本發(fā)明涉及氣固兩相流流動(dòng)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種密相氣力輸送兩相流流型的識(shí)別方法及識(shí)別裝置。

背景技術(shù)：

密相氣力輸送系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于能源、化工、冶金及醫(yī)藥食品加工等領(lǐng)域。輸送管道中兩相流的流型，極大的影響著流動(dòng)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量以及流動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行穩(wěn)定性。流型識(shí)別判據(jù)的研究及其在線測(cè)量技術(shù)的研究對(duì)兩相流的流動(dòng)特性，傳熱傳質(zhì)性能以及其他問題的分析研究，具有重要的科學(xué)意義和工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。密相氣力輸送系統(tǒng)中顆粒速度較低，濃度很高，流動(dòng)形態(tài)多樣并且受系統(tǒng)幾何參數(shù)，操作參數(shù)和粉體顆粒特性的影響較大。目前，密相氣力輸送兩相流型的識(shí)別方法研究是兩相流檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

流型識(shí)別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是流型特征值提取，目前有較多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)密相氣力輸送兩相流流型的特征值提取方法進(jìn)行了研究，例如A.Mittal等通過計(jì)算密相氣力輸送水平管道(內(nèi)徑69mm)中壓差信號(hào)的Shannon熵，區(qū)分出懸浮流和管底流。盡管研究學(xué)者們采用了較多的特征值提取方法，但是目前處于這樣一種狀態(tài)，無論采用何種方法都能得到一些有益的結(jié)果，但每種分析方法都有一個(gè)關(guān)鍵問題難以解決：流型信息提取與氣固兩相流動(dòng)力學(xué)結(jié)合不緊密，提取的特征值與流型之間關(guān)系不明確。由此衍生出的問題極大的影響了密相氣力輸送流型識(shí)別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，亟待解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種密相氣力輸送兩相流流型的識(shí)別方法及識(shí)別裝置，根據(jù)氣固兩相流不同流型的靜電信號(hào)的多尺度能量比重，實(shí)現(xiàn)對(duì)密相氣力輸送兩相流型的識(shí)別。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)發(fā)明目的：

一種密相氣力輸送兩相流流型的識(shí)別方法，包括安裝在密相氣力輸送水平管道的靜電傳感器，所述靜電傳感器連接前置電壓放大電路，所述前置電壓放大電路連接高速數(shù)據(jù)采集卡，其特征是：包括如下步驟：

(1)所述靜電傳感器探頭上產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過所述前置電壓放大電路放大后再由所述高速數(shù)據(jù)采集卡傳送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)記錄靜電傳感器輸出的靜電信號(hào)，對(duì)獲取的靜電信號(hào)進(jìn)行流型劃分；

(2)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的4種流型的靜電信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，具體步驟如下：

首先對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理，得到13個(gè)本征模態(tài)分量IMF，然后對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行R/S分形分析得到關(guān)系曲線ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，τ表示R/S分形方法中的一個(gè)時(shí)間延遲變量，最后對(duì)關(guān)系曲線的直線段部分做線性擬合，得到擬合直線的斜率，即Hurst指數(shù)H；

(3)根據(jù)分形特征及Hurst指數(shù)H的大小，將靜電信號(hào)劃分為尺度1、尺度2和尺度3，具體劃分方法如下：

將Hurst指數(shù)H小于0.5的IMF分量劃入尺度1；將在小的時(shí)間延遲τ下Hurst指數(shù)H大于0.5小于1而大的時(shí)間延遲τ下的Hurst指數(shù)H小于0.5的IMF分量劃入尺度2；將Hurst指數(shù)H大于0.5小于1的IMF劃入尺度3；

(4)計(jì)算靜電信號(hào)的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的計(jì)算方法如下：

靜電信號(hào)被分解成13個(gè)IMF分量，假設(shè)其中尺度1占有M個(gè)IMF分量，分別是IMF1，IMF2…，IMFM，一個(gè)IMF分量為一組時(shí)間序列{x₁,x₂,…x_H}，x₁,x₂,…x_H是按時(shí)間順序排列的一組數(shù)據(jù)，x_i表示一個(gè)數(shù)據(jù)，H是數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)或者是時(shí)間序列的長度，其中，能量E_IMF1的計(jì)算公式為：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的計(jì)算公式與E_IMF1的計(jì)算公式雷同，利用上述公式分別計(jì)算每個(gè)IMF分量的能量，則靜電信號(hào)尺度1的能量比重R₁：

$R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{13}{\Σ}}{E}_{IMFi}}$

按照計(jì)算靜電信號(hào)尺度1的能量比重R₁的方法，計(jì)算靜電信號(hào)尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃；

(5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算得到的4種流型靜電信號(hào)3個(gè)尺度的能量比重，分別以R₁、R₂為橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，繪制這4種流型的分布圖；

(6)以步驟(5)獲得的4種流型分布圖為參照標(biāo)準(zhǔn)，重新采集某一未知流型的靜電信號(hào)，并重復(fù)步驟(2)-(4)，將計(jì)算結(jié)果與分布圖進(jìn)行比對(duì)，判斷是否為這4種流型中的一種。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述尺度1比重R₁、尺度2比重R₂和尺度3的比重R₃之和為1，即：

R₁+R₂+R₃＝1。

作為對(duì)本技術(shù)方案的進(jìn)一步限定，所述步驟(1)獲取的流型分為懸浮流、層流、疏密流和沙丘流4種流型。

現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：該方法從密相氣固兩相流的流動(dòng)本質(zhì)出發(fā)，從靜電信號(hào)中提取多尺度特征，進(jìn)而對(duì)流型進(jìn)行表征，提高了流型表征能力，根據(jù)氣固兩相流不同流型的靜電信號(hào)的多尺度能量比重，實(shí)現(xiàn)對(duì)密相氣力輸送兩相流型的識(shí)別；采用的靜電傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，適合于惡劣的工業(yè)環(huán)境。該方法實(shí)用性廣，同時(shí)信號(hào)分解方法與密相氣力輸送兩相流流動(dòng)本質(zhì)結(jié)合，準(zhǔn)確性較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖。

其中，1-靜電傳感器；2-輸送管道；3-前置電壓放大電路；4-數(shù)據(jù)采集卡；5-計(jì)算機(jī)。

圖2是層流的靜電輸出信號(hào)。

圖3是層流靜電信號(hào)的13個(gè)IMF分量。

圖4是層流靜電信號(hào)的13個(gè)IMF分量的關(guān)系曲線ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ。

圖5是4種流型的多尺度能量比重分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受具體實(shí)施方式的限制。

如圖1-圖5所示，本發(fā)明將靜電傳感器1安裝在密相氣力輸送水平管道2上，靜電傳感器探頭的信號(hào)輸出導(dǎo)線需接入前置電壓放大電路3的輸入端，放大電路的輸出端與高速數(shù)據(jù)采集卡4的輸入端連接，由計(jì)算機(jī)5控制采集卡。當(dāng)管道內(nèi)煤粉流動(dòng)時(shí)，靜電傳感器探頭上產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大電路放大后再由采集卡傳送到計(jì)算機(jī)5中。

輸送介質(zhì)為CO₂和煤粉，實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)總輸送壓差從1MPa到0.3MPa變化，通過電容層析成像系統(tǒng)(此為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述)的操作界面觀察兩相流流型的變化，等到流型穩(wěn)定之后開始記錄靜電傳感器輸出的靜電信號(hào)，靜電信號(hào)的采樣頻率為1000Hz，每種流型采集3組數(shù)據(jù)，每組20000個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中觀察到懸浮流、層流、疏密流和沙丘流4種流型。如圖2所示為層流的靜電信號(hào)。

分別對(duì)4種流型的靜電信號(hào)進(jìn)行多尺度分解，具體步驟如下：

首先對(duì)靜電信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解處理(此為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述)，得到13個(gè)本征模態(tài)分量IMFs，然后對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行R/S分形(此為現(xiàn)有技術(shù)，在此不再贅述)分析得到關(guān)系曲線ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，最后對(duì)關(guān)系曲線的直線段部分做線性擬合，得到擬合直線的斜率，即Hurst指數(shù)H；圖3所示為層流靜電信號(hào)的13個(gè)IMF分量，每個(gè)分量的關(guān)系曲線ln[R(τ)/S(τ)]～lnτ，如圖4所示，其中，對(duì)每個(gè)IMF分量進(jìn)行R/S分形處理時(shí)所選的時(shí)間延遲τ的范圍為10～100。

根據(jù)分形特征及Hurst指數(shù)H的大小，將靜電信號(hào)劃分為尺度1、尺度2和尺度3，具體劃分方法如下：

將Hurst指數(shù)H小于0.5的IMF分量劃入尺度1；將在小的時(shí)間延遲τ下Hurst指數(shù)H大于0.5小于1而大的時(shí)間延遲τ下的Hurst指數(shù)H小于0.5的IMF分量劃入尺度2；將Hurst指數(shù)H恒大于0.5小于1的IMF劃入尺度3；

計(jì)算靜電信號(hào)的尺度1、尺度2及尺度3的能量比重，能量比重的計(jì)算方法如下：

靜電信號(hào)被分解成13個(gè)IMF分量，假設(shè)其中尺度1占有M個(gè)IMF分量，分別是IMF1，IMF2…，IMFM。一個(gè)IMF分量為一組時(shí)間序列{x₁,x₂,…x_H}，x₁,x₂,…x_H是按時(shí)間順序排列的一組數(shù)據(jù)，x_i表示一個(gè)數(shù)據(jù)，H是數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)或者是時(shí)間序列的長度，其能量E_IMF1的計(jì)算公式為：

E_IMF1＝x₁²+x₂²+…+x_H²

其余的能量E_IMF2、E_IMF3…E_IMFM的計(jì)算公式與E_IMF1的計(jì)算公式雷同，IMF分量的表述方式也雷同，利用上述公式分別計(jì)算每個(gè)IMF分量的能量，則靜電信號(hào)尺度1的能量比重R₁：

$R_1=\frac{E_{IMF1}+E_{IMF2}+...+E_{IMFM}}{\underset{i=1}{\overset{13}{\Σ}}{E}_{IMFi}}$

按照計(jì)算靜電信號(hào)尺度1的能量比重R₁的方法，計(jì)算靜電信號(hào)尺度2能量比重R₂以及尺度3能量比重R₃。并且，R₁+R₂+R₃＝1

根據(jù)上述步驟計(jì)算得到的4種流型靜電信號(hào)3個(gè)尺度的能量比重，分別以R₁，R₂為橫縱坐標(biāo)，繪制這4種流型的分布圖，如5圖所示。

以附圖5的4種流型分布圖為參照標(biāo)準(zhǔn)，重新采集某一未知流型的靜電信號(hào)，并重復(fù)步驟(2)-(4)，將計(jì)算結(jié)果與分布圖進(jìn)行比對(duì)，判斷是否為這4種流型中的一種。

以上公開的僅為本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，但是，本發(fā)明并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。