分析双相流体流动的方法和系统的制作方法

专利名称：分析双相流体流动的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用超声波技术和其它的传感器，分析双相流体流动，确定双相流体流动的特性和质量流量的方法和装置。
本发明的背景技术在管道中的双相流体流动，是指同时包括有气体和液体，或气体和固体，或液体和固体的流动。气/液双相流体的一个实例是在管子中流动的水和空气；气/固双相流体的一个实例是在管子中流动的煤炭颗粒和空气。目前已知可以用超声波技术来确定在管道中的双相流体流动的存在。如举例来说，美国法定发明注册登记No.H608就公开了一项这样的技术。这类技术的主要特点包括，发射一个超声波脉冲，使其横向穿过管道，如果流体是单相的(即均为液体)，则在一定的时滞之后，可以接收到作为反向回声信号的返回脉冲，而且由远侧管壁给出的这一返回脉冲是相当强的，而且是相当尖锐的。如果液体中包含有气泡，则会形成多个小反射，并使由远侧管壁给出的主要返回回声信号是模糊而弱小的。如果是在管道中存在有具有限定的气/液界面的双相流体，则由于反射回声信号是由该气/液界面，而不是由远侧管壁发射回来的，所以反射回声信号相当强，但是比仅有液体流动的情况更早地出现。如果该流体存在有限定的气/液界面，而且在液体里还包含有气泡，则由于液体中气泡的存在，会出现许多小的反射，而且反射回声信号会比仅有液体流动的情况更早地出现，而且更弱一些。然而，这种测量方法仅能够测定出双相流体流动是否存在，而不能够完全确定该双相流体流动。
特性是指双相流体在气相中的质量系数。特性与质量流量一起确定着由流体流动实现的热传递的能(熵)的量，所以它是一个定义流动系统状态的关键变量。因此，要完整地描述流体流动，就需要对特性和质量流量进行测量。需要进行质量流速和特性测量的原因之一，就是为了能够调节系统中流动的某一相流体的流速。
典型的液/气双相流体流动包括有与部分管壁或全部管壁(随流动参数和相对于重力方向的流动倾角的不同而不同)相接触的液体薄层。液体与连续的或间断的蒸气流大体上相分离。由于确实存在有可识别的液-气界面，所以通过建立适当的边界条件，可以分别对液体流和气体流的几何形状、流速，以及轴向压力下降行为等等进行分析。如果能够确定出管道中的液体流的厚度，便可以利用各种流动模型，对许多种不同的质量流速预测出薄层厚度相对于特性的变化曲线。这类技术可以参见1969年美国New York州Mcgraw-Hill地区的Wallis，G.B.著的One-dimensional Two-Phase Flow中的第51-54页和第315-374页；1949年的Chemical Engineering Progress第45卷第1册第39-48中的Lockhart，R.W.和Martinelli，R.W.著的“ProposedCorrelation of Data for Isothermal Two Phase，Two ComponentsFlow in Pipes”；1954年的Transactions的ASME第76卷第1册第73页中的Deissler，R.G.著的“Heat Transfer and Fluid Frictionfor Fully Developed Turbulent Flow of Air and Super CriticalWater with Variable Fluid Properties”。
然而，利用超声波方法测量液体流动薄层厚度的现有方式，是相当麻烦的。在液体流中气体泡的存在，液体在管道中传播时的大尺度波的存在，在液/气界面处的小尺度厚度变化，以及其它的在管道中的类似的“混沌”状态，均会对利用超声波技术测量薄层厚度的能力带来巨大的影响。如果在管道中存在有一种或多种上述的这类情况，由超声波传感器给出的返回回声信号曲线，就可能不再是薄层厚度的一种良好的指示。而且，具有高特性的低流体流速将导致相当高的混沌流动，这就和具有低特性的高流体流速时的情况一样。这种混沌流动将使已知的薄层厚度测量技术无法再使用。
因此，仅仅这种混沌流动得到的返回回声信号的轨迹曲线，似乎并不是一个薄层厚度的良好指标量。可用于测量通常与管壁接触的液体薄层厚度的其它技术还包括，取样技术，热探测技术，薄层电感或电容测量技术，以及伽玛密度测定技术等等。虽然这些技术有的强一些，有的弱一些，但是没有哪一种技术具有反射型超声波技术所具有的优点。超声波技术是一种非侵入式的技术，它具有快速响应，良好的长时间精确性和灵敏度，并且可以在相当大的温度变化范围内应用于各种工作流体的测量。此外，即使采用非超声波技术进行厚度测量，也需要根据大量的假设，构造出用于估价流动特性和质量流速的各种流体流动模型，而这些假设往往会导致精确度下降。在另一方面，如果不测量出薄层厚度或一个相关的参数，如中空比率等等，是不能够精确地实施特性和/或质量流量的测量的。如举例来说，流量计并不能指示出流动着的流体是液体还是气体，而且流量计也不能应用于许多种场合。
诸如在空气流动中散布着煤炭颗粒的典型的气/固双相流体流动，通常包括着在管道中传递的煤炭颗粒的索式结构。目前还没有哪一项技术可以精确地测量出在管道中的煤炭的量。在煤炭热电厂的运行过程中采用的试改方法，不仅效率很低，而且会产生空气污染。为了优化燃烧方式，就必须要能够获知传递至燃烧器的煤炭的量和空气的量。
因此，除了测定双相流体流动是否存在之外，目前进行的主要研制工作主要集中在各种可实际测量双相流体流动的组件的方面。这些研究成果力图可以描述出流动在某些方面的平均值，诸如压力下降值，中空比率，薄层厚度，速度或密度等等。这些方法中所存在的一个问题是，仅仅获得任何一个单一的值并不足以对双相流体的流动进行限定。双相流体流动包括有两种分离的流体流动(相A和相B)，而且它们以非常复杂的方式彼此作用。如果利用平均值，则至少要测量出两个独立的量，才能够对这种流动进行描述。不仅如此，诸如压力下降和速度等等的一对给定的观测值，往往并不能在比较大的工况状态中，对由相A和相B构成的质量流速给出一种灵敏的指示。因此，对于不同的流动状态，常常需要对观测量做不同的组合。
可以采用根据目前已知的平均化技术研制出的适当的仪器，实施应用这些技术。然而，采用目前已知的平均化测量技术的组合形式所进行的实际应用，有许多并不能提供出预期的结果。如举例来说，某些应用要求完全的非侵入式流动测量。其它一些应用可能会受到几何尺寸方面的限制，使得只能使用给定尺寸和形状的仪器。其它的就用可能要求在相当宽范围的流动状况下对流动的精确测量。另外还有一些应用是以价格为主要因素的，因而要求所使用的仪器必须非常便宜。本发明的一个优点在于，它指出对于现有的任何一种有意义的测量技术，不论是快速测量还是持续性测量，均可以用来测定双相流体流动的流体。任何一种应用均必须能够进行某种有意义的流体流动观测，所以本发明保证可以依据本发明研制出一种实用化的仪器。
本发明的方法基于对双相流体流动的简单而深奥的观测。首先，双相流体流动是具有可测定性的，因为它们要满足一定物理定律。因此虽然双相流体流动的过程是非常复杂的，但流动行为仍将具有基本的次序。一个指定波、颗粒或气泡的流动行为尽管是复杂的，但决不会是完全随机的。
其次，由于双相流体流动的可确定性和行为呈非常复杂的形式，所以它们看上去象混沌流体。在这儿使用了术语“象”，是因为尚没有从一般意义上证明流体紊流流动满足混沌的数学定义。目前也不知道哪一种复杂的流动行为(如果有的话)，会即不是混沌的，也不是随机的。目前尚不能对这种系统的行为做出某种概括归纳。由于缺少从拓扑学方面获得的更具有结论性的答案，而且由于将双相流体流动视作为混沌，是与目前可获得的证明相一致的，所以本发明假定所感兴趣的双相流体流动是混沌的。
双相流体流动是散逸性的，即在给定的状态下，所施加的任何功都将最终消失在粘滞流体中。因此，对于随意给定的初始状态(即向流体管道输入的流体在入口处的混合方式)，双相流体流动将形成一种特征行为模式，而这种模式是与具有不同的初始模式、但是由相A和相B构成的同种流体的流动模式相类似的。在实际上，如果不相应于不同的初始条件形成大量不同的流动状态，并详细的比较它们的性质，是难以证明这一结论的。然而，在流体机械和双相流体流动测量的领域中，有这样一个基本的原则如果流动不属于这种情况，就不可能产生双相流体流动的行为模式和相关性。这一原则也符合散逸性混沌流动系统的性质。
如果双相流体流动是散逸和混沌的，则可以对于它们的流动行为作出实质性的描述。即从原理上说，存在有简单的基本流动行为，一个“奇异吸引体”，后者的形状将随流动参数的变化而变化。该奇异吸引体是一条极端复杂的通道(在数学相空间中)，它限定着系统随时间变化的各种轨迹。可以将它限定为相空间的一个有限部分，而且是一条简单的无端点的、开放的(即永远也不重复的)通道，在其中有许多开始时是彼此接近的、然后随时间推移而彼此快速分离开的点(所谓的对初始状态的敏感性)。可以由奇异吸引体的存在而可以推导出的种种结论还远没有完成。可用于该目的的原理性的结论为，对于任何在一段的时间中对系统行为进行的观测结果，都是该奇异吸引体的映象。如果是按固定的、在测量之间的时间增量进行观测的结果，则为一幅平滑的映象。奇异吸引体的任何平滑的映象均包含着有关该系统的行为的一定的信息，而且它与具有相同的时间增量和测量灵敏度的任何其它的平滑映象是相类似的。因此，可以采用任何一种测量方法对双相流体流动进行测量，而所获得的有意义的信息是彼此等价的。
虽然所讨论的这一途径可以在混沌技术领域中良好的建立起来，然而它本身并不足以进行双相流体流动的测量。其原因在于这一理论并没有涉及到应该如何使流动观测量与流动状态相关联。在事实上，已经有许多研究者在使双相流体流动状态与时间序列测量值相关联方面做了大量的工作。比较著名的包括1975年的Int’1 J.of MultiphaseFlow第2卷第273-306页中的Jones，O.C.和Zuber，N.的“TheInterrelation between void fraction fluctuations and flowpatterns in two-phase flow”；1966年Proceeding of the 1966 HeatTransfer and Fluid Mechanics Institute的Saad，M.A.和Miller J.A.编辑的Standard University Press第100-121页中的Hubbard，MG.和Dukler，A.E.的“The Characterization of Flow regimes forHorizontal two-phase flow1.statistical analysis of wallpressure fluctuations”。Jones和Zuber指出可以由X-射线衰减测量的概率密度函数中得到液-气流体流动的自然特征。Hubbard和Dukler指出可以由液-气双相流体流动的压力信号的频谱中获得流体流动的自然特征。然而这两种方法均不能确定出单相或双相流体流动的质量流速。
这些技术文献还引用了许多参考文献，后者记载了在研究和开发各种类型的测量仪器和描述双相流体流动方向所进行的许多工作。一般说来包括有，1976年McGraw-Hill出版的TransportProcesses inBoiling and Two-Phase Systems中的Hsu，Y.Y.和Graham，R.W.著的Chapter 12Instrumentation for Two-Phase Flow；以及1981年Hemisphere Publishing Company出版的Berglese，A.E.等人编辑的Two-Phase Flow and Heat Transfer in the Power and ProcessIndustries中的Mayinger，F.著的Chapter 16Advance OpticalInstrumentation。这些工作的主要成果的应用非常有限，然而由此保持着良好的研究兴趣。真正的双相流量计，即声称可以描述相A和相B的流动状态的仪器，尚没有广泛地出现在市场上。
在工业实际应用中，在双相流体流动测量中广泛使用的仪器一直是光子衰减仪器。这些仪器可以检测光子(通常为微波或伽玛射线)通过流体时的衰减。可以利用一相比另一相(特别是具有比较高的密度的一相)更大的衰减率，描述出由每一相充满了的流体管道横剖面的部分的状态。换句话说就是，它可以给出流体的平均密度。尽管由于仪器的具体几何尺寸不同，但它相应于管道内流过的两相流体或强或弱是灵敏的，并可以给出相应的分布，进而可以用来指示出流体流动的自然特征(比如说气泡型流动，气液滴型流动，层次型流动，中空圆孔型流动，或雾状型流动等等)。由于灵敏度对每一相的量是有限的，所以这些仪器仅仅可以对流体流动状态给出一个粗略的指示。特别值得指出的是，伽玛密度测定对于流体流动产生的轨迹量具有比较高的灵敏性，在所感兴趣的许多种应用(特别是对石油管线)中，对它的精度几乎没有什么限制。尽管这些仪器在其原始的实施形式中有所限制，但它们在用于本发明时都将具有可以精确地确定相A和相B的流动的优点。
为了产生有关相A和B的质量流速的有用的信息，必须要使衰减测量与相应的流动速度的某些指标量相组合。这种指标量可以是按下述的方式所获得的量，即在沿流体管线的两个彼此分离而且相当靠近的位置上进行衰减测量，并且使获得信号交叉相关。在交叉相关曲线上的峰值的时间延迟大体反应着该流动传播时的时间延迟。用该仪器的测量间隔除以这一时间间隔，便得到了特征速度。该平均流动密度和这一速度可以与相A和B的质量流速相关联。考虑这种相关是为了能够修正在两相之间必然会出现的“滑移”(因为它们并不以相同的速度流动)即使进行了适当的校准，该密度测量对许多种流动状态仍是不敏感的，所以交叉相关衰减测量的精度仍然是有限的。在授予Skarvaag等人的美国专利4683759中已经暗示了这一点，在该专利中是通过测量液-气双相流体流动而获得数据的。然而，它仅仅对一种特定的流动状态，即所谓的气液滴型流体流动状态，描述了其液体和气体质量流速的确定方式。气液滴型流体中具有的液体和气体的流动，具有相当大的脉动性，所以在交叉相关函数中的峰值是相当尖锐的。
目前还有人发明了另一种测量双相流体流动的仪器系统。在授予Goolsby的美国专利注册登记H608中，使用了超声波测量技术来确定在液体流动中是否存在有气体。在这种仪器中，使用回声性超声波来确定第二主反射界面位置(第一反射界面位于液体和管壁之间)。如果声波的全程传播距离小于与其相关联的整个管子(由远侧的壁传回的第二反射)，则表示存在有液-气界面。在实际上，这种方法在过去几年里一直在用于定量地研究双相流体流动。
在授予Lynnworth的美国专利4193291中，描述了另一种确定流体密度的超声波方法。这一技术的基础是，在一个物体中的扭转波的不同的衰减率，是与在该物体中的流体的密度相关联的。所公开的各种实施例表明，该仪器对流体管道中的相的分布多少有些敏感。该仪器局限于用于液-液或液-气双相流体的测量。这一仪器的一个不利的方面是它需要侵入至流体中。仪器凸入至流体中的部分可能会被流体中的碎物损坏，而产生不能预测的压力下降和流动状态瓦解，从而需要在仪器和流体管道之间实施密封，这将会降低流动系统的可靠性。这种仪器的另一个缺点是，并没有说明哪一个实施例可以确定在整个流动横剖面上的平均密度。因此，可以应用的每一个实施例都在流体的自然特征方面有所限制。而且，流体的浸润现象并没有提及，即如果流体弄湿了传感器的材料，装置的密度可能会被比较大的扭曲成流体的密度。即使存在有上述的这些限制，根据这种方法构造的仪器仍可以用于本发明之中，并可以对相A和B构成的流体的流动速率进行精确的测量。
上述专利指出，将密度测量方法与声波速度计相组合，便可以确定双相流体的质量流速。在声波速度测量技术中，一个声波可由一个传感器通过流体向下游传播，并测量达到另一个传感器的全程传播时间。第二波向上游侧传播，以确定与流动方向相反的传播时间。比较这些个传播时间，便可以确定流体中的有效声波速度和它的传播速度。如果声波流量计是在双相流体中工作，则其测量对于流动的自然特征是非常敏感的。如举例来说，在中空圆孔型流动中，一个连续的液体薄层与流体隔壁相接触。进入至流体的任何声波将在通过该液体(该液体具有非常高的声波速度和相对比较低的衰减)时被“有效的短路”，从而可以仅仅使液体的速度(被声波通路扭曲)被测量出。与此相反的是，在层流流动中，在流体管道底部流动的液体将与在管道顶部流动的气体有效地分离开。如果穿过液体传递的声波可以有效地与气体流动相耦合，则可以测量出作为液体和气体速度的平均值的速度。虽然中空圆孔型流动具有更高的速度，但这一平均速度与中空圆孔型流动获得的速度(它要高得多)是完全不同的。因此，用各种不同的流动状态对这种仪器的输出进行校准，将获得非常强的非线性，就象在精度不足时所会产生的情况那样。
授予Kline的美国专利4991124公开了另外一种测量流体密度的超声波仪器。这一技术依赖于对在流体中的声波能量的衰减率和声波速度的测量。因为这一技术依赖于声波能量的多次反射，而这与检测双相流体流动时的情况非常不同的，所以它一般不能用于双相流体流动的测量。
英国的AEA技术已经公开了一种用于石油天然气领域的双相流量计1994年春季第4册Competitive Edge出版的“Non-IntrusiveMeter Measures Oil and Gas Flows”，作者不详。这种仪器利用脉冲中子束对通过检测位置的氢原子、碳原子、氧原子和氯原子进行计数。辐射的短脉冲用来触发氧原子，以跟踪它们移动时的轨迹，进而确定出流动速度(一种次级测量方法)。这种仪器可以使用两种平均技术，以确定出若干相(潜在的)的质量流速。然而，它依赖于需要分别确定其质量流量的、由特定组分构成的相的变化。如果两相具有相同的组分(即所谓的单一组分的双相流体)，则仅仅可以获得总的流动测量值。虽然这一系统可以有效地应用于油田，但是该仪器的成本、复杂性和操作的局限性，限制了它在其它场合的应用。
本发明的简要介绍因此，本发明的一个目的就是要提供可用于分析双相流体流动以确定出流体流动的特性和质量流量的一种方法和一种系统。
本发明的另一个目的就是要提供这样一种方法和一种系统，它可利用无损式传感器确定出双相流体流动的特性和质量流量。
本发明的再一个目的就是要提供这样一种方法和一种系统，它即使在管道中存在有混沌双相流动流体时，也可以进行稳定的测量以确定出该双相流体流动的特性和质量流量。
本发明的又一个目的就是要提供这样一种方法和一种系统，它不需要利用基于许多假定的各种流动模型和分析技术，便可以确定出双相流体流动的特性和质量流量。
本发明基于下述的观点虽然乍一看，由混沌的双相流动流体的返回回声信号得到的超声波厚度轨迹曲线，并不能精确地反映液体流的厚度，然而进一步的研究表明，在厚度的时间曲线图中确实存在着有关流动性质的某些指标量，而且，诸如在一组中的良好厚度读数的平均数目，在序列良好读数中的平均变化量，以及良好读数在总的读数中的平均比率等等的这类指标量，可以彼此组合而精确测量出质量流量和流动特性。本发明还基于下述的基本观点质量流量和流动特性可以由厚度轨迹曲线直接获得，而不需要根据许多假设进行的复杂分析技术，也不需要采用侵入式测量技术。本发明还基于下述观点目前还可以采用除超声波厚度轨迹曲线之外的其它方式获得流动指标量，而这些指标量也可以用来刻画和描述该流体流动。
最后，本发明还基于下述的观点即可以用一组不同类型的传感器测量各流动指标量；可以对管道中的任何类型的双相流动流体，甚至可以对不可混合的流体，检测其流动指标量；而且可以对流动指标量进行分析，以对该流动流体作出评价。在进行了流动流体的分析之后，便可以马上利用反馈系统对流体流动进行调节。
本发明的主题涉及到双相流体流动的测量，在这里所称的双相流动流体，可以是液体与气体或蒸气的混合体，液体与固体颗粒的混合体，两种不混溶液体的混合体，或是气体与固体颗粒的混合体。本发明同样可以应用于由同种或不同种化合物构成的双相流体(比如说A相和B相)的测量。下面仅仅对相应于在流体通道和管道中的流动的情况进行说明，尽管从原理上说，它也可以应用于自由流动流体和环绕着沉入或浸入物体的流体流动。而且从原理上说，它还可以应用于三种和多种混合体的流动，以及单相(仅为液体或气体)流体的流动。
本发明的基本原理就是，如果对给定的稳定流动流体进行持续地观测，测量值及它们与时间有关的变化反映着流体流动中的各种现象，进而反映着流动状态。流动状态通常由双相流体的流动速率限定着。为了限定该双相流体流动的特征，还需要获知温度和/或压力。这种测量方式可以随该操作造成的不稳定的、复杂的流动结构的不同而有所不同。这种流动结构通常是与流动紊流相关联的。然而，许多被认为是层状的双相流体流动均可以由变化平稳的变量表征出来，并适用于应用本发明。不仅如此，局部化的紊流可能会在流体流动过诸如非流线型物体、静态混合器、孔口、弯管和其它的会使流体产生混乱的物体时，由层状流动产生。因此，在这儿所描述的方法可以在很广泛的范围内加以应用。
本发明的一个重要的目的，就是要提供一种可以可靠的确定按时间顺序观测到的结果与双相流体流动之间的对应关系的测量技术。下面所讨论的内容，主要涉及到用作为流体观测方法的超声波厚度测量技术，对液-气双相流体的流动进行的测量。正如前面所述，本发明并不仅局限于这种流体流动方式和这种流体测量方法。本发明的主题可以适用于各种具有固有的随时间变化的行为曲线的流体，而且适用于可以真实地反映出流体流动状态的各种测量观测方法。因此，在下面详细地说明了对于不同的状态和应用条件的种种变形观测方法，以及与流体流动状态的观测相关的这类仪器和方法的可以预见到的若干响应曲线。
本发明的特点在于，它是一种分析管道中的双相流体流动用的方法，而且可以适当地包括有，或者说是主要包括有下述的步骤发射声波能量穿过管道并进入至流体的步骤；检测返回回声信号的步骤；对返回回声信号进行计算，以由返回回声信号中求出一个或多个流动指标量的步骤；以及由所述的计算出的流动指标量确定质量流速和流动特性中的至少一个的步骤。该流动指标量是由下述的良好厚度读数的平均数目，序贯良好读数的平均变化量，以及良好读数在总的读数中的平均比率等等参数中选出的一个或几个，其中的良好读数的定义是，作为一个检测到的返回回声信号，它应该是在管道中流动的液体薄层的指标。
该方法还可以进一步包括计算在序贯良好读数中的绝对值的平均变化量除以良好读数的平均数目后的值，以区分开质量流量和特性的步骤。流动指标量还可以进一步包括良好厚度读数的RMS，序贯良好读数的RMS变化量，在一组中的良好读数的平均数目，在一组中的非良好读数的平均数目，以及特征自相关时间等等。确定步骤还可以包括使所述的一组流动指标量与已知的流动状态彼此匹配，以对管道中的双相流动流体的质量流量和特性作出评价的步骤；而匹配的步骤还可以包括利用一个中枢网络，进行一组所述的流动指标量与已知的流动状态彼此之间的匹配，以对质量流量和特性作出评价的步骤；计算步骤还可以包括有通过对一组中的良好的厚度读数的平均数目与流动特性进行比较，以及对序贯良好读数中的平均变化量与流动特性进行比较的方式，获得数据的步骤。
本发明的特点还在于，它给出了一种分析管道中的双相流体流动的系统，而且该系统包括有下述的组件发射声波能量穿过管道并进入至流体的组件；检测返回回声信号的组件；对返回回声信号进行计算，以由返回回声信号中求出一个或多个流动指标量的组件；以及响应所述的用于计算的组件的、用于根据所述的流动指标量确定出质量流速和流动特性中的至少一个的组件。用于发射声波能量的组件还可以包括有一组周向和/或轴向耦合在该管道中的传感器，而且还可以包括有用于依次触发所述的传感器的组件。用于检测返回回声信号的组件还可以对代表着在管道中的液体流动薄层厚度的返回回声信号作出评价。
用于计算的组件可以计算出下述的流动指标量中的一个或多个良好厚度读数的平均数目，序贯良好读数的平均变化量，以及良好读数在总的读数中的平均比率等等参数中选出的一个或几个，其中良好读数的定义为检测到的返回回声信号。
用于计算的组件可以计算出用序贯良好读数中的绝对值的平均变化量除以良好读数的平均数目后的值，以区分开质量流量和特性，用于确定的组件还可以包括有一个中枢网络，它可以获得作为输入信号的一个或多个所述的计算出的流动指标量，并进行图形匹配计算，以根据由中枢网络获得的真实的流动特性和质量流速图形特征，对质量流量和特性中的一个作出预测评价。
本发明的特点还在于，它给出了一种确定在管道中的双相流动流体的特性的方法，而且该方法可以包括有下述的步骤发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由此产生流动返回回声信号的步骤；检测从流体返回的回声信号的步骤；计算双相流动流体质量流速的步骤；以及由返回回声信号确定出质量流速和流动特性中的至少一个的步骤。
发射声波能量的步骤还可以包括有向管道外壁发射超声波脉冲的步骤，检测返回回声信号的步骤还可以包括有确定高于预定回声信号强度的回声信号的比率的步骤。确定质量流速的步骤还可以包括有，由高于预定回声信号强度的回声信号的比率，求解出双相流体流动质量流速的步骤。确定流动特性的步骤还可以包括有，由该返回回声信号计算出在管道中的液体薄层厚度的步骤。确定流动特性的步骤还可以包括有计算在计算出的液体薄层厚度中的平均变化量的步骤，确定流动特性的步骤还可以包括有确定计算出的薄层厚度的平均值的步骤，而且还可以进一步包括有确定变化平均值相对于平均薄层厚度的比率的步骤。
该流动特性确定方法还可以包括由检测到的流体流动给出的返回回声信号计算出一个或多个流动指标量的步骤。流动指标量是由下述的良好厚度读数的平均数目，序贯良好读数的平均变化量，以及良好读数在总的读数中的平均比率等等参数中选出的一个或几个，其中的良好读数定义为检测到的返回回声信号。
该方法还可以包括有下述的步骤，即计算在序贯良好读数中的绝对值的平均变化量除以良好读数的平均数目后的值，以区分开质量流量和特性的步骤，而流动指标量还可以包括良好厚度读数的RMS，在序贯良好读数中的RMS变化量，在一组中的良好读数的平均数目，在一组中的非良好读数的平均数目，以及特征自相关时间等等。确定质量流速和流动特性的步骤还可以进一步包括有，将一个或多个所述的流动指标量施加至中枢网络，以使所述的流动指标量与已知的流动状态相匹配的步骤。
根据本发明构造的用于确定在管道中的双相流动流体的特性的系统，可以包括有用于发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流动产生返回回声信号的组件；用于检测流动中的返回回声信号的组件；用于计算双相流动流体质量流速的组件；以及用于由返回回声信号，确定质量流速和流动特性中的至少一个的组件。
从更广泛的意义上讲，本发明给出的是一种确定在管道中的双相流动流体的质量流速和特性的方法，该方法可以包括下述的步骤发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流动产生返回回声信号的步骤；检测由流动中返回的返回回声信号中高于预定回声信号强度的比率的步骤；由返回回声信号计算在管壁中的流体薄层厚度的步骤；以及确定计算出的流体薄层厚度的平均变化量，计算出的薄层厚度的平均值，以及由平均变化量与薄层厚度平均值确定出流动特性的步骤。
有关最佳实施例的说明本领域的技术人员可以从下面的最佳实施例和参考附图，获知本发明的其它的目的、特征和优点。


图1为表示在管道中的典型的双相流动流体的横剖面示意图；图2为表示用于获得“良好”薄层厚度读数的发射出的和接收到的脉冲波形的曲线图；图3为表示一个发射波形的曲线图，图中表明由于反射回来的反射回声信号与接收器有偏离，而使反射波形没有出现；图4为表示在液体流动中存在有气泡而形成的多重弱返回回声信号的曲线图；图5为表示根据本发明构造的、具有尽可能多的可选择性的超声波薄层厚度测量系统的示意图；图6为表示在根据本发明构造的如图5所示的测量系统中用的硬件的方框图；图7为表示实施根据本发明构造的方法的一系列检测获得的质量流量与限定流动状态的特性之间关系的曲线图；图8为表示利用如图5和图6所示的测量系统获得的典型的超声波薄层厚度测量记录曲线的示意图；图9为表示在如图7所示的检测条件下和根据在薄层中的液体中并不合有任何蒸气微粒的假定所获得的经验相关方式获得的平均薄层厚度测量的特征曲线图；图10为表示相对于图9所示的特征曲线图中的数据，利用在序贯良好读数中的平均变化量除以平均厚度读数后得到的相关流动特性的特征曲线图；图11为表示相对于利用图5和图6所示的设备所获得的如图7所示的数据点、质量流量与所记录到的回声比率之间的关系的特征曲线图；图12为表示根据本发明构造的、作为一个流动指标量的特征自相关时间的特征曲线图13-20为表示根据本发明构造的若干流动指标量相对于流动特性的示意性曲线图；图21为表示中枢网络的示意性说明图，该中枢网络用于对如图13-20所示的指标量进行图形匹配，以根据本发明估价出质量流量和/或质量特性；图22为表示利用如图21所示的中枢网络确定出的质量流量与预计的质量流量相比较的相关关系的示意性说明图；图23为表示利用如图21所示的中枢网络确定出的流动特性与预计的流动特性相比较的相关关系的示意性说明图；图24为表示根据本发明构造的一种估算质量流量和特性的方法的流程图。
本发明一般可称为双相流量计。可以用包括超声波传感器，拾音器，加速度计及类似组件等等的许多种不同类型的传感器，来检测流动指标量，所谓的指标量包括在液/气双相流体流动中的液体传播“波”是否存在，在固/气双相流体流动中的颗粒传播“波”是否存在，以及在波行进方式之间的时间周期等等。一旦检测到流动指标量，便可以用其来确定质量流速和/或流动特性。在某些具体的实施方式中，还可以利用该流动指标量，来测定流动状态的变化。在第一实施例中，使用的是双相流量计，即利用超声波检测器来确定在管道中的液/气双相流体流动的质量流速和流动特性。
在本发明中，确定在管道中的双相流体流动的薄层厚度，仅仅是流动特性和/或质量流量的一个第一级次的估算值。在典型的双相流体流动中，对于粘滞液体/蒸汽界面是否存在，在管道中液体传播的周期性波是否存在，以及在液体中蒸汽气泡的存在等等现象，利用超声波获得的薄层厚度检测结果是难以对它们进行分析的。尽管超声波技术并不能精确的测量薄层厚度，但是它可以获得有关薄层厚度的变化轨迹，其中包括着许多流动指标量，将它们综合起来，通过计算，将可以确定出流动特性和/或质量流量。
超声波双相流量计图1详细的示出了在管道10中的双相流动流体的横剖面图，其中液体12沿管壁的内侧周边流动，而气体或蒸气14大体在管道的中心流动。
超声波传感器16首先对空的管道10进行校准，即检测由近侧管壁9给出的反射回声信号和由远侧管壁11给出的反射回声信号，确定其脉冲延迟时间；然后对完全充满液体的管道10进行校准，以确定出由于液体中的声速产生的时间延迟。
然后将双相流体引入至管道10，测量如图2所示的、在初始脉冲20和由界面18给出的返回脉冲22之间的脉冲间隔Δt，界面18为如图1所示的在液体12和气体14之间的界面。
于是，流动薄层厚度h可表示为h=cΔt2------(1)]]>其中，c为在液体中的声速，Δt为在发射超声波脉冲和接收到的回声之间的时间。图2示出了一个“良好”的厚度读数，即与检测到的返回回声信号相关连的读数，它清楚地代表着在管道中的液体流的厚度。正如图2所示，返回脉冲22是相当强的，而且是相当锐利的。
如果如图1所示的、在液体和气体之间的界面18，形成一个倾斜的表面，则反射回来的反射回声信号便可能偏离开接收器的位置，而不能被检测到。在这种情况下，“反射回声信号”的轨迹如图3所示。在另一方面，如果如图1所示的、在液体和气体之间的界面是粗躁的，不均匀的，则反射回声信号的轨迹将如图4所示。存在有液体薄层中的气泡，波动和其它的混沌流动状态，将导致“非良好”读数的出现，这种读数并不是薄层厚度精确测量的指标量。
然而在本发明中，这些信息仍可以被利用，并可以从中分析出流体流动的全部特征，从而精确地检测出质量流量和流动特性。
本发明可以采用下述的方法来实现，即利用超声波薄层测量技术，检测在管道中的双相流体流动的特性和/或质量流量。该质量流速和特性可以由若干量的组合而分别确定，而这些量可以由这种原始数据中获得。
可以应用本发明的方法和系统的一个超声波薄膜厚度测量的实施例，已由图5示出。双相流动流体在具有圆形横剖面的管道40中，沿箭头A所示的方向流动。该流动流体包括有靠近管道40内壁流动的液体薄层42，和气体流44。该流动是一种在液体中包含有气泡的典型的紊流流动，而且液体42的表面往往是不平滑的。在中间部位的蒸气中也包含有液体。
可以使用标准的超声波厚度测量传感器来进行薄膜厚度的测量，进而确定在管道40中流体的质量流速和流动特性。最好采用耦合在管道40的外壁上的多个超声波传感器，并使它们位于同一轴向位置的不同的周边位置处。在一个实施例中，是在沿管道40的同一轴向位置处，设置彼此分离的三个传感器48、50、52。还可以在传感器48的下流侧设置第四个传感器54，以测定特征薄层速度。可以依次触发传感器48、50、52。设置在轴向分离位置处的传感器54，可在晚于传感器48的时间被触发。传感器48和传感器54的输出是交叉相关的，可以利用公知技术中的域分析技术，确定出流动速度。
在利用如图5所示的传感器布置方式，实施薄层厚度测量时使用的硬件部分，可以如图6所示。在一般情况下，管道40的检测剖面，可以是水平的，倾斜的，也可以是垂直的。对于如图7至图21所详细示出的测量技术，采用的是长为26英寸的内径为0.875英寸、外径为1.0英寸的透明聚碳酸脂管，因而可以提供大约30英寸的管径，以进行超声波测量点的上游的流动演变测量。诸如传感器48等等的超声波传感器，可以用量级为100伏的电脉冲触发，该电脉冲具有的微小的、位于设备能力的中间区域的能量。可用记录空管时的脉冲返回时间的方式，对在传感器和液体薄层之间的固体管壁给出的时间延迟，进行计数测量。还可以利用测量在管道充满液体时的时间延迟的方式，并利用公式(1)，用该设备计算出在液体C中的声速。
可以在已知的压力、温度下，将水和空气引入到如图6所示的装置中，并使其由检测剖面的管道上游侧流入管道。可以利用涡流流量计检测水流。利用弯管流量计检测气流。还可以利用弯管流量计测量空气压力和温度，以确定出密度，进而确定质量流量。还可以测量出在检测剖面40处的气水混合物的压力和温度，并利用已知的空气和水的流速，完全求解出流动状态。超声波脉冲发射器-接收器60为5222型超声波传感器，它可以由美国Massachusetts州Waltham地区的Panametrics公司购得。这种设备是一种模拟型设备，它可以与频率在1至20MHz范围内的传感器协调动作。还可以对这种设备进行适当相关，以获得800Hz的脉冲重复频率。传感器48可以为10MHz的传感器。
脉冲发射器-接收器60给出的信号输入至多路转换器64，后者可以调节模拟信号的增益，以获得最大的数字记录的灵敏度。多路转换器64的型号为EXP-16，它可以由美国的MA州Taunton地区的Keithley-Metrabyte公司购得。一个也可以由Keithley-Metrabyte公司购得的、型号为DAS-8的模拟数字转换芯片可以设置在计算机62中。这种电路芯片可以由-5至+5伏的模拟输入电位，产生出12字节的数字输出。Unkelscope型数据应答软件可以由美国的MA州Lexington地区的Unkelscope Software公司购得，这种软件可以控制计算机62的运行。还可以对这种软件进行设置，以在1000Hz的状态下记录数据，且每次可以产生4096个记录读数数据。
可以用三个轨迹示波仪66监测脉冲发射器-接收器60的运行状态。脉冲发射器-接收器60给出的模拟输出包括有随时间变化的增益信号，标志监测信号和接收器监测信号。还可以利用脉冲发射器-接收器60的同步输出信号，使示波仪与该信号同步。接收器监测信号代表着在脉冲发射器-接收器的接收区段处获得的真实的超声波波形。标志信号是指在接收到的信号中接收器认为是出现了回声的点。在显示器68中的标志信号的位置，与厚度测量值相对应。如果标志信号未出现在显示器上，则表明未发现回声信号。随时间变化的增益检测信号，使得使用者可以监测使接收器断路所必需的最小信号电位。由于声波的传播时间越长，所产生的衰减也越大，所以可以在等待回声的过程中，缓慢地增大放大器的增益。
脉冲发射器-接收器60具有许多可调节电位计，从而可以实施最佳检测。对于具有这种结构布置的测量来说，最主要的可调节参数是最大的自动增益控制，它可以调节接收器所可以使用的最大增益，并可以调节对接收器和传感器之间的阻抗匹配的衰减控制。
在使用中，可以一面观察接收器对示波器的响应能力，一面调节脉冲发射器-接收器的变化，以便可以使其标志可在显示器上显示出来的回声具有最大的比率。在一般情况下，如果调节了自动增益控制或回声高度控制，就要对衰减控制进行相应的调节。一旦对接收器进行了设定，就可以对用于如图7所示的全部的26个操作条件的一组数据进行采集，而不需要进一步的调节。
图7是表示特性和质量流量的范围的特征曲线图，其中的数据是在这种设置条件下取得的。总的质量流量的范围自0.02至0.10kg/s。26个检测条件在图中用点示出。应该适当地选择这些点，以覆盖住可实现的、具有稳定的质量流量连线和稳定的特性的连线的流动条件的基本部分，以便进而可以分别对质量流量和特性的影响进行评价。可以用涡流流量计检测水流，用弯管流量计检测气流。
可用于这种数据采集的典型的部分记录结果如图8所示。这是在一秒钟获得的数据。消失的信号，即未能记录到回声的脉冲，在特征曲线图中以负读数表示。这些数据的变化速度比预想的变化速度更快。通过详细的数据分析可以证明，薄层厚度的变化并不象数据变化的那样快。当然从理论上还可以证明，所观察到的流动行为，代表着在液体薄层中的波的粘滞表面和在液体薄层中的气泡的组合体流动行为，由于它们所产生的反射和/或折射，可能会使回声偏离开传感器的位置而消失掉，进而可能会由于脉冲发射器-接收器和数据检测系统中间不再同步而导致出现错误。
图9为表示相对于如图7所示的26个检测点的校正的特性与薄层厚度之间的关系的曲线图。所谓的“校正的特性”是指已经进行了适当的校正的，从而使在真实的流动条件下检测具有真实特性的Martinelli参数，等于在环境压力下具有“校正的”特性的虚拟流动的Martinelli参数。校正的幅度范围可以由适用于接近环境压力的检测状态的负值一直到适用于高压状态的0.059。图9中也示出了Lockhart-Martinelli数据的Walli相关，它应该是在校正的特性和平均薄层厚度之间的相关性的一个良好的预测指标。如图所示，所获得的值一般比预测的值大，其走向也与预测的情况不符。而且，数据的分散情况也比预测的大，数据与质量流量之间的关系不清楚，对于高值的数值相当不稳定，这说明采用超声波薄层厚度测量技术，也不一定总能获得对流动特性的良好指示。
图10为表示质量流量相对于记录到的回声的比率之间关系的关系特性曲线图。由图中可见，回声信号的分布相当混沌。该图还表明，质量流量至少可以由一组记录到的回声与一组真实的脉冲的比，即记录到的脉冲所占的比率，而粗略地获得。
对超声波记录数据的进一步的分析，可以按下述的方式进行。一个超声波数据记录的长度“L”可以被定义为L=Σi=1n|ti-ti+1|-----(2)]]>其中，ti为第i个厚度读数，n为读数的数量。为了对未记录上的回声进行计数，该长度应该用除以一组记录到的回声的方式进行归一化处理。这个新的量是由一个读数到另一个读数的薄层厚度读数的平均变化量。如图11所示的点，是用该读数平均值归一化处理后的值，以将混沌变化引入到该值自身范围和尺度之中。这一特性表明，超声波薄层厚度读数的归一化测量，是明确地与双相流体流动的质量流量和特性相关联的。
正如图10所示，质量流量与已记录到的回声的比率的相关，这可以构成限定双相流体流动的质量流量和特性所需要的所有信息，而这些信息均存在于超声波记录之中。
再参见图8，根据本发明构成的下述的附加流动指标量，可以由返回回声信号的厚度测量记录中获得，这些流动指标量包括良好的厚度读数的平均值；序贯良好读数的平均值；良好读数所占的平均比率；良好厚度读数的均方根(RMS)；序贯良好读数的RMS平均值；在一组中的良好读数的平均值；在一组中的非良好读数的平均值；以及特征自相关时间等等。一个良好的厚度读数的定义是，检测到的返回回声信号是在管道中的液体流动的厚度的可靠的指示。与此相反，一个不良的读数是指由于粘滞液体/蒸气的界面对回声的反射，使其不能被检测到的读数；或是由于存在相当粗躁的液体/蒸气界面，而不能获得高于预定幅度的返回脉冲信号的读数。
在本发明中，可以计算出上述的指标量，并将其馈入至中枢网络中，该中枢网络可用来对指标量进行图形识别分析，并可以使其与双相流体流动的质量流量和特性相关。
首先请注意，正如图10所示，指标量 可以很清楚地由特性中识别出质量流量。如果已经知道了质量流量或特性，便可以确定出另一个量。正如图11所示，可以进行与已记录的回声的比率相关的早期分析，以使其大体上与质量流量相关。然而，进一步的研究表明，如图8所示的超声波数据，已经包含了足够的与流动相关的指标量，从而可以精确地确定出质量流量和特性。
利用如上所述的质量流量标志量，便可以按下述的方式求出质量流量和特性。平均厚度读数是流动特性的第一等级的指标量，在某些情况下可以仅利用这一读数求出该特性。RMS厚度读数衰减着双相流体流动中的长波通讯，这对于比较低的特性和比较高的质量流量状态是更为重要的。已记录到的回声信号的平均比率，反映着导致反射回来的声波脉冲消失的流动特性的影响。这些影响是由于液/气界面的不规则性(比如说，由于粘滞波或在液体薄层中的气泡)造成的，并且是由于不规则的表面组织(比如说，由液滴的混杂和散布造成的)造成的。在序贯良好读数中的绝对值的平均变化量，反映着液体/蒸气界面处的比较小的尺度变化。它或是代表着比较小的动态波(表面构造)，或是代表着正在通过的大尺度波的增长速率。由于大尺度波行进方式的情况相对来说不频繁，所以前一种场合应居主要地位，而且在读数中的高速度的变化将不会延迟超过一个重要的观测测量周期。令人感兴趣的是，数据采集速率的变化，对该值的影响是线性的，即该数据速率变为一半，将使序贯读数平均值变为两倍。
在序贯良好读数中的RMS变化量，反映着对在一个比较大的变化范围中出现的事件的强调。在一组中的良好读数的平均数目，反映着相对未受扰动的液体薄层存在的平均时间周期。在一组中的非良好读数的平均数目，反映着受到扰动了的液体薄层的平均时间周期。在一组中的良好读数的平均数目和在一组中的非良好读数的平均数目之和，反映着薄层扰动进程的特征时间周期。
该特征自相关时间如图12所示。在自相关过程中，一个信号的备份信号将随时间漂移，将其与原始信号进行比较，并对计算出的原始信号和已随时间漂移了的信号的积进行积分。对不同的时间漂移(时间延迟)重复进行这种处理。对于一个混沌信号，其典型的结果如图12所示。该特征自相关时间信号是一个流速的指标量，而不再是一个除了自身之外没有任何其它含义的信号。这一反映着特征流动速度的指标量已经由他人描述过。(可参见1987年4月的NASA CR-179572中的Bernatowicz，H.，Cunningham，J.，和Wolff，S.，等人著的“Mass Flow Meter Using the Triboelectric for Measurement inCryogenics)。”对于这些指标量中的每一个的典型结果，已分别示出在图13至图20中。这些特征曲线图分别表示着作为水平流动的流动特性的函数的流动指标量中的某一个，其中的流动特性是用非超声波技术，用比如说在空气和水混合而形成双相流体之前，分别检测空气流速和水流流速等等的方式确定的。不同的符号代表着不同试验状态下的质量流量。当对于相应的向上游动和向下流动条件，进行如图10所示的计算时，其结果是类似的，且不需要进行什么修正。因此，根据本发明构造的技术，可以在不同流动倾斜角的状态下使用，而且可以在零重力条件下使用。
有许多种方法可以在对双相流体流动系统进行分析时使用。第一种方法就是取得超声波数据，采用上述的方式计算数据指标量(诸如在一组中的良好读数的平均数目等等)，并利用非线性多变量统计分析方法，使指标量与质量流量和特性相关联。这种方法并不是很好，因为这种方法的精度最高只能达到非线性相关方法所使用的数据模型的精度。而且，这种方法并不能说明是数据设置的不好，还是给定的数据不好，从而不能准确地评估出相关的流动状态。而且这种方法还相当费时。
另一种方法是先获取数据，再将数据直接送入至一个中枢网络，以使数据中的特征曲线值与质量流量和特性相关联。从原理上讲，这种方法可以给出预期的故障指示和故障容限。然而这种方法也不是很好，因为它难以表明它是否正在进行使数据中的特征曲线值与质量流量和特性相关联的操作，因而只能将它长时间地连在网络上。真实的数据有可能在网络中找到适当地位置，而不与质量流量和特性适当的相关联。而且，限定图形曲线点需要一系列的许多读数，所以需要一个非常大的网络。这种大型网络的运行要比指标量的简明计算和统计相关计算慢得多。
一种比较好的方法是，获取数据，计算数据指标量，利用如图21所示的中枢网络100，进行指标量与质量流量和特性之间的相关联处理。这种方法可以将数据指标量的可信程度，与一个固定的故障容限结合起来，从而可以用一个比较小的中枢网络实现非线性的相关处理。中枢网络100可基于可由市场上买到的中枢网络模拟程序“NeuroShell 2”运行，而后者可以由美国马里兰州Frederick地区的Ward Systems公司购得。
为了检测这种方法，可以将如图13-20所示的数据曲线串入如图21所示的中枢网络100，以识别超声波数据中的流动状态值。该中枢网络的形状可与常规的后台传递网络相类似，并具有与图13-20所示的八个指标量相对应的八个输入节点。十二个虚隐节点均与这些输入节点相连接，并具有两个分别与质量流量和特性相对应的输出节点。后台传递串接可使用各种查找速率和动量值，以优化网络的运行。为了避免串接过多，网络100可以仅使用25个检测条件中的13个给出的数据进行串接。如果能够改善对其它12个检测条件的流动条件的预测，便可以省略一个新的网络结构。这种分析的结果已经示出在了图22和图23中。这些曲线图可以对由数据组的真实流动状态和由中枢网络估算出的流动状态进行比较。正如图中所示，对于各种检测条件，质量流量和特性的真实值和预测值之间具有非常良好的相关性。在事实上，数据点之间的离散和与流动状态相关的测量误差是相应的。
从理论上讲，对于各种管道尺寸、系统压力和流动倾斜角(或零重力状态)，均可以用一个中枢网络进行流动状态的相关处理。为了能做到这一点，管道直径、压力和流动倾斜角等等，也应该辅助地输入值中枢网络。
简要地说就是，用于分析在管道中的双相流体流动的该方法和装置，可以用如图24所示的流程图给予明确的描述。在序步骤150，利用如图5和图6所示的装置，发射超声波能量穿过管道并进入至管道中的流体，在序步步骤152中，检测返回回声信号(参见图2至图4)。
然后在序步骤154，对所有良好的返回回声信号进行评价。在序步骤156，计算一个或多个流动指标量。这些指标量包括良好厚度读数的平均数目，良好读数在总的读数中的平均比率，序贯良好读数中的绝对值的平均变化量，良好厚度读数的RMS，在序贯良好读数中的RMS变化量，在一组中的良好读数的平均数目，在一组中的非良好读数的平均数目，以及特征自相关时间等等。请参见图10至图20。对可以用于表征流动的指标量的数目，并没有实质上的限制。然而，过大数量的指标量并不能够改善对设备系统的预测的准确性，反而可能会导致运行过慢。
在序步骤158，将两个或多个流动指标量施加在如图21所示的中枢网络100上，由后者进行图形特征曲线匹配计算，以在如图24所示的序步骤160中，预测出质量流量和流动特性(参见图22至23)。
其它方法目前已知，流动指标量也可以由非超声波技术获得。例如，配置在其中有双相流体流动的管子上的电容传感器可以检测出薄层厚度h随时间的变化。峰值代表着流经管子的液体的波移动，标称厚度是厚度读数的平均值。
在各个实施例中，流动指标量和“良好读数”的定义均随所使用的传感器的不同而有所不同。
因此，诸如电容传感器或如图1所示的超声波传感器16等等的传感组件，可以用来获得多种流动观测数据。可以由得到的数据中计算出许多流动指标量，并可以利用如图21所示的中枢网络，将这些值与已知的流动状态进行比较。然后可以根据比较结果，象上面参考图13-17和图22-23所讨论过的那样，确定出质量流速和流动特性。
本发明可以使用各种双相流体流动测量技术，只要它能够进行可反映出复杂的流动行为观测测量即可。虽然在这儿所公开的描述，是一个简化了的对液-气双相流体流动进行超声波厚度测量的实例，但不难理解，本发明也可以适用于各种不同的测量技术和各种不同类型的流体流动。主要的不同类型的流体包括液体与蒸气或液体与气体；两种不混溶液体；包含有散布的固体颗粒的液体；以及包含有散布的固体颗粒的气体。
这些流体流动可以具有相对于重力和其它的体积力方向为任何方向的倾斜角，而不会对本发明的实施造成限制。在本说明书中描述的液-气流体，是沿水平方向，垂直向上方向，以及垂直向下方向流动的。由于实施上述方法可以对上述的各种流动状态进行完全可靠的识别，所以本发明可以适用于相对于重力呈任何倾斜角度的流体流动，即存在有减小了的或增大了的重力，或不存在有重力时的流体流动的测量。
目前已有的可以提供预期的反映流动复杂性质的流动观测测量技术包括利用压力传感器、拾音器、水听器等等实施的压力或压力差测量技术；对产生流动的流动管壁或通过一个突起入流体中的物体实施的加速度测量技术；利用诸如发射型或接收型超声波、电容或电导等等的传感器实施的长度、面积或体积测量技术；利用诸如微波、可见光、X-射线或伽玛射线等等实施的光子衰变测量技术；通过诸如摩擦发电、中子辐射或核磁共振技术实施的核素行进方式测量技术；利用诸如声速计和光速计实施的速度测量技术；以及声密度测量技术等等。
还存在有其它的各种测量技术，它们均是双相流体流动和仪器测量领域中的技术人员所熟知的。这些测量技术可以用许多种不同的几何构成形式和实施形式实施。如举例来说，压力差测量可以在一条流管的纵向剖面的两个点之间，在一个文杜里管、孔管或皮托静压管的分接头之间，或是在弯管径向内侧和外侧之间实施。对可进行这种设置的设置数目并没有限制。本发明可以用于任何需要用流动观测到的变量确定与流动相关的特性的流动测量场合。
主要反映着紊流流动的数据是非常复杂的，且实质上是不规律的。如举例来说，大部分双相流体流动均包含有呈这种或那种波动形式的起伏。一个指定波的大小、形状和速度，均与该流体流动的局部条件相关，而且其变化是混沌的。因此这些波动是非周期性的，最好将其视做为随机波来描述。如果对许多个这种波的运动过程进行观测，则可以获得对于给定的流动状态的波动特征的可以良好定义的分布形式。当流动状态改变时，这种分布也相应地发生改变。因此，如果可以适当地描述出流体流动起伏的分布情况，便可以用它来限定流动的状态。这就是本发明的初始目的。
可以成功地由时间序列数据中识别出流动状态的一个关键因素，是数据中的反映着主要流动现象的识别性特征。在某些实例中，关键的现象反映在测量信号的平均值之中。如举例来说，在液-气双相流体流动中的液体薄层的平均厚度就是一个有价值的指标量。而在另一些实例中，该信号的平均值并不传递着重要的信息。这种实例发生在进行加速度测量的场合中，其中的平均值通常为零。对于任何场合，均必须提取一个以上的数据特征，来限定该流体流动。要这样作的原因如下由于双相流体流动实际上是两种共流的流体，所以需要一个以上的量来限定其流动状态(即相A和相B的流动)。
每一个数据特征均由整体流动状态导出，而且不可能用于对感兴趣的单个流动现象进行解释(也就是说，在液-气双相流体流动中的平均薄层厚度是与液体流动速率和气体流动速率两者相关联的)。
某些冗余信息量可以改善流动状态的相关性。这是因为在大多数实际应用中，仅利用了有限的一部分数据来计算指定的流动指标量即通常是利用几分之一秒或几秒中的读数数据，而不是利用延续了比较长的时间周期中的大量的数据。因此，如果两个或多个数据特征量对某一流动现象反映着类似的信息，则利用更多的数据指标量通常有助于改善相关精度。
除了测量平均值之外，感兴趣的数据特征量可由数据的瞬间变化量得出。这类数据的最简单的特征变化量是标准偏差。而且，波具有诸如大小、形状、行进方式等等的特征，这些均可以利用来将一种流动状态与其它的流动状态区分开来。在时间顺序数据中，有关波的两个最容易获得的观测量是它的大小和周期，即行进的时间。目前有许多种方法可以刻画出在指定的时间顺序中的这些特征量。其中的一些方法如下所述。在数据中存在着许多这种的测量值，双相流体流动、静力和测量仪器等等技术领域的技术人员是能够发现这些值的。
波的大小和延续时间的简单的测量值是其信号幅度，相对于信号平均值的总的正向偏移和负向偏移，以及行进的时间。虽然看起来由时间顺序数据限定出这些特征量是件相当简单的事情，但这往往是难以实现的，对于具有比较高的不规则性的混沌数据更是如此。例如，往往难以由小尺度局部峰值中拾取到峰值值。这样，往往难以限定出一个较大波或几个较小波的结构构成。这提出了一个混沌系统所固有的关键性的特点，即重要的现象均出现在比较大的几何空间和时间间隔中。从原理上说，现象是发生在整个流动的范围中的，所以可以用局部分析的形式，刻画出该区域内的现象的分布，进而刻画出固有的系统行为。在许多实例中，对一个区域中的现象进行的描述可以提供出一个重要的流动指标量。在其它一些实例中，特别是对于需要在比较大范围的流动状态实施描述的场合下，则需要获知该区域中的现象的偏移量。对于这些实例，出现在若干(比如说两个)区域中的现象的特征，可以提供出包含在一系列区域中的信息的基本部分。因此，有限级次的多重解析分析技术可以增大从时间顺序数据中识别流体流动特征的能力。采用区分或过滤这些数据来检测感兴趣的不同区域中出现的特征的方式，可以很容易的实现上述的方法。
下面说明用于识别最大尺度的振幅的一种方法。
首先，计算数据组的平均值和标准偏差。记录数据时间轨迹与线(平均值+标准偏差)和线(平均值-标准偏差)交叉的所有的点。作为“闸门”值的标准偏差的使用多少有些随意性，当它为反映数据组的整个变化的平均值时，并没有任何固有的原因来选择这一个值，而不是其它的值。对于所有这类流动现象，获取对在线(平均值+标准偏差)上的交叉点之间进行计数所得到的最高值，和对在线(平均值-标准偏差)上的交叉点之间进行计数所得到的最低值，并对其取平均值。这些结果被称为“平均峰值”和“平均谷值”。
在平均峰值和平均谷值之间的差值，可以被视作为该最大尺度中的波的幅度的测量值。
上述的平均幅度并不总可以提供对大尺度的事件的最敏感的识别值。在那些最大尺度事件是最重要的事件的场合，指标量应该能够反映出最大的幅度，而不是其平均幅度。在这种情况下，可以使用rms(均方根)幅度。可以利用峰值rms和谷值rms并寻找出其差值的方式，或利用计算(峰-谷)值的rms的方式进行这一计算。对于序贯的峰值和谷值是不相关的场合，采用第二种方法所得到的结果会略微大一些，但与采用第一种方法所得到的结果是类似的。对于峰值和谷值的变化是以幅度相对稳定的方式变化的少数场合，第二种方法可以更好地反映系统变化的实质特征。
前述的方式可以使不同区域中的事件相对放大或缩小。在这种方法中，各种观测量可按下述的方式加权xk‾=[1nΣi=1n(xi)k]1k-------(4)]]>当k＝1时，计算的是简单平均值，每一个值的权重是相等的。当k＝2时，计算的是rms，比较大的值的权重也比较重。当k值小于1时，比较小的值被强化了。
在许多实例中，高频“噪音”可以作为每一对相续的读数的有效幅度值，而这种读数代表着标准偏差线上的交叉点。这一高频信号可能反映着小尺度系统行为的较高量级，也可能反映着随机的仪器误差。因此，当存在这种噪音时，必须对数据进行平滑处理。实现这一平滑的一种方法就是获取数据的动平均值，即Xi‾=1nΣj=1nxi+j-1------(5)]]>其中n为平均窗口。应适当地选择该平均窗口的尺寸，以使其能够仅用几个取样时间间隔(比如说，n＝10)，便可以覆盖高频“噪音”的一个完整的时间周期。这一处理可以简单而快速地实施，而且可以获得更平滑的数据组，进而可以促进大尺度数据指标量的计算。
在某些情况下，一个指定波的幅度，除了其整个信号的时间变化轨迹之外，并没有什么实际意义。如举例来说，利用摩擦发电效应获得的数据是实际上出现在流体中的电荷的函数，而电荷量的大小随某些不受控制的因素的变化而变化，常常是不与流体流动状态密切相关的。因此，不能适当地利用该幅度值，除非将它归一化，以获得平均信号偏差的某种测量值。显然，这种测量为信号的标准偏差。
前述的方法给出了一种表征大尺度信号幅度的方法。一种潜在的增大方式是仅仅处理出现在一条标准偏差线上的、位于另一条线上的交叉点的前面或后面的交叉点。如采用这种方式，则只有反映着系统变化的基本部分的比较大的事件被加以考虑。还有可以表征幅度的其它各种方法，它们均是相关技术领域的技术人员所熟知的。
表征一个大尺度波的另一种方法技术是利用它所包围的面积(相对于时间进行积分)。它包含着波的幅度和延续时间两方面产生的影响。在这种方法中，是在平均幅度点(正的和负的)之间进行积分(求和)而获得信号，并对每一个值进行记录。计算正的和负的积分的平均值。在正的积分和负的积分平均值之间的差，反映着波的平均大小。对这种方法的进一步的改进包括首先，仅对超过标准偏差线的那些事件进行积分计算。其次，仅对在标准偏差线之间延伸的部分进行积分计算。再次，计算积分值的rms，以增强大尺度的事件。显然，还有其它许多种模拟量，它们均是相关技术领域的技术人员所熟知的。
波的另一个关键特征是它的延续时间周期。如果前述的量已经被计算出来了，则这种测量的第一步就是要用幅度测量值除以面积测量值。另一种基本的方法如下所述。首先，对数据组进行分类，以标示出超过标准偏差线上的点。其次，计算在每一条线上的交叉点之间的时间差。再次，对正的和负的标准偏差交叉点的时间差取平均值。它们的和是大尺度波延续特征的一个测量值。
对这种方法有许多种进一步改进的途径。其中包括下述的一些方式首先，计算在正的标准偏差线上的“上升”交叉点和下一个上升交叉点之间的时间差(对负的标准偏差线进行类似的计算)。这些时间差的平均值和加权平均值可以相当好地描述出比较长的波动周期。其次，计算在正的标准偏差线上的“上升”交叉点和下一个类似的交叉点之间的时间差，而所述的上升交叉点是位于负的标准偏差线上的一个交叉点之后的。对这一特征的平均值和加权平均值(还可以与这种固定状态的变体相组合)，可以相当有效地增大长时滞的事件。
大尺度波的另一种测量值是大尺度事件的数目，它在进行其它测量值的计算过程中必然可以得到。将大尺度事件的尺寸、延续时间和数目等等的测量值组合起来，可以给出大尺度流动行为的一个有意义的特征量。
小尺度波的模拟特征量对于流体流动状态的识别也是非常有用的。正如下面所述，数据中可能包括着高频“噪音”信号。它可能反映着仪器噪音或电子干扰噪音，也可能反映着真实的系统行为。而且常常是难以确定它属于哪一种情况。一种可采用的检测方式是，在管道中没有流体流动时，也记录数据以观测该高频现象是否存在。如果是，则它不与流体流动相关，且必须被过滤或平滑掉。如果不是，则它可能反映着真实的流动行为，可以在识别流体流动状态时加以使用。
如果需要进行过滤和平滑处理，则可以使用前面描述的动平均技术。这样做的目的是要除去噪音分量，而不损害有用的流动信息。需要进行大量的试验以获得一种可行的平滑处理方案。如举例来说，可以对没有流动时的数据组计算其各种窗口尺寸的动平均值，在该数据组中的非零读数均代表着噪音。可适当地选择窗口尺寸，以减小相对于零值的偏差。如果有关现象的更低的界定可以用仪器良好的观测到，则在平滑后的没有流体流动时的数据组中的任何偏差均可以被观察到。
一旦获得适当的数据组(可以是平滑后的)，即可以对小尺度的行为进行检测。流体流动行为的最小尺度通常会低于实际测量仪器的分辨率。在仪器分辨率的范围内，小尺度事件可以作为随流动状态变化而变化的弥漫的“结构”而被注意到。对于这种结构的最简单的测量量是序贯读数的平均变化量ΔX‾=1NΣi=1N|Xi-Xi-1|-----(6)]]>
在这儿，是使用绝对值来描述不同读数之间的变化的。如前所述，可以对该平均值进行加权计算，以放大较大或较小尺度事件所占的比重。如果已经进行了数据平滑处理，则在计算这一个量时，在小于平均窗口尺寸的步进尺寸中将不存在有任何的点，这可以再一次的引入噪音，而采用动平均方式寻找反射。
可以用来描述混沌数据组的另一个量是特征自相关时间。这个量可以由时间范畴分析方式按教程一步一步地获得。自相关函数可以用下述的方法进行使一个数据组的备份量时间偏移一个“时间持续”，并叠加相应值的结果Cxx(j)=1n-jΣi=1n-j[Xi(Xi+j)]----(7)]]>这个函数通常是归一化的，以便使零时间延迟(j＝0)时的值是唯一的。用于混沌数据的一个典型的(非归一化的)自相关函数，如图12所示。对于零时间延迟时的值为Cxx(0)=1nΣnX2i=X2‾------(8)]]>(可参见1987年4月的NASA CR-179572中的Bernatowicz，H.，Cunningham，J.，和Wolff，S.，等人的“Mass Flow Meter Using theTriboelectric for Measurement in Cryogenics)。”不相关的“趋近极限”为Cxx(∞)=[1nΣnXi]2=X‾2-----(9)]]>特征自相关时间是自相关数据组离开初始点时的初始速率，并逼近该“趋近极限”工况。该特征自相关时间已经于流动速度相关(8)。对于许多时间序贯数据组，有Δtcharacteristic》Δtsample，所以可以很容易地用下述的方式逼近Δtcharacteriatic=nΔtsampleX2‾-Cxx(nΔtsample)X2‾-X‾2------(10)]]>其中，Δtsamplc是数据取样间隔，n为取样数目，而信号的备份值被“滑移”计算出初始坡度。在许多实例中，使用n＝1是足够的，这样可以使实施的计算代数简单而容易，且由计算参数的给定组获得的结果，将平滑地随流动状态的变化而变化。因此，持续地进行一种简单的代数计算，要比进行更复杂的精确计算更为重要。
对于这一点所要提到的一个重要因素是取样速率或称取样间隔。可以使流动观测值于流体流动状态有效的相关联的重要条件是“足够”的取样速率。在这一点上，足够意味着由该数据获得的特征值可以良好地反映着流动状态。确定所需要的取样时间的一种方法是进行大量的试验。如果以可能实现的最高速率进行数据采集(最高速率要受到观测方法的分辨率，可实施的数据问答仪器的分辨率等等的限制)，则可以检测这些数据以确定出取样速率对流体流动灵敏度的影响。这可以通过下述的方式实现利用每一次测量，每隔一次的测量，每隔二次的测量，及类似的测量，计算各种指标量。对于各种流体流动状态，绘制每一个指标量相对于测量间隔的曲线图，便可以找到一个协调了各方面因素的良好的取样速率。这种协调考虑了计算和数据应答硬件的相对价格，和相对于改进了的应答速率和测量灵敏度的相应的分析速率。如下所述的分析可以用于对这种检测进行说明。
指定的指标量应当保持稳定或相对于取样间隔平滑地变化。当取样时间变大时，这一平滑性将被破坏。当取样间隔简单地变大而使灵敏度降低时，或是在计算指标量时仅使用了少量的观测值(比如说，如果取样间隔为10，则在间隔1所能利用的点仅为这许多点中的十分之一)时，均会发生这种现象。上述的因素足可以用来选择取样速率如果对于选择取样速率，固有灵敏度是一个有效剪切因素，足够的数据也是一个类似的因素。如果给定的仪器更新数率是所预计的或是所需要的，则取样速率必须能够满足将要计算的有效指标量。
指标量相对于取样间隔的特征曲线对于不同的流动状态也应该是不同的。当取样间隔变大时，不同的流动状态应该由该指标量的不同的值反映。对于比较大的取样间隔，这一点可能会被破坏掉，从而使指标量特征曲线彼此聚在一起或交叉在一起。一个适当的取样速率应该足以克服这些问题。
有效取样速率的最终确定，代表着使数据指标量与流动状态之间相关的能力。因此，可以利用在不同的取样间隔获得指标量，使数据与流动状态相当好地相关。所得出的相关量可以给出在不同取样速率下对薄层的有效指示。
一旦对于与代表着一组已知的流动状态中的每一个相关的数据，计算出了一组相应的指标量，则这些指标量将与流体流动状态相关。
因此，虽然本发明的特定的特征表示在某些附图中而没有表示在其他附图中，但这只是为了说明方便起见，而不具有限定的含义，因为某些特征还可以与根据本发明构造的任何或所有的其它特征组合使用。
而且，其它一些实施例可由本领域的技术人员方便的得到，且它们均包含在下述的权利要求之中。
权利要求
1.一种确定在管道中的双相流动流体的特性的方法，包括下述的步骤发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流体产生返回回声信号；检测由流体返回的回声信号，计算双相流动流体质量流速；以及由返回回声信号，确定质量流速和流动特性中的至少一个。
2.如权利要求1所述的流动特性确定方法，其特征在于发射声波能量的步骤包括向管道外壁发射超声波脉冲的步骤。
3.如权利要求1所述的流动特性确定方法，其特征在于检测返回回声信号的步骤包括确定高于预定回声信号强度的回声信号的比率的步骤。
4.如权利要求3所述的流动特性确定方法，其特征在于确定质量流速的步骤包括，由高于预定回声信号强度的回声信号的比率，求解出双相流体流动质量流速的步骤。
5.如权利要求1所述的流动特性确定方法，其特征在于确定流动特性的步骤包括，由该返回回声信号计算在管道中的液体薄层厚度的步骤。
6.如权利要求5所述的流动特性确定方法，其特征在于确定流动特性的步骤还包括，计算计算出的液体薄层厚度的平均变化量的步骤。
7.如权利要求6所述的流动特性确定方法，其特征在于确定流动特性的步骤还包括确定计算出的薄层厚度的平均值的步骤。
8.如权利要求6所述的流动特性确定方法，其特征在于确定流动特性的步骤还包括确定变化平均值相对于平均薄层厚度的比率的步骤。
9.如权利要求1所述的流动特性确定方法，其特征在于确定流动特性的步骤包括，由检测到的流体流动给出的返回回声信号计算出一个或多个流动指标量的步骤。
10.如权利要求9所述的流动特性确定方法，其特征在于所述的流动指标量是良好厚度读数的平均数目，序贯良好读数的平均变化量，以及良好读数在总的读数中的平均比率等参数中选出的一个或几个，其中的良好读数定义为一个检测到的返回回声信号，它被视作是在管道中流动的液体薄层的指标量。
11.如权利要求10所述的流动特性确定方法，其特征在于它还包括有下述的步骤，即计算在序贯良好读数中的绝对值的平均变化量除以良好读数的平均数目的值，以区分开质量流量和特性。
12.如权利要求10所述的流动特性确定方法，其特征在于所述的流动指标量还包括良好厚度读数的均方根，序贯良好读数的均方根变化量，在一组中的良好读数的平均数目，在一组中的非良好读数的平均数目，以及特征自相关时间等等。
13.如权利要求1所述的流动特性确定方法，其特征在于确定质量流速和流动特性的步骤还进一步包括，将一个或多个所述的流动指标量施加至中枢网络，以使所述的流动指标量与已知的流动状态相匹配的步骤。
14.一种用于确定在管道中的双相流动流体的特性的系统，包括用于发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流体产生返回回声信号的组件；用于检测由流体返回的回声信号的组件；用于计算双相流动流体质量流速的组件；以及用于由返回回声信号，确定质量流速和流动特性中的至少一个的组件。
15.如权利要求14所述的系统，其特征在于用于发射声波能量的组件包括向管道外壁发射超声波脉冲的组件。
16.如权利要求14所述的系统，其特征在于用于检测返回回声信号的组件包括确定高于预定回声信号强度的回声信号的比率的组件。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于计算质量流速的组件包括，由高于预定回声信号强度的回声信号的比率，求解出双相流体流动质量流速的组件。
18.如权利要求14所述的系统，其特征在于确定流动特性的组件包括，由该返回回声信号计算在管道中的液体薄层厚度的组件。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于确定流动特性的组件还包括，计算计算出的液体薄层厚度的平均变化量的组件。
20.如权利要求19所述的系统，其特征在于确定流动特性的组件还包括确定计算出的薄层厚度的平均值的组件。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于确定流动特性的组件还包括确定变化平均值相对于平均薄层厚度的比率的组件。
22.如权利要求14所述的系统，其特征在于确定流动特性的组件包括，由检测到的流体流动给出的返回回声信号计算出一个或多个流动指标量的组件。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于所述的流动指标量是良好厚度读数的平均数目、在序贯良好读数中的平均变化量、以及良好读数在总的读数中的平均比率等等参数中选出的一个或几个，其中的良好读数定义为一个检测到的返回回声信号，它被视作为在管道中流动的液体薄层的指标量。
24.如权利要求22所述的系统，其特征在于它还包括计算在序贯良好读数中的绝对值的平均变化量除以良好读数的平均数目后的值，以区分开质量流量和特性的组件。
25.如权利要求23所述的系统，其特征在于所述的流动指标量还包括良好厚度读数的均方根、在序贯良好读数中的均方根变化量、在一组中的良好读数的平均数目、在一组中的非良好读数的平均数目，以及特征自相关时间等等。
26.如权利要求14所述的系统，其特征在于确定质量流速和流动特性的组件还进一步包括，将一个或多个所述的流动指标量施加至中枢网络，以使所述的流动指标量与已知的流动状态相匹配的组件。
27.一种确定在管道中的双相流动流体的质量流速和特性的方法，包括下述的步骤发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流体产生返回回声信号；检测返回回声信号中高于预定回声信号强度的量；由返回回声信号的量确定双相流体的质量流速；由返回回声信号计算在管壁中的流体薄层厚度；以及由计算出的流体薄层厚度，确定其平均变化量，确定计算出的薄层厚度的平均值，并由平均变化量相对于薄层厚度平均值的比率，计算出流动特性。
全文摘要
本发明提供了一种用于分析在管道(40)中的双相流动流体的方法和系统，它发射声波能量，使其穿过管道(40)并进入至其中的流体，并检测返回回声信号。由返回回声信号计算出一个或多个流动指标量，并且由所述的计算出的流动指标量，确定质量流速和流动特性中的至少一个。
文档编号G01N29/48GK1515876SQ0310387
公开日2004年7月28日 申请日期1995年10月31日 优先权日1994年11月2日
发明者怀恩·希尔, 怀恩 希尔 申请人:福斯特-米勒公司