管道内流场示踪粒子加注系统及加注方法

技术领域

本发明涉及计量技术领域，具体地涉及一种管道内流场示踪粒子加注系统及一种管道内流场示踪粒子加注方法。

背景技术

天然气在输送过程中，输送管道内气体流速和流场变化具有重要的研究意义。目前，气体流速和流场变化常采用粒子成像测速和激光多普勒测速。

在测量过程中，向天然气管道中添加示踪粒子，示踪粒子在管道中跟随气体流动，利用高速摄像机捕捉并记录粒子的坐标，然后通过相应的算法获得粒子的运动速度，进一步得出气体在管道中的流动状态与速度。但是，现有的示踪粒子加注由手动控制，粒子浓度由专人通过透明视窗管段进行监控，再调度现场实验人员进行粒子加注装置的流量控制。在实际应用过程中存在几个突出问题：①示踪粒子加注过程需要多人进行粒子浓度监控并调度人员反复手动调节阀门开度，以实现在不同天然气流量条件下有浓度充足的示踪粒子进入透明视窗管段，操作过程繁琐；②人力手动调节流量控制阀在时间上具有滞后性，在开度控制上具有随意性，无法实现根据接收单元的粒子浓度图像处理结果连续定量地调节电动阀的开度，导致粒子加注量无法精确控制，并且降低实验效率。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种管道内流场示踪粒子加注系统及加注方法，该管道内流场示踪粒子加注系统用以解决上述的粒子加注量无法精确控制，调节复杂，实验效率低的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种管道内流场示踪粒子加注系统，用于燃气输送管道，包括：

粒子注入单元、激光发射单元和图像采集单元；

所述管道按照粒子的前进方向分为注入区和发射采集区；所述粒子注入单元设置在注入区，用于向管道内注入示踪粒子；所述激光发射单元设置在发射采集区，用于向管道内的检测区发射激光；所述图像采集单元设置在发射采集区，用于获取管道内的检测区的粒子图像；

控制单元，与所述粒子注入单元和所述图像采集单元连接，用于基于所述粒子图像得到示踪粒子的有效采样数，并根据示踪粒子的有效采样数调节管道内的粒子注入量。

可选的，所述激光发射单元与所述控制单元电连接，用于根据所述控制单元的启动指令启动，以及根据所述控制单元的停止指令关闭。

可选的，所述管道的发射采集区设置有透明视窗，所述激光发射单元发射的激光穿过所述透明视窗覆盖所述管道内的检测区。

可选的，所述激光发射单元为片光源激光器。

可选的，所述图像采集单元用于通过所述透明视窗获取所述检测区内的粒子图像。

可选的，所述图像采集单元为CCD相机或工业相机。

可选的，所述粒子注入单元包括：通过连接管道依次连通的存储装置、泵注装置、注入量调节部件和雾化喷头；

所述雾化喷头的出口端设置在所述管道内；

所述存储装置存储有示踪粒子；

所述泵注装置用于将示踪粒子泵注至管道内；

所述注入量调节部件用于调节粒子注入量；

所述雾化喷头的出口端设置在所述管道内；

所述泵注装置和所述注入量调节部件与所述控制单元电连接；所述泵注装置用于根据所述控制单元的启动指令启动，以及根据所述控制单元的压力调节指令改变泵注压力；所述注入量调节部件用于根据所述控制单元的注入量调节指令调节粒子注入量。

可选的，所述泵注装置为加压泵，所述注入量调节部件为电动阀。

本发明实施例还提供一种管道内流场示踪粒子加注方法，采用上述的管道内流场示踪粒子加注系统向管道内加注示踪粒子，所述方法包括：

实时获取管道内检测区的示踪粒子的有效采样数；

基于所述有效采样数调节粒子注入量，直至所述有效采样数达到预设粒子数，停止粒子注入。

可选的，所述基于所述有效采样数调节粒子注入量，包括：

根据所述有效采样数的量级增大，逐级增大粒子注入量，直至所述有效采样数达到预设粒子数。

本发明技术方案通过图像采集单元获取管道内粒子图像，并通过控制单元获取粒子图像中的有效采样数，基于此调节粒子注入单元的粒子注入量，本发明的系统结构简单，可以实现管道内示踪粒子的连续自动加注，节约人力资源，具有较强的便捷性，能够快速、准确地调节示踪粒子加注量，有效提高实验效率，减少粒子损耗，并且规避人为操作带来的风险，提高了示踪粒子加注环节的准确性和安全性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注系统的结构示意图；

图2是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注系统的结构框图；

图3是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注方法的流程示意图；

图4是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注方法的流程框图。

附图标记说明

1-粒子注入单元； 2-激光发射单元； 3-图像采集单元；

4-管道； 5-控制单元； 11-存储装置；

12-泵注装置； 13-注入量调节部件； 14-雾化喷头；

41-透明视窗； 401-注入区； 402-发射采集区。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

在本发明实施例中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。

术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平、竖直或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

此外，“大致”、“基本”等用语旨在说明相关内容并不是要求绝对的精确，而是可以有一定的偏差。例如：“大致相等”并不仅仅表示绝对的相等，由于实际生产、操作过程中，难以做到绝对的“相等”，一般都存在一定的偏差。因此，除了绝对相等之外，“大致等于”还包括上述的存在一定偏差的情况。以此为例，其他情况下，除非有特别说明，“大致”、“基本”等用语均为与上述类似的含义。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注系统的结构示意图；如图1所示，本发明实施方式提供一种管道内流场示踪粒子加注系统，用于燃气输送管道，包括：

粒子注入单元1、激光发射单元2和图像采集单元3；

所述管道按照粒子的前进方向分为注入区401和发射采集区402；所述粒子注入单元1设置在注入区401，用于向管道4内注入示踪粒子；所述激光发射单元2设置在发射采集区402，用于向管道4内的检测区发射激光；所述图像采集单元3设置在发射采集区402，用于获取管道4内的检测区的粒子图像；

控制单元5，与所述粒子注入单元1和所述图像采集单元3连接，用于基于所述粒子图像得到示踪粒子的有效采样数，并根据示踪粒子的有效采样数调节管道4内的粒子注入量。

具体地，在测量管道4内气体流速和流场变化过程中，首先通过粒子注入单元1向管道4中添加示踪粒子，示踪粒子均匀分布在管道4的大部分区域，并在管道4中跟随气体流动，通过激光发射单元2向管道4内的发射激光，通过激光照射特定的检测区，能够显示位于该检测区中粒子的空间位置，再利用图像采集单元3捕捉并记录该检测区中粒子的空间坐标位置，得到粒子图像，然后通过控制单元5内预设的相应算法对粒子图像进行处理和连续计算，得到每个示踪粒子的空间位置变化和速度矢量等信息，以及获得粒子图像中粒子的有效采样数，确定粒子的运动速度，进一步得出气体在管道4中的流动状态与速度，控制单元5再根据粒子有效采样数反馈控制粒子注入单元1注入的粒子数，可以实现管道4内示踪粒子的连续自动加注，节约人力资源，具有较强的便捷性，能够快速、准确地调节示踪粒子加注量，有效提高实验效率，减少粒子损耗，并且规避人为操作带来的风险，提高了示踪粒子加注环节的准确性和安全性，具有较大的研究价值；其中，有效采样数为：在该特定区域中，运动轨迹清晰、无轨迹重叠的粒子，能够清晰地得出粒子的运动轨迹，以计算出粒子的运动速度。管道4具体可以为天然气管道等。示踪粒子可以采用水、DEHS、氧气泡、聚苯乙烯等无毒无害、无腐蚀、化学性质稳定的物质，且能够保证注入管道4内部的粒子的直径小于等于10um。

进一步地，所述激光发射单元2与所述控制单元5电连接，用于根据所述控制单元5的启动指令启动，以及根据所述控制单元5的停止指令关闭。

具体地，激光发射单元2由控制单元5控制实现工作和停止，激光发射单元2发射的激光频率、能量和激光照射时间，可以根据管道4内介质的估计流动速度通过控制单元5进行提前设定，另外，在加注过程中，可以通过控制单元5对激光发射单元2发射的激光频率、能量和激光照射时间进行微调，使其与管道4内介质的流动速度相匹配，保证粒子采集的准确性.

进一步地，所述管道4的发射采集区402设置有透明视窗41，所述激光发射单元2发射的激光穿过所述透明视窗41覆盖所述管道4内的检测区。

具体地，在管道4的发射采集区402设置透明视窗41，所述激光发射单元2发射的激光穿过所述透明视窗41照射在管道4的检测面上，从而显示出该检测面上粒子的位置。

进一步地，所述激光发射单元2为片光源激光器。

具体地，本实施方式中，采用片光源激光器作为激光发射单元2，激光发射单元2可以设置在所述管道4的顶部或者设置管道4的侧壁上，向下垂直发生激光或者水平发射激光，使得发出的片光源在沿介质流动方向形成一个检测面，从而显示出该检测面上的粒子的位置。

进一步地，所述图像采集单元3用于通过所述透明视窗41获取所述检测区内的粒子图像。

具体地，图像采集单元3同样通过透明视窗41获取所述检测面上的粒子图像，可以设置在所述管道4的侧壁或者设置管道4的顶部(底部)，使所述图像采集单元3与所述激光发射单元2在管道4上的相对夹角为90度设置。更具体地，当所述图像采集单元3设置管道4的侧壁上时，激光发射单元2设置在所述管道4的顶部(底部)；当所述图像采集单元3设置管道4的顶部(底部)时，激光发射单元2设置在所述管道4的侧壁上。另外，所述透明视窗41可以设置为一整块或者独立的两块，设置为独立的两块时，在管道4上的以相对夹角为90度设置。

进一步地，所述图像采集单元3为CCD相机或工业相机

具体地，由于管道4内介质流动速度较快，因此，通过设置CCD相机或工业相机，通过快速拍摄频率能够获取粒子在检测面上的连续位移形成移动路径，从而根据移动该路径对应的时间按照速度计算公式计算出粒子速度，从而得到介质的流速。

更具体地，在获取粒子图像时，基于检测面建立X-Y坐标系，坐标原点为检测面和图像采集单元3拍摄界面的交点处(左下方位置)，在本实施方式中，将介质流动方向作为X轴，由于图像采集单元3位置固定，通过高频率的连续拍摄粒子图像，便能够在X-Y坐标系中得到粒子图像中粒子的移动路径和在坐标系中的移动长度(空间位置变化)，从坐标系中选取运动轨迹清晰、位置无重叠的粒子作为粒子的有效采样数，基于拍摄频率利用速度计算公式计算出每一个有效粒子的速度，并将有效粒子的速度求平均，从而得到介质的流速。

进一步地，所述粒子注入单元1包括：通过连接管道依次连接的存储装置11、泵注装置12、注入量调节部件13和雾化喷头14；

所述存储装置11存储有示踪粒子；

所述泵注装置12用于将示踪粒子泵注至管道4内；

所述注入量调节部件13用于调节粒子注入量；

所述雾化喷头14的出口端设置在所述管道4内；

所述泵注装置12和所述注入量调节部件13与所述控制单元5电连接；所述泵注装置12用于根据所述控制单元5的启动指令启动，以及根据所述控制单元5的压力调节指令改变泵注压力；所述注入量调节部件13用于根据所述控制单元5的注入量调节指令调节粒子注入量。

具体地，粒子注入单元1包括过连接管道依次连通的存储装置11、泵注装置12、注入量调节部件13和雾化喷头14；存储装置11用于存储示踪剂，示踪剂包含若干示踪粒子；泵注装置12的入口连接所述存储装置11，出口连接注入量调节部件13，注入量调节部件13出口连接雾化喷头14，在管道4上设置连接孔，并将雾化喷头14设置在连接孔上，泵注装置12的工作频率可调节，可以通过调节工作频率实现出口压力的改变，通过与注入量调节部件13相互配合，实现泵注压力和粒子注入量的改变，示踪剂通过雾化喷头14的雾化后，形成直径较小的颗粒，进入管道4内随气体流动。

在得到粒子有效采样数后，控制单元5根据有效采样数产生对应的控制信号，并发送至泵注装置12和注入量调节部件13，泵注装置12和注入量调节部件13接收到控制信号后，泵注装置12启动工作，以及改变泵注压力，同时，注入量调节部件13根据所述控制单元5的控制指令调节粒子注入量。

在另一种实施方式中，泵注装置12工作频率固定，因此泵注装置12出口压力为固定值，控制单元5发送的控制信号，仅用于控制泵注装置12启动工作和停止工作。

在另一种实施方式中，粒子注入单元1包括过连接管道依次连通的高压存储装置11、注入量调节部件13和雾化喷头14；高压存储装置11中存储有压缩的示踪剂，在进行开度调节时，直接通过注入量调节部件13实现示踪粒子注入量的改变。

进一步地，所述泵注装置12为加压泵，所述注入量调节部件13为电动阀。

具体地，所述泵注装置12为加压泵，能够实现示踪剂的快速加压，保证雾化效果；所述注入量调节部件13为电动阀，采用电动阀进行开度控制，结构简单，不受气压影响，能够实现快速反应，延迟小，且控制精度高，能够实现信号的快速转换及动作。

图2是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注系统的结构框图；如图2所示，所述控制单元5可以具体包括电动阀控制子单元、图像处理子单元和激光控制子单元，电动阀控制子单元专用于控制电动阀的开度，实现粒子注入量的改变，图像处理子单元与图像采集单元3连接，用于控制图像采集单元3工作，以及用于处理粒子图像，以获得有效采样数，激光控制子单元用于控制激光发射单元开始工作和停止工作，以及调整激光发射单元2发射的激光频率、能量和激光照射时间。

图3是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注方法的流程示意图，图4是本发明提供的管道内流场示踪粒子加注方法的流程框图。如图3-4所示，本实施例提供一种管道内流场示踪粒子加注方法，采用上述的管道内流场示踪粒子加注系统向管道内加注示踪粒子，所述方法包括：

步骤101、实时获取管道内检测区的示踪粒子的有效采样数；

步骤102、基于所述有效采样数调节粒子注入量，直至所述有效采样数达到预设粒子数，停止粒子注入。

具体地，在加注开始前，电动阀处于闭合状态，粒子注入量为零；根据预估计的介质流速，通过控制单元5确定发射的激光的频率、能量及激光照射时间；当燃气气流态稳定后开始加注，控制单元5控制激光发射单元2发射激光，同时控制图像采集单元3采集粒子图像，以及将电动阀打开第一预设开度，控制单元5对采集的粒子图像极进行实时计算分析，得到粒子图像中示踪粒子的有效采样数，并根据有效采样数调节电动阀的开度，直至最新获取的粒子图像中的有效采样数达到预设粒子数，控制所述电动阀关闭。

进一步地，所述基于所述有效采样数调节粒子注入量，包括：

根据所述有效采样数的量级增大，逐级增大粒子注入量，直至所述有效采样数达到预设粒子数。

具体地，开始加注后，控制单元控制激光发射单元发射激光，同时控制图像采集单元采集粒子图像，以及将电动阀打开至第一预设开度，控制单元对采集的粒子图像极进行实时分析，得到粒子图像中示踪粒子的有效采样数；从打开电动阀的时刻起，经过预设时间间隔，根据最新拍摄的粒子图像中的有效采样数的数量处于的对应的预设区间，控制电动阀的开度增大对应的预设开度，在经过预设时间间隔后，再一次根据最新拍摄的粒子图像中的有效采样数的数量处于的对应的预设区间，控制电动阀的开度增大对应的预设开度。包括：

若所述有效采样数处于第一预设区间，控制所述电动阀在当前开度的基础上增大第一预设开度；

若所述有效采样数处于第二预设区间，控制所述电动阀在当前开度的基础上增大第二预设开度；

若所述有效采样数处于第三预设区间，控制所述电动阀在当前开度的基础上增大第三预设开度；

其中，所述第一预设区间小于所述第二预设区间，所述第二预设区间小于所述第三预设区间，所述第三预设区间内的任意值均小于所述预设粒子数；所述第一预设开度大于所述第二预设开度，所述第二预设开度大于所述第三预设开度。

在本实施方式中，将预设粒子数设置为N＝1000个，对应的：

若所述有效采样数处于N≤300，控制所述电动阀的在当前开度的基础上增大5％；

若所述有效采样数处于300

若所述有效采样数处于700≤N<1000，控制所述电动阀在当前开度的基础上增大1％。

随着单次获取的示踪粒子的有效采样数逐渐增加，对应减小电动阀单次开度调节的增长量，能够实现粒子注入量的精准调节，在保证有效采样数能够达到预设粒子数的基础上，减少粒子损耗。

本发明实施方式还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述的管道内流场示踪粒子加注方法。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。