（测试计量技术及仪器专业论文）两相流相关测试方法的研究.pdf

摘要 v 工。0 8 4 8 2 旺相关的方法j j j 铍广泛的，日子解决工业和环境上的一 些测量方i _ f l i 的问题，从严重的污水流到气围两相流。们足， 证实际应用中这种方法存在着一些问题需要解决。本论文 就此提出了一种解决这些问题的改进方法。利用这种方 法，对两个传感器检测到的信号直接差分从而得到一路信 号，对该信弓作自荆荚可以获得流体的渡越时间。以电释 传感器做检测部件，设计r 一套测最气固两相流的实验装 最。论文详尽的分析r 电容传感器的“空间滤波效应”， 推导了电容传感器初始电容的计算模型。最后做_ r 大艟的 实验，实验结果表明差动舀相芙的方法是正确的。用这种 方法设计的测最系统结构简单、成本低、有更好的抗干扰 性和好的稳定性。 关键词：互相关差动自相关电容传感器流速两相 流 a b s t r c a t c r o s sc o r r e l a t 】o ni sd e v e l o p i n gt os o l v ei n d u s t r i a la n d e n v i r o n m e n t a lm e a s u r e m e n t p r o b l e m s ，r a n g i n gf r o mt h ef l o wo f h i g h l yp o p u l a t e dl i q u i d si np i p e st ot h ef l o wo fg a s - s o l i d i n t h i sw a y s o m ep r o b l e m sn e e ds o l v ei np r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a ni m p r o v e dm e t h o di s p r o p o s e di nt h i sp a p e rt os o l v et h e m a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，w ec a nu s et w os e n s o r st og e n e r a t e o n e s i g n a l a f t e r b e i n gd i f f e r e n t i a t e d ，w h i c h c a r lb ea u t o c o r r e l a t e dt oo b t a i nt h ep a s s a g et i m et h em e a s u r i n gd e v i c e w i t hc a p a c i t a n c es e n s o r sf o rv e l o c i t yo fg a s s o l i df l o wi sb u i l t t h e “s p a t i a lf i l t e r i n g e f f e c t 、o ft h ec a p a c i t a n c es e n s o ri s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h em o d e lw h i c hi su s e dt oc o m p u t et h e i n i t i a lv a l u eo ft h ec a p a c i t a n c es e n s o ri sd e r i v e dal o to f e x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d e t h er e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e d t h em e t h o do ft h ed i f f e r e n t i a la u t o c o r r e l a t i o ni sc o r r e c tt h e d e vx c eb a s e do ni ti sa d v a n c e dw i t h s i m p l e rs t r u c t u r e ， i o w e r c o s t ，b e t t e ra n t i d i s t u r b a n c e ，a n dg o o ds t a b i l i t y k e y w o r d i c r o s s c o r r e l a t i o nd i f f e r e n t i a la u t o c o r r e l a t i o n c a p a c i t a n c es e n s o r f l o w v e l o c i t yt w o p h a s ef l o w 两相流相关测试方法的研究 1引言 1 1 两相流检测的背景 在许多生产过程中，两相流体或多相流体的测量和控制是一个急 需解决而又长期未能解决的难题。两相流体在自然界和工业生产中涉 及范围十分广泛，而两相流动过程确实是普遍存在。但是基于两相流 流动情况极其复杂，要认清现象获得概念，建立模型并进行过程的予 测、设计和控制，首先要解决的就是两相流参数的检测问题。 自六十年代起，出于工业生产和科学研究的需要，世界各国对两 相流动的理论模型，以及两相流体流动的基本特征，两相流动系统的 理论模型，以及两相流的检测技术等，进行了大量的实验研究和理论 分析工作。 两相流的参数中，流量测量是一个很重要的方面。由于两相流体 的流动状况与单相流相比更为复杂。近几十年来，虽有不少研究工作 者提出了一些测量方案，并用传统的检测手段，构成了两相流测量系 统。但一般来说，这些系统还远未完善。尤其它们的检测部件直接与 被测流体接触，对流体流动产生了附加阻力，增大了能量损失，也限 制了它们在气同和液固两相流系统中的应用。由于两相流动是一种复 杂多变的随机过程，随着随机过程的逐步发展和信号处理技术的逐渐 完善，应用统计和过程辩识的方法进行流量参数的测量成为主要的发 展趋势。而基于空间滤波法，相关法和激光多普勒法的两相流流速测 量将获得广泛应用”j l “。 1 2 目前常用的流量检测方法 两相流动中，流型多种多样形成相浓度分布，相间存在着相对速 度形成速度分布。因此。严格地说，要测知两相流量，必须测知两相 的分相含率和分相速度。但实际应用中，工业管流通常多以均相流模 型处理，而其平均密度又可由分相含率计算求得因此许多单相流量 的方法经修正后应用到测量两相流量中。 两相流量的测量方法按原理分类有1 1 1 ： 1 ) 节流法：基于两相流通过节流装置产生的两相压差与两相流量或 两相压差与单相压差间的测量模型而得到的两相流量。 2 ) 速度法：基于测量两相流混合物的流速和平均密度或分相含率得 南京理工大学硕士论文f 1 9 9 8 t 2 )第1 页 两相流相关测试方法的研究 到两相流量。 力学法：利用流体的动压，动量矩和离心力等测速； 相关法：通过两点的求互相关函数测速； 光学法：利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测速； 声学法：利用超声波原理测流速； 热学法：利用热线风速仪或量热法测流速： 电磁法：利用电磁感应原理测流速； 核磁共振法：利用核磁共振原理测流速； 示综法：利用脉冲中子触发新型示综技术测速。 3 1 容积法。 4 】质量流量法。 1 3 相关流量测量技术的历史和发展 在流量测量中，速度法占有很大的比重。六十年代中期发展起来 的，以相关技术为基础构成的两相流量测量系统，由于可以采用不同 原理的传感器来获取两相流动的流动噪声信号，经相关处理后，求得 离散相关的平均流速。再配以其它检测手段，即可构成各相流体质量 测量系统。它可实现非接触测量，因而具有很强的适应性，既可应用 于气液两相流系统，也可应用于气，固和液固两相系统以及油、汽、 水三组分混合流动系统。为解决两相流体测量问题提供了一个强有力 的技术手段。 一九六一年英国b u t t e r f i e l d 等人利用热轧带钢表面存在的微小凹 凸的不一致性引起的随机噪声信号，首次提出并实现了热轧带钢的速 度测量。英国的u m i s t 以m s b e c k 为首的研究小组和西德k a r l s r u h e 大学以f m e s h 为首的研究小组，为推动相关流量测量技术作出了主 要贡献【”。 从六十年代初期，到八十年代中期，研制快速而又价廉的在线流 量测量仪器，成为决定相关流量技术能否在工业推广应用的关键。 1 ) 5 0 年代常用模拟式相关器，即采用模拟技术。但它的精度低。 零漂大，工作频率不够高，模拟信号的时延设备复杂。所以 被后来的数字式相关器替代。数字相关器中，数字乘法精度 高，但结构复杂。对商频信号，因舍弃样点，减少量化的b i t 数导致误差。 2 ) 1 9 6 2 年由p j e s p e r s 提出采用1 b i t 置化的极性重合相关器， 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 9 ，t 2 ) 第2 页 两相流相关测试方法的研究 简化了乘法器和积分器，使电路大为简化，提高了运算速度， 但其测量结果误差较大h j 。 3 11 9 7 9 年，h e r y 提出了越零点极性相关的算法，从而使相关计 算的软件实现成为可能，并成功在z 8 0 上实现了这种算法， 效率高、运算速度快，而且不需外加电路。但要记录零点信 号数据，只适合于信号带度小于2 5 k h x 的场合p j l ”。 4 11 9 8 9 年，h a r b a 又提出了一种“块采样”的极性算法，使之 适用于高频信号j 。 然而随着大规模集成电路的发展，高速计算机和专用数字信号处 理器( d s p ) 的出现。制约着相关流量测量实时化的问题，已经日 益减小。采用f f t 甚至直接数字相关的算法，在d s p 和高性能p c 上的实时实现，以及越来越高的硬件性价比，使人们不必顾虑软件的 运算速度和硬件资源的占用。因此目前相关测量技术的发展已经转到 了传感器和如何提高系统整体稳定性、灵敏度的问题上。 如何使两楣流测量系统安全运行于恶劣的环境，如高温、高压、 腐蚀性强、安装困难等等。只有研制成功一些结实可靠、性能稳定的、 能在上述环境下运行的传感器，和采用一些新的测量手段，才能使相 关测量系统显示强大生命力。8 0 年代中期到9 0 年代初期，国内的一 些科研机构如上海大学、清华大学的一批科研人员，着力于研究如何 克服超声波传感器中驻波对于系统性能的影响，并取得了一些成果 t i le9 1 。但是，目前国内还未见到商品化的相关测量系统，绝大部分的 工作还处于实验室阶段。 综上所述可见，随着未来相关技术的发展，如何进一步提高系统 的测量精度，如何进一步提高系统的可靠性和抗干扰能力，是相关技 术实用化进程中必须解决的实际性问题。 1 4 本论文的研究工作 相关法测量两相流的流量是流速法的一种，流速法测流量根据以 下公式： q = v a( i ，1 ) q 为流体流量； v 为流体的平均流速； a 为两相流中的分相含率； 可见要获得流量，需要知道两个量。一个是要测相的含率，这个参数 南京理工大学颈士论文( 1 9 9 8 1 2 第3 页 两相流相关涮试方法的研究 可以利用多传感器配合的图象层析法i l ，它可以直接获得流体流态 的截面分布图象，根据图象能够分别得到两相的含率。另一个参数就 是流体的平均流速。利用相关法测流量实质上就是测这个速度，即利 用相关函数得到渡越时间进一步得到流体的流速。就目前国内外情况 而言，相关的流量测试大部分还是停留于试验阶段，主要就是因为相 关流速测量系统的不完善，而且流速测量的本身在实际生产过程中也 很有意义，需要进一步加以研究。现在只有基于超声波的相关流量测 试系统在生产中开始有了初步的试用，然而超声波传感器对温度的敏 感性，大大限制了其应用范围。困此寻找一种廉价的、可靠的传感器， 是目前的迫切需要。基于电容传感器的流量测量系统在很多方面满足 这个要求。但是电容传感器的信号量小、初始值大，以及在工业环境 下共模干扰强、可靠性要求高的问题，是其用于生产实际过程中所面 临的难题。本论文的主要研究工作就是寻求一种解决这些问题的途 径，并从理论和实际上加以验证，以期在实际生产中能可靠的获得流 体流速这个重要参数。 两相流相关测试方法的研究 2 相关测量理论及相关流量测量系统的构成 2 1 相关测量的数学基础 无论单相流还是两相流体，流体内部均存在着各种各样的与流 体的状况有关的“噪声”。这种“噪声”来源于流体内部的“微团” 运动，它不但存在着沿轴向z 的运动，还有与总的流动方向垂直的 运动分量x 、y 。文献 3 】给出了利用激光测得的流体沿x 、y 、 z 三个方向的“噪声”信号，信号如图( 21 ) ，沿x 、y 方向的 信号平均值为零，z 方向的平均值为流体的平均流速。 平均 国( 21 ) 流体内部微团的噪声信号 随机信号和确定信号不同，不能通过一个确切的数学公式描 述，也不能准确的预测，因此只能在统计的意义下加阻研究。一般 来说，我们在实验中得到的随机信号可以用一个随时间变化的随机 变量来描述。这种随时问变化的随机变量，称为随机过程。换一个 角度来说，如果我们做n 次测量，在实验结果中可能得到1 3 条不同 的曲线x l ( t ) 、x 2 ( t ) x 。( t ) ，其具体形状不可预测，但是每一次结 果均为所有可能波形中的一种，而这些可能的波形x l ( t ) 、x 2 ( t ) x 。( t ) 集合构成了随机过程x ( t ) 。x 1 ( t ) 、x 2 ( t ) x n ( t ) ，称为随机过程 中的一个样本函数。因此每次实验所得到的流体中的“噪声”信号， 实际上是随机过程中的样本函数。 严格来说应该用1 3 维的分布函数和n 维的分布密度去描述严格 随机过程，但其比较复杂使用不便。此外，在实际应用中往往 研究若干个常用的数字特征就能满足要求。因此，我们一般用随机 过程的数学期望、方差、相关函数去描述一个随机过程。数学期望 南京理工大学硕士论文“9 9 812 1第5 页 两相流相关铡试方法的研究 和方差是描述随机过程在各个孤立时刻的重要数字特征，但它们反 映不出随机过程的内在联系。而相关函数是描述随机过程内在和相 互之间关联的数字特征，它实质上是衡量随机过程内在和相互之间 的相似程度的量。 相关函数分为自相关函数和互相关函数。自相关函数是用来描 述随机过程两个不同时刻状态之间内在联系的重要特征。定义随机 过程的自相关函数r 、( 2 】，t 2 ) 为： r 。( f l ，t 2 ) = e l x ( t t ) 】= jjx l x 2 p a x l z 2 ；鸲t ) d x l d x 2 ( 2 1 1 ) 其中p 。( “lx 2 ；t 1t 2 ) 为随机过程x ( t ) 的二维概率密度： 互相关函数是描述两个随机过程联系的数字特征。两个随机过程 x ( f ) 和y ( t ) 的互相关函数定义为： r w ( f 1 ，f 2 ) = e x ( t 1 ) y ( t 2 ) 】_ jj 妙只，( 工，夕；f l ，t 2 ) d x d y ( 21 2 ) 其中p ( 。y ；t 1t 2 ) 为随机过程x ( t ) 、y ( t ) 的二维概率密度； 在实际的相关理论应用中，常常需要进行随机信号测量，得到 的仅仅是随机过程中的一个样本函数。另外，在实践中也很难获得 随机变量的概率的分布密度。因此，我们希望能仅从一个样本函数 中推得整个随机过程的统计特性，这就要求随机过程必须为具有宽 平稳各态历经性的随机信号。 若随机过程x ( t ) 满足 e ( z ( f ) ) = m 。( 常数) r ，( t l ，t 2 ) = e x ( f 1 ) x ( t 2 ) = e 【2 ( f ) 】 则称x ( t ) 为宽平稳过程。由于这几个条件在实际中几乎都能满足， 因此可以认为我们研究的信号为一宽平稳随机信号。 如果一个随机过程x ( t ) 的任一样本函数与该过程总体中的任 其它样本函数在统计上等效，而且该过程的总体平均的统计特性可 以用单一样本函数的“时间”平均特性表示，则称该随机过程为各 态历经的或备态遍历的。根据定义有下述关系式成立： 南京理工大擘硕士 宅文( 1 9 9 8 、1 2 1第6 顷 屯卜= ” f 卜 聪 r 两相流相关测试方法的研究 丽= 舰去坤) ) ( 2 16 ) 丽丽丽= 毋坤+ f ) 】：溉刍川) 雄+ ) 破b 1 7 ) 可见如果随机过程符合与平稳遍历性，其自相关和互相关函数可以 表示如下： ( r ) = x ( t ) x ( t + f ) = ( f ) = x ( t ) y ( t + f ) = 熟亭参巾斑 艘亭暴( f ) y ( r + 订西 而在实际问题中，各态历经性的充要条件很难检验，因此在工程中 各态历经性经常采用先假设后检验的方法。 2 2 相关流量测试系统的构成 相关流量测量系统基于随机过程中的相关理论，利用流体内部 自然产生的随机流动噪声，将流体的流动速度测量问题转化为流体 通过相距一定距离的两截面的时间间隔的测量问题，利用相关技术 实现流体流动速度的在线测量。再与两相流的相含率相结合，求得 流体的流量。 2 2 1 互相关测量原理及系统构成 互相关的系统构成如图( 22 ，11 ) 。其原理可解释如下： 在沿管道轴线相距为l 的地方，分别安装两个具有相同结构的传感 器a 、b 。当流体流动时，流体内部自然发生的随机噪声信号， 由传感器和噪声提取电路检出，其产生的信号为x ( t ) 和y t ) 。如果 流体流动符合于“凝固图形”假设，即当一个观测者以和流体相同 的速度沿流体轴线方向移动时，他们看到的流体内部的湍流图形都 是相同的，就好象它们被“凝固”起来并传递到下游。这时可以认 为y ( t ) = x ( t t o ) ，t o 为流体从a 到b 的渡越时间。对此做互相关，有 如下推导【2 】： 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 8i 2 )第7 页 两相流相关测试方法的研究 工( t ) y ( t + x ( t ) x ( t + = r 。，( t t o ) 又根据自相关函数的性质有： ( o ) i ( r ) i t ) d r r t o ) d t 可见具有“凝固”图形假设的流体的互相关函数，实质上是坐标轴 右移至o 的自相关函数在t o 处有一正峰值。因此只要利用峰值搜 索程序就可以找出渡越时间，其流速由下式计算。 上 v = 一 0 利用传感器c 所测的分相含率，根据公式( 1 1 ) 可得被测相的流 量。 意嚣a 感嚣b 感嚣c 蕞蛰蔷痞h 2 蜚提取电- 路广1 电萼 z ( i ) 瓣瑟陋 曼蛰量耄h 4 翟娑融卜f r _ 分相奢率 刺量电端 流量o ( 2 , 21 1 ) 互相关流量系统结构图 图( 2 2 12 ) 为传感器a 、b 所测得的x ( t ) 和y ( t ) 处的波形，图 ( 2 2 1 3 ) 为做自相关后的波形，可以看见在t o 处有一个明显的峰 值。 rj 0 rrij 0 ，一r ，一丁 魄 耋； l1-r = | i t 足 牡出?o够霹t， 两相流相关测试方法的研究 05 01 1 5 02 图( 2212 ) 两通道的信号波形图( 221 3 ) 互相关波形 2 2 2 互相关测试系统的技术特点 根据互相关流速测量系统的构成和原理，可以发现其有如下的 技术特点： 1 ) 互相关测速系统所得到的实际上是一个平均速度。 2 ) 系统测量的精确性由l 和t 。决定。l 在一般情况下需要标定， 因为几何中心距不一定是电气中心距。而t o 的测量误差则和积 分时间t 、采样频率等因素有关。 3 ) 从互相关测量原理可以知道，它实际上是比较两个信号的相似 性，因而对传感器和测试电路的线性度和增益性均要求不高。 但是对于两个传感器，两路电路和a d 通道的对称性却要求尽 可能的好，以减小外界对信号相似性的影响。 4 ) 可适用的范围广。由于适合相关测量的传感器种类很多，如超 声波传感器，光学传感器，电学传感器等，因而对于不同的情 况可以采用不同的传感器，因此有很广泛的应用领域。 5 ) 用渡越时间的方法测流速，属于一种菲侵入式的测景，即流量 测量元件可以不破坏管内的流场分布，也不会造成节流压力的 损失，因而节约了能量。且可测的介质面广，抗干扰能力强， 能测量脏污流体、浆液、及气固、液固两相流。非常适合于工 业环境1 4 。 2 2 3 互相关测试方法存在的困难 流速测量一般采用互相关的方法，但是由于互相关测量的特 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第9 页 两相流相关测试方法的研究 点，在实际应用中必须解决以下的技术难题： 1 1 要求有尽可能好的对称性。由互相关的工作原理可以知道，要 求两个传感器，两路检测电路和a d 通道有尽可能好的对称性， 否则由外界引入的不对称畸变，造成信号x ( t ) 和y ( t ) 的相似性减 弱，从而使相关函数的峰值减小、斜率降低，造成渡越时间检 测的精度减小。然而集成电路的参数有离散性，因此要想使两 路电路对称性好，其设计和实现难度均较大。 2 ) 要求能够克服一些传感器的初始值的影响。对于如温度传感器、 电特性传感器等，由于传感器本身有一个较大的初始值，而信 号的变化量很小，初始值的存在影响了整个系统增益的提高， 使测量变得很困难。 3 ) 要求电路有很高的灵敏度和可靠性。互相关流量测试的最显著 的特点就在于它的非侵入性，因此普遍被用于两相流和恶劣流 体的测量，其工作环境很恶劣。为了使系统能可靠的工作，通 常采用被动式的传感器，例如电容，电导传感器。这种传感器 一般安装在管的外壁，而由流体流动产生的扰动通常很小。这 就要求测试电路必须有很高的灵敏度，并且能在恶劣环境下高 可靠的工作。这就势必造成电路的复杂程度加大，可靠性降低。 综上所述，在保证互相关优点的前提的条件下，寻找一种新的 方法解决上述问题，是十分必要的。 2 2 4 差动自相关的测量原理和系统构成 差动自相关和互相关的数学原理完全一致。其系统的构成如图 ( 2 3 1 ) 所示。由图中可见，同样利用沿管轴线分布的两个传感 器检测流体产生的随机流动噪声x ( t ) 和y ( t ) 。但是经过转换电路以 后，利用硬件直接进行差动，即 ：( f ) = x ( t ) - y ( t ) ( 2 2 41 ) 再对信号z ( 0 做自相关，检测自相关函数的负峰值所对应的时间就是 渡越时间。 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第l o 页 两相流相关测试方法的研究 ( 224 1 ) 差动自相关系统结构圈 方法的原理分析如下： 1 ) 如果a ，b 传感器经转换电路得到的信号分别为x ( t ) 和y ( t ) ，假设 流体流动符合“凝固态模型”，可以认为y ( t ) 为x ( t ) 的延时，有 y ( f ) = x ( t f o ) ( 2 24 2 ) 做差动后有： z ( r ) = x ( t ) 一y ( f ) = x ( t ) 一x ( t r o ) o 为流体流过两个传感器的渡越时间。对z ( t ) 做自相关有 心= ；觋告7 印) 印+ r ) 巩 = l i m - - 1 1 工( f ) 一y ( f ) 】【工( f + _ ) 一y ( f + f ) 】d f = ，l i m 。1 ， 工( f ) ( f + f ) d f 一工( f ) y ( f + f ) d t s y ( t ) x ( t + f ) d r + f y ( t ) y ( t + r ) d f 】 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 812 )第1 l 页 两相流相关测试方法的研究 = r 。( f ) 一只，( f ) 一尽，( f ) + 尽，( f ) = r 埘( f ) + 尽y ( f ) 一月材( f t o ) 一只砧( r + f o ) 可见z ( t ) 的自相关函数由四部分组成，r 、。( t ) 和r y y ( t ) 分别为x ( t ) 和y ( t ) 信号的自相关函数，如果信号为符合平稳遍历性的随机 信号，根据随机理论其自相关函数应该为一冲激信号即 只。( f ) = r 。( f ) = 文f ) ( 2 245 ) 而r x v ( t ) 和r 。( t ) 分别为原点搬移到t = - c o 和t 一t o 的自相关函数。 当这四者相加时，可以预见，其波形除在t = 0 处有一正峰值外， 在t = t o 和t = t o 处应该分别有一负峰值。但是时间t 一一t o 实际没 有任何意义，因此实际处理中只要取坐标轴的右半部分，找到 负峰值所对应的时间就可以确定流体的渡越时间。从上面的分 析可以看出，差动自相关函数实质上包含有互相关的信息，因 此它具有互相关的特点，但是因为处理的方法不同所以又有自 身的特点。 2 ) 计算机的仿真 利用程序产生随机信号x ( t ) ，对x ( t ) 做延时并且加入随机干 扰信号产生随机信号y ( t ) “f ) = x ( t r o ) + m r a n d ( t ) ( 2 2 46 ) t o 为延时时间，m 为畸变系数，r a n d ( t ) 为加入的干扰信号以仿 真“非凝固”模型所带来的畸变。对两个信号做差动，然后做 自相关，可以得到如下的结果。 2 r o 眇州小 州州m 州州州删州4 b ) 省1 r 1 面蔼一o 2 厂 o h 什州巾m 铲竹圳呻卅 叫仆) 05 01 0 01 5 02 0 0 2 r _ o 卜w 删批w 椭删m 叫( c ) 。2 茹而f 1 莳焉。 图( 2242 ) 仿真产生的信号 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 91 2 )第1 2 页 两相流相关测试方法的研究 i l ； 叩紫 图( 2243 ) 自相关后的波形 图( 2 3 2 ) 的( a ) ( b ) 仿真产生的点数为2 0 0 的x ( t ) t l 延时 2 0 个样点的y ( t ) ，图( c ) 为两者差动以后的信号，图( 233 ) 为对图( 2 32 ) 的( c ) 上的信号做自相关后的波形，明显可 以见到在t = z o 处为一负峰值这是自相关函数的性质，而在第2 0 个样点处有一负峰值，与理论上分析的完全吻合。 2 2 5 差动自相关测量方法的技术特点 由于差动自相关方法和互相关方法基于同样的原理，因此差动 自相关的测量方法有互相关方法测量的优点。但是由于系统构成的 差异，它又有自身的特点： 1 ) 减少了对系统对称性的要求，提高了整个系统的性价比。由图 ( 2 2 4 1 ) 可见，除了第一级的转换电路两个测量通道独立以 外，其它的信号处理电路和a d 转换部分均共用一个电路。这 样只要保证传感器和转换电路的对称性，而对后面复杂的处理 电路则没有要求，其技术难度大为减小。另外，因为完全共用 了后端的处理电路，从硬件上来讲几乎减少了一半的电路，成 本和复杂性都大大降低。可见差动自相关会提高了系统的性价 比。 2 ) 能够提高测量的灵敏度。在被动式的传感器中，传感器的本身 的初始值很大。而信号引起的变化量小。这个初始值的存在使 电路的放大倍数受到了很大的限制，从而影响了测量的灵敏度。 我们希望输出的信号仅仅反映流体流动引起的相对于传感器的 变化量，因此为了克服初始值的影响，以往的电路通常采用加 反馈的方法，文献 2 6 】中提出了利用d a 转换器将初始值抵消 的办法。但这一方面的加大了电路的复杂性，另一方面受d a 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第1 3 页 两相流相关测试方法的研究 转换速度的影响会使电路的动态特性受限。差动自相关的方法 使两个传感器互为参照从原理上抵消了初始值的影响，使输 出信号只与扰动量有关系，而且不会增加电路的复杂性。 3 ) 有极好的抗共模干扰的能力。基于差动原理的系统本身就有很 好的抗共模干扰的能力，因此温度，振动等因素产生的共模干 扰对差动自相关测量系统几乎不产生影响。 综上所述，差动自相关的测量方法在理论上完全成立，从特点 分析可见，它可以很好的解决互相关在实用中所遇到的问题。 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第1 4 页 两相流相关铡试力法的研究 3 气固两相流差动自相关流速测量系统的设计 随着生产自动化程度的提高要求能够对流量做到实时的检测 和控制，其中特别是对气固两相流的流量的检测一直是一个难以解 决的问题。例如，固体物料的管道化的传输，即在管道内利用气流 输送颗粒状的固体物料。这样做可以大大的提高运输效率，避免对 环境造成污染，还可增加生产的安全可靠性，而且投资少，运输及 系统维持的费用都比较低。目前，在建筑材料工业中水泥的风力输 送，粮食加工工业中面粉的风力输送，化学工业中物料的风力输送， 都应用的日益广泛。为使管道输送系统工作在最佳状态即保持系 统本身消耗的能量为最小，管道内壁的磨蚀及被输送物料的破碎损 失达到最低的限度，一般希望将系统维持在尽可能低的流动速度下， 但又不致发生因流速太低而引起管道堵塞，整个系统停止运行的灾 难性事故。这就需要设计和研制一套气固两相流的测量和调节系统， 以保证该输送系统能够高效而又安全可靠地运行。传统的流速测量 系统一般要将一个传感器插入传输的管道中，这样不但破坏了流体 流动的流场，造成物料传输过程的能量损失，而且极易造成管道的 堵塞成为事故隐患。其次，固体颗粒传输过程中不断得和传感器摩 擦，使一般的传感器的工作寿命大大缩短。最后，气喷的固体物料 传输的工作环境都很恶劣，这样对测量系统的整体的可靠性和适应 性又提出了要求j i “j 。 从前一章的分折中，我们知道互相关原理的流速测量系统可以 做到不破坏流场的非侵入式测量，并且由于其传感器部分可以根据 不同的要求选用不同的传感器，因而它的应用范围很广。这种利用 互相关原理的流速测量系统，成为了解决气固两相流物料传输流速 测量的一个有力的手段。但是如何提高系统的灵敏度，在非侵入测 量中能够感知微弱的信号，以及进一步提高系统的可靠性和抗干扰 性。是其应用过程中需解决的向题。差动自相关的测量方法的提出， 为解决这些问题提供了一个可能的途径。 为此我们以气固两相流为研究对象，运用差动自相关的原理， 建立了一套流速测量系统，以验证这种方法的正确性和可靠性，为 今后的进一步研究提供依据。 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 8i2 )第15 页 两相流相关测试方法的研究 3 1 传感器的选择和分析 相关流量测量技术上的突出优点，表现在解决两相流流体或多 相流流体及困难的流动参数的测量问题上。一般地说，上述流体的 现场测量条件往往十分恶劣。例如，高温，高压的操作工艺；被测 流体很强的腐蚀性和磨蚀性：被测流体具有很高的粘度等等。囡此， 在选择和设计相关流速测量系统中使用的传感器时，要特别考虑所 采用的传感器能否在恶劣的工作环境下长期稳定的工作，并且又不 会对被测流体的流动产生阻碍的作用。 3 1 1 常用的相关测量传感器的介绍 经过近= 十年的研究，国内外从事相关流量测试的技术工作着 研制成功了几种可以灵敏检测出气固，气液或液固两相流体随机流 动噪声信号的传感器 2 1 。 按构成原理分类，这些流动噪声传感器可以分成以下几种1 2 1 ： 1 ) 利用流体内部的随机流动噪声现象对外部入射的能量束的随机 调制作用构成的流动噪声传感器。 属于这一类的传感器主要有基于声辐射调制原理的超声波 传感器；基于光波调制的激光传感器；基于射线调制的如y 射线 传感器。这些传感器利用流场中的气泡，涡漩，固体颗粒等示踪 粒子，对入射波场的振幅或相位加以调制通过适当的处理提取 所需要的流动噪声信号。 2 ) 直接利用被测流体本身发射能量随机波动的流动噪声的传感器 当被测流体本身向外辐射能量，或者其内部含有某种辐射物 质时，它们在随着流体流动时，不断得向外界辐射。由于管内流 动的流体中，辐射物质的局部浓度是时间和空间的随机函数。因 此在管道的适当的位置安置一辐射检测器，便可测得流体中的 随机噪声信号。这种技术被成功的用于热气流的流速测量中。热 气流中的涡漩不可避免的导致温度场的空间变化，而这正可以用 做标识信号。利用红外探测装置加上合适的望远镜，就可以构成 一个相关流量测试系统。 3 ) 利用流体本身的电学特性的随机变化对外加电场的随机调制作 用构成的流动噪声传感器 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 8 1 2 ) 1 丽i 豆 两相流相关测试方法的研究 属于这类传感器的有电容传感器，电导传感器和电动式传感器。 其主要原理是，利用在管道内的两相流体对外界所显示出来的某些 电学特性，这种特性不仅与混合物中两相流体的体积流率的百分比 有关，而且与离散相的局部浓度有关。当被测流体通过某一检测截 面时或某一检测管段时，它们呈现的电学特性也将是时间的随机函 数。设法检测这个微弱的随机变量的变化，就可以得到随机流动噪 声的信号1 1 ”。 此外，除了上述三种传感器外，还有一种传感器，它利用外部 的一些手段，如加入热脉冲，利用电解产生气泡等，在流体中加入 能够产生随机噪声信号的源再将之检测出来。这种传感器可能更 适合于单相流体的测量，我们可以将它称为主动式随机噪声传感器。 3 1 2 传感器的选择和分析 我们所要检测的对象是气固两相流，气固两相流的检测中，要 求传感器首先不能破坏流体的流场，否则极易引起流体的堵塞。其 次，由于气囿两相流的工作环境恶劣，传感器必须高强度，耐高温， 耐腐蚀，工作性能可靠。 因此在上述所提及的各类的传感器中，对于气固两相流而言 由于超声式存在衰减和驻波这个难以克服的障碍，核辐射存在安全 性和响应性过低的问题，光学式存在光污染和透光率的问题，热脉 冲的适用条件受限等。所以只能选择基于电学特性的随机噪声传感 器，而对于电导传感器来说，非常适合用于测量浆类流体：电动式 的传感器和电容传感器类似，但其更适合检测气流中的夹带的极少 量的微粒的情况。电容传感器是则是一般气固两相流检测中唯一的 最佳选择p j 。它具有以下优点： 1 ) 电容传感器的原理简单，工作可靠； 2 ) 对于非金属管道，可以实现非接触测量，便于“卡钳失”安装： 3 ) 不破坏流体的流场： 4 ) 适合于恶劣条件下工作，且响应快i l 副； 5 ) 价格低廉，便于应用。 由于以上原因，我们选择了电容传感器作为相关流量测量系统的传 感器。但是它也有一些缺点必须克服： 1 ) 由于施加在极扳之间的电压值是有限的，被测流体在极板间流动 时所引起的电容量变化十分微小。虽然增加电极长度可以增大电 南京理工大学硕十论文( 1 9 9 81 2 )第1 7 页 两相流相关测试方法的研究 容，但是这样做的结果，会使传感器的结构加大成本增加，操 作不方便，特别由于电极对随机流动噪声的空间滤波效应的影 响，限制了电极长度的增加。使电容传感器满足流动噪声测量要 求的办法是，设计合理的电极结构，采用良好的屏蔽措施，减小 电容的边缘效应，防止外电场对电容电场的干扰。 2 ) 如果管道为金属管道，为了屏蔽，传感器只能做在管道内部，这 增加了传感器的制造工艺难度和制造成本。 3 ) 相对于初始电容而言，信号处理电路必须要求有相当高的灵敏 度，以下是引用文献 2 】中的两组典型数据： 表312l 电容传感器的若干典型数据 气流浓度管径电极初始满量程电1 的电 输送长度电容容变化 容变化 散装0 4 3 3 ”o 1 m 0 7 p f0 0 1 5 p f 00 0 0 1 5 p f 水泥 o 8 6 5 ”o 1 m 0 7 p f0 0 3 p f 00 0 0 3 p f 从表中可见，相对于初始电容而言，电路的灵敏度必须高达几千 分之一，才有可能将离散相的浓度变化引起的随机流动噪声检出， 其实现难度非常大。因此，必须设计一种能克服初始电容影响的 高灵敏度，高稳定性，且固有噪声很低的电容检测电路。 4 ) 电容传感器必须解决的另一个问题是分布电容的影响。分布电容 一般来自于电极的引出电缆和屏蔽层，通常外部的分布电容比传 感器的电容要大几百倍，如果不能克服外界分布电容的影响，根 本不可能进行测量。 3 1 3 电容传感器的工作原理 电容传感器检测两相流流体流动噪声的原理在于电容传感器的 两个极板之间的电容量随着在极板间流动的两相流流体的混合物的 介电常数变化而变化。 文献【2 】基于平行板电容器的原理近似给出了如下的公式： c = 薹竿薹再熹 6 i 和6 2 分别为平行板电容器之问的两种介质的介电常数，a 为离散相 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 1 2 )第1 8 页 两相流相关测试方法的研究 局部体积浓度。m x n 表示将电容器的空间假想的分为m n 个高为 h 。宽为1 。，长为d 的长方体。 如果离散相分布均匀，a 。与坐标系m 及n 无关，则整个平板电 容器的电容量只与a 的大小有关，且 r ：鱼：鱼生：生 ! 。d 占2 + ( 占1 一占2 ) a 如果介质8 2 的极板间的分布不均匀，则整个电容器的电容量不仅跟2 在电容器空间中的总体积有关，而且与介质6 2 的局部体积浓度有关。 因此，当两相流流体混合物在极板间流过时，尽管混合物中的 离散相的总体积的浓度c x 不变，但离散相的局部的浓度却会随着 流体产生随机的变化。因而，使电容传感器的总电容量将围绕着一 个与豇相应的平均值呈现随机起伏。如下图 c c 。陆气世泸乒毛盐 图( 3 1 31 ) 离散相局部浓度变化引起电容的变化 3 1 4 电容传感器的结构和制作 传感器的制作：试验管段为长1 0 0 m m ，内径8 0 r a m 的金属管段， 两对电容传感器制作于管的内壁，结构如图( 3 14 1 ) 。制作方法 是：首先在管的内壁镀一层绝缘层，再用宽度b = 4 5 m m 的薄铜箔贴 予管的内壁，构成一个环形的电容传感器，再在电极的表面喷镀一 层高强度、耐腐蚀、耐磨损的绝缘保护膜。电容器工作时将金属管 良好接地，可以对电极起到非常良好的屏蔽作用。 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第j 9 页 两相流相关测试方法的研究 图( 3l41 ) 传感器结构图 3 1 5 电容传感器的空间滤波效应 外地辣层 嗣锚 鲍蛛屡 由于传感器的敏感器件总是有一定的几何形状和尺寸。它们向 被测流体所发射的能量束，或者在被测流体中形成的能量场不可能 集中在空间的一条直线或空间的某一点，而是分布在一个与敏感器 件的几何特性有关的有限的范围内，称之为“敏感体积”。这样， 当被测流体沿管道轴线运动时，流体内部的随机噪声引起的随机调 制作用将在该“敏感体积”内平均。换句话说，就是用传感器的“敏 感器件”这个“窗口”来检测流体的流动状况时。被测流体中随机 噪声现象引起的随机调制作用，从频域上分析，它不可能全部被转 换成敏感器件输出的电信号。相反，敏感器件将以其特定的空间函 数对该调制信息进行加权平均，这就叫做“空间滤波效应”l 。】【“】。 我们设计的电容传感器为环形电容传感器，因此其敏感体积为 轴对称，而被测流体如果只存在沿管道的轴线方向的运动，再假定 电容的边缘效应可以忽略。在这种情况下，被测流体对入射能量束 的调制作用，以及传感器的敏感元件“窗口”的空间滤波效应，就 可以用图( 3 1 5 1 ) 的一个通过管道中心轴线的截面来代表。 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 91 2 )第2 0 页 两相流相关测试方法的研究 图( 3151 ) 空问 滤波示意图 显然，这时的传感器“窗口”就变成为长度为b 的一 条直线，窗口函数为： f 1 口( ：) = o 当l z i b 2 其它各处 z 为沿管轴向的空间坐标，当被测流体流动时，流体 和传感器“窗口”之问的相对运动，可以看作流体静 止不动，而传感器“窗口”沿轴方向的反向运动，若“窗 口”由于移动一v t 而到达一个新的位置则“窗口”函数将变成a ( z + v t ) 。 随之，由于被测流体的调制情况的变化，一个新的二维能量通量i 。 将通过“窗口”到达敏感元件的表面，使后者输出的电压信号变成 一个新值。令f ( z ) 为流体的空间函数，则输出u ( t ) 可表示如下； 令 域f ) = 口乜+ w ) - v ( z ) d z 4 ( ) = j 口( ：) e x p ( 一j 2 n m z ：) 如 r ( 他) = r ( z ) e x p ( 一j 2 n m , z ) a z m ：为空间频率。根据维纳定理i x z ，( 3 1 5 2 ) 式可以写作为 “( f ) = 彳( ) 1 1 ( ) e x p ( j 2 n m ；v f ) 砒 又因为 “( r ) = j 以) e x p ( j 2 聊t ) d f 比较以上两式，可推得： 鸭2 7 “( 厂) = 百k r ( 所：) 爿( m ：) 我们称a ( m ：) 为空域传递函数，以上的电容传感器，可以表示为 南京理工大学硕士论文( 1 9 9 81 2 )第2j 面 上 两相流相关测试方法的研究 a ( m ：) = 卜( z ) e x p ( 一j 2 m n ：z ) d z = 6 - 等z m = 6 s i nc ( 拼：6 ) - d | 、 、 ； 、 k 多一 ： ： i ； 0 二一j ： ： i 1 ；： l 卜： i ； l 卜寸 l ；一2 图 ( 3152 ) 能谱圈图( 3151 ) 频谱图 图( 3 1 5 1 ) 和( 3 15 2 ) 分别为传感器的频谱图和能谱图，即 取b = 4 5 m m 。从能谱图可以看出，当空间频率m ，大于1