棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量方法及系统

1.本发明涉及流体测量技术领域，尤其涉及一种棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量方法及系统。


背景技术：

2.环状流作为一种典型的两相流流型，在核能、电厂、化工、石油等领域广泛存在，如核能系统的汽水分离器、沸水堆堆芯、石油工业的油气输运等。电导式液膜传感器技术分为非侵入式测量和双平行电导探针测量两种方法，其中，双平行电导探针测量方法利用液膜厚度与接收电极所接收得到的电流存在特定关系进行测量；非侵入式测量利用测量方法利用壁面布置发射电极和接收电极，电流由发射电极经液膜流向接收电极进行测量。
3.不管何种方法，覆盖在壁面上的液膜越厚，对应的电导率越高，接收电极接收到的电流越大，从而利用电流信号，可以得到液膜厚度。对于非侵入式电极进行阵列布置，可以实现瞬时液膜厚度分布的成像，但非侵入式测量方法对液膜厚度的量程有限，一般液膜厚度超过2mm后，随着液膜厚度的增加，电流信号不再发生变化。双平行电导探针在流道内布置两个平行的电极丝，一根作为发射电极，一根作为接收电极，电流由发射电极，经过双平行电极丝间的流体，流向接收电极，接收电极接收得到的电流值正比于液膜厚度，虽然双平行电导探针测量液膜厚度的量程较宽，但只能测量局部的液膜厚度，无法对液膜厚度分布成像。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本技术实施例通过提供一种棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量方法及系统，解决了现有技术中无法利用电流信号对液膜厚度进行精准测量的技术问题，实现了利用标定测量以及迭代计算避免误差的同时获得更加精确的液膜厚度。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种棒束通道内壁液膜厚度测量方法，所述方法包括：
6.构造测量所需的标定实验装置和实际测量装置，并将测控终端分别与所述标定实验装置和所述实际测量装置连接；
7.在进行标定实验时，通过所述标定实验装置获取第一电流信号测量值，通过构造的敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图；
8.在进行实际测量时，通过所述实际测量装置中构造的适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，控制测量获取棒束通道内的第二电流信号测量值；
9.利用环形金属丝阵列传感器的形状特点以及非线性曲线关系图，迭代计算获取第二电流信号估算值，当所述第二电流信号测量值与所述第二电流信号估计值之间的误差值低于相对误差阈值时，输出所述电流信号估算值所对应的液膜厚度值作为棒束通道内壁面的包括轴向及周向在内的二维液膜厚度场真实值。
10.在一种实施例中，所述标定实验装置采用固定形状的液相池的液位信息，测量获取液膜标定厚度；
11.根据液膜标定厚度以及预定长宽尺寸构造一敏感标定体；
12.根据不同的液位信息以及所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。
13.在一种实施例中，所述标定实验装置中采用长方体结构的液相池，测量液相池中不同的液位信息获取一系列不同的液膜标定厚度；
14.构造所述敏感标定体，通过公式(1)获取敏感标定体的体积，
[0015]v1
＝d1*z1*r1ꢀꢀꢀ
(1)
[0016]
其中，v1表示敏感标定体的体积，d1表示敏感标定体的长度常量，z1表示敏感标定体的宽度常量，r1表示液膜标定厚度；
[0017]
测量获取所述敏感标定体对应的第一电流信号测量值，利用所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性关系(2)，生成所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图；
[0018]
i1＝k*v1 b
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]
其中，i1表示所述敏感标定体对应的第一电流信号测量值，v1表示敏感标定体的体积，k表示液相电导率系数，随所述敏感标定体的体积产生变化，b表示背景噪声常量。
[0020]
在一种实施例中，所述标定实验装置和所述实际测量装置中，均设有液膜测量面，所述液膜测量面上布置有若干用作发射电极、接收电极的电极丝构件，且所述发射电极和所述接收电极沿所述液膜测量面交替布置；
[0021]
所述测控终端控制高频脉动方波顺序激励同一高度的所述发射电极，其余所述发射电极保持0电势，记录被激发的所述发射电极上下游两侧接收电极的电流信号值，以此在所有发射电极被顺序激发一次后，完成一帧液膜厚度的测量。
[0022]
在一种实施例中，所述实际测量装置包括：
[0023]
棒束构件，采用闭环式结构，设于棒束通道内；
[0024]
传感器机构，通过在所述棒束构件的外表面用作所述液膜测量面，布置若干所述电极丝构件，以形成环形金属丝阵列传感器；并且在所述电极丝构件形成的环形金属丝阵列中，所述发射电极和所述接收电极沿所述棒束构件的轴向交替布置。
[0025]
在一种实施例中，在实际测量过程中，通过所述实际测量装置获取接收电极的第二电流信号测量值i
′2；
[0026]
以及，计算获取同一时间以及同一位置的接收电极的第二电流信号估计值i2；
[0027]
预先给定液膜厚度值的初始值r0；
[0028]
根据所述环形金属丝阵列传感器的形状特点构造一敏感测量体，确定所述敏感测量体的体积关系式(3)，
[0029][0030]
其中，v2表示所述敏感测量体的体积，θ表示所述敏感测量体位于所述环形金属丝阵列传感器的圆心角，rn表示接收电极的液膜厚度，r表示所述棒束构件的半径，z2表示所述敏感测量体的宽度常量；
[0031]
当rn＝r0时，利用关系式(3)计算获取所述敏感测量体的体积v2；
[0032]
当敏感测量体的体积v2与所述敏感标定体的体积v1相同时，利用非线性曲线关系图，找出液相电导率系数k，确定所述敏感测量体与所述第二电流信号估计值的非线性关系式(4)，
[0033]
i2＝k*v2 b
ꢀꢀꢀ
(4)
[0034]
根据所述敏感测量体与所述第二电流信号估计值的非线性关系式(4)，计算获取第二电流信号估计值i2；
[0035]
获取第二电流信号估计值i2与第二电流信号测量值i
′2的误差值，当误差值与第二电流信号测量值的比值低于相对误差阈值时，输出所述第二电流信号估计值i2所对应的液膜厚度，否则更新液膜厚度r0，重新迭代计算。
[0036]
在一种实施例中，所述高频脉冲方波的频率不低于16000hz。
[0037]
在一种实施例中，所有所述电极丝构件成矩阵式排布。
[0038]
在一种实施例中，所述传感器机构中的所述电极丝构件在所述棒束构件的外表面采用裸丝处理，并且所述电极丝构件的裸丝部分与被测的所述棒束构件的外壁面切向垂直。
[0039]
在一种实施例中，所述标定实验装置和所述实际测量装置中的所述电极丝构件布置设计保持一致，以及电流信号采集的实际的操作过程保持一致。
[0040]
在一种实施例中，所述标定实验装置中的液相池中设有液膜厚度测量标尺。
[0041]
第二方面，本技术实施例提供了一种棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量系统，采用第一方面任意一项所述的方法，所述系统包括：测控终端、标定实验装置、实际测量装置，所述测控终端分别与所述标定实验装置以及所述实际测量装置连接；
[0042]
所述测控终端在进行标定实验时，通过所述标定实验装置获取第一电流信号测量值，通过构造的敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成所述敏感标定体的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图；
[0043]
在进行实际测量时，通过所述实际测量装置中构造的适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，控制测量获取棒束通道内壁的第二电流信号测量值；
[0044]
利用环形金属丝阵列传感器的形状特点以及非线性曲线关系图，迭代计算获取第二电流信号估算值，当所述第二电流信号测量值与所述第二电流信号估计值之间的误差值低于相对误差阈值时，输出所述电流信号估算值所对应的液膜厚度值作为棒束通道内壁面的包括轴向及周向在内的二维液膜厚度场真实值。
[0045]
第三方面，本技术实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；
[0046]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面中任一所述的方法。
[0047]
第四方面，本技术实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第一方面中任一所述的方法。
[0048]
本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果：
[0049]
由于采用了标定计算，建立敏感标定体(信号测量区间)与电流信号之间的非线性关系，并通过不同的液位标定厚度，生成敏感体体积与电流信号的非线性关系。根据棒束通
道的实际结构设计适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，测量棒束通道内壁的电流信号。利用气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器的形状特点确定该敏感体的计算关系式，再利用标定计算的非线性曲线关系图，迭代计算电流信号的估算值，获取到电流信号的测量值以及估算值，根据相对误差阈值确定迭代的终止时间，获取实际的液膜厚度信息。因此，根据标定计算、瞬时电流信号以及不断的迭代估算，获得更为准确的液膜厚度，并且减少实际测量值与估算值之间的误差。
附图说明
[0050]
图1为本技术实施例一中棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量方法流程示意图；
[0051]
图2为本技术实施例一中棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量系统结构示意图；
[0052]
图3为本技术实施例一中标定实验装置侧面结构示意图；
[0053]
图4为本技术实施例一中标定实验装置俯视结构示意图；
[0054]
图5为本技术实施例一中非线性曲线关系示意图；
[0055]
图6为本技术实施例一中实际测试装置侧面结构示意图；
[0056]
图7(a)为本技术实施例一中液膜厚度在标定实验中的示意图；
[0057]
图7(b)为本技术实施例一中液膜厚度在实际测试中的示意图；
[0058]
图8为本技术实施例一中棒束通道中实际测量装置接收电极的结构示意图；
[0059]
图9为本技术实施例一中棒束通道中实际测量装置发射电极的结构示意图。
[0060]
附图标号：
[0061]
测控终端100，标定实验装置200，实际测量装置300，液相池210，电极丝构件400，发射电极410，接收电极420，液位211，液膜厚度测量标尺212，棒束构件310，敏感测量体320，液膜测量面500，敏感标定体220，焊点330。
具体实施方式
[0062]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
[0063]
实施例一
[0064]
参考附图1-9所示，本技术实施例提供了一种棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量方法，该方法包括如下步骤。
[0065]
步骤s100，系统搭建。
[0066]
构造测量所需的标定实验装置200和实际测量装置300，并将测控终端100分别与标定实验装置200和实际测量装置300连接，形成棒束通道内壁液膜厚度测量所需的棒束通道内壁液膜厚度测量系统。
[0067]
其中，考虑到实际的应用场景中包括棒束通道结构的具体情况，本实施例中的标定实验装置200和实际测量装置300可以根据实际的现场情况进行构造搭建。
[0068]
步骤s200，标定实验。
[0069]
在进行标定实验时，通过标定实验装置200获取第一电流信号测量值，通过构造的
敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。
[0070]
进一步说明，本实施例中进行标定实验时，包括如下操作过程：
[0071]
标定实验装置200采用固定形状的液相池210的液位211信息，测量获取液膜标定厚度。根据液膜标定厚度以及预定长宽尺寸构造一敏感标定体220。根据不同的液位211信息以及敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。本实施例中的标定实验装置200中的液相池210中设有液膜厚度测量标尺212。
[0072]
在一种实施例中，具体包括如下：
[0073]
标定实验装置200中采用长方体结构的液相池210，测量液相池210中不同的液位211信息获取一系列不同的液膜标定厚度。采用长方体结构主要是为了方便标定计算，并且长方体机构液相池210意味着，液位211信息即为液膜厚度信息，并且可以确定各个位置的液位211信息一致，也就是说各个位置的液膜高度一直，因此液膜厚度信息也处处相等。
[0074]
构造敏感标定体220，通过公式(1)获取敏感标定体220的体积，
[0075]v1
＝d1*z1*r1ꢀꢀꢀ
(1)
[0076]
其中，v1表示敏感标定体220的体积，d1表示敏感标定体220的长度常量，z1表示敏感标定体220的宽度常量，r1表示液膜标定厚度。
[0077]
测量获取敏感标定体220对应的第一电流信号测量值，利用敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性关系(2)，生成敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。
[0078]
i1＝k*v1 b
ꢀꢀꢀ
(2)
[0079]
其中，i1表示敏感标定体220对应的第一电流信号测量值，v1表示敏感标定体220的体积，k表示液相电导率系数，随敏感标定体220的体积产生变化，b表示背景噪声常量。
[0080]
步骤s300，实际测量。
[0081]
在进行实际测量时，通过实际测量装置300中构造的适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，控制测量获取棒束通道内的第二电流信号测量值。
[0082]
进一步说明，本实施例中的标定实验装置200和实际测量装置300中，均设有液膜测量面500，液膜测量面500上布置有若干用作发射电极410、接收电极420的电极丝构件400，且发射电极410和接收电极420沿液膜测量面500交替布置。在一种实施例中，所有所述电极丝构件400成矩阵式排布。电极丝构件400的直径不超过0.2mm。棒束构件310的外表面裸露的电极丝构件400的远端距离棒束构件310的外表面的距离不低于4mm。
[0083]
所述测控终端100控制高频脉动方波顺序激励同一高度的所述发射电极410，其余所述发射电极410保持0电势，记录被激发的所述发射电极410上下游两侧接收电极420的电流信号值，以此在所有发射电极410被顺序激发一次后，完成一帧液膜厚度所对应的电流信号值的测量目的。也就是说，对于每一液膜厚度，依次激励发射电极410，采集接收电极420接收的电流信号。在经过时均处理后，获得电流信号矩阵i
(i,j)
，其中，i、j分别表示接收电极420的横纵坐标位置，在完成标定实验后，获得每一位置(i,j)处敏感体的体积和电流信号之间的关系。
[0084]
在一种实施例中，高频脉冲方波的频率不低于16000hz。进一步地，单帧的测量频
率不低于1000hz。且所有电极丝构件400成矩阵式排布。本实施例中的传感器机构中的电极丝构件400在棒束构件310的外表面采用裸丝处理，并且电极丝构件400的裸丝部分与被测的棒束构件310的外壁面切向垂直。进一步说明，标定实验装置200和实际测量装置300中的电极丝构件400布置设计保持一致，电流信号的实际操作过程保持一致。进一步地，标定实验装置200的液膜测量面500为平面，实际测量装置300为弧面，基于此，使用不同的体积公式计算敏感体的体积。在一种实施例中，实际测量装置300包括：
[0085]
棒束构件310，采用闭环式结构，设于棒束通道内。在一种实施例中，棒束构件310采用空心棒束，电极丝构件400通过中空的棒束构件310的内部与测控终端100相连。
[0086]
传感器机构，通过在棒束构件310的外表面用作液膜测量面500，布置若干电极丝构件400，以形成环形金属丝阵列传感器；并且在所述电极丝构件400形成的环形金属丝阵列中，所述发射电极410和所述接收电极420沿所述棒束构件310的轴向交替布置。
[0087]
进一步说明，形成的环形金属丝阵列传感器中，在被测棒束构件310的外表面采用金属材料的电极丝构件400，以环形阵列的方式排列，发射电极410与接收电极420沿棒束构件310的轴向交替布置，且棒束构件310外壁面的电极丝构件400为裸丝设计，棒束构件310的内壁面的电极丝构件400采用绝缘设计。并且环形阵列电极丝构件400沿棒束构件310轴向重复布置，所有电极丝构件400都连接到测控终端100。
[0088]
本实施例中的实际测量装置300是根据棒束通道的具体结构设计的，因此可以理解为金属丝构件的阵列尺寸也是根据实际情况进行变更的，对此本实施例中做进一步限定，本实施例中的棒束构件310的截面采用圆环结构，因此可以理解电极丝构件400的测点设置在棒束构件310的外壁表面，其连接焊点330设置在棒束构件310的内壁表面，并通过数据传输导线连接到测控终端100。其中，测控终端100可以理解为高频脉动方波发射器、电流信号采集器以及液膜厚度计算器的终端集合，因此，测量终端可以包括计算机终端、方波发射器、信号采集器，且方波发射器与信号采集器分别与计算机终端连接。
[0089]
步骤s400，计算液膜厚度。
[0090]
利用环形金属丝阵列传感器的形状特点以及非线性曲线关系图，迭代计算获取第二电流信号估算值，当所述第二电流信号测量值与所述第二电流信号估计值之间的误差值低于相对误差阈值时，输出所述电流信号估算值所对应的液膜厚度值作为棒束通道内壁面的包括轴向及周向在内的二维液膜厚度场真实值。轴向及周向相当于横纵方向，对应于接收电极的横纵坐标位置。
[0091]
基于步骤s200的标定实验中已经获取的所述敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。
[0092]
本实施例中，在实际测量过程中，通过所述实际测量装置300获取接收电极420的第二电流信号测量值i
′2，以及计算获取同一时间以及同一位置的接收电极420的第二电流信号估计值i2。
[0093]
具体包括如下步骤：
[0094]
预先给定液膜厚度值的初始值r0。
[0095]
根据所述环形金属丝阵列传感器的形状特点构造一敏感测量体320，确定所述敏感测量体320的体积关系式(3)，
[0096][0097]
其中，v2表示所述敏感测量体320的体积，θ表示所述敏感测量体320位于所述环形金属丝阵列传感器的圆心角，也就是敏感测量体320的长度(弧长)所对应的夹角，其大小由相邻发射电极410或相邻接收电极420的横向跨度所决定，rn表示接收电极420的液膜厚度，r表示所述棒束构件310的半径，z2表示所述敏感测量体320的宽度常量。
[0098]
当rn＝r0时，利用关系式(3)计算获取所述敏感测量体320的体积v2。
[0099]
当敏感测量体320的体积v2与所述敏感标定体220的体积v1相同时，利用非线性曲线关系图，找出液相电导率系数k，确定所述敏感测量体320与所述第二电流信号估计值的非线性关系式(4)，
[0100]
i2＝k*v2 b
ꢀꢀꢀ
(4)
[0101]
根据所述敏感测量体320与所述第二电流信号估计值的非线性关系式(4)，计算获取第二电流信号估计值i2。
[0102]
获取第二电流信号估计值i2与第二电流信号测量值i
′2的误差值，当误差值与第二电流信号测量值的比值低于相对误差阈值时，输出所述第二电流信号估计值i2所对应的液膜厚度，否则更新接收电极420的液膜厚度r0，重新迭代计算，以便重新利用所述敏感测量体320的体积进行所述第二电流信号估计值的测量。
[0103]
本实施例中，预先对标定实验和实际测量中的敏感体轴向截面的差异进行修正，以获得更准确的液膜厚度。在误差值与第二电流信号测量值的比值高于相对误差阈值时，迭代更新计算操作，通过不断迭代计算获得实际的液膜厚度信息。
[0104]
实施例二
[0105]
本技术实施例提供了一种棒束通道内棒束表面液膜二维厚度场测量系统，采用实施例一种任意一项所述的方法，该系统包括：测控终端100、标定实验装置200、实际测量装置300，所述测控终端100分别与所述标定实验装置200以及所述实际测量装置300连接。
[0106]
所述测控终端100在进行标定实验时，通过所述标定实验装置200获取第一电流信号测量值，通过构造的敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成所述敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图。
[0107]
在进行实际测量时，通过所述实际测量装置300中构造的适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，控制测量获取棒束通道内的第二电流信号测量值。
[0108]
利用环形金属丝阵列传感器的形状特点以及非线性曲线关系图，迭代计算获取第二电流信号估算值，当所述第二电流信号测量值与所述第二电流信号估计值之间的误差值低于相对误差阈值时，输出所述电流信号估算值所对应的液膜厚度值作为棒束通道内壁面的包括轴向及周向在内的二维液膜厚度场真实值。
[0109]
实施例三
[0110]
本实施例提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现实施例一中任一所述的方法。
[0111]
本实施例提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如实施例一中任一所述的方法。
[0112]
从而使得处理器在执行方法过程中，执行实施例一中的方法时，执行如下：通过所述标定实验装置200获取第一电流信号测量值，通过构造的敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性关系，生成所述敏感标定体220的体积与第一电流信号测量值的非线性曲线关系图；通过所述实际测量装置300中构造的适用于气-液两相环状流测量的环形金属丝阵列传感器，控制测量获取棒束通道内壁的第二电流信号测量值；利用环形金属丝阵列传感器的形状特点以及非线性曲线关系图，迭代计算获取第二电流信号估算值，当所述第二电流信号测量值与所述第二电流信号估计值之间的误差值低于相对误差阈值时，输出所述电流信号估算值所对应的棒束通道内壁液膜厚度值。
[0113]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0114]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0115]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0116]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0117]
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
[0118]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。