基于電容傳感器的液體管內(nèi)含氣率測量系統(tǒng)的研究*

柯伊宇，許滄粟，李孝祿，楊孟洋，李運(yùn)堂，陳 源

（1.中國計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江省智能制造質(zhì)量大數(shù)據(jù)溯源與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018；3.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院（清潔能源利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），浙江 杭州 310027）

0 引 言

含氣率作為氣液兩相流的重要參數(shù)，往往影響工業(yè)設(shè)備的性能和安全性［1］。針對管道內(nèi)的氣液兩相流，學(xué)者們設(shè)計(jì)了大量含氣率測量系統(tǒng)，并采用相關(guān)性模型［2，3］、快速關(guān)閥法［4］、有限元仿真［5］以及金屬絲網(wǎng)傳感器［6］等方法對所設(shè)計(jì)含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行研究。

電容傳感器具有非侵入式、低成本、結(jié)構(gòu)簡單以及測量準(zhǔn)確等特點(diǎn)，在含氣率測量方面有獨(dú)到的優(yōu)勢［7，8］。但其驗(yàn)證方法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性尚待進(jìn)一步提高。本文基于6極板的陣列式電容傳感器對液體管內(nèi)含氣率進(jìn)行測量，并用可視化方法對所設(shè)計(jì)含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 含氣率測量系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)由陣列式電容傳感器接頭、信號采集單元和含氣率重構(gòu)單元組成，如圖1所示。傳感器接頭由6個(gè)電容極板組成，環(huán)貼在被測管道周圍，感應(yīng)管道內(nèi)介電常數(shù)的變化。信號采集單元中的現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）采集各極板間的感應(yīng)信號，傳送至上位機(jī)。上位機(jī)對采集的信號進(jìn)行濾波和數(shù)字解調(diào)，并根據(jù)硬件參數(shù)反推極板間電容值［9］。本文采集不同含氣率工況下的極板間電容，建立訓(xùn)練集和測試集。含氣率重構(gòu)單元基于訓(xùn)練集樣本訓(xùn)練反向傳播（back propagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，完成管道截面含氣率的重構(gòu)［10］。所設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)對測試集樣本靜態(tài)測量的均方根誤差（root mean square error，RMSE）為3.63%。為了進(jìn)一步檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測量準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)，由可視化方法對含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 含氣率測量系統(tǒng)示意

1.2 可視化驗(yàn)證平臺

試驗(yàn)設(shè)計(jì)并搭建可視化驗(yàn)證平臺，如圖2所示。

圖2 可視化驗(yàn)證平臺

試驗(yàn)平臺由液體管、水泵、空氣壓縮機(jī)、水流量計(jì)、空氣流量計(jì)、射流器、高速攝像機(jī)、背景燈以及含氣率測量系統(tǒng)組成。臺架上有2 個(gè)閥門分別控制管道內(nèi)水和空氣的流量。水和空氣在射流器中混合，進(jìn)入到管道內(nèi)。臺架管道上連有一段內(nèi)徑21 mm、外徑25 mm、長0.5 m 的亞克力透明管道。電容傳感器安裝在透明管道的一端，對該截面處的含氣率進(jìn)行測量。在電容傳感器的相鄰位置，利用高速攝像機(jī)對透明管道內(nèi)的氣液兩相流進(jìn)行視頻拍攝。

試驗(yàn)開始后，調(diào)節(jié)空氣閥門改變空氣流量，使得進(jìn)入管道的空氣占比不斷提高。在空氣流量達(dá)到流量計(jì)最大量程以后，不斷關(guān)小水閥門，減小水的流量，使得兩相流中空氣的占比進(jìn)一步增大。每一次閥門調(diào)節(jié)穩(wěn)定后，進(jìn)行含氣率測量和圖像采集。則各工況下輸入可視化驗(yàn)證平臺的氣液兩相流中空氣的占比為：空氣流量／（空氣流量＋水流量），本文定義該參數(shù)為輸入含氣率。

2 圖像處理方法

2.1 氣泡輪廓提取

在低輸入含氣率的工況下，管道內(nèi)氣相介質(zhì)以氣泡的形式存在。如果要利用圖像處理的方法對視窗（攝像機(jī)拍攝的管道范圍）內(nèi)氣相介質(zhì)含量進(jìn)行計(jì)算，首先必須將氣泡前景從背景中區(qū)分出來。一般是運(yùn)用動(dòng)態(tài)檢測算法（如幀差法［11］、背景剪除法［12］、ViBe算法［13］）將前景和背景分割開來。當(dāng)視頻中氣泡速度極小甚至為0 的時(shí)候，動(dòng)態(tài)檢測算法會把氣泡誤為背景。另外，試驗(yàn)中的氣泡多為大氣泡，其內(nèi)部像素強(qiáng)度相近，使得動(dòng)態(tài)檢測算法檢測出來的氣泡輪廓出現(xiàn)殘缺?？紤]到本文的高速攝像機(jī)拍攝的兩相流流動(dòng)視頻，背景比較單一，對采集到的圖像進(jìn)行大津（Otsu）二值化，得到如圖3（a）所示的黑白圖像。

圖3 圖像處理過程中的氣泡

從圖3（a）中可以看出，透明管道的上管壁存在一條陰影，使得二值化后的氣泡輪廓相連，識別困難。氣泡對光線的反射使得氣泡位置對應(yīng)的管道上壁不存在陰影。因此，管壁上的陰影會比氣泡輪廓上邊界更高。設(shè)置如圖3（b）所示的2條檢測線，從左向右遍歷二值化后的圖像。若某縱向像素列表，在檢測線1上的像素值為0，在檢測線2 上的像素值為255，則認(rèn)為該縱向像素列表中所有的0 像素點(diǎn)均由管壁上的陰影造成，將它們拉高至255。再結(jié)合開運(yùn)算，消除噪點(diǎn)。經(jīng)過上述算法就能使圖像中的氣泡兩兩分離，成為孤立氣泡，如圖3（c）所示。進(jìn)一步運(yùn)用OpenCV中的輪廓檢測函數(shù)，擬合各氣泡的輪廓。用外接矩形框選每個(gè)氣泡，如圖3（d）所示。

2.2 分層流分界線的擬合

當(dāng)輸入含氣率增大到一定程度時(shí)，被測管道內(nèi)的氣液兩相流會出現(xiàn)分層流，管道內(nèi)的氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)出現(xiàn)明顯的分界線。該分界線表現(xiàn)了兩相介質(zhì)在管道內(nèi)的分布情況。此時(shí)，對氣液分界線進(jìn)行擬合是對分層流測量的關(guān)鍵。

分層流圖像經(jīng)過大津二值化和掩模處理，如圖4（a）所示。圖中會出現(xiàn)2 條陰影線，1 條為管壁上的陰影線，另1條為水和空氣的分界線。從圖4（a）中可以看出，分界線以下像素點(diǎn)均為白色。將圖像進(jìn)行黑白反轉(zhuǎn)，再對圖像中管道內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行處理：1）從左向右遍歷視窗內(nèi)的每列；2）從上向下遍歷視窗內(nèi)每個(gè)像素點(diǎn)；3）如果管道內(nèi)該列該像素點(diǎn)以上所有像素值之和大于管道內(nèi)該列所有像素值之和的0.9 倍，則認(rèn)為該像素點(diǎn)是視窗內(nèi)該列的分界點(diǎn)，將像素點(diǎn)的縱坐標(biāo)存入數(shù)組。遍歷完成后，找到圖像中每列像素點(diǎn)中的兩相分界點(diǎn)，將其連接起來，得到視窗內(nèi)氣液兩相介質(zhì)之間的分界線，如圖4（b）所示?？梢?，上述算法對分層流的分界線擬合較好。

圖4 分層流圖像處理

2.3 基于可視化方法的含氣率計(jì)算

本文基于可視化方法，計(jì)算視窗左右截面和中間截面的含氣率。一般定義液體管內(nèi)截面含氣率為管道截面處氣相介質(zhì)面積除以管道截面總面積［14］。因此，在計(jì)算管道截面處的含氣率之前，要先對管道截面處氣相介質(zhì)的面積進(jìn)行計(jì)算。

本文中，管道內(nèi)的氣液兩相流型有泡狀流、短塞流、長塞狀流以及分層流［15］，如圖5所示。

圖5 管道內(nèi)各流型

試驗(yàn)結(jié)果表明，在輸入含氣率不大于9.8%的工況下，管道內(nèi)的氣泡為圖5（a）所示的泡狀流氣泡和圖5（b）所示的短塞流氣泡。輸入含氣率在13.1%～24.4%時(shí)，管道內(nèi)的氣泡為圖5（c）所示的長度超出視窗范圍的長塞流氣泡；當(dāng)輸入含氣率大于24.4%時(shí)，被測管道的管道上壁出現(xiàn)連續(xù)空隙，管道內(nèi)氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)發(fā)生分層，此時(shí)管道內(nèi)氣液分布為如圖5（d）所示的分層流。其中，短塞流和長塞流均屬于塞狀流。

不同流型的氣相介質(zhì)形態(tài)不同，采用不同的公式進(jìn)行管道截面處氣相介質(zhì)面積的計(jì)算，如圖6 所示。管道中泡狀流和塞狀流的氣相介質(zhì)由液相介質(zhì)包裹，其氣相介質(zhì)的截面形狀接近圓形，而分層流的氣相介質(zhì)和液相介質(zhì)完全分界，其氣相介質(zhì)的截面形狀接近弓形。

圖6 各流型在管道中的截面形狀示意

根據(jù)各流型氣相介質(zhì)截面形狀的不同，用式（1）計(jì)算泡狀流和塞狀流中氣相介質(zhì)的截面含氣率，用式（2）計(jì)算分層流中氣相介質(zhì)的截面含氣率

式中μ1為泡狀流和塞狀流的截面含氣率，L1為氣泡的縱向長度；μ2為分層流的截面含氣率，L2為管道上壁到分層流分界點(diǎn)的距離，R為管道半徑。

3 各工況下管道內(nèi)含氣率的分析

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)對輸入含氣率在2.4%～55.6%之間的14 種工況進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

3.2 各工況下的平均含氣率

為了對含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析，對各工況下重構(gòu)的含氣率取平均值，分別計(jì)算基于圖像處理得到的平均截面含氣率和基于含氣率測量系統(tǒng)測得的平均截面含氣率，如圖7所示。從圖7中可以看出，隨著輸入含氣率的提高，兩種方法得到的平均含氣率隨輸入含氣率的變化趨勢接近。圖7中，可視化方法得到的平均截面含氣率與設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)測量的平均截面含氣率之間的最大偏差不超過8.48%，平均偏差14）為5.62%，RMSE為5.51%。其中，pi為各輸入含氣率下可視化方法獲得的平均截面含氣率，ti為含氣率測量系統(tǒng)測得的平均截面含氣率，i為工況編號?？梢姡梢暬椒ǖ玫降暮瑲饴屎秃瑲饴蕼y量系統(tǒng)測得的含氣率基本相同。本文設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)測量能力。

圖7 各工況下視窗左右截面的平均含氣率

4 可視化驗(yàn)證方法的有效性

在上述試驗(yàn)中，視頻采集和電容數(shù)據(jù)采集存在位置偏差。為了檢驗(yàn)采集位置偏差對可視化驗(yàn)證方法有效性的影響，本節(jié)計(jì)算了視窗左右截面的含氣率，研究兩相流經(jīng)過短距離傳輸后截面含氣率的偏差大小。

圖8（a）為各工況下視窗左右截面的平均含氣率，各工況下左右截面處平均含氣率的偏差如圖8（b）所示。從圖8（a）中可以看出，視窗左右截面的含氣率非常相近。從圖8（b）中可以看出，兩截面含氣率的偏差在高輸入含氣率的時(shí)候有所增大。這是由于在高輸入含氣率工況下，管道內(nèi)分層流的液位波動(dòng)較大，導(dǎo)致平均截面含氣率的偏差較大。在本文試驗(yàn)的工況下，視窗左右截面平均含氣率的最大偏差僅為3. 097 %，平均偏差為1. 038 %，RMSE 為1.36%?？偟膩碚f，在本文試驗(yàn)的各工況下，兩相介質(zhì)在傳輸過程中截面含氣率的變化較小。因此，本文驗(yàn)證方法可靠性較高。

圖8 視窗左右截面的平均含氣率及其偏差

5 結(jié) 論

基于6極板電容傳感器，本文設(shè)計(jì)了管道內(nèi)氣液兩相流含氣率測量系統(tǒng)，并提出利用可視化驗(yàn)證方法對所設(shè)計(jì)含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。測得的平均截面含氣率和可視化方法計(jì)算的平均截面含氣率之間最大偏差不超過8.48%，平均偏差為5.62%，RMSE為5.51%。為了檢驗(yàn)視頻采集和電容采集的位置偏差對驗(yàn)證方法有效性造成的影響，本文對視窗左右截面的含氣率進(jìn)行了比較，得到左右截面在各工況下平均截面含氣率的偏差不超過3.097%，平均偏差為1.038%，RMSE為1.36%。

本文設(shè)計(jì)的含氣率測量系統(tǒng)能夠有效對液體管截面處的含氣率進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，所提出的可視化驗(yàn)證方法可以有效地驗(yàn)證本文含氣率測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。