CN1192213C - 利用声压测量管道中的流体参数的装置和方法 - Google Patents

Abstract

利用沿管道12的预定轴向位置x1、x2、x3所布置的声压传感器14、16、18的空间阵列来测量管道12中至少一个流体的至少一个参数。压力传感器14、16、18在线20、22、24上提供声压信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)，将这些信号提供给信号处理逻辑电路60，逻辑电路60利用声空间阵列信号处理技术在沿管道12纵轴声信号传播的方向上来确定管道12中流体(或混合物)的声速。可以利用众多的空间阵列处理技术来确定声速a_mix。将声速a_mix提供给逻辑电路48，逻辑电路48计算当前的混合物组分，例如水的容积率、或与声速a_mix有关的混合物或流体的任何其他参数。逻辑电路60还可以确定流体的马赫数Mx。测量的声压信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)与那些用于超声波流量计的信号相比是较低频率(和较长波长)的信号，因此更能容许流体中的非均质。不需要显在的声源，并因此可以利用被动收听来工作。如果关于系统声特性的某个信息是已知的，可以利用任何传感器间距并利用较少的两个传感器来实现本发明。

Description

利用声压测量管道中的流体参数的装置和方法

技术领域

本发明涉及管道中流体参数的测量，并且更具体地涉及使用声压测量与管道中流体有关的参数和声速。

背景技术

众所周知可以利用管道中流体的声速a_mix来确定流体的各种参数，例如在属于Alexander等人的标题为“Sonic Measurement of FlowRate and Water Content of O11-Water Streams(油水流的流率及水含量的声学测量)”美国专利No.4,080,837中，和属于Shen的标题为“Measurement of Fluid Properties of Two-Phase Fluid Usingan Ultrasonic Meter(利用超声计测量两相流体的流体性能)”美国专利No.5,115,670中，以及属于Fick的标题为“Apparatus forUltrasonically Measuring Physical Parameter of Flowing Media(超声方法测量流动介质的装置)”美国专利No.4,114,439中描述的。这种技术具有一对声发射器/接收器(收发器)，其产生声音信号并且测量该声音穿过收发器之间运行的时间。“声循环”和“发射时间”的方法也是众所周知的。但是，这种技术需要对声源进行精确控制，并且对于在电子学中实现是昂贵的和/或复杂的。

此外，这些技术使用超声波信号作为待测量的声音信号，这种信号是高频的短波信号(即，波长比管道直径短)。典型的超声波装置在接近200kHz处工作，其相应于水中大约0.3英寸的波长。通常，为了允许信号以不受阻碍和从而可以进行分析的方式穿过流体传播，流体必须在比声信号波长小几倍的长度比例下保持均质。因此，对于更短波长的信号，流体均质性的标准就变得越来越严格。因此，流体中的不均质性，例如气泡、气体、杂质、沙子、金属块、分层、流体的水珠等类似物，将反射或散射所发射的超声波信号。这种反射或散射抑制了该装置确定传播速度的能力。由于这个原因，超声波流量计的应用主要限制在充分混合的流体中。

发明摘要

本发明的目的包括提供一种系统，用于测量管道中流体的声速。

根据本发明的第一方面，提供一种装置，用于测量管道中至少一个流体或者流体混合物的声速，包括：至少两个压力传感器的空间阵列，沿管道布置在不同的轴向位置上，并且每个测量相应轴向位置处管道内的声压，每个所说传感器提供一个声压测量值信号，代表在一个对应的所说传感器的轴向位置处的管道内的声压；和信号处理器，响应于所说压力信号并对所述压力测量值组合，以便提供代表管道内流体或流体混合物声速的信号，其中所述信号处理器包括求解下列方程以获得所述声速的逻辑部分：

$P(x_1,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_1}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_1{x}_1})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_2,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_2}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_1{x}_2})e^{\mathrm{i\ωt}}$

其中P(x1，t)和P(x2，t)分别是沿管道在轴向位置x1、x2处的声压场，A、B分别是基于频率的右和左行波的合成振幅，t是时间，I是-1的平方根，ω是频率(单位为弧度/秒)，并且k_r、k_l分别是右侧和左侧行波的波数。。

根据本发明的一个实施例，该信号处理器计算声音沿所述空间阵列传播的速度。

根据本发明的一个实施例，该信号处理器计算每个声压信号的频域表达式(或以频率为基础的信号)。根据本发明的实施例，该信号处理器计算两个频率信号的比值。在根据本发明的实施例中，该传感器包括至少三个传感器。

根据本发明的一个实施例，该压力传感器是基于布拉格(Bragg)光栅的光纤压力传感器。在根据本发明的实施例中，至少一个压力传感器测量在给出的传感器轴向位置处的圆周平均压力。根据本发明的实施例，至少一个压力传感器在给出的传感器轴向位置测量管道圆周上多于一点处的压力。

根据本发明的第二方面，提供一种方法，用于测量管道内流体或流体混合物的至少一个参数，包括：至少在两个沿管道的预定轴向测量位置来测量管道内的声压，以提供至少两个相应的压力测量值信号；和通过组合所述至少两个压力测量值信号，来计算流体或流体混合物的声速，其中包括求解下列方程以获得所述声速的步骤：

$P(x_1,t)=(A{e}^{-i{k}_r{x}_1}+B{e}^{+i{k}_1{x}_1})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_2,t)=(A{e}^{-i{k}_r{x}_2}+B{e}^{+l{k}_1{x}_2})e^{\mathrm{i\ωt}}$

其中P(x1，t)和P(x2，t)分别是沿管道在轴向位置x1、x2处的声压场，A、B分别是基于频率的右和左行波的合成振幅，t是时间，I是-1的平方根，ω是频率(单位为弧度/秒)，并且k_r、k_l分别是右侧和左侧行波的波数。

本发明提供对现有技术的重大改进，通过利用沿管道的声压(或交流电、动态、不稳定、或随时间变化)测量轴向阵列，提供管道内一个或多个流体(其中将流体定义为液体或气体)混合物的声速a_mix测量。不需要显在的噪声源，因为仅通过被动的声音收听，管道内(或流体内)的背景噪声将很可能提供足够的激励，来使得混合物的声速特征化。

利用具有比用于超声波测量仪低的频率(并因此波长较长)的声信号来实现本发明，例如在20kHz以下(取决于管径)。例如，本发明更能允许流体中气体、沙子、金属块、或其他非均质的引入。

利用任意的传感器间隔和任意的流体马赫(Mach)数Mx来实现本发明；但是，如果传感器均等地隔开，和流体的轴向速度与混合物的声速相比很小并因此可以忽略(即，混合物的Mach数Mx小于1)，可以将声速a_mix确定为该声压信号在给出的测定频率ω处的频域的显函数表达式(以频率为基础的信号)。

由于声速是混合物的固有特性，本发明可以用来测量管道中一个或多个流体的任何混合物的任何参数(或特征)，其中这些参数与混合物的声速a_mix有关，例如流体组分、温度、盐度、沙子颗粒、金属块、管道特性等，或与混合物声速有关的混合物的任何其他参数。例如，本发明可以用来测量任何数量流体的混合物的流体容积率(或成分或冲蚀或容积)，其中混合物的声速a_mix与混合物两个组分，例如油/水、水/气、油/气的容积率有关(或基本由其确定)。此外，本发明可以用来测量任何混合物的声压，然后可以将其与其他已知量结合来得出具有多个(多于两个)组分混合物的物相含量。

本发明允许独立于管道的方向、即，垂直、水平、或他们之间的任何方向来确定管道中的声速。此外，本发明不需要对管道内的流动进行任何中断(例如喷嘴或喷管)。此外，本发明使用相对于静态(dc)压力测量的ac(或不稳定或动态)压力测量，并因此降低对探测中静态偏移(或误差)的敏感度。此外，如果使用恶劣环境下的光纤压力传感器来获得压力测量，这种传感器不需要任何电子元件下井，因此提高了测量的可靠性。

此外，测量管道上周向应变的应变仪(光、电等)可以用来测量ac压力。可以使用光纤缠绕的传感器来作为光应变仪来提供周向平均压力。因此，本发明提供声速(和其他相应参数)的非插入测量，能够用于油和气勘测和生产或其他应用的实时监控和最优化处理。

根据下述对其优选实施例的详细描述，将使本发明的上述和其他目的、特征和优点变得更清楚。

附图的简要说明

图1是根据本发明的流体参数测量系统的示意方框图；

图2是根据本发明的混合物声速与油/水混合物的水容积率百分比的关系曲线；

图3是根据本发明的具有9个区域和辐射阻抗ξ_rad的管道的一个例子的发射矩阵模型；

图4中(a)-(c)是表示根据本发明的图3管道区域的混合物特性ρ_mix、a_mix、h_water轴向值的图表；

图5是根据本发明，辐射阻抗为1.0、水组分为50％、和具有图4的轴向特性时，两个压力的比值P1/P2的大小和相位与频率的关系曲线；

图6是根据本发明，辐射阻抗为1.0、水组分为50％、和具有图4的轴向特性时，两个压力的比值P1/P3的大小和相位与频率的关系曲线；

图7是根据本发明，使用相应于图5、6的频率，计算的声速大小与误差项在整个频率范围上的关系曲线；

图8是根据本发明，当辐射阻抗为0.5、水组分为50％、和混合物轴向特性恒定时，两个压力的比值P1/P2的大小和相位与频率的关系曲线；

图9是根据本发明，辐射阻抗为0.5、水组分为50％、和当混合物轴向特性恒定时，两个压力的比值P1/P3的大小和相位与频率的关系曲线；

图10是根据本发明，当辐射阻抗为0.5、水组分为5％、和混合物轴向特性恒定时，两个压力的比值P1/P2的大小和相位与频率的关系曲线；

图11是根据本发明，辐射阻抗为0.5、水组分为5％、和混合物轴向特性恒定时，两个压力的比值P1/P3的大小和相位与频率的关系曲线；

图12是根据本发明，使用相应于图8-11的两个不同水组分的频率，计算的声速大小与误差项在整个频率范围上的关系曲线；

图13是根据本发明，对于水组分为5％、Mach数为0.05，在25Hz时声速与轴向Mach与误差项之间函数关系的等高线图；

图14是根据本发明，水组分为50％、Mach数为0.05、在25Hz时声速与轴向Mach与误差项之间函数关系的等高线图；

图15是根据本发明的图1的部分逻辑电路的逻辑流程图；

图16是根据本发明的图15逻辑流程图的延续；

图17是根据本发明使用光纤传感器，在油井或气井应用中的流体参数测量系统的示意方框图；

图18是根据本发明的刚性和非刚性管道中声速与管道壁厚的函数图；

图19是根据本发明，表示管道周围多个传感器的管道剖视图；

图20是根据本发明在管道探测区域周围具有隔绝套管的管道的侧视图；

图21是根据本发明表示管道内部和外部压力的管道端视图；

图22是根据本发明的管道的侧视图，在每个不稳定压力测量位置受到光纤的缠绕、并且在每个光纤束周围具有一对Brag栅；

图23是根据本发明的管道的侧视图，其中在每个不稳定压力测量位置受到光纤的缠绕、并且在每对光纤束之间具有单个Bragg栅；

图24是根据本发明的管道的侧视图，其中在每个不稳定压力测量位置受到光纤的缠绕、并且在每个光纤束周围没有Bragg栅；

图25是根据本发明，具有散热器管几何结构的图21、22中光纤的另一种几何结构；

图26是根据本发明滚珠座圈几何结构的图21、22中光纤的另一种几何结构；

图27是根据本发明在每个轴向探测位置具有一对栅的管道侧视图；

图28是根据本发明在每个轴向探测位置具有单个栅的管道侧视图；

图29是根据本发明的另外三个应变仪的顶视图；

图30是根据本发明的管道侧视图，具有粘附上的三个轴向隔开的应变仪；

图31是根据本发明的管道端视图，在管道内具有相互隔开的三个非稳态压力传感器；

图32是根据本发明的管道侧视图，在管道内具有轴向隔开的三个非稳态压力传感器；

图33是根据本发明的管道侧视图，在管道内具有轴向和径向隔开的三个非稳态压力传感器；

图34是根据本发明具有内管的管道的侧视图，具有轴向分布的非稳态压力传感器光纤束；

图35是根据本发明具有内管的管道的侧视图，具有轴向分布的沿内管布置的非稳态压力传感器；

图36是根据本发明具有内管的管道的侧视图，具有三个轴向分布的布置在内管里的水听器；

图37是根据本发明表示超声波从二维空间内的单个声源向空间阵列传播的图；

图38是根据本发明管道的侧视图，具有沿管道传播的左和右传播的超声波；

图39是根据本发明表示从两个空间间隔中的两个声源向空间阵列传播的图；

图40是根据本发明的流体参数测量系统的另一个实施例的示意方框图；

图41是根据本发明声速与含水量的关系曲线。

实施本发明的最佳模型

参照图1，管道(或导管)12具有三个超声波压力传感器14、16、18，沿管道12布置在位置x₁、x₂、x₃处。通过与外部压力传感器相连的管道12中的孔或通过下文所描述的其他技术可以测量压力。压力传感器14、16、18分别在线20、22、24上向已知的快速傅立叶变换(FFT)逻辑电路26、28、30提供随时间变化的压力信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)。FFT逻辑电路26、28、30计算基于时间的输入信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)的傅里叶变换，并且提供位于线32、34、36上代表输入信号频率成份的综合频域(或基于频率的)信号P₁(ω)、P₂(ω)、P₃(ω)。也可以用其他技术代替FFT来获得信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)的频域特征。例如，可以使用交叉频谱密度和功率谱密度来形成下文所描述的频域转换函数(或频率响应或比值)。

此外，可以在软件(使用微处理器或计算机)和/或固件中实现逻辑电路60内的任何或所有函数，或者可以利用具有充足内存、界面、和能够执行下述函数的模拟和/或数字硬件来实现。

频率信号P₁(ω)、P₂(ω)、P₃(ω)馈送给a_mix-Mx计算逻辑电路40，其在线46上提供代表混合物声速a_mix(在下文更详细描述)的信号。a_mix信号提供给变换(或等分)逻辑电路48，其将a_mix转换为流体的百分比成分，并且在线50上提供代表它(如下文所述)的a％比较信号。此外，如果Mach数Mx是不可以忽略的并且希望知道它，计算逻辑电路40还可以在线59上提供代表Mach数Mx的信号Mx(如下所述)。

具体地，对于同质混合物中的平面一维超声波，已知沿管道在位置x的超声压力场P(x，t)，其中待测量的超声波波长λ比管道12的直径d长(即，λ/d＞＞1)，可以表述为右行波和左行波的叠加，如下所示：

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

其中A、B分别是基于频率的右和左行波的合成振幅，x是沿管道的压力测量位置，ω是频率(单位为弧度/秒(rad/sec)，其中ω＝2πf)，并且k_r、k₁分别是右侧和左侧行波的波数，将其定义为：

$k_r\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1+M_x}\mathrm{and}{k}_l\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1-M_x}$ 公式2

其中a_mix是管道中混合物的声速，ω是频率(rad/sec)，和Mx是管道内混合物流量的轴向Mach数，其中：

$M_x\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{a_{\mathrm{mix}}}$ 公式3

其中V_mix是混合物的轴向速度。对于非均质混合物，轴向Mach数表示混合物的平均速度，并且低频声场等级基本保持不变。

管道内以时间为基础的声压场P(x，t)的频域表达式P(x，ω)，是公式1的e^iωt项的系数，如下所示：

$P(x,\mathrm{\ω})=A{e}^{-i{k}_{r}x}+B{e}^{+i{k}_{1}x}$ 公式4

参照图1，我们发现在沿管道12的三个轴向分布的压力测量位置x₁、x₂、x₃使用P(x，ω)的公式4，得到一个a_mix等式，作为以频率为基础的压力测量的比值的函数，其允许消除系数A、B。为得到最佳效果，A和B在测量时间中基本上是常数，和在测量区域中基本上没有产生或破坏声音(或声能)。声激励仅经过测试区域51的末端进入测试区域，因此可以独立于测试区域外的声环境来测量测试区域51内的声速。具体地，利用公式1分别沿管道12的三个位置x₁、x₂、x₃，对右侧和左侧行波的频域压力测量P₁(ω)、P₂(ω)、P₃(ω)如下：

$P_1\left(\mathrm{\ω}\right)=P(x=x_1,\mathrm{\ω})=A{e}^{-i{k}_r{x}_1}+B{e}^{+i{k}_1{x}_1}$ 公式5

$P_2\left(\mathrm{\ω}\right)=P(x=x_2,\mathrm{\ω})=A{e}^{-i{k}_r{x}_2}+B{e}^{+i{k}_1{x}_2}$ 公式6

$P_3\left(\mathrm{\ω}\right)=P(x=x_3,\mathrm{\ω})=A{e}^{-i{k}_r{x}_3}+B{e}^{+i{k}_r{x}_3}$ 公式7

其中，对于给定频率，A和B是描述传感器14、16、18之间声场的任何常数。从公式6、7形成P₁(ω)/P₂(ω)的比值，和求出B/A，给出下面的表达式：

$R\≡\frac{B}{A}=\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-i{k}_r{x}_2}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{i{k}_1{x}_2}-e^{i{k}_1{x}_1}}$ 公式8

其中将R定义为反射系数。

从公式5、7形成₁(ω)/P₃(ω)的比值，并求出零，给出：

$\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}+R{e}^{i{k}_1{x}_1}}{e^{-i{k}_r{x}_3}+R{e}^{i{k}_1{x}_3}}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]=0$ 公式9

其中由公式8定义R＝B/A，和k_r、k_l与由公式2定义a_mix的有关。公式9可以通过数学求出，例如，通过定义“误差”或剩余项作为公式9左侧的值，并迭代来使误差项最小。

公式10

对于石油工业中的许多应用，管道中流体的轴向速度比混合物中的声速小(即，轴向Mach数Mx小于1)。例如，在典型油井中的石油的轴向速度V_oil大约是10ft/sec，而石油的声速a_oil大约是4,000ft/sec。因此，纯净石油混合物的Mach数Mx是0.025(V_oil/a_oil＝10/4,000)，并且公式2减少到近似为：

$k_r=k_1=\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}$ 公式11

并且可以消除右侧和左侧行波波数之间的差别。在这种情况下(其中Mx是可以忽略的)，由于公式10中除a_mix外的所有变量都是已知的，可以通过在给定频率ω计算误差项的值和改变a_mix直到误差项为零，来迭代求出a_mix的值。在误差项的值等于零(或最小化)时的a_mix值，对应于混合物声速a_mix的正确值。如果公式10是频率ω的函数，在误差项为零时的声速a_mix对于所计算的每个频率ω都相同(下文将更详细描述)。但是，实际上由于其他原因，例如管道样式、非声压干扰、离散化误差等，可能会在特定频率上有任何变化，如果需要可以对其进行筛选、开窗、求平均等(下文将更详细描述)。此外，由于每个频率是同一参数的独立测量，可以对多个测量值进行加权平均或筛选来提供声速的单个更稳定的测量。

一个如何使用管道12中混合物声速a_mix的例子是确定混合物容积率。具体地，管道中两种流体(其中将这里的流体定义为液体和气体)的混合物声速a_mix通常与两种流体的容积率有关。可以用实验法或分析法来确定这种关系。例如，混合物的声速可以表述如下：

$a_{\mathrm{mix}}=\sqrt{\frac{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}}{\frac{1}{a_1^2}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}\frac{1}{a_2^2}}}$ 公式12

其中a₁、a₂是已知的声速，ρ₁、ρ₂是已知的密度，和h₁、h₂是两种相应流体的容积率，a_mix是混合物的声速，并且两种流体的密度ρ₁、ρ₂之比的数量级大约在(10∶1)内。可以使用通过实验法、分析法、或计算法得到的物相比值与声速关系的其他表达式。

参照图2，其中流体是油/水混合物，曲线10表示混合物的声速a_mix，利用公式12将其标绘为水容积率的函数。对于该图表示的例子，油和水的密度(ρ)以及声速(a)采用的值如下：

密度(ρ)：ρ_water＝1,000kg/m³；ρ_oil＝700kg/m³

声速(a)：a_water＝5,000ft/sec；a_oil＝4,000ft/sec。

公式12的下标1、2指定的每个流体参数是任何的，提供的使用符号是一致的。因此，如果测量混合物的声速a_mix，就可以确定油/水的比值。

参照图3，通过例子解释该原理，管道的声发射矩阵模型，该管道具有9个区域(或元件或段)1-9、声源64、辐射(或发射)阻抗ξ_rad(ξ_rad＝P/ρ_mixa_mixμ_mix)，其中μ_mix是声干扰；Mx＝0，并且其中穿过测试区域5-6和6-7来测量压力P₁、P₂、P₃。对于这个例子，每个元件为1米长。

取决于应用，可以需要或不需要显在的噪声源，因为管道内的背景噪声可以提供足够的激励，来保证从现有周围环境声压中测量声速。在油或天然气井的应用中，如果背景噪声不充足，可以在井的表面或井内布置噪声源(没有示出)，假定该声源声学地耦合到测量声速的测试区域51上。

参照图4，图(a)-(c)是表示管道12的各段1-9中混合物的轴向特性的例子。水的容积率h、混合物的声速a_mix和混合物的密度ρ_mix在管道12的长度上变化，并且压力测量P₁-P₃之间的测试段5-6(从4-6米)具有恒定特性。具体地，区域1-9的ρ_mix、a_mix、h_water的值分别用图4中的曲线表示，并且如下所示：

h_water＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9

ρ_mix＝730、760、790、820、850、850、910、940、970(kg/m³)

a_mix＝4053、4111、4177、4251、4334、4334、4539、4667、4818(ft/sec)

参照图5、6，表示的是具有图4特性的图3的模型的以频率为基础的压力信号的比值P₁(ω)/P₂(ω)和P₁(ω)/P₃(ω)大小和相位，其中测试区域具有50％的水、并且相应于具有区域9和更远的恒定特性ρ_mix和a_mix的无限长管道的辐射阻抗为ξ_rad＝1.0。

参照图7，使用图5、6的频率响应的公式10的误差项是一组曲线，每个曲线对应于一个频率ω，其中求出在每个频率处从a_water(5,000ft/sec)到a_oil(4,000ft/sec)变化的a_mix值的误差值，并且频率从5到200Hz以5Hz的增量变化。如果需要可以使用其他频率。误差变为零(或最小化)时的声速a_mix对于计算的每个频率ω都相同。在这种情况下，当a_mix为4335ft/sec时，在点70误差最小。参照图2，对于油/水混合物，4335ft/sec的a_mix对应于测试区域中50％的水容积率，其符合该模型的水容积率。此外，a_mix中的变化相对于误差变化的灵敏度在计算的频率的基础上变化。因此，可以通过在特定的低灵敏度频率计算a_mix的值来最优化其性能，依靠具体的应用和结构来确定这些频率。

参照图8、9，对于辐射阻抗ξ_rad＝0.5，表示图3的模型的频率响应(即，以频率为基础的压力信号的比值)P₁(ω)/P₂(ω)和P₁(ω)/P₃(ω)的大小和相位，其中所有区域1-9具有50％的水容积率(h＝0.5)、混合物密度ρ_mix＝850kg/m³、以及混合物声速a_mix＝4334ft/sec的恒定特性。

参照图12，对于50％的水容积率，使用图8、9的频率响应，公式10的误差项的值是一组曲线，每个曲线对应于一个频率ω，其中每个频率的a_mix值从a_water(5,000ft/sec)变化到a_oil(4,000ft/sec)，并且显示了四个频率50、100、150、200Hz。如上所述，误差变为零(或最小化)时声速a_mix对于计算的每个频率ω都相同。在这种情况下，当a_mix为4334ft/sec时，在点72误差最小，其与图7所示具有相同水容积率和不同ξ_rad的a_mix值符合。参照图2(或公式2)，对于油/水混合物，4334ft/sec的a_mix对应测试区域中50％的水容积率，其符合该模型的水容积率。这表示本发明将独立于测试区域外混合物的声特性和/或终端阻抗精确确定a_mix。

参照图10、11，表示图3的模型的频率响应(即，以频率为基础的压力信号的比值)P₁(ω)/P₂(ω)和P₁(ω)/P₃(ω)的大小和相位，其中所有区域1-9具有5％的水容积率(h＝0.05)、混合物密度ρ_mix＝715kg/m³、以及混合物声速a_mix＝4026ft/sec的恒定特性。

参照图12，对于5％的水容积率，使用图10、11的频率响应，公式10误差项的值是一组虚线曲线，每个曲线对应于一个频率ω，其中每个频率的a_mix值从a_water(5,000ft/sec)变化到a_oil(4,000ft/sec)，并且显示了四个频率50、100、150、200Hz。如上所述，误差变为零(或最小化)时声速a_mix对于计算的每个频率ω都相同。在这种情况下，当a_mix为4026ft/sec时，在点74误差最小。参照图1(或公式1)，对于油/水混合物，4026ft/sec的a_mix对应测试区域中5％的水容积率，其符合该模型的水容积率，因此，校验该模型的结果。

参照图12，对于5％和50％的水容积率，a_mix中的变化相对于误差变化的灵敏度在计算的频率的基础上变化。具体地，对于该例子，所示的四个频率的，误差接近零时，200Hz的曲线具有最大斜度(ΔError/Δa_mix)，因此使得更容易探测到误差变为零处的值，以及a_mix的值。因此，可以将200Hz作为稳定的频率，用来确定该例子中的声速。

如果压力传感器等间距地隔开(即，x1-x2＝x3-x2＝Δx；或Δx1＝Δx2＝Δx)，和轴向的Mach数Mx小于1(因此，k_r＝k_l＝k)，可以用公式10求出封闭形式解的k(并因此求出a_mix)，作为压力频率响应(或以频率为基础的信号比值)的函数如下所示：

$k=\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}=\left[\frac{1}{\mathrm{\Δx}}\right]i\log \left[\frac{P_{12}+P_{13}{P}_{12}+{({P_{12}}^2+2P_{13}{P_{12}}^2+{P_{13}}^2{P_{12}}^2-4{P_{13}}^2)}^{1/2}}{2P_{13}}\right]$ 公式13

求出a_mix，给出：

$a_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\left[\frac{1}{\mathrm{\Δx}}\right]i\log \left[\frac{P_{12}+P_{13}{P}_{12}+{({P_{12}}^2+2P_{13}{P_{12}}^2+{P_{13}}^2{P_{12}}^2-4{P_{13}}^2)}^{1/2}}{2P_{13}}\right]}$ 公式14

其中P₁₂＝P₁(ω)/P₂(ω)，P₁₃＝P₁(ω)/P₃(ω)，i是-1的平方根，并且log[]函数的结果是虚数，声速a_mix仍然是实数。

公式13和14中所示的公式10的解析法起初对于频率是有效的，对于该频率，沿管道12的测试区域51的长度(即，等距隔开传感器的x3-x1或Δx)比待测声波的波长λ短。这种限制是由于公式10的多重可能解。可以使用其它已知技术来获得对于其他频率范围的公式10的其他解。

从三个压力公式5-7中得到a_mix的另一个封闭形式解，其中压力传感器等距隔开和Mx是可以忽略的(即，k₁＝k_r)，如下所示。从公式5-7中形成比值[P₁(ω)+P₃(ω)]/P₂(ω)，给出下面的表达式：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{A{e}^{-\mathrm{ik}{x}_1}+B{e}^{+\mathrm{ik}{x}_1}+A{e}^{-\mathrm{ik}{x}_3}+B{e}^{\mathrm{ik}{x}_3}}{A{e}^{-\mathrm{ik}{x}_2}+B{e}^{+\mathrm{ik}{x}_2}}$ 公式15

对于等距隔开的传感器，x1＝0，x2＝Δx，x3＝2Δx(仅为方便起见，x1＝0)，其给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{A+B+A{e}^{-2\mathrm{ik\Δx}}+B{e}^{+2\mathrm{ik\Δx}}}{A{e}^{-\mathrm{ik\Δx}}+B{e}^{+\mathrm{ik\Δx}}}$ 公式16

用A除以分子和分母，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1+R+e^{-2\mathrm{ik\Δx}}+R{e}^{+2\mathrm{ik\Δx}}}{e^{-\mathrm{ik\Δz}}+R{e}^{+\mathrm{ik\Δx}}}$ 公式17

其中，通过公式8利用x1＝0、x2＝Δx定义R＝B/A，其给出：

$R\≡\frac{B}{A}=\frac{1-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-\mathrm{ik\Δx}}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-\mathrm{ik\Δx}}-1}$ 公式18

将R插补到公式17，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{1+e^{-2\mathrm{ik\Δx}}+\left[\frac{1-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-\mathrm{ik\Δx}}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{\mathrm{ik\Δx}}-1}\right]+(1+e^{+2\mathrm{ik\Δx}})}{e^{-\mathrm{ik\Δx}}+\left[\frac{1-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-\mathrm{ik\Δx}}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{\mathrm{ik\Δx}}-1}\right]e^{+\mathrm{ik\Δx}}}$ 公式19

简化公式19，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{(\frac{P_1}{P_2}{e}^{+\mathrm{ik\Δx}}-1)(1+e^{-2\mathrm{ik\Δx}})+(1-\frac{P_1}{P_2}{e}^{-\mathrm{ikx}})(1+e^{+2\mathrm{ik\Δx}})}{(\frac{P_1}{P_2}{e}^{+\mathrm{ik\Δx}}-1)\left(e^{-\mathrm{ik\Δx}}\right)+(1-\frac{P_1}{P_2}{e}^{-\mathrm{ikx}})\left(e^{+\mathrm{ik\Δx}}\right)}$ 公式20

分配各项和化简，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{-e^{-2\mathrm{ik\Δx}}+e^{+2\mathrm{ik\Δx}}}{-e^{-\mathrm{ik\Δx}}+e^{+\mathrm{ik\Δx}}}$ 公式21

使用指数和正弦函数之间的关系，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=\frac{2i\sin \left(2\mathrm{k\Δx}\right)}{2i\sin \left(\mathrm{kx}\right)}=\frac{2\sin \left(\mathrm{kx}\right)\cos \left(\mathrm{kx}\right)}{\sin \left(\mathrm{kx}\right)}$ 公式22

化简和代入k＝ω/a_mix，给出：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=2\cos \left(\mathrm{k\Δx}\right)=2\cos \left(\frac{\mathrm{\ω\Δx}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)$ 公式23

由于其简单的几何形模型，公式23特别有用，从其中可以容易地解析出a_mix。具体地，可以通过来自数字信号分析器(或其他类似器械)的检验直接确定a_mix，设置该数字信号分析器以提供代表公式23左侧的显示，是从中可容易获得a_mix的余弦曲线。例如，在穿过余弦曲线的零点，公式23等于零和a_mix等于2ωΔx/π。此外，可以用公式23利用迭代接近来确定a_mix，其中从公式23的左侧计算待测量的函数(利用测量的压力)，并且将其与公式23右侧的余弦曲线相比较，其中a_mix变化直到其基本符合测量的函数为止。可以使用其他多种曲线拟合法、参数标识、和/或最小化误差或解答技术来确定a_mix的值，提供满足公式23的最佳拟合。

为a_mix求解公式23，给出下面封闭形式的答案：

$a_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ω\Δx}}{{\cos }^{-1}\left(\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{2P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right)}=\frac{\mathrm{\ω\Δx}}{{\cos }^{-1}\frac{1}{2}(\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}+\frac{P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)})}$ 公式24

参照图41，所表示的是声速(a_mix)与含水量的关系曲线，其中如上所述利用公式23计算出a_mix。图41表示的是具有2英寸的ID的160号钢管，三个轴向探测位置之间的每个间距是Δx＝2ft，每个传感器是压电ac压力传感器，有四个在每个轴向探测位置处圆周均匀隔开的传感器。直线452表示在下文所述公式12和图2的基础上的含水量的理论值，和这些圆是a_mix的计算值。

此外，可以将公式9表述为压力传感器之间任何间隔的三角函数，并且其中Mx是可以忽略的(kl＝kr)，如下所示：

$\sin \left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}(x_3-x_1)\right)-P_{32}\sin \left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}(x_2-x_1)\right)-P_{12}\sin \left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}(x_3-x_2)\right)=0$ 公式25

其中P₃₂＝P₃(ω)/P₂(ω)和P₁₂＝P₁(ω)/P₂(ω)。

参照图13、14，如果Mach数Mx是不能忽略的和/或是需要计算的，公式10中误差项为零时的Mx和a_mix的值可以为给定的水容积率由公式10唯一确定。具体地，对于给定的％水容积率，有分别通过点90、92代表的5％和50％含水量的唯一值。可以利用已知软件扫描算法在预定范围上改变a_mix和Mx，以确定误差＝0时Mx和a_mix的值(下文将更详细描述)。

参照图15，计算逻辑电路40在步骤100开始，其中将P₁₂计算为P₁(ω)/P₂(ω)的比值，和在步骤102中将P₃₂计算为P₃(ω)/P₂(ω)的比值。接下来在步骤103确定混合物的Mach数Mx是否可以忽略(或是否需要计算Mx)。如果Mx是可以忽略的，步骤104确定传感器14、16、18是否是等距隔开的(即，x1-x2＝x2-x3＝Δx)。如果等距隔开传感器，步骤106设置初始值为：ω＝ω1(例如，100Hz)和计数器n＝1。接下来，步骤108从公式14封闭形式解计算a_mix(n)。然后，步骤110检查逻辑电路40是否已在预定数量(例如10个)频率上计算a_mix。如果n不大于10，步骤112、114使计数器n加1和使增加预定量(例如10Hz)，并且重复步骤108。如果逻辑电路40已经在10个频率上计算a_mix，步骤110的结果是“是”(yes)，并且逻辑电路40进行到步骤116，利用10个频率上的a_mix(n)值来确定a_mix的平均值，和退出逻辑电路40。

如果传感器不是等距的，步骤120将当前压力传感器间隔设置为x1、x2、x3，和设置初始值ω＝ω1(例如，100Hz)和计数器n＝1。接下来，步骤122设置a_mix＝a_mix-min(例如，a_oil＝4000ft/sec)，和步骤124从公式10计算误差项。然后，步骤126检查是否误差＝0(Error＝0)。如果误差不等于零，使a_mix增加预定量，和逻辑电路40到达步骤124。

如果步骤126中误差＝0(Error＝0)，步骤130设置a_mix(n)＝a_mix。接下来，步骤132检查n是否大于或等于10。如果不是，步骤134使n增加1并且对频率ω增加预定量(例如，10Hz)。如果n大于或等于10，步骤138计算10个频率上a_mix的平均值。

参照图16，如果Mach数Mx是不能忽略的，步骤200-204设置初始条件：ω＝ω1(例如，100Hz)；Mx＝Mx-min(例如，0)；a_mix＝a_mix-min(例如，a_oil＝4000ft/sec)。然后，步骤206计算在步骤202处公式10的误差项。接下来，步骤208检查是否误差＝0(Error＝0)(或最小值)。如果不是，步骤210检查是否a_mix＝a_mix-min(例如，a_water＝5000ft/sec)。

如果步骤210的结果是“否”(no)，步骤212使a_mix增加预定量(例如，1ft/sec)并且逻辑电路到达步骤206。如果，步骤210的结果是“是”(yes)，步骤214使Mx增加预定量(例如1)，并且逻辑电路到达步骤204。

当步骤208代表误差＝0(Error＝0)(或最小值)时，步骤216设置a_mix(n)＝a_mix和Mx(n)＝Mx，并且步骤218检查是否已经在10个不同频率上计算a_mix和Mx的值。如果不是，步骤220使计数器n增加1，和步骤222使频率ω增加预定量(例如10Hz)。如果已经在10个不同频率上计算过a_mix和Mx的值(即，n等于10)，步骤224在10个不同频率上计算a_mix(n)和Mx(n)的平均值，以求出a_mix和Mx。上述a_mix的值类似于图13、14所示，如上所述，其中a_mix的最终值是误差等于零的点90、92。

作为步骤116、138、224中计算的a_mix的平均值的替代，可以从预定频率通过筛选或窗口操作a_mix(n)，来计算a_mix。频率数和所求的频率可以是任何需要的数和值。此外，作为在多于一个频率处计算a_mix和Mx的替代，可以只在一个频率处计算。此外，图15、16所示的逻辑电路是多种可能算法中的一种，来利用此处的教导计算a_mix。

参照图1和18，探测区域中管道12(或导管)的柔性(或挠性)可能在两个主要方式中影响测量到的混合物声速a_mix的精度或数据整理分析。

考虑第一方法，参照图18，探测区域中管道12的弯曲减少了来自无界域中声音的待测量的声速a_mix。无界域(无穷媒质)中的声速是与流体特性紧密相连的特性。具体地，管道壁厚(或管道柔性)对待测量声速的影响表示为管道中声速的减少，该管道具有2英寸的标称直径，和管道内具有100％的水(ρ_w＝1,000kg/m3；a_w＝5,000ft/sec)并且管道直径外侧是真空(或空气)。通过扁平曲线350表示完全刚性管道(即，无穷模量)内水的声速，和通过曲线352来表示钢管中水的声速。曲线352上的点354表示80号钢管的大约4768fet/sec声速值。因此，管壁越厚，声速越接近完全刚性管道的5,000fet/sec值。

可以校准和校正由非刚性(或柔性)管道12引入到测量中的图18中所示误差(或边界效应)，来精确确定无穷媒质中流体声速。因此，在这种情况下，虽然系统(管道)修改传播速度，这种速度可以以预定方式映射到无穷媒质中的传播速度。

具体地，对于包含在柔性管道中的流体，通过管道的结构特性影响压缩波的传播速度。对于包含在受到具有可忽略的声阻抗(ρa)的流体包围的管道12中的流体，传播速度通过下面的关系式与无穷流体域的声速和结构特性有关：

$\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}^2\mathrm{measured}}=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}{a}^2\mathrm{mix}}+\mathrm{\σwhere\σ}\≡\frac{2R}{\mathrm{Et}}$ 公式26

其中R＝管道半径，t是管道壁厚，ρ_mix是混合物(或流体)密度，a_mix是混合物的实际声速，a_measured是包含在管道12中的混合物的测量得到的声速，和E是管道材料的杨氏模量。公式26主要用于声波长比管道直径长(例如，大约是2∶1)的频率和比管道进排气的自然频率低的频率。公式26还主要用于足够长以使圆周硬度能够控制管道径向偏转的波长。

对于图18，曲线352(100％水)是多种不同油/水混合物的一组曲线中的一个。对于公式26，可以按照每个组分密度来定义各项，并且容积相位比值如下所示：

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

其中ρ_i是多成分混合物的第i个组分的密度，a_i是混合物的第i个组分的声速，φ_i是混合物的第i个组分的容积变化比值，和N是混合物的成分数量。已知管道特性、单个组分的密度和声速(在无穷域中)、和待测量的混合物声速，公式26就能求出a_mix。因此，可以为柔性管道确定a_mix。管道的标定可以从其他等式或从例如分析法、实验法、或计算法等多种其他方法中得到。

对于某些类型的压力传感器，例如在下文所讨论的管道应变感传器、加速度计、速度传感器或位移传感器，可以根据管道12的需要列出管道柔性的某些数量。

此外，为最小化由管道柔性引起的这些误差影响(和相应标定的需要)，可以使得在其上布置传感器14、16、18的管道12的轴向测试区域51尽可能刚硬。为达到所需要的刚度，可以使测试区域51的壁53的厚度具有预定厚度，或者用非常刚硬的材料制成测试区域51，例如钢、钛、凯夫拉尔纤维^、陶瓷、或其他具有高模量的材料。

考虑第二方法，如果管道12是柔性的，并且在声学上将其连接到测试区域管道12外面的流体和材料，例如环面流体、套管、岩层等，管道12直径外的这些流体和材料的声学特性可能影响所测量的声速。由于这种流体和材料的声学特性是变化的和未知的，它们对所测量声速的影响不能通过柔性来有效纠正(也不能以预定方式映射到无穷媒质中的传播速度)。

参照图20，为减轻这种影响，将外部绝缘套管410(或护套、外壳、外罩)布置在管道12上，套管410固定在压力传感器14、16、18上管道12的外表面。套管410在管道12和套管410之间形成封闭腔室412。我们发现当腔室412充满例如空气的气体时，管道中的声能不能与测试区域管道12外面的流体和材料形成声耦合。由于这一点，对于柔性管道，其声速可以校准为如上所述管道12中的流体的实际声速。套管410类似于同时递交的系列号为No.(Cidra Docket No.CC-0187)、标题为“Measurement of Propagating Acoustic Waves inCompliant Pipes(柔性管道中传播声波的测量)”，在这里将其引用作为参考。

参照图19，替代沿管道12的轴向位置x1、x2、x3的单点压力传感器14、16、18的，可以沿管道12的圆周在每个轴向位置x1、x2、x3上使用两个或多个压力传感器，例如四个传感器400-406。可以将来自给定轴向位置圆周上的压力传感器400-406的信号平均，来提供剖面(或圆周)上的平均非稳定声压测量。可以使用其他数量的声压传感器和环形间隔。平均多个环形压力传感器将减少噪声，该噪声来自干扰和管道振动以及与管道12中的一维声压波无关的其它噪声源，因此创建压力传感器的空间阵列来帮助表现管道12内一维声场的特征。

这里所描述的压力传感器14、16、18可以是能够测量管道内非稳定(或ac或动态)压力的任何类型的压力传感器，例如压电、光学、电容、电阻(例如惠斯通电桥)传感器、以及加速度计(或地音探听器)、速度测量装置、位移测量装置等。如果使用光学压力传感器，传感器14-18可以是基于压力传感器的Bragg光栅，例如在1997年9月8日递交的、标题为“Sensitivity Fiber Optic Pressure SensorFor Use In Harsh Environments(严酷环境中使用的灵敏度光纤压力传感器)”、系列号为No.08/925,598的美国临时专利所描述的那样。此外，传感器14-18可以是用于测量管道壁应变的固定在或嵌入管道外壁或内壁的电或光应变仪，包括麦克风、水听器、或其他任何能够测量管道12内非稳定压力的传感器。在利用光纤作为压力传感器14-18的本发明的一个实施例中，可以将它们单独连接，或可以利用波长分配多路技术(WDM)、时间分配多路技术(TDM)、或其他任何光学多路技术(下文将更详细描述)沿一个或多个光纤进行多路传输。

参照图21，如果将应变仪用作压力传感器14-18中的一个或多个，其可以通过测量管道12的(如箭头350所示)直径(因此由箭头351代表圆周)的弹性膨胀和收缩，来测量管道12内的非稳定(或动态或ac)的压力变化P_in。通常，应变仪将测量相应于管道12内非稳定压力信号的任何方向内的管壁偏转。当内部压力P_in改变时，在应变仪的位置测量管道12的弹性膨胀和收缩，并且测量由如箭头351所示方向中的偏转所引起的管道12上的局部应变(轴向应变、周向应变或离轴应变)。圆周上的变化量是由管道12的周向应力、内部压力P_in和管道12的外部压力P_out、管壁352的厚度T_w、以及管道材料的刚性或模量等多种因素确定的。因此，可以根据所希望的传感器14-18的灵敏度和其他因素来设置探测区域中的管壁352的厚度和管道材料，并且其可以不同于探测区域51外管道12的壁厚和材料。

仍然参照图21和图1，如果将加速器用作压力传感器14-18中的一个或多个，其可以通过测量如箭头350所示的径向中的管道12的表面加速度，来测量管道1 2内非稳定(或动态或ac)的压力变化P_in。当内部压力P_in变化时，在加速器的位置测量测量管道12表面的加速度，并因此测量相应于管壁352的径向局部弹性。加速度的大小是由管道12的周向强度、内部压力P_in和管道12的外部压力P_out、管壁352的厚度T_w、以及管道材料的刚度或模量等多种因素确定的。因此，可以根据所希望的传感器14-18的灵敏度和其他因素，来设置探测区域51中(图1)的管壁352的厚度和管道材料，并且其可以不同于探测区域14以外的管道12的壁厚和材料。此外，压力传感器14-18可以包括径向速度或位移测量装置，其能够测量相应于由管道12中非稳定压力信号引起的压力变化的管道12的壁352的径向位移特征。加速器、速度或位移传感器可以类似于同一申请人在同时递交的、标题为“Displacement Based Pressure Sensor Measuring UnsteadyPressure in a Pipe(基于位移的压力传感器测量管道中的不稳压力)”、系列号为No.(Cidra Docket No.CC-0194)的美国临时专利中所描述的，并在此通过引用进行参考。

参照图22、23、24，如果使用光应变仪，可以利用光纤300构成ac压力传感器14-18，在由压力P₁、P₂、P₃的绕组或封套302、304、306分别代表的每个压力传感器位置上盘绕或缠绕光纤并将其固定在管道12上。将光纤封套302-306缠绕在管道12上，以使得当相应于管道12内非稳定压力变化的管道周向应变变化时，每个光纤封套302-306的长度改变，并因此在相应轴向位置测量内部管道压力。利用下文所述的已知光测量技术来测量这种光纤长度的变化。每个封套基本上在管道12的相应轴向位置测量管道12内圆周平均的压力。此外，封套在给定封套的轴向长度上提供轴向平均的压力。虽然管道12的结构提供短波干扰的一些空间滤波，我们已经发现本发明操作的基本原理仍然基本与下文所述的点传感器的相同。

参照图22，对于封套302、304、306串联连接的本发明的实施例，可以分别在每个封套302、304、306的相对端沿光纤300布置Bragg光栅对(310、312)、(314、316)、(318、320)。使用光栅来多路传输压力信号P₁、P₂、P₃，来从光返回信号中验证单个封套。封套302周围的第一对光栅310、312可以具有同一反射波长λ₁，和封套304周围的第二对光栅314、316可以具有同一反射波长λ₂，但是不同于第一对光栅310、312的。相类似地，封套306周围的第三对光栅318、320可以具有同一反射波长λ₃，其不同于λ₁、λ₂。

参照图23，除了与每个封套相关的具有不同对的反射波长，可以使用每个封套302-306之间的仅具有一个光栅的一组Bragg光栅360-366，其每个具有同一反射波长λ₁。

参照图22和23，可以用许多已知方法来构成具有光栅310-320(图22)或具有光栅360-366(图23)的封套302-306，来准确测量光纤长度或光纤长度的变化，例如干涉测量仪、Fabry Perot、行程时间、或其他已知装置。在Glenn的美国专利No.4,950,883“Fiber OpticSensor Arrangement Having Reflective Grating Responsive toParticular Wavelengths(其反射光栅响应于特定波长的光纤传感器装置)”中描述了Fabry Perot技术的一个例子。行程时间(或时间分配多路技术；TDM)的一个示例将是沿光纤300进入的具有波长的光脉冲，并且系列光脉冲沿光纤300反射回。然后可以通过每个返回脉冲之间的时间延迟来确定每个封套的长度。

此外，可以在光栅之间的部分或所有光纤(如果需要，或包括光栅、或是整个光纤)涂上稀土掺杂剂，来构成可调光纤激光器，就如此处引用的Ball等的美国专利No.5,317,576“Continuously TunableSingle Mode Rare-Earth Doped Laser(连续可调的单模稀土掺杂激光装置)”、或Ball等的美国专利No.5,513,913“Active MultipointFiber Laser Sensor(有源多点纤维激光传感器)”、或Ball等的美国专利No.5,564,832“Birefringent Active Fiber Laser Sensor(双折射有源纤维激光传感器)”中所描述的。

虽然图22、23中所示光栅310-320相对于管道12轴向地定向，它们可以沿管道12轴向、周向、或任何其他方向定向。取决于定向，光栅可以利用改变灵敏度级别来测量管道壁352中的变形。如果光栅反射波长随内部压力变化而变化，这种变化可能对于某种结构(例如，光纤激光器)是需要的，或者对于其他结构用于补偿光学器械，例如，通过允许每对光栅反射波长在预定范围中变化。此外，每个封套除了串联连接外，它们可以并联连接，例如，通过在每个封套前使用光耦合器(没有示出)，每个都连接到同一光纤300上。

参照图24，此外，不使用布拉格光栅，还可以通过利用封套302-306缠绕管道12来使传感器14-18形成为纯粹的干涉仪传感器，此处分开的光纤330、332、334可以分别提供给分开的封套302、304、306。在该具体的实施例中，可以使用已知干涉测量技术来确定管道12周围光纤10的长度或由于压力变化引起的长度变化，例如Mach Zehnder或Michaelson Interferometric技术，就如在属于Carroll的标题为“Method and Apparatus for the non-invasive Measurement ofPressure Inside Pipes Using a Fiber Optic Interferometer Sensor(利用光纤干涉仪传感器作非侵入式测量管内压力的方法和装置)”的美国专利No.5,218,197中所描述的一样。干涉仪测量光纤可以多路传输，就如Dandridge等在1991年2月的IEEE“MultiplexedInterferometric Fiber Sensor Arrays(多路复用的干涉性纤维传感器阵列)”，或Dandridge等在1991年的SPIE第1586卷第176-183页中所描述的一样。可以使用其他技术来确定光纤长度的变化。此外，参考光纤绕组可以用于某种干涉仪测量方法，并且其还可以布置在管道12上或周围，但是其应当设计为对压力变化不敏感。

参照图25和26，除了作为完全缠绕在管道12周围的光纤绕组的封套302-306以外，封套302-306可以具有其它几何形状，例如“散热器蛇形管”几何形状(图25)或“跑道”几何形状(图26)，是当如果将管道12轴向截开并将其扁平放置时侧视图中所示的。在该具体的实施例中，不需要将封套302-306以360度缠绕在管道上，但是可以布置在管道12圆周的预定部分上，和具有足够的长度来光学检测管道圆周的变化。如果需要可以使用其他的几何形状。此外，对于这里描述的任何几何形状的封套，根据需要的总光纤长度，可以使用多于一层的光纤。根据需要测量的ac压力的特性，设置任何具体封套所需要的轴向长度，例如由待测涡流引起压力扰动的轴向长度。

参照图27和28，本发明的实施例包括这样的结构，其中代替使用封套302-306的是光纤300，其可能具有围绕至少管道12圆周的一个区域布置的、并可以光学检测到管道圆周的变化的较短区域。此外在本发明的范围内，传感器可以包括以螺旋模型(没有示出)布置在管道12周围的光纤300。如上所述，应变传感元件的方向将改变对由管道12中非稳定压力信号引起的管道壁352变形中偏转的灵敏度。

具体地，参照图27，多个Bragg光栅对(310、312)、(314、316)、(318、320)沿光纤300布置，在每个光栅对之间分别具有光纤300的区域380-384。在这种情况下，可以利用已知的Fabry Perot、干涉测量仪、行程时间或光纤激光器传感技术来测量管道中的应变，以类似于如上所述的方式。

另外，参照图28，可以将单个的光栅370-374布置在管道上，和用来检测在检测位置处的管道12应变中的非稳定变化(以及管道内的非稳定压力)。当每个传感器使用一个单个光栅时，光栅反射波长变化代表管道直径以及压力的变化。

可以使用光应变仪的其他任何技术或结构。光应变仪技术和光信号分析技术的类型对于本发明不是关键所在，并且本发明的范围不会限制在任何具体的技术和方法中。

对于这里所描述的任何实施例，压力传感器，包括电应变仪、如这里所述的其它中的光纤和/或光栅，可以通过粘合剂、胶、环氧树脂、绝缘胶布或其他合适附属器件将其固定到管道上，以确保传感器和管道12之间的合适的接触。此外可以通过例如机械扣件、弹簧压力、夹紧、蛤壳式抓斗装置、捆扎或其他相当的已知机械技术，来可移动地或永久性地固定这些传感器。此外，可以将包括光纤和/或光栅的应变仪嵌入到合成管道中。如果需要，对于某些应用，如果需要光栅可以从管道12上卸除(或应变或声隔离)。

参照图29、30，还可以使用其他任何在本发明范围内的应变传感技术来测量管道中的应变变化，例如固定在或嵌入到管道12中的高灵敏压电的、电子的或电动的应变仪。参照图29，表示不同已知结构的高灵敏压电应变仪，和可以包括薄片类型的仪器。参照图30，表示本发明的一个实施例，其中压力传感器14-18包括应变仪320。在该具体的实施例中，应变仪320布置在管道12圆周的预定部分上。如上所述来确定压力传感器14-18之间的轴向位置和间距Δx₁、Δx₂。

参照图31-33，除了在管道12外部上测量非稳定压力P₁-P₃，当在管道12内测量非稳定压力时本发明还将运行。具体地，测量压力P₁、P₂、P₃的压力传感器14-18可以布置在管道12内的任何地方，和可以利用任何技术来测量管道12内的非稳定压力。

参照图34-36，本发明还测量流经管道或管子425外侧的混合物声速。在这种情况下，管子425可以布置在管道12内，和可以在管子425外侧测量压力P₁-P₃。可以利用任何技术来测量管子425外侧的非稳定压力P₁-P₃。参照图34，例如，管子425可以在每个探测位置具有缠绕在管子425上的光纤封套302-306。此外，这里描述的任何应变测量、或位移、速度或加速度传感器或技术可以在管子425上使用。此外，参照图35，还可以利用这里描述的直接压力测量传感器或技术来测量压力P₁-P₃。其他任何类型的非稳定压力传感器14-18可以用于测量管道12内的非稳定压力。

此外，参照图36，可以使用水听器430-434来探测管道12内的非稳定压力。在这种情况下，为了便于部署或其他原因，水听器430-434可以布置在管子425中。水听器430-434可以是光纤的、电子的、压电的或其他类型的水听器。如果使用光纤水听器，水听器430-434可以沿同一光纤300串联或并联连接。

管子425可以由任何材料制成，这些材料允许非稳定压力传感器测量压力P₁-P₃而且可以是空心的、实体的、或充满气体或充满流体。在同一申请人在1999年7月4日递交的标题为“Mandrel Wound FiberOptic Pressure Sensor(纤维压力传感器)”、系列号为No.(AttorneyDocket No.712-2.40/CC-0067)的美国临时专利申请中描述的是动态压力传感器的一个示例。此外，管子425的末端422封闭，并因此流程如线424所示围绕末端422。对于在油井或天然气井中的应用，管子425可以是盘绕的管道系统或相当的具有用于测量管道系统425内P₁-P₃的压力传感器14-18的部署工具。

参照图17，表示在油井或天然气井中应用的本发明的一个实施例，探测区域51与井500内生产油管502的局部连接(类似于测试区域51中的管道12)。隔绝套管410可以如上所述布置在传感器14-18上，并且在轴向末端固定到管道502上，以防止传感器14-18(或光纤)在部署、使用、或取回过程中受到破坏，和/或帮助传感器免受可能存在于管道502外的声外压的影响，和/或帮助管道502中的ac压力与管道502外的ac压力相隔离。传感器14-18与可能包括光纤300(图22、23、27、28)的光缆506连接，并且与位于井500外的发射器/接收器510连接。

当使用光学传感器时，可以使用收发器/转换器510来向传感器14-18接收和发射光信号504，和提供分别代表在线20-24的传感器14-18上压力P₁-P₃的输出信号。此外，收发器/转换器510可以是流体参数逻辑电路60的部分。发射器/接收器510可以是执行这里所描述的相应功能的任何装置。具体地，发射器/接收器510与上述的光学传感器一起可以利用任何类型的基于光栅的测量技术，例如扫描干涉仪测量、扫描Fabert Perot、声光调谐滤光器(AOTF)、滤光器、行程时间，并且可以使用WDM和/或TDM等具有充分灵敏度来测量管道内的ac压力，就如以下一个或多个引文中描述的一样：1993年8月16日第18卷Opt.Letters中A.Kersey等人的“Multiplexed fiberBragg grating strain-sensor system with a Fabry-Perotwavelength filter(有法布珀罗波长滤波器的多路复用纤维布拉格栅应变传感器系统)”，1996年2月20日对Mauro Verasi等人授权的美国专利No.5,493,390，1994年5月31日对Ball等人授权的美国专利No.5,317,576，1996年10月15日对Ball等人授权的美国专利No.5,564,832，1996年5月7日对Ball等人授权的美国专利No.5,513,913，1995年6月20日对Dunphy等人授权的美国专利No.5,426,297，1995年3月28日对Dunphy等人授权的美国专利No.5,401,956，1990年8月21日对G1enn授权的美国专利No.4,950,883，1991年2月26日对Morey授权的美国专利No.4,996,419等这些在这里引用作为参考的专利。此外，可以利用前序引文中所描述的一个或多个技术来运行这里所描述的传感器。

本发明的多个传感器10可以连接到同一光缆上，和利用已知的多路传输技术来进行多路传输。

应该明白的是，本发明可以用来测量任何数量流体混合物的流体容积率，其中混合物的声速a_mix与混合物两个组分的容积率有关(或基本上由其决定)，例如油/水、油/气、水/气。本发明可以用来测量任何混合物的声速，和然后可以与其他已知量结合来得到具有多个(多于两个)组分混合物的物相含量。

此外，本发明可以用来测量一个或多个流体的任何混合物的任何参数(或特性)，其中这种参数与混合物的声速a_mix有关，例如，流体组分、温度、盐度、沙子颗粒、金属块、管道特性等，或其他任何与混合物声速有关的混合物参数。因此，逻辑电路48(图1)可以将a_mix转换为这种参数(s)。

此外，本发明独立于管道内流体流动的方向或流量、以及是否在管道内流动来工作。此外，不取决于声压源的位置、特性和/或传播方向。此外，除了管子，如果需要可以使用任何导管或输送管来运载流体。

此外，线20、22、24(图1)上的信号可以是时间信号H₁(t)、H₂(t)、H₃(t)，其中H_n(t)具有表示其组分的压力信号P_n(t)，因此FFT[H₁(t)]＝G(ω)P₁(ω)、FFT[H₂(t)]＝G(ω)P₂(ω)，和比值H₂(ω)/H₁(ω)＝G(ω)P₂(ω)/G(ω)P₁(ω)＝P₂(ω)/P₁(ω)，其中G(ω)是每个压力信号固有的参数，并且其可能随温度、压力、或时间而变化，例如校准特性，例如偏移、线性等。

此外，除了计算比值P₁₂和P₁₃，通过获得任何其他两对压力的比值来得到类似于公式9、10的等式，假定公式5-7的等式系统用来求出B/A或A/B以及两对压力的比值。此外，可以不同地解算这里所示的等式来达到在此所描述的相同结果。

更进一步的是，如果对于给定的应用，A和B之间的关系(即，右侧和左侧行波之间的关系，或反射系数R)是已知的，或者A或B的值是已知的，或者A或B的值是零，仅需要两个等式5-7来确定声速。在这种情况下，可以仅使用两个沿管道轴向隔开的声压传感器来测量声速a_mix。

此外，虽然已经将本发明描述为使用频域方法，但是可以用时域方法来代替。具体地，可以在给出时域等式P₁(x₁、t)、P₂(x₂、t)、P₃(x₃、t)的时域中公式1的形式来写公式5、6、7，并且利用已知时域分析和信号处理技术(例如卷积法)求出a_mix声速和消除系数A、B。

参照图37-40，应该明白的是，尽管在上文中将本发明描述为利用在一系列不同轴向位置计算的一维声波等式来确定声速，可以使用沿声压测量空间阵列声音传播确定速度的任何已知技术，来确定混合物中的声速，其中声源的方向是已知的。众所周知，这里所用的声信号这一项指的是充分随机的、时间稳定信号，其具有在预定期间上不会有较大变化的平均(或RMS)统计特性(即，没有瞬态ac信号)。

例如，使用非稳定压力测量的矩阵来确定管道中包含的流体内混合物的一维声速a_mix的程序，类似于水声学中碰到的问题(例如声纳或声导航测距)。在水声学中，布置传感器的轴向阵列来确定水下噪声源的方位(或方向)。将该步骤称为“波束形成”。在自由空间中，即，在例如大海的无穷媒质中，沿轴向阵列的声传播速度既取决于(1)自由空间的声速，又取决于(2)空间阵列上声波的入射角。

参照图37，沿阵列传播声波的显在声速a_x与媒质中声源S1的角度或方向(θ＝90-γ)以及声速α有关。众所周知，对于在声纳中的应用，声速是已知的并且对显在声速α_x进行测量，其允许由关系式：θ＝cos^-1(α/α_x)来确定方向。

相反地，参照图38，我们发现在管道12中入射声音的空间阵列上的角度和方向是已知的，即，θ＝0度，可以如下所示来确定管道12中流体的声速α。

具体地，参照图39，对于两维(2D)空间中的单个远间距声源，可以如下所示来表达压力波(例如通常在A.Dowling和J.Williams的“Sound and Source of Sound(声和声源)”的第4章第79-81页中所描述)：

$P(x,y,t)=A{e}^{\mathrm{i\ω}(t-x\sin {\mathrm{\γ}}_1/a-y\cos {\mathrm{\γ}}_1/a)}$ 公式27

当y＝0时阵列上的压力为：

$P(x,y=0,t)=A{e}^{\mathrm{i\ω}(t-x\sin {\mathrm{\γ}}_1/a)}$ 公式28

$P(x,t)=A{e}^{-i{k}_{\mathrm{xr}}x}{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ 公式29

其中：k_xr＝(sinγ₁)ω/α。

可以沿声源S2阵列的左侧行波运行类似分析为：

$P(x,t)=B{e}^{+i{k}_{x1}x}{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ 公式30

其中：k_x1＝(sinγ₂)ω/α。

对于沿管道传播声音的环境，然后γ₁＝γ₂＝90度，和当a＝a_mix，a_mix为管道内流体混合物的声速，然后：

$k_{\mathrm{xr}}=k_{x1}=\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}$ 公式31

因此，参照图38，对于在管道12中穿过的左侧和右侧行声波，压力等式变为：

$P(x,t)=A{e}^{-i{k}_{\mathrm{xr}}x}{e}^{\mathrm{i\ωt}}+B{e}^{+i{k}_{x1}x}{e}^{\mathrm{i\ωt}}$ 公式32

其与公式1相同，并且可以使用它通过利用这里描述的传感器，和求出前序关联的等式5-7来确定声速。在源于三维空间的声源中使用圆柱或其他同等系统也可以获得相同结果。

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(如图4)、时间/空间域(例如图1)，时间/波数域或波数/频率(k-ω)域。因此，如果需要，可以使用在任何这些域中或其他相关域中的任何已知的矩阵处理技术。

例如，可以通过采用公式5的空间傅里叶变换在k-ω域中表示公式5，得到下面的k-ω表达式：

$P(k,\mathrm{\ω})=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\underset{-\∞}{\overset{+\∞}{\∫}}P(x,\mathrm{\ω})e^{\mathrm{ikx}}\mathrm{dx}=A\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\δ}(k-\frac{\mathrm{\ω}}{a})+B\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\δ}(k+\frac{\mathrm{\ω}}{a})$ 公式33

其中k是波数，并且δ是狄拉克Δ函数，其表示满足k-ω平面声场的空间/时间域。

此外，除了使用三个公式5-7，利用已知声速(例如，声纳阵列的空间阵列处理、RADAR(雷达)阵列或其他阵列、方向形成、或其他信号处理技术)在使用空间(或定相)阵列的传感器领域的已知任何技术中来确定三维声场中声源的方向，可以使用它来求出已知声波穿行方向的声速，即，沿管道的轴向。在下文中描述的任何这种已知技术，是这里同时应用的：H.Krim，M.Viberg在IEEE信号处理杂志第67-94页的“Two Decades of Array Signal Processing Research-The Parametric Approach(20年的阵列信号处理研究-参数式方法)”，和在第51-59页第2章R.Nielson的“Sonar Signal Processing(声纳信号处理)”。

因此，参照图40，流体参数逻辑电路60可以包括空间阵列处理逻辑电路450，其接收声压信号P₁(t)、P₂(t)、P₃(t)的空间阵列，和执行这里描述的空间阵列处理，来确定线46上的声速a_mix。

应当理解的是，此处结合一个具体实施力描述的任何特点、特征、变形或改进，还可以与此处描述的任何其它实施例一同应用、使用和合并。

尽管已经根据示范性的实施例描述和解释了本发明，可以做出前面和多种其它增加或省略，而没有脱离本发明的构思和范围。

Claims (39)

1.一种装置，用于至少测量管道内流体或流体混合物的声速，包括：

至少两个压力传感器的空间阵列，沿管道布置在不同的轴向位置处，并且每个传感器测量相应轴向位置处管道内的声压，每个所说传感器提供一个声压测量值信号，代表在一个对应的所说传感器的轴向位置处的管道内的声压值；和

信号处理器，响应于所说压力信号，并将所述压力测量值组合起来以提供代表管道内流体或流体混合物声速的信号；其中所述信号处理器包括求解下列方程以获得所述声速的逻辑部分：

$P(x_N,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_N}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_N})e^{\mathrm{i\ωt}}$

其中P(x_N，t)是沿管道在轴向位置x_N处的声压场，A、B分别是基于频率的右和左行波的合成振幅，t是时间，i是-1的平方根，ω是频率，单位为弧度/秒，并且k_r、k_l分别是右侧和左侧行波的波数。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所说信号处理器计算沿所说空间阵列上的声音传播的速度。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所说信号处理器为每个所说声压信号计算在频域中的信号。

4.根据权利要求2所述的装置，其中所说信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路计算两个所说以频率为基础的信号的比值。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所说至少两个压力传感器包括三个传感器。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所说至少两个压力传感器包括三个传感器，其中所说信号处理器同时对下面等式求解所

$P(x_1,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_1}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_1})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_2,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_2}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_2})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_3,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_3}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_3})e^{\mathrm{i\ωt}}$

说声速：

其中P(x1，t)、P(x2，t)和P(x3，t)分别是沿管道在轴向位置x1、x2和x3处的声压场。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所说信号处理器利用下面的等式计算所说混合物的所说声速：

$\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}+{\mathrm{Re}}^{i{k}_l{x}_1}}{e^{-i{k}_r{x}_3}+{\mathrm{Re}}^{i{k}_l{x}_3}}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]=0$

其中 $R\≡\frac{B}{A}=\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-i{k}_r{x}_2}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{i{k}_l{x}_2}-e^{i{k}_l{x}_1}}$

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

其中a_mix是管道内混合物的声速，Mx是管道内混合物流的轴向马赫数，其中：

$M_x\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{a_{\mathrm{mix}}}$

其中V_mix是混合物的轴向速度，P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号，R是反射系数。

8.根据权利要求6所述的装置，其中将传感器等距隔开，混合物的马赫数小于1，并且所说信号处理器利用下面的等式来计算混合物的声速：

$a_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\left[\frac{1}{\mathrm{\Δx}}\right]i\log \left[\frac{P_{12}+P_{13}{P}_{12}+{({P_{12}}^2+{2P}_{13}{P_{12}}^2+{P_{13}}^2{P_{12}}^2-{{4P}_{13}}^2)}^{1/2}}{{2P}_{13}}\right]}$

其中P₁₂＝P₁/P₂，P₁₃＝P₁/P₃，Δx是传感器之间的轴向间距，其中a_mix是管道内混合物的声速，并且其中P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号。

9.根据权利要求6所述的装置，其中将传感器等距隔开，混合物的马赫数小于1，并且所说信号处理器利用下面的等式来计算混合物的声速：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=2\cos \left(\frac{\mathrm{\ω\Δx}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)$

其中a_mix是管道内混合物的声速，Δx是传感器之间的轴向间距，并且其中P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所说信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路计算管道内混合物的流体组分。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所说信号处理器包括逻辑电路，该逻辑电路利用下面的关系式来计算管道内混合物的流体组分：

$a_{\mathrm{mix}}=\sqrt{\frac{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}}{\frac{1}{a_1^2}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}\frac{1}{a_2^2}}}$

其中a₁、a₂是已知的声速，ρ₁、ρ₂是已知的密度，并且h₁、h₂是两个相应流体的容积率，并且a_mix是混合物的声速。

12.根据权利要求1所述的装置，其中所述信号处理器用于计算通过至少三个流体的混合物的声速，并且提供代表和两种所述流体有关的声速的信号。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所说两种流体是：油和水。

14.根据权利要求12所述的装置，其中所说两种流体是：油和气。

15.根据权利要求12所述的装置，其中所说两种流体是：水和气。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所说压力传感器是光纤压力传感器。

17.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所说压力传感器包括基于布拉格栅的光纤压力传感器。

18.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所说压力传感器在所说传感器的所说轴向位置测量均布圆周的压力。

19.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所说压力传感器在所说传感器的所说给定轴向位置管道圆周上多于一个的点上测量压力。

20.根据权利要求1所述的装置，其中至少一个所说压力传感器测量管道上的应变。

21.一种方法，用于测量管道内流体或流体混合物的至少一个参数，包括：

至少在两个沿管道的预定轴向测量位置来测量管道内的声压，以提供至少两个相应的压力测量值信号；和

通过组合所述至少两个压力测量值信号，来计算流体或流体混合物的声速，其中包括求解下列方程以获得所述声速的步骤：

$P(x_N,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_N}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_N})e^{\mathrm{i\ωt}}$

其中P(x_N，t)是沿管道在轴向位置x_N处的声压场，A、B分别是基于频率的右和左行波的合成振幅，t是时间，i是-1的平方根，ω是频率，单位为弧度/秒，并且k_r、k_l分别是右侧和左侧行波的波数。

22.根据权利要求21所述的方法，其中所说计算步骤包括计算沿所说轴向测量位置声音传播的速度。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所说计算步骤包括为所说声压计算以频率为基础的信号。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所说计算步骤包括计算两个所说以频率为基础的信号的比值。

25.根据权利要求21所述的方法，其中所说测量步骤包括在至少三个沿管道的轴向测量位置上测量声压。

26.根据权利要求21所述的方法，其中所说测量步骤包括在至少三个沿管道的轴向测量位置上测量声压，并且其中所说计算步骤包括同时利用下面等式求解声速：

$P(x_1,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_1}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_1})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_2,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_2}+{\mathrm{Be}}^{+i{k}_l{x}_2})e^{\mathrm{i\ωt}}$

$P(x_3,t)=({\mathrm{Ae}}^{-i{k}_r{x}_3}+B{e}^{+i{k}_l{x}_3})e^{\mathrm{i\ωt}}$

其中P(x1，t)、P(x2，t)和P(x3，t)分别是沿管道在轴向位置x1、x2和x3处的声压场。

27.根据权利要求26所述的方法，中所说计算步骤包括利用下面的关系式来计算混合物的所说声速：

$\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}+R{e}^{i{k}_l{x}_1}}{e^{-i{k}_r{x}_3}+R{e}^{i{k}_l{x}_3}}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]=0$

此外 $R\≡\frac{B}{A}=\frac{e^{-i{k}_r{x}_1}-\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{-i{k}_r{x}_2}}{\left[\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}\right]e^{i{k}_l{x}_2}-e^{i{k}_l{x}_1}}$

此外 $k_r\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1+M_x}$ 以及 $k_l\≡\left(\frac{\mathrm{\ω}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)\frac{1}{1-M_x}$

其中a_mix是管道内混合物的声速，Mx是管道内混合物流体的轴向马赫数，其中：

$M_x\≡\frac{V_{\mathrm{mix}}}{a_{\mathrm{mix}}}$

其中V_mix是混合物的轴向速度，P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号，R是反射系数。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所说测量位置是轴向等距隔开，混合物的马赫数小于1，并且所说计算步骤利用下面的关系式来计算混合物的声速：

$a_{\mathrm{mix}}=\frac{\mathrm{\ω}}{\left[\frac{1}{\mathrm{\Δx}}\right]i\log \left[\frac{P_{12}+P_{13}{P}_{12}+{({P_{12}}^2+{2P}_{13}{P_{12}}^2+{P_{13}}^2{P_{12}}^2-{4_{13}}^2)}^{1/2}}{{2P}_{13}}\right]}$

其中P₁₂＝P₁/P₂，P₁₃＝P₁/P₃，Δx是传感器之间的轴向间距，其中a_mix是管道内混合物的声速，并且其中P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号。

29.根据权利要求26所述的方法，其中所说测量位置是轴向等距隔开，混合物的马赫数小于1，并且所说并且所说计算步骤利用下面的关系式来计算混合物的声速：

$\frac{P_1\left(\mathrm{\ω}\right)+P_3\left(\mathrm{\ω}\right)}{P_2\left(\mathrm{\ω}\right)}=2\cos \left(\frac{\mathrm{\ω\Δx}}{a_{\mathrm{mix}}}\right)$

其中a_mix是管道内混合物的声速，Δx是所说测量地点之间的轴向间距，并且其中P₁、P₂、P₃是每个所说声压信号的所说以频率为基础的信号。

30.根据权利要求21所述的方法，还包括计算管道中混合物的流体组分。

31.根据权利要求21所述的方法，还包括利用下面的关系式来计算管道中混合物的流体组分：

$a_{\mathrm{mix}}=\sqrt{\frac{1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}}{\frac{1}{a_1^2}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_2}\frac{h_2}{h_1}\frac{1}{a_2^2}}}$

其中a₁、a₂是已知的声速，ρ₁、ρ₂是已知的密度，并且h₁、h₂是两个相应流体的容积率，并且a_mix是混合物的声速。

32.根据权利要求21所述的方法，其中声速基本上由混合物中的两种流体所确定。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所说两种流体是：油和水。

34.根据权利要求32所述的方法，其中所说两种流体是：油和气。

35.根据权利要求32所述的方法，其中所说两种流体是：水和气。

36.根据权利要求21所述的方法，其中所说测量步骤由光纤压力传感器来执行。

37.根据权利要求21所述的方法，其中所说测量步骤由基于布拉格光栅的光纤压力传感器来执行。

38.根据权利要求21所述的方法，其中所说测量步骤在所说传感器的所说轴向位置测量均布圆周的压力。

39.根据权利要求21所述的方法，其中在所说传感器的所说轴向位置管道圆周上多于一个的点上测量压力。

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