泡状物 大小的窄分布，在平均值的两侧（大小的~30% )具有少量泡状物。图2和图3示出了仅 用于单分散性泡状物分布和固定体积分数的特性。泡状物大小越大，泡状物数量就越低。 较大数量的泡状物趋向于将曲线向高频延伸，使得其在频率范围中较宽。从图2和图3可 以观察到，传统单频测量有局限，并且宽带测量是优选的。例如，宽带测量可以通过使用频 率啁嗽激发并测量声传输和声散射来进行。发射数据和散射数据会具有与图3中所示的 声传输相似的属性，可以借助考虑这个分布的改进理论获得泡状物大小分布。已经由多个 研究者提出了这种反演技术。[例如参见H.Czerski的"AnInversionofAcoustical AttenuationMeasurementstoDeduceBubblePopulations''(AmericanMeteorological Society,DOI:10. 1175/JTECH-D-l1-00170. 1(2012))]。
[0061] 图4示出了在217kHz的固定频率下的不同泡状物大小的消光截面，217kHz是 15μm泡状物的谐振频率，而图5示出了作为频率的函数的具有15μm半径的单个泡状物的 散射截面。对于具有多个泡状物大小的泡状物流体，散射信号峰值加宽。同样，这示出了谐 振泡状物的存在会如何影响泡状物流体中的声测量。
[0062] 图6示出了啁嗽信号（频率在1到200kHz之间变化），啁嗽信号用于激发压电换 能器，其继而激发泡状物流体。由宽带接收器换能器检测到的散射信号的特性在图7中示 出。在此情况下，泡状物流体具有以一平均值为中心的不同大小的泡状物。这个散射信号的 包络在计算中可用于确定由啁嗽信号激发的流体的体积中的泡状物大小分布和泡状物群。 这示出了使用宽带测量方案并以一角度进行测量的优势，如以下将描述的。
[0063] 现在将详细参考本发明的当前实施例，在附图中示出了其示例。在图中，使用相同 的附图标记标明相似的结构。会理解，附图是为了描述本发明的特定实施例，并非旨在将本 发明限制于此。现在转向图8,示出了本发明的装置10的实施例的示意图，示出了用作发射 器的宽带压电换能器12和用作接收器的另外两个相同的换能器14和16。接收器16与发 射器12直接相对布置，以测量直接传送的声音，而接收器14与施加的超声成角度放置。换 能器可以是与传送流体混合物20的管道18的弯曲部分相匹配的弯曲的压电晶体（PZT-5)。 还可以使用平面换能器，并使用楔子来将平的换能器表面耦合到管道18的弯曲部分。如果 无需非侵入式测量，就可以通过孔使换能器插入穿过管道壁，以使得每一个换能器的正面 与管道的内表面平齐（图8中未示出）。角度22可以在0°与90°之间变化，用于定位最 佳测量的位置。0°角允许测量反向散射信号。实际上，在此情况下将接收器几乎挨着发射 器安置。也可以使用以几个角度放置多个接收器。例如（图8中未示出），还使用温度计测 量管道的温度。
[0064] A.泡状物谐振频率范围中的测量：
[0065] 数字双通道任意波形发生器24(参见图15)在宽频率范围上产生频率啁嗽信号 26,将其通过功率放大器28引向发射器（源）换能器12。取决于管道直径，这个频率啁嗽 {目号具有可以从约100μs调整到约10μs的持续时间。啁嗽彳目号可以以尚达每秒1000次 的速率重复。来自具有不同频率的波形发生器24中的第二通道的输出可以引向相同的换 能器，以便进行混频，如以下将描述的。基于泡状物流体的性质和泡状物大小分布选择频率 范围。波形发生器24可以产生在1kHz到50MHz之间选定的频带中的频率啁嗽。在1kHz 至IJ1MHz之间的频率范围可以用于泡状物谐振测量，而较高频率可以用于高频区中的测量。 如果选择高中心频率（例如10MHz)宽带换能器，单个换能器就可以提供这两个测量所需的 带宽。尽管换能器的灵敏度在中心频率两侧缓慢减小，但如果首先确定了换能器特性，就可 以针对这个减小校正所接收的信号。为了扩展带宽，可以使用其它生成方案，例如由机械地 夹在一起的两个单独晶体构成的换能器。通过串联或并联连接两个相同的晶体电极，可以 通过因子2改变中心频率。在此情况下，晶体厚度加倍。
[0066] 在由高速（50MHz采样率，12比特A/D)多通道模数转换器34数字化之前，来自接 收器换能器14和接收器换能器16的输出首先分别由信号放大器30和信号放大器32放大。 尽管仅示出了两个通道，但可以容纳多达8个输入信号。来自数字化器34的输出在被输入 到个人计算机（PC) 38进行进一步的分析之前引至数字信号处理器（DSP) 36。DSP36允许 快速信号处理，例如快速傅立叶变换（FFT)、互关联、用于包络检测的希耳伯特变换等。相同 的装置可以用于本发明的具有微小变化的其它实施例中。PC38控制波形发生器24和装置 10的其它元件，并在计算机屏幕上显示最终结果。
[0067] 散射信号测量结果还可以由DSP36分析以提取来自声散射场内的泡状物运动的 多普勒信号。典型地，每一个换能器都具有特定束扩散，并且该束扩散允许多普勒测量，即 使在其中泡状物运动与来自源换能器12的声束的中心部分的方向垂直的情况下。方便的 是将接收器换能器14放置在与源换能器12垂直移位的位置处，以使得两个换能器的束分 布重叠。这为更准确的多普勒测量提供了额外的角度。垂直移位的准确量取决于管道直径 和换能器直径。多普勒测量可以提供有关于流动泡状物流体的额外信息，因为多普勒信号 的量级与散射信号的量级相关，散射信号的量级反过来与泡状物大小相关。因此可以提供 泡状物大小分布的测量，而多普勒频移提供了与流体一起的泡状物运动（流速）的测量。这 个泡状物流速对于校正油-水混合物的体积流速是重要的。管道内泡状物流速的径向变化 的量级也可以根据多普勒频移信号的宽度由这个频移来确定。还可以确定频移的分布并且 频移的分布与泡状物的流动有关。另外，不同泡状物大小产生略有不同的粘滞阻力以及相 应的其速度变化。这些影响略微模糊（smear) 了多普勒频移，但这个频移仍然包含与大小 分布有关的信息，其可以根据适当的反演技术提取。如果流速已知，根据多普勒流动测量， 可以根据流过选定管道体积的大小分布（泡状物数量）来确定气体体积。通过在DSP中不 同地处理信号，以角度22布置的相同换能器可以用于散射信号和多普勒测量。一旦将信号 数字化后，用于提取多普勒频移信息的全部必要运算就可以在DSP36中或在PC38中以数 字方式执行。使用混频（发射信号与接收信号）的传统方式并提取频率差来确定多普勒频 移。数字带通滤波器也可以应用于啁嗽接收信号，以便从任何窄频率范围提取值。
[0068] B.低频测量：
[0069] 现在将描述其中伍德等式适用的区域中的低频声速测量。传统压电换能器以厚度 谐振模式来工作，其中，谐振频率与厚度成反比，使得低频换能器以约25kHz或更小频率工 作相当地难操控和不实用。因此，探索了使用压电材料产生这种低频的其它方案。使用压电 材料是因为这些材料能够耐受油田中受到的高温；例如，由铌酸锂晶体制成的换能器可以 以在高达例如约500°C的温度工作。代替在传统厚度模式谐振中工作换能器，低频可以通过 激发圆盘的径向模式由压电圆盘生成。这不是传统压电换能器实际中工作或使用的方式。 基于厚度-半径比可以确定压电圆盘的径向模式的频率。易于得到小于约25kHz的低频径 向模式。图9示出了作为频率的函数的50_直径压电晶体的多个谐振。这个晶体的厚度模 式谐振约为1. 1MHz，而径向模式扩展到低频，对于所选定的特定压电圆盘，最低径向模式约 为50kHz。图10中示出了用于产生径向模式谐振的晶体的设计，其中，在y轴上示出了频率 乘以盘厚度T，而在X轴上示出了盘直径D与盘厚度的比。编号的曲线标明不同径向模式， 较高模式具有较高频率。选择D/T比并在图中绘制垂直线。多个曲线的交叉点提供了该特 定圆盘的径向模式（例如参见Kocbach，J. 2000,FiniteElementModelingofUltrasonic PiezoelectricTransducers-Influenceofgeometryandmaterialparameterson vibration,responsefunctionsandradiatedfield,Ph.D.thesis,Universityof Bergen,DepartmentofPhysics)〇
[0070] 图11示出了使用扫描激光多普勒测振仪测量的以该径向模式（52kHz)振动的压 电圆盘的表面振动振幅分布。环形图案（振幅和径向分布））以贝塞耳函数的形式，其方式 为振动的强度从圆盘中心到外边缘改变。较高贝塞耳模式具有较多圆环。这种换能器生成 具有受限的衍射（不随其传播而扩散）和自修复的贝塞耳束。自修复指代如下实施：如果 束的中心部分被阻塞（例如在此情况下由泡状物），则束在短距离后重新生成自身。
[0071] 图12示出了通过以水听器进行扫描在水箱内部测量的该径向模式换能器的束分 布。这是使用于此在图11中所述的换能器生成的贝塞耳束。如上所述，压电材料用于换能 器，使得设备可以在油田中遇到的高温下工作，在那里难以使用更简单的替换方案。例如， 磁致伸缩、电磁或PVDF膜也可以用作声换能器，但这些材料难以在160°F以上的温度使 用。
[0072]用于产生低频的另一个方法利用泡状物自身的非线性声学特性。泡状物具有任