封閉管路內(nèi)散裝固體物料流速的相關(guān)測量 (1).docx

1、It）笄物料/福攵賽"燈毛，切閉0餡郵資訊岫f儼第21卷第2期1992年6月第21卷第2期1992年6月Vol.21No.2Jun.1992中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報JournalofChinaUniversityofMining&Technology封閉管路內(nèi)散裝固體物料流速的相關(guān)測量本課題為國家教委博士點基金項0.魏任之黃民'肖世德吳淼摘要本文就管道內(nèi)團體物料流速的相關(guān)測量技術(shù)遷行了探討和所完，并設(shè)計和制作了一種新型電容傳感器、變換器、以及全軟件式實時相關(guān)器（包括接口電珞和相關(guān)軟件），相關(guān)測速誤差在正肉1%左右,相關(guān)處理實時性在Is左右，信號傳感變送系統(tǒng)的信噪比在40dB以

2、上.關(guān)鍵詞：氣/固兩相流，流速測量,電容傳感器，變送器，實時相關(guān)軟件1引言長期以來，兩相流（氣/液、氣/固、液/固）的流動參數(shù)的測量和控制是許多生產(chǎn)過程中一個急需解決而又未能很好解決的問題.對連續(xù)單相氣體和液體介質(zhì)的流動用經(jīng)典的孔板差壓等方法來監(jiān)測，可以達到足夠的精度。而對于兩相流和多相流，尤其是固體介質(zhì)的流動，用各種傳統(tǒng)方法來達到實時監(jiān)測是難以奏效的.而在很多工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)化、自動化和高速化，迫切需要能夠?qū)崟r在線連續(xù)監(jiān)測和控制兩相流的流動情況。本文利用相關(guān)測量技術(shù)成功地研制了一種用于管道內(nèi)氣固兩相流流速在線監(jiān)測的實時相關(guān)測量系統(tǒng).2相關(guān)測速的基本原理相關(guān)測速系統(tǒng)原理如

3、圖1.當(dāng)被測流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動時，隨機流動噪聲信號Hi）、yO）可以認為是符合各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機過程X（i）和FW的兩個樣本函數(shù)。,只要兩個傳感器的間距匕合理，兩個傳感器和變送器的靜動態(tài)性能完全一樣，則可以認為兩個隨機流動噪聲信號x（t）和y（t）是相似的,其互相關(guān)函數(shù)峰值對應(yīng)的滯后時間就是被測流體從截面如'到瀝/的流動時間.在理想流動條件下，被測流體的體積平均流速兒p可以用相關(guān)速度匕來表示.即：從而，兩相流的流速問題轉(zhuǎn)化為隨機流動噪聲信號的檢測和互相關(guān)峰值位登的確定問題。因此一般相關(guān)測量系統(tǒng)可分為以F兩個部分：1992年1992年中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報圖1互相關(guān)泗速系統(tǒng)原理圖2.1傳本器

4、和變送器系統(tǒng)用于獲取隨機流動噪聲信號，并轉(zhuǎn)化為可供后續(xù)處理的電信號，其信號檢取的正確與否是相關(guān)測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)。2.2相關(guān)處理系統(tǒng)用于確定相關(guān)函數(shù)及其最大峰值位置，相關(guān)處理過程的在線實時性和正確可篇性是相關(guān)測量系統(tǒng)實用化的前提。同時應(yīng)建立一個實驗標(biāo)定系統(tǒng)，用于測定由1、2兩部分構(gòu)成的相關(guān)測量系統(tǒng)的性能和精度以及修正常數(shù)，實驗標(biāo)定系統(tǒng)是整個相關(guān)測眉系統(tǒng)的精度保證.3傳感器的設(shè)計與制作3.1傳感器類型的選擇迄今為止，國內(nèi)外已研制出許多不同類型的流動噪聲傳感器，有超聲式，光學(xué)式、電動力學(xué)式、核輻射式、熱線探針式、電容式等等。對于氣固兩相流而言，由于超聲式存在衰減這個難以克服的障礙.核輻射式存在安全性和

5、曲應(yīng)過低問題，光學(xué)式存在光污染和透光性問題等等，使電容式傳感器成為唯一的最佳選擇。它具有以下優(yōu)點：a. 電容式傳感器原理簡單、可靠；b. 可實現(xiàn)非接觸式測量，便于卡鉗式”安裝；c. 適用性廣,響應(yīng)快；d. 價格低廉，便于應(yīng)用.3.2電容傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造傳感器的制作：（試驗管道為©lOOmm內(nèi)徑的聚筑乙烯絕緣塑料管道），用兩片寬8=10mm的薄銅皮貼于管道的外壁,形成一對電容傳感器電極板，相距L=64mm安裝兩對同樣的極板，作為上、下游傳感器，如圖2所示.用細密鐵絲網(wǎng)對上、下游傳感器作超寬屏蔽，并接于良性實地，傳感器極板到變送器采用優(yōu)質(zhì)屏蔽信號線連接傳輸.圖2傳感器安裝結(jié)構(gòu)圖4變

6、送器（電容-電壓轉(zhuǎn)換器）的設(shè)計變送#（電容-電壓轉(zhuǎn)換器）的功能是將電容傳感器的電容信號轉(zhuǎn)換成電壓信號.由于電容變化量較小，因而要求變送電路具有較高的靈敏度.同時能對變換得到的微弱電壓信號加以放大，達到二次伊表所要求的輸入幅值.鑒于集成芯片具有靈敏、穩(wěn)定、高度集成等優(yōu)點，本系統(tǒng)的變送電路主要由集成芯片構(gòu)成.采用高靈敏度電容測量電路（即脈寬調(diào)制電路）作為第一級轉(zhuǎn)換，后經(jīng)真有效值轉(zhuǎn)換電路、放大電路、濾波電路等四級信號處理，最后得到所需要的理想電壓信號（如圖3）.整個變送器的電路原理見圖4。圖3變送器原理框圖所研制的傳感器及其變送系統(tǒng)的抗干擾措施主要體現(xiàn)在以下幾個方面：a. 采用脈寬調(diào)制式電容檢測電路

7、和真有效值轉(zhuǎn)換電路，均化電容具有抗干擾作用.b. 傳感器采用鐵絲網(wǎng)超寬屏蔽，消除環(huán)境電容的影響。c. 變送器與傳感器本體盡量接近，減少介入的導(dǎo)線電容.d. 傳感器和變送器及屏蔽系統(tǒng)接于同一良好實地。e. 采用單一穩(wěn)壓電源供電.并消除電源的級間交流耦合效應(yīng)。f. 切比雪夫低通濾波器的使用.g. 采用集成元件，減少分立元件.h. 級間采用隔直電容。4中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報1992年5相關(guān)處理系統(tǒng)5.1相關(guān)鼻法的原理從理論上講，信號采:)和yO)的互相關(guān)函數(shù)表述了信號在時延域上的相似性，其計算公式如下：R”6)=Jx(z)-y(t+Odt對應(yīng)離散算式如下：1IRXy(rn)=£x(k)-y(k+

8、m)m=1式中為信號x(D,以。采樣值，采樣頻率為?？梢钥闯?，計算一次相關(guān)函數(shù)要做N次乘法和N次加法，我們的目標(biāo)是確定相關(guān)函數(shù)最大峰值所對應(yīng)的時間二，計算量正比于N2.方面為了保證相關(guān)函數(shù)的計算精度，要求采樣點數(shù)N足夠多，以滿足T一8條件；另一方面為了保證時延測量的精度，又要求采樣頻率/足夠高，可以想象計算量是巨大的.要提高相關(guān)處理的速度，可從兩個方面入手：a. 提高互相關(guān)函數(shù)R,面)的計算速度.b. 提高尋求峰值時滯c的速度.把信號xtyt）加以.lbit極化，化乘法運算為異或非邏輯運算、是對Rxym）計算的重大改進.理論上已經(jīng)證明，隨機流動噪聲是高斯型的、而高斯型隨機過程及其極性互相關(guān)函數(shù)

9、Rxypm）與互相關(guān)函數(shù)Rxy（m）有如下關(guān)系：(m)=arcsinnRxy(m)/Rr(O)xR,(0)可見，Rxyp（m）與的峰值位置是一致的，而極化帶來的誤差可以通過增加計算點數(shù)N來彌補.以上極性互相關(guān)函數(shù)是各種硬件相關(guān)器和軟件相關(guān)器的理論基礎(chǔ).5.2相對過零快速尋峰極性相關(guān)算法由于電容傳感器空間濾波效應(yīng)的影響，所測得的隨機流動噪聲信號的頻帶一般在500Hz左右，可實際工作中又常常要求時延精度在ms或“s級.對這種低信號頻帶高分辨率要求的互相關(guān)處理而言，采用Henry過零時刻算法是最有效的，其計算量和存儲量僅與信號過零頻率有關(guān).Henry算法中采用絕對過零時刻數(shù)據(jù)，存在時鐘溢出中斷計數(shù)困

10、難.實際上直接采用相對過零時刻數(shù)據(jù)，計算互相關(guān)函數(shù)是可以的（所謂相對過零指下一個過零時刻的度量，不是以時鐘起點為基準(zhǔn)，而是以上一個過零時刻為基準(zhǔn)）.此時計算極性互相關(guān)函數(shù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計過零時刻信號極性一致和不一致情況下過零時刻累計和之差.同Henry絕對過零時刻算法相比：a. 采用相對過零時刻算法，時延修正了時，不必每項x«）過零數(shù)據(jù)都減去予，節(jié)省了計算時間。b. 本算法只累加極性一致時的過零時刻，節(jié)省了計算時間。c. 以過零時刻個數(shù)做為互相關(guān)函數(shù)計算時循環(huán)控制參數(shù)，不以累加總時鐘長度為循環(huán)終止條件，有自適應(yīng)功能。d. 采用相對過零時刻易于實現(xiàn)環(huán)形存儲和動態(tài)跟蹤，時鐘一經(jīng)起動，不用再打擾

11、.尋找互相關(guān)函數(shù)最大峰值對應(yīng)的時間滯后t*實際上是一個一元函數(shù)求極值問題.Henry采用第一遍掃描求峰，第二遍再用對分法細化求峰的方法，對256個延時只須計算37次（掃描步長為8）就可求出峰值，速度提高了7倍。假設(shè)互相關(guān)函數(shù)Rx,（"為單峰函數(shù)，根據(jù)最優(yōu)化理論，采用0.618法每次收縮區(qū)間只須計算一個新函數(shù)值而對分法則要計算兩個，因此可以把Henry算法尋峰速度再提高一步。這個優(yōu)點在高分辨率時更加明顯。當(dāng)然真實的極性互相關(guān)函數(shù)不可能是單經(jīng)函數(shù),經(jīng)常的悄況是存在一個最大峰和很多輔助峰（非最大峰）。對軟件相關(guān)而言，這個問題可以這樣解決：a. 根據(jù)經(jīng)箜給定尋峰范圍as,ae,減少不必要的尋

12、峰搜索。b. 采用掃描法先求出一個粗峰，然后在細化求峰時再用0.618法.掃描步長可以調(diào)整，盡量取得長-些.c. '考慮到穩(wěn)定流動時，流速不可能突然發(fā)生很大變化，因此還可以進行自適應(yīng)尋峰，即第一輪時用掃描尋峰，此后在前一輪尋峰位置前后自適應(yīng)搜峰，從而大大減少尋1992年1992年中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報峰工作量。依照以上觀點，提出了掃描自適應(yīng)0.618尋峰算法,根據(jù)以上算法編制的相關(guān)軟件,仿真結(jié)果和實際驗證表明：軟件相關(guān)在實時性方面達到了ls與硬件相關(guān)器不相上下,并且在靈活性，適用性方面大大優(yōu)于硬件相關(guān)器。S.3實時軟件相關(guān)器的硬件與軟件設(shè)計研制軟件相關(guān)器采用8031單片機作為軟件相關(guān)器硬件基

13、礎(chǔ).整個實時相關(guān)軟件采用匯編語言開發(fā)，軟件設(shè)計遵循模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計原理，可以分五個層次，軟件模塊調(diào)用框圖如圖5:其中：中斷模塊和服務(wù)程序庫模埃.可供軟件隨時隨地調(diào)用執(zhí)行.|中航誠I顯示I圖5軟件系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)框圖5.4極化過零電路的設(shè)計與中斷處理O-sv500tQ0.01UFUQKg-J74LS08V:fX4S28十74LS32從電容傳感器和變送器輸出的隨機流動噪聲信號是模擬信號（其直流分量已濾除）.為了配合8031單片機完成在線實時極性互相關(guān)，需要用妁路極化過零電路、對上下游傳感器輸出信號.vO）、火。進行極化，成為符合邏輯電平的矩形脈沖串，再在矩形脈沖串上下沿處（過零時刻）產(chǎn)生過零中斷脈沖

14、.極化過零電路包括：低通濾波、限幅、極化、整形、單穩(wěn)、組合等部分，其電路原理圖如圖6.0.047定TN40O2X2o.oiuflip-圖6極化過零電路原理圖8031單片機有兩個外部中斷INTO、INTI,把兩路過零中斷脈沖接到其輸入端，中斷觸發(fā)方式采用后沿觸發(fā)，由于過零中斷的發(fā)生是隨機的，因此設(shè)定其優(yōu)先級為高。中斷服務(wù)總要花費-定的時間，在一路過琴中斷正處理時又來了新的過零中斷，若中斷響應(yīng)不及時，可能造成過零中斷算法失敗.Henry在其設(shè)計的過零中斷電路中采用雙穩(wěn)來保證正確性.本研究設(shè)計中用軟件來保,證：把極化后信號也接到8031的P1接口兩個位上，每次每路過零中斷時極性相比，若極性相反，本次

15、過零信號有效.若極性相同，證明有中斷丟失和重迭發(fā)生，不執(zhí)行過零中斷處理.若CTC采用單片機本身機器時僑，計時周期為2s,溢出周期為0.13is,有可能相第2期封閉管路內(nèi)散裝固體物料流速的相關(guān)烈研7對過零時刻超過0.131s。為了防止出現(xiàn)這一情況，決定采用外部時鐘，因為分辨率到2“s根本沒有必要，實用時達到1ms和0.1ms足綴了°為此設(shè)計了晶振分頻電路作為外部時鐘.為了便于相關(guān)處理系統(tǒng)的調(diào)試和檢查，還設(shè)計了專門的偽隨機信號發(fā)生器.6動態(tài)試驗及系統(tǒng)標(biāo)定6.1動態(tài)試驗裝置的設(shè)計與制作為了對所設(shè)計的整套傳感器、變送器及軟件測試系統(tǒng)進行模擬實際的動態(tài)試驗，特制作一模擬試驗架。管道是內(nèi)徑為10

16、0mm聚氯乙嫦塑料管,長度為1.2m,兩傳感器安裝位置以L、6表示，“=587mm.L=64mm,0=0,試驗物料不失一般性，采用0.5立方籍米左右的碎白石.如圖7所示.6.2動態(tài)測試系統(tǒng)圖7模擬動態(tài)試驗裝置顯示。圖8動態(tài)測試系統(tǒng)原理圖動態(tài)測忒系統(tǒng)原理圖如圖8所示，直流穩(wěn)壓電源±15V作為變送器的直流穩(wěn)壓電源，磁帶機記錄來自變送器的兩路信號，同時用雙蹤示波器進行觀察，調(diào)整兩路信號的幅值大小等，然后將磁帶機記錄的兩路信號轉(zhuǎn)放給HP3562A進行信號分析，并做軟記錄和繪圖輸出。與此同時.用相關(guān)處理系統(tǒng)對磁帶機記錄的同樣的兩路信號進行相關(guān)處理和相關(guān)運算得到物料的流速，并予63系統(tǒng)的標(biāo)定及實

17、驗結(jié)果為了考核電容傳感器的性能（信噪比和頻帶），論證相關(guān)測速系統(tǒng)的可行性和精度,必須對相關(guān)測速系統(tǒng)進行標(biāo)定實驗。6.3.1自由落體實驗把物料下落處理成自由落體,即用一個徐碼或一團物料作自由落體，估算物料經(jīng)歷兩個傳感器中線需要的時間差To。設(shè)兩個傳感器間距乙，上游傳感器距物料下落點為H.1992年中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報忽略空氣阻力的影響，則有：用HP3562A跟蹤顯示自由落體的信號曲線如圖9（圖9中的Ax-t）。理想延時估算：H=506mm；L=64mm；而=19.71msHP3562A相關(guān)延時：=19.53ms相對誤差：0.96%結(jié)果表明用HP3562A進行測試有足夠的精度.6,3.2用HP3562

18、A作為農(nóng)照標(biāo)定*由于氣固兩相流的流速測量目前尚無現(xiàn)成儀表可用，因而需要尋找一種測量方法來解決氣固兩相流體的流速標(biāo)定問題。前面我們采用自由落體法驗證了利用HP3562A儀器測定流速，其誤差可控制在1%以內(nèi).因此，本系統(tǒng)采用HP3562A的相關(guān)計算結(jié)果進行系統(tǒng)標(biāo)定是完全可行的。圖11隨機流動噪聲的相關(guān)曲線圖10上、下游隨機流動噪聲信號由圖11可見，HP3562A測得的相關(guān)時滯：Lv8=18.359（ms）實時相關(guān)軟件尋峰跟蹤結(jié)果如右表.平均：tz=284.7859；我們首先用磁帶機錄下物料流流動噪聲信號，然后經(jīng)系統(tǒng)采樣，極化和相關(guān)尋峰處理，求出物料流流經(jīng)兩電容極板間的流動時間另外，該物料流流動噪聲

19、信號也被送入HP3562A中進行相關(guān)處理，求出平均流動時間raV8.*與玲,g相比較即可判定本系統(tǒng)內(nèi)測量精度.圖10為由變送器輸出的兩路隨機流動噪聲信號.圖11為兩路隨機流動噪聲的相關(guān)曲線（50次平均）序號1234567r'2722742822712«9283289序號891011121314r，292276307287300279286對比：時鐘頻率f=15.619kHz；HP3562A50次平均：iavil=18359ms；第2期封閉管路內(nèi)散裝團體物料流速的相關(guān)測最9實時相關(guān)結(jié)果：t,=18.233ms。相對誤差：0.73%;可見：實時相關(guān)的精度在1%左右.7總結(jié)相關(guān)測量

20、技術(shù)是一種有廣闊應(yīng)用前景的技術(shù)，本研究工作用該技術(shù)為實現(xiàn)在線實時測量氣固兩相流做了一定工作°理論和實驗均證明：a. 采用電容傳感器和脈寬調(diào)制真有效值變送電路檢測微弱的隨機流動噪聲信號是可行的，對離散物料(氣固兩相流)的流動噪聲檢測是有效的，研制成功的電容傳感器和變送器是正確實用的，信噪比達40dB左右.b. 本研究工作中提出的相對過零極性互相關(guān)算法和掃描自適應(yīng)0.618快速尋峰算法是可行的，依此研制的在線實時全軟件相關(guān)器是成功的，實時性達Is左右.c. 采用HP3562A的相關(guān)結(jié)果作為實時相關(guān)系統(tǒng)標(biāo)定依據(jù)的辦法是實用的.實驗結(jié)果表明相關(guān)測速系統(tǒng)誤差在1%左右。d. 本研究工作證明了采

21、用相關(guān)法對離散物料(氣/固兩相流)進行流速檢測是可行的.參考文獻1徐苓安.相關(guān)流缺測最技術(shù).天津大學(xué)出版社，19892膏玉燕譯.日本電子電路精選.電子工業(yè)出版社,19893楊兆遠.555定時器原理及實用電路集錦.天津大學(xué)出版社，1989HenryRM.AnImprovedAlgorithmAllowingFastOn-LinePolarityCorrelationbyMicroprocessororMicrocomputer.IEEConferenceDigest.1979；32(3):1-44 VanVleckJH.MiddletonD.TheSpectrumofClippedNoise.Proc.IEEE.1966；54(1):2-19