專利名稱：測(cè)量具有懸浮在管中流動(dòng)的流體中的固體顆粒的混合物的參數(shù)的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量在管內(nèi)通過的流體流的設(shè)備，特別涉及一種利用聲和/或動(dòng)壓力測(cè)量在具有懸浮在連續(xù)流體內(nèi)的顆粒的流體流中傳播的聲速和/或渦流擾動(dòng)以確定管中流體流的參數(shù)，諸如顆粒/流體比、顆粒尺寸和體積流量的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
本發(fā)明提供一種可用于許多應(yīng)用中，諸如化學(xué)、制藥、石油和發(fā)電工業(yè)中的測(cè)量在管中的流體/顆?；旌衔锏膮?shù)的方法。特別是，本發(fā)明提供一種用于發(fā)電工業(yè)中的大百分比燒煤鍋爐中就地測(cè)量用于粉狀燃料輸送系統(tǒng)中的煤粉和空氣混合物的方法。
當(dāng)前，美國(guó)的50％以上的電是利用煤產(chǎn)生的。盡管在美國(guó)煤被認(rèn)為是一種節(jié)省成本的豐富的資源，但煤的使用已經(jīng)受到限制，這主要是由于考慮到環(huán)境因素。為了減輕這種影響，美國(guó)能源和發(fā)電工業(yè)部門已經(jīng)設(shè)計(jì)大量的方案以發(fā)展減少燃煤對(duì)環(huán)境的影響的技術(shù)。這些潔凈煤的倡儀包括用于發(fā)展燃燒方法中的改進(jìn)以提高效率同時(shí)減少諸如未燃燒的碳、灰和氮氧化物(NOx)的污染物的技術(shù)。
測(cè)量煤管內(nèi)的空氣/煤混合物的流量和組分的能力是任何用于使PF輸送系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳的系統(tǒng)或者策略的一個(gè)重要的方面。該工業(yè)認(rèn)識(shí)到這些，因此已經(jīng)開發(fā)多種技術(shù)以進(jìn)行這種測(cè)量。這些包括基于探頭和采樣裝置以及基于多種包括靜電荷、微波和超聲波的技術(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量設(shè)備。
本發(fā)明概述本發(fā)明的目的包括提供用于例如在燒煤鍋爐系統(tǒng)和相關(guān)方法中測(cè)量通過管中的顆粒/流體混合物傳播的聲速以確定混合物的特定參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于測(cè)量在管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的設(shè)備包括設(shè)置在沿管的不同軸向位置處的至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列。每一個(gè)壓力傳感器在相應(yīng)的軸向位置處測(cè)量管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力。每一個(gè)所述傳感器提供表示在對(duì)應(yīng)于其中一個(gè)所述傳感器的所述軸向位置處的管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)提供表示在管中的混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。
根據(jù)本發(fā)明，一種用于測(cè)量在管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的方法包括在沿管的至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置處測(cè)量管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力以提供表示在至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置中的每一個(gè)處的管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)。另外，所述方法包括利用在軸向測(cè)量位置處測(cè)量的不穩(wěn)定壓力計(jì)算管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
從下面對(duì)其實(shí)施例的詳細(xì)描述中可以明顯地看出本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是本發(fā)明所涉及的用于測(cè)量在管內(nèi)流動(dòng)的流體/顆?；旌衔锏穆曀俚牧髁坑?jì)的框圖。
圖2是本發(fā)明所涉及的在燒煤鍋爐系統(tǒng)內(nèi)的粉狀燃料(PF)/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的示意圖。
圖3是表示圖2中所示的系統(tǒng)的典型的煤顆粒尺寸的放大照片。
圖4是本發(fā)明所涉及的混合物的聲速相對(duì)于空氣/煤質(zhì)量流量比中的頻率的曲線圖。
圖5是本發(fā)明所涉及的作為空氣/煤混合物的頻率的一個(gè)函數(shù)的聲速的實(shí)際數(shù)據(jù)和模型的曲線圖。
圖6是表示本發(fā)明所涉及的聲速的標(biāo)準(zhǔn)偏差相對(duì)于PF/空氣混合物參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的各種陣列的頻率的曲線圖。
圖7是本發(fā)明所涉及的作為具有固定顆粒尺寸(50毫米)和變化的空氣與燃料質(zhì)量比的空氣/煤混合物頻率的一個(gè)函數(shù)的聲速的曲線圖。
圖8是本發(fā)明所涉及的作為具有變化的顆粒尺寸其中空氣與燃料質(zhì)量比等于1.8的空氣/煤混合物頻率的一個(gè)函數(shù)的聲速的曲線圖。
圖9是本發(fā)明所涉及的作為空氣/煤比的一個(gè)函數(shù)的聲速的曲線圖。
圖10是本發(fā)明所涉及的根據(jù)分析模型和試驗(yàn)確定的分散的聲速數(shù)據(jù)確定空氣與燃料比和顆粒尺寸的優(yōu)化程序的流程圖。
圖11是施加到從檢測(cè)在六英寸圓形管道中流動(dòng)的一組傳感器記錄的數(shù)據(jù)的圖10的優(yōu)化程序的結(jié)果的曲線圖，顆粒尺寸為50微米，空氣流量為100ft/sec，空氣與燃料比為1.8。
圖12是施加到具有變化的空氣與燃料比的一系列數(shù)據(jù)組的圖10的優(yōu)化程序的結(jié)果的曲線圖。
圖13是本發(fā)明所涉及的用于測(cè)量在管中流動(dòng)的煤/空氣混合物的聲速的一組壓力傳感器所處理的數(shù)據(jù)的kω曲線圖。
圖14是本發(fā)明所涉及的用于測(cè)量在管內(nèi)流動(dòng)的流體/顆粒混合物的渦流場(chǎng)的流量計(jì)的框圖。
圖15是表示紊流管流速型面的管的橫截面圖。
圖16是本發(fā)明所涉及的用于在測(cè)量在管中的渦流擾動(dòng)的流量計(jì)的另一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖17是由圖16的流量計(jì)的一對(duì)壓力傳感器測(cè)量的壓力信號(hào)的曲線圖。
圖18是在圖17中繪出的壓力信號(hào)的交互相關(guān)的曲線圖。
圖19是說明對(duì)流脊的斜率的體現(xiàn)本發(fā)明的流量計(jì)所處理的數(shù)據(jù)的kω曲線圖和本發(fā)明所涉及的對(duì)流脊的優(yōu)化功能的曲線圖。
圖20是本發(fā)明所涉及的具有PVDF并且被夾在管的外表面的多個(gè)壓力傳感器的側(cè)視圖。
圖21是圖20中的一個(gè)壓力傳感器的局部透視圖。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式參見圖1和圖14，提供一種體現(xiàn)本發(fā)明的流量計(jì)10、70，流量計(jì)10、70用于測(cè)量懸浮在管或者導(dǎo)管14內(nèi)流動(dòng)的連續(xù)流體內(nèi)的固體顆粒的混合物12的多個(gè)參數(shù)/特征，其中流體被定義為液體和/或氣體。該流量計(jì)可被構(gòu)造和編程以測(cè)量通過混合物傳播的聲速或者測(cè)量通過混合物傳播的渦流擾動(dòng)。在一些情況下，流量計(jì)10可被構(gòu)造以測(cè)量聲速和渦流擾動(dòng)。根據(jù)構(gòu)造或者實(shí)施例，流量計(jì)可測(cè)量混合物流12的下列參數(shù)中的至少一個(gè)流體/顆粒濃度(體積相分?jǐn)?shù))、體積流量、固體顆粒的尺寸、混合物的質(zhì)量流和混合物的速度。為了確定這些參數(shù)中的任何一個(gè)，流量計(jì)10、70測(cè)量由聲速(SOS)產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力和/或通過在管14中流動(dòng)的混合物傳播的渦流擾動(dòng)，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。
混合物12的固體顆?？删哂腥魏纬叽?、形狀和材料。例如，顆粒尺寸可是小的，如采用粉末狀、粒狀或者較大的尺寸。流量計(jì)10、70可用于任何通過管運(yùn)載懸浮在流體中的固體顆粒的應(yīng)用中，諸如用于化學(xué)、制藥、石油和發(fā)電應(yīng)用中。例如，本發(fā)明適用于測(cè)量利用煤粉點(diǎn)燃爐的發(fā)電系統(tǒng)(例如蒸氣鍋爐系統(tǒng))的參數(shù)(例如空氣/煤比、顆粒尺寸)。
作為一個(gè)示例，將在用于發(fā)電的粉狀燃料(PF)輸送系統(tǒng)的范圍內(nèi)討論本發(fā)明，但應(yīng)該理解的是，該流量計(jì)可用于多種其他的應(yīng)用中，如上所述。圖2中示出了在燒煤鍋爐系統(tǒng)2中的示例性的PF輸送系統(tǒng)1。煤在碾磨機(jī)3中被粉碎并且被夾帶在由許多裝置產(chǎn)生的空氣中，諸如用于通過管12輸送PF/空氣混合物以輸送到爐6。典型的爐可具有大于50個(gè)的煤管，每一個(gè)直徑為12-20英寸。通常，大效用鍋爐大于300Mw，可具有4-11個(gè)為爐給料的粉碎碾磨機(jī)。用于將適量的燃料和空氣通過這些多個(gè)煤管共同和單獨(dú)輸送到爐的PF輸送系統(tǒng)的能力對(duì)燒煤鍋爐的性能和排放量具有很大的影響。
已知的是，在PF輸送系統(tǒng)1可導(dǎo)致燃料與空氣比的變化，產(chǎn)生熱點(diǎn)、高NOx產(chǎn)生區(qū)域和未燃燒的燃料。PF輸送系統(tǒng)1和鍋爐系統(tǒng)2的性能之間的聯(lián)系被充分認(rèn)識(shí)。本發(fā)明所涉及的流量計(jì)10能夠測(cè)量被提供到爐中的燃料與空氣比和煤粉的顆粒尺寸，從而反饋給操作者以提供更有效的煤燃燒。
如上所述，本發(fā)明的流量計(jì)10、70可被構(gòu)造和編程以測(cè)量和處理由通過混合物傳播的聲波和/或渦流擾動(dòng)所產(chǎn)生的被檢測(cè)的不穩(wěn)定壓力P1(t)-Pn(t)以確定混合物流12的參數(shù)。圖1中所示的一種這樣的流量計(jì)10檢測(cè)通過混合物傳播的單向聲波的聲速(SOS)以確定混合物的組分，即，混合物的液體/顆粒比。該流量計(jì)也可確定顆粒的平均尺寸、混合物的速度和混合物的體積流量。已知的是，聲音在諸如SONAR或者RADAR場(chǎng)的這樣場(chǎng)中以各種速度通過各種介質(zhì)傳播?？衫枚喾N已知的技術(shù)確定在管14內(nèi)的混合物的聲速，諸如在于1999年6月25日提出的、名稱為“Fluid Parameter Measurement in Pipes Using AcousticPressures”、申請(qǐng)?zhí)枮?9/344,094的美國(guó)專利申請(qǐng)以及于2001年11月7日提出的、名稱為“Fluid Parameter Measurement in Pipes UsingAcoustic Pressures”、申請(qǐng)?zhí)枮?0/007,749的美國(guó)專利申請(qǐng)中披露的，這些專利申請(qǐng)?jiān)谶@里合并參考。本發(fā)明利用至少一個(gè)流量計(jì)10確定液體/顆?；旌衔锏母鞣N參數(shù)，其中一個(gè)參數(shù)是聲音在混合物管中的傳播速度，如下面將詳細(xì)描述的。
根據(jù)本發(fā)明，利用一組不穩(wěn)定壓力傳感器主動(dòng)檢測(cè)流體流來測(cè)量通過混合物12傳播的聲速以確定單向壓縮波通過被包含在管14內(nèi)的液體/顆?；旌衔飩鞑サ乃俣取?br> 如圖1中所示，流量計(jì)10具有位于軸向沿著管14的三個(gè)位置x1、x2、x3處的至少三個(gè)聲壓傳感器15、16、17。應(yīng)該理解的是，傳感器陣列可包括由壓力傳感器18在位置xn所示的多于三個(gè)壓力傳感器。由聲波產(chǎn)生的壓力可通過管14中裝有外部壓力傳感器15-18的孔或者下面描述的其他技術(shù)來測(cè)量。壓力傳感器15-18將在線20、21、22、23上的壓力時(shí)間變化信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)、Pn(t)提供給信號(hào)處理單元30，分別輸送到已知的快速傅里葉變換(FFT)邏輯26、27、28、29。FFT邏輯26-29計(jì)算基于時(shí)間的輸入信號(hào)P1(t)-Pn(t)的傅里葉變換并且提供在線32、33、34、35上的表示輸入信號(hào)的頻率內(nèi)容的復(fù)頻域(或基于頻率的)信號(hào)P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)、Pn(ω)。代替FFT，用于獲得信號(hào)P1(t)-Pn(t)的頻域特征的其他任何技術(shù)可被使用。例如，可利用交叉頻譜密度和功率頻譜密度形成頻域變換功能(或者頻率相應(yīng)或者比)，后面將對(duì)其進(jìn)行描述。
頻率信號(hào)P1(ω)-Pn(ω)被供給到用于將表示混合物聲速amix(后面將對(duì)其進(jìn)行描述)的信號(hào)提供到線40的amix-Mx計(jì)算邏輯部分38。amix信號(hào)被提供到映象(或方程式)邏輯42，映象(或方程式)邏輯42將amix轉(zhuǎn)換為PF/空氣混合物的百分比組分并且將表示其(后面將對(duì)其進(jìn)行描述)的％Comp信號(hào)提供給線44。另外，如果Mach數(shù)Mx不能忽略并且是需要的情況下，計(jì)算邏輯40可將表示Mach(馬赫)數(shù)Mx的信號(hào)Mx提供給線46。
特別是，對(duì)于均相混合物中的平面單向聲波，已知在沿著管的一個(gè)位置x處的聲壓場(chǎng)P(x，t)，其中被測(cè)量的聲波的波長(zhǎng)λ比管12的直徑d長(zhǎng)(即，λ/d＞＞1)可作為右行波和左行波的疊加，如下被表示P(x,t)=(Ae-ikrx+Be+iklx)eiou]]>公式1其中A、B分別是右行波和左行波的基于頻率的復(fù)振幅，x是沿著管的壓力測(cè)量位置，ω是頻率(用rad/sec表示，其中ω＝2πf)，以及kr、kl分別是右行波和左行波的波數(shù)，它們被定義為krω‾(ωαmix)11+Mxand,kl≡(ωαmix)11-Mx]]>公式2其中amix是管中的混合物的聲速，ω是頻率(用rad/sec表示)，以及Mx是管內(nèi)的混合物的流動(dòng)的軸向Mach數(shù)，其中Mx≡Vmixαmix]]>公式3其中Vmix是混合物的軸向速度。對(duì)于非均相混合物，軸向Mach數(shù)表示混合物的平均速度并且低頻聲場(chǎng)描述基本保持不變。
來自于傳感器陣列的數(shù)據(jù)在任何域中被處理，包括頻率/空間域、時(shí)間/空間域、時(shí)間/波數(shù)域或者波數(shù)/頻率(k-ω)域。同樣，任何已知的陣列處理技術(shù)在這些或者其他相關(guān)的域中的任何一個(gè)中可被使用，如果需要的話。
另外，在信號(hào)處理單元30內(nèi)的一些或者所有功能可在軟件(利用微處理器或者計(jì)算機(jī))和/或固件中被執(zhí)行，或者可利用具有足以執(zhí)行這里所述功能的存儲(chǔ)器、界面和容量模擬和/或數(shù)字硬件來執(zhí)行。
聲壓傳感器15-18檢測(cè)聲壓信號(hào)，所測(cè)量的聲壓信號(hào)是頻率(或者)低于在現(xiàn)有技術(shù)中所超聲波流量計(jì)所用的信號(hào)(或者波長(zhǎng)較大)，這樣，本發(fā)明更容許流體流中的不均勻性，諸如粘滯或者流體流內(nèi)的其他時(shí)間和空間域的不均勻性，即使在嵌入或者煤“粘滯”是不可能的情況下，諸如遵循彎曲部分。術(shù)語“粘滯”是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的術(shù)語，表示在組分密度大不相同的混合物流中產(chǎn)生的嚴(yán)重的空間和時(shí)間分布不均。在煤流的大部分處于沿著管14的一側(cè)流動(dòng)的帶中時(shí)是這樣的情況。
另外，本發(fā)明包括管14的順從性以確定管/PF/空氣混合物系統(tǒng)內(nèi)的有效聲速。聲壓信號(hào)P1(t)-Pn(t)是由多種非間斷的源，諸如遠(yuǎn)程機(jī)器、碾磨機(jī)、風(fēng)扇4(圖2)、閥、彎頭，以及PF/空氣混合物流自身在管14的PF/空氣混合物內(nèi)產(chǎn)生。作為最后一種源，在管14內(nèi)流動(dòng)的PF/空氣混合物12是對(duì)于本發(fā)明具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的任何PF/空氣混合管道系統(tǒng)保證最小聲級(jí)的一般噪聲源。流動(dòng)產(chǎn)生的聲隨著平均流速和總的噪聲級(jí)(聲壓級(jí))增大是產(chǎn)生機(jī)構(gòu)和阻尼機(jī)構(gòu)的功能。同樣，本發(fā)明無需外部不連續(xù)的噪聲源，從而可利用主動(dòng)檢測(cè)來操作。盡管流量計(jì)10主動(dòng)檢測(cè)混合物流12，本發(fā)明試圖增加聲源以將所需的聲波注入到帶測(cè)量的流體流中，諸如通過壓縮、振動(dòng)和/或管分流，以列舉幾個(gè)示例。
對(duì)于某些類型的壓力傳感器，例如管應(yīng)變傳感器、加速計(jì)、速度傳感器或者位移傳感器，下面描述的，需要使管14具有一定量的管順從性。
或者，為了使由管的順從性導(dǎo)致的任何誤差效應(yīng)(以及相應(yīng)的校準(zhǔn)需要)達(dá)到最小，管14的沿著放置傳感器15-18的軸向檢測(cè)部分50被可盡可能地制造成剛性。為了達(dá)到所需的剛度，檢測(cè)部分50的壁厚可具有預(yù)定的厚度，或者可利用剛性很好的材料制造檢測(cè)部分50，例如，鋼，鈦，Kevlar、陶瓷或者具有高的模數(shù)的其他材料。
如果關(guān)于PF/空氣混合物管道系統(tǒng)的聲性能的一定的信息是已知的，壓力傳感器間距可是已知的或者任意的并且需要少至2個(gè)傳感器，這在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。壓力傳感器間隔足夠大以使陣列(孔)的整個(gè)長(zhǎng)度為被測(cè)量的聲波的測(cè)量波長(zhǎng)的至少大部分。如將詳細(xì)描述的，被檢測(cè)的聲波波長(zhǎng)是至少顆粒的尺寸和質(zhì)量以及流體粘度的函數(shù)。顆粒的尺寸和質(zhì)量越大和/或流體粘度越小，需要的傳感器的間距越大。相反，顆粒的尺寸和質(zhì)量越小和/或流體粘度越大，需要的傳感器的間距越小。
如上所述，流量計(jì)10測(cè)量通過流體/顆?；旌衔飩鞑サ膯蜗蚵暡ǖ穆曀僖源_定混合物的組分。特別是，通過稀釋的固體/空氣混合物傳播的聲速可與流體流的大部分顆粒直接相關(guān)。典型的PF燃料輸送系統(tǒng)1可以1.5至2.5的空氣與煤質(zhì)量比來操作。通常，PF燃料輸送系統(tǒng)可以1.5至2.5的空氣與煤質(zhì)量比來操作，在標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境下，煤密度為1200至1400千克/立方米，空氣的密度為.2千克/立方米。這樣，符合所需的質(zhì)量比導(dǎo)致基于體積的煤的很稀的混合物，體積比為1比1000。
假設(shè)煤的顆粒足夠小并且聲頻和與聲音相關(guān)的擾動(dòng)頻率足夠低以使固體顆粒具有可忽略的滑動(dòng)(穩(wěn)定和不穩(wěn)定)，可假設(shè)聲速不是分散的(頻率恒定)并且混合物的體積相分?jǐn)?shù)通過Wood等式來確定ρmix=Σi=1Nφiρi]]>
Σi=1Nφi=1]]>包括由導(dǎo)管12引入的順從性影響(在這種情況下，模數(shù)E、半徑R和壁厚t的圓形管)1ρmixαmeasured2=1ρmixαmix2+σ]]>其中σ≡2REt]]>利用上述關(guān)系，在圖4中所示的示例性煤/空氣混合物的管道系統(tǒng)內(nèi)的聲速作為空氣/煤質(zhì)量比的一個(gè)函數(shù)。對(duì)于該示例，假設(shè)純空氣的密度為1.2千克/立方米，聲速為365.9m/s，假設(shè)煤的密度為1400千克/立方米，聲速為2439m/s。如圖所示，增大煤的部分的效果，即降低空氣/煤比，是減小聲速。實(shí)際上，增加煤顆粒有效地增大混合物的質(zhì)量，但不適于改變空氣的可壓縮性。在所關(guān)心的參數(shù)范圍內(nèi)，混合物聲速和空氣/煤比之間的關(guān)系最好盡管基于從第一原理的預(yù)測(cè)的校準(zhǔn)曲線相遇，但利用聲速到空氣/煤比繪制的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可提高本發(fā)明的精度以測(cè)量混合物中的空氣/煤的部分。
但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)煤粉/空氣混合物的物理性能通常是這樣的，即，始終具有速度滑動(dòng)但頻率很低(對(duì)于在空氣中的50微米的煤顆粒，大約小于1-2赫茲)。
圖5示出了作為實(shí)際煤/空氣混合物12的頻率的函數(shù)的所測(cè)量的聲速。利用這里所述的本發(fā)明主動(dòng)檢測(cè)技術(shù)來測(cè)量聲速。通過在50-300Hz的多個(gè)窄頻率范圍處應(yīng)用Capon陣列處理算法確定聲速的頻率相關(guān)性，從而確定頻率比聲傳播速度。在該特定的示例中，獲得數(shù)據(jù)，其中煤/空氣混合物以100ft/sec流動(dòng)，并且空氣與煤的質(zhì)量比等于1.8。煤顆粒的尺寸為50微米，表示通常用于發(fā)電和其他工業(yè)應(yīng)用中的煤粉。圖3中示出了用于該測(cè)試的煤顆粒的放大圖。
如圖5中所示，聲速隨著頻率的增大而增大并且朝向恒定值漸近。在較高頻率下漸近的聲速特別是不受懸浮的顆粒的影響的僅空氣的聲速。另外，明顯看出，煤/空氣的混合物的聲速還未達(dá)到測(cè)量聲速的最低頻率的準(zhǔn)穩(wěn)定限度。聲速在低頻限度持續(xù)下降。本發(fā)明的一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)是，通過懸浮在連續(xù)流體中的稀顆粒傳播的聲速被認(rèn)為是分散的。如這里限定的，通過分散的混合物傳播的聲波速度隨著頻率改變。
當(dāng)限定該陣列的孔的壓力傳感器15-18的陣列的總長(zhǎng)度(Δxaperature)與聲波波長(zhǎng)相比變小時(shí)，以逐漸降低的頻率測(cè)量混合物12的聲速自然變得不準(zhǔn)確。通常，孔應(yīng)該是所關(guān)心的聲速波長(zhǎng)的至少大部分。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，聲速數(shù)據(jù)被對(duì)于3英尺的總孔間距為12英寸四個(gè)傳感器陣列記錄。在50Hz，1000ft/sec的聲波的波長(zhǎng)為20ft。這樣，該特定陣列(約36英寸)的孔僅橫跨3/20ths的波長(zhǎng)，精確地解決在這以下的聲速的陣列能力明顯受到削弱。本發(fā)明的一個(gè)重要的方面是，解決與陣列的孔的直接相關(guān)的低頻下的聲速的能力。如圖6中所示的，與確定空氣中的聲速相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)偏差被示為變化孔的三個(gè)陣列的頻率函數(shù)，即，1.5ft、3ft和10ft。
在超低頻率下精確測(cè)量聲速中給出的實(shí)際約束，數(shù)據(jù)建議利用準(zhǔn)穩(wěn)定模式解釋在高于可使用準(zhǔn)穩(wěn)定模式的頻率的頻率下測(cè)定的聲速之間的關(guān)系，并且空氣與燃料比將有問題，并且實(shí)際上是不切實(shí)際的。因此，通過聲速測(cè)量而理解和解釋煤/空氣混合物的成分的關(guān)鍵在于煤/空氣混合物的分散特性。
根據(jù)本發(fā)明，系統(tǒng)的分散特性利用空氣和顆粒之間的相互作用的第一原理模型。該模型被視為表示尋求說明分散效應(yīng)的模型分類。其他模型可用于在不改變所披露的意圖的情況下說明分散效應(yīng)(例如，見RL.Gibson，Jr.And M.N.Toksoz的標(biāo)題為“Viscous Attenuationof Acoustic Waves in Suspensions”的論文)，該論文在這里合并參考。模型允許在連續(xù)流體相的局部速度和顆粒的局部速度之間的滑動(dòng)。由連續(xù)流體施加在顆粒上的阻力與局部流體速度和流體顆粒的局部速度之間的差成比例并且利用慣性力平衡Fdrag=K(Uf-Up)=ρpvp∂Up∂t]]>其中K＝比例常數(shù)，Ur＝流體速度，Up＝顆粒速度，ρp＝顆粒密度以及Vp＝顆粒體積。
利用流體顆粒在連續(xù)流體相上的作用力的作用被模型化為在軸向動(dòng)量方程式中的力項(xiàng)。對(duì)于區(qū)域A和長(zhǎng)度Δx的控制體積的軸向動(dòng)量方程式如下Px-Px+Δx-K(Uf-Up){φpΔxvp}=∂∂t(ρfUfΔx)]]>其中P＝在位置x和Δx處的壓力，φp＝顆粒的體積分?jǐn)?shù)，ρf＝流體密度。
顆粒阻力是由下列公式提供的
Fdrag=K(Uf-Up)=CdAp12ρf(Uf-Up)2]]>其中Cd＝阻力系數(shù)，Ap＝顆粒的前沿面積以及ρf＝流體密度。
利用在低Reynold’s數(shù)下在球上的阻力的Stokes法則給出阻力系數(shù)如下Cd=24Re=24μρf(Uf-Up)Dp]]>其中Dp＝顆粒直徑，并且μ＝流體粘度。
在該模型中對(duì)K求解，得到K＝3πμDρ利用上述關(guān)系式和單向聲音模型化技術(shù)，對(duì)于理想化的流體顆?；旌衔锏姆稚⑿阅芸蓪?dǎo)出下列關(guān)系式 在上述關(guān)系式中，流體SOS、密度(ρ)和粘度(φ)是純相流體的，Vp是單個(gè)顆粒的體積以及φp是混合物中的顆粒的體積相分?jǐn)?shù)。
在煤粉測(cè)量中最關(guān)心的兩個(gè)參數(shù)是顆粒尺寸和空氣燃料質(zhì)量比。為此，關(guān)注的是檢驗(yàn)作為這兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)的混合物的分散特征。圖7和圖8示出了具有用于煤粉輸送系統(tǒng)的典型參數(shù)的煤/空氣混合物的分散性能。
特別是，圖7示出了對(duì)于一定范圍的空氣燃料比的尺寸為50微米的煤的預(yù)測(cè)性能。如圖所示，空氣燃料比的效果在低頻限度是明確的。但是，空氣燃料比的效果在較高頻率下變得不可分辨，在高頻(100Hz以上)下達(dá)到純空氣的聲速。
類似地，圖8示出了空氣燃料比為1.8并且具有變化的顆粒尺寸的煤/空氣混合物的預(yù)測(cè)性能。該圖示出了顆粒尺寸不會(huì)對(duì)低頻限度(準(zhǔn)穩(wěn)定)聲速或者聲速的高頻限度產(chǎn)生影響。但是，顆粒尺寸在過渡區(qū)域中具有明顯的效果。
圖7和圖8示出了本發(fā)明的一個(gè)重要方面。即，懸浮在連續(xù)流體中顆粒的稀的混合物的分散性能廣義上被分為三個(gè)頻段低頻范圍，高頻范圍和過渡頻率范圍。盡管顆粒尺寸和空氣燃料比的作用是相互關(guān)聯(lián)的，但空氣燃料比的主要作用是確定被測(cè)量的聲速的低頻限度，顆粒尺寸的主要作用是確定過渡區(qū)域的頻率范圍。當(dāng)顆粒尺寸增大時(shí)，表現(xiàn)分散性能的頻率降低。對(duì)于常規(guī)的煤粉應(yīng)用，對(duì)于50微米尺寸的顆粒，該過渡區(qū)域始于很低的頻率，2Hz。
在低頻段中，顆粒表現(xiàn)為可忽略的相對(duì)于流體的滑動(dòng)。無滑動(dòng)準(zhǔn)穩(wěn)定的接近是有效的頻率范圍是包括顆粒尺寸、連續(xù)相粘度、顆粒形狀和顆粒密度的多個(gè)參數(shù)的函數(shù)。
準(zhǔn)穩(wěn)定聲速由上述關(guān)系式的低頻限度給出，其中AFR是空氣/燃料比 注意的是，顆粒尺寸不影響聲速的低頻限度。參見圖9，利用本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例測(cè)量聲速，其中以20.5英寸的間距設(shè)有8個(gè)傳感器，對(duì)于一定的空氣與煤的質(zhì)量比，頻率平均在20-40Hz。還提出利用準(zhǔn)穩(wěn)定模型為煤/空氣混合物預(yù)測(cè)的聲速。如圖所示，盡管一般腔室被捕捉，即，聲速隨著裝載的煤增大而減小，但誤差是很大的，基于準(zhǔn)穩(wěn)定模型說明第一原理是不適合的。
在高頻限度中，分散關(guān)系預(yù)測(cè)聲速朝向純流體的聲速漸近。
αmix(ω＝＝＞∞)＝αfluid令人感興趣的是，高頻限度不依賴于顆粒尺寸和空氣與燃料比。
已知，測(cè)量足夠低的頻率以提供準(zhǔn)穩(wěn)定模型是困難的以及認(rèn)識(shí)到高頻聲速不包含關(guān)于顆粒尺寸或空氣與燃料比的直接信息，顯然應(yīng)該利用煤/空氣混合物的分散性能基于聲速測(cè)量確定顆粒尺寸和空氣與燃料比。
如上所述，本發(fā)明的流量計(jì)10包括精確確定管14內(nèi)的PF/空氣混合物中的煤的平均顆粒尺寸和空氣燃料比的能力。假設(shè)在空氣和固體煤顆粒之間沒有明顯的滑動(dòng)，通過多相混合物的單向聲波的傳播受到混合物的有效質(zhì)量和有效可壓縮性的影響。對(duì)于空氣運(yùn)輸系統(tǒng)，應(yīng)用無滑動(dòng)假設(shè)的程度是顆粒尺寸和頻率的強(qiáng)函數(shù)。在小顆粒和低頻的限度中，無滑動(dòng)假設(shè)是有效的。當(dāng)顆粒尺寸增大并且聲波頻率增大時(shí)，無滑動(dòng)假設(shè)變得基本無效。對(duì)于給定的平均煤顆粒尺寸，滑動(dòng)隨著頻率而增大產(chǎn)生分散，換言之，混合物的聲速隨著頻率改變。利用適合的校準(zhǔn)，混合物的分散性能將提供平均顆粒尺寸的測(cè)量以及混合物的空氣燃料比(顆粒/流體比)的測(cè)量。
利用能夠形成下面所示的方程式的上述模型試驗(yàn)確定作為頻率的函數(shù)的聲速，本發(fā)明包括用于同時(shí)確定煤/空氣混合物中的顆粒尺寸和AFR的優(yōu)化程序 參見圖10，其中示出了本發(fā)明所涉及的優(yōu)化程序，其中分析模型的自由參數(shù)被優(yōu)化以使誤差函數(shù)達(dá)到最小。為了便于說明，所用的誤差函數(shù)是作為頻率的一個(gè)函數(shù)的在分析模型和試驗(yàn)確定的聲速之間的聲速差的總和
圖11中示出了施加到從檢測(cè)在六英寸圓形管道中流動(dòng)的一組傳感器記錄的數(shù)據(jù)的圖10的優(yōu)化程序的結(jié)果，顆粒尺寸為50微米，空氣流量為100ft/sec，空氣與燃料比為1.8。其中示出了測(cè)量的和優(yōu)化的模型預(yù)測(cè)聲速。如圖所示，模型很好地俘獲過渡頻率范圍并且提供空氣燃料比的良好評(píng)價(jià)。
圖12中示出了施加在具有變化的空氣燃料比的一系列數(shù)據(jù)組的優(yōu)化程序。對(duì)于該優(yōu)化程序應(yīng)該注意的是，顆粒尺寸在數(shù)據(jù)組的范圍內(nèi)保持恒定。
除了利用所測(cè)量的聲速測(cè)量混合物12的流體與顆粒的比和管14內(nèi)的顆粒尺寸以外，流量計(jì)10還包括通過比較利用平均流和相對(duì)于平均流傳播的單向聲波的速度差來器量混合物的體積流量的能力。
確定在管14內(nèi)的顆粒/流體混合物12的體積流量的方法依賴于平均流與聲壓場(chǎng)的相互作用。相互作用導(dǎo)致利用在聲速(如果顆粒/流體混合物不流動(dòng))加對(duì)流速度移動(dòng)的平均流傳播的聲波，相反，相對(duì)于以聲速減去對(duì)流速度傳播的平均流移動(dòng)的聲波。即，αR＝αmix+uαL＝αmix-u其中aR＝相對(duì)于固定參照物的右移動(dòng)聲波(即管14)的速度，aL＝相對(duì)于固定參照物的左移動(dòng)聲波的速度，amix＝流體聲速(如果流體不流動(dòng))和u＝平均流速度(假設(shè)在這種情況下是從左向右流動(dòng))。將這兩個(gè)方程式組合得到關(guān)于平均流速的方程式，u=αR-αL2]]>
因此，如上所述，通過在兩個(gè)方向上相對(duì)于固定管測(cè)量聲波的傳播速度，可通過使平均流速乘以管14的橫截面積計(jì)算傳播速度。
根據(jù)以足夠的精度分析在兩個(gè)方向上的聲速來判斷利用該方法確定平均流的實(shí)施情況以確定體積流量。對(duì)于典型的液體測(cè)量，流速通常為10ft/sec，聲速為4000ft/sec。這樣，軸向mach數(shù)為0.0025的10/4000。對(duì)于流量的+/-10％的精度(+/-1ft/sec)，向上和向下傳播波的聲速需要被分解為+/-0.5/4000或者8000分之一。
但是，對(duì)于PF/空氣混合物流，軸向流速在70ft/sec左右，未流聲速700ft/sec。這產(chǎn)生0.1的mach數(shù)，約比常規(guī)液體流大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于粉狀燃料流，為了將流量分解到10％的精度(或者+/-7ft/sec)，必須將聲速分解到+/-3.5ft/sec或者3.5/700或者200分之一。
對(duì)于聲速測(cè)量，流量計(jì)10使用與前面所用的類似的處理算法。在處理管14內(nèi)傳播的時(shí)間和空間頻率內(nèi)容通過分散關(guān)系相關(guān)。
ω=kαmix]]>波數(shù)為k，被定義為k＝2π/λ，ω為時(shí)間頻率用rad/sec表示，以及amix為在處理管內(nèi)傳播的聲速。對(duì)于聲音雙向傳播的情況，聲源沿著兩個(gè)聲脊設(shè)置，一個(gè)對(duì)應(yīng)于以amix+Vmix的速度流動(dòng)傳播的聲，一個(gè)對(duì)應(yīng)于相對(duì)于以amix-Vmix的速度流動(dòng)傳播的聲。
圖13示出了兩個(gè)管的煤/空氣混合物的聲場(chǎng)所產(chǎn)生的k-ω曲線圖。兩個(gè)聲脊是明顯的。兩個(gè)所示聲脊的斜率的每一個(gè)分別限定具有平均流和相對(duì)于平均流移動(dòng)的聲速。
圖1的聲納流量計(jì)10被構(gòu)造和編程以測(cè)量和利用在管12中流動(dòng)的顆粒/流體混合物12傳播的聲速以確定體積流量。參見圖14，本發(fā)明所涉及的流量計(jì)70包括通過測(cè)量在混合物中傳播的渦流擾動(dòng)88所產(chǎn)生的不穩(wěn)定壓力來測(cè)量混合物的體積流量的能力。流量計(jì)70使用下列技術(shù)中的一種或者兩種以確定在流體/顆?；旌衔?2內(nèi)的渦流擾動(dòng)的對(duì)流速度，即
1)利用不穩(wěn)定壓力傳感器陣列的交互相關(guān)不穩(wěn)定壓力變化。
2)利用不穩(wěn)定壓力傳感器陣列的渦流擾動(dòng)的對(duì)流脊的表征。
大部分工業(yè)處理流包括紊流。在處理流內(nèi)的紊流波動(dòng)控制實(shí)際關(guān)心的許多流動(dòng)性能，包括壓力降、熱交換和混合。對(duì)于工程應(yīng)用，通常僅考慮紊流的時(shí)間平均性能對(duì)于設(shè)計(jì)是足夠的。對(duì)于聲納流量測(cè)量技術(shù)，理解紊流中的時(shí)間平均速度型面提供一種用于說明固有結(jié)構(gòu)對(duì)流的速度和管內(nèi)體積平均流量之間的關(guān)系的方法。
對(duì)于紊流，時(shí)間平均軸向速度隨著徑向位置而變化，從在壁處的零到在管中心線處的最大?？拷诘牧鲃?dòng)的特征在于陡的速度梯度和過渡到靠近管的中心線流動(dòng)的相對(duì)均勻的芯部。圖15是表示在完全發(fā)展的紊流管流12中存在的速度型面和固有渦流結(jié)構(gòu)88的示意圖。渦流結(jié)構(gòu)88在管14內(nèi)被疊加到時(shí)間平均速度型面上并且包含在時(shí)間上和空間上隨機(jī)的波動(dòng)，幅度通常小于平均流速的10％。
從體積流量測(cè)量方面，關(guān)心的是體積平均流速。體積平均流速被定義為V＝Q/A，是有用的但任意限定的流動(dòng)性能。這里，A是管的橫截面積，Q是體積流量。實(shí)際上，已知在管內(nèi)的速度型面，在該速度下實(shí)際移動(dòng)的流很小。
紊流管是很復(fù)雜的流動(dòng)。預(yù)測(cè)任何紊流的細(xì)節(jié)是一個(gè)自然界未解決的大問題。但是，關(guān)于流動(dòng)的靜態(tài)性能已經(jīng)了解很多。例如，紊流管流包含自產(chǎn)生的固有渦流結(jié)構(gòu)，通常被稱為“紊流渦旋”。這些渦旋的最大長(zhǎng)度是由管的直徑設(shè)定的。這些結(jié)構(gòu)保持幾個(gè)管直徑下游最后分解進(jìn)入逐漸減小的渦旋中直至能量被黏附作用分解的固有性能。
試驗(yàn)研究已經(jīng)表明在紊流邊界層內(nèi)產(chǎn)生的渦旋以最大流速的80％對(duì)流。對(duì)于管流，這意味著紊流渦旋將在管內(nèi)以接近體積平均流速對(duì)流。紊流渦旋的對(duì)流速度和每一種流量計(jì)的流速之間的精密關(guān)系可以下面的方式以試驗(yàn)的形式校準(zhǔn)。
圖14的流量計(jì)10利用不穩(wěn)定壓力傳感器陣列通過交互相關(guān)不穩(wěn)定壓力變化確定在流體/顆?；旌衔飪?nèi)的渦流擾動(dòng)的對(duì)流速度，這與在于2001年11月8日提出的、標(biāo)題為“Flow Rate Measurement UsingUnsteady Pressures”、申請(qǐng)?zhí)枮?0/007,736的美國(guó)專利申請(qǐng)中所披露的類似，該申請(qǐng)?jiān)谶@里合并參考。
參見圖14，流量計(jì)70包括沿著管12的檢測(cè)部分22和信號(hào)處理單元74。管(或者導(dǎo)管)14具有位于沿管14的間距為ΔX的兩個(gè)測(cè)量區(qū)域76、78。在第一測(cè)量區(qū)域76處，具有間距為X1的兩個(gè)不穩(wěn)定(或者動(dòng)態(tài)或者ac)壓力傳感器80、82，壓力傳感器80、82能夠測(cè)量管14中的不穩(wěn)定壓力，并且在第二測(cè)量區(qū)域78處，具有間距為X2的另外兩個(gè)不穩(wěn)定壓力傳感器84、86，壓力傳感器84、86能夠測(cè)量管14中的不穩(wěn)定壓力。每一對(duì)壓力傳感器80、82和84、86用作空間濾波器以從不穩(wěn)定壓力信號(hào)中去除某些聲信號(hào)，并且距離X1和X2是由每一個(gè)空間濾波器所所需濾波性能確定的，如下面描述的。
本發(fā)明的流量計(jì)70測(cè)量與不穩(wěn)定流動(dòng)場(chǎng)和/或與紊流渦旋(或者渦流場(chǎng))、流中的雜質(zhì)(諸如氣泡、渣等)或者其他任何流的性能、流體或者壓力相關(guān)的壓力擾動(dòng)88相關(guān)的速度，具有被證明至少部分是不穩(wěn)定壓力形式的時(shí)間變化或者隨機(jī)性能。利用多種諸如遠(yuǎn)程機(jī)器、泵、閥、彎頭的非間斷源以及流體流本身在管14的流體內(nèi)產(chǎn)生渦流場(chǎng)。作為最后一種源，在管內(nèi)流動(dòng)的流體是對(duì)于本發(fā)明具有獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的任何流體管道系統(tǒng)保證最小擾動(dòng)的主要由流體和管壁之間的剪切力形成的一般渦流場(chǎng)源。流動(dòng)產(chǎn)生的渦流場(chǎng)通常隨著平均流速增大并且在任何預(yù)定的頻率下不會(huì)出現(xiàn)。同樣，本發(fā)明無需外部不連續(xù)的渦旋產(chǎn)生源，從而可利用主動(dòng)檢測(cè)來操作。如果關(guān)于系統(tǒng)的聲性能的一定的信息是已知的，壓力傳感器間距可是已知的或者任意的并且需要盡可能少的傳感器，這在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)，后面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。
渦流場(chǎng)88通常包括在長(zhǎng)度范圍內(nèi)具有寬度變化的壓力擾動(dòng)，并且具有諸如在參考文獻(xiàn)“Sound and Sources of Sound”，A.P.Dowling等，Halsted Press，1983中描述的多種固有長(zhǎng)度范圍，該文獻(xiàn)在這里合并參考以理解本發(fā)明。這些渦流場(chǎng)88的一些以和/或接近或者與在管中流動(dòng)的混合物內(nèi)的至少一種組分的平均速度相關(guān)的速度對(duì)流。包含關(guān)于對(duì)流速度信息的渦流壓力擾動(dòng)15具有不同于流中的其他擾動(dòng)的時(shí)間和空間的長(zhǎng)度范圍以及固有的長(zhǎng)度范圍。本發(fā)明利用這些性能優(yōu)選地選擇所需的軸向長(zhǎng)度范圍和固有長(zhǎng)度范圍的擾動(dòng)，后面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)描述。為了便于說明，這里所用的術(shù)語渦流場(chǎng)和渦流壓力場(chǎng)用于描述具有這里所述的時(shí)間和空間的長(zhǎng)度范圍以及固有的長(zhǎng)度范圍的上述不穩(wěn)定壓力場(chǎng)組。
壓力P1、P2、P3、P4可通過與外部壓力源端口連接或者利用這里所述的其他技術(shù)連接的管14中的孔被測(cè)量。壓力傳感器80、82、84、86分別在線90-93上提供基于時(shí)間的壓力信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)、P4(t)，提供到信號(hào)處理單元74，信號(hào)處理單元74在線96上提供與在管14中流動(dòng)的流體的平均流量Uf(t)相關(guān)的對(duì)流速度信號(hào)Uc(t)。
另外，在信號(hào)處理單元74內(nèi)的一些或者所有功能可在軟件(利用微處理器或者計(jì)算機(jī))和/或固件中被執(zhí)行，或者可利用具有足以執(zhí)行這里所述功能的存儲(chǔ)器、界面和容量模擬和/或數(shù)字硬件來執(zhí)行。
特別是，在處理單元74中，線90上的壓力信號(hào)P1(t)被提供到加法器100的正輸入，線91上的壓力信號(hào)P2(t)被提供到加法器100的負(fù)輸入。加法器100的輸出被提供到線104以表示兩個(gè)壓力信號(hào)P1和P2之間的差(例如，P1-P2＝Pns1)。
壓力傳感器80、82與加法器100一起形成空間濾波器76。線104被供給到帶通濾波器108，帶通濾波器108通過預(yù)定頻率通帶和在通帶外的衰減頻率。根據(jù)本發(fā)明，濾波器108的通帶被設(shè)定為濾出(或者衰減)dc部分和輸入信號(hào)的高頻部分以及使它們之間的頻率通過。其他的通帶在其他實(shí)施例中可被使用，如果需要的話。通帶濾波器108將在線112上的濾波信號(hào)Pzsf1提供到交互相關(guān)邏輯116，下面將描述的。
線92上的壓力信號(hào)P3(t)被提供到加法器102的正輸入，線93上的壓力信號(hào)P4(t)被提供到加法器102的負(fù)輸入。壓力傳感器83、84與加法器102一起形成空間濾波器78。加法器102的輸出被提供到線106以表示兩個(gè)壓力信號(hào)P3和P4之間的差(例如，P3-P4＝Pns2)。線106被供給到帶通濾波器110，與上述帶通濾波器108類似，帶通濾波器110通過在通帶內(nèi)的頻率和衰減在通帶外頻率。通帶濾波器110將在線114上的濾波信號(hào)Pzsf2提供到交互相關(guān)邏輯116。如果需要的話，加法器110和112上信號(hào)可被交換，如果兩個(gè)加法器的信號(hào)被一起交換。另外，壓力信號(hào)P1、P2、P3、P4在被提供給加法器100和102之前可被放大。
交互相關(guān)邏輯116計(jì)算分別在線112、114上的Pzsf1、Pzsf2之間的已知時(shí)間域并且提供在線118上的表示渦流場(chǎng)88(或者渦旋、隨機(jī)或者渦流結(jié)構(gòu)、場(chǎng)、擾動(dòng)或者流內(nèi)的波動(dòng))從一個(gè)檢測(cè)區(qū)域76傳播到另一個(gè)檢測(cè)區(qū)域78所需要的時(shí)間的時(shí)間延遲τ。如已知的，這樣的渦流擾動(dòng)是可出現(xiàn)在預(yù)定距離(或者固有長(zhǎng)度)上的延遲(延遲預(yù)定量)和以或者接近流體流的平均速度對(duì)流的流中的固有動(dòng)態(tài)。如上所述，渦流場(chǎng)88還具有與其相關(guān)的渦流壓力擾動(dòng)。一般地，渦流擾動(dòng)88在整個(gè)流上被分布，特別在高剪切區(qū)域，諸如邊界層(例如沿著管14的內(nèi)壁)并且如這里所示的作為間斷的渦流場(chǎng)88。由于渦流場(chǎng)(和相關(guān)的壓力擾動(dòng))以或者接近流體流的平均速度對(duì)流，傳播時(shí)間延遲τ通過檢測(cè)區(qū)域76、78之間的距離ΔX與流速相關(guān)，如下面描述的。
盡管與渦流場(chǎng)88相關(guān)的壓力擾動(dòng)自然出現(xiàn)在最大流動(dòng)狀態(tài)下，但可選擇的周向溝槽(未示出)可用于管14的內(nèi)徑中以有助于在流中產(chǎn)生以渦旋形式的不穩(wěn)定的流動(dòng)場(chǎng)。但是，本發(fā)明的操作無需溝槽，這是因?yàn)檠刂軆?nèi)壁自然出現(xiàn)渦旋，如上面所述的。代替一個(gè)周向溝槽，可使用多個(gè)軸向間隔的周向溝槽。溝槽70的尺寸和幾何形狀可基于所需的流態(tài)和其他因素設(shè)定。其他技術(shù)可用作渦流發(fā)生器，如果需要的話，包括可伸入到管14內(nèi)徑內(nèi)的那些。
參見圖14，利用除法器122使得表示檢測(cè)區(qū)域76、78之間的距離ΔX的線120上的間隔信號(hào)ΔX被線18上的時(shí)間延遲信號(hào)τ所除以提供在線96上的表示在管14中流動(dòng)的流體的對(duì)流速度Uc(t)的輸出信號(hào)，這與流體的平均流速Uf(t)相關(guān)(或者成比例或者近似)，定義如下Uc(t)＝ΔX/τ∝Uf(t)公式1對(duì)流速度Uc(t)接著被校準(zhǔn)以精確地確定平均流速Uf(t)，如果需要的話。這樣校準(zhǔn)的結(jié)果可需要使對(duì)流速度Uc(t)的數(shù)值乘以校準(zhǔn)常數(shù)(放大)和/或加上校準(zhǔn)偏差以能夠以所需的精度獲得平均流速Uf(t)。如果需要的話，可使用其他校準(zhǔn)。對(duì)于一些情況，無需這樣的校準(zhǔn)即可符合所需的精度。速度Uf(t)、Uc(t)可通過使速度乘以管的橫截面積而被轉(zhuǎn)換成體積流量。
參見圖16-18，如已知的，了使用交互相關(guān)確定被分離已知距離ΔX的兩個(gè)信號(hào)y1(t)和y2(t)之間的時(shí)間延遲τ，表示與流對(duì)流的量80(例如密度攝動(dòng)、濃度攝動(dòng)、溫度攝動(dòng)、渦流壓力攝動(dòng)和其他量)。在圖16中，信號(hào)y2(t)滯后信號(hào)y1(t)0.15秒。如果時(shí)間域交互相關(guān)被取在兩個(gè)信號(hào)y1(t)和y2(t)之間，那么結(jié)果是如圖1中所示的曲線124。曲線124的最高峰值126表明在兩個(gè)信號(hào)y1(t)和y2(t)之間的時(shí)間滯后τ最佳擬合為0.15秒，與圖17中所示的參考時(shí)間延遲相符。
參見圖14，如上所述，由于與渦流場(chǎng)88內(nèi)相關(guān)的壓力擾動(dòng)以或者接近管14中流動(dòng)的流體流的平均速度對(duì)流(或者流動(dòng))，在下游位置處發(fā)觀察的渦流壓力擾動(dòng)基本上是在上游位置觀察的渦流壓力擾動(dòng)的時(shí)間滯后形式。但是，在管中的總的渦流壓力攝動(dòng)或者擾動(dòng)可被表示為包括渦流壓力擾動(dòng)(Pvortical)、聲壓擾動(dòng)(Pacoustic)和其他類型的壓力擾動(dòng)(Pother)，如下所示的是在任何時(shí)刻處的相對(duì)于沿著管的軸向位置的表達(dá)式P(x，t)＝Pvortical(x，t)+Pacoustic(x，t)Pother(x，t)公式2因此，不穩(wěn)定壓力擾動(dòng)Pvortical可被聲壓擾動(dòng)Pacoustic和其他類型的壓力擾動(dòng)Pother表示。特別是，當(dāng)存在在流體中以聲速在上游和下游傳播的聲壓擾動(dòng)時(shí)，可阻止利用直接渦流壓力測(cè)量的交互相關(guān)對(duì)速度進(jìn)行直接測(cè)量。
本發(fā)明使用時(shí)間和空間濾波器以預(yù)先處理壓力信號(hào)以在兩個(gè)測(cè)量區(qū)域76、78處有效地濾出聲壓擾動(dòng)Pacoustic和在管14中的其他長(zhǎng)波長(zhǎng)(與傳感器間隔相比)壓力擾動(dòng)并且保留與渦流場(chǎng)88相關(guān)的渦流壓力擾動(dòng)Pvortical和任何其他的短波長(zhǎng)(與傳感器間隔相比)低頻壓力擾動(dòng)Pother。根據(jù)本發(fā)明，如果低頻壓力擾動(dòng)Pother小，它們將基本上不削弱Pvortical的測(cè)量精度。
來自于兩個(gè)區(qū)域76、78的Pvortical主要信號(hào)接著被交互相關(guān)以確定兩個(gè)測(cè)量區(qū)域76、78之間的時(shí)間延遲τ。特別是，在檢測(cè)區(qū)域72，在兩個(gè)壓力傳感器80、82之間的差產(chǎn)生空間濾波器76，空間濾波器76有效地濾出(衰減)與傳感器之間的間隔X1相比較長(zhǎng)(例如10比1)的沿著流體傳播的聲波的波長(zhǎng)λ的聲擾動(dòng)。其他波長(zhǎng)與傳感器間隔的比也可被用于表征濾波，只要波長(zhǎng)與傳感器間隔的比足以滿足2比1的空間混疊Nyquist標(biāo)準(zhǔn)即可。
這樣，如果壓力傳感器P1、P2具有軸向間隔X1并且假設(shè)空間濾波器76將衰減長(zhǎng)于傳感器間隔X1十倍的聲波波長(zhǎng)，倍衰減的最小的聲波波長(zhǎng)λmin為λmin＝10(X1)公式3利用下列已知的逆波長(zhǎng)-頻率關(guān)系也可控制單向聲擾動(dòng)λ＝a/f或f＝a/λ 公式4其中a是流體的聲速，f是聲擾動(dòng)的頻率，λ是聲擾動(dòng)的波長(zhǎng)。
利用公式4，這樣的空間濾波器可濾出下列頻率fmax＝a/λmin公式5上述對(duì)空間濾波器76的描述也適用于第二濾波器78，第二濾波器78包括軸向間隔距離為X2的另一對(duì)壓力傳感器P3、P4，它們提供差動(dòng)渦流壓力信號(hào)Pas2。
確定在流體/顆粒混合物內(nèi)的渦流擾動(dòng)的對(duì)流速度的第二技術(shù)的特征在于，利用不穩(wěn)定壓力傳感器陣列的渦流擾動(dòng)的對(duì)流脊，如將描述的。
聲納流動(dòng)測(cè)量方法使用固有結(jié)構(gòu)與湍流管流的對(duì)流速度以確定體積流量。這些渦旋88的對(duì)流速度通過使用聲納陣列處理技術(shù)以確定渦旋對(duì)流經(jīng)過沿著管14布置的不穩(wěn)定壓力測(cè)量裝置陣列時(shí)的速度來確定。
基于聲納的算法通過表征流場(chǎng)的時(shí)間和空間頻率特征來確定渦旋的速度。對(duì)于對(duì)流經(jīng)過傳感器的固定陣列的固有渦旋組，壓力波動(dòng)的時(shí)間和空間頻率內(nèi)容通過下列關(guān)系式相關(guān)ω=kUconvect]]>其中k是波數(shù)，被定義為k＝2π/λ并且具有1/長(zhǎng)度的單位，ω是時(shí)間頻率用rad/sec表示，Uconvect是對(duì)流速度。這樣，波長(zhǎng)越短(k越大)，時(shí)間頻率越高。
在聲納陣列處理中，時(shí)間固定聲場(chǎng)的空間/時(shí)間頻率內(nèi)容通常利用“k-ω”曲線圖表示。k-ω曲線圖實(shí)質(zhì)上是三維功率譜，其中聲場(chǎng)的功率被分解成對(duì)應(yīng)于特定空間波數(shù)和時(shí)間頻率的雙態(tài)。在k-ω曲線圖上，關(guān)于與流對(duì)流的壓力場(chǎng)的功率分布在滿足上述分散關(guān)系的區(qū)域中。該區(qū)域被稱為“對(duì)流脊”(Beranek，1992)并且該脊在k-ω曲線圖上的斜率表示壓力場(chǎng)的對(duì)流速度。這表明了湍流渦旋的對(duì)流速度，以及管內(nèi)的流量可通過根據(jù)傳感器的定相陣列的輸出構(gòu)成k-ω曲線圖并且識(shí)別對(duì)流脊的斜率來確定。
圖19示出了根據(jù)傳感器的定相陣列產(chǎn)生的k-ω曲線圖的示例。功率輪廓示出了明顯的對(duì)流脊。利用參數(shù)優(yōu)化方法確定表示對(duì)流脊100的斜率的“最佳”線。為此，確定14.2ft/sec的斜率。優(yōu)化程序的中間結(jié)果顯示在插件上，表明優(yōu)化值是獨(dú)特的并且明顯優(yōu)選的。
圖19中所示的k-ω曲線圖示出了在基于聲納的流動(dòng)測(cè)量后的基本原理，即，壓力傳感器的軸向陣列可與聲納處理技術(shù)結(jié)合使用以確定自然出現(xiàn)的湍流渦旋在管內(nèi)對(duì)流時(shí)的速度。
這里所述的壓力傳感器15-18可是任何類型的壓力傳感器，能夠測(cè)量在管14內(nèi)的不穩(wěn)定(或者ac或者動(dòng)態(tài))壓力，諸如壓電的、光學(xué)的、電容的、電阻的(例如，Wheatstone橋)、加速計(jì)(或者地震檢波器)、速度測(cè)量裝置、位移測(cè)量裝置等。如果使用光學(xué)壓力傳感器，傳感器15-18可是基于Bragg光柵的壓力傳感器，諸如在1997年9月8日提出的、名稱為“High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor For Use InHarsh Environments”、申請(qǐng)?zhí)枮?8/925,598的美國(guó)專利申請(qǐng)，現(xiàn)在為美國(guó)專利US 6,016,702中所披露的?；蛘?，傳感器14可是與管的外壁或者內(nèi)壁相連或者埋在其中的電學(xué)或者光學(xué)應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量管壁應(yīng)變，包括傳聲器、水聽器或者其他任何能夠檢測(cè)管14內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的傳感器。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，使用光纖作為壓力傳感器14，它們可單獨(dú)相連或者利用波長(zhǎng)分割多路轉(zhuǎn)換(WDM)、分時(shí)多路轉(zhuǎn)換(TDM)或者其他任何光學(xué)多路傳輸技術(shù)沿著一個(gè)或者多個(gè)光纖被多路傳輸。
對(duì)于這里所披露的任何一個(gè)實(shí)施例，特別包括上述的電應(yīng)變計(jì)、光纖和/或光柵的壓力傳感器可通過粘接劑、膠、環(huán)氧樹脂、帶或者其他適合的粘附裝置被粘附到管上以保證在傳感器和管14之間的適合接觸?；蛘?，傳感器可通過已知的機(jī)械技術(shù)(諸如機(jī)械緊固件、彈簧加載的、夾持的、蛤殼布置、綁扎或者其他等同布置形式)以能夠拆卸的方式或者永久地被連接?；蛘撸ü饫w和/或光柵的應(yīng)變計(jì)可被埋在復(fù)合管中。如果需要的話，對(duì)于某些應(yīng)用，光柵可與管14分離(或者張緊或者隔聲地)。
其他任何應(yīng)變檢測(cè)技術(shù)可用于檢測(cè)管中的應(yīng)變變化，諸如與管相連的或者埋在其中的高靈敏壓電、電子或者電應(yīng)變計(jì)，這些都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，壓電壓力傳感器可用作一個(gè)或者多個(gè)壓力傳感器15-18，并且它可通過測(cè)量管內(nèi)的壓力水平來測(cè)量管14內(nèi)的不穩(wěn)定(或者動(dòng)態(tài)或者ac)壓力變化。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，傳感器14包括由PCB壓電材料制成的壓力傳感器。在一個(gè)壓力傳感器中，具有特征在于內(nèi)置微電子放大器并且將高阻抗電荷轉(zhuǎn)變成低阻抗電壓輸出的集成電路壓電電壓模式類型的傳感器。特別是，使用由PCB壓電材料制成的Model 106B，它是適用于在液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)中測(cè)量低壓聲現(xiàn)象的高靈敏、加速補(bǔ)償集成電路壓電石英壓力傳感器。它具有能夠在高靜態(tài)環(huán)境下測(cè)量小于0.001psi的小壓力載荷的獨(dú)特性能。106B具有300m/psi靈敏度和91dB(0.0001psi)的分離度。
壓力傳感器包括內(nèi)置MOSFET微電子放大器以將高阻抗電荷輸出轉(zhuǎn)變成低阻抗電壓信號(hào)。傳感器由恒定電流源供電并且可在沒有信號(hào)衰減的長(zhǎng)的同軸電纜或者帶狀電纜上工作。低阻抗電壓信號(hào)不受摩擦電電纜纜干擾或者絕緣電阻劣化污染的影響。操作集成電路壓電傳感器的功率通常采用低成本的、24至27VDC、2至20mA的恒定電流供給源的形式。本發(fā)明的數(shù)據(jù)獲得系統(tǒng)可包括用于直接為集成電路壓電傳感器供電的恒定電流源。
大多數(shù)壓電壓力傳感器帶有預(yù)加載在剛性殼體中的壓縮描述石英晶體或者無約束的電氣石晶體。這些設(shè)計(jì)為傳感器提供微秒的響應(yīng)時(shí)間和數(shù)百kHz的共振頻率，具有最小的超調(diào)或者振鈴。小膜片直徑確保窄的振動(dòng)波的空間分離度。
壓電壓力傳感器系統(tǒng)的輸出特性是，AC耦合系統(tǒng)的輸出特性，其中重復(fù)的信號(hào)延遲直至在原始基線的上方和下方具有相等的區(qū)域。作為被監(jiān)測(cè)的平均波動(dòng)的振幅大小，輸出在基線周圍保持穩(wěn)定并且曲線的正和負(fù)區(qū)域保持相等。
另外，本發(fā)明認(rèn)為，流量計(jì)10、70的壓力傳感器15-18的每一個(gè)可能包括提供壓電材料110以測(cè)量流體/顆?；旌衔?2的不穩(wěn)定壓力的壓電傳感器104-107，如圖20中所示。壓電材料，諸如聚合物、極化含氟聚合物、聚偏氟乙稀(PVDF)測(cè)量由于處理混合物12內(nèi)的不穩(wěn)定壓力而產(chǎn)生在處理管14內(nèi)的應(yīng)變。利用附帶的壓電傳感器104-107使得在管內(nèi)的應(yīng)變被轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷夯蛘唠娏鳌?br> 如圖21中最佳示出的，PVDF材料110被粘附在圍繞管14的外表面延伸并且夾在外表面上的鋼帶112的外表面上。壓電檢測(cè)元件通常是保角的以完成或者接近完成對(duì)所產(chǎn)生的應(yīng)變的周圍測(cè)量。傳感器可由PVDF薄膜、共聚物薄膜或者撓性PZT傳感器形成，與由Measurement Specialties，Inc.提供的“Piezo Film Sensors Technical Manual”中描述的類似，該文獻(xiàn)在這里合并參考。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下1.非侵入流速測(cè)量2.低成本3.測(cè)量技術(shù)無需激勵(lì)源。周圍流動(dòng)噪聲用作源。
4.撓性壓電傳感器可以多種構(gòu)造被安裝以增強(qiáng)信號(hào)檢測(cè)方案。這些構(gòu)造包括a)設(shè)置在同一位置的傳感器，b)具有相反極性布置的分段傳感器，c)用于增強(qiáng)聲信號(hào)檢測(cè)并且使得渦流噪聲檢測(cè)達(dá)到最小的寬傳感器，d)減小對(duì)管模式的敏感性的專門傳感器，e)從渦流信號(hào)中消除噪聲的傳感器差分。
5.較高的溫度(140℃)(共聚物)盡管本發(fā)明可以測(cè)量懸浮在流體中的固體顆粒，但應(yīng)當(dāng)理解通過使用傳感器的陣列可測(cè)量其它多相的混合物和流體流，例如蒸氣流。另外應(yīng)當(dāng)理解，在流體中大的固體顆粒的分散類似于在氣體或空氣中的液體的大液滴的分散，并且由此當(dāng)測(cè)量蒸氣質(zhì)量和液滴尺寸時(shí)考慮的因素是相似的。
應(yīng)當(dāng)理解，特定的實(shí)施例所述的任何的特征、特點(diǎn)、替代形式或變型可應(yīng)用于其它任何適當(dāng)?shù)膶?shí)施例。
盡管本發(fā)明參照優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解可在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行其它改變和變型。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量在管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的設(shè)備包括設(shè)置在沿管的不同軸向位置處的至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列，每一個(gè)壓力傳感器在相應(yīng)的軸向位置處測(cè)量管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力，每一個(gè)所述傳感器提供表示在對(duì)應(yīng)于其中一個(gè)所述傳感器的所述軸向位置處的管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)；以及信號(hào)處理器，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)提供表示在管中的混合物的至少一個(gè)參數(shù)的信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，每一個(gè)傳感器測(cè)量聲壓并且提供表示在管內(nèi)的噪聲的信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述壓力信號(hào)提供表示通過管中的混合物傳播的聲速的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括計(jì)算沿著所述空間陣列傳播聲音的聲速的邏輯。
5.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括計(jì)算對(duì)于每一個(gè)所述聲壓信號(hào)的基于頻率的信號(hào)的邏輯。
6.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，每一個(gè)所述聲壓信號(hào)包括基于頻率的信號(hào)并且所述信號(hào)處理器包括計(jì)算兩個(gè)所述基于頻率的信號(hào)的比。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備包括至少三個(gè)所述傳感器。
8.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括計(jì)算在管中的混合物的流體組分的邏輯。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)所述壓力傳感器在所述傳感器的所述軸向位置處測(cè)量周向平均壓力。
10.如權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)所述壓力傳感器包括壓電片材。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述壓電片材是極化的含氟聚合物，聚偏氟乙稀(PVDF)。
12.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)所述壓力傳感器測(cè)量管上的應(yīng)變。
13.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，利用分散模型確定基于頻率的聲速以確定混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
14.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，所述聲傳感器的陣列充分間隔開以使陣列的整個(gè)長(zhǎng)度是被測(cè)量的聲波的測(cè)量波長(zhǎng)的至少大部分。
15.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，至少一個(gè)傳感器提供用于測(cè)量沿著管在第一軸向位置處的渦流壓力場(chǎng)并且提供表示所述渦流壓力場(chǎng)的第一壓力信號(hào)的第一濾波器；以及至少第二傳感器提供用于測(cè)量沿著管在第二軸向位置處的渦流壓力場(chǎng)并且提供表示所述渦流壓力場(chǎng)的第二壓力信號(hào)的第二濾波器。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器響應(yīng)于所述第一和第二壓力信號(hào)提供表示在管中移動(dòng)的所述渦流壓力場(chǎng)的速度的速度信號(hào)。
17.如權(quán)利要求16所述的設(shè)備，其特征在于，所述速度信號(hào)與所述流體在管中的移動(dòng)速度相關(guān)。
18.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一和第二濾波器濾出與聲壓場(chǎng)相關(guān)的波長(zhǎng)并且使與所述渦流壓力場(chǎng)相關(guān)的波長(zhǎng)通過。
19.如權(quán)利要求18所述的設(shè)備，其特征在于，所述第一濾波器包括第一空間濾波器；以及所述第二濾波器包括第二空間濾波器。
20.如權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于所述第一空間濾波器包括以相互分離預(yù)定第一距離設(shè)置的至少第一和第二不穩(wěn)定壓力傳感器；以及所述第二空間濾波器包括以相互分離預(yù)定第二距離設(shè)置的至少第三和第四不穩(wěn)定壓力傳感器。
21.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括計(jì)算在所述第一和所述第二不均勻壓力信號(hào)并且提供表示所述渦流壓力場(chǎng)從所述第一位置移動(dòng)到第二位置所用的時(shí)間的時(shí)間延遲信號(hào)的邏輯。
22.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括響應(yīng)于所述時(shí)間延遲信號(hào)提供表示所述渦流壓力場(chǎng)在所述管中移動(dòng)的速度的不均勻速度信號(hào)的邏輯。
23.如權(quán)利要求21所述的設(shè)備，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括響應(yīng)于所述時(shí)間延遲信號(hào)提供表示在所述管中移動(dòng)的所述流體的速度的所述速度信號(hào)。
24.一種用于測(cè)量在管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)的方法包括在沿管的至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置處測(cè)量管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力以提供表示在至少兩個(gè)預(yù)定的軸向測(cè)量位置中的每一個(gè)處的管內(nèi)的不穩(wěn)定壓力的壓力信號(hào)；以及利用在軸向測(cè)量位置處測(cè)量的不穩(wěn)定壓力計(jì)算管中的顆粒/流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，被測(cè)量的不穩(wěn)定壓力是聲壓以提供表示管內(nèi)的噪聲的信號(hào)。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一個(gè)參數(shù)利用聲壓計(jì)算在管中傳播的聲速。
27.如權(quán)利要求24所述的方法，其特征在于，測(cè)量不穩(wěn)定壓力包括在沿著管的第一位置處測(cè)量渦流壓力場(chǎng)并且提供表示所述渦流壓力場(chǎng)的第一渦流壓力信號(hào)；以及在沿著管的第二位置處測(cè)量渦流壓力場(chǎng)并且提供表示所述渦流壓力場(chǎng)的第二渦流壓力信號(hào)，所述第一和所述第二位置以一定軸向距離分離。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，計(jì)算至少一個(gè)參數(shù)使用第一和第二渦流壓力信號(hào)以計(jì)算管中的混合物的速度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種設(shè)備10、70和方法，所述設(shè)備包括放置在沿著管14軸向設(shè)置的預(yù)定軸向位置x1－xn處的不穩(wěn)定壓力傳感器15－18的空間陣列以測(cè)量在管14中流動(dòng)的固體顆粒/流體混合物12的至少一個(gè)參數(shù)。壓力傳感器15－18將聲壓信號(hào)P1(t)－Pn(t)提供到信號(hào)處理單元30，信號(hào)處理單元30利用聲空間陣列信號(hào)處理技術(shù)確定在管14中的顆粒/流體混合物12的聲速amix。需要測(cè)量的主要參數(shù)包括流體/顆粒濃度、流體/顆粒混合物體積流和顆粒尺寸。利用分散模型確定基于頻率的聲速以確定所關(guān)心的參數(shù)。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1643345SQ03806795
公開日2005年7月20日 申請(qǐng)日期2003年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月23日
發(fā)明者D·L·吉斯林, D·H·羅斯 申請(qǐng)人:塞德拉公司