專(zhuān)利名稱(chēng)：測(cè)量分層流參數(shù)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量管道內(nèi)分層流(stratified flow)的參數(shù)諸如速度、分層級(jí)以及體積流速的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
許多工業(yè)流體流動(dòng)過(guò)程包括通過(guò)管道的高密度、固體材料的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)輸送。例如，公知的水力運(yùn)輸過(guò)程在許多工業(yè)中被應(yīng)用，用以將固體從一點(diǎn)移動(dòng)到另一點(diǎn)。在該過(guò)程中，水被添加到該固體中，得到的混合物通過(guò)典型的大直徑管道泵送。
水力運(yùn)輸線的操作典型地包括一定程度的分層，其中管道底部附近的流速小于管道頂部附近的流速。在該流中的分層級(jí)(也就是，從管道部頂?shù)焦艿赖撞康乃俣葓?chǎng)中的歪斜度)取決于很多材料和過(guò)程參數(shù)，諸如，流速，密度，管道尺寸，粒子尺寸以及類(lèi)似參數(shù)等。如果分層級(jí)擴(kuò)展到沉積速度達(dá)到的點(diǎn)，固體開(kāi)始沉淀到管道底部，并且如果該條件未被檢出并且持續(xù)，可能出現(xiàn)該管道的完全阻塞，導(dǎo)致與過(guò)程停工期相關(guān)的高化費(fèi)，阻塞清除，以及被損壞的設(shè)備修理。
為了降低昂貴的阻塞形成的可能性，現(xiàn)行辦法是以遠(yuǎn)高于臨界沉積速度的流速操作管線(pipeline)。然而，由于以較高速度操作，該技術(shù)具有兩個(gè)重要缺陷由于較高的摩擦損失，會(huì)引起更高的能量使用，并且由于固體和管道內(nèi)表面之間的磨損(abrasion)，會(huì)引起更高的管道損耗(wear)。測(cè)量分層流的參數(shù)諸如速度、分層級(jí)以及體積流速的可靠方法使得能夠以較低速度操作管線，導(dǎo)致能量節(jié)約和較低的管道損耗。
存在各種技術(shù)用于測(cè)量工業(yè)流過(guò)程的物理參數(shù)。例如，這種物理參數(shù)可以包括體積流速，成分，稠度，密度和質(zhì)量流量。盡管現(xiàn)有的技術(shù)可以很好適應(yīng)侵蝕性的(aggressive)、大直徑流，但是這些技術(shù)可能對(duì)于分層流而言是不適合的，其可能在測(cè)量流的物理參數(shù)上不利地影響準(zhǔn)確度。
最近的文獻(xiàn)中描述了一些用于確定泥漿管線中固體沉積發(fā)生的非商業(yè)性技術(shù)。例如，一個(gè)技術(shù)利用了具有編碼傳送和互相關(guān)檢測(cè)的多普勒模式的商用夾持式(clamp-on)超聲波流量計(jì)。儀表的檢測(cè)點(diǎn)被設(shè)定在一定的管道水平，例如，高于管道內(nèi)底(invert)(也就是，水平管道的管道底部)的10％。定時(shí)選通(Time-gated)的超聲波返回信號(hào)的互相關(guān)使得能夠只從設(shè)定點(diǎn)檢測(cè)反射的信號(hào)。由于固體的沉積，被傳送和被接收信號(hào)之間相關(guān)性上的減少指示不穩(wěn)定的流狀態(tài)。
另一個(gè)現(xiàn)有的非商業(yè)技術(shù)測(cè)量管道內(nèi)底附近的泥漿的表現(xiàn)(apparent)電阻率，電阻率的變化指示固體床的(solids bed)形成。由于很差的重復(fù)性和其它問(wèn)題，該技術(shù)注定不會(huì)非常成功。
另一個(gè)非商業(yè)技術(shù)利用安裝在泥漿中的自加熱熱探頭。移動(dòng)的泥漿從探頭帶走溫度，同時(shí)探頭周?chē)墓潭ü腆w床導(dǎo)致熱量聚集(buildup)。因此，溫度上升是固體沉積的指示。盡管該技術(shù)是有遠(yuǎn)景的，但是它是一種侵入式的技術(shù)，需要將熱探頭放置到管道中。這種侵入式技術(shù)的缺陷在于，它們需要停止過(guò)程，從而允許探頭的安裝和維護(hù)。
另一個(gè)技術(shù)涉及安裝具有稍微大些內(nèi)徑的短管道，其中允許形成固定的固體床并將其保持作為當(dāng)主管線以無(wú)固體床操作時(shí)的一種控制。該控制固體床接著由一種或多種上述技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控?？刂拼哺叨鹊脑黾又甘局鞴芫€中可能形成滑動(dòng)床(sliding bed)，其是固定床和最后阻塞的前兆。當(dāng)控制固體床高度增加超過(guò)一定界限時(shí)，可以增加流速，從而避免固體沉積。
因此，需要一種用于測(cè)量分層流的諸如速度、分層級(jí)以及體積流速的參數(shù)的方法和設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的設(shè)備和方法滿足了上述和其它需要，其中傳感器的空間陣列沿著管道配置在不同的軸向位置。每個(gè)傳感器提供了一信號(hào)，指示與流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。信號(hào)處理器由該信號(hào)確定具有不同長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度。然后，信號(hào)處理器比較對(duì)流速度從而確定流的分層級(jí)。在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)處理器通過(guò)將對(duì)流速度的曲線構(gòu)造成長(zhǎng)度規(guī)的函數(shù)來(lái)比較對(duì)流速度，并通過(guò)曲線確定最佳擬和線的斜率。該線的斜率指示該流的分層級(jí)。
在一個(gè)實(shí)施例中，該斜率被用作校準(zhǔn)過(guò)程的一部分，從而確定流的體積流速。例如，該校準(zhǔn)可以包括確定頻率范圍，在所述頻率范圍上分析對(duì)流脊(convective ridge)以確定流的體積流速。
在一個(gè)實(shí)施例中，將該相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度曲線構(gòu)造成頻率的函數(shù)包括從該信號(hào)構(gòu)造至少一部分k-w曲線；在第一頻率范圍上在k-w曲線中識(shí)別對(duì)流脊；確定對(duì)流脊的第一斜率，第一斜率指示流的標(biāo)稱(chēng)速度(nominal velocity)；在多個(gè)第二頻率范圍上識(shí)別對(duì)流脊的多個(gè)部分，每個(gè)第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點(diǎn)；確定對(duì)流脊每個(gè)部分的第二斜率，每個(gè)第二斜率指示具有對(duì)應(yīng)于相關(guān)的第二頻率范圍的長(zhǎng)度規(guī)范圍的相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度；利用該流的標(biāo)稱(chēng)速度歸一化相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度，從而提供歸一化的對(duì)流速度；作為由流的標(biāo)稱(chēng)速度和管道的直徑無(wú)量綱化(non-dimensionalized)的各個(gè)中點(diǎn)的函數(shù)繪制每個(gè)歸一化的對(duì)流速度，從而提供曲線。在該實(shí)施例中，第一頻率范圍可以基于該斜率調(diào)整。例如，對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)被用來(lái)確定第一頻率范圍的中點(diǎn)，其中通過(guò)對(duì)于不同的分層級(jí)比較多個(gè)分散曲線，并從一個(gè)分散曲線到另一個(gè)標(biāo)識(shí)分散曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，確定對(duì)分層最不靈敏的無(wú)量綱長(zhǎng)度規(guī)。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二空間陣列的每個(gè)具有沿著管道以不同軸向位置配置的至少兩個(gè)傳感器。在第一陣列中的每個(gè)傳感器提供第一信號(hào)，其指示由與經(jīng)過(guò)管道上部的流的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，并且在第二陣列中的每個(gè)傳感器提供了第二信號(hào)，其指示由與經(jīng)過(guò)管道下部的流的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。利用第一信號(hào)確定管道上部中的流的第一速度，利用第二信號(hào)確定管道下部中的流的第二速度。第一和第二速度被比較從而確定流的參數(shù)。該流的參數(shù)可以包括至少下面其中一個(gè)流的分層級(jí)和流的體積流速。在比較第一和第二速度之前，微處理器可以歸一化第一和第二速度。第一空間陣列可以沿著管道的頂部軸向地對(duì)準(zhǔn)，第二空間陣列可以沿著管道底部軸向地對(duì)準(zhǔn)。
在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)附加的空間陣列沿著管道軸向?qū)?zhǔn)，并且定位在第一和第二空間陣列之間。至少一個(gè)附加陣列中的每個(gè)傳感器提供第三信號(hào)，其指示由與最接近傳感器的流的部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。對(duì)于每個(gè)附加的空間陣列，利用第三信號(hào)，信號(hào)處理器確定附加空間陣列附近的流的第三速度。該信號(hào)處理器比較第一，第二和第三速度，從而確定流的參數(shù)。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，一種用于測(cè)量經(jīng)過(guò)管道的流的參數(shù)的設(shè)備，包含沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器的空間陣列，其中每個(gè)傳感器包括配置在管道相對(duì)側(cè)面的一對(duì)傳感器半部分(half-portions)。每對(duì)傳感器半部分提供一壓力信號(hào)，指示由在管道的相應(yīng)軸向位置在管道內(nèi)與流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。利用該信號(hào)，信號(hào)處理器確定管道內(nèi)流的標(biāo)稱(chēng)速度。
在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)傳感器半部分由壓電薄膜材料形成。每個(gè)傳感器半部分可以耦合到一鋼帶，其環(huán)繞管道外表面延伸并夾緊到其上。
在這里描述的各個(gè)方面和實(shí)施例中，可以從下面一組中選擇至少兩個(gè)壓力傳感器壓電、壓阻、應(yīng)變片、基于應(yīng)變(strain-based)傳感器，PVDF，光學(xué)傳感器、倒相障板(ported)交流壓力傳感器，加速度計(jì)，速度傳感器，以及位移傳感器。在這里描述的各個(gè)方面和實(shí)施例中，傳感器可以配置在管道的外表面，并且不與流體接觸。
本發(fā)明的上述和其它目的以及特征根據(jù)下述典型實(shí)施例的詳細(xì)描述將變得更明顯。


現(xiàn)在參考附圖，其中，在各個(gè)附圖中相似的對(duì)象進(jìn)行相似地編號(hào)圖1是用于確定與流動(dòng)在管道中的分層流體相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)的設(shè)備的原理圖；圖2是通過(guò)管道的非分層流、湍流、牛頓流的剖面原理圖；圖3是本發(fā)明的設(shè)備中用到的流程邏輯框圖；圖4是從體現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)備中處理的數(shù)據(jù)的k-ω曲線，其示出了對(duì)流脊的斜率，以及對(duì)流脊最優(yōu)函數(shù)的曲線。
圖5是從體現(xiàn)本發(fā)明的設(shè)備中處理的數(shù)據(jù)的k-ω曲線，其示出了在k-ω曲線中的如可以由擴(kuò)散流發(fā)現(xiàn)的非線性脊。
圖6是描述量化分層級(jí)的方法的流程圖；圖7描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的具有12ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度的30英寸水力運(yùn)輸線的分散曲線的實(shí)例；圖8描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的具有15ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度的27英寸水力運(yùn)輸線的分散曲線的實(shí)例；圖9描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以10ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度流動(dòng)的10英寸，1％稠度(consistency)紙漿(pulp-in-water)懸浮液的分散曲線的實(shí)例；圖10描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的在4英寸直徑的管道中以25ft/秒的瀝青、沙、水和空氣混合物的分散曲線的實(shí)例；圖11描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以10ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度的16英寸管道流動(dòng)水的分散曲線的實(shí)例；圖12描繪了對(duì)于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以8ft/秒操作的24英寸尾渣線(tailings line)的分散曲線的實(shí)例；圖13描繪了相比較由在線(in-line)磁流量計(jì)確定的流速顯示的由本發(fā)明的方法確定的流速。
圖14描繪了本發(fā)明可替換實(shí)施例的縱向剖面。
圖15描繪了圖14的實(shí)施例的橫向(徑向)剖面。
圖16描繪了對(duì)于圖14實(shí)施例中頂部和底部陣列的歸一化速度曲線。
圖17描繪了包括附加傳感器陣列的圖14的實(shí)施例的橫向(徑向)剖面。
圖18描繪了包括附加傳感器陣列的圖14的實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖19描繪了由圖17和18的每個(gè)陣列檢測(cè)(sense)出的標(biāo)稱(chēng)速度曲線。
圖20描繪了另一個(gè)本發(fā)明可替換實(shí)施例的橫向(徑向)剖面。
圖21描繪了圖20的可替換實(shí)施例的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
如在Gysling的標(biāo)題為“Method and Apparatus for Determiningthe Flow Velocity Within a Pipe”的共同擁有的美國(guó)專(zhuān)利6,609,069和2001年11月11日提交的序列號(hào)為10/007,736的美國(guó)申請(qǐng)中所述(將其全部引入這里作為參考)，由與在管道中流動(dòng)的流體對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)(例如，湍流渦旋和旋渦干擾(vortical disturbance))引起的沿著管道的不穩(wěn)定壓力包含關(guān)于流體參數(shù)的有用信息。本發(fā)明提供了各種手段用于利用該信息測(cè)量分層流的諸如速度、分層級(jí)/度以及體積流速的參數(shù)。
參考圖1，示出了一個(gè)用于測(cè)量與在排泄管(duct)、溝渠(conduit)或其它形式的管道14中流動(dòng)的流13相關(guān)的至少一個(gè)參數(shù)的設(shè)備10。例如，流13的參數(shù)可以包括至少其中一個(gè)流13的速度，流13的體積流速，流13的分層級(jí)。在圖1中，流13被描繪成分層的，其中流13的速度分布圖122(profile)被從管道14的頂部到管道14的底部歪斜，如可以在涉及通過(guò)管道的高密度、固體材料的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)傳輸?shù)墓I(yè)流體流動(dòng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的，在該管道中，較大的粒子在管道底部更緩慢的運(yùn)動(dòng)(travel)。例如，流13可以是水力運(yùn)輸過(guò)程的一部分。
參考圖2，流13被再次顯示通過(guò)管道14。然而，在圖2中，流13被描繪成操作在超過(guò)大約100,000雷諾數(shù)湍流狀態(tài)中的非分層的牛頓流。圖2中的流13具有從管道14的頂部到管道14的底部均勻展開(kāi)的速度分布圖122。此外，在圖2的非分層、湍流、牛頓流13中相干結(jié)構(gòu)120展示了非常小的分散。換句話說(shuō)，相干結(jié)構(gòu)120的對(duì)流速度并非強(qiáng)烈地取決于結(jié)構(gòu)120的物理尺寸。如這里用到的，分散描述了對(duì)流速度與波長(zhǎng)或者等效的與時(shí)間頻率的相關(guān)性。對(duì)于所有的波長(zhǎng)以恒定速度對(duì)流的流被稱(chēng)為“非分散的”。對(duì)于湍流、牛頓流，不存在典型的在寬范圍的波長(zhǎng)上對(duì)直徑比率的顯著的分散量。
基于聲納的流量測(cè)量裝置，諸如，Gysling的前述美國(guó)專(zhuān)利6609069中描述的裝置，在準(zhǔn)確地確定流速中有益地應(yīng)用湍流、牛頓流的非分散特性。然而，對(duì)于圖1中描繪的分層流，展示了一定程度的分散。換句話說(shuō)，相干結(jié)構(gòu)120以取決于它們尺寸的速度對(duì)流，即，相比較較小長(zhǎng)度規(guī)的結(jié)構(gòu)120，較大長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)120傾向于運(yùn)動(dòng)的更慢。結(jié)果，與現(xiàn)有基于聲納的流量測(cè)量裝置相關(guān)的一些基礎(chǔ)的假設(shè)，即，相干結(jié)構(gòu)120對(duì)流速度并非強(qiáng)烈的取決于結(jié)構(gòu)120的物理尺寸，受分層存在的影響。
圖1的設(shè)備10準(zhǔn)確地測(cè)量分層流13的諸如速度，分層級(jí)以及體積流速的參數(shù)。設(shè)備10包括沿著管道14以不同軸向位置x1，…xN配置的至少兩個(gè)傳感器15的空間陣列11。每個(gè)傳感器15提供壓力信號(hào)P(t)，指示由在管道14的相應(yīng)軸向位置x1，…xN與管道14內(nèi)的流13對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。由對(duì)流壓力干擾(例如，渦流120)產(chǎn)生的壓力可以通過(guò)基于應(yīng)變的傳感器15和/或壓力傳感器15測(cè)量。傳感器15向信號(hào)處理器19提供模擬壓力時(shí)變(time-varing)信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其利用來(lái)自于傳感器15的壓力信號(hào)確定流13的參數(shù)，并作為信號(hào)21輸出參數(shù)。
盡管設(shè)備10以包括四個(gè)傳感器15示出，預(yù)計(jì)傳感器15的陣列11包括兩個(gè)或更多的傳感器15，每個(gè)提供一壓力信號(hào)P(t)，指示在管道14的相應(yīng)軸向位置X處管道14內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。例如，該設(shè)備可以包括2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23或者24個(gè)傳感器15。通常的，測(cè)量的準(zhǔn)確性隨著陣列11中的傳感器15數(shù)量的增加而提高。由更大數(shù)量的傳感器15的提供的準(zhǔn)確度由用于計(jì)算流的預(yù)期的輸出參數(shù)在復(fù)雜性和時(shí)間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器15的數(shù)量至少取決于預(yù)期的準(zhǔn)確度以及由設(shè)備10所提供的輸出參數(shù)的預(yù)期的更新速度。
由陣列11中的傳感器15提供的信號(hào)P1(t)…PN(t)由信號(hào)處理器19處理，其可以是更大的處理單元20的一部分。例如，信號(hào)處理器19可以是微處理器，并且處理器單元20可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)或其它通用目的的計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)信號(hào)處理器19可以是用于執(zhí)行編程指令的任何一個(gè)或多個(gè)模擬或數(shù)字信號(hào)處理裝置，諸如一個(gè)或多個(gè)微處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASICS)，并且可以包括用于存儲(chǔ)編程指令、設(shè)定點(diǎn)、參數(shù)的存儲(chǔ)器，以及用于緩沖和其它存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。
信號(hào)處理器19可以輸出一個(gè)或多個(gè)參數(shù)21到顯示器24或者另一個(gè)輸入/輸出(I/O)裝置26。I/O裝置26還可以接收用戶輸入?yún)?shù)。該I/O裝置26、顯示器24、信號(hào)處理器19單元可以被安裝在公共的外殼中，其可以由柔性電纜，無(wú)線連接或其它方式連接到陣列11。柔性電纜也可以在必要時(shí)被用來(lái)將來(lái)自于處理單元20的操作功率(operating power)提供給陣列11。
為了確定流13的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)21，信號(hào)處理器19將來(lái)自于傳感器15的數(shù)據(jù)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯(flow logic)36中。參考圖3，顯示了流程邏輯36的實(shí)例。在流程邏輯36內(nèi)的一些或全部功能可以軟件(利用微處理器或計(jì)算機(jī))和/或固件實(shí)現(xiàn)，或者可以利用具有足夠存儲(chǔ)器，接口，容量(capacity)來(lái)執(zhí)行這里描述的功能的模擬和/或數(shù)字硬件執(zhí)行。
流程邏輯36包括數(shù)據(jù)獲取單元126(例如，A/D轉(zhuǎn)換器)，其將模擬信號(hào)P1(t)…PN(t)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)P1(t)…PN(t)提供給FFT邏輯128。FFT邏輯128計(jì)算數(shù)字化的基于時(shí)間的輸入信號(hào)P1(t)…PN(t)的傅立葉變換，并提供指示輸入信號(hào)頻率內(nèi)容的復(fù)頻域(或者基于頻率)信號(hào)P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)…，PN(ω)。作為FFT的替換，可以使用用于獲得信號(hào)P1(t)…PN(t)頻域特性的任何其它技術(shù)。例如，交叉譜密度和功率譜密度可以被用來(lái)形成此后討論的頻域轉(zhuǎn)換函數(shù)(或者頻率響應(yīng)或比率)。
一種確定流13內(nèi)相干結(jié)構(gòu)(例如，湍流渦旋)120的對(duì)流速度的技術(shù)的特征在于利用一傳感器陣列或者其它束形成(beam forming)技術(shù)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力的對(duì)流脊，束形成技術(shù)類(lèi)似于引入到這里作為參考的2000年12月4日提交的序列號(hào)為09/729,994的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)，現(xiàn)在為US6,609,069。
數(shù)據(jù)累加器130在一采樣間隔上累加頻率信號(hào)P1(ω)-PN(ω)，并且將該數(shù)據(jù)提供給陣列處理器132，其執(zhí)行從xt域到k-ω域的傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)空(二維)轉(zhuǎn)換，并且計(jì)算由k-ω曲線代表的在k-ω平面內(nèi)的功率。
陣列處理器132利用標(biāo)準(zhǔn)的所謂束形成、陣列處理或者適應(yīng)的(adaptive)陣列處理算法，也就是利用各種延遲處理傳感器信號(hào)并加權(quán)衡(weighting)以創(chuàng)建由不同傳感器提供的信號(hào)之間的合適的相位關(guān)系從而創(chuàng)建相控天線陣列功能性(phased antenna arrayfunctionality)的算法。換句話說(shuō)，束形成或者陣列處理算法將來(lái)自于傳感器陣列的時(shí)間域信號(hào)轉(zhuǎn)換成它們的空間和時(shí)間(temporal)頻率分量，也就是，轉(zhuǎn)換成由k＝2π/λ給定的一組波數(shù)，其中，λ是頻譜分量的波長(zhǎng)，以及由ω＝2πυ給定的相應(yīng)的角頻率。
現(xiàn)有技術(shù)教導(dǎo)了許多用在空間和時(shí)間上分解來(lái)自于相控陣列傳感器信號(hào)的算法，本發(fā)明并不局限于任何特定的算法。一種特定的適應(yīng)陣列處理算法是Capon方法/算法。盡管Capon方法作為一種方法描述，但是本發(fā)明預(yù)計(jì)利用諸如MUSIC算法的其它適應(yīng)陣列處理算法。本發(fā)明認(rèn)識(shí)到這種技術(shù)可以用來(lái)確定流速，也就是，由與流對(duì)流的隨機(jī)參數(shù)引起的信號(hào)是時(shí)間穩(wěn)定的(time stationary)，并且具有一相干(coherence)長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)到實(shí)際上定位彼此遠(yuǎn)離的傳感器15然而仍在相干長(zhǎng)度內(nèi)。
對(duì)流特性或參數(shù)具有可以由直線(straight-line)方程近似的分散關(guān)系，k＝ω/u，其中，u是對(duì)流速度(流速)。從與描繪的對(duì)流參數(shù)相關(guān)的傳感器采樣的光譜分析獲得的k-ω對(duì)的曲線以便干擾能量光譜地對(duì)應(yīng)于可以被描述為基本上直脊的對(duì)，在湍流邊界層理論中的脊被稱(chēng)為對(duì)流脊。如此后將進(jìn)行描述的，當(dāng)該流逐漸地分散時(shí)，對(duì)流脊變得逐漸非線性。正在被檢測(cè)的不是相干結(jié)構(gòu)120的分散事件(discrete event)，而是在感興趣頻率范圍上形成時(shí)間固定的實(shí)質(zhì)上為白處理(whiteprocess)的可能重疊事件的連續(xù)體(continuum)。換句話說(shuō)，對(duì)流相干結(jié)構(gòu)120被分布在一長(zhǎng)度規(guī)范圍上并且由此分布在時(shí)間頻率上。
為了計(jì)算在如由任意信號(hào)的k-ω曲線(見(jiàn)圖4)表示的k-ω平面內(nèi)的功率，陣列處理器132確定波長(zhǎng)，從而確定(空間)波數(shù)k，并且還確定(時(shí)間)頻率，從而確定隨機(jī)參數(shù)的各個(gè)光譜分量的角頻率ω。在公眾領(lǐng)域存在許多算法用于執(zhí)行傳感器15陣列的空間/時(shí)間分解。
本實(shí)施例可以利用時(shí)間和空間過(guò)濾來(lái)預(yù)處理信號(hào)，從而通過(guò)差分(differencing)鄰近傳感器15有效地濾出共模特性Pcommon模式以及管道14中的其它長(zhǎng)波長(zhǎng)(相比較傳感器間隔)特性，并且保持與流場(chǎng)相關(guān)的隨機(jī)參數(shù)的實(shí)質(zhì)部分以及任何其它短波長(zhǎng)(相比較傳感器間隔)的低頻隨機(jī)參數(shù)。
在合適的相干結(jié)構(gòu)120存在的情況下，圖4中的k-ω曲線中顯示的k-ω平面的功率中顯示了對(duì)流脊124。對(duì)流脊表示與流對(duì)流的隨機(jī)參數(shù)的集中(concentration)并且是上述的空間變量和時(shí)間變量之間關(guān)系的數(shù)學(xué)表示(manifestation)。這樣一個(gè)曲線將指示k-ω對(duì)或多或少以一些斜率沿著線124出現(xiàn)的趨勢(shì)，該斜率指示流速。
一旦確定了k-ω平面中的功率，對(duì)流脊識(shí)別器(identifier)134利用一個(gè)或另一個(gè)特征提取方法確定存在于k-ω平面中的任何對(duì)流脊124的位置和定向(斜率)。在一個(gè)實(shí)施例中，利用了一種所謂的傾斜疊加方法，在該方法中比較沿從原點(diǎn)發(fā)出的不同射線(ray)的k-ω曲線中k-ω對(duì)的累積頻率，每個(gè)不同的射線與不同的試驗(yàn)對(duì)流速度相關(guān)(因?yàn)椋渚€的斜率假定是流速或者以已知方式與流速相關(guān))。對(duì)流脊識(shí)別器134提供了關(guān)于不同試驗(yàn)對(duì)流速度的信息，涉及通常作為對(duì)流脊信息的信息。
分析器136檢查包括對(duì)流脊定向(斜率)的對(duì)流脊信息。假設(shè)由k＝ω/u給定的直線分散關(guān)系，分析器136確定作為參數(shù)21的輸出的流速和/或體積流量。體積流量通過(guò)將管道內(nèi)的橫截面積與處理流的速度相乘來(lái)確定。
如前記錄的，對(duì)于湍流、牛頓流，典型地不存在在一寬范圍的波長(zhǎng)上對(duì)直徑比率的顯著的分散量。作為結(jié)果，在一寬頻率范圍上，k-ω曲線中對(duì)流脊124基本上是直的，并且相應(yīng)的，存在一寬頻率范圍，由k＝ω/u給定的直線分散關(guān)系對(duì)其提供了準(zhǔn)確的流速測(cè)量。
然而，對(duì)于分層流，存在一定程度的分散，這樣，相干結(jié)構(gòu)120以取決于它們尺寸的速度對(duì)流。作為分散的漸增級(jí)的結(jié)果，k-ω曲線中的對(duì)流脊124逐漸變成非線性。例如，圖5描繪了具有非線性脊124的k-ω曲線，其為了描述的目的顯示成具有夸大的曲率。因此，不同于非分散流，通過(guò)追蹤(track)相干結(jié)構(gòu)120進(jìn)行對(duì)流的速度確定分散混合物(dispersive mixture)的流速需要解決存在顯著分散的方法。
參考圖3，5和6，描述了一種方法，用于在分層流中量化分層級(jí)，也用于測(cè)量體積流速。該方法，通常由圖6中60指示，起始于塊62，其中流13的速度U1被初始化。最初，速度U1可以被選擇，例如，基于操作經(jīng)驗(yàn)、預(yù)期的速度等。
接下來(lái)，在塊64中，利用速度U1，管道直徑D以及最大和最小非量綱(non-dimensional)長(zhǎng)度規(guī)FD/U確定限定第一頻率范圍ΔF1的最大和最小頻率(Fmax和Fmin)。如在此后將會(huì)討論的，最大和最小非量綱長(zhǎng)度規(guī)可以利用校準(zhǔn)程序來(lái)確定，其中最大和最小非量綱長(zhǎng)度規(guī)被選擇來(lái)限定中心位于對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)的范圍。在圖5顯示的實(shí)例中，利用了FD/U＝2.33的最大非量綱長(zhǎng)度規(guī)和FD/U＝0.66的最小非量綱長(zhǎng)度規(guī)。因此，對(duì)于該實(shí)例Fmax＝2.33*U1/DFmm＝0.66*U1/D然而，可以理解的是，可以利用不同的非量綱長(zhǎng)度規(guī)，這取決于校準(zhǔn)程序的結(jié)果。
該方法在塊66繼續(xù)，其中，對(duì)流脊識(shí)別器134將k-ω曲線中的對(duì)流脊124標(biāo)識(shí)成在第一頻率范圍ΔF1上的一直線123(圖5)。在塊66中，對(duì)流脊識(shí)別器134確定第一對(duì)流脊的直線表示的斜率(例如，線123的斜率)，并且利用該斜率，分析器136確定標(biāo)稱(chēng)速度U2(塊68)?；叵隖D/U是λ/D的倒數(shù)，其中，λ是波長(zhǎng)，F(xiàn)D/U的非量綱長(zhǎng)度規(guī)的范圍從0.66到2.33，對(duì)應(yīng)于1.5到0.43的1/D’s(對(duì)于λ＝1)。注意，標(biāo)稱(chēng)速度U2以具有長(zhǎng)度為0.667倍直徑的長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)為中心。
在塊68中在頻率范圍ΔF1上計(jì)算標(biāo)稱(chēng)速度U2后，標(biāo)稱(chēng)速度U2與在塊70中的速度U2比較，并且，如果兩個(gè)速度相等(或者在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)近似相等)，標(biāo)稱(chēng)速度U2作為流13的標(biāo)稱(chēng)速度U被提供(塊72)，其可以被用于確定流13的體積流速。
然而，如果在塊70中速度U1和U2不相等(或者不在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi))，U1被設(shè)定成等于U2(塊74)，處理返回到塊64，其中限定第一頻率范圍ΔF1的最大和最小頻率(Fmax和Fmin)利用新速度U1來(lái)確定。該重復(fù)過(guò)程在塊70中繼續(xù)進(jìn)行，直到U1＝U2。
在流13的標(biāo)稱(chēng)速度U確定后(塊72)，接著在多個(gè)相對(duì)較小的頻率范圍ΔF2上計(jì)算平均對(duì)流速度。在方法60中，這是通過(guò)在多個(gè)第二頻率范圍ΔF2上標(biāo)識(shí)對(duì)流脊124的多個(gè)部分125(塊76)而完成的，其中每個(gè)第二頻率范圍ΔF2小于第一頻率范圍ΔF1，并且具有如圖5中127所示的唯一的中點(diǎn)頻率。對(duì)流脊識(shí)別器134接著確定對(duì)流脊124的每個(gè)部分125的斜率作為迫使通過(guò)原點(diǎn)和對(duì)流脊的部分(塊78)擬和的最佳擬和線。利用每個(gè)部分125的斜率，分析器136確定具有對(duì)應(yīng)于相關(guān)第二頻率范圍ΔF2(塊80)的長(zhǎng)度規(guī)范圍的相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度。接下來(lái)，在塊82，分析器136利用標(biāo)稱(chēng)速度U歸一化這些標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度，于是繪制出每個(gè)標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度作為各個(gè)中點(diǎn)頻率127的函數(shù)(由標(biāo)稱(chēng)速度U和管道的直徑D非量綱化的)，從而創(chuàng)造一分散曲線(塊84)。
速度對(duì)頻率的函數(shù)相關(guān)性由線性擬和捕獲(塊86)。對(duì)于非分散流，線性擬和將具有0.0的斜率和1.0的y截距。對(duì)于此的任何變量可以規(guī)因于分散。對(duì)于具有分散的流，線性擬和的斜率用作分層的可以計(jì)量的度量(塊88)。
圖7描繪了具有利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的具有12ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度的30英寸水力運(yùn)輸線的分散曲線的實(shí)例。對(duì)于圖7中給出的實(shí)例，分散量度(dispersion metric)，也就是，分散曲線的斜率，是19％，其指示顯著量的分散。如上述對(duì)于1個(gè)直徑的波長(zhǎng)確定的對(duì)流速度是具有0.667倍直徑的長(zhǎng)度的波長(zhǎng)的速度的0.8(也就是，F(xiàn)D/U＝1.5)。具有以1/4直徑為中心(也就是，F(xiàn)D/U＝4)的波長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)被顯示成粗略地以以0.667倍直徑為中心的波長(zhǎng)的對(duì)流速度的1.4倍對(duì)流。
分散曲線也可以被用作校準(zhǔn)過(guò)程的一部分，從而準(zhǔn)確地確定在分層存在時(shí)的體積流速。例如，在確定標(biāo)稱(chēng)流速U中使用的FD/U的非量綱長(zhǎng)度規(guī)范圍可以被選擇作為對(duì)分層最不靈敏的范圍。例如，這可以通過(guò)創(chuàng)建兩個(gè)或更多分散曲線完成，每個(gè)在不同的分層級(jí)。例如，在固體水力運(yùn)輸中，對(duì)不同固體濃度(concentration)可以創(chuàng)建分散曲線。應(yīng)該可以確定，當(dāng)分散曲線的線性擬和斜率從一個(gè)分層級(jí)增加到另一個(gè)時(shí)，線性擬和的轉(zhuǎn)折點(diǎn)提供了對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)FD/U的很好的近似。因此，對(duì)于分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)FD/U可以通過(guò)對(duì)于不同分層級(jí)比較分散曲線并從一個(gè)分散曲線到另一個(gè)識(shí)別分散曲線線性擬和的轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行近似。與轉(zhuǎn)折點(diǎn)相關(guān)的非量綱長(zhǎng)度規(guī)FD/U可以被用作對(duì)于在圖6的方法60中使用的FD/U的非量綱長(zhǎng)度規(guī)范圍的中點(diǎn)，用于確定標(biāo)稱(chēng)速度U和分散曲線。
圖7-12描繪了利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的分散曲線的各個(gè)實(shí)例。在每個(gè)這些實(shí)例中，使用具有1.5中心波數(shù)的0.66-2.33范圍的空間波數(shù)(也就是FD/U)。圖8顯示了一種瀝青、沙、水和空氣的水力運(yùn)輸?shù)膶?shí)例。在這種情況下，該流是在27英寸的管道中，以15ft/sec的標(biāo)稱(chēng)流速運(yùn)動(dòng)。這里，分散曲線的斜率被計(jì)算為0.078(也就是7.8％的分散參數(shù))。
圖9顯示了對(duì)于以10ft/sec標(biāo)稱(chēng)體積流速流動(dòng)的10英寸1％稠度的紙漿懸浮液的分散曲線。在圖9中顯示的該作為結(jié)果的線性曲線擬和方程具有-0.023的斜率，其可以被分類(lèi)為非分散流。
圖10顯示了在4英寸直徑的管道中以25ft/秒的瀝青、沙、水和空氣混合物的分散曲線。在圖10中顯示的作為結(jié)果的線性曲線擬和方程具有-0.003的斜率，其可以被分類(lèi)為非分散流。
圖11顯示了對(duì)于以10ft/秒標(biāo)稱(chēng)速度的16英寸管道流動(dòng)水的分散曲線。在圖11中顯示的作為結(jié)果的線性曲線擬和方程具有-0.013的斜率，其可以被分類(lèi)為非分散流。
圖12顯示了對(duì)于以8ft/秒操作的24英寸尾渣線的分散特征。如所顯示的，尾渣線展示了大約18％的分散量度。利用具有1.5中心波數(shù)的0.66到2.33的空間波數(shù)(也就是，F(xiàn)D/U)范圍，由本發(fā)明的方法確定的速度表明了與在線磁流量計(jì)很好的一致，如圖13表示的。將結(jié)構(gòu)上的頻率范圍中心定為2/3管道直徑的長(zhǎng)度規(guī)，似乎是合理的，并與概念模型一致。盡管來(lái)自于其它分層流的準(zhǔn)確參考數(shù)據(jù)當(dāng)前不能獲得，相似的分散特性表明利用這個(gè)或者相似的非量綱長(zhǎng)度規(guī)應(yīng)該是利用基于聲納的流測(cè)量解釋其它分層流體積流速的合理方法。
圖7-12中提供的實(shí)例的比較揭示出，分散曲線的斜率至少定性地追蹤存在的分層級(jí)。該斜率對(duì)于較好混合的泥漿和牛頓流接近零，并且隨著減少的流速增加，與隨著減少的流速增加的分層一致。
圖14描繪了用于根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)可替換實(shí)施例確定流13的分層級(jí)的設(shè)備100的縱向剖面，圖15描繪了設(shè)備100的橫向(徑向)剖面。在該實(shí)施例中，設(shè)備100通過(guò)比較局部測(cè)量的管道14頂部和底部的速度確定流13的分層級(jí)和流13的體積流速。設(shè)備100包括沿著管道14的頂部配置在不同軸向位置x1，…xN的至少兩個(gè)傳感器15的第一空間陣列11。每個(gè)傳感器15提供了了壓力信號(hào)P(t)，指示與管道14頂部附近的流13的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)120產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。該設(shè)備還包括沿著管道14的底部配置在不同軸向位置x1，…xN的至少兩個(gè)傳感器15的第二空間陣列11’。第二空間陣列11’中的每個(gè)傳感器15提供了一壓力信號(hào)P(t)’，指示與管道14底部附近的流13的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)120產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。
來(lái)自于每個(gè)陣列11和11’的傳感器15向一個(gè)或多個(gè)信號(hào)處理器19提供了模擬壓力時(shí)變信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，用于確定每個(gè)陣列的流速。信號(hào)處理器19將來(lái)自于陣列11的傳感器15的壓力信號(hào)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中，用來(lái)確定在管道14頂部附近的流13的速度。信號(hào)處理器19將來(lái)自于陣列11’的傳感器15的壓力信號(hào)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中，用來(lái)確定在管道14底部附近的流13的速度。該流程邏輯36應(yīng)用關(guān)于圖3和4上面描述的聲納陣列處理算法確定速度。
在顯示的實(shí)施例中，每個(gè)傳感器15由諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料帶形成，其測(cè)量由于與流13對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)在管道14內(nèi)引起的應(yīng)變。傳感器15可以由PVDF薄模、共聚物薄?；蛘呷嵝訮ZT傳感器形成，類(lèi)似于由New Jersey MeasurementSpecialties，Inc of Fairfield提供的“Piezo Film Sensors technicalManual”中描述的，其引入這里作為參考。沿著管道14的每個(gè)軸向位置x1，…xN形成傳感器15的壓電薄模材料帶可以粘附于鋼帶206(例如軟管夾)的表面，其環(huán)繞管道14的外表面延伸并夾緊到其上。如在此后討論的，其它類(lèi)型的傳感器15和將傳感器15附屬到管道14上的其它方法可以被利用。
在所示的實(shí)施例中，傳感器15在由角度θ限定的管道14的弓形外表面上延伸，其中心位于垂直線203上。例如，每個(gè)傳感器15可以延伸大約管道14的圓周的1/4。因?yàn)閭鞲衅?5并不延伸通過(guò)管道14的側(cè)表面，并且因?yàn)閭鞲衅?5傾向于檢測(cè)流13內(nèi)的局部擾動(dòng)，因此傳感器15檢測(cè)在管道14頂部或底部附近與流13的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)120。相應(yīng)的，隨著傳感器15尺寸的減小(也就是，隨著角度θ減小)，由傳感器15檢測(cè)的不穩(wěn)定壓力更準(zhǔn)確地指示管道14頂部或底部附近的流13的所述部分的標(biāo)稱(chēng)流速。然而，通過(guò)減小傳感器的尺寸提供的準(zhǔn)確度由傳感器15提供的信號(hào)強(qiáng)度的減小所抵消。因此，傳感器15的尺寸(也就是，利用的角度θ)至少取決于希望的準(zhǔn)確度以及信號(hào)處理器19需要的信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)的強(qiáng)度。
盡管設(shè)備100顯示出在每個(gè)陣列11和11’中包括四個(gè)傳感器15，預(yù)計(jì)每個(gè)陣列11和11’可以包括兩個(gè)或多個(gè)傳感器15，其中每個(gè)傳感器15提供了一壓力信號(hào)P(t)，指示在管道14的相應(yīng)軸向位置X管道14內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。例如，該設(shè)備可以包括2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23或者24個(gè)傳感器15。通常的，測(cè)量的準(zhǔn)確性隨著陣列11和11’中的傳感器15數(shù)量的增加而提高。由傳感器15的更大的數(shù)量提供的準(zhǔn)確度由用于計(jì)算流的預(yù)期的輸出參數(shù)在復(fù)雜性和時(shí)間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器15的數(shù)量至少取決于預(yù)期的準(zhǔn)確度以及由設(shè)備100所提供的輸出參數(shù)的預(yù)期的更新速度。
圖16描繪了對(duì)于頂部和底部陣列11和11’的歸一化速度曲線。管道頂部和底部附近的速度比率與流13的分層級(jí)相關(guān)。在不存在分層級(jí)的情況下，管道頂部和底部附近的流(以及與該流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu))將以大致相同的速度運(yùn)動(dòng)。隨著分層級(jí)的增加，頂部陣列11將測(cè)量更高的歸一化速度，底部陣列11’將測(cè)量更低的歸一化速度。因此，通過(guò)比較管道14頂部和底部附近的速度，流13的分層級(jí)可以被確定。
管道14頂部和底部附近的速度還可以被用來(lái)估計(jì)流13的標(biāo)稱(chēng)速度，其又可以被用來(lái)確定流13的體積流速。例如，標(biāo)稱(chēng)速度可以利用兩個(gè)速度的平均值或兩個(gè)速度的一些其它比率確定，其中，該比率取決于分層級(jí)(或者兩個(gè)速度之間的差)。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖16所示，管道頂部和底部附近的速度可以被繪制成頂部和底部陣列之間距離的函數(shù)。在該實(shí)例中，頂部和底部陣列之間的距離大致上等于管道直徑，并且在x軸上的每個(gè)增量代表該距離的一些部分。在管道頂部和底部的速度限定了直線210，其具有隨著分層級(jí)變化的斜率。利用該直線，可以估計(jì)在管道頂部和底部之間不同距離處的速度，并且在適當(dāng)?shù)墓艿牢恢玫乃俣瓤梢员挥米鳂?biāo)稱(chēng)速度。在所示的實(shí)例中，該管道中心(頂部和底部陣列之間的中間位置(mid-way))的速度被估計(jì)。
圖17描繪了圖15的設(shè)備100的橫向(徑向)剖面，還包括沿著管道14軸向?qū)?zhǔn)的傳感器15的至少一個(gè)附加空間陣列11”，并且定位在第一和第二空間陣列11和11’之間。圖18描繪了該實(shí)施例的側(cè)視圖。在每個(gè)附加陣列11”中的傳感器15向一個(gè)或多個(gè)信號(hào)處理器19提供了模擬壓力時(shí)變信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其確定最接近每個(gè)附加陣列11”的流體的流速。可選的，每個(gè)陣列11”可以包含以頂部和底部陣列11和11’之間的相應(yīng)平面設(shè)置在管道上的一對(duì)傳感器15，如215，216和217指示的。這些可選的傳感器15被顯示在圖17的模型中(phantom)。對(duì)于每個(gè)陣列，在相應(yīng)的軸向位置x1，…xN來(lái)自于該對(duì)傳感器對(duì)15的信號(hào)輸出被組合(例如，求和)成到信號(hào)處理器19的單一輸入，用于消除由管道14的水平彎曲模(bending mode)導(dǎo)致的信號(hào)的部分。
圖19描繪了對(duì)于每個(gè)陣列11，11’和11”的歸一化速度的曲線。如圖16中的實(shí)例，管道14頂部和底部附近的速度比率相關(guān)于流13的分層級(jí)。附加陣列11”允許構(gòu)造速度分布圖，在該分布圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量等于陣列11，11’和11”的數(shù)量。比較圖16和圖19的速度分布圖，可以看出用來(lái)創(chuàng)建圖19分布圖的附加陣列11”允許相比較圖16的直線近似在管道14中的不同位置處的速度的更準(zhǔn)確的表示。
如在圖19的速度分布圖中可見(jiàn)的，最頂部和最底部的速度讀數(shù)(分別在陣列1和7的速度讀數(shù))傾向于是最不同的，在管道14橫向側(cè)的讀數(shù)(在陣列4的讀數(shù))提供了對(duì)于整個(gè)分布圖的標(biāo)稱(chēng)速度。相應(yīng)的，可以看出，對(duì)于利用一個(gè)傳感器陣列測(cè)量分層流中的標(biāo)稱(chēng)速度，沿著管道的橫向側(cè)檢測(cè)不穩(wěn)定壓力是有優(yōu)勢(shì)的，這樣，速度中極端不同的區(qū)域(也就是，管道頂部和底部)被忽略。例如，最中心(center-most)陣列(陣列4)可以被用來(lái)確定流13的標(biāo)稱(chēng)速度，或者最中心的多個(gè)陣列(也就是，陣列3，4和5)可以被用來(lái)確定流的標(biāo)稱(chēng)速度。本發(fā)明還預(yù)計(jì)從中心水平陣列(也就是，陣列4)的任何陣列偏移諸如陣列3和5或其它陣列的組合(例如，陣列2&3或者5&6)可以被用來(lái)確定處理流13的標(biāo)稱(chēng)或平均速度。確定標(biāo)稱(chēng)速度的陣列或陣列組的確定取決于分層級(jí)。
圖20描繪了用來(lái)根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可替換實(shí)施例確定流13的分層級(jí)的設(shè)備200的橫向(徑向)剖面，圖21描繪了圖20的另一個(gè)可替換實(shí)施例的側(cè)視圖。在該實(shí)施例中，設(shè)備10包括沿著管道14在不同軸向位置x1，…xN配置的至少兩個(gè)傳感器15的空間陣列11。每個(gè)傳感器15包括配置在管道14的相對(duì)側(cè)面的一對(duì)傳感器半部分(half-portion)202。每對(duì)傳感器半部分202提供了一壓力信號(hào)P(t)，指示在管道14的相應(yīng)軸向位置x1，…xN在管道14內(nèi)與流13對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)120(圖1)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。傳感器15向信號(hào)處理器19提供了模擬壓力時(shí)變信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其利用來(lái)自于傳感器15的壓力信號(hào)確定流13的參數(shù)，并輸出參數(shù)作為信號(hào)21。由每個(gè)傳感器15中的相應(yīng)傳感器半對(duì)(half-pair)202提供的信號(hào)可以被組合(例如，求和)成到信號(hào)處理器19的單一輸入，從而消除由管道14的水平彎曲模導(dǎo)致的信號(hào)的部分。
在當(dāng)前實(shí)施例中，傳感器半部分202被有利的設(shè)置在管道14的側(cè)面上。傳感器半部分202在由角度θ限定的管道14的弓形外表面上延伸，其中心在水平線204上。例如，每個(gè)傳感器15可以延伸大約管道14的1/4圓周。因?yàn)閭鞲衅靼氩糠?02并不延伸通過(guò)管道14的頂部和底部，并且因?yàn)閭鞲衅靼氩糠?02傾向于檢測(cè)流13內(nèi)的局部擾動(dòng)，因此速度分布圖的極端區(qū)域被忽略。相應(yīng)的，隨著傳感器半部分202長(zhǎng)度的減小(也就是，隨著角度θ減小)，由傳感器半部分202檢測(cè)的不穩(wěn)定壓力提供了更加定位的速度測(cè)量以及在一些情況下對(duì)于分層流的更準(zhǔn)確的標(biāo)稱(chēng)流速指示。然而，通過(guò)減小傳感器半部分202的尺寸提供的準(zhǔn)確度由傳感器半部分202提供的信號(hào)強(qiáng)度的減小所抵消。因此，傳感器半部分202的尺寸(也就是，利用的角度θ)至少取決于希望的準(zhǔn)確度以及信號(hào)處理器19需要的信號(hào)P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)的強(qiáng)度。
盡管傳感器部分202以該管道的水平面為中心，然而取決于預(yù)期的分層級(jí)將傳感器部分202配置在高于或低于該管道的水平中心也是有利的。
盡管設(shè)備10被顯示成包括四個(gè)傳感器15，預(yù)計(jì)傳感器15的陣列11包括兩個(gè)或更多傳感器15，每個(gè)提供了壓力信號(hào)P(t)，指示在管道14的相應(yīng)軸向位置X在管道14內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。例如，該設(shè)備可以包括2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19，20，21，22，23或者24個(gè)傳感器15。通常，測(cè)量的準(zhǔn)確度隨著陣列中傳感器數(shù)量的增加而提高。由傳感器的更大的數(shù)量提供的準(zhǔn)確度由用于計(jì)算流的預(yù)期的輸出參數(shù)在復(fù)雜性和時(shí)間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器的數(shù)量至少取決于預(yù)期的準(zhǔn)確度以及由設(shè)備10所提供的輸出參數(shù)的預(yù)期的更新速度。
由陣列11中的傳感器15提供的信號(hào)P1(t)…PN(t)由信號(hào)處理器19處理，其可以是更大的處理單元20的一部分。例如，信號(hào)處理器19可以是微處理器，并且處理器單元20可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)或其它通用目的的計(jì)算機(jī)。預(yù)計(jì)信號(hào)處理器19可以是用于執(zhí)行編程指令的任何一個(gè)或多個(gè)模擬或數(shù)字信號(hào)處理裝置，諸如一個(gè)或多個(gè)微處理器或?qū)Ｓ眉呻娐?ASICS)，并且可以包括用于存儲(chǔ)編程指令、設(shè)定點(diǎn)、參數(shù)的存儲(chǔ)器，以及用于緩沖和其他存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。
為了確定流13的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)21，信號(hào)處理器19將來(lái)自于傳感器15的數(shù)據(jù)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中。該流程邏輯36應(yīng)用關(guān)于圖3和4上面描述的聲納陣列處理算法確定流速。在流程邏輯36內(nèi)的一些或全部功能可以以軟件(利用微處理器或計(jì)算機(jī))和/或固件實(shí)現(xiàn)，或者可以利用具有足夠存儲(chǔ)器，接口，容量來(lái)執(zhí)行這里描述的功能的模擬和/或數(shù)字硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
在顯示的實(shí)施例中，每個(gè)傳感器半部分202由諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料帶形成，其測(cè)量由于與流13對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)在管道14內(nèi)引起的應(yīng)變。傳感器半部分202可以由PVDF薄模、共聚物薄模或者柔性PZT傳感器形成，類(lèi)似于由New JerseyMeasurement Specialties，Inc of Fairfield提供的“Piezo FilmSensors technical Manual”中描述的，其引入這里作為參考。形成每個(gè)傳感器半部分202的PVDF材料可以粘附在鋼帶206(例如軟管夾)的表面，其環(huán)繞管道14的外表面延伸并夾緊到其上。還預(yù)計(jì)可以利用將傳感器半部分202附屬到管道14的其它方法。例如，傳感器半部分202可以直接粘附在管道14上。如在此后討論的，可以利用其它類(lèi)型的傳感器15和附屬傳感器15的其它方法。
如以上注釋的，隨著傳感器半部分202的尺寸的減小(也就是，隨著角度θ的減小)，由傳感器半部分202檢測(cè)的不穩(wěn)定壓力更準(zhǔn)確地指示分層流的標(biāo)稱(chēng)流速。然而，通過(guò)減小傳感器半部分202的尺寸提供的準(zhǔn)確度由傳感器半部分202提供的信號(hào)強(qiáng)度的減小抵消。此外，隨著流13更少的分層，為了檢測(cè)流13的更大部分增加傳感器15的尺寸是有利的。結(jié)合圖14-21的教導(dǎo)，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例可以被描述，其中，傳感器半部分202的尺寸取決于流13的分層級(jí)被增加或減小。該實(shí)施例使用了類(lèi)似于圖17和18的傳感器布置，其中多個(gè)傳感器15在管道14(包括圖17中示出的可選擇傳感器15)的每個(gè)軸向位置x1，…xN圍繞管道14的周長(zhǎng)配置。例如，沿著管道14的每個(gè)軸向位置x1，…xN的傳感器15可以包含粘附在鋼帶206(例如，軟管夾)的表面的壓電薄模材料帶，其圍繞管道14的外表面延伸并夾緊到其上。如此后討論的，可以利用其它類(lèi)型的傳感器15和將傳感器15附屬到管道14上的其它方法。
在該實(shí)施例中，傳感器15陣列11和11’被如前面關(guān)于圖14-19描述的所利用。那也就是，信號(hào)處理器19將來(lái)自于陣列11中的傳感器15的壓力信號(hào)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯36，用于確定管道14頂部附近的流13的速度，并且信號(hào)處理器19將來(lái)自于陣列11’中的傳感器15的壓力信號(hào)應(yīng)用到由信號(hào)處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中。用于確定管道14底部附近的流13的速度。信號(hào)處理器19接著比較在管道頂部和底部附近的速度，從而確定流13的分層級(jí)。
還是在該實(shí)施例中，如圖17和18所示，對(duì)于管道14的每個(gè)軸向位置x1，…xN(例如，對(duì)于每個(gè)帶206)對(duì)，定位在管道一側(cè)上的傳感器15(例如對(duì)于垂直線203左側(cè)的傳感器15)代表一個(gè)傳感器半部分，定位在管道相對(duì)側(cè)上的傳感器15(例如對(duì)于垂直線203右側(cè)的傳感器15)代表另一個(gè)傳感器半部分。對(duì)于每個(gè)軸向位置x1，…xN，來(lái)自于形成傳感器半部分的每個(gè)傳感器15的輸出信號(hào)被組合(例如，求和)并處理，從而確定如參考圖20和21描述的流13的標(biāo)稱(chēng)速度。
響應(yīng)于確定的分層級(jí)，信號(hào)處理器19可以通過(guò)選擇在每個(gè)傳感器半部分中的傳感器15的數(shù)量調(diào)整傳感器半部分的尺寸。例如，如果分層級(jí)高(例如，在管道14的頂部和底部的速度之間存在一大的分布)，對(duì)于每個(gè)軸向位置x1，…xN信號(hào)處理器19可以?xún)H處理來(lái)自于一對(duì)傳感器15(例如，位于圖17的線216的最中心的傳感器15)的信號(hào)，從而確定流13的標(biāo)稱(chēng)速度。如果分層級(jí)減小(例如，在管道14的頂部和底部速度之間的分布中存在降低)，信號(hào)處理器19可以在每個(gè)軸向位置x1，…xN組合來(lái)自增加數(shù)量的傳感器15的信號(hào)(例如位于圖17的線215，216和217的傳感器15)，從而確定流13的標(biāo)稱(chēng)速度。此外，如果探測(cè)不到分層級(jí)，信號(hào)處理器可以在每個(gè)軸向位置x1，…xN組合來(lái)自于所有傳感器15的信號(hào)，從而確定流13的標(biāo)稱(chēng)速度。
如此前參考圖17-19討論的，本發(fā)明還預(yù)計(jì)從中心水平陣列(也就是，陣列4)偏移的任何陣列，諸如陣列3和5或者其它陣列的組合(例如，陣列2&3或陣列5&6)可以被用來(lái)確定處理流13的標(biāo)稱(chēng)或平均速度。確定標(biāo)稱(chēng)速度的陣列或陣列組的確定取決于分層級(jí)。還預(yù)計(jì)，確定標(biāo)稱(chēng)速度和處理流的體積流量的選擇的陣列可以是相應(yīng)于測(cè)量的分層級(jí)動(dòng)態(tài)選擇的。
在這里描述的任何一個(gè)實(shí)施例中，傳感器15可以包括其中如這里描述的電應(yīng)變計(jì)，光纖和/或光柵，倒相障板傳感器，超聲傳感器，并且可以通過(guò)粘合劑、膠水、環(huán)氧樹(shù)脂，膠帶或其它合適的附著方式附屬到管道上，從而確保傳感器和管道14之間的合適的接觸。傳感器15可以可選擇的經(jīng)由諸如機(jī)械扣件、彈簧式的、夾緊的蛤殼(clamshell)裝置，膠帶(strapping)或其它類(lèi)似的裝置可選擇的可拆卸的或永久地附著?？蛇x擇的，應(yīng)變計(jì)，包括光纖和/或光柵，可以被嵌入到復(fù)合管道14中。如果希望，為了特定應(yīng)用，光柵可以按希望從管道14分離(或者應(yīng)變或聲學(xué)上隔離)。還預(yù)計(jì)任何其它應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)可以被用來(lái)測(cè)量管道14中的應(yīng)變的變化，諸如附屬到或嵌入到管道14中的高靈敏的壓電的、電子的或電的應(yīng)變計(jì)。
在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，壓電壓力轉(zhuǎn)換器可以被用作一個(gè)或多個(gè)壓力傳感器，并且它可以通過(guò)測(cè)量管道內(nèi)壓力級(jí)測(cè)量管道14內(nèi)不穩(wěn)定(或動(dòng)態(tài)或交流)壓力變化。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傳感器14包含由New York，PCB Piezotronics of Depew制造的壓力傳感器。例如，在壓力傳感器中，存在集成電路壓電電壓模式型傳感器，其特征為具有嵌入內(nèi)置微電子放大器，并將高阻抗負(fù)荷轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓輸出。具體的，由PCB Piezotronic制造的模型106B被利用，其是高靈敏度、加速補(bǔ)償集成電路壓電石英壓力傳感器，適合于測(cè)量水力和風(fēng)力系統(tǒng)中的低壓聲學(xué)現(xiàn)象。它具有獨(dú)特的在高靜態(tài)條件下測(cè)量小于0.001psi的小壓力變化的能力。該106B具有300mV/psi靈敏度以及91dB(0.0001psi)分辨度。
傳感器15可以包括有內(nèi)置MOSFET微電子放大器，用于將高阻抗負(fù)載輸出轉(zhuǎn)換成低阻抗電壓信號(hào)。傳感器15可以由恒流源供電，并且可以在沒(méi)有信號(hào)退化的情況下工作在長(zhǎng)同軸電纜和帶狀電纜上。低阻抗電壓信號(hào)不會(huì)受到摩擦電電纜噪聲或絕緣阻抗降低污染(insulation reistance-degrading contaminants)的影響。用于操作集成電路壓電傳感器的電能通常采取低成本，24到27VDC，2到20mA恒流源的形式。
大多數(shù)的壓電壓力傳感器由預(yù)載在剛性外殼的任一壓縮模式的石英晶體構(gòu)造，或者是無(wú)約束的電石晶體。這些設(shè)計(jì)給予傳感器微秒的響應(yīng)時(shí)間以及數(shù)百kHz的共振頻率，同時(shí)具有最小的過(guò)沖或振蕩(ringing)。小的膜片(diaphragm)直徑確保了窄沖擊波的空間分辨度。
壓電壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特性在于是一種AC耦合的系統(tǒng)，其中重復(fù)信號(hào)衰減，直到在原始基線上下存在相等的區(qū)域。隨著監(jiān)控的事件的幅度水平波動(dòng)，輸出保持在基線周?chē)€(wěn)定，曲線的正負(fù)區(qū)域保持相等。
此外，預(yù)計(jì)每個(gè)傳感器15可以包括提供壓電材料的壓電傳感器，從而測(cè)量流13的不穩(wěn)定壓力。諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料測(cè)量由于流13內(nèi)的不穩(wěn)定壓力變化在處理管道14內(nèi)引起的應(yīng)變。管道14內(nèi)的應(yīng)變由附屬的壓電傳感器15轉(zhuǎn)換成輸出電壓或電流。
形成每個(gè)壓電傳感器15的PVDF材料可以粘附在環(huán)繞管道14的外表面延伸并夾緊到其上的鋼帶的外表面。壓電檢測(cè)元件典型地被保形(conformal)以允許引起的應(yīng)變的完整的或接近完整的圓周的測(cè)量。該傳感器可以由PVDF薄模、共聚物薄?；蛘呷嵝訮ZT傳感器形成，類(lèi)似于由New Jersey Measurement Specialties，Inc.of Fairfield提供的“Piezo Film Sensors technical Manual”中描述的，其引入這里作為參考。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下1、非侵入流速測(cè)量2、低成本3、測(cè)量技術(shù)不需要激勵(lì)源。環(huán)境流噪聲被用作源。
4、柔性壓電傳感器可以安裝在多種結(jié)構(gòu)中，用來(lái)提高信號(hào)探測(cè)方案。這些結(jié)構(gòu)包括a)協(xié)同定位的傳感器，b)具有相對(duì)極性配置的分段式傳感器，c)寬的傳感器，用來(lái)提高聲學(xué)信號(hào)探測(cè)并最小化漩渦噪聲探測(cè)，d)特制的傳感器幾何形狀，用于最小化對(duì)管道模式的靈敏度，e)差分傳感器，用于消除來(lái)自于漩渦信號(hào)的聲學(xué)噪聲。
5、較高溫度(140C)(共聚物)本發(fā)明可以以用于實(shí)踐這些處理的計(jì)算機(jī)執(zhí)行處理和設(shè)備的形式體現(xiàn)。本發(fā)明還可以以包含體現(xiàn)在諸如軟盤(pán)、CD-ROMs、硬盤(pán)或者其它計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的有形介質(zhì)中的指令的計(jì)算機(jī)程序代碼的形式來(lái)體現(xiàn)，其中，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序代碼加載到計(jì)算機(jī)并且由其運(yùn)行時(shí)，計(jì)算機(jī)變成實(shí)踐該發(fā)明的設(shè)備。本發(fā)明還可以以計(jì)算機(jī)程序代碼的形式來(lái)體現(xiàn)，例如，無(wú)論是存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中、加載到計(jì)算機(jī)并/或由計(jì)算機(jī)運(yùn)行，或者在傳輸介質(zhì)，諸如在電線或電纜上、通過(guò)光纖，或經(jīng)由電磁輻射傳輸，其中，當(dāng)計(jì)算機(jī)程序代碼加載到計(jì)算機(jī)并由計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)，計(jì)算機(jī)變成實(shí)踐該發(fā)明的設(shè)備。當(dāng)執(zhí)行在通用目的的微處理器上時(shí)，計(jì)算機(jī)程序代碼段配置微處理器以產(chǎn)生特定的邏輯電路。
應(yīng)該理解的是，這里關(guān)于特別的實(shí)施例描述的任何特征、特性、替換方案或改變也可以被應(yīng)用，利用或包含在任何這里描述的其它實(shí)施例中。此外，雖然預(yù)計(jì)當(dāng)這里描述的實(shí)施例可用于具有分散性質(zhì)的流(例如，分層流)，但是這里描述的實(shí)施例也可以被用于不具有分散性質(zhì)的均勻流。
盡管本發(fā)明已經(jīng)關(guān)于其典型的實(shí)施例進(jìn)行了描述和展示，但是在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以在其中或?qū)ζ渥龀銮笆龊透鞣N其它的添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量經(jīng)過(guò)管道的流的參數(shù)的設(shè)備，該設(shè)備包含沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器空間陣列，每個(gè)傳感器提供一信號(hào)，指示由與該流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力；以及信號(hào)處理器，被配置用來(lái)從該信號(hào)確定具有不同長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度，以及比較對(duì)流速度，從而確定該流的分層級(jí)。
2.權(quán)利要求1的設(shè)備，其中，在比較對(duì)流速度中，信號(hào)處理器被配置用來(lái)將對(duì)流速度的曲線構(gòu)造成長(zhǎng)度規(guī)的函數(shù)，并且通過(guò)該曲線確定最佳擬和線的斜率，該線的斜率指示該流的分層級(jí)。
3.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中，該曲線由該流的標(biāo)稱(chēng)速度和管道的直徑歸一化。
4.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中，該斜率被用來(lái)校準(zhǔn)信號(hào)處理器，從而確定該流的體積流速。
5.權(quán)利要求4的設(shè)備，其中該信號(hào)處理器被配置用來(lái)從該信號(hào)構(gòu)造至少一部分k-ω曲線，并且確定頻率范圍，在所述頻率范圍上信號(hào)處理器分析k-ω曲線中的對(duì)流脊，用于確定體積流速。
6.權(quán)利要求2的設(shè)備，其中，在將相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度曲線構(gòu)造成頻率的函數(shù)中，該信號(hào)處理器被配置用來(lái)從該信號(hào)構(gòu)造至少一部分k-w曲線；在第一頻率范圍上在k-w曲線中識(shí)別對(duì)流脊；確定對(duì)流脊的第一斜率，第一斜率指示該流的標(biāo)稱(chēng)速度；在多個(gè)第二頻率范圍上識(shí)別對(duì)流脊的多個(gè)部分，每個(gè)第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點(diǎn)；確定對(duì)流脊每個(gè)部分的第二斜率，每個(gè)第二斜率指示具有對(duì)應(yīng)于相關(guān)的第二頻率范圍的長(zhǎng)度規(guī)范圍的相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度；利用流的標(biāo)稱(chēng)速度歸一化相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度，從而提供歸一化的對(duì)流速度；以及作為由流的標(biāo)稱(chēng)速度和管道的直徑非量綱化的各自中點(diǎn)的函數(shù)繪制每個(gè)歸一化的對(duì)流速度，從而提供曲線。
7.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中第一頻率范圍可以基于該斜率調(diào)整。
8.權(quán)利要求6的設(shè)備，其中，對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)被用來(lái)確定第一頻率范圍的中點(diǎn)，通過(guò)對(duì)于不同的分層級(jí)比較多個(gè)分散曲線并從一個(gè)分散曲線到另一個(gè)標(biāo)識(shí)分散曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)確定對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)。
9.一種用于確定經(jīng)過(guò)管道的流的參數(shù)的設(shè)備，該設(shè)備包含沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個(gè)傳感器的第一空間陣列，在第一陣列中的每個(gè)傳感器提供第一信號(hào)，其指示由與經(jīng)過(guò)管道上部的流的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力；沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個(gè)傳感器的第二空間陣列，在第二陣列中的每個(gè)傳感器提供了第二信號(hào)，其指示由與經(jīng)過(guò)管道下部的流的一部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，以及至少一個(gè)信號(hào)處理器，被配置成用來(lái)利用第一信號(hào)確定經(jīng)過(guò)管道上部的流的第一速度，利用第二信號(hào)確定經(jīng)過(guò)管道下部的流的第二速度，以及比較第一和第二速度從而確定流的參數(shù)。
10.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中該流的參數(shù)包括至少下面其中一個(gè)流的分層級(jí)和流的體積流速。
11.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中，在比較第一和第二速度之前，微處理器歸一化第一和第二速度。
12.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中，第一空間陣列沿著管道的頂部軸向地對(duì)準(zhǔn)，第二空間陣列沿著管道底部軸向地對(duì)準(zhǔn)。
13.權(quán)利要求9的設(shè)備，還包含沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個(gè)傳感器的至少一個(gè)附加空間陣列，至少一個(gè)附加陣列中的每個(gè)傳感器提供第三信號(hào)，其指示由與最接近傳感器的流的部分對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，該至少一個(gè)附加空間陣列沿著該管道軸向地對(duì)準(zhǔn)，并且定位在第一和第二空間陣列之間；以及其中，對(duì)于每個(gè)附加空間陣列，該至少一個(gè)信號(hào)處理器還被配置用來(lái)利用第三信號(hào)確定附加空間陣列附近的流的第三速度，以及比較第一，第二和第三速度，從而確定流的參數(shù)。
14.權(quán)利要求13的設(shè)備，其中，第一、第二、和第三速度的比較提供了經(jīng)過(guò)該管道的流的速度分布圖。
15.權(quán)利要求13的設(shè)備，其中，該流的參數(shù)包括至少下面其中一個(gè)流的分層級(jí)和流的體積流速。
16.權(quán)利要求13的設(shè)備，其中，在比較第一、第二和第三速度之前，微處理器歸一化第一、第二和第三速度。
17.權(quán)利要求9的設(shè)備，其中，該流的參數(shù)包括該流的分層級(jí)，并且，其中，響應(yīng)于流的分層級(jí)，微處理器選擇多個(gè)傳感器用于確定該流的平均速度。
18.一種用于測(cè)量經(jīng)過(guò)管道的流的參數(shù)的設(shè)備，該設(shè)備包含沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器的空間陣列，每個(gè)傳感器包括配置在管道的相對(duì)側(cè)面上的一對(duì)傳感器半部分，其中，每對(duì)傳感器半部分提供一壓力信號(hào)，指示由在管道的相應(yīng)軸向位置在管道內(nèi)與流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，以及信號(hào)處理器，配置用來(lái)利用該信號(hào)確定管道內(nèi)流的標(biāo)稱(chēng)速度。
19.一種利用沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器的空間陣列測(cè)量經(jīng)過(guò)管道的流的參數(shù)的方法，每個(gè)傳感器體提供了一信號(hào)，其指示由與該流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力，該方法包含從該信號(hào)確定具有不同長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度，以及比較對(duì)流速度，從而確定該流的分層級(jí)。
20.權(quán)利要求19的方法，其中，比較對(duì)流速度包括將對(duì)流速度的曲線構(gòu)造成長(zhǎng)度規(guī)的函數(shù)，并且通過(guò)曲線確定最佳擬和線的斜率，該線的斜率指示該流的分層級(jí)。
21.權(quán)利要求20的方法，其中，該曲線由該流的標(biāo)稱(chēng)速度和管道的直徑歸一化。
22.權(quán)利要求20的方法，還包含從該信號(hào)構(gòu)造至少一部分k-ω曲線，并且利用該斜率，確定頻率范圍，在所述頻率范圍上信號(hào)處理器分析k-ω曲線中的對(duì)流脊，用于確定體積流速。
23.權(quán)利要求20的方法，其中將相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度曲線構(gòu)造為頻率的函數(shù)包含從該信號(hào)構(gòu)造至少一部分k-ω曲線；在第一頻率范圍上在k-ω曲線中識(shí)別對(duì)流脊；確定對(duì)流脊的第一斜率，第一斜率指示流的標(biāo)稱(chēng)速度；在多個(gè)第二頻率范圍上識(shí)別對(duì)流脊的多個(gè)部分，每個(gè)第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點(diǎn)；確定對(duì)流脊每個(gè)部分的第二斜率，每個(gè)第二斜率指示具有對(duì)應(yīng)于相關(guān)的第二頻率范圍的長(zhǎng)度規(guī)范圍的相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度；利用流的標(biāo)稱(chēng)速度歸一化相干結(jié)構(gòu)的標(biāo)稱(chēng)對(duì)流速度，從而提供歸一化的對(duì)流速度；以及作為由流的標(biāo)稱(chēng)速度和管道的直徑非量綱化的各自中點(diǎn)的函數(shù)繪制每個(gè)歸一化的對(duì)流速度，從而提供曲線。
24.權(quán)利要求23的方法，其中，第一頻率范圍可以基于該斜率調(diào)整。
25.權(quán)利要求24的方法，其中，對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)被用來(lái)確定第一頻率范圍的中點(diǎn)，通過(guò)對(duì)于不同的分層級(jí)比較多個(gè)分散曲線并從一個(gè)分散曲線到另一個(gè)標(biāo)識(shí)分散曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，確定對(duì)分層最不靈敏的非量綱長(zhǎng)度規(guī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用沿著管道在不同軸向位置配置的至少一個(gè)傳感器空間陣列測(cè)量分層流參數(shù)的各種方法。每個(gè)傳感器提供了一信號(hào)，其指示由與流對(duì)流的相干結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力。在一個(gè)方面中，信號(hào)處理器從該信號(hào)確定具有不同長(zhǎng)度規(guī)的相干結(jié)構(gòu)的對(duì)流速度。該信號(hào)處理器接著比較對(duì)流速度從而確定流的分層級(jí)。分層級(jí)可以被用作校準(zhǔn)過(guò)程的一部分以確定流的體積流速。在另一個(gè)方面，該流的分層級(jí)通過(guò)比較在管道頂部和底部局部測(cè)量的速度確定。在管道頂部和底部附近的速度的比率相關(guān)于流的分層級(jí)。附加的傳感器陣列可以提供流的速度分布圖。在另一個(gè)方面，陣列中的每個(gè)傳感器包括配置在管道相對(duì)側(cè)面的一對(duì)傳感器半部分，信號(hào)處理器利用該信號(hào)確定管道內(nèi)流的標(biāo)稱(chēng)速度。
文檔編號(hào)G01F1/34GK1950679SQ200580014587
公開(kāi)日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月10日
發(fā)明者D·L·格斯林, M·R·弗納德, T·J·貝利, J·維格 申請(qǐng)人:塞德拉公司