TWI747357B - 超音波流量計之流量量測方法 - Google Patents

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Abstract

一種流量量測的方法包含：建立包括複數流場剖面的資料庫；透過複數轉換器量測流場中的流體，其中每二該轉換器之間具有表示該二轉換器之間的流體的流速的聲路，其中由這些流速獲得特徵圖；將該特徵圖透過比對方法比對該資料庫且由該些流場剖面選擇識別流場剖面，其中該識別流場剖面具有對應該特徵圖的加權函數；以及，透過此加權函數校正流速。

Description

超音波流量計之流量量測方法
本發明關於一種流量測方法，特別是關於一種校正流場中的流場剖面的流量量測方法。
流量計是人類不可或缺的必需品，例如洩漏偵測或流量控制。隨著科技的發展，發展出許多種類的流量計，例如超音波、壓差、正位移、渦輪、渦流、熱式和多相位流量計。在這些流量計之中，超音波流量計相較於其他種流量計具有許多特點，包括雙向量測、非侵入式量測以及沒有位移件。因此，超音波流量計的運作成本以及維護成本低於其他量測機制的流量計。
然而，超音波流量計仍然有其缺點，缺點其中之一便是量測準確率。例如但不限於，在真實狀況下，流場並非是中心對稱或充分發展，或是彎曲管路或短管路。因為超音波流量計的聲路無法覆蓋管路截面的全部面積，超音波流量計的準確率受不對稱流場以及非充分發展流場的影響。上述問題可例如透過增加轉換器的數量來消除。儘管如此，當轉換器的數量增加後，超音波流量計的製造成本也會增加。再者，超音波流量計的尺寸也會被放大，因而占用較大的安裝空間。
本發明的目的之一為提供一種產生包含複數流場剖面的資料庫之模擬方法。
本發明的目的之一為提供一種校正機制以增加流量量測的準確率。
本發明的目的之一為提供一種轉換器的安排方式，相較於習知的超音波流量計，可以增加流量量測的準確率但不增加轉換器的數量。
於一實施例中，一種流量量測的方法包含：建立包括複數流場剖面的資料庫；透過複數轉換器量測流場中的流體，其中每二該轉換器之間具有表示該二轉換器之間的流體的流速的聲路，其中由這些流速獲得特徵圖；將該特徵圖透過比對方法比對該資料庫且由該些流場剖面選擇識別流場剖面，其中該識別流場剖面具有對應特徵圖的加權函數；以及，透過該加權函數校正流速。
透過本發明提供的量測方法，超音波流量計的量測準確率將不受非對稱流場以及非已開發流場的影響。因此，本發明提供的量測方法可進一步節省超音波流量計的成本。
100:流場剖面
110:非對稱流
120,210,410:流場
130:流量分布條形圖
131,132:端
140:切弦
T1-T8:轉換器
P1-P20:聲路
420:中心軸
R:旋轉
S1-S4:步驟
圖1為一非對稱流場的速度分布示意圖。
圖2為一實施例之轉換器之示例性分布方式的示意圖。
圖3A至圖3D為一實施例之聲路的示意圖。
圖4A至圖4C為一實施例之轉換器旋轉方法的示意圖。
圖5呈現一實施例之流量量測方法的流程圖。
下面將通過實施例並參考附圖詳細描述本發明。本領域通常知識者可以通過本說明書公開的內容而理解本發明的優點和效果。然而，以下句子所示的內容從未限制本發明的範圍。在不脫離本發明的概念原理的情況下，本領域通常知識者可以基於不同的視圖和應用通過其他實施例來實現本發明。在附圖中，為了清楚的目的，放大了部分元件的比例。在整個說明書中，相同的標記表示相同的元素。應當理解，當諸如層、膜、面板、區域或基板等元件被描述為「在」或「連接到」另一元件時，它們可以直接在另一元件上或連接到另一元件，或者它們之間可以存在其他元件。另一方面，當一個元件被描述為「直接存在於另一個元件上」或「直接連接到另一個元件」時，兩者之間沒有元件。如本說明書中所使用的，「連接」可以是物理和/或電性連接。此外，「電性連接」或「耦合」意味著它們之間可能存在其他元件。
應當理解，儘管術語「第一」、「第二」、「第三」等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及/或部分，但是這些元件、部件、區域、及/或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的第一元件、部件、區域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。
此外，諸如「下」或「底部」和「上」或「頂部」的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，如圖所示。應當理解，相對術語 旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的「下」側的元件將被定向在其他元件的「上」側。因此，示例性術語「下」可以包括「下」和「上」的取向，取決於附圖的特定取向。類似地，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其它元件「下方」或「下方」的元件將被定向為在其它元件「上方」。因此，示例性術語「下方」可以包括上方和下方的取向。
本文使用的「約」、「近似」、或「實質上」包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量(即，測量系統的限制)。例如，「約」可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30%、±20%、±10%、±5%內。再者，本文使用的「約」、「近似」或「實質上」可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。
在一般情況中，量測流場的流量會受到非對稱流的影響。舉例來說，圖1A說明非對稱流110的流場剖面100。如圖1A所示，非對稱流110在流場120內流動。須說明的是，圖1A所示的流場剖面100係橫斷剖面圖。流量分布條形圖130呈現由深色端131至淺色端132呈現顏色梯度，由深色至淺色的顏色梯度可表示為非對稱流110的流量由低至高。如圖1B說明流場120中由端點d1至端點d2的切弦140(虛線表示)的流量分布。圖1B的x軸表示為切弦140由端點d1至端點2的各個位置，y軸表示為流量V。須說明的是，切弦140的流量分布不一定會呈現出流場120的真實的流量及/或流場120的最大流量。因此，量測時的準確率將會受影響而降低。後續段落將會說明本發明所提供之量測方法的工作原理。
在流場周圍設置轉換器例如為圖2說明的轉換器安排的實施例。如圖2所示，超音波流量計包含複數轉換器T1-T8，轉換器T1-T8被分配為圍繞流場210。較佳而言，超音波流量計包含八個轉換器T1-T8，須說明的是，八個轉換器與習知超音波流量計所使用的轉換器之數量相同。流場210例如可以為導管、管件或任何流體的載體。轉換器T1-T8被均勻地分配在流場210周圍。舉例來說，如果流場210的截面形狀為圓形，則複數轉換器T1-T8將沿圓形的圓周均勻分布。換句話說，當轉換器數量為八個，且被均勻分布於流場210的周圍，則相鄰的兩個轉換器之間的圓心角θ的角度為45°，然而本發明並不受限於轉換器的數量。舉例來說，轉換器的數量可以大於或小於八個，轉換器的設置數量可以參考例如成本、設置空間大小或其他可能原因來調整。
藉由調整聲波發射方向，聲路的數量可以被增加。調整聲波發射方向的方式例如調整轉換器的方向、使用習知的開關技術、使用相位陣列轉換器或其他可能方法。任意兩個轉換器之間具有一條聲路，例如圖3A至圖3D所示之一實施例中轉換器之間聲路的分布。請參照圖3A至圖3C，轉換器T1與轉換器T3-T7之間共有五條聲路分別為轉換器T1與轉換器T5之間的聲路P4、轉換器T1與轉換器T7之間的聲路P9、轉換器T1與轉換器T3之間的聲路P12、轉換器T1與轉換器T6之間的聲路P17及轉換器T1與轉換器T4之間的聲路P20。因此，如圖3D所示，在流場210中共有二十條聲路P1-P20。須說明的是，圖3A至圖3D僅說明可能的聲路安排而非為了限制本發明聲路的數量。舉例來說，當轉換器的指向性具有更廣的指向角度時，聲路的數量也會隨之增加。舉例來說，當轉換器指向角度變廣時，轉換器T1將與轉換器T2或轉換器T8之間各具有一條聲路。
此外，聲路的數量可以進一步倍數增長。如圖4A至圖4C所示之轉換器旋轉方法。請參照圖4A與圖4B，轉換器T1-T8的組合沿著流場410的中心軸420進行旋轉R。更具體來說，轉換器T1-T8的組合沿著流場410的中心軸420旋轉四十四個階段，其中每一階段旋轉的角度為1°，如圖4C所示。於是，流場410中聲路的數量將會增加四十四倍，由二十條聲路成為八百八十條聲路。透過此轉換器旋轉方法，流場410中大部分位置的流速可以被獲得，進而整合建立出流場410獨特的特徵。然而，本發明的轉換器旋轉的階段數量並不受限於此實施例，例如轉換器旋轉的階段數量可以大於或小於四十四個，此數量可以根據使用者需求或是其他任意可能原因而有所調整。
資料庫包含流場剖面的資訊或特徵。資料庫可透過量測真實的流場以及擷取真實流場的特徵來建立。更具體的說，資料庫可透過前述所揭露的轉換器以及轉換器旋轉方法來量測真實流場的流場剖面。除此之外，資料庫還可以透過模擬現有的流場剖面資料來獲得理論的流體分布狀況。舉例來說，使用已知的流場剖面來建立模型以及使用計算流體力學的軟體例如COMSOL(COMSOL Inc.)或Fluent(ANSYS Inc.)來擷取已知流場剖面的速度剖面。再者，資料庫可透過人工智慧(AI)演算法或深度學習(Deep learning)系統進行訓練並優化，因此藉由人工智慧(AI)演算法的預測可以提升資料庫的準確率。
大致來說，本發明的流量量測方法的量測機制例如可以基於透過量化接收波頻率的偏移量來量測流量的都卜勒效應(Doppler Effect)或是透過量化發射波與接收波之間的飛行時間來量測流量的飛時技術。然而，本發明並不受量測時所使用的量測機制所限制。
一個流場的切弦上量測流體的速度分布是曲線型，因為接近流場邊緣的流量幾乎接近為零，所以流場切弦上兩側的速度會低於切弦中點的速度。須說明的是，計算切弦上的速度分布是曲線並不具有特定的規則，因此為確保高度精確度的計算方法包含例如平均法、梯形法(trapezoidal rule)、辛普森法(Simpson’s rule)、高斯求積法(Gaussian quadrature rule)或上述任意組合。另外，量測流體的實際流速的範圍為例如0.001m/s至100m/s之間。
流經橫截面積A的流場且具有流速v之流體的流量Q可以透過公式(1.1)來計算。
Q=v×A (1.1)在真實狀況中，具有流體的真實體積流量Qreal。而在量測過程中可以獲得量測的體積流量Qmeasuring。當量測的準確率為百分之百時，真實的體積流量Qreal與量測的體積流量Qmeasuring的比值將會等於1，如公式(1.2)所示。
Qmeasuring/Qreal=1 (1.2)然而，在現實中，真實的體積流量Qreal並不會等於量測的體積流量Qmeasuring。因此，可以透過一個加權函數wj來校正量測時所產生的誤差，如公式(1.3)所示。
Qreal=Qmeasuring×wj (1.3)其中，加權函數wj係由前述資料庫所提供，下述段落將示例性地說明選擇加權函數wj的方法。
在超音波流量計量測流場內之流體的流量後，兩個轉換器之間的聲路所呈現的流速將會被擷取並建立一個關於此流場剖面的獨特的特徵圖。此 獨特的特徵圖將會與存於資料庫之流場剖面的資訊或特徵進行比對，並自資料庫內的流場剖面中選擇出最接近此特徵圖的識別流場剖面。所選擇的識別流場剖面將會對應至一個用於超音波流量計校正量測流量的加權函數wj。
須說明的是，本發明使用的流量計或超音波流量計可以是任意習知或已商品化的流量計。本發明所揭示的比對過程可以透過電腦程式或者人工智慧的方式進行比對。其中比對的演算法可以為例如主成份分析法(principal component analysis,PCA)、非負矩陣分解法(non-negative matrix factorization,NNMF)、負矩陣分解法(NMF)、人工神經網路(artificial neural network,ANN)、基因演算法自動演化類神經網路(genetic algorithm with neural networks,GANN)、支持向量機(support vector machine,SVM)或上述任意組合。
圖5說明本發明流量量測方法的流程圖。如圖5所示，流量量測的方法包含：步驟S1建立包括複數流場剖面的資料庫；步驟S2透過複數轉換器量測流場中的流體，其中每二個轉換器之間具有表示該二轉換器之間的流體的流速的聲路，其中由這些流速獲得特徵圖；步驟S3將特徵圖透過比對方法比對資料庫且由這些流場剖面選擇一個識別流場剖面，其中識別流場剖面具有對應特徵圖的複數加權函數；以及，步驟S4透過加權函數校正流速。
本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。
S1-S4:步驟

Claims (7)

  1. 一種超音波流量計之流量量測的方法，包含：建立包括複數流場剖面的一資料庫；透過複數轉換器量測一流場中的一流體，其中每二該轉換器之間具有表示該二轉換器之間的該流體的流速的一聲路，其中該些流速將會被擷取並建立關於該些流速之流場剖面的一特徵圖；將該特徵圖透過一比對方法與該資料庫之流場剖面的資訊或特徵進行比對，且由該些流場剖面選擇一識別流場剖面，其中該識別流場剖面具有對應該特徵圖的一加權函數；以及透過該加權函數校正該流速。
  2. 如請求項1所述之流量量測的方法，還包含：模擬該複數流場剖面的每一個，以獲得理論流場分布，該資料庫進一步包括對應該些流場剖面的該些理論流場分布。
  3. 如請求項2所述之流量量測的方法，其中該些聲路組成為一量測流場分布，該識別流場剖面的該理論流場分布係最接近該量測流場分布。
  4. 如請求項1所述之流量量測的方法，其中該比對方法選自主成份分析法(PCA)、負矩陣分解法(NMF)、非負矩陣分解法(NNMF)、人工神經網路(ANN)、基因演算法自動演化類神經網路(GANN)、支持向量機(SVM)或其任意組合。
  5. 如請求項1所述之流量量測的方法，其中該些轉換器的數量為等於或大於8。
  6. 如請求項1所述之流量量測的方法，其中該些轉換器係均勻地圍繞分布於該流場外。
  7. 如請求項1所述之流量量測的方法，其中該些轉換器係聲學轉換器。
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