【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有極好的抗共模干擾的能力。對(duì)兩個(gè)傳感器受到的因溫度、振動(dòng)等因素產(chǎn)生的共模干擾對(duì)差動(dòng)自相關(guān)系統(tǒng)影響很小[10]。 差動(dòng)自相關(guān)測(cè)量系統(tǒng) 差動(dòng)自相關(guān)函數(shù)波形用渡越時(shí)間相關(guān)法測(cè)量流量，屬于非接觸式測(cè)量方法，即流量檢測(cè)元件不與被測(cè)流體相接觸，傳感器一般放在管子外壁，不破壞原來(lái)流體的流場(chǎng)，也不會(huì)造成節(jié)流壓力損失因而節(jié)約能量?？蓽y(cè)介質(zhì)的面廣，既可測(cè)潔凈液體和氣體又能測(cè)臟污流體、漿液及氣/固、液/固兩相流。測(cè)得的流量?jī)H與管道體積有關(guān)，故不必進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)定，能抑制外界輸入的干擾信號(hào)輸出呈線性，精度較高。相關(guān)法測(cè)流量有廣闊的應(yīng)用前景[11]。相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)包括隨機(jī)流動(dòng)噪聲敏感器、流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞通道和互相關(guān)器三個(gè)關(guān)鍵部件。流動(dòng)噪聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)由測(cè)量管段、傳感器以及信號(hào)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(cè)到的信號(hào)，隨噪聲信號(hào)分別通過(guò)放大、解調(diào)及濾波等環(huán)節(jié)后，包含在其中的隨機(jī)噪聲信號(hào)被提取出來(lái)，并輸入相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)作進(jìn)一步處理。相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)相關(guān)流量測(cè)量。通過(guò)比較上、下游流動(dòng)噪聲信號(hào)的相似性，確定流動(dòng)噪聲信號(hào)在上、下游傳感器所在橫截面之間的平均傳遞時(shí)間。從某種意義上講,相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)要解決的是系統(tǒng)模型的參數(shù)辨識(shí)問(wèn)題。流動(dòng)參數(shù)模型描述了參考模型的參數(shù)與被測(cè)流體的體積平均流速或體積流量之間的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)流動(dòng)噪聲信號(hào)的檢測(cè)原理及傳感器的結(jié)構(gòu)形式，可以對(duì)流動(dòng)參數(shù)模型進(jìn)行一些定性分析，確定其模型的形式。但由于被測(cè)流體流動(dòng)的復(fù)雜性，通過(guò)上述分析獲得的流動(dòng)參數(shù)模型還需要通過(guò)定量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證[6]。目前，相關(guān)流量計(jì)還有一些局限性有待完善。(1)測(cè)量精確度不高上、下游信號(hào)通道特性的不一致性和互相關(guān)運(yùn)算中平均時(shí)間有限時(shí)是引起測(cè)量誤差的兩個(gè)主要原因。目前相關(guān)流量計(jì)的流速測(cè)量精確度可以達(dá)到177。2%左右。(2)單一流量計(jì)測(cè)量覆蓋面小由于多項(xiàng)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(wú)一種多相流量計(jì)可以覆蓋所有流型范圍。(3)vc的物理意義尚待進(jìn)一步探討相關(guān)速度vc與被測(cè)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(dòng)噪聲現(xiàn)象的隨機(jī)性，很難根據(jù)單純的理論計(jì)算來(lái)確定它們的關(guān)系。(4)標(biāo)定工作較為困難[12]相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)以其適用面廣、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)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(jì)從產(chǎn)生、發(fā)展直到今天已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)已從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的原理性研究發(fā)展到儀器儀表公司規(guī)模化生產(chǎn)并應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量階段，但是，客觀地說(shuō)，相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)仍存在許多尚未解決好的問(wèn)題，并有待進(jìn)一步研究和發(fā)展，相關(guān)流量測(cè)量技術(shù)未來(lái)發(fā)展方向?yàn)椋?1)要對(duì)相關(guān)流量測(cè)量系統(tǒng)中的傳感器進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化（包括相關(guān)測(cè)速傳感器及必要的分相含率傳感器)。(2)原來(lái)人們認(rèn)為相關(guān)流量測(cè)量是一種絕對(duì)測(cè)量方法，但深入研究后發(fā)現(xiàn)，這個(gè)觀點(diǎn)不是完全正確的，相關(guān)測(cè)速不僅取決于敏感場(chǎng)的區(qū)域范圍及靈敏度分布，還與分散相與敏感場(chǎng)相互作用方式有關(guān)（即使兩相流呈均勻分布，由于敏感場(chǎng)各點(diǎn)權(quán)因子不同最后的相關(guān)測(cè)速仍不會(huì)等于流體平均流速），兩相流流型復(fù)雜多變且流動(dòng)過(guò)程中離散相與連續(xù)相之間滑脫等現(xiàn)象也會(huì)使相關(guān)測(cè)速變得異常復(fù)雜。(3)在深入研究相關(guān)流量傳感器檢測(cè)機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，相關(guān)流量計(jì)的標(biāo)定是另一個(gè)急待解決的問(wèn)題[13]，相關(guān)流量計(jì)的測(cè)量對(duì)象大都為“困難流體”，而許多“困難流體”的標(biāo)定本身就是一個(gè)難以解決的困難問(wèn)題，所以相關(guān)流量計(jì)的標(biāo)定問(wèn)題值得深入研究，多相流標(biāo)定裝置的水平也有待于進(jìn)一步提高。(4)相關(guān)流量測(cè)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(duì)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(cè)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(jiǎn)介虛擬儀器是現(xiàn)代技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，CPU處理能力的增強(qiáng)，總線吞吐能力的提高以及顯示器技術(shù)的進(jìn)步，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，可以把儀器的信號(hào)分析和處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出功能轉(zhuǎn)移給計(jì)算機(jī)來(lái)完成。這樣，可以利用計(jì)算機(jī)的高速計(jì)算能力和寬大的顯示屏更好地完成原來(lái)的功能。如果在計(jì)算機(jī)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(tái)計(jì)算機(jī)中了，而軟件就成了虛擬儀器的關(guān)鍵，任何一個(gè)使用者都可以通過(guò)修改虛擬儀器的軟件來(lái)改變它的功能，這就是美國(guó)NI公司“軟件就是儀器”一說(shuō)的來(lái)歷。 所謂虛擬儀器，就是在通用的計(jì)算機(jī)平臺(tái)上定義和設(shè)計(jì)儀器的功能，用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)的同時(shí)就是在使用一臺(tái)專(zhuān)門(mén)的電子儀器。虛擬儀器以計(jì)算機(jī)為核心，充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形界面和數(shù)據(jù)處理能力，提供對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析和顯示功能。虛擬儀器的最大特點(diǎn)是其靈活性，用戶(hù)在使用過(guò)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(dá)、傳送以及存儲(chǔ)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(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。自1986年問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的工程師和科學(xué)家們都已將NI LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)工具用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)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(chǎng)的時(shí)間，并提高了產(chǎn)品開(kāi)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(shí)世界的信號(hào)相連，分析數(shù)據(jù)以獲取實(shí)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?xiàng)目需要。(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(wèn)世，VXI于1987年問(wèn)世，PXI于1997年問(wèn)世。(2)PC插卡→并口式→串口USB方式（適合于普及型的廉價(jià)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(wèn)世，并行口方式于1995年問(wèn)世，串口USB方式于1999年問(wèn)世。綜上所述，虛擬儀器的發(fā)展取決于三個(gè)重要因素：①計(jì)算機(jī)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(dòng)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(cè)試設(shè)備，設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件是直接控制各種硬件接口的驅(qū)動(dòng)程序，虛擬儀器通過(guò)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件與真實(shí)的儀器系統(tǒng)進(jìn)行通訊，并以虛擬儀器面板的形式在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示與真實(shí)儀器面板操作元素相對(duì)應(yīng)的各種控件。用戶(hù)用鼠標(biāo)操作虛擬儀器的面板就如同操作真實(shí)儀器一樣真實(shí)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(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)和測(cè)控功能硬件。計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)可以是各種類(lèi)型的計(jì)算機(jī)，如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、工作站、嵌入式計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)在顯示、存儲(chǔ)能力、處理器性能、網(wǎng)絡(luò)、總線標(biāo)準(zhǔn)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(cè)控功能硬件的不同，VI可分為DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口總線五種標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，它們主要完成被測(cè)輸入信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換。測(cè)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(shí)用成果時(shí)，就用軟件就是儀器來(lái)表達(dá)虛擬儀器的特征，強(qiáng)調(diào)軟件在虛擬儀器中的重要位置。NI公司從一開(kāi)始就推出豐富而又簡(jiǎn)潔的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件。使用者可以根據(jù)不同的測(cè)試任務(wù)，在虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件的提示下編制不同的測(cè)試軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)當(dāng)代科學(xué)技術(shù)復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)直接參與測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量特性的分析，使儀器中的一些硬件甚至整個(gè)儀器從系統(tǒng)中消失，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來(lái)完成它們的功能。虛擬儀器測(cè)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(dòng)軟件 (4)通用I/O接口軟件虛擬儀器的發(fā)展隨著微機(jī)的發(fā)展和采用總線方式的不同，可分為五種類(lèi)型：(1) PC總線——插卡型虛擬儀器　　這種方式借助于插入計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡與專(zhuān)用的軟件如LabVIEW相結(jié)合（注：美國(guó)NI公司的Labview是圖形化編程工具，它可以通過(guò)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(guò)三種編程語(yǔ)言Visual C++,Visual Basic,Labviews/cvi構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)，它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及軟件的便利。但是受PC機(jī)機(jī)箱和總線限制，且有電源功率不足，機(jī)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(jī)箱內(nèi)無(wú)屏蔽等缺點(diǎn)。另外，ISA總線的虛擬儀器已經(jīng)淘汰，PCI總線的虛擬儀器價(jià)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(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，它們把儀器硬件集成在一個(gè)采集盒內(nèi)。儀器軟件裝在計(jì)算機(jī)上，通?？梢酝瓿筛鞣N測(cè)量測(cè)試儀器的功能，可以組成數(shù)字存儲(chǔ)示波器、頻譜分析儀、邏緝分析儀、任意波形發(fā)生器、頻率計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表、功率計(jì)、程控穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)記錄儀、數(shù)據(jù)采集器。美國(guó)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(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式PC機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非常方便。由于其價(jià)格低廉、用途廣泛，特別適合于研發(fā)部門(mén)和各種教學(xué)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。(3)GPIB總線方式的虛擬儀器　　GPIB技術(shù)是IEEE488標(biāo)準(zhǔn)的虛擬儀器早期的發(fā)展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量獨(dú)立的單臺(tái)手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展，典型的GPIB系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)、一塊GPIB接口卡和若干臺(tái)BPIB形式的儀器通過(guò)GPIB電纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊GPIB接口可帶多達(dá)14臺(tái)儀器，電纜長(zhǎng)度可達(dá)40米。GPIB技術(shù)可用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(tái)儀器組合起來(lái)，形成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。GPIB測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命令簡(jiǎn)單，主要應(yīng)用于臺(tái)式儀器，適合于精確度要求高的，但不要求對(duì)計(jì)算機(jī)高速傳輸狀況時(shí)應(yīng)用。(4)VXI總線方式虛擬儀器　　VXI總線是一種高速計(jì)算機(jī)總線VME總線在VI領(lǐng)域的擴(kuò)展，它具有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的RFI/EMI屏蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放、結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)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(diǎn)，很快得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，VXI系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，尤其是組建大、中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合。有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，組建VXI總線要求有機(jī)箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)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(kuò)展性。PXI具有8個(gè)擴(kuò)展槽，而臺(tái)式PCI系統(tǒng)只有3～4個(gè)擴(kuò)展槽，通過(guò)使用PCI—PCI橋接器，可擴(kuò)展到256個(gè)擴(kuò)展槽，臺(tái)式PC的性能價(jià)格比和PCI總線面向儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，將形成未來(lái)的虛擬儀器平臺(tái)。同其他技術(shù)相比，虛擬儀器技術(shù)具有四大優(yōu)勢(shì)：(1)性能高　　虛擬儀器技術(shù)是在PC技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)