專利名稱：用于非侵入式確定管道內(nèi)部的流體的聲學(xué)特性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于確定流經(jīng)管道的流體的構(gòu)成的方法，更具體地，涉及用于非侵入式地確定流經(jīng)厚壁管道的流體的聲速和聲衰減的方法和用于確定流體的構(gòu)成的導(dǎo)管。
背景技術(shù)：
確定容器中的或流經(jīng)導(dǎo)管和管道的流體的聲學(xué)特性在很多工業(yè)中，特別是在石油生產(chǎn)中是重要的，因?yàn)檫@些特性可用于確定流體構(gòu)成。一般，利用穿過被機(jī)器加工到管道壁中的特殊窗口附著到管道的傳感器來進(jìn)行聲學(xué)測(cè)量(例如，液體中的聲速和聲吸收)，其中傳感器元件與流體物理接觸，或傳感器元件被直接安裝在流體中。在這樣的情況下，該傳感器或該窗口遭受流體的污染，使長期操作和維護(hù)變得困難。而且，如果傳感器被放置在流體內(nèi)部或穿過該壁侵入到液體中，則它可能影響流型(flow pattern)并污損對(duì)流型的損壞很敏感的測(cè)量。已使用具有10μ s持續(xù)時(shí)間的高電壓脈沖信號(hào)來在被附著到適應(yīng)管道的外部曲率的彎曲延遲線的超聲換能器中激發(fā)聲波，該聲波在橫穿管道中的流體之后由第二換能器檢測(cè)。通過所接收的信號(hào)的閾值檢測(cè)來測(cè)量脈沖的渡越時(shí)間，這是困難的，由于在容器壁中的多次反射并且還由于穿過壁本身的聲的傳播。對(duì)于用于渡越時(shí)間度量的正確閾值檢測(cè)需要100個(gè)信號(hào)的平均值，根據(jù)該渡越時(shí)間度量來確定流體聲速和隨后的流體構(gòu)成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施例通過提供用于確定管道內(nèi)部的流體的構(gòu)成的非侵入式方法來克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和限制。本發(fā)明的額外的目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將在接下來的描述中部分地被闡述，且對(duì)于檢查了下文后的本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將部分地變得清楚，或可通過實(shí)踐本發(fā)明來學(xué)習(xí)本發(fā)明的額外的目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征。可借助于特別在所附權(quán)利要求中指出的手段和組合來實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)前述和其它目的，且根據(jù)如在本文中體現(xiàn)和廣泛描述的本發(fā)明的目的，用于非侵入式地確定流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成的方法于此包括:使用與管道的外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)(ultrasonic frequency chirp signal);在啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后,在與管道的外表面超聲通信的與發(fā)射換能器完全(diametrical Iy)相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中響應(yīng)于此而生成電信號(hào)；接收電信號(hào)；通過將所接收的信號(hào)與所生成的頻率啁啾信號(hào)進(jìn)行相乘來對(duì)頻率啁啾并且得到差別頻率來進(jìn)行解啁啾(dechirping)，根據(jù)該差別頻率來確定頻率啁啾信號(hào)的總渡越時(shí)間；確定頻率啁啾信號(hào)在管道的壁中的時(shí)間延遲；以及從總渡越時(shí)間減去時(shí)間延遲以確定頻率啁啾信號(hào)穿過多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)該傳播時(shí)間來確定多相流體的構(gòu)成。在本發(fā)明的另一方面中并且根據(jù)其目的和意圖，用于非侵入式地確定流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成的方法于此包括:使用與管道的外表面超聲通信的發(fā)射換能器生成超聲頻率啁啾信號(hào)；在啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與管道的外表面超聲通信的與發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中響應(yīng)于此而生成電信號(hào)；接收電信號(hào)；將所發(fā)射的信號(hào)與所接收的信號(hào)互相關(guān)，其中生成互相關(guān)峰值；選擇最高峰值，該最高峰值對(duì)應(yīng)于頻率啁啾信號(hào)的總渡越時(shí)間；確定頻率啁啾信號(hào)在管道的壁中的時(shí)間延遲；以及從總渡越時(shí)間減去時(shí)間延遲以確定頻率啁啾信號(hào)穿過所述多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)傳播時(shí)間來確定所述多相流體的構(gòu)成。在本發(fā)明的又一方面中且根據(jù)其目的和意圖，用于非侵入式地確定流經(jīng)具有壁、外表面和軸的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成的方法于此包括:使用與管道的外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)；在啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與管道的外表面超聲通信的與發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中響應(yīng)于此而生成電信號(hào)；接收電信號(hào)；將所發(fā)射的信號(hào)與所接收的信號(hào)互相關(guān)，其中生成互相關(guān)峰值；確定在連續(xù)的峰值之間的時(shí)間，其中所確定的時(shí)間是穿過多相流體的行進(jìn)時(shí)間的兩倍，根據(jù)該行進(jìn)時(shí)間來確定多相流體的構(gòu)成。在本發(fā)明的又一方面中且根據(jù)其目的和意圖，用于非侵入式地確定流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成的方法于此包括:使用與管道的外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)，該超聲頻率啁啾信號(hào)具有比該超聲頻率啁啾穿過多相流體所花費(fèi)的時(shí)間短的持續(xù)時(shí)間；在啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與管道的外表面超聲通信的與發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中響應(yīng)于此而生成電信號(hào)；接收電信號(hào)；使用短時(shí)傅立葉變換來變換電信號(hào)，由此，生成作為時(shí)間的函數(shù)的所接收的頻率啁啾的頻率變化的曲線，歸因于壁共振的振幅調(diào)制作為個(gè)體數(shù)據(jù)點(diǎn)出現(xiàn)；以及，所生成的頻率啁啾是具有斜率的直線；執(zhí)行數(shù)據(jù)點(diǎn)與具有該斜率的直線的最小二乘擬合；確定時(shí)間軸上的截距，根據(jù)該截距來確定總渡越時(shí)間；確定頻率啁啾信號(hào)在管道的壁中的時(shí)間延遲；以及從總渡越時(shí)間減去時(shí)間延遲以確定頻率啁啾信號(hào)穿過多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)傳播時(shí)間確定多相流體的構(gòu)成。本發(fā)明的實(shí)施例的益處和優(yōu)點(diǎn)包括但不限于提供用于確定在管道內(nèi)部可以是流動(dòng)的或靜止的流體的構(gòu)成同時(shí)利用管道壁來幫助測(cè)量而不是不利地影響測(cè)量的非侵入方法。其它益處包括不被容器或管道的壁的存在影響的高質(zhì)量的構(gòu)成確定、歸因于頻率啁啾的使用和用于信號(hào)分析的方法(其同時(shí)使用用于確定流體中的聲速的多種方法并優(yōu)于常規(guī)脈沖飛行時(shí)間(time-of-flight)方法)而得到的高信噪比、高質(zhì)量聲速數(shù)據(jù)的提取(即使激發(fā)啁啾信號(hào)沒有高質(zhì)量且可以是基于方波的，該基于方波簡化了波的生成并允許使用較低功耗的電子設(shè)備。


被并入本說明書并形成本說明書的一部分的附示了本發(fā)明的實(shí)施例，且連同描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中:圖1A是對(duì)有效用于實(shí)踐本發(fā)明的方法的本發(fā)明的測(cè)量裝置的實(shí)施例的示意性表示，圖1B是管道和被固定到管道外表面的彎曲換能器的透視圖的示意性表示，而圖1C是管道和彎曲換能器的頂視圖的示意性表示。圖2是振幅與時(shí)間相對(duì)的曲線圖，該曲線圖示出使用于此在圖1A-1C中示出的裝置得到的數(shù)據(jù)，其中多個(gè)突發(fā)(burst)特征是由于管道壁的傳輸特征導(dǎo)致的。圖3A示出在低頻率處開始的典型啁啾信號(hào)，低頻率以連續(xù)的方式經(jīng)過時(shí)間段T增大到較高的頻率f2，同時(shí)在圖3B中示出作為時(shí)間的函數(shù)的啁啾的頻率變化。圖4A示出被顯示為線的所生成的啁啾輸入信號(hào)s (t)，該信號(hào)穿過系統(tǒng)傳播并在某個(gè)延遲之后由接收機(jī)檢測(cè)，延遲的啁啾信號(hào)是s(t-T)從而在線性系統(tǒng)中是線性的，這兩個(gè)信號(hào)是平行線，且延遲時(shí)間τ是所尋求的渡越時(shí)間度量，而圖4Β示出該度量也可被考慮為在由Λ f所給出的兩個(gè)啁啾線之間的頻率偏移，Λ f是固定的頻率，被稱為解啁啾的頻率的該差別頻率sdiff(t)在這兩個(gè)信號(hào)的重疊時(shí)期期間是不變的，且相當(dāng)于延遲時(shí)間。圖5A示出包括一系列在時(shí)間上相等地間隔開的啁啾(其具有減小的振幅并由在管道或容器的壁內(nèi)部的反射而造成)的延遲的啁啾信號(hào)，而圖5B示意性示出當(dāng)其橫穿壁時(shí)被多次反射的脈沖聲信號(hào)。圖6A是由接收機(jī)換能器從充水的黃銅管道檢測(cè)的信號(hào)的曲線圖，而圖6B是該信號(hào)與來自發(fā)射機(jī)換能器的源信號(hào)的互相關(guān)的曲線圖，該曲線圖示出明顯的脈沖壓縮。圖7A和圖7B是分別針對(duì)具有相同尺寸的不銹鋼管道和黃銅管道示出由接收機(jī)換能器接收的不具有多個(gè)回波的第一啁啾突發(fā)的曲線圖，而圖7C和圖7D分別示出這些信號(hào)的相應(yīng)的快速傅立葉變換。圖8A和圖8B示出來自包含水的黃銅管道的相同的所接收的啁啾信號(hào)，圖8B是在記錄多個(gè)回波的影響可被分離的足夠的時(shí)間跨度上被記錄的，而圖8A和圖SB的信號(hào)的對(duì)應(yīng)快速傅立葉變換分別在圖8C和圖8D中示出。圖9A示出如在此的圖8D中的，在針對(duì)充水的黃銅管道歸因于記錄多個(gè)回波的影響可被分離的足夠的時(shí)間段上，所接收的啁啾信號(hào)的快速傅立葉變換，而大約2.7MHz的曲線的一部分由虛橢圓形曲線包圍，而圖9B示出圖9A的強(qiáng)調(diào)部分的展開圖，其示出在兩個(gè)管道壁之間的流體中觀察到的峰值的快速傅立葉變換。圖10是示出在時(shí)間上偏移的兩個(gè)平行狀態(tài)線的曲線圖，第一條線表示在IMHz和4MHz之間的并具有在零時(shí)刻開始的100 μ s持續(xù)時(shí)間的所發(fā)射的啁啾，而實(shí)心圓表示在調(diào)制聲傳輸?shù)母鱾€(gè)接收的壁峰值的在時(shí)間和頻率上的峰值位置，對(duì)該數(shù)據(jù)做出最小二乘擬合，但該最小二乘擬合被約束到與實(shí)線所示的所發(fā)射的啁啾線相同的斜率，在曲線圖右邊的快速傅立葉變換被提供來與頻率發(fā)射窗比較。圖1IA是針對(duì)包含水的黃銅管道的所發(fā)射的啁啾和所接收的延遲啁啾(圖4Α和圖4Β)的乘積的聯(lián)合時(shí)頻分析的曲線圖，而圖1lB是所發(fā)射的啁啾和所接收的延遲啁啾的乘積的快速傅立葉變換的曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施例簡要地包括用于非侵入式地確定管道內(nèi)部的流體的構(gòu)成的方法。該方法包括激發(fā)位于管道(處于研究下的流體穿過該管道流動(dòng))的外表面上的第一換能器，以生成與常規(guī)脈沖相對(duì)的超聲啁啾信號(hào)。該啁啾信號(hào)由布置在該管道的外表面上的與第一換能器的位置相對(duì)的第二換能器接收，根據(jù)該信號(hào)來確定穿過流體的渡越時(shí)間，并且計(jì)算流體中的超聲波的聲速。根據(jù)其中的聲速來計(jì)算流體的構(gòu)成。也可從聲衰減的測(cè)量得到流體密度。啁啾測(cè)量允許獲得高信噪比，且允許較低功率操作。換能器可直接附著到管道，且換能器表面可具有與管道相同的曲率半徑。這樣的彎曲換能器不需要延遲線來得到足夠的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)電路可被用于處理所接收的啁啾信號(hào)以提供聲速。使用高動(dòng)態(tài)范圍(16比特)數(shù)字化儀來記錄所接收的信號(hào)簡化了測(cè)量，當(dāng)流經(jīng)管道的流體的衰減改變時(shí)不需要放大器再次調(diào)節(jié)。本方法的實(shí)施例可提供不受厚管道壁的存在的影響的精確的渡越時(shí)間確定，并可有利地使用該壁。與管道或容器內(nèi)部的流體中的渡越時(shí)間同時(shí)地確定穿過壁的渡越時(shí)間。此外，彎曲換能器可通過抑制穿過管道壁的導(dǎo)波模態(tài)的生成來減輕這樣的波模態(tài)的生成。在下文中詳細(xì)描述的信號(hào)分析過程提供不被隨機(jī)噪聲影響的魯棒的渡越時(shí)間度量。所接收的信號(hào)穿過管道的壁和管道內(nèi)部的流體傳播。在流體正流動(dòng)且還包含氣體的系統(tǒng)中，信號(hào)可能相當(dāng)嘈雜，且不可以通過如常規(guī)所做那樣的簡單閾值檢測(cè)來確定渡越時(shí)間。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，可以使用五種信號(hào)處理方法來從數(shù)據(jù)中提取渡越時(shí)間信息，而已將管道壁影響減去。這些信號(hào)分析技術(shù)包括:(1)獲得啁啾的每個(gè)點(diǎn)的傳播延遲的聯(lián)合時(shí)頻分析；(2)用于提供與啁啾延遲直接有關(guān)的固定頻率信號(hào)的解啁啾技術(shù)；(3)確定穿過流體的渡越時(shí)間和穿過流體的多次反射并提供聲衰減信息的互相關(guān)技術(shù)；(4)獲得流體中的聲信號(hào)的干擾譜和轉(zhuǎn)而獲得其聲速的對(duì)所接收的信號(hào)的快速傅立葉變換(FFT);以及(5)獲得穿過壁的信號(hào)傳輸和壁共振峰值的對(duì)所接收的信號(hào)的FFT，壁共振峰值可用于確定壁厚度或穿過壁的渡越時(shí)間?，F(xiàn)在詳細(xì)參考本發(fā)明的當(dāng)前的實(shí)施例，該實(shí)施例的示例在附圖中示出。在附圖中，將使用相同的附圖標(biāo)記來標(biāo)識(shí)相似的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解的是，附圖是為了描述本發(fā)明的特定實(shí)施例的目的，且不是用來將本發(fā)明限制到該附圖中。現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖1A，示出了對(duì)有效用于實(shí)踐在此的方法的本發(fā)明的測(cè)量裝置10的實(shí)施例的示意性表示。微控制器12通過通用串行總線(USB) 16控制數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 14。DSP14將啁啾波形裝載到任意波形發(fā)生器(WG)IS中，任意波形發(fā)生器(WG)IS生成將被引導(dǎo)到功率放大器20用于驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器22的線性啁啾波形。波形發(fā)生器18可生成任何數(shù)學(xué)上生成的波形，且不限于生成線性頻率啁啾。一般使用的啁啾信號(hào)是正弦的，但也可使用方波啁啾來減小輸出放大器的功率消耗，并方波啁啾也可簡化放大器設(shè)計(jì)。然而，方波啁啾信號(hào)產(chǎn)生可影響測(cè)量精度的高次諧波，除非在數(shù)據(jù)分析中被適當(dāng)?shù)靥幚?。裝置10生成在大約IOOkHz和近似IOMHz之間的頻率范圍內(nèi)的具有在大約ImV和大約50V之間的振幅的信號(hào)。啁啾持續(xù)時(shí)間可以在大約I μ s和大約IOms之間?？梢酝ㄟ^變壓器(未在圖1A中示出)差動(dòng)地驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器22以避免關(guān)于接地回路的困難。發(fā)射換能器22放置成與管道或管子26的壁24超聲通信，這可包括將換能器22直接附著到壁24的外部。接收換能器28布置成與壁24的外部超聲通信(其可包括將換能器28直接附著到壁24的外部)，并且與發(fā)射換能器22完全相對(duì)。由接收換能器生成的信號(hào)在被使用具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的2通道、16比特、60兆樣本/s的數(shù)字化儀32數(shù)字化之前由信號(hào)放大器30放大，信號(hào)放大器30具有在近似IOdb和近似60db之間的增益。接收機(jī)換能器28可以是耦合成提供差分信號(hào)的變壓器，這可能對(duì)電氣安全和對(duì)抑制環(huán)境噪聲拾取都是有利的。信號(hào)放大器30可被布置在與換能器28靠近定位的電路板上并被屏蔽在金屬外殼內(nèi)。來自WG18的輸出可同時(shí)被數(shù)字化儀32數(shù)字化，且兩個(gè)啁啾信號(hào)在被微控制器12處理之后在被顯示在屏幕上之前被引導(dǎo)到DSP14用于分析，或被記錄在微控制器12的存儲(chǔ)器中?？蓪囟扔?jì)元件36附著到管道壁24，用于在測(cè)量期間測(cè)量壁24的溫度?？梢酝ㄟ^電阻溫度設(shè)備(RTD)轉(zhuǎn)換器38將來自傳感器36的信號(hào)數(shù)字化，并將該信號(hào)引導(dǎo)到用于與微控制器12通信的USB總線40。信號(hào)可在大約每0.1s和大約Is之間被處理，并被存儲(chǔ)在微控制器12中或顯示在屏幕34上。箭頭42描繪管道26中的流體流動(dòng)的方向。換能器22和換能器28可利用壓電(PZT)材料來制造，并可承受高達(dá)250° F的溫度。如在上文陳述的，這樣的換能器可被成形為適應(yīng)管道26的外半徑。用于收集在下文中闡述的數(shù)據(jù)的不銹鋼管道和黃銅管道具有大約3英寸的內(nèi)徑44和0.25英寸的壁24的厚度。也可使用其它材料。所使用的每個(gè)PZT元件的尺寸是IcmX 2cm，并沿著如圖1B所示的長軸彎曲，圖1B示出管道26和彎曲換能器22的透視圖的示意性表示。圖1C是管道26和彎曲換能器22和彎曲換能器28的頂視圖的示意性表示。可使用用于擴(kuò)展用途的高溫環(huán)氧樹脂將換能器22和換能器28粘結(jié)到壁24的外表面，但也可使用其它附著手段。換能器元件22和換能器元件28的中心頻率可取決于特定的應(yīng)用在大約1.55MHz和大約5MHz之間變化。針對(duì)高度衰減的重油，使用較低的頻率，而針對(duì)具有高的水含量的流體，則使用較高的頻率。針對(duì)較小的管道直徑和較少衰減的流體，頻率可高達(dá)大約10MHz，該頻率不是對(duì)可容易被修改成在50MHz下操作的電子設(shè)備的限制。為了使PZT元件寬頻帶，每個(gè)元件22和元件28的外側(cè)46和外側(cè)48 (圖1C)分別覆蓋有一層加載鎢的環(huán)氧樹脂。有利地，這也使換能器更加魯棒。如在上文中陳述的，利用薄層的環(huán)氧樹脂將換能器22和換能器28耦合到管道26的外表面，且延遲線是不必要的。這樣的接觸抑制在管道壁中生成導(dǎo)波模態(tài)以及由導(dǎo)波模態(tài)所致的任何并發(fā)問題生成。如也在上文中陳述的，兩個(gè)換能器被定位成直接彼此相對(duì)以得到強(qiáng)信號(hào)，并提供管道內(nèi)部的界限清楚的聲束圖案?？刹捎闷渌鄬?duì)的換能器位置，但提供較差的信號(hào)響應(yīng)。圖2是振幅與時(shí)間相對(duì)的曲線圖，其示出使用在此的圖1A-1C中示出的裝置得到的數(shù)據(jù)。啁啾持續(xù)時(shí)間是100 μ S，頻率范圍在大約IMHz和大約4MHz之間，且激發(fā)電壓小于大約IOV峰間值。在具有3英寸內(nèi)徑和0.25英寸壁厚度的充水不銹鋼管道中進(jìn)行測(cè)量。圖2中的多個(gè)突發(fā)特征是由于作為頻率的函數(shù)的管道壁的傳輸特征，且將在下文中被更詳細(xì)地討論該多個(gè)突發(fā)特征。相反，通過應(yīng)用10 μ s持續(xù)時(shí)間和高達(dá)500V的激發(fā)水平的脈沖，使用用于在具有厚壁的管道或容器中的非侵入式聲音渡越時(shí)間度量的以前的裝置或方法得到的數(shù)據(jù)必須被平均以得到可用信號(hào)，該可用信號(hào)用于基于檢測(cè)到所檢測(cè)的突發(fā)的開始來確定脈沖渡越時(shí)間。如在上文中陳述的，這樣的檢測(cè)容易出錯(cuò)，因?yàn)樗蕾囉诳赡茈S著信號(hào)水平而變化的閾值檢測(cè)，且突發(fā)信號(hào)在開始之外的的其余部分通常不被使用，因?yàn)樗诠艿辣趦?nèi)的多次反射。圖3A示出典型的啁啾信號(hào)?？墒褂镁哂性诖蠹s10 μ s到200 μ S之間的持續(xù)時(shí)間的、范圍從大約IOOkHz到大約IOMHz的頻率啁啾。持續(xù)時(shí)間取決于穿過流體的路徑長度，并對(duì)于更大的路徑長度，持續(xù)時(shí)間可能更長。啁啾信號(hào)在低頻率處開始，低頻率以連續(xù)的方式在時(shí)間段T內(nèi)增加到較高的頻率f2。在圖3B中示出作為時(shí)間的函數(shù)的啁啾的頻率變化。啁啾的帶寬是，且其周期是T。確定穿過填充流體的管道(或任何其它容器)的這個(gè)啁啾信號(hào)的渡越時(shí)間提供了相關(guān)的渡越時(shí)間度量。啁啾信號(hào)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。啁啾在較長的時(shí)間段上分配用于測(cè)量的發(fā)射功率；因此，不需要如在常規(guī)脈沖測(cè)量中使用的高電壓激發(fā)，且小于大約IOV的信號(hào)激發(fā)水平對(duì)大部分測(cè)量來說是足夠的。啁啾也允許使用脈沖壓縮技術(shù)，該脈沖壓縮技術(shù)用于將測(cè)量的信噪比(S/N)增大了脈沖壓縮比=BXT。因此，在沒有信號(hào)平均的情況下，對(duì)于高帶寬B和較長的持續(xù)時(shí)間T，可以得到非常高的S/N，一般是比傳統(tǒng)脈沖測(cè)量大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的幅值。啁啾測(cè)量還允許使用用于渡越時(shí)間激發(fā)的幾種強(qiáng)大的信號(hào)處理方法。圖4A和圖4B是啁啾信號(hào)分析的示意性表示。在圖4A中，所生成的啁啾輸入信號(hào)s(t)被顯示為具有角度的線(見圖3B)。該信號(hào)穿過系統(tǒng)(例如，充水的管道)傳播并在某個(gè)延遲之后由接收機(jī)(輸出)檢測(cè)，延遲的啁啾信號(hào)是s(t_ τ )。如果系統(tǒng)是線性的，則這兩個(gè)信號(hào)是平行線，且延遲時(shí)間τ是所尋求的渡越時(shí)間度量。該度量也可被考慮為如由Af給出的在兩個(gè)啁啾線之間的頻率偏移，該Λ f是固定的頻率。在圖4B中示出的并被稱為解啁啾的頻率的這個(gè)差別頻率Sdiff (t)在這兩個(gè)信號(hào)的重疊時(shí)期期間是固定的頻率，且相當(dāng)于延遲時(shí)間τ。這是因?yàn)樵趦蓚€(gè)線性啁啾信號(hào)之間的固定的時(shí)間差給出了固定的頻率信號(hào)，因?yàn)橐粋€(gè)啁啾的每個(gè)實(shí)例相對(duì)于另一個(gè)啁啾在頻率上偏移了相同的量。時(shí)間上的偏移因此與頻率上的偏移線性地相關(guān)，且因此頻率偏移的度量提供時(shí)間延遲的度量。優(yōu)點(diǎn)是在兩個(gè)啁啾的頻率重疊的整個(gè)區(qū)域上確定該度量，且因此得到平均值。相反，在使用脈沖來確定時(shí)間延遲的廣泛使用和傳統(tǒng)的飛行時(shí)間測(cè)量中，使用脈沖上的單個(gè)點(diǎn)，且如果所接收的脈沖遭受失真，則這變得很難執(zhí)行，當(dāng)聲脈沖穿過流動(dòng)的流體傳播時(shí)該失真總是存在。用于在實(shí)際測(cè)量中測(cè)量解啁啾(差別)頻率的直接方式是如在下文中所述那樣將輸入啁啾信號(hào)和輸出啁啾信號(hào)一起相乘。兩個(gè)啁啾信號(hào)(發(fā)送的[x(t)]和在時(shí)間延遲之后的接收的[y(t)])在數(shù)學(xué)上可被定義為:
權(quán)利要求
1.一種用于對(duì)流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成進(jìn)行非侵入式確定的方法，包括: 使用與所述管道的所述外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)； 在所述啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與所述管道的所述外表面超聲通信的、與所述發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中，響應(yīng)于此來生成電信號(hào)； 接收所述電信號(hào)； 通過將所接收的電信號(hào)與所生成的頻率啁啾信號(hào)相乘并得到差別頻率來對(duì)所述頻率啁啾進(jìn)行解啁啾，根據(jù)所述差別頻率來確定所述頻率啁啾信號(hào)的總渡越時(shí)間； 確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的時(shí)間延遲；以及 從所述總渡越時(shí)間減去所述時(shí)間延遲來確定所述頻率啁啾信號(hào)穿過所述多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)所述傳播時(shí)間來確定所述多相流體的所述構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括測(cè)量所述多相流體的溫度的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)包括在大約IOOkHz和近似IOMHz之間的頻率。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)具有在大約10μ s和IOms之間的持續(xù)時(shí)間。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)的所述持續(xù)時(shí)間大于所述頻率啁啾信號(hào)的所述總渡越時(shí)間。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括下列步驟:對(duì)所述頻率啁啾信號(hào)的所述傳播時(shí)間進(jìn)行數(shù)學(xué)上的時(shí)間偏移，使得所接收的電信號(hào)與所生成的頻率啁啾信號(hào)重疊；以及將時(shí)間偏移后的所述傳播時(shí)間加到所述頻率啁啾信號(hào)的所述總渡越時(shí)間上。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的所述時(shí)間延遲的所述步驟包括下列步驟:對(duì)所接收的電信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；以及測(cè)量經(jīng)傅立葉變換的所接收的電信號(hào)的共振峰值之間的間隔，根據(jù)所述間隔來確定所述時(shí)間延遲。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括下列步驟:確定作為溫度的函數(shù)的在所述油中的聲速；確定作為溫度的函數(shù)的在所述水中的聲速；生成用于表達(dá)油中的聲速確定和水中的聲速確定以確定油和水的未知兩相流體混合物中的聲速的等式。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器包括壓電換能器。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器被成形為適應(yīng)所述管道的所述外表面。
11.一種用于對(duì)流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成進(jìn)行非侵入式確定的方法，包括: 使用與所述管道的所述外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)； 在所述啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與所述管道的外表面超聲通信的、與所述發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中，響應(yīng)于此來生成電信號(hào)；接收所述電信號(hào)； 將所發(fā)射的信號(hào)與所接收的信號(hào)互相關(guān)，其中，生成互相關(guān)峰值； 選擇最高峰值，所述最高峰值對(duì)應(yīng)于所述頻率啁啾信號(hào)的總渡越時(shí)間； 確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的時(shí)間延遲；以及 從所述總渡越時(shí)間減去所述時(shí)間延遲來確定所述頻率啁啾信號(hào)穿過所述多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)所述傳播時(shí)間來確定所述多相流體的所述構(gòu)成。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括測(cè)量所述多相流體的溫度的步驟。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)包括在大約IOOkHz和近似IOMHz之間的頻率。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)具有在大約10μs和IOms之間的持續(xù)時(shí)間。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的所述時(shí)間延遲的所述步驟包括下列步驟:對(duì)所接收的電信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；以及測(cè)量經(jīng)傅立葉變換的所接收的電信號(hào)的共振峰值之間的間隔，根據(jù)所述間隔來確定所述時(shí)間延遲。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，還包括下列步驟:確定作為溫度的函數(shù)的在所述油中的聲速；確定作為溫度的函數(shù)的在所述水中的聲速；生成用于表達(dá)油中的聲速確定和水中的聲速確定以確定油和水的未知兩相流體混合物中的聲速的等式。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器包括壓電換能器。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器被成形為適應(yīng)所述管道的所述外表面。
19.一種用于對(duì)流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成進(jìn)行非侵入式確定的方法，包括: 使用與所述管道的所述外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)； 在所述啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與所述管道的所述外表面超聲通信的、與所述發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中，響應(yīng)于此來生成電信號(hào)； 接收所述電信號(hào)； 將所發(fā)射的信號(hào)與所接收的信號(hào)互相關(guān)，其中，生成互相關(guān)峰值； 確定在連續(xù)的峰值之間的時(shí)間，其中，所確定的時(shí)間是穿過所述多相流體的行進(jìn)時(shí)間的兩倍，根據(jù)所述行進(jìn)時(shí)間來確定所述多相流體的所述構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括測(cè)量所述多相流體的溫度的步驟。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)包括在大約IOOkHz和近似IOMHz之間的頻率。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)具有在大約10μs和IOms之間的持續(xù)時(shí)間。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括下列步驟:確定作為溫度的函數(shù)的在所述油中的聲速；確定作為溫度的函數(shù)的在所述水中的聲速；生成用于表達(dá)油中的聲速確定和水中的聲速確定以確定油和水的未知兩相流體混合物中的聲速的等式。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括下列步驟:對(duì)所述互相關(guān)峰值進(jìn)行傅立葉變換；在頻域中擴(kuò)展得到的頻譜以獲得對(duì)應(yīng)于液體共振的等距峰值；確定相鄰峰值之間的頻率間隔；以及對(duì)多個(gè)峰值間隔取平均，根據(jù)所述平均來確定所述多相流體中的聲速。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器包括壓電換能器。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器被成形為適應(yīng)所述管道的所述外表面。
27.一種用于對(duì)流經(jīng)具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流體的構(gòu)成進(jìn)行非侵入式確定的方法，包括: 使用與所述管道的所述外表面超聲通信的發(fā)射換能器來生成超聲頻率啁啾信號(hào)，所述超聲頻率啁啾信號(hào)具有比所述頻率啁啾穿過所述多相流體所花費(fèi)的時(shí)間短的持續(xù)時(shí)間； 在所述啁啾信號(hào)穿過所述多相流體之后，在與所述管道的所述外表面超聲通信的、與所述發(fā)射換能器完全相對(duì)的接收換能器上接收所生成的頻率啁啾信號(hào)，其中，響應(yīng)于此來生成電信號(hào)； 接收所述電信號(hào)； 使用短時(shí)傅立葉變換來變換所述電信號(hào)，由此，生成作為時(shí)間的函數(shù)的所接收的頻率啁啾的頻率變化的曲線，并且歸因于壁共振的振幅調(diào)制表現(xiàn)為落在具有斜率的直線上的個(gè)體局部峰值； 執(zhí)行所述個(gè)體局部峰值與具 有所述斜率的直線的最小二乘擬合； 確定在時(shí)間軸上的截距，根據(jù)所述截距來確定總渡越時(shí)間； 確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的時(shí)間延遲；以及 從所述總渡越時(shí)間減去所述時(shí)間延遲來確定所述頻率啁啾信號(hào)穿過所述多相流體的傳播時(shí)間，根據(jù)所述傳播時(shí)間來確定所述多相流體的所述構(gòu)成。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括測(cè)量所述多相流體的溫度的步驟。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)包括在大約IOOkHz和近似IOMHz之間的頻率。
30.如權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述頻率啁啾信號(hào)具有在大約10μ s和IOms之間的持續(xù)時(shí)間。
31.如權(quán)利要求27所述的方法，其中確定所述頻率啁啾信號(hào)在所述管道的所述壁中的所述時(shí)間延遲的所述步驟包括下列步驟:對(duì)所接收的電信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換；以及測(cè)量經(jīng)傅立葉變換的所接收的電信號(hào)的共振峰值之間的間隔，根據(jù)所述間隔來確定所述時(shí)間延遲。
32.如權(quán)利要求27所述的方法，還包括下列步驟:確定作為溫度的函數(shù)的在所述油中的聲速；確定作為溫度的函數(shù)的在所述水中的聲速；生成用于表達(dá)油中的聲速確定和水中的聲速確定以確定油和水的未知兩相流體混合物中的聲速的等式。
33.如權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器包括壓電換能器。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中，所述發(fā)射換能器和所述接收換能器被成形為適應(yīng)所述管道 的所述外表面。
全文摘要
描述用于根據(jù)對(duì)流體的聲學(xué)特性的非侵入式測(cè)量來確定流經(jīng)管道的流體的構(gòu)成的方法，其包括激發(fā)位于管道(流體穿過該管道流動(dòng))的外表面上的第一換能器，以生成與常規(guī)脈沖相對(duì)的超聲啁啾信號(hào)。啁啾信號(hào)由布置在在管道的外表面上的與第一換能器的位置相對(duì)的第二換能器接收，根據(jù)該信號(hào)，確定穿過流體的渡越時(shí)間，且計(jì)算流體中的超聲波的聲速。根據(jù)其中的聲速計(jì)算流體的構(gòu)成。也可根據(jù)聲衰減的測(cè)量來得到流體密度。描述了用于從數(shù)據(jù)提取渡越時(shí)間信息的幾種信號(hào)處理方法，其中管道壁的影響被除去。
文檔編號(hào)G01F17/00GK103189719SQ201180051477
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者D·N·森哈, C·F·奧斯特豪特, A·喬杜里 申請(qǐng)人:洛斯阿拉莫斯國家安全股份有限公司