仪表基础知识流量仪表资料 物位仪表资料 数显仪表资料 压力仪表资料 温度仪表资料 校验仪表资料 仪表阀门资料 电线电缆资料 控制系统资料
返回首页

第二节 相关流量计的原理及构成

时间:2014-09-17 23:07来源:未知 作者:智能电磁流量计 点击:
第二节 相关流量计的原理及构成 一、工作原理 首先考虑流体在封闭管道内的流动。如图8.1所示, a-a'和b-b'分别是与流体流动方向垂直的两个流通截面,它们彼此沿管道轴线方向相隔一已知距离L。当流体流动时,如果暂不考虑流体内部存在的黏性阻力及管道内壁对

第二节 相关流量计的原理及构成

 

一、工作原理

 

首先考虑流体在封闭管道内的流动。如图8.1所示, a-a'和b-b'分别是与流体流动方向垂直的两个流通截面,它们彼此沿管道轴线方向相隔一已知距离L。当流体流动时,如果暂不考虑流体内部存在的黏性阻力及管道内壁对流体的摩擦作用,则可以简单地认为截面上各处的流体是以同一速度,即以液体的体积平均流速Vcp从截面a~a'流动到截面b-b',那么

Vcp= (8.1)

式中 q——流体的体积流量, m3/s;

A——管道的横截面积, m2

由于截面a-a'和b-b'之间的距离L是己知的,因此,只要能确定时间间隔T,就可以按下式计算出流体的体积平均流速Vcp

Vcp= (8.2)

这样一来,流速测量问题就转化为时间间隔的测量问题了。

相关流量计的工作原理可以用图8.2说明。

在沿管道轴线相距为已知距离L的两个截面a-a'和b-b'处,分别安装有结构完全相同的某种物理效应(例如光学、电学、声学等)的传感器。按照流体的流动方向,一般将这两个(或两组)传感器分别称为上游传感器和下游传感器,在工作时,这些传感器会向被测流体发射一定幅度的能量束(如光束、声束等),或者在一定的空间范围内形成一定程度的能量场(如电场)。当被测流体在管道内流动时,流体内部自然发生的随机噪声现象,例如,单相流体内部揣流"旋涡"的不断产生和衰减,两相流体中离散相颗粒的尺寸分布的随机变化,以及多组分流体中各组分的局部浓度的随机变化等,都会对传感器发出的能量束或它们所形成的能量场产生随机调制作用(幅值调制、相位调制或者两者的混合调制作用等)。随之,传感器中的敏感元件会检测到这些调制作用引起的随机噪声信号,并产生相应的物理量〈如电流、电压、频率、应力等)的变化。当然,这些物理量随时间的变化也将呈现随机的性质。最后,通过适当的信号转换电路,就可以分别从上、下游传感器提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t)。

当被测流体在管道内稳定流动时,随机流动噪声信号x(t)和y(t)可以分别看作是来自各态历经的平衡随机过程{x(t)}和{y(t)}的两个样本函数。

如果将图8.2中用虚线所包围的,由上、下游传感器、测量管道及被测流体所组成的系统视为一个信号系统,且将上游传感器产生的随机信号x(t)作为该系统的输入,下游传感器产生的随机信号y(t)作为该系统的输出,那么确定流体从截面a-a'运动到截面b-b'所需时间长短的问题就可归结为一随机信号通过给定系统所需时间的问题。由相关理论可知,将该系统的输出信号y(t)与它的输入信号x(t)作互相关运算(实质上就是在不同的延时值下比较这两个信号波形的相似程度),得到互相关函数Rxy(τ)的图形。该图形峰值位置所对应的时间位移τo,就是随机信号x(t)在该系统中的传递时间。因此,信号x(t)在该系统中的传播速度Vc可以按下式计算

vc= (8.3)

通常,称Vc为相关速度。

在理想流动状态下,也就是管道横截面上各点处流体的速度都相等时,被测流体的体积平均流速Vcp可以用相关速度Vc表示,即

Vcp=Vc= (8.4)

因而,被测流体的体积流量q可表示为

q =VcA (8.5)

以上的叙述,只是在极为简化的前提条件下,对相关流量测量技术的基础原理所作的一种说明。实际上,运用相关流量测量系统来实现单相或两相流体的流速或体积流量的测量时,还有许多影响因素,需要在设计和使用该系统时予以考虑。例如,检测流动噪声的传感器通常都具有一定的几何形状与尺寸,它对被测流体内部的随机流动噪声实际上起了一个空间滤波作用(低通或带通)。又由于被测流体在管道横截面上的各点的速度并不相同(取决于流速分布廓形),这样一来,所检测到的随机流动噪声在上、下游传感器之间的传递时间并不一定反映了被测流体的平均流动速度的大小。又例如,在测量两相流体时,上、下游传感器所检测到的信号是两相流体中离散相的随机流动噪声,因而只能反映出离散相的流动快慢等。因此,一般将相关流速vc和被测流体的体积流量之间的关系表示为

q=kvcA (8.6)

式中, k可称为相关流量计的仪表常数,它与上述诸多因素有关,通常需由实验标定予以确定。

 

二、相关流量测量系统的构成

 

相关流量测量系统从硬件系统组成上讲,包括随机流动噪声敏感器、流动噪声信号传递通道和互相关器三个关键部件,关于其设计问题将在下文予以论述。从最一般的情况来考虑,相关流量测量系统可包括以下三个组成部分:流动噪声信号检测系统、相关测量系统和流动模型。图8.3是相关流量测量系统的构成框图。

1.流动噪声信号检测系统

流动噪声信号检测系统是由测量管段、传感器以及信号放大、调解和滤波等环节构成。上、下游传感器的敏感元件所检测到的信号,随噪声信号Sx(t)和Sy(t)分别通过放大、解调及滤波等环节后,包含在其中的随机流动噪声信号x(t)和y(t)被提取出来,并输入相关测量系统作进一步处理。

由于相关流量测量系统多应用于两相流体或多相流体流动系统,流动参数的相关测量方法又属于动态参数测量技术范畴,因此在研制设计流动噪声信号检测系统时,有许多问题要予以仔细考虑。例如,传感器的工作原理(更确切地说,是传感器的敏感场与被测流体中随机噪声现象相互作用的微观机理)、传感器的几何形状和尺寸等,不仅对相关流量测量系统的性能影响很大,而且还关系到该系统的测量结果物理意义的解释;上、下游传感器间沿管道轴线方向上的距离大小;上、下游流动噪声信号传递通道特性匹配程度。这些对于相关流量测量系统能否正常工作都有重要意义。

2.相关测量系统

相关测量系统的作用是实现相关流量测量。通过比较上、下游流动噪声信号x(t)和y(t)的相似性,确定流动噪声信号在上、下游传感器所在横截面之间的平均传递时间。

根据不同的假设,图8.3中表示的被测流动系统可以近似描述为一个线性非时变系统,也可以描述为一个非线性时变系统。被测流动系统的数学模型确定以后,相关测量系统的任务是确定出该模型中的一组参数,使得该模型在输入信号x(t)的作用下产生的输出信号Ym(t)与被测流动系统的输出信号y(t)最为相似。从这个意义上讲,相关流量测量系统要解决的是系统模型的参数辨识问题。

实际中,通常采用极性相关的方法,通过搜索极性互相关函数 ψxy( τ )的峰值来确定流动噪声信号在上、下游传感器之间的平均传递时间。

3.流动参数模型

流动参数模型描述了参考模型的参数与被测流体的体积平均流速Vcp或体积流量q之间的关系。

如前所述,流动模型的建立不仅与被测流动系统的特性有关,而且也与所使用的传感器的工作原理、敏感元件的几何形状及其结构尺寸等有密切关系。例如,气-液两相流体的流动状况就比气—固或液-固两相流体的流动远为复杂。即使是同一气-液两相流体,它在垂直管道中的同向(自下而上)流动也与它在水平管道中的流动状况大不相同。传感器的工作原理以及它的敏感零件的几何形状和尺寸,决定了它所获取的流动噪声信号的频率组成情况,决定了该信号是来自整个管道横截面上的流动整体的贡献,还是来自局部的,甚至是来自横截面上某点流体的流动状况的贡献占主导地位。

一般来说,根据流动噪声信号的检测原理及传感器的结构形式,可以对流动参数模型进行一些定性分析,确定其模型的形式。但由于被测流体流动的复杂性,通过上述理论分析获得的流动参数模型还需通过定量实验来验证。例如,我国有些油田已进入高注水阶段,从油井采出的是高含水的油水两相流。为了适应油田油水流量测量的要求,目前已开发出一种基于电导传感器的相关流量测量系统,辅以电导含水率计可以得到油水两相的分相流量,测量系统如图8.4所示

油水两相流自下而上流过上、下游传感器截面。由于两相流体是经过集流后流入传感器测量段的,因此作为离散相的油泡(在高含水情况下,水为连续相)是杂乱无章状分布流过两个测量截面的。油水两相这种杂乱无章的分布即为该传感器系统的流动噪声。由于水相的夹带或其他扰动因素,上、下游截面处的流动图形是非"凝固"的。同时,对于特定的传感器结构,具有特定的频率响应特性,对其通带之外的流动噪声将不能分辨。比如对于特别细小的油泡,其存在不是改变电导传感器的输出,这样的信噪比很低,传感器根本感知不到这些小油泡的存在。对于那些细长的油泡(呈条状分布),若其长度大于传感器的特征长度(如上、下游截面间距),这时在电导传感器的输出在一段时间内呈现平直的响应(固定的值),使传感器出现暂时的盲区。应注意该电导传感器的敏感体积除了两电导环之间的区域外,还扩散到上、下一定的区域内,而且在该敏感体积内的灵敏度分布也不均匀。另一方面,由于油水两相密度的差别,在垂直上升管中,油水两相会出现速度差。极限情况下,当水相静止时,仍有油自下而上地流动。

以上这些因素均使得两相流体流动存在许多随机性,使流动参数模型的建立变得很困难。

(流量计:智能电磁流量计)
------分隔线----------------------------
热门商品