本發(fā)明屬于氣固兩相流速度測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，是一種基于滑動(dòng)平均理論，利用單對(duì)極板電容傳感器測(cè)量?jī)上嗔髁魉俚姆椒ā?br>背景技術(shù)：
：在自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)及工程技術(shù)的許多領(lǐng)域，普遍存在著按時(shí)間序列發(fā)生的具有概率特征的各種隨機(jī)現(xiàn)象。人們通過(guò)觀測(cè)把這些現(xiàn)象記錄下來(lái)便成為可供分析的隨機(jī)數(shù)據(jù)。所謂時(shí)間序列通常就是指這種按照時(shí)間順序取得的一系列隨機(jī)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)有時(shí)本身就是離散數(shù)據(jù),有時(shí)是隨機(jī)的連續(xù)信號(hào)的采樣值。實(shí)際上,時(shí)間序列就是離散的隨機(jī)過(guò)程。例如,太陽(yáng)黑子數(shù)目的變化,地震波的變化等都屬于隨機(jī)過(guò)程。由于各自的物理背景不同,它們包含的信息和呈現(xiàn)的規(guī)律是千變?nèi)f化，錯(cuò)綜復(fù)雜的。但時(shí)間序列的本質(zhì)特征就是相鄰觀測(cè)值具有依賴性，時(shí)間序列觀測(cè)值之間的這種依賴性具有很大的實(shí)際意義。人們希望通過(guò)分析這些數(shù)據(jù)序列達(dá)到認(rèn)識(shí)事物，掌握事物規(guī)律的目的，時(shí)間序列分析所論及的就是對(duì)這種依賴性進(jìn)行分析的技巧，提供出一套具有科學(xué)依據(jù)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的處理方法。該方法的主要手段是對(duì)各種類(lèi)型的數(shù)據(jù)，采用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型去近似描述，通過(guò)對(duì)模型的分析研究，便可更本質(zhì)的了解數(shù)據(jù)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)和復(fù)雜特性，從而達(dá)到預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)并進(jìn)行必要的控制的目的。兩相流動(dòng)體系普遍存在于自然界與工業(yè)工程中，例如江河中泥沙的流動(dòng)、沙漠中風(fēng)沙彌漫、以及沙塵暴等，都是我們生活中常見(jiàn)的兩相流現(xiàn)象。我們身體中的血液、奶液等流體，也是含有各種微粒的兩相流。還有在發(fā)電、建材、石油開(kāi)采等各種工程領(lǐng)域中，兩相流現(xiàn)象同樣廣泛存在。例如，在火力發(fā)電過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)的蒸汽中，常常含有霧狀水珠，電力部門(mén)一直希望能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這種氣/液兩相流的精確檢測(cè)和控制。速度測(cè)量作為兩相流參數(shù)檢測(cè)中的一種，是非常重要的一個(gè)研究方向。目前，測(cè)量多相流速度多采用互相關(guān)法等來(lái)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)法的原理是：根據(jù)兩相流體流動(dòng)時(shí)，上下游兩點(diǎn)間的相關(guān)函數(shù)測(cè)量流體速度。雖然相關(guān)法測(cè)量流速具有測(cè)量范圍寬、適應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，理論上可測(cè)量所有流體系統(tǒng)的流速。只需要選擇合適的傳感器，可做成“夾鉗”式，能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測(cè)量。但大量的實(shí)驗(yàn)表明：相關(guān)法的測(cè)量結(jié)果與流體斷面的分布有關(guān)，容易受到流動(dòng)速度的干擾，由于尋峰較難，導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此相關(guān)法的速度測(cè)量結(jié)果一般高于平均流速，存在較大的系統(tǒng)誤差。同時(shí)，當(dāng)傳感器的幾何尺寸較大時(shí)，它的空間濾波效應(yīng)使得信號(hào)頻帶變窄，相關(guān)函數(shù)曲線的峰區(qū)變得平坦光滑，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果隨機(jī)誤差變大、分辨率變低，此外，還有實(shí)時(shí)性較差的缺點(diǎn)。而本設(shè)計(jì)將相關(guān)法需要兩個(gè)電容傳感器采集信號(hào)改善為僅需一個(gè)電容傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)減少測(cè)量干擾，提高了兩相流速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)上的不足，本發(fā)明的目的是提供一種基于滑動(dòng)平均和電容傳感器的氣固兩相流速度測(cè)量方法，該方法改善了兩相流速度測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高了兩相流速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。該方法無(wú)需結(jié)合其他途徑獲得更多信號(hào)，可快速采集計(jì)算，這也為兩相流速度測(cè)量提供一種新的方法和手段。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是基于滑動(dòng)平均和電容傳感器的氣固兩相流速度測(cè)量方法，該方法是在單對(duì)極板電容傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的裝置中，對(duì)通過(guò)的氣固兩相流進(jìn)行速度測(cè)量，所述方法包括以下步驟：(1)將兩塊金屬極板安裝在被測(cè)管道上，兩極板長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其中一塊為激勵(lì)極板，另一塊為檢測(cè)極板。(2)對(duì)激勵(lì)極板施加激勵(lì)電壓信號(hào)，當(dāng)流體流經(jīng)被測(cè)管道時(shí)，檢測(cè)極板得到變化的電容值C，因此，可以通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集N組(N≥1000)測(cè)量數(shù)據(jù)。(3)對(duì)N組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。(4)設(shè)一個(gè)小于樣本數(shù)N的隨機(jī)數(shù)，由該隨機(jī)數(shù)作為起點(diǎn)選擇50個(gè)樣本進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，并將結(jié)果存入數(shù)組當(dāng)中，對(duì)自相關(guān)數(shù)組進(jìn)行差分運(yùn)算，對(duì)進(jìn)行差分運(yùn)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，找到差分?jǐn)?shù)組拐點(diǎn)的位置即為階數(shù)q。相關(guān)曲線的實(shí)例如圖6所示，該相關(guān)函數(shù)曲線階數(shù)為19。(5)按照步驟(4)計(jì)算M(M≥5)次，然后對(duì)M次階數(shù)q的計(jì)算結(jié)果取平均值(6)根據(jù)采集時(shí)間與階數(shù)可計(jì)算出流體流過(guò)檢測(cè)極板所需的時(shí)間T。根據(jù)極板長(zhǎng)度L除以流體流過(guò)檢測(cè)極板所需時(shí)間T等于流體速度。前述滑動(dòng)平均模型MA(q)理論依據(jù)如下：如果零均值時(shí)間序列y(t)(t＝0,1,…,N-1)可以用q階差分方程描述，則稱(chēng)該時(shí)間序列為q階滑動(dòng)平均序列，或MA(q)序列，果{x(t)}是一組隨機(jī)信號(hào)，則(1)稱(chēng)q階差分方程：y(t)=θ0x(t)-Σj=1qθjx(t-j)---(1)]]>式中x(t)是時(shí)刻t時(shí)的隨機(jī)信號(hào)，并且x(t)～N(0,σ2)，N(0,σ2)是算術(shù)平均值為零，方差為σ2的正態(tài)分布；θ0,θ1,…,θq為滑動(dòng)平均模型參數(shù)。由兩塊金屬極板組成的電容傳感器所得到的信號(hào)輸出可以使用滑動(dòng)平均模型來(lái)描述的理論依據(jù)如下：圖3為兩相流在電容極板中的流動(dòng)示意圖，假如將極板對(duì)應(yīng)的管道內(nèi)流體等分成q份從而形成q個(gè)電容(如圖4所示)，而q的大小是隨著采樣時(shí)間和流體速度變化而變化的。由于每份內(nèi)流體介質(zhì)在兩塊極板內(nèi)的高度不同，所以它們之間電容量存在著差異，這時(shí)電容器某一時(shí)刻t的輸出信號(hào)可以表示為：C(t)＝Ct1+Ct2+...+Ctq(2)式中其中，εr為流體的相對(duì)介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；S為是電容器兩極板的正對(duì)面積；d為兩塊金屬極板間的距離。圖5為第j等分極板所組成的電容及其等效電路，該電容Ctj的具體求解方法如下：由圖5第j等分極板所組成的電容的等效電路可以看出，該電容Ctj相當(dāng)于空氣介質(zhì)與流體介質(zhì)所形成的電容Cj1和Cj2串聯(lián)：Ctj=Cj1+Cj2Cj1·Cj2---(3)]]>其中，dj為流體介質(zhì)在每一個(gè)等分極板電容里面的高度。Ctj=ϵr(d-dj)+djϵ0ϵrS---(4)]]>由此可以計(jì)算出極板內(nèi)每等份流體電容量為：Ctj=dϵ0S+(1ϵ0ϵrS-1ϵ0S)dj---(5)]]>由式(5)可得：C(t)=Σj=1qCtj=qdϵ0S-Σj=1q(1ϵ0S-1ϵ0ϵrS)dj---(6)]]>將式(6)和式(1)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)電容傳感器的信號(hào)輸出和滑動(dòng)平均模型是一致的，由此可以證明電容傳感器所得到的信號(hào)輸出是可以使用滑動(dòng)平均模型來(lái)描述的。階數(shù)q確定的理論基礎(chǔ)如下，假設(shè)滑動(dòng)平均過(guò)程為：y(t)=x(t)-Σj=1qθjx(t-j)E[x(t)x(t-j)]=0,(j>q)E[x(1-j)x(t-j)]=σ2,(j=0,1,...,q)---(7)]]>其中E[x(t)x(t-j)]表示變量x(t)的自相關(guān)函數(shù)，E[x(t-j)x(t-j)]表示變量x(t)的方差。y(t)相關(guān)函數(shù)為：R(k)=1N-kΣt=0N-ky(t)y(t+k),k=0,1,2,...---(8)]]>按照式(7)有，E[y(t)y(t-q-1)]=E[(Σi=1qθix(t-j))(Σj=0qθjx(t-q-1-j))]=Σi=0qΣj=0qθiθjE[x(t-i)x(t-q-1-j)]=0]]>E[y(t)y(t-q)]=E[(Σi=1qθixt-i)(Σj=0qθjxt-q-j)]=Σi=0qΣj=0qθiθjE[xt-i,xt-q-j]=θ0·θqσ2≠0]]>E[y(t)y(t-q)]=E[(Σi=0qθix(t-i))(Σj=0qθjx(t-q-j))]=Σi=0qΣj=0qθiθjE[x(t-i)x(t-q-j)]=θ0·θqσ2≠0]]>所以，滑動(dòng)平均模型y(t)滿足：E[y(t)y(t-q-1)]=0E[y(t)y(t-q)]≠0---(9)]]>同理，由式(8)可得，E[R(q+1)]=E[1N-q-1Σt=0N-q-1y(t)y(t+q+1)]=1N-q-1Σt=0N-q-1E[y(t)y(t+q+1)]=1N-q-1Σt=0N-q-1Σi=0qΣj=0qθiθjE[x(t-i)x(t+q+1-j)]=0]]>所以，相關(guān)函數(shù)R(k)有：E[R(q+1)]＝0(10)由式(9)和(10)可知在q階MA模型中相鄰樣本值具有相關(guān)性，根據(jù)MA模型的q階截尾性可以預(yù)測(cè)到N個(gè)樣本值之間的相關(guān)性在q階范圍內(nèi)是呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)的，到q階的時(shí)候達(dá)到最低點(diǎn)，超出q階時(shí)，樣本之間的相關(guān)性又會(huì)呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。據(jù)此，推測(cè)出樣本值的相關(guān)性在q階的時(shí)候在一定范圍內(nèi)達(dá)到極小值，于是對(duì)階數(shù)q的判定轉(zhuǎn)化為對(duì)樣本值之間相關(guān)性的比較。本發(fā)明的效果是該方法改善氣固兩相流速度測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高了氣固兩相流速度測(cè)量的準(zhǔn)確性，對(duì)監(jiān)視和預(yù)測(cè)流體變化，維護(hù)多相流系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行有積極意義。該方法通過(guò)基于滑動(dòng)平均理論，利用電容傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等裝置測(cè)量氣固兩相流速度，根據(jù)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性設(shè)計(jì)算法求取兩相流流動(dòng)速度，整個(gè)測(cè)速系統(tǒng)具有非侵入性、測(cè)量結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成本低、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖1電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，管道模型設(shè)定為方形管道，該種電容傳感器是由激勵(lì)極板、檢測(cè)極板以及軸徑向保護(hù)極板組成。圖2是基于滑動(dòng)平均和電容傳感器的氣固兩相流速度測(cè)量方法的流程圖。圖3是兩相流在電容極板中的流動(dòng)示意圖。圖4是基于滑動(dòng)平均模型的電容傳感器原理圖。圖5為任意一個(gè)等分極板所組成的電容及其等效電路圖。圖6是自相關(guān)曲線暨舉例19階的MA模型中樣本數(shù)據(jù)之間求取自相關(guān)并進(jìn)行差分運(yùn)算所得出的曲線圖。從可觀察出MA模型的自相關(guān)值在第19個(gè)點(diǎn)時(shí)達(dá)到極小值，與設(shè)想的思路吻合。具體實(shí)施方式結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的基于滑動(dòng)平均和電容傳感器的氣固兩相流速度測(cè)量方法加以說(shuō)明。本發(fā)明的基于滑動(dòng)平均和電容傳感器的氣固兩相流速度測(cè)量方法，該方法是在由電容傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的裝置中，對(duì)通過(guò)的兩相流進(jìn)行速度測(cè)量，所述方法首先將電容傳感器安裝在方形管道外部，兩個(gè)極板包裹在方形管道上，兩極板長(zhǎng)度為L(zhǎng)，其中一塊為激勵(lì)極板，另一塊為檢測(cè)極板。從兩塊極板上引出兩根屏蔽線作為電容傳感器的信號(hào)線，兩根信號(hào)線連接到電容測(cè)量轉(zhuǎn)換電路上。對(duì)激勵(lì)極板施加幅值為V的正弦波電壓激勵(lì)信號(hào)，一根信號(hào)線連接激勵(lì)電路以獲得正弦激勵(lì)，另一根信號(hào)線連接電路上的交流檢測(cè)電路，對(duì)檢測(cè)極板感應(yīng)到的信號(hào)進(jìn)行處理。其中，電容測(cè)量轉(zhuǎn)換電路采用交流反饋補(bǔ)償法，在交流反饋補(bǔ)償電路中采用了一個(gè)16位DAC和一個(gè)寬帶4象限模擬乘法器，首先將數(shù)字反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬電壓值，然后用來(lái)自信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)與之相乘。乘法器則輸出一個(gè)激勵(lì)信號(hào)完全反相且幅值可控的正弦波信號(hào)。經(jīng)過(guò)放大后得正弦波信號(hào)分別通過(guò)兩個(gè)相同的通路，避免信號(hào)通路不同而引起相移。如此，一路信號(hào)即作為激勵(lì)信號(hào)加到測(cè)量電容Ct上，另一路反向正弦信號(hào)則加到補(bǔ)償電容Cb上。通過(guò)調(diào)節(jié)D/A輸出以調(diào)整加到補(bǔ)償電容Cb上正弦波信號(hào)的幅值，從而將固有電容平衡掉。如果DAC和乘法器的增益事先確定，從而使加到Cb上的正弦波信號(hào)幅值等于Vs，則運(yùn)放的輸出為：V0=-(Ct-CbD2K)VSCf---(11)]]>式中Ct為測(cè)量電容值；Cf為反饋電容；Cb為平衡電容；VS為激勵(lì)正弦波幅值；D為加到DAC上數(shù)字反饋信號(hào)的二進(jìn)制值；K為DAC的字節(jié)數(shù)(K＝16)。漸進(jìn)設(shè)定DAC的各個(gè)字節(jié)，前向電壓即逐漸趨近于零。隨著固有電容被平衡掉，檢測(cè)電路則只剩下測(cè)量電容變化本身。對(duì)N組測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化處理一方面可以使到測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)綱量化,另一方面也可在一定程度上降低計(jì)算誤差帶來(lái)的影響。這里用到的歸一化公式表示為：C=Ct-ClCh-Cl---(12)]]>其中公式Ch和Cl分別表示為電容傳感器內(nèi)置了高介電常數(shù)、低介電常數(shù)物質(zhì)后測(cè)量得到的電容值，Ct是實(shí)際測(cè)量獲得的電容值。根據(jù)速度等于路程除以時(shí)間T，已知路程即為極板長(zhǎng)度L，所以當(dāng)計(jì)算出流經(jīng)極板所需時(shí)間T即可求出速度。而流體流過(guò)檢測(cè)極板所需的時(shí)間T可由采集時(shí)間與階數(shù)q計(jì)算出。所以，根據(jù)滑動(dòng)平均模型MA(q)，求滑動(dòng)平均模型得到階數(shù)q。設(shè)一個(gè)小于樣本數(shù)N的隨機(jī)數(shù)，由該隨機(jī)數(shù)作為起點(diǎn)選擇50個(gè)樣本進(jìn)行自相關(guān)運(yùn)算，并將結(jié)果存入數(shù)組當(dāng)中，對(duì)自相關(guān)數(shù)組進(jìn)行差分運(yùn)算，對(duì)進(jìn)行差分運(yùn)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，找到第一個(gè)差分結(jié)果大于零的數(shù)據(jù)位置即為階數(shù)q。按照以上步驟計(jì)算M(M≥5)次q值，最后對(duì)M次階數(shù)q的計(jì)算結(jié)果取平均值q。根據(jù)采集時(shí)間與階數(shù)q可計(jì)算出流體流過(guò)檢測(cè)極板所需的時(shí)間T。根據(jù)極板長(zhǎng)度L除以流體流過(guò)檢測(cè)極板所需時(shí)間T等于流體速度。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3