基于光電二極管陣列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及多相流參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種基于光電二極管陣列傳感器的小 管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，隨著微化工技術(shù)和新材料技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備逐步呈現(xiàn)出微型化、 小型化的趨勢(shì)。微型化、小型化的反應(yīng)器、熱交換器、混合裝置等在生物、醫(yī)療、制藥、化工等 眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。因此，微型化和小型化工業(yè)設(shè)備中的小管道氣液兩相流參數(shù) 測(cè)量問(wèn)題引起了越來(lái)越多研究者的關(guān)注和重視，成為當(dāng)前兩相流研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)和分 支。
[0003] 然而，相對(duì)于常規(guī)管道，小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量具有一定的難度。在微小尺度 下，由于管道水力直徑的減小，使得表面張力和黏度作用的影響相對(duì)突出而重力作用的影 響相對(duì)減弱，管道內(nèi)流動(dòng)特性有異于常規(guī)管道，常規(guī)管道下得到的理論模型和經(jīng)驗(yàn)公式將 不再適用，在常規(guī)管道發(fā)展成熟的測(cè)量方法也不再適用于小管道。
[0004] 近些年來(lái)，科研工作者基于常規(guī)管道的測(cè)量方法，針對(duì)小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè) 量進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，并且取得了一定的進(jìn)展。研究成果對(duì)小管道氣液兩相流的理論 研究，W及小型化和微型化設(shè)備系統(tǒng)的研究、應(yīng)用W及發(fā)展起到了重要的作用。然而由于信 息獲取和信息處理手段的缺乏，所獲測(cè)量信息的精度和適用范圍有一定的片面性，還未能 滿足工程應(yīng)用和科學(xué)研究的要求。就目前來(lái)說(shuō)，現(xiàn)有的測(cè)量手段大多還處于發(fā)展階段，在工 程實(shí)際過(guò)程中的應(yīng)用比較有局限性，還需要進(jìn)一步發(fā)掘能夠有效應(yīng)用于小管道氣液兩相流 的參數(shù)測(cè)量方法。
[0005] 目前，針對(duì)小管道氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)的手段較少，主要有高速攝影法、電容檢測(cè) 法、電導(dǎo)檢測(cè)法等。相比之下，基于激光的光學(xué)檢測(cè)方法具有非接觸、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可W實(shí) 現(xiàn)對(duì)于兩相流參數(shù)的有效測(cè)量。因此，使用激光及光電二極管陣列的測(cè)量方式進(jìn)行流型辨 識(shí)的探索，對(duì)于小管道兩相流流型辨識(shí)的相關(guān)研究具有相當(dāng)?shù)膮⒖純r(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種穩(wěn)定、可靠的基于光電二極管陣 列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置和方法。
[0007] 基于光電二極管陣列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置包括激光二極管、 擴(kuò)束鏡、狹縫、甘油槽、透明小管道、光電二極管陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與微型計(jì)算機(jī)。 在甘油槽一側(cè)放置共光軸的激光二極管、擴(kuò)束鏡與狹縫，光軸垂直于甘油槽。在甘油槽另一 側(cè)依次放置光電二極管陣列傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊與微型計(jì)算機(jī)。
[000引透明管道放置在甘油槽之中，甘油槽內(nèi)灌滿甘油。由于甘油折射率與透明管道管 壁折射率近似，減少了管壁對(duì)片狀激光的折射與反射作用。光電二極管陣列傳感器包括12 X6個(gè)傳感單元，與甘油槽一面緊密貼合。傳感器感光表面垂直于激光二極管光軸，同時(shí)與 數(shù)據(jù)采集模塊與微型計(jì)算機(jī)依次相連。
[0009] 基于光電二極管陣列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量包括如下步驟：
[0010] 1)使用激光二極管、擴(kuò)束鏡W及狹縫產(chǎn)生片狀激光，片狀激光透過(guò)甘油槽后照射 到透明小管道，經(jīng)過(guò)管道內(nèi)氣液兩相介質(zhì)的反射與折射作用后，形成出射激光；
[0011] 2)利用光電二極管陣列傳感器獲取透射激光信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集后 轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸入微型計(jì)算機(jī)；
[0012] 3)對(duì)獲取到的電壓信號(hào)進(jìn)行特征值計(jì)算和提取，獲得特征向量；
[0013] 4)利用提取得到的特征向量，結(jié)合Fisher判別分析建立流型分類器?；?兩步 法"分類思想，實(shí)現(xiàn)小管道氣液兩相流典型流型的流型辨識(shí)；
[0014] 5)利用支持向量機(jī)建立每種流型下的空隙率測(cè)量模型，結(jié)合流型辨識(shí)結(jié)果，選擇 對(duì)應(yīng)的空隙率測(cè)量模型實(shí)現(xiàn)空隙率測(cè)量。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有有益效果：
[0016] 1)采用激光二極管作為激光源，采用光電二極管陣列傳感器作為檢測(cè)元件，能夠 有效的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置，降低系統(tǒng)成本。
[0017] 2)將透明玻璃管置于甘油槽之中，降低了管壁對(duì)于激光光路的干擾作用，提高了 測(cè)量方法的靈敏度。
[0018] 3)將流型辨識(shí)結(jié)果引入空隙率測(cè)量中，消除了流型變化對(duì)空隙率測(cè)量產(chǎn)生的影 響，提高了空隙率測(cè)量精度。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 圖1是基于光電二極管陣列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；
[0020] 圖2是本發(fā)明采用的甘油槽，透明管道W及光電二極管陣列傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖； [0021 ]圖3是本發(fā)明的基于"兩步法"的流型辨識(shí)流程圖；
[0022] 圖4是本發(fā)明的空隙率測(cè)量流程圖；
[0023] 圖5是四種不同內(nèi)徑下的氣液兩相流空隙率測(cè)量結(jié)果；
[0024] 圖中：激光二極管1、擴(kuò)束鏡2、狹縫3、甘油槽4、透明小管道5、光電二極管陣列傳感 器6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明針對(duì)小管道氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)手段缺乏的現(xiàn)狀，利用激光二極管、光電 二極管陣列傳感器W及先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，提出了一種基于光電二極管陣列傳感器的小管 道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置和方法。相應(yīng)裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、非接觸測(cè)量、測(cè)量精 度高等優(yōu)點(diǎn)，為小管道兩相流流型辨識(shí)提供了有益的借鑒。
[0026] 如圖1所示，基于光電二極管陣列傳感器的小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量裝置包括 激光二極管1、擴(kuò)束鏡2、狹縫3、甘油槽4、透明小管道5、光電二極管陣列傳感器6、數(shù)據(jù)采集 模塊7和微型計(jì)算機(jī)8，在甘油槽4 一側(cè)，依次放置共光軸的激光二極管1、擴(kuò)束鏡2和狹縫3， 在甘油槽4另一側(cè)垂直向外放置光電二極管陣列傳感器6、數(shù)據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8。透 明小管道5放置在甘油槽4中，光電二極管陣列傳感器6與甘油槽4一面緊密貼合，同時(shí)與數(shù) 據(jù)采集模塊7、微型計(jì)算機(jī)8依次相連。如圖2所示為透明小管道、甘油槽W及光電二極管的 結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 利用該裝置實(shí)現(xiàn)小管道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量的具體流程為：
[0028] 1)激光二極管發(fā)射的激光通過(guò)擴(kuò)束鏡W及狹縫后，成為一個(gè)片狀激光，該片狀激 光透過(guò)甘油槽之后，垂直照射到透明管道上。
[0029] 2)在透明管道內(nèi)部，片狀激光受到氣液兩相介質(zhì)作用，產(chǎn)生折射，反射與吸收作 用。在不同的流型分布下（即不同的氣液兩相流相分布），折射、反射與吸收作用有明顯的區(qū) 另IJ。因此透射激光信號(hào)能夠反映透明管道內(nèi)部氣液兩相流的流動(dòng)信息。
[0030] 3)利用光電二極管陣列傳感器獲得透射激光信號(hào)，轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采 集模塊輸入微型計(jì)算機(jī)。通過(guò)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提取該電壓信號(hào)的特征向量X
[0031] x=[mi,... ,m72,ei,... ,e72]T
[0032] 其中m與e分別為每個(gè)傳感單元獲得的電壓信號(hào)的均值與方差。令Uk為光電二極管 陣列傳感器中第k個(gè)傳感單元獲得的電壓信號(hào)，信號(hào)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則它的均值Hik與方差ek可W表 示為：
[0035] 4)如圖3所示為本發(fā)明提出的基于"兩步法"思想的流型辨識(shí)流程圖，該流型辨識(shí) 針對(duì)四種典型流型(泡狀流、段塞流，層狀流與環(huán)狀流），其具體步驟為:將獲得的特征向量 輸入流型分類器A中，實(shí)現(xiàn)組一與組二的區(qū)分(組一包括泡狀流與段塞流，組二包括層狀流 與環(huán)狀流）；根據(jù)分類器A的辨識(shí)結(jié)果，將特征向量輸入流型分類器B或者C中，進(jìn)行泡狀流與 段塞流，或者層狀流與環(huán)狀流的辨識(shí);最終獲得流型辨識(shí)結(jié)果。
[0036] 流型辨識(shí)中使用的=個(gè)流型分類器均采用Fisher判別分析建立，分別實(shí)現(xiàn)一個(gè)二 分類問(wèn)題。分類器A實(shí)現(xiàn)組一與組二的分類，分類器B實(shí)現(xiàn)泡狀流與段塞流的分類，分類器C 實(shí)現(xiàn)層狀流與環(huán)狀流的分類。其判別函數(shù)均可W表示為：
[0037] y(x)=sign[ ?\+ 00]
[003引其中，y是類標(biāo)簽(y = -l或者1)，x是特征向量，O是Fisher向量，Wo是判別闊值。 向判別函數(shù)輸入未知流型的特征向量，通過(guò)判斷類標(biāo)簽y的符號(hào)可W實(shí)現(xiàn)分類。判別函數(shù)的 Fisher向量O可W通過(guò)求解下列問(wèn)題獲得
[0040]其中，Sb為類間離散度矩陣，Sw為類內(nèi)離散度矩陣