专利名称：微机化在线实时两相流快速测量相关仪的制作方法
技术领域：
本发明属测速装置。
许多工业生产过程常会遇到气固、液固和气液两相流流量的测定。常规测定法因一般存有阻力件，引起流体压力损失、阻力件磨损、腐蚀乃致阻塞而精度降低。电磁流量计虽可无阻挡测量，但它也只限于对具有导电性能的介质测量。
互相关流量测量仪可采用多种原理的传感器获取流动噪声信号(电容式、超声波式传感器等)，实现无阻挡或非接触测量，从而避免了上述缺陷。
用相关仪测量两相流流速和流量，是以相距一定距离L的两个相同传感器在不同时刻所采集的上下游信号x(t)、y(t)必然存在着一定的相关性或相近性原理为依据的。设上下游信号分别为x(t)、y(t)，则它们的相关函数应为
式中τ-流体流动时间t-采集信号时刻T-采集信号所需时间显然，当Rxy(τ)出现峰值Rm(τo)时，x(t)和y(t)应最为相近，此时流体流动时间τ＝τo即为流体流经距离L所需渡越时间(见
图1b)。从而获得流速V＝L/τo，流量Q＝V·A(A-管道横截面积)。
在实际应用中(1)式中的积分时间只能取有限值，此时Rxy(τ)＝ (l)/(T) ∫Tox(t-τ)y(t)dt(2)图1a即为互相关流量测量原理示意图。图中1-两相流介质，2-介质管道，3-传感器，其他为程序匡图。
为简化相关计算，将x(t)、y(t)进行1比特量化，得极性信号X(i)、Y(i)，其相关函数为RXY(j)=1NΣi=1NX(i)Y(i+j)(3)]]>式中i-取样序号j-不同时刻下相关值对应的等分延时值N-信号平均次数可以证明，当信号x(t)、y(t)为高斯型信号时，极性信号X(i)、Y(i)的相关函数与原信号x(t)、y(t)的相关函数的峰值位置重合。故实际计算是寻找RXY(j)最大值(即峰值)所对应的延时值j＝n，从而得到τo＝n·△(△-采样周期)。
互相关两相流测量法，需对大量采集信号进行数据处理。目前采用的相关仪有两种以大规模集成电路为核心的硬件式相关仪，处理数据虽快，但灵活性差，成本过高。与此相反，以普通微处理器或单片机为核心的软件式相关仪，虽然灵活，成本低。但处理数据需时太长(目前较好的情况处理时间长达几秒)，难以满足在线实时两相流测量要求。此种以传感器、单片机、显示器、键盘、接口电路和采样保持器所组成的微机化在线实时两相流测量相关仪之所以实时性能较差，主要原因或是因其机型选择不当，或是因其采样接口电站接法不妥，使信号采集和寄存未能象本发明后边所叙述的依序每八对存贮在各个寄存器中，当然也就不能在相关值计算时，通过一次异或操作同时完成八对X、Y信号比较。加之现有软件式相关仪在数据处理时，对极性相同的相关值个数采用一一累加并逐点比较寻找相关值峰值的方式使数据处理时间大大延长(见M·S·Beck，CorrelationinInstrumentsCrossco-rrelationFlowmeters，J·Phys.ESci.Instrum.，Vol.14，PP·7-19，No·1，1981。徐苓安，相关流量测量技术，天津大学出版社，1988。J·Coulthard，ThePrincipleofUltrasonicCrosscorrelationFlowmetering，MeasurementandControl，Vol.8，PP·65-70，February，1975)。
本发明的目的就在于显著缩短软件式相关仪的数据处理时间，提高实时效能以满足两相流测量要求。
本发明的核心内容在于采用Z8671型单片机，并采用由上下游极性信号采集处用两线接到单片机的一个并行口的高两位口线上的采样接口电路，从而使信号的采集和寄存能利用单片机内多个寄存器可以串联移位的特点，在信号采集过程中，使每个存贮单元依序存贮8个采集信号。即首先将同一时刻的极性信号X·Y通过一个并行口取入寄存器A，随后将寄存器A与寄存器B、C分别构成串联方式，使信号X移入B内、信号Y移入C内(见图2a)。当B·C内依序寄存的信号X·Y分别达到8个时，则将B·C中的内容送到X·Y信号各自的存放区。此后，每取一次X·Y信号均照上法将B·C中内容依序向X·Y各自存放区移送一次，直至将所需信号全部采入(见图2·b·d，图中，b为X存放区，d为Y存放区)。这就使在随后的RXY(j)的计算和比较可通过一次异或操作同时完成8对X·Y比较。如R(5)的计算形式可表示为
式中+表示异或由上述过程可见，将八点的数据存放于一个寄存器内，是在采样过程中完成的，不需要额外的处理时间。一次异或操作可以实现八点X、Y采样值的比较，提高了比较效率，同时，使相关计算时所需的内存、外存之间的数据传送次数大幅度减少，减轻了由于普通微处理器内存容量小，其处理数据的实时性受影响的程度。
经极性化处理后，信号均为“0”或“1”，信号的乘积变为比较，积分变为累加。设式(3)的N点比较中，有P点的信号极性相同，q点的信号极性相反，p+q＝N，因此极性相关函数可以表示成如下的计算形式RXY(j)＝ 1/(N) (p-q)(4)RXY(j)＝ 1/(N) (2p-N)(5)可见，可以由式(5)代替式(3)求相关值，只累加极性相同的点，而对极性相反的点不减，可以减少计算量。软件式相关仪可以由计算机的异或指令进行极性异同比较，相同极性比较结果为“0”，不同极性比较结果为“1”。
发明人利用N点比较时每8对X·Y比较可能出现极性相同的结果即“0”的个数有一定规律的特点，以表格形式将其存入单片机(见表1)，从而使每8对X、Y极性相同个数的累加变为一次查表可得。此外，发明人还以先粗扫描，然后运用二分法搜索相关函数峰值方法替代逐点比较寻找峰值，即在一定峰值搜索范围，确定起点jo、终点je，将jo至je按一定点数ω等分，计算各分隔点处的相关值，找出其中最大值所对应的延时值j1，随后以j1为中心分别求出R(j1+ (ω)/2 )，R(j1- (ω)/2 )，比较R(j1)、R(j1+ (ω)/2 )、R(j1- (ω)/2 )，找出三者中最大值所对应的延时值表1二进制排列
j2，再以j2为中心分别求出R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，比较R(j2)、R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，找出其中最大值所对应的延时值j3等等，依次类推，直至求出分辨率为1个采样间隔的峰值所对应的延时值j＝n为止。例如取峰值搜索范围即相关仪测量窗口为127点，假设取jo＝20(测量起点可变)，je＝148，将20～148每ω＝16点分隔一次，然后并行的计算R(36)、R(52)、R(68)、R(84)、R(100)、R(116)、R(132)，找出其中最大值所对应的延时值j1，计算R(j1+8)，R(j1-8)，比较R(j1)、R(j1+8)、R(j1-8)，找出其中最大值对应的延时值j2，计算R(j2+4)、R(j2-4)……等等，直到求出分辨率为1个采样间隔的峰值对应的延时值j＝n，随后计算τo＝n·△、V＝L/τo，Q＝V·A。
由于本发明采用了二述措施，使本发明与现有技术相比，其数据处理时间大大缩短，实时性能显著提高。
表2即为发明人以Z8671单片机(晶振为7.3728兆赫)为核心的软件相关仪在测量窗口为127点，以二进制序列伪随机信号发生器为工具时所获得的实时测量结果。表中平均每秒测量次数包含采样时间。如当N＝256时(现有技术通常所取的值)，一次测量为42毫秒，除去采样时间，数据处理仅为10毫秒。
表2实时性能测试结果
权利要求
1.一种由传感器、单片机、显示器、键盘、接口电路及采样保持器所组成的微机化在线实时两相流快速测量相关仪，其特征在于a.所说的单片机是Z2871单片机；b.其采样接口电路是由两线从上下游信号采集处接到单片机的一个并行口的高两位口线上。
2.一种微机化在线实时两相流快速测量相关仪的测量方法，它包括采集和寄存信号，计算和比较相关值RXY(j)，确定RXY(j)的峰值及相应延时值j＝n，计算渡越时间τo＝n·△(△为采样周期)，流速V＝L/τo(L为流体流径距离)及流量Q＝V·A(A为管道横截面积)，其特征在于a.所说的采集和寄存信号是指利用Z8671单片机内多个寄存器可以串联移位的特点，在信号采集过程中，使每个存贮单元依序存贮8个信号，即首先将同一时刻的极性信号X·Y通过一个并行口取入寄存器A，随后将寄存器A与寄存器B、C分别构成串联方式，使信号X移入B内、信号Y移入C内，当B、C内依序寄存的信号X·Y分别达到8个小时，则将B、C中内容送到X、Y各自的存放区，此后，每取一次X、Y信号均照上法将B、C中内容依序向X、Y各自存放区移送一次，直至将所需信号全部采入;b.所说的计算和比较RXY(j)是指通过一次异或操作同时完成8对X、Y信号的比较，并利用8点比较时可能出现极性相同的结果即“0”的个数有一定规律的特点，以表格形式存入单片机内，使每8对X、Y极性相同个数的累加变为一次查表;c.所说的确定RXY(j)峰值及相应延时值j＝n是指先粗扫描，然后运用二分法搜索相关函数峰值的方法替代逐点比较寻找峰值，即在一定峰值搜索范围，确定起点jo、终点je，将jo至je按一定点数ω等分，计算各分隔点处的相关值，找出其中最大值所对应的延时值j1，随后j1为中心，分别求出R(j1+ (ω)/2 )、R(j1- (ω)/2 )，再比较R(j1)、R(j1+ (ω)/(2·2) )、R(j1- (ω)/2 )，找出三者中最大值所对应的延时值j2，再以j2为中心计算R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，比较R(j2)R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，找出三者中最大值所对应的延时值j3等等，依此类推，直至求出分辨率为1个采样间隔的峰值所对应的延时值j＝n。
全文摘要
本发明属测速装置。本发明利用Z8671型单片机，采用从上下游极性信号采集处由两线接到单片机的一个并行口的高两位口线上的采样接口电路及特有的信号存贮和数据处理方法，一举获得以单片机为核心的两相流快速测量相关仪。此发明比硬件式相关仪使用灵活、成本低；比其他软件式相关仪数据处理需时显著缩短(仅为其千分之几)，具有较高实时性，能广泛满足两相流测量要求。
文档编号G01F1/712GK1074535SQ9210008
公开日1993年7月21日 申请日期1992年1月15日 优先权日1992年1月15日
发明者程瑞雪, 王绍纯, 张黎军, 张浔 申请人:北京科技大学