（检测技术与自动化装置专业论文）基于截面测量信息特征提取方法的两相流流型识别研究.pdf

中文摘要 随着科学技术的迅速发展，两相流动的研究在国民经济和人类生活中的地 位日益重要。有关两相流参数的检测技术，广泛应用于石油、冶金、化工、制 药等领域，两相流流动参数的准确测量，一直是工程技术和科学研究领域急需 解决而迄今尚未能很好解决的研究课题。 本论文总结了两相流流动参数检测技术尤其是两相流流型识别技术的发展 现状，并且着重分析了层析成像技术特别是电阻层析成像技术在两相流流型识 别中的应用。在此基础上，利用数理统计分析方法和离散小波变换方法分别对 电阻层析成像系统的测量数据进行了相应的特征提取，得到了不同流型的特征 向量数据库。同时还探讨了统计学习理论中的支持向量机方法，并将其应用到 了气液两相流流型识别中。 在本论文研究中，作者完成了以下几个方面的工作： 第一，利用电阻层析成像系统在天津大学检测技术与自动化装置专业的油 气水三相流实验室进行了现场实验测量，获得了垂直上升管道中的气液两相流 不同流型的数据。 第二，在对电阻层析成像系统的测量数据进行特征提取时，首先，利用数 理统计分析方法对水平管道中的不同流型分别得到了由三个特征值组成的特征 向量。其次，在对垂直管道中的不同流型进行特征提取时，分别采用了一维离 散小波变换和二维离散小波变换，通过两种方法的比较，更好的挖掘了电阻层 析成像系统测量数据本身的流型信息，并使得降维技术从以前的单一考虑一维 的时间序列分布发展到了二维的矩阵形式，这样不但能够非常直观的观察到流 型的流动状态，还为以后更加深入的研究流型识别的方法打下了一个很好的基 础。 第三，在上面特征提取的基础上，利用支持向量机方法分别对水平管道和 垂直管道中的不同流型特征向量进行了流型辨识，取得了较好的结果。部分流 型的识别率达到了9 0 以上。 关键词：电阻层析成像；流型识别；特征提取；支持向量机；小波变换 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ei n v e s t i g a t i o n o nt w o p h a s ef l o wi st a k i n gm o r ep l a c e si nn a t i o n a le c o n o m ya n dh u m a nl i f e t h e d e t e c t i n gt e c h n i q u e so nt w o p h a s ef l o wp a r a m e t e r sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l dl i k e p e t r o l e u m ，m e t a l l u r g y , c h e m i c a le n g i n e e r i n g , p h a r m a c ya n ds oo n t h ea c c u r a t e m e a s u r e m e n to f t w o - p h a s ef l o wp a r a m e t e r si sa l w a y st h eu r g e n ti s s u et h a tn e e d st ob e s o l v e di ne n g i n e e r i n ga n ds c i e n c e i nt h i sp a p e r , t h ef l o wp a r a i n e t e rd e t e c t i n gt e c h n i q u e s ，e s p e c i a l l yt h ef l o w r e g i m ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e so f t w o - p h a s ef l o wa r ec o n c l u d e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o n o f p r o c e s st o m o g r a p h yt e c h n i q u e ，p a r t i c u l a r l y o ft h ee l e c t r i c a lr e s i s t a n c e t o m o g r a p h y ( e r t ) ，o ni d e n t i f i c a t i o no f t w o - p h a s ef l o wr e g i m ei sa n a l y z e dp r i m a r i l y b a s e do nt h ea b o v e ，t h ec h a r a c t e r i s t i cv e c t o rd a t a b a s eo fd i f f e r e n tf l o wr e g i m ei s e s t a b l i s h e do nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o no fm e a s u r e dd a t af r o me r ts y s t e mb ym e 甜r l so f m a t h e m a t i c a ls t a t i s t i ca n a l y s i sa n dd i s c r e t ew a v e l e tt r a n s f o r mm e t h o d f u r t h e r m o r e ， t h es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) o fs t a t i s t i c a ll e a r n i n gt h e o r yi sd i s c u s s e da n d i n t r o d u c e di n t ot h ef l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o no fg a s - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w , a n dg o o d r e s u l t sa r ea c h i e v e d t h em a i na c h i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , f i e l de x p e r i m e n t sw e r eb r o u g h to u tb ye r ts y s t e mi nt h eo i l g a s l i q u i d t h r e e - p h a s ef l o wl a b o r a t o r yo ft i a n j i nu n i v e r s i t ym e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e s a n di n s t r u m e n t ss c h o o l ，a n dd i f f e r e n tf l o wr e g i m ed a t ao fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w i nv e r t i c a lu p w a r dp i p ea r eo b t a i n e d s e c o n d l y , t oe x t r a c tc h a r a c t e rf r o mm e a s u r e dd a t ao f e r ts y s t e m ，f i r s to f a u ，t h e c h a r a c t e r i s t i cv e c t o rt h a tc o n s i s t so ft h r e ef e a t u r ev a l u e si so b t a i n e df r o md i f f e r e n t f l o wr e g i m ei nh o r i z o n t a lp i p eb ym a t h e m a t i cs t a t i s t i ca n a l y s i s ；a n dt h e n , f o rt h e f e a t u r ee x t r a c t i o no ff l o wr e g i m e i nv e r t i c a l p i p e ，o n e - d i m e n s i o n a l a n d t w o d i m e n s i o n a lw a v e l e tt r a n s f o r ma r ea d o p t e dr e s p e c t i v e l y b yc o m p a r i n gt h e s et w o m e t h o d s ，i ti sb e t t e rt oe x c a v a t em o r er e g i m ei n f o r m a t i o ni nm e a s u r e dd a t ai t s e l fa n d t o i m p r o v et h ed i m e n s i o n a l l yr e d u c t i o nm e t h o d s f r o m t h e p r e v i o u s l yo n l y i i o n e - d i m e n s i o n a lt i m es e r i e sd i s t r i b u t i o nt ot h et w o d i m e n s i o n a lm a t r i x ，w h i c hn o t o n l yn l a k e st h eo b s e r v a t i o no nf l o wr e g i m em o r ev i s u a l l y , a l s ol a y sag o o df o u n d a t i o n f o rf l l r t h c rr e s e a r c ho nf l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o n a tl a s t , f o u n d e do nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o n , t h ef l o wr e g i m er e e o g n r i o no f c h a r a c t e r i s t i cv e c t o ri nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lp i p ea r ec a r r i e do u tr e s p e c t i v e l yb y u s i n gs v m m e t h o d t h er e s u l t sa r eg o o d , a n dt h ei d e n t i f i c a t i o nr e a c h e sa b o v e9 0 i n s o m er e g i m e s k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ；f l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o n ； f e a t u r ee x t r a c t i o n ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ；w a v e l e tt r a n s f o r m i l l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤洼盘茔或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：芹j a 争 签字日期：州占年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作孝签名：井f 訇年 签字日期：矽年，月，；日 导师签名： 签字日期：争彳年，月f 5 日 第一章绪论 第一章绪论 在自然界和工业生产过程中广泛存在着流动体系，这其中大部分是以多相 流动状态存在着，如石油工业中的油气、油水两相流，化学工业中流化床反应 装置中的气固两相流等“2 】。随着现代科学技术的迅速发展和工业生产自动化水 平的不断提高，两相流参数检测技术在科学研究和工业生产中发挥着越来越重 要的作用。 1o l 两相流及参数测量 10 1 1 两相流及其主要参数 两相流是指同时存在两种不同相的物质的流动。固态、液态和气态等，在 两相流研究中往往将其称为固相、液相和气相。一般来说，各相须有明显可分 的界面。而两相流的主要参数有： 1 流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面， 致使两相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特 性的重要因素。对两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。 2 分相含率 分相含率在气液两相流中又称空隙率或含气率；在气固两相流中又称空隙 度或含固率。各类两相流中的分相含率都有一些不同的习惯用语。测知分相含 率就可以求出各相的分相含量。分相含率可以表示一段管流按容积、截面或弦 的平均分相含率；也可以表示局部区域分相含率。如果对局部区域分相含率的 分布进行统计测量，将可提供两相流中分散浓度及其分布的数据，也可为判别 两相流流型提供定量的依据。 3 速度 由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度描述 第一章绪论 外，还必须采用分相流速来表示。为了便于工程应用，分相流速也常采用表观 流速概念进行折算，即以分相流量除以管道总截面的比来表示该相的分相速度。 其物理意义是当管道中的流动全是该分相流体时所具有的流速。两个分相流速 可以用平均流速的差值表示相对速度；也可以用两个分相流速的比表示速度滑 移比。 4 流量 根据采用单位制的不同，可以用容积流量或质量流量等表示。对于各相流 量，可用分相容积流量、分相质量流量描述；对于两相混合物的流量，可用平 均容积流量和平均质量流量各种参数来描述。 5 密度 在两相流动中，混合物的平均密度也是一个常用参数，可以由各相密度和 分相含率计算求得。 6 压力降 压力降也是两相流动中的一个基本参数。混合物的两相流压力降与各分相 压力降间已建立了很多理论的、实验的和半经验的关联式，可提供工程应用。 另外，分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及其分布；环状流中的 液膜流率、液膜厚度以及壁剪切力等也都是描述两相流动的一些特征参数。 1 1 2 两相流流型及分类 流型不同，不但影响两相流的流动特性和传热传质性能，而且影响对两相 流参数的准确测量。因此，两相流流型是两相流的一个重要研究方面。根据两 相介质的不同，气液两相流、气固两相流、液液两相流和液固两相流的流型各 有特点。而每一类两相流中，由于工作条件的变化，其流型也是多种多样的。 在气液两相流中，相界面的形状及其在两相流中的分布情况是随着流动过程随 时变化；在气固两相流和液固两相流中，虽然相界面的形状不会变化，但是由 于固体颗粒的分布情况在流动过程中是随时变化的，因此相界面的分布情况也 是不断变化的。两相流的相界面的这种多变性，致使两相流的流型不仅是多种 多样的，而且其变化带有随机性。两相流中存在这种多变的相界面也正是两相 流区别于单相流的一个主要特征之一。 以气液两相流为例，气液两相流的相界面的形状和相界面在两相流中的分 第一章绪论 布情况都是随流动过程变化的，因此气液两相流的流型最为复杂一般来说， 表面张力效应力图使相界面呈球形( 例如液滴或气泡) 。若在连续相中夹带的分 散相愈大，则界面形状与球形相差愈远。因此，在液流中小气泡呈球形；较大 的气泡因受管壁、气泡头尾压差等的影响，则产生变形，气泡愈大，变形也愈 严重。 1 泡状流2 弹状流3 搅拌流4 液丝环状流5 一环状流 图1 - 1 垂直上升管中气液两相流流型 ( 1 ) 泡状流：在连续的液相中含有分散的小气泡。气泡较多时形成一种沫状流 动。 ( 2 ) 弹状流：液相中含有头部呈弹头状、尾部是平的大气泡( 气弹) ，且一个 大气泡后面跟随着许多小气泡。 ( 3 ) 搅拌流：气液两相以强烈的湍动的非均匀混合物形式流动，并伴随有液相 的激烈搅动。对于小口径管道，这种脉动运动可能不发生，而从弹状流平滑的 过渡到环状流。 ( 4 ) 液丝环状流：当气液两相流为环状流时，液体流量增加，使得管壁上的液 膜增厚且含有小气泡，管道中心流动的气体内液滴浓度增加，小液滴合并成大 液块、液条或液丝，便成了液丝环状流。它只有在高质量流速的流动中才会出 现。 ( 5 ) 环状流：液体沿管壁流动，形成一层液膜；而气相则在管道中心流动，其 中夹带有一些小液滴。 2 水平管道中气液两相流流型睁1 在水平管道中，由于重力的作用使得液相偏向于沿管道下部流动，因此其 流型较之垂直管更为复杂，为非轴对称的，如图卜2 所示。 第一章绪论 1 泡状流2 一塞状流3 一分层流4 波状流5 弹状流6 - 环状流 图1 - 2 水平管道中两相流流型 ( 1 ) 泡状流：在连续的液相中含有分散的小气泡，气泡趋向于沿管道顶部流动。 ( 2 ) 塞状流：液相中含有沿管道顶部流动的弹头形的大气泡。 ( 3 ) 分层流：液体在管道底部流动而气体沿管道顶部流动，两者之间有平滑的 分界面。 ( 4 ) 波状流：流态与分层流相似，但气液两相分界面呈波浪状。 ( 5 ) 弹状流：在波状流中，当波增长到与管道项部表面接触时，就形成了弹状 流。这时大泡沫状液弹散布在管道的一些空间内，这些空间的管道底部为波动 的分层流动层。 ( 6 ) 环状流：气体夹带着液滴在管道中心部分流动，液体形成液膜沿管壁向前 流动，并且部分液体沿管道内壁向下流动，使底部的液膜比顶部的液膜厚得多。 1 1 3 两相流参数检测技术的现状 随着科学技术的发展，两相流参数检测技术也获得了很大的提高。除了传 统的根据两相流管道内的压力压差信号的特点，运用相应的统计分析方法进行 分析外，最近比较流行的是基于现代信息处理技术的软测量技术。这类方法 是近年来刚刚兴起的，所谓软测量是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线 分析信息去估计不可测和难测过程参数的在线估计的方法【1 0 l 。它通常建立在成 熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为核心，通过建立模型运算处理而完成 的。软测量技术在两相流中的应用主要是将模糊数掣1 1 】、聚类分析、过程参数 辨识、人工神经网络【1 2 】、分形混沌【1 3 】、小波变换 1 4 a 5 、模式识别、近代谱估计【1 6 1 等理论问题引入两相流参数测试领域中来，解决具有复杂性、不确定性、且很 难用数学模型精确描述的两相流系统的测试问题。 除此之外，人们为了更准确的测量两相流管截面上的相含率、局部相含率 的轴向和径向分布、波动频率、各相速度和结构尺寸、分相界面以及组分浓度 及分布等信息，实现非接触、无扰方式的信息采集，将许多新型传感技术应用 4 第一章绪论 到两相流测量中。应用于两相流参数测量的具体新型传感技术有：辐射线技术 d t - t 9 1 、核磁共振技术刚、超声波技术阱, 2 2 1 、激光技术田】、相关技术1 等。这些 技术具有对流体流动无干扰、无阻碍作用的非接触或非侵入特点，能够从一维 局部平均观测到发展出来的二维三维时空历程，并且具有良好的动态实时性 能，必将在相关领域得到更大的发展。 1 2 过程层析成像技术 过程层析成像( p r o c e s st o m o g r a p h y ，简称p t ) 技术是二十世纪八十年代中 期，随着计算机技术和检测技术的进步正式形成和迅速发展起来的新一代过程 参数检测技术；是以两相流或多相流为主要研究对象的过程参数二维或三维分 布状况的在线实时检测技术。是医学诊断中的计算机层析成像( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ，简称c t ) 技术在工业过程中的“移植”【2 5 】。 p t 技术特点在于：它将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多 点、截面分布式的测量；它在不破坏、干扰流体流动的情况下，获得管道或设 备内部两相多相流体的二维三维分布信息。为在工业条件下对基于热动力学、 反应动力学和流体动力学原理建立的过程、设备模型的证实提供一种方便的手 段；还可以为优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现两相多相流体 输送，反应复杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信息和辅助的研究手 段。 特别是基于电学方法的层析成象( e l e c t r i c a lt o m o g r a p h y ，简称e t ) 技术， 由于其结构简单、响应速度快和成本低等特点，取得了较快的发展，目前，己 进入到工业应用研究阶段，并在应用于在线监测和环境监测方面等诸多工业过 程测量领域取得了一些研究成果。 如，f e h m e r s 等研究了电阻抗层析成像技术在油气两相流测量中的应用 2 6 1 。 着重分析了垂直上升管道中泡状流和弹状流的体积流速，而对于非垂直管道中 的其它流型只能得到其体积含率。p a c h o w k o 等利用电阻层析成像技术监控水平 泥浆运输管道中的流动状况，并根据分配的固相浓度和平均混合流速来辨别水 平管道中的四种流型 2 7 1 。w a n gm 、w i l l i a m s 等研究了利用双层电阻层析成像技 术和灵敏度系数加权反投影算法所得到的测量数据，可以获得不同流型流动特 征的信息，并且利用相关方法解释横截面气相的速度分布【2 8 j 。 在国内的天津大学、浙江大学、清华大学和东北大学等也都相继开展了这 方面的研究工作。天津大学利用电阻层析成像系统对气液两相流进行了在线测 第一章绪论 量，并利用主成分分析法和神经网络以及数据拟和等方法达到了流型识别和相 ， 含率提取的目的1 2 9 o l 。浙江大学利用1 2 电极电容层析成像气固流化床空隙率测 量系统，- - i n 时实现气固流化床空隙率分布的在线显示和整体空隙率测量【3 ”。 清华大学在图像重建算法的研究【3 2 】、东北大学在敏感场的研究上【3 3 1 ，均取得了 很好的成绩。 1 3 课题的来源及主要研究内容 本研究课题来源于天津市应用基础研究计划资助项目：基于多传感器数据 融合两相流测量技术研究( 批准号：0 5 7 j m j c l l 6 0 0 ) 和国家自然科学基金项 目：两相管流测量新方法研究( 批准号：5 0 2 7 6 0 4 3 ) 。 本文将着重研究基于电阻层析成像技术对垂直管道中的气液两相流进行在 线测量，在此基础上实现气液两相流的流型识别。文中对测量数据的分析采用 了数理统计分析、小波变换等方法，并利用统计学习理论中支持向量机方法对 不同流型的数据进行了辨识。 。 1 4 本论文的组织安排 各章的内容安排如下： 第一章绪论。主要给出两相流定义和基本参数；两相流参数测量的方法 和研究状况；过程层析成像技术的特点；本课题的来源和基本内容。 第二章电阻层析成像技术及其应用。讨论了电阻层析成像技术的原理； e r r 系统的模块化结构以及测量机理；介绍了在多相流实验装置上所作实验的条 件；分析了电阻层析成像技术在两相流流型识别中应用的前景。 第三章特征提取方法的研究。在对电阻层析成像系统的测量数据进行了 一定的分析之后，分别利用数理统计分析和小波变换的方法对水平管道、垂直 管道中的在线测量数据进行了相应的特征提取，为后面的流型识别做好准备。 第四章支持向量机在两相流流型识别中的应用。分别介绍了支持向量机 的基本原理以及非线性和多分类的支持向量机。并利用上面特征提取的结果对 水平管道和垂直管道中的不同流型进行了识别，得到了一定的结果。 第五章总结和建议。 6 第二章电阻层析成像技术及其应用 第二章电阻层析成像技术及其应用 电学层析成像( e l e c l a i e a lp r o c e s st o m o g r a p h y 简称e p t ) 技术是利用物场 的电导、电容或电磁等特性的变化来获取物场信息而进行的层析成像技术。根 据敏感阵列的工作原理的不同，敏感阵列与被测物场相互作用方式也将不同， 形成了各种基于不同敏感原理的电学层析成像系统，它们有各自适应的测量方 案。但相对而言，各种电学层析成像系统的数据采集、处理部分和图像重建部 分则是大同小异的。电阻层析成像技术( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ，简称 e r t ) 正是电阻抗层析成像技术( e l e c t r i c a li m p e d a n c et o m o g r a p h y ，简称e i t ) 的简化形式，即只利用了其实部的信息。 2 1e r t 技术的原理 e r t 技术的物理基础是基于不同的媒质具有不同的电导率，判断出处于敏感 场中的物体电导率分布便可知物场的媒质分布状况。e r t 系统的工作方式通常是 电流激励、电压测量。当场内的电导率分布变化时，电流场的分布也会随之变 化，导致场内电势分布的变化，从而场域边界上的测量电压也要发生变化。边 界测量电压变化包含了场域内电导率变化的信息。通过实际对象的边界测量电 压与场内仅有导电相状态下对应位置测量电压的对比，运用相应的成像算法， 便可重建出实际对象的电导率分布，实现可视化测量。 电阻层析成像系统是由以下三个主要部分构成( 如图2 1 所示) 。 敏感器空间阵列 图2 - 1 电阻层析成像系统原理图 7 第二章电阻层析成像技术及其应用 1 获取被测物场信息的空间敏感阵列 在交变电流激励下，形成一个可从不同观测角度扫掠被测物场的空间敏感 场，物场内部电导率分布和变化对敏感场产生调制作用，使敏感阵列输出相应 的信号。 2 数据采集与处理单元 它的任务是快速实时的采集空间敏感阵列输出的反映被测物场二维三维 分布状态的大量瞬时信号，并完成相应的放大、解调、滤波等处理，以获得直 接反映物场变化的信息( 这里主要是实部信息) 。 3 特征提取与流型识别单元 它的任务是运用统计分析及现代信息处理的知识将被测数据进行相应的处 理，根据处理后的数据，获得被测流型的特征值，进而运用相应的模式识别、 统计学习理论等达到流型识别的目的。 2 2e r t 系统的模块化结构 目前的e r t 系统样机采用了完全的模块化结构，即根据实现不同的功能将 电路分成不同的板块。系统包括激励模块( 正弦波发生器) 、电极模块、电极控 制模块、数据采集模块、系统控制模块和计算机接口模块，如图2 2 所示。 图2 - 2 e r t 系统结构图 1 激励模块( 正弦波发生器) 电阻层析成像系统是采用的是正弦交流电流为激励信号，电压测量的方式。 这就要求能够产生稳定电流的恒流源。高性能的恒流源有着至关重要的作用， s 第二章电阻层析成像技术及其应用 对系统后面的工作有很大的影响。为适应检测对象变化的要求，激励电流的幅 值、相位、频率应可调。单一频率或多频率的e r t 系统需要产生纯净的正弦波 以探测过程对象内的媒质分布。其它的波形，如方波，含有多个谐波成分，会 影响测量的准确性。正弦信号的产生使用专用的基于e p r o m 的数字式波形发生 器，其优点是：低谐波失真，可以产生用于解调的同步信号，可以精确的调整 正弦波的相位。其工作的过程为，用一个晶阵驱动的计数器产生时钟信号，将 存储与e p r o m 中的波形连续的输出，数字波形经过高速数模转换电路，转化成 阶梯状的波形，经过滤波去掉谐波便得到了期望的波形。 激励信号通过总线传递到电极板上。 2 电极模块 电极是获取被测对象信息的传感器，电极单元的优良性能是获得高质量测 量数据的基础。关键的问题在于电极材料性能的稳定、一致，电极加工工艺的 精度，信号传输的高信噪比等等。目前大多数e r t 系统均采用的是1 6 个电极激 励测量的方法。 3 电极控制模块 电极控制模块完成每一次激励电极的选择，通过译码器对不同地址进行译 码选择不同的相邻电极对进行激励，然后在一对相邻电极激励情况下完成不同 检测电极的选择。 4 数据采集模块 数据采集模块( a d 转换) 的工作过程如下：将从总线得到的测量信号两路 电压测量信号首先进行差模放大，然后迸行解调、滤波，最后将得到的直流模 拟信号送入1 2 位的a d 转换器，将模拟信号转换成数字信号传递给计算机进行 特征参数估计和图像的重建。 5 系统控制模块 系统控制模块完成整套e r t 系统与计算机的连接。一方面它将计算机的读 写信号和地址信号进行各种逻辑处理，从而产生所有其它模块工作所需要的控 制信号，比如片选信号、时钟信号还有a d 转换和读写时序信号；另一方面通 过扁平电缆完成数据采集模块与计算机接口模块的数据交换。 9 第二章电阻层析成像技术及其应用 2 3e r t 技术的测量机理与实验分析 2 3 1e r t 技术的测量机理 目前采用的t e r t - i v 双截面系统的工作模式为相邻正弦波电流激励和相邻 电压检测，其激励电流频率为2 0 k h z ，数据采集速度为2 2 幅，秒。为防止敏感场 的叠加，上下游电极阵列采用交替激励的方式，即使得上游传感器截面数据采 集完毕后，再采集下游传感器的数据。e r t 系统的激励原理如图2 - 3 所示，在任 意两个相邻的电极激励，一个电极为电流的流入端，另一个为流出端，然后循 环检测所有两个相邻电极的电势差( 除了两个激励电极以外) 可以得到1 3 个电 压数据；接下来是激励电极的循环，改变激励电极，又可以检测到1 3 个电压数 据；将任意两个相邻的电极都激励一次，激励一周可以得到1 6 组电压数据( 每 组1 3 个电压数据) 。这样每采集一幅图像要有1 3 1 6 = 2 0 8 个数据，其中1 0 4 个 数据是独立的。由数学归纳法可以得到这样的公式，采用现在的激励方式，在 已知电极个数为n 的情况下，独立测量数据的个数为n ( n - 3 ) 2 。 电 图2 - 3 e r t 系统激励原理 2 3 2 应用e r t 系统对水平管道中气液两相流的在线测量【3 】 为了应用e r t 系统进行水平管道中气液两相流流型识别研究，在中国科学 院力学研究所的两相管流实验装置( 如图2 4 所示) 上进行了水平管道中气液两 相流的在线测量。实验装置中的管道是用透明的有机玻璃材料制成，以便于直 接观察两相流管道中的流型。管道内径为5 0 m m ，外径6 0 m m ，总长为4 0 m 。通 过控制注入空气和水的压力和流速，在管道中可以形成诸如泡状流、塞状流、 弹状流等流型。本实验中采用的是t e r t - i i 系统，传感器由1 6 个矩形钛电极等 间隔地安装在圆形有机玻璃管上构成，矩形电极的尺寸( 宽高) 为5 m m x l 2 m m 。 在4 6 8 8 k h z 工作频率时，可以实现2 0 幅秒的图像采集频率。 1 0 第二章电阻层析成像技术及其应用 来自空气日荡机 来自水菊刚c 莲 刭气冰分离塔 图2 4 水平管道实验装置图 2 3 3 应用e r t 系统对垂直管道中气液两相流的在线测量 为了应用e r t 系统进行垂直管道中气液两相流流型识别研究，在天津大学 检测技术与自动化装置学科的油气水三相流实验装置( 如图2 - 5 所示) 上进行了 垂直管道中气液两相流的在线测量。实验装置中管道内径d 为1 2 5 m m ，外径为 1 5 0 m m ，通过控制气路与水路调节阀的开度，在垂直管道中形成从泡状流到搅 拌流的各种垂直上升气液两相流流型。实验中采用t e r t - i v 系统，激励电流频率 为2 0 k h z 。在远离气液混合出口处( 约2 5 d ) ，安装了四层非等距的钛合金电极 阵列，每层有1 6 个矩形电极，电极高度为1 0 m m ，宽度为5 m m ，其中底下三层 各自的间距均为o 5 d ，即6 2 5 m m ，最高一层与最底层的距离为2 d ，即2 5 0 m m 。 电极阵列结构如图2 - 6 所示。根据电极阵列的结构，进行了距离为0 5 d 、1 d 、 2 d 三种距离的相关测量。 在实验设计中，平均连续1 0 5 6 幅数据的采集时间为4 7 秒。本文只采用其 中电极间距为o 5 d 时的一个截面的测量数据以备后面的流型识别使用，因此采 样频率变为1 1 幅秒。所用数据的实验条件如表2 - 1 所示： 图2 - 5 垂直管道实验装置图 第二章电阻层析成像技术及其应用 图2 6 电极阵列图 表2 - 1 垂直管道实验条件表 水流量水路压力水路温度气流量气路压力 流型 ( m 3 h ) ( m p a ) ( 。c )( m 3 h ) ( m p a ) 满管1 4 9 9 4 20 2 2 3 1 1 51 4 7 8 0 6 0o 泡状流a 2 0 6 0 50 1 8 5 3 2 11 5 1 9 4 10 2 50 ，4 9 9 8 3 4 泡状流b2 0 5 5 6 60 1 8 5 1 3 71 5 1 9 1 30 2 50 4 9 9 6 9 泡状流c 2 0 5 7 2 20 1 8 5 9 31 5 2 4 2o 2 50 4 9 9 8 4 3 弹状流a2 0 3 8 3 50 1 8 5 0 3 31 5 ，0 1 5 30 5 4 5 4 50 4 6 3 2 0 2 弹状流b2 0 4 1 1 50 1 8 7 7 3 21 5 0 3 3 80 5 4 5 4 5 0 4 6 4 1 1 4 弹状流c 2 0 3 8 3 50 1 8 7 8 6 71 5 0 2 50 5 4 5 4 s0 4 6 3 5 7 l 搅拌流a3 4 8 6 0 10 2 2 3 9 6 21 4 5 3 5 5 1 8 8 8 1 l0 3 6 9 6 4 3 搅拌流b 3 4 8 2 5 30 2 2 6 4 61 4 5 5 2 91 8 8 8 1 l0 3 6 7 5 4 9 搅拌流c3 5 3 0 90 2 2 31 8 91 4 5 9 6 61 8 8 8 1 10 3 6 2 2 2 表中给出了垂直管道中水为满管时的测量数据l 组，泡状流、弹状流和搅 拌流的测量数据各3 组，每组包含5 2 8 幅。每幅数据有2 0 8 个边界电压值。后 面两章将利用这些数据完成特征提取与流型辨识。 2 4e r t 技术在两相流流型识别中应用的前景 e r t 技术经过十多年的发展，已由初期的原理性样机和实验室静态实验的 研究发展到实验室试验装置和相对较为稳定的实际两相流体状况的研究，并逐 步在实际工业过程中取得应用。 1 2 第二章电阻层析成像技术及其应用 应用e r t 技术测量两相流流型时，由于两相流动形态的复杂多变使得管道 中两相介质的分布快速变化，也就是电导率的分布快速变化，e r t 系统所获取 的与截面分布相关的电压数据也不停的变化。根据成像技术的基本原理，e r t 系统在采集数据时，每一帧数据所包含的截面信息应是同一瞬时的，也就是说， 在测量同一截面的瞬间，要求介质的分布状态是“凝固”不变的。而实际上完成一 帧数据的采集必须要有一定的时间，为使所研究的数据能尽可能代表事实的相 界面分布信息，就要求e r t 系统的数据采集的速度应远远大于两相流流动的变 化速度，具备良好的信息实时处理能力。因此可见，提高e r t 系统的实时采集 速度是以后科研工作需要解决的一个重要问题。 第三章特征提取方法的研究 3 1 引言 第三章特征提取方法的研究 特征提取与选择的基本任务是研究如何从众多特征中求出那些对分类识别 最有效的特征，从而实现特征空间维数的压缩。特征提取的过程是将数据空间 ( 模式空间) 变换为特征空间。虽然与最初的数据空间相比，特征空间的维数 降低了很多，但是它仍然保留了数据内容的多数本质信息。降低维数的方法很 多，比如主成分分析、因素分析及特征聚类等0 4 - 3 6 1 。 在一个较完善的模式识别系统中，明显的或隐含的要有特征提取与选择技 术环节，其通常处于对象特征数据采集和分类识别两个环节之间，特征提取与选 择品质的优劣极大的影响这分类器的设计和性能，它是模式识别三个核心问题 之_ 3 7 。 本章对气液两相流的研究主要是从e r t 系统测量数据的分析出发，通过对 边界测量电压的处理和分析，可以得到代表流型特征的信息。这些信息对今后 从事分相含率的估计和流型之间的转换分析都是很有价值的。e r t 系统由于其 独特的激励和检测方式，它的测量数据的数量和维数都是很高的，数据的特征 表现得也不够明显，因此不能直接用于研究分析，必须经过特征提取的过程。 特征提取的原理图如下所示。 被测管f 数据采ll 边界 道气液l 一集与处l 一测量 两相流il 理单元ji 电压 数理统计 分析 离散小波 变换 图3 - 1 特征提取的原理图 3 2 应用数理统计分析进行特征提取的方法 特征向 量数据 库 3 2 1e r t 测量数据的特性分析 本节所用到的均为水平管道中气液两相流流型的数据。实验中所用的电阻 1 4 第三章特征提取方法的研究 层析成像系统采用相邻电流激励，电压检测的方式。传感器为1 6 电极，每采集 一幅图像有2 0 8 个数据。正弦波激励频率为4 6 8 8 k h z ，采集4 0 0 幅数据的时间 为2 5 秒，采样频率为1 6 幅，秒。实验中对满管、泡状流、塞状流和弹状流四种 流型连续测量，所得到其中一幅图像的数据如图3 2 、3 3 、3 - 4 和3 5 所示： j|l删 图3 - 2 满管测量数据图3 - 3 泡状流测量数据 图3 _ 4 塞状流测量数据图3 - 5 弹状流测量数据 从上述图中可见：当水为满管时，测量数据分布有明显的规律，所采集到 的数据( 每组1 3 个) 基本上是呈u 型分布，即靠近激励电极检测得到的边界电 势差大，远离激励电极边界电势差越小，与激励电极相对的边界电势差达到u 型的底部；在泡状流的情况下，由于少量气相的流动，使得场内的电导率分布 发生了变化。从图中可以看出，测量数据的总体趋势仍为u 型分布，但是一部 分测量数据的幅值明显比水为满管时要高一些，即这部分数据的u 型分布整体 向上提升了一些，而剩下的另一部分数据在它们的u 型底部出现很小的“毛刺”， 即在激励电极相对的位置检测电压时，所得电压值比水为满管时明显变高，这 些均可认为是场内少量气相的流动给测量数据带来了微小的变化；而相对于塞 状流和弹状流来说，截面上气相的含率变大，流体的流动十分剧烈，波动特性 非常明显，并且塞状流和弹状流本身就具有一定的相似性，只能根据流型中气 相长度给出简单的划分，并没有明显的划分标准，因此，从一幅图像当中就很 难看出它们之间的区别，必须从多幅连续数据中去分析它们之间的差异。 第三章特征提取方法的研究 3 2 2 统计分析的应用结果 首先要对测量数据进行预处理，即引入边界电压的相对值： t = k k o ( 3 - 1 ) 其中，k ( f - 1 , 2 ，2 0 8 ) 表示气液两相流动下e r t 系统的测量数据，表示流 动为连续相是单相的液相时的e r t 系统的测量数据。这样处理的目的是为了消 除在现场实验条件下的外界噪声和干扰以及固有的系统误差，有利于后面的特 征提取工作。接下来引入统计中的几个重要公式【3 8 1 ： 样本均值( i ) ：i 是所有样本的算术平均值，它表征样本的集中趋势和平 均水平。 站寺善而 。之 样本标准差( s ) ：s 是测度样本离散程度的最主要方法，表达了样本与其 均值的偏离程度。 s = 眄 ( 3 3 ) 样本偏斜度( s k ) ：s k 的含义为对数据分布对称性的测度。它表明相对于 平均水平，数据变异的平均范围。它是对于均值和标准差综合考虑的统计指标。 豚：一争( 兰l ；) 3 ( n - 1 ) 一2 ) 智、s 。 ( 3 4 ) 针对实验所得数据来看，倘若敏感场内气相含率不同，则所测得的边界电 压值不同，刚孑也要相应变化，因此可见，孑可以反跌出敏感场内截面平均气相 含率的变化。倘若敏感场内气相的位置和大小同时变化时，对应其s 就会引起变 化，可见s 反映的是截面气相的整体离散程度。s k 同时包含了这两方面信息， 可以分别对应气泡的大小和位置不同，所以艇的变化能够综合地考虑到i 和s 两个指标的变化，相对于前两个指标的不同出发点来说，s i c 具有一定的总体效 应。因此，s k 能够很好地反映出截面的信息。 利用上面的特征提取方法对每幅数据可以分别得到三个特征值孑、s 、s k ， 我们利用每2 0 幅数据表征一组流型，然后将对应的特征值分别求均值，以降低 数据的随机效应，则碍到每组流型的特征向量为( f 、s 、s k ) 。 2 0 f = 二y i ( 3 5 ) 1 6 第三章特征提取方法的研究 f 2 去酗 。石 2 0 智 跚= 1 。芝，。s k ， 3 7 uj 1 1 由于每种流型的测量数据为4 0 0 幅，则每种流型得到特征向量共有2 0 组。 用于下一章的流型识别。四种流型的特征向量如下表所示： 表3 - 1 水平管道中流型的特征向量 流型特征向量( i 。s s