CN106768111A - 一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法，该方法通过加热线圈对待测气体进行脉冲加热，使得温度信号作为噪声信号，更有利于噪声信号的提取。利用脉冲整形电路对上、下游温度信号的处理得到与两个温度信号对应的脉冲信号，通过两个脉冲信号上升沿相隔时间得到渡越时间近似值的方法，在保证测量精度的同时，减少了相关算法的计算量，节省了计算时间，大大提高了气体相关流量计测量的实时性。
Description
技术领域
本发明涉及气体流量测量技术领域，特别是涉及一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法。
背景技术
流量计量是科学计量的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究关系密切。保证流量计量工作的准确性对保障产品质量、提高生产效率、促进科学发展都具有重要的作用。相关流量计作为流量计量领域中的重要一员，以其特有的可以对待测流体实现非接触和非侵入式测量的优势而备受关注。相关流量计在科研机构和工业生产中越来越受到重视，扮演着重要的角色。
气体相关流量计的基本工作原理是：气体相关流量计主要由上、下游传感器、测量管道以及互相关器组成。将被测气体通入横截面积一定的测量管道，安装在管道一侧的上、下游传感器分别提取出待测气体内部的随机流动噪声信号。提取出的两个噪声信号经过放大、滤波处理后，通过互相关器进行相关运算即可计算待测气体的流速。根据计算所得流速与测量管道的横截面积即可计算待测气体的流量。
传统的相关流量计欲将待测流体内部诸如待测多相流中固体颗粒对超声波的反射、待测流体内部产生的漩涡、待测流体分子间相互作用力的变化等可测特性作为随机流动噪声信号提取出来，但由于待测流体内部的噪声信号普遍难以提取，同时也难以保证所提取信号的质量满足测量要求，故无法保证流量计量的准确性。
气体相关流量计在上、下游传感器提取噪声信号，并对所提取的噪声信号进行放大滤波处理后，需要运用相关算法对上、下游噪声信号进行相关运算，从而获得上、下游噪声信号的渡越时间，然后通过计算得出待测气体的流量。在运用相关算法进行运算时，由于渡越时间没有明确的取值范围，所以需要进行大量的运算不断缩小渡越时间的取值范围，最终才能确定具体的渡越时间，这样就使得相关流量计工作的实时性大大降低。所以，本文提出一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法，通过减小相关运算的运算量以提高气体相关流量计工作的实时性。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法。
由于待测气体内部的噪声信号普遍难以提取，为了解决这一问题，本文提出一种对待测气体施加外部激励的方法。通过加热装置对待测气体加热，使得待测气体的温度在短时间内迅速升高，经加热的待测气体破坏了气体管道内原有的温度场，在管道内流动时向外界散发热量，使上、下游传感器感受到了不同的温度变化。将待测气体温度的变化作为噪声信号并通过上、下游传感器提取出来。其中，设上游传感器提取出的温度信号为x(n)，下游传感器提取出的温度信号为y(n)。
提取待测气体的上、下游温度信号后，通过相关算法对两个信号进行运算，称为x(n)和y(n)的互相关函数。式中，通过互相关运算得到渡越时间τ，称上、下游传感器感受到的温度信号的时间间隔为渡越时间。作相关运算时，由于渡越时间τ的取值范围很大，需要取大量的点进行运算，计算量很大。本文提出一种简易的估算渡越时间的方法，事先估算出待测气体流经上、下游传感器的渡越时间，缩小了渡越时间的取值范围，从而起到了减小相关算法的运算量，提高气体相关流量计实时性的作用。
本发明所采用的技术方案是：
(1)首先选取一个薄壁管道作为待测气体流通的管道，已知管道的横截面积为A，管道长度为L。在管道外，距离管道端面1/10L处缠绕加热线圈。在管道外，距离加热线圈1/4L-1/3L处安装上游温度传感器，距离上游传感器1/3L-1/2L处安装下游温度传感器，上下游温度传感器完全相同。
(2)向管道内通入待测气体，对加热线圈进行脉冲加热，并使上、下游温度传感器开始工作。
(3)当待测气体开始流动后，经加热线圈加热的待测气体温度迅速升高。当待测气体流经上游温度传感器时，上游温度传感器将待测气体此时的温度信号提取出来，将提取出的信号经过放大滤波处理后，经脉冲整形电路处理得到一个脉冲信号。待测气体从上游传感器流至下游传感器的过程中，由于加热线圈为脉冲加热，这一过程中加热线圈不工作，待测气体会失去一部分热量，待测气体的温度降低，流经下游温度传感器时气体的温度要小于流经上游温度传感器时气体的温度。当待测气体流经下游传感器时，用上述同样的方法将下游传感器提取出的温度信号转换成脉冲信号。
(4)将步骤(3)得到的两个脉冲信号做对比，两脉冲信号的上升沿相隔时间即可认为是两个温度信号的渡越时间近似值τ0。
(5)将上游温度传感器检测到的温度信号设为x(n)，下游温度传感器检测到的温度信号设为y(n)，进行放大滤波处理后的两个温度信号进行相关运算计算出渡越时间τ；其中t表示下游温度传感器检测到温度信号的时间。为了优化算法，可根据步骤(4)中获得的渡越时间τ的近似值τ0，在τ0附近取值进行相关运算，可大大减少相关算法的计算量，提高气体相关流量计的实时性。
(6)已知上、下游温度传感器的距离为L0，待测气体的流速Vc＝L0/τ，则待测气体的流量Q可表示为
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过加热线圈对待测气体进行脉冲加热，使得温度信号作为噪声信号，更有利于噪声信号的提取。利用脉冲整形电路对上、下游温度信号的处理得到与两个温度信号对应的脉冲信号，通过两个脉冲信号上升沿相隔时间得到渡越时间近似值的方法，在保证测量精度的同时，减少了相关算法的计算量，节省了计算时间，大大提高了气体相关流量计测量的实时性。
附图说明
图1为：基于气体相关流量计的新型流量测量方法的装置结构图；
图2为：加热线圈工作时序图；
图3为：基于气体相关流量计的新型流量测量方法的流程图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于气体相关流量计的新型测量流量方法。下面结合附图以及实例对本发明进一步说明。实例为本发明举例，并非对该发明限定。
如图1所示，用图1装置获得待测气体的流量可以分为6个步骤：(1)首先在管道外对各装置进行安装。(2)向管道内通入待测气体并使加热线圈脉冲工作，上下游温度传感器同时开始工作。(3)利用经过脉冲整形电路处理得到的脉冲信号获得上下游温度信号渡越时间的近似值。(4)对上、下游温度传感器获得的温度信号作相关运算，得出渡越时间，参考步骤(3)得到的渡越时间近似值，可以减小相关运算的计算量。(5)利用步骤(4)得到的渡越时间，通过计算获得待测气体的流量。
如图2所示，对上述装置中加热线圈进行脉冲加热，工作周期为T，使得温度信号作为待测气体的噪声信号，便于提取。
如图3所示，首先对上、下游温度传感器采集到的温度信号x(n)和y(n)做信号放大和滤波处理，得到相对纯净的温度信号。对经过处理的信号进行脉冲整形，得到渡越时间的近似值。通过处理器对温度信号做相关运算得到渡越时间的真实值τ，在做相关运算时可以参照渡越时间的近似值以减少相关运算的计算量。
由上一步骤所得的渡越时间τ，通过计算得出待测气体的流速Vc＝L0/τ，由计算出的流速和管道的横截面积A，计算得出待测气体的流量由以上计算得出待测气体流量的准确值Q。
Claims (1)
1.一种基于气体相关流量计的新型流量测量方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：首先选取一个管道作为待测气体流通的管道，已知管道的横截面积为A，管道长度为L；在管道外，距离管道端面1/10L处缠绕加热线圈；在管道外，距离加热线圈1/4L-1/3L处安装上游温度传感器，距离上游传感器1/3L-1/2L处安装下游温度传感器，上下游温度传感器完全相同；
步骤二：向管道内通入待测气体，对加热线圈进行脉冲加热，并使上、下游温度传感器开始工作；
步骤三：当待测气体开始流动后，经加热线圈加热的待测气体温度迅速升高；当待测气体流经上游温度传感器时，上游温度传感器将待测气体此时的温度信号提取出来，将提取出的信号经过放大滤波处理后，经脉冲整形电路处理得到一个脉冲信号；待测气体从上游传感器流至下游传感器的过程中，由于加热线圈为脉冲加热，这一过程中加热线圈不工作，待测气体会失去一部分热量，待测气体的温度降低，流经下游温度传感器时气体的温度要小于流经上游温度传感器时气体的温度；当待测气体流经下游传感器时，用上述同样的方法将下游传感器提取出的温度信号转换成脉冲信号；
步骤四：将步骤三得到的两个脉冲信号做对比，两脉冲信号的上升沿相隔时间即可认为是两个温度信号的渡越时间近似值τ0；
步骤五：将上游温度传感器检测到的温度信号设为x(n)，下游温度传感器检测到的温度信号设为y(n)，进行放大滤波处理后的两个温度信号进行相关运算计算出渡越时间τ；其中t表示下游温度传感器检测到温度信号的时间；为了优化算法，可根据步骤四中获得的渡越时间τ的近似值τ0，在τ0附近取值进行相关运算；
步骤六：已知上、下游温度传感器的距离为L0，待测气体的流速Vc＝L0/τ，则待测气体的流量Q可表示为
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