[發(fā)明專利]微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210140035.6
• 申請日: 2012-05-09
• 公開（公告）號: CN102680203A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 冀海峰;黃剛;姜北;王保良;黃志堯;李海清
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N21/85
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及計量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法。

背景技術(shù)

兩相流廣泛存在于石油化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域之中。由于微型設(shè)備具有占用空間小、能量消耗少、響應(yīng)速度快、單位時間和體積內(nèi)包含信息量大、轉(zhuǎn)化效率高、批量價格相對低廉和安全易控等諸多優(yōu)點，微型系統(tǒng)內(nèi)的兩相流現(xiàn)象受到越來越多的關(guān)注與重視，微型管道中兩相流參數(shù)的檢測也成為多相流參數(shù)檢測領(lǐng)域的一個新方向。

空隙率是兩相流中十分重要的參數(shù)之一，計算兩相流的壓力梯度、平均密度、流量、分析管道內(nèi)部流動狀況等都是在空隙率已知的基礎(chǔ)上進行的，空隙率的精確在線測量對生產(chǎn)過程中的實時監(jiān)控、節(jié)能增效、狀態(tài)監(jiān)測、安全運行等方面都有十分重要的作用。

目前在微小通道空隙率檢測方面的研究還處在起步階段，大多數(shù)研究手段主要集中在純實驗整理法、快關(guān)閥法和高速攝影法。空隙率的純實驗整理法得到的是管道內(nèi)一定長度內(nèi)的平均空隙率。其方法一般是先通過實驗得到空隙率，然后再用實驗空隙率與壓力降、流速、粘度、密度等流動參數(shù)進行回歸，最終得到空隙率的計算公式或者圖解式。但大多數(shù)經(jīng)驗/半經(jīng)驗公式僅僅針對當前實驗條件，當實驗條件改變后，大多數(shù)經(jīng)驗公式并不適用。并且很少有全流型范圍內(nèi)有效的空隙率測量方法。快關(guān)閥法通常是在氣液兩相流實驗管段兩端安裝兩個同時動作的快關(guān)閥，當流動穩(wěn)定時，快速同時關(guān)閉兩個快關(guān)閥，然后通過氣液分離或其它測量手段得到氣體和液體的體積或者質(zhì)量，從而計算出實驗管段內(nèi)的平均空隙率。但在在測量時候要暫時停止正常的流動，所以難以進行在線實時的測量，不易應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場中。高速攝像機可以清晰地拍攝快速運動中的微小尺寸物體，并且具有非侵入性等優(yōu)點，越來越多的研究人員將高速攝影法應(yīng)用在微小管道兩相流空隙率測量研究中。目前采用高速攝影法對微小管道兩相流參數(shù)的測量已經(jīng)成為微小管道兩相流參數(shù)測量的重要趨勢，本發(fā)明就是基于高速攝影對微小通道氣液兩相流進行空隙率的測量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置及方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：一種微小通道氣液兩相流空隙率測量裝置，它包括：拍攝管道、閃光燈、高速攝像機和計算機等；高速攝像機置于拍攝管道一側(cè)，閃光燈置于拍攝管道另一側(cè)，與高速攝像機相對；閃光燈與高速攝像機連接，高速攝像機與計算機連接。

一種應(yīng)用上述裝置的微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法，包括如下步驟：

（1）拍攝管道內(nèi)通入純水，高速攝像機拍攝拍攝管道內(nèi)純水的圖像作為背景圖像；

（2）拍攝管道內(nèi)通入氣液兩相流，高速攝像機拍攝拍攝管道內(nèi)氣液兩相流動的灰度圖像；

（3）對步驟2拍攝的灰度圖像進行預(yù)處理，使灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像；該步驟包括如下子步驟：

（3.1）將步驟2拍攝的灰度圖像與步驟1拍攝的背景圖像相減，以消除灰度圖像背景和拍攝管道的管壁的影像；

（3.2）對步驟3.1輸出的相減后的灰度圖像進行中值濾波，降低拍攝的灰度圖像由于攝像機傳感器或者環(huán)境等外界因素的影響而產(chǎn)生的椒鹽噪聲；

（3.3）使用邊緣檢測器檢測步驟3.2輸出的中值濾波后的灰度圖像的氣相介質(zhì)的邊緣；

（3.4）對步驟3.3輸出的邊緣檢測后的圖像進行填充，將圖像中的氣相介質(zhì)區(qū)域以灰度值“1”進行填充，得到二值圖像；

（4）針對步驟3輸出的二值圖像，根據(jù)流型采用對應(yīng)的微小通道氣液兩相流空隙率模型進行體積平均空隙率計算；該步驟具體為：

微小通道氣液兩相流體積平均空隙率測量方法中空隙率模型包括段塞流、泡狀流、層狀流、波狀流和環(huán)狀流空隙率模型；

設(shè)拍攝的圖像中，管道長度為M個像素，管道的直徑長度為D個像素，圖像的每個正方形像素實際邊長為????????????????????????????????????????????????mm，則管道的體積；

五種空隙率模型如下：

（4.1）微小通道段塞流空隙率模型：設(shè)段塞流圖像中共有n個氣塞，第k個氣塞的長度為l_k個像素，第k個氣塞的第i個像素處橫截面的高度為d(k,i)個像素，則采用積分的原理，整個管段內(nèi)氣體的總體積V_g為：