第六节 相关流量测量技术的发展趋势

一、直接辨识随机流动噪声的渡越时间

如前所述，相关流量测量技术实际上是将流速的测量转化为求取上、下游流动噪声信号x(t)和y(t)之间的互相关函数R_xy (τ)的峰值位置罚。已经证明， R_xy(τ)是流体输送过程单位脉冲响应函数h_o (t，α)与x(t)的自相关函数R_xx(τ)的卷积式,而h_o (t，α)是真正反映流体内部噪声机制从上游到下游渡越情况的函数。因此R_xy(τ)中存在着R_xx(τ)对h_o(t，α)的涂污(smearing)作用，使得被测流体由上游传感器渡越到下游传感器的平均传递时间τ_o的测量难以达到高的精确度。

高晋占提出运用模型参数估计方法可直接辨识随机流动噪声的渡越时间，起到了在时域对传感器信号进行白化预滤波的作用，从而解决了R_xx(τ)对h_o(t，α)的涂污作用。

但是由于估计方法采用递推修正算法，难以满足实时的要求，可快速实现该算法的硬件成本太高，可采用极性自适应修正算法，将代数运算化为简单的布尔运算。这样，提高了运算速度，降低了硬件成本，但由于系统结构复杂，实时性差，至今尚未商品化。

随着数字信号处理器件(DSp)的广泛应用，有些研究者已将DSP应用于相关器的设计中，极大地提高了相关器的实时性能。

另外，从事雷达和声呐领域的研究人员提出，在用相关方法估计信号之间的时延之前，先对信号x(t)和y(t)进行白化预滤波，以便互相关函数有较大的峰值，以提高测量精确度，这种方法称为广义滤波方法。广义滤波实际上可以在频域通过对互谱密度函数匹配滤波来实现，从而消除R_xx(τ)对延时τ₀估计的涂污作用。由于相关运算及FFT可以很容易地采用DSP来实现，因此采用广义滤波的时域方法或频域方法构成软件相关器，因DSP的使用而变为可能。在实际应用中，关键应考虑DSP的运算速度及由此设计的相关器的实时性能。

应当指出的是，采用模型参数估计方法和广义相关方法，消除了R_xy(τ)中R_xx(τ)对延时τ₀估计的涂污作用，提高了相关器的估计精确度，但由于流动噪声信号监测用传感器的空间滤波效应造成的检测不确定性仍不能避免，

因此在相关流量计的设计时必须充分注意流动噪声敏感器的设计。

二、"最小差"法

互相关运算的实质是卷积运算，即不断地将上游噪声信号以采样步长Δ向后平移(或将下游噪声信号向前平移)，然后双列间对应项相乘，然后逐项相加，这种"平移-相乘-求和"运算一直进行M次。假设流体从上游渡越到下游所需时间为jΔ，如果流动图形在流动过程中近似满足"凝固"假设，那么在上述"平移—相乘-求和"运算的第1步就会出现上、下两列信号最相似的情况，这时在jΔ处相关函数出现极大值，其值等于随机信号的平均功率。若上、下两列信号的序列长度为N，那么需要M×N次乘法和M×N次加法，对一般的微处理器来讲运算量较大。那么有无其他运算量较小的方法，也能估计出上述渡越时间呢?

"最小差"法提供了一种比较类似但运算量较小的方法。如果将上述的相乘运算改为相减并求绝对值，那么在第J步，即出现运算结果的最小值，称为"最小差"，这时对应的平移时间jΔ就是流体在上、下游传感器间的技越时间，该方法称为"最小差"法。这样在上述条件下完成M步运算共需做M×N次相减并求绝对值的运算及M×N次加法运算。其运算量显然比传统的相关算法为小，因此该方法的实时性有所改善。

相关流量测量技术一直在向着减小相关函数的涂污作用、提高延时时间的分辨率、简化算法、设计快速相关器、提高相关器的实时性能方面发展。在此过程中，出现了多种多样的算法及在线测量用实时相关器的构成方案，极大地推进了相关流量测量技术的发展。另一方面，研究工作者也在将该技术与其他测量技术相结合，以期解决"困难"流体的"困难参数"的测量问题。在其中，多传感器融合技术及现代信号处理技术将发挥重要的作用。

三、实现两相流体中连续相、离散相的流速的同时测量

伴随着相关流量测量技术的不断发展及应用的不断深入，研究工作者也在不断探索如何更好地将该技术与实际应用和实际需要相结合，最大限度地发挥其效能。德国学者巴氏多夫等巧妙地利用温蒸气中蒸气和液滴对不同波长的光具有不同的吸收和散射特性，实现了湿蒸气中蒸气和液滴速度的同时测量，就是其中很有代表性的一例。

如图8.21所示，覆盖两种波长(λ₁和λ₂)成分的平行光从上、下两个截面位置透过观察窗口照射气—液两相流体。波长为λ₁的光的衰减主要受液滴散射的影响，波长为λ₂的光的衰减受气相吸收和液滴衰减的双重影响。入射光被置于透明窗口对侧的光接收器所接收。

接收器将透明光分为λ_l和λ₂两种光成分分别接收。接收信号分别为I（λ_l）、l（λ₂）。相对于上、下游截面的两对接收信号被特殊的信号处理器处理后，被分别送入相关器进行相关运算，于是就得到了液相平均速度和气相平均速度。

四、与过程层析成像技术相结合构成二维/三维多相流测量仪表

将过程层析成像技术（PT)与已发展成熟的相关流速测量技术相结合，可用于检测两相流的多种参数，如图8.22所示。

利用该系统，可以在线监测两相流体截面的分布状况，为过程操作人员提供最直观的信息；可以提取出常规仪表所不能获取的特征参数，并可应用于流型判别、过程参数估计及过程控制；通过上、下两截面面积元信息的相关处理，可以获得两相流的速度分布、体积流量、质量流量、密度分布等信息。

值得注意的是，相关流量测量技术常常被用来测量两相流的流量。但是由于两相流动的复杂性，任何一种相关流量计，其适用范围均是有限的。将相关流量测量技术与过程层析成像技术相结合，可以通过过程层析成像技术识别流型，有针对性地改变相关流量计的工作参数或选择不同种的相关流量计，必然会有助于增加相关流量计的适用范围和应用领域，在两相或多相流领域产生新一代的智能化在线检测仪器。