相关流量测量技术发展

　　1　引　言

　　多相流系统遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域,煤粉输送、原油开采、污水排放、纸浆输送、粉尘测量、气力输送等生产过程均存在多相流体的测量问题。由于多相流各相流体的动力学特性极其复杂,因此多相流的测量迄今为止在国际上尚未得到满意的解决,被同行们称为“困难流体”。相关流量测量技术是以随机过程相关理论和信息理论为基础发展起来的一种在线流动参数检测技术[1,2]。早在上世纪60年代,英国等国家利用随机函数互相关理论开展了工业生产过程中物体移动速度及管道中流体流动速度的测量研究[3~5]。70年代,相关流量测量技术迅速发展起来,一些研究成果显示了相关测量方法在解决环境恶劣且介质复杂的两相流测量方面的潜力,实现了一些相关流量测量系统。70年代中后期,研究的重点主要是低成本的“高速在线实时互相关器”,以便用于工业生产,如德国的E+H及英国的Kent公司。但是,到80年代中期,相关流量测量技术并未因高速相关器的实现而在工业中得到广泛应用,对相关流量测量技术的研究又转到随机信号相关理论、流场变化对传感器作用、流动噪声信号提取与处理、传感器设计等方面[6~11]。进入90年代,相关测速代表的实际物理含义解释成为制约相关流量测量技术发展的重要因素,建立相关测速与流体实际流速间准确、有效关联物理模型成为相关流量测量理论的发展重点[12~18]。

　　本文从相关流量测量技术发展特点入手,系统地对相关流量测量理论、传感器设计、相关器设计、流速测量模型等方面研究进展进行了总结,介绍了基于运动波理论的多相流相关流量测量技术新近研究进展,论述了相关流量测量技术在多相流检测领域中的未来发展方向。

　　2　相关流量测量技术现状

　　2.1　相关流量测量基本原理

　　基于随机过程中的相关理论,利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象,将流体的流动速度测量转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔测量问题。如图1所示,流体在管道内流动时,从相距L的两个结构完全相同的上下游传感器可以分别提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t),对两路随机信号作互相关运算可以得到互相关函数Rxy(τ)的图形(如图2),互相关函数可由下式计算得出:

　　在对相关测速进行试验标定中,国内学者进行了大量工作[2,12~18],对气液、气固、液液两相流在不同流型、不同相含率的工况下的流速校正因子K进行了研究,尽管如此,对流型复杂多变的多相流体来说,很难找到具有一般物理意义的统一流速校正因子K的表达式,从机理上解释相关测速的物理意义遇到困难。后面作者将介绍基于运动波理论的相关测速新的物理解释。

　　2.2　相关流量测量数学模型

　　对被测流体的不同假设,可以建立起不同的相关流量测量数学模型。模型大致可以分为两类:“凝固”流动模型和“非凝固”流动模型[1]。

　　“凝固”模型假设是目前应用最多的相关流量测量模型。对于两相流或多相流体,“凝固”流动模型假设是指多相流在上下游传感器之间流动时,相间没有相对速度(滑脱速度),不存在浓度分布和速度分布。“凝固”流动模型是一种理想化的模型,实际上符合这种模型的流体是极少的。“非凝固”流动模型有两种[19],其共同特点是考虑了上下游传感器距离的影响。第一种“非凝固”流动模型假设是将流动形态变化等效为在“凝固”流动形态的运动中叠加一个扩散过程;第二种“非凝固”流动模型是将流体质点的随机运动解释为以不同概率向上游或向下游方向的随机行走。需要指出的是,影响流体随机噪声产生机理的因素很多,因此,基于“凝固"及“非凝固”流动模型的相关流量测量模型在反映系统物理本质方面均有一定的局限性。国内天津大学徐苓安教授曾尝试过基于蒙特卡洛方法对两相流相关流量测量结果的仿真研究[13];曹理平教授提出过基于分散相速度分布、浓度分布、敏感场灵敏度分布的“非凝固”流动模型[12];这些研究对相关流量测量机理认识及相关测速物理意义解释起到了促进作用。由于多相流体与传感器敏感场作用机理的复杂性,现有的相关流量测量模型在揭示相关测速与待测流体实际流速间的本质关系方面还有一定的局限性,需要进一步探索基于新理论的相关流量测量方法。

　　2.3　相关流量算法及实现

　　2.3.1　渡越时间法

　　在已经应用于工业现场的商品化相关流量计中,绝大多数采用了基于“渡越时间法”的相关流量算法。由式(1)可得到用和式表示的积分结果:

　　近年来,由于微电子技术和计算机技术的发展,使研制和生产价格低、功能全、适用范围广的小型化在线流量测量专用相关器成为可能。相关器已经发展为通用性强、实时性高的可编程和具有自适应功能的相关器,如采样频率、数据长度、量程均可自动设置或调整。DSP芯片的出现,大大提高了相关函数的计算速度,在频域内实现直接相关成为可能。

　　采用新的信号处理技术及器件,使相关运算快速、实时、准确是提高仪表工业应用价值的必要保证。近年来,方便灵活的软件相关器的出现,使相关器的通用性得到了进一步提高,成为相关器发展的新热点[27,28]。

　　2.3.2　参数估计法

　　目前一般用相关法估计流动噪声的渡越时间,但是,当流动噪声传感器的几何尺寸较大时,它的空间滤波效应使得信号频带变窄,Rxy(τ)的峰区变得平坦,从而导致测量结果随机误差较大、分辨率较低。Knapp等[29]提出了广义相关法,还有学者采用先对传感器信号进行白化预滤波,再进行广义相关试图消除传感器空间滤波效应所带来的影响[14],但这些方法实现起来比较复杂,研制测量仪表成本过高,难以适用于在线测量。

　　2.3.3　梯度相关法

　　由于两相流相间存在相对运动,在利用渡越时间法进行两相流流量测量时,其相关测量结果存在统计偏差,且难以用标定的方法消除。1987年Braun等[10]提出的梯度相关测量方法是以粒子概率分布为基础直接测量各分散相质量流量和流速,后来国内学者也相继开展类似研究[15,17]。尽管梯度相关测量法为解决两相流相关流量测量模型提供了新的途径,但是,该方法对两个传感器设计与安装要求很高,具体实现起来也是困难的。

　　2.4　传感器测量系统

　　在相关流量测量系统中,传感器是获取流动信息的关键部件。传感器按流动噪声的构成可总结为以下几类[1,2]:①利用流体内部随机噪声对外部入射能量束的随机调制作用而构成的流动噪声传感器,如光学传感器、超声传感器等;②利用流体本身某种物理特性的随机变化对外加物理场随机调制作用而构成的流体噪声传感器,如基于流体电容值、电导率、导热率等的各种传感器;③直接利用被测流体本身发射的能量的随机波动构成的流动噪声传感器,如用于测量含辐射介质的辐射检测器等。

　　对于不同的测量对象,相关流量测量技术只需根据流体的物理、化学等特性,选择合适的传感器,而相关流量测量的主体部分可保持不变,有很强的适应性;系统的传感器部分无可动部件,对被测流体不会产生阻碍作用;与浓度或密度传感器相配合,可实现两相及多相流体的体积流率或质量流率的分别计量。

　　尽管在相关流量测量传感器的设计方面取得了较大进展[30~37],但是,作者认为传感器的敏感场与被测流体流场之间相互作用机理尚需深入研究,优化传感器设计或开发新型工作原理的传感器是发展相关流量测量技术的重要环节。

3　相关流量测量技术新进展

　　3.1　基于运动波理论的相关测速新的物理解释

　　由于两相流流型复杂多变且流动过程中离散相与连续相之间存在滑脱等现象,使得人们最初对基于相关测速获得的流体速度意义理解并不十分明确;对相关流量测量结果与传感器产生的敏感场特性以及两相流流型关系认识也不是很清楚;基于两相流实验装置上考察相关流量测量方法理论研究、实验标定等工作也是缺乏的。为此,国外学者们进行了大量的两相流相关测速理论与实验研究[38~41],结果表明利用相关测量技术获得的流体速度并不等于离散相速度也不等于连续相速度,而是对应于两相流中自然存在的运动波或空隙率波的传播速度。

　　Kytimaa等[41]得到了预测的两相流小幅运动波传播速度和实际测量的相关测速关系图(如图3),从图中可以看出相关测速(图3中用离散点表示)与预测的两相流运动波传播速度(图3中用实线表示)较好吻合对应。

　　1988年,英国Lucas在他的博士论文中指出[39]:使用阻抗传感器进行多相流体测量时,若其产生的敏感场能够覆盖管道内部较大的体积范围,则此时这种阻抗传感器结合相关算法获得的流体相关测速反应了流体内部存在的一种“固有结构”特性,即响应于波长与管道直径相当的两相流自然产生的运动波。

　　相关流量测量技术发展到今天,尽管已经建立了若干相关流量测量模型,并且也构建了各种应用于工业现场的实际测量系统,但是,建立相关测速与实际流体流动参数间准确、有效的关联物理解释测量模型始终是相关流量测量理论发展的重点[42],基于运动波理论的相关流量测量方法将为今后相关流量测量技术向深度及广度发展提供了新的研究思路。

　　3.2　基于运动波理论的相关流量测量模型

　　以油水两相流水包油流型为例,由于油泡在水中的随机分布特性,因此在流动过程中分散相油的表观速度Vso和相含率yo会随着时间和管道的轴向(即流体的流动方向z)位置发生变化,此时流体的流动特性可以用质量守恒方程(连续性方程)进行描述:

　　1997年Lucas[45]提出了在不考虑相分布系数C0随分散相含率yo变化时的运动波传播速度模型,并利用该模型建立了基于运动波理论的油水两相流相关流量测量模型。2001年Lucas与金宁德合作对基于运动波理论的油水两相流相关流量测量模型进行了修正[46~48],考虑了相分布系数C0随分散相含率yo变化时对运动波传播速度的影响,同时基于漂移模型优化了式(8)中油水两相流关键参数C0及n值,改进后的测量模型明显地提高了垂直及斜井中油水两相流流量测量精度。

　　4　相关流量测量技术未来发展方向

　　相关流量测量技术以其适用面广、可实现非接触式测量显示出在解决多相流“困难流体”方面的广泛应用前景,相关流量计从产生、发展直到今天已经取得了长足的进步,相关流量测量技术已从大学实验室的原理性研究发展到仪器仪表公司规模化生产并应用于工业现场在线测量阶段,但是,客观地说,相关流量测量技术仍存在许多尚未解决好的问题,并有待进一步研究和发展,作者认为相关流量测量技术未来发展方向为:

　　(1)要对相关流量测量系统中的传感器进行系统优化(包括相关测速传感器及必要的分相含率传感器)。目前在传感器设计上存在以下问题:①传感器本身“几何特性”优化问题(传感器间距、宽度及形状等);②传感器“空间阵列”优化问题(传感器排列数目与规则);③评价传感器“几何特性”及“空间阵列”属性的指标体系不完备,目前只有传感器敏感场“空间灵敏度”指标的报导,而其它重要的传感器敏感场“有效测量信息量”及“场均匀度”等指标需要加强研究[49],为原创性传感器开发及测量系统研制奠定理论基础。

　　(2)原来人们认为相关流量测量是一种绝对测量方法,但深入研究后发现,这个观点不是完全正确的,相关测速不仅取决于敏感场的区域范围及灵敏度分布,还与分散相与敏感场相互作用方式有关(即使两相流呈均匀分布,由于敏感场各点权因子不同,最后的相关测速仍不会等于流体平均流速),两相流流型复杂多变且流动过程中离散相与连续相之间滑脱等现象也会使相关测速变得异常复杂。所以,建立相关测速与实际流体流动参数间准确、有效的关联物理解释模型是相关流量测量理论重要研究发展方向。基于运动波理论的相关流量测量方法将为今　　后相关流量测量技术向深度及广度发展提供了新的研究思路,如与过程层析成像技术结合及在三相流检测中发挥作用等。

　　(3)在深入研究相关流量传感器检测机理及优化设计的基础上,相关流量计的标定是另一个急待解决的问题[50],相关流量计的测量对象大都为“困难流体”,而许多“困难流体”的标定本身就是一个难以解决的困难问题,所以相关流量计的标定问题值得深入研究,多相流标定装置的水平也有待于进一步提高。

　　(4)相关流量测量系统向智能化信息处理方向发展及优化后的阵列集成传感器对多相流多种信息挖掘与融合技术研究是保证相关流量测量技术向更宽应用领域发展的新途径。

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