CN1077796A - 监测气体流量，特别是天然气流量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于监测流动气体成分的方法和装置。将声振 荡施加到气体流动管的下游和上游，探测所监测声波 在一定距离上的下行和上行的行进时间(t₁、t₂)。声 速(C)或表示声速的量，在所说行进时间(t₁、t₂)的基 础上确定。声速(C)主要依赖于所监测气体的平均 分子量，测量流动气体的温度(T)，并在温度测量的 基础上，已换成某一个参考温度T₀的声速，由公式

来确定。

Description

本发明涉及监测流动气体成分的方法，在该方法中，将声振荡加到气体流动管下游和上游，探测所监测的声波顺流和逆流的行进时间，在所说行进时间的基础上，确定声波速度或表示速度的量，该速度或量主要依赖于所要监测的气体的平均分子量。

进一步，本发明涉及监测气体流量，特别是天然气流量的装置。

在芬兰技术研究中心（Valtion    tutkimusKeskusVTT）的芬兰专利FINo76885中，公开了一种声波流量测量方法和装置，该方法和装置采用声波上行和下行的方法测量气体、液体和/或多相乳浊液在一个管中或在一个等价的波管中的流速、体积流量和/或质量流量。在该已有技术的方法和装置中，使从声源发生的宽频带声波信号，以平面波上行和下进入测量管或等价波管，然后，在从所测声波信号修正函数的最大值和/或最小值，得到的声波行进时间的基础上，和在测量点之间距离的基础上确定流速。

在所说芬兰专利中，描述的一个技术解决方案中，以频率扫描的方式把声波输入测量管道中，再从放在测量距离端头的麦克风的信号，采用极性相关器确定声音的行进时间。根据所测得的上行和下行的行进时间，就有可能非常精确地测得平均流速，和在静止介质中的声速。此外，如果必要的话，还可根据流速和管子的横截面积，计算出体积流量率，根据所说芬兰专利或某些其它方法测量的气体流速，一般来说，是与气体的温度和压力一起作为初始信息，用于计算质量流量。所以，通常流速的测量是结合气体温度和压力的测量一起进行的。

除了测量流速和质量流量，也还需要监测气体的其它参量，特别是监测气体成分。这种需要已经出现，如在测量天然气的情况下，这种天然气经济上是最重要气体形式的能源。例如，天然气中可能包含不同量的氢气、水蒸气或惰性气体。如在已有技术中所知的，天然气参量的监测是通过采样然后用色谱分析检测样品进行的，这需要有昂贵的设备，需在实验室中进行，并且难以自动进行。所以很需要有这样一种监测气体，特别是监测天然气的方法和装置。它在气体参量发生明显变化的情况下能发出报警，在这种情况下，如果必要则有可能利用色谱分析仪，进行更精细的分析。为了销售而确定其燃烧值，也很有必要监测气体的成分。

已经知道，声波在气体中的速度主要依赖于气体的成分和温度。气体成分影响声音速度主要是因为其平均分子量，在某种程度上也是由于其分子中的自由度的维数，即分子中的原子数。

本发明的目的是提出一种用于监测气体，特别是天然气的流量，特别是监测气体组成的新颖有益的方法和装置。

本发明的一个目的是提出一种方法，除了得到关于气体流速的信息之外，还可得到关于气体成分是否保持纯一或是否有变化发生，例如混入其它气体如氢气、水蒸汽或空气等外部气体混入天然气中。

本发明的一个特殊目的是提出一种方法，它能很好地与气体流量的测量，特别是与所说的芬兰专利No76885中所描述的声波气体流量计相结合，在该装置中声波上行和下行的行进时间通过相关技术，最好采用极性相关器进行则量。

关于与本发明紧密相关的已有技术，参考文件还有CH669，463和US4596133其中记载了适于监测气体流动的装置，该装置中主要采用了超声波技术，但这些装置与本发明比较其基本区别在于：在所引用的专利中，声波能量是沿一定路径倾斜穿过流量管，在这种情况下声波波长必须是基本上短于测量管的直径。另一个不同是，在所说的引用专利中的装置，与本发明的装置相比较，都是采用超声波技术，同一个探测器既用作传输器又作为监测声波的接收器。

为了实现上述的及后面将提到的目的，本发明的方法主要特征在于，在该方法中所选择的所说声振动荡频率低于某一个限制频率，从而使监测声波在测量管的轴向上，以平面波行进，探测监测声波在测量管的轴向上，一段测量距离上的行进时间，该测量距离基本上大于测量管的平均直径，并且当声速或代表声速的量与其预期值范围不同时，就给出一个报警信号或其它控制信号。

另一个方面，本发明的装置其特征主要在于：该装置包括一个测量管，所测气体流量从中穿过，和用作声频信号传输器的杨声器，以及用作声探测器的麦克风，该麦克风放在所说的两个杨声器之间，与测量管相连的位置上，所说的两个杨声器沿测量管的轴向彼此分开一定的已知的距离，其轴向距离基本上大于，最好是一个量级，测量管的平均直径，该装置还包括确定气体流动速度和在气体流动中声波速度的单元，该装置还包括一个报警单元，当所探测的声速或表示声速的量，高于或低于某些预设的极限值时，可用来产生报警信号。

在本发明的最佳实施例中，用同一个装置的声学技术，可同时测得气体流动速度和气体中声速。此外，其优点是还可测量气体温度，在某些情况下还可测量压力。在温度测量的基础上，所测的声速可换算成予设的参考温度。在监测该换算的声速的基础上，可给出报警或任何其它控制信号。在该方法中，可以监测气体的成分，所说的成分影响声速主要是由于平均分子量，在某种程度上，也受分子自由度维数的影响。声速变化的允许范围，通过实验来确定，如果必要可参考利用色谱仪作出的测量。允许的，无须报警的声速变化范围的平均值可以表示成气体的一个平均或理想参量。

关于这一点应明确指出，上面及下面的内容中，气体都应理解成，也意味着由不同气体组成的混合气体。

在下文中，将参考附图结合一个图示的实施例详细叙述本发明，本发明不受所说实施例细节的严格限制。

附图是本发明气体流量监测装置的示意图，它是一个框图。

根据附图，在测量管10中，用声学方法监测了测量管10中流动的气体流量，典型地，所监测的气体是天然气。声波信号借助杨声器13a和13b从上游和下游传输进测量管10中，声波信号由位于杨声器13a和13b之间的麦克风14a和14b接收，麦克风之间相互距离为L，对于监测来说是基本的参量。测量管10的直径D和测量距离L经过选择，如L≈10D。

从与本发明相关的测量技术的观点来看，最基本的物理观测是在具有刚性壁的管10中，低于某一个依赖于管10尺寸的极限频率，只有所谓的平面波或活塞式波能行进，其行进速度不依赖于介质，其温度或流速的局部变化，而只依赖于在测量距离内通常显示的平均值（B.Robertson，“EffectofArbitray    Temperature    and    FlowProfiles    on    the    Speed    of    sound    in    a    pipe”，J，ACoust.Soc.Am.Vol62，No.4.P，813…818.October    1977，and    B.Robertson，“Flow    and    Temperature    Profile    Independence    of    Flow    measuremeuts    Using    long    Aconstic    waves”Transaction    of    the    ASME，Vol.106，P18…20，March    1984），这就可以不依赖于管内参量分布，而进行精确的流量测量。对于圆形截面的管，所说极限频率fc可从下式计算出：

fc＝C/（1.7.D）（1）

其中C是管中介质中声音的行进速度，D是管10的直径。

以下给出本发明用于流量监测的最重要的计算公式。

声速[米/秒]C＝0.5·L·（t^-1 ₁+t^-1 ₂）（2）

温度换算成声速[米/秒] $C_O\mathrm{=\; C·}\sqrt{\mathrm{(T}{}_O\mathrm{/T)}}$ （3）

流速[米/秒]V＝0.5·L·（t^-1 ₁-t^-1 ₂）（4）

体积流量[立方米/秒]Q＝V·A（5）

质量流量[公斤/秒]M＝Q·P（6）

V＝平均流速

L＝麦克风14a和14b之间的距离

t₁＝声波下行时间

t₂＝声波上行时间

T₀＝换算到声速C₀时的参考温度

T＝测量管10中气体的温度

Q＝体积流量

A＝管10的横截面积

M＝质量流量

P＝气体密度

根据附图，从扫描发生器12接收的电信号，交替地输入到杨声器13a和13b。由频率扫描控制单元11控制的开关装置18控制杨声器13a和13b的交替输入。该声测量系统的接收端包括上述的麦克风14a和14b，它们彼此分开测量距离L，所说麦克风的输出信号，借助于放大器16a和16b，输入到扫描滤波器17a和17b中，这是本发明中基本的元件，其扫描频带由频率扫描控制单元11控制。所说扫描滤波器17a和17b与极性相关器15相连。

根据附图，一个气体温度T测量探测器19和一个气体压力P测量探测器21，放在测量管10中，与声波下行行进时间t₁和声波上行行进时间t₂相关的数据，也从极性相关器15传送到计算单元20。在单元20中在上式（2）的基础上，气体中所监测的声速C被算出，在式（4）的基础上，计算出气体的流速V_o流速V从单元20传输到计算和/或显示单元22，其中流速V被显示并且，如果必要，就被记录下来，例如使用描图仪;如果需要，可根据式（5）和（6）计算出体积流量Q和/或质量流量M，它们也可显示和/或记录在单元22中。在本发明中，管10中流动的气体成分的监测是与上面所描述的，流速V和可从所说流速中推算出的量Q和M的监测相关联的。

由于气体中声速主要依赖于温度和气体的成分，它们影响声速主要是缘于其平均分子量，在某种程度上也由于分子中自由度维数，所以气体中声速也可表示气体的成分，至少是本发明所监测的如此大的成分变化。

在单元20中，基于上式（2），利用行进时间t₁和t₂可算出声速C。进一步，当关于流动气体的温度T的信息，由探测器19送到单元20时，在上式（3）中， $C_0=\sqrt{\mathrm{C(T}{}_0\mathrm{/T)}}$ 的基础上，就可能确定换算到系统的参考温度T₀的声速C₀。换算的声速C₀从单元20传送到单元23。单元23是作为参考和报警单元，当换算出的声速C₀高于或低于所给出的极限值C₁和C₂时，它就报警。所说极限值C₁和C₂，可以设置并输入到单元23中。当换算出的声速C₀，保持在所给出的极限C₁和C₂中时，该系统就认为气体的成分是足够纯一的。当监测系统所探测的换算声速C₀，高于所说上限C₁或低于所说的下限C₂，该系统就给出适当的报警信号。换一种方式，所说的极限C₁和C₂，可以设计成依赖于温度，以上述的方式进行换算。报警可促使对气体成分进行更精确的测定，如进行色谱分析。如果气体的温度保持足够的稳定，其测量并不总是必要的，从而使上述的温度与声速的换算也不必要。但通常温度的测量，和在此基础上声速的换算，在本发明中是必要的。

应该强调，上述的监测和声音行进时间t₁和t₂的确定方式，只是一个实施例，本发明并不受其限制。在本发明中，还可能采用所说芬兰专利No-76885中评述的，和本申请人的芬兰专利申请No916102中详述的声学流量测量的各种技术。

关于附图中的框图，一般认为所示的作为单个方框单元，而在实际的装置中，可分成许多方式来放置。与附图不同的，操作的方框划分也是可能的。

以下将会给出专利的权利要求书并且在由所说的权利要求限定的本发明构思的范围内，本发明的各种细节可以改变，并只与以上作为实施例叙述的有所不同。

Claims (12)

1、用于监测流动气体成分的方法，在该方法中，声振荡施加到气体流动管10的下游和上游，探测所监测声波(L)下行和上行的行进时间(t₁、t₂)，在所说行进时间(t₁、t₂)的基础上，确定声速(C)或表示声速的量，该速度(C)或量主要依赖于所监测气体平均分子量，其特征在于：在该方法中所说声振荡频率，经选择低于某一个极限频率(f₀)，从而使所监测的声波沿测量管的轴向，以平面波行进，探测了所监测声波沿测量管的轴向测量距离(C)的行进时间(t₁、t₂)，该测量距离基本上大于测量管的平均直径(D)，当所说声速(C)或表示声速的量，与予期值的范围(C₁……C₂)不同时，则给出报警信号或其它控制信号。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在该方法中所用的测量管是一个环形截面的气流管（10），监测声波的上限频率选作f₀＝（C/1·7·D），其中C是在充满气流管（10）的介质中声音行进速度，D是所说气流管（10）的直径。

3、按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于：选择沿气流管（10）的轴向监测声波上行和下行的行进时间（t₁、t₂）的测量距离L，使得L≈10D

4、按照权利要求1到3中任何一个所述的方法，其特征在于：在该方法中测量了流动气体的温度（T），在所测量的温度的基础上，已换算到某一个参考温度T₀的声速，由公式 $C_0\mathrm{=C}\sqrt{\mathrm{(T}{}_0\mathrm{/T)}}$ 来确定，该公式对于理想气体是适用的，其中T＝气体的绝对测量温度，T₀＝所选择的绝对参考温度，C＝所测量的声速，C₀＝换算成参考温度的声速，或通过相应的更实际的公式来计算，当所说的换算的温度（C₀），与其予期范围（C₁……C₂）不同时，就给出一个报警信号或控制信号。

5、按照权利要求1到4中任何一个所述的方法，其特征在于：基于所说的行进时间（t₁、t₂），气体流动速度可以借助于已知的计算公式（4）计算出来，和/或基于上述的流速测量，体积流量（Q）和/或质量流量（M）在已知的计算公式（5）、（6）的基础上可计算出来。

6、按照权利要求1到5中任何一个所述的方法，其特征在于：在该方法中，也测量流动气体的压力（P）。

7、按照权利要求1到6中任何一个所述的方法，其特征在于：在该方法中，基本上是采用同样的装置，测量了所监测气体成分的纯一性，和可从其推导出的流速（V）和/或量（Q、M），在该方法中，长波声波传送到测量管（10）中，而在气体流动中上行和下行的声波信号。采用两个相互分开特定距离（L），连接在测量管（10）上的声探测器（14a和14b）来探测，在测量管中流动气体的流速（V）和声速（C），采用所说信号根据已知计算公式（2）和（4）的极性相关（15;15₁、15₂）而确定，传输进测量管（10）中的声波频率在某一最大值和最小值之间（fmax，fmin）扫描，从两个声探测器（14a、14b）输出的测量信号（f₁（t），f₂（t）），送经一个窄带滤波器（17a、17b）或滤波器系统，所说滤波器（17）的通频带与传输声波的频率扫描，被同步扫描，频率扫描的持续时间和所说滤波器（17）通频带的宽度经过选择，使得在测量时序中，由每一个声波探测器（14a、14b）探测的测量信号，基本上没有衰减地通过其滤波器，同时，也使与滤波器（17）的平均频率完全不同的干扰频率明显地衰减

8、用于监测气体、特别是天然气流动装置，其特征在于：该装置包括一个测量管（10），所测气体从中流动，和作为声频声波信号传输器的杨声器（13a、13b）和作为声波探测器的麦克风（14a、14b），这两个麦克风放在两个杨声器之间，沿测量管的轴向，以某一个已知距离（C）彼此分开，并连接在测量管上，其轴向间距大于，最好是一个量级、测量管（10）的平均直径（D），该装置包括单元（20、21、23）。通过它们确定气体流速（V）和在流动气体中的声速，该装置还包括一个报警单元（23），它在所探测的声速（C）或表示声速的量高于或低于某些予设的拯限制（C₁、C₂）时会产生报警信号。

9、按照权利要求8所述的装置，其特征在于该装置包括一个固定在测量管（10）中的温度探测器（19），温度测量信号由此可传送到装置的计算单元（20），借助该单元（20），已换算成某一个予设的参考温度（T₀）的声速（C₀），可以由已知的计算公式（3）确定，该装置还包括一个单元（23），它在所说换算声速（C₀）与其予期值范围（C₁…C₂）不同时，给出一个报警或控制信号。

10、按照权利要求8或9所述装置，其特征在于：该装置包括一个频率扫描信号发生器（12）或发生器（12a、12b），通过这些装置频率扫描电信号输入到所说杨声器（13a、13b），该装置还包括一个极性相关器（15、15₁、15₂），从所说麦克风（14a、14b）中接收的信号，送入到其中，该装置还包括两个频率扫描滤波器（17a、17b）或一个滤波器等价系统，通过它们从所说麦克风（14a、14b）中出来的信号，送入极性相关器（15），该装置也包括一个频率扫描控制单元（11），由此单元，频率扫描信号发生器（12）的频率和所说窄频带滤波器（17）的频率扫描彼此同步控制。

11、按照权利要求8到10中任何一个所述的装置，其特征在于：在测量管中放有一个用于流运气体的压力探测器，该探测器将压力测量信号输出到装置的计算单元（20）。

12、按照权利要求8到11任何一个所述用于监测天然气的装置，其特征在于：该装置适宜给出一个起始推动，以便更精确的色谱分析来确定天然气的成分。

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