孔板差压噪声的分析及其应用

    两相流包括气(汽)-液、汽-气、气-固两相流等,它广泛存在于能源、化工、食品等行业。流量与相含率的测量对两相流有着重要的意义。传统的测量方法通过两相流的电容、电阻与差压等特性,实现相含率、流量的测量,或利用粒子示踪与相关技术测量两相流速。欲实现流量和相含率的同时测量,传统方法通常利用两种不同特性的测量仪器来组合。

    噪声一般有3种定义:1)机械振动产生的杂乱无章的波形,听觉范围内的噪声对人的听觉系统造成伤害,要尽量减小和避免,管道的振动噪声会影响测量的准确度和精度;2)由于电子统计涨落产生的电路杂散噪声,这种噪声在电学量测量中不可避免,在测量微弱信号时要特别关注;3)测量信号随统计平均值的上下波动,本工作所研究的为此种噪声。

    传统的两相流测量,将噪声视为对被测量的干扰而设法消除或减小,而现代测量技术则将噪声视作被测量的信息载体,由噪声得到两相流的相关参数,比如由加速度噪声测量流量[1],通过对差压噪声的小波分析识别流型[2],用动态法测量两相流双参数[3]等。

    由于两相流动微观不稳定性和相分离效应等原因,当两相流通过孔板或文丘里管等差压仪表时,变送器两端的差压值会随测量值上下波动。这种随机的波动遵循统计规律,其统计样本的方差或标准差是相对稳定的,代表了差压噪声水平的大小,包含了被测量的信息。

    假设两相分别流过孔板,相间无动量交换、无相变过程,且满足绝热条件。再假定气液两相以环状流过孔板时,气相自由流过孔板,液相经过孔板阻滞、累积,然后喷发通过孔板,由此得到差压噪声测量两相流相含率的公式[4]。

    再假设分散相浓度分布的方差正比于其平均相浓度,基于两相流的分离流模型,验证了两相流通过节流装置产生的差压噪声的方差近似正比于分散相浓度。同时假设在平稳流动中,连续相的流量恒定,推导得到利用噪声测量两相流质量流量和相含率的理论预测模型,由此可用单一孔板实现两相流量与相含率的测量。由于不再依赖阻挡体的扰动分离效应,此模型不但适用于孔板,也适用于其它节流装置[5]。

    进一步的分析指出,分散相为稀相时,差压方根的统计方差近似正比于分散相流量,并由此得到用孔板两相流差压噪声进行双参数测量的理论模型。在两相流实验装置上,对6种不同尺寸的孔板,获得不同工艺参数下的78组实验数据,测量结果与用量热法得到的质量流量和干度对照,其均方偏差分别为?910%和?615%[6]。

    1 孔板差压噪声测量汽-水两相流