用于使用微波確定材料屬性值的設備和方法
【專利說明】用于使用微波確定材料屬性值的設備和方法
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求于2013年5月3日提交的美國臨時專利申請號61/819, 042和于2013 年7月12日提交的美國臨時專利申請號61/845, 415中的每一個的權益。這些申請中的每 一個的包括說明書、權利要求、以及附圖的披露內容都通過引用以其全部內容結合在此。
[0003] 領域和背景
[0004] 本申請屬于通過使用微波研究材料的領域。更具體地但是非排他性地說，一些實 施例屬于研究原油或其他多相材料的相組成的領域。
[0005] 至少從20世紀七十年代開始就已提出了使用微波研究多相材料的建議，但是就 本發明人所知，這些建議從未成熟為一種可商購獲得的產品。因此，本發明人相信該領域可 以從一種新方法中獲益。
[0006] 概沭
[0007] 根據本發明的一些實施例，提供了一種用于確定在一個微波空腔內部的一個導管 中流動的一種材料的一個屬性的值的設備。該設備可以包括：
[0008] 其中具有該導管的一個多模微波空腔；
[0009] 多個饋源，每個饋源被配置用于向該空腔饋送RF輻射，以在該空腔中激發多種模 式；
[0010] 一個檢測器，該檢測器被配置用于檢測指示該空腔對饋送至該空腔的RF輻射的 電響應的參數；以及
[0011] 一個處理器，該處理器被配置用于基于由該檢測器檢測到的這些參數來確定該屬 性的值。在一些實施例中，這些饋源中的至少一個包括在該空腔外部的一個輻射元件和被 配置用于將波從該輻射元件引導至該空腔的一個波導。
[0012] 在一些實施例中，該設備可以進一步包括附接到該空腔上的一個衰減器。該衰減 器可以被配置用于使從該空腔離開的電場衰減，例如衰減至小于該空腔內部的電場的1%。
[0013] 在一些實施例中，該衰減器可以包括一個RF反射衰減導管部分。在一些實施例 中，一個電介質衰減導管部分可以被附接到該RF反射衰減導管部分上。
[0014] 在一些實施例中，該衰減導管可以被安排為使得在每個電介質導管部分的遠離金 屬導管部分的端部處的場強小于該空腔內部的場強的1%。
[0015] 在一些實施例中，該衰減器可以被安排成不干擾該材料的流動。
[0016] 在一些實施例中，指示該空腔對饋送至該空腔的RF輻射的電響應的這些參數可 以包括在一個給定饋源處從該空腔返回的所測量功率與在該給定饋源處朝向該空腔行進 的所測量功率的一個比率。例如，指示該空腔對饋送至該空腔的RF輻射的電響應的這些參 數可以包括一個散射參數Sn。
[0017] 在一些實施例中，這些饋源彼此隔離。例如，這些場之間的隔離可以使得在該空 腔中激發大多數模式（例如，60%、70%、或80%的模式）時，小于10%的通過一個饋源進 入該空腔的功率通過另一個饋源離開該空腔。在一些實施例中，該隔離使得響應于大多數 頻率，小于10%的通過一個饋源進入該空腔的功率通過另一個饋源退出該空腔。在一些實 施例中，該隔離使得在激發大多數模式時（或者，在一些實施例中，當利用大多數頻率照射 時），小于10 %的通過一個饋源進入的功率通過所有其他饋源一起離開該空腔。
[0018]在一些實施例中，當該空腔充滿具有與該導管相同的介電常數的材料時，小于 10 %的通過一個饋源進入的功率通過其他饋源離開該空腔。
[0019]在一些實施例中，這些饋源中的一個是相對于該空腔的一個對稱軸傾斜的。在一 些實施例中，這些饋源中的兩個或更多個都是這樣傾斜的。在一些實施例中，兩個饋源可以 彼此間隔開，這樣使得沿著一個饋源的一個對稱軸傳播且從該空腔的一個內表面反射的電 磁輻射通過另一個饋源傳播出該空腔。在一些實施例中，這兩個饋源可以同等地傾斜。
[0020] 在一些實施例中，這些饋源可以包括一對傾斜的平行饋源。在一些實施例中，兩對 或更多對傾斜的平行饋源可以被包括在該設備中。這些傾斜的平行饋源的對稱軸可以是彼 此不重疊的。
[0021] 在一些實施例中，一個饋源可以包括具有一個端部的一個輻射元件、和用于將波 從該輻射元件的該端部引導至該空腔的一個波導。在一些這種實施例中，該輻射元件的該 端部可以與該空腔距離半個波長或更多。該波長可以是該波導中在該空腔中激發這些模式 的最低頻率的微波輻射的波長。
[0022] 在一些實施例中，從該材料具有在一個給定范圍內的介電常數的意義上來說，所 研究的材料可以是熟知的。在一些這種實施例中，該導管（在操作中該材料可以在該導管 中流動）可以由具有在所述給定范圍內的介電常數的一種電介質材料制成。例如，該導管 可以由具有在所述給定范圍的下半部分中的介電常數的一種材料制成。
[0023]在一些實施例中，該波導可以具有一個截止頻率，該截止頻率低于或等于該空腔 的截止頻率。
[0024]在一些實施例中，該波導的直徑是該空腔的直徑的一半或更少。
[0025]在一些實施例中，該處理器可以被配置用于確定所研究的該材料的該屬性的值， 這通過將一種核方法應用于與頻率（或者其他激發設置）相關聯的測量結果，利用指示該 空腔對該激發的電響應的參數的值來實現。
[0026]在一些實施例中，指示該空腔對該空腔中的這些模式的激發的電響應的這些參數 包括在一個給定饋源處從該空腔返回的所測量功率與在該給定饋源處朝向該空腔行進的 所測量功率的一個比率。例如，指示該空腔對該空腔中的這些模式的激發的電響應的這些 參數包括一個散射參數Si1<3
[0027]在一些實施例中，指示該空腔對激發的電響應的這些參數的值可以包括由該檢測 器測得的值。
[0028]在一些實施例中，該處理器可以被配置用于將由該檢測器測得的參數組合，以便 獲得組合參數。該處理器可以被進一步配置用于基于這些組合參數來確定該屬性。在一些 實施例中，每個組合參數與這些饋源中的一個相關聯。可以由該處理器用來確定物體的該 屬性的值的參數的例子可以包括s參數、Γ參數、以及耗散率。
[0029]根據本發明的一些實施例，提供了一種確定在一個微波空腔內部的一個導管中流 動的一種材料的一個屬性的值的方法。該方法可以包括：
[0030]通過多個饋源在該空腔中激發多種模式；
[0031]檢測指示該空腔對該空腔中的這些模式的激發的電響應的參數；并且
[0032] 基于這些檢測到的參數來確定該屬性的值。
[0033] 在一些實施例中，該方法可以包括：
[0034] 在多個激發設置下將微波輻射照射到該空腔中，這些激發設置各自限定了影響在 該空腔中激發的一個場圖的一組可控制參數；
[0035] 檢測指示該空腔對這些照射微波的電響應的參數；并且
[0036] 基于這些檢測到的參數來確定該屬性的值。
[0037] 在一些實施例中，這些饋源中的至少一個包括在該空腔外部的一個輻射元件和被 配置用于將波從該輻射元件引導至該空腔的一個波導。
[0038] 在一些實施例中，該空腔中的該多種模式的激發可以包括數量大于饋源數量的模 式的激發。
[0039] 在一些實施例中，確定該屬性的值可以包括應用核方法。這些方法可以應用于由 這些檢測器測得的參數。在一些實施例中，這些核方法可以應用于組合參數。這些組合參 數可以是這些測量參數的組合。在一些實施例中，這些組合可以是線性的。在一些實施例 中，這些組合可以是非線性的。
[0040] 因此，在一些實施例中，確定該屬性的值包括將由該檢測器測得的參數組合以便 獲得組合參數，并且基于這些組合參數來確定該屬性。
[0041] 在一些實施例中，該方法可以包括操作一個設備，該設備自身是根據本發明的一 些實施例的。
[0042] 在一些實施例中，激發多種模式是通過在多個激發設置下向該空腔施加RF輻射。 在一些實施例中，這些激發設置中的每兩個在頻率或饋源中的至少一個上不同于彼此，RF 輻射被通過該激發設置饋送至該空腔來獲得激發。
[0043] 在一些實施例中，該材料是一種多相材料，例如，原油或乳。在一些這類實施例中， 該屬性可以是該材料的相組成，或者該材料的組分中的一種的體積分數，例如，該材料中的 水的體積分數、該材料中的油的體積分數等。
[0044] 根據本披露的一個方面，一種設備被提供用于確定在一個微波空腔的一個導管中 流動的一種多相材料的流速。該設備可以包括該導管延伸穿過其中的一個多模微波空腔； 多個傾斜的平行饋源，這些饋源中的每一個被配置用于將RF輻射遞送至該空腔以便在該 空腔中激發多種模式，這些饋源中的每一個包括在該空腔外部的一個輻射元件和被配置用 于將電磁波從該輻射元件引導至該空腔的一個波導；一個檢測器，該檢測器檢測指示該空 腔對遞送至該空腔的RF輻射的電響應的參數；以及一個處理器，該處理器基于由該檢測器 檢測到的這些參數來確定該多相材料的流速。該設備還可以包括一個衰減器，該衰減器具 有一個RF反射衰減導管部分和一個電介質衰減導管部分。該設備還可以包括多個衰減器， 其中該多個衰減器中的每一個具有一個RF反射衰減導管部分和一個電介質衰減導管部 分。在另一個方面，一個衰減器可以具有一個金屬衰減導管部分和一個電介質衰減導管部 分。此外，可以提供多個衰減器，其中該多個衰減器中的每一個具有一個金屬衰減導管部分 和一個電介質衰減導管部分。
[0045] 更進一步說，該設備可以包括被配置用于測量該多相材料的壓差的一個壓力傳感 器和被配置用于測量該多相材料的溫度的一個溫度傳感器。再進一步說，該設備可以包括 通向該空腔的一個入口和通向該空腔的一個出口，其中該入口和該出口中的至少一個至少 部分地被一個網狀物所覆蓋。在一個方面，該網狀物含有一種金屬材料。
[0046] 此外，可將不同頻率同時施加到該多個傾斜饋源中的每一個。此外，可將激發在給 定時間施加到少于所有的該多個傾斜的平行饋源上。在一個方面，該多相材料包括一種濕 氣和/或原油。
[0047] 根據本披露的另一個方面，提供一種用于確定在一個微波空腔的一個導管中流動 的一種多相材料的流速的方法。該方法包括通過多個傾斜的平行饋源在該微波空腔中激發 多種模式，其中這些饋源中的每一個包括在該空腔外部的一個輻射元件和被配置用于將電 磁波從該輻射元件引導至該空腔的一個波導。該方法還包括檢測指示該空腔對遞送至該空 腔的RF輻射的電響應的參數。此外，該方法包括基于該檢測器檢測到的這些參數來確定該 多相材料的流速。該方法可以包括檢測在該多相材料中流動的一種物體。該方法還可以包 括測量來自該多相材料的反射信號以便識別對于該多相材料是外源的物質。該方法還可以 包括分析這些反射信號以便識別對于該多相材料是外源的物質。更進一步說，該方法可以 包括檢測在該多相材料中流動的一種氣體的流速。再進一步說，該方法可以包括測量該多 相材料的壓差并且測量該多相材料的溫度。
[0048] 此外，該方法可以包括當在該多相材料中檢測到外源物質時傳輸一個警報信號。 在一個方面，該多相材料包括一種濕氣和/或原油。此外，該方法可以包括將不同頻率同時 施加到該多個傾斜的平行饋源中的每一個上。更進一步說，該方法可以包括將激發在給定 時間施加到少于所有的該多個傾斜的平行饋源上。
[0049] 本發明的一些實施例的一個方面涉及一種確定在一個微波空腔內部的一個導管 中流動的一種材料的一個屬性的值的方法。該方法可以包括：
[0050] 通過多個饋源在該微波空腔中激發多個激發設置；
[0051] 檢測指示該微波空腔對該微波空腔中的這些激發設置的激發的電響應的參數；并 且
[0052] 通過應用一種核方法來基于這些檢測到的參數確定該屬性的值。
[0053] 在一些實施例中，該多個激發設置中的每兩個在頻率或饋源中的至少一個上不同 于彼此。
[0054] 在一些實施例中，指示該微波空腔對該微波空腔中的這些激發設置的激發的電響 應的這些參數包括一個散射參數Sn。
[0055] 在一些實施例中，材料是原油。
[0056] 在一些實施例中，該屬性包括該材料中的水的體積分數、該材料中的油的體積分 數和/或該材料中的氣體的體積分數。
[0057] 本發明的一些實施例的一個方面可以涉及一種用于確定在一個微波空腔內部的 一個導管中流動的一種材料的一個屬性的值的設備。該設備可以包括：
[0058] 其中具有該導管的一個多模微波空腔；
[0059] 多個饋源，每個饋源被配置用于向該微波空腔饋送RF輻射來在該微波空腔中激 發多個激發設置；
[0060] 一個檢測器，該檢測器被配置用于檢測指示該微波空腔對饋送至該微波空腔的射 頻（RF)輻射的電響應的參數；并且
[0061] 一個處理器，該處理器被配置用于通過應用一種核方法來基于由該檢測器檢測到 的這些參數確定該屬性的值。
[0062] 如上所述的設備可以被適配用于執行上述方法中的任何一個。
[0063] 除非另外定義，在此所用的所有技術和/或科學術語具有本發明所屬領域的普通 技術人員通常所理解的相同的含義。可以被用于實踐或測試本發明的實施例的一些方法和 材料在下文中進行描述。然而，其他或等效材料和方法可以被用于實踐或測試本發明的實 施例。此外，這些材料、方法、以及實例僅是說明性的并且不意圖進行必要限制。
[0064] 本發明的實施例的方法的實現方式可以涉及自動地執行或完成選擇的任務。此 外，根據本發明的方法的實施例的實際儀器和設備，使用一個操作系統，若干選擇的任務可 以通過硬件、通過軟件或者通過固件或者通過它們的組合來實現。
[0065] 例如，用于執行根據本發明的實施例的選擇任務的硬件可以被實現為芯片或電 路。作為軟件，根據本發明的實施例的選擇任務可以被實現為由計算機使用任何適合的操 作系統執行的多個軟件指令。在本發明的一個示例性實施例中，根據在此描述的示例性實 施例的一個或多個任務通過一個數據處理器執行，如用于執行多個指令的一個計算平臺。 在一些實施例中，該數據處理器包括用于存儲指令和/或數據的一個易失性存儲器。在一 些實施例中，該數據處理器可以包括一個非易失性存儲器，例如，用于存儲指令和/或數據 的一個硬磁盤和/或可移動介質。任選地，還提供了一種網絡連接。任選地還提供了一種 顯示器和/或一種用戶輸入裝置，如一個鍵盤或鼠標。
[0066] 附圖簡要說明
[0067] 在此僅通過舉例并參考附圖來描述本發明的一些實施例。現在詳細地具體參考附 圖，應強調的是所示細節通過舉例并且用于本發明實施例的說明性討論的目的。在這點上， 結合附圖所進行的描述使本領域技術人員清楚本發明的實施例可以如何被實施。
[0068]在附圖中：
[0069]圖1A是根據本發明的一些實施例的一種設備的圖解示意圖；
[0070] 圖1B和圖1C是根據本發明的一些實施例的具有饋源的兩個空腔的等距視圖；
[0071] 圖2是根據本發明的一些實施例的具有隔離饋源的一個空腔的示意圖；
[0072]圖3是根據本發明的一些實施例的一種確定一種材料的一個屬性的值的方法的 流程圖；
[0073] 圖4A是根據本發明的一些實施例的具有一個衰減器的一種設備的圖示，
[0074] 圖4B是圖4A中示出的該衰減器的前視圖的圖示；
[0075] 圖5A是根據本發明的一些實施例的具有一個衰減器的一種設備的圖示；
[0076] 圖5B是根據本發明的一些實施例的具有一個衰減器的一種設備的圖示；
[0077] 圖5C是圖5B中示出的該衰減器的前視圖的示意圖；
[0078] 圖6是根據本發明的一些實施例的具有一個衰減器的一種設備的示意圖；
[0079] 圖7是根據本披露的一些實施例的一