基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法与流程

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法。

背景技术：

气液两相流体不同于单相流体，它并不是由两种流体均匀混合而是由两种不同物理性质的流体共同流动组成，两相流速不同并且具有明确的分界面。因此气液两相流流量的准确测量就需要分别将两相流体的流量准确测量。然而由于气液两相流流型的多样化，其流动状态亦容易受到非常多的因素影响，两相之间还有可能存在交互作用及相变等，这些都使得气液两相流体流量测量比单相流体流量测量要复杂的多，科研人员也积极开展研究了多种多样的测量方法。

根据工业生产实际不同的需求以及限制条件，现有的气液两相流体流量测量方法中直接测量的方法有分离法，分流分相法、差压法、超声法、射线法、电容法、层析成像法、数字图像处理法等。此外还有需要同时使用两种或更多不同测量原理的仪表组合测量的间接测量方法。然而现有的测量方法均存在不同程度的缺点，如传统的分离法是将两相流体完全分离开后再针对各相单独计量最终确定总流量，该法在测量原理上稳定可靠，如公开号cn101025080a采用的方法是通过重力进行自然沉降分离后再单独测量，但是为了保证分离效果，通常需要体积庞大、结构复杂的分离设备并且测量实时性差，而且需要时刻维护液位的稳定；差压法是通过测量两相流流经节流设备的差压信号构建与气液两相流体流量的关联方程来确定流量的，如公开号cn102252722a采用的方法是通过测量多重差压信号来关联两相流体流量，但由于差压变送器的量程较小，因而能够测量的两相流体流量范围也会受到很大限制，而且差压变送器的测量信号会随着两相流体的流型、截面含气率等特性参数的变化而出现非线性变化，这些因素都会导致测量误差。公开号cn104121955a采用的方法是将液液两相流先通过相分隔后再采用超声法确定各相截面以及平均流速来最终确定两相流体流量的，然而声波的传播速度受温度等各种因素的影响，进而会造成测量误差，而且这些误差不易发现和校正。公开号cn101871906采用电学层析成像方法根据电磁激励信号在管道内的反馈信号确定管道内相分布状态，随后通过图像重建确定各相在管道内分布情况，但是由于两相流相分布复杂多样，当激励信号经过多层互相重叠的气、液界面后严重非线性的反馈信号会导致图像重建算法非常复杂，而且电学层析成像的软场特性导致分辨率并不高。公开号ep0225741b1是通过测量伽马射线穿透两相流后的信号来确定管内两相流流动状况，尤其是截面含气率，虽然伽马射线不同于电学层析成像的软场特性，但同样存在因两相流多样而复杂流型而导致的信号严重非线性并且解析复杂的问题。公开号cn104457703a的专利采用了一种对管道同一位置布置多个高速摄像机与多个光源相连并对应环绕在小管道透明测量管道周围同步拍摄获取二维图像后重建三维流动状态的方法来获取两相流体参数，该方法先用相机直接拍摄管内流动状态然后通过图像处理分析获取所需流动参数，图像分析处理方法能够提高分辨率，但是由于气液两相流流型众多，此外还有流型之间的转换、过渡等状态导致该法直接拍摄两相流体原始流动状态图像复杂程度非常高，图像处理算法也变得复杂而低效。公开号us20020176606a1通过piv(particleimagevelocimetry)方法分别测量两相流中夹带相(颗粒)的尺寸和速度后再确定夹带相的质量流量，该方法采用piv测量速度以及颗粒尺寸具有较高的测量精度，然而所测量的两相流仍然是自然流动状态，由于两相流具有众多复杂的流型，二维平面piv只能拍摄某一平面上的两相流流动状态，而仅根据所拍摄平面上的流动状态分析数据测量总的夹带相质量流量具有一定的片面性会导致测量误差。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术不足，本发明充分考虑气液两相流的特点,提供一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法，结合管内相分隔技术以及数字图像处理技术，首先使气液两相流体通过旋流装置进行整流，随后通过工业相机拍摄实时流动图像后进行数字图像处理计算各相平均流量，最后计算两相流体总流量。整个测量过程不受两相流体特性参数变化和重力的影响，图像采集、处理分析自动化完成，具有实时性好和分辨率高的优点，便于在工程上广泛应用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于管内相分隔和数字图象处理技术的气液两相流体流量测量装置，包括依次相连接的均为透光材质的入口段1、测量管段3和出口段4，所述测量管段3内壁上固定有旋流装置2，旋流装置2与测量管段3相对静止；还包括分别设置在测量管段3两侧的工业相机一7和对侧平行光源5，设置在测量管段3同侧的工业相机二8和同侧平行光源6，与工业相机一7和工业相机二8连接的同步控制器10，与同步控制器10连接的图像采集及处理终端9。

所述对侧平行光源5的发光面中心法线11和测量管段轴线15处于同一平面内并且垂直，对侧平行光源5的发光面中心法线11和工业相机一7镜头中心法线重合；而同侧平行光源6的发光面中心法线12与测量管段轴线15处于同一平面内并且保持夹角小于等于45度。

所述工业相机一7和工业相机二8并排平行布置，工业相机一7的纵向视野区域要足够将整个测量管段3的外壁都包括进去，工业相机一7的对焦平面13在测量管段3的竖直轴线纵剖面，工业相机二8的对焦平面14在测量管段3靠近相机镜头侧的管道内壁的竖直平面。

所述旋流装置2是由若干片旋流片组成，每片旋流片相对于测量管段横截面保持40～60度的倾斜角度，旋流装置2是内嵌固定在测量管段3内壁上的，旋流片与管道内壁之间没有缝隙，旋流装置2的所有旋流片在测量管段3横截面上的投影面积与测量管段3内壁横截面积相同，确保两相流体全部从旋流装置2流通区域经过。

所述透光材质在工况压力要求低且流体介质腐蚀性不强时使用高透光的玻璃管，反之则使用耐压耐腐蚀的石英玻璃管。

所述的基于管内相分隔和数字图象处理技术的气液两相流体流量测量装置的测量方法，气液两相流通过入口段1进入测量装置内，首先流经旋流装置2，通过离心作用，气液两相流中的液相汇聚到测量管段3内壁上形成液环，而气相则汇聚到测量管段3中心形成气芯，随后气液两相流以“旋转环状流”的流型流经测量管段3，工业相机一7用于拍摄该环状流在轴线竖直纵剖面上的纵向截面图像，而工业相机二8用于拍摄测量管段3中从气芯扩散到液环内的微小气泡运动轨迹，由工业相机一7所拍摄的该环状流轴线竖直平面上的纵向截面图像经过数字图象处理技术计算出气液两相流截面含气率，由工业相机二8所拍摄的液环内气泡运动轨迹图像经过数字图像处理技术计算出气泡运动轨迹长度，经统计平均后的平均运动轨迹长度结合相机曝光时间计算出液环平均流速，再通过气液界面相互作用关系可由液环平均流速推导出气芯平均流速，最终可分别计算气、液两相各自流量及气液两相流体总流量；

所述由工业相机一7所拍摄的该环状流轴线竖直平面上的纵向截面图像经过数字图象处理技术计算出气液两相流截面含气率的方法如下：

工业相机一7所拍摄测量管段3内气液两相流体轴线竖直纵向截面图像，d为管道内径，l为拍摄图像视野区域轴向的长度，a为气芯在图像中所占区域面积由数字图像处理获得，之后通过计算将该区域面积等效为一均匀矩形后得出平均气芯直径d，由该直径d即能够计算平均截面含气率α；计算公式如下：

气芯平均直径计算公式

气液两相流体截面含气率计算公式

所述经统计平均后的平均运动轨迹长度结合相机曝光时间计算出液环平均流速，再通过气液界面相互作用关系可由液环平均流速推导出气芯平均流速的方法如下：

在工业相机曝光时间内，微小气泡运动轨迹被工业相机二8捕获成像，通过数字图像处理计算出该运动轨迹的水平投影距离l，而工业相机的曝光时间t为已知参数，因此该气泡沿水平轴向的流速vi能够计算出，随后通过大量统计计算气泡运动轨迹图像后即能够表征液环的平均流速计算公式如下：

单个气泡流速计算公式

液环平均流速计算公式

所述由液环平均流速推导出气芯平均流速，其基本原理是通过气液界面之间相互作用关系建立与液环平均流速关联的方程组求解；液环所受切应力τ以及该切应力与气芯平均流速的作用关系方程如下：

液环所受切应力表达式

切应力与气芯平均流速关系表达式

式中：τ为液环所受切应力，μ为粘度，σ为液膜厚度，θ为标定系数，为气芯平均流速，为液环平均流速；

所述分别计算气、液两相各自流量及气液两相流体总流量的方法为：在确定了气液两相流体截面含气率、液环平均流速和气芯平均流速后，结合两相在实际工况下的实时密度，即能够计算气液两相各自质量流量，之后求和即获得气液两相流体总质量流量计算公式如下：

式中：m为两相流体总质量流量，ρg为气相密度，ρl为液相密度，s为管道流通面积。

根据权利要求6所述的的测量方法，其特征在于：工业相机一7和工业相机二8的快门受同步控制器控制启动时间同步。

和现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明和传统气液两相流体流量测量方法相比较，在测量装置的体积上大大缩小，节约了物料成本，在测量方法上结合管内相分隔技术和数字图像处理技术，其中管内相分隔是本测量方法的重要前提，通过该技术可使本发明中测量方法不受来流流型及重力的影响，扩大了本发明适用范围，本发明中管内相分隔通过旋流装置来实现，通过旋流装置流行转换后的气液两相流基本上转换为统一的“旋转环状流”，该流型气液界面分明变化均匀并且基本沿轴线中心对称，对该流型拍摄图像进行图像处理分析可使图像处理算法的复杂程度减小并缩短处理时间，提高测量的实时效果，尤其基本沿轴线中心对称的“旋转环状流”流型方便截面含气率的精确计算；而全自动的数字图像处理技术不仅使仪器的分辨能力显著提高，还可以非侵入式的方法准确测量计算气液两相流体流量，并且可以避免温度等常规两相流特性参数变化所造成的影响，极大的提高了本发明测量精度、自动化、实时性和抗干扰性。二者缺一不可同时作用，则既可以克服因两相流流型众多且复杂多变所导致的截面含气率确定困难的特点，又同时兼顾了测量精度。除此之外，本发明还能够通过透明材质管道直观的观测两相流体流动状态，可为其他工艺流程操作等提供肉眼观测判断依据。

附图说明

图1为本发明气液两相流体流量测量装置结构图。

图2为本发明装置中两个工业相机、对侧平行光源和同侧平行光源之间的相对位置图。

图3为本发明测量装置中两个工业相机的拍摄对焦平面位置图。

图4为本发明气液两相流截面含气率测量方法示意图和实测拍摄图像，其中：图4a为截面含气率实际分布示意图，图4b为截面含气率矩形等效分布示意图，图4c为实测拍摄图像。

图5为本发明液环平均流速测量方法示意图和实测拍摄图像，其中：图5a为平均流速测量方法示意图，图5b为平均流速测量方法实拍图像处理示意图。

图6为本发明气液两相流体流量测量过程流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

如图1所示，本发明一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法，其中测量装置包括依次相连接的均为透光材质的入口段1、测量管段3和出口段4，所述测量管段3内壁上固定有旋流装置2，旋流装置2与测量管段3相对静止；还包括分别设置在测量管段3两侧的工业相机一7和对侧平行光源5，设置在测量管段3同侧的工业相机二8和同侧平行光源6，与工业相机一7和工业相机二8连接的同步控制器10，与同步控制器10连接的图像采集及处理终端9。

作为本发明的优选实施方式，所述旋流装置2是由若干片旋流片组成，旋流装置2是内嵌固定在测量管段3内壁上的，与测量管段3相对静止。旋流装置2可以由最少2片，通常4～8片旋流片沿测量管段轴线均匀分布，每片旋流片通常都相对于测量管段横截面保持40～60度的倾斜角度，旋流装置2是内嵌固定在测量管段3内壁上的，旋流片与管道内壁之间没有缝隙，旋流装置2的所有旋流片在测量管段3横截面上的投影面积与测量管段3内壁横截面积相同，确保两相流体全部从旋流装置流通区域经过。

作为本发明的优选实施方式，所述的测量装置的所用管道包括入口段、测量管段和出口段均为透光材质，在工况压力要求不高且流体介质腐蚀性不强时可使用高透光的玻璃管，反之则可使用耐压耐腐蚀的石英玻璃管。

如图2所示，作为本发明的优选实施方式，所述的对侧平行光源发光面中心法线和测量管段轴线处于同一平面内并且垂直，而同侧平行光源发光面中心法线与测量管段轴线处于同一平面内并且保持夹角小于等于45度。

如图1所示，作为本发明的优选实施方式，所述的测量装置所用工业相机一7和工业相机二8并排平行布置，工业相机一7和对侧平行光源5分别在测量管段3的两侧，工业相机一7的镜头中心法线要与对侧平行光源5的发光面中心法线重合以便获取最大亮度的背光照明。工业相机二2和同侧平行光源6都在测量管段3的同侧，同时要调整工业相机二2镜头中心法线与同侧平行光源6发光面中心法线在测量管段内壁汇聚到同一点以便确保工业相机二2对焦区域内的微小气泡被斜射平行光线照亮。工业相机一7的ccd芯片需要适当选取以保证视野区域要调整到刚刚能够将整个测量管段3的外壁都包括进去而又不会使放大倍率过小而牺牲拍摄分辨率，具体规格需要和测量管道尺寸规格相配合确定。如图3所示，工业相机一7的对焦平面在测量管段3的竖直轴线纵向平面，工业相机二8的对焦平面在测量管段3靠近相机镜头侧的管道内壁处的竖直平面，保证对焦拍摄管道内壁汇聚的液环。

如图6所示，作为本发明的优选实施方式，所述的基于管内相分隔和数字图象处理技术的气液两相流体流量测量装置的测量方法为，气液两相流体通过入口段进入测量装置后，首先流经旋流装置2进行管内相分隔，由于气液两相密度差异，两者所受到离心作用大小也不同，其中密度较大的液相汇聚到测量管段3内壁上形成液环，而密度较小的气相则汇聚到测量管段3中心形成气芯，气液两相流体流出旋流装置2后，则以一种“旋转环状流”的流型进入测量管段3，工业相机一7用于拍摄该流型下两相流体在测量管段3轴线竖直纵向平面上的纵向截面图像，而工业相机二8用于拍摄测量管段3内壁液环中从气芯扩散而来的微小气泡的运动轨迹。由工业相机一7所拍摄的轴线竖直纵平面上的纵向截面图像经过数字图象处理计算出气液两相流截面含气率，由工业相机二8所拍摄的液环内气泡运动轨迹图像经过数字图像处理计算出气泡运动轨迹平均长度并结合相机曝光时间计算出液环轴向平均流速，再通过气液界面相互作用关系可通过液环平均流速推导出气芯平均流速，最终在根据实时工况的气液密度等参数可直接计算气液两相流体各相质量流量及气液两相流体总质量流量。

作为本发明优选实施方式，测量装置的操作设定及详细布置如下：

首先要将各个硬件设备连接。测量装置的入口段和出口段接入需要测量的工质运行平台，根据测量管道位置调整好工业相机和光源的相对位置，分别将同步控制器、图像采集及处理终端(一般选用工业控制计算机)和工业相机之间的通讯信号线连接妥当，确认平行光源和工业相机的直流供电，随后开启所有设备，调整工业相机一7的对焦平面到测量管段3竖直纵向截面，调整工业相机二8的对焦平面到测量管段3内壁。

其次要调试图像采集及处理终端的测量软件，通过测量软件设定工业相机的工作参数如曝光时间、增益、同步触发模式、对比度、亮度等，设定同步控制器向两台工业相机发送同步触发信号，设定拍摄原始图像的传输、保存和实时分析处理等。对于截面含气率的测量需要设定尽量快的曝光时间和较高的增益，快曝光可以确保静态图像边缘锐利便于提取边缘信息，而高增益可以弥补曝光时间太快进光量降低导致的拍摄图像发暗。对于液环平均流速的测量则需要适当拉长曝光时间以清晰的拍出气泡运动轨迹，但是要保证在曝光时间内，气泡运动轨迹不能长于视野区域，一般保持运动轨迹在大约三分之一的轴向视野区域长度。

测量装置启动后，待平台工况运行稳定，图像采集及处理终端发出启动指令，通过同步控制器控制工业相机一7和工业相机二8的快门，保持两者同时启动以确保液环平均流速的测量和两相流体截面含气率的测量同时进行，尽量避免局部液环厚度、气液界面随机波动而导致的误差。同时拍摄测量管段3位置的竖直纵向截面图像和扩散到液膜中微小气泡的运行轨迹图像，两台工业相机实时拍摄图像通过测量软件后台数字图象处理进行实时计算，给出实时测量数据并同步保存到数据库。

作为本发明优选实施方式，数字图象处理基本原理及过程如下：

在测量装置运行稳定实时拍摄测量图像后，测量软件后台数字图象处理即实时启动。数字图象处理主要分为四个步骤。

第一步是针对获取到的纵向截面图像进行处理分析以获取气液两相流体的平均截面含气率。气液两相流体截面含气率的测量原理如图4所示，图4(a)为工业相机一7所拍摄测量管段内气液两相流体轴线竖直纵向截面图像，d为管道内径，l为拍摄图像视野区域轴向的长度，a为气芯在照片中所占区域面积由数字图像处理获得，之后通过计算将该区域面积等效为一均匀矩形后可得出平均气芯直径d如图4(b)，由该直径即可计算平均截面含气率α。所用计算公式见表1：

表1

表1中d为气芯平均直径，a为气芯所占面积，α为截面含气率，l为拍摄区域轴向视野长度。

第二步是针对获取到的液环平均流速拍摄图像进行处理分析以获取液环平均流速。液、环相平均流速测量基本原理是通过相机拍摄从气芯中扩散到液环的少量微小气泡的运动轨迹，结合工业相机的曝光时间，根据速度物理定义来计算单个气泡的瞬时流速。从气芯中扩散到液环中的少量微小气泡作为天然示踪粒子可以表征液环的流动速度，如图5中图5a和图5b所示，在工业相机曝光时间内，微小气泡从位置1运动到位置2其运动轨迹被工业相机捕获成像，通过数字图像处理计算出该运动轨迹的水平投影距离l，而工业相机的曝光时间t为已知参数，因此该气泡沿水平轴向的流速vi可以计算出，随后通过大量统计计算气泡运动轨迹图像后即可表征液环的平均流速所用计算公式见表2：

表2

表2中vi为单个气泡流速，l为单个气泡运动轨迹的水平投影长度，t为工业相机曝光时间，为液环平均流速。

第三步是根据液环平均流速推导气芯平均流速。其基本原理是通过气液界面之间相互作用关系建立与液环平均流速关联的方程组求解。液环所受切应力τ以及该切应力与气芯平均流速的作用关系方程见表3：

表3

表3中τ为液环所受切应力，μ为粘度，σ为液膜厚度，θ为标定系数。为气芯平均流速，为液环平均流速。

通过上表中的关系式，在实际工况下标定系数θ即可确定气芯平均流速

第四步是计算气液两相流体流量。在确定了气液两相流体截面含气率、液环平均流速和气芯平均流速后，结合两相在实际工况下的实时密度，即可计算气液两相各自质量流量，之后求和即可获得气液两相流体总质量流量计算公式见表4：

表4

表4中m为两相流体总质量流量，ρg为气相密度，ρl为液相密度，s为管道流通面积。