本發(fā)明是一種流態(tài)監(jiān)測方法和裝置，適用于水力機(jī)械內(nèi)氣泡的診斷，特指采用主動(dòng)超聲技術(shù)對水力機(jī)械發(fā)生空化或存在氣液兩相流時(shí)的監(jiān)測方法和裝置。

背景技術(shù)：

水力機(jī)械是關(guān)系國計(jì)民生以及國家安全的戰(zhàn)略裝備，作為重要的能量轉(zhuǎn)換裝置，水力機(jī)械廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，不僅是水電站和泵站的核心設(shè)備，也是火電和核電的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)也在潛艇、艦船、航空航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。為了滿足國家安全和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需求，水力機(jī)械向大型化、高速化、大功率和高性能方向發(fā)展，對水力機(jī)械的節(jié)能減排和安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了越來越高的要求?？栈侵敢后w內(nèi)局部壓力降低時(shí)，液體內(nèi)部或液固交界面上蒸氣或氣體的空穴(空泡)的形成、發(fā)展和潰滅的過程，隨著水力機(jī)械向高速化方向發(fā)展，其空化問題顯得尤為突出。流體輸送過程中管路破損會(huì)造成水力機(jī)械在氣液兩相流條件下運(yùn)行?？栈蜌庖簝上嗔鳁l件下均會(huì)存在氣泡，導(dǎo)致水力機(jī)械流量和壓力的振蕩，并影響管路系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性甚至造成結(jié)構(gòu)破壞，同時(shí)產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲。因此，對水力機(jī)械空化和氣液兩相流狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測至關(guān)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(dòng)和聲學(xué)信號進(jìn)行狀態(tài)識別法。能量法是通過測量水力機(jī)械性能，但該方法不能直接確切監(jiān)測到空化和氣液兩相流的出現(xiàn)，當(dāng)性能惡化時(shí)，空化或者液體含氣率程度已經(jīng)很嚴(yán)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(jié)構(gòu)的限制，該種方法很難在工程中應(yīng)用。申請?zhí)枮?01610144665.9的發(fā)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(jiān)測壓力脈動(dòng)的方法對空化狀態(tài)進(jìn)行識別，但該方法對離心泵流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了破壞，其它偶然因素也可能引起脈動(dòng)信號的變化，造成誤報(bào)。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(fā)展階段和不同含氣率條件下引起的流態(tài)特性并非線性變化，流態(tài)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(jī)械空化和氣液兩相流狀態(tài)進(jìn)行識別，是亟待解決的問題。

經(jīng)檢索，關(guān)于水力機(jī)械空化與氣液兩相流監(jiān)測時(shí)本發(fā)明所采用的基于主動(dòng)超聲技術(shù)和支持向量機(jī)流態(tài)識別監(jiān)測方法和裝置沒有相關(guān)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種水力機(jī)械空化與氣液兩相流監(jiān)測方法和裝置，為水力機(jī)械空化與存在氣液兩相流時(shí)提供一種非接觸式監(jiān)測技術(shù)，以解決傳統(tǒng)監(jiān)測方法和裝置易受干擾以及較難安裝等難題，為水力機(jī)械系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供保障。

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明基于主動(dòng)超聲技術(shù)、數(shù)字信號解調(diào)技術(shù)和支持向量機(jī)識別技術(shù)的非接觸式測量技術(shù)方法和裝置，具體技術(shù)方案如下：

一種水力機(jī)械空化與氣液兩相流監(jiān)測方法，其特征在于：采用發(fā)射超聲載波的方法完成對流場的實(shí)時(shí)監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生空化或存在氣液兩相流時(shí)流場必然存在氣泡而影響流體的流動(dòng)，該信息將調(diào)制到超聲載波上；通過對信號峭度的解調(diào)，進(jìn)而進(jìn)行特征分析、特征提取和特征選擇，最終基于支持向量機(jī)識別技術(shù)建立流態(tài)分類器完成流態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)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(jī)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(fā)射超聲載波，而空化或存在氣液兩相流時(shí)流場必然存在氣泡，同時(shí)會(huì)對流體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(shù)據(jù)處理軟件平臺采用支持向量機(jī)(svm)方法對無空化、空化發(fā)展的不同階段、不同進(jìn)口含氣率時(shí)流場反應(yīng)出的超聲載波信號進(jìn)行解調(diào)，通過分類器的訓(xùn)練過程建立各種存在空化或氣液兩相流現(xiàn)象的流態(tài)分類器；

步驟三，進(jìn)行信號的采集：利用數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件編寫程序?qū)Σ煌鲬B(tài)下的超聲載波信號進(jìn)行高速連續(xù)采集，目的是為了利用水力機(jī)械不同運(yùn)行工況下超聲載波信號進(jìn)行分析分析；

步驟四，數(shù)據(jù)分析：通過數(shù)據(jù)處理軟件平臺編寫程序完成對采集信號的幅度解調(diào)，并根據(jù)建立的不同空化或氣液兩相流現(xiàn)象時(shí)的流態(tài)分類器對實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分類，完成對其流動(dòng)狀態(tài)的判斷，輸出監(jiān)測結(jié)果。

所述數(shù)據(jù)處理軟件是指matlab、mathmatica或fortran，可通過編程語言對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的軟件。

所述數(shù)據(jù)采集卡和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件是指ni的聲學(xué)采集卡和labview軟件、lms數(shù)據(jù)采集前端和終端以及其他廠家生產(chǎn)的能對超聲載波數(shù)字信號進(jìn)行采集的任何一種設(shè)備。

一種水力機(jī)械空化與氣液兩相流監(jiān)測裝置，其特征在于包括：超聲換能器(1)、聲學(xué)采集卡(2)、計(jì)算機(jī)(3)、信號采集系統(tǒng)(4)和信號分析系統(tǒng)(5)；所述超聲換能器(1)安放在水力機(jī)械出口，并與管道兩接觸面保持平行；所述聲學(xué)采集卡(2)與超聲換能器(1)和計(jì)算機(jī)(3)相連接，通過裝在計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集程序完成不同流態(tài)下超聲載波信號的連續(xù)高速采集并直接在數(shù)據(jù)處理程序中進(jìn)行狀態(tài)識別。

本發(fā)明具有的有益效果：本發(fā)明通過采用超聲透射技術(shù)方案，使得不同空化或氣液兩相流狀態(tài)下的流場信息轉(zhuǎn)化為可識別的數(shù)字信號；通過采用支持向量機(jī)的模式識別技術(shù)方案，使得對水力機(jī)械內(nèi)部流場的不同空化發(fā)展階段和不同氣液兩相流流型進(jìn)行自動(dòng)判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。本發(fā)明所述的方法和裝置在水力機(jī)械空化或氣液兩相流條件下流態(tài)監(jiān)測方面具有拆卸方便、非介入安裝對系統(tǒng)運(yùn)行的干擾小、信號抗干擾能力強(qiáng)以及對流動(dòng)狀態(tài)判斷準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1：本發(fā)明的水力機(jī)械空化與氣液兩相流監(jiān)測流程圖

圖2：待測離心泵氣液兩相流狀態(tài)監(jiān)測試驗(yàn)臺

圖3：超聲換能器安裝位置

圖4：數(shù)據(jù)解調(diào)算法設(shè)計(jì)原理圖

圖中：1.超聲換能器；2.采集卡；3.計(jì)算機(jī)；4.數(shù)據(jù)采集軟件；5.數(shù)據(jù)分析軟件；6.離心泵；7.出口閥；8.水罐；9.真空泵；10.進(jìn)口球閥；11.水流量計(jì)；12.壓縮機(jī)；13.氣體流量控制器；14.單向閥；15.氣液混合器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方式做進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，首先在待測水力機(jī)械出口安裝超聲換能器，并搭建數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)處理平臺，采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，然后基于支持向量機(jī)模式識別提取分類特征并根據(jù)分類器進(jìn)行流態(tài)判別，最后輸出流態(tài)監(jiān)測結(jié)果是屬于哪種含氣率區(qū)間。

如圖2所示，監(jiān)測前進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，包括超聲換能器1、采集卡2、計(jì)算機(jī)3、數(shù)據(jù)采集軟件4、數(shù)據(jù)分析軟件5形成的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，并通過離心泵6、出口閥7、水罐8、真空泵9、進(jìn)口球閥10、水流量計(jì)11、壓縮機(jī)12、氣體流量控制器13、單向閥14、氣液混合器15以及相關(guān)管路一起組成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。通過真空泵抽真空來模擬離心泵的不同空化發(fā)展階段，形成空化流態(tài)部分的樣本。通過壓縮機(jī)往水循環(huán)系統(tǒng)注入氣體的方式來模擬不同含氣率下的離心泵氣液兩相流現(xiàn)象，形成氣液兩相流條件下流態(tài)部分的樣本。

如圖3所示，超聲換能器安裝在離心泵出口管道，與管道的兩端面平行。

如圖4所示，通過對離心泵在不同空化和氣液兩相流現(xiàn)象下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集形成的樣本進(jìn)行處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)解調(diào)，基于支持向量機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練、特征提取、特征選擇，形成特征分類表和流態(tài)分類器。