一种基于FPC液膜传感器的分离管段液膜流速测量系统

一种基于fpc液膜传感器的分离管段液膜流速测量系统
技术领域
1.本发明涉及一种基于fpc液膜传感器的分离器管段液体薄膜流速测量系统，属于凝结分离测量技术。


背景技术：

2.超音速分离技术因其快捷，能耗低，可实现无人值守等优点，广泛的被应用的天然气运输、气体燃料的供应等领域，分离器的分离情况直接影响燃料、气体的运输效率、安全系数等因素，因此对超音速的分离情况进行研究是十分有必要的。


技术实现要素：

3.本发明的目的是设计一种分离器管段液体薄膜流速测量系统，能够在超音速分离器工作状态中，通过信号激励模块、信号采集模块、fpc液膜传感器等采集到超音速分离器分离段的液膜波动信号，计算出超音速分离器分离段的液膜流动速度，判断超音速分离器内部的液体流动状态。其技术方案如下：
4.一种基于fpc液膜传感器的分离管段液膜流速测量系统，包括与超音速分离器的分离管段相连的测量管段，fpc液膜传感器，信号激励模块，信号采集模块，通信设备和上位机，其特征在于，fpc液膜传感器平滑嵌入在测量管段的内壁上，fpc液膜传感器的电极为呈九宫格分布的9个电极，位于中心和四个顶点的电极为接地电极，根据超音速分离器的旋流方向，确定位于上游的激励电极和接收电极以及位于下游的激励电极和接收电极；信号激励模块产生的两组相同频率激励信号分别接到位于上游的激励电极和位于下游的激励电极上，信号接收模块所接收的上游液膜信号和下游液膜信号通过通信设备被送入上位机；上位机对两组液膜信号进行滤波处理，通过互相关算法求取上下游同波动液体薄膜之间的延时信息，计算出超音速分离器分离段的液膜流动速度。
5.进一步地，对两组液膜信号进行滤波处理的方法为：使用小波降噪方式对两组液膜信号进行预处理，将原始信号分解为高频信号和低频信号，分别去噪后再进行重构。
6.通过此技术设计出的基于fpc液膜传感器的超音速分离器分离段液体薄膜流速测量系统，具有更加显著的优点：
7.1、更强的普适性、硬件的特殊设计和结构，在相对复杂的气液分离情况下仍可计算互相关速度；
8.2、智能程度提高、基于fpga的信号激励及采集系统、串口通信技术以及上位机中的智能处理算法有效的提高了智能性。
9.3、准确性增加、通过小波降噪处理fpc液膜传感器采集到的电信号进行处理，能有效提高计算结果的精度。
附图说明
10.图1为超音速分离器结构图
11.标号说明：1、超音速分离器入口；2、旋流叶片；3、气液两相分离段；4、干气出口段；5、分离管段；6、测量管段；
12.图2为超音速分离器分离段液膜流速测量流程图
13.图3为液膜信号小波降噪流程
14.图4为fpc液膜传感器电极分布和互相关延时计算过程
15.标号说明：1、超音速分离器入口；2、旋流叶片；3、气液两相分离段；4、干气出口段；5、分离管段；6、测量管段
具体实施方式
16.为进一步阐述本专利所设计的特征，操作流程以及具体的优势、性能等，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
17.图1描述了超音速分离器的结构图，主要包括超音速分离器入口、旋流叶片、气液分离段、干气出口段、分离段、测量段几部分组成，在分离过程中，两相气体以高速流入超音速分离器，经过旋流叶片后液相在高速旋流离心力的作用下，凝结成液滴并被甩至管壁，形成液膜。液膜随着高速气流继续运动，到达气液分离段后液膜开始与气相分离并进入分离管段，分离段连接测量管段，在旋流的作用下，液膜以旋流的方式流出测量管段。测量管段内表面光滑地嵌入安装了fpc液膜传感器，用于测量的液膜波动。
18.图2描述了分离器管段液膜流速测量流程图，能够在超音速分离器复杂的工作状态中，通过信号激励模块、信号采集模块、fpc液膜传感器等采集到超音速分离器分离段的液膜波动信号，检测到信号后，将信号传输至上位机。后使用小波降噪对原始信号进行降噪处理，通过互相关分析方法，计算出传感器上下游之间的流速，进而判断超音速分离器内部的液体流动状态，对判断超音速分离器的分离状况具有一定的意义。
19.信号激励模块基于fpga搭建，fpga提供两路频率为10khz的方波激励信号，通过高速屏蔽线传送至fpc液膜传感器的阵列电极中的激励电极端，电信号在经过波动的液膜后，将不同幅值大小的电波动信号在fpc液膜传感器接收电极端输出，最终由信号采集模块采集并通过串口通信技术将采集到的数据传送至上位机。
20.图3描述了液膜信号小波降噪流程，小波降噪是在傅里叶变换的基础上，继承了短时傅里叶变化的思想发展出来的数学方法，在工程的处理中有着广泛的应用。小波降噪处理能够增加互相关延时计算的精确度。fpc液膜传感器采集到测试管段的上下游液膜厚度信号，对信号做高通、低通滤波处理，分别滤除原始信号里的高频、低频噪声，滤除与液膜信息无关的电磁信号等噪声信号。
21.小波降噪的过程为，首先对原始液膜信号进行离散小波变换，采用母小波函数ψ(t)进行尺度变换和平移处理，设a为降噪尺度参数，b为降噪平移参数，则a与b的离散化公式可以写为其中j∈z。具体可参见西安电子科技大学出版社2010出版的周伟所著图书：基于matlab的小波分析应用。离散小波函数可以写为：
[0022][0023]
设液膜厚度信号为f(t)，则液膜厚度信号的小波变换系数为：
[0024]cj,k
＝∫rf(t)ψ
j,k
(t)d(t)＝《f,ψ
j,k
(t)》#(2)
[0025]
在对高频信号进行处理的时候，涉及到作用阈值选取的问题，需要设置一个临界阈值t与小波系数进行比较，若小波系数大于阈值t，则认为是由有效信号产生的，将其保留作为液膜厚度信号，小于阈值t则认为是由噪声信号产生的，将其进行置零处理，因此这个临界阈值t的设定决定了小波降噪后的信号是否能够有效滤除噪声并将液膜厚度信号保存下来。具体参见：单锐等的论文(一种改进的小波阈值去噪算法[j].兰州理工大学学报,2014,40(04):101-104.)
[0026]
本发明采用自适应方法对原始信号进行阈值设定得出自适应阈值函数：
[0027][0028]
式中，σ是噪声标准差，n为信号长度，j为小波降噪分解层数。通过改变参数可以调节小波变换的视频分辨率，一般噪声信号表现为高频时间段，有效信号表现为低频时间长。为了能够将原始信号完整的还原，需要对小波变化处理后的信号进行逆变换，也称之为小波重构，重构公式为：
[0029]
f(t)＝c∑c
j,k
ψ
j,k
(t)#(4)
[0030]
其中f(t)是重构后的信号，也就是我们进行互相关算法处理的信号，c是一个与信号无关的常数。为了降低噪声频谱能量及频谱泄露的影响，提出了基于小波降噪的时频信号互相关算法：
[0031]
1、利用上述中提到的小波降噪方法获取超音速分离器测试管段的上下游液膜厚度信号s
x
(t)、sy(t)。
[0032]
2、使用互相关算法处理上下游液膜信号，分析渡越时间τ，计算出其互相关速度大小，互相关算法的计算公式为：
[0033][0034]
式中，r(τ)式最大峰值处所对应的互相关系数大小，τ为对应的渡越时间，m为信号采样长度，t为互相关系数分析点所在的位置点数，通过互相关速度计算公式即可计算出互相关速度：
[0035][0036]
图4所描述的fpc液膜传感器电极分布，fpc液膜传感器的电极为呈九宫格分布的9个电极，位于中心和四个顶点的电极为接地电极，根据超音速分离器的旋流方向，确定位于上游的激励电极和接收电极以及位于下游的激励电极和接收电极。图中，ti为激励电极，ri为接收电极，g为接地电极，fpc选用130mm的聚酰亚胺作为基材，电极、焊盘及导线选用延压铜，能够减小弯曲引起的形变。铜箔层厚度设计为35um，线宽设置为0.2mm满足线路电流承载能力。在测量的过程中，激励、接收电极需要和液膜直接接触，为了避免电极电解氧化，涉及传感器的过程中需要利用沉金工艺在电极表面覆盖0.025um的金层保护，能够有效防止电极氧化电解，同时保持良好的导电性。电极的尺寸参数经优化设计能够测量10um-1000um范围内液膜厚度。图4中的r1采集到的液膜信号为上游信号，r2采集到的液膜信号为下游信
号，图4右图为互相关算法的分析结果。
[0037]
上述的一种基于fpc液膜传感器的分离器管段液体薄膜流速测量系统，包括fpc液膜传感器、超音速分离器、嵌有fpc液膜传感器的测量管道、作为信号激励模块的fpga方波信号发生单元、作为信号采集模块的fpga方波信号接收单元、串口通信设备、上位机；具体的连接方式为：fpga激励系统连接至fpc液膜传感器，fpc液膜传感器连接至fpga接收系统，并通过串口传输方式将信号传输至上位机存储。液膜数据储存至上位机后，对液膜信号进行滤波处理，后通过小波降噪对信号进行降噪处理，通过互相关算法求取fpc上下游同波动液体薄膜之间的延时信息，计算出超音速分离器分离段的液膜流动速度。
[0038]
综上，该方法能够通过fpc液膜传感器，结合改进的互相关算法，准确的测量出超音速分离器分离段的液膜流动速度。上述具体实施方式对此发明进行了详细的描述，且不仅仅局限于上述方式。对于本领域的一般技术人员，依据上述发明原理对此方法的改进、代替、使用等都在本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种基于fpc液膜传感器的分离管段液膜流速测量系统，包括与超音速分离器的分离管段相连的测量管段，fpc液膜传感器，信号激励模块，信号采集模块，通信设备和上位机，其特征在于，fpc液膜传感器平滑嵌入在测量管段的内壁上，fpc液膜传感器的电极为呈九宫格分布的9个电极，位于中心和四个顶点的电极为接地电极；根据超音速分离器的旋流方向，确定位于上游的激励电极和接收电极以及位于下游的激励电极和接收电极；信号激励模块产生的两组相同频率激励信号分别接到位于上游的激励电极和位于下游的激励电极上，信号接收模块所接收的上游液膜信号和下游液膜信号通过通信设备被送入上位机；上位机对两组液膜信号进行滤波处理，通过互相关算法求取上下游同波动液体薄膜之间的延时信息，计算出超音速分离器分离段的液膜流动速度。2.根据权利要求1所述的分离管段液膜流速测量系统，其特征在于，对两组液膜信号进行滤波处理的方法为：使用小波降噪方式对两组液膜信号进行预处理，将原始信号分解为高频信号和低频信号，分别去噪后再进行重构。

技术总结
本发明涉及一种基于FPC液膜传感器的分离管段液膜流速测量系统，包括与超音速分离器的分离管段相连的测量管段，FPC液膜传感器，信号激励模块，信号采集模块，通信设备和上位机。FPC液膜传感器平滑嵌入在测量管段的内壁上，FPC液膜传感器的电极为呈九宫格分布的9个电极，位于中心和四个顶点的电极为接地电极；根据超音速分离器的旋流方向，确定位于上游的激励电极和接收电极以及位于下游的激励电极和接收电极；信号激励模块产生的两组相同频率激励信号分别接到位于上游的激励电极和位于下游的激励电极上，信号接收模块所接收的上游液膜信号和下游液膜信号通过通信设备被送入上位机；上位机对两组液膜信号进行滤波处理，通过互相关算法求取上下游同波动液体薄膜之间的延时信息，计算出超音速分离器分离段的液膜流动速度。流动速度。流动速度。


技术研发人员：丁红兵 陈政奇 孙宏军 张雨
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/10/15