基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计说明.docx

1、基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；

2、学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学

3、校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数

4、不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译

5、文原文（复印件）次序装订3）其它基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计摘 要两相流在自然界和工业过程中是普遍存在的，其中离散相的运动速度、尺寸、位置等参数的监测是一个非常重要的测量研究课题。两相流相关测速系统主要由上、下游传感器把流动噪声信号的变化转化为电信号的变化，然后通过放大，滤波，A/D转换电路将数字信号送到互相关器处理，最后输出渡越时间，进行流速的计算。本设计采用虚拟仪器技术和互相关原理相结合，设计了互相关流体流速测量仪。该方法利用了上、下游流动噪声信号的相关性，通过求两通道号与信号的互相关函数，得到两个信号的时延，在已知两传感器间距L的情况下，知道两个信号的时延可以求出流体的流

6、速。设计中用LabVIEW语言编制程序，模拟生成随机流动噪声信号，将数据送入数据采集卡中，之后再将数据采集出来做各种相关运算。本设计阐述了基于虚拟仪器技术和互相关原理流体流速测量仪的实现过程，给出了使用LabVIEW语言的核心程序，并对结果误差进行了分析。关键词：两相流；互相关；虚拟仪器；流速测量The System of Cross-correlation Velocity Measurement Base on LabVIEWAbstractThe two-phase flow is widespread in nature and industrial processes.The mea

7、surement of parameters of multiphase flow，such as velocity，size and position of bubbles is a very important investigation subject.Two-phase cross-correlation flow velocity measurement system changes the flow noise signal into electrical signal by the upper and under sensors，through the amplification

8、，filtering，A/D converter circuit，and the digital signal will be sent cross correlator.Finally output is the transit time and the velocity.This systemic designed to inter-related fluid flow measuring instrument virtual instrument technology and the principle of combining cross-correlation.This method

9、 got delay of two signals by cross-correlation function between two signals.The fluid flow can be exceed by the delay value of the two signal in case of the distance of L between two sensors is known.System carry the data which is a random noise signal simulation by LabVIEW，and then acquisition the

10、data to various computing.This system shows fluid flow rate measuring instrument achieve process based on LabVIEW and Cross-correlation which shows core procedures of LabVIEW and analysed the error of the result.Key words：two-phase flow；cross-correlation；virtual instrument；velocity measurement摘 要 IA

11、bstract II第一章 引言 11.1两相流测量的应用背景 11.2我国流量仪表的发展及现状 11.2.1概述 11.2.2我国流量仪表的发展回顾 21.2.3流量仪表总体的技术发展方向 31.2.4对流量测量技术的展望 3第二章 相关流量测量技术 42.1相关流量测量技术简介 42.2相关测量技术的发展简史 42.3互相关知识简介 52.3.1测量原理 52.3.2互相关算法 72.3.2.1归一化算法 72.3.2.2差动自相关算法 72.4相关流量测量的特点 92.5相关测试系统的构成 92.6相关流量计的局限性 102.7相关流量测量技术未来的发展方向 10第三章 虚拟仪器简介 1

12、23.1虚拟仪器简介 123.1.1虚拟仪器简介 123.1.2虚拟仪器的发展过程 123.1.3虚拟仪器系统的构成 133.1.3.1虚拟仪器系统的硬件构成 133.1.3.2虚拟仪器系统的软件构成 143.1.4虚拟仪器的分类 143.1.5虚拟仪器的技术优势 153.2 LabVIEW简介 163.2.1 LabVIEW简介 163.2.2 LabVIEW的作用 173.2.3 LabVIEW的优点 173.3数据采集技术 183.3.1数据采集技术简介 183.3.2数据采集系统的构成 183.3.2.1传感器和变换器 193.3.2.2信号调理 193.3.2.3数据采集设备 203

13、.3.3 PC与软件 21第四章 基于LabVIEW的互相关流速测量系统的设计 234.1系统总体方案设计 234.2前面板的设计 234.2.1用户登录界面 254.2.2模拟采样信息更改界面和模拟信号生成界面 264.2.3相关算法实现界面 274.2.4数据保存回放界面 294.2.5流速计算界面 294.3程序框图的设计 304.3.1用户登陆程序 313.3.2模拟信号生成程序 314.3.3相关算法程序模块 324.3.4计算流体流速程序 334.3.5波形保存程序 344.3.6数据回放程序 34总结 35参考文献 36附录 37附录A 37附录B 38致 39 第一章 引言1.

14、1两相流测量的应用背景随着科学技术的发展，多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。它遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域，煤粉输送、原油开采、污水排放、纸浆输送、粉尘测量、气力输送等生产过程均存在多相流体的测量问题。由于多相流各相流体的动力学特性极其复杂，因此多相流的测量迄今为止在国际上尚未得到满意的解决。多相流动体系，通常是由两种连续介质和若干种不连续介质组成的，连续介质通常称为连续相，不连续介质如固体颗粒、水泡、液滴等称为分散相(或非连续相)。根据流体中包括物质相数目的不同多相流一般可以分为两相和三相流。根据组分物理状态的不同，两相流一般又分为气/液、气/固、液

15、/固、液/液(如油/水)两相流；三相流一般分为气/液/液、气/液/固三相流等。多相流动体系中又以两相流动体系最为普遍。两相流动体系在自然界和工业生产中设计围十分广泛，例如，自然界的大漠扬沙，江河的泥沙俱下，以及空气中烟尘弥漫都是与人类生活有关的两相流现象。两相流由两种组分构成，而各组分之间存在着密度、粘度等物理性质上的差异，在重力、温度、压力、各相流量及管道形状等诸多因素的作用下两相流的各组分之间会产生滑脱及随机可变的相界面效应，因此其物理特性和数学描述比单相流检测复杂得多，致使两相流参数检测难度很大。要认清两相流体系的复杂现象，揭示两相流运动的机理，建立两相流动模型并对流动过程进行预测或控制

16、，首先要解决的就是两相流检测的技术问题。随着海洋石油开采和海洋高技术的发展，尤其是混相增压和混相计量技术的需求，加之工业生产过程中计量、节能和控制精度的提高，对于两相流参数检测的要求越来越迫切。此外，两相流参数检测技术还能为流体力学工作者提供强有力的实验手段，促进两相流体力学理论的发展，为两相流过程工艺设计提供理论依据。几十年来，国外科技工作者在解决两相流流动参数的检测问题上开展了大量的理论与实验研究工作，已经取得了一些成果，近年来，基于多相流流动特征信号提取流动参数的软测量方法取得了一定进展。同时研发出了一些商品化的多相流量计产品，并在一定围得到应用，但是仍存在许多问题1。1.2我国流量仪表

17、的发展及现状1.2.1概述流量计量广泛应用于工农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域，目前，已投入使用的流量计已超过100种，按测量原理分，主要有力学原理、热学原理、声学原理、电学原理、光学原理、原子物理学原理等2。流量、温度和压力被公认为热工计量的三大重要参数，随着工业及经济的发展，流量计量技术及产品日新月异。具有悠久历史的流量测量，可追溯到公元1000年前古埃及测量尼罗河水流量。西方国家工业革命的实施，推动了流量测量技术的迅速发展，产品不断涌现。特别是20世纪，过程测量能源计量、环境保护、交通运输等应用领域对流量测量的需求急速增长，同时，由于电子技术、特别是微电子技术的

18、迅速发展，为流量仪表的制造技术提供一代又一代电子元器件，进一步推动了流量仪表从机械式、机电一体化、智能化、模块化等的推出新。当今，微电子技术对流量仪表的发展之影响举足轻重，基于大规模集成电路及通讯技术的应用，总线型、智能化、具有远程校准、自诊断等功能的流量仪表，成为了流量仪表中的新生代，引领着现代流量计量仪表的新潮流和新趋势。新技术、新器件、新材料、新工艺和新软件的开发应用，使得流量仪表的测量准确度越来越高，测量的流量围越来越大，仪表对测量介质的要求降低，适用围越来越宽，对实现智能化其使用更为方便并越来越傻瓜化，产品的可靠性得到了很大的提高。伴随着基础工业的发展，我国流量仪表在赶超先进水平的过

19、程中，机遇与困难并存，实现赶超还要走一段较长的路。31.2.2我国流量仪表的发展回顾我国历史上，早在战国时期“都江堰”污水工程中，就在崖壁上刻了“水则”用来测量水位，控制流量，这同古罗马用孔板测量居民用水的流量和古埃及用堰槽方法测量尼罗河的流量一样，都是古代人智慧的结晶。近代历史上，我国作为一个半殖民地半封建的国家，受到外国列强的势力瓜分，根本没有自己的民族工业，也没有我们自己的仪表工业，更没有我国的流量仪表工业可言。新中国成立后，随着第一个5年计划的实施， 在原联援助项目的带动下，我国引进使用了许多联的流量仪表，一些仪表制造企业陆续仿制这些产品，形成了一定的流量仪表生产能力，如孔板流量计、文

20、丘利节流装置、椭圆齿轮流量计、浮子式水银差压计等。50年代末到60年代，由热工仪表研究所（工业自动化仪表研究所）、玻璃仪器厂、光华仪表厂、仪表厂、仪表厂等开发生产玻璃转子流量计、电磁流量计、涡轮流量计、腰轮流量计等，70年代到80年代，化工研究院、工业自动化仪表研究所、工业自动化仪表研究所、自动化仪表九厂等先后开发了热式质量流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、超声波流量计、刮板流量计等流量仪表。90年代，太行仪表厂、仪表厂、仪表厂、自动化仪表研究所等先后研究开发科里奥利质量流量计、双转子流量计、液体多声道超声波流量计、流量、温度、压力组合式一体化流量计等等3。1.2.3流量仪表总体的技术发展方

21、向随着电子技术软件技术的发展，特别是传感器技术的发展，使流量仪表的多参数测量已成可能，流量计不同的原理和信号为不同参量的测量提供相应的测量方法，有待人们进一步研究并使之成为产品。相关技术主要有：(1)超声波流量计的技术开发(2)科里奥利质量流量计新技术(3)涡街流量计(4)一体型流量仪表的研究开发(5)夹装式管道用超声波流量计的现场应用技术开发(6)小流量及微流量测量 (7)多相流量计量技术研究31.2.4对流量测量技术的展望流量测量技术发展到今天虽然已日趋成熟 ,但其种类仍然不断增加、新的结构、新的用途的流量仪表不断涌现。每种流量计都有其适用围，也都有局限性，至今尚无一种对于任何场合都适用的

22、流量计。同时，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展给流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现状远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、微小流量等的检测，有待进一步发展更有效的测量手段。4第二章 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以随机过程相关理论和信息理论为基础发展起来的一种在线流动参数检测技术。早在上世纪60年代，英国等国家利用随机函数互相关理论开展了工业生产过程中物体移动速度及管道中流体流动速度的测量研究。70年代，相关流量测量技术迅速发展起来，一些研究成果显示了相关测量方法

23、在解决环境恶劣且介质复杂的两相流测量方面的潜力，实现了一些相关流量测量系统。70年代中后期，研究的重点主要是低成本的“高速在线实时互相关器”，以便用于工业生产，如德国的E+H及英国的Kent公司。但是，到80年代中期，相关流量测量技术并未因高速相关器的实现而在工业中得到广泛应用，对相关流量测量技术的研究又转到随机信号相关理论、流场变化对传感器作用、流动噪声信号提取与处理、传感器设计等方面。进入90年代，相关测速代表的实际物理含义解释成为制约相关流量测量技术发展的重要因素，建立相关测速与流体实际流速间准确、有效关联物理模型成为相关流量测量理论的发展重点。52.2相关测量技术的发展简史(1)50年

24、代常用模拟式相关器，采用模拟电路计算相关函数，模拟技术(乘法器、积分器)精度低，零漂大，工作频率不够高，模拟信号的时延设备复杂，所以被后来的数字式相关器替代了。在数字式相关器中，用数字技术计算相关函数，数字乘法器精度高，但结构复杂。对高频信号，因舍弃样点，减少量化的比特数而导致误差。(2)1962年由P.Jespers等提出采用1比特量化的极性重合相关器，简化了乘法器与积分器，使电路大为简化，提高了运算速度。具有数字式相关器时延简单、无零漂等优点，特别适用于高频信号，但测量结果的随机误差较大。(3)1973年A.M.Hayes提出了两种简化方法来简化相关器的设计，降低其价格，实现速度显示。第一

25、种方法是粗量化方法:对输入信号之一或两者作8比特或12比特的粗糙量化处理；第二种方法是两点差分法:使两个相关函数在两个时延值处的差值趋于零。存在问题是积分时间的取值及流速变化时响应慢等。(4)1979年，Henry提出渡越零点极性相关的算法，从而使相关计算的软件实现成为可能，并在280上成功实现了这种算法，效率高、运算速度快，而且不需外加电路。但此法需记录零点信号数据，只适用于信号带宽小于2.5kHz的场合。(5)1989年，Harba提出了一种“块采样”的极性算法，可同时采集一批输入信号，采样率高，速度快，所需存贮量少于零点渡越法，计算时间短(比零点渡越法快)，不需专门硬件，应用围广。22.

26、3互相关知识简介基于互相关法进行流量测量早在60年代提出后，C o u l t h l a r d 、Me s c h、B e c h等科学家对该方法进行了深入的研究，随着对高精度非接触式多相流流量测量的需求日益增大，基于相关函数的流量测量方法重新引起科学界的重视。德国科学研究院已于1997年批准资助由两个大学八个研究所提出的重点研究项目“流量测量中的流体动力学基础研究”，其中九个子项目之一是“基于相关函数和多极配置的声学体积流量测量方法研究”。为了克服国基础设施相对较弱的现状，工业大学教授王磊、工业大学博士生王智慧与德国Essen大学在该领域进行了合作研究，并制造出超声波互相关流量测量装置6

27、。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在线流动参数检测技术，利用流体部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流动速度测量转化为流体通过在不同位置两传感器间的时延估计问题。其测量精度与流体的温度、浓度无关，是一种高精度测量方法，适合于两相流体及多相流体流量的计量7。2.3.1测量原理基于随机过程中的相关理论，利用流体部自然产生的随机流动噪声现象，将流体的流动速度测量转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间间隔测量问题。如图2.1所示，流体在管道流动时，从相距L的两个结构完全相同的上下游传感器可以分别提取出与被测流体流动状况有关的流动噪声信号x(t)和y(t)，对两路随机信

28、号作互相关运算可以得到互相关函数Rxy()的图形(如图2.2)，互相关函数可由下式计算得出：Rxy()= (21)互相关函数峰值位置所对应的时间位移0一般称之为渡越时间。在满足“凝固”流动模型假设条件下，被测流体混合速度vcp可用相关速度vc来表示，即：vcp=vc= (22)实际流体流动不可能完全符合“凝固”流动模型假设，尤其是在两相或多相流测量中存在相间局部相对运动、速度分布和浓度分布的复杂流动状态，使得相关测速既不等于两相流实际混合速度，也不等于分相实际速度，因此，在式22中引入了流速校正因子K，得到被测流体体积流量Q为5：Q =KvcA = (23)图2.1 相关流量测量的基本原理图2

29、.2 流动噪声信号及互相关函数图2.3.2互相关算法对于两个随机信号x(t)和y(t)，为求得其相关函数，有下面几种计算形式：2.3.2.1归一化算法为了方便地比较和说明上、下游传感器的流动噪声信号x(t)和y(t)相关程度的大小，计算其归一化互相关函数： (24)在上式中，、分别为x(t)、y(t)的均方值。对于的估计可以通过离散化信号样本在时域上的运算实现。具体地，如果以x(k),y(k)(k=0，1，2，N- 1，N+L-1)分别表示等间隔离散化的x(t)和y(t)，则的估计值为下式，(m=0，1，L) (25)上式中，m为对应于延时量的延时点数，对所有的都满足。利用该式对进行估计时，对

30、应于每一个不同的延时量m的，总共需进行2N次的数值乘法和数值加法运算，当样本不断变化时，还需不断地对和进行估计，其运算量更大，而为了提高相关函数测量的实时性，对相关器中乘法和加法运算速度的要相当高的8。2.3.2.2差动自相关算法差动自相关测量系统的构成如图2.3所示。设上、下游两个传感器检测流体随机流动噪声所获得的信号分别为x(t)和y(t)，经差动电路后得 (26)若流体流动符合“凝固”假设，则可认为y(t)为x(t)的延时，故 (27)式中为流体流过两个传感器的渡越时间，故 (28)对z(t)做自相关：=可见z(t)的自相关函数由4部分组成。和分别为x(t)和y(t)信号的自相关数，如果

31、信号为符合平稳遍历性的随机信号，根据随机理论其自相关函数应该为一冲激信号，即 (29)和分别为原点搬移到t=和t=-的自相关函数。当这4者相加时，可以预见，其波形除在t= 0处有一正峰值外，在t=和t=-处应该分别有一负峰值。但是时间t=没有实际意义，因此只要取坐标轴的右半部分找到负峰值所对应的时间就可以确定流体的渡越时间，见图2.4。由图2.3可见，差动自相关测量方法除需两个独立检测转换电路外，系统的后续处理电路只用一路。这样，只需保证传感器和转换电路的对称性，而硬件电路大为简化，技术难度和成本都大大降低。用差动自相关的方法使2个传感器互为参照，可以从原理上做到很好地、动态地抵消传感器初始值的影响，使输出信号只与扰动量有关系，大大提高检测灵敏度，并可以减少后续数据处理的工作量9。差动自相关与互相关法从原理上很相似，但比它更具有以下几大突出的优点:(1)减少了对系统对称性的要求，提高了整个系统的性价比。只要保证传感器和转换电路的对称性，对