CN1656360A - 用于测量流动的流体和/或多相混合物的参数的探头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探头10、170，其利用例如声学和/或动力学压力测量在单相流体流和/或多相混合物中传播的声音速度和/或旋涡扰动来确定管中或敞开空间中流体的参数，例如混合物质量、颗粒尺寸、汽体/质量比例、液体/汽体比例、质量流速、焓和体积流速。该探头包括放置在沿管14在轴向上分布的预定轴向位置x₁－x_N处的不稳定压力传感器15－18，该压力传感器用于测量在管14中流动的饱和汽体/液体混合物12例如蒸汽的至少一个参数。压力传感器15－18给信号处理单元30提供声压信号P₁ (t)－P_N (t)，该信号处理单元30利用声学空间阵列信号处理技术确定通过饱和汽体/液体混合物12在管14中传播的声速a_mix。利用扩散模型确定基于频率的声速来测定感兴趣的参数。

Description

用于测量流动的流体和/或多相混合物的参数的探头

参考的相关专利申请

该申请要求2002年4月10日提交的美国临时申请No.60/371,606(CidraDocket No.CC-0466)、2002年11月20日提交的美国临时申请No.60/427,964(Cidra Docket No.CC-0515)和2003年2月28日提交的美国临时申请No.60/451,375(Cidra Docket No.CC-0598)的优先权，并且它是2003年2月26日提出的美国专利申请号No.10/376,427(Cidra Docket No.CC-0596)的部分继续申请，该申请No.10/376,427要求2002年2月26日提交的美国临时申请No.60/359,785(Cidra Docket No.CC-0403)的优先权；并且它是2003年1月23日提交的美国专利申请号No.10/349,716(Cidra Docket No.CC-0579)的部分继续申请，申请No.10/349,716要求2002年1月23日提交的美国临时申请No.60/351,232(Cidra Docket No.CC-0410)、2002年2月26日提交的美国临时申请No.60/359,785(Cidra Docket No.CC-0403)、2002年4月24日提交的美国临时申请No.60/375,847(Cidra Docket No.CC-0468)、2002年11月12日提交的美国临时申请No.60/425,436(Cidra Docket No.CC-0538)、2002年11月15日提交的美国临时申请No.60/426,724(Cidra Docket No.CC-0554)的优先权，这些全部在此引入作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于测量单相和/或多相流参数的装置，更特别地涉及一种用于例如使用声学和/或动力学压力测量在单相流体流和/或多相混合物中传播的声速和/或旋涡扰动速度来确定在管或非限定空间中流体的参数例如混合物质量、颗粒尺寸、汽体/质量比、液体/汽体比、质量流速、焓和体积流速。

背景技术

在LPT涡轮机的排气装置中，蒸汽的质量对涡轮机的效率产生重大影响。如果该蒸汽太干，则在它击打冷凝器之前有过多的能量剩余在汽体中。如果蒸汽太湿，过多的液体颗粒会损坏涡轮机并使空气动力退化。典型地，从LPT涡轮机中排出的蒸汽标称约90％质量，或湿度10％。有利地，提供一个探头使能够对LPT涡轮机的蒸汽质量进行测量。

本发明提供一种应用于具有多种工作流体的工业系统中的用于测量饱和汽体/液体混合物的装置和方法。

注意一旦确定了饱和混合物的质量和压力(或温度)，假定已知液体和汽体的饱和度的特性，混合物的热动态特性可以通过混合定律限定。例如，测量声速能够确定质量，通过该质量又能够计算出焓、密度和混合物的其他特性。除了测量比焓，一般也需要测量总质量来确定焓通量。

通过获知或确定包括饱和汽体/液体流体的工作流体的不同参数提供过程反馈来改进过程的质量控制或探测问题或检测处理系统是否需要保养。汽体/液体流体的一个参数为汽体质量(例如：蒸汽质量)和混合物的“湿度”。饱和汽体/液体混合物中的汽体质量定义为气相质量与混合物总质量的比例。相反，饱和汽体/液体混合物的“湿度”定义为液相的质量与混合物总质量的比例。

饱和混合物在液相和气相共存的温度和压力条件下存在。液相和气相共存的温度和压力处在物相图上“气泡”(也就是：饱和线)之下。水的典型物相图在图1中表示。称为饱和液线的点集和称为饱和气线的点集定义气泡。这两条线在称为临界点处相交。饱和混合物仅存在于气泡下。对于气泡外的压力和温度，流体以单相存在并且流体的特性例如密度、焓、内能等唯一地由压力和温度确定。对于普通流体例如水，这些特性列表为压力和温度的函数并且可以通过包括NIST主持的站点在内的许多参考文献得到(参见：http：//webbook.nist.gov/chemistry/fluid/)。

对于处于气泡内压力和温度条件下的流体，该流体代表液相和气相的混合物。尽管气相和液相的特性都是明确的(并且对于已知物质列表)，混合物的特性不再唯一定义为压力和温度的函数。为了定义饱和混合物的平均特性，必须定义混合物的汽体和液体成分的比例。除了压力和温度，混合物的质量被定义并且用于唯一确定混合物的特性。

混合物的平均特性的测量在工业应用中很重要，因为正是工作流体的质量平均特性成为直接监测的许多过程的热动态特性。例如，就是流进涡轮机和流出涡轮机的蒸汽混合物的焓通量差确定了可以从工作流体中获取的最大机械能，因此这对确定组件效率很重要。然而，如果进入或排出涡轮的蒸汽是饱和的，压力和温度测量将不足以确定比焓，，而是需要测量蒸汽质量来唯一确定饱和蒸汽混合物的热动态特性。注意，如果已知液体和汽体的饱和度的特性，一旦确定了饱和混合物的质量和压力(温度)，则混合物的热动态特性可以通过混合定律确定。

本发明提供测量声速的装置来测量质量，通过该质量又可以计算焓、密度以及混合物的其他特性。除了测量比焓、一般也需要测量总质量来确定焓的通量。

在许多其他情形获知饱和物的质量是有利的。例如在蒸汽发电厂中，蒸汽在蒸汽轮机内的质量影响叶片寿命。一般地，理想的运行是在整个涡轮机中的质量尽可能高以将腐蚀金属叶片的液滴最小化。已知涡轮入口和出口(或如果入口过热，则仅在出口)处的质量提供监测整个涡轮机的质量的手段。此外，为了监测电厂性能使得可以在最优状态运行并且识别退化影响，必须已知蒸汽轮机热性能。这需要在每个涡轮入口和出口的流体焓为已知。如果在一处或两处的流体是饱和的，仅有压力和温度测量不足以确定焓。然而，如果进行一个附加的质量测量于是能够确定焓。此外，在制冷循环中可以有其他应用。

测量管道中饱和汽体/液体混合物的流速和成分的能力是任何系统或策略设计为优化基于饱和汽体/液体混合物的系统的性能的一个重要方面。工业上认识到这一点，并且已经发展了许多技术以进行这些测量。这些包括基于探头的装置、采样装置、文丘里管和超声装置。

发明概要

本发明的目的包括例如使用声学和/或动力学压力提供用于测量在单相流体流和/或多相混合物中传播的声速和/或旋涡扰动来确定在限定的(例如，管、管道)或非限定的空间中的流体的参数。根据本发明，用于测量流经一个轴向孔的流体流和/或混合物的至少一个参数的探头包括至少两个压力传感器的空间阵列，这些压力传感器沿轴向孔设置在不同轴向位置。每个压力传感器在孔中相应轴向位置测量不稳定压力。每个传感器提供一个表示相应所述传感器在孔中所述轴向位置处不稳定压力的压力信号。响应所述压力信号的信号处理器提供一个表示流经轴向孔的流体流和/或混合物的至少一个参数的信号。

根据本发明，用于测量通过流经轴向孔的流体流和/或混合物传播的声速的探头包括在孔中产生声音和共振状态的声源。压力传感器产生表示孔中共振状态的压力信号。响应所述压力信号的信号处理器提供表示通过流经轴向孔的流体流和/或混合物传播的声速的信号。

通过以下对本发明实施例的具体描述，本发明的前述目的和其他目的、特点和优点将变得更加直观。

附图简介

图1为水的典型物相图。

图2为根据本发明的探头示意图。

图3为根据本发明的探头透视图。

图4a为体现本发明的安装在根据本发明具有圆形横截面的管内的探头的透视图。

图4b为体现本发明的安装在根据本发明具有矩形横截面的管内的探头的透视图。

图5为根据本发明的多个探头的横截面图，这些探头设置在管中用于获取流经管的流体的流动类型的特征。

图6为具有根据本发明的多个探头的蒸汽涡轮的侧视图，这些探头设置在涡轮机的不同段以及每一段的不同深度。

图7为根据本发明的探头的横截面图。

图8为管和根据本发明蒸汽探头的压力传感器的侧视图。

图9为根据本发明的压电薄膜传感器的横截面图。

图10为根据本发明的压电薄膜传感器的顶部平面图。

图11为根据本发明具有PVDF夹到管外表面的多个压力传感器的侧视图。

图12为根据本发明的具有端口压力传感器的探头的另一个实施例的侧视图。

图13-16为根据本发明的图12中探头的另一实施例的主体图。

图17-19为根据本发明的图12-22的探头的端盖图。

图20-22为来自在风道中测试的图12探头的数据k-ω图。

图23为根据本发明的用于测量通过管中流动的饱和汽体/液体混合物传播的声速的探头的方框图。

图24为展示根据本发明对于不同饱和汽体/液体混合物参数测量系统声速对频率的标准偏差的图。

图25为根据本发明对于具有固定小液滴尺寸(50mm)和不同汽体-液体质量比的汽体/液体混合物作为频率函数的声速图。

图26为根据本发明对于具有不同颗粒尺寸的汽体/液体混合物作为频率函数的声速图，其中汽体-液体质量比等于1.8。

图27为根据本发明对于具有不同颗粒尺寸的汽体/液体混合物作为频率函数的声速图。

图28为根据本发明用于从分析模型和实验确定的扩散声速数据中确定汽体-液体比例和液滴尺寸的优化过程的流程图。

图29为根据本发明通过具有不同温度和压力的饱和汽体/液体混合物传播的声速对混合物质量的图。

图30为根据本发明对于具有不同温度和压力汽体/液体混合物体积气相分数对混合物质量的图。

图31为根据本发明对于具有不同温度和压力汽体/液体混合物焓/体积对通过混合物传播的声速的图。

图32为根据本发明对于具有不同温度和压力汽体/液体混合物焓/体积对混合物质量的图。

图33为根据本发明从一列压力传感器得到的kω数据图，这些压力传感器用来测量通过在管中流动的饱和汽体/液体混合物传输的声速。

图34为根据本发明用于测量在管中流动的饱和汽体/液体混合物的旋涡场的探头的方框图。

图35为展示湍流管流速分布的管的横截面图。

图36为根据本发明用于测量管中旋涡扰动的探头的另一实施例的侧视图。

图37为由图36探头的一对压力传感器测得的压力信号的图。

图38为图37所示的压力信号的相关图。

图39为根据本发明从体现本发明的探头得到的数据表示对流背脊斜率的kω图和对流背脊的最优函数的图。

图40为体现本发明的探头另一实施例的示意图。

图41为根据本发明对于具有6英寸直径的谐振腔共振频率对轴向马赫数的图。

图42为根据本发明对于具有12英寸直径的谐振腔共振频率对轴向马赫数的图。

图43为根据本发明探头声速谐振腔部分横截面侧视图。

图44为根据本发明代表蒸汽颗粒的声学模型的图。

图45为包括根据本发明的探头的谐振腔声速系统的示意图。

实现本发明的最佳方式

参考图2和3，提供通常标为10的探头来感测和确定流经管(管道)或非限制空间的单相流体12和/或多相混合物12的特定的特征或参数。多相混合物可以是两相液体/汽体混合物、固体/汽体混合物或固体/液体混合物，甚或三相混合物。可以测量的多相混合物的一个例子是饱和汽体/液体例如蒸汽。为了简化本发明的描述，探头10可以描述为用于测量蒸汽混合物参数的装置，然而，人们会认为探头可以用来测量任何单相流体(例如汽体或液体)或任何多相混合物的特征。正如将更详细描述的，探头测量通过流体或多相混合物流传输的声音速度来测定流体多个参数中的任一个，例如流体的蒸汽质量或“湿度”、汽体/质量比例、液体/固体比例、体积流速、质量流速、悬浮颗粒的尺寸以及焓。此外探头10能够测量流经探头的流体的不稳定压力扰动(例如旋涡影响、密度变化)来测定流体的体积流速。

图2表示探头10的示意图，该探头10包括一个感测装置16，而该感测装置16包含内管14和一组沿管14的外表面22轴向隔开的压力传感器(或变换器)18-21。这些压力传感器测量由管中声学和/或旋涡扰动产生的表示单相流体或多相混合物12的一个参数的不稳定压力。压力传感器18-21的输出信号(P₁-P₄)提供给处理单元24，其处理压力测量数据并测定混合物的至少一个参数。特别地，被测定的特征和参数可以包括流体的体积流量、流体的浓度或成分、混合物的密度、流体的马赫数、混合物中流动的颗粒尺寸、混合物的空气/质量比例和/或混合物中夹带的汽体的百分比。

在图2所示的本发明的实施例中，探头10具有4个沿管14轴向设置的压力传感器18-21，用于测量流经那里的流体或混合物12的不稳定压力P₁-P₄。利用以下描述的一或两种技术，探头10具备测量体积流速和其他流体参数的能力：

1)利用压力传感器阵列18-21确定通过流体12传播的声扰动或声波的声速，和/或

2)利用压力传感器阵列18-21确定通过流体12传播的旋涡扰动或“旋涡”的速度。

通常，第一种技术测量由通过流体12传播的声音扰动产生的不稳定压力来测定通过流体传播的声速(SOS)。在得知流体的压力和/或温度以及声扰动的声速后，处理单元24可以确定质量流速、混合物的浓度(也就是，质量/空气比例，质量/液体比例，液体/汽体比例)、体积流速、混合物密度、混合物的焓、混合物的马赫数、混合物中颗粒尺寸以及其他参数，稍后将详细介绍。对于蒸汽，测量声速的第一技术可以确定流体参数例如体积流速、蒸汽质量、蒸汽湿度和水滴的尺寸。

第二技术测量与由旋涡扰动或“旋涡”产生的不稳定流体场和/或压力扰动有关的流速来确定流体12的流速。如图34所示，压力传感器18-21测量当旋涡扰动在流体12中以已知方式穿过探头10对流时由这些扰动产生的不稳定压力P₁-P₄。因此，这些旋涡扰动的速度与混合物的速度有关并且因此如稍后详细描述的可以确定体积流速。

探头10可以以许多不同方式使用。例如如图4a和4b所示，探头的感测装置16可以安装在管19中或管道23中，来分别测量流过那里的流体或混合物。对于大直径管或具有大横截面积的管道例如烟道、排气管道或HVAC系统，探头10特别有用。对于测量没有被管或管道所限制的单相流体或多相混合物12，探头的效用特别明显。例如，探头可以安装在气体涡轮中来测量蒸汽“湿度”或测量从汽体涡轮或LPT涡轮的排气管道中排放出来的蒸汽的其他参数。探头10的感测装置16的其他应用或使用包括将探头安装到交通工具例如汽车、飞机和火车的外部来测量交通工具的空气参数或速度。此外，探头可以安装到船的底部来测量通过探头传播的SOS，或安装到潜水艇的外部船体上来测量海洋不同深度处的声速以及其他参数。一般地，该探头可以在任何使用皮托静态探头的应用中使用。该探头也可以用于测量河流、敞口管道或部分封闭的管子的参数。

探头10对于确定在限定空间(例如管19，管道21)或非限定空间中流体12的种类特别有用。例如如图6所示，每个探头的一或多个感测装置16可以设置在横跨流体12面积的不同位置。由每个探头提供的数据以及探头的已知位置能够得知流动模式特性。例如，一个探头可以靠近管19的壁布置而另一个探头可以在管的中心位置布置来在两个位置确定速度和汽体/质量(例如蒸汽湿度)的特征。人们会认为可以将任意个数的感测装置16布置在流体中的许多位置。

本发明也提供一种在25上具有多个或一列互连的感测装置16的探头，25在流体12中在单个平面上延伸或设置在流体的不同平面上。换句话说，探头10的感测装置16可以沿流体12的不同位置设置。例如，如图6中所示，探头可以设置在气体蒸汽轮机的不同段，在每一段的不同位置。探头可以在每一段上在距在每段内涡轮机的壁的不同的位置或深度上测量蒸汽湿度以测量涡轮的效率或辅助涡轮设计。探头也可以用于以类似方式充当故障检修员或设计喷气机发动机。

多个探头也可以安装在非限定区域来提供流经该区域例如开阔区域、山顶、河流和海洋的流动模式参数。探头能够用于提供特定的地理学数据。

参考图2、3和7，在本发明的一个实施例中，探头10的感测装置16包括一个设置在管状的外部外壳50中的内管14来提供使流体12穿过的输入口53和输出口55。内管通常为圆柱状并具有横截面为圆形的轴向孔57。然而本发明预期到内管可以为任意形状或任意横截面形状例如正方形、椭圆头矩形或任何其他多边形。甚至横截面形状可以沿内管的长度而不同。内管的外径大约为1英寸，但直径可以是任意长度。然而，必须认识到管16的直径越大，用于测量混合物的SOS的传感器18-21的阵列必须越长。

一对端盖52、54设置在内管14的每一端并且外壳50用来保持和支撑在该外壳中同轴的管。该外壳保护来自流体12沿该管设置的传感器阵列18-21，并且用作绝缘体或隔离器以防止外部声音和/或不稳定压力扰动影响传感器18-21。端盖具有内径大体与管14内径相同的中心孔56。端盖的外表面58逐渐变细并且外端60为圆头来提供减少流体(例如蒸汽)在探头10上的拉力的空气动力外形以降低其上的风阻和压力。该空气动力外形也减少流体或混合物的流动扰动。空气动力特性对于高速汽体流体(例如0.7马赫)例如从燃气涡轮中排出的蒸汽特别重要。

虽然感测装置16具有一对如图7中很好示出的端盖52、54，但是本发明也可以设计没有分立的端盖的感测装置16，并且内管14延伸探头10的感测装置的长度。

虽然显示的探头10的感测装置16的内管14具有一个穿过其中的大体轴向孔57，但是本发明也可以设计该孔是非轴向的，例如在管中具有弯头。当然，这种非轴向孔将增大在流体12中感测装置16的拉力。尽管大多数情形不需要，本发明也可以设计在管14的输入端提供背脊59来形成要测量的旋涡扰动。这些背脊可以由管的内壁中碾磨圆周凹槽形成或通过提供从该壁伸出的园周背脊形成。

本发明也可以设计提供一或多个声源61使通过流体例如静声流体传播的声音速度的测量成为可能。声源可以设置在探头的输出端的输入端或如所示的两端。应当认识在大多数情形不需要声源并且探头被动探测在流体12中提供的声脊(acoustic ridge)。

感测装置16的实施例表现为一个单输入和输出口53、55，然而，本发明设计使感测装置可以具有馈入或馈出管14中间部分的多个输入口和/或输出口，管14中间部分设置有传感器阵列18-21。虽然这样设计，但是还应该理解可以施加附加拉力到感测装置16上以及施加附加旋涡到流体12。

如图3-6所示，探头10的感测装置16进一步包括一个从外壳50中间伸出的鱼翅形支撑结构62，用于将感测装置安装到一个壁或其他支撑物上。支撑结构62包括一个设置通过其中的孔64以与设置在管14和外壳50之间的空间66连通。孔64提供分布连接压力传感器18-21和处理单元24的导线的装置，如图2最佳所示。支撑结构62被定向成减少风阻以最小化蒸汽流体的扰动。

与美国申请No.(Cidra Docket No.CC-0187)中描述的类似(该申请在此引入作为参考)，管14和外壳50之间的空间66可以抽真空来提供“真空衬”传感器18-21。抽空该空间66提供附加的绝缘/隔离来防止外部声音和/或不稳定压力扰动影响传感器18-21。

在图2所示的实施例中，压力传感器18-21中的每一个可以包括如图8-10所示的压电传感器或压电薄膜传感器30，利用之前描述的任一种技术来测量混合物12的不稳定压力。图8表示包裹在感测装置16的管14外壁的压电薄膜传感器30的更为具体的实施例。在该实施例中传感器阵列包括大约隔开7/8英寸的7个传感器30，其中第一传感器设置在大约相对于输入端1又3/8英寸的位置。内管的长度大约为8英寸并且具有大约1英寸的内直径。

在图9和10中很好表示的压电传感器30包括一个压电材料或薄膜32来生成与该材料机械变形或压紧程度成比例的电信号。典型地使压电感应元件能够进行感应应力的完全或接近完全的园周测量。传感器可以由PVDF薄膜、聚合物薄膜或与在由Measurement Specialties公司提供的“Piezo Film SensorTechnical Manual”中记载的相似的柔性PZT传感器，该文献在此引入作为参考。可以用于本发明的压电薄膜传感器是由Measurement Specialties公司生产的零件号为1-1002405-0、LDT4-028K的传感器。

压电薄膜(“piezofilm”)与压电材料类似是产生与机械应力的变化成比例的电量的动态材料。因此，压电材料能够测量由于在工作混合物12中不稳定压力变化(例如旋涡的和/或声的变化)引起在内管14中感应的应力。管中的应力通过所附的压电传感器转换成输出电压或电流。压电材料或压电薄膜可以由聚合物例如含极化的氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)形成。

图9和10表示压电薄膜传感器(与图1中的传感器18相似)，其中压电薄膜32设置在导电涂层对例如银油墨层34、35之间。压电薄膜32和涂层34、35被涂到保护面36上(例如.聚脂薄膜)，保护涂层38设置在上导电涂层的反面。一对导体40，42分别连接到导电涂层34，35上。

压电薄膜32的厚度可以为20um到大约100um的范围。该厚度取决于用来测量探头10的内管14中不稳定压力所期望或需要的灵敏度。传感器30的灵敏度随压电薄膜厚度增大而增大。

将PVDF传感器30包裹或夹紧在管14的外表面的这项技术的优点为以下几点：

1.非侵入流速测量

2.低成本

3.测量技术不需要激励源。环境流体噪声可以作为一个源。

4 柔性压电传感器可以以许多设置安装以增强信号探测方案。这些设置包括a)协同定位传感器b)具有相反极结构的分段传感器，c)大范围传感器以增强声音信号探测并且最小化旋涡噪声探测d)特定的传感器几何形状以最小化对管型的敏感性e)对传感器差分以从旋涡信号中去除噪声。

5 较高温度(140C)(共聚物)

压电薄膜传感器可以通过树脂、胶或其他粘合剂直接安装在管14的外径上。可选地如图11所示，与美国临时申请No.(Cidra Docket No.CC-0554)类似，压电薄膜传感器30可以粘到夹在管14外表面的带子70上。

图12-19表示上文已经描述的蒸汽探头10的感测装置16的另一个实施例，其中压力传感器18-21为稍后描述的那种类型例如由PCB Piezotronics公司生产的零件号为PCB 106M74 ICB的麦克风。如所示的，感测装置16的主体80(参见图13-16)包括支撑结构82和管部94。探头的主体是一个整体零件。管部84具有一个从沿轴向通过其中以用于接收流体或混合物12的正方形孔96。管部的端部各包括一个沉孔90用于接收端盖92(见图17-19)。端盖92具有一端为圆形横截面而另一端过渡成正方形横截面的轴向孔91以匹配管部84的孔86。多个安装孔94从通孔86经过支撑结构径向延伸用于在其中安装压力传感器98(见图12)。安装孔94一直伸到正方形通孔86中，使得压力传感器的端部直接与流过该管部84的流体或混合物12接触。压力传感器的端部设置得与通孔86的壁表面齐平来防止混合物流体的扰动。如前所述，管部84可以具有任何横截面形状。

众所周知蒸汽驱动的涡轮机是电能的主要来源。目前，在它驱动发电机时没有实时可操作的有效方法来监视蒸汽的质量。理想地，工业上期望当蒸汽穿过涡轮系统从而还原成水时从蒸汽中获取最大能量，然而水滴由蒸汽形成时，它们造成对涡轮叶片的腐蚀和磨损，从而需要昂贵的维修费用。因此，这样必须满足获取的能量与蒸汽中夹带的水量之间的平衡。

当两相共存时，标准温度和压力不能唯一确定湿度，也就是蒸汽中的水量。本发明使用声速测量利用分散计算来确定饱和蒸汽的湿度。在非核能发电厂中，蒸汽过热，这样除了低压(LP)涡轮机排汽之外对于每个处理步骤，仅仅包括一种物相。在该排气装置中，湿的蒸汽以0.5-0.7马赫的速度传播。

体现本发明的探头10能够测量低压涡轮机排汽中蒸汽的声速的扩散来确定湿度并且可以确定水滴大小。声速在低频即低于大约1kHz的频率将表示蒸汽的湿度；对于该应用，从大约1kHz到20kHz声音速度的扩散的曲率由水点的尺寸决定。探头在风道中在马赫数为0.3-0.64和0-10度迎角条件下检测来评估探头得到声速和体积速度的能力。

在风道中检测的探头为19英寸长、2英寸外径、带有连接到一侧(见图12)的1.75英寸帆状部的空心圆柱。2英寸直径的圆柱在每个端部为椎状并且对于-入口和出口处的内直径具有圆脚印。在3英寸长度(对于两端)上由圆形内直径到方形外形的过渡在整个长度上保持不变的横截面积。10个压力传感器以1.25英寸的间隔装在该帆状部。传感器沿着13英寸长的中心方形剖面定位。一个安装板以用于电缆的通孔连接到该帆状部以允许探头安装在风道中。

两个8通道信号调节装置将压力传感器的输出转换为传给Krohnhite低通滤波器的电压。滤波信号被ADC采样并且传送到用于存储和处理该数据的标准Matlab处理引擎。此外，在多个位置沿风道记录温度和压力。

端盖的内直径在每一端为1.111英寸直径，并且方孔具有带有0.188英寸半径拐角的方横截面。内直径从圆过渡到方再到圆而保持不变的面积。帆状部为1.75英寸宽，边缘距管中心线3.5英寸。感测装置16由铝合金6061T6形成。压力传感器为PCB 106M74 ICP麦克风。

探头入口和出口的声音反射系数对于高马赫数要变小。图20表示对于0.5马赫、0迎角的k-ω图。注意到右声脊和左声脊都很容易看见。在图21中，体积速度增加到0.6马赫，此时右声脊几乎消失。图22为对于0.5马赫、10迎角的k-ω图。注意探头与空气流体的错误偏差产生足够的旋涡扰动使速度背脊达到与声脊相当的水平。

多点优点讨论来自该实验。首先，k-ω图对于高迎角展示探头中的湍流比较高的高度。甚至在这些情形，处理机能够从不稳定压力测量获取声音速度和体积速度。这看起来与所期望的测量仪靠近下游管道流体的弯曲部分放置的情形相似。

在被测的11种状态中的10种状态中，计算出的声速值与探头测量之间匹配的一致度好于1％，它们中的8个优于0.5％。在0.64马赫和10度迎角的第11种状态下，测量值比计算值低12％。风道的空气动力性没有考虑空气流体体积速度的精确对照测量(探头的尺寸对于该检测设备来说太大从而造成堵塞)而发现有40％的差异。

风道实验展示本发明的基本技术能够确定以高达0.64马赫的速度传播的声音速度和空气体积速度。

参照图23、34，提供体现本发明的探头10、170，其测量单相流体和/或多相混合物12的至少一个参数/特征，例如悬浮在例如管19、管道21或非限定空间(见图3-6)中流动的持续蒸汽/气体中的液滴的饱和汽体/液体混合物12。探头可以设置和编程为测量通过流体12传播的声音速度或测量通过流体12传播的旋涡扰动。在一些情形，探头10可以设置成来测量声音速度和旋涡扰动。取决于一些设置或实例，探头可以测量流体12的至少一个流动参数：湿度或蒸汽质量(体积相分数)、体积流速、液体颗粒尺寸、质量流量、焓和混合物的速度。为了确定这些参数中的一个，探头110、170测量由通过在探头110、170内管14中流动的单相流体或多相混合物传播的声音速度(SOS)和/或旋涡扰动产生的不稳定压力，这些将在稍后详细介绍。

混合物12的液滴(或固体)可以是任何尺寸、形状和液体。例如液滴的大小在长度(或直径)上可以为小于0.3微米到大于50微米。然而，感测装置16的长度取决于颗粒大小。颗粒尺寸越大，探头的感测装置越长。

根据得到的不稳定压力测量类型确定传感器的间距。不稳定旋涡压力的测量需要传感器间距小于旋涡扰动的相关长度，典型地在管直径的数量级上。传感器之间的不稳定压力旋涡压力测量的关系用来确定工作混合物的体积流速，稍后将详细说明。

质量流速和其他参数通过测量在工作混合物12中传播的声音速度来确定。这些参数由通过在工作混合物内的声音扰动产生的不稳定压力变化的相互关系确定。在此情形，测得的声音信号的波长决定了传感器的间隔。测得的声音信号的理想波长取决于在混合物流体中颗粒的分散，这种分散又取决于颗粒大小，稍后将对其详细说明。

探头110、170可以在任一种通过管携带悬浮在蒸汽/汽体中的液滴的应用中使用，例如在纸/纸浆、石油和发电应用中使用。例如本发明能够很好地应用于测量发电系统中的参数(例如，蒸汽/液体比例，颗粒大小)。

作为一个例子，本发明将讨论一个用于发电的蒸汽传输系统，但是应当认识，探头10可以应用于如在前所讨论的许多其他应用中。

如在前所讨论的，本发明的探头10、170可以设置并编程为分别测量并处理探测的由通过混合物传播的声波和/或旋涡扰动产生的不稳定压力P₁(t)-P_N(t)，来确定混合流体12的参数。在图3中展示了一个此类探头10，其测量通过汽体/液体混合物传播一维声波的声速(SOS)来确定混合物的成分，即“湿度”或混合物的蒸汽质量。探头也能确定液滴的平均尺寸、混合物的速度、焓、质量流量、蒸汽质量或湿度、密度和混合物的体积流速。在比如声纳和雷达领域的这些领域中，公知的是声音通过多种介质以不同速度传播。混合物在内管14中的声速可以利用许多已知技术例如在1999年6月25日提交的题为“FluidParameter Measurement in Pipes Using Acoustic Pressure”的美国专利申请No.09/344,094和2001年11月7日提交的题为“Fluid Parameter Measurement inPipes Using Acoustic Pressure”美国专利申请No.10/007,749中提出的技术，上述文献在此引入作为参考。本发明利用至少一个探头10来确定饱和汽体/液体混合物的多个参数，其中一个参数为声音在管中的传播速度，以下将对其进行更详细的描述。

根据本发明，借助一组不稳定压力传感器被动监听该流体对通过汽体/液体混合物12传播的声音速度进行测量来确定通过容纳在管14中的汽体/液体混合物传播的一维压缩波的速度。

如图23所示，探头10具有设置在轴向上沿内管14或探头110的腔中的三个位置x₁、x₂、x₃的至少三个声音压力传感器115、116、117组成的阵列。应当认识到传感器阵列可以包括多于3个如描述的在位置x_N的压力传感器118的压力传感器。由声波产生的压力可以通过管114中通向外部压力传感器115-118的孔来测量或通过在此讨论的其他技术。压力传感器15-18分别将线120、121、122、123上的压力随时间变化信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)提供给信号处理单元130到已知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑器126、127、128、129。FFT逻辑器126-129计算基于时间的输入信号P₁(t)-P_N(t)的傅力叶变换并且在线132、133、134、135上提供表示输入信号频率内容的复合频域(或基于频率)信号P₁(ω)，P₂(ω)，P₃(ω)，P_N(ω)。代替FFT，可以使用用于获得信号P₁(t)-P_N(t)的频域特征的其他技术。例如，可以使用交叉谱密度和功率谱密度来形成稍后讨论的频域变换函数(或频率响应或比例)。

频率信号P₁(ω)-P_N(ω)送入计算逻辑器138中，计算逻辑器138将表示汽体/液体混合物的声速信号a_mix提供给线40(稍后讨论)。信号a_mix提供给映射(等效)逻辑器142，其将a_mix转换成汽体/液体混合物的百分比组成并且提供一个表示它的％Comp信号给线44(如稍后讨论的)。如果马赫数Mx不可以忽略不计并且为理想的，计算逻辑器40也可以提供一个表示马赫数Mx的信号Mx给线46。

更特别地，对于在均匀混合物中的平面一维声波，已知的是在位置x处沿内管14的声音压力场P(x，t)(其中要测量的声波波长λ比管14的直径长(即λ/d＞1))可以表达为右传播波和左传播波的重叠，如下式：

$P(x,t)=({\mathrm{Ae}}^{{-\mathrm{ik}}_{r}x}+{\mathrm{Be}}^{+{\mathrm{ik}}_{l}x})e^{\mathrm{iwt}}---\mathrm{Eq}.1$

其中A，B分别是基于频率的右传播波和左传播波的合成幅度，x为沿管14的压力测量位置，ω为频率(单位：rad/sec，其中ω＝2πf)以及k_r，k_l分别为右传播波和左传播波的波数，其定义为：

$k_r\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1+M_x}$ 和 $k_l\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1-M_x}---\mathrm{Eq}.2$

其中a_mix为管中混合物的声速，ω为频率(单位：rad/sec)，M_x为管中混合物流体的轴向马赫数，其中：

$M_x\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{a_{\mathrm{mix}}}---\mathrm{Eq}.3$

其中Vmix为混合物的轴向速度。对于非均匀混合物，轴向马赫数代表混合物的平均速度并且低频声音场表达式保持基本不变。

来自传感器阵列的数据可以在任何域中进行处理，包括频率/空间域，时间/空间域，时间/波数域或波数/频率(k-ω)域。同样的，如果需要，在这些或其他相关领域中的任何领域中的任何已知阵列处理技术可以使用，与在声纳(SONAR)或雷达(RADAR)领域中的技术类似。

信号处理单元130中的一些或全部函数可以以软件(利用微处理器或计算机)和/或固件来执行，或者可以利用具有足够存储器、接口并能够执行在此描述的函数的模拟和/或数字硬件执行。

声音压力传感器115-118感测如测量的比用于先有技术中超声探头的那些频率更低的(长的波长)声压信号，这样本发明更能容忍流体中的不一致性，例如流体中时间和空间域的不一致性。

此外，本发明结合内管14的顺应性来确定流经该管的汽体/液体混合物的声音显著速度。声音压力信号P₁(t)-P_N(t)在管14中的汽体/液体混合物中由许多非离散源例如远处的机械、搅拌、泵、阀、肘弯以及汽体/液体混合物自身产生。正是这最后的源—在管14中流动的汽体/液体混合物12(其为噪声的一般源)对于任意汽体/液体混合物管道系统确保了声音的最低水平，此为本发明的独特优点。流体产生的声音随平均流动速度而增大并且整体噪声水平(声压水平)是生成机械和阻尼机械的函数。同样地，在本发明中不需要外部离散噪声源并且这样可以利用被动监听操作。在探头110被动监听混合流体12时，本发明例如通过压缩、振动和/或轻叩该管试图增加至少一个声源来注入一个理想声波到该被测量流体中，举一些例子，如图7所示。

对于特定类型压力传感器例如稍后讨论的管式应力传感器、加速度计、速度传感器或位移传感器，管14表现出一定量的管顺应性是必要的。

可选地，为了最小化由顺应带来的任何误差影响(需要相应的校准)，管14的轴向探测部分150沿设置传感器115-118的部分尽可能严格制作。为了获得理想的刚性，检测部150的壁的厚度制作得具有一预定厚度，或检测部150以很硬的材料，例如钢、钛、Kevlar^或陶瓷或具有高模数的其他材料制作。

在本发明的范围内，压力传感器的间隔可以为已知的或任意的，如果已知关于汽体/液体混合物的声音特性的特定信息，最少需要两个传感器。压力传感器间隔足够开以使阵列(孔径)的所有长度至少为被测量声波的测量的波长的显著部分。将详细说明的，要测量的声音波长为至少液滴的尺寸和质量以及汽体粘稠度的函数。液滴的尺寸和质量越大和/或汽体粘稠度越小，传感器的间隔需要越大。反之，液滴的尺寸和质量越小和/或汽体粘稠度越大，传感器的间隔需要越短。

对于混合得相对好的汽体/液体混合物，其中由于小的液滴在连续气相中，因而存在液相，该流体可以称为雾流。假定汽体/液体混合物的液滴足够小并且声音频率和与声音相关的扰动频率低到对于液滴来说表现为可忽略的滑移(稳定和非稳定)，声速可以假定为基本非分散的(即随频率恒定)并且混合物的体积相分数可以通过伍德公式来确定：

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

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}_{\mathrm{mix}}^2}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i{a}_i^2}$

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

对于在真空衬管14(或在大气状态下浸在大体积低阻流体例如空气中的管)中传播的一维声波来说，由管(在模数E、半径R和壁厚度t的圆管的情形)带来的顺应从无限维声速中减去测量的声音速度。管道的影响由下列关系式给出：

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

使用上述关系式，声音在典型的汽体/液体混合物中传播的速度是汽体/液体质量比的函数。增加液体部分的效果(也就是减少汽体/液体比例)为减少声音速度。实际上，增加液滴有效地质量加载该混合物，而不会极大地改变空气的可压缩性。在感兴趣的参数范围内，混合物声速和汽体/液体比例之间的关系很好地表现并且单一化。

而基于来自第一原理的预测的校准曲线是令人鼓舞的，利用从声速到汽体/液体比映射来的经验数据可以得到本发明改进的准确性来测量汽体/液体混合物。

声速随增加的频率而增加并且渐近一个常数。该声速在较高频率上基本渐近没有悬浮液滴影响的空气的声速。并且，明显地，对于被测量的声速在最低频率上，汽体/液体混合物的声速不能达到准稳定的界限。声速连续减少到低频率界限。本发明的一个重要发现在于声音通过悬浮在持续气体中的液滴传播的速度为分散的。如在此所限定的，通过分散的混合物传播的声波速度随频率而改变。

当压力传感器15-18阵列的总长Δx_aperture(其定义阵列的孔径)变得比声音的波长还小时，逐渐地在越来越低的频率测量饱和汽体/液体混合物12的声速固有地变得准确性差。一般，该孔径应当至少为感兴趣的声速的波长的显著部分。因此，较长的阵列用于在低频范围分解声音速度，稍后将详细描述。如图24所示，与确定空气中声速有关的标准偏差表示为对于不同孔径即1.5ft，3ft和10ft的3个阵列的频率的函数。

为在超低频上准确地测量声速，该数据暗示：利用准稳定模型来解释声速之间的关系，在可应用接近稳定模型的那些频率之上的频率上测量该声速，液体-汽体的比例将成问题，并且实际上不可能。因此，通过声速测量理解和解释汽体/液体混合物成分的关键在于汽体/液体混合物的扩散特性。

根据本发明，系统的分散特性利用汽体和液体液滴之间相互作用的第一原理模型。该模型可以看作代表试图计算扩散效应的模式类型。其他模型可以用来考虑扩散效应而不改变发明的目的(例如，见R.L.Gibson，Jr.和M.N.Toksoz的论文“Viscous Attenuation of Acoustic Waves in Suspensions”，在此引入作为参考)。该模型允许连续汽相的局部速度和液滴的局部速度之间的滑移。由连续汽体产生的液滴上的拉力由比例于汽体局部速度和液滴局部速度之差的力模拟，并且由惯性力平衡：

$F_{\mathrm{drag}}=K(U_f-U_P)={\mathrm{\ρ}}_P{v}_P\frac{{\∂U}_P}{\∂t}$

其中K＝比例常数，U_f＝液体速度，U_P＝液滴速度，ρ_P＝液滴密度和V_P＝颗粒体积。

由液滴产生的在连续气相上的力的影响模拟为在轴向动量方程中的力。用于控制面积A和长度Δx的体积的轴向动量方程由下式给出：

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

其中P＝位置x和Δx处的压力，Ф_p＝液滴的体积分数，ρ_f＝液体密度。液滴拉力由下式给出：

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

其中C_d＝拉力系数，A_p＝液滴最大截面和ρ_f＝汽体密度。使用斯托克定律对于在球面上拉力在低雷诺数给出如下拉力系数：

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

其中D_P＝液滴直径和μ＝汽体粘稠度。在该模型求解K得到：K＝3πμD_p

使用上述关系式和1维声学建模技术，对于理想汽体/液体混合物的扩散行为可以得到下述关系。

在上述关系中，流体SOS、密度(ρ)和粘稠度(Φ)是纯相流体的，V_P为单滴的体积和Ф_p为混合物中液滴体积相分数。

在蒸汽测量中最感兴趣的两个参数是液滴尺寸和液体-汽体质量比例(即蒸汽质量或蒸汽湿度)。为此目的，重要的是要检测作为这两个变量的函数的混合物的扩散特性。图25和26以那些在蒸汽流体系统中使用的典型参数表示汽体/液体混合物的扩散行为。

特别在图25中表示对于一定液体-汽体比例范围标称尺寸为50μm的液滴在汽体中的预测行为。如所示的，液体-汽体比例的效果在低频率范围很好地确定。然而，液体-汽体比例的影响在比较高的频率变得难以辨认，接近在高频率(高于～100Hz)纯空气的声音速度。

类似地，图26表示对于具有液体-汽体比为1.8的汽体/液体混合物在不同液滴尺寸下的预测行为。该图表示液滴尺寸对低频极限(接近稳定)声速或高频极限声速没有影响。然而，液滴尺寸在传输范围中确实具有显著影响。

图25和26表示本发明的一个重要方面。也就是说，悬浮在连续气体中的液滴的混合物的扩散特性可以宽泛地归为3个频率区域：低频范围，高频范围和过渡频率范围。尽管液滴尺寸的影响和液体-汽体比例相互关联，液体-汽体比例的主要作用是确定要测量的声速的低频界限而液滴尺寸的主要作用是确定过渡区域的频率范围。当液滴尺寸增加，出现扩散特性的频率减少。对于典型蒸汽应用，该过渡区域在相当低的频率开始，对于50μm尺寸颗粒，其为～2Hz。

在低频范围，液滴表现得与汽体的滑移可以忽略。对于无滑移、准稳定的近似有效的频率范围是包括液滴尺寸、连续相粘稠度、液滴形状和液滴密度的许多参数的函数。

准稳定声速由上述关系的低频界限给出，其中VLR为汽体/液体比例：

注意液滴尺寸不影响声速的低频界限。

类似于图26，图27表示对于具有一定液体-汽体比例的饱和汽体/液体混合物在不同液滴尺寸下的预测行为。特别地，不同混合物的颗粒尺寸包括50um、20um和1um。具有大约50um液滴的混合物过渡频率范围为3～13Hz，中心频率(f_1/2)大约为8Hz。具有大约20um液滴的混合物过渡频率范围为11～110Hz，中心频率(f_1/2)大约为60Hz。具有大约1um液滴的混合物过渡频率范围为8～80KHz，中心频率(f_1/2)大约为40次。如所示的，液滴尺寸严重影响饱和汽体/液体混合物的扩散特性。从准稳定状态到高频区域的过渡范围与液滴直径的平方成反比例。如在前讨论的，扩散特性设置用于测量通过混合物传播的声音速度所需要的频率来测量混合物的参数，并且因此扩散限定传感器阵列的长度以及探头170的感测装置16的长度。

对于特定混合物探测的声音速度的频率设置感兴趣的波长。该波长是频率的倒数，并且因此频率越高，波长越短，反之亦然。波长因此定义阵列150(见图23)的孔径(Δx_aperture)。如在前所述，该孔径应当至少为感兴趣的声音速度的波长的长度的显著部分。例如具有大约30um液滴的汽体/液体混合物具有大约30Hz的中心频率(f_1/2)，其相应于大约20ft孔径。类似地，具有大约3um液滴的汽体/液体混合物具有大约3KHz的中心频率(f_1/2)，其相应于大约1ft孔径。因此，液滴的尺寸定义了探头的孔径长度。换句话说，液滴尺寸越大，测量声速以确定混合物特定参数所需要的孔径越长。类似地，液滴尺寸越小，测量声速以确定混合物特定参数所需要的孔径越短，并且因此对于特定应用探头的长度具有实际的界限。

在高频范围，该扩散关系预测声音速度以渐近纯汽体的声音速度。

a_mix(ω∞)＝a_fluid

有趣地，高频范围独立于液滴尺寸和液体-汽体比例。

给出测量足够低频率以应用准稳定模型的难度并认识到高频声速包括关于液滴尺寸或液体-汽体比例的非直接信息，显然汽体/液体混合物的扩散特性应当用来基于声速测量确定液滴尺寸和液体-汽体比例。

如在前所述，本发明的探头10包括准确确定平均液滴尺寸和在汽体/液体混合物中液体的液体/汽体比例的能力。如果在汽体和液滴之间没有明显滑移，一维声波通过多相混合物的传播受有效质量和有效混合物可压缩性的影响。对于空气传输系统，无滑移假定应用程度是液滴尺寸和频率的强函数。在小液滴和低频率范围内，无滑移假定是有效的。由于液滴尺寸增加和声波频率增加，无滑移假定变得越来越少有效。对于给定平均液滴尺寸，随频率而增加的滑移导致扩散，或换句话说，混合物的声速随频率而改变。对混合物扩散特性采用合适的校准将提供平均液滴尺寸的测量以及混合物的汽体-液体比例。

利用上述模型(其产生下面表示的等式)实验地确定声速为频率函数，本发明包括一个优化过程来同时确定液滴尺寸和液体/汽体混合物中的VLR：

参照图28表示根据本发明的优化过程，其中优化分析模型的自由参数来最小化误差函数。出于解释目的，使用的误差函数为声音速度在分析模型和实验确定的声速之间的差的和作为频率的函数：

$\mathrm{err}=\underset{f=f_{\mathrm{low}}}{\overset{f=f_{\mathrm{high}}}{\mathrm{\Σ}}}{(a{\left(f\right)}_{\mathrm{mod}\mathrm{el}}-a{\left(f\right)}_{\mathrm{measured}})}^2$

这样两相混合物的声速随汽体和液体在混合物的比例而变化。通过这些关系，并利用对于声速和液体浓度的表值和工作混合物的汽相，可以得到一个混合物声速和混合物质量之间的确切关系。应当注意伍德方程为工程上的近似，其正确性取决于许多假定的有效性。在必需但要限定的准确范围内可以要求实验数据以在质量和声速之间限定。在图29中得到的许多曲线表示对于较好混合的饱和蒸汽混合物在温度和压力范围内声速对汽体质量之间的关系。

本领域已知的，汽体/液体混合物的质量、质量比、汽体相的体积相分数之间的关系取决于气相和液相的特性。对于蒸汽，该关系在图29、30中表示。根据经验流动模型，假定很好混合的像雾一样的流体典型地用于具有大于0.83的汽体体积相分数和混合物速度超过3.5*sqrt(D*g)的工作混合物，其中D为管14直径并且g为重力加速度。例如，一个18英寸直径蒸汽管转换成大于～8m/s(～26ft/sec)的混合物速度。

如上述的，确定蒸汽混合物的焓通量是一个重要测量。根据本发明当混合物总体积流量已知时，需要混合物每单位体积的焓以确定总的流速。图31表示在许多情形下对于蒸汽每单位体积的焓和混合物声速之间的关系。本发明进一步使用在许多情形下蒸汽的单位体积下的焓和混合物声速之间的关系和如图32所示单位体积的焓和蒸汽质量之间的关系来确定流体蒸汽的质量。

除了利用测得的声速测量混合物12的液体-汽体比例和悬浮在混合物中液体的液滴尺寸，探头10进一步包括通过比较顺向和逆向平均流体传播的一维声波速度的差测量混合物的体积流速能力。

确定汽体/液体混合物12的体积流速的方法依赖于平均流体和声压场之间的相互作用。该相互作用导致声波以声速(如果汽体/液体混合物不流动)加对流速度顺平均流体传播，反过来，声波以声速减对流速度逆平均流体传播。即：

a_R＝a_mix+u

a_L＝a_mix-u

其中a_R＝右声波相对于静止参照物(即管14)的速度，a_L＝左声波相对于静止目标的速度，a_mix＝通过该混合物(如果该混合物不流动)传播的声音速度，u＝平均流速(假定在该情形从左到右流动)。合并这两个等式得到平均速度的公式： $u=\frac{a_R-a_L}{2}.$ 因此，通过测量声波在两个方向相对于如在前所描述的静止管14的传播速度，平均流速可以通过将平均流速乘以管14的横截面积计算出来。

把利用该方法来确定平均流量的实用性放在以足够精度在两个方向分解声速来确定体积流速的能力上。对于典型汽体液体测量，流动速度典型地为～10ft/sec声速为～4000ft/sec。这样轴向马赫数在0.0025的10/4000级别。对于在流速(+/-1ft/sec)上a+/-10％精度，上游和下游传播的波声速需要分解为+/-0.5/4000或1/8000。

然而，对于饱和汽体/液体混合流体，轴向流速名义上为70ft/sec，具有无流动声速～700ft/sec。这导致0.1马赫数，大约比典型汽体流体幅度大2个数量级。对于饱和汽体/液体流体，来分解流速到10％精度(或+/-7ft/sec)，必须分解该声速到+/-3.5ft/sec，或3.5/700或1/200。

对于声速测量，探头10利用与前面使用的相似的程序算法，将在稍后详细介绍。在管14中传播的声音的时间域和空间频率内容通过扩散关系关联：

$\mathrm{\ω}=\frac{k}{a_{\mathrm{mix}}}$

该波数是K，其定义为K＝2π/λ，ω时间频率单位为rad/sec，a_mix为声音在工作管道中传播的速度。对于声音在两个方向上传播的情形，声能量沿两个背脊分布，一个以速度a_mix+V_mix顺该流体传播，一个以速度a_mix-V_mix逆该流体传播。

图33表示对于流经管的汽体/液体混合物的声场产生的K-ω图。两个声脊非常明显。两个所述声脊的每个斜率分别定义为顺平均流体传播的声速和逆平均流体传播的声速。

进一步，图33表示本发明能够确定在管中移动的流体的速度。该图是根据本发明如上所述的探头10实际检测得到的数据图。图33表示在流动空气速度大约为40ft/sec的一个大气压循环下以本发明探头10采集的不稳定压力数据的波数-频率图(K-ω图)，探头10包括4个传感器的轴向阵列。彩色轮廓代表所有频率和波数合成的相对信号能量。最高能量“脊”表示声波具有等于传输速度的背脊斜率。注意在这种情况下在等于±3.14的空间柰奎斯特波数下声脊“包裹”到图的相对侧(即倾斜上升并且到达在图的底部的右开始点(即右侧背脊)的声脊在大约550Hz上包裹到图的左侧并且继续倾斜上升到右侧)。虚线表示两个变量为声速和流速的乘方的最佳拟合的两个变量的最大值。右侧背脊代表以与体积流量相同方向传播的声波，并且因此它的斜率比代表以与体积流量相反方向传播的声波的左侧背脊更陡。这表明相对于设置在探头中的静止传感器，以与流体相同方向传播的声波比与体积流体相反方向传播的声波快。

图23中的探头110设置并编程为来测量并利用通过流动汽体/液体混合物12传播的声音速度来确定体积流速。参照图17，体现本发明的探头170包括通过测量在混合物中传播的旋涡扰动188产生的不稳定压力来测量混合物的体积流速的能力。探头170利用下述技术中的一或两个来确定在汽体/液体混合物12中的旋涡扰动的对流速度：

1)利用不稳定压力传感器的阵列测定不稳定压力变化的互相关。

2)利用不稳定压力传感器的阵列获取旋涡扰动的对流背脊特征。

绝大多数工业过程流体包括湍流流体。在过程流体中的湍流波动控制许多实际感兴趣的流体特性，包括压力降、热传输和混合。对于工程应用，对于设计目的经常仅仅考虑湍流流体的时间平均特性就足够了。对于声纳流体测量技术，理解为在湍流流体中的时间平均速度分布提供一个解释在相干结构对流的速度和体积平均流速之间的关系的手段。

从饱和汽体/液体混合物机械透视图来看，该方法依赖于探头170隔离对流压力场(以饱和汽体/液体混合物的平均速度或接近该平均速度对流)和声压场(以声速传播)的能力。在此情形，速度测量不依赖于声速测量。

对于湍流流体，时间平均轴向速度随径向位置而改变，从壁处的零到在管中心线的最大值。靠近壁的流体特征为陡的速度梯度并且过渡到靠近管14中心处相对均匀的中心流体。图35表示速度分布和出现在完全发展的湍流管流体12中的相干旋涡流体结构188的典型示意图。旋涡结构188在管14中时间平均速度分布上叠加并包含在时间和空间上具有典型地比平均流速的10％小的幅度的随机波动。

从体积流体测量透视图来看，体积平均流体速度是感兴趣的。体积平均流体速度(定义为V＝Q/A)是有用的，但武断地定义了流体的特性。在此，A为管14的横截面积，Q为体积流速。实际上，给定管中的流速分布，很少的流体以该速度实际移动。

湍流管流体是非常复杂的流体。预测任意一个湍流的细节是很困难的，然而，已知大量关于流体的统计特性。例如，湍流包含自身产生的相干旋涡结构(通常称为“湍流涡旋”)。这些旋涡的最大长度尺寸由管14的直径决定。对于下游若干管直径这些结构保持相干，最终分解为渐渐变小的旋涡直到能量由于粘滞效应完全消散。

实验研究已经得到在旋涡边界层内产生的旋涡以大约最大流速的80％对流。对于管流体，这意味着湍流涡旋将在管中以大约体积平均流速对流。湍流涡旋的对流速度和流体速度之间的准确关系对于每一种测量仪可以如以下所述根据经验校准。

图34的探头170利用不稳定压力传感器的阵列通过不稳定压力变化的互相关系确定旋涡扰动在汽体/液体混合物的对流速度，与2001年11月8日提交的题为“Flow Rate Measurement Using Unsteady Pressures”美国专利申请No.10/007736中所示的类似，上述文献在此引入作为参考。

参照图34，探头170包括沿管14的感测部分172和信号处理单元174。该管14具有沿管14以距离Δx隔开设置的两个测量区域176、178。在第一测量区域176上是以距离X₁隔开设置的且能够测量管14中不稳定压力的两个不稳定(或动态的或交变的)压力传感器180、182，在第二测量区域178上，是以距离X₂隔开设置的且能够测量管14中不稳定压力的另外两个不稳定压力传感器84、86。每一对压力传感器180、182和184、186用作空间滤波器以从不稳定压力信号中去除一定声音信号，由对于每个空间滤波器的理想滤波特征确定距离X₁、X₂，如以下所讨论的。

本发明的探头170测量与涉及湍流涡旋(或旋涡流体场)的不稳定流体场和/或与其相关由188表示的压力旋涡有关的速度、流体中的非一致性或具有至少部分以不稳定压力的形式呈现的时变或随机特性的流体、液体、汽体或压力的任何其他特性。该旋涡流体场由许多非离散源例如远端机械、泵、阀、弯管以及该流体或混合流体自身在管14中的汽体中产生。正是这最后的源—管14中流动的流体(它是旋涡流体场的一般源，其主要由汽体和管壁之间的剪切力产生)确保了扰动的最低水平，这是本发明的独特优点。流体产生旋涡流体场通常随平均流速而增长并且不在任意预定频率发生。同样的，在本发明中不需要外部离散旋涡产生源并且这样可以利用被动检测操作。在本发明的范围内压力传感器间隔可以是已知或随意并且如果已知关于系统声学特性的特定信息，最少需要两个传感器，下面在此进行更详细的说明。

旋涡流体场188通常由在长度范围内具有宽变化的压力旋涡组成并且具有许多相干长度范围，例如1983年Halsted出版社出版的A.P.Dowling等撰写的“Sound and Sources of Sound”中描述的，该文献在此引入作为参考以助于理解本发明。一定的旋涡流体场188在流经探头170的内管14的混合物中以至少一个元件的平均速度或以接近它的速度或以与之相关的速度对流。包括关于对流速度的特定信息的旋涡压力扰动188具有时间和空间长度尺寸以及不同于流体中的其他扰动的相干长度尺寸。本发明利用这些特性来优先选择理想的轴向长度标度和相干长度标度的扰动，如稍后详细说明。出于说明目的，术语旋涡流体场和旋涡压力场将用来描述上述具有时间和空间长度的不稳定压力场和在此描述的相关标度的组。

可以通过管14中通向外部压力传感器的孔或通过稍后讨论的其他技术测量压力P₁、P₂、P₃、P₄。压力传感器180、182、184、186在线190-193上分别提供基于时间的压力信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)给信号处理单元174，该信号处理单元174在线196上提供与流经探头170的内管14的汽体的平均流速U_f(t)相关的对流速度信号U_c(t)。

信号处理单元174中的一些或所有功能也可以以软件(利用微处理器或计算机)和/或固件执行，或者可以利用具有足够存储器、接口并能执行在此描述的功能的模拟和/或数字硬件实现。

特别地，在处理单元174中，线190上的压力信号P₁(t)提供给加法器200的正输入端，同时线191上的压力信号P₂(t)提供给加法器200的负输入端。加法器200的输出提供给线204表示两个压力信号P₁，P₂之间的差(例如，P₁-P₂＝P_as1)。

压力传感器180、182与加法器200一起构成一个空间滤波器176。线204供给带通滤波器208，其使预定通频带的频率通过而衰减通频带以外的频率。根据本发明，滤波器208的通频带设置成过滤(或衰减)输入信号的直流成分和高频部分而使它们之间的频率通过。如果需要，其他通频带可以用于在其他实施例中。带通滤波器208提供一个线212上的滤波信号P_asf1给稍后描述的互相关逻辑器216。

线192上的压力信号P₃(t)提供给加法器202的正输入端并且线193上的压力信号P₄(t)提供给加法器202的负输入端。压力传感器83、84和加法器202一起构成一个空间滤波器178。加法器202的输出提供给线206表示两个压力信号P₃，P₄之间的差(例如：P₃-P₄＝P_as2)。线206提供给带通滤波器210，与在前描述的带通滤波器108类似，其使通频带内的频率通过而衰减通频带以外的频率。滤波器210提供一个线212上的滤波信号P_asf2给互相关逻辑器216。假定两个加法器的符号一起交换，则如果需要，加法器200、202的符号可以交换。此外，压力信号P₁、P₂、P₃、P₄可以在传输给加法器200、202之前定标。

互相关逻辑器216计算分别在线212、214上已知时间范围内的信号P_asf1、P_asf2之间的互相关，并且在线218上提供一个输出信号表示旋涡流体场188(或旋涡、随机、或旋涡结构、场、在流体中扰动或摄动)从一个感测区176到另一个感测区178所需要的时延τ。如已知的，这种旋涡扰动处于可能在流动中发生的相干动态状态，这种状态在一预定距离(或相关长度)上基本衰减(以一预定量)并且以流体平均速度或接近该速度的速度对流(或流动)。如上所述，旋涡流体场188也具有与其相关的随机或旋涡压力扰动。通常旋涡流体扰动188分布在整个流体中，特别在高剪切区域例如边界层(例如，沿管14的内壁)，并且在此表示为离散的旋涡流体场188。因为旋涡流体场(和相关的压力扰动)以平均流速或接近平均流速对流，传播时延τ通过测量区域176、178之间的距离ΔX与流体速度相关，如稍后讨论的。

尽管与旋涡流体场88相关的压力扰动在多数流体状态下自然发生，一个可选的圆槽(未显示)可以用在管14内径中以帮助产生以流体中旋涡形式存在的不稳定流体场。然而，由于旋涡产生，如前讨论的其沿管内壁自然发生，对于本发明不需要该槽。代替单个圆槽，可以使用多个轴向隔开的圆槽。槽的尺寸和几何形状可以基于所期望的流体状态和其他因素设定。如果需要，可以其它的技术作为旋涡发生器，包括可以在管14内径中凸伸的那些技术。

参照图34，线220上表示感测区域176、178之间的距离ΔX的间距信号ΔX通过除法器222除以由线218上的时延信号τ，除法器222在线196上提供一个表示管14中流动的饱和汽体/液体混合物的对流速度U_c(t)的输出信号，该信号与混合物的平均(或均匀)流速U_f(t)相关(或成比例或近似等于)，定义为：

U_c(t)＝ΔX/τ∝U_f(t)  Eq.1

然后如果需要可以校准对流速度U_c(t)以更准确确定平均流速U_f(t)。这种校准的结果可能需要以校准常数(增益)乘以对流速度U_c(t)的值和/或加上一个校准偏移量以便得到具有理想精度的平均流速。如果需要可以使用其他校准。对于一些应用，这种校准可能不需要来满足理想精度。速度U_c(t)、U_f(t)可以通过以管14的横截面乘该速度转换成体积流速。

参照图26-38，如已知的，互相关可以用来确定由已知距离ΔX隔开的两个信号y₁(t)、y₂(t)之间的时延τ，其表示以该流体对流的量180(例如密度摄动，浓度摄动，温度摄动，旋涡压力扰动，和其他量)。在图36中，信号y₂(t)落后信号y₁(t)0.15秒。如果在两个信号y₁(t)、y₂(t)之间取时域互相关，其结果在图37中显示为曲线224。曲线224的最高峰226显示对于两个信号y₁(t)、y₂(t)之间时间差τ的最佳拟合为0.15秒，其与图38中所示的参考时延匹配。

参照图38，如在前讨论的，因为旋涡流体场188内的压力扰动以在管14中流动的混合物的平均速度或接近该平均速度对流(或流动)，在下游位置观察到的旋涡压力扰动大体为在上游位置观察到的旋涡压力扰动的时延版本。然而，管中总的旋涡压力扰动或波动可以表达为由旋涡压力扰动(P_vortical)、声音压力扰动(P_acoustic)和其他类型压力扰动(P_other)构成，如以下所示沿该管的轴向位置在时间上的任意点表示为：

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

结果，不稳定压力扰动P_vortical可能由声音压力扰动P_acoustic和其他类型压力扰动P_other掩蔽。具体地说，在上游和下游以在饱和汽体/液体混合物的声音速度(声速度)传播的声音压力扰动的存在可能阻碍从直接旋涡压力的互相关测量中直接测量速度。

本发明使用时间和空间滤波来预调整压力信号以在两个感测区域176，178有效滤除管14中声音压力扰动P_acoustic和其他长波长(与传感器间隔相比)压力扰动，并且保留一大部分与旋涡流体场188有关的旋涡压力扰动P_vortical和任何其他短波长(与传感器间隔相比)低频压力扰动P_other。根据本发明，如果低频压力扰动P_other很小，则它们对P_vortical的测量精度基本没有损害。

于是主要来自两个区域176、178的信号的P_vortical互相关以确定两个感测位置176、178之间的时延τ。更具体地，在感测区域172，两个压力传感器180、182之间的差构成一个有效滤除(或衰减)声音扰动的空间滤波器176，对于这种声音扰动，沿流体传播的声波波长λ与传感器之间的间隔X₁相比较长(例如10比1)。其他波长与传感器间隔的比例可以用于表征滤波特征，假定波长与传感器间隔的比例足够满足2比1的空间假频奈奎斯特准则。这样，如果压力传感器P₁，P₂具有轴向间隔X₁并且假定空间滤波器176将衰减比传感器间隔X₁的10倍还长的声音波长，则将被衰减的最小声音波长λ_min为：

λ_min＝10(X₁  Eq.3

一维声音扰动也被以下已知的倒数波长-频率关系控制：

λ＝a/f或f＝a/λ  Eq.4

其中a为声音在混合物中的传播速度，f为声音扰动频率，λ为声音扰动波长。

利用公式4，这种空间滤波器将滤除以下频率：

f_max＝a/λ_min  Eq.5

关于空间滤波器176的上述讨论也可以应用于包括另一对轴向隔开X₂的压力信号P₃、P₄的第二空间滤波器178，其提供差分旋涡压力信号P_as2。

在饱和汽体/液体混合物中确定旋涡扰动的对流速度的第二技术是利用不稳定压力传感器阵列获取旋涡扰动的对流背脊的特征，类似于2000年12月4日提交的题为“Method and Apparatus for Determining the Flow Velocity Within aPipe”的美国专利申请No.09/729,994，其在此引入作为参考。

声纳流体测量方法利用具有湍流管流体的相干结构的对流速度来确定体积流速。这些旋涡188的对流速度通过使用声纳阵列处理技术以确定涡流对流经过沿管14分布的不稳定的压力测量的轴向阵列的速度。

基于声纳算法通过获取流体场时间和空间频率特征确定旋涡的速度。对于对流过固定的传感器阵列的一系列相干旋涡，压力扰动的时间和空间频率内容通过下式相关：

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

在此k为波数，定义为k＝2π/λ并具有1/长度的单位，ω为时间频率，单位为rad/sec以及U_convect为对流速度。这样波长越短(k越大)，时间频率越高。

在声纳阵列处理中，随时间稳定的声场的空间/时间频率内容经常利用“k-ω图”显示。k-ω图基本上为3维功率谱，其中声场能量分解为相应于特定空间波数和时间频率的2维(bin)。在k-ω图上，与随流体对流的压力场有关的能量在满足上述扩散关系的区域上分布。该区域称为“对流背脊”(Beranek1992)并且在k-ω图上该背脊的斜率表示压力场的对流速度。这表明湍流涡旋的对流速度以及管中流速可以通过构造来自传感器的相控阵的输出的k-ω图以及确定对流脊背的斜率来测定。

图39表示由压力传感器的相控阵产生的k-ω图的实例。能量等高线表示清晰的对流背脊。参数优化方法用于确定代表对流背脊200的斜率的“最好”线。对于这种情形，确定斜率为14.2ft/sec。优化过程的中间结果显示在该插入块中，表示优化值是唯一的并且是明确的最佳值。

在图39中所示的k-ω图表示基于声纳的流体测量背后的基本原理，也就是压力传感器的轴向阵列可以与声纳处理技术一起使用来确定管中自然发生的湍流涡旋对流速度。

现在将参照图40对本发明进行描述，其中在此参照多幅图对基于多个参数和特性的计算详细讨论。根据本发明，利用确定混合物声音速度的探头110、170提供饱和汽体/液体混合物的多种特性和混合物速度以及进一步基于测量参数利用逻辑器提供包括关于混合物的信息。如270表示的饱和汽体/液体混合物的稳态压力和温度可以通过任何已知或预计的方法测量，通过该压力和温度可以从已知的声速和混合物的汽液相密度的关系表或图中确定如271表示的多种流体特性。饱和汽体/液体混合物的声速通过上面提到的本发明探头测定并且以272表示。饱和状态汽体/液体混合物的质量由271的流体特性与饱和汽体/液体混合物声速272一起利用前面提出的伍德公式(或近似)确定并且以273表示。通过结合271的流体特性和来自273的饱和汽体/液体混合物的质量，本发明也能确定饱和汽体/液体混合物的其它特性比如以274表示的焓和密度。通过上述方法本发明进一步能确定饱和汽体/液体混合物的速度并且以275表示。以276表示的饱和汽体/液体混合物的总体积流速由此确定，并且当结合饱和汽体/液体混合物的其它特性的参数比如以274表示的焓和密度时，混合物的多个通量速率例如焓和质量流速也能够测定，以277表示。

如所述的，图23的探头10传感器阵列的长度取决于液滴(或固体颗粒)的尺寸，而图34探头170阵列的长度取决于旋涡的相干长度。因此，应该认识到，虽然图23和34的探头110、170分别表示为分离的不同探头，但是应当正确认识：假定液滴的尺寸足够小和/或在此期间湍流涡旋的相干足够长，处理单元30、74可以分别从各自的传感器50、72的公共阵列收到不稳定压力信号。进一步，处理单元30、74可以包括同样的硬件(或单个单元)，其中不稳定压力信号经过简单处理来分别提供它们各自的输出信号。

在此描述的图2的压力传感器18-21可以为能够测量管14中不稳定(或交变或动态)压力的任何类型压力传感器，例如压电、光学、电容、电阻(例如惠斯通电桥)、加速度计(或地震检波器)、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18-21可以为基于布拉格光栅的压力传感器，例如描述在1997年9月8日提交的题为“High Sensitivity Fiber Optic PressureSensor For Use In Harsh Environments”的美国专利申请No.08/925,598(此即目前的美国专利6,016,702)以及题为“Non-Intrusive Fiber Optic Pressure Sensor ForMeasuring Unsteady Pressures within a Pipe”的美国专利申请No.10/224,821中描述的压力传感器，上述文献在此引入作为参考。可替换地，传感器14可以为附加或嵌入到管的外壁或内壁中测量管壁应变的电学或光学应变仪，包括麦克风、水中听音器或其他能够测量管中不稳定压力的传感器。在本发明的一个实施例中，利用光纤作为压力传感器14，它们可以利用波分复用(WDM)，时分复用(TDM)，或任何其他光学多元技术单独接入或沿一或多个光纤多个接入。

对于在此描述的任一实施例，包括在此描述的电学应变仪、光纤和/或光栅的压力传感器可以通过粘合剂、胶水、环氧树脂、带子或其他合适的连接手段附加到该管以确保传感器和管14之间适当的接触。该传感器可以通过已知的机械技术例如机械固定装置、弹簧加载、夹箝、蛤壳式结构、皮带材料或其他等效物可取下地或永久地连接。可替换地，包括光学纤维和/或光栅的应变仪可以嵌入到合成管中。对于某些应用，如果需要的话，光栅可以与管14分离开(或应变或声学隔离)。

任何可以用于测量管中应变变化的其他应变感测技术也在本发明范围内，例如附加或嵌入在管14中的高灵敏的压电的、电子或电学的应变仪。

在本发明特定实施例中，压电压力传感器可以用作一或多个压力传感器15-18并且可以通过测量管14中的压力水平测量在管14中不稳定(或动态或交变)压力变化。在本发明的实施例中，传感器14包括由PCB Piezotronics生产的压力传感器。在一个压力传感器中为集成电路压电电压模式类型传感器，其特征为嵌入微电子放大器，将高阻电压转换成低阻电压输出。特别地，使用由PCB Piezotronics生产的Model 106B，它是适合于在液压和气压系统中测量低压声学现象的高灵敏、加速度补偿的集成电路压电石英压力传感器。其具有测量高静止状态下低于0.001psi的小压力变化的独特能力。106B具有300mV/psi灵敏度和91dB(0.0001psi)分辨率。

压力传感器结合嵌入式MOSFET微电子放大器来将高阻抗电压输出转换为低阻抗电压信号。传感器由恒流源供电并且可以在长同轴或带状传输线上操作而不会信号劣化。低阻抗电压信号不受静电电缆噪声或绝缘电阻劣化的杂质影响。使集成电路压电传感器运转的电源通常采用低成本的24-27VDC，2-20mA恒流源形式。本发明的数据采集系统可以结合恒流源用于直接给集成电路压电传感器供电。

大多数压电压力传感器以预先安装在刚性外壳中的压缩模式的石英晶体或不受限制的电气石晶体构成。这些设计使得传感器具有微秒的响应时间和几百KHz的共振频率，并且具有最小过冲或振荡效应。小的振动膜直径确保窄震动波的空间分辨率。

压电压力传感器系统的输出特征为AC耦合系统，其中重复信号下降直到原始基线上下具有相等面积。由于被监测事件的幅度值起伏，输出在基线左右保持稳定，其中曲线正的和负的面积保持相等。

此外，本发明设计使探头110、170的压力传感器18-21中每一个可以包括提供压电材料来测量流体/颗粒混合物12不稳定压力的压电传感器30，如图9和10所示。压电材料例如聚合物、极化含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)，测量在工作管14内由于工作混合物12中不稳定压力变化产生的应变。通过连接的压电传感器18-21将管中的应变转换成输出电压或电流。

虽然本发明能够测量悬浮在汽体中的液滴，但是应当正确认识利用传感器阵列可以测量其他多相混合物或流体例如悬浮在流体中的固体颗粒。进一步认识到，在液体的大液滴上的扩散效应与扩散在流体中(例如气体或空气)的大固体颗粒类似，这样类似于测量气体-颗粒比例时所考虑的，这种颗粒尺寸也应当可以测量。

本发明描述了一种利用在流体12中浸泡的探头300测量如图43中显示的管道中流体的声音速度的方法和设备，探头300包括管302，部分流体借助该管302在管道中传输。尽管该探头在低马赫数可用于单相流体，但是其主要适于具有高亚音速轴向马赫数的多相流体。这样，因为热物理特性和特征例如多相流体的均匀性可以通过扰动高马赫数的多相流体的速度或方向而改变，因此探头设计成通过对平均流体状态扰动最小的探头传输感兴趣的流体。

合理的是以下列偏微分方程(Acoustic of Ducts and Mufflers，M.L.Munjal，John Wiley和Sons，第18页)建立管道中流动的流体的1-维声场模型：

$\frac{1}{a_{\mathrm{mix}}^2}\frac{{\∂}^{2}P}{{\∂t}^2}-\frac{{2M}_x}{a}\frac{{\∂}^{2}P}{\∂x\∂t}+(M_x^2-1)\frac{{\∂}^{2}P}{{\∂x}^2}=0$

控制方程具有如下的传播波解：

$p(x,t)={\mathrm{Ae}}^{\mathrm{i\ωt}-{\mathrm{ik}}_r{x}_1}+{\mathrm{Be}}^{\mathrm{i\ωt}+{\mathrm{ik}}_1{x}_1}$

其中 $k_r=\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}(1+M_x)}$ $k_l=\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}(1-M_x)}$ 以及M_x为轴向马赫数而a_mix为混合物声速。

管道中的声音具有所谓的临界(cut-on)频率，低于该频率则仅传播1维声波。因为这种探头基于获取1维声音共振行为的信息，审慎设计该探头以在临界频率以下的频率操作。对于圆管道，临界频率由(Munjal，p12)给出： $f_{\mathrm{cut}-\mathrm{on}}=\frac{1.84}{\mathrm{D\π}}{a}_{\mathrm{mix}}.$ 对于1英寸直径的圆管，流体声速为1000ft/sec，临界频率为～7000Hz。

考虑悬浮在相当大的管道中的开口—开口管302，A_tube＜＜A_duct。对于在管中传播的压力波，假设压力波不与大管道中的压力变化有关，该管的开口端表现为压力释放边界。注意对于开口端的辐射阻抗可以使用更复杂的模型而不改变本发明的基本精神。例如，见(Munjal，p48)。这种情形对于在管内产生的压力波保留。利用理想边界状态在x＝0和x＝L得到下列关系式，这一关系确定了声音在管中的自然模式。

p(x＝0，t)A+B＝0

$p(x=L,t)\⇒{\mathrm{Ae}}^{{-\mathrm{ik}}_{r}L}+{\mathrm{Be}}^{{\mathrm{ik}}_{l}L}=0$

合并上述等式，对于系统接纳非无效解的情形求解得到下列用于系统特征值的超越解：

$e^{-i\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}(1+M_x)}L}-e^{i\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}(1-M_x)}L}=0$

这样，对于已知长度的管302，流体的声速、流体的轴向马赫数和系统的固有频率通过上述等式的解联系。假设精确的方法和设备可用于确定悬浮在管道中的管的固有频率，则固有频率测量可以用来确定在管中的流体12的声音速度。对于具有趋于零的小的轴向马赫数(M_x＜＜1)的管道，共振频率和声音速度之间具有直接关系。 $f=n\frac{a_{\mathrm{mix}}}{2L}.$

出于解释目的，考虑浸泡在声速为1000英尺/秒(amix＝1000f/sec)的低马赫数的流体中的1英尺管(L＝1ft)。在该例中，该管具有共振声音频率500Hz(n＝1)、1000Hz(n＝2)等。随着频率增加，由于包括压力释放边界状态和平面波假定的增大的不准确性的许多因素，模型变得越来越不合适。

对于具有在管302中包含的流体的非无效轴向马赫数的应用，特征值问题可以用数字解决。轴向马赫数对包含声速为1000ft/sec流体的6英寸和12英寸管的共振频率(n＝1，2，3，4)的影响分别在图41和42中表示。如所示的，该影响是减少声音共振频率。

如上所述，探头300的谐振频率与通过流体12传播的声音速度有关。探头结合一个用于在管内产生声音的装置304和感测管中声音的装置306，如图43所示。利用这些特点，系统识别技术可以用来准确和大致地确定声音系统的谐振频率。声源304可以为能够在管302中产生谐振状态的任何已知或预期的装置，即扬声器，压电晶体，振荡器等。类似地，传感器306可以为能够探测谐振状态的任何已知或预期的装置，例如压力传感器、麦克风、光纤传感器以及其他基于光纤的传感器等。

声源304的输入到麦克风的输出之间的传递函数可以用参数表达为：

$H\left(s\right)=\frac{\mathrm{Num}}{\mathrm{Den}}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{zeros}}}{\mathrm{\Σ}}}s-a_n}{\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{poles}}}{\mathrm{\Σ}}}s-b_n}$

声管302的固有频率表现为传递函数的极点。对于二级、非临界衰减系统，该极点通过下式与阻尼和固有频率关联：

$b_n=-\mathrm{\ζ}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nat}}t\±i\left(\sqrt{1-{\mathrm{\ζ}}^2}\right){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{nat}}t$

这样，用于确定探头300的固有频率的过程包括确定从扬声器到麦克风之间的传递函数，以极点和零点拟合传递函数，确定极点位置的固有频率。注意，应当使用系统识别技术的最佳实践(本领域技术人员已知)来确保准确确定传递函数的极点。

然后可以利用固有频率以及平均流体速度的知识、探头几何形状和其他与校准相关的数据来确定管300中的流体声速。注意通过流体12传播的声速与谐振频率有关。这对于扩散流体，即声速随频率变化的流体很重要。例如，稍后将说明的，多相流体典型地表现为扩散声速特征。

还要注意，许多方法都可以潜在用来测量或评估通过探头300的流体12的轴向速度(需要来确定M_x或等效的U)。一个提议的方法是方法122，其中旋涡流体场的对流速度(与若干管直径相干)用来测量流体12在探头300中的轴向速度。

对于探头300的一个主要预期的应用为确定汽体/液体混合物12的质量。对于颗粒/液体混合物，流体和颗粒之间的滑移是对声速随频率的变化的主要机械响应。

下面的关系表示理想流体颗粒混合物12的扩散行为模型。

在上述关系中，流体SOS、密度和粘稠度为纯相流体的那些参数，v_P为单颗粒的体积，ρ_p为颗粒在混合物中的体积相分数。图44表示在发电应用中代表低压涡轮机排出状态下应用到蒸汽的汽体/液体混合物的关系(T＝91F，P＝0.05bar)。

图44表示颗粒尺寸在确定蒸汽扩散特征中的重要性。如所示的，声速的低频率和高频率极限不取决于颗粒尺寸。高频率极限确定气相的声音速度，而低频率极限确定蒸汽的质量。

a_mix(ω∞)＝a_fluid

对于蒸汽混合物，蒸汽的质量由准稳定声速和纯相汽体声速的比的平方给出。

$a_{\mathrm{mix}}(\mathrm{\ω}\⇒0)=a_{\mathrm{vapor}}*\sqrt{\mathrm{Quality}}$

$\mathrm{Quality}={\left(\frac{a_{\mathrm{mix}}(\mathrm{\ω}\⇒0)}{a_{\mathrm{vapor}}}\right)}^2$

对于扩散混合物，声腔探头300的多谐振提供确定以单个装置在若干频率下测量声速的装置。对于蒸汽应用，在若干频率测量声速提供确定颗粒尺寸和质量的装置。扩散模型显示扩散行为最显著的频率范围强烈依赖于颗粒尺寸。如果颗粒尺寸为一重要参数，则探头可以设计成使谐振频率的范围横跨扩散效应最显著的频率范围。例如，一个在蒸汽中的12英寸探头可以很好地适合于确定尺寸为5微米的颗粒，但不是十分好地适合于确定颗粒尺寸为50微米(探头谐振将仅仅对应于高频极限中的声速)和颗粒尺寸为0.3微米的颗粒(探头谐振仅仅对应于低频极限中的声速)。

图45显示了描述利用谐振腔声速探头来表现扩散混合物特征的方法的流程图。该方法的步骤包括测量麦克风的频响声源。识别固有频率，将极点和零点拟合到声源到压力传感器(例如麦克风)的传递函数。通过探头传播的声速确定为频率函数。SOS-频率函数用来通过拟合扩散模型确定输出以确定流体或混合物的参数，例如颗粒尺寸和蒸汽质量。

应当理解，在此描述的关于特定实施例的任何特性、特征、改变或改进也可以和在此描述的其他实施例一起应用、使用或合并。

尽管本发明已经描述和解释了其具体实施例，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以在其中或向其中作出前述的以及其他多种添加和省略。

Claims (20)

1.一种用于测量流经轴向孔的流体流和/或混合物的至少一个参数的探头，所述探头包括：

至少两个压力传感器构成的空间阵列，这些传感器沿轴向孔设置在不同轴向位置，并且每一个用来在相应的轴向位置上测量在孔中的不稳定压力，所述传感器中的每一个提供表示在孔中在相应的一个所述传感器的所述轴向位置上的不稳定压力的压力信号；和

响应所述压力信号的信号处理器，该信号处理器提供一个表示流经该轴向孔的流体流和/或混合物至少一个参数的信号。

2.根据权利要求1所述的探头，其中每个传感器测量声压并提供一个表示在孔中的噪声的信号。

3.根据权利要求1所述的探头，其中响应所述压力信号，信号处理器提供表示在轴向孔中通过流体流和或混合物传播的声音的速度的信号。

4.根据权利要求3所述的探头，其中所述信号处理器包括计算声音沿所述空间阵列传播的速度的逻辑器。

5.根据权利要求3所述的探头，其中所述信号处理器包括逻辑器，该逻辑器给所说的声压信号中的每个计算基于频率的信号。

6.根据权利要求4所述的探头，其中每个所述声压信号包括一个基于频率的信号并且其中所述信号处理器包括计算两个所述基于频率的信号的比例的逻辑器。

7.根据权利要求1所述的探头，其中至少包括3个所述压力传感器。

8.根据权利要求3所述的探头，其中信号处理器包括计算流经该轴向孔的流体流和/或混合物的汽体/液体成分的逻辑器。

9.根据权利要求1所述的探头，其中该轴向孔由一个管限定。

10.根据权利要求9所述的探头，其中至少一个所述压力传感器测量管上的应变。

11.根据权利要求3所述的探头，其中基于频率的声速利用扩散模型确定以测定流体流和/或混合物的至少一个参数。

12.根据权利要求3所述的探头，其中声传感器阵列充分隔开使得阵列的整个长度至少为被测声波的测量波长的显著部分。

13.根据权利要求1所述的探头，其中至少一个传感器提供第一滤波器，该第一滤波器沿该管在第一轴向位置测量旋涡压力场并且提供表示所述旋涡压力场的第一压力信号；和至少一个第二传感器提供第二滤波器，该第二滤波器沿轴向孔在第二轴向位置测量所述旋涡压力场并提供一个表示所述旋涡压力场的第二压力信号。

14.根据权利要求13所述的探头，其中响应所述第一和第二压力信号，信号处理器提供一个表示在轴向孔管中移动的所述旋涡压力场的速度的速度信号。

15.根据权利要求13所述的探头，其中所述第一和所述第二滤波器滤去与声压场关联的波长并使与所述旋涡压力场关联的波长通过。

16.根据权利要求15所述的探头，其中所述第一滤波器包括第一空间滤波器，该第一空间滤波器至少包括以一预定第一距离彼此隔开设置的第一和第二不稳定压力传感器；和所述第二滤波器包括第二空间滤波器，该第二空间滤波器至少包括以一预定第二距离彼此隔开设置的第三和第四不稳定压力传感器。

17.根据权利要求9所述的探头，其中至少一个压力传感器包括一个包裹至少管的一部分的压电薄膜来测量不稳定压力。

18.根据权利要求1所述的探头，其中至少一个压力传感器包括一个压电麦克风。

19.一种用于测量通过流经轴向孔的流体流和/或混合物传播的声音速度的探头，所述探头包括：

在孔中产生声音和共振状态的声源；

产生表示在孔中的共振状态的压力信号的压力传感器；

响应所述压力信号的信号处理器，该信号处理器提供一个表示通过流经该轴向孔的流体流和/或混合物传播的声音速度的信号。

20.根据权利要求19所述的探头，其中声源为扬声器、压电晶体和振荡器中的一个。

Images