CN103424406A - 管道内气液两相流的图像法测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种管道内气液两相流的图像法测量装置及方法，特点是，采用光源通过透明管道或视窗照明待测液滴，采用激光光源照明液膜液面，采用远心镜头和CCD或CMOS图像传感器对待测区域内的液滴或液膜进行成像；将单个液滴图像的离焦模糊半径与测量系统的容许弥散圆大小进行比较以剔除镜头景深范围外液滴的成像；处理景深范围内运动液滴的图像以提取粒径大小、速度大小和方向，通过对大量液滴进行统计，获得待测区域内液滴粒径分布、速度分布、统计时间段内平均体积浓度和平均体积流量；通过液膜图像中液面与管壁的距离确定液膜厚度；本发明的有益效果是仅用一套系统就可实现管道内气液两相流多参数的同时测量，简化了测量系统，降低了测量成本。<u/>

Description

管道内气液两相流的图像法测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种管道内气液两相流测量装置及方法，特别涉及一种基于单帧单曝光图像法获取管道内气液两相流中液滴颗粒粒径大小及分布，液滴速度及分布、液滴浓度和流量以及液膜厚度等信息的装置及方法。
背景技术
管内气液两相流是两相流中一种十分重要的流动形式，广泛存在于能源、动力、油气、化工等领域，其截面相含率等参数检测对于了解两相流规律、资源合理开发利用、安全生产及工业过程控制都具有非常重要的意义。已有的测量方法包括分离测量法、阻抗法、消光法等，或者对流动造成一定干扰，或者受流态、温度、杂质的影响较大，且不能同时获得多种参数。近年来随着数字相机和计算机技术的发展，采用数字相机拍摄两相流动过程以获取相关信息的两相流图像测量仪已得到逐步发展，但如高速摄影法通常仅用于流型的判定，尚不能获取包括液滴颗粒粒径大小及分布，液滴速度及分布、液滴浓度和流量以及液膜厚度等参数在内的详细信息。
发明内容
本发明的目的是要发展一种基于单帧单曝光图像法获取管道内气液两相流中液滴颗粒粒径大小及分布，液滴速度及分布、液滴浓度和流量以及液膜厚度等信息的装置及方法，具有装置简单、操作简便、成本低廉的优点。
本发明的基本原理：对于液滴参数的测量，采用单帧单曝光方法，适当延长相机曝光时间，在此时间内颗粒的运动会形成模糊的运动轨迹图像，由于液滴可近似为球形颗粒，该运动轨迹图像的短轴和长轴则分别包含了颗粒的粒径和速度信息；该方法避免了采用昂贵的高能量脉冲激光器“冻结”颗粒以获取颗粒粒径，和采用双脉冲激光器配以高速摄像机通过互相关处理获得颗粒速度，只用普通光源和工业相机则可满足同时测量粒径和速度信息的要求。对通过管道某横截面液滴的粒径及相应速度进行统计，可获得该统计时间段内液滴的平均浓度和流量。对于管道壁面上液膜厚度的测量，采用激光器发射的激光束从透明管外照射液膜，激光会在液膜表面产生折射，形成高亮度的液膜界面，通过液膜在工业相机上成像可确定液面的位置，即液膜厚度。
基于上述的发明原理，本发明的技术方案是：一种管道内气液两相流的图像法测量装置，其特点是，装置包括照明光源、激光光源、远心镜头、图像传感器和计算机，所述照明光源通过透明管道或视窗照明管道内的待测颗粒，所述激光光源通过透明管道或视窗照明液膜液面，所述远心镜头和所述图像传感器相连接，所述图像传感器拍摄获得的颗粒和液膜图片由所述计算机采集。
所述照明光源采用卤素光源、氙灯光源或半导体光源；所述激光光源采用可见光激光器；所述远心境头选用变焦或非变焦远心镜头；所述图像传感器选用CCD或CMOS器件。
一种管道内气液两相流的图像法测量方法，其特点是，测量方法步骤为：
1.      测量前首先对测量装置采用透明标定物进行标定，获得系统的实验工况下相机像元代表的实际尺寸；
2.      采用照明光源照明待测流动液滴，调节光源的位置和强度大小，使背景光均匀；
3.      调节图像传感器曝光时间，减少图像传感器成像中颗粒轨迹重合和粘连的情况，并对待测颗粒进行拍摄，将获取的图像输入计算机；
4.      调节图像传感器与管道的相对位置，对某段管道的不同径向位置进行拍摄，并将获取的图像输入计算机；
5.      采用激光光源照明管道壁面上待测液膜，调节激光光源和图像传感器的位置，使液面成像清晰，进行拍摄并将获取的图像输入计算机；
6.      在计算机上对所采集的液滴图像首先进行去噪处理，其次通过比较液滴图像的离焦模糊半径和测量系统容许弥散圆大小以剔除镜头景深范围外的颗粒图像，然后进行二值化处理；在远心镜头的景深范围内，物体影像尺寸不随位置的变化而变化，这样可以获得颗粒的尺寸大小；结合运动模糊轨迹获得颗粒的运动速度；对液膜图像，通过图像处理获得管壁和液面位置之间的距离，即液膜厚度；
7.      对景深范围内的颗粒进行统计获得颗粒相的浓度，对通过某截面的颗粒进行统计获得颗粒相的流量。
本发明的有益效果是用一种直观、简单、非侵入式的图像法测量系统，即可以同时获取管道内气液两相流中液滴颗粒粒径大小及分布，液滴速度及分布，还可以获得液滴浓度和流量以及液膜厚度等信息，且整个过程不采用复杂的互相关算法或反演模型，提高了测量系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例1示意图；
图2为本发明实施例2示意图。
具体实施方式
一种基于单帧单曝光图像法管内气液两相流测量装置的实施例1，如图1所示，其特点是，装置包括照明光源1、激光光源3、远心镜头4、图像传感器5和计算机6，所述照明光源1通过透明管道2或视窗7照明待测颗粒，所述激光光源3通过透明管道2或视窗7照明管道壁面上液膜液面，所述远心镜头4和所述图像传感器5相连接，所述图像传感器5拍摄获得的颗粒和液膜图片由所述计算机6采集。
一种基于上述单帧单曝光图像法的管内气液两相流测量方法的步骤为：
1．测量前首先对测量装置进行标定；以透明标定物如微标尺或其它已知几何尺寸a的物体作为测量对象，将其置于远心镜头4的工作距离处，采用图像传感器5采集该标定物体的图像并输入计算机6，计算该标定物体成像中对应几何尺寸a的像素个数n 1，通过公式p=a/n 1，获取测量系统实验工况下图像传感器5单位像素所代表的实际尺寸p；
2．连接远心镜头4与图像传感器5以及计算机6，以管内液滴为拍摄对象，将所拍摄区域的中间截面置于远心镜头4的工作距离处，使所拍摄区域的液滴在图像传感器5上成像；
3．采用照明光源1以透射或反射方式照明待测流场，可调节照明光源1与待测区域的距离和角度使光线从不同方位照亮待测区域，可改变电压大小以调节光源的强度，使背景光均匀；
4．调节图像传感器5的曝光时间，减少图像传感器5成像中液滴运动轨迹重合和粘连的情况，并对待测液滴进行拍摄，将获取的图像输入计算机6；
5．采用激光光源3照明管道2壁面上待测液膜，调节激光光源3和远心镜头4的距离和角度，使液面在图像传感器5上成像清晰，进行拍摄并将获取的图像输入计算机6；
6．在计算机6上，对所获取的液滴图像，首先采用图像处理算法中的中值滤波算法进行去噪处理，其次通过分水岭分割算法对液滴运动图像进行分割，然后针对单个液滴图像，利用基于图像阶跃边缘扩散特性的离焦模糊图像模糊半径检测方法，先采用Hough变换检测出离焦图像中的直线边缘，计算线扩散函数，进一步利用离焦模糊半径与线扩散函数之间的关系，计算出离焦模糊半径r；已知镜头的景深                                               
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE002
（也即长方体形待测区域的深度），根据景深计算公式（1），可以求出容许弥散圆直径：
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE004
…………………………………….（1）
其中
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE006
为镜头的景深，f为镜头焦距，F为镜头的拍摄光圈值，L为镜头的工作距离，
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE008
为容许弥散圆直径。当图像处理获得的离焦模糊半径r与容许弥散圆直径存在关系时，认为该液滴处于镜头景深范围外，剔除相应液滴影像。然后对余下景深范围内的液滴影像进行二值化处理；在远心镜头的景深范围内，物体影像尺寸不随位置的变化而变化，而认为液滴近似为球形颗粒，这样可以通过运动轨迹的宽度值（短轴长度b）获得液滴的粒径大小d（d=b）；结合运动轨迹的长度值（长轴长度s），通过公式（2）获得液滴的运动速度v，
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE010
…………………………………….（2）
其中
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE012
为图像传感器5的曝光时间；同时记录长度方向与管道轴向的夹角θ，则可得到液滴沿管道轴向的速度
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE014
；对所获取的液膜图像，通过中值滤波去噪和二值化处理后，采用Canny算子进行边缘检测，获得管壁和液面位置之间的距离，即液膜厚度；
7．对一段时间内采集得到的n 2张照片进行上述处理，得到第i个液滴的粒径值d i、速度方向速度值v i和液滴沿管道轴向的速度，共计液滴个数n 3个，从而得到该测量管段内液滴粒径和速度的分布；认为液滴近似为球形，则该段时间待测区域内所拍摄到液滴的总体积
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE016
由公式（3）计算，
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE018
…………………………………….（3）
已知待测区域的体积
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE020
，其中W，H和
Figure 426835DEST_PATH_IMAGE006
分别为视场宽度、视场高度和视场深度（即景深），则该段时间待测区域内液滴的平均体积浓度为
Figure 2013103943012100002DEST_PATH_IMAGE022
；该段时间待测区域内液滴的平均体积流量Q由公式（4）计算：
…………………………………….（4）。
实施例2：
如图2所示，对于不透明的管段，加工制作相应的透明视窗7与管段相连，使视窗内通道形状及尺寸与管道内壁形状及尺寸相同，即用视窗7代替透明管道2，测量步骤与实施例1操作过程相同。
上述的两实施例中照明光源采用卤素光源、氙灯光源或半导体光源；激光光源采用可见光激光器；远心境头选用变焦或非变焦远心镜头；图像传感器均选用CCD或CMOS器件。

Claims (3)

1.一种管道内气液两相流的图像法测量装置，其特征在于，该装置包括照明光源、激光光源、远心镜头、图像传感器和计算机，所述照明光源通过透明管道或视窗照明管道内的待测颗粒，所述激光光源通过透明管道或视窗照明管道壁面上液膜液面，所述远心镜头和所述图像传感器相连接，所述图像传感器拍摄获得的颗粒和液膜图片由所述计算机采集。
2.根据权利要求1所述的管道内气液两相流的图像法测量装置，其特征在于，所述图像传感器选用CCD或CMOS器件。
3.一种管道内气液两相流的图像法测量方法，其特征在于，该测量方法步骤为：
(1)测量前首先对测量装置采用透明标定物进行标定，获得系统的实验工况下
相机像元代表的实际尺寸；
(2)采用照明光源照明待测流动液滴，调节光源的位置和强度大小，使背景光
均匀；
(3)调节图像传感器曝光时间，减少图像传感器成像中颗粒轨迹重合和粘连的
情况，并对待测颗粒进行拍摄，将获取的图像输入计算机；
(4)调节图像传感器与管道的相对位置，对某段管道的不同径向位置进行拍摄，
并将获取的图像输入计算机；
(5)采用激光光源照明待测液膜，调节激光光源和图像传感器的位置，使液面
成像清晰，进行拍摄并将获取的图像输入计算机；
(6)在计算机上对所采集的液滴图像首先进行去噪处理，其次通过比较液滴图
像的离焦模糊半径和测量系统容许弥散圆大小以剔除镜头景深范围外的颗粒图像，然后进行二值化处理；在远心镜头的景深范围内，物体影像尺寸不随位置的变化而变化，这样可以获得颗粒的尺寸大小；结合运动模糊轨迹获得颗粒的运动速度；对液膜图像，通过图像处理获得管壁和液面位置之间的距离，即液膜厚度；
(7)对景深范围内的颗粒粒径和速度进行统计以获得颗粒相的浓度和流量。
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