一种密相气力输送两相流流型的识别方法与流程

本发明涉及气固两相流流动检测技术领域，具体地讲，涉及一种密相气力输送两相流流型的识别方法及识别装置。

背景技术：

密相气力输送系统广泛应用于能源、化工、冶金及医药食品加工等领域。输送管道中两相流的流型，极大的影响着流动参数的准确测量以及流动系统的优化设计和运行稳定性。流型识别判据的研究及其在线测量技术的研究对两相流的流动特性，传热传质性能以及其他问题的分析研究，具有重要的科学意义和工业应用价值。密相气力输送系统中颗粒速度较低，浓度很高，流动形态多样并且受系统几何参数，操作参数和粉体颗粒特性的影响较大。目前，密相气力输送两相流型的识别方法研究是两相流检测领域的一个重点和难点。

流型识别的关键环节是流型特征值提取，目前有较多国内外学者对密相气力输送两相流流型的特征值提取方法进行了研究，例如A.Mittal等通过计算密相气力输送水平管道(内径69mm)中压差信号的Shannon熵，区分出悬浮流和管底流。尽管研究学者们采用了较多的特征值提取方法，但是目前处于这样一种状态，无论采用何种方法都能得到一些有益的结果，但每种分析方法都有一个关键问题难以解决：流型信息提取与气固两相流动力学结合不紧密，提取的特征值与流型之间关系不明确。由此衍生出的问题极大的影响了密相气力输送流型识别技术的发展和应用，亟待解决。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种密相气力输送两相流流型的识别方法及识别装置，根据气固两相流不同流型的静电信号的多尺度能量比重，实现对密相气力输送两相流型的识别。

本发明采用如下技术方案实现发明目的：

一种密相气力输送两相流流型的识别方法，包括安装在密相气力输送水平管道的静电传感器，所述静电传感器连接前置电压放大电路，所述前置电压放大电路连接高速数据采集卡，其特征是：包括如下步骤：

(1)所述静电传感器探头上产生的信号经过所述前置电压放大电路放大后再由所述高速数据采集卡传送到计算机，计算机记录静电传感器输出的静电信号，对获取的静电信号进行流型划分；

(2)计算机对获取的4种流型的静电信号进行多尺度分解，具体步骤如下：

首先对静电信号进行经验模态分解处理，得到13个本征模态分量IMF，然后对每个IMF分量进行R/S分形分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，τ表示R/S分形方法中的一个时间延迟变量，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；

(3)根据分形特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为尺度1、尺度2和尺度3，具体划分方法如下：

将Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度1；将在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度2；将Hurst指数H大于0.5小于1的IMF划入尺度3；

(4)计算静电信号的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的计算方法如下：

静电信号被分解成13个IMF分量，假设其中尺度1占有M个IMF分量，分别是IMF1，IMF2…，IMFM，一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,…x_H}，x₁,x₂,…x_H是按时间顺序排列的一组数据，x_i表示一个数据，H是数据的个数或者是时间序列的长度，其中，能量E_IMF1的计算公式为：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的计算公式与E_IMF1的计算公式雷同，利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号尺度1的能量比重R₁：

$R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{13}{\Σ}}{E}_{IMFi}}$

按照计算静电信号尺度1的能量比重R₁的方法，计算静电信号尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃；

(5)根据步骤(4)计算得到的4种流型静电信号3个尺度的能量比重，分别以R₁、R₂为横坐标和纵坐标，绘制这4种流型的分布图；

(6)以步骤(5)获得的4种流型分布图为参照标准，重新采集某一未知流型的静电信号，并重复步骤(2)-(4)，将计算结果与分布图进行比对，判断是否为这4种流型中的一种。

作为对本技术方案的进一步限定，所述尺度1比重R₁、尺度2比重R₂和尺度3的比重R₃之和为1，即：

R₁+R₂+R₃＝1。

作为对本技术方案的进一步限定，所述步骤(1)获取的流型分为悬浮流、层流、疏密流和沙丘流4种流型。

现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：该方法从密相气固两相流的流动本质出发，从静电信号中提取多尺度特征，进而对流型进行表征，提高了流型表征能力，根据气固两相流不同流型的静电信号的多尺度能量比重，实现对密相气力输送两相流型的识别；采用的静电传感器结构简单，价格低廉，适合于恶劣的工业环境。该方法实用性广，同时信号分解方法与密相气力输送两相流流动本质结合，准确性较高。

附图说明

图1是本发明的信号采集系统示意图。

其中，1-静电传感器；2-输送管道；3-前置电压放大电路；4-数据采集卡；5-计算机。

图2是层流的静电输出信号。

图3是层流静电信号的13个IMF分量。

图4是层流静电信号的13个IMF分量的关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ。

图5是4种流型的多尺度能量比重分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1-图5所示，本发明将静电传感器1安装在密相气力输送水平管道2上，静电传感器探头的信号输出导线需接入前置电压放大电路3的输入端，放大电路的输出端与高速数据采集卡4的输入端连接，由计算机5控制采集卡。当管道内煤粉流动时，静电传感器探头上产生的信号经放大电路放大后再由采集卡传送到计算机5中。

输送介质为CO₂和煤粉，实验过程中调节总输送压差从1MPa到0.3MPa变化，通过电容层析成像系统(此为现有技术，在此不再赘述)的操作界面观察两相流流型的变化，等到流型稳定之后开始记录静电传感器输出的静电信号，静电信号的采样频率为1000Hz，每种流型采集3组数据，每组20000个数据点。实验中观察到悬浮流、层流、疏密流和沙丘流4种流型。如图2所示为层流的静电信号。

分别对4种流型的静电信号进行多尺度分解，具体步骤如下：

首先对静电信号进行经验模态分解处理(此为现有技术，在此不再赘述)，得到13个本征模态分量IMFs，然后对每个IMF分量进行R/S分形(此为现有技术，在此不再赘述)分析得到关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，最后对关系曲线的直线段部分做线性拟合，得到拟合直线的斜率，即Hurst指数H；图3所示为层流静电信号的13个IMF分量，每个分量的关系曲线ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，如图4所示，其中，对每个IMF分量进行R/S分形处理时所选的时间延迟τ的范围为10～100。

根据分形特征及Hurst指数H的大小，将静电信号划分为尺度1、尺度2和尺度3，具体划分方法如下：

将Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度1；将在小的时间延迟τ下Hurst指数H大于0.5小于1而大的时间延迟τ下的Hurst指数H小于0.5的IMF分量划入尺度2；将Hurst指数H恒大于0.5小于1的IMF划入尺度3；

计算静电信号的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的计算方法如下：

静电信号被分解成13个IMF分量，假设其中尺度1占有M个IMF分量，分别是IMF1，IMF2…，IMFM。一个IMF分量为一组时间序列{x₁,x₂,…x_H}，x₁,x₂,…x_H是按时间顺序排列的一组数据，x_i表示一个数据，H是数据的个数或者是时间序列的长度，其能量E_IMF1的计算公式为：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的计算公式与E_IMF1的计算公式雷同，IMF分量的表述方式也雷同，利用上述公式分别计算每个IMF分量的能量，则静电信号尺度1的能量比重R₁：

$R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{13}{\Σ}}{E}_{IMFi}}$

按照计算静电信号尺度1的能量比重R₁的方法，计算静电信号尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃。并且，R₁+R₂+R₃＝1

根据上述步骤计算得到的4种流型静电信号3个尺度的能量比重，分别以R₁，R₂为横纵坐标，绘制这4种流型的分布图，如5图所示。

以附图5的4种流型分布图为参照标准，重新采集某一未知流型的静电信号，并重复步骤(2)-(4)，将计算结果与分布图进行比对，判断是否为这4种流型中的一种。

以上公开的仅为本发明的一个具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。