基于互相关理论的超声波气体流量测量电路系统

　　1　引　言

　　近几年,流量计量技术得到很大发展,出现了各种新型流量计,如电磁流量计、漩涡进动流量计、涡街流量计,在很多场合得到了广泛应用,但它们同传统流量计(如孔板、腰轮等流量计)一样,均不同程度地受到压力、磨损、流场或者检测器件的影响。超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点,广泛地应用于气体和液体的计量。

　　互相关流量测量技术是以随机过程的互相关理论为基础发展起来的一种超声波流量检测技术,通过对大量流动信号进行判断处理,推算获得流量值。其测量精度与流体的温度、浓度和声速无关,是一种高精度测量方法,适合于多相流体、两相流体以及单相气体等的计量。随着DSP和FFT算法的快速发展,极大地提高了在频域内进行互相关运算的速度,促进了互相关流量测量技术的发展。

　　2　测量原理

　　2·1　互相关流量测量原理

　　当流体在管道内流动时,其内部存在着各种各样的随机扰动,从而产生了与流动状况有关的流动信号,并具有一定的统计特性[1],如图2—1所示。

　　上、下游超声波接收换能器分别检测到流动信号x(t)和y(t),对x(t)和y(t)作互相关运算,获得互相关函数Rxy(τ)Rxy(τ)=T0x(t)y(t-τ)dt (2—1)

　　式中:x(t)—上游流动信号;y(t)—下游流动信号;Rxy(τ)—x(t)和y(t)的互相关函数;

　　当上、下游接收换能器之间的距离L在一定范围内时,流动信号x(t)和y(t)具有一定的相似性,故互相关函数Rxy(τ)会出现一峰值,该峰值对应的时间位移τ0即为理想状态下流体从上游到下游的渡越时间。流体的平均速度为

　　V=L/τ0(2—2)

　　式中:V—流体的平均速度;τ0—流体从上游到下游的渡越时间;

　　2·2　频域内互相关函数算法

　　系统对采集的离散信号进行互相关运算,得到离散的互相关函数Rxy(τ),

　　式中:N—采样点数。

　　如果在时域内直接计算互相关函数,须进行N2乘法运算和N(N-1)次加法运算,运算量非常大。在频域内计算互相关函数,依据维纳-辛钦定理,互相关函数可由互功率谱密度函数求得,

　　式中:x(k)—x(t)的频谱;y(k)—y(t)的频谱;Sxy(k)—x(k)和y(k)的互功率谱密度函数:对Sxy(k)作IFFT变换,从互功率谱密度函数获得互相关函数

　　Rxy(j)=IFFT|Sxy(k)|(2—5)

　　该算法只需N2log2N次乘法运算,比在时域内直接计算互相关函数算法快5~100倍[2]。