两相流流量测量中的梯度相关法研究

　　1前言

　　在电力、冶金、化工等工业生产过程中,大量存在两相混合流动情况。两相流的流量侧量对于计量、节能和控制等具有重要意义。60年代中期发展起来的以相关测量技术为基础构成的两相流测量系统为解决两相流流量问题提供了十分有力的技术手段。在两相流流量中应用的渡越时间相关方法中,两个传感器分开安置在流量方向上,粒子在两个传感器间传播的时间即为渡越时间。由于在流动过程中粒子具有不同速度而引起了由该方法求得的平均速度存在统计偏差。梯度相关方法以多个粒子的位置概率分布为基础直接测量两相流中分离相的质量流量和速度。本文主要介绍梯度相关理论模型的推导、阵列式电容传感器和信号测量系统,及对试验结果的分析。

　　2梯度相关理论模型

　　非接触流量传感器如图l所示。在位置r的粒子通过传感器产生的信号为T(r)。在传感器所包围部分的体积口内包含有N个颗粒,粒子产生的总信号为:

式(4)右边第1项表示相同粒子在不同时刻的作用,第2项表示粒子对在不同时刻的作用。粒子在时间间隔(t₁、t₂)内传播的距离为:

上式中假设所有粒子位置是等可能的,且粒子的运动相互独立。E表示关于粒子经过距离u的期望值。

式(10)是梯度相关方法的理论模型。它表明,信号协方差函数的梯度在τ=0时正比于流速。由于式(10)中含有平均流速υ及粒子浓度ρ这样的因子，所以协方差函数的斜率 C12(0) 可以被用来测量质量流量。

　　3阵歹J式电容传感器和信号测量系统

　　梯度相关信号测量系统包括4组电容传感器组成的阵列式传感器;由信号激励、选频放大、相敏检波、低通滤波、组合电路组成的随机信号测量电路;由8098单片机为核心的信号采集、处理系统。梯度相关测量系统的原理框图如图2所示。

　　由传感器和测量电路产生了一对时间相关信号s1(t)、s2(t),一对空间相关信号s3(t)、t1(t),两对相关信号进入信号处理系统进行梯度相关和渡越时间相关信号处理,时间相关用来与梯度相关进行对比分析。

　　梯度相关方法要求采用如图3所示的交叠式传感器,才能得到空间相关函数Φτ12在z=0时不为零的值。但是要求两个传感器重合排列,在物理上实现起来非常不容易。我们采用了如图4所示的组合原理,由电路来产生一对空间相关信号。

　　由于传感器具有一定的几何形状和尺寸,当被测流体沿着管道轴线相对于传感器运动时,流体内的流动噪声信号引起的随机调制作用将在“敏感体积”内被平均。