[发明专利]微小通道气液两相流空隙率测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及计量技术领域，尤其涉及一种微小通道气液两相流空隙率测量装置及方法。

背景技术

两相流广泛存在于石油化学工业等领域之中。由于微型设备具有占用空间小、能量消耗少、响应速度快、单位时间和体积内包含信息量大、转化效率高、批量价格相对低廉和安全易控等诸多优点，微型系统内的两相流现象受到越来越多的关注与重视，微型管道中两相流参数的检测也成为多相流参数检测领域的一个新方向。

空隙率是两相流中十分重要的参数之一，计算两相流的压力梯度、平均密度、流量、分析管道内部流动状况等都是在空隙率已知的基础上进行的，空隙率的精确在线测量对生产过程中的实时监控、节能增效、状态监测、安全运行等方面都有十分重要的作用。

目前在微小通道空隙率检测方面的研究还处在起步阶段，大多数研究手段主要集中在纯实验整理法、快关阀法和高速摄影法。空隙率的纯实验整理法得到的是管道内一定长度内的平均空隙率。其方法一般是先通过实验得到空隙率，然后再用实验空隙率与压力降、流速、粘度、密度等流动参数进行回归，最终得到空隙率的计算公式或者图解式。但大多数经验/半经验公式仅仅针对当前实验条件，当实验条件改变后，大多数经验公式并不适用。并且很少有全流型范围内有效的空隙率测量方法。快关阀法通常是在气液两相流实验管段两端安装两个同时动作的快关阀，当流动稳定时，快速同时关闭两个快关阀，然后通过气液分离或其它测量手段得到气体和液体的体积或者质量，从而计算出实验管段内的平均空隙率。但在在测量时候要暂时停止正常的流动，所以难以进行在线实时的测量，不易应用在工业现场中。高速摄像机可以清晰地拍摄快速运动中的微小尺寸物体，并且具有非侵入性等优点，越来越多的研究人员将高速摄影法应用在微小管道两相流空隙率测量研究中。目前采用高速摄影法对微小管道两相流参数的测量已经成为微小管道两相流参数测量的重要趋势，本发明就是基于高速摄影对微小通道气液两相流进行空隙率的测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微小通道气液两相流空隙率测量装置及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微小通道气液两相流空隙率测量装置，它包括：拍摄管道、闪光灯、高速摄像机和计算机等；高速摄像机置于拍摄管道一侧，闪光灯置于拍摄管道另一侧，与高速摄像机相对；闪光灯与高速摄像机连接，高速摄像机与计算机连接。

一种应用上述装置的微小通道气液两相流体积平均空隙率测量方法，包括如下步骤：

（1）拍摄管道内通入纯水，高速摄像机拍摄拍摄管道内纯水的图像作为背景图像；

（2）拍摄管道内通入气液两相流，高速摄像机拍摄拍摄管道内气液两相流动的灰度图像；

（3）对步骤2拍摄的灰度图像进行预处理，使灰度图像转变为二值图像；该步骤包括如下子步骤：

（3.1）将步骤2拍摄的灰度图像与步骤1拍摄的背景图像相减，以消除灰度图像背景和拍摄管道的管壁的影像；

（3.2）对步骤3.1输出的相减后的灰度图像进行中值滤波，降低拍摄的灰度图像由于摄像机传感器或者环境等外界因素的影响而产生的椒盐噪声；

（3.3）使用边缘检测器检测步骤3.2输出的中值滤波后的灰度图像的气相介质的边缘；

（3.4）对步骤3.3输出的边缘检测后的图像进行填充，将图像中的气相介质区域以灰度值“1”进行填充，得到二值图像；

（4）针对步骤3输出的二值图像，根据流型采用对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；该步骤具体为：

微小通道气液两相流体积平均空隙率测量方法中空隙率模型包括段塞流、泡状流、层状流、波状流和环状流空隙率模型；

设拍摄的图像中，管道长度为M个像素，管道的直径长度为D个像素，图像的每个正方形像素实际边长为                                                mm，则管道的体积；

五种空隙率模型如下：

（4.1）微小通道段塞流空隙率模型：设段塞流图像中共有n个气塞，第k个气塞的长度为l_k个像素，第k个气塞的第i个像素处横截面的高度为d(k,i)个像素，则采用积分的原理，整个管段内气体的总体积V_g为：