專利名稱：監(jiān)測氣體流量，特別是天然氣流量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及監(jiān)測流動(dòng)氣體成分的方法，在該方法中，將聲振蕩加到氣體流動(dòng)管下游和上游，探測所監(jiān)測的聲波順流和逆流的行進(jìn)時(shí)間，在所說行進(jìn)時(shí)間的基礎(chǔ)上，確定聲波速度或表示速度的量，該速度或量主要依賴于所要監(jiān)測的氣體的平均分子量。
進(jìn)一步，本發(fā)明涉及監(jiān)測氣體流量，特別是天然氣流量的裝置。
在芬蘭技術(shù)研究中心(ValtiontutkimusKeskusVTT)的芬蘭專利FINo76885中，公開了一種聲波流量測量方法和裝置，該方法和裝置采用聲波上行和下行的方法測量氣體、液體和/或多相乳濁液在一個(gè)管中或在一個(gè)等價(jià)的波管中的流速、體積流量和/或質(zhì)量流量。在該已有技術(shù)的方法和裝置中，使從聲源發(fā)生的寬頻帶聲波信號(hào)，以平面波上行和下進(jìn)入測量管或等價(jià)波管，然后，在從所測聲波信號(hào)修正函數(shù)的最大值和/或最小值，得到的聲波行進(jìn)時(shí)間的基礎(chǔ)上，和在測量點(diǎn)之間距離的基礎(chǔ)上確定流速。
在所說芬蘭專利中，描述的一個(gè)技術(shù)解決方案中，以頻率掃描的方式把聲波輸入測量管道中，再從放在測量距離端頭的麥克風(fēng)的信號(hào)，采用極性相關(guān)器確定聲音的行進(jìn)時(shí)間。根據(jù)所測得的上行和下行的行進(jìn)時(shí)間，就有可能非常精確地測得平均流速，和在靜止介質(zhì)中的聲速。此外，如果必要的話，還可根據(jù)流速和管子的橫截面積，計(jì)算出體積流量率，根據(jù)所說芬蘭專利或某些其它方法測量的氣體流速，一般來說，是與氣體的溫度和壓力一起作為初始信息，用于計(jì)算質(zhì)量流量。所以，通常流速的測量是結(jié)合氣體溫度和壓力的測量一起進(jìn)行的。
除了測量流速和質(zhì)量流量，也還需要監(jiān)測氣體的其它參量，特別是監(jiān)測氣體成分。這種需要已經(jīng)出現(xiàn)，如在測量天然氣的情況下，這種天然氣經(jīng)濟(jì)上是最重要?dú)怏w形式的能源。例如，天然氣中可能包含不同量的氫氣、水蒸氣或惰性氣體。如在已有技術(shù)中所知的，天然氣參量的監(jiān)測是通過采樣然后用色譜分析檢測樣品進(jìn)行的，這需要有昂貴的設(shè)備，需在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，并且難以自動(dòng)進(jìn)行。所以很需要有這樣一種監(jiān)測氣體，特別是監(jiān)測天然氣的方法和裝置。它在氣體參量發(fā)生明顯變化的情況下能發(fā)出報(bào)警，在這種情況下，如果必要?jiǎng)t有可能利用色譜分析儀，進(jìn)行更精細(xì)的分析。為了銷售而確定其燃燒值，也很有必要監(jiān)測氣體的成分。
已經(jīng)知道，聲波在氣體中的速度主要依賴于氣體的成分和溫度。氣體成分影響聲音速度主要是因?yàn)槠淦骄肿恿浚谀撤N程度上也是由于其分子中的自由度的維數(shù)，即分子中的原子數(shù)。
本發(fā)明的目的是提出一種用于監(jiān)測氣體，特別是天然氣的流量，特別是監(jiān)測氣體組成的新穎有益的方法和裝置。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提出一種方法，除了得到關(guān)于氣體流速的信息之外，還可得到關(guān)于氣體成分是否保持純一或是否有變化發(fā)生，例如混入其它氣體如氫氣、水蒸汽或空氣等外部氣體混入天然氣中。
本發(fā)明的一個(gè)特殊目的是提出一種方法，它能很好地與氣體流量的測量，特別是與所說的芬蘭專利No76885中所描述的聲波氣體流量計(jì)相結(jié)合，在該裝置中聲波上行和下行的行進(jìn)時(shí)間通過相關(guān)技術(shù)，最好采用極性相關(guān)器進(jìn)行則量。
關(guān)于與本發(fā)明緊密相關(guān)的已有技術(shù)，參考文件還有CH669，463和US4596133其中記載了適于監(jiān)測氣體流動(dòng)的裝置，該裝置中主要采用了超聲波技術(shù)，但這些裝置與本發(fā)明比較其基本區(qū)別在于在所引用的專利中，聲波能量是沿一定路徑傾斜穿過流量管，在這種情況下聲波波長必須是基本上短于測量管的直徑。另一個(gè)不同是，在所說的引用專利中的裝置，與本發(fā)明的裝置相比較，都是采用超聲波技術(shù)，同一個(gè)探測器既用作傳輸器又作為監(jiān)測聲波的接收器。
為了實(shí)現(xiàn)上述的及后面將提到的目的，本發(fā)明的方法主要特征在于，在該方法中所選擇的所說聲振動(dòng)蕩頻率低于某一個(gè)限制頻率，從而使監(jiān)測聲波在測量管的軸向上，以平面波行進(jìn)，探測監(jiān)測聲波在測量管的軸向上，一段測量距離上的行進(jìn)時(shí)間，該測量距離基本上大于測量管的平均直徑，并且當(dāng)聲速或代表聲速的量與其預(yù)期值范圍不同時(shí)，就給出一個(gè)報(bào)警信號(hào)或其它控制信號(hào)。
另一個(gè)方面，本發(fā)明的裝置其特征主要在于該裝置包括一個(gè)測量管，所測氣體流量從中穿過，和用作聲頻信號(hào)傳輸器的楊聲器，以及用作聲探測器的麥克風(fēng)，該麥克風(fēng)放在所說的兩個(gè)楊聲器之間，與測量管相連的位置上，所說的兩個(gè)楊聲器沿測量管的軸向彼此分開一定的已知的距離，其軸向距離基本上大于，最好是一個(gè)量級(jí)，測量管的平均直徑，該裝置還包括確定氣體流動(dòng)速度和在氣體流動(dòng)中聲波速度的單元，該裝置還包括一個(gè)報(bào)警單元，當(dāng)所探測的聲速或表示聲速的量，高于或低于某些預(yù)設(shè)的極限值時(shí)，可用來產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，用同一個(gè)裝置的聲學(xué)技術(shù)，可同時(shí)測得氣體流動(dòng)速度和氣體中聲速。此外，其優(yōu)點(diǎn)是還可測量氣體溫度，在某些情況下還可測量壓力。在溫度測量的基礎(chǔ)上，所測的聲速可換算成予設(shè)的參考溫度。在監(jiān)測該換算的聲速的基礎(chǔ)上，可給出報(bào)警或任何其它控制信號(hào)。在該方法中，可以監(jiān)測氣體的成分，所說的成分影響聲速主要是由于平均分子量，在某種程度上，也受分子自由度維數(shù)的影響。聲速變化的允許范圍，通過實(shí)驗(yàn)來確定，如果必要可參考利用色譜儀作出的測量。允許的，無須報(bào)警的聲速變化范圍的平均值可以表示成氣體的一個(gè)平均或理想?yún)⒘俊?br> 關(guān)于這一點(diǎn)應(yīng)明確指出，上面及下面的內(nèi)容中，氣體都應(yīng)理解成，也意味著由不同氣體組成的混合氣體。
在下文中，將參考附圖
結(jié)合一個(gè)圖示的實(shí)施例詳細(xì)敘述本發(fā)明，本發(fā)明不受所說實(shí)施例細(xì)節(jié)的嚴(yán)格限制。
附圖是本發(fā)明氣體流量監(jiān)測裝置的示意圖，它是一個(gè)框圖。
根據(jù)附圖，在測量管10中，用聲學(xué)方法監(jiān)測了測量管10中流動(dòng)的氣體流量，典型地，所監(jiān)測的氣體是天然氣。聲波信號(hào)借助楊聲器13a和13b從上游和下游傳輸進(jìn)測量管10中，聲波信號(hào)由位于楊聲器13a和13b之間的麥克風(fēng)14a和14b接收，麥克風(fēng)之間相互距離為L，對于監(jiān)測來說是基本的參量。測量管10的直徑D和測量距離L經(jīng)過選擇，如L≈10D。
從與本發(fā)明相關(guān)的測量技術(shù)的觀點(diǎn)來看，最基本的物理觀測是在具有剛性壁的管10中，低于某一個(gè)依賴于管10尺寸的極限頻率，只有所謂的平面波或活塞式波能行進(jìn)，其行進(jìn)速度不依賴于介質(zhì)，其溫度或流速的局部變化，而只依賴于在測量距離內(nèi)通常顯示的平均值(B.Robertson，“EffectofArbitrayTemperatureandFlowProfilesontheSpeedofsoundinapipe”，J，ACoust.Soc.Am.Vol62，No.4.P，813…818.October1977，andB.Robertson，“FlowandTemperatureProfileIndependenceofFlowmeasuremeutsUsinglongAconsticwaves”TransactionoftheASME，Vol.106，P18…20，March1984)，這就可以不依賴于管內(nèi)參量分布，而進(jìn)行精確的流量測量。對于圓形截面的管，所說極限頻率fc可從下式計(jì)算出fc＝C/(1.7.D)(1)其中C是管中介質(zhì)中聲音的行進(jìn)速度，D是管10的直徑。
以下給出本發(fā)明用于流量監(jiān)測的最重要的計(jì)算公式。
聲速[米/秒]C＝0.5·L·(t-11+t-12)(2)溫度換算成聲速[米/秒]CO= C·(TO/T)]]>(3)流速[米/秒]V＝0.5·L·(t-11-t-12)(4)體積流量[立方米/秒]Q＝V·A(5)質(zhì)量流量[公斤/秒]M＝Q·P(6)V＝平均流速L＝麥克風(fēng)14a和14b之間的距離t1＝聲波下行時(shí)間t2＝聲波上行時(shí)間T0＝換算到聲速C0時(shí)的參考溫度T＝測量管10中氣體的溫度Q＝體積流量A＝管10的橫截面積M＝質(zhì)量流量
P＝氣體密度根據(jù)附圖，從掃描發(fā)生器12接收的電信號(hào)，交替地輸入到楊聲器13a和13b。由頻率掃描控制單元11控制的開關(guān)裝置18控制楊聲器13a和13b的交替輸入。該聲測量系統(tǒng)的接收端包括上述的麥克風(fēng)14a和14b，它們彼此分開測量距離L，所說麥克風(fēng)的輸出信號(hào)，借助于放大器16a和16b，輸入到掃描濾波器17a和17b中，這是本發(fā)明中基本的元件，其掃描頻帶由頻率掃描控制單元11控制。所說掃描濾波器17a和17b與極性相關(guān)器15相連。
根據(jù)附圖，一個(gè)氣體溫度T測量探測器19和一個(gè)氣體壓力P測量探測器21，放在測量管10中，與聲波下行行進(jìn)時(shí)間t1和聲波上行行進(jìn)時(shí)間t2相關(guān)的數(shù)據(jù)，也從極性相關(guān)器15傳送到計(jì)算單元20。在單元20中在上式(2)的基礎(chǔ)上，氣體中所監(jiān)測的聲速C被算出，在式(4)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出氣體的流速Vo流速V從單元20傳輸?shù)接?jì)算和/或顯示單元22，其中流速V被顯示并且，如果必要，就被記錄下來，例如使用描圖儀;如果需要，可根據(jù)式(5)和(6)計(jì)算出體積流量Q和/或質(zhì)量流量M，它們也可顯示和/或記錄在單元22中。在本發(fā)明中，管10中流動(dòng)的氣體成分的監(jiān)測是與上面所描述的，流速V和可從所說流速中推算出的量Q和M的監(jiān)測相關(guān)聯(lián)的。
由于氣體中聲速主要依賴于溫度和氣體的成分，它們影響聲速主要是緣于其平均分子量，在某種程度上也由于分子中自由度維數(shù)，所以氣體中聲速也可表示氣體的成分，至少是本發(fā)明所監(jiān)測的如此大的成分變化。
在單元20中，基于上式(2)，利用行進(jìn)時(shí)間t1和t2可算出聲速C。進(jìn)一步，當(dāng)關(guān)于流動(dòng)氣體的溫度T的信息，由探測器19送到單元20時(shí)，在上式(3)中，C0=C(T0/T)]]>的基礎(chǔ)上，就可能確定換算到系統(tǒng)的參考溫度T0的聲速C0。換算的聲速C0從單元20傳送到單元23。單元23是作為參考和報(bào)警單元，當(dāng)換算出的聲速C0高于或低于所給出的極限值C1和C2時(shí)，它就報(bào)警。所說極限值C1和C2，可以設(shè)置并輸入到單元23中。當(dāng)換算出的聲速C0，保持在所給出的極限C1和C2中時(shí)，該系統(tǒng)就認(rèn)為氣體的成分是足夠純一的。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)所探測的換算聲速C0，高于所說上限C1或低于所說的下限C2，該系統(tǒng)就給出適當(dāng)?shù)膱?bào)警信號(hào)。換一種方式，所說的極限C1和C2，可以設(shè)計(jì)成依賴于溫度，以上述的方式進(jìn)行換算。報(bào)警可促使對氣體成分進(jìn)行更精確的測定，如進(jìn)行色譜分析。如果氣體的溫度保持足夠的穩(wěn)定，其測量并不總是必要的，從而使上述的溫度與聲速的換算也不必要。但通常溫度的測量，和在此基礎(chǔ)上聲速的換算，在本發(fā)明中是必要的。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，上述的監(jiān)測和聲音行進(jìn)時(shí)間t1和t2的確定方式，只是一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明并不受其限制。在本發(fā)明中，還可能采用所說芬蘭專利No-76885中評(píng)述的，和本申請人的芬蘭專利申請No916102中詳述的聲學(xué)流量測量的各種技術(shù)。
關(guān)于附圖中的框圖，一般認(rèn)為所示的作為單個(gè)方框單元，而在實(shí)際的裝置中，可分成許多方式來放置。與附圖不同的，操作的方框劃分也是可能的。
以下將會(huì)給出專利的權(quán)利要求書并且在由所說的權(quán)利要求限定的本發(fā)明構(gòu)思的范圍內(nèi)，本發(fā)明的各種細(xì)節(jié)可以改變，并只與以上作為實(shí)施例敘述的有所不同。
權(quán)利要求
1.用于監(jiān)測流動(dòng)氣體成分的方法，在該方法中，聲振蕩施加到氣體流動(dòng)管10的下游和上游，探測所監(jiān)測聲波(L)下行和上行的行進(jìn)時(shí)間(t1、t2)，在所說行進(jìn)時(shí)間(t1、t2)的基礎(chǔ)上，確定聲速(C)或表示聲速的量，該速度(C)或量主要依賴于所監(jiān)測氣體平均分子量，其特征在于在該方法中所說聲振蕩頻率，經(jīng)選擇低于某一個(gè)極限頻率(f0)，從而使所監(jiān)測的聲波沿測量管的軸向，以平面波行進(jìn)，探測了所監(jiān)測聲波沿測量管的軸向測量距離(C)的行進(jìn)時(shí)間(t1、t2)，該測量距離基本上大于測量管的平均直徑(D)，當(dāng)所說聲速(C)或表示聲速的量，與予期值的范圍(C1……C2)不同時(shí)，則給出報(bào)警信號(hào)或其它控制信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在該方法中所用的測量管是一個(gè)環(huán)形截面的氣流管(10)，監(jiān)測聲波的上限頻率選作f0＝(C/1·7·D)，其中C是在充滿氣流管(10)的介質(zhì)中聲音行進(jìn)速度，D是所說氣流管(10)的直徑。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于選擇沿氣流管(10)的軸向監(jiān)測聲波上行和下行的行進(jìn)時(shí)間(t1、t2)的測量距離L，使得L≈10D
4.按照權(quán)利要求1到3中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于在該方法中測量了流動(dòng)氣體的溫度(T)，在所測量的溫度的基礎(chǔ)上，已換算到某一個(gè)參考溫度T0的聲速，由公式C0=C(T0/T)]]>來確定，該公式對于理想氣體是適用的，其中T＝氣體的絕對測量溫度，T0＝所選擇的絕對參考溫度，C＝所測量的聲速，C0＝換算成參考溫度的聲速，或通過相應(yīng)的更實(shí)際的公式來計(jì)算，當(dāng)所說的換算的溫度(C0)，與其予期范圍(C1……C2)不同時(shí)，就給出一個(gè)報(bào)警信號(hào)或控制信號(hào)。
5.按照權(quán)利要求1到4中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于基于所說的行進(jìn)時(shí)間(t1、t2)，氣體流動(dòng)速度可以借助于已知的計(jì)算公式(4)計(jì)算出來，和/或基于上述的流速測量，體積流量(Q)和/或質(zhì)量流量(M)在已知的計(jì)算公式(5)、(6)的基礎(chǔ)上可計(jì)算出來。
6.按照權(quán)利要求1到5中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于在該方法中，也測量流動(dòng)氣體的壓力(P)。
7.按照權(quán)利要求1到6中任何一個(gè)所述的方法，其特征在于在該方法中，基本上是采用同樣的裝置，測量了所監(jiān)測氣體成分的純一性，和可從其推導(dǎo)出的流速(V)和/或量(Q、M)，在該方法中，長波聲波傳送到測量管(10)中，而在氣體流動(dòng)中上行和下行的聲波信號(hào)。采用兩個(gè)相互分開特定距離(L)，連接在測量管(10)上的聲探測器(14a和14b)來探測，在測量管中流動(dòng)氣體的流速(V)和聲速(C)，采用所說信號(hào)根據(jù)已知計(jì)算公式(2)和(4)的極性相關(guān)(15;151、152)而確定，傳輸進(jìn)測量管(10)中的聲波頻率在某一最大值和最小值之間(fmax，fmin)掃描，從兩個(gè)聲探測器(14a、14b)輸出的測量信號(hào)(f1(t)，f2(t))，送經(jīng)一個(gè)窄帶濾波器(17a、17b)或?yàn)V波器系統(tǒng)，所說濾波器(17)的通頻帶與傳輸聲波的頻率掃描，被同步掃描，頻率掃描的持續(xù)時(shí)間和所說濾波器(17)通頻帶的寬度經(jīng)過選擇，使得在測量時(shí)序中，由每一個(gè)聲波探測器(14a、14b)探測的測量信號(hào)，基本上沒有衰減地通過其濾波器，同時(shí)，也使與濾波器(17)的平均頻率完全不同的干擾頻率明顯地衰減
8.用于監(jiān)測氣體、特別是天然氣流動(dòng)裝置，其特征在于該裝置包括一個(gè)測量管(10)，所測氣體從中流動(dòng)，和作為聲頻聲波信號(hào)傳輸器的楊聲器(13a、13b)和作為聲波探測器的麥克風(fēng)(14a、14b)，這兩個(gè)麥克風(fēng)放在兩個(gè)楊聲器之間，沿測量管的軸向，以某一個(gè)已知距離(C)彼此分開，并連接在測量管上，其軸向間距大于，最好是一個(gè)量級(jí)、測量管(10)的平均直徑(D)，該裝置包括單元(20、21、23)。通過它們確定氣體流速(V)和在流動(dòng)氣體中的聲速，該裝置還包括一個(gè)報(bào)警單元(23)，它在所探測的聲速(C)或表示聲速的量高于或低于某些予設(shè)的拯限制(C1、C2)時(shí)會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。
9.按照權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于該裝置包括一個(gè)固定在測量管(10)中的溫度探測器(19)，溫度測量信號(hào)由此可傳送到裝置的計(jì)算單元(20)，借助該單元(20)，已換算成某一個(gè)予設(shè)的參考溫度(T0)的聲速(C0)，可以由已知的計(jì)算公式(3)確定，該裝置還包括一個(gè)單元(23)，它在所說換算聲速(C0)與其予期值范圍(C1…C2)不同時(shí)，給出一個(gè)報(bào)警或控制信號(hào)。
10.按照權(quán)利要求8或9所述裝置，其特征在于該裝置包括一個(gè)頻率掃描信號(hào)發(fā)生器(12)或發(fā)生器(12a、12b)，通過這些裝置頻率掃描電信號(hào)輸入到所說楊聲器(13a、13b)，該裝置還包括一個(gè)極性相關(guān)器(15、151、152)，從所說麥克風(fēng)(14a、14b)中接收的信號(hào)，送入到其中，該裝置還包括兩個(gè)頻率掃描濾波器(17a、17b)或一個(gè)濾波器等價(jià)系統(tǒng)，通過它們從所說麥克風(fēng)(14a、14b)中出來的信號(hào)，送入極性相關(guān)器(15)，該裝置也包括一個(gè)頻率掃描控制單元(11)，由此單元，頻率掃描信號(hào)發(fā)生器(12)的頻率和所說窄頻帶濾波器(17)的頻率掃描彼此同步控制。
11.按照權(quán)利要求8到10中任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于在測量管中放有一個(gè)用于流運(yùn)氣體的壓力探測器，該探測器將壓力測量信號(hào)輸出到裝置的計(jì)算單元(20)。
12.按照權(quán)利要求8到11任何一個(gè)所述用于監(jiān)測天然氣的裝置，其特征在于該裝置適宜給出一個(gè)起始推動(dòng)，以便更精確的色譜分析來確定天然氣的成分。
全文摘要
用于監(jiān)測流動(dòng)氣體成分的方法和裝置。將聲振蕩施加到氣體流動(dòng)管的下游和上游，探測所監(jiān)測聲波在一定距離上的下行和上行的行進(jìn)時(shí)間(t
文檔編號(hào)G01N29/024GK1077796SQ9211483
公開日1993年10月27日 申請日期1992年12月23日 優(yōu)先權(quán)日1991年12月23日
發(fā)明者T·梅蘭倫, S·庫卡里, P·希斯馬基, M·克努蒂拉, L·卡爾, A·蒂塔 申請人:蒂特達(dá)斯屈托拉儀器股份公司