温度噪声信号相关法流量测量的实时实现

　　低雷诺数流体,汽液,气固两相流体的实时流量测量一般无法采用常规检测方法。建立在随机过程相关理论和信息论基础上的相关流量测量方法为此类流体流量测量提供了一种可能的途径。它利用流体内部的噪声现象(如温度、介电常数、浓度等噪声)进行测量,传感器无机械可动部件,甚至可以不接触被测流体,其测量准确度取决于相关器测量时延的精度。传感器灵敏度的变化,信号放大电路增益变化对测量准确度影响很小,与流体的其他参数(如温度、压力)的变化无关。

　　本文针对相关测量技术应用于实际过程中存在的问题进行分析,找出解决办法。在此基础上构造实用的相关法流量检测系统,并作实时测量实验,以验证其可靠性和准确性。

　　1　实时相关法流量测量的技术难点及解决方法

　　设x(t),y(t)为流体流动是稳定流时的随机噪声信号,可以分别看作是来自各态历经的平稳随机过程{xk(t)}和{yk(t)}的两个样本函数,在一定的距离L内,x(t)和y(t)的波形相似,y(t)比x(t)在时间上落后了一个时延T,T即为流动噪声信号从上游传感元件运动到下游传感元件的渡越时间。

　　设Rxy(τ)为x(t),y(t)的互相关函数

　　(1)

　　式中Te为观测时间,Rxy(τ)的波形如图1所示,其峰值位置所对应的时间位移T就是 流动噪声信号渡越时间的测量值,由T可得其相关流速:

　　相关流速测量方法就其原理而言早已广为人知,但若将其应用于实时流量测量,需解决下列问题:

　　1.1　相关器的运算速度问题

　　相关器的运算由相关器完成。为了满足测量实时性要求,时间平均运算只能在有限时间范围内进行,即相关器只完成以下积分

　　(2)

　　R^xy(τ)表示真实相关函数Rxy(τ)的估计值。

　　将(2)式积分用无穷和代替,可得用数字电路计算机相关函数表达式

　　(3)

　　式中　x(i·Δ),y(i·Δ)分别为上、下游传感器获得流动噪声信号的抽样函数;Δ为抽样时间间隔,Δ=T/N

　　如果时延τ是Δ的整数倍,(3)式可写成

　　（4）

　　从(4)式可以看出,完成一个时延为τ的互相关函数R^xy(τ)的计算需要作N次加法运算,如果希望得到(m+1)个不同时延下的互相关函数Rxy(τ)就需完成(m+1)N次加法和(m+1)N次乘法运算,基于这种方案的相关器无法满足实时测量要求。

　　根据文献[1]中提出的极性重合相关器,为实现相关函数的快速计算提供了一种方法,称“极化互相关方法”。如图2所示。

　　在极化互相关方法中,将信号x(t),y(t)分别与相互独立、均匀分布的随机噪声信号ξ(t)和η(t)相混合,然后将混合后的信号进行1Bit量化,当信号x(t)和y(t)为正态分布,且当ξ(t)和η(t)的幅值小于信号的最大值时,信号的1Bit量化不会给相关函数的计算带来误差。