FI89835C - Method and apparatus for determining the velocity of a gas flowing in a pipe - Google Patents

Method and apparatus for determining the velocity of a gas flowing in a pipe Download PDF

Info

Publication number
FI89835C
FI89835C FI924880A FI924880A FI89835C FI 89835 C FI89835 C FI 89835C FI 924880 A FI924880 A FI 924880A FI 924880 A FI924880 A FI 924880A FI 89835 C FI89835 C FI 89835C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
sound
countercurrent
sequences
correlation functions
frequency
Prior art date
Application number
FI924880A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI89835B (en
FI924880A0 (en
Inventor
Pekka Hiismaeki
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
Publication of FI924880A0 publication Critical patent/FI924880A0/en
Publication of FI89835B publication Critical patent/FI89835B/en
Application granted granted Critical
Publication of FI89835C publication Critical patent/FI89835C/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/14Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using ultrasonic, sonic, or infrasonic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
    • G01F1/667Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/712Measuring the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/18Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • G01F1/7082Measuring the time taken to traverse a fixed distance using acoustic detecting arrangements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Description

s ς Λ Γs ς Λ Γ

Menetelmä ja laite putkessa virtaavan kaasun nopeuden määräämiseksi Förfarande och anordning för bestämning av hastigheten pä en gas som strömmar i ett rör 5Method and apparatus for determining the velocity of the gas flowing in a pipe Förfarande och anordning för bestämning av gaastigheten pä en gas som strömmar i ett rör 5

Keksinnön kohteena on menetelmä putkessa virtaavan kaasun virtausnopeuden, tilavuusvirtauksen ja/tai massavirtauksen mittaamiseksi, jossa menetelmässä virtausputkeen sovitetaan äänianturit tietylle mittausputken pituussuuntaiselle 10 keskinäiselle etäisyydelle ja jossa menetelmässä mainittujen antureiden rajaaman mittausvälin ulkopuolelta virtausputkeen syötetään äänilähteillä pitkäaaltoista, vain perusmoodissa, tasoaaltorintamana virtausputkessa myötä- ja vastavirtaan etenevää ääntä ja virtaussuureet määrätään sanotun äänen kulkuajoista myötä-ja vastavirtaan mittausvälillä, putken poikkipinta-alasta sekä mitattavan kaasun 15 tiheydestä.The invention relates to a method for measuring the flow rate, volume flow and / or mass flow of a gas flowing in a pipe, in which sound sensors are arranged in the flow pipe at a certain longitudinal distance 10 sound and flow rates are determined by the travel times of said sound upstream and downstream in the measurement range, the cross-sectional area of the pipe and the density of the gas to be measured.

Keksinnön kohteena on lisäksi laite kaasun virtausnopeuden ja/tai siitä johdettujen suureiden, kuten tilavuusvirtauksen ja/tai massavirtauksen mittaamiseksi, joka laite käsittää mittausputken, jossa mitattava virtaus kulkee, ja joka laite 20 käsittää laajakaistaisten, matalataajuisten ja vain tasoaaltorintamana perusmoodissa etenevien äänisignaalien lähettiminä kaiuttimet ja niiden tehovahvistimet, ääni-ilmaisimina mikrofonit ja mikrofonisignaalien vahvistimet, ja joka laite on varustettu laskentalaitteilla ja -ohjelmilla mainitun virtaussuureen tai -suureiden laskemiseksi ääni-ilmaisimien välisestä, virtausputken pituussuuntaisesta etäisyy-25 destä, mittausputken poikkipinta-alasta, virtauskaasun tiheydestä sekä äänisignaa lien kulkuajasta myötävirtaan ja vastavirtaan ääni-ilmaisimien välisellä matkalla.The invention further relates to a device for measuring gas flow rate and / or quantities derived therefrom, such as volume flow and / or mass flow, which device comprises a measuring tube in which the flow to be measured flows and which device 20 comprises wideband, low frequency and only plane wavefront sound signals and transmitters power amplifiers, microphones and microphone signal amplifiers as sound detectors, and each device is equipped with calculation devices and software for calculating said flow rate or quantities from the sound detectors, the longitudinal distance of the flow tube, the cross-sectional area of the measuring tube and the flow density, the flow gas density upstream on the distance between the sound detectors.

On tunnettua, että akustisen mäntämoodin etenemisnopeus putkessa ei riipu virtausprofiilista tai muista paikallisia äänenopeusvaihteluja aiheuttavista profii-30 leista, vaan putken poikkipinnan yli integroidusta keskimääräisestä virtausnopeudesta ja putken täyttämälle kaasukoostumukselle levossa vallitsevasta äänen-nopeudesta, [B. Robertson "Effect of arbitrary temperature and flow profiles on the speed of sound in a pipe" J. Acoust. Soc. Am., Vol 62, No 4, p. 813-818, October 2 fc $ ι; 5 i; 1977 ja B. Robertson"Flow and temperature profile independence of flow measurements using long acoustic waves" Transactions of the ASME, Vol 106, p. 18 -20, March 1984]. Tarkka, profiiliriippumaton virtausnopeusmittaus on siis mahdollista tehdä siten, että mitataan mäntämoodin kulkuajat myötä- ja vastavirtaan 5 tietyllä mittausvälillä, sopivimmin käyttämällä laajakaistaista ääntä, kuten hakijan FI-patentissa n:o 76885 on esitetty. Jotta korkeammat, mittauksia häiritsevät aaltomoodit vaimenisivat jo äänilähteiden lähiympäristössä, tulee äänitaajuuden olla riittävästi tietyn, virtausputken muodosta ja mitoista sekä äänen etenemisnopeudesta riippuvan rajataajuuden alapuolella. Pyöreälle putkelle tämä rajataajuus 10 onIt is known that the rate of propagation of an acoustic piston mode in a pipe does not depend on the flow profile or other profiles causing local sound velocity variations, but on the average flow rate integrated over the pipe cross-section and the resting B. velocity of the gas composition filled with the pipe. Robertson "Effect of arbitrary temperature and flow profiles on the speed of sound in a pipe" J. Acoust. Soc. Am., Vol 62, No. 4, pp. 813-818, October 2 fc $ ι; 5 i; 1977 and B. Robertson, "Flow and temperature profile independence of flow measurements using long acoustic waves," Transactions of the ASME, Vol 106, pp. 18-20, March 1984]. Accurate, profile-independent flow rate measurement is thus possible by measuring the travel times of the piston mode upstream and downstream 5 within a certain measurement interval, preferably using broadband sound, as disclosed in the applicant's FI patent No. 76885. In order for the higher wave modes interfering with the measurements to be attenuated already in the vicinity of the sound sources, the sound frequency must be sufficiently below a certain cut-off frequency depending on the shape and dimensions of the flow tube and the speed of sound propagation. For a round tube, this cutoff frequency 10 is

Rajataajuus fe = (c - vwac)/(1.7*D) (1) missä c on äänennopeus levossa olevassa kaasussa, vmax on suurin mitoitettu 15 virtausnopeus ja D on putken halkaisija. Virtaussuureet voidaan tunnetusti laskea kaavoistaThe cut-off frequency fe = (c - vwac) / (1.7 * D) (1) where c is the speed of sound in the resting gas, vmax is the maximum rated flow rate and D is the pipe diameter. It is known that flow rates can be calculated from formulas

Virtausnopeus [m/s] v = 0.5*L*(t/J -1^1) (2) 20 Tilavuusvirtaus [m^/s] Q = v*A (3)Flow rate [m / s] v = 0.5 * L * (t / J -1 ^ 1) (2) 20 Volume flow [m ^ / s] Q = v * A (3)

Massavirtaus [kg/s] M = Q*p (4) missä 25 v on keskimääräinen virtausnopeus L on äänianturien välinen etäisyys putken pituussuunnassa 11 on äänen kulkuaika myötävirtaan välillä L t2 on äänen kulkuaika vastavirtaan välillä L Q on tilavuusvirtaus 30 A on putken poikkipinta-ala M on massavirtaus p on kaasun tiheys I: k 'J ·1· ό i'j 3Mass flow [kg / s] M = Q * p (4) where 25 v is the average flow rate L is the distance between the sound sensors in the longitudinal direction of the pipe 11 is the flow time of the sound downstream between L t2 is the flow time of the sound upstream between LQ is the volume flow 30 A is the cross-sectional area of the pipe M is the mass flow p is the gas density I: k 'J · 1 · ό i'j 3

Em. FI- patentti esittää kulkuaikojen mittaamisen korrelaatiotekniikalla eikä FI-patentissa ole rajoitettu laajakaistaisen lähetteen tai korrelaattorityypin valintaa millään tavalla. Alivaatimuksissa on esitetty polariteettikorrelaattorin käyttöä, joka on mahdollista toteuttaa täysin rinnakkaisesti. Käytännössä on havaittu, että 5 vaadittavan signaali/kohinasuhteen saavuttaminen polariteettikorrelaatioteknii-kalla yleensä meluisissa mittausolosuhteissa edellyttää, että äänilähetteet myötä-ja vastavirtaan lähetetään vuorotellen ja että mikrofonisignaalit suodatetaan poimimaan vain kulloinkin lähettyä ääntä ja poistamaan häiriöäänet. Taajuus-pyyhkäisyn muodossa lähetetty ääni ja sitä seuraamaan kytketty suodatin sallivat 10 periaatteessa myös sen, että kumpaankin suuntaan lähetetään ääntä yhtäaikaa, mutta eri hetkellisellä taajuudella, jolloin kummankin äänianturin myötä- ja vastavirtasignaalit voidaan erottaa yhteensä neljällä pyyhkäistävällä suodattimena, kuten on esitetty FI-patenttihakemuksessa n:o 916102.Em. The FI patent discloses the measurement of transit times by correlation technology and the FI patent does not restrict the choice of broadband transmission or correlator type in any way. The subclaims describe the use of a polarity correlator, which can be implemented in full parallel. In practice, it has been found that achieving the required signal-to-noise ratio with the polarity correlation technique in generally noisy measurement conditions requires that audio transmissions be transmitted alternately upstream and downstream and that microphone signals be filtered to pick up only transmitted audio and eliminate interference. The sound transmitted in the form of frequency-scanning and the filter connected to follow it in principle also allow sound to be transmitted in both directions simultaneously, but at different instantaneous frequencies, so that the forward and counter-current signals of both sound sensors can be separated by a total of four sweepable filters. : o 916102.

15 Edellä käsitellyn tunnetun tekniikan haittana voidaan pitää sitä, että taajuuspyyh-käisy on periaatteessa epästationäärinen, jolloin tarvittavat suodattimetkin ovat ajasta riippuvia. Tästä aiheutuu dispersiota, eli suodattimien viive on taajuusriip-puva, mistä edelleen aiheutuu kulkuajan määräämiseen helposti virhettä, ellei pyyhkäisyä valita oikein, pyyhkäisy valitaan liian nopeaksi tai pyyhkäisyn alku ja 20 loppu jätetään leikkaamatta mittauksesta pois. Nämä haitat voidaan välttää, jos taajuuspyyhkäisyn asemesta käytetään stationäärisiä, laajakaistaisia lähetteitä, joissa kaikki taajuudet soivat koko ajan muuttumattomalla amplitudilla. Tämä merkitsee samalla sitä, että ääntä lähetetään kumpaankin suuntaan yhtä aikaa. Esimerkiksi nykyinen DSP-tekniikka mahdollistaa ääni taajuisten signaalien 25 monipuolisenkin prosessoinnin reaaliajassa ja tarjoaa useita mahdollisuuksia kulkuaikainformaation määrittämiseksi kohinaisessa ympäristössä.A disadvantage of the prior art discussed above is that the frequency sweep is in principle non-stationary, in which case the necessary filters are also time-dependent. This causes dispersion, i.e. the delay of the filters is frequency dependent, which further causes an easy error in determining the running time, unless the sweep is selected correctly, the sweep is selected too fast or the start and end of the sweep are omitted from the measurement. These disadvantages can be avoided if stationary, broadband transmissions are used instead of frequency scanning, in which all frequencies ring at a constant amplitude at all times. At the same time, this means that sound is transmitted in both directions at the same time. For example, current DSP technology enables versatile real-time processing of audio frequency signals 25 and offers several possibilities for determining transit time information in a noisy environment.

Edellä mainittujen epäkohtien eliminoimiseksi ja myöhemmin selviäviin päämääriin pääsemiseksi keksinnön menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, 30 että sanottu ääni lähetetään virtausputkeen mittausvälillä yhtäaikaa molempiin suuntiin etenevinä stationäärisinä, jaksollisina sekvensseinä, myötävirtaan sekvenssi Sd(t,T) ja vastavirtaan sekvenssi Sw(t,T), missä T on jakson pituus ja t κ 9 9 /' ·- 4 on kunkin jakson alusta mitattu suhteellinen aika, ja että sanotut sekvenssit Srf(t,T), Su(t,T) ja ovat keskenään ortogonaalisia eli niillä ei ole lainkaan yhteisiä, nollasta eroavia taajuuskomponentteja.In order to eliminate the above-mentioned drawbacks and to achieve later goals, the method of the invention is mainly characterized in that said sound is transmitted to the flow tube in the measuring interval simultaneously in both directions as stationary, periodic sequences, downstream sequence Sd (t, T), and downstream where T is the length of the period and t κ 9 9 / '· - 4 is the relative time measured from the beginning of each period, and that said sequences Srf (t, T), Su (t, T) and are orthogonal to each other, i.e. they have no common , non - zero frequency components.

5 Keksinnön mukaiselle laitteelle on puolestaan pääasiallisesti tunnusomaista se, että mainittujen kaiuttimien kautta lähetettävä ääni on koostettu laajakaistaisista, samajaksoisista, jaksolla T yhtä aikaa myötä- ja vastavirtaan lähetettävistä sekvensseistä myötävirtasekvenssi Sd(t,T) ja vastavirtasekvenssi SM(t,T), jotka sekvenssit Sd(t,T), Su(t,T) ja on järjestetty keskenään ortogonaalisiksi eli ne eivät 10 sisällä yhteisiä nollasta eroavia taajuuskomponentteja.The device according to the invention, in turn, is mainly characterized in that the sound transmitted via said loudspeakers consists of wideband, sequential, simultaneously downstream and countercurrently transmitted sequences T in the downstream sequence Sd (t, T) and the countercurrent sequence SM (t, T), which sequences Sd (t, T), Su (t, T) and are arranged to be orthogonal to each other, i.e. they do not contain common non-zero frequency components.

Seuraavassa keksinnön teoreettista taustaa ja keksinnön eräitä sovellusesimerkkejä selostetaan yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisen piirustuksen kuvioihin, joissa 15 kuvio 1 esittää yleispiirteisesti lohkokaaviona keksinnön mukaista akustista mittausjärjestelmää, kuvio 2 esittää myötä- ja vastavirtaa lähetettäviä äänisekvenssejä, 20 kuvion 3 ylempi käyrä esittää myötävirtaan mitatuksi ajateltua parillisista taajuuksista koostuvaa korrelaatiopiikkiä ja alempi käyrä vastavirtaan mitatuksi ajateltua parittomista taajuuksista koostuvaa korrelaatiopiikkiä, 25 kuvio 4 esittää kuviota 3 vastaavasti sovellusta, jossa toisen korreloitavan sekvenssin asemesta on valittu sen Hilbertin muunnos, kuvio 5 esittää parillisilla ja parittomilla taajuuksilla toteutuvia vaihedif-ferenssin kuvaajia sovelluksessa, jossa modulaatio johtuu yksinomaan 30 heijastuskaiuista, ja kuviossa 6 on esitetty kuviota 5 vastaavat kumulatiiviset jakautumat.In the following, the theoretical background of the invention and some application examples of the invention will be described in detail with reference to the figures of the accompanying drawing, in which Fig. 1 is a block diagram and a lower curve of a correlation peak of odd frequencies thought to be measured upstream, Fig. 4 shows an embodiment corresponding to Fig. 3, in which its Hilbert transform is chosen instead of the second correlated sequence, Fig. 5 shows phase-difference curves with even and odd frequencies reflection echoes, and Figure 6 shows the cumulative distributions corresponding to Figure 5.

5 t. c : :5 t: c:

Kuviossa 1 on esitetty yleispiirteinen lohkokaavio järjestelmästä, jolla keksintö on edullisesti toteutettavissa. Mitattava virtaus, esim. maakaasuvirtaus kulkee nopeudella v virtausputkessa 1, jossa ovat äänilähteet 2a ja 2b, sopivimmin kaiuttimet, joilla äänisekvenssit synnytetään virtausputkeen 1. Äänilähteiden 2a 5 ja 2b välille on sijoitettu äänianturit 6a ja 6b, joiden välisen putkiosan pituus L ja poikkipinta-ala A määräävät virtausmittarin skaalaustekijän. Kuviossa 1 4a ja 4b ovat tehovahvistimet, 5a ja 5b ovat signaalivahvistimet, 6 on reaaliaikaproses-sori, sopivimmin tarpeellisilla analogiatuloilla ja -lähdöillä varustettu digitaalinen signaaliprosessori, jolla voidaan toteuttaa FFT-algoritmeihin tai FIR-suodinal-10 goritmeihin perustuvat proseduurit, 7 on systeemiprosessori, jonka kautta kommunikaatio reaaliaikaprosessorin 6, näyttölaitteen 8 ja erillisen Pc-työaseman 9 välillä toteutetaan.Figure 1 shows a general block diagram of a system by which the invention can be advantageously implemented. The flow to be measured, e.g. the natural gas flow, travels at speed v in a flow pipe 1 with sound sources 2a and 2b, preferably speakers generating sound sequences in flow pipe 1. Between sound sources 2a 5 and 2b sound transducers 6a and 6b are arranged. A determine the scaling factor of the flowmeter. Fig. 1 4a and 4b are power amplifiers, 5a and 5b are signal amplifiers, 6 is a real-time processor, preferably a digital signal processor with the necessary analog inputs and outputs, which can implement procedures based on FFT algorithms or FIR filter-10 algorithms, 7 is a system through which communication between the real-time processor 6, the display device 8 and the separate PC workstation 9 is implemented.

Stationäärisen, laajakaistaisen äänen kulkuajan määräämisessä virtausmittaustar-15 koituksiin on olennaista, että yhtä aikaa kumpaankin suuntaan kaiuttimista 2a ja 2b lähetettävät äänet eivät häiritse toisiaan ja että mittaus on myöskin mahdollisimman tunteeton virtaus putken 1 melulle. Tarkastellaan tietyn mittausperiodin T suhteen jaksollisia, mutta muuten mielivaltaisia kaiuttimien 2a ja 2b äänisek-venssejä. On tunnettua, että tällaiset signaalit koostuvat diskreeteistä, tasavälisis-20 tä, perustaajuuden /= 1/T monikertaisista taajuuskomponenteista AWJ*cos(m*2*7r*t/T+0/>J), jotka ovat toisilleen ortogonaalisia, eli jakson yli lasketut korrelaatiofunktiot häviävät, kun m ja n ovat eri suuret (Kaava 5).In determining the travel time of stationary, wideband sound for flow measurement purposes, it is essential that the sounds transmitted simultaneously from the speakers 2a and 2b in both directions do not interfere with each other and that the measurement is also as insensitive as possible to the noise of the pipe 1. Consider the periodic but otherwise arbitrary sound sequences of the speakers 2a and 2b for a given measurement period T. It is known that such signals consist of discrete, evenly spaced, multiple frequency components AWJ * cos (m * 2 * 7r * t / T + 0 /> J) of the fundamental frequency / = 1 / T, which are orthogonal to each other, i.e. over a period the calculated correlation functions disappear when m and n are different large (Equation 5).

TT

2 Λ £ Λ = Am*An*6mjt*cos(m*2n*-j) (5)2 Λ £ Λ = Am * An * 6mjt * cos (m * 2n * -j) (5)

Keksinnön pääajatuksena on lähettää kaiuttimista 2a ja 2b mittausputkeen 1 25 myötä- ja vastavirtaan sellaiset, laajakaistaiset ja samajaksoiset äänisekvenssit, S^(t,T) ja Su(t,T), jotka eivät sisällä yhtään yhteistä taajuuskomponenttia ja jotka siis ovat ortogonaalisia eli niiden korrelaatiofunktio identtisesti häviää: k Q Γ s 6 ~ r c*(0) = J S pj) *Su(t-QJ) *dt S O (6) o Tällöin mikrofonien 3a ja 3b signaalit, olkoon tässä D^(t,T) mittavälin L vasemman pään mikrofonin 3a signaali ja DÄ(t,T) mittavälin oikean pään mikrofonin 5 3b signaali, taustamelua lukuunottamatta, voidaan yksikäsitteisesti purkaa keskenään ortogonaalisiin myötä- ja vastavirtakomponentteihin: DL(t,T) = DjJf,T ) + DJtJ) DR(t,T ) = D^tJ ) + D^tJ) U) Tämä keksinnön pääajatus mahdollistaa monien signaali/kohinasuhdetta huonontavien ongelmien ratkaisemisen ja johtaa lukuisiin eri toteutusvaihtoehtoihin. Pit-10 kän ajan yli tarkasteltuna ulkopuolisesta putkimelusta vain sitä pienempi osa osuu näille diskreeteille taajuuskomponenteille, mitä useamman jakson yli tilannetta tarkastellaan. N: n jakson yli tehtävässä keskiarvoistuksessa jaksollinen signaali kasvaa suoraan verrannollisena N:ää.n, kun taas epäyhteismitallinen kohina kasvaa verrannollisena N:n neliöjuureen.The main idea of the invention is to transmit downstream and upstream of the speakers 2a and 2b to the measuring tube 1 such wideband and continuous audio sequences, S 1 (t, T) and Su (t, T), which do not contain any common frequency components and are thus orthogonal, i.e. their the correlation function identically disappears: k Q Γ s 6 ~ rc * (0) = JS pj) * Su (t-QJ) * dt SO (6) o Then the signals of the microphones 3a and 3b, let D ^ (t, T) be L the signal of the left end microphone 3a and the signal of the right end microphone 5 3b of the DÄ (t, T) range, except for background noise, can be unambiguously decomposed into mutually orthogonal upstream and downstream components: DL (t, T) = DjJf, T) + DJtJ) DR ( t, T) = D ^ tJ) + D ^ tJ) U) This main idea of the invention makes it possible to solve many problems that degrade the signal-to-noise ratio and leads to a number of different implementation options. Over a period of more than 10 minutes, only the smaller part of the external pipe noise hits these discrete frequency components, the more periods over which the situation is considered. In averaging over N periods, the periodic signal increases in direct proportion to N, while the non-eccentric noise increases in proportion to the square root of N.

1515

Diskreettien taajuuskomponenttien vaihekulmat voidaan periaatteessa valita vapaasti. Kaiuttimien 2a ja 2b tai vastaavien äänilähteiden epälineaarisuuden vaikutuksen minimoimiseksi ja esimerkiksi maakaasuputkien turvamääräysten vuoksi hetkellisiä äänitehohuippuja on syytä välttää. Tämä tavoite toteutuu hyvin, 20 jos mainitut vaihekulmat valitaan satunnaisesti. Käytettyä taajuusaluetta rajoittaa yläpäässä n.k. cut-off taajuus [kaava (1)], millä mäntämoodin lisäksi ilmestyy ensimmäinen vaimenematon korkeampi moodi, jolla on eri etenemisnopeus ja joka siten häiritsee mäntämoodin etenemisnopeuden tarkkaa määräämistä. Alapäässä vaihtosähköverkon verkkotaajuus ja sen ensimmäistä yliharmonista 25 alhaisemmat taajuudet kannattaa usein leikata pois.The phase angles of the discrete frequency components can in principle be chosen freely. In order to minimize the effect of the non-linearity of the speakers 2a and 2b or similar sound sources and for example due to the safety regulations of the natural gas pipelines, momentary sound power peaks should be avoided. This goal is well achieved 20 if said phase angles are chosen randomly. The frequency range used is limited at the upper end by the so-called a cut-off frequency [formula (1)] at which, in addition to the piston mode, the first unattenuated higher mode appears, which has a different propagation speed and thus interferes with the accurate determination of the propagation speed of the piston mode. At the lower end, the mains frequency of the AC network and the frequencies lower than its first supercar 25 should often be cut off.

li W '% :' Ί; r 7 Jäljellejäävien taajuuksien jako myötä-ja vastavirtaan lähetettävien äänisekvens-sien kesken voidaan tehdä eri tavoilla. Yksinkertaisinta on valita parilliset taajuudet toiseen sekvenssiin ja parittomat taajuudet toiseen. Tämä valinta johtaa siihen, että kumpikin sekvenssi koostuu kahdesta puolijaksosta, joista parillisten 5 taajuuksien puolijaksot ovat keskenään identtiset, kuten kuvion 2 ylempi kuvaaja esittää ja parittomien taajuuksien puolijaksot toisen etumerkit vaihtamalla myös keskenään identtiset, kuten kuvion 2 alempi kuvaaja esittää. Myötä-ja vastavirtaan etenevä ääni voidaan siis yksinkertaisesti erottaa toisistaan laskemalla parillinen määrä puolijaksoja yhteen toisen kerran sellaisenaan ja toisen kerran 10 vaihtamalla ensin joka toisen puolijakson etumerkki. Toinen vaihtoehto on arpoa käytettävissä olevat taajudet epäsäännöllisesti, mutta tasaisesti myötä-ja vastavir-tasekvensseihin.li W '%:' Ί; r 7 The division of the remaining frequencies between the upstream and downstream audio sequences can be done in different ways. The simplest is to choose even frequencies for one sequence and odd frequencies for another. This selection results in each sequence consisting of two half-cycles, of which the half-cycles of the even frequencies 5 are identical to each other, as shown in the upper graph of Figure 2, and the half-cycles of the odd-numbered frequencies are also identical to each other, as shown in the lower graph of Figure 2. Thus, the upstream and downstream sounds can be simply distinguished from each other by adding an even number of half-cycles together a second time as such and a second time 10 by first changing the sign of every other half-cycle. Another option is to draw the available frequencies irregularly but evenly into the upstream and downstream sequences.

Mittausäänen kulkuajat mittausvälillä L myötä- ja vastavirtaan voidaan samasta-15 kin mittausdatasta määrätä usealla eri tavalla. Perusvaihtoehtoina on muodostaa mikrofonien 3a ja 3b signaalien suodatettu korrelaatiofunktio aikaeron funktiona tai tarkastella ko. signaalien peräkkäisten taajuuskomponenttien vaiheroa taajuuden funktiona. Digitaalisten signaaliprosessorien nopeat Fourier-muunnok-set FFT-algoritmeilla sallivat signaalin käsittelemisen aika- ja taajuusavaruudessa 20 tarpeen mukaan täysin samoilla laitteilla puuttumalla vain reaaliaikaiseen ohjelmaan.The travel times of the measurement sound in the measurement interval L upstream and downstream can be determined from the same measurement data in several different ways. The basic options are to form a filtered correlation function of the signals of the microphones 3a and 3b as a function of the time difference or to consider the the phase shift of successive frequency components of the signals as a function of frequency. The fast Fourier transforms of digital signal processors with FFT algorithms allow the signal to be processed in time and frequency space 20 on exactly the same devices as needed, interfering only with the real-time program.

Mittausäänen kulkuajan määrääminen korrelaatiofunktioista tapahtuu seuraavasti. Ideaalisin tilanne korrelaatiopiikin keskikohdan määräämiselle on silloin, kun 25 koko korrelaatiofunktiossa on vain yksi piikki, eli toisten mahdollisten piikkien amplitudit ovat niin pieniä, että niiden aiheuttama vääristymä pääpiikin alueella jää alle sallitun tason. Häiriöpiikkien alkuperä voi olla väärään suuntaan etenevässä taustamelussa, josta korrelaatiosuodatin on jättänyt jäljelle pääpiikkiin valittuja taajuuskomponentteja tai anturin liitokset ja yhteet, jotka aiheuttavat 30 häiritseviä kaikupiikkejä. Ellei häiriöpiikkiejä voida vaimentaa riittävän pieniksi, on niiden paikka ja vaikutusalue pyrittävä saamaan pääpiikin vaihteluvälin ulkopuolelle. Kaikujen paikkaan voidaan vaikuttaa anturien 3a ja 3b yhteidenDetermining the travel time of the measurement sound from the correlation functions is as follows. The most ideal situation for determining the center of the correlation peak is when there is only one peak in the whole correlation function, i.e. the amplitudes of the other possible peaks are so small that their distortion in the region of the main peak is below the allowed level. The origin of the interference peaks may be in the wrong direction of the propagating background noise, from which the correlation filter has left the selected frequency components in the main peak or the sensor connections and connections that cause the 30 interfering echo peaks. If the interference peaks cannot be attenuated small enough, their location and area of influence must be sought to get the main peak out of range. The location of the echoes can be influenced by the connections of the sensors 3a and 3b

b 9 Π 9 Sb 9 Π 9 S

8 sijoittelulla ja vaikutusalueeseen sillä, että taajuuskomponenttien amplitudien taajuusriippuvuus tehdään tasaiseksi välttäen jyrkkiä epäjatkuvuuskohtia. Mikrofonien 3a ja 3b signaaleista voidaan muodostaa kolme eri korrelaatiofunktiota8 placement and the area of influence so that the frequency dependence of the amplitudes of the frequency components is made uniform while avoiding sharp points of discontinuity. Three different correlation functions can be formed from the signals of the microphones 3a and 3b

n*Tn * T

C(0) = -L· f Averm[DL(t, Dl *Averm[DR(t-Q,T,)} *dt n*TJ0C (0) = -L · f Averm [DL (t, Dl * Averm [DR (t-Q, T,)} * dt n * TJ0

n*Tn * T

CW=-^ f Fd*Averm[DL(t,Dl *Averm[DR(t-Q,T)] *dt n*T oCW = - ^ f Fd * Averm [DL (t, Dl * Averm [DR (t-Q, T)] * dt n * T o

n*Tn * T

/ AverJDu.ftT)] -AverJDJyt-O.T)] ,dt (8)/ AverJDu.ftT)] -AverJDJyt-O.T)], dt (8)

n*T o n*Tn * T o n * T

Ce(0)=J- / Fu * Averm[DL(t,Dl * Averm[DR(t-Q,Dl *dt n*T o «*r -LiAw'JPJtm'fimJPJt-VH'* n*T0 5 missä Fd ja Fu tarkoittavat suodatinoperaattoreita, jotka poimivat detektorisig-naaleista vain myötä- tai vastavirtataajuisen osan, Averm tarkoittaa keskiarvoista-mista m: n jakson yli ja n korrelaatiofunktioiden keskiarvoistamista integroimalla n:n jakson yli. Ensimmäinen korrelaatiofunktio on yksinkertaisin ja sisältää oleellisesti kaksi piikkiä, toisen positiivisella ja toisen negatiivisella viivearvolla 10 vastaten äänen kulkua myötä- ja vastavirtaan. Tämä on myös herkin häiriöille. Kumpikin seuraavista, suodatetuista korrelaatiofunktioista sisältää oleellisesti vain yhden piikin, toinen vastaten äänen kulkua vain myötävirtaan ja toinen vain vastavirtaan. Kuviossa 3 on esitetty ylempänä myötävirtaan mitatuksi ajateltu, parillisista taajuuksista koostuva korrelaatiopiikki ja alempana vastavirtaan 15 mitatuksi ajateltu parittomista taajuuksista koostuva korrelaatiopiikki. Pienet sivupiikit aiheutuvat kaiutinhaarojen negatiivisista heijastuksista.Ce (0) = J- / Fu * Averm [DL (t, Dl * Averm [DR (tQ, Dl * dt n * T o «* r -LiAw'JPJtm'fimJPJt-VH '* n * T0 5 where Fd and Fu denote filter operators that extract only the downstream or countercurrent portion of the detector signals, Averm means averaging over m periods and averaging n correlation functions by integrating over n periods.The first correlation function is the simplest and contains essentially two peaks, and the other with a negative delay value of 10 corresponding to the flow of sound upstream and downstream.This is also the most sensitive to interference.Each of the following filtered correlation functions contains essentially only one peak, the other corresponding to the flow of sound only downstream and the other only upstream, Figure 3 shows the upstream downstream. a correlation peak consisting of even frequencies and correlates consisting of odd frequencies considered to be measured downstream 15 below The small side peaks are caused by negative reflections from the speaker branches.

Sen asemesta, että kummankin mikrofonisignaali, myötä- tai vastavirtaan valittuihin taajuuksiin rajoittuen, korreloidaan suoraan, voidaan kumpikin mikrofonien 20 3a ja 3b signaali korreloida erikseen vakiovaiheiseen ja halutun amplitudija-kauman omaavaan referenssisekvenssiin, Rrf(t,T) ja RM(t,T), jotka on johdettu li b '« <' 7- ϋ 9 vastaavista lähetesekvensseistä Sd(t,T) ja Su(t,T) tai nollavirtaustilanteessa mitatuista mikrofonisekvensseistä, ja tuottaa seuraavat korrelaatofunktiotInstead of directly correlating the microphone signal of each, upstream or downstream to the selected frequencies, each signal of the microphones 20a and 3b can be correlated separately to a constant phase reference sequence with the desired amplitude distribution, Rrf (t, T) and RM (t, T) derived from the corresponding transmission sequences Sd (t, T) and Su (t, T) of li b '«<' 7- ϋ 9 or from the microphone sequences measured in the zero-flow situation and producing the following correlation functions

TT

cjfi, D = fRJM) *DL(t-e,D*dt t m CJQJ) =fR£,T) *DR(t-Q,T) *dt ocjfi, D = fRJM) * DL (t-e, D * dt t m CJQJ) = fR £, T) * DR (t-Q, T) * dt o

TT

C J0,7) = fRu(t,7) *DL(t-QJ) *dt t m C^,7)=[Ru(t,T) *DR(t-Q,T) *dt o jolloin äänen kulkuaika mittausvälillä L myötävirtaan määrätään korrelaatiofunk-5 tioiden £χ^(θ,Τ) ja CRd(Θ,Τ) piikkien keskikohtien aikaerona ja vastavirtaan korrelaatofunktioiden CLu(6,T) ja C^U(6,T) piikkien keskikohtien aikaerona. Tähän voidaan käyttää joko kahta FIR-suodatinparia (finite impulse response), joista toisen kerroinvektoriksi valitaan myötävirtareferenssisekvenssi ja toisen vastaavasti vastavirtareferenssisekvenssi tai toteuttaa operaatio taajuusavaruudes-10 sa Fourier-muunnettujen vektorien komponenteittain suoritettuina seuraavina kertolaskuina ^(ω/)=Λ«(ω/)+Ζ)ι(ω/) (l0b) missä * yläindeksinä tarkoittaa kompleksikonjugaattia, ja käänteismuuntamalla tulovektorit aika-avaruuden korrelaatiofunktioiksi. Tässäkin tapauksessa on 15 mahdollista tehdä vastaavat keskiarvoistukset kuin korrelaatofunktioiden yhteydessä tehtiin.C J0,7) = fRu (t, 7) * DL (t-QJ) * dt tm C ^, 7) = [Ru (t, T) * DR (tQ, T) * dt o where the time of sound in the measurement interval L downstream is determined as the time difference between the centers of the peaks of the correlation functions £ χ ^ (θ, Τ) and CRd (Θ, Τ) and upstream as the time difference between the centers of the peaks of the correlation functions CLu (6, T) and C ^ U (6, T). For this, either two FIR filter pairs (finite impulse response) can be used, one of which is the downstream reference sequence and the other the countercurrent reference sequence, respectively, or the operation can be performed in frequency space-10 sa as the following multiplications of the components of Fourier transform vectors ^ (ω /) = Λ + Ζ) ι (ω /) (l0b) where * as superscript means complex conjugate, and inversely converting the input vectors into time-space correlation functions. Again, it is possible to make averages similar to those made for the correlation functions.

10 ς Γ ·: <:10 ς Γ ·: <:

Tavallisen korrelaatiofunktion asemesta, joka ideaalitapauksessa tuottaa täysin symmetrisiä piikkejä, voidaan kaikissa edellämainituissa tapauksissa vaihtoehtoisesti valita toisen korreloitavan sekvenssin asemesta sen Hilbertin muunnos, jolloin korrelaatiopiikeistä tulee täysin antisymmetrisiä. Näiden nollatason 5 leikkauksena saatava keskikohta määräytyy ehkä tarkemmin kuin symmetristen piikkien keskikohta. Tätä tapausta on havainnollistettu kuviossa 4, joka symmetrisyyttä lukuunottamatta vastaa muuten kuvion 3 esittämää tapausta.Instead of the usual correlation function, which ideally produces completely symmetric peaks, in all the above cases, instead of another sequence to be correlated, a Hilbert transform can be chosen, whereby the correlation peaks become completely antisymmetric. The center of these zero plane 5 intersections may be more accurately determined than the center of the symmetrical peaks. This case is illustrated in Figure 4, which, except for symmetry, otherwise corresponds to the case shown in Figure 3.

Kulkuajan määrääminen vaihekulman taajuusriippuvuutena tapahtuu seuraavasti.Determining the travel time as a frequency dependence of the phase angle is as follows.

10 Jos korrelaatiofunktio sisältää olennaisesti vain yhden piikin, kasvaa tai vähenee sen Fourier-muunnoksen vaihekulma lineaarisesti taajuuden funktiona, kulmakertoimen ollessa verrannollinen piikin siirtymään origosta, sillä ajan siirto siirtymällä Θ toteutetaan taajuusavaruudessa kertomalla vaihetekijällä exp(2ffi*<a7*0). Estimaatti mittausäänen kulkuajalle mittausvälillä L saadaan nyt muodostamalla 15 peräkkäisten samapariteettisten taajuusaskelten yli välillä l7...l2 laskettujen vaihekulmadifferenssien keskiarvo: , * ~ , , *Σ argus[D^M) iD^o),))] 2π /, , - <U) θ- = ? Λ- ,, *Σ argutiPi^u,.j) */>*(<*>i+1) ^(ω,) *0Λι(ω/)]10 If the correlation function contains essentially only one peak, the phase angle of its Fourier transform increases or decreases linearly as a function of frequency, the slope being proportional to the peak displacement from the origin, because the time displacement Θ is realized in frequency space by multiplying by exp (2ffi * <a7 * 0). An estimate of the travel time of the measurement sound in the measurement interval L is now obtained by averaging the phase angle differences calculated over 15 consecutive frequency steps of the same parity between 17 ... l2:, * ~,, * Σ argus [D ^ M) iD ^ o),))] 2π /,, - < U) θ- =? Λ- ,, * Σ argutiPi ^ u, .j) * /> * (<*> i + 1) ^ (ω,) * 0Λι (ω /)]

Kaavoissa (11) on taajuusvektoreina aina käytetty mikrofonien 3a ja 3b signaalien Fourier-muunnoksia. Kuten edellä korrelaatiofunktioiden yhteydessä oli puhe, 20 voidaan myös kaavassa (11) aina toisen detektorin 3a,3b signaalista johdettu vektori korvata referenssisekvenssien Rd(t,T) ja R„(t,T) Fourier-muunnoksella jolloin saadaan seuraavat neljä aikasiirtymää ö^, dRd, dLu ja QRu. Kulkuajat myötävirtaan saadaan kahden ensimmäisen erotuksena ja kulkuaika vastavirtaan kahden jälkimmäisen erotuksena. Kaikissa edellämainituissa tapauksissa peräk-25 käisistä vaihekulmadifferensseistä voidaan vaihtoehtoisesti muodostaa kumulatiivinen funktio, ja määrätä aikasiirtymät tämän regressiosuoran kulmakertoimena.In the formulas (11), Fourier transforms of the signals of the microphones 3a and 3b have always been used as frequency vectors. As discussed above in connection with the correlation functions, also in formula (11) the vector derived from the signal of the second detector 3a, 3b can always be replaced by a Fourier transform of the reference sequences Rd (t, T) and R „(t, T) to give the next four time shifts? dRd, dLu and QRu. Travel times downstream are obtained as the difference between the first two and travel time upstream is obtained as the difference between the latter two. In all the above cases, the successive phase angle differences can alternatively be formed as a cumulative function, and the time shifts can be determined as the slope of this regression line.

li K 9 ; '7» 11li K 9; '7 »11

Jos korrelaatiofunktiossa on muitakin piikkejä esiintyy sekä vaihedifferenssijakau-tumassa että kumulatiivisessa funktiossa modulaatiota. Oikealta suoralta ei kuitenkaan pudota pois, jos vaihekulmadifferenssi pysyy aidosti välillä -7Γ...+7Γ. Riski näiden rajojen ylittymisestä tai alittumisesta pienenee, jos vaihekulmadiffe-5 renssin keskiarvo pysyy lähellä nollaa. Todellista kulkuaikaa kannattaakin tästä syystä verrata esimerkiksi vertailuputken 1 nollavirtaustilanteen kulkuaikaan, jolloin vain virtausnopeuden v aiheuttama kulkuaikaero näkyy vaihekuimadiffe-renssijakautuman keskiarvon pienehkönä poikkeamana nollasta. Kuviossa 5 on esitetty sekä parillisille että parittomille taajuuksille vaihedifferenssikuvaajat 10 tapauksessa, missä modulaatio johtuu pelkästään heijastuskaiuista. Kuviossa 6 on esitetty vastaavat kumulatiiviset jakautumat.If there are other peaks in the correlation function, modulation occurs in both the phase difference distribution and the cumulative function. However, the right line is not dropped if the phase angle difference truly remains between -7Γ ... + 7Γ. The risk of exceeding or falling below these limits is reduced if the mean of the phase angle diff-5 rents remains close to zero. For this reason, it is worth comparing the actual travel time with, for example, the travel time of the zero flow situation of the reference pipe 1, in which case only the travel time difference caused by the flow rate v is shown as a small deviation from zero of the average phase difference distribution. Figure 5 shows the phase difference graphs 10 for both even and odd frequencies in the case where the modulation is due to reflection echoes alone. Figure 6 shows the corresponding cumulative distributions.

Vaihekulmamenetelmän käyttökelpoisuus edellyttää, että korrelaatiofunktiolla on selvästi erottuva pääpiikki ja että sen Fourier-muunnoksen vaihekulma osuu 15 jokaisella yksittäisellä taajuudella kohtuullisen lähelle tämän piikin kulkuaikaa vastaavaa arvoa.The applicability of the phase angle method requires that the correlation function have a distinct principal peak and that the phase angle of its Fourier transform at each individual frequency is reasonably close to the value corresponding to the travel time of this peak.

Seuraavassa esitetään patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella ja poiketa 20 edellä vain esimerkinomaisesti esitetyistä.The following claims set forth within the scope of the inventive idea, the various details of the invention may vary and differ from those set forth above by way of example only.

Claims (12)

1. Förfarande för mätning av strömningshastigheten, volyströmmen och/eller massaströmmen av en gas som strömmar i ett rör, vid vilket förfarande man 5 placerar ljudgivare (2a,3b) i ett strömningsrör (1) pä ett givet längdriktat in-bördes avständ i mätröret (1) och vid vilket förfarande man medelst ljudkällor (2a,2b) matar längvägigt ljud som framskrider med- och motströms i strömnings-röret (1) endast i grundmodus i form av en planvägsfront tili strömningsröret (1) frän ett ställe utanför mätsträckan (L) som begränsas av nämnda givare (3a,3b) 10 och strömningsstorheterna bestäms frän löptiderna av nämnda ljud med- och motströms pä mätsträckan (L), frän rörets tväryta (A) samt frän tätheten (p) av gasen som skall mätäs, kännetecknat därav, att nämnda ljud avsänds tili strömningsröret (1) pä mätsträckan (L) i form av stationära periodvisa sekvenser som framskrider samtidigt i bägge riktningarna, sekvensen Sd(t,T) 15 medströms och sekvensen Su(t,T) motströms, där T är längden pä perioden och t är den relativa tiden mätt i början av var och en period, och att nämnda sekvenser Sd(t,T) och Su(t,T) är sinsemellan ortogonala och har alltsä inga gemensamma frekvenskomponenter alls som avviker frän noll. 20 2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat därav, att de sinsemel lan ortogonala Sd(t,T) och Su(t,T) ljudsekvenserna är sälunda utformade att i för-hällande till grundfrekvensen som svarar mot deras grundperiod innehäller sekvensen Sd(t,T)/Su(t,T) som skall sändas i ena riktningen endast jämna och sekvensen Su(t,T)/Sd(t,T) som sänds i den andra riktningen endast udda frek-25 venskomponenter.A method for measuring the flow rate, volume flow and / or mass flow of a gas flowing in a tube, wherein method of placing sound transducers (2a, 3b) in a flow tube (1) at a given longitudinal entry distance in the measuring tube (1) and in which method by means of sound sources (2a, 2b), longitudinal sound advancing downstream and downstream in the flow tube (1) is supplied only in the basic mode in the form of a plane path front to the flow tube (1) from a location outside the measuring distance ( L) which is limited by said transducer (3a, 3b) and the flow quantities are determined from the running times of said sound by and by the current on the measuring distance (L), from the transverse surface (A) of the pipe and from the density (p) of the gas to be measured. hence, said sound is transmitted to the flow tube (1) on the measuring distance (L) in the form of stationary periodic sequences advancing simultaneously in both directions, the sequence Sd (t, T) downstream and the sequence Su (t, T) countercurrent, where T is the length of the period and t is the relative time measured at the beginning of each period, and that said sequences Sd (t, T) and Su (t, T) are mutually orthogonal and thus have no common frequency components at all that deviate from zero. 2. A method according to claim 1, characterized in that the respective orthogonal Sd (t, T) and Su (t, T) sound sequences are designed so that in relation to the fundamental frequency corresponding to their basic period, the sequence Sd (t , T) / Su (t, T) to be transmitted in one direction only uniform and the sequence Su (t, T) / Sd (t, T) transmitted in the other direction only odd frequency components. 3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att löptiden av nämnda ljud pä mätsträckan (L) med- och motströms bestäms i tidsrymden som förskjutningsvärden av mittstället frän origo av topparna som 30 ingär i korrelationsfunktionerna som utformats frän signalen DL(t,T) frän den vänstra givaren och frän signalen DR(t,T) frän den högra givaren eller som en skillnad mellan tvä sädana förskjutningsvärden, genom att bilda en korrelations- ‘-y ; 19 funktion frän signalerna som sädana frän de bägge givarna (3a,3b), genom att först bilda deras medeltal genom att räkna samman over flera (m) perioder T eller genom att ännu bilda medeltalet av korrelationsfunktionerna ocksä genom integrering över flera (n) perioder, och genom att härvid bestämma löptiderna 5 som tidsförskjutningar frän origo av tvä huvudtoppar av korrelationsfunktionen •r CjjfB) = f AverJDL(t,T)] *Averm[DR(t-Q,T)] *dt n*T JQ 10 som härvid erhälles.3. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of said noise on the measuring distance (L) is measured in the countercurrent and countercurrent time as offset values of the midpoint from the origin of the peaks included in the correlation functions formed from the signal DL (t, T) from the left sensor and from the signal DR (t, T) from the right sensor or as a difference between two such offset values, by forming a correlation γ-y; 19 function from the signals as usual from both sensors (3a, 3b), by first forming their averages by counting over several (m) periods T or by still forming the average of the correlation functions also by integrating over several (n) periods , and by thereby determining the maturities 5 as time offsets from the origin of two main peaks of the correlation function • r CjjfB) = f AverJDL (t, T)] * Averm [DR (tQ, T)] * dt n * T JQ 10 . 4. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att löptiden av nämnda ljud pä mätsträckan (L) med- och motströms bestäms i 15 tidsrymden som förskjutningsvärden frän origo av mittpunkten av topparna som ingär i korrelationsfunktionerna som bildats av signalen DL(t,T) frän den vänstra givaren och signalen DR(t,T) frän den högre givaren eller som en skillnad av tvä sädana förskjutningsvärden, genom att bilda tvä olika korrelationsfunktioner frän signalerna av de bägge givarna som sädana, genom att först bilda deras medel-20 värde genom att räkna samman över flera perioder (m) eller genom att ännu integrera korrelationsfunktionerna över flera (n) perioder, den ena Cd(0) filtrerad med medströmsfilter Fd och den andra Cu(0) med motströmsfilter Fu, och genom att bestämma löptiderna som tidsförskjutningar frän origo av de enda huvudtopparna av de härvid erhällna tvä korrelationsfunktionerna 25 κ·Τ CJ.Q) = f Fd*Averm[DL(t,T)) *Avern[DK(t-Q,T)] *dt n+I J0 «r ς,(θ) = / Fu*Averm{DL(t,T)] MverJD/Γ-θ,θ)] *dt ft*l „ 30 0 b 9 L' 204. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of said noise on the measuring distance (L) is measured in the countercurrent and countercurrent in the space of time as offset values from the origin of the midpoint of the peaks formed by the correlation functions formed by the signal DL (t, T) from the left sensor and the signal DR (t, T) from the higher sensor or as a difference of two such offset values, by forming two different correlation functions from the signals of the two sensors as such, by first forming their means value by counting over several periods (m) or by still integrating the correlation functions over several (n) periods, one Cd (0) filtered with co-current filter Fd and the other Cu (0) with countercurrent filter Fu, and by determining the maturities as time offsets from the origin of the only major peaks of the two correlation functions obtained here κ · Τ CJ.Q) = f Fd * Averm [DL (t, T)) * Avern [ DK (tQ, T)] * dt n + I J0 «r ς, (θ) = / Fu * Averm {DL (t, T)] MverJD / Γ-θ, θ)] * dt ft * l„ 30 0 b 9 L '20 5. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att löptiden av nämnda ljud pä mätsträckan (L) med- och motströms bestäms genom att i tidsrymden bilda sammanlagt fyra korrelationsfunktioner Cm(t), CRd(t), CLu(t) ja CRu(t) frän signalen DL(t,T) av den vänstra givaren och signalen 5 DR(t,T) av den högre givaren, alltid frän en detektorsignal som sädan, eller genom att bilda medelvärdet över flera (m) perioder samt frän nägondera referenssekvensen Rd(t,T) eller Ru(t,T) i fast fas som lästs frän minnet, vilka referenssekvenser härletts frän motsvarande avsändningssekvenser eller frän detektorsekvenser som mätts med strömmen noll, möjligtvis genom att ännu 10 integrera över flera perioder Η·Τ CJfi) ^/R/t,n‘AvtrJ(DL(t-e,ni‘dt ^ j»*r CjuiÖ) = ^/ RAt>T)*Averm[DR(t-Q,m*dt n*T CJO) = -^/*Averm[DL(t-B,T)] *dt η·Γ5. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of said noise on the measuring distance (L) is measured co-and countercurrent by forming a total of four correlation functions Cm (t), CRd (t), CLu (t) in the time interval. CRu (t) from the signal DL (t, T) of the left sensor and the signal DR (t, T) of the higher sensor, always from a detector signal such as the seed, or by forming the average over several (m) periods and from negate the reference sequence Rd (t, T) or Ru (t, T) in the solid phase read from memory, which reference sequences are derived from corresponding transmission sequences or from detector sequences measured with the current zero, possibly by integrating even more over several periods Η · Τ CJfi) ^ / R / t, n'AvtrJ (DL (te, ni'dt ^ j »* r CjuiÖ) = ^ / RAt> T) * Averm [DR (tQ, m * dt n * T CJO) = - ^ / * Averm [DL (tB, T)] * dt η · Γ 20 CA(0) = f Ru(t,O *Averm[DR(t-Q,T)] *dt n*T J0 25 och genom att bestämma löptiden medströms som en tidskillnad mellan mittstäl-lena av huvudtopparna av korrelationsfunktionerna Οω(θ) och CRd(0) och löptiden motströms pä motsvarande sätt som en tidskillnad medan mittställena av huvudtopparna av korrelationsfunktionerna C, u(t) ja C-Ru(t).CA (0) = f Ru (t, O * Averm [DR (tQ, T)] * dt n * T J0 25 and by determining the maturity downstream as a time difference between the centers of the main peaks of the correlation functions Οω (θ) and CRd (0) and the maturity countercurrent in a similar way as a time difference while the center points of the main peaks of the correlation functions C, u (t) and C-Ru (t). 6. Förfarande enligt nägot av patentkraven 1-5, kännetecknat därav, att man i stället för korrelationsfunktioner som innehäller väsentligen symmetriska li 30 21 S, Q P; C • J - V W toppar använder deras Hilbert -transformationer som korrelationsfunktioner och bestämmer mittställena av de sälunda erhällna väsentligen antisymmetriska korrelationsfunktionerna lämpligast som de värden pä tiden där den brantaste funktionen skär nollnivän. 5Method according to any one of claims 1-5, characterized in that instead of correlation functions which contain substantially symmetric li 21 21 S, Q P; C • J - V W peaks use their Hilbert transforms as correlation functions and determine the center points of the thus obtained essentially antisymmetric correlation functions most appropriately as the values at the time when the steepest function intersects zero level. 5 7. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att löptiden av ljudet med- och motströms bestäms i frekvensrymden pä sädant sätt, att man först bildar Fourier-transformationerna av ljudgivarsekvenserna i form av komplexa frekvensvektorer DLu(<o j), DRd(&> ,) och DRu(<o j) och DRu(o>,) 10 och bestämmer ljudets löptid medströms 0d och motströms 0U väsentligen ur formlema -h 13 2* i, χ h e,,»-——ττΣ 20 där index 1 gäller endast jämna frekvensvärden i den övre ekvationen och endast udda i den undre ekvationen.7. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the duration of the sound co-or countercurrent is determined in the frequency space in such a way that first the Fourier transforms of the sound transducer sequences are formed in the form of complex frequency vectors DLu (<oj), DRd (& >,) and DRu (<oj) and DRu (o>,) 10 and determine the duration of the sound with upstream 0d and countercurrent 0U substantially from the formulas -h 13 2 * i, χ he ,, »-— ττΣ 20 where index 1 applies only even frequency values in the upper equation and only odd in the lower equation. 8. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat därav, att ljudets löptider med- och motströms bestäms i frekvensrymden pä sädant sätt, att 25 man först bildar Fourier-transformationer av ljudgivarsekvenserna i form av komplexa frekvensvektorer ϋω(ω χ), DLu(ti>,), DRd(o> x) och DRu(o> d) och Fourier-transformationer av referenssekvenserna som härletts frän ljudgivarsekvenserna som mätts frän avsändarsekvenserna i fast fas eller i nollströmningssituationen i form av komplexa frekvensvektorer Rd(o,) och Ru(<o,), och bestämmer ljudets 30 löptid medströms 0d och motströms 0U som skillnader där 0^, 0Rd, 0Lu och 0Ru bestäms väsentligen frän ekvationerna 22 h 9 ί\λ κ T * 6U « -^—2ΛΓ«Μ5ΐ/ϊ/ωΜ*Ι)2<(ωί.1)·^(ωρ*Ι>χ/ω^)] ^“'i h 5 t h~h k t * - -i—Σ cr8us[R£uUl) *D[M(uh]) ·*Β*(ωι) *DU (ω^ h"*i 't -r ΘΛ 0Γ^Λ.(ωΜ) *D*»(UbO mR* (ω^ βΖ)Α.(ω^ 10 h~h k där index 1 gäller endast jämna frekvensvärden i de tvä översta formlema och endast udda i de tvä nedersta ekvationerna. 158. A method according to claim 1 or 2, characterized in that the durations of the sound co-and countercurrent are determined in the frequency space in such a way that first Fourier transforms of the sound transducer sequences are formed in the form of complex frequency vectors ϋω (ω χ), DLu (ti >,), DRd (o> x), and DRu (o> d) and Fourier transforms of the reference sequences derived from the sound transducer sequences measured from the solid phase transmitter sequences or in the zero-current situation in the form of complex frequency vectors Rd (o,) and Ru ( <o,), and determines the duration of the sound 30 upstream 0d and countercurrent 0U as differences where 0 0, 0Rd, 0Lu and 0Ru are essentially determined from the equations 22h 9 ί \ λ κ T * 6U «- ^ - 2ΛΓ« Μ5ΐ / ϊ / ωΜ * Ι) 2 <(ωί.1) · ^ (ωρ * Ι> χ / ω ^)] ^ “'ih 5 th ~ hkt * - -i — Σ cr8us [R £ uUl) * D [M (uh ]) · * Β * (ωι) * DU (ω ^ h "* i 't -r ΘΛ 0Γ ^ Λ. (ΩΜ) * D *» (UbO mR * (ω ^ βΖ) Α. (Ω ^ 10 h ~ hp where index 1 applies only to even frequency values in the TVs are the uppermost formulas and only odd in the two lower equations 9. Anordning för mätning av strömningshastigheten av en gas och/eller storheter som härletts frän denna, säsom volymströmmen och/eller massaströmmen, vilken anordning innefattar ett mätrör (1), där strömmen som skall mätäs löper och vilken anordning innefattar högtalare (2a,2b) som avsändare för bredbandsljud-20 signaler av läg frekvens som framskrider endast i form av en planvägsfront i grundmodus och effektförstärkare (4a,4b) för dessa, mikrofoner (3a,3b) som ljuddetektorer och förstärkare (5a,5b) för mikrofonsignalerna, och vilken anordning är försedd med räkneanordningar och -program för att räkna ut nämnda strömningsstorhet eller -storheter frän det längdriktade avständet (L) av ström-25 ningsröret (1) mellan ljuddetektorerna (3a,3b), frän tvärytan (A) av mätröret, frän tätheten (p) av strömningsgasen samt frän löptiden av ljudsignalerna medströms (tx) och motströms (t2) pä sträckan (L) mellan ljuddetektorerna (3a,3b), kännetecknad därav, att ljudet som sänds via nämnda högtalare (2a,2b) satts ihop av bredbandssekvenser av samma period som sänts 30 samtidigt inom perioden T med- och motströms, medströmssekvensen Sd(t,T) och motströmssekvensen Su(t,T), vilka sekvenser Sd(t,T) och Su(t,T) anordnats sinsemellan ortogonala och innehäller alltsä inga gemensamma frekvenskom- li b 9 G j 5 23 ponenter som awiker frän noli.Apparatus for measuring the flow rate of a gas and / or quantities derived therefrom, such as the volume stream and / or the mass stream, which apparatus comprises a measuring tube (1), wherein the stream to be measured runs and which apparatus comprises loudspeakers (2a, 2b). ) as transmitters for low frequency broadband audio signals advancing only in the form of a ground path front in basic mode and power amplifiers (4a, 4b) for these, microphones (3a, 3b) as sound detectors and amplifiers (5a, 5b) for the microphone signals, and which means is provided with counting devices and programs for calculating said flow quantity or quantities from the longitudinal distance (L) of the flow tube (1) between the sound detectors (3a, 3b), from the transverse surface (A) of the measuring tube, from the density (p) of the flow gas and from the duration of the audio signals co-current (tx) and countercurrent (t2) on the distance (L) between the sound detectors (3a, 3b), the characteristic ad thereof, that the sound transmitted via said speakers (2a, 2b) is composed of broadband sequences of the same period transmitted simultaneously within the period T co-and countercurrent, the co-current sequence Sd (t, T) and the countercurrent sequence Su (t, T), which sequences Sd (t, T) and Su (t, T) are arranged between each other orthogonal and thus contain no common frequency com bons that deviate from noli. 10. Anordning enligt patentkrav 9, kännnetecknad därav, att ljudet som skall sändas i ena riktningen innehäller endast jämna och ljudet som skall 5 sändas i den andra riktningen endast udda frekvenspomponenter.10. Device according to claim 9, characterized in that the sound to be transmitted in one direction contains only even and the sound to be transmitted in the other direction only odd frequency components. 11. Anordning enligt patentkr 9 eller 10, kännetecknad därav, att anordningen innefattar en signalprocessor (6) i realtid, med vilken man sänder ut matningssekvenserna av ljudkällorna och behandlar responserna som pro- 10 ducerats av ljuddetektorerna (3a,3b).Device according to claim 9 or 10, characterized in that the device comprises a real-time signal processor (6), which transmits the output sequences of the sound sources and processes the responses produced by the sound detectors (3a, 3b). 12. Anordning enligt patentkrav 11, kännetecknad därav, att anordningen dessutom innefattar en systemprocessor (7), som tar hand om kommuni-kationen mellan nämnda signalprocessor (6) i realtid, en eventuellt digital 15 visningsanordning (8) och en yttre dator (9) som används som driftanslutning.Device according to claim 11, characterized in that the device further comprises a system processor (7) which handles the communication between said signal processor (6) in real time, an optional digital display device (8) and an external computer (9). ) used as an operating connection.
FI924880A 1992-04-01 1992-10-28 Method and apparatus for determining the velocity of a gas flowing in a pipe FI89835C (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI921448 1992-04-01
FI921448A FI88208C (en) 1992-04-01 1992-04-01 FARING EQUIPMENT FOR ACOUSTIC MAINTENANCE AV ENTRY
FI9200278 1992-10-16
PCT/FI1992/000278 WO1993020411A1 (en) 1992-04-01 1992-10-16 Method and device for determination of the velocity of a gas flowing in a pipe

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI924880A0 FI924880A0 (en) 1992-10-28
FI89835B FI89835B (en) 1993-08-13
FI89835C true FI89835C (en) 1993-11-25

Family

ID=8535027

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI921448A FI88208C (en) 1992-04-01 1992-04-01 FARING EQUIPMENT FOR ACOUSTIC MAINTENANCE AV ENTRY
FI924880A FI89835C (en) 1992-04-01 1992-10-28 Method and apparatus for determining the velocity of a gas flowing in a pipe

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI921448A FI88208C (en) 1992-04-01 1992-04-01 FARING EQUIPMENT FOR ACOUSTIC MAINTENANCE AV ENTRY

Country Status (2)

Country Link
FI (2) FI88208C (en)
WO (1) WO1993020411A1 (en)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FI94909C (en) * 1994-04-19 1995-11-10 Valtion Teknillinen Acoustic flow measurement method and applicable device
US5531099A (en) * 1994-11-09 1996-07-02 At&T Corp. Underground conduit defect localization
NL1008827C1 (en) * 1998-04-07 1999-10-08 Nico Roosnek Method and device for measuring physical parameters.
SE0003348D0 (en) * 2000-09-18 2000-09-18 Flaekt Ab Apparatus and method for measuring the flow in a fluid
DE10062875B4 (en) * 2000-12-16 2007-02-08 Hydrometer Gmbh Flowmeter
WO2006134199A1 (en) * 2005-06-16 2006-12-21 Justiflow Oy Ultrasound flowmeter arrangement for determining speed of sound
GB0921530D0 (en) 2009-12-09 2010-01-27 Atmos Wave Ltd Monitoring fluid flow in a conduit
JP5492606B2 (en) 2010-03-03 2014-05-14 アズビル株式会社 Arithmetic device and flow meter provided with arithmetic device
US20120173191A1 (en) * 2011-01-03 2012-07-05 Moeller Lothar B Airspeed And Velocity Of Air Measurement
CN102830245A (en) * 2012-08-15 2012-12-19 华北电力大学 Monitoring system and monitoring method for boiler furnace flue gas velocity based on acoustics
WO2020183719A1 (en) * 2019-03-14 2020-09-17 オムロン株式会社 Flow rate measurement device
CN116929476A (en) * 2023-06-29 2023-10-24 华能(广东)能源开发有限公司汕头电厂 Soot blowing air inflow detection method and system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4445389A (en) * 1981-09-10 1984-05-01 The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce Long wavelength acoustic flowmeter
FI76885C (en) * 1987-01-16 1988-12-12 Valtion Teknillinen Acoustic flow measurement method and device for application thereof.
FI87493C (en) * 1991-12-23 1993-01-11 Kytoelae Instrumenttitehdas OVER ANCHORING FOR OVER MAINTENANCE AV STROEMNINGSHASTIGHETEN AV GASER OCH / ELLER STORHETER SOM KAN HAERLEDAS FRAON DENNA

Also Published As

Publication number Publication date
FI89835B (en) 1993-08-13
FI924880A0 (en) 1992-10-28
FI88208B (en) 1992-12-31
WO1993020411A1 (en) 1993-10-14
FI921448A0 (en) 1992-04-01
FI88208C (en) 1993-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5770806A (en) Acoustic flow measurement method and measurement apparatus implementing the method
FI89835C (en) Method and apparatus for determining the velocity of a gas flowing in a pipe
US20090025487A1 (en) Apparatus and method for attenuating acoustic waves in propagating within a pipe wall
JP6568085B2 (en) Method and apparatus for determining kinematic viscosity through transmission and reception of ultrasonic energy
JP2008134267A (en) Ultrasonic flow measurement method
CA2101652C (en) Measurement of the flow velocities of gases and/or of quantities that can be derived from same
RU2660011C1 (en) Method and device for ultrasonic flow method measurement and layout device for controlling ultrasonic flow measurements by practical method
CN108431554B (en) Fluid measuring device
JP4520552B2 (en) Method and apparatus for measuring the flow velocity of a fluid flow
JP4180396B2 (en) Ultrasonic flow meter and ultrasonic flow measurement method
JP4797515B2 (en) Ultrasonic flow measuring device
AU2007277095B2 (en) Apparatus and method for attenuating acoustic waves in propagating within a pipe wall
JP2004028994A (en) Ultrasonic flowmeter and method for measuring flow rate
JPWO2020183719A1 (en) Flow measuring device
JP2000146643A (en) Ultrasonic flowmeter
CN1078552A (en) The assay method and the device of gas velocity in the pipe
RU2453815C2 (en) Method and apparatus for acoustic measurement of gas flow rate
JP3368305B2 (en) Ultrasonic flow meter
JPH08193861A (en) Flow-rate measuring apparatus
SU1030656A1 (en) Ultrasonic flowmeter
JP3696229B2 (en) Ultrasonic flow meter and flow rate measurement method
SU1374069A1 (en) Method of determining acoustic characteristics of exhaust system elements of internal combustion engine
Nemade et al. Sensing turbulence transit time by pulsed ultrasound for single-phase fluid flow measurement
RU75735U1 (en) ULTRASONIC FLOW METER
JPS5866056A (en) Ultrasonic doppler type current meter

Legal Events

Date Code Title Description
BB Publication of examined application
MM Patent lapsed