两相流速度分布算法的研究

　　1　引　　言

　　在工业过程中,流量测量是一项重要研究内容。而对于大部分流量测量来讲,速度测量是必须的。对于下面三个领域来说,速度及其分布测量是非常重要的[1]:过程监测和过程控制;过程和设备的优化及流量的测量。

　　在速度分布测量中采用电容传感器时,通常采用相关方法进行速度分布测量。这种方法是通过在管道的轴向上安装两组传感器,然后利用图像重建算法对每一组传感器所在的截面进行成像。即通过某种成像方法求出两个管道截面上的每一个像素的灰度值。然后利用相关方法对两个管道截面上对应像素进行相关运算来得到对应像素的速度,从而求出整个管道截面　　上的速度分布[2]。由于相关方法测速要求在两个传感器之间管道内部流动的物体为“凝固流型”,流动要稳定,固相弥散度尽可能均匀。但是这常常不易做到,从而可能带来测量误差。为了改善以上方法的不足。这里提出一种基于神经网络、空间滤波和小波变换测量速度分布的方法。这种方法具有节约硬件成本、减少维修费用和降低对管道内部流体要求的特点。使小波变换来确定带宽,可以为速度测量提供科学的依据。

　　2　空间滤波和小波变换测速原理

　　下面先介绍一下电容传感器的空间滤波原理。在传输管道中电容传感器的工作原理是通过探测在两个极板之间所传送固体成份的介电常数变化来工作的。这些变动的频谱取决于流体的速度和所传输固体成份的分布。在应用电容动态测量时,电容传感器的静态电容被去掉;而通过测量电路来探测由于流体成份所造成的电容值的快速波动信号,这个快速波动信号被称之为“流体噪声”,此流体噪声是有一定带宽的[6]。假设流体颗粒以浓度脉冲ρ(s)形式变化,且以速度V在长度为L的两极板之间通过。那么电容的输出可以通过下式来描述:

　　通过理论研究发现在电容传感器中的电极对流量信号起到一个低通滤波器的作用。理论分析和实验结果都表明滤波信号的带宽f和电极的轴向宽度(L)及固体的平均速度(V)有如下关系[5～6]:

        因为2πf=ω=2π/τ;且τ=L/V所以有:

　　由于在实际应用中,如果粒子以一定的速度通过极板电容传感器,那么每个粒子在极板中形成电容信号的脉冲宽度是一样的。但是在一般情况下,由于通过的粒子是随机的,因此每个脉冲间隔不是固定不变的。而电容传感器的输出信号是连续变化的信号。此连续变化信号是一系列等宽度的脉冲信号的叠加。令f0(t)表示矩形单脉冲信号,其频谱为F0(ω)=EτSα(ωτ)/2]。因为连续变化信号f(t)可以写成: