用于對蒸汽質(zhì)量和流動進行聲音監(jiān)視的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于對承載流動蒸汽的管路（12）或?qū)Ч苤械恼羝|(zhì)量和流動進行非侵害監(jiān)視的裝置和方法。通過與管路直接接觸（20）或與之遠離地（16）測量由流動蒸汽在蒸汽輸送導管中所生成的聲音振動，將所測量的聲音振動（32，34，36）轉(zhuǎn)換為管路的自然諧振振動的頻譜特性，并且監(jiān)視一個或多個所選擇諧振頻率（36）的振幅和/或頻率，管路中蒸汽質(zhì)量的變化得以確定。蒸汽流動速率和蒸汽質(zhì)量反向相關(guān)，并且在獲得了適當校準曲線時根據(jù)蒸汽質(zhì)量的變化來計算蒸汽流動速率的變化。
【專利說明】用于對蒸汽質(zhì)量和流動進行聲音監(jiān)視的裝置和方法
相關(guān)申請的交叉引用
[0001]本申請要求于2011年3月7日提交的題為“Method And Apparatus For AcousticSteam Quality Monitoring”的美國臨時專利申請?zhí)?1/449, 791的權(quán)益，由此其全文內(nèi)容在此針對其所有公開和教導特別通過引用結(jié)合于此。
有關(guān)聯(lián)邦權(quán)益的聲明
[0002]本發(fā)明在美國能源局所授予的合同編號DE-AC52-06NA25396下以政府支持而做出。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明總體上涉及使用蒸汽的油回收，尤其涉及蒸汽質(zhì)量和流動的非侵害的實時測量。
【背景技術(shù)】
[0004]重油是世界石油儲備的實質(zhì)性部分。常規(guī)的生產(chǎn)方法無法回收這種油中的很大部分，這部分是因為儲層條件下的高粘度抑制了向生產(chǎn)井的流動。因此，通過常規(guī)生產(chǎn)所進行的最終回收經(jīng)常低于10%。蒸汽注入是使用最為廣泛的用于刺激重油生產(chǎn)的方法，目前占到大約80%。使用蒸汽作為熱傳輸介質(zhì)的好處在于在其凝結(jié)為水時釋放大量熱量。當蒸發(fā)(或凝結(jié))的潛熱有每磅1000BTU時，非常少量的蒸汽輸送大量的能源。除了其能夠以恒定、可控的溫度傳遞熱量的能力之外，其它優(yōu)勢包括蒸汽的安全、無毒以及不易燃燒的特性。
[0005]蒸汽驅(qū)涉及以有效速率向儲層中注入具有充分質(zhì)量的兩相蒸汽。然而，生成蒸汽的成本很高，大約占到所有蒸汽驅(qū)操作成本的一半。由于高的蒸汽成本以及獲得發(fā)生器許可的困難，有必要對所注入蒸汽的使用進行優(yōu)化。然而，傳遞至儲層的蒸汽質(zhì)量很大程度上是未知的，這使得蒸汽質(zhì)量測量對于是原油開采和儲層管理都很重要。這樣的測定在使用蒸汽的其它產(chǎn)業(yè)中也很重要。
[0006]水在飽和條件下能夠作為氣體或液體存在。潮濕的蒸汽能夠包含氣體和液體成分，這被本領(lǐng)域技術(shù)人員稱之為兩相流動。表達被稱作蒸汽質(zhì)量的每一相位的質(zhì)量的常見方法是氣體相位的質(zhì)量流動速率與總質(zhì)量流動速率之比，并且作為小于I的數(shù)字或者作為百分比而給出。作為表面分布線路中的蒸汽傳遞系統(tǒng)效率的決定因素的蒸汽質(zhì)量測量已經(jīng)使用各種方法得以進行。一種技術(shù)基于蒸汽通過面積收縮時的壓降測量，并且需要利用管線內(nèi)的壓力測量設(shè)備進行準確的壓力測量。另一種方法使得蒸汽通過孔口滲出至管路之夕卜，以便生成被檢測的聲音能量。所檢測信號的振幅與蒸汽質(zhì)量相關(guān)。然而，該方法產(chǎn)生了不必要的噪聲并且將蒸汽釋放到環(huán)境之中。用于確定蒸汽質(zhì)量的電容測量也需要附加的溫度或壓力測量設(shè)備，其中測量裝置被插入蒸汽輸送管線。為確定蒸汽質(zhì)量，針對包含插入到蒸汽輸送管路中的孔口的金屬片的兩側(cè)上差分壓力波動的測量也需要通過管路中的開孔進行連接的壓力測量設(shè)備。
[0007]光學在線測量系統(tǒng)也已經(jīng)被用于確定蒸汽質(zhì)量。多個波長的輻射能量從發(fā)射器經(jīng)由管路中的光學窗口到檢測器而通過蒸汽。通過將被蒸汽流動所吸收的針對每個波長的輻射能量的數(shù)量進行比較，能夠?qū)崟r地在連續(xù)的基礎(chǔ)上確定蒸汽質(zhì)量的準確測量結(jié)果。
[0008]由于這些方法需要蒸汽輸送管路的滲透或者將設(shè)備插入管路之中，所以都沒有提供一種能夠安裝在一個位置并且因此易于在沒有明顯管道變化的情況下移動至另一位置的用于監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的簡單且非侵害的方法，經(jīng)常導致這些方法不適于在現(xiàn)場使用。而且，蒸汽管道以超出4000F進行操作，并且測量設(shè)備必須抵受高溫。
[0009]對于現(xiàn)場蒸汽注入操作而言蒸汽流動速率或蒸汽質(zhì)量參數(shù)的近似測量是足夠的，并且使用廉價的、易于維護且易于自動化的設(shè)備在多個位置進行非侵害測量的能力是具有價值的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的實施例通過提供一種用于實時監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置和方法而克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和限制。
[0011]本發(fā)明實施例的另一個目標是提供一種用于實時地對蒸汽質(zhì)量進行非侵害監(jiān)視的裝置和方法。
[0012]本發(fā)明實施例的又另一個目標是提供一種用于在沿蒸汽管路的選定位置以及在沿蒸汽管路的其它選定位置對蒸汽質(zhì)量進行非侵害監(jiān)視的裝置和方法。
[0013]本發(fā)明的再另一個目標是提供一種用于實時地對蒸汽流動進行非侵害監(jiān)視的裝置和方法。
[0014]本發(fā)明的其它目標、優(yōu)勢和新穎特征將在隨后的描述中部分給出，并且部分在審閱下文之后對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將會變得顯而易見或者可以通過實踐本發(fā)明而習得。本發(fā)明的目標和優(yōu)勢可以利用所附權(quán)利要求中特別指出的手段和組合而得以實現(xiàn)和獲得。
[0015]為了實現(xiàn)以上和其它目標并且依據(jù)本發(fā)明的用途，如這里所體現(xiàn)并寬泛描述的，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的方法包括步驟:在選定位置檢測由通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；并且監(jiān)視處于該至少一個聲音振動頻率的峰值振幅；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
[0016]在本發(fā)明的另一個方面并且依據(jù)其目標和用途，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括:壓電換能器，其用于在該選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；信號處理器，其用于從該壓電換能器接收信號并且從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和微處理器，其用于監(jiān)視處于來自該信號處理器的至少一個聲音振動頻率的峰值振幅；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
[0017]在本發(fā)明的又另一個方面并且依據(jù)其目標和用途，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括:與管路間隔開來的檢測器，其用于在該選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；信號處理器，其用于從該檢測器接收信號并且從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和微處理器，其用于監(jiān)視處于來自該信號處理器的至少一個聲音振動頻譜的峰值振幅；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。[0018]在本發(fā)明的另一個方面并且依據(jù)其目標和用途，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的方法包括步驟:在該選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；并且監(jiān)視處于至少一個聲音振動頻譜的峰值頻率；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
[0019]在本發(fā)明的另一個方面并且依據(jù)其目標和用途，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括:壓電換能器，其用于在該選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；信號處理器，其用于從該壓電換能器接收信號并且從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和微處理器，其用于監(jiān)視處于來自該信號處理器的至少一個聲音振動頻譜的峰值頻率；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
[0020]在本發(fā)明的又另一個方面并且依據(jù)其目標和用途，這里的用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括:與所述管路間隔開來的檢測器，其用于在該選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音；信號處理器，其用于從該檢測器接收信號并且從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和微處理器，其用于監(jiān)視處于來自該信號處理器的至少一個聲音振動頻譜的峰值頻率；由此從處于至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
[0021]本發(fā)明實施例的益處和優(yōu)勢包括提供了一種用于從直接與管路相接觸或與之遠離進行的聲音測量對該管路中流動的蒸汽的蒸汽質(zhì)量和流動速度進行無侵害地監(jiān)視的裝置和方法，但是并不局限于此。在某些頻率，這樣的聲音測量可以通過管路隔離來進行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]結(jié)合于說明書之中并形成其一部分的附圖圖示了本發(fā)明的實施例，并且連同描述一起用來對本發(fā)明的原則進行解釋。在附圖中:
[0023]圖1是本發(fā)明的裝置實施例的示意性表示，其圖示了使用麥克風、通過緩沖桿與管路間隔開來的超聲換能器或者與管路直接接觸的超聲換能器中的至少一個在蒸汽管路中進行的聲音測量。
[0024]圖2A是使用麥克風獲得的作為頻率函數(shù)的從包含流動蒸汽的管路所發(fā)出的聲音的快速傅里葉變換(FFT)的典型圖形；圖2B是使用具有緩沖桿的換能器獲得的作為頻率函數(shù)的從包含流動蒸汽的管路管壁中的聲音的快速傅里葉變換的典型圖形；并且圖2C是使用直接接觸換能器獲得的作為頻率函數(shù)的從包含流動蒸汽的管路管壁中的聲音的快速傅里葉變換的典型圖形。
[0025]圖3A是從由便攜式蒸汽發(fā)生器作為時間函數(shù)而生成的壓力和溫度測量結(jié)果所得出的蒸汽流動速率的圖形，圖3B是當蒸汽速率在1066和1128桶/天(bbl/day)之間變換時作為時間函數(shù)的來自通過緩沖桿耦合至蒸汽輸送管路的壓電換能器的輸出的圖形；并且圖3C是針對單個諧振峰值作為時間(蒸汽流動速率)的函數(shù)的諧振峰值頻率的圖形。
[0026]圖4A是作為時間函數(shù)的蒸汽速率(左側(cè)縱坐標)和蒸汽質(zhì)量(右側(cè)縱坐標)的圖形，在性質(zhì)上圖示出了這兩個量之間的反向關(guān)系；而圖4B是示出作為蒸汽流動速率的函數(shù)的蒸汽質(zhì)量數(shù)據(jù)的最小二乘擬合，其在數(shù)量上圖示了這兩個量之間的方向關(guān)系?！揪唧w實施方式】
[0027]當蒸汽，特別是潮濕蒸汽通過管路流動時，以其范圍處于低的可聽到至高于正常聽力之間的頻率在管路中生成由流動引起的振動。當蒸汽質(zhì)量有所變化時，在管路中所生成的頻譜隨之變化。本發(fā)明的實施例包括一種用于對承載流動蒸汽的管路和管道中的蒸汽質(zhì)量和流動進行非侵害監(jiān)視的裝置和方法。通過直接與管路相接觸或者與之隔離地測量由流動蒸汽在蒸汽輸送管道內(nèi)所生成的聲音振動，將所測量的聲音振動轉(zhuǎn)換為管路的自然諧振振動的頻譜特性，并且監(jiān)視一個或多個選定諧振峰值的振幅和/或諧振頻率，允許對管路中蒸汽流動速率的變化進行測量。
[0028]如以下將更為詳細討論的，并且如1995年6月6日授予Redus等人的美國專利號5,421,209的等式(9)中所給出的，蒸汽質(zhì)量和蒸汽流動速率反向相關(guān)。因此，如果測量或以其它方式獲知了蒸汽質(zhì)量或蒸汽流動速率中的任一個，則另一個也被獲知。
[0029]現(xiàn)在將詳細參考本發(fā)明的實施例，其示例在附圖中進行圖示。在附圖中，相似結(jié)構(gòu)將使用相同的附圖標記進行標示。將要理解的是，附圖是用于對本發(fā)明的特定實施例進行描述的目的而并非意在將本發(fā)明局限于此?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖1，示出了本發(fā)明的用于允許對輸送流動蒸汽14的蒸汽管路12中的振動進行檢測的實施例10。具有-49dB敏感度的寬帶(100HZ-120kHZ)鉛筆型麥克風16與管路12間隔開來，并且被用來在不使用聲音收集設(shè)備的情況下在2英寸的距離檢測空氣中從管路12所發(fā)出的聲音。低帶寬(-lOOHz-lOkHz)麥克風對于該用途將是有效的。拋物面反射器18能夠進一步增強檢測能力并且將間隙距離(stand-off distance)增加至-100英尺(ft)。麥克風16可以被置于管路12的數(shù)英寸(>2in)之內(nèi)以避免被蒸汽輸送管路12的熱量所影響。麥克風16可用于對管路的長度進行掃描或者在不必向任何管路上安裝設(shè)備的情況下快速檢測蒸汽發(fā)生機構(gòu)中的許多位置。當多條蒸汽輸送管路被封閉包裝時，使得麥克風與特定管路更為接近會是有用的，這使得來自相鄰管路的信號不會對測量結(jié)果形成干擾。比單個麥克風具有更強指向性的定向麥克風或相控陣列麥克風系統(tǒng)在這樣的干擾狀況中會是有用的。相控陣列系統(tǒng)包括以周期性模式進行排列的多個麥克風并且允許電子器件對準在管路的更寬區(qū)域之上而無需在拋物面接收器或定向麥克風的情況下移動傳感器。
[0030]其它適用的可商業(yè)獲得的間隙振動檢測器包括光纖系統(tǒng)、激光多普勒振動計以及電容和電磁傳感器。
[0031]直接接觸的振動檢測測量結(jié)果被用來對間隙檢測器的測量結(jié)果進行驗證。由于管路12的表面很熱(>400 °F)，所以碟形鈮酸鋰壓電晶體(IMHz中心頻率，5mm直徑)20被直接耦合至管路表面22作為振動檢測器。鈮酸鋰在這樣的溫度下具有長的壽命，而鈦酸鉍壓電陶瓷可以在高達800 °F的工作溫度被用于直接接觸測量。作為替換，具有圓柱體石英緩沖桿(5mm直徑和Icm長度)26的壓電換能器(鋯酸鉛-鈦酸鉛)碟片(500kHz中心頻率)24被插入在換能器24和管路表面22之間。石英具有低導熱性并且因此提供了良好的溫度絕緣以保護壓電晶體。然而，即使使用緩沖桿26，壓電振動檢測器也因為壓電屬性的退化而不適于在高于400 T的溫度下長期使用?？梢允褂醚h(huán)流體散熱器(圖1中未示出)來延長晶體壽命。壓電碟片24在背面被加載以載鶴環(huán)氧基樹脂(tungsten-loaded epoxy)以加寬其頻率響應(yīng)。也能夠使用具有必要頻率帶寬的其它超聲換能器。為了檢測振動，鈮酸鋰晶體20或換能器-緩沖桿組件24、26僅需要在輕微壓力下與管路表面22形成物理接觸以實現(xiàn)與管路12的聲音耦合，而無需耦合凝膠。用于相對管路固定換能器-桿體系統(tǒng)的機械固定件(圖1中未示出)足以應(yīng)對該測量。
[0032]如所提到的，無需為了提供對振動測量傳感器的訪問而在去除蒸汽輸送管路上的熱絕緣的情況下進行測量，這是因為小于IOkHz的頻率在沒有過多衰減的情況下可通過這樣的絕緣良好地傳送。
[0033]當存在過多的輸送蒸汽的管路，閥門或管路分段彼此非常靠近而因此妨礙了間隙測量設(shè)備的安裝或?qū)μ囟ㄅd趣區(qū)域進行振動測量時，直接接觸的振動測量是特別有用的。由于并不需要耦合凝膠或環(huán)氧基樹脂，所以換能器能夠被輕易去除并且移動至另一位置。
[0034]來自麥克風或接觸測量換能器的信號首先分別使用放大器28、30和32進行放大，并且隨后被引向多通道、12比特、IOOkHz帶寬的A/D轉(zhuǎn)換器34。如果需要來自多個位置的測量結(jié)果，則本系統(tǒng)能夠被輕易擴展至32個或更多的單獨通道。具有集成或單獨DSP (數(shù)字信號處理器)的微處理器36對來自每個通道的信號進行分析并且提供諸如USB或以太網(wǎng)38的輸出。DSP系統(tǒng)對于處理來自相控陣列麥克風系統(tǒng)的信號而言足夠快速。數(shù)字振動數(shù)據(jù)的FFT (快速傅里葉變換)由DSP在小于100 μ s內(nèi)執(zhí)行，并且確定振動頻譜。這些振動頻率與被通過管路的蒸汽流動所激發(fā)的管路(管道)12的各種自然諧振頻率相關(guān)。依據(jù)本發(fā)明的實施例，蒸汽在其流動時與管路表面相互作用，將蒸汽具有的分子能量傳輸?shù)焦苈繁砻?，管路表面進而激發(fā)并放大被檢測的管路的自然頻率。以高流動速率，流動的紊流屬性也會由于渦旋脫落和其它耦合現(xiàn)象而增強對管路的這種能量耦合。導致這種流動所引發(fā)的振動的機制已經(jīng)被廣泛研究并且被充分理解。各種諧振頻率的振幅以及諧振峰值頻率因此與蒸汽流動速率和蒸汽質(zhì)量相關(guān)。峰值的振幅由于其更易于測量而可以作為更好的指示。輸出可以為諸如圖形、LCD屏幕上所顯示的數(shù)字、在超出蒸汽質(zhì)量的標示范圍時的警報信號或者針對適當反饋控制的輸入之類的各種形式，由此能夠?qū)?jié)流閥進行調(diào)節(jié)以控制蒸汽流動。
[0035]可以在微處理器上采用頻譜分析儀來直接提供能夠被用于追蹤諧振峰值及其振幅的頻譜。
[0036]圖2Α、2Β和2C是出于比較的目的同時測量的分別來自間隙麥克風、壓電換能器和緩沖桿/壓電換能器組合的作為頻率函數(shù)的FFT幅度的圖形進行。該頻譜使用DSP中對所實時記錄的振動振幅數(shù)據(jù)的FFT處理而獲得。數(shù)據(jù)被繪制為瀑布狀以顯示在蒸汽通過管路時作為時間函數(shù)的頻譜變化。蒸汽從定位在距測量位置大約100英尺的拖車上的便攜式蒸汽發(fā)生器獲得。蒸汽速率和蒸汽質(zhì)量數(shù)值也針對該便攜式蒸汽發(fā)生器而獲得。這三個測量在其頻譜方面提供了幾乎相同的結(jié)果。例如，在所有測量中都在大約3和5kHz的FFT譜中觀察到峰值，并且是如上文所提到的由蒸汽流動和質(zhì)量所激發(fā)的管路諧振。除了由于鈮酸鋰換能器的敏感度在較高頻率有所增加產(chǎn)生的大約8和9kHz的較強峰值(較高振幅)之外，直接接觸的鈮酸鋰晶體測量也示出了兩個大約3和5kHz的峰值。這些峰值的頻率位置與管路尺寸(直徑、管壁厚度和管路材質(zhì))相關(guān)并且(圖2所示的)頻率峰值對于這些特定的測量和配置是特定的。具有不同幾何形狀或尺寸的管路將具有不同的諧振特性。對于給定類型的蒸汽輸送管路(通常這些是標準管路并且使用最為普遍)而言，將具有相關(guān)聯(lián)的諧振峰值并且可以對這些頻率的振幅進行監(jiān)視。大多數(shù)諧振峰值能夠被用于蒸汽質(zhì)量測量，雖然其敏感度可能隨峰值稍有變化。一旦生成了校準曲線，這些峰值的振幅和/或頻率可以與蒸汽流動速率和蒸汽質(zhì)量相關(guān)聯(lián)，因為如以上所提到的以及以下所圖示的，二者反向相關(guān)。數(shù)據(jù)顯示管路振動的頻率內(nèi)容在頻率小于大約IOkHz時發(fā)出更大聲音；然而，這可以基于管路尺寸而有所變化。對于當前測量而言，使用25kHz作為頻率上限值，這是因為在該頻率以上幾乎沒有發(fā)現(xiàn)振動活動。圖2中所給出的結(jié)果清楚示出了間隙和直接接觸振動測量提供了相同的由流動所弓I發(fā)的管路諧振頻率信息。
[0037]圖3A和3B將便攜式蒸汽發(fā)生器所產(chǎn)生的蒸汽速率(從壓力和溫度測量所得出)和從壓電晶體-緩沖桿組合所獲得的測量結(jié)果進行比較。來自麥克風和鈮酸鋰晶體的測量結(jié)果顯示了與以上所給出的討論相一致的類似結(jié)果。對于該測量而言，任意選擇了 5kHz的諧振峰值，并且對其振幅進行監(jiān)視。當蒸汽速率在1066至1128桶/天之間變化時，(規(guī)范化)測量結(jié)果以大約40分鐘的周期被示出。蒸汽速率的該微小變化對應(yīng)于蒸汽質(zhì)量(74-76%)大約2%的變化。蒸汽質(zhì)量遵循如該便攜式蒸汽發(fā)生器所提供的蒸汽速率的倒數(shù)。該微小范圍說明了本發(fā)明的敏感度?；诼曇舻姆乔趾y量和蒸汽發(fā)生器所產(chǎn)生的實際數(shù)值之間的關(guān)聯(lián)非常一致(圖3A和3B)，其中聲音數(shù)據(jù)和蒸汽速率數(shù)值的變化顯示了近乎相同的表現(xiàn)。測量位置處的確切蒸汽速率預(yù)計與定位在幾乎100英尺遠的蒸汽發(fā)生器所產(chǎn)生的稍有不同，并且因此并不期待兩個測量結(jié)果之間的完全關(guān)聯(lián)。然而，所觀察到的強關(guān)聯(lián)表示在蒸汽輸送管路中的流動所引起的諧振振動確實能夠被用于蒸汽速率或蒸汽質(zhì)量的測量。對于蒸汽速率的較大變化而言，預(yù)計諧振峰值振幅和頻率的變化會發(fā)生更大偏移。在這樣的情況下，更易于對對應(yīng)于任意諧振峰值的頻率進行追蹤并且這些也可以被用于蒸汽質(zhì)量和蒸汽速率的測量。圖3C示出了隨-2.6kHz的單個諧振峰值的蒸汽流動速率變化而偏移的諧振峰值頻率的數(shù)據(jù)。這種情況下的頻移很小，原因在于蒸汽流動速率變化被確定為很小。如部分在以上所討論的，諧振頻率的偏移由與管路表面耦合的流動和多普勒偏移引起。因此，任意所觀察的管路諧振峰值的峰值頻率位置或者其振幅中的任一個可以被用于與蒸汽質(zhì)量或蒸汽流動速率相關(guān)聯(lián)的測量。對于更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)而言，信號平均是有利的。對于峰值頻率位置追蹤而言，可以使用窄帶通濾波器來減少數(shù)據(jù)波動。圖1所示的DSP和微處理器實時執(zhí)行數(shù)據(jù)平滑和數(shù)據(jù)濾波。
[0038]圖4A和4B示出了蒸汽流動速率和蒸汽質(zhì)量之間的關(guān)系。該測量結(jié)果由便攜式蒸汽發(fā)生器基于壓力和溫度的熱力學測量而生成。圖4A示出了這兩個測量結(jié)果反向關(guān)聯(lián)，因為一個是另一個的反向版本，而圖4B則是作為蒸汽質(zhì)量的函數(shù)的蒸汽流動速率的圖形。圖中的實心圓是實際測量結(jié)果而實線則是數(shù)據(jù)的最小二乘擬合。該擬合可以通過簡單等式而被表示為蒸汽質(zhì)量=-21.587+109234.109234.01/蒸汽流動速率。因此，一個參數(shù)的測量結(jié)果提供了另一參數(shù)的測量結(jié)果，并且當前的聲音測量與兩個參數(shù)都相關(guān)。
[0039]已經(jīng)出于說明和描述的目的給出了本發(fā)明的以上描述，而其并非意在是窮舉的或者將本發(fā)明限制為所公開的確切形式，并且顯然可能借助于以上教導而進行許多修改和變化。實施例是為了對本發(fā)明的原則及其實際應(yīng)用進行最佳解釋而被選擇并描述以因此而使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠最佳地對各個實施例及其所預(yù)見到的適于特定用途的各種修改的本發(fā)明加以利用。本發(fā)明的范圍意在由所附權(quán)利要求進行限定。
【權(quán)利要求】
1.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的方法，其特征在于，包括步驟: 在選定位置檢測由通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音； 從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；并且 監(jiān)視處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值振幅； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，進一步包括從蒸汽質(zhì)量的變化計算蒸汽流動速率的變化的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用麥克風來實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，該麥克風包括拋物面反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征在于，該麥克風從鉛筆麥克風、定向麥克風和相控陣列麥克風中進行選擇。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用激光多普勒振動儀來實現(xiàn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用與管路聲音接觸的壓電換能器來實現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，該壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸秘晶體中進行選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用與緩沖桿聲音接觸的壓電換能器來實現(xiàn)，所述緩沖桿與管路聲音接觸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于，所述壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸鉍晶體中進行選擇。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，進一步包括生成所檢測的管路中所生成的聲音的快速傅里葉變換的步驟。
12.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置，其特征在于，包括: 壓電換能器，其用于在所述選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲曰； 信號處理器，其用于從該壓電換能器接收信號并且從管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和 微處理器，其用于監(jiān)視處于來自所述信號處理器的所述至少一個聲音振動頻率的峰值振幅； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，所述壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸鉍晶體中進行選擇。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，進一步包括與所述管路聲音接觸的緩沖桿。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其特征在于，所述信號處理器包括數(shù)字信號處理器，通過該數(shù)字信號處理器生成所檢測聲音的快速傅里葉變換。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器包括頻譜分析儀。
17.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置，其特征在于，包括: 與所述管路間隔開來的檢測器，其用于在所述選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音； 信號處理器，其用于從所述檢測器接收信號并且從所述管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和 微處理器，其用于監(jiān)視處于來自所述信號處理器的所述至少一個聲音振動頻譜的峰值振幅； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值振幅的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其特征在于，所述檢測器包括麥克風。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其特征在于，所述麥克風包括拋物面反射器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18的裝置，其 特征在于，所述麥克風從鉛筆麥克風、定向麥克風和相控陣列麥克風中進行選擇。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其特征在于，所述檢測器包括激光多普勒振動儀。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的裝置，其特征在于，所述信號處理器包括數(shù)字信號處理器，通過該數(shù)字信號處理器生成所檢測聲音的快速傅里葉變換的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器包括頻譜分析儀。
24.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的方法，其特征在于，包括步驟: 在所述選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音； 從管路的自然諧振振動 頻譜確定至少一個聲音頻率；并且 監(jiān)視處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，進一步包括從蒸汽質(zhì)量的變化計算蒸汽流動速率的變化的步驟。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用麥克風來實現(xiàn)。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，所述麥克風包括拋物面反射器。
28.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，所述麥克風從鉛筆麥克風、定向麥克風和相控陣列麥克風中進行選擇。
29.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用激光多普勒振動儀來實現(xiàn)。
30.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用與管路聲音接觸的壓電換能器來實現(xiàn)。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其特征在于，所述壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸鉍晶體中進行選擇。
32.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述檢測管路中所生成的聲音的步驟使用與緩沖桿聲音接觸的壓電換能器來實現(xiàn)，所述緩沖桿與管路聲音接觸。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的方法，其特征在于，所述壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸鉍晶體中進行選擇。
34.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其特征在于，進一步包括生成所檢測的管路中所生成的聲音的快速傅里葉變換的步驟。
35.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括: 壓電換能器，其用于在所述選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音； 信號處理器，其用于從所述壓電換能器接收信號并且從所述管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和 微處理器，其用于監(jiān)視處于來自所述信號處理器的所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其特征在于，所述壓電換能器從鈮酸鋰、鋯酸鉛-鈦酸鉛和鈦酸鉍晶體中進行選擇。
37.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其特征在于，進一步包括與所述管路聲音接觸的緩沖桿。
38.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其特征在于，所述信號處理器包括數(shù)字信號處理器，通過該數(shù)字信號處理器生成所檢測聲音的快速傅里葉變換。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器包括頻譜分析儀。
40.一種用于在蒸汽流動的管路中的選定位置監(jiān)視蒸汽質(zhì)量的裝置包括: 與所述管路間隔開來的檢測器，其用于在所述選定位置檢測通過管路流動的蒸汽在管路中所生成的聲音； 信號處理器，其用于從所述檢測器接收信號并且從所述管路的自然諧振振動頻譜確定至少一個聲音頻率；和 微處理器，其用于監(jiān)視處于來自所述信號處理器的所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率； 由此從處于所述至少一個聲音振動頻率的峰值頻率的變化獲得蒸汽質(zhì)量的變化。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其特征在于，所述檢測器包括麥克風。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其特征在于，所述麥克風包括拋物面反射器。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，其特征在于，所述麥克風從鉛筆麥克風、定向麥克風和相控陣列麥克風中進行選擇。
44.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其特征在于，所述檢測器包括激光多普勒振動儀。
45.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其特征在于，所述信號處理器包括數(shù)字信號處理器，通過該數(shù)字信號處理器生成所檢測聲音的快速傅里葉變換。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器包括頻譜分析儀。
【文檔編號】G01N29/036GK103930777SQ201280018973
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月7日
【發(fā)明者】迪彭·N·辛哈, 克里斯蒂安·潘泰亞 申請人:洛斯阿拉莫斯國家安全有限公司