基于多視覺(jué)小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于多視覺(jué)的小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的系統(tǒng)和方法。它包括多臺(tái)高速攝像機(jī)、小管道透明測(cè)量管道、光源、計(jì)算機(jī)；多個(gè)高速攝像機(jī)與多個(gè)光源相連并對(duì)應(yīng)環(huán)繞在小管道透明測(cè)量管道的周?chē)?，多臺(tái)高速攝像機(jī)分別與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)高速攝像機(jī)進(jìn)行同步拍攝，高速攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明對(duì)兩相流管道進(jìn)行多個(gè)角度拍攝，獲取兩相流動(dòng)多個(gè)角度的二維圖像，選取圖像重建算法，重建三維兩相流動(dòng)狀態(tài)，為流型辨識(shí)、空隙率測(cè)量、氣泡長(zhǎng)度等參數(shù)檢測(cè)提供了很大的便利。本發(fā)明為小通道氣液兩相流特性分析以及參數(shù)檢測(cè)提供了一條有效的途徑。相應(yīng)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè)量、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于多視覺(jué)小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多相流測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于小通道多視覺(jué)圖像獲取系統(tǒng)的氣 液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 兩相流廣泛存在于化工、冶金、能源等工業(yè)部門(mén)，不同的兩相流流型對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程 的操作方式、運(yùn)行可靠性和質(zhì)量成本控制等都具有重要的意義，因此，對(duì)于兩相流流型的研 究和分析，一直是一個(gè)非常重要且被廣泛研究的課題。近年來(lái)，隨著小型工業(yè)設(shè)備的迅速 發(fā)展，小通道兩相流的相關(guān)研究成為了兩相流研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。小通道兩相流的 特點(diǎn)在于，受到小管徑管道較小水力直徑的限制，管道面積與容積比增大，因表面張力等原 因，小通道兩相流的流動(dòng)特性與常規(guī)管徑不盡相同，導(dǎo)致很多常規(guī)領(lǐng)域常見(jiàn)的檢測(cè)手段不 能適應(yīng)小通道兩相流相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)。
[0003] 目前，針對(duì)小通道兩相流參數(shù)檢測(cè)的手段較少，有光學(xué)檢測(cè)法、電容檢測(cè)法、電導(dǎo) 檢測(cè)法等，相比之下，使用高速攝像的測(cè)量方法具有非接觸、清晰直觀等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 于兩相流參數(shù)的有效測(cè)量，但是一臺(tái)高速攝像只能進(jìn)行一個(gè)角度的拍攝，只能獲得兩相流 動(dòng)的一個(gè)截面的信息，因此使用小通道多視覺(jué)氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置可以獲得多個(gè)角度 的流動(dòng)信息，對(duì)于小通道兩相流空隙率測(cè)量、流型辨識(shí)以及氣泡長(zhǎng)度的相關(guān)研究具有相當(dāng) 的參考價(jià)值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于小通道多視覺(jué)圖像獲取系統(tǒng) 的氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0005] 基于多視覺(jué)小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括多臺(tái)高速攝像機(jī)、小管道透明測(cè) 量管道、光源、計(jì)算機(jī)；多個(gè)高速攝像機(jī)與多個(gè)光源相連并對(duì)應(yīng)環(huán)繞在小管道透明測(cè)量管道 的周?chē)嗯_(tái)高速攝像機(jī)分別與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)高速攝像機(jī)進(jìn)行同步拍攝，高 速攝像機(jī)采集的圖像數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0006] 基于多視覺(jué)的小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的方法包括如下步驟：
[0007] 1)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)高速攝像機(jī)進(jìn)行同步拍攝，每臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝一個(gè)角度的小 管道透明測(cè)量管道的二維圖像，就能獲得同一時(shí)刻多個(gè)角度的兩相流動(dòng)二維圖像；
[0008] 2)對(duì)上一步驟拍攝的圖像，通過(guò)差影法、中值濾波、邊緣檢測(cè)和填充氣相介質(zhì)區(qū) 域?qū)ε臄z的灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì)預(yù)處理后的二值圖像，根據(jù)不同的流型采用相應(yīng)的 微小通道氣液兩相流空隙率模型進(jìn)行體積平均空隙率計(jì)算，每一臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝的圖像 可求得一個(gè)空隙率測(cè)量值，對(duì)多臺(tái)攝像機(jī)的空隙率測(cè)量值進(jìn)行擬合，就能得到空隙率測(cè)量 值；
[0009] 3)對(duì)步驟1)所拍攝的二維圖像，選擇圖像特征點(diǎn)，進(jìn)行截面的擬合，最后選擇三 維重建算法進(jìn)行三維重建，得到兩相流動(dòng)的三維狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖能進(jìn)行流型辨識(shí)以及 氣泡長(zhǎng)度測(cè)量。
[0010] 本發(fā)明利用多臺(tái)高速攝像系統(tǒng)對(duì)兩相流管道進(jìn)行多個(gè)角度進(jìn)行拍攝，獲取兩相流 動(dòng)多個(gè)角度的二維圖像，選取圖像重建算法，進(jìn)行截面擬合，重建出三維兩相流動(dòng)狀態(tài)，為 流型辨識(shí)、空隙率測(cè)量、氣泡長(zhǎng)度等參數(shù)檢測(cè)提供了很大的便利。本發(fā)明為小通道氣液兩相 流特性分析以及參數(shù)檢測(cè)提供了一條有效的途徑。相應(yīng)的裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸式測(cè) 量、準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，為小通道兩相流空隙率、氣泡等參數(shù)的測(cè)量以及流型辨識(shí)提供了有益 的借鑒。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1是基于小通道多視覺(jué)圖像獲取系統(tǒng)的氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)示意圖；
[0012] 圖2是本發(fā)明的參數(shù)測(cè)量技術(shù)路線圖；
[0013] 圖3(a)是本發(fā)明的氣泡的二維截面圖；
[0014] 圖3 (b)是本發(fā)明的氣泡三維示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 如圖1所示，基于多視覺(jué)小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括多臺(tái)高速攝像機(jī)1、 小管道透明測(cè)量管道2、光源3、計(jì)算機(jī)4 ;多個(gè)高速攝像機(jī)1與多個(gè)光源3相連并對(duì)應(yīng)環(huán)繞 在小管道透明測(cè)量管道2的周?chē)嗯_(tái)高速攝像機(jī)1分別與計(jì)算機(jī)4相連，計(jì)算機(jī)4控制多 臺(tái)高速攝像機(jī)4進(jìn)行同步拍攝，高速攝像機(jī)1采集的圖像數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)4進(jìn)行數(shù)據(jù)處 理。
[0016] 基于多視覺(jué)的小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的方法包括如下步驟：
[0017] 1)計(jì)算機(jī)4控制多臺(tái)高速攝像機(jī)1進(jìn)行同步拍攝，每臺(tái)高速攝像機(jī)1拍攝一個(gè) 角度的小管道透明測(cè)量管道2的二維圖像，就能獲得同一時(shí)刻多個(gè)角度的兩相流動(dòng)二維圖 像；
[0018] 2)對(duì)上一步驟拍攝的圖像，通過(guò)差影法、中值濾波、邊緣檢測(cè)和填充氣相介質(zhì)區(qū)域 對(duì)拍攝的灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì)預(yù)處理后的二值圖像，根據(jù)不同的流型采用相應(yīng)的微 小通道氣液兩相流空隙率模型進(jìn)行體積平均空隙率計(jì)算，每一臺(tái)高速攝像機(jī)1拍攝的圖像 可求得一個(gè)空隙率測(cè)量值，對(duì)多臺(tái)攝像機(jī)1的空隙率測(cè)量值進(jìn)行擬合，就能得到空隙率測(cè) 量值；
[0019] 3)對(duì)步驟1)所拍攝的二維圖像，選擇圖像特征點(diǎn)，進(jìn)行截面的擬合，最后選擇三 維重建算法進(jìn)行三維重建，得到兩相流動(dòng)的三維狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖能進(jìn)行流型辨識(shí)以及 氣泡長(zhǎng)度測(cè)量。
[0020] 實(shí)施例
[0021] 基于小通道多視覺(jué)圖像獲取系統(tǒng)的系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、光源、計(jì)算機(jī)以及小管 道透明測(cè)量管道。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩相流流過(guò)小管道透明測(cè)量管道達(dá)到流型穩(wěn)定的時(shí)候，計(jì)算 機(jī)控制多臺(tái)攝像機(jī)同步的進(jìn)行拍攝。所拍攝的圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)上。
[0022] 獲取兩相流動(dòng)的二維截面圖之后，參考如圖2所示的參數(shù)測(cè)量技術(shù)路線圖，對(duì)獲 取的二維圖像進(jìn)行處理，可以進(jìn)行空隙率、氣泡長(zhǎng)度等參數(shù)的測(cè)量以及進(jìn)行流型辨識(shí)。
[0023] 兩相流空隙率計(jì)算的步驟如下：
[0024] (1)對(duì)于保存到計(jì)算機(jī)上的圖像，進(jìn)行差影法除去背景，中值濾波、檢測(cè)氣相的邊 緣以及氣相的填充將圖像簡(jiǎn)化為二值圖像，即圖像中氣泡處變?yōu)?1"，背景處變?yōu)?〇"，方 便后續(xù)的空隙率的計(jì)算。
[0025] (2)空隙率測(cè)量計(jì)算：高速攝像機(jī)拍攝的氣液兩相流圖像為二維圖像，只能反映 拍攝截面兩項(xiàng)的分布情況，并不能反映出橫截面上氣液兩相的空間分布，這給應(yīng)用圖像處 理來(lái)測(cè)量空隙率帶來(lái)了困難。但由于小管道本身的特征，我們可以把氣相截面等效成一個(gè) 橢圓。然后采用積分的思想，建立小通道氣液兩相流空隙率測(cè)量模型。
[0026] 設(shè)拍攝圖像中，實(shí)驗(yàn)拍攝管道長(zhǎng)度為M個(gè)像素，管道的內(nèi)直徑長(zhǎng)度為D個(gè)像素，圖 像的每個(gè)正方形像素實(shí)際邊長(zhǎng)為μ_，則管道的體積Vpipe為：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于多視覺(jué)小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括多臺(tái)高速攝像機(jī) (1)、小管道透明測(cè)量管道（2)、光源（3)、計(jì)算機(jī)（4);多個(gè)高速攝像機(jī)（1)與多個(gè)光源（3)相 連并對(duì)應(yīng)環(huán)繞在小管道透明測(cè)量管道（2)的周?chē)?，多臺(tái)高速攝像機(jī)（1)分別與計(jì)算機(jī)（4)相 連，計(jì)算機(jī)（4)控制多臺(tái)高速攝像機(jī)（4)進(jìn)行同步拍攝，高速攝像機(jī)（1)采集的圖像數(shù)據(jù)傳 送到計(jì)算機(jī)（4)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2. -種使用如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的基于多視覺(jué)的小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的方 法，其特征在于包括如下步驟： 1) 計(jì)算機(jī)（4)控制多臺(tái)高速攝像機(jī)（1)進(jìn)行同步拍攝，每臺(tái)高速攝像機(jī)（1)拍攝一個(gè) 角度的小管道透明測(cè)量管道（2)的二維圖像，就能獲得同一時(shí)刻多個(gè)角度的兩相流動(dòng)二維 圖像； 2) 對(duì)上一步驟拍攝的圖像，通過(guò)差影法、中值濾波、邊緣檢測(cè)和填充氣相介質(zhì)區(qū)域?qū)ε?攝的灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理，針對(duì)預(yù)處理后的二值圖像，根據(jù)不同的流型采用相應(yīng)的微小通 道氣液兩相流空隙率模型進(jìn)行體積平均空隙率計(jì)算，每一臺(tái)高速攝像機(jī)（1)拍攝的圖像可 求得一個(gè)空隙率測(cè)量值，對(duì)多臺(tái)攝像機(jī)（1)的空隙率測(cè)量值進(jìn)行擬合，就能得到空隙率測(cè)量 值； 3) 對(duì)步驟1)所拍攝的二維圖像，選擇圖像特征點(diǎn)，進(jìn)行截面的擬合，最后選擇三維重 建算法進(jìn)行三維重建，得到兩相流動(dòng)的三維狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖能進(jìn)行流型辨識(shí)以及氣泡 長(zhǎng)度測(cè)量。
【文檔編號(hào)】G01C11/00GK104457703SQ201410710646
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月28日
【發(fā)明者】冀海峰, 許威威, 黃志堯, 王保良, 李海青 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)