CN105699686A - 基于esmd的气固两相流颗粒速度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ESMD的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，步骤如下：步骤一、在气力输送管道上安装静电传感器探头，并采集所述静电传感器探头上的静电信号；步骤二、采集到的静电信号进行ESMD分解处理，得到静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1；步骤三、对静电传感器的特征系数g_s进行标定；步骤四、根据步骤三标定的特征系数g_s和步骤二得到的静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率f_m1计算气固两相流颗粒速度。与传统的FFT信号分析相比，利用ESMD对静电信号进行分解计算，静电信号的最高频本征模态M₁具有稳定的瞬时频率f_m1分布；静电传感器特征系数g_s具有良好的稳定性；气固两相流颗粒速度测量方法计算简便，稳定高效。

Description

基于ESMD的气固两相流颗粒速度检测方法

技术领域

本发明属于气固两相流流动检测技术领域，尤其是颗粒速度的检测技术。

背景技术

目前已开发有多种非接触式气固两相流颗粒速度测量方法：如多普勒法、互相关法、空间滤波法、核磁共振法、示踪法等。基于静电的颗粒速度测量方法(如静电相关法、空间滤波法)具有测量范围宽、适应性强、不阻碍流动，可实现非接触测量等优点，在工业应用上，与其它测量方法相比有较大优势。但是，他们又都存在各自的局限：相关法测速只有在流动稳定，固相弥散度尽可能均匀，并且满足“凝固”流动图型的状况下，才会获得对称的具有明确尖峰的互相关函数曲线，这在实际测量当中有时难以保证；空间滤波法在功率谱特性曲线上，表现为各点离散程度较大，波峰不明显，甚至被其他的波峰掩盖，这为频率峰值的准确确定带来困难，影响颗粒流动速度的测量准确性。

基于环状静电感应空间滤波测速法是与本发明最接近的技术方案。该方法先对静电信号进行快速傅里叶变换(FastFourierTransformation,FFT)获取信号对应的频率谱，后对频率谱进行曲线拟合或者小波分析等进行趋势项提取，进而确定其峰值频率f_max，最后将f_max乘以静电传感器几何特征常数g_r，即可得到颗粒速度v_s。

静电感应空间滤波法在功率谱特性曲线上，表现为各点离散程度较大，波峰不明显，甚至被其他的波峰掩盖，这给频率峰值的准确确定带来一定的困难，从而影响颗粒流动速度测量准确性。即使通过进行曲线拟合或者小波分析等对频率谱进行趋势项提取，能在一定程度上提高所确定的频率峰值的准确性，但总体效果并不十分明显。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有静电测量技术的不足，而提供一种通过有效提取静电信号的本征模态频率从而提高颗粒流动速度测量准确性的基于极点对称模态分解的气固两相流颗粒速度检测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于ESMD的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、在气力输送管道上安装静电传感器探头，并采集所述静电传感器探头上的静电信号；

步骤二、采集到的静电信号进行ESMD分解处理，得到静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1；

步骤三、对静电传感器的特征系数g_s进行标定；

步骤四、根据步骤三标定的特征系数g_s和步骤二得到的静电信号最高频本征模态的瞬时频率f_m1计算气固两相流颗粒速度。

所述步骤二中，根据设定最大筛选次数K和最少极点数N_min来得到静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1，其中，最大筛选次数K的范围为10-80，最少极点数N_min的范围为10-100。

所述静电传感器的电极形状采用圆环形、阵列矩形、阵列方形、阵列椭圆形或阵列菱形。

采用皮带轮速度标定装置对所述静电传感器的特征系数g_s进行标定。

采用皮带轮速度标定装置对所述静电传感器的特征系数g_s进行标定的方法是：

脉冲计数器记录的皮带轮每秒转动的圈数为n，皮带轮半径为r，则皮带运动的真实速度v’为：

v′＝2πr·n

再对静电传感器获取的皮带轮的静电信号Q’进行ESMD分解计算得到的模态M₁的瞬时频率f_m1’即可确定特征系数g_s：

$g_s=\frac{v^{\′}}{{f_{m1}}^{\′}}.$

本发明通过ESMD分解的静电信号具有稳定的频率分布，可以解决上述方法中波峰提取困难的问题。

本发明具有如下优点：

1、与传统的FFT信号分析相比，利用ESMD对静电信号进行分解计算，静电信号的最高频本征模态M₁具有稳定的瞬时频率f_m1分布；

2、本方法中提出的静电传感器特征系数g_s具有良好的稳定性；

3、本方法提出的气固两相流颗粒速度测量方法计算简便，稳定高效。

附图说明

图1为静电传感器布置示意图；

图2为环状电极的布置截面示意图；

图3是弧状电极布置截面示意图；

图4为皮带轮速度标定装置示意图；

图5空间滤波颗粒测速方法的特征系数；其中a为弧状电极，b为环状电极；

图6基于ESMD的颗粒测速方法的特征系数；其中a为弧状电极，b为环状电极；

图7颗粒速度对比示意图；

1-管道；2-环状电极；3-弧状电极；4-皮带轮；5-静电传感器；6-脉冲计数器。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的具体实施方案做出更为详细的说明：

1、制作合适形状的感应电极的静电传感器，静电传感器结构布置可参考图1。将静电传感器安装于气力输送的水平管道或垂直管道上，进行静电信号的采集。由于不同形状的静电感应电极具有不同的灵敏空间和灵敏场分布，但是它们的传感机理是一样的。故以下分解步骤将以环状静电传感器为例进行说明。

2、根据设定的采样频率f_c和采样点数N的值对静电传感器输出信号Q进行采集，利用ESMD计算软件对采集到的Q进行ESMD模态分解。针对Q设定合适的最大筛选次数K及最少极点数N_min获取最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1。ESMD计算软件(软件登记证书号为：No.2012SR052512.)由王金良，李宗军开发，已于2014年11月2日在科学网公开并免费提供使用。

3、图4所示的皮带轮速度标定装置可对静电传感器的特征系数g_s进行标定。脉冲计数器记录的皮带轮每秒转动的圈数为n，皮带轮半径为r，则皮带运动的真实速度v’为：

v′＝2πr·n(1)

再对静电传感器获取的皮带轮的静电信号Q’进行ESMD分解计算得到的模态M₁的瞬时频率f_m1’即可确定特征系数g_s：

$g_s=\frac{v^{\′}}{{f_{m1}}^{\′}}---\left(2\right)$

4、本方法实际得到的颗粒速度v_s为：

v_s＝g_s·f_m1(3)式中，f_m1本征模态M₁的瞬时频率，g_s为静电传感器的特征系数。

对于不同形状的静电感应电极，其颗粒速度求解过程都是：先获取的静电信号Q，再通过步骤1、2获取该静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1，然后利用公式(3)求取颗粒速度。

图5、6给出了同一工况下，环状静电感应电极和某一弧状静电感应电极分别使用空间滤波法和基于ESMD的颗粒测速方法的特征系数对比图。可以看出：在同一工况下，对于不同形状的静电感应电极，空间滤波法对应的几何特征常数g_r不同。由于空间滤波法很难准确地提取出静电信号频率谱上峰值频率，其定义的几何特征常数g_r会因系统的波动而出现很大的波动。此外，基于ESMD的颗粒测速方法对应的特征常数g_s具有非常好的稳定性。以上实验结果表明：基于ESMD的颗粒测速方法是一种可行的颗粒速度测量方法，能有效克服空间滤波法在颗粒速度测量不准确的问题。

实施例一

对表1中的石油焦物料进行输送实验，输送参数如表2所示。

表1物料特性

表2实验工况

利用极点对称模态分解的颗粒速度测量方法对上述工况进行分析，其步骤如下：

1、设定静电传感器的采样频率为5kHz、采样点数为5000，获取静电信号Q；

2、每秒钟通过ESMD计算软件对Q进行一次ESMD分解计算。设置K＝40、N_min＝60，计算得到模态M₁的瞬时频率f_m1；

3、在皮带轮速度标定装置上标定静电传感器的特征系数g_s，得g_s＝0.0316；

4、利用公式(3)计算颗粒速度v_s。

ESMD分解的颗粒速度测量方法与空间滤波法的结果对比如图7所示。

Claims (5)

1.一种基于ESMD的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一、在气力输送管道上安装静电传感器探头，并采集所述静电传感器探头上的静电信号；

步骤二、采集到的静电信号进行ESMD分解处理，得到静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1；

步骤三、对静电传感器的特征系数g_s进行标定；

步骤四、根据步骤三标定的特征系数g_s和步骤二得到的静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率f_m1计算气固两相流颗粒速度。

2.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，所述步骤二中，根据设定最大筛选次数K和最少极点数N_min来得到静电信号最高频本征模态M₁的瞬时频率分布f_m1，其中，最大筛选次数K的范围为10-80，最少极点数N_min的范围为10-100。

3.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，所述静电传感器的电极形状采用圆环形、阵列矩形、阵列方形、阵列椭圆形或阵列菱形。

4.根据权利要求1所述的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，采用皮带轮速度标定装置对所述静电传感器的特征系数g_s进行标定。

5.根据权利要求4所述的气固两相流颗粒速度检测方法，其特征在于，采用皮带轮速度标定装置对所述静电传感器的特征系数g_s进行标定的方法是：

脉冲计数器记录的皮带轮每秒转动的圈数为n，皮带轮半径为r，则皮带运动的真实速度v’为：

v′＝2πr·n

再对静电传感器获取的皮带轮的静电信号Q’进行ESMD分解计算得到的模态M₁的瞬时频率f_m1’即可确定特征系数g_s：

$g_s=\frac{v^{\′}}{{f_{m1}}^{\′}}.$