封閉管路內(nèi)散裝固體物料流速的相關(guān)測量.docx

1、0鐘國徘"七流疽，拿河童I。w封閉管路內(nèi)散裝固體物料'.流速的相關(guān)測量*中國礦業(yè)大學機械系黃民肖世德/魏任之本澡題為國家赦委博士點基金課題、(91年6月通過鑒定.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

2、技術(shù)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)原理如圖Lup%-傳哆!一ir.I*IMJUIh.:b卜.:ffjfi物鞘圖1互相關(guān)測速系統(tǒng)原理圖當被測流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動時，隨機流動噪聲信號x(t)y(t)可以認為是符合各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機過程x(t)和y(t)的兩個樣本函數(shù).只要兩個傳感器的間距L合理，兩個傳感器和變送器的靜動態(tài)性能完全一樣，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)峰值對應的滯后時間t,就是被測流體從截面aa'和bb'的流動時間，在理想流動條件下，被測流體的體積平均流速Vcp可以

3、用相關(guān)速度Vc來表示，即：Vcp=Vc=L/l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)峰值位置的確定問題，因此一般相關(guān)測量系統(tǒng)可分為以下二個部分：(1) 傳感器和變送器系統(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靠性是相關(guān)測量系統(tǒng)實用化的前提c同時應建立一個實驗標定系統(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).實驗標定系統(tǒng)是整個相關(guān)測量系統(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

4、今為止，國內(nèi)外已研制出不同類型的流動噪聲傳感器，有超聲式，光學式，電動力學式，核放射式，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響應過低問題，光學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：(1) 電容式傳感器原理簡單、可靠；(2) 可實現(xiàn)非接抵式測量，便于“卡鉗式”安裝；(3) 適用性廣，響應快；(4) 價格低廉，便于應用；3.2 電容傳翌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造傳感器的制作：(試驗管道為。100mm內(nèi)徑的拿敘乙烯絕緣塑料管道).用兩片寬b=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

5、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.92傳結(jié)構(gòu)圖用細密鐵絲網(wǎng)對上下游傳感器作超寬屏蔽并接于良性實地，傳感器極扳到變送器采用優(yōu)質(zhì)屏蔽信號線連接傳輸.4. 變送器(電容-電壓轉(zhuǎn)換器)的設(shè)計變送器(電容-電壓轉(zhuǎn)換器)的功能是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技弱電壓信號加以放大，達到二次儀表所要求的輸入輻值.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枸成，采用高靈敏度電容測量電路(即調(diào)制脈寬電路)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

6、，最后得到所需要的理想的電壓信號,如圖3.聲味沖AT號必麗麗有效值電塑明溢號I土四麗礦宅壓僖號-壓信號S3變送原理椎圖整個變送器的電路原理圖如圖4.圖4變送電路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：(1) 采用脈寬調(diào)制式電容檢測電路和真有效值轉(zhuǎn)換電路-均化電容具有抗干擾作用.(2) 傳感器采用鐵絲網(wǎng)超寬屏蔽，消除環(huán)境電容的影響.(3) 變送器與傳感器本體盡量接近，減少介入的導線電容。(4) 傳感器和變送器及屏蔽系統(tǒng)接于良好實地。(5) 采用單一穩(wěn)壓電源供電，并消除電源的級間交流藕合效應.(6) 切比雪夫保通混波器的使用。(7) 采用集成元件、減少分立元件。(8) 級間

7、采用隔直電容。5. 相關(guān)處理系統(tǒng)5.1相關(guān)算法的原理從理論上講，信號x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)表述了信號在時延域上相似性，其計算公式如下：Rxy(t)=l;Tjx(t)xy(t+t)dt對應離散算式如下：Rxy(m)=l/N£x(k)xy(k+m)m=0,1,、，N-1式中x(kxy(k)為信號x(ny(t)采樣值，采樣頻率為f«可以看出，計算一次相關(guān)函數(shù)要做N次乘法和N次加法，我們的目標是確定相關(guān)函數(shù)最大峰值所對應的時間T,計算量正比于N。一方面為了保證相關(guān)函數(shù)的計算精度，要求采樣點數(shù)N足夠多，以滿足Toc條件；另一方面為了保證時延測量的精度，又要求采樣頻率f足夠高，

8、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：(1)提高互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)的計算速度.(2) 提高尋求峰值時滯t的速度.把信號x(ty(t)加以Ibit極化、化乘法運算為異或非邏輯運算,是對Rxy(m)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)Rxyp(m)與互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)有如下關(guān)系：Rxy(m)2、Rxyp(m)=ancsinn<Rx(0)xRy(0)可見，Rxyp(m)與Rxy(m)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

9、、2相對過竿快速尋峰極性相關(guān)算法由于電容傳感器空間濾波效應的影響，所測得的隨機流動噪聲信號的頻帶一般在800Hz左右，可實際工作中又常常要求時延精度在ms或俸級，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年頻率有關(guān).Henry算法中采用絕對過年時刻效據(jù)，存在時鐘溢出中斷計數(shù)困難，實際上直接采用相對過竿時刻數(shù)據(jù)，計算互相關(guān)函數(shù)是可以的。(所謂相對過竿指下一個過年時刻的度量，不是以時鐘起點為基準，而是以上一個過零時刻為基準)此時計算極性互相關(guān)函數(shù)Rxyp(z)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計過竿時刻信號極性一致和不一致情況下過年時刻累計和之差。同Hen

10、ry絕對過年時刻算法相比：(1) 采用相對過早時刻算法，時延修正T時，不必每項X(t)過竿數(shù)據(jù)都減去T,節(jié)省了計算時間。(2) 本算法只累加極性一致時的過零時刻，節(jié)省了計算時間。(3) 以過竿時刻個數(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，有自適應功能。(4) 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.尋找互相關(guān)函數(shù)最大峰值對應的時間滯后T實際上是一個一元函數(shù)求極值問題.Henry采用第一詢掃描求峰，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)Rxy(t)為單峰函

11、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.當然真實的極性互相關(guān)函數(shù)不可能是單峰函數(shù)，經(jīng)常的情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：(1) 根據(jù)經(jīng)驗給定尋峰范圍Cas,ae，減少不必要的尋峰搜索.(2) 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,盡量取得長一些.(3) 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搜峰，

12、從而大大減少尋峰工作量.依照以上觀點，提出了掃描自適應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Is,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.5.3 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)用如圖5.其中：中模塊和眼務(wù)程序庫模塊,用執(zhí)行.可供軟件隨時隨炮調(diào)圖5程序堵構(gòu)框圖5.4 極化過零電路的設(shè)計與中斷處理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

13、濾除)，為了配合8031單片機完成在線實時極性互相關(guān)，需要用兩路極化過零電路、對上下游傳感器輸出信號x(以y(t)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.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.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).由于過零診斷的發(fā)生是隨機的，因此設(shè)定其優(yōu)先級為高.中斷服務(wù)總是花費一定的時間.在一路過零中斷正處理時又來了新的過零中斷，若中斷響應不及時，可能造成過零中斷算法失敗。Henry在其設(shè)計

14、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，本次過零信號有效.否則若極性相同，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鐘，計時周期為2口,溢出周期為0.131s,有可能相對過零時刻超過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俸根本沒有必要，實用時達到1ms和0.1ms足夠了.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)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)標定6.1動態(tài)試驗裝置的設(shè)計與制作為

15、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100mm聚氯乙烯塑料管，長度為L2m,兩傳感器安裝位置以a、b、0表示，a=587mm,b=64mm,0=0.試驗物料不失一般性，采用0.5立方毫米左右的碎白石，如圖7所示.6.2動態(tài)測試系統(tǒng)動態(tài)測試系統(tǒng)原理圖如圖8所示。直流穩(wěn)壓電源土15V作為變送器的直流電源,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.fTEACMR3磴蒂記承僅HP3562A動態(tài)信號5儀軟盤記承HP74

16、75A一!HP7475A一!圖8動戀測試系統(tǒng)原理圖6.3系統(tǒng)的標定及實驗結(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)進行標定實驗.(1)自由落體實驗T=E+L)Vg/2HVg圖7動態(tài)試驗裝置用HP3562A跟蹤顯示自由落體的信號曲線如圖9.S9自由落體信號曲線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匚設(shè)兩個傳感器間距L,上游傳感器距物料下落點為H,忽略空氣阻力的影響.則有：理想延時估算：H=506mmL=64mmt19.71(ms)HP3562A相關(guān)延時：r=19.53(ms

17、)相對誤差：0.96%結(jié)果表明用HP3562A進行測試有足夠的精度.(2)用HP3562A作為參照標定用磁帶機錄下真實物料流動噪聲信號，分別用HP3562A和梢關(guān)處理系統(tǒng)進行尋峰，由于HP3562A相關(guān)用真實的模擬信號采樣數(shù)據(jù)作的，其縮果可以認為是真實的，而相關(guān)處理系統(tǒng)用極化信號過零相關(guān)的，兩個結(jié)果的一致性可以證實相關(guān)測速的可行性和極化相關(guān)的誤差.圖10為隨機流動噪聲的相關(guān)曲線。(50次平均結(jié)果)ffi10隨機流動值號齡相關(guān)曲線HP3562A相關(guān)時滯：Tavg=18.359ms衰1實時相關(guān)軟件尋崢跟蹤的結(jié)果序?qū)?2345678Lt_10H12n】4T*竺竺2S227J2S9塑289292230

18、72873001792M平均t*-M4J8S9對比：時鐘頻率f=15.619kHzHP3562A50次平均：t=18.359ms實時相關(guān)結(jié)果：t=18.233ms相對誤差：0.7%可見：實時相關(guān)的精度在1%左右.7. 總結(jié)相關(guān)測量技術(shù)作為一種有廣闊應用前景的技術(shù)，在本研究工作中為實現(xiàn)相關(guān)測量的在線實時性做了一定工作，理論和實驗均證明：(1) 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)的流動噪聲檢測是較好的，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.(2) 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，(3) 采用HP3562A的相關(guān)結(jié)果作為實時相關(guān)系統(tǒng)標定依據(jù)的辦法是實用的.實驗結(jié)果表明相關(guān)測速系統(tǒng)精度在1%左右，(4) 本研究工作證明了采用相關(guān)法對離散物料(氣/固兩相流)進行流速檢測是可行的.8. ?？嘉墨I1. 相關(guān)淹量測景技術(shù)，徐苓安，天津大學出版社.2. 日本電子電咤精選，常玉燕譯，電子工業(yè)出版社，3. 555定時器原理及實用電路集錦.楊兆遠，天津大學出版社.4. AnImprovodAlgorithmAllowingFastO