周瑩，李華軍，冀海峰，黃志堯，王保良，李海青

(浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州，310027)

基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡參數(shù)檢測(cè)方法

周瑩，李華軍，冀海峰，黃志堯，王保良，李海青

(浙江大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州，310027)

提出一種基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡尺寸(氣泡截面直徑及其截面中心點(diǎn)位置)檢測(cè)新方法。該方法先利用光電池陣列傳感器獲得反映小通道內(nèi)氣液兩相流氣泡截面信息的光強(qiáng)分布信號(hào)，然后利用主成分分析對(duì)信號(hào)降維，最后利用支持向量機(jī)(SVM)方法分別建立氣泡截面直徑和氣泡截面中心點(diǎn)位置的測(cè)量模型，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氣泡截面直徑及其截面中心點(diǎn)位置2個(gè)參數(shù)的測(cè)量。在內(nèi)徑為4.04 mm的水平玻璃管內(nèi)進(jìn)行的初步實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明本文所提出的基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡尺寸檢測(cè)方法是可行的、有效的。氣泡截面中心點(diǎn)位置測(cè)量的最大相對(duì)誤差小于8%，氣泡中部截面直徑測(cè)量的最大相對(duì)誤差小于10%。

光電池陣列；小通道；氣液兩相流；氣泡

近年來(lái)，隨著小型工業(yè)設(shè)備的迅速發(fā)展，小通道氣液兩相流廣泛出現(xiàn)于能源、化工、生物制藥等工業(yè)工程，對(duì)小通道氣液兩相流體系的研究越來(lái)越多。泡狀流是小通道氣液兩相流中的一種典型流型，氣泡的截面直徑和截面中心點(diǎn)位置是泡狀流的2個(gè)基本幾何參數(shù)。氣泡尺寸(氣泡截面直徑和截面中心點(diǎn)位置)和分布是研究氣液兩相流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)這2個(gè)參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)小通道氣液兩相流系統(tǒng)流動(dòng)特性的研究具有重要意義[1?7]。目前，常用的氣泡尺寸檢測(cè)方法主要有高速攝影法、基于探頭或探針形式的侵入式測(cè)量法(包括光學(xué)探針和電導(dǎo)探針)等[8?13]。高速攝影法較為直觀，能夠獲得較多的兩相流信息，同時(shí)對(duì)于兩相流體的流動(dòng)無(wú)干擾，但是其價(jià)格昂貴且圖像信息的分析和處理有著較高的復(fù)雜度、較大的計(jì)算量，因此在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的缺陷?；谔筋^或探針形式的侵入式測(cè)量法(包括光學(xué)探針和電導(dǎo)探針)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，能夠比較準(zhǔn)確地獲得流動(dòng)信息，但是其屬于局部測(cè)量，在信息獲取方面則存在一定的局限性，并且探頭或探針會(huì)對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生一定程度的干擾，長(zhǎng)時(shí)間使用易使自身產(chǎn)生化學(xué)蝕變或表面黏附雜質(zhì)[14?16]。同時(shí)，由于小通道尺寸的特殊性，使得小通道氣液兩相流的流動(dòng)特性不同于常規(guī)管道中的氣液兩相流，適用于常規(guī)管道的氣泡尺寸測(cè)量的傳感器或檢測(cè)方法難以直接用于小通道氣液兩相流氣泡尺寸的測(cè)量，因此，針對(duì)小通道氣液兩相流氣泡尺寸檢測(cè)手段還有待進(jìn)一步研究[16]。光電池作為一種非侵入式光學(xué)傳感元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、性能優(yōu)良、成本低等特點(diǎn)。本文作者將光電池陣列引入小通道氣液兩相流參數(shù)檢測(cè)，提出了一種氣液兩相流氣泡尺寸檢測(cè)新方法。研制一種12×6光電池陣列傳感器，同時(shí)獲得72個(gè)光強(qiáng)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)主成分分析后利用支持向量機(jī)(SVM)方法建立氣泡尺寸測(cè)量模型，利用所建立的模型進(jìn)行氣泡截面直徑和氣泡截面中心點(diǎn)位置2個(gè)參數(shù)的測(cè)量。在內(nèi)徑為4.04 mm的水平玻璃管內(nèi)進(jìn)行氣泡尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

1　光電池陣列傳感器

本文所設(shè)計(jì)的光電池陣列傳感器如圖1所示，它由72個(gè)光電池傳感單元組成，每個(gè)光電池傳感單元的光電流為70 μA，暗電流僅為2 nA，將其排列成12×6陣列的形式，同時(shí)每個(gè)光電池傳感單元連接1個(gè)簡(jiǎn)單的電流電壓轉(zhuǎn)換電路。各個(gè)光電池傳感單元可根據(jù)接收到的不同強(qiáng)度的光強(qiáng)輸出相應(yīng)幅度的電壓信號(hào)。當(dāng)小通道內(nèi)氣液兩相流中氣泡尺寸和位置發(fā)生變化時(shí)，光電池陣列接收的光強(qiáng)分布也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。激光器與光電池陣列傳感器分別放置在透明小管道兩側(cè)，由激光器產(chǎn)生片狀激光照射水平透明小管道，光電池陣列傳感器采集透射激光的光強(qiáng)分布信號(hào)，該信號(hào)能夠反映透明水平管道內(nèi)兩相流系統(tǒng)的截面信息。

圖1　12×6光電池陣列傳感器Fig. 1 12×6 photodiode array sensor

2　實(shí)驗(yàn)裝置

圖2　氣泡尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置Fig. 2 Bubble size measurement experimental setup

氣泡尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，主要包括氣液兩相流驅(qū)動(dòng)部分、基于光電池陣列的小通道氣液兩相流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)和小通道氣液兩相流參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)。兩相流驅(qū)動(dòng)部分用于產(chǎn)生不同氣速和液速下的兩相流體，該部分包括高壓氮?dú)夤?、水罐、轉(zhuǎn)子流量計(jì)(氣體、液體)、混相器、壓力傳感器和溫度傳感器，實(shí)驗(yàn)中的液相介質(zhì)為自來(lái)水，氣相介質(zhì)為氮?dú)猓ㄟ^(guò)控制兩相介質(zhì)的流量獲得所需要的泡狀流?；诠怆姵仃嚵械男⊥ǖ罋庖簝上嗔鲄?shù)測(cè)量系統(tǒng)包括He-Ne激光器、擴(kuò)束鏡、狹縫、光電池陣列傳感器、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集模塊(NI9205模塊)以及微型計(jì)算機(jī)，激光器發(fā)射的激光經(jīng)擴(kuò)束鏡和狹縫后成片狀激光照射到待測(cè)管段，該部分裝置用于采集透明小管道內(nèi)泡狀流的氣泡尺寸信息，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中信號(hào)采集頻率為1 kHz。參數(shù)標(biāo)定系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)(IDT Redlake公司的MotionXtra N-4型)、頻閃燈、計(jì)算機(jī)和浸沒在甘油內(nèi)的標(biāo)定管段，將標(biāo)定管段浸沒在甘油內(nèi)從而減小管壁引起的失真問(wèn)題，該部分用于提供氣泡尺寸測(cè)量的參考值。

3　測(cè)量模型的建立

氣液兩相流流經(jīng)基于光電池陣列的參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，由光電池陣列傳感器獲得經(jīng)片狀激光照射的小通道內(nèi)泡狀流氣泡截面的光強(qiáng)分布信號(hào)；同時(shí)高速攝像進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，獲得小管道內(nèi)部氣液兩相流泡狀流圖像，對(duì)獲取的圖像采用差影法去除背景，提取氣泡邊緣，獲得二值圖像，進(jìn)一步計(jì)算獲得氣泡截面直徑和氣泡截面中心點(diǎn)位置2個(gè)參數(shù)，作為模型建立的參考值；利用所獲得的光電池陣列傳感器輸出的電壓信號(hào)，將其經(jīng)主成分分析后利用支持向量機(jī)(SVM)方法分別建立氣泡截面直徑和氣泡截面中心點(diǎn)位置的測(cè)量模型。

主成分分析是一種多元統(tǒng)計(jì)方法，它對(duì)原變量進(jìn)行降維處理，從中提取出少數(shù)相互獨(dú)立并且能保留原數(shù)據(jù)主要信息的新變量，利用這些新變量代替原變量作為信息的輸入進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和模型建立。實(shí)驗(yàn)獲得n組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含有p(p=72)個(gè)光電池信號(hào)，獲得的信號(hào)矩陣X如下：

將X經(jīng)過(guò)線性變換，消除各個(gè)光電池在信號(hào)方面的相關(guān)性，重新組合成新的線性無(wú)關(guān)的變量如下式：

其中：矩陣W為式(1)的相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值由大到小排序后所對(duì)應(yīng)的單位特征向量構(gòu)成的矩陣，

Wt=[w1t,w2t,L,wpt]T。

本文中選取Y的前4個(gè)主成分(t=1, 2, 3, 4)作為SVM方法建模的輸入變量Y*。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)小通道氣液兩相流中常見的泡狀流在內(nèi)徑為4.04 mm的水平玻璃管內(nèi)進(jìn)行氣泡尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)。當(dāng)有氣泡流經(jīng)片狀激光照射的管段時(shí)，氣泡會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生反射和折射，從而改變激光原本光路，使得光電池陣列傳感器獲得的光強(qiáng)分布信號(hào)發(fā)生變化。當(dāng)有氣泡流過(guò)時(shí)，光電池陣列傳感器中5個(gè)不同位置的光電池傳感單元獲得的一組典型的電壓信號(hào)如圖3所示，由高速攝像拍攝的管道內(nèi)泡狀流流動(dòng)圖像如圖4所示。

由圖3可以看出：在光電池陣列傳感器中不同位置的光電池傳感單元在氣泡流經(jīng)激光照射管段時(shí)其輸出的電壓信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同程度的變化。每個(gè)光電池傳感單元輸出電壓變化的幅度、位置及頻率與小管道內(nèi)的氣泡截面直徑、氣泡截面中心點(diǎn)位置和氣泡分布存在著密切的關(guān)系，因此利用光電池陣列傳感器進(jìn)行小通道氣液兩相流氣泡截面直徑和氣泡截面中心點(diǎn)位置的測(cè)量是可行的。

利用所獲得的光電池陣列傳感器電壓信號(hào)結(jié)合建立的氣泡尺寸測(cè)量模型，實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：本文所提出的基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡尺寸檢測(cè)方法是可行的、有效的。實(shí)際測(cè)量結(jié)果與高速攝影法獲得的參考值相比較，氣泡截面中心點(diǎn)位置的最大相對(duì)誤差小于8%，氣泡中部截面直徑的最大相對(duì)誤差小于10%，但是在氣泡頭部與尾部處測(cè)量效果欠佳，還需進(jìn)一步改善。

圖3　光電池傳感單元電壓信號(hào)Fig. 3 Voltage signals of photodiode sensing elements

圖4　泡狀流拍攝圖Fig. 4 Photo of bubble flow

圖5　內(nèi)徑為4.04 mm水平管道測(cè)量結(jié)果Fig. 5 Experimental results of horizontal channel with inner diameter of 4.04 mm

5　結(jié)論

1) 提出了一種基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡尺寸檢測(cè)方法。該方法利用光電池陣列傳感器獲得反映氣液兩相流中氣泡截面信息的光強(qiáng)分布信號(hào)，對(duì)所獲得的信號(hào)經(jīng)主成分分析后利用SVM方法進(jìn)行模型建立，最終獲得氣泡的截面直徑和截面中心點(diǎn)位置2個(gè)參數(shù)。在內(nèi)徑為4.04 mm的水平玻璃管內(nèi)進(jìn)行了氣泡尺寸測(cè)量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的可行性及有效性。

2) 提出的氣泡尺寸檢測(cè)方法是有效的，氣泡截面中心點(diǎn)位置測(cè)量的相對(duì)誤差小于8%，同時(shí)氣泡中部截面直徑測(cè)量的相對(duì)誤差小于10%。

3) 氣液兩相流流動(dòng)特性復(fù)雜，在氣泡頭部及尾部處的氣泡截面直徑的測(cè)量效果還不令人滿意，在進(jìn)一步的研究中還需結(jié)合光學(xué)機(jī)理分析和現(xiàn)代信號(hào)處理方法改善氣泡截面直徑測(cè)量模型以提高測(cè)量精度。

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(編輯 趙俊)

Bubble parameter measurement of gas-liquid two-phase flow in small channel based on photodiode array

ZHOU Ying, LI Huajun, JI Haifeng, HUANG Zhiyao, WANG Baoliang, LI Haiqing
(State key Laboratory of Industrial Control Technology, College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Based on photodiode array, a new method for bubble parameter (cross-sectional diameter and center of the bubble) measurement of gas-liquid two-phase flow in small channel was proposed. Firstly, the voltage signals, which reflect the cross-sectional information of bubbles in gas-liquid two-phase flow in small channel, were obtained by photodiode array sensors. Then, principal component analysis (PCA) was used to reduce the dimensionality of data sets. Finally, support vector machine (SVM) method was applied to develop the measurement models of bubble size. The measurements of the cross-sectional diameter and center of bubbles were implemented. The bubble parameter measurement experiments were carried out in a horizontal channel with inner diameter of 4.04 mm. The results show that the presented method is feasible and effective. The maximum relative error of the cross-sectional center of bubble is less than 8% and the maximum relative error of the cross-sectional diameter of the middle part of bubble is less than 10%.

photodiode array; small channel; gas-liquid two-phase flow; bubble

TP212

A

1672?7207(2016)03?1039?05

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.042

2015?03?10；

2015?06?25

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61573312) (Project(61573312) supported by the National Natural Science Foundation of China)

冀海峰，博士，副教授，從事多相流檢測(cè)技術(shù)方面的研究；E-mail: hfji@iipc.zju.edu.cn