基于DSP的新型智能超声波相关流量计

　　0引言

　　多相流系统遍布于化工、环保等各个工业领域，原油开采、污水排放、纸浆输送等生产过程都存在多相流体的测量问题，国内外多家石油公司和科研机构纷纷开展了多相流流量的研发工作。然而由于多相流中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。相关法检测是20世纪40年代发展起来的一门技术，它是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术，它在解决两相(气/液、气/固和液/固等)流体以及多相流体的流动参数测量问题上具有巨大的潜力。随着计算机和微电子技术的发展，为进行信号的相关处理提供了可能，也促进了相关流量测量的发展。

　　1相关流量测量原理

　　1.1相关算法及实现

　　在测试技术中，分析两个信号之间的关系，就可以采用相关分析[1]。互相关函数的定义为:

　　波形如图l所示。通过MATLAB模拟两组频率相同，起始相位不同的信号，计算出的相关函数如图2。

　　由于式(l)中含有积分运算，所以为了能在实际中应用，可以将式(1)简化成有限时间长度和式为:

　　由此可见，如果利用傅立叶变换将运算由时域变换到频域，就只需进行N次乘法，将结果再变换回时域，即可得到N个不同延时值的相关结果，大大减少了运算量。由式(3)可以看出计算两个信号的互相关函数可以转换成求两信号的傅立叶变换的乘积，然后再求其傅立叶逆变换。利用快速傅立叶变换和DSP的高速运算能力，即可构成实时性很好的相关流量测量系统。

　　1.2相关流t测且系统的原理

　　对被测流体的不同假设，可以建立起不同的相关流量测量数学模型。模型大致可以分为两类:“凝固”流动模型和“非　凝固”流动模型。“凝固”模型假设是目前应用最多的相流量测量模型。对于两相流或多相流体，“凝固”流动模型假设是指多相流在上下游传感器之间流动时，相间没有相对速度，即滑脱速度，不存在浓度分布和速度分布。

　　流体在封闭管道内流动时，其内部存在着与流体流动状况有关的随机流动噪声，并具有一定的统计特性。当超声波在流体中传播时，流动噪声会对超声波的幅度、相位、频率产生调制或混合调制现象。在相关测量系统中，这种流动噪声可以利用上下游的传感器检测出来，通过适当的信号处理后，从中提取出含有流体信息的有用流动噪声。由于随机流动噪声对超声波有调制作用，故可通过超声相关方案检出流动噪声信号，从而可知流动状况的信息。相关流量测量原理如图3所示。