CN205449779U - 基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置。包括激光二极管、扩束镜、狭缝、甘油槽、透明小管道、光电二极管阵列传感器、数据采集模块以及微型计算机。本实用新型采用光电二极管阵列传感器获取反映两相流流动信息的光强分布信号；针对四种典型流型，采用Fisher判别分析建立三个流型分类器实现流型辨识；采用支持向量机分别建立四种典型流型的空隙率测量模型，实现空隙率的测量。本实用新型实现了利用光电二极管阵列传感器测量小管道气液两相流参数，相应的装置具有成本低、非接触等优点，同时将流型辨识结果引入到空隙率测量中，减少了流型变化对空隙率测量的影响，为小管道两相流参数测量提供了有益的借鉴。

Description

基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置

技术领域

本实用新型涉及多相流参数测量领域，尤其涉及一种基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置。

背景技术

近年来，随着微化工技术和新材料技术的迅速发展，工业设备逐步呈现出微型化、小型化的趋势。微型化、小型化的反应器、热交换器、混合装置等在生物、医疗、制药、化工等众多领域都有着广泛的应用。因此，微型化和小型化工业设备中的小管道气液两相流参数测量问题引起了越来越多研究者的关注和重视，成为当前两相流研究领域的一个热点和分支。

然而，相对于常规管道，小管道气液两相流参数测量具有一定的难度。在微小尺度下，由于管道水力直径的减小，使得表面张力和黏度作用的影响相对突出而重力作用的影响相对减弱，管道内流动特性有异于常规管道，常规管道下得到的理论模型和经验公式将不再适用，在常规管道发展成熟的测量方法也不再适用于小管道。

近些年来，科研工作者基于常规管道的测量方法，针对小管道气液两相流参数测量进行了大量的相关研究，并且取得了一定的进展。研究成果对小管道气液两相流的理论研究，以及小型化和微型化设备***的研究、应用以及发展起到了重要的作用。然而由于信息获取和信息处理手段的缺乏，所获测量信息的精度和适用范围有一定的片面性，还未能满足工程应用和科学研究的要求。就目前来说，现有的测量手段大多还处于发展阶段，在工程实际过程中的应用比较有局限性，还需要进一步发掘能够有效应用于小管道气液两相流的参数测量方法。

目前，针对小管道气液两相流参数检测的手段较少，主要有高速摄影法、电容检测法、电导检测法等。相比之下，基于激光的光学检测方法具有非接触、低成本等优点，可以实现对于两相流参数的有效测量。因此，使用激光及光电二极管阵列的测量方式进行流型辨识的探索，对于小管道两相流流型辨识的相关研究具有相当的参考价值。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种稳定、可靠的基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置。

基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置包括激光二极管、扩束镜、狭缝、甘油槽、透明小管道、光电二极管阵列传感器、数据采集模块与微型计算机。在甘油槽一侧放置共光轴的激光二极管、扩束镜与狭缝，光轴垂直于甘油槽。在甘油槽另一侧依次放置光电二极管阵列传感器、数据采集模块与微型计算机。

透明管道放置在甘油槽之中，甘油槽内灌满甘油。由于甘油折射率与透明管道管壁折射率近似，减少了管壁对片状激光的折射与反射作用。光电二极管阵列传感器包括12×6个传感单元，与甘油槽一面紧密贴合。传感器感光表面垂直于激光二极管光轴，同时与数据采集模块与微型计算机依次相连。

本实用新型与现有技术相比具有有益效果：

1)采用激光二极管作为激光源，采用光电二极管阵列传感器作为检测元件，能够有效的简化实验装置，降低***成本。

2)将透明玻璃管置于甘油槽之中，降低了管壁对于激光光路的干扰作用，提高了测量方法的灵敏度。

3)将流型辨识结果引入空隙率测量中，消除了流型变化对空隙率测量产生的影响，提高了空隙率测量精度。

附图说明

图1是基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置结构示意图；

图2是本实用新型采用的甘油槽，透明管道以及光电二极管阵列传感器的结构示意图；

图3是本实用新型的基于“两步法”的流型辨识流程图；

图4是本实用新型的空隙率测量流程图；

图5是四种不同内径下的气液两相流空隙率测量结果；

图中：激光二极管1、扩束镜2、狭缝3、甘油槽4、透明小管道5、光电二极管阵列传感器6、数据采集模块7、微型计算机8。

具体实施方式

本实用新型针对小管道气液两相流参数检测手段缺乏的现状，利用激光二极管、光电二极管阵列传感器以及先进机器学习算法，提出了一种基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置和方法。相应装置具有结构简单、成本低、非接触测量、测量精度高等优点，为小管道两相流流型辨识提供了有益的借鉴。

如图1所示，基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置包括激光二极管1、扩束镜2、狭缝3、甘油槽4、透明小管道5、光电二极管阵列传感器6、数据采集模块7和微型计算机8，在甘油槽4一侧，依次放置共光轴的激光二极管1、扩束镜2和狭缝3，在甘油槽4另一侧垂直向外放置光电二极管阵列传感器6、数据采集模块7、微型计算机8。透明小管道5放置在甘油槽4中，光电二极管阵列传感器6与甘油槽4一面紧密贴合，同时与数据采集模块7、微型计算机8依次相连。如图2所示为透明小管道、甘油槽以及光电二极管的结构示意图。

利用该装置实现小管道气液两相流参数测量的具体流程为：

1)激光二极管发射的激光通过扩束镜以及狭缝后，成为一个片状激光，该片状激光透过甘油槽之后，垂直照射到透明管道上。

2)在透明管道内部，片状激光受到气液两相介质作用，产生折射，反射与吸收作用。在不同的流型分布下(即不同的气液两相流相分布)，折射、反射与吸收作用有明显的区别。因此透射激光信号能够反映透明管道内部气液两相流的流动信息。

3)利用光电二极管阵列传感器获得透射激光信号，转化成电压信号，通过数据采集模块输入微型计算机。通过数据处理技术，提取该电压信号的特征向量x

x＝[m₁,…,m₇₂,e₁,…,e₇₂]^T

其中m与e分别为每个传感单元获得的电压信号的均值与方差。令u_k为光电二极管阵列传感器中第k个传感单元获得的电压信号，信号长度为L，则它的均值m_k与方差e_k可以表示为：

$m_k=\frac{1}{L}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L{u}_k\left(i\right)$

$e_k=\sqrt{\frac{1}{L-1}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L{\left(u_k\right(i)-m_k)}^2}$

4)如图3所示为本实用新型提出的基于“两步法”思想的流型辨识流程图，该流型辨识针对四种典型流型(泡状流、段塞流，层状流与环状流)，其具体步骤为：将获得的特征向量输入流型分类器A中，实现组一与组二的区分(组一包括泡状流与段塞流，组二包括层状流与环状流)；根据分类器A的辨识结果，将特征向量输入流型分类器B或者C中，进行泡状流与段塞流，或者层状流与环状流的辨识；最终获得流型辨识结果。

流型辨识中使用的三个流型分类器均采用Fisher判别分析建立，分别实现一个二分类问题。分类器A实现组一与组二的分类，分类器B实现泡状流与段塞流的分类，分类器C实现层状流与环状流的分类。其判别函数均可以表示为：

y(x)＝sign[ω^Tx+ω₀]

其中，y是类标签(y＝-1或者1)，x是特征向量，ω是Fisher向量，ω₀是判别阈值。向判别函数输入未知流型的特征向量，通过判断类标签y的符号可以实现分类。判别函数的Fisher向量ω可以通过求解下列问题获得

$J\left(\mathrm{\ω}\right)={\max }_{\mathrm{\ω}}\frac{{\mathrm{\ω}}^T{S}_b\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}^T{S}_w\mathrm{\ω}}$

其中，S_b为类间离散度矩阵，S_w为类内离散度矩阵。定义X为训练集特征向量集合，x_i为第i个特征向量。X_q为属于类q的特征向量的集合，其样本个数为n_q。定义为类X_q的均值向量：

${\stackrel{\‾}{x}}_q=\frac{1}{n_q}\underset{x_{i\∈X_q}}{\Σ}{x}_i$

则，类间均值矩阵S_b与类内均值矩阵S_w可以表示为：

$S_w=\underset{x_i\∈X_{-1}}{\Σ}(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_{-1}){(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_{-1})}^T+\underset{x_i\∈X_1}{\Σ}(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_1){(x_i-{\stackrel{\‾}{x}}_1)}^T$

$S_b=({\stackrel{\‾}{x}}_{-1}-{\stackrel{\‾}{x}}_1){({\stackrel{\‾}{x}}_{-1}-{\stackrel{\‾}{x}}_1)}^T$

通过求解J(ω)最大值可以获得Fisher向量ω，同时ω₀也可以获得：

$\mathrm{\ω}=S_w^{-1}({\stackrel{\‾}{x}}_{-1}-{\stackrel{\‾}{x}}_1)$

${\mathrm{\ω}}_0=-\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}^T({\stackrel{\‾}{x}}_{-1}+{\stackrel{\‾}{x}}_1)$

5)如图4所示为空隙率测量的流程图。其步骤包括：首先利用特征向量与空隙率标定值构成模型训练集；将模型训练集输入支持向量机，针对四种典型流型，分别建立四个空隙率测量模型；根据流型辨识结果，实时选择流型对应的空隙率测量模型，获得空隙率测量值。

实验采用支持向量机进行空隙率测量模型建模，其模型函数可以表达为：

$\mathrm{\α}\left(x\right)=\underset{i=1}{\overset{p}{\Σ}}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_i^{*})K(x,x_i)+b$

其中，α为空隙率，x为特征向量，为模型训练集，p为训练集样本个数。K(x,x_i)为核函数，在本实验中，选择径向基函数K(x,x_i)＝exp(-|x-x_i|²/σ²)作为核函数，σ为其中一个参数。b为一个自定义参数。β_i与β_i*为拉格朗日乘子，可以通过求解下列最优化问题获得

$\min \[\frac{1}{2}\underset{i=1,j=1}{\overset{p}{\Σ}}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_i^{*})({\mathrm{\β}}_j-{\mathrm{\β}}_j^{*})K(x_i,x_j)-\underset{i=1}{\overset{p}{\Σ}}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_i^{*}){\mathrm{\α}}_i+\underset{i=1}{\overset{p}{\Σ}}({\mathrm{\β}}_i+{\mathrm{\β}}_i^{*})\mathrm{\ϵ}\]$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}0\≤{\mathrm{\β}}_i,{{\mathrm{\β}}_i}^{*}\≤C,i=1,...,n\\ \underset{i=1}{\overset{p}{\Σ}}({\mathrm{\β}}_i-{\mathrm{\β}}_i^{*})=0,i=1,...,n\end{array}\right.$

其中，ε为松弛变量，C为惩罚因子。

已利用本实用新型所提出的小管道气液两相流参数测量装置和方法进行了初步实验。实验采用氮气作为气相，采用常规自来水作为液相，分别在四种不同内径的透明管道内进行。管道内径包括4.22mm,3.04mm,2.16mm以及1.08mm。

四种不同内径下的气液两相流流型辨识结果如表1-4所示。实验结果表明，本实用新型提出的小管道气液两相流流型辨识方法能够有效地辨识四种流型，流型辨识精度均高于90％。

表14.22mm内径管道气液两相流流型辨识结果

表23.04mm内径管道气液两相流流型辨识结果

表32.16mm内径管道气液两相流流型辨识结果

表41.08mm内径管道气液两相流流型辨识结果

四种不同内径下的气液两相流空隙率测量结果如图5所示。(a)内径为4.22mm的空隙率测量结果；(b)内径为3.04mm的空隙率测量结果；(c)内径为2.16mm的空隙率测量结果；(d)内径为1.08mm的空隙率测量结果。

从图中可以看出本实用新型提出的小管道气液两相流空隙率测量方法是可行的，四种管径下的空隙率测量误差均小于7％。

Claims (1)

1.一种基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置，其特征在于包括激光二极管(1)、扩束镜(2)、狭缝(3)、甘油槽(4)、透明小管道(5)、光电二极管阵列传感器(6)、数据采集模块(7)、微型计算机(8)，在甘油槽(4)一侧，依次放置共光轴的激光二极管(1)、扩束镜(2)、狭缝(3)，在甘油槽(4)另一侧垂直向外放置的光电二极管阵列传感器(6)、数据采集模块(7)、微型计算机(8),透明小管道(5)放置在甘油槽(4)中，且与光路方向垂直，光电二极管阵列传感器(6)与甘油槽(4)贴合放置，同时与数据采集模块(7)、微型计算机(8)依次相连。