【文章內(nèi)容簡介】 有極好的抗共模干擾的能力。對兩個傳感器受到的因溫度、振動等因素產(chǎn)生的共模干擾對差動自相關(guān)系統(tǒng)影響很小[10]。 差動自相關(guān)測量系統(tǒng) 差動自相關(guān)函數(shù)波形用渡越時間相關(guān)法測量流量，屬于非接觸式測量方法，即流量檢測元件不與被測流體相接觸，傳感器一般放在管子外壁，不破壞原來流體的流場，也不會造成節(jié)流壓力損失因而節(jié)約能量。可測介質(zhì)的面廣，既可測潔凈液體和氣體又能測臟污流體、漿液及氣/固、液/固兩相流。測得的流量僅與管道體積有關(guān)，故不必進行單獨標定，能抑制外界輸入的干擾信號輸出呈線性，精度較高。相關(guān)法測流量有廣闊的應(yīng)用前景[11]。相關(guān)測試系統(tǒng)包括隨機流動噪聲敏感器、流動噪聲信號傳遞通道和互相關(guān)器三個關(guān)鍵部件。流動噪聲信號檢測系統(tǒng)由測量管段、傳感器以及信號放大、調(diào)節(jié)和濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成。上、下游傳感器的敏感元件所檢測到的信號，隨噪聲信號分別通過放大、解調(diào)及濾波等環(huán)節(jié)后，包含在其中的隨機噪聲信號被提取出來，并輸入相關(guān)測量系統(tǒng)作進一步處理。相關(guān)測量系統(tǒng)的作用是實現(xiàn)相關(guān)流量測量。通過比較上、下游流動噪聲信號的相似性，確定流動噪聲信號在上、下游傳感器所在橫截面之間的平均傳遞時間。從某種意義上講,相關(guān)流量測量系統(tǒng)要解決的是系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識問題。流動參數(shù)模型描述了參考模型的參數(shù)與被測流體的體積平均流速或體積流量之間的關(guān)系。一般來說，根據(jù)流動噪聲信號的檢測原理及傳感器的結(jié)構(gòu)形式，可以對流動參數(shù)模型進行一些定性分析，確定其模型的形式。但由于被測流體流動的復(fù)雜性，通過上述分析獲得的流動參數(shù)模型還需要通過定量實驗來驗證[6]。目前，相關(guān)流量計還有一些局限性有待完善。(1)測量精確度不高上、下游信號通道特性的不一致性和互相關(guān)運算中平均時間有限時是引起測量誤差的兩個主要原因。目前相關(guān)流量計的流速測量精確度可以達到177。2%左右。(2)單一流量計測量覆蓋面小由于多項流流型很復(fù)雜，相間界面即各相的形態(tài)變化很大，目前尚無一種多相流量計可以覆蓋所有流型范圍。(3)vc的物理意義尚待進一步探討相關(guān)速度vc與被測流體的平均速度vcp之間的關(guān)系與許多因素有關(guān)。由于流動噪聲現(xiàn)象的隨機性，很難根據(jù)單純的理論計算來確定它們的關(guān)系。(4)標定工作較為困難[12]相關(guān)流量測量技術(shù)以其適用面廣、可實現(xiàn)非接觸式測量顯示出在解決多相流“困難流體”方面的廣泛應(yīng)用前景，相關(guān)流量計從產(chǎn)生、發(fā)展直到今天已經(jīng)取得了長足的進步，相關(guān)流量測量技術(shù)已從大學(xué)實驗室的原理性研究發(fā)展到儀器儀表公司規(guī)?；a(chǎn)并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場在線測量階段，但是，客觀地說，相關(guān)流量測量技術(shù)仍存在許多尚未解決好的問題，并有待進一步研究和發(fā)展，相關(guān)流量測量技術(shù)未來發(fā)展方向為：(1)要對相關(guān)流量測量系統(tǒng)中的傳感器進行系統(tǒng)優(yōu)化（包括相關(guān)測速傳感器及必要的分相含率傳感器)。(2)原來人們認為相關(guān)流量測量是一種絕對測量方法，但深入研究后發(fā)現(xiàn)，這個觀點不是完全正確的，相關(guān)測速不僅取決于敏感場的區(qū)域范圍及靈敏度分布，還與分散相與敏感場相互作用方式有關(guān)（即使兩相流呈均勻分布，由于敏感場各點權(quán)因子不同最后的相關(guān)測速仍不會等于流體平均流速），兩相流流型復(fù)雜多變且流動過程中離散相與連續(xù)相之間滑脫等現(xiàn)象也會使相關(guān)測速變得異常復(fù)雜。(3)在深入研究相關(guān)流量傳感器檢測機理及優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，相關(guān)流量計的標定是另一個急待解決的問題[13]，相關(guān)流量計的測量對象大都為“困難流體”，而許多“困難流體”的標定本身就是一個難以解決的困難問題，所以相關(guān)流量計的標定問題值得深入研究，多相流標定裝置的水平也有待于進一步提高。(4)相關(guān)流量測量系統(tǒng)向智能化信息處理方向發(fā)展及優(yōu)化后的陣列集成傳感器對多相流多種信息挖掘與融合技術(shù)研究是保證相關(guān)流量測量技術(shù)向更寬應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展的新途徑[5]。第三章 虛擬儀器簡介虛擬儀器是現(xiàn)代技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計算機技術(shù)特別是計算機的快速發(fā)展，CPU處理能力的增強，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進步，人們逐漸認識到，可以把儀器的信號分析和處理、結(jié)果的表達與輸出功能轉(zhuǎn)移給計算機來完成。這樣，可以利用計算機的高速計算能力和寬大的顯示屏更好地完成原來的功能。如果在計算機內(nèi)插上一塊數(shù)據(jù)采集卡，就可以把傳統(tǒng)儀器的所有功能模塊都集中在一臺計算機中了，而軟件就成了虛擬儀器的關(guān)鍵，任何一個使用者都可以通過修改虛擬儀器的軟件來改變它的功能，這就是美國NI公司“軟件就是儀器”一說的來歷。 所謂虛擬儀器，就是在通用的計算機平臺上定義和設(shè)計儀器的功能，用戶操作計算機的同時就是在使用一臺專門的電子儀器。虛擬儀器以計算機為核心，充分利用計算機強大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對測量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的最大特點是其靈活性，用戶在使用過程中，可以根據(jù)需要添加或刪除儀器功能，以滿足各種需求和各種環(huán)境，并且突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、表達、傳送以及存儲方面的限制。虛擬儀器技術(shù)就是利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應(yīng)用。自1986年問世以來，世界各國的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計周期的各個環(huán)節(jié)，從而改善了產(chǎn)品質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品投放市場的時間，并提高了產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)效率。使用集成化的虛擬儀器環(huán)境與現(xiàn)實世界的信號相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實用信息，共享信息成果，有助于在較大范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。虛擬儀器提供的各種工具能滿足我們?nèi)魏雾椖啃枰?1)GPIB→VSI→PXI總線方式（適合大型高精度集成系統(tǒng)）GPIB于1978年問世，VXI于1987年問世，PXI于1997年問世。(2)PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景）PC插卡式于80年代初問世，并行口方式于1995年問世，串口USB方式于1999年問世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：①計算機是載體②軟件是核心③高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。 虛擬儀器由硬件設(shè)備與接口、設(shè)備驅(qū)動軟件和虛擬儀器面板組成。其中，硬件設(shè)備與接口可以是各種以PC為基礎(chǔ)的內(nèi)置功能插卡、通用接口總線接口卡、串行口、VXI總線儀器接口等設(shè)備，或者是其它各種可程控的外置測試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動程序，虛擬儀器通過底層設(shè)備驅(qū)動軟件與真實的儀器系統(tǒng)進行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計算機屏幕上顯示與真實儀器面板操作元素相對應(yīng)的各種控件。用戶用鼠標操作虛擬儀器的面板就如同操作真實儀器一樣真實與方便。 虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)成圖　 虛擬儀器的硬件系統(tǒng)一般分為計算機硬件平臺和測控功能硬件。計算機硬件平臺可以是各種類型的計算機，如臺式計算機、便攜式計算機、工作站、嵌入式計算機等。它管理著虛擬儀器的軟件資源，是虛擬儀器的硬件基礎(chǔ)。因此，計算機技術(shù)在顯示、存儲能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標準等方面的發(fā)展，導(dǎo)致了虛擬儀器系統(tǒng)的快速發(fā)展。 按照測控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標準體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測輸入信號的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。測試軟件是虛擬儀器的主心骨。NI公司在提出虛擬儀器概念并推出第一批實用成果時，就用軟件就是儀器來表達虛擬儀器的特征，強調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開始就推出豐富而又簡潔的虛擬儀器開發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測試任務(wù)，在虛擬儀器開發(fā)軟件的提示下編制不同的測試軟件，來實現(xiàn)當代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個儀器從系統(tǒng)中消失，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件主要分為以下四部分：(1)儀器面板控制軟件 (2)數(shù)據(jù)分析處理軟件 (3)儀器驅(qū)動軟件 (4)通用I/O接口軟件虛擬儀器的發(fā)展隨著微機的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類型：(1) PC總線——插卡型虛擬儀器　　這種方式借助于插入計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過各種控件自己組建各種儀器。Labview/cvi是基于文本編程的程序員提供高效的編程工具，通過三種編程語言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測試系統(tǒng)，它充分利用計算機的總線、機箱、電源及軟件的便利。但是受PC機機箱和總線限制，且有電源功率不足，機箱內(nèi)部的噪聲電平較高，插槽數(shù)目也不多，插槽尺寸比較小，機箱內(nèi)無屏蔽等缺點。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價格比較昂貴。(2)并行口式虛擬儀器　　最新發(fā)展的一系列可連接到計算機并行口的測試裝置，它們把儀器硬件集成在一個采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計算機上，通?？梢酝瓿筛鞣N測量測試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計、數(shù)字萬用表、功率計、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國LINK公司的DSO2XXX系列虛擬儀器,它們的最大好處是可以與筆記本計算機相連，方便野外作業(yè)，又可與臺式PC機相連，實現(xiàn)臺式和便攜式兩用，非常方便。由于其價格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門和各種教學(xué)實驗室應(yīng)用。(3)GPIB總線方式的虛擬儀器　　GPIB技術(shù)是IEEE488標準的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測量獨立的單臺手工操作向大規(guī)模自動測試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺PC機、一塊GPIB接口卡和若干臺BPIB形式的儀器通過GPIB電纜連接而成。在標準情況下，一塊GPIB接口可帶多達14臺儀器，電纜長度可達40米。GPIB技術(shù)可用計算機實現(xiàn)對儀器的操作和控制，替代傳統(tǒng)的人工操作方式，可以很多方便地把多臺儀器組合起來，形成自動測量系統(tǒng)。GPIB測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡單，主要應(yīng)用于臺式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對計算機高速傳輸狀況時應(yīng)用。(4)VXI總線方式虛擬儀器　　VXI總線是一種高速計算機總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴展，它具有穩(wěn)定的電源，強有力的冷卻能力和嚴格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標準開放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強、定時和同步精確、模塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動測量系統(tǒng)以及對速度、精度要求高的場合。有其他儀器無法比擬的優(yōu)勢。然而，組建VXI總線要求有機箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價比較高。(5)PXI總線方式虛擬儀器PXI總線方式是PCI總線內(nèi)核技術(shù)增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板同步觸發(fā)總線的技術(shù)規(guī)范和要求形成的，增加了多板發(fā)總線，以使用于相鄰模塊的高速通訊的局總線。PXI的高度可擴展性。PXI具有8個擴展槽，而臺式PCI系統(tǒng)只有3～4個擴展槽，通過使用PCI—PCI橋接器，可擴展到256個擴展槽，臺式PC的性能價格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴展優(yōu)勢結(jié)合起來，將形成未來的虛擬儀器平臺。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢：(1)性能高　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)