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互相关虚拟测速仪的试验分析

2014/11/13 18:42:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  朱云辉1,朱秀清2

(1.上海托普信息职业技术学院,上海201300;2.浙江工贸职业技术学院,温州 325003)

摘要:采用虚拟仪器技术和互相关原理相结合的方法,研制了一种用于进行流体流速测量的虚拟仪器。文中对流速测量仪试验结果和误差进行了全面的阐述和分析.其测试结果和国内已公开发表文献相比,测试精度有所提高。研究说明基于压力相关的流速测试技术是完全可行的,可以应用于流体的速度测量领域。

    工农业生产中许多复杂的流动中,存在流速测量困难的问题。这些问题的解决,都需要我们提供新的流速测量方法和测量仪器,不断关注新技术。本文采用近年才兴起的虚拟技术和互相关技术相结合,成功研制了流体的在线测量,取得了很好的试验效果。本系统采用PC一DAQ/PCl插卡式虚拟仪器系统。硬件系统由XSCL04DC压差传感器,信号调理电路、PCI一9lllDG数据采集卡计算机组成。软件系统使用LabvIEWTM7.o开发测试软件。

1 互相关测速原理

    相关函数描述了两个信号之间的关系或其相似程度。把相关函数定义为:

 

2 试验结果分析

    利用本研究开发的测量仪器及其配套实验装置,在三种不同的工况(传感器间距为巧毫米,采样频率分别为10KHz、20KHz,30KHz、采样点数分别为1024、1024、2048)条件下进行试验,对同一流场中同一测点.不同的速度进行多次测量。参考速度数值是采用皮托管测量仪测量。由试验结果可以得到,修正误差的最大值为42%,多次测量的结果误差稳定在该范围以内。研究开发出的测量仪器的测量结果与参考流速相比,修正误差在4%左右范围内波动,说明了应用该方法进行流速测量的可行性和该套仪器测量结果的正确性。

2.1 相关系数和速度、压力信号幅值的关系

    在本研究过程中发现,流体的速度大小、压力信号的具体脉动情况对相关系数有较大的影响,它直接影响到相关速度的测量结果精度。当压力信号幅值波形相对与无关噪声(即是信噪比)较大时,该套系统的测速效果较为理想。

    在做实验过程中.在同一工况下,同一测点的相关系数、压力信号幅值和相关速度有着一定的关系.且三种工况条件下,他们的关系均有相同的关系。表l为工况l(采样频率为10KHz、采样点数为1024、传感器间距巧~)结果汇总。信号相关速度和相关系数之间的关系见图1所示。

    从表1中可以看出,当相关速度在一定范围增大时,压力信号幅值增加.同时相关系数也增加。实验过程中发现,当速度小于4米/秒时,相关系数小于0.6。无法得到相关速度值。同时也发现,相关速度大于15米/秒后,相关系数增大的幅值明显减小,最大值在实验过程中,未能达到0.95以上。信号的幅值随着速度的增加还是增加。

2.2风机垂直截面速度分布

    作为本测试系统使用的一个实例,我们测量了离心风机出口断面速度分布。图2中H是风机垂直截面的高度,为70mm,当风机旋转时,同一垂直截面上,水平方向上的速度分布应该是随着高度H的增大而增大的。在测量风机垂直截面上的相关速度时,传感器沿着距离出风口一定的距离处的垂直截面运动,实验时,风机转速固定,采样频率为10kHz,采样点为1024,将其中一次的实验结果汇总于表2,并绘制曲线见图3。

3 误差分析

    对于本测量仪器的误差,将从理论和实验两个方面进行分析。理论上,主要对传感器及其间距,平均流速校正因子K进行分析。实验上,主要对采样频率和采样点数进行分析。


3.1传感器间距对测量结果的影响

    在理想流动下,流体的速度可以由上下两传感器的距离L与时间:‘的比值表示,即v行Ll:*。从该公式可以看出,测量误差主要来源于传感器间距L和延时截训裸差偏大时,上1下游信号之间的相关性就降低。当L偏小时,:幸的相对测量误差就增大,所以L的选择须折中二者之间的矛盾。

3.2相关流速校正因子K

    平均流速校正因子K的引入是为了补偿相关流速Vc=LI:.与真实截面平均流速的差异,它与被测流体在管截面上的流速分布、流动噪声的检测机理以及传感器在被测流体中形成的敏感场体积的几何尺寸,传感器的安装探头形状,计算上的量化误差等有关。本系统考虑了传感器的探头形状对流场会产生影响,因此考虑了探头的形状系数。

    需要指出的是,校正因子K的精确确定涉及的因素较多,不能通过计算来确定K的值,一般都是通过标定方法来测定。

3.3采样频率对测量结果的影响

   由上述计算相关速度公式可以看出,采样间隔时间占的也是一个很重要的原因。渡越时间:牢=占·x,其中x为最大相关系数对应的采样序列。采样频率的倒数是信号的采样间隔占,间隔越小,越能真实的得到信号。为了提高渡越时间:*的精度,应该尽量提高采样频率,当然,采样频率要受到计算工作量和数据采集卡的限质。

    PCI一9lllDG数据采集卡的单通道最大采样频率为1田KHz。由于该系统中采用了两个模拟通道,故最大采样频率为50KHz。采样点数为1024,采样间距为巧毫米时,不同采样频率条件下流场同一测点的测试结果,见表3所示。采样频率相对误差的关系见图4所示。

3.4采样点数对测量结果的影响

    一般来说,采样点数越多,就是在互相关计算中的序列越长,测量精度就越高,但采样点数也不是越多越好。当采样点数对于某一个值的时候,受到在线测量时间和存储器容量的限制,计算的速度下降并不能实现在线测量的要求。而且,当采样点数大于某一定的值时,对测量的精度影响较为小。

    在该系统中,由于数据采集卡的原因,采样点数只能取512的倍数。在同一风速下,采用采样频率为10KHZ,传感器的间距为巧毫米,在不同的采样点数,测量同一测点测量结果汇总于表4,采样点数与相对误差的关系见图5所示。

4;结论

    根据以上试验的分析,将压力相关测速技术与虚拟仪器相结合,该仪器和其测试结果和国内已公开发表文献相比,测试精度有所提高.研究说明基于压力相关的流速测试技术是完全可行的,可以应用于流体的速度测量领域。.

参考文献

[1]TheMeasurementandAutomationCatalogueU.S.National玩strument,2(X)2

[2]袁镇福,周洁,浦兴国等.应用相关技术测量炉内高温烟气流速的研究,动力工程,1998(12)

[3]梁伟朋.基于虚拟仪器技术的液压系统动态测试仪的研究与开发一总体设计长安:长安大学硕士学位论文,2004;10–40 

作者简介:朱云辉,女,硕士,上海托普信息职业技术学院电子系教师。

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