概述：粒子成像测速系统简称PIV（Particle Image Velocimetry ），PIV技术是集流动可视化和全流场流动参数定量测试为一体的现代流场测试技术，它被广泛地应用于与流动有关的各个领域。本文介绍了PIV技术在天然气管道内的流场测试及其流体微团之间相互作用和流动机理的分析中的应用。作为《天然气管道内流场特性对计量特性的影响研究》项目的一部分，我们已经完成了该系统的软件开发，成像系统和软件系统的调试工作，并在成都天然气流量计量站进行了初步的实验。下面将就本项目中所采用的PIV系统进行简介，并对现场实验结果进行分析。

1．PIV系统简介

1.1PIV系统的组成
PIV系统包含硬件和软件两个部分：
硬件部分包括： 双曝光CCD、双脉冲激光器、同步器、图像采集卡、计算机。
软件部分包括： 图像采集部分和图像处理部分。

1.2PIV系统的工作原理
 PIV技术是一种利用粒子对流体的跟随性来测定流场的速度及其它的一些运动参数的流动测试方法。其示踪和照明的工作原理如下：
(1) 示踪
PIV技术的实质是利用撒在流体中的粒子的运动来示踪流体介质的运动。因此,在进行流场的PIV测试时，首先应在实验室环境下构造一个模拟的、透光性好的流场。流体介质和实验结构都要求透明度高，以便获得高清晰度的PIV图像。在气体中示踪粒子的直径应不大于5µm,以便使其在随气体一起运动时的下降速度不会大于3‰,即粒子的跟随性要好。
(2) 照明
二维流场的照明系统一般由光源和光路系统组成。为了得到清晰可辨的二维流场粒子图像，通常采用片光，其厚度尽可能地薄，光的亮度尽可能地分布均匀。因为激光的单色性好，光束扩散小，功率较大,一般都采用激光照明。两幅图像间的时间间隔最小应以微秒计。在本次实验中我们采用双脉冲激光器。
 
2．PIV软件系统组成

可分为如下6步：
2.1对图像进行比例尺的设定，选择要处理的区域。
2.2图像增强
在一幅PIV图像中，示踪粒子的像斑叫前景，而像斑周围的区域，或其它一些图形叫背景。一般情况下，流场的照度是不均匀的，特别是当测量液体流场时，激光会产生一些反射，所以必须对图像进行增强处理。图像增强的目的就是要增强前景与背景的对比度，改善PIV图像的质量。

2.3阈值变换
阈值变换的目的是为了把粒子像点与它的背景分离开来。换言之，就是要把经过图像增强后的图像进行二值化。在二值化后的图像中，主要由示踪粒子像点组成的前景图像被赋给一个特定的灰度值（往往是一个较大的值），而背景图像被赋给另外一个值（往往是一个较小的值）。

2.4寻点
通过图像的阈值处理一幅PIV灰度图像就变成了一幅二值化图像，接下来就必须对图像进行逐行搜索，以识别图像中的粒子，并纪录下它们的坐标位置。坐标位置的确定可以采用质心或形心定位的方法，而二值化图像由于经过了阈值变换灰度一致，所以可以直接采用形心定位，即粒子的坐标位置是其域内各像素位置的平均和。

2.5粒子像点的匹配（拓扑运算）
粒子像点的匹配的目的是要在两幅连续的PIV图像中寻找到由同一个示踪粒子产生的像点，由这两个粒子像点的位置就可以计算出示踪粒子的位移。这是粒子跟踪算法区别于相关算法最明显的一个特点。有关粒子跟踪的算法有很多，其中较有代表性的是拓扑图论算法，本软件即采用拓扑图论算法。

2.6PIV图像的后处理
PIV图像的后处理包括对速度矢量的插值运算以及其它一些流动参数的计算。示踪粒子是离散的分布在整幅图像中，而有些区域中并不存在示踪粒子，因此为了得到每一点的速度，必须对速度场进行插值。另外，有些小区域内的匹配结果所反映出的速度与相邻区域内的速度并不连续，这就必须舍弃该区域内的处理结果，而采用插值处理来得到该区域内的速度场。
在得到速度矢量场后，根据流体力学的基本原理，就可以完成流线场，旋度场等的计算。

3．现场测试结果及结论

我们于2005年4月在西南油气田分公司天然气计量检测中心的4’管道（管径100mm）上进行了实压实流的流场测试试验。粒子发生器采用四川石油设计院研制的高压氮气电升温雾化装置，雾化介质为乙二醇,管道试验压力为0.8兆帕，流量为100M3/h、200M3/h、300M3/h、400M3/h、500M3/h、600M3/h。CCD所摄图像为过管道轴线铅垂面中心位置大约35×46mm面积上的流场。

进行实压实流试验时，氮气瓶的输出压力大约是2兆帕，高压釜中喷嘴管的入口没入乙二醇液面，高压釜中的乙二醇可加温到200℃。高压釜中的乙二醇受到氮气瓶中压力的驱动从0.5mm直径的环形喷嘴喷出可形成直径小于5微米的雾滴，这样的雾滴在气流中的下降速度可以忽略不计。
以下是比较典型的处理结果：

 从以上处理结果中我们可得出以下结论：
（1） PIV系统可以被用于二维流场的可视化测量；
（2） 采用双曝光CCD、图像采集卡、脉冲激光器和同步器搭建的PIV系统可以准确的捕或流场中的示踪粒子，采用拓扑图论算法可以准确地确定出粒子在两次曝光图像上的位移关系。
（3） 将PIV实验处理的结果与标准器工矿流量进行比较，结果是准确可靠的。
（4） 应该尽快改善实验用的喷射引流装置，以方便进行大批量实验。应当制定详细的实验计划，将PIV测试方法与传统的流量测量方法进行比较，并用PIV测试方法开展不同阻流件影响下流场情况的实验研究，以分析天然气管道内流场特性对计量特性影响。