CN100504311C - 使用超声波传感器阵列确定管道内的流体速度的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流经管道的流体的流速的设备和方法，该管道包括在沿着该管道的预定位置处安装的一个至少具有两个超声波传感器单元(可以多达16个传感器单元)的阵列。每一个传感器单元包括一个超声波发射器和一个超声波接收器。每一个传感器单元提供各自的信号，该信号表示在每一个对应的超声波发射器和超声波接收器之间传播的超声波信号的传播时间或幅度的参数。一个信号处理器响应于所述超声波信号使用一种自适应波束形成算法(比如Capon和Music算法)在k-ω平面内定义一个对流脊。该信号处理器还确定该对流脊的至少一部分的斜率以确定流体的流速。

Description

使用超声波传感器阵列确定管道内的流体速度的设备和方法

相关专利申请的交叉引用

2003年1月13日提交的美国临时专利申请序列号No.60/439,715(CiDRA’s Docket No.CC-0530)、2003年11月21日提交的美国临时专利申请序列号No.60/524，066(CiDRA’s Docket No.CC-0680)和2003年12月19日提交的美国临时专利申请序列号No.60/531,065(CiDRA’s Docket No.CC-0691)全部在此引用以作参考。

发明领域

本发明涉及处理超声波信号领域(比如声纳领域)，尤其涉及当已知流体流动方向时(比如当管道限定了流体流动时)的流体速度的测量领域。

发明背景

当前，有三类使用超声波传感器的流量计，包括传播时间超声波流量计(TTUF)、多普勒超声波流量计(DUF)以及互相关超声波流量计(CCUF)。

CCUF测量超声波传播通过在沿管道的两个轴向移置的位置处的流动路径所需的时间。在该测量原理中，假定传播时间的变化与流动的对流特性相关，比如旋涡结构、流动组分中的不均匀性、温度变化等等。

CCUF利用高频率声音信号(即超声波)来测量流动中的结构的更低频率的、时间变化的特性。像所有其它的基于互相关的流量计一样，引起传播时间变化的物理扰动将在两个传感器之间的距离上保留一定程度的连贯性。

自从19世纪60年代早期以来，互相关超声波流量计已经面世。关于流体组分的变化，CCUF典型地比起基于其它超声波的流量测量方法(比如基于传播时间和多普勒的方法)更加稳定。

尽管CCFU操作上比其它超声波分析技术更加稳定，但是它们遭遇了与大多数互相关流量计有关的缺点，即它们具有低更新速率和相对不精确性。

使用轴向对准的超声波发射器和接收器能测量传播时间，该传播时间被定义为超声波束传播给定距离所需的时间。对于没有横向速度分量在无限硬的管中流动的同质流体来说，传播时间通过下面的关系式给出：

t＝D/Amix

t是传播时间，D是管道直径以及Amix是经由该流体传播的声音速度。

在这种流动中，传播时间的变化与流体的声音速度的变化类似。然而，在真实的流体中，有许多引起传播时间的小的变化的机制，该传播时间对于几个管道直径保持空间相干。对于单相流动来说，横向速度分量中的变化将引起传播时间的变化。流体的热物理特性(比如温度或者组分)的变化也将引起变化。许多这些影响与流动对流。因此，与相干的旋涡结构相关的流体横向速度对于传播时间的影响使得基于传播时间的测量适合用于具有均匀组分特性的流动的互相关流量测量。对速度场扰动和对组分变化的灵敏度的组合使得传播时间测量很好地适合于单相和多相应用。

尽管CCUF对于多种流动组分都起作用，但是标准传播时间超声波流量计(TTUF)使用更广泛。TTUF往往需要相对性能良好的流体(即单相流体)和在换能器和流体本身之间的明确定义的耦合。TTUF依靠发射和接收其某一传播分量与流动相符的超声波信号。虽然这种需求对于同轴的湿换能器TTUF不构成重要问题，但是通过把管道中的声速与流体中的声速之比作为重要的操作参数引入，它对于钳式设备形成挑战。该参数的影响导致钳式TTUF的可靠性和精度问题。

CCFU使用超声波换能器发动并检测垂直于流动路径传播的超声波。在管道/流体交界处的超声波折射不是问题，并且管道与流体中的声速之比不直接影响可操作性。

CCFU的主要问题在于它们是缓慢且不精确的。CCFU依靠利用时域互相关的两个测量的互相关。

实现本发明的流量计利用超声波发射器和接收器阵列来在各自的轴向位置观察流经管道的测量特性(即传播时间和/或幅度)，其与阵列波束形成技术相结合，以产生一种新型的基于声纳的超声波流量计，从而克服当前超声波计的缺点。

使用基于声纳的阵列处理方法来解释多个传播时间发射和接收传感器对的输出将在当前的CCFU上得到提高的性能。该提高的性能将包括更高精度、更快的更新速率以及更稳定的操作。

发明概要

本发明的目的包括提供一种具有用于测量管道内流动的流体速度的超声波传感器单元阵列的设备，其中使用波束形成技术来提供稳固的流量计。

根据本发明，提供了一种方法，该方法用于测量基本上沿着延伸体的最长轴流经延伸体的流体的流速。该方法包括提供在沿延伸体的预定位置安装的至少两个超声波传感器单元的阵列。每一个传感器单元包括超声波发射器和超声波接收器。每一个传感器单元提供各自的信号，该信号表示在每一个对应的超声波发射器和超声波接收器之间传播的超声波信号的参数。该方法还包括处理这些传播时间信号以在k-ω平面里定义对流脊；并且确定至少一部分对流脊的斜率以确定流体流速。

根据本发明的又一实施例，提供了一种设备，其用于测量基本上沿着延伸体最长轴流经该延伸体的流体的流速。该设备包括在沿该延伸体的预定位置处安装的至少两个超声波传感器单元的阵列。每一个传感器单元包括超声波发射器和超声波接收器。每一个传感器单元提供各自的信号，该信号表示在每一个对应的超声波发射器和超声波接收器之间传播的超声波信号的参数。响应于这些超声波信号，处理器在k-ω平面里定义对流脊，并且确定至少一部分对流脊的斜率以便确定流体流速。

根据本发明的又一实施例，提供了一种设备，其用于测量基本上沿着延伸体最长轴流经该延伸体的流体的流速。该设备包括在沿着该延伸体的预定位置处安装的至少两个超声波传感器单元的阵列。每一个传感器单元包括超声波发射器和超声波接收器。每一个传感器单元提供各自的信号，该信号表示在每一个对应的超声波发射器和超声波接收器之间传播的超声波信号的参数。提供一种装置以用于处理这些超声波信号，从而在k-ω平面里定义对流脊。提供一种装置用于确定至少一部分对流脊的斜率，以便确定流体流速。

根据下面对示例性实施例的详细描述，本发明的前述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。

附图简述

结合附图，本发明的以上和其它目的、特征和优点将从后面给出的详细描述中变得明显，其中：

图1是根据本发明的用于测量在管道中流动的流体的体积流量的、具有沿管道轴向布置的超声波传感器单元阵列的流量计框图。

图2是根据本发明的具有湍流的管流的管道横截面图，该湍流的管流具有相干结构。

图3是根据本发明的流量计的工艺流程图/示意图。

图4是根据本发明构造的k-ω曲线图，其表示对流脊，其中管道中流动的流体是水。

图5是根据本发明的dB功率函数对k-ω平面的流体速度的曲线图，用于确定对应于图4的k-ω曲线图中的对流脊斜率的具有最大功率的斜率。

图6是类似于图1中所示的具体化本发明的流量计的传感设备的替换实施例的框图。

图7是类似于图1中所示的具体化本发明的流量计的传感设备的替换实施例的框图。

图8是类似于图1中所示的具体化本发明的流量计的传感设备的替换实施例的框图。

图9是类似于图1中所示的具体化本发明的流量计的传感设备的替换实施例的框图。

图10是根据本发明构造的k-ω曲线图，其表示对流脊，其中管道中流动的流体是低流速的水。

图11是根据本发明的dB功率函数对k-ω平面的流体速度的曲线图，用于确定对应于图10的k-ω曲线图中的对流脊斜率的具有最大功率的斜率。

图12是根据本发明构造的k-ω曲线图，其表示对流脊，其中管道中流动的流体是夹带空气的水。

图13是根据本发明的dB功率函数对k-ω平面的流体速度的曲线图，用于确定对应于图12的k-ω曲线图中的对流脊斜率的具有最大功率的斜率。

图14是根据本发明使用行程测量(flight measurement)的时间构造的k-ω曲线图，其表示对流脊，其中管道中流动的流体是具有4.3％浓度的纸浆液(pulp slurry)。

图15是根据本发明的dB功率函数对k-ω平面的流体速度的曲线图，用于确定对应于图14的k-ω曲线图中的对流脊斜率的具有最大功率的斜率。

图16是根据本发明使用幅度测量构造的k-ω曲线图，其表示对流脊，其中管道中流动的流体是具有4.3％浓度的纸浆液。

图17是根据本发明的dB功率函数对k-ω平面的流体速度的曲线图，用于确定对应于图16的k-ω曲线图中的对流脊斜率的具有最大功率的斜率。

图18是在低振动条件期间具体化本发明的流量计的输出测量的标准偏差曲线图，所述标准偏差作为阵列中传感器单元的数量和窗口乘数的函数。

图19是在高振动条件期间具体化本发明的流量计的输出测量的标准偏差曲线图，所述标准偏差作为阵列中传感器单元的数量和窗口乘数的函数。

实现本发明的最佳方式

参考图1，提供一般表示为10的流量计以测量经由管道流动的单相流体12(例如气体、液体或液/液混合物)和/或多相混合物12(例如工艺流体)的速度和/或体积流量。该多相混合物可以为两相液/气混合物、固/气混合物或固/液混合物、夹带气体的液体或三相混合物。

该流量计10包括由超声波传感器单元18—21的阵列组成的传感设备16。每一个传感器单元包括一对超声波传感器40、42，其中之一用作发射器(Tx)40，而另一个用作接收器(Rx)42。传感器单元18—21沿着管道14的外表面22轴向间隔，管道14具有在其中传播的工艺流体12。沿着管道在管道的预定位置上径向安装这对传感器40、42以提供通过传输结构，使得传感器发射和接收基本上与管道里流体流动方向垂直地传播通过流体的超声波信号。

如图1中所示，每一对超声波传感器40、42测量超声波信号经由流体12从发射传感器40传播到接收传感器42的传播时间(即行程时间(TOF)或相位调制)。传播时间测量或变化表示与管道内的流动对流的相干特性(例如旋涡扰动、流动内的不均匀性、温度变化、气泡、颗粒、压力扰动)，其表示工艺流体12的速度。然而，超声波传感器可以在任何频率下操作，已发现更高频率的传感器更适合于单相流体，而更低频率的传感器更适合于多相流体。超声波传感器的最佳频率取决于与流体12一起传播的颗粒或物质的尺寸或类型。例如，充气流体中的气泡越大，超声波信号的理想频率就越低。用于具体化本发明的流量计的频率实例为1MHz和5MHz。同样，超声波传感器可以经由流体流动12提供脉冲的、线性调频脉冲的或连续的信号。可以使用的传感器40、42的一个实例是Krautkramer生产的no.113-241-591型号。

超声波信号处理器37响应来自发射器24的发射信号39激发传感器40，并接收来自传感器42的超声波输出信号S₁(t)—S_N(t)。信号处理器37处理来自每一个传感器单元18—21的数据，以提供表示超声波信号穿过流体的行程时间或传播时间的模拟或数字输出信号T₁(t)—T_N(t)。信号处理器37还可以提供表示超声波信号幅度(或衰减)的输出信号。一个这种信号处理器是Krautkramer超声波系统生产的no.USPC 2100型号。测量超声波信号幅度是特别有用的，并且最能起到测量包括流动中的物质的流体(例如多相流体或浆)的速度的作用。

提供超声波信号处理器37的输出信号T₁(t)—T_N(t)给处理器24，其处理传播时间测量数据以确定体积流速。通过超声波信号经由管道壁和流体12从发射传感器40传播到对应的接收传感器42所花费的时间来定义传播时间或行程测量时间。旋涡扰动(和/或流体内的其它不均匀性)对超声波信号的传播时间的影响在于延迟或加快了该传播时间。因此，每一个传感单元18—21提供了表示与流体12方向垂直传播的超声波信号传播时间的变化的各自的输出信号T₁(t)—T_N(t)。通过使用至少两个传感器单元18、19来解释在工艺管线内的对流的相干特性和/或特征来得出该测量。超声波传感器18—21可以为“湿的(wetted)”或可以将其钳在管道14的外表面22上(即接触或非接触传感器)。

在一个实例中，流量计10通过使用超声波传感器阵列18—21来确定与流动12一起传播的旋涡扰动或“涡旋(eddy)”45(见图2)的速度，从而测量体积流量。流量计10测量与由旋涡扰动或“涡旋”45和其它不均匀性产生的不稳定流动场相关的速度，以便确定流动12的速度。超声波传感器单元18—21测量在每一个对应的传感器对40、42之间的对应超声波信号的传播时间T₁(t)—T_N(t)，当旋涡扰动以已知的方式经由管道14在流动12内对流时，所述传播时间随这些扰动而变化。因此，这些旋涡扰动的速度与流动12的速度相关，因而可以确定体积流量，这将在下文中更加详细地描述。通过用管道横截面面积乘以流体速度来确定体积流量。

为了测量体积流量，流量计10表征相干的旋涡结构对流经过轴向传感器单元阵列18—21时的速度。该相干的结构45是在所有湍流中存在的湍流边界层的固有特征。不像传统的涡流计，不需要内部几何结构来产生这些结构。

工业的工艺流体12的压倒多数包括湍流。在工艺流体中的紊动主宰着许多实际关心的流动特性，包括压力下降、热传递和混合。对于工程应用来说，为了设计仅考虑湍流的平均时间特性常常就足够了。对于基于声纳的阵列处理流量测量技术来说，理解湍流12中的时间平均的速率变化图提供了一种手段来解释在相干结构45对流的速度与体积平均流量之间的关系。

湍流的管流12是高度复杂流体。预计任何湍流的细节都是成问题的，然而，关于该流动的统计学特性大部分是已知的。例如，湍流包含自发的、常称为“湍流涡旋”的相干的旋涡结构。通过管道14的直径设置这些涡旋的最大长度尺度。这些结构对于下游的几个管道直径保持相干，最后分解为逐渐更小的涡旋直到能量通过粘滞效应耗散。

试验研究已确定，在湍流边界层内产生的涡旋以最大流速的约80％对流。对于管流来说，这意味着湍流涡旋将在管道14内以近似体积平均流速对流。如下所述能经验地校准在湍流涡旋的对流速度和每一类流量计的流量之间的精确关系。

图2说明了沿着超声波传感器单元轴向阵列18—21的湍流管流12的相关流动特征，每一个传感器单元具有发射器单元40和接收器单元42。如所示出的那样，时间平均的轴向速度是径向位置的函数，从壁处的0到管道中心线的最大值。通过陡峭的速度梯度和向管道14中心附近的相对均匀的核心流动来表征接近所述壁的流动12。通常被称为湍流涡旋的旋涡结构叠加在时间平均的速度图上。这些相干的结构包含时间地和空间地具有典型地小于平均流速的10％大小的随机波动，并且随着该平均流动而被携载。试验研究已确定，在湍流边界层内产生的涡旋对于几个管道直径保持相干，并且以最大流速的约80％对流(Schlichting，1979)。

从体积流动测量的角度看，体积平均流速是所关心的。由总体积流量Q除以管道的横截面面积A来定义的体积平均流速是有用的，但却也是任意定义的流动的属性。实际上，给出了管道内的速度图后，只有很少的流动实际上是以该速度移动的。通过每一次进行校准来经验地确定在湍流涡旋的对流速度和流量之间的精确关系。

基于管道直径(D)的雷诺数(Re)表征流动的许多工程属性。雷诺数是一个无量纲的比率，代表在流动中的惯性力对粘性力的相对重要性：

其中ρ是流体密度，μ是动态粘度，U是体积平均流速以及v(＝μ/ρ)是运动粘度。

对于管流来说临界雷诺数是～2300，超过该值流动就被认为是湍流。除了划分层状的和湍流的流动流态之间边界之外，对于管流来说该雷诺数是一个相似性参数，也就是说，具有相同雷诺数的在几何不相似的管道中的流动是动态相似的。(Schlichting p.12)。

如图1所示，体现本发明的流量计10具有一个至少包括两个超声波传感器单元18—19的阵列，所述传感器单元沿着管道14轴向地定位在位置x₁、x₂。如分别在位置x₃、x_N处的超声波传感器单元20、21所示，本领域普通技术人员将理解该传感器阵列可以包括3个或更多的超声波传感器单元。本发明设想，阵列16可以包括任何数量(或更多)的传感单元18—21，其包括可具有在2到16个之间的传感器单元的阵列。各超声波传感器分别将传播时间变化信号T₁(t)、T₂(t)、T₃(t)、T_N(t)提供给信号处理器24和已知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑电路30—33。FFT逻辑电路30—33计算基于时间的输入信号T₁(t)—T_N(t)的傅立叶变换，并提供表示输入信号的频率内容的复频域(或基于频率的)信号T₁(ω)、T₂(ω)、T₃(ω)、T_N(ω)。代替FFT，可以使用用于获得信号T₁(t)—T_N(t)的频域特性的任何其它技术。

将频率信号T₁(ω)—T_N(ω)馈送给阵列处理器36，其提供表示工艺流动12的体积流量的流动信号40和表示工艺流动的速度的速度信号42。

在工艺流动12里确定旋涡扰动的对流速度的一个技术是通过使用一个不稳定的超声波传感器阵列或者其它波束形成技术来表征旋涡扰动的对流脊，所述波束形成技术类似于2000年12月4日提交的标题为“Method andApparatus for Determining the Flow Velocity Within a Pipe(用于确定管道内流速的方法和设备)”的美国专利申请序列号No.09/729,994中所示的技术，在此引用该申请以作参考。下文中将更加详细地描述确定旋涡扰动的对流速度的技术。

流量测量方法使用湍流管流12的相干结构的对流速度来确定体积流量。类似于雷达和声纳领域，通过应用阵列处理技术来确定涡旋对流经过沿着管道14分布的轴向超声波传感器阵列的速度，从而确定这些涡旋45的对流速度。

通过表征流动场的时间和空间频率特性，阵列处理算法确定涡旋45的速度。对于对流经过一个超声波传感器单元18—21的固定阵列的一系列相干涡旋，通过下面的关系式来关联压力波动的时间和空间频率内容：

$k=\frac{\mathrm{\ω}}{U_{\mathrm{convect}}}$

这里k是波数或空间频率，定义为k＝2π/λ，并且单位为l/长度，ω是时间频率rad/sec，并且U_convect是对流速度。因此，时间频率ω与空间频率k通过对流速度线性相关。

在阵列处理中，经常使用“k-ω曲线图”来显示时间静止声场的空间/时间频率内容。K-ω曲线图实质上是三维功率谱，其中将该场的功率分解成相应于具体空间波数和时间频率的小频段(bin)。在k-ω曲线图上，和与流动对流的压力场相关的功率分布在各区域中，所述分布满足上面展开的耗散关系。该区域被称为“对流脊”(Beranek，1992)，并且在k-ω曲线图上该脊的斜率表示通过由每一个超声波传感器单元18-21测量TOF变化所确定的压力场的对流速度。这表明：如将在下文中更加详细地描述的那样，通过从传感器阵列的输出构建k-ω曲线图并识别对流脊的斜率，能确定湍流涡旋的对流速度，并从而确定管道内的流量。

如前所述，图1的设备10是基于对移动流体中的旋涡扰动(和/或如上文所述的与流动对流的流体的其它特性)改变超声波信号的传播时间的观察，其能通过超声波传感器40、42感测到，图1的设备10还基于对所述旋涡扰动以与移动流体相同的速度或以能与移动流体的速度相关的速度移动的观察。通过利用与对流扰动相关的耗散关系(即ω＝uk，其中ω是旋涡扰动信号的角频率，u是该扰动的速度，以及k是该信号的波数)能执行阵列处理。能将流动流体中的对流扰动看作为固定到流体的扰动。这些扰动具有与它们相关的空间变化。由于能将该扰动看作为固定到流体微粒，所以当由静态传感器感测到时，空间变化导致时间变化。因此将随流体一起移动的扰动的空间波长关联到通过静态传感器观测的时间变化。本发明依靠利用阵列处理技术来识别该关系，并从而确定流体的对流速度。

现在参考图3，其中将具体实现本发明的用于在管(管道14)内确定流体12的体积流量的设备50表示为一个包括超声波传感器单元52、54的阵列，其中每一个单元具有一对传感器40、42(分别为发射器和接收器)，类似于前文所述，所述传感器沿着管道轴向安装，用于在它们的各自位置处感测在管道内的传感器40、42之间传播的超声波信号的传播时间。每一个超声波传感器单元18-21在传感器单元位置处、在一系列采样时刻中的每一个时刻提供一个信号，该信号表示垂直地传播穿过流体流动的超声波信号的传播时间。数据累加器56从这些超声波传感器单元累加信号T1(t)和T2(t)，并且提供在一个采样间隔中累加的数据给处理器58，该处理器对传感器数据执行从xt域到k-ω域的空间—时间(二维)变换，然后计算如k-ω曲线图所表示的K-ω平面中的功率。

为了计算k-ω平面中的功率(其由超声波信号或差分超声波信号的k-ω曲线图(见图4)表示)，处理器58确定由旋涡扰动产生的超声波的各种频谱分量的波长和(空间)波数k，还有(时间)频率和角度频率ω。在公共域中有许多算法可用于执行传感器单元52、54阵列的空间/时间分解。

在合适的旋涡扰动存在的情况下，如此确定的在图4的k-ω曲线图中示出的k-ω平面中的功率将展现被称为对流脊61的结构。该对流脊代表与流动对流的扰动集中度，并且该对流脊是上述空间变化与时间变化之间关系的数学表现形式。如下文中更详细地描述的那样，这种曲线图表示k-ω对沿着具有某一斜率的直线63出现更多或是更少的趋势，其中该斜率表示流速。然后将如此确定的k-ω平面中的功率提供给对流脊识别器60，其使用某种特征提取方法来确定在k-ω平面中存在的任何对流脊的位置和指向(斜率)。最终，分析器62使用包括对流脊指向(斜率)的信息以确定流速。

处理器58使用标准的所谓波束形成、阵列处理或自适应阵列处理运算方法(即用于使用不同延迟和加权来处理传感器信号以在由不同传感器提供的信号之间产生合适的相位关系的算法)，从而产生相控天线阵列功能。换言之，波束形成或阵列处理算法将来自传感器阵列的时域信号变换为它们的空间和时间频率分量，即变换成由k＝2π/λ给出的一组波数以及由ω＝2πv给出的相应的角频率，其中λ是频谱分量的波长。

现有技术教导了许多在空间和时间地分解来自相控传感器阵列的信号的过程中使用的算法，并且本发明不局限于任何具体的算法。一个具体自适应阵列处理算法是Capon方法/算法。虽然将Capon方法描述为一种方法，但本发明设想可以使用其它自适应阵列处理算法，比如MUSIC算法。本发明意识到能将这种技术用于确定流量，即由与流动对流的旋涡扰动引起的信号是时间静止的，并且其具有相干长度，该相干长度足够长，使得将传感器单元彼此分开定位(但是还在该相干长度内)是实际的。

包括对流旋涡扰动的对流扰动具有能通过直线等式近似的耗散关系：

k＝ω/u，

其中u是对流速度(流速)。描绘从与对流扰动相关的传感器样本的频谱分析获得的k-ω对的曲线图，使得能将在频谱上相应于所述对的扰动的能量描述为基本上呈直线的脊、即在湍流边界层理论中被称作对流脊的脊。所感测到的不是对流扰动的离散事件，而是连续的可能重叠的事件，从而在所关心的频率范围上形成时间静止的、基本上白过程。换言之，对流扰动(比如由湍流边界层产生的那些对流扰动)分布在一定的长度尺度范围上，从而分布在一定的时间频率范围上。

通过处理器58将与经过传感器阵列52、54的流体对流的扰动和具有这些属性的其它特性转换为对流脊，因为k-曲线ω图通过某个符号体系来指示k-ω平面中的k-ω对的能量(即由k-ω频谱分量传送的能量)，所以术语“脊”是合适的。因此，在k-ω平面里识别对流脊提供了一种手段来确定对流速度。对于在管道内的流动来说，旋涡扰动的对流速度紧密地与管道14里的平均体积流体速度相关，并因此与体积流量(流速)相关。虽然设备50包括两个传感器单元52、54，但本发明设想可以有多于两个传感单元，例如在阵列中有3—16个传感单元。

一旦确定了k-ω平面中的功率，对流脊识别器60使用某种特征提取方法来辨别对流脊61和其在k-ω平面中的指向。除了自动化技术，甚至能使用人工视觉观察定位对流脊。在优选实施例中，使用所谓的倾斜堆叠(slantstacking)法，在该方法中，沿着从原始点发射的不同射线比较在k-ω曲线图中的k-ω对的累加频率，每一个不同的射线与一个不同的试验对流速度相关(其中以公知的方式假设射线的斜率是流速或与流速相关)。对流脊识别器60提供关于不同的试验对流速度的信息、即通常被称为对流脊信息的信息。分析器62采用等式(1)给出的直线耗散关系来检验对流脊信息，并确定流速和其不确定性。

对于湍流边界层来说，湍流波动的强度粗略地集中围绕在：

ωδ^*≈1，

其中δ^*是边界层的位移厚度，其是在边界层分析中的一种公知的参数。对于三英寸管道来说，假设边界层的位移厚度为管道半径的0.15倍，则湍流能量的以Hz表示的中心频率近似为～10.u(u为ft/sec)。因此，对于1-30ft/sec状态下的流动来说，对流的能量位于低于10-300Hz的时间频率下。对于在三英寸(典型)管道中的完全展开的流动来说，该峰值活动的空间波数粗略地是具有60ft^-1波数的常量，或者，在波长方面粗略地是0.1ft。使用这些估计来设计传感器单元52、54的阵列，以便将其合适地布置以能识别对流脊，并从而得到流速测量值。

在使用传感器单元52、54的阵列来感测波状现象的空间和时间特性的过程中，该现象的空间长度尺度和相干长度限制了该阵列的长度尺度。因此，在通过感测旋涡扰动来测量流速的情况下，必须在有限的轴向区域内以紧密的间隔定位传感器；对于在三英寸直径管道中的小于30ft/sec的流速来说，这些传感器单元的间隔通常应该小于1″。所述轴向区域近似为管道14的直径的0.3倍。

本发明的一个具体实施例使用沿着管道14轴向安装的八(8)个传感器单元的阵列。图4表示从测量流经一个8”管道的水的八(8)个传感器单元的输出产生的k-ω曲线图。所述超声波传感器在5MHz的频率和1.2英寸的间隔下操作。其中在纵坐标上描绘波数(空间特性)并且在横坐标上描绘频率(时间特性)。使用轮廓来表示每一个k-ω对的强度。从左传播到右(流动方向上)的扰动映射到右半平面中。

该阵列的跨度不仅受到旋涡扰动的相干长度限制，并且还因为需要避免(或至少识别)空间混叠而受到限制，所述空间混叠与时间混叠类似。如果一对传感器单元52、54跨越距离Δx，那么这对传感器单元不能区分波长等于2Δx的扰动与波长为2Δx的整倍数的扰动。因此，能通过间隔Δx的两个传感器明确分辨的最小波长为：

λ＝2Δx，

其所对应的最大可分辨波数为：

$k=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\Δx}}.$

对于上述实施例来说，最大的可分辨波数是k＝21ft^-1。对于空间波数高于奈奎斯特(Nyquist)波数的扰动来说，该信息卷回到k-ω平面中。然而，如果正确解译的话，那么该混淆的信息仍然能提供有用的信息。

如上所述，尽管能使用自动化技术来识别对流脊并确定其指向(斜率)，但即使是人工的最佳直线拟合仍给出可接受的结果。这些自动化方法也能解决混淆数据的问题。对于在图4中示出的k-ω曲线图的前述实施例，在图4中示出了从人工直线拟合产生的直线63。该直线具有Δω/Δk＝1.142ft/sec的斜率(在通过用2π乘以该频率而将用作纵坐标的频率δ变换为相应的角频率v后)，如上所述，其等于流速或者以确定性的方式与流速相关。

应该注意：对流脊仅仅是通过直线近似的。实际上，变化长度的旋涡结构以稍微不同速度对流，从而导致对流脊弯曲，该弯曲将能够在k-ω曲线图中看出。然而，尽管不限于直线近似，但直线近似对于提取有意义的流速估计来说是有用的。同样，值得强调的是：通过本发明方法实际所确定的是旋涡扰动的平均对流速度，因此其代表对管道内的平均体积速度的近似。实际流动是复杂的，并且所测出的(旋涡扰动的)对流速度和平均体积速度之间的关系可能需要校准。

图5示出了在预定数目的速度下沿着一个斜率或对流脊的以dB为单位的功率曲线图。在图5中提供了在k-ω平面内的每一个速度(或斜率61)下分析每一个相关功率的结果。对流脊61的斜率表示流体流经管道14的速度。因此，通过在具有最大功率的每一个速度(或斜率)下确定这些功率之和来确定对流脊，并从而确定速度。该算法实质上对与试验对流速度相关的直线上的各k-ω对的能量求和。对于一定范围的试验速度执行该求和，并且对流脊具有一个指向，该指向是具有最大累加能量的直线63的斜率。在图5中，该曲线图的峰值表示对流脊和1.142ft/s的速度。使用多个峰值检测算法来确定该曲线图的峰值，所述算法比如是最大化算法和/或质心算法。

上文中描述的本发明类似于在2003年1月13日提交的临时美国专利申请序列Nos.60/439,715(CiDRA案号CC-0530)、2003年11月12日提交的60/524,066(CiDRA案号CC-0680)、2003年8月19日出版的美国专利No.6,609,069(CiDRA案号CC-0297)、2001年11月8日提交的美国专利申请序列No.10/007,736(CiDRA案号CC-0122A)、2003年8月7日提交的美国专利申请序列No.10/636,095(CiDRA案号CC-0645)、2002年11月12日提交的美国专利申请序列No.10/712,818(CiDRA案号CC-0675)、2002年11月12日提交的美国专利申请序列No.10/712,833(CiDRA案号CC-0676)中所述的发明，这些专利申请在此引用以作参考。

如图6中所示，虽然在图1中的每一个超声波传感器单元18-21和图2、3中的传感器单元52、54包括沿直径相对的一对超声波传感器(发射器和接收器)40、42以提供穿透传播，但本发明设想可以轴向偏移每一个传感器单元18-21的超声波传感器40、42的其中之一，以使得来自发射器传感器的超声波信号在其传播方向上具有轴向分量。

如图7中所示，本发明还设想可以以脉冲/回波结构配置传感设备16的传感器单元18-21。在该实施例中，每一个传感单元18-21包括一个超声波传感器，该超声波传感器以基本上垂直于流动的方向发射一个穿过管道壁和流体的超声波信号，并且接收从管道壁反射回到该超声波传感器的超声波信号的反射。

参考图8，可以将传感设备16配置成以“投—捕(pitch and catch)”的方式起作用。在该实施例中，每一个传感器单元18-19包括以预定距离间隔沿着管道轴向安装在管道相同侧的一对超声波传感器(发射器、接收器)40、42。每一个发射传感器40以预定角度将超声波信号提供到流动12中。超声波信号传播穿过流体12并在管道14的内表面反射，反射回来的该超声波信号穿过流体到达对应的接收器传感器42。

图9示出了用于本发明设想的传感设备16的另一种投—捕结构。除了安装在末端传感器之间的这些传感器既用作发射器又用作接收器外，该结构类似于图8中所示的结构。该投—捕结构减少了需要操作的传感器数目。

图10示出了从具体实现本发明的流量计确定的k-ω曲线图，该流量计测量在8英寸管道内流动的纯水流。将类似于图1中所示的流量计配置为穿透传输结构，并且该流量计测量超声波信号穿过流体的行程时间。该传感设备包括八(8)个轴向间隔1.2英寸的传感单元18-21。传感器40、42包括5MHz换能器。图11说明了图10中示出的k-ω曲线图或平面的dB功率函数，其示出了1.183ft/sec的流量。

图12示出了从具体实现本发明的流量计确定的k-ω曲线图，该流量计测量在2英寸管道内流动的纯水和夹带空气的流动。将类似于图1中所示的流量计配置为穿透传输结构，并且该流量计测量超声波信号穿过流体的行程时间。该传感设备包括八(8)个轴向间隔1.2英寸的传感单元18-21。传感器40、42包括5MHz换能器。图13说明了图12中示出的k-ω曲线图或平面的dB功率函数，其示出了25.46ft/sec的流量。

图14示出了从具体实现本发明的流量计确定的k-ω曲线图，该流量计测量在8英寸管道内流动的4.3％浓度的纸浆/纸浆液(pulp/paper slurry)的流动。将类似于图1中所示的流量计配置为穿透传输结构，并且该流量计测量超声波信号穿过流体的行程时间。该传感设备包括两(2)个轴向间隔1.2英寸的传感单元18-21。传感器40、42包括1MHz换能器。图15说明了图14中示出的k-ω曲线图或平面的dB功率函数，其示出了12.95ft/sec的流量。

图16示出了从具体实现本发明的流量计确定的k-ω曲线图，该流量计测量在8英寸管道内流动的4.3％浓度的纸浆液的流动。将类似于图1中所示的流量计配置为穿透传输结构，并且该流量计测量穿过流体的超声波信号的幅度(例如幅度衰减)。该传感设备包括两(2)个轴向间隔1.2英寸的传感单元18-21。传感器40、42包括1MHz换能器。图17说明了图16中示出的k-ω曲线图或平面的dB功率函数，其示出了12.49ft/sec的流量。

图18是类似于图1中示出的具体实现本发明的流量计在低振动条件期间的输出测量值的标准偏差曲线图，其作为阵列16中传感器单元18-21的数量和窗口乘数(window multiplier)的函数。流量计测量流经8英寸管道的、具有3ft/sec流量的水。传感设备16的传感器单元18-21之间的间距是1.2英寸。管道的自然发生的随机振动具有103dB的加速度。

窗口乘数表示在处理信息之前每一个传感单元18-21收集数据的时间量。该时间周期等于流量计的更新周期。通过下面的关系式定义采样的总时间：

采样总时间＝(窗口乘数)t

其中t＝Δx/u，Δx是传感单元的间距，u是流速。

图19是类似于图1中示出的具体实现本发明的流量计在高(hi)振动条件期间的输出测量值的标准偏差曲线图，其作为阵列16中传感器单元18-21的数量和窗口乘数的函数。流量计测量流经8英寸管道的、具有3ft/sec流量的水。传感设备16的传感器单元18-21之间的间距是1.2英寸。振动器以具有类似于现场应用中所测量出的随机振动频谱的132dB的加速度振动管道。

可以看出，该数据说明了在高振动条件下本发明的超声波流量计10是非常鲁棒的。通过使用更大数量的传感单元18-21和为传感设备提供更长的采样时间，能实现流量计的高精度。

虽然所示出和描述的每一个传感器单元18-21的超声波传感器40、42为在直径方向上相对安装的，但本发明设想每一个相应的传感器40、42可以简单地在管道上彼此相对，而不限于在管道直径处安装。此外，还可以将相对的传感器40、42(非直径方向上相对)定位成使得在它们之间传播的超声波信号与流动方向垂直。

尽管在前文中描述的本发明的具体实施例示出了在相同平面内安装超声波传感器阵列，但本发明设想传感器单元18-21可以在管道上的彼此不同的轴向位置处。

已经开发了利用基于应变的传感器的基于声纳的流动测量方法，以提供对与流动对流的属性的测量。对于湍流牛顿流体来说，作为由相干旋涡扰动产生的压力干扰的结果，管道会发生偏转。存在许多其它机制，它们可以导致如通过钳式应变传感器阵列观测的与流动对流的相干扰动。通过直接类推，在给定的轴向位置处测量传播时间的超声波传感器将提供对与流动对流的许多属性的度量。

虽然使用基于应变的传感器的基于声纳的流动测量方法在具体应用中操作良好，但在一定条件下该测量方法不如使用超声波传感器的方法鲁棒。使用利用基于声纳的流动测量的超声波传感器40、42，提供了精确而鲁棒的流量计，该流量计能在更高温度、更高振动级别和更高声学噪声下操作。因此如上所述，该超声波计能在更低流量下测量，并且提供更快的处理时间。该超声波计对于大部分类型的流体还具有更高的信噪比。

尽管本发明描述了具有超声波计阵列的流量计以测量流动12内的旋涡扰动的速度，但本发明设想超声波传感器18-21可以测量流动12的与该流动对流的任何属性和/或特性(例如旋涡扰动、流动内的不均匀性、温度变化、管道内传播的声波变化、气泡、微粒、压力扰动)。

尽管本发明使用一对超声波传感器40、42来测量在其间传播的超声波信号的传播时间或行程时间，但本发明设想该对超声波传感器还提供表示在其间传播的超声波信号的功率或幅度的信号。换言之，对于幅度变化，输出信号表示由流体流动中的物质(比如气泡、微粒和/或将改变超声波信号幅度的其它物质)引起的超声波信号的变化衰减(或幅度)。

尽管图1的超声波传感器单元52、54和18-21包括一对超声波传感器40、42(发射器和接收器)，但本发明设想传感单元也可包括一个超声波传感器，该超声波传感器基本垂直于流动方向发射超声波信号穿过管道壁和流体，并且接收反射回到该超声波传感器的超声波信号的反射。

此外，本发明设想了能测量与流动12对流的参数的其它传感器，比如温度传感器、磁传感器、电容性传感器、电感性传感器、光学传感器和基于激光的传感器。

尽管本发明设想了夹在管道外表面的传感器40、42(包括不接触流体的超声波传感器)，但本发明设想这些传感器可以为“湿的”或与流体接触的。此外，这些传感器可以是集成的或不容易从管道移走的，比如卷筒(spoolpiece)或不同于工艺管线的分离单元。

应该理解，还可以应用、使用或者与这里描述的任何其它实施例合并这里关于具体实施例描述的任何特征、特性、替换方案或修改。

尽管已经结合各示例性实施例描述和说明了本发明，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以做出前述的和各种其它增加和删节。

可以理解，上述方案仅仅是本发明原理的应用说明。本领域普通技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以设计许多其它修改和替换方案，并且所附权利要求书意欲覆盖这些修改和方案。

Claims (37)

1、一种用于测量流经管道的液体的流动速度的方法，该方法包括：

提供在所述液体的流动方向上被放置在沿着所述管道的长度间隔开的多个位置处的多对超声波传感器的阵列，

每一对超声波传感器具有超声波发射器和超声波接收器，

每一个超声波发射器提供具有至少5MHz发射频率的超声波信号，

每一个超声波接收器响应于对所述超声波信号的接收，来提供表示经所述液体传播的超声波信号的参数的各个传感器信号，

其中所述多对超声波传感器的阵列包括4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16对超声波传感器；以及

执行空间—时间变换，以响应于所述传感器信号限定从x-t域到k-ω域的对流脊，并确定至少一部分对流脊的斜率以确定液体的流动速度，该对流脊表示与流动对流的扰动的浓度。

2、如权利要求1所述的方法，其中对所述超声波输出信号的处理包括：

在预定的时间周期内对所述超声波输出信号进行采样；

在预定的采样周期内对所采样的超声波输出信号进行累加；以及

处理所采样的超声波输出信号，以便在k-ω域内定义所述对流脊。

3、如权利要求1所述的方法，还包括：

在k-ω域内确定所述对流脊的指向。

4、如权利要求1所述的方法，其中所述超声波输出信号表示在所述液体内的旋涡扰动。

5、如权利要求1所述的方法，其中对所述超声波输出信号的处理包括：

执行波束形成算法。

6、如权利要求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、如权利要求1所述的方法，其中确定所述对流脊的至少一部分的斜率包括：

将所述对流脊近似为直线。

8、如权利要求1所述的方法，其中提供多对超声波传感器的阵列包括：

将每一对超声波传感器的超声波发射器和超声波接收器放置成使得在其间传播的超声波信号与液体流动的方向垂直。

9、如权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述管道的横截面面积；以及

确定所述液体的体积流量。

10、如权利要求1所述的方法，其中所述超声波输出信号的参数表示所述超声波信号的幅度和/或传播时间。

11、如权利要求1所述的方法，其中所述多对超声波传感器的阵列包括至少两个超声波传感器。

12、如权利要求1所述的方法，其中所述多对超声波传感器的阵列包括至少三个超声波传感器。

13、一种用于测量流经管道的液体的流动速度的设备，该设备包括：

在所述液体的流动方向上被放置在沿着所述管道的长度间隔开的多个位置处的多对超声波传感器的阵列，

每一对超声波传感器具有超声波发射器和超声波接收器，

每一个超声波发射器提供具有至少5MHz发射频率的超声波信号，

每一个超声波接收器响应于对所述超声波信号的接收，来提供表示经所述液体传播的超声波信号的参数的各个传感器信号，

其中所述多对超声波传感器的阵列包括4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16对超声波传感器；以及

处理器，执行空间—时间变换，以响应于所述传感器信号限定从x-t域到k-ω域的对流脊，并确定至少一部分对流脊的斜率以确定液体的流动速度，该对流脊表示与流动对流的扰动的浓度。

14、如权利要求13所述的设备，其中该处理器在预定的时间周期内对所述超声波输出信号进行采样、在预定的采样周期内累加所采样的超声波输出信号并且处理所采样的超声波输出信号以便在k-ω域内定义所述对流脊。

15、如权利要求13所述的设备，其中该处理器还在k-ω域内确定所述对流脊的指向。

16、如权利要求13所述的设备，其中所述超声波输出信号表示在所述液体内的旋涡扰动。

17、如权利要求13所述的设备，其中该处理器使用波束形成算法来在k-ω域内定义所述对流脊。

18、如权利要求17所述的设备，其中所述波束形成算法包括Capon算法和MUSIC算法的其中之一。

19、如权利要求13所述的设备，其中该处理器通过将所述对流脊近似为直线来确定该对流脊的至少一部分的斜率。

20、如权利要求13所述的设备，其中该处理器还确定所述液体的体积流量。

21、如权利要求13所述的设备，其中所述超声波输出信号的参数是传播通过每一对超声波传感器之间的液体的传播时间。

22、如权利要求13所述的设备，其中所述多对超声波传感器被安装在所述管道的外表面，或者被安装在所述管道内以便与所述液体接触。

23、如权利要求13所述的设备，其中所述多对超声波传感器被放置成脉冲-回波结构。

24、如权利要求13所述的设备，其中所述多对超声波传感器的阵列包括至少两个超声波传感器。

25、如权利要求13所述的设备，其中所述多对超声波传感器的阵列包括至少三个超声波传感器。

26、如权利要求13所述的设备，其中所述超声波输出信号的参数是所述超声波输出信号的幅度。

27、如权利要求13所述的设备，其中所述多对超声波传感器被附着到所述管道的外表面。

28、如权利要求27所述的设备，其中所述多对超声波传感器被夹到所述管道的外表面上。

29、如权利要求13所述的设备，其中所述液体是单相液体。

30、如权利要求29所述的设备，其中所述多对超声波传感器与所述液体相接触。

31、如权利要求13所述的设备，其中所述液体是多相混合物。

32、如权利要求31所述的设备，其中所述多相混合物包括液体和气体；或者液体和固体；或者气体和固体；或者气体、液体和固体。

33、如权利要求13所述的设备，其中每一对超声波传感器包括超声波发射器和超声波接收器。

34、如权利要求33所述的设备，其中每一对超声波传感器的超声波发射器和超声波接收器被彼此相对地放置，从而使得所述超声波信号与液体流动的方向垂直地传播通过所述液体。

35、如权利要求33所述的设备，其中所述多对超声波传感器被放置成投-捕结构，其中所述发射器和接收器被彼此相对地安装，或者被彼此相邻地安装。

36、如权利要求13所述的设备，其中所述处理器使用自适应阵列处理算法。

37、一种用于测量流经管道的液体的流动速度的设备，该设备包括：

在所述液体的流动方向上被放置在沿着所述管道的长度间隔开的多个位置处的多对超声波传感器的阵列，

每一对超声波传感器具有超声波发射器和超声波接收器，

每一个超声波发射器提供具有至少5MHz发射频率的超声波信号，

每一个超声波接收器响应于对所述超声波信号的接收，来提供表示经所述液体传播的超声波信号的参数的各个传感器信号，

其中所述多对超声波传感器的阵列包括4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16对超声波传感器；以及

用于执行空间—时间变换，以响应于所述传感器信号限定从x-t域到k-ω域的对流脊的装置，和用于确定至少一部分对流脊的斜率以确定液体的流动速度的装置，该对流脊表示与流动对流的扰动的浓度。

Images