[發明專利]一種水力機械空化與氣液兩相流監測方法和裝置

在審

• 申請號: 201710216613.2
• 申請日: 2017-04-05
• 公開（公告）號: CN106990166A
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發明（設計）人: 司喬瑞;盛國臣;袁壽其;唐苑峰;崔強磊
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: G01N29/02
• 分類號: G01N29/02
• 代理公司: 江蘇縱聯律師事務所32253
• 代理人: 蔡棟

技術領域

本發明是一種流態監測方法和裝置，適用于水力機械內氣泡的診斷，特指采用主動超聲技術對水力機械發生空化或存在氣液兩相流時的監測方法和裝置。

背景技術

水力機械是關系國計民生以及國家安全的戰略裝備，作為重要的能量轉換裝置，水力機械廣泛應用于國民經濟的各個部門，不僅是水電站和泵站的核心設備，也是火電和核電的關鍵設備，同時也在潛艇、艦船、航空航天等尖端技術領域有廣泛應用。為了滿足國家安全和國民經濟建設發展的需求，水力機械向大型化、高速化、大功率和高性能方向發展，對水力機械的節能減排和安全穩定運行提出了越來越高的要求。空化是指液體內局部壓力降低時，液體內部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發展和潰滅的過程，隨著水力機械向高速化方向發展，其空化問題顯得尤為突出。流體輸送過程中管路破損會造成水力機械在氣液兩相流條件下運行。空化和氣液兩相流條件下均會存在氣泡，導致水力機械流量和壓力的振蕩，并影響管路系統的運行穩定性甚至造成結構破壞，同時產生較大的振動噪聲。因此，對水力機械空化和氣液兩相流狀態進行及時監測至關重要。常用的檢測方法有能量法、高速攝影法、閃頻觀測法以及基于壓力、振動和聲學信號進行狀態識別法。能量法是通過測量水力機械性能，但該方法不能直接確切監測到空化和氣液兩相流的出現，當性能惡化時，空化或者液體含氣率程度已經很嚴重了。高速攝影法、閃頻觀測法是指采用可視化的手段觀測葉片表面是否有氣泡附著的方法，但是由于結構的限制，該種方法很難在工程中應用。申請號為201610144665.9的發明專利公布了一種帶壓力傳感器及安裝基座的加力離心泵，采用監測壓力脈動的方法對空化狀態進行識別，但該方法對離心泵流道結構進行了破壞，其它偶然因素也可能引起脈動信號的變化，造成誤報。其它使用傳感器的方法均存在一定程度的安裝和信號干擾問題，并且各空化發展階段和不同含氣率條件下引起的流態特性并非線性變化，流態識別較難。因此，如何快速、便利、可靠的利用各種物理變量對水力機械空化和氣液兩相流狀態進行識別，是亟待解決的問題。

經檢索，關于水力機械空化與氣液兩相流監測時本發明所采用的基于主動超聲技術和支持向量機流態識別監測方法和裝置沒有相關報道。

發明內容

本發明的目的在于提供一種水力機械空化與氣液兩相流監測方法和裝置，為水力機械空化與存在氣液兩相流時提供一種非接觸式監測技術，以解決傳統監測方法和裝置易受干擾以及較難安裝等難題，為水力機械系統的可靠運行提供保障。

為了解決以上技術問題，本發明基于主動超聲技術、數字信號解調技術和支持向量機識別技術的非接觸式測量技術方法和裝置，具體技術方案如下：

一種水力機械空化與氣液兩相流監測方法，其特征在于：采用發射超聲載波的方法完成對流場的實時監測，當發生空化或存在氣液兩相流時流場必然存在氣泡而影響流體的流動，該信息將調制到超聲載波上；通過對信號峭度的解調，進而進行特征分析、特征提取和特征選擇，最終基于支持向量機識別技術建立流態分類器完成流態的實時監測，具體包括以下步驟：

步驟一，放置超聲換能器：采用非介入方式將超聲換能器安裝在水力機械的出口，換能器與出口管道兩接觸面保持平行，目的是為了采用發射超聲載波，而空化或存在氣液兩相流時流場必然存在氣泡，同時會對流體運動產生影響，該信息可反映在超聲載波上；

步驟二，建立分類器：基于數據處理軟件平臺采用支持向量機(SVM)方法對無空化、空化發展的不同階段、不同進口含氣率時流場反應出的超聲載波信號進行解調，通過分類器的訓練過程建立各種存在空化或氣液兩相流現象的流態分類器；

步驟三，進行信號的采集：利用數據采集卡和相應的數據采集軟件編寫程序對不同流態下的超聲載波信號進行高速連續采集，目的是為了利用水力機械不同運行工況下超聲載波信號進行分析分析；

步驟四，數據分析：通過數據處理軟件平臺編寫程序完成對采集信號的幅度解調，并根據建立的不同空化或氣液兩相流現象時的流態分類器對實時采集的數據樣本進行分類，完成對其流動狀態的判斷，輸出監測結果。

所述數據處理軟件是指Matlab、Mathmatica或Fortran，可通過編程語言對信號數據進行處理的軟件。

所述數據采集卡和相應的數據采集軟件是指NI的聲學采集卡和Labview軟件、LMS數據采集前端和終端以及其他廠家生產的能對超聲載波數字信號進行采集的任何一種設備。