专利名称：一种具有用于测量在管道内流动的流体流的参数的多带传感器组件的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量一种在管道中流动的处理流体的参数或特征的设备，更具体的说，涉及一种具有夹在管道外表面上的用来测定在管道中流动的处理流体的参数和特征的压力传感器阵列的设备。
背景技术：
用于测量在管道中流动的流体的容积和其他参数和特征的技术有很多种。大多数测量仪都是浸入流中的。例如，涡流测量仪、孔板和差动测量仪都直接置于流体中。这些测量仪应用的范围很窄，都是专门用于流过管道的流体的。还有就是，在某些场合下，根据流体流的不同类型，测量仪的可靠性和使用寿命会大大下降。例如，具有侵蚀性的流体可能使流量计直接暴露于流体中的元件腐蚀或损坏。
这些浸入式测量仪的另一个缺点是，为了更换或安装测量仪，必须停止处理或关闭流体的循环，而这是一个代价很高并且很费时的过程。有些测量仪很大并且很重，安装过程十分困难，有时侯需要用几个人来安装。
体积小、重量轻的测量仪可以夹在管道的外面，有很多优点。这样的测量仪容易安装，并且不需要在安装过程中关闭流过程。
本发明提供了一种用于测量在具有各种不同的工作流体的工业系统中使用的，均匀和/或不均匀流体的设备，用它来测定处理流体的各种参数，例如流体的体积流量、气体的体积百分率和流体中流动的微粒的大小。
本发明提出了一种新颖的流体测量方法，它利用不需要可动零件的非浸入式外部安装的检测元件，因而可靠性很高。这种方法的基础是，在外部安装的传感器阵列上所感应到的，不稳定压力测量值的矩阵处理法。传感器阵列接附在多带传感器板条上，在制造过程中能让这些传感器隔开距离，以便能快速安装好这些传感器，并且隔开准确的距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于测量管道中的流体流的不稳定压力，以确定其流动参数的设备，其中，这种设备具有许多接附在单独板条上的压力传感器，使得这些传感器能很容易地夹住在上述管道的外表面上。
按照本发明，提供了一种用于测量在管道中流动的处理流的参数的检测装置，这种装置包括至少具有两个带的板条。这些带相互连接，在它们之间形成预定的间隔。至少两个压力传感器含有压电薄膜材料。传感器的每个都安装在上述板条相应的带上，其中，上述压力传感器分别提供表示管道中不稳定压力的压力信号。紧固件在管道外表面周围紧固板条。
按照本发明，提供了一种用于测量管道中流动的处理流参数的设备，这种设备具有用于测量管道中不稳定压力的传感器装置。这种传感器装置包括具有至少两个带的板条，其中，这些带相互连接，在它们之间形成预定的间隔。至少两个压力传感器具有压电薄膜材料。压力传感器的每个都安装在上述板条各自的带上，其中，这些压力传感器分别提供表示管道内不稳定压力的压力信号。紧固件在管道外表面周围紧固板条。处理单元根据压力信号确定处理流的参数。
本发明的前述的和其它目的、特征和优点，在阅读了下文中对典型的实施例的详细描述之后，将会变得更加清楚明了。
图1是按照本发明用于测量和处理流过管道的流体的不稳定压力的设备的示意图；图2是按照本发明图1中的设备的传感器头组件的立体图；图3是按照本发明图2中的传感器头的分解视图；图4是按照本发明多带传感器组件的一部分的俯视平面图；图5是按照本发明图4中的多带传感器组件的单个多带板条俯视平面图；图6是按照本发明图4中的多带传感器组件的局部装配部分的立体图；
图7是按照本发明图4中的多带传感器组件的一部分放大后的分解立体图；图8是按照本发明图4中的装配好的多带传感器组件的立体图；图9是按照本发明图4中的装配好的多带传感器组件的局部立体图；图10是按照本发明图1中的预放大器部件的一个通道的框图；图11是按照本发明用于测量管道内处理流的涡流场的设备的框图；图12是按照本发明的管道的横断面图，在该管道中有具有干扰结构的管道湍流；图13是按照本发明用于测量管道内处理流的涡流场的设备的框图；图14是按照本发明，由实施本发明的设备处理的数据的kω曲线图，在该图中表明了对流波峰的坡度，以及该对流波峰的最佳函数；图15是按照本发明的一种用于测量声音经过在管道内流动的处理液流传播的速度的设备的框图；图16是按照本发明的图15中的设备的处理单元的框图；图17是按照本发明，由实施本发明的设备处理的数据的kω曲线图，在该图中表明了声学的波峰的坡度。
具体实施例方式
请参见图1，图中提供了一种测量在导管或管道14中流动的流体或混合物12的不稳定压力(P(ω))，并且对这些测量到的不稳定压力进行处理，以确定该流体的参数或其他特征的设备，这种设备在图中总体上用编号10来表示。设备10能够测量流过管道14的单相的流体流(如气体、液体)和/或多相的流体(如气体/液体混合流、液体/固体混合流、气体/固体混合流、蒸汽、浆状物和纸浆、加入空气的气体和液体及其混合物)的特性或参数。具体的说，这些测定的特性和参数包括流体的体积流量、流体的浓度或成分、流体的密度、流体的马赫数、流体中流动的微粒的大小、流体的空气/质量比、流的速度、体积流率，和/或混入液体或浆中的空气的百分比。
举例来说，按照本发明所述的设备10，能够测定声音通过在管道14中流体12传播的速度，用以测量出单相或多相流体特定的特征。这种设备还可以测定通过管道14的旋涡扰动或湍流涡旋188(见图12)传播的速度，以确定流体12的流动速度。为了简化本发明的描述，通过管道传播的流是指一种流体流，如前文所述，这种流或者流体12可以是一种单相的或多相的流。
这种设备10有夹紧在上面的检测装置16(或检测头)，它包括，至少两个沿着管道14的外表面22沿轴向隔开距离的压力传感器18，19的阵列，处理流在该管道内传播。检测部件16的传感器的阵列中可以有任何数量的压力传感器18-21，例如8个、16个或者N个传感器。一般，测量的精确度随着阵列中的传感器数量的增加而增长。压力传感器18、19测量由管道14中的声的和/或旋涡扰动所产生的不稳定压力，它们分别表示通过管道中流体12传播的声音速度(SOS)和混合流体12的速度。压力传感器18-21的输出信号(P1(t)-PN(t))提供给预放大处理单元单元39，其放大压力传感器18-21所产生的信号。处理单元(或发射器)24处理这些压力测量数据P1(t)-PN(t)，并如上文所述，确定流体12的需要的参数和特性。
如后面将要详细描述的那样，设备10具有运用下述一项或全部两项技术来测量声音的速度(SOS)，以及流率(或速度)的能力1)使用压力传感器18-21的阵列确定音频扰动或者声波在流体12中传播的声音速度，和/或2)使用压力传感器18-21的阵列确定旋涡扰动或“旋涡”在流体12中传播的速度。
通常，第一种技术测量是用在流体12中传播的音频扰动所产生的不稳定压力，来确定声音在液流中传播的速度(SOS)。知道了流的压力和/或温度，以及音频扰动的声音的速度，处理单元24就可以确定下列各种参数流体的体积流量、流体的浓度或成分、流体的密度、流体的马赫数、流过流体的微粒的大小、流体的空气/质量比、和/或混入液体或浆中的空气的百分比，这些都在下列专利文献中描述过2003年1月23日递交的申请号为NO.10/349,716的美国专利申请(CiDRA案卷号NO.CC-0579)；2003年2月26日递交的申请号为NO.10/376,427的美国专利申请(CiDRA案卷号NO.CC-0596)；2004年1月21日递交的申请号为NO.10/762,410的美国专利申请(CiDRA案卷号NO.CC-0703)，以上这些专利申请都作为本申请的参考文献。
第二种技术测量与由旋涡扰动或“旋涡”118(见图12)所产生的不稳定流场和/或压力扰动有关的速度，来确定流体12的速度。如图12所示，这些压力传感器18-12测量由旋涡扰动产生的不稳定压力P1-pN，因为这些旋涡扰动在通过管道14的流体12的内部以常见的方式进行对流循环。因此，这些旋涡扰动的速度与流体12的速度有关，因而也就能够确定体积流量的速率，这些将在后面更详细地描述。
如图1所示，每个压力传感器18-21都有接附在单元式多带板条52上的压电薄膜50，以便利用上述任一技术来测量流体12的不稳定压力。这些压电薄膜传感器18-21安装在单元式基板或辐板52上，而单元式基板或辐板则安装或夹在管道14的外表面22上，这些将在下面更详细地描述。
压电薄膜传感器18-21包括压电材料或薄膜50，以产生与材料的机械变形或所受到的应力的程度成比例的电信号。压电检测元件50主要用于对产生应变的完整的或接近完整的圆周测量，以便产生圆周上的平均压力信号。这种传感器可由PVDF薄膜、共聚物薄膜，或柔性PZT传感器构成，类似于Measurement Specialties，Inc.公司提供的《压电薄膜技术手册》中所描述的传感器，该手册可作为本发明的参考。本发明使用的压电薄膜传感器是Measurement Specialties，Inc.公司制造的，零件编号为1-1002405-0，LDT4-028K的传感器。尽管提供的压电薄膜材料50与带44的长度，因而也就是与管道14的圆周长基本上相同，但是本发明也考虑到可以在沿着任何小于管道圆周长的长度的一部分带子上设置压电薄膜材料。
压电薄膜(“压膜”)50，像压电材料一样，是一种动态材料，它所产生的电荷与机械应力的变化成正比。因而，压电材料能够测量管道14里面处理流体12中由于不稳定或随机的压力变化(例如，漩涡的，和/或声的变化)产生的应变。管道中的应变被接附在其上的压电传感器18-21转化为输出的电压或电流。压电材料或薄膜50可以由聚合物制成，如极化的含氟聚合物、聚偏二乙烯的氟化物(PVDF)。这种压电薄膜传感器与2003年11月12日申请的，申请号为NO.10/712,818(CiDRA案卷号NO.CC-0675)的美国专利申请所述的传感器一样，该专利申请文件可作为本申请的参考文献。
这种使用压电薄膜夹紧在上面的技术的优点是非浸入式流率的测量，成本低，测量技术不需要激励源。周围的流动噪声可以用作激励源。此外，这种柔性压电传感器可以安装在各种不同的结构设计中，以加强信号的检测系统。这种结构设计包括a)并排布置的若干传感器；b)具有相反极性结构的分段传感器；c)为增强声信号的检测并将漩涡噪音的检测减到最小的宽频传感器，d)为将对管道样式的敏感度减到最小的特制传感器的几何形状；e)为消除漩涡信号中的噪音的传感器的差异。
图2和图3表示检测装置16(或传感器头)安装在有流体12流过的管道14上的实施例。这种传感器头16具有多带传感器组件40，预放大器单元39和盖子28。这种传感器组件40包绕且安装在管道14的外表面22上。所述盖子有下半部分30和上半部分32，这两部分夹在传感器组件40和部分管道14的外围，并且利用诸如螺栓、夹子、插销等，或用其它接附装置紧固在一起。盖子28使得传感器组件40与声音和外界环境隔绝。预放大器单元39安装在上盖32内，并且通过电缆41，例如tribor电缆，与传感器组件40电连接，这种电缆能减小由于设备10在安装和操作过程中的弯曲或挤压而产生的静电。预放大器单元放大由压电传感器18-21提供的信号P1(t)-PN(t)。放大的信号通过连接器33(如NEMA 4X，额定的工业连接器和电缆(图中未表示))传送给处理单元(或发射器箱)24.设置在盖子28上半部分32上的入口盖子34提供了到达预放大器39的通道，以便能用电缆41将传感器组件40连接在预放大器上。盖子28可以用聚合物材料、纤维玻璃材料、金属(例如，不锈钢)或其他结构材料制造。本发明还考虑到有嵌入盖子里，并且接地的金属网、筛子或板材，用于屏蔽电磁场(EMF)。在各盖子部分的四周还设有衬垫(图中未表示)，以在盖子的周围的边缘上形成了密封条，以防止水或其他元素进入盖子28中。这种衬垫可以用聚合物材料，例如聚四氟乙烯来制造。
参见图4和图5，传感器头16的多带传感器组件40具有接附在多带板条52的每一条带子44上的压电薄膜50条(图5表示得最清楚)。这种多带板条52是通过冲压、打孔板材的方法由一块金属材料(例如，不锈钢)板构成的。这种多带条板52上有很多相互隔开预定距离的带子44。在本实施例中，这些带子是等距的，但是，本发明也考虑到让这些板条隔开不同距离的间隔。在一个实施例中，这个间隔大约是管道14直径的40％。
所使用的不稳定压力测量方法的类型(SOS对漩涡扰动)决定了传感器18-21间隔的距离。对于测量不稳定旋涡压力的方法来说，传感器阵列的长度最好隔开为小于旋涡扰动的相干长度，通常为管道直径的数量级。对于声压的测量方法来说，最好把传感器18-21的阵列隔开间隔，使得这传感器18-21阵列的长度与测量得到的声音信号波长的预定部分相同(例如，大于声音信号波长的20％)。测得的声音信号的预期波长取决于微粒在流体流中的散布，而这种散布则取决于微粒的大小，例如，可参考下列专利文献中的描述2003年1月23日递交的，申请号为NO.10/349,716(CiDRA案卷号NO.CC-0579)的美国专利申请；2003年2月26日递交的申请号为NO.10/376,427(CiDRA案卷号NO.CC-0596)的美国专利申请；2004年1月21日递交的申请号为NO.10/762,410(CiDRA案卷号NO.CC-0703)的美国专利申请，这些专利文献都是本申请的参考文献。
上述多带板条52还包括许多沿着带44的长度隔开距离的横向构件62，以使这些带之间在整个长度上保持间隔。这些带的各个端部分由相对的端部条61相互连接。上述横向构件62做成X形状，但是，本发明也可以考虑把横向构件做成直线构件，垂直延伸于各带44之间，或者与带成角线的形状。这些对角线构件的角度方向可以相同也可以不同。上述横向构件62在把传感器组件40安装在管道14的外表面22上的过程中，能方便地使传感器以适当的间隔隔开，并保持合适的距离。带44的相互连接也能让所有的传感器18-21同时安装在管道14上，从而缩短了传感器组件16安装在管道上的时间。这种整体的多带板条52确保了传感器18-21隔开适当的间隔。
本发明还可以考虑多带板条52简单地包括单块没有切口的金属材料的薄板，以做成单块带44，但是，当安装到管道上时，这样的薄板很可能不能与管道的表面均匀地接触。
参见图4和图6，每一块压电薄膜50都沿着传感器板条52的相应的带44的长度安装(将在下文中更详细的说明)。各压电薄膜50的电极70都在电气上与柔性电路板72连接(例如，用焊接)，这块柔性电路板72沿着多带板条52一端的条61的长度安装。上述电路板72用许多通过焊接或其他方式接附在多带板条上的薄片76，固定在该多带板条52上。上述压电薄膜50从电路板72的下方包裹到它的顶部，并在顶部把它焊住。在位置78上，电路板72上的电路把各压电薄膜50连接在电缆66上。电缆41则在靠近盖子28的入口窗附近与预放大器39相互连接(见图3)。
参见图4和图6，多带传感器组件40包裹在管道14的周围，并且它的端部通过一对加固杆46互相接附在一起。加固杆46接附(例如用焊接)在传感器组件40的多带板条52的端部上。加固杆46延伸多带板条52端部条61的长度。如图所示，多带板条52的端部弯曲到与加固杆46的内表面接合。然后，多带板条52的弯曲的端部分别与各加固杆46的内表面焊接。虽然以上说的是让多带板条52与加固杆焊接，但是也可以使用其他的紧固方式，例如，用螺栓和螺钉。
在把传感器组件40安装或夹在管道14上时，用连接加固杆46的螺栓或螺钉54，或者其他紧固件，把传感器组件40的端部都固定在一起。为了确保加固杆46排列整齐，可以在一根加固杆上带导向销，而在另一根杆上形成容纳上述导向销的孔。在图9中表示得最清楚，可以在螺栓上设置弹簧56，以便把恒定的张力施加在固杆46上。
虽然图中显示的这些加固杆46都是一根连续的杆，但是，本发明也可以考虑每一根杆具有设置在每条带44端部的许多较短的杆，以便有利于设置分开的杆。与以上描述的一样，每一根互相相对的较短的杆都用螺栓连接起来，以便把传感器组件40固定在管道14上。这种分开的杆(即，许多短杆)的结构方式使每条带44与其它的带隔离开来，因而能让每条带44都能够更均匀地与管道14接合，而不会有由单独一根加固杆46而产生对其它带的夹紧的应力，以及影响。
如图8和图9所示，传感器组件40在多带板条52外部的周围设有防护罩42，用以起接地防护罩的作用。这种接地防护罩可以包括金属板材、筛子或网。在一个实施例中，防护罩42通过将本身的一端焊接在多带板条52一端的方式接附在传感器组件40上。防护罩42绕着传感器组件40包裹到相反的一端。在防护罩42的相反的一端上有一对用于容纳与多带板条52成为一体的弯曲薄片56的通孔或窗口55。弯曲薄片56暂时把防护罩支撑在其位置上，以便接附围着防护罩的缆线条48。图6、图8和图9表示得最清楚，上述加固杆46有凹槽58，以使缆线条48能从其中通过。
如图8和图9所示，上述防护罩42用许多缆线条48夹固在多带传感器组件40上(请参见图3)。防护罩42和缆线条48可用不锈钢或任何其他合适的材料制作。这种防护罩保护了传感器组件40，为传感器组件的传感器起静电屏蔽或接地屏蔽的作用。
防护罩42通过把本身的一端焊接在传感器组件40的板条52的一端，接附在传感器组件40上。防护罩42绕着传感器组件40包裹到相反的一端。在防护罩42的相反的一端上有一对用于容纳与多带板条52成为一体的弯曲薄片56的通孔或窗口55。弯曲薄片56暂时把防护罩支撑在其位置上，以便围着防护罩接附缆线条48。上述加固杆46上有凹槽58，以使缆线条48能从其中通过。图5表示由两条相对的U形凹槽63所形成的弯曲薄片56。在组装传感器组16的过程中，薄片56向上弯曲，穿过防护罩42的相应的窗口55，并且当缆线条48固定在防护罩周围时，重新展平，用来暂时支撑防护罩的自由端。
除了金属的接地防护罩42外，还把聚酰亚胺材料的板86或其他合适的非导体材料，例如，使用铆钉，固定在接地防护罩的内表面上。这种聚酰亚胺材料86(例如，Kapton)在压电薄膜与防护罩42之间形成了绝缘层。此外，聚酰亚胺材料还为压电薄膜50提供了防水层，如果任何水或水气通过防护罩42，特别是当防护罩为筛子状或网状时。
或者，防护罩42可以，例如，通过焊接在多带板条52的两端上将其固定。这种方法特别适合于筛子状或网状的，具有柔性的防护罩。
请参见图4，传感器组件40有许多设置在多带板条52的外边缘和各条带44之间的隔离带81。隔离带81基本上在带44的全长上延伸。隔离带由一种比压电薄膜50厚的柔性泡沫状材料制成，以确保当把传感器组件40夹紧安装在管道14上时，防护罩42和聚酰亚胺板不会接触压电薄膜。
图7表示传感器组件40靠近管道14部分的分解图。Kapton带80粘贴在不锈钢(S.S.)多带板条52的底面上，以便在管道14与多带板条之间形成绝缘层。一种VHB传导带82用于把压电薄膜50(例如，PVDF)粘贴在传感器板条52的带44的上部。
压电薄膜50具有设置在顶端电极90和底端电极92之间的压膜88，两块电极各自具有延伸出来的导线94。上述PVDF元件与Measurement Specialties，Inc.公司制造的零件号为DT4-028K P/N1-1002150的产品相同。
第二聚酰亚胺板(例如，Kapton)86粘贴或接附在防护罩42的内表面上，以便在防护罩与压电薄膜之间形成附加的绝缘层。如前文所述，防护罩42包裹在传感器组件40的周围。或者，可以把铜片条(图中未表示)粘贴在压电薄膜50的外表面上，形成接地防护罩。
尽管图中表示的压电薄膜50是设置在传感器板条52的带44的外表面上，远离管道14，但是本发明也可以考虑把压电薄膜50设置在带44的相反的一面，即内表面上。
图4和图5表示从传感器板条52的一端延伸到横向构件62的缆线支撑件64。在图4中看得最清楚，连接在压电薄膜50上的电缆66依靠一对条状包裹层68固定在缆线支撑件64上，以减少电缆连接部分的应变。
最好，具有多带44的单个板条40，每一个带都有安装其上的PVDF传感器50，并且在制造的时候让传感器隔开距离，因而在安装时不必再定位和测量了。此外，与现场安装相比，这种单个板条40能使传感器18-21的定位(间隔)更精确。单个板条52还提供了超过安装单独的带44的更具时效的安装技术。
尽管图中只表示了六个传感器，但是应该了解，传感器组件40可以具有任何数量的PVDF传感器50，包括少到两个和多于六个(例如，8个、16个或更多的传感器)。
图10表示预放大器单元39的单通道的框图。每条预放大器通道都有电荷放大器89、后置放大过滤器91，和模拟驱动器93。后置放大器91的增益由处理单元24根据软件或人工设置的控制信号95来控制。
如上文所述，图1中的实施本发明的设备10具有通过测量在流体12(见图12)中传播的旋涡扰动188所产生的不稳定压力，从而测量混合流的体积流率的能力。设备10的特征在于使用压力传感器18-21的阵列来测量旋涡扰动188的对流波峰。
请参见图11，设备110能够测量流过管道的单相流体12(例如，气体和液体)和/或多相混合流体12(例如，处理流)的体积流率。
如上文所述，流量计10具有检测部件16，该检测部件具有沿着管道14轴向隔开间隔的传感器(或换能器)18-21的阵列，在该管道中有处理流12传播。这些传感器测量流过管道的流体的不稳定和/或随机的压力，这种压力能表示处理流12的速度。传感器18-21的放大后的输出信号P1(t)-PN(t)提供给处理器24，由它处理随机参数的测量数据以确定流速142和/或体积流率140。测量来自于使用布置在管道轴向预定长度上的许多传感器18-21对处理管道中随机参数的分析。
流量计10测量在流体12中传播的，与湍流旋涡188(图12)相关的随机压力场的速度，以便确定流体12的速度。因此，不稳定压力的速度与流体12的速度有关，因而也就可以确定体积流率，这将在下面详细说明。
如图11所示，流量计具有至少两个传感器18、19的阵列，它们位于管道14的轴向上的两个位置x1和x2上。应该了解，传感器阵列也可以包含两个以上的传感器，就像图中描述的那样，还有在x3和xN位置上的传感器20和21。随机压力可以通过传感器18-21来测量。传感器向信号处理器24提供随时间变化的信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、PN(t)，然后将它们输入到已知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑电路130-133中。FFT逻辑电路130-133计算基于时间的输入信号P1(t)-PN(t)的傅立叶变换，然后提供表示输入信号的频率含量的复频域(或基于频率)的信号P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)、PN(ω)。除了FFT，任何其他能获得输入信号P1(t)-PN(t)的频域特征的技术都可以使用。
本发明可以使用时间和空间的过滤对信号进行预处理，通过差分相邻传感器，并保留与流场相关的随机参数和其他任何短波长(对比传感器的间隔)低频率的随机参数的实质部分，有效地过滤掉管道14中共模特征P共模和其他较长波长(对比传感器的间隔)的特征。
频率信号P1(ω)-PN(ω)输入矩阵处理器136中，它提供表示流体12的体积流率的流量信号140，和/或表示处理流速度的速度信号142。
一种确定处理流12中湍流旋涡188的对流速度技术，是通过使用传感器阵列或其他波束成形技术来表现导致不稳定压力的对流波峰的特征，这种技术类似于在编号为(Cidra’s案卷号为CC-0122A)的美国专利申请，以及200年12月4日提出的编号为09/729,994(Cidra’s案卷号为CC-0297)，现在为US6,609,069号美国专利中描述的，这两篇专利文献都是本申请的参考文献。
流量计量方法学利用管道中流体12的相干结构的对流速度来测定体积流率。旋涡188的对流速度是通过应用矩阵处理技术来确定的，其目的是确定旋涡对流通过沿管道14分布的轴向的传感器阵列的速度，与使用在雷达和声纳场中时相同。
这种矩阵处理的算法决定了以流动场的时间和空间频率特性为特征的随机参数的速度。对于一连串对流通过固定传感器阵列的相干旋涡188，随机波动的时间和空间的频率含量与下列关系式有关 式中k是波的数量，定义为k＝2π/λ，其单位是1/长度；ω为时间频率(弧度/秒)；U对流为对流速度。因此，波长越短(k值越大)，时间频率越高。
在矩阵处理中，时间稳态声音场的时间/空间频率含量常常使用“k-ω曲线图”来表示。k-ω曲线图基本上是三维的功率谱，其中，声音场的功率被分解成许多与特定的立体波的数量和时间频率相对应的编码信号元。在k-ω曲线图上，与液流对流的不稳定压力场相关的功率分布在各个区域里，它们遵循的分布如上面的关系式所述。这个区域被称为“对流波峰”(Beranek，1992)，在k-ω曲线图上波峰的斜度表示随机场的对流速度。这表明了旋涡188的对流速度以及管道中的流率，可以通过由定向的传感器阵列的输出构建k-ω曲线图和识别对流波峰的斜度来确定。
如前面描述的那样，图11中表示的设备10是根据对运动流体的不稳定压力改变信号的观察，这种信号可以由传感器140和142来检测，并且，旋涡188的流动速度与流体的流动速度相同，或者是能与运动流体联系在一起的速度的观察。矩阵处理可以通过利用有时称之为与对流扰动相关的分布关系来完成(也就是，ω＝uk，这里ω是旋涡扰动信号的角频率；u是扰动速度；而k是信号的波数)。流动流体中对流旋涡188的参数可以看作是一种固定在流体中的参数。这些参数具有与它们联系在一起的空间变化。由于旋涡可以看作是固定在流体流中，所以当使用固定传感器检测时，空间的变化导致时间变化。因而，随着流体一起移动的随机参数的空间波长，与固定传感器观测到的时间变化联系在一起。本发明依靠运用矩阵处理技术来确定这种关系，从而确定流体的对流速度。
现在，请参阅图13，实施本发明的，用于测定导管(或管道)14中流体12的体积流率的设备150，包括沿着管道轴向设置的传感器152和154阵列，用于检测它们各自位置上的，在管道中传感器140和142之间传播的相应的随机信号。每个传感器18-21，在一系列取样瞬间的各个瞬间，提供表示各传感器位置上的不稳定压力的信号。数据累加器156累积从传感器发来的信号P1(t)和P2(t)，然后把在取样间隔中累积起来的数据提供给处理器158，处理器完成传感器数据的空间-时间(二维)的，从xt域到k-ω域的转换，然后计算k-ω曲线图所表示的k-ω平面中的功率。
为了计算k-ω平面中的功率，这种功率由信号或差分的信号的k-ω曲线图(见图14)来代表，处理器158确定了随机参数中各种频谱成分的波长，也就是(空间的)波数k，还有(时间的)频率，也就是角频率ω。在公共域中有许多可利用的算法，来完成传感器部件152、154的矩阵的空间/时间分解。
当出现合适的湍流旋涡188时，在图14的k-ω曲线图中所示的k-ω平面中所决定的功率，将显示出称为对流波峰161的结构。这种对流波峰代表液流对流的随机参数的集合，并且数学表达了上述空间变化和时间变化的关系。这样的曲线图显示或多或少沿着带有一些斜度的线163出现成对k-ω的趋势，这种斜度表示液流的速度，这些将在下面进行更详细的描述。k-ω平面中所测定的功率提供给对流波峰识别器160，该识别器使用一个或其他特征抽出方法确定k-ω平面中任何对流波峰的位置和方向(斜面)。最后，分析器162利用包括对流波峰方向(斜率)在内的信息来确定流速。
处理器158使用标准的所谓波束成形、矩阵处理，或自适应矩阵处理算法，即利用各种延时和加权在不同传感器所提供的信号之间形成适当的相位关系，来处理传感器信号的算法，从而形成定向的天线矩阵的函数性。换句话说，上述波束成形或矩阵处理算法把来自传感器矩阵的时域信号转换成它们空间和时间频率成分，即，转换成一组由k＝2π/λ给出的波的数量(其中，λ为频谱分量的波长)，和由ω＝2πυ给出的相应的角度频率。
现有技术教导了许多使用在时间和空间上分解定相的传感器阵列发来的信号的算法，但本发明并不限定于任何特定的算法。有一种特别适合的矩阵处理算法是Capon方法/算法。虽然Capon方法不失为一种方法，但是本发明也可以考虑其他适当的矩阵处理算法，例如MUSIC算法。本发明认为，这种技术可以用于确定流率，即，由随机参数与流动交流所产生的信号是定时的，并具有足够长的相干长度，实际上是把传感器相互隔开，然而却仍然在相干长度内。
对流的特征或参数具有的分布关系，大致接近下列直线方程式k＝ω/u式中，u为对流速度(流速)。把传感器采样的频谱分析所获得的成对k-ω曲线图与描绘的对流参数联系在一起，结果扰动的能量与描述为大致直线的波峰的配对在频谱上对应，在湍流分界层理论中的波峰称为对流波峰。传感器所检测到的不是湍流旋涡的离散现象，而是形成时间上固定的可能的重复事件，基本上是覆盖了感兴趣频率范围的白色处理的连续流。换句话说，对流旋涡188散布在长度规模，以及时间频率的范围内。
流体流12中通过传感器阵列152和154的对流扰动188，被处理器158转换为对流波峰。术语波峰用得很适当，因为k-ω曲线图由一个或另一个符号来表示k-ω平面中的k-ω对的能量的(即，由k-ω的频谱分量来传送的能量)。因此，确定k-ω平面中的对流波峰，提供了一种确定对流速度的方法。对于管道中的各种流动，随机参数的对流速度与体积流体速度的平均值，以及管道14中的体积流率(流速)有很紧密的关系。虽然设备150具有两个传感器152和154，但是本发明也可以考虑这种设备具有两个以上的传感器，例如3～16个或更多的传感器阵列。
一旦确定了k-ω平面中的功率，对流波峰识别器160就使用一种或另一种特征抽取法来识别对流波峰161和它在k-ω平面中的方向。除了自动化技术外，甚至也可以使用人工视觉观察来确定对流波峰。在优选实施例中，使用了所谓的倾斜堆叠法，这种方法，比较了k-ω曲线图中沿着原点发出的不同射线的k-ω对的累计频率，每条不同的射线都被认为是与不同的试验对流速度相关(此时，认为那种射线的斜度就是流速度，或按照公知的方式与流速度联系在一起)。上述对流波峰识别器160提供了关于不同的试验对流速度的信息，这种信息总体上涉及对流波峰的信息。分析器162检查这种对流波峰的信息，并假定为公式(1)给出的直线形分布关系，确定流速度和它的不确定性。
在使用传感器部件152和154的阵列来检测波浪状现象的空间和时间特征的过程中，空间的长度比例和该现象的相干长度约束了阵列的长度范围。因此，在通过检测漩涡扰动来测量流速的情况下，传感器的间隔必须很接近并位于限定的轴向区域内；对于3英寸直径的管道中的低于30英尺/秒的流速，传感器单元的间隔通常应该小于1″。上述轴向区域大约是管道14直径的30％。
图14表示由压力传感器的定向阵列所产生的k-ω曲线图的例子。功率轮廓线示出了正确限定的对流波峰。参数优化法用来确定表示对流波峰200的斜度的“最佳”线条。对于这个例子，确定了斜度为14.2英寸/秒。上述优化程序的中间结果在插入成分中显示，表示优化值是唯一的并且是最佳的。
请参阅图15，图中表示一种上文中描述过的，测量声音速度(SOS)来确定各种流体流特征的设备210。
下述方法可以与任何测量液流声音速度或声音在流体12中传播速度的技术一起使用。但是，与基于声纳的矩阵处理的流量计一起使用特别有利，这种技术，例如，在编号为(Cidra’s案卷号为CC-0122A)的美国专利申请，和200年12月4日提出的序列号为09/729/994(Cidra’s案卷号为CC-0297)的美国专利申请，现在是US6,609,069号美国专利的这些文献中都有描述，这些文献都是本申请的参考文献。尽管已经显示和描述了基于声纳的流量计使用传感器阵列测量混合流体中传播的声波的声音速度，但应该知道，任何测量声波的声音速度的方法，都可以用来测定混合物/流体中所夹杂的气体的体积百分率。
图16所示的流程图213说明了上述SOS处理单元225的功能。如图16所示，输入处理单元225的信息包括在管道14中的流体12中的声音速度(SOS)，和液流的压力和/或温度。知道了混合流体的压力和温度，就确定了混合流体的流体特性(例如，SOS和密度)。液流的气体体积百分率(GVF)(或其他液流的特征)是利用SOS测量和流体特性来确定的，这些将在下面作更加详细的描述。
涉及在一种流体中的气体体积百分率，和流体中的声音速度(或声波速度)的其他信息，请参见《流体力学与二相流系统中的测量方法》(选自机械工程师协会1969-1970科学文献汇编，184卷3C部分，英国伦敦S.W.1威斯敏斯特行政区，Birdcase Walk，1969年9月24日-25日)中的描述其通过参考在此引入。
图15表示本发明一个实施例的示意图。设备210包括检测装置16，该检测装置具有沿着管道14的外表面22在轴向隔开距离的传感器(或换能器)18-21阵列，管道中有处理流从中通过。压力传感器测量管道中由声学扰动产生的不稳定压力，这些压力表示SOS在混合流体12中的传播。上述压力传感器18-21的输出信号(P1-PN)提供给处理器24，该处理器处理压力的测量数据，并确定声音的速度和气体的体积百分率(GVF)。
在图15所示的本发明的一个实施例中，这种设备210至少具有压力传感器18-21沿着管道14轴向排列，用于测量在管道中流动的流体12的不稳定压力P1-PN。
这种设备210具有利用压力传感器18-21的阵列确定声学扰动的声音的速度或在流体12中传播的声波，来测量气体体积百分率的能力。虽然图15中的设备显示，至少有四个压力传感器18-21，但是本发明设想的这种设备可以具有两个或更多的压力传感器，甚至具有十六个压力传感器的阵列。
总的来说，这种设备210是通过在测量流体12中传播的声学扰动所产生的不稳定压力，来确定流体12中传播声音的速度(SOS)的。如图15所示和所述，知道了液流的压力和/或温度，以及声学扰动的声音速度，处理单元24就可以确定液流的气体体积百分率(或液流的其他特征)。
同样可以设想，图15中的设备210具有一个或更多的声源27，以便能够测量声音在液流，例如，在无声液流中传播的速度。这种声源可以是一种在管道壁上拍打或者振动的装置。这种声源可以设置在传感器18-21阵列的输入端或输出端，或者如图所示，同时设置在两端。应该知道，大多数情况下声源并不是必需的，因为这种设备能够无源地检测到流体12提供声音的波峰。这种无源的噪音包括由抽水机、阀门、马达，以及湍急的混合流体本身所产生的噪音。
本发明的设备10测量一维声波在混合流体中传播的声音(SOS)速度，以确定混合流体的气体体积百分率。从声纳和雷达这样的技术领域中可知，声音在不同介质中传播的速度是不同的。很多现有技术都可以用来测定声音在管道和混合流体12中传播的速度，例如，1999年6月25日提出的，编号为NO.09/344,094，名称为《利用声学压力测量管道中流体参数的方法》的专利申请，现在是编号为US 6,354,147的美国专利；2002年12月4日提出的，专利申请号为NO.09/729,994的专利申请，现在是编号为US 6,609,069的美国专利；2001年11月28日提出的，专利申请号为NO.09/997,221的专利申请，现在是编号为US 6,587,798的美国专利；以及2001年11月7日提出的，编号为NO.10/007,749，名称为《利用声学压力测量管道中流体参数的方法》的专利申请，这些专利文献都可以作为本发明的参考文献。
如图15所示，实施本发明的设备210具有至少两个声学压力传感器18和19的阵列，它们沿着管道14的轴向位于x1、x2两个位置上。大家都知道，这种传感器阵列，就像还有排在位置x3、xN上的压力传感器20和21那样，可以包括两个以上的压力传感器。由声波产生的压力可以通过压力传感器18-21来测量。压力传感器18-21将压力时间变化信号P1(t)、P2(t)、P3(t)、PN(t)提供给信号处理单元24，再提供给公知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑电路。这种傅立叶变换逻辑电路计算基于时间输入的信号P1(t)-PN(t)的傅立叶变换，并且提供复频域(或基于频率)的表示输入信号频率含量的信号P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)、PN(ω)。除了快速傅立叶变换，任何其他可以获得信号P1(t)-PN(t)的频域特征的技术都能够使用。例如，交叉频谱密度和能量频谱密度可以用来形成频域转换函数(或者频率响应或比例)，它将在下面讨论。
上述频率信号P1(ω)-PN(ω)输送给矩阵处理单元238，该矩阵处理单元又把显示混合流体声速amix的信号提供给线路240，这将在下面更详细地描述。信号amix提供给类似于处理单元25的SOS处理单元225，并如下文所描述的那样，由它把amix转化为混合流体组分的百分比，形成气体体积百分率输出信号。
与图11所示的上文已经描述过的矩阵处理单元136类似的矩阵处理过程一样，从传感器18-21阵列输出的数据可以在任何域中处理，包括频率/空间域、时间/空间域、时间/波数域或波数/频率(k-ω)域。因此，如果需要，在这些领域或者其他相关的领域中公知的，任何在类似于声纳和雷达领域使用的矩阵处理技术，都可以使用。
如图17所示，有一种确定声音在流体12中的传播速度的技术，是运用矩阵处理技术来确定k-ω平面中的声音波峰。声音波峰的斜度表示声音在流体12中的传播速度。这种技术类似于2001年11月28日提出申请的名称为《测定管道流体中声音速度的方法和系统》的专利号为NO.6,587,798的美国专利，这篇文献是本申请的参考文献。声音的速度(SOS)是这样确定的，即，是通过利用声纳矩阵处理技术，测定一维声波在通过沿着管道14轴向分布的非稳定压力测量的阵列时的传播速度来确定的。
上述信号处理器24执行基于时间的压力信号P1(t)-PN(t)的快速傅立叶变换(FFT)，用来将压力信号转换成频域。然后，该频域压力信号的功率由矩阵处理算法(例如，CAPON和MUSIC算法)确定并定义在k-ω平面中。然后，如图17所示的k-ω坐标图的k-ω平面中的波峰也被确定了。上述声音速度(SOS)由测量声音波峰的斜度确定。正如下文将要描述的，上述气体体积百分率也随之被计算或另外被确定。
本发明所述的流量计使用已知的矩阵处理技术，特别是最小方差、无失真响应(MVDR，或者CAPON技术)技术，用来识别管道中与物质对流的压力波动，并精确地确定了上述物质的速度以及流率。这些处理技术利用多个传感器18-21之间在众多频率上的协方差，识别根据给定的假设模型表现的信号；就设备210来说，它是一种表现为恒速对流通过具有流量计检测头12的压力传感器的压力差异20的模型。
如任一压力信号的k-ω坐标图所示(请参见图17)，为了计算k-ω平面中的功率，上述处理器238确定了管道中主动或被动产生的声波的各种频谱成分的波长、(空间的)波数k、(时间的)频率和角频率ω。在公共领域中可以利用多种算法来执行传感器阵列18-21的空间/时间的分解。
如图17所确定的k-ω坐标图中，在合适的声音压力出现的情况下，k-ω平面中的功率将展现一种称为声学波峰261的结构，该声学波峰与液流中传播的声音联系在一起；一种与液流中逆向传播的声音联系在一起。该声学波峰表现为顺流和逆流传播的扰动的集合，并且是一种上述空间变化和时间变化之间关系的数学表现。这样坐标图将预示着k-ω配对或多或少出现沿着某一斜度直线的趋势，该斜度指的是声音向两个方向传播的速度，正如下面更详细地描述。k-ω平面所定义的功率提供给声学波峰识别器，该识别器使用一种或其他特征抽出方法测定k-ω平面中任何声学波峰的位置和方向(斜度)。最后，由分析器利用包含声学波峰方向(斜度)的信息确定声音速度。
矩阵处理单元使用标准的所谓的束成形、矩阵处理或自适应矩阵处理算法，也就是使用各种迟滞和加权处理传感器信号的算法，为不同传感器提供的信号之间建立合适的相位关系，因此产生了定向天线阵列的函数性。换句话说，上述束成形或矩阵处理算法将传感器阵列的时域信号转换成了它们的空间和时间频率成分，也就是转换成由k＝2π/λ给出的一组波的数量(其中λ是频谱成分的波长)，和由ω＝2πv给出相应的角频率。
同样地，处理器130的部分或全部功能也可以用软件(使用微处理单元或计算机)和/固件执行，还可以使用模拟和/或数字硬件执行，它们需要具有足够的内存、接口，并有能力运行所述的功能。
尽管该说明书以两种分别测量旋涡扰动和声音速度的独立的流量计的方式来描述本发明的设备，但是，正如图1所建议的，这种处理方法可以用于两个独立的流量计、两种功能的联合装置(同步操作)，或两种操作间的选择。
应该知道，已经描述的任何关于具体的实施例的特征、特性、替换或改良都可以实施、使用或与其他描述的实施例结合。
尽管已经描述并图示了本发明的典型实施例，但是，对本发明实施例的任何增加和缩减都将落入本发明的实质精神与保护范围内。
权利要求
1.一种用于测量在管道中流动的处理流的参数的检测装置，这种装置包括至少具有两个带的板条，其中，这些带相互连接，在它们之间形成预定的间隔；至少两个含有压电薄膜材料的压力传感器，每个传感器都安装在上述板条相应的带上，其中，上述压力传感器分别提供表示管道中不稳定压力的压力信号，以及用于在管道外表面周围紧固板条的紧固件。
2.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述至少两个带包括3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个和20个带中的一种，它们分别具有安装有压电薄膜材料的压力传感器。
3.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述至少两个压力传感器沿着各自带的实际长度安装。
4.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述至少两个压力传感器沿着各自带的小于带的实际长度的部分安装。
5.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述带由至少一个横向构件相互连接。
6.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，这些带基本上相互平行。
7.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，这些带的至少一端用端带相互连接。
8.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述板条由金属板材构成。
9.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述板条包括横跨带的端部延伸的杆，当安装在管道上时，能让这些端部连接在一起。
10.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述板条有许多布置在这些带的各个端部的杆，当安装在管道上时，能让这些带的端部分别单独接附在一起。
11.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，在上述板条与管道之间设置有电绝缘板。
12.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，它还包括设置在板条与压力传感器上的导电防护罩。
13.如权利要求12所述的检测装置，其特征在于，上述导电防护罩是金属板、金属网或金属筛。
14.如权利要求13所述的检测装置，其特征在于，它还包括设置在压力传感器和防护罩之间的电绝缘板。
15.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，它还包括布置在带的一端，为压力传感器产生的信号提供电路的电路板。
16.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述压电薄膜材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)。
17.如权利要求12所述的检测装置，其特征在于，它还包括许多设置在带之间的隔垫，以防止上述防护罩接触压力传感器。
18.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，它还包括布置在板条和压力传感器上的盖子。
19.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，它还包括预放大单元，用于调整压力传感器输出的信号的增益。
20.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述压力信号能表示流体流中的对流压力扰动。
21.如权利要求1所述的检测装置，其特征在于，上述压力信号能表示流体流中的声压。
22.一种用于测量管道中处理流参数的设备，这种设备具有用于测量管道中不稳定压力的传感器装置，这种传感器装置包括具有至少两个带的板条，其中，这些带相互连接，在它们之间形成预定的间隔；具有压电薄膜材料的至少两个压力传感器，各传感器都安装在上述板条各自的带上，其中，这些压力传感器分别提供表示管道内不稳定压力的压力信号；以及用于在管道外表面周围紧固板条的紧固件；以及根据压力信号确定处理流的参数的处理器。
23.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述处理单元确定k-ω平面中的声学波峰的斜度，从而测定处理流在管道中流动的处理流参数。
24.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述压力信号能表示流体流中的旋涡扰动。
25.如权利要求24所述的设备，其特征在于，上述流体的参数是处理流的速度和处理流的体积流量中之一。
26.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述处理器确定k-ω平面中对流波峰的斜度，以测定流体在管道中流动的速度。
27.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述至少两个压力传感器沿着各自带的实际长度安装。
28.如权利要求22所述的设备，其特征在于，这些带由至少一个横向构件相互连接。
29.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述板条具有横跨带的端部延伸的杆，当安装到管道上时，能让这些端部接附在一起
30.如权利要求22所述的设备，其特征在于，上述板条具有许多布置在每一个带端部的杆，当安装在管道上时，能让带的端部单独接附在一起。
31.如权利要求22所述的设备，其特征在于，它还包括设置在板条和压力传感器上的导电防护罩。
32.如权利要求22所述的设备，其特征在于，它还包括用于调整压力传感器输出的信号的增益的预放大单元。
全文摘要
本发明提供了一种测量在流体流中传播的声速和/或漩涡扰动，以便确定这种通过管传播的流的参数的设备。这种设备具有一种检测装置，这种检测装置具有用于测量在这种流中的声压和对流压的变化，以便确定所需要的参数的压力传感器阵列。这种检测装置包括整体的，具有许多互相平行地布置的带的板条。上述带用横向构件连接在一起，以使这些带保持预定的间距。每一块带都有沿着带的大部分长度安装的，用压电薄膜材料制成的带子。这种压电薄膜材料提供表示管道内部的不稳定压力的信号。这种检测装置具有围绕着上述多带板条和压电薄膜材料的导电防护罩，用于提供接地屏蔽。在整个组件周围设置了盖子，用于保护它不受环境的影响。上述整体的多带板条能让这些传感器在制造过程中精确地隔开距离，并能保证管道上的仪表的快速、简单安装。
文档编号B06B1/06GK1777792SQ200480010612
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月4日 优先权日2003年3月4日
发明者J·沙利文, T·J·拜利, M·A·达维斯, M·R·费尔纳尔德, R·尼兹戈尔斯基 申请人:塞德拉公司