專利名稱：基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣固兩相流流型辨識方法。
背景技術(shù)：
兩相流流動過程廣泛存在于自然界和電力、石油、化工等工業(yè)過程中。作為兩相流參數(shù)之一，兩相流動介質(zhì)的分布狀況，即流型，極大的影響著兩相流動壓力損失、傳熱特性和流動系統(tǒng)的運動特性。靜電傳感器是利用粉體流動過程中的靜電現(xiàn)象來實現(xiàn)氣固兩相流參數(shù)檢測。粉體顆粒隨氣流在管道內(nèi)移動時，顆粒與顆粒、顆粒與管壁之間的碰撞、摩擦、分離時，引起電荷的轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致顆粒和輸送管道上積累大量的靜電荷。帶電顆粒在流經(jīng)靜電傳感器時，由于靜電感應(yīng)，在傳感器的內(nèi)外表面上產(chǎn)生等量異號電荷。靜電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、 靈敏度高、成本低廉、非侵入式、不干擾流場等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于兩相流的流型、流速、質(zhì)量流量等參數(shù)的檢測之中。靜電傳感器(圖1)由緊貼在管壁上的環(huán)形電極、雙屏蔽金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，環(huán)形電極的材質(zhì)采用銅金屬。其中絕緣管道內(nèi)徑為R1，外徑為R2，在管道的外壁上貼上環(huán)形電極，并將整個系統(tǒng)用屏蔽罩屏蔽。由于帶電顆粒的移動，環(huán)形電極上感應(yīng)相應(yīng)的電荷，該電荷信號由電荷放大器處理輸出標(biāo)準的電壓信號到數(shù)據(jù)處理端。電荷放大器調(diào)理電路等效原理見圖2。其中Ce和Re分別是電極的電容和漏電阻，Ci和Ri分別是前置放大器的輸入電容和電阻。希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform, HHT)是一種適用于非線性、非平穩(wěn)信號的處理方法，它與傳統(tǒng)的分析工具如傅里葉變換和小波變換最本質(zhì)的區(qū)別在于，基于EMD的HHT得到的基函數(shù)(即IMF)不是通用的，而是依賴于信號本身，是自適應(yīng)的，充分利用了信號所攜帶的信息。它通過經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸?EMD)得到依賴于信號本身的自適應(yīng)的廣義基，對每個本征模式函數(shù)進行希爾伯特變換得到Hilbert時頻譜，對其在時間軸上積分得到IMF邊際譜，對所有IMF邊際譜求和即可得到信號的總邊際譜。HHT初步建立了以瞬時頻率表征信號交變的基本量，以本征模式函數(shù)為時頻基本信號的新的時頻分析方法體系， 希爾伯特邊際譜的求取過程見圖3。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有的靜電傳感器和希爾伯特-黃變換技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供一種用這兩種技術(shù)的結(jié)合來應(yīng)用于識別兩相流流型的方法。為達到以上目的，本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的—種基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，其特征在于，包括下述步驟(1)在圓形管道上設(shè)置靜電傳感器，其環(huán)形電極通過一個變送器與一臺計算機相連，該計算機是基于希爾伯特-黃變換方法的信息處理平臺；(2)靜電傳感器利用粉體流動過程中的靜電現(xiàn)象來檢測氣固兩相流的流動噪聲信號；
(3)變送器中設(shè)有電荷放大調(diào)理電路，該電荷放大調(diào)理電路把靜電傳感器輸入的檢測電荷信號變成電壓信號，變送器的標(biāo)準信號轉(zhuǎn)換電路把電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準電流信號送給計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理；(4)計算機對采集到的流動噪聲信號進行希爾伯特-黃變換提取邊際譜及邊際譜的四種特征量，分別為邊際譜子帶能量SE、邊際譜子帶能量一階差分DSE，邊際譜子帶能量倒譜系數(shù)SECC、邊際譜子帶能量倒譜系數(shù)一階差分DSECC ；用求得的不同流型的四種特征量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸入向量，每四種特征量對應(yīng)的流型作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸出向量，先通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行訓(xùn)練；(5)然后進行實際流型識別把待辨識流型的流動噪聲信號送入計算機，提取四種特征量，然后把特征量輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可得到該信號對應(yīng)的流型，亦可得出管道中介質(zhì)對應(yīng)的流型。上述方案中，所述的不同流型包括層流、環(huán)流、中心流、繩狀流。所述訓(xùn)練中的參數(shù)設(shè)定為允許誤差為10_6和訓(xùn)練步數(shù)為200步。本發(fā)明的優(yōu)點是，通過已有的靜電傳感器技術(shù)和希爾伯特-黃變換技術(shù)，利用靜電傳感器檢測流動噪聲信號的功能，以及希爾伯特-黃變換技術(shù)對流動噪聲信號的進行時頻分析的能力，把二者的特有功能結(jié)合起來，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)成功的應(yīng)用于兩相流的流型辨識。


圖1為靜電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為處理圖1中所采集電荷信號的電荷放大調(diào)理電路原理圖。圖3為希爾伯特邊際譜的求取流程圖。圖4為本發(fā)明基于希爾伯特邊際譜的兩相流測量系統(tǒng)圖。圖4中的附圖標(biāo)記1、流體的流動方向；2、法蘭安裝；3、外絕緣層；4、跟隨器；5、 靜電傳感器環(huán)形電極；6、絕緣管道；7、內(nèi)屏蔽層；8、移動電荷信號傳輸線；9、變送器接線端；10、計算機信息處理平臺。圖5是本發(fā)明基于希爾伯特邊際譜的特征量提取及流型辨識框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖4所示，一種基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法所涉及的測量系統(tǒng)，包括設(shè)置在圓形絕緣管道6上的靜電傳感器環(huán)形電極5、設(shè)有電荷放大調(diào)理電路的變送器、用于信息處理的計算機10。靜電傳感器環(huán)形電極5用于檢測管道中的流動噪聲信號，環(huán)形電極5的通過移動電荷信號傳輸線8接入變送器接線端9，變送器中的標(biāo)準信號變換電路把電荷放大調(diào)理電路輸出的電壓信號變成4-20mA的標(biāo)準電流信號，輸入到計算機10。該計算機10是基于希爾伯特-黃變換方法的信息處理平臺，HHT技術(shù)是一種適用于非線性、非平穩(wěn)信號的處理方法。本發(fā)明的靜電傳感器采用雙層屏蔽技術(shù)，內(nèi)屏蔽層采用銅皮，外屏蔽采用兼具支撐作用的鋼管，內(nèi)、外屏蔽層之間用跟隨器4相連。因此，內(nèi)外屏蔽層電位相等，這樣可以防止傳感器上的電荷對外部泄露，也可以防止外部電荷(摩擦、輻射等產(chǎn)生的噪聲和干擾電荷)進入傳感器，從而提高了測量系統(tǒng)的信噪比。利用圖4所示的測量系統(tǒng)實現(xiàn)基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，包括下述步驟在氣固兩相流管道中嵌入靜電傳感器(用法蘭2安裝)；通過安裝在絕緣管道6上的靜電傳感器環(huán)形電極5檢測粉體流動過程中的由靜電現(xiàn)象產(chǎn)生的流動噪聲信號，顆粒移動時，在靜電傳感器周圍產(chǎn)生的準靜電場不斷地發(fā)生波動，使靜電傳感器環(huán)形電極5上產(chǎn)生的感應(yīng)電荷也隨之波動；顆粒攜帶包括流型、流速、質(zhì)量流量等很多有用的信息，對于不同的流型，顆粒碰撞的概率不同，導(dǎo)致積累的靜電荷有明顯差異。變送器的電荷放大調(diào)理電路部分把靜電傳感器輸入的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號， 然后通過變送器的標(biāo)準信號轉(zhuǎn)換電路把電壓信號轉(zhuǎn)換成4到20毫安的標(biāo)準電流信號輸入到計算機10進行處理。如圖5所示，本發(fā)明計算機10中的信息處理平臺求取輸入的標(biāo)準電流信號邊際譜的四種特征量，用于辨識兩相流流型的具體步驟為計算機信號處理平臺接收該輸入的電流信號，先對其進行希爾伯特-黃變換提取流動噪聲信號的邊際譜，然后提取邊際譜的四個特征量，它們分別為邊際譜子帶能量SE及其一階差分DSE，邊際譜子帶能量倒譜系數(shù)SECC及其一階差分DSECC。得到不同流型的四種特征量SE、DSE、SECC、DSECC作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸入向量，每四種特征量對應(yīng)的流型作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸出向量。先通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行訓(xùn)練，然后進行實際流型識別。訓(xùn)練的具體方法為用現(xiàn)場收集數(shù)據(jù)制作的訓(xùn)練樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器，訓(xùn)練參數(shù)設(shè)定為允許誤差10_6，訓(xùn)練步數(shù)為200步，經(jīng)過訓(xùn)練后達到允許誤差或步數(shù)后停止；實際流型識別的具體方法為把用于測試的任一種(層流、環(huán)流、中心流、繩狀流之一)流型的流動噪聲信號送入計算機10，提取四種特征量，然后把特征量輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可得到該信號對應(yīng)的流型。
權(quán)利要求
1.一種基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，其特征在于，包括下述步驟(1)在圓形管道上設(shè)置靜電傳感器，其環(huán)形電極通過一個變送器與一臺計算機相連，該計算機是基于希爾伯特-黃變換方法的信息處理平臺；(2)靜電傳感器利用粉體流動過程中的靜電現(xiàn)象來檢測氣固兩相流的流動噪聲信號；(3)變送器中設(shè)有電荷放大調(diào)理電路，該電荷放大調(diào)理電路把靜電傳感器輸入的檢測電荷信號變成電壓信號，變送器的標(biāo)準信號轉(zhuǎn)換電路把電壓信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準電流信號送給計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理；(4)計算機對采集到的流動噪聲信號進行希爾伯特-黃變換提取邊際譜及邊際譜的四種特征量，分別為邊際譜子帶能量SE、邊際譜子帶能量一階差分DSE，邊際譜子帶能量倒譜系數(shù)SECC、邊際譜子帶能量倒譜系數(shù)一階差分DSECC ；用求得的不同流型的四種特征量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸入向量，每四種特征量對應(yīng)的流型作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸出向量，先通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行訓(xùn)練；(5)然后進行實際流型識別把待辨識流型的流動噪聲信號送入計算機，提取四種特征量，然后把特征量輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即可得到該信號對應(yīng)的流型，亦可得出管道中介質(zhì)對應(yīng)的流型。
2.如權(quán)利要求1所述的基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，其特征在于，所述的不同流型包括層流、環(huán)流、中心流、繩狀流。
3.如權(quán)利要求1所述的基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，其特征在于，所述訓(xùn)練中的參數(shù)設(shè)定為允許誤差為10_6和訓(xùn)練步數(shù)為200步。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于希爾伯特邊際譜的兩相流流型識別方法，在圓形管道上設(shè)置靜電傳感器，其環(huán)形電極通過一個變送器與一臺計算機相連，該計算機是基于希爾伯特-黃變換方法的信息處理平臺；靜電傳感器利用粉體流動過程中的靜電現(xiàn)象來檢測氣固兩相流的流動噪聲信號；變送器把靜電傳感器輸入的檢測電荷信號變成電流信號送給計算機進行數(shù)據(jù)采集和處理；計算機對采集到的流動噪聲信號進行希爾伯特-黃變換提取邊際譜及邊際譜的四種特征量，用求得的不同流型的四種特征量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸入向量，每四種特征量對應(yīng)的流型作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器訓(xùn)練樣本的輸出向量，先通過訓(xùn)練樣本對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進行訓(xùn)練；然后進行實際流型識別。
文檔編號G01N11/00GK102175571SQ20111004459
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月23日
發(fā)明者張娟, 徐通模, 胡紅利, 高享想 申請人:西安交通大學(xué)