CN116086559A - 基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，该方法包括：基于实际情况生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法筛选测量电容；在管道安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据；利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率；利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，获取流速；利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量。本发明提供了一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，能够获得更好的成像和更准确的测量液体滞留量，实现高动态气液两相流质量流量的动态实时测量。

Description

基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法

技术领域

本发明涉及电磁测量领域，特别是涉及一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法。

背景技术

近年来，高动态多相流体实时动态测量在科学研究、生物医学、能源动力、环境监测等领域需求愈来愈大。例如，激光手术冷却防护的冷却液喷射过程中需对小喷管的制冷剂喷射量进行实时动态检测，以实现精确控制防止出现安全事故；液化气推进装置中需要对小管道内推进剂的流量进行实时动态检测，以实现高效可靠控制与合理规划。因此亟需一种方法能够实时测量高动态气液两相流体的质量流量。质量流量可以通过单相流量计，直接质量流量计方法或结合流速和持液率的测量方法进行测量。当两相流量波动较大时，单相流量计无法正常工作。直接质量流量计结构复杂，体积庞大，价格昂贵。因此，结合流速和持液率的测量方法是优选的。高动态气液两相流体常具有快速的流型变化，因而需要一种对流型不敏感的测量手段。电容层析成像(ECT)通过测量边界电容来重建介电常数分布，获得两相流体分布，进而得到测量流量所必须的持液率，且受流型影响较小。再应用双平面ECT传感器，采用互相关来测量流速，即可得到质量流量。然而，实现上述测量面临以下困难：高动态气液两相流体动形态变换迅速，不完全符合冻结流动假设，造成上下游ECT传感器间测量信号之间的相关性较差，难以稳定的获取渡越时间；高动态气液两相流体对要求流道拥有较高的强度要求，常有较厚的管壁，会出现对图像重建贡献较小的电容，导致ECT的图像质量严重下降，进而降低后续的持液率测量精度；高动态气液两相流常伴有剧烈的温度压力变化，液体推进剂的介电常数以及因此测量的电容也会发生变化，因此，设计一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，能够获得更好的成像和更准确的测量液体滞留量，抵消温度和压力变化对测量结果造成的不利影响，实现高动态气液两相流质量流量的动态实时测量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，包括如下步骤：

步骤1：基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选测量电容；

步骤2：在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据；

步骤3：利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率；

步骤4：利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速；

步骤5：利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量。

可选的，基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选出含有主要贡献的测量电容，具体为：

将持液率β设置为归一化电容λ的函数，得：

β＝f_β(λ)

考虑一阶分量及其相互作用，则上式重写为：

其中，k是系数，M是测量电容的数量，λ(i)是归一化电容测量值，系数k通过回归结合模拟样本获得，归一化贡献E由下式计算为：

按降序排列各组件的归一化贡献E，并计算累积贡献，当累积贡献达到总量的50％时，选择与累积贡献中涉及的组件相关的电容进行成像。

可选的，在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据，具体为：

所述双平面ECT传感器设置于靠近贮箱口位置或贮箱内，所述温度压力传感器临近所述双平面ECT传感器设置，所述双平面ECT传感器包括间距为L的上游ECT传感器及下游ECT传感器。

可选的，利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率，具体为：

双平面ECT传感器中测得的电容表示为两个壁电容C_w1、C_w2和内部电容C_X的串联，将C_w1.和C_w1视作单个电容C_w.，得到测量电容C_M：

当管中充满介电常数为ε_ref的均匀介质时，测得的电容可以表示为C_X＝ε_refC₀,其中C₀为空场时管壁内的电容，除了测量的空校准电容C_L外，再用另一种介电常数ε_ref的均匀参考介质填充管道，测量各电极间互电容获得C_ref，则C_W和C₀可以计算为：

其中ε_L是空场的介电常数，一般取1，再由下式给出完整的满校准电容C_H：

其中，ε_liquid可结合液相的实测介电常数数据，由以下拟合公式获得：

其中，P和T分别是测量电容的温度和压力，b₀、b₁、b₂、b₃是待拟合系数，之后，测量时，根据温度压力数据实时更新筛选后电容测量的满标定电容，即实时采用并联归一化获取补偿后的归一化测量电容：

采用线性反投影算法即可获得重建图像：

其中，S是灵敏场矩阵，基于仿真模型获得，获得重建图像后即可得到持液率：

其中，K是重建图像中的像素数，A_i和A分别是第i个像素的面积和管道的横截面积。

可选的，利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速，具体为：

获得与速度相关的跃迁时间：

传统互相关算法公式如下：

其中，x(t)和y(t)是采集的上游ECT信号和下游ECT信号，t₀是采样的开始时间，t_s是采样时间，同时，常使用归一化的互相关结果进行速度测量，归一化公式如下：

R_xy,coeff(τ)的峰值记作corr_xy，当上游ECT信号和下游ECT信号之间的相似性达到最大值时出现，对应的时间τ₀表示流量从上游ECT传感器传播到下游ECT传感器的转换时间：

corr_xy＝max[R_xy,coeff(τ)]

R_xy,coeff(τ₀)＝max[R_xy,coeff(τ)]

为了减少上游和下游之间不良相关部分信号，采用自适应互相关算法，表示为：

τ_c＝τ_i+τ_r，s.t.R_xy(τ_r)＝max[R_xy(τ)]

其中，τ_i是估计的初始渡越时间，τ_r是剩余渡越时间，τ_c是校正渡越时间，初始化时τ₀通过常规的互相关技术得到，然后用最后测量的校正渡越时间τ_c进行更新，得

τ_i＝τ_c

通过微调τ_i得到最优相关性，取原点附近的峰值点来获得剩余的跃迁时间，当相关系数低于阈值corr_th时，以不更新的渡越时间的方式计算过渡时间，即继续使用上次计算的结果τ_i-1，则可得：

τ_c＝τ_i+τ_r

s.t.τ_r＝min{|τ||R_xy(τ)＝peak[R_xy(τ)]}

如果弱相关性持续存在，即在五次连续计算中corr_xy小于corr_th，将重新应用传统的互相关来重新初始化τ_i，以防止互相关程序出错，获得传输时间后，结合ECT传感器两个平面之间的距离，平均流速可以由下式计算：

可选的，利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量，具体为：

气液两相密度分别由理想气体状态方程和拟合公式计算如下：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为待拟合参数，ρ_ref为介电常数为ε_ref的均匀参考介质的密度，T_ref为填充介电常数为ε_ref的均匀参考介质后测量电容的温度，拟合公式参数结合液相流体实测介电常数数据获取，高动态气液两相流的各相质量流量通过测量的流速和持液率计算如下：

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，提出了具有相关系数约束的自适应互相关算法，能够在流动变化剧烈的情况下动态稳定的测量流速；采用基于贡献分析的测量电容选择方法，筛除了低贡献的测量电容，有效缓解了厚管壁对ECT成像的负面影响；一种根据基于温度压力测量的补偿方法，有效补偿了由于温度压力变换造成的测量误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高动态气液两相流质量流量实时动态测量过程示意图；

图2为变持液率仿真样本示意图；

图3为典型双平面ECT传感器示意图；

图4为ECT等效电容模型示意图；

图5为相关系数约束的自适应互相关算法流程图。

附图标记：1、环状流；2、层状流；3、上游ECT传感器；4、下游ECT传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，能够获得更好的成像和更准确的测量液体滞留量，抵消温度和压力变化对测量结果造成的不利影响，实现高动态气液两相流质量流量的动态实时测量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，包括如下步骤：

步骤1：基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选出含有主要贡献的测量电容；

步骤2：在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据；

步骤3：利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率；

步骤4：利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速；

步骤5：利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量。

基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选出含有主要贡献的测量电容，具体为：

仿真流型设置为变持液率环状流1与层状流2，如图2所示，按数据采集系统实际情况为样本添加噪声，通常可添加40dB白噪声。

较厚的管壁(相对于管径)会导致ECT的图像质量会严重下降，进而降低后续的持液率测量精度，这是由对图像重建贡献较小的电容的不利影响引起的。然而，每次电容测量对图像重建的影响难以定量评估，因此，计算其对包含重建图像全局信息的被测持液率的贡献，以筛选出贡献较大的电容测量值。

为了从ECT传感器的所有测量电容中选择最有价值的电容测量值，分析了它们对滞留液测量的贡献。考虑和获得单个测量电容的贡献及其相互作用如下。将持液率β设置为归一化电容向量λ的函数，得β＝f_β(λ)，

考虑一阶分量及其相互作用，β＝f_β(λ)可重写为

其中k是系数，M是测量电容的数量，λ(i)是归一化电容测量值，系数k通过回归结合模拟样本获得，归一化贡献E由下式计算

其表示当电容或其相互作用发生归一化变化时，持液率可以反映多少变化，按降序排列E，然后计算其累积贡献，当累计贡献达到总量的50％时，可以认为累积中涉及的成分已经包含了与持液率相关的大部分有效知识，仅选择与这些选定组件相关的电容进行成像。

在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据，具体为：

靠近贮箱位置，高动态气液两相流气相与液相间通常具有较小的滑差，因此，将双平面ECT传感器需设置于靠近贮箱口位置。一种典型的双平面ECT传感器设计如图3所示，其由间距为的上游ECT传感器3与下游ECT传感器4组成。所述温度压力传感器临近所述双平面ECT传感器设置，当双平面ECT传感器与温度压力传感器难以安装于管道上，安装于贮箱内。

利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率，具体为：

利用温度压力数据补偿筛选后的双平面ECT传感器测量电容主要体现在补偿其满标定电容，进而补偿测量电容归一化后的结果。当管内充满液体推进剂时，可以测量满标定电容，然而，随着温度和压力的变化，液体推进剂的介电常数以及因此测量的电容也会发生变化。如图4所示，双平面ECT传感器中测得的电容可以表示为两个壁电容C_w1、C_w2和内部电容C_X的串联，将C_w1.和C_w1视作单个电容C_w.，得到测量电容C_M：

当管中充满介电常数为ε_ref的均匀介质时，测得的电容可以表示为C_X＝ε_refC₀,其中C₀为空场时管壁内的电容，除了测量的空校准电容C_L外，再用另一种介电常数ε_ref的均匀参考介质填充管道，测量各电极间互电容获得C_ref，则C_W和C₀可以计算为：

其中ε_L是空场的介电常数，一般取1，再由下式给出完整的满校准电容C_H：

其中，ε_liquid可结合液相的实测介电常数数据，由以下拟合公式获得：

其中，P和T分别是测量电容的温度和压力，b₀、b₁、b₂、b₃是待拟合系数，之后，测量时，根据温度压力数据实时更新筛选后电容测量的满标定电容，即可实时采用并联归一化获取补偿后的归一化测量电容：

采用线性反投影算法即可获得重建图像：

其中S是灵敏场矩阵，可基于仿真模型获得，获得重建图像后即可得到持液率：

其中K是重建图像中的像素数，A_i和A分别是第i个像素的面积和管道的横截面积。

如图5所示，利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速，具体为：

结合互相关技术，可以使用双平面ECT传感器获得推进剂两相流的平均流速，根据冻结假设，上游ECT传感器3和下游ECT传感器4具有相同的特征流动噪声，互相关用于获得与速度相关的跃迁时间，定义如下：

其中，x(t)和y(t)是采集的上游ECT信号和下游ECT信号，t₀是采样的开始时间，t_s是采样时间，同时，常使用归一化的互相关结果进行速度测量，归一化公式如下：

其中，R_{xy，coeff(τ)}为归一化后的互相关结果，R_{xy，coeff(τ)}的峰值记作corr_xy，当上游ECT信号和下游ECT信号之间的相似性达到最大值时出现，对应的时间τ₀表示流量从上游ECT传感器3传播到下游ECT传感器4的转换时间：

corr_xy＝max[R_xy，coeff(τ)]

R_xy，coeff(τ₀)＝max[R_xy，coeff(τ)]

由于上游和下游信号通常是同步采集的，它们之间弱相关部分的长度随流速变化很大，这将大大降低峰值处的相关系数值，并在许多情况下导致对峰值位置的识别错误。为了减少上游和下游之间不良相关部分信号，采用自适应互相关算法，表示为：

τ_c＝τ_i+τ_r，s.t.R_xy(τ_r)＝max[R_xy(τ)]

其中，τ_i是估计的初始渡越时间，τ_r是剩余渡越时间，τ_c是校正渡越时间，初始化时τ₀可以通过常规的互相关技术得到，然后用最后测量的校正渡越时间τ_c进行更新，得

τ_i＝τ_c

通过微调τ_i可以得到最优相关性，由于高动态气液两相流不完全符合冻结假设，并且上游和下游信号之间的相关性较弱，从而导致错误地识别到相关图中的假峰值，从而导致较大的测量误差甚至异常值。由于流速不能突然变化，剩余渡越时间τ_r应接近于零，因此，取原点附近的峰值点来获得剩余的跃迁时间；此外，还对相关系数施加了约束，当相关系数低于阈值时，以更保守的方式计算过渡时间，当相关系数低于阈值corr_th时，以不更新的渡越时间的方式计算过渡时间，即继续使用上次计算的结果τ_i-1，则可得：

τ_c＝τ_i+τ_r

s.t.τ_r＝min{|τ||R_xy(τ)＝peak[R_xy(τ)]}

当corrxy大于corrth时，两个信号应具有很强的相关性。因此，corrth可根据具体应用经验进行设置。为了进一步稳定解决方案，如果弱相关性持续存在，即在五次连续计算中corrxy小于corrth，将重新应用传统的互相关来重新初始化τi，以防止互相关程序出错，获得传输时间后，结合ECT传感器两个平面之间的距离，平均流速可以由下式计算

利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量，具体为：

气液两相密度可分别由理想气体状态方程和拟合公式计算如下：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为待拟合参数，ρ_ref为介电常数为ε_ref的均匀参考介质的密度，T_ref为填充介电常数为ε_ref的均匀参考介质后测量电容的温度，拟合公式参数可结合液相流体实测介电常数数据获取，高动态气液两相流的各相质量流量可以通过测量的流速和持液率计算如下：

本发明公开了以下技术效果：本发明提供的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，提出了具有相关系数约束的自适应互相关算法，能够在流动变化剧烈的情况下动态稳定的测量流速；采用基于贡献分析的测量电容选择方法，筛除了低贡献的测量电容，有效缓解了厚管壁对ECT成像的负面影响；一种根据基于温度压力测量的补偿方法，有效补偿了由于温度压力变换造成的测量误差。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选测量电容；

步骤2：在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据；

步骤3：利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率；

步骤4：利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速；

步骤5：利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量。

2.根据权利要求1所述的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，基于实际应用情况，生成仿真样本，结合基于贡献分析的选择方法，筛选出含有主要贡献的测量电容，具体为：

将持液率β设置为归一化电容λ的函数，得：

β＝f_β(λ)

考虑一阶分量及其相互作用，则上式重写为：

其中，k是系数，M是测量电容的数量，λ(i)是归一化电容测量值，系数k通过回归结合模拟样本获得，归一化贡献E由下式计算为：

按降序排列各组件的归一化贡献E，并计算累积贡献，当累积贡献达到总量的50％时，选择与累积贡献中涉及的组件相关的电容进行成像。

3.根据权利要求3所述的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，在管道靠近贮箱位置安装双平面ECT传感器与温度压力传感器，测量测量电容及温度压力数据，具体为：

所述双平面ECT传感器设置于靠近贮箱口位置或贮箱内，所述温度压力传感器临近所述双平面ECT传感器设置，所述双平面ECT传感器包括间距为L的上游ECT传感器及下游ECT传感器。

4.根据权利要求3所述的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，利用温度压力数据补偿筛选后归一化测量电容，进行可视化，获取持液率，具体为：

ECT传感器中测得的电容表示为两个壁电容C_w1、C_w2和内部电容C_X的串联，将C_w1和C_w2视作单个电容C_w.，得到测量电容C_M：

当管中充满介电常数为ε_ref的均匀介质时，测得的电容可以表示为C_X＝ε_refC₀,其中C₀为空场时管壁内的电容，除了测量的空校准电容C_L外，再用另一种介电常数ε_ref的均匀参考介质填充管道，测量各电极间互电容获得C_ref，则C_W和C₀可以计算为：

其中ε_L是空场的介电常数，一般取1，再由下式给出完整的满校准电容C_H：

其中，ε_liquid可结合液相的实测介电常数数据，由以下拟合公式获得：

其中，P和T分别是测量电容的温度和压力，b₀、b₁、b₂、b₃是待拟合系数，之后，测量时，根据温度压力数据实时更新筛选后电容测量的满校准电容，即实时采用并联归一化获取补偿后的归一化测量电容：

采用线性反投影算法即可获得重建图像：

其中，S是灵敏场矩阵，基于仿真模型获得，获得重建图像后即可得到持液率：

其中，K是重建图像中的像素数，A_i和A分别是第i个像素的面积和管道的横截面积。

5.根据权利要求4所述的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，利用具有相关系数约束的自适应互相关算法结合双层ECT传感数据获取渡越时间，进而获取流速，具体为：

获得与速度相关的跃迁时间：

传统互相关算法公式如下：

其中，x(t)和y(t)是采集的上游ECT信号和下游ECT信号，t₀是采样的开始时间，t_s是采样时间，同时，常使用归一化的互相关结果进行速度测量，归一化公式如下：

R_xy,coeff(τ)的峰值记作corr_xy，当上游ECT信号和下游ECT信号之间的相似性达到最大值时出现，对应的时间τ₀表示流量从上游ECT传感器传播到下游ECT传感器的转换时间：

corr_xy＝max[R_xy,coeff(τ)]

R_xy,coeff(τ₀)＝max[R_xy,coeff(τ)]

为了减少上游和下游之间不良相关部分信号，采用自适应互相关算法，表示为：

τ_c＝τ_i+τ_r,s.t.R_xy(τ_r)＝max[R_xy(τ)]

其中，τ_i是估计的初始渡越时间，τ_r是剩余渡越时间，τ_c是校正渡越时间，初始化时τ₀通过常规的互相关技术得到，然后用最后测量的校正渡越时间τ_c进行更新，得

τ_i＝τ_c

通过微调τ_i得到最优相关性，取原点附近的峰值点来获得剩余的跃迁时间，当相关系数低于阈值corr_th时，以不更新的渡越时间的方式计算过渡时间，即继续使用上次计算的结果τ_i-1，则可得：

τ_c＝τ_i+τ_r

s.t.τ_r＝min{|τ||R_xy(τ)＝peak[R_xy(τ)]}

如果弱相关性持续存在，即在五次连续计算中corr_xy小于corr_th，将重新应用传统的互相关来重新初始化τ_i，以防止互相关程序出错，获得传输时间后，结合ECT传感器两个平面之间的距离，平均流速可以由下式计算：

6.根据权利要求5所述的基于相关系数约束互相关的高动态气液两相流量测量方法，其特征在于，利用温度压力数据补偿气液两相密度，结合两相密度、持液率与流速最终获得质量流量，具体为：

气液两相密度分别由理想气体状态方程和拟合公式计算如下：

其中，c₀、c₁、c₂、c₃、c₄、c₅为待拟合参数，ρ_ref为介电常数为ε_ref的均匀参考介质的密度，T_ref为填充介电常数为ε_ref的均匀参考介质后测量电容的温度，拟合公式参数结合液相流体实测介电常数数据获取，高动态气液两相流的各相质量流量通过测量的流速和持液率计算如下：

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