基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置。所述裝置是在通有氣液兩相流的豎直管道的側壁開有通孔，在所述通孔內穿接有波導管，在所述波導管的內腔中設有吸噪底盤，在所述吸噪底盤的外端固定有聲發射傳感器；所述聲發射傳感器通過所述吸噪底盤檢測豎直管道內氣液兩相流的流動噪聲信號，并將所檢測到的信號通過數據采集單元發送至數據處理單元，數據處理單元對接收到的信號進行處理、運算，從而識別出兩相流的流型。本實用新型通過吸噪底盤對空壓機、管道等產生的噪聲進行屏蔽，可有效避免外界噪聲對聲發射傳感器所檢測的流體流動噪聲的干擾，最終實現在線、準確地識別出流體的流型。
【專利說明】
基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及一種兩相流流型檢測裝置，具體地說是一種基于噪聲測量的氣液 兩相流流型識別裝置。
【背景技術】
[0002] 目前，氣液兩相流流型識別方法可分為兩種，一種是主觀法，一種是客觀法。主觀 法包括目測法、高速攝像法等，運類檢測方法簡單便捷，但易受現場環境、管道透明度W及 人為誤差等因素的影響。客觀法主要是通過實驗獲得參數進行相應的現代信息數據處理， 得到表征流體流動狀態的各種參數，再通過得到的參數進行分析找到與流型相匹配的關 系?？陀^法主要有:基于差壓傳感器的流體檢測技術、射線吸收法、接觸式探頭法、過程層析 成像法。
[0003] 基于差壓傳感器的流體檢測技術是通過將差壓傳感器安裝在兩相流的實驗管段， 在流體流動期間采集兩相流的過程檢測參數，由于測量精度和成本的原因，現如今普遍采 用運種測量方法進行測量。
[0004] 射線吸收法是通過設備發出相應的X射線或者多束射線使之穿過兩相流的管壁， 通過測得射線的衰減程度最終確定管段的吸收情況，從而判別出管道內部流體的流動狀 況。射線吸收法對于發射探頭的選擇尤為關鍵，除此之外，選擇合適的管道材料W減少管道 對射線的吸收也很重要。
[0005] 接觸式探頭(如光導探頭或者電導探頭)法是利用光或者電的導電性進行檢測，從 而確定流體的流動介質情況。運種測量方法的缺點是需要接觸管道內部的流體，探頭易受 到介質的影響，并且會影響流場的分布。
[0006] 過程層析成像法主要有電容層析成像法、電阻層析成像法、超聲成像法、微波成像 法等，其通過選擇適當的敏感元件，可實現對兩相流流型進行在線檢測。
[0007] 上述方法各有優缺點，可根據特定的場合或其他需要而選擇合適的方法。目前，研 究者們大多致力于通過客觀法在線檢測、識別兩相流的流型。 【實用新型內容】
[000引本實用新型的目的就是提供一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，該裝 置是通過測量兩相流的流動噪聲，進而實現在線識別兩相流流型的目的。
[0009]本實用新型的目的是運樣實現的：一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝 置，在通有氣液兩相流的豎直管道的側壁開有圓形通孔，在所述通孔內穿接有波導管，所述 波導管為中空的圓管結構，在所述波導管的內腔中設有吸噪底盤，在所述吸噪底盤的外端 固定有聲發射傳感器，所述聲發射傳感器通過數據采集單元與數據處理單元相接;所述聲 發射傳感器通過所述吸噪底盤檢測豎直管道內氣液兩相流的流動噪聲信號，并將所檢測到 的信號通過數據采集單元發送至數據處理單元，所述數據處理單元對接收到的信號進行處 理、運算，從而識別出兩相流的流型。
[0010] 優選的，所述波導管的長度與豎直管道的壁厚相同；所述吸噪底盤的內端面與豎 直管道的內側壁相齊平，所述吸噪底盤的外端面凸出在豎直管道的外側壁外。
[0011] 優選的，在所述吸噪底盤的外端面上開有凹槽，所述聲發射傳感器的探頭端伸入 到所述凹槽內與所述吸噪底盤固接。
[0012] 優選的，所述吸噪底盤為有機材料吸噪底盤。
[0013] 優選的，所述通孔為四個，且四個通孔均勻分布在管道側壁的同一橫截面上;每一 通孔對應一個波導管和一個吸噪底盤。
[0014] 優選的，四個吸噪底盤通過豎直管道外側的環形髓帶連成一體結構。
[0015] 優選的，所述通孔為八個，八個通孔平均分為兩組，每一組中的四個通孔均勻分布 在管道側壁的同一橫截面上，且其中一組通孔位于另一組通孔的上方，兩組中的通孔上下 --對應。
[0016] 本實用新型通過在豎直管道的側壁開通孔，在通孔內穿接波導管，在波導管的內 腔中設吸噪底盤，在吸噪底盤的外端固定聲發射傳感器，聲發射傳感器可通過吸噪底盤檢 測豎直管道內氣液兩相流的流動噪聲信號，氣液兩相流的流動噪聲信號即可反映兩相流的 流動狀態，數據處理單元根據流動噪聲信號進行相應的運算、分析，即可得出兩相流的流 型。本實用新型基于噪聲測量來識別兩相流的流型，測量過程中聲發射傳感器不用直接接 觸流體，因此不會干擾流體自身的流場，能夠實現在線檢測。
[0017] 氣液兩相流在豎直管道內流動時，管道內的噪聲除了氣液兩相流的流動噪聲外， 還有其他噪聲，例如空壓機、管道震動等產生的噪聲，本實用新型通過設置吸噪底盤(其材 料為有機材料，例如為玻璃、橡膠或聚醋纖維等），可有效去除其他噪聲對流體流動噪聲的 影響，為實現準確測量流體流型奠定了基礎。
[0018] 聲發射傳感器通過吸噪底盤檢測管道內的流動噪聲信號，其原理是通過接收管道 內流體產生的彈性波，并轉換為電信號;本實用新型通過在吸噪底盤的外側設置波導管可 減弱彈性波在傳輸過程中的損耗，提高聲發射傳感器所檢測到的流動噪聲信號的準確性。
【附圖說明】

[0019] 圖1是本實用新型中基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置的結構示意圖。
[0020] 圖2是本實用新型中豎直管道及其上所開的通孔的結構示意圖。
[0021] 圖3~圖16是本實用新型不同工況條件下流體的流動噪聲時域圖。
【具體實施方式】
[0022] 實施例1，一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置。
[0023] 如圖1所示，本實用新型所提供的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置包括 豎直管道1、波導管3、吸噪底盤4、聲發射傳感器5、數據采集單元6和數據處理單元7。
[0024] 豎直管道1為豎直放置的中空的圓柱形管體結構，其內用于通入待測的氣液兩相 流，本實用新型實施例中氣液兩相流在豎直管道1內由下至上而流動。如圖2所示，在豎直管 道1的側壁開有圓形通孔2,本實施例中在豎直管道1的側壁上開有八個通孔2,運八個通孔2 平均分為兩組，其中一組的四個通孔位于另一組四個通孔的上方，上方的四個通孔均勻分 布在豎直管道側壁的同一橫截面上，下方的四個通孔同樣均勻分布在豎直管道側壁的同一 橫截面上，且上方的四個通孔與下方的四個通孔上下一一對應。
[0025] 其他實施例中通孔也可W是內徑由內至外逐漸增大的圓臺狀通孔。在每一個通孔 2內穿接有一個波導管3,波導管3的形狀應與通孔2的形狀相匹配，本實施例中波導管3為中 空的圓管結構。波導管3的作用是為了減弱流體振動產生的彈性波的衰減。波導管3的長度 與豎直管道1的壁厚相同，即：波導管3的內端面與豎直管道1的內側壁相齊平，波導管3的外 端面與豎直管道1的外側壁相齊平。在波導管3的內腔中設置有吸噪底盤4,吸噪底盤4的形 狀與波導管3的內腔相匹配，本實施例中吸噪底盤4為圓柱狀結構，吸噪底盤4的內端面與豎 直管道1的內側壁相齊平，吸噪底盤4的外端面凸出在豎直管道1的外側壁外。吸噪底盤4為 有機材料，例如可W為有機玻璃、橡膠或聚醋纖維等。吸噪底盤4的作用是為了吸收空壓機、 管道等產生的噪聲。
[0026] 在吸噪底盤4的外端固定有聲發射傳感器5,本實施例中通過在吸噪底盤4的外端 面上開與聲發射傳感器5的探頭相匹配的凹槽，并在凹槽內涂高真空油脂，使聲發射傳感器 5的探頭伸入吸噪底盤4外端面的凹槽內，從而實現聲發射傳感器5與吸噪底盤4的緊密固 接。
[0027] 豎直管道1側壁上的每一個通孔2,對應一個波導管3和一個吸噪底盤4。為避免吸 噪底盤4在重力的作用下發生下移，可使處于同一橫截面上的四個吸噪底盤4通過套接在豎 直管道外側的環形髓帶連成一體結構，環形髓帶可固接在豎直管道的外側壁上。
[0028] 聲發射傳感器5通過數據采集單元6與數據處理單元7相接。聲發射傳感器5通過吸 噪底盤4檢測豎直管道1內氣液兩相流的流動噪聲信號。數據采集單元6采集聲發射傳感器5 所檢測的信號并發送至數據處理單元7,數據處理單元7對接收到的信號進行處理、運算，從 而識別出兩相流的流型。數據處理單元7對信號的具體處理、運算過程可參見實施例2中所 描述。
[0029] 實施例2,一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別方法。
[0030] 如圖1和圖2所示，本實用新型所提供的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別方法 包括如下步驟：
[0031] a、在豎直管道1的側壁開圓形通孔2,并在通孔2內穿接波導管3,波導管3為中空的 圓管結構，波導管3的內端面與豎直管道1的內側壁相齊平，波導管3的外端面與豎直管道1 的外側壁相齊平。在波導管3的內腔中設吸噪底盤4,吸噪底盤4為實體的圓柱狀結構，吸噪 底盤4的內端面與豎直管道1的內側壁相齊平，吸噪底盤4的外端面凸出在豎直管道1的外側 壁外。吸噪底盤4為有機材料，例如為有機玻璃、橡膠或聚醋纖維等。在吸噪底盤4的外端面 開凹槽，并在凹槽內涂高真空油脂，使聲發射傳感器5的探頭伸入凹槽內實現聲發射傳感器 5與吸噪底盤4的緊密固接。
[0032] 由于豎直管道受到水平管道向豎直管道的連接彎頭的離屯、作用，因此，為了消除 離屯、作用對豎直管道的內部流體流動狀態的影響，一般在豎直管道中將聲發射傳感器5(即 通孔的開設位置)安裝在距離連接彎頭大于30D(D為豎直管道的直徑)的位置處。
[0033] b、在豎直管道1內通入待測氣液兩相流，且待測氣液兩相流由下至上而流動。
[0034] C、聲發射傳感器5通過吸噪底盤4檢測豎直管道1內氣液兩相流的流動噪聲信號。
[0035] -個通孔2對應一個波導管3、一個吸噪底盤4和一個聲發射傳感器5。對于同一橫 截面上開有四個通孔的情況，四個聲發射傳感器5可W同時檢測豎直管道1內氣液兩相流的 流動噪聲信號。對于如圖2所示在豎直管道I上開有八個通孔的情況，八個聲發射傳感器5可 W同時檢測豎直管道1內氣液兩相流的流動噪聲信號。當然，也可W由其中的兩個或=個聲 發射傳感器5同時檢測豎直管道1內氣液兩相流的流動噪聲信號。
[0036] 對于豎直管道1內的上升流體，具有四種典型的流型，分別為泡狀流、彈狀流、乳沫 狀流和環狀流，本實用新型中通過調整實驗條件(例如調整總流量、相含率等），W便由聲發 射傳感器5采集氣液兩相流不同流動狀態下的流動噪聲信號。為了驗證采用本實用新型的 方法所識別出的流型的準確性，可同時采用高速攝像儀對豎直管道內的流型進行攝像。
[0037] d、數據采集單元6采集聲發射傳感器5所檢測到的流動噪聲信號，并發送至數據處 理單元7。
[0038] e、數據處理單元7根據接收到的信號進行相關處理、運算，從而識別出兩相流的流 型。
[0039] 數據處理單元7通過對接收到的兩相流流動噪聲信號進行分析處理，采用時域分 析對不同流型的噪聲信號進行直觀分析，提取流動信號的頻率特性，實現對氣液兩相流流 型的識別。
[0040] 流型識別的基礎是各種流型如何確定，本實用新型的流型確定是建立在向量距離 的基礎之上，即在固定流型下的特征向量對應到相應典型流型的標準特征向量距離最短。 式（1)是二維空間距離的表達式，為了能夠更好的表達待測流型與典型流型間的特征向量 距離，并擴大不同流型間的特征向量距離，將式（1)擴展到了多維空間中，并對其作了必要 的修改，修改之后的向量距離公式見式(2)。
[0041 ] (1)
[0042] (2)
[0043] 式（2)中，三、^分別為N維的特征向量;曰1、曰1日分別為特征向量中相對應的特征 值;bi為與特征值相對應的權重值，通過調整bi的大小可W調整特征向量對流型的敏感程 度，進而縮小同流型的距離，放大不同流型之間的差別;m為大小可調整的次數，由于指數函 數的單調性，m并不能改變特征向量距離之間的相對大小關系，因此將其設為可選的參數， 其作用僅僅是拉大流型間已經出現但并不明顯的差距，并適當的控制D的數值大小。
[0044] 通過大量的比較和不斷的參數調整，豎直流向所提取的特征向量中的各分量為： 均值^、方差3、峭度1(抓和頻率重屯中8。運四個特征分量的計算公式分別如下：
[0045]
(3)
[( (4)
[0047] (5)
[OC (6)
[0049]式(3)~式(6)中，Xi為聲發射傳感器5所檢測到的流動噪聲的時域信號，n為信號 的長度，X(i)為對時域信號Xi進行傅里葉變換后所產生的離散幅值，f(i)為與X(i)相對應 的頻率值。根據每一個聲發射傳感器5所檢測到的流動噪聲信號，可計算出一組特征向量（ x.，s，KUR，Fg)。
[0化0]典型流型的標準特征向量為（?，s〇，KUR〇，Fg〇)，標準特征向量的具體數值見表1。 [0化1] 夫1
[0化2]
[0053] 表1中標準特征向量的具體數值是預先通過多次實驗(實驗時已知流體的流型)求 得的。
[0054] 本實用新型中，首先由數據處理單元7根據接收到的信號計算待測流體的特征分 量:均值X、方差S、峭度KUR和頻率重屯、Fg,具體計算公式見式(3)~式(6);之后計算待測流 體的特征向量G，S，KUR，Fg)與表1中四種典型流型的標準特征向量(玄，SO ,KURo，FgO)之間 的距離D，計算公式如下：
[0化5]
巧)：
[0化6]根據一個聲發射傳感器5所檢測到的流動噪聲信號，可計算出一個特征向量G，s， KUR，Fg)，使該特征向量G，S，KUR，Fg)與四種典型流型下的標準特征向量(云，SO，KURo，FgO) 分別求距離，找出四個計算結果中的最小值D，D值最小的公式對應的流型即為待測流體的 流型。
[0057] 氣液兩相流在豎直管道I中流動時發生的流動噪聲會被聲發射傳感器5檢測到，通 過數據采集單元6可得到聲發射傳感器5每秒接收到的撞擊點，數據處理單元7會記錄接收 到的每個信號點，通過數據處理單元7獨有的定位程序，即時顯示出所有聲發射點所在的空 間位置。且數據處理單元7能夠將參數、波形、定位源、相關圖及加載項一一對應起來，利用 得到的信息可W得出各種流型對應的噪聲信號時域圖。
[0058] 根據同一水平方向上的聲發射傳感器所檢測到的噪聲信號，可W分析流體的流動 特征;根據同一豎直方向上的聲發射傳感器所檢測到的噪聲信號，可W分析相關性;根據高 速攝像儀所拍攝的圖像和各種流型時域圖的差異，可驗證采用本實用新型所識別的流型的 準確性，最終實現流型的準確識別。
[0059] 本實用新型實施例通過改變實驗條件，得到不同工況條件下流體的流動噪聲時域 圖，分別如圖3~圖16所示。
[0060] 圖3中上下兩幅圖均是滿管水時流體的流動噪聲時域圖，所不同的是，圖3中上面 一幅圖對應工況條件為L2G0，即水流速為2m3/h，氣體為零;圖3中下面一幅圖對應工況條件 為L10G0,即水流速為IOm3A,氣體為零。圖4中上下兩幅圖均是滿管氣時流體的流動噪聲時 域圖，所不同的是，圖4中上面一幅圖對應工況條件為L0G50，即水為零，氣體流速為SOm3A; 圖4中下面一幅圖對應工況條件為L0G100,即水為零，氣體流速為lOOmVh。對于滿管水和滿 管氣的情況，根據每個聲發射傳感器所檢測到的流動噪聲信號所得到的時域圖都大致相 同。
[0061 ]圖5中=幅圖是在工況條件為LO. IGO. 30(即水流速為0.1 m3A,氣體流速為0.30m3/ h)的情況下根據同一橫截面上=個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流體流動噪 聲時域圖。圖6中S幅圖是在工況條件為L1.0G0.48(即水流速為1.0m3/h，氣體流速為 0.48m^h)的情況下根據同一橫截面上S個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流體 流動噪聲時域圖。圖7中S幅圖是在工況條件為L2. OGO. 60(即水流速為2.Om^h，氣體流速 為O.eOmVh)的情況下根據同一橫截面上=個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流 體流動噪聲時域圖。圖8中S幅圖是在工況條件為L8. OG0.0 6(即水流速為8.Om^h，氣體流 速為0.OSm3A)的情況下根據同一橫截面上S個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的 流體流動噪聲時域圖。圖9中S幅圖是在工況條件為LlO . OGO. 24(即水流速為10.0 m3A，氣 體流速為〇.24m3/h)的情況下根據同一橫截面上S個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得 到的流體流動噪聲時域圖。圖10中S幅圖是在工況條件為Ll 1. OGO. 48(即水流速為11. Om3/ h，氣體流速為0.48m3A)的情況下根據同一橫截面上=個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號 所得到的流體流動噪聲時域圖。
[0062] 由高速攝像儀所拍攝的圖像可W看出，圖5~圖7對應彈狀流流型，圖8~圖10對應 泡狀流流型。由圖5~圖10可W直觀的發現，泡狀流的突起相對彈狀流較多，而彈狀流由于 氣彈間隔性的出現，導致采集到的噪聲信號會出現周期性的大波動，相對泡狀流來說，有明 顯的突變。
[0063] 圖11中兩幅圖是在工況條件為L3.82G2.20(即水流速為3.82m3/h，氣體流速為 2.20m^h)的情況下根據同一橫截面上相對的兩個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到 的流體流動噪聲時域圖。圖12中兩幅圖是在工況條件為L4.36G5.03(即水流速為4.36m3A， 氣體流速為5.03m3A)的情況下根據同一橫截面上相對的兩個聲發射傳感器檢測到的噪聲 信號所得到的流體流動噪聲時域圖。圖13中兩幅圖是在工況條件為L2.15G11.463(即水流 速為2. ISm3A，氣體流速為11.463m3A)的情況下根據同一橫截面上相對的兩個聲發射傳感 器檢測到的噪聲信號所得到的流體流動噪聲時域圖。圖14中兩幅圖是在工況條件為 LO. 56G44.6(即水流速為0.56m3 A，氣體流速為44.6m3A)的情況下根據同一橫截面上相對 的兩個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流體流動噪聲時域圖。圖15中兩幅圖是在 工況條件為L4.0G86.5 (即水流速為4. Om^h，氣體流速為86.5m3 A)的情況下根據同一橫截 面上相對的兩個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流體流動噪聲時域圖。圖16中兩 幅圖是在工況條件為L6.62G138.0 (即水流速為6.62m3 A，氣體流速為138. Om^h)的情況下 根據同一橫截面上相對的兩個聲發射傳感器檢測到的噪聲信號所得到的流體流動噪聲時 域圖。
[0064] 由高速攝像儀所拍攝的圖像可W看出，圖11~圖13對應乳沫狀流流型，圖14~圖 16對應環狀流流型。由圖5~圖16可W發現，乳沫狀流和環狀流相對泡狀流和彈狀流而言， 由于流動狀態的機理程度增加，因此，流動噪聲信號的幅值明顯增加。由于乳沫狀流是因大 氣泡的破裂形成的，因此流體流動有一定的振蕩，液相會在管道中有交替上下的運動，從而 導致不同時段采集到的流動噪聲信號相對環狀流的噪聲信號有間歇性的突起。
[0065] 采用本實用新型方法最終所識別的流型，經由高速攝像儀所拍攝的圖像進行驗 證，本實用新型識別的流型完全正確。
【主權項】
1. 一種基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，在通有氣液兩相流的豎 直管道的側壁開有圓形通孔，在所述通孔內穿接有波導管，所述波導管為中空的圓管結構， 在所述波導管的內腔中設有吸噪底盤，在所述吸噪底盤的外端固定有聲發射傳感器，所述 聲發射傳感器通過數據采集單元與數據處理單元相接;所述聲發射傳感器通過所述吸噪底 盤檢測豎直管道內氣液兩相流的流動噪聲信號，并將所檢測到的信號通過數據采集單元發 送至數據處理單元，所述數據處理單元對接收到的信號進行處理、運算，從而識別出兩相流 的流型。2. 根據權利要求1所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，所述波 導管的長度與豎直管道的壁厚相同；所述吸噪底盤的內端面與豎直管道的內側壁相齊平， 所述吸噪底盤的外端面凸出在豎直管道的外側壁外。3. 根據權利要求2所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，在所述 吸噪底盤的外端面上開有凹槽，所述聲發射傳感器的探頭端伸入到所述凹槽內與所述吸噪 底盤固接。4. 根據權利要求1所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，所述吸 噪底盤為有機材料吸噪底盤。5. 根據權利要求1所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，所述通 孔為四個，且四個通孔均勻分布在管道側壁的同一橫截面上;每一通孔對應一個波導管和 一個吸噪底盤。6. 根據權利要求5所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，四個吸 噪底盤通過豎直管道外側的環形箍帶連成一體結構。7. 根據權利要求1所述的基于噪聲測量的氣液兩相流流型識別裝置，其特征是，所述通 孔為八個，八個通孔平均分為兩組，每一組中的四個通孔均勻分布在管道側壁的同一橫截 面上，且其中一組通孔位于另一組通孔的上方，兩組中的通孔上下一一對應。
【文檔編號】G01N29/14GK205691553SQ201620582264
【公開日】2016年11月16日
【申請日】2016年6月15日 公開號201620582264.7, CN 201620582264, CN 205691553 U, CN 205691553U, CN-U-205691553, CN201620582264, CN201620582264.7, CN205691553 U, CN205691553U
【發明人】方立德, 李婷婷, 韋子輝, 劉霜
【申請人】河北大學