一種基于氣體相關流量計的新型流量測量方法與流程

本發明涉及氣體流量測量技術領域，特別是涉及一種基于氣體相關流量計的新型流量測量方法。

背景技術：

流量計量是科學計量的組成部分之一，它與國民經濟、國防建設、科學研究關系密切。保證流量計量工作的準確性對保障產品質量、提高生產效率、促進科學發展都具有重要的作用。相關流量計作為流量計量領域中的重要一員，以其特有的可以對待測流體實現非接觸和非侵入式測量的優勢而備受關注。相關流量計在科研機構和工業生產中越來越受到重視，扮演著重要的角色。

氣體相關流量計的基本工作原理是：氣體相關流量計主要由上、下游傳感器、測量管道以及互相關器組成。將被測氣體通入橫截面積一定的測量管道，安裝在管道一側的上、下游傳感器分別提取出待測氣體內部的隨機流動噪聲信號。提取出的兩個噪聲信號經過放大、濾波處理后，通過互相關器進行相關運算即可計算待測氣體的流速。根據計算所得流速與測量管道的橫截面積即可計算待測氣體的流量。

傳統的相關流量計欲將待測流體內部諸如待測多相流中固體顆粒對超聲波的反射、待測流體內部產生的漩渦、待測流體分子間相互作用力的變化等可測特性作為隨機流動噪聲信號提取出來，但由于待測流體內部的噪聲信號普遍難以提取，同時也難以保證所提取信號的質量滿足測量要求，故無法保證流量計量的準確性。

氣體相關流量計在上、下游傳感器提取噪聲信號，并對所提取的噪聲信號進行放大濾波處理后，需要運用相關算法對上、下游噪聲信號進行相關運算，從而獲得上、下游噪聲信號的渡越時間，然后通過計算得出待測氣體的流量。在運用相關算法進行運算時，由于渡越時間沒有明確的取值范圍，所以需要進行大量的運算不斷縮小渡越時間的取值范圍，最終才能確定具體的渡越時間，這樣就使得相關流量計工作的實時性大大降低。所以，本文提出一種基于氣體相關流量計的新型流量測量方法，通過減小相關運算的運算量以提高氣體相關流量計工作的實時性。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于氣體相關流量計的新型流量測量方法。

由于待測氣體內部的噪聲信號普遍難以提取，為了解決這一問題，本文提出一種對待測氣體施加外部激勵的方法。通過加熱裝置對待測氣體加熱，使得待測氣體的溫度在短時間內迅速升高，經加熱的待測氣體破壞了氣體管道內原有的溫度場，在管道內流動時向外界散發熱量，使上、下游傳感器感受到了不同的溫度變化。將待測氣體溫度的變化作為噪聲信號并通過上、下游傳感器提取出來。其中，設上游傳感器提取出的溫度信號為x(n)，下游傳感器提取出的溫度信號為y(n)。

提取待測氣體的上、下游溫度信號后，通過相關算法對兩個信號進行運算，稱為x(n)和y(n)的互相關函數。式中，通過互相關運算得到渡越時間τ，稱上、下游傳感器感受到的溫度信號的時間間隔為渡越時間。作相關運算時，由于渡越時間τ的取值范圍很大，需要取大量的點進行運算，計算量很大。本文提出一種簡易的估算渡越時間的方法，事先估算出待測氣體流經上、下游傳感器的渡越時間，縮小了渡越時間的取值范圍，從而起到了減小相關算法的運算量，提高氣體相關流量計實時性的作用。

本發明所采用的技術方案是：

(1)首先選取一個薄壁管道作為待測氣體流通的管道，已知管道的橫截面積為A，管道長度為L。在管道外，距離管道端面1/10L處纏繞加熱線圈。在管道外，距離加熱線圈1/4L-1/3L處安裝上游溫度傳感器，距離上游傳感器1/3L-1/2L處安裝下游溫度傳感器，上下游溫度傳感器完全相同。

(2)向管道內通入待測氣體，對加熱線圈進行脈沖加熱，并使上、下游溫度傳感器開始工作。

(3)當待測氣體開始流動后，經加熱線圈加熱的待測氣體溫度迅速升高。當待測氣體流經上游溫度傳感器時，上游溫度傳感器將待測氣體此時的溫度信號提取出來，將提取出的信號經過放大濾波處理后，經脈沖整形電路處理得到一個脈沖信號。待測氣體從上游傳感器流至下游傳感器的過程中，由于加熱線圈為脈沖加熱，這一過程中加熱線圈不工作，待測氣體會失去一部分熱量，待測氣體的溫度降低，流經下游溫度傳感器時氣體的溫度要小于流經上游溫度傳感器時氣體的溫度。當待測氣體流經下游傳感器時，用上述同樣的方法將下游傳感器提取出的溫度信號轉換成脈沖信號。

(4)將步驟(3)得到的兩個脈沖信號做對比，兩脈沖信號的上升沿相隔時間即可認為是兩個溫度信號的渡越時間近似值τ₀。

(5)將上游溫度傳感器檢測到的溫度信號設為x(n)，下游溫度傳感器檢測到的溫度信號設為y(n)，進行放大濾波處理后的兩個溫度信號進行相關運算計算出渡越時間τ；其中t表示下游溫度傳感器檢測到溫度信號的時間。為了優化算法，可根據步驟(4)中獲得的渡越時間τ的近似值τ₀，在τ₀附近取值進行相關運算，可大大減少相關算法的計算量，提高氣體相關流量計的實時性。

(6)已知上、下游溫度傳感器的距離為L₀，待測氣體的流速V_c＝L₀/τ，則待測氣體的流量Q可表示為

與現有技術相比，本發明的有益效果是：通過加熱線圈對待測氣體進行脈沖加熱，使得溫度信號作為噪聲信號，更有利于噪聲信號的提取。利用脈沖整形電路對上、下游溫度信號的處理得到與兩個溫度信號對應的脈沖信號，通過兩個脈沖信號上升沿相隔時間得到渡越時間近似值的方法，在保證測量精度的同時，減少了相關算法的計算量，節省了計算時間，大大提高了氣體相關流量計測量的實時性。

附圖說明

圖1為：基于氣體相關流量計的新型流量測量方法的裝置結構圖；

圖2為：加熱線圈工作時序圖；

圖3為：基于氣體相關流量計的新型流量測量方法的流程圖。

具體實施方式

本發明提供了一種基于氣體相關流量計的新型測量流量方法。下面結合附圖以及實例對本發明進一步說明。實例為本發明舉例，并非對該發明限定。

如圖1所示，用圖1裝置獲得待測氣體的流量可以分為6個步驟：(1)首先在管道外對各裝置進行安裝。(2)向管道內通入待測氣體并使加熱線圈脈沖工作，上下游溫度傳感器同時開始工作。(3)利用經過脈沖整形電路處理得到的脈沖信號獲得上下游溫度信號渡越時間的近似值。(4)對上、下游溫度傳感器獲得的溫度信號作相關運算，得出渡越時間，參考步驟(3)得到的渡越時間近似值，可以減小相關運算的計算量。(5)利用步驟(4)得到的渡越時間，通過計算獲得待測氣體的流量。

如圖2所示，對上述裝置中加熱線圈進行脈沖加熱，工作周期為T，使得溫度信號作為待測氣體的噪聲信號，便于提取。

如圖3所示，首先對上、下游溫度傳感器采集到的溫度信號x(n)和y(n)做信號放大和濾波處理，得到相對純凈的溫度信號。對經過處理的信號進行脈沖整形，得到渡越時間的近似值。通過處理器對溫度信號做相關運算得到渡越時間的真實值τ，在做相關運算時可以參照渡越時間的近似值以減少相關運算的計算量。

由上一步驟所得的渡越時間τ，通過計算得出待測氣體的流速V_c＝L₀/τ，由計算出的流速和管道的橫截面積A，計算得出待測氣體的流量由以上計算得出待測氣體流量的準確值Q。