[发明专利]基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及多相流参数测量领域，尤其涉及一种基于光电二极管阵列传感器的小管道气 液两相流参数测量装置和方法。

背景技术

近年来，随着微化工技术和新材料技术的迅速发展，工业设备逐步呈现出微型化、小型 化的趋势。微型化、小型化的反应器、热交换器、混合装置等在生物、医疗、制药、化工等 众多领域都有着广泛的应用。因此，微型化和小型化工业设备中的小管道气液两相流参数测 量问题引起了越来越多研究者的关注和重视，成为当前两相流研究领域的一个热点和分支。

然而，相对于常规管道，小管道气液两相流参数测量具有一定的难度。在微小尺度下， 由于管道水力直径的减小，使得表面张力和黏度作用的影响相对突出而重力作用的影响相对 减弱，管道内流动特性有异于常规管道，常规管道下得到的理论模型和经验公式将不再适用， 在常规管道发展成熟的测量方法也不再适用于小管道。

近些年来，科研工作者基于常规管道的测量方法，针对小管道气液两相流参数测量进行 了大量的相关研究，并且取得了一定的进展。研究成果对小管道气液两相流的理论研究，以 及小型化和微型化设备系统的研究、应用以及发展起到了重要的作用。然而由于信息获取和 信息处理手段的缺乏，所获测量信息的精度和适用范围有一定的片面性，还未能满足工程应 用和科学研究的要求。就目前来说，现有的测量手段大多还处于发展阶段，在工程实际过程 中的应用比较有局限性，还需要进一步发掘能够有效应用于小管道气液两相流的参数测量方 法。

目前，针对小管道气液两相流参数检测的手段较少，主要有高速摄影法、电容检测法、 电导检测法等。相比之下，基于激光的光学检测方法具有非接触、低成本等优点，可以实现 对于两相流参数的有效测量。因此，使用激光及光电二极管阵列的测量方式进行流型辨识的 探索，对于小管道两相流流型辨识的相关研究具有相当的参考价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种稳定、可靠的基于光电二极管阵列传感 器的小管道气液两相流参数测量装置和方法。

基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置包括激光二极管、扩束镜、 狭缝、甘油槽、透明小管道、光电二极管阵列传感器、数据采集模块与微型计算机。在甘油 槽一侧放置共光轴的激光二极管、扩束镜与狭缝，光轴垂直于甘油槽。在甘油槽另一侧依次 放置光电二极管阵列传感器、数据采集模块与微型计算机。

透明管道放置在甘油槽之中，甘油槽内灌满甘油。由于甘油折射率与透明管道管壁折射 率近似，减少了管壁对片状激光的折射与反射作用。光电二极管阵列传感器包括12×6个传 感单元，与甘油槽一面紧密贴合。传感器感光表面垂直于激光二极管光轴，同时与数据采集 模块与微型计算机依次相连。

基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量包括如下步骤：

1)使用激光二极管、扩束镜以及狭缝产生片状激光，片状激光透过甘油槽后照射到透明 小管道，经过管道内气液两相介质的反射与折射作用后，形成出射激光；

2)利用光电二极管阵列传感器获取透射激光信号，信号经过数据采集模块采集后转化为 电压信号，输入微型计算机；

3)对获取到的电压信号进行特征值计算和提取，获得特征向量；

4)利用提取得到的特征向量，结合Fisher判别分析建立流型分类器。基于“两步法” 分类思想，实现小管道气液两相流典型流型的流型辨识；

5)利用支持向量机建立每种流型下的空隙率测量模型，结合流型辨识结果，选择对应的 空隙率测量模型实现空隙率测量。

本发明与现有技术相比具有有益效果：

1)采用激光二极管作为激光源，采用光电二极管阵列传感器作为检测元件，能够有效的 简化实验装置，降低系统成本。

2)将透明玻璃管置于甘油槽之中，降低了管壁对于激光光路的干扰作用，提高了测量方 法的灵敏度。

3)将流型辨识结果引入空隙率测量中，消除了流型变化对空隙率测量产生的影响，提高 了空隙率测量精度。

附图说明

图1是基于光电二极管阵列传感器的小管道气液两相流参数测量装置结构示意图；

图2是本发明采用的甘油槽，透明管道以及光电二极管阵列传感器的结构示意图；

图3是本发明的基于“两步法”的流型辨识流程图；

图4是本发明的空隙率测量流程图；