气固两相流流速测量系统

2004年9月（2）

 系统的基本工作原理：以正弦激励信号作为载波，将两个传感器变化的信号调制在其幅度上成为一调幅波，分别输入到仪用放大器的输入端，经差动放大后，到带通滤波器（BPF），BPF主要用于减小噪声有效带宽度提高信噪比。BPF输出的调幅波经同步调制解调器解调后，变成全波整流信号，经低通滤波器平均后，可以得到与两个传感器信号差成正比的电压信号。设计完成的电路可以明显检测到约0.2 的相对电容变化量。

4试验测量

4.1测试系统

为了对整套测试系统进行模拟动态试验，设计了一套动态测试系统以模拟气固两相流在垂直段管内的自然流动。将试验管段垂直置于实验平台上，物料将沿管段垂直流动。随机噪声信号提取电路将由流体流动引起的电容的随机变化转换成电压信号，通过屏蔽电缆传输至数字示波器中，再将采集到的信号通过GPIB总线送到计算机中，对信号进行处理。改变物料下落的高度，产生不同的流速。

4.2 电气中心距的标定

相关测试系统中，速度 由下式确定：

                  （5）

要计算 必须知道 。 为对传感器的电气中心距，希望电气中心距和几何中心距相重合，然而在传感器的制作中，由于工艺的原因，两电容传感器几何尺寸不能完全一致；以及工作原理的原因，电容传感器中边缘效应的影响，实际上很难保证几何中心距和电气中心距一致，因此必须对电器中心距进行标定。根据计量学的相同性原则，利用自由落体，采用相关分析方法，对已知的速度 进行测量，得到经过两测点的渡越时间 ，从而确定电气中心距 。试验采用的传感器的等效电气中心距为4.63（cm）±0.96％。

4.3系统的动态测量

   我们采用了最大粒度小于0.3cm的不规则物料做实验。让物料沿管的中轴线自由下落，模拟垂直管段中气固两相流的流动。图4为气固两相流随机噪声信号，图5为对随机信号的相关分析，可以明显地看到相关后的波形有一负峰值，其归一的相关值接近－0.6的渡越时间 。用以上的分析方法，用不同的高度产生不同流速的流体，图6给出了试验值和基于自由落体的理论值的比较。试验数据分析表明最大的相对误差为±1.55％。

图4 气固两相流随机噪声信号

 

图5 随机噪声信号的自相关分析

图6 不同流速下理论值和试验值的比较

 5 结束语

本文研究了基于差动自相关原理测量流体流速的方法，并且利用电容传感器模拟气固两相流作了相应的试验研究。理论与实验分析研究证明：

   ①采用电容传感器和基于差动原理的平衡调制解调的随机噪声信号提取电路，能够检测微弱的随机流动信号，完全可以实用化；

   ② 实验结果表明，基于差动自相关原理的流速测试系统能达到较高精确度；

   ③基于差动自相关原理的测试系统相对互相关原理有两个突出的优点：解决了电容传感器的大初始值问题，提高了整个系统的信噪比；提高了系统的可靠性、抗干扰能力和性价比。

    差动自相关的测量方法不但可以代替系统的互相关速度测量系统，而且在与相含率测量系统结合后，可以广泛应用于多相流体的流量测量。例如，与电容图象层析法相结合构成的图象相关流量测量系统是目前多相流参数检测的发展方向。