基于差动自相关原理的气固两相流流速测量研究-江苏金湖仪表有限公司

0 引言

以相关原理为基础构成的互相关流速测量系统，采用不同原理的传感器来获取两相流动的流动噪声信号，经互相关处理后，求得离散相的平均流速，配以其他检测手段，即可以构成各相流体质量测量系统。它可以实现非接触测量，因而有很强的适应性，是实现气固两相流参数检测的一个强有力的技术手段。由于气固两相流所处的工业生产过程通常十分恶劣，如何提高系统的可靠性和抗干扰能力，成了相关测量技术进一步发展的关键问题。本文根据自相关的测量原理，利用差动自相关的测量方法，将其应用到气固两相流的测量系统中。由于它可以使系统的灵敏度、抗干扰能力和可靠性得到较大的提高，并且能够降低系统硬件设计的复杂性，因而有很强的实用意义。

1 差动自相关的理论基础

无论单相流还是两相流体，其内部都存在着各种各样钰流体状况有关的“噪声”，这种“噪声”来源于流体内部的“微团”运动。可以认为这种噪声符合于各态经历随机平稳过程的两个样本函数，且流体的流动符合“凝固图形”假设。图1给出了自相关差动流速测量系统的示意图。

图1 自相关差动流速测量系统原理图

如果A、B传感器经转换电路得到的信号分别为，假设流体流动符合“凝固态模型”，则可以认为的延时^[1]

(1)

做差动后有：

（2）

式中：为流体流过两个传感器的渡越时间。对做自相关处理则有：

= (3)

可见的自相关函数由四部分组成，）和分别为信号的自相关函数。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

(4)

式中：分别为原点搬移到的自相关函数。当这四者相加时，可以预见，其波形除在处有一正峰值外，在处应该分别有一负峰值。但是时间实际没有任何意义，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：

① 减少了对系统对称性的要求，提高了整个系统的性价比。

互相关测量系统必须有两路独立的测量通道，要求两个通道有尽可能好的对称性，否则由外界引入的不对称畸变会使的相似性减弱，从而使相关函数的峰值减小，斜率降低，造成渡越时间检测精度降低。而自相关测量系统，除了第一级的转换电路独立以外，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侧没有要求，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方法倍数受到了很大的限制，从而影响了测量的的灵敏度。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，为了克服初始值的影响，以往的电路通常采用D/A转换加入动态反馈的方法^[2]，但这一方面加大了电路的复杂性，另一方面受D/A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，而且不会增加电路的复杂性。

③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，它可以很好地解决互相关在实用中所遇到的问题。

2 传感器的选择和设计

我们所要检测的对象是气固两相流，首先要求传感器不能破坏流体的流场，否则极易引起流体的堵塞。其次，由于气固两相流的工作环境恶劣，传感器必须具有高强度、耐高温、耐腐蚀和工作性能可靠的特点。电容传感器的工作原理简单、可靠，可以实现非接触测量而不破坏流体的流场，适合于恶劣条件下工作，且响应速度快。因此电容传感器成为一般气固两相流检测中最佳选择^[3]。

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混合物的介电常数变化而变化。因此，当两相流流体混合物在极板间流过时，尽管混合物中离散相的总体积的浓度不变，但离散相的局部浓度却对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相应的平均值呈现随机起伏。

传感器的制作：试验管段为长100mm、内径80mm的金属管段，两对电容传感器制作于管的内壁，结构如图2所示。首先在管的内壁镀一层绝缘层，再用宽度的薄銅箔贴于管的内壁，构成一个环形的电容传感器；在电极的表面喷镀一层高强度、耐腐蚀、耐磨损的绝缘保护模。电容器工作时金属管的良好接地，可以对电极起到非常良好的屏蔽作用。

图2 传感器结构图

3 随机噪声提取电路的设计

由于施加在极板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，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。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，根本就不能进行测量。因此在检测转换部分采用了基于电荷放大器原理的运算电容电路，它能克服分布电容的影响^[4]。后部根据差动自相关的测量原理，检测部分之后直接对信号进行差动，电路总体框图如图3所示。

图3 测试电路框图

系统的基本工作原理：以正弦激励信号作为载波，将两个传感器变化的信号调制在其幅度上成为一调幅波，分别输入到仪用放大器的输入端，经差动放大后，到带通滤波器（BPF），BPF主要用于减小噪声有效带宽度提高信噪比。BPF输出的调幅波经同步调制解调器解调后，变成全波整流信号，经低通滤波器平均后，可以得到与两个传感器信号差成正比的电压信号。设计完成的电路可以明显检测到约0.2 的相对电容变化量。

4试验测量

4.1测试系统

为了对整套测试系统进行模拟动态试验，设计了一套动态测试系统以模拟气固两相流在垂直段管内的自然流动。将试验管段垂直置于实验平台上，物料将沿管段垂直流动。随机噪声信号提取电路将由流体流动引起的电容的随机变化转换成电压信号，通过屏蔽电缆传输至数字示波器中，再将采集到的信号通过GPIB总线送到计算机中，对信号进行处理。改变物料下落的高度，产生不同的流速。

4.2 电气中心距的标定

相关测试系统中，速度由下式确定：

（5）

要计算必须知道。为对传感器的电气中心距，希望电气中心距和几何中心距相重合，然而在传感器的制作中，由于工艺的原因，两电容传感器几何尺寸不能完全一致；以及工作原理的原因，电容传感器中边缘效应的影响，实际上很难保证几何中心距和电气中心距一致，因此必须对电器中心距进行标定。根据计量学的相同性原则，利用自由落体，采用相关分析方法，对已知的速度进行测量，得到经过两测点的渡越时间，从而确定电气中心距。试验采用的传感器的等效电气中心距为4.63（cm）±0.96％。

4.3系统的动态测量

我们采用了最大粒度小于0.3cm的不规则物料做实验。让物料沿管的中轴线自由下落，模拟垂直管段中气固两相流的流动。图4为气固两相流随机噪声信号，图5为对随机信号的相关分析，可以明显地看到相关后的波形有一负峰值，其归一的相关值接近－0.6的渡越时间。用以上的分析方法，用不同的高度产生不同流速的流体，图6给出了试验值和基于自由落体的理论值的比较。试验数据分析表明最大的相对误差为±1.55％。