基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统的相含率测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统和方法。该系统包括一台高速摄像机、两个光源、直角棱镜、小管道、甘油槽、计算机。首先，从两个相互垂直角度同时获取小通道气液两相流流动图像序列；其次，进行图像预处理和光学畸变校正，建立泡状流、段塞流、环状流和波状流四种典型流型的相含率测量模型；然后，提取图像的特征向量，进行流型辨识；最后，选择相应流型的相含率测量模型，计算相含率。本发明专利技术利用多视觉技术，为每一种典型流型建立了相含率测量模型，将流型信息引入到相含率测量模型，提高了测量的准确性。相应的装置具有结构简单、非接触式测量、可视化等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多相流参数测量领域，尤其涉及一种基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统和方法。
技术介绍
近年来，随着微加工技术和新材料技术的崛起，工业设备呈现出微型化、小型化的发展趋势。由于微型化、小型化设备具有高效、快速、易控以及节约原料等优点，在生物、医疗、化工、制药等领域得到了广泛的应用。因此，小通道气液两相流参数测量成为了当前的一个研究热点和难点问题。相较于常规通道，小通道气液两相流参数测量具有一定的难度。在微小尺度下，由于水力直径的减小，使得表面张力和黏度作用的影响变大，重力作用的影响相对减弱，常规通道中的理论模型和经验公式不再适用。目前，现有的小通道气液两相流相含率测量方法主要有快关阀法、光学法、电学法和高速摄像法等。相比之下，高速摄像法具有直观性、非接触性等优点，在小通道两相流相含率测量中应用广泛。然而，现有的基于高速摄像的相含率测量方法多数是从一个角度获取两相流图像，对气液两相空间信息及不同角度的形状信息获取不足。多视觉技术利用多个相机或单个相机与光学器件构成系统从多个角度获取研究对象的图像信息，有效地解决了单视觉信息获取不足的问题，为解决复杂参数测量问题提供了可能性。
技术实现思路
针对现有的基于高速摄影的小通道气液两相流相含率测量方法信息获取不足，准确程度不够高的问题，本专利技术通过反复研究，针对小通道气液两相流，提出了一种基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统和方法，采用多视觉系统同时获取两相流两个相互垂直角度的图像，进行图像预处理和光学畸变校正，建立四种典型流型的相含率测量模型，提取特征向量进行流型辨识，选择相应流型的相含率测量模型，计算相含率。基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统包括小通道管路系统、多视觉高速图像采集单元以及微型计算机。小通道管路系统由浸没在甘油槽中的小通道构成。多视觉高速图像采集单元由两台LED光源、直角棱镜、高速摄像机组成。直角棱镜靠近甘油槽放置，且其一直角边垂直于高速摄像机的成像平面。两台光源提供两个垂直方向的背光，放置于甘油槽前方的高速摄像机同时拍摄到两个相互垂直角度的两相流流动图像，采集到的图像传输到微型计算机中用于图像处理和相含率计算。基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量方法步骤如下：第一步，获取图像：利用多视觉高速图像采集单元，同时获取两个相互垂直角度的小通道气液两相流流动图像序列；第二步，建立相含率测量模型：进行图像预处理和光学畸变校正，对四种典型流型分别进行建模；第三步，流型辨识：提取图像的特征向量，进行流型辨识；第四步，计算相含率：选择相应流型的相含率测量模型，计算相含率。其中，建立相含率测量模型的具体步骤如下：1)图像预处理。通过差影法、中值滤波、边缘检测和二值化填充进行预处理，得到二值图像。2)光学畸变校正。通过光路分析获取校正系数，实现气液两相流流动图像的校正。对于圆形玻璃管道，其管壁折射率与甘油近似相等。将管道浸没于甘油槽中可以降低管壁对所拍摄图像造成的影响。如图3所示，采用截面为25mm×25mm的正方形的有机玻璃长方体甘油槽，将管道浸没于甘油槽内，管道中心位置与截面正方形的中心相重合。对于管道内物点P(x,y)，由该点发出的光线在液相与管壁界面发生第一次折射，在甘油槽槽壁与空气界面发生第二次折射。由点P发出的两条相邻光线在第二次折射后的反向延长线的交点P'(x',y')即为点P对应观察到的像点，从而可以确定点P处的校正系数α＝y/y'。获取校正系数之后，对二值图像进行校正。3)四种典型流型建模。借鉴“分割，近似求和”的思想，分别建立泡状流和段塞流相含率测量模型、环状流相含率测量模型、波状流相含率测量模型。泡状流和段塞流相含率测量模型：由于小通道的水力直径较小，在管道的同一截面上同时只存在一个气泡，不会出现常规管道内同一截面存在有多个气泡的情况，可以通过两个角度的图像确定两个方向上气泡的尺寸。综合考虑泡状流和段塞流的情况，在管道同一截面处，将气相所占区域等效为椭圆。在管道轴向一个像素长度范围内，认为气相所占的截面面积相等，因此可以将该段范围内的气相等效为一个椭圆柱体，该椭圆柱体底面椭圆的长短轴分别由两个相互垂直角度的二值图像确定。由此，可以将每个气泡或者段塞等效为若干个椭圆柱体的叠加，即可求得每个气泡或气塞对应的气相的体积。如图5所示，假设所拍摄的单组图像中存在n个气泡/气塞。第i个气泡/气塞长度所占像素个数为li，第i个气泡/气塞对应的第j个像素处气泡截面椭圆的长短轴所占像素个数分别为aij与bij，则可求得所拍摄图像对应管段内气相的体积Vgas1为： V g a s 1 = π 4 μ 3 Σ i = 1 n Σ j = 1 l i α i j β i j a i j b i j ]]>其中，μ为每个正方形像素对应的实际长度，αij为aij对应的校正系数，βij为bij对应的校正系数。则对应管段内泡状流/段塞流的相含率ε1为： ϵ 1 = V g a s 1 V p i p e = Σ i = 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统，其特征在于：该系统由小通道管路系统(1)，多视觉高速图像采集单元(2)以及微型计算机(3)组成，小通道管路系统(1)由浸没在甘油槽(6)中的小通道(7)构成，多视觉高速图像采集单元(2)由高速摄像机(9)、直角棱镜(8)、第一LED光源(4)、第二LED光源(5)组成，多视觉高速图像采集单元负责同时采集两个相互垂直角度的气液两相流流动图像，由多视觉高速图像采集单元(2)采集得到的图像传输到计算机(3)进行图像处理和相含率计算；所述的第一LED光源(4)垂直于小通道(6)放置，第二LED光源(5)同时垂直于第一LED光源(5)和小通道(6)并且与第一LED光源(5)位于同一平面内，直角棱镜(8)相对于第一LED光源(4)位于小通道(6)另外一侧，高速摄像机(9)相对于第二LED光源(5)位于小通道(6)另外一侧，直角棱镜(8)的一直角边垂直于高速摄像机(6)的成像平面。

【技术特征摘要】
1.一种基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量系统，其特征在于：该系统由小通
道管路系统(1)，多视觉高速图像采集单元(2)以及微型计算机(3)组成，小通道管路系统
(1)由浸没在甘油槽(6)中的小通道(7)构成，多视觉高速图像采集单元(2)由高速摄像机
(9)、直角棱镜(8)、第一LED光源(4)、第二LED光源(5)组成，多视觉高速图像采集单元负责
同时采集两个相互垂直角度的气液两相流流动图像，由多视觉高速图像采集单元(2)采集
得到的图像传输到计算机(3)进行图像处理和相含率计算；所述的第一LED光源(4)垂直于
小通道(6)放置，第二LED光源(5)同时垂直于第一LED光源(5)和小通道(6)并且与第一LED
光源(5)位于同一平面内，直角棱镜(8)相对于第一LED光源(4)位于小通道(6)另外一侧，高
速摄像机(9)相对于第二LED光源(5)位于小通道(6)另外一侧，直角棱镜(8)的一直角边垂
直于高速摄像机(6)的成像平面。
2.一种基于权利要求1所述系统的基于多视觉的小通道气液两相流相含率测量方法，
其特征在于该方法包括如下步骤：
1)获取图像：利用多视觉高速图像采集单元，同时获取两个相互垂直角度的小通道气
液两相流流动图像序列；
2)建立相含率测量模型：进行图像预处理和光学畸变校正，对四种典型流型分别进行
建模；
3)流型辨识：提取图像的特征向量，进行流型辨识；
4)计算相含率：选择相应流型的相含率测量模型，计算相含率。
3.根据权利要求2所述的相含率测量方法，其特征在于所述的步骤2)中的建立相含率
测量模型的方法具体为：
1)图像预处理：通过图像分割、图像去噪、边缘检测和二值化填充进行预处理，得到二
值图像；
2)光学畸变校正：通过光路分析获取校正系数，实现对二值图像的校正；
3)四种典型流型建模：分别建立泡状流和段塞流相含率测量模型、环状流相含率测量
模型、波状流相含率测量模型。
4.根据权利要求2或3所述的建立相含率测量模型方法，其特征在于所述的步骤2)中的
光学畸变校正方法具体为：采用截面为正方形的有机玻璃长方体甘油槽，将管道浸没于甘
油槽内，使管道中心位置与截面正方形的中心相重合，对于管道内物点P(x,y)，由该点发出
的光线在液相与管壁界面发生第一次折射，在甘油槽槽壁与空气界面发生第二次折射，分
析光路可知，由点P发出的两条相邻光线在第二次折射后的反向延长线的交点P'(x',y')即
为点P对应的像点，从而确定点P处的校正系数α＝y/y'，获取校正系数之后，对二值图像进
行校正。
5.根据权利要求2或3所述的建立相含率测量模型方法，其特征在于所述的步骤3)中的
四种典型流型建模的方法具体为：
1)泡状流和段塞流相含率测量模型：小通道内的水力直径较小，在管道的同一截面上
同时只存在一个气泡，可以通过两个角度的图像确定两个方向上气泡的尺寸，综合考虑泡
状流和段塞流的情况，在管道同一截面处，将气相所占区域等效为椭圆，在管道轴向一个像
素长度范围内，认为气相所占的截面面积相等，因此可以将该段范围内的气相等效为一个
椭圆柱体，该椭圆柱体底面椭圆的长短轴分别由两个相互垂直角度的二值图像确定，由此，
可以将每个气泡或者段塞等效为若干个椭圆柱体的叠加，即可求得每个气泡或气塞对应的
气相的体积，
假设所拍摄的单组图像中存在n个气泡/气塞，第i个气泡/气塞长度所占像素个数为li，
第i个气泡/气塞对应的第j个像素处气泡截面椭圆的长短轴所占像素个数分别为aij与bij，
则可求得所拍摄图像对应管段内气相的体积Vgas1为：
V g a s 1 = π 4 μ 3 Σ i = 1 n Σ j = 1 l i α i j β i j a i j b i j ]]>其中，μ为每个正方形像素对应的实际长度，αij为aij对应的校正系数，βij为bij对应的校
正系数，则对应管段内泡状流/段塞流的相含率ε1为：
ϵ 1 = V g a s 1 V p i p e = Σ i = 1 n Σ j = 1 l i α i j β i j a i j b i j LD 2 ]]>其中，Vpipe为图像拍摄到的管道体积，L为图像拍摄到的管道长度，D为图像拍摄到的管
道直径，相含率与像素对应的实际长度μ无关，而仅与两相流图像各尺寸参数所占像素的个
数相关；
在实际拍摄过程中，由于相机视场内所拍摄到的管段长度较短，由单组图像计算得到
的相含率不能准确反映当前流型下的相含率，因此，选取由N组连续拍摄的图像构成图像序
列，取图像序列相含率的平均值作为相应实验条件下泡状流/段塞流的相含率测
量值，即：
ϵ ‾ b u b b l e ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冀海峰，杨志勇，郑小虎，王保良，黄志尧，李海青，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33