本科毕业设计基于labview的互相关流速测量系统的设计.docx
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本科毕业设计基于labview的互相关流速测量系统的设计
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基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计
摘要
两相流在自然界和工业过程中是普遍存在的，其中离散相的运动速度、尺寸、位置等参数的监测是一个非常重要的测量研究课题。
两相流相关测速系统主要由上、下游传感器把流动噪声信号的变化转化为电信号的变化，然后通过放大，滤波，A/D转换电路将数字信号送到互相关器处理，最后输出渡越时间，进行流速的计算。
本设计采用虚拟仪器技术和互相关原理相结合，设计了互相关流体流速测量仪。
该方法利用了上、下游流动噪声信号的相关性，通过求两通道中信号与信号的互相关函数，得到两个信号的时延，在已知两传感器间距L的情况下，知道两个信号的时延可以求出流体的流速。
设计中用LabVIEW语言编制程序，模拟生成随机流动噪声信号，将数据送入数据采集卡中，之后再将数据采集出来做各种相关运算。
本设计阐述了基于虚拟仪器技术和互相关原理流体流速测量仪的实现过程，给出了使用LabVIEW语言的核心程序，并对结果误差进行了分析。
关键词：
两相流；互相关；虚拟仪器；流速测量
TheSystemofCross-correlationVelocityMeasurementBaseonLabVIEW
Abstract
Thetwo-phaseflowiswidespreadinnatureandindustrialprocesses.Themeasurementofparametersofmultiphaseflow，suchasvelocity，sizeandpositionofbubblesisaveryimportantinvestigationsubject.
Two-phasecross-correlationflowvelocitymeasurementsystemchangestheflownoisesignalintoelectricalsignalbytheupperandundersensors，throughtheamplification，filtering，A/Dconvertercircuit，andthedigitalsignalwillbesentcrosscorrelator.Finallyoutputisthetransittimeandthevelocity.
Thissystemicdesignedtointer-relatedfluidflowmeasuringinstrumentvirtualinstrumenttechnologyandtheprincipleofcombiningcross-correlation.Thismethodgotdelayoftwosignalsbycross-correlationfunctionbetweentwosignals.ThefluidflowcanbeexceedbythedelayvalueofthetwosignalincaseofthedistanceofLbetweentwosensorsisknown.SystemcarrythedatawhichisarandomnoisesignalsimulationbyLabVIEW，andthenacquisitionthedatatovariouscomputing.ThissystemshowsfluidflowratemeasuringinstrumentachieveprocessbasedonLabVIEWandCross-correlationwhichshowscoreproceduresofLabVIEWandanalysedtheerroroftheresult.
Keywords：
two-phaseflow；cross-correlation；virtualinstrument；velocitymeasurement
第一章引言
1.1两相流测量的应用背景
随着科学技术的发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。
它遍布于化工、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。
多相流动体系，通常是由两种连续介质和若干种不连续介质组成的，连续介质通常称为连续相，不连续介质如固体颗粒、水泡、液滴等称为分散相（或非连续相）。
根据流体中包括物质相数目的不同多相流一般可以分为两相和三相流。
根据组分物理状态的不同，两相流一般又分为气/液、气/固、液/固、液/液（如油/水）两相流；三相流一般分为气/液/液、气/液/固三相流等。
多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。
两相流动体系在自然界和工业生产中设计范围十分广泛，例如，自然界的大漠扬沙，江河的泥沙俱下，以及空气中烟尘弥漫都是与人类生活有关的两相流现象。
两相流由两种组分构成，而各组分之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在重力、温度、压力、各相流量及管道形状等诸多因素的作用下两相流的各组分之间会产生滑脱及随机可变的相界面效应，因此其物理特性和数学描述比单相流检测复杂得多，致使两相流参数检测难度很大。
要认清两相流体系的复杂现象，揭示两相流运动的机理，建立两相流动模型并对流动过程进行预测或控制，首先要解决的就是两相流检测的技术问题。
随着海洋石油开采和海洋高技术的发展，尤其是混相增压和混相计量技术的需求，加之工业生产过程中计量、节能和控制精度的提高，对于两相流参数检测的要求越来越迫切。
此外，两相流参数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的实验手段，促进两相流体力学理论的发展，为两相流过程工艺设计提供理论依据。
几十年来，国内外科技工作者在解决两相流流动参数的检测问题上开展了大量的理论与实验研究工作，已经取得了一些成果，近年来，基于多相流流动特征信号提取流动参数的软测量方法取得了一定进展。
同时研发出了一些商品化的多相流量计产品，并在一定范围内得到应用，但是仍存在许多问题[1]。
1.2我国流量仪表的发展及现状
1.2.1概述
流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域，目前，已投入使用的流量计已超过100种，按测量原理分，主要有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等[2]。
流量、温度和压力被公认为热工计量的三大重要参数，随着工业及经济的发展，流量计量技术及产品日新月异。
具有悠久历史的流量测量，可追溯到公元1000年前古埃及测量尼罗河水流量。
西方国家工业革命的实施，推动了流量测量技术的迅速发展，产品不断涌现。
特别是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]
1.2.2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]。
1.2.3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]
1.2.4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]
第二章相关流量测量技术
2.1相关流量测量技术简介
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]
2.2相关测量技术的发展简史
（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P.Jespers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A.M.Hayes提出了两种简化方法来简化相关器的设计，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2.5kHz的场合。
（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]
2.3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，Coulthlard、Mesch、Bech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]。
2.3.1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2.1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2.2），互相关函数可由下式计算得出：
Rxy（
）=
（2—1）
互相关函数峰值位置所对应的时间位移τ0一般称之为渡越时间。
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=
（2—2）
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=
（2—3）
图2.1相关流量测量的基本原理
图2.2流动噪声信号及互相关函数图
2.3.2互相关算法
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：
2.3.2.1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
：
（2—4）
在上式中，
、
分别为x（t）、y（t）的均方值。
对于
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+L-1）分别表示等间隔离散化的x（t）和y（t），则
的估计值
为下式，（m=0，1，…，L）
（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
。
利用该式对
进行估计时，对应于每一个不同的延时量m的
，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
和
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]。
2.3.2.2差动自相关算法
差动自相关测量系统的构成如图2.3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
（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
（2—7）
式中
为流体流过两个传感器的渡越时间，故
（2—8）
对z（t）做自相关：
=
=
=
可见z（t）的自相关函数由4部分组成。
和
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
（2—9）
和
分别为原点搬移到t=
和t=-
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=
和t=-
处应该分别有一负峰值。
但是时间t=
没有实际意义，因此只要取坐标轴的右半部分找到负峰值所对应的时间就可以确定流体的渡越时间
，见图2.4。
由图2.3可见，差动自相关测量方法除需两个独立检测转换电路外，系统的后续处理电路只用一路。
这样，只需保证传感器和转换电路的对称性，而硬件电路大为简化，技术难度和成本都大大降低。
用差动自相关的方法使2个传感器互为参照，可以从原理上做到很好地、动态地抵消传感器初始值的影响，使输出信号只与扰动量有关系，大大提高检测灵敏度，并可以减少后续数据处理的工作量[9]。
差动自相关与互相关法从原理上很相似，但比它更具有以下几大突出的优点:
（1）减少了对系统对称性的要求，提高了整个系统的性价比。
只要保证传感器和转换电路的对称性，对后面复杂的信号处理电路则要求较小，并共用一个数据采集系统。
既减小了技术难度，又减少了硬件电路。
（2）能够提高测量的灵敏度。
电容传感器的本身的初始值大，而信号引起的变化量小。
初始值的存在限制了电路的放大倍数，从而影响了测量灵敏度。
采用差动自相关的方法，使两个传感器互为参照，从原理上抵消了初始值的影响，且不会增加电路的复杂性。
（3）有极好的抗共模干扰的能力。
对两个传感器受到的因温度、振动等因素产生的共模干扰对差动自相关系统影响很小[10]。
图2.3差动自相关测量系统
图2.4差动自相关函数波形
2.4相关流量测量的特点
用渡越时间相关法测量流量，属于非接触式测量方法，即流量检测元件不与被测流体相接触，传感器一般放在管子外壁，不破坏原来流体的流场，也不会造成节流压力损失因而节约能量。
可测介质的面广，既可测洁净液体和气体又能测脏污流体、浆液及气/固、液/固两相流。
测得的流量仅与管道体积有关，故不必进行单独标定，能抑制外界输入的干扰信号输出呈线性，精度较高。
相关法测流量有广阔的应用前景[11]。
2.5相关测试系统的构成
相关测试系统包括随机流动噪声敏感器、流动噪声信号传递通道和互相关器三个关键部件。
流动噪声信号检测系统由测量管段、传感器以及信号放大、调节和滤波等环节构成。
上、下游传感器的敏感元件所检测到的信号，随噪声信号分别通过放大、解调及滤波等环节后，包含在其中的随机噪声信号被提取出来，并输入相关测量系统作进一步处理。
相关测量系统的作用是实现相关流量测量。
通过比较上、下游流动噪声信号的相似性，确定流动噪声信号在上、下游传感器所在横截面之间的平均传递时间。
从某种意义上讲,相关流量测量系统要解决的是系统模型的参数辨识问题。
流动参数模型描述了参考模型的参数与被测流体的体积平均流速或体积流量之间的关系。
一般来说，根据流动噪声信号的检测原理及传感器的结构形式，可以对流动参数模型进行一些定性分析，确定其模型的形式。
但由于被测流体流动的复杂性，通过上述分析获得的流动参数模型还需要通过定量实验来验证[6]。
2.6相关流量计的局限性
目前，相关流量计还有一些局限性有待完善。
（1）测量精确度不高
上、下游信号通道特性的不一致性和互相关运算中平均时间有
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