1绪论
1.1课题背景及研究意义
大自然中的物质，按其物理状态基本分为固态、气态和液态三种，实际中流量测量所针对的并不只是一种物理状态，而是多种物理状态的物料混合体，主要有固-液、气-固、气-液等存在形式，多相流流量测量即为对这类物料的测量⑴。本文主要针对大量应用于工业领域中的气固两相流流量测量技术进行研宄。气固两相流大量存在于冶金、电力、化工、食品、国防等领域的生产过程中，并且在许多场合为了能够对生产进行准确的过程控制，都需要对气固两相流的瞬时流量和累计流量等参数进行在线实时的检测，从而保证生产过程的稳定性也使经济核算更为方便。譬如在电厂的锅炉燃烧和控制过程中，送粉管内的煤粉浓度也就是一次风煤粉浓度对燃烧效率的影响很高，是这个过程中需要特别重视的一个参数。这个参数的高低会直接影响风管中煤粉的均勾度、工况的稳定性以及锅炉的燃烧效率，特别是四角切圆燃烧锅炉。如果各燃烧器中的煤粉浓度相差太大，就会导致燃烧不稳定，效率下降，甚至会由于燃烧不充分而产生大量大气污染物，严重的会堵塞煤粉管道，这些不良后果经过长久积累对电厂的安全运行影响愈加严重，对发电机组造成破坏，最后可能导致电厂被迫降负荷甚至停机[2]。所以不仅在锅炉燃烧方面，在其他具有相似要求的工业场合中，为了提高经济性和可靠性，我们都必须找到一种准确、可靠的在线测量方法。同样，物料的管道化输送也是工业生产中较为常用的工艺手段，它可以大大提高运输效率，投资少，减少环境污染，同时生产的安全可靠性得到提高。例如有色工业中精矿和粮食加工业中面粉的气力输送等。
为了能够保持两相流输送系统的最佳状态而设计一套两相流体的测量和调节系统是很有必要的。因为当气固两相流系统中物料的流速较低时，系统的消耗量也随之减小，管道的磨损率和物料损失率也会降低。所以研宄人员希望系统可以维持尽可能低的流速，但又不会因此而引起管道堵塞，继而在保证输送系统能够高效而又安全可靠的运行的同时降低损耗[3]。为了对两相流系统实现精确计量、控制和节能增效，其参数的检测是首先需要解决的。可以说由于有限的两相流检测技术的制约，诸多应用场合中两相流的检测效果与人们要求的高准确度，高可靠性等始终存在差距。由于气固两相流的流动有各方面因素的影响，在当前的气固两相流测量技术的研宄中，面临的困难有：
1.气固两相流流型：气固两相流存在多种流型，在实际中这些流型也不是单一存在的，它们会互相转化，且转化过程中并没有明显过渡，因此就大大增加了气固两相流参数测量的难度。[4]
2.非透明性：主要针对几种对测量区域透光性要求较高的测量方式，如光学测量法。通常被测物料是非透明的，当单位体积内物料颗粒较多时势必会导致测量区域内透光度下降，这限制了几类利用光学性质的检测方法在实际中的应用。
1.2气固两相流检测技术概述
1.2.1两相流检测技术现状
随着工业化的日益发展，气固两相流检测技术也愈加成熟，与各项新技术的结合更加紧密，并且发展处了多种检测路线，现有的气固两相流参数测量技术的发展现状可以概括为：
1.将成熟的单相流仪表和多相流测试模型进行组合应用。
目前在多相流的参数检测中多使用了成熟的单向流检测技术，即把单相流量计应用于多相流的检测中，比如差压式流量计、电磁流量计、超声波流量计等，并且取得了很大进展。由于单相流量计大都只对其中的一种参数进行测量，比如浓度、速度等，所以参照现有的研究成果，多相流参数检测系统很多都是几种单相流量计的组合应用。
2.应用近代新技术
近代得到快速发展的各种新技术也不断应用到了多相流的检测中，例如福射技术、核磁共振技术、激光技术、微波技术、过程层析成象技术、新型示踪技术等。
3.在已有的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用软测量技术的测量方法
所谓软测量技术，就是利用系统中的易测量和待测量之间的数学关系，通过对易测量的检测来确定待测量的一种对数据进行处理的软件算法[5]。处理技术得到了极快的发展，在测控领域中可以弥补在测量过程中硬件系统无法改善的缺陷，因而软测量技术成为多相流测控技术发展的重要方向。
1.2.2气固两相流测量技术分类
在目前工业生产过程中应用的气固两相流检测技术按其原理可分为：光学法、静电法、电容法、压差法、超声法、微波法等[6]。
1.光学法
光学法即利用激光进行气固两相流测量。激光相对于普通光波具有高方向性和高密度的特点，利用这些特点基于不同的原理来对气固两相流进行测量很有优势。目前已研发出多种基于激光的测量技术，其中PIV (颗粒成像测速法）技术应用较多。PIV技术就是在流场中引进激光，在流体流动过程中用高速照相机拍摄某一时刻的流场的图像，然后在计算机中采用图像处理算法将其还原，以获得流场中包括固相速度、浓度以及粒径大小等各项信息。PIV技术目前已经在流化床、工业燃烧器等的流场测定中取得了成功经验。
光学法测量精度高，属于非接触式测量，应用前景好，目前我国清华大学等在此领域都进行了大量研宄工作[7]。但是，当两相流的浓度较高时，激光穿过颗粒高密度区域的难度也随之增加，所以导致其成像质量较差，而且成本高，对环境有较高要求，不能使用在测量大颗粒速度的场合里，现阶段仅适用于较少的工业领域的生产。
2微波流量计基本原理和方法
微波法测量气固两相流流量有很多优势，目前己经在工业生产中得到使用的大部分微波固体流量计多是根据多普勒原理进行测量。由于多普勒频率仅与运动中的固体有关，所以管道上沉积的固体颗粒对测量没有影响，这也是微波法的主要优势。随着信号处理技术的不断发展，气固两相流测量技术也更容易满足用户对测量的高准确度，实时性佳的普遍要求。接下来主要介绍微波法所依据的原理以及数字信号处理方法。
2.1微波及其检测原理
2.1.1微波物理特性
微波属于电磁波，频带范围从300MHz到300GHz，它的主要物理特性有穿透性、热惯性小、似光性和似声性以及信息性。微波的这些物理特性使其在进行非电量的无损检测方面具有不可替代的优势。首先，微波具有似光性。当微波到达物体表面时，如果物体直径远大于微波的波长，那么此时微波和几何光学的特性近似，遵循与光同样的物理定律。微波测距就利用了这一特性。其次，与光波不同，大多非透明材料微波也能够穿透，因此微波的应用领域得以拓展。最后，微波的高频使得在不大的相对带宽下具有很宽的可用频带，意味着微波的信息容量更大，还可以提供相位信息、极化信息、多普勒频率等信息，这在目标检测和特征分析等应用中十分重要。
2.1.2多普勒效应
本课题使用微波雷达对气固两相流进行测量，是依据1842年发现的多普勒原理实现的，这一原理现今已经在多个领域得到了广泛成熟的应用。根据多普勒效应，在微波频率一定的情况下，微波由于反射而产生的频移和移动的物体速度有明确的线性关系，因而可以通过测量频移的值继而直接计算得到相对的速度值[23]。
2.2数字信号处理及速度、浓度测量方法
2.2.1 FFT
由上节内容可知，要得到固体的流速，需要获得其多普勒频率，然后进一步计算得到流速。然而，我们所采集到的信号为时域信号，无法直接得到其频率，这时，就需要对信号进行傅里叶变换来求取频率。傅里叶变换是一种可以将信号由时域转化到频域的变换方法。在大部分需要对信号进行处理的场合中，仅仅分析时域信号能够得到的信息很少，而傅里叶变换使得我们可以方便地对频域信号进行分析以获得更多的信息，因此，傅里叶变换在信号分析领域有着不可替代的地位。信号在时域和频域都有可能连续或离散，在分析信号时，为了方便计算，我们关注的是时域和频域都是离散的情况，所以离散傅里叶变换（DFT)在工程中使用最多。我们经常使用的快速傅里叶变换（FFT)就是在离散傅里叶变换（DFT)基础上的有效快速算法。1965年在《计算数学》杂志上由J.W.Cooley和J.W.Tukey发表的名为“机器计算傅里叶级数的一种算法”的文章中提出了 DFT的一种原始快速算法，它能够使计算过程大大简化。后来人们对这个算法不断改进和发展，形成了现在的一套被广泛应用的高速算法，即FFT，它的运算时间相对于DFT可缩短一到两个数量级[25]。
在FFT运算过程中，主要的一步就是蝶形运算。由于FFT运算需要将序列依次拆分为二，所以为了方便计算离散序列中数据的个数通常取2的正数幂，即N=2M点。每个序列都包括M级运算，每一级都包括N/2个蝶形运算。在同一级中，每一个蝶形运算都有两个输入量而且只对本次运算起作用，每个蝶形的输入、输出数据结点又同在一条水平线上，所以计算完每个蝶形之后，得出的结果就会对应地存入输入量所占用的存储空间中。因此在经过M级运算后，存储单元内分别存放的是X(k)的N个值。这里每个蝶形在运算过程中都要乘以旋转因子I以（P为旋转因子的指数，p=nk)，但每一级的旋转因子个数和循环方式都有差异，用L表示从左到右的运算级数，那么第L级就有2L-1个不同的旋转因子。
在多普勒原理在流量测量领域的应用过程中，人们发现多普勒信号不仅包含了速度信息，其功率谱密度与物料的流量具有一定的线性关系，因此在检测过程中需要获得信号的频率及功率谱从而进行速度和质量的计算.。对时域信号进行FFT变换后，通过其中包含的频率信息来获得物料的流速。由于在检测范围内物料流速的不均匆性，在实际的使用过程中主要测量的是物料的平均流速，所以这里多普勒频率用通过式2-2-7计算得出的平均频率来表示[18]:
3微波气固两相流测量系统组成...................14
3.1多普勒雷达..................14
3.2信号调理电路..................15
3.3 DSP处理器模块..................17
4微波气固两相流测量系统软件设计..................26
4.1 DSP开发环境..................26
4.2 DSP部分程序设计..................27
5系统调试与试验分析..................40
5.1软件调试..................40
5.2速度分析..................41
5.3流量测量..................43
5.3.1曲线拟合..................43
5系统调试与试验分析
5.1软件调试
在本文中第四章中的事件管理器部分将本系统的采样频率设置为2kHz，根据奈奎斯特采样定理，符合系统的采样要求。在计算固体的流速和流量之前，需要把时域的信号转换到频域，今儿提取其中的各项信息，本系统在采样时每釆样18次，进行1次去极值平均滤波，得到的数值存储于数组F中，当数组F存满512组数据就开始进行傅里叶变换。系统的FFT点数为512点，又采样频率为2kHz，则系统采样的频率分辨率约等于3.9Hz。以下四幅图分别为DSP所采集的单颗大豆和连续的大量的大豆经过微波雷达所产生的信号及其傅里叶变换。
由上面四副波形图可以看出，雷达信号在经过DSP的采集后可以得到真实反映。由于其傅里叶变换算法的性质，信号的FFT波形图是左右对称的，在后续的计算过程中仅对左半部分进行分析即可。同样同上述途中可以发现，在单颗大豆自由下落时，频谱较为平滑，而大豆连续下落时，信号的频谱毛刺较多。经过多次实验发现，DSP采集到的信号的频谱与颗粒掉落的位置还有颗粒的粒径大小都有关系，当大量大豆一起下落时，颗粒的不均勾性会对结果产生一定的影响，同时颗粒与管壁的相互碰撞也会对信号产生一定的干扰。在对信号的频谱进行分析的过程中，第四章中对频谱的峰值逼近算法进行了设计。在测量过程中，对大豆进行连续测量，分别使用峰值逼近算法和直接寻找峰值算法获得20组频移值，并进行对比。
通过比较可以看出，利用在频谱上直接寻找峰值位置的方法获得信号频移值时，所得到的结果稳定性较差且波动较大，而通过峰值逼近算法获得的信号频移则相对稳定，偏差幅度较小，使得在对固体的速度进行测量时结果较为稳定。
5.2速度分析
在对雷达信号进行FFT后，由图5-1的（d)图可以看出，在信号频谱的主瓣范围内频谱由很大的随机性，所以需要根据前面提到的频率逼近法来得到多普勒频率。这里首先对单颗大豆分别从不同高度自然下落时的速度进行测量，大豆与雷达波束中心的距离依次增加5cm，得到以下数据：
由上表中的数据可以看出，在对单颗大豆进行速度测量时，测量结果的误差率在3%到6%之间。从固定高度下落时误差也会较大的差距，主要是因为颗粒下落时相对管道的位置不同和颗粒本身大小有关。在测量过程中发现当颗粒位于管道中心下落时，误差较小，颗粒的粒径减小时，误差变大。当一定质量的大豆连续下落时，针对不同的下落形式进行了测量。实验发现当单位面积内大豆数量较少时，速度测量的结果不稳定且误差较大，而单位面积内大豆数量较多时，所测得的速度值更为稳定且误差较小。经过分析，本文认为，当单位面积内大豆数较多时，形成的流体更为均匀，从而对信号的干扰降低，使得测量误差减小。下表为下落高度为0.6m时两种形式的比较：
6结论
本文根据多普勒原理及信号处理算法设计了基于DSP的气固两相流测量系统。在对气固两相流测量算法进行研究的基础上，文章主要对系统的软件部分进行了设计，首先在CCS平台上编写并调试了基于DSP的下位机程序，完成信号采集、数据处理以及通信的功能，为了测得较为稳定的速度值，在频谱分析过程中使用了频率逼近的方法，经过验证可以得到稳定的频率值。在c++builder6平台上编写了上位机程序，可以实现与DSP的通信，发送指令，接收数据并显示，同时也可以完成系统中的标定部分，建立质量流量与功率谱之间的关系。最后使用该系统对大豆进行了实际测量实验。
在测量过程中，首先对不同高度下大豆的速度进行了测量和分析，发现在大豆的流型均匀的时候，所测得的速度准确率更高。然后第一步通过拟合算法，将多次测量所得的功率谱平均值与相对的实际质量进行拟合，获得功率谱-质量流量的关系曲线。计算所得关系式与MATLAB拟合的结果基本相同。最后根据拟合所得的关系式对大豆的流量进行测量。测量过程中发现有少数情况下测量的误差较大，但是系统整体的误差较为稳定。经过实验证明本系统可以对固体的速度及质量流量进行相对准确的测量，但是在对误差进行分析的基础上，仍然需要进一步的改善。针对雷达信号的处理，需要进一步完善滤波算法，同时要改善测量过程中微波场的均匀性，从而提高系统的测量精度。
参考文献（略）
参考文献（略）