一種利用超聲波流量計測量氣體流量的方法與流程

2023-06-04 10:57:31 2

本發明涉及計量儀表技術領域，具體涉及一種利用超聲波流量計測量氣體流量的方法。

背景技術：

由於人們對環境的關注度越來越高，天然氣作為清潔環保的綠色能源得到了越來越廣泛的關注及應用，天然氣行業在未來很長時間內都將得到快速發展。為了適應天然氣行業的發展需求，特別是燃氣公司對天然氣計量及管網輸配管理的發展需求，在信息化技術的發展背景下，計量精確、工作穩定，且具有遠程管理功能的智能流量計系統開始進入天然氣計量及輸配管理中。

目前，國內應用於天然氣計量及輸配管理的流量計主要為羅茨表和渦輪表，這兩種計量儀表均屬於機械式計量儀表，難以擺脫機械式儀表固有的弱點，例如，對天然氣的質量要求高，容易卡住，維護頻繁且維護成本較高，同時隨著天然氣輸送管路口徑的增大，兩種機械式計量儀表的體積、重量和價格會大幅度攀升，這些弱點嚴重製約了天然氣計量及管網輸配管理向著「精確、穩定、智能、高效」的方向發展。

為了克服機械式計量儀表的缺點，現有技術中出現了超聲波流量計，利用超聲波信號進行氣體流量的檢測，例如授權公告號為CN102914334B的發明專利文獻公開了一種插入式超聲波氣體流量計，包括使用時插入待測氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上有用於測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組，還包括使用時布置在待測氣體管路的與所述超聲波換能器組相對應的管段處、且與該管段相連通並供該管段中的待測氣體自由擴散的靜速容器，在靜速容器上布置用於在靜速管中測量超聲波傳播速度的超聲波換能 器。

但是該發明專利文獻中，靜速管需要插入氣體管路中進行氣體流量的測量，靜速管本身會對氣體流動造成擾動，從而引起流量測量的誤差。

為了滿足天然氣計量及管網輸配管理的發展需求，需要提供一種智能化的氣體流量測量方法，以實現對天然氣流量的精確測量。

技術實現要素：

本發明提供了一種利用超聲波流量計測量氣體流量的方法，能夠實現對氣體流量的精確測量，且能夠對管網狀態進行實時監控，對天然氣輸配的異常進行及時響應。

一種利用超聲波流量計測量氣體流量的方法，包括以下步驟：

(1)環繞氣體管道布置超聲波流量計的超聲波收發裝置，利用超聲波收發裝置發送穿過氣體的超聲波，並採集回波信號，依據該回波信號的採樣數據計算得到回波信號的最大幅值V0；

(2)若最大幅值V0處於幅值範圍[VL,VH]內，則使用回波信號中第二個波與第一觸發閾值VTH0相交的較小時刻作為超聲波的基準時刻，計算超聲波的傳輸時間；

若最大幅值V0小於VL，則利用式V＝A(x)·V0計算最大幅值V，使調整後的最大幅值V處於幅值範圍[VL,VH]內，A(x)為動態調整幅值增益；

然後，使用調整後的回波信號中第二個波與第二觸發閾值VTH相交的較小時刻作為超聲波的基準時刻，計算超聲波的傳輸時間；

VH為氣體流量達到超聲波流量計量程上限時，超聲波回波信號的最大幅值與第一裕量的加和；

VL為氣體流量達到超聲波流量計量程下限時，超聲波回波信號的最大幅值與動態調整幅值增益最大值的乘積和第二裕量的差值。

(3)利用步驟(2)得到的傳輸時間計算氣體流量。

本發明提供的氣體測量方法尤其適用於天然氣，也適用於與天然氣性質相似的氣體的測量，例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷中的至少一種。

利用超聲波流量計對氣體流量進行測量的關鍵在於，準確測定超聲波 在氣體中的傳輸時間，由於超聲波接收裝置接收到的回波信號通常由弱到強，然後逐步衰減，因此，在回波信號中確定接收到超聲波的時刻成為確定傳輸時間的關鍵。本發明提供的超聲波回波信號基準時刻的確定方法，能夠準確並可靠的獲得超聲波的傳輸時間，從而得到準確的氣體流量。

不同測量條件下，超聲波回波信號的最大幅值V0不盡相同，將超聲波流量計量程內超聲波回波信號最大幅值的範圍[V0min,V0max]劃分成多個區間，每個區間範圍內的回波信號對應一個第一觸發閾值VTH0。通常，第一觸發閾值VTH0為最大幅值V0的20～40％。

第二觸發閾值VTH的計算方式為：VTH＝A(x)·VTH0。即將最大幅值V0擴大A(x)倍後得到V時，相應的第二觸發閾值VTH也由第一觸發閾值VTH0擴大A(x)倍得到。

將未落入[VL,VH]範圍的最大幅值調整至落入[VL,VH]範圍內為標準計算得到A(x)，若最大幅值已經在[VL,VH]範圍內，則A(x)為1。

第二個波與第一觸發閾值VTH0具有兩個交點，每個交點對應一個時刻，以較小時刻作為超聲波的基準時刻；同理，第二個波與第二觸發閾值VTH具有兩個交點，每個交點對應一個時刻，以較小時刻作為超聲波的基準時刻。

作為優選，第一裕量的範圍為可被正確識別的超聲波回波信號的最大幅值(流量計在量程上限時超聲波回波信號的最大幅值)的5～10％，第二裕量的範圍為可被正確識別的超聲波回波信號的最大幅值(流量計在量程上限時超聲波回波信號的最大幅值)的5～10％。

為了保證氣體流量測量的準確性，優選地，每次流量計量中採集三組回波信號，每組回波信號對應得到一個超聲波與氣體同向傳輸的順向傳輸時間，和一個超聲波與氣體反向傳輸的逆向傳輸時間。不同組回波信號的傳輸路徑不同，對各組回波信號計算得到的初始氣體流速進行加權平均，然後結合管道橫截面積得到氣體流量。

作為優選，還包括步驟(4)，依據測量氣體流量時刻的氣體溫度和氣體壓力對所得的氣體流量進行修正。

作為優選，還包括步驟(5)，判斷所得氣體流量是否存在異常，若存 在異常，則進行報警，並進行異常情況記錄；若不存在異常，則繼續測量。

作為優選，還包括步驟(6)，利用無線通訊方式將測得的氣體流量、工況數據以及超聲波流量計狀態發送至管路監測中心。

作為優選，還包括步驟(7)，一次氣體流量測量完畢後，超聲波流量計進入休眠狀態，並在預定時間間隔後自動開始下一次測量。

所述的步驟(4)～步驟(7)的步驟編號僅做不同步驟的區分，並不限定各步驟之間的順序以及各步驟的有無，例如，進行完步驟(4)之後，可以直接進行步驟(7)。

本發明利用超聲波流量計測量氣體流量的方法，計量精度高、測量氣體流量準確(至少能夠達到和機械錶相同的精度)，能夠使燃氣公司能夠對管網狀態進行實時監控、對燃氣輸配進行遠程管理、對異常狀態進行及時響應，能有效提高燃氣公司對燃氣管網的信息化管理水平。

附圖說明

圖1a為實現本發明的超聲波流量計中超聲波收發裝置布置的示意圖；

圖1b為圖1a中的A向示意圖；

圖1c為圖1b中的B向示意圖；

圖1d為超聲波流量計中超聲波傳播路徑穿過管道中心線的超聲波收發裝置的剖視圖；

圖2為實現本發明的超聲波流量計的結構示意圖；

圖3為實現本發明的超聲波流量計的工作流程示意圖；

圖4為本發明利用超聲波流量計測量氣體流量的方法的流程示意圖；

圖5為原始回波信號示意圖；

圖6為調整之後的回波信號示意圖；

圖7為超聲波傳輸時間計算示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明利用超聲波流量計測量氣體流量的方法做詳細描述。

本發明利用超聲波流量計測量氣體流量的原理如下：

氣流上遊的超聲波探頭髮出的超聲波信號到氣流下遊的超聲波探頭接收超聲波信號的過程中，由於氣體流動在超聲波信號的傳輸方向上產生速度分量，會加速超聲波信號的傳輸；氣流下遊的超聲波探頭髮出的超聲波信號到氣流上遊的超聲波探頭接收超聲波信號的過程中，由於氣體流動在超聲波信號的傳輸方向上產生速度分量，會減慢超聲波信號的傳輸，利用超聲波信號在順氣體流向以及逆氣體流向中傳輸時間的不同來計算氣體流量。

如圖1d所示，圖中L為上下遊超聲波探頭的直線距離，D為管道直徑，θ為超聲波傳輸路徑與測定管中心線的夾角，V為氣體的平均流速，t1為超聲波順向傳輸時間，t2為超聲波逆向傳輸時間，則有：

由式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可得：

由於流量＝流速*橫截面積，由流速計算流量的表達式如下：

其中，C表示超聲波的傳播速度；A表示測定管的橫截面積。

由式(Ⅳ)可以看到氣體流速跟超聲波傳播速度沒有關係，因此，可以避免由於溫度、壓力等因素的差異引起超聲波傳播速度變化，而導致氣體流量計量出現偏差。

由計算過程可知，測量氣體流量的關鍵在於，準確測量超聲波的傳輸時間，為了獲得超聲波傳輸的準確時間，利用超聲波流量計測量氣體流量的方法，包括以下步驟：

(1)環繞氣體管道布置超聲波流量計的超聲波收發裝置，利用超聲波收發裝置發送穿過氣體的超聲波，並採集回波信號，依據該回波信號的採集數據計算得到回波信號的最大幅值V0；

環繞氣體管道布置超聲波收發裝置，如圖1a、1b、1c所示，本發明採用的超聲波流量計包括三對超聲波探頭(即超聲波收發裝置)，分別為超聲波探頭11和超聲波探頭12，超聲波探頭21和超聲波探頭22，超聲波探頭31和超聲波探頭32，其中超聲波探頭11和超聲波探頭12的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線相交，其餘兩對超聲波探頭形成的超聲波傳播路徑相互平行，且對稱分布在氣體管道中心線的兩側，每對超聲波探頭所形成的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線的夾角均為60度，超聲波探頭21和超聲波探頭31的距離小於待測氣體流量管道的直徑，且可以依據需要進行選擇。一對超聲波探頭所形成的超聲波為一束，本發明中以該束超聲波的中軸線作為相應的超聲波傳播路徑。

圖1a中，超聲波探頭32和超聲波探頭22重合，超聲波探頭31和超聲波探頭21重合，圖1c中省略超聲波探頭11和超聲波探頭12。

採集三組回波信號，每組回波信號對應得到一個超聲波與氣體同向傳輸的順向傳輸時間，和一個超聲波與氣體反向傳輸的逆向傳輸時間；不同組回波信號的傳輸路徑不同，每組回波信號由一對超聲波收發裝置獲得。

(2)若最大幅值V0處於幅值範圍[VL,VH]內，則使用回波信號中第二個波與第一觸發閾值VTH0相交的較小時刻作為超聲波的基準時刻，計算超聲波的傳輸時間；

若最大幅值V0小於VL，則利用式V＝A(x)·V0計算最大幅值V，使調整後的最大幅值V處於幅值範圍[VL,VH]內，A(x)為動態調整幅值增益；

然後，使用回波信號中第二個波與第二觸發閾值VTH相交的較小時刻作為超聲波的基準時刻，計算超聲波的傳輸時間；

VH為氣體流量達到超聲波流量計量程上限時，超聲波回波信號的最大幅值與第一裕量的加和。

VL為氣體流量達到超聲波流量計量程下限時，超聲波回波信號的最大幅值與動態調整幅值增益最大值的乘積和第二裕量的差值。

(3)利用步驟(2)得到的傳輸時間計算氣體流量。

為了準確地獲取超聲波的傳輸時間，本發明中放棄使用容易被噪聲淹沒的回波信號中的第一個波(接收到的超聲波回波信號中第一個完整周期 為第一個波，第二個完整周期為第二個波，依次類推)，而是使用第二個波進行超聲波基準時刻的判斷，由於第二個波的幅值與相鄰波的幅值差異明顯，利用第二個波作為超聲波基準時刻的判斷基準，能夠提高時間測量的可靠性。

本發明中幅值調整的目的在於保證基準時刻的唯一存在，然後利用唯一的基準時刻進行超聲波接收時刻的計算，幅值調整完成後，得到如圖7所示的超聲波回波信號，利用式t＝T2-T0-n·T計算超聲波傳輸時間，式中，T0為超聲波發送的時刻；n為T1與T2之間回波信號的周期個數，T為超聲波回波信號的周期。

當接收的回波信號經過一定周期的調整之後，仍無法將幅值調整至所需的範圍，則判定相應的超聲波收發裝置異常，將暫時關閉該超聲波收發通道(兩個位置相對的超聲波收發裝置構成一個超聲波收發通道)，若該通道多次被判定為異常，則將永久關閉該通道，若通道關閉，則進行異常報警，以便管理人員進行處理，由於採用三組回波信號進行加權平均獲得氣體流量，設備具有較高的魯棒性。

第一裕量為可被正確識別的超聲波回波信號的最大幅值(流量計在量程上限時超聲波回波信號的最大幅值)的5％，第二裕量的範圍為可被正確識別超聲波回波信號的最大幅值(流量計在量程上限時超聲波回波信號的最大幅值)的5％。

將超聲波流量計量程內超聲波回波信號最大幅值的範圍[V0min,V0max]劃分成多個區間，每個區間範圍內的回波信號對應一個第一觸發閾值VTH0。回波信號的最大幅值V0與第一觸發閾值VTH0的對應關係依據經驗獲得，並預先存儲在數據存儲模塊中，使用時通過查找數據存儲模塊中的觸發閾值表，來確定第一觸發閾值VTH0，第二觸發閾值VTH的計算方式如下：VTH＝A(x)·VTH0。

步驟(4)，依據測量氣體流量時刻的氣體溫度和氣體壓力對所得的氣體流量進行修正。氣體在管道中流動時，由於管壁摩擦等因素的影響，在管道橫截面上的流量存在差異，直接通過公式(Ⅳ)獲得的氣體流量需要修正之後，才能夠真實地反應氣體的實際流量，為了提高計量的精度，本 發明採用三對共六個超聲波收發裝置對多點流量進行採樣，然後通過加權平均的方法計算得到氣體流量，並對氣體流量進行修正，以逼近真實的氣體流量。

還包括步驟(5)，判斷所得氣體流量是否存在異常，若存在異常，則進行報警，並進行異常情況記錄；若不存在異常，則繼續測量。

步驟(6)，利用無線通訊方式將測得的氣體流量、工況數據以及超聲波流量計狀態發送至管路監測中心。

步驟(7)，一次氣體流量測量完畢後，超聲波流量計進入休眠狀態，並在預定時間間隔後自動開始下一次測量。

每個超聲波收發裝置中包括帶通濾波、可編程增益以及信號採樣三部分功能電路，通過採樣-調整-採樣的循環過程完成超聲波回波信號的調整，得到能夠被正確識別的超聲波回波。

帶通濾波功能電路通過選頻功能，在保證超聲波回波信號無損通過的同時，能濾除回波信號中的雜波，以保證後級的可編程增益電路能夠獲得較純淨的超聲波回波信號。

除了超聲波收發裝置，如圖2所示，實現本發明的超聲波流量計還包括：控制單元、電源模塊、輸入模塊、數據存儲模塊、無線通信模塊、顯示模塊、工況採集模塊、輸出模塊。

電源模塊用於向超聲波流量計的各個用電單元提供電源輸出，電源模塊的輸入為4.5～16V寬電壓範圍的直流電源，利用轉換電路分別向超聲波流量計各用電單元供電。直流電源輸入可以利用外接電源，也可以由超聲波流量計內部的電池供給。

本發明提供的超聲波流量計包含兩種模式，一種為測量氣體流量時的工作模式，另一種為停止氣體測量時的低功耗模式，控制單元控制超聲波流量計在兩種模式之間自動切換，自動切換過程可以事先通過程序設定，也可以利用輸入模塊手工輸入。

電源模塊向各用電單元供電的過程受控於控制單元，控制單元依據超聲波流量計的工作模式和低功耗模式的不同，向電源模塊發送控制信號，協調超聲波流量計以最低的功耗有效運行，即需要工作的用電單元供電， 而不需要工作的用電單元停止供電。

控制單元為超聲波流量計數據處理以及各組成部分功能控制的核心部分，採用STM32微處理器，超聲波流量計工作時，除了處理超聲波收發裝置採集的信息，實現氣體流量的計算以及體積修正，還進行數據的存儲管理、數據與其餘設備的信息交互控制，控制顯示模塊的功能顯示、輸入模塊的指令輸入、模式的切換、工況數據的採集以及信號輸出。

超聲波收發裝置中的可編程增益功能電路與控制單元之間通過SPI接口進行通信，根據控制單元的指令對回波信號進行幅度調整，採樣電路對超聲波回波信號進行採樣，並將採樣後的數據通過SPI接口送至控制單元，控制單元依據採樣電路的採樣判斷是否需要對超聲波回波信號進行調整。

控制單元通過RS485接口與上位機進行通信，使管理員能夠通過上位機將系統時間、模式、運行過程參數、體積修正表等參數下發至控制單元，也可以通過命令查詢向控制單元獲取系統當前的溫度、壓力、流量、超聲波聲速等狀態信息，還可以向系統下發休眠/喚醒等控制命令實現系統在工作模式和低功耗模式之間的切換(系統休眠對應低功耗模式，喚醒對應工作模式)。

數據存儲模塊包括鐵電存儲器和SPI Flash存儲器兩部分，與控制單元通過SPI接口進行通信，用於系統參數、各種表項、系統狀態以及計量數據的存儲。

無線通信模塊採用GPRS模塊，通過UART接口與控制單元進行通信，並在控制單元的控制下通過公共的無線通信網絡實現設備與管網管理中心的信息交互，完成計量數據的上傳，以及管網管理中心的控制指令的接收。

輸入模塊採用霍爾傳感器實現非接觸式按鍵功能，用於輸入各種指令，例如，系統的休眠/喚醒，菜單控制以及信息查詢等功能。

顯示模塊採用OLED模塊，通過SPI接口與控制單元進行通信，用於顯示系統當前的溫度、壓力、流量、超聲波聲速等測量信息，其中流量包括當前流量、累計流量、計時流量、工況流量、標況流量等多種類型。

輸出模塊通過數字I/O口以及SPI接口與控制單元進行通信，在控制單 元的控制下，輸出數字脈衝信號以及4～20mA電流環信號，其中，數字脈衝信號以高低電平輸出異常報警等狀態信號，4～20mA電流環信號通過輸出量化電流表徵具體的系統狀態。

工況採集模塊包括溫度採集模塊和壓力採集模塊，其中溫度採集模塊通過模擬接口與控制單元進行通信，控制單元根據採樣得到的溫度數據查找數據存儲模塊中的溫度轉換表，可以得知工作現場溫度以實現氣體流量等數據的修正。

壓力採集模塊通過模擬接口與控制單元進行通信，控制單元根據採樣得到的壓力數據查找數據存儲模塊中的壓力轉換表，可以得知工作現場壓力以實現氣體流量等數據的修正。

如圖3所示，超聲波流量計使用時，首先由控制單元和電源模塊配合完成系統的上電和初始化，系統的上電過程為：電源模塊首先對能夠保證控制單元正常工作的最小系統進行上電，控制單元的最小系統正常工作後，控制單元控制電源模塊向其餘用電單元進行上電。

系統完成上電後，在控制單元的控制下，自動對系統各功能模塊進行通信和狀態檢測，檢測完成後，若系統狀態正常，則開啟相應的定時程序(定時程序的時間設定以有效降低系統功耗為目的，計時時間的長度必須大於系統完成一次完整的計量流程所需的時間)進入空閒狀態，等待相應的中斷指令，若系統狀態異常，則在控制單元的控制下，由輸出模塊輸出數字脈衝信號以及4～20mA電流環信號，進行異常報警。

對於外部供電的設備，系統在空閒狀態下，可以進入休眠狀態以降低系統功耗，也可以不進入休眠狀態以保證系統的響應速度；對於電池供電的低功耗設備，所述的空閒狀態即為休眠的低功耗狀態，在保證計量精度的情況下降低系統功耗。

在需要時，系統管理員可以通過與控制單元相連的上位機向控制單元發布相應的指令，對系統時間、工作模式、運行過程參數、各種修正表項等進行下發或修改；系統管理員也可以通過上位機使用查詢命令獲取系統的溫度、壓力、流量等狀態信息，還可以通過休眠/喚醒指令控制系統進行工作狀態的切換。

當定時程序的一個計時周期耗盡時，系統會產生相應的定時中斷以開啟一個計量流程和一個計量周期，在每個計量流程中，控制單元一方面依據超聲波收發裝置的回波信號完成傳輸時間的計算，另一方面通過溫度測量模塊和壓力測量模塊進行AD採樣，並查詢數據存儲模塊中相應的轉換表項以獲得工作現場溫度、壓力等工況信息，然後控制單元根據獲得的時間、溫度和壓力等參數進行數據處理，以完成氣體流量的計量以及修正；獲得有效的計量數據後，按要求完成數據的存儲，結束本次計量流程。

在每個計量流程中，控制單元控制超聲波收發裝置依據所需要的次序進行超聲波的發射和接收，如圖4所示，首先，控制單元依據一個計量流程中能夠以最快的速度獲得全部所需的有效時間數據為原則，選取超聲波收發裝置進行超聲波的發射，對應的超聲波收發裝置進行回波信號的接收，回波信號接收後，由控制單元控制採樣電路採樣，並判斷回波信號的最大幅值是否在[VL,VH]範圍內，如果最大幅值在[VL,VH]範圍內，則得到超聲波的基準時刻，如果最大幅值不在[VL,VH]範圍內，則對最大幅值進行增益調整，以獲得超聲波的基準時刻，獲得超聲波的基準時刻後，計算對應的超聲波接收時間，超聲波收發裝置通過中斷信號告知控制單元讀取時間數據，獲得一次有效地時間數據並將數據記錄在存儲模塊中後，本次精確時間測量流程結束。

每次計量流程完成後，控制單元依據系統當前溫度、壓力、氣體流量以及超聲波聲速等測量信息，判定是天然氣管網否存在異常情況；若系統狀態正常，則系統工作流程進入下一級；若存在異常情況，則進行異常標誌存儲，並可通過輸出模塊輸出數字脈衝信號及4-20mA電流環信號，進行異常報警；其中，數字脈衝信號以高低電平傳輸異常報警等狀態信號，4-20mA電流環信號通過輸出量化電流表徵具體的系統狀態，對於外部供電的設備，也可以通過無線通信模塊進行遠程異常報警。

如果系統採用外部供電，根據需要，可通過無線通信模塊與管理中心建立實時的無線通信連接，以完成計量數據及系統狀態等的實時上傳。

系統在運行的過程中，可以通過輸入模塊和顯示模塊的配合進行系統的休眠/喚醒、菜單控制、計量數據及狀態信息查詢等功能。

超聲波流量計不進行氣體測量時，系統進入空閒狀態。

上述實施方式為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受所述實施例的限制，其他的任何在未背離本發明的精神實質與原理下所作的修改、替代、組合、裁剪，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。