气液弹状流结构流速声电双模态测量方法技术

本发明专利技术涉及一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现,包含：采集电学传感器的含水率和超声传感器的多普勒频移信号；计算采样时间内的含水率均值thH，将thH作为含率阈值对流体进行区域划分，利用液弹区和气弹区的含水率序列分别计算液弹区含水率均值

Measurement of flow velocity of gas liquid slug flow with acoustic and electric double modality method

The invention relates to a gas-liquid slug flow velocity structure of acoustic electric double modal measurement method by using double crystal ultrasonic transducer and electrical sensors, including: Doppler shift signal acquisition sensor electrical moisture sensor and ultrasonic sensor; calculation of water sampling time rate value thH, thH as a threshold to partition the fluid the water holdup, liquid slug and aerodynamic area were calculated the mean water content rate series liquid slug zone

【技术实现步骤摘要】
气液弹状流结构流速声电双模态测量方法
本专利技术属于流体测量
，涉及一种超声传感器和电学传感器组合式测量方法，通过分解多普勒测试信号，实现气液弹状流的结构流速的非扰动式获取。
技术介绍
气液两相流广泛存在于石油、核电机组、化工等工业生产过程中，与单相流相比，其流动过程呈现复杂的随机性，尤其是在流速较高时容易形成间歇流型，此时气液两相之间的相互作用更加明显，剧烈的压力波动对管道造成强烈的冲击，严重时甚至引发安全事故。因此，对气液弹状流结构流速的测量对于模型建立、流型转化的预测与控制、生产安全与优化具有重要意义。弹状流流动过程中的间歇性和瞬态性为流速测量带来了巨大的挑战。传统的测试手段多采用侵入式测量方法，如电导探针、热膜探针等，在获得流动参数的同时会对流动过程产生扰动，影响测量精度。在科学研究与工业生产过程中，急需利用非扰动式测量技术准确获取两相流的过程参数，因此电学法、超声法由于其非侵入、传感器结构简单、安装方便、成本低廉而备受关注。电学测量方法根据传感器的结构、形状、激励方式的不同分为环形电导阵列、电容极板、电阻抗层析成像等多种形式，其中环形电导阵列通过在激励电极对上施加恒定的激励电压建立电学敏感场，当被测流体的含率发生变化时，敏感场的阻抗特性随之发生变化，通过获取测量电极对上的电势差实现被测流体含率的测量，具有很好的应用前景。超声检测作为一种非侵入式方法，利用不同介质声阻抗不同而导致的超声在流体中传播时发生反射、折射等现象而对流体的流速进行测量，主要包括相关法、时差法、多普勒法等，在医学、流体测量中具有很广泛的应用。基于连续波的超声多普勒技术基于多普勒效应，超声波由超声换能器发射进入流体，经过多相流体中运动的离散相(液滴或气泡)的反射或散射后由超声换能器接收。入射声波和接收声波之间频差与测量区域内离散相散射颗粒的平均流动速度成正比。但是在实际流动过程中，流体中存在复杂的含率分布和流速剖面，尤其在弹状流中间歇出现的气弹和液弹，造成流体的含率和流速随时间存在剧烈波动。因此，多普勒频移信号是不同位置上具有不同流速的散射颗粒对超声多普勒效应的叠加，是一种包含多频率尺度波动的混叠信号。这些不同频率尺度的波动反映流体流动过程中的不同的流速。因此，将电学传感器与超声多普勒传感器组合使用，获取两相流的含率和流速信息。通过信号处理技术和联合分析方法，最终实现气液弹状流的结构流速的获取。
技术实现思路
本专利技术的目的是在现有技术的基础上，利用超声多普勒传感器和电导传感器获得两相流的流速和含水率信息，提供一种新的基于信号经验分解的气液弹状流结构流速的测量方法。本专利技术的技术方案如下：一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现，双晶超声换能器用于获取两相流超声多普勒频移信号，电学传感器用于获取含水率信号，所述双晶超声换能器采用收发一体同侧结构，被安装于水平的测试管道底部并保证超声波声束方向与流动方向的夹角为θ；所述电学传感器由四个环形金属电极镶嵌在测试管道内壁组成，与超声换能器同时安装于测试管道中，测量方法包含如下步骤：1)采集电学传感器的含水率信号H(t),t∈(0,T)和超声传感器的多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)，其中T为采样时间；2)计算采样时间内的含水率均值将thH作为含率阈值对流体进行区域划分：若某时刻下含水率大于thH，则该时刻下的含率为液弹区流过电学传感器时的含水率，否则该时刻下的含率为气弹区流过电学传感器时的含水率，即其中Hnl，Hng分别为液弹区和气弹区的含水率序列；3)利用Hnl、Hng分别计算液弹区含水率均值和气弹区的含水率均值与其中Tl，Tg分别为在采样时间内液弹区和气弹区经历的时间；将与作为含率阈值对流体进行二次区域划分：若某时刻含水率小于则该时刻为气弹区通过电学传感器，若某时刻含水率大于且小于则该时刻为混合通过电学传感器，否则为液弹区通过电学传感器，即由此可分别获取液弹区的开始时刻T1，混合区的停止时刻T2、气弹区的开始时刻T3以及气弹区的停止时刻，即下一液弹区的开始时刻T4；4)利用经验模态分解，对超声多普勒频移信号进行高频去噪处理：基于经验模态分解的方法，将超声多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)逐级分解为若干本征模态函数IMFj(t),j＝1,2,...,n和趋势函数rn(t)的和：其中n为分解得到的本征模态函数个数，利用互相关方法计算各本征模态函数IMFj(t),j＝1,2,...,n与原多普勒频移信号的相关系数，去除前m级中与原多普勒频移信号的相关系数小于阈值thcc的高频本征模态函数分量；m一般取值为3-4，thcc一般取值为0.2-0.3；将前m级中与原多普勒频移信号的相关系数大于或等于thcc的本征模态函数、剩余的n-m级本征模态函数以及趋势函数rn(t)进行加和，重新组合成新的待处理信号fd'(t),t∈(0,T)；5)再次利用经验模态分解的方法将信号fd'(t),t∈(0,T)分解为若干本征模态函数IMFi(t),i＝1,2,...,N和趋势项函数rN(t)的和，即其中N为分解得到的本征模态函数个数；选取前4级本征模态函数IMFi(t),i＝1,2,3,4作为主分量；6)对主分量进行短时傅里叶变换得到其时频谱图，经过与电学含水率信号联合分析，确定主分量分别反映出的流体的结构流速：第一级本征模态函数IMF1(t)为最高频成分，反映弹状流中液弹的传播速度；第二级本征模态函数IMF2(t)覆盖基本覆盖液弹区，和第一级本征模态函数IMF1(t)一起反映液弹区的平均流速；第三级和第四级本征模态函数IMF3(t)&IMF4(t)出现在液膜区，与液滴夹带情况相关，反映液膜区内流体流速；7)对第一级本征模态函数分量进行快速傅里叶变换并计算液弹头部即混合区时间范围内的多普勒平均频移：对第一级和第二级本征模态函数分量的加和进行快速傅里叶变换并计算液弹区时间范围内的多普勒平均频移对第三级和第四级本征模态函数分量的加和进行快速傅里叶变换并计算液膜时间范围内的多普勒平均频移其中fd1，fd2，fd3分别为IMF1(t)，IMF1(t)+IMF2(t)，IMF3(t)+IMF4(t)对应的频率，也即不同尺度下的超声多普勒频移，Sd1(fd1)，Sd2(fd2)，Sd3(fd3)分别为其对应的能量谱强度；8)根据多普勒效应基本原理，计算弹状流的结构流速：其中液弹的传播速度为：液弹的平均速度为：液膜区的平均流速为：其中f0为超声波反射探头的激励频率，θ为超声波声束方向与水平方向的夹角，c为流体中声速。本专利技术的实质性特点是：利用电学传感器获取气液弹状流的含水率波动信号，由于气相对超声的强反射作用，利用同侧收发一体超声多普勒传感器获取气液弹状流的多普勒频移信号。由于弹状流中流速差异较明显的气弹和液弹间歇性出现，含水率和流速随时间波动剧烈。加之流速剖面和含率分布的存在，使得多普勒频移信号是来自不同位置上具有不同流速的散射体对超声作用的叠加，是一种多频率波动的叠加信号。因此，采用基于经验模态分解的信号处理方法，将多普勒信号分解为若干本征模态函数，采用互相关算法确定反映信号最显著特征的主分量，并对主分量进行短时傅里叶变换分析，结合含水率对弹状流间歇特性本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现，双晶超声换能器用于获取两相流超声多普勒频移信号，电学传感器用于获取含水率信号，所述双晶超声换能器采用收发一体同侧结构，被安装于水平的测试管道底部并保证超声波声束方向与流动方向的夹角为θ；所述电学传感器由四个环形金属电极镶嵌在测试管道内壁组成，与超声换能器同时安装于测试管道中，测量方法包含如下步骤：1)采集电学传感器的含水率信号H(t),t∈(0,T)和超声传感器的多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)，其中T为采样时间；2)计算采样时间内的含水率均值

【技术特征摘要】
1.一种气液弹状流结构流速声电双模态测量方法，采用双晶超声换能器和电学传感器实现，双晶超声换能器用于获取两相流超声多普勒频移信号，电学传感器用于获取含水率信号，所述双晶超声换能器采用收发一体同侧结构，被安装于水平的测试管道底部并保证超声波声束方向与流动方向的夹角为θ；所述电学传感器由四个环形金属电极镶嵌在测试管道内壁组成，与超声换能器同时安装于测试管道中，测量方法包含如下步骤：1)采集电学传感器的含水率信号H(t),t∈(0,T)和超声传感器的多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)，其中T为采样时间；2)计算采样时间内的含水率均值将thH作为含率阈值对流体进行区域划分：若某时刻下含水率大于thH，则该时刻下的含率为液弹区流过电学传感器时的含水率，否则该时刻下的含率为气弹区流过电学传感器时的含水率，即其中Hnl，Hng分别为液弹区和气弹区的含水率序列；3)利用Hnl、Hng分别计算液弹区含水率均值和气弹区的含水率均值与其中Tl，Tg分别为在采样时间内液弹区和气弹区经历的时间；将与作为含率阈值对流体进行二次区域划分：若某时刻含水率小于则该时刻为气弹区通过电学传感器，若某时刻含水率大于且小于则该时刻为混合通过电学传感器，否则为液弹区通过电学传感器，即由此可分别获取液弹区的开始时刻T1，混合区的停止时刻T2、气弹区的开始时刻T3以及气弹区的停止时刻，即下一液弹区的开始时刻T4；4)利用经验模态分解，对超声多普勒频移信号进行高频去噪处理：基于经验模态分解的方法，将超声多普勒频移信号fd(t),t∈(0,T)逐级分解为若干本征模态函数IMFj(t),j＝1,2,...,n和趋势函数rn(t)的和：其中n为分解得到的本征模态函数个数，利用互相关方法计算各本征模态函数IMFj(t),j＝1,2,...,n与原多普勒频移信号的相关系数，去除前m级中与原多普勒频移信号的相关系数小于阈值thcc的高频本征模态函数分量；...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭超，史雪薇，董峰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12