RU2768295C1 - Method of measuring fluid velocity in a pipeline - Google Patents

Method of measuring fluid velocity in a pipeline Download PDF

Info

Publication number
RU2768295C1
RU2768295C1 RU2021115667A RU2021115667A RU2768295C1 RU 2768295 C1 RU2768295 C1 RU 2768295C1 RU 2021115667 A RU2021115667 A RU 2021115667A RU 2021115667 A RU2021115667 A RU 2021115667A RU 2768295 C1 RU2768295 C1 RU 2768295C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
correlation function
pipeline
window
maximum
time
Prior art date
Application number
RU2021115667A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Вячеславович Соловьев
Яков Михайлович Карпунькин
Дмитрий Александрович Столяров
Original Assignee
АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Моринформсистема-Агат-КИП"
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 АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Моринформсистема-Агат-КИП" filed Critical АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "Моринформсистема-Агат-КИП"
Priority to RU2021115667A priority Critical patent/RU2768295C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2768295C1 publication Critical patent/RU2768295C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.
SUBSTANCE: method of measuring the speed of a fluid in a pipeline includes generating a probing ultrasonic signal emitted at a first point of the pipeline, converting the ultrasonic signal received at a second point of the pipeline into a digital form, formation of correlation function Ψ received and reference signals with subsequent creation in correlation function Ψ sequence of N time windows with monotonously decreasing time lengths, finding in each window the time position of the maximum of the correlation function, determining the desired maximum of the correlation function Ψmax by value of time position of local maximum of correlation function in N-th window, use Ψmax to determine the propagation time of the ultrasonic signal between the two said points of the pipeline with subsequent calculation of the velocity of the fluid medium in the pipeline.
EFFECT: providing faster operation of the method with high accuracy of measuring the velocity of the fluid in the pipeline.
5 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способам измерения скорости текучих сред в трубопроводах с помощью определения времени распространения в текучих средах, например, акустических сигналов, и может быть использовано, в частности, в ультразвуковых расходомерах для расчета количества прошедшей через расходомер жидкой среды.The present invention relates to methods for measuring the speed of fluids in pipelines by determining the propagation time in fluids, for example, acoustic signals, and can be used, in particular, in ultrasonic flow meters to calculate the amount of liquid passed through the flow meter.

Для измерения скорости текучей среды в трубопроводе при использовании в качестве зондирующих сигналов ультразвука необходимо с высокой точностью определить положения характерных точек ультразвукового сигнала, ускоренного или замедленного потоком жидкой среды.To measure the velocity of a fluid medium in a pipeline when using ultrasound as probing signals, it is necessary to determine with high accuracy the positions of the characteristic points of an ultrasonic signal accelerated or decelerated by the flow of a liquid medium.

Широко известным подходом является способ, в котором начиная с момента начала ожидания принимаемого сигнала происходит преобразование аналогового сигнала в последовательность цифровых отсчетов определенной частотой дискретизации с последующей интерполяцией в требуемое количество раз и вычислением корреляционной функции полученного массива цифровых отсчетов (принятого сигнала) с массивом, содержащим образец сигнала (с эталонным сигналом). По положению максимального значения корреляционной функции определяется положение сигнала в интерполированном массиве и рассчитывается время распространения ультразвукового сигнала между двумя пространственно разнесенными в направлении потока текучей среды точками.A widely known approach is a method in which, starting from the moment of waiting for the received signal, the analog signal is converted into a sequence of digital samples with a certain sampling rate, followed by interpolation by the required number of times and the calculation of the correlation function of the resulting array of digital samples (received signal) with an array containing a sample signal (with reference signal). The position of the maximum value of the correlation function determines the position of the signal in the interpolated array and calculates the propagation time of the ultrasonic signal between two points spaced apart in the direction of the fluid flow.

Следует также отметить, что вычисление корреляционной функции требует длительной обработки большого объема данных, что особенно существенно в условиях применения вычислительных устройств с ограниченной производительностью (микроконтроллеров, микропроцессоров и т.д.), и делает актуальным обеспечение достаточно высокого быстродействия применяемых при этом способов.It should also be noted that the calculation of the correlation function requires a long processing of a large amount of data, which is especially important when using computing devices with limited performance (microcontrollers, microprocessors, etc.), and makes it important to ensure a sufficiently high speed of the methods used in this case.

Известен способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе путем расчета времени распространения ультразвукового сигнала между двумя точками, пространственно разнесенными в направлении потока текучей среды, в котором формируют ультразвуковой сигнал (передаваемый одним датчиком и принимаемый другим датчиком) и эталонный акустический сигнал, осуществляют преобразование упомянутых сигналов в цифровую форму, вычисляют корреляционную функцию принятого и эталонного сигналов, формируют в принятом сигнале последовательность измерительных временных окон с монотонно убывающей временной протяженностью, определяя и уточняя при этом на каждом шаге положение точки пересечения нулевой линии, соответствующей временному сдвигу между известным эталонным сигналом и принятым сигналом и связанной с временным положением максимума корреляционной функции, и рассчитывают время прохождения принятого ультразвукового сигнала с разрешением, определяемым частотой дискретизации. Поскольку частота дискретизации сигнала по мере его сканирования на каждом шаге в окне все меньшего и меньшего размера увеличивается, временной сдвиг между принятым и эталонным сигналом может быть определен на заключительном шаге с высокой точностью. Пошаговое уменьшение размера измерительного временного окна на основе примерной оценки положения принятого сигнала на предыдущем шаге позволяет существенно уменьшить протяженность окна и, соответственно, требования к объему данных, содержащихся в памяти устройства, осуществляющего процесс измерения. Как следствие, повышается быстродействие способа измерения скорости текучей среды в трубопроводе (патент ЕПВ №797105, МПК G01S 15/10, 1997 г.)There is a known method for measuring the velocity of a fluid medium in a pipeline by calculating the propagation time of an ultrasonic signal between two points spatially separated in the direction of the fluid flow, in which an ultrasonic signal is formed (transmitted by one sensor and received by another sensor) and a reference acoustic signal, the said signals are converted into digital form, calculate the correlation function of the received and reference signals, form in the received signal a sequence of measuring time windows with a monotonically decreasing time length, determining and refining at each step the position of the zero line intersection point corresponding to the time shift between the known reference signal and the received signal, and associated with the time position of the maximum of the correlation function, and calculate the transit time of the received ultrasonic signal with a resolution determined by the sampling frequency. Since the sampling frequency of the signal increases as it is scanned at each step in a smaller and smaller window, the time shift between the received and the reference signal can be determined at the final step with high accuracy. A step-by-step reduction in the size of the measurement time window based on an approximate estimate of the position of the received signal at the previous step can significantly reduce the length of the window and, accordingly, the requirements for the amount of data contained in the memory of the device that performs the measurement process. As a result, the speed of the method for measuring the velocity of a fluid medium in a pipeline is increased (EPV patent No. 797105, IPC G01S 15/10, 1997)

Недостатком известного способа является недостаточное быстродействие, связанное с тем, что алгоритмы корреляции требуют существенно больших вычислительных ресурсов по сравнению с алгоритмами интерполяции. В известном способе последовательность

Figure 00000001
окон формируется в принятом сигнале, в каждом окне происходит увеличение количества точек (интерполяция), и для каждого временного окна применяются алгоритмы корреляции. Как следствие, в рамках одних и тех же аппаратных вычислительных средств это приводит к снижению быстродействия способа.The disadvantage of the known method is insufficient performance due to the fact that the correlation algorithms require significantly more computing resources compared to the interpolation algorithms. In a known way, the sequence
Figure 00000001
windows is formed in the received signal, in each window the number of points increases (interpolation), and correlation algorithms are applied for each time window. As a consequence, within the same hardware computing means, this leads to a decrease in the speed of the method.

Известен способ акустического измерения расхода текучих сред, в котором используется взаимная корреляция сигналов, распространяющихся по потоку и против потока (патент РФ №2234682, МПК G01F 1/66, 2009 г.). Такой подход накладывает ограничения на уровень и качество сигнала, приводит к дополнительным затратам на обработку как входного массива, так выходного массива корреляционной функции, снижая быстродействие способа. Кроме того, усложняется аппаратная реализация способа, так как в этом случае требуется использовать два независимых и синхронно работающих канала аналого-цифрового преобразованияA known method of acoustic measurement of the flow of fluids, which uses the mutual correlation of signals propagating downstream and upstream (RF patent No. 2234682, IPC G01F 1/66, 2009). This approach imposes restrictions on the level and quality of the signal, leads to additional costs for processing both the input array and the output array of the correlation function, reducing the speed of the method. In addition, the hardware implementation of the method becomes more complicated, since in this case it is required to use two independent and synchronously operating analog-to-digital conversion channels.

Известен способ измерения текучей среды в трубопроводе по патенту РФ №2696823, МПК G01F 1/66, 2019 г., в котором используется принцип корреляции сигналов с изменяемым, искусственно созданным запаздыванием и поиск максимума между полученными результатами корреляций. Недостатком известного способа является то, что для обеспечения требуемой точности измерения требуется посылка нескольких зондирующих ультразвуковых сигналов (причем точность измерения будет тем выше, чем больше число зондирующих сигналов), а также определение корреляции для каждого из них, что, в конечном итоге, существенно снижает быстродействие способа. Кроме того, применение указанного способа требует значительных вычислительных ресурсов.A known method for measuring fluid in a pipeline according to the patent of the Russian Federation No. 2696823, IPC G01F 1/66, 2019, which uses the principle of signal correlation with a variable, artificially created delay and the search for a maximum between the obtained results of correlations. The disadvantage of the known method is that to ensure the required measurement accuracy, it is required to send several probing ultrasonic signals (moreover, the measurement accuracy will be the higher, the greater the number of probing signals), as well as determining the correlation for each of them, which, ultimately, significantly reduces speed of the method. In addition, the application of this method requires significant computing resources.

В качестве ближайшего технического решения к заявляемому способу выбран способ измерения скорости потока в ультразвуковом расходомере, описанный в патенте США №10753777, МПК G01F 1/66, 2020 г.As the closest technical solution to the claimed method, the method of measuring the flow rate in an ultrasonic flow meter, described in US patent No. 10753777, IPC G01F 1/66, 2020, was chosen.

Указанный способ заключается в следующем. На первом этапе вычисляется первая корреляционная функция измеряемого сигнала с первым эталонным (опорным) сигналом и по временному сдвигу между измеряемым сигналом и первым опорным сигналом производится грубая оценка времени распространения ультразвукового сигнала. Для более точного определения времени распространения ультразвукового сигнала рассчитывается вторая корреляционная функция между измеряемым сигналом и вторым опорным сигналом, который может являться фрагментом первого опорного сигнала, например, «вырезанным» в соответствующем временном окне.This method is as follows. At the first stage, the first correlation function of the measured signal with the first reference (reference) signal is calculated, and a rough estimate of the propagation time of the ultrasonic signal is made from the time shift between the measured signal and the first reference signal. For a more accurate determination of the ultrasonic signal propagation time, a second correlation function is calculated between the measured signal and the second reference signal, which may be a fragment of the first reference signal, for example, “cut out” in the corresponding time window.

Опорные сигналы могут быть получены на стадии калибровки прибора или в процессе его работы.Reference signals can be obtained at the stage of instrument calibration or during its operation.

Для выбора опорных точек во второй корреляционной функции используются опорные точки из первой корреляционной функции, причем указанная процедура может осуществляться с помощью установления во второй корреляционной функции

Figure 00000002
окна.To select the reference points in the second correlation function, the reference points from the first correlation function are used, and this procedure can be carried out by setting in the second correlation function
Figure 00000002
window.

На базе нахождения во второй корреляционной функции

Figure 00000003
положения локального экстремума рассчитывается время распространения ультразвукового сигнала. Ограничение количества значений корреляционной функции при использовании окна, имеющего существенно меньшую протяженность по сравнению с общей протяженностью корреляционной функции, сокращает время расчетов, т.е. повышает быстродействие способа.Based on being in the second correlation function
Figure 00000003
the position of the local extremum, the propagation time of the ultrasonic signal is calculated. Limiting the number of values of the correlation function when using a window that has a significantly smaller length compared to the total length of the correlation function reduces the calculation time, i.e. improves the speed of the method.

Недостатком способа, принятого в качестве ближайшего аналога, является необходимость вычисления нескольких корреляционных функций для уточнения

Figure 00000004
положения локального экстремума, что снижает быстродействие способа. Кроме этого, при использовании для вычислений нескольких циклов зондирования, снижается точность измерений за счет использования при вычислениях данных, которые существенно изменяются при изменении скорости распространения ультразвуковых колебаний в разных циклах зондирования (например, при резком изменении температуры), затрудняется точная идентификация реального максимума корреляционной функции в ограниченном временном окне, определенном на предыдущих этапах измерений, т.е. возникает вероятность «потери» упомянутого максимума.The disadvantage of the method adopted as the closest analogue is the need to calculate several correlation functions to refine
Figure 00000004
position of the local extremum, which reduces the speed of the method. In addition, when several probing cycles are used for calculations, the accuracy of measurements decreases due to the use of data in calculations that change significantly with a change in the propagation velocity of ultrasonic vibrations in different probing cycles (for example, with a sharp change in temperature), it is difficult to accurately identify the real maximum of the correlation function within a limited time window determined at the previous measurement stages, i.e. there is a possibility of "loss" of the mentioned maximum.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения - повышение быстродействия способа при обеспечении высокой точности измерения скорости текучей среды в трубопроводе.The technical result achieved by using the invention is to increase the speed of the method while ensuring high accuracy in measuring the velocity of the fluid in the pipeline.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения скорости текучей среды в трубопроводе, включающем формирование зондирующего ультразвукового сигнала, испущенного в первой точке трубопровода, преобразование ультразвукового сигнала, принятого во второй точке трубопровода, пространственно разнесенной от первой точки в направлении потока текучей среды, в цифровую форму, использование корреляционной процедуры сравнения принятого и эталонного сигналов для определения времени распространения ультразвукового сигнала между первой и второй точками трубопровода, и последующий расчет скорости текучей среды в трубопроводе, корреляционную процедуру сравнения принятого и эталонного сигналов осуществляют путем формирования корреляционной функции Ψ принятого и эталонного сигналов с последующим созданием в корреляционной функции Ψ последовательности N временных окон с монотонно убывающими временными протяженностями, при этом выбирают первое временное окно в окрестности точки локального максимума корреляционной функции; осуществляют интерполяцию отсчетов корреляционной функции в первом окне с получением уточненного значения

Figure 00000005
положения локального максимума корреляционной функции в данном окне, повторяют указанную процедуру для последующих k окон, где N≥k>1, причем каждое окно с номером k формируется в окрестности уточненного
Figure 00000006
положения локального максимума корреляционной функции в предыдущем (k-1) окне, находят
Figure 00000007
положение максимума корреляционной функции Ψmax, равное
Figure 00000008
положению локального максимума корреляционной функции в N-ом окне, и используют найденное значение
Figure 00000009
положения максимума корреляционной функции Ψмах для определения времени распространения ультразвукового сигнала между двумя упомянутыми точками трубопровода.The specified technical result is achieved by the fact that in the method for measuring the velocity of a fluid in a pipeline, including the formation of a probing ultrasonic signal emitted at the first point of the pipeline, the conversion of the ultrasonic signal received at the second point of the pipeline, spatially spaced from the first point in the direction of the fluid flow, into digital form, using the correlation procedure for comparing the received and reference signals to determine the propagation time of the ultrasonic signal between the first and second points of the pipeline, and the subsequent calculation of the fluid velocity in the pipeline, the correlation procedure for comparing the received and reference signals is carried out by forming the correlation function Ψ of the received and reference signals with the subsequent creation in the correlation function Ψ of a sequence of N time windows with monotonically decreasing time extensions, while choosing the first time window in the vicinity of the lock point flax maximum of the correlation function; interpolate the readings of the correlation function in the first window to obtain an updated value
Figure 00000005
the position of the local maximum of the correlation function in this window, repeat the indicated procedure for subsequent k windows, where N≥k>1, and each window with number k is formed in the vicinity of the refined
Figure 00000006
the position of the local maximum of the correlation function in the previous (k-1) window, find
Figure 00000007
the position of the maximum of the correlation function Ψmax, equal to
Figure 00000008
the position of the local maximum of the correlation function in the Nth window, and use the found value
Figure 00000009
the position of the maximum of the correlation function Ψ max to determine the propagation time of the ultrasonic signal between the two mentioned points of the pipeline.

Указанный технический результат достигается также тем, что

Figure 00000010
протяженность первого окна в корреляционной функции T1 выбирают из условия: T1≤0,25Т, где Т -
Figure 00000011
протяженность корреляционной функции Ψ.This technical result is also achieved by the fact that
Figure 00000010
the length of the first window in the correlation function T 1 is selected from the condition: T 1 ≤0.25T, where T -
Figure 00000011
extension of the correlation function Ψ.

Указанный технический результат достигается также тем, что количество

Figure 00000012
окон N выбирается в диапазоне (2-5).The specified technical result is also achieved by the fact that the number
Figure 00000012
windows N is selected in the range (2-5).

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве принятого и эталонного сигналов используют ультразвуковые сигналы, распространяющиеся по потоку.The specified technical result is also achieved by the fact that ultrasonic signals propagating along the stream are used as the received and reference signals.

Указанный технический результат достигается также тем, что в качестве принятого и эталонного сигналов используют ультразвуковые сигналы, распространяющиеся против потока.The specified technical result is also achieved by the fact that ultrasonic signals propagating against the flow are used as the received and reference signals.

Изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 схематически показан принцип измерения скорости распространения ультразвукового сигнала в текучей среде, на фиг. 2 приведена эпюра эталонного сигнала, на фиг. 3 показана эпюра оцифрованного принятого сигнала, зарегистрированного приемопередатчиком 2, на фиг. 4 приведена эпюра корреляционной функции принятого и эталонного сигналов с наложенным на нее первым временным окном и точкой локального максимума, на фиг. 5 иллюстрируется нахождение уточненного максимума корреляционной функции после первой интерполяции, на фиг. 6 показан максимум корреляционной функции Ψmax, определенный на заключительном этапе интерполяционной процедуры в N-ом окне.The invention is illustrated in the drawings. In FIG. 1 schematically shows the principle of measuring the propagation velocity of an ultrasonic signal in a fluid, FIG. 2 shows a diagram of the reference signal, Fig. 3 shows a diagram of the digitized received signal recorded by the transceiver 2, FIG. 4 shows a diagram of the correlation function of the received and reference signals with the first time window superimposed on it and the point of the local maximum, in FIG. 5 illustrates finding the refined maximum of the correlation function after the first interpolation, FIG. 6 shows the maximum of the correlation function Ψmax determined at the final stage of the interpolation procedure in the Nth window.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Приемопередатчик 2 регистрирует ультразвуковой сигнал (принятый сигнал), испущенный приемопередатчиком 1 с частотой ультразвуковых колебаний F0 и распространяющийся по трубопроводу 3, например, в направлении протекания текучей среды (по потоку). Затем принятый сигнал оцифровывается (фиг. 3) с частотой более 2⋅F0. Частота дискретизации F0 ограничена аппаратными средствами (АЦП) и недостаточна для определения

Figure 00000013
положения принятого сигнала с требуемой точностью. На следующем этапе вычисляется корреляционная функция принятого и эталонного сигналов (фиг. 4). Эталонный сигнал (фиг. 2) может быть получен на этапе калибровки или рассчитан теоретическим путем.The inventive method is implemented as follows. The transceiver 2 detects an ultrasonic signal (received signal) emitted by the transceiver 1 at an ultrasonic frequency F 0 and propagating along the pipeline 3, for example, in the direction of the fluid flow (downstream). Then the received signal is digitized (Fig. 3) with a frequency of more than 2⋅F 0 . The sampling frequency F 0 is limited by hardware (ADC) and is insufficient to determine
Figure 00000013
position of the received signal with the required accuracy. At the next stage, the correlation function of the received and reference signals is calculated (Fig. 4). The reference signal (FIG. 2) can be obtained at the calibration stage or calculated theoretically.

Частота дискретизации (дискретность) корреляционной функции недостаточна для определения

Figure 00000014
положения принятого сигнала с требуемой точностью. Как видно из фиг. 4, корреляционная функция Ψ имеет гармоническую форму без ярко выраженного максимума, что при недостаточной частоте дискретизации может привести к ошибке при выборе полуволны функции с максимальной амплитудой. Для повышения точности определения
Figure 00000015
положения принятого сигнала проводят интерполяцию корреляционной функции с формированием последовательности N временных окон с монотонно убывающей временной протяженностью. Теоретически количество окон не ограничено, но, как установил заявитель, для обеспечения высокого быстродействия при невысоких аппаратных затратах достаточно использовать от 2-х до 5-и окон.The sampling frequency (discreteness) of the correlation function is insufficient to determine
Figure 00000014
position of the received signal with the required accuracy. As can be seen from FIG. 4, the correlation function Ψ has a harmonic form without a pronounced maximum, which, if the sampling frequency is insufficient, can lead to an error when choosing a half-wave of the function with the maximum amplitude. To improve the accuracy of determining
Figure 00000015
positions of the received signal carry out the interpolation of the correlation function with the formation of a sequence of N time windows with a monotonically decreasing time length. Theoretically, the number of windows is not limited, but, as the applicant has established, to ensure high performance at low hardware costs, it is sufficient to use from 2 to 5 windows.

На начальном этапе обработки данных в корреляционной функции Ψ формируется первое временное окно T1 (показано в виде пунктирной рамки на фиг. 4) в окрестности точки локального максимума корреляционной функции в данном окне (или, говоря иначе, выбирается массив данных, находящихся в окрестностях такой точки).At the initial stage of data processing, the first time window T 1 is formed in the correlation function Ψ (shown as a dotted frame in Fig. 4) in the vicinity of the point of the local maximum of the correlation function in this window (or, in other words, an array of data is selected located in the vicinity of such points).

Временную протяженность первого окна T1 выбирают из условия: T1≤0,25Т, где Т - временная протяженность корреляционной функции Ψ. На с следующем этапе осуществляется интерполяция корреляционной функции в окрестности локального максимума в данном окне с уточнением временного положения локального максимума.The time length of the first window T 1 is selected from the condition: T 1 ≤0.25T, where T is the time length of the correlation function Ψ. At the next stage, the interpolation of the correlation function is carried out in the vicinity of the local maximum in this window with the specification of the temporal position of the local maximum.

В предпочтительном варианте реализации способа Т1 содержит в себе 3-5 локальных максимумов, соседних с найденным максимумом корреляционной функции в первом окне. Тогда интерполяция производится с захватом одного-двух локальных максимумов до и одного-двух - после найденной точки локального максимума, соответствующим 3-5 периодам.In the preferred embodiment of the method, T 1 contains 3-5 local maxima adjacent to the found maximum of the correlation function in the first window. Then the interpolation is performed with the capture of one or two local maxima before and one or two - after the found point of the local maximum, corresponding to 3-5 periods.

На фиг. 5 приведена корреляционная функция с уточненным на данном этапе после первой интерполяции временным положением локального максимума.In FIG. Figure 5 shows the correlation function with the time position of the local maximum corrected at this stage after the first interpolation.

Далее осуществляют формирование в корреляционной функции последовательности k окон с монотонно убывающей временной протяженностью Tk, где N≥k>1, а Tk<Tk-1, причем каждое k-ое окно формируется в окрестности уточненного значения

Figure 00000016
положения максимума корреляционной функции в предыдущем (k-1) окне, определяют уточненное значение временного положения максимума в данном окне и осуществляют интерполяцию корреляционной функции в окрестности упомянутого временного положения.
Figure 00000017
положение локального максимума корреляционной функции, найденное на N-ом этапе (в N-ом окне) - фиг. 6 - после уточнения его значения и интерполяции, полагают равному искомому
Figure 00000018
положению максимума корреляционной функции Ψmax.Next, a sequence of k windows is formed in the correlation function with a monotonically decreasing time length T k , where N≥k>1, and T k <T k-1 , and each k-th window is formed in the vicinity of the refined value
Figure 00000016
the position of the maximum of the correlation function in the previous (k-1) window, determine the specified value of the time position of the maximum in this window and interpolate the correlation function in the vicinity of the said time position.
Figure 00000017
the position of the local maximum of the correlation function found at the N-th stage (in the N-th window) - fig. 6 - after clarifying its value and interpolation, it is assumed to be equal to the desired
Figure 00000018
the position of the maximum of the correlation function Ψmax.

Найденное значение

Figure 00000019
положения Ψmax используют для определения времени распространения ультразвукового сигнала между двумя пространственное разнесенными в направлении потока текучей среды точками. Скорость текучей среды в трубопроводе вычисляется в зависимости от проекции траектории распространения ультразвуковых колебаний на ось потока жидкости и разницы времен распространения сигнала между приемником и передатчиком по потоку и против потока.Found value
Figure 00000019
the positions Ψmax are used to determine the propagation time of the ultrasonic signal between two points spaced apart in the direction of fluid flow. The speed of the fluid medium in the pipeline is calculated depending on the projection of the trajectory of propagation of ultrasonic vibrations on the axis of the fluid flow and the difference in the propagation time of the signal between the receiver and transmitter along the flow and against the flow.

Заявляемый способ позволяет определять время прохождения ультразвукового сигнала в текучей среде с точностью до десятков пикосекунд. Он свободен от сделанного в ближайшем аналоге допущения о соотношении между скоростью текучей среды и скоростью распространения в текучей среде ультразвука с одной стороны, и скоростью очередного этапа зондирования и измерения результатов с другой стороны, и, как следствие, для получения результатов измерений с требуемой точностью при использовании предлагаемого способа не требуется большого числа циклов измерения. Способ позволяет определить точное время прохождения сигнала за одну итерацию зондирования (один цикл зондирования, оцифровки и обработки данных), что позволяет быстро реагировать на изменение скорости потока среды.The inventive method makes it possible to determine the transit time of an ultrasonic signal in a fluid medium with an accuracy of tens of picoseconds. It is free from the assumption made in the closest analogue about the relationship between the velocity of the fluid medium and the velocity of propagation in the fluid medium of ultrasound on the one hand, and the speed of the next stage of probing and measuring the results on the other hand, and, as a result, to obtain measurement results with the required accuracy at Using the proposed method does not require a large number of measurement cycles. The method makes it possible to determine the exact signal transit time in one iteration of probing (one cycle of probing, digitization and data processing), which makes it possible to quickly respond to changes in the flow rate of the medium.

Предлагаемый способ позволяет примерно в 32 раза сократить время обработки сигнала при работе с массивами исходных данных объемом 512 отсчетов и образца сигнала объемом 256 отсчетов при увеличении условной интерполяции в 1024 раза, и существенно увеличить быстродействие процесса измерения скорости текучей среды в трубопроводе. Он также позволяет использовать аппаратные средства, необходимые для реализации способа, с ограниченными ресурсами памяти, с небольшой вычислительной мощностью и с аналого-цифровым преобразователем с достаточно малой частотой дискретизации, например, превышающей частоту зондирующего сигнала всего в 6-8 раз.The proposed method allows to reduce the signal processing time by approximately 32 times when working with arrays of initial data with a volume of 512 samples and a signal sample with a volume of 256 samples with an increase in conditional interpolation by a factor of 1024, and significantly increase the speed of the process of measuring the fluid velocity in the pipeline. It also makes it possible to use the hardware necessary to implement the method with limited memory resources, low computing power, and with an analog-to-digital converter with a sufficiently low sampling rate, for example, exceeding the frequency of the probing signal by only 6-8 times.

Claims (5)

1. Способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе, включающий формирование зондирующего ультразвукового сигнала, испущенного в первой точке трубопровода, преобразование ультразвукового сигнала, принятого во второй точке трубопровода, пространственно разнесенной от первой точки в направлении потока текучей среды, в цифровую форму, использование корреляционной процедуры сравнения принятого и эталонного сигналов для определения времени распространения ультразвукового сигнала между первой и второй точками трубопровода и последующий расчет скорости текучей среды в трубопроводе, отличающийся тем, что корреляционную процедуру сравнения принятого и эталонного сигналов осуществляют путем формирования корреляционной функции Ψ принятого и эталонного сигналов с последующим созданием в корреляционной функции Ψ последовательности N временных окон с монотонно убывающими временными протяженностями, при этом выбирают первое временное окно в окрестности точки локального максимума корреляционной функции; осуществляют интерполяцию отсчетов корреляционной функции в первом окне с получением уточненного значения
Figure 00000020
положения максимума корреляционной функции в данном окне, повторяют указанную процедуру для последующих k окон, где N≥k>1, причем каждое окно с номером k формируется в окрестности уточненного
Figure 00000021
положения максимума корреляционной функции в предыдущем (k-1) окне, находят
Figure 00000022
положение максимума корреляционной функции Ψmax, равное
Figure 00000023
положению максимума корреляционной функции в N-м окне, и используют найденное значение
Figure 00000024
положения максимума корреляционной функции Ψmax для определения времени распространения ультразвукового сигнала между двумя упомянутыми точками трубопровода.1. A method for measuring the velocity of a fluid in a pipeline, which includes generating a probing ultrasonic signal emitted at the first point of the pipeline, converting the ultrasonic signal received at the second point of the pipeline, spatially separated from the first point in the direction of the fluid flow, into digital form, using a correlation procedure comparison of the received and reference signals to determine the propagation time of the ultrasonic signal between the first and second points of the pipeline and the subsequent calculation of the velocity of the fluid in the pipeline, characterized in that the correlation procedure for comparing the received and reference signals is carried out by forming the correlation function Ψ of the received and reference signals with subsequent creation in the correlation function Ψ of a sequence of N time windows with monotonically decreasing time extensions, while choosing the first time window in the vicinity of the point of the local maximum of the correlation functions; interpolate the readings of the correlation function in the first window to obtain an updated value
Figure 00000020
the position of the maximum of the correlation function in this window, repeat the specified procedure for subsequent k windows, where N≥k>1, and each window with number k is formed in the vicinity of the refined
Figure 00000021
the positions of the maximum of the correlation function in the previous (k-1) window, find
Figure 00000022
the position of the maximum of the correlation function Ψmax, equal to
Figure 00000023
the position of the maximum of the correlation function in the Nth window, and use the found value
Figure 00000024
the position of the maximum of the correlation function Ψmax to determine the propagation time of the ultrasonic signal between the two mentioned points of the pipeline. 2. Способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе по п. 1, отличающийся тем, что временную протяженность первого окна T1 выбирают из условия: T1≤0,25Т, где Т - временная протяженность корреляционной функции Ψ.2. The method for measuring the speed of the fluid in the pipeline according to claim 1, characterized in that the time length of the first window T 1 is selected from the condition: T 1 ≤0.25T, where T is the time length of the correlation function Ψ. 3. Способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе по п. 1, отличающийся тем, что количество временных окон N выбирается в диапазоне (2-5).3. The method of measuring the velocity of the fluid in the pipeline according to claim 1, characterized in that the number of time windows N is selected in the range (2-5). 4. Способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе по п. 1, отличающийся тем, что в качестве принятого и эталонного сигналов используют ультразвуковые сигналы, распространяющиеся по потоку.4. A method for measuring the velocity of a fluid medium in a pipeline according to claim 1, characterized in that ultrasonic signals propagating along the flow are used as the received and reference signals. 5. Способ измерения скорости текучей среды в трубопроводе по п. 1, отличающийся тем, что в качестве принятого и эталонного сигналов используют ультразвуковые сигналы, распространяющиеся против потока.5. The method of measuring the velocity of a fluid medium in a pipeline according to claim 1, characterized in that ultrasonic signals propagating against the flow are used as the received and reference signals.
RU2021115667A 2021-05-31 2021-05-31 Method of measuring fluid velocity in a pipeline RU2768295C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021115667A RU2768295C1 (en) 2021-05-31 2021-05-31 Method of measuring fluid velocity in a pipeline

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021115667A RU2768295C1 (en) 2021-05-31 2021-05-31 Method of measuring fluid velocity in a pipeline

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2768295C1 true RU2768295C1 (en) 2022-03-23

Family

ID=80819262

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021115667A RU2768295C1 (en) 2021-05-31 2021-05-31 Method of measuring fluid velocity in a pipeline

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2768295C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11241934A (en) * 1998-02-26 1999-09-07 Ultrasonic Eng Co Ltd Ultrasonic flowmeter
US7254494B2 (en) * 2002-11-25 2007-08-07 Instromet Ultrasonics B.V. Ultrasonic signal processing method and applications thereof
US10753777B2 (en) * 2015-05-15 2020-08-25 Reliance Worldwide Corporation Method and system for fluid flow rate measurement
EP3705852A1 (en) * 2019-03-07 2020-09-09 Diehl Metering GmbH Method for detecting fluid volume

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11241934A (en) * 1998-02-26 1999-09-07 Ultrasonic Eng Co Ltd Ultrasonic flowmeter
US7254494B2 (en) * 2002-11-25 2007-08-07 Instromet Ultrasonics B.V. Ultrasonic signal processing method and applications thereof
US10753777B2 (en) * 2015-05-15 2020-08-25 Reliance Worldwide Corporation Method and system for fluid flow rate measurement
EP3705852A1 (en) * 2019-03-07 2020-09-09 Diehl Metering GmbH Method for detecting fluid volume

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2020233686B2 (en) Improved Signal Travel Time Flow Meter
JP4953001B2 (en) Flow rate measuring device, flow rate measuring method, and computer program
AU2018208683B2 (en) Flow meter configuration and calibration
KR100381874B1 (en) An ultrasonic diagnostic apparatus and method for measuring blood flow velocities using doppler effect
US9448150B2 (en) Method and apparatus for determining kinematic viscosity through the transmission and reception of ultrasonic energy
JP2003344131A (en) Ultrasonic flow velocity distribution and flowmeter
JP2005241546A (en) Doppler ultrasonic flowmeter, processing device thereof and program
CN105022036B (en) Wind profile radar wind speed assay method
JP2015529795A (en) Method and system for correcting for temperature changes in an ultrasonic inspection system
US11340100B2 (en) Method for evaluating measurement data sequences of an ultrasonic flow measuring device and ultrasonic flow measuring device
US7409300B2 (en) Ultrasonic flow-velocity distribution meter/flowmeter, method of ultrasonically measuring flow velocity distribution/flowrate, program for ultrasonically measuring flow velocity distribution/flowrate
CN113375737A (en) Flow velocity metering method of time difference type ultrasonic gas flowmeter
JP2002519644A (en) Sound wave transit time measurement system
US10955273B2 (en) Extended range ADC flow meter
RU2768295C1 (en) Method of measuring fluid velocity in a pipeline
CN112304376B (en) Ultrasonic flowmeter flow measuring method based on data fusion
CN107576964B (en) Echo time measuring method of linear frequency conversion signal
Gerasimov et al. Applications of digital signal processing methods in ultrasonic flowmeters
KR100739506B1 (en) Ultrasonic distance measuring method using matched filter of reduced calculation
CN112147366A (en) Method for measuring fluid velocity using ultrasound
CN112763023B (en) High-precision measurement output processing method of radar level gauge based on optimized data model
Gerasimov et al. Subsample time delay estimation by quadratic interpolation of correlation function of digitized ultrasonic probing signals
JP2002303645A (en) Frequency measuring apparatus, frequency measuring method and radar system
JP4904099B2 (en) Pulse signal propagation time measurement device and ultrasonic flow measurement device
Li et al. Study on transit-Time ultrasonic flow meter with waveform analysis