一种基于图像传感器的流速、流量测量装置及其测量方法

本发明涉及流体流速、流量测量，特别是涉及一种基于图像传感器的流体流速测量装置及其测量方法，以及一种使用上述流速测量装置的流量测量装置及其测量方法。

背景技术：

1、流速是描述流体运动情况的重要参数，在工程应用和科研中有大量的流速测量需求，而测量管道内流体多点流速可进一步计算流量，满足大量的流量测量需求。

2、目前工程上常用机械式测速仪(如转子式)和皮托管测量流体流速，其优点是成本低、使用方便，但存在干扰因素多、精度低、易产生附着、磨损、堵塞等问题。激光多普勒测速仪(ldv/lda)、粒子图像测速仪(piv/ptv)等非接触式测速仪器因激光成本高、使用复杂、需大量添加示踪粒子等原因，多用于科研等要求较高的场景。热线/热膜流速仪(hwfa)介于上述两类技术之间，精度高干扰少，但因使用贵金属且结构和控制复杂，成本仍偏高。

3、另一方面，工业中存在大量流量测量需求，现有流量计种类繁多，但普遍存在成本偏高的问题，特别是大管径流量测量。大多数流量计安装时需截断管道加装法兰，前后有直管段要求，并要求管内充满流体，且在后期维护时需投入大量人力、物力成本。这些不足限制了流量计的大规模推广使用。

4、可见，目前既缺少精度高、成本低、干扰小、使用简便的流速测量装置，也缺少精度高、成本低、安装要求低、能测量非满液管道的流量测量装置。

5、随着工业、能源领域数字化、智能化的不断推进，需要获取更丰富的流速、流量数据，对于高精度、低成本、安装使用简便的流速、流量传感器的需求越来越迫切。随着手机等智能设备的普及，各类摄像头的性能不断提高成本不断降低，使制造基于图像传感器的高性价比流速流量测量装置成为可能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种精度高、成本低、可靠性高、安装使用简便的流速测量装置及方法，以及一种使用该流速测量装置的流量测量装置及方法，弥补现有技术的不足，满足数字化、智能化趋势下广泛的流速流量测量需求。

2、本发明具体提供下述技术方案：

3、一种基于图像传感器的流速测量装置，包括照明单元、光学成像单元、图像传感器、图像处理计算单元，其中照明单元、光学成像单元、图像传感器连接形成一体式探头，图像处理计算单元可包含在内或独立外接。

4、所述照明单元使用半导体光源(如发光二极管或激光二极管)，所发光包含可见光或不可见光，用于照射所述一体式探头目标测速区。含有杂质或示踪粒子的被测流体流经所述测速区时被照亮。所述光学成像单元将测速区成像在所述图像传感器上，所述图像传感器将成像光信号转化为电信号并传输至所述图像处理计算单元，所述图像处理计算单元处理所得图像信息并计算得到所述测速区的流速或流速场。

5、优选地，为确保所述照明单元不突出探头干扰流场，其光线从所述光学成像单元的光轴线周围多点射出，相交于所述测速区，相交形成的照亮区一般垂直于所述光轴线且呈扁平状，以避免照亮所述探头视场内非测速区的粒子造成干扰。

6、可选地，在所述测速区设置挡光板，挡光板一般垂直于所述成像单元光轴线，使测速区位于挡光板与探头之间，阻止光线照亮挡光板背后并屏蔽背景干扰光。

7、优选地，所述一体式探头采用密封封装，可全部或局部置于待测流体中，特别是能全部置于液体中实现近距离测量，降低对光线方向性和强度的要求，使采用普通led光源成为可能。

8、可选地，所述图像处理计算单元也封装在所述一体式探头内，进一步集成化方便现场测量，其主要功能可由dsp芯片实现。

9、可选地，所述图像处理计算单元采用手机或电脑，便于远程在线计算分析。

10、可选地，所述光学成像单元具有显微功能，能放大流体中微小杂质用于示踪，无需额外添加示踪粒子。

11、可选地，所述光学成像单元采用光导纤维传输光信号，满足部分远距离成像需要。

12、可选地，所述一体式探头配备示踪粒子发生或投放装置，仅在所述测速区局部添加示踪粒子。进一步地，所述示踪粒子可以使用气泡，方便现场产生且对流体影响小。

13、本发明还提供了一种利用所述基于图像传感器的流速测量装置进行流速测量的方法，包括如下步骤：

14、s101：如果被测流体中杂质满足测速要求，直接以杂质作为示踪粒子，否则向被测流体中加入示踪粒子或产生气泡示踪；

15、s102：用所述一体式探头照射并拍摄测速区，获得前后相邻两帧图像并传输至所述图像处理计算单元，同时记录两帧间时间间隔；

16、s103：所述图像处理计算单元根据需要对图像划分网格或将图像整体视为一个网格，根据需要和图像质量选取目标网格，根据两帧图像中对应网格的图像计算得到其中示踪粒子的位移矢量；

17、s104：用各所述位移矢量分别除以两帧间时间间隔，算得各目标网格内流体的流速矢量；

18、s105：根据各目标网格流速矢量计算得到所述测速区的整体流速矢量，完成测速。

19、本发明还提供了一种基于图像传感器的流量测量装置，该装置中使用一个或多个所述基于图像传感器的流速测量装置，通过测得管道内多点流速进而计算流量。

20、优选地，所述基于图像传感器的流速测量装置排列在一根直筒上，直筒可直接插入流体管道进行测量，一般沿管道直径插入，可同时测量管道中心及不同半径处的流速。

21、可选地，在所述一种基于图像传感器的流量测量装置上设置照明光源照亮管道内部，用于拍摄管道内部图像，所得图像可用于计算管内液位、观察流体流态、辅助检修维护等。

22、本发明还提供了一种利用所述一种基于图像传感器的流量测量装置的流量测量方法，包括如下步骤：

23、s201：确定管道目标截面，在其上选定若干有代表性的测速点；

24、s202：将流量测量装置安装在所述目标截面上，在每个所述测速点布置一个流速测量装置；

25、s203：如测非满液管道流量，拍摄管道内图像，分析计算得到液面位置，用于计算非满液流量；

26、s204：测得各所述测速点流速，根据所得流速并结合液位计算得到流量。

27、优选地，可将所述目标截面划分为若干区域，每个区域内平均流速可用一个测速点流速或多个测速点平均流速表示，该区域平均流速与其面积的乘积即为该区域流量，累加所有区域流量得到管道总流量。

28、本发明的有益效果如下：

29、1)测量精度高。通过图像直接测量示踪粒子所表征的流体流速，无需先转化为压差、转速等，避免了转化过程中的干扰因素，精度较高。

30、2)传感器成本低。采用大规模商用的图像传感器，且对色彩和分辨率要求极低，核心硬件成本远低于现有大部分流速流量计。

31、3)光源成本低。采用一体式探头设计，光源和图像传感器均接近测速区，对光线方向性、强度要求低，可采用低成本、低能耗的led光源，且无同步控制要求。

32、4)可靠性高。探头没有机械运动部件，所有部件均可一体式密封封装，不会受流体作用导致损坏、磨损、堵塞等问题。

33、5)易于微型化。核心部件可采用微型摄像头，能大幅缩小探头尺寸，减小对流场的影响，满足微小场景测量需求。

34、6)流体要求低。对流体导电性、导热系数、黏度、流动状态等特性没有要求，对透明度和杂质含量等要求低。

35、7)示踪粒子要求低。由于探头接近测速区，可放大流体中杂质图像用于示踪，也可在探头前局部添加少量示踪粒子。

36、8)安装使用简便。流量计安装仅需在管道上打孔插入，无需截断管道，管径增大对安装难度和硬件成本影响较小，特别适用于大管径流量测量。

37、9)可测非满液流量。流量计可同时测量管内多点流速和液位，在流体未充满管道的情况下也能进行测量，流场速度分布对测量精度影响小，对直管段要求低。

38、10)可测二维流速。基于图像计算所得流速为二维矢量，相比目前常用的流速流量计增加一维，可衍生更多应用。