CN102116652A - 微波流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微波流量计，包括微波信号源、微波传感器和信号预处理电路及信号处理电路，两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号；经射频放大电路、解调电路从中解调出低频调制信号后，这两个信号再经过低通滤波器滤除高频噪声、低频放大电路；之后送到模/数转换器进行模/数转换，并将这些数据传送到上位机；最后对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理，从而得到流速，进而得到流量、累计流量等所需最终数据信息，具有实时、高效、精确等优点。
Description
技术领域
本发明公开一种微波流量计，按国际专利分类表(IPC)划分属于流量测试装置类制造技术领域，可用于能源（如石油、天然气）、冶金、环保、纸浆造纸、矿石、核电、化工等众多行业中的两相流和多相流采用微波原理测量方法计量装置。
背景技术
流量计是指示被测流量和(或)在选定的时间间隔内流体总量的仪表，传统的流量计一般采用接触式测量被测流体，其不足是易腐蚀且测量精度不高，后来出现利用超声波非接触式流量计，根据检测的方式不同可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计，但上述的检测方式有一定的局限，如传播时间法只能用于清洁液体和气体;而多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;多普勒法测量精度不高。但非接触式流量测试方式是现代流体测量领域的一种趋势。
中国专利文献CN1055596公开一种多用途微波煤粉流量计，在管内流动煤粉作用下一部分微波反射产生频差,测出煤粉流速。一部分微波穿过煤粉流被反射板反射再次穿过煤粉流产生衰减,测出煤粉浓度，该仪表主要是用于测试流动煤粉；中国专利文献CN101802562A公开了一种用于测量在管内携带由油气井中采出的气态-液态烃和水的多相混合物的流动特性的方法和系统，所述方法和系统可以用于组合用于测量管道中的气相的流动特性的夹紧式超声波气体流量计和用于测量液相的流动特性的脉冲多普勒传感器(一个或多个)和/或射频(RF)/微波电磁(EM)传感器(一个或多个)。传感器的组合可以用于在诸如当气-液正在大致水平管道中流动时、当流动被分层或使所述被分层和/或类似条件的一定流动条件下进行多相流测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种结构合理、测量精确的微波流量计，采用微波原理的测量方法达到对两相或多相流体测量。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种微波流量计，包括微波信号源、微波传感器和微波信号处理电路，其中：
微波信号源，其为发射微波信号装置，通过微波传感器向流体辐射微波信号；
微波传感器，其为沿流体管道轴线相距L的两路传感器组成并检测到的两路流动噪声信号x（t）和y（t）；
微波信号处理电路，其接收并提取上述的两路信号x（t）和y（t），两信号的互相关函数为：
，其中 T是积分时间也就是测量时间，相关函数的峰值表明了x（t）和y（t）在某时差上的相似性，相关函数的峰值点对应着两路信号的延时；
对上述两路噪声信号调制转换处理后进行相关算法处理而得到流速v=L/
，其中L为两传感器之间的距离，
为互相关函数的峰值点所对应的时间。
进一步，所述的两路传感器包括安装于流体管道上的发射传感器和接收传感器，两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号并传输给微波信号处理电路。
进一步，所述的微波信号处理电路是由信号预处理电路和信号处理电路组成，信号预处理电路用于提取两个接收传感器获得的低频模拟噪声信号，信号处理电路与信号预处理电路电性联接完成信号的模数转换，对两路低频噪声信号进行相关算法处理而得到流速，进而得到流量、累计流量所需最终数据信息。
进一步，所述的信号预处理电路包括射频放大模块、解调模块及低通滤波器、低频放大模块，上述各模块电性联接，信号预处理电路从接收传感器输送的两路信号中解调出低频调制信号，再经过低通滤波器滤除高频噪声并低频放大为两路模拟信号。
进一步，所述的信号处理电路包括模/数转换器进行模/数转换，并将上述数据传送到上位机，并对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理从而得到流速。
流体在封闭管道内流动时，其内部存在着与流动状况有关的随机流动噪声；当微波在流体中传播时，流动噪声会对微波的幅度、相位、频率产生调制或混合调制现象；当这种流动噪声信号被微波传感器检测出来后，通过随机信号理论中的相关测速理论即可提取流速信息。
本发明利用微波传感器检测到的流动噪声信号x（t）和y（t）是被测流体内部存在的随机噪声现象对传感器发射出的能量束或传感器建立起来的能量场所产生的随机调制作用的结果，则随机信号x（t）和y（t）波形将基本相同，只存在时间上的滞后。两信号通过经射频放大电路、解调电路（从中解调出低频调制信号）后，这两个信号再经过信号处理电路滤除高频噪声、低频放大之后进行模/数转换，并将这些数据传送到上位机；最后对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理，从而得到流速，进而得到流量、累计流量等所需最终数据信息，其测量数据信息参数实时、高效、精确。
附图说明
图1是本发明相关法测量原理示意图；
图2是本发明微波相关法测速结构原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：请参阅图2一种微波流量计，包括微波信号源1、微波传感器和微波信号处理电路，其中：
微波信号源1，其为发射微波信号装置，通过微波传感器向流体辐射微波信号；
微波传感器，其为沿流体管道轴线相距L的两路传感器组成并检测到的两路流动噪声信号x（t）和y（t），两路传感器具体为上游传感器21和下游传感器22；
微波信号处理电路，其接收并提取上述的两路信号x（t）和y（t），两信号的互相关函数为：
对上述两路噪声信号调制转换处理后进行相关算法处理而得到流速v=L/ 
，其中L为两传感器之间的距离，
为互相关函数的峰值点所对应的时间。
本发明中两路传感器包括安装于流体管道H上的发射传感器和接收传感器，两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号并传输给微波信号处理电路。微波信号处理电路是由信号预处理电路31和信号处理电路32组成，信号预处理电路用于提取两个接收传感器获得的低频模拟噪声信号，信号处理电路与信号预处理电路电性联接完成信号的模数转换，对两路低频噪声信号进行相关算法处理而得到流速，进而得到流量、累计流量所需最终数据信息。其中信号预处理电路31包括射频放大、解调模块311及低通滤滤波、放大模块312，上述各模块电性联接，信号预处理电路从接收传感器输送的两路信号中解调出低频调制信号，再经过低通滤波器滤除高频噪声并低频放大为两路模拟信号；信号处理电路包括模/数转换器321进行模/数转换，并将上述数据传送到上位机，并对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理从而得到流速。
如图1所示，在沿管道轴线相距L的地方，分别安装两个具有相同结构的传感器。传感器检测到的流动噪声信号x（t）和y（t）是被测流体内部存在的随机噪声现象对传感器发射出的能量束或传感器建立起来的能量场所产生的随机调制作用的结果。当被测流体在管道内作稳定流动时，如果流动流体符合“凝固”流动模型的假设（即当一个观察者以和流体相同的速度沿流体轴线方向移动时，他所看到的流体内部的湍流图型是相同的。在实际油、水、气多相流中，“凝固”流动模型的假设是不成立的，但只要上、下游传感器之间的距离足够小，流动的流动模型的变化相对来说比较小，可以近似地认为流动系统满足“凝固”流动模型的假设），则随机信号x（t）和y（t）波形将基本相同，只存在时间上的滞后。两信号的互相关函数为
其中，T是积分时间，也就是测量时间。相关函数的峰值表明了x（t）和y（t）在某时差上具有相似性。相关函数的峰值点对应着两路信号的延时。流速v=L/ 
,其中，L为两传感器之间的距离；
为互相关函数的峰值点所对应的时间，即为理想情况下，流体从上游流动到下游所用的时间。
互相关函数就是两随机过程相关性的描述，互相关运算就是在不同时延下比较两信号波形的相似程度。相关测量法将流体的流速测量问题转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间测量问题。
如图2所示，首先微波信号源分别通过两个发射传感器向流体辐射微波信号；两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号；经射频放大电路、解调电路（从中解调出低频调制信号）后，这两个信号再经过低通滤波器（滤除高频噪声）、低频放大电路；之后送到模/数转换器进行模/数转换，并将这些数据传送到上位机；最后对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理，从而得到流速，进而得到流量、累计流量等所需最终数据信息。其关键技术主要有小尺寸、高灵敏的微波传感器设计，低失真、高灵敏的微波信号处理电路设计，实时、高效、精确的相关算法设计等。
因而,微波流量计系统主要由微波信号发生装置、微波传感器、信号预处理电路和信号处理电路等四部分组成。微波传感器是获取流体流动噪声信号的关键。信号预处理模块主要是提取传感器获得的模拟随机噪声信号。信号处理模块完成信号的模数转换和相关运算，并结合其它测定参数计算流体速度。
研究结果表明：波在单相流体中调制效应主要是相位调制（主要由紊流引起）；相对于相位调制，幅值调制效应小到可以忽略。就技术实现难易程度而言，幅值解调（即幅值检波）比相位解调要容易实现。在采用幅值检波方式的相关测速法的适用范围主要是两相流或多相流的流量测量；可用于能源（如石油、天然气）、冶金、环保、纸浆造纸、矿石、核电、化工等众多行业中的两相流和多相流测量；具体的应用场合有输油管道和油井中的原油测量、纸桨测量、砂浆测量、脏污流体测量（纸浆、砂浆含有散射粒子）、高炉喷吹煤粉测量等场合。
本发明微波相关测速法基本原理如下：
体积流量测量的关键是流速测量。作为现代主流测速方法之一的相关测速法是利用随机过程中的相关原理来测量速度，即通过获得不同位置处传感器信号的时间滞后来获得速度。相关测速法是基于信号采集技术与传感器技术发展起来的一种现代测速方法。
流体在封闭管道内流动时，其内部存在着与流体流动状况有关的随机流动噪声。当微波在流体中传播时，流动噪声会对波的幅度、相位、频率产生调制或混和调制现象；当这种调制在微波信号上的流动噪声信号被传感器和检测电路检测出来后，通过随机信号理论中的相关测速法即可提取流速信息。具体地说，在沿管道轴线相距L地地方，分别安装两个具有相同结构的传感器。传感器检测到的流动噪声信号x（t）和y（t）是被测流体内部存在的随机噪声现象对传感器发射出能量束所产生调制作用的结果。当被测流体在管道内作稳定流动时，如果流动流体符合“凝固”流动模型的假设，则随机信号x（t）和y（t）波形将基本相同，只存在时间上的滞后。两信号的互相关函数为：
其中T为积分时间，也就是测量时间。相关函数的峰值表明了x（t）和y（t）在某时差上的相似性。相关函数的峰值点对应着两路信号的延时。流速v＝L/
其中L为两传感器之间的距离；
为互相关函数的峰值点对应的时间，即在理想情况下，流体从上游流动到下游所用的时间。
互相关函数就是两随机过程相关性的描述，互相关运算就是在不同时延下比较两信号波形的相似程度。相关测量法将流体的流速测量问题转化为流体通过相距一定距离的两截面的时间测量问题。
以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。
Claims (5)
1.一种微波流量计，其特征在于包括微波信号源、微波传感器和微波信号处理电路，其中：
微波信号源，其为发射微波信号装置，通过微波传感器向流体辐射微波信号；
微波传感器，其为沿流体管道轴线相距L的两路传感器组成并检测到的两路流动噪声信号x（t）和y（t）；
微波信号处理电路，其接收并提取上述的两路信号x（t）和y（t），两信号的互相关函数为：
对上述两路噪声信号调制转换处理后进行相关算法处理而得到流速v=L/
，其中L为两传感器之间的距离，
为互相关函数的峰值点所对应的时间。
2.根据权利要求1所述的微波流量计，其特征在于：所述的两路传感器均包括安装于流体管道上的发射传感器和接收传感器，两个接收传感器分别将接收到的信号转换成电信号并传输给微波信号处理电路。
3.根据权利要求1所述的微波流量计，其特征在于：所述的微波信号处理电路是由信号预处理电路和信号处理电路组成，信号预处理电路用于提取两个接收传感器获得的低频模拟噪声信号，信号处理电路与信号预处理电路电性联接完成信号的模数转换，对两路低频噪声信号进行相关算法处理而得到流速，进而得到流量、累计流量所需最终数据信息。
4.根据权利要求3所述的微波流量计，其特征在于：所述的信号预处理电路包括射频放大模块、解调模块及低通滤波器、低频放大模块，上述各模块电性联接，信号预处理电路从接收传感器输送的两路信号中解调出低频调制信号，再经过低通滤波器滤除高频噪声并低频放大为两路模拟信号。
5.根据权利要求3所述的微波流量计，其特征在于：所述的信号处理电路包括模/数转换器进行模/数转换，并将上述数据传送到上位机，并对两路接收的低频噪声信号进行相关算法处理从而得到流速。
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