基于labview的互相关流速测量系统的设计(编辑修改稿)

基于labview的互相关流速测量系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

20世纪，过程测量能源计量、环境保护、交通运输等应用领域对流量测量的需求急速增长，同时，由于电子技术、特别是微电子技术的迅速发展，为流量仪表的制造技术提供一代又一代电子元器件，进一步推动了流量仪表从机械式、机电一体化、智能化、模块化等的推陈出新。 当今，微电子技术对流量仪表的发展之影响举足轻重，基于大规模集成电路及通讯技术的应用，总线型、智能化 、具有远程校准、自诊断等功能的流量仪表，成为了流量仪表中的新生代，引领着现代流量计量仪表的新潮流和新趋势。 新技术、新器件、新材料、新工艺和新软件的开发应用，使得流量仪表的测量准确度越来越高，测量的流量范围越来越大，仪表对测量介质的要求降低，适用范围越来越宽，对实现智能化其使用更为方便并越来越傻瓜化，产品的可靠性得到了很大的提高。 伴随着基础工业的发展，我国流量仪表在赶超先进水平的过程中，机遇与困难并存，实现赶超还要走一段较长的路。 [3] 我国流量仪表的发展回顾 我国历史上，早在战国时期“都江堰”污 水工程中，就在崖壁上刻了“水则”用来测量水位，控制流量，这同古罗马用孔板测量居民用水的流量和古埃及用堰槽方法测量尼罗河的流量一样，都是古代人智慧的结晶。 近代历史上，我国作为一个半殖民地半封建的国家，受到外国列强的势力瓜分，根本没有自己的民族工业，也没有我们自己的仪表工业，更没有我国的流量仪表工业可言。 新中国成立后，随着第一个 5 年计划的实施， 在原苏联援助项目的带动下，我国引进使用了许多苏联的流量仪表，上海一些仪表制造企业陆续仿制这些产品，形成了一定的流量仪表生产能力，如孔板流量计、文丘利节流装置、椭圆齿 轮流量计、浮子式水银差压计等。 50 年代末到 60年代，由上海热工仪表研究所（上海工业自动化仪表研究所 ） 、沈阳玻璃仪器厂、上海光华仪表厂、开封仪表厂、哈尔滨仪表厂等开发生产玻璃内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 3 转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、腰轮流量计等， 70 年代到 80 年代，北京化工研究院、重庆工业自动化仪表研究所、上海工业自动化仪表研究所、上海自动化仪表九厂等先后开发了热式质量流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、超声波流量计、刮板流量计等流量仪表。 90 年代，太行仪表厂、湖北仪表厂、合肥仪表厂、北京自动化仪表研究所等先后研究开发科里奥利 质量流量计、双转子流量计、液体多声道超声波流量计、流量、温度、压力组合式一体化流量计等等 [3]。 流量仪表总体的技术发展方向 随着电子技术软件技术的发展，特别是传感器技术的发展，使流量仪表的多参数测量已成可能，流量计不同的原理和信号为不同参量的测量提供相应的测量方法，有待人们进一步研究并使之成为产品。 相关技术主要有： (1)超声波流量计的技术开发 (2)科里奥利质量流量计新技术 (3)涡街流量计 (4)一体型流量仪表的研究开发 (5)夹装式管道用超声波流量计的现场应用技术开发 (6)小流量及微流量 测量 (7)多相流量计量技术研究 [3] 对流量测量技术的展望 流量测量技术发展到今天虽然已日趋成熟 ,但其种类仍然不断增加、新的结构、新的用途的流量仪表不断涌现。 每种流量计都有其适用范围，也都有局限性，至今尚无一种对于任何场合都适用的流量计。 同时，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现状远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。 特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，有待进一步发展更有效的测 量手段。 [4] 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 4 第二章 相关流量测量技术 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。 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。 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。 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。 [5] (1)50 年代常用模拟式相关器，采用模拟电路计算相关函数，模拟技术 (乘法器、积 分器 )精度低，零漂大，工作频率不够高，模拟信号的时延设备复杂，所以被后来的数字式相关器替代了。 在数字式相关器中，用数字技术计算相关函数，数字乘法器精度高，但结构复杂。 对高频信号，因舍弃样点，减少量化的比特数而导致误差。 (2)1962 年由 等提出采用 1 比特量化的极性重合相关器，简化了乘法器与积分器，使电路大为简化，提高了运算速度。 具有数字式相关器时延简单、无零漂等优点，特别适用于高频信号，但测量结果的随机误差较大。 (3)1973年 ，降低 其价格，实现速度显示。 第一种方法是粗量化方法 :对输入信号之一或两者作 8 比特或 12比特的粗糙量化处理；第二种方法是两点差分法 :使两个相关函数在两个时延值处的差值趋于零。 存在问题是积分时间的取值及流速变化时响应慢等。 (4)1979 年， Henry 提出 渡 越零点极性相关的算法 ，从而使相关计算的软件实现成为可能，并在 280 上成功实现了这种算法，效率高、运算速度快，而且不需外加电路。 但此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于 的场合。 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 5 (5)1989 年， Harba 提出了一种“块采样”的极性算法，可同时采集 一批输入信号，采样率高，速度快，所需存贮量少于零点渡越法，计算时间短 (比零点渡越法快 )，不需专门硬件，应用范围广。 [2] 互相关知识简介 基于互相关法进行流量测量早在 60年代提出后， C o u l t h l a r d 、 Me s c h、 B e c h 等科学家对该方法进行了深入的研究，随着对高精度非接触式多相流流量测量的需求日益增大，基于相关函数的流量测量方法重新引起科学界的重视。 德国科学研究院已于 1997年批准资助由两个大学八个研究所提出的重点研究项目“流量测量中的流体动力学基础研究”，其中九个 子项目之一是“基于相关函数和多极配置的声学体积流量测量方法研究”。 为了克服国内基础设施相对较弱的现状，西安工业大学教授王磊、西安工业大学博士生王智慧与德国 Essen大学在该领域进行了合作研究，并制造出超声波互相关流量测量装置 [6]。 互相关流量测量技术是以随机过程的互相关理论为基础发展起来的一种在线流动参数检测技术，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在不同位置两传感器间的时延估计问题。 其测量精度与流体的温度、浓度无关，是一种高精度测量方法，适合于两相流体及多相流体流量 的计量 [7]。 测量原理 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 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 )， 互相关函数可由下式计算得出 ： Rxy( )=01lim ( ) ( )TT x t y t dtT   (2— 1) 互相关函数峰值位置所对应的时间位移τ 0一般称之为渡越时间。 在满足“凝固”流动模型假设条件下，被测流体混合速度 vcp可用相关速度 vc来表示，即： vcp=vc=0cpLv  (2— 2) 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 6 实际流体流动不可能完全符合“凝固”流动模型假设，尤其是在两相或多相流测量中存在相间局部相对运动、速度分布和浓度分布的复杂流动状态，使得相关测速既不等于两相流 实际混合速度，也不等于分相实际速度，因 此，在 式 2— 2中引入了流速校正因子 K，得到被测流体体积流量 Q 为 [5]： Q =KvcA =0KIA (2— 3) 流 体 流 动 方 向放 大 滤 波放 大 滤 波01( ) l im ( ) ( )TxyTR x t y t d tT 0cpLvcpv 图 相关流量测量的基本原理 图 流动噪声信号及互相关函数图 互相关算法 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 7 对于两个随机信号 x(t)和 y(t)， 为求得其相关函数，有下面几种计算形式： 归一化算法 为了方便地 比较和说明上、下游传感器的流动噪声信号 x(t)和 y(t)相关程度的大小，计算其归一化互相关函数 xy ：    yR    xxyxy (2— 4) 在上式 中 ， x 、 y 分别为 x(t)、 y(t)的均方值。 对于 xy 的估计可以通过离散化信号样本在时域上的运算实现。 具体地，如果以 x(k),y(k)(k=0， 1， 2„，N 1， „ ， N+L1)分别表示等间隔离散化的 x(t)和 y(t)，则 xy 的估计值  mˆxy为下式， (m=0， 1， „ ， L)           10210210kxy111mˆ NkNkNmkyNkxNmkykxN (2— 5) 上式中， m 为对应于延时量  的延时点数， 对所有的  都满足 11  xy。 利用该式对 xy 进行估计时，对应于每一个不同的延时量 m 的  mˆxy ，总共需进行 2N 次的数值乘法和数值加法运算，当样本不断变化时，还需不断地对 x 和 y 进行估计，其运算量更大，而为了提高相关函数测量的实时性，对相关器中乘法和加法运算速度的要求是相当高的 [8]。 差动自相关 算法 差动自相关测量系统的构成如图 所示。 设上、下游两个传感器检测流体随机 流动噪声所获得的信号分别为 x(t)和 y(t)，经差动电路后得 ( ) ( ) ( )z t x t y t (2— 6) 若流体流动符合“凝固”假设，则可认为 y(t)为 x(t)的延时，故 0y( ) ( )t x t  (2— 7) 式中 0 为流体流过两个传感器的渡越时间，故 0( ) ( ) ( ) ( ) ( )Z t x t y t x t x t      (2— 8) 对 z(t)做自相关： zz 01( ) l im z ( ) z ( )TTR t t d tT 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文） 8 =   01l im ( ) ( ) ( ) ( )TT x t y t x t y t d tT      =0 0 0 01l im ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )T T T TT x t x t d t x t y t d t y t x t d t y t y t d tT               = y 0 y 0( ) ( ) ( ) ( )x x y y x xR R R R          可见 z(t)的自相关函数由 4 部分组成。 ()xxR 和 ()yyR 分别为 x(t)和 y(t)信号的自相关数，如果信号为符合平稳遍历性的随 机信号，根据随机理论其自相关函数应该为一冲激信号，即 ( ) ( ) ( )xx yyRR    (2— 9) ()xyR 和 ()yxR 分别为原点搬移到 t=0 和 t=0 的自相关函数。 当这 4者相加时，可以预见，其波形除在 t= 0 处有一正峰值外，在 t=0 和 t=0 处应该分别有一负峰值。 但是时间 t= 0 没。