CN1650149A - 测量管道中流动的具有悬浮在蒸气中液滴的混合物的参数的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于测量在管道14内流动的饱和蒸气/液体混合物12例如水蒸气的至少一个参数的一种装置10、70及方法，包括放置在沿管道14的轴向上预定轴向位置x₁－x_N处的不稳定压力传感器15－18的空间阵列。压力传感器15－18将声压信号P₁ (t)－P_N (t)传送至信号处理单元30，该信号处理单元30利用声学空间阵列信号处理技术确定声音在管道14中饱和蒸气/液体混合物12中传播的速度a_mix。待测的重要参数包括蒸气/液体浓度(即水蒸气湿度或水蒸气质量)，蒸气/液体混合物体积流量，质量流量，焓，密度和液滴尺寸。利用分散模型来确定基于频率的声速，以确定感兴趣的参数。

Description

测量管道中流动的具有悬浮在 蒸气中液滴的混合物的参数的装置及方法

相关专利申请的交叉参考

本申请要求2002年2月26日申请的，美国临时申请No.60/359785(Cidra Docket No.CC-0403)的优先权，并且本申请是2003年1月23日申请的美国专利申请No.10/349716(Cidra Docket No.CC-0579)的延续，其要求2002年1月23日申请的美国临时申请No.60/351232(CidraDocket No.CC-0410)；2002年2月26日申请的美国临时申请No.60/359785(Cidra Docket No.CC-0403)；2002年4月24日申请的美国临时申请No.60/375847(Cidra Docket No.CC-0468)；2002年11月12日申请的美国临时申请No.60/425436(Cidra Docket No.CC-0538)；及2002年11月15日申请的美国临时申请No.60/426724(Cidra DocketNo.CC-0554)的优先权；所有的这些申请包含在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种测量通过管道的流体的装置，更确切地说，涉及一种测量声音和/或旋涡扰动在流体中的传播速度(颗粒悬浮在包含蒸气/液体混合物的连续流体中)的装置和方法，来确定诸如以下的参数：流体的“湿度”，蒸气/液体的质量，颗粒尺寸，质量流量，焓和在使用声学和/或动力学压力的管道中蒸气/液体流的体积流量比。

背景技术

本发明提供一种测量用于在具有各种工作流体的工业系统中使用的饱和蒸气/液体混合物的装置和方法，所说的工业系统如：化学工业，制药业，造纸/纸浆生产，石油和发电工业。

对包括饱和蒸气/液体流的工艺流程中的不同参数的了解或确定，被用来提供工艺过程中的反馈，以来提高工艺的质量控制，或者用来检测问题，或者用于工艺系统所需的维护。这样一个蒸气/液体流的参数是蒸气质量(如水蒸气质量)和混合物的“湿度”。饱和蒸气/液体混合物的蒸气质量是由气相质量与混合物的全部质量的比率来定义的。相反，饱和蒸气/液体混合物的“湿度”是由液相的质量与混合物的全部质量的比率来定义的。

饱和的混合物存在于液相和气相共存的温度和压力下。液相和气相共存的温度和压力在相图上的“汽泡”位置以下(即饱和线)。图1中所示为水的相图。饱和液线的所有点和饱和气线的所有点定义汽泡。这两条线相交于术语上称作临界点的地方。饱和的混合物仅仅存在于汽泡的情况下。对汽泡以外的压力和温度来说，流体作为单一的相存在，那些流体的性质例如密度、焓、内能等都是由压力和温度唯一定义的。对通常的流体(例如水)来说，其性质作为压力和温度的函数制作成表格，并且这些性质通过参考各种网站包括NIST网站(参见：http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/)都是可以获得的。

对于处于汽泡情况下压力和温度的流体来说，流体表现为液相和气相的混合物。尽管气相和液相两者的性质都已经被很好的定义(并且对于已知的物质已经制成表格)，但是混合物的性质不再是唯一地被定义成压力和温度的函数。为了定义饱和混合物的平均性质，就必须定义混合物的蒸气成份和液体成份的比例。除了压力和温度以外，还定义了混合物的质量，并用来唯一地确定混合物的性质。

在一些工业的应用中，测量混合物的平均性质是很重要的，因为该混合物的平均性质是直接进入到许多工序的热力学性能监测中的工作流体的大量平均性质。例如，正是在蒸气混合物流入和流出涡轮机时其焓流量不同，确定了能够从工作液体中提取的最大机械功，因此对于确定组分效率来说是重要的。然而，如果进入或流出涡轮机的水蒸气是饱和的，则压力和温度的测量不足以确定特定的焓，但是，对于唯一地定义饱和水蒸气混合物的热力学性质来讲，则需要水蒸气的质量测量。我们注意到一旦饱和混合物的质量和压力(或温度)确定，通过混合定律(mixing laws)就确定了混合物的热力学性质(假设液态和气态的性质已知)。

本发明提供一种通过测量声音速度来确定质量的装置，其还能够用来计算焓、密度和混合物的其他一些性质。除了测量特定的焓之外，通常还需要确定全部的质量以便确定焓的流量。

在其他一些情况下，如果知道了饱和混合物的质量也是有好处的。例如，在蒸气动力设备中，蒸气涡轮机中蒸气的质量影响叶片的寿命。通常所希望的操作情况是，通过涡轮机的蒸气的质量越高就越能减少液体水滴对金属叶片的腐蚀。知道了在涡轮机的入口和出口的质量(如果入口是高温，就仅仅知道在出口处的质量)就可以提供一种用来监测通过涡轮机的质量的装置。另外，为了监测动力设备的性能使其可以工作在最佳状态并为了确定恶化的影响，蒸气涡轮机的热特性必须是已知的。这就要求每一个涡轮机的入口和出口处的流体焓是已知的。如果流体在任何一个或两个位置处是饱和的，则单独测量压力和温度对确定焓来说是不够的。然而，如果进行了附加的质量测量则焓就确定了。另外，在制冷循环中还可以有其他一些应用。

能够测量管道中饱和蒸气/液体混合物的流速和组成对任何系统或基于饱和蒸气/液体混合物系统的最优化性能的策略设计来说都是很重要的方面。在工业上已经认识到这一点，并已经开发了各种技术来执行这些测量。这包括基于探测器的装置、采样装置、文氏管装置和超声波装置。

发明内容

本发明的目的包括提供一种在工业过程中及其他相关过程中例如确定混合物的特定参数的过程中，测量管道中通过蒸气/液体混合物的声音传播速度的系统。

根据本发明，测量管道中蒸气/液体混合物的至少一个参数的设备包括：至少两个压力传感器的空间阵列，它们沿着管道安置在不同的轴向位置上。每一个压力传感器测量管道中相应轴位置处的不稳定压力。每一个所说的传感器提供一个压力信号，该信号用来指示管道中所说传感器之一处在相应的所说轴向位置处的不稳定压力。信号处理器则响应所说的压力信号，并产生一个指示管道中混合物的至少一个参数的信号。

根据本发明，测量管道中蒸气/液体混合物的至少一个参数的方法包括：沿着管道，在管道中至少两个预定轴向的测量位置上测量不稳定的压力，以用来提供指示管道中在至少两个预定轴测量位置上的每一处的不稳定压力的压力信号。该方法进一步包括，使用在轴向测量位置处测量到的不稳定压力来计算管道中颗粒/液体混合物的至少一个参数。

根据下面示例性实施例的详细描述，本发明的前述目的及其他目的、特征、以及优点将更加显而易见。

附图说明

图1为水的相图。

图2为根据本发明，具有流体参数测量装置的蒸气动力设备的结构框图。

图3为根据本发明，用于测量经过在管道中流动的饱和蒸气/液体混合物而传播的声音速度的流量计的框图。

图4是根据本发明，经过管道中气流的声音传播速度与频率的曲线图。

图5是根据本发明，在饱和蒸气/液体混合物中的声音传播速度与频率的曲线图。

图6是根据本发明，饱和蒸气/液体混合物的湿度与水嘴对混合物的供给流率的曲线图。

图7是根据本发明，对于各种饱和蒸气/液体混合物参数测量系统阵列的声速标准偏差与频率的曲线图。

图8为根据本发明的具有固定液滴尺寸(50mm)及不同蒸气/液体质量比的、声速作为蒸气/液体混合物中频率函数的曲线图。

图9为根据本发明的具有不同颗粒尺寸而蒸气/液体质量比等于1.8的、声速作为蒸气/液体混合物中频率函数的曲线图。

图10为根据本发明的具有不同颗粒尺寸的蒸气/液体混合物的声速作为频率函数的曲线图。

图11为利用从根据本发明的分析性模型和实验确定的声音分散速度数据，来确定蒸气/液体比和液滴尺寸的最优化程序的流程图。

图12为根据本发明，声音在不同温度及压力条件下的饱和蒸气/液体混合物中传播的速度对混合物质量的曲线图。

图13为根据本发明的不同温度和压力条件下的蒸气/液体混合物的体积气相百分比对混合物质量的曲线图。

图14为根据本发明的不同温度和压力条件下的蒸气/液体混合物的焓/体积对声音在该混合物中的传播速度的曲线图。

图15为根据本发明的不同温度和压力条件下蒸气/液体混合物的焓/体积对混合物质量的曲线图。

图16为根据本发明，处理来自压力传感器阵列数据的kω曲线图，该压力传感器阵列是用来测量声音在管道内流动的饱和蒸气/液体混合物中的传播速度。

图17为根据本发明，用来测量在管道内流动的饱和蒸气/液体混合物的旋涡场的流量计的框图。

图18为表示湍流的管流速度形貌的横断面视图。

图19为根据本发明，用来测量管道内旋涡扰动的另一实施例中流量计的侧视图。

图20为图19中的流量计的一对压力传感器所测量的压力信号的曲线图。

图21为图20中所示压力信号的互相关曲线图。

图22为根据本发明的从本发明采用的流量计中处理得到的描述对流脊斜率的数据的kω曲线图，和对流脊的最优化函数的曲线图。

图23为本发明所采用的流量计的另一实施例的示意图。

图24为根据本发明的固定在管道外表面具有PVDF的多个压力传感器的侧视图。

图25为图24中的一个压力传感器的局部透视图。

优选实施方式

现在在许多工业处理中，使用饱和蒸气/液体混合物作为工作流体的系统。图2给出了基于涡轮机的动力装置1中使用的饱和蒸气/液体混合物的代表性的系统。此处描述的本发明教导了测量并表征饱和蒸气/液体混合物如水蒸气的特性的装置和方法。参照图2，举例来说，动力装置1至少包括本发明的流量计8用来确定饱和蒸气/液体混合物的各种参数，其中一个参数为声音在饱和蒸气/液体混合物管道系统(下文将全面的描述)中传播的速度。

图3和图17给出了具体阐释本发明的流量计10、70，该流量计10和70测量液滴的饱和蒸气/液体混合物12的许多参数/特性，该液滴悬浮在管道或导管14内流动的连续蒸气/气体中。可以对流量计进行设定或编程来测量声音在饱和蒸气/液体混合物中传播的速度或测量旋涡扰动在蒸气/液体混合物中的传播。在一些情况下，可以设定流量计10使其既能测量声速也能测量旋涡扰动。依据设定情况或实施例，流量计至少可以测量混合物流12的如下参量中的至少一种：湿度或水蒸气质量(体积相百分比)、体积流量、液体颗粒的尺寸、质量流量、焓及速度。为了确定上述参数中的任何一个，流量计10、70测量不稳定的压力，该压力是由声音和/或旋涡扰动在管道14内流动的蒸气/液体混合物中的传播速度(SOS)生成的，下文将对此进行更为详细的描述。

混合物12的液滴可以为任何尺寸、任何形状和任何液体。例如，液滴的尺寸在长度(或直径)上可以小于0.3微米到大于50微米之间。流量计10、70可以使用在任何经过管道的载有悬浮在蒸气/气体中的液滴的应用中，如造纸/纸浆业、石油和发电工业。例如，本发明很适合用来测量发电系统的参数(如蒸气/液体比率，颗粒尺寸)。

举例来说，我们将以发电时蒸气的传送系统的环境来讨论本发明，但是应该认识到流量计可以应用在上文所述的其他任何数量的应用工业中。图2给出了发电系统2中的一种典型的蒸气传送系统1。

如上文所述，可以对本发明的流量计10、70进行设定或编程来测量或处理检测到的由声波和/或扰动在混合物中的传播产生的不稳定压力P₁(t)-P_N(t)，以确定混合物流12的参数。图3示出了其中一个流量计10，该流量计测量在蒸气/液体混合物中传播的一维声波的声速(SOS)从而确定混合物的组分，即混合物的“湿度”或水蒸气质量。流量计还能够确定液滴的平均尺寸，混合物流动的速度、焓、质量流量、密度及混合物的体积流量。已知在声纳(SONAR)和雷达(RADAR)领域中声音可以通过多种介质以多种速度传播。管道14内的混合物中的声速可以通过许多已知的技术确定出来，如1999年6月25日提交的标题为《利用声学压力测量管道中的流体参数》(“Fluid Parameter Measurement inPipes Using Acoustic Pressures”)申请号为No.09/344,094的美国专利，及2001年11月7日提交的标题为《利用声学压力测量管道中的流体参数》(“Fluid Parameter Measurement in Pipes Using Acoustic Pressures”)的美国专利申请No.10/007,749中的那些技术一样，本文引用了这两个申请作为参考。本发明利用至少一个流量计10确定饱和蒸气/液体混合物的各种参数，其中一个参数为声音在混合物管道系统内传播的速度，下文将对其进行更全面的描述。

根据本发明，通过使用不稳定压力传感器阵列被动监听流体的流动来测量声音在蒸气/液体混合物12中传播的速度，从而确定一维压缩波在管道14内的蒸气/液体混合物中传播的速度。

如图3所示，流量计10具有至少由三个声学压力传感器15、16、17组成的压力传感器阵列，该传感器阵列位于管道14轴向的X₁，X₂，X₃处。应该理解，传感器阵列可以包括三个以上的压力传感器，如X_N处压力传感器18所描述的那样。声波产生的压力可以通过管道14内指向外部压力传感器15-18的孔或通过下文所述的其他技术来测量。压力传感器15-18通过连接到信号处理单元30的导线20、21、22、23分别将时变信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P_N(t)提供给已知的快速傅立叶变换(F英尺)逻辑电路26，27，28，29。F英尺逻辑电路26-29计算基于时间的输入信号P₁(t)-P_N(t)的傅立叶变换，并在导线32，33，34，35上提供综合频域(或基于频率的)信号P₁(ω)，P₂(ω)，P₃(ω)，P_N(ω)，这些信号表示输入信号的频率分量。除了F英尺以外，可以使用其他任何可以获得P₁(t)-P_N(t)信号的频域特性的技术。例如，可以用交叉谱密度及功率谱密度来构成下文将讨论的频域转移函数(或频率响应或比值)。

将频率信号P₁(ω)-P_N(ω)送到a_mix-Mx运算逻辑电路38，其将表示蒸气/液体混合物a_mix的声速的信号提供给导线40(下文将对此详细讨论)。a_mix信号被提供给映射(或方程)逻辑电路42，该逻辑电路将a_mix转换为蒸气/液体混合物组分的百分比并给导线44提供表示组分百分比的信号(如下文所述)。而且，如果马赫数M_x为不可忽略并且也需要，则运算逻辑电路40也可将表示马赫数M_x的信号M_x提供给导线46。

更确切地说，对同质混合物中的平面一维声波来说，已知在沿管道的x处，待测的声波波长λ比管道12的直径d长(即λ/d＞＞1)，那么声压场P(x，t)可以表示为一条向右传播的声波与一条向左传播的声波的叠加，如下：

$P(x,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_{r}x}+B{e}^{+i{k}_{1}x})e^{\mathrm{i\ωt}}$

                                            等式1

其中A，B分别为基于频率的向右及向左传播的波的复振幅，x为沿管道的压力测量位置，ω为频率(单位rad/sec，其中ω＝2πf)，k_r、k₁分别为向右及向左传播的波的波数，其中定义为：

$k_r\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1+M_x}$ 和 $k_1\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1-M_x}$                                             等式2

其中a_mix为管道中混合物的声速，ω为频率(单位rad/sec)，M_x为管道内混合物流动的轴向马赫数，其中：

$M_X\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{a_{\mathrm{mix}}}$ 等式3

其中Vmix为混合物的轴向速度。对非同质混合物来说，轴向马赫数代表混合物的平均速度，且低频声场基本保持不变。

可以在任何域中处理来自传感器阵列的数据，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。就这一点而论，若需要，在这些或其他相关的域中可以使用任何已知的阵列处理技术，与在声纳(SONAR)和雷达(RADAR)领域使用的技术类似。

而且，信号处理单元30内的一些或所有的功能可以在软件(使用微处理器或计算机)和/或固件中执行，或可使用具有足够内存、界面和容量的模拟设备和/或数字硬件来执行此处所述的功能。

声压传感器15-18感测出比现有技术中用在超声流量计中的信号频率低(波长长)的声压信号，作为测量的声压信号，因此本发明更能适应流动中的不均匀性，如流动中时间和空间域的不均匀性。

另外，本发明结合管道14的柔性来确定管道中流动的蒸气/液体混合物的有效声速。通过多种非分散信息源，如遥控机械、磨、泵、阀门、弯头以及蒸气/液体混合物流本身，在管道14内的蒸气/液体混合物中生成声压信号P₁(t)-P_N(t)。蒸气/液体混合物12在管道14中的流动是一般的噪音声源，正是这个源确保了本发明独具优势地用于任何蒸气/液体混合物管道系统的最低声学电平(level)。产生声音的流动随着平均流速的增加而增加并且整体噪音电平(声压电平)是生成机构和衰减机构的函数。就这一点来说，本发明不需要外部分散的噪音源，因此，可以利用被动监听来进行操作。当流量计10被动地监听混合物流12时，本发明设想增加声源以将所需要的声波注入待测的流动中，简单举例来说，比如通过压缩、振动和/或轻拍管道来增加声源。

对某些种类的压力传感器，比如下文讨论的管道应变传感器、加速计、速度传感器或位移传感器来说，可能需要管道14具有一定程度的管道柔性。

另外，为了将管道柔性产生的任何误差效应(及相应的校准需要)减到最小，管道14的轴检测部分50(沿该检测部分50布置了传感器15-18)可做得尽可能坚硬。为达到期望的刚度，检测部分50的壁可以做得有预定厚度，或者检测部分50由非常坚硬的材料制成，如钢、钛、凯夫拉尔(Kevlar^_)、陶瓷或其他具有高模数的材料。

压力传感器的间距可以为已知间距或任意间距，而且若已知管道系统的蒸气/液体混合物的声学特性的某些信息，则只需要两个传感器，这些都应属于本发明的范围。压力传感器之间由足够的间距以使得整个传感器阵列(孔径)的长度是正在检测的所测声波波长的至少相当大部分。如在下面详细讨论的，待测声波的波长至少为液滴尺寸、质量以及蒸气粘度的函数。液滴尺寸和质量越大且/或蒸气粘度越小，需要的传感器间距就越大。相反地，液滴尺寸和质量越小且/或蒸气的粘度越大，需要的传感器间距就越小。

在相对充分混合的蒸气/液体混合物中，液相以微小液滴存在于连续的气相中，对这种混合物来说，流体可称为雾流。假设蒸气/液体混合物的液滴足够小，且声频及与声音相应的扰动的频率足够低，使得液滴进行可忽略的滑动(稳定的及不稳定的)，基本上可假定声速为非分散的(即频率为常数)并且可通过Wood方程确定混合物的体积相的百分比：

$\mathrm{\ρ}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\φ}}_i{\mathrm{\ρ}}_i$

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}_{\mathrm{mix}}^2}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\φ}}_i}{{\mathrm{\ρ}}_i{a}_i^2}$

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_i=1$

对于在真空支撑的管道(或浸没在大量低阻抗的流体如大气压状态下的空气中的管道)中传播的一维波来说，管道带来的柔性(这种情况下是模数为E、半径为R、壁厚为t的环状管)降低了来自无限维声速的被测声速。管道的作用由以下的关系式表示：

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mixx}}{c}_{\mathrm{measured}}^2}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{c}_{\mathrm{mix}}^2}+\mathrm{\σ}$ 其中 $\mathrm{\σ}\≡\frac{2R}{\mathrm{Et}}$

利用上面的关系式，声音在典型的蒸气/液体混合物的管道系统中传播的速度是蒸气/液体质量比的函数。增加液体百分比即降低蒸气/液体比的结果是降低声速。物理上，增加液滴有效地增加了混合物质量，而不改变空气的可压缩系数。在感兴趣的参数范围，混合物声速和蒸气/液体比之间的关系非常好且为单原子。

当校准曲线根据第一定理的预测变大时，利用从声速与蒸气/液体比的映射图得到的经验数据可提高本发明的精确度来测量混合物中蒸气/液体的百分比。

图4所示为空气在管道14中流动时实际测到的作为频率函数的声速数据。该管道为水雾流线圈的一部分，包括带有30英尺检测部分和10个传感器(处于阵列中)的一条直径为15英寸的管道。通过将喷出约1加仑带有20-30μm尺寸液滴的水的管嘴雾化可形成水滴。鼓风机吹动水滴在雾线圈中以大约1200CFM的速度传播。与预期的一致，声速在所测的频率范围内基本上是线性的。

图5所示为水流12(蒸气/液体混合物)在水雾流线圈的同一管道14中流动时实际测到的作为频率函数的声速数据。声速是利用本发明所描述的被动监听的技术测量的。依赖于声速的频率是通过应用在多个窄频范围50-300Hz内的Capon数组处理算法确定，据此可确定具体频率的声音传播的速度。

图5还显示：声速随频率的提高而提高并渐进趋于一个常量。靠近较高频率的声速基本是不受悬浮液滴影响的空气中的声速。而且，很明显，蒸气/液体混合物中的声速在所测量声速的最低频率处还没有达到准定的极限。在低频极限处声速是连续减小的。本发明的重要发现就是声音在悬浮于连续蒸气中的液滴内传播的速度是分散的。在这里我们定义：声波在分散混合物中传播的速度随频率的改变而改变。

图6进一步示出了实际测量的作为水嘴供给流率的函数的湿度，该函数表示湿度随管嘴输入流率的提高而提高，如所期望的一样。

随着限定该传感器阵列孔径(Δx_aperture)的压力传感器阵列15-18的总长度变得比声音的波长短，在越来越低的频率处对饱和蒸气/液体混合物12声速的测量变得越来越不精确。总的来说，孔径至少应为感兴趣的声速波长的至少相当大部分。因此，较长的传感器阵列被用来解决较低频率的波速，下文将对此进行详细描述。如图7所示，与确定空气中声速相关的标准偏差被表示为三个传感器阵列的频率的函数，这三个传感器阵列的孔径不同，即分别为1.5英尺，3英尺和10英尺。

为精确地测量超低频的声速，该数据表明，利用准定模型来解释声速(该声速是在频率高于可应用准定模型的频率范围的情况下测量的)与液体/蒸气比之间的关系是有问题的，并且可能是不实际的。因此，理解并解释通过声速测量的蒸气/液体混合物组分的关键就在于蒸气/液体混合物的分散特性。

根据本发明，系统的分散性质利用了蒸气与液滴之间相互作用的第一原理模型。该模型被视为设法解释分散效果的模型的典型代表。在不改变本发明公开目的的前提下，可以使用其他模型来解释分散效果(例如，见R.L.Gibson，Jr.和M.N.Toksōz合著的题目为《声波在悬浮液中的粘性衰减》“Viscous Attenuation of Acoustic Waves in Suspensions”的论文)，其内容包含在此作为参考。该模型容许连续蒸气的局部速度与液滴的局部速度之间的滑动(slip)。用与蒸气和液滴的局部速度之差成比例的一个力来模拟连续蒸气对液滴的牵引力，并且该连续蒸气对液滴的牵引力被惯性力平衡：

$F_{\mathrm{drag}}=K(U_f-U_p)={\mathrm{\ρ}}_p{v}_p\frac{\∂U_P}{\∂t}$

其中K＝比例常数，U_f＝流体速度，U_p＝液滴速度，ρ_P＝液滴密度，V_ρ＝颗粒体积

液滴对连续蒸气相的作用力被模拟成轴向动量方程中的一个力项。用于控制区域A和长度Δx的体积的轴向动量方程可表示如下：

$P_x-P_{x+\mathrm{\Δx}}-K(U_f-U_P)\left\{\frac{{\mathrm{\φ}}_p\mathrm{\Δx}}{v_p}\right\}=\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_f{U}_f\mathrm{\Δx}\right)$

其中P＝x与Δx处的压力，φ_P＝液滴的体积百分比，ρ_f＝蒸气密度液滴的牵引力表示为：

$F_{\mathrm{drag}}=K(U_f-U_P)=C_d{A}_P\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_f{(U_f-U_p)}^2$

其中，C_d＝牵引系数，A_p＝液滴的最大截面，ρ_f＝蒸气密度

在低雷诺数(Reynold)情况下，使用用于牵引球体的斯托克斯定律表示牵引系数如下：

$C_d=\frac{24}{\mathrm{Re}}=\frac{24\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\ρ}}_f(U_f-U_P)D_P}$

其中D_P＝液滴直径，μ＝蒸气粘度

在该模型中求解K得到：

K＝3πμD_P

利用上述关系式和一维声学模拟技术，可以得到如下的关系式表示理想化蒸气/液体混合物的分散性状：

$a_{\mathrm{mix}}\left(\mathrm{\ω}\right)=a_f\sqrt{\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\φ}}_P{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_f(1+{\mathrm{\ω}}^2\frac{{\mathrm{\ρ}}_P^2{v}_P^2}{K^2})}}}$

在上述关系式中，流体SOS，密度(ρ)和粘度(φ)都是针对纯相流体的，v_p为单个液滴的体积，φ_p为混合物中液滴的体积相百分比。

蒸气中我们最关心的两个参数是液滴尺寸和液体与蒸气的质量比(即蒸气质量或蒸气湿度)。所以，检测作为这两个变量函数的混合物的分散特性是我们所关心的。图8和图9示出了蒸气/液体混合物的分散特征，所用参数为那些在水蒸气流系统中所用的典型参数。

具体地，图8示出了对于液体/蒸气比的范围，蒸气中标称液滴尺寸为50μm的预测性质。如图所示，在低频范围定义液体/蒸气比的效果较好。然而，液体/蒸气比的效果在更高频时变得模糊，接近在高频时(大于100Hz以上)声音在纯空气中传播的速度。

类似地，图9示出了液体/蒸气比率为1.8时具有不同液滴尺寸的液体/蒸气混合物的预测性质。该图显示，液滴尺寸对低频范围内(准定的)的声音速度或高频范围内的声音速度都不会产生影响。然而，液滴尺寸在过渡区域具有显著影响。

图8和图9描述了本发明非常重要的一个方面。即，悬浮在连续蒸气中的液滴混合物的分散性质可大致分成三个频率范围：低频范围，高频范围和过渡频率范围。尽管液滴尺寸和液体/蒸气比率的效应是互相影响的，但是液体/蒸气比率的主要效果是确定待测声速的低频范围，而液滴尺寸的主要效果是确定过渡区域的频率范围。随着液滴尺寸变大，能呈现分散性质的频率降低。对典型的水蒸气应用情况来说，该过渡区域的起始频率相当低，对50μm尺寸的液滴来说是从～2Hz开始。

在低频范围，液滴会随蒸气出现细微的滑动。对于无滑动、准定近似有效的频率范围是包括液滴尺寸、连续相位粘度、液滴形状及液滴密度的多种参数的函数。

准定的声速由上述关系中的低频范围表示，其中VLR为蒸气/液体比率：

$a_{\mathrm{mix}}(\mathrm{\ω}\→0)=a_f*\sqrt{\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\φ}}_P{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_f}}}\≅a_f*\sqrt{\frac{1}{1+\frac{1}{\mathrm{VLR}}}}$

注意：液滴尺寸不影响声速的低频频率极限。

与图9类似，图10所示为液体/蒸气比率一定而液滴尺寸不同时的饱和蒸气/液体混合物的预测性质。具体地，三种不同混合物中的颗粒尺寸分别为50μm，20μm，1μm。含有尺寸为50μm液滴的混合物的过渡频率范围大约为3-13Hz，中心频率(f_1/2)约为8Hz。含有尺寸为20μm液滴的混合物的过渡频率范围大约为11-110Hz，中心频率(f_1/2)约为60Hz。含有尺寸为1μm液滴的混合物的过渡频率范围大约为8-80KHz，中心频率(f_1/2)约为40度。如图所示，液滴尺寸对饱和蒸气/液体混合物的分散性质有非常大的影响。从准定状态到高频范围的过渡比例与液滴直径的平方成反比。如上文所述，分散性质设定了用于测量声音在混合物中传播的速度以测量混合物参数所需的频率。

为特定混合物检测的声速的频率设定了感兴趣的波长。波长与频率成反比，所以频率越高，波长约短，反之亦然。因此，波长定义了阵列50的孔径尺寸(Δx_aperture)(见图3)。如上文所述，孔径至少应为感兴趣的声速波长长度的相当大部分。例如，含有约30μm尺寸液滴的混合物，其中心频率(f_1/2)约为30Hz，其对应于约20英尺尺寸的孔径。类似地，含有约3μm液滴的混合物，其中心频率(f_1/2)约为3KHz，其对应于约1英尺尺寸的孔径。从而，液滴尺寸定义了流量计孔径的长度。换句话说，液滴尺寸越大，就需要越长的孔径来测量声速，以确定混合物的具体参数。类似地，液滴尺寸越小，就需要越短的孔径来测量声速，以确定混合物的具体参数。

在高频极限，分散关系式揭示出声速无限接近纯蒸气中的声速：

a_mix(ω＝＝＞∞)＝a_fluid

有趣的是，该高频极限与液滴尺寸和液体/蒸气比率都没有关系。

考虑到充分测量低频以应用准定模型的困难，并且认识到高频声速不含有液滴尺寸或液体/蒸气比率的直接信息，因此很明显，基于测量的声速，应该利用蒸气/液体混合物的分散性质来确定液滴尺寸和液体/蒸气比率。

如上文所述，本发明的流量计10包括能够精确地确定管道14内蒸气/液体混合物中的平均液滴尺寸以及液体/蒸气比率的能力。假设蒸气和液滴之间没有明显滑动，那么一维声波在多相混合物中的传播就受混合物的有效质量及有效压缩系数的影响。对空气传输系统来说，无滑动的假设所能应用的程度是液滴尺寸和频率的强函数(strong function)。在小液滴和低频极限下，假设无滑动是有效的。随着液滴尺寸变大和声波频率提高，无滑动的假设就变得越来越不准确。对于给定的平均液滴尺寸，随频率变大的滑动导致分散，或者换句话说，即声音在混合物中传播的速度随频率变化而变化。对混合物的分散特性的适当校准将提供平均液滴尺寸以及混合物的蒸气/液体比的测量。

使用上文所述的模型(该模型导出了下面的方程)和实验上确定的作为频率函数的声速，本发明包含一个能同时确定液体/蒸气混合物中液滴尺寸和VLR的最优化程序：

$a_{\mathrm{mix}}\left(\mathrm{\ω}\right)=a_f\sqrt{\frac{1}{1+\frac{{\mathrm{\φ}}_P{\mathrm{\ρ}}_P}{{\mathrm{\ρ}}_f(1+{\mathrm{\ω}}^2\frac{{\mathrm{\ρ}}_P^2{V}_P^2}{K^2})}}}$

参照图11，图11示出了根据发明的最优化程序，其中分析模型的一个自由参数被最优化来使误差函数最小化。为了便于描述，所用的误差函数为分析模型和实验上确定的作为频率函数的声速之间声速差的总和：

$\mathrm{err}=\underset{f=f_{\mathrm{low}}}{\overset{f=f_{\mathrm{high}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left(a{\left(f\right)}_{\mathrm{mod}\mathrm{el}}-a{\left(f\right)}_{\mathrm{measured}}\right)}^2$

因此，声音在二相混合物中传播的速度随混合物中存在的蒸气与液体相的比率的变化而变化。通过这些关系式，利用声速的列表值、处理混合物中液相和气相密度，可以清晰地构建出混合物声速与混合物质量之间的关系式。需要注意的是，Wood方程是工程上的近似，其精确度取决于各种假设的有效性。可能需要实验数据来限定所需精度范围(将被确定)的质量和声速之间关系。图12中有多条曲线，表示在温度和压力条件下，充分混合的饱和水蒸气混合物中的声速和水蒸气质量之间的关系。

如本领域中已知的，蒸气/液体混合物的性质、质量比、与气相的体积相百分比之间的关系取决于气相与液相的性质。对水蒸气来说，图12示出了这种关系。根据经验性的流动模拟，假设充分混合的、雾状流是典型地适用于处理的混合物，该混合物的气相体积百分比大于0.83、混合物速度超过3.5*sqrt(D*g)，其中D为管道直径，g为重力加速度。举例来说，在直径为18英寸的蒸气管道中传输流速大于～8m/s(～26英尺/秒)的混合物。如图2所描述的动力装置的典型蒸气管道，该蒸气管道被调整尺寸使得标称速度为～100英尺/秒或以上，并具有通常大于50％的质量。因此，对于多种饱和水蒸气流的条件，雾流的假设是成立的。

如上文所述，确定水蒸气混合物的焓流量是一项重要的测量。根据本发明，当混合物的总体积流量已知时，需要混合物的每单位体积的焓来确定总流率。图14描述了多种条件下的蒸气的每单位体积焓与混合物声速之间的关系。本发明还利用了水蒸气在多种条件下的每单位体积焓与混合物声速之间的关系、与图15中所示的单位体积焓与水蒸气质量之间的关系来确定管道12内的水蒸气质量。

利用测得的声速，除了要测量管道14内混合物12的液体/蒸气比率和液滴尺寸之外，流量计10还能够通过比较一维声波与平均流量同向传播和反相传播的速度差异来测量混合物的体积流率。

这个确定管道14内蒸气/液体混合物12的体积流率的方法依赖于平均流量与声压区域之间的相互作用。这种相互作用导致声波在与平均流量同向传播时，声波的运动速度为声速(如果蒸气/液体混合物不流动)加对流的速度，相反地，声波在与平均流量反向传播时，声波的运动速度为声速减对流的速度。即：

a_R＝a_mix+u

a_L＝a_mix-u

其中，a_R＝相对固定的观察者(即管道14)向右传播的声波的速度，a_L＝相对固定的观察者向左传播的声波的速度，a_mix＝声音在混合物中传播的速度(如果混合物是不流动的)，u＝平均流量速度(在这个例子中假设是从左向右流动的)。将这两个等式相加，就能得到求平均速度的一个等式：

$u=\frac{a_R-a_L}{2}$

因此，按照上文所述的方法，通过测量声波在相对固定管道的两个方向上的传播速度，通过将平均流量速度乘以管道14的横截面积可以计算平均流量速度。

利用这种方法确定平均流量的可行性取决于以足够精确度求解两个方向的声速来确定体积流量的能力。对典型的蒸气液体测量来说，典型的流速为～10英尺/秒，声速为～4000英尺/秒。这样轴向马赫数是0.0025的10/4000量级。对于流率(+/-1英尺/秒)精确到+/-10％的精确度来说，向上和向下传播的声波需要声速求解为+/-0.5/4000或1/8000。

然而对饱和蒸气/液体混合物流来说，轴向流动速度额定为70英尺/秒左右，而无流动的声速为～700英尺/秒。这导致马赫数～0.1，其幅度比典型蒸气流大约高2个量级。对饱和蒸气/液体流来说，为使流率精确度达到10％(或+/-7英尺/秒)，必须将声速精确到+/-3.5英尺/秒或3.5/700或1/200。

对声速测量来说，流量计10采用了与上文(在其中有详细描述)采用的处理算法类似的算法。在工艺管道14内传播的声音的时间和空间频率分量通过分散关系式相关联：

ω＝k/a_mix

波数为k，定义为k＝2π/λ，ω为以rad/sec表示的时间频率，a_mix为声音在工艺管道中传播的速度。在该情况下，声音向两个方向传播，声功率(acoustic power)是位于两条声波脊上的功率，一个是声音以a_mix+V_mix的速度与流动同向传播时的功率，另一个是声音以a_mix-V_mix的速度与流动反向传播时的功率。

图16示出了为研究蒸气/液体混合物在管道内流动的声场而生成的k-ω图表。可以很清楚地看到两条声波脊。这两条声波脊中的每个斜率分别限定声音与平均流量同向传播及反向传播时的速度。

图16还进一步描述了本发明的确定流体在管道内的运动速度的能力。该附图是根据如上所述本发明的流量计的实际测试运行中得到的数据图。图9描述了用本发明的流量计8采集到的不稳定压力数据的波数-频率图表(k-ω图表)，该流量计8包括在处于大气压、以约40英尺/秒速度的环流空气情况下的4个传感器轴向阵列。等色线图表示在所有频率和声波结合处的相对的信号功率。最高的功率“脊”代表脊斜率与传播速度相同的声波。应注意的是，在空间奈奎斯特波数等于±3.14的情况下，声脊向曲线的相对侧缠绕(wrap)(即声脊向上倾斜并且到达曲线底部处的右起始部分，右侧脊以约550Hz向曲线的左侧缠绕，并继续向上向右倾斜)。虚线表示最佳适配的两个变量的最大功率值，这两个变量即声音传播的速度和流体速度。右侧脊代表与体流(bulk flow)同向运动的声波，因此其坡度比代表与体流反向运动的声波的左侧脊坡度要陡。这说明相对于安装在管道上的固定传感器来说，与体流同向传播的声波比与体流反向传播的声波传播得要快。

对图3中的声纳流量计10进行设计和编程，使其能够测量和利用声音在管道14内流动的蒸气/液体混合物12中传播的速度来确定体积流率。参照图17，本发明所用的流量计70通过测量在混合物中传播的旋涡扰动88生成的不稳定压力，来测量混合物的体积流率。流量计70利用下述技术中的一个或全部来确定蒸气/液体混合物12中旋涡扰动的对流速度：

(1)利用不稳定压力传感器阵列，使不稳定压力变化互相关。

(2)利用不稳定压力传感器阵列，表征旋涡扰动的对流脊。

绝大多数的工业处理流都包含湍流。工艺流内的湍流变化控制许多实际感兴趣的流特性，包括压降、传热和混合。对工程应用来说，只考虑湍流的平均时间特性就足够满足设计目的了。对声纳流测量技术来说，理解的是，湍流的平均时间速度曲线图提供了一个方法来解释管道内相干结构对流速度与体积平均流率之间的关系。

从饱和蒸气/液体混合物结构的透视图来看，本方法依靠的是流量计8能够将对流压力场(其对流速度为或接近饱和蒸气/液体混合物的平均速度)与声压场(其传播速度为声速)分隔开。从这个意义上说，速度测量与声速测量无关。

对湍流来说，轴向平均时间速度随径向位置的改变而改变，在管壁处为零，在管的中心线处达到最大值。靠近管壁的流动由陡峭的速度梯度表征，并在靠近管道的中央处变为相对均匀的核心流动。图18所示为速度曲线图及完全展开的管道湍流12中的相干旋旋涡结构88的典型示意图。旋涡结构88叠加在管道14内的平均时间速度曲线图上，并包含时间和空间的随机波动，其幅值典型地小于平均流速的10％。

从体积流测量角度来看，感兴趣的是平均体积流速。平均体积流速定义为V＝Q/A，这是一个有用的性质，但却是任意定义的流量性质。此处的A为管道的横截面积，Q为体积流率。事实上，根据管道内的速度曲线图我们知道，在这个速度下几乎没有流体在运动。

湍流的管道流体是高度复杂的流体。对任何湍流的细节进行预测都是有问题的，然而，我们已经了解了很多关于流动的统计特性的知识。例如，管道湍流包括自生的、相干旋涡结构，经常被称为“湍流旋涡”。这些旋涡的最大长度是由管道的直径决定的。在向下流动时，这些结构能在几个管道直径长度内保持相干，最后分解为越来越小的旋涡，直至能量被粘滞效应耗散掉。

实验性研究已经确定，在湍流边界层内产生的旋涡以最大流速的约80％的速度对流传热。对管道流动来说，这意味着湍流旋涡会以接近管道内体积平均流速的速度来对流传热。湍流旋涡的对流速度和用于每种流量计的流率之间的精确关系可以用下文所述的办法来经验性地校准。

图17的流量计70通过利用不稳定压力传感器阵列将不稳定压力变化互相关，从而确定蒸气/液体混合物中旋涡扰动的对流速度，该不稳定压力传感器与2001年11月8日提交的题目为《利用不稳定压力测量流率》(“Flow Rate Measurement Using Unsteady Pressure”)的美国专利申请No.10/007,736中所用的传感器类似，其内容包含在此作为参考。

参照图17，流量计70包括沿管道12的感测部分72和信号处理单元74。该管道(或导管)14有两个测量区域76、78，二者位于管道14上相隔距离为ΔX。在第一测量区域76有两个不稳定(或动态的或交流)压力传感器80、82，相隔距离为X₁，能够测出管道14内的不稳定压力，在第二测量区域78有另外两个不稳定压力传感器84、86，相隔距离为X₂，能够测出管道14内的不稳定压力。每对压力传感器80、82和84、86都能起到空间滤波器的作用，可以将某种声音信号从不稳定压力信号中去除，并且间距X₁、X₂是由每个空间滤波器的所要求的过滤特性决定的，下文将对此进一步讨论。

本发明的流量计70测量与不稳定流场(flow field)相关联的速度和/或其中与湍流漩涡(或旋涡流场)相关的由88表示的压力扰动、流动中的不均一性或流体、液体、蒸气或压力的其他任何随时间改变或随机的性质，这些性质至少部分表现为不稳定压力的形式。通过多种非分散的源如远端的机械、泵、阀门、弯头、及流体本身在管道14的蒸气内产生旋涡流场。正是这个最后的源，即管道内的流动流体，(也即主要由蒸气与管道壁之间的剪切力所形成的旋涡流场的普通源)保证了将任意管道系统的扰动最小化，对此本发明具有独特的优点。流动所产生的旋涡流场通常随平均流速增加而增加，而在任意预先可确定频率处不会发生。因而，本发明中不需要外部分散的旋涡产生源，这样就可以使用被动探测进行工作。压力传感器设置的间距为已知的或者是任意的，并且如果关于系统声音性质的某些信息为已知(将在下文中充分描述)则至少要求两个传感器，这些都是属于本发明的范围。

通常来说，旋涡流场88包括在长度方向上具有较宽变化的压力扰动，并且具有多种相干长度，如在1983年Halsted Press的A.P.Dowling等人的参考文献《声音与声源》“Sound and Sources of sound”中所描述的，在此引用该文献以理解本发明。这些旋涡流场88中的部分在以流动在管道内的混合物的至少一个单元的平均流动速度，或接近平均速度或与平均速度相关的速度来对流传热。包含关于对流速度信息的旋涡压力扰动15具有时间和空间长度以及不同于流动中其他扰动的相干长度。本发明利用这些性质优先选择所需轴向长度和相干长度的扰动，这一点将在下文中详细描述。出于说明目的，术语旋涡流场和旋涡压力场将被用来描述上文所述的一组不稳定压力场，该不稳定压力场具有时间长度、空间长度和此处所描述的相干长度。

可以通过管道14上通至外部压力传感器上的孔测量压力P₁、P₂、P₃、P₄，也可以使用下文中所讨论的其他技术来测量。压力传感器80、82、84、86分别将线路90-93上的基于时间的压力信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)、P₄(t)提供至信号处理单元74，该处理单元在线路96上生成一个对流速度信号U_c(t)，该对流速度信号与流动在管道14中的蒸气的平均流率U_f(t)相关。

此外，信号处理单元74的一些或者全部的功能都可以在软件(利用微处理器或计算机)和/或固件中实现，或者也可以使用具有足够内存、接口和容量的模拟和/或数字硬件来实现此处所描述的功能。

特别地，在处理单元74中，线路90上的压力信号P₁(t)输入到加法器100的正输入端，线路91上的压力信号P₂(t)输入到加法器100的负输入端。加法器100的输出被提供到线路104上，其表示两个压力信号P₁，P₂之间的差(例如，P₁-P₂＝P_as1)。

压力传感器80，82与加法器100一起构成空间滤波器76。线路104连接到带通滤波器108，该滤波器使得频率的预定通带通过，并且衰减通带之外的频率。根据本发明，设置滤波器108的通带来滤除(或者衰减)输入信号的直流部分和高频部分以使这两者之间的频率通过。如果需要，可以在另外的实施例中使用其他通带。带通滤波器108在线路112上将滤波后的信号Pasf提供给互相关逻辑电路116，下文中将对此给以描述。

线路92上的压力信号P₃(t)提供给加法器102的正输入端，线路93上的压力信号P₄(t)提供给加法器102的负输入端。压力传感器83，84与加法器102共同构成了空间滤波器78。加法器102在线路106上的输出表示两个压力信号P₃，P₄之差(例如，P₃-P₄＝P_as2)。线路106接到带通滤波器110上，该滤波器与上文中所描述的带通滤波器108相类似，该滤波器110可以通过通带内的频率并且衰减通带外的频率。滤波器110通过线路114提供滤波后的信号P_asf2给互相关逻辑电路116。如果需要的话，只要这两个加法器的符号一起交换，则加法器100，102上的符号可以交换。另外，压力信号P₁、P₂、P₃、P₄可以在提供给加法器100、102之前进行换算。

互相关逻辑电路116计算分别在线路112、114上的信号P_as1和P_as2之间的时间域的互相关性，并在线路118上提供一个表示延迟时间τ的输出信号，该延迟时间是对于旋涡流场88来讲(或者流体中的旋涡、随机，或者是旋涡结构、区域、扰动或微扰)从一个感测区域76传播到另一个感测区域78的时间。象这样已知的旋涡扰动是相干的动态条件，该动态条件发生在流体中并经过预定距离(相干长度)后基本衰减(预定量)并且以流体的平均流速或接近平均流速的速度进行对流(或流动)。正如上文所描述的，旋涡流场88还有伴随它的随机或者旋涡压力扰动。通常来说，旋涡扰动88完全分布在流体中，特别是在高剪切的区域例如边界层(举例来说，沿着管道14的内壁)，并在此处表示为分散的旋涡流场88。由于旋涡流场(和相关的压力扰动)以平均流速或接近平均流速的速度对流，传播的时间延迟τ与两个测量区域76、78之间的距离Δx内的流速相关，这一点将在下文中予以描述。

尽管与旋涡流场88相关联的压力扰动通常出现在大多数的流动条件下，一个任意的圆周形凹槽(没有示出)可以用在管道14的内径中来帮助在流体中以旋涡的形式生成不稳定流动区域。然而，凹槽对本发明的工作来说是不需要的，这是因为旋涡的产生通常沿着管道内壁，这一点在前文中已经作了描述。可以使用多个轴向排列的圆形槽来代替单个的圆形槽。凹槽70的尺寸和几何结构可以基于预期的流动条件和其他因素来设置。其他的技术也可以用作旋涡发生器，包括那些突出在管道14的内径中的旋涡发生器。

参考图17，线路120上的间隔信号Δx指示两个感测区域76、78之间的距离Δx，该距离由除法器122除以线路118上的时间延迟信号τ，除法器在线路96上提供一个输出信号，该信号表示管道14中饱和蒸气/液体混合流体的对流速度U_c(t)，该对流速度与混合物的平均流速U_f(t)有关(或者成比例或者接近等于)。其定义如下：

               U_c(t)＝ΔX/τ∞U_f(t)                方程.1

如果需要，对流速度U_c(t)可以校准的更为精确以确定平均流速U_f(t)。这样校准的结果是可以要求将对流速度U_c(t)的值乘以一个校准常数(增益)和/或加上一个校准偏差来获得具有期望精确度的平均流速U_f(t)。如果需要可以使用其他的校准方式。对某些应用情况来说，这样的校准不需要达到要求的精度。速度U_f(t)，U_c(t)可以通过将管道的横截面积乘以速度而变为体积流率。

根据图19-21所示，互相关被用来确定间距为已知距离Δx的两个信号y₁(t)，y₂(t)的时间延迟τ，它用与流体对流的数字80表示(举例来说密度微扰、浓度微扰、温度微扰、旋涡压力微扰、及其他量)。在图19中，信号y₂(t)落后信号y₁(t)0.15秒。如果在两个信号y₁(t)、y₂(t)之间取出时域互相关，则该结果在图20中表示为曲线124。曲线124的最高峰值126表示两个信号y₁(t)、y₂(t)之间的时间延迟τ的最佳拟合(fit)为0.15秒，这与图21中示出的参考时间延迟相匹配。

根据图21所示，并如前文所述，由于与旋涡流场88相关的压力扰动以管道14中流动的混合物的平均流速或者接近平均流速的速度进行对流(或流动)，所以下游位置观察到的旋涡压力扰动就基本是时间延迟了的上游位置观察到的旋涡压力扰动。然而，管道中所有的旋涡压力微扰或扰动都可以表示为由旋涡压力扰动(P_vortical)、声音压力扰动(P_acousic)和其他类型的压力扰动(P_other)所组成，下面以管道轴向位置上一任意时间点来表示如下：

P(x，t)＝P_vortical(x，t)+P_acoustic(x，t)+P_other(x，t)      方程2

其结果是，不稳定压力扰动P_vortical可以被声音压力扰动P_acoustic和其他类型的压力扰动P_other所屏蔽。特别是声压扰动的存在(该扰动以饱和蒸气/液体混合物中的声速(声音速度)向上游和下游两个方向传播)，可以防止从直接旋涡压力测量的互相关来直接测量速度。

在管道14中的两个感测区域76、78上，本发明使用时间和空间滤波器来预先处理压力信号以便有效地滤除声音压力扰动P_acoustic和其他长波长(与传感器间隔相比)压力扰动，并且保留与旋涡流场88及任意其他短波长低频压力扰动P_other相关联的旋涡压力扰动P_vortical的一个基本部分。依照本发明，如果低频压力扰动P_other很小，它将基本不影响P_vortical的测量精度。

将来自两个区域76、78的P_vortical受控信号互相关，以确定两个感测位置76、78之间的时间延迟τ。更确切地说，在感测区域72，两个压力传感器80、82之间的差别构成空间滤波器76，该滤波器有效滤除(或衰减)沿流体传播的声波波长λ比传感器之间的间距X₁长(如10比1)的声波的声音扰动。如果波长/传感器间距比足以满足2比1的空间混淆尼奎斯特(Nyquist)标准，则可以使用其他的波长/传感器间距比来表征滤波器的特性。

因此，如果压力传感器P₁和P₂具有轴间距X₁，假定空间滤波器76将衰减其声波波长超过传感器间距X₁10倍的波长，最小的声波波长λ_min将衰减为：

λ_min＝10(X₁)                      方程.3

一维声波扰动也可以通过下面已知的波长—频率倒数关系来确定：

λ＝a/f或f＝a/λ                   方程.4

此处a为声音在混合物中的传播速度，f是声音扰动的频率，λ是声音扰动的波长。

应用方程4，这样的空间滤波器将滤除低于下式的频率：

f_max＝a/λ_min                         方程.5

上文中对空间滤波器76的讨论也可应用于第二空间滤波器78，该第二空间滤波器78包括另外一对压力信号P₃、P₄，其轴间距为X₂，该滤波器提供差分的旋涡压力信号P_as2。

第二种确定饱和蒸气/液体混合物中旋涡扰动的对流速度的技术是，使用一不稳定压力传感器阵列来表征旋涡扰动的对流脊，该不稳定压力传感器与2000年12月4日公开的标题为《用于确定管道中流动速度的方法及装置》“Method and Apparatus for Determining the Flow VelocityWithin a Pipe”，申请号为No.09/729994的美国专利申请中提到的传感器类似，此处引用该申请作为参考。

声纳流动测量法采用具有湍流管的相干结构的对流速度来确定体积流率。这些旋涡88的对流速度可应用声纳阵列处理技术来确定，从而确定旋涡对流经过沿管道14分布的不稳定压力测量的轴向阵列的速度。

基于声纳的计算方法通过表征流场的时间和空间频率特性来确定旋涡的速度。对于对流经过固定传感器阵列的一系列相干旋涡来说，压力波动的时间、空间频率分量(content)之间的关系通过下面的等式表示：

$\mathrm{\ω}=\frac{k}{U_{\mathrm{convect}}}$

这里，k是波数，定义为k＝2π/λ，且其单位为1/长度，ω是以弧度/秒表示的时间频率，U_convect为对流速度。因此，波长(k较大)越短，时间频率越高。

在声纳阵列处理的过程中，在时间固定的声场(sound field)内空间/时间的频率分量通常用“k-ω曲线”表示。k-ω曲线基本上为一个三维的能量谱，其中声场的能量被分解成对应特定空间波数和时间频率的池(bin)。在k-ω曲线上，与压力场相关(与流体对流)的能量被分布在该范围内，这满足了上文研究的分散关系。该区域被称为“对流脊”(Breanek，1992)，在k-ω曲线上该脊的斜率表示压力场的对流速度。这表明湍流旋涡的对流速度及因此管道中的流率可以通过从传感器的相控阵列的输出构造k-ω曲线、和通过标识对流脊的斜率而确定。

附图22所示为从压力传感器的相控阵列来产生k-ω曲线的一个例子。能量等高线示出了一个明确定义的对流脊。使用参数优化法来确定代表对流脊100斜率的“最佳”线。在这种情况下，可以确定14.2英尺/秒的斜率。最优过程的中间结果插入其中并被表示出来，可以看出最佳数值是唯一的而且是最佳的。

在附图22中所示的k-ω曲线描述了基于声纳的流动测量背后的基本原理，即压力传感器的轴向阵列可以与声纳处理技术协同使用来确定管道中自然发生的湍流旋涡的对流速度。

现在根据附图23来描述本发明，其中基于所计算的各种参数和性质的讨论在此参见各个附图而详细说明。根据本发明，使用流量计8确定混合物的声速提供了饱和蒸气/液体混合物的多种具体特性及混合物的速度，并且基于测量参数还使用了包含关于混合物信息的逻辑电路。发电站1的管道12中流动的饱和蒸气/液体混合物的稳定状态下的压力和温度(见图2)或其他工业水蒸气处理可通过任何已知的或由170表示的预期方法测量，在该方法中可以从表格或图表中确定各种流体性质，该表格或图表由171表示，表示的是声音速度与混合物的气相和液相密度之间的关系。如前文所述，用由172表示的本发明的流量计来测量饱和蒸气/液体混合物的声音速度。使用前述的并由173表示的Wood方程(或类似的)，从结合有饱和蒸气/液体混合物声音速度172的171的流体性质中确定饱和蒸气/液体混合物的质量。通过将171的流体性质与173的饱和蒸气/液体混合物的质量相结合，本发明还可以确定饱和蒸气/液体混合物的其他性质，例如如174所描述的焓和密度。本发明还可以通过上面描述过的175所表示的方法，进一步确定饱和蒸气/液体混合物的速度。因此确定了整个饱和蒸气/液体混合物的总体积流量(如176表示)，并且当与饱和蒸气/液体混合物的其他性质例如焓和密度的参数相结合时(由174表示)，混合物的各种流率例如焓和质量流率都可以被确定(由177表示)。

正如上文所述，图3中流量计10的传感器阵列的长度取决于液滴尺寸，然而图17的流量计70的阵列长度取决于相干旋涡的长度。因此，可以理解虽然图3和图17中的流量计10和70为两个分开的不同的流量计，如果假定液滴尺寸足够小和/或相干旋涡在持续时间上足够长，则人们应当理解的是处理单元30、74可以分别从普通传感器阵列50、72接收不稳定压力信号。另外，处理单元30、74可以包括同样的硬件(或单个单元)，该硬件分别简单处理不稳定压力信号以提供它们各自的输出信号。

此处所述的压力传感器15-18可以是任何类型的能够测量管道14内不稳定(或交流的或动态的)压力的压力传感器，如压电的、光学的、电容性的、电阻的(如惠斯通电桥)、加速计(或地震检波器)、速度测量装置、位移测量装置等等。如果使用光学压力传感器，那么传感器15-18可以是如本文所引用参考的两个专利申请中所述的基于布拉格光栅的压力传感器，这两个申请分别是1997年9月8日提交的，标题为《用于恶劣环境中的高敏感光纤式光学压力传感器》(″High Sensitivity FiberOptic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments″)的美国专利申请No.08/925,598，现为美国专利6,016,702；以及标题为《用于测量管道内不稳定压力的非嵌入式光纤光学压力传感器》“Non-Intrusive Fiber OpticPressure Sensor for Measuring Unsteady Pressures within a Pipe”的美国专利申请No.10/224,821。或者，传感器14可以是放置在管道外壁上或嵌在管道内壁上用来测量管道壁上的应力的电学或光学应变计量器，包括传声器，水听器或其他任何能够检测管道14内不稳定压力的传感器。在本发明利用光纤作压力传感器14的实施例中，这些压力传感器可以被单独连接，或者利用波分复用(WDM)、时分复用(TDM)或其他任何光学多路复用技术而与一根或多根光纤多路复用。

对此处描述的任何实施例来说，压力传感器包括此处描述的电学应变计量器、光纤和/或光栅等等，可以用粘合剂、胶水、环氧树脂、胶带或其他合适的粘接方法粘接在管道上，以确保传感器与管道14之间的适当接触。通过已知的机械技术如机械紧固件、安装弹簧、夹钳、蛤壳装置、皮带材料或其他等价物，该传感器可以是可拆装的也可以是永久固定的。或者，应变计量器，包括光纤和/或光栅，可以嵌入到复合管道内。对于某些应用，如果需要的话，光栅可以与管道14分离(或应变或声学上分离)。

任何其他应力感知技术，如安置在管道14上或嵌在管道14中的高敏感压电、电子或电学、应变计量器，都可以用来测量管道内的应力变化，这些都在本发明的范围之内。

在本发明的某些实施例中，压电压力传感器可以用作压力传感器15-18中的一个或多个，该压电传感器可以通过测量管道内部的压力电平来测量管道14内部的不稳定压力(或动态或交流)的变化。在本发明的一个实施例中，传感器14包括由PCB压电材料(piezotronics)制作的压力传感器。在一个压力传感器中带有集成电路压电电压模式类型的传感器，该模式类型的传感器表征嵌入的微电子放大器的特征，并将高阻抗电荷转化成低阻抗电压输出。具体地说，使用PCB压电材料制作的模型106B，该模型为灵敏度高的、加速补偿集成电路压电石英压力传感器，适用于测量液体系统和气动系统中的低压声学现象。该模型具有独特性能，能在高静态条件下测量小于0.001psi的微小压力变化。该106B的灵敏度为300mV/psi，分辨率为91dB(0.0001psi)。

压力传感器包括一个嵌入的MOSFET微电子放大器来实现将高阻抗电荷输出转换为低阻抗电压信号。传感器是由恒定电流源供电并能在长的同轴电缆和带状电缆上工作，而不会导致信号衰减。低阻抗电压信号不受摩擦电的电缆噪音或者绝缘的使电阻恶化的污染物的影响。集成电路压电传感器的工作电源一般为低成本的24-27伏特直流电压，2-20毫安的恒流源。本发明的数据采集系统可以带有对集成电路压电传感器直接供电的恒流源。

大多数压电压力传感器是由预制在坚硬外壳内的压缩型石英晶体或不凝聚的电气石晶体构成。这种设计使得传感器的响应时间为微秒，共振频率为几百千赫，而过冲或阻尼振荡却最小。小的振动膜直径确保狭窄冲击波的空间分辨率。

压电压力传感器系统的输出特性为，在AC耦合系统中，信号衰减重复直到在原始基线上方及下方出现相等区域。随着被检测事件的幅度电平波动，在基线周围输出保持稳定，曲线的正区域和负区域保持相等。

此外，如图24所示，本发明还设想流量计10、70的每一个压力传感器15-18都可以包括压电传感器104-107，该压电传感器会提供压电材料110来测量流体/颗粒混合物12的不稳定压力。压电材料，如聚合体、极化的含氟聚合物、聚偏二氟乙烯(PVDF)，测量在工艺混合物12中由于不稳定压力变化而在工艺管道14内产生的应力。管道内的应力由附着的压电传感器104-107转换成输出电压或电流。

最佳如图25所示，PVDF材料110粘结到在周围延伸的钢带112的外表面上，并且夹在管道14的外表面上。压电敏感元件特别允许对所感应的应力进行完全或接近完全的环状测量。传感器可以用PVDF薄膜、共聚物薄膜或柔韧的PZT传感器构成，传感器与Measurement Specialties公司的《压电薄膜传感器技术手册》(“Piezo Film Sensors technicalManual”)中提到的传感器类似，本文引用并参考了该手册。该技术的优点如下：

1、非侵入式的流率测量

2、低成本

3、测量技术不需要激励源。环境流动噪音被用作源。

4、柔韧的压电传感器可以安装成多种结构以增强信号检测方案。这些结构包括：a)共同设置的传感器，b)具有相反极性结构的分段的传感器，c)宽传感器，以提高声学信号检测并将扰动噪音检测最小化，d)裁剪(tailored)传感器几何形状以将其对管道模式的敏感度最小化，e)将传感器差分化以将声学噪音从旋涡信号中去除。

5、更高的温度(140℃)(共聚物)

虽然本发明能够测量蒸气中的悬浮液滴，但本领域技术人员应当理解的是，用一组传感器也可以测量其他多相混合物或流动，如悬浮在流体中的固体微粒。还应当理解的是，较大液滴的分散效应与分散在流体(如气体或空气)中的较大固体颗粒类似，因而，测量空气/颗粒比和颗粒尺寸时应该有类似的考虑。

应该理解，关于特定实施例所描述的任何特征、特性、可选则的代替物或修改都可以被应用、使用或引用到本发明的其他实施例中。

尽管本发明已通过说明性实施例进行了描述，在不违背本发明精神和范围的前提下，还可以对本发明进行前述及各种其他的补充及省略。

Claims (26)

1、一种用来测量管道中混合物的至少一个参数的装置，该混合物具有悬浮在蒸气中的液滴，该装置包括：

至少两个压力传感器组成的空间阵列，该阵列位于管道上轴向的不同位置，每一个传感器都测量其相应轴向位置上管道内的不稳定压力，每一个所述传感器都提供压力信号，该压力信号表示所述传感器在轴向位置上相应处的管道内的不稳定压力；及

信号处理器，该信号处理器响应于所述的压力信号，该信号处理器还提供表示管道内混合物的至少一个参数的信号。

2、根据权利要求1所述的装置，其中每一个传感器测量一个声学压力，并提供表示管道内的声学噪音的信号。

3、根据权利要求1所述的装置，其中信号处理器响应于所述的压力信号，并提供一个表示在管道中通过混合物传输的声音速度的信号。

4、根据权利要求3所述的装置，其中所述的信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路计算沿所述空间阵列传播的声音的速度。

5、根据权利要求3所述的装置，其中所述的信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路计算每一个所述声压信号的基于频率的信号。

6、根据权利要求4所述的装置，其中每一个所述声压信号都包括一个基于频率的信号，而且其中所述的信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路计算两个所述基于频率的信号的比率。

7、根据权利要求1所述的装置，包括至少三个所述的传感器。

8、根据权利要求3所述的装置，其中信号处理器包括逻辑电路，能够确定以下参数中的至少一个：蒸气/液体组分、湿度或蒸气质量(体积相百分比)、体积流率、液体颗粒尺寸、质量流量、焓、密度、管道内混合物的速度、和声音在管道内的混合物中的传播速度。

9、根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所述压力传感器确定管道上的应力。

10、根据权利要求3所述的装置，其中利用分散模型确定基于频率的声速来确定混合物的至少一个参数。

11、根据权利要求3所述的装置，其中声学传感器阵列有足够的间距，以使阵列的整个长度为正在测量的所测声波波长的至少相当大部分。

12、根据权利要求1所述的装置，其中至少一个传感器提供第一滤波器，该滤波器在沿管道的第一轴向位置测量旋涡压力场，并提供表示所述旋涡压力场的第一压力信号；并且

至少第二传感器提供第二滤波器来在沿管道的第二轴向位置测量所述的旋涡压力场，并提供表示所述旋涡压力场的第二压力信号。

13、根据权利要求12所述的装置，其中响应于所述第一及第二压力信号的信号处理器生成速度信号，该速度信号表示在管道中运动的所述旋涡压力场的速度。

14、根据权利要求12所述的装置，其中所述第一及所述第二滤波器将与声压场相关的波长滤出，并且使得与所述旋涡压力场相关的波长通过。

15、根据权利要求14所述的装置，其中所述第一滤波器包括第一空间滤波器，该第一空间滤波器包括至少第一和第二不稳定压力传感器，二者之间的间距为第一预定距离；及

所述第二滤波器包括第二空间滤波器，该第二空间滤波器包括至少第三及第四不稳定压力传感器，二者之间的间距为第二预定距离。

16、根据权利要求1所述的装置，其中混合物为蒸气。

17、根据权利要求1所述的装置，其中混合物在管道中流动。

18、根据权利要求1所述的装置，其中每一个传感器都测量混合物中的旋涡扰动产生的压力。

19、根据权利要求12所述的装置，其中信号处理器限定一个对流脊来确定混合物的至少一个参数。

20、根据权利要求12所述的装置，其中混合物的至少一个参数为体积流率。

21、根据权利要求19所述的装置，其中混合物的至少一个参数为体积流率。

22、一种测量管道内蒸气/液体混合物的至少一个参数的方法，所述方法包括：

在沿管道的预定轴向测量位置上的至少两处测量管道内的不稳定压力，以生成表示管道内的至少两处预定轴向测量位置上的不稳定压力的压力信号；及

用在轴向测量位置处测得的不稳定压力计算蒸气/液体混合物的至少一个参数。

23、根据权利要求22所述的方法，其中所测得的不稳定压力为声压，以提供表示管道内声学噪音的信号。

24、根据权利要求23所述的方法，其中计算至少一个参数需要使用声压来计算声音在管道内的传播速度。

25、根据权利要求22所述的方法，其中测量不稳定压力包括：

沿管道在第一位置处测量旋涡压力场，并生成表示所述旋涡压力场的第一旋涡压力信号；及

沿管道在第二位置处测量所述旋涡压力场，并生成表示所述旋涡压力场的第二旋涡压力信号，所述第一及所述第二位置之间有轴向距离的间距。

26、根据权利要求25所述的方法，其中计算至少一个参数需要使用第一及第二旋涡压力信号来计算管道内混合物的速度。

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