基于虚拟仪器的两相流互相关测量系统设计.doc

内蒙古科技大学硕士学位论文分类号：TP277密级：公开U D C：学校代码：10127硕士学位论文论文题目：基于虚拟仪器的两相流互相关测量系统设计英文题目：Design of Two-phase Flow Cross-correlation Measurement System based onVirtual Instrument学位类别：研究生姓名：工程硕士钱磊学号：201102364学科(领域)名称：指导教师：李文涛协助指导教师：控制工程职称：教授职称：2014年 4月 25日I 内蒙古科技大学硕士学位论文II 内蒙古科技大学硕士学位论文摘要两相流的参数测量是一个长期以来未能得到有效解决的问题，而实时准确的获得它的参数对于生产率的提高和避免事故的发生有重要意义。因此如何实现对两相流的流量、流速、流型、浓度等参数进行准确的检测是一个非常重要的研究课题。两相流互相关测量系统一般使用两个性能和结构完全相同的传感器进行信号采集。传感器首先将流体噪声信号的变化转变为电信号的变化，再通过信号调理电路进行放大和滤波。利用上下游信号间的相关性，对这两个信号进行相关计算得出渡越时间。最后算出两相流的流速等参数。在设计过程中，首先使用计算机进行仿真测试，而后进行实验测量。通过对两相流互相关测量系统的结构、算法的研究，建立了一个基于虚拟仪器 PXI平台的互相关测量系统。系统采用 LabVIEW函数选板中信号运算部分提供的互相关和自相关函数模块，对其算法进行修正，设计了互相关函数、极性互相关函数和差动自相关函数的计算程序。并通过仿真和实验对上述三种算法的计算结果进行比较。互相关流速测量实验系统采用磁力泵作为驱动流体的动力源，一对安装在垂直管道上的 JYB-G型压力变送器作为传感器。流体输送管道直径为 40mm，两传感器之间间隔80mm。系统通过 PXI-6143同步数据采集卡进行数据采集，由 LabVIEW相关函数程序对所得数据进行计算和显示。当系统运行时，上、下传感器测得的随机信号经 SCB-68接线盒传入数据采集卡，最终由 DAQ助手模块传入 LabVIEW计算程序，对两信号进行互相关运算，并解析出渡越时间。用已知的传感器间距除以渡越时间，即可得出流速。本文主要描述了基于虚拟仪器技术和互相关原理的两相流参数测量系统的实现过程，给出了 LabVIEW语言的计算程序和测量结果，并对测量结果进行了误差分析。关键词：LabVIEW；虚拟仪器；互相关；速度测量III 内蒙古科技大学硕士学位论文AbstractThe Parameter measuring of two-phase flow is a problem that not have been solution longtime,and obtain its parameters in real time and accurate has important significance forimproving productivity and avoiding accidents.The measurement of two-phase flow parameter is of great significance for computation,control and energy conservation. However, measuring two-phase flow parameters has not beensatisfactorily resolved, and it has become a major problem hindering industrial production andthe productivity improvements.In the design process, generally, the two-phase cross-correlation measurement systemusing two identical sensors for signal acquisition. First, the fluid noise signal changesconverted into the electrical signal by the sensor, and then through the signalconditioning circuit to amplify and filter。The transit time between upstream and downstreamsignals is calculated using the correlation of these two signals. Finally calculate the two-phaseflow and other parameters.This design combined computer simulation to experiment research, and established across-correlation measurement system based on the virtual instrument PXI platform throughthe research of the composition, working principle and mathematical models of the cross-correlation measurement system for two-phase flow. Based on the cross-correlation functionmodule and auto-correlation function module provided by the LabVIEW signal computingsection, two-phase flow measurement systems were designed respectively using cross-correlation function, polar cross-correlation function and differential autocorrelation function.The calculation results were compared through simulations to verify the accuracy of the systems.The cross-correlation velocity measurement experiment system uses a magnetic pump asthe power source of the fluid, and a pair of JYB-G type pressure transmitters mounted on avertical pipe as sensors. The diameter of the fluid conduit is 40mm, and the distance betweenthe two sensors is 80mm. The system acquires data with the PXI-6221 data acquisition card,and calculates and displays the data with the correlation functions to the software of LabVIEW.When the system works, random signals measured by the upstream and downstreamIV 内蒙古科技大学硕士学位论文sensors are sent to the incoming the data acquisition card through the SCB-68 junction box, andthen transferred into the LabVIEW calculating system by the DAQ Assistant module. TheLabVIEW system parses out the transit time through cross-correlation calculation, and the two-phase flow rate can be derived by dividing the sensor distance with the transit time.This article focuses on the two-phase flow cross-correlation measurement systemimplementation process based on virtual instrument technology and correlation principle, andthen shows the LabVIEW computer program language and measurement results。Finallyanalyzed the error of measurement results.Keywords: LabVIEW；Virtual Instrument；Cross-correlation； Velocity measurementV 内蒙古科技大学硕士学位论文目录摘要 .IAbstract .II言 . 1引1绪论. 21.1两相流测量的背景及意义. 21.2两相流的概念及主要参数. 31.2.1两相流的概念. 31.2.2两相流基本参数. 31.3两相流检测技术现状及发展趋势. 51.4本章小结. 72相关流量测量技术. 82.1相关流量测量技术简介. 82.2相关流量测量数学模型. 92.3相关流量测量基本原理.112.4相关算法及其实现.142.4.1渡越时间法 .142.4.2参数估计法 .172.4.3梯度相关法 .172.5本章小结.183基于虚拟仪器的互相关测量系统.193.1虚拟仪器简介.193.1.1概述.193.1.2虚拟仪器的硬件平台.203.1.3虚拟仪器的软件平台.213.1.4 LabVIEW简介 .213.2互相关测量系统总体方案设计 .223.3系统硬件组成.233.4系统软件流程.273.5传感器间距 L的选择.28i 内蒙古科技大学硕士学位论文3.6本章小结.294前面板.304.1用户登录界面.304.2系统操作界面.304.3相关算法实现界面.314.4数据保存与回放界面.324.5本章小结.335互相关测量系统程序框图设计.345.1系统整体设计.345.2相关算法验证.345.2.1互相关算法验证.345.2.2差动自相关算法验证.365.2.3极性互相关算法验证.375.3噪声干扰信号的处理.385.4程序框图设计.395.4.1登录界面程序.395.4.2相关算法计算程序.395.4.3数据保存与回放程序.405.5本章小结.416压力互相关测量系统.426.1系统构成.426.2实验步骤.426.3实验结果分析.446.4本章小结.49总结.51参考文献 .52在学研究成果.56致谢.57ii 内蒙古科技大学硕士学位论文引言在电力、冶金、化工等工业生产过程中,大量存在两相流动体系。两相流流动参数如流速、流量、颗粒尺寸等的测量对于计量、节能和控制都具有重要意义。然而对两相流参数的检测始终未能得到满意的解决，已经成为困扰工业生产，影响生产率提高的一个重大问题。由于两相流存在的广泛性，两相流测量系统的应用也同样广泛。例如在火力发电中，对煤粉输送过程的检测，保证煤粉处于一个合适的运动速度可以防止煤粉因速度太低在管道内沉积或者速度太高磨损管道。而对煤粉在炉内燃烧所产生的多相流的研究，对提高煤粉的燃烧效率、增强燃烧稳定性、改善锅炉的设计、提高发电效率都有显著效果。而对汽液两相流的流动特性和导热性质的研究，对保证各类锅炉和发动机的安全平稳运行和节省燃料都具有重大意义。由此可见，对两相流的检测在工业生产过程中具有无可取代的作用和远大的前景。对两相流的研究从 20世纪 60年代开始兴起，最初的研究仅限于一些简单的两相流运动实验测试以及基本方程。进入上世纪八十年代，对多相流的研究内容从最初较为简单的管道流动扩展到到更加复杂的流化床和气固分离运动。到 90年代初，科研工作者们的研究内容发展到了有源流场，对流动特性的研究也从宏观现象发展到微观结构，研究的空间也从一维流场向多维流场发展。在此期间，科研工作者提出了大量的物理和数学模型，使多相流理论体系迅速发展完善。进入 20世纪以来，对两相流的研究得到了前所未有的重视和迅猛发展。但迄今为止，对于两相流检测技术和专用设备能够投入市场的并不多，大多数仍然停留在实验室阶段。特别是至今还没有高精度的两相流仪表和检测系统应用于工业生产过程中，两相流参数检测技术仍旧是一个亟待探索发展的领域。-1- 内蒙古科技大学硕士学位论文1绪论1.1两相流测量的背景及意义随着科学技术的进步，多相流动体系在工业生产中的分布日益广泛，在人类经济生活中的地位也越发重要。在多相流动中，又以两相流存在范围最广，在工业生产中也最为常见。两相流动在工业生产和自然界中均大量存在，它涉及到电力、冶金、化工、食品、生物、机械制造、航空航天等许多行业；在诸如煤粉、纸浆的输送、油气田开采、污水排放、粉尘测量、气力输送等生产过程中都面临着两相流动体系的测量问题；在自然界中，沙尘暴、雾霾、霜雪等都是与人类生活息息相关的两相流现象。随着海洋资源如石油和天然气开采技术的发展，对生产过程中计量、节能、控制准确度的要求体系提升，对多相增压和多相计量技术的需求也越发迫切。两相流由两种组分构成，各组分之间往往存在着密度、粘度、体积、沸点等理化性质上的差别。在流动过程中，由于温度、压力、浓度、重力、各相之间相互作用以及管道条件等诸多因素的影响，两相流之间会产生随机的相面效应和滑脱等现象。因此其物理特性和数学描述都要比单相流复杂的多，从而导致了两相流检测的较大难度，迄今为止国际上对它的准确测量尚未取得突破性进展。此外，两相流参数检测技术的发展还能为两相流流体力学的研究提供更加准确有效的实验方法，为两相流过程工艺设计提供理论基础。自 20世纪 70年代以来，西方发达国家对两相流研究日趋重视，逐步建立了一些具有较强实力的专业研究机构，针对两相流动参数的有效检测问题进行了许多理论研究工作与并进行了大量的实验探索，但迄今为止大部分的两相流测量方法和技术仍处于实验室研究阶段。关于多相流参数检测发展方向大致可分为以下几点：使用已经普遍使用并取得良好效果的单向流测量方法和设备进行两相流测量；对于相关法和多普勒法等目前已经取得一定研究成果的新型测量方法继续进行研究和应用推广；针对两相流参数变化的规律进行研究，并总结开发新的算法处理数据；继续加强对于两相流数学和物理模型的理论研究，提高模型特征参数的逼真度和不同种类两相流建模的规律性研究；对两相流测量结果的校验手段和误差原因分析方法的研究；充分利用材料和检测技术领域的研究成果，研制灵敏度、精确度、抗干扰性能大幅提高以及故障率更低的两相流专用检测仪器。-2- 内蒙古科技大学硕士学位论文1.2两相流的概念及主要参数1.2.1两相流的概念所谓相，通常是指某一系统中成分相同，理化性质也相同且分布均匀的物质，即物质的单一状态，例如固态、液态和气态。由多种连续或离散的相组成的流体成为多相流，在分散体系中分散其他物质的物质称为连续相，不连续介质如气泡、煤粉、油滴等称为离散相。多相流体系中，存在最为广泛的是三相流和两相流。按照多相流中相的物理状态区分，两相流一般分为气/液两相流（如石油和天然气运输系统）、气/固两相流（如烟气，石油的催化裂化，粮食加工和输送）、液/固两相流(如固体颗粒的水力运输，矿井开采中废水的排放)、液/液两相流(如两种互不相溶的液体，如油水混合物)；三相流常见的有气/液/液和气/液/固三相流等。在常见的多相流体中，相与相之间一般有清晰的分界面。与单相流体相比，两相流不仅运动过程更加复杂而且各相之间的相互影响也会造成许多新的特点。在两相流动过程中，根据相的种类组合不同，流动型态也会发生变化。在实际测量中，颗粒的大小和密度、温度、压力、空气湿度、管道的形状和材料等都会对两相流的流动造成影响，进而影响测量结果。因此，为了精确地测量两相流动参数，必须对两相流的相关特性进行深入研究和了解。1.2.2两相流基本参数在两相流系统中，相间始终存在互相影响，这种影响导致两相流中的相界面无论在时间还是空间上都会产生随机性变化，而两相间往往又会存在滑脱现象，这意味着对两相流的参数进行测量要比单相流参数测量面临更大的困难。由于增加了一种物质，两相流比单相流也新增加了一些参数：如滑移比、压力降、分相含率、离散相浓度等参数。两相流常用的基本参数有以下几种：1)浓度场参数浓度场是两相流中各相的浓度参数，主要包括以下几种：持率，又称为真实含率或折算含率，是指两相流中某一相在流动管道中任意横截面上所占面积与总面积的比值：A1AA2AY1 =Y2 =（式 1.1）式 1.1中， An为某一相所占的横截面积， A表示管道总横截面积。-3- 内蒙古科技大学硕士学位论文体积含率：表示一定时间内流过管道某横截面的两相流总体积中，某一相的体积所占总体积的比例，用Kn表示。Q1= Q2QTK1 =K2（式 1.2）QTQ1，Q2表示单位时间内流过管道横截面的一相的体积，QT表示单位时间内流过管道横截面的两相流总体积。一般情况下，质量或密度较小的相在两相流中的流动速度要高于质量或密度较大的相，此时会有持率小于体积含率，当两相流体流体中各相质量、密度、温度等性质相等且混合均匀时，即认为各相流速相等，此时持率与体积含率保持一致。这种两相流称为均相流。2)速度场参数真实流速：各相体积流量与其所占管道横截面积的比值，用Un表示。Q1A1Q2A2U1 =U2 =（式 1.3）式 1.3中，Qn表示某一相的体积流量； An表示该相所占的管道横截面积。表观速度：又称折算速度，代表了各相体积流量与管道总横截面积的比值，用USn表示。US1 = QA1 = QA A1A=U1Y1=U2Y2（式 1.4）（式 1.5）11US 2 = QA2 = QA A2A22式 1.5中，USn表示某一相的表观速度，Yn表示该相的持率。混合速度：各相体积流量之和与管道横截面积之比，用Um表示。QTA1Q +Q2AUm =Us1 +Us2（式 1.6）-4- 内蒙古科技大学硕士学位论文式 1.6中，Qn表示某一相的体积流量，A表示管道横截面积。滑速比：代表分相真实速度之间的比值，由于两相流流动过程中，两相之间因物性（如密度）不同存在不同程度的滑动，滑速比正是由于分相体积含率与持率不一致产生的。U1U2 Q2 / A21Q /A11Y1 /Y2K / K2S12 =（式 1.7）式 1.7中，Un表示各相真实流速，Qn表示某一相的体积流量， An表示该相所占的管截面积，Kn表示体积含率，Yn表示某该相的持率。滑脱速度：分相真实速度之差。U12 =U1 -U2（式 1.8）式 1.8中，Un表示各相真实流速。1.3两相流检测技术现状及发展趋势在科学研究和工业生产过程中，两相流参数检测技术的应用都具有重大价值。随着核电产业和航空航天工业等技术密集型产业的规模迅速扩张，对两相流参数检测技术的要求也日益提高。尤其自上世纪六十年代以来，各类发动机制造工业和石化行业中都引入了两相流参数检测，加之世界范围内对环境保护的规定愈加严格，都促使对两相流参数测量的检测和控制得到了更多的投入。在参数检测领域，对两相流的参数检测已成为重点研究方向，国内外相关领域学者都对其高度重视，投入大量精力进行研究。鉴于两相流动特性十分复杂，对其随机流动噪声的产生规律的研究成果还不明显，因此要保证两相流参数的测量精度寸在很大的困难。迄今为止，还没有一种方法具有广泛的适应性，能够对各种状态下两相流的参数进行精确测量，为此许多西方发达国家都投入了大量资金对其进行研究。近年来我国在一系列科研计划中都将两相流参数检测技术的研究放在重要位置。目前大多数针对两相流参数测量的技术及方法仍然停留在实验室和理论研究阶段，已经成熟可用于工业生产的两相流测量仪器种类还很少，远远不能满足市场需求。因此该技术在国内外都是一个急需深入研究的领域。-5- 内蒙古科技大学硕士学位论文首先能对两相流动参数进行精确的测量，才能对两相流体系的流动状况在微观和宏观上有一个清晰的认识，进而能够真实准确的描述其流动状态并能预估和干涉流动中的各种变化。根据原理分类，目前两相流流量测量方法有以下几种：1.节流法：这种方法是利用被测流体通过节流装置时，各相间所产生的压力差与两相流量之间的关系建立数学模型来进行测量。2.速度法：对被测流体的流速和流体平均密度或分相含率进行测量来得到两相流量。速度法主要包括以下几种方法：1)相关法：通过测量流体流经间隔一定距离的两个横截面产生的信号相似性进行相关函数计算来测量流速；相关法的优点是测量范围较宽，不受流体本身状况的影响，因而对各种流体都有较好的适应性。实际测量时只需根据被测流体的种类选择对应的传感器，而测量系统主体不变。相关法可以使用非接触传感器，无可动部件，不改变流体流场，测量精度较高且工作可靠。由于只有在离散相充分弥散的情况下，才能得到具有明显尖峰区的、左右对称的互相关函数曲线；否则难以得到明显的尖峰区波形，因而测量时要求被测流体流速尽可能保持不变，固相分布均匀。2)光学法：利用激光透射信号的波动来测流速；3)声学法：基于多普勒原理测流速；4)热学法：应用导热或热磁感应的方法测流速5)电磁法：基于法拉第电磁感应原理测流速；3.容积法：将两相混合物装入一定容积的容器内，改变其所受的压力、温度或体积的等参数，利用三者间的热力学关系所产生的变化测量两相流量。自 20世纪 60年代以来，西方发达国家对两相流进行了大量、全面的实验研究和理论分析工作，包括：两相流动的基本特征参数检测、数学和物理模型的假设和建立等。对相关法、激光多普勒法和空间滤波法都在两相流速测量上的应用进行了大量研究。此外，两相流参数测量的主要目的是要得到其中各相的流量和流速等参数，对这些数据的实时在线测量可以有效控制生产过程的进行，提高经济效益。两相流参数检测技术的发展趋势及未来研究方向主要有以下几点：1.在两相流测量中使用已经发展成熟，在实际使用中取得良好效果的单相流检测仪器和方法：传统的单相流测量仪表经过长期发展，测量性能和质量都达到了比较高的水平，针对不同的两相流流型建立不同的测量模型，配以合适的单向流仪表，能够在一定-6- 内蒙古科技大学硕士学位论文程度上改善两相流测量的精度。目前已经针对混合流速、分相流速、相含率等方面的多种单相测量仪表分别建立了两相流测量模型。2.软测量方法：软测量是间接测量测量的一个发展方向，它的基本原理是使用那些与难以检测的过程变量有密切关系的、容易检测到的辅助过程变量，通过数学模型的运算，估算出主导变量的值。通常情况下，软测量技术需要使用传感器获取数据，然后用已经在电子计算机中建立好的模型进行数据的运算处理。由于软测量技术的数据处理可以依托大型计算机进行，在解决十分复杂的、需要大量高速数学运算的问题上具有先天优势，因而在两相流测量领域有很大的发展前景。3.新型传感技术与互相关技术相结合两相流参数检测中，最主要的参数是被测流体的质量和流量数据。由于两相流流动工况远比单向流复杂，近几十年来，虽然出现了一些使用单相流检仪器配合专门设计的测量方法构成的两相流检测系统，但是，这些系统还存在许多不足，最主要的缺陷是它们采用的测量方法往往需要将传感器测量元件直接置于被测流体中，这会导致本已十分负载的两相流体流型的改变，测量结果误差增大，还会使得测量元件磨损、堵塞，增加了使用成本。这就限制了它们在两相流测量系统中的应用。为了获取足够精确的两相流动参数，避免对被测流体的人为干扰，许多能够实现非接触测量的新型传感器被开发出来并应用到两相流测量中。同时科研工作者发现，非接触测量方式所获得的信号有良好的相似性，十分适合相关法的使用，将两者结合起来可以极大的改善两相流测量的准确性。1.4本章小结本章首先阐述了两相流参数测量的背景及意义，其次详细描述了两相流的概念，并对两相流中的基本测量参数进行分类并加以说明，准备进行后续的测量系统设计工作。通过查阅国内外关于两相流研究的论文资料，总结了对两相流参数检测方法的研究现状和未来发展趋势，在两相流测量研究中的热点、难点以及还不完善尚需改进的方面。-7- 内蒙古科技大学硕士学位论文2相关流量测量技术2.1相关流量测量技术简介相关流量测量技术是一种在线流动参数检测技术。早在半个世纪前，提有学者体提出了利用随机相关理论对工业生产过程中多相流体流动速度的测量方法展开研究。到上世纪七十年代，相关流量测量技术及理论已经逐步完善，相关测量方法在传统方法难以解决的多相流测量方面的发展前景开始被一些学者的研究成果所证明，并初步制成了几种相关流量测量系统。当时研究的重点是如何以较低的成本制造出“实时高速在线相关器”，人们希望这种设备能够用于提高工业生产水平。可是经过近十年的发展，由于实际测量中面临的困难远比理想状态复杂，高速相关器的应用效果并不理想，相关测量技术因而未能在工业生产中得到推广。此时对相关流量测量技术的研究重点已经转移到了随机信号相关理论、流场变化对传感器作用、流动噪声信号提取与处理、新型传感器设计等方面32。七十年代末八十年代初，我国一些科研单位和高等学校逐步开始进行多相流参数测量方面的研究，并已取得一些阶段性成果。相关流量计的研制目标是解决多相流体等困难流体的参数测量问题，目前国外已有多家厂商开发出可以投入生产使用的相关流量计。这些仪表在工业生产中实际使用多年，取得了良好的效果，同时也积累了许多问题有待改进。相关测量方法与其它参数测量方法相比较，有以下几点优势：直接利用流体内部的随机流动噪声，不必在流体中加入示踪物，从而避免了对原始信号的影响，提高了测量精度；随着测量对象的变化，仅需根据流体的流动特性不同而更换不同的传感器，相关测量的核心部分则无需改动，这就使得系统对不同的流体都具有很高的适应性，并提高了经济性；系统传感器部分通常可以制成夹钳式结构，这种结构无活动部件，可靠性高，不会破坏被测流体的流动影响测量结果；被测流体工作参数的变化对测量结果基本不产生影响，避免了工业生产过程中参数变化对系统工作的影响。虽然两相流参数测量的研究已经取了很大的进展，但是客观的看，目前国内外相关法流量测试的产品大部分还停留于实验阶段。相关测量系统未能实现商品化的主要原因就是系统的不完善不稳定，而流量（速）测量在实际生产应用中的复杂性、面临的困难，还有待更加深入的研究改进。因此目前的关键需求是要获得一种性能可靠、价格低廉的传感器。电容传感器能够在很多情况下满足这些要求，但同时也存在信号强度低、初始值大以及抗干扰能力差等问题。-8- 内蒙古科技大学硕士学位论文未来相关测量技术的发展方向主要有以下几点：（1）使用相关法测量的传感器应当进行有针对性的优化改进，例如相关速度测量传感器和分相含率传感器等。现有传感器在结构设计上还存在着一些问题，例如传感器的几何外形，即传感器之间的距离、传感器感应部分的宽度及形状等方面的设计问题；传感器的空间排布，即传感器在三维空间的排列方式与分