[发明专利]基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法

说明书

一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法，该装置由入口段、旋流装置、测量管段、出口段、对侧平行光源、同侧平行光源、工业相机一、工业相机二、图像采集及处理终端和同步控制器组成；本发明还提供了测量方法，首先通过管内相分隔技术利用旋流装置将气液两相流整流为方便测量的流型，然后结合数字图像处理技术准确测量气液两相流截面含气率以及各相流速，最后计算各相质量流量以及两相流体总质量流量。与已有的设备和方法相比具有体积小，实时性高和准确率高的特点，而且不受气液两相流体来流流型的影响，可在工程上广泛应用，由于本发明测量方法不受重力影响，也适用于失重环境。

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种基于相分隔和图像处理的气液两相流流量测量装置及方法。

背景技术

气液两相流体不同于单相流体，它并不是由两种流体均匀混合而是由两种不同物理性质的流体共同流动组成，两相流速不同并且具有明确的分界面。因此气液两相流流量的准确测量就需要分别将两相流体的流量准确测量。然而由于气液两相流流型的多样化，其流动状态亦容易受到非常多的因素影响，两相之间还有可能存在交互作用及相变等，这些都使得气液两相流体流量测量比单相流体流量测量要复杂的多，科研人员也积极开展研究了多种多样的测量方法。

根据工业生产实际不同的需求以及限制条件，现有的气液两相流体流量测量方法中直接测量的方法有分离法，分流分相法、差压法、超声法、射线法、电容法、层析成像法、数字图像处理法等。此外还有需要同时使用两种或更多不同测量原理的仪表组合测量的间接测量方法。然而现有的测量方法均存在不同程度的缺点，如传统的分离法是将两相流体完全分离开后再针对各相单独计量最终确定总流量，该法在测量原理上稳定可靠，如公开号CN101025080A采用的方法是通过重力进行自然沉降分离后再单独测量，但是为了保证分离效果，通常需要体积庞大、结构复杂的分离设备并且测量实时性差，而且需要时刻维护液位的稳定；差压法是通过测量两相流流经节流设备的差压信号构建与气液两相流体流量的关联方程来确定流量的，如公开号CN102252722A采用的方法是通过测量多重差压信号来关联两相流体流量，但由于差压变送器的量程较小，因而能够测量的两相流体流量范围也会受到很大限制，而且差压变送器的测量信号会随着两相流体的流型、截面含气率等特性参数的变化而出现非线性变化，这些因素都会导致测量误差。公开号CN104121955A采用的方法是将液液两相流先通过相分隔后再采用超声法确定各相截面以及平均流速来最终确定两相流体流量的，然而声波的传播速度受温度等各种因素的影响，进而会造成测量误差，而且这些误差不易发现和校正。公开号CN101871906采用电学层析成像方法根据电磁激励信号在管道内的反馈信号确定管道内相分布状态，随后通过图像重建确定各相在管道内分布情况，但是由于两相流相分布复杂多样，当激励信号经过多层互相重叠的气、液界面后严重非线性的反馈信号会导致图像重建算法非常复杂，而且电学层析成像的软场特性导致分辨率并不高。公开号EP0225741 B1是通过测量伽马射线穿透两相流后的信号来确定管内两相流流动状况，尤其是截面含气率，虽然伽马射线不同于电学层析成像的软场特性，但同样存在因两相流多样而复杂流型而导致的信号严重非线性并且解析复杂的问题。公开号CN104457703A的专利采用了一种对管道同一位置布置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周围同步拍摄获取二维图像后重建三维流动状态的方法来获取两相流体参数，该方法先用相机直接拍摄管内流动状态然后通过图像处理分析获取所需流动参数，图像分析处理方法能够提高分辨率，但是由于气液两相流流型众多，此外还有流型之间的转换、过渡等状态导致该法直接拍摄两相流体原始流动状态图像复杂程度非常高，图像处理算法也变得复杂而低效。公开号US20020176606 A1通过PIV(ParticleImage Velocimetry)方法分别测量两相流中夹带相(颗粒)的尺寸和速度后再确定夹带相的质量流量，该方法采用PIV测量速度以及颗粒尺寸具有较高的测量精度，然而所测量的两相流仍然是自然流动状态，由于两相流具有众多复杂的流型，二维平面PIV只能拍摄某一平面上的两相流流动状态，而仅根据所拍摄平面上的流动状态分析数据测量总的夹带相质量流量具有一定的片面性会导致测量误差。

发明内容