CN1643345A - 测量具有悬浮在管中流动的流体中的固体颗粒的混合物的参数的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种设备10、70和方法，所述设备包括放置在沿着管14轴向设置的预定轴向位置x1－xn处的不稳定压力传感器15－18的空间阵列以测量在管14中流动的固体颗粒/流体混合物12的至少一个参数。压力传感器15－18将声压信号P1(t)－Pn(t)提供到信号处理单元30，信号处理单元30利用声空间阵列信号处理技术确定在管14中的颗粒/流体混合物12的声速amix。需要测量的主要参数包括流体/颗粒浓度、流体/颗粒混合物体积流和颗粒尺寸。利用分散模型确定基于频率的声速以确定所关心的参数。

Description

测量具有悬浮在管中流动的流体中的固体颗粒的 混合物的参数的设备和方法

相关专利申请的交叉参考

本申请要求于2002年1月23日提出的美国临时申请No.60/351,232(Cidra案号No.CC-0410)；于2002年2月26日提出的美国临时申请No.60/359,785(Cidra案号No.CC-0403)；于2002年4月24日提出的美国临时申请No.60/375,847(Cidra案号No.CC-0468)；于2002年11月12日提出的美国临时申请No.60/425,436(Cidra案号No.CC-0538)；以及于2002年11月15日提出的美国临时申请No.60/426,724(Cidra案号No.CC-0554)的权利。

技术领域

本发明涉及一种用于测量在管内通过的流体流的设备，特别涉及一种利用声和/或动压力测量在具有悬浮在连续流体内的颗粒的流体流中传播的声速和/或涡流扰动以确定管中流体流的参数，诸如颗粒/流体比、颗粒尺寸和体积流量的设备和方法。

背景技术

本发明提供一种可用于许多应用中，诸如化学、制药、石油和发电工业中的测量在管中的流体/颗粒混合物的参数的方法。特别是，本发明提供一种用于发电工业中的大百分比烧煤锅炉中就地测量用于粉状燃料输送系统中的煤粉和空气混合物的方法。

当前，美国的50％以上的电是利用煤产生的。尽管在美国煤被认为是一种节省成本的丰富的资源，但煤的使用已经受到限制，这主要是由于考虑到环境因素。为了减轻这种影响，美国能源和发电工业部门已经设计大量的方案以发展减少燃煤对环境的影响的技术。这些洁净煤的倡仪包括用于发展燃烧方法中的改进以提高效率同时减少诸如未燃烧的碳、灰和氮氧化物(NOx)的污染物的技术。

测量煤管内的空气/煤混合物的流量和组分的能力是任何用于使PF输送系统的性能达到最佳的系统或者策略的一个重要的方面。该工业认识到这些，因此已经开发多种技术以进行这种测量。这些包括基于探头和采样装置以及基于多种包括静电荷、微波和超声波的技术的实时测量设备。

本发明概述

本发明的目的包括提供用于例如在烧煤锅炉系统和相关方法中测量通过管中的颗粒/流体混合物传播的声速以确定混合物的特定参数。

根据本发明，一种用于测量在管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数的设备包括设置在沿管的不同轴向位置处的至少两个压力传感器的空间阵列。每一个压力传感器在相应的轴向位置处测量管内的不稳定压力。每一个所述传感器提供表示在对应于其中一个所述传感器的所述轴向位置处的管内的不稳定压力的压力信号。信号处理器响应于所述压力信号提供表示在管中的混合物的至少一个参数的信号。

根据本发明，一种用于测量在管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数的方法包括在沿管的至少两个预定的轴向测量位置处测量管内的不稳定压力以提供表示在至少两个预定的轴向测量位置中的每一个处的管内的不稳定压力的压力信号。另外，所述方法包括利用在轴向测量位置处测量的不稳定压力计算管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数。

从下面对其实施例的详细描述中可以明显地看出本发明的上述和其他目的、特征和优点。

附图的简要说明

图1是本发明所涉及的用于测量在管内流动的流体/颗粒混合物的声速的流量计的框图。

图2是本发明所涉及的在烧煤锅炉系统内的粉状燃料(PF)/空气混合物参数测量系统的示意图。

图3是表示图2中所示的系统的典型的煤颗粒尺寸的放大照片。

图4是本发明所涉及的混合物的声速相对于空气/煤质量流量比中的频率的曲线图。

图5是本发明所涉及的作为空气/煤混合物的频率的一个函数的声速的实际数据和模型的曲线图。

图6是表示本发明所涉及的声速的标准偏差相对于PF/空气混合物参数测量系统的各种阵列的频率的曲线图。

图7是本发明所涉及的作为具有固定颗粒尺寸(50毫米)和变化的空气与燃料质量比的空气/煤混合物频率的一个函数的声速的曲线图。

图8是本发明所涉及的作为具有变化的颗粒尺寸其中空气与燃料质量比等于1.8的空气/煤混合物频率的一个函数的声速的曲线图。

图9是本发明所涉及的作为空气/煤比的一个函数的声速的曲线图。

图10是本发明所涉及的根据分析模型和试验确定的分散的声速数据确定空气与燃料比和颗粒尺寸的优化程序的流程图。

图11是施加到从检测在六英寸圆形管道中流动的一组传感器记录的数据的图10的优化程序的结果的曲线图，颗粒尺寸为50微米，空气流量为100ft/sec，空气与燃料比为1.8。

图12是施加到具有变化的空气与燃料比的一系列数据组的图10的优化程序的结果的曲线图。

图13是本发明所涉及的用于测量在管中流动的煤/空气混合物的声速的一组压力传感器所处理的数据的kω曲线图。

图14是本发明所涉及的用于测量在管内流动的流体/颗粒混合物的涡流场的流量计的框图。

图15是表示紊流管流速型面的管的横截面图。

图16是本发明所涉及的用于在测量在管中的涡流扰动的流量计的另一个实施例的侧视图。

图17是由图16的流量计的一对压力传感器测量的压力信号的曲线图。

图18是在图17中绘出的压力信号的交互相关的曲线图。

图19是说明对流脊的斜率的体现本发明的流量计所处理的数据的kω曲线图和本发明所涉及的对流脊的优化功能的曲线图。

图20是本发明所涉及的具有PVDF并且被夹在管的外表面的多个压力传感器的侧视图。

图21是图20中的一个压力传感器的局部透视图。

实现本发明的最佳模式

参见图1和图14，提供一种体现本发明的流量计10、70，流量计10、70用于测量悬浮在管或者导管14内流动的连续流体内的固体颗粒的混合物12的多个参数/特征，其中流体被定义为液体和/或气体。该流量计可被构造和编程以测量通过混合物传播的声速或者测量通过混合物传播的涡流扰动。在一些情况下，流量计10可被构造以测量声速和涡流扰动。根据构造或者实施例，流量计可测量混合物流12的下列参数中的至少一个：流体/颗粒浓度(体积相分数)、体积流量、固体颗粒的尺寸、混合物的质量流和混合物的速度。为了确定这些参数中的任何一个，流量计10、70测量由声速(SOS)产生的不稳定压力和/或通过在管14中流动的混合物传播的涡流扰动，下面将对其进行详细描述。

混合物12的固体颗粒可具有任何尺寸、形状和材料。例如，颗粒尺寸可是小的，如采用粉末状、粒状或者较大的尺寸。流量计10、70可用于任何通过管运载悬浮在流体中的固体颗粒的应用中，诸如用于化学、制药、石油和发电应用中。例如，本发明适用于测量利用煤粉点燃炉的发电系统(例如蒸气锅炉系统)的参数(例如空气/煤比、颗粒尺寸)。

作为一个示例，将在用于发电的粉状燃料(PF)输送系统的范围内讨论本发明，但应该理解的是，该流量计可用于多种其他的应用中，如上所述。图2中示出了在烧煤锅炉系统2中的示例性的PF输送系统1。煤在碾磨机3中被粉碎并且被夹带在由许多装置产生的空气中，诸如用于通过管12输送PF/空气混合物以输送到炉6。典型的炉可具有大于50个的煤管，每一个直径为12-20英寸。通常，大效用锅炉大于300Mw，可具有4-11个为炉给料的粉碎碾磨机。用于将适量的燃料和空气通过这些多个煤管共同和单独输送到炉的PF输送系统的能力对烧煤锅炉的性能和排放量具有很大的影响。

已知的是，在PF输送系统1可导致燃料与空气比的变化，产生热点、高NOx产生区域和未燃烧的燃料。PF输送系统1和锅炉系统2的性能之间的联系被充分认识。本发明所涉及的流量计10能够测量被提供到炉中的燃料与空气比和煤粉的颗粒尺寸，从而反馈给操作者以提供更有效的煤燃烧。

如上所述，本发明的流量计10、70可被构造和编程以测量和处理由通过混合物传播的声波和/或涡流扰动所产生的被检测的不稳定压力P1(t)-Pn(t)以确定混合物流12的参数。图1中所示的一种这样的流量计10检测通过混合物传播的单向声波的声速(SOS)以确定混合物的组分，即，混合物的液体/颗粒比。该流量计也可确定颗粒的平均尺寸、混合物的速度和混合物的体积流量。已知的是，声音在诸如SONAR或者RADAR场的这样场中以各种速度通过各种介质传播。可利用多种已知的技术确定在管14内的混合物的声速，诸如在于1999年6月25日提出的、名称为“Fluid Parameter Measurement in Pipes Using AcousticPressures”、申请号为09/344,094的美国专利申请以及于2001年11月7日提出的、名称为“Fluid Parameter Measurement in Pipes UsingAcoustic Pressures”、申请号为10/007,749的美国专利申请中披露的，这些专利申请在这里合并参考。本发明利用至少一个流量计10确定液体/颗粒混合物的各种参数，其中一个参数是声音在混合物管中的传播速度，如下面将详细描述的。

根据本发明，利用一组不稳定压力传感器主动检测流体流来测量通过混合物12传播的声速以确定单向压缩波通过被包含在管14内的液体/颗粒混合物传播的速度。

如图1中所示，流量计10具有位于轴向沿着管14的三个位置x1、x2、x3处的至少三个声压传感器15、16、17。应该理解的是，传感器阵列可包括由压力传感器18在位置xn所示的多于三个压力传感器。由声波产生的压力可通过管14中装有外部压力传感器15-18的孔或者下面描述的其他技术来测量。压力传感器15-18将在线20、21、22、23上的压力时间变化信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、Pn(t)提供给信号处理单元30，分别输送到已知的快速傅里叶变换(FFT)逻辑26、27、28、29。FFT逻辑26-29计算基于时间的输入信号P1(t)-Pn(t)的傅里叶变换并且提供在线32、33、34、35上的表示输入信号的频率内容的复频域(或基于频率的)信号P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)、Pn(ω)。代替FFT，用于获得信号P1(t)-Pn(t)的频域特征的其他任何技术可被使用。例如，可利用交叉频谱密度和功率频谱密度形成频域变换功能(或者频率相应或者比)，后面将对其进行描述。

频率信号P1(ω)-Pn(ω)被供给到用于将表示混合物声速amix(后面将对其进行描述)的信号提供到线40的amix-Mx计算逻辑部分38。amix信号被提供到映象(或方程式)逻辑42，映象(或方程式)逻辑42将amix转换为PF/空气混合物的百分比组分并且将表示其(后面将对其进行描述)的％Comp信号提供给线44。另外，如果Mach数Mx不能忽略并且是需要的情况下，计算逻辑40可将表示Mach(马赫)数Mx的信号Mx提供给线46。

特别是，对于均相混合物中的平面单向声波，已知在沿着管的一个位置x处的声压场P(x，t)，其中被测量的声波的波长λ比管12的直径d长(即，λ/d＞＞1)可作为右行波和左行波的叠加，如下被表示：

$P(x,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_{r}x}+B{e}^{+i{k}_{l}x})e^{\mathrm{iou}}$ 公式1

其中A、B分别是右行波和左行波的基于频率的复振幅，x是沿着管的压力测量位置，ω是频率(用rad/sec表示，其中ω＝2πf)，以及kr、kl分别是右行波和左行波的波数，它们被定义为：

$k_r\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1+M_x}\mathrm{and},k_l\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1-M_x}$ 公式2

其中amix是管中的混合物的声速，ω是频率(用rad/sec表示)，以及Mx是管内的混合物的流动的轴向Mach数，其中：

$M_x\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mix}}}$ 公式3

其中Vmix是混合物的轴向速度。对于非均相混合物，轴向Mach数表示混合物的平均速度并且低频声场描述基本保持不变。

来自于传感器阵列的数据在任何域中被处理，包括频率/空间域、时间/空间域、时间/波数域或者波数/频率(k-ω)域。同样，任何已知的阵列处理技术在这些或者其他相关的域中的任何一个中可被使用，如果需要的话。

另外，在信号处理单元30内的一些或者所有功能可在软件(利用微处理器或者计算机)和/或固件中被执行，或者可利用具有足以执行这里所述功能的存储器、界面和容量模拟和/或数字硬件来执行。

声压传感器15-18检测声压信号，所测量的声压信号是频率(或者)低于在现有技术中所超声波流量计所用的信号(或者波长较大)，这样，本发明更容许流体流中的不均匀性，诸如粘滞或者流体流内的其他时间和空间域的不均匀性，即使在嵌入或者煤“粘滞”是不可能的情况下，诸如遵循弯曲部分。术语“粘滞”是本领域技术人员已知的术语，表示在组分密度大不相同的混合物流中产生的严重的空间和时间分布不均。在煤流的大部分处于沿着管14的一侧流动的带中时是这样的情况。

另外，本发明包括管14的顺从性以确定管/PF/空气混合物系统内的有效声速。声压信号P1(t)-Pn(t)是由多种非间断的源，诸如远程机器、碾磨机、风扇4(图2)、阀、弯头，以及PF/空气混合物流自身在管14的PF/空气混合物内产生。作为最后一种源，在管14内流动的PF/空气混合物12是对于本发明具有独特优点的任何PF/空气混合管道系统保证最小声级的一般噪声源。流动产生的声随着平均流速和总的噪声级(声压级)增大是产生机构和阻尼机构的功能。同样，本发明无需外部不连续的噪声源，从而可利用主动检测来操作。尽管流量计10主动检测混合物流12，本发明试图增加声源以将所需的声波注入到带测量的流体流中，诸如通过压缩、振动和/或管分流，以列举几个示例。

对于某些类型的压力传感器，例如管应变传感器、加速计、速度传感器或者位移传感器，下面描述的，需要使管14具有一定量的管顺从性。

或者，为了使由管的顺从性导致的任何误差效应(以及相应的校准需要)达到最小，管14的沿着放置传感器15-18的轴向检测部分50被可尽可能地制造成刚性。为了达到所需的刚度，检测部分50的壁厚可具有预定的厚度，或者可利用刚性很好的材料制造检测部分50，例如，钢，钛，Kevlar^、陶瓷或者具有高的模数的其他材料。

如果关于PF/空气混合物管道系统的声性能的一定的信息是已知的，压力传感器间距可是已知的或者任意的并且需要少至2个传感器，这在本发明的保护范围内。压力传感器间隔足够大以使阵列(孔)的整个长度为被测量的声波的测量波长的至少大部分。如将详细描述的，被检测的声波波长是至少颗粒的尺寸和质量以及流体粘度的函数。颗粒的尺寸和质量越大和/或流体粘度越小，需要的传感器的间距越大。相反，颗粒的尺寸和质量越小和/或流体粘度越大，需要的传感器的间距越小。

如上所述，流量计10测量通过流体/颗粒混合物传播的单向声波的声速以确定混合物的组分。特别是，通过稀释的固体/空气混合物传播的声速可与流体流的大部分颗粒直接相关。典型的PF燃料输送系统1可以1.5至2.5的空气与煤质量比来操作。通常，PF燃料输送系统可以1.5至2.5的空气与煤质量比来操作，在标准大气环境下，煤密度为1200至1400千克/立方米，空气的密度为.2千克/立方米。这样，符合所需的质量比导致基于体积的煤的很稀的混合物，体积比为1比1000。

假设煤的颗粒足够小并且声频和与声音相关的扰动频率足够低以使固体颗粒具有可忽略的滑动(稳定和不稳定)，可假设声速不是分散的(频率恒定)并且混合物的体积相分数通过Wood等式来确定：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i=1$

包括由导管12引入的顺从性影响(在这种情况下，模数E、半径R和壁厚t的圆形管)

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{measured}}^2}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mix}}^2}+\mathrm{\σ}$ 其中 $\mathrm{\σ}\≡\frac{2R}{\mathrm{Et}}$

利用上述关系，在图4中所示的示例性煤/空气混合物的管道系统内的声速作为空气/煤质量比的一个函数。对于该示例，假设纯空气的密度为1.2千克/立方米，声速为365.9m/s，假设煤的密度为1400千克/立方米，声速为2439m/s。如图所示，增大煤的部分的效果，即降低空气/煤比，是减小声速。实际上，增加煤颗粒有效地增大混合物的质量，但不适于改变空气的可压缩性。在所关心的参数范围内，混合物声速和空气/煤比之间的关系最好

尽管基于从第一原理的预测的校准曲线相遇，但利用声速到空气/煤比绘制的经验数据可提高本发明的精度以测量混合物中的空气/煤的部分。

但是，已经发现煤粉/空气混合物的物理性能通常是这样的，即，始终具有速度滑动但频率很低(对于在空气中的50微米的煤颗粒，大约小于1-2赫兹)。

图5示出了作为实际煤/空气混合物12的频率的函数的所测量的声速。利用这里所述的本发明主动检测技术来测量声速。通过在50-300Hz的多个窄频率范围处应用Capon阵列处理算法确定声速的频率相关性，从而确定频率比声传播速度。在该特定的示例中，获得数据，其中煤/空气混合物以100ft/sec流动，并且空气与煤的质量比等于1.8。煤颗粒的尺寸为50微米，表示通常用于发电和其他工业应用中的煤粉。图3中示出了用于该测试的煤颗粒的放大图。

如图5中所示，声速随着频率的增大而增大并且朝向恒定值渐近。在较高频率下渐近的声速特别是不受悬浮的颗粒的影响的仅空气的声速。另外，明显看出，煤/空气的混合物的声速还未达到测量声速的最低频率的准稳定限度。声速在低频限度持续下降。本发明的一个重要发现是，通过悬浮在连续流体中的稀颗粒传播的声速被认为是分散的。如这里限定的，通过分散的混合物传播的声波速度随着频率改变。

当限定该阵列的孔的压力传感器15-18的阵列的总长度(Δx_aperature)与声波波长相比变小时，以逐渐降低的频率测量混合物12的声速自然变得不准确。通常，孔应该是所关心的声速波长的至少大部分。在一个特定的实施例中，声速数据被对于3英尺的总孔间距为12英寸四个传感器阵列记录。在50Hz，1000ft/sec的声波的波长为20ft。这样，该特定阵列(约36英寸)的孔仅横跨3/20ths的波长，精确地解决在这以下的声速的阵列能力明显受到削弱。本发明的一个重要的方面是，解决与阵列的孔的直接相关的低频下的声速的能力。如图6中所示的，与确定空气中的声速相关的标准偏差被示为变化孔的三个阵列的频率函数，即，1.5ft、3ft和10ft。

在超低频率下精确测量声速中给出的实际约束，数据建议利用准稳定模式解释在高于可使用准稳定模式的频率的频率下测定的声速之间的关系，并且空气与燃料比将有问题，并且实际上是不切实际的。因此，通过声速测量而理解和解释煤/空气混合物的成分的关键在于煤/空气混合物的分散特性。

根据本发明，系统的分散特性利用空气和颗粒之间的相互作用的第一原理模型。该模型被视为表示寻求说明分散效应的模型分类。其他模型可用于在不改变所披露的意图的情况下说明分散效应(例如，见RL.Gibson，Jr.And M.N.Toksoz的标题为“Viscous Attenuationof Acoustic Waves in Suspensions”的论文)，该论文在这里合并参考。模型允许在连续流体相的局部速度和颗粒的局部速度之间的滑动。由连续流体施加在颗粒上的阻力与局部流体速度和流体颗粒的局部速度之间的差成比例并且利用惯性力平衡：

$F_{\mathrm{drag}}=K(U_f-U_p)={\mathrm{\ρ}}_p{v}_p\frac{\∂U_p}{\∂t}$

其中K＝比例常数，Ur＝流体速度，Up＝颗粒速度，ρp＝颗粒密度以及Vp＝颗粒体积。

利用流体颗粒在连续流体相上的作用力的作用被模型化为在轴向动量方程式中的力项。对于区域A和长度Δx的控制体积的轴向动量方程式如下：

$P_x-P_{x+\mathrm{\Δx}}-K(U_f-U_p)\left\{\frac{{\mathrm{\φ}}_p\mathrm{\Δx}}{v_p}\right\}=\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_f{U}_f\mathrm{\Δx}\right)$

其中P＝在位置x和Δx处的压力，φp＝颗粒的体积分数，ρf＝流体密度。

颗粒阻力是由下列公式提供的：

$F_{\mathrm{drag}}=K(U_f-U_p)=C_d{A}_p\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_f{(U_f-U_p)}^2$

其中Cd＝阻力系数，Ap＝颗粒的前沿面积以及ρf＝流体密度。

利用在低Reynold’s数下在球上的阻力的Stokes法则给出阻力系数如下：

$C_d=\frac{24}{\mathrm{Re}}=\frac{24\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\ρ}}_f(U_f-U_p)D_p}$

其中Dp＝颗粒直径，并且μ＝流体粘度。

在该模型中对K求解，得到：

                     K＝3πμD_ρ

利用上述关系式和单向声音模型化技术，对于理想化的流体颗粒混合物的分散性能可导出下列关系式：

在上述关系式中，流体SOS、密度(ρ)和粘度(φ)是纯相流体的，Vp是单个颗粒的体积以及φp是混合物中的颗粒的体积相分数。

在煤粉测量中最关心的两个参数是颗粒尺寸和空气燃料质量比。为此，关注的是检验作为这两个参数的函数的混合物的分散特征。图7和图8示出了具有用于煤粉输送系统的典型参数的煤/空气混合物的分散性能。

特别是，图7示出了对于一定范围的空气燃料比的尺寸为50微米的煤的预测性能。如图所示，空气燃料比的效果在低频限度是明确的。但是，空气燃料比的效果在较高频率下变得不可分辨，在高频(100Hz以上)下达到纯空气的声速。

类似地，图8示出了空气燃料比为1.8并且具有变化的颗粒尺寸的煤/空气混合物的预测性能。该图示出了颗粒尺寸不会对低频限度(准稳定)声速或者声速的高频限度产生影响。但是，颗粒尺寸在过渡区域中具有明显的效果。

图7和图8示出了本发明的一个重要方面。即，悬浮在连续流体中颗粒的稀的混合物的分散性能广义上被分为三个频段：低频范围，高频范围和过渡频率范围。尽管颗粒尺寸和空气燃料比的作用是相互关联的，但空气燃料比的主要作用是确定被测量的声速的低频限度，颗粒尺寸的主要作用是确定过渡区域的频率范围。当颗粒尺寸增大时，表现分散性能的频率降低。对于常规的煤粉应用，对于50微米尺寸的颗粒，该过渡区域始于很低的频率，2Hz。

在低频段中，颗粒表现为可忽略的相对于流体的滑动。无滑动准稳定的接近是有效的频率范围是包括颗粒尺寸、连续相粘度、颗粒形状和颗粒密度的多个参数的函数。

准稳定声速由上述关系式的低频限度给出，其中AFR是空气/燃料比

注意的是，颗粒尺寸不影响声速的低频限度。参见图9，利用本发明的一个实施例测量声速，其中以20.5英寸的间距设有8个传感器，对于一定的空气与煤的质量比，频率平均在20-40Hz。还提出利用准稳定模型为煤/空气混合物预测的声速。如图所示，尽管一般腔室被捕捉，即，声速随着装载的煤增大而减小，但误差是很大的，基于准稳定模型说明第一原理是不适合的。

在高频限度中，分散关系预测声速朝向纯流体的声速渐近。

           α_mix(ω＝＝＞∞)＝α_fluid

令人感兴趣的是，高频限度不依赖于颗粒尺寸和空气与燃料比。

已知，测量足够低的频率以提供准稳定模型是困难的以及认识到高频声速不包含关于颗粒尺寸或空气与燃料比的直接信息，显然应该利用煤/空气混合物的分散性能基于声速测量确定颗粒尺寸和空气与燃料比。

如上所述，本发明的流量计10包括精确确定管14内的PF/空气混合物中的煤的平均颗粒尺寸和空气燃料比的能力。假设在空气和固体煤颗粒之间没有明显的滑动，通过多相混合物的单向声波的传播受到混合物的有效质量和有效可压缩性的影响。对于空气运输系统，应用无滑动假设的程度是颗粒尺寸和频率的强函数。在小颗粒和低频的限度中，无滑动假设是有效的。当颗粒尺寸增大并且声波频率增大时，无滑动假设变得基本无效。对于给定的平均煤颗粒尺寸，滑动随着频率而增大产生分散，换言之，混合物的声速随着频率改变。利用适合的校准，混合物的分散性能将提供平均颗粒尺寸的测量以及混合物的空气燃料比(颗粒/流体比)的测量。

利用能够形成下面所示的方程式的上述模型试验确定作为频率的函数的声速，本发明包括用于同时确定煤/空气混合物中的颗粒尺寸和AFR的优化程序：

参见图10，其中示出了本发明所涉及的优化程序，其中分析模型的自由参数被优化以使误差函数达到最小。为了便于说明，所用的误差函数是作为频率的一个函数的在分析模型和试验确定的声速之间的声速差的总和：

图11中示出了施加到从检测在六英寸圆形管道中流动的一组传感器记录的数据的图10的优化程序的结果，颗粒尺寸为50微米，空气流量为100ft/sec，空气与燃料比为1.8。其中示出了测量的和优化的模型预测声速。如图所示，模型很好地俘获过渡频率范围并且提供空气燃料比的良好评价。

图12中示出了施加在具有变化的空气燃料比的一系列数据组的优化程序。对于该优化程序应该注意的是，颗粒尺寸在数据组的范围内保持恒定。

除了利用所测量的声速测量混合物12的流体与颗粒的比和管14内的颗粒尺寸以外，流量计10还包括通过比较利用平均流和相对于平均流传播的单向声波的速度差来器量混合物的体积流量的能力。

确定在管14内的颗粒/流体混合物12的体积流量的方法依赖于平均流与声压场的相互作用。相互作用导致利用在声速(如果颗粒/流体混合物不流动)加对流速度移动的平均流传播的声波，相反，相对于以声速减去对流速度传播的平均流移动的声波。即，

              α_R＝α_mix+u

              α_L＝α_mix-u

其中a_R＝相对于固定参照物的右移动声波(即管14)的速度，a_L＝相对于固定参照物的左移动声波的速度，amix＝流体声速(如果流体不流动)和u＝平均流速度(假设在这种情况下是从左向右流动)。将这两个方程式组合得到关于平均流速的方程式，

$u=\frac{{\mathrm{\α}}_R-{\mathrm{\α}}_L}{2}$

因此，如上所述，通过在两个方向上相对于固定管测量声波的传播速度，可通过使平均流速乘以管14的横截面积计算传播速度。

根据以足够的精度分析在两个方向上的声速来判断利用该方法确定平均流的实施情况以确定体积流量。对于典型的液体测量，流速通常为10ft/sec，声速为4000ft/sec。这样，轴向mach数为0.0025的10/4000。对于流量的+/-10％的精度(+/-1ft/sec)，向上和向下传播波的声速需要被分解为+/-0.5/4000或者8000分之一。

但是，对于PF/空气混合物流，轴向流速在70ft/sec左右，未流声速700ft/sec。这产生0.1的mach数，约比常规液体流大两个数量级。对于粉状燃料流，为了将流量分解到10％的精度(或者+/-7ft/sec)，必须将声速分解到+/-3.5ft/sec或者3.5/700或者200分之一。

对于声速测量，流量计10使用与前面所用的类似的处理算法。在处理管14内传播的时间和空间频率内容通过分散关系相关。

$\mathrm{\ω}=\frac{k}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{mix}}}$

波数为k，被定义为k＝2π/λ，ω为时间频率用rad/sec表示，以及amix为在处理管内传播的声速。对于声音双向传播的情况，声源沿着两个声脊设置，一个对应于以amix+Vmix的速度流动传播的声，一个对应于相对于以amix-Vmix的速度流动传播的声。

图13示出了两个管的煤/空气混合物的声场所产生的k-ω曲线图。两个声脊是明显的。两个所示声脊的斜率的每一个分别限定具有平均流和相对于平均流移动的声速。

图1的声纳流量计10被构造和编程以测量和利用在管12中流动的颗粒/流体混合物12传播的声速以确定体积流量。参见图14，本发明所涉及的流量计70包括通过测量在混合物中传播的涡流扰动88所产生的不稳定压力来测量混合物的体积流量的能力。流量计70使用下列技术中的一种或者两种以确定在流体/颗粒混合物12内的涡流扰动的对流速度，即：

1)利用不稳定压力传感器阵列的交互相关不稳定压力变化。

2)利用不稳定压力传感器阵列的涡流扰动的对流脊的表征。

大部分工业处理流包括紊流。在处理流内的紊流波动控制实际关心的许多流动性能，包括压力降、热交换和混合。对于工程应用，通常仅考虑紊流的时间平均性能对于设计是足够的。对于声纳流量测量技术，理解紊流中的时间平均速度型面提供一种用于说明固有结构对流的速度和管内体积平均流量之间的关系的方法。

对于紊流，时间平均轴向速度随着径向位置而变化，从在壁处的零到在管中心线处的最大。靠近壁的流动的特征在于陡的速度梯度和过渡到靠近管的中心线流动的相对均匀的芯部。图15是表示在完全发展的紊流管流12中存在的速度型面和固有涡流结构88的示意图。涡流结构88在管14内被叠加到时间平均速度型面上并且包含在时间上和空间上随机的波动，幅度通常小于平均流速的10％。

从体积流量测量方面，关心的是体积平均流速。体积平均流速被定义为V＝Q/A，是有用的但任意限定的流动性能。这里，A是管的横截面积，Q是体积流量。实际上，已知在管内的速度型面，在该速度下实际移动的流很小。

紊流管是很复杂的流动。预测任何紊流的细节是一个自然界未解决的大问题。但是，关于流动的静态性能已经了解很多。例如，紊流管流包含自产生的固有涡流结构，通常被称为“紊流涡旋”。这些涡旋的最大长度是由管的直径设定的。这些结构保持几个管直径下游最后分解进入逐渐减小的涡旋中直至能量被黏附作用分解的固有性能。

试验研究已经表明在紊流边界层内产生的涡旋以最大流速的80％对流。对于管流，这意味着紊流涡旋将在管内以接近体积平均流速对流。紊流涡旋的对流速度和每一种流量计的流速之间的精密关系可以下面的方式以试验的形式校准。

图14的流量计10利用不稳定压力传感器阵列通过交互相关不稳定压力变化确定在流体/颗粒混合物内的涡流扰动的对流速度，这与在于2001年11月8日提出的、标题为“Flow Rate Measurement UsingUnsteady Pressures”、申请号为10/007,736的美国专利申请中所披露的类似，该申请在这里合并参考。

参见图14，流量计70包括沿着管12的检测部分22和信号处理单元74。管(或者导管)14具有位于沿管14的间距为ΔX的两个测量区域76、78。在第一测量区域76处，具有间距为X1的两个不稳定(或者动态或者ac)压力传感器80、82，压力传感器80、82能够测量管14中的不稳定压力，并且在第二测量区域78处，具有间距为X2的另外两个不稳定压力传感器84、86，压力传感器84、86能够测量管14中的不稳定压力。每一对压力传感器80、82和84、86用作空间滤波器以从不稳定压力信号中去除某些声信号，并且距离X1和X2是由每一个空间滤波器所所需滤波性能确定的，如下面描述的。

本发明的流量计70测量与不稳定流动场和/或与紊流涡旋(或者涡流场)、流中的杂质(诸如气泡、渣等)或者其他任何流的性能、流体或者压力相关的压力扰动88相关的速度，具有被证明至少部分是不稳定压力形式的时间变化或者随机性能。利用多种诸如远程机器、泵、阀、弯头的非间断源以及流体流本身在管14的流体内产生涡流场。作为最后一种源，在管内流动的流体是对于本发明具有独特优点的任何流体管道系统保证最小扰动的主要由流体和管壁之间的剪切力形成的一般涡流场源。流动产生的涡流场通常随着平均流速增大并且在任何预定的频率下不会出现。同样，本发明无需外部不连续的涡旋产生源，从而可利用主动检测来操作。如果关于系统的声性能的一定的信息是已知的，压力传感器间距可是已知的或者任意的并且需要尽可能少的传感器，这在本发明的保护范围内，后面将对其进行详细描述。

涡流场88通常包括在长度范围内具有宽度变化的压力扰动，并且具有诸如在参考文献“Sound and Sources of Sound”，A.P.Dowling等，Halsted Press，1983中描述的多种固有长度范围，该文献在这里合并参考以理解本发明。这些涡流场88的一些以和/或接近或者与在管中流动的混合物内的至少一种组分的平均速度相关的速度对流。包含关于对流速度信息的涡流压力扰动15具有不同于流中的其他扰动的时间和空间的长度范围以及固有的长度范围。本发明利用这些性能优选地选择所需的轴向长度范围和固有长度范围的扰动，后面将对其进行详细描述。为了便于说明，这里所用的术语涡流场和涡流压力场用于描述具有这里所述的时间和空间的长度范围以及固有的长度范围的上述不稳定压力场组。

压力P1、P2、P3、P4可通过与外部压力源端口连接或者利用这里所述的其他技术连接的管14中的孔被测量。压力传感器80、82、84、86分别在线90-93上提供基于时间的压力信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)，提供到信号处理单元74，信号处理单元74在线96上提供与在管14中流动的流体的平均流量Uf(t)相关的对流速度信号Uc(t)。

另外，在信号处理单元74内的一些或者所有功能可在软件(利用微处理器或者计算机)和/或固件中被执行，或者可利用具有足以执行这里所述功能的存储器、界面和容量模拟和/或数字硬件来执行。

特别是，在处理单元74中，线90上的压力信号P1(t)被提供到加法器100的正输入，线91上的压力信号P2(t)被提供到加法器100的负输入。加法器100的输出被提供到线104以表示两个压力信号P1和P2之间的差(例如，P1-P2＝Pns1)。

压力传感器80、82与加法器100一起形成空间滤波器76。线104被供给到带通滤波器108，带通滤波器108通过预定频率通带和在通带外的衰减频率。根据本发明，滤波器108的通带被设定为滤出(或者衰减)dc部分和输入信号的高频部分以及使它们之间的频率通过。其他的通带在其他实施例中可被使用，如果需要的话。通带滤波器108将在线112上的滤波信号Pzsf1提供到交互相关逻辑116，下面将描述的。

线92上的压力信号P3(t)被提供到加法器102的正输入，线93上的压力信号P4(t)被提供到加法器102的负输入。压力传感器83、84与加法器102一起形成空间滤波器78。加法器102的输出被提供到线106以表示两个压力信号P3和P4之间的差(例如，P3-P4＝Pns2)。线106被供给到带通滤波器110，与上述带通滤波器108类似，带通滤波器110通过在通带内的频率和衰减在通带外频率。通带滤波器110将在线114上的滤波信号Pzsf2提供到交互相关逻辑116。如果需要的话，加法器110和112上信号可被交换，如果两个加法器的信号被一起交换。另外，压力信号P1、P2、P3、P4在被提供给加法器100和102之前可被放大。

交互相关逻辑116计算分别在线112、114上的Pzsf1、Pzsf2之间的已知时间域并且提供在线118上的表示涡流场88(或者涡旋、随机或者涡流结构、场、扰动或者流内的波动)从一个检测区域76传播到另一个检测区域78所需要的时间的时间延迟τ。如已知的，这样的涡流扰动是可出现在预定距离(或者固有长度)上的延迟(延迟预定量)和以或者接近流体流的平均速度对流的流中的固有动态。如上所述，涡流场88还具有与其相关的涡流压力扰动。一般地，涡流扰动88在整个流上被分布，特别在高剪切区域，诸如边界层(例如沿着管14的内壁)并且如这里所示的作为间断的涡流场88。由于涡流场(和相关的压力扰动)以或者接近流体流的平均速度对流，传播时间延迟τ通过检测区域76、78之间的距离ΔX与流速相关，如下面描述的。

尽管与涡流场88相关的压力扰动自然出现在最大流动状态下，但可选择的周向沟槽(未示出)可用于管14的内径中以有助于在流中产生以涡旋形式的不稳定的流动场。但是，本发明的操作无需沟槽，这是因为沿着管内壁自然出现涡旋，如上面所述的。代替一个周向沟槽，可使用多个轴向间隔的周向沟槽。沟槽70的尺寸和几何形状可基于所需的流态和其他因素设定。其他技术可用作涡流发生器，如果需要的话，包括可伸入到管14内径内的那些。

参见图14，利用除法器122使得表示检测区域76、78之间的距离ΔX的线120上的间隔信号ΔX被线18上的时间延迟信号τ所除以提供在线96上的表示在管14中流动的流体的对流速度Uc(t)的输出信号，这与流体的平均流速Uf(t)相关(或者成比例或者近似)，定义如下：

              U_c(t)＝ΔX/τ∝U_f(t)    公式1

对流速度Uc(t)接着被校准以精确地确定平均流速Uf(t)，如果需要的话。这样校准的结果可需要使对流速度Uc(t)的数值乘以校准常数(放大)和/或加上校准偏差以能够以所需的精度获得平均流速U_f(t)。如果需要的话，可使用其他校准。对于一些情况，无需这样的校准即可符合所需的精度。速度U_f(t)、Uc(t)可通过使速度乘以管的横截面积而被转换成体积流量。

参见图16-18，如已知的，了使用交互相关确定被分离已知距离ΔX的两个信号y1(t)和y2(t)之间的时间延迟τ，表示与流对流的量80(例如密度摄动、浓度摄动、温度摄动、涡流压力摄动和其他量)。在图16中，信号y2(t)滞后信号y1(t)0.15秒。如果时间域交互相关被取在两个信号y1(t)和y2(t)之间，那么结果是如图1中所示的曲线124。曲线124的最高峰值126表明在两个信号y1(t)和y2(t)之间的时间滞后τ最佳拟合为0.15秒，与图17中所示的参考时间延迟相符。

参见图14，如上所述，由于与涡流场88内相关的压力扰动以或者接近管14中流动的流体流的平均速度对流(或者流动)，在下游位置处发观察的涡流压力扰动基本上是在上游位置观察的涡流压力扰动的时间滞后形式。但是，在管中的总的涡流压力摄动或者扰动可被表示为包括涡流压力扰动(Pvortical)、声压扰动(Pacoustic)和其他类型的压力扰动(Pother)，如下所示的是在任何时刻处的相对于沿着管的轴向位置的表达式：

   P(x，t)＝P_vortical(x，t)+P_acoustic(x，t)P_other(x，t)    公式2

因此，不稳定压力扰动Pvortical可被声压扰动Pacoustic和其他类型的压力扰动Pother表示。特别是，当存在在流体中以声速在上游和下游传播的声压扰动时，可阻止利用直接涡流压力测量的交互相关对速度进行直接测量。

本发明使用时间和空间滤波器以预先处理压力信号以在两个测量区域76、78处有效地滤出声压扰动Pacoustic和在管14中的其他长波长(与传感器间隔相比)压力扰动并且保留与涡流场88相关的涡流压力扰动Pvortical和任何其他的短波长(与传感器间隔相比)低频压力扰动Pother。根据本发明，如果低频压力扰动Pother小，它们将基本上不削弱Pvortical的测量精度。

来自于两个区域76、78的Pvortical主要信号接着被交互相关以确定两个测量区域76、78之间的时间延迟τ。特别是，在检测区域72，在两个压力传感器80、82之间的差产生空间滤波器76，空间滤波器76有效地滤出(衰减)与传感器之间的间隔X1相比较长(例如10比1)的沿着流体传播的声波的波长λ的声扰动。其他波长与传感器间隔的比也可被用于表征滤波，只要波长与传感器间隔的比足以满足2比1的空间混叠Nyquist标准即可。

这样，如果压力传感器P1、P2具有轴向间隔X1并且假设空间滤波器76将衰减长于传感器间隔X1十倍的声波波长，倍衰减的最小的声波波长λmin为：

            λ_min＝10(X₁)        公式3

利用下列已知的逆波长-频率关系也可控制单向声扰动：

            λ＝a/f或f＝a/λ     公式4

其中a是流体的声速，f是声扰动的频率，λ是声扰动的波长。

利用公式4，这样的空间滤波器可滤出下列频率：

            f_max＝a/λ_min       公式5

上述对空间滤波器76的描述也适用于第二滤波器78，第二滤波器78包括轴向间隔距离为X2的另一对压力传感器P3、P4，它们提供差动涡流压力信号Pas2。

确定在流体/颗粒混合物内的涡流扰动的对流速度的第二技术的特征在于，利用不稳定压力传感器阵列的涡流扰动的对流脊，如将描述的。

声纳流动测量方法使用固有结构与湍流管流的对流速度以确定体积流量。这些涡旋88的对流速度通过使用声纳阵列处理技术以确定涡旋对流经过沿着管14布置的不稳定压力测量装置阵列时的速度来确定。

基于声纳的算法通过表征流场的时间和空间频率特征来确定涡旋的速度。对于对流经过传感器的固定阵列的固有涡旋组，压力波动的时间和空间频率内容通过下列关系式相关：

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

其中k是波数，被定义为k＝2π/λ并且具有1/长度的单位，ω是时间频率用rad/sec表示，Uconvect是对流速度。这样，波长越短(k越大)，时间频率越高。

在声纳阵列处理中，时间固定声场的空间/时间频率内容通常利用“k-ω”曲线图表示。k-ω曲线图实质上是三维功率谱，其中声场的功率被分解成对应于特定空间波数和时间频率的双态。在k-ω曲线图上，关于与流对流的压力场的功率分布在满足上述分散关系的区域中。该区域被称为“对流脊”(Beranek，1992)并且该脊在k-ω曲线图上的斜率表示压力场的对流速度。这表明了湍流涡旋的对流速度，以及管内的流量可通过根据传感器的定相阵列的输出构成k-ω曲线图并且识别对流脊的斜率来确定。

图19示出了根据传感器的定相阵列产生的k-ω曲线图的示例。功率轮廓示出了明显的对流脊。利用参数优化方法确定表示对流脊100的斜率的“最佳”线。为此，确定14.2ft/sec的斜率。优化程序的中间结果显示在插件上，表明优化值是独特的并且明显优选的。

图19中所示的k-ω曲线图示出了在基于声纳的流动测量后的基本原理，即，压力传感器的轴向阵列可与声纳处理技术结合使用以确定自然出现的湍流涡旋在管内对流时的速度。

这里所述的压力传感器15-18可是任何类型的压力传感器，能够测量在管14内的不稳定(或者ac或者动态)压力，诸如压电的、光学的、电容的、电阻的(例如，Wheatstone桥)、加速计(或者地震检波器)、速度测量装置、位移测量装置等。如果使用光学压力传感器，传感器15-18可是基于Bragg光栅的压力传感器，诸如在1997年9月8日提出的、名称为“High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor For Use InHarsh Environments”、申请号为08/925,598的美国专利申请，现在为美国专利US 6,016,702中所披露的。或者，传感器14可是与管的外壁或者内壁相连或者埋在其中的电学或者光学应变计，用于测量管壁应变，包括传声器、水听器或者其他任何能够检测管14内的不稳定压力的传感器。在本发明的一个实施例中，使用光纤作为压力传感器14，它们可单独相连或者利用波长分割多路转换(WDM)、分时多路转换(TDM)或者其他任何光学多路传输技术沿着一个或者多个光纤被多路传输。

对于这里所披露的任何一个实施例，特别包括上述的电应变计、光纤和/或光栅的压力传感器可通过粘接剂、胶、环氧树脂、带或者其他适合的粘附装置被粘附到管上以保证在传感器和管14之间的适合接触。或者，传感器可通过已知的机械技术(诸如机械紧固件、弹簧加载的、夹持的、蛤壳布置、绑扎或者其他等同布置形式)以能够拆卸的方式或者永久地被连接。或者，包括光纤和/或光栅的应变计可被埋在复合管中。如果需要的话，对于某些应用，光栅可与管14分离(或者张紧或者隔声地)。

其他任何应变检测技术可用于检测管中的应变变化，诸如与管相连的或者埋在其中的高灵敏压电、电子或者电应变计，这些都在本发明的保护范围内。

在本发明的某些实施例中，压电压力传感器可用作一个或者多个压力传感器15-18，并且它可通过测量管内的压力水平来测量管14内的不稳定(或者动态或者ac)压力变化。在本发明的一个实施例中，传感器14包括由PCB压电材料制成的压力传感器。在一个压力传感器中，具有特征在于内置微电子放大器并且将高阻抗电荷转变成低阻抗电压输出的集成电路压电电压模式类型的传感器。特别是，使用由PCB压电材料制成的Model 106B，它是适用于在液压和气动系统中测量低压声现象的高灵敏、加速补偿集成电路压电石英压力传感器。它具有能够在高静态环境下测量小于0.001psi的小压力载荷的独特性能。106B具有300m/psi灵敏度和91dB(0.0001psi)的分离度。

压力传感器包括内置MOSFET微电子放大器以将高阻抗电荷输出转变成低阻抗电压信号。传感器由恒定电流源供电并且可在没有信号衰减的长的同轴电缆或者带状电缆上工作。低阻抗电压信号不受摩擦电电缆缆干扰或者绝缘电阻劣化污染的影响。操作集成电路压电传感器的功率通常采用低成本的、24至27VDC、2至20mA的恒定电流供给源的形式。本发明的数据获得系统可包括用于直接为集成电路压电传感器供电的恒定电流源。

大多数压电压力传感器带有预加载在刚性壳体中的压缩描述石英晶体或者无约束的电气石晶体。这些设计为传感器提供微秒的响应时间和数百kHz的共振频率，具有最小的超调或者振铃。小膜片直径确保窄的振动波的空间分离度。

压电压力传感器系统的输出特性是，AC耦合系统的输出特性，其中重复的信号延迟直至在原始基线的上方和下方具有相等的区域。作为被监测的平均波动的振幅大小，输出在基线周围保持稳定并且曲线的正和负区域保持相等。

另外，本发明认为，流量计10、70的压力传感器15-18的每一个可能包括提供压电材料110以测量流体/颗粒混合物12的不稳定压力的压电传感器104-107，如图20中所示。压电材料，诸如聚合物、极化含氟聚合物、聚偏氟乙稀(PVDF)测量由于处理混合物12内的不稳定压力而产生在处理管14内的应变。利用附带的压电传感器104-107使得在管内的应变被转变为输出电压或者电流。

如图21中最佳示出的，PVDF材料110被粘附在围绕管14的外表面延伸并且夹在外表面上的钢带112的外表面上。压电检测元件通常是保角的以完成或者接近完成对所产生的应变的周围测量。传感器可由PVDF薄膜、共聚物薄膜或者挠性PZT传感器形成，与由Measurement Specialties，Inc.提供的“Piezo Film Sensors Technical Manual”中描述的类似，该文献在这里合并参考。该技术的优点如下：

1.非侵入流速测量

2.低成本

3.测量技术无需激励源。周围流动噪声用作源。

4.挠性压电传感器可以多种构造被安装以增强信号检测方案。这些构造包括：a)设置在同一位置的传感器，b)具有相反极性布置的分段传感器，c)用于增强声信号检测并且使得涡流噪声检测达到最小的宽传感器，d)减小对管模式的敏感性的专门传感器，e)从涡流信号中消除噪声的传感器差分。

5.较高的温度(140℃)(共聚物)

尽管本发明可以测量悬浮在流体中的固体颗粒，但应当理解通过使用传感器的阵列可测量其它多相的混合物和流体流，例如蒸气流。另外应当理解，在流体中大的固体颗粒的分散类似于在气体或空气中的液体的大液滴的分散，并且由此当测量蒸气质量和液滴尺寸时考虑的因素是相似的。

应当理解，特定的实施例所述的任何的特征、特点、替代形式或变型可应用于其它任何适当的实施例。

尽管本发明参照优选实施例进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当理解可在本发明的精神和范围内进行其它改变和变型。

Claims (28)

1.一种用于测量在管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数的设备包括：

设置在沿管的不同轴向位置处的至少两个压力传感器的空间阵列，每一个压力传感器在相应的轴向位置处测量管内的不稳定压力，每一个所述传感器提供表示在对应于其中一个所述传感器的所述轴向位置处的管内的不稳定压力的压力信号；以及

信号处理器，所述信号处理器响应于所述压力信号提供表示在管中的混合物的至少一个参数的信号。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，每一个传感器测量声压并且提供表示在管内的噪声的信号。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述信号处理器响应于所述压力信号提供表示通过管中的混合物传播的声速的信号。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括计算沿着所述空间阵列传播声音的声速的逻辑。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括计算对于每一个所述声压信号的基于频率的信号的逻辑。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，每一个所述声压信号包括基于频率的信号并且所述信号处理器包括计算两个所述基于频率的信号的比。

7.如权利要求1所述的设备包括至少三个所述传感器。

8.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括计算在管中的混合物的流体组分的逻辑。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个所述压力传感器在所述传感器的所述轴向位置处测量周向平均压力。

10.如权利要求9所述的设备，其特征在于，至少一个所述压力传感器包括压电片材。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压电片材是极化的含氟聚合物，聚偏氟乙稀(PVDF)。

12.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个所述压力传感器测量管上的应变。

13.如权利要求3所述的设备，其特征在于，利用分散模型确定基于频率的声速以确定混合物的至少一个参数。

14.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述声传感器的阵列充分间隔开以使阵列的整个长度是被测量的声波的测量波长的至少大部分。

15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个传感器提供用于测量沿着管在第一轴向位置处的涡流压力场并且提供表示所述涡流压力场的第一压力信号的第一滤波器；以及

至少第二传感器提供用于测量沿着管在第二轴向位置处的涡流压力场并且提供表示所述涡流压力场的第二压力信号的第二滤波器。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述信号处理器响应于所述第一和第二压力信号提供表示在管中移动的所述涡流压力场的速度的速度信号。

17.如权利要求16所述的设备，其特征在于，所述速度信号与所述流体在管中的移动速度相关。

18.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述第一和第二滤波器滤出与声压场相关的波长并且使与所述涡流压力场相关的波长通过。

19.如权利要求18所述的设备，其特征在于，所述第一滤波器包括第一空间滤波器；以及所述第二滤波器包括第二空间滤波器。

20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：

所述第一空间滤波器包括以相互分离预定第一距离设置的至少第一和第二不稳定压力传感器；以及

所述第二空间滤波器包括以相互分离预定第二距离设置的至少第三和第四不稳定压力传感器。

21.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括计算在所述第一和所述第二不均匀压力信号并且提供表示所述涡流压力场从所述第一位置移动到第二位置所用的时间的时间延迟信号的逻辑。

22.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括响应于所述时间延迟信号提供表示所述涡流压力场在所述管中移动的速度的不均匀速度信号的逻辑。

23.如权利要求21所述的设备，其特征在于，所述信号处理器包括响应于所述时间延迟信号提供表示在所述管中移动的所述流体的速度的所述速度信号。

24.一种用于测量在管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数的方法包括：

在沿管的至少两个预定的轴向测量位置处测量管内的不稳定压力以提供表示在至少两个预定的轴向测量位置中的每一个处的管内的不稳定压力的压力信号；以及

利用在轴向测量位置处测量的不稳定压力计算管中的颗粒/流体混合物的至少一个参数。

25.如权利要求24所述的方法，其特征在于，被测量的不稳定压力是声压以提供表示管内的噪声的信号。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一个参数利用声压计算在管中传播的声速。

27.如权利要求24所述的方法，其特征在于，测量不稳定压力包括：

在沿着管的第一位置处测量涡流压力场并且提供表示所述涡流压力场的第一涡流压力信号；以及

在沿着管的第二位置处测量涡流压力场并且提供表示所述涡流压力场的第二涡流压力信号，所述第一和所述第二位置以一定轴向距离分离。

28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，计算至少一个参数使用第一和第二涡流压力信号以计算管中的混合物的速度。

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