專利名稱：使用超聲波傳感器陣列確定管道內的流體速度的設備和方法
技術領域：
本發明涉及處理超聲波信號領域(比如聲納領域)，尤其涉及當已知流體流動方向時(比如當管道限定了流體流動時)的流體速度的測量領域。
背景技術：
當前，有三類使用超聲波傳感器的流量計，包括傳播時間超聲波流量計(TTUF)、多普勒超聲波流量計(DUF)以及互相關超聲波流量計(CCUF)。
CCUF測量超聲波傳播通過在沿管道的兩個軸向移置的位置處的流動路徑所需的時間。在該測量原理中，假定傳播時間的變化與流動的對流特性相關，比如旋渦結構、流動組分中的不均勻性、溫度變化等等。
CCUF利用高頻率聲音信號(即超聲波)來測量流動中的結構的更低頻率的、時間變化的特性。像所有其它的基于互相關的流量計一樣，引起傳播時間變化的物理擾動將在兩個傳感器之間的距離上保留一定程度的連貫性。
自從19世紀60年代早期以來，互相關超聲波流量計已經面世。關于流體組分的變化，CCUF典型地比起基于其它超聲波的流量測量方法(比如基于傳播時間和多普勒的方法)更加穩定。
盡管CCFU操作上比其它超聲波分析技術更加穩定，但是它們遭遇了與大多數互相關流量計有關的缺點，即它們具有低更新速率和相對不精確性。
使用軸向對準的超聲波發射器和接收器能測量傳播時間，該傳播時間被定義為超聲波束傳播給定距離所需的時間。對于沒有橫向速度分量在無限硬的管中流動的同質流體來說，傳播時間通過下面的關系式給出t＝D/Amixt是傳播時間，D是管道直徑以及Amix是經由該流體傳播的聲音速度。
在這種流動中，傳播時間的變化與流體的聲音速度的變化類似。然而，在真實的流體中，有許多引起傳播時間的小的變化的機制，該傳播時間對于幾個管道直徑保持空間相干。對于單相流動來說，橫向速度分量中的變化將引起傳播時間的變化。流體的熱物理特性(比如溫度或者組分)的變化也將引起變化。許多這些影響與流動對流。因此，與相干的旋渦結構相關的流體橫向速度對于傳播時間的影響使得基于傳播時間的測量適合用于具有均勻組分特性的流動的互相關流量測量。對速度場擾動和對組分變化的靈敏度的組合使得傳播時間測量很好地適合于單相和多相應用。
盡管CCUF對于多種流動組分都起作用，但是標準傳播時間超聲波流量計(TTUF)使用更廣泛。TTUF往往需要相對性能良好的流體(即單相流體)和在換能器和流體本身之間的明確定義的耦合。TTUF依靠發射和接收其某一傳播分量與流動相符的超聲波信號。雖然這種需求對于同軸的濕換能器TTUF不構成重要問題，但是通過把管道中的聲速與流體中的聲速之比作為重要的操作參數引入，它對于鉗式設備形成挑戰。該參數的影響導致鉗式TTUF的可靠性和精度問題。
CCFU使用超聲波換能器發動并檢測垂直于流動路徑傳播的超聲波。在管道/流體交界處的超聲波折射不是問題，并且管道與流體中的聲速之比不直接影響可操作性。
CCFU的主要問題在于它們是緩慢且不精確的。CCFU依靠利用時域互相關的兩個測量的互相關。
實現本發明的流量計利用超聲波發射器和接收器陣列來在各自的軸向位置觀察流經管道的測量特性(即傳播時間和/或幅度)，其與陣列波束形成技術相結合，以產生一種新型的基于聲納的超聲波流量計，從而克服當前超聲波計的缺點。
使用基于聲納的陣列處理方法來解釋多個傳播時間發射和接收傳感器對的輸出將在當前的CCFU上得到提高的性能。該提高的性能將包括更高精度、更快的更新速率以及更穩定的操作。
發明概要本發明的目的包括提供一種具有用于測量管道內流動的流體速度的超聲波傳感器單元陣列的設備，其中使用波束形成技術來提供穩固的流量計。
根據本發明，提供了一種方法，該方法用于測量基本上沿著延伸體的最長軸流經延伸體的流體的流速。該方法包括提供在沿延伸體的預定位置安裝的至少兩個超聲波傳感器單元的陣列。每一個傳感器單元包括超聲波發射器和超聲波接收器。每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每一個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的參數。該方法還包括處理這些傳播時間信號以在k-ω平面里定義對流脊；并且確定至少一部分對流脊的斜率以確定流體流速。
根據本發明的又一實施例，提供了一種設備，其用于測量基本上沿著延伸體最長軸流經該延伸體的流體的流速。該設備包括在沿該延伸體的預定位置處安裝的至少兩個超聲波傳感器單元的陣列。每一個傳感器單元包括超聲波發射器和超聲波接收器。每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每一個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的參數。響應于這些超聲波信號，處理器在k-ω平面里定義對流脊，并且確定至少一部分對流脊的斜率以便確定流體流速。
根據本發明的又一實施例，提供了一種設備，其用于測量基本上沿著延伸體最長軸流經該延伸體的流體的流速。該設備包括在沿著該延伸體的預定位置處安裝的至少兩個超聲波傳感器單元的陣列。每一個傳感器單元包括超聲波發射器和超聲波接收器。每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每一個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的參數。提供一種裝置以用于處理這些超聲波信號，從而在k-ω平面里定義對流脊。提供一種裝置用于確定至少一部分對流脊的斜率，以便確定流體流速。
根據下面對示例性實施例的詳細描述，本發明的前述和其它目的、特征和優點將變得更加明顯。
附圖簡述結合附圖，本發明的以上和其它目的、特征和優點將從后面給出的詳細描述中變得明顯，其中
圖1是根據本發明的用于測量在管道中流動的流體的體積流量的、具有沿管道軸向布置的超聲波傳感器單元陣列的流量計框圖。
圖2是根據本發明的具有湍流的管流的管道橫截面圖，該湍流的管流具有相干結構。
圖3是根據本發明的流量計的工藝流程圖/示意圖。
圖4是根據本發明構造的k-ω曲線圖，其表示對流脊，其中管道中流動的流體是水。
圖5是根據本發明的dB功率函數對k-ω平面的流體速度的曲線圖，用于確定對應于圖4的k-ω曲線圖中的對流脊斜率的具有最大功率的斜率。
圖6是類似于圖1中所示的具體化本發明的流量計的傳感設備的替換圖7是類似于圖1中所示的具體化本發明的流量計的傳感設備的替換圖8是類似于圖1中所示的具體化本發明的流量計的傳感設備的替換圖9是類似于圖1中所示的具體化本發明的流量計的傳感設備的替換圖10是根據本發明構造的k-ω曲線圖，其表示對流脊，其中管道中流動的流體是低流速的水。
圖11是根據本發明的dB功率函數對k-ω平面的流體速度的曲線圖，用于確定對應于圖10的k-ω曲線圖中的對流脊斜率的具有最大功率的斜率。
圖12是根據本發明構造的k-ω曲線圖，其表示對流脊，其中管道中流動的流體是夾帶空氣的水。
圖13是根據本發明的dB功率函數對k-ω平面的流體速度的曲線圖，用于確定對應于圖12的k-ω曲線圖中的對流脊斜率的具有最大功率的斜率。
圖14是根據本發明使用行程測量(flightmeasurement)的時間構造的k-ω曲線圖，其表示對流脊，其中管道中流動的流體是具有4.3％濃度的紙漿液(pulp slurry)。
圖15是根據本發明的dB功率函數對k-ω平面的流體速度的曲線圖，用于確定對應于圖14的k-ω曲線圖中的對流脊斜率的具有最大功率的斜率。
圖16是根據本發明使用幅度測量構造的k-ω曲線圖，其表示對流脊，其中管道中流動的流體是具有4.3％濃度的紙漿液。
圖17是根據本發明的dB功率函數對k-ω平面的流體速度的曲線圖，用于確定對應于圖16的k-ω曲線圖中的對流脊斜率的具有最大功率的斜率。
圖18是在低振動條件期間具體化本發明的流量計的輸出測量的標準偏差曲線圖，所述標準偏差作為陣列中傳感器單元的數量和窗口乘數的函數。
圖19是在高振動條件期間具體化本發明的流量計的輸出測量的標準偏差曲線圖，所述標準偏差作為陣列中傳感器單元的數量和窗口乘數的函數。
實現本發明的最佳方式參考圖1，提供一般表示為10的流量計以測量經由管道流動的單相流體12(例如氣體、液體或液/液混合物)和/或多相混合物12(例如工藝流體)的速度和/或體積流量。該多相混合物可以為兩相液/氣混合物、固/氣混合物或固/液混合物、夾帶氣體的液體或三相混合物。
該流量計10包括由超聲波傳感器單元18-21的陣列組成的傳感設備16。每一個傳感器單元包括一對超聲波傳感器40、42，其中之一用作發射器(Tx)40，而另一個用作接收器(Rx)42。傳感器單元18-21沿著管道14的外表面22軸向間隔，管道14具有在其中傳播的工藝流體12。沿著管道在管道的預定位置上徑向安裝這對傳感器40、42以提供通過傳輸結構，使得傳感器發射和接收基本上與管道里流體流動方向垂直地傳播通過流體的超聲波信號。
如圖1中所示，每一對超聲波傳感器40、42測量超聲波信號經由流體12從發射傳感器40傳播到接收傳感器42的傳播時間(即行程時間(TOF)或相位調制)。傳播時間測量或變化表示與管道內的流動對流的相干特性(例如旋渦擾動、流動內的不均勻性、溫度變化、氣泡、顆粒、壓力擾動)，其表示工藝流體12的速度。然而，超聲波傳感器可以在任何頻率下操作，已發現更高頻率的傳感器更適合于單相流體，而更低頻率的傳感器更適合于多相流體。超聲波傳感器的最佳頻率取決于與流體12一起傳播的顆粒或物質的尺寸或類型。例如，充氣流體中的氣泡越大，超聲波信號的理想頻率就越低。用于具體化本發明的流量計的頻率實例為1MHz和5MHz。同樣，超聲波傳感器可以經由流體流動12提供脈沖的、線性調頻脈沖的或連續的信號。可以使用的傳感器40、42的一個實例是Krautkramer生產的no.113-241-591型號。
超聲波信號處理器37響應來自發射器24的發射信號39激發傳感器40，并接收來自傳感器42的超聲波輸出信號S1(t)-SN(t)。信號處理器37處理來自每一個傳感器單元18-21的數據，以提供表示超聲波信號穿過流體的行程時間或傳播時間的模擬或數字輸出信號T1(t)-TN(t)。信號處理器37還可以提供表示超聲波信號幅度(或衰減)的輸出信號。一個這種信號處理器是Krautkramer超聲波系統生產的no.USPC 2100型號。測量超聲波信號幅度是特別有用的，并且最能起到測量包括流動中的物質的流體(例如多相流體或漿)的速度的作用。
提供超聲波信號處理器37的輸出信號T1(t)-TN(t)給處理器24，其處理傳播時間測量數據以確定體積流速。通過超聲波信號經由管道壁和流體12從發射傳感器40傳播到對應的接收傳感器42所花費的時間來定義傳播時間或行程測量時間。旋渦擾動(和/或流體內的其它不均勻性)對超聲波信號的傳播時間的影響在于延遲或加快了該傳播時間。因此，每一個傳感單元18-21提供了表示與流體12方向垂直傳播的超聲波信號傳播時間的變化的各自的輸出信號T1(t)-TN(t)。通過使用至少兩個傳感器單元18、19來解釋在工藝管線內的對流的相干特性和/或特征來得出該測量。超聲波傳感器18-21可以為“濕的(wetted)”或可以將其鉗在管道14的外表面22上(即接觸或非接觸傳感器)。
在一個實例中，流量計10通過使用超聲波傳感器陣列18-21來確定與流動12一起傳播的旋渦擾動或“渦旋(eddy)”45(見圖2)的速度，從而測量體積流量。流量計10測量與由旋渦擾動或“渦旋”45和其它不均勻性產生的不穩定流動場相關的速度，以便確定流動12的速度。超聲波傳感器單元18-21測量在每一個對應的傳感器對40、42之間的對應超聲波信號的傳播時間T1(t)-TN(t)，當旋渦擾動以已知的方式經由管道14在流動12內對流時，所述傳播時間隨這些擾動而變化。因此，這些旋渦擾動的速度與流動12的速度相關，因而可以確定體積流量，這將在下文中更加詳細地描述。通過用管道橫截面面積乘以流體速度來確定體積流量。
為了測量體積流量，流量計10表征相干的旋渦結構對流經過軸向傳感器單元陣列18-21時的速度。該相干的結構45是在所有湍流中存在的湍流邊界層的固有特征。不像傳統的渦流計，不需要內部幾何結構來產生這些結構。
工業的工藝流體12的壓倒多數包括湍流。在工藝流體中的紊動主宰著許多實際關心的流動特性，包括壓力下降、熱傳遞和混合。對于工程應用來說，為了設計僅考慮湍流的平均時間特性常常就足夠了。對于基于聲納的陣列處理流量測量技術來說，理解湍流12中的時間平均的速率變化圖提供了一種手段來解釋在相干結構45對流的速度與體積平均流量之間的關系。
湍流的管流12是高度復雜流體。預計任何湍流的細節都是成問題的，然而，關于該流動的統計學特性大部分是已知的。例如，湍流包含自發的、常稱為“湍流渦旋”的相干的旋渦結構。通過管道14的直徑設置這些渦旋的最大長度尺度。這些結構對于下游的幾個管道直徑保持相干，最后分解為逐漸更小的渦旋直到能量通過粘滯效應耗散。
試驗研究已確定，在湍流邊界層內產生的渦旋以最大流速的約80％對流。對于管流來說，這意味著湍流渦旋將在管道14內以近似體積平均流速對流。如下所述能經驗地校準在湍流渦旋的對流速度和每一類流量計的流量之間的精確關系。
圖2說明了沿著超聲波傳感器單元軸向陣列18-21的湍流管流12的相關流動特征，每一個傳感器單元具有發射器單元40和接收器單元42。如所示出的那樣，時間平均的軸向速度是徑向位置的函數，從壁處的0到管道中心線的最大值。通過陡峭的速度梯度和向管道14中心附近的相對均勻的核心流動來表征接近所述壁的流動12。通常被稱為湍流渦旋的旋渦結構疊加在時間平均的速度圖上。這些相干的結構包含時間地和空間地具有典型地小于平均流速的10％大小的隨機波動，并且隨著該平均流動而被攜載。試驗研究已確定，在湍流邊界層內產生的渦旋對于幾個管道直徑保持相干，并且以最大流速的約80％對流(Schlichting，1979)。
從體積流動測量的角度看，體積平均流速是所關心的。由總體積流量Q除以管道的橫截面面積A來定義的體積平均流速是有用的，但卻也是任意定義的流動的屬性。實際上，給出了管道內的速度圖后，只有很少的流動實際上是以該速度移動的。通過每一次進行校準來經驗地確定在湍流渦旋的對流速度和流量之間的精確關系。
基于管道直徑(D)的雷諾數(Re)表征流動的許多工程屬性。雷諾數是一個無量綱的比率，代表在流動中的慣性力對粘性力的相對重要性 其中ρ是流體密度，μ是動態粘度，U是體積平均流速以及v(＝μ/ρ)是運動粘度。
對于管流來說臨界雷諾數是～2300，超過該值流動就被認為是湍流。除了劃分層狀的和湍流的流動流態之間邊界之外，對于管流來說該雷諾數是一個相似性參數，也就是說，具有相同雷諾數的在幾何不相似的管道中的流動是動態相似的。(Schlichting p.12)。
如圖1所示，體現本發明的流量計10具有一個至少包括兩個超聲波傳感器單元18-19的陣列，所述傳感器單元沿著管道14軸向地定位在位置x1、x2。如分別在位置x3、xN處的超聲波傳感器單元20、21所示，本領域普通技術人員將理解該傳感器陣列可以包括3個或更多的超聲波傳感器單元。本發明設想，陣列16可以包括任何數量(或更多)的傳感單元18-21，其包括可具有在2到16個之間的傳感器單元的陣列。各超聲波傳感器分別將傳播時間變化信號T1(t)、T2(t)、T3(t)、TN(t)提供給信號處理器24和已知的快速傅立葉變換(FFT)邏輯電路30-33。FFT邏輯電路30-33計算基于時間的輸入信號T1(t)-TN(t)的傅立葉變換，并提供表示輸入信號的頻率內容的復頻域(或基于頻率的)信號T1(ω)、T2(ω)、T3(ω)、TN(ω)。代替FFT，可以使用用于獲得信號T1(t)-TN(t)的頻域特性的任何其它技術。
將頻率信號T1(ω)-TN(ω)饋送給陣列處理器36，其提供表示工藝流動12的體積流量的流動信號40和表示工藝流動的速度的速度信號42。
在工藝流動12里確定旋渦擾動的對流速度的一個技術是通過使用一個不穩定的超聲波傳感器陣列或者其它波束形成技術來表征旋渦擾動的對流脊，所述波束形成技術類似于2000年12月4日提交的標題為“Method andApparatus for Determinmg the Flow Velocity Within a Pipe(用于確定管道內流速的方法和設備)”的美國專利申請序列號No.09/729,994中所示的技術，在此引用該申請以作參考。下文中將更加詳細地描述確定旋渦擾動的對流速度的技術。
流量測量方法使用湍流管流12的相干結構的對流速度來確定體積流量。類似于雷達和聲納領域，通過應用陣列處理技術來確定渦旋對流經過沿著管道14分布的軸向超聲波傳感器陣列的速度，從而確定這些渦旋45的對流速度。
通過表征流動場的時間和空間頻率特性，陣列處理算法確定渦旋45的速度。對于對流經過一個超聲波傳感器單元18-21的固定陣列的一系列相干渦旋，通過下面的關系式來關聯壓力波動的時間和空間頻率內容k=ωUconvect]]>這里k是波數或空間頻率，定義為k＝2π/λ，并且單位為l/長度，ω是時間頻率rad/sec，并且Uconvect是對流速度。因此，時間頻率ω與空間頻率k通過對流速度線性相關。
在陣列處理中，經常使用“k-ω曲線圖”來顯示時間靜止聲場的空間/時間頻率內容。K-ω曲線圖實質上是三維功率譜，其中將該場的功率分解成相應于具體空間波數和時間頻率的小頻段(bin)。在k-ω曲線圖上，和與流動對流的壓力場相關的功率分布在各區域中，所述分布滿足上面展開的耗散關系。該區域被稱為“對流脊”(Beranek，1992)，并且在k-ω曲線圖上該脊的斜率表示通過由每一個超聲波傳感器單元18-21測量TOF變化所確定的壓力場的對流速度。這表明如將在下文中更加詳細地描述的那樣，通過從傳感器陣列的輸出構建k-ω曲線圖并識別對流脊的斜率，能確定湍流渦旋的對流速度，并從而確定管道內的流量。
如前所述，圖1的設備10是基于對移動流體中的旋渦擾動(和/或如上文所述的與流動對流的流體的其它特性)改變超聲波信號的傳播時間的觀察，其能通過超聲波傳感器40、42感測到，圖1的設備10還基于對所述旋渦擾動以與移動流體相同的速度或以能與移動流體的速度相關的速度移動的觀察。通過利用與對流擾動相關的耗散關系(即ω＝uk，其中ω是旋渦擾動信號的角頻率，u是該擾動的速度，以及k是該信號的波數)能執行陣列處理。能將流動流體中的對流擾動看作為固定到流體的擾動。這些擾動具有與它們相關的空間變化。由于能將該擾動看作為固定到流體微粒，所以當由靜態傳感器感測到時，空間變化導致時間變化。因此將隨流體一起移動的擾動的空間波長關聯到通過靜態傳感器觀測的時間變化。本發明依靠利用陣列處理技術來識別該關系，并從而確定流體的對流速度。
現在參考圖3，其中將具體實現本發明的用于在管(管道14)內確定流體12的體積流量的設備50表示為一個包括超聲波傳感器單元52、54的陣列，其中每一個單元具有一對傳感器40、42(分別為發射器和接收器)，類似于前文所述，所述傳感器沿著管道軸向安裝，用于在它們的各自位置處感測在管道內的傳感器40、42之間傳播的超聲波信號的傳播時間。每一個超聲波傳感器單元18-21在傳感器單元位置處、在一系列采樣時刻中的每一個時刻提供一個信號，該信號表示垂直地傳播穿過流體流動的超聲波信號的傳播時間。數據累加器56從這些超聲波傳感器單元累加信號T1(t)和T2(t)，并且提供在一個采樣間隔中累加的數據給處理器58，該處理器對傳感器數據執行從xt域到k-ω域的空間-時間(二維)變換，然后計算如k-ω曲線圖所表示的K-ω平面中的功率。
為了計算k-ω平面中的功率(其由超聲波信號或差分超聲波信號的k-ω曲線圖(見圖4)表示)，處理器58確定由旋渦擾動產生的超聲波的各種頻譜分量的波長和(空間)波數k，還有(時間)頻率和角度頻率ω。在公共域中有許多算法可用于執行傳感器單元52、54陣列的空間/時間分解。
在合適的旋渦擾動存在的情況下，如此確定的在圖4的k-ω曲線圖中示出的k-ω平面中的功率將展現被稱為對流脊61的結構。該對流脊代表與流動對流的擾動集中度，并且該對流脊是上述空間變化與時間變化之間關系的數學表現形式。如下文中更詳細地描述的那樣，這種曲線圖表示k-ω對沿著具有某一斜率的直線63出現更多或是更少的趨勢，其中該斜率表示流速。然后將如此確定的k-ω平面中的功率提供給對流脊識別器60，其使用某種特征提取方法來確定在k-ω平面中存在的任何對流脊的位置和指向(斜率)。最終，分析器62使用包括對流脊指向(斜率)的信息以確定流速。
處理器58使用標準的所謂波束形成、陣列處理或自適應陣列處理運算方法(即用于使用不同延遲和加權來處理傳感器信號以在由不同傳感器提供的信號之間產生合適的相位關系的算法)，從而產生相控天線陣列功能。換言之，波束形成或陣列處理算法將來自傳感器陣列的時域信號變換為它們的空間和時間頻率分量，即變換成由k＝2π/λ給出的一組波數以及由ω＝2πv給出的相應的角頻率，其中λ是頻譜分量的波長。
現有技術教導了許多在空間和時間地分解來自相控傳感器陣列的信號的過程中使用的算法，并且本發明不局限于任何具體的算法。一個具體自適應陣列處理算法是Capon方法/算法。雖然將Capon方法描述為一種方法，但本發明設想可以使用其它自適應陣列處理算法，比如MUSIC算法。本發明意識到能將這種技術用于確定流量，即由與流動對流的旋渦擾動引起的信號是時間靜止的，并且其具有相干長度，該相干長度足夠長，使得將傳感器單元彼此分開定位(但是還在該相干長度內)是實際的。
包括對流旋渦擾動的對流擾動具有能通過直線等式近似的耗散關系k＝ω/u，其中u是對流速度(流速)。描繪從與對流擾動相關的傳感器樣本的頻譜分析獲得的k-ω對的曲線圖，使得能將在頻譜上相應于所述對的擾動的能量描述為基本上呈直線的脊、即在湍流邊界層理論中被稱作對流脊的脊。所感測到的不是對流擾動的離散事件，而是連續的可能重疊的事件，從而在所關心的頻率范圍上形成時間靜止的、基本上白過程。換言之，對流擾動(比如由湍流邊界層產生的那些對流擾動)分布在一定的長度尺度范圍上，從而分布在一定的時間頻率范圍上。
通過處理器58將與經過傳感器陣列52、54的流體對流的擾動和具有這些屬性的其它特性轉換為對流脊，因為k-曲線ω圖通過某個符號體系來指示k-ω平面中的k-ω對的能量(即由k-ω頻譜分量傳送的能量)，所以術語“脊”是合適的。因此，在k-ω平面里識別對流脊提供了一種手段來確定對流速度。對于在管道內的流動來說，旋渦擾動的對流速度緊密地與管道14里的平均體積流體速度相關，并因此與體積流量(流速)相關。雖然設備50包括兩個傳感器單元52、54，但本發明設想可以有多于兩個傳感單元，例如在陣列中有3-16個傳感單元。
一旦確定了k-ω平面中的功率，對流脊識別器60使用某種特征提取方法來辨別對流脊61和其在k-ω平面中的指向。除了自動化技術，甚至能使用人工視覺觀察定位對流脊。在優選實施例中，使用所謂的傾斜堆疊(slantstacking)法，在該方法中，沿著從原始點發射的不同射線比較在k-ω曲線圖中的k-ω對的累加頻率，每一個不同的射線與一個不同的試驗對流速度相關(其中以公知的方式假設射線的斜率是流速或與流速相關)。對流脊識別器60提供關于不同的試驗對流速度的信息、即通常被稱為對流脊信息的信息。分析器62采用等式(1)給出的直線耗散關系來檢驗對流脊信息，并確定流速和其不確定性。
對于湍流邊界層來說，湍流波動的強度粗略地集中圍繞在ωδ*≈1，其中δ*是邊界層的位移厚度，其是在邊界層分析中的一種公知的參數。對于三英寸管道來說，假設邊界層的位移厚度為管道半徑的0.15倍，則湍流能量的以Hz表示的中心頻率近似為～10.u(u為ft/sec)。因此，對于1-30ft/sec狀態下的流動來說，對流的能量位于低于10-300Hz的時間頻率下。對于在三英寸(典型)管道中的完全展開的流動來說，該峰值活動的空間波數粗略地是具有60ft-1波數的常量，或者，在波長方面粗略地是0.1ft。使用這些估計來設計傳感器單元52、54的陣列，以便將其合適地布置以能識別對流脊，并從而得到流速測量值。
在使用傳感器單元52、54的陣列來感測波狀現象的空間和時間特性的過程中，該現象的空間長度尺度和相干長度限制了該陣列的長度尺度。因此，在通過感測旋渦擾動來測量流速的情況下，必須在有限的軸向區域內以緊密的間隔定位傳感器；對于在三英寸直徑管道中的小于30ft/sec的流速來說，這些傳感器單元的間隔通常應該小于1″。所述軸向區域近似為管道14的直徑的0.3倍。
本發明的一個具體實施例使用沿著管道14軸向安裝的八(8)個傳感器單元的陣列。圖4表示從測量流經一個8”管道的水的八(8)個傳感器單元的輸出產生的k-ω曲線圖。所述超聲波傳感器在5MHz的頻率和1.2英寸的間隔下操作。其中在縱坐標上描繪波數(空間特性)并且在橫坐標上描繪頻率(時間特性)。使用輪廓來表示每一個k-ω對的強度。從左傳播到右(流動方向上)的擾動映射到右半平面中。
該陣列的跨度不僅受到旋渦擾動的相干長度限制，并且還因為需要避免(或至少識別)空間混疊而受到限制，所述空間混疊與時間混疊類似。如果一對傳感器單元52、54跨越距離Δx，那么這對傳感器單元不能區分波長等于2Δx的擾動與波長為2Δx的整倍數的擾動。因此，能通過間隔Δx的兩個傳感器明確分辨的最小波長為λ＝2Δx，其所對應的最大可分辨波數為k=πΔx.]]>對于上述實施例來說，最大的可分辨波數是k＝21ft-1。對于空間波數高于奈奎斯特(Nyquist)波數的擾動來說，該信息卷回到k-ω平面中。然而，如果正確解譯的話，那么該混淆的信息仍然能提供有用的信息。
如上所述，盡管能使用自動化技術來識別對流脊并確定其指向(斜率)，但即使是人工的最佳直線擬合仍給出可接受的結果。這些自動化方法也能解決混淆數據的問題。對于在圖4中示出的k-ω曲線圖的前述實施例，在圖4中示出了從人工直線擬合產生的直線63。該直線具有Δω/Δk＝1.142ft/sec的斜率(在通過用2π乘以該頻率而將用作縱坐標的頻率δ變換為相應的角頻率v后)，如上所述，其等于流速或者以確定性的方式與流速相關。
應該注意對流脊僅僅是通過直線近似的。實際上，變化長度的旋渦結構以稍微不同速度對流，從而導致對流脊彎曲，該彎曲將能夠在k-ω曲線圖中看出。然而，盡管不限于直線近似，但直線近似對于提取有意義的流速估計來說是有用的。同樣，值得強調的是通過本發明方法實際所確定的是旋渦擾動的平均對流速度，因此其代表對管道內的平均體積速度的近似。實際流動是復雜的，并且所測出的(旋渦擾動的)對流速度和平均體積速度之間的關系可能需要校準。
圖5示出了在預定數目的速度下沿著一個斜率或對流脊的以dB為單位的功率曲線圖。在圖5中提供了在k-ω平面內的每一個速度(或斜率61)下分析每一個相關功率的結果。對流脊61的斜率表示流體流經管道14的速度。因此，通過在具有最大功率的每一個速度(或斜率)下確定這些功率之和來確定對流脊，并從而確定速度。該算法實質上對與試驗對流速度相關的直線上的各k-ω對的能量求和。對于一定范圍的試驗速度執行該求和，并且對流脊具有一個指向，該指向是具有最大累加能量的直線63的斜率。在圖5中，該曲線圖的峰值表示對流脊和1.142ft/s的速度。使用多個峰值檢測算法來確定該曲線圖的峰值，所述算法比如是最大化算法和/或質心算法。
上文中描述的本發明類似于在2003年1月13日提交的臨時美國專利申請序列Nos.60/439,715(CiDRA案號CC-0530)、2003年11月12日提交的60/524,066(CiDRA案號CC-0680)、2003年8月19日出版的美國專利No.6,609,069(CiDRA案號CC-0297)、2001年11月8日提交的美國專利申請序列No.10/007,736(CiDRA案號CC-0122A)、2003年8月7日提交的美國專利申請序列No.10/636,095(CiDRA案號CC-0645)、2002年11月12日提交的美國專利申請序列No.10/712,818(CiDRA案號CC-0675)、2002年11月12日提交的美國專利申請序列No.10/712,833(CiDRA案號CC-0676)中所述的發明，這些專利申請在此引用以作參考。
如圖6中所示，雖然在圖1中的每一個超聲波傳感器單元18-21和圖2、3中的傳感器單元52、54包括沿直徑相對的一對超聲波傳感器(發射器和接收器)40、42以提供穿透傳播，但本發明設想可以軸向偏移每一個傳感器單元18-21的超聲波傳感器40、42的其中之一，以使得來自發射器傳感器的超聲波信號在其傳播方向上具有軸向分量。
如圖7中所示，本發明還設想可以以脈沖/回波結構配置傳感設備16的傳感器單元18-21。在該實施例中，每一個傳感單元18-21包括一個超聲波傳感器，該超聲波傳感器以基本上垂直于流動的方向發射一個穿過管道壁和流體的超聲波信號，并且接收從管道壁反射回到該超聲波傳感器的超聲波信號的反射。
參考圖8，可以將傳感設備16配置成以“投-捕(pitch and catch)”的方式起作用。在該實施例中，每一個傳感器單元18-19包括以預定距離間隔沿著管道軸向安裝在管道相同側的一對超聲波傳感器(發射器、接收器)40、42。每一個發射傳感器40以預定角度將超聲波信號提供到流動12中。超聲波信號傳播穿過流體12并在管道14的內表面反射，反射回來的該超聲波信號穿過流體到達對應的接收器傳感器42。
圖9示出了用于本發明設想的傳感設備16的另一種投-捕結構。除了安裝在末端傳感器之間的這些傳感器既用作發射器又用作接收器外，該結構類似于圖8中所示的結構。該投-捕結構減少了需要操作的傳感器數目。
圖10示出了從具體實現本發明的流量計確定的k-ω曲線圖，該流量計測量在8英寸管道內流動的純水流。將類似于圖1中所示的流量計配置為穿透傳輸結構，并且該流量計測量超聲波信號穿過流體的行程時間。該傳感設備包括八(8)個軸向間隔1.2英寸的傳感單元18-21。傳感器40、42包括5MHz換能器。圖11說明了圖10中示出的k-ω曲線圖或平面的dB功率函數，其示出了1.183ft/sec的流量。
圖12示出了從具體實現本發明的流量計確定的k-ω曲線圖，該流量計測量在2英寸管道內流動的純水和夾帶空氣的流動。將類似于圖1中所示的流量計配置為穿透傳輸結構，并且該流量計測量超聲波信號穿過流體的行程時間。該傳感設備包括八(8)個軸向間隔1.2英寸的傳感單元18-21。傳感器40、42包括5MHz換能器。圖13說明了圖12中示出的k-ω曲線圖或平面的dB功率函數，其示出了25.46ft/sec的流量。
圖14示出了從具體實現本發明的流量計確定的k-ω曲線圖，該流量計測量在8英寸管道內流動的4.3％濃度的紙漿/紙漿液(pulp/paper slurry)的流動。將類似于圖1中所示的流量計配置為穿透傳輸結構，并且該流量計測量超聲波信號穿過流體的行程時間。該傳感設備包括兩(2)個軸向間隔1.2英寸的傳感單元18-21。傳感器40、42包括1MHz換能器。圖15說明了圖14中示出的k-ω曲線圖或平面的dB功率函數，其示出了12.95ft/sec的流量。
圖16示出了從具體實現本發明的流量計確定的k-ω曲線圖，該流量計測量在8英寸管道內流動的4.3％濃度的紙漿液的流動。將類似于圖1中所示的流量計配置為穿透傳輸結構，并且該流量計測量穿過流體的超聲波信號的幅度(例如幅度衰減)。該傳感設備包括兩(2)個軸向間隔1.2英寸的傳感單元18-21。傳感器40、42包括1MHz換能器。圖17說明了圖16中示出的k-ω曲線圖或平面的dB功率函數，其示出了1249ft/sec的流量。
圖18是類似于圖1中示出的具體實現本發明的流量計在低振動條件期間的輸出測量值的標準偏差曲線圖，其作為陣列16中傳感器單元18-21的數量和窗口乘數(window multiplier)的函數。流量計測量流經8英寸管道的、具有3ft/sec流量的水。傳感設備16的傳感器單元18-21之間的間距是1.2英寸。管道的自然發生的隨機振動具有103dB的加速度。
窗口乘數表示在處理信息之前每一個傳感單元18-21收集數據的時間量。該時間周期等于流量計的更新周期。通過下面的關系式定義采樣的總時間采樣總時間＝(窗口乘數)t其中t＝Δx/u，Δx是傳感單元的間距，u是流速。
圖19是類似于圖1中示出的具體實現本發明的流量計在高(hi)振動條件期間的輸出測量值的標準偏差曲線圖，其作為陣列16中傳感器單元18-21的數量和窗口乘數的函數。流量計測量流經8英寸管道的、具有3ft/sec流量的水。傳感設備16的傳感器單元18-21之間的間距是1.2英寸。振動器以具有類似于現場應用中所測量出的隨機振動頻譜的132dB的加速度振動管道。
可以看出，該數據說明了在高振動條件下本發明的超聲波流量計10是非常魯棒的。通過使用更大數量的傳感單元18-21和為傳感設備提供更長的采樣時間，能實現流量計的高精度。
雖然所示出和描述的每一個傳感器單元18-21的超聲波傳感器40、42為在直徑方向上相對安裝的，但本發明設想每一個相應的傳感器40、42可以簡單地在管道上彼此相對，而不限于在管道直徑處安裝。此外，還可以將相對的傳感器40、42(非直徑方向上相對)定位成使得在它們之間傳播的超聲波信號與流動方向垂直。
盡管在前文中描述的本發明的具體實施例示出了在相同平面內安裝超聲波傳感器陣列，但本發明設想傳感器單元18-21可以在管道上的彼此不同的軸向位置處。
已經開發了利用基于應變的傳感器的基于聲納的流動測量方法，以提供對與流動對流的屬性的測量。對于湍流牛頓流體來說，作為由相干旋渦擾動產生的壓力干擾的結果，管道會發生偏轉。存在許多其它機制，它們可以導致如通過鉗式應變傳感器陣列觀測的與流動對流的相干擾動。通過直接類推，在給定的軸向位置處測量傳播時間的超聲波傳感器將提供對與流動對流的許多屬性的度量。
雖然使用基于應變的傳感器的基于聲納的流動測量方法在具體應用中操作良好，但在一定條件下該測量方法不如使用超聲波傳感器的方法魯棒。使用利用基于聲納的流動測量的超聲波傳感器40、42，提供了精確而魯棒的流量計，該流量計能在更高溫度、更高振動級別和更高聲學噪聲下操作。因此如上所述，該超聲波計能在更低流量下測量，并且提供更快的處理時間。該超聲波計對于大部分類型的流體還具有更高的信噪比。
盡管本發明描述了具有超聲波計陣列的流量計以測量流動12內的旋渦擾動的速度，但本發明設想超聲波傳感器18-21可以測量流動12的與該流動對流的任何屬性和/或特性(例如旋渦擾動、流動內的不均勻性、溫度變化、管道內傳播的聲波變化、氣泡、微粒、壓力擾動)。
盡管本發明使用一對超聲波傳感器40、42來測量在其間傳播的超聲波信號的傳播時間或行程時間，但本發明設想該對超聲波傳感器還提供表示在其間傳播的超聲波信號的功率或幅度的信號。換言之，對于幅度變化，輸出信號表示由流體流動中的物質(比如氣泡、微粒和/或將改變超聲波信號幅度的其它物質)引起的超聲波信號的變化衰減(或幅度)。
盡管圖1的超聲波傳感器單元52、54和18-21包括一對超聲波傳感器40、42(發射器和接收器)，但本發明設想傳感單元也可包括一個超聲波傳感器，該超聲波傳感器基本垂直于流動方向發射超聲波信號穿過管道壁和流體，并且接收反射回到該超聲波傳感器的超聲波信號的反射。
此外，本發明設想了能測量與流動12對流的參數的其它傳感器，比如溫度傳感器、磁傳感器、電容性傳感器、電感性傳感器、光學傳感器和基于激光的傳感器。
盡管本發明設想了夾在管道外表面的傳感器40、42(包括不接觸流體的超聲波傳感器)，但本發明設想這些傳感器可以為“濕的”或與流體接觸的。此外，這些傳感器可以是集成的或不容易從管道移走的，比如卷筒(spoolpicec)或不同于工藝管線的分離單元。
應該理解，還可以應用、使用或者與這里描述的任何其它實施例合并這里關于具體實施例描述的任何特征、特性、替換方案或修改。
盡管已經結合各示例性實施例描述和說明了本發明，但是在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以做出前述的和各種其它增加和刪節。
可以理解，上述方案僅僅是本發明原理的應用說明。本領域普通技術人員在不脫離本發明的精神和范圍的情況下可以設計許多其它修改和替換方案，并且所附權利要求書意欲覆蓋這些修改和方案。
權利要求
1.一種用于測量基本上沿著延伸體的最長軸流經延伸體的流體的流速的方法，該方法包括提供一個在沿著該延伸體的預定位置處安裝的至少兩個超聲波傳感器單元的陣列，其中每一個傳感器單元包括一個超聲波發射器和一個超聲波接收器，每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每一個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的一個參數；處理所述傳播時間信號以在k-ω平面內定義一個對流脊；和確定該對流脊的至少一部分的斜率以確定該流體的流速。
2.如權利要求1所述的方法，其中對所述傳播時間信號的處理包括在一個預定的時間周期內對所述傳播時間信號進行采樣；在一個預定的采樣周期內對所采樣的傳播時間信號進行累加；和處理所采樣的傳播時間信號以在k-ω平面內定義所述對流脊。
3.如權利要求1所述的方法，還包括在k-ω平面內確定所述對流脊的指向。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述傳播時間信號表示在流體內的旋渦擾動。
5.如權利要求1所述的方法，其中對所述傳播時間信號的處理包括執行波束形成算法。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述波束形成算法包括Capon算法和MUSIC算法的其中之一。
7.如權利要求1所述的方法，其中確定所述對流脊的至少一部分的斜率包括將所述對流脊近似為一條直線。
8.如權利要求1所述的方法，其中提供一個至少兩個超聲波傳感器單元的陣列包括將傳感器單元的超聲波發射器和超聲波接收器安裝成使得在其間傳播的超聲波信號與流體流動方向垂直。
9.如權利要求1所述的方法，還包括確定所述延伸體的橫截面面積；和確定所述流體的體積流量。
10.如權利要求1所述的方法，其中所述超聲波信號的參數至少是幅度和傳播時間的其中之一。
11.一種用于測量基本上沿著延伸體最長軸流經該延伸體的流體的流速的設備，該設備包括一個至少具有兩個超聲波傳感器單元的陣列，所述超聲波傳感器單元在沿著該延伸體的預定位置處安裝，其中每一個傳感器單元包括一個超聲波發射器和一個超聲波接收器，每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的一個參數；和一個處理器，其響應于所述超聲波信號而在k-ω平面內定義一個對流脊，并且確定該對流脊的至少一部分的斜率以確定流體的流速。
12.如權利要求11所述的設備，其中該處理器在一個預定的時間周期內對所述超聲波信號進行采樣、在一個預定的采樣周期內累加所采樣的超聲波信號并且處理所采樣的超聲波信號以在k-ω平面內定義所述對流脊。
13.如權利要求11所述的設備，其中該處理器還在k-ω平面內確定所述對流脊的指向。
14.如權利要求11所述的設備，其中所述超聲波信號表示在流體內的旋渦擾動。
15.如權利要求11所述的設備，其中該處理器使用波束形成算法來在k-ω平面內定義所述對流脊。
16.如權利要求15所述的設備，其中所述波束形成算法包括Capon算法和MUSIC算法的其中之一。
17.如權利要求11所述的設備，其中該處理器通過將所述對流脊近似為直線來確定該對流脊的至少一部分的斜率。
18.如權利要求11所述的設備，其中將傳感器單元的超聲波發射器和超聲波接收器安裝成使得在其間傳播的超聲波信號與流體流動方向垂直。
19.如權利要求11所述的設備，其中該處理器還確定所述延伸體的橫截面面積，并且確定流體的體積流量。
20.如權利要求11所述的設備，其中所述超聲波信號的參數至少是幅度和傳播時間的其中之一。
21.一種用于測量基本上沿著延伸體最長軸流經該延伸體的流體的流速的設備，該設備包括一個至少具有兩個超聲波傳感器單元的陣列，所述超聲波傳感器單元在沿著該延伸體的預定位置處安裝，其中每一個傳感器單元包括一個超聲波發射器和一個超聲波接收器，每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的一個參數；用于處理所述超聲波信號以在k-ω平面內定義一個對流脊的裝置；以及用于確定該對流脊的至少一部分的斜率以確定流體的流速的裝置。
全文摘要
一種用于測量流經管道的流體的流速的設備和方法，該管道包括在沿著該管道的預定位置處安裝的一個至少具有兩個超聲波傳感器單元(可以多達16個傳感器單元)的陣列。每一個傳感器單元包括一個超聲波發射器和一個超聲波接收器。每一個傳感器單元提供各自的信號，該信號表示在每一個對應的超聲波發射器和超聲波接收器之間傳播的超聲波信號的傳播時間或幅度的參數。一個信號處理器響應于所述超聲波信號使用一種自適應波束形成算法(比如Capon和Music算法)在k－ω平面內定義一個對流脊。該信號處理器還確定該對流脊的至少一部分的斜率以確定流體的流速。
文檔編號G01F1/74GK1774617SQ200480006749
公開日2006年5月17日 申請日期2004年1月13日 優先權日2003年1月13日
發明者A·D·克西, D·L·吉斯林 申請人:塞德拉公司
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