CN110108331B - 基于ert的同质气液混合两相流流量测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试方法及系统；解决了同质气液混合两相流不分离时，气液流量测量问题。实现步骤：设计双层温控管道及管道间真空处理；测气液两相流流速；电压数据采集；RBF神经网络重建两相流流型图及气液混合比计算；输出气液各自流量结果。系统包括有带有双层温控真空管道的传感器单元、数据采集与处理单元、图像重建单元及流量计算单元；传感器单元中气嘴装在外管道壁上，温度/压力传感器分别安装在电极阵列前后，电极阵列等间距安装在内管道一周。本发明不需对两相流进行分离，实现对介质保护。系统构成简单、测量精度高、实时性好。用于低温高速下，航空航天、能源、石油化工等测量流量以及泄漏量。

Description

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法及系统

技术领域

本发明属于两相流测试技术领域，特别是同质气液混合两相流流量测量。具体是一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法及系统，主要用于航空航天、石油化工、能源动力等行业。

背景技术

自然界的介质可分为三种不同的相：固相、液相、气相。单向介质的流动称为单相流，两相流或多相流是指同时存在两种或多种不同相的介质的流动。同质气液混合两相流是指同一种介质，同时存在气相和液相的情况。

同质气液混合两相流现象广泛存在航空航天、石油化工、能源动力等领域中；如在航天空间低温高压等苛刻的工况环境中，石油化工的各种高参数泵系统中。现有的传统的单相流理论及其测试方法已不满足实际需求，因此对于同质气液混合两相流的研究极具工程价值。

以低温推进液体火箭发动机用轴端机械密封端面泄漏量的测试为例，由于密封副工作时摩擦产生的热量会使得端面间的被密封流体发生严重的两相流状况，即低温被密封介质出现气液混合两相流的状况，这种状况会改变机械密封的性能；该性能与仅存在单相流状况下的密封性能差异明显。因此对此类情况下的同质介质的两相流流量的测试方法及其系统就变得极为重要，然而现有的各类测试两相流的技术在精度、空间要求、受外界干扰等方面都存在严重不足，缺少适用性。

两相流检测从方式上可分为：直接法和间接法。直接法是直接测量对象得到被测参数；间接法是通过间接测量参数，建立起被测参数与被测对象的一种映射函数关系。传统的两相流检测技术在工业中使用较为常见，如采用文丘里、孔板等装置测量流量；这一过程需要对气液混合两相流进行分离，流程较为复杂、精度低、实时性较差等。

已有文献表明，在两相流检测技术研究发展的主要趋势中,应用过程层析成像技术实现两相流参数检测的研究是一个重要的发展方向[谭超,董峰.多相流过程参数检测技术综述[J].自动化学报,2013,39(11):1923-1932.]。特别地，ERT(Electrical ResistanceTomography，电阻层析成像)技术就属于过程层析成像技术的一种，其具有低成本、无放射性、非侵入、可视化和响应速度快等优点，因此ERT技术已被尝试应用于多相流流型监测、地质勘探、医学成像以及建筑结构检测等领域，是目前层析成像技术研究的热点；ERT技术的原理为：不同的介质具有不同的电导率，根据介质电导率的分布即可体现出介质在敏感场中的分布情况。

同时，在ERT原理及其技术应用方面，也有一些关于不同属性介质混合下的多相流测试方法及系统的研究成果，如英国UMIST大学用ERT技术来检测气液混合的流形图，利用获取的图像为气液混合两相流的流型实现建模；美国Lawrence Livermore国家实验室采用ERT技术处理核废料场中的固液两相流问题；此外，ERT技术在检测城市地下管道泄漏方面也起着重要的作用。

综上，目前关于气液两相流的检测方法、技术及其设备或系统，能够解决一般意义上的工程两相流问题，且大多是关于非同质(如油气混合、固液混合等)气液、固液等的两相流测量，如采用文丘里管、孔板等装置进行两相流测量，需要对两相流进行分离，过程复杂，精度低且实时性较差。现有技术采用ERT技术对两相流的检测，对于同质气液两相流的研究却很少涉及,且在测量过程中缺少对介质的保护，介质的性质在测量过程可能会发生变化。申请人团队曾提出了采用分离方法对于同质气液混合两相流的测量方法和系统(申请专利106643945A，一种同质气液混合介质质量流量测试装置及方法)，测量方法需要将气液进行分离，分别计算气液流量。该过程操作较为复杂、精度较低、实时性也较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种不需要对同质气液混合两相流分离的基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法及系统。

本发明首先是一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法，定义液相属于连续相，气相属于离散相；在同质气液混合两相流体的工作场合，同质气液混合两相流体从进口管流入，流经管道，最后由出口管流出；其中，电极阵列等间距的嵌入安装在管道一周，电极片分布于管道内壁上，用来测得电极的电压数据，数据采集与处理单元然后将电压数据传给图像重建单元重建同质气液混合两相流流型图，并计算同质气液混合两相流混合比，进一步通过流量计算单元计算同质气液混合两相流各自的流量，其特征在于，不需要对同质气液混合两相流进行分离，实现两相流各自的流量计算，包括有以下步骤：

(1)设计双层温控管道及管道间的真空处理：根据实际工况将管道设计为双层温控管道，双层温控管道采取同类材料，要求耐腐蚀、绝缘性好且比热容较大，双层温控管道的具体参数根据温升控制范围要求计算确定；双层温控管道采用耐低温材料,低温指标≤-80℃，对双层温控管道做真空处理：利用抽真空压力机将内外管道间的空气从气嘴排出，使内外管道间的绝对压力≤100Pa,出气口采用单向阀结构；两个温度/压力传感器分别安装在内管道的电极阵列前后；电极阵列等间距的嵌入安装在内管道一周，电极片分布于内管道内壁上；

(2)测气液混合两相流即介质的流速：将待测的同质气液混合两相流接入进口管，通过进口管进入内管道，最终同质气液混合两相流经出口管流出；同质气液混合两相流为匀速流动，为测得流速，首先测量两个温度/压力传感器的距离L,然后检测两个温度/压力传感器的信号，检测温度或者压力变化，并对两个温度/压力信号做互相关分析，求得介质流经两个温度/压力传感器的时间间隔t，最后求得同质气液混合两相流介质的流速v＝L/t；

(3)电极阵列的电压数据采集：采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统，通过数据采集与处理系统检测电极阵列的各组电压数据，根据ERT技术，电压数据反应了介质电导率在敏感场的分布情况，将电压数据传给图像重建单元；

(4)利用RBF神经网络重建气液混合两相流流型图及气液混合比的计算：根据ERT技术，介质电导率在敏感场的分布情况可通过图像像素灰度图来体现，图像重建单元利用RBF神经网络进行图像重建，输入为经过电极阵列测得的反映气液混合两相流流型的电压数据，输出为重建出来的流型图像，即同质气液混合两相流在敏感场中的分布情况，构建出从检测电压值到图像像素灰度的一种非线性映射，形成可视化测量；与此同时，用重建的同质气液混合两相流流型图求得同质气液混合两相流的混合比α，即离散相占内管道横截面的比例；

(5)气液各自的流量计算：通过流量计算单元计算出同质气液混合两相流各自的流量。

本发明还是一种基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试系统，按照信号传输方向依次连接有传感器单元、数据采集与处理单元、图像重建单元、流量计算单元；其中，依据气液混合两相流流动方向依次接有进口管、中心管道和出口管，气液混合两相流从进口管进入，从出口管排出，电极阵列等间距的嵌入安装在管道一周，电极片分布于管道内壁上；传感器单元中的电极阵列通过数据线连接到数据采集与处理单元，数据采集与处理单元中的通讯模块通过数据线连接到图像重建单元,将测得的电压数据传送给图像重建单元，进一步计算得到气液两相流混合比；最后图像重建单元将所有数据传给流量计算单元，计算同质气液混合两相流各自的流量；其特征在于，中心管道设计为双层温控管道，双层温控管道为同轴管道，内径大的为外管道，内径小的为内管道，内外管道之间为真空环境；气嘴安装在外管道壁上，安装位置在距外管道头部1/4～1/8位置；气嘴的出气口采用单向阀结构；温度/压力传感器安装在内管道壁上，用来获取温度/压力信号，进一步计算流速；内外双层管道选取耐低温的材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明所述的方法及系统可用于同质气液混合两相流的流量测量，如水-水蒸气、液氮-氮气、液氧-氧气等。相比于传统同质气液混合两相流检测，既不需要对同质气液混合两相流进行分离，装置结构简单，也能够保证同质介质两相流测量过程中介质属性不会受测量方法的影响，即测量同质气液两相流混合介质时需要保证无温度或压力变化(精准的温度和压力控制)，进而对保证测量的精度、流型图像重建的质量，以及对同质气液混合两相流的流量计算都具有重要的实践指导价值。本发明将发展适应于实际工况的神经网络算法提高图像重建的质量，并实现对于同质气液混合两相流混合比的计算(离散相占敏感场面积的比例)，进而推导出同质气液混合两相流的流量。测试方法涵盖了数字信号处理、图像识别及神经网络等技术，将提高现有的针对同质气液两相流流量测试方法和技术，且测试系统具备简单有效、测量精度高、实时性好的特点，具有鲜明的创新性。

本发明的测试方法及系统是对同质气液混合两相流参数检测方法及系统的重要补充，也可对其他类型两相流的测量具有参考意义，适合用于低温环境下的航空航天、石油化工、能源等工程领域中对于密封流量或泄漏量的测量，也可用于其他本发明未提及的用途。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为电极结构示意图；

图3为数据采集与处理功能框图；

图4为图像重建设定流型图；

图5为图像流型重建效果图；

图6为流量计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

实施例1

如火箭发动机机械密封，在低温高速环境下工作时，由于摩擦会导致流体介质出现两相流现象，这时机械密封的性能会发生很大的变化，传统的单相流理论不再适用，然而传统的两相流测试技术较为麻烦，测量过程麻烦、结果精度低且实时性较差，本发明针对此现状经过创新与研究，提出了一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法及系统。

本发明是一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法，定义液相为连续相，气相为离散相。在同质气液混合两相流体的工作场合，通常设有进口管、中心管道、出口管，同质气液混合两相流体从进口管流入，流经管道，最后由出口管流出。其中，电极阵列等间距的嵌入安装在中心管道一周，电极片分布于管道内壁上，用来测得电极的电压数据，数据采集与处理单元将电压数据传给图像重建单元，重建同质气液混合两相流流型图，并计算同质气液混合两相流混合比，然后进一步通过流量计算单元计算同质气液混合两相流各自的流量，参见图6，本发明不需要对同质气液混合两相流分离，实现同质气液两相流流量测试，包括有以下步骤：

(1)设计双层温控管道及管道间的真空处理：根据实际工况将管道设计为双层温控管道，双层温控管道采取同类材料，要求耐腐蚀、绝缘性好且比热容较大，双层温控管道的具体参数根据温升控制范围要求计算确定。双层温控管道采用耐低温材料，其低温指标≤-80℃。本发明对双层温控管道做真空处理：利用抽真空压力机将内外管道间的空气从气嘴排出，使内外管道间的绝对压力≤100Pa,出气口采用单向阀结构。相比于采用单层管道，本发明设计的双层管道具有温控功能，即控制温度变化在±2℃之内，温控功能通过对双层温控管道做真空处理来实现。本发明中两个温度/压力传感器分别安装在内管道的电极阵列前后，可方便测得两相流流速，电极阵列等间距的嵌入安装在内管道一周，电极片分布于内管道内壁上。本例中采用耐低温材料为PVC材料。

(2)测气液混合两相流流速：将待测的同质气液混合两相流接入进口管，通过进口管进入内管道，最终同质气液混合两相流经出口管流出。假设同质气液混合两相流为匀速流动，为测得流速，首先测量两个温度/压力传感器的距离L,然后检测两个温度/压力传感器的信号，检测温度或者压力变化，并对两个温度/压力信号做互相关分析，求得介质流经两个温度/压力传感器的时间间隔t，最后求得同质气液混合两相流介质的流速v＝L/t。本发明不需要将气液两相流进行分离即可测得气液流速，省去了将气液分离的环节，直接获取同质气液混合两相流的流速，进一步计算流量，整体实现更加简单。

(3)电极阵列的电压数据采集：本发明采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统，通过数据采集与处理系统检测电极阵列的各组电压数据，根据ERT技术，电压数据反应了介质电导率在敏感场的分布情况，并将电压数据传给图像重建单元。本发明采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统，很好的获取电极阵列的电压数据，响应速度快，实时性好，精度高。

(4)利用RBF神经网络重建气液混合两相流流型图及气液混合比的计算：根据ERT技术，介质电导率在敏感场的分布情况可通过图像像素灰度图来体现，图像重建单元利用RBF神经网络进行气液混合两相流图像重建，RBF神经网络使用现有工具包，也可根据实际问题自行设计。RBF神经网络的输入为经过电极阵列测得的反映气液混合两相流流型的电压数据，输出为重建出来的同质气液混合两相流的流型图像，构建出从检测电压值到图像像素灰度的一种非线性映射，即同质气液混合两相流在敏感场中的分布情况，形成可视化测量。与此同时，用重建的同质气液混合两相流流型图求得同质气液混合两相流的混合比α，即离散相(气相)占敏感场面积(内管道横截面)的比例。

(5)气液各自的流量计算：通过流量计算单元在同质气液混合两相流不分离的情况下，计算出同质气液混合两相流各自的流量，完成同质气液混合两相流各自流量测试。

本发明的设计思路：设计双层温控管道及对双层温控管道间真空处理；对两个温度/压力传感器的信号做互相关分析，求得同质气液混合两相流流经对两个温度/压力传感器的时间间隔，进一步得到气液混合两相流流速；电极阵列的电压数据采集；利用RBF神经网络重建气液混合两相流的流型图，用重建的同质气液混合两相流流型图求得气液混合比的计算；气液各自的流量计算。本发明提供了一整套的技术方案，解决了在对同质气液混合两相流不分离的情况下，测得同质气液混合两相流的各自流量。测试方法涵盖了数字信号处理、图像识别及神经网络等技术，将提高现有的针对同质气液两相流流量测试方法和技术，且测试系统具备简单有效、测量精度高、实时性好的特点，具有鲜明的创新性。

实施例2

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法同实施例1，本发明步骤(4)中所述RBF(径向基)神经网络，其网络结构为三层前向网络：输入层、隐藏层和输出层。其中输入层与隐藏层之间是非线性关系，从输入层到隐藏层之间采用高斯函数进行变换，将数据映射到高维空间，隐藏层与输出层之间是线性关系。输入为多组经过电极阵列测得的反映气液混合两相流流型的电压数据，通过电压数据预处理、训练、验证、测试、图像填充步骤，输出为重建出来的两相流流型图像。本发明用RBF(径向基)神经网络进行了同质气液混合两相流的流型图像重建，重建出来的同质气液两相流流型图像质量高，各种图像流型的平均保真度为85％左右，本发明也可采用其他类型的图像重建算法进行同质气液混合两相流的图像重建，不同图像重建算法具有不同的优越性，具体应根据实际数据及工况来选择。

实施例3

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法同实施例1-2，本发明步骤(5)中所述流量计算，具体是同质气液混合两相流的流量计算方法：

(5.1)计算连续相(液相)流量q₁＝s·(1-α)·v；其中s为敏感场的面积(内管道横截面积)，α为混合比，即离散相(气相)占敏感场面积(内管道横截面)的比例，v为同质气液混合两相流流速。

(5.2)计算离散相(气相)流量q₂＝s·α·v；其中s为敏感场的面积(内管道横截面积)，α为混合比，即离散相(气相)占敏感场面积(内管道横截面)的比例，v为同质气液混合两相流流速。

本发明不需要对同质气液混合两相流进行分离，即可计算出同质气液混合两相流各自的流量，极大的减少了流量测量过程的复杂度。

实施例4

本发明还是一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试系统，是在上述的基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法的基础上设计的，根据本发明的方法还可设计出更多的测试系统。

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法同实施例1-3，本发明基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试系统，参见图1，按照信号传输方向依次连接有传感器单元8、数据采集与处理单元9、图像重建单元10、流量计算单元11。其中的传感器单元8中，依据气液混合两相流流动方向依次接有进口管1、中心管道和出口管7，气液混合两相流从进口1管进入，从出口管7排出；参见图1，本发明中将现有技术传感器单元8中的中心管道进行了改进，舍去中心管道，直接设计为双层温控管道，双层温控管道为同轴管道，内径大的为外管道5，内径小的为内管道6，内外管道之间为真空环境。双层温控管道要求耐低温、耐腐蚀、绝缘性好且比热容较大的材料，实现对温度的精准控制。采用比热容计算公式c＝ΔQ/(mΔT)计算温升，其中，c为比热容，ΔQ为吸收/放出的热量，ΔT为温度变化。同一物体，当吸收/放出一定热量时，要想温度变化较小，则需要比热容较大，具体材料选用根据实际工况选取。本例中内外双层管道均选取耐低温的PVC管。本发明气嘴安装在外管道壁上，安装位置在距外管道头部1/4～1/8位置。本发明气嘴的出气口采用单向阀结构。本例中气嘴安装在距外管道头部1/4处。

电极阵列参见图2，电极阵列包括有螺栓12、螺母13、垫圈14和电极片15。电极阵列中的电极片15等间距的嵌入安装在内管道6一周，电极片15尺寸相同，等间距分布于内管道6内壁上，电极片15材料为可适应于低温工况的金属材料，如铜基、铂、锡、钛合金或合成金属涂层等。电极片15材料选择设计要求需具备良好导电特性，导电率远大于被测介质的导电率；且化学性质稳定，避免被待测介质磨损和腐蚀，具体根据实际工况来进行选择。电极阵列4等间距地安装在内层圆柱管道6管壁的外端，其信号线直接连接到数据采集与处理单元9。电极片15的形状可为长方形、椭圆形或其他规则形状，相对于内管道6截面为点电极，宽度不应超过2π/n；其中n为电极数目，范围可从5×5mm到30×30mm不等，具体选择应根据管道截面尺寸来定：相对于内管道6截面为点电极。对于电极片15的数目，采用8、16、32等对称偶数数目，但不宜太多。数目增加虽然会提高重建的图像分辨率，但要求数据采集系统具有较高的速度和精度，也会增加图像重建的复杂性，实时性也会受到影响；数目太少会导致数据采集不够，图像重建出来的分辨率过低。

传感器单元8中的电极阵列4如图2，通过数据线连接到数据采集与处理单元9，参见图3，数据采集与处理单元9包括一个双极性脉冲电流源、一个数字信号处理器DSP、一个FPGA辅助控制(时序逻辑控制)板卡、一个辅助硬件电路系统(包含采样/保持器、放大器、滤波器、A/D转换器、通讯模块等)。鉴于航天航空、石化高压等苛刻环境下机械密封两相流流量获知所需要的测试精度、响应速度需求，本发明对数据采集系统采用总线方式，并集成DSP方案，实现实时的数据采集与控制；并采用FPGA辅助控制，保证多I/O的同步通讯；如此可保证数据采集与处理系统将具备高精度、响应速度快、良好的可维护性和扩展性等特点和新颖性。

数据采集与处理单元9中的通讯模块通过数据线连接到图像重建单元10,将测得的电压数据传送给图像重建单元10，通过重建出来的同质气液混合两相流图像，进一步计算得到气液两相流混合比；最后图像重建单元10将所有数据传给流量计算单元11，计算同质气液混合两相流各自的流量。

实施例5

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试系统的总体构成同实施例1-4，本发明传感器单元8中双层温控管道的真空环境是采用抽真空压力机，将内外管道间的空气从气嘴排出，保证内外管道间真空隔热，需满足隔热指标：真空度,即绝对压力≤100Pa,温度变化为≤2℃，实现温度及真空度的精准控制。本发明中传感器设为两个温度/压力传感器3，分别安装在电极阵列4安装位置前后，用来获取电极阵列4前后的温度/压力信号，分析温度、压力的变化；并计算同质气液两相流流速：对两个温度/压力信号做互相关分析，求得同质气液混合两相流介质经过两个温度/压力传感器3的时间间隔t；结合两个温度/压力传感器3的距离L，求得介质的流速v＝L/t。

本发明该技术方案的优点：(1)隔热指标保证在检测过程中介质的性质不发生变化，进一步确保测量的精度以及图像重建的质量。(2)计算出同质气液两相流流速，为同质气液混合两相流各自的流量计算做准备。

下面将本发明的方法和系统结合在一起进行说明。

实施例6

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法和系统同实施例1-5，

如附图1所示，本发明设计了一种基于ERT原理的同质气液混合两相流测试方法及系统。其中的基于ERT原理的同质气液混合两相流测试系统包括传感器单元8、数据采集与处理单元9、图像重建单元10、流量计算单元11；其中，传感器单元8包括进管口1、气嘴2、温度/压力传感器3、电极阵列4、外管道5、内管道6、出口管7。进口管1连接到内管道6，气嘴2安装在外管道5上，安装位置在距外管道头部1/5位置；两个温度/压力传感器3，分别安装在电极阵列4安装位置前后；出口管7连接到内管道6；电极阵列4检测到的电压数据通过数据线连接到数据采集与处理单元9，数据采集与处理单元9中的通讯模块通过数据线连接到图像重建单元10,将测得的电压数据传送给图像重建单元10，通过重建出来的同质气液混合两相流流型图像计算气液混合比。最后图像重建单元10将所有数据传送给流量计算单元11，计算并输出同质气液混合两相流各自的流量数据。

本发明的电极阵列结构如图2所示，包括螺栓12、螺母13、垫圈14、电极片15。螺栓12经过螺母13和垫圈14，将电极片15固定在内管道6上，其中，螺母13安装在垫圈14上，垫圈14安装在外管道5上。

本发明的数据采集与处理单元9如图3所示。传感器单元8中电极阵列4上的各组电压数据，通过数据线传给数据采集与处理单元9。数据采集与处理单元9包括一个双极性脉冲电流源、一个数字信号处理器DSP、一个FPGA辅助控制板卡、一个辅助硬件电路，辅助硬件电路包含采样/保持器、放大器、滤波器、A/D转换器、通讯模块。DSP作为控制器，通过FPGA辅助控制，即时序逻辑控制，使双极性脉冲电流源激励，作用到对应传感器单元8中电极阵列4的相邻电极对上，其余相邻电极对作为测量电极对。采用/保持器用来采样并保持测量电极对上所测量的电压数据，放大器用来放大测得微弱的电压信号，滤波器用来将干扰波滤除，A/D转换器使测得的电压模拟信号转换为电压数字信号，将电压数字信号传给信号处理器DSP，通讯模块通过数据线连接到图像重建单元10，DSP控制通讯模块将测得的各组电压数据传送给图像重建单元10。本发明采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统很好的解决了获取电极阵列的电压数据，响应速度快，实时性好。

本发明的用于图像重建而设定的流型图如图4所示，同质气液混合两相流的流型在图中深灰色代表气相，即离散相，浅灰色代表液相，即连续相。其中，图4(a)为芯流流型，图4(b)为环流流型，图4(c)为层流流型，以上流型均为完全理想状态。

本发明的同质气液混合两相流的流型重建图结果如图5所示。同上，图中深灰色代表气相，即离散相，浅灰色代表液相，即连续相。其中，图5(a)为芯流，图5(b)为环流，图5(c)为层流，对照图4可见，本发明得到的重建结果图像质量较好。

实施例7

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法和系统同实施例1-6，

本发明定义气相为离散相，液相为连续相，本发明不需要对同质气液混合两相流分离，实现同质气液两相流流量测试，基于ERT原理的同质气液混合两相流测试，具体过程如下：

(1)设计双层温控管道及管道间的真空处理：如附图1所示，根据实际工况将管道设计为双层温控管道，双层温控管道采取同类材料，要求耐腐蚀、绝缘性好且比热容较大，双层温控管道的具体参数根据温升控制范围要求计算确定。本例中双层温控管道采用耐低温的PVC材料，即温度≤-80℃，对双层温控管道做真空处理：利用抽真空压力机将内外管道间的空气从气嘴排出，真空度,即绝对压力≤100Pa,温度变化为≤2℃。出气口2采用单向阀结构；两个温度/压力传感器3分别安装在内管道的电极阵列4安装位置前后；电极阵列4等间距的嵌入安装在内管道6一周，电极片15分布于内管道6内壁上。

(2)测气液混合两相流流速：参见图1，将待测的同质气液混合两相流接入进口管1，通过进口管进入内管道6，最终同质气液混合两相流经出口管7流出；假设同质气液混合两相流为匀速流动，传感器单元7中的两个温度/压力传感器上3的数据，经过数据线传到数据采集与处理系统中9的数字信号处理器DSP上。为测得流速，首先测量两个温度/压力传感器3的距离L,然后检测两个温度/压力传感器3的信号，检测温度或者压力变化，并对两个温度/压力信号做互相关分析，求得介质流经两个温度/压力传感器3的时间间隔t，最后求得同质气液混合两相流介质的流速v＝L/t。

(3)电极阵列的电压数据采集：参见图3所示，采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统9，通过数据采集与处理系统9检测电极阵列4的各组电压数据。本例中传感器单元8中的电极阵列4采用16个尺寸相同的电极片(图中所画电极片个数未及16)，等间距的安装在内管壁6上，电极片15材料选用钛合金。本例中激励模式采用相邻激励模式，如附图3所示，双极性脉冲电流源产生的激励，通过DSP控制以及FPGA辅助控制作用到相应的相邻电极对上，测量其余相邻电极对上的电压；电极阵列4测得的电压数据信号经过数据采集与处理系统9的采样/保持器、放大器、滤波器、A/D转换器处理后，传送给数字信号处理器DSP，DSP控制相关寄存器保存数据，此过程为测得一组数据；接着换下一组相邻电极对(逆时针方向)作为激励，测量剩余相邻电极对上的电压，过程同上，最终激励将所有电极对遍历一遍，检测电极阵列3的各组电压数据，根据ERT技术，本发明的电压数据反应了介质电导率在敏感场的分布情况，将电压数据传给图像重建单元10。

(4)利用RBF神经网络重建气液混合两相流流型图及气液混合比的计算：根据ERT技术，介质电导率在敏感场的分布情况可通过图像像素灰度图来体现，本发明图像重建单元采用RBF神经网络，进行同质气液混合两相流图像重建，输入为经过电极阵列4测得的反映气液混合两相流流型的电压数据，通过数据预处理，训练、验证、测试、图像填充步骤，输出为重建出来的流型图像，即同质气液混合两相流在敏感场中的分布情况，构建出从检测电压值到图像像素灰度的一种非线性映射，形成可视化测量；与此同时，用重建的同质气液混合两相流流型图求得同质气液混合两相流的混合比α，即离散相(气相)占敏感场面积(内管道横截面)的比例；设定流型图如附图4所示，重建流型图像如附图3所示。图像重建单元10通过通讯模块将所有数据传给流量计算单元11。

(5)气液各自的流量计算：通过流量计算单元11计算出同质气液混合两相流各自的流量，完成同质气液混合两相流各自流量测试，流量计算流程图参见附图6所示。

具体的同质气液混合两相流连续相流量计算如下：

同质气液混合两相流连续相流量q₁＝s·(1-α)·v；离散相流量q₂＝s·α·v。其中s为敏感场的面积(内管道横截面面积)；α为同质气液混合两相流的混合比，即离散相(气相)占敏感场面积(内管道横截面)的比例；v为同质气液混合两相流流速。

本发明提出的一种基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试方法及系统是对现有同质气液混合两相流检测方法和技术的补充和完善，对其他类型两相流检测也有一定的指导意义。相比于传统同质气液混合两相流检测，本发明提出了一种基于ERT原理的测量同质气液混合两相流方法及系统，不需要将同质气液混合两相流分离，装置结构简单实用，系统精度高、实时性好。本发明对于两相流介质的保护，提出对内外管道间的真空处理以及检测两个温度/压力传感器中的信号变化，并对信号做互相关分析，可保证在实验过程中真空隔热，同质气液混合两相流不发生物理状态变化，保证介质物理性质稳定，从而保证测量的精度。

下面通过仿真对本发明的技术效果再做说明。

实施例7

基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法和系统同实施例1-6，图形重建仿真条件为：离散相(气相)电导率为1S/m，连续相(液相)电导率0.1S/m，激励电流为1mA，将敏感场划分为54个像素点，选取芯流、层流、环流共60组数据作为研究对象，每个图像的输入为归一化后的104个边界电压数据，输出为54个像素灰度值。

同质气液混合两相流流量图像重建的输入矩阵为104×60，输出矩阵为54×60。将输出矩阵进行图像填充，形成可视化测量。设定的同质气液混合两相流流型图如附图4所示，重建流型图像如附图5所示，本发明所重建出来的同质气液混合两相流的流型图像质量较好，各种流型图的平均保真度可达85％左右，适合于航空航天、石油化工、能源动力等行业，极端工况下的同质两相流的流量测试。

综上，本发明提出一种基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试方法及系统；解决了同质气液混合两相流不分离的情况下，气液各自的流量测量和计算问题。实现步骤有：设计双层温控管道及管道间的真空处理；测气液混合两相流流速；电极阵列的电压数据采集；利用RBF神经网络重建气液混合两相流流型图及气液混合比的计算；气液各自的流量计算。系统包括传感器单元、数据采集与处理单元、图像重建单元及流量计算单元；依据气液混合两相流流动方向依次接有进口管、内外双层管道和出口管，气嘴安装在外管道壁上，两个温度/压力传感器分别安装在电极阵列安装位置前后，电极阵列等间距的紧贴地安装在内管道一周；传感器单元中的电极阵列通过数据线连接到数据采集与处理单元，数据采集与处理单元中的通讯模块通过数据线连接到图像重建单元,将测得的电压数据传送给图像重建单元，最后图像重建单元将所有数据传给流量计算单元计算流量。相比于传统同质气液混合两相流检测，既不需要对同质气液混合两相流进行分离，装置结构简单，也能够保证同质介质两相流测量过程中介质属性不会受测量方法的影响，进而对保证测量的精度、流型图像重建的质量；测试方法涵盖了数字信号处理、图像识别及神经网络等技术，将提高现有的针对同质气液两相流流量测试方法和技术，且测试系统具备简单有效、测量精度高、实时性好的特点，具有鲜明的创新性；本发明的测试方法及系统是对同质气液混合两相流参数检测方法及系统的重要补充，也可对其他类型两相流的测量具有参考意义。

对于本发明中未详细叙述的部分，属于较为成熟的技术，故不详细叙述。以上举例并未涵盖所有适用领域，凡对使用本发明所述方法及系统所涉及的设计，均属于本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于ERT原理的同质气液混合两相流流量测试系统，按照信号传输方向依次连接有传感器单元、数据采集与处理单元、图像重建单元、流量计算单元；其中，依据气液混合两相流流动方向依次接有进口管、中心管道和出口管，气液混合两相流从进口管进入，从出口管排出，电极阵列等间距的嵌入安装在中心管道一周，电极片分布于管道内壁上；传感器单元中的电极阵列通过数据线连接到数据采集与处理单元，数据采集与处理单元中的通讯模块通过数据线连接到图像重建单元，将测得的电压数据传送给图像重建单元，进一步计算得到气液两相流混合比；最后图像重建单元将所有数据传给流量计算单元，计算同质气液混合两相流各自的流量；其特征在于，中心管道设计为双层温控管道，双层温控管道为同轴管道，内径大的为外管道，内径小的为内管道，内外管道之间为真空环境；气嘴安装在外管道壁上，安装位置在距外管道头部1/4～1/8位置；气嘴的出气口采用单向阀结构；温度/压力传感器安装在内管道壁上，用来获取温度/压力信号，进一步计算流速；内外双层管道选取耐低温的材料；所述传感器单元中双层温控管道的真空环境是采用抽真空压力机，将内外管道间的空气从气嘴排出，保证优化设计的内外管道间真空隔热，满足隔热指标：真空度,即绝对压力≤100Pa，温度变化为≤2℃，实现温度及真空度的精准控制；所述传感器为两个温度/压力传感器，分别安装在电极阵列前后，用来获取电极阵列前后温度/压力信号，分析温度、压力变化，并计算同质气液两相流流速。

2.一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法，定义液相属于连续相，气相属于离散相；在同质气液混合两相流体的工作场合，同质气液混合两相流体从进口管流入，流经管道，最后由出口管流出；其中，电极阵列等间距的嵌入安装在管道一周，电极片分布于管道内壁上，用来测得电极的电压数据，数据采集与处理单元将电压数据传给图像重建单元重建同质气液混合两相流流型图，并计算同质气液混合两相流混合比，然后进一步通过流量计算单元计算同质气液混合两相流各自的流量，其特征在于，不需要对同质气液混合两相流分离，实现同质气液两相流流量测试，包括有以下步骤：

(1)设计双层温控管道及管道间的真空处理：根据实际工况将管道设计为双层温控管道，双层温控管道采取同类材料，要求耐腐蚀、绝缘性好且比热容较大，双层温控管道的具体参数根据温升控制范围要求计算确定；双层温控管道采用耐低温材料，低温指标≤-80℃；对双层温控管道做真空处理：利用抽真空压力机将内外管道间的空气从气嘴排出，使内外管道间的绝对压力≤100Pa,出气口采用单向阀结构；两个温度/压力传感器分别安装在内管道的电极阵列前后，电极阵列等间距的嵌入安装在内管道一周，电极片分布于内管道内壁上；采用DSP结合FPGA或CPLD构成数据采集与处理系统；

(2)测气液混合两相流流速：将待测的同质气液混合两相流接入进口管，通过进口管进入内管道，最终同质气液混合两相流经出口管流出；假设同质气液混合两相流为匀速流动，为测得流速，首先测量两个温度/压力传感器的距离L,然后检测两个温度/压力传感器的信号，检测温度或者压力变化，并对两个温度/压力信号做互相关分析，求得介质流经两个温度/压力传感器的时间间隔t，最后求得同质气液混合两相流介质的流速v＝L/t；

(3)电极阵列的电压数据采集：采用DSP结合FPGA或CPLD构成的数据采集与处理系统，通过数据采集与处理系统检测电极阵列的各组电压数据，根据ERT技术，电压数据反应了介质电导率在敏感场的分布情况，将电压数据传给图像重建单元；

(4)利用RBF神经网络重建气液混合两相流流型图及气液混合比的计算：根据ERT技术，介质电导率在敏感场的分布情况可通过图像像素灰度图来体现，图像重建单元利用RBF神经网络进行图像重建，输入为经过电极阵列测得的反映气液混合两相流流型的电压数据，输出为重建出来的流型图像，即同质气液混合两相流在敏感场中的分布情况，构建出从检测电压值到图像像素灰度的一种非线性映射，形成可视化测量；与此同时，用重建的同质气液混合两相流流型图求得同质气液混合两相流的混合比α，即离散相占内管道横截面的比例；所述RBF神经网络，其网络结构为三层前向网络：输入层、隐藏层和输出层；其中输入层与隐藏层之间是非线性关系，从输入层到隐藏层之间采用高斯函数进行变换，隐藏层与输出层之间是线性关系；

(5)气液各自的流量计算：通过流量计算单元计算出同质气液混合两相流各自的流量。

3.如权利要求2所述一种基于ERT的同质气液混合两相流流量测试方法，其特征在于，步骤(5)中所述流量计算，具体是同质气液混合两相流的流量计算方法：

(5.1)计算连续相流量q₁＝s·(1-α)·v；其中s为敏感场的面积，即内管道横截面积，α为混合比，即离散相占敏感场面积的比例，v为同质气液混合两相流流速；

(5.2)计算离散相流量q₂＝s·α·v；其中s为敏感场的面积，α为混合比，即离散相占敏感场面积的比例，v为同质气液混合两相流流速。

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