基于圖像處理的管道分層流持液率測量方法

李曉平 范志偉 陳金金 劉海飛 張宏巖

1.中國石油大學(xué)（北京）城市油氣輸配技術(shù)北京市重點實驗室 （北京102249）

2.中國石化魯寧輸油處 臨邑輸油首站 （山東 德州 251500）

3.中國石油工程設(shè)計西南分公司 （四川 成都 610017）

4.中國科學(xué)院力學(xué)研究所 （北京 100190）

持液率是多相流研究中的重要參數(shù)。測量持液率的方法很多，精度也在不斷提高，傳統(tǒng)的方法主要有：電學(xué)法、快關(guān)閥法、射線吸收法（γ、β和X等射線）、射線散射法（γ射線和中子射線法）、光學(xué)法、熱學(xué)法、核磁共振法、微波法和模糊綜合評判法等[1]。目前，應(yīng)用較為廣泛的一種采用電導(dǎo)探針測量氣液兩相流的持液率技術(shù)，是基于安裝在特殊管段上的兩電極之間的電導(dǎo)與液膜厚度有一定的關(guān)系來測量的[2，3]。一些研究人員開發(fā)出通過數(shù)據(jù)模擬的方法在原來實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行匹配模擬預(yù)測計算的軟件來預(yù)測持液率[4]。如通過采用有限體積法將SIMPLE算法推廣到兩相流形成SIMPLE-MF算法，用于雙流體模型的求解效果較好，并開發(fā)了兩相流瞬態(tài)模擬程序[5]；國外開發(fā)出的一種人工智能模型能用以預(yù)測確定水平多相流的流態(tài)和計算持液率[6]；而目前采用圖像處理的方法來測量持液率的研究越來越深入，它是通過對在實驗中高速攝像機所拍攝的照片用軟件進行處理，以提取氣液相界面輪廓來實現(xiàn)持液率的測量[7-8]。文中介紹了一種基于圖像處理的水平管道分層流持液率測量方法，這種方法沒有提取氣液相界面輪廓，而是根據(jù)氣液相基色特點直接將它們二值化為黑白不同的顏色，最后計算獲取出各截面持液率；它的優(yōu)點在于圖像處理過程簡單，處理后的圖像和原圖氣液相比較吻合，獲得的持液率比較精確。

1 圖像基礎(chǔ)介紹

圖像的幾種常見的格式有 BMP、GIF、JPEG、PCX、TIF等；在本次圖像處理過程中所處理的圖像為BMP格式，BMP格式的圖像可以包含每個像點1位元、4位元、8位元或24位元，其中1、4和8位元圖像有彩色映像，而24位元圖像則是全彩的，這里介紹的圖像處理過程中，所處理的圖像都是24位元全彩的。BMP圖像的每個像點由紅綠藍(RGB)3種基色組成，每種基色的取值范圍為0～255。當(dāng)3種基色分別取0～255中的某個值時，可以組合成各種不同的顏色。圖1表示一個像素點，其所組成的3種基色紅綠藍如圖所示排布。當(dāng)3種基色取值全為0時，表示黑色；全取255時則為白色。當(dāng)圖像只有黑白2種顏色時，稱為二值圖像。將彩色圖像按某種算法轉(zhuǎn)換為二值圖像的過程被稱為二值化過程[9]。

2 圖像處理過程

圖像處理在本質(zhì)上是按一定的算法改變圖像中各個像素點的基色數(shù)值大小，以達到所期望的效果。

2.1 數(shù)據(jù)提取

根據(jù)圖像的數(shù)據(jù)特點，采用合適的處理算法進行處理是達到期望的效果的關(guān)鍵，所以在對圖像進行處理前首先要提取像素點數(shù)據(jù)，以便觀察，圖2是本次要處理的分層流圖像原圖之一。沿圖像中某一豎線提取像素數(shù)據(jù)，以觀察氣相位置和液相位置的數(shù)據(jù)特征?？疾?種基色數(shù)據(jù)的分布特點可以看出氣相部分的基色數(shù)值都比液相部分大，其中藍色（B）數(shù)值分布特點為：氣相部分的數(shù)值比液相部分大，而且液相部分的數(shù)值都很接近于0。通過這個特點，可以采用下面介紹的算法進行處理。

2.2 二值化算法

為了得到能夠分辨出氣相和液相的二值圖片，需要對原圖進行合適的二值處理。通過前面的基色數(shù)據(jù)比較分析，已知圖像中液相部分的3種基色數(shù)值都偏小，而且其中藍色基色的數(shù)值都很接近于0。利用這一特點，提出了一種算法：將圖像中的藍色基色都減去某一個值，圖像處理中將減去的這個值稱之為對比度。選擇合適的對比度時，會達到這樣一種效果：液相部分的藍色基色數(shù)值會小于或等于0，而氣相部分的基色數(shù)值大于0。在程序控制中，當(dāng)出現(xiàn)基色數(shù)值會小于或等于0的情況時，就令這些像素點的紅綠藍3種基色的值都取0，此時這些位置點就顯示為黑色了，而其余部分的3種基色的值都取255，使之顯示為白色。這樣就完成了對圖像的二值化處理。

2.3 氣液分界面的判斷

將圖像二值化后，下一步是計算每一個截面的液相高度。如何獲得液相高度是這一步的關(guān)鍵。在程序中采用的方法是：對圖像每一豎列從上到下進行判斷處理，當(dāng)出現(xiàn)基色數(shù)值為0時（黑色），則判斷此處像素點位置就是這一截面的液面處，再轉(zhuǎn)下一豎列進行判斷。這樣就可求出每一豎列的液相高度與管道直徑的比值，在此稱之為液高比k。

2.4 持液率的計算

在獲取了各個截面的液相高與管道直徑的比值k后，就可以計算出此截面的持液率，持液率的定義為：截面中液相部分的面積與管道截面積的比值[10]。持液率的計算公式為：

式中 φ—持液率。

3 處理結(jié)果

在delphi環(huán)境下，對原圖像進行二值處理并計算持液率。圖3為程序界面，界面中彩圖為要處理的原圖像，黑白圖為二值化處理后的二值圖像，設(shè)置間隔后點擊“計算”按鈕，界面中右邊的文本框中為輸出的計算結(jié)果。圖4是在對比度取10時進行二值化處理后的圖像。

表1列出了持液率計算結(jié)果，在圖4中共抽取了27個取樣截面，截面間距平均分布，間隔為10個像素點。

表1 持液率計算結(jié)果

4 結(jié) 論

基于圖像處理的管道分層流持液率測量方法是以氣相和液相部分某一基色數(shù)值的特點為處理依據(jù)的，由于這種特點十分明顯，所以能夠得出如圖3所示的明顯區(qū)分氣相與液相部分的二值圖像，而不再受輪廓是否清晰的影響。在后面進行持液率計算時，也不需要提取氣液相界面輪廓。所設(shè)計的程序能夠根據(jù)需要計算出任意截面的持液率。為了能夠通過圖像處理以達到所期望的區(qū)分氣液相的效果，首先應(yīng)該對氣相部分與液相部分的像素點的基色值特點進行對比分析，找出其中的不同之處，然后利用這一不同點選擇合適的算法處理圖像。在對圖像處理過程中，也總結(jié)了幾點影響圖像處理效果的因素：

（1）正面光照不均勻，這使得圖片兩端部分光照很暗以至難以區(qū)分邊界，在處理前需要將較暗部分截去，表1中最后兩組數(shù)據(jù)偏大就是由這一因素所引起的。

（2）玻璃管道的反光作用，這會給管道中局部反光部分的氣液相區(qū)分帶來難度。

（3）在氣液流動時，會使管壁上出現(xiàn)一些附著物，如水滴、油滴等，這是影響測量結(jié)果的因素之一。

[1]呂宇玲,陳振瑜.多相流相分率測量技術(shù)研究進展[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2002(5):10-12.

[2]Fossa M.Design and perofmance of a conductance probe formeasuring the liquid in two-phase gas-liquid flows[J].Flow Measurement and Instrumentation,1998,9(2):103-109.

[3]呂宇玲,陳振瑜.電導(dǎo)探針測量氣液兩相流持液率的研究[J].工業(yè)計量,2003(S1):208-211.

[4]Masella JM.Transient simulation of two-phase flows in pipes[J].International Journal of Multiphase Flow,1998,(2415):739-755.

[5]李曉平,宮敬.氣液兩相流瞬態(tài)數(shù)值模擬[J].油氣儲運,2006,25(8): 11-14.

[6]A.Osman.Artificial neural network models for identifying flow regimes and predicting liquid hold-up in horizontalmultiphase flow [J].EA SOC PETROLEUM ENG,2001(19):33-40.

[7]張東衡,唐志航,葉鴻明,等.一種氣液兩相流氣相參數(shù)圖像檢測方法[J].計算機測量與控制,2006,14(5)：597-599.

[8]梁法春,陳婧,曹學(xué)文.基于圖像處理的分層流持液率測量[J].石油天然氣學(xué)報,2008,30(4):161-165.

[9]劉駿.數(shù)字圖像處理及高級應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[10]陳家瑯.石油氣液兩相管流[M].北京:石油工業(yè)出版社,1989.