基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法及系統的製作方法
2023-08-22 17:54:16 1
專利名稱：基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法及系統。
背景技術：
隨著科學技術的迅速發展，兩相流動體系在國民經濟和人類生活中的地位日益重要。在自然界和工業生產中涉及範圍十分廣泛。在化工、石油、冶金、動力及原子能等工業中，兩相流動過程更是普遍存在。
兩相流動中各相介質的分布狀況稱為流型，或流態。流型的不同，不但影響兩相流的流動特性和傳熱傳質性能，而且影響對兩相流參數的準確測量。例如壓力的波動與被輸送的兩相流混合物相互作用會產生管路的強烈振動現象。因此研究兩相流流型的自動識別不僅具有重要的工業應用價值和學術價值，而且它能夠為相關工業的安全與自動化生產、管路系統的設計與運行、兩相流量計量的開發等提供重要的技術支持。因此，兩相流的流型辨識是兩相流檢測中的一個重要方向。
但氣液兩相流中兩相之間存在著多變的相界面，相界面的形狀及其在兩相流中的分布情況是隨著流動過程隨時在變化的，兩相流的相界面的這種多變性，致使兩相流的流型不僅是多種多樣的，而且其變化帶有隨機性。這給兩相流的流型檢測帶來了很大的挑戰性。
傳統的兩相流流型檢測(判別)方法有兩大類一類是採用實驗方法做出流型圖。早期對流型的研究主要是靠流型的狀態圖和流型的模型判據；另一類是根據對流型轉變機理得到的轉變關係式，利用現場的流動參數來確定具體的流型。但傳統的流型辨識方法在實際應用中有很大的局限性。
流型的現代測量方法從工作原理上可分為直接測量法和間接測量法。常見的直接測量法有目測法、高速攝影法、射線衰減法和接觸探頭法等幾種；間接測量法主要有概率密度函數分析法(PDF)、功率譜密度函數分析法(PSD)。隨著科學技術的不斷發展，近些年又有許多新的流型測量方法產生過程層析成像技術、模糊數學判別法、分形幾何分析法、WVD分析法等，它們都從信號處理的角度出發對所得到的信息經過不同的方法進行處理，最終得到與流型的某種關係進行流型的分析和辨識。傳統的通常建立在傳感器等硬體基礎上的各種現有測試手段，目前在兩相流領域還未能獲得令人十分滿意的結果，將軟測量技術(如狀態估計，過程參數辨識，人工神經網絡，模式識別等)引入多相流參數測試領域中來是兩相流檢測的一個發展趨勢。通過軟測量方法(是利用較易在線測量的輔助過程變量和離線分析信息提供主要過程參數的在線估計的方法)，解決具有複雜性，不確定性，且很難用數學模型精確描述的兩相流系統的測試問題。
發明內容
本發明的目的是提供一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法及系統。
辨識方法首先進行水平管氣液兩相流差壓信號的檢測，對差壓信號進行小波分析處理，再利用模糊模式識別技術建立差壓信號輔助變量和兩相流流型主導變量之間的數學模型，通過此軟測量模型實現兩相流流型的自動客觀辨識。
系統具有兩相流水平管上的第一取壓孔、第二取壓孔、第三取壓孔、第四取壓孔、並分別與取壓管相連、取壓管依次與兩個差壓傳感器、信號調製放大模塊、數據採集卡、微型計算機以及印表機相連。
本發明在原有的儀表檢測的基礎上，依託計算機技術，採用軟測量技術進行水平管氣液兩相流流型的辨識。與傳統流型辨識系統相比，採用信號準確可靠，辨識結果準確，能夠區分水平管氣液兩相流的主要流型，且程序功能豐富，顯示界面友好。本發明利用所提出的方法對水平管氣液兩相流流型進行了辨識。試驗分別在本實驗室試驗裝置和大慶油田多相流試驗基地進行，取得了較好的辨識效果，表1示出了部分試驗結果。
表1
圖1是基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法方框圖；圖2是不同流型下壓力波動信號小波分解示意圖；
圖3是基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統結構示意圖；圖4是基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統取壓距離示意圖；圖5是本發明信號調製放大模塊電路圖；圖6是本發明軟體程序流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，介紹了基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法方框圖。軟測量技術是近年來在過程控制和檢測領域湧現出來的一種新技術。它採用間接測量思路，利用易於獲取的其它測量信息，通過計算來實現被檢測量的估計。所謂軟測量技術就是利用易測過程變量(常稱為輔助變量或二次變量)，依據這些易測過程變量與難以直接測量的待測過程變量(常稱為主導變量)之間的數學關係(軟測量模型)，通過各種數學計算和估計方法，從而實現待測過程變量的測量。可以看出，軟測量技術是依據某種最優化準則，利用由輔助變量構成的可測信息，通過軟體計算實現對主導變量的測量，軟測量的核心是表徵輔助變量和主導變量之間的數學關係的軟測量模型，因此軟測量的本質就是如何建立軟測量模型，即一個數學建模問題。軟測量系統構造的核心是如何建立軟測量模型。軟測量的分類一般都是依據軟測量模型的建立方法，可以分為機理建模、回歸分析、狀態估計、模式識別、人工神經網絡、模糊數學、過程層析成像、相關分析和現代非線性信息處理技術等。圖1中描述了本發明所採用軟測量方案的技術路線。由於兩相流系統的複雜性，流型判別的不確定性，使得很多傳統的方法都得不到很好的效果。本發明採用小波分析技術和模糊數學進行數學建模，利用軟測量技術對不同管徑的氣液兩相流的流型進行了分析和判別。在兩相流系統中，壓力或差壓波動信號的檢測方便可靠，而且包含了豐富的信息，因此將氣液兩相流的差壓波動信號作為軟測量系統的易測輔助變量。而主導變量就是氣液兩相流中重要參數——流型。選擇各尺度細節的能量佔信號的總能量的百分比作為信號各尺度的特徵值，即信號經小波分解後，各尺度細節的能量佔信號的總能量的百分比(「尺度能量百分比」)。所謂的尺度能量百分比定義如下對於正交小波，可以用小波分解係數來表示信號能量，其總能量可以表示為E=j,k||Dj,k||2+k||CJ2,k||2----J1-1jJ2]]>
而頻率介於2-j和2-(j-1)之間的成分的「尺度能量」可以表示為Ej=kZ||Dj,k||2----J1-1jJ2]]>本文以各尺度細節的能量佔信號的總能量的百分比作為信號各尺度的特徵值，即取能量特徵值為「尺度能量百分比」Pj=EjE.]]>如圖2所示，在不同流型下差壓波動信號的小波分解的圖形是不同的，其各尺度能量佔總能量的百分比也有很大區別，可以作為特徵值進行流型的判別。
根據模糊數學理論，流型辨識問題就是一個決策問題，即通過已知的信息來進行流型的分類。
首先，設定論域為U={A1~,A2~,A3~,A4~},]]>其中 即在實驗中觀測到的實際流型。
然後確定待辨識流型的特徵向量X＝{x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7}，這裡，xj＝Pj＝Ej/E0，1≤j≤J，x7＝E0，即選用信號的尺度能量百分比Pj和信號能量E0作為特徵向量。並確定它們的主要分布區間[minij，maxij]，1≤j≤J，，其中i代表某種具體流型，1≤i≤4。也就是說，將根據不同尺度的能量分量Pj和信號的能量E0的分布狀況來確定流型的判別準則，以此作為流型判別的依據。
由於隸屬度函數的確定並沒有一定的標準，多數是根據經驗知識加以確定。經過分析，對每個特徵變量選用梯形函數作為隸屬度函數 選取每一特徵變量隸屬度值的加權均值作為每一 的隸屬度函數 即Ai~(X)=jwiji~(xj),]]>其中wij為加權係數，且jwij=1,]]>加權係數是在實驗中確立的。由此可以計算出某一特徵向量對於每一模糊子集的隸屬度值，按最大隸屬度原則就可以判斷待辨識流型。
在利用樣本數據確立了特徵變量的隸屬度函數後，整個辨識過程的方法步驟如下(1)首先對待辨識信號進行小波分解，提取特徵向量值能量E0和尺度能量百分比Pj；(2)然後計算各特徵值的隸屬度值，從而得到此信號對於每一流型(模糊子集)的隸屬度值；(3)根據最大隸屬度原則，得到辨識的結果，如果有兩個相同的隸屬度值，則認為流型處於兩種流型的過渡階段；(4)最後，根據實際流型與判別得到的流型進行驗證，得到辨識成功率。
本發明還實現了採樣頻率計算機自動確定。首先進行壓力波動信號的預採集，在這一步中，採用較高的採集頻率，一般為500Hz的採樣頻率。將採集到的壓力波動信號進行FFT變換(快速Fourier變換)進而求得壓力波動信號的頻譜值，根據譜圖，確定壓力波動信號的主要集中的頻率範圍。得到壓力波動信號所處的頻率範圍後，根據採樣定理，將採樣頻率設置到壓力波動信號最高頻率的兩倍，在實際試驗中，對得到的採樣頻率乘以一個係數作為最後確定的採樣頻率。這樣通過軟體本發明實現了採樣頻率的自動設定。
如圖3所示，描述基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統結構示意圖採用不同取壓距離(第一取壓孔(1)，第二取壓孔(2)之間和第三取壓孔(3)，第四取壓孔(4)之間)獲取水平管中氣液兩相流的差壓信號，差壓信號可通過兩種方式進行外傳，其一，當差壓傳感器(6)可輸出標準信號時，可直接接入數據採集卡(7)中；其二，若考慮成本所用的差壓傳感器(6)不能輸出標準信號，通過自製的信號調製放大模塊進行信號的放大和遠傳。標準信號或放大後的信號通過工業上已成熟應用的模擬量採集板卡送入計算機進行相應的處理。計算機中可以進行採樣頻率、採樣通道和數據長度等的選擇。
如圖4所示，描述了基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統取壓距離示意圖。在管道上進行差壓信號的獲取，採集的差壓信號通道多，獲取的信息就完整，但由於管路的限制，再則考慮採集的信號通道多，成本提高，但相應的效果並不會明顯改善，因此本實用新型中選取不同取壓距離的兩路差壓信號進行測量分析。取壓距離的不同，採集到的信號的側重點是不同的，而且水平管道管徑的不同也對取壓距離提出一定的要求，綜合進行考慮，選取的取壓距離分別為L/D＝10和L/D＝2，其中L為選用的取壓距離，D為水平管管徑。需要說明的一點是這裡的選取原則並不是一成不變的，可以根據實際情況進行一定的調整。
如圖5所示，描述了本發明信號調製放大模塊電路圖。包括差壓傳感器DPS、電壓源晶片P1、電壓源晶片P2、儀表放大器U1、運算放大器U2、運算放大器U3、三極體T1、第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、調零電阻RZ、增益調節電阻RG、第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3。其中，+15V電源接到P1的輸入管腳，P1的輸出接到DPS的輸入管腳1、3。DPS的輸出管腳2、4接到U1的輸入端。-15V電源接到P2的輸入管腳，P2的-5V輸出通過RZ接到P1的+5V輸出上，RZ的可調端接到U2的輸入正極，U2的輸入負極接到U2的輸出端，組成一電壓跟隨器，用來調節零點。第二電容C2接到P1的+5V電壓輸出和地，第三電容C3接到P2的-5V輸出和地。U2的輸出接到U1的參考電源端。U1的放大倍數通過接到U1的RG進行調節。U1的輸出接第一電阻R1和第一電容C1作為信號調製放大模塊的電壓輸出V0。為進行遠傳，V。通過第二電阻R2和第一電容C1組成的低通濾波器接到U3的輸入正極，U3的負極通過第三電阻R3接到三極體T1的發射極，三極體T1的發射極通過第五電阻R5接到地。U3的輸出通過第四電阻R4接到三極體T1基極，+15V電源通過輸出負載接到三極體T1的集電極。輸出負載上的電流IOUT即為信號調製放大模塊電流輸出。儀表放大器U1的輸出V0既此信號調製放大模塊的電壓輸出。電流輸出利用運算放大器U3和三極體T1組成的典型電壓-電流轉換電路來實現，IOUT為輸出電流。
如圖6所示，描述了本發明軟體程序流程圖。程序首先進行硬體的初始化，檢查硬體的驅動是否裝好，硬體是否都連接，如果成功則進行下面的操作，如果不成功則等待進行檢查。若硬體設備初始化成功則進行軟體的配置(設置)，可以設置相應的採樣頻率、採樣時間、所選用的通道編號等等。這些按要求配置好後就可進入到程序的主要部分進行數據採集、處理、分析，最後進行水平管氣液兩相流流型的辨識。
權利要求
1.一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法，其特徵在於首先進行水平管氣液兩相流差壓信號的檢測，對差壓信號進行小波分析處理，再利用模糊模式識別技術建立差壓信號輔助變量和兩相流流型主導變量之間的數學模型，通過此軟測量模型實現兩相流流型的自動客觀辨識。
2.根據權利要求1所述的一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法，其特徵在於方法的步驟為1)數據採集分析選取的取壓距離分別為L/D＝10和L/D＝2，其中L為選用的取壓距離，D為水平管管徑，對兩種不同取壓距離的差壓信號進行採集，並進行採樣頻率的自動設定；對差壓波動信號進行小波分析，並提取相應的特徵值尺度能量和尺度能量百分比；2)流型的模糊模式識別針對水平管氣液兩相流的氣泡流、彈狀流、塞狀流和環狀流主要流型建立論域，並根據小波分析得到的特徵值，採用最大隸屬度原則進行流型的判別；3)軟測量模型的建立過程軟測量模型的建立是通過對樣本數據的訓練進行的，尋求不同流型下由小波分析技術得到的特徵值的不同特點，確定隸屬度函數進而建立軟測量模型，即選用信號的尺度能量百分比Pj和信號能量E0作為特徵向量，並確定它們的主要分布區間[minij，maxij]，1≤j≤J，其中i代表某種具體流型，1≤i≤4。根據特徵向量的主要分布區間，對每個特徵變量選用梯形函數作為隸屬度函數，選取每一特徵變量隸屬度值的加權均值作為每一Ai的隸屬度函數 即Ai(X)=jwiji(xj),]]>其中wij為加權係數，且jwij=1,]]>最後採用最大隸屬度原則進行流型辨識，從而建立了軟測量模型。
3.一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統，其特徵在於它具有兩相流水平管上的多個取壓孔、並分別與取壓管(5)相連、取壓管(5)依次與多個差壓傳感器(6)、信號調製放大模塊(7)、數據採集卡(8)、微型計算機(9)以及印表機(10)相連。
4.根據權利要求3所述的一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統，其特徵在於所說多個取壓孔為第一取壓孔(1)、第二取壓孔(2)、第三取壓孔(3)、第四取壓孔(4)。
5.根據權利要求3所述的一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識系統，其特徵在於所說信號調製放大模塊(7)的電路為它具有差壓傳感器DPS、電壓源晶片P1、電壓源晶片P2、儀表放大器U1、運算放大器U2、運算放大器U3、三極體T1、第一電阻R1、、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4、第五電阻R5、調零電阻RZ、增益調節電阻RG、第一電容C1、第二電容C2和第三電容C3。其中，+15V電源接到P1的輸入管腳，P1的輸出接到DPS的輸入管腳1、3。DPS的輸出管腳2、4接到U1的輸入端。-15V電源接到P2的輸入管腳，P2的-5V輸出通過RZ接到P1的+5V輸出上，RZ的可調端接到U2的輸入正極，U2的輸入負極接到U2的輸出端，組成一電壓跟隨器，用來調節零點。第二電容C2接到P1的+5V電壓輸出和地，第三電容C3接到P2的-5V輸出和地。U2的輸出接到U1的參考電源端。U1的放大倍數通過接到U1的RG進行調節。U1的輸出接第一電阻R1和第一電容C1作為信號調製放大模塊的電壓輸出V0。為進行遠傳，Vo通過第二電阻R2和第一電容C1組成的低通濾波器接到U3的輸入正極，U3的負極通過第三電阻R3接到三極體T1的發射極，三極體T1的發射極通過第五電阻R5接到地。U3的輸出通過第四電阻R4接到三極體T1基極，+15V電源通過輸出負載接到三極體T1的集電極。輸出負載上的電流IOUT即為信號調製放大模塊電流輸出。
全文摘要
本發明公開了一種基於軟測量技術的氣液兩相流流型辨識方法及系統。採用了軟測量技術框架，利用易測可靠的差壓波動信號作為輔助變量，進行主導變量兩相流流型的檢測。對採集到的差壓信號進行小波分析，並在此基礎上提取相應的特徵值，根據特徵值採用模糊模式識別技術對水平管氣液兩相流流型進行客觀辨識。其中，關鍵的軟測量模型採用了小波分析技術與模糊模式識別技術相結合進行建模。在此基礎上建立了一套氣液兩相流流型辨識系統。本系統由實驗管路、取壓孔、取壓管、差壓傳感器、放大器、數據採集卡、微型計算機以及印表機構成。本系統將檢測到的差壓信號通過放大器和數據採集卡送入計算機，在計算機中實現對數據處理，進而實現氣液兩相流流型的辨識。
文檔編號G01N11/00GK1554936SQ20031012277
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者冀海峰, 黃志堯, 王保良, 李海青 申請人:浙江大學