气液弹状流结构流速声电双模态测量方法与流程

本发明属于流体测量技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。本发明的技术方案如下：

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。

本发明的实质性特点是：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的反映，最终实现弹状流结构流速的测量。本发明的有益效果及优点如下：

1.该方法为非扰动式测量手段，不会对流体产生任何的扰动；

2.电学传感器和超声多普勒传感器组合式测量可获得对流体流动过程更全面的描述；

3.通过信号处理技术和联合分析方法实现流体的结构流速的测量，简单易行；

4.测量方便，速度快，成本低。

附图说明

以下附图描述了本发明所选则的实施例，均为示例性图而非穷举或限制性，其中：

图1本发明的测量方法中超声多普勒传感器结构示意图；

图2本发明的测量方法中电导环传感器结构示意图；

图3本发明测量方法中弹状流单元结构示意图；

图4本发明的测量方法中经验模态分解流程图；

图5本发明的测量方法中弹状流结构流速的计算步骤。

具体实施方式

下面结合说明书图详细说明本发明的实施例。

图1为本发明的测量方法中连续波超声多普勒传感器的结构示意图。本发明专利所用超声多普勒探头采用收发一体的双晶超声波换能器，其内部包含一个发射压电陶瓷晶片3a和一个接收压电陶瓷晶片3b，分别附着在声电耦合材料3c和3d上。声电耦合材料直接与流体接触，并与水平管道1之间以夹角θ0安装，使超声波束通路与两相流2的来流方向0保持夹角θ。所述声电耦合材料3c和3d之间加入了隔声材料4以防止发射和接收声波之间产生干扰。所述双晶超声波换能器安装于水平管道底部。发射压电陶瓷晶片3a发射超声波，声波在流体2中传播，收到测量空间5内的离散相反射和散射后由接收压电陶瓷晶片3b接收。接收声波与发射声波之间的频差反映测量空间5内流体的流速信息。

图2为本发明的测量方法中电导环传感器的结构示意图。本发明专利所用电学传感器由四个环形金属电极(1，2，3，4)镶嵌在管道内壁0中组成，其中电极1和电极4为激励电极对，电极2和电极3为测量电极对。通过向电极1中注入恒定的方波激励电流并将电极4接地，可在电极1和4中间形成稳定的电学敏感场。当流体流过敏感场时介质含率和分布变化时，电极2和电极3之间的电势差发生变化，通过测量该电势差可实现流体含率的测量。

图3为本发明的测量方法中弹状流单元结构示意图。所述气液弹状流单元结构包括液弹区2和气弹区3，且液弹区2中流体的湍流强度和流速比气弹区3的高。由于液弹区的头部不断拾起从前一个液弹中脱落的液体，高速的液体与低速的液体融合时在液弹的前端形成高速的涡流，大量离散的气泡分布在液相当中，此部分为混合区1。在液弹的尾部液体由于重力作用不断回归液膜区4，这一阶段中液体经历较快的减速过程。在气弹的前端，气液分界面的波动较强，造成液滴夹带，随着时间的推移，流体流动逐渐平稳，近似波状流缓慢流动。所述弹状流单元结构中液弹区2的开始时刻为t1，混合区1的停止时刻为t2、气弹区3的开始时刻为t3以及气弹区3的停止时刻(下一液弹区的开始时刻)为t4。所述弹状流单元结构中液弹的传播速度为vt，液弹区2的平均速度为vs，液膜区4的平均流速为vf。

图4为本发明的测量方法中经验模态分解流程图。经验模态分解是一种自适应的时频分析方法，通过筛选的过程将信号x(t)中存在的不同尺度的波动逐级分开，产生一系列具有不同尺度的本征模函数(imf)，直到剩余值序列rn(t)为单调函数停止分解。其中每个imf需要满足两个基本条件：1)信号极值点的数量(包括极大值点和极小值点)与过零点的数量相等，或至多相差1；2)信号在任意时间点上，局部极大值确定的上包络线和局部极小值点确定的下包络线均值为零，信号关于时间轴局部对称。以上所述条件为每次筛选过程的停止条件。

图5为本发明超声与电学组合传感器获得弹状流结构流速的计算步骤流程图。下面以气水两相流为例，本发明的电学、超声数据联合分析方法获取弹状流结构流速的计算步骤如下：

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；

步骤2：根据含水率信号对气液弹状流的流体进行区域划分。

1)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一次区域划分：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；

2)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(下一液弹区的开始时刻)t4；

步骤3：基于经验模态分解的方法对多普勒频移信号进行分解，并提取弹状流的结构流速。

1)对多普勒频移信号fd(t),t∈(0,t)去噪。一般情况下，多普勒频移信号中包含高频噪声的成分，严重影响分析精度，因此需要进行去噪。首先利用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为本征模态函数个数。值得注意的是，经验模态分解的本质是筛选过程，筛选的终止条件，即每个imf需要满足两个基本条件很难满足，一般需要按照柯西收敛准组，通过限定相邻分解结果之间的标准差sd终止筛选，即：

其中，h1,k-1，h1,k是筛选过程中连续两个分解结果序列，sd一般在0.2-0.3范围内取值，且它的选择会影响所分解出的本征模态函数的个数。利用互相关方法计算各本征模态函数与原多普勒频移信号的相关系数，相关系数越大，则表明该本征模态函数越能体现信号的最显著特征。因此根据实际高频噪声情况选择相关系数阈值thcc，选择前m级高频本征模态函数分量进行判断：若前m级高频本征模态函数分量与原多普勒频移信号的相关系数小于thcc，则选择去除，否则保留。一般情况下，高频噪声因频率最高被最先分解出来，且与原多普勒频移信号的相关系数较小，因此m一般取值为3-4，thcc一般取值为0.2-0.3。然后将前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)；

2)将新的待处理信号fd'(t),t∈(0,t)进行二次经验模态分解，则信号可以表示为若干本征模态函数imfi(t),i＝1,2,...,n和趋势函数rn(t)的和：

其中n为二次分解时本征模态函数个数。在各个imfi(t)中包含的是信号从高到低的不同频率段成分，每个imf代表的是原始信号中不同的时间-尺度特征成分。由于经验模态分解方法又可称为主成分分析方法，通常情况下，二次分解得到的前级本征模态函数分量往往集中了信号中最显著、最重要的信息。因此选择确定前4级本征模态函数imfj(t),j＝1,2,3,4作为主分量；

3)利用短时傅里叶变换的方法对主分量进行时频分析，结合步骤2中由含水率信号对流体的分区结果，确定主分量分别反映出的流体的结构流速。经过电学、超声信息的联合分析，确定第一级本征模态函数imf1(t)为最高频成分，出现在液弹区的头部，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；

4)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(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)+imf2(t)，imf3(t)+imf4(t)对应频率，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，t1，t2，t3，t4均由步骤2获得。

5)根据多普勒效应的基本原理，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(同时为弹状流的总表观流速)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。