专利名称：用于确定流体的流属性的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定流体的流属性的设备、方法和计算机程序。
背景技术：
S. Sudo ^AWifeiI"Detection of small particles in fluid flow using a self-mixing laser，，，Optics Express, Vol. 115, Issue 13, pp. 8135-8145 公开了一种通过使用具有极高光学灵敏度的激光二极管泵浦的薄片固体激光器的自混合激光多普勒测量来检测流体流中的小颗粒的实时方法。由来自在稀样本流中移动通过小直径玻璃管的小颗粒的重新注入散射光调制的激光输出的不对称功率谱被观察并且显示出反应流体流的速度分布，该速度分布遵从泊肃叶(Poiseuille)定律。流体流的速度分布与该不对称功率谱的依存性被确定并且用于基于测量的不对称功率谱确定流体流的速度分布。这种方法具有的缺点为只有在流体流具有小的光学厚度时，可以确定流体流。对于更大的光学厚度，无法确定流体流。
发明内容
本发明的目的是提供用于确定流体的流属性的设备、方法和计算机程序，其允许确定更大光学厚度的流体的流属性。在本发明的一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的设备，其中该设备包括
-距离和速度确定单元，其用于确定流体的元到该距离和速度确定单元的距离并且用于同时确定元的速度，该距离和速度确定单元包括具有激光器腔体的激光器，其中该距离和速度确定单元调适为，通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射并且通过将反射辐射与激光器腔体内的辐射混合而生成自混合干涉信号，并且基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，
-流确定单元，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。由于流体的元到该距离和速度确定单元的距离以及元的速度同时被确定，所述元所在之处与该距离和速度确定单元的距离以及这些元在这些距离处具有的速度已知。这允许基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。例如，如果流体的光学厚度小， 使得不一定需要元的所确定的距离用于确定期望流属性，例如因为激光辐射可以深深地穿透到流体内使得足以用于确定期望流属性的速度被确定，该流确定单元可以仅仅基于所确定的速度确定流属性。然而，如果光学厚度使得所确定的速度不足以用于确定流属性，例如因为激光辐射无法穿透流体内足够深，该流确定单元可以使用所确定的速度和所确定的距离用于确定流属性。因而，即使光学厚度大，通过使用同时确定的速度和距离而可以确定流属性。该距离和速度确定单元调适为，通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射以及通过将反射辐射与激光器腔体内的辐射混合而生成自混合干涉信号。激光器腔体内的这种混合引起激光功率的波动，该波动可以作为自混合干涉信号被检测。这种自混合干涉信号依赖于流体的元的速度和距离，其中该距离和速度确定单元调适为根据所生成的自混合干涉信号确定流体的这些元的距离和速度。同时确定流体的元的距离和速度是指相同的被元反射的反射辐射被用于确定这个元的距离和速度，即这个元的所确定的距离和速度同时描述这个元的距离和速度。流体的元为例如流体本身的元和/或添加到流体的元。流确定单元调适为基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性，这是指距离、速度、或者距离和速度二者被用于确定流体的流属性。优选的是，该流确定单元调适为确定最大流速度和体积流量(volume flow)的至少其一作为流体的属性。体积流量优先地定义为在预定义时间间隔内流动经过流体的截面的流体体积。因而，体积流量也可以看作是体积流率。另外优选的是，该距离和速度确定单元调适为 -根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，
-确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率， -根据所确定的最大多普勒频率确定流体的元的最大流速度， 其中该流确定单元调适为确定该最大流速度作为流属性。这允许容易地且高精确度地确定最大流速度。另外优选的是，该流确定单元调适为
-提供定义最大流速度和体积流量之间的关系的体积流量函数， -通过使用该体积流量函数和该最大流速度，确定该体积流量作为流属性。另外优选的是，该设备还包括流宽度确定单元，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度。如果激光辐射横穿该流，则在流以外不存在反射或散射元，或者如果流体置于管内，则在管边缘以外不存在反射或散射元，并且因此将不会分别从流之外或管之外返回距离信息。此外，相对于发射的激光辐射的传播方向在流的前方，或者如果流体置于管内，在管的前方不存在流体的散射或反射元，并且因此从该位置将不返回距离信息。因而，通过确定到该距离和速度确定单元的最近距离和最大距离，可以确定流的宽度。这个所确定的宽度可以例如被用于，例如通过将所确定的宽度与流的已知宽度比较，确定激光辐射是否完全穿透该流。另外优选的是，该流确定单元调适为
-提供流模型函数，该流模型函数定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度，
-将该流模型函数拟合到元的所确定的距离和速度， -根据所拟合的流模型函数确定流属性。该流模型优先地为层流流模型，该模型假设最大流速度是在流的中间并且零流量值(flow value)位于流的边缘。即使仅仅流体的少许元的距离和速度被确定，仍可以执行流模型函数到流体的元的所确定的距离和速度的拟合。因而，即使流体在光学上是厚的，仍可以执行这种拟合。这因此进一步提高了确定具有大光学厚度的流体的流属性的能力。
另外优选的是，该设备还包括
-流宽度确定单元，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度， 其中该距离和速度确定单元和该流确定单元调适为使得
a)如果所确定的宽度等于或大于预定义最大速度宽度，该距离和速度确定单元确定该自混合干涉信号的最大频率并且根据所确定的最大频率确定流体的元的最大流速度，并且该流确定单元确定该最大流速度作为流属性，
b)如果所确定的宽度小于预定义最大速度宽度，该流确定单元提供定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度的流模型函数，将该流模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。该预定义最大速度宽度定义流的宽度，从而允许根据所生成的自混合干涉信号确定最大流速度，其中该流的宽度至少必须由流宽度确定单元确定。流的这个所确定的宽度依赖于流体的光学厚度，即在流体中辐射的穿透深度。因而，通过依赖于流的所确定的宽度确定流体的流属性，流属性的确定依赖于流体的光学厚度。如果光学厚度小，使得激光辐射达到最大速度宽度，则该距离和速度确定单元和该流确定单元调适为，通过根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，通过确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，并且通过根据所确定的最大多普勒频率确定流体的元的最大流速度，确定最大流速度。如果光学厚度大得使得激光辐射无法达到最大速度宽度，该流确定单元提供定义依赖于流体的元到该距离和速度确定单元的距离的元的速度的流模型函数，将该模型函数拟合到元的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。这允许确定依赖于流体的光学厚度的流体的流属性。另外优选的是，该流确定单元调适为根据该自混合干涉信号确定流体的流是层流还是湍流作为流属性。确定流体的流是层流还是湍流可以用于控制流体的流，使得该流保持或者变为层流。例如，如果流体被泵浦通过管，泵压力可以被控制使得，如果该流为湍流， 泵压力减小使得该流变为层流。这最优化了由于内部摩擦引起的流内的损耗。优先地，该流确定单元调适为，在自混合干涉信号的频率谱图具有混沌行为时确定该流是湍流，以及其中该流确定单元调适为，在自混合干涉信号的频率谱图不具有混沌行为时确定该流是层流。在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的方法，其中该方法包括下述步骤
-确定流体的元到距离和速度确定单元的距离以及用于同时确定元的速度，其中通过将在激光器腔体内生成的激光辐射引导到流体用于被流体反射而生成自混合干涉信号，其中反射辐射与激光器腔体内的辐射混合，并且其中基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，
-基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体的流属性。在本发明的又一方面中，提供了一种用于确定流体的流属性的计算机程序，其中该计算机程序包括程序代码装置，其用于在该计算机程序在控制设备的计算机上运行时， 致使如权利要求1限定的该设备实施如权利要求10限定的方法的步骤。应理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面将清楚明白并得到阐释。在下述附图中
图1示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的设备的实施例， 图2示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的设备的距离和速度确定单元的实施例，
图3示意性和示例性示出依赖于流体流内的归一化位置的归一化速度， 图4示意性和示例性示出依赖于流体流内的归一化速度的元数目， 图5示意性和示例性示出自混合干涉信号的谱图， 图6示意性和示例性示出用于确定流体的流属性的布置，以及图7示例性示出流程图，该流程图说明用于确定流体的流属性的方法的实施例。
具体实施例方式图1示意性和示例性示出用于确定流体2的流属性的设备1。该设备包括距离和速度确定单元3，其用于确定流体的元到距离和速度确定单元3的距离并且用于同时确定元的速度。距离和速度确定单元3包括具有激光器腔体6的激光器5 (示于图2)。距离和速度确定单元3调适为，通过将在激光器腔体6内生成的激光辐射7弓I导到流体2用于被流体2反射并且通过将反射辐射8与激光器腔体6内的辐射混合，生成自混合干涉信号。距离和速度确定单元3还调适为基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度。用于确定流体2的流属性的设备1还包括流确定单元4，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体2的流属性。在此实施例中，流体2在管10内流动。泵11仅仅示意性示于图1，该泵11可存在以用于控制管10内流体2的流。泵11 可以与流确定单元4连接，从而控制泵11使得获得预定流量值。距离和速度确定单元3调适为，通过将在激光器腔体6内生成的激光辐射7引导到流体2用于被流体2反射并且通过将反射辐射8与激光器腔体6内的辐射混合，生成自混合干涉信号。激光器腔体6内的这种混合引起激光功率的波动，该波动被示于图2的检测器12检测。检测器12通过检测从激光器腔体6耦出的辐射13的强度而检测激光功率。 由检测器12检测到的自混合干涉信号依赖于流体2的元的速度和距离，并且距离和速度确定单元3包括分析单元14，其调适为根据所生成的自混合干涉信号确定流体2的这些元的距离和速度。该距离和速度确定单元首先确定速度在辐射7方向上的分量，其中通过知晓流方向和辐射7方向之间的角而用三角法确定在流方向上的速度，例如通过将在辐射7方向上的分量乘以此角的余弦。流确定单元4调适为确定最大流速度和体积流量的至少其一作为流体的属性。体积流量优先地定义为在预定义时间间隔内流动经过流体截面的流体2的体积。因而，体积流量也可以看作是体积流率。流体2流优先地为层流流(laminar flow)，层流流由抛物线速度分布表征。对于管10内液体的层流流，速度在管边界为零并且在管10的中心具有最大值。这示例性且示意性示于图3。图3示出 依赖于管 1 0 的归一化半径
P/P的归一化速度V/P·。归一化半径0. 0表示管10的中心，并且归一化半径-ι. 0和1. 0
表示管边界。示于图3的速度分布可以用下述方程表达 2
V(P) = VmcO-^)⑴，
其中KP)表示在半径P处流体2的元的速度，其中1^ 表示在管10的中心处的最大速度，并且其中P表示管10的半径。如果假设在流体2内散射元密度均勻，可以获得在不同速度1处颗粒数目的分布 Φ),如图4示意性和示例性所示。在图4中可以看出，由于层流流中速度分布图的抛物线性质，大多数元以最大速度行进。此图中的最大速度是由流体元的数目朝向最大速度的急剧增大来表征。在某一速度的测量的自混合干涉信号的强度与在此速度的流体元的数目成比例。对于光学薄流体， 最大速度点将由自混合干涉信号中的强峰来标记。优先地通过在管面积上对方程(1)中定义的速度分布图积分来确定体积流量 ΔΓ/ 。这得到下述方程
AF _ ^2Iw
------) ο
M 2在一实施例中，距离和速度确定单元3，具体而言分析单元14调适为根据自混合干涉信号确定多普勒频率。优先地，距离和速度确定单元3使用下述方程用于根据多普勒频率确定速度
Jd—m = JU 入
其中表示多普勒频率，V · COS φ表示沿着图1中的激光束7方向的速度分量，并
且i表示未扰动的激光器5的波长。来自在流体2内流动的元的反馈在激光器腔体6内部生成具有此多普勒频率的变化的干涉信号，该干涉信号为自混合干涉信号。因此，由检测器 12检测到的激光输出功率以一频率被调制，从该频率可以导出流体内散射元的速度。因而， 通过使用方程(3)，基于所确定的多普勒频率可以确定流体2的元的速度。在一实施例中，距离和速度确定单元3，具体而言分析单元14调适为确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率，并且通过使用方程(3)根据所确定的最大多普勒频率，确定流体2的元的最大流速度。在此实施例中，流确定单元4调适为确定最大流速度为流属性。再者，流确定单元4优先地调适为通过使用所确定的最大流速度和方程(2)确定体积流量。对于透明流体，单位为任意单位的自混合干涉信号的谱图的实例示于图5。在此实例中，调制设备15不调制激光器5的频率，即所示谱图也是多普勒频率的谱图。优先地通过在自混合干涉信号的多个单独功率谱上求平均而获得该谱图。在示于图5的实例中，该频率谱图具有清晰的峰并且在观察到的频率迅速衰减之后，最大频率是在大约0. 22MHz。 优先地，放大器被用于测量自混合干涉信号。这种放大器的使用会在自混合干涉信号的谱图中引入伪像，其例如为在图5中可以看出的在DC处的峰。优先地，如果激光器5的辐射7可以达到具有最大流速度的流体的元，具体而言， 如果激光器5的辐射7可以达到管10的中心，则该流体被视为透明的。为了确定依赖于最大流速度的体积流量，流确定单元4优先地包括体积流量函数，该体积流量函数定义最大流速度和体积流量之间的关系。该函数优先地由方程(2)定义。流确定单元4优先地调适为，通过使用体积流量函数和最大流速度，确定体积流量作为流属性。设备1还包括流宽度确定单元9，其用于根据元的所确定的距离确定流的宽度。如果激光辐射7横穿该流，该流之外不存在反射或散射元，具体而言，在管10的边缘之外不存在反射或散射元，并且因此将不从管10之外返回距离信息。此外，相对于发射的激光辐射 7的传播方向，在管前方不存在流体2的散射或反射元，并且因此将不从该位置返回距离信肩、ο因而，通过确定到距离和速度确定单元3，具体而言到距离和速度确定单元3的激光器5的最近距离和最大距离，可以确定流的宽度。例如通过将所确定的宽度与流体2的已知宽度比较，这个所确定的宽度可以例如用于确定激光辐射7是否完全穿透流体2。在此实施例中，通过将所确定的宽度与管10的宽度比较，可以确定激光辐射7是否完全穿透流体2。此外，所确定的流的宽度可以用于确定管10的直径，该直径对于确定速度分布图是至关重要的，并且该直径在可用时使得校准是多余的。此外，所确定的流的宽度可以被用作控制参数以确保所研究的流体是足够透明的，使得从管10的整个截面获得散射功率。距离和速度确定单元3和流确定4优先地调适为使用频率调制技术用于确定流体 2的元的距离。为此，距离和速度确定单元3优先地包括调制设备15，其用于调制激光器5 的频率。调制设备15优先地为电流驱动单元，其优先地施加三角形调制在激光器驱动电流上。如果激光器5为半导体激光器，如同在此优选实施例这样，这种电流调制引起发射的辐射7的波长中的相应调制。结果，当改变注入电流/时，每增加与从激光器5到流体2相应元的往返长度适配的波长，辐射的相位增加360°。每个360°相位旋转造成发射的辐射7 的功率中的一个最小值和一个最大值。这些“波动”的数目Δ 与波长变动Δ 的函数可以由下述方程定义
An = Α i-(4),
Λ2
其中i/表示从激光器到相应流体元的长度。波长减小具有与散射元远离激光器5移动相似的效应，而波长增大则模仿散射元朝向激光器5移动。如果使用对激光器电流的三角形调制，波长将周期性减小和增大，从而模仿周期性地远离和朝向激光器5移动。由检测器12测量的功率，即从激光器腔体6耦出的辐射13的强度，在时间上按此三角形调制的频率变化，但是现在在该频率上叠加了频率
力，的波动，该频率/d可以通过使用下述方程来确定
9
Λ中的下标表示散射元不移动，即散射元不具有在辐射7方向上的速度分量。这种情况下，在三角形调制的上升段和下降段期间，波动频率是相同的。考虑移动的元，该频率另外改变了多普勒频率。当元移动离开时，在波长减小期间多普勒频率将加到J0，而当波长增大时从Λ减去多普勒频率。这可以由下述方程表达
Zltf = /o - /o—te(6 )以及
S dewa ~ Sfi^r Dojipler(7)。在方程(6)中，/%表示在三角形调制的上升段自混合干涉信号的频率，并且表示在三角形调制的下降段自混合干涉信号的频率。通过根据下述方程计算频车Λ
^Zo=CZdGWI/ 2(8)
并且利用所计算的频通过使用方程(5)，可以确定元到距离和速度确定单元3，具体而言到激光器5的距离。通过根据下述方程计算Acwter
(9)
并且利用所计算的频率通过使用方程(1)，可以确定沿着辐射7方向的元的速度。由于例如通过上述方程(1)至(7)已知流体的单个元的距离和速度与自混合干涉信号的频率的依存性，则例如通过将流体的元的贡献，即距离和速度的贡献线性地结合到自混合干涉信号的频率谱图，也已知流体的若干元的距离和速度与自混合干涉信号的相应频率谱图的依存性。这种已知的依存性优先地被用于根据自混合干涉信号的频率谱图确定距离分布和速度分布。例如，知晓上述已知的自混合干涉信号谱图与距离和速度分布的依存性，可以执行类似蒙特-卡罗模拟的模拟，其中利用不同距离和速度分布模拟自混合干涉信号的不同谱图，直到就比如相关性或平方差之和的相似性度量而言，自混合干涉信号的模拟的谱图与测量的谱图是相似的。还可以使用拟合过程，其中距离分布和速度分布被确定，使得通过使用上述已知的自混合干涉信号的谱图与距离和速度分布的依存性确定的自混合干涉信号的谱图被拟合到自混合干涉信号的测量的谱图。还有可能通过使用上述已知依存性，根据自混合干涉信号的测量的谱图解析地计算距离和速度分布。为了执行上述模拟过程或者上述拟合过程，自混合干涉信号的谱图与距离和速度分布的依存性可以看作一模型。除了将流体的单个元的速度和距离的贡献结合到，具体而言线性地结合到自混合干涉信号的谱图，这个模型可以包含在指定速度对流体元的密度的考虑和/或对在流体内的衰减的考虑。下面进一步将更详细描述这些附加考虑。如果假设不调制电流，谱图具有形状圾Aorokr),则如果电流被调制，谱图在向上侧翼可以用风丨表示并且在向下侧翼用巩丨-+/DopptoI)表示，其中a为比例
常数并且i/为相应元到距离和速度确定单元3，具体而言到激光器5的距离。散射颗粒生成的频率是由到激光器的距离连同由于电流调制和颗粒速度引起的激光器频率变化来确定。距离和速度确定单元3优先地调适为如上所述通过模拟、拟合或解析计算从两个谱图
SXI皿’
权利要求
1.一种用于确定流体(2)的流属性的设备(1)，该设备包括-距离和速度确定单元(3)，其用于确定流体(2)的元(17)到该距离和速度确定单元 (3)的距离并且用于同时确定元(17)的速度，该距离和速度确定单元(3)包括具有激光器腔体(6)的激光器(5)，其中该距离和速度确定单元(3)调适为，通过将在激光器腔体(6)内生成的激光辐射(7)引导到流体(2)用于被流体(2)反射并且通过将反射辐射(8)与激光器腔体(6)内的辐射混合而生成自混合干涉信号，并且基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，-流确定单元(4)，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体(2)的流属性。
2.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元(4)调适为确定最大流速度和体积流量的至少其一作为流体(2)的属性。
3.如权利要求1限定的设备，其中该距离和速度确定单元(3)调适为 -根据该自混合干涉信号确定多普勒频率，-确定所确定的多普勒频率的最大多普勒频率， -根据所确定的最大多普勒频率确定流体(2)的元(17)的最大流速度， 其中该流确定单元(4)调适为确定该最大流速度作为流属性。
4.如权利要求3限定的设备，其中该流确定单元(4)调适为-提供定义最大流速度和体积流量之间的关系的体积流量函数， -通过使用该体积流量函数和该最大流速度，确定该体积流量作为流属性。
5.如权利要求1限定的设备，其中该设备还包括流宽度确定单元(9)，其用于根据元 (17)的所确定的距离确定流的宽度。
6.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元(4)调适为-提供流模型函数，该流模型函数定义依赖于流体(2)的元(17)到该距离和速度确定单元(3)的距离的元(17)的速度，-将该流模型函数拟合到元(17)的所确定的距离和速度， -根据所拟合的流模型函数确定流属性。
7.如权利要求1限定的设备，其中该设备还包括-流宽度确定单元(9)，其用于根据元(17)的所确定的距离确定流的宽度， 其中该距离和速度确定单元(9)和该流确定单元(4)调适为使得a)如果所确定的宽度等于或大于预定义最大速度宽度，该距离和速度确定单元(3)确定该自混合干涉信号的最大频率并且根据所确定的最大频率确定流体(2)的元(17)的最大流速度，并且该流确定单元(4)确定该最大流速度作为流属性，b)如果所确定的宽度小于预定义最大速度宽度，该流确定单元(4)提供定义依赖于流体(2)的元(17)到该距离和速度确定单元(3)的距离的元(17)的速度的流模型函数，将该流模型函数拟合到元(17)的所确定的距离和速度，并且根据所拟合的流模型函数确定流属性。
8.如权利要求1限定的设备，其中该流确定单元(4)调适为根据该自混合干涉信号确定流体的流是层流还是湍流作为流属性。
9.如权利要求8限定的设备，其中该流确定单元(4)调适为，在自混合干涉信号的频率谱图具有混沌行为时确定该流是湍流，以及其中该流确定单元(4)调适为，在自混合干涉信号的频率谱图不具有混沌行为时确定该流是层流。
10.一种用于确定流体(2)的流属性的方法，该方法包括下述步骤-确定流体(2)的元(17)到距离和速度确定单元(3)的距离以及用于同时确定元(17) 的速度，其中通过将在激光器腔体(6)内生成的激光辐射(7)引导到流体(2)用于被流体 (2)反射而生成自混合干涉信号，其中反射辐射(8)与激光器腔体(6)内的辐射混合，并且其中基于所生成的自混合干涉信号确定距离和速度，-基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体(2)的流属性。
11.一种用于确定流体(2)的流属性的计算机程序，该计算机程序包括程序代码装置， 其用于在该计算机程序在控制设备的计算机上运行时，致使如权利要求1限定的该设备实施如权利要求10限定的方法的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定流体(2)的流属性的设备(1)。该设备包括距离和速度确定单元(3)，其用于确定流体的元到该距离和速度确定单元(3)的距离并且用于基于自混合干涉信号同时确定元的速度。该设备(1)还包括流确定单元(4)，其用于基于所确定的距离和速度的至少其一确定流体(2)的流属性。这允许确定流属性，即使流体(2)在光学上是厚的。
文档编号G01F1/66GK102356297SQ201080012303
公开日2012年2月15日 申请日期2010年3月15日 优先权日2009年3月18日
发明者范德利 A., 本戈埃切亚阿佩斯特吉亚 J., 卡派 M., 韦希曼 U. 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司