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径流流速虚拟仪器测试系统的研究 农业机械化工程 2 0 0 5 届硕士研究生刘泉指导教师李小昱 在水土流失研究中，坡面径流流速是研究坡面土壤侵蚀规律的重要参数，也是水土 流失动态监测网络的基础数据。目前，无论是在野外试验观测径流小区，还是室内人工 模拟降雨试验中，坡面径流流速的测量一直是采用人工或半人工的测量方法，无法实现 动态、连续、实时地测量。因此研究一种测量径流流速的实时、动态测量系统，具有重 要的科学意义和实用价值。 本研究利用自制的电导式传感器作为信号采集的传感器，建立了基于虚拟仪器技术 的径流流速测量系统。其研究的主要内容和结果如下： 1 对相关流速测量原理进行了理论分析，建立了基于虚拟仪器技术的径流流速实 时测量系统的理论模型； 2 对采集水流泥沙流动噪声信号的电导式传感器进行了设计，主要包括传感器材 质、形状、尺寸，调理电路等； 3 相关流速测量系统采用了差动放大电路，其具有以下突出的特点：首先，保留了 相关法测速原理的优点，降低了相关法对硬件电路、数据采集电路对称性要求高的缺点， 使噪声提取电路的复杂性减小，提高了系统的可靠性、抗干扰能力。其次，运用对称的 检测电路，抵消了两传感器受外界干扰的影响，一定程度上消除了电导式传感器的初始 误差。由于只提取与两相流流体有关的流动噪声，调理电路有较大增益，从而可以提高 系统的灵敏度； 4 采用相关算法，用图形化编程语言l a b v i e w 编写出了径流流速测试系统的测 量程序，并建立了基于虚拟仪器技术的径流流速测量系统。 通过试验得到以下结论： 1 通过标定试验，该测试系统用相关法测量径流流速是可行的； 2 自制的电导式传感器在测量范围内能准确采集径流的流动噪声信号； 3 径流流速测试仪器测量范围为0 2 5 0 硌m 3 ，流速的测量误差小于5 ； 4 该虚拟仪器可以实时、在线测量径流流速。 关键词：径流；虚拟仪器：测试系统；互相关测量；电导式传感器 r e s e a r c ho nr u n o f fc u r r e n t v e l o c i t ym e a s u r i n gs y s t e mo fv i r t u a li n s t r u m e n t a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t el i uq u a ns u p e r v i s o rl ix i a o y u i nt h es o i le r o s i o nr e s e a r c h ，t h es l o p ef a c er u n o f fs p e e do ff l o wi ss t u d i e st h es l o p ef a c e s o i le r o s i o nr u l et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r , a l s oi ti st h es o i le r o s i o nd y n a m i cm o n i t o rn e t w o r k f o u n d a t i o nd a t a a tp r e s e n t ，r e g a r d l e s so fi si nt h ef i e l dt e s to b s e r v a t i o nr u n o f fp l o to ri nt h e r o o mt h em a n n a ls i m u l a t i o nr a i n si nt h ee x p e r i m e n t t h es l o p ef a c er u n o 仃s p e e do ff l o w s u r v e ya l w a y su s e sa r t i f i c i a lo rh a l fm a n u a lm e a s u r i n gt e c h n i q u e , i su n a b l et or e a l i z e d y n a m i c a l l y , i sc o n t i n u a lr e a l - t i m e ，s u r v e y s t h e r e f o r es t u d i e so n ek i n do fs u r v e yr u n o f f s p e e do ff l o wr e a l t i m e ，t h ed y n a m i cm e a s i l r e m e n ts y s t e m ，h a st h ev i t a ls c i e n t i f i cs i g n i f i c a n c e a n dt h ep r a c t i c a lv a l u e t h i sr e s e a r c hu s i n gt h es e l f - m a d ec o n d u c t a n c es e n s o rt o o ks i g n a lg a t h e r i n gt h es e n s o r , h a s e s t a b l i s h e db a s e do nt h eh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n tt e c h n o l o g yr u n o f f r a t eo f f l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m i t sr e s e a r c hm a i nc o n t e n ta n dr e s u l t 器f o l l o w s ： 1 弧i st e s th a sc a r r i e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sc o r r e l a t i o n sr a t eo ff l o wm e a s 删e m 斟l t p r i n c i p l e ，h a se s t a b l i s h e db a s e do nt h eh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n tt e c h n o l o g yr u n o f fs p e e do f f l o wr e a l t i m em e a s u r e m e n ts y s t e mt h e o r e t i c a lm o d e l ； 2 t h er e s e a r c hg a t h e r e dt h ef l u e n ts i l tm o b i l en o i s es i g n a lt h ee l e c t r i cc o n d u c t a n c et y p e s e n s o rt oc a r r yo nt h ed e s i g n ，m a i n l yi n c l u d e dt h es e n s o rm a t e r i a lq u a l i t y , t h es h a p e ，t h es i z e ， r e c u p e r a t e dt h ee l e c t r i cc i r c u i ta n ds oo n ； 3 t h ec o r r e l a t i o n sr a t eo ff l o wm e a s u r e m e n ts y s t e mh a su s e dt h ed i f f e r e n t i a lm o t i o n e n l a r g e m e n te l e c t r i cc i r c u i tb e l o w , i th a st h ep r o m i n e n tc h a r a c t e r i s t i c ：f i r s t ，r e t a i n e dt h e c o r r e l a t i o nm e t h o dt om e a s u r et h ef a s tp r i n c i p l et h em e r i t , r e 血c e dt h ec o r r e l a t i o nm e t h o dt o t h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t ，t h ed a t aa c q u i s i t i o ne l e c t r i cc i r c u i ts y m m e t r yh a sr e q u e s t e dt h e m g hs h o r t c o m i n g ，c a u s e dt h en o i s et ow i t h d r a wt h ee l e c t r i cc i r c u i tt h ec o m p l e x i t yt or e d u c e ， e n h a n c e dt h es y s t e mr e l i a b i l i t y , t h ea b i h t yo f c o n t r a d i c td i s t u r b n e x t ，u t i l i z e st h es y m m e t r i c a l e x a m i n a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，h a sc o u n t e r b a l a n c e dt w os e n s o r st h ee x t e r n a li n t e r f e r e n c e i n f l u e n c e ，i nt h ec e r t a i nd e g r e ee l i m i n a t e dt h ee l e c t r i cc o n d u c t a n c et y p es e n s o ri n i t i a le i t o l b e c a u s eo n l yw i t h d r a w sw i t ht w op h a s ec u r r e n t sf l u i d sr e l a t e dm o b i l en o i s e ，r e e u p c r a t e st h e e l e c t r i cc i r c u i tt oh a v ei n c r e a s e sg r e a t l y , t h u sm a ye n h a n c et h es y s t e mt h es e n s i t i v i t y ； 4 n l i ss y s t e mu s e st h ec o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，c o m p i l e dt h er u n o f fs p e e do ff l o wt e s t s y s t e ms u r v e yp r o c e d u r e w i t hg r a p h i c sp r o g r a m m i n gl a n g u a g el a bv i e w , a n dh a s e s t a b l i s h e db a s e do nt h eh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n tt e c h n o l o g yr u n o f f r a t eo f f l o wm e a s u r e m e n t s y s t e m t h r o u 吐t h ee x p e r i m e r i to b t a i n st h ef o l l o w i n gc o l i c l u s i o n ： 1 t h r o u g hd e m a r c a t e st h ee x p e r i m e n t ，t h i st e s ts y s t e ms u r v e y st h er u n o f fs p e e do f f l o w w i t ht h ec o r r e l a t i o nm e t h o di sf e a s i b l e ； 2 t h es e l f - m a d ee l e c t r i ct o l l d u c t a i l c et y p es e n s o r si ns u r v e ys c o p ei n t e r n a le n e r g y a c c u r a t eg a t h e r i n gn m o f f m o b i l en o i s es i g n a l ； 3 t h en m o f fs p e e d so ff l o wm e a s u r i n gi n s t n m a e n ts u r v e ys c o p ei s0 2 5 0k g m 3 ，t h e s p e e do ff l o wm e a s u r i n ge r r o ri ss m a l l e rt h a n5 ： 4 t k s v i r t u a l i n s t r u m e n t m a y r e a l - t i m e ，o n - l i n es u r v e y r t l n o f f s p e e d o f f l o w k e yw o r d ：r u n o f f ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；m e a s u r i n gs y s t e m ；c o n d u c t a n c e s e n s o r ； c o r r e l a t i o nv e l o c i t y 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文：径流流速虚拟仪器测试系统的研究 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 土壤侵蚀使得有限的土地资源遭受严重的破坏，在土壤肥力降低的同时，水土流失 使得大量的泥沙下泄，淤积下游河道，加剧了洪涝灾害，同时泥沙颗粒吸附有机和无机 污染物，造成下游水体的污染和其他一些环境问题。土壤侵蚀已经成为世界上首屈一指 的环境问题，而中国是水土侵蚀最为严重的国家之- - 1 3 2 。特别是位于黄河中游的黄土高 原地区，侵蚀十分严重，多年平均输沙量达1 6 亿吨，大量泥沙淤积河道，使得黄河下 游的出现了地上河，严重威胁着人民的生命财产安全【”】。据统计，现在中国土壤侵蚀面 积达4 9 2 公顷，占国土地5 1 2 ，其中水蚀面积1 7 9 公顷，风蚀面积1 8 8 公顷，冻融侵 蚀1 2 5 公顷【列。土壤侵蚀给人类社会的发展和生活带来巨大的影响，其破坏了生态平衡， 恶化了农业生态环境，加剧旱灾害的发展，危及铁路公路交通安全，严重的影响了我国 土壤侵蚀地区经济的发展【3 t 2 ”。 为了减少水土流失给人类生产和生活带来的严重影响，需要建立水土流失的预测、 预报模型，用该预报模型来定量评价水土流失和水保效益，是研究和治理水土流失的有 效手段。通过水土流失预报模型定量计算土壤流失量，能客观地认知土壤侵蚀规律和评 价水土保持措施的效益。要建立这一模型，必须研究产生水土流失的一些关键因素，这 其中包括水土流失的形成条件，活动特征，发展趋势，其中涉及到水土流失动力学参数， 诸如流态流速，流量，动力运动方程等。这些参数的获得对于建立水土流失模型有着非 常重要的意义。径流流速的准确测量是目前土壤侵蚀研究中定量分析土壤剥离和径流挟 沙能力的基础。 大量研究表明，坡面径流流速是决定坡面侵蚀力大小的主导因子，也是计算坡面汇流和 坡面冲刷的基础。坡面径流流速主要受地表特征、坡度和坡面水深( 或坡面流量) 等因素 的影响。因此，开展坡面径流流速的研究，对于深入研究坡面水流的动力机制，并进一 步揭示坡面土壤侵蚀机理及估算侵蚀产沙强度是至关重要的。但是这方面的研究工作处 于相对薄弱状态，这种状况严重制约了生态环境建设的科学决策和水土保持效益的科学 评价工作的顺利进行弘“。 在水土流失研究和监测中，坡面径流流速是十分重要的参数。但是无论野外试验观 测径流小区，还是室内人工模拟降雨试验，坡面径流的测量一直是采用收集径流、人工 测量的方法，无法实现动态实时地测量。然而，径流的实时动态测量对于土壤侵蚀动态 过程的研究非常重要。现在我国水土保持研究工作正在向网络化、信息化、系统化方向 发展，水土保持生态环境监测网络正在逐步建设，该网络所需的水土流失动态监测基础 数据是建立该监测网络十分关键的环节之一。监测基础数据的实时、快速、自动地获取 需要利用先进的测试手段和先进的测量设备【“。然而，我国水土保持方面的监测手段和 第一章绪论 监测仪器设备相当落后，为了尽快解决目前这种落后情况，除了部分引进国外先进的野 外数据自动采集、传输和处理软、硬件仪器设备外，同时还应该研制和开发一批符合我 国国情的先进测试设备与软件系统，满足我国水土保持研究和监测工作的需求【8 】。 本研究从薄层水流的流动动力学理论出发，利用自制的电导式传感器作为信号采集 的传感器，研究一种可以实时、在线以及动态测量径流流速的虚拟仪器测试系统。 1 2 国内外研究现状 径流流速的测量属于多相流测量范围，自六十年代以来，世界各国对多相流动系统 的研究包括多相流体流动的基本特征、多相流动系统的理论模型以及多相流的检测技术 等，进行了大量的实验研究和理论分析工作。多相流的参数中，流速测量是一个很重要 的参数。由于多相流体的流动状况与单相流相比更为复杂，近几年来，虽有不少研究工 作者提出了检测手段，但这些手段还远远没有完善。多相流的流速测量方法按原理分类 有 3 9 ： 1 ) 力学法：利用流体的动压、动量矩和离心力等测量流速； 2 ) 相关法：通过两点的相关函数测流速； 3 ) 光学法：利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速； 4 ) 声学法：利用超声波原理测流速： 5 ) 热学法：利用热线风速仪或量热计测流速； 6 ) 电磁法：利用电磁感应原理测流速； 7 ) 核磁共振法：利用核磁共振原理测流速； 8 ) 示踪法：利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速。 以上各种方法，多用于工业管道中测流速，且成本高，技术复杂，最重要的是不能 用于土壤侵蚀所形成的径流中。 以相关技术为基础构成的多相流测量系统，由于可以采用不同原理的传感器来获得 多相流体的流动噪声信号，经相关处理后可求得其流速，因而有很强的适应性。但是由 于土壤侵蚀所形成的径流情况复杂，尚无将此原理用于径流流速的测量。 目前在径流流速的测量中，含一定浓度泥沙的管流和明渠流的流速问题已经得到了 广泛的研究，但是对于有降雨影响下的坡面径流流速的研究却很少。坡面径流多为非均 匀、非恒定沿程变量流，属薄层水流，受降雨影响显著，流动边界条件复杂。坡面径流 与明渠流相比水力特性不同，流速计算方法也应有所不同。目前因为不能对坡面径流流 速从理论上做出准确描述，国内外学者较多地是在假定入渗、降雨为恒定均匀的基础上， 把坡面径流处理为一维恒定非均匀沿程变量流，使问题得到简化。 在薄层水流流速的研究中，最早进行坡面薄层水流研究的学者是美国的学者，h o r t o n 认为在稳定状态下的坡面径流流速测量可以用计算河道水流公式估算吲；a b r a h a m s 等【4 ”2 】 提出一种断面分段法( p a r t i a ls e c t i o nm e t h o d ) ，将每个断面分为若干个子断面，分 2 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文：径流流速虚拟仪器测试系统的研究 别测量其中的流速，然后取平均值，得到表层的平均流速。但这种计算方法所需要的时 间太长，有时候来不及测量所需的参量，而且劳动强度大；c a r s o n ，k i r k b y , m i c ：h a e l a b r a h a m s ，p a r s o n ，s l a y m a k e r 和s e l b yc a l k i n s ，f o r s t e r ：等 7 , t 6 , 1 9 , 3 7 , 3 8 , 3 9 , 4 5 , 5 , 6 ，5 7 1 也分别使用 不同的方法对坡面径流流速测量方法进行了研究。 国内学者对坡面流特性也进行了多方面的研究，陆兆熊【2 9 1 c a l k i 】s ，c h u r c h ；和 w fmerz 1 5 驯( 1 9 9 2 ) 在野外试验中使用了盐液示踪的方法。试验时，在水流中相隔一定 距离处插入两根探针，在上游探针处注入少量盐水，通过测量盐水流过两根探针时的电 压变化，得到水流的最大流速和平均流速。这种方法的优点是克服了人工计时及目视观 测所带来的误差，可以较准确地得到水流的平均流速和最大流速，但由于信号接收精度 的缘故，仅适用于水流集中且水层较深的水流，对于薄层径流不适用。张科利【36 采用旋 桨式微流速测定仪测定坡面径流流速，但是流场扰动过大。 国外的普罗托季亚科诺夫、杜德金、佑涅维奇、波德维欣斯卡娅、阿维扬诺夫、斯 里伯纳依、m e y e r 、s a v a t 等先后从理论上或半理论半经验上求解坡面流的流速，但所 得计算公式或方法，有的很复杂，有的理论假设缺乏一定的合理性或应用受限制太多 2 7 ，4 0 , 6 0 , 6 3 1 ；国内的夏卫生，徐在庸、吴普特、姚文艺、雷阿林等先后利用理论推导或试 验研究等方法得到了许多有关坡面流流速的经验公式，他们各自提出了关于坡面流流速 经验公式，尽管这些公式中所用的参变量各有不同，但都是基于同一种思想，只是考虑 问题的出发点不同与表达形式不同而已i m s , 1 2 , 3 5 a 0 , 5 ”。g r f o s t e r 5 7 乖1 j 用热成像流速仪测 量坡面细沟水流的流速；r i c e 等【5 3 l 在实验室用影像分析系统测定在无雨滴打击影响下， 不含泥沙的坡面径流的平均流速；j a u y o ul u 等 5 9 】利用二元光纤激光d 叩p l e r 流速仪测 量降雨扰动条件下清水径流的流速。这些精密仪器的共同缺点是价格昂贵，不便于野外 恶劣条件下使用，条件苛刻，多用于测量清水的流速。 坡面流流速测量是水蚀研究中十分重要的一个部分。由于坡面流水层极薄，常规 的测量方法往往无法使用，因此一般多采用示踪法。其中一种示踪法是荧光染色法 f b r a z i le ta l ，1 9 8 1 0 ) ，它通过荧光剂测量水流中的一团荧光染色剂的中心经过一段距离所 用的时间得到水流速度。但这需要一台荧光计，而且这种方法具有一种内在的矛盾：一方面， 它需要一段尽量短的距离( o 5m 以内) 以避免过多引入水流空间变化带来的误差；另一方 面，它又需要一段相当长的距离( 最少要几米) 以保证染色剂的混合( a b r a h a m se ta l ，1 9 8 6 ) 。 最常使用的方法是染料示踪法，染料示踪法用一种有色染料注入水中，以此确定水流流 过一段距离的时间，得到水流的表层流速，然后乘以一定系数得到水流的平均流速。层 流时，该系数为0 6 7 ，混合水流时系数为0 7 0 ，紊流时系数为0 8 ( a b r a h a m s ，1 9 8 6 ) 。 实际上，几乎所有测得的流速均是最大表层流速，而非平均表层流速。这种测量方法 的误差包含两个方面，首先由于示踪法染料在水中的扩散及雨滴打击等原因，目视观测 无法准确判断水流中染料是否达到测量断面；其次采用人工秒表计时准确率低，这必 将影响径流的流速精度。染料示踪法不仅误差比较大，而且该方法在测量径流流速 第一章绪论 时无法做到实时、在线以及动态测量。这严重制约了坡面径流及坡面土壤侵蚀动力过程 等的研究，那么研究一种新型的径流流速测量仪己成为亟待解决的问题。 相关法利用流体内部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流速测量问题转化为 流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔的测量问题，运用相关测量技术可实现流体 流速的在线测量。本文采用相关法，研究一种基于虚拟仪器技术的径流流速测量系统， 以实现径流流速的实时、在线的动态测量。 1 3 研究内容 相关流速测量技术的实质是利用流动中固有的流体流动噪声作为示踪物，通过合适 的传感器将这些流动噪声转化为电信号，采用噪声分析技术确定示踪物在传感器元件之 间的渡越时间，从而测出流体的流速。本研究采用了相关算法和自制的电导式传感器， 建立了基于虚拟仪器技术的径流流速测试系统，该测试系统可对径流连续、快速、实时 和动态测量。本课题研究的主要内容包括以下几点： 1 ) 对相关测量原理进行理论分析，建立径流流速相关测量的模型； 2 ) 设计电导式传感器采集泥沙流动“噪声”信号，主要包括传感器的工作原理、 结构、材质、极板、形状和尺寸，调理电路等； 3 ) 采用相关算法，研究基于l a bv i e w 的径流流速测量的速虚拟仪器系统。 通过以上研究，建立一套基于虚拟仪器技术的径流流速测试系统，该测试系统可以 对径流流速进行实时和动态测量，为水土保持生态环境监测网络提供前端基础数据采集 的测量系统。 塑奎些学2 0 0 5 辱硕士学位论文：径流流速虚拟仪器铡试系统的研究 第二章径流流速测试系统的原理 相关法应用于流体流速的测量是从7 0 年代初期发展起来的，以英国的b e c k 教授 和德国的m e s c h 教授为首的研究小组首先在这方面开展工作。b e c k 等 5 3 , 5 4 采用电容传 感技术，对气、固两相流进行了非接触互相关流量测量的研究。即用一对电容传感器 来检测气流输送面粉的管道中自然发生的流动噪声，以及面粉在流体中局部浓度的随 机性变化。电容传感器初始随机流动噪声信号用磁带记录仪记录下来，然后被采样输 入到计算机，实现信号的离线处理。计算机计算出上、下游流动噪声的互相关函数并 搜索其峰值位置，从而确定面粉与其混合体的平均流速，每一次流量读数的时间为5 秒，最后整个系统的精度为士2 。 m e s c h 等 6 l 】把相关流速测量技术应用到流体流动特性的研究中，对稳定流体和非 稳定流体的传播方程进行实验验证。采用热电偶作为流动噪声的敏感元件，流体的流 动噪声与温度波动成对应关系，对在不同流速下获取的温度噪声信号进行相关处理。 m e s c h 的实验结果证实，当流体作平稳流动时，所获得的相关函数只是在时间轴上的 平移，即满足t a r l o r 6 4 1 凝固流动模型；当流体作湍流运动时，不满足凝固模型。 相关流速测量技术的实质是利用流动中固有的或外部引入的流动噪声作为示踪 物，通过合适的传感器将这些流动噪声转化为电信号，采用噪声分析技术确定示踪物 在传感元件之间的渡越时间，从而测出流动速度。其理论基础是随机过程相关理论和 信息理论。 相关流速技术能否应用的关键是是否能研制快速而又可靠的在线相关器。以下介绍 相关器研究的发展过程【3 ”。 1 ) 5 0 年代常用模拟式相关器，即采用模拟电路计算相关函数，但模拟技术( 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。 2 ) 1 9 6 2 年由e j e s p e r s 等提出采用1b i t 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 ) 1 9 7 3 年a m h a y e s 提出了两种简化方法来简化相关器的设计，第一种方法是粗 量化方法：对输入信号之一或两者作8b i t 或1 2b i t 的粗糙量化处理；第二种方法是两 点差分法：使相关函数在两个时延值崩，卢：处的差值r w ( p 1 ) t 岛，( ：) 趋于零。存在的问 题是积分时间在流速变化时响应慢。 4 ) 1 9 7 9 年，h e n r y 提出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z 8 0 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 5 第二章径流流速测试系统的原理 此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于2 5k h z 的场合。 5 ) 1 9 8 9 年，h a r b a 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。 随着现代电子技术的发展与高速计算机及数字信号处理器( d s p ) 的出现，制约相 关流速测量实时化的因素不断减小。目前具有上g h z 采样率，高达2 4b i t s 精度的数 据采集板( d a q ) 已经面世。科研人员不必过多考虑软件的运算速度以及硬件资源的占 用。 2 1 相关流速测量技术的理论基础 单相流体或两相流体在流动时，流体内部存在着各种各样的与流动状况有关的 “噪声”。这种“噪声”从微观角度来看，在流体流动时，除了存在着沿轴线方向的总 体运动以外，流体内部的“微团”还存在着与总的流动方向垂直的运动分量。在运动 过程中，这些“微团”相互作用并实现能量的交换。原来的“微团”衰减或消失了， 新的“微团”又产生出来。当观测者处于某一固定的截面上观测流体内部“微团”的 运动，那么，在相同的流动条件下，上述流体内部“微团”的运动状况将随时间呈现 出无规律的变化，具有随机的性质。气固、气液或液同等两相流体在流动时，流体 中离散相的局部浓度也是随机变化的。流体在流动过程中，其内部所发生的上述种种 随机现象，统称之“流动噪声”。流动噪声的随机性也表现在它随时间的变化是无规则 的、不可预测的。由于流动噪声具有随机性质。加之流体流过传感器时，两传感器之 间的距离很短，此时流体流动噪声信号是平稳的、各态历经的随机信号，因此用随机 信号的相关分析理论是可以用来测量径流流速。 由于流动噪声具有随机性，随机信号和确定信号不同，不能通过一个确切的数学 公式描述，也不能准确的预测，因此只能在统计的意义下加以研究。一般来说，实验 中得到的随机信号可以用个随时间变化的随机变量来描述。这种随时间变化的随机 变量，称为随机过程。换一个角度来说，如果我们做n 次测量，在实验结果中可能得 到n 条不同的曲线x ，( f ) 、疋：( r ) x 。( f ) ，其具体形状不可预测，但是每一次结果均为所 有可能波形中的一种，而这些可能的波形置( f ) 、置o ) 以( f ) 集合构成了随机过程 x ( ，) 。x 。( f ) 、x ：( f ) x 。( f ) ，称为随机过程中的一个样本函数。因此每次实验所得到 的流体中的“噪声”信号，实际上是随机过程中的样本函数。 在实际应用中，往往研究随机过程的数学期望、方差、相关函数等常用的数字特 征来描述一个随机过程。数学期望和方差是描述随机过程在各个孤立时刻的重要数字 特征，相关函数是描述随机过程内在和相互之间关联的数字特征，它实质上是衡量随 6 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文；径流流速虚拟仪器测试系统的研究 机过程内在和相互之i 司的相似程度的量。 相关函数分为自相关和互相关函数，本测试系统是利用互相关函数，下文中凡是 提到相关都是指互相关。相关函数是描述两个随机过程联系的数字特征，设x ( t ) 年f l y ( t ) 分别来自各态经历的平稳随机过程协。( f ) 和敝( f ) 的一个样本函数，它们之间的互相关 函数r 。( f ) 定义为： ( 妒m ( 嗍竹) 卜脚静h 懒( 2 - 1 ) 经分析相关函数具有以下性质： 1 ) r ，。( f ) 是一个实质函数，其值可正可负，且在f = 0 时不一定有最大值； 2 ) r ，( f ) 既不是奇函数，也不是偶函数，但满足r ，( 一r ) 2 r ，( f ) ； 3 ) k ( f ) 2 r ；( o ) r ，( o ) 1 4 忍2 3 1 。 相关函数在工程实践中的主要应用： ( 1 ) 检测淹没在强背景噪声中的随机信号： ( 2 ) 滞后时间f 。的测量。 2 2 相关流速测量系统的原理 相关流速测量系统基于随机过程理论中的相关理论，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问题转化为流体通过相距一定距离的两截面的 时间间隔的测量问题，从而实现流体流动速度的在线测量。 2 2 1 “凝固”流动图形假设 “凝固”图型假设是首先由g i t y a l o r 在研究单相流体的湍流现象时提出的。这 个假设认为，在湍流流动的单相流体中，流体的“涡旋”结构，不论其尺度大小和旋 转频率高低如何不同，它们都以同样的速度( 即流体的轴向时间平均速度) 从上游传递 到下游去。因此，当一个观测者以和流体相同的速度，沿流体流动的轴线方向移动耐， 他们看到的流体内部的湍流图型都是相同的。就好像它们被“凝固”起来并传递到下 游去似的。 在研究相关流量测量系统的机理时，一些研究工作者将g i t y a l o r 的“凝固”流动 图型假设扩展应用于两相流体的流动。并认为两相流体的“凝固”流动图型假设主要 7 第二章径流流速测试系统的原理 指当丽相流体从上游的某个截面流动到下游的某个截面时，流体中离散相的尺寸分布 和空间分布状况保持不变。 运用g t t y a l o r 的“凝固”图型假设，可以建立起一种相关流速测量系统的数学模 型。因为，上、下游传感器检测到的流动噪声信号是被测流体内部存在的随机噪声现 象对传感器发射出来的能量束或传感器建立起来的能量场所产生随机调制作用的结 果。那么，根据“凝固”图型假设，被测流体在上游传感器处引起随机信号盖( f ) 的那 些调制机制，经过一定时间后，定会重复地出现在下游传感器处，并引起一个其变 化情况和z ( f ) 完全相似但时间上滞后f o 的随机信号y ( f ) 。 一般地，“凝固”流动图型的假设在实际流动系统中是不可能满足的。在相关流速 测量系统中，如果上、下传感器之间的距离足够小，当被测流体从上游传感器所在截 面处流动到下游传感器所在截面时，流体的流动图型的变化相对来说比较小时，就可 以近似地认为该流动系统满足“凝固”流动图型假设。 2 2 2 相关测量系统的原理及系统构成 相关流量测量系统的构成与原理如图2 1 所示。其原理如下：在沿管道轴线相距l 的地方，分别安装两个具有相同结构的上、下游传感器a 和b 。传感器检测两相流流体 的流动噪声信号工o ) 和y ( f ) ，该信号是被测流体内部存在的随机噪声对传感器发射出来 的能量束或传感器建立起来的能量场所产生的随机调制作用的结果。当被测流体在管 道内作稳定流动时，随机流动噪声信号x ( f ) 和y ( f ) 可以分别看作是来自各态历经的平稳 随机过程k o ) ) 和h o ) 的两个样本函数。虽然“凝固”流动模型的假设在实际流动 系统中是不可能满足的，但是只要上、下游传感器之间的距离足够小，流体的流动模 型的变化相对来说比较小，就可以近似地认为流动系统满足“凝固”流动模型的假设。 由此，可以认为y ( t ) = x ( t 一) ，f 。为流体从a 到b 的渡越时间。对信号x ( f ) 和y ( f ) 作相 关分析： ，r r x y ( f ) = 1 i m 去f x ( t ) y ( t + r ) d t ( 2 2 ) 她；吲t + r - - z o 冲 = r 。( f 一) 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文：径流流速虚拟仪器测试系统的研究 尽 蠢f 羹 图2 1 相关流速测量系统与原理图 f i g 2 1 t h es y s t e ma n dp r i n c i p l eo fr e l a t e dc u r r e n tv e l o c i t ym e a s u r e s 可见具有“凝固”图型假设的流体的相关函数，实质上是时间轴上移了f 。的自时间。 相关函数在f 。处具有最大峰值。因此只要利用峰值搜索程序就可以找出渡越时间f op 5 1 。 则有： k：量(2-3) 式2 3 中：k 相关速度，m s ；厶上、下游传感器的间距，1 t l r n 。根据 2 3 式可以求出径流的流速。 9 燮业：兰堂2 0 0 s 届硕士学位论文：径流流速虚拟仪器铡试系统的研究 第三章电导式传感器的设计 测量系统中传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。互相关流速测量技术 是基于来自同一流道内上、下游传感器所检测到的流体内部的流动噪声的互相关函数 的测量，流动噪声的检测是相关流速测量的技术关键。本研究为了检测泥沙的流动噪 声信号，自行研制了电导式传感器用来检测径流流速。 3 1 常用相关测量传感器的介绍 经过二十几年的研究，国内外从事相关流速测量技术的研究工作者已成功研制出 几种可以检测出气固、气液或液固两相流体随机流动嗓声信号的传感器。 按构成原理，流动噪声传感器可以分成以下几类”： i ) 利用流体内部的随机噪声现象对外部入射能量束的随机调制作用构成的流动噪 声传感器。 属于这一类的传感器主要有基于声辐射调制原理的超声波传感器；基于光波调制 的激光传感器；基于射线调制的口射线传感器。这些传感器利用流场中的气泡、漩涡、 固体颗粒等示踪粒子，对入射波场的振幅或相位加以调制，通过适当的处理提取所需 要的流动噪声信号。 2 ) 利用流体本身电学特性的随机变化，对外加电场的随机调制作用构成的流动噪 声传感器。 属于这类传感器有电容传感器和电导传感器。其主要原理是利用在管道内的两相 流体对外界所显示出来的某些电学特性，这种特性不仅与混合物两相流体的体积流率 的百分比有关，而且与离散相的局部浓度有关。当被测流体通过某一检测截面或某一 检测管段时，它们呈现出来的电学特性也将是时间的随机函数。设法检测这个微弱的 随机电量的变化，就可以得到随机流动噪声信号。 3 ) 直接利用被测流体本身发射能量的随机波动构成的流动噪声传感器。 当被测流体内部含有某种辐射物质时，流体流动过程中它们不断地向外辐射能量。 由于在管道内流动的流体中，辐射物质的局部浓度是时间及空间位置的随机函数。因 此，在管道的适当位置安置辐射检测器时，便可测得流体中的随机噪声信号。这种技 术被成功的用于热气流的流速测量中。 由于超声波式存在衰减和驻波这个难以克服的障碍，核辐射存在安全性和相应性过 低的问题，光学式存在光污染和透光率的问题，热脉冲的适用条件受限等。所以本系 统选择了基于电学特性的电导式传感器。电导式传感器非常适用于测最两相流的液体， 更适合检测液体中携带微粒的液、固两相流。电导式传感器检测系统具有简单、低成 本、实时、在线等优点成为固、液两相流检测中比较适用的种选择。 1 0 第三章电导式传感器的设计 3 2 用电导式传感器检测流动噪声的原理 电导式传感器由电导式敏感器和相应信号处理电路构成，同时需要激励源提供激 励。电导式敏感器敏感于泥沙和水组成的两相流流体，对于泥沙两相流来说，当流体中 离散相的泥沙分布在连续相的水中时，由于泥沙的空间分布和尺寸分布是随机变化的， 导致了泥沙流体电导率的随机变化，形成了流体的流动噪声。传感器的结构如图3 1 所示，它是由三对紫铜电极构成的，电极镶嵌在绝缘有机玻璃体上。由于流体存在电导 率，所以上、下游电极存在阻抗，这样电极间流过流体的电导率变化转化为阻抗变化。 当混有泥沙的流体流过传感器时，传感器电极上的输出阻抗发生变化，当一定频率下的 正弦波交变恒定电流流过时，电极间就会产生交变电压信号，其幅值随阻抗的变化而变 化，于是流动交变电压信号产生了随阻抗变化的包络线，形成了调幅信号。该信号通过 信号调理电路解调后，可以检测出流体流动噪声信号，从而得到随电极问阻抗变化的模 拟电压信号，该模拟电压信号可以表示流体的流动噪声信号。 3 传感器敏感器结构设计 根据相关流速测量基本原理的要求，在采集流体流动噪声信号时，应该在沿流体 流动方向上相距一定距离的两个截面处，分别安装两个结构相同的敏感器，即上游敏 感器和下游敏感器。本研究为了检测到流体的流动噪声信号，设计出了相关流速测试 系统所用的电导式敏感器，由图3 1 可知，它是由六个紫铜平板式电极镶嵌在绝缘的 有机玻璃上构成，其中最外端的1 、6 电极为电导式敏感器的激励源和地，中间的4 、5 电极和2 、3 电极分别构成上游检测电极对和下游检测电极对。上游检测电极对构成相 关流速测量的上游敏感器，下游检测电极对构成相关流速测量的下游敏感器。在信号 调理电路的作用下，上、下敏感器分别输出泥沙流动的噪声信号。经过信号调理电路 后，输入到p c 机种进行互相关处理。 厂夏孺礓 _ 1 定电流源r 一 陌司竺 i 翌皇些f r _ 1r ( f ) l 信号调l l 理电路1 图3 - 1 测量系统示意图 f i g 3 - 1 s t r u c t u r es k e t c hm a po fm e a s u r e m e n ts y s t e m 华中农业大学2 0 0 5 届硕士学位论文：径流流速虚拟仪器测试系统的研究 3 4 传感器调理电路设计 信号调理电路的目的是将电导式传感器输出的差动电压信号转变成数据采集卡所 能识别的电压信号，由于电导式传感器从敏感器输出来的是一个很微弱的调幅波，而 数据采集卡采集的最终信号应该是流体的流动噪声信号。因此从敏感器输出的信号需 要经过信号放大、滤波、检波、放大等过程。 3 4 1 放大滤波电路的设计 本测试系统采用的是差动放大电路，差动放大电路由于所用两个运算放大器具有 相同特性，因而使电路具有零点漂移小，抗共模干扰能力强等特点。差动放大电路如 图3 2 所示。特别是作为集成运算放大电路的输入级一般都采用差动放大的形