第4章流量测量

1、华中科技大学自动化学院测量系 张洪测控技术与系统测控技术与系统第四章 流量测量测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量 流量测量的复杂性流量测量的复杂性0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动0.3第一部分：流量测量的预备知识第一部分：流量测量的预备知识 流量的概念流量的概念0.1测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.1 流量的概念流量的概念v 流量：单位时间流过管道截面积的流体体积（或质量） Qv=dV/dt or Qm=dV/dt v 体积流量：Qvv 质量流量：Qmv 瞬时流量： Qv(t)=dV/dtv 累

2、积流量：0( )TvvQQ t dt测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.1 流量测量的复杂性流量测量的复杂性v 1、流体类型多样： 单相流，两相流，多相流v 2、流体流动状态的复杂性 层流，紊流；管道流速的不均匀性v 3、流体介质的复杂性 密度，粘度等在管道内分布的复杂性v 4、标定装置的复杂性 大型复杂系统所以流量计是最复杂的一类工业测量仪表，流量仪表种类繁多，功能多样，应用的领域也各不相同。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动流体在管道内流动的两种状态： 层流层流 低速状态 紊流（或湍流）紊流（

3、或湍流） 高速状态流体力学中用雷诺数来衡量流体的流态，Re=2300为层流紊流的分界点：DqRVe4其中：qV为体积流量，密度Re为雷诺数D为管道直径为流体粘度测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动雷诺试验与流体流态测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST流体流经一定距离管道的压力降 层流时压力降与流量成正比 紊流时压力降与流量的平方成正比流体流速在管道截面上的流速分布 一般性的，中心流速较快 层流时在半径方向上距管道中心轴 rx 处的流速 ux 为： 紊流时在半径方向上距管道中心轴 rx 处的流速 ux 为

4、：0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动2max1RruuxxnxxRruu1max1其中n为与雷诺数有一定关系的数值，可通过查表获得。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动流速分布与流量计的直管段条件 理论上的流速分布是流体在足够长的直管段中的流速分布，所以基于该流速分布原理的流量计都具有一定的直管段安装要求，也就是说，某些流量计前后都需要有一定长度的直管段。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv单位时间内经单位体积流入与流出的流体质量相等质量守恒v对不可压缩的流体表现为体积也相等0.2 流体在管

5、道内的流动流体在管道内的流动0)()()(zUzyUyxUx0zUzyUyxUx两个理论流体方程：两个理论流体方程：连续性方程（质量守恒）连续性方程（质量守恒）测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST0.2 流体在管道内的流动流体在管道内的流动两个理论流体方程：两个理论流体方程：伯努利方程（能量守恒）伯努利方程（能量守恒）ggPZggPZ2222222111CggPZ22即：位置头压力头速度头位压头静压头动压头21h实际流体要考虑的能量损耗对单位重量不可压缩理想流体在稳定流条件下有：测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量（预备知识

6、）流量测量（预备知识） 以上的预备知识只包括了理论流体力学的最基本的内容，更详细的更深入的内容请大家参考相关流体力学书籍，这些课外知识与流量测量技术是息息相关的。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计差压式流量计 (Differential Pressure Flowmeters) 是基于节流装置，通过测量管道中差压,来计算流量的仪表。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计v 差压式流量计是历史悠久、技术成熟、应用最多的流量计。 v 差压式流量

7、计按结构可以分为节流差压式流量计、弯管流量计、匀速流量管计、射流流量计等几种。其中以节流装置为检测件的节流差压节流差压式流量计式流量计应用最广泛。v 节流差压式流量计主要由节流装置、差压变送器两部分组成，亦称差压式流量计。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计v 差压式流量计的测量原理是基于流体的机械能相互转换的原理，在水平管道中流动的流体具有动压能和静压能，在一定条件下这两种能量可以相互转化但能量总和不变。v 理想情况下，根据伯努利方程，有如下能量关系。 因此，当流体流速增加、动压能增加时，其静压能因此，当流体流速增

8、加、动压能增加时，其静压能下降，静压力降低。下降，静压力降低。2222222111vpvp测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计 如右图所示，稳定流动的流体沿水平向流经管道，在管道中安装一个节流件：孔板，它造成截面积减小，由于节流元件造成的流束局部收缩，使管中心流体流速发生变化，其静压力随之变化，节流元件前后的静压差大小与流量有关。流量越大，则产生的压差也愈大。只要测得节流元件前后的静压差大小，即可确定流量，这就是节流装置测量流量的基本原理。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学自动化学院HUST第四章第四章 流量测

9、量流量测量差压式流量计差压式流量计 设在水平管道中作连续稳定流动的理想流体，而且在截面I到II之间没有发生能量损失。根据流体在节流元件前后两截面间的伯努利方程和流动连续性方程：22222211vpvp2211AvAvpv211424222m12vpAAq12AADd 节流元件开孔直径与工艺管道之比，节流元件开孔直径与工艺管道之比， p节流元件前后的压差，节流元件前后的压差，pp1一一p2。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计 在工程实践中常使用以下单位：质量流量kg/h，开孔直径mm，其它量单位不变，可以得出实用流量

10、公式：P0039986.012mdq4/21036000039986. 06对于气体、蒸汽等可压缩流体，在经过节流装置时压力的变化，使流体膨胀，密度变小，用流速膨胀校正系数系数对上式进行修正，则有：P4P112124mdACq41C 其中C为流出系数，是一个无纲量数。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学自动化学院HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计v 差压式流量计由节流装置、引压导管、差压变送器（差压计）组成。v 节流装置把流体流量qm转化为差压信号P=K1qm2。v 引压导管把节流装置产生的差压信号传送到压差变换器。v 压差变送器把压差信号转换为国家规定的标准信

11、号。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计v 由于节流装置是非线性环节，因而差压式流量计的实际输出电流与输入的流量之间呈如下关系：I0=K1K2qm2v 上式中被测流量和差压变送器输出电流的平方根成正比，但是一般希望输入输出呈线性关系，即指使流量具有均匀刻度。v 解决办法在压差变送器添加开平方运算。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学自动化学院HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计4-20mA开方电路特性曲线注意：不能简单的直接开方，开方后的电流仍应在标准信号范围之内如直流4-20mA的信号

12、，开方后仍然应在4-20mA范围内，实际公式应为：44-I4Ii0?测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学自动化学院HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计标准节流装置 节流装置就是使管道中流动的流体产生静压差的装置，可以分为标准节流装置和非标准节流装置两类，通常把ISO5167(GBT2624-93)中所列节流装置称为标准节流装置，其它节流装置称为非标准节流装置。采用标准节流装置，按标准设计的差压式流量计，可直接投入使用，而不必进行实验标定。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计三种标准化的节

13、流装置：孔板、喷嘴、文丘里管，其压力损失依次减小。角接取压、法兰取压和D-D/2 取压 测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计取压方式：角接取压、法兰取压和D-D/2 取压测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计 课题作业： 用一台DDZ型差压变送器与节流装置配用测量流量，差压变送器的测量范围为010MPa，对应流量为0320 ，当差压变送器输出为13mA时，所测流量是多少？/Hm3测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四

14、章第四章 流量测量流量测量差压式流量计差压式流量计 解： DDZ型仪表信号范围为420mA 则当差压变送器的输出为13mA时，差压变送器测得的压力差为： （MPa）由于差压流量计流量与差压存在关系：当Q=320，P=10MPa时，则仪表输出为13mA时对应的流量为：1690916100)010(420413PPKQ10320PQK240169010320PKQ/Hm3测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 电磁流量计（EMF: Electromagnetic Flowmeter）依据法拉第电磁感应定律进行流量测量的仪表，是一种高性能的体积流量计。第四章第四章 流量测量流

15、量测量电磁流量计电磁流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 法拉第电磁感应定律： 导体在磁场中作切割磁力线运动时，在导体中便会有感应电势产生，其大小与磁场的磁感应强度、导体在磁场内的有效长度及导体的运动速度成正比。 电磁流量计测量原理：导电的流体介质在磁场中流动而切割磁力线时，也会在管道两边的电极上产生感应电势：BDvEx第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 则体积流量和感应电势的关系为：xvEBDq4 结构：包括磁路系统、测量导管、电极、衬里、外壳和转换器第四章第四章 流量测量流量测量电

16、磁流量计电磁流量计1.外壳 2.磁轭 3.励磁绕组 4.铁芯5.导管 6.电极 7.衬里 8.接线盒测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST 励磁方式：励磁方式： 直流励磁直流励磁永久磁铁，产生永久磁铁，产生电极极化电极极化现象现象*电极极化现象是指直流磁路使得测量导管中电极极化现象是指直流磁路使得测量导管中的被测电解质液体极化，使正电极被负离子包围，的被测电解质液体极化，使正电极被负离子包围，负电极被负离子所包围，导致两电极间的内阻增大，负电极被负离子所包围，导致两电极间的内阻增大，严重影响仪表正常工作。严重影响仪表正常工作。 交流励磁交流励磁50Hz工频，工频，正交干扰

17、正交干扰 交流励磁时，磁场：交流励磁时，磁场： 感应电势：感应电势： 体积流量：体积流量：第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计tBBmsintDvBEmxsinxmvEtBDqsin4测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST 励磁方式：励磁方式： 交流励磁交流励磁50Hz工频，工频，正交干扰正交干扰 交流励磁时，体积流量：交流励磁时，体积流量：正交干扰正交干扰：是相位和感应电势：是相位和感应电势Ex相差相差90的无用信的无用信号号 正交干扰产生的原因：在交变磁场作用下，被测流体、正交干扰产生的原因：在交变磁场作用下，被测流体、电极、电极引线和转换器输入阻抗构成

18、的闭合回路中，电极、电极引线和转换器输入阻抗构成的闭合回路中，也会产生感应电势：也会产生感应电势：第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计xmvEtBDQsin4)2sin(tKBemf测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST 励磁方式：励磁方式： 交流励磁交流励磁50Hz工频，工频，正交干扰正交干扰 交流励磁时，体积流量：交流励磁时，体积流量：正交干扰正交干扰：感应电势：感应电势：第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计xmvEtBDQsin4)2sin(tKBemf抑制正交干扰的方法：抑制正交干扰的方法： 1）自动对消法；）自动对消法； 2）在测量电

19、路中采取抑制措施。）在测量电路中采取抑制措施。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST 励磁方式：励磁方式： 直流励磁直流励磁电极极化电极极化 交流励磁交流励磁50Hz工频，工频，正交干扰正交干扰 双频波励磁双频波励磁结合了交流和直流的优点结合了交流和直流的优点第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计矩形波励磁矩形波励磁双频波励磁双频波励磁测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST电磁流量计的其他部件：衬里，电极： 绝缘、耐腐蚀、耐磨测量导管：磁屏蔽转换器： 完成信号转换，抗干扰设计（感应电势信号比较弱，一般只有23mV） 测量电极第四章第四章

20、流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST电磁流量计的特点：优点电磁流量计的特点：优点 压力损失极小； 流体必须是导电介质，可测腐蚀性介质；(酸、碱、盐溶液，水、污水、腐蚀性液体，泥浆、矿浆等) 流量计的输出电流与体积流量成线性关系； 不受液体的温度、压力、密度、粘度影响； 量程比高(20：1以上)； 精度较高的； 测量口径范围大（1mm到几米）；1. 反应迅速，可以测量脉动流量第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST电磁流量计的特点：缺点电磁流量计的特点：缺点 不能测量

21、电导率很低的液体，如石油制品、有机溶剂和纯净水等。不能测量气体、蒸汽和含有较多较大气泡的液体。1. 受衬里材料和电气绝缘材料限制，不能用于较高温度的液体；某些仪表用于过低于室温的液体，因测量管外凝露（或霜）而破坏绝缘。 第四章第四章 流量测量流量测量电磁流量计电磁流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST科里奥利质量流量计 (Coriolis Mass Flowmeter，简称CMF） 利用流体在振动管中流动时能产生与流体质量流量质量流量成正比的科里奥利力科里奥利力制成的一种直接式直接式质量流量仪表质量流量仪表第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测

22、控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv科式力的产生 当质量为 m 的质点以匀速 u 在一个围绕旋转轴 P 以角速度 旋转的管道内轴向运动时，这个质点将获得两个加速度分量：第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计1）法向加速度）法向加速度 (向心加速度向心加速度)2）切向加速度）切向加速度 (科式加速度科式加速度) ra2uat2测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST流体作用于管壁的科里奥利力：考虑管道内长度为 X 的流体情况： 基于上式，只要能直接或间接地测量出在旋转管道中流动的流体作用于管道上的科里奥利力，就可测得流体流过管道的质

23、量流量，该流量与科式力有直接的联系。mtmCuaF2XAuuFmC22而质量流量： ，A为管道截面积，则：AuqmmCXqF2第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv实际应用的问题： 很难使流体流过的管道围绕P轴以 一定角速度旋转！ 解决办法： 使管道绕P轴以一定的频率上下振动，也能使管道受到科里奥利力的作用。以振动代替旋以振动代替旋转是最具创造力的想法转是最具创造力的想法。第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST由于U型管两臂中流体流动

24、方向相反，受到的科式力方向相反，从而使具有弹性的U型管产生扭曲变形。其扭转角扭转角 与科式力成与科式力成正比正比，也就是扭转角扭转角 和流体质量流量质量流量成正比。第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计最经典的是最经典的是U型管传感器型管传感器 测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST由于U型管两臂中流体流动方向相反，受到的科式力方向相反，U型管受到R-R为轴的扭矩，从而使具有弹性的U型管产生扭曲变形。其扭转角扭转角 与科式力成正比与科式力成正比。第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计最经典的是最经典的是U型管传感器型管传感器 测控技

25、术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv扭曲结果：第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv如何测量扭曲角 呢?28KsqmTR第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计 传感器A传感器B设置两个电磁传感器于管道两端，由于有扭曲角存在，所以在振动过程中，则管道两侧经过传感器的时间存在差异，该时间差为T，则有：R其中，Ks为U型管的弹性系数 R为U型管宽度的一半28mKsqTR测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv分析最终的表达式：第四章第四章 流量测量流量测量科

26、式质量流量计科式质量流量计质量流量与振动频率、角速度都无关，Ks和R仅与U型管材料和形状有关，可认为是常数，因而科式流量计与质量流量有良好直接对应关系，受其他因素的影响非常小。28mKsqTR另外，考虑单独电磁传感器的信号，为一按正弦振动的信号，而测量两传感器的时间差实际上就是测量两测量两信号的相位差信号的相位差。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv实际的科式质量流量计的形式： 直管型、弯管型； 单管型、多管型； 基于以上四种类型的组合，具体有： 双U型、双S型、双型、双环型、 单直管型、双直管型、单管多环型、 单管双Q型、双B型等等。第四章第四章 流量测量流量测量科

27、式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv双U型管结构采用双管结构主要是为了减小外界振动的影响第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv科式质量流量计的特点：优点：1) 精度高：一般 0.25% ,最高精度 0.1%；2) 直接质量流量测量，与流体温度、压力、粘度和组分 等参数无关；3) 不受流态影响：无直管段安装要求4) 无与流体直接接触件、活动部件、阻挡物，免维护， 长寿命；5) 量程比宽：可达100:16) 可测量多种液体（包括多相流）、高粘度流体、非牛顿流体的测量

28、。7) 动态特性好第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv科式质量流量计的特点：缺点：1)仅适合中小管径的流量测量：DN150200mm以下2)对安装环境的振动较敏感3)压力损失较大4)对低压低密度气体目前尚不能测量5)检测管内壁的磨损和腐蚀以及积垢会影响测量精度6)结构复杂，价格昂贵，体积大第四章第四章 流量测量流量测量科式质量流量计科式质量流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 1、容积式流量计、容积式流量计测量原理测量原理：让被测

29、流体充满具有一定容积的空间，然后再把这部分流体从出口排出，根据单位时间内排出的流体体积可直接确定体积流量，根据一定时间内排出的总体积数可确定流体的体积总量。种类种类：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等：椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、刮板流量计等特点特点：精度较高、对流体的流速和粘度有要求。特别适合油品流量计量。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 2、涡街流量计、涡街流量计通过测量漩涡发生体产生的漩涡频率测量流量测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他

30、流量计v 2、涡街流量计、涡街流量计1vfSrd涡街频率：Sr常数v1发生体两侧流速d-发生体迎流面宽度24vSrqKffD dm1vfSrd涡街频率与体积流速间为线性关系：测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 2、涡街流量计、涡街流量计漩涡发生体：测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 2、涡街流量计、涡街流量计涡街流量计测量涡街频率检测方法：涡街流量计测量涡街频率检测方法： 电容检测法；电容检测法； 热敏检测法；热敏检测法； 超声波检测法；超

31、声波检测法； 电磁检测法；电磁检测法； 应力检测法；应力检测法；测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 2、涡街流量计、涡街流量计特点：频率信号输出：数字信号抗干扰，易于累积流量特点：频率信号输出：数字信号抗干扰，易于累积流量 结构简单牢固，安装维护方便结构简单牢固，安装维护方便 适用流体种类多，液体、气体、蒸汽、混相流体适用流体种类多，液体、气体、蒸汽、混相流体 精度较高：精度较高：0.5%到到 1.5% 测量范围宽：量程比测量范围宽：量程比10:1到到25:1 压力损失小：约为孔板流量计的压力损失小：约为孔板流量计的

32、1/4 有直管段安装要求：上游有直管段安装要求：上游10D，下游，下游5D 易受环境振动的影响；易受环境振动的影响；测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 3、涡轮流量计、涡轮流量计利用涡轮旋转的速度与流体速度的关系测量流量也是一种频率输出型流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 4、超声流量计超声流量计利用超声波在流体中传递的速度变化测量流量一般采用时差法测量流速测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量

33、测量流量测量其他流量计其他流量计v5、热式质量流量计 是一种直接式质量流量计，有插入式的，也有非接触式的，通常用于测量气体质量流量。 包含两个探头，一个测量流体温度（温度探头温度探头），一个加热的探头（速度速度探头探头），利用流体的冷却效应测量流体速度。测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v6、相关测速及其在流量测量中的应用 1、相关函数 相关函数是两相关函数是两随机过程随机过程的的“相似相似”程度程度的一种的一种度度量量。 分为自相关函数自相关函数和互相关函数互相关函数 有随机过程x(t)和y(t),其互相关函数：01

34、( )lim( ) ()TxyTRy t x tdtT其中：为延时时间延时时间。 注意相关函数是以相关函数是以为变量的函数为变量的函数测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v6、相关测速及其在流量测量中的应用相关函数的应用：相关函数的应用：（1 1）微弱信号检测微弱信号检测：对弱信号的提取或进行噪声滤除较为有效（2 2）系统辨识系统辨识：对系统特性进行辨识相当方便（3 3）速度测量速度测量：对物体的移动速度、两相流的流速或流量测量可能是唯一较好的方法（4 4）振动分析振动分析：机械设备做振动分析，进行抗振、防振、减振设计等

35、 01( )lim( ) ()TxyTRy t x tdtT测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 6、相关测速及其在流量测量中的应用2 2相关测量用途与原理相关测量用途与原理（1 1）用途）用途非接触形式测量运动速度；进而测量非接触形式测量运动速度；进而测量长度长度、流量流量；* *接触测量方法问题：传统纸张、布匹的测长，在转接触测量方法问题：传统纸张、布匹的测长，在转角处有打滑现象导致测量误差；角处有打滑现象导致测量误差； * *在一些多相流测量时，流速的测量由于噪声和干扰在一些多相流测量时，流速的测量由于噪声和干扰

36、导致流速很难测量；导致流速很难测量；测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 6、相关测速及其在流量测量中的应用2 2相关测量用途与原理相关测量用途与原理（2 2）相关测量原理）相关测量原理相关测量技术以随机过程和信息论作为其理论基础。相关测量技术以随机过程和信息论作为其理论基础。图图 理想流体的流动理想流体的流动 现以封闭管道内的流量测量为例，分析相关测量原理。如现以封闭管道内的流量测量为例，分析相关测量原理。如图所示，图所示，aaaa和和bbbb两个流通截面为同一速度，即以流体的体两个流通截面为同一速度，即以流体的体积

37、平均流速从截面积平均流速从截面aaaa流动到截面流动到截面bbbb。QLaabbVcpVcp测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 6、相关测速及其在流量测量中的应用2 2相关测量用途与原理相关测量用途与原理（2 2）相关测量原理）相关测量原理流速：流速：同时：同时：L L已知，流量测量转换为测量时间已知，流量测量转换为测量时间T T 的问题。的问题。我们把我们把T T 称为称为“渡越时间渡越时间” QLaabbVcpVcp/CPVQ A/CPVL T测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四

38、章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 6、相关测速及其在流量测量中的应用2 2相关测量用途与原理相关测量用途与原理（2 2）相关测量原理）相关测量原理 a a）在两个截面）在两个截面aaaa和和bbbb处，分别安装有结构完处，分别安装有结构完全相同的某种物理效应（例如全相同的某种物理效应（例如光学、电学、声学光学、电学、声学等等等）的传感器。通过适当的信号转换电路，获取出等）的传感器。通过适当的信号转换电路，获取出与被测流体流动状况有关的与被测流体流动状况有关的流动噪音流动噪音x x(t)(t)和和y y(t)(t)。 y(t)x(t)Qbbaa上游传感器下游传感器 为何是噪声信号？ 当

39、被测流体在管道内流动时，由于两相流体中离散相颗离散相颗粒的尺寸分布和空间分布的随机变化粒的尺寸分布和空间分布的随机变化，以及多组分流体中各组分的局部浓度的随机变化等局部浓度的随机变化等，流体内部会自然产生随随机噪声现象机噪声现象。 测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计v 6、相关测速及其在流量测量中的应用 由相关理论可知，将该系统的输出信号由相关理论可知，将该系统的输出信号y y(t)(t)与它的输入信与它的输入信号号x x(t)(t)作互相关运算（作互相关运算（实际上就是在不同的延时值下比较这两实际上就是在不同的延时值

40、下比较这两个信号波形的相似程度个信号波形的相似程度），得到互相关函数的图形。），得到互相关函数的图形。 ty(t)tx(t)01()lim( )()Tx yTRy tx td tT 0/cpVLcpV0( )xyR测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUST第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计ty(t)tx(t)01()lim( )()Tx yTRy tx td tT 0/cpVLcpV0( )xyR0/cvLv 6、相关测速及其在流量测量中的应用 该图形该图形峰值位置峰值位置所对应的时间位移就是随机信号所对应的时间位移就是随机信号x x(t)(t)在该在该系统中

41、的系统中的传递时间（渡越时间）传递时间（渡越时间）。因此，信号x(t)在该系统中的传播速度可以按下式计算(时间位移不是流动噪音时间位移不是流动噪音x x(t)(t)和和y y(t)(t)的幅值的函数的幅值的函数):测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 6、相关测速及其在流量测量中的应用(3)(3)相关算法与相关器相关算法与相关器任务：根据运动随机噪声信号任务：根据运动随机噪声信号x x(t)(t)和和y y(t)(t)进行互相关运进行互相关运算，从而确定运动渡越时间（或称传递时间，或滞算，从而确定运动渡越时间（或称传递时间，或滞后时间）。后时间）。相关运算速度是在线测

42、量的关键相关运算速度是在线测量的关键。相关器：相关器： 用来实现相关函数运算并求取渡越时间的装置用来实现相关函数运算并求取渡越时间的装置。 分为分为模拟相关器模拟相关器、数字相关器数字相关器和和极性重合相关器极性重合相关器。 可以由专用的可以由专用的相关器芯片相关器芯片、大规模可编程数字电大规模可编程数字电路路、数字信号处理器数字信号处理器和和单片机单片机等构成。等构成。第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计01( )lim( ) ()TxyTRy t x tdtT测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 6、相关测速及其在流量测量中的应用(3)(3)相关算法

43、与相关器相关算法与相关器原始式：原始式：模拟相关器模拟相关器：其实只做如下的积分，：其实只做如下的积分，T T是有限的是有限的包括：模拟乘法器，延时单元和积分器包括：模拟乘法器，延时单元和积分器 由于它的乘法器和积分器的精度都较低，零由于它的乘法器和积分器的精度都较低，零漂也较大，近年来已基本被淘汰；漂也较大，近年来已基本被淘汰； 01( )lim( ) ()TxyTRy t x tdtT第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 6、相关测速及其在流量测量中的应用(3)(3)相关算法与相关器相关算法与相关器模拟相关器模拟相

44、关器和和数字相关器数字相关器的示意框图的示意框图第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计延 时积 分相 乘量 化量 化移 位 寄 存 器(a) 模 拟 式 相 关 器(b) 数 字 式 相 关 器x(t)x(t)y(t)y(t)0( )1( ) ()xyTRy t x tdtT()xyRj测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 6、相关测速及其在流量测量中的应用(3)(3)相关算法与相关器相关算法与相关器原始式：原始式：数字相关器数字相关器：信号经过离散化后，做如下计算：信号经过离散化后，做如下计算：其中其中是采样间隔：是采样间隔：01( )lim( ) ()

45、TxyTRy t x tdtT第四章第四章 流量测量流量测量其他流量计其他流量计11( )() ()NxyiRy ix iNTN 测控技术测控技术与系统与系统华中科技大学控制系测控所HUSTv 6、相关测速及其在流量测量中的应用(3)(3)相关算法与相关器相关算法与相关器数字相关器的计算量数字相关器的计算量：在数字式相关器中为完成：在数字式相关器中为完成延时值为延时值为的互相关函数的计算，需要作的互相关函数的计算，需要作N N次次乘法乘法运算和运算和N N次加法次加法运算。如果希望得到运算。如果希望得到（M M+1+1）个不同延时值下个不同延时值下的互相关函数，就需完成的互相关函数，就需完成( (M M+1)+1)N N次加法和次加法和( (M M+1)+1)N N乘法乘法计算。计算。