互相關(guān)流量計(jì)是利用毛渦或非穩(wěn)定壓力場(chǎng)產(chǎn)生的相同的兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)較另一路信號(hào)有一個(gè)時(shí)間上的延遲。利用兩個(gè)傳感器對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)于最相似時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，利用已知的距離，可以得到流速?；ハ嚓P(guān)流量計(jì)通常用于管道的流量測(cè)量，它的優(yōu)點(diǎn)在于傳感原理比較簡(jiǎn)單，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)。目前較流行的互相關(guān)流量計(jì)基于超聲波技術(shù)^[68]，由兩對(duì)超聲波發(fā)射/接收器構(gòu)成。超聲波互相關(guān)流量計(jì)測(cè)量范圍大、線性度比較好，但是系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，易受電磁干擾，不利于易燃易爆液體流量的測(cè)量。

Takashima等人^[69]運(yùn)用互相關(guān)原理和M-Z干涉儀相干解調(diào)的方法設(shè)計(jì)了一種基于光纖光柵檢測(cè)的流量計(jì)。該流量計(jì)的傳感部分由2個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和一個(gè)方形體構(gòu)成，無任何電子器件和機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。流量計(jì)的2個(gè)光纖光柵應(yīng)變傳感器和一個(gè)方形體按一定間隔放置在PVC管中，當(dāng)液體流過方形體會(huì)產(chǎn)生漩渦和氣泡，它們使下流的光纖光柵傳感器產(chǎn)生微振動(dòng)，檢測(cè)2個(gè)傳感器振動(dòng)信號(hào)的時(shí)間差，去除2個(gè)傳感器直接的距離就得到流速，乘以管子的截面積即可算出流量。

測(cè)量原理

圖4.94為光纖光柵互相關(guān)流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。方形體的邊長d_w為3mm，d_b為方形體與上游傳感器的距離，d_s為上下游傳感器的距離，d_c為方形體距PVC管中心線的距離。

1.      流量計(jì)的測(cè)量試驗(yàn)及討論

(1)    方形體和卡門渦街散發(fā)頻率的影響

為了驗(yàn)證方形體對(duì)流量計(jì)測(cè)量結(jié)果的影響，比較了有/無方形體情況下的測(cè)量結(jié)果。圖4.95給出了d_s為20mm、流速v_b為1.0m/s時(shí)，所測(cè)得的波形、計(jì)算所得的R_SCOT(τ)以及信號(hào)相關(guān)度平方值(MSC)。流速定義為流過管道截面積的流量大小。MSC表示在頻域內(nèi)兩信號(hào)的相似形，定義為

圖4.95  d_s為20mm、流速v_b為1.0m/s時(shí)傳感器的測(cè)量結(jié)果：(a)無方形體時(shí)所測(cè)得信號(hào)及R_SCOT(τ)波形；(b)無方形體時(shí)MSC頻譜；(c)有方形體時(shí)所測(cè)得信號(hào)及R_SCOT(τ)波形，其中d_b=20mm，d_c=0mm；(d) 有方形體時(shí)MSC頻譜。

(1)    傳感器各個(gè)距離參數(shù)的影響

圖4.96為管道內(nèi)流速為1.0m/s時(shí)，不同距離參數(shù)下所測(cè)定的MSC和R_SCOT(τ)。首先分析上下游傳感器的距離d_s的影響。隨著d_s的減小，相干信號(hào)的帶寬越寬而R_SCOT(τ)的峰值越大越尖銳。從信號(hào)方面看，d_s的值盡可能的小；但是較大的d_s可以獲得較大的量程。因此，需要根據(jù)實(shí)際的測(cè)量需求確定合適的d_s值。如圖9a所示，對(duì)于方形體與上游傳感器的距離d_b，其值越小相干信號(hào)的帶寬越窄。這是由于越靠近方形體的位置，蝸旋信號(hào)被干擾的程度越小。在考慮方形體距PVC管中心線的距離d_c對(duì)傳感器的影響方面，當(dāng)d_c=2.5mm時(shí)，管道內(nèi)產(chǎn)生了包含各種流速的湍流，使得R_SCOT(τ)產(chǎn)生比較尖銳的峰值。從圖9a可以看出，d_c=2.5mm時(shí)相干信號(hào)的帶寬明顯比d_c=0mm時(shí)的大，但MSC的峰值比d_c=0mm時(shí)的峰值小，而且d_c=2.5mm時(shí)R_SCOT(τ)也沒有d_c=0mm時(shí)尖銳。

(1)    流量計(jì)的線性度

圖4.97為流量計(jì)的流速測(cè)量值與流速參考值的關(guān)系圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，有方形體的情況下傳感器具有更好的線性度。當(dāng)d_s=20，d_b=20以及d_c=0mm時(shí)，傳感器的相對(duì)誤差僅為5%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：該流量計(jì)最小可探測(cè)到的流速為0.05m／s，并在0～1.0m／s的流速范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系。

這種光纖光柵流量計(jì)同時(shí)也可以利用卡門渦街散射頻率原理來測(cè)量液體流速。原理如上一節(jié)所示。圖4.98給出了當(dāng)d_s=20，d_b=20以及d_c=0mm時(shí)，液體流速與卡門渦街散射頻率的關(guān)系。其中，斯特羅哈數(shù)S_t取0.168。如果把信號(hào)互相關(guān)技術(shù)與卡門渦街散射頻率原理結(jié)合起來，將大大提高系統(tǒng)的可靠性。這種流量計(jì)原理簡(jiǎn)單、成本低、便于操作，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。