微机化在线实时两相流测量用相关仪的研制

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1991.06.029 北京科技大学学报 第13绝第6戏 Vol.13 No.6 1991年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.1991 微机化在线实时两相流测量用 相关仪的研制+ 程瑞雪·王绍纯· 摘要：提出了一种快速极性相关算法，该算法利用标准8位微处理器具有的按位和 处理8位数据的功能，采用了查表方式计算相关值，并以二分法进行峰值搜素。在乞8671 单片机（品振7.3728MHz)上执行该算法，允许的最高采样频率为18.08kHz。如果取相关 计算长度为256点，测量窗口为127点，采样后只需10皿s便可以给出流体花经距离L的渡越 时间，从而使以微处器为核心的相关仪，可以满足实时应用的要求。 关键词：两相流测量，互相关，微机化相关仪，峰值拽素，快速相关算法 Research on the On-line and Real Time Microprocessor-based Cross Correlator for Two-phase Flow Rate Measurement Cheng Reixiue Wang Shaochun" ABSTRACT:A fast polarity correlation algorithm is presented which utilizes the functions of a standard 8-bit microprocessor to handle 8-bit data and to look up a table.The peak of the correlation function is searched by scanning and bisection method.When it is programmed on a Z8671 Single-chip micro- computer clocked at 7.3728MHz,this algorithm allows a maximum sampling frequence of 18.08kHz,and for a measurement window of 127 points with 256 integrated points,only 10ms is required after collecting data to give out the 1991-04-22收稿 十国家自然科学基金资助项目 ,自动化工程系(Deprtment of Automation and Control Engincering) 572

第 烤第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 。 微机化在线 实时两相流测量用 相关仪的研制 程瑞 雪 ‘ 王 绍纯 摘 要 提 出了一种 快速极性相关 算法 ， 该算法利 用标准 位微处理 器 具 有 的 按 位 和 处理 位数据的 功能 ， 采 用 了查表方式计算相 关值 ， 并以二分法进行峰值 搜 索 。 在 单片机 晶振 。 幻 上执行该算法 ， 允许的 最高采样频率为 。 么。 如果取相关 计算长度 为 点 ， 铡量窗口 为 了点 ， 采样后只 需加 便可以给出流体流经距离 的 渡越 时 间 ， 从而使以微处器为核心的相关仪 ， 可以满足 实时应用的 要求 。 关 键词 两相流侧 量 ， 互相关 ， 微机化相关 仪 ， 峰值 搜素 快速相关算注 一 一 一 夕 尸 口 劣 ， 牙 夕 ” 一 一 一 ， 。 ， ， 】 】 一 一 一 收稿 十 国家 自然科学墓金资助 项 目 自动化工 程系 垃 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．06．029

transit time over distance L.Therefore it is possible to make microprocessor- based correlator for real time applications. KEY WORDS:two-phase flow rate measurement,cross correlation,micropro- cessor-based cross correlator,peak searching,fast correlation algorithm 在许多工业生产过程中，常会遇到气/固、液/固等两相流的流量测量问题。若采用常规 流量测量方法，则存在较多的缺陷，如阻力件磨损、介质阻塞等。然而，相关流量测量仪表 可以采用多种原理的传感器（如电容式、超声波式传感器等）获取流动噪声信号，从而实现 无阻挡或非接触式的测量，解决两相流的流量测量问题1-3)。 相关流量测量法需要对大量的采样值进行数据处理。通常以专用大规模集成电路为核心 的硬件式相关仪处理数据快，但成本高，灵活性差。而以一片普通微处理器为核心的软件式 相关仪处理数据慢。相关仪成本与其实时性的矛盾限制了相关技术的广泛应用：1-3)。本文 提出了快速极性相关算法，从而可以用一片单片机实现具有实时性好，功能多，成本低的软 件相关仪。 1测量原理 相关流量测量法实质是速度测量法。如图1所示，两个相同的传感器相距工，两个传感 器检测到的信号分别为x(t)、y(),它们的互相关函数R,y(T)可以表示为： ..(d (1) 当x=T,时，Rx,(x)将出现峰值，T,即是流体流经距离L所需的渡越时间。由于速度严 可以表示为扩=L/xo,从而可得流量Q=V·A(A为管道横截面积)。实际应用中式(1)中 的积分时间只能取有限值，可以表示为： x(-)y()dt (2) 为简化相关计算，将x()、y(t)进行1比特量化，得到极性信号X()、Y(),它们的 互相关函数为： R=六名X(Y+》 (3) 可以证明，当信号x()、y()为高斯型信号时极性化信号X()、Y()的互相关函数 与原信号×()、y()的互相关函数的峰值位置重合(28)。本文以极性互相关函数的计算公 式为根据探讨相关计算的快速算法。 573

士 宝 。 一 ， 一 ， ， ， 一 在许多工业生 产过程中 ， 常会遇到气 固 、 液 固等两相流的流量测量向题 。 流量测量方法 ， 则存在较多的缺陷 ， 如阻 力件磨损 、 介质阻塞 等 。 然而 ， 若采用 常规 可 以采用 多种原理的 传感器 如电容式 、 超声波式传感器等 无阻挡或非接触式的 测量 ， 解决两相流的流量测量问题 〔 ‘ 一 “ “ 相关流 量测量仪表 获取流动噪 声信号 ， 从而实现 相关流量测量法需要对大量的采样值进行数据处理 。 通常以专用大规模集成电路为核心 的硬件式相关仪处理数据快 ， 但成 本高 ， 灵 活性差 。 相关仪处理数据慢 而以一片普通微处理器为核心 的软件式 。 相关仪成本与其实时性的矛盾限制了相关技术的 广泛应 用 ‘ ’ 一 “ ， 提出了快速极性相关算法 ， 件相关仪 。 。 本 文 从而可 以用一片单片机 实现具 有实时性好 ， 功能多 ， 成 本低的软 测量原理 相 关流量测量法实质是速度侧量法 。 如图 所示 ， 两个相同的 传感器相距 ， 器检测到的 信号分 别为 、 ， 它 们的 互相关 函数 二 ， 劝 可以表示为 两个传感 一 ‘” 考 创 ’ 。 “ 一 ， ’ “ ，“ ‘ 当丫 二 丁 。 时 ， 刀 二 劝 将出现峰值 ， ， 。 即是流体流经距离 所需的渡越 时 间 。 可以表示为犷 了 。 ， 从而可得流量 二 · 的积分时 间只能取有限值 ， 可 以表示为 由于 速度 为管道横截面积 。 实际应 用 中式 中 二 ， 公 ， ， 、 ‘ 下蔺 ， 潇 了 一 了 … 上 为简化相关计算 ， 将川 、 夕 进行 比特量化 ， 得到 极 性信号 、 互相关 函数为 ， 它们的 。 ， 、 二 二 夕 气 一面厂 乙 人 〔 忍 〔 乙 ‘ 二 可以证明 ， 与原信号二 、 当信号双 、 为高斯型信号时极性化信号 、 的互相关 函数 的互相关 函数的峰值位置 重合 亡 ， ” ， 式为根据探讨相关计算的快速算法 。 本文 以极性互相关函数的 计算公

Flow direction Transducers X() yh R.t) Signa】 Signal processor processor R,(=7 x(1-T)y(t)di (b) (a 图1互相关流量测量原理 Fig.1 Principle of cress correlation flow measurement 2 快速相关计算方法 经极性化处理后，信号均为“0”或“1”，信号的乘积变为比较，积分变为累加。设式(3) 的N点比较中，有P点的信号极性相同，Q点的信号极性相反，P+Q=N,因此极性相关函 数可以表示成如下的计算形式 R()=(P-Q) (4) R,)=(2P-N) (5) 可见，由(5)式代替(3)式求相关值，只累加极性相同的点，而对极性相反的点不减，可 以减少计算量。软件式相关仪可以由计算机的异或指令进行极性异同比较，相同极性比较结 果为“0”，不同极性比较结果为“1”。 根据计算机异或操作的特点，可以按位同时比较8位。因此，若能将上下游的信号各自 每8点取入一个寄存器，那么，由一条异或指令便可以完成8点数据的比较。可见，该方式 的比较能否实现，关键在于能否将8点的数据存放于一个单元，而不增加额外的处理时间。 本文根据计算机内多个寄存器可以串联移位的特点，在信号采样过程中，首先将同一时刻的 极性信号X()和Y(),通过一个并行口取入寄存器A,然后将寄存器A与寄存器B、C分别构 成串联方式，信号X()移入B寄存器，信号Y()移入C寄存器；再将B、,C两寄存器的内容分 别送到X()、Y()信号各自的存放区。对每下一个时刻的信号X()、Y()以同样方式采入并 处理，直到将所需的信号全部采入为止。如此采样，每个存贮单元便存放了8个按顺序采样 的数据。图2表示了采样的过程。 574

一 主 与 一︺ 。 口 护 护 ， 马， ， 食 犷 · 奇 ， 口 一 丫 · “ 图 互相关优量侧量原理 快速相关计算方法 经极性化处 理后 ， 信号均为 “ ” 或 “ ” ， 信号的 乘积变为 比较 ， 积分变 为累加 。 设式 的 点比较中 ， 有 点的信号极性相 同 ， 点的信号极性相反 ， 十 二 万 ， 因此极性相关函 数可以表示成如下 的 计算形 式 二 声 ， 。 。 、 二 一飞二， 火厂 一 衬 二 ， 护 ， 。 、 、 一 、 于 又乙 一 工 可见 ， 由 式代替 式求相 关值 ， 只 累加极性相同的点 ， 而对极性相反的点不减 ， 可 以减少计算量 。 软件式相 关仪可 以 由计算机的 异或 指令进行极性异同 比较 ， 相 同极性比较结 果为 “ ” ， 不 同极性 比较结 果为 “ ” 。 根据计算机异或操作的 特点 ， 可 以按 位 同时比较 位 。 因此 ， 若能将上下 游的信号各 自 每 点取人一个寄存器 ， 那 么 ， 由一 条异或 指令便可 以完成 点数据的 比较 。 可见 ， 该方式 的 比较能否实现 ， 关键在 于能否将 点的数据 存放于 一个单元 ， 而不增加额外的处 理时 间 。 本文根据计算机 内多个寄存器可 以串联移位的 特点 ， 在信号采样过程中 ， 首 先将 同一时刻的 极性信号 “ 和 约 ， 通过一个并行 口 取人寄存器 ， 然后将寄存器 与 寄存器 、 分别构 成 串联方式 ， 信号 匀移人 寄存器 ， 信号 移人 寄存 器 再将 、 两 寄存器的 内容分 别送到 ’ 、 信号各 自的存放区 。 对每下一个时刻 的信号 、 以 同样方式采 入并 处理 ， 直到 将所需的信号全部采 人为 止 。 如此采样 ， 每个存贮单元便存放 了 个按顺序采样 的数据 。 图 表示 了采样的过程

T在贮区 AXut 事年事 Xot XH X:X,X,X,X。X,XX XX:XX.X;Xs X:X: Y存贮区 C Y··· Y Y2Y,YY,Y。Y:Ys YY:Y,Y:YYY:YI 图2采样过程 Fig,2 Process of sampling 每个相关值都以存放X()、Y()单元的地址差形成其延时值。从X()、Y()计算的起始 单元开始，每8个存贮单元取一次数据。 由上述过程可见，将8点的数据存放于一个寄存器内是在采样过程中完成的，不需要额 外的处理时间。如此存放数据后，一次异或操作可以实现8点X()、Y()采样值的比较，提 高了比较效率。 每一个相关值应当是N点极性比较，并将极性相同的次数相加的结果。用该算法时，每 次比较结果为一个8位二进制数，应当判断其中“0”的个数。若对每个8位二进制结果都按 位进行“0”、“1”检测，必将占用很多机时。本文采用了查表方式，使计算机完成累加的操作 极其简单。8位二进制数的0、1共有256种排列可能，而且每种排列含有确定个数的“0”。根 据这一特点，编写程序中可以做一个有连续256个单元的表格，使表格的高8位地址一定， 低8位地址为0255，每个单元中的内容为低8位地址中含零的个数。以每次比较的结果 作为查表的低8位地址，将查得单元的内容送入相应的累加器。显然，这种查表方式大大减 少了相关计算时的累加次数。计算机逐条执行程序的操作方式决定了执行程序条数越少完成 任务所需时间越短。本文提出的算法充分利用了计算机指令的特点，在数据传送、比较及累 加的过程中节省了大量操作。 以相关法进行流量测量时，采样间隔越短，峰值位置的分辨率越高。因此，提高采样频 幸可以提高测量精度。但是，由于采样点数增多，使数据处理量增加，由此会降低相关仪的 实时性能。然而，考虑到相关流量测量是根据峰值位置确定延时π。，从而求速度及流量。因 此没必要给出相关曲线上所有点相关值的大小。据此，采用了先粗扫描的方式，然后以二分 法搜索精确的峰值位置，进一步减少了计算量。 本文研究的相关仪取测量窗口为127点，测景起点可变，假设取n。=20,n。=148(n。为 起点，n:为终点)，将20一148每16点分隔一次，然后并行地计算R(36)、R(52)、R(68)、 R(84)、R(100)、R(116)、R(132),并找出其中最大值所对应的延时值n,再以n为中心，计算 R(n-8)、R(n+8),然后比较R(n)、R(n一8)、R(n+8),并找出它们中的最大值对应的延 时值；按上述方式继续计算相关值，直到求出分辨率为1个采样间隔的峰值所对应的延时 为止，从而得到下。=n·△，式中△为采样周期。 575

尤存贮了互 ‘ … 犬， ， ， 一 一。 ， 〕 一 ‘ ， 一 ， ， ， 凡 ’ 丸 ’ ， ’ 存贮区 卜 丫 … 。 ， … 乙。 ， ， 公 ， ‘ 从 一 币几 ， 二 丫‘ ， 丫 」 图 采样过 程 银个相关值 都以存放 ‘ 、 ’ 单 元的 地址差 形成其延 时值 。 从 ’ 、 ’ 计算 的起始 单元开始 ， 每 个存贮 单元取一次数据 。 由上述过程可见 ， 将 点的数据存放于一 个寄存器内是在采样过 程中完成的 ， 不需要额 外的处理时 间 。 如此存放数据后 ， 一次 异或操作可 以实现 点 幻 、 采样值的 比较 ， 提 高 了比较效率 。 每一个相 关值应 当是 点极 性 比较 ， 并将极 性相同的 次数相加 的结果 。 用 该算法时 ， 每 次 比较结 果为一个 位二进 制数 ， 应 当判 断 其 中 “ 。 ” 的 个数 。 若 对每个 位二进制结果都按 位进 行 “ ” 、 “ ” 检测 ， 必将 占用很多机 时 。 本文采 用 了查表 方式 ， 使计算机完成 累加的操作 极 其简单 。 位二进 制数的 。 、 共有 种排 列可能 ， 而且每种排 列含有确定个数的 “ ” 。 根 据 这一特点 ， 编 写程序 中可 以做一个有连 续 个单 元的表 格 ， 使表 格的高 位地址一定 ， 低 位地址 为。 一 ， 每 个 单 元 中的 内容 为低 位地址中含零的个数 。 以每次比较的结果 作为查表 的低 位地址 ， 将查得单 元的 内容送 入相应的 累加 器 。 显 然 ， 这种查表方式大大减 少了相关计算时的 累加 次数 。 计算机 逐 条执行程序的 操作方 式决定 了执行程序 条数越 少完成 任务所需时间越短 。 本文 提 出的 算法充分利 用 了计算机指令的特点 ， 在 、数据 传送 、 比较 及累 加 的过程 中节省了大量操 作 。 以相 关法进行流量 测量 时 ， 采样 间隔越短 ， 峰值位置的分 辨 率越高 。 因此 ， 提高采样频 率可 以提高测量精度 。 但是 ， 由于采样 点数增多 ， 使数据处 理量增加 ， 由此会 降低相关仪的 实时性能 。 然而 ， 考虑 到 相关流量测量是根据 峰值位置 确定延时丁 。 ， 从而 求速度及流量 。 因 此没 必要 给出相 关 曲线 上 所有点相关值的 大小 。 据此 ， 采 用 了 先粗扫描的 方 式 ， 然后 以二分 法 搜 索精确的 峰值 位置 ， 进一步减少 了计算量 。 本文 研究的相 关仪取 测量窗 口 为 点 ， 测量起 点可变 ， 假设取 。 。 二 ， 。 。 二 。 为 起点 ， 。 为 终点 ， 将 一 每 点分 隔 一 次 ， 然后并行地计算 、 、 、 、 、 、 ， 并找 出其中最大值 所对应 的延 时值 ” ， 再 以 ” 为 中心 ， 计算 尸 ， 一 、 刀 ， 然后 比较 。 、 一 、 。 ， 并找 出它 们 中的 最大值对应 的 延 二 时值 按上述方式继续计算相 关值 ， 直到 求 出分 辨率为 个采样 间隔的 峰值所对应 的延 时 为止 ， 从而得到丫 。 。 · ， 式 中△为采样周期

3试验结果 在理论工作基础上设计了一台以Z8671单片机为核心的软件相关仪。根据上述快速相关 算法及峰值搜索方式编写和调试了相关分析程序。当取计算积分点为256点，测量窗口为 127点，采样后10ms便可以给出流体的渡越时间，最高采样频率为18.08kHz。以二进制序列 伪随机信号发生器为工具，对本相关仪的实时性能进行了测试，并得到了下表的结果。 实时性能测试结果 Testing results for real-time property 积分点数(N) 测试时间(min) 测量次数 平均测量次数（次/s) 256 5712 23.8 512 5 4080 13.6 1024 8 3672 7.6 1280 7 2856 6.8 4结 论 提出的快速极性相关算法及技术方案切实可行，它使得以一片单片机为核心的软件式相 关仪可满足实时测量的要求，成本大幅度下降，为相关技术的广泛应用创造了条件。 参考文献 1 Beck M S.J.Phys,E:Sci,Instrum.1981,14(1):7~19 2徐苓安。相关流量测量技术。天津：天津大学出版社，1988 3 Coulthard J.The Principle of Ultrasonic Crosscorrelation Flowmetering, Measurement and Control,1975,8(2):65~70 4 Ong K H,Beck M S,Measu rement and Control,1975,8(11):453~463 5 Ab eysekera S A,Beck M S,Measurement and Control,1970,3(6):109~ 112 576

试 验 结 果 在理论工作基础上设计了一台以 单片机 为核心的软件相关仪 。 根据上述快速相关 算法及峰值搜索方式编写和调 试了相关分析程序 。 当取计算积分点为 点 ， 测量窗 口 为 点 ， 采样后 便可以给出流体的渡越 时间 ， 最高采样频率为 。 以二进制序列 伪 随机信号 发生器 为工具 ， 对 本相 关仪的 实时性能进 行了测试 ， 并得到 了下表的结果 。 实 时 性 能侧试结 果 一 积分点数 侧 试时间 侧量次数 平 均测量次数 次 搜 。 。 。 。 结 论 提出的快速极 性相关算法及技术方案切实可行 ， 它使得以一片单片机为核心的软件式相 关仪可满足 实时侧量的要求 ， 成 本大幅度下降 ， 为相关技术的广泛应 用创造 了条件 。 参 考 文 献 。 五 ， 徐芬安 。 相关流量测量技术 天津 天津大学出版社 ， 合 。 扭 ， ， ， ， 。 ， ， ， ，