CN110186521B - 基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法，步骤如下：采集压力p、温度T和压电传感器输出的涡街时序信号s(t)；计算气体密度ρg和液体密度ρp；利用基于连续小波变换的小波脊检测方法，提取涡街信号的瞬时频率fω(t)；计算涡街信号特征频率fVS和频率波动值RSDf；计算液滴加载量φp；计算过读因子OR；计算过读补偿后的湿气气相体积流量。
Description
技术领域
本发明属于气液两相流测量领域，涉及一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法。
背景技术
湿气流动广泛存在于天然气行业，对其进行准确计量对于管道输运、贸易结算有重要影响，直接关系到环境保护、能源管理及其充分利用[1]。当气速较高时，环雾状流是最主要的湿气流型，其中液相以夹带液滴和壁面液膜的形式存在[2]。涡街流量计因其稳健、经济、量程比高、压损小而被广泛应用于湿气的在线测量。然而，当传统的单相涡街流量计应用到湿气测量时，湿气中的少量液相会影响仪表系数，使测得的气相流量偏高(过读，overreading，OR)，最大可引起20％的测量误差[3]。为提高涡街流量计在湿气中的测量精度，需对过读现象进行精确建模与合理修正。
文献[4]针对不同压力和介质工况下过读关联式不统一的问题，通过理论计算，指出液相中的液滴质量加载量是影响涡街过读的主要因素。然而，过读的修正需要已知湿气中的液滴质量流量或液滴质量分数，一般通过微波法、射线法和等速采样法测得[5]。这些方法操作复杂、成本高且难以实现连续的准确测量。目前仅通过一台涡街流量计还难以实现湿气流量的准确计量。
专利201810644726.7设计了一种多参数可调的雾状流实验系统，专利201810226454.9给出了一种环状流液膜收集与计量装置，专利201810232606.6提供了一种环状流液膜分离与质量计量方法。
参考文献
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[7]张焱,汤宝平,苏祖强.基于小波脊线的多分量信号瞬时参数估计及应用[J].机械工程学报,2014,50(10):1-8.
发明内容
本发明的目的是基于小波脊特征提取方法，提供一种只使用一台涡街流量计就可消除液相引起的测量过读问题的湿气流量测量方法。本发明的技术方案如下：
一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法，该方法利用涡街流量计的频率和频率的波动信息进行湿气流量测量，方法如下：
1)采集压力p、温度T和压电传感器输出的涡街时序信号s(t)；
2)通过p和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρp；
3)利用基于连续小波变换的小波脊检测方法，提取涡街信号的瞬时频率fω(t)，方法如下：
a.根据式(1)得到涡街信号s(t)的连续小波变换结果
其中，a为尺度因子，b为时间，ψ*是小波基函数ψ(t)的复共轭，小波基函数选择复Morlet小波；
b.根据式(2)提取小波脊线的瞬时频率fω(t)
其中，fs为采样频率，fc为小波基函数ψ(t)的中心频率，ar表示小波脊线处的尺度因子，小波脊线定义为
信号s(t)的瞬时频率等于小波脊点，即归一化小波谱|W(a,b)|2/a对应的峰值点(ar,b)，处的频率；
4)根据式(3)和式(4)分别计算瞬时频率的平均值和相对标准差，作为涡街信号特征频率fVS和频率波动值RSDf
5)根据式(5)中的频率波动值RSDf与液滴加载量φp的关系，计算液滴加载量φp
6)根据式(6)计算过读因子OR
7)根据式(7)计算过读补偿后的湿气气相体积流量Qg
其中，未进行过读修正的表观气相体积流量Qg,apparent为
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
附图说明
图1：信号采集流程图
图2：环雾状流型示意图
图3：过读-液滴加载量关系图
图4：涡街频率波动-液滴加载量关系图
图5：算法流程图
图6：湿气中气相体积流量预测误差分布图
具体实施方式
现结合附图和实施对本发明做进一步说明。
本实例是基于小波特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法在湿气测量中的具体实施。湿气工况压力p＝270～440kPa，气相体积流量Qg＝9～17m3/h，液相质量流量ml＝1.7～17kg/h。
信号采集流程图如附图1所示：采集工况压力p，工况温度T以及涡街时序序号s(t)，其中s(t)由压电传感器采集得到：压电探头将流动信号转化为电信号，由硬件电路将原始信号进行电荷放大和电压放大，并进行带通滤波(f＝200～2500Hz)后，由NI-USB采集卡进行数据采集，采样频率为20kHz，采样点数为131072，并由Labview软件进行显示和存储，从而得到涡街时序信号s(t)。
涡街流量计是一种速度式流量计，通过测量旋涡脱落频率fVS即可得到流体体积流量
其中，Kv(＝4St0/πD2d)为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。D为管道公称直径，d为发生体的迎流面宽度，St0为单相气工况下的斯特劳哈尔数，在一定雷诺数范围内为常数。本例中，St0＝0.251,d＝4.2mm，D＝15mm,Kv＝338182.4m-3。
在湿气流动中，少量液相的存在使得在应用涡街流量计测量湿气的过程中，测得的气相体积流量高于实际气体的流量，称为“过读”现象。为对过读进行修正，引入量纲为1的修正系数OR，表示为
其中，St为湿气中的涡街斯特劳哈儿数，St＝fVS·d/Usg，Usg为气相表观流速，Usg＝4Qg/πD2。
根据文献[4]的研究结论，液滴加载量φp是影响过读OR的主要因素。湿气环雾状流型如附图2所示：液相一部分以液膜形式在管壁低速流动，一部分以离散液滴形式被气流夹带。定义液滴质量加载量参数φp
其中，mp和mLF分别代表液滴和液膜的质量流量，ml和mg分别代表液相和气相的质量流量。
为准确测量湿气两相流中的气相流量，必须对过读OR进行准确建模并进行合理修正。本专利提出一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法。
首先对涡街传感器在湿气中的过读和频率波动特性进行建模。利用专利201810644726.7中的多参数可调的雾状流实验系统，以及专利201810226454.9和201810232606.6提供的环状流液膜收集装置与质量计量方法，测得不同液相质量加载量φ和不同压力p下的液滴加载量φp。
然后进行模型关联式中相关系数的标定。过读OR随φp的变化如附图3所示，得到过读关联式
频率波动值RSDf随液滴加载量φp的变化如附图4所示，得到频率波动关联式
基于上述关于涡街频率和频率波动在湿气中的建模与标定结果，可得到湿气测量模型，总结如下：
下面基于上述建模和标定结果，进行基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量，方法如下：
1)采集压力p、温度T和压电传感器输出的涡街时序信号s(t)。
2)通过p和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρp。
3)利用基于连续小波变换的小波脊检测方法，提取涡街信号的瞬时频率fω(t)，方法如下：
a.根据式(1)得到涡街信号s(t)的连续小波变换结果
其中，a为尺度因子，b为时间，ψ*是小波基函数ψ(t)的复共轭。小波基函数ψ(t)
选择复Morlet小波
其中fb为带宽参数，fc为中心频率。fb和fc的取值根据文献[6]中的香浓熵最小原则以及文献[7]中的带宽条件进行了参数优化，以提高瞬时频率提取精度。
b.根据式(2)提取小波脊线的瞬时频率fω(t)
其中，fs为采样频率，ar表示小波脊线处的尺度因子。小波脊线定义为
信号s(t)的瞬时频率等于小波脊点，即归一化小波谱|W(a,b)|2/a对应的峰值点(ar,b)，处的频率；
4)根据式(3)和式(4)分别计算瞬时频率的平均值和相对标准差，作为涡街信号特征频率fVS和频率波动值RSDf
5)根据式(5)中的频率波动值RSDf与液滴加载量φp的关系，计算液滴加载量φp
6)根据式(6)计算过读因子OR
7)根据式(7)计算湿气中修正的气相体积流量Qg
其中，未进行过读修正的表观气相体积流量Qg,apparent为
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
为验证上述提出的基于小波脊特征提取的涡街湿气流量测量方法，不同条件下的气相体积流量的预测误差如附图6所示，其中误差PE(％)＝(预测值-真实值)/真实值×100。气相体积流量的预测误差均在±1.5％以内，平均绝对误差为0.357％，表明模型预测精度较高。
本发明通过对涡街流量计在湿气中的频率特性和频率波动特性进行建模，提出了一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法。本发明无需其他复杂、昂贵的液相测量装置和方法，提供了一种仅通过一台涡街流量计即可实现湿气流量准确计量的测量方法，简单、经济且预测精度高。
Claims (1)
1.一种基于小波脊特征提取的涡街湿气过读补偿与流量测量方法，该方法利用涡街流量计的频率和频率的波动信息进行湿气流量测量，方法如下：
1)采集压力p、温度T和压电传感器输出的涡街时序信号s(t)；
2)通过p和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρp；
3)利用基于连续小波变换的小波脊检测方法，提取涡街信号的瞬时频率fω(t)，方法如下：
a.根据式(1)得到涡街信号s(t)的连续小波变换结果
其中，a为尺度因子，b为时间，ψ*是小波基函数ψ(t)的复共轭，小波基函数选择复Morlet小波；
b.根据式(2)提取小波脊线的瞬时频率fω(t)
其中，fs为采样频率，fc为小波中心频率，ar(t)表示小波脊线处的尺度因子，小波脊线定义为
信号s(t)的瞬时频率等于小波脊点，即归一化小波谱|W(a,b)|2/a对应的峰值点(ar,b)，处的频率；
4)根据式(3)和式(4)分别计算瞬时频率的平均值和相对标准差，作为涡街信号特征频率fVS和频率波动值RSDf
5)根据式(5)中的频率波动与液滴加载量的关系，计算液滴加载量φp
6)根据式(6)计算过读因子OR
7)根据式(7)计算过读补偿后的湿气气相体积流量Qg
其中，未进行过读修正的表观气相体积流量Qg,apparent为
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
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