一种气波管内气液运动特征的检测方法和系统

本发明涉及的是一种气波管内激波运动特征，尤其涉及的是一种气波管内气液运动特征的检测方法和系统。

背景技术：

1、膨胀制冷是利用气体压力能实现制冷的有效方式，具有高效节能、环保无污染、维护成本低等优势，已在工业过程中实现了广泛应用。常见的气体膨胀制冷设备有节流阀、透平膨胀机与气波制冷机。气波制冷机因其结构简单、允许两相入口的优点，非常适用于高压和大带液条件下的气体膨胀制冷过程。

2、气波制冷机的核心构件为压力振荡管，管内不同能量水平的气体利用激波与膨胀波的运动发生能量转换。然而在实际生产过程中，气波管带液运行受到一定限制。气波管进气通常含有可凝组分，其经膨胀降温后冷凝液化形成冷凝液，冷凝液在振荡管内高频脉动气流的带动下向出气口方向运动。但由于液体密度远大于气体，液体运动速度小于气体，液体在管道内的停留时间远高于气体。加之不间断的进气会使冷凝液含量迅速增加，最终导致液体在管内大量积聚，这不仅降低了制冷效率，严重时还可能会引起振荡管振动断裂，导致气波制冷机损坏。为避免上述情况的发生，亟需开发检测方法准确表征气波管内气液流动特征，从而掌握气波管内液体运动规律并预先采取合理措施进行疏液调控。另一方面，气波管通常采用传热性能较好的紫铜管，内部气液流动不可见，由于实验手段的缺失，无法实现气波管内气液特征的捕捉。而声发射检测技术已成功捕捉气波管内波系运动特征(如中国专利zl 202110199127.0)，并且在多相流检测领域应用广泛，因此，声发射检测在气波管内气液特征的检测方面非常具有前景。

3、综上，实现气波管内气液运动特征的检测方法和系统对于气波管的结构设计及运行调控十分重要。本发明希望采用实时无损的被动式声发射检测技术，通过采集带液操作条件下气波管内波系运动过程中产生的声发射信号，解析气液运动信息，建立一种气波管内气液运动特征的非侵入检测方法和系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对气波管内复杂气液运动，提出一种气波管内气液运动特征的检测方法及装置。通过对比气波管内纯气相体系与气液体系中波系运动过程中产生的声信号并加以分析，提取出声信号特征量，以表征气波管带液操作时气液运动特征(如气液流型、液含量等)。

2、本发明是通过以下技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供了一种气波管内气液运动特征的检测方法，其包括以下步骤：

4、(1)在气波管的外壁设置1个或多个声发射传感器，采集气波管内波系运动过程中产生的声波信号；

5、(2)对采集的声波信号进行预处理，去除噪声；

6、(3)对去噪后的声波信号进行数据处理，得到描述气波管内气液运动特征的参数；

7、(4)根据步骤(3)中得到的参数量化气波管内气液运动特征。

8、优选的，所述步骤(3)中的描述气液运动特征的参数包括声信号峰形、声能量、声信号峰值标准差、高频段声能量。其中，声信号峰形通过对声信号求取上包络得到。在对气波管不同位置上声信号同步求取包络后，发现声信号包络峰由多峰分布转为单一强尖锐的峰时，多道压缩波汇聚形成激波，即可实现激波汇聚位置的检测。针对相同射气时间内的声信号，可计算与激波强度相关的声能量针对气液体系中每次射气过程的声信号差异，选用单射气周期内声信号峰形的极大值点作为峰值，进而统计相同时间内多射气周期的声信号峰值，计算其标准差以表征声信号峰值波动情况。而针对气液体系中声信号高频成分增加，计算高频段声能量可关联振荡管内液含量。

9、优选的，所述步骤(4)中获得的气波管内气液运动特征包括下列a～d中的一项或多项：

10、a、根据声信号峰形实现气波管内带液操作时激波汇聚位置的检测；

11、沿气波管管程设置声发射传感器阵列并获取声信号，根据获得的声信号沿管程的变化，对其进行上包络处理以提取声信号峰形，当声信号峰形由多峰分布转向单一强尖锐峰时，表明在该位置压缩波汇聚形成激波。为量化声信号峰形演化过程，采用动态阈值分割上包络声信号，获取不同阈值下的相对峰面积，进而计算相对峰面积的相对标准偏差(rsd)，此时rsd极大值点恰表征声信号峰形转变，即可精准监测激波汇聚位置。

12、b、根据声能量实现气波管内带液操作时激波强度的检测；

13、依据声能量与激波强度呈正相关的特性，根据获得的声能量的大小实现气波管内带液操作时激波强度的检测。

14、c、根据声信号峰值标准差实现气波管内液体/气液流型的识别；

15、当气波管内存在液体时，声信号峰值标准差明显高于纯气相体系中声信号峰值标准差；声信号峰值标准差沿管程先增大后减小，其转折点与气波管内流型由分层夹带流转向分层流的转变位置一致，即根据声信号峰值标准差沿管程的变化实现气波管内液体/气液流型的识别。

16、d、根据高频段声能量实现气波管内液含量的检测。

17、根据气波管内液体/流型识别结果，优选检测液含量的位置为分层流区域，依据该区域内高频段声能量与液含量呈正相关，实现管道内液含量的检测。所述的高频段声能量为频率大于60khz的频段的声能量。

18、第二方面，本发明提供了一种气波管内气液运动特征的检测装置，其特征在于，该检测装置包括至少1个声发射传感器、信号放大器、信号采集装置和信号处理装置，声发射传感器设置于气波管外壁上，声发射传感器和信号放大装置相连将声波信号转为电信号传输至信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输至信号采集装置，信号采集装置和信号处理装置相连将采集到的信号进行分析，得到表征气波管内气液运动特征的参数；

19、所述信号处理装置对采集的声波信号进行预处理去除噪声；对去噪后的声波信号进行数据处理，得到描述气波管内气液运动特征的参数；根据得到的参数量化气液运动特征；

20、其中，根据得到的参数量化气液运动特征包括下列a～d中的一项或多项：

21、a、根据声信号峰形实现气波管内带液操作时激波汇聚位置的检测，

22、b、根据声能量实现气波管内带液操作时激波强度的检测，

23、c、根据声信号峰值标准差实现气波管内液体/气液流型的识别，

24、d、根据高频段声能量实现气波管内液含量的检测。

25、当设置多个声发射传感器或者设置声发射传感器阵列时，各声发射传感器的频率响应特征相同，频率响应范围为1hz～10mhz。

26、本发明具有以下优点：本发明的声波检测为非侵入式检测方法，同时具备高敏感性、简单环保的优点，非常适用于工业场景；通过对比气波管中纯气相体系和气液体系中波系运动过程中产生的声信号差异，利用有效的数据分析方法实现了气波管中气液运动特征的检测。

技术特征：

1.一种气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)中的描述气液运动特征的参数包括声信号峰形、声能量、声信号峰值标准差、高频段声能量。

3.根据权利要求2所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中获得气液运动特征包括下列a～d中的一项或多项：

4.根据权利要求2所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的a为：沿气波管管程设置声发射传感器阵列并获取声信号，根据获得的声信号沿管程的变化，对其进行上包络处理以提取声信号峰形，当声信号峰形由多峰分布转向单一强尖锐峰时，表明在该位置压缩波汇聚形成激波，即根据声信号峰形的演化过程实现气波管内带液操作时激波汇聚位置的检测。

5.根据权利要求2所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的b为：依据声能量与激波强度呈正相关的特性，根据获得的声能量的大小实现气波管内带液操作时激波强度的检测。

6.根据权利要求2所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的c为：当气波管内存在液体时，声信号峰值标准差明显高于纯气相体系中声信号峰值标准差；声信号峰值标准差沿管程先增大后减小，其转折点与气波管内流型由分层夹带流转向分层流的转变位置一致，即根据声信号峰值标准差沿管程的变化实现气波管内液体/气液流型的识别。

7.根据权利要求2所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中的d为：根据气波管内液体/流型识别结果，优选检测液含量的位置为分层流区域，依据该区域内高频段声能量与液含量呈正相关，实现管道内液含量的检测。

8.根据权利要求2或7所述的气波管内气液运动特征的检测方法，其特征在于：所述的高频段声能量为频率大于60khz的频段的声能量。

9.一种气波管内气液运动特征的检测装置，其特征在于，该检测装置包括至少1个声发射传感器、信号放大器、信号采集装置和信号处理装置，声发射传感器设置于气波管外壁上，声发射传感器和信号放大装置相连将声波信号转为电信号传输至信号放大装置，信号放大装置和信号采集装置相连将放大后的信号传输至信号采集装置，信号采集装置和信号处理装置相连将采集到的信号进行分析，得到表征气波管内气液运动特征的参数；

10.根据权利要求9所述的气波管内气液运动特征的检测装置，其特征在于，当设置多个声发射传感器或者设置声发射传感器阵列时，各声发射传感器的频率响应特征相同，频率响应范围为1hz～10mhz。

技术总结
本发明公开了一种气波管内气液运动特征的检测方法及装置，本发明通过包含声发射传感器、信号放大器、信号采集装置和信号处理装置的检测系统，通过实时无损(非侵入)采集气波管内气液体系的声波信号，经相关处理后得到气液体系下的波系运动特征，进一步获取气波管内气液流型、液含量等气液运动特征。本发明的声波检测为非侵入式检测方法，同时具备高敏感性、简单环保的优点，非常适用于工业场景。

技术研发人员：张鹏,徐琴,黄正梁,杨遥,孙婧元,王靖岱,张浩淼,阳永荣
受保护的技术使用者：浙江大学宁波“五位一体”校区教育发展中心
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24