專利名稱：流體運(yùn)動(dòng)和成分分析裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水質(zhì)的測(cè)量，并且更具體地涉及用于測(cè)量流經(jīng)一個(gè)管道的液體中懸浮固體的濃度的裝置。
背景技術(shù)：
污水管排放物以及水凈化的安全處理要求測(cè)量處理管線、下水道以及其它管道中的懸浮固體濃度。
含有少量懸浮固體的污水管排放物可以經(jīng)過簡(jiǎn)化的處理或不處理。處理來自多個(gè)市區(qū)的污水管排放物的工廠可以根據(jù)來自每個(gè)市區(qū)的從進(jìn)水管道測(cè)得的體積流量以及總的懸浮固體濃度來為這些市區(qū)開列帳單。
過去，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)載有固體的水進(jìn)行侵入式的周期采樣，并對(duì)其進(jìn)行分析，以提供關(guān)于水的固體含量的所需信息。
已經(jīng)提出了各種各樣的方法，用于電子地測(cè)量在一定量液體中的總固體濃度，但是仍沒有提供這樣的儀器設(shè)備，以便用于在連續(xù)、實(shí)時(shí)的基礎(chǔ)上同時(shí)地測(cè)量懸浮固體濃度以及流量。
本發(fā)明來源于試圖提供一種用于污水管道和水處理工廠的更實(shí)際的儀器設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要和其次的發(fā)明目的就是提供一種非侵入式的方法和設(shè)備，用于連續(xù)地測(cè)量流過管道的液體中的總固體濃度以及該管道中各流體層的速度。
通過在管子或其它管道的內(nèi)壁上放置聲音發(fā)射器來實(shí)現(xiàn)這個(gè)以及其它有益目的。該發(fā)射器發(fā)射兩對(duì)偏斜的發(fā)散射束，每對(duì)發(fā)散射束之一相對(duì)于該對(duì)發(fā)散射束中的另一個(gè)指向(aim at)下游。所發(fā)射的波形的回波信號(hào)被斬?cái)酁閷?duì)應(yīng)于沿著每個(gè)射束分布的管子中液體的離散體積或空洞(pocket)的采樣。從該射束中接收到的多普勒頻率偏移被翻譯成該管子中多個(gè)流層中的固體的速度量度。使用簡(jiǎn)化算法以及冗余迭代程序?qū)⒎聪蛏⑸涞幕夭ㄐ盘?hào)的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為固體濃度值，其中該冗余迭代程序在連續(xù)地自校正過程中使用從在相鄰層上進(jìn)行的前一次測(cè)量中得到的數(shù)據(jù)來調(diào)整校正參數(shù)。


圖1為裝配有流量和濃度傳感器的管道的概略透視圖；圖2為其概略截面圖；圖3為該濃度、分布以及流速測(cè)量儀器的方框圖；圖4為該電子處理單元的方框圖，以及圖5為該傳感器電路的方框圖。
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的描述現(xiàn)在參看附圖，在圖1和2中，懸浮固體的速度和濃度傳感器1被安裝在管子2的底部，該管子2中承載有其中含有懸浮固體4的污水3，并用圖1中的箭頭5表示流動(dòng)方向。傳感器中的壓電陶瓷沿著指向不同方向的四個(gè)窄射束6、7、8、9發(fā)出含有短脈沖的聲波。該射束被分為兩對(duì)，其中第一束6、8向上游與垂直方向成角度L，該角度L大約20度；而每對(duì)中的第二束7、9向下游傾斜與第一束相同的角度。如圖2中更具體所示，每對(duì)射束的平面相對(duì)于垂直方向及相對(duì)于另一對(duì)射束呈(aim at)橫向角度。脈沖的回波信號(hào)從懸浮固體4被反向散射。由于這些固體相對(duì)傳感器移動(dòng)，因此這些回波信號(hào)在頻率上會(huì)發(fā)生多普勒偏移。安裝在傳感器中央并指向垂直方向的第五陶瓷傳感器10被用于測(cè)量流體的深度。如圖3和4所示，該系統(tǒng)包括電處理單元11，該單元11接收來自傳感器1的輸入信號(hào)RCVS-SIG并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)D-OUT，而該數(shù)字?jǐn)?shù)字D-OUT被提供給數(shù)據(jù)處理器12。該系統(tǒng)將回波信號(hào)劃分為采樣的離散正則區(qū)間，這些采樣對(duì)應(yīng)于流動(dòng)液體的不同的離散體積。從每個(gè)采樣中測(cè)得的頻率偏移中計(jì)算出速度。該結(jié)果為沿著由圖2中的速度輪廓線13所示的射束的速度的線性分布曲線。沿著圖2中的射束9所示的每個(gè)小劃分14表示離散體積中的單獨(dú)速度測(cè)量，通稱為深度單元或采集器。從根據(jù)每對(duì)射束的上游和下游射束測(cè)得的速度數(shù)據(jù)中生成速度輪廓線13。
由于多普勒測(cè)量具有方向性，因此只能測(cè)量沿著發(fā)射和接收方向的速度分量。窄聲束被用于精確地確定水平方向上的流速。也可以通過使用用于進(jìn)行采樣的選通時(shí)間來增強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，其中該采樣對(duì)應(yīng)于在長度和直徑上大約5厘米的小體積。避免了由于范圍應(yīng)變量而引起的返回能譜中的電位偏離。這就導(dǎo)致了對(duì)于流速的垂直和水平分布的測(cè)量非常精確。來自兩對(duì)射束的速度數(shù)據(jù)被代入算法，該算法用以確定流過整個(gè)液體截面的流速的數(shù)學(xué)描述。該算法使得參數(shù)模型的基本功能適于實(shí)際數(shù)據(jù)。該結(jié)果推算出整個(gè)液體中所有點(diǎn)的流速。通過在整個(gè)截面部分區(qū)域?qū)⑦@些結(jié)果整合在一塊，以確定排量。該方法的關(guān)鍵好處就在于該系統(tǒng)可以在不同的水力條件下準(zhǔn)確地運(yùn)行。當(dāng)水力條件變化時(shí)，該變化將在貫穿水流深度的速度分布中顯示出來。由于該系統(tǒng)直接測(cè)量速度分布，因此其適于水力方面的變化，并且生成表示新水力條件的流型，確保對(duì)于流速的精確估計(jì)。測(cè)量懸浮固體4的分布以及濃度源于電子處理單元11中頻率測(cè)量電路的需求，以接收幾乎恒定的輸入電壓。從傳感器1發(fā)出的聲音脈沖具有某一初始強(qiáng)度，當(dāng)該聲音脈沖穿過液體并且被懸浮物顆粒散射時(shí)，該初始強(qiáng)度會(huì)逐步減小。由傳感器檢測(cè)到的反射能量只是發(fā)射出來的一小部分。另外，被反向散射的返回強(qiáng)度也會(huì)根據(jù)，但不僅限于，能量反射點(diǎn)的范圍、反射顆粒的密度以及水溫而發(fā)生顯著地變化。接收到的被削弱的信號(hào)RCV-SIG穿過放大器RCV-AMP，這使其達(dá)到頻率測(cè)量電路所需的電平。信號(hào)強(qiáng)度的大量損失需要進(jìn)行很大程度的放大。所需的放大程度就是信號(hào)強(qiáng)度損失的度量，并且相反也是反向散射強(qiáng)度的度量。由接收信號(hào)強(qiáng)度指示器RSSI提供所需的放大量。該測(cè)量有利于評(píng)估水柱中懸浮固體的濃度。換句話說，該反向散射信號(hào)的強(qiáng)度值被轉(zhuǎn)換為懸浮固體的濃度值，并且接收信號(hào)的頻率偏移被翻譯成液體流中固體速度的指示。
該傳感器輸出信號(hào)RCV-SIG被發(fā)送給提供有隔離和阻抗匹配的接收耦合變換器RCV-XFMR。該信號(hào)被進(jìn)一步放大并由高增益可選對(duì)數(shù)放大器RCV-AMP限制其帶寬。該被放大的接收信號(hào)被提供給一對(duì)混頻器FMIX，其中該信號(hào)被重復(fù)地與本機(jī)振蕩器信號(hào)頻率LO混合在一塊。通過使得該混頻器輸出信號(hào)穿過一對(duì)低頻濾波器LPF來得到所希望的基帶信號(hào)，其中該基帶信號(hào)為接收信號(hào)的差頻以及本機(jī)振蕩器頻率。該基帶信號(hào)包括目前的全部多普勒頻譜，而不包括載波信號(hào)。該混頻器為正交混頻器，其中得到了同相和正交信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)都是相關(guān)器CORR所需要的，并對(duì)其進(jìn)行基本數(shù)字信號(hào)處理。該同相和正交信號(hào)被一對(duì)先入/先出緩沖器FIFO緩存，并變成輸出給數(shù)據(jù)處理器12的數(shù)據(jù)D-OUT的一部分。該回波信號(hào)也被提供給低通濾波器RSSI-LPF，接著被提供給緩沖器RSSI-BUFF，并被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器RSSI-ADC數(shù)字化。最后，它們被提供給數(shù)據(jù)處理器，作為輸出信號(hào)D-OUT的一部分。
定時(shí)發(fā)生器TMG-GEN生成發(fā)射器和接收器所需的全部信號(hào)，例如傳輸信號(hào)、傳輸使能(信號(hào))、以及用于混頻器的本機(jī)振蕩器正交信號(hào)。傳感器發(fā)出的脈沖頻率為1.2288MHz。發(fā)射器放大器XMT-AMP起到電源驅(qū)動(dòng)器的作用，該電源驅(qū)動(dòng)器緩沖了由定時(shí)發(fā)生器生成的邏輯電平信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)發(fā)射器輸出變換器XMT-XFMR，該發(fā)送變換器還在電子處理單元與傳感器之間提供隔離。
電流變換器CURR-XFMR檢測(cè)該傳輸電流。其輸出信號(hào)被定標(biāo)并且被模-數(shù)轉(zhuǎn)換器CURR-ADC數(shù)字化，并被用作數(shù)據(jù)處理器內(nèi)部自檢的一部分。全部定時(shí)發(fā)生器配置都被完全編程，并且被數(shù)據(jù)處理器下載至內(nèi)部RAM上的定時(shí)發(fā)生器。
該數(shù)據(jù)處理器能夠讀回定時(shí)配置數(shù)據(jù)以及數(shù)字化后的電流檢測(cè)數(shù)據(jù)。
圖5中所示的傳感器包括由電子處理單元控制的信號(hào)發(fā)送和接收多路復(fù)用器。由電子處理單元的定時(shí)發(fā)生器TMG-GEN生成的發(fā)射信號(hào)穿過提供了隔離和阻抗匹配的耦合變換器XFMR。該信號(hào)接著被可選的發(fā)送/接收開關(guān)T/R-SW6至T/R-SW10多路傳輸至五個(gè)射束之一。在傳輸相位的末端，該多路復(fù)用器被取消選定。當(dāng)從壓電陶瓷P-6至P-10接收到該回波信號(hào)時(shí)，它穿過了該開關(guān)以及被選中帶通濾波器BPF-6至BPF-10之一，接著被傳至前置放大器PA-6至PA-10，并在被提供給電子控制單元之前被寬帶信號(hào)變換器XFMR轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)。熱敏電阻T-SENSE被用于測(cè)量傳感器的周圍溫度。該溫度信號(hào)被放大器S-AMP定標(biāo)(scale)并緩沖，被傳感器控制XDCR-CTL數(shù)字化，并被提供給電子控制單元。
控制水柱中懸浮顆粒的反向散射的聲學(xué)理論的如下簡(jiǎn)化公式標(biāo)識(shí)出主要因素，該主要因素有助于從強(qiáng)度數(shù)據(jù)中確定懸浮固體濃度。
E＝SL+SV＝Constant-20log(R)-2αwR (等式1)其中E＝回波強(qiáng)度，SL＝發(fā)射功率，SV＝由于水柱中懸浮顆粒而導(dǎo)致的反向散射強(qiáng)度，αw＝描述被水吸收的能量的系數(shù)，R＝傳感器與測(cè)量收集器之間的距離。
該系統(tǒng)測(cè)得的回波強(qiáng)度E為相對(duì)強(qiáng)度，來自對(duì)于返回信號(hào)的壓力振幅的直接測(cè)量。雖然該系統(tǒng)很清楚地識(shí)別出回波強(qiáng)度的變化，但是它無法確定僅僅是由于固體的存在而導(dǎo)致的反向散射強(qiáng)度的精確數(shù)量。必須去除影響最終強(qiáng)度的其它因素。
術(shù)語20log(R)為簡(jiǎn)單幾何函數(shù)，用于說明該波束的球形傳播。該術(shù)語可以被進(jìn)一步定義為包括對(duì)于假設(shè)球形傳播的近場(chǎng)校正。聲速的精確了解對(duì)于確定給定測(cè)量收集器的范圍是很關(guān)鍵的。該系統(tǒng)根據(jù)測(cè)得的時(shí)間和聲速來計(jì)算范圍。通過使用用戶定義的鹽度(對(duì)于污水環(huán)境，假設(shè)為0)以及在傳感器頭部測(cè)得的溫度來計(jì)算聲速。這里描述的方法假設(shè)該聲速穿過水柱時(shí)為恒定。這在污水環(huán)境中是一個(gè)可靠的假設(shè)，因?yàn)樗鞯纳疃仁怯邢薜牟⑶宜鞅怀浞只旌稀?br> 不可能在由不同儀器進(jìn)行的測(cè)量之間直接進(jìn)行比較，除非該儀器已經(jīng)在掃描場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室中被校正過以形成它們的性能特性。術(shù)語SL和常數(shù)Constant說明了這些不同并且也處理了懸浮質(zhì)的特性。了解儀器性能特性對(duì)數(shù)據(jù)的影響以及通過場(chǎng)校準(zhǔn)來校正這些差異的方式，對(duì)于該測(cè)量方法是很關(guān)鍵的。該方法使用測(cè)量的相對(duì)反向散射強(qiáng)度并使用專門設(shè)計(jì)的校正來彌補(bǔ)這種變化并確定懸浮固體的濃度。
最后的兩個(gè)術(shù)語αw和SV是指被水吸收的聲音能量以及相對(duì)反向散射強(qiáng)度。當(dāng)聲音能量穿過水的時(shí)候，它就會(huì)被水吸收，并且αw就是在這個(gè)過程中對(duì)損失的能量的量的度量。SV是我們感興趣的術(shù)語-由于水柱中出現(xiàn)的固體而被反向散射的能量的量。固體數(shù)量的增加或減少都將影響SV的值。沒有包括在等式1中的附加術(shù)語也必須被說明。該術(shù)語描述了由于懸浮質(zhì)的散射和吸收而引起的聲音信號(hào)的衰減。
實(shí)際上為了從測(cè)得的強(qiáng)度中導(dǎo)出水中總懸浮固體TSS的質(zhì)量濃度，必須確定由于固體的存在而導(dǎo)致的真正的反向散射的聲音強(qiáng)度。兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系可以表示如下
M(r)=(K<Prms<r)2<as>ρs<f>2e4r(αw+αs)]]>(等式2)其中M(r)＝回波強(qiáng)度，K＝發(fā)射功率，Prms＝由于水柱中懸浮顆粒導(dǎo)致的反向散射強(qiáng)度as＝顆粒半徑，ρs＝顆粒密度αw＝描述被水吸收的能量的系數(shù)，αs＝描述被水吸收的能量的系數(shù)。
在該等式中，預(yù)期的質(zhì)量濃度，M(r)為沉積物衰減系數(shù)αs的函數(shù)，其中該αs定義了固體的出現(xiàn)如何衰減了該返回信號(hào)。這些參數(shù)都是未知的。為了解決這個(gè)問題，需要使用數(shù)值法。計(jì)算質(zhì)量濃度不需要使用數(shù)值αs。由此得出的數(shù)值M(r)被用于計(jì)算αs。該計(jì)算過程被嵌入在與傳感器最接近的收集器中，用以導(dǎo)出沉積物衰減和質(zhì)量濃度的最終值。接著沿剖面的連續(xù)收集器逐步地應(yīng)用該方法。
這里提出的方法允許現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量固體濃度，并通過使用上述表達(dá)式的簡(jiǎn)化方案來完成Log10M(r)＝Ks+S[dB+2r(αw+αs)](等式3)dB為測(cè)得的相對(duì)反向散射強(qiáng)度，用做球形傳播以及任何可應(yīng)用近場(chǎng)效應(yīng)的校正。S為定義了固體濃度與顆粒大小之間的關(guān)系的相對(duì)反向散射系數(shù)。Ks為現(xiàn)場(chǎng)和儀器常數(shù)，用于校正在給定現(xiàn)場(chǎng)處的特定儀器的個(gè)體特性。其他術(shù)語與等式2中的相同，并且表示由于出現(xiàn)固體(αs)和水的吸收(αw)而導(dǎo)致的強(qiáng)度衰減。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由于被水吸收而損失或被衰減的聲音能量的量取決于聲波的頻率(即，儀器的)、水的鹽度和溫度，如下αw=f91500[1.86SfTf(fT2+f2)+2.86ffT]]]>(等式4)其中αw＝水吸收系數(shù)，單位為奈培/米，
f＝儀器頻率，單位為兆赫茲，S＝鹽度，單位為ppt。
術(shù)語fT被稱為張弛頻率，并由下面的表達(dá)式給出fT=21.9×10(6-1520273+T)]]>(等式5)其中，T為以攝氏度為單位的水溫。
使用這些公式，可以計(jì)算每米由于水吸收而導(dǎo)致的信號(hào)衰減，并因此，通過使用收集器的傾斜長度，可以導(dǎo)出穿過每個(gè)測(cè)量間隔或“收集器”的總的聲音衰減。
當(dāng)穿過水柱的聲音碰到懸浮固體的顆粒時(shí)，固體介質(zhì)的散射和吸收都會(huì)削弱該能量。散射度取決于頻率與顆粒大小之間的關(guān)系?？梢杂貌〝?shù)k來表示頻率，其中k=2πfVs]]>(等式6)其中f＝儀器頻率，單位為赫茲Vs＝為鹽度，單位為ppt。
當(dāng)乘積值kas(其中as為顆粒半徑)小于0.5時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)瑞利散射。這是在懸浮沉積物測(cè)量條件下通常被發(fā)現(xiàn)的范圍。按照如下方式給出沉積物常數(shù)ζ1ζ1=Kαρsk4as3]]>(等式7)其中ρs＝沉積物的密度，單位為千克/立方米Kα＝與壓縮性和密度相關(guān)的術(shù)語(一般數(shù)值為0.18)利用質(zhì)量濃度Mr(千克/立方米)給出由于在范圍r的區(qū)域中的固體的散射而引起的每米中的實(shí)際沉積物衰減α1(奈培/米)由下式表示α1＝Mr×ζ1(等式8)聲音能量也被水柱中的沉積物吸收。下面的表達(dá)式(Urick，1948)被用于確定由于該吸收而導(dǎo)致的每米中的沉積物衰減α2(奈培/米)
α2=Mrk(σ-1)22ρs[ss2+(σ+δ)2]]]>(等式9)其中σ=ρsρw]]>s=94βαs[1+1βαs]]]>β=[kVs2Vw]12]]>其中ρs＝固體顆粒的密度ρw＝水的密度vw＝水的運(yùn)動(dòng)粘度上面的表達(dá)式適用于乘積kas的值，其大大小于1。在該區(qū)域，由于散射，衰減變得可以忽略不計(jì)，并且粘性吸收變得占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
該方法將由于散射和吸收導(dǎo)致的衰減組成一個(gè)沉積物衰減系數(shù)SAC。該SAC可以由用戶定義，或者也可以通過處理軟件使用“額定”或“有效的”，顆粒大小與顆粒的具體比重(2.7)以及壓縮性(0.18)的假定值組合在一塊來計(jì)算。在兩種情況下，需要不可避免地對(duì)輸入值進(jìn)行估計(jì)并且必須由軟件的標(biāo)準(zhǔn)模塊中的迭代操作來改進(jìn)。
在實(shí)際中幾乎不可能從第一原理中計(jì)算出用于沉積物自然群體的沉積物衰減系數(shù)。在軟件中使用的方法是一個(gè)實(shí)用方法，其中使用實(shí)際觀察到的數(shù)據(jù)來形成系數(shù)的可使用數(shù)值。因此，這就變成了有些理論上的問題，關(guān)于例如顆粒大小和壓縮性的輸入值是否正確。
控制數(shù)據(jù)處理器的計(jì)算機(jī)程序CP根據(jù)簡(jiǎn)化的等式3以及通過校準(zhǔn)而導(dǎo)出的沉積物衰減值進(jìn)行從所測(cè)得的反向散射強(qiáng)度中導(dǎo)出沉積物濃度所需的所有計(jì)算。該程序從未加工的系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件中導(dǎo)入反向散射數(shù)據(jù)(用儀器數(shù)表示)以及輔助信息(例如溫度，鹽度等)。用戶可以在鍵盤上輸入特定位置的校正值(例如數(shù)值S和Ks)或者通過該程序從輸入的數(shù)據(jù)中確定這些數(shù)值。用戶也可以輸入TSS值，其中可以通過對(duì)水進(jìn)行采樣并接著在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行分析來測(cè)得該TSS值。這些采樣可以與系統(tǒng)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行，使得能夠確定系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)值與實(shí)際數(shù)值之間的直接校正。
接著，該程序從每個(gè)傳感器下面的第一有效測(cè)量收集器中得到未加工的測(cè)得數(shù)據(jù)。使用迭代程序計(jì)算各種所需的參數(shù)并求解等式3，以得到傳感器與第一收集器之間的間隔中以及第一整體收集器中的懸浮沉積物濃度(這里該系統(tǒng)無法獲得數(shù)據(jù))。接著再次將該計(jì)算后的固體濃度以及沉積物衰減提供給系統(tǒng)，以在下一個(gè)收集器中進(jìn)行相對(duì)校正，這將接著通過使用類似的迭代法解決。重復(fù)該過程，直到最后的整個(gè)收集器都被解決了。軟件接著轉(zhuǎn)移至下一個(gè)數(shù)據(jù)集合體。
之后，該程序?qū)υ撚?jì)算出的濃度進(jìn)行顯示，并將其與實(shí)際測(cè)得的濃度進(jìn)行比較。接著計(jì)算出兩組數(shù)據(jù)之間的實(shí)際誤差也被顯示作為深度和濃度的函數(shù)。用戶接著調(diào)整不同的參數(shù)(S，Ks，以及SAC)以改進(jìn)各組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性。因?yàn)檫@是一個(gè)迭代的過程，并且一些參數(shù)被初始給定源數(shù)值，因此用戶對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以增加兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性并將誤差降至零，同時(shí)實(shí)時(shí)觀測(cè)它們的動(dòng)作的結(jié)果。
該方法可以被用在衛(wèi)生污水管道環(huán)境中，并且除了流量測(cè)量以外，還可以提供歷史和實(shí)時(shí)TSS測(cè)量。這將允許用戶測(cè)量衛(wèi)生污水管道系統(tǒng)中固體的總體的質(zhì)量輸運(yùn)，以及水的大量輸運(yùn)。這里描述的方法通過使用來自多個(gè)射束的數(shù)據(jù)來完成。該方法能夠查看流體中深度方向上固體濃度的空間分布以及總的固體濃度。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)備，用于測(cè)量懸浮在流動(dòng)液體中固體的濃度、分布以及速度，其中包括發(fā)射器，用于發(fā)射至少一個(gè)方向的聲波束；至少一個(gè)檢測(cè)器，用于接收從所述固體反向散射的所述波的回波信號(hào)；用于收集所述回波信號(hào)的測(cè)得強(qiáng)度值的裝置；用于測(cè)量所述回波信號(hào)的多普勒頻率偏移的裝置；以及數(shù)據(jù)處理設(shè)備，包括用于將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為所述固體的濃度值的裝置，以及用于將所述頻率偏移翻譯成所述固體速度度量的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其中所述流動(dòng)液體被包括在一個(gè)管道中，該管道具有方向流，并且所述發(fā)射器和檢測(cè)器位于所述管道內(nèi)部。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其中所述發(fā)射器從基本上相同的位置發(fā)出至少第一對(duì)所述波束，該所述對(duì)中的第二束相對(duì)于第一束指向下游并與所述第一束成縱向角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的設(shè)備，進(jìn)一步包括第二對(duì)所述波束，其與所述第一對(duì)波束成橫向角。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，進(jìn)一步包括裝置，用于生成所述回波信號(hào)的采樣，所述回波信號(hào)對(duì)應(yīng)于沿著所述波束分布的所述液體的離散體積。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置包括通過輸入現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息來校準(zhǔn)所述強(qiáng)度值的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置進(jìn)一步包括用于輸入從前一次測(cè)量中所得到的懸浮固體濃度值的裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息包括水溫、鹽度和聲音系統(tǒng)常數(shù)、以及濃度與顆粒大小之間的回波信號(hào)分配比率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)一步包括程序裝置，用于在使用從沿著相同波束的兩個(gè)體積中的另一個(gè)中獲得的數(shù)值來轉(zhuǎn)換來自所述體積之一的強(qiáng)度值時(shí)，調(diào)整至少一個(gè)校正參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述用于校正的裝置包括用于自動(dòng)輸入信息的裝置，以及用于手動(dòng)輸入信息的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置包括用于根據(jù)如下公式計(jì)算在范圍r上單位體積的固體質(zhì)量濃度M(r)的裝置Log10M(r)＝Ks+S[dB+2r(αw+αs)]其中Ks為現(xiàn)場(chǎng)和儀器常數(shù)，S為相對(duì)反向散射系數(shù)，其定義了固體濃度與顆粒大小之間的關(guān)系，dB為測(cè)得的相對(duì)反向散射系數(shù)，αw為水衰減系數(shù)，αs為由于固體的存在而引起的衰減系數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置進(jìn)一步包括裝置，用于使用獲得的M(r)值與所述體積之一，以計(jì)算所述衰減系數(shù)αs；以及裝置，用于在將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為M(r)值時(shí)，為遠(yuǎn)離所述發(fā)射器的下一個(gè)所述體積輸入αs。
13.根據(jù)權(quán)利要求4的設(shè)備，進(jìn)一步包括裝置，用于生成所述回波信號(hào)的采樣，所述回波信號(hào)對(duì)應(yīng)于沿著所述波束分布的所述液體的離散體積。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置包括通過輸入現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息來校準(zhǔn)所述強(qiáng)度值的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置進(jìn)一步包括用于輸入從前一次測(cè)量中所得到的濃度值的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，其中所述現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息包括水溫、鹽度和聲音系統(tǒng)常數(shù)、以及濃度與顆粒大小之間的回波信號(hào)分配比率。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述處理設(shè)備進(jìn)一步包括程序裝置，用于在使用從沿著相同波束的兩個(gè)體積中的另一個(gè)中獲得的數(shù)值來轉(zhuǎn)換來自所述體積之一的強(qiáng)度值時(shí)，調(diào)整至少一個(gè)校正參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，其中所述用于校正的裝置包括用于自動(dòng)輸入信息的裝置，以及用于手動(dòng)輸入信息的裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置包括用于根據(jù)如下公式計(jì)算在范圍r上單位體積的固體質(zhì)量濃度M(r)的裝置Log10M(r)＝Ks+S[dB+2r(αw+αs)]其中Ks為現(xiàn)場(chǎng)和儀器常數(shù)，S為相對(duì)反向散射系數(shù)，其定義了固體濃度與顆粒大小之間的關(guān)系，dB為測(cè)得的相對(duì)反向散射強(qiáng)度，αw為水衰減系數(shù)，以及αs為由于固體的存在而引起的衰減系數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的設(shè)備，其中所述用于轉(zhuǎn)換的裝置進(jìn)一步包括裝置，用于使用獲得的M(r)值與所述體積之一，以計(jì)算所述衰減系數(shù)αs；以及裝置，用于在將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為M(r)值時(shí)，為遠(yuǎn)離所述發(fā)射器的下一個(gè)所述體積輸入αs。
21.一種方法，用于測(cè)量懸浮在流動(dòng)液體中的固體的濃度、分布以及速度，其包括發(fā)射至少一個(gè)方向的聲波束穿過所述液體；檢測(cè)器接收從所述固體反向散射的所述波的回波信號(hào)；收集所述回波信號(hào)的測(cè)得強(qiáng)度值；測(cè)量所述回波信號(hào)的多普勒頻率偏移；將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為所述固體的濃度值，以及將所述頻率偏移翻譯成所述固體速度的度量。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述流動(dòng)液體被包括在一個(gè)管道中，該管道具有方向流，并且所述發(fā)射器和檢測(cè)器位于所述管道內(nèi)部。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述發(fā)射步驟包括從基本上相同的位置發(fā)出至少第一對(duì)所述波束，該所述對(duì)中的第二束相對(duì)于第一束指向下游并與所述第一束成縱向角。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，進(jìn)一步包括發(fā)射第二對(duì)所述波束，其與所述第一對(duì)波束成橫向角。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，進(jìn)一步包括生成所述回波信號(hào)的采樣，所述回波信號(hào)對(duì)應(yīng)于沿著所述波束分布的所述液體的離散體積。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟包括通過輸入現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息來校準(zhǔn)所述強(qiáng)度值。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)一步包括用于輸入從前一次測(cè)量中得到的懸浮固體濃度值。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所述現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息包括水溫、鹽度和聲音系統(tǒng)常數(shù)，以及濃度與顆粒大小之間的回波信號(hào)分配比率。
29.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，進(jìn)一步包括，在使用從沿著相同波束的兩個(gè)體積中的另一個(gè)中獲得的數(shù)值來轉(zhuǎn)換來自所述體積之一的強(qiáng)度值時(shí)，調(diào)整至少一個(gè)校正參數(shù)。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述校正包括自動(dòng)輸入信息，以及手動(dòng)輸入信息。
31.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述轉(zhuǎn)換包括根據(jù)如下公式計(jì)算在范圍r上單位體積的固體質(zhì)量濃度M(r)Log10M(r)＝Ks+S[dB+2r(αw+αs)]其中Ks為現(xiàn)場(chǎng)和儀器常數(shù)，S為相對(duì)反向散射系數(shù)，其定義了固體濃度與顆粒大小之間的關(guān)系，dB為測(cè)得的相對(duì)反向散射強(qiáng)度，αw為水衰減系數(shù)，以及αs為由于固體的存在而引起的衰減系數(shù)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)一步包括使用獲得的M(r)值與所述體積之一，以計(jì)算所述衰減系數(shù)αs；以及在將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為M(r)值時(shí)，為遠(yuǎn)離所述發(fā)射器的下一個(gè)所述體積輸入αs。
33.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，進(jìn)一步包括對(duì)所述回波信號(hào)進(jìn)行采樣，所述回波信號(hào)對(duì)應(yīng)于沿著所述波束分布的所述液體的離散體積。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟包括通過輸入現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息來校準(zhǔn)所述強(qiáng)度值。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)一步包括用于輸入從前一次測(cè)量中得到的濃度值。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中所述現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息包括水溫、鹽度和聲音系統(tǒng)常數(shù)，以及濃度與顆粒大小之間的回波信號(hào)分配比率。
37.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備進(jìn)一步包括程序，用于在從沿著相同波束的兩個(gè)體積中的另一個(gè)中獲得的數(shù)值來轉(zhuǎn)換來自所述體積之一的強(qiáng)度值時(shí)，調(diào)整至少一個(gè)校正參數(shù)。
38.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，其中所述校正步驟包括自動(dòng)輸入信息，以及手動(dòng)輸入信息。
39.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟包括根據(jù)如下公式計(jì)算在范圍r上單位體積的固體質(zhì)量濃度M(r)Log10M(r)＝Ks+S[dB+2r(αw+αs)]其中Ks為現(xiàn)場(chǎng)和儀器常數(shù)，S為相對(duì)反向散射系數(shù)，其定義了固體濃度與顆粒大小之間的關(guān)系，dB為測(cè)得的相對(duì)反向散射強(qiáng)度，αw為水衰減系數(shù)，以及αs為由于固體的存在而引起的衰減系數(shù)。
40.根據(jù)權(quán)利要求39的方法，其中所述轉(zhuǎn)換步驟進(jìn)一步包括使用獲得的M(r)值與所述體積之一，以計(jì)算所述衰減系數(shù)αs；以及在將所述強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為M(r)值時(shí)，為遠(yuǎn)離所述發(fā)射器的下一個(gè)所述體積輸入αs。
全文摘要
一種遙感器以及相關(guān)的數(shù)據(jù)處理器，對(duì)來自依靠在輸送管(2)或管道內(nèi)壁上的多波束(6－10)聲音多普勒發(fā)射器/接收器(1)的反相散射信號(hào)進(jìn)行并行分析。返回信號(hào)的范圍選通允許對(duì)反相散射信號(hào)數(shù)據(jù)的離散體積進(jìn)行單獨(dú)的分析，其中該信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于水和懸浮固體(4)的小單個(gè)體積或采集器的分布、濃度以及流速。從測(cè)得的多普勒頻率偏移得出每個(gè)采集器的速度。估計(jì)相對(duì)固體密度，作為反相散射信號(hào)的測(cè)得強(qiáng)度的函數(shù)。通過將現(xiàn)場(chǎng)特定環(huán)境信息輸入到分析計(jì)算機(jī)程序中來校正該強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其中該環(huán)境信息為例如溫度、鹽度、聲音系統(tǒng)常數(shù)、濃度與粒度之間的反相散射信號(hào)譯碼比率，以及從物理采樣及前面的實(shí)驗(yàn)室分析中得到的被同時(shí)測(cè)量的濃度值。該程序在連續(xù)的自校正過程中使用冗余迭代程序，其中該程序使用從前面對(duì)相鄰層的測(cè)量中得到的數(shù)據(jù)來調(diào)整校正參數(shù)。該設(shè)備和方法均提供了對(duì)于管道或通道液體流(3)中的懸浮固體的分布、濃度以及速度的歷史及實(shí)時(shí)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F1/20GK1934423SQ200480038837
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2004年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月24日
發(fā)明者米夏埃爾·A·梅特卡夫, 約翰·M·蘭德 申請(qǐng)人:泰拉丁艾斯科公司