温度噪声信号相关法流量测量的实时实现new

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1、第16卷第1期现代电力Vol.16No.11999年2月MODERNELECTRICPOWERFeb.1999温度噪声信号相关法流量测量的实时实现段泉圣刘禾李农庄[华北电力大学(北京)]刘晓丹宋春平[清华大学]摘要研究了一种实时的对温度噪声进行相关分析以求取流量的有效方法,探讨了极化互相关方法在工程实际上应用的可能性,提出了一种基于动态寻优的方法对噪声传递函数的参数辨识,构成了实时的温度噪声相关流量测量系统。为相关流量测量方法应用于工程实际提供了实验依据。关键词流量测量相关法温度噪声实时分类号TH814.3TP311.5

2、2低雷诺数流体,汽液,气固两相流体的实时流量测量一般无法采用常规检测方法。建立在随机过程相关理论和信息论基础上的相关流量测量方法为此类流体流量测量提供了一种可能的途径。它利用流体内部的噪声现象(如温度、介电常数、浓度等噪声)进行测量,传感器无机械可动部件,甚至可以不接触被测流体,其测量准确度取决于相关器测量时延的精度。传感器灵敏度的变化,信号放大电路增益变化对测量准确度影响很小,与流体的其他参数(如温度、压力)的变化无关。本文针对相关测量技术应用于实际过程中存在的问题进行分析,找出解决办法。在此基础上构造实用的相关法流量

3、检测系统,并作实时测量实验,以验证其可靠性和准确性。1实时相关法流量测量的技术难点及解决方法设x(t),y(t)为流体流动是稳定流时的随机噪声信号,可以分别看作是来自各态历经的平稳随机过程{xk(t)}和{yk(t)}的两个样本函数,在一定的距离L内,x(t)和y(t)的波形相似,y(t)比x(t)在时间上落后了一个时延T,T即为流动噪声信号从上游传感元件运动到下游传感元件的渡越时间。设Rxy(
)为x(t),y(t)的互相关函数T1eRxy(
)=E[x(t)
y(t+
)]=limx(t)y(t+
)dt(1)T→∞

4、T∫e0e式中Te为观测时间,Rxy(
)的波形如图1所示,其峰值位置所对应的时间位移T就是收稿日期:1998-11-09段泉圣讲师北京102206,刘禾副教授北京10220618现代电力1999年流动噪声信号渡越时间的测量值,由T可得其相关流速:Vc=L/T相关流速测量方法就其原理而言早已广为人知,但若将其应用于实时流量测量,需解决下列问题:1.1相关器的运算速度问题相关器的运算由相关器完成。为了满足测量实时性要求,时间平均运算只能在有限时间范围图1Rxy(
)的波形内进行,即相关器只完成以下积分T1^Rxy(
)=x

5、(t)
y(t+
)dt(2)T∫0^Rxy(
)表示真实相关函数Rxy(
)的估计值。将(2)式积分用无穷和代替,可得用数字电路计算机相关函数表达式N1^Rxy(
)=∑x(i·)·y(i·+
)(3)Ni=1式中x(i·),y(i·)分别为上、下游传感器获得流动噪声信号的抽样函数;为抽样时间间隔,=T/N如果时延
是的整数倍,(3)式可写成N1∑^Rxy(j)=x(i·)·y[(i+j)·](4)Ni=1j=0,1,2,⋯,m(m

6、的计算需要作N次加法运算,如果希望得到(m+1)个不同时延下的互相关函数Rxy(
)就需完成(m+1)N次加法和(m+1)N次乘法运算,基于这种方案的相关器无法满足实时测量要求。根据文献[1]中提出的极性重合相关器,为实现相关函数的快速计算提供了一种方法,称“极化互相关方法”。如图2所示。图2极化互相关方法框图在极化互相关方法中,将信号x(t),y(t)分别与相互独立、均匀分布的随机噪声信号(t)和!(t)相混合,然后将混合后的信号进行1Bit量化,当信号x(t)和y(t)为正态分布,且当(t)和!(t)的幅值小于信号的

7、最大值时,信号的1Bit量化不会给相关函数的计算带来误差。设x(t),y(t)分别为实值,有界的随机函数第1期段泉圣等:温度噪声信号相关法流量测量的实时实现19x(t)≤Cy(t)≤C两个附加的随机噪声信号!(t)、(t)分别是具有零均值的实值有界函数,即!(t)≤A,(t)≤A且A≤C!(t)与(t)彼此独立,它们都是具有均匀分布的随机变量,其概率分布密度可分别表示为11,-A

8、的噪声信号(t)和!(t)叠加,再经1Bit量化及延时处理后,就得到两个极化了的随机信号Z1(t)和Z2(t),可推导出极化互相关函数:1RZ1Z2(
)=A2Rxy(
)(5)(5)式表明:极化后的随机信号Z1(t),Z2(t)之间互相关函数Rz1z2(
)与未极化的随机信号x(t),y(t)之间的互相关函数Rxy