基于頻率復雜網絡的垂直油水相含率測量及驗證方法
【專利摘要】一種基于頻率復雜網絡的垂直油水相含率測量及驗證方法：構建頻率復雜網絡；進行垂直油水兩相流參數測量信息計算；繪制平均頻率聚集系數、平均頻率介數和傳遞性與含油率線性關系測量圖版，實現對垂直油水兩相流含油率的測量；根據所繪的測量圖版，分析平均頻率聚集系數、平均頻率介數和傳遞性與流型演化動力學關系，揭示垂直油水兩相流流型演化動力學機制。驗證方法是采用多電極分布式電導傳感器進行驗證。本發明對兩相流多電極分布式電導傳感器測量信號進行信息融合；多元時間序列頻率復雜網絡信息融合方法可有效辨識不同油水兩相流流型；基于多電極分布式電導傳感器的多元時間序列頻率復雜網絡信息融合方法可獲得很好的相含率測量效果。
【專利說明】基于頻率復雜網絡的垂直油水相含率測量及驗證方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種兩相流測量信息融合方法。特別是涉及一種針對垂直油水兩相流 多電極分布式電導傳感器測量信號的基于頻率復雜網絡的垂直油水相含率測量及驗證方 法。
【背景技術】
[0002] 兩相流現象廣泛存在于石油工程、化學工程、核工程和航空與航天工程等傳統工 業和新興工業領域中。油水兩相流中，兩相界面分布呈不同的幾何形狀或流動結構，稱為兩 相流流型。流型是影響流動參數準確測量的重要因素，油水兩相流流型復雜多變，其流型生 成演化動力學機制異常復雜，導致兩相流參數測量十分困難。分相截面含率（相含率）是 兩相流工業應用系統中一個重要的參數，它的精確測量對于生產過程的計量、控制和運行 可靠性都具有重要的意義。兩相流相含率測量技術主要包括電導法、電容法、光學法和射線 法等。由于電導傳感器具有原理清晰、結構簡單、響應穩定等諸多優點，已廣泛地應用于多 相流參數測量中。兩相流分布式傳感器是由安裝在測量管道上的多對測量電極組成，其可 有效測取局部流動結構信息，分布式傳感器多元測量信號不僅包含油相含率信息，同時還 蘊含著豐富的流型演化非線性動力學信息。
[0003] 復雜網絡理論屬當今世界交叉學科前沿研究領域。近年來，基于觀測數據的復雜 網絡建模研究得到了來自不同學科領域學者們的廣泛關注，研究表明復雜網絡理論不僅可 以用于挖掘包含在非線性時間序列中的重要信息，同時也可用于研究理論模型所不能精確 描述的復雜非線性動力學系統。一元時間序列復雜網絡研究已取得較大進展，但多元時間 序列復雜網絡研究理論仍相當有限，在非腦電信號分析領域的應用上存在較大局限性。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種基于頻率復雜網絡的垂直油水相含率測 量及驗證方法，通過頻率復雜網絡對多元信息進行融合，在不同頻率下研究網絡社團結構 與不同流型局部流動結構之間的內在對應關系實現對不同流型的辨識。提取與含油率具有 線性關系的網絡指標并進行歸一化處理，繪制含油率線性關系測量圖版，實現對垂直油水 兩相流含油率的測量。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：一種基于頻率復雜網絡的垂直油水含油率測量方 法，包括如下階段：
[0006] 1)構建頻率復雜網絡，包括如下步驟：
[0007] (1)獲得S組等長的反映流體局部流動特征的電壓測量信號即多元時間序列，其 中S為大于0的整數；
[0008] (2)對S組等長的反映流體局部流動特征的電壓測量信號即多元時間序列進行快 速傅立葉變換，對于每個時間序列中的N點序列{x(n) |0 <n〈N}，在頻率值為f時的離散傅
【權利要求】
1. 一種基于頻率復雜網絡的垂直油水含油率測量方法，其特征在于，包括如下階段： 1)構建頻率復雜網絡，包括如下步驟： (1) 獲得S組等長的反映流體局部流動特征的電壓測量信號即多元時間序列，其中S為 大于0的整數； (2) 對S組等長的反映流體局部流動特征的電壓測量信號即多元時間序列進行快速傅 立葉變換，對于每個時間序列中的N點序列{χ (η) | 0彡n〈N}，在頻率值為f時的離散傅里葉
3) 繪制平均頻率聚集系數、平均頻率介數和傳遞性與含油率線性關系測量圖版，實現 對垂直油水兩相流含油率的測量； 4) 根據步驟3)所繪的測量圖版，分析平均頻率聚集系數、平均頻率介數和傳遞性與流 型演化動力學關系，揭示垂直油水兩相流流型演化動力學機制。
陣中每行或者列中各元素之和；模塊度Q的物理意義是：網絡中連接兩個同種類型的節點 的邊的比例，減去同樣社團結構下任意連接這兩個節點的邊的比例的期望值。
3.根據權利要求1所述的基于頻率復雜網絡的垂直油水含油率測量方法，其特征在 于，階段2)中的步驟（1)中所述的平均頻率聚集系數的導出是：對于一個頻率f的復雜 網絡，如果節點v與其它kv(f)個節點相連，在所述的k v(f)個節點之間最多存在kv(f) (kv(f) - 1)/2條邊，而這kv(f)個節點之間實際存在Ev(f)條邊，貝1J節點V的頻率聚集系數 C v(f)為：
電極分布式電導傳感器包括垂直上升管道（G)和安裝在垂直上升管道（G)上的12個電極， 垂直上升管道（G)的內半徑為r，加上弧形環之后的半徑為R，每一個電極的厚度為H，Η = R-r，12個電極中的每個電極包括一段弧形環，弧形環的張角為Θ，弧形環的高度為D，且每 個電極的曲率與垂直上升管道的曲率一致，使得電極能平滑嵌入垂直上升管道的內壁面， 12個電極位于垂直上升管道內的同一高度上，且彼此之間均勻間隔分布，呈非連續圓環狀， 每個電極還包括一段連接在所述弧形環上的柱形導體，用于信號的輸入與輸出；每個電極 呈T型，由鈦合金制成；在測量中，以1000Hz的速率循環激勵12個電極，當1個電極被激勵 時，其余11個電極作為測量電極同時獲取11路測量信號，因此一次測量中獲取132組測量 信號，實驗中水相和油相的流速范圍均為0. 1?2m/s ;實驗介質為自來水和15#工業白油， 其中白油粘度11.984mPa· s(40° )，油水界面張力為0.035N/m;具體實驗方法是，在管道 中通入一定流量的水量，然后在管道中逐漸增加油相流量，當完成一次油水兩相流配比之 后，待油水兩相流流動結構穩定后，采用多電極分布式電導傳感器對垂直油水兩相流進行 測量，并同時用高速動態攝像儀記錄圖像，高速動態攝像儀圖像用于定義流型，實驗的采樣 頻率為4kHz，采樣時間為30s，數據采集結束后，增加油相流量，按上述過程進行測量直至 該水量下所設計的工況都測量完成，完成一組水量測量后，增加水相流量，重復以上過程完 成下一輪測量；水相和油相的流速范圍均為0. 1?2m/s ;基于實驗多元測量信號，采用頻率 復雜網絡進行信息融合，實現對不同油水流型的辨識，并計算網絡平均頻率聚集系數、平均 頻率介數和傳遞性復雜網絡特征指標，繪制平均頻率聚集系數、平均頻率介數和傳遞性與 含油率線性關系測量圖版，實現對垂直油水兩相流含油率的測量，進一步通過分析網絡特 征指標演化規律進一步揭示垂直油水兩相流流型演化動力學機制。
【文檔編號】G01N27/06GK104049001SQ201410228718
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年5月27日 優先權日:2014年5月27日
【發明者】高忠科, 金寧德, 丁美雙, 劉偉信 申請人:天津大學