括分別設置在測量管段3兩側的工業相機一7和對側平行光源5，設置在測量管段3同側的工業相機二8和同側平行光源6，與工業相機一7和工業相機二8連接的同步控制器10，與同步控制器10連接的圖像採集及處理終端9。

所述對側平行光源5的發光面中心法線11和測量管段軸線15處於同一平面內並且垂直，對側平行光源5的發光面中心法線11和工業相機一7鏡頭中心法線重合；而同側平行光源6的發光面中心法線12與測量管段軸線15處於同一平面內並且保持夾角小於等於45度。

所述工業相機一7和工業相機二8並排平行布置，工業相機一7的縱向視野區域要足夠將整個測量管段3的外壁都包括進去，工業相機一7的對焦平面13在測量管段3的豎直軸線縱剖面，工業相機二8的對焦平面14在測量管段3靠近相機鏡頭側的管道內壁的豎直平面。

所述旋流裝置2是由若干片旋流片組成，每片旋流片相對於測量管段橫截面保持40～60度的傾斜角度，旋流裝置2是內嵌固定在測量管段3內壁上的，旋流片與管道內壁之間沒有縫隙，旋流裝置2的所有旋流片在測量管段3橫截面上的投影面積與測量管段3內壁橫截面積相同，確保兩相流體全部從旋流裝置2流通區域經過。

所述透光材質在工況壓力要求低且流體介質腐蝕性不強時使用高透光的玻璃管，反之則使用耐壓耐腐蝕的石英玻璃管。

所述的基於管內相分隔和數字圖象處理技術的氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法，氣液兩相流通過入口段1進入測量裝置內，首先流經旋流裝置2，通過離心作用，氣液兩相流中的液相匯聚到測量管段3內壁上形成液環，而氣相則匯聚到測量管段3中心形成氣芯，隨後氣液兩相流以「旋轉環狀流」的流型流經測量管段3，工業相機一7用於拍攝該環狀流在軸線豎直縱剖面上的縱向截面圖像，而工業相機二8用於拍攝測量管段3中從氣芯擴散到液環內的微小氣泡運動軌跡，由工業相機一7所拍攝的該環狀流軸線豎直平面上的縱向截面圖像經過數字圖象處理技術計算出氣液兩相流截面含氣率，由工業相機二8所拍攝的液環內氣泡運動軌跡圖像經過數字圖像處理技術計算出氣泡運動軌跡長度，經統計平均後的平均運動軌跡長度結合相機曝光時間計算出液環平均流速，再通過氣液界面相互作用關係可由液環平均流速推導出氣芯平均流速，最終可分別計算氣、液兩相各自流量及氣液兩相流體總流量；

所述由工業相機一7所拍攝的該環狀流軸線豎直平面上的縱向截面圖像經過數字圖象處理技術計算出氣液兩相流截面含氣率的方法如下：

工業相機一7所拍攝測量管段3內氣液兩相流體軸線豎直縱向截面圖像，d為管道內徑，l為拍攝圖像視野區域軸向的長度，a為氣芯在圖像中所佔區域面積由數字圖像處理獲得，之後通過計算將該區域面積等效為一均勻矩形後得出平均氣芯直徑d，由該直徑d即能夠計算平均截面含氣率α；計算公式如下：

氣芯平均直徑計算公式

氣液兩相流體截面含氣率計算公式

所述經統計平均後的平均運動軌跡長度結合相機曝光時間計算出液環平均流速，再通過氣液界面相互作用關係可由液環平均流速推導出氣芯平均流速的方法如下：

在工業相機曝光時間內，微小氣泡運動軌跡被工業相機二8捕獲成像，通過數字圖像處理計算出該運動軌跡的水平投影距離l，而工業相機的曝光時間t為已知參數，因此該氣泡沿水平軸向的流速vi能夠計算出，隨後通過大量統計計算氣泡運動軌跡圖像後即能夠表徵液環的平均流速計算公式如下：

單個氣泡流速計算公式

液環平均流速計算公式

所述由液環平均流速推導出氣芯平均流速，其基本原理是通過氣液界面之間相互作用關係建立與液環平均流速關聯的方程組求解；液環所受切應力τ以及該切應力與氣芯平均流速的作用關係方程如下：

液環所受切應力表達式

切應力與氣芯平均流速關係表達式

式中：τ為液環所受切應力，μ為粘度，σ為液膜厚度，θ為標定係數，為氣芯平均流速，為液環平均流速；

所述分別計算氣、液兩相各自流量及氣液兩相流體總流量的方法為：在確定了氣液兩相流體截面含氣率、液環平均流速和氣芯平均流速後，結合兩相在實際工況下的實時密度，即能夠計算氣液兩相各自質量流量，之後求和即獲得氣液兩相流體總質量流量計算公式如下：

式中：m為兩相流體總質量流量，ρg為氣相密度，ρl為液相密度，s為管道流通面積。

根據權利要求6所述的的測量方法，其特徵在於：工業相機一7和工業相機二8的快門受同步控制器控制啟動時間同步。

和現有技術相比，本發明具有如下優點：

本發明和傳統氣液兩相流體流量測量方法相比較，在測量裝置的體積上大大縮小，節約了物料成本，在測量方法上結合管內相分隔技術和數字圖像處理技術，其中管內相分隔是本測量方法的重要前提，通過該技術可使本發明中測量方法不受來流流型及重力的影響，擴大了本發明適用範圍，本發明中管內相分隔通過旋流裝置來實現，通過旋流裝置流行轉換後的氣液兩相流基本上轉換為統一的「旋轉環狀流」，該流型氣液界面分明變化均勻並且基本沿軸線中心對稱，對該流型拍攝圖像進行圖像處理分析可使圖像處理算法的複雜程度減小並縮短處理時間，提高測量的實時效果，尤其基本沿軸線中心對稱的「旋轉環狀流」流型方便截面含氣率的精確計算；而全自動的數字圖像處理技術不僅使儀器的分辨能力顯著提高，還可以非侵入式的方法準確測量計算氣液兩相流體流量，並且可以避免溫度等常規兩相流特性參數變化所造成的影響，極大的提高了本發明測量精度、自動化、實時性和抗幹擾性。二者缺一不可同時作用，則既可以克服因兩相流流型眾多且複雜多變所導致的截面含氣率確定困難的特點，又同時兼顧了測量精度。除此之外，本發明還能夠通過透明材質管道直觀的觀測兩相流體流動狀態，可為其他工藝流程操作等提供肉眼觀測判斷依據。

附圖說明

圖1為本發明氣液兩相流體流量測量裝置結構圖。

圖2為本發明裝置中兩個工業相機、對側平行光源和同側平行光源之間的相對位置圖。

圖3為本發明測量裝置中兩個工業相機的拍攝對焦平面位置圖。

圖4為本發明氣液兩相流截面含氣率測量方法示意圖和實測拍攝圖像，其中：圖4a為截面含氣率實際分布示意圖，圖4b為截面含氣率矩形等效分布示意圖，圖4c為實測拍攝圖像。

圖5為本發明液環平均流速測量方法示意圖和實測拍攝圖像，其中：圖5a為平均流速測量方法示意圖，圖5b為平均流速測量方法實拍圖像處理示意圖。

圖6為本發明氣液兩相流體流量測量過程流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更詳細的說明。

如圖1所示，本發明一種基於相分隔和圖像處理的氣液兩相流流量測量裝置及方法，其中測量裝置包括依次相連接的均為透光材質的入口段1、測量管段3和出口段4，所述測量管段3內壁上固定有旋流裝置2，旋流裝置2與測量管段3相對靜止；還包括分別設置在測量管段3兩側的工業相機一7和對側平行光源5，設置在測量管段3同側的工業相機二8和同側平行光源6，與工業相機一7和工業相機二8連接的同步控制器10，與同步控制器10連接的圖像採集及處理終端9。

作為本發明的優選實施方式，所述旋流裝置2是由若干片旋流片組成，旋流裝置2是內嵌固定在測量管段3內壁上的，與測量管段3相對靜止。旋流裝置2可以由最少2片，通常4～8片旋流片沿測量管段軸線均勻分布，每片旋流片通常都相對於測量管段橫截面保持40～60度的傾斜角度，旋流裝置2是內嵌固定在測量管段3內壁上的，旋流片與管道內壁之間沒有縫隙，旋流裝置2的所有旋流片在測量管段3橫截面上的投影面積與測量管段3內壁橫截面積相同，確保兩相流體全部從旋流裝置流通區域經過。

作為本發明的優選實施方式，所述的測量裝置的所用管道包括入口段、測量管段和出口段均為透光材質，在工況壓力要求不高且流體介質腐蝕性不強時可使用高透光的玻璃管，反之則可使用耐壓耐腐蝕的石英玻璃管。

如圖2所示，作為本發明的優選實施方式，所述的對側平行光源發光面中心法線和測量管段軸線處於同一平面內並且垂直，而同側平行光源發光面中心法線與測量管段軸線處於同一平面內並且保持夾角小於等於45度。

如圖1所示，作為本發明的優選實施方式，所述的測量裝置所用工業相機一7和工業相機二8並排平行布置，工業相機一7和對側平行光源5分別在測量管段3的兩側，工業相機一7的鏡頭中心法線要與對側平行光源5的發光面中心法線重合以便獲取最大亮度的背光照明。工業相機二2和同側平行光源6都在測量管段3的同側，同時要調整工業相機二2鏡頭中心法線與同側平行光源6發光面中心法線在測量管段內壁匯聚到同一點以便確保工業相機二2對焦區域內的微小氣泡被斜射平行光線照亮。工業相機一7的ccd晶片需要適當選取以保證視野區域要調整到剛剛能夠將整個測量管段3的外壁都包括進去而又不會使放大倍率過小而犧牲拍攝解析度，具體規格需要和測量管道尺寸規格相配合確定。如圖3所示，工業相機一7的對焦平面在測量管段3的豎直軸線縱向平面，工業相機二8的對焦平面在測量管段3靠近相機鏡頭側的管道內壁處的豎直平面，保證對焦拍攝管道內壁匯聚的液環。

如圖6所示，作為本發明的優選實施方式，所述的基於管內相分隔和數字圖象處理技術的氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法為，氣液兩相流體通過入口段進入測量裝置後，首先流經旋流裝置2進行管內相分隔，由於氣液兩相密度差異，兩者所受到離心作用大小也不同，其中密度較大的液相匯聚到測量管段3內壁上形成液環，而密度較小的氣相則匯聚到測量管段3中心形成氣芯，氣液兩相流體流出旋流裝置2後，則以一種「旋轉環狀流」的流型進入測量管段3，工業相機一7用於拍攝該流型下兩相流體在測量管段3軸線豎直縱向平面上的縱向截面圖像，而工業相機二8用於拍攝測量管段3內壁液環中從氣芯擴散而來的微小氣泡的運動軌跡。由工業相機一7所拍攝的軸線豎直縱平面上的縱向截面圖像經過數字圖象處理計算出氣液兩相流截面含氣率，由工業相機二8所拍攝的液環內氣泡運動軌跡圖像經過數字圖像處理計算出氣泡運動軌跡平均長度並結合相機曝光時間計算出液環軸向平均流速，再通過氣液界面相互作用關係可通過液環平均流速推導出氣芯平均流速，最終在根據實時工況的氣液密度等參數可直接計算氣液兩相流體各相質量流量及氣液兩相流體總質量流量。

作為本發明優選實施方式，測量裝置的操作設定及詳細布置如下：

首先要將各個硬體設備連接。測量裝置的入口段和出口段接入需要測量的工質運行平臺，根據測量管道位置調整好工業相機和光源的相對位置，分別將同步控制器、圖像採集及處理終端(一般選用工業控制計算機)和工業相機之間的通訊信號線連接妥當，確認平行光源和工業相機的直流供電，隨後開啟所有設備，調整工業相機一7的對焦平面到測量管段3豎直縱向截面，調整工業相機二8的對焦平面到測量管段3內壁。

其次要調試圖像採集及處理終端的測量軟體，通過測量軟體設定工業相機的工作參數如曝光時間、增益、同步觸發模式、對比度、亮度等，設定同步控制器向兩臺工業相機發送同步觸發信號，設定拍攝原始圖像的傳輸、保存和實時分析處理等。對於截面含氣率的測量需要設定儘量快的曝光時間和較高的增益，快曝光可以確保靜態圖像邊緣銳利便於提取邊緣信息，而高增益可以彌補曝光時間太快進光量降低導致的拍攝圖像發暗。對於液環平均流速的測量則需要適當拉長曝光時間以清晰的拍出氣泡運動軌跡，但是要保證在曝光時間內，氣泡運動軌跡不能長於視野區域，一般保持運動軌跡在大約三分之一的軸向視野區域長度。

測量裝置啟動後，待平臺工況運行穩定，圖像採集及處理終端發出啟動指令，通過同步控制器控制工業相機一7和工業相機二8的快門，保持兩者同時啟動以確保液環平均流速的測量和兩相流體截面含氣率的測量同時進行，儘量避免局部液環厚度、氣液界面隨機波動而導致的誤差。同時拍攝測量管段3位置的豎直縱向截面圖像和擴散到液膜中微小氣泡的運行軌跡圖像，兩臺工業相機實時拍攝圖像通過測量軟體後臺數字圖象處理進行實時計算，給出實時測量數據並同步保存到資料庫。

作為本發明優選實施方式，數字圖象處理基本原理及過程如下：

在測量裝置運行穩定實時拍攝測量圖像後，測量軟體後臺數字圖象處理即實時啟動。數字圖象處理主要分為四個步驟。

第一步是針對獲取到的縱向截面圖像進行處理分析以獲取氣液兩相流體的平均截面含氣率。氣液兩相流體截面含氣率的測量原理如圖4所示，圖4(a)為工業相機一7所拍攝測量管段內氣液兩相流體軸線豎直縱向截面圖像，d為管道內徑，l為拍攝圖像視野區域軸向的長度，a為氣芯在照片中所佔區域面積由數字圖像處理獲得，之後通過計算將該區域面積等效為一均勻矩形後可得出平均氣芯直徑d如圖4(b)，由該直徑即可計算平均截面含氣率α。所用計算公式見表1：

表1

表1中d為氣芯平均直徑，a為氣芯所佔面積，α為截面含氣率，l為拍攝區域軸向視野長度。

第二步是針對獲取到的液環平均流速拍攝圖像進行處理分析以獲取液環平均流速。液、環相平均流速測量基本原理是通過相機拍攝從氣芯中擴散到液環的少量微小氣泡的運動軌跡，結合工業相機的曝光時間，根據速度物理定義來計算單個氣泡的瞬時流速。從氣芯中擴散到液環中的少量微小氣泡作為天然示蹤粒子可以表徵液環的流動速度，如圖5中圖5a和圖5b所示，在工業相機曝光時間內，微小氣泡從位置1運動到位置2其運動軌跡被工業相機捕獲成像，通過數字圖像處理計算出該運動軌跡的水平投影距離l，而工業相機的曝光時間t為已知參數，因此該氣泡沿水平軸向的流速vi可以計算出，隨後通過大量統計計算氣泡運動軌跡圖像後即可表徵液環的平均流速所用計算公式見表2：

表2

表2中vi為單個氣泡流速，l為單個氣泡運動軌跡的水平投影長度，t為工業相機曝光時間，為液環平均流速。

第三步是根據液環平均流速推導氣芯平均流速。其基本原理是通過氣液界面之間相互作用關係建立與液環平均流速關聯的方程組求解。液環所受切應力τ以及該切應力與氣芯平均流速的作用關係方程見表3：

表3

表3中τ為液環所受切應力，μ為粘度，σ為液膜厚度，θ為標定係數。為氣芯平均流速，為液環平均流速。

通過上表中的關係式，在實際工況下標定係數θ即可確定氣芯平均流速

第四步是計算氣液兩相流體流量。在確定了氣液兩相流體截面含氣率、液環平均流速和氣芯平均流速後，結合兩相在實際工況下的實時密度，即可計算氣液兩相各自質量流量，之後求和即可獲得氣液兩相流體總質量流量計算公式見表4：

表4

表4中m為兩相流體總質量流量，ρg為氣相密度，ρl為液相密度，s為管道流通面積。