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制造方法及图纸

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，该装置由入口段、旋流装置、测量管段、出口段、对侧平行光源、同侧平行光源、工业相机一、工业相机二、图像采集及处理终端和同步控制器组成；本发明专利技术还提供了测量方法，首先通过管内相分隔技术利用旋流装置将气液两相流整流为方便测量的流型，然后结合数字图像处理技术准确测量气液两相流截面含气率以及各相流速，最后计算各相质量流量以及两相流体总质量流量。与已有的设备和方法相比具有体积小，实时性高和准确率高的特点，而且不受气液两相流体来流流型的影响，可在工程上广泛应用，由于本发明专利技术测量方法不受重力影响，也适用于失重环境。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于流量测量
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术不足，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于：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)。

【技术特征摘要】
1.一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于：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)。2.根据权利要求1所述的基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于，其特征在于：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。3.根据权利要求1所述的基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于，其特征在于：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。4.根据权利要求1所述的基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于，其特征在于：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。5.根据权利要求1所述的基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置，其特征在于，其特征在于：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。6.采用权利要求1所述的一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量方法，其特征在于：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛棚满，王栋，杨杨，卫鹏凯，史红卫，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61