CN107024250A - 气体流量测量的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种气体流量测量的系统及方法，涉及流量测量领域。其包括管段、多对超声波换能器以及处理器，该管段包括第一管段、多个发射换能器安装件以及多个接收换能器安装件，每个发射换能器安装件的管道与第一管段的管道连通，每个接收换能器安装件的管道与第一管段的管道连通；每个发射换能器安装件的管道内的发射换能器发送的信号被对应设置的接收换能器安装件的管道内的接收换能器接收；处理器分别与发射换能器和接收换能器连接，用于向发射换能器发送信号，并接收接收换能器发送的电信号，根据该电信号计算第一管段内的气体流量。本发明大大提高了测量结果的确稳定性和可靠性，同时也使实现整个测量系统的硬件大大简化，降低了成本。

Description

气体流量测量的系统及方法

技术领域

本发明涉及流量测量领域，具体而言，涉及一种气体流量测量的系统及方法。

背景技术

无论是城市天然气管网还是天然气生产线，由于其安全性需要和计量收费需要，常常在各传输干线及支线上安装一系列气体流量计。目前用于天然气管网的流量计都是机械式，比如涡轮气体流量计。由于这类流量计有机械转动部件，磨损较快，精度随时间变差，因此需要定期维护。但由于天然气的易燃易爆等特点，使得对这类流量计的维护很艰难，成本很高。另外，天然气里常常夹有少量的杂物如颗粒或碎片，这些杂物常常导致流量计转动部件性能变差，甚至卡死等，以至流量计读数误差增大甚至停止工作。现场更换流量计必须停止天然气的输运，排除管内剩余气体，采取严密的安全措施，整个过程成本甚高。

不止天然气生产与输配领域，其他气体，如蒸汽和工业压缩空气等，也存在类似的问题，涡轮等机械式流量计由于其固有的易磨损的转动部件而使其精度越来越差，并且难维护，长期运作成本高。

在近十年里，有不少人探索无转动部件的气体流量测量方法。到目前为止主要研究工作集中在时差法超声波气体流量测量上。这种方法是把一对超声波传感器安装在一段管段上，采用时差法对声脉冲在气体的上、下游方向的传播时间及时间差进行测量，从而计算出气体流量。在气体介质及工况较理想的情况下，这种方法可以比较准确的测出结果。特别是采用多声道技术及整流技术后，其测量精度可以达到气体贸易结算的要求。但是，这种流量测量系统造价很高，并且，它更适合于大口径，无法用来做为天然气管网的常规监测和计量使用。针对这种情况，这两年有较经济的单声道时差法流量计出现。它只在管段上装了一对超声传感器，结构较简单。但是，这种流量计有一个致命弱点，它要求接收的超声波信号稳定且信噪比高。在实际气体应用中，这点是很难满足的。天然气通常不是理想气体，其湿度、温度、压力以及含杂质的情况都是随时波动的，而超声波信号强度受这些因素影响很大，从而导致超声波信号波动很大，信噪比较低。这就使得时差法在检测声脉冲信号时出现困难，不但测量精度大大降低，而且稳定性和可靠性较差，甚至无法工作。因此，时差法超声波气体流量计的应用很有限。

近几年来，出现了基于互相关的外绑式超声波流量计，它的传感器是安装在管道外面的，无需在管道上打孔或切断管段安装，所以安装方便。它采用两对传感器，分别安装在管道的上下游，每对传感器都有一个发射传感器和一个接收传感器，由接收传感器接收到的信号含有气体介质的调制信号。这种调制是由流体的紊流，杂质等引起的，它随流体先通过上游一对传感器，经过一定时间后再通过下游那对传感器。通过互相关计算方法，可以找到这个调制信号从上游到下游的流动时间。因为这个时间与流体速度成反比，这样就可以计算出流体的速度及流量。

目前外绑式互相关超声波气体流量计还大多限于实验室。很少有现场应用，主要原因不仅仅是造价高，其现场应用还很不理想。虽然传感器是绑在管道外面，安装方便，但正是由于这个安装方法，使得超声波很难传过管壁而进入管内气体。管壁通常为金属材料，它的密度和声阻抗与气体的相差巨大，因而接收到的调制信号很小，噪音很大。这就不得不采用复杂的硬件系统和数字信号处理算法，使整个系统变得复杂。即使如此，这种方式的测量精度也无法达到计量要求。另外，它对低流量和小管径仍然很难测量。这就大大限制了这种外绑式气体流量计的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种气体流量测量的系统及方法，以大大提高测量结果的确稳定性和可靠性，同时也实现整个测量系统的硬件大大简化，降低成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种气体流量测量的系统，包括管段、多对超声波换能器以及处理器，其中：所述管段包括第一管段、多个发射换能器安装件以及多个接收换能器安装件，所述多个发射换能器安装件和所述多个接收换能器安装件沿所述第一管段的轴向设置，所述多个发射换能器安装件与所述多个接收换能器安装件一一对应设置，每个所述发射换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通，每个所述接收换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通，每个所述发射换能器安装件的开口与其对应的所述接收换能器安装件的开口相向设置；每对超声波换能器包括对应的发射换能器和接收换能器，每个所述发射换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通处设置有一个所述发射换能器，每个所述接收换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通处设置有一个所述接收换能器，每个所述发射换能器安装件的管道内的发射换能器发送的信号被对应设置的所述接收换能器安装件的管道内的接收换能器接收；所述处理器分别与所述多个发射换能器和所述多个接收换能器连接；所述处理器用于向每个所述发射换能器发送信号；每个所述发射换能器用于将其接收的所述信号转换成超声波信号经所述第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的所述接收换能器；每个所述接收换能器用于将其接收的经调制后的所述超声波信号转换成电信号后发送给所述处理器；所述处理器用于根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个电信号之间的时间延迟，根据所述时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取所述第一管段内的气体的速度，再根据所述速度和所述第一管段的内径计算所述第一管段内的气体流量。

在本发明较佳的实施例中，上述系统还包括用于将所述处理器发送的信号进行功率放大的多个超声波发射放大器和用于将所述接收换能器发送的电信号进行功率放大的多个超声波接收放大器，所述处理器分别与所述多个超声波放大发射器连接，所述多个超声波放大发射器与所述多个发射换能器一一对应连接，所述处理器分别与所述多个超声波接收放大器连接，所述多个超声波接收放大器与所述多个接收换能器一一对应连接。

在本发明较佳的实施例中，上述系统还包括用于将所述超声波接收放大器放大后的电信号去噪声的多个滤波器，所述处理器分别与所述多个滤波器连接，所述多个滤波器与所述多个超声波接收放大器一一对应连接。

在本发明较佳的实施例中，上述系统还包括用于对所述滤波器去噪声处理后的电信号提取由气体引入的幅度波动信号的多个幅度解调器，所述处理器分别与所述多个幅度解调器连接，所述多个幅度解调器与所述多个滤波器一一对应连接。

在本发明较佳的实施例中，上述系统还包括多个变换器和多个正交解调器，多个变换器分别与多个正交解调器和多个滤波器一一对应连接，所述处理器分别与所述多个正交解调器连接。

第二方面，本发明实施例提供了一种气体流量测量的方法，应用于上述气体流量测量的系统，所述方法，包括：所述处理器向每个所述发射换能器发送信号；每个所述发射换能器将其接收的所述信号转换成超声波信号经所述第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的所述接收换能器；每个所述接收换能器接收将其接收的经调制后的所述超声波信号转换成电信号后发送给所述处理器；所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟；所述处理器根据所述时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取所述第一管段内的气体的速度；所述处理器根据所述气体速度和所述第一管段的内径计算所述第一管段内的气体流量。

在本发明较佳的实施例中，上述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：所述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中，x1(t)和x2(t)分别为经调制后的电信号，τ为时间延迟；所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

在本发明较佳的实施例中，上述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：所述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中，X，Y分别代表不同对超声波换能器的数据序列，Rxy(m)是X数据序列和Y数据序列的互相关函数在时间延迟为m处的值；所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

在本发明较佳的实施例中，上述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：所述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中FFT(X)是电信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)^*是电信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数；所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

在本发明较佳的实施例中，上述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中FFT(X)是电信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)^*是电信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数之前，还包括：所述处理器获取所述电信号的同向分量和正交分量；所述处理器根据和计算两个所述电信号的信号强度In；所述处理器根据所述信号强度和计算每两个电信号之间的互相关曲线；所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

与现有技术相比，本发明各实施例提供的气体流量测量的系统及方法通过将每个发射换能器安装件的管道与第一管段的管道连通，每个接收换能器安装件的管道与第一管段的管道连通，在每个发射换能器安装件的管道与第一管段的管道连通处设置一个发射换能器，在每个接收换能器安装件的管道与第一管段的管道连通处设置一个接收换能器，以提高发射换能器与接收换能器的换能效率。将处理器分别与多个发射换能器和多个接收换能器连接，首先通过处理器向每个发射换能器发送信号；然后每个发射换能器将其接收的信号转换成超声波信号经第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的接收换能器，每个接收换能器将其接收的经调制后的超声波信号转换成电信号后发送给处理器，最后处理器根据不同的接收换能器发送的电信号获取每两个电信号之间的时间延迟，根据该时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取第一管段内的气体的速度，再根据气体速度和第一管段的内径计算第一管段内的气体流量，以大大提高测量结果的确稳定性和可靠性，同时也实现整个测量系统的硬件大大简化，降低成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的气体流量测量的系统的一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的当超声能换能器有两对时的结构示意图；

图3a为本发明实施例提供的超声波信号在不被调制时的示意图；

图3b为本发明实施例提供的超声波信号在被调制时的示意图；

图3c为本发明实施例提供的超声波信号调制后的峰值和时延的示意图；

图4为本发明实施例提供的气体流量测量的系统的另一种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的当超声波换能器有三对时的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的当超声波换能器有四对时的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的气体流量测量的方法的流程图。

图标：10-气体流量测量的系统；100-管段；110-第一管段；120-发射换能器安装件；130-接收换能器安装件；200-超声波换能器；210-发射换能器；210a-发射换能器；210b-发射换能器；210c-发射换能器；210d-发射换能器；220-接收换能器；220a-接收换能器；220b-接收换能器；220c-接收换能器；220d-接收换能器；300-处理器；400-超声波发射放大器；500-超声波接收放大器；600-滤波器；700-幅度解调器；800-变换器；900-正交解调器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种气体流量测量的系统10，其包括管段100、多对超声波换能器200以及处理器300，其中，多对超声波换能器200设置于管段100内，处理器300与超声波换能器200连接。

在本实施例中，所述管段100包括第一管段110、多个发射换能器安装件120以及多个接收换能器安装件130，其中，多个发射换能器安装件120沿第一管段110的轴向设置，多个接收换能器安装件130沿第一管段110的轴向设置，可以理解的，多个发射换能器安装件120与多个接收换能器安装件130一一对应设置，每个发射换能器安装件120的管道与第一管段110的管道连通，每个接收换能器安装件130的管道与第一管段110的管道连通，作为本实施例的一种实施方式，每个发射换能器安装件120的开口与其对应的接收换能器安装件130的开口相向设置。

作为一种实施方式，每对超声波换能器200包括对应的发射换能器210和接收换能器220，可以理解的，发射换能器210发送的信号被对应的接收换能器220接收。其中，每个发射换能器安装件120的管道与第一管段110的管道连通处设置有一个发射换能器210，每个接收换能器安装件130的管道与第一管段110的管道连通处设置有一个接收换能器220，可以理解的，每个发射换能器安装件120的管道内的发射换能器210发射的信号被对应设置的接收换能器安装件130的管道内的接收换能器220接收，因为每个发射换能器安装件120的开口与其对应的接收换能器安装件130的开口相向设置，使每一对发射换能器210和接收换能器220面对面安装，以保证从发射换能器210发射的信号能被对面的接收换能器220有效的接收到。

其中，超声波换能器200的工作频率通常选在100KHZ-4MHZ范围，可以理解的，每对超声波换能器200形成一个声道，每两个声道的超声波换能器200可以工作在不同的频率下，也可以工作在同一频率下，以各个声道之间的互相干扰较小为原则，同时，超声波换能器200的发射方式可以是连续波，亦可以是脉冲型周期波，相邻两对超声波换能器200的间距通常选择在0.1～5倍第一管段110的内径范围，具体可以根据第一管段110内径的大小和流体工况确定。

在本实施例的实施方式中，每个发射换能器210的一面会与第一管段110内的气体接触，每个接收换能器220的一面会与第一管段110内的气体接触，因此，第一管段110内的气体会对发射换能器210和接收换能器220与其接触的一面产生腐蚀、潮湿等影响，因此，每个发射换能器210和每个接收换能器220与气体接触的一面需要添加一个保护层，以防止气体对超声波换能器200性能的影响，及其他可能导致超声波换能器200的机械损坏。同时，为了提高声能量从换能器耦合到气体及从气体耦合到换能器的效率，优选的，该保护层为具有声阻抗匹配的功能，其声阻抗介于压电陶瓷和气体的声阻抗之间并满足阻扰匹配公式，同时，该保护层的厚度为声波波长的1/4整数倍，或者其厚度大大小于1/4波长。

作为一种方式，处理器300分别与多个发射换能器210和多个接收换能器220连接，该处理器300产生多个频率相近或相同的信号，并向每个发射换能器210发送该信号，每个发射换能器210接收该信号后，将其接收的信号转换成同频率的超声波信号并传入第一管段110的管道内的气体，超声波在穿过流体时，被流体的不均匀结构，如紊流旋涡、湿度被动、温度/压力脉动，颗粒杂质等进行幅度和相位调制后发送给与其对应的接收换能器220，接收换能器220将其接收的经调制后的超声波信号转换成电信号，将该电信号发送给处理器300，该处理器300根据接收的不同的接收换能器220发送的电信号获取每两个电信号之间的时间延迟，根据该时间延迟和对应的两对超声波换能器200之间的距离获取第一管段110内的气体速度，最后再根据第一管段110的内径和气体速度计算第一管段110内的气体流量。

请再参照图1，作为本实施例的一种实施方式，所述气体流量测量的系统10还包括多个超声波发射放大器400、多个超声波接收放大器500、多个滤波器600以及多个幅度解调器700，其中，处理器300的输出端分别与多个超声波发射放大器400的输入端连接，每个超声波发射放大器400的输出端和每个发射换能器210的输入端一一对应连接，每个接收换能器220 的输出端和每个超声波接收放大器500的输入端一一对应连接，每个超声波接收放大器500的输出端和每个滤波器600的输入端一一对应连接，每个滤波器600的输出端和每个幅度解调器700的输入端一一对应连接，处理器300的输入端分别与多个幅度解调器700的输出端连接，作为一种方式，该系统还包括输出接口，输出接口与处理器300连接。基于上述硬件与各个硬件之间的连接关系，处理器300产生多路频率相近或相同的信号，并送入多个超声波发射放大器400进行功率放大，放大后的信号被分别送入多个发射换能器210，发射换能器210将之转换成同频率的超声波并传入第一管段110内的流体，超声波在经过流体，被流体的不均匀结构进行幅度和相位调制，再达到各自对应的接收换能器220，接收换能器220将接收到的超声波信号转换成电信号发送给各自对应的超声波接收放大器500，再发送给各自对应的滤波器600进行去干扰及噪声处理，处理后的信号被送入幅度解调器700，提取由流体引入的幅度波导信号，其中，幅度解调器700可以采用简单的二极管幅度检波方式，也可以采用其他的幅度解调方式。

其中，解调后的信号被分别送入多个A/D转换器进行同时采样，同时采样的目的是保证A/D转换器不引入额外时延。对于解调后信号频率较低的应用，为节约成本，也可以不严格同时采样，而是采用多路转换开关加一路A/D转换器的方式，这是因为这种方式引入的额外时延跟流体从上游声道到下游声道的流动时间相比，可以忽略不计，其中A/D转换器可以是单独的，也可以是处理器300自带的。

请参照图2，作为本实施例的一种实施方式，当发射换能器安装件120为两个时，接收换能器安装件130为两个，其中，两个发射换能器安装件120沿第一管段110的中心轴线的轴向设置，两个发射换能器安装件120的间距是L，两个接收换能器安装件130沿第一管段110的中心轴线的轴向设置，两个接收换能器安装件130的间距是L，每个发射换能器安装件120 的开口与其对应的接收换能器安装件130的开口相向设置，其中，两个发射换能器安装件120的管道处分别设置有一个发射换能器210a和发射换能器210b，两个接收换能器安装件130的管道处分别设置有一个接收换能器220a和接收换能器220b，其中，发射换能器210a和接收换能器220a面对面安装，发射换能器210b和接收换能器220b面对面安装，发射换能器210a(或210b)负责发射一定频率的超声波信号，接收换能器220a(或220b)负责接收经过流体后的超声波信号，这样由发射换能器210a(或210b)和其对面的接收换能器220a(或220b)构成一个声道210a-220a(或210b-220b)。当流体里面的微结构，如紊流旋涡，湿度不均匀性，温度/压力波动，杂物等，通过每一个声道时，对其声束的幅度及相位产生调制(见图3a和图3b)，如果这种微结构的性质保持不变，当其通过下游声道时，它会对下游声束产生类似的声束的调制。因此，下游接收到的信号和上游接收到的信号相似，只不过在时间上延迟了一些，这个延迟(τ₁₂)与流体速度(V)成反比：

V＝L/τ₁₂

在实际应用的场合，上下游的调制信号使不可能完全相似的，它们只是在统计意义上相似，因此，通过简单地比较上下游调制信号来确定时间延迟是不可靠的，必须使用互相关方法，通过计算上下游信号在不同时延下的相似性，即互相关曲线，再找到相关曲线的峰值，从而准确可靠地确定时延(见图3c)。

其中，处理器300可以根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中，x1(t)和x2(t)分别为经调制后的电信号，τ为时间延迟，处理器300再根据互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。在本实施例中，接收换能器220a(或220b)将声信号转换成电信号，经过放大、滤波以及解调后，送入A/D转换器，通过处理器300 进行数据采集，从而得到该路信号的数据。处理器300同时对每一路解调后的信号，即接收换能器220a和接收换能器220b送来的解调后的信号，进行数据采集，在采集数据样品达到一定样本数量后，处理器300开始对每路数据做预处理，进而对两路数据对快速互相关计算。在完成互相关曲线计算后，处理器300找出互相关峰值及相关峰对应的时延，根据这个时延以及两对超声波换能器200之间的距离计算出流体的速度，进而根据第一管段110的内径计算出流量。

其中，处理器300也可以根据计算每两个电信号之间的互相关曲线，其中，X，Y分别代表不同对超声波换能器200的数据序列，即X＝{X(1),X(2),......X(N)}，Y＝{Y(1),Y(2),......Y(N)}，Rxy(m)是X数据序列和Y数据序列的互相关函数在时间延迟为m处的值，处理器300再根据互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。可以理解的，因为上游声道信号X总是早于下游声道信号Y，所以时延m可以只取正数。为了减少有限数据的窗口边缘效应，m的取值范围不能太大。通常，m的范围可以取从1到N/2。如果相关峰不在这个范围，最好增加数据样本数N，或调整A/D转换的采样频率。

上述互相关计算方法，在数据样本数N较大的情况下，计算量很大，对处理器300的要求较高，系统硬件成本较高。为了在低成本的处理器300上实现互相关曲线的快速计算，本发明还采用了基于快速傅里叶变换的互相关算法，根据互相关理论，两个信号的互相关函数的傅里叶反变换等于该两函数的傅里叶反变换的乘积，不过其中一个信号的傅里叶反变换要取共轭复数。如果FFT(X)是第一声道信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)*是第二声道信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数，那么，处理器300可以根据计算每两个电信号之间的互相关曲线，其中FFT(X)是电信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)^*是电信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数，处理器300再根据互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。对于两个实信号来说，Rxy应该是实数。但是，由于计算的精度所限，Rxy计算结果不但有实部分量，还有很小虚部分量。为简化起见，可以忽略这个虚部分量。这种处理对互相关峰的确定不会产生有意义的影响。

请参照图4，作为本实施例的一种实施方式，该气体流量测量的系统10还包括多个变换器800和多个正交解调器900，多个变换器800分别与多个正交解调器900一一对应连接，该处理器300分别与多个正交解调器900连接，发射信号经过变换器800后作为参考信号，被送入正交解调器900，分别对各个声道信号进行相关解调，从而得到信号的同向分量I和正交分量Q，处理器300再根据和计算两个电信号的信号强度In，处理器300根据所述信号强度和计算每两个电信号之间的互相关曲线，处理器300再根据互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟，其中，正交相关解调方式除了实现幅度及相位解调外，它实际上还对输入信号作了一个带宽很窄的带通滤波，有效地去除了低频及高频干扰。从而提高系统测量精度及稳定性。

请参照图5，当发射换能器安装件120为三个时，接收换能器安装件130为三个，其中，三个发射换能器安装件120沿第一管段110的中心轴线的轴向设置，三个接收换能器安装件130沿第一管段110的中心轴线的轴向设置，每个发射换能器安装件120的开口与其对应的接收换能器安装件130的开口相向设置，其中，三个发射换能器安装件120的管道处分别设置有发射换能器210a、发射换能器210b以及发送换能器210c，三个接收换能器安装件130的管道处分别设置有接收换能器220a、接收换能器220b以及接收换能器220c，其中，发射换能器210a和接收换能器220a面对面安装，发射换能器210b和接收换能器220b面对面安装，发射换能器210c和接收换能器220c面对面安装，从而形成三个声道(210a-220a，210b-220b及210c-220c)，由每个声道接收到的信号经过放大，滤波，解调等硬件处理，再送入多路A/D转换器，由处理器300对该路信号进行数据采集，随后，处理器300对每两个声道的信号做互相关计算并找出相关峰和时延。

由于相邻两个声道(210a-220a与210b-220b或210b-220b与210c-220c)之间的安装距离比相间两个声道(210a-220a与210c-220c)之间的距离短，流体通过前者的时间也就比通过后者的短，因此，处理器300可以用相邻声道(210a-220a与210b-220b或210b-220b与210c-220c)的计算结果来测量低流速，而用相间两声道(210a-220a与210c-220c)的计算结果来测量高流速。

请参照图6，当发射换能器安装件120为四个时，接收换能器安装件130为四个，其中，两个发射换能器安装件120与两个接收换能器安装件130对应设置于所述第一管段110的第一横切面上，另外两个发射换能器安装件120与另外两个接收换能器安装件130对应设置于第一管段110的第二横切面上，该第一横切面和第二横切面相距一定距离L，位于第一横切面上的其中一个发射换能器安装件120和与其对应设置的接收换能器安装件130与位于第二横切面上的其中一个发射换能器安装件120和与其对应设置的接收换能器安装件130位于同一平面。其中，位于第一横切面的两个发射换能器安装件120内分别设置有发射换能器210a和发射换能器210c，位于第一横切面的两个接收换能器安装件130内分别设置有接收换能器220a和接收换能器220c；位于第二横切面的两个发射换能器安装件120内分别设置有发射换能器210b和发射换能器210d，位于第二横切面的两个接收换能器安装件130内分别设置有接收换能器220b和接收换能器220d。可以理解的，通过这种结构，210a-220a声道和210b-220b声道位于同一平面，210c-220c声道和210d-220d声道位于另外一个平面。以使流体调制信号在穿过210a-220a声道(或210c-220c声道)后，将会以相似的特性穿过210b-220b声道(或210d-220d声道)，从而保证了210b-220b路(或210d-220d路)信号与210a-220a路(或210c-220c路)信号的相关性。处理器300通过计算210b-220b路(或210d-220d路)信号与210a-220a路(或210c-220c路)信号的相关性和时延，来求得流体在210a-220a--210b-220b平面(或210c-220c--210d-220d平面)沿轴线方向的平面速度，然后对210a-220a--210b-220b平面和210c-220c--210d-220d平面的平均速度进行加权平均，得到气体的端面平均速度，以测量流场不均匀的场合，进而提高测量精度。

本发明提供的气体流量测量的系统10通过将每个发射换能器安装件120的管道与第一管段110的管道连通，每个接收换能器安装件130的管道与第一管段110的管道连通，在每个发射换能器安装件120的管道与第一管段110的管道连通处设置一个发射换能器210，在每个接收换能器安装件130的管道与第一管段110的管道连通处设置一个接收换能器220，以提高发射换能器210与接收换能器220的换能效率。将处理器300分别与多个发射换能器210和多个接收换能器220连接，以发送信号给发射换能器210，并接收接收换能器220反馈的电信号，从而根据每两个电信号计算两个电信号之间的时间延迟，最后计算出第一管段110内的气体流量，以大大提高测量结果的确稳定性和可靠性，同时也实现整个测量系统的硬件大大简化，降低成本。

第二实施例

第参照图7，图7示出了本发明实施例提供的气体流量测量的方法的流程图，下面将针对图7所示的方法进行阐述，其中，所述方法应用于气体流量测量的系统10，所述方法，包括：

步骤S110：所述处理器向每个所述发射换能器发送信号。

步骤S120：每个所述发射换能器将其接收的所述信号转换成超声波信号经所述第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的所述接收换能器。

步骤S130：每个所述接收换能器将其接收的经调制后的所述超声波信号转换成电信号后发送给所述处理器。

步骤S140：所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟。

步骤S150：所述处理器根据所述时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取所述第一管段内的气体的速度。

步骤S160：所述处理器根据所述气体速度和所述第一管段的内径计算所述第一管段内的气体流量。

综上所述，本发明实施例提供的气体流量测量的系统及方法通过将每个发射换能器安装件的管道与第一管段的管道连通，每个接收换能器安装件的管道与第一管段的管道连通，在每个发射换能器安装件的管道与第一管段的管道连通处设置一个发射换能器，在每个接收换能器安装件的管道与第一管段的管道连通处设置一个接收换能器，以发射换能器与接收换能器的换能效率。将处理器分别与多个发射换能器和多个接收换能器连接，首先通过处理器向每个发射换能器发送信号；然后每个发射换能器将其接收的信号转换成超声波信号经第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的接收换能器，每个接收换能器将其接收的经调制后的超声波信号转换成电信号后发送给处理器，最后处理器根据不同的接收换能器发送的电信号获取每两个电信号之间的时间延迟，根据该时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取第一管段内的气体的速度，再根据气体速度和第一管段的内径计算第一管段内的气体流量，以大大提高测量结果的确稳定性和可靠性，同时也实现整个测量系统的硬件大大简化，降低成本。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种气体流量测量的系统，其特征在于，包括管段、多对超声波换能器以及处理器，其中：

所述管段包括第一管段、多个发射换能器安装件以及多个接收换能器安装件，所述多个发射换能器安装件和所述多个接收换能器安装件沿所述第一管段的轴向设置，所述多个发射换能器安装件与所述多个接收换能器安装件一一对应设置，每个所述发射换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通，每个所述接收换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通，每个所述发射换能器安装件的开口与其对应的所述接收换能器安装件的开口相向设置；

每对超声波换能器包括对应的发射换能器和接收换能器，每个所述发射换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通处设置有一个所述发射换能器，每个所述接收换能器安装件的管道与所述第一管段的管道连通处设置有一个所述接收换能器，每个所述发射换能器安装件的管道内的发射换能器发送的信号被对应设置的所述接收换能器安装件的管道内的接收换能器接收；

所述处理器分别与所述多个发射换能器和所述多个接收换能器连接；所述处理器用于向每个所述发射换能器发送信号；

每个所述发射换能器用于将其接收的所述信号转换成超声波信号经所述第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的所述接收换能器；

每个所述接收换能器用于将其接收的经调制后的所述超声波信号转换成电信号后发送给所述处理器；

所述处理器用于根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个电信号之间的时间延迟，根据所述时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取所述第一管段内的气体的速度，再根据所述速度和所述第一管段的内径计算所述第一管段内的气体流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于将所述处理器发送的信号进行功率放大的多个超声波发射放大器和用于将所述接收换能器发送的电信号进行功率放大的多个超声波接收放大器，所述处理器分别与所述多个超声波放大发射器连接，所述多个超声波放大发射器与所述多个发射换能器一一对应连接，所述处理器分别与所述多个超声波接收放大器连接，所述多个超声波接收放大器与所述多个接收换能器一一对应连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于将所述超声波接收放大器放大后的电信号去噪声的多个滤波器，所述处理器分别与所述多个滤波器连接，所述多个滤波器与所述多个超声波接收放大器一一对应连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于对所述滤波器去噪声处理后的电信号提取由气体引入的幅度波动信号的多个幅度解调器，所述处理器分别与所述多个幅度解调器连接，所述多个幅度解调器与所述多个滤波器一一对应连接。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括多个变换器和多个正交解调器，多个变换器分别与多个正交解调器和多个滤波器一一对应连接，所述处理器分别与所述多个正交解调器连接。

6.一种气体流量测量的方法，其特征在于，应用于如权利要求1至5任一项所示的气体流量测量的系统，所述方法，包括：

所述处理器向每个所述发射换能器发送信号；

每个所述发射换能器将其接收的所述信号转换成超声波信号经所述第一管段内的微结构调制后发送给与其对应的所述接收换能器；

每个所述接收换能器将其接收的经调制后的所述超声波信号转换成电信号后发送给所述处理器；

所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟；

所述处理器根据所述时间延迟和对应的两对超声波换能器之间的距离获取所述第一管段内的气体的速度；

所述处理器根据所述气体速度和所述第一管段的内径计算所述第一管段内的气体流量。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：

所述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中，x1(t)和x2(t)分别为经调制后的电信号，τ为时间延迟；

所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：

所述处理器根据计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中，X，Y分别代表不同对超声波换能器的数据序列，Rxy(m)是X数据序列和Y数据序列的互相关函数在时间延迟为m处的值；

所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述处理器根据不同的所述接收换能器发送的所述电信号获取每两个所述电信号之间的时间延迟，包括：

所述处理器根据Rxy＝IFFT|FFT(X)*FFT(Y)^*」计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中FFT(X)是电信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)^*是电信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数；

所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述处理器根据Rxy＝IFFT|FFT(X)*FFT(Y)^*」计算每两个所述电信号之间的互相关曲线，其中FFT(X)是电信号X的快速傅里叶变换，FFT(Y)^*是电信号Y的快速傅里叶变换的共轭复数之前，还包括：

所述处理器获取所述电信号的同向分量和正交分量；

所述处理器根据和计算两个所述电信号的信号强度In；

所述处理器根据所述信号强度和R01＝IFFT|FFT(In0)*FFT(In1)^*]计算每两个电信号之间的互相关曲线；

所述处理器根据所述互相关曲线获取互相关峰值以及互相关峰值对应的时间延迟。