DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.03.042
基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡参数检测方法
周莹，李华军，冀海峰，黄志尧，王保良，李海青
(浙江大学 控制科学与工程学院，工业控制技术国家重点实验室，浙江 杭州，310027)
摘 要：
电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸(气泡截面直径及其截面中心点位置)检测新方法。该方法先利用光电池阵列传感器获得反映小通道内气液两相流气泡截面信息的光强分布信号，然后利用主成分分析对信号降维，最后利用支持向量机(SVM)方法分别建立气泡截面直径和气泡截面中心点位置的测量模型，并进而实现气泡截面直径及其截面中心点位置2个参数的测量。在内径为4.04 mm的水平玻璃管内进行的初步实验研究结果表明本文所提出的基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸检测方法是可行的、有效的。气泡截面中心点位置测量的最大相对误差小于8%，气泡中部截面直径测量的最大相对误差小于10%。
关键词：
中图分类号：TP212 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)03-1039-05
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)
Abstract: 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%.
Key words: photodiode array; small channel; gas-liquid two-phase flow; bubble
近年来，随着小型工业设备的迅速发展，小通道气液两相流广泛出现于能源、化工、生物制药等工业工程，对小通道气液两相流体系的研究越来越多。泡状流是小通道气液两相流中的一种典型流型，气泡的截面直径和截面中心点位置是泡状流的2个基本几何参数。气泡尺寸(气泡截面直径和截面中心点位置)和分布是研究气液两相流运动规律的重要参数，实现这2个参数的准确测量对小通道气液两相流系统流动特性的研究具有重要意义[1-7]。目前，常用的气泡尺寸检测方法主要有高速摄影法、基于探头或探针形式的侵入式测量法(包括光学探针和电导探针)等[8-13]。高速摄影法较为直观，能够获得较多的两相流信息，同时对于两相流体的流动无干扰，但是其价格昂贵且图像信息的分析和处理有着较高的复杂度、较大的计算量，因此在实际应用中具有一定的缺陷。基于探头或探针形式的侵入式测量法(包括光学探针和电导探针)简单易于实现，能够比较准确地获得流动信息，但是其属于局部测量，在信息获取方面则存在一定的局限性，并且探头或探针会对流场产生一定程度的干扰，长时间使用易使自身产生化学蚀变或表面黏附杂质[14-16]。同时，由于小通道尺寸的特殊性，使得小通道气液两相流的流动特性不同于常规管道中的气液两相流，适用于常规管道的气泡尺寸测量的传感器或检测方法难以直接用于小通道气液两相流气泡尺寸的测量，因此，针对小通道气液两相流气泡尺寸检测手段还有待进一步研究[16]。光电池作为一种非侵入式光学传感元件，具有结构简单、工作可靠、性能优良、成本低等特点。本文作者将光电池阵列引入小通道气液两相流参数检测，提出了一种气液两相流气泡尺寸检测新方法。研制一种12×6光电池阵列传感器，同时获得72个光强信号，信号经主成分分析后利用支持向量机(SVM)方法建立气泡尺寸测量模型，利用所建立的模型进行气泡截面直径和气泡截面中心点位置2个参数的测量。在内径为4.04 mm的水平玻璃管内进行气泡尺寸测量实验，验证了所提出方法的有效性。
1 光电池阵列传感器
本文所设计的光电池阵列传感器如图1所示，它由72个光电池传感单元组成，每个光电池传感单元的光电流为70 μA，暗电流仅为2 nA，将其排列成12×6阵列的形式，同时每个光电池传感单元连接1个简单的电流电压转换电路。各个光电池传感单元可根据接收到的不同强度的光强输出相应幅度的电压信号。当小通道内气液两相流中气泡尺寸和位置发生变化时，光电池阵列接收的光强分布也会发生相应变化。激光器与光电池阵列传感器分别放置在透明小管道两侧，由激光器产生片状激光照射水平透明小管道，光电池阵列传感器采集透射激光的光强分布信号，该信号能够反映透明水平管道内两相流系统的截面信息。
图1 12×6光电池阵列传感器
Fig. 1 12×6 photodiode array sensor
2 实验装置
气泡尺寸测量实验装置示意图如图2所示，主要包括气液两相流驱动部分、基于光电池阵列的小通道气液两相流参数测量系统和小通道气液两相流参数标定系统。两相流驱动部分用于产生不同气速和液速下的两相流体，该部分包括高压氮气罐、水罐、转子流量计(气体、液体)、混相器、压力传感器和温度传感器，实验中的液相介质为自来水，气相介质为氮气，通过控制两相介质的流量获得所需要的泡状流。基于光电池阵列的小通道气液两相流参数测量系统包括He-Ne激光器、扩束镜、狭缝、光电池阵列传感器、电流电压转换电路、数据采集模块(NI9205模块)以及微型计算机，激光器发射的激光经扩束镜和狭缝后成片状激光照射到待测管段，该部分装置用于采集透明小管道内泡状流的气泡尺寸信息，实验过程中信号采集频率为1 kHz。参数标定系统包括高速摄像机(IDT Redlake公司的MotionXtra N-4型)、频闪灯、计算机和浸没在甘油内的标定管段，将标定管段浸没在甘油内从而减小管壁引起的失真问题，该部分用于提供气泡尺寸测量的参考值。
图2 气泡尺寸测量实验装置
Fig. 2 Bubble size measurement experimental setup
3 测量模型的建立
气液两相流流经基于光电池阵列的参数测量系统，由光电池阵列传感器获得经片状激光照射的小通道内泡状流气泡截面的光强分布信号；同时高速摄像进行实时拍摄，获得小管道内部气液两相流泡状流图像，对获取的图像采用差影法去除背景，提取气泡边缘，获得二值图像，进一步计算获得气泡截面直径和气泡截面中心点位置2个参数，作为模型建立的参考值；利用所获得的光电池阵列传感器输出的电压信号，将其经主成分分析后利用支持向量机(SVM)方法分别建立气泡截面直径和气泡截面中心点位置的测量模型。
主成分分析是一种多元统计方法，它对原变量进行降维处理，从中提取出少数相互独立并且能保留原数据主要信息的新变量，利用这些新变量代替原变量作为信息的输入进行参数估计和模型建立。实验获得n组数据，每组数据包含有p(p=72)个光电池信号，获得的信号矩阵X如下：
(1)
将X经过线性变换，消除各个光电池在信号方面的相关性，重新组合成新的线性无关的变量如下式：
(2)
其中：矩阵W为式(1)的相关系数矩阵的特征值由大到小排序后所对应的单位特征向量构成的矩阵，
(3)
。
本文中选取Y的前4个主成分(t=1, 2, 3, 4)作为SVM方法建模的输入变量Y*。
经过特征提取之后的n组气泡截面直径的训练数据为
，其中，
为经主成分分析后的光电池信号，di为与之对应的气泡截面直径参考值，建立的气泡截面直径测量模型如下：
(4)
其中：
，
为拉格朗日乘子；b为偏移项； 
为核函数，参数，，b可以通过求解一个带约束的二次规划问题的最优解获得。在本文 中，核函数采用径向基核函数，
(
为核函数参数)。如上所述，n组气泡截面中心点位置的训练数据为
，其中，hi为与之对应的气泡截面中心点位置参考值，同时建立的气泡截面中心点位置的测量模型如下：
(5)
其中：
，
为拉格朗日乘子；
为偏移项。
4 实验结果
针对小通道气液两相流中常见的泡状流在内径为4.04 mm的水平玻璃管内进行气泡尺寸测量实验。当有气泡流经片状激光照射的管段时，气泡会对激光产生反射和折射，从而改变激光原本光路，使得光电池阵列传感器获得的光强分布信号发生变化。当有气泡流过时，光电池阵列传感器中5个不同位置的光电池传感单元获得的一组典型的电压信号如图3所示，由高速摄像拍摄的管道内泡状流流动图像如图4所示。
由图3可以看出：在光电池阵列传感器中不同位置的光电池传感单元在气泡流经激光照射管段时其输出的电压信号会产生不同程度的变化。每个光电池传感单元输出电压变化的幅度、位置及频率与小管道内的气泡截面直径、气泡截面中心点位置和气泡分布存在着密切的关系，因此利用光电池阵列传感器进行小通道气液两相流气泡截面直径和气泡截面中心点位置的测量是可行的。
图3 光电池传感单元电压信号
Fig. 3 Voltage signals of photodiode sensing elements
图4 泡状流拍摄图
Fig. 4 Photo of bubble flow
利用所获得的光电池阵列传感器电压信号结合建立的气泡尺寸测量模型，实验的测量结果如图5所示。由图5可知：本文所提出的基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸检测方法是可行的、有效的。实际测量结果与高速摄影法获得的参考值相比较，气泡截面中心点位置的最大相对误差小于8%，气泡中部截面直径的最大相对误差小于10%，但是在气泡头部与尾部处测量效果欠佳，还需进一步改善。
图5 内径为4.04 mm水平管道测量结果
Fig. 5 Experimental results of horizontal channel with inner diameter of 4.04 mm
5 结论
1) 提出了一种基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸检测方法。该方法利用光电池阵列传感器获得反映气液两相流中气泡截面信息的光强分布信号，对所获得的信号经主成分分析后利用SVM方法进行模型建立，最终获得气泡的截面直径和截面中心点位置2个参数。在内径为4.04 mm的水平玻璃管内进行了气泡尺寸测量实验来验证该方法的可行性及有效性。
2) 提出的气泡尺寸检测方法是有效的，气泡截面中心点位置测量的相对误差小于8%，同时气泡中部截面直径测量的相对误差小于10%。
3) 气液两相流流动特性复杂，在气泡头部及尾部处的气泡截面直径的测量效果还不令人满意，在进一步的研究中还需结合光学机理分析和现代信号处理方法改善气泡截面直径测量模型以提高测量精度。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2015-03-10；修回日期：2015-06-25
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61573312) (Project(61573312) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：冀海峰，博士，副教授，从事多相流检测技术方面的研究；E-mail: hfji@iipc.zju.edu.cn
摘要：提出一种基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸(气泡截面直径及其截面中心点位置)检测新方法。该方法先利用光电池阵列传感器获得反映小通道内气液两相流气泡截面信息的光强分布信号，然后利用主成分分析对信号降维，最后利用支持向量机(SVM)方法分别建立气泡截面直径和气泡截面中心点位置的测量模型，并进而实现气泡截面直径及其截面中心点位置2个参数的测量。在内径为4.04 mm的水平玻璃管内进行的初步实验研究结果表明本文所提出的基于光电池阵列的小通道气液两相流气泡尺寸检测方法是可行的、有效的。气泡截面中心点位置测量的最大相对误差小于8%，气泡中部截面直径测量的最大相对误差小于10%。
