CN1076024A - 用于测量气体流速和/或由其推导出的参量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

用于测量气体流速和/或能够由其推导出的参 量的声学流量测量方法和装置。长波声信号发送进 入测量管(10)。通过气流下游和上游的声信号由两 个声信号检测器(14a，14b)检测，声信号检测器 (14a，14b)与测量管(10)相连并彼此相距一指定距 离L，使用所说信号的极性相关器(15；15₁，15₂)来确 定在测量管(10)中流动的气体的流速(V)。发送进 入测量管(10)中的信号的频率在一定的最小和最大 频率(f_最小…f_最大)之间进行扫描。

Description

本发明涉及一种声学流量测量方法，用于测量气体流速和/或由其推导出的参量，其中，长波声信号被发送进入一个测量管中，由和测量管相连的，彼此按规定距离放置的两个声信号探测器检测在气流上游和下游所通过的声信号，利用所说信号极性的相关性来确定在测量管中所流动的气体流速，并在这个方法中，在确定的最小和最大频率之间，扫描发送进入测量管中的声信号的频率。

本发明进而涉及一种测量装置，该装置用于测量气体流速和/或由其推导出的参量，例如体积流量和质量流量，该装置包括一个测量管，其中通过被测的气体流，该装置包括用作声信号发送器的扩音器和用作声信号探测器的微音器，所说的微音器与在所说的扩音器之间的测量管相连，所说的微音器相互隔开规定的已知距离，该装置包括一个或一些频率扫描信号发生器，通过这些装置将频率一-扫描电信号输入给所说的扩音器，该装置包括一个极性相关器，其输入的是从所说的微音器所接收的信号。

从芬兰技术研究中心（Valtion    tutkimuskeskus    VTT）的NO.76，885号FI专利已知一种声学流量测量的方法和装置，其通过采用通过下游和上游的声波来测量在一管道中或一等效波管中的气体，液体，和/或多相悬浮液的流速，体积流量，和/或质量流量。在这个已有技术的方法和装置中，来自声源的宽频声信号要以平面波的模式通过测量管道或等效的波管的下游和上游，而且要根据由被测声信号的相关函数的最大值和/或最小值所获得的声信号传播时间及测量点之间相互间的距离来确定其流速。

在所说的FI专利所描述的一种技术解决方案中，声信号以频率扫描的形式输入测量管，声信号的传播时间通过一个极性相关器，由放置在测量距离端点的微音器的信号来确定。根据所测的向下游和上游的传播时间，能够高精度地测出在静止介质中的声速和平均流速。另外如果需要的话，根据流速和管道的横截面的面积，还能够计算出体积流率，并由此通过与压力和温度的测量结果的结合而进一步计算出质量流率。

实际实验已经表明，所说的FI专利的方法和装置按所需的方式操作所提供的发送进入管道中的频率扫描信号的声信号电平至少与管道中所产生的干扰噪声的电平相同。在很强的背景噪声存在的情况下，所需的声信号叠加在由噪声产生的信号上，在这种情况下，在极性相关器输入端的比较器电路的状态不能以所需的方式进行改变，这种现象将在后面结合附图3进行更详细的说明。除了环境噪声以外，在该测量方法和装置中所需的微音器和扩音器与测量管道的连接会在气流中产生紊流，众所周知，这会产生频谱较宽的噪声。此外，在流动管道中，象在阀门，节流阀，或弯管接头处的其它的不连续性也会在气流中产生制造噪声的紊流。偶尔地，由气流自身所产生的噪声可以含有功率极高的离散的频率。干扰声学流量测量系统的噪声也可以沿流动管道的壁和支承构件进入该系统。例如，天然气体的安全标准防碍了无论在任何情况下，声信号的输入功率都能提高到一个足够高的电平。这就是为什么要用一些其他的方法试图在声信号测量系统中必须提高信噪比。

在所说的FI专利所述的方法中，通过下游和上游的声信号也有互相干扰的倾向，即它们是相互关联的，在测量条件下它们就相对噪声而言具有可比性。这就是为什么声信号必须交替地向下游和上游发送，但是，这样会在迅速变化的流体的测量中产生测量误差。

本发明的目的在于进一步发展了所说的76.885号FI专利所述的流量测量的方法和装置，从而基本上克服了上述缺点。

本发明具体的目的是提供一种方法，这种方法更适合于在具有噪声的环境中进行测量，就象典型地用于例如天然气体的测量。

鉴于要实现上述和后面所表明的那些发明目的，本发明方法的主要特征在于由两个声信号检测器获得的信号要经过窄带滤波器或滤波器的系统，所说滤波器的通带和声信号发送的频率扫描被同步扫描，选择频率扫描的周期和所说滤波器的带宽，以便在测量程序进行时，由每个声信号检测器检测到的测量信号具有通过其滤波器而基本上没有衰减的通路，以及使得与滤波器的中心频率明显不同的干扰频率被显著地衰减。

另一方面，根据本发明的装置，其主要特征在于该装置包括两个频率一扫描滤波器或等效的滤波器系统，通过该滤波器系统来自所说的微音器的信号被输入给所说的极性相关器，而且该装置还包括控制频率扫描的装置，通过这种控制装置来控制频率一扫描信号发生器的频率和所说的窄带滤波器的频率扫描相互同步。

本发明所提出的极性相关，其自身就具有优点并代表一个实施例，它与已有技术相比，在每个微音器信号第一通过窄带滤波器时，能够适用于背景噪声更强的情况。所说滤波器的带宽允许发送信号的频率扫描通过。在这种情况下，就需要滤波器具有与频率无关的延时功能，就象在例如FIR滤波器的情况中那样。通过改变时钟频率可以非常简单地完成FIR-滤波器的通带扫描，但是在这种情况下，由滤波器导致的时间延迟的改变与时钟频率成反比。但是，这对于只有两个滤波器的时间延迟的差才对测量结果产生影响的情况是没有坏处的，而且其差保持为零。实际上，频率扫描必须选择的如此之慢，以致于不用考虑它们的时间延迟，两个微音器的信号具有通过相同的窄带滤波器而基本上没有衰减的通路，而其他与滤波器的中心频率有很大差别的频率却被显著地衰减了，如果滤波器通带的中心频率在每一种具体情况下都等同于在测量距离的一半，即到每个微音器的距离都相等的地方所测量的信号的频率，这样所实现的结果是最好的。

可扫描滤波器的使用还提高了以其它方式使用极性相关器的可能性。如果在本发明中不使用可扫描滤波器，那么向下游和上游发送的声信号就会彼此干扰到这样一个程度，以致于它的必须交替发送，如上所述，在流速迅速变化时这会产生误差。在本发明中，通过可扫描窄带滤波器，当频率的差被处理的足够大的时候，既使同时通过下游和上游的声信号也能够彼此分开。在这种情况下，较好的是采用四个可扫描滤波器。

下面将参考在附图中由框图所表示的本发明的一些简化的实施例以及说明本发明和其背景技术的曲线图来详细说明本发明。

图1是本发明的声学流速计的方框图，它是基于声速测量是向下游和上游交替进行来表示的。

图2是与图1相对应的本发明的流速计的示意图，它是基于声速测量是向下游和上游同时进行来表示的。

图3A）表示的是在一个幅度一-时间坐标系统中测量信号与噪声的混合，图3B）表示的是根据本发明没有滤波的所说信号的极性指示，图3C）表示的是根据本发明进行滤波的所说信号的极性指示。

图4表示的是本发明所使用的窄带滤波器的通带。

图5的表示是测量下游和上游的可扫描滤波器的通带。

根据图1和2，气流在管10中流动，其流速V是用声学方法测量的。典型地被测的气体是天然气体。声信号通过扩音器13a和13b向下游和上游发送进入测量管10，该信号由设置在扩音器13a和13b之间的微音器14a和14b接收，在对于流量测量而言是必需的微音器之间的距离为L。选择测量管10的直径D和测量距离L。例如，以便L≈10D。

从与本发明相关的测量技术的观点来看，最主要的物理观察是在具有刚性壁的管10中，在取决于管10的尺寸的一定的极限频率之下，只有所谓的平面波模式或活塞（piston）模式能够通过，其传播速度不取决于在介质，其温度或流速方面的局部变化，而只取决于主要在测量距离之内的平均值（B.Robertson."Effect    of    Arbitary    Temperature    and    Flow    Profiles    on    the    Speed    of    Sound    in    a    Pipe".J.Acoust.Soc.Am.，Vol62，NO.4.P.813…818，1977年10月，和B.Robertson，"Flow    and    Temperature    Profile    lndependence    of    Flow    Measurements    using    Long    Acoustic    Waves"，Transact-ions    of    ASME，vol.106，P.18…20，1984年3月），其可以进行与分布无关的精确的流量测量。对于圆形截面的管道，所说的极限频率fc可以由下式计算出来：

fc＝c/（1.7·D）.

其中c是声信号在填充在管道中的介质中的传播速度，D是管10的直径。

下面将给出，根据本发明在流量测量中所使用的计算公式。

流速［米／秒］ V＝0.5·L·(t₁ ^-1-t₂ ^-1) (2)

体积流量［立方米／秒］    Q＝V·A

质量流量［公斤／秒］        M＝Q·p

V＝平均流速

L＝微音器    14a和14b之间的距离

t₁＝声信号向下游传播的时间

t₂＝声信号向上游传播的时间

Q＝体积流量

A＝管10的截面积

M＝质量流量

P＝气体密度

根据图1，扩音器13a和13b交替输入从扫描发生器12所接收的电信号。扩音器13a和13b输入的交替变换通过开关18来控制，而开关18又由频率扫描的控制单元11来控制。声学测量系统的接收部分包括上述微音器14a和14b，它们彼此相距测量距离L，所说微音器的输出信号通过中间的放大器16a和16b输入给可扫描滤波器17a和17b，它们在本发明中是基本的部分而且它们的扫描通常由频率扫描的控制单元11控制。所说的可扫描滤波器17a和17b与极性相关器15相连。

在本发明中，极性相关器15的一个输入信号fa（t）是实时提供的，而另一个信号fb（t-

）是通过移位寄存器延迟的。单词“极性”的意思是，如果函数fa和fb是连续的，那么它们的值只在一位的精度上进行确定，即要确定该函数与预定的“零”参考电平相比是正还是负。如果信号可能的值是+1（正）和-1（负），则归一化相关函数能够由下式来确定。

（5）当在信号fa（t）和fb（t）之间存在很强的正相关性的时候，函数Ra，b获得的值接近1，而当存在很强的负相关性的时候，其值接近0。当不存在相关性的时候，得到的值为0.5。

如果信号fa或fb的正值确定为逻辑值1，同时相应的负值为逻辑0，接受同等大的值并作为被积函数

I（t，r）＝1/2（f_a（T）f_b（t-r）+1） （6）

的逻辑函数通过“同”门能够实现。

极性相关器15在时间延迟的一定时间间隔中按被积函数，公式（6）取样。通过用测量程序时间T对相关器的取样结果求和来进行积分。每个单个的被称作通道的值的都具有属于自己的计数器。最大的取样频率可以等于位移寄存器的时钟频率。

在申请人所说的NO.76，885号FI专利的图5和6中，并参考关于极性相关器15;15₁，15₂的附图，详细说明极性相关器的一个简化实施例。一个测量信号从极性相关器15;15₁，15₂输入到单元20中，单元20包括例如一个计算机，计算机根据上述的公式（2），（3）或（4）计算被测的流速（V），如果需要，还可计算被测的体积流量或质量流量。单元20还包括测量结果的计算机输出和显示装置。

根据本发明，窄带滤波器17a和17b的通带根据单元11的控制跟随扫描发生器12的频率扫描。滤波器17a和17b是这样配置的以使它们具有与频率无关的时间延迟。为了这个目的，滤波器较好的是FIR（有限脉冲响应）滤波器，其通带扫描最简单地是通过改变时钟频率来进行。但是，在这样一种情况下，由FIR-滤波器产生的时间延迟与时钟频率成反比的变化，然而，对于只有两个滤波器的时间延迟之间的差影响测量结果，并保持为零的情况是没有坏处的。选择频率扫描的频率范围f_最小……f_最大，例如在0.1……10KHz范围。然而实际上，频率扫描必须选择的足够慢，以致于不用考虑它们的时间延迟，而使每一个微音器14a，14b的信号都能够基本上没有衰减地通过窄带滤波器17a，17b，滤波器17a，17b彼此是相同的，但是其它与滤波器中心频率差别很大的频率被显著地衰减了，如图4所示。在每一种具体情况中，滤波器17a和17b的中心频率fo都与在测量距离的一半，即在与两个微音器14a，14b等距离的地方测量的信号的频率相对应，就会最好的实现这一点。

在图3中，其中竖轴代表信号的幅度，横轴代表时间，说明的是在测量管10中的干扰噪声对测量信号的极性显示的影响。在图3A）中，表示的是基本上正弦形的测量信号，它叠加在频率基本上低于测量频率的噪声信号上。图3B）表示的是根据本发明的没有滤波所产生的信号极性的显示，图3C）表示的是相对应的根据本发明的有滤波所产生的极性显示。

图4说明的是窄带滤波器17a和17b的频带的选择原理。竖轴G代表的是滤波器17a和17b的通带，横轴代表的是频率。要在滤波器17a，17b的通带上，在中心频率f₀两侧对称的地方取由中间的微音器14a，14b所检测的瞬时频率fa和fb。

根据图1的向下游和上游发送的声信号是交替发送的。当流速比测量程序的周期的变化更迅速时这就会产生测量误差。根据本发明使用可扫描滤波器还可以克服这个缺点，例如，通过图2所示的测量设计就可以实现。根据图2采用了四个可扫描滤波器17a₁，17a₂和17b₁，17b₂和两个极性相关器15₁和15₂。可扫描滤波器17的滤波器17a₁和17a₂与检测器微音器14a相连。可扫描滤波器的滤波器17b₁和17b₂与另一个检测器微音器14b相连。滤波器17a₁和17b₁与极性相关器15₁相连，而滤波器17a₂和17b₂以一种相对应的方式与另一个相关器15₂相连。控制滤波器17a₁和17b₁以跟随向下游发送的频率扫描，而且17a₁和17b₁彼此相同，同样控制滤波器17a₂和17b₂以跟随向上游发送的扫描，而且它们彼此也相同，向下游和上游发送的频率扫描的瞬时频率较好的是在所有时候彼此都如此的不同以致于只有正确的声信号才具有基本上没有衰减的通过每一个滤波器的通路。最简单的方法是在两个方向上采用相同的频率扫描，以便它们中的一个相对另一个延迟到足够的程度，从而使滤波器17的通带之间连部分的重叠都没有。上述的意思是不用如图2所示的两个扫描发生器12a和12b，而只用一个发生器12，电信号通过属于每一个扩音器自己的时间延迟电路进入扩音器。这种设计在图5中由在频率一-时间标度上通过斜影线所说明的滤波器17的通带来描述。在图5中，D指的是测量下游的滤波器17的通带，U指的是测量上游的滤波器17的通带，它们的通带通过发送的频率扫描相对对方有足够的延迟而彼此完全分开。频率扫描的最大频率表示为f_最大，f_最小频率表示为F最小。根据图5，例如，在时间t₁处测量下游的滤波器的频带为△f₀，而测量上游的滤波器17的通带为△f₀，在所说通带的中心频率f₀之间的间隔为△f。

下面将给出本发明的权利要求，在所说的权利要求所限定的发明构思的范围内本发明的各种细节可以有变化并且与上述只以举例的形式给出的细节有所不同。

Claims (11)

1、用于测量气体流速和/或能由其推导出的参量的声学流量测量方法，在该方法中，长波声信号发送进入量管(10)中，通过气流下游和上游的声信号由两个声信号检测器(14a，14b)检测，声信号检测器(14a，14b)与测量管(10)相连，并彼此相距一指定距离L，在测量管(10)中流动的气体的流速通过采用所说信号的极性相关器(15；15₁，15₂)来确定，在该方法中发送进入测量管(10)的声信号的频率在一定的最小和最大频率(f_最小…f_最大)之间扫描，其特征在于由两个声信号检测器(14a，14b)接收的测量信号(f (t)，f

(t)传送给窄带滤波器(17a，17b)或滤波器系统(17a₁，17a₂，17b₁，17b₂)，所说滤波器(17)的通带与声信号发送的频率扫描被同步扫描，选择频率扫描的周期和所说滤波器(17)的通带宽度，以便在测量程序进行时，由每一个声信号检测器(14a，14b)检测的测量信号具有基本没有衰减地通过其滤波器(17)的通路，而且使得与滤波器(17)的中心频率明显不同的干扰频率被显著地衰减。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于选择所说的滤波器（17）以使得由其所导致的信号传播的延迟，在每一个滤波器的中心频率（fo）处具有与频率无关的足够的精度。

3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于由声信号检测器（14a，14b）的信号的时间差所产生的“瞬时”频率（fa，fb）基本上对称地位于通带的中心频率（fo）的两侧（图4）。

4、如权利要求1到3任何权利要求所述的方法，其特征在于频率一扫描信号通过由开关（18）开关扫描发生器来交替向下游和上游发送，或等效地分别交替向下游发送器（13a）和上游发送器（13b）发送。

5、如权利要求1到3任何权利要求所述的方法，在具体测量迅速变化的气流的情况下，其特征在于分开的通带的频率扫描同时向下游和上游发送，在这个方法中采用两个平行的滤波器系统（17a₁，17a₂;17b₁，17b₂），调谐其中的滤波器（17a₁，17a₂）以跟随向下游发送的频率扫描，并调谐另外的滤波器（17b₁，17b₂）以跟随向上游发送的频率扫描，使所说的扫描的瞬时频率之间彼此有足够大的差别以使已被调谐而跟随频率扫描的每一个滤波器系统只通过该频率扫描（图2）。

6、如权利要求1到5任何权利要求所述的方法，其特征在于所采用的频率一扫描滤波器（17）是FIR（有限脉冲响应）滤波器，而且滤波器（17）的通带扫描较好是通过改变它们的时钟频率来进行。

7、用于测量气体的流速（V）和/或能够由其推导出的参量，象体积流量（Q）和/或质量流量（M）的装置，该装置包括一个测量管（10），被测气流在测量管（10）中流动，该装置又包括作为声信号发送器的扩音器（13a，13b）和作为声信号检测器的微音器（14a，14b），所说的微音器与在所说的扩音器（13a，13b）之间的测量管（10）相连并彼此相距一个一定的已知距离（L），该装置还包括一个频率一扫描信号发生器（12）或一些发生器（12a，12b），通过所说的发生器向所说的扩音器（13a，13b）输入频率一扫描电信号，该装置还包括极性相关器（15;15₁，15₂），向所说的极性相关器输入从所说的微音器（14a，14b）的接收的信号，其特征在于该装置包括两个频率一扫描滤波器（17a，17b）或一个等效的滤波器系统（17a₁，17a₂，17b₁，17b₂），通过它们来自所说微音器（14a，14b）的信号被送入所说的极性相关器（15;15₁，15₂），该装置包括一个频率扫描的控制器（11），通过所说的控制器控制频率一扫描信号发生器（12）的频率和所说的窄带滤波器（17）的频率扫描相互同步。

8、如权利要求7所述的装置，其特征在于该装置包括一个频率一扫描发生器（12），控制该发生器以交替的与不同的扩音器（13a，13b）相接通。

9、如权利要求7所述的装置，其特征在于该装置包括两个分开的频率一扫描发生器（12a，12b），通过这些发生器不同频率的声信号被同时送入两个扩音器（13a，13b）（图2）。

10、如权利要求9所述的装置，其特征在于该装置包括四个频率一可扫描的滤波器（17a₁，17a₂，17b₁，17b₂），它们成对彼此相同并控制其中一对（17a₁，17a₂）以跟随向下游发送的频率扫描，控制另一对（17b₁，17b₂）以跟随向上游发送的频率扫描，所说的滤波器对的频率扫描的瞬时频率间的差（△f）足够大以便只有正确的声信号具有没有明显衰减地通过每一个滤波器的通路。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于向下游和上游采用相同的频率扫描，同时其中一个相对另一个延迟以便滤波器（17）的通带（△f_o,△f_u）连部分重叠都没有。

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