本发明涉及管道流体流量测量，具体涉及一种基于图像传感器的管道流体流量测量装置及其测量方法。
背景技术：
1、当前大部分能源均以液态、气态以及载能流体工质(如：冷热水、蒸汽、压缩空气等)的形式存在，均需使用流量计(或以流量计为核心的能量计)进行计量。随着越来越多的工厂、写字楼、酒店公寓、商业综合体、医院、大型公建等使用智能控制系统进行能源监测、计量与调节优化，国家大力推进集中供冷热系统的分户计量计费，全社会对流量计的需求量越来越大。
2、现有流量计种类繁多，按测量原理不同主要分为四大类：容积式、质量式、速度式、差压式。
3、容积式流量计需依赖机械部件分割或推动流体，与被测流体直接接触，对流场干扰大，对颗粒物和杂质敏感，容易堵塞磨损，长期使用会使精度降低、维护成本提高；质量式流量计通过直接测量流体的质量流量，具有高精度和不受流体性质变化的优点，但需要较高成本和复杂的安装维护；速度式流量计精度较高且可设计成非侵入式，对流体干扰较小，后期维护成本较低，但因电磁场、超声波的生成、测控较复杂，成本较高，对流体性质和安装有一定的要求；差压式流量计基于伯努利原理，需由压差计算流速进而得到流量，信息传递链过长干扰因素众多，因此精度较低，但其通常结构简单、使用简便、成本较低。
4、综上所述，目前流量计普遍存在成本(包括安装成本和后期维护成本)和精度之间相矛盾的问题，缺少精度高、成本低、安装要求低的流量测量装置。
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量数据，对于高精度、低成本、安装使用简便的流量传感器的需求越来越迫切。而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量测量装置，包括照明模块、成像模块、图像处理计算模块和通流管道；其中所述成像模块包括光学成像单元和图像传感器；所述照明模块和成像模块安装在通流管道壁上；当有流体流经所述基于图像传感器的流量测量装置的通流管道时,利用所述流量测量装置对所述通流管道内的流体进行流量测量。
4、所述照明模块一般使用半导体光源(如发光二极管、激光二极管等)，所发光包含可见光或不可见光，当含有杂质或示踪粒子的流体流经所述通流管道内部时,所述照明模块照亮所述流体或粒子形成照亮区。所述光学成像单元根据测量需要选取，可以选取部分或全部照亮区作为测量区，将其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模块；所述图像处理计算模块处理所得图像信息并计算得到流量。
5、优选地，所述照明模块发出的光为片状光幕，避免照亮片状光幕厚度方向两侧区域产生干扰，测量区在片状光幕照亮范围内。进一步地，所述通流管道的轴线可位于所述照明模块发出片光的平面上，确保测得管道直径上各位置的速度。
6、优选地，所述图像处理计算模块能根据像斑的图像特征剔除偏离聚焦平面的粒子图像，仅保留聚焦平面两侧一定厚度范围内的粒子图像，厚度可根据测量需要设置，从而限制测量区厚度，避免聚焦平面两侧粒子的干扰。其中，像斑的图像特征包括但不限于大小、亮度、形状、边缘锐度、运动速度等。
7、可选地，所述光学成像单元可调节聚焦平面位置和景深，进而改变测量区的位置和厚度，增加测量的灵活度。
8、可选地，所述照明模块、成像模块均可以有多个，根据需要分布在通流管道壁上或管道内，可实现复杂灵活的照明和多路图像融合处理。
9、可选地，所述照明模块和成像模块采用密封封装，突出所述通流管道壁面，减小其与测量区的距离，降低对光线方向性和强度的要求，提高测量精度降低成本。
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，所述照明模块采用光导纤维传输光信号，满足部分远距离成像和防爆、减少发热等特殊需要。
12、可选地，所述流量测量装置配备示踪粒子投放或发生装置，其中所述发生装置无需添加物质即可生成示踪粒子，包括但不限于电解水生成气泡、扰动生成漩涡、加热生成热流体等，简化使用且对流体影响小，而投放装置则需要添加固体颗粒、油、气体、墨水等物质。进一步地，可仅在所述测量区局部添加示踪粒子。
13、本发明还提供了一种利用所述基于图像传感器的流量测量装置进行流量测量的方法，包括如下步骤：
14、s101：在所述通流管道内选定目标测量区，安装设置所述成像模块使其拍摄该测量区；
15、s102：如果被测流体中杂质满足测量要求，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；
16、s103：照明模块照亮测量区，成像模块拍摄测量区获得前后相邻两帧图像并传输至所述图像处理计算模块，同时记录两帧间时间间隔；
17、s104：图像处理计算模块根据需要对图像划分网格，选取需要的网格，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；
18、s105：用各网格位移矢量分别除以两帧间时间间隔，算得各网格内流体的流速矢量；
19、s106：据各网格流速矢量计算得到所述通流管道内流体流量。
20、优选地，可将所述目标测量区的截面划分为若干区域，每个区域内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。
21、可选地，拍摄管道内图像，分析计算得到液面位置，用于计算管道非满液时的流量。
22、本发明的有益效果如下：
23、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，提高了精度。
24、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速度式流量计。
25、3)光源成本低，光源和图像传感器均接近测量区，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。
26、4)大管径测量，随着待测管径增加，测量装置核心硬件成本提升较低，特别适用于大管径流量测量。
27、5)可靠性高，流量测量装置没有机械运动部件，所有部件均可采用密封封装，不会受流体作用导致损坏、磨损、堵塞等问题。
28、6)流场干扰小，核心测量部件可安装在通流管道壁面上，通过通流管道壁面对流体进行非接触式测量，减小对流场的影响。
29、7)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。
30、8)示踪粒子要求低，探头接近测量区，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。
31、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。
32、10)可测二维流量，基于图像计算所得流速为二维矢量，相比目前常用的速度式流量计增加一维，可衍生更多应用。
1.一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，包括照明模块、成像模块、图像处理计算模块和通流管道；其中所述成像模块包括光学成像单元和图像传感器；所述照明模块和成像模块安装在通流管道壁上；当含有杂质或示踪粒子的流体流经所述通流管道内部时,所述照明模块照亮所述流体或粒子形成照亮区；所述光学成像单元选取所需照亮区作为测量区，将其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模块；所述图像处理计算模块处理所得图像信息并计算得到流量。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述照明模块发出的光为片状光幕，能限制测量区厚度减少干扰。
3.根据权利要求2所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述通流管道的轴线位于所述照明模块发出片光的平面上。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述图像处理计算模块能根据像斑的图像特征剔除偏离聚焦平面的粒子图像，进而限制测量区厚度。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述光学成像单元可调节聚焦平面位置和景深，进而改变测量区的位置和厚度。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述照明模块、成像模块均可在通流管道上设置多个。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，所述照明模块采用光导纤维传输光信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于图像传感器的流量测量装置，其特征在于，还包括示踪粒子投放或发生装置，其中所述发生装置无需添加物质即可生成示踪粒子。
9.一种基于图像传感器的流量测量装置的流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种基于图像传感器的流量测量装置的流量测量方法，其特征在于，拍摄所述通流管道内图像，分析计算得到液面位置，用于计算管道非满液时的流量。
