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(xué)機(jī)械系黃民肖世德/魏任之本澡題為國家赦委博士點(diǎn)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(gè)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(dá)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(dá)到實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)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(dāng)被測流體在管道內(nèi)作穩(wěn)定流動時(shí)，隨機(jī)流動噪聲信號x(t)y(t)可以認(rèn)為是符合各態(tài)歷經(jīng)平穩(wěn)隨機(jī)過程x(t)和y(t)的兩個(gè)樣本函數(shù).只要兩個(gè)傳感器的間距L合理，兩個(gè)傳感器和變送器的靜動態(tài)性能完全一樣，可以認(rèn)為兩個(gè)隨機(jī)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(shí)間t,就是被測流體從截面aa'和bb'的流動時(shí)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(jī)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(gè)部分：(1) 傳感器和變送器系統(tǒng)，用于獲取隨機(jī)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(shí)時(shí)性和正確可靠性是相關(guān)測量系統(tǒng)實(shí)用化的前提c同時(shí)應(yīng)建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)標(biāo)定系統(tǒng)是整個(gè)相關(guān)測量系統(tǒng)的精度保證。3. 傳感器的設(shè)計(jì)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(xué)式，電動力學(xué)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(gè)難以克服的障礙，核輻射式存在安全性和響應(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(diǎn)：(1) 電容式傳感器原理簡單、可靠；(2) 可實(shí)現(xiàn)非接抵式測量，便于“卡鉗式”安裝；(3) 適用性廣，響應(yīng)快；(4) 價(jià)格低廉，便于應(yīng)用；3.2 電容傳翌器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造傳感器的制作：(試驗(yàn)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(xì)密鐵絲網(wǎng)對上下游傳感器作超寬屏蔽并接于良性實(shí)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(jì)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(shí)能對變換得到的技弱電壓信號加以放大，達(dá)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(diǎn)，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(gè)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(gè)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(dǎo)線電容。(4) 傳感器和變送器及屏蔽系統(tǒng)接于良好實(shí)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(yīng).(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(shí)延域上相似性，其計(jì)算公式如下：Rxy(t)=l;Tjx(t)xy(t+t)dt對應(yīng)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(jì)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(shí)間T,計(jì)算量正比于N。一方面為了保證相關(guān)函數(shù)的計(jì)算精度，要求采樣點(diǎn)數(shù)N足夠多，以滿足Toc條件；另一方面為了保證時(shí)延測量的精度，又要求采樣頻率f足夠高，

8、可以想象計(jì)算量是巨大的。要提高相關(guān)處理的速度，可從兩個(gè)方面入手：(1)提高互相關(guān)函數(shù)Rxy(m)的計(jì)算速度.(2) 提高尋求峰值時(shí)滯t的速度.把信號x(ty(t)加以Ibit極化、化乘法運(yùn)算為異或非邏輯運(yùn)算,是對Rxy(m)計(jì)算的重大改進(jìn)，理論上已經(jīng)證明，隨機(jī)流動噪聲是高斯型的，而高斯型隨機(jī)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(jì)算點(diǎn)數(shù)N來彌補(bǔ)。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(yīng)的影響，所測得的隨機(jī)流動噪聲信號的頻帶一般在800Hz左右，可實(shí)際工作中又常常要求時(shí)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(shí)刻算法是最有效的，其計(jì)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(shí)刻效據(jù)，存在時(shí)鐘溢出中斷計(jì)數(shù)困難，實(shí)際上直接采用相對過竿時(shí)刻數(shù)據(jù)，計(jì)算互相關(guān)函數(shù)是可以的。(所謂相對過竿指下一個(gè)過年時(shí)刻的度量，不是以時(shí)鐘起點(diǎn)為基準(zhǔn)，而是以上一個(gè)過零時(shí)刻為基準(zhǔn))此時(shí)計(jì)算極性互相關(guān)函數(shù)Rxyp(z)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)過竿時(shí)刻信號極性一致和不一致情況下過年時(shí)刻累計(jì)和之差。同Hen

10、ry絕對過年時(shí)刻算法相比：(1) 采用相對過早時(shí)刻算法，時(shí)延修正T時(shí)，不必每項(xiàng)X(t)過竿數(shù)據(jù)都減去T,節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。(2) 本算法只累加極性一致時(shí)的過零時(shí)刻，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。(3) 以過竿時(shí)刻個(gè)數(shù)做為互相關(guān)函數(shù)計(jì)算時(shí)循環(huán)控制參數(shù)，不以累加總時(shí)鐘長度為循環(huán)終止條件，有自適應(yīng)功能。(4) 采用相對過零時(shí)刻易于實(shí)現(xiàn)環(huán)形存儲和動態(tài)跟蹤.時(shí)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(yīng)的時(shí)間滯后T實(shí)際上是一個(gè)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(xì)化求峰的方法，對256個(gè)延時(shí)只須計(jì)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(jì)算一個(gè)新函數(shù)值而對分法則要計(jì)算兩個(gè)，因此可以把Henry算法尋峰速度再提高一步，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在高分辨率時(shí)更加明顯.當(dāng)然真實(shí)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(gè)最大峰和很多輔助峰(非最大峰).對軟件相關(guān)而言，這個(gè)問題可以這樣解決：(1) 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(gè)粗峰，然后在細(xì)化求峰時(shí)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(shí)，流速不可能突然發(fā)生很大變化，因此還可以進(jìn)行自適應(yīng)尋峰，即第一輪時(shí)用掃描尋峰，此后在前一輪尋峰位置前后自適應(yīng)搜峰，

12、從而大大減少尋峰工作量.依照以上觀點(diǎn)，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(shí)際驗(yàn)證表明：軟件相關(guān)在實(shí)時(shí)性方面達(dá)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(shí)時(shí)軟件相關(guān)器的硬件與軟件設(shè)計(jì)研制軟件相關(guān)器采用8031單片機(jī)作為軟件相關(guān)器硬件基礎(chǔ)，整個(gè)實(shí)時(shí)相關(guān)軟件采用匯編語言開發(fā)，軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)原理，可以分五個(gè)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(shí)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(jì)與中斷處理從電容傳感器和變送器輸出的隨機(jī)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(jī)完成在線實(shí)時(shí)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(jìn)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(shí)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(jī)有兩個(gè)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(jī)的，因此設(shè)定其優(yōu)先級為高.中斷服務(wù)總是花費(fèi)一定的時(shí)間.在一路過零中斷正處理時(shí)又來了新的過零中斷，若中斷響應(yīng)不及時(shí)，可能造成過零中斷算法失敗。Henry在其設(shè)計(jì)

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(jì)中用軟件來保證：把極化后信號也接到8031的P1接口兩個(gè)位上。每次每路過零中斷時(shí)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(jī)本身機(jī)器時(shí)鐘，計(jì)時(shí)周期為2口,溢出周期為0.131s,有可能相對過零時(shí)刻超過0.131s.為了防止出現(xiàn)這一情況，決定采用外部時(shí)鐘.因?yàn)榉直媛实?俸根本沒有必要，實(shí)用時(shí)達(dá)到1ms和0.1ms足夠了.為此設(shè)計(jì)了晶振分頻電路作為外部時(shí)鐘.為了便于相關(guān)處理系統(tǒng)調(diào)試和檢查，還設(shè)計(jì)了專門的偽隨機(jī)信號發(fā)生器。6. 動態(tài)試驗(yàn)及系統(tǒng)標(biāo)定6.1動態(tài)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與制作為

15、了對所設(shè)計(jì)的整套傳感器、變送器及軟件測試系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)際的動態(tài)試驗(yàn)，特制作一模擬試驗(yàn)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(yàn)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(jī)記錄來自變送器的兩路信號，同時(shí)用雙蹤示波器進(jìn)行觀察.調(diào)整兩路信號的幅值大小等，然后將磁帶機(jī)記錄的兩路信號轉(zhuǎn)放給HP3562A進(jìn)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(biāo)定及實(shí)驗(yàn)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(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn).(1)自由落體實(shí)驗(yàn)T=E+L)Vg/2HVg圖7動態(tài)試驗(yàn)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(gè)徐碼或一團(tuán)物料作自由落體，估算物料經(jīng)歷兩個(gè)傳感器中線需要的時(shí)間差匚設(shè)兩個(gè)傳感器間距L,上游傳感器距物料下落點(diǎn)為H,忽略空氣阻力的影響.則有：理想延時(shí)估算：H=506mmL=64mmt19.71(ms)HP3562A相關(guān)延時(shí)：r=19.53(ms

17、)相對誤差：0.96%結(jié)果表明用HP3562A進(jìn)行測試有足夠的精度.(2)用HP3562A作為參照標(biāo)定用磁帶機(jī)錄下真實(shí)物料流動噪聲信號，分別用HP3562A和梢關(guān)處理系統(tǒng)進(jìn)行尋峰，由于HP3562A相關(guān)用真實(shí)的模擬信號采樣數(shù)據(jù)作的，其縮果可以認(rèn)為是真實(shí)的，而相關(guān)處理系統(tǒng)用極化信號過零相關(guān)的，兩個(gè)結(jié)果的一致性可以證實(shí)相關(guān)測速的可行性和極化相關(guān)的誤差.圖10為隨機(jī)流動噪聲的相關(guān)曲線。(50次平均結(jié)果)ffi10隨機(jī)流動值號齡相關(guān)曲線HP3562A相關(guān)時(shí)滯：Tavg=18.359ms衰1實(shí)時(shí)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(shí)鐘頻率f=15.619kHzHP3562A50次平均：t=18.359ms實(shí)時(shí)相關(guān)結(jié)果：t=18.233ms相對誤差：0.7%可見：實(shí)時(shí)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(yīng)用前景的技術(shù)，在本研究工作中為實(shí)現(xiàn)相關(guān)測量的在線實(shí)時(shí)性做了一定工作，理論和實(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)用的，信噪比達(dá)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(yīng)0.618快速尋峰算法是可行的，依此研制的在線實(shí)時(shí)全軟件相關(guān)器是成功的，實(shí)時(shí)性達(dá)Is左右，(3) 采用HP3562A的相關(guān)結(jié)果作為實(shí)時(shí)相關(guān)系統(tǒng)標(biāo)定依據(jù)的辦法是實(shí)用的.實(shí)驗(yàn)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(jìn)行流速檢測是可行的.8. 希考文獻(xiàn)1. 相關(guān)淹量測景技術(shù)，徐苓安，天津大學(xué)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(shí)器原理及實(shí)用電路集錦.楊兆遠(yuǎn)，天津大學(xué)出版社.4. AnImprovodAlgorithmAllowingFastO