基于光電池陣列的小通道氣液兩相流氣泡參數檢測方法

周瑩，李華軍，冀海峰，黃志堯，王保良，李海青

(浙江大學 控制科學與工程學院，工業控制技術國家重點實驗室，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檢測方法

周瑩，李華軍，冀海峰，黃志堯，王保良，李海青

(浙江大學 控制科學與工程學院，工業控制技術國家重點實驗室，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位置)檢測新方法。該方法先利用光電池陣列傳感器獲得反映小通道內氣液兩相流氣泡截面信息的光強分布信號，然后利用主成分分析對信號降維，最后利用支持向量機(SVM)方法分別建立氣泡截面直徑和氣泡截面中心點位置的測量模型，并進而實現氣泡截面直徑及其截面中心點位置2個參數的測量。在內徑為4.04 mm的水平玻璃管內進行的初步實驗研究結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方法是可行的、有效的。氣泡截面中心點位置測量的最大相對誤差小于8%，氣泡中部截面直徑測量的最大相對誤差小于10%。

光電池陣列；小通道；氣液兩相流；氣泡

近年來，隨著小型工業設備的迅速發展，小通道氣液兩相流廣泛出現于能源、化工、生物制藥等工業工程，對小通道氣液兩相流體系的研究越來越多。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位置是泡狀流的2個基本幾何參數。氣泡尺寸(氣泡截面直徑和截面中心點位置)和分布是研究氣液兩相流運動規律的重要參數，實現這2個參數的準確測量對小通道氣液兩相流系統流動特性的研究具有重要意義[1?7]。目前，常用的氣泡尺寸檢測方法主要有高速攝影法、基于探頭或探針形式的侵入式測量法(包括光學探針和電導探針)等[8?13]。高速攝影法較為直觀，能夠獲得較多的兩相流信息，同時對于兩相流體的流動無干擾，但是其價格昂貴且圖像信息的分析和處理有著較高的復雜度、較大的計算量，因此在實際應用中具有一定的缺陷。基于探頭或探針形式的侵入式測量法(包括光學探針和電導探針)簡單易于實現，能夠比較準確地獲得流動信息，但是其屬于局部測量，在信息獲取方面則存在一定的局限性，并且探頭或探針會對流場產生一定程度的干擾，長時間使用易使自身產生化學蝕變或表面黏附雜質[14?16]。同時，由于小通道尺寸的特殊性，使得小通道氣液兩相流的流動特性不同于常規管道中的氣液兩相流，適用于常規管道的氣泡尺寸測量的傳感器或檢測方法難以直接用于小通道氣液兩相流氣泡尺寸的測量，因此，針對小通道氣液兩相流氣泡尺寸檢測手段還有待進一步研究[16]。光電池作為一種非侵入式光學傳感元件，具有結構簡單、工作可靠、性能優良、成本低等特點。本文作者將光電池陣列引入小通道氣液兩相流參數檢測，提出了一種氣液兩相流氣泡尺寸檢測新方法。研制一種12×6光電池陣列傳感器，同時獲得72個光強信號，信號經主成分分析后利用支持向量機(SVM)方法建立氣泡尺寸測量模型，利用所建立的模型進行氣泡截面直徑和氣泡截面中心點位置2個參數的測量。在內徑為4.04 mm的水平玻璃管內進行氣泡尺寸測量實驗，驗證了所提出方法的有效性。

1　光電池陣列傳感器

本文所設計的光電池陣列傳感器如圖1所示，它由72個光電池傳感單元組成，每個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，同時每個光電池傳感單元連接1個簡單的電流電壓轉換電路。各個光電池傳感單元可根據接收到的不同強度的光強輸出相應幅度的電壓信號。當小通道內氣液兩相流中氣泡尺寸和位置發生變化時，光電池陣列接收的光強分布也會發生相應變化。激光器與光電池陣列傳感器分別放置在透明小管道兩側，由激光器產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分布信號，該信號能夠反映透明水平管道內兩相流系統的截面信息。

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

2　實驗裝置

圖2　氣泡尺寸測量實驗裝置Fig. 2 Bubble size measurement experimental setup

氣泡尺寸測量實驗裝置示意圖如圖2所示，主要包括氣液兩相流驅動部分、基于光電池陣列的小通道氣液兩相流參數測量系統和小通道氣液兩相流參數標定系統。兩相流驅動部分用于產生不同氣速和液速下的兩相流體，該部分包括高壓氮氣罐、水罐、轉子流量計(氣體、液體)、混相器、壓力傳感器和溫度傳感器，實驗中的液相介質為自來水，氣相介質為氮氣，通過控制兩相介質的流量獲得所需要的泡狀流。基于光電池陣列的小通道氣液兩相流參數測量系統包括He-Ne激光器、擴束鏡、狹縫、光電池陣列傳感器、電流電壓轉換電路、數據采集模塊(NI9205模塊)以及微型計算機，激光器發射的激光經擴束鏡和狹縫后成片狀激光照射到待測管段，該部分裝置用于采集透明小管道內泡狀流的氣泡尺寸信息，實驗過程中信號采集頻率為1 kHz。參數標定系統包括高速攝像機(IDT Redlake公司的MotionXtra N-4型)、頻閃燈、計算機和浸沒在甘油內的標定管段，將標定管段浸沒在甘油內從而減小管壁引起的失真問題，該部分用于提供氣泡尺寸測量的參考值。

3　測量模型的建立

氣液兩相流流經基于光電池陣列的參數測量系統，由光電池陣列傳感器獲得經片狀激光照射的小通道內泡狀流氣泡截面的光強分布信號；同時高速攝像進行實時拍攝，獲得小管道內部氣液兩相流泡狀流圖像，對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，進一步計算獲得氣泡截面直徑和氣泡截面中心點位置2個參數，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，將其經主成分分析后利用支持向量機(SVM)方法分別建立氣泡截面直徑和氣泡截面中心點位置的測量模型。

主成分分析是一種多元統計方法，它對原變量進行降維處理，從中提取出少數相互獨立并且能保留原數據主要信息的新變量，利用這些新變量代替原變量作為信息的輸入進行參數估計和模型建立。實驗獲得n組數據，每組數據包含有p(p=72)個光電池信號，獲得的信號矩陣X如下：

將X經過線性變換，消除各個光電池在信號方面的相關性，重新組合成新的線性無關的變量如下式：

其中：矩陣W為式(1)的相關系數矩陣的特征值由大到小排序后所對應的單位特征向量構成的矩陣，

Wt=[w1t,w2t,L,wpt]T。

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

4　實驗結果

針對小通道氣液兩相流中常見的泡狀流在內徑為4.04 mm的水平玻璃管內進行氣泡尺寸測量實驗。當有氣泡流經片狀激光照射的管段時，氣泡會對激光產生反射和折射，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分布信號發生變化。當有氣泡流過時，光電池陣列傳感器中5個不同位置的光電池傳感單元獲得的一組典型的電壓信號如圖3所示，由高速攝像拍攝的管道內泡狀流流動圖像如圖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激光照射管段時其輸出的電壓信號會產生不同程度的變化。每個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的氣泡截面直徑、氣泡截面中心點位置和氣泡分布存在著密切的關系，因此利用光電池陣列傳感器進行小通道氣液兩相流氣泡截面直徑和氣泡截面中心點位置的測量是可行的。

利用所獲得的光電池陣列傳感器電壓信號結合建立的氣泡尺寸測量模型，實驗的測量結果如圖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方法是可行的、有效的。實際測量結果與高速攝影法獲得的參考值相比較，氣泡截面中心點位置的最大相對誤差小于8%，氣泡中部截面直徑的最大相對誤差小于10%，但是在氣泡頭部與尾部處測量效果欠佳，還需進一步改善。

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

圖4　泡狀流拍攝圖Fig. 4 Photo of bubble flow

圖5　內徑為4.04 mm水平管道測量結果Fig. 5 Experimental results of horizontal channel with inner diameter of 4.04 mm

5　結論

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分布信號，對所獲得的信號經主成分分析后利用SVM方法進行模型建立，最終獲得氣泡的截面直徑和截面中心點位置2個參數。在內徑為4.04 mm的水平玻璃管內進行了氣泡尺寸測量實驗來驗證該方法的可行性及有效性。

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

3) 氣液兩相流流動特性復雜，在氣泡頭部及尾部處的氣泡截面直徑的測量效果還不令人滿意，在進一步的研究中還需結合光學機理分析和現代信號處理方法改善氣泡截面直徑測量模型以提高測量精度。

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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

國家自然科學基金資助項目(61573312) (Project(61573312) supported by the National Natural Science Foundation of China)

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