（控制理论与控制工程专业论文）基于fpga的互相关流速计的研究与设计.pdf

内蒙古科技人学硕士学位论文 摘要 在众多的工业现场中，两相气，液，勺固和澍固) 流体的测量是一个长期未能得到很好 解决的难题。互相关技术和超声波传感器的出现使两相流的非接触式测量成为可能。因 此超声波互相关流速计的研究是一项具有重大意义的课题。 本文提出了一种采用互相关技术实现气液、液固两相流流速及流量非接触式测量 的方案。该方案的核心器件为f p g a 芯片e p l 酗0 0 c 2 0 8 3 ，利用f p g a 数字硬件电路 运算的快速性和可开发性构成流速计，勿需其它处理器单元。a 他采样控制、相关运 算、峰值搜索和流速及流量计算均由f p g a 完成。由于所有运算都由数字硬件电路完 成，所以具有运算速度快、实时性强、可靠性高的特点， 由f p g a 实现的功能主要有以下几部分：外围电路控制器，互相关器和通讯接口控 制器。核心部分是互相关器，所有的功能模块均由d l 语言开发。并且为满足互相 关运算的要求，在f p g a 内部还设计了两个r a m 作为上、下游流动噪声信号的缓存。 该实时测量系统的外围电路包括超声波传感器、发射器振荡电路、接收器信号处理电路 和a 他芯片。而外围电路控制器的主要作用则是控制a 仍芯片采样和上、下游流动噪 声信号的数据缓存。由超声波发射器发出的信号被流体内部的离散相调制之后，超声波 接收器接收到的信号经放大、滤波之后，经a 仍转换后，送入f p g a 内置a m 中缓 存。互相关器对存储在r a m 中的上、下游的采样数据进行互相关运算，经峰值搜索， 流速计算即可得到流体流速。由于相关计算包含大量的乘法和加法运算，这些运算需要 消耗大量的时间，为了满足流速测量的实时性要求，在本设计中，应用e d a 技术开发 了一种基于f p g a 的互相关器，相关运算全部由数字硬件电路实现因而具有很好的实 时性和可靠性。为了提高计算精度，采用浮点数运算。本文定义了一种新的可以在 f p g a 中实现的浮点数运算结构，计算结果可以保留到小数点后三位。为了实现计算机 的远程监控，还设计了r s 2 3 2 串行通讯接口。 在f p ( 认开发的各功能模块，经调试功能正确。由计算机产生的模拟上、下游传感 器输出的两路信号输入即g a ，经相关运算之后传入上位机，绘制互相关曲线，结果表 明本设计符合要求。 关键词：互相关技术；两相流；多相流；n g a ；v h d l 内蒙占科技大学硕士学位论文 d e s i 弘a n d s e a r c ho f c f o s s c o 眦蜥0 1 1f l o 州n e t e rb 粼d 蚰f p ( 认 n l em e 嬲e n to ft w o p h a ( g 粥l i q l l i d ，翻删d0 rn q 伍喇d ) 0 rm 嘣p h a f l a w h 踮l o n gb na 呻b l 锄n o tp r 叩e d y 1 v e di i lr n 矗1 l yp m d i l c 胁lp r o c e 辎韶b y 鹏i 1 1 9a n 瑚订雒。面cc r o 踮- c 洲a t i f l o wm e 髂i 棚n e ms ) 嘲啪d e v e l o p e dw i mc i o 鹞- c c m l a t i t e c h n o l o g ya i l du l 订a s 0 面c 仃m l s d l l c e 璐，c ( 盯l 协c 船st w o - p h 嬲ef l o wm 龆甄l r 锄盯l ti sa c _ h i e v d b l e t h er e a r c ho f u l 仃硒伽此c r o s 鲥舯i 撕0 nf i o wm e t e ri sl 量i 啊as u b j c c to f g r e 缸s i 印i f i c a n c e 1 1 1 i sp 印e ri m m d u c e san o n - c o n t tm c a s u 獭n e n ts d h 锄eu s i i 培c m s s 叫i r c l a t i o nm “h o d t 0m e 勰u r en a wv 妇时a n df l u xo fg a 矾i q l l i da n dl i q 证d h d e 蚋d - p h a n o w t h ec o r e d e 啊c ei saf p g a 洲p ，e p l 硒o q c 2 0 8 - 3 ，t ot a l 【ea d v 柚t a 妒o ff p g a s 如t p u 垃n g 粕d p n 璎觚1 n l a b l e 丽t l l o u to t l l e rp n ) c e s s o 碍a 仍涮n p l ec o n 仃o l l i n g c r o s s 删l 撕o nc o n l p 砸i l 吕 p e a l 【砌鹏s e a r c i l i n g ，a n d n o w v e l o c i t ) r a n d n i 】【c a i c u i a i i i l g a r ea l l a 咖e v e d t h r o u 曲也e 即g a c h i p b e c a l l s ea l lo p 啪虹0 n sa r ee ) ( u t e db yd i 垂t a lh 献1 w a r ec i r c l 此血e 血加蛐删c h 雒m a n y m e 血s ，跚c h 嬲f a s tc 咖叩u 乇a l i o l l ，r e a l 撕m e 叩锄妇l 强dh i g h c u r 粒y 弧e 缸蟛廿o n sa c h i e v e db y 出ef p g ac o 璐i s to f m cc r o s 删1 撕o n 龃d 阿p h e 脚c i r c u i t 卸dc o m m m 血a d o n p o r tc o n 仃0 1 t h ec o m l l r 血w a sac r o s s - c o r r e l a t o ra n da l lm o 【l u l 鼯w e r e d 州e l 叩e di i l d l t om e e tl l l ed 铷锄d so fd a t ap r o c c s s i i l 岛t w or a m sw e md e s i 口e d 船 n o w 崦n o i s es 蜘a l 咖m g e 证m ef p g a u l 扛a s o n i c 仃黜d i 】c e r s ，o i u a t 0 芏) ，刚r c ec 删t i e ( 河v i n gs i 霉1 a lm s p o s a lc i i c i l i t ，卸d 越1a d 出pf j 硼脚l ep e r i p l l e 糟lc i r c i l i to f l er 朗1 血m m 铋s u 跚髓ts y s 妇n 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l i z e db yd i 画t a l l l a r d 骶c i r c u i t ，i th a sb e 断- 龃l t i m e 卸dm 曲盯r e l i a b i l 时t oi i n p m v cc o m p 删0 na c c a c y 也ep a p e rd e s 谢b e san e wm e t h o dt or e a l i z en o a t i f l g - p o i n tc “c u i 撕o n n ec o m p u t a t i o nr e s u n c o u l dh 0 1 du pt 03d i 班s 船d c c h a lp o i mt om 僦t h ca c c u r a c yr e q 岫e i l t f i n a i l ym e 一2 一 内蒙占科技人学硕士学位论文 r s 2 3 2c o 姗l i l l i c a t i o np o r ti sa i s od 鼯i 弘e df 0 rm o 面t 0 i i n ga n dc o m r o l l i l 唱r e m o l e l y 稍ma c o 埘l p 咖 e v e f y 矗m c t i o i l a lm o d u l ew o 血sw e l lb yd e b l l g g i n gi nf p g 九t h ep cp r o d u c 髂t w o - w a y s s i 酗lm a ：tr e s p e n t 伽呻u t so fl l l eu p s 仃l 髓m 锄dd o w 璐乜t 捌m n s o r w h e nc m s s - c o 玎d a t i o ni s 血i s i l e db yh g a ，t h el _ e s u l li s 们哑；r i l i t c e dl ou p p l c rc 伽叩u 时m a td 船w st h ec f s 啪r r e ：晰v e c u r v e t h ee 】中幽e m 以r e s i l l ts h o w sm a ：tl h ed e s i g nc a nm “h em e 蠲u f i n gr c q i l i 瑚n 肌t k e yw o r d s ：c r o s 州脯l 撕o nt c c l l i l o l o g y ；t w o _ p h a s e 皿枷n _ p h 嚣ef l o w ；f p g a ；v 玎) l 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：磊l 址日期：j 如哔 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：盘查盘) 导师签名：奎盘逢日期：塑直，! ! ! 内蒙古科技人学硕士学位论文 l 绪论 1 1 两相流及两相流检测 两相流通常是指同时存在两种物质( 称之为“相”) 的流动，包括气，液、气侗、液 固、湖液( 如湖水) 两相流。随着工业的发展，对两相流参数进行测量的需求越来越 迫切，因此，两相流参数检测技术在科学研究中和工业生产中具有重要的意义。特别是 从2 0 世纪6 0 年代以来由于原子能核电站及航天工业的迅速发展，动力工业及石油化工 中高参数的引入，以及对环境保护的曰益重视，大大地促进了多相流研究及其应用的发 展，目前它己成为国内外给予极大关注的前沿学科。其中两相流动体系是多相流体系中 最普遍存在的，例如自然界的扬沙天气，江河中的泥沙俱下等等都是与人类生括有关的 两相流现象。而生物体系中人体所含的流体，如血液和奶液，也都是含有多种细胞、微 粒或液滴悬浮体的两相流。在石油、化工、电力、建材以及环境工程等领域也都广泛存 在着两相流现象【1 】1 2 j 。 但是由于两相流流动比单相流流动的流动特性复杂得多致使两相流动参数检测的难 度很大。但是要认清两相流体系的复杂现象，揭示其流动机理并对其流动过程进行预 测、设计和控制，首先要解决的就是两相流的检测问题。两相流检测技术的发展对工农 业生产和科学研究有着十分重要的意义。因此许多发达国家如英、美、德、日、荷兰等 对此都进行了大量的研究工作，但由于两相流中的各相不仅流动特性复杂而且各相间存 在着界面效应和相对速度，相界面在空间和时间上都是随机可变的，致使两相流参数检 测的难度很大，迄今为止，现有的测试技术和方法大都还处于实验应用研究阶段，已商 品化可在线检测的工业型仪表还为数很少，离成功在线实际应用还有一定的差距。就我 国而言，在八五、九五科研规划以及8 6 3 等高科技计划中都对两相流的研究给予了高度 重视a 目前两相流参数检测的发展水平还远未满足工业应用的要求，因此两相流检测技 术无论在国际还是国内都尚属一个亟待探索和发展的研究领域。 11 2 两相流的参数及特点 两相流( t w d - p h a s ef l a w ) 是指同时存在着两种物质而且有明确分界面的流动着的流 体。当两相流流动时，由于两相间的相互作用，存在一个形状和分布在时间上和空间上 均是随机可变的相界面，而相间实际上存在滑差速度，致使流经管道的分相流量比和分 相所占的管截面面积比并不相等。因此，描述两相流动的参数比单相流动的参数多 3 】【4 1 内蒙古科技人学硕士学位论文 一一 1 、流量和流速 两相流体的流量可用质量流量m ( 培肛) ，即单位时间内流过管道的介质流量或 体积流量o ( m 3 厶) ，即单位时间内流过管道的介质体积来表示。对于各相流量可用 分相质量流量材t 、分相体积流量酝描述。对于气，液两相流，其中七= g ，f ，g 表示气 相，j 表示液相。 吖= m g + m f ，q = 啡+ 9 ( 1 1 ) 以管道总流通截面计算的介质流速为宏观速度，用k 表示 k = q 4 = 肘。p i 爿，y = + 巧a ( 1 - 2 ) 同时，两相流动中相问存在相对速度v ，( 叫j ) ，v ，= k v ，；滑速比s 为气液两 相速度的比值，j = v 。，a 而我们通常所需测量的流量、流速指的是宏观速度k 。 2 、流型 流型即流态，指的是流体流动的形式或结构。两相间存在随机可变的相界面，致使 两相流动形式多种多样，十分复杂。流型不但影响两相流动特性和传质、传热性能，而 且两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对它的了解，也是影响仪器测量响应变化的 主要因素。 对于气液两相流而言，在垂直管的气液两相流流动中，其基本流型有泡状流 ( b u b b i yf i d w ) 、弹状流( s l u gf i a w ) 、塞状流( p i u gf i d w ) 、搅拌流( c h u m f i a w ) 、环状流( a n n u i a rf i d w ) 、雾状流( m 随f i o w ) 以及各流型的交叉形式。在水 平管道流动中，大致有泡状流、弹状流、塞状流、分层流( s t 阳t 讯e df i d w ) 、波状流 ( w a wf i d w ) 、环状流、雾状流，同样也会出现交叉流型。 3 、离散相浓度 离散相浓度指的是在混合流体中，各相的体积流率q f 或质量流率级。可表示为 q = v f 彳n f ( 1 3 ) 和 q 卅，= n v l 爿n 。 ( 1 1 4 ) 式中 ”流体混合物中第f 相流的截面平均流速，或流体混合物的截面平均流速， f i i l s 1 ； 内蒙古科技大学硕士学位论文 肛流体混合物中第f 相介质的密度， k g 细5 】； a 流体管道的横截面积， m 2 】； 月：流体混合物中第i 相介质的平均体积占空系数，【】。 4 、压力降 压力及压力降是两相流动中的基本参数之一。两相流动产生的压力降与两相流系统 其它参数密切相关，它的计算与测量可为两相流工艺优化设计和相关参数的测量提供参 照依据。 1 3 现阶段两相流检测方法 目前国内外两相流检测采用的技术线路大致可分为三类： 1 、利用传统的单相流检测技术及仪表实现两相流测量 多年以来人们在单相流量计应用于两相流或多相流的测试中取得了较大进展如差压 、涡轮、涡街、靶式、容积、超声波、电磁流量计。基于这些成熟的技术手段，针对两 相流提出了分相流模型或均相流模型的多种两相流量模型和基于差压脉动噪声的两相流 量模型f 5 】【6 】。用于平均流量、分相流量、相含率等方面的测量。 2 、以新的信号处理技术和现有检测手段相结合的软测量方法来解决两相流测量问题 所谓软测量方法是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信息提供主要过程 参数的在线估计的方法【n 。主要是将模糊数学、状态估计、过程参数辨识、人工神经网 络、小波变换、模式识别、近代谱估计等理论问题引入两相流参数测试领域中来，解决 具有复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确描述的两相流系统的测试问题。 随着计算机软件和硬件技术的迅速发展，用软测量技术来解决两相流测量也越来越 多。软测量技术主要由四个相关要素组成：( 1 ) 中间辅助变量的选择；( 2 ) 数据处理； ( 3 ) 软测量模型的建立；( 4 ) 软测量模型的在线校正。其中软测量模型的建立是软测量技 术最重要的组成部分。 3 、基于新型传感技术的两相流流动参数检测技术 在近几十年来的两相流参数测试研究中，人们为了更准确的测量多相流管截面上的 相含率、局部相含率的轴向和径向分布、波动频率、各相速度和结构尺寸、分相界面以 及组分浓度及分布等信息，实现非接触、无扰方式的信息采集，将许多新型传感技术和 现代信号处理技术应用到两相流测量中。 在两相流测量中所采用的新型传感技术，主要具有以下几方面的特点： - 对流体流动无干扰、无阻碍作用( 不破坏流场) 的非接触或非侵入式传感技术： 3 一 内蒙古科技人学硕士学位论文 _ 从一维局部平均观测发展出来的二维，三：维时空历程的观测技术； 具有良好动态性能的实时在线检测技术； 一将微观检测与宏观检测结合形成的新型检测技术： 一由单一信息检测发展的多信息检测的传感器融合技术。 应用于两相流参数测量的具体新型传感技术有：辐射线技术、激光技术、光纤技 术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过 程层析成像技术等。 超声波搠4 流体流量的研究已有数十年，工业实用的超声波流量计已经产生。应用超 声多普勒技术可实际测量含气泡或悬浮浊物流体的流速；利用超声波声强的相对衰减可 测液、固两相流中固相浓度删。同时超声波相关流量计已在油，气、固，液、气，水两相流 中得以应用。 相关技术在理论上可用来测量任何流体系统的流量( 单相流，气，液、气侗、液固 两相流及气，液，固多相流) ；而且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速度，因而为 解决两相流系统测试问题提供了一种强有力的技术手段。从二十世纪6 0 年代中期发展 起来的、以相关技术基础构成的两相流测量系统，在国外已形成商品化工业仪表，是目 前两相流测试中极少数已形成工业型仪表的一种【1 】。在纸浆流量、石油流量及工业喷吹 煤粉流量测量中均有应用。 过程层析成象技术( p m c e 够1 0 m o g r a p h y ) 简称p t 技术是二十世纪8 0 年代中期正式 形成和发展起来的，一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况 的在线实时检测技术【9 】。它采用非侵入或非接触方式测量，能在线连续地提供二维或三 维的可视化信息，并可以进一步处理提取若干有关被测两相流体的特征参数，因此受到 了国外和国内科技工作者的普遍关注。p t 技术在两相流流体的流动及反应、分离过程 的监测、环境监测与控制等方面有着巨大应用价值。 1 4 国内外采用相关技术的现有产品 我国在两相流，多相流的测量中天津大学，浙江大学，东北大学等高校走在了前 列。主要利用p t 技术对信号进行相关、图象重建技术以及相关测量技术相结合的方法 进行多相流检测。目前，天津大学有一套成熟的基于e r t 技术的相关流量测量系统， 它采用1 6 象素相关的速度测量。现有的产品在我国有兰州海默公司生产的多相流流量 计，它采用y 射线相关技术。 4 内蒙古科技人学硕士学位论文 英国是最早提出相关测量技术的国家，他们应用互相关技术来测量传送带上的物体 速度取得了很大的进展。但是现在也没有很好地解决相关技术测量多相流体参数的问 题，只是在传感器和数学方法上进行实验和研究。意大利的r u b i o l a e 埘c 0 利用对频率 敏感的传感器干涉仪，它拥有低噪声和高变频增益不破坏被测流体的频率特性。通过两 个干涉仪传感器测量流体的频率噪声，然后对输出值进行互相关运算和频谱分析得到所 需要的参数。美国h 勰s 矾y a 提出在气液两相流，液体中有分散的气泡时通过 p ( p 越t i c l eh m g ev e l o c h 曲们技术得到数据进行相关运算。意大利的m a s s i ，o 应用光 纤技术探测流体内部，他认为与其他的接触式传感器相比。光纤技术对流体的特性和气 泡尺寸破坏最小，利用两个光纤探头对两相流体内部的气泡进行记录。实验所用管道为 1 0 0 | m 的树脂玻璃管，氖气被充到管道中以产生球性气泡，对气泡不同尺寸和外形的 情况，进行了比较。然后应用照相技术和l d v 系统对利用光纤技术得到的气泡图象进 行处理和互相关计算得到气泡的速度。有代表性的产品有利用电容相关技术的硷o s 公 司的m c 下和挪威f l u e n t a 公司的m p f m l 9 0 0 多相流量计；美国耻、挪威m f i 公司采 用了微波相关技术的多相流量计。它们主要被应用在油气田的流速测量。 1 5 本文的研究内容、意义和创新点 目前，单相流体流量测量已经得到了很好的解决，也已经达到了较高的测量精度， 但在许多生产过程中，两相流体的测量和控制是一个急需解决的问题。特别是油、气水 混合的原油，高温烟气，含有固体杂质的污水的流量测量。本课题研究的目的是研制开 发出基于超声波技术、相关技术的智能化固液，气液两相流流速、流量测量仪器。本 论文的研究重点是利用f p c 认芯片e p l 硒o q c 2 0 8 3 作为处理器，以超声波传感器作为 数据采集手段研发智能化互相关流量测量仪表。 作者在论文研究中所完成的主要工作如下： 1 、在大量阅读国内外有关两相流参数检测，超声波技术和相关测量技术的相关文 献基础上，对采用超声波技术和互相关技术相结合实现固液，气液两相流流体测量的 可行性进行了理论分析和研究。 2 、在理论分析和研究之后，完成了超声波传感器硬件电路设计，包括超声波传感 器发射端激励源电路设计；超声波传感器接收端放大电路、滤波电路的设计。由d l 语言编辑完成互相关器、仍采样控制器、u a r t 串口通讯接口、键盘接口、d 显示 驱动等功能模块。 5 内蒙古科技人学硕士学位论文 本课题研究内容属于国际检测与控制工程领域的学科发展前沿。在涉及固、液两相 流流量、流速参数测量的工业现场中，本文的研究成果具有一定的理论价值与工程应用 价值。 课题的创新点：应用e d a 技术开发出基于f p ( 、a 的、由d l 语言实现的互相关 器以及外围电路控制器等数字硬件电路，因而具有运算速度快，实时性强，可靠性高的 特点。 1 6 本论文的组织结构 论文各章节的具体安排如下： 第一章绪论。针对论文研究的对象两相流作简要说明，包括其概念、主要参数、参 数检测的方法以及目前两相流检测的现状，介绍课题的主要内容和意义以及本论文的组 织结构。 第二章超声波随机噪声测量技术。介绍超声波随机噪声测量的基本原理，及其超声 波在两相流体中传播时被调制的数学模型。 第三章相关流速测量技术。系统介绍相关流速测量技术的基本原理和主要应用，进 而详细讨论互相关测速算法。 第四章超声波相关流速计的设计。从总体上介绍流速计的构成、硬件设计的原理和 设计思想、软件设计的编程思路与方法。 第五章实验调试。 最后是总结与建议。对作者的工作进行概括性的总结，并对课题的继续深入提出一 些建议。 一6 内蒙古科技人学硕士学f 口论文 2 超声波随机噪声测量技术 如果以频率f 来表征声波，并以人的可感觉频率为分界线把频率院o k h z 的声波 称为超声波。在超声波检测中，最常使用的频率范围为0 5 l o m h z 。超声波传感器已 在相关流量测量系统中得到了日益广泛的应用。这不仅是因为它和电容传感器一样，没 有任何可动部件，而被测流体的流动不会产生阻碍作用，呵以采用“夹钳”式结构等， 而且，还因为它具有以下一些突出的特点。例如，超声波传感器的价格不会随着测量管 道直径的增大而增加许多，它对外界电磁场的干扰不甚敏感，可应用于导电流体的检测 等等1o 】【1 ”。 超声波传感器既可以构成两相流体相关测量系统，也可用来构成单相流体相关测量 系统。从超声波的激励方式来分类，目前在实验室和工业现场使用的超声相关流量计可 以分为连续超声波系统和脉冲超声波系统两种。连续波是指介质各质点振动持续时间为 无穷时所形成的波动；其中最重要的特征是各质点都作同频率的谐振动，这种情况下的 连续波称为简谐波形。振动持续时间有限( 单个或间发) 时所形成的波动，则称脉冲波。 如图21 所示。 曩 一 时嗣 图2 1 上圈为连续超声波、下图为脉冲超声波 图2 1 上图为连续超声波、下图为脉冲超声波 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 1 随机噪声信号对连续超声波的调制效应 首先从声学原理可知一当超声波在均匀介质中传播时，它将因介质的各种吸收作用 而产生幅值衰减。当超声波从声阻抗为z 1 的介质进入声阻抗为z ，的介质时，在界面上 声波的反射和折射将会发生。如果超声波在传播过程中，遇到了其声阻抗与周围介质声 阻抗相差很大的障碍物，例如液体中的气泡、气流中的固体颗粒等等。超声波将产生散 射现象。还有，当超声波在流动介质中传播时，由于声波的多普勒效应，使得接收器接 收到的声波信号频率随流体流速的变化而改变。超声波在介质中的吸收、反射、折射和 散射等现象以及多普勒效应等，在超声波相关流量传感器系统中都会遇到，甚至这些现 象会同时存在。能否从接收到的其幅度或频率随机变化的超声波信号中，提取出被测流 体的某些流动参数的信息，如平均流速、离散相的浓度等等。这些都需要我们对超声波 在单相或双相流动介质中被调制的机理进行分析【1 2 】【1 3 】【14 】1 1 5 】【1 6 1 。 2 1 1 连续超声波在单相流体中的调制效应 连续超声波在单相流体中传播时产生的幅值或相位的调制主要是因为【1 那8 l ： l 、由于流体的局部压力、密度的变化以及流速的影响，使声波在流体中的传播方向发 生随机的微小变化，导致超声波在发送器和接收器之间的有效声波传播通道的长度发生 变化如图2 2 所示。这将使超声波的幅值衰减程度，以，及超声波到达接收器表面时的相 位都产生随机的变化。 2 、单相流体在湍流流动状态下，流体内部常常存在局部温度的不均匀性。这种温度分 布不均匀性是随机波动的，温度波动的幅值约在0 0 5 4c 左右。虽然这种变化量很小， 但它也会使超声波在流体中的传播速度发生变化。例如，在水中的声速k 与温度t 的关 系可近似表示为 f r ， 图2 2 声波在发送器和接收器之间有效通道长度的变化 心= 1 4 l o + 4 2 1 丁一o 0 4 丁2 【埘s 】 8 ( 2 1 ) 内蒙古科技 ：学硕士学位论文 3 、作湍流流动的单相流体内部的涡旋运动，可以使在发送器和接收器之间流体中传播 的声波产生附加的多普勒频移。 t r 图2 3 流体涡旋对超声波的调制 图2 3 表示了流体内的涡旋与声波的相互作用。设超声波的频率为工，涡旋由于旋 转所产生的切向速度为u ，那么，在图中的a 点处，由于声波速度与涡旋速度互相叠 加，超声波的频率将增加或减小，则在a 点处，频率正为： 正= 正( 1 + 二2 )( 2 2 ) c 在点b 处，由于声波速度与涡旋速度方向相反，超声波的频率将减小为 五= 正( 1 一)( 2 3 ) c 那么到达接收器表面的声波的频率将是 z = z ( 1 兰) c 因此涡旋对超声波信号进行的是频率调制，其调制量为 v ：弛 c ( 2 4 ) ( 2 5 ) 由于流体内部的涡旋大小和它们的旋转速度都是随机变化的，因而这个频率调制信号也 是一种随机信号。 根据上述分析，当超声波在单相流体中传播时，上述调制作用都是非常微弱的。如 果不考虑由于连续超声波在管道内壁的多次反射所形成的驻波的影响，单相流体内部的 上述调制作用不会在接收器上产生有意义的信号。 一q 内蒙古科技大学硕十学位论文 2 1 2 连续超声波在两相流体中的调制效应 连续超声波在两相流体中传播时，由于流体中离散相颗粒对入射声波的散射效应， 超声波的幅值会发生衰减。因为两相流体中离散相颗粒的尺寸分布及空间密度分布是随 机变化的。所以从发送器发射出来的超声波，通过被测的两相流体，到达接收器表面 时，其声压幅值也是随机波动的。另外，两相流体中离散相颗粒的运动会使入射超声波 产生多普勒频移。因而，超声波接收器所接收到的信号是经被测流体调制后的随机信 号。连续超声波在两相流体中的调制现象既与流体中离相颗粒大小、空间分布状况以及 浓度高低有关，也与入射频率有哭佗】【1 3 】【1 4 】。 在理想情况下，假设管道中有单个离散相颗粒。发射器发射出来的超声波信号只被 单个粒子调制，两次或多次散射忽略不计。 图2 4 超声波区域的单粒子散射模型 图2 4 为超声波敏感区域的单粒子散射模型，a 为声敏感区域内的一个粒子。两端分别 为超声波换能器的发射区域和接收区域( 假设为圆形) ，由于在该敏感区域内声场和流场 的相互作用，发射声场与散射粒子产生的散射声场相互叠加，它们在接收器表面上任一 点p 2 处所形成的声压可表示为 见( ，2 ，f ) = p ：( r 2 ，f ) + ( ，2 ，f )( 2 6 ) 式中见( r 2 ，f ) 为p 2 点处所受总声压力，p ：( r 2 ，f ) 是发送端的声波在接收器表面上p 2 处 产生的声压。( ，2 ，f ) 是超声波信号在传播过程中遇到流体中的散射颗粒a 后，由a 发 出的散射声场在接收器表面p 2 处产生的声压。如果从发送器发射出来的是高频率声 波，则n p 2 ，f ) 也将会是高频信号，而( ，2 ，f ) 则是一个叠加于其上的低频调制信号。 1 0 内蒙古科技人学硕士学位论文 当接收器的表面积为a 时，由于敏感区域内只有单个散射颗粒，作用在接收器表面上 总的散射声压将会是 p ( r 2 ，f ) = 去芦( r 2 ，f ) 蒯 ( 2 7 ) 如果接收器表面上的电声系数为是，那么由于散射颗粒在接收器件输出端引起的低频电 眶信号是 矿9 ) = 驴o ) ( 2 8 ) 由于颗粒在空间分布位置的不同，每个散射颗粒都会在接收器表面产生幅值为矿( f 1 但相 角p 不同的低频电压信号。基于颗粒空间分布的随意性，可以认为上述交流电压信号的 相位是符合均匀分布律的。经过数学的统计处理，可以得到n 个流动的散射粒子在接收 器上引起的总的低频电压信号的幅值表达式为【19 】： 矿= 七v 6 d 8 ， ( 2 9 ) 式中，k 、b 、e 、a 都是常数；v 是流体速度；d 是离散相颗粒直径；c 是离散相浓度。 在流速不变的情况下，由于进入声敏感体积的两相流体中离散相浓度及颗粒尺寸是 随机变化的，因此超声波接收器输出的电信号也将会是随机变化的。 2 2 驻波的影响 在连续超声波相关流量测量系统的早期研究工作中，人们就已经发现该系统的工作 性能常常难以控制。即使在被测流体的流速恒定不变时，上、下游超声波传感器输出信 号的互相关函数的峰值位置可以差别很大，有时甚至会出现具有“负”峰值的互相关函 数图形。为解决连续超声波相关流量测量系统流速钡4 量稳定性的问题，许多研究工作者 对连续超声波传感器系统检测流动噪声信号的机理进行了深入的研究。结果发现，连续 超声波相关流量测量系统的不稳定性，是由于传感器的敏感体积内形成的驻波的影响。 两列振幅相同的相干波在同一直线上沿相反方向彼此相向传播时叠加丽成的波称为驻 波。为波干涉现象的特例，通过以下分析可得驻波模型。 设发送器发射的波为： m = 4c o s ( 国f 一2 石石旯)( 2 1 0 ) 反射波为： y 2 = 4c o s ( f + 2 万石a )( 2 1 1 ) 则合成波为： 内蒙古科技人学硕士学位论文 y = h + y 2 = 4c o s ( 国，一2 万x a ) + 4c o s ( 耐+ 2 疗x ，五) ( 2 1 2 ) = ( 2 4c o s 2 删丑) c o s 耐+ ( 4 4 ) c o s ( 剃一2 嬲卫) 第一部分( 2 4 c o s 2 石x ，a ) c o s 珊升表驻波，第二部分( 4 一呜) c o s ( 科一2 石工，a ) 代表沿入 射波方向传播的行波。 如图2 5 所示，连续超声波在发送器和接收器之间的介质中传播时，由于管壁和被 测流体二者的特征声阻抗相差很多，当发射的超声波通过被测流体到达对面管壁的内表 面时，一部分声能将穿过管壁传播到接收换能器的表面，而另一部分声能将自流体和管 壁的界面上反射回来。当这部分反射波到达发送器所在一边的管道内壁表面时，其中的 一部分声能有反射回去。这个过程将一直进行下去。由于超声波是连续发射的，发射波 与反射波互相叠加的结果，在发送器和接收器之间的管道内壁中最终将产生一个声的 “驻波”。假设由于被钡4 流体内部的各种随机调制作用，使发送与接收器之间的声波 通道的有效长度发生变化，该空间内驻波的波数将增加或减小。或者，驻波的波数维持 不变，但接收器表面更加远离或靠近发送器表面，其结果是使到达接收器表面的驻波的 声压幅值和相位都发生变化。 图2 s 驻波的形成 这就是说，发送器和接收器间管道内腔中驻波的存在，将使流体内部存在的涡旋、 局部密度、压力和温度的不均匀性等随机现象对入射超声波的微弱调制作用 导到放大。 从而在接收器上获得可以检测到的随机电压信号。从这个角度来看，管道内腔驻波的存 在，对随机流动噪声的检测是有利的。但是，从系统的工作稳定性来看，驻波的存在可 能是个有害因素。因为，相关流量测量系统的工作原理实质上是比较上、下游流动噪 声信号的相似性。如果被钡4 流体满足“凝固”流动图型假设，那么，流体在上、下游传 感器的敏感区域时引起的有效声通道长度的变化将是相同的。上、下游声敏感区内驻波 1 2 内蒙古科技人学硕士学位论文 的波数变化量也将是样的。在这种情况下，将上、下游流动噪声信号进行互相关运 算。得到的互相关函数图形的峰值位置将只取决于被测流体的速度。如果被测流体不满 足“凝固”流动图型假设，则流体在上、下游传感器敏感区引起的有效通道长度的变 化量或变化方向则不相同，到达上、下游接收器表面的噪声的幅值和相位及其变化也将 是不同的，其结果是使所获得的上、下游流动噪声信号之问存在相位差口。将这两个彼 此间存在一定相位差妒的随机电压信号进行互相测量时，互相关函数的图形及其峰值不 仅与被测流体的速度有关，而且还和相位差妒的大小有关。由于流体内部噪声现象的随 机性，上、下游流动噪声信号间的相位差p 也将是随机变化的。这就造成了相关流量测 量系统工作的不稳定。 改善驻波对连续超声相关流量测量系统的稳定性的途径主要有以下几种： l 、j f 用闭环锁相技术 该技术的原理是。通过检测超声波接收器产生的电压信号与超声波发射器的已相移 了9 0 的激励电压信号间的相位差，随时调整发射器激励电源的频率，使得发送器和接 收器之间有效声通道长度l 始终维持在驻波半波长兄2 的整数倍，即保持 ， = n ( 2 1 3 ) a 、7 n 为任意整数。这样来，任何时候到达接收器表面的驻波总是处于最小声压的大小。 从而使被测量流体对上、下游声通道中驻波的随机调制的不对称造成的影响减到最低。 使连续超声波相关测量系统的流速测量稳定性大大提高。 2 、使用脉冲波技术可以使驻波的影响降到最低。 3 、采用频率合成器的方式同样能够消除驻波的影晌。 2 3 脉冲超声波检测原理 脉冲超声波和连续超声波构成互相关流速计一样，都是对流场横截面的速度信息进 行积分而得到流速，但是两种流量计都受流场的影响。连续超声波的优点是可以在阻抗 变化相当大的场合工作。其动态范围主要取决于通过管壁和穿过流体传递到接收器的能 量，典型值为8 0 曲。脉冲超声波的优点是不受驻波的影响f 2 ”。 2 3 1 脉冲超声波的检测原理 脉冲超声波发送器发出声压脉冲波形如图2 6 所示，声压脉冲只“) 经过一微小时间 1 3 内蒙古科技人学硕士学位论文 滞后，穿过管道壁和流体后，将在接收换能器表面形成一个声压p ( f ) 。如图2 7 所示。 可以把流体调制脉冲超声波的过程看作一个系统，它以只0 ) 为输入，p ( f ) 作为输出， 则有： ， p ( f ) = 1 只o ) ( f ，s ) c 妇( 2 1 4 ) 一 式中，j l ( f ，s ) 是该系统在t 时刻对于s 时刻输入脉冲只0 ) 的脉冲响应。实际上，它就是 处于声敏感区域内的流体混合物的声学特性的脉冲响应。 t 图2 6 发送器发送声压脉冲信号 t 图2 7 接收器接收到的声压脉冲信号 1 4 内蒙古科技人学硕士学位论文 当声压脉冲的持续时间，和该脉冲从发送器传播到接收器的时间相比是非常短 的时候，可以将只( f ) 视为狄拉克脉冲，即 p ( f ) = 占o 一5 ) ( 2 1 5 ) 在这种条件下，式( 2 ，1 4 ) 就为 e ( f ) = ( f ，s )( 2 1 6 ) 这就是说，在这种情况下，接收器表面的声压只( f ) 完全反映了在声敏感区域内的 被测流体混合物的声学特性。实际上，发射的声波是一个间隔周期为t ，脉冲持续时间 点的无限长的等强度声脉冲序列 卑( f ) = 艺占( f 一扰”碍m 2 1 ，2 ，3 ，k ， ( 2 1 7 ) n2 式中，b = 尘一是发射的声压信号的强度，仇为声压，岛是流体的密度，是声音 一，n 0 0 在流体中的传播速度。 因此，到达接收器表面的声压信号是一个无限长的脉冲序列。该脉冲序列的脉冲重 复周期也是t 。但各脉冲的幅值将取决于各脉冲通过声敏感区时，被测流体的声学特性 如何变化。当固液两相流流动时，声敏感区域内流体中含有的固体颗粒的数目及尺寸分 布是随机变化的。因而，声敏感区域内流体的声学特性脉冲响应 “，s ) 将是一个时间的 随机函数。它使到达接收器表面的声压信号( r ) 的幅值也呈现随机性的变化。根据式 2 1 6 ，可以看出 只o ) = o m r 一) o ( f ) l n = l ，2 ，k ， ( 2 1 8 ) m o l 0 式中，“c n 是声波从发送器表面到达接收器表面的传播时间。显然，这个幅值被随机调 制了的声压脉冲序列p 包含了被测流体的流动噪声信息。 2 3 2 声脉冲强度在“稀疏”固液两相流中的模型 当流体中固体颗粒浓度很小时，从声散射的角度来看，这种固 液混合物称为“稀疏介质”。在这种情况下，可以用“单次散射”近似理论建立数学模 型。假设在两相流流体中，只有一个圆形固体颗粒通过声敏感区域。如图2 8 所示，直 径为风的颗粒沿y 轴方向通过声敏感区时，由于在不同时刻，颗粒相对于声敏感区轴 一1 5 内蒙古科技人学硕士学位论文 线位置不同，各个时刻入射的声脉冲的幅值衰减就不一样。到达接收器表面的声压脉冲 序列可表示为 删毋圜一争扣州卜争 rm = 0l 0 式中以为颗粒通过声敏感区域的面积，4 为声敏感区域的圆形面积。因此有： 黔弓删一盟坐盟等芋螋】争硼一扣z o ) 式中， 配2 = 口阳