基于图像处理的分层流持液率测量.pdf

石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 2008 年8 月第30 卷第4 期 Journal of O i l and G as T ec hnology (J Jp I) A ug 2008 V o1 30 N o 4 基 于图像处理 的分 层流持液率测量 梁法春 ，陈 婧 ，曹 学文 (中国石油大学储运与建筑工程学院， 山东东营257061) 摘要 截面含液 率是 气液两相流 中一个 重要参数。提出 了通过对两相流 动 图像 的处理 实现持液 率检测 的 新方法。在气液两相实验 系统上 进行 实验 ，采用高速摄 像 系统获得 了水 平管 气液 两相 流 流型 图像。针对 气液两相分层流气液界 面模 糊、边缘提取难度 大的特 点，采用 Sobel算子和基 于形态学 的膨胀 和腐蚀相 结 合的方法对气液相边界 线进行 了准确识 别。进 而通过提取 的气液界面 距管底 高度数 据 ，计算 了管路持液 率。实践证明 ，该方法 能获得连 续、清晰 的气液相边界 ，可推广应用 于其他流 型 图像 的分析 和检 测。 关键词 两相分 层流 ；持液率 ；图像处 理；Sobel算子 中图分类号 T E866 1；0 359 I 文献标识码 A 文章编号 1000 9752 【 2008) 04 0161 04 在海洋、沙漠 、边际油田的开发过程中，为节约投资成本 ，井 口油气通 常要采用气液混输技术。混 输过程中，气液两相流体在同一条管线内流动 。截面持液率是气液两相管流中一个基本参数，其物理意 义是管截面上液相面积占整个管面积的份额。截面持液率的准确测量对于混输管路 的运行和管理具有重 要的意义 ，常见的截面含气率测量方法有快关阀门法1，射线吸收法2，探针方法3以及过程层析成像 方法4 等 。目前 ，利用两相流图像进行多相流相关参数检测 已引起 了广泛关注 。张东衡等人通过采用 改进的 C anny 算子提取气液泡状流 的气泡轮廓 ，对泡状流含气率进行 了测量研究6 ；李小燕通过对高 温颗粒沉降冷池实验图像 的处理获得了气泡 、液滴及颗粒的尺寸和运动速度参数7。施丽莲等通过提取 管道内气液两相流的流动图像的特征参数 ，开展了流型 自动识别研究8。笔者采用高速摄像系统获取了 气液两相分层流图像 ，通过对气液分界面的提取实现了持液率的测量。 1图像测量 图 1 为图像采集实验流程示意图。气相和液相经计量后在气液混合器内混合 ，随后进入测量段。测 量段直径为 40m m ，由透明有机玻璃管制成 ，便于高速摄像装置记录流动图像 。高速摄像装置为 N A C 公 司生产的 M E M R E C A M fx K 3 数字式高速摄像 系统 ，由相机、镜头、触发接线器、光源 、传输电缆 等组成 。采用 C M O S 传感器 ，采样时间为 2000 帧 s，分辨率 1280 X 1024 像素 ，采集 图像 由数据电缆 传输到采集计算机中储存 。实验主要记录了分层流型下的图像数据。 2图像方法检测气液界面原理 2 1 持 液率测 量原 理 ， 对于分层流型 ，气相在上方流动 ，液相 由于重力影响在管底部流动，气液相间存在气液分界面 。气 液界面距离管底部的距离 以及实验管内径d 在图像上均可由相应的像素数来表征： L R P h (1) d =R P d (2 ) 式 中， P ， P a 分别为图像上以像素点为单位表征的界面线距管底部距离 以及 管径 长度 ； R 为比例尺， 反映 收稿 日期 2008一O1 2O 基金项目 国家 。 863计划项目 (2007092301)。 作者简介 梁法春 (1977 一 )，男 ，1999 年大学毕业 ，博士 ，讲师 ，现主要从 事油气水 多相流 体的分配和计量研究工作。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石 油天然气学报 (江汉 石油学院学报) 2008 年 8 月 1 压缩机：2 气体旁通管路：3 气体流量计；4 气液混合器：5 旋风分离器；5 液体储罐：7 离心泵： 8 液体 旁通管路：9液体流量计；10 高速摄像仪：ll 采集计算机：12 测试段 图 1 分层流图像采集 系统示意图 了实际距离与图像上以像素点表征 的相应距离的比值 ， 为定值。 h 、 确定后 ， 截面持液率 H 可根据下式计算 ： 一 ： 二 二 逝 (3) 2 2 气液界面线检测方法 、 图 2 为通过高速摄像仪获得的典型分层流 图像 。整个图像可分为 3 个区域：位于上部的气相区，位 于下部 的液相区以及气液相之间的界面区。由于作为气 、液相介质的水 和空气均无色透明，因此界面上 方 的气体区域与下方的液相区域颜 色并无太大差别 。由于光线穿透两相介质前要发生多重折射和反射 ， 使得气液分界面模糊不清 ，气液界面线并非一条细线而是呈具有一定宽度 的带状分布。带状界面区上边 缘线与气相接触 ，下边缘线与液相接触。为获得气液界面距管底高度 ，气液界面的准确定位最为关键。 进行气液界面线提取就是要确定出带状界面区域的上下边缘线 ，进而确定 出与上下边缘线距离相等的界 面线的位置。 界面线的确定可根据如 图 3 所示 的流程进行 。图像 预处理 主要 对 图像 进 行 滤 波 以 消 除 噪 声 ，同 时进 行 图像 类型转换 ，将采集的 R G B 图像转换为便于处理 的灰度图 像 。边缘提取主要 是用 边缘检测算子提取气液界 面上下 边缘。为获得完整 的界面 ，对 于界面 区边缘可 能出现的 间断现象 ，需通 过膨胀 处理对上下边缘之 间的界 面区域 图 2 分层流 图像 进行填充。为消除膨胀操作后图像上存在的孤立噪声点 ，还需进行腐蚀操作 。通过将界面区的中心线看 作气液分界线从而完成界面线的提取。其中，边缘检测算子主要作用在于提取反 映灰度变化的边缘点， 而腐蚀和膨胀作用在于提取某些边界点或补充边界断点 ，形成一个完整的过渡区域 。因此 ，界面区的边 缘检测以及腐蚀和腐蚀膨胀操作对于获得连续、清晰的气液界面最为重要。 图 3 界面线提取流程 图 2 3 界面区边缘检测算子 在图像中边界为不 同区域的分界线 ，表明一个特征 区域的终结和另一个特征区域的开始 ，边界所分 开区域的内部特征和属性是一致的，而不 同区域的灰度是不同的。边缘检测就是检测图像特性发生变化 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3O 卷 第 4 期 粱法春等 ：基于图像处理 的分层流持液率 测量 的位置 。 边缘检测通常借助空域微分算子进行 ，而 Sobel、L oG 、C anny 算子最为常见 。Sobel算子对图像 进行导数运算，在灰度变化较大的点处导数值高 ，因此，可将这些导数值作为相应的界面点的强度 ，通 过设置 门限的方法提取边界点集 。L oG 算子，又称拉普拉斯 高斯算子 ，是一种二阶导数算子 。它通过 寻找图像灰度值中二阶微分中的过零点来检测边缘点。其原理是 ：灰度缓变形成的边缘经过微分算子形 成一个单峰函数 ， 峰值位置对应边缘点 ； 对单峰 函数进行微分 ， 则峰值处的微分值为 0，峰值两侧符号相 反，而原先的极值点对应二阶微分中的过零点 ， 通过检测过零点即可将 图像的边缘提取 出来。Canny 边 缘检测 的算法是通过寻找图像梯度的局部极大值 ， 梯度是用高斯函数的一阶微分来计算的。其算法的实 质是用一个准高斯函数作平滑运算 ， 然后以带方 向的一阶微分定位导数最大值 。在 C anny 方法 中， 通过 两个 阈值来分别检测强边缘和弱边缘。当且仅当弱边缘与强边缘连接时，弱边缘才被输 出。上述算子的 具体算法可参考文献 E93。笔者分别利用 Sobel、L oG 和 C anny 算子对分层流过渡 区域进行边缘提取 ， 并对其检测效果进行了评价 2 4 膨 胀与 腐蚀 在数学形态学 中，膨胀运算 的作用是把物体周围的背景点合并到物体 中，腐蚀 的作用是消除物体边 界点。腐蚀可 以看作是膨胀 的对偶运算 。通过膨胀可连通 目标 区域间断点 ，但 由于噪声和模糊的存在 ， 也可能导致 目标区域变宽并且产生孤立的噪声点。因此膨胀后还必须进行腐蚀操作gj。 3结果与讨论 图 4 为原始 图像和滤波后 的 图像对 比图，滤波采用 中值滤波 方法 。中值 滤 波是 一 种 常 用 的 非 线性信号处理方法 ，可 以克服传 统的线 性 滤波 器 如 最小 均 方 滤 波、平均滤波等所带来的图像细 节模糊 的缺点。从 图 4 上可以看 出滤波后图像对 比度增强 ，气液 界面更为清晰。 图 5 为分别采用 Sobel、L oG 和 Canny 算子提取的气液界 面区 域轮廓 从 图 5 可见 ，Sobel 算 子边 缘 提 取 效 果 最 为理 想。而 L oG 算子和 C anny 算子提取 的细 节过 多 ，反 而 不 利 于 界 面 区 的 准 确 定 位 。 从 图 5 (a) 中看 出，即便 是 采用 Sobel算子 ，提取 的界 面 区 边缘连续性也较差 ，轮廓不清楚 。 为提取完整 的气液界 面区域 边缘 线 ，还必须借助基于数学形 态学 的膨胀和腐蚀操作。图 6 为经膨 胀和腐蚀处理后的气液界面区， (a)原始图像 (b) 滤波后图像 囤 4 原始图像和滤波后 图像 对比 (a)Sobel算子 (b) LoG 算子 可以看出过渡区域连接完整 ，完全消除了背景噪声 。 区的上、下边界以及中心线 。 (c )Canny算子 囤 5 界面区边缘提取 图 7 为通过对图 6 采用边缘提取算法获得的气液界 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 64 石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 2008 年 8 月 图 6膨 胀和腐蚀后的气液界面区 图 7 分层流气液界面线提取 图 8分层流持液 率曲线 中心线位置确定后 ，即可根据式 (1) (3) 计算得到持液率曲线。图 8 即为根据高速摄像采集 的 分层流图像 ，经上述各项图像处理流程处理后获得的持液率沿管线分布曲线 ，图中横坐标为管线长度与 管径 比值 ，纵坐标为截面持液率 。 4 结 语 传统的高速摄像技术多用于流型 的定性分析和识别 ，提出了一种通过对图像的分析和处理来测量分 层流截面持液率的新方法 。持液率的准确检测依赖于气液界面线的准确提取 。实践证 明，单纯的 Sobel 算子无法获得完整清晰的气液界面，需要进一步利用数学形态学方法才能获得清晰完整 的气液界面线。 笔者提出的方法还有望用于其他流型 的分析或参数检测 。 应该注意的是，该方法是基于采集的两相流动图像，事实上，摄像位置、角度以及背景光源等都会 对持液率测量精度产生影响 ，因此持液率的测量精度还与所获取 的图像质量有关 。 参考文献 13 林宗虎 气液固多相 流量测量 M 北京 中国计 量出版 社，1988 2 K endoush A A ， Sarki s Z A V oi d frac tion m easurem ent by Xray absorpti on J E xp Therm Flui d Sei ，2002，25 (8)l 615 621 3 K i ng M J S，H ale C P ，Law renc e C J，eta1Charac teri sti c s of flow rate transi ents i n slug flowJ Int J M ulti phase Flow ，1998， 24(5) t 825 854 4 张修刚 ，王栋 ，林宗虎 近期 多相流过程层析成像 技术的发展 J 热能动力 工程 ，2004，19 (3) 221 226 5 T oyed D ，M earc hot P ， C ri ne M ，et a1M odelli ng of m uhi phase flow i n pac ked beds by c om puter-assi sted X ray tom ography J M eas Sc i T ec hnol， 1996 ，7 (3) l 436 443 6 张东衡 ，唐志航 ，叶鸿明 等 一种 气液 两相流