[发明专利]一种新型的多模态自适应传感器系统

说明书

技术领域

本发明涉及两相流测量技术领域，特别是涉及一种新型的多模态自适应传感器系统。

背景技术

两相流动体系在自然界和工业生产过程中广泛存在。例如，自然界的大漠扬砂，江河中的泥砂俱下，以及空中烟尘弥散、雨雹交浸等都是与人类生活有关的两相流现象。在工业生产中，常见的两相流主要有气/液、气/固、液/固、液/液两相流几种。如工业发电、冶炼过程中燃烧用煤粉的输送与喷吹就是典型的气/固两相流；石油开采过程中的油/气/水流就是气/液两相流，也称作三组份流；奶加工过程中牛奶和水被称作液/液两相流；制陶过程中泥浆和水被称作液/固两相流；同时许多化工过程中也都存在气/液两相流体。两相流系统是一个复杂的非线性动态系统，其参数检测的难度较大，在很多情况下，两相流参数检测技术已成为两相流研究的一个制约性因素，因此，有关两相流的研究目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。

描述两相流动参数除描述单相流动的参数如速度、压力降、流量、温度等，还要增加一些新的参数。常用的两相流参数主要包括：(1)流型，又称流态，即流体流动的形式或结构；(2)分相含率，在气液两相流中，分相含率又称为空隙率或含气率；在气固两相流中，分相含率又称空隙度、含固率或浓度；(3)速度，由于两相流动中空间存在相对速度，所以除了以混和流体的平均速度描述外，还必须采用分相流速来表示；(4)流量，根据采用单位制不同，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。两相流混合体流动产生的压力降是两相流系统工程应用必须考虑的因素，它的理论计算和在线测量对多相流系统的应用和参数检测有重要作用。上述主要参数中，流型、分相含率和流量是三个最重要同时也是难以测量的参数。因此，这三个参数的测量一直是两相流检测技术研究的重点。

目前国内外两相流检测所采用的技术线路大致可分为三大类：1)运用传统的单相流检测技术及仪表实现两相流测量。例如，将差压、涡轮、涡街、靶式、容积、超声波、电磁、科里奥利力等多种单相流量计应用于两相流或多相流的测量。针对不同的组合测量形式，需要建立相应的测试模型，同时在应用时必须考虑使用条件和测量精度。如当含气率达50％的气水系统，使用涡轮流量计的误差可达20％，但当含气率小于5％时，则误差小到可不需修正而直接应用。在淤浆流量测量中当固相浓度达8％时，用电磁流量计仍能满足精度要求，但用超声波多谱勒流量计测量时，精度和重复性就很差了。在含气率达10％的气/水系统和含油率达30％的油水系统，使用涡街流量计仍能稳定运行。当科里奥利力流量计用于含气率达15％的气或水系统，其测量误差可达20％。2)以新的信号处理技术和现有检测手段相结合的软测量方法来解决两相流测量问题。所谓软测量方法(Soft Sensor)是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程参数的在线估计的方法。它主要将模糊数学、状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理论问题引入到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测试问题。软测量技术主要包括中间辅助变量选择，数据处理，软测量模型建立和软测量模型在线校正几个环节，其中，软测量模型建立是软测量技术最重要的组成部分。3)采用近代新兴技术进行两相流参数测量。近几十年，人们已将近代许多新兴技术如：辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术和过程层析成象技术等应用于两相流参数测量。例如：在国外，基于辐射线吸收或散射原理的γ-射线、β-射线和X-射线、中子射线型商品化工业型仪表是两相流或多相流组分浓度测量的重要手段，其中以γ-射线密度计应用最为广泛。

过程层析成象技术(Process Tomography，缩写为PT)是二十世纪80年代中期正式形成和发展起来的，一种以两相流或多相流为主要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。它采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续的提供二维或三维的可视化信息，并可经过进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，如进行特征提取和流型辨识，分相含率或浓度参数、速度等的测量。因此近二十年来，PT技术受到了国内外科技工作者的普遍关注。PT技术在两相流体的流动及反应、分离过程的监测、环境监测与控制等方面有着巨大应用价值。