CN114264343A - 一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法 - Google Patents

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CN114264343A
CN114264343A CN202111413902.4A CN202111413902A CN114264343A CN 114264343 A CN114264343 A CN 114264343A CN 202111413902 A CN202111413902 A CN 202111413902A CN 114264343 A CN114264343 A CN 114264343A
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pulse
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龚丽辉
缪亚东
谢柠蔚
袁晶
李盈盈
邵康琪
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Nantong Institute of Technology
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Nantong Institute of Technology
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Abstract

本发明公开了一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，所述函数为激光脉冲穿过有确定固体边界(称为标准壳体)的某种流体，脉冲衰减系数
Figure DDA0003375257390000011
与流体流量Q的函数
Figure DDA0003375257390000012
Figure DDA0003375257390000013
的构建方法，基于实验测量，对有限的n个离散流量点，分别测量流量Q和脉冲衰减系数
Figure DDA0003375257390000014
的数据，再拟合函数
Figure DDA0003375257390000015
现有激光流量感测技术，采用根据流体中示踪粒子散射信号的频移量计算流速(或流量)的方法，只适用颗粒或气泡含量适当的流体，适用流体类型范围窄。本发明提出一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，所述函数记作
Figure DDA0003375257390000016
所述脉冲的发射能量
Figure DDA0003375257390000017
标准壳体、流体介质确定时，只要测量
Figure DDA0003375257390000018
转换输出所述流量Q。

Description

一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法
技术领域
本发明属于激光流量传感技术领域，特别涉及一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法。
背景技术
当今世界，人们对高精度测量的需求越来越广泛，例如管道系统的自动化控制，离不开无数个流量计量节点的精确测量。同时，管道流体测量精度的微小偏差，就会导致巨大经济代价。
自上世纪六十年代以来，流量传感技术飞速发展，已被广泛应用。如今，相对传统流量计，在以物联网、AI技术为核心的新工业革命大背景下，流量传感器优越性越发显著。
目前，激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)是主要的激光流量传感技术，其通过探测示踪粒子散射的激光脉冲信号，波源位移速度关系得到速度，LDV具有非接触测量、量程宽、精度高等技术优点；但是LDV适用范围较窄,适用流体须含有形状、粒径分布、含量都适当的散射颗粒。
旨在克服或改善现有技术缺点，丰富流量传感技术类型，本发明提出一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，所述函数记作
Figure BDA0003375257370000011
所述的发射脉冲能量
Figure BDA0003375257370000012
标准壳体、流体介质确定时，只要测量
Figure BDA0003375257370000013
转换输出所述流量Q。
发明内容
本发明公开一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，所述函数可用于实现一种以激光脉冲为感测信号的流量传感技术。
一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征在于：所述函数为激光脉冲穿过有确定固体边界(称为标准壳体)的某种流体，脉冲衰减系数
Figure BDA00033752573700000124
与流体流量Q的函数
Figure BDA0003375257370000014
的构建方法，基于实验测量，对有限的n个离散流量点，分别测量流量Q和脉冲衰减系数
Figure BDA0003375257370000015
的数据，再拟合函数
Figure BDA0003375257370000016
所述函数
Figure BDA0003375257370000017
构建方法，进一步具体说明如下：
第一，定常流的
Figure BDA0003375257370000018
Q测定方法：所述Q由安装于标准壳体上游或下游管道的流量计测得；所述待测流体，流经一段标准壳体(不含阻流体的等流通截面的管段)，壳体壁面有2个通孔，分别安装1个脉冲激光器发射头、1个光照度传感探头；所述发射头定向朝流体内发射激光脉冲，单脉冲能量
Figure BDA0003375257370000019
确定，经流体传输后，所述探头所接收脉冲能量
Figure BDA00033752573700000110
(光照度)包含脉动部分；时域上，连续穿过待测流场的m个脉冲，平均衰减系数
Figure BDA00033752573700000111
其中
Figure BDA00033752573700000112
为第i个出射脉冲能量(1≤i≤m),E0为Q＝0的出射脉冲能量；
第二，所述
Figure BDA00033752573700000113
的构建方法：在一连续流量区间，选取有限的n个离散流量点，采样所述定常流的
Figure BDA00033752573700000114
Q测定方法，逐一测定各流量点的
Figure BDA00033752573700000115
Q；对于第j个(1≤j≤n)离散点的
Figure BDA00033752573700000116
Q分别记作
Figure BDA00033752573700000117
Qj，共有n个数对
Figure BDA00033752573700000118
利用数值方法构建拟合函数
Figure BDA00033752573700000119
作为所述连续流量区间的任意流量点的
Figure BDA00033752573700000120
和Q数值关系的函数；
根据所述函数
Figure BDA00033752573700000121
所述的发射脉冲能量
Figure BDA00033752573700000122
标准壳体、流体介质确定时，只要测量
Figure BDA00033752573700000123
转换输出所述流量Q。
所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，还可包含以下其特征：所述光照度传感器为高速光照度传感器,具有高速响应能力，所述高速响应能力是指连续采样频率fR≥20Hz。
所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，还可包含以下其特征：构建拟合函数
Figure BDA0003375257370000021
的数值方法，属于公知的函数拟合方法，例如最小二乘法、多项式拟合法、高斯拟合法、幂指数拟合法等；函数拟合条件，除测量所得n个数对
Figure BDA0003375257370000022
之外，至少还有符合以下条件，即在平面直角坐标系，X轴(变量Q的坐标轴)是
Figure BDA0003375257370000023
曲线的渐近线，Q无穷大时
Figure BDA0003375257370000024
上述说明书，关于其中部分的关键名词，进一步阐述如下：
所述的高速光照度传感器技术：传统的主流光照度传感器，一般响应较慢：光电探测器可响应<1ns的脉冲，但是大多数应用中，其响应时间被采集、处理电子设备限制在0.1-0.2s；主流热电堆探测器，其自然响应时间大致为100～101S量级。本发明所述的高速光照度传感器技术，属于现有的先进“光照度传感传感器”技术，例如高速热电堆技术、高速光电传感器，其中“高速”的定义具体是连续采样频率fR≥20Hz。
所述的平均衰减系数
Figure BDA0003375257370000025
是连续采样m个激光脉冲，所得平均衰减系数。由于实际流体，只要流动就有紊乱度，激光脉冲与实际流场耦合，具有脉动现象，因此所述探头接收的脉冲能量
Figure BDA0003375257370000026
(光照度)具有脉动成分；时域上连续m个脉冲，穿过待测流场后的平均衰减系数
Figure BDA0003375257370000027
其中第i个出射脉冲能量
Figure BDA0003375257370000028
E0为Q＝0的出射脉冲能量；m足够大时
Figure BDA0003375257370000029
为常数或在设定允许范围内波动；
所述
Figure BDA00033752573700000210
其中
Figure BDA00033752573700000211
为单脉冲衰减系数(记作αi)；有
Figure BDA00033752573700000212
其中α0为激光脉冲
Figure BDA00033752573700000213
穿过静止流体的衰减系数，因此αi可以理解为流体流动所致的激光脉冲额外衰减的系数。
测量
Figure BDA00033752573700000214
的连续采样次数m：根据各态遍历的假说、系综理论，对于激光脉冲经流场后的衰减系数α：
Figure BDA00033752573700000215
上表达式，等号连接的三部分，从左往右依次为α的系综平均<α>、α的m次采样均值
Figure BDA00033752573700000216
α的概率平均。上式表明，理论上只有m趋于无穷，等式才会严格成立。
但是，基于多装置(标准壳体)、多流体介质的为期1年的系列实验中，所述全部实验结果均有：1、在确定的标准壳体，所述
Figure BDA00033752573700000217
为常数需要的m的最小值，与测量流体的雷诺数Re正相关；2、在Re处于1500～750000范围，连续采样次数m不超过10～200范围，可以有
Figure BDA00033752573700000218
为常数(仪器无法识别的微小脉动)。所述系列实验中，m在100～103的数量级范围，激光脉冲经流场后的衰减系数α：
Figure BDA00033752573700000219
Figure BDA00033752573700000220
近似等于〈α〉，所需要采样次数m远小于系综理论的理论值，使得基于实验标定，构建经验函数(拟合函数)
Figure BDA00033752573700000221
成为可能。
构建拟合函数
Figure BDA00033752573700000222
所用的数值方法：1、所述数值方法，属于公知的函数拟合方法，例如最小二乘法、多项式拟合法、高斯拟合法、幂指数拟合法等；2、所述数值方法的条件：除了所述n个离散点测量所得的n个数对
Figure BDA0003375257370000031
还必须符合衰减函数特征，即在平面直角坐标系，X轴(变量Q的坐标轴)是
Figure BDA0003375257370000032
曲线的渐近线，Q无穷大时
Figure BDA0003375257370000033
所述标准壳体的特征，至少包括：1、与流体接触的表面确定；2、各处等截面的直管；3、所述探头安装孔相对位置确定。所述标准壳体与其同材质的等比例量化产品，对特定流体，都具有相同的
Figure BDA0003375257370000034
附图说明
图1为本发明的所述函数
Figure BDA0003375257370000035
的构建方法的一个实施例的流程示意图。
图2为本发明所述构建函数
Figure BDA0003375257370000036
的系列实验的一个实验装置结构示意图。
图3为本发明一个实验装置中
Figure BDA0003375257370000037
为常数所需最少采样次数m与Re的实验关系图。
图4为本发明一个实验装置中3个测量点的
Figure BDA0003375257370000038
与Q的实验数据3条散点折线图。
图5为图4实验装置中测量点之一的
Figure BDA0003375257370000039
与Q的实验散点和拟合函数
Figure BDA00033752573700000310
曲线图。
图6为应用本发明函数
Figure BDA00033752573700000311
的一种激光流量计结构设计的示意图。
图2中：211为实验装置的激光脉冲发生器，212为光纤，213为激光发射探头，2211为激光脉冲接收探头，2212为光照度传感器,222为数据采集器(含A/D转换模块)，23为数据存储和数据处理器，24为标准壳体，25为稳流孔板，26为参比流量计；图6中：61为所述标准壳体的批量化产品，611为激光脉冲接收探头安装孔，612为激光脉冲发射探头安装孔，62为稳流孔板，63为通讯模块，64为显示器，651为包含光照度传感器和数据采集器的集成模块，652为包含激光发射器、电源、数据处理器的集成模块。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步详述：
本发明所述函数构建方法，一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征在于：所述函数为激光脉冲穿过有确定固体边界(称为标准壳体)的某种流体，脉冲衰减系数
Figure BDA00033752573700000312
与流体流量Q的函数
Figure BDA00033752573700000313
Figure BDA00033752573700000314
的构建方法，基于实验测量，对有限的n个离散流量点，分别测量流量Q和脉冲衰减系数
Figure BDA00033752573700000315
的数据，再拟合函数
Figure BDA00033752573700000316
图1为本发明的所述函数
Figure BDA00033752573700000317
的构建方法的一个实施例的流程示意图。在图1中，构建
Figure BDA00033752573700000318
的前提是发射脉冲能量
Figure BDA00033752573700000319
标准壳体、流体介质确定；所述函数
Figure BDA00033752573700000320
描述关于发射脉冲能量
Figure BDA00033752573700000321
标准壳体、流体介质确定时，激光脉冲穿过流体平均衰减系数
Figure BDA00033752573700000322
和流量Q的关系；在此前提下，所述函数
Figure BDA00033752573700000323
构建方法，进一步具体说明如下：
第一，定常流的
Figure BDA00033752573700000324
Q测定方法：所述Q由安装于标准壳体上游或下游管道的流量计测得；所述待测流体，流经一段标准壳体(不含阻流体的等流通截面的管段)，壳体壁面有2个通孔，分别安装1个脉冲激光器发射头、1个光照度传感探头；所述发射头定向朝流体内发射激光脉冲，单脉冲能量
Figure BDA00033752573700000325
确定，经流体传输后，所述探头所接收脉冲能量
Figure BDA00033752573700000326
(光照度)包含脉动部分；时域上，连续穿过待测流场的m个脉冲，平均衰减系数
Figure BDA00033752573700000327
其中
Figure BDA00033752573700000328
为第i个出射脉冲能量(1≤i≤m),E0为Q＝0的出射脉冲能量；
第二，所述
Figure BDA00033752573700000329
的构建方法：在一连续流量区间，选取有限的n个离散流量点，采样所述定常流的
Figure BDA00033752573700000330
Q测定方法，逐一测定各流量点的
Figure BDA00033752573700000331
Q；对于第j个(1≤j≤n)离散点的
Figure BDA00033752573700000332
Q分别记作
Figure BDA00033752573700000333
Qj，共有n个数对
Figure BDA00033752573700000334
利用数值方法构建拟合函数
Figure BDA00033752573700000335
作为所述连续流量区间的任意流量点的
Figure BDA00033752573700000336
和Q数值关系的函数；
拟合函数
Figure BDA0003375257370000041
所用数值方法，例如最小二乘法、多项式拟合法、高斯拟合法、幂指数拟合法；拟合条件，除所述n对离散数据
Figure BDA0003375257370000042
还包括当Q所在数轴是函数曲线的渐进线(即
Figure BDA0003375257370000043
时Q→+∞)，还包括
Figure BDA0003375257370000044
是单调函数。
图2本发明所述构建函数
Figure BDA0003375257370000045
的系列实验的一个实验装置结构示意图，图中包含主要实验设备。图2中：211为实验装置的激光脉冲发生器，212为光纤，213为激光发射探头，2211为激光脉冲接收探头，2212为高速光照度传感器,222为数据采集器(含A/D转换模块)，23为数据存储和数据处理器，24为标准壳体，25为稳流孔板，26为参比流量计。本发明所述的构建函数
Figure BDA0003375257370000046
的系列实验，不同实验除了标准壳体不同外，其余主要实验设备均与图2相同；所述系列各实验装置，均分别测试了纯净水、含微粒水、半透明水的流体介质，全部实验持续近1年时间。
图3本发明一个实验装置中
Figure BDA0003375257370000047
为常数所需最少采样次数m与Re的实验关系图，图3中，由折线连接的用符号“*”表示的离散点，代表某次实验的数据。图3的对应实验中，所述
Figure BDA0003375257370000048
所含脉动部分低于相关仪器检测阈值，输出信号为常量。基于多装置(标准壳体)、多流体介质的为期1年的系列实验中，所述全部实验结果均有：1、在确定的标准壳体，所述
Figure BDA0003375257370000049
为常数需要的m的最小值，与测量流体的雷诺数Re正相关；2、在Re处于1500～750000范围，连续采样次数m不超过10～200范围，可以有
Figure BDA00033752573700000410
为常数(仪器无法识别的微小脉动)。所述系列实验中，m在100～103的数量级范围。
图3为本发明一个实验装置中
Figure BDA00033752573700000411
为常数所需最少采样次数m与Re的实验关系图，实验介质为纯净水，在Re处于1500～750000范围，连续采样次数m不超过10～200范围，可以有
Figure BDA00033752573700000412
为常数(仪器无法识别的微小脉动)。
图4本发明一个实验装置，根据分别在所测同样“标准壳体”1～3号测量点上，
Figure BDA00033752573700000413
与Q的各1组测量数据，所绘制的3条散点折线图；图4实验，实测3个相同的标准壳体(内径0.1M)，测量点分别为测量点1、测量点2、测量点3，激光脉冲均垂直流场方向入射；图4实验，不用测量点获得的实验散点所连的折线图几乎重叠，也能反映本发明方法的可重复性和稳定性。
图5图4实验装置中测量点1的
Figure BDA00033752573700000414
与Q的实验散点和拟合函数
Figure BDA00033752573700000415
曲线，
Figure BDA00033752573700000416
满足在平面直角坐标系，X轴(变量Q的坐标轴)是
Figure BDA00033752573700000417
曲线的渐近线，Q无穷大时
Figure BDA00033752573700000418
图5中的
Figure BDA00033752573700000419
函数构建采“二阶高斯拟合法”，形式上为两个高斯函数之和，具体表达式如下，
Figure BDA00033752573700000420
上式适用于，发射脉冲能量
Figure BDA00033752573700000421
标准壳体或其批量化产品和流体介质，均与构建过程的图4实验装置(测量点1)条件一致的情况。
图6为应用本发明函数
Figure BDA00033752573700000422
的一种激光流量计结构设计的示意图，图6所示装置不隶属于本发明，只是对本发明应用，做进一步说明。图6中：61为所述标准壳体的批量化产品，611为激光脉冲接收探头安装孔，612为激光脉冲发射探头安装孔，62为稳流孔板，63为通讯模块，64为显示器，651为包含光照度传感器和数据采集器的集成模块，652为包含激光发射器、电源、数据处理器的集成模块；图6所示装置，只要所述数据处理器的集成模块(652)，内置了不同工况的相应函数
Figure BDA00033752573700000423
便能适用于测量相应的不同工况(指发射脉冲能量
Figure BDA00033752573700000424
标准壳体或其批量化产品和流体介质)；因此，其可以适用于单相流(纯净流体)、多相流(例如含颗粒流体)。
优选地，一所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征还在于：所述光照度传感器为高速光照度传感器,具有高速响应能力，所述高速响应能力是指连续采样频率fR≥20Hz。进一步地，本发明所述的高速光照度传感器技术，优选高速热电堆技术、高速光电传感器。
优选地，所述的构建拟合函数
Figure BDA0003375257370000051
的数值方法，优选高斯拟合法；所述高斯拟合法，是用高斯函数对数据点集进行函数逼近的拟合方法；所述，高斯拟合方法，可为一阶、二阶的高斯拟合。
惯用名词：所述“光照度传感器”、“高速热电堆”、“一阶高斯拟合”、“二阶高斯拟合”、“系综平均”、“各态遍历假设”，均是相关领域的公知常识，本发明不赘述解释直接沿用。
以上所述仅为本发明的有限数量的实施例，实施例及优选方案的描述，仅旨在展示本发明思想，不应视为对权利要求范围或含义的限制。
本发明要求保护范围由所附权利要求书及其等同物界定。在发明申请书内容基础上，所作的等同变化，均应无条件地落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征在于：所述函数为激光脉冲穿过有确定固体边界(称为标准壳体)的某种流体，脉冲平均衰减系数
Figure FDA00033752573600000127
与流体流量Q的函数
Figure FDA0003375257360000011
Figure FDA0003375257360000012
的构建方法，基于实验测量，对有限的n个离散流量点，分别测量流量Q和脉冲衰减系数
Figure FDA0003375257360000013
的数据，再拟合函数
Figure FDA0003375257360000014
所述函数
Figure FDA0003375257360000015
构建方法，进一步具体说明如下：
第一，定常流的
Figure FDA0003375257360000016
Q测定方法：所述Q由安装于标准壳体上游或下游管道的流量计测得；所述待测流体，流经一段标准壳体(不含阻流体的等流通截面的管段)，壳体壁面有2个通孔，分别安装1个脉冲激光器发射头、1个光照度传感探头；所述发射头定向朝流体内发射激光脉冲，单脉冲能量
Figure FDA0003375257360000017
确定，经流体传输后，所述探头所接收脉冲能量
Figure FDA0003375257360000018
(光照度)包含脉动部分；时域连续m个脉冲，穿过待测流场的平均衰减系数
Figure FDA0003375257360000019
，其中
Figure FDA00033752573600000110
为第i个出射脉冲能量(1≤i≤m)，E0为Q＝0的出射脉冲能量；
第二，所述
Figure FDA00033752573600000111
的构建方法：在一连续流量区间，选取有限的n个离散流量点，采样所述定常流的
Figure FDA00033752573600000112
Q测定方法，逐一测定各流量点的
Figure FDA00033752573600000113
Q；对于第j个(1≤j≤n)离散点的
Figure FDA00033752573600000114
Q分别记作
Figure FDA00033752573600000115
Qj，共有n个数对
Figure FDA00033752573600000116
利用数值方法构建拟合函数
Figure FDA00033752573600000117
作为所述连续流量区间的任意流量点的
Figure FDA00033752573600000118
和Q数值关系的函数；
根据所述函数
Figure FDA00033752573600000119
所述的发射脉冲能量
Figure FDA00033752573600000120
标准壳体、流体介质确定时，只要测量
Figure FDA00033752573600000121
转换输出所述流量Q。
2.根据权利要求1所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征还在于：所述光照度传感器为高速光照度传感器，具有高速响应能力，所述高速响应能力是指连续采样频率fR≥20Hz。
3.根据权利要求1所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征还在于：拟合函数
Figure FDA00033752573600000128
所用数值方法，属常用公知方法；所述公知方法，例如最小二乘法、多项式拟合法、高斯拟合法、幂指数拟合法；拟合函数的条件，除了所述n个数对
Figure FDA00033752573600000122
的离散数据，还包括当Q所在数轴是函数曲线的渐进线(即
Figure FDA00033752573600000123
时Q→+∞)，还包括
Figure FDA00033752573600000124
Figure FDA00033752573600000125
是单调函数。
4.根据权利要求1所述的一种流体传输激光脉冲衰减系数与流量函数的构建方法，其特征还在于：构建拟合函数
Figure FDA00033752573600000126
的数值方法，优选一阶或二阶的高斯拟合方法；所述高斯拟合方法用各项均是高斯函数的多项式对离散数据进行函数逼近；所述一阶、二阶高斯拟合的结果依次为单项式、二项式。
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