本发明专利技术公开了一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置及其方法。包括超声波收发组件、电导探针组件、气源组件和试验管道，试验管道竖直安装，气源组件安装在试验管道底部，电导探针组件和超声波收发组件安装在试验管道的侧壁；向气液两相流中发射超声波脉冲，接收含空隙率数据的回波信号，回波信号的时间序列转换成符号序列，统计分析得状态转移矩阵，从中提取获得状态转移概率向量，得与空隙率密切相关的流动测度；同时将电导探针安装在不同径向位置测量，经示波器处理获得与流动测度对应的空隙率，根据对应关系获得对应空隙率。本发明专利技术方法能通过测量气液两相流的流动测度，获得气液两相流流动的空隙率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及了一种测量装置及其方法，尤其涉及了一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置及其方法。
技术介绍
在目前的气液两相流相分界面位置的测量方法中，光学法、高速摄影法、电阻抗(电导)法以及超声波法应用较为广泛。光学法和高速摄影法都是通过光学元件得到气液两相流内部信息，要求气液两相流(某些情况下包括管壁)具有良好的光学透明特性，这一点极大地限制了此类方法在工业上的应用。射线法通过向介质内部发射由放射性物质产生的射线来探测气液两相流的内部构成，因射线具有直线传播、穿透性好、能量衰减与路径上的介质密度分布有近似线性关系等特点，这类方法往往可以得到较好的测量效果，但射线对操作人员有潜在的危险。电阻抗(电导)法通过一组电极探测两相流内部的电阻抗(或电导率)分布来去确定两相流内部的组分构成，这是一类接触式测量方法，缺点之一是电极可能对介质造成污染或影响两相流原有特性，缺点之二是要求连续相介质必须具有良好的导电性。超声波法用于气液两相流流量测量有诸多优点：超声波对容器或管道的材质无特殊要求，对介质的导电性、介电常数、透光性无特殊要求，可实现非接触测量，安全性好。
技术实现思路
为了克服上述方法的不足，本专利技术提供了一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置及其方法。这种方法是非侵入性的，测量装置是便携式的、独立的。本专利技术所采用的的技术方案是：一、一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置：装置包括超声波收发组件、电导探针组件、气源组件和试验管道，试验管道竖直安装，气源组件安装在试验管道底部，电导探针组件和超声波收发组件安装在试验管道的侧壁。所述的气源组件包括气源、气流调节阀、气体转子流量计、压力表和喷射器，气源经气流调节阀后与喷射器连接，喷射器输出端连接到试验管道底面的气体进出口，气流调节阀和喷射器之间安装有气体转子流量计和压力表，气源的压缩空气通过喷射器注入管中。所述的超声波收发组件包括脉冲发生及接收器、收发一体式超声波换能器和高密度数字化仪，收发一体式超声波换能器穿过试验管道侧壁并插装在电导探针中，收发一体式超声波换能器经脉冲发生及接收器和高密度数字化仪连接，脉冲发生及接收器的发射端发射正弦脉冲，收发一体式超声波换能器将接收到的正弦脉冲信号转换成超声波注入到试验管道内。所述的电导探针组件包括电导探针和示波器，电导探针安装在试验管道内的气液两相中，电导探针经电线与试验管道外部的示波器连接。还包括计算机，示波器和高密度数字化仪均与计算机连接。所述的收发一体式超声波换能器通过丙烯酸块水平固定在试验管道侧壁。二、一种测量气液两相流流动过程中空隙率的方法：1)采用上述装置，通过收发一体式超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲，并接收包含有空隙率数据的回波信号，回波信号为时间序列；2)对回波信号的时间序列用解析信号相空间分割方法转换成符号序列；3)利用D-Markov机对符号序列进行统计分析得到状态转移矩阵，进而从状态转移矩阵中提取获得状态转移概率向量，通过状态转移概率向量得到与空隙率密切相关的流动测度；4)在收发一体式超声波换能器向气液两相流中发射超声波脉冲进行测量的同时，将电导探针安装在试验管道内的不同径向位置进行测量，经示波器处理获得与流动测度对应的空隙率；5)由步骤3)和4)获得了流动测度与空隙率的对应关系，在待测实验条件下测量获得流动测度，根据该对应关系比对获得其对应的空隙率。在不同的流动状态下，本专利技术方法得到的流动测度和通过电导探针测得的空隙率有一一对应的关系，通过实验将此对应关系在笛卡尔坐标系中表示出来，再通过测得的流动测度就能得到对应的空隙率。所述步骤2)具体如下：1)将回波信号的一维时间序列通过Hilbert变换，转换为复数域内的解析信号A[x](t)：其中，A(t)为解析信号A[x](t)的瞬时振幅，为解析信号A[x](t)的瞬时相位；在极坐标系下，以解析信号A[x](t)的瞬时振幅A(t)为极坐标的r轴，以解析信号A[x](t)的瞬时相位为极坐标的θ轴，采用上述公式将解析信号A[x](t)表示成一个二维相空间中的一维轨线；2)对一维轨线所在的二维相空间进行分割与符号化，实现方法如下：2.1)在生成的二维相空间中，令Ξ为一个包含上述轨线的紧致域(紧致域实际就是指包括轨线的一个区域)；2.2)用最大熵分割法通过解析信号的幅值与相位把紧致域Ξ分割成有限多个完备的、互斥的区域，对每个区域用符号进行编号标记，由此将时间序列转化为符号序列。所述的步骤3)具体是：3.1)构建D-Markov机对于步骤2)某一时段获得的符号序列S，D∈N，N表示自然数，构建长度为D+1和D的窗口，对符号序列和进行统计，采用以下公式计算从有效状态qj转换到有效状态qk的状态转移概率πjk：其中，P为符号出现概率，有效状态q是符号串的等价类，j、k均表示为符号的序号，j≠k，qj表示符号序列中第j个符号的有效状态，qk表示符号序列中第k个符号的有效状态，有效状态qj为有效状态qk为符号序列的个数分别用和来表示，且n表示符号序列的个数；3.2)计算流动测度μk由上述方法获得的状态转移概率πjk作为矩阵元素构成状态转移矩阵，对于采集获得的两个不同时间段的符号序列S0与S，经D-Markov机处理后各自的状态转移矩阵分别为为∏0和∏，计算其中各自的左特征向量分别作为状态转移概率向量p0和状态转移概率向量p，再采用以下公式计算流动测度：其中，<·,·>表示内积,||·||2表示2范数。应用于两相流领域表征了流动过程中流动状态的差异，可以称作为流动测度。对于…S-2S-1S0S1S2…组成的符号序列S，其中任意一个符号出现的概率P取决于该符号前面的D个符号，即采用以下公式：P(Si|Si-1Si-2…Si-D…)＝P(Si|Si-1Si-2…Si-D)其中，P为符号出现概率，Si表示第i个符号，D表示概率取值的符号序号；上述过程就称作D阶的Markov过程，即D-Markov机构建。所述步骤4)具体如下：电导探针的测量时基于水和空气的电导率的差异，每个气泡穿过电导探针的尖端，连接电路的阻抗发生变化。因此，将电导探针分别依次安装在距离试验管道中心轴不同的径向位置进行测量，在每个径向位置停留进行测量，采用以下公式计算获得局部空隙率：其中，αi表示第i个径向位置，表示第j个起泡的停留时间，Ti表示第i个径向位置的总测量时间；再将所有径向位置测得的局部空隙率取平均值得到空间平均空隙率，作为最终的空隙率。对于每一个径向位置，单独气泡停留时间的总和与总测量时间的比值为局部空隙率。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术提出的方法测量气液两相流的空隙率，相比于其他方法，这是非侵入式的，测量系统是便捷式的、独立的，并且应用广泛。附图说明图1是本专利技术装置结构图。图2是本专利技术超声波收发过程示意图。图3是本专利技术方法原理框图。图4是本专利技术流动测度和空隙率对应关系图。图中：1、脉冲发生和接收器，2、收发一体式超声波换能器，3、密度数字化仪，4、计算机，5、气体进出口，6、气流调节阀，7、气体转子流量计，8、压力表，9、喷射器，10、试验管道，11、电导探针，12、示波器。具体实施方式下面结合附图和实例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，本专利技术装置包括超声波收发组本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置，其特征是：包括超声波收发组件、电导探针组件、气源组件和试验管道(10)，试验管道竖直安装，气源组件安装在试验管道(10)底部，电导探针组件和超声波收发组件安装在试验管道(10)的侧壁。
【技术特征摘要】
1.一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置，其特征是：包括超声波收发组件、电导探针组件、气源组件和试验管道(10)，试验管道竖直安装，气源组件安装在试验管道(10)底部，电导探针组件和超声波收发组件安装在试验管道(10)的侧壁。2.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置，其特征是：所述的气源组件包括气源、气流调节阀(6)、气体转子流量计(7)、压力表(8)和喷射器(9)，气源经气流调节阀(6)后与喷射器(9)连接，喷射器(9)输出端连接到试验管道(10)底面的气体进出口(5)，气流调节阀(6)和喷射器(9)之间安装有气体转子流量计(7)和压力表(8)，气源的压缩空气通过喷射器(9)注入管中；所述的超声波收发组件包括脉冲发生及接收器(1)、收发一体式超声波换能器(2)和高密度数字化仪(3)，收发一体式超声波换能器(2)穿过试验管道(10)侧壁并插装在电导探针(11)中，收发一体式超声波换能器(2)经脉冲发生及接收器(1)和高密度数字化仪(3)连接，脉冲发生及接收器(1)的发射端发射正弦脉冲，收发一体式超声波换能器(2)将接收到的正弦脉冲信号转换成超声波注入到试验管道(10)内；所述的电导探针组件包括电导探针(11)和示波器(12)，电导探针(11)安装在试验管道(10)内的气液两相中，电导探针(11)经电线与试验管道(10)外部的示波器(12)连接。3.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置，其特征是：还包括计算机(4)，示波器(12)和高密度数字化仪(3)均与计算机(4)连接。4.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流流动过程中空隙率的装置，其特征是：所述的收发一体式超声波换能器(2)通过丙烯酸块水平固定在试验管道(10)侧壁。5.一种测量气液两相流流动过程中空隙率的方法，其特征是：1)采用权利要求1～4任一所述装置，通过收发一体式超声波换能器(2)向气液两相流中发射超声波脉冲，并接收包含有空隙率数据的回波信号，回波信号为时间序列；2)对回波信号的时间序列用解析信号相空间分割方法转换成符号序列；3)利用D-Markov机对符号序列进行统计分析得到状态转移矩阵，进而从状态转移矩阵中提取获得状态转移概率向量，通过状态转移概率向量得到与空隙率密切相关的流动测度；4)在收发一体式超声波换能器(2)向气液两相流中发射超声波脉冲进行测量的同时，将电导探针(11)安装在试验管道(10)内的不同径向位置进行测量，经示波器(12)处理获得与流动测度对应的空隙率；5)由步骤3)和4)获得了流动测度与空隙率的对应关系，在待测实验条件下测量获得流动测度，根据该对应关系比对获得其对应的空隙率。6.根据权利要求5所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘铁军，陈宜倩，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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