專利名稱：測量分層流參數(shù)的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及測量管道內分層流(stratified flow)的參數(shù)諸如速度、分層級以及體積流速的方法和設備。
背景技術：
許多工業(yè)流體流動過程包括通過管道的高密度、固體材料的高質量分數(shù)輸送。例如，公知的水力運輸過程在許多工業(yè)中被應用，用以將固體從一點移動到另一點。在該過程中，水被添加到該固體中，得到的混合物通過典型的大直徑管道泵送。
水力運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(也就是，從管道部頂?shù)焦艿赖撞康乃俣葓鲋械耐嵝倍?取決于很多材料和過程參數(shù)，諸如，流速，密度，管道尺寸，粒子尺寸以及類似參數(shù)等。如果分層級擴展到沉積速度達到的點，固體開始沉淀到管道底部，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，導致與過程停工期相關的高化費，阻塞清除，以及被損壞的設備修理。
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，該技術具有兩個重要缺陷由于較高的摩擦損失，會引起更高的能量使用，并且由于固體和管道內表面之間的磨損(abrasion)，會引起更高的管道損耗(wear)。測量分層流的參數(shù)諸如速度、分層級以及體積流速的可靠方法使得能夠以較低速度操作管線，導致能量節(jié)約和較低的管道損耗。
存在各種技術用于測量工業(yè)流過程的物理參數(shù)。例如，這種物理參數(shù)可以包括體積流速，成分，稠度，密度和質量流量。盡管現(xiàn)有的技術可以很好適應侵蝕性的(aggressive)、大直徑流，但是這些技術可能對于分層流而言是不適合的，其可能在測量流的物理參數(shù)上不利地影響準確度。
最近的文獻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。例如，一個技術利用了具有編碼傳送和互相關檢測的多普勒模式的商用夾持式(clamp-on)超聲波流量計。儀表的檢測點被設定在一定的管道水平，例如，高于管道內底(invert)(也就是，水平管道的管道底部)的10％。定時選通(Time-gated)的超聲波返回信號的互相關使得能夠只從設定點檢測反射的信號。由于固體的沉積，被傳送和被接收信號之間相關性上的減少指示不穩(wěn)定的流狀態(tài)。
另一個現(xiàn)有的非商業(yè)技術測量管道內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。由于很差的重復性和其它問題，該技術注定不會非常成功。
另一個非商業(yè)技術利用安裝在泥漿中的自加熱熱探頭。移動的泥漿從探頭帶走溫度，同時探頭周圍的固定固體床導致熱量聚集(buildup)。因此，溫度上升是固體沉積的指示。盡管該技術是有遠景的，但是它是一種侵入式的技術，需要將熱探頭放置到管道中。這種侵入式技術的缺陷在于，它們需要停止過程，從而允許探頭的安裝和維護。
另一個技術涉及安裝具有稍微大些內徑的短管道，其中允許形成固定的固體床并將其保持作為當主管線以無固體床操作時的一種控制。該控制固體床接著由一種或多種上述技術進行監(jiān)控?？刂拼哺叨鹊脑黾又甘局鞴芫€中可能形成滑動床(sliding bed)，其是固定床和最后阻塞的前兆。當控制固體床高度增加超過一定界限時，可以增加流速，從而避免固體沉積。
因此，需要一種用于測量分層流的諸如速度、分層級以及體積流速的參數(shù)的方法和設備。

發(fā)明內容
本發(fā)明的設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。每個傳感器提供了一信號，指示與流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。信號處理器由該信號確定具有不同長度規(guī)的相干結構的對流速度。然后，信號處理器比較對流速度從而確定流的分層級。在一個實施例中，信號處理器通過將對流速度的曲線構造成長度規(guī)的函數(shù)來比較對流速度，并通過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。
在一個實施例中，該斜率被用作校準過程的一部分，從而確定流的體積流速。例如，該校準可以包括確定頻率范圍，在所述頻率范圍上分析對流脊(convective ridge)以確定流的體積流速。
在一個實施例中，將該相干結構的對流速度曲線構造成頻率的函數(shù)包括從該信號構造至少一部分k-w曲線；在第一頻率范圍上在k-w曲線中識別對流脊；確定對流脊的第一斜率，第一斜率指示流的標稱速度(nominal velocity)；在多個第二頻率范圍上識別對流脊的多個部分，每個第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點；確定對流脊每個部分的第二斜率，每個第二斜率指示具有對應于相關的第二頻率范圍的長度規(guī)范圍的相干結構的標稱對流速度；利用該流的標稱速度歸一化相干結構的標稱對流速度，從而提供歸一化的對流速度；作為由流的標稱速度和管道的直徑無量綱化(non-dimensionalized)的各個中點的函數(shù)繪制每個歸一化的對流速度，從而提供曲線。在該實施例中，第一頻率范圍可以基于該斜率調整。例如，對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)被用來確定第一頻率范圍的中點，其中通過對于不同的分層級比較多個分散曲線，并從一個分散曲線到另一個標識分散曲線的轉折點，確定對分層最不靈敏的無量綱長度規(guī)。
在本發(fā)明的另一個實施例中，第一和第二空間陣列的每個具有沿著管道以不同軸向位置配置的至少兩個傳感器。在第一陣列中的每個傳感器提供第一信號，其指示由與經(jīng)過管道上部的流的一部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力，并且在第二陣列中的每個傳感器提供了第二信號，其指示由與經(jīng)過管道下部的流的一部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。利用第一信號確定管道上部中的流的第一速度，利用第二信號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流的分層級和流的體積流速。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準，第二空間陣列可以沿著管道底部軸向地對準。
在一個實施例中，至少一個附加的空間陣列沿著管道軸向對準，并且定位在第一和第二空間陣列之間。至少一個附加陣列中的每個傳感器提供第三信號，其指示由與最接近傳感器的流的部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。對于每個附加的空間陣列，利用第三信號，信號處理器確定附加空間陣列附近的流的第三速度。該信號處理器比較第一，第二和第三速度，從而確定流的參數(shù)。
在本發(fā)明的另一個方面，一種用于測量經(jīng)過管道的流的參數(shù)的設備，包含沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器的空間陣列，其中每個傳感器包括配置在管道相對側面的一對傳感器半部分(half-portions)。每對傳感器半部分提供一壓力信號，指示由在管道的相應軸向位置在管道內與流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。利用該信號，信號處理器確定管道內流的標稱速度。
在一個實施例中，每個傳感器半部分由壓電薄膜材料形成。每個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。
在這里描述的各個方面和實施例中，可以從下面一組中選擇至少兩個壓力傳感器壓電、壓阻、應變片、基于應變(strain-based)傳感器，PVDF，光學傳感器、倒相障板(ported)交流壓力傳感器，加速度計，速度傳感器，以及位移傳感器。在這里描述的各個方面和實施例中，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)下述典型實施例的詳細描述將變得更明顯。


現(xiàn)在參考附圖，其中，在各個附圖中相似的對象進行相似地編號圖1是用于確定與流動在管道中的分層流體相關的至少一個參數(shù)的設備的原理圖；圖2是通過管道的非分層流、湍流、牛頓流的剖面原理圖；圖3是本發(fā)明的設備中用到的流程邏輯框圖；圖4是從體現(xiàn)本發(fā)明的設備中處理的數(shù)據(jù)的k-ω曲線，其示出了對流脊的斜率，以及對流脊最優(yōu)函數(shù)的曲線。
圖5是從體現(xiàn)本發(fā)明的設備中處理的數(shù)據(jù)的k-ω曲線，其示出了在k-ω曲線中的如可以由擴散流發(fā)現(xiàn)的非線性脊。
圖6是描述量化分層級的方法的流程圖；圖7描繪了對于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的具有12ft/秒標稱速度的30英寸水力運輸線的分散曲線的實例；圖8描繪了對于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的具有15ft/秒標稱速度的27英寸水力運輸線的分散曲線的實例；圖9描繪了對于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以10ft/秒標稱速度流動的10英寸，1％稠度(consistency)紙漿(pulp-in-water)懸浮液的分散曲線的實例；圖10描繪了對于利用本發(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例；圖11描繪了對于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以10ft/秒標稱速度的16英寸管道流動水的分散曲線的實例；圖12描繪了對于利用本發(fā)明的方法創(chuàng)建的以8ft/秒操作的24英寸尾渣線(tailings line)的分散曲線的實例；圖13描繪了相比較由在線(in-line)磁流量計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)明可替換實施例的縱向剖面。
圖15描繪了圖14的實施例的橫向(徑向)剖面。
圖16描繪了對于圖14實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的實施例的側視圖。
圖19描繪了由圖17和18的每個陣列檢測(sense)出的標稱速度曲線。
圖20描繪了另一個本發(fā)明可替換實施例的橫向(徑向)剖面。
圖21描繪了圖20的可替換實施例的側視圖。
具體實施例方式
如在Gysling的標題為“Method and Apparatus for Determiningthe Flow Velocity Within a Pipe”的共同擁有的美國專利6,609,069和2001年11月11日提交的序列號為10/007,736的美國申請中所述(將其全部引入這里作為參考)，由與在管道中流動的流體對流的相干結構(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量分層流的諸如速度、分層級/度以及體積流速的參數(shù)。
參考圖1，示出了一個用于測量與在排泄管(duct)、溝渠(conduit)或其它形式的管道14中流動的流13相關的至少一個參數(shù)的設備10。例如，流13的參數(shù)可以包括至少其中一個流13的速度，流13的體積流速，流13的分層級。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，如可以在涉及通過管道的高密度、固體材料的高質量分數(shù)傳輸?shù)墓I(yè)流體流動過程中發(fā)現(xiàn)的，在該管道中，較大的粒子在管道底部更緩慢的運動(travel)。例如，流13可以是水力運輸過程的一部分。
參考圖2，流13被再次顯示通過管道14。然而，在圖2中，流13被描繪成操作在超過大約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中相干結構120展示了非常小的分散。換句話說，相干結構120的對流速度并非強烈地取決于結構120的物理尺寸。如這里用到的，分散描述了對流速度與波長或者等效的與時間頻率的相關性。對于所有的波長以恒定速度對流的流被稱為“非分散的”。對于湍流、牛頓流，不存在典型的在寬范圍的波長上對直徑比率的顯著的分散量。
基于聲納的流量測量裝置，諸如，Gysling的前述美國專利6609069中描述的裝置，在準確地確定流速中有益地應用湍流、牛頓流的非分散特性。然而，對于圖1中描繪的分層流，展示了一定程度的分散。換句話說，相干結構120以取決于它們尺寸的速度對流，即，相比較較小長度規(guī)的結構120，較大長度規(guī)的相干結構120傾向于運動的更慢。結果，與現(xiàn)有基于聲納的流量測量裝置相關的一些基礎的假設，即，相干結構120對流速度并非強烈的取決于結構120的物理尺寸，受分層存在的影響。
圖1的設備10準確地測量分層流13的諸如速度，分層級以及體積流速的參數(shù)。設備10包括沿著管道14以不同軸向位置x1，…xN配置的至少兩個傳感器15的空間陣列11。每個傳感器15提供壓力信號P(t)，指示由在管道14的相應軸向位置x1，…xN與管道14內的流13對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。由對流壓力干擾(例如，渦流120)產生的壓力可以通過基于應變的傳感器15和/或壓力傳感器15測量。傳感器15向信號處理器19提供模擬壓力時變(time-varing)信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其利用來自于傳感器15的壓力信號確定流13的參數(shù)，并作為信號21輸出參數(shù)。
盡管設備10以包括四個傳感器15示出，預計傳感器15的陣列11包括兩個或更多的傳感器15，每個提供一壓力信號P(t)，指示在管道14的相應軸向位置X處管道14內的不穩(wěn)定壓力。例如，該設備可以包括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個傳感器15。通常的，測量的準確性隨著陣列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的提供的準確度由用于計算流的預期的輸出參數(shù)在復雜性和時間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器15的數(shù)量至少取決于預期的準確度以及由設備10所提供的輸出參數(shù)的預期的更新速度。
由陣列11中的傳感器15提供的信號P1(t)…PN(t)由信號處理器19處理，其可以是更大的處理單元20的一部分。例如，信號處理器19可以是微處理器，并且處理器單元20可以是個人計算機或其它通用目的的計算機。預計信號處理器19可以是用于執(zhí)行編程指令的任何一個或多個模擬或數(shù)字信號處理裝置，諸如一個或多個微處理器或專用集成電路(ASICS)，并且可以包括用于存儲編程指令、設定點、參數(shù)的存儲器，以及用于緩沖和其它存儲數(shù)據(jù)的存儲器。
信號處理器19可以輸出一個或多個參數(shù)21到顯示器24或者另一個輸入/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被用來將來自于處理單元20的操作功率(operating power)提供給陣列11。
為了確定流13的一個或多個參數(shù)21，信號處理器19將來自于傳感器15的數(shù)據(jù)應用到由信號處理器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的實例。在流程邏輯36內的一些或全部功能可以軟件(利用微處理器或計算機)和/或固件實現(xiàn)，或者可以利用具有足夠存儲器，接口，容量(capacity)來執(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轉換器)，其將模擬信號P1(t)…PN(t)轉換成相應的數(shù)字信號，并將數(shù)字信號P1(t)…PN(t)提供給FFT邏輯128。FFT邏輯128計算數(shù)字化的基于時間的輸入信號P1(t)…PN(t)的傅立葉變換，并提供指示輸入信號頻率內容的復頻域(或者基于頻率)信號P1(ω)，P2(ω)，P3(ω)…，PN(ω)。作為FFT的替換，可以使用用于獲得信號P1(t)…PN(t)頻域特性的任何其它技術。例如，交叉譜密度和功率譜密度可以被用來形成此后討論的頻域轉換函數(shù)(或者頻率響應或比率)。
一種確定流13內相干結構(例如，湍流渦旋)120的對流速度的技術的特征在于利用一傳感器陣列或者其它束形成(beam forming)技術產生的不穩(wěn)定壓力的對流脊，束形成技術類似于引入到這里作為參考的2000年12月4日提交的序列號為09/729,994的美國專利申請，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)的時空(二維)轉換，并且計算由k-ω曲線代表的在k-ω平面內的功率。
陣列處理器132利用標準的所謂束形成、陣列處理或者適應的(adaptive)陣列處理算法，也就是利用各種延遲處理傳感器信號并加權衡(weighting)以創(chuàng)建由不同傳感器提供的信號之間的合適的相位關系從而創(chuàng)建相控天線陣列功能性(phased antenna arrayfunctionality)的算法。換句話說，束形成或者陣列處理算法將來自于傳感器陣列的時間域信號轉換成它們的空間和時間(temporal)頻率分量，也就是，轉換成由k＝2π/λ給定的一組波數(shù)，其中，λ是頻譜分量的波長，以及由ω＝2πυ給定的相應的角頻率。
現(xiàn)有技術教導了許多用在空間和時間上分解來自于相控陣列傳感器信號的算法，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)明預計利用諸如MUSIC算法的其它適應陣列處理算法。本發(fā)明認識到這種技術可以用來確定流速，也就是，由與流對流的隨機參數(shù)引起的信號是時間穩(wěn)定的(time stationary)，并且具有一相干(coherence)長度，該長度足夠長到實際上定位彼此遠離的傳感器15然而仍在相干長度內。
對流特性或參數(shù)具有可以由直線(straight-line)方程近似的分散關系，k＝ω/u，其中，u是對流速度(流速)。從與描繪的對流參數(shù)相關的傳感器采樣的光譜分析獲得的k-ω對的曲線以便干擾能量光譜地對應于可以被描述為基本上直脊的對，在湍流邊界層理論中的脊被稱為對流脊。如此后將進行描述的，當該流逐漸地分散時，對流脊變得逐漸非線性。正在被檢測的不是相干結構120的分散事件(discrete event)，而是在感興趣頻率范圍上形成時間固定的實質上為白處理(whiteprocess)的可能重疊事件的連續(xù)體(continuum)。換句話說，對流相干結構120被分布在一長度規(guī)范圍上并且由此分布在時間頻率上。
為了計算在如由任意信號的k-ω曲線(見圖4)表示的k-ω平面內的功率，陣列處理器132確定波長，從而確定(空間)波數(shù)k，并且還確定(時間)頻率，從而確定隨機參數(shù)的各個光譜分量的角頻率ω。在公眾領域存在許多算法用于執(zhí)行傳感器15陣列的空間/時間分解。
本實施例可以利用時間和空間過濾來預處理信號，從而通過差分(differencing)鄰近傳感器15有效地濾出共模特性Pcommon模式以及管道14中的其它長波長(相比較傳感器間隔)特性，并且保持與流場相關的隨機參數(shù)的實質部分以及任何其它短波長(相比較傳感器間隔)的低頻隨機參數(shù)。
在合適的相干結構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流脊124。對流脊表示與流對流的隨機參數(shù)的集中(concentration)并且是上述的空間變量和時間變量之間關系的數(shù)學表示(manifestation)。這樣一個曲線將指示k-ω對或多或少以一些斜率沿著線124出現(xiàn)的趨勢，該斜率指示流速。
一旦確定了k-ω平面中的功率，對流脊識別器(identifier)134利用一個或另一個特征提取方法確定存在于k-ω平面中的任何對流脊124的位置和定向(斜率)。在一個實施例中，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發(fā)出的不同射線(ray)的k-ω曲線中k-ω對的累積頻率，每個不同的射線與不同的試驗對流速度相關(因為，射線的斜率假定是流速或者以已知方式與流速相關)。對流脊識別器134提供了關于不同試驗對流速度的信息，涉及通常作為對流脊信息的信息。
分析器136檢查包括對流脊定向(斜率)的對流脊信息。假設由k＝ω/u給定的直線分散關系，分析器136確定作為參數(shù)21的輸出的流速和/或體積流量。體積流量通過將管道內的橫截面積與處理流的速度相乘來確定。
如前記錄的，對于湍流、牛頓流，典型地不存在在一寬范圍的波長上對直徑比率的顯著的分散量。作為結果，在一寬頻率范圍上，k-ω曲線中對流脊124基本上是直的，并且相應的，存在一寬頻率范圍，由k＝ω/u給定的直線分散關系對其提供了準確的流速測量。
然而，對于分層流，存在一定程度的分散，這樣，相干結構120以取決于它們尺寸的速度對流。作為分散的漸增級的結果，k-ω曲線中的對流脊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，通過追蹤(track)相干結構120進行對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，也用于測量體積流速。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、預期的速度等。
接下來，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)。如在此后將會討論的，最大和最小非量綱長度規(guī)可以利用校準程序來確定，其中最大和最小非量綱長度規(guī)被選擇來限定中心位于對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)的范圍。在圖5顯示的實例中，利用了FD/U＝2.33的最大非量綱長度規(guī)和FD/U＝0.66的最小非量綱長度規(guī)。因此，對于該實例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度規(guī)，這取決于校準程序的結果。
該方法在塊66繼續(xù)，其中，對流脊識別器134將k-ω曲線中的對流脊124標識成在第一頻率范圍ΔF1上的一直線123(圖5)。在塊66中，對流脊識別器134確定第一對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確定標稱速度U2(塊68)?；叵隖D/U是λ/D的倒數(shù)，其中，λ是波長，F(xiàn)D/U的非量綱長度規(guī)的范圍從0.66到2.33，對應于1.5到0.43的1/D’s(對于λ＝1)。注意，標稱速度U2以具有長度為0.667倍直徑的長度規(guī)的相干結構為中心。
在塊68中在頻率范圍ΔF1上計算標稱速度U2后，標稱速度U2與在塊70中的速度U2比較，并且，如果兩個速度相等(或者在適當?shù)姆秶鷥冉葡嗟?，標稱速度U2作為流13的標稱速度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?shù)姆秶鷥?，U1被設定成等于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來確定。該重復過程在塊70中繼續(xù)進行，直到U1＝U2。
在流13的標稱速度U確定后(塊72)，接著在多個相對較小的頻率范圍ΔF2上計算平均對流速度。在方法60中，這是通過在多個第二頻率范圍ΔF2上標識對流脊124的多個部分125(塊76)而完成的，其中每個第二頻率范圍ΔF2小于第一頻率范圍ΔF1，并且具有如圖5中127所示的唯一的中點頻率。對流脊識別器134接著確定對流脊124的每個部分125的斜率作為迫使通過原點和對流脊的部分(塊78)擬和的最佳擬和線。利用每個部分125的斜率，分析器136確定具有對應于相關第二頻率范圍ΔF2(塊80)的長度規(guī)范圍的相干結構的標稱對流速度。接下來，在塊82，分析器136利用標稱速度U歸一化這些標稱對流速度，于是繪制出每個標稱對流速度作為各個中點頻率127的函數(shù)(由標稱速度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)。
速度對頻率的函數(shù)相關性由線性擬和捕獲(塊86)。對于非分散流，線性擬和將具有0.0的斜率和1.0的y截距。對于此的任何變量可以規(guī)因于分散。對于具有分散的流，線性擬和的斜率用作分層的可以計量的度量(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/秒標稱速度的30英寸水力運輸線的分散曲線的實例。對于圖7中給出的實例，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。如上述對于1個直徑的波長確定的對流速度是具有0.667倍直徑的長度的波長的速度的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)的波長的結構被顯示成粗略地以以0.667倍直徑為中心的波長的對流速度的1.4倍對流。
分散曲線也可以被用作校準過程的一部分，從而準確地確定在分層存在時的體積流速。例如，在確定標稱流速U中使用的FD/U的非量綱長度規(guī)范圍可以被選擇作為對分層最不靈敏的范圍。例如，這可以通過創(chuàng)建兩個或更多分散曲線完成，每個在不同的分層級。例如，在固體水力運輸中，對不同固體濃度(concentration)可以創(chuàng)建分散曲線。應該可以確定，當分散曲線的線性擬和斜率從一個分層級增加到另一個時，線性擬和的轉折點提供了對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)FD/U的很好的近似。因此，對于分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)FD/U可以通過對于不同分層級比較分散曲線并從一個分散曲線到另一個識別分散曲線線性擬和的轉折點進行近似。與轉折點相關的非量綱長度規(guī)FD/U可以被用作對于在圖6的方法60中使用的FD/U的非量綱長度規(guī)范圍的中點，用于確定標稱速度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實例。在每個這些實例中，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、水和空氣的水力運輸?shù)膶嵗Ｔ谶@種情況下，該流是在27英寸的管道中，以15ft/sec的標稱流速運動。這里，分散曲線的斜率被計算為0.078(也就是7.8％的分散參數(shù))。
圖9顯示了對于以10ft/sec標稱體積流速流動的10英寸1％稠度的紙漿懸浮液的分散曲線。在圖9中顯示的該作為結果的線性曲線擬和方程具有-0.023的斜率，其可以被分類為非分散流。
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中顯示的作為結果的線性曲線擬和方程具有-0.003的斜率，其可以被分類為非分散流。
圖11顯示了對于以10ft/秒標稱速度的16英寸管道流動水的分散曲線。在圖11中顯示的作為結果的線性曲線擬和方程具有-0.013的斜率，其可以被分類為非分散流。
圖12顯示了對于以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很好的一致，如圖13表示的。將結構上的頻率范圍中心定為2/3管道直徑的長度規(guī)，似乎是合理的，并與概念模型一致。盡管來自于其它分層流的準確參考數(shù)據(jù)當前不能獲得，相似的分散特性表明利用這個或者相似的非量綱長度規(guī)應該是利用基于聲納的流測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。該斜率對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)明的一個可替換實施例確定流13的分層級的設備100的縱向剖面，圖15描繪了設備100的橫向(徑向)剖面。在該實施例中，設備100通過比較局部測量的管道14頂部和底部的速度確定流13的分層級和流13的體積流速。設備100包括沿著管道14的頂部配置在不同軸向位置x1，…xN的至少兩個傳感器15的第一空間陣列11。每個傳感器15提供了了壓力信號P(t)，指示與管道14頂部附近的流13的一部分對流的相干結構120產生的不穩(wěn)定壓力。該設備還包括沿著管道14的底部配置在不同軸向位置x1，…xN的至少兩個傳感器15的第二空間陣列11’。第二空間陣列11’中的每個傳感器15提供了一壓力信號P(t)’，指示與管道14底部附近的流13的一部分對流的相干結構120產生的不穩(wěn)定壓力。
來自于每個陣列11和11’的傳感器15向一個或多個信號處理器19提供了模擬壓力時變信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，用于確定每個陣列的流速。信號處理器19將來自于陣列11的傳感器15的壓力信號應用到由信號處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中，用來確定在管道14頂部附近的流13的速度。信號處理器19將來自于陣列11’的傳感器15的壓力信號應用到由信號處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中，用來確定在管道14底部附近的流13的速度。該流程邏輯36應用關于圖3和4上面描述的聲納陣列處理算法確定速度。
在顯示的實施例中，每個傳感器15由諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料帶形成，其測量由于與流13對流的相干結構在管道14內引起的應變。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，每個傳感器15可以延伸大約管道14的圓周的1/4。因為傳感器15并不延伸通過管道14的側表面，并且因為傳感器15傾向于檢測流13內的局部擾動，因此傳感器15檢測在管道14頂部或底部附近與流13的一部分對流的相干結構120。相應的，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檢測的不穩(wěn)定壓力更準確地指示管道14頂部或底部附近的流13的所述部分的標稱流速。然而，通過減小傳感器的尺寸提供的準確度由傳感器15提供的信號強度的減小所抵消。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確度以及信號處理器19需要的信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)的強度。
盡管設備100顯示出在每個陣列11和11’中包括四個傳感器15，預計每個陣列11和11’可以包括兩個或多個傳感器15，其中每個傳感器15提供了一壓力信號P(t)，指示在管道14的相應軸向位置X管道14內的不穩(wěn)定壓力。例如，該設備可以包括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個傳感器15。通常的，測量的準確性隨著陣列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)量提供的準確度由用于計算流的預期的輸出參數(shù)在復雜性和時間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器15的數(shù)量至少取決于預期的準確度以及由設備100所提供的輸出參數(shù)的預期的更新速度。
圖16描繪了對于頂部和底部陣列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的分層級相關。在不存在分層級的情況下，管道頂部和底部附近的流(以及與該流對流的相干結構)將以大致相同的速度運動。隨著分層級的增加，頂部陣列11將測量更高的歸一化速度，底部陣列11’將測量更低的歸一化速度。因此，通過比較管道14頂部和底部附近的速度，流13的分層級可以被確定。
管道14頂部和底部附近的速度還可以被用來估計流13的標稱速度，其又可以被用來確定流13的體積流速。例如，標稱速度可以利用兩個速度的平均值或兩個速度的一些其它比率確定，其中，該比率取決于分層級(或者兩個速度之間的差)。在另一個實施例中，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，其具有隨著分層級變化的斜率。利用該直線，可以估計在管道頂部和底部之間不同距離處的速度，并且在適當?shù)墓艿牢恢玫乃俣瓤梢员挥米鳂朔Q速度。在所示的實例中，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。
圖17描繪了圖15的設備100的橫向(徑向)剖面，還包括沿著管道14軸向對準的傳感器15的至少一個附加空間陣列11”，并且定位在第一和第二空間陣列11和11’之間。圖18描繪了該實施例的側視圖。在每個附加陣列11”中的傳感器15向一個或多個信號處理器19提供了模擬壓力時變信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其確定最接近每個附加陣列11”的流體的流速?？蛇x的，每個陣列11”可以包含以頂部和底部陣列11和11’之間的相應平面設置在管道上的一對傳感器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)。對于每個陣列，在相應的軸向位置x1，…xN來自于該對傳感器對15的信號輸出被組合(例如，求和)成到信號處理器19的單一輸入，用于消除由管道14的水平彎曲模(bending mode)導致的信號的部分。
圖19描繪了對于每個陣列11，11’和11”的歸一化速度的曲線。如圖16中的實例，管道14頂部和底部附近的速度比率相關于流13的分層級。附加陣列11”允許構造速度分布圖，在該分布圖中數(shù)據(jù)點的數(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確的表示。
如在圖19的速度分布圖中可見的，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橫向側的讀數(shù)(在陣列4的讀數(shù))提供了對于整個分布圖的標稱速度。相應的，可以看出，對于利用一個傳感器陣列測量分層流中的標稱速度，沿著管道的橫向側檢測不穩(wěn)定壓力是有優(yōu)勢的，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)可以被用來確定流13的標稱速度，或者最中心的多個陣列(也就是，陣列3，4和5)可以被用來確定流的標稱速度。本發(fā)明還預計從中心水平陣列(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)可以被用來確定處理流13的標稱或平均速度。確定標稱速度的陣列或陣列組的確定取決于分層級。
圖20描繪了用來根據(jù)本發(fā)明的另一個可替換實施例確定流13的分層級的設備200的橫向(徑向)剖面，圖21描繪了圖20的另一個可替換實施例的側視圖。在該實施例中，設備10包括沿著管道14在不同軸向位置x1，…xN配置的至少兩個傳感器15的空間陣列11。每個傳感器15包括配置在管道14的相對側面的一對傳感器半部分(half-portion)202。每對傳感器半部分202提供了一壓力信號P(t)，指示在管道14的相應軸向位置x1，…xN在管道14內與流13對流的相干結構120(圖1)產生的不穩(wěn)定壓力。傳感器15向信號處理器19提供了模擬壓力時變信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)，其利用來自于傳感器15的壓力信號確定流13的參數(shù)，并輸出參數(shù)作為信號21。由每個傳感器15中的相應傳感器半對(half-pair)202提供的信號可以被組合(例如，求和)成到信號處理器19的單一輸入，從而消除由管道14的水平彎曲模導致的信號的部分。
在當前實施例中，傳感器半部分202被有利的設置在管道14的側面上。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，每個傳感器15可以延伸大約管道14的1/4圓周。因為傳感器半部分202并不延伸通過管道14的頂部和底部，并且因為傳感器半部分202傾向于檢測流13內的局部擾動，因此速度分布圖的極端區(qū)域被忽略。相應的，隨著傳感器半部分202長度的減小(也就是，隨著角度θ減小)，由傳感器半部分202檢測的不穩(wěn)定壓力提供了更加定位的速度測量以及在一些情況下對于分層流的更準確的標稱流速指示。然而，通過減小傳感器半部分202的尺寸提供的準確度由傳感器半部分202提供的信號強度的減小所抵消。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確度以及信號處理器19需要的信號P1(t)，P2(t)，P3(t)…PN(t)的強度。
盡管傳感器部分202以該管道的水平面為中心，然而取決于預期的分層級將傳感器部分202配置在高于或低于該管道的水平中心也是有利的。
盡管設備10被顯示成包括四個傳感器15，預計傳感器15的陣列11包括兩個或更多傳感器15，每個提供了壓力信號P(t)，指示在管道14的相應軸向位置X在管道14內的不穩(wěn)定壓力。例如，該設備可以包括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個傳感器15。通常，測量的準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)量提供的準確度由用于計算流的預期的輸出參數(shù)在復雜性和時間上的增加所抵消。因此，用到的傳感器的數(shù)量至少取決于預期的準確度以及由設備10所提供的輸出參數(shù)的預期的更新速度。
由陣列11中的傳感器15提供的信號P1(t)…PN(t)由信號處理器19處理，其可以是更大的處理單元20的一部分。例如，信號處理器19可以是微處理器，并且處理器單元20可以是個人計算機或其它通用目的的計算機。預計信號處理器19可以是用于執(zhí)行編程指令的任何一個或多個模擬或數(shù)字信號處理裝置，諸如一個或多個微處理器或專用集成電路(ASICS)，并且可以包括用于存儲編程指令、設定點、參數(shù)的存儲器，以及用于緩沖和其他存儲數(shù)據(jù)的存儲器。
為了確定流13的一個或多個參數(shù)21，信號處理器19將來自于傳感器15的數(shù)據(jù)應用到由信號處理器19執(zhí)行的流程邏輯36中。該流程邏輯36應用關于圖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內的一些或全部功能可以以軟件(利用微處理器或計算機)和/或固件實現(xiàn)，或者可以利用具有足夠存儲器，接口，容量來執(zhí)行這里描述的功能的模擬和/或數(shù)字硬件來實現(xiàn)。
在顯示的實施例中，每個傳感器半部分202由諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料帶形成，其測量由于與流13對流的相干結構在管道14內引起的應變。傳感器半部分202可以由PVDF薄模、共聚物薄?；蛘呷嵝訮ZT傳感器形成，類似于由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。還預計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檢測的不穩(wěn)定壓力更準確地指示分層流的標稱流速。然而，通過減小傳感器半部分202的尺寸提供的準確度由傳感器半部分202提供的信號強度的減小抵消。此外，隨著流13更少的分層，為了檢測流13的更大部分增加傳感器15的尺寸是有利的。結合圖14-21的教導，本發(fā)明的另一個實施例可以被描述，其中，傳感器半部分202的尺寸取決于流13的分層級被增加或減小。該實施例使用了類似于圖17和18的傳感器布置，其中多個傳感器15在管道14(包括圖17中示出的可選擇傳感器15)的每個軸向位置x1，…xN圍繞管道14的周長配置。例如，沿著管道14的每個軸向位置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。
在該實施例中，傳感器15陣列11和11’被如前面關于圖14-19描述的所利用。那也就是，信號處理器19將來自于陣列11中的傳感器15的壓力信號應用到由信號處理器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，并且信號處理器19將來自于陣列11’中的傳感器15的壓力信號應用到由信號處理器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。
還是在該實施例中，如圖17和18所示，對于管道14的每個軸向位置x1，…xN(例如，對于每個帶206)對，定位在管道一側上的傳感器15(例如對于垂直線203左側的傳感器15)代表一個傳感器半部分，定位在管道相對側上的傳感器15(例如對于垂直線203右側的傳感器15)代表另一個傳感器半部分。對于每個軸向位置x1，…xN，來自于形成傳感器半部分的每個傳感器15的輸出信號被組合(例如，求和)并處理，從而確定如參考圖20和21描述的流13的標稱速度。
響應于確定的分層級，信號處理器19可以通過選擇在每個傳感器半部分中的傳感器15的數(shù)量調整傳感器半部分的尺寸。例如，如果分層級高(例如，在管道14的頂部和底部的速度之間存在一大的分布)，對于每個軸向位置x1，…xN信號處理器19可以僅處理來自于一對傳感器15(例如，位于圖17的線216的最中心的傳感器15)的信號，從而確定流13的標稱速度。如果分層級減小(例如，在管道14的頂部和底部速度之間的分布中存在降低)，信號處理器19可以在每個軸向位置x1，…xN組合來自增加數(shù)量的傳感器15的信號(例如位于圖17的線215，216和217的傳感器15)，從而確定流13的標稱速度。此外，如果探測不到分層級，信號處理器可以在每個軸向位置x1，…xN組合來自于所有傳感器15的信號，從而確定流13的標稱速度。
如此前參考圖17-19討論的，本發(fā)明還預計從中心水平陣列(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)可以被用來確定處理流13的標稱或平均速度。確定標稱速度的陣列或陣列組的確定取決于分層級。還預計，確定標稱速度和處理流的體積流量的選擇的陣列可以是相應于測量的分層級動態(tài)選擇的。
在這里描述的任何一個實施例中，傳感器15可以包括其中如這里描述的電應變計，光纖和/或光柵，倒相障板傳感器，超聲傳感器，并且可以通過粘合劑、膠水、環(huán)氧樹脂，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)由諸如機械扣件、彈簧式的、夾緊的蛤殼(clamshell)裝置，膠帶(strapping)或其它類似的裝置可選擇的可拆卸的或永久地附著?？蛇x擇的，應變計，包括光纖和/或光柵，可以被嵌入到復合管道14中。如果希望，為了特定應用，光柵可以按希望從管道14分離(或者應變或聲學上隔離)。還預計任何其它應變檢測技術可以被用來測量管道14中的應變的變化，諸如附屬到或嵌入到管道14中的高靈敏的壓電的、電子的或電的應變計。
在本發(fā)明的各個實施例中，壓電壓力轉換器可以被用作一個或多個壓力傳感器，并且它可以通過測量管道內壓力級測量管道14內不穩(wěn)定(或動態(tài)或交流)壓力變化。在本發(fā)明的一個實施例中，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置微電子放大器，并將高阻抗負荷轉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、加速補償集成電路壓電石英壓力傳感器，適合于測量水力和風力系統(tǒng)中的低壓聲學現(xiàn)象。它具有獨特的在高靜態(tài)條件下測量小于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可以包括有內置MOSFET微電子放大器，用于將高阻抗負載輸出轉換成低阻抗電壓信號。傳感器15可以由恒流源供電，并且可以在沒有信號退化的情況下工作在長同軸電纜和帶狀電纜上。低阻抗電壓信號不會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載在剛性外殼的任一壓縮模式的石英晶體構造，或者是無約束的電石晶體。這些設計給予傳感器微秒的響應時間以及數(shù)百kHz的共振頻率，同時具有最小的過沖或振蕩(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)，其中重復信號衰減，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，輸出保持在基線周圍穩(wěn)定，曲線的正負區(qū)域保持相等。
此外，預計每個傳感器15可以包括提供壓電材料的壓電傳感器，從而測量流13的不穩(wěn)定壓力。諸如聚合物、極化的含氟聚合物，PVDF的壓電材料測量由于流13內的不穩(wěn)定壓力變化在處理管道14內引起的應變。管道14內的應變由附屬的壓電傳感器15轉換成輸出電壓或電流。
形成每個壓電傳感器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。壓電檢測元件典型地被保形(conformal)以允許引起的應變的完整的或接近完整的圓周的測量。該傳感器可以由PVDF薄模、共聚物薄模或者柔性PZT傳感器形成，類似于由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。該技術的優(yōu)勢如下1、非侵入流速測量2、低成本3、測量技術不需要激勵源。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構中，用來提高信號探測方案。這些結構包括a)協(xié)同定位的傳感器，b)具有相對極性配置的分段式傳感器，c)寬的傳感器，用來提高聲學信號探測并最小化漩渦噪聲探測，d)特制的傳感器幾何形狀，用于最小化對管道模式的靈敏度，e)差分傳感器，用于消除來自于漩渦信號的聲學噪聲。
5、較高溫度(140C)(共聚物)本發(fā)明可以以用于實踐這些處理的計算機執(zhí)行處理和設備的形式體現(xiàn)。本發(fā)明還可以以包含體現(xiàn)在諸如軟盤、CD-ROMs、硬盤或者其它計算機可讀存儲介質的有形介質中的指令的計算機程序代碼的形式來體現(xiàn)，其中，當計算機程序代碼加載到計算機并且由其運行時，計算機變成實踐該發(fā)明的設備。本發(fā)明還可以以計算機程序代碼的形式來體現(xiàn)，例如，無論是存儲在存儲介質中、加載到計算機并/或由計算機運行，或者在傳輸介質，諸如在電線或電纜上、通過光纖，或經(jīng)由電磁輻射傳輸，其中，當計算機程序代碼加載到計算機并由計算機執(zhí)行時，計算機變成實踐該發(fā)明的設備。當執(zhí)行在通用目的的微處理器上時，計算機程序代碼段配置微處理器以產生特定的邏輯電路。
應該理解的是，這里關于特別的實施例描述的任何特征、特性、替換方案或改變也可以被應用，利用或包含在任何這里描述的其它實施例中。此外，雖然預計當這里描述的實施例可用于具有分散性質的流(例如，分層流)，但是這里描述的實施例也可以被用于不具有分散性質的均勻流。
盡管本發(fā)明已經(jīng)關于其典型的實施例進行了描述和展示，但是在不背離本發(fā)明精神和范圍的情況下，可以在其中或對其做出前述和各種其它的添加和省略。
權利要求
1.一種用于測量經(jīng)過管道的流的參數(shù)的設備，該設備包含沿著管道在不同軸向位置配置的傳感器空間陣列，每個傳感器提供一信號，指示由與該流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力；以及信號處理器，被配置用來從該信號確定具有不同長度規(guī)的相干結構的對流速度，以及比較對流速度，從而確定該流的分層級。
2.權利要求1的設備，其中，在比較對流速度中，信號處理器被配置用來將對流速度的曲線構造成長度規(guī)的函數(shù)，并且通過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。
3.權利要求2的設備，其中，該曲線由該流的標稱速度和管道的直徑歸一化。
4.權利要求2的設備，其中，該斜率被用來校準信號處理器，從而確定該流的體積流速。
5.權利要求4的設備，其中該信號處理器被配置用來從該信號構造至少一部分k-ω曲線，并且確定頻率范圍，在所述頻率范圍上信號處理器分析k-ω曲線中的對流脊，用于確定體積流速。
6.權利要求2的設備，其中，在將相干結構的對流速度曲線構造成頻率的函數(shù)中，該信號處理器被配置用來從該信號構造至少一部分k-w曲線；在第一頻率范圍上在k-w曲線中識別對流脊；確定對流脊的第一斜率，第一斜率指示該流的標稱速度；在多個第二頻率范圍上識別對流脊的多個部分，每個第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點；確定對流脊每個部分的第二斜率，每個第二斜率指示具有對應于相關的第二頻率范圍的長度規(guī)范圍的相干結構的標稱對流速度；利用流的標稱速度歸一化相干結構的標稱對流速度，從而提供歸一化的對流速度；以及作為由流的標稱速度和管道的直徑非量綱化的各自中點的函數(shù)繪制每個歸一化的對流速度，從而提供曲線。
7.權利要求6的設備，其中第一頻率范圍可以基于該斜率調整。
8.權利要求6的設備，其中，對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)被用來確定第一頻率范圍的中點，通過對于不同的分層級比較多個分散曲線并從一個分散曲線到另一個標識分散曲線的轉折點確定對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)。
9.一種用于確定經(jīng)過管道的流的參數(shù)的設備，該設備包含沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個傳感器的第一空間陣列，在第一陣列中的每個傳感器提供第一信號，其指示由與經(jīng)過管道上部的流的一部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力；沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個傳感器的第二空間陣列，在第二陣列中的每個傳感器提供了第二信號，其指示由與經(jīng)過管道下部的流的一部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力，以及至少一個信號處理器，被配置成用來利用第一信號確定經(jīng)過管道上部的流的第一速度，利用第二信號確定經(jīng)過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.權利要求9的設備，其中該流的參數(shù)包括至少下面其中一個流的分層級和流的體積流速。
11.權利要求9的設備，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.權利要求9的設備，其中，第一空間陣列沿著管道的頂部軸向地對準，第二空間陣列沿著管道底部軸向地對準。
13.權利要求9的設備，還包含沿著管道在不同軸向位置配置的至少兩個傳感器的至少一個附加空間陣列，至少一個附加陣列中的每個傳感器提供第三信號，其指示由與最接近傳感器的流的部分對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力，該至少一個附加空間陣列沿著該管道軸向地對準，并且定位在第一和第二空間陣列之間；以及其中，對于每個附加空間陣列，該至少一個信號處理器還被配置用來利用第三信號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.權利要求13的設備，其中，第一、第二、和第三速度的比較提供了經(jīng)過該管道的流的速度分布圖。
15.權利要求13的設備，其中，該流的參數(shù)包括至少下面其中一個流的分層級和流的體積流速。
16.權利要求13的設備，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.權利要求9的設備，其中，該流的參數(shù)包括該流的分層級，并且，其中，響應于流的分層級，微處理器選擇多個傳感器用于確定該流的平均速度。
18.一種用于測量經(jīng)過管道的流的參數(shù)的設備，該設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，每個傳感器包括配置在管道的相對側面上的一對傳感器半部分，其中，每對傳感器半部分提供一壓力信號，指示由在管道的相應軸向位置在管道內與流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力，以及信號處理器，配置用來利用該信號確定管道內流的標稱速度。
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量經(jīng)過管道的流的參數(shù)的方法，每個傳感器體提供了一信號，其指示由與該流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力，該方法包含從該信號確定具有不同長度規(guī)的相干結構的對流速度，以及比較對流速度，從而確定該流的分層級。
20.權利要求19的方法，其中，比較對流速度包括將對流速度的曲線構造成長度規(guī)的函數(shù)，并且通過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。
21.權利要求20的方法，其中，該曲線由該流的標稱速度和管道的直徑歸一化。
22.權利要求20的方法，還包含從該信號構造至少一部分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處理器分析k-ω曲線中的對流脊，用于確定體積流速。
23.權利要求20的方法，其中將相干結構的對流速度曲線構造為頻率的函數(shù)包含從該信號構造至少一部分k-ω曲線；在第一頻率范圍上在k-ω曲線中識別對流脊；確定對流脊的第一斜率，第一斜率指示流的標稱速度；在多個第二頻率范圍上識別對流脊的多個部分，每個第二頻率范圍小于第一頻率范圍，并且具有各自的中點；確定對流脊每個部分的第二斜率，每個第二斜率指示具有對應于相關的第二頻率范圍的長度規(guī)范圍的相干結構的標稱對流速度；利用流的標稱速度歸一化相干結構的標稱對流速度，從而提供歸一化的對流速度；以及作為由流的標稱速度和管道的直徑非量綱化的各自中點的函數(shù)繪制每個歸一化的對流速度，從而提供曲線。
24.權利要求23的方法，其中，第一頻率范圍可以基于該斜率調整。
25.權利要求24的方法，其中，對分層最不靈敏的非量綱長度規(guī)被用來確定第一頻率范圍的中點，通過對于不同的分層級比較多個分散曲線并從一個分散曲線到另一個標識分散曲線的轉折點，確定對分層最不靈敏的非量綱長度規(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傳感器空間陣列測量分層流參數(shù)的各種方法。每個傳感器提供了一信號，其指示由與流對流的相干結構產生的不穩(wěn)定壓力。在一個方面中，信號處理器從該信號確定具有不同長度規(guī)的相干結構的對流速度。該信號處理器接著比較對流速度從而確定流的分層級。分層級可以被用作校準過程的一部分以確定流的體積流速。在另一個方面，該流的分層級通過比較在管道頂部和底部局部測量的速度確定。在管道頂部和底部附近的速度的比率相關于流的分層級。附加的傳感器陣列可以提供流的速度分布圖。在另一個方面，陣列中的每個傳感器包括配置在管道相對側面的一對傳感器半部分，信號處理器利用該信號確定管道內流的標稱速度。
文檔編號G01F1/34GK1950679SQ200580014587
公開日2007年4月18日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權日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 申請人:塞德拉公司