用过零极性相关法测量流体流速

    利用所研制的相关测试系统，借助高精度的热线风速仪作为标定设备，在标准风洞内进行了相关测量的实验研究，实现了利用过零极性相关法测量流体流速，并对测量结果进行了分析。

    1引言

    在核动力工程中，某些“难测流体”(例如，汽一液两相流体、反应堆堆芯流体等)速度与流量的精确测量，是一个急需解决而又长期未能很好解决的问题。.探讨并解决这一难题，对于反应堆的设计与安全运行、提高核动力装置的效率无疑具有重要的意义。

    目前，涡轮流量计是应用较广的堆芯仪表。然而，由于它的轴承寿命、叶片振动、对流场的扰动，以及流体入口处流动模型的变化等因素，都给测量带来一定的问题。60年代中期发展起来的相关测试方法，将流体中的流动噪声信号进行相关处理，求出流体的流速和流量，可以实现非接触测量，具有广阔的发展前途。

    2过零极性相关方法

    相关测量可以采用不同原理的传感器获取流体中的流动噪声信号。图1示出了相关测量原理。在管道上沿流动方向相距L处设置两个传感器。当流体流过传感器时，由于流体内部存在随机噪声，例如，流体内部的温度、浓度、电导率等参数的微小波动都会对传感器的能量场产生随机调制作用，因此，两个传感器可以分别检测出随机信号x(t)和y(t)，它们的互相关函数凡，(r)为:

    式中，:为信号x(t)和y(l)之间的时延。

    不难证明，互相关函数R二，(r)的峰值对应的时间T即为流体流过距离L所用的时间，称为渡越时间。而两个传感器的距离L尹层知，只须求出渡越时间T即可计算出流体的流速。在实际应用中，式(l)中的积分运算只能在有限长的时间内进行，因而，只能求得互相关函数的估计值。

    将信号x(t)和y(t)量化为lbit，则可以得到它们的二值极性信号sgn〔x(;l)〕和sgn〔刃的」，二者的极性互相关函数为:

    当信号呈高斯型分布时，极性互相关函数叭，(r)与互相关函数R=,, ( r)具有如下关系[f}7:

    式中，R二(0)与R，(0)分别表示信号x(t)与y(t)在时延:一o处的自相关函数。由式(3)可见，尽管币二，(r)与R二，(:)之间呈非线性关系、二者的形状不同，但是，它们的峰值点位置一致。因此，可以利用极性互相关函数巾。(r)求取渡越时间。式(2)的计算更适合用数字电路实现，可以采用与或非门完成乘法运算、用累加器实现累加运算，构成极性相关器。这样使相关器电路大大简化，而且加快了运算速度。

    使用计算机计算互相关函数时，为了提高相关函数峰值的分辨率，需要使信号的采样频率远远高于Nyguist频率。这将使采样数据量大大增加，却未能增加信息量，而且，需花费很长的运算时间，降低了互相关函数的计算速度。为了解决这一矛盾，HenryMR提出了过零互相关函数算法「幻。基本原理是将比较上、下游流动噪声信号x(t)和y(t)的波形相似性问题转化为比较这两个信号穿越零点的方向和穿越时间的一致性问题。图2示出了上、下游信号的穿越零点图形。，随着流体速度的变化，信号x(t)和y(t)之间的时延r亦发虫变化，它们所对应的方波信号极性一致与不一致的情况亦随之改变。因此，两个方波信号之间“纯”极性一致的时间T二(即两信号极性一致的时间与极性不一致的时间之差)的长短，可作为信号x(t)与y(t)之间相关程度的一种量度。极性互相关函数巾二，(:)与界:的关系如下