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两相流参数多传感器测量方法研究

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摘要

两相流广泛存在于自然界和人类生产过程当中,其参数的准确检测对国民经济的发展具有重大而深远的意义。两相流动过程复杂多变,存在复杂的相间波动和传热过程,因此对其参数的准确测量一直是国内外科研人员研究的重点和难点。多传感器融合技术利用多个不同性质的传感器可以从多角度对流动过程进行观测,提供更多反映流动过程特征的测量信号,从而提高测量精度并实现多参数的测量。
   本文从多相流动机理和流动过程参数检测的基本方法出发,提出了一种结合电学法中的截面电阻信息检测技术、环形电导阵列与双V型内锥式流量计的典型流型下两相流参数测量方法。完成了从传感器选取、空间布局、基本模型建立、算法实现等工作,准确的对流型进行了识别,并得到了较为理想的流量和含率测量结果。主要完成的工作如下:
   1、根据两相流参数测量机理以及已有的研究基础,选择截面电阻信息检测系统、环形电导阵列和双V型内锥式流量计作为多传感器系统的主要传感器,并进行了相关的标定实验。通过分析各传感器的特性,特别是V锥压降的分析,有效的对传感器进行了布局。
   2、通过将两个不同尺寸的V型内锥式流量计进行级联,构成双V型内锥式流量计。在分层流模型的基础上推导出了双V型内锥式流量计的测量模型,在有效配合的情况下能够实现对两相流含率和流量的同时测取。此外,通过分析V锥压降过程,确定了双V锥流量计的配合方式和配合距离,并分析了不同等效直径比组合配合方式下的两相流因子与L-M参数曲线的特征参数。
   3、利用PXI模块化仪器和FPGA技术搭建了多传感器测量系统。主要包括基于PXI的截面电阻信息检测系统搭建以及多传感器信号同步采集。PXI模块化仪器的引入提高了截面电阻信息检测系统的性能,在LabVIEW平台下采用幅值计算的方式代替了传统系统中耗时的解调滤波环节,提高了系统的效率;FPGA的高速I/O功能实现了对系统高速的逻辑控制,增强了多路信号采集的同步性。实验结果表明该系统采集速度快、同步性好,且能够有效分别物场内的介质分布情况。
   4、根据多传感器融合的基本理论,设计了一个适用于两相流参数计算的基础的多传感器测量模型,主要包括传感器管理、流型识别和参数计算。传感器管理主要实现各传感器之间的时间匹配,流型识别的结果用作分类器对传感器进行分工;流型识别环节,采用D-S证据理论作为融合算法,对截面电阻信息检测系统和电导环的测量数据进行融合处理分别得到了气液两相流和油水两相流典型流型的识别结果,实验结果表明识别率均在90%以上,能够有效的起到分类器的作用;参数计算环节,采用分布式结构,对于各传感器得到的测量子决策,在决策层通过小波神经网络进行融合处理。实验结果表明,这种基于多传感器方法的计算结果优于各传感器单独工作时得到的测量结果,四种典型流型下流量及含率的相对误差均在±7%以内。

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