本發(fā)明涉及流量測量領(lǐng)域，具體而言，涉及一種氣體流量測量的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

無論是城市天然氣管網(wǎng)還是天然氣生產(chǎn)線，由于其安全性需要和計量收費需要，常常在各傳輸干線及支線上安裝一系列氣體流量計。目前用于天然氣管網(wǎng)的流量計都是機械式，比如渦輪氣體流量計。由于這類流量計有機械轉(zhuǎn)動部件，磨損較快，精度隨時間變差，因此需要定期維護。但由于天然氣的易燃易爆等特點，使得對這類流量計的維護很艱難，成本很高。另外，天然氣里常常夾有少量的雜物如顆粒或碎片，這些雜物常常導(dǎo)致流量計轉(zhuǎn)動部件性能變差，甚至卡死等，以至流量計讀數(shù)誤差增大甚至停止工作。現(xiàn)場更換流量計必須停止天然氣的輸運，排除管內(nèi)剩余氣體，采取嚴(yán)密的安全措施，整個過程成本甚高。

不止天然氣生產(chǎn)與輸配領(lǐng)域，其他氣體，如蒸汽和工業(yè)壓縮空氣等，也存在類似的問題，渦輪等機械式流量計由于其固有的易磨損的轉(zhuǎn)動部件而使其精度越來越差，并且難維護，長期運作成本高。

在近十年里，有不少人探索無轉(zhuǎn)動部件的氣體流量測量方法。到目前為止主要研究工作集中在時差法超聲波氣體流量測量上。這種方法是把一對超聲波傳感器安裝在一段管段上，采用時差法對聲脈沖在氣體的上、下游方向的傳播時間及時間差進行測量，從而計算出氣體流量。在氣體介質(zhì)及工況較理想的情況下，這種方法可以比較準(zhǔn)確的測出結(jié)果。特別是采用多聲道技術(shù)及整流技術(shù)后，其測量精度可以達到氣體貿(mào)易結(jié)算的要求。但是，這種流量測量系統(tǒng)造價很高，并且，它更適合于大口徑，無法用來做為天然氣管網(wǎng)的常規(guī)監(jiān)測和計量使用。針對這種情況，這兩年有較經(jīng)濟的單聲道時差法流量計出現(xiàn)。它只在管段上裝了一對超聲傳感器，結(jié)構(gòu)較簡單。但是，這種流量計有一個致命弱點，它要求接收的超聲波信號穩(wěn)定且信噪比高。在實際氣體應(yīng)用中，這點是很難滿足的。天然氣通常不是理想氣體，其濕度、溫度、壓力以及含雜質(zhì)的情況都是隨時波動的，而超聲波信號強度受這些因素影響很大，從而導(dǎo)致超聲波信號波動很大，信噪比較低。這就使得時差法在檢測聲脈沖信號時出現(xiàn)困難，不但測量精度大大降低，而且穩(wěn)定性和可靠性較差，甚至無法工作。因此，時差法超聲波氣體流量計的應(yīng)用很有限。

近幾年來，出現(xiàn)了基于互相關(guān)的外綁式超聲波流量計，它的傳感器是安裝在管道外面的，無需在管道上打孔或切斷管段安裝，所以安裝方便。它采用兩對傳感器，分別安裝在管道的上下游，每對傳感器都有一個發(fā)射傳感器和一個接收傳感器，由接收傳感器接收到的信號含有氣體介質(zhì)的調(diào)制信號。這種調(diào)制是由流體的紊流，雜質(zhì)等引起的，它隨流體先通過上游一對傳感器，經(jīng)過一定時間后再通過下游那對傳感器。通過互相關(guān)計算方法，可以找到這個調(diào)制信號從上游到下游的流動時間。因為這個時間與流體速度成反比，這樣就可以計算出流體的速度及流量。

目前外綁式互相關(guān)超聲波氣體流量計還大多限于實驗室。很少有現(xiàn)場應(yīng)用，主要原因不僅僅是造價高，其現(xiàn)場應(yīng)用還很不理想。雖然傳感器是綁在管道外面，安裝方便，但正是由于這個安裝方法，使得超聲波很難傳過管壁而進入管內(nèi)氣體。管壁通常為金屬材料，它的密度和聲阻抗與氣體的相差巨大，因而接收到的調(diào)制信號很小，噪音很大。這就不得不采用復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和數(shù)字信號處理算法，使整個系統(tǒng)變得復(fù)雜。即使如此，這種方式的測量精度也無法達到計量要求。另外，它對低流量和小管徑仍然很難測量。這就大大限制了這種外綁式氣體流量計的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明實施例的目的在于提供一種氣體流量測量的系統(tǒng)及方法，以大大提高測量結(jié)果的確穩(wěn)定性和可靠性，同時也實現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的硬件大大簡化，降低成本。

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種氣體流量測量的系統(tǒng)，包括管段、多對超聲波換能器以及處理器，其中：所述管段包括第一管段、多個發(fā)射換能器安裝件以及多個接收換能器安裝件，所述多個發(fā)射換能器安裝件和所述多個接收換能器安裝件沿所述第一管段的軸向設(shè)置，所述多個發(fā)射換能器安裝件與所述多個接收換能器安裝件一一對應(yīng)設(shè)置，每個所述發(fā)射換能器安裝件的管道與所述第一管段的管道連通，每個所述接收換能器安裝件的管道與所述第一管段的管道連通，每個所述發(fā)射換能器安裝件的開口與其對應(yīng)的所述接收換能器安裝件的開口相向設(shè)置；每對超聲波換能器包括對應(yīng)的發(fā)射換能器和接收換能器，每個所述發(fā)射換能器安裝件的管道與所述第一管段的管道連通處設(shè)置有一個所述發(fā)射換能器，每個所述接收換能器安裝件的管道與所述第一管段的管道連通處設(shè)置有一個所述接收換能器，每個所述發(fā)射換能器安裝件的管道內(nèi)的發(fā)射換能器發(fā)送的信號被對應(yīng)設(shè)置的所述接收換能器安裝件的管道內(nèi)的接收換能器接收；所述處理器分別與所述多個發(fā)射換能器和所述多個接收換能器連接；所述處理器用于向每個所述發(fā)射換能器發(fā)送信號；每個所述發(fā)射換能器用于將其接收的所述信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號經(jīng)所述第一管段內(nèi)的微結(jié)構(gòu)調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的所述接收換能器；每個所述接收換能器用于將其接收的經(jīng)調(diào)制后的所述超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給所述處理器；所述處理器用于根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個電信號之間的時間延遲，根據(jù)所述時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器之間的距離獲取所述第一管段內(nèi)的氣體的速度，再根據(jù)所述速度和所述第一管段的內(nèi)徑計算所述第一管段內(nèi)的氣體流量。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述系統(tǒng)還包括用于將所述處理器發(fā)送的信號進行功率放大的多個超聲波發(fā)射放大器和用于將所述接收換能器發(fā)送的電信號進行功率放大的多個超聲波接收放大器，所述處理器分別與所述多個超聲波放大發(fā)射器連接，所述多個超聲波放大發(fā)射器與所述多個發(fā)射換能器一一對應(yīng)連接，所述處理器分別與所述多個超聲波接收放大器連接，所述多個超聲波接收放大器與所述多個接收換能器一一對應(yīng)連接。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述系統(tǒng)還包括用于將所述超聲波接收放大器放大后的電信號去噪聲的多個濾波器，所述處理器分別與所述多個濾波器連接，所述多個濾波器與所述多個超聲波接收放大器一一對應(yīng)連接。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述系統(tǒng)還包括用于對所述濾波器去噪聲處理后的電信號提取由氣體引入的幅度波動信號的多個幅度解調(diào)器，所述處理器分別與所述多個幅度解調(diào)器連接，所述多個幅度解調(diào)器與所述多個濾波器一一對應(yīng)連接。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述系統(tǒng)還包括多個變換器和多個正交解調(diào)器，多個變換器分別與多個正交解調(diào)器和多個濾波器一一對應(yīng)連接，所述處理器分別與所述多個正交解調(diào)器連接。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種氣體流量測量的方法，應(yīng)用于上述氣體流量測量的系統(tǒng)，所述方法，包括：所述處理器向每個所述發(fā)射換能器發(fā)送信號；每個所述發(fā)射換能器將其接收的所述信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號經(jīng)所述第一管段內(nèi)的微結(jié)構(gòu)調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的所述接收換能器；每個所述接收換能器接收將其接收的經(jīng)調(diào)制后的所述超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給所述處理器；所述處理器根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個所述電信號之間的時間延遲；所述處理器根據(jù)所述時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器之間的距離獲取所述第一管段內(nèi)的氣體的速度；所述處理器根據(jù)所述氣體速度和所述第一管段的內(nèi)徑計算所述第一管段內(nèi)的氣體流量。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述處理器根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個所述電信號之間的時間延遲，包括：所述處理器根據(jù)計算每兩個所述電信號之間的互相關(guān)曲線，其中，x1(t)和x2(t)分別為經(jīng)調(diào)制后的電信號，τ為時間延遲；所述處理器根據(jù)所述互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述處理器根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個所述電信號之間的時間延遲，包括：所述處理器根據(jù)計算每兩個所述電信號之間的互相關(guān)曲線，其中，x，y分別代表不同對超聲波換能器的數(shù)據(jù)序列，rxy(m)是x數(shù)據(jù)序列和y數(shù)據(jù)序列的互相關(guān)函數(shù)在時間延遲為m處的值；所述處理器根據(jù)所述互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述處理器根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個所述電信號之間的時間延遲，包括：所述處理器根據(jù)計算每兩個所述電信號之間的互相關(guān)曲線，其中fft(x)是電信號x的快速傅里葉變換，fft(y)^*是電信號y的快速傅里葉變換的共軛復(fù)數(shù)；所述處理器根據(jù)所述互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。

在本發(fā)明較佳的實施例中，上述處理器根據(jù)計算每兩個所述電信號之間的互相關(guān)曲線，其中fft(x)是電信號x的快速傅里葉變換，fft(y)^*是電信號y的快速傅里葉變換的共軛復(fù)數(shù)之前，還包括：所述處理器獲取所述電信號的同向分量和正交分量；所述處理器根據(jù)和計算兩個所述電信號的信號強度in；所述處理器根據(jù)所述信號強度和計算每兩個電信號之間的互相關(guān)曲線；所述處理器根據(jù)所述互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明各實施例提供的氣體流量測量的系統(tǒng)及方法通過將每個發(fā)射換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通，每個接收換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通，在每個發(fā)射換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通處設(shè)置一個發(fā)射換能器，在每個接收換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通處設(shè)置一個接收換能器，以提高發(fā)射換能器與接收換能器的換能效率。將處理器分別與多個發(fā)射換能器和多個接收換能器連接，首先通過處理器向每個發(fā)射換能器發(fā)送信號；然后每個發(fā)射換能器將其接收的信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號經(jīng)第一管段內(nèi)的微結(jié)構(gòu)調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的接收換能器，每個接收換能器將其接收的經(jīng)調(diào)制后的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給處理器，最后處理器根據(jù)不同的接收換能器發(fā)送的電信號獲取每兩個電信號之間的時間延遲，根據(jù)該時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器之間的距離獲取第一管段內(nèi)的氣體的速度，再根據(jù)氣體速度和第一管段的內(nèi)徑計算第一管段內(nèi)的氣體流量，以大大提高測量結(jié)果的確穩(wěn)定性和可靠性，同時也實現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的硬件大大簡化，降低成本。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的氣體流量測量的系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的當(dāng)超聲能換能器有兩對時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3a為本發(fā)明實施例提供的超聲波信號在不被調(diào)制時的示意圖；

圖3b為本發(fā)明實施例提供的超聲波信號在被調(diào)制時的示意圖；

圖3c為本發(fā)明實施例提供的超聲波信號調(diào)制后的峰值和時延的示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的氣體流量測量的系統(tǒng)的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的當(dāng)超聲波換能器有三對時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明實施例提供的當(dāng)超聲波換能器有四對時的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實施例提供的氣體流量測量的方法的流程圖。

圖標(biāo)：10-氣體流量測量的系統(tǒng)；100-管段；110-第一管段；120-發(fā)射換能器安裝件；130-接收換能器安裝件；200-超聲波換能器；210-發(fā)射換能器；210a-發(fā)射換能器；210b-發(fā)射換能器；210c-發(fā)射換能器；210d-發(fā)射換能器；220-接收換能器；220a-接收換能器；220b-接收換能器；220c-接收換能器；220d-接收換能器；300-處理器；400-超聲波發(fā)射放大器；500-超聲波接收放大器；600-濾波器；700-幅度解調(diào)器；800-變換器；900-正交解調(diào)器。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。同時，在本發(fā)明的描述中，術(shù)語“第一”、“第二”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術(shù)語“水平”、“豎直”、“懸垂”等術(shù)語并不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水平”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水平，并不是表示該結(jié)構(gòu)一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供了一種氣體流量測量的系統(tǒng)10，其包括管段100、多對超聲波換能器200以及處理器300，其中，多對超聲波換能器200設(shè)置于管段100內(nèi)，處理器300與超聲波換能器200連接。

在本實施例中，所述管段100包括第一管段110、多個發(fā)射換能器安裝件120以及多個接收換能器安裝件130，其中，多個發(fā)射換能器安裝件120沿第一管段110的軸向設(shè)置，多個接收換能器安裝件130沿第一管段110的軸向設(shè)置，可以理解的，多個發(fā)射換能器安裝件120與多個接收換能器安裝件130一一對應(yīng)設(shè)置，每個發(fā)射換能器安裝件120的管道與第一管段110的管道連通，每個接收換能器安裝件130的管道與第一管段110的管道連通，作為本實施例的一種實施方式，每個發(fā)射換能器安裝件120的開口與其對應(yīng)的接收換能器安裝件130的開口相向設(shè)置。

作為一種實施方式，每對超聲波換能器200包括對應(yīng)的發(fā)射換能器210和接收換能器220，可以理解的，發(fā)射換能器210發(fā)送的信號被對應(yīng)的接收換能器220接收。其中，每個發(fā)射換能器安裝件120的管道與第一管段110的管道連通處設(shè)置有一個發(fā)射換能器210，每個接收換能器安裝件130的管道與第一管段110的管道連通處設(shè)置有一個接收換能器220，可以理解的，每個發(fā)射換能器安裝件120的管道內(nèi)的發(fā)射換能器210發(fā)射的信號被對應(yīng)設(shè)置的接收換能器安裝件130的管道內(nèi)的接收換能器220接收，因為每個發(fā)射換能器安裝件120的開口與其對應(yīng)的接收換能器安裝件130的開口相向設(shè)置，使每一對發(fā)射換能器210和接收換能器220面對面安裝，以保證從發(fā)射換能器210發(fā)射的信號能被對面的接收換能器220有效的接收到。

其中，超聲波換能器200的工作頻率通常選在100khz-4mhz范圍，可以理解的，每對超聲波換能器200形成一個聲道，每兩個聲道的超聲波換能器200可以工作在不同的頻率下，也可以工作在同一頻率下，以各個聲道之間的互相干擾較小為原則，同時，超聲波換能器200的發(fā)射方式可以是連續(xù)波，亦可以是脈沖型周期波，相鄰兩對超聲波換能器200的間距通常選擇在0.1～5倍第一管段110的內(nèi)徑范圍，具體可以根據(jù)第一管段110內(nèi)徑的大小和流體工況確定。

在本實施例的實施方式中，每個發(fā)射換能器210的一面會與第一管段110內(nèi)的氣體接觸，每個接收換能器220的一面會與第一管段110內(nèi)的氣體接觸，因此，第一管段110內(nèi)的氣體會對發(fā)射換能器210和接收換能器220與其接觸的一面產(chǎn)生腐蝕、潮濕等影響，因此，每個發(fā)射換能器210和每個接收換能器220與氣體接觸的一面需要添加一個保護層，以防止氣體對超聲波換能器200性能的影響，及其他可能導(dǎo)致超聲波換能器200的機械損壞。同時，為了提高聲能量從換能器耦合到氣體及從氣體耦合到換能器的效率，優(yōu)選的，該保護層為具有聲阻抗匹配的功能，其聲阻抗介于壓電陶瓷和氣體的聲阻抗之間并滿足阻擾匹配公式，同時，該保護層的厚度為聲波波長的1/4整數(shù)倍，或者其厚度大大小于1/4波長。

作為一種方式，處理器300分別與多個發(fā)射換能器210和多個接收換能器220連接，該處理器300產(chǎn)生多個頻率相近或相同的信號，并向每個發(fā)射換能器210發(fā)送該信號，每個發(fā)射換能器210接收該信號后，將其接收的信號轉(zhuǎn)換成同頻率的超聲波信號并傳入第一管段110的管道內(nèi)的氣體，超聲波在穿過流體時，被流體的不均勻結(jié)構(gòu)，如紊流旋渦、濕度被動、溫度/壓力脈動，顆粒雜質(zhì)等進行幅度和相位調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的接收換能器220，接收換能器220將其接收的經(jīng)調(diào)制后的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號，將該電信號發(fā)送給處理器300，該處理器300根據(jù)接收的不同的接收換能器220發(fā)送的電信號獲取每兩個電信號之間的時間延遲，根據(jù)該時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器200之間的距離獲取第一管段110內(nèi)的氣體速度，最后再根據(jù)第一管段110的內(nèi)徑和氣體速度計算第一管段110內(nèi)的氣體流量。

請再參照圖1，作為本實施例的一種實施方式，所述氣體流量測量的系統(tǒng)10還包括多個超聲波發(fā)射放大器400、多個超聲波接收放大器500、多個濾波器600以及多個幅度解調(diào)器700，其中，處理器300的輸出端分別與多個超聲波發(fā)射放大器400的輸入端連接，每個超聲波發(fā)射放大器400的輸出端和每個發(fā)射換能器210的輸入端一一對應(yīng)連接，每個接收換能器220的輸出端和每個超聲波接收放大器500的輸入端一一對應(yīng)連接，每個超聲波接收放大器500的輸出端和每個濾波器600的輸入端一一對應(yīng)連接，每個濾波器600的輸出端和每個幅度解調(diào)器700的輸入端一一對應(yīng)連接，處理器300的輸入端分別與多個幅度解調(diào)器700的輸出端連接，作為一種方式，該系統(tǒng)還包括輸出接口，輸出接口與處理器300連接?；谏鲜鲇布c各個硬件之間的連接關(guān)系，處理器300產(chǎn)生多路頻率相近或相同的信號，并送入多個超聲波發(fā)射放大器400進行功率放大，放大后的信號被分別送入多個發(fā)射換能器210，發(fā)射換能器210將之轉(zhuǎn)換成同頻率的超聲波并傳入第一管段110內(nèi)的流體，超聲波在經(jīng)過流體，被流體的不均勻結(jié)構(gòu)進行幅度和相位調(diào)制，再達到各自對應(yīng)的接收換能器220，接收換能器220將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號發(fā)送給各自對應(yīng)的超聲波接收放大器500，再發(fā)送給各自對應(yīng)的濾波器600進行去干擾及噪聲處理，處理后的信號被送入幅度解調(diào)器700，提取由流體引入的幅度波導(dǎo)信號，其中，幅度解調(diào)器700可以采用簡單的二極管幅度檢波方式，也可以采用其他的幅度解調(diào)方式。

其中，解調(diào)后的信號被分別送入多個a/d轉(zhuǎn)換器進行同時采樣，同時采樣的目的是保證a/d轉(zhuǎn)換器不引入額外時延。對于解調(diào)后信號頻率較低的應(yīng)用，為節(jié)約成本，也可以不嚴(yán)格同時采樣，而是采用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)加一路a/d轉(zhuǎn)換器的方式，這是因為這種方式引入的額外時延跟流體從上游聲道到下游聲道的流動時間相比，可以忽略不計，其中a/d轉(zhuǎn)換器可以是單獨的，也可以是處理器300自帶的。

請參照圖2，作為本實施例的一種實施方式，當(dāng)發(fā)射換能器安裝件120為兩個時，接收換能器安裝件130為兩個，其中，兩個發(fā)射換能器安裝件120沿第一管段110的中心軸線的軸向設(shè)置，兩個發(fā)射換能器安裝件120的間距是l，兩個接收換能器安裝件130沿第一管段110的中心軸線的軸向設(shè)置，兩個接收換能器安裝件130的間距是l，每個發(fā)射換能器安裝件120的開口與其對應(yīng)的接收換能器安裝件130的開口相向設(shè)置，其中，兩個發(fā)射換能器安裝件120的管道處分別設(shè)置有一個發(fā)射換能器210a和發(fā)射換能器210b，兩個接收換能器安裝件130的管道處分別設(shè)置有一個接收換能器220a和接收換能器220b，其中，發(fā)射換能器210a和接收換能器220a面對面安裝，發(fā)射換能器210b和接收換能器220b面對面安裝，發(fā)射換能器210a(或210b)負(fù)責(zé)發(fā)射一定頻率的超聲波信號，接收換能器220a(或220b)負(fù)責(zé)接收經(jīng)過流體后的超聲波信號，這樣由發(fā)射換能器210a(或210b)和其對面的接收換能器220a(或220b)構(gòu)成一個聲道210a-220a(或210b-220b)。當(dāng)流體里面的微結(jié)構(gòu)，如紊流旋渦，濕度不均勻性，溫度/壓力波動，雜物等，通過每一個聲道時，對其聲束的幅度及相位產(chǎn)生調(diào)制(見圖3a和圖3b)，如果這種微結(jié)構(gòu)的性質(zhì)保持不變，當(dāng)其通過下游聲道時，它會對下游聲束產(chǎn)生類似的聲束的調(diào)制。因此，下游接收到的信號和上游接收到的信號相似，只不過在時間上延遲了一些，這個延遲(τ12)與流體速度(v)成反比：

v＝l/τ12

在實際應(yīng)用的場合，上下游的調(diào)制信號使不可能完全相似的，它們只是在統(tǒng)計意義上相似，因此，通過簡單地比較上下游調(diào)制信號來確定時間延遲是不可靠的，必須使用互相關(guān)方法，通過計算上下游信號在不同時延下的相似性，即互相關(guān)曲線，再找到相關(guān)曲線的峰值，從而準(zhǔn)確可靠地確定時延(見圖3c)。

其中，處理器300可以根據(jù)計算每兩個所述電信號之間的互相關(guān)曲線，其中，x1(t)和x2(t)分別為經(jīng)調(diào)制后的電信號，τ為時間延遲，處理器300再根據(jù)互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。在本實施例中，接收換能器220a(或220b)將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過放大、濾波以及解調(diào)后，送入a/d轉(zhuǎn)換器，通過處理器300進行數(shù)據(jù)采集，從而得到該路信號的數(shù)據(jù)。處理器300同時對每一路解調(diào)后的信號，即接收換能器220a和接收換能器220b送來的解調(diào)后的信號，進行數(shù)據(jù)采集，在采集數(shù)據(jù)樣品達到一定樣本數(shù)量后，處理器300開始對每路數(shù)據(jù)做預(yù)處理，進而對兩路數(shù)據(jù)對快速互相關(guān)計算。在完成互相關(guān)曲線計算后，處理器300找出互相關(guān)峰值及相關(guān)峰對應(yīng)的時延，根據(jù)這個時延以及兩對超聲波換能器200之間的距離計算出流體的速度，進而根據(jù)第一管段110的內(nèi)徑計算出流量。

其中，處理器300也可以根據(jù)計算每兩個電信號之間的互相關(guān)曲線，其中，x，y分別代表不同對超聲波換能器200的數(shù)據(jù)序列，即x＝{x(1),x(2),......x(n)}，y＝{y(1),y(2),......y(n)}，rxy(m)是x數(shù)據(jù)序列和y數(shù)據(jù)序列的互相關(guān)函數(shù)在時間延遲為m處的值，處理器300再根據(jù)互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲?？梢岳斫獾?，因為上游聲道信號x總是早于下游聲道信號y，所以時延m可以只取正數(shù)。為了減少有限數(shù)據(jù)的窗口邊緣效應(yīng)，m的取值范圍不能太大。通常，m的范圍可以取從1到n/2。如果相關(guān)峰不在這個范圍，最好增加數(shù)據(jù)樣本數(shù)n，或調(diào)整a/d轉(zhuǎn)換的采樣頻率。

上述互相關(guān)計算方法，在數(shù)據(jù)樣本數(shù)n較大的情況下，計算量很大，對處理器300的要求較高，系統(tǒng)硬件成本較高。為了在低成本的處理器300上實現(xiàn)互相關(guān)曲線的快速計算，本發(fā)明還采用了基于快速傅里葉變換的互相關(guān)算法，根據(jù)互相關(guān)理論，兩個信號的互相關(guān)函數(shù)的傅里葉反變換等于該兩函數(shù)的傅里葉反變換的乘積，不過其中一個信號的傅里葉反變換要取共軛復(fù)數(shù)。如果fft(x)是第一聲道信號x的快速傅里葉變換，fft(y)*是第二聲道信號y的快速傅里葉變換的共軛復(fù)數(shù)，那么，處理器300可以根據(jù)計算每兩個電信號之間的互相關(guān)曲線，其中fft(x)是電信號x的快速傅里葉變換，fft(y)^*是電信號y的快速傅里葉變換的共軛復(fù)數(shù)，處理器300再根據(jù)互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲。對于兩個實信號來說，rxy應(yīng)該是實數(shù)。但是，由于計算的精度所限，rxy計算結(jié)果不但有實部分量，還有很小虛部分量。為簡化起見，可以忽略這個虛部分量。這種處理對互相關(guān)峰的確定不會產(chǎn)生有意義的影響。

請參照圖4，作為本實施例的一種實施方式，該氣體流量測量的系統(tǒng)10還包括多個變換器800和多個正交解調(diào)器900，多個變換器800分別與多個正交解調(diào)器900一一對應(yīng)連接，該處理器300分別與多個正交解調(diào)器900連接，發(fā)射信號經(jīng)過變換器800后作為參考信號，被送入正交解調(diào)器900，分別對各個聲道信號進行相關(guān)解調(diào)，從而得到信號的同向分量i和正交分量q，處理器300再根據(jù)和計算兩個電信號的信號強度in，處理器300根據(jù)所述信號強度和計算每兩個電信號之間的互相關(guān)曲線，處理器300再根據(jù)互相關(guān)曲線獲取互相關(guān)峰值以及互相關(guān)峰值對應(yīng)的時間延遲，其中，正交相關(guān)解調(diào)方式除了實現(xiàn)幅度及相位解調(diào)外，它實際上還對輸入信號作了一個帶寬很窄的帶通濾波，有效地去除了低頻及高頻干擾。從而提高系統(tǒng)測量精度及穩(wěn)定性。

請參照圖5，當(dāng)發(fā)射換能器安裝件120為三個時，接收換能器安裝件130為三個，其中，三個發(fā)射換能器安裝件120沿第一管段110的中心軸線的軸向設(shè)置，三個接收換能器安裝件130沿第一管段110的中心軸線的軸向設(shè)置，每個發(fā)射換能器安裝件120的開口與其對應(yīng)的接收換能器安裝件130的開口相向設(shè)置，其中，三個發(fā)射換能器安裝件120的管道處分別設(shè)置有發(fā)射換能器210a、發(fā)射換能器210b以及發(fā)送換能器210c，三個接收換能器安裝件130的管道處分別設(shè)置有接收換能器220a、接收換能器220b以及接收換能器220c，其中，發(fā)射換能器210a和接收換能器220a面對面安裝，發(fā)射換能器210b和接收換能器220b面對面安裝，發(fā)射換能器210c和接收換能器220c面對面安裝，從而形成三個聲道(210a-220a，210b-220b及210c-220c)，由每個聲道接收到的信號經(jīng)過放大，濾波，解調(diào)等硬件處理，再送入多路a/d轉(zhuǎn)換器，由處理器300對該路信號進行數(shù)據(jù)采集，隨后，處理器300對每兩個聲道的信號做互相關(guān)計算并找出相關(guān)峰和時延。

由于相鄰兩個聲道(210a-220a與210b-220b或210b-220b與210c-220c)之間的安裝距離比相間兩個聲道(210a-220a與210c-220c)之間的距離短，流體通過前者的時間也就比通過后者的短，因此，處理器300可以用相鄰聲道(210a-220a與210b-220b或210b-220b與210c-220c)的計算結(jié)果來測量低流速，而用相間兩聲道(210a-220a與210c-220c)的計算結(jié)果來測量高流速。

請參照圖6，當(dāng)發(fā)射換能器安裝件120為四個時，接收換能器安裝件130為四個，其中，兩個發(fā)射換能器安裝件120與兩個接收換能器安裝件130對應(yīng)設(shè)置于所述第一管段110的第一橫切面上，另外兩個發(fā)射換能器安裝件120與另外兩個接收換能器安裝件130對應(yīng)設(shè)置于第一管段110的第二橫切面上，該第一橫切面和第二橫切面相距一定距離l，位于第一橫切面上的其中一個發(fā)射換能器安裝件120和與其對應(yīng)設(shè)置的接收換能器安裝件130與位于第二橫切面上的其中一個發(fā)射換能器安裝件120和與其對應(yīng)設(shè)置的接收換能器安裝件130位于同一平面。其中，位于第一橫切面的兩個發(fā)射換能器安裝件120內(nèi)分別設(shè)置有發(fā)射換能器210a和發(fā)射換能器210c，位于第一橫切面的兩個接收換能器安裝件130內(nèi)分別設(shè)置有接收換能器220a和接收換能器220c；位于第二橫切面的兩個發(fā)射換能器安裝件120內(nèi)分別設(shè)置有發(fā)射換能器210b和發(fā)射換能器210d，位于第二橫切面的兩個接收換能器安裝件130內(nèi)分別設(shè)置有接收換能器220b和接收換能器220d?？梢岳斫獾?，通過這種結(jié)構(gòu)，210a-220a聲道和210b-220b聲道位于同一平面，210c-220c聲道和210d-220d聲道位于另外一個平面。以使流體調(diào)制信號在穿過210a-220a聲道(或210c-220c聲道)后，將會以相似的特性穿過210b-220b聲道(或210d-220d聲道)，從而保證了210b-220b路(或210d-220d路)信號與210a-220a路(或210c-220c路)信號的相關(guān)性。處理器300通過計算210b-220b路(或210d-220d路)信號與210a-220a路(或210c-220c路)信號的相關(guān)性和時延，來求得流體在210a-220a--210b-220b平面(或210c-220c--210d-220d平面)沿軸線方向的平面速度，然后對210a-220a--210b-220b平面和210c-220c--210d-220d平面的平均速度進行加權(quán)平均，得到氣體的端面平均速度，以測量流場不均勻的場合，進而提高測量精度。

本發(fā)明提供的氣體流量測量的系統(tǒng)10通過將每個發(fā)射換能器安裝件120的管道與第一管段110的管道連通，每個接收換能器安裝件130的管道與第一管段110的管道連通，在每個發(fā)射換能器安裝件120的管道與第一管段110的管道連通處設(shè)置一個發(fā)射換能器210，在每個接收換能器安裝件130的管道與第一管段110的管道連通處設(shè)置一個接收換能器220，以提高發(fā)射換能器210與接收換能器220的換能效率。將處理器300分別與多個發(fā)射換能器210和多個接收換能器220連接，以發(fā)送信號給發(fā)射換能器210，并接收接收換能器220反饋的電信號，從而根據(jù)每兩個電信號計算兩個電信號之間的時間延遲，最后計算出第一管段110內(nèi)的氣體流量，以大大提高測量結(jié)果的確穩(wěn)定性和可靠性，同時也實現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的硬件大大簡化，降低成本。

第二實施例

第參照圖7，圖7示出了本發(fā)明實施例提供的氣體流量測量的方法的流程圖，下面將針對圖7所示的方法進行闡述，其中，所述方法應(yīng)用于氣體流量測量的系統(tǒng)10，所述方法，包括：

步驟s110：所述處理器向每個所述發(fā)射換能器發(fā)送信號。

步驟s120：每個所述發(fā)射換能器將其接收的所述信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號經(jīng)所述第一管段內(nèi)的微結(jié)構(gòu)調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的所述接收換能器。

步驟s130：每個所述接收換能器將其接收的經(jīng)調(diào)制后的所述超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給所述處理器。

步驟s140：所述處理器根據(jù)不同的所述接收換能器發(fā)送的所述電信號獲取每兩個所述電信號之間的時間延遲。

步驟s150：所述處理器根據(jù)所述時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器之間的距離獲取所述第一管段內(nèi)的氣體的速度。

步驟s160：所述處理器根據(jù)所述氣體速度和所述第一管段的內(nèi)徑計算所述第一管段內(nèi)的氣體流量。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的氣體流量測量的系統(tǒng)及方法通過將每個發(fā)射換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通，每個接收換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通，在每個發(fā)射換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通處設(shè)置一個發(fā)射換能器，在每個接收換能器安裝件的管道與第一管段的管道連通處設(shè)置一個接收換能器，以發(fā)射換能器與接收換能器的換能效率。將處理器分別與多個發(fā)射換能器和多個接收換能器連接，首先通過處理器向每個發(fā)射換能器發(fā)送信號；然后每個發(fā)射換能器將其接收的信號轉(zhuǎn)換成超聲波信號經(jīng)第一管段內(nèi)的微結(jié)構(gòu)調(diào)制后發(fā)送給與其對應(yīng)的接收換能器，每個接收換能器將其接收的經(jīng)調(diào)制后的超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后發(fā)送給處理器，最后處理器根據(jù)不同的接收換能器發(fā)送的電信號獲取每兩個電信號之間的時間延遲，根據(jù)該時間延遲和對應(yīng)的兩對超聲波換能器之間的距離獲取第一管段內(nèi)的氣體的速度，再根據(jù)氣體速度和第一管段的內(nèi)徑計算第一管段內(nèi)的氣體流量，以大大提高測量結(jié)果的確穩(wěn)定性和可靠性，同時也實現(xiàn)整個測量系統(tǒng)的硬件大大簡化，降低成本。

在本申請所提供的幾個實施例中，應(yīng)該理解到，所揭露的系統(tǒng)和方法，也可以通過其它的方式實現(xiàn)。以上所描述的實施例僅僅是示意性的，例如，附圖中的流程圖和框圖顯示了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例的系統(tǒng)、方法和計算機程序產(chǎn)品的可能實現(xiàn)的體系架構(gòu)、功能和操作。在這點上，流程圖或框圖中的每個方框可以代表一個模塊、程序段或代碼的一部分，所述模塊、程序段或代碼的一部分包含一個或多個用于實現(xiàn)規(guī)定的邏輯功能的可執(zhí)行指令。也應(yīng)當(dāng)注意，在有些作為替換的實現(xiàn)方式中，方框中所標(biāo)注的功能也可以以不同于附圖中所標(biāo)注的順序發(fā)生。例如，兩個連續(xù)的方框?qū)嶋H上可以基本并行地執(zhí)行，它們有時也可以按相反的順序執(zhí)行，這依所涉及的功能而定。也要注意的是，框圖和/或流程圖中的每個方框、以及框圖和/或流程圖中的方框的組合，可以用執(zhí)行規(guī)定的功能或動作的專用的基于硬件的系統(tǒng)來實現(xiàn)，或者可以用專用硬件與計算機指令的組合來實現(xiàn)。

另外，在本發(fā)明各個實施例中的各功能模塊可以集成在一起形成一個獨立的部分，也可以是各個模塊單獨存在，也可以兩個或兩個以上模塊集成形成一個獨立的部分。

所述功能如果以軟件功能模塊的形式實現(xiàn)并作為獨立的產(chǎn)品銷售或使用時，可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質(zhì)中?；谶@樣的理解，本發(fā)明的技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻的部分或者該技術(shù)方案的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計算機軟件產(chǎn)品存儲在一個存儲介質(zhì)中，包括若干指令用以使得一臺計算機設(shè)備(可以是個人計算機，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質(zhì)包括：u盤、移動硬盤、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質(zhì)。需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。