（检测技术与自动化装置专业论文）油气两相流流型的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 油气两相流作为工业现场上一种常见的复杂流动现象，其流型检测一直是 亟待解决的问题。本文以油气两相流流型检测为研究内容，系统地介绍了两相 流的特点、流型的分类及判别方法，比较分析了国内外流行的流型检测技术， 在此基础上提出了自己的测量方案。 本文提出了一种以模糊c 聚类为基础的气液两相流流型的检测方法；把油 气两相流流型分为泡状流、环状流、弹状流和层状流四种流型，分析了这些流 型下差压信号及其概率密度函数的特征，电容信号的曲线特征；提取了不同流 型下上述两种信号的特征矢量；以提取差压的概率密度函数值和电容值的特征 矢量作为模襁聚类的输入，同时结合多传感器数据融合技术，设计了一套基于 差压和电容技术的流型检测系统，用于两相流流型的识别。 文章详细地给出了系统的方案设计，测量装置的选取，采样板卡的驱动开 发，串口通信及多线程技术和系统定时器的应用，以及数据库的设计开发。 通过实验数据的仿真分析，验证了算法的可行性。 关键字：电容层析技术；概率密度函数；模糊c 均值聚类 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg a s - o i lm u l t i p h a s ef l o wi sac o m m o nc o m p l e xp h e n o m e n o ni ni n d u s t r i a l f i e l d ，i t sf l o wr e g i m ed e t e c t i o ni sa l w a y sap r o b l e mw h i c hu r g e n t l ya w a i t st ob e s o l v e d t h es t u d yo ft h ef l o wr e g i m em e a s u r e m e n to ft w o - p h a s ef l o wi st h em a i n p u r p o s eo f t h i sd i s s e r t a t i o n , w h i c hp r e s e n t st h ec h a r a c t e ro f t h et w o - p h a s ef l o w , t h e c l a s s i f i c a t i o no f t h ef l o wr e g i m ea n dt h em e a s u r i n gm e t h o d ，c o m p a r e i n gt h ep o p u l a r d e t e c t i n gt e c h n o l o g yi nn a t i o na n da b r o a da n di n t r o d u c e st h ed e s i g no f am e a s u r i n g m e t h o db a s e do nt h ea b o v e a n a l y s i s an e wm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nd i f f e r e n t i a l p r e s s u r ea n dc a p a c i t a n c e t e c h n i q u eh a sb e e np r e s e n t e di nt h ed i s s e r t a t i o nb yu s i n gt h em a t h e m a t i c sa l g o r i t h m o f f u z z ycc l u s t e r i n ga st h ef o u n d a t i o n t h et w o p h a s ef l o wr e g i m et ob em e a s u r e di ss u p p o s e da sb u b b l ef l o w , s l u g f l o w , s t r a t u mf l o wa n dl o o pf l o w t h ec h a r a c t e ro ft h ed i f f e r e n tp r e s s u r es i g n a l s ， p r o b a b i l i t yd e n s i t yf i m c t i o n ( p d f ) a n dt h ec h a r a c t e ro ft h ec a p a c i t a n c es i g n a lh a s b e e na n a l y z e da n dt h ee i g e n v e c t o ro ft h et w od i f f e r e n ts i g n a l sa b o v ei nd i f f e r e n t r e g i m e sh a sb e e ne x t r a e t i v e d b yu s i n gt h ee i g e n v e c t o ro ft h ec a p a c i t a n c ea n d d i f f e r e n tp r e s s u r e p d fa st h ei n p u t so ft h e 嘞c l u s t e r i n g , w i t ht h eh e l po ft h e m u l t i - s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n i q u e ，d e s i g n sam e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h e d i f f e r e n tp r e s s u r ea n de a p a c i t a n c et e c h n i q u e s t h ed e s i g no ft h ef l o wr e g i m er e c o g n i t i o ns y s t e mh a sb e e np r e s e n t e di nt h e d i s s e r t a t i o n ，i n c l u d i n gt h es e l e c t i o no fm e t e r i n ge q u i p m e n t , t h ed r i v e rd e v e l o p m e n t o fs a m p l i n gc a r da n ds y s t e mt i m e r , a p p l i c a t i o no fm u l t i - t h r e a d i n gt e c h n i q u e ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dt h em e a s u r e m e n td a t a b a s ei nd e t a i l a tl a s t ，t h er a t i o n a l i t yo ft h ea r i t h m e t i ch a sb e e nd e m o n s t r a t e db yt h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t i n gr e s u l t k e yw o r d s ：c a p a c i t a n c et o m o g r a p h i ct e c h n i q u e ；p r o b a b i l i t yd e n s 畸f u n c t i o n ； f u z z ycc l u s t e r i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章多相流流型的检测方法 1 1 油气两相流的特点 所谓多相流通常是指同时存在两种或两种以上的物质流动，包括气液两 相流、气固两相流、固液两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流。 由于流动中各相存在界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随 机可变的，致使其流动性远比单相流系统复杂，其特征参数也比单相流系统 多 1 o 多相流的流动形式称为流型，主要有层状流、泡状流( b u b b l ef l o w ) 、弹 状流( s l u g f l o w ) 或者塞状流( p l u g f l o w ) 、环状流和雾状流( s p r a yo r d i s p e r s e d f l o w ) 等。流型和多种因素有关，受工作条件、流体性质、流速和管道的方 向和形状等多方面的影响。流型对于多相流检测有着重大的影响，大部分多 相流量计只适于特定的流型，而且在不同的流型下，测量精度相差很大。 测量油、气两相流型是十分困难的，主要有以下3 个原因； 两相流流动存在各种流型，流型取决于各组分之间的相对速度、流 体性质、管道结梅、流动方向“1 等。 各组分之间不是均匀混合的，而往往是分离的。例如，油与水混合 不好，气体与液体保持分离等。各组分存在相互作用。气体会从溶 解物中析出，也会溶入液体，蜡和水合物可能在流动过程中沉积。1 。 各组分以不同速度流动。气相和液相以不同速度流动是普遍的”。 1 1 1 流型研究的意义和划分 多相流流动中两相介质的分布状况称为流型。流型不同，不但影响两耜 流的流动特性和传热传质性能，而且影响两相流其它参数的准确测量。因此， 两相流流型是两相流的一个重要研究方向。 两相流中两相之间存在着多变的相界面。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在变化的。两相流的相界 浙江大学硕士学位论文 面的这种多变性，致使两相流的流型不仅是多种多样的，而且变化带有随机 性。两相流中存在这种多变的相界面正是两相流区别于单相流的一个主要特 征“。 两相流的流型划分通常有两类方法“1 ：一类是按照流体的外观形状来划 分；另一类则是根据各相的分布情况来划分。前一类划分方法较多，目前较 流行的一种方法是按照各相流量的多少来划分流型。但是由于实验条件和人 为判断的差异，这种方法划分出来的流型通常数量不同，名称也不一致。后 一种划分方法根据各相的分布特点来划分流型。通常说来，基于现象描述的 流型划分方法多用第一种，而基于流动机理分析的流型划分方法则多用第二 种，以水平管气液两相流为例，这两类划分方法的关系如图1 1 所示： l 匮l 薹藿蜀二 赴。- ：尊a - ；拿o1 “ 箧差耋蛰_ 匿璧鐾图、薯 h _ - _ “- 譬l 曲 盛萋囊羹囱 。 群辕滚i 图l ，1 水平气液两相流流型两类划分方法示意图 1 1 2 气液两相流流型 镑 瓣 摹f 在多相流中，气液两相流是最复杂，也是最常见的一种多相流形式。在 气液两相流中，由于气液间的相互作用，相界面的形状及其两相流中的分布 情况随流动过程随时变化。此外，倾角对流型的影响也很大，部分流型是一 定倾角下的特有流型。按倾角的不同，其流型分别介绍如下： 1 ) 水平管段气液两相流的流型划分 浙江大学硕士学位论文 在不加热水平管道中。3 ，由于重力的作用，液相偏向于沿管道下部流动， 其流型结构为非对称性的，比垂直管道中的流型更为复杂。其基本流型为图 l2 中所示的几种： f： 噱= | 。：。 “ f i! 帝鼍曩- 譬烹簟一罗翻 醛兰；：爹簿彳兰警警毒豢善澍 ：嚣：器萋i 鬻! 簸! 嚣蠹；! 蔫餐露：囊i 副 分鼹槔 被耱辅【 弹：l 起i t 潮：材漕睡 图1 ，2 水平不加热气液两相流流型 2 ) 垂直管段气液两相流的流型划分 实验研究表明，在垂直管中的气液两相流，其基本流型有下列五种：泡状 流、弹状流、块状流、带纤维的环状流和环状流。图1 3 是这五种流型的示意 图： = j ! 基謦媾神斌攀自k 舔流l ；装擎群状滩 图1 3 垂直管中气液两相流流型 在流型划分的研究过程中，早期的研究比较粗略，流形的划分比较简单。 一一杈臻赫 丽阉图图圆圈圈 浙江大学硕士学位论文 随着研究的不断深入和人们对多相流现象的了解，流型的划分日趋精细。但 是近年来的研究表明，有些流型之间的差别很小，流型过细的划分对研究多 相流的流动特性并无必要，因此，流型的划分又有由细变粗的趋势。 本文在研究流型时，主要针对水平不加热管道内( 管径5 0 m m ) ，流速 2 r r d s 1 5 m s 的情况；采取较为简单但又不失研究价值的划分方法，将水平管 内的多相流流型分为层状流( 包含平稳层状流、波动层状流) 、弹状流( 包含 弹状流、塞状流) 、泡状流( 气泡流) 和环状流这四种流型。 1 2 流型的检测辨识方法 1 2 1 流型图判别法 多相流流型判定太体上有两种方法：一种是通过实验总结，建立流型图来 辨识流型，另一种是根据流型转交的内在机理，通过建立数学模型来判断流型。 第一种方法常用在多相流研究的早期，其流型划分往往缺乏必要的理论依据， 带有一定的主观性，一般没有全面考虑各相流体的物性、管径及倾角之间的影 响，这样的流型图应用范围也较为有限。第二种方法出现在多相流研究的深入 阶段。它以前一种方法所得流型为基础，从流型转变机理入手，寻求各部分转 变的数学模型。可是由于多相流流动十分复杂，这种方法难度较大。 有关气液两相流流型判别方法的研究开展较早。但由于影响气液两相流流 型的因素很多，要正确预铡和判别气液两相流流型比判别气液单相流困难得 多。然而，但在国内外研究人员的努力下，目前在气液两相流的流型判别上取 得了不小的成果。下面主要介绍两种比较重要的水平管流型识别图。 1 ) 贝克( b a k e r ) 流型图。1 1 9 5 4 年，贝克提出一幅通用于各种介质的水平管流型识别图。该图在提出 后，获得了巨大的成功，在很长一段时间内得到了广泛应用。贝克将流型分为： 气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、环状流和弥散流这七种流型。其 流型划分如图1 4 所示： 4 浙扛大学硕士学位论文 随着研究的不断深入和人们对多相流现象的了解，流型的划分日趋精细。但 是近年来的研究表明，有些流型之间的差别很小，流型过细的划分对研究多 相流的流动特性并无必要，因此，流型的划分又有由细变粗的趋势。 本文在研究流型时，主要针对水平不加热管道冈( 管径5 0 r a m ) ，流速 2 m s - 1 5 m s 的情况；采取较为简单但又不失研究价值的划分方法，将水平管 内的多相流流型分为层状流( 包含平稳层状流、波动层状流) 、弹状流( 包含 弹状流、塞状流) 、泡状流( 气泡流琊环状流这四种流型。 1 2 流型的检测辨识方法 1 2 1 流型图判别法 多相流流型判定大体上有两种方法：一种是通过实验总结+ 建立流型图来 辨识流型，另一种是根据流型转变扮内在机理，通过建立数学模型来判断流型。 第一种方法常用在多耜流研究的早期其流型划分往往缺乏必要的理论依据， 带有一定的主观性，一般没有全面考虑各相流体的物性、管径及倾角之间的影 响，这样的流型图应用范围也较为有限。第二种方法出现在多柏流研究的深入 阶段。它以前一种方法所得流型为基础，从流型转变机理入手，寻求各部分转 变的数学模型。可是由于多相流流动十分复杂，这种方法难度较大。 有关气液两相流流型判9 4 方法的研究开展较早。但由于影响气液两相流流 型的因素很多，要正确预测和判别气液两相流流型比判别气液单相滤困难得 多。然而，但在国内外研究人员的努力下，日前在气液两相流的流型判别上取 得了不小的成果。下面主要介绍两种比较重要的水平管流型识别图。 1 ) 贝克( b a k e r ) 流型图。1 1 9 5 4 年，贝克提出一幅通用于各种介质的水平管流型识别图。该图在提出 后，获得了巨大的成功，在很长一段时间内得到了广泛应用。贝克将流型分为： 气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、环状流和弥散流这七种流型。其 气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲击流、环状流和弥散流这七种流型。其 流型划分如图1 4 所示： 浙江犬学硕士学位论文 图的纵坐标以嘉表示，横坐标以等表示，这两组变量分别正比于气相 质量速度和液、气相质量速度之比值。参数扫和 f ，分别定义为： 口= g - ； y = 鲁钾半阮m 。一管路条件下气体对空气的相对密度； 厶。一管路条件下液体对水的相对密度： 屯一水的表面张力；屯= 7 3 1 0 1n m ： 最一液体的表面张力，n m ： 以一水的粘度，取i m p a j ； 1 一液相粘度，m p a j ； 从图上可以看出，贝克流型划分法较为细致，它将通常的泡状流细分为了 浙江大学硕士学位论文 其中一些流型，实现部分流型计算方法的统一。 2 ) s c o t 流型图n 9 1 1 9 6 3 年，s c o t 对b a k e r 流型图( 图1 4 ) 作了修正，提出了修正的b a k e 流型 图： 矗l 糙越，阑魏 图1 5s c o t t 修正后的贝克流型图 图上的字母含义和b a k e r 流型图一样，它的适用范围更为广泛。 虽然根据流型图可以确定流型，但最有效的方法还是利用某种仪表直接测 量管道内两相流的实际流型。流型的测量方法，根据它们的工作原理，可以分 为两类”： 1 2 2 直接测量法 根据两相流的流动形式直接确定流型， 法和接触探头法等五种主要方法。 1 ) 目测法 目测法是通过透明管段上的透明窗口， 动状况。 优点：这是一种最简单经济的办法。 有目测法、高速摄影法、射线衰减 直接用眼睛观察管内的两相流的流 浙江大学硬： 学位论文 缺点：这种方法只适用于流体流速较低的场合，并且观察所得到的结论带 有较大的主观性。对于不透明管道中的流体，它就显得无能为力。 2 ) 高速摄影法。1 高速摄影法是利用高速照相机或摄像机，通过透明管段上的透明窗口拍摄 流体的流动状态。 优点：此法可以有效的观察两相流相界面的形成及流动的全过程，为研究 两相流流动状况提供可靠依据。 缺点：由于两相流的相界面复杂，容易产生多重的反射和折射而影响成像 的清晰度，特别在观察管中心处的流动状态时尤为严重。此外，采用高速摄像， 收集到的数据信息过多，常鬻造成结果难以分析和处理。在判断流型时，也具 有较大的主观性。 3 ) 射线吸收法“” 射线吸收法有瑚t 线衰减拍片法和多束射线仅射线或y 射线) 密度测定法。 这两种方法都是利用射线通过介质发生吸收衰减的原理确定流型的，因此适用 于金属等非透明管道中的流型确定。 优点：射线场是“硬场”，不受被测流体的影响，这点区别于电容技术的 “软场”。 缺点：应用射线衰减法的主要问题是很难得到一个稳定可靠的射线源，以 及如何选择合适的材料以减少对射线的吸收。同时，由于射线的辐射性，对射 线的防护和放射性物质的保管就显的尤为重要。应用劂线衰减拍片法拍摄的 流型照片，实际上是射线经过路径的平均结果。如果改用多束射线密度测定法 确定流型，得到的流型也是一个粗略的估计。 4 ) 接触式探头法汹1 接触式探头法有电导探头和光导探头两种。电导探头的原理是通过测量探 头针尖处流体导电性的变化来确定该点的介质分布，进而确定流型。因此电导 探针的适用条件是：两相流中的气相和液相的电导率必须有明显的差别，同时 连续相必须是导电的，因此，当管道内充满大量不导电的气体时，电导法会造 成很大的误差。光导探头的测量方式与电导探针相类似，光导探头的测量原理 7 浙江大学硕士学位论文 是通过测量流体在探头针尖处对光强度的影响来测量在该点的介质情况，从而 确定流型，因此光导探头可用于非导电流体的测量。 探头检测法的缺点是探头会可能会受到污染，而且会影响流型的变化，此 外，信号与流型的对应关系不是十分严格。 1 2 3 问接测量法 流型的直接测量，其结果的描述往往带有根强的主观性，因此产生了流型 的间接测量方法。3 。流型的间接测量方法主要是通过测量反映两相流波动特性 的信号，对其进行统计分析，来获取流动状况的基本特征，进而确定流型。在 两相流中，所有的流型都具有明显的波动特性，即使是稳态流动也是一样。常 见的反映两相流波动特性的参数有：压力、差压、平均密度和温度等。这些参 数的波动是由于管道内测量点上气液两相介质的交替出现而造成的。 这些表面上的看起来的随机信号，分析其本质，发现都是由流体的流动状 况所决定的，与流型有极为密切的关系。因此，对这些参数进行测量，并对所 得的信号进行统计分析，可以得到不同流型的明显特征，通过比较分析这些特 征值，从而达到流型识别的目的。常用的统计分析方法有概率密度函数( p d f ) 和功率谱密度函数( p s d ) ，测量的反映两相流波动特性的信号有静压力、空隙 率和差压等。 1 ) 新型流型检测技术 从两相流系统的自身特性来看，目前较为流行的两相流流型识别方法归为 以下两类： 将两相流系统作为线性非平稳随机过程来分析 两相流动体系是一个多变量的随机过程，其管道中压力、差压和空隙率等 信号均呈现出随机特征。近年来的许多学者研究发现，该随机信号在许多情况 下是非平稳的，因此可以采用非平稳信号处理方法对其进行分析。 将两相流系统作为非线性耗散动力系统来分析 随着近代数学理论的发展，非线性理论越来越为人们所重视。两相流系统 从自身特点来分析，具有非线性特性。近年来研究“”发现两相流系统是一个 非线性的耗散动态系统，它呈现出种混沌行为，可以用分形特性来描述两相 浙江大学硕士学位论文 流系统的流型，并且使用小波分析和混沌理论对分析和处理信号是很有效的。 2 ) 利用差压信号的流型辨识口1 3 m a t s u ig 。“等人利用差压信号识别了垂直管道气液两相流；h e 。7 1 等人 利用流化床中压力波动信号的w a g n e r - v i l l e 谱( w a g n e r - v i l l e 分布，简称w v d ) 分析了气泡的变化规律；劳力云对水平管气液两相流中泡状流、层状流和弹状 流这三种流型下的差压信号的v p c d 的特点进行了实验研究；j p z h a n g 1 等人应 用电导探头测量三楣流，采用基于小波变换的方法分析气液圆锥形床中不同流 型下差压波动信号，找到了检测信号的频率与各分相表观流速之i 勘狗关系并根 据其特点判定流型；f r a n c a 。”等利用差压波动信号研究了水平管气、液两相流 流型，指出了相关维数在5 7 ，1 2 _ 间：金宁德侧利用压差密度计和分形技术对 油、气、水三相泡流中的波动信号进行了流型分析，认为油、气、水三相泡流 是一个低维的混沌系统，吸引子的维数在4 1 6 5 8 7 之问，分形维数在 t ，1 8 一1 4 6 之间。 基于层析成像方法的流型识别技术 二十世纪八十年代中期过程层析成像技术( p r o c e s st o m o g r a p h y ) 得到 了快速发展，为两相流流型识别技术提供了新的研究手段和方法。其原理简单 概括为：选取合适的流体敏感器件( 或几种敏感器件的组合) 对各类两相多相 流体进行在线检测，实现流型识别。 英国的曼彻斯特大学理工学院( u n i v e r s i t yo fm a n c h e s t e ri n s t i t u t eo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，简记u m i s t ) m s b e c k 为首的研究小组研究了基于电 容、超声等适合于工业应用传感机理的层析成像技术，并正式提出了流动成像 这一概念区别于医学c t 。1 9 8 8 年，他们研制成功了8 电极电容层析成像系统， 并于1 9 9 0 年改进成为1 2 电极系统，取得了很大成功。美国能源部摩根城研究中 心也设计了1 6 电极电容层析成像系统，用于流化床四个不同高度上空隙率截面 分布图像的检测。德国k a r l s r u h e i 业大学以f m a r c h 教授为首的研究小组也在 气液超声层析成像方面取得了较大进展。与此同时，p t 技术得到了有关政府 部门的重视和资助* 美国、欧洲先后制定和召开了有关这方面的计划和会议， 如“欧洲过程层析成像联合行动”、“工业过程层析成像前沿”国际会议等。 此外，一些工业企业如杜邦、斯伦贝谢也积极资助和参与了p t 这方面的研究。 9 浙江大学硕士学位论文 国内的浙江大学、天津大学、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。浙江大学利用电容层析成像系统研究了管道内的油气流动过程，并 对环状流、弹状流、泡状流和层状流实现了识别。”。 从p t 技术的研究与应用来看，基于p t 技术的流型识别方法主要有以下两 种： 基于图像重建的流型识别方法 过程层析成像技术的实质，就是运用某一测量系统完成对被铡空间内某种 物场的特性分布测量，通过对物场特性的变换和反变换来实现图形的重建，达 到流型识别的目的。 基于人工智能的流型识别方法 对于两相流流型辨识而言，由于两相流的流型分布非常不规则，因此产生 了模式分类方法。在模式空间里形成各种非线性划分区域，然后使用模糨聚类 的辨识算法实现较为复杂的识别。它可以将每个待识别的流型对象划分到某一 个流型类别集合里。但是般只适合实验数据的特征矢量为理想的情况，而在 实际中常常含有噪声的测量数据，并且实际流型并不严格遵守流型的划分，可 能位于两类或多类之甸，因此可将模糊盼概念与神经网络相结合，来解决两相 流流型辨识的河题，能取得更好的效果。 尽管国内外多相流工作者已经进行了许多研究工作，但是由于多相流体系 的复杂性和随机性。目前仍没有统一的流型定义。多相流的流型检测也正在向 着多种测量手段相结合的方向发展。比如将电阻( 连续相为导电介质) 、电容( 各 相为非导电介质) 层析成像技术同时应用于在线检测，将它们的信息进行数据 融合能得到丰富的多相流信息( 管道截面的电导率分布和电容分布) ；此外，为 了克服电学成像技术的“软场”特性，可以将射线技术与其结合使用；还可以 牾截面测量方式的成像技术与点测量方式的各种流量仪表结合使用等等。 1 3 多传感器数据融合技术 随着测量技术的不断提高，越来越多的人开始使用多传感器测量目标，进 行数据融合，从而提高测量的精度和准确度。数据融合的定义可概括为：充分 浙江大学硕士学位论文 利用不同时间与空间的多传感器信息资源，采用计算机技术对按时序获得的多 传感器观测信息在一定准则下加以自动分析和综合，获得对被测对象的一致性 解释与描述，以完成所需的决策和估计任务，使系统获得比它的各组成部分更 优越的性能。3 。 数据融合目前有许多分类方法，有的按融合方法分类，分为统计方法、人 工智能方法等；有的按信号处理的域进行分类，分成时域、空域和频域等；有 的按融合过程的顺序和融合层次的高低分类，分成低级、中级和高级，并根据 融合的层次和实质内容，将其与像素级、特征级和决策级对应起来。最后一种 方法更为合理，也被更多的人广泛使用。 1 ) 像素级融合 像素级融合是指在融合过程中要求各参与融合的传感器信息间具有精确 到一个像素的配准精度。通常，它对原始传感器信息不进行处理或只进行很少 的处理。在信息处理层次中像素级融合的层次较低，故也称其为低级融合。 其主要优点在于它能提供其它融合层次不能提供的细微信息。缺点主要是 “3 ：处理数据量大，对系统要求高，信息稳定性和抗干扰能力差。 2 ) 特征级融合 特征级融合是中间层次的数据融合。在这种方法中，每个传感器观测目标， 并对各传感器的观测进行特征提取，产生特征矢量，而后融合这些特征矢量， 并做出基于联合特经矢量的属性说明。同时，各个数据源提供的特征矢量融合 到一个综合的特征矢量中，这种融合较为简单。该层次的数据融合是像素级融 合和更高级决策级融合的折衷形式，兼容了两者的优点，具有较大灵活性， 在许多情况下是很实用的， 3 ) 决策级融合 决策级融合也称高级融合，它首先利用来自各传感器的信息对目标属性等 进行独立处理，然后对各传感器的处理结果进行融合，最后得到整个系统的决 策，决策级融合可以有三种形式：决策融合、决策及其可信度融合和概率融合。 决策级融合的优点主要有睇1 ：容错性强，通信量小，抗干扰能力强，运算 量小，实时性强，缺点主要是信息损失大，性轾相对较差。 浙江大学硕士学位论文 1 4 本文的研究工作 通过对比分析油气两相流流型检测的现状和问题，设计一套两相流流型 识别系统，对水平管内泡状流、层状流、弹状流和环状流这四种流型进行识 别。 系统主要通过测量两相流的差压、电容值，进行信号提取分析，提出了 基于模糊c 均值聚类算法辨识流型的方法，同时结合数据融合技术，最大范 国内提高流型辨识的准确度。 通过实验数据的仿真分析，验证了算法的可行性。 1 5 本文结构 全文共分五个章节： 第一章是多相流流型的检测方法。重点介绍了多相流的特点，流型的划 分，流墅图的使用，直接和间接的流型测量技术，现代化的流型检测手段和 多传感器数据融合技术。最后给出了本文的研究内容。 第二章是多相流流型识别方案设计。通过对比分析水平管四种流型的差 压信号及其概率密度函数的特点，提取了相应流型的特征向量，作为模糊聚 类的输入。同时分析了电容值的特点和三种流型的关系，提取了电容的部分 特征作为流型识别的依据。最后给出了测量系统的检测流程。 第三章模式识别和聚类分析。重点讨论了流型识别的算法，比较分析了 模板法，b a y e s 统计法和均值聚类在流型识别上的优缺点，讨论了硬均值聚类 和模糊均值聚类的不同，并给出了测量系统的流型识别算法和实现。 第四章系统软件设计。介绍了系统的软件构成，差压数据采集卡的驱动 开发，系统定时器的精度选取，电容信号和上位机的串口通信方案，讨论了 系统数据库的设计和实现。 第五章是结果分析。通过实验数据仿真，验证了算法的可行性。 第六章是总结与展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章多相流流型识别方案设计 2 1 差压信号分析 在现代检测中，单一传感器检测的数据已经远远不能满足测量的需要，例 如仅仅利用电容技术检测多相流的流型就显得很不够。因此，必须结合其它的 技术，才能达到更好的检测效果。 在分析差压信号时发现： 气相速度和含气率的大小对压差的波动特性影响很大，气速和古气率的 减少使得波动过程在各种流型间的差异减小。 信号的某一特征参数对不同流型存在较为严重的交叉现象，即特征参数 对不同流型的可分离性很差，不能根据某个特征参数的值识别出某个流 型，因此要对差压信号进行多特征提取，对这些特征进行综合分析，从 而达到流型识别的目的。 由于压差具有直接溅量的特点，故可将其所有特征参数展开，以分析这 组合特征的规律。根据这些组合特征，可以确定特定流型的存在界限，从而建 立特定流型的识别规则”“。 差压信号包含着丰富的流型信息，而差压的检测又相对来说较为简单，不 影响管道布置及管内混合物的流动状态。但是由于多相流的复杂性，差压与流 型之间的内在联系无法用具体的数学公式加以描述。因此给利用差压信号检测 多相流流型带来了很大的困难。随着现代数字信息理论和模式识别技术的发 展，通过模式识别方法，可以较好地解决这个问题。 2 1 1 概率密度函数分析法( p d f ) 概率密度函数的定义如下： 如果存在一个函数 使徭对区间一0 9 x + c o 中所有x 都有，( x ) 0 ，且对 任意事件a ，有： 浙江大学硕士学位论文 p ( 4 ) = p ( 石e 一) = i f ( x ) d x ，e ( 的出= 1 a ( 2 1 ) 称x 为( 一维) 连续随机变量，b ) 为x 的概率密度函数，p 例称为事件彳的 概率。 若拟定义为a = 缸：口x b ，那么 p ( 4 ) = p ( j 冲= f ，( 曲矗( 2 - 2 ) a 实际上有 f ( x ) =l i r ap ( x 嵋：，则取_ 作为第四个聚合中心z 4 ，反之跳到。依此类推， 搜索完全部的样本，找到所有的聚类中心。 把全部样本按照最近距离原则分到最近的聚类中心。 评价聚类结果，若不满足要求，则重新从开始计算。 基于上述思想，可以派生出许多聚类算法，例如c 均值算法等。在实际 浙江大学硕士学位论文 观察中诸样本闰常常并不存在清晰的界限，因而常将模糊数学应用于聚类分 析，派生出模糊c 一均值等聚类算法。 3 3c - 均值算法 3 3 1 硬c 一均值聚类算法( i - i c m ) 硬c 一均值聚类算法是经典的硬聚类算法之一，它基于组内平方误差和最小 化准则，适用于对超椭球状的数据进行分类，在许多领域都得到了普遍应用。 硬c 一均值聚类算法定义如下： x = x 。，x ：j ( ) cr 9 是个数据集t 即共有”个i 口维数据样本t 聚类中心个 数为c ，2 s c n 。硬c 一均值聚类算法可以表示为最小化目标j 。的数学问题。 j 。( u ，v ) = 筏 ( 3 - 9 ) 式中山= d ( x 。，v j ) 4 1 x ，- v j i i = 、f 艺 x 。一v 。) 2 为欧氏距离， m = l v = ( v l ，v 2 一- v c ) 是c 个聚类中，i i , ，u = 峨 表示硬分割隶属度矩阵，如是第 阶样本对第，个中心的隶属度，心e o ，1 ，并且应保证：如果第价数据点薯属 于髟，则u 中的元素 为1 ；否则，该元素取0 。一旦确定聚类中心c f ，可导 出如下式的蜥： = 叠等喊赚蚓2 琳刊1 2 协 如果c j 是一的最近的聚类中心，那么属于组，。由于一个给定数据只能 属于一个组，所以隶属矩阵u 具有如下性质： = l ，v i = i ， ( 3 1 1 ) j ；l 浙江太学碰士学位论文 o o ，初始化聚类中心 v ”= v “，谬，掣 cr ，确定迭代最大次数t ； 对于f 2 ，3 ，t a ) v f ，l f s w ，1 j c ，计算吒= d ( 墨，吖) ，确定硬隶属矩阵 u m = 礤b “= 蔗e , o t 。r e 罡坞 ( 3 - 1 3 ) b ) 计算新的聚类中心 v j ，1 ，c ，曙“) = “尹五甜扩 ( 3 1 4 - ) i = 1i = 1 比较新旧聚类中心的差别，如果l i 矿“一v “l l o , l 螂c 1 6 b e z d e k 将上述表达式推广到更一般的情况，给出了模糊c 一均值算法的一般 表达式： 满足 cn m i n j ( u ，v ) = u ：o 鼍一哆f 1 2 ( 3 1 7 ) f ik = i = l ，1 o ，l j c l = l ( 3 1 8 ) 其中m i 1 ，m ) ，是一个加权系数，以是类内误差的加权平方和目标函数。要 其中求厶最小，构造如下拉普拉斯函数 了( 岛机，轳邶，c l 一咖4 ( 瓤_ 1 ) = 嵋巧+ t ( “，- 1 ) 对上式所有参数求导可得 浙江大学硕士学位论文 其中d 目爿i 耳一v f i l 2 ，1 i s g l 七门 ( ) “葺 v j = 点l 一一，l s i c ( ) “ t = l ( 3 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) f c m 计算过程如下： 初始化，给定分类数c ，指数因子m ，迭代截至误差占，最大迭代次数t ， 初始化聚类中心矿妒= v ( ”，谬，谬】cr 9 ： 斟 对于t = 1 ，2 t ； a ) 计算u = 谬l ，令甜刮t 一1 | | 2 ； 如果d 兽= o ，皿u 曾= l ，且琦碟= 0 ；i 茎f 蔓c ，l i 竹 妣湖加磬辩1 ，l o ，l s j s 4 k - i 构造如下的矩阵： l0 ol 00 oo ，- - - 0o 0o lo ol ； 1 ( 3 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) 构造上述矩阵的好处是每次聚类的初始化矩阵一定，可以更好考察聚类 的效果。 指定m = 2 ，按照f 伽的方法进行迭代。 找到新的聚类中心和相应的隶属矩阵u 。 判断新的聚类中心和先前的聚类中心的欧氏距离，认为和先前聚类中心 最近的中心代表了先前聚类中心的流型。 根据这个隶属矩阵，按照模糊集合中的最大隶属原则就能够确定每个样 本点归为哪个类里。 辨识流型。对于5 组待测数据，如果大部分均落入一个聚类中心，可以 确认流型。如果5 组数据较为分散，则认为处于流型的转变阶段。 找到距聚类中心最近的若干点，返回和更新数据库，充实数据库。 浙江大学硕士学位论文 3 5 聚类算法的实现 使用v c + + 6 0 来实现上述算法。定义几个关键的变量： d o u b l ep a t t e r n n d 样本点，n 为样本总数，d 为维数； d o u b l ec e n t e r c d 聚类中心，e 为聚类中心数，d 为维数； d o u b l eu c u 隶属度矩阵； d o u b l ev l 4 ，v 2 4 ，t e m p 中间变量： d o u b l em i n d i s 样本和类中心问最小距离。 1 ) 计算欧氏距离 d o u b l ed i s t a n c e ( d o u b l ex l 口，d o u b l ex 2 ) ( d o u b l e d i s t a n c e = o ： f o r ( i n ti = o ：i 4 ：i + + ) d i s t a n c e + = ( x l i 卜x 2 i ) ( x l i - x 2 i ) ： ) r e t u r ns q r t ( d is t a n c e ) ： ) 2 ) 计算输出的隶属矩阵的程序 f o r ( i = o ：i n ：i + + ) f o r ( j = o ：j c ：j + + ) f o r ( t = o ：t c ：t 十+ ) f f o r ( k = o ：k m i n d i s ) t e m p + = p o w ( d i s t a n c e ( v l ，v 2 ) ，一2 ( m - t ) ) ：计算样本向量到四个聚类中 心的距离值 ) e l s e u t i = l ： 浙江大学硕士学位论文 f o r ( j = o ：j t | j t ) ( u j i = 0 ： ) ) f o r ( k = 0 ：k m i n d i s ) 计算第i 个样本到第j 个中 心的距离值 u j i = p o w ( d i s t a n c e ( v l ，v 2 ) ，一2 ( r 1 ) ) t e m p ： t e m p = o ： ) ) e n df o rj ) e n df o ri 3 ) 计算聚类中心的流程图 浙江大学硕士学位论文 图3 2 计算聚类中心的流程图 浙江大学硕士学位论文 4 ) 计算目标优化函数流程图 图3 ，