管内流体的温度脉动相关流量测量实验研究

　　在动力、化工和能源等工业领域,流体流量的测量是参数检测中一个很重要的方面.60年代后期发展起来的相关测速方法,因其独特的优点,成为广大热工仪表工作者关注的焦点之一[1].其主要思想是通过传感器获取流体内部的流动噪声信号,并对其进行互相关处理,得到信号的传播时间,在传播距离已知的条件下,经标定得到流体的平均流量.

　　由于热电偶体积小、动态响应性能好,加上结构简单可靠等优点,以它为传感器来测量反应堆内困难流体的流量是比较理想的.1966年Bentley和Dawson[2]用热电偶作传感器探测高雷诺数流体内的温度噪声信号来测量流速获得成功,但在低雷诺数条件下偏差较大.70年代初期,Bradford大学的Abey-sekera和Besk[3,4]利用温度波动对脉动流的测量问题进行了研究.国内,晁志玉和曾昌恒[5]、佟允宪和田虹[6]、宿成基等[7]对该课题开展了研究.上海交通大学核工程研究所在80年代末期也对相关流量测量进行了比较系统的研究,现已初步研制成温度噪声互相关数字式流量测量系统的原理样机[8].

　　1　温度噪声互相关流量测量基本原理

　　文献及实验表明,管路中流动流体内部的温度随时间的迁移呈现随机性的波动,而且该温度波动信号属于各态历经的随机过程范畴.在管路中相距为L的两个截面的中心处,分别布置两个物理特性尽可能相同的热电偶.假定用一个时间历程x(t)代表上游处的温度噪声信号,而管路是一个非频变的线性传播路径,在传播中混入了一个统计独立的噪声n(t),在下游热电偶处得到一个响应y(t).图1示出了实验中所得的两热电偶输出的温度信号x(t)和y(t).

　　温度噪声的传播路径频率响应函数可视为常数,即H(f)=H,设其传播速度为v,有

　　式中:

　　T为采样时间长度;τ为时间延迟.由相关理论可

　　知[9],当τ0=L/v时,Rxy(τ)有最大值.因此,若传播距离L已知,通过测量互相关函数的峰值位置τ0(称为渡越时间),就可由下式求得温度脉动的传播速度:

　　由于此速度是通过相关方法获得的,故称为相关流速,代表管路中心线上的流体运动速度.

　　在实际情况下,被测流体在管道横截面的不同的流动状况下,存在着不同的流速廓形.因此,定义

　　式中:vcm为管内相关体积平均流速;K为平均流速校正因子,与管道内流速分布等因素有关.则管内相关体积流量Qc可从下式得到:

　　式中:A为管道横截面积;din为管道内径.

　　图2为温度噪声相关流速测量原理简图.预处理电路的作用主要是通过滤波、解调和放大等环节,将原来微弱的温度噪声的脉动信号部分放大,以用作相关信号.