用于气体和液体应用的流量测量系统和方法
【专利说明】用于气体和液体应用的流量测量系统和方法
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年3月14日提交的标题为"Flow Measurement Systems and Methods for Gas and Liquid Applications,"的美国专利申请号13/828, 942的提交日期 的利益，所述申请以引用的方式整体并入本文。
[0003] 领域
[0004] 本发明涉及用于测量声波相位的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于测量多 个声波在它们传播穿过导管内的液体时的叠加的系统和方法。
【背景技术】
[0005] 存在用于通过测量传播声波的上场速度和下场速度来测量穿过导管的流量的各 种已知技术。然而，除非上场声波可与下场声波分离，否则这些已知方法是无效的。
[0006] 最近，已提出稍微不同的方法来解决常规流量测量技术的限制，以对导管内的声 波进行建模。美国专利号7, 725, 270中描述了一种这样的方法。根据所述方法，假设测量 的声波是以线性方式传播的自由的（未束缚的）声波。因此，所述方法忽视了这样的事实， 即声波实际上受导管束缚并且声波在三维方向上进行传播。通过简化对声波的建模，仅可 产生声波流动的近似模型。
[0007] 因此，相关领域中需要能够精确地测量导管内流体流动速率和导管内声音速度的 系统和方法。另外，相关领域中需要能够在考虑到导管的存在的同时，精确地对传播穿过导 管内的流体的声波的相位进行建模的系统和方法。此外，相关领域中需要能够精确地对多 个声波在它们传播穿过导管内的流体时的叠加进行建模的系统和方法。
[0008] 概述
[0009] 在一个实施方案中，本发明包括一种用于测量在含有流体的导管内传播的多个声 波的叠加的系统。在所述实施方案中，导管具有外表面，并且流体在流动方向上流动穿过导 管。在一个方面，多个声波包括至少两个声波。
[0010] 在一个方面，用于测量多个声波的叠加的系统包括沿着导管的外表面大致平行于 流动方向定位的多个换能器。在另外的方面，用于测量多个声波的叠加的系统包括用于对 多个声波在它们在导管内传播时的叠加进行建模的装置。
[0011] 在另一方面，用于对多个声波的叠加进行建模的装置被配置来从每个换能器接收 指示流体流动穿过导管的速率以及声波传播穿过流体的速度的数据集。在存储选定数量的 数据集后，用于对多个声波的叠加进行建模的装置被配置来处理数据集阵列，以便产生多 个声波在它们在导管内传播时的叠加的模型。在一个方面，用于对多个声波的叠加进行建 模的装置通过对数据集阵列执行一维快速傅立叶变换来处理数据集阵列。在这方面，用于 对多个声波的叠加进行建模的装置可使用一维快速傅立叶变换的结果来生成针对每个相 应换能器的归一化的时域信号。随后，用于对多个声波的叠加进行建模的装置可基于数据 集阵列和每个换能器的归一化的时域信号产生二维时域和空间域矩阵。随后，用于对多个 声波的叠加进行建模的装置可对二维时域和空间域矩阵执行二维快速傅立叶变换。随后， 可使二维快速傅立叶变换的结果与对多个声波的叠加进行建模的波动方程关联。基于所述 关联，可确定顺着和逆着流体流动的声波的速度。基于顺着和逆着流体流动的声波的已确 定的速度，可确定导管内的流体流动速率和音速。
[0012] 附图描述
[0013] 在参考附图的详细描述中，本发明的优选实施方案的这些和其他特征将变得更加 显而易见，其中：
[0014]图1是如本文所述的沿着导管的外表面定位的多个换能器的透视图。
[0015] 图2是如本文所述的沿着导管的外表面定位的多个换能器的放大透视图。
[0016] 图3是导管的横截面侧视图，其示出多个换能器中的相应的换能器之间的间距。 图3还示意性示出如本文所述的处理器与多个换能器之间的通信。
[0017] 图4示出如本文所述的确定在多个换能器中的相应的换能器处的归一化的时域 信号的示例性方法。
[0018] 图5示出形成由多个传感器获取的数据的二维时域和空间域矩阵以及对二维时 域和空间域矩阵应用二维快速傅立叶变换的示例性方法。
[0019] 图6示出如本文所述的使二维快速傅立叶变换数据与用于从左到右和从右到左 传播的波的流动模型方程关联的示例性方法。图6还示出使用关联的结果来确定导管内顺 着和逆着流体流动的声音传播、流体流动速率和流体内的音速。
[0020] 图7-9示出本文所述的对从左到右的声波传播进行建模的方法的实验应用。图7 示出声波的二维快速傅立叶变换。图8示出声波的理论曲面图。图9示出图7的等值线图。
[0021] 图10-12示出本文所述的对从右到左的声波传播进行建模的方法的实验应用。图 10示出声波的二维快速傅立叶变换。图11示出声波的理论曲面图。图12示出图10的等 值线图。
[0022] 图13-15示出本文所述的对在两个方向上（从左到右和从右到左）传播的声波传 播进行建模的方法的实验应用。图13示出声波的二维快速傅立叶变换。图14示出声波的 理论曲面图。图15示出图13的等值线图。
[0023] 图16-17使用本文所述的方法示出对应于图13的二维快速傅立叶变换数据的关 联信息。图16是曲面图，而图17是等值线图。
[0024] 图18-19使用本文所述的方法示出与具有5. 5m/s流动速率和347m/s音速的流体 相关的关联信息。图18是曲面图，而图19是等值线图。
[0025] 图20-21使用本文所述的方法示出与具有9.Om/s的流动速率和347m/s音速的流 体相关的关联信息。图20是曲面图，而图21是等值线图。
[0026] 详述
[0027] 可通过参考以下详细描述、实例、图和权利要求及其之前和之后的描述而更容易 地理解本发明。然而，在公开和描述本设备、系统和/或方法之前，应理解，除非另外说明， 否则本发明不限于所公开的具体设备、系统和/或方法，因而当然可以变化。还应理解，本 文所使用的术语仅出于描述特定方面的目的，且并不意图加以限制。
[0028] 本发明的以下描述被提供为本发明的当前已知的最好的实施方案的能实现的教 导。为此，相关领域的技术人员将认识并了解到可对本文中描述的本发明的各种方面做出 许多改变，而仍然获得本发明的有益结果。还将显而易见的是，本发明的一些希望的益处可 通过选择本发明的一些特征而不利用其他特征来获得。因此，本领域的从业人员将认识到 对本发明进行许多修改和改编是可能的，并且在某些情况下甚至可能是希望的并且是本发 明的一部分。因此，以下描述是作为说明本发明的原理而提供的并不在其限制之中。
[0029] 除非上下文另外明确规定，否则如通篇所使用的单数形式"一个（种）"和"所述" 包括多个指示物。因此，例如，除非上下文另外说明，否则提及"换能器"可包括两个或更多 个此类换能器。
[0030] 在本文中，范围可表达为从"约"一个特定值，和/或至"约"另一个特定值。当表 达这种范围时，另一方面包括从一个特定值和/或至另一个特定值。类似地，当通过使用先 行词"约"将值表达为近似值时，将理解的是特定值形成了另一方面。应进一步理解，所述 范围的每个端点无论是相对于另一个端点还是独立于另一个端点都是有意义的。
[0031] 如本文所使用的，术语"任选的"或"任选地"意指随后描述的事件或情形可能发 生也可能不发生，并且所述描述包括所述事件或情形发生的情况和不发生的情况。
[0032] 如本文所使用的，术语"流体"可指气体、液体及其混合物。
[0033] 在一个实施方案中并参考图1-3,描述了用于测量含有流体的导管10内的至少一 个声波的传播的系统1〇〇。在示例性方面，至少一个声波可包括多个声波，并且系统1〇〇可 被配置来测量在导管10内传播的多个声波的叠加。在所述实施方案中并如图3中示出的， 导管10可具有内表面12和外表面16。可以设想，导管10的内表面12可限定被配置来接 收流体的孔14。还可以设想，流体可在流动方向F上流动穿过导管10的孔14。在一个方 面，多个声波可包括两个声波（第一声波和第二声波）。
[0034] 在一个方面，用于测量至少一个声波的传播的系统100可包括用于生成至少一个 声波的装置。在这方面，用于生成至少一个声波的装置可包括本领域所公知的用于在流体 内产生声波的任何装置。例如但不限于，可以设想，用于生成至少一个声波的装置可包括至 少一个扬声器或其他振动设备。然而，如本领域普通技术人员将了解的，可以设想，至少一 个声波可由流动穿过导管的流体生成。还可以设想，至少一个声波可包括由随机声音或环 境声音产生的声波。
[0035] 在另一方面，用于测量至少一个声波的传播的系统100可包括联接至导管10的多 个换能器20,使得多个换能器沿着导管10的外表面12的至少一部分大致平行于流动方向 F。在示例性方面，多个换能器20可固定联接至导管10的外表面12。然而，如图3所示，在 其他示例性方面，可以设想，多个换能器20可被固定在导管10的壁15内，使得多个换能器 定位成与导管的孔14流体连通。在再其他示例性方面，可以设想，多个换能器20可固定联 接至导管10的内表面12,使得多个换能器与导管的孔14流体连通。可以设想，多个换能器 20沿其定位的导管10的部分可具有用于特定应用的任何合适的纵向长度。
[0036] 在示例性方面，多个换能器中的每个换能器20可被配置来获取指示正常听觉区 域（范围从约0到约20kHz)内的声波的数据。在这些方面，多个换能器中的每个换能器20 可包括用于感测在流动方向F上流动穿过导管10的流体的速率的装置。在示例性方面，