專利名稱：微機化在線實時兩相流快速測量相關儀的制作方法
技術領域：
本發明屬測速裝置。
許多工業生產過程常會遇到氣固、液固和氣液兩相流流量的測定。常規測定法因一般存有阻力件，引起流體壓力損失、阻力件磨損、腐蝕乃致阻塞而精度降低。電磁流量計雖可無阻擋測量，但它也只限于對具有導電性能的介質測量。
互相關流量測量儀可采用多種原理的傳感器獲取流動噪聲信號(電容式、超聲波式傳感器等)，實現無阻擋或非接觸測量，從而避免了上述缺陷。
用相關儀測量兩相流流速和流量，是以相距一定距離L的兩個相同傳感器在不同時刻所采集的上下游信號x(t)、y(t)必然存在著一定的相關性或相近性原理為依據的。設上下游信號分別為x(t)、y(t)，則它們的相關函數應為
式中τ-流體流動時間t-采集信號時刻T-采集信號所需時間顯然，當Rxy(τ)出現峰值Rm(τo)時，x(t)和y(t)應最為相近，此時流體流動時間τ＝τo即為流體流經距離L所需渡越時間(見

圖1b)。從而獲得流速V＝L/τo，流量Q＝V·A(A-管道橫截面積)。
在實際應用中(1)式中的積分時間只能取有限值，此時Rxy(τ)＝ (l)/(T) ∫Tox(t-τ)y(t)dt(2)圖1a即為互相關流量測量原理示意圖。圖中1-兩相流介質，2-介質管道，3-傳感器，其他為程序匡圖。
為簡化相關計算，將x(t)、y(t)進行1比特量化，得極性信號X(i)、Y(i)，其相關函數為RXY(j)=1NΣi=1NX(i)Y(i+j)(3)]]>式中i-取樣序號j-不同時刻下相關值對應的等分延時值N-信號平均次數可以證明，當信號x(t)、y(t)為高斯型信號時，極性信號X(i)、Y(i)的相關函數與原信號x(t)、y(t)的相關函數的峰值位置重合。故實際計算是尋找RXY(j)最大值(即峰值)所對應的延時值j＝n，從而得到τo＝n·△(△-采樣周期)。
互相關兩相流測量法，需對大量采集信號進行數據處理。目前采用的相關儀有兩種以大規模集成電路為核心的硬件式相關儀，處理數據雖快，但靈活性差，成本過高。與此相反，以普通微處理器或單片機為核心的軟件式相關儀，雖然靈活，成本低。但處理數據需時太長(目前較好的情況處理時間長達幾秒)，難以滿足在線實時兩相流測量要求。此種以傳感器、單片機、顯示器、鍵盤、接口電路和采樣保持器所組成的微機化在線實時兩相流測量相關儀之所以實時性能較差，主要原因或是因其機型選擇不當，或是因其采樣接口電站接法不妥，使信號采集和寄存未能象本發明后邊所敘述的依序每八對存貯在各個寄存器中，當然也就不能在相關值計算時，通過一次異或操作同時完成八對X、Y信號比較。加之現有軟件式相關儀在數據處理時，對極性相同的相關值個數采用一一累加并逐點比較尋找相關值峰值的方式使數據處理時間大大延長(見M·S·Beck，CorrelationinInstrumentsCrossco-rrelationFlowmeters，J·Phys.ESci.Instrum.，Vol.14，PP·7-19，No·1，1981。徐苓安，相關流量測量技術，天津大學出版社，1988。J·Coulthard，ThePrincipleofUltrasonicCrosscorrelationFlowmetering，MeasurementandControl，Vol.8，PP·65-70，February，1975)。
本發明的目的就在于顯著縮短軟件式相關儀的數據處理時間，提高實時效能以滿足兩相流測量要求。
本發明的核心內容在于采用Z8671型單片機，并采用由上下游極性信號采集處用兩線接到單片機的一個并行口的高兩位口線上的采樣接口電路，從而使信號的采集和寄存能利用單片機內多個寄存器可以串聯移位的特點，在信號采集過程中，使每個存貯單元依序存貯8個采集信號。即首先將同一時刻的極性信號X·Y通過一個并行口取入寄存器A，隨后將寄存器A與寄存器B、C分別構成串聯方式，使信號X移入B內、信號Y移入C內(見圖2a)。當B·C內依序寄存的信號X·Y分別達到8個時，則將B·C中的內容送到X·Y信號各自的存放區。此后，每取一次X·Y信號均照上法將B·C中內容依序向X·Y各自存放區移送一次，直至將所需信號全部采入(見圖2·b·d，圖中，b為X存放區，d為Y存放區)。這就使在隨后的RXY(j)的計算和比較可通過一次異或操作同時完成8對X·Y比較。如R(5)的計算形式可表示為
式中+表示異或由上述過程可見，將八點的數據存放于一個寄存器內，是在采樣過程中完成的，不需要額外的處理時間。一次異或操作可以實現八點X、Y采樣值的比較，提高了比較效率，同時，使相關計算時所需的內存、外存之間的數據傳送次數大幅度減少，減輕了由于普通微處理器內存容量小，其處理數據的實時性受影響的程度。
經極性化處理后，信號均為“0”或“1”，信號的乘積變為比較，積分變為累加。設式(3)的N點比較中，有P點的信號極性相同，q點的信號極性相反，p+q＝N，因此極性相關函數可以表示成如下的計算形式RXY(j)＝ 1/(N) (p-q)(4)RXY(j)＝ 1/(N) (2p-N)(5)可見，可以由式(5)代替式(3)求相關值，只累加極性相同的點，而對極性相反的點不減，可以減少計算量。軟件式相關儀可以由計算機的異或指令進行極性異同比較，相同極性比較結果為“0”，不同極性比較結果為“1”。
發明人利用N點比較時每8對X·Y比較可能出現極性相同的結果即“0”的個數有一定規律的特點，以表格形式將其存入單片機(見表1)，從而使每8對X、Y極性相同個數的累加變為一次查表可得。此外，發明人還以先粗掃描，然后運用二分法搜索相關函數峰值方法替代逐點比較尋找峰值，即在一定峰值搜索范圍，確定起點jo、終點je，將jo至je按一定點數ω等分，計算各分隔點處的相關值，找出其中最大值所對應的延時值j1，隨后以j1為中心分別求出R(j1+ (ω)/2 )，R(j1- (ω)/2 )，比較R(j1)、R(j1+ (ω)/2 )、R(j1- (ω)/2 )，找出三者中最大值所對應的延時值表1二進制排列
j2，再以j2為中心分別求出R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，比較R(j2)、R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，找出其中最大值所對應的延時值j3等等，依次類推，直至求出分辨率為1個采樣間隔的峰值所對應的延時值j＝n為止。例如取峰值搜索范圍即相關儀測量窗口為127點，假設取jo＝20(測量起點可變)，je＝148，將20～148每ω＝16點分隔一次，然后并行的計算R(36)、R(52)、R(68)、R(84)、R(100)、R(116)、R(132)，找出其中最大值所對應的延時值j1，計算R(j1+8)，R(j1-8)，比較R(j1)、R(j1+8)、R(j1-8)，找出其中最大值對應的延時值j2，計算R(j2+4)、R(j2-4)……等等，直到求出分辨率為1個采樣間隔的峰值對應的延時值j＝n，隨后計算τo＝n·△、V＝L/τo，Q＝V·A。
由于本發明采用了二述措施，使本發明與現有技術相比，其數據處理時間大大縮短，實時性能顯著提高。
表2即為發明人以Z8671單片機(晶振為7.3728兆赫)為核心的軟件相關儀在測量窗口為127點，以二進制序列偽隨機信號發生器為工具時所獲得的實時測量結果。表中平均每秒測量次數包含采樣時間。如當N＝256時(現有技術通常所取的值)，一次測量為42毫秒，除去采樣時間，數據處理僅為10毫秒。
表2實時性能測試結果
權利要求
1.一種由傳感器、單片機、顯示器、鍵盤、接口電路及采樣保持器所組成的微機化在線實時兩相流快速測量相關儀，其特征在于a.所說的單片機是Z2871單片機；b.其采樣接口電路是由兩線從上下游信號采集處接到單片機的一個并行口的高兩位口線上。
2.一種微機化在線實時兩相流快速測量相關儀的測量方法，它包括采集和寄存信號，計算和比較相關值RXY(j)，確定RXY(j)的峰值及相應延時值j＝n，計算渡越時間τo＝n·△(△為采樣周期)，流速V＝L/τo(L為流體流徑距離)及流量Q＝V·A(A為管道橫截面積)，其特征在于a.所說的采集和寄存信號是指利用Z8671單片機內多個寄存器可以串聯移位的特點，在信號采集過程中，使每個存貯單元依序存貯8個信號，即首先將同一時刻的極性信號X·Y通過一個并行口取入寄存器A，隨后將寄存器A與寄存器B、C分別構成串聯方式，使信號X移入B內、信號Y移入C內，當B、C內依序寄存的信號X·Y分別達到8個小時，則將B、C中內容送到X、Y各自的存放區，此后，每取一次X、Y信號均照上法將B、C中內容依序向X、Y各自存放區移送一次，直至將所需信號全部采入;b.所說的計算和比較RXY(j)是指通過一次異或操作同時完成8對X、Y信號的比較，并利用8點比較時可能出現極性相同的結果即“0”的個數有一定規律的特點，以表格形式存入單片機內，使每8對X、Y極性相同個數的累加變為一次查表;c.所說的確定RXY(j)峰值及相應延時值j＝n是指先粗掃描，然后運用二分法搜索相關函數峰值的方法替代逐點比較尋找峰值，即在一定峰值搜索范圍，確定起點jo、終點je，將jo至je按一定點數ω等分，計算各分隔點處的相關值，找出其中最大值所對應的延時值j1，隨后j1為中心，分別求出R(j1+ (ω)/2 )、R(j1- (ω)/2 )，再比較R(j1)、R(j1+ (ω)/(2·2) )、R(j1- (ω)/2 )，找出三者中最大值所對應的延時值j2，再以j2為中心計算R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，比較R(j2)R(j2+ (ω)/(2·2) )、R(j2- (ω)/(2·2) )，找出三者中最大值所對應的延時值j3等等，依此類推，直至求出分辨率為1個采樣間隔的峰值所對應的延時值j＝n。
全文摘要
本發明屬測速裝置。本發明利用Z8671型單片機，采用從上下游極性信號采集處由兩線接到單片機的一個并行口的高兩位口線上的采樣接口電路及特有的信號存貯和數據處理方法，一舉獲得以單片機為核心的兩相流快速測量相關儀。此發明比硬件式相關儀使用靈活、成本低；比其他軟件式相關儀數據處理需時顯著縮短(僅為其千分之幾)，具有較高實時性，能廣泛滿足兩相流測量要求。
文檔編號G01F1/712GK1074535SQ9210008
公開日1993年7月21日 申請日期1992年1月15日 優先權日1992年1月15日
發明者程瑞雪, 王紹純, 張黎軍, 張潯 申請人:北京科技大學