差動自相關原理的氣固兩相流流速測量研究

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差動自相關原理的氣固兩相流流速測量研究

差動自相關的理論基礎自相關差動流速測量系統原理圖傳感器的選擇和設計隨機噪聲提取電路的設計

2004年9月 (1)

摘要  介紹了測量兩相流流速的方法,該方法可以提高系統的抗干擾能力、穩定性和性價比;討論了該方法的工作原理,并建立了一套模擬實際測量情況的測量系統。試驗結果證明,基于差動自相關原理的測量方法是完全可行的。

0 引言

以相關原理為基礎構成的互相關流速測量系統,采用不同原理的傳感器來獲取兩相流動的流動噪聲信號,經互相關處理后,求得離散相的平均流速,配以其他檢測手段,即可以構成各相流體質量測量系統。它可以實現非接觸測量,因而有很強的適應性,是實現氣固兩相流參數檢測的一個強有力的技術手段。由于氣固兩相流所處的工業生產過程通常十分惡劣,如何提高系統的可靠性和抗干擾能力,成了相關測量技術進一步發展的關鍵問題。本文根據自相關的測量原理,利用差動自相關的測量方法,將其應用到氣固兩相流的測量系統中。由于它可以使系統的靈敏度、抗干擾能力和可靠性得到較大的提高,并且能夠降低系統硬件設計的復雜性,因而有很強的實用意義。

1 差動自相關的理論基礎

無論單相流還是兩相流體,其內部都存在著各種各樣鈺流體狀況有關的“噪聲”,這種“噪聲”來源于流體內部的“微團”運動??梢哉J為這種噪聲符合于各態經歷隨機平穩過程 的兩個樣本函數,且流體的流動符合“凝固圖形”假設。圖1給出了自相關差動流速測量系統的示意圖。

               圖1 自相關差動流速測量系統原理圖

如果A、B傳感器經轉換電路得到的信號分別為 ,假設流體流動符合“凝固態模型”,則可以認為 的延時[1]

                                     (1)

做差動后有:

                    (2)

式中: 為流體流過兩個傳感器的渡越時間。對 做自相關處理則有:

       =

      

     =

=                        (3)

可見 的自相關函數由四部分組成, )和 分別為 信號的自相關函數。如果信號為符合平穩遍歷性的隨機信號,根據隨機理論其自相關函數應該為一沖激信號,即

                              (4)

式中: 分別為原點搬移到 的自相關函數。當這四者相加時,可以預見,其波形除在 處有一正峰值外,在 處應該分別有一負峰值。但是時間 實際沒有任何意義,因此實際處理中只要取坐標軸的右半部分,找到負峰值所對應的時間就可以確定流體的渡越時間。從上面的分析可以看出,差動自相關函數實質上包含有互相關的信息,因此它具有互相關的特點。但是因為處理的方法不同所以又有自身的特點:

①     減少了對系統對稱性的要求,提高了整個系統的性價比。

 互相關測量系統必須有兩路獨立的測量通道,要求兩個通道有盡可能好的對稱性,否則由外界引入的不對稱畸變會使 的相似性減弱,從而使相關函數的峰值減小,斜率降低,造成渡越時間檢測精度降低。而自相關測量系統,除了第一級的轉換電路獨立以外,其它的信號處理電路和A/D轉換部分均共用一個電路。這樣只要保證傳感器和轉換電路的對稱性,而對后面復雜的處理電路側沒有要求,其技術難度大為減小。另外,因為完全共用了后端的處理電路,從硬件上來講幾乎減少了一半的電路,成本和復雜性都大大降低??梢姴顒幼韵嚓P提高了系統的性價比。

②     能夠提高測量的靈敏度。

在被動式的傳感器中,傳感器本身的初始值很大,而信號引起的變化量小。這個初始值的存在使電路的方法倍數受到了很大的限制,從而影響了測量的的靈敏度。我們希望輸出的信號僅僅反映流體流動引起的相對于傳感器的變化量,為了克服初始值的影響,以往的電路通常采用D/A轉換加入動態反饋的方法[2],但這一方面加大了電路的復雜性,另一方面受D/A轉換速度的影響會使電路的動態特性受限。差動自相關的方法使兩個傳感器互為參照,從原理上抵消了初始值的影響,使輸出信號只與擾動量有關,而且不會增加電路的復雜性。

③極好的抗共模干擾的能力

基于差動原理的系統本身就有很好的抗共模干擾的能力,因此溫度、振動等因素產生的共模干擾對差動自相關測量系統幾乎不產生影響。

綜上所述,差動自相關的測量方法在理論上完全成立,從特點分析可見,它可以很好地解決互相關在實用中所遇到的問題。

2 傳感器的選擇和設計

   我們所要檢測的對象是氣固兩相流,首先要求傳感器不能破壞流體的流場,否則極易引起流體的堵塞。其次,由于氣固兩相流的工作環境惡劣,傳感器必須具有高強度、耐高溫、耐腐蝕和工作性能可靠的特點。電容傳感器的工作原理簡單、可靠,可以實現非接觸測量而不破壞流體的流場,適合于惡劣條件下工作,且響應速度快。因此電容傳感器成為一般氣固兩相流檢測中最佳選擇[3]。

電容傳感器檢測兩相流流體流動噪聲的原理在于電容傳感器的兩個極板之間的電容量隨著在極板間流動的兩相流流體混合物的介電常數變化而變化。因此,當兩相流流體混合物在極板間流過時,盡管混合物中離散相的總體積的濃度不變,但離散相的局部濃度卻對隨著流體產生隨機的變化,因而使電容傳感器的總電容量將圍繞著一個相應的平均值呈現隨機起伏。

傳感器的制作:試驗管段為長100mm、內徑80mm的金屬管段,兩對電容傳感器制作于管的內壁,結構如圖2所示。首先在管的內壁鍍一層絕緣層,再用寬度 的薄銅箔貼于管的內壁,構成一個環形的電容傳感器;在電極的表面噴鍍一層高強度、耐腐蝕、耐磨損的絕緣保護模。電容器工作時金屬管的良好接地,可以對電極起到非常良好的屏蔽作用。

                          圖2 傳感器結構圖

3  隨機噪聲提取電路的設計

   由于施加在極板之間的電壓值是有限的,被測流體在極板間流動時所引起的電容量變化十分微小,因此必須設計一種能克服初始電容影響的高靈敏度、高穩定性且固有噪聲很低的電容檢測電路。必須解決的另一個問題是分布電容的影響。分布電容一般來自于電極的引出電纜和屏蔽層。通常外部的分布電容比傳感器的電容要大幾百倍,如果不能克服外界分布電容的影響,根本就不能進行測量。因此在檢測轉換部分采用了基于電荷放大器原理的運算電容電路,它能克服分布電容的影響[4]。后部根據差動自相關的測量原理,檢測部分之后直接對信號進行差動,電路總體框圖如圖3所示。

                      圖3 測試電路框圖

 

 

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