FI76885B - Acoustic flow metering process and device - Google Patents

Acoustic flow metering process and device Download PDF

Info

Publication number
FI76885B
FI76885B FI870184A FI870184A FI76885B FI 76885 B FI76885 B FI 76885B FI 870184 A FI870184 A FI 870184A FI 870184 A FI870184 A FI 870184A FI 76885 B FI76885 B FI 76885B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
flow
measuring
measurement
sound
countercurrent
Prior art date
Application number
FI870184A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI870184A0 (en
FI76885C (en
Inventor
Pekka Hiismaeki
Matti Knuuttila
Original Assignee
Valtion Teknillinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valtion Teknillinen filed Critical Valtion Teknillinen
Priority to FI870184A priority Critical patent/FI76885C/en
Publication of FI870184A0 publication Critical patent/FI870184A0/en
Publication of FI76885B publication Critical patent/FI76885B/en
Application granted granted Critical
Publication of FI76885C publication Critical patent/FI76885C/en

Links

Landscapes

  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

Acoustic flow metering process and device for measuring flow speed, volume and/or mass flow of gases, fluids and multiphase suspensions in a pipe (10a) or similar wave guide by using sound waves moving up or downstream. A wideband audio signal emitted from audio sources (13a, 13b) is directed to move in the measuring pipe (10a) or similar wave guide, in downstream and upstream surface wave mode. Flow speed can be determined from audio signals (f1(t), f2(t)) measured up and down stream as well as correlation functions (R1,2) obtained from maximum and/or minimum audio delay time (τ1, τ2) and the distance (L) between measuring points (M1, M2), and from this volume flow and/or mass flow for gases, fluids and multiphase suspensions can be calculated using known methods.<IMAGE>

Description

76885 1 Akustinen virtausmittausmenetelmä ja sitä soveltava laite Akustiskt strömningsmätningsförfarande och anordning för tillämpnlng av detta 576885 1 Acoustic flow measurement method and applicable device Acoustic flow measurement method and application for heating up to 5

Keksinnön kohteena on akustinen virtausmittausmenetelmä kaasujen, nesteiden ja/tai multifaaslsuspeneloiden virtausnopeuden, tilavuusvirtauk-10 sen ja/tai massavirtauksen mittaamiseksi putkessa tai vastaavassa aalto-putkessa myötä- ja vastavirtaan eteneviä ääniaaltoja käyttäen.The invention relates to an acoustic flow measurement method for measuring the flow rate, volume flow and / or mass flow of gases, liquids and / or multiphase suspensions in a tube or a corresponding waveguide using sound waves propagating upstream and downstream.

Lisäksi keksinnön kohteena on keksinnön menetelmän toteuttamiseen tarkoitettu laite, joka käsittää mittausputken tai vastaavan aaltoputken, 15 jossa mitattava virtaus kulkee, joka laite käsittää edelleen äänisignaalin lähetysanturit kuten kaiuttimet, jotka on kytketty välimatkan päähän toisistaan mittausputken tai vastaavan yhteyteen ja että laite käsittää äänen vastaanottoanturlt kuten mikrofonit.The invention further relates to a device for carrying out the method of the invention, comprising a measuring tube or a similar waveguide in which the measured current flows, which device further comprises sound signal transmitting sensors such as loudspeakers connected at a distance from the measuring tube or the like and comprising a sound receiving sensor such as microphones. .

20 Kaasun virtausmittauksiln on kehitetty paljon erilaisia mittausmenetelmiä, jotka perustuvat paine-eroon (venturlputket), osklllaatloon (vortex) tai turbiinimlttaukseen. Em. tunnettujen mittausmenetelmien suurin epäkohta on se, että menetelmät ovat riippuvia asennuspaikan virtausprofii-lista. Tällöin kallbrointilaitoksissa tehty mittareiden tarkastus el 25 vastaa enää tarkoin mittarin sijoituspaikan virtausoloja. Lisäksi ka- librointimittaus pysäyttää mahdollisesti prosessilinjan putkiston käytön.20 Many different measurement methods have been developed for gas flow measurements based on differential pressure (venturl pipes), oscillation (vortex) or turbine measurement. Em. the main drawback of the known measurement methods is that the methods depend on the flow profile of the installation site. In this case, the meter inspection el 25 carried out in the tilting plants no longer corresponds exactly to the flow conditions at the meter location. In addition, the calibration measurement may stop the operation of the process line piping.

Seuraavassa selostetaan keksintöön lählten liittyvää tekniikan tasoa.The following is a description of the prior art related to the invention.

30 US-patentista 4,445,389 on ennestään tunnettu putken taeoaaltomoodiin perustuva virtausnopeuden, tllavuusvirtauksen ja massavirtauksen mittalaite fluidellle. US-patentlssa esitetyssä laitteessa käytetään kahta vakiotaajuutta, jolta kontrolloidaan sähköisesti. Mittalaitteella saadaan erikoisjärjestelyin myötä- ja vastavirtaan etenevän ääniaallon 35 superposition seurauksena putkeen seisova-aalto, jonka vaihe-eroa verrataan referenssitilanteeseen. Valhe-ero havaitaan kahdella mikrofonilla, joista saatavan signaalin amplitudin perusteella mittauselektroniikka 2 76885 1 laskee virtauksen aiheuttaman valhe-eron. Mittauksesta saatava valhe-ero on verrannollinen virtausnopeuteen. Menetelmän valkeutena on kuitenkin mitata tarkasti amplitudin avulla valhe-ero voimakkaassa melussa esim. teollisuusympäristössä. US-patentlssa esitetään käytettäväksi erlkols-5 valmisteisiä Jyrkkiä suodattimia ja erityisen mlttausputken eristämistä muusta putkistosta edellä mainittujen seikkojen pienentämiseksi. Nämä seikat kuitenkin hankaloittavat tai jopa estävät menetelmän käytön teollisuusympäristössä.U.S. Pat. No. 4,445,389 discloses a flow velocity, volume flow and mass flow measuring device for a fluid based on the tao wave mode of a pipe. The device disclosed in the U.S. patent uses two constant frequencies from which it is electrically controlled. As a result of the superposition of the forward and countercurrent sound wave 35, the measuring device obtains a standing wave in the tube, the phase difference of which is compared with the reference situation. The false difference is detected by two microphones, from which the measuring electronics 2 76885 1 calculate the false difference caused by the flow on the basis of the amplitude of the signal obtained. The false difference obtained from the measurement is proportional to the flow rate. However, the brightness of the method is to accurately measure the lie difference in strong noise, eg in an industrial environment, by means of amplitude. The U.S. patent discloses the use of Erlkols-5 Steep Filters and the isolation of a special measuring tube from other piping to reduce the above. However, these factors complicate or even prevent the use of the method in an industrial environment.

10 Lisäksi em. US-patentln mittalaite vaatii toimiakseen erittäin sähköisesti symmetriset laajakaistaiset (A f - 200 kHz) ja suhteellisen kalliit mikrofonit vaihe-ero vääristymien ehkäisemiksi. Menetelmä vaatii myös mikrofonien tarkkaa asettelua heijastusten ym. häiriölähteiden pienentämiseksi. Näiden seikkojen eliminoiminen palkoissa, joissa lämpötilan muutokset ja 15 muut häiriöt ovat huomattavia, on työlästä. Mittalaite on teollisuusympä-rlstössä häiriöaltis ja varovasti käsiteltävä kokonaisuus.In addition, the measuring device of the aforementioned U.S. patent requires highly electrically symmetrical broadband (A f to 200 kHz) and relatively expensive microphones to operate to prevent phase difference distortions. The method also requires precise positioning of the microphones to reduce reflections and other sources of interference. Eliminating these factors in wages where temperature changes and other disturbances are significant is laborious. The measuring device is an interference-prone and carefully handled unit in an industrial environment.

Hubert Lechner on esittänyt artikkelissaan L. H. Lechner: "Ultrasonic flow metering based on transit time differentials which are insensitive 20 to flow profile", J. Acouet. Soc. Am. 74 (3) Sep. 1983, menetelmän ultraäänen käyttämiseksi aaltoputkessa myötä- ja vastavirtaan. Menetelmässä virtausnopeus jää kuitenkin riippuvaiseksi äänennopeudesta tutkittavassa nesteessä. Tällöin nesteen koostumuksen muutokset, lämpötila, tiheys, paine vaikuttavat mittauksen tarkkuuteen suuresti. Em. artikkelissa esl-25 tetty menetelmä ei sovellu kaasuvlrtauksien mittaamiseen, sillä ultraääni vaimenee nopeasti useissa kaasuissa sekä ultraäänianturin akustinen sovitus kaasuihin on vaikeaa riittävän suuren signaalin aikaansaamiseksi.Hubert Lechner has presented in his article by L. H. Lechner: "Ultrasonic flow metering based on transit time differentials which are insensitive 20 to flow profile", J. Acouet. Soc. Am. 74 (3) Sep. 1983, a method for using ultrasound in a waveguide upstream and downstream. In the method, however, the flow rate remains dependent on the speed of sound in the liquid under study. In this case, changes in the composition of the liquid, temperature, density, pressure greatly affect the accuracy of the measurement. Em. the method described in the article is not suitable for measuring gas flows, because the ultrasound is rapidly attenuated in several gases and the acoustic fitting of the ultrasonic sensor to the gases is difficult to obtain a sufficiently large signal.

Vanhemmissa ultraäänitekniikkaan perustuvissa (L. C. Lymmworth:"Ultra-30 sonic flowmeters", Physical Acoustics, Academic Press, vol. 14.In older ultrasound-based (L. C. Lymmworth: "Ultra-30 Sonic flowmeters," Physical Acoustics, Academic Press, vol. 14.

pp. 407-525, 1979) ratkaisuissa ääni johdetaan myötä- ja vastavirtaan vinosti putken halkaisijan kautta. Tämä kuitenkin johtaa vlrtausporfiili riippuvuuteen vaikuttaen näin tarkkojen mittausten suorittamista.pp. 407-525, 1979) solutions, the sound is conducted upstream and downstream obliquely through the diameter of the pipe. However, this results in a comparison profile dependence, thus influencing the performance of accurate measurements.

35 Lisäksi ennestään tunnetaan ultraäänitekniikkaa ja korrelaatlotekniikkaa soveltavia mittausmenetelmiä, joiden osalta viitataan esimerkkinä FI-patenttiln 67627 (vastaava US-patenttl 4,484,478).In addition, measurement methods using ultrasonic technology and correlation technology are already known, for which reference is made, for example, to FI patent 67627 (corresponding U.S. patent 4,484,478).

3 76885 1 Esillä olevan keksinnön ylelstarkoltuksena on tekniikan tasossa ilmenneiden epäkohtien poistaminen.3 76885 1 It is a general object of the present invention to obviate the drawbacks of the prior art.

Keksinnön erityistarkoituksena on aikaansaada sellainen virtausmittaus-5 menetelmä ja laite, joka soveltuu tunnettuja paremmin teollisuusympäris-töön ja on tunnottomampi siellä esiintyville häiriöille kuten melulle tms.It is a particular object of the invention to provide a method and apparatus for measuring flow that is better suited to known industrial environments and is less sensitive to disturbances such as noise and the like.

Keksinnön lisätarkoituksena on ennestään tunnettujen laitteiden mittaustarkkuuden parantaminen.It is a further object of the invention to improve the measurement accuracy of previously known devices.

1010

Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada sellainen laite, joka on tunnettuja laitteita tunnottomampi mitattavan väliaineen paineen, tiheyden tms. muutoksille.It is also an object of the invention to provide a device which is less sensitive than known devices to changes in the pressure, density or the like of the medium to be measured.

15 Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada sellainen vlrtauemittaue-menetelmä ja -laite, joka Integroi vlrtausnopeusprofiilin.It is also an object of the invention to provide a method and apparatus for measuring the flow rate that integrates a flow rate profile.

Edellä esitettyihin ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 20 että äänilähteistä tuleva laajakaistainen äänisignaali saatetaan kulkemaan mittausputkessa tai vastaavassa aaltoputkessa sekä myötä- että vastavirtaan tasoaaltomoodlssa ja 25 että myötä- ja vastavirtaan mitattujen äänisignaalien korrelaatiofunktioiden maksimista ja/tal minimistä saatujen äänen kulkuaikojen sekä mittauspisteiden keskinäisen välimatkan perusteella määrätään virtausnopeus ja siitä edelleen tarvittaessa tunnetulla tavalla laskemalla tilavuusvlrtaus ja/tai maesavlrtaus kaasuissa, nesteissä ja multifaasi-30 suspensioissa.In order to achieve the above and later objects, the method of the invention is mainly characterized in that a wideband audio signal from sound sources is passed in a measuring tube or similar waveguide in both the upstream and upstream plane wave modes and and on the basis of the distance between the measuring points, the flow rate is determined and further, if necessary, in a known manner by calculating the volume flow and / or the ground flow in the gases, liquids and multiphase suspensions.

Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, 35 että mainitut äänen vastaanottoanturlt on sovitettu tietylle tunnetulle etäisyydelle toisiinsa nähden ja mainitut äänisignaalin lähetysanturit on sijoitettu ensimmäinen tasoaaltomoodln muodostumisen kannalta rlittä- 4 76885 1 välle etäisyydelle ylävirtaan ensimmäisistä äänen vastaanottoanturelsta ja toinen äänisignaalin lähetysanturelsta on vastaavasti sijoitettu tietylle etäisyydelle alavirtaan mainitusta toisesta äänen vastaanotto-anturista , 5 että laite käsittää signaaligeneraattorin ja vahvistimen, joilla syötetään laajakaistaiset äänisignaalit mainitulle ensimmäiselle ja toiselle äänen lähetysanturllle ja 10 että laite edelleen käsittää korrelaattorin, johon syötetään ensimmäisestä ja toisesta äänen vastaanottoanturista saadut signaalit.The device according to the invention, in turn, is mainly characterized in that said sound receiving sensors are arranged at a certain known distance from each other and said sound signal transmitting sensors are located at a distance from the first at a distance downstream of said second sound receiving sensor, that the device comprises a signal generator and an amplifier for supplying wideband audio signals to said first and second sound transmitting sensors and that the device further comprises a correlator to which the signals from the first and second sound receiving sensors are fed.

Keksinnön olennainen etu on mm. siinä, että virtausnopeuden profiilin vaihtelut saadaan huomioonotetuiksi (Integroiduksi) sekä virtaussuunnassa 15 että poikkleuunnassa.The essential advantage of the invention is e.g. in that variations in the flow rate profile are taken into account (Integrated) both in the flow direction 15 and in the transverse direction.

Seuraavaesa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin sovellus-esimerkkeihin, joiden yksityiskohtiin keksintö ei ole mitenkään ahtaasti 20 rajoitettu.In the following, the invention will be described in detail with reference to some application examples of the invention shown in the figures of the accompanying drawing, to the details of which the invention is in no way narrowly limited.

Kuvio 1 havainnollistaa keksinnön perustana olevaa akustista tasoaaltoa mlttausputkessa, jossa liikkuu mitattava virtaus.Figure 1 illustrates an acoustic planar wave underlying the invention in a measuring tube in which the current to be measured moves.

25 Kuvio 2 esittää korrelaatiovirtausmlttauksen yleisperiaatetta.Figure 2 shows the general principle of correlation flow measurement.

Kuviossa 3 on esitetty funktiot f^(t) ja f2(t) ja niiden ristlkorrelaatio-funktlo Rj 2* 30 Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista menetelmää ja laitetta kaavlollisestl ja osittain lohkokaaviona.Figure 3 shows the functions f1 (t) and f2 (t) and their cross-correlation function Rj 2 * 30. Figure 4 shows the method and apparatus according to the invention schematically and partly in block diagram form.

Kuvio 5 esittää kaavlollisestl lohkokaaviona keksinnössä sovellettavaa polariteettikorrelaattorla.Figure 5 is a schematic block diagram of a polarity correlator used in the invention.

Kuvio 6 esittää keksinnön multlpleksorivalhtoehtoa.Figure 6 shows a multiplexer alternative of the invention.

35 5 76885 1 Kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen polariteettikorrelaattorin kytkin-kaavaa .Figure 5 shows a switch diagram of a polarity correlator according to the invention.

Kuvio 8 esittää korrelaatiofunktiota tietyllä kaasun virtausnopeudella.Figure 8 shows a correlation function at a given gas flow rate.

55

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen akustisen mittauksen ja tunnetun vortex-mittauksen korrelaatiota.Figure 9 shows the correlation between an acoustic measurement according to the invention and a known vortex measurement.

Kuvio 10 esittää virtausmäärää Q mitattavan virtauksen aikaansaavan puhal-10 timen moottorin taajuuden (fm) funktiona.Figure 10 shows the flow rate Q as a function of the motor frequency (fm) of the fan providing the flow to be measured.

Aluksi selostetaan keksinnön mukaisen mittausmenetelmän periaatteellista taustaa.First of all, the basic background of the measurement method according to the invention will be described.

15 Keksinnön virtausmittausmenetelmässä käytetään hyväksi suhteellisen laajakaistaisia ääniaaltoja, jotka etenevät mittausputkessa 10a myötä-ja vastavirtaan mittauksen kohteena olevaan kaasuvirtaukseen e nähden. Äänlspektrin maksimltaajuus on valittu putken 10a tasoaallon rajataajuudelle yhtälön (1) mukaisesti.The flow measurement method of the invention utilizes relatively wideband sound waves which propagate in the measuring tube 10a upstream and downstream of the gas flow e to be measured. The maximum frequency of the sound spectrum is selected for the cut-off frequency of the plane wave of the tube 10a according to Equation (1).

20 fcoto£f " 1,7 · D 0> missä 25 c = äänen nopeus ko. vapaassa kaasussa D * putken halkaisija.20 fcoto £ f "1,7 · D 0> where 25 c = speed of sound in the free gas in question D * diameter of the pipe.

Keksinnössä mitataan virtausnopeus korrelaatlotekniikalla reaaliaikaisesti (kuvio 1) käyttäen putkessa 10a tai vastaavassa virtauskanavassa 3Q etenevää jatkuvaa laajakaistaista ääniaaltoa, jonka taajuusalue on Helm-helzin aaltoyhtälöstä määräytyvän perusmoodln rajataajuuden (kaava 1) alapuolella mittausgeometriassa. Em. taajuuden fcutoff alapuolella ete-nee vain tasoaalto, joka integroi virtausprofiillt vastaanottoanturelden välisen putkitiheyden yli. Näin mittauksesta saadaan lämpötila-, tiheys-35 ja virtausprofUlista riippumaton (B. Robertson: "Flow and temperature profile Independence of flow measurements using long acoustic wawes", J. of Fluids Engineering, March 1984, voi. T06/T9; B. Robertson: "Effect of 1 arbitrary temperature and flow profiles on the speed of sound in a pipe", J. Acoust. Soc. Am. vol. 62, nro 4, Oct 1977). Mittaus ei myös kään aiheuta paine-eroja mittausväline.In the invention, the flow rate is measured by real-time correlation (Fig. 1) using a continuous wideband sound wave propagating in a tube 10a or a similar flow channel 3Q, the frequency range of which is below the cut-off geometry (Formula 1) determined by the Helm-Helz wave equation. Em. below the frequency fcutoff, only a planar wave propagates, which integrates the flow profile over the pipe density between the receiving sensors. Thus, the measurement is independent of temperature, density and flow profile (B. Robertson: "Flow and temperature profile Independence of flow measurements using long acoustic wawes", J. of Fluids Engineering, March 1984, vol. T06 / T9; B. Robertson : "Effect of 1 arbitrary temperature and flow profiles on the speed of sound in a pipe", J. Acoust. Soc. Am. Vol. 62, No. 4, Oct 1977). The measurement also does not cause pressure differences in the measuring instrument.

6 76885 5 Keksinnön mukaisessa vlrtausmlttausmenetelmässä sovelletaan reaaliaika-korrelaattoria, soplvimmin polaarlteettlkorrelaattoria 100, joka on kehitetty VTT:n reaktorilaboratoriossa. Korrelaattorln 100 rakenne-esimerkkiä ja toimintaa selostetaan seuraavassa tarkemmin kuvioihin 5 ja 6 viitaten.6 76885 5 In the comparison measurement method according to the invention, a real-time correlator, preferably a polar leteer correlator 100, developed in VTT's reactor laboratory, is applied. The structural example and operation of the correlator 100 will be described in more detail below with reference to Figs.

10 Keksinnössä sovelletaan edullisimmin polariteettikorrelaattoria 100, jota käytetään kahden komparaattorista 110 saatavan blnäärlsignaalln risti-korrelaatiofunktion määrittämiseen. Toinen tulosignaali, f^(t), on tosi-ajassa ja toista f^Ct-f), viivästetään silrtorekleterln avulla. Kun f^ - f^. puhutaan autokorrelaatiofunktiosta. Sana "polariteetti" tar-15 koittaa, että jos funktiot f j ja f2 ovat jatkuvia, niiden arvo määritetään vain yhden bitin tarkkuudella, te. päätetään onko funktio positiivinen vai negatiivinen verrattuna ennalta määrättyyn "nolla"-vertailu-tasoon. Jos signaalien mahdolliset arvot ovat +1 (positiivinen) ja -1 (negatiivinen), normalisoitu korrelaatiofunktio voidaan määrittää 20Most preferably, the polarity correlator 100 is used in the invention to determine the cross-correlation function of the two signals from the comparator 110. The second input signal, f ^ (t), is in real time and the second f ^ Ct-f) is delayed by the filter repeater. When f ^ - f ^. talk about the autocorrelation function. The word "polarity" means that if the functions f j and f2 are continuous, their value is determined with only one bit precision, te. deciding whether the function is positive or negative compared to a predetermined "zero" reference level. If the possible values of the signals are +1 (positive) and -1 (negative), the normalized correlation function can be determined 20

ITIITI

Rl2(x) s — / -(f l(t)f2(t-x)+l)dt.R12 (x) s - / - (f l (t) f2 (t-x) + l) dt.

T 0 2 (la)T 0 2 (la)

Kun signaalien välillä on voimakas positiivinen korrelaatio, funktio R^ 2 25 8aa lähellä 1 olevan arvon, ja kun kysysmyksessä on voimakas negatiivinen korrelaatio, arvo on lähellä nollaa. Kun korrelaatiota ei ole lainkaan, saadaan arvo 0,5.When there is a strong positive correlation between the signals, the function R ^ 2 25 8aa is close to 1, and when there is a strong negative correlation, the value is close to zero. When there is no correlation at all, a value of 0.5 is obtained.

Jos signaalin f^ tai f2 positiivinen arvo määritellään loogiseksi arvoksi 30 it samalla kun negatiivinen arvo vastaa loogista 0, looginen funktio, joka saa yhtä suuret arvot integrandlna I(t,-c) »- (f.(T)f (t-x)+l db) 35 2 voidaan toteuttaa eksklusiivisella NOR-portilla.If the positive value of the signal f1 or f2 is defined as a logic value of 30 it while the negative value corresponds to a logic of 0, a logic function that has equal values integrandlna I (t, -c) »- (f. (T) f (tx) + l db) 35 2 can be implemented with an exclusive NOR gate.

^ 76885 1 Polariteettikorrelaattori 100 ottaa näytteitä integrandista, yhtälö (Ib), viiveen 'f tietyllä aikavälillä. Integrointi suoritetaan surmaamalla näyt-teenottotulokset laskimiin mittausjaksonajalla T. Kullakin yksittäisellä arvolla X , jota nimitetään kanavaksi, on oma laskijansa. Maksimaalinen 5 näytteenottotaajuus voi olla yhtä suuri kuin siirtorekisterin kellotaajuus. Polariteettikorrelaattorin kaaviokuva on esitetty kuviossa 5. Kuviossa 5 näytteenottotaajuus on yhtä suuri kuin siirtorekisterin kellotaajuus.^ 76885 1 The polarity correlator 100 samples the integrand, equation (Ib), with a delay 'f over a period of time. The integration is performed by killing the sampling results into calculators with a measurement period T. Each individual value X, designated a channel, has its own calculator. The maximum sampling frequency 5 can be equal to the clock frequency of the shift register. A schematic diagram of the polarity correlator is shown in Figure 5. In Figure 5, the sampling frequency is equal to the clock frequency of the shift register.

Näytteenoton on tapahduttava tietyllä vaihesiirrolla siirtorekisterin 10 kellopulsseihin nähden sen varmistamiseksi, että näytteenotto tapahtuu siirtorekisterin jatkuvuustilassa.Sampling must take place with a certain phase shift with respect to the clock pulses of the shift register 10 to ensure that sampling takes place in the shift register continuity state.

Kuviossa 5 polariteettikorrelaattorimikropiiriä on merkitty viitenumerolla 200 ja rajattu katkoviivalla. Piiri 200 on toteutettu käyttämällä 15 semi-custom-rakennetekniikkaa, joka perustuu Micronas Oy Inc:in 800 porttia käsittävään CMOS-porttimatriisiin 7800. Puolet porttimatriisin 7800 porteista on järjestetty muodostamaan 80 alkutilaan nollattavaa D-kiikkua muiden porttien muodostaessa 160 ULA-elementtiä (Universal Logic Array), jotka koostuvat viidestä nMOS-pMOS-transistoriparista.In Fig. 5, the polarity correlator microcircuit is indicated by reference numeral 200 and delimited by a dashed line. Circuit 200 is implemented using 15 semi-custom design techniques based on Micronas Oy Inc.'s 800-port CMOS port array 7800. Half of the gates in the gate array 7800 are arranged to form 80 resettable D-flip-flops with the other ports forming 160 ULA elements (Universal Logic Array) consisting of five nMOS-pMOS transistor pairs.

20 Nelikanavainen polariteettlkorrelaattoriplirl, joka sisältää 16 bitin aaltolaskimet, on toteutettu yhdelle 7800 porttimatriisipalalle.20 A four-channel polarity correlator interleaver containing 16-bit wave counters is implemented for one 7800 gate array piece.

Kuviossa 6 on piirikaavio MAS-7808-sirusta, jossa käytetään esilangoi-tettuja D-kiikkuja. Niistä 64 käytetään neljällä 16-bittisellä aalto-laskimella (F2...F17, F20...F35, F38...F53 ja F56...F71). Neljä kiikkua 25 (F18, F36, F54 ja F72) tallettaa muistiin aaltolaskureiden ylivuodot ja neljää (F1,F19, F37 ja F55) käytetään siirtorekisteriketjuun.Figure 6 is a circuit diagram of a MAS-7808 chip using pre-wired D-flip-flops. Of these, 64 are used with four 16-bit wave counters (F2 ... F17, F20 ... F35, F38 ... F53 and F56 ... F71). Four flip-flops 25 (F18, F36, F54 and F72) store wave counter overflows and four (F1, F19, F37 and F55) are used for the shift register chain.

Em. sivua voidaan käyttää kahdella olennaisesti erilaisella tavalla, jotka määräytyvät SHIFT/COUNTER (S/C) ohjaustulosta. SHIFT/COUNTER - LOW 30 vastaa normaalia (COUNTER) toimintatapaa, jossa aaltolaskimet laskevat WRITE-eignaalin laskevan reunan näytteittämien signaalien F1 ja F2 sattumat. Yllvuotokllkku asetetaan joka kerta, kun laskimen eniten merkitsevä bitti siirtyy HIGH-tilasta LOW-tilaan. Ylivuotobitin asettaminen johonkin neljästä kanavasta asettaa open drain OFL lähdön LOW-tilaan.Em. the page can be operated in two substantially different ways depending on the SHIFT / COUNTER (S / C) control output. SHIFT / COUNTER - LOW 30 corresponds to the normal (COUNTER) mode, in which the wave counters calculate the coincidences of the signals F1 and F2 sampled by the falling edge of the WRITE signal. The overflow switch is set each time the most significant bit of the calculator changes from HIGH to LOW. Setting the overflow bit on one of the four channels sets the open drain OFL output to LOW.

35 Laskimien sisällön lukeminen suoritetaan käyttämällä siirtorekisterin toimintatapaa yhtäaikaisesti saataville, lukemiseen on käytettävä erityistä toimintatapaa. Tässä tavassa 16 aaltolaskinvaihetta on yhdistetty 8 76885 1 muodostamaan 16-bittiset siirtorekisterit, jotka ajastetaan WRITE-signaalin laskevalla reunalla. Jokainen WRITE-pulssl siirtää siirto-rekisteriä eteenpäin yhden askeleen, jolloin laskurien sisällön lukeminen alkaen eniten merkitsevistä biteistä on mahdollista.35 The reading of the contents of the calculators shall be performed using the simultaneously available mode of operation of the transfer register, a special mode of operation shall be used for reading. In this method, 16 wave counter phases are combined 8,788,515 to form 16-bit shift registers that are timed at the falling edge of the WRITE signal. Each WRITE pulse1 moves the transfer register forward by one step, allowing the contents of the counters to be read starting with the most significant bits.

55

Korrelaattorissa 100 mittaussignaaleja voidaan vertailla ajallisesti niiden polariteetin perusteella. Signaaleista saatavan ristlkorrelaatlo-funktion ^ maksimi/minimin avulla lasketaan signaalien ajallinen viive. Mittausperiaate on esitetty kuviossa 4.In the correlator 100, the measurement signals can be compared in time based on their polarity. The maximum / minimum of the cross-correlation function ^ obtained from the signals is used to calculate the time delay of the signals. The measurement principle is shown in Figure 4.

1010

Mitattaessa äänen kulkuaika korrelaattorllla 100 myötä- ja vastavirtaan saadaan kaasun virtausnopeus v. yhtälölläWhen measuring the travel time of sound with the correlator 100 upstream and downstream, the gas flow rate v. Is obtained by the equation

KoaoUKoaoU

15 Vk“8U '5 (ΐ ’ ΐ) (W15 Vk “8U’ 5 (ΐ ’ΐ) (W

missä ^ = myötävirtaan etenevän ääniaallon kulkuaika 2Q Ί2 “ vastavirtaan etenevän ääniaallon kulkuaika L = mittauspisteiden ja M^ keskinäinen välimatka.where ^ = travel time of the downstream sound wave 2Q Ί2 “travel time of the countercurrent sound wave L = distance between the measuring points and M ^.

Tilavuusvirtaus Q ja massavirtaus M voidaan laskea yhtälöillä (3) ja (4): 25 « vkaasu ' A <3) missä A keskimääräinen poikkipinta-ala mlttausvällllä 30 vkaasu * kaasun virtausnopeus, ja ideaalikaasullla M voidaan laskea seuraavastiThe volume flow Q and the mass flow M can be calculated by equations (3) and (4): 25 «v-gas' A <3) where A is the average cross-sectional area with a measurement interval of 30 v-gas * gas flow rate, and with an ideal gas M can be calculated as follows:

VPVP

35 M - Q · ? (4) 9 76885 ^ missä Ϋ adiabaattinen kaasuvakio P paine putkessa 5 c “ äänen nopeus kaasussa *» L/2 (1+ l/*^).35 M - Q ·? (4) 9 76885 ^ where Ϋ adiabatic gas constant P pressure in the pipe 5 c “speed of sound in the gas *» L / 2 (1+ l / * ^).

Kuviossa A esitetyssä mittausjärjestelyssä ääniaalto mittausputkessa 10a etenee myötä- ja vastavirtaan nopeuksilla c+vjac-v(c= äänen-nopeus ko. aineessa ja v * virtausnopeus). Mittaamalla korrelaattorilla 10 100 vastaavat kulkuajat 'f ja ^ ja käyttämällä niiden käänteisarvoja (yhtälö (2)) eliminoituu äänennopeus mitattavassa aineessa pois. Koska mittaus voidaan tehdä samanaikaisesti myötä- ja vastavirtaan, on virtausnopeus v riippumaton äänennopeudesta, paineesta, lämpötilasta ja tiheydestä ko. aineessa.In the measuring arrangement shown in Fig. A, the sound wave in the measuring tube 10a propagates upstream and downstream at the velocities c + vjac-v (c = velocity of sound in the substance in question and v * flow velocity). By measuring the corresponding travel times' f and ^ with the correlator 10 100 and using their inverse values (Equation (2)), the speed of sound in the substance to be measured is eliminated. Since the measurement can be made simultaneously upstream and downstream, the flow rate v is independent of the speed of sound, pressure, temperature and density in question. in matter.

1515

Menetelmässä käytettävä polarlteettlkorrelaattori 100 huomioi vain signaalin vaiheen, mutta el amplitudia. Vertaamalla riittävän suuri määrä signaalin keskiarvon ylityksiä (T) ja alituksia (Q) keskenään, voidaan kahden mittaussignaalin keskinäinen korrelaatio määrätä. Korrelaatio-20 funktio kertoo sen aikaviiveen, jolloin sama binäärijono esiintyy kahdessa mittauspisteessä. Tämän vuoksi antureista saatavan amplitudin tarkkuus ei vaikuta mittaukseen, kun signaali-kohinasuhde pidetään riittävänä lähetysslngaalln avulla (meluympäristössä lähetettävä akustinen teho säädetään sopivan suureksi). Menetelmä el vaadi erityisiä 25 suodatuksia mlttausslgaalellle. Lisäksi mittausalueen laajuus on markkinoilla olevia vlrtausmlttareita laajempi.The polarlete correlator 100 used in the method considers only the phase of the signal, but the amplitude. By comparing a sufficiently large number of signal average exceedances (T) and undershoot (Q) with each other, the mutual correlation of the two measurement signals can be determined. The correlation-20 function tells the time delay at which the same binary sequence occurs at two measurement points. Therefore, the accuracy of the amplitude from the sensors does not affect the measurement when the signal-to-noise ratio is considered sufficient by the transmission signal (the acoustic power transmitted in the noise environment is adjusted to a suitably high level). Method el requires special filtrations for the measurement. In addition, the scope of the measuring range is wider than the reference meters on the market.

Seuraavassa selostetaan keksinnön mukaisen mittausmenetelmän ja laitteen eräitä edullisia yksityiskohtaisia toteutusesimerkkejä sekä niillä suori-30 tettuja koemittauksia.In the following, some advantageous detailed embodiments of the measuring method and device according to the invention and the experimental measurements performed with them will be described.

Kuviossa 4 kaaviollisestl lohkokaaviona esitetty mittausjärjestely käsittää signaaligeneraattorin 14, joka syöttää vahvistimen 15 kautta mittaueputken 10a yhteydessä kohdissa K^ ja K^ oleviin kaiuttimiin 13a 33 ja 13b sopivan taajuusalueen omaavat sähkösignaalit. Vastaanottopuolella mittausjärjestely käsittää kohdissa ja M^ mittausputken 10a yhteydessä olevat mikrofonit 14a ja 14b, jotka ovat mainitun mittausvälin LThe measurement arrangement shown schematically in block diagram in Fig. 4 comprises a signal generator 14 which supplies electrical signals having a suitable frequency range to the speakers 13a 33 and 13b at the points K1 and K1 in connection with the measuring tube 10a. On the receiving side, the measuring arrangement comprises microphones 14a and 14b at points and in connection with the measuring tube 10a, which are the said measuring interval L

10 76885 1 päässä toisistaan. Mainituilla mikrofoneilla 14a ja 14b vastaanotetut sähkösignaalit johdetaan komparaattorille 110, joka vertailee signaaleja ja syöttää ne sopivasti muokattuina korrelaattorllle 100. Korrelaatto-rllta 100 syötetään mittaussignaali yksikölle 120, joka sisältää esim.10 76885 1 apart. The electrical signals received by said microphones 14a and 14b are fed to a comparator 110 which compares the signals and supplies them, suitably modified, to a correlator 100. From the correlator 100, a measurement signal is applied to a unit 120 which contains e.g.

5 tietojenkäsittelylaitteen, joka laskee kaavojen (2), (3) tai (4) perusteella mitattavan virtausnopeuden v, tarvittaessa mitattavan virtaus-nopeuden Q tai mitattavan massavirtauksen M. Yksikköön 120 kuuluvat myös sopivat mittaustuloksen tulostus- tai näyttölaitteet.5 a data processing device which calculates the flow rate v to be measured according to formulas (2), (3) or (4), the flow rate Q to be measured, if necessary, or the mass flow M to be measured. Unit 120 also includes suitable devices for printing or displaying the measurement result.

10 Kuviossa 7 on esitetty kaaviollleesti eräs keksinnön edullinen sovellus-muoto, jossa käytetään yhtä korrelaattorlykslkköä 100 ja useita mittaus-putkia 10^,10^,10^...10^ (mittausputkia on N kpl). Eri mittausputkista saatavat mittaussignaalit johdetaan multipleksoriykeikköön 130, joka kytkee kunkin mittausputken mittaussignaalit vuorollaan korrelaattorl-15 yksikköön 100. Eri mlttausputklen 10p..l0^ mittausajat voivat olla keskenään erilaiset ja multipleksoriyksikkö 130 voidaan sovittaa toimimaan tarvittaessa myös niin, että kaikkia mittausputkia el kytketä vuorotellen peräkkäin korrelaattoriyksikköön 100, vaan tietty tai tietyt mittausputket kytketään harvemmin kuin toiset mittaustarpeen asettamien 20 vaatimusten mukaisesti.Figure 7 schematically shows a preferred embodiment of the invention in which one correlator unit 100 and several measuring tubes 10 ^, 10 ^, 10 ^ ... 10 ^ are used (there are N measuring tubes). The measurement signals from the different measuring tubes are fed to a multiplexer unit 130, which in turn connects the measuring signals of each measuring tube to the correlator-15 unit 100. The measuring times of the different measuring tubes 10p..10 100, but a certain or certain measuring tubes are connected less frequently than others according to the requirements of the measuring need.

Keksinnön menetelmän mukaisia mittauksia tehtiin VTT:n reaktorilaboratorion kaasuvlrtausputkistolla, joka oli järjestetty kuvion 4 mukaisesti. Mitattavana kaasuna käytettiin ilmaa, jonka virtausnopeutta v voitiin 25 säätää putkistoon 10 liitetyllä invertterikäyttäisellä moottorilla 11a varustetulla puhaltimella 11. Mlttausputkena käytettiin 2 mm:n seinä-mäistä ja 88,9 mm:n halkaisljalsta teräsputkea 10a.Measurements according to the method of the invention were made with the gas flow piping of VTT's reactor laboratory, which was arranged according to Figure 4. As the gas to be measured, air was used, the flow rate v of which could be controlled by a fan 11 equipped with an inverter-driven motor 11a connected to the piping 10. A 2 mm walled and 88.9 mm diameter steel pipe 10a was used as the measuring pipe.

Ääniaallot johdettiin putkistoon T-haarakappaleiden 12a ja 12b kautta 30 kaiuttimien 13a ja 13b avulla. Mittaus suoritettiin ohjaamalla kaiuttimiin 13a tai 13b sinimuotoinen taajuuspyyhkälsy vuorotellen myötä- ja vastavirtaan alueella 0,6 - 2,4 kHz ja mittaamalla äänisignaalit mikrofoneilla 14a ja 14b (Sennhelser KE4-211 0 4,75 mm, pit. 4,2 mm). Taajuuspyyhkälsy voi sopivasti olla yleensä alueella 0,1-10 kHz kaava 35 (i) huomioonottaen. Taajuuspyyhkäisyn aika (5,0 s) asetettiin samaksi kuin korrelaattorin 100 mittausaika. Mikrofonien 14a ja 14b signaalit muutettiin komparaattorilla 110 TTL-tasoiseksi pulssijonoksi. Pulssi- Π 76885 1 jonojen vertailun tuloksena kaasun virtausnopeudella v « 12 m/s korre-laattorlsta 100 saatiin korrelaatiofunktio, joka on esitetty kuviossa 8.The sound waves were conducted to the piping through the T-branches 12a and 12b by means of speakers 13a and 13b. The measurement was performed by directing sinusoidal frequency sweeps alternately upstream and downstream in the range of 0.6 to 2.4 kHz to speakers 13a or 13b and measuring audio signals with microphones 14a and 14b (Sennhelser KE4-211 0 4.75 mm, length 4.2 mm). Frequently, the frequency sweep may generally be in the range of 0.1 to 10 kHz, taking into account formula 35 (i). The frequency sweep time (5.0 s) was set to be the same as the measurement time of the correlator 100. The signals of the microphones 14a and 14b were converted by a comparator 110 into a TTL level pulse train. As a result of the comparison of the pulse Π 76885 1 sequences at the gas flow rate v «12 m / s from the correlator 100, a correlation function was obtained, which is shown in Fig. 8.

Mittausarvoissa el ole otettu huomioon mahdollisia lämpötilan muutoksia 5 myötä- ja vastavirtaan tehtyjen mittauksien välillä. Mittaustulokset on esitetty seuraavassa taulukossa 1, jossa on lasketty kymmenen mittauksen keskiarvo ja keskihajonta virtausnopeudelle jokaisella moottorin 11a taajuuden f arvolla.The measured values el do not take into account possible temperature changes 5 between the upstream and downstream measurements. The measurement results are shown in the following Table 1, in which the average of the ten measurements and the standard deviation for the flow rate at each frequency f of the motor 11a are calculated.

10 15 20 25 30 35 12 7 6 8 8 5 9 m a s10 15 20 25 30 35 12 7 6 8 8 5 9 m a s

CD CDCD CD

JS 8 > α ^ οι^ιηΝΗΗΝπ^ΝΗ>}^JS 8> α ^ οι ^ ιηΝΗΗΝπ ^ ΝΗ>} ^

<3 > ^ CSIOOOOOOOOOOOO<3> ^ CSIOOOOOOOOOOOO

o ©o ©

VO vO vO lO -fl· SOVO vO vO lO -fl · SO

OOOOOO -41010OOOOOO -41010

OOOOOO—*(s4CO(MOOOOOOOOO - * (s4CO (Mooo

»I * λ * * * o O O O ft ft «I»I * λ * * * o O O O ft ft« I

9 ?l ?l ?l ¥l ?l ¥l 9 9 o o ?, i? ?| co o 9 0ί —4 ö tI tI +1 tI on * esi am oovovooooooasvovovor^r^ «0's» csir~—i—i^clOCMiOOO ««« £3 »»»»»*>«·>«» Q H CS| >4-4 OO—iCsiCSIstvOrsoOOs—i—<~h9? L? L? L ¥ l? L ¥ l 9 9 o o?, I? ? | co o 9 0ί —4 ö tI tI +1 tI on * esi am oovovooooooasvovovor ^ r ^ «0's» csir ~ —i — i ^ clOCMiOOO «« «£ 3» »» »» *> «·>« »QH CS | > 4-4 OO — iCsiCSIstvOrsoOOs — i— <~ h

VV

m A! o u —ι —I Ήm A! o u —ι —I Ή

9 «J «J9 «J« J

O *J (0 -HO * J (0 -H

J»! CO 9 UJ »! CO 9 U

M3 0(0 9 a U 9 ι-i w a o 3 U O' U os OS©rsiOiO«Ou-|«OvOiOiO>0© 0} *H ^ CQ N ft»··»·»**·»·»··*»·»·»M3 0 (0 9 a U 9 ι-Iwao 3 UO 'U os OS © rsiOiO «Ou- |« OvOiOiO> 0 © 0} * H ^ CQ N ft »··» · »** ·» · »·· * »·» · »

Hä <3 O' s^ CM—«OOOOOOOOOOOHe <3 O 's ^ CM— «OOOOOOOOOOO

ft o oft o o

HB

SO 00 Ο Ο Ο u"> sO Η Μ Μ (Λ *·»**»·»*SO 00 Ο Ο Ο u "> sO Η Μ Μ (Λ * ·» ** »·» *

O H ft ft ft ft ft O O H H H H HO H ft ft ft ft ft O O H H H H H

•H * 0 0 0 0 0 m ° ,, ., ,. . ,. +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 2 's ,+1+1+1 +1 +1 9Λ +1 o4v£>too<no<o O — (0000(s|-<t ·>·>»»·.·>« 0(0 cs| » » · * •(OCO'jHNOiO'• H * 0 0 0 0 0 m ° ,,.,,. . ,. +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 2 's, + 1 + 1 + 1 +1 +1 9Λ +1 o4v £> too <no <o O - (0000 (s | - <t · > ·> »» ·. ·> «0 (0 cs |» »· * • (OCO'jHNOiO '

αβ ssj-ro^ososcN-^-r^o—ifOLOαβ ssj-ro ^ ososcN - ^ - r ^ o — ifOLO

O' ' st—iCMstiOOO—I H h N N N NO '' st — iCMstiOOO — I H h N N N N

lOlO

XX

a ^ (Ma ^ (M

4J J3 1+ 0<0(0(0000s ^ ^ ft ft. ft ft * ft*4J J3 1+ 0 <0 (0 (0000s ^ ^ ft ft. Ft ft * ft *

O CO **ιθ*-*Ό—»COOO CO ** ιθ * - * Ό— »COO

> Q r^oocNmr^ocN^·> Q r ^ oocNmr ^ ocN ^ ·

O' w lllliOOO^H—‘«-»CN4CSCMIO 'w lllliOOO ^ H -' «-» CN4CSCMI

«Η«Η

UU

o wo w

4J4J

0/-N OOOOOOOOOOO—»O 1 —•mtnoNCSootnomomOLn ih ^ ^h—» <n en ^ ^ m m 13 76885 1 Virheet taulukossa 1 on laskettu keskivirheen kasautumislain nojalla seuraavasti: - V .V(L - i-)2 (Ä,2 + iiiOi + uor, (5) τ1 τ2 L τ,4 τ24 5 missä v - kaasun virtausnopeus 10 rrr2 * äänen kulkuajat myötä- ja vastavirtaan A 1» Δ 2 " kulkuaikojen keskihajonta Δ^ mittausvälin virhe (* 0,002 m) L * mittausvälin pituus (* 6,29 m).0 / -N OOOOOOOOOOO— »O 1 - • mtnoNCSootnomomOLn ih ^ ^ h—» <n en ^ ^ mm 13 76885 1 The errors in Table 1 are calculated according to the law of accumulation of the mean error as follows: - V .V (L - i-) 2 (Ä , 2 + iiiOi + uor, (5) τ1 τ2 L τ, 4 τ24 5 where v - gas flow rate 10 rrr2 * travel times of sound upstream and downstream A 1 »Δ 2" standard deviation of travel times Δ ^ measurement range error (* 0.002 m) L * measuring interval length (* 6.29 m).

15 Λ/,Δν 2 ^ (6) ÄQ s Q · V (—)2 + (^-) # missä 20 v virtausnopeus ^v virtausnopeuden virhe A - keskimääräinen poikkipinta-ala mittausvälillä ^A/A keskimääräinen poikkipinta-alavirhe = 2 · /^r/r r * putken sisäsäde («= 42,A5 mm) 25 ^ r - putken sisäsäteen virhe (+0,1 mm).15 Λ /, Δν 2 ^ (6) ÄQ s Q · V (-) 2 + (^ -) # where 20 v flow rate ^ v flow rate error A - average cross-sectional area over the measurement range ^ A / A average cross-sectional area error = 2 · / ^ R / rr * inner radius of the tube («= 42, A5 mm) 25 ^ r - error of the inner radius of the tube (+0.1 mm).

Mittaustuloksia verrattiin Endress + Hauserin valmistamaan FL0WTEC DMV6330 vortex-virtausmittariin 20, jonka tarkkuudeksi valmistaja 3 ilmoittaa 1 % loppuarvosta (250 m /h) tai mittausarvosta.The measurement results were compared with the FL0WTEC DMV6330 vortex flowmeter 20 manufactured by Endress + Hauser, the accuracy of which is reported by manufacturer 3 as 1% of the final value (250 m / h) or the measured value.

3030

Kuviossa 9 on esitetty akustisen vlrtausmittauksen korrelaatio vortex-virtausmittaukseen.Figure 9 shows the correlation of acoustic flow measurement to vortex flow measurement.

Mittauksessa on yhteisenä parametrinä puhaltimen 11 moottorin 11a syöttö-55 taajuus fQ. Tätä taajuutta käyttämällä kuviossa 10 on verrattu virtaus-määrän riippuvuutta moottorin 11 pyörimistaajuuteen f .A common parameter in the measurement is the supply frequency 55 of the motor 11a of the fan 11, fQ. Using this frequency, Fig. 10 compares the dependence of the flow rate on the rotational frequency f of the motor 11.

14 76885 1 Akustinen vlrtausmittaus ja vortex-virtausmittaus antoivat hyvin virhe- rajojen sisällä yhteensopivia tuloksia. Menetelmien rlstikorrelaation 2 (r * 0,9994, kuvio 8) ja menetelmien vaste moottorltaajuuden f 2 ° muutoksiin (r * 0,9999) osoittavat, että keksinnön mukainen akustinen 5 vlrtausmittaus on hyvin lineaarinen ja luotettava tapa virtausnopeuden ja virtausmäärän mittaamiseksi.14 76885 1 Acoustic flow measurement and vortex flow measurement gave compatible results within the error limits. The correlation 2 of the methods (r * 0.9994, Fig. 8) and the response of the methods to changes in motor frequency f 2 ° (r * 0.9999) show that the acoustic flow measurement 5 according to the invention is a very linear and reliable way to measure flow rate and flow rate.

Keksinnön mukainen akustinen mittaus vaikuttaa myös olevan tunteeton lämpötilan (kompensointi), paineen, tiheyden ja virtausprofiilln 10 muutokselle mittausvällllä. Korrelaatioteknllkan ansioeta päästään tarkkaan aikamittaukseen suhteellisen matalilla taajuuksilla. Parhaimmaksi suhteelliseksi alkaresoluutioksi laitteistolle saatiin (v 0 m/s) At/t 0,06 ps / 18271,6 us 3Ί0 ^ viiden perättäisen äänen kulkuajan mittaukselle (mittausaika 5,0 s/mlttauskerta).The acoustic measurement according to the invention also appears to be insensitive to changes in temperature (compensation), pressure, density and flow profile 10 during the measurement interval. Thanks to the correlation technique, accurate time measurement can be achieved at relatively low frequencies. The best relative initial resolution for the equipment was (v 0 m / s) At / t 0.06 ps / 18271.6 us 3Ί0 ^ for the measurement of five consecutive sound travel times (measurement time 5.0 s / measurement time).

1515

Edellä selostetun laitteiston lyhyin mahdollinen mittausaika on n. 0,1 s, mikä tarjoaa nopean tavan virtausnopeusmuutokslen tutkimiselle laajalla (0 - 100 m/s) mittausalueella.The shortest possible measurement time of the equipment described above is about 0.1 s, which provides a quick way to study the change in flow velocity over a wide (0 - 100 m / s) measuring range.

20 Lämpötilan mahdollisilla muutoksilla myötä- ja vastavirtaan tehtyjen mittausten välillä saattaa olla myös merkitystä mittausvirheisiin, sillä 0,1 asteen muutos aiheuttaa virtausnopeuteen n. + 0,03 m/s lisävlrheen. Tämän eliminoiminen voidaan toteuttaa lämpötilan mittauksella tai tekemällä äänen kulkuaikamittaus myötä- ja vastavirtaan samanaikaisesti.20 Possible changes in temperature between upstream and downstream measurements may also have an effect on measurement errors, as a 0.1 degree change causes an additional error in the flow rate of approx. + 0.03 m / s. This can be eliminated by measuring the temperature or by measuring the flow time of the sound upstream and downstream simultaneously.

2525

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.In the following, the claims are set forth within the scope of the inventive idea defined by which the various details of the invention may vary and differ from those set forth above by way of example only.

30 3530 35

Claims (10)

1. Akustiskt strömmätningsförfarande för mätning av strömningshastlg-heten, volymströmmen och/eller massaströmmen av gaser, vätskor och/eller 5 multifassuspensloner i ett rör (10a) eller vigrör av motsvarande slag genom att använda slg av ljudvigor som framskrider med- och motströms, kännetecknat därav, att en bredbandlg ljudsignal som kommer frin ljudkällorna (13a,13b) 10 brlngas att löpa 1 mätröret (10a) eller ett vigrör av motsvarande slag 1 en planvigsmod bide med- och motströms, att man, pi basen av tldsfördröjnlngarna ('Sy'tpi ljudet som erhil-llts fran maximi- och/eller minlmivärdena pi korrelationsfunktionerna 15 (Rj 2) av ljudsignalerna (f^(t), f2(t)) som mätts med- och motströms samt av det inbördes avstindet (L) melian mätpunkterna (Mj,M,,), bestämmer strömningshastigheten, och vid behov pa känt sMtt ur denna hastlghet räknar ut volymetrömmen och/eller maseaströmmen av gaserna, vätskorna och multlfa8Suspen8ionema. 201. Acoustic current measurement method for measuring the flow velocity, volume flow and / or mass flow of gases, liquids and / or multiphase slurries in a tube (10a) or vector tubes of similar type using slings of acoustic velocities advancing along and countercurrent, hence, a broadband audio signal coming from the sound sources (13a, 13b) 10 is required to run in the measuring tube (10a) or a vibrating tube of the corresponding type 1 in a flat-bending mode biding in the countercurrent and countercurrent, that, at the base of the tent delays ('Sy') tpi the sound obtained from the maximum and / or minimum values of the correlation functions (R 2) of the audio signals (f 2 (t), f 2 (t)) measured co-or countercurrent, and of the mutual distance (L) between the measuring points (Mj, M ,,), determines the flow rate, and if necessary at known rate from this velocity, calculates the volume flow and / or mass flow of the gases, liquids and multiphase suspensions. 2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat därav, att 8trömnlngshastlgheten (v) som skall mätäs räknas ut inom mätomridet pi basen av det Inbördes avstindet (M) melian mätpunkterna (Mj,Mj) och tldsfördröjnlngarna ( 2) av ljudet som framskrider med- och mot- 25 ströme, vilka ('Jj, erhalllts ur nämnda korrelationsfunktioner, med hjälp av följande formel 1 och/eller att volymetrömmen av gaserna, vätskorna eller multifassuspen-sionerna räknas ut genom utnyttjande av den inom mätomridet genomsnittliga inre tvärsnittsarean (A) av mätröret (10a) med hjälp av följande formel 12. A method according to claim 1, characterized in that the flow velocity (v) to be measured is calculated within the measurement range at the base of the mutual distance (M) between the measurement points (Mj, Mj) and the delay delays (2) of the sound advancing. countercurrent, which are obtained from said correlation functions by the following formula 1 and / or that the volume flow of the gases, liquids or multiphase suspensions is calculated using the average cross-sectional area (A) within the measurement range. (10a) using the following formula 1 3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att vid förfarandet använder man sig av en polaritetskorrelator (100), som är vMsentligen oberoende av amplltuden. 19 76885 53. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the method uses a polarity correlator (100) which is substantially independent of the amplitude. 19 76885 5 4. Förfarande enligt nagot av patentkraven 1-3, kännetecknat därav, att att man som bredbandig ljudslgnal vid förfarandet använder sig av en frekvenssvepning, vars vägform lämpligast är sinusformad, och 10 att den övre gränsfrekvensen av frekvenssvepningen i allmänhet Mr inom omradet 0,1-10 kHz formeln (1) tagen i beaktande.4. A method according to any of claims 1-3, characterized in that, as a broadband sound signal, the method uses a frequency sweep, the path shape of which is most preferably sinusoidal, and that the upper limit frequency of the frequency sweep in general Mr in the range 0.1 -10 kHz formula (1) taken into account. 5. Förfarande enligt nagot av patentkraven 1-4, kännetecknat 15 därav, att sändnlngstiden av den bredbandiga ljudsignalen, sasom tiden för frekvenssvepningen, ställs in sä att den är lika med mätningstiden av korrelatorn (100).Method according to any of claims 1-4, characterized in that the transmission time of the broadband audio signal, such as the time of the frequency sweep, is set to be equal to the measurement time of the correlator (100). 6. Förfarande enligt nigot av patentkraven 1-5, kännetecknat 20 därav, att vid förfarandet tillämpas flera mätningsrör (10^...10^), som var och en i tur och ordning kopplas via multiplexorenheten (130) till samma korrelatorenhet (100).Method according to any of claims 1-5, characterized in that in the process several measuring tubes (10 ^ ... 10 ). 7. Anordning avsedd att genomföra förfarandet enligt nagot av patent-25 kraven 1-6, som innefattar ett mätningsrör (10a) eller ett vagrör av motsvarande slag, där strömmen som skall mätäs löper, vilken anordning vidare innefattar sändningsgivare för ljudsignalen sisom högtalare (13a,13b) som är kopplade pä ett avständ frän varandra i förbindelse med mätningsröret (10a) eller motsvarande och att anordningen innefattar 30 mottagningsgivare för ljudet, säsom mikrofoner (14a,14b), k ä n n e -t e c k n a d därav, att nämnda ljudmottagningsgivare (14a,14b) är anordnade pä ett givet känt avständ (L) frän varandra och att nämnda sändningsgivare (13a,13b) 35 för ljudsignalen är placerade med avseende pä utformningen av den forsta (13a) planvägsmoden uppströms pa ett tillräckligt avständ frän den första ljudmottagningsgivaren (14a) och den andra av sändningsgivarnaApparatus for carrying out the method according to any of claims 1-6, comprising a measuring tube (10a) or a cartridge of the corresponding kind, wherein the current to be measured runs, said device further comprising transmitters for the audio signal such as loudspeakers (13a). , 13b) which are coupled at a distance from each other in communication with the measuring tube (10a) or the like and that the device comprises 30 sound sensors such as microphones (14a, 14b), characterized in that said sound receiver (14a, 14b) are arranged at a given known distance (L) from each other and that said transmitter (13a, 13b) for the audio signal is disposed with respect to the design of the first (13a) plane path mode upstream of a sufficient distance from the first audio receiver (14a) ) and the other transmitters
FI870184A 1987-01-16 1987-01-16 Acoustic flow measurement method and device for application thereof. FI76885C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI870184A FI76885C (en) 1987-01-16 1987-01-16 Acoustic flow measurement method and device for application thereof.

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI870184 1987-01-16
FI870184A FI76885C (en) 1987-01-16 1987-01-16 Acoustic flow measurement method and device for application thereof.

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI870184A0 FI870184A0 (en) 1987-01-16
FI76885B true FI76885B (en) 1988-08-31
FI76885C FI76885C (en) 1988-12-12

Family

ID=8523789

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI870184A FI76885C (en) 1987-01-16 1987-01-16 Acoustic flow measurement method and device for application thereof.

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI76885C (en)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993013390A1 (en) * 1991-12-23 1993-07-08 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device for measurement of the flow velocities of gases and/or of quantities that can be derived from same
WO1993013414A1 (en) * 1991-12-23 1993-07-08 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device for monitoring of a gas flow, in particular of a natural-gas flow
WO1993014382A1 (en) * 1992-01-13 1993-07-22 Jon Steinar Gudmundsson Device and method for measuring multi phase flow
WO1993020411A1 (en) * 1992-04-01 1993-10-14 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Method and device for determination of the velocity of a gas flowing in a pipe
WO1993021500A1 (en) * 1992-04-14 1993-10-28 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device in acoustic flow measurement for ensuring the operability of said measurement

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1993013390A1 (en) * 1991-12-23 1993-07-08 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device for measurement of the flow velocities of gases and/or of quantities that can be derived from same
WO1993013414A1 (en) * 1991-12-23 1993-07-08 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device for monitoring of a gas flow, in particular of a natural-gas flow
US5513535A (en) * 1991-12-23 1996-05-07 Instrumenttitehdas Kytola Oy Method and device for measurement of the flow velocities of gases and/or of quantities that can be derived from same
WO1993014382A1 (en) * 1992-01-13 1993-07-22 Jon Steinar Gudmundsson Device and method for measuring multi phase flow
WO1993020411A1 (en) * 1992-04-01 1993-10-14 Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus Method and device for determination of the velocity of a gas flowing in a pipe
WO1993021500A1 (en) * 1992-04-14 1993-10-28 Instrumenttitehdas Kytölä OY Method and device in acoustic flow measurement for ensuring the operability of said measurement

Also Published As

Publication number Publication date
FI870184A0 (en) 1987-01-16
FI76885C (en) 1988-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101078640B (en) Ultrasonic wave air flow-meter and device for measuring waste gas flow of internal combustion engine and method for obtaining gas flow
JP4800543B2 (en) Method and apparatus for simultaneously measuring the flow rate and concentration of a multiphase liquid / gas mixture
CN103344288B (en) A kind of transit-time ultrasonic flow meter measuring method analyzed based on zero point
Suñol et al. High-precision time-of-flight determination algorithm for ultrasonic flow measurement
RU2234682C2 (en) Method of and device for transferring of liquid or gas in pipeline and excitation circuit for device
US6553844B2 (en) Property-independent volumetric flowmeter and sonic velocimeter
FI87493B (en) FOERFARANDE OCH ANORDNING FOER MAETNING AV STROEMNINGSHASTIGHETEN AV GASER OCH / ELLER STORHETER SOM KAN HAERLEDAS FRAON DENNA.
US7958786B2 (en) Flow measurement system and method using enhanced phase difference detection
Folkestad et al. Chirp excitation of ultrasonic probes and algorithm for filtering transit times in high-rangeability gas flow metering
FI76885B (en) Acoustic flow metering process and device
US6595070B1 (en) Acoustic flow meters
EP3164680B1 (en) Method of measuring time of flight of an ultrasound pulse
CN105115552A (en) Ultrasonic wave flow measuring method and device based on sidetone phase measurement
US3349614A (en) Speed measuring devices
RU2791667C1 (en) Method for ultrasonic measurement of parameters of gas-air homogeneous flows
Li et al. A novel differential time-of-flight algorithm for high-precision ultrasonic gas flow measurement
US3214973A (en) Acoustic flow meter for measuring very slow fluid flow
Stallworth A new method for measuring ocean and tidal currents
Swengel et al. The ultrasonic measurement of hydraulic turbine discharge
Drenthen Acoustic discharge measuring devices
SU1002966A1 (en) Device for measuring liquid and gaseous media flow speed and consumption rate
SU1141294A1 (en) Ultrasonic phase flowmeter
AU757346B2 (en) Acoustic flow meters
Medlock Cross correlation flow measurement
EP0162987A1 (en) Method and apparatus for the ultrasonic measuring of a fluid

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Owner name: VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS VTT

MA Patent expired