CN117367524A - 一种基于pmut阵列测量混合气体流量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，该测量混合气体流量的方法基于PMUT阵列的超声流量计，获取数据矩阵A和数据矩阵B，通过数据矩阵A获得当前混合气体中各组分的浓度，通过数据矩阵B获得流动气体的当前超声传播速度值V流动，进而求得当前混合气体的流量，通过多组数据计算流体的流量，提高流体流量测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及流体流量测量技术领域，尤其涉一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法。
背景技术
在石油天然气能源行业中，其流量的高精度测量，对节约能源，降低生产成本是十分重要的，超声波气体流量计因其具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、以及安装、使用、维护方便等优点被广泛应用于油气田生产现场中。目前混合气体流量的测量方法是基于一发一收或两发两收的超声流量计进行测量，这种情况下只能获得一组或两组数据，导致测得的流体流量存在较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，该测量混合气体流量的方法以PMUT阵列超声流量计测混合气体的流量，可以得到多组数据，通过多组数据计算流体的流量，提高流体流量测量的准确性。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
本发明提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，所述测量混合气体流量的方法包括如下步骤：
建立精度为x，以回波触发时间t为参数的数据样本库C；
获取数据矩阵A，对所述数据矩阵A中的数据进行处理后得到每个超声换能器采集到的时延值对所述时延值/>进行均值处理，得到当前混合气体浓度下的时延值tA,将所述时延值tA与所述数据样本库C匹配，得到当前混合气体中各组分的浓度值ρ和1-ρ，求得当前混合气体的超声速度值V静止；
获取数据矩阵B,对所述数据矩阵B中的数据进行处理后得到信号触发起始时间值tB，求得流动气体的当前超声传播速度值V流动；以及
根据所述当前超声传播速度值V流动与所述当前混合气体的超声速度值V静止求得流动气体的速度值V流体，从而求得流量值Q。
在本发明的一个实施例中，所述时延值的获取方法包括如下步骤：
将所述数据矩阵A进行去噪和包络提取；以及
基于阈值法获取索引值，对所述索引值进行二次函数拟合，求得所述时延值
在本发明的一个实施例中，所述信号触发起始时间值tB的获取方法包括如下步骤：
将所述数据矩阵B进行去噪和包络提取；
基于阈值法获取索引值，对所述索引值进行二次函数拟合，求得信号触发起始时延值以及
将所述信号触发起始时延值进行均值处理，得到所述信号触发起始时间值tB。
在本发明的一个实施例中，所述当前混合气体的超声速度值V静止的计算公式为
在本发明的一个实施例中，所述流动气体的当前超声传播速度值V流动的计算公式为其中，所述L为超声波传播路径长度。
在本发明的一个实施例中，所述流动气体的速度值V流体的计算公式为V流体＝V流动-V静止。
在本发明的一个实施例中，所述流量值Q的计算公式为Q＝V流体*t0*S。
综上所述，本发明提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，该测量混合气体流量的方法基于PMUT阵列的超声流量计，获取数据矩阵A和数据矩阵B，通过数据矩阵A获得当前混合气体中各组分的浓度，通过数据矩阵B获得流动气体的当前超声传播速度值V流动，进而求得当前混合气体的流量，通过多组数据计算流体的流量，提高流体流量测量的准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明的整体结构流程图；
图2是本发明时延值的获取方法的流程图；
图3是本发明信号触发起始时间值tB的获取方法的流程图；
图4是本发明数据矩阵A的波形图；
图5是本发明数据矩阵A的去包络图；
图6是本发明数据矩阵A的去包络图以及拟合的二次函数图；
图7是本发明数据样本库C的曲线图；
图8是本发明一个实施例的整体结构示意图；
图9是本发明图8另一个角度的结构示意图；
图10是本发明另一个实施例的整体结构示意图；
图11是本发明图10另一个角度的结构示意图；
图12是本发明图10的剖视图。
图中标号说明：1-法兰、2-管道；3-第一安装座、4-第一超声换能器；5-第二超声换能器；6-第二安装座、7-反射片。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。
请参阅图8至图12，本发明提供一种基于PMUT阵列的超声流量计，该超声流量计包括两端设置有法兰1的管道2、PMUT阵列和接收端，PMUT阵列设置于管道2上。PMUT阵列沿管道的周向排布。PMUT阵列包括第一超声换能器4和第一安装座3，第一超声换能器4为收发一体的超声换能器。第一超声换能器4的数量至少为两个，例如，可以为五个，也可以为十个，还可以为多个。多个第一超声换能器4在管道2上呈一个环形排布，也可以呈两个或者多个环形排布。第一超声换能器4的编号为M1、M2......Mn。接收端设置于管道3上，且接收端用于接收PMUT阵列发出的超声波信号。接收端包括第二安装座6和第二超声换能器5，第二安装座6设置于管道2上，且第二安装座6位于超声换能器阵列相对的一侧。第二超声换能器5设置于第二安装座6上，用于接收第一超声换能器4发出的超声波信号。该超声流量计还包括反射片7，反射片7设置于管道2的内部，且反射片7位于与PMUT阵列相对的一侧。反射片7用于将其中一个第一超声换能器4发射的超声波信号反射至其余的第一超声换能器4，实现其余的第一超声换能器4接收超声波信号。
请参阅图1至图7，本发明还提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，该测量混合气体流量的方法基于PMUT阵列的超声流量计得到多组数据，通过多组数据计算流体的流量，提高流体流量测量的准确性。具体的，该测量混合气体流量的方法包括如下步骤S1-S4：
请参阅图1和图7，S1建立精度为x，以回波触发时间t为参数的数据样本库C。混合气体由氢气和甲烷组成，例如，在甲烷气体的浓度为0％-100％，浓度间隔为0.2％变化，剩余为氢气的情况下，采集信号的数据进行分析，并采用对信号二次函数你和的方法求信号触发时的时间，把每次的样本浓度和出发时间保存下来，形成了精度为0.2％的、以回波出发时间t为参数的数据样本库C，并绘制出如图7所示的曲线图。
请参阅图1、图2、图4至图6，S2获取数据矩阵A，对数据矩阵A中的数据进行处理后得到每个超声换能器采集到的时延值对时延值/>进行均值处理，得到当前混合气体浓度下的时延值tA,将时延值tA与数据样本库C匹配，得到当前混合气体中各组分的浓度值ρ和1-ρ，求得当前混合气体的超声速度值V静止。具体的，在t1时刻，第一超声换能器M1发射超声波信号，第一超声波换能器M2～Mn接收超声波信号，在t2时刻，第一超声换能器M2发射超声波信号，第一超声波换能器M1、M3～Mn接收超声波信号，在tn时刻，第一超声换能器Mn发射超声波信号，第一超声波换能器M1～Mn-1接收超声波信号，如下表所示，形成n*n的数据矩阵A，对数据矩阵A中的数据进行处理后得到每个超声换能器采集到的时延值/>将时延值/>进行排序，去掉最大值和最小值，剩余值求均值，得到当前混合气体浓度下的时延值tA,将时延值tA与数据样本库C匹配，寻找与时延值tA差值最小值对应的气体浓度值，即得到当前混合气体中甲烷的浓度值ρ和氢气的浓度值1-ρ。根据公式计算出当前混合气体的超声速度值V静止。其中，γ为绝热系数，R为摩尔气体常量，T为温度，M1为甲烷的摩尔质量，M2为氢气的摩尔质量。时延值/>的获取方法包括如下步骤S21-S22：
S21将数据矩阵A进行去噪和包络提取。将数据矩阵A内的数据形成以时间为横轴，信号幅值为纵轴的波形图，如图4所示，将上述数据矩阵A中的数据进行去噪及包络提取，得到如图5所示的包络信号图。
S22基于阈值法获取索引值，对索引值进行二次函数拟合，求得时延值例如取阈值p，在包络信号图上寻找超过阈值p的最大值点，在最大值点左侧和阈值点的右侧寻找大于阈值p的点及索引值，保存下来，对保存的点进行二次函数拟合，如图6所示，求出拟合的二次函数与零轴的交点位置，即为所求的时延值，多组数据进行多次拟合，即求得时延值/>
| 0 | Data21 | Data31 | ...... | Datan1 |
| Data12 | 0 | Data32 | ...... | Datan2 |
| Data13 | Data23 | 0 | ...... | Datan3 |
| ...... | ...... | ...... | ...... | ...... |
| Data1n | Data2n | Data3n | ...... | 0 |
请参阅图1和图3，S3获取数据矩阵B,对数据矩阵B中的数据进行处理后得到信号触发起始时间值tB，求得流动气体的当前超声传播速度值V流动。在t1～tn时刻，第二超声换能器接收第一超声波换能器M1～Mn-1发出的超声波信号，如下表所示，形成1*m的数据矩阵B，其中m＝n。根据公式计算出流动气体的当前超声传播速度值V流动，其中，L为超声波传播路径长度。信号触发起始时间值tB的获取方法包括如下步骤S31-S33：
S31将数据矩阵B进行去噪和包络提取。数据矩阵B的去噪及包络提取与步骤S21相同。
S32基于阈值法获取索引值，对索引值进行二次函数拟合，求得信号触发起始时延值信号触发起始时延值/>的获得方法与步骤S22相同。
S33将信号触发起始时延值进行均值处理，得到信号触发起始时间值tB。
| Datam1 | Datam2 | Datam3 | ...... | Datamm |
请参阅图1，S4根据当前超声传播速度值V流动与当前混合气体的超声速度值V静止求得流动气体的速度值V流体，从而求得流量值Q。具体的，根据公式V流体＝V流动-V静止计算流动气体的速度值V流体。再根据公式Q＝V流体*t0*S计算流量值Q，其中，t0为超声波传播的时间，S为管道的横截面积。
综上所述，本发明提供一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，该测量混合气体流量的方法基于PMUT阵列的超声流量计，获取数据矩阵A和数据矩阵B，通过数据矩阵A获得当前混合气体中各组分的浓度，通过数据矩阵B获得流动气体的当前超声传播速度值V流动，进而求得当前混合气体的流量，通过多组数据计算流体的流量，提高流体流量测量的准确性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (7)
1.一种基于PMUT阵列测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述测量混合气体流量的方法包括如下步骤：
建立精度为x，以回波触发时间t为参数的数据样本库C；
获取数据矩阵A，对所述数据矩阵A中的数据进行处理后得到每个超声换能器采集到的时延值对所述时延值/>进行均值处理，得到当前混合气体浓度下的时延值tA,将所述时延值tA与所述数据样本库C匹配，得到当前混合气体中各组分的浓度值ρ和1-ρ，求得当前混合气体的超声速度值V静止；
获取数据矩阵B,对所述数据矩阵B中的数据进行处理后得到信号触发起始时间值tB，求得流动气体的当前超声传播速度值V流动；以及
根据所述当前超声传播速度值V流动与所述当前混合气体的超声速度值V静止求得流动气体的速度值V流体，从而求得流量值Q。
2.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述时延值的获取方法包括如下步骤：
将所述数据矩阵A进行去噪和包络提取；以及
基于阈值法获取索引值，对所述索引值进行二次函数拟合，求得所述时延值
3.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述信号触发起始时间值tB的获取方法包括如下步骤：
将所述数据矩阵B进行去噪和包络提取；
基于阈值法获取索引值，对所述索引值进行二次函数拟合，求得信号触发起始时延值以及
将所述信号触发起始时延值进行均值处理，得到所述信号触发起始时间值tB。
4.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述当前混合气体的超声速度值V静止的计算公式为
5.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述流动气体的当前超声传播速度值V流动的计算公式为其中，所述L为超声波传播路径长度。
6.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述流动气体的速度值V流体的计算公式为V流体＝V流动-V静止。
7.根据权利要求1所述的测量混合气体流量的方法，其特征在于，所述流量值Q的计算公式为Q＝V流体*t0*S。
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