[发明专利]管道内气液两相流的图像法测量装置及方法

说明书

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