本發明專利技術公開了一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置及其方法。包括超聲波收發組件、電導探針組件、氣源組件和試驗管道，試驗管道豎直安裝，氣源組件安裝在試驗管道底部，電導探針組件和超聲波收發組件安裝在試驗管道的側壁；向氣液兩相流中發射超聲波脈沖，接收含空隙率數據的回波信號，回波信號的時間序列轉換成符號序列，統計分析得狀態轉移矩陣，從中提取獲得狀態轉移概率向量，得與空隙率密切相關的流動測度；同時將電導探針安裝在不同徑向位置測量，經示波器處理獲得與流動測度對應的空隙率，根據對應關系獲得對應空隙率。本發明專利技術方法能通過測量氣液兩相流的流動測度，獲得氣液兩相流流動的空隙率。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及了一種測量裝置及其方法，尤其涉及了一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置及其方法。
技術介紹
在目前的氣液兩相流相分界面位置的測量方法中，光學法、高速攝影法、電阻抗(電導)法以及超聲波法應用較為廣泛。光學法和高速攝影法都是通過光學元件得到氣液兩相流內部信息，要求氣液兩相流(某些情況下包括管壁)具有良好的光學透明特性，這一點極大地限制了此類方法在工業上的應用。射線法通過向介質內部發射由放射性物質產生的射線來探測氣液兩相流的內部構成，因射線具有直線傳播、穿透性好、能量衰減與路徑上的介質密度分布有近似線性關系等特點，這類方法往往可以得到較好的測量效果，但射線對操作人員有潛在的危險。電阻抗(電導)法通過一組電極探測兩相流內部的電阻抗(或電導率)分布來去確定兩相流內部的組分構成，這是一類接觸式測量方法，缺點之一是電極可能對介質造成污染或影響兩相流原有特性，缺點之二是要求連續相介質必須具有良好的導電性。超聲波法用于氣液兩相流流量測量有諸多優點：超聲波對容器或管道的材質無特殊要求，對介質的導電性、介電常數、透光性無特殊要求，可實現非接觸測量，安全性好。
技術實現思路
為了克服上述方法的不足，本專利技術提供了一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置及其方法。這種方法是非侵入性的，測量裝置是便攜式的、獨立的。本專利技術所采用的的技術方案是：一、一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置：裝置包括超聲波收發組件、電導探針組件、氣源組件和試驗管道，試驗管道豎直安裝，氣源組件安裝在試驗管道底部，電導探針組件和超聲波收發組件安裝在試驗管道的側壁。所述的氣源組件包括氣源、氣流調節閥、氣體轉子流量計、壓力表和噴射器，氣源經氣流調節閥后與噴射器連接，噴射器輸出端連接到試驗管道底面的氣體進出口，氣流調節閥和噴射器之間安裝有氣體轉子流量計和壓力表，氣源的壓縮空氣通過噴射器注入管中。所述的超聲波收發組件包括脈沖發生及接收器、收發一體式超聲波換能器和高密度數字化儀，收發一體式超聲波換能器穿過試驗管道側壁并插裝在電導探針中，收發一體式超聲波換能器經脈沖發生及接收器和高密度數字化儀連接，脈沖發生及接收器的發射端發射正弦脈沖，收發一體式超聲波換能器將接收到的正弦脈沖信號轉換成超聲波注入到試驗管道內。所述的電導探針組件包括電導探針和示波器，電導探針安裝在試驗管道內的氣液兩相中，電導探針經電線與試驗管道外部的示波器連接。還包括計算機，示波器和高密度數字化儀均與計算機連接。所述的收發一體式超聲波換能器通過丙烯酸塊水平固定在試驗管道側壁。二、一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的方法：1)采用上述裝置，通過收發一體式超聲波換能器向氣液兩相流中發射超聲波脈沖，并接收包含有空隙率數據的回波信號，回波信號為時間序列；2)對回波信號的時間序列用解析信號相空間分割方法轉換成符號序列；3)利用D-Markov機對符號序列進行統計分析得到狀態轉移矩陣，進而從狀態轉移矩陣中提取獲得狀態轉移概率向量，通過狀態轉移概率向量得到與空隙率密切相關的流動測度；4)在收發一體式超聲波換能器向氣液兩相流中發射超聲波脈沖進行測量的同時，將電導探針安裝在試驗管道內的不同徑向位置進行測量，經示波器處理獲得與流動測度對應的空隙率；5)由步驟3)和4)獲得了流動測度與空隙率的對應關系，在待測實驗條件下測量獲得流動測度，根據該對應關系比對獲得其對應的空隙率。在不同的流動狀態下，本專利技術方法得到的流動測度和通過電導探針測得的空隙率有一一對應的關系，通過實驗將此對應關系在笛卡爾坐標系中表示出來，再通過測得的流動測度就能得到對應的空隙率。所述步驟2)具體如下：1)將回波信號的一維時間序列通過Hilbert變換，轉換為復數域內的解析信號A[x](t)：其中，A(t)為解析信號A[x](t)的瞬時振幅，為解析信號A[x](t)的瞬時相位；在極坐標系下，以解析信號A[x](t)的瞬時振幅A(t)為極坐標的r軸，以解析信號A[x](t)的瞬時相位為極坐標的θ軸，采用上述公式將解析信號A[x](t)表示成一個二維相空間中的一維軌線；2)對一維軌線所在的二維相空間進行分割與符號化，實現方法如下：2.1)在生成的二維相空間中，令Ξ為一個包含上述軌線的緊致域(緊致域實際就是指包括軌線的一個區域)；2.2)用最大熵分割法通過解析信號的幅值與相位把緊致域Ξ分割成有限多個完備的、互斥的區域，對每個區域用符號進行編號標記，由此將時間序列轉化為符號序列。所述的步驟3)具體是：3.1)構建D-Markov機對于步驟2)某一時段獲得的符號序列S，D∈N，N表示自然數，構建長度為D+1和D的窗口，對符號序列和進行統計，采用以下公式計算從有效狀態qj轉換到有效狀態qk的狀態轉移概率πjk：其中，P為符號出現概率，有效狀態q是符號串的等價類，j、k均表示為符號的序號，j≠k，qj表示符號序列中第j個符號的有效狀態，qk表示符號序列中第k個符號的有效狀態，有效狀態qj為有效狀態qk為符號序列的個數分別用和來表示，且n表示符號序列的個數；3.2)計算流動測度μk由上述方法獲得的狀態轉移概率πjk作為矩陣元素構成狀態轉移矩陣，對于采集獲得的兩個不同時間段的符號序列S0與S，經D-Markov機處理后各自的狀態轉移矩陣分別為為∏0和∏，計算其中各自的左特征向量分別作為狀態轉移概率向量p0和狀態轉移概率向量p，再采用以下公式計算流動測度：其中，<·,·>表示內積,||·||2表示2范數。應用于兩相流領域表征了流動過程中流動狀態的差異，可以稱作為流動測度。對于…S-2S-1S0S1S2…組成的符號序列S，其中任意一個符號出現的概率P取決于該符號前面的D個符號，即采用以下公式：P(Si|Si-1Si-2…Si-D…)＝P(Si|Si-1Si-2…Si-D)其中，P為符號出現概率，Si表示第i個符號，D表示概率取值的符號序號；上述過程就稱作D階的Markov過程，即D-Markov機構建。所述步驟4)具體如下：電導探針的測量時基于水和空氣的電導率的差異，每個氣泡穿過電導探針的尖端，連接電路的阻抗發生變化。因此，將電導探針分別依次安裝在距離試驗管道中心軸不同的徑向位置進行測量，在每個徑向位置停留進行測量，采用以下公式計算獲得局部空隙率：其中，αi表示第i個徑向位置，表示第j個起泡的停留時間，Ti表示第i個徑向位置的總測量時間；再將所有徑向位置測得的局部空隙率取平均值得到空間平均空隙率，作為最終的空隙率。對于每一個徑向位置，單獨氣泡停留時間的總和與總測量時間的比值為局部空隙率。本專利技術具有的有益效果是：本專利技術提出的方法測量氣液兩相流的空隙率，相比于其他方法，這是非侵入式的，測量系統是便捷式的、獨立的，并且應用廣泛。附圖說明圖1是本專利技術裝置結構圖。圖2是本專利技術超聲波收發過程示意圖。圖3是本專利技術方法原理框圖。圖4是本專利技術流動測度和空隙率對應關系圖。圖中：1、脈沖發生和接收器，2、收發一體式超聲波換能器，3、密度數字化儀，4、計算機，5、氣體進出口，6、氣流調節閥，7、氣體轉子流量計，8、壓力表，9、噴射器，10、試驗管道，11、電導探針，12、示波器。具體實施方式下面結合附圖和實例對本專利技術做進一步說明。如圖1所示，本專利技術裝置包括超聲波收發組本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置，其特征是：包括超聲波收發組件、電導探針組件、氣源組件和試驗管道(10)，試驗管道豎直安裝，氣源組件安裝在試驗管道(10)底部，電導探針組件和超聲波收發組件安裝在試驗管道(10)的側壁。
【技術特征摘要】
1.一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置，其特征是：包括超聲波收發組件、電導探針組件、氣源組件和試驗管道(10)，試驗管道豎直安裝，氣源組件安裝在試驗管道(10)底部，電導探針組件和超聲波收發組件安裝在試驗管道(10)的側壁。2.根據權利要求1所述的一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置，其特征是：所述的氣源組件包括氣源、氣流調節閥(6)、氣體轉子流量計(7)、壓力表(8)和噴射器(9)，氣源經氣流調節閥(6)后與噴射器(9)連接，噴射器(9)輸出端連接到試驗管道(10)底面的氣體進出口(5)，氣流調節閥(6)和噴射器(9)之間安裝有氣體轉子流量計(7)和壓力表(8)，氣源的壓縮空氣通過噴射器(9)注入管中；所述的超聲波收發組件包括脈沖發生及接收器(1)、收發一體式超聲波換能器(2)和高密度數字化儀(3)，收發一體式超聲波換能器(2)穿過試驗管道(10)側壁并插裝在電導探針(11)中，收發一體式超聲波換能器(2)經脈沖發生及接收器(1)和高密度數字化儀(3)連接，脈沖發生及接收器(1)的發射端發射正弦脈沖，收發一體式超聲波換能器(2)將接收到的正弦脈沖信號轉換成超聲波注入到試驗管道(10)內；所述的電導探針組件包括電導探針(11)和示波器(12)，電導探針(11)安裝在試驗管道(10)內的氣液兩相中，電導探針(11)經電線與試驗管道(10)外部的示波器(12)連接。3.根據權利要求1所述的一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置，其特征是：還包括計算機(4)，示波器(12)和高密度數字化儀(3)均與計算機(4)連接。4.根據權利要求1所述的一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的裝置，其特征是：所述的收發一體式超聲波換能器(2)通過丙烯酸塊水平固定在試驗管道(10)側壁。5.一種測量氣液兩相流流動過程中空隙率的方法，其特征是：1)采用權利要求1～4任一所述裝置，通過收發一體式超聲波換能器(2)向氣液兩相流中發射超聲波脈沖，并接收包含有空隙率數據的回波信號，回波信號為時間序列；2)對回波信號的時間序列用解析信號相空間分割方法轉換成符號序列；3)利用D-Markov機對符號序列進行統計分析得到狀態轉移矩陣，進而從狀態轉移矩陣中提取獲得狀態轉移概率向量，通過狀態轉移概率向量得到與空隙率密切相關的流動測度；4)在收發一體式超聲波換能器(2)向氣液兩相流中發射超聲波脈沖進行測量的同時，將電導探針(11)安裝在試驗管道(10)內的不同徑向位置進行測量，經示波器(12)處理獲得與流動測度對應的空隙率；5)由步驟3)和4)獲得了流動測度與空隙率的對應關系，在待測實驗條件下測量獲得流動測度，根據該對應關系比對獲得其對應的空隙率。6.根據權利要求5所述...
【專利技術屬性】
技術研發人員：劉鐵軍，陳宜倩，
申請(專利權)人：中國計量大學，
類型：發明
國別省市：浙江;33
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