利用流體中溫度噪聲信號的相關(guān)分析進行流速測量.docx

1、第14卷第2期J993年6月資訊htip:/石。哈爾濱船舶工程學(xué)院學(xué)報JournalofHarbinShipbuildingEngineeringInstituteV6.I4N2Jun.,1993利用流體中L度噪聲信號的相關(guān)分析進行流速測量*宿成基防志明”夏虹（船殖動力工程系）（摘要】通過時流體中存在的溫度噪聲信號的相關(guān)分析，進行相關(guān)技術(shù)用于測量氣體流速的實驗研究與理論分析.首先,利用粕關(guān)測量系統(tǒng)的敷學(xué)模型在PC機上進行了仿真研充，為分析各參斂對相關(guān)函數(shù)的影響、改進測量方法以及研霓誤差產(chǎn)生的原因，從理論上提供了依據(jù).其次，筒要介紹了所用的實驗裝實洌結(jié)果以及進一步提高制量精度的途徑.關(guān)鍵詞：相蕓

2、些維;里把述遂，混度噪聲信號，竺Mil儀、中國圖書疝疝27亟蘭一。引言在工業(yè)生產(chǎn)過程中，有些難測流體例如低溫流體、反應(yīng)堆一回路載熱劑、兩相流體等速度與流量的測量，長時間以來一直是一個亟待解決的問題.近年來，國內(nèi)外測雖工作者將相關(guān)技術(shù)用于測蜃流體的速度.根據(jù)流體的4$點，采用不同原理的傳感器從流體中獲取流動噪聲信號，經(jīng)過相關(guān)分析，對互相關(guān)函數(shù)“尋峰求得流體的渡越時間，從而得到速度與流量.相關(guān)測延技術(shù)不但能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸測量，而且可以測低非穩(wěn)態(tài)流體的瞬時速度與流量，顯示出其獨特的優(yōu)越性.本文以鳳洞中的氣流作為研究對象，采用熱絲作為敏感元件，對從氣流中獲取的溫度噪聲信號進行相關(guān)處理，測出氣流的速度與流

3、量.1系統(tǒng)模型與仿真如果將介于兩個傳感器之間的測量段視為線性時不變系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以用單位脈沖響應(yīng)函數(shù)g,Q）描述（圖1）系統(tǒng)的輸入信號泌），輸出信號兇）是由流體中的溫度噪聲所引起的.兩個傳感器與相應(yīng)的濾波.放大器的傳遞函數(shù)分別用幻。）思2。）表示.通過它們的作用得到信號x（0,；（0.輸入與輜出信號通過卷積相聯(lián)系.即，r-+叩）«（/）（1）收稿日期:I992TM-I7L兄Q)=J：工(，一T)gI(七)頃+氣(。=x(/)*g(。+氣Q)P(O=J：V(，一T)g2(rt)dr1+七Q)=xQ)g2O)+七Q)利用上式進行互相關(guān)函數(shù)運算.則可得到相關(guān)測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基本結(jié)構(gòu)=(4

4、)考虛到流動截面上速度分布不均勻，測量的互相關(guān)函數(shù)由不同速度下的互相關(guān)函數(shù)R,匕K)與速度分布密度*(K)加權(quán)得到：&行6)=U_8侄，(丁)-"(/力訂*W(5)其中.速度分布密度(外以正態(tài)'分布函數(shù)計算.由式中可見，互相關(guān)函數(shù)0r,(t)的計算需要經(jīng)過兩次卷積.分別由下列參數(shù)參加運算：(T)為輸入信號雙f)的自相關(guān)函數(shù)；為測量段流體的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)；為兩個信號傳遞通道(傳感器與濾波放大部分)的窗函數(shù).隨機輸入過程叮以用自相關(guān)函數(shù)A(t)描述.它可作為觀察流體中噪聲信號時間與空間結(jié)構(gòu)的一個尺度，通過試驗確定出與速】度分布因素有關(guān)的表達式：*=t-t2T產(chǎn)試_7式中

5、，君，弓時間常數(shù)；1平均速度；K比例系數(shù).考慮到流體流動過程中的速度波動、溫度與濃度波動，可以用一組微分方程表示氣流的流動過程.在一定的條件下，可以推導(dǎo)出帶有通用擴散系數(shù)的一般型式：(7)芝+產(chǎn)一。±4=0式中a被傳遞員；D用擴散系數(shù).根據(jù)一定的初始條件與邊界條件，可以得到流體的傳遞函數(shù)G,(s)與單位脈沖響應(yīng)函數(shù)&Q)：如=斜叩式中L感器間的距離；To均渡越時間.傳感器與濾波放大部分可視為具有帶通泄波器的傳遞特性.它的窗函數(shù)可以通過對濾波器獗譜進行富立葉反變換得到K1JiL1i«if=就布定C°0）式中T"l高、低通渡波器的時間常數(shù)；K,放大系

6、數(shù)以上導(dǎo)出了互相關(guān)函數(shù)夫“y）的基本結(jié)構(gòu)以及模型函數(shù)夫。丁）,8白）占以*）.為了討論各參數(shù)對互相關(guān)函數(shù)形狀、極值位置的影響，將該模型在IBMPC機上進行數(shù)字商真.由于在時域作卷積計算時間比較長，而且誤差較大，因此式（5）的計算是在頻域完成的，然后通過富立葉反變換，得到一紐時域的互相關(guān)函數(shù)曲線.圖2示出了不同流速下的互相關(guān)函數(shù)曲線,顯然，在速度較大時，互相關(guān)函數(shù)曲線比較尖銳、峰值明顯，這對提高測量精度有利，隨著速度的減小，互相關(guān)函數(shù)逐漸變得平坦.圖3表示了傳感器間距離改變時互相關(guān)函數(shù)曲線的變化,由圖3可見，隨著傳感器距離的增大，互相關(guān)函數(shù)曲線變寬、最大值減小，而且導(dǎo)致測得的渡越時間偏小.因此，

7、在相關(guān)測量中，兩個傳感器的距離應(yīng)盡量小.但是，另一方面應(yīng)防止距離過小時測距相對誤差的影響，要兼顧上述兩個因素，選取最佳的傳感器距離.圖4示出了當(dāng)Peclet數(shù)變化時，流體的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)&0）的變化情況.當(dāng)Peclct數(shù)祓小時，曲線峰值明顯左移，不對稱度增加.可見擴散過程的存在，增大了渡越時間測量中的系統(tǒng)誤差.為此，當(dāng)擴散系數(shù)較大時，應(yīng)當(dāng)對流動模型進行修正.圖4不同Pcclct時的互相關(guān)畫教曲線0200250300350T（ms）圖6布通濾波頻率對互相關(guān)函斂的影響濾波影響的增加，互相關(guān)函數(shù)的峰值位置向偏小方向移動,同時,曲線出現(xiàn)明顯的不對圖5示出了低通波波器流波頻率對互相關(guān)函數(shù)的影響

8、.當(dāng)酒波器截止頻率減小時.互相關(guān)函數(shù)曲線變寬,峰值右移，這是由于低通濾波的作用.使得示蹤粒子中的高頻分量被削弱.而低頻分最得到加強所致.因而使互相關(guān)函數(shù)極值向增大渡越時間方向移動.當(dāng)4>150Hz后，相關(guān)函數(shù)峰值位置基本保持不變.圖6示出了高通淀波頻率對互相關(guān)函數(shù)的影響.與低通泌波的作用相反，隨著高通稱.高通濾波對互相關(guān)函數(shù)的影響，一般不會成為測量的主要何購.它主要起抑制信號直流成分的作用.通常可取較小值.2試驗裝置與測量結(jié)果試驗采用兩個熱絲探頭（d=5“m）作為傳感器，將它們固定在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞內(nèi),兩個探頭間的距離為L（圖1）當(dāng)氣流流過熱絲時.由于熱絲很細，氣流溫度的微小波動可在熱絲上感應(yīng)出

9、隨機流動噪聲信號,熱絲質(zhì)量小，響度時間為微秒級.可以增大信號帶寬.使得兩信號互相關(guān)函數(shù)的峰值變得尖銳.有利于提高測量精度.圖8示出了由熱線測得信號的自功率譜密度函數(shù).由圖可見，隨機信號帶寬達2kHz左右.將熱絲采集的隨機信號經(jīng)過泌波、放大后.送入由高速信號處理器TMS320-C25與IBM-PC微機組成的信號處理系統(tǒng).TMS320-C25是一個32位的單片機，它采用哈佛結(jié)構(gòu)流水線作業(yè)以及半溢出檢測技術(shù)，因此完成1024點復(fù)數(shù)FFT運算僅需14ms.大大加快了隨機信號處理的速度,由IBM-PC微機與高速信號處理器構(gòu)成主從機系統(tǒng)進行相關(guān)函數(shù)的運算、尋峰求得渡越時間.試驗中采用丹麥DANTEC公司生

10、產(chǎn)的DISA熱線風(fēng)速儀作為標(biāo)準(zhǔn)測速儀器，可以用來對相關(guān)法測出的流速進行標(biāo)定利用該試驗裝置及研制的相關(guān)計算軟件，設(shè)計了一組試驗，分別檢驗當(dāng)流速變化、改變兩個傳感器間距以及波波頻率等參敷對信號互相關(guān)函數(shù)的影響，實驗結(jié)果證明上述仿真計算的各項結(jié)論是正確的.164H1(8、e<圖7試毆裝JL筒圖圖8信號的自功率譜密度函教曲線圖9空氣流堆標(biāo)定的線在進行流速標(biāo)定試驗中，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞的壓力，可以對各種不同的氣流速度進行測量.通過將相關(guān)法測出的塑匕與熱線風(fēng)速儀測得的流速V進行比較,得出圖9所示的速度標(biāo)定曲線當(dāng)氣流速度r>3m/s時湘關(guān)測重的相對誤差低于5%,當(dāng)y<3m/$時，測魚的相對誤差較

11、大.這是因為當(dāng)流速過低時，兩傳感器的距離£固定，流體流經(jīng)兩個傳感器之間的渡越時間7。較大，因而流動模型的變化亦比較大，使得兩個信號的相關(guān)程度變差，互相關(guān)函數(shù)峰值明顯降低,相關(guān)測量的誤差隨之增大，這一結(jié)論與圖2所示仿真計算結(jié)果是一致的.按照互相關(guān)函數(shù)的定義：&)=limj；xQ)yQ+t)dt(11)F-*«積分時間應(yīng)為無窮大，實際上，只能在有限長的時間內(nèi)進行運算.因而只能得到互相關(guān)函數(shù)的估值夫刈().另外對于各種傳感器而言，只能采集到有限帶寬的隨機信號，加之信號中所蔻加無關(guān)噪聲的影響，必定使實際上計算得到的互相關(guān)西數(shù)峰值位置與理論值產(chǎn)生偏差.渡越時間的方差為/(c)

12、=*/(礦7J?w(0)/夫“(0)(12)式中B信號帶寬；T互相關(guān)函數(shù)積分時間；&(0),&(0)分別為=0時信號xQ)與噪聲信號心)的自相關(guān)函數(shù)；K常數(shù).由上式可見，渡越時間估值的方差與信號帶寬瓦積分時間以及流動過程的信噪比入(0)/&(0)成反比.必須注意到，方差。2(t)與帶寬3的三次方成反比，這說明信號帶寬的微小變動將會引起方差急劇變化.因此，在選擇傳感器時必須認真考慮其濾波特性.以便盡可能取得寬帶隨機信號.測量系統(tǒng)上、下游信號通道的特性匹配，也會對測量精度造成很大影響.如果兩通道特性不相同，會引起較大的測最誤差，嚴重者其至?xí)箖蓚€信號變成彼此不相關(guān)的信號，無

13、法完成相關(guān)測最的任務(wù).由式(10)可知，如果兩個信號通道傳遞特性相同，則可得到一個對于*軸(t=0)對稱的窗函數(shù)Fm2(C反之，當(dāng)兩信號通道特性不同,其窗函數(shù)的對稱特性會被破壞，則會影響互相關(guān)函數(shù)的峰值位置，給測量帶來系統(tǒng)誤差.因此，在相關(guān)測鼠中，應(yīng)當(dāng)盡松保證協(xié)個信號通道特性的良好匹配，提高測最精度.3結(jié)論通過對相關(guān)測最系統(tǒng)的仿真研究與對氣體流速的實際測量，可以得出以下結(jié)論：(1) 通過對單相液體中的溫度噪聲信號進行相關(guān)處理，濯定流體的速度與流總是可行的.(2) 計算機模擬與試驗結(jié)果一致證明，系統(tǒng)模型是正確的.數(shù)字仿真為在實際測信中確定合理的傳感器距離、帶通濾波頻率等提供了理論依據(jù).(3) 實

14、際測楫結(jié)果表明，通過增大信號帶寬，減小信號采樣間隔等措施，可以使相關(guān)測最達到較高的精度.命考文獻MeschF.SpeedandFlowMeasurementbyanIntclfigentCorrelationSystem.ISA90,NewOrleans,USA,1990,109KoppermannC.GeschwindigkeitsundDurcflussmessungincinphasiRenStroemunzenmitICreuz-Korrelationsverfahren,FortschrBer.VDI-I.Rdbe8Nr.63,1983:24-27XuChengji.Korrelat

15、iveGcschwindigkeitsmessunganKraftstofTtniteinemInfrarot-Seiuor.ForschungsberichtUni.Kaisruhc1982:18-19BeckMS,DrineJ.ParticleVelocnyandMassMeamrementinPneumaticConveryors.PowderTechnolosy1968(2):335陸志明湘關(guān)測*技術(shù)應(yīng)用于單相淹體淹*測的研究：學(xué)位論文.哈爾濱船姻工程學(xué)院,】990FluidVelocityMeasurementbyUsingtheCorrelationAnalysisoftheTem

16、peratureNoiseSignalsinFluidXuChengjiLuZbisiagXUHoag(Dept,ofMarinePowerEng.)AbstractInthispaperbymeansofcorrelationanalysisofthetemperaturenoiseinfluid,experimentandtheoreticalanalysisareperformedforapplyingthistechnologytothemeasurementofgasflowvelocity.First,themathematicalmodelofcorrelationmeasurementsys>temissimulatedonanIBMPCcomputer.Itprovidestheoreticalevidenceforanalysingtheparameterinfluenceoncrosscorrelationfunction,improv