專利名稱：兩相流流速多傳感器實時測量儀及測試方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬流速的測量裝置及測試方法，特別涉及一種兩相流流速多傳感器實時測量儀及測試方法。
背景技術(shù)：
目前在工程上，流速的測試儀器和測試方法很多，可以根據(jù)測試的需要加以選擇，但在一些條件受限制的場合，如不允許截斷管路，不可以在管道上開窗而需在管外測量，或者需要流量計在管道中可變流速分布的情況下得平均流速，這無疑給測量帶來了困難，目前現(xiàn)有的一些測試裝置及方法，氣動式、微機化等，都是采用單一傳感器進行測量，雖然可以達到實時測量的目的，但不能克服單一傳感器測量精度低，易受雜散電容干擾，實時性差等不足。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)不足，提供一種采用多傳感器、一種電容值的互相關和超聲波互相關分析的相關流速測試、數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)的兩項流流速多傳感器實時測量儀及測試方法。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是一種由上下游電容傳感器電路、一號前向通道電路、上下游超聲波傳感器電路、二號前向通道電路、顯示電路和電源電路組成的兩相流流速多傳感器實時測量儀，其特點是在線路系統(tǒng)中設置了由軟件實現(xiàn)二個相關器的中央處理器電路；中央處理器電路它包括中央處理器U39、2-4線譯碼器U41A、非門U37A、軟件監(jiān)視器U40、晶體振蕩器Y1、二極管D6、電容C67、C69、C80、C81、電阻R47和開關S9；U39的1、2腳分別接二號前向通道電路中的光電隔離器U18、U17的3腳，3、4腳分別接一號前向通道電路中的光電隔離器U15、U16的3腳，9腳接U40的7腳、U37A的2腳，14腳接U41A的1腳。16腳接U40的6腳，18腳接C80和Y1的一端，19腳接Y1另一端和C81的一端，C81另一端接C80另一端和地，20腳接R47、S9一端和地，21～28腳分別接顯示電路中的數(shù)碼顯示電路DS1～DS4的1～8腳，32、33腳分別接U41A的3、2腳，40腳接C67、D6的一端，D6的另一端接S9另一端，C67的另一端接R47的另一端和R48一端，R48的另一端接U37A的1腳；U40的1腳接8腳，2腳接C79一端和+5V電源，3、4腳接C79另一端和地；U41A的4～7腳分別接顯示電路中的DS4～DS1的9腳。
兩相流流速多傳感器實時測量儀的測試方法是將上下流電容傳感器CA、CB隨機測出的信號，經(jīng)一號前向通道電路的運算放大器U6A、U6B的放大、低通濾波器U7、U8的濾波，采樣保持器U13、U14的采樣、光電隔離器U16、U15的光電隔離后進入中央處理器U39中的兩個輸入端進行相關運算，計算出管道內(nèi)介質(zhì)從上游電容傳感器CA流到下游電容傳感器CB的滯后時間t，再通過兩個上下游電容傳感CA、CB的距離得到介質(zhì)流速；上下游超聲波接收發(fā)送換能器U21、U22兩信號間同樣有一時間上的滯后，被調(diào)制后的等效電壓經(jīng)二號前向通道電路處理后，送入中央處理器U39中的相關程序模塊進行相關處理，得到利用上下游超聲波接收送換能器U21、U22所測得的流速；對兩個流速值進行融合處理設測量值為x1，x2；所要估計的真值取上一次測量結(jié)果x，兩個傳感器的方差分別為σ1，σ2；它們彼此互相獨立，并且是x的無偏估計；加權(quán)因子的求取過程求傳感器p的方差σ，(p＝1，2)根據(jù)Wp=1σp2Σi=121σi2]]>(p＝1，2)求出傳感器p此時的加權(quán)因子Wp；由X=Σp=12wpXp]]>計算出融合估計值X。
本發(fā)明的有益效果是本測試儀能完成流體流速的在線實時測量，并對速度進行顯示，具有實時性好，能抵制雜散電容的干擾，尤其是采用了雙傳感器的互相關算法，提高了測量結(jié)果的精度。
以下結(jié)合附圖以實施例具體說明。
圖1示兩相流流速多傳感器實時測量儀系統(tǒng)原理框圖。
圖2示圖1的中央處理器、數(shù)碼顯示電路原理圖。
圖3示圖1的上下游電容傳感器、一號前向通道電路原理圖。
圖4示圖1的二號前向通道電路原理圖。
圖5示圖1的上下游超聲波傳感器電路原理圖。
圖6示圖1的電源電路原理圖。
圖中，1-上下游電容傳感器電路；2-一號前向通道電路；3-上下游超聲波電路；4-二號前向通道電路；5-中央處理器電路；6-數(shù)碼顯示電路；7-電源電路；U1～U4-運算放大器；U5-差動放大器；U6A、U6B-放大器；U7～U10-低通濾波器；U11、U12-低溫漂放大器；U13、U14-采樣保持器；U15～U18-光電隔離器；U19、U20-鎖相環(huán)；U21、U22-超聲波接收發(fā)送換能器；U23、U24-模擬開關；U27、U36-運算放大器；U28、U29-帶通濾波器；U30、U38-二級放大器；U31、U32-低溫漂放大器；U33～U35、DC-DC-轉(zhuǎn)換器；U37A-非門；U39-中央處理器；U40-軟件監(jiān)視器；U41A-2-4線譯碼器；Y1-晶體振蕩器；CA、CB-電容傳感器；S1～S8-開關；S9-按鍵；D1～D6、D8～D15-二極管；D16-穩(wěn)壓二極管；Q1～Q4-三極管；DS1～DS4-數(shù)碼管；BT1、BT2-電池；T1、T2-變壓器；L1-電感器；C7～C18、C20～C25、C27～C38、C40～C45、C59～C81-電容；C83～C87、C92～C94、C96～C98-電解電容；R1～R67-電阻；R70、R72、R77、R78、R88、R89-可變電阻；具體實施方式
參照附圖，兩相流流速多傳感器實時測量儀由上下游電容傳感器電路1、一號前向通道電路2、上下游超聲波電路3、二號前向通道電路4、數(shù)碼顯示電路6和電源電路7組成，其特點是在系統(tǒng)中設置了中央處理器電路5(見附圖2)它包括中央處理器U39、軟件監(jiān)視器U40、2-4線譯碼器U41A、非門U37A、液晶振蕩器Y1、二極管D6、按鍵S9、電容C67、C79～C81和電阻R47、R48；U39的1、2腳分別接二號前向通道電路4中的光電隔離器U18、U17的3腳，3、4腳分別接一號前向通道電路1中的光電隔離器U15、U16的3腳，9腳接U37A的2腳和U40的7腳，14腳接U41A的1腳，16腳接U40的6腳，18腳接Y1、C80一端，19腳接Y1另一端和C81的一端，20腳接R47、S9一端和地，21～28腳分別接數(shù)碼顯示電路6中的數(shù)碼管DS1～DS4的1～8腳。32、33腳接U41A的3、2腳，40腳接C67、D6的一端；U37A的1腳接R48的一端，R48另一端接C67、R47另一端，D6、S9另一端相連接；C80、C81另一端相接并接地；U40的1腳接8腳，2腳接C79一端和+5V電源，3、4腳接C79另一端和地；U41A的4～7腳分別接數(shù)碼顯示電路6中的DS4～DS1的9腳。
上下游電容電路1(見附圖3)，它包括運算放大器U1～U4、電容傳感器CA、CB、電容C7～C13、C38、電阻R1～R4和開關S1～S8；U1的1腳接C10、R1、C7、S5的一端，2腳接C7的另一端和地，3腳接C10、R1的另一端和一號前向通道電路2的差動放大器U5的2腳；U2的1腳接C12、R3、C8、S6的一端，2腳接C8的另一端和地，3腳接C12、R3另一端和U5的3腳；U3的1腳接C11、R2、C9、S7的一端，2腳接C9的另一端和地，3腳接C12、R2的另一端和U5的5腳；U4的1腳接C13、R4、C38、S8的一端，2腳接C38的另一端和地，3腳接C13、R4另一端和U5的6腳；CA的1腳接S5、S6的另一端，2腳接S1、S2一端，S1的另一端接+5V電源，S2另一端接地；CB的1腳接S7、S8另一端，2腳接S3、S4一端，S3另一端接+5V電源，S4另一端接地。
一號前向通道電路2(見附圖3)它包括差動運算放大器U5、放大器U6A、U6B、低通濾波器U7、U8、低溫漂放大器U11、U12、采樣保持器U13、U14、光電隔離器U15、U16、電容C14～C35、電解電容C82～C85、電阻R5～R16和可變電阻R88、R89；U5的11腳接C14一端和+5V電源，C14的另一端接地，8腳接地，9、10腳接R5、R6一端，R5另一端接地，12、13腳接R7、R8一端，R7另一端接地；14腳接地，4腳接C15的一端和-5V電源，C15另一端接地，U6B的5腳接R8的另一端，6腳接R10一端，8腳接C17一端和+15V電源，C17另一端接地，7腳接R10另一端和C82的負極，4腳接C19的一端和-15V電源，C19的另一端接地；U6A的2腳接R9的一端，3腳接R6的另一端，4腳接C18一端和-15V電源，C18另一端接地，6腳接R9另一端和C83的負極，7腳接C16一端和+15V電源，C16的另一端接地；U7的1腳接R11、C23一端，2腳接R11另一端，3、4腳接C22一端和地，C22、C23另一端接地，5腳接U112腳，6腳接C20一端和地，7腳接C20另一端和+5V電源，8腳接C82正極；U8的1腳接R12、C25一端，2腳接R12另一端，3、4腳接C24的一端和-5V電源，C24、C25另一端接地，5腳接U12的2腳，6腳接C21一端和地，7腳接C21的另一端和+5V電源，8腳接C83的正極；U11的1腳R68的1、3腳，8腳接R68的2腳，3腳接R13的一端，R13的另一端接地，4腳接C27的一端和-5V電源，C27另一端接地，5腳接地，6腳接C84正極，7腳接C26一端和+5V電源，C26的另一端接地；U12的1腳接R69的1、3腳，8腳接R69的2腳，3腳接R14的一端，R14另一端接地，4腳接C29一端和-5V電源，C29另一端接地，5腳接地，6腳接C85正極，7腳接C28一端和+5V電源，C28另一端接地；U14的2腳接-15V電源和C34一端，C34另一端接地，3腳接C35一端，5腳接C35另一端，6腳接U16的1腳，7腳接R16一端和C84負極，R16另一端接地，8腳接C30一端和+15V電源，C30另一端接地；U13的2腳接C32一端和-15V電源，C32另一端接地，3腳接C33的一端，5腳接C33另一端，6腳接U15的1腳，7腳接R15一端和C85負極，R15另一端接地，8腳接C31一端和+15V電源，C31另一端接地；U16的2腳接4腳和地；U15的2腳接4腳和地。
上下游超聲波電路3(見附圖5)它包括鎖相環(huán)U19、U20、超聲波接收發(fā)送換能器U21、U22、模擬開關U23、U24、二極管D4～D5、三極管Q1～Q4、電容C36、C37、C56、C57、C88、C89、電解電容C86、C87、C90、C91、電阻R17～R19、R36～R38和可變電阻R70、R72；U19的14腳接二號前向通道電路4的運算放大器U27的6腳和電阻R23一端，3腳接U23的2腳，9腳接C88、R17一端，5腳接C88另一端和地，11腳接R70的1、3腳，R70的2腳接地；7腳接C37一端，6腳接C37另一端，4腳接C86負極和U23的3腳，13腳接R17另一端，16腳接C36一端和+15V電源，C36另一端接地；U20的14腳接二號前向通道電路4的運算放大器U36的6腳和電阻R43一端，3腳接U24的2腳，9腳接C89、C36一端，5腳接C89另一端和地，11腳R72的1、3腳，R72的2腳接地，8腳接地，7腳接C57一端，6腳接C57另一端，4腳接U24的3腳和C87的負極，13腳接R36的另一端，16腳接C56一端和+5V電源，C56另一端接地；U21的T端接U23的1腳和C90的負極，R端接二號前向通道電路4中的電阻R20一端；U22的T端接U24的1腳和C91的負極，R端接二號前向通道電路4中的電阻R40一端；Q3的基極接D1、D2一端，集電極接R18一端和+5V電源，R18另一端接D1另一端，發(fā)射極接Q1集電極C90正極，Q1的基極接D2、R19一端和C86的正極，發(fā)射極接R19另一端和地；Q4的基極接D4、D5一端，集電極接R37一端和+5V電源，R37另一端接D4另一端，發(fā)射極接C91正極和Q2的集電極，Q2的基極接D5另一端、R38一端和C87正極，發(fā)射極接R38另一端和地。
二號前向通道電路4(見附圖4)，它包括低通道濾波器U9、U10、光電隔離器U17、U18、帶通濾波器U28、U29、低溫漂放大器U31、U32、運算放大器U27、U36、二極放大器U30、U38、電容C40～C55、C59～C66、C68～C75、電阻R20～R35、R40～R46、R49～R57和可變電阻R77、R78；U27的2腳接R21的一端，R21的另一端接地，3腳接R20另一端和R22一端，R22另一端接地，4腳接C41一端和-5V電源，C41的另一端接地，7腳接C40的一端和+5V電源，C40另一端接地；U28的1腳接C42、C45一端，3腳接R24、C43一端，C43另一端接地，R24另一端接R23、C42另一端，4腳接C44一端和-5V電源，C44另一端接地，5腳接C46、R26一端，R26另一端接地，6、7腳接R27、R25一端，R25另一端接C45、C46另一端，8腳接+5V電源和C47一端，C47另一端接地；U30的1腳接R28、R30、C49一端，R28另一端接地，2腳接C48、R29一端，C48另一端接地，R29另一端接R27、R30、C49另一端，4腳接C51一端和-5V電源，5腳接C51另一端、地和D3一端，3腳接C50一端和+5V電源，C50另一端接地；U9的1腳接R32、C53一端，C53另一端接地，2腳接R32另一端，3、4腳接-5V電源，5腳接R33一端，6腳接地，7腳接+15V電源，8腳接R31、C52一端和D3另一端，R31、C52另一端接地，U31的1腳接R77的2腳，2腳接R33、R35一端，3腳接R34一端，R34另一端接地，7腳接C54一端和+15V電源，C54另一端接地，4腳接C55一端和-15V電源，C55的另一端接地，6腳接R35另一端和U17的1腳，8腳接R77的1腳，R77的3腳接+15V電源；U17的2腳接地，4腳接地；U36的2腳接R41一端，R41另一端接地，3腳接R40另一端和R42一端，R42另一端接地；4腳接C60一端和-5V電源，C60另一端接地，7腳接C59一端和+5V電源，C59另一端接地；U29的1、2腳接C61、C64一端，3腳接R44、C62一端，C62的另一端接地，R44另一端接R43、C61另一端，4腳C63一端和-5V電源，C63另一端接地，5腳接C65、R46一端，R46另一端接地，6、7腳接R49、R45一端，R45另一端接C65、C64另一端，8腳接C66一端和+5V電源，C66另一端接地；U38的1腳接R50、R52、C69一端，R50另一端接地，2腳接C68、R51一端，C68另一端接地，R51另一端接R46、R52、C69另一端，3腳接C70一端和+5V電源，C70另一端接地，4腳接C71一端和-5V電源，C71另一端接地，5腳接D7的一端；U10的1腳接R54、C73一端；C73另一端接地，2腳接R54另一端，3、4腳接-15V電源，5腳接R55一端，6腳接地，7腳接+15V電源，8腳接R53、C72、D7一端，R53、C72另一端接地；U32的1腳接R78的1腳，2腳接R55、R57的一端，3腳接R56一端，R56另一端接地，4腳接C75一端和-15V電源，C75另一端接地，7腳接C74一端和+15V電源，C74另一端接地，8腳接R57另一端和U18的1腳；U18的2、4腳接地。
數(shù)碼顯示電路6(見附圖2)它包括數(shù)碼管DS1～DS4，其連接關系前面已述。
電源電路7(見附圖6)它包括DC-DC轉(zhuǎn)換器U33、U35、電池BT1、BT2、變壓器T1、T2、電感L1、二極管D8～D15、穩(wěn)壓二極管D16、電容C76～C78、電解電容C92～C94、C96～C98和電阻R58～R67；U34的1腳接T1的2腳，2腳接地，3腳接C76一端，4腳接C76另一端，5腳接R61、R58一端，6腳接R59一端BT1正極，BT1負極接R58另一端和地，7腳接R59另一端、R60一端和T1的1腳，8腳接R60另一端；T1的3腳接D8、D9一端，4腳接D10、D11的一端，5腳接地；D8、D10另一端和C92的正極接R61另一端和+15V電源，D9、D11另一端和C93負極接-15V電源；U33的1腳接6、7、8腳，C94正極、BT2正極，C94負極接地，2腳接D16、L1一端，D16另一端接地，3腳接C77一端，4腳接C77另一端R66、R64一端和U35的6腳，5腳接R66另一端和R62一端，R62的另一端接BT2負極和地；U35的1腳接T2的2腳，2腳接地，3腳接C78的一端，4腳接C78另一端，5腳接R67、R63一端，R63另一端接地，7腳接R64另一端、R65一端和T2的1腳，8腳接R65另一端；T2的3腳接D12、D13一端，4腳接D14、D15一端，5腳接地，D12、D14另一端接C96的+5V電源和R67另一端，D13、D15的另一端接C97負極接-5V電源。
兩相流流速多傳感器實時測量儀的測量方法是將上下游電容傳感器CA、CB隨機測出的信號，經(jīng)一號前向通道電路1的運算放大器U6A、U6B的放大、低通濾波器U7、U8的濾波，采樣保持器U13、U14的采樣、光電隔離器U16、U15的光電隔離后進入中央處理器U39中的兩個輸入端進行相關運算，計算出管道內(nèi)介質(zhì)從上游電容傳感器CA流到下游電容傳感器CB的滯后時間t，再通過兩個上下游電容傳感CA、CB的距離得到介質(zhì)流速；上下游超聲波接收發(fā)送換能器U21、U22兩信號間同樣有一時間上的滯后，被調(diào)制后的等效電壓經(jīng)二號前向通道電路4處理后，送入中央處理器U39中的相關程序模塊進行相關處理，得到利用上下游超聲波接收送換能器U21、U22所測得的流速；對兩個流速值進行融合處理設測量值為x1，x2；所要估計的真值取上一次測量結(jié)果x，兩個傳感器的方差分別為σ1，σ2；它們彼此互相獨立，并且是x的無偏估計；加權(quán)因子的求取過程求傳感器p的方差σ，(p＝1，2)根據(jù)Wp=1σp2Σi=121σi2]]>(p＝1，2)求出傳感器p此時的加權(quán)因子Wp；由X=Σp=12wpXp]]>計算出融合估計值X。
權(quán)利要求
1.一種兩相流流速多傳感器實時測量儀由上下游電容傳感器電路(1)、一號前向通道電路(2)、上下游超聲波電路(3)、二號前向通道電路(4)、數(shù)碼顯示電路(6)和電源電路(7)組成，其特點是在系統(tǒng)中設置了中央處理器電路(5)它包括中央處理器U39、軟件監(jiān)視器U40、2-4線譯碼器U41A、非門U37A、液晶振蕩器Y1、二極管D6、按鍵S9、電容C67、C79～C81和電阻R47、R48；U39的1、2腳分別接二號前向通道電路(4)中的光電隔離器U18、U17的3腳，3、4腳分別接一號前向通道電路(1)中的光電隔離器U15、U16的3腳，9腳接U37A的2腳和U40的7腳，14腳接U41A的1腳，16腳接U40的6腳，18腳接Y1、C80一端，19腳接Y1另一端和C81的一端，20腳接R47、S9一端和地，21～28腳分別接數(shù)碼顯示電路(6)中的數(shù)碼管DS1～DS4的1～8腳。32、33腳接U41A的3、2腳，40腳接C67、D6的一端，U37A的1腳接R48的一端，R48另一端接C67、R47另一端，D6、S9另一端相連接；C80、C81另一端相接并接地；U40的1腳接8腳，2腳接C79一端和+5V電源，3、4腳接C79另一端和地；U41A的4～7腳分別接數(shù)碼顯示電路(6)中的DS4～DS1的9腳。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種兩相流流速多傳感器實時測量儀的測量方法，其特征在于將上下游電容傳感器CA、CB隨機測出的信號，經(jīng)一號前向通道電路(1)的運算放大器U6A、U6B的放大、低通濾波器U7、U8的濾波，采樣保持器U13、U14的采樣、光電隔離器U16、U15的光電隔離后進入中央處理器U39中的兩個輸入端進行相關運算，計算出管道內(nèi)介質(zhì)從上游電容傳感器CA流到下游電容傳感器CB的滯后時間t，再通過兩個上下游電容傳感CA、CB的距離得到介質(zhì)流速；上下游超聲波接收發(fā)送換能器U21、U22兩信號間同樣有一時間上的滯后，被調(diào)制后的等效電壓經(jīng)二號前向通道電路(4)處理后，送入中央處理程序模塊U39中的相關器進行相關處理，得到利用上下游超聲波接收送換能器U21、U22所測得的流速；對兩個流速值進行融合處理鳳測量值為x1，x2；所要估計的真值取上一次測量結(jié)果x，兩個傳感器的方差分別為σ1，σ2；它們彼此互相獨立，并且是x的無偏估計；加權(quán)因子的求取過程求傳感器p的方差σ，(p＝1，2)根據(jù)Wp=1σp2Σi=121σi2]]>(p＝1，2)求出傳感器p此時的加權(quán)因子Wp；由X=Σp=12wpXp]]>計算出融合估計值X。
全文摘要
本發(fā)明屬流速的測量裝置及測試方法，特別涉及一種兩相流流速多傳感器實時測量儀及測試方法，由上下游電容傳感器電路(1)、一號前向通道電路(2)、上下游超聲波電路(3)、二號前向通道電路(4)、數(shù)碼顯示電路(6)和電源電路(7)組成，在系統(tǒng)中設置了中央處理器電路(5)進行相關運算，本測試儀能完成流體流速的在線實時測量，并對速度進行顯示，具有實時性好，能抵制雜散電容的干擾，尤其是采用了雙傳感器的互相關算法，提高了測量結(jié)果的精度。
文檔編號G01P5/08GK1737579SQ20051004617
公開日2006年2月22日 申請日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月1日
發(fā)明者付華, 杜曉坤, 許振良 申請人:遼寧工程技術(shù)大學