一种声电双模态融合的液固两相流量测量方法技术

本发明专利技术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。量。量。

A liquid-solid two-phase flow measurement method based on acoustic and electrical dual-mode fusion

【技术实现步骤摘要】
一种声电双模态融合的液固两相流量测量方法


[0001]本专利技术属于流体测量
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。本专利技术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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。本专利技术的技术方案如下：
[0006]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：
[0007](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；
[0008](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)：
[0009][0010]式中，b为管道截面的纵向坐标，n为纵向像素点数；
[0011]当管道纵向浓度变化率的变化率满足如下条件，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：
[0012][0013]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，
[0014][0015]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，
[0016][0017]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)；
[0018]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)；
[0019](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U
cc
，获得异质流底部颗粒层流速后进入步骤(5)；
[0020](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)；
[0021](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U
m
(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U
cc
；
[0022][0023](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：
[0024]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，
[0025][0026][0027]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；
[0028]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。
[0029]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。
[0030]优选地，步骤(3)的方法如下：
[0031]1)提取边界电压特征参数：
[0032][0033]式中，V
R
(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，V
ij
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，V
ij0
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；
[0034]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，
[0035]3)异质流底部颗粒层流速U
cc
为，
[0036][0037]式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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)：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：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，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，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U
cc
，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：董峰，张瀚瑞，谭超，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：