第四节 相关流量计的校验和标定

对相关流量计进行标定的目的在于检验并刻度相关流量计，实现被测流体流量测量的能力。如前所述，相关流量计包括随机流动噪声敏感器，上、下流游动噪声信号处理通道，相关器等。那么相关流量计的标定也就包括了对其组成部分的逐一标定。

一、随机流动噪声敏感器的标定

随机流动噪声敏感器用来检测流体流动过程中产生或存在的随机噪声信号。对流动噪声敏感器进行标定的目的就在于检验它拾取流体中随机流动噪声的能力及上、下游敏感器的一致性。敏感器的幅频特性和相频特性是反映敏感器检测流体随机流动噪声能力的基本指标。

图8.9 (a)、(b)给出了理想敏感器(水平虚线)及实际敏感器(实线)的幅频响应和相频响应。该图虚线表示的是在理想情况下，敏感器的带宽无限大，在通带内幅值衰减为零，相相位失真为零，即在任何频率下，敏感器输出信号始终无失真地跟随被测流体噪声信号的变化。实际上，敏感器总有有限的带宽，在通带内其相位一般随频率的变化而变化。图8.9中的实线给出了一个特性为一阶环节的电容传感器实际的频率响应。

实际上，根据敏感原理的不同，敏感器的频率响应也不同，图8.10所示给出了静电感应式敏感器的幅频响应曲线，即只对特定频段内静电荷的变化有反映。

一般说来，在敏感器的设计(几何形状和尺寸)中已经考虑使敏感器的通带覆盖被测流体噪声信号在整个量程范围内的频率成分。只有这样才能保证敏感器能检测到相关流量计在整个量程范围内的流动噪声信号。因此在考虑敏感器标定方法时，要考虑如何获得敏感器通带的上限频率和下限频率。相对来讲，敏感器的相频特性对相关流量计的整体特性影响不大，只要上、下游相频特性一致且相位失真造成的时间偏移相对于信号的传递时间为无限小(或足够小)即可。

下面以静电感应式敏感器为例介绍其幅频特性的标定方法。

如图8.11所示，静电感应敏感器为半径为r，宽度为b的圆环带，中心通过一交流电流用以模拟运动的电荷的变化。圆环带上感应的电荷由动态电荷感应放大器测量。改变噪声源 的频率及幅值可以使噪声信号在宽范围内变化，R_s的变化也可以调整电流的大小。假设电荷感应放大器的通带足够宽，通过频谱分析仪即可获得图8.10所示的频率响应曲线。同时，改变R可以获得该传感器对流动噪声信号(这里是交变电流)幅值的分辨率。

值得一提的是，可以采用图8.11所示的装置研究静电感应敏感器的特性与其几何尺寸之间的关系。

二、上、下游流动噪声信号通道的标定

上、下游流动噪声信号通道用来将上、下游噪声敏感器拾取的噪声信号进行滤波放大并送给相关器进行相关运算。理想的信号通道应能滤除全部无用噪声，并对有用的流动噪声进行无失真的放大。理想的信号通道的频率响应与理想敏感器相似(见图8.9)。

如同随机流动的噪声敏感器一样，上、下游流动噪声信号通道的标定的目的在于检验其频率特性及上、下游通道的一致性。

如图8.11所示，若已知敏感器的通带足够宽，且已测得其相频特性，那么同样可以利用频谱分析仪来获得信号通道的幅频特性，并能检验上、下游信号通道的一致性。

三、相关器的标定

相关器是相关流量计的核心。通常来讲相关流量计的敏感器及信号通道可以通过合理选择与设计而满足要求，而相关器性能的优劣在很大程度上决定了相关流量计的性能的好坏。

相关器标定的目的正是为了检验相关器性能的优劣。对相关器的标定可以有不同的方法。对于软件相关器，可以采用噪声序列产生的软件程序产生具有不同频带、不同延时、不同长度的噪声序列送入相关器，对相关器的性能进行校验。针对硬件相关器或软硬结合式相关器，作者等设计了双通道延时可调伪随机信号发生器，可以产生延时时间可调、频率可调、周期长度可调的双列伪随机信号，用以模拟相关流量计上、下游通道的随机游动噪声。将该伪随机信号发生器产生的双列信号送给相关器进行相关运算即可标定相关器。相关器的运算虽然具有简单的表达式，但其运算结果却与许多因素有关。例如信号的频带、采样率等。因此，对相关器校验过程本身就为操作者提示了使用相关器的复杂性及应注意的有关因素。

实验系统如图8.12所示。实验中伪随机信号发生器产生的伪随机信号，其序列周期长度可在9、11、15、18、20之内选择，即分别对应2^9、2¹¹、2^15、2^18、2²⁰个基本时钟周期，基本时钟频率可根据晶振、分频级数的选择在宽范围内设定，双列相对延时可在1ms~10s内选择。

伪随机信号的显示采用Tektronix TDS220数字存储示波器，采样率1GS/s (每秒10⁹个采样)，而其横轴(这里为延时值)读出分辨率为0.2%。基本时钟频率为976.5Hz，周期长度为15，延时值为l0ms时示波器示出双列伪随机信号波形。由相关运算及伪随机信号的性质可知双列伪随机信号的相关图形将取决于采样率、信号基本时钟频率、双列相对延时及序列周期长度等因素。

1.采样率与噪声频率之间的关系

Nyquist采样定理显然不能直接应用于指导伪随机信号的采样过程，因为其信号的带宽为无穷大，但是若应用其二值信号的先验特性，仍可应用Nyquist采样率恢复伪随机信号。如图8.13所示的信号，当采样频率高于1953Hz时，可以获得信号的完整信息。图8.14给出了采样率分别为2kHz、采样长度为512时两通道的互相关函数。

在相关测量中采样率并不是越高越好，应根据信号的有效或有用频带宽度选取合适的采样率。有效或有用的频带宽度是指对相关分析产生作用的带宽。例如伪随机信号，虽然其带宽为无限大，但有用带宽为基本频率及以下的频段。对伪随机信号而言，采样率可取为基本频率的2倍。这一频率称为有效Nyquist采样率。

因此，在满足Nyquist采样定理的情况下，降低采样率，有利于增加被采样信号的总信息量(样本长度)，提高信号的互相关性，有利于相关峰值位置的检测。

2.相关器的实验标定

对相关器的标定尚无统一的标准方法。一般情况是将在某种实验条件下采集的上、下游实际信号送入相关器进行相关运算，将测量结果与实际"设定"的流速或运动速度相比较，以标定相关器并获得相关器的相关系数。但是，由于实验条件是异常复杂的，随机因素很多，导致相关速度测量的凝固流动图形的基本假设只能近似成立或不能成立，使得测量结果中还包含有信号噪声，这往往使得标定结果含义模糊，即测量误差既可能来源于相关器，

也可能来自于特定实验条件下的测量过程。为了单纯研究相关器自身的性能，作者开发了智能双通道伪随机信号发生器，可以产生双列相对延迟时间、序列周期长度和基本时钟周期可调的标准伪随机信号。由本章第四节中的分析可知当序列周期足够长时，该发生器产生的相对延迟时间可调的双列伪随机信号可以模拟不同流速或运动速度下满足凝固流动图形假设的上、下游噪声信号。

(1)实验标定 本实验中设定序列周期长度为15，基本时钟频率为976.5Hz，采样率2kHz，采样点数1024点，这样总的采样时间为5l2ms。假定相关器的测量范围为O~ 256ms(采样时间的一半)。当然该测量范围随采样率和采样点数的变化而变化。图8.15示出不同延迟时间下的相关器的(引用)相对测量误差。

可以发现，在0~200ms延时范围内精确度高于0.2%，当相对延时大于200ms时，相关性逐渐变差，测量误差增大。当相对延时为280ms时，测量误差为1.2%。根据误差分配原则，为了保证整个测量系统的测量精确度，可测延时范围一般应小于相关运算积分时间的40%。

(2)实流测量对比 在某油田生产测井研究所模拟井上分别采用被标定过的基于DSP的相关器和D6100分析仪对油水两相流的流量测量进行了对比实验。图8.16 (a)、(b)示出分别采用基于DSP的相关器和Phylips D6100分析仪对50m³/d、含水90%条件下某一时刻采集的上、下游信号进行相关运算的相关图形。在4~60m³ /d的宽范围内的对比实验表明，在相关运算测量流速方面，基于DSP的相关器实现了D6100分析仪的相同功能。

四、相关流量计的标定

相关流量测量方法是基于随机过程分析的统计方法，测量结果由随机流动噪声信号标记信号的渡越时间距离来决定。但是，由于这样标记信号的产生机理及检测方法的不同，使得检测到的标记信号产生了差异，这样得到的测量结果就会偏离真实值。比如，静电感应传感器检测的是其敏感体积内的粒子所携带电荷的随机变化，但并不是每个粒子所携带电荷的随机变化对传感器输出做出相同的贡献。其贡献的大小决定于各自的权值，其权值又由粒子与传感器的相对位置及传感器敏感体积内粒子的分布来决定。又如超声相关流量计，超声传感器检测的是声束范围内随机出现的气泡对声束产生的衰减。由于气泡出现的位置不同，对声束的衰减也不一样。再如敏感体积分别为点、线、面、体的传感器，其输出必然分别按不同的权重反映流体内点、线、面、体上的部分的信息。另外，除敏感体积的因素外，传感器的频率特性，上、下游通道的一致性仍然是影响互相关测量结果的重要因素。

那么，相关流速与流体的真实流速之间到底是什么关系呢?根据前述分析，相关流速大体上反映了流体的真实流速。对它们之间的定量关系除了可作有限的定量描述外，一般需通过标定来刻度。相关流量计标定的目的就是通过实验的方法确定相关流速和真实流速之间的定量关系。本节给出一些典型的相关流量计的标定装置(系统)、标定方法及标定结果。

按照Beck(1990)等的分类，流量标定装置可被划分为以下三类。第一类是那些标定处于适中的温度和压力下的单相液体和单相气体装置。第二类是由超声波流量计的有效性所要求的标定装置。超声波流量计可以从大管经管道外面测量工作在高温高压下的高速流体，因而就提出了在这种条件下对流量计进行精确校定的要求。第三类是多组分流体标定装置。本节将介绍气—固、液-固、气-液两相流实验装置。有了试验装置，就可以针对所设计的相关流量计的类型在相应的试验装置上标定其仪表系数及校验其适用范围。

1.气—固两相流实验装置

依据系统中操作压力的高低，可以分为正压式系统和负压式系统。图8.17所示是英国Brandford大学自动控制系建造的一套负压式气-固两相流实验装置。

整个试验系统是在一台大马力真空泵造成的负压(- 21kPa)下进行。该系统的实验管道直径为76mm的铜管，最大水平试验管段的长度为26m，最大垂直实验管道长度为6.4m。

被测试的气—固两相流体是空气和固体塑料颗粒组成的混合物。

空气在真空泵的抽取下，经过电加热器预热后，进入实验管段。调节电加热器的功率，可使进入试验管段的空气温度在室温至70⁰C范围内变化。空气的体积流量用标准孔板测量。空气的流率可由气动调节阀的开度予以控制。最大空气体积流率为1.42~1.99时Imino考虑到空气温度的变化，该变化中空气的质量流率可以在91~409kg/h的范围内调节。

塑料颗粒的尺寸是在5μm~O.5cm范围内变化。塑料颗粒从料仓下方放落到螺旋推进器内后，被推进器连续推出，并经皮带电子秤称重后掉入漏斗，随即被系统内的负压吸入实验管道，与空气混合成气—固两相流。单位时间内塑料颗粒的进料量可以通过改变螺旋推进器的转速加以控制。

该气-固两相流实验装置的运行除真空泵是人工启动外，其余的所有操作，包括流量范围(空气流量，塑料颗粒的进料量)的预先设定、每种流动状态下测量次数的设定、数据采集和处理等，都是在MINC-ll小型计算机控制下自动进行。在每次测量中，上、下游传感器输出的流动噪声信号间互相关函数的计算，是由5420A型(H/P公司)信号分析器在MINC-ll数字计算机的指令控制下完成的。

在实验管段的中部，装有一段透明的管道，既可供实验人员观察管道内气—固两相流的流动状态，也可供激光多普勒流速计测量流速廓形用的透明窗口。

该试验装置可以标定的相关流量测量系统分别有电动力学传感器和圆环式电容传感器。

2.液-固两相流实验装置

图8.18是该实验系统设计的一种方案。

液-固两相介质在混合容器内被充分搅拌并均匀混合后，由泥浆泵1抽出并在试验系统内循环流动。液—固两相流在垂直实验管段和水平实验管段后，取决于换向器中挡板的位置，它或者直接回到混合槽内，或者先流入称重桶内。待测定好某一段时间间隔内流过的被测液-固两相流体的重量后，再经气功控制阀门1放回到混合槽内。液-固两相流体在实验管道内的流率大小由气动控制阀门2的开度来控制(试验过程中阀门1全关，阀门2全部打开)。

当需要检查温度对被测两相流体流动情况及对相关流量测量系统性能的影响时，应在对液-固两相流体进行搅拌的同时，用泥浆泵2使两相流体在热交换器和混合槽之间循环流动，待被测流体的温度达到预定值时，再开启泥浆泵1，使被测流体在实验管段内流动，并完成有关的流动参数的测量工作和流量计的标定工作。

3.气—液泡状两相流实验装置

图8.19所示为一套气液泡状两相流实验装置。在该实验装置中，水作为载相(连续相)流体连续不断地循环流动。水流量的大小由控制阀门的开度决定，并由涡轮流量计测量。压缩空气通过气泡发生器后，以气泡的形式进入水流中，然后，水流和气泡沿相同方向由下而上地在垂直实验管道内流动。实验管道的内径是76.2mm，水泡的直径为5~8mm(取决于气源压力和气泡发生器中气流排出孔的结构和尺寸)。空气的流量用浮子流量计计量。在气—水混合流体流回水箱管道的最高部位处，连接了一条内径为38mm的分流管道。它的作用是使流体中含有空气的相当大的一部分，在水流带动下，经过这条分流管道流入气、水分离器中，并将分离后的水流引回水箱。主干道中的水流返回水箱后，由于减压和浮力的作用，水流中含有的一些气体也将逸出，聚集在水箱的上部空间。

在垂直试验管道上，除了安装相关流量测量系统的流动噪声传感器以外，为了确定气-液两相流体中气相的占空系数，还安装了两个压力传感器P₁和P₂

在正常流动情况下，气—液两相流在垂直试验管段内流动，可以完成相应的流量计的校定。