CN111721672A - 基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法 - Google Patents

基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，所属测试混输系统中粗颗粒两相流浓度和空间分布测试技术领域，包括如下操作步骤：第一步：首先采用信号处理及控制基阵发射声呐信号。第二步：由接收基阵接收反射回的回波信号，将回波信号转换成数字电信号。第三步：获得被测截面内的颗粒分布。第四步：用高斯滤波器对图像进行滤波处理去除图像中的部分噪声。第五步：得到颗粒边缘清晰的截面图像。第六步：采用两个超声波探测组件连接多普勒测速仪测得管道内的颗粒运动速度。第七步：实现出管内的颗粒的空间分布。具有非接触测量、检测精度高和瞬时响应快的优点。能够准确获得管内的流体速度、颗粒速度和颗粒的瞬时管内分布的特点。

Description

基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法
技术领域
本发明涉及测试混输系统中粗颗粒两相流浓度和空间分布测试技术领域，具体涉及一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法。
背景技术
在混输系统中，粗颗粒两相流的浓度和空间分布测试有着重要且迫切的需求，对提高输送稳定性和安全性，降低能耗、节约能源具有十分积极的意义，但这一直是难以解决的问题。
常规的流量传感器仅适用于清水介质，流量无法准确获知，其中的颗粒速度更无法测试。颗粒流态的测试在小颗粒均质流测试中有伽马射线测试，但精度不够，大颗粒更不适用；单一的多普勒测速仪在单颗粒运动形态捕捉上有优势，多颗粒测试中无法解决颗粒群的识别和颗粒遮挡问题。PIV技术可测试两相流场，但是作为高阶的测试方式，其需要过流部件和过流颗粒均为透明材料，同时需要复杂的示踪粒子和激光照射装置，无法在工程中应用。
发明内容
本发明主要解决现有技术中存在测试难度大、检测精度低和效果差的不足，提供了一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其具有非接触测量、检测精度高和瞬时响应快的优点。能够准确获得管内的流体速度、颗粒速度和颗粒的瞬时管内分布的特点，不仅能测出大颗粒固液两相，还能测试气液两相并捕捉气泡的运动特征。解决了粗颗粒固液两相和气泡两相输送中空间分布难以测试的问题。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，包括如下操作步骤：
第一步：首先采用信号处理及控制基阵发射声呐信号，通过水声换能器产生脉冲声波并用功率放大器进行放大和阻抗匹配，形成多个指向性的大功率声呐信号。
第二步：接着声呐信号接触到颗粒后发生反射，由接收基阵接收反射回的回波信号，回波信号经过信号处理通过电路信号的采样并保持电路的输出稳定性，再由A/D转换电路将回波信号转换成数字电信号。
第三步：数字电信号进行放大和滤波处理提高距离分辨率，对处理后的信号进一步加工生成声呐图像，结合图像识别技术获得被测截面内的颗粒分布。
得出声呐的原始成像数据，由成像数据对应回波点的极坐标值，可以计算出各点在笛卡尔坐标下的位置，将笛卡尔坐标系下的坐标填充到对应的坐标位置后，完成对整个成像数据矩阵的运算生成声呐图像；笛卡尔坐标系中的坐标：
Figure RE-GDA0002596380770000021
其中，N为扫描周期内收到的波束数，K为T点的某回波点对应的第K条波束，a为该波束与y轴的夹角，r为T 点到坐标系原点的距离，θ为波束间的开角。
第四步：将声呐图像中得出灰度强弱不同的灰度图像进行帅选去噪，其中较亮的图像为截面中的流体，而较暗的图像可能为流体中的颗粒或者颗粒群，而颗粒与水的边界难以区别，用高斯滤波器对图像进行滤波处理去除图像中的部分噪声：f(x，y)＝f0(x，y)*G(x，y)，
Figure RE-GDA0002596380770000022
式中，f(x，y)为平滑后的图像，f0(x，y)为原始图像，*表示卷积，G(x，y)为高速核。
第五步：然后用Kittler算法将图像进行二值化处理，得到二值化图像；最后用Canny算子操作得到颗粒边缘清晰的截面图像。
第六步：在被测截面的下游位置设置两个超声波探测组件连接多普勒测速仪，采用两个超声波探测组件连接多普勒测速仪测得管道内的颗粒运动速度。
第七步：结合被测截面内颗粒的速度和多次扫描获得的序列截面图，通过三维重建的MarchingCubes算法实现出管内的颗粒的空间分布。
作为优选，在被测容器的外壁设置有若干个超声波基阵，相邻两基阵分别设置为发射基阵和接收基阵，分别连接信号处理及控制基阵中的发射电路和接收电路，所有基阵的测量线相交于环形中心，形成超声波环形阵列，以便于发射波束和接收波束在被测截面上的全覆盖。
作为优选，声呐图像中回波的返回时间可以测出颗粒的距离信息，波束的指向则给出了颗粒的方位信息，结合现有的成熟声呐成像技术可以获得被测截面上颗粒的瞬时分布。
作为优选，两个超声波探测组件连接多普勒测速仪的控制模块均发射信号给发射基阵，发射基阵以一定的安放角向管内斜向发射探测声呐信号，接收基阵接受经颗粒反射后发生频移的声呐信号并回馈到控制模块，根据安放角、声呐波长和频移大小测得管道内的颗粒运动速度。
作为优选，多相测试仪内设置有声呐发射和接收装置、信号处理及控制装置、多普勒测速仪，声呐发射和接收装置依次相邻、以环形阵列的方式安装在被测管道的截面外围上，声呐基阵的测量线均相交于环形中心。
作为优选，超声波的阵列技术和多普勒测速技术能适用于固、气、液多相，故还能测试气液两相，且能捕捉气泡的大小以及运动速度。
作为优选，结合前后两个截面的颗粒分布和颗粒通过速度，用空间线性差值还原出被测截面上一段时间的上下游控制体的颗粒空间分布。
本发明能够达到如下效果：
本发明提供了一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，与现有技术相比较，具有非接触测量、检测精度高和瞬时响应快的优点。能够准确获得管内的流体速度、颗粒速度和颗粒的瞬时管内分布的特点，不仅能测出大颗粒固液两相，固体颗粒指大于等于5mm的大颗粒，还能测试气液两相并捕捉气泡的运动特征。解决了二维测试只生成平面图像的问题。
附图说明
图1是本发明的多相测试仪工作原理示意图。
图2是本发明的超声波收发的过程原理示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：如图1所示，一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法包括如下操作步骤：
第一步：首先采用信号处理及控制基阵发射声波，通过水声换能器产生脉冲信号并用功率放大器进行放大和阻抗匹配，形成多个指向性的大功率声呐信号。在被测容器的外壁设置有若干个超声波基阵，相邻两基阵分别设置为发射基阵和接收基阵，分别连接信号处理及控制基阵的发射电路和接收电路，所有基阵的测量线相交于环形中心，形成超声波环形阵列，以便于发射波束和接收波束在被测截面上的全覆盖。
第二步：接着声呐信号接触到颗粒后发生反射，由接收基阵接收反射回的回波信号，回波信号经过信号处理通过电路信号的采样并保持电路的输出稳定性，再由A/D转换电路将回波信号转换成数字电信号。声呐图像中回波的返回时间可以测出颗粒的距离信息，波束的指向则给出了颗粒的方位信息，结合现有的成熟声呐成像技术可以获得被测截面上颗粒的瞬时分布。
第三步：数字电信号进行放大和滤波处理提高距离分辨率，对处理后的信号进一步加工生成声呐图像，结合图像识别技术获得被测截面内的颗粒分布；
得出声呐的原始成像数据，由成像数据对应回波点的极坐标值，可以计算出各点在笛卡尔坐标下的位置，将笛卡尔坐标系下的坐标填充到对应的坐标位置后，完成对整个成像数据矩阵的运算生成声呐图像；笛卡尔坐标系中的坐标：
Figure RE-GDA0002596380770000041
第四步：将声呐图像中得出灰度强弱不同的灰度图像进行帅选去噪，其中较亮的图像为截面中的流体，而较暗的图像可能为流体中的颗粒或者颗粒群，而颗粒与水的边界难以区别，用高斯滤波器对图像进行滤波处理去除图像中的部分噪声：
f(x，y)＝f0(x，y)*G(x，y)，
Figure RE-GDA0002596380770000042
第五步：然后用Kittler算法将图像进行二值化处理，得到二值化图像；最后用Canny算子操作得到颗粒边缘清晰的截面图像。
第六步：在被测截面的下游位置设置两个超声波探测组件连接多普勒测速仪，采用两个超声波探测组件连接多普勒测速仪测得管道内的颗粒运动速度。两个超声波探测组件连接多普勒测速仪的控制模块均发射信号给发射基阵，发射基阵以一定的安放角向管内斜向发射探测声呐信号，接受探头接受经颗粒反射后发生频移的声呐信号并回馈到控制模块，根据安放角、声呐波长和频移大小测得管道内的颗粒运动速度。
第七步：结合被测截面内颗粒的速度和多次扫描获得的序列截面图，通过三维重建的MarchingCubes算法实现出管内的颗粒的空间分布。结合前后两个截面的颗粒分布和颗粒通过速度，用空间线性差值还原出被测截面上一段时间的上下游控制体的颗粒空间分布。
多相测试仪内设置有声呐发射和接收装置、信号处理及控制装置、多普勒测速仪，声呐发射和接收装置依次相邻、以环形阵列的方式安装在被测管道的截面外围上，声呐基阵的测量线均相交于环形中心。超声波的阵列技术和多普勒测速技术能适用于固、气、液多相，故还能测试气液两相，且能捕捉气泡的大小以及运动速度。
综上所述，该基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，具有非接触测量、检测精度高、瞬时响应快和效果好的优点。能够准确获得管内的流体速度、颗粒速度和颗粒的瞬时管内分布的特点，不仅能测出大颗粒固液两相，还能测试气液两相并捕捉气泡的运动特征。解决了二维测试只生成平面图像和粗颗粒固液两相和气泡两相输送中空间分布难以测试的问题。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的结构特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于包括如下操作步骤：
第一步：首先采用信号处理及控制基阵发射声呐信号，通过水声换能器产生脉冲声波并用功率放大器进行放大和阻抗匹配，形成多个指向性的大功率声呐信号；
第二步：接着声呐信号接触到颗粒后发生反射，由接收接基阵收反射回的回波信号，回波信号经过信号处理通过电路信号的采样并保持电路的输出稳定性，再由A/D转换电路将回波信号转换成数字电信号；
第三步：数字电信号进行放大和滤波处理提高距离分辨率，对处理后的信号进一步加工生成声呐图像，结合图像识别技术获得被测截面内的颗粒分布；
得出声呐的原始成像数据，由成像数据对应回波点的极坐标值，可以计算出各点在笛卡尔坐标下的位置，将笛卡尔坐标系下的坐标填充到对应的坐标位置后，完成对整个成像数据矩阵的运算生成声呐图像；笛卡尔坐标系中的坐标：
Figure 500302DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 948600DEST_PATH_IMAGE004
；
第四步：将声呐图像中得出灰度强弱不同的灰度图像进行帅选去噪，其中较亮的图像为截面中的流体，而较暗的图像可能为流体中的颗粒或者颗粒群，而颗粒与水的边界难以区别，用高斯滤波器对图像进行滤波处理去除图像中的部分噪声：
Figure 462758DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 654705DEST_PATH_IMAGE008
；
第五步：然后用Kittler算法将图像进行二值化处理，得到二值化图像；最后用Canny算子操作得到颗粒边缘清晰的截面图像；
第六步：在被测截面的下游位置设置两个超声波探测组件连接多普勒测速仪，采用两个超声波探测组件连接多普勒测速仪测得管道内的颗粒运动速度；
第七步：结合被测截面内颗粒的速度和多次扫描获得的序列截面图，通过三维重建的MarchingCubes算法实现出管内的颗粒的空间分布。
2.根据权利要求1所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：在被测容器的外壁设置有若干个超声波基阵，相邻两超声波基阵分别设置为发射基阵和接收基阵，分别连接信号处理及控制基阵的发射电路和接收电路，所有基阵的测量线相交于环形中心，形成超声波环形阵列，以便于发射波束和接收波束在被测截面上的全覆盖。
3.根据权利要求2所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：声呐图像中回波的返回时间可以测出颗粒的距离信息，波束的指向则给出了颗粒的方位信息，结合现有的成熟声呐成像技术可以获得被测截面上颗粒的瞬时分布。
4.根据权利要求1所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：两个超声波探测组件连接多普勒测速仪的控制模块均发射信号给发射基阵，发射基阵以一定的安放角向管内斜向发射探测声呐信号，接收基阵接受经颗粒反射后发生频移的声呐信号并回馈到控制模块，根据安放角、声呐波长和频移大小测得管道内的颗粒运动速度。
5.根据权利要求1所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：多相测试仪内设置有声呐发射和接收装置、信号处理及控制装置、多普勒测速仪，声呐发射和接收装置依次相邻、以环形阵列的方式安装在被测管道的截面外围上，声呐基阵的测量线均相交于环形中心。
6.根据权利要求5所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：超声波的阵列技术和多普勒测速技术能适用于固、气、液多相，故还能测试气液两相，且能捕捉气泡的大小以及运动速度。
7.根据权利要求1所述的基于多普勒和声呐图像技术的多相测试方法，其特征在于：结合前后两个截面的颗粒分布和颗粒通过速度，用空间线性差值还原出被测截面上一段时间的上下游控制体的颗粒空间分布。
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