用于非侵入式确定管道内部的流体的声学特性的方法

摘要

描述用于根据对流体的声学特性的非侵入式测量来确定流经管道的流体的构成的方法，其包括激发位于管道（流体穿过该管道流动）的外表面上的第一换能器，以生成与常规脉冲相对的超声啁啾信号。啁啾信号由布置在在管道的外表面上的与第一换能器的位置相对的第二换能器接收，根据该信号，确定穿过流体的渡越时间，且计算流体中的超声波的声速。根据其中的声速计算流体的构成。也可根据声衰减的测量来得到流体密度。描述了用于从数据提取渡越时间信息的几种信号处理方法，其中管道壁的影响被除去。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年9月3日提交的美国临时专利申请号61/379898“Method for Noninvasive Determination Of Acoustic Properties Of FluidsInside Pipes”的权益，在此为了它公开和教导的所有内容，专门通过引用将该专利申请的全部内容并入本文。

关于联邦政府权利的陈述

利用根据美国能源部所颁发的合同No.DE-AC52-06NA25396下的政府支持做出本发明。政府拥有本发明中的某些权利。

技术领域

本发明通常涉及用于确定流经管道的流体的构成的方法，更具体地，涉及用于非侵入式地确定流经厚壁管道的流体的声速和声衰减的方法和用于确定流体的构成的导管。

背景技术

确定容器中的或流经导管和管道的流体的声学特性在很多工业中，特别是在石油生产中是重要的，因为这些特性可用于确定流体构成。一般，利用穿过被机器加工到管道壁中的特殊窗口附着到管道的传感器来进行声学测量（例如，液体中的声速和声吸收），其中传感器元件与流体物理接触，或传感器元件被直接安装在流体中。在这样的情况下，该传感器或该窗口遭受流体的污染，使长期操作和维护变得困难。而且，如果传感器被放置在流体内部或穿过该壁侵入到液体中，则它可能影响流型（flow pattern)并污损对流型的损坏很敏感的测量。

已使用具有10μs持续时间的高电压脉冲信号来在被附着到适应管道的外部曲率的弯曲延迟线的超声换能器中激发声波，该声波在横穿管道中的流体之后由第二换能器检测。通过所接收的信号的阈值检测来测量脉冲的渡越时间，这是困难的，由于在容器壁中的多次反射并且还由于穿过壁本身的声的传播。对于用于渡越时间度量的正确阈值检测需要100个信号的平均值，根据该渡越时间度量来确定流体声速和随后的流体构成。

发明内容

本发明的实施例通过提供用于确定管道内部的流体的构成的非侵入式方法来克服现有技术的缺点和限制。

本发明的额外的目的、优点和新颖特征将在接下来的描述中部分地被阐述，且对于检查了下文后的本领域技术人员来说将部分地变得清楚，或可通过实践本发明来学习本发明的额外的目的、优点和新颖特征。可借助于特别在所附权利要求中指出的手段和组合来实现和获得本发明的目的和优点。

为了实现前述和其它目的，且根据如在本文中体现和广泛描述的本发明的目的，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括：使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号（ultrasonic frequency chirp signal）；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全（diametrically）相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；通过将所接收的信号与所生成的频率啁啾信号进行相乘来对频率啁啾并且得到差别频率来进行解啁啾（dechirping），根据该差别频率来确定频率啁啾信号的总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过多相流体的传播时间，根据该传播时间来确定多相流体的构成。

在本发明的另一方面中并且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括：使用与管道的外表面超声通信的发射换能器生成超声频率啁啾信号；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；将所发射的信号与所接收的信号互相关，其中生成互相关峰值；选择最高峰值，该最高峰值对应于频率啁啾信号的总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过所述多相流体的传播时间，根据传播时间来确定所述多相流体的构成。

在本发明的又一方面中且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁、外表面和轴的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括：使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；将所发射的信号与所接收的信号互相关，其中生成互相关峰值；确定在连续的峰值之间的时间，其中所确定的时间是穿过多相流体的行进时间的两倍，根据该行进时间来确定多相流体的构成。

在本发明的又一方面中且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括：使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号，该超声频率啁啾信号具有比该超声频率啁啾穿过多相流体所花费的时间短的持续时间；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；使用短时傅立叶变换来变换电信号，由此，生成作为时间的函数的所接收的频率啁啾的频率变化的曲线，归因于壁共振的振幅调制作为个体数据点出现；以及，所生成的频率啁啾是具有斜率的直线；执行数据点与具有该斜率的直线的最小二乘拟合；确定时间轴上的截距，根据该截距来确定总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过多相流体的传播时间，根据传播时间确定多相流体的构成。

本发明的实施例的益处和优点包括但不限于提供用于确定在管道内部可以是流动的或静止的流体的构成同时利用管道壁来帮助测量而不是不利地影响测量的非侵入方法。其它益处包括不被容器或管道的壁的存在影响的高质量的构成确定、归因于频率啁啾的使用和用于信号分析的方法（其同时使用用于确定流体中的声速的多种方法并优于常规脉冲飞行时间（time-of-flight)方法）而得到的高信噪比、高质量声速数据的提取（即使激发啁啾信号没有高质量且可以是基于方波的，该基于方波简化了波的生成并允许使用较低功耗的电子设备。

附图说明

被并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，且连同描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1A是对有效用于实践本发明的方法的本发明的测量装置的实施例的示意性表示，图1B是管道和被固定到管道外表面的弯曲换能器的透视图的示意性表示，而图1C是管道和弯曲换能器的顶视图的示意性表示。

图2是振幅与时间相对的曲线图，该曲线图示出使用于此在图1A-1C中示出的装置得到的数据，其中多个突发（burst）特征是由于管道壁的传输特征导致的。

图3A示出在低频率f₁处开始的典型啁啾信号，低频率f₁以连续的方式经过时间段T增大到较高的频率f₂，同时在图3B中示出作为时间的函数的啁啾的频率变化。

图4A示出被显示为线的所生成的啁啾输入信号s(t)，该信号穿过系统传播并在某个延迟之后由接收机检测，延迟的啁啾信号是s(t-τ)从而在线性系统中是线性的，这两个信号是平行线，且延迟时间τ是所寻求的渡越时间度量，而图4B示出该度量也可被考虑为在由△f所给出的两个啁啾线之间的频率偏移，△f是固定的频率，被称为解啁啾的频率的该差别频率s_diff(t)在这两个信号的重叠时期期间是不变的，且相当于延迟时间。

图5A示出包括一系列在时间上相等地间隔开的啁啾（其具有减小的振幅并由在管道或容器的壁内部的反射而造成）的延迟的啁啾信号，而图5B示意性示出当其横穿壁时被多次反射的脉冲声信号。

图6A是由接收机换能器从充水的黄铜管道检测的信号的曲线图，而图6B是该信号与来自发射机换能器的源信号的互相关的曲线图，该曲线图示出明显的脉冲压缩。

图7A和图7B是分别针对具有相同尺寸的不锈钢管道和黄铜管道示出由接收机换能器接收的不具有多个回波的第一啁啾突发的曲线图，而图7C和图7D分别示出这些信号的相应的快速傅立叶变换。

图8A和图8B示出来自包含水的黄铜管道的相同的所接收的啁啾信号，图8B是在记录多个回波的影响可被分离的足够的时间跨度上被记录的，而图8A和图8B的信号的对应快速傅立叶变换分别在图8C和图8D中示出。

图9A示出如在此的图8D中的，在针对充水的黄铜管道归因于记录多个回波的影响可被分离的足够的时间段上，所接收的啁啾信号的快速傅立叶变换，而大约2.7MHz的曲线的一部分由虚椭圆形曲线包围，而图9B示出图9A的强调部分的展开图，其示出在两个管道壁之间的流体中观察到的峰值的快速傅立叶变换。

图10是示出在时间上偏移的两个平行状态线的曲线图，第一条线表示在1MHz和4MHz之间的并具有在零时刻开始的100μs持续时间的所发射的啁啾，而实心圆表示在调制声传输的各个接收的壁峰值的在时间和频率上的峰值位置，对该数据做出最小二乘拟合，但该最小二乘拟合被约束到与实线所示的所发射的啁啾线相同的斜率，在曲线图右边的快速傅立叶变换被提供来与频率发射窗比较。

图11A是针对包含水的黄铜管道的所发射的啁啾和所接收的延迟啁啾（图4A和图4B）的乘积的联合时频分析的曲线图，而图11B是所发射的啁啾和所接收的延迟啁啾的乘积的快速傅立叶变换的曲线图。

具体实施方式

本发明的实施例简要地包括用于非侵入式地确定管道内部的流体的构成的方法。该方法包括激发位于管道（处于研究下的流体穿过该管道流动）的外表面上的第一换能器，以生成与常规脉冲相对的超声啁啾信号。该啁啾信号由布置在该管道的外表面上的与第一换能器的位置相对的第二换能器接收，根据该信号来确定穿过流体的渡越时间，并且计算流体中的超声波的声速。根据其中的声速来计算流体的构成。也可从声衰减的测量得到流体密度。

啁啾测量允许获得高信噪比，且允许较低功率操作。换能器可直接附着到管道，且换能器表面可具有与管道相同的曲率半径。这样的弯曲换能器不需要延迟线来得到足够的信号。数字信号处理器（DSP）电路可被用于处理所接收的啁啾信号以提供声速。使用高动态范围（16比特）数字化仪来记录所接收的信号简化了测量，当流经管道的流体的衰减改变时不需要放大器再次调节。

本方法的实施例可提供不受厚管道壁的存在的影响的精确的渡越时间确定，并可有利地使用该壁。与管道或容器内部的流体中的渡越时间同时地确定穿过壁的渡越时间。此外，弯曲换能器可通过抑制穿过管道壁的导波模态的生成来减轻这样的波模态的生成。在下文中详细描述的信号分析过程提供不被随机噪声影响的鲁棒的渡越时间度量。

所接收的信号穿过管道的壁和管道内部的流体传播。在流体正流动且还包含气体的系统中，信号可能相当嘈杂，且不可以通过如常规所做那样的简单阈值检测来确定渡越时间。根据本发明的实施例，可以使用五种信号处理方法来从数据中提取渡越时间信息，而已将管道壁影响减去。这些信号分析技术包括：（1）获得啁啾的每个点的传播延迟的联合时频分析；（2）用于提供与啁啾延迟直接有关的固定频率信号的解啁啾技术；（3）确定穿过流体的渡越时间和穿过流体的多次反射并提供声衰减信息的互相关技术；（4）获得流体中的声信号的干扰谱和转而获得其声速的对所接收的信号的快速傅立叶变换（FFT）；以及（5）获得穿过壁的信号传输和壁共振峰值的对所接收的信号的FFT，壁共振峰值可用于确定壁厚度或穿过壁的渡越时间。

现在详细参考本发明的当前的实施例，该实施例的示例在附图中示出。在附图中，将使用相同的附图标记来标识相似的结构。应当理解的是，附图是为了描述本发明的特定实施例的目的，且不是用来将本发明限制到该附图中。现在转到图1A，示出了对有效用于实践在此的方法的本发明的测量装置10的实施例的示意性表示。微控制器12通过通用串行总线（USB）16控制数字信号处理器（DSP）14。DSP14将啁啾波形装载到任意波形发生器（WG）18中，任意波形发生器（WG）18生成将被引导到功率放大器20用于驱动发射换能器22的线性啁啾波形。波形发生器18可生成任何数学上生成的波形，且不限于生成线性频率啁啾。一般使用的啁啾信号是正弦的，但也可使用方波啁啾来减小输出放大器的功率消耗，并方波啁啾也可简化放大器设计。然而，方波啁啾信号产生可影响测量精度的高次谐波，除非在数据分析中被适当地处理。装置10生成在大约100kHz和近似10MHz之间的频率范围内的具有在大约1mV和大约50V之间的振幅的信号。啁啾持续时间可以在大约1μs和大约10ms之间。可以通过变压器（未在图1A中示出）差动地驱动发射换能器22以避免关于接地回路的困难。发射换能器22放置成与管道或管子26的壁24超声通信，这可包括将换能器22直接附着到壁24的外部。

接收换能器28布置成与壁24的外部超声通信（其可包括将换能器28直接附着到壁24的外部），并且与发射换能器22完全相对。由接收换能器生成的信号在被使用具有数据存储器的2通道、16比特、60兆样本/s的数字化仪32数字化之前由信号放大器30放大，信号放大器30具有在近似10db和近似60db之间的增益。接收机换能器28可以是耦合成提供差分信号的变压器，这可能对电气安全和对抑制环境噪声拾取都是有利的。信号放大器30可被布置在与换能器28靠近定位的电路板上并被屏蔽在金属外壳内。来自WG18的输出可同时被数字化仪32数字化，且两个啁啾信号在被微控制器12处理之后在被显示在屏幕上之前被引导到DSP14用于分析，或被记录在微控制器12的存储器中。可将温度计元件36附着到管道壁24，用于在测量期间测量壁24的温度。可以通过电阻温度设备（RTD）转换器38将来自传感器36的信号数字化，并将该信号引导到用于与微控制器12通信的USB总线40。信号可在大约每0.1s和大约1s之间被处理，并被存储在微控制器12中或显示在屏幕34上。箭头42描绘管道26中的流体流动的方向。

换能器22和换能器28可利用压电（PZT）材料来制造，并可承受高达250°F的温度。如在上文陈述的，这样的换能器可被成形为适应管道26的外半径。用于收集在下文中阐述的数据的不锈钢管道和黄铜管道具有大约3英寸的内径44和0.25英寸的壁24的厚度。也可使用其它材料。所使用的每个PZT元件的尺寸是1cm×2cm，并沿着如图1B所示的长轴弯曲，图1B示出管道26和弯曲换能器22的透视图的示意性表示。图1C是管道26和弯曲换能器22和弯曲换能器28的顶视图的示意性表示。可使用用于扩展用途的高温环氧树脂将换能器22和换能器28粘结到壁24的外表面，但也可使用其它附着手段。

换能器元件22和换能器元件28的中心频率可取决于特定的应用在大约1.55MHz和大约5MHz之间变化。针对高度衰减的重油，使用较低的频率，而针对具有高的水含量的流体，则使用较高的频率。针对较小的管道直径和较少衰减的流体，频率可高达大约10MHz，该频率不是对可容易被修改成在50MHz下操作的电子设备的限制。为了使PZT元件宽频带，每个元件22和元件28的外侧46和外侧48（图1C）分别覆盖有一层加载钨的环氧树脂。有利地，这也使换能器更加鲁棒。如在上文中陈述的，利用薄层的环氧树脂将换能器22和换能器28耦合到管道26的外表面，且延迟线是不必要的。这样的接触抑制在管道壁中生成导波模态以及由导波模态所致的任何并发问题生成。如也在上文中陈述的，两个换能器被定位成直接彼此相对以得到强信号，并提供管道内部的界限清楚的声束图案。可采用其它相对的换能器位置，但提供较差的信号响应。

图2是振幅与时间相对的曲线图，其示出使用在此的图1A-1C中示出的装置得到的数据。啁啾持续时间是100μs，频率范围在大约1MHz和大约4MHz之间，且激发电压小于大约10V峰间值。在具有3英寸内径和0.25英寸壁厚度的充水不锈钢管道中进行测量。图2中的多个突发特征是由于作为频率的函数的管道壁的传输特征，且将在下文中被更详细地讨论该多个突发特征。相反，通过应用10μs持续时间和高达500V的激发水平的脉冲，使用用于在具有厚壁的管道或容器中的非侵入式声音渡越时间度量的以前的装置或方法得到的数据必须被平均以得到可用信号，该可用信号用于基于检测到所检测的突发的开始来确定脉冲渡越时间。如在上文中陈述的，这样的检测容易出错，因为它依赖于可能随着信号水平而变化的阈值检测，且突发信号在开始之外的的其余部分通常不被使用，因为它包含在管道壁内的多次反射。

图3A示出典型的啁啾信号。可使用具有在大约10μs到200μs之间的持续时间的、范围从大约100kHz到大约10MHz的频率啁啾。持续时间取决于穿过流体的路径长度，并对于更大的路径长度，持续时间可能更长。啁啾信号在低频率f₁处开始，低频率f₁以连续的方式在时间段T内增加到较高的频率f₂。在图3B中示出作为时间的函数的啁啾的频率变化。啁啾的带宽是B=f₂-f₁，且其周期是T。确定穿过填充流体的管道（或任何其它容器）的这个啁啾信号的渡越时间提供了相关的渡越时间度量。啁啾信号具有几个优点。啁啾在较长的时间段上分配用于测量的发射功率；因此，不需要如在常规脉冲测量中使用的高电压激发，且小于大约10V的信号激发水平对大部分测量来说是足够的。啁啾也允许使用脉冲压缩技术，该脉冲压缩技术用于将测量的信噪比（S/N）增大了脉冲压缩比=B×T。因此，在没有信号平均的情况下，对于高带宽B和较长的持续时间T，可以得到非常高的S/N，一般是比传统脉冲测量大几个数量级的幅值。啁啾测量还允许使用用于渡越时间激发的几种强大的信号处理方法。

图4A和图4B是啁啾信号分析的示意性表示。在图4A中，所生成的啁啾输入信号s(t)被显示为具有角度的线（见图3B）。该信号穿过系统（例如，充水的管道）传播并在某个延迟之后由接收机（输出）检测，延迟的啁啾信号是s(t-τ)。如果系统是线性的，则这两个信号是平行线，且延迟时间τ是所寻求的渡越时间度量。该度量也可被考虑为如由△f给出的在两个啁啾线之间的频率偏移，该△f是固定的频率。在图4B中示出的并被称为解啁啾的频率的这个差别频率s_diff(t)在这两个信号的重叠时期期间是固定的频率，且相当于延迟时间τ。这是因为在两个线性啁啾信号之间的固定的时间差给出了固定的频率信号，因为一个啁啾的每个实例相对于另一个啁啾在频率上偏移了相同的量。时间上的偏移因此与频率上的偏移线性地相关，且因此频率偏移的度量提供时间延迟的度量。优点是在两个啁啾的频率重叠的整个区域上确定该度量，且因此得到平均值。相反，在使用脉冲来确定时间延迟的广泛使用和传统的飞行时间测量中，使用脉冲上的单个点，且如果所接收的脉冲遭受失真，则这变得很难执行，当声脉冲穿过流动的流体传播时该失真总是存在。

用于在实际测量中测量解啁啾（差别）频率的直接方式是如在下文中所述那样将输入啁啾信号和输出啁啾信号一起相乘。两个啁啾信号（发送的[x(t)]和在时间延迟之后的接收的[y(t)]）在数学上可被定义为：

$>x\left(t\right)=s\left(t\right)=\sin ({\omega }_0+\frac{1}{2}{\stackrel{·}{\omega }t}^2)---\left(1\right)$>

$>y\left(t\right)=s(t-\tau )=x(t-\tau )·u(t-\tau )=\sin [{\omega }_0(t-\tau )+\frac{1}{2}\stackrel{·}{\omega }{(t-\tau )}^2]·u(t-\tau )---\left(2\right)$>

其中ω₀是起始频率，而T是啁啾持续时间。啁啾速率等于△ω/T，其中△ω是在啁啾（ω₁-ω₀）期间频率的变化。解啁啾信号z(t)是等式（1）和等式（2）的乘积

$>s_{\mathrm{diff}}\left(t\right)=x\left(t\right)·y\left(t\right)=\sin ({\omega }_0+\frac{1}{2}{\stackrel{·}{\omega }}^2)·\sin [{\omega }_0(t-\tau )+\frac{1}{2}\stackrel{·}{\omega }{(t-\tau )}^2]·u(t-\tau )---\left(3\right)$>

其可被简化为

其中因此，解啁啾的信号的频率谱将包含在处的单个峰值和在处开始的线性增加的区段。注意，在管道壁内的任何额外的反射将表现为在频率处的其它不同的峰值，其中τ_d是对应“n”次反射中的每个的壁延迟。

解啁啾的正弦曲线的第一峰值频率与τ成比例。因此，解啁啾过程包括在啁啾信号和延迟的啁啾信号之间的微分乘法，这是生成固定的差别频率以及时变和频的频率混合过程。在两个啁啾信号之间的时间延迟τ可通过解啁啾过程转换成频率信号（△f）。

图5A示出管道或容器的壁对测量的影响。在该情况下，延迟的啁啾信号被观察到具有一系列具有减小的振幅的在时间上相等地间隔开的啁啾。图5B示意性示出当脉冲声信号横穿壁时被多次反射的脉冲声信号，其中为了例示性目的只示出一个壁。穿过壁的渡越时间是τ₀，而每次反射增加了2τ₀的额外时间延迟。因为流体和壁材料之间的声学阻抗失配影响了每次信号经过，连续的反射在振幅上减小，振幅包括关于流体密度的信息（如果壁的声阻抗是已知的），且可从该振幅确定流体密度。

图6A是由接收机换能器从充水的黄铜管道检测的信号的曲线图。在图6B中示出该信号与来自发射机换能器的源信号的互相关，并示出明显的脉冲压缩。确定对应于第一最高峰值的时间是简单的，该时间对应于穿过壁（τ₀）和穿过流体（τ）的总渡越时间。在图6B中的任意两个连续峰值之间的时间被预测为脉冲横穿流体所花费的时间的两倍（2τ），因为穿过壁的渡越时间在差别中被抵消。因此，壁影响被消除，且可得到穿过流体的渡越时间的准确度量。因为管道的内径D是已知的，可容易从比率D/τ确定声速。来自多次反射（穿过流体的渡越）的峰值的高度可被用于提取流体中的声衰减。当解啁啾和互相关方法被比较时，解啁啾方法表现得更不受啁啾信号的振幅变化的影响。例如，方波啁啾产生了与正弦波啁啾产生的一样良好定义的解啁啾的信号。对于互相关，结果的质量降低了，因为方波由很多高次谐波组成。在解啁啾的情况下，整个信号的逐点频率偏移被观察到，而在互相关的情况下，由于高次谐波的存在和谐波的不同相位引起的信号的振幅变化，特别是在壁中的多次反射之后，使相关结果恶化。需要进一步的处理来减去高次谐波以简化结果。然而，对于高质量正弦波啁啾，这两种方法都生成极好的结果。

图7A和图7B分别是针对具有相同尺寸的不锈钢管道和黄铜管道示出由接收机换能器接收的不存在多个回波的第一啁啾突发的曲线图，而图7B和图7D分别示出这些信号的对应的快速傅立叶变换（FFT）。这解释为什么在穿过壁之后接收的啁啾信号是以所示方式调制的振幅。FFT显示在频率啁啾的1-4MHz范围内的多个峰值，并且是壁的厚度模态共振，该厚度模态共振确定了壁的声传输特征。峰值在频率上是相等地间隔的（△F_W）。壁材料的声速和壁厚度d通过该差别频率而相关为：

声速（c_w）=2×d×△F_W   (5)

因为钢管道和黄铜管道的壁厚度在测试中都是相同的，与黄铜的△F_W值比较，钢的较大△F_W值是从钢中的较大声速得到的。如果壁材料的声速是已知的，则壁的厚度可被精确地确定。

图8A-8D示出在数据的减小中包括多个回波的影响。图8A和图8B示出对填充有水的黄铜管道的相同接收到的啁啾信号（由接收机换能器接收的多个回波暗示了信号已穿过液体来回反弹几次，并有时间来建立共振，其后在壁共振上叠加的液体共振被观察到），图8B在足够的时间跨度（在该时间跨度上，由于记录多个回波所致的影响可与壁影响分离）上被记录。图8A和图8B的信号的快速傅立叶变换分别在图8C和图8D中示出。在图8A中，声只穿过壁直径传播一次，且因此没有由于多次反射所致的流体共振生成。图8C中的FFT主要示出壁的影响和由流体所致的衰减。流体衰减反映在峰值宽度中。在图8B中，多次反射被包括，且FFT现在示出共振在两个换能器之间的流体中建立。

如在图9A中所示的，可与壁共振分开地研究液体共振，图9A示出针对填充有水的黄铜管道在允许记录多个回波的足够的时间段上的所接收的啁啾信号的FFT。壁共振峰值在图9A中被观察到，且在两个相邻的壁峰值之间的频率差被显示为△F_w。液体共振峰值表现为在该频率范围上的噪声，且因此小的区域需要被扩展以更清楚地观察这些共振。图8D和图9A是相同的。图9B示出由虚椭圆形包围的在图9A中的大约2.7MHz的曲线的扩展部分。一系列在频率上相等地间隔开的峰值具有△F_L的频率间隔。以与管道的壁中的声速类似的方式，流体中的声速由下式给出：

声速（c_L）=2×D×△F_L   （6）

因为管道D的内径是已知的，液体中的声速可容易根据对△F_L的测量来确定。为了获得液体中的声速的最精确的值，在任两个连续的壁峰值之间的中心区域中进行测量，这除去了壁对液体声速测量的影响。

所接收的经啁啾的数据的联合时频分析（JTFA）在此中的图10中示出。为了比较，在曲线图的右手侧上示出所接收的信号的FFT，该曲线图示出在时间上偏移的两个平行的状态线，第一条线表示在1MHz和4MHz之间的所发射并具有在零时刻开始的100μs持续时间的啁啾。实心圆表示在调制声传输的各种接收到的壁峰值的在时间和频率上的峰值位置，每个随后的峰值在稍后的时间到达。对该数据做出的但被约束到与所发射的啁啾线相同的斜率的最小二乘拟合由实线示出。该线在时间轴上1MHz（啁啾起始频率）处的截距是总渡越时间。替代JFTA，可以使用连续的小波变换或其它数学变换来将数据转换成时频。这是得到渡越时间的简单方法，声速可根据渡越时间确定。

图11示出在图4A和图4B中描述的并在等式（4）中数学地表达的解啁啾技术。图11所示的数据是针对包含水的黄铜管道。首先，取源啁啾与所接收的啁啾的乘积。如果延迟太大，使得在两个信号之间没有重叠或没有明显的重叠，则在时间上转化这些信号之一，直到存在合理程度（在当前情况中，所使用的啁啾信号的持续时间一般是100μs，而穿过管道和内部液体的实际渡越时间大约是50μs。因此，如果在时间上从时间零开始绘制所发射的信号和所接收的信号且将一个信号放置在另一个之上，则将存在这两个信号的重叠。发射信号的最后50μs将与所接收的信号的前50μs重叠。这种重叠并不总是可能的，如在较大直径的管道中那样，在较大直径的管道中当这两个信号在时间上根本不重叠或最低程度地重叠时，穿过管道的渡越时间可能比发射信号的持续时间长。在这样的情况下，可以将某个量的已知延迟时间加到发射信号上并在数学上偏移它以使两个信号更好地重叠。一旦分析完成，增加的时间偏移可以被考虑）的重叠，且记录该时间偏移来用于校正时间。图11A示出没有任何时间偏移的乘积数据的JTFA，因为这两个信号充分地重叠（几乎50%）。如通过等式4预测的，固定的频率连同随着时间变化的另一较高频率成分被观察到。在本发明的实施例中，固定频率的解啁啾的信号是所关注的，且越过水平线的所有峰值的平均值提供了解啁啾的频率。在另一实施例中，执行对乘积的FFT，其在图11B所示的曲线中示出。在这种情况下的第一峰值是解啁啾的频率，且因为啁啾的带宽和持续时间是已知的，所以可从啁啾率和频率（图4A和4B以及等式4）得到延迟时间。应注意，接近1.6MHz的最低频率峰值具有卫星峰值（satellite peak），其是由于如在图5A和图5B中讨论的壁中的多次反射。

对于观测到的数据，根据在上文中描述的五种分析方法进行的测量的改变小于0.02%。为了精确确定液体中的声速，可使用单个方法或这五种分析方法中的一些或全部的组合。

一旦声速被确定，就可以确定2相流体（例如油和水）的构成。下面的等式7和等式8是对作为以℃为单位的温度T的函数的以m/s为单位的原油的声速（c_o）和工艺用水的声速（c_w）的试验数据的最小二乘多项式拟合。

c_w(T)=Σ_iA_oiTⁱ，以及   （7）

c_o(T)=Σ_iA_wiTⁱ   （8）

对于特定的样本对，我们如下校准多项式系数：

A_w0=1456.49，A_w1=3.39556，A_w2=-0.0116426，A_w3,A_w4…=0

A_o0=1486.78，A_o1=-3.02556，A_o2=-0.008222，A_o3,A_o4…=0

此外，油和水的混合物的测量密度（ρ）可由如下原油的密度（ρ_o）和工艺用水的密度（ρ_w）的线性混合法则这一方案表示：

ρ=Φρ_o+(1-Φ)ρ_w，   （9）

其中Φ是油成分的体积分数。这个简化的等式在实践中使用起来简单，但也可使用更精确的关系式。类似的线性法则可被应用于混合物的压缩性（κ），如：

κ=Φκ_o+(1–Φ)κ_w，   （10）

其中使用了个体的油的压缩性（κ_o）和个体的水的压缩性（κ_w）。个体的油介质中的声速（c_o）和个体的工艺用水介质中的声速（c_w）以及混合物中的声速（c）通过下式与各自的密度和压缩性相关：

c²=1/(ρκ)，c_o²=1/(ρ_oκ_o)和c_w²=1/(ρ_wκ_w)   （11）

因而得到

κ_o/κ_w=o/(rw)，   （12）

其中o=c²/c_o²，r=ρ_o/ρ_w以及w=c²/c_w²。我们可接着写出

κ/κ_w=1–Φ[1-o/(rw)]   （13）

通过简单的代数操作，等式（9）可以被写为：

ρ/ρ_w=1–Φ(1–r)。   （14）

当使等式（13）和等式（14）相乘并应用（11）后，

1/w={1-Φ[1-o/(rw)]}×{1–Φ(1–r)}   （15）

其在重新整理后采取二次等式的形式：

(o–rw)(1–r)Φ²+(2rw–o–r²w)Φ+r(1–w)Φ=0。   （16）

为了得到含油量Φ（在油水混合物中的油的分数），求解（16）中的二次等式，选择根，使得0≤Φ≤1。

为了校准系统，有用的是，获得油和工艺用水的样本并接着在单独的静态单元中单独地确定它们的声速对温度的依赖性。该系统可用于任何构成的那两种材料。显然，一旦进行了声速的精确测量，就可设计更精密的方案。例如，声衰减是温度和流体构成的强函数（strong function）。可以组合声速测量和声衰减测量以得到流体构成的可靠度量。

为了说明和描述的目的而提出本发明的前述描述，前述描述并非旨在是详尽的或将本发明限制到所公开的确切形式，且根据上面的教导，显然很多修改和变更是可能的。选择和描述了实施例，以便最好地解释本发明的原理和其实际应用，以由此使本领域技术人员能够在各种实施例中和利用如对所设想的特定用途适合的各种变型，来最好地利用本发明。意图是本发明的范围由其所附的权利要求限定。