CN114777864A - 一种声电双模态融合的液固两相流量测量方法 - Google Patents

一种声电双模态融合的液固两相流量测量方法 Download PDF

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CN114777864A CN202210451759.6A CN202210451759A CN114777864A CN 114777864 A CN114777864 A CN 114777864A CN 202210451759 A CN202210451759 A CN 202210451759A CN 114777864 A CN114777864 A CN 114777864A
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董峰
张瀚瑞
谭超
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Abstract

本发明涉及一种声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，用于实现水平测量管道液固两相流量的非扰动测量，所采用的传感器包括双截面电阻层析成像传感器和脉冲波超声多普勒传感器，所述双截面电阻层析成像传感器用于获取管道内液固两相介质分布及底部颗粒层流速测量，所述脉冲波超声多普勒传感器用于获取离散相流速剖面信息，通过插值型积分将不同流态下测量的流速剖面信息转换为液固两相流量。

Description

一种声电双模态融合的液固两相流量测量方法
技术领域
本发明属于流体测量技术领域，涉及一种电学与超声双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，用于实现液固两相流量的非扰动测量。
背景技术
液固两相流广泛存在于化工、制药、制冷、食品等领域，是工业生产过程中的常见流动状态，两相流动参数的获取对有助于数值建模验证及流动过程分析。流量作为液固两相流的重要流动参数，与两相流动状态密切相关，对流量的在线准确测量对复杂液固两相流动过程监测和流动机理研究等有着至关重要的作用。
液固两相流量测量方法主要有电磁流量计法、差压法、科里奥利质量流量计法、相关法、多普勒法等。电磁流量计法作为最常用的两相流量测量方法，利用电磁感应原理，根据导电流体通过外部磁场所产生的电动势来测量导电流体的流量，具有装置结构简单，无压力损失等优点。差压法如文丘里管，是利用通过节流装置的前后压降变化建立与流体流量及固相浓度的关系进行测量，具有简单、便宜、测量精度高的优点。科里奥利质量流量计是基于科里奥利力原理的仪器，通过测量振动管道中产生的科里奥利力，受力流体质量流量成正比，进而得到流量值。相关法测量原理为利用上下游同模态传感器(如电学、射线、超声等)采集信号的相关性，根据互相关算法得到时延信息结合上下游传感器间距进行测量流速(流量)，其测量原理简单易实现。多普勒法(激光、超声)是基于多普勒原理进行流量测量，流体中的运动离散相与信号发射源之间存在相对运动，经过离散相反射的回波信号与反射信号产生多普勒频移，该频移与离散相的运动速度成正比，结合不同的回波信号时间可以获得不同测量位置的流速剖面信息，从而实现流量测量。
上述测量方法均存在其局限性，如针对具有纵向非对称浓度及速度分布的液固两相流体会造成测量误差，传感器结构影响两相流态并易造成堵塞，非透光、高浓度液固两相流适用性差等。本发明专利是结合电学层析成像及超声多普勒非扰动测量技术，利用多传感器测量数据获取管道截面浓度分布及速度分布信息，利用融合方法获得不同流态下的流速剖面测量值，实现液固两相流量准确测量。
发明内容
本发明针对纵向非对称浓度及速度分布的液固两相流量测量问题，提供一种可以提高测量准确度的声电双模态融合的非扰动测量方法。本发明的技术方案如下：
一种声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，用于实现水平测量管道液固两相流量的非扰动测量，所采用的传感器包括双截面电阻层析成像传感器和脉冲波超声多普勒传感器，所述双截面电阻层析成像传感器用于获取管道内液固两相介质分布及底部颗粒层流速测量，所述脉冲波超声多普勒传感器用于获取离散相流速剖面信息，其特征在于，通过分层积分法将不同流态下测量的流速剖面信息转换为液固两相流量，包含如下步骤：
(1)采集双截面电阻层析成像传感器及脉冲波超声多普勒传感器测量信号，双截面电阻层析成像传感器每个截面的测量数据为相邻激励-测量模式下的边界电压，脉冲波超声多普勒传感器的测量数据为脉冲波超声多普勒传感器经液固两相流后被离散颗粒反射后被传感器接收的回波信号；
(2)利用电阻层析成像传感器识别液固两相流流型，电阻层析成像传感器的测量数据结合层析成像反演算法Tikhonov算法重建被测管道截面的电导率分布信息即液固两相介质分布重建图像，重建图像像素值代表浓度值，进而得到管道截面的不同位置的浓度值，水平测量管道上下端连线方向被称为纵向，通过对纵向的平均处理得到纵向平均浓度值
Figure BDA0003618913940000021
将纵向平均浓度值作为信号序列，对其求导得到管道纵向浓度变化率γ(b)：
Figure BDA0003618913940000022
式中，b为管道截面的纵向坐标，n为纵向像素点数；
当管道纵向浓度变化率的变化率
Figure BDA0003618913940000023
满足如下条件，认为符合液固两相流异质流纵向浓度变化规律，识别为液固两相流为异质流：
Figure BDA0003618913940000024
式中，α为液固两相流纵向浓度变化率参数，异质流浓度分界线距管道底部高度h为，
Figure BDA0003618913940000025
式中，R为水平测量管道半径，s为浓度分界线中心处距管道底部的像素点纵向坐标值，其值满足如下条件，
Figure BDA0003618913940000026
式中，β为液固两相流纵向浓度参数，获得浓度分界线后进入步骤(3)；
当纵向浓度变化率的变化率不满足以上条件，则识别液固两相流为均相流，进入步骤(4)；
(3)当液固两相流流型识别为异质流时，利用双截面电阻层析成像传感器的测量数据组成时间序列测量数据，利用数据降维特征提取算法将高维测量数据转换成低维特征数据用于互相关处理，通过互相关算法处理获得异质流底部颗粒层流速Ucc，获得异质流底部颗粒层流速后进入步骤(5)；
(4)通过脉冲波超声多普勒传感器测量液固两相流中离散相流速剖面，根据多普勒原理，回波信号包含运动离散相的多普勒频移信息，根据不同测量时间对应的测量位置，将回波信号分段处理，并取不同脉冲重复周期的频移平均值作为该测量位置的平均多普勒频移，通过平均多普勒频移得到不同位置的离散固相颗粒的流速U(y)；
(5)不同流态下纵向流速剖面测量，方法为：液固两相均相流的流速剖面采用步骤(4)中的脉冲波超声多普勒测量得到U(y)；液固两相异质流的流速剖面为声电双模态融合流速剖面Um(y)，其由两部分组成，流速剖面在浓度分界线以上部分的流速值采用步骤(4)中脉冲波超声多普勒传感器的方法测量，流速剖面在浓度分界线以下部分的流速值为步骤(3)中异质流底部颗粒层流速Ucc；
Figure BDA0003618913940000031
(6)将纵向流速剖面信息转换为截面平均流速信息，实现液固两相流量Q测量，方法如下：
1)由纵向流速剖面的测量点数N将管道截面沿纵向划分为N个区域，每个区域的纵向高度相等，区域面积为A(y)，计算公式如下，
Figure BDA0003618913940000032
Figure BDA0003618913940000033
其中Q(y)为距底部y处的区域流量值，A(y)为距底部y处的区域面积；
2)采用牛顿-柯特斯公式对液固两相流量Q进行插值型积分求解。
优选地，步骤(2)中，α取值为3；β为液固两相流纵向浓度参数，取值为4。
优选地，步骤(3)的方法如下：
1)提取边界电压特征参数：
Figure BDA0003618913940000034
式中，VR(t)为t时间下电阻层析成像传感器边界电压特征参数向量，Vij为液固两相流体在第i个电极对激励时第j个电极对的边界电压，Vij0为纯液相中在第j电极对激励时第i个电极对的边界电压；
2)通过互相关算法处理双截面电阻层析成像传感器的时间序列测量数据，得到互相关时延τ，
3)异质流底部颗粒层流速Ucc为，
Figure BDA0003618913940000035
式中，D为双截面电阻层析成像传感器的间距。
优选地，步骤(4)中，离散固相颗粒的流速U(y)计算公式如下：
Figure BDA0003618913940000041
Figure BDA0003618913940000042
式中，
Figure BDA0003618913940000043
为距管道底部y处的平均多普勒频移，fd(y)p为第p个脉冲重复周期内距底部y处的多普勒频移，q为计算流速剖面所用的脉冲重复周期数，c0为脉冲波超声多普勒安装楔块中的声速，θ0为楔块中超声传感器晶元的法线方向与流体流动方向的夹角，从而得到管道纵向流速剖面。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、该方法为非扰动的测量方法，采用了声电双模态传感器进行测量，不影响流体的流动；
2、针对不同流动状态的液固两相流体进行测量，减少因为流态导致的纵向非对称浓度及流速剖面造成的测量误差；
3、安装简单、测量速度快、成本低，能够准确测量管道内的液固两相流量。
附图说明
以下附图描述了本发明所选择的实施例，均为实例性附图而非穷举或限制性，其中：
图1为本发明的测量方法中液固两相流量测量流程图；
图2为本发明的测量方法中声电双模态传感器管道安装示意图；
图3为本发明的测量方法中电阻层析成像传感器获得纵向平均浓度示意图；
图4为本发明的测量方法中双截面电阻层析成像传感器互相关算法测量原理示意图；
图5为本发明的测量方法中分层积分法截面流速测量示意图；
图6为本发明的测量方法中液固两相流不同流态的实拍图；
图7为本发明的测量方法中液固两相流量测量结果及相对测量误差图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本实例中，以水平测量管道中沙水两相流作为液固两相研究对象，采用超声与电学双模态传感器融合方法，实现液固两相流不同流态下流量的非扰动测量，双截面电阻层析成像传感器获取管道内液固两相介质分布及底部颗粒层流速测量，脉冲波超声多普勒传感器获取离散相流速剖面信息，通过分层积分法将不同流态下测量的流速剖面信息转换为液固两相流量，具体测量流程如图1所示。该声电双模态融合的液固两相流量测量方法包含如下步骤：
步骤1：根据图2所示的声电双模态传感器管道安装方式，安装双截面16电极电阻层析成像传感器及脉冲波超声多普勒传感器，并采集10s声电双模态传感器测量数据，其中电阻层析成像传感器的测量数据为相邻激励-测量模式下的边界电压，脉冲波超声多普勒传感器的测量数据为脉冲波超声多普勒传感器经液固两相流后被离散颗粒反射后被传感器接收的回波信号；
步骤2：电阻层析成像传感器的测量数据结合层析成像反演算法Tikhonov算法(Yang W Q,Peng L.Image reconstruction algorithms for electrical capacitancetomography,Measurement science and technology,2002,14(1):R1.pp.1-13或TikhonovA.N.Solution of incorrectly formulated problems and the regularizationmethod,Soviet Mathematic Doklady,1963,4.pp.1035–1038)可重建被测管道截面的电导率分布信息，即液固两相介质分布重建图像，并进行滤波处理以消除测量噪声。重建图像像素值代表浓度值，进而得到管道截面的不同位置的浓度值P(a,b)。对管道截面浓度值进行归一化处理得到Ps(a,b)；
Figure BDA0003618913940000051
其中a，b为截面的坐标，水平测量管道上下端连线方向被称为纵向，左右端连线方向被称为横向，并通过纵向平均处理得到纵向平均浓度值
Figure BDA0003618913940000052
如图3所示；
Figure BDA0003618913940000053
其中m为管道截面横向像素点数，n为纵向像素点数。将纵向平均浓度值作为信号序列，对其求导得到纵向浓度变化率γ(b)：
Figure BDA0003618913940000054
当管道纵向浓度变化率的变化率
Figure BDA0003618913940000055
满足如下条件，认为符合液固两相流异质流纵向浓度变化规律，识别液固两相流为异质流。
Figure BDA0003618913940000056
式中，α为液固两相流纵向浓度变化率参数，取值为3。其中异质流浓度分界线如图3中虚线所示，分界线距管道底部高度h为，
Figure BDA0003618913940000057
式中，R为水平测量管道半径，s为浓度分界线中心处距管道底部的像素点纵向坐标值，其值满足如下条件，
Figure BDA0003618913940000058
式中，β为液固两相流纵向浓度参数，取值为4，获得浓度分界线后进入步骤3。
当纵向浓度变化率的变化率不满足以上条件，则识别液固两相流为均相流，进入步骤4；
步骤3：利用双截面电阻层析成像传感器的测量数据组成时间序列测量数据，利用数据降维特征提取算法将高维测量数据转换成低维特征数据用于互相关处理，通过互相关算法处理获得异质流底部颗粒层流速，测量原理如图4所示。边界电压特征参数提取方法如下：
Figure BDA0003618913940000061
式中，VR(t)为t时间下电阻层析成像传感器边界电压特征参数向量，Vij为液固两相流体在第i个电极对激励时第j个电极对的边界电压，Vij0为纯液相中在第j电极对激励时第i个电极对的边界电压。
通过互相关算法处理双截面电阻层析成像传感器的时间序列测量数据，互相关函数如下，
Figure BDA0003618913940000062
式中，VR1(t)和VR2(t)分别为截面1和截面2在时间t的边界电压特征特征参数向量，τ为互相关时延，T为互相关积分时间。
异质流底部颗粒层流速Ucc为，
Figure BDA0003618913940000063
式中，D为双截面电阻层析成像传感器的间距，获得底部颗粒层流速后进入步骤5；
步骤4：通过脉冲波超声多普勒回波信号直接获得液固两相流中离散相流速剖面。根据多普勒原理，回波信号包含运动离散相的多普勒频移信息，根据回波信号中不同时间延迟ξ与对应的空间点相对底部的距离如下，
Figure BDA0003618913940000064
式中，ξ为时间延迟，y为相对底部的距离，c为流体中的声速，θ为超声波射入流体方向与流体流动方向的夹角。
通过乘法解调或频谱分析等方法处理脉冲波超声多普勒回波信号实现多普勒频移信息提取，根据不同测量时间对应的测量位置，将回波信号分段处理，并取不同脉冲重复周期的频移平均值作为该测量位置的平均多普勒频移，通过平均多普勒频移得到不同位置的离散固相颗粒的流速U(y)，计算公式如下，
Figure BDA0003618913940000065
Figure BDA0003618913940000066
式中，
Figure BDA0003618913940000067
为距底部y处的平均多普勒频移，fd(y)p为第p个脉冲重复周期内距底部y处的多普勒频移，q为计算流速剖面所用的脉冲重复周期数，c0为脉冲波超声多普勒安装楔块中的声速，θ0为楔块中超声传感器晶元的法线方向与流体流动方向的夹角，从而得到管道纵向流速剖面；
步骤5：不同流态下纵向流速剖面测量，液固两相均相流的流速剖面采用步骤4中的脉冲波超声多普勒测量得到U(y)；液固两相异质流的流速剖面为声电双模态融合流速剖面Um(y)，其由两部分组成，流速剖面在浓度分界线以上部分的流速值采用步骤4中脉冲波超声多普勒传感器的方法测量，流速剖面在浓度分界线以下部分的流速值为步骤3中异质流底部颗粒层流速Ucc；
Figure BDA0003618913940000071
步骤6：利用分层积分法将纵向流速剖面信息转换为截面平均流速信息，实现液固两相流量Q测量。由纵向流速剖面的测量点数N将管道截面沿纵向划分为N个区域，每个区域的纵向高度相等，区域面积为A(y)，如图5所示，通过分层积分法得到液固两相流量，计算公式如下，
Figure BDA0003618913940000072
Figure BDA0003618913940000073
其中Q(y)为距底部y处的区域流量值，A(y)为距底部y处的区域面积。
采用牛顿-柯特斯公式对液固两相流量进行插值型积分求解，
Figure BDA0003618913940000074
Figure BDA0003618913940000075
yk＝kl
式中，
Figure BDA0003618913940000076
为柯特斯系数，l为步长，yk为等距节点，柯特斯系数计算如下，作变换yk＝κl，
Figure BDA0003618913940000077
经过计算得到液固两相流量Q。
图6为通过高速摄像机拍摄的液固两相流不同流态的实际流动图。
图7为本发明声电双模态融合液固两相流量测量方法得到的测量结果及相对误差图。通过测量误差分析表明，本发明有很好的测量精度，证明了本发明的有效性。
以上对本发明及实施方式的描述，并不局限于此，附图中所示仅是本发明的实施方式之一。在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造地设计出与该技术方案类似的实施例，均属本发明保护范围。

Claims (4)

1.一种声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，用于实现水平测量管道液固两相流量的非扰动测量，所采用的传感器包括双截面电阻层析成像传感器和脉冲波超声多普勒传感器，所述双截面电阻层析成像传感器用于获取管道内液固两相介质分布及底部颗粒层流速测量，所述脉冲波超声多普勒传感器用于获取离散相流速剖面信息，其特征在于，通过插值型积分将不同流态下测量的流速剖面信息转换为液固两相流量，包含如下步骤：
(1)采集双截面电阻层析成像传感器及脉冲波超声多普勒传感器测量信号，双截面电阻层析成像传感器每个截面的测量数据为相邻激励-测量模式下的边界电压，脉冲波超声多普勒传感器的测量数据为脉冲波超声多普勒传感器经液固两相流后被离散颗粒反射后被传感器接收的回波信号；
(2)利用电阻层析成像传感器识别液固两相流流型，电阻层析成像传感器的测量数据结合层析成像反演算法Tikhonov算法重建被测管道截面的电导率分布信息即液固两相介质分布重建图像，重建图像像素值代表浓度值，进而得到管道截面的不同位置的浓度值，水平测量管道上下端连线方向被称为纵向，通过对纵向的平均处理得到纵向平均浓度值
Figure FDA0003618913930000016
将纵向平均浓度值作为信号序列，对其求导得到管道纵向浓度变化率γ(b)：
Figure FDA0003618913930000011
式中，b为管道截面的纵向坐标，n为纵向像素点数；
当管道纵向浓度变化率的变化率
Figure FDA0003618913930000012
满足如下条件，认为符合液固两相流异质流纵向浓度变化规律，识别为液固两相流为异质流：
Figure FDA0003618913930000013
式中，α为液固两相流纵向浓度变化率参数，异质流浓度分界线距管道底部高度h为，
Figure FDA0003618913930000014
式中，R为水平测量管道半径，s为浓度分界线中心处距管道底部的像素点纵向坐标值，其值满足如下条件，
Figure FDA0003618913930000015
式中，β为液固两相流纵向浓度参数，获得浓度分界线后进入步骤(3)；
当纵向浓度变化率的变化率不满足以上条件，则识别液固两相流为均相流，进入步骤(4)；
(3)当液固两相流流型识别为异质流时，利用双截面电阻层析成像传感器的测量数据组成时间序列测量数据，利用数据降维特征提取算法将高维测量数据转换成低维特征数据用于互相关处理，通过互相关算法处理获得异质流底部颗粒层流速Ucc，获得异质流底部颗粒层流速后进入步骤(5)；
(4)通过脉冲波超声多普勒传感器测量液固两相流中离散相流速剖面，根据多普勒原理，回波信号包含运动离散相的多普勒频移信息，根据不同测量时间对应的测量位置，将回波信号分段处理，并取不同脉冲重复周期的频移平均值作为该测量位置的平均多普勒频移，通过平均多普勒频移得到不同位置的离散固相颗粒的流速U(y)；
(5)不同流态下纵向流速剖面测量，方法为：液固两相均相流的流速剖面采用步骤(4)中的脉冲波超声多普勒测量得到U(y)；液固两相异质流的流速剖面为声电双模态融合流速剖面Um(y)，其由两部分组成，流速剖面在浓度分界线以上部分的流速值采用步骤(4)中脉冲波超声多普勒传感器的方法测量，流速剖面在浓度分界线以下部分的流速值为步骤(3)中异质流底部颗粒层流速Ucc；
Figure FDA0003618913930000021
(6)将纵向流速剖面信息转换为截面平均流速信息，实现液固两相流量Q测量，方法如下：
1)由纵向流速剖面的测量点数N将管道截面沿纵向划分为N个区域，每个区域的纵向高度相等，区域面积为A(y)，计算公式如下，
Figure FDA0003618913930000022
Figure FDA0003618913930000023
其中Q(y)为距底部y处的区域流量值，A(y)为距底部y处的区域面积；
2)采用牛顿-柯特斯公式对液固两相流量Q进行插值型积分求解。
2.根据权利要求1所述的声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，其特征在于，步骤(2)中，α取值为3；β为液固两相流纵向浓度参数，取值为4。
3.根据权利要求1所述的声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，其特征在于，步骤(3)的方法如下：
1)提取边界电压特征参数：
Figure FDA0003618913930000031
式中，VR(t)为t时间下电阻层析成像传感器边界电压特征参数向量，Vij为液固两相流体在第i个电极对激励时第j个电极对的边界电压，Vij0为纯液相中在第j电极对激励时第i个电极对的边界电压；
2)通过互相关算法处理双截面电阻层析成像传感器的时间序列测量数据，得到互相关时延τ，
3)异质流底部颗粒层流速Ucc为，
Figure FDA0003618913930000032
式中，D为双截面电阻层析成像传感器的间距。
4.根据权利要求1所述的声电双模态传感器融合的液固两相流量测量方法，其特征在于，
步骤(4)中，离散固相颗粒的流速U(y)计算公式如下：
Figure FDA0003618913930000033
Figure FDA0003618913930000034
式中，
Figure FDA0003618913930000035
为距管道底部y处的平均多普勒频移，fd(y)p为第p个脉冲重复周期内距底部y处的多普勒频移，q为计算流速剖面所用的脉冲重复周期数，c0为脉冲波超声多普勒安装楔块中的声速，θ0为楔块中超声传感器晶元的法线方向与流体流动方向的夹角，从而得到管道纵向流速剖面。
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