基于希尔伯特-黄变换的水平管气液两相流流型识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于希尔伯特－黄变换（Ｈｉｒｂｅｒｔ　Ｈｕａｎｇ　Ｔｒａｓｆｏｒｍ）的水平管气液两相流流型识别方法。它是在一个由经典的文丘利管、差压变送器和计算机组成的流型识别系统中，采用希尔伯特－黄变换方法，对文丘利管两端的差压信号进行固有模态分解并计算不同固有模态所占的能量比与残差的均值，得到利用能量比识别流型的流态图，通过能量比与均值的结合得到可以用来判别流型的规则。基于希尔伯特－黄变换的气液两相流流型识别方法的实质在于通过对经典的文丘利管两端的差压信号进行处理，得到与流型有直接关系的特征变量。该方法可以实现对不同管道直径、不同介质的气液两相流流型进行识别。这种方法受现场干扰影响小，通用性强，对流型的识别率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及气液两相流测量技术，尤其涉及一种基于希尔伯特-黄变换(Hirbert Huang Trasform)的水平管气液两相流流型识别方法。
技术介绍
两相流动广泛存在于自然界和许多工业过程中，如电力、能源、石油、核工业等。由于两相流各相间存在着界面反应和相对速度，相界面在时间和空间上都是随机变化的，致使其流动结构极其复杂。因此，两相流参数检测难度较大。描述两相流的参数主要有流型、空隙率、分相流量等。流型的研究是两相流的机理及其运动规律的重要组成部分，从工程角度看，流型直接影响到两相流系统的管程压降，决定了动力工具的设计依据，流型又影响两相流系统的稳定性与安全性。由于应用流态图识别流型的局限性，目前人们开始研究利用仪器设备直接识别管道内气液两相流的流型的方法。主要要两类，一类是直接根据两相流的流动形式确定流型，如观测法、高速摄影法等，该方法具有一定的主观性，对于不同的观测者可能得到不同的结果；另一类是通过反映两相流动特性的波动信号进行处理，提取特征量，进行流型识别。该方法通过提取信号的特征量，实现对流型的定量识别。采用信号处理方法实现流型的识别是一个研究的热点，目前的流型识别大多数人采用阻抗、电容测量的空隙率作为分析信号，然后提取特征值通过模糊算法与神经网络技术进行流型识别。这些方法的最大缺点就是成本高，传感器设计复杂。另外，也有很多研究者采用管道的压力或者差压信号，通过计算功率谱密度或概率密度函数的方法进行流型识别，功率谱密度与概率分布函数要求信号是平稳的，而二相流动信号具有强烈的非线性特性，难以满足平稳性要求。因此，难以得到通用的流型识别方法。为了突破传统信号分析方法的限制，Huang等1998年提出了一个新的数据处理方法希尔伯特-黄变换方法，该方法将原始信号用固有模态展开，展开后的每个模态有实际的物理意义，而且展开后使瞬时频率具有了实际意义。该方法可以处理非线性或非平稳的信号，是一种真正意义上的时频分析方法。该方法具有完整性，近乎正交性，更重要的是具有自适应性。目前希尔伯特-黄变换方法已经在海洋、机械等领域获得成功的应用，在解决非线性问题时体现出很好的性能。为了准确提取两相流流型信息，利用信号处理方法提取特征量，信号的选取也十分重要的。管道直接取差压的缺点是信号的变化幅度小，容易丢失有用的信息，而文丘利管的差压信号具有提取容易、信号幅度大、对流型影响小适于用作流型识别的信号。两相流动是一个复杂的多变量随机过程，随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、参数估计、模式识别等理论和技术，进行多相流参数的软测量是一个很有前途的研究方向。采用多传感器组合，进行多参数组合测量确定流量、流型与干度也获得了很多的应用。采用文丘利管与测量空隙率的仪表的结合实现两相分相流量的测量也取得了很好的结果。另外，利用文丘利管上的差压信号进行空隙率(干度)的估计也取得了一些进展。采用文丘利管计算两相流流量的经典公式与利用文丘利管的差压信号识别流型的结合也是进一步研究的方向。参考文献1.Huang，N.E.，Steven，Z.S.，Long，R.，et al，1998.The Empirical modedecomposition and Hilbert spectrum for non-stationary time series analysis.Proceedings of the Royal Society of London，Series A454，903-995. 2.Leisk，G.G.Application of the Hilbert-Huang Transform to machine toolcondition/health monitoring.AIP Conference Proceedings.615，1711-1718. 3.Montesinosa，M.E.，2003.Hilbert-Huang analysis of BWR neutron detector signalsapplication to DR calculation and to corrupted signal analysis.Annals of NuclearEnergy 30，715-727. 4.Veltcheva，A.D.，2002.Wave and group transformation by a Hilbert spectrum.Coastal Engineering Journal 44，283-300. 5.熊学军，郭炳火等，2002.EMD方法和Hilbert谱分析法的应用与探讨。黄渤海海洋.20，12-21.
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于希尔伯特-黄变换的水平管气液两相流流型识别方法。它是在一个由文丘利管、差压变送器与计算机构成的流型信号处理系统中，通过采集文丘利管上的差压信号，引入希尔伯特-黄变换方法计算差压信号不同固有模态所占的能量比得到识别流型的流态图，再通过与残差均值的结合得到流型识别规则。本专利技术针对目前两相流研究的现状与存在的问题，提出了利用传统的文丘利管，通过提取差压信号，使用希尔伯特-黄变换方法实现气液两相流的流型识别方法。该方法克服了传统的流型识别方法通用性差、受实验条件应响大、难于实际应用的不足。附图说明图1是水平管气液两相流流型识别系统示意图；图2是利用希尔伯特-黄变换实现流型识别的过程示意图；图3是单相水信号及其固有模态分解图；图4是泡状流信号及其固有模态分解图；图5是弹状流信号及其固有模态分解图；图6是混状流信号及其固有模态分解图；图7是50mm管道的瞬时频率和能量比与流型的关系图；图8是40mm管道的瞬时频率和能量比与流型的关系图；图9是50mm管道的残差均值和液相流量与流型的关系图；图10是40mm管道的残差均值和液相流量与流型的关系图；图11是水平管气液两相流不同能量比识别流型的流态图。具体实现方式基于希尔伯特-黄变换的水平管气液两相流流型识别方法的步骤为1).选取与不同流型相对应的水平管道气液(气水、气油)两相差压流数据作为样本集，对差压信号进行固有模态分解，得到描述信号的不同分量，然后通过定义的能量比公式对不同的模态进行能量比与平均瞬时频率计算，得到不同频率带下能量比与流型的关系，通过对3Hz与30Hz频率范围的能量比的分析得到气液两相流流型识别的流态图；2).根据样本数据计算得到的流态图识别出泡状流(单相水)、弹状流、混状流，通过残差均值的计算把单相水流从小的泡状流中区别出来，利用3Hz与30Hz附近的能量比与残差均值的结合总结出流型识别规则，识别出单相水、泡状流、弹状流、混状流；图1为气液两相流流型识别系统示意图，图2为具体实现的过程。通过测量反映流型信息的差压信号，然后通过计算机对信号进行希尔伯特-黄变换，得到不同模态的能量比与残差的均值，利用得到的流态图与规则进行不同流型的识别。希尔伯特-黄变换原理与具体算法如下所述希尔伯特-黄变换假设任一信号都是由许多固有模态函数组成，如果固有模态之间相互重叠，便形成复合信号。在希尔伯特-黄变换中描述信号的基本量是瞬时频率，这是与其它信号处理方法的本质区别，而瞬时频本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于希尔伯特－黄变换的水平管气液两相流流型识别方法，其特征在于：它是在一个由文丘利管、差压变送器与计算机构成的流型信号处理系统中，通过采集文丘利管上的差压信号，引入希尔伯特－黄变换方法计算差压信号不同固有模态所占的能量比得到识别流型的流态图，再通过与残差均值的结合得到流型识别规则。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙斌，张宏建，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]