CN104457703A - 基于多视觉小通道气液两相流参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多视觉的小通道气液两相流参数测量的系统和方法。它包括多台高速摄像机、小管道透明测量管道、光源、计算机；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的周围，多台高速摄像机分别与计算机相连，计算机控制多台高速摄像机进行同步拍摄，高速摄像机采集的图像数据传送到计算机进行数据处理。本发明对两相流管道进行多个角度拍摄，获取两相流动多个角度的二维图像，选取图像重建算法，重建三维两相流动状态，为流型辨识、空隙率测量、气泡长度等参数检测提供了很大的便利。本发明为小通道气液两相流特性分析以及参数检测提供了一条有效的途径。相应的装置具有结构简单、非接触式测量、准确率高等优点。

Description

基于多视觉小通道气液两相流参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及多相流测量领域，尤其涉及一种基于小通道多视觉图像获取系统的气液两相流参数测量系统及方法。

背景技术

两相流广泛存在于化工、冶金、能源等工业部门，不同的两相流流型对于生产过程的操作方式、运行可靠性和质量成本控制等都具有重要的意义，因此，对于两相流流型的研究和分析，一直是一个非常重要且被广泛研究的课题。近年来，随着小型工业设备的迅速发展，小通道两相流的相关研究成为了两相流研究领域的研究热点之一。小通道两相流的特点在于，受到小管径管道较小水力直径的限制，管道面积与容积比增大，因表面张力等原因，小通道两相流的流动特性与常规管径不尽相同，导致很多常规领域常见的检测手段不能适应小通道两相流相关参数的检测。

目前，针对小通道两相流参数检测的手段较少，有光学检测法、电容检测法、电导检测法等，相比之下，使用高速摄像的测量方法具有非接触、清晰直观等优点，可以实现对于两相流参数的有效测量，但是一台高速摄像只能进行一个角度的拍摄，只能获得两相流动的一个截面的信息，因此使用小通道多视觉气液两相流参数测量装置可以获得多个角度的流动信息，对于小通道两相流空隙率测量、流型辨识以及气泡长度的相关研究具有相当的参考价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于小通道多视觉图像获取系统的气液两相流参数测量系统及方法。

基于多视觉小通道气液两相流参数测量系统包括多台高速摄像机、小管道透明测量管道、光源、计算机；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的周围，多台高速摄像机分别与计算机相连，计算机控制多台高速摄像机进行同步拍摄，高速摄像机采集的图像数据传送到计算机进行数据处理。

基于多视觉的小通道气液两相流参数测量的方法包括如下步骤：

1)计算机控制多台高速摄像机进行同步拍摄，每台高速摄像机拍摄一个角度的小管道透明测量管道的二维图像，就能获得同一时刻多个角度的两相流动二维图像；

2)对上一步骤拍摄的图像，通过差影法、中值滤波、边缘检测和填充气相介质区域对拍摄的灰度图像进行预处理，针对预处理后的二值图像，根据不同的流型采用相应的微小通道气液两相流空隙率模型进行体积平均空隙率计算，每一台高速摄像机拍摄的图像可求得一个空隙率测量值，对多台摄像机的空隙率测量值进行拟合，就能得到空隙率测量值；

3)对步骤1)所拍摄的二维图像，选择图像特征点，进行截面的拟合，最后选择三维重建算法进行三维重建，得到两相流动的三维状态图，根据状态图能进行流型辨识以及气泡长度测量。

本发明利用多台高速摄像系统对两相流管道进行多个角度进行拍摄，获取两相流动多个角度的二维图像，选取图像重建算法，进行截面拟合，重建出三维两相流动状态，为流型辨识、空隙率测量、气泡长度等参数检测提供了很大的便利。本发明为小通道气液两相流特性分析以及参数检测提供了一条有效的途径。相应的装置具有结构简单、非接触式测量、准确率高等优点，为小通道两相流空隙率、气泡等参数的测量以及流型辨识提供了有益的借鉴。

附图说明

图1是基于小通道多视觉图像获取系统的气液两相流参数测量系统示意图；

图2是本发明的参数测量技术路线图；

图3(a)是本发明的气泡的二维截面图；

图3(b)是本发明的气泡三维示意图。

具体实施方式

如图1所示，基于多视觉小通道气液两相流参数测量系统包括多台高速摄像机1、小管道透明测量管道2、光源3、计算机4；多个高速摄像机1与多个光源3相连并对应环绕在小管道透明测量管道2的周围，多台高速摄像机1分别与计算机4相连，计算机4控制多台高速摄像机4进行同步拍摄，高速摄像机1采集的图像数据传送到计算机4进行数据处理。

基于多视觉的小通道气液两相流参数测量的方法包括如下步骤：

1)计算机4控制多台高速摄像机1进行同步拍摄，每台高速摄像机1拍摄一个角度的小管道透明测量管道2的二维图像，就能获得同一时刻多个角度的两相流动二维图像；

2)对上一步骤拍摄的图像，通过差影法、中值滤波、边缘检测和填充气相介质区域对拍摄的灰度图像进行预处理，针对预处理后的二值图像，根据不同的流型采用相应的微小通道气液两相流空隙率模型进行体积平均空隙率计算，每一台高速摄像机1拍摄的图像可求得一个空隙率测量值，对多台摄像机1的空隙率测量值进行拟合，就能得到空隙率测量值；

3)对步骤1)所拍摄的二维图像，选择图像特征点，进行截面的拟合，最后选择三维重建算法进行三维重建，得到两相流动的三维状态图，根据状态图能进行流型辨识以及气泡长度测量。

实施例

基于小通道多视觉图像获取系统的系统包括高速摄像机、光源、计算机以及小管道透明测量管道。实验过程中两相流流过小管道透明测量管道达到流型稳定的时候，计算机控制多台摄像机同步的进行拍摄。所拍摄的图像存储在计算机上。

获取两相流动的二维截面图之后，参考如图2所示的参数测量技术路线图，对获取的二维图像进行处理，可以进行空隙率、气泡长度等参数的测量以及进行流型辨识。

两相流空隙率计算的步骤如下：

(1)对于保存到计算机上的图像，进行差影法除去背景，中值滤波、检测气相的边缘以及气相的填充将图像简化为二值图像，即图像中气泡处变为“1”，背景处变为“0”，方便后续的空隙率的计算。

(2)空隙率测量计算：高速摄像机拍摄的气液两相流图像为二维图像，只能反映拍摄截面两项的分布情况，并不能反映出横截面上气液两相的空间分布，这给应用图像处理来测量空隙率带来了困难。但由于小管道本身的特征，我们可以把气相截面等效成一个椭圆。然后采用积分的思想，建立小通道气液两相流空隙率测量模型。

设拍摄图像中，实验拍摄管道长度为M个像素，管道的内直径长度为D个像素，图像的每个正方形像素实际边长为μmm，则管道的体积V_pipe为：

$V_{\mathrm{pipe}}=\frac{\mathrm{\π}}{4}\×M\×D^2\×{\mathrm{\μ}}^3$

实验中发现，同常规管道相比，小管道泡状流图像同一截面上一般只有一个气泡，不会出现常规管道中同一截面有大量的小气泡交叠的情况，也即小管道两相流图像中不会有大量气泡重叠导致难以区分的情况出现，这给高速摄影法准确测量小管道泡状流空隙率带来了可行性。以往的高速摄像法只选择了一个角度进行拍摄，然后由这一个角度的截面图像，然后把气塞截面等效为一个圆，在根据截面的对称性把这个二位图像推广到三维空间。实验中发现，在气速和液速都很低的情况下，这样等效的误差会小一些。但在气液速度较大的情况下，气相状态不太规则的情况下，误差就会很大。我们这次的装置，从多个角度拍摄了两个截面的图像，我们可以把小管道气液两相流的气塞截面等效为一个椭圆，显然，会减少一些误差。然后在采用积分的思想，推广到三维空间。我们实验的小管道气塞截面等效模型见图2。

设所拍摄图像长为M个像素，小管道泡状流图像中共有n个气泡，第k个气泡的长度MN为l_k个像素，第k个气泡的第i个像素处横截面AB长度为a_(k，i)个像素，CD的长度为b_(k，i)个像素，则采用积分原理，整个管段内气体的总体积V_g为：

$V_g=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{l_k}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\π}}{4}\×a_{(k,i)}\×b_{(k,i)}\×{\mathrm{\μ}}^3$

则在管道内体积平均空隙率为ε：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{V_g}{V_{\mathrm{pipe}}}=\frac{\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{l_k}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{(k,i)}\×b_{(k,i)}}{M\×D^2}$

由于气液两相流体积平均空隙率的随机波动性和测量过程中的其他随机因素的影响，需要取多张图像的空隙率计算平均值，所以这里取高速摄像机连续拍摄N组图像计算每组图像的体积平均空隙率ε_i，然后取平均值作为该实验条件下气液两相流的体积平均空隙率的测量值，即：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_i}{N}$

(3)利用上述原理，分别计算出每台高速摄像机所拍摄的图片的对应平均空隙率。然后根据试验工况选择合适的公求出最后的平均空隙率，最简单的方法是对三台高速摄像所得到的平均空隙率进行求平均，把平均值当做最后的两相流动的平均空隙率。这种方法能减小高速摄像测量空隙率的误差。

流型辨识

流型辨识是两相流研究的重要内容，由于两相流的相界面的多变性和随机性，致使两相流动的流型多种多样。高速摄影法在常规管道的流型辨识中的应用已有多年的历史，具有非侵入性、可以清晰拍摄微小尺寸物体和高速运动物体等优点。本发明在原有的高速摄像法进行流型辨识的基础上，利用本发明多视觉所拍摄的多个角度的图像的优势，利用三维重建算法，重建出两相流动的三维立体流动，更加清晰直观的进行流型辨识。

利用拍摄的二维图像进行三维重建也是一个热点的研究问题，有许多的算法。我们利用较简单的截面拟合来重建三维流动图像。首先，我们利用多台摄像机拍摄的图像计算出多个截面直径。然后，利用这些直径构建出截面，(两台相互垂直的相机构建的截面就是椭圆)。最后，我们进行截面拟合，重建出两相流动的三维模型(如图3所示)，这样，更能准确直观的进行流型辨识。

气泡长度的测量

段塞流是油气混输管道中一种最常见的流型，而段塞流中气泡的长度是段塞流中一种重要的参数。通过段塞流中长气泡长度的研究，可以更好的修正计算液相参数的关系式，从而能准确的掌握段塞流的流动规律。

利用本发明多视觉小管道参数测量系统获取的二维截面构建两相流动的三维模型。在不改变实验的拍摄环境情况下，在管道内放入一些参照物(例如圆珠)进行拍摄。获取参照物的图像，由于参照物的尺寸是已知的，根据流动中气泡的图像尺寸和参照物的图像尺寸可以计算出气泡的实际尺寸，得出气泡的长度。

Claims (2)

1.一种基于多视觉小通道气液两相流参数测量系统，其特征在于包括多台高速摄像机（1）、小管道透明测量管道（2）、光源（3）、计算机（4）；多个高速摄像机（1）与多个光源（3）相连并对应环绕在小管道透明测量管道（2）的周围，多台高速摄像机（1）分别与计算机（4）相连，计算机（4）控制多台高速摄像机（4）进行同步拍摄，高速摄像机（1）采集的图像数据传送到计算机（4）进行数据处理。

2.一种使用如权利要求1所述系统的基于多视觉的小通道气液两相流参数测量的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)计算机（4）控制多台高速摄像机（1）进行同步拍摄，每台高速摄像机（1）拍摄一个角度的小管道透明测量管道（2）的二维图像，就能获得同一时刻多个角度的两相流动二维图像；

2)对上一步骤拍摄的图像，通过差影法、中值滤波、边缘检测和填充气相介质区域对拍摄的灰度图像进行预处理，针对预处理后的二值图像，根据不同的流型采用相应的微小通道气液两相流空隙率模型进行体积平均空隙率计算，每一台高速摄像机（1）拍摄的图像可求得一个空隙率测量值，对多台摄像机（1）的空隙率测量值进行拟合，就能得到空隙率测量值；

3)对步骤1）所拍摄的二维图像，选择图像特征点，进行截面的拟合，最后选择三维重建算法进行三维重建，得到两相流动的三维状态图，根据状态图能进行流型辨识以及气泡长度测量。