基于LabVIEW的互相關流速

1、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）基于labview的互相關流速測量系統(tǒng)的設計摘 要兩相流在自然界和工業(yè)過程中是普遍存在的，其中離散相的運動速度、尺寸、位置等參數(shù)的監(jiān)測是一個非常重要的測量研究課題。兩相流相關測速系統(tǒng)主要由上、下游傳感器把流動噪聲信號的變化轉(zhuǎn)化為電信號的變化，然后通過放大，濾波，a/d轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號送到互相關器處理，最后輸出渡越時間，進行流速的計算。本設計采用虛擬儀器技術和互相關原理相結合，設計了互相關流體流速測量儀。該方法利用了上、下游流動噪聲信號的相關性，通過求兩通道中信號與信號的互相關函數(shù)，得到兩個信號的時延，在已知兩傳感器間距l(xiāng)的情況下，知道兩個信號的時延可以

2、求出流體的流速。設計中用labview語言編制程序，模擬生成隨機流動噪聲信號，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)采集卡中，之后再將數(shù)據(jù)采集出來做各種相關運算。本設計闡述了基于虛擬儀器技術和互相關原理流體流速測量儀的實現(xiàn)過程，給出了使用labview語言的核心程序，并對結果誤差進行了分析。關鍵詞：兩相流；互相關；虛擬儀器；流速測量the system of cross-correlation velocity measurement base on labviewabstractthe two-phase flow is widespread in nature and industrial processes.t

3、he measurement 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 amplifi

4、cation，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

5、method 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 acquisitio

6、n the 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

7、目 錄摘 要iabstractii第一章 引言11.1兩相流測量的應用背景11.2我國流量儀表的發(fā)展及現(xiàn)狀11.2.1概述11.2.2我國流量儀表的發(fā)展回顧21.2.3流量儀表總體的技術發(fā)展方向31.2.4對流量測量技術的展望3第二章 相關流量測量技術42.1相關流量測量技術簡介42.2相關測量技術的發(fā)展簡史42.3互相關知識簡介52.3.1測量原理52.3.2互相關算法歸一化算法差動自相關算法72.4相關流量測量的特點92.5相關測試系統(tǒng)的構成92.6相關流量計的局限性102.7相關流量測量技術未來的發(fā)展方向10第三章 虛擬儀器簡介123.1虛擬儀器簡介123

8、.1.1虛擬儀器簡介123.1.2虛擬儀器的發(fā)展過程123.1.3虛擬儀器系統(tǒng)的構成虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成143.1.4虛擬儀器的分類143.1.5虛擬儀器的技術優(yōu)勢153.2 labview簡介163.2.1 labview簡介163.2.2 labview的作用173.2.3 labview的優(yōu)點173.3數(shù)據(jù)采集技術183.3.1數(shù)據(jù)采集技術簡介183.3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成傳感器和變換器信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集設備203.3.3 pc與軟件21第四章 基于labview的互相關流速

9、測量系統(tǒng)的設計234.1系統(tǒng)總體方案設計234.2前面板的設計234.2.1用戶登錄界面254.2.2模擬采樣信息更改界面和模擬信號生成界面264.2.3相關算法實現(xiàn)界面274.2.4數(shù)據(jù)保存回放界面294.2.5流速計算界面294.3程序框圖的設計304.3.1用戶登陸程序313.3.2模擬信號生成程序314.3.3相關算法程序模塊324.3.4計算流體流速程序334.3.5波形保存程序344.3.6數(shù)據(jù)回放程序34總結35參考文獻36附錄37附錄a37附錄b38致謝3942第一章 引言1.1兩相流測量的應用背景隨著科學技術的發(fā)展，多相流動體系在國民經(jīng)濟和人類生活中的地位日益重要。它遍布于化

10、工、冶金、能源、環(huán)保、輕工和軍工等各個工業(yè)領域，煤粉輸送、原油開采、污水排放、紙漿輸送、粉塵測量、氣力輸送等生產(chǎn)過程均存在多相流體的測量問題。由于多相流各相流體的動力學特性極其復雜，因此多相流的測量迄今為止在國際上尚未得到滿意的解決。多相流動體系，通常是由兩種連續(xù)介質(zhì)和若干種不連續(xù)介質(zhì)組成的，連續(xù)介質(zhì)通常稱為連續(xù)相，不連續(xù)介質(zhì)如固體顆粒、水泡、液滴等稱為分散相(或非連續(xù)相)。根據(jù)流體中包括物質(zhì)相數(shù)目的不同多相流一般可以分為兩相和三相流。根據(jù)組分物理狀態(tài)的不同，兩相流一般又分為氣/液、氣/固、液/固、液/液(如油/水)兩相流；三相流一般分為氣/液/液、氣/液/固三相流等。多相流動體系中又以兩相流

11、動體系最為普遍。兩相流動體系在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中設計范圍十分廣泛，例如，自然界的大漠揚沙，江河的泥沙俱下，以及空氣中煙塵彌漫都是與人類生活有關的兩相流現(xiàn)象。兩相流由兩種組分構成，而各組分之間存在著密度、粘度等物理性質(zhì)上的差異，在重力、溫度、壓力、各相流量及管道形狀等諸多因素的作用下兩相流的各組分之間會產(chǎn)生滑脫及隨機可變的相界面效應，因此其物理特性和數(shù)學描述比單相流檢測復雜得多，致使兩相流參數(shù)檢測難度很大。要認清兩相流體系的復雜現(xiàn)象，揭示兩相流運動的機理，建立兩相流動模型并對流動過程進行預測或控制，首先要解決的就是兩相流檢測的技術問題。隨著海洋石油開采和海洋高技術的發(fā)展，尤其是混相增壓和混相計量

12、技術的需求，加之工業(yè)生產(chǎn)過程中計量、節(jié)能和控制精度的提高，對于兩相流參數(shù)檢測的要求越來越迫切。此外，兩相流參數(shù)檢測技術還能為流體力學工作者提供強有力的實驗手段，促進兩相流體力學理論的發(fā)展，為兩相流過程工藝設計提供理論依據(jù)。幾十年來，國內(nèi)外科技工作者在解決兩相流流動參數(shù)的檢測問題上開展了大量的理論與實驗研究工作，已經(jīng)取得了一些成果，近年來，基于多相流流動特征信號提取流動參數(shù)的軟測量方法取得了一定進展。同時研發(fā)出了一些商品化的多相流量計產(chǎn)品，并在一定范圍內(nèi)得到應用，但是仍存在許多問題1。1.2我國流量儀表的發(fā)展及現(xiàn)狀1.2.1概述流量計量廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設、科學研究、對外貿(mào)易以及人民生

13、活各個領域，目前，已投入使用的流量計已超過100種，按測量原理分，主要有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等2。流量、溫度和壓力被公認為熱工計量的三大重要參數(shù)，隨著工業(yè)及經(jīng)濟的發(fā)展，流量計量技術及產(chǎn)品日新月異。具有悠久歷史的流量測量，可追溯到公元1000年前古埃及測量尼羅河水流量。西方國家工業(yè)革命的實施，推動了流量測量技術的迅速發(fā)展，產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。特別是20世紀，過程測量能源計量、環(huán)境保護、交通運輸?shù)葢妙I域?qū)α髁繙y量的需求急速增長，同時，由于電子技術、特別是微電子技術的迅速發(fā)展，為流量儀表的制造技術提供一代又一代電子元器件，進一步推動了流量儀表從機械式、機電一體

14、化、智能化、模塊化等的推陳出新。當今，微電子技術對流量儀表的發(fā)展之影響舉足輕重，基于大規(guī)模集成電路及通訊技術的應用，總線型、智能化、具有遠程校準、自診斷等功能的流量儀表，成為了流量儀表中的新生代，引領著現(xiàn)代流量計量儀表的新潮流和新趨勢。新技術、新器件、新材料、新工藝和新軟件的開發(fā)應用，使得流量儀表的測量準確度越來越高，測量的流量范圍越來越大，儀表對測量介質(zhì)的要求降低，適用范圍越來越寬，對實現(xiàn)智能化其使用更為方便并越來越傻瓜化，產(chǎn)品的可靠性得到了很大的提高。伴隨著基礎工業(yè)的發(fā)展，我國流量儀表在趕超先進水平的過程中，機遇與困難并存，實現(xiàn)趕超還要走一段較長的路。31.2.2我國流量儀表的發(fā)展回顧我國

15、歷史上，早在戰(zhàn)國時期“都江堰”污水工程中，就在崖壁上刻了“水則”用來測量水位，控制流量，這同古羅馬用孔板測量居民用水的流量和古埃及用堰槽方法測量尼羅河的流量一樣，都是古代人智慧的結晶。近代歷史上，我國作為一個半殖民地半封建的國家，受到外國列強的勢力瓜分，根本沒有自己的民族工業(yè)，也沒有我們自己的儀表工業(yè)，更沒有我國的流量儀表工業(yè)可言。新中國成立后，隨著第一個5年計劃的實施， 在原蘇聯(lián)援助項目的帶動下，我國引進使用了許多蘇聯(lián)的流量儀表，上海一些儀表制造企業(yè)陸續(xù)仿制這些產(chǎn)品，形成了一定的流量儀表生產(chǎn)能力，如孔板流量計、文丘利節(jié)流裝置、橢圓齒輪流量計、浮子式水銀差壓計等。50年代末到60年代，由上海熱

16、工儀表研究所（上海工業(yè)自動化儀表研究所）、沈陽玻璃儀器廠、上海光華儀表廠、開封儀表廠、哈爾濱儀表廠等開發(fā)生產(chǎn)玻璃轉(zhuǎn)子流量計、電磁流量計、渦輪流量計、腰輪流量計等，70年代到80年代，北京化工研究院、重慶工業(yè)自動化儀表研究所、上海工業(yè)自動化儀表研究所、上海自動化儀表九廠等先后開發(fā)了熱式質(zhì)量流量計、渦街流量計、旋進旋渦流量計、超聲波流量計、刮板流量計等流量儀表。90年代，太行儀表廠、湖北儀表廠、合肥儀表廠、北京自動化儀表研究所等先后研究開發(fā)科里奧利質(zhì)量流量計、雙轉(zhuǎn)子流量計、液體多聲道超聲波流量計、流量、溫度、壓力組合式一體化流量計等等3。1.2.3流量儀表總體的技術發(fā)展方向隨著電子技術軟件技術的發(fā)

17、展，特別是傳感器技術的發(fā)展，使流量儀表的多參數(shù)測量已成可能，流量計不同的原理和信號為不同參量的測量提供相應的測量方法，有待人們進一步研究并使之成為產(chǎn)品。相關技術主要有：(1)超聲波流量計的技術開發(fā)(2)科里奧利質(zhì)量流量計新技術(3)渦街流量計(4)一體型流量儀表的研究開發(fā)(5)夾裝式管道用超聲波流量計的現(xiàn)場應用技術開發(fā)(6)小流量及微流量測量 (7)多相流量計量技術研究31.2.4對流量測量技術的展望流量測量技術發(fā)展到今天雖然已日趨成熟 ,但其種類仍然不斷增加、新的結構、新的用途的流量儀表不斷涌現(xiàn)。每種流量計都有其適用范圍，也都有局限性，至今尚無一種對于任何場合都適用的流量計。同時，由于流量測

18、量技術的復雜化，以及科學技術的迅速發(fā)展給流量計量提出更新更高的要求，流量計量的現(xiàn)狀遠不能滿足生產(chǎn)的需要，還有大量的流量計量技術問題有待進一步研究解決。特別對腐蝕性流體、臟污流體、高粘性流體、多相流體、微小流量等的檢測，有待進一步發(fā)展更有效的測量手段。4第二章 相關流量測量技術2.1相關流量測量技術簡介相關流量測量技術是以隨機過程相關理論和信息理論為基礎發(fā)展起來的一種在線流動參數(shù)檢測技術。早在上世紀60年代，英國等國家利用隨機函數(shù)互相關理論開展了工業(yè)生產(chǎn)過程中物體移動速度及管道中流體流動速度的測量研究。70年代，相關流量測量技術迅速發(fā)展起來，一些研究成果顯示了相關測量方法在解決環(huán)境惡劣且介質(zhì)復雜

19、的兩相流測量方面的潛力，實現(xiàn)了一些相關流量測量系統(tǒng)。70年代中后期，研究的重點主要是低成本的“高速在線實時互相關器”，以便用于工業(yè)生產(chǎn)，如德國的e+h及英國的kent公司。但是，到80年代中期，相關流量測量技術并未因高速相關器的實現(xiàn)而在工業(yè)中得到廣泛應用，對相關流量測量技術的研究又轉(zhuǎn)到隨機信號相關理論、流場變化對傳感器作用、流動噪聲信號提取與處理、傳感器設計等方面。進入90年代，相關測速代表的實際物理含義解釋成為制約相關流量測量技術發(fā)展的重要因素，建立相關測速與流體實際流速間準確、有效關聯(lián)物理模型成為相關流量測量理論的發(fā)展重點。52.2相關測量技術的發(fā)展簡史(1)50年代常用模擬式相關器，采用

20、模擬電路計算相關函數(shù)，模擬技術(乘法器、積分器)精度低，零漂大，工作頻率不夠高，模擬信號的時延設備復雜，所以被后來的數(shù)字式相關器替代了。在數(shù)字式相關器中，用數(shù)字技術計算相關函數(shù)，數(shù)字乘法器精度高，但結構復雜。對高頻信號，因舍棄樣點，減少量化的比特數(shù)而導致誤差。(2)1962年由p.jespers等提出采用1比特量化的極性重合相關器，簡化了乘法器與積分器，使電路大為簡化，提高了運算速度。具有數(shù)字式相關器時延簡單、無零漂等優(yōu)點，特別適用于高頻信號，但測量結果的隨機誤差較大。(3)1973年a.m.hayes提出了兩種簡化方法來簡化相關器的設計，降低其價格，實現(xiàn)速度顯示。第一種方法是粗量化方法:對輸

21、入信號之一或兩者作8比特或12比特的粗糙量化處理；第二種方法是兩點差分法:使兩個相關函數(shù)在兩個時延值處的差值趨于零。存在問題是積分時間的取值及流速變化時響應慢等。(4)1979年，henry提出渡越零點極性相關的算法，從而使相關計算的軟件實現(xiàn)成為可能，并在280上成功實現(xiàn)了這種算法，效率高、運算速度快，而且不需外加電路。但此法需記錄零點信號數(shù)據(jù)，只適用于信號帶寬小于2.5khz的場合。(5)1989年，harba提出了一種“塊采樣”的極性算法，可同時采集一批輸入信號，采樣率高，速度快，所需存貯量少于零點渡越法，計算時間短(比零點渡越法快)，不需專門硬件，應用范圍廣。22.3互相關知識簡介基于互

22、相關法進行流量測量早在60年代提出后，c o u l t h l a r d 、me s c h、b e c h等科學家對該方法進行了深入的研究，隨著對高精度非接觸式多相流流量測量的需求日益增大，基于相關函數(shù)的流量測量方法重新引起科學界的重視。德國科學研究院已于1997年批準資助由兩個大學八個研究所提出的重點研究項目“流量測量中的流體動力學基礎研究”，其中九個子項目之一是“基于相關函數(shù)和多極配置的聲學體積流量測量方法研究”。為了克服國內(nèi)基礎設施相對較弱的現(xiàn)狀，西安工業(yè)大學教授王磊、西安工業(yè)大學博士生王智慧與德國essen大學在該領域進行了合作研究，并制造出超聲波互相關流量測量裝置6?；ハ嚓P流量

23、測量技術是以隨機過程的互相關理論為基礎發(fā)展起來的一種在線流動參數(shù)檢測技術，利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流動速度測量轉(zhuǎn)化為流體通過在不同位置兩傳感器間的時延估計問題。其測量精度與流體的溫度、濃度無關，是一種高精度測量方法，適合于兩相流體及多相流體流量的計量7。2.3.1測量原理基于隨機過程中的相關理論，利用流體內(nèi)部自然產(chǎn)生的隨機流動噪聲現(xiàn)象，將流體的流動速度測量轉(zhuǎn)化為流體通過相距一定距離的兩截面的時間間隔測量問題。如圖2.1所示，流體在管道內(nèi)流動時，從相距l(xiāng)的兩個結構完全相同的上下游傳感器可以分別提取出與被測流體流動狀況有關的流動噪聲信號x(t)和y(t)，對兩路隨機信號作互

24、相關運算可以得到互相關函數(shù)rxy()的圖形(如圖2.2)，互相關函數(shù)可由下式計算得出：rxy()= (21)互相關函數(shù)峰值位置所對應的時間位移0一般稱之為渡越時間。在滿足“凝固”流動模型假設條件下，被測流體混合速度vcp可用相關速度vc來表示，即：vcp=vc= (22)實際流體流動不可能完全符合“凝固”流動模型假設，尤其是在兩相或多相流測量中存在相間局部相對運動、速度分布和濃度分布的復雜流動狀態(tài)，使得相關測速既不等于兩相流實際混合速度，也不等于分相實際速度，因此，在式22中引入了流速校正因子k，得到被測流體體積流量q為5：q =kvca = (23)圖2.1 相關流量測量的基本原理圖2.2

25、流動噪聲信號及互相關函數(shù)圖2.3.2互相關算法對于兩個隨機信號x(t)和y(t)，為求得其相關函數(shù)，有下面幾種計算形式：歸一化算法為了方便地比較和說明上、下游傳感器的流動噪聲信號x(t)和y(t)相關程度的大小，計算其歸一化互相關函數(shù)： (24)在上式中，、分別為x(t)、y(t)的均方值。對于的估計可以通過離散化信號樣本在時域上的運算實現(xiàn)。具體地，如果以x(k),y(k)(k=0，1，2，n- 1，n+l-1)分別表示等間隔離散化的x(t)和y(t)，則的估計值為下式，(m=0，1，l) (25)上式中，m為對應于延時量的延時點數(shù)，對所有的都滿足。利用該式對進行估計時，對應于每

26、一個不同的延時量m的，總共需進行2n次的數(shù)值乘法和數(shù)值加法運算，當樣本不斷變化時，還需不斷地對和進行估計，其運算量更大，而為了提高相關函數(shù)測量的實時性，對相關器中乘法和加法運算速度的要求是相當高的8。差動自相關算法差動自相關測量系統(tǒng)的構成如圖2.3所示。設上、下游兩個傳感器檢測流體隨機流動噪聲所獲得的信號分別為x(t)和y(t)，經(jīng)差動電路后得 (26)若流體流動符合“凝固”假設，則可認為y(t)為x(t)的延時，故 (27)式中為流體流過兩個傳感器的渡越時間，故 (28)對z(t)做自相關：=可見z(t)的自相關函數(shù)由4部分組成。和分別為x(t)和y(t)信號的自相關數(shù)，如果信

27、號為符合平穩(wěn)遍歷性的隨機信號，根據(jù)隨機理論其自相關函數(shù)應該為一沖激信號，即 (29)和分別為原點搬移到t=和t=-的自相關函數(shù)。當這4者相加時，可以預見，其波形除在t= 0處有一正峰值外，在t=和t=-處應該分別有一負峰值。但是時間t=沒有實際意義，因此只要取坐標軸的右半部分找到負峰值所對應的時間就可以確定流體的渡越時間，見圖2.4。由圖2.3可見，差動自相關測量方法除需兩個獨立檢測轉(zhuǎn)換電路外，系統(tǒng)的后續(xù)處理電路只用一路。這樣，只需保證傳感器和轉(zhuǎn)換電路的對稱性，而硬件電路大為簡化，技術難度和成本都大大降低。用差動自相關的方法使2個傳感器互為參照，可以從原理上做到很好地、動態(tài)地抵消傳感器初始值的

28、影響，使輸出信號只與擾動量有關系，大大提高檢測靈敏度，并可以減少后續(xù)數(shù)據(jù)處理的工作量9。差動自相關與互相關法從原理上很相似，但比它更具有以下幾大突出的優(yōu)點:(1)減少了對系統(tǒng)對稱性的要求，提高了整個系統(tǒng)的性價比。只要保證傳感器和轉(zhuǎn)換電路的對稱性，對后面復雜的信號處理電路則要求較小，并共用一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。既減小了技術難度，又減少了硬件電路。(2)能夠提高測量的靈敏度。電容傳感器的本身的初始值大，而信號引起的變化量小。初始值的存在限制了電路的放大倍數(shù)，從而影響了測量靈敏度。采用差動自相關的方法，使兩個傳感器互為參照，從原理上抵消了初始值的影響，且不會增加電路的復雜性。(3)有極好的抗共模干擾的能

29、力。對兩個傳感器受到的因溫度、振動等因素產(chǎn)生的共模干擾對差動自相關系統(tǒng)影響很小10。圖2.3 差動自相關測量系統(tǒng)圖2.4 差動自相關函數(shù)波形2.4相關流量測量的特點用渡越時間相關法測量流量，屬于非接觸式測量方法，即流量檢測元件不與被測流體相接觸，傳感器一般放在管子外壁，不破壞原來流體的流場，也不會造成節(jié)流壓力損失因而節(jié)約能量?？蓽y介質(zhì)的面廣，既可測潔凈液體和氣體又能測臟污流體、漿液及氣/固、液/固兩相流。測得的流量僅與管道體積有關，故不必進行單獨標定，能抑制外界輸入的干擾信號輸出呈線性，精度較高。相關法測流量有廣闊的應用前景11。2.5相關測試系統(tǒng)的構成相關測試系統(tǒng)包括隨機流動噪聲敏感器、流動

30、噪聲信號傳遞通道和互相關器三個關鍵部件。流動噪聲信號檢測系統(tǒng)由測量管段、傳感器以及信號放大、調(diào)節(jié)和濾波等環(huán)節(jié)構成。上、下游傳感器的敏感元件所檢測到的信號，隨噪聲信號分別通過放大、解調(diào)及濾波等環(huán)節(jié)后，包含在其中的隨機噪聲信號被提取出來，并輸入相關測量系統(tǒng)作進一步處理。相關測量系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)相關流量測量。通過比較上、下游流動噪聲信號的相似性，確定流動噪聲信號在上、下游傳感器所在橫截面之間的平均傳遞時間。從某種意義上講,相關流量測量系統(tǒng)要解決的是系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識問題。流動參數(shù)模型描述了參考模型的參數(shù)與被測流體的體積平均流速或體積流量之間的關系。一般來說，根據(jù)流動噪聲信號的檢測原理及傳感器的結構形

31、式，可以對流動參數(shù)模型進行一些定性分析，確定其模型的形式。但由于被測流體流動的復雜性，通過上述分析獲得的流動參數(shù)模型還需要通過定量實驗來驗證6。2.6相關流量計的局限性目前，相關流量計還有一些局限性有待完善。(1)測量精確度不高上、下游信號通道特性的不一致性和互相關運算中平均時間有限時是引起測量誤差的兩個主要原因。目前相關流量計的流速測量精確度可以達到±2%左右。(2)單一流量計測量覆蓋面小由于多項流流型很復雜，相間界面即各相的形態(tài)變化很大，目前尚無一種多相流量計可以覆蓋所有流型范圍。(3)vc的物理意義尚待進一步探討相關速度vc與被測流體的平均速度vcp之間的關系與許多因素有關。由

32、于流動噪聲現(xiàn)象的隨機性，很難根據(jù)單純的理論計算來確定它們的關系。(4)標定工作較為困難122.7相關流量測量技術未來的發(fā)展方向相關流量測量技術以其適用面廣、可實現(xiàn)非接觸式測量顯示出在解決多相流“困難流體”方面的廣泛應用前景，相關流量計從產(chǎn)生、發(fā)展直到今天已經(jīng)取得了長足的進步，相關流量測量技術已從大學實驗室的原理性研究發(fā)展到儀器儀表公司規(guī)?；a(chǎn)并應用于工業(yè)現(xiàn)場在線測量階段，但是，客觀地說，相關流量測量技術仍存在許多尚未解決好的問題，并有待進一步研究和發(fā)展，相關流量測量技術未來發(fā)展方向為：(1)要對相關流量測量系統(tǒng)中的傳感器進行系統(tǒng)優(yōu)化（包括相關測速傳感器及必要的分相含率傳感器)。(2)原來人們

33、認為相關流量測量是一種絕對測量方法，但深入研究后發(fā)現(xiàn)，這個觀點不是完全正確的，相關測速不僅取決于敏感場的區(qū)域范圍及靈敏度分布，還與分散相與敏感場相互作用方式有關（即使兩相流呈均勻分布，由于敏感場各點權因子不同最后的相關測速仍不會等于流體平均流速），兩相流流型復雜多變且流動過程中離散相與連續(xù)相之間滑脫等現(xiàn)象也會使相關測速變得異常復雜。(3)在深入研究相關流量傳感器檢測機理及優(yōu)化設計的基礎上，相關流量計的標定是另一個急待解決的問題13，相關流量計的測量對象大都為“困難流體”，而許多“困難流體”的標定本身就是一個難以解決的困難問題，所以相關流量計的標定問題值得深入研究，多相流標定裝置的水平也有待于進

34、一步提高。(4)相關流量測量系統(tǒng)向智能化信息處理方向發(fā)展及優(yōu)化后的陣列集成傳感器對多相流多種信息挖掘與融合技術研究是保證相關流量測量技術向更寬應用領域發(fā)展的新途徑5。第三章 虛擬儀器簡介3.1虛擬儀器簡介3.1.1虛擬儀器簡介虛擬儀器是現(xiàn)代技術與計算機技術結合的產(chǎn)物。隨著計算機技術特別是計算機的快速發(fā)展，cpu處理能力的增強，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術的進步，人們逐漸認識到，可以把儀器的信號分析和處理、結果的表達與輸出功能轉(zhuǎn)移給計算機來完成。這樣，可以利用計算機的高速計算能力和寬大的顯示屏更好地完成原來的功能。如果在計算機內(nèi)插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集中在一臺計

35、算機中了，而軟件就成了虛擬儀器的關鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國ni公司“軟件就是儀器”一說的來歷。 所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的最大特點是其靈活性，用戶在使用過程中，可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳送以及存儲方面的限制。虛擬儀器技術就是利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和

36、自動化的應用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學家們都已將ni labview圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?.1.2虛擬儀器的發(fā)展過程(1)gpibvsipxi總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）gpib于1978年問世，vxi于1987年問世，pxi于1997年問世。(2)pc插卡并口式串口usb方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應用

37、發(fā)展前景）pc插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口usb方式于1999年問世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：計算機是載體軟件是核心高質(zhì)量的a/d采集卡及調(diào)理放大器是關鍵。 3.1.3虛擬儀器系統(tǒng)的構成虛擬儀器由硬件設備與接口、設備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成，如圖3.1所示。其中，硬件設備與接口可以是各種以pc為基礎的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、vxi總線儀器接口等設備，或者是其它各種可程控的外置測試設備，設備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真

38、實儀器面板操作元素相對應的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。圖3.1 虛擬儀器系統(tǒng)構成圖虛擬儀器系統(tǒng)的硬件構成 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎。因此，計算機技術在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡、總線標準等方面的發(fā)展，導致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測控功能硬件的不同，vi可分為daq、gpib、vxi、pxi和串口總線五種標準體系結構，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模

39、/數(shù)轉(zhuǎn)換。虛擬儀器系統(tǒng)的軟件構成測試軟件是虛擬儀器的主心骨。ni公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。ni公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學技術復雜的測試任務。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下

40、四部分：(1)儀器面板控制軟件 (2)數(shù)據(jù)分析處理軟件 (3)儀器驅(qū)動軟件 (4)通用i/o接口軟件3.1.4虛擬儀器的分類虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：(1) pc總線插卡型虛擬儀器這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如labview相結合（注：美國ni公司的labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言visual c+,visual basic,labviews/cvi構成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受p

41、c機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，isa總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，pci總線的虛擬儀器價格比較昂貴。(2)并行口式虛擬儀器最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國link公司的dso-2xxx系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式pc機相連，

42、實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學實驗室應用。(3)gpib總線方式的虛擬儀器gpib技術是ieee488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的gpib系統(tǒng)由一臺pc機、一塊gpib接口卡和若干臺bpib形式的儀器通過gpib電纜連接而成。在標準情況下，一塊gpib接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。gpib技術可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。gpib測量系統(tǒng)的結構和命令簡單，主要應用于臺式儀器，適

43、合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應用。(4)vxi總線方式虛擬儀器vxi總線是一種高速計算機總線vme總線在vi領域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的rfi/emi屏蔽。由于它的標準開放、結構緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應用。經(jīng)過多年的發(fā)展，vxi系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建vxi總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。(5)pxi總線方式虛擬儀器pxi總線方式是pci總線內(nèi)核技術增加了

44、成熟的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。pxi的高度可擴展性。pxi具有8個擴展槽，而臺式pci系統(tǒng)只有34個擴展槽，通過使用pcipci橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式pc的性能價格比和pci總線面向儀器領域的擴展優(yōu)勢結合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。3.1.5虛擬儀器的技術優(yōu)勢同其他技術相比，虛擬儀器技術具有四大優(yōu)勢：(1)性能高虛擬儀器技術是在pc技術的基礎上發(fā)展起來的，所以完全"繼承"了以現(xiàn)成即用的pc技術為主導的最新商業(yè)技術的優(yōu)點，包括功能超卓的處理器和文件i/o，使您在

45、數(shù)據(jù)高速導入磁盤的同時就能實時地進行復雜的分析。此外，不斷發(fā)展的因特網(wǎng)和越來越快的計算機網(wǎng)絡使得虛擬儀器技術展現(xiàn)其更強大的優(yōu)勢。(2)擴展性強ni的軟硬件工具使得我們不再受限于當前的技術中。這得益于ni軟件的靈活性，只需更新計算機或測量硬件，就能以最少的硬件投資和極少的、甚至無需軟件上的升級即可改進整個系統(tǒng)。在利用最新科技的時候，我們可以把它們集成到現(xiàn)有的測量設備，最終以較少的成本加速產(chǎn)品上市的時間。(3)開發(fā)時間少在驅(qū)動和應用兩個層面上，ni高效的軟件構架能與計算機、儀器儀表和通訊方面的最新技術結合在一起。ni設計這一軟件構架的初衷就是為了方便用戶的操作，同時還提供了靈活性和強大的功能，使我

46、們輕松地配置、創(chuàng)建、發(fā)布、維護和修改高性能、低成本的測量和控制解決方案。(4)無縫集成虛擬儀器技術從本質(zhì)上說是一個集成的軟硬件概念。隨著產(chǎn)品在功能上不斷地趨于復雜，工程師們通常需要集成多個測量設備來滿足完整的測試需求，而連接和集成這些不同設備總是要耗費大量的時間。ni的虛擬儀器軟件平臺為所有的i/o設備提供了標準的接口，幫助我們輕松地將多個測量設備集成到單個系統(tǒng)，減少了任務的復雜性。美國國家儀器公司ni（nationalinstruments）提出的虛擬測量儀器（vi）概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領域的一場重大變革，使得計算機和網(wǎng)絡技術得以長驅(qū)直入儀器領域，和儀器技術結合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器

47、”的先河14。3.2 labview簡介3.2.1 labview簡介 labview(laboratory virtual instrument engineering workbench)主要用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析等領域，它是一種基于圖形編程語言（g語言）的開發(fā)環(huán)境，主要是以框圖形式編寫程序。它與c等傳統(tǒng)編程語言有著諸多相似之處，如：相似的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流控制結構、程序調(diào)制工具，以及層次化、模塊化的編程特點。但二者最大的區(qū)別在于：傳統(tǒng)編程語言用文本語言編程；而labview使用圖形語言（即：各種圖標、圖形符號、連線等），以框圖的形式編寫程序。用labview編程無須太多的編程經(jīng)驗

48、，因為labview使用的都是測試工程師熟悉的術語和圖標，如各種旋鈕，開關，波形圖等，界面直觀形象。labview是一個功能強大的集成開發(fā)環(huán)境，它完整的集成了與gpib、vxi、rs-232和內(nèi)插式數(shù)據(jù)采集卡等硬件的通訊。labview還具有內(nèi)置程序庫，提供了大量的連接機制，通過dlls、共享庫、ole等途徑實現(xiàn)與外部程序代碼的連接。使用labview開發(fā)環(huán)境，用戶可以創(chuàng)建32位的編譯程序，從而為常規(guī)的數(shù)據(jù)采集、測試等任務提供了更快的執(zhí)行速度。labview是真正的編譯器，用戶可以創(chuàng)建獨立的可執(zhí)行程序，能夠脫離開發(fā)環(huán)境而單獨運行。一個labview程序包含三個主要部分：前面板、框圖程序、圖標/

49、連接端口。前面板是labview程序的交互式圖形化用戶界面，用于設置用戶輸入和顯示程序輸出，目的是仿真真實儀器的前面板?？驁D程序則是利用圖形語言對前面板上的控制量和指示量進行控制。圖標/連接端口用于把labview程序定義成一個子程序，以便在其他程序中加以調(diào)用，這使labview得以實現(xiàn)層次化，模塊化編程。3.2.2 labview的作用由于labview可以用來創(chuàng)建通用的應用程序，因此被稱為一種通用的編程語言，但是它在測試、測量和自動化等領域具有更大的優(yōu)勢，因為labview提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，同時它還提供了大量常用于自動化測試測量領域的圖形控件，這使得用戶

50、可以在數(shù)分鐘內(nèi)完成一套完整的從儀器連接、數(shù)據(jù)采集到分析、顯示和存儲的自動化測試測量系統(tǒng)。因此它被廣泛的應用于汽車、通信、航空、半導體、電子設計生產(chǎn)、過程控制和生物醫(yī)學等各個領域，涵蓋了從研發(fā)、測試、生產(chǎn)到服務的產(chǎn)品開發(fā)所有階段?，F(xiàn)在歐美的許多高校非計算機專業(yè)的學生選修g語言并用它開發(fā)應用軟件的人已經(jīng)超過c等文本語言。近年來我國高校g語言教學實踐也正在迅速開展。labview不僅可以用來快速搭建小型自動化測試測量系統(tǒng)，還可以用來開發(fā)大型的分布式數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。3.2.3 labview的優(yōu)點選擇labview開發(fā)測試和測量應用程序的一大決定性因素是其開發(fā)速度。通常，使用labview開發(fā)應用系

51、統(tǒng)的速度比使用其他編程語言快410倍。這一驚人速度背后的原因在于labview易用易學，它所提供的工具使創(chuàng)建測試和測量應用變得更為輕松。labview的具體優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)提供了豐富的圖形化控件，并采用圖形化的編程方法，徹底把工程師們從復雜枯澀的文本編程工作中解放出來。(2)內(nèi)建的編譯器在用戶編寫程序的同時就在后臺自動完成了編譯。因此用戶在編寫程序的過程中如果有語法錯誤，它會被立即顯示出來。(3)由于采用數(shù)據(jù)流模型，它實現(xiàn)了自動的多線程，從而能充分利用處理器尤其是多處理器的處理能力。(4)通過dll、cin節(jié)點、activex、.net或matlab腳本節(jié)點等技術，可以輕松實

52、現(xiàn)labview與其他編程語言混合編程。(5)通過應用程序生成器可以輕松地發(fā)布exe、動態(tài)鏈接庫或安裝包。(6)labview提供了大量的驅(qū)動與專用工具，幾乎能與任何接口的硬件輕松連接。(7)labview內(nèi)建了600多個分析函數(shù)，用于數(shù)據(jù)分析和信號處理。(8)ni同時提供了豐富的附加模塊，用戶擴展labview在不同領域中的應用，例如實時模塊、pda模塊、fpga模塊、數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（dsc）模塊、機器視覺模塊與觸摸屏模塊等。3.3數(shù)據(jù)采集技術3.3.1數(shù)據(jù)采集技術簡介數(shù)據(jù)采集與儀器控制是labview最具有競爭力的核心技術之一。ni公司提供了種類豐富的硬件設備以滿足不同的測量與控制需求，其

53、中包括數(shù)據(jù)采集(daq)硬件、實時測量與控制、pxi與compact pci、信號調(diào)理、開關、分布式i/o、機器視覺、運動控制、gpib、串口和儀器控制、聲音與振動測量分析、pac(可編程自動化控制器)、vxi和vme等各種設備，應用遍布電子、機械、通信、汽車制造、生物、醫(yī)藥、化工、科研和教育等各個行業(yè)領域。通過豐富的驅(qū)動程序，labview能輕松實現(xiàn)與任何ni提供的硬件設備通信。不僅如此，通通用的驅(qū)動程序或接口，例如visa、ivi、opc、activex和dll等，labview幾乎能與任何廠商甚至自制的硬件通信。數(shù)據(jù)采集技術是信息科學的一個重要分支，它研究信息數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理以及控

54、制等作業(yè)。在智能儀器、信號處理以及工業(yè)自動控制等領域，都存在著數(shù)據(jù)的測量與控制問題。將外部世界存在的溫度、壓力、物流、位移以及角度等物理量用非電量電測技術轉(zhuǎn)換成電信號模擬量，然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再收集到計算機并進一步予以處理、傳輸、顯示與記錄這一過程，即為“數(shù)據(jù)采集”。3.3.2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構成數(shù)據(jù)采集(data acquisition，daq)是指從傳感器和其他待測設備等模擬或數(shù)字被測單元中自動采集信息的過程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活的、用戶自定義的測量系統(tǒng)。一個完整的daq系統(tǒng)包括傳感器和變換器、信號調(diào)理設備、數(shù)據(jù)采集和分析硬件、計算機、驅(qū)動程序和應用軟件等

55、，如圖3.2所示。當然，很多設備制造商已經(jīng)把傳感器、信號調(diào)理甚至daq卡集成為標準的設備，這種情況下用戶不再需要考慮傳感器、信號調(diào)理和daq卡而只需要考慮如何與硬件設備通信以及如何開發(fā)上層應用程序。圖3.2 基于pc的數(shù)據(jù)采集(daq)系統(tǒng)下面分別對傳感器、信號調(diào)理、daq卡、pc以及軟件的功能和參數(shù)等進行簡要介紹。傳感器和變換器傳感器感應物理信息并生成可測量的電信號，例如熱電偶、電阻式測溫計(rtd)、熱敏電阻器和ic傳感器可以把溫度轉(zhuǎn)變?yōu)閍dc可測量的模擬信號。其他例子包括應力計、流速傳感器、壓力傳感器等，它們可以相應的測量應力、流速或壓力。在所有這些情況下，傳感器可以生成和

56、它們所檢測的物理量呈比例的電信號。信號調(diào)理從傳感器得到的信號可能會很微弱，或者含有大量噪聲，或者是非線性的等，這種信號在進入采集卡之前必須進過信號調(diào)理。信號調(diào)理的方法主要包括放大、衰減、隔離、多路復用、濾波、激勵和數(shù)字信號調(diào)理等，如圖3.3所示。圖3.3 信號調(diào)理示意圖數(shù)據(jù)采集設備通過信號調(diào)理后的信號就可以與數(shù)據(jù)采集設備連接了。通常情況下數(shù)據(jù)采集設備是一個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集卡，與計算機的連接可以采用多種方式。ni的數(shù)據(jù)采集設備支持的總線類型包括pci、pci express、pxi、pcmcia、usb、compactflash、ethernet以及火線等各種總線。數(shù)據(jù)采

57、集卡的功能包括模擬輸入、模擬輸出、數(shù)字i/o、觸發(fā)采集和定時i/o。(1) 模擬輸入簡稱模入，模入主要考慮的基本參數(shù)包括通道數(shù)、采樣速率、分辨率和輸入范圍。通道數(shù)對于采用單端和差分兩種輸入方式的設備，模擬攝入通道數(shù)可以分為單端輸入通道數(shù)和差分輸入通道數(shù)。在單端輸入中，輸入信號均已共同的地線為基準。這種輸入方法主要應用于輸入信號電壓較高(高于1v)，信號源到模擬輸入硬件的導線較短(低于15ft)，且所有的輸入信號公用一個基準地線；由于共模噪聲可以被導線所消除，從而減小了噪聲誤差。采樣速率這一參數(shù)決定了每秒鐘進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。一個高采樣速率可以在給定時間下采集更多的數(shù)據(jù)，因此能更好的反映原始信號