基于频率复杂网络的垂直油水相含率测量及验证方法
【专利摘要】一种基于频率复杂网络的垂直油水相含率测量及验证方法：构建频率复杂网络；进行垂直油水两相流参数测量信息计算；绘制平均频率聚集系数、平均频率介数和传递性与含油率线性关系测量图版，实现对垂直油水两相流含油率的测量；根据所绘的测量图版，分析平均频率聚集系数、平均频率介数和传递性与流型演化动力学关系，揭示垂直油水两相流流型演化动力学机制。验证方法是采用多电极分布式电导传感器进行验证。本发明对两相流多电极分布式电导传感器测量信号进行信息融合；多元时间序列频率复杂网络信息融合方法可有效辨识不同油水两相流流型；基于多电极分布式电导传感器的多元时间序列频率复杂网络信息融合方法可获得很好的相含率测量效果。
【专利说明】基于频率复杂网络的垂直油水相含率测量及验证方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种两相流测量信息融合方法。特别是涉及一种针对垂直油水两相流 多电极分布式电导传感器测量信号的基于频率复杂网络的垂直油水相含率测量及验证方 法。
【背景技术】
[0002] 两相流现象广泛存在于石油工程、化学工程、核工程和航空与航天工程等传统工 业和新兴工业领域中。油水两相流中，两相界面分布呈不同的几何形状或流动结构，称为两 相流流型。流型是影响流动参数准确测量的重要因素，油水两相流流型复杂多变，其流型生 成演化动力学机制异常复杂，导致两相流参数测量十分困难。分相截面含率（相含率）是 两相流工业应用系统中一个重要的参数，它的精确测量对于生产过程的计量、控制和运行 可靠性都具有重要的意义。两相流相含率测量技术主要包括电导法、电容法、光学法和射线 法等。由于电导传感器具有原理清晰、结构简单、响应稳定等诸多优点，已广泛地应用于多 相流参数测量中。两相流分布式传感器是由安装在测量管道上的多对测量电极组成，其可 有效测取局部流动结构信息，分布式传感器多元测量信号不仅包含油相含率信息，同时还 蕴含着丰富的流型演化非线性动力学信息。
[0003] 复杂网络理论属当今世界交叉学科前沿研究领域。近年来，基于观测数据的复杂 网络建模研究得到了来自不同学科领域学者们的广泛关注，研究表明复杂网络理论不仅可 以用于挖掘包含在非线性时间序列中的重要信息，同时也可用于研究理论模型所不能精确 描述的复杂非线性动力学系统。一元时间序列复杂网络研究已取得较大进展，但多元时间 序列复杂网络研究理论仍相当有限，在非脑电信号分析领域的应用上存在较大局限性。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于频率复杂网络的垂直油水相含率测 量及验证方法，通过频率复杂网络对多元信息进行融合，在不同频率下研究网络社团结构 与不同流型局部流动结构之间的内在对应关系实现对不同流型的辨识。提取与含油率具有 线性关系的网络指标并进行归一化处理，绘制含油率线性关系测量图版，实现对垂直油水 两相流含油率的测量。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：一种基于频率复杂网络的垂直油水含油率测量方 法，包括如下阶段：
[0006] 1)构建频率复杂网络，包括如下步骤：
[0007] (1)获得S组等长的反映流体局部流动特征的电压测量信号即多元时间序列，其 中S为大于0的整数；
[0008] (2)对S组等长的反映流体局部流动特征的电压测量信号即多元时间序列进行快 速傅立叶变换，对于每个时间序列中的N点序列{x(n) |0 <n〈N}，在频率值为f时的离散傅
【权利要求】
1. 一种基于频率复杂网络的垂直油水含油率测量方法，其特征在于，包括如下阶段： 1)构建频率复杂网络，包括如下步骤： (1) 获得S组等长的反映流体局部流动特征的电压测量信号即多元时间序列，其中S为 大于0的整数； (2) 对S组等长的反映流体局部流动特征的电压测量信号即多元时间序列进行快速傅 立叶变换，对于每个时间序列中的N点序列{χ (η) | 0彡n〈N}，在频率值为f时的离散傅里叶
3) 绘制平均频率聚集系数、平均频率介数和传递性与含油率线性关系测量图版，实现 对垂直油水两相流含油率的测量； 4) 根据步骤3)所绘的测量图版，分析平均频率聚集系数、平均频率介数和传递性与流 型演化动力学关系，揭示垂直油水两相流流型演化动力学机制。
阵中每行或者列中各元素之和；模块度Q的物理意义是：网络中连接两个同种类型的节点 的边的比例，减去同样社团结构下任意连接这两个节点的边的比例的期望值。
3.根据权利要求1所述的基于频率复杂网络的垂直油水含油率测量方法，其特征在 于，阶段2)中的步骤（1)中所述的平均频率聚集系数的导出是：对于一个频率f的复杂 网络，如果节点v与其它kv(f)个节点相连，在所述的k v(f)个节点之间最多存在kv(f) (kv(f) - 1)/2条边，而这kv(f)个节点之间实际存在Ev(f)条边，贝1J节点V的频率聚集系数 C v(f)为：
电极分布式电导传感器包括垂直上升管道（G)和安装在垂直上升管道（G)上的12个电极， 垂直上升管道（G)的内半径为r，加上弧形环之后的半径为R，每一个电极的厚度为H，Η = R-r，12个电极中的每个电极包括一段弧形环，弧形环的张角为Θ，弧形环的高度为D，且每 个电极的曲率与垂直上升管道的曲率一致，使得电极能平滑嵌入垂直上升管道的内壁面， 12个电极位于垂直上升管道内的同一高度上，且彼此之间均匀间隔分布，呈非连续圆环状， 每个电极还包括一段连接在所述弧形环上的柱形导体，用于信号的输入与输出；每个电极 呈T型，由钛合金制成；在测量中，以1000Hz的速率循环激励12个电极，当1个电极被激励 时，其余11个电极作为测量电极同时获取11路测量信号，因此一次测量中获取132组测量 信号，实验中水相和油相的流速范围均为0. 1?2m/s ;实验介质为自来水和15#工业白油， 其中白油粘度11.984mPa· s(40° )，油水界面张力为0.035N/m;具体实验方法是，在管道 中通入一定流量的水量，然后在管道中逐渐增加油相流量，当完成一次油水两相流配比之 后，待油水两相流流动结构稳定后，采用多电极分布式电导传感器对垂直油水两相流进行 测量，并同时用高速动态摄像仪记录图像，高速动态摄像仪图像用于定义流型，实验的采样 频率为4kHz，采样时间为30s，数据采集结束后，增加油相流量，按上述过程进行测量直至 该水量下所设计的工况都测量完成，完成一组水量测量后，增加水相流量，重复以上过程完 成下一轮测量；水相和油相的流速范围均为0. 1?2m/s ;基于实验多元测量信号，采用频率 复杂网络进行信息融合，实现对不同油水流型的辨识，并计算网络平均频率聚集系数、平均 频率介数和传递性复杂网络特征指标，绘制平均频率聚集系数、平均频率介数和传递性与 含油率线性关系测量图版，实现对垂直油水两相流含油率的测量，进一步通过分析网络特 征指标演化规律进一步揭示垂直油水两相流流型演化动力学机制。
【文档编号】G01N27/06GK104049001SQ201410228718
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】高忠科, 金宁德, 丁美双, 刘伟信 申请人:天津大学