一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法技术

本发明专利技术涉及泄漏气体密度检测技术领域，具体是一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法，使用CCD相机进行拍摄，进而获取有泄漏气体影响的实验图像和没有泄漏气体影响的参考图像；对比参考图像和实验图像，选择问询窗口，进而获得问询窗口的总位移，在气体流场的边缘处布置合适数量的热电偶进行温度测量，并将测量的温度作为气体折射率计算的边界条件，最终获得气体流程内气体的密度分布：本发明专利技术能够有效提高泄漏气体密度计算的准确性。确性。确性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法


[0001]本专利技术涉及泄漏气体密度检测
，具体是一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法。

技术介绍

[0002]在各类可燃性气体生产存储领域，无论是运输管道还是储气装置都存在气体泄漏的风险，气体泄漏会造成环境污染，甚至带来燃爆事故，造成财产损失、人员伤亡。因此，对可燃性气体的泄漏检测是非常有必要的。
[0003]在泄漏气体检测中，光学方法作为一种非直接接触式测量方法，具有不侵入观测气体、稳定可靠等优点。常见的光学气体成型技术包括纹影法，阴影法以及背景纹法。纹影法的原理是光线在目标流场中发生折射，在成像平面上因光强不均匀而产生的明暗图像。阴影法是直接通过强光源照射流场，从而在成像平面上留下阴影。由于上述光学气体成型技术成熟，在气体成像领域得到了广泛的应用。但是上述的方法在实际的使用过程中也暴露出一些问题：
[0004]1、在使用上述方法定量计算泄漏气体密度，计算难度大、计算结果粗糙，且精确度较低。
[0005]2、气体泄漏释放过程中环境复杂，边界条件变化迅速，边界条件难以确定。而上述现有技术中的光学气体成型方法在整个处理过程中都将边界条件当做定值；这种做法能够简化计算量，但是不符合气体实际的变化情况，导致计算的准确性和精准度均出现了极大的降低。
[0006]因此，上述技术问题亟待解决。

技术实现思路

[0007]为了避免和克服现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法。本专利技术能够有效提高泄漏气体密度计算的准确性。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法，包括以下步骤：
[0010]S1、在指定的光学测量位置布置背景板，同时在指定的拍摄位置安装CCD相机；开启照射光源，光束照射在背景板上，并反射进入CCD相机内；将喷射泄漏气体的气体喷射器安装在预定的位置，并将喷射口对准反射光束的传播路径；
[0011]S2、同步调整背景板、CCD相机、照射光源以及气体喷射器的位置，使反射光束垂直照射在CCD相机的成像平面上，并同时使背景板的发光面沿反射光束传播方向上的投影与CCD相机的成像平面完全重合；此时气体喷射器产生的喷射平面与反射光线彼此垂直相交，且垂直相交处构成气体流场；
[0012]S3、使用CCD相机拍摄气体喷射器关闭状态下的反射光束图像作为参考图像；使用CCD相机拍摄气体喷射器喷射状态下的反射光束图像作为实验图像；
[0013]S4、对比参考图像和实验图像上对应问询窗口位置的变化，获取问询窗口的像素级位移和亚像素级位移，并将像素级位移和亚像素级位移相加，计算出对应问询窗口的总位移；
[0014]S5、检测气体流场边缘的温度，并将测得的温度带入理想气体状态方程中，计算出气体流场边缘处泄漏气体的密度；将该气体密度带入解格拉斯通
‑
戴尔方程中，计算出该泄漏气体的折射率；
[0015]S6、将S5中计算出的折射率值作为折射率计算方程的狄利克雷边界条件，采用中心差分法对气体流场进行迭代求解，以得到整个流场中折射率分布场情况，进而可反推出得气体流场的密度分布情况。
[0016]作为本专利技术再进一步的方案：步骤S4具体如下：
[0017]S41、以参考图像的两垂直线相交的侧边作为坐标轴，以两边的交点作为坐标原点，建立平面直角坐标系；选择参考图像上指定的区域作为问询窗口，并记录参考图像中该问询窗口中心点的坐标(x0,y0)；
[0018]S42、在实验图像的对应位置处构建尺寸相同的问询窗口，观察问询窗口的位置变化，记录该问询窗口中心点的坐标(x1,y1)；
[0019]S43、使用互相关系数计算参考图像中问询窗口和实验图案中问询窗口之间的相关性，相关性系数计算公式如下：
[0020][0021]其中，R(x,y)为互相关系数计算公式，F(x0,y0)表示参考图像中问询窗口的灰度分布，G(x1,y1)表示实验图像中问询窗口的灰度分布；
[0022]S44、若互相关系数计算的值位于[0.95,1]，则实验图像中构建的问询窗口正确，否者重复S42到S43；
[0023]S45、使用问询窗口中点移动前后的坐标相减，以获得该问询窗口的像素级位移：
[0024]dx＝x0‑
x1[0025]dy＝y0‑
y1[0026]其中，dx为问询窗口在X轴上的像素级位移，dy为问询窗口在Y轴上的像素级位移；
[0027]S46、接着使用亚像素级位移计算公式计算该问询窗口的亚像素级位移：
[0028][0029][0030]其中，du为问询窗口在X轴上的亚像素级位移，dv为问询窗口在Y轴上的亚像素级位移；
[0031]S47、最后将像素级位移和亚像素级位移相加，以获得对应问询窗口的总位移：
[0032]D
x
＝dx+du
[0033]D
y
＝dy+dv
[0034]其中，D
x
为问询窗口在X轴上的总位移，D
y
为问询窗口在Y轴上的总位移。
[0035]作为本专利技术再进一步的方案：步骤S5的具体过程如下：
[0036]S51、所述气体流场的长度方向垂直反射光束的传播方向；在气体流场的四周侧面上布置温度传感器，获取气体流场边缘处的温度T；
[0037]S52、将测得的温度T带入理想气体状态方程中，以计算出气体流场边缘气体的密度ρ：
[0038][0039]其中，ρ为泄漏气体的密度，P为标准大气压，M为泄漏气体的摩尔质量，T为气体流场边缘处的温度，R
g
为理想气体常数；
[0040]S53、将该气体密度带入格拉斯通
‑
戴尔方程中，计算出该泄漏气体的折射率，格拉斯通
‑
戴尔方程如下：
[0041]n＝kρ+1
[0042]其中，n为泄漏气体的折射率，k为格拉斯通
‑
戴尔常数。
[0043]作为本专利技术再进一步的方案：步骤S6的具体过程如下：
[0044]S61、查表获得格拉斯通戴尔常数k的值，将其带入解格拉斯通
‑
戴尔方程中，计算出泄漏气体的折射率；
[0045]S62、将泄漏气体的折射率的值作为折射率计算方程的狄利克雷边界条件，折射率计算方程如下：
[0046][0047][0048]其中，Z
D
为背景板到气体流场中心的距离；Z
I
为CCD相机的镜头到成像平面的距离；ΔZ
D
为气体流场长度的一半，n为泄漏气体的折射率；
[0049]S63、中心差分法对气体流场进行迭代求解，以得到整个流场中折射率分布场情况，进而可反推出得气体流场的密度分布情况。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
dy＝y0‑
y1其中，dx为问询窗口在X轴上的像素级位移，dy为问询窗口在Y轴上的像素级位移；S46、接着使用亚像素级位移计算公式计算该问询窗口的亚像素级位移：S46、接着使用亚像素级位移计算公式计算该问询窗口的亚像素级位移：其中，du为问询窗口在X轴上的亚像素级位移，dv为问询窗口在Y轴上的亚像素级位移；x1‑
1表示坐标值x1沿X轴负向移动一个单位长度，x1+1表示坐标值x1沿X轴正向移动一个单位长度；y1‑
1表示坐标值y1沿Y轴负向移动一个单位长度，y1+1表示坐标值y1沿Y轴正向移动一个单位长度；S47、最后将像素级位移和亚像素级位移相加，以获得对应问询窗口的总位移：D
x
＝dx+duD
y
＝dy+dv其中，D
x
为问询窗口在X轴上的总位移，D
y
为问询窗口在Y轴上的总位移。3.根据权利要求2所述的一种基于背景纹影技术的泄漏气体二维密度分布测量方法，其特征在于，步骤S5的具体过程如下：S51、所述气体流场的长度方向垂直反射光束的传播方向；在气体流场的四周侧面上布置温度传感器，获取气体流场边缘处的温度T；S52、将测得的温度T带入理想气体状态方...

【专利技术属性】
技术研发人员：马书豪，范志超，王璐，陶家辉，
申请(专利权)人：合肥通用机械研究院特种设备检验站有限公司，
类型：发明
国别省市：