一种基于软测量技术的多相流流型检测方法与流程

本发明涉及的是多相流检测领域，特别涉及一种基于软测量技术的多相流流型检测方法。

背景技术：

随着科学技术的迅速发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要，在自然界和工业生产中涉及范围十分广泛，在化工、石油、冶金、动力及原子能等工业中，多相流动过程更是普遍存在。多相流动中各相介质的分布状况称为流型或流态。流型的不同，不但影响多相流的流动特性和传热传质性能，而且影响多相流参数的准确测量。例如压力的波动与被输送的多相流混合物相互作用会产生管路的强烈振动现象。因此研究多相流流型的自动识别不仅具有重要的工业应用价值和学术价值，而且它能够为相关工业的安全与自动化生产、管路系统的设计与运行、多相流量计量的开发等提供重要的技术支持。因此，多相流的流型辨识是多相流检测中的一个重要方向。

流型的现代测量方法从工作原理上可分为直接测量法和间接测量法。常见的直接测量法有目测法、高速摄影法、射线衰减法和接触探头法等几种；间接测量法主要有概率密度函数分析法、功率谱密度函数分析法。传统的通常建立在传感器等硬件基础上的各种现有测试手段，目前在多相流领域还未能获得令人十分满意的结果，将软测量技术(如状态估计、过程参数辨识，人工神经网络、模式识别等)引入多相流参数测试领域中来是流型检测的一个发展趋势。

经检索，与本发明相关的专利有：一种鉴别多相流流型的方法(公开号：cn103123294a),公开了一种鉴别多相流流型的方法，首先检测待测管道中多相流流动时产生的声音信号,若所述声音信号平稳,则所述多相流的流型为分层流流型,若所述声音信号波动剧烈,则所述多相流的流型为间歇流流型，对不可视管道中油-气混输的多相流流型的检测结果准确,且操作方便，但依靠声音易产生外界干扰信号，稳定性不高；一种螺旋输送管内粉体流型检测装置及压缩感知流型辨识方法(公开号：cn103645029a),其检测装置由检测传感器、信号采集及处理单元和上位机组成，采用基于压缩感知理论的算法进行流型辨识,克服了传统算法需计算灵敏度矩阵的局限性，本装置及方法改善了检测传感器灵敏场的均匀程度,能准确、有效地进行流型的辨识,但其对于复杂流型的分析能力不足。

技术实现要素：

结合传统多相流流型检测遇到的问题，本发明提供一种基于软测量技术的多相流流型检测方法。

本发明的技术方案是：

一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，多电导探针技术检测多相流并基于软测量技术对接受信号进行分析，具体检测方法为：

(1)检测部分：首先将检测用探针插入弯度为90°的不锈钢套筒中，注射绝缘漆到套筒内部，然后用高强度的环氧树脂固定好电极以及外壳的连接并干燥，最后将探针尖垂直滑过水砂纸，在探针尖部产生一个非常短的导通距离，组成一个电导探头，将多电导探头结构安装在被检测的容器或管道内，对多相流进行检测，并将信号通过电路传导到信号接收器。

(2)分析部分：接收的信号通过信号调理模块后，传往数据采集设备，然后通过计算机将接收的信号显示，接收的信号特征量提取后，建立基于模糊规则的流型软测量模型，对模型参数进行辨识，然后利用样本数据确立特征变量的隶属度函数，根据最大隶属度原则得出流型辨识结果。

所述的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，检测部分中的探针和套筒需要保证电极与外壳之间彼此绝缘。

所述的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，分析部分中采用多电导探针结构是由三个电导探针组成，轴向相隔30mm，在圆周弧度上相差π/3的角度。

所述的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，分析部分中信号调理模块主要是由差动放大、相敏解调和低通滤波三个模块组成，并采用动态时窗模型，对检测数据进行平滑预处理。

所述的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，分析部分中数据采集选用的是inv303～306型智能信号采集处理系统，它自带的系统分析功能可以完成实时显示波形变化，采用的是触发采样模式，可以完成边采边显的功能。

所述的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，其特征在于，分析部分中的隶属度函数对每个特征变量选用梯形函数如下，其中x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}为待辨识流型的特征向量，[minij,maxij]为它们的主要分步区间，1≤j≤j，其中i代表某种具体流型，1≤i≤4，

本发明的有益效果在于：本发明提出的一种基于软测量技术的多相流流型检测方法，通过软测量方法，也即利用在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法，解决了传统多相流流型检测的复杂性、不确定性，且很难用数学模型精确描述的多相流系统的检测问题。

附图说明

图1是基于软测量技术的多相流流型辨识系统结构示意图。

图2是基于软测量技术的多相流流型检测技术路线图。

具体实施方式

图1所示描述基于软测量技术的多相流流型辨识系统结构示意图：采用由三个电导探针组成的多电导探针结构，其轴向相隔30mm，在圆周弧度上相差π/3的角度，获取管中多相流流型不同时产生的响应信号，经过滤波和信号调理模块后，用数据采集装置采集电阻r上的电压信号，最后传输到计算机进行数据提取与软测量分析，计算机中可以进行采样频率、采样通道和数据长度等的选择。

由于多相流系统的复杂性，流型判别的不确定性，使得很多传统方法都得不到很好的效果。本发明采用小波分析技术和模糊数学进行数学建模，利用软测量技术对多相流的流型进行了分析和判别。用数据采集装置采集电阻r上的电压信号，当探针接触液相时探针与管壁接通，电阻上出现高电平；当探针接触气相时，探针与管壁断开，电阻r上出现低电平。这样探头处液相和气相的不断交替就可以产生各种流型对应的不同的响应信号，因此将产生的响应信号作为软测量系统的易测辅助变量。而主导变量就是多相流中重要参数——流型，选择各尺度细节的能量占信号的总能量的百分比作为信号各尺度的特征值，即信号经小波分解后各尺度细节的能量占信号的总能量的百分比，也即尺度能量百分比。

以各尺度细节的能量占信号的总能量的百分比作为信号各尺度的特征值，即取能量特征值为“尺度能量百分比”根据模糊数学理论，流型辨识问题就是一个决策问题，即通过已知的信息来进行流型的分类。

首先，设定论域为u＝{a1,a2,a3,a4}，其中a1＝{气泡流}，a2＝{弹状流}，a3＝{塞状流}，a4＝{环状流}，即在实验中观测到的实际流型。

然后确定待辨识流型的特征向量x＝{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7}，这里，xj＝pj＝ej/e0,1≤j≤j,x7＝e0,即选用的信号的尺度能量百分比pj和信号能量e0作为特征向量。并确定它们的主要分步区间[minij,maxij]，1≤j≤j，其中i代表某种具体流型，1≤i≤4。也就是说，将根据不同尺度的能量分量pj和信号能量e0的分步状况来确定流型的判别准则，以此作为流型判别的依据。

由于隶属度函数的确定并没有一定的准则，多数是根据经验指数加以确定。经过分析，对每个特征变量选用梯形函数作为隶属度函数：

选取每一特征变量隶属度值的加权均值作为每一的隶属度函数即：其中wij为加权系数，且加权系数是在实验中确立的。由此可以计算出某一特征向量对于某一模糊子集的隶属度值，按最大隶属度原则就可以判断待辨识流型。

图2中描述了本发明所采用软测量方案的技术路线，在利用样本数据确立了特征变量的隶属度函数后，整个技术分析辨识过程的方法步骤如下：

(1)首先对待辨识信号进行小波分解，提取特征向量值：能量e0和尺度能量百分比pj；

(2)然后计算各特征值的隶属度值，从而得到此信号对于每一流型(模糊子集)的隶属度值；

(3)然后根据最大隶属度原则，得到辨识的结果，如果有两个相同的隶属度值，则认为流型处于两种流型的过渡阶段。

实际比照分析表明，应用基于模糊规则的多模型软测量方法可有效地提高对流型的辨识精度，提高了检测的准确性。

本发明不限于上述实施例，也包含本发明构思范围内其它实施例和变形例。