利用流体中温度噪声信号的相关分析进行流速测量.docx

1、第14卷第2期J993年6月资讯htip:/石。哈尔滨船舶工程学院学报JournalofHarbinShipbuildingEngineeringInstituteV6.I4N2Jun.,1993利用流体中L度噪声信号的相关分析进行流速测量*宿成基防志明”夏虹（船殖动力工程系）（摘要】通过时流体中存在的温度噪声信号的相关分析，进行相关技术用于测量气体流速的实验研究与理论分析.首先,利用粕关测量系统的敷学模型在PC机上进行了仿真研充，为分析各参敛对相关函数的影响、改进测量方法以及研霓误差产生的原因，从理论上提供了依据.其次，筒要介绍了所用的实验装实洌结果以及进一步提高制量精度的途径.关键词：相芸

2、些维;里把述遂，混度噪声信号，竺Mil仪、中国图书疝疝27亟兰一。引言在工业生产过程中，有些难测流体例如低温流体、反应堆一回路载热剂、两相流体等速度与流量的测量，长时间以来一直是一个亟待解决的问题.近年来，国内外测虽工作者将相关技术用于测蜃流体的速度.根据流体的4$点，采用不同原理的传感器从流体中获取流动噪声信号，经过相关分析，对互相关函数“寻峰求得流体的渡越时间，从而得到速度与流量.相关测延技术不但能够实现非接触测量，而且可以测低非稳态流体的瞬时速度与流量，显示出其独特的优越性.本文以凤洞中的气流作为研究对象，采用热丝作为敏感元件，对从气流中获取的温度噪声信号进行相关处理，测出气流的速度与流

3、量.1系统模型与仿真如果将介于两个传感器之间的测量段视为线性时不变系统，该系统可以用单位脉冲响应函数g,Q）描述（图1）系统的输入信号泌），输出信号凶）是由流体中的温度噪声所引起的.两个传感器与相应的滤波.放大器的传递函数分别用幻。）思2。）表示.通过它们的作用得到信号x（0,；（0.输入与辎出信号通过卷积相联系.即，r-+叩）«（/）（1）收稿日期:I992TM-I7L兄Q)=J：工(，一T)gI(七)顷+气(。=x(/)*g(。+气Q)P(O=J：V(，一T)g2(rt)dr1+七Q)=xQ)g2O)+七Q)利用上式进行互相关函数运算.则可得到相关测量系统数学模型的基本结构=(4

4、)考虚到流动截面上速度分布不均匀，测量的互相关函数由不同速度下的互相关函数R,匕K)与速度分布密度*(K)加权得到：&行6)=U_8侄，(丁)-"(/力订*W(5)其中.速度分布密度(外以正态'分布函数计算.由式中可见，互相关函数0r,(t)的计算需要经过两次卷积.分别由下列参数参加运算：(T)为输入信号双f)的自相关函数；为测量段流体的单位脉冲响应函数；为两个信号传递通道(传感器与滤波放大部分)的窗函数.随机输入过程叮以用自相关函数A(t)描述.它可作为观察流体中噪声信号时间与空间结构的一个尺度，通过试验确定出与速】度分布因素有关的表达式：*=t-t2T产试_7式中

5、，君，弓时间常数；1平均速度；K比例系数.考虑到流体流动过程中的速度波动、温度与浓度波动，可以用一组微分方程表示气流的流动过程.在一定的条件下，可以推导出带有通用扩散系数的一般型式：(7)芝+产一。±4=0式中a被传递员；D用扩散系数.根据一定的初始条件与边界条件，可以得到流体的传递函数G,(s)与单位脉冲响应函数&Q)：如=斜叩式中L感器间的距离；To均渡越时间.传感器与滤波放大部分可视为具有带通泄波器的传递特性.它的窗函数可以通过对滤波器獗谱进行富立叶反变换得到K1JiL1i«if=就布定C°0）式中T"l高、低通渡波器的时间常数；K,放大系

6、数以上导出了互相关函数夫“y）的基本结构以及模型函数夫。丁）,8白）占以*）.为了讨论各参数对互相关函数形状、极值位置的影响，将该模型在IBMPC机上进行数字商真.由于在时域作卷积计算时间比较长，而且误差较大，因此式（5）的计算是在频域完成的，然后通过富立叶反变换，得到一纽时域的互相关函数曲线.图2示出了不同流速下的互相关函数曲线,显然，在速度较大时，互相关函数曲线比较尖锐、峰值明显，这对提高测量精度有利，随着速度的减小，互相关函数逐渐变得平坦.图3表示了传感器间距离改变时互相关函数曲线的变化,由图3可见，随着传感器距离的增大，互相关函数曲线变宽、最大值减小，而且导致测得的渡越时间偏小.因此，

7、在相关测量中，两个传感器的距离应尽量小.但是，另一方面应防止距离过小时测距相对误差的影响，要兼顾上述两个因素，选取最佳的传感器距离.图4示出了当Peclet数变化时，流体的单位脉冲响应函数&0）的变化情况.当Peclct数祓小时，曲线峰值明显左移，不对称度增加.可见扩散过程的存在，增大了渡越时间测量中的系统误差.为此，当扩散系数较大时，应当对流动模型进行修正.图4不同Pcclct时的互相关画教曲线0200250300350T（ms）图6布通滤波频率对互相关函敛的影响滤波影响的增加，互相关函数的峰值位置向偏小方向移动,同时,曲线出现明显的不对图5示出了低通波波器流波频率对互相关函数的影响

8、.当酒波器截止频率减小时.互相关函数曲线变宽,峰值右移，这是由于低通滤波的作用.使得示踪粒子中的高频分量被削弱.而低频分最得到加强所致.因而使互相关函数极值向增大渡越时间方向移动.当4>150Hz后，相关函数峰值位置基本保持不变.图6示出了高通淀波频率对互相关函数的影响.与低通泌波的作用相反，随着高通称.高通滤波对互相关函数的影响，一般不会成为测量的主要何购.它主要起抑制信号直流成分的作用.通常可取较小值.2试验装置与测量结果试验采用两个热丝探头（d=5“m）作为传感器，将它们固定在标准风洞内,两个探头间的距离为L（图1）当气流流过热丝时.由于热丝很细，气流温度的微小波动可在热丝上感应出

9、随机流动噪声信号,热丝质量小，响度时间为微秒级.可以增大信号带宽.使得两信号互相关函数的峰值变得尖锐.有利于提高测量精度.图8示出了由热线测得信号的自功率谱密度函数.由图可见，随机信号带宽达2kHz左右.将热丝采集的随机信号经过泌波、放大后.送入由高速信号处理器TMS320-C25与IBM-PC微机组成的信号处理系统.TMS320-C25是一个32位的单片机，它采用哈佛结构流水线作业以及半溢出检测技术，因此完成1024点复数FFT运算仅需14ms.大大加快了随机信号处理的速度,由IBM-PC微机与高速信号处理器构成主从机系统进行相关函数的运算、寻峰求得渡越时间.试验中采用丹麦DANTEC公司生

10、产的DISA热线风速仪作为标准测速仪器，可以用来对相关法测出的流速进行标定利用该试验装置及研制的相关计算软件，设计了一组试验，分别检验当流速变化、改变两个传感器间距以及波波频率等参敷对信号互相关函数的影响，实验结果证明上述仿真计算的各项结论是正确的.164H1(8、e<图7试殴装JL筒图图8信号的自功率谱密度函教曲线图9空气流堆标定的线在进行流速标定试验中，调整标准风洞的压力，可以对各种不同的气流速度进行测量.通过将相关法测出的塑匕与热线风速仪测得的流速V进行比较,得出图9所示的速度标定曲线当气流速度r>3m/s时湘关测重的相对误差低于5%,当y<3m/$时，测鱼的相对误差较

11、大.这是因为当流速过低时，两传感器的距离£固定，流体流经两个传感器之间的渡越时间7。较大，因而流动模型的变化亦比较大，使得两个信号的相关程度变差，互相关函数峰值明显降低,相关测量的误差随之增大，这一结论与图2所示仿真计算结果是一致的.按照互相关函数的定义：&)=limj；xQ)yQ+t)dt(11)F-*«积分时间应为无穷大，实际上，只能在有限长的时间内进行运算.因而只能得到互相关函数的估值夫刈().另外对于各种传感器而言，只能采集到有限带宽的随机信号，加之信号中所蔻加无关噪声的影响，必定使实际上计算得到的互相关西数峰值位置与理论值产生偏差.渡越时间的方差为/(c)

12、=*/(矿7J?w(0)/夫“(0)(12)式中B信号带宽；T互相关函数积分时间；&(0),&(0)分别为=0时信号xQ)与噪声信号心)的自相关函数；K常数.由上式可见，渡越时间估值的方差与信号带宽瓦积分时间以及流动过程的信噪比入(0)/&(0)成反比.必须注意到，方差。2(t)与带宽3的三次方成反比，这说明信号带宽的微小变动将会引起方差急剧变化.因此，在选择传感器时必须认真考虑其滤波特性.以便尽可能取得宽带随机信号.测量系统上、下游信号通道的特性匹配，也会对测量精度造成很大影响.如果两通道特性不相同，会引起较大的测最误差，严重者其至会使两个信号变成彼此不相关的信号，无

13、法完成相关测最的任务.由式(10)可知，如果两个信号通道传递特性相同，则可得到一个对于*轴(t=0)对称的窗函数Fm2(C反之，当两信号通道特性不同,其窗函数的对称特性会被破坏，则会影响互相关函数的峰值位置，给测量带来系统误差.因此，在相关测鼠中，应当尽松保证协个信号通道特性的良好匹配，提高测最精度.3结论通过对相关测最系统的仿真研究与对气体流速的实际测量，可以得出以下结论：(1) 通过对单相液体中的温度噪声信号进行相关处理，濯定流体的速度与流总是可行的.(2) 计算机模拟与试验结果一致证明，系统模型是正确的.数字仿真为在实际测信中确定合理的传感器距离、带通滤波频率等提供了理论依据.(3) 实

14、际测楫结果表明，通过增大信号带宽，减小信号采样间隔等措施，可以使相关测最达到较高的精度.命考文献MeschF.SpeedandFlowMeasurementbyanIntclfigentCorrelationSystem.ISA90,NewOrleans,USA,1990,109KoppermannC.GeschwindigkeitsundDurcflussmessungincinphasiRenStroemunzenmitICreuz-Korrelationsverfahren,FortschrBer.VDI-I.Rdbe8Nr.63,1983:24-27XuChengji.Korrelat

15、iveGcschwindigkeitsmessunganKraftstofTtniteinemInfrarot-Seiuor.ForschungsberichtUni.Kaisruhc1982:18-19BeckMS,DrineJ.ParticleVelocnyandMassMeamrementinPneumaticConveryors.PowderTechnolosy1968(2):335陆志明湘关测*技术应用于单相淹体淹*测的研究：学位论文.哈尔滨船姻工程学院,】990FluidVelocityMeasurementbyUsingtheCorrelationAnalysisoftheTem

16、peratureNoiseSignalsinFluidXuChengjiLuZbisiagXUHoag(Dept,ofMarinePowerEng.)AbstractInthispaperbymeansofcorrelationanalysisofthetemperaturenoiseinfluid,experimentandtheoreticalanalysisareperformedforapplyingthistechnologytothemeasurementofgasflowvelocity.First,themathematicalmodelofcorrelationmeasurementsys>temissimulatedonanIBMPCcomputer.Itprovidestheoreticalevidenceforanalysingtheparameterinfluenceoncrosscorrelationfunction,improv