NO324565B1

NO324565B1 - Fremgangsmate og system for analyse av en tofase-stromning

Info

Publication number: NO324565B1
Application number: NO19972056A
Authority: NO
Inventors: Wayne Hill
Original assignee: Foster Miller Inc
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 2007-11-19
Also published as: US5714691A; NZ297179A; CA2204352A1; NO972056D0; NO20065305L; US5600073A; EP0789834A1; CN1128987C; EP1515124A2; MX9704009A; CA2204352C; CN1217054A; AU698507B2; CN100392360C; JP3110048B2; AU704576B2; AU9046698A; JPH10505165A; NO972056L; EP0789834A4

Description

Dette materiale er basert på arbeid som er understøttet av det amerikanske luftforsvar under kontrakter nummer F29601-91-C-0055 og nummer F29601-92-C-0035. Regjeringen har derfor visse rettigheter i denne oppfinnelsen.

Denne oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for å analysere en tofaset strømning og for å bestemme kvaliteten og massestrømmen av en tofaset strømning ved bruk av ultralydteknikker, og andre sensorer.

En tofaset strømning i en rørledning er en strømning som omfatter både

gass og væske, eller gass og faststoff, eller væske og faststoff. Et eksempel på en gass/væske tofaset strømning er vann og luft som strømmer i et rør; et eksempel på en gass/fast tofaset strømning er kullpartikler og luft som strømmer i et rør. Ultralydmetoder for å bestemme nærvær av tofaset strømning i en ledning er

kjent. Se f.eks. US statutory invention registration nummer H608.1 det vesentlige,

blir en ultralydpuls sendt på tvers gjennom et rør, og hvis strømningen er enfaset (dvs. bare væske), blir en returpuls detektert etter en tidsforsinkelse som et returekko som er sterkt og rimelig skarpt, fra den fjerne veggen av røret.

(Tilsvarende teknikk er også kjent fra US-patent nr. 3,738,169 og US-patent nr. 3,090,252.) Hvis gassbobler er innfanget i væsken, er det flere små refleksjoner og uklarheter eller demping av hovedekkoet fra den fjerne vegg i røret. Hvis en tofaset strømning med et definert gass/væske-grensesnitt er til stede i røret, blir ekkoet ganske sterkt, men tidligere i tid enn i den situasjon hvor det bare er væskestrøm, siden returekkoet kommer fra gass/væske-grensesnittet istedenfor den fjerne vegg i røret. Endelig, hvis strømmen har et definert gass/væske-grensesnitt og også gassbobler i væsken, blir det flere små refleksjoner på grunn av boblene i væsken og returekkoet blir både dempet og tidligere i tid enn ville være tilfellet med bare væskestrøming. Slike målemetoder, som imidlertid bare detekterer nærvær av en tofase-strømning, vil ikke fullt definere den tofasede strømningen.

Kvalitet er masseandelen av den tofasede strømning som er i gassfasen. Kvalitet sammen med massestrømning bestemmer mengden av energi (entalpi) som blir overført ved strømningen, og er således en nøkkel-variabel som brukes til å definere tilstanden i strømningssystemet. Følgelig er målinger av kvalitet og/eller massestrømning nødvendig for fullt å definere strømningen. En grunn til at massestrøms- og kvalitetsmålingene er nødvendige er for å justere hastigheten av en fase av strømningen i et system.

En typisk væske/gass tofaset strømning omfatter en væskefilm i kontakt med en del av eller hele rørveggen (avhengig av strømningsparametret og strømningsorientering i forhold til tyngdekraften). Væsken er stort sett separat fra en kontinuerlig eller avbrutt dampstrøm. Siden et identifiserbart væske/damp-grensesnitt eksisterer, er det mulig å analysere geometrien, strømningsmengden og det aksielle trykkfall av væske/dampstrømmen separat, og å fastsette grenseforholdene som det passer. Hvis tykkelsen av væskestrømmen i røret kan bestemmes, kan forskjellige strømningsmodeller brukes til å forutsi filmtykkelse mot kvalitet for et antall massestrømningsmengder. Se f.eks..Wallis, G. B., One-dimensional Two-Phase Flow, Mcgraw-Hill, New York 1969, sidene 51 til 54, og 315 til 374; Lockhart, R. W., and Martinelli, R. W. «Proposed Correlation of Data for Isothermal Two Phase, Two Components Flow in Pipes», Chemical Engineering Progress, Volume 45, nummer 1,1949, sidene 39 til 48: og Deissler, R. G., «Heat Transfer and Fluid Friction for Fully Developed Turbulent Flow of Air and Super Critical Water with Variable Fluid Properties», Transactions, ASME volume 76, nummer 1,1954, side 73.

Men forløpertrinnet for å detektere tykkelsen av væskestrømmen ved bruk av ultralydmetoder er vanskelig. Nærvær av bobler av gass i væskestrømmen, nærvær av store bølger i væsken som beveger seg i røret, små tykkelses-endringer i væske/damp-grensesnittet, og andre lignende «kaotiske» tilstander inne i røret har en sterk påvirkning på evnen til å bestemme filmtykkelsen ved bruk av ultralydteknikker. Hvis bare en av disse tilstandene er til stede i røret, er ikke en plotting av returekkoene fra en ultralydtransduser en god indikator av filmtykkelsen. Dessuten, en strømningsmengde med høy kvalitet resulterer i en høyst kaotisk strømning, og det samme gjelder en høy strømningsmengde med lav kvalitet. Slike kaotiske strømninger gjør kjente måleteknikker for filmtykkelse upålitelige.

En kurve av returekkoene fra en slik kaotisk strømning alene er derfor tilsynelatende ikke en god indikator av filmens tykkelse. Andre teknikker for å måle tykkelsen av væskefilmen som vanligvis er i kontakt med rørveggen, omfatter sampling, termiske sonder, måling av filmens konduktivitet eller kapasitans, og gamma-densitometri. Skjønt hver av disse teknikkene har styrker og svakheter, er det ingen teknikk som tilbyr fordelene med reflektiv-modus ultralyd. Ultralydteknikker er ikke-invaderende, gir rask respons, utmerket langtids-nøyaktighet og følsomhet, og er anvendelig på alle arbeidsfluida over et bredt område av temperaturer. Dessuten, selv om ikke-ultralydteknikker for tykkelsesmåling er brukt, er de forskjellige strømningsmodeller brukt til å evaluere strømningskvalitet og massestrømmer basert på et antall antagelser som kan føre til unøyaktigheter. På den annen side kan ikke kvalitet og/eller massestrømningsmålinger tas nøyaktig uten å måle filmtykkelsen eller en beslektet parameter, tomromsandelen. Strømningsmålinger, f.eks., indikerer ikke hvor meget av strømningen er væske eller gass, og strømningsmålinger kan ikke brukes i alle situasjoner.

En typisk gass/fast tofaset strømning, så som kullpartikler innfanget i en luftstrøm, omfatter generelt en tau-lignende struktur av kullpartikler som beveger seg i røret. Det er ingen nåværende teknikk som nøyaktig måler mengden av kull i røret. Prøve- og feile-metoder som ofte brukes i kullkraftverkdrift, kan resultere i dårlig effektivitet og luftforurensning. For å optimalisere forbrenning, må mengden av kull og mengden av luft som leveres til brenneren være kjent.

Derfor, i tillegg til å bestemme nærvær av en tofase-strømning, har

betydelig forskning vært utført på forskjellige anordninger for virkelig måling av tofaset strømning. Disse anstrengelsene har for det meste forsøkt på å karakterisere en gjennomsnittsverdi av et eller annet aspekt ved strømmen, så som et trykkfall, tomromsandel, filmtykkelse, hastighet eller densitet. Et problem med denne tilnærmingen er at kunnskap om en enkelt verdi ikke er tilstrekkelig til å definere en tofaset strømning. Tofasede strømninger omfatter to separate strømninger (av fase A og fase B) som påvirker hverandre på ekstremt kompliserte måter. Hvis gjennomsnittsverdier skal brukes, må minst to uavhengige kvantiteter måles for å definere strømningen. I tillegg vil et gitt par av observasjoner, så som et trykkfall og en hastighet, ofte ikke gi en følsom indikasjon av strømningsmengdene for fase A og fase B for et bredt område av forhold. Forskjellige kombinasjoner av observasjoner er således ofte nødvendige for forskjellige strømningsforhold.

Det er anvendelser som kan være vel tjent ved passende utviklede instrumenter basert på kjente gjennomsnittsteknikker. Det er imidlertid mange flere anvendelser for hvilke kombinasjoner av nå kjente gjennomsnittsmålinger ikke vil gi de ønskede resultater. F.eks., noen anvendelser krever en komplett ikke-invaderende strømningsmåling. Andre kan være geometrisk begrenset, slik at bare instrumenter av en gitt størrelse eller form kan brukes. Andre anvendelser kan kreve nøyaktige strømningsmålinger over et ekstremt bredt område av strømningsforhold. Andre kan være meget kostnadskrevende, slik at instrumentet må være meget kostbart. Den foreliggende oppfinnelse tilbyr den fordel at hvilken som helst meningsfylt målingsteknikk, brukt raskt og iherdig, kan brukes til å bestemme strømningen av begge faser. Siden hver anvendelse tillater at noen meningsfulle strømningsobservasjoner blir utført, vil den foreliggende oppfinnelse sikre at et praktisk instrument kan utvikles.

Tilnærmingen i den foreliggende oppfinnelse oppstår fra enkle, men viktige observasjoner om tofase-strømninger. For det første, de er deterministiske, idet de tilfredsstiller de fysiske lover. Mens således utviklingen er ekstremt komplisert, er det en underliggende orden i strømningenes oppførsel. Oppførselen av en gitt bølge, partikkel eller boble, skjønt den er komplisert, er ikke virkelig tilfeldig.

For det annet, siden de er deterministiske og oppfører seg på en komplisert måte, er det sannsynlig at de vil være kaotiske. Ordet «sannsynlig» er brukt her fordi det ennå ikke er vist generelt at fluid-turbulens tilfredsstiller den matematiske definisjon av kaos. Det er ennå ikke kjent hvilke (om noen) typer av komplisert oppførsel er mulig som hverken er kaotiske eller tilfeldige. Det er for tiden ikke mulig å generalisere om oppførselen av et slikt system. I mangel på et mer avgjørende svar fra topologer, og siden synet på tofasede strømninger som kaotisk er i samsvar med de bevis som hittil er tilgjengelige, har den foreliggende oppfinnelse antatt at de tofasede strømninger av interesse er kaotiske.

Tofaset strømning er et dissipasjonssystem, dvs. ved en gitt anledning, vil ethvert arbeid som utføres på den bli tapt til viskositet. Ved en valgt utgangs-tilstand (f.eks. en anordning for å blande ved innløpet til strømningsrøret), vil en tofase-strømning etablere seg i et oppførselsmønster som ligner andre strømninger med samme strømninger av fase A og fase B, men forskjellige utgangstilstander. Egentlig er det vanskelig å bevise dette med sikkerhet uten å generere mange strømningstilstander med en variasjon av utgangstilstander, og sammenligne deres egenskaper i detalj. Det er imidlertid en grunnsetning i teknikken for fluidmekanikk og tofaset strømning at dette er tilfelle: hvis dette ikke var tilfelle, ville det ikke være mulig å generere modeller eller korrelasjoner av tofaset strømningsoppførsel. Dette er også i samsvar med egenskapene for kaotiske dissipasjonssystemer.

Hvis tofase-strømninger er dissiperende og kaotiske, kan nøkkelutsagn avgis om deres oppførsel. Viktigst blant disse er at det eksisterer en enkelt underliggende oppførsel, «ukjent attraktor», hvis form endres når strømnings-parametrene endres. Den ukjente attraktor er en ekstremt komplisert bane (i matematisk faserom) som definerer alle trajektorier for systemet med tid. Den er begrenset til en viss del av faserommet og er en enkelt, ikke avsluttet, åpen (dvs. aldri gjentagende) bane hvor punkter som først er nær hverandre, divergerer raskt fra hverandre med tiden (kalt følsomhet for utgangsbetingelsene). De konklusjoner som kan trekkes fra eksistensen av en ukjent attraktor, er vidtrekkende. Den viktigste konklusjon for nåværende formål er at enhver observasjon av systemets oppførsel, gjort over en tidsperiode, er en avbildning av den ukjente attraktor. Hvis observasjonene utføres med konstant tidsinkrement mellom målinger, er det en glatt avbildning. Enhver glatt avbilding av en ukjent attraktor inneholder en mengde informasjon om systemets oppførsel som kan sammenlignes med enhver annen glatt avbilding med samme tidsinkrement og målefølsomhet. Hvilken som helst av en variasjon av målemetoder kan således brukes med en tofase-strømning med lik overbevisning om at meningsfull informasjon er oppnådd.

Denne diskusjonslinjen er ganske vel etablert i teknikken for kaos-teori, men er i seg selv utilstrekkelig til å tillate måling av tofasede strømninger. Grunnen til dette er at argumentet ikke viser hvordan utviklingen av

strømningsobservasjonene kan relateres til strømningsforholdene. Forskjellige forskere har faktisk forsøkt på å relatere tofasede strømningsforhold til tidsserie-målinger. Den best kjente av disse er Jones, O. C. og Zuber, N., «The

Interrelation between void fraction fluctuations and flow patterns i two-phase flow», International J. of Multiphase Flow, v2, side 273 -306,1975; Hubbard, MG., og Dukler, A. E., «The Characterization of Flow regimes for Horizontal two-phase flow: 1. statistical analysis of wall pressure fluctiations», Proceedings of the 1966 Heat Transfer and Fluid Mechanics Institute, Saad, M. A. and Miller, J. A. eds., Standard University Press, sidene 100-121, 1966. Jones and Zuber identifiserte væske/gass-strømnings-regimer fra sannsynlighets-densitetsfunksjoner av røntgenstråle-dempnings-målinger. Hubbard og Dukler identifiserte strømnings-regimer fra frekvensspektra av trykksignaler fra væske/gass tofasede strømninger. I ingen av disse tilfellene ble strømningsmengden av den ene eller begge bestemt.

Den tekniske litteratur har mange referanser som beskriver forsøk på å undersøke eller utvikle instrumenter av forskjellige typer for å måle eller karakterisere tofasede strømninger. Oversikter omfatter Hsu, Y. Y., og Graham, R. W., Kapitel 12: Instrumentation forTwo-Phase Flow, i Transport Processes in Boiling and Two-Phase Systems, McGraw-Hill, 1976; og Mayinger, F., kapitel 16: Advanced Optical Instrumentation, i Two-Phase Flow and Heat Transfer in the Power and Process Industries, Bergles, A. E., m.fl. redaktører, Hemisphere Publishing Company, 1981. De fleste av disse anstrengelser har generert resultater med tilstrekkelig begrenset anvendelse til å være stort sett av forskningsinteresse. Virkelig tofase flowmetre, dvs. instrumenter som går ut på å definere strømningene av begge fasene A og B, er ikke bredt tilgjengelig på det kommersielle marked.

I industriell praksis, har de mest brukte instrumenter for tofase-strømning vært foton-svekningsinstrumenter. Disse instrumentene bestemmer svekningen av fotoner (typisk mikrobølger eller gammastråler) mens de passerer gjennom strømningen. Den større svekning av en fase enn den andre (i det vesentlige fra høyere densitet) brukes til å karakterisere en del av strømningskanalens tverrsnitt som er fylt ved hver fase. Alternativt kan dette sees på som karakterisering av den gjennomsnittlige densitet av strømningen. Avhengig av instrumentets spesielle geometri, kan det være mer eller mindre følsomt, eller fordeling av fasene over strømningskanalen, og kan således brukes til å identifisere strømningsregimet (f.eks. boblete, klumpete, lagdelte, ringformede eller tåkeaktige strømninger). Disse instrumenter gir bare en tilnærmet indikasjon av strømningsforholdene, fordi deres følsomhet for mengden av hver fase som er til stede er begrenset. Spesielt er gamma-densitometre høyst følsomme til og méd for helt små mengder av bly i en strømning, hvilket er en alvorlig begrensning av deres nøyaktighet i mange interessante anvendelser (mest spesielt i petroleumsrørledninger). Til tross for begrensningene av disse instrumentene i deres opprinnelige tiltenkte utførelse, kunne det brukes med fordel med den foreliggende oppfinnelse for nøyaktig å bestemme strømningene av basene A og B.

For å generere nyttig informasjon om strømningsmengdene av fasene A og B, må en dempningsmåling være kombinert med en indikasjon av strømnings-hastigheten. En slik indikasjon kan oppnås ved å gjøre dempningsmålinger ved to nært adskilte stasjoner langs strømningskanalen, og krysskorrelering av de resulterende signaler. Tidsforsinkelsen for toppen i krysskorrelasjonskurven tilsvarer en tilnærmet tidsforsinkelse for strømningsforplantningen. Dividering av avstanden for instrumentene med denne tidsforsinkelse gir en karakteristisk hastighet. Den gjennomsnittlige strømningsdensitet og denne hastighet kan bli korrelert med strømningsmengdene av fasene A og B. Korrelasjonen er nødvendig for å korrigere for den uunngåelige «slip» som oppstår mellom faser (pga. av at de ikke strømmer med identiske hastigheter).

Selv med passende kalibrering, er nøyaktigheten av krysskorrelerte dempningsmålinger begrenset pga. den dårlige følsomhet av densitetsmålinger for mange strømningsforhold. Denne begrensede nøyaktighet er antydet i US patent nr. 4,683,759 til Skarvaag m.fl., hvor denne grunnidé er brukt til å måle væske/- gass tofasede strømninger. Bestemmelsen av væske og gass strømningsmengder er imidlertid diskutert for bare et spesifikk strømningsregime kalt klump-strømning, i hvilken væskestrømmene og gasstrømmene er stort sett avbrutt, og toppen i krysskorrelasjonsf unksjonen er ganske skarp.

Andre instrumentsystemer har vært anordnet for å observere tofasede strømninger.l U.S Invention registration H608 til Goolsby, er det brukt en ultralyd-målingsteknikk for å bestemme om gass er til stede i en væskéstrøm. I dette instrumentet, blir ekkomodus-ultralyd brukt til å bestemme lokaliseringen av den andre hoved-refleksjonsgrenseflaten (den første er mellom væsken og rør-veggen). Hvis flyvetiden for den akustiske bølge er mindre enn den som er forbundet med et fullt rør (annen refleksjon fra den fjerne veggen), er en væske/- gass-grenseflate til stede. Denne tilnærmingen har i virkeligheten vært brukt til å studere tofasede strømninger kvantitativt i ganske mange år.

I U.S. Patent nr. 4,193,291 to Lynnworth, er det beskrevet en ultralyd-metode for å bestemme strømningsdensitet. Denne teknikken er basert på forskjellige dempningsmengder av torsjonsbølger i et legeme, avhengig av densiteten til det fluidum som legemet er neddykket i. Forskjellige utførelser er beskrevet, som gjør instrumentet mer eller mindre følsomt for fordelingen av faser i strømningskanalen. Dette instrumentet er begrenset til væske/væske eller væske/gass tofasede strømninger. Et uheldig aspekt for dette instrumentet er at det trenger inn i strømmen. Inntrengningen av instrumentet i strømmen hever potensialet for skade på instrumentet fra forurensninger som bæres av strømmen, og genererer et uønsket trykkfall og strømavbrytning, og krever tetninger mellom instrumentet og strømningskanalen som reduserer påliteligheten for strømnings-systemet. Et annet uheldig aspekt ved dette instrumentet er at ingen enkelt utførelse er beskrevet som bestemmer den gjennomsnittlige densitet over hele strømningens tverrsnitt. Hver utførelse er således anvendelig til et begrenset område av strømningsregimer. Videre er ikke saken med fluidum-væting adressert: hvis væsken væter materialet i sensoren, vil den tilsynelatende densitet bli forskjøvet sterkt mot væskedensiteten. Selv med disse begrensinger, kunne mekanismen med denne måletilnærming brukes ved den foreliggende oppfinnelse for å frembringe en nøyaktig bestemmelse av strømningsmengder av fasene A og

B.

Det ovennevnte patent sier at densitetsmålinger kan kombineres med akustisk hastighetsmåling for å bestemme strømningsmengdene for begge faser. I akustisk hastighetsmåling, blir en akustisk bølge forplantet ved en transduser nedstrøms gjennom strømmen, og dens flyvetide til en annen transduser blir målt. En annen bølge blir forplantet oppstrøms for å bestemme forplantningstiden mot strømmen. Sammenligning av disse forplantningstidene bestemmer både den effektive hastighet av lyden i strømningen og dens forplantningshastighet. Hvis akustisk hastighetsmåling virker i tofasede strømninger i det hele tatt, ville målingene være meget følsomme for strømningsregimet. F.eks., i ringformet strømning, er en kontinuerlig væskefilm i kontakt med strømningskanalens vegg. Alle akustiske bølger som entrer strømningen vil effektivt blir «kortsluttet» gjennom væsken (med dens meget høye lydhastighet og forholdsvis lave dempning) slik at væskehastigheten (forskjøvet ved den akustiske bølgebane) ville bli målt. I motsetning til dette, i stratifisert strømning, blir en væskestrøm forbundet av strømningskanalen effektivt adskilt fra den gasstrøm øverst i kanalen. Hvis akustiske bølger som beveger seg gjennom væsken kan koples tilstrekkelig med gasstrømmen, vil en hastighet som er en gjennomsnitt av væskehastigheten og gasshastigheten bli målt. Denne hastigheten ville bli helt forskjellig fra (mye høyere enn) hastigheten av en ringformet strømning, selv om ringformede strømninger ofte oppstår ved meget høyere hastigheter. Kalibreringen av instrumentutgangen med forskjellige strømningsforhold ville således omfatte noen meget sterke ikke-lineæriteter som kunne resultere i dårlig nøyaktighet.

U.S patent nr. 4, 991,124 i navnet Kline beskriver et annerledes ultralydinstrument for å bestemme et fluidums densitet. Denne teknikken er basert på bestemmelse på lydhastigheten og dempingsmengden av akustisk energi i fluidet. Fordi denne teknikken avhenger av flere refleksjoner av akustisk energi, som ville være ekstremt vanskelig å detektere i tofasede strømninger, kunne den sannsynligvis ikke bli anvendt i en tofaset strømning.

AEA Technology i Storbritannia, har publisert en tofase-strømningsmåler for bruk i olje- og gassfelter, Anbnymous, «Non-1 nt rusi ve Meter Measures Oil and Gas Flows», competitive Edge, utgave 4, side 3, våren 1994. Dette instrumentet bruker en pulset nøytronstråle som teller hydrogen, karbon, oksygen og klor-atomer som passerer målepunktet. Korte støt av stråling blir brukt til å aktivere oksygenatomer, som kan etterfølges når de beveger seg, for å definere en strømningshastighet (en annen målemetode). Dette instrumentet benytter to gjennomsnittsteknikker for å bestemme strømningsmengden av (potensielt) flere faser. Den avhenger imidlertid av at fasene er av forskjellige sammensetninger for å definere deres strømningsmengder separat. Hvis to faser hadde den samme sammensetning (en såkalt en-komponent tofaset strøm), ville bare en total strømningsmåling bli oppnådd. Mens dette systemet kan vise seg effektivt for dens tiltenkte anvendelse i oljefelter, vil kostnadene, kompleksitet og drifts-begrensninger begrense dets bruk andre steder.

Det er derfor et mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe en fremgangsmåte og et system for å analysere en tofase strømning for å bestemme kvaliteten og massestrømmen.

Det er et videre mål for oppfinnelsen å frembringe en slik fremgangsmåte og system for å bestemme kvaliteten og massestrømningen av en tofase strømning ved bruk av ikke-invaderende sensorer.

Et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe en slik fremgangsmåte og system for å bestemme kvaliteten og massestrømningen av den tofase-strømning som resulterer i pålitelige målinger, selv i nærvær av en kaotisk tofase-strømning i et rør.

Et videre mål for oppfinnelsen er å frembringe en slik fremgangsmåte og system for å bestemme kvaliteten og massestrømningen av en tofase-strømning uten behov for å bruke forskjellige strømningsmodeller og analyseteknikker som er basert på et antall antagelser.

Denne oppfinnelsen er et resultat av den forståelse, av at ved første blikk synes det som om ultralyd-tykkelseskurven for returekkoene i en kaotisk tofaset strømning ikke viser den nøyaktige tykkelse av fluidumstrømningen, men at ved videre undersøkelse, er visse indikatorer om strømningens egenskaper virkelig til stede i tykkelseskurven over tid, og disse indikatorer så som det gjennomsnittlige antall gode tykkelses-avlesninger i en rekke, den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger, og den gjennomsnittlige andel av avlesninger som er gode, kan brukes sammen til nøyaktig å måle massestrømningen og strømningskvaliteten. Denne oppfinnelsen er også et resultat av den fundamentale forståelse at massestrømning og strømningskvalitet kan bestemmes direkte fra tykkelseskurven uten behov for kompliserte analyseteknikker som er basert på et antall antagelser, og uten behov for invaderende måleteknikker. Denne oppfinnelsen er også et resultat av den forståelse at andre anordninger enn ultralyd-tykkelseskurver nå kan brukes til å oppnå strømnings-indikatorer som kan brukes til å karakterisere og beskrive strømningen.

Endelig er oppfinnelsen et resultat av den forståelse at strømningsindikator-størrelsene kan detekteres av et antall forskjellige typer sensorer: at strømnings-indikator-størrelsene kan detekteres for en ledning som inneholder hvilken som helst type av tofase-strømning og til og med ublandbare strømninger: og at analyse av strømningsindikator-størrelsene kan brukes til å evaluere strømningen. Så snart strømningen er analysert, kan et tilbakekoplingssystem benyttes til å regulere strømningen.

Den foreliggende oppfinnelse angår måling av tofasede strømninger som kan være blandinger av en væske med en gass eller damp, en væske med faste partikler, to ublandbare væsker, eller en gass med faste partikler. Oppfinnelsen er like anvendelig til strømninger i hvilke to faser (f.eks. A og B) er av samme eller forskjellig sammensetning. Den angår situasjoner i hvilke slike strømninger er begrenset inne i en strømningskanal eller ledning, skjønt det er sannsynlig at konseptet kan utvides for anvendelse til enten fri strømning eller strømning rundt et neddykket legeme. Det er også sannsynlig at konseptet kan utvides til stømninger av tre eller flere bestanddeler, eller til enkeltfase- (bare væske eller gass) strømninger.

Det fundamentale konsept ved oppfinnelsen er at med en passende strømningsobservasjon utført uavlatelig, vil målingsverdiene og deres variasjon med tid reflektere de fenomener som oppstår i strømningen, og derfor strømnings-tilstanden. Strømningstilstanden er vanligvis definert ved strømningsmengden av de to faser. Temperatur og/eller trykk kan også være nødvendig for å definere egenskapene ved de to fasene. Denne tilnærmingen for måling avhenger av en ujevn, komplisert strømningsstruktur for drift. En slik strømningsstruktur er vanligvis forbundet med fluidum-turbulens. Selv mange tofasede strømninger som anses som laminære er imidlertid karakterisert ved milde variasjoner, og skulle således kunne tilpasses den foreliggende oppfinnelse. I tillegg, lokal turbulens kan induseres i mange ellers laminære strømninger gjennom slike anordninger som brede legemer, statiske blandere, åpninger, albuer eller andre strømavbrytelser. Denne målemetode som er beskrevet her skulle således ha et meget bredt

område av anvendelse.

Det er et viktig mål for den foreliggende oppfinnelse å beskrive en måletilnærming som tillater pålitelig bestemmelse av forholdene mellom tidsserie-operasjoner og strømningene av begge faser i en tofaset strømning. Det meste av arbeidet som er diskutert nedenfor er utført med væske/gass tofaset strømning ved bruk av ultralyd-tykkelsesmålinger som fremgangsmåten for strømnings-observasjon. Som den foregående forklaring beskriver, er ikke den foreliggende oppfinnelse begrenset til slike strømninger eller en enkelt fremgangsmåte for strømningsobservasjon. Den foreliggende oppfinnelse er anvendelig til alle tofasede strømninger med iboende tidsvarierende oppførsel, og alle observasjonsmetoder som på meningfylt vis reflekterer strukturen av strømningen. Følgelig angis alternative observasjonsmetoder for forskjellige situasjoner og anvendelser detaljert nedenfor, såvel som den forventede respons for slike instrumenter og anordninger for å relatere observasjonene til strømnings-forholdene.

Denne oppfinnelsen viser en fremgangsmåte for å analysere én tofase-strømning i en ledning, og omfatter sending av akustisk energi inn i tofase-strømningen i ledningen; detektering av returekkoer av akustisk energi; evaluering av returekkoene for å bestemme antallet gode avlesninger og antallet dårlige avlesninger, hvor en god avlesning defineres som et detektert returekko som

antas å indikere tykkelsen av væskestrømning i ledningen; beregning fra returekkoene, av minst en strømningsindikatorstørrelse utledet fra returekkoene, hvor strømningsindikatorstørrelsene velges blant: det gjennomsnittlige antall gode tykke Isesavlesn inge r, den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger, den gjennomsnittlige andel av totale avlesninger som er gode

avlesninger, RMS-verdi for gode tykkelsesaviesninger, RMS-endring i sekvensielle gode avlesninger, det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke, det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke, og den karakteristiske autokorrelasjonstid; og bestemmelse, fra de nevnte beregnede strømnings-indikatorstørrelser, av minst en av massestrømmen og strømningskvaliteten.

Fremgangsmåten kan videre omfatte beregning av følgende størrelse: den gjennomsnittlige absolutte verdiendring i sekvensielle gode avlesninger dividert med det gjennomsnittlige antall gode avlesninger, for diskriminering mellom massestrømning og kvalitet. Trinnet for bestemmelse kan omfatte tilpasning av et

antall av strømningsindikatorstørrelsene til kjente strømningsforhold for å anslå massestrømningen og kvaliteten av tofase-strømningen i ledningen; trinnet for tilpasning kan da videre omfatte bruk av et nevral-nettverk trenet til å tilpasse et antall av de nevnte strømningsindikatorstørrelser til kjente strømningsforhold for å anslå massestrømning og kvalitet. Trinnet med beregning kan omfatte oppsamling av data i form av det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger i en rekke sammenlignet med strømningskvalitet og den gjennomsnittlige endring av sekvensielle gode avlesninger sammenlignet med strømnings-kvalitet.

Denne oppfinnelsen viser også et system for å analysere en tofase-strømning i en ledning, og systemet omfatter en anordning for å sende akustisk energi inn i tofase-strømningen i ledningen; en anordning for å detektere returekkoer av akustisk energi; en anordning for å evaluere returekkoene for å bestemme antallet gode avlesninger og antallet dårlige avlesninger, hvor en god avlesning defineres som et detektert returekko som antas å indikere tykkelsen av væskestrømning i ledningen; en anordning for å beregne, fra returekkoene, minst en strømningsindikatorstørrelse, hvor strømningsindikatorstørrelsene er valgt blant: det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger, den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger, den gjennomsnittlige andel av totale avlesninger som er gode avlesninger, RMS-verdi for gode tykkelsesaviesninger, RMS-endring i sekvensielle gode avlesninger, det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke, det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke, og den karakteristiske autokorrelasjonstid; og en anordning for å bestemme strømningskvaliteten eller massestrømmen, basert på de nevnte strømnings-indikatorstørrelser, hvilken anordning reagerer på anordningen for å beregne strømningsindikatorstørrelsene.

Anordningen for å sende akustisk energi kan omfatte et antall transdusere som er aksielt koplet til ledningen, og kan da videre omfatte en anordning for å avfyre transduserne sekvensielt. Anordningen for å detektere returekkoene kan evaluere returekkoer som indikerer tykkelsen av væskestrømningen i ledningen.

Anordningen for beregning kan beregne følgende størrelse: gjennomsnittlig absolutte verdiendring i sekvensielle gode avlesninger, dividert med det gjennomsnittlige antall gode avlesninger, for diskriminering mellom massestrømning og kvalitet. Anordningen for å bestemme kan omfatte et nevral-nettverk som tar som inngangsstørrelse minst en av de beregnede strømningsindikatorstørrelser og anvender en mønster-tilpasningsalgoritme for å forutsi strømningskvaliteten eller massestrømmen, basert på virkelige mønstre for strømningskvalitet og massestrømmer innlært av nevral-nettverket.

I mer omfattende forstand viser denne oppfinnelsen en fremgangsmåte som omfatter detektering av mengden av returekkoer over en forutbestemt ekko-styrke, bestemmelse fra mengden av returekkoene tofasestrømnings-masse-strømmen, beregning fra returekkoene, av væske-filmtykkelsen på rørveggen, og bestemmelse av den gjennomsnittlige endring i beregnet væskefilmtykkelse, den gjennomsnittlige beregnede filmtykkelse, og strømningskvaliteten ut fra forholdet mellom den gjennomsnittlige endringen og den gjennomsnittlige filmtykkelse.

Andre formål, trekk og fordeler vil fremkomme for fagfolk i denne teknikken fra den følgende beskrivelse av en foretrukket utførelse og de medfølgende tegninger, hvor: fig. 1 er et skjematisk diagram i snitt av en typisk tofaset strømning i et rør: fig. 2 er en grafisk illustrasjon av de sendte og mottatte pulsbølgeformer for en «god» filmtykkelsesavlesning;

fig. 3 er en grafisk illustrasjon av en sendt bølge som viser mangel på returbølge på grunn av et returekko som er reflektert bort fra mottakeren;

fig. 4 er en grafisk illustrasjon av flere svake returekkoer på grunn av nærvær av gassbobler i væskestrømmen;

fig. 5 er et skjematisk diagram av et ultralyd-målesystem for filmtykkelse ifølge denne oppfinnelsen, omfattende mulige forbedringsopsjoner;

fig. 6 er et diagram av utstyr som brukes i målesystemet på fig. 1 ifølge denne oppfinnelsen;

fig. 7 er en grafisk illustrasjon av en strømningsmengde sammenlignes méd kvalitet som definerer strømningsforholdene for et antall tester utført ved fremgangsmåten ifølge denne oppfinnelsen;

fig. 8 er en illustrerende representasjon av et typisk register for ultralyd filmtykkelsesmåling ved bruk av målesystemet vist på fig. 5 og 6;

fig. 9 er et kart av de gjennomsnittlige filmtykkelsesmålinger for testforholdene vist på fig. 7 sammen med en publisert émpirisk korrelasjon basert på den antagelse av at all væsken er i en film uten noen damp som er innfanget i filmen;

fig. 10 er en grafisk fremstilling av den korrigerte strømningskvalitet ved bruk av gjennomsnittlig endring i sekvensielle gode tykkelsesaviesninger dividert med den gjennomsnittlige tykkelsesavlesning for dataene plottet på fig. 9;

fig. 11 er et kart av massestrømning mot andelen av gjenkjente ekkoer fra datapunktene på fig. 7, tatt med det utstyret som er vist på fig. 5 og 6;

fig. 12 er en grafisk fremstilling av den karakteristiske autokorrelasjonstid brukt som en strømningsindikator ifølge denne oppfinnelsen;

fig. 13 til 20 er grafiske illustrasjoner av strømningsindikatorer ifølge denne oppfinnelsen, sammenlignet med strømningskvalitet;

fig. 21 er et skjematisk diagram av et nervenettverk som er nyttig for mønstertilpasning av indikatorene vist på fig. 13 til 20 for å evaluere massestrømning og/eller massekvalitet ifølge denne oppfinnelsen;

fig. 22 er grafisk avbildning av korrelasjonen av massestrømning bestemt ifølge nervenettverket vist på fig. 21 som sammenlignet med den forutsagte massestrømning;

fig. 23 er en grafisk avbildning av korrelasjonen av strømningskvalitet bestemt i henhold til nervenettverket vist på fig. 21 sammenlignet med den forutsagte strømningskvalitet; og

fig. 24 er et flytdiagram som viser fremgangsmåten for å evaluere massestrømning og kvalitet ifølge denne oppfinnelsen;

fig. 25 er et skjematisk riss av en annen type av følersystem brukt til å evaluere en tofaset strømning ifølge denne oppfinnelsen; og

fig. 26 er et kart av strømningsoppførsel målt ved følersystemet på fig. 25.

Denne oppfinnelsen viser i bred forstand en tofaset strømningsmåler.

Strømningsindikatormengder så som nærvær av «bølger» av væske som beveger seg i væske/gass tofase-strømning eller «bølger» av partikler som beveger seg i en fast/gass tofase-strømning, og perioden mellom passering av bølger blir detektert med et antall forskjellige typer følere, deriblant ultralyd-trahsdusere, mikrofoner, akselerometre og lignende. Strømningsindikatormengdene, så snart de er detektert, kan brukes til å bestemme enten massestrømningsmengden eller kvaliteten av strømningen, eller begge. Eller i noen anvendelser, kan strømnings-indikatormengdene brukes til å detektere en endring i strømningsforholdene. I den første utførelsen, er tofase-strømningsmåleren benyttet til bruk av ultralyddetektor-er for å bestemme massestrøm og strømningskvalitet for en væske/gass tofase

strømning i en ledning.

I denne oppfinnelsen, er bestemmelse av filmtykkelsen av en tofase strømning i en rørledning bare en første gangs evaluering av en strømnings-kvalitet og /eller massestrømning. I en typisk tofase-strømning, vil nærvær av et bratt fluidum/ damp-grensesnitt, nærvær av periodiske bølger av fluidum som beveger seg i røret, og nærvær av dampbobler som innfanget i væsken, gjøre filmtykkelsesmålingene ved bruk av ultralydmetoder vanskelige å tolke. Men ved bruk av ultralydteknikker ved selve filmtykkelseskurvene, skjønt det ikke nødvendigvis måler filmtykkelsen nøyaktig, funnet å omfatte strømningsindikatorer som, når det brukes sammen, tillot strømningskvalitet og/eller massestrømning å bli bestemt gjennom kalibrering.

Fig. 1 viser detaljer av et tverrsnittsriss av en tofase-strømning i et rør 10 med en væske 12 som strømmer på den indre periferi av rørveggen og en gass eller dampkjerne 14 som strømmer nær sentrum av røret.

En ultralydtransduser 16 blir først kalibrert med røret 10 tomt for å etablere pulstidforsinkelsen ved detektering av et returekko fra den nære vegg 9 av et ekko fra den fjerne vegg 11, og så kalibrert med røret 10 helt fullt med væske for å etablere tidsforsinkelsen på grunn av lydhastigheten i væsken.

En tofaset strømning blir så innført i røret 10, og pulstiden At, fig. 2, mellom den første puls 20 og returekkoet 22 fra grensesnittet 18, fig. 1 av væsken 12 og gassen 14 blir målt.

Tykkelsen av væskefilmen h blir da:

hvor C er lydens hastighet i væsken og At er tiden mellom sending av ultralydpulsen og mottagelse av ekkoet. Fig. 2 viser en «god» tykkelsesavlesning, dys. en avlesning i hvilken det er et detektert returekko som er en god indikasjon på tykkelsen av væskestrømningen i røret. Returpulsen 22 er ganske sterk og skarp som vist.

Hvis grensesnittet mellom væskestrømmen og gasstrømmen som vist ved 18 på fig. 1 definerer en skrå overflate, kan imidlertid returekkoet bli reflektert bort fra mottageren og aldri mottas. I dette tilfelle, vil kurven av «returekkoer» ligne mer på det som er vist på fig. 3. På den annen side, hvis grensesnittet mellom væske-strømmen og gasstrømmen som vist på fig. 1 er ujevnt eller utydelig, kan returekko-kurven se ut som på fig. 4. Nærvær av bobler i væskefilmen, bølger og andre kaotiske oppførsler av strømningen resulterer i et antall «dårlige» avlesninger som ikke indikerer et nøyaktig mål for filmtykkelsen.

I denne oppfinnelsen er imidlertid denne informasjon fremdeles brukt og analysert for helt å karakterisere strømningen og nøyaktig å måle masse-strømningen og strømningskvaliteten.

Denne oppfinnelsen kan oppnå en fremgangsmåte for å bestemme kvaliteten og/eller massestrømningen av en tofase-strømning i et rør ved bruk av ultralyd-filmmålingsteknikk. Massestrømningsmengden og kvaliteten blir bestemt separat fra kombinasjonen av flere mengder som beregnes fra rådataene.

På fig. 5 er det vist en utførelse av et ultralyd-filmtykkelsesmålekonsept som er nyttig for fremgangsmåten av systemet ifølge denne oppfinnelsen. En tofase-strømning flyter i retning av pilen A inne i et rør 40 med sirkelrundt tverrsnitt. Strømmen omfatter en væskefilm 42 på de indre vegger av røret 40, og en damp-strøm 44. Strømningene er typiske turbulente strømninger i hvilke dampbobler er innfanget i væsken, og overflaten av væsken 42 er ofte ikke glatt. Væskedråper kan være innfanget i dampkjernen.

Standard ultralyd-transdusere på en tykkelsesmåling benyttes for å gjøre filmtykkelsesmålinger som så blir brukt til å bestemme massestrømningsmengden og kvaliteten av strømningen inne i røret 40. Fortrinnsvis er flere ultralyd-transdusere koplet til den ytre vegg av røret 40 på forskjellige perifere steder ved en aksielle posisjon. I dette eksemplet, er tre slike transdusere 48, 50 og 52 vist perifert adskilt ved en aksiell posisjon rundt røret 40. Fjerde transduser 54 er plassert direkte nedstrøms fra transduseren 48 for å bestemme den karakteristiske filmhastighet. Transduseren 48, 50 og 52 blir avfyrt sekvensielt. Den aksielt forskjøvne transduser 54 blir avfyrt på et senere tidspunkt enn transduseren 48. Utgangene fra transduseme 48 og 54 blir krysskorrellert, fortrinnsvis ved bruk av den domene-teknikk som er kjent i teknikken, for å bestemme strømningshastigheten.

Utstyret for å oppnå filmtykkelsesmålinger ved bruk av transduser-anordningene på fig. 5 er vist på fig. 6. Røret 40 kan være en horisontal, skråstilt eller vertikal testseksjon. For de målinger som er vist detaljert på fig. 7 til 21, ble det brukt klart polykarbonatrør med 22, 22 mm innvendig diameter og 25,4 mm utvendig diameter, og 66 cm lengde, og ga dermed omkring 30 rørdiametre for strømningsutvikling oppstrøms fra ultralyd-målepunktene. Ultralyd-transduserne, så som transduseren 48, ble eksitert med en elektrisk puls med en spenning på omkring 100 volt og meget lite energi, i midten av instrumentets bruksområde. Tidsforsinkelsen som ble gitt av den faste veggen mellom transduseren og væskefilmen ble ivaretatt ved å registrere puls-returtiden når røret var tomt. Instrumentet ble lignende kalibrert for lydhastigheten av væsken C, likning (1), ved å måle tidsforsinkelsen med røret fylt med væske.

Apparatet på fig. 6 ble benyttet ved å innføre vann dg luft ved kjente trykk, temperatur og strømninger inn i røret oppstrøms fra testseksjonen. Vann-strømningen ble målt til bruk av en turbin strømningsmåler. Luftstrømmen ble målt ved bruk av en albue-strømningsmåler. Lufttrykket og temperaturen i albue-strømningsmåleren ble målt for å bestemme densiteten og dermed masse-strømningen. Trykket og temperaturen i luft/vann-blandingen i testseksjonen 40 ble også målt, slik at ved kjente luft- og vannstrømningsmengder, ble strømnings-forholdene fullstendig definert. Ultralyd pulssender-mottaker 60 er en modell 5222 ultralydmåler, anskaffet fra Panametrics Corp. i Waltha, Massachusetts. Dette instrumentet er et analoginstrument med et forbruk med transdusere med frekvenser på mellom 1 og 20 MHz. Instrumentet ble modifisert for å kjøres ved en puls-repetisjonstakt på 800 Hz. Transduseren 48 var en 10 MHz transduser.

Signalet fra pulssender-mottakeren 60 ble matet til en multiplekser 64 som tillot justering av forsterkningen av det analoge signal for å maksimalisere følsomheten for den digitale registrering. Multiplekseren 64 er en modell EXP-16 kort anskaffet fra Keithley-Metrabyte Inc. av Taunton, MA. En modell DAS-8 analog/digital omformer kort, også anskaffet fra Keithley-Metrabyte Inc. ble installert i en datamaskin 62. Dette kortet genererte en 12 bit digital utgang fra en analog inngangsspenning fra -5 til +5 volt. Unkelscope datainnsamlings-programvare, tilgjengelig fra Unkelscope Software Inc., Lexington, MA brukes til å styre datamaskinen 62. Denne programvaren ble satt opp for å registrere data ved 1000 Hz og for å generere registre av 4096 avlesninger hver.

Tre-kurvers oscilloskop 66 ble brukt til å overvåke ytelsen av pulssender-mottakeren 60. Analoge utganger fra pulssender-mottakeren 60 omfattet en tidsavhengig forsterkning, markørmonitor, og mottakermonitor. Dette oscilloskopet ble synkronisert til signalene ved bruk av en synkroniseringsutgang fra pulssender-mottakeren 60. Mottakermonitoren representerer den egentlige ultralydbølgeform som ble observert av mottakerseksjonen i pulssender-mottakeren. Markøren er det punkt i det mottatte signal hvor mottakeren mener at ekkoet er lokalisert. Lokaliseringen av markøren på skjermen 68 tilsvarer tykkelsesmålingen. Hvis markøren går utenfor skjermen, er ekkoet tapt. Den tidsavhengige forsterkningsmonitor tillater brukeren å overvåke det minimums-signalnivå som er nødvendig for å operere mottakeren. Mottakeren øker forsterkerens forsterkning mens den på ekkoet, siden jo lengre sendingssiden er for den akustiske bølge, jo mer dempning vil det oppstå.

Pulssender-mottakeren 60 har et antall justeringspotensiometre som kan brukes til å optimalisere måleytelsen. Justeringsparametrene som ble ansett som viktige for målinger og oppnådd ved denne anordning, var den maksimale automatiske forsterkningskontroll som justerer den maksimale forsterkning som mottakeren kan bruke, og dempningskontrollen som justerer impedans-tilpasningen mellom mottakeren og transduseren.

I bruk, ble de variable størrelser i pulssender-mottakeren justert mens man observerte mottakerens respons på oscilloskopet for å maksimalisere den andel av ekkoer for hvilke markøren var synlig på skjermen. Typisk, hver gang den automatiske forsterkningskontroll eller ekko-høydekontroll ble justert, var det nødvendig med en tilsvarende justering av dempningskontrollen. Så snart en mot-takerinnstilling var oppnådd, ble et komplett sett av data oppsamlet for alle de 26 driftsforhold som detaljert på fig. 7, uten ytterligere justeringer.

Fig. 7 er et kart av området av kvaliteter og massestrømninger for hvilke data ble tatt ved denne anordning. Den totale massestrømning ligger i området fra 0,02 til 0,10 kg/s. De 26 testforhold er vist som prikker på figuren. De ble valgt for å dekke størstedelen av de oppnåelige strømningsforhold med linjer av konstant massestrømning og konstant kvalitet, slik at virkningen av massestrømningen og kvalitet kunne evalueres separat. Vannstrømningen måles ved bruk av en turbin-strømningsmåler, og luftstrømningen måles ved bruk av en albue-strømnings-måler.

Et typisk resultat av en del av et register for denne dataoppsamling er vist på fig. 8. Dette er data for et sekund. Tapte signaler, eller pulser som ikke resulterte i et gjenkjent ekko, er representert i grafen som negative avlesninger. Dataene varierer raskere enn man ville vente. Gjennom detaljert analyse, ble det klart at tykkelsen av filmen ikke kunne ha variert så raskt som dataene. Følgelig, ble det teorisert at den observerte oppførsel sannsynligvis representerte en kombinasjon av bratte overflater av bølger i væskefilmen og bobler i væskefilmen som reflekterte og/eller refrakterte ekkoene bort fra transduseren slik at de ble tapt, sammen med feil som resulterte fra mangel på synkronisering av pulssender-mottakeren og datasamlingssystemet. Fig. 9 er et kart av korrigert kvalitet mot gjennomsnittlig filmtykkelse for de 26 testpunkter på fig. 7. Den «korrigerte» var en korreksjon som ble anvendt slik at Martinelli-parameteren for det virkelig strømningsforhold testet med virkelig kvalitet var lik en tenkt strømning ved omgivelséstrykket med «korrigert» kvalitet. Mengden av korreksjonen varierte fra ubetydelig for testforhold nær omgivelséstrykket til så meget som 0, 059 for de høyeste trykkforhold. På fig. 9 er også plottet en Wallis korrelasjon av Lockhart-Martinelli data som skulle ha vært en prediktor for korrelasjonen mellom korrigert kvalitet og gjennomsnittlig filmtykkelse. Som man kan se, var de oppnådde verdier generelt høyere enn forutsagt, og var ikke av den samme funksjonelle form som forutsigelsene. I tillegg var data-spredningen større enn ventet, det var ingen klar trend av data med masse-strømning, og verdien for høyere kvaliteter var tilnærmet konstant, hvilket antyder at ultralyd-filmtykkelsesmålingene ikke alltid er en god indikator for strømnings-kvalitet. Fig. 10 er et kart av massestrømning mot andelen av gjenkjente ekkoer, og vise en tilnærmet trend. Dette indikerer at massestrømningen kan i det minste tilnærmet bestemmes fra antallet av gjenkjente ekkoer sammenlignet med antallet av virkelige pulser; andelen av gjenkjente ekkoer.

En videre analyse av ultralyd-registrerte data ble utført som følger: «Lengden» (L) av en ultralyd-datapost kan defineres som:

hvor ti er den i'ende tykkelsesavlesning og n ér antallet av avlesninger. For å ta vare på de ugjenkjente ekkoer, blir denne lengden normalisert ved å dividere med antallet gjenkjente ekkoer. Denne nye mengden er den gjennomsnittlige endring i filmtykkelsesavlesningene fra en avlesning til den neste. Plottet på fig. 11 er denne verdien normalisert ved den gjennomsnittlige verdi av avlesningene for å plassere de kaotiske variasjoner i samme målestokk som selve verdier. Denne figuren viser at dette normaliserte mål for ultralydtykkelses-avlesningene er entydig relatert til massestrømningen og kvaliteten av en tofaset strømning.

Korrelasjonen av massestrømning til andelene av gjenkjente ekkoer som er etablert på fig. 10, etablerer at all informasjon som er nødvendig for å definere både massestrømning og kvalitet av en tofase-strømning, er til stede i ultralyd-registreringene.

Det henvises igjen til fig. 8. De følgende ytterligere strømningsindikator-størrelser ifølge denne oppfinnelsen er utledet fra returekko-tykkelsesmåle-registerét: det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger; den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger; den gjennomsnittlige andel av avlesninger som er gode; rot-middel-kvadrat (RMS) av gode tykkelsesaviesninger: RMS-endringer i sekvensielle gode avlesninger; det gjennomsnittlige antall av gode avlesninger i en rekke; det gjennomsnittlige dårlige avlesninger i en rekke; og den karakteristiske autokorrelasjonstid. En god tykkelselsavlesning er definert slik at et detektert returekko antas å indikere tykkelsen av væskestrømningen i røret. I motsetning til dette er en dårlig avlesning en i hvilken et bratt fluidum/ damp-grensesnitt avbøyer returekkoet slik at det ikke blir detektert, eller hvor det er et ujevnt væske/damp-grensesnitt og en returpuls over en forutbestemt størrelse ikke blir detektert.

I denne oppfinnelsen blir de ovenstående indikatorstørrelser betegnet og resultatene matet til et nevral-nettverk som anvender en mønstergjenkjénnings-analyse på indikatorstørrelsene og korrelererer massestrømningen og kvaliteten på tofase-strømningen.

Det ble først forstått at indikatorstørrelsen:

Gjennomsnittlig absolutt verdiendring i sekvensielle gode (3) avlesninger dividert med gjennomsnittlige gode avlesninger

var i stand til klart å skjelne massestrøm fra kvalitet, som man kan se på fig. 10. Hvis man kjente massestrømningen eller kvaliteten, kunne de andre størrelsen bestemmes. En tidlig analyse viste at andelen av gjenkjente ekkoer ble funnet å korrelere tilnærmet med massestrømmen som vist på fig. 11 . Etter ytterligere undersøkelser ble det imidlertid forstått at ultralyddataene på fig. 8 inneholdt tilstrekkelig strømnings-relaterte indikatorer til nøyaktig å bestemme masse-strømning og kvalitet.

Ved bruk av massestrømnings-indikatorstørrelsene som beskrevet ovenfor, kan massestrømning og kvalitet bestemmes som følger. Den gjennomsnittlige tykkelsesavlesning er en første indikator av strømningskvalitet, og kan i noen tilfeller brukes til å bestemme kvaliteten. RMS-tykkelsesavlesningene aksentuerer passeringen av store bølger inne i den tofasede strømning som er av større viktighet for lavere kvalitet og høyere massestrømningsforhold. Den gjennomsnittlige andel av gjenkjente ekkoer reflekterer påvirkningen av strømnings-karakteristikker som resulterer i tap av reflekterte akustiske pulser. Disse påvirkningene er resultatet av steilheten av væske/damp-grensesnittet (så som med steile bølger eller bobler inne i væskefilmen) eller fra en uregelmessig overflatetekstur (så som innfanging eller deponering av dråper). Den gjennomsnittlige absolutte verdiendring i sekvensielle gode avlesninger reflekterer små endringer i væske/damp-grensesnittet. Det kan indikere enten små dynamiske bølger (overflatetekstur) eller veksthastigheten av passerende store bølger. Det førstnevnte tilfelle ville være dominerende fordi store bølger passerer forholdsvis sjelden og en stor mengde endringer i avlesninger kan ikke opprettholdes over en betydelig observasjonsperiode. Det er interessant at endringer i mengden av dataoppsamling påvirker denne verdien lineært, dvs. halvering av datatakten resulterer i en dobling av gjennomsnittlig endring i sekvensielle avlesninger.

RMS-endringen i sekvensielle gode avlesninger aksentuerer hendelser med en stor skala av variasjoner. Det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke reflekterer den gjennomsnittlige tidsperiode i hvilken en forholdsvis uforstyrret væskefilm er til stede. Det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke reflekterer den gjennomsnittlige tidsperiode i hvilken en forstyrret væskefilm er til stede. Summen av det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke og det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke reflekterer en karakteristisk tidsperiode for passering av filmforstyrrelser.

Den karakteristiske autokorrelasjonstid er vist på fig. 12.1 autokorrelasjon blir en kopi av signalet tidsskiftet og sammenlignet med det opprinnelige signal, og integralen av produktet av det opprinnelige og tidsskiftede signal blir beregnet. Denne prosessen gjentas for forskjellige mengder av tidsskifting (tidsforsinkelse). For et kaotisk signal ser det typiske resultatet ut som vist på fig. 12. Den karakteristiske autokorrelasjonstid er en indikator for den takt ved hvilken signalet ikke lenger «ser ut som seg selv». Denne indikator er vist av andre som å reflektere den karakeristiske strømningshastighet. (Se f.eks. Bernatowicz, H., Cunningham, J,. and Wolff, S., «Mass Flow Meter Using the Triboelectric Effect for Measurement in Cryogenics», NASA Cr-179572, aprij 1987).

Typiske resultater for hver av disse indikatormengder er vist på fig. 13-20. Disse grafiske fremstillingene plotter hver av strømningsindikatorstørrelsene som en funksjon av strømningskvalitet for horisontale strømninger, hvor strømnings-kvalitet ble bestemt ved ikke-ultralydteknikker, dvs. strømningsmengdene på luft og vann ble målt før de ble blandet til å danne en tofase-strømning. De forskjellige symboler tilsvarer massestrømningene for de forskjellige testforhold. De grafiske fremstillinger reflekterer tjuefem kombinasjoner av massestrømning og kvalitet. Når beregningene vist på fig. 10 utføres for tilsvarende oppstrøms- og nedstrøms-testforhold, blir resultatene lignende, men noe modifisert. Derfor ville teknikken ifølge denne oppfinnelsen virke for forskjellige strømningsorienteringer, og også i situasjoner med null gravitasjon.

Det er forskjellige måter på hvilke analysen kunne implementeres i et tofasestrømningssystem. Den første er å ta ultralyd-dataene, beregne dataindikatorene som beskrevet ovenfor (gjennomsnittlig antall av gode avlesninger i en rekke, osv.) og, ved bruk av ikke-lineær multivariat statistisk analyse, og korrelere indikatorene til massestrømning og kvalitet. Denne fremgangsmåten er kanskje ikke ønskelig, fordi den er bare så nøyaktig som den ikke-lineære korrelasjonsmetode som brukes til å modellere dataene. I tillegg vil en slik fremgangsmåte ikke avsløre hvorvidt datasettet er dårlig, eller, ved gitte dårlige data, ikke beregne de korrekte strømningsforhold nøyaktig. Endelig vil denne tilnærming vil være temmelig langsom.

En annen tilnærming er å ta dataene og mate dem direkte til et nevral-nettverk for å korrelere mønstret i dataene med massestrømning og kvalitet. I prinsippet kunne denne fremgangsmåten gi den ønskede fejlindikasjon og feiltoleranse. En slik fremgangsmåte kunne imidlertid være uønsket fordi det ville være vanskelig å bevise at nevralnettverket brukte det korrekte datamønstret til å korrelere massestrømningen og kvaliteten, og instrumentet ville således bare være så godt som nettverktreningen. Virkelige data kunne finne nisjer i nettverket som ikke korrelerer med massestrømningen og kvaliteten. Det ville også kreve et meget stort nettverk på grunn av de mange sekvensielle avlesninger som er nødvendig for å definere mønstrene. Et slikt stort nettverk kunne være langsommere enn en eksplisitt utregning av indikatorene og statisk korrelasjon.

Den foretrukne tilnærming er å ta dataene, beregne dataindikatorene, og å bruke nevralnettverket 100, fig. 21, til å korrelere indikatorene med masse-strømning og kvalitet. Denne tilnærming kombinerer tillit til dataindikatorene med en hurtig, feiltolerant, ikke-lineær korrelasjon som er oppnåelig med et lite nevralnettverk. Nevralnettverket 100 er basert på et kommersielt tilgjengelig nevralnettverk-simulasjonsprogram «NeuroShell 2», tilgjengelig fra Ward Systems Group i Frederick, MD.

For å teste denne tilnærmingen, ble datagrafene på fig. 13-20 brukt for å trene nevralnettverket 100, fig. 21, til å gjenkjenne strømningsforholdene for ultralyd-dataene. Nevralnettverket ble utformet som et konvensjonelt tilbake-forplantningsnettverk med åtte inngangsnoder som tilsvarer de åtte indikatormengder på fig. 13-20. Tolv skjulte noder ble sammenkoplet med disse inngangsnoder, og også med to utgangsnoder tilsvarende henholdsvis massestrømning og kvalitet. Tilbakeforplantning/trening ble brukt med forskjellige bærehastigheter og hastighetsmengde/verdier for å optimalisere nettverkets ytelse. For å unngå overtrening, ble nettverket 100 trenet ved bruk av data fra bare tretten av de tjuefem testforhold. En ny nettverkkonfigurasjon ble spart bare hvis den forbedret forutsigelsene av strømningsforholdene for de øvrige ti testforhold. Resultatene av denne analysen er presentert på fig. 22 og 23. Disse grafiske fremstillingene sammenligner de virkelige strømningsforhold for datasettene med de som ble beregnet med nevralnettverket. Som de grafiske fremstillingene viser, er det en ekstremt god korrelasjon mellom de virkelige og de forutsagte verdier av massestrømning og kvalitet for alle testforhold. Spredningene mellom datapunktene er faktisk sammenlignbar med de målingsfeil som er forbundet med strømningsforholdene.

I prinsippet kunne det være mulig å bruke et enkelt nevralnettverk til å korrelere strømningsforholdene for forskjellige rørstørrelser, systemtrykk og strømningsorienteringer (eller forhold med null gravitasjon.) For å gjøre dette ville rørets diameter, trykk og strømorientering være ytterligere innganger til nevralnettverket.

Som en oppsummering, er fremgangsmåten og systemet for å analysere en tofase-strømning i et rør, grafisk avbildet i flytdiagrammet på fig. 24.1 trinn 150, blir ultralydenergi sendt gjennom røret og inn i strømningen i dette ved bruk av apparatene vist på fig. 5 og 6, og returekkoer blir detektert (se fig. 2-4), trinn 152.

Deretter, trinn 154, blir alle gode returekkoer evaluert. I trinn 156 blir en eller flere strømningsindikatorstørrelser beregnet, omfattende; gjennomsnittlig antall gode tykkelsesaviesninger, den gjennomsnittlige andel av de totale avlesninger som er gode, den gjennomsnittlige absolutte verdiendring i sekvensielle gode avlesninger, RMS-verdi for gode tykkelsesaviesninger, RMS-endringen i sekvensielle gode avlesninger, det antall gode avlesninger i en rekke, det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke, og den karakteristiske autokorrelasjonstid (se fig. 10-20). Det er ingen iboende grense for antallet indikatorstørrelser som kan brukes til å karakterisere strømningen. Et høyt antall størrelser kan imidlertid ikke forbedre forutsigelses-nøyaktigheten for instrumentsystemet, og kan resultere i uønsket langsom drift.

I trinn 158 er to eller flere av disse strømningsindikatorstørrelser anvendt på nevralnettverket 100, fig. 21, som anvender mønster-tilpasningsalgoritmer for å forutsi massestrømning og strømningskvalitet, trinn 160, fig. 24 (se fig. 22-23).

Det skal også forstås at strømningsindikatorstørrelsene kan utledes fra ikke-ultralydanordninger. For eksempel vil kapasitive sensorer 170 på røret 172 som har en tofaset strømning 174 i seg, detektere endringer i filmtykkelsen h over tid, som vist på fig. 26. Den nominelle tykkelse vil være gjennomsnittet av tykkelsesavlesningene, mens toppene som vist ved 180 og 182 representerer passering av bølger av væske gjennom røret.

I alle utførelsene vil strømningsindikatorstørrelsene og definisjonen av «gode avlesninger» avhenge av hvilken sensor som brukes.

Derfor brukes føleranordninger så som kapasitive sensorer 170, fig. 25, eller ultralydtransdusere 16, fig. 1, til å gjøre et stort antall strømnings-observasjoner. Et antall strømningsindikatorstørrelser blir så beregnet fra de resulterende data og sammenlignet med kjente strømningsforhold, ved bruk av f.eks. nevralnettverket vist på fig. 21. Deretter, basert på sammenligningene, kan massestrømmen og strømningskvaliteten bestemmes som fremsatt i den ovenstående diskusjon med henvisning til fig. 13-17 og 22-23.

Den foreliggende oppfinnelse er anvendelig til alle målinger av tofase-strømninger i hvilke en observasjon er tilgjengelig som reflekterer kompleksiteten av strømningsbppførselen. Mens denne forklaring beskriver en reduksjon til praksis i hvilken ultralyd tykkelsesmålinger brukes med væske/gass tofase-strømninger, er det klart at den foreliggende oppfinnelse kan brukes med fordel ved forskjellige målingsteknikker og forskjellige typer av strømninger. De forskjellige grunntyper av strømninger omfatter det følgende: Væske/damp eller væske/ gass; ublandbar væske; en væskestrøm inneholdende faste stoffer i dispersjon; og en damp- eller gasstrøm inneholdende faststoffer i dispersjon.

Disse strømningene kan være orientert i hvilken som helst retning i forhold til en gravitasjonskraft eller annen kraft uten å begrense anvendbarheten av oppfinnelsen. Væske/gass-strømningen som beskrevet i denne forklaringen ble undersøkt i horisontal strømning, vertikal strømning oppover og vertikal strømning nedover. På grunn av den robuste diskriminering av strømningsforhold som oppnådd ved de beskrevne fremgangsmåter, ville oppfinnelsen også være anvendelig til strømninger som skrår med tilfeldige vinkler i forhold til gravitasjonen, i nærvær av redusert eller forsterket gravitasjon, eller i fravær av gravitasjon.

Fremgangsmåter for strømningsobservasjon som for tiden synes i stand til å frembringe den ønskede refleksjon av strømningskompleksitet omfatter det følgende: trykk eller trykkfallmålinger, deriblant ved bruk av trykktransdusere, mikrofoner og hydrofoner; akselerasjonsmålinger, enten i en strømningskanal ved eller gjennom et fremspring inn i strømningen, av selve strømningen; lengde, areal eller volummålinger, slike som bruker transmisjonsmodus eller refleksjonsmodus-ultralyd, kapasitans eller konduktans; foton dempningsmålinger, bruk av mikrobølger, synlig lys, røntgenstråler eller gammastråler; art-passeringsmålinger, så som gjennom triboelektriske observasjoner, nøytronbestråling, eller nukleær magnetisk resonans; hastighetsmålinger, så som gjennom akustisk eller optisk velosimetri; og akustiske densitetsmålinger.

Andre målingsmetoder vil kunne tenkes av fagfolk i teknikken for tofase-strømninger og instrumentering. Disse målingene kan implementeres i et ekstremt bredt område av geometri og utførelser. For eksempel, en trykkfallsmåling kan utføres mellom to punkter på en rett seksjon av en strømningskanal, mellom tappene av en venturi, åpning eller pitot-statisk rør, mellom den indre og den ytre radius av en albue osv. Antallet av mulige slike anordninger er ubegrenset. Den foreliggende oppfinnelse muliggjør strømningsmålinger når variasjonen i strømningsobservasjonene brukes til å bestemme en strømningsrelatert mengde.

Data som meningsfullt reflekterer turbulente strømninger er høyst kompliserte og ujevne i natur. For eksempel, de fleste tofase-strømninger omfatter variasjoner som kan sees som bølger av en eller annen form. Størrelsen, formen og hastigheten av en gitt bølge avhenger av de lokale forhold av strømningen, som varierer kaotisk. Bølgene er således ikke periodiske, men kan bedre beskrives som tilfeldige. Samtidig, hvis man skulle observere passering av mange slike bølger, ville man finne en veldefinert fordeling av bølgekarakteristikker for et gitt strømningsforhold. Siden strømningsforholdene varierer, vil denne fordeling variere tilsvarende. Hvis således fordelingen av strømningsvariasjoner er korrekt karakterisert, kan den brukes til å definere strømningsforholdet. Dette er det primære mål for den foreliggende oppfinnelse.

En nøkkelfaktor i vellykket diskriminering av strømningsforholdene fra tidsseriedata er å identifisere trekk i dataene som reflekterer viktige strømnings-fenomener. I noen tilfeller er nøkkelfenomener reflektert i gjennomsnittet av et målesignal. For eksempel, den gjennomsnittlige tykkelse av en væskefilm i væske/gass-tofasestrømning er en verdifull indikator. I andre tilfeller vil ikke gjennomsnittsverdien av signal frembringe noen betydelig informasjon. Dette vil være i tilfelle med en akselerasjonsmåling hvor gjennomsnittsverdien normalt er lik null. I alle tilfelle må mer enn ett datatrekk trekkes ut for å definere strømningen. Grunnen til dette er følgende: siden en tofase-strømning er egentlig to samtidige strømninger, er mer enn en mengde nødvendig for å definere strømningsforholdet (f .eks. strømning av fase A og fase B).

Hvert datatrekk er et resultat av den totale tilstand av strømningen, og kan ikke tilskrives et enkelt strømningsfenomen av interesse (gjennomsnittlig filmtykkelse i væske/gass tofase-strømninger er f.eks. relatert til strømnings-mengdene både for væsken og gassen).

En viss mengde av overskuddsinformasjon forbedrer korrelasjonen av strømningsforholdene. Dette er fordi bare en begrenset mengde av data kan brukes til å beregne en gitt strømningsindikator i de fleste praktiske anvendelser: man har normalt tilgang til data for en del av et sekund eller noen få sekunder av avlesninger, istedenfor store mengder av data oppsamlet over en forlenget tidsperiode. Hvis således to eller flere datatrekk reflekterer lignende informasjon om et strømningsfenomen, vil bruk av mer dataindikatorer generelt forbedre korrelasjonsnøyaktigheten.

Ved siden av en gjennomsnittlig verdi av en måling, blir datatrekkéne av interesse utledet fra en tidsvariasjon av dataene. Den enkleste karakterisering av variasjonen av data er standard avvik. I tillegg, bølger har mange trekk ved deres størrelse, form og evulosjon som kan utnyttes for å diskriminere en strømnings-tilstand fra en annen. De to letteste observasjoner å utføre om en bølge i tidsserie-data er dens størrelse og periode eller passeringstid. Det er mange måter å karakterisere disse trekkene på i en gitt tidsserie. Noen av disse er beskrevet nedenfor. Det er mange flere slike målinger til stede i dataene som vil kunne senkes av fagfolk i teknikken for tofase-strømninger, statistikk eller instrumentering.

Enkle mål for størrelse og varighet av en bølge er signalamplituden, det kumulative positive eller negative avvik fra signalets middel, og passeringstid. Skjønt det kan synes å være en enkelt sak å definere disse mengdene fra et tidsseriesignal, er dette ofte vanskelig å gjøre, spesielt med høyst uregelmessige kaotiske data. For eksempel, det er ofte vanskelig å plukke ut toppen av en bølge fra mindre lokale topper. For den saks skyld er det ofte vanskelig å definere hva som utgjør en stor bølge eller flere små bølger. Dette reiser en kritisk sak som er iboende de kaotiske systemer. Viktige fenomener oppstår generelt over et bredt område av fysiske og tidsmessige skalaer. I prinsippet oppstår fenomenene over alle skalaer: en form for fraktal analyse karakteriserer fordelingen av fenomener med skala for å karakterisere det underliggende systems oppførsel. I mange tilfeller vil karakterisering av et fenomen ved en skala frembringe en meningsfull strømningsindikator. I andre tilfeller, spesielt for å tillate diskriminering av et meget bredt område av strømningsforhold, kan variasjon av fenomenet med skalaen være nødvendig. For disse tilfellene vil karakterisering av fenomener over et lite antall skalaer (f.eks. to) frembringe det meste av den informasjon som finnes i et sammenhengende hele av skalaer. En begrenset grad av flere-resolusjons-analyse kan således forbedre diskriminering av strømninger fra tidsseriedata. Dette er lett oppnådd ved å sortere eller filtrere dataene for å eksaminere trekk som oppstår ved forskjellige skalaer av interesse.

En fremgangsmåte for å skjelne den største skala av amplitude er

beskrevet som følger.

Først beregner man middel og standard avvik for datasettet. Alle punkter ved hvilke datahistorien krysser linjene (middel + standard avvik og middel - standard avvik) noteres. Bruken av standard avvik som «åpnings»-verdi er noe tilfeldig: mens det har fordelen av å reflektere den totale variabilitet av datasettet, er det ingen i boende grunn til å velge denne heller enn en annen verdi. Den høyeste verdi man møter mellom krysningene av (middel + standard avvik) og den laveste verdi man møter mellom krysningene av (middel - standard avvik) noteres for alle slike hendelser, og gjennomsnittet tas. Resultatene kan kalles «gjennomsnittlig topp» og «gjennomsnittlig dal».

Forskjellen mellom gjennomsnittlig topp og gjennomsnittlig dal kan brukes som et mål for amplituden av den største bølgeskala.

Den gjennomsnittlige amplitude som beskrevet ovenfor vil ikke nødvendigvis alltid gi den mest følsomme skjelning av storskala-hendelser. I tilfelle hvor den største skalahendelse er den viktigste, bør indikatorstørrelsen reflektere den største amplitude mer enn den gjennomsnittlige amplitude. I dette tilfelle kan en RMS- (rot-middel-kvadrat) amplitude brukes. Dette kan beregnes enten ved bruk av RMS eller toppverdier og RMS av dalverdier, og å finne forskjellen, eller ved å beregne RMS for (topp - dal)-verdier. I tilfelle hvor etterfølgende topper og daler er ukorrelert, skulle den andre fremgangsmåten produsere noe større, men lignende resultater enn den første fremgangsmåten. I det sjeldne tilfelle hvor verdiene av topper og daler varierer på en slik måte at amplituden er forholdsvis konstant, vil den andre fremgangsmåten bedre reflektere naturen av systemets variasjon.

Det foregående utsagn kan generaliseres for tillatte hendelser av forskjellige skalaer og bli relativt fremhevet eller undertrykket. I denne fremgangsmåten er de forskjellige observasjoner avveiet som følger:

For k=1, beregnes et enkelt middel, som avveier hver verdi likt. For k=2, beregnes rms, som avveier større verdier sterkere. For verdier av k på mindre enn 1, blir små verdier fremhevet.

I mange tilfeller kan høyfrekvent «støy» være av tilstrekkelig amplitude til at praktisk talt hvilket som helst par av etterfølgende avlesninger presenterer en kryssing av en standardavviks-linje. Denne høyfrekvens kan representere enten en høy grad av liten skala systems oppførsel eller tilfeldig instrumentstøy. Når dette finnes, er det nødvendig å glatte ut dataene. En måte å oppnå dette på er å ta en bevegelig gjennomsnitt av dataene, dvs.,

hvor n er gjennomsnittsvinduet. Gjennomsnittsvinduets størrelse er valgt slik at det spenner over mer enn en hel periode av den høyfrekvente «støy», ofte bare noen få samplingsintervaller (f.eks. n=10). Denne prosessen er enkel og rask å implementere, og resulterer i et meget glattere datasett som fremmer beregning av storskala-dataindikatorer.

I noen tilfeller er amplituden av en gitt bølge meningsløst utenfor omfanget av den totale signalhistorie. F.eks., signalet som oppnås ved bruk av triboelektriske effekter avhenger av de naturlig oppstående elektriske ladninger som finnes i fluidet. Nivået av ladninger avhenger av ukontrollerbare faktorer som ofte er intimt relatert ved strømningsforholdene. Det ville således ikke være passende å bruke verdien av amplituden uten å normalisere den til en grad av gjennomsnittlig signalvariasjon. Et åpenbart slikt mål er signalets standardavvik.

Den ovenstående fremgangsmåte gir bare en måte å karakterisere storskala-amplitude på. En potensiell forbedring er å anse bare de krysninger av en standard awikslinje som går foran eller etter en krysning av den andre linjen. På denne måten, blir bare de store hendelser som dekker størstedelen av systemets variasjon vurdert. Andre fremgangsmåter for å karakterisere amplituden vil kunne tenkes av fagfolk i den relevante teknikk.

En annen måte å karakterisere en stor bølge på, er ved det området den inneslutter (integrert i forhold til tid). Dette kombinerer virkningene av bølgens amplitude og varighet. I denne fremgangsmåten blir signalet integrert (eller summert) mellom krysninger av det gjennomsnittlige amplitudepunkt (både positive og negative), og hver verdi blir registrert. Gjennomsnittet av både de positive og de negative integraler blir beregnet. Forskjellen mellom de gjennomsnittlig positive og negative integraler karakteriserer den gjennomsnittlige bølgestørrelsen. Forbedringer av denne fremgangsmåten omfatter det følgende: for det første, beregn integraler bare for de hendelser som overskrider standard awikslinjer. For det annet beregn integralene bare for den del som overskrider standard awikslinjer. For det tredje, beregn rms for integraler for å fremheve storskala-hendelser. Det er klart at mange andre analoge mengder vil kunne tenkes at fagfolk i den relevante teknikk.

En annen nøkkelkarakteristikk for en bølge er dens varighetsperiode i tid.

Hvis de foregående mengder er beregnet, kan det første slike mål beregnes ved å dividere areal-målet med amplitude-målet. En annen grunnmetode er den følgende. For det første, sorter datasettet til å notere de punkter ved hvilke standard awikslinjen blir overskredet. For det annet, beregn tidsforskjellen mellom krysninger av hver linje. For det tredje, ta gjennomsnittet av tidsforskjellene for både de positive og negative standardavviks krysninger. Summen av disse er et mål for varigheten av store bølger.

Det er mange mulige forbedringer for dette målet. Disse omfatter følgende: for det første, beregn tidsforskjellen mellom en «stigende» krysning av den positive standard awikslinje og den neste stigende krysning (og på lignende måte for de negative awikslinjer). Det gjennomsnittlig eller aweide gjennomsnitt for disse tidsforskjeller karakteriserer bedre lengre bølgeperioder. For det annet, beregn tidsforskjellen mellom en «stigende» krynsing av den positive standard awikslinje som følger en krysning av den negative awikslinje og den neste lignende krysning. Et gjennomsnitt eller aweiet gjennomsnitt for denne figuren (muligens kombinert med den negative versjon av dette trekk) vil mer kraftfullt fremheve store tidsskalahendelser.

Et annet mål for storskala-hendelser, som er uunngåelig utledet under beregningen av de andre målene, er antallet av storskala-hendelser. Tatt

sammen, vil målene for størrelse, varighet og antallet av storskala hendelser gi en meningsfylt karakterisering av storskala-strømningsoppførsel.

Analoge karakteriseringer av småskala-bølger er også nyttige for å skjelne strømningsforhold. Som nevnt ovenfor, kan dataene omfatte høyfrekvent «støy». Dette kan reflektere i instrumentstøy eller elektromagnetiske forstyrrelser, eller kan være en reell systemoppførsel. Det er ofte vanskelig å bestemme hvilke av disse er tilfellet. En meningsfylt test er å registrere data uten strømning i kanalen for å

se hvorvidt den høyfrekvente oppførsel er til sted. I så fall, er den ikke relatert til strømningen, og må filtreres eller glattes ut. Hvis ikke, kan den være reflektert i en virkelig strømningsoppførsel som kan utnyttes til å skjelne strømningsforhold.

Hvis filtrering eller utflating er nødvendig, kan man benytte den bevegelige gjennomsnittsteknikk som beskrevet ovenfor. Målet er å fjerne støykomponentene uten å ødelegge underliggende strømningsinformasjon. En del numerisk eksperimentering kan være nødvendig for å oppnå en pålitelig utglattingsplan. F.eks., bevegelig gjennomsnitt av forskjellige vindusstørrelser kan beregnes for et ikke-strømnings-datasett i hvilken alle ikke-nullavlesninger representerer støy. En vindusstørrelse kan velges til å minimalisere awiket fra null. Enhver variasjon som forblir i et utglattet ikke-strøms-datasett kan anses som én nedre grense for skalaen av fenomener som kan bli meningsfylt observert med instrumentet.

Så snart et passende datasett er oppnådd (muligens utglattet), kan småskala-oppførsler bli undersøkt. Den minste skala av fluidumstrømnings-oppførsel oppstår generelt godt nedenfor oppløsningen av praktiske måle-instrumenter. Ved skalaen av instrumentoppløsning, kan småskala hendelser bli manifestert som en gjennomtrengende «tekstur» som varierer med strømnings-forholdene. Det enkleste måj for denne tekstur er den gjennomsnittlige endring i sekvensielle avlesninger,

Her blir den absolutte verdi brukt til å karakterisere endringen fra avlesning til avlesning. Som tidligere, kunne dette gjennomsnitt bli avveiet til å fremheve større eller mindre skalahendelser. Hvis datautglatting er blitt brukt, er det ikke noe poeng i å beregne mengden for trinnstørrelse som er mindre enn den gjennomsnittlige vindusstørrelse, siden dette ville gjeninnføre den støy som bevegelige gjennomsnitt søkte å fjerne.

En annen størrelse som kan brukes til å karakterisere et kaotisk datasett er den karakteristiske autokorrelasjonstid. Denne størrelsen trekker på leksjoner som er lært i tidsdomene-analyse. Autokorrelasjonsfunksjonen beregnes ved tidsskifting av en kopi av datasett ved en «tidsforsinkelse», og oppsummering av produktet av tilsvarende verdier: Denne funksjon blir ofte normalisert slik at verdiene for null tidsforsinkelse (j=0) er like 1. En typisk (unormalisert) autokorrelasjonsfunksjon for kaotiske data er illustrert på fig. 12. Verdien for tidsforsinkelse er

Se f.eks., Bernatowicz, H., Cunningham, J., og Wolff, S., k «Mass Flow Meter Using the Triboelectric Effect for Measurement in Cryogenics», NASA CR-179572, April 1987).

Den ukorrelerte «utløpnings» oppførsel er

Den karakteristiske autokorrelasjonstid er den første mengde ved hvilken autokorrelasjon datasettene forlater det første punkt og nærmer seg «utløps» oppførsel. Den karakteristiske autokorrelasjons tid har vært relatert til hastigheten av en strømning (8). For mange tidsseriedata, er At karakteristisk» At prøve, slik at den lett kan tilnærmes ved

Hvor At prøve er data-samplingsintervallet, og n er antallet av prøver ved hvilke en kopi av signalet blir «glippet» for å beregne den første helling. I mange tilfeller er det tilstrekkelig å bruke n=1, som resulterer i en enkel, lett implementert beregningsalgoritme. Mens det oppnådde resultat varierer med n og samplings-tiden, vil resultatene som oppnås med et gitt sett av beregningsparametre variere glatt med strømningsforholdene. Det er således viktigere å konsekvent anvende en enkelt beregningsalgoritme enn å bruke den mest nøyaktige algoritme.

En viktig faktor, bare kort nevnt til dette punkt, er samplingstakten eller samplingsintervallet. Hovedvurderingen for vellykket relatering av strømnings-observasjonene til strømningsforholdene er en «tilstrekkelig» samplingstakt. I denne sammenheng betyr tilstrekkelig at de trekk som er tilgjengelige i dataene gir en meningsfull refleksjon av strømningstilstanden. En metode for å bestemme den nødvendige samplingstakt er gjennom numerisk eksperimentering. Hvis data oppsamlet med den høye tilgjengelige takt (underlagt begrensninger i observasjonsmetoden, datasamplingsutstyret som er tilgjengelig osv.), kan de bli undersøkt for å bestemme effekten av samplingstakten for strømnings-følsomheten. Dette kan gjøres ved å beregne de forskjellige indikatorstørrelser ved bruk av hver måling, hver annen måling, hver tredje måling osv. Ved å plotte verdiene for hver indikatormengde mot målingsintervallet for de forskjellige strømningsforhold, kan man finne en god kompromiss-samplingstakt. Et slikt kompromiss tar i betraktning de relative kostnader for utstyr til regning og datasampling og nødvendig analysetakt, mot fordelene med forbedret responstakt og målingsfølsomhet. Vurderinger så som det følgende kan ventes i denne undersøkelse.

En gitt indikatorstørrelse bør forbli konstant eller variere glatt med samplingsintervallet. Når samplingsintervallet blir stort, kan denne glattheten brytes ned. Dette kan skje enten på grunn av at samplingsintervallet ganske enkelt er for stort slik at det reduserer følsomheten, eller på grunn av at bare et lite antall observasjoner er brukt til å beregne indikatorstørrelsen (f.eks., hvis samplingsintervallet er 10, er bare en tiendedel så mange punkter tilgjengelig som for et intervall på 1). Hvilken som helst av disse grunnene kan være tilstrekkelig til å velge en samplingstakt: mens iboende følsomhet er en klar grunn til å velge en samplingstakt, er tilstrekkelighet og data like viktig. Hvis en gitt instrument-oppdateringstakt er ønsket eller nødvendig, må samplingstakten være tilstrekkelig til å tillate beregning av gyldige indikatorstørrelser.

Plottingene av indikatorstørrelser med samplingsintervaller bør være forskjellig for forskjellige strømningsforhold. Når samplingsintervallet øker, bør de forskjellige strømningsforhold bli reflektert ved forskjellige verdier av indikatorstørrelser. For store samplingsintervaller, kan dette bryte sammen og resultere i indikatorstørrelse-kurver som bunter opp eller krysser hverandre. En samplingstakt er høy nok til å unngå dette problem.

Den endelige bestemmelse av tilstrekkeligheten av en samplingstakt er evnen til å relatere dataindikatorene til strømningsforholdene. Det kan således være nyttig å korrelere data til strømningsforholdene flere ganger ved bruk av indikatorstørrelser beregnet med forskjellige samplingsintervaller. Kvaliteten av de resulterende korrelasjoner frembringer en fast indikasjon av tilstrekkeligheten av forskjellige samplingstakter.

Et sett av indikatorstørrelser har vært beregnet for data oppsamlet for hvert av et representativt sett av kjente strømningsforhold, og disse indikatorstørrelsene kan bli korrelert til strømningsforholdene.

Derfor, skjønt spesifikke trekk ved oppfinnelsen er vist på tegningene og ikke andre, er dette bare for bekvemmelighet, siden noen trekk kan være kombinert med hvilket som helst eller alle de øvrige trekk ifølge oppfinnelsen.

Andre utførelser kunne tenkes av fagfolk i teknikken, og ligger innenfor de følgende krav.

Claims

1. Fremgangsmåte for å analysere en tofase-strømning i en ledning, karakterisert ved at den omfatter: sending av akustisk energi inn i tofase-strømningen i ledningen; detektering av returekkoer av akustisk energi; evaluering av returekkoene for å bestemme antallet gode avlesninger og antallet dårlige avlesninger, hvor en god avlesning defineres som et detektert returekko som antas å indikere tykkelsen av væskestrømning i ledningen; beregning fra returekkoene, av minst en strømningsindikatorstørrelse utledet fra returekkoene, hvor strømningsindikatorstørrelsene velges blant: det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger, den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger, den gjennomsnittlige andel av totale avlesninger som er gode avlesninger, RMS-verdi for gode tykkelsesaviesninger, RMS-éndring i sekvensielle gode avlesninger, det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke, det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke, <p>g den karakteristiske autokorrelasjonstid; og bestemmelse, fra de nevnte beregnede strømningsindikatorstørrelser, av minst en av massestrømmen og strømningskvaliteten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter beregning av følgende størrelse: den gjennomsnittlige absolutte verdiendring i sekvensielle gode avlesninger dividert med det gjennomsnittlige antall gode avlesninger, for diskriminering mellom massestrømning og kvalitet.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet for bestemmelse omfatter tilpasning av et antall av de nevnte strømningsindikatorstørrelser til kjente strømningsforhold for å anslå massestrømningen og kvaliteten av tofasestrømningen i ledningen.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at trinnet for tilpasning omfatter bruk av et nevralnettverk trenet til å tilpasse et antall av de nevnte strømningsindikatorstørrelser til kjente strømningsforhold for å anslå massestrømning og kvalitet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trinnet for beregning omfatter oppsamling av data i form av det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger i en rekke sammenlignet med strømningskvalitet og den gjennomsnittlige endring av sekvensielle gode avlesninger sammenlignet med strømningskvalitet.

6. System for å analysere en tofase-strømning i en ledning, karakterisert ved at det omfatter: en anordning for å sende akustisk energi inn i tofase-strømningen i ledningen; en anordning for å detektere returekkoer av akustisk energi; en anordning for å evaluere returekkoene for å bestemme antallet gode avlesninger og antallet dårlige avlesninger, hvor en god avlesning defineres som et detektert returekko som antas å indikere tykkelsen av væskestrømning i ledningen; en anordning for å beregne, fra returekkoene, minst en strømningsindikatorstørrelse, hvor strømningsindikatorstørrelsene er valgt blant: det gjennomsnittlige antall gode tykkelsesaviesninger, den gjennomsnittlige endring i sekvensielle gode avlesninger, den gjennomsnittlige andel av totale avlesninger som er gode avlesninger, RMS-verdi for gode tykkelsesaviesninger, RMS-endring i sekvensielle gode avlesninger, det gjennomsnittlige antall gode avlesninger i en rekke, det gjennomsnittlige antall dårlige avlesninger i en rekke, og den karakteristiske autokorrelasjonstid; og en anordning for å bestemme strømningskvaliteten eller massestrømmen, basert på de nevnte strømningsindikatorstørrelser, hvilken anordning reagerer på anordningen for å beregne strømningsindikatorstørrelsene.

7. System ifølge krav 6, karakterisert ved at anordningen for å sende akustisk energi omfatter et antall transdusere aksielt koplet til ledningen.

8. System ifølge krav 7, karakterisert ved at anordningen for å sende akustisk energi videre omfatter en anordning for å avfyre transduserne sekvensielt.

9. System ifølge krav 6, karakterisert ved at anordningen for å detektere returekkoer evaluerer returekkoer som indikerer tykkelsen av væskestrømningen i ledningen.

10. System ifølge krav 6, karakterisert ved at anordningen for å beregne beregner følgende størrelse: gjennomsnittlig absolutt verdiendring i sekvensielle gode avlesninger, dividert med det gjennomsnittlige antall gode avlesninger, for diskriminering mellom massestrømning og kvalitet.

11. System ifølge krav 6, karakterisert ved at den nevnte anordning for å bestemme omfatter et nevralnettverk som tar som inngangsstørrelse minst en av de nevnte beregnede strømningsindikatorstørrelser og anvender en mønster-tilpasningsalgoritme for å forutsi strømningskvaliteten eller massestrømmen, basert på virkelige mønstere for strømningskvaliteter og massestrømmer, innlært av nevralnettverket.