CN105247353A - 用于使用微波确定材料属性值的设备和方法 - Google Patents

Abstract

在此披露了用于确定在一个微波空腔内部的导管中流动的材料的一个属性的值的方法和设备。这种设备可以包括：其中具有该导管的一个多模微波空腔；多个馈源，每个馈源被配置用于向该空腔馈送RF辐射，以在该空腔中激发多种模式；一个检测器，该检测器被配置用于检测指示该空腔对馈送至该空腔的RF辐射的电响应的参数；以及一个处理器，该处理器被配置用于基于该检测器检测到的这些参数确定该属性的值。在一些实施例中，这些馈源中的至少一个包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导。

Description

用于使用微波确定材料属性值的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年5月3日提交的美国临时专利申请号61/819,042和于2013年7月12日提交的美国临时专利申请号61/845,415中的每一个的权益。这些申请中的每一个的包括说明书、权利要求、以及附图的披露内容都通过引用以其全部内容结合在此。

领域和背景

本申请属于通过使用微波研究材料的领域。更具体地但是非排他性地说，一些实施例属于研究原油或其他多相材料的相组成的领域。

至少从20世纪七十年代开始就已提出了使用微波研究多相材料的建议，但是就本发明人所知，这些建议从未成熟为一种可商购获得的产品。因此，本发明人相信该领域可以从一种新方法中获益。

概述

根据本发明的一些实施例，提供了一种用于确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的设备。该设备可以包括：

其中具有该导管的一个多模微波空腔；

多个馈源，每个馈源被配置用于向该空腔馈送RF辐射，以在该空腔中激发多种模式；

一个检测器，该检测器被配置用于检测指示该空腔对馈送至该空腔的RF辐射的电响应的参数；以及

一个处理器，该处理器被配置用于基于由该检测器检测到的这些参数来确定该属性的值。在一些实施例中，这些馈源中的至少一个包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导。

在一些实施例中，该设备可以进一步包括附接到该空腔上的一个衰减器。该衰减器可以被配置用于使从该空腔离开的电场衰减，例如衰减至小于该空腔内部的电场的1％。

在一些实施例中，该衰减器可以包括一个RF反射衰减导管部分。在一些实施例中，一个电介质衰减导管部分可以被附接到该RF反射衰减导管部分上。

在一些实施例中，该衰减导管可以被安排为使得在每个电介质导管部分的远离金属导管部分的端部处的场强小于该空腔内部的场强的1％。

在一些实施例中，该衰减器可以被安排成不干扰该材料的流动。

在一些实施例中，指示该空腔对馈送至该空腔的RF辐射的电响应的这些参数可以包括在一个给定馈源处从该空腔返回的所测量功率与在该给定馈源处朝向该空腔行进的所测量功率的一个比率。例如，指示该空腔对馈送至该空腔的RF辐射的电响应的这些参数可以包括一个散射参数S₁₁。

在一些实施例中，这些馈源彼此隔离。例如，这些场之间的隔离可以使得在该空腔中激发大多数模式(例如，60％、70％、或80％的模式)时，小于10％的通过一个馈源进入该空腔的功率通过另一个馈源离开该空腔。在一些实施例中，该隔离使得响应于大多数频率，小于10％的通过一个馈源进入该空腔的功率通过另一个馈源退出该空腔。在一些实施例中，该隔离使得在激发大多数模式时(或者，在一些实施例中，当利用大多数频率照射时)，小于10％的通过一个馈源进入的功率通过所有其他馈源一起离开该空腔。

在一些实施例中，当该空腔充满具有与该导管相同的介电常数的材料时，小于10％的通过一个馈源进入的功率通过其他馈源离开该空腔。

在一些实施例中，这些馈源中的一个是相对于该空腔的一个对称轴倾斜的。在一些实施例中，这些馈源中的两个或更多个都是这样倾斜的。在一些实施例中，两个馈源可以彼此间隔开，这样使得沿着一个馈源的一个对称轴传播且从该空腔的一个内表面反射的电磁辐射通过另一个馈源传播出该空腔。在一些实施例中，这两个馈源可以同等地倾斜。

在一些实施例中，这些馈源可以包括一对倾斜的平行馈源。在一些实施例中，两对或更多对倾斜的平行馈源可以被包括在该设备中。这些倾斜的平行馈源的对称轴可以是彼此不重叠的。

在一些实施例中，一个馈源可以包括具有一个端部的一个辐射元件、和用于将波从该辐射元件的该端部引导至该空腔的一个波导。在一些这种实施例中，该辐射元件的该端部可以与该空腔距离半个波长或更多。该波长可以是该波导中在该空腔中激发这些模式的最低频率的微波辐射的波长。

在一些实施例中，从该材料具有在一个给定范围内的介电常数的意义上来说，所研究的材料可以是熟知的。在一些这种实施例中，该导管(在操作中该材料可以在该导管中流动)可以由具有在所述给定范围内的介电常数的一种电介质材料制成。例如，该导管可以由具有在所述给定范围的下半部分中的介电常数的一种材料制成。

在一些实施例中，该波导可以具有一个截止频率，该截止频率低于或等于该空腔的截止频率。

在一些实施例中，该波导的直径是该空腔的直径的一半或更少。

在一些实施例中，该处理器可以被配置用于确定所研究的该材料的该属性的值，这通过将一种核方法应用于与频率(或者其他激发设置)相关联的测量结果，利用指示该空腔对该激发的电响应的参数的值来实现。

在一些实施例中，指示该空腔对该空腔中的这些模式的激发的电响应的这些参数包括在一个给定馈源处从该空腔返回的所测量功率与在该给定馈源处朝向该空腔行进的所测量功率的一个比率。例如，指示该空腔对该空腔中的这些模式的激发的电响应的这些参数包括一个散射参数S₁₁。

在一些实施例中，指示该空腔对激发的电响应的这些参数的值可以包括由该检测器测得的值。

在一些实施例中，该处理器可以被配置用于将由该检测器测得的参数组合，以便获得组合参数。该处理器可以被进一步配置用于基于这些组合参数来确定该属性。在一些实施例中，每个组合参数与这些馈源中的一个相关联。可以由该处理器用来确定物体的该属性的值的参数的例子可以包括s参数、Γ参数、以及耗散率。

根据本发明的一些实施例，提供了一种确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的方法。该方法可以包括：

通过多个馈源在该空腔中激发多种模式；

检测指示该空腔对该空腔中的这些模式的激发的电响应的参数；并且

基于这些检测到的参数来确定该属性的值。

在一些实施例中，该方法可以包括：

在多个激发设置下将微波辐射照射到该空腔中，这些激发设置各自限定了影响在该空腔中激发的一个场图的一组可控制参数；

检测指示该空腔对这些照射微波的电响应的参数；并且

基于这些检测到的参数来确定该属性的值。

在一些实施例中，这些馈源中的至少一个包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导。

在一些实施例中，该空腔中的该多种模式的激发可以包括数量大于馈源数量的模式的激发。

在一些实施例中，确定该属性的值可以包括应用核方法。这些方法可以应用于由这些检测器测得的参数。在一些实施例中，这些核方法可以应用于组合参数。这些组合参数可以是这些测量参数的组合。在一些实施例中，这些组合可以是线性的。在一些实施例中，这些组合可以是非线性的。

因此，在一些实施例中，确定该属性的值包括将由该检测器测得的参数组合以便获得组合参数，并且基于这些组合参数来确定该属性。

在一些实施例中，该方法可以包括操作一个设备，该设备自身是根据本发明的一些实施例的。

在一些实施例中，激发多种模式是通过在多个激发设置下向该空腔施加RF辐射。在一些实施例中，这些激发设置中的每两个在频率或馈源中的至少一个上不同于彼此，RF辐射被通过该激发设置馈送至该空腔来获得激发。

在一些实施例中，该材料是一种多相材料，例如，原油或乳。在一些这类实施例中，该属性可以是该材料的相组成，或者该材料的组分中的一种的体积分数，例如，该材料中的水的体积分数、该材料中的油的体积分数等。

根据本披露的一个方面，一种设备被提供用于确定在一个微波空腔的一个导管中流动的一种多相材料的流速。该设备可以包括该导管延伸穿过其中的一个多模微波空腔；多个倾斜的平行馈源，这些馈源中的每一个被配置用于将RF辐射递送至该空腔以便在该空腔中激发多种模式，这些馈源中的每一个包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将电磁波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导；一个检测器，该检测器检测指示该空腔对递送至该空腔的RF辐射的电响应的参数；以及一个处理器，该处理器基于由该检测器检测到的这些参数来确定该多相材料的流速。该设备还可以包括一个衰减器，该衰减器具有一个RF反射衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。该设备还可以包括多个衰减器，其中该多个衰减器中的每一个具有一个RF反射衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。在另一个方面，一个衰减器可以具有一个金属衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。此外，可以提供多个衰减器，其中该多个衰减器中的每一个具有一个金属衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。

更进一步说，该设备可以包括被配置用于测量该多相材料的压差的一个压力传感器和被配置用于测量该多相材料的温度的一个温度传感器。再进一步说，该设备可以包括通向该空腔的一个入口和通向该空腔的一个出口，其中该入口和该出口中的至少一个至少部分地被一个网状物所覆盖。在一个方面，该网状物含有一种金属材料。

此外，可将不同频率同时施加到该多个倾斜馈源中的每一个。此外，可将激发在给定时间施加到少于所有的该多个倾斜的平行馈源上。在一个方面，该多相材料包括一种湿气和/或原油。

根据本披露的另一个方面，提供一种用于确定在一个微波空腔的一个导管中流动的一种多相材料的流速的方法。该方法包括通过多个倾斜的平行馈源在该微波空腔中激发多种模式，其中这些馈源中的每一个包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将电磁波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导。该方法还包括检测指示该空腔对递送至该空腔的RF辐射的电响应的参数。此外，该方法包括基于该检测器检测到的这些参数来确定该多相材料的流速。该方法可以包括检测在该多相材料中流动的一种物体。该方法还可以包括测量来自该多相材料的反射信号以便识别对于该多相材料是外源的物质。该方法还可以包括分析这些反射信号以便识别对于该多相材料是外源的物质。更进一步说，该方法可以包括检测在该多相材料中流动的一种气体的流速。再进一步说，该方法可以包括测量该多相材料的压差并且测量该多相材料的温度。

此外，该方法可以包括当在该多相材料中检测到外源物质时传输一个警报信号。在一个方面，该多相材料包括一种湿气和/或原油。此外，该方法可以包括将不同频率同时施加到该多个倾斜的平行馈源中的每一个上。更进一步说，该方法可以包括将激发在给定时间施加到少于所有的该多个倾斜的平行馈源上。

本发明的一些实施例的一个方面涉及一种确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的方法。该方法可以包括：

通过多个馈源在该微波空腔中激发多个激发设置；

检测指示该微波空腔对该微波空腔中的这些激发设置的激发的电响应的参数；并且

通过应用一种核方法来基于这些检测到的参数确定该属性的值。

在一些实施例中，该多个激发设置中的每两个在频率或馈源中的至少一个上不同于彼此。

在一些实施例中，指示该微波空腔对该微波空腔中的这些激发设置的激发的电响应的这些参数包括一个散射参数S₁₁。

在一些实施例中，材料是原油。

在一些实施例中，该属性包括该材料中的水的体积分数、该材料中的油的体积分数和/或该材料中的气体的体积分数。

本发明的一些实施例的一个方面可以涉及一种用于确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的设备。该设备可以包括：

其中具有该导管的一个多模微波空腔；

多个馈源，每个馈源被配置用于向该微波空腔馈送RF辐射来在该微波空腔中激发多个激发设置；

一个检测器，该检测器被配置用于检测指示该微波空腔对馈送至该微波空腔的射频(RF)辐射的电响应的参数；并且

一个处理器，该处理器被配置用于通过应用一种核方法来基于由该检测器检测到的这些参数确定该属性的值。

如上所述的设备可以被适配用于执行上述方法中的任何一个。

除非另外定义，在此所用的所有技术和/或科学术语具有本发明所属领域的普通技术人员通常所理解的相同的含义。可以被用于实践或测试本发明的实施例的一些方法和材料在下文中进行描述。然而，其他或等效材料和方法可以被用于实践或测试本发明的实施例。此外，这些材料、方法、以及实例仅是说明性的并且不意图进行必要限制。

本发明的实施例的方法的实现方式可以涉及自动地执行或完成选择的任务。此外，根据本发明的方法的实施例的实际仪器和设备，使用一个操作***，若干选择的任务可以通过硬件、通过软件或者通过固件或者通过它们的组合来实现。

例如，用于执行根据本发明的实施例的选择任务的硬件可以被实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施例的选择任务可以被实现为由计算机使用任何适合的操作***执行的多个软件指令。在本发明的一个示例性实施例中，根据在此描述的示例性实施例的一个或多个任务通过一个数据处理器执行，如用于执行多个指令的一个计算平台。在一些实施例中，该数据处理器包括用于存储指令和/或数据的一个易失性存储器。在一些实施例中，该数据处理器可以包括一个非易失性存储器，例如，用于存储指令和/或数据的一个硬磁盘和/或可移动介质。任选地，还提供了一种网络连接。任选地还提供了一种显示器和/或一种用户输入装置，如一个键盘或鼠标。

附图简要说明

在此仅通过举例并参考附图来描述本发明的一些实施例。现在详细地具体参考附图，应强调的是所示细节通过举例并且用于本发明实施例的说明性讨论的目的。在这点上，结合附图所进行的描述使本领域技术人员清楚本发明的实施例可以如何被实施。

在附图中：

图1A是根据本发明的一些实施例的一种设备的图解示意图；

图1B和图1C是根据本发明的一些实施例的具有馈源的两个空腔的等距视图；

图2是根据本发明的一些实施例的具有隔离馈源的一个空腔的示意图；

图3是根据本发明的一些实施例的一种确定一种材料的一个属性的值的方法的流程图；

图4A是根据本发明的一些实施例的具有一个衰减器的一种设备的图示，

图4B是图4A中示出的该衰减器的前视图的图示；

图5A是根据本发明的一些实施例的具有一个衰减器的一种设备的图示；

图5B是根据本发明的一些实施例的具有一个衰减器的一种设备的图示；

图5C是图5B中示出的该衰减器的前视图的示意图；

图6是根据本发明的一些实施例的具有一个衰减器的一种设备的示意图；

图7是根据本披露的一些实施例的一个多相流量计的示意图；

图8是根据本披露的一些实施例的在其中使用该多相流量计的一个示例性架构；并且

图9示出根据本披露的一个方面的包括用于该多相流量计的一组指令的一个示例性通用计算机***。

详细说明

在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应理解的是本发明并不必须将其应用局限于在以下描述中阐述的和/或在附图和/或实例中展示的结构细节和部件安排和/或方法中。本发明能够具有其他实施例，并且可以被以各种方式实践或执行。

本披露属于通过使用微波研究材料的领域。更具体地但是非排他性地说，一些实施例属于研究原油或其他多相材料的相组成的领域。

本发明的一些实施例的一个方面包括一种用于确定一种材料的一个属性的值的设备。例如，该属性可以是水的体积分数，并且该值可以是5％。该材料可以包括多个相，例如，该材料可以是包括油和水的原油；包括水和脂肪的乳、或者任何其他多相材料。优选地，这些相中的至少一个具有区别于其他相的介电属性。

有待研究的属性可以是影响材料的介电常数的任何属性，例如，这些相中的任何一个的体积分数、材料的温度、材料的化学成分(例如，溶解于这些相中的一个中的盐)、金属或其他异物的存在等。例如，在一些实施例中，可能需要检测石油产品(包括原油)中物质的存在和百分比，因为这类物质可能是有害的、引起污染、并且产生低效率的燃烧。因此，有待研究的这些属性可以包括多芳香烃(PAH)、含硫有机材料含量、硫化氢含量、含氮有机材料、焦油、以及其他含碳材料。

在操作中，该材料可以在一个微波空腔内部的一个导管中流动。图1A是根据本发明的一些实施例的一个设备100的图解示意图。在图1A中示出的是空腔(102)、所研究的材料(105)在操作中可以在其内部流动的导管(104)、用于向该空腔馈送RF能量的多个馈源106、用于检测具有在其中流动的材料的该空腔对通过这些馈源馈送的微波辐射的电响应的一个检测器120、以及用于基于该检测器的读数来确定该材料的该属性的一个处理器130。

在以下描述中，导管104被认为是圆柱形的并且被认为其对称轴与一个圆柱形空腔102的对称轴(112)重叠，但是其他构造也是可能的。例如，该空腔可以具有任何形状，例如，该空腔可以是圆柱形、棱柱形、矩形等。在一些实施例中，该空腔可以具有与该导管相同的对称性，例如，一个圆柱形空腔可以与一个圆柱形导管一起使用，一个矩形空腔与一个矩形导管一起使用等。在一些实施例中，该空腔的对称性可以不同于该导管的对称性。在一些实施例中，该导管可以被沿着该空腔的纵轴(例如，对称轴)定位。在一些实施例中，该导管可以平行于该空腔的纵轴延伸，或者该导管可以不平行于所述轴线。在一些实施例中，导管104具有在一英寸与八英寸之间的直径；但是，也可以设想最多至少二十四英寸。还可以设想更小的直径，例如100微米。在一些实施例中，该导管可以被适配用于处理约1m/sec的流速，这样一个一至两英寸直径的导管每日可以适合约50-500桶油，或者等效量的气体(如天然气)。此外，在一些实施例中，导管104能够承受至少50巴的压力，在一些实施例中是至少250巴。在一些实施例中，导管104能够承受至少150℃的温度，在一些实施例中是至少250℃。

在一些实施例中，导管104可以由具有介电常数ε_导管的材料制成，该介电常数与所研究的材料的介电常数ε_材料相同。由于ε_材料可取决于该材料的该属性，所以其通常是未知的。然而，可以已知的是ε_材料预期在某一范围内。在一些实施例中，ε_导管具有在那个特定范围内的值。在一些实施例中，可为优选的是，具有一个导管，该导管具有在该范围的下半部分中的ε_导管，例如，如果该材料的介电常数可能具有的值的范围是在1.5与5之间，那么该导管可以由具有在1.5与3.25之间(例如2、2.2、2.5、3等)的介电常数的一种材料制成。在一个具体实例中，用于原油的一个导管(2<ε材料<5)可以由特氟隆(Teflon)(ε导管＝2.2)制成。

在一些实施例中，该空腔可以是端部开放的，这样材料可以在不需要开口和关闭门或阀的情况下在空腔内和外自由流动。该空腔可以支持在用于研究该材料的频率范围内的驻波。然而，应注意的是，这些开口端可以允许施加至该空腔用于研究材料的一些辐射逸出该空腔。

从该空腔可以支持在用于确定材料属性的频率范围内的多种模式的意义上来说，该空腔可以是多模的。可以被用于研究该材料的频率范围可以尤其是该空腔的截止频率，并且可以尽可能广泛，因为在本发明的一些实施例中表明的是可以通过扩大在研究过程中在空腔中激发的模式的数量来改进准确度。在一些实施例中，该频率范围可以在1.5GHz与5.5GHz之间、在2GHz与8GHz之间、在500MHz与1000MHz之间、或者在300MHz与300GHz之间的微波频率范围的任何其他部分。在一些实施例中，可以使用较低频率(例如，10MHz至300MHz)，并且如在此使用的术语“微波”也可以包括它们。在一些实施例中，该频率范围可以包括至少两个倍频程(即，最高频率是最低频率的至少四倍)。例如，在这类实施例中，如果最低频率是1GHz，那么最高频率是至少4GHz。在一些实施例中，该频率范围可以具有中心频率的至少100％的宽度(即幅宽)(即，在最高频率与最低频率之间的差值至少与该中心频率一样大)。例如，在这类实施例中，如果中心频率是2GHz，那么该频率范围可以是在1GHz与3GHz之间，或者以2GHz为中心的任何其他更广的频率范围。

设备100可以具有多个馈源106。在一些实施例中，使用具有较大数目的馈源的设备，研究的准确度可以更高。例如，具有四个馈源的设备(如图1A中所示)可以提供比具有3个馈源、两个馈源、或者单个馈源的类似设备更高的准确度，并且具有较大数目的馈源(例如，9个馈源)的设备可以允许比四馈源设备更高的准确度。馈源的数量可以影响可以在空腔中激发的模式的数量，并且还可以影响这些激发模式的局部强度最大值的空间分布。这些局部强度最大值可以是重要的，因为该检测器的读数可能在这类最大值附近比远离这类最大值更强烈地受到材料属性的影响。

每种模式的激发在空腔中产生一个典型的电场分布(在此还称为一个场图)。该场图可以具有一个或多个局部极值点，场幅度在该一个或多个局部极值点处处于最小值或最大值，并且场强处于最大值。具有更多的馈源可以允许在空腔中激发其局部强度最大值更广泛地分布在该空腔内部的模式。例如，每一种模式可最容易被位于与该模式相关联的场图的强度最大值处的馈源激发。因此，具有在许多不同位置中的馈源可以有助于在空腔中激发在许多不同位置处具有它们的强度最大值的模式。在此表明的是在该研究材料中的局部强度最大值的广泛散布可以增强准确度。

在一些实施例中，可以通过在空腔中激发这样的模式，使得它们的局部强度最大值覆盖所研究的材料的整个体积来优化准确度。例如，每个局部强度最大值可以与在该最大值附近的一个体积相关联，在该体积处场强大于该最大值处的强度的一半。在一些实施例中，与在空腔中激发的所有这些模式的所有这些局部强度最大值相关联的这些体积覆盖在该空腔内部流动的所研究的材料的整个体积。所研究材料105的体积是由空腔102内部的导管104的壁所限定的空隙中的体积。在一些实施例中，一个给定数量的馈源的最佳位置可以通过计算确定(例如，由仿真)，对于每一组位置，这些场图的这些局部强度最大值的总体积在该空腔中通过在这些测试位置处的这些馈源是可激发的。这个体积在这些测试设置中是最大的一个位置设置可以被实际使用以便最大化所研究材料利用局部最大值的覆盖。

在一些实施例中，馈源106中的一个或多个包括在空腔102外部的一个辐射元件108和被配置用于将波从辐射元件108引导至该空腔的一个波导110。具有在空腔102外部的辐射元件108可以减少在这些馈源106之间的直接耦合。在一些实施例中，辐射元件108可以具有一个端部108’，微波辐射可以穿过该端部进行放射。在一些实施例中，空腔102的壁可以具有用于接收来自馈源106的辐射的一个开口102’。开口102’可以配合波导110的外部形状。在一些实施例中，端部108’与开口102’之间的距离可以是λ/2，其中λ是在波导110内部的用于研究材料的最低频率(即，在空腔中激发模式的RF辐射的最低频率)的波长。波导110可以被填充有具有介电常数ε波导的一种电介质材料。在一些实施例中，可以选择波导110的填充，以便确保波导110的截止频率不高于空腔102的截止频率。在一些实施例中，波导110的物理尺寸(例如，它的直径)和介电常数ε波导是这样的：波导的直径是空腔直径的约一半或者更小，例如，在这些直径之间的比率可以是在0.25与0.5之间。波导的填充物的介电常数的一些值可以是例如6、9、或12。

在一些实施例中，馈源106可以彼此隔离。本发明人发现更好的隔离可以带来更高的准确度。馈源间(inter-feed)隔离可以在频率上变化，并且在一些实施例中，在该隔离低于一个阈值处的频率可以被舍弃，例如当确定属性时它们可以被处理器130忽略。最小化馈源间耦合可以是另一种用以改进设备准确度的方法。因此，在一些实施例中，在这些馈源之间的隔离是这样的：小于10％的通过一个馈源进入空腔的功率通过另一个馈源离开该空腔。在一些实施例中，在这些馈源之间的隔离是这样的：小于10％的通过一个馈源进入空腔的功率通过所有其他馈源一起离开该空腔。在一些实施例中，这些水平的隔离可能仅仅在一些频率上被保持，例如，在用于确定属性的值的这些频率的一半或更多、75％或更多，或者80％或更多上。在一些实施例中，“使用的频率”可以仅包括由处理器130使用来确定属性的频率。在一些实施例中，“使用的频率”可以包括被馈送到空腔102中用于研究的辐射的所有频率。

在一些实施例中，馈源间隔离可以通过适当间隔和/或定向这些馈源来加强。例如，在一些实施例中，这些馈源中的至少一个是相对于该空腔的一个对称轴倾斜的。这可以在图1A中通过是相对于对称轴112倾斜的馈源106进行例证。在倾斜馈源的背景中，参考图2在下文中讨论了根据一些实施例的最佳化馈源间隔离的一种方式。倾斜角α可以是，例如，在20°与70°之间，例如，30°、40°、45°、50°、60°，或者任何其他中间角度。这些馈源中的一个或多个可以垂直于该轴线(例如，α可以是90°，任选地90°±10°)。倾斜馈源可以优于垂直馈源，因为它们可以允许通过单个馈源激发不同类型的模式，例如，TE、TM、以及准-TEM。在一些实施例中，这些馈源可以包括一对或多对平行馈源。平行馈源可以是每一个具有一个对称轴的馈源，其中这些馈源的这些对称轴基本上彼此平行。例如，在这些对称轴之间的角度可以是小于10°，优选地在0°附近。在一些实施例中，具有平行对称轴的馈源可以被定位成使得它们的对称轴重叠。然而，为了改进这些馈源之间的去耦，具有平行馈源可能是优选的，这些平行馈源具有不重叠的对称轴，例如，不重叠的倾斜的平行馈源。图1A中展示了具有不重叠对称轴的这样的两对平行馈源，其中彼此对角地放置的馈源彼此平行。在一些示例性实施例中，这些馈源中的两个相对于空腔的对称轴同等地倾斜(例如，一个与该对称轴呈40°延伸，并且另一个与该对称轴呈140°延伸)并且被彼此间隔开，这样使得沿着一个馈源的对称轴传播且从该空腔的一个内表面反射的电磁辐射通过这两个馈源中的另一个传播出该空腔。这些同等地倾斜的馈源可以位于平行于空腔的对称轴的一条线上。在一些实施例中，这些同等地倾斜的馈源可以彼此偏离地放置，例如，在不平行于空腔的对称轴的一条线上。

图1B是根据本发明的一些实施例的一个空腔的等距视图。图1A示出具有四个馈源106的一个空腔102。图1B中示出的馈源全部都在相同的平面上。每个馈源106被示出为包括一个辐射元件108和波导110。辐射元件108可以穿透到波导110中，但是这在当前视图中看不到。在该图中还示出的是有待研究的材料(105)和材料105可以在其中流动的一个电介质导管104。在一些实施例中，如图1A中图解地示出的，除了为有待研究的材料而留的空间，电介质导管填充整个空腔。

图1C是根据本发明的一些实施例的一个空腔的等距视图。在图1C中，示出了具有九个馈源(106)的一个空腔(102)。这些馈源被安排成三组。中间的组包括在垂直于导管104的对称轴的一个平面上的馈源。在边缘处的这些组，每组包括三对馈源，并且每对馈源位于倾斜于导管104的对称轴且不平行于其他两个平面中的任何一个的一个平面上。将这些馈源定向在这类不平行平面上可以增加馈源间隔离，并且因此在一些实施例中，可以增强准确度。

如在图1A-图1C中描绘的那些的一些实施例可以包括一对倾斜的平行馈源。这些平行馈源可以是共面的，例如，这些馈源的中心对称轴可以位于相同的平面上。在一些实施例中，这些馈源的中心对称轴可以是平行或基本上平行的(例如，一个相对于另一个倾斜10°或更少、5°或更少、或者2°或更少。在一些实施例中，这些平行轴线不重叠，这样使得尽管这些馈源是平行的，但是沿着这些馈源中的一个的对称轴以直线前进的射线将不进入其他馈源。

在一些实施例中，在两个倾斜馈源之间的倾斜角α(参见图1A)和距离X可以是这样的：在一个特定模式下在这些馈源之间存在高耦合，并且在所有其他模式下是低耦合。图2中展示了实现这种效果的一种方式。图2是具有两个馈源206a和206b的一个空腔202的示意图。为了简单起见，未示出用于该材料的一个导管。类似地，为了简单起见，未示出另外的馈源。空腔202的直径标记为D。为了改进这些馈源之间的隔离，确保在馈源206a中传播且从空腔202的内壁反射的电磁辐射(例如，射线240)找到朝向另一个馈源206b的路径可以是有用的。在射线240与内壁的会合点处具有局部强度最大值的一个模式可能经受这些馈源之间的强耦合，但是其他模式可以享有改进的馈源间隔离。为了估算这些馈源之间的一个恰当的距离X，可以使用斯涅尔定律(Snell'sLaw)，根据该定律

其中θ₁＝90°-α；并且θ₂在图2中定义。

使用基本三角学，很容易地证实

并且在使用斯涅尔定律并重排之后，可以示出

$X=\sqrt{\frac{n\cos \mathrm{\&alpha;}}{1-{\left(n\cos \mathrm{\&alpha;}\right)}^2}}.$

其中，

因此，在一些实施例中，这些馈源之间的该距离X和该倾斜角α遵守上述关系。

在一些实施例中，例如，图4A和图4B中示意性地示出的实施例，该设备可以包括使从该空腔离开的电场强度衰减的一个衰减器(420)。尽管用于研究空腔中的材料的场强可以是低的，这样使得没有健康或监管问题可以由来自空腔的辐射的泄漏引起，但是使空腔外部的场衰减以便降低测量值对远离空腔的电特性的变化的敏感性可能是有益的。这种变化可以由例如可以与沿着导管的场相互作用的任何事物引起，流体在该导管中流到空腔中或者从该空腔中流出。如果该设备有待被安装在可以执行其他操作的一个场中，那么可以预期电环境中的不确定的变化，并且如果这些变化与该场相互作用，那么它们可以改变在空腔内部获得的测量结果。然而，如果空腔外部的场强较小，那么空腔外部的事件对测量结果的影响也较小。因此，在一些实施例中，衰减器之后的场强比空腔内部(例如，在空腔中心处，或者在整个空腔上的平均值)小至少100倍，在一些实施例中是至少1000倍。在一些实施例中，衰减器可能干扰材料流动。例如，图4A中示出的衰减器420可以包括如图4B中所示的覆盖或者至少部分覆盖空腔的材料入口的一个金属网和/或覆盖空腔的材料出口的一个金属网。在一些实施例中，该网可以包括约λ/10长的方形孔口，其中λ是使用的最高频率的波长。例如，如果用于研究材料的频率范围是1-6GHz，并且填充空腔的材料的介电常数是4，那么λ是并且该网可以包括具有2.5_mm×2.5_mm尺寸的方形孔口。也可以使用更低密度的网，例如在更小的衰减功率的情况下，更低密度的网可以允许高频辐射的泄漏。由这些高频获得的测量值可能受到空腔外的场的影响。在其中材料的研究包括在空腔的电介质响应与之前测量的电介质响应之间的比较的一些实施例中，在属性已知的材料的存在下，这种比较将不太准确，因为该比较将在于不同条件下获得的两个测量值之间进行。

在本披露的一些示例性实施例中，该空腔在至少一个远端上是开放的。例如，根据一个方面，该空腔是大体圆柱形的，该空腔在一个或两个远端上是开放的。

由于该一个或多个开口，电场的一部分可以被观察到是超过该空腔的边界的。在一些情况下，这可以导致获得的测量值的变化。因此，衰减器420用于使电场衰减，使得少于1％的电场将离开该空腔。

如现在将在下文中讨论的，衰减器420可以包括一个RF反射衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。在这种安排中，该电介质衰减导管部分是该RF反射衰减导管部分的一个延伸或者被附接到其上。

在一些实施例中，例如，在图5A和图5B中示意性地描绘的实施例中，一个衰减器520可以包括一个衰减导管部分522。导管部分522可以由例如可以是金属的RF反射材料制成。导管部分522的内径可以类似于电介质导管504的内径，这样使得材料的流动将不受导管504与导管522之间的直径差异的影响，或者仅仅名义上受其影响。例如，在一些实施例中，电介质导管504和金属导管522的内径在1mm、0.5mm、或者0.1mm的公差内可以是相同的。在图5A中，金属衰减导管部分522可以是足够长的，以便允许将从空腔502离开的所有能量吸收在沿着衰减导管部分流动的材料中。在一些实施例中，衰减导管部分522的内径可以与电介质导管504的内径相同。

在图5B中，衰减器520，除了一个金属衰减导管部分522之外，包括沿着衰减导管部分522前进的隔板524，以便实际地将该金属衰减导管部分分成平行于彼此延伸的多个波导。隔板524可以过滤掉在低于由这些隔板形成的这些波导的截止频率的频率下的辐射。图5C是图5B的衰减器520的前视图的示意图。

在一些实施例中，例如，在图6中示意性地描绘的一个实施例中，一个衰减器(620)可以包括一个金属衰减导管部分522，且进一步地，一个电介质衰减导管部分624。金属衰减导管部分522可以被附接到空腔502上，例如，通过法兰626。在其另一个端部，金属衰减导管部分522可以被附接到电介质衰减导管部分624上，例如，通过法兰628。在一些实施例中，如上文中关于电介质导管504和衰减导管部分522的内径所讨论的，金属衰减导管部分522的内径和电介质衰减导管部分624的内径是基本上相同的，以便避免影响有待研究的材料的流动。因此，在一些实施例中，材料穿过导管504和导管部分522和624的流动是平滑的。

通过这种安排，该衰减导管部分被配置成使得在每个电介质衰减导管部分的离该金属导管部分最远的这些远端处的场强小于存在于该空腔内部的场强的1％。

在一些实施例中，可以仅在该空腔的一个端部提供一个衰减器。在一些实施例中(例如，如图6中所示)，该空腔的两个端部(例如，流体入口和流体出口)均可以具有衰减器。在一些实施例中，该衰减器被相对于该空腔配置和定位，以便不干扰穿过该空腔的材料的流动，即以将避免干扰材料流动的一种方式。

设备100可以进一步包括检测器120。检测器120可以被配置用于检测指示该空腔对经由馈源106馈送至该空腔的RF辐射的电响应的参数。这类参数在此可以被称为电响应指标。该检测器可以形成一个网络分析仪(例如一个矢量网络分析仪)的部分。由该检测器检测到的参数可以包括例如：网络参数(例如，s参数、z参数、输入阻抗z₀)、它们的幅值和/或相位、或者可以指示进入空腔的电磁波与离开空腔的电磁波之间的关系的任何其他参数，例如Γ参数(标量或复数)。在一些实施例中，这些参数的幅值和相位二者可以通过检测器120检测。在一些实施例中，可以单独使用幅值来执行研究。在一些实施例中，可以单独使用相位来执行研究。

在一些实施例中，设备100可以进一步包括一个射频(RF)(微波)辐射源115。该源可以包括任何可变频率信号发生器，例如，一个直接数字合成器(DDS)。如这在上文中进行讨论的，该源可以被配置用于供应在用于研究材料的频率范围内的RF能量。在一些实施例中，一个源可以被配置用于馈送所有馈源。例如，该源可以被切换成一次馈送一个馈源。在一些实施例中，单个源的输出可以被分给两个或更多个馈源。在一些实施例中，每个馈源可以具有其自身的一个源。关于该检测器同样可能真实的是：在一些实施例中，单个检测器一次可以检测通过一个源穿过空腔和来自空腔的信号，并且可以在不同的馈源之间进行切换。在一些实施例中，每个馈源可以被连接到其自身的检测器上。应注意的是，在一些实施例中，源和检测器可以被整合在一起，例如，像在一个网络分析仪中。检测器和源可以被配置用于处理(即，产生和检测)在多个频率下的信号，例如，该检测器和该源可以在受控方式下产生处于微波或RF范围的上述子范围中的任何一个的频率。如前所述，可以用于空腔中的场图的激发的频率越多，该设备可以改进的准确度越高。这些图和/或预先确定的图可以通过仅仅一个馈源、多个馈源每次一个、多个馈源同时(例如，在相同频率下并且在这些馈源之间受控的相位差下)、或者所有馈源来施加。

设备100可以包括处理器130。该处理器可以被配置用于基于检测器检测到的参数来确定属性的值。此外，在一些实施例中，处理器130可以控制源115。例如，处理器130可以控制在每种情况下产生哪一种频率。在一些实施例中，处理器130可以能够访问存储一些预定义的频率范围的一个存储器，并控制源115来产生仅在这些频率范围中的信号。

处理器130可以是一个通用处理器或者可以是一个专用集成电路(ASIC)的部分。处理器130还可以是一个微处理器、一个微型计算机、一个处理器芯片、一个控制器、一个微控制器、一个数字信号处理器(DSP)、一个状态机、或者一个可编程逻辑装置。处理器130还可以是包括一个可编程门阵列(PGA)(如一个现场可编程门阵列(FPGA))的一个逻辑电路，或者是包括离散门和/或晶体管逻辑的另一种类型的电路。处理器130可以是一个中央处理单元(CPU)、一个图形处理单元(GPU)、或二者。此外，在此描述的处理器130可以包括多个处理器、并行处理器、或二者。多个处理器可以被包括在或者被耦合到单一装置或多个装置上。此外，处理器130可以用于支持一种虚拟的处理环境。

在一些实施例中，处理器130可以基于使用具有已知属性的材料测得的参数来确定属性的值。例如，为了确定一种油包水的未知乳液中水的体积分数，可以将由具有未知乳液的空腔测得的s参数与由具有已知乳液的空腔测得的s参数进行比较。已知乳液的测量可以被称为一个训练阶段。该训练阶段可以在一个训练设备处发生。该训练设备可以正是这个其中处理未知乳液的设备(测试设备)。在一些实施例中，训练设备和测试设备可以是具有类似构造的不同设备，即重复品。例如，这两个设备可以具有相同大小的空腔、以相同方式安排的馈源，并且通常可以已知当相同乳液在它们中流动时它们的检测器检测到相同的参数值。在训练过程中，可以获得电响应指标(例如，s参数)对频率的频谱。

在一些实施例中，可以一次通过每个馈源施加辐射，并且每个馈源可以具有其自身的频谱。例如，在一个四馈源设备中，馈源#1可以与四个频谱相关联：S11、S21、S31、以及S41，每个频谱是频率的函数。更一般地说，在一个n馈源设备中，馈源#i可以与n个不同的频谱相关联：Sji，其中j可以具有在1与n之间的任何整数值。应注意的是，尽管在许多现有技术方法中，S矩阵(即，S_ji，其中i≠j)的非对角成员是信息源，在在此披露的许多实施例中，主要的信息源是S矩阵(即，S_ji，其中i＝j)的对角成员，而在一些实施例中，非对角成员可以被忽略或者甚至不在首位被测量。在一些实施例中，辐射可以在重叠的时间单元处通过两个或更多个馈源来施加，并且Γ参数可以被测量。Γ参数还可以每一个与一个馈源相关联。

确定所研究材料的属性(也称为测试材料)可以包括将使用测试材料测得的频谱与在训练阶段中使用不同的训练材料获得的相同电响应指标的频谱进行比较。所研究材料的属性可以被确定为所具有的频谱最类似于在测试阶段测得的频谱的训练材料的属性。在本文中，可以通过任何已知的数学方法来确定相似性，例如核方法，如支持向量机。

在一些实施例中，处理器130可以被配置用于在比较之前重排频谱。例如，该处理器可以被配置用于计算组合参数的一个或多个频谱。例如，可以定义一个新的参数，并且这个新参数的频谱可以被比较，以便确定测试材料的属性。也就是说，处理器130可以将检测器测得的参数组合来获得组合参数。这样做时，该处理器可以随后基于这些组合参数来确定属性的值。

在本披露的示例性实施例中，这些组合参数中的每一个与一个馈源相关联。组合参数的一个例子是一个耗散率(DR)，在一些实施例中，可以根据以下等式为每个馈源定义该耗散率：

${\mathrm{DR}}_i=1-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\left|s_{ji}\right|}^2$

该耗散率可以指示经由馈源i馈送至空腔的入射能量的在该空腔中耗散的那个部分。这个参数在选择用于加热的频率上是有用的，但是令人惊讶地发现它对于确定材料的属性也是有用的。

一个组合参数的另一个例子是在不同的时间测得的参数值之间的差值。例如，可以在不同时间在给定频率下测量反射系数S_ii。在不同时间测得的值可以彼此相减，并且差值可以成为一个组合参数。可以在从未知样品得到的多个频率下(例如，50个频率)执行这类测量和减法，并且在不同频率下获得的这些差值可以被认为是一个频谱。这种频谱可以与从已知属性的测试样品获得的类似频谱相比较，以便估算未知样品的属性。这些属性可以包括，例如，组成(例如，含水量(watercut)、气体含量)气体流速和/或液体流速。

在一些实施例中，通过两个或更多个馈源在它们之间的受控相位差下的同时辐射，在空腔中激发的场图的种类可以进一步强化。不同的相位差可以甚至在相同的频率下在空腔中激发不同的场图。在这种情况下，s参数本身是不可测量的，并且Γ参数可能更有用。例如，在一个馈源处测得的Γ参数的绝对值可以被用作一个电响应指标，该电响应指标的频谱可以在测试材料与训练材料之间进行比较。标量|Γ|²参数可以针对每个馈源i被定义为

其中，代表在馈源i处朝向空腔前进的所测量功率，并且是从空腔返回至馈源i的所测量功率。在一些实施例中，可为有利的是，将参数组合，这样使得一个参数可以与每个馈源相关联，因此这些频谱将包括每个馈源一个频谱，并且每个频谱可以包括每个频率一个值。然而，在一些实施例中，该组合参数可以是基于与所有馈源有关的信息的单个参数。例如，一个馈源独立性耗散率可以被定义并且用于确定测试材料的属性。这种耗散率可以用以下等式给出：

$DR=\frac{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{\left|a_i\right|}^2{\left|{\mathrm{\&Gamma;}}_i\right|}^2}{{\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^n{\left|a_i\right|}^2}$

其中，n是馈源的数量，|Γ_i|²在上文中定义，并且α_i是在馈源i处在前向上(即，向空腔)测量的波与在馈源1中在前向方向上测量的波之间的比率，因此α₁＝1。

在一些实施例中，处理器130可以被配置用于使用核方法(例如，支持向量机)来确定测试材料的属性的值。因此，在一些实施例中，测量频谱的分析可以包括将一个索引与由属性有待确定的物体测得的RF频谱相关联，并且基于该索引确定该物体的一个属性。使用在索引值与属性之间的预先确定的关联(例如，处于查找表的形式)，可以由该索引确定属性。

在一些实施例中，属性索引(P)可以基于核(k)计算，每个核是核函数(K)的一个值。核函数可以是将一个数拟合成一对向量的一个数学函数。如在结构化学习的领域中已知的，该核函数应当具有一些另外的属性。在一些实施例中，每个频谱被表示为一个向量。例如，包括100个点(每个点是在一个频率或其他激发设置与一个电响应参数值之间的关联)的一个频谱可以由一个100维向量表示。该核函数可以取决于测量频谱与参考频谱的点积，该参考频谱可以是在训练阶段中测量的具有已知属性的物体的频谱。每个参考频谱可以与一个属性指标y相关联，该属性指标指示哪一种属性是参考物体已知具有的。例如，该指标可以具有针对一种属性(例如，含水量小于5％)的一个值-1，和针对另一种属性(例如，5％的含水量或更多)的一个值+1。在一些实施例中，每个参考频谱可以与一个权重α相关联。在一些实施例中，与由其测量一个频谱的一个物体相关联的属性索引(P)可以通过等式给出：

$P=\underset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&alpha;}}_j{y}_{j}K\left(\stackrel{\&RightArrow;}{X}\&CenterDot;{\stackrel{\&RightArrow;}{V}}_j\right)$

因此，评估属性索引(P)可以包括确定测量频谱和多个参考频谱的一个核函数的值以便获得多个核；将每个核乘以相应的参考频谱的权重并乘以该参考频谱的群指标来获得多个乘积并且对这些乘积进行求和以获得索引。

为了获得参考频谱、它们的权重、以及它们的属性指标，可以在训练阶段过程中在具有已知属性的参考物体上进行测量。每个参考频谱可以根据参考物体的属性与一个属性指标相关联。每个参考频谱可以进一步与一个权重相关联，该权重指示该参考频谱在于具有不同属性的物体之间进行区分上的重要性。

获得参考频谱并使用它们来分析数据可以以一种已知的核方法来完成，例如，支持向量机(SVM)、高斯法、费舍线性判别分析(LDA)、主成分分析(PCA)、典型相关分析、岭回归、谱聚类、线性自适应滤波器等。

图3是根据本发明的一些实施例的一种确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的方法300的流程图。方法300可以包括在该空腔中激发多种模式的一个步骤302。激发可以通过多个馈源，如上文所讨论。例如，这些馈源中的一个(或多个)可以包括在该空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导。激发多种模式可以包括将在不同频率下的微波辐射传输到空腔中，并且如果提供了多个馈源，那么激发多种模式可以包括通过不同的馈源来传输波。通常，可以说，可以通过在不同的激发设置下将微波辐射传输到空腔中来激发不同的模式，其中每个激发设置由传输馈源限定并且由传输频率限定。在一些实施例中，当波在共有频率下且在这些馈源之间的受控相位差下通过多个馈源同时传输时，激发设置可以进一步由相位差限定。如果可以影响在空腔中激发的场图的其他参数也是由设备100可控的，那么这些激发设置可以进一步由它们限定。

在本披露的示例性实施例中，激发多种模式是通过在多个激发设置下将RF辐射施加至该空腔。在一些实施例中，这些激发设置中的每两个在频率或馈源中的至少一个上不同于彼此，RF辐射通过该激发设置馈送至该空腔来获得激发。通过向不同的馈源应用激发(通过它们的对应端口并且在不同的频率下)，可以实现不同模式的激发。

在一些实施例中，模式的激发包括激发数量大于馈源数量的模式。例如，如果馈源是如以上所描述的倾斜的，并且每个馈源在空腔中激发每种类型的一个模式(例如，TE、TM、以及准-TEM)，那么模式的数量可以有时比馈源的数量大三倍。

方法300可以进一步包括检测指示空腔对空腔中的这些模式的激发的电响应的参数的步骤304。如上文所讨论的，这类参数可以包括多个网络参数(例如，s参数)、Γ参数、或者任何其他电响应指标。应注意的是，在例如其中不同的馈源是去耦的一些实施例中，指示从一个馈源到另一个馈源(例如，S_ij，i≠j)的辐射传递的参数可能比指示返回这些发射馈源的反射的参数(例如，S_ii或Γ参数，也称为伽马参数(gammaparameter))信息更少。因此，在一些实施例中，指示空腔对馈送至该空腔的RF辐射的电响应的这些参数可以包括在一个给定馈源处朝向空腔前进的所测量功率与朝向该给定馈源从该空腔返回的所测量功率之间的一个比率。如果这些馈源一次发射一个，那么这个比率可以是一个对角s参数；如果这些馈源在重叠的时间段发射，那么这个比率可以是一个Γ参数。在一些实施例中，仅考虑S或Γ参数的幅值，而在其他实施例中，还考虑这些参数的相位。

最后，方法300可以包括基于检测到的参数确定该属性的值的步骤306。在一些实施例中，这可以包括将电响应指标(如测量的、或者在进一步处理后的，例如如上文所讨论的组合)与在训练阶段过程中由参考材料获得的值进行比较。在一些实施例中，该比较可以包括通过一种核方法如支持向量机的使用。

本发明的一些实施例可以包括基于RF的流速测量。测量的流速可以是在一种材料中流动的一种异物的流速。该材料本身可以是流动的或静止的。在后一情况中，该异物可以在该静止材料中移动，例如，通过超声波。该异物的介电常数可以不同于该材料的介电常数，因此该异物在不同程度上反射RF辐射。异物的一些例子可以包括液体材料中的气泡、水中的油滴、液体中的固体等。在一些实施例中，测量流速可以包括将在沿着流动路径的一个点处发射的信号的频率与在沿着该流动路径向下的另一个点处接收的频率相比较。由于多普勒效应，接收信号的频率可以被相对于发射信号的频率偏移指示流速的一定程度。

在一些实施例中，测量可以在一个微波空腔内部进行。该微波空腔可以包括包裹一个电介质导管的金属壁，该材料可以沿着该电介质导管流动。由于切向电场分量倾向于在金属壁(如微波空腔的壁)附近消失，移动接近空腔壁的异物可能难以检测。电介质导管可以限制材料流动至多个区域，在这些区域中，与该壁的距离足够大以便确保该电场不在该材料中由于接近金属壁而消失。因此，在一些实施例中，导管的厚度是用于测量流速的RF辐射的波长的至少1/4。所述波长可以是构成导管的电介质材料内部的波长。在一些实施例中，导管可以由特氟隆材料覆盖，该特氟隆材料可以有助于检测在导管壁附近移动的异物。

在一些实施例中，一次通过单个辐射元件发射信号。在一些实施例中，在重叠的时间段且在相同的频率下通过多个辐射元件发射信号。多个发射性辐射元件可以被定位在沿着微波空腔的周长的不同点处，并且与导管中的异物的流动路径的一个端部有一个共同距离。在一些实施例中，可以由两个或更多个辐射元件接收信号。

该比较可以是该信号或者该空腔的电响应与该信号的比较。该电介质响应可以例如通过具有材料和异物在其中流动的空腔的网络参数来表示。在一些实施例中，网络参数的值可以用于测量。例如，上述的频率偏移可以被检测为传递参数(Sij，i≠j)的一个时变相移。更一般地说，当异物在移动(例如，流动)时，具有移动异物的空腔的电响应将随时间变化，并且这种变化可以用于估算流速。

在一些实施例中，可以在多个频率下进行测量。这可能是有利的，因为不同的频率可以在流动材料中激发不同的模式。测量的灵敏度可以取决于在异物的即时位置处的场强。由于不同的模式可以在不同的位置处具有场最大值，不同的频率可以允许在导管的不同部分处流动的物体的灵敏测量。因此，在多个频率下进行的测量对于导管的许多不同部分处(并且在一些实施例中，实际上是在发射器与接收器之间的该导管中的每个地方)的异物运动可以是敏感的。在一些实施例中，可以利用单一频率激发不同模式或不同场图。例如，可以通过不同的辐射元件发射相同的频率，从而在导管中产生不同场图的激发。在另一个实例中，两个或更多个辐射元件可以在相同频率下并且在它们之间的不同相位差下同时辐射，从而产生多个场图的激发，并且因此增加测量方法的灵敏度。这些场图可以包括明显不同于彼此的两个或更多个场图。在一些实施例中，如果第一场图的具有一个低电场(例如，小于最高电场的20％)的位置在第二场图内具有一个高电场(例如，大于最高电场的50％)，那么这两个场图可以被认为明显不同于彼此。

在一些实施例中，可以仅基于具有超过一个阈值的强度的信号来执行测量。该阈值可以基于已知存在于***中的噪声来设置。例如，在一些实施例中，仅仅可以将具有至少2、至少3、至少4等的信噪比的信号纳入考量。在一些实施例中，可以在操作过程中检测噪声水平，并且可以将该阈值在线调节为每种情况下该***中存在的噪声。例如，噪声可以不时地改变，并且阈值可以相应地自动调节。可以通过从导管中的一个区域接收RF辐射来促进这种自动的阈值调节，该区域是异物不可接近的或者比该导管的大多数其他部分更不可接近。因此，从这种区域接收的每个信号可以被处理成噪声，并且该阈值可以基于来自这种不可接近区域的读数自动调节。这种自动阈值还可以根据在多普勒频率(至多2v/λ)内的噪声水平来确定，其中不存在来自异物的信号，这是因为，例如，在异物的最大流速上存在的限制，该最大流速典型地是异物在其中流动的材料的流速。这可以是可能的，因为该流速是与由异物诱导的最大多普勒频率成比例的。

在一些实施例中，可以预期具有的异物的最大大小和最小流速是已知的，并且自动的阈值调节可以通过比较在外来物已穿过导管之前和之后以及在外来物在这些辐射元件之间经过的过程中的多普勒信号反射来进行设置。有待被信号跨越的信噪比可以在测量开始之前进行设置。这个比率可以是例如在2与4之间。一般而言，该比率越大—纳入考量的信号的数量越少，并且可以预期更多的假阴性读数和更少的假阳性读数。

在一些实施例中，外来物的量和体积可以通过测量多普勒信号的强度来估算。多普勒信号可以通过一个比例常数与量和体积相关。在外来物有待在非均质流的背景上检测的情况下，可以分别地计算来自空间中的每个位置的多普勒信号，从而通过将来自每个小空间体积的多普勒信号与来自其相邻体积的多普勒信号相比较来提供执行检测的能力。信号和它们在空间中的来源的计算可以通过对来自不同频率和辐射元件的反射利用适当的权重进行相干相加来完成，这样使得每个权重设置加重对来自空间中的不同位置的多普勒信号的贡献。

在一些实施例中，一种用于检测一种多相材料(例如，原油)的相组成的设备(例如，设备100)可以包括基于RF的流速检测(例如，通过测量多普勒信号)。在一些实施例中，可以假设该多相材料的不同相(例如，原油的水、气体和油)一致地流动并且因此该多相材料的流速等同于或类似于气体的流速。多相材料的流速可以通过检测在该多相材料(例如，原油)内流动的一种气体的流速来检测。在一些实施例中，该气体可以被作为有待检测的外来物进行处理(例如，通过如上文讨论的多普勒方法)。

在一些实施例中，多普勒检测(例如：如上文讨论的)可以用于检测一种流动材料中的外来物：例如，用于检测该材料中流动的不希望的物体—例如：在食品工业中—可能希望检测正在加工的食品(例如，流动的乳、果汁、奶油等)中的外来物。在一些实施例中，检测到的外来物的大小可以是在以下的范围内：mm3(例如，金属球或玻璃/塑胶珠，它们具有2-6mm的直径，例如3mm)。在一些实施例中，一旦检测到外来物—可以向工厂的操作者发送一个警报，这样使得可以去除外来物。

图7是根据本披露的一些实施例的一个设备700的示意图。设备700可以是一个多相流量计。设备700可以类似于设备100进行操作。多相流量计700包括一个谐振腔702(在此还称为一个微波空腔)、一个文氏管704、差压(DP)变送器705、形成为塑料端部构件的电介质衰减导管部分707、金属衰减导管部分708、一个传感器组件710、以及至例如如图1A中示出的一个局部处理器(处理器130)的接口(未示出)。

谐振腔702包括一个金属外管部分702a、一个电介质内管部分702b(在此还称为导管)、法兰703、以及波导706。在一些实施例中，金属外管部分702a具有90mm的一个内径和380mm的一个长度。在一些实施例中，电介质内管部分702b具有90mm的一个外径和52.5mm的一个内径。在一些实施例中，电介质内管是由PTFE(特氟隆)制成，并且具有约2.2的一个介电常数。应注意的是，可以使用任何适合的直径、长度、以及材料。例如，外管部分702a可以具有在40mm与200mm之间的内径，和在180mm与800mm之间的长度。电介质管部分可以具有等于该外管部分的该内径的一个外径，和在约5mm与该外径的约65％之间的一个内径。内管可以由具有例如从约1至约10的介电常数的材料制成。

在一些实施例中，波导706包括沿着管道呈40°角的距离中心大致49.2mm的四个金属管，这些金属管具有52.5mm的一个内径和64mm的一个长度。在一些实施例中，波导706填充有具有至少3.85gr/cm³的密度和9.5的介电常数的氧化铝(Al₂O₃)。应注意的是，可以使用波导706的任何适合的直径、长度、角度、以及组成。例如，该波导(形成为金属管706)的该内径可以与内管部分702b的该内径基本上相同。

法兰703可以由180mm直径的金属管部分形成；但是可以使用任何适合的尺寸和材料。

金属衰减导管部分708被连接到谐振腔702的每个端部上。在示例性实施例中，金属衰减导管部分具有52.5mm的内径和150mm的长度；但是可以采用任何适合的直径和长度。例如，金属衰减导管部分708的内径可以大约与该电介质内管的内径相同。在金属衰减导管部分708的最接近谐振腔702的这些端部上，一个直径180mm的金属管部分被用作一个法兰，而在最远离谐振腔702的阻塞管道的这些端部上，一个直径128mm的金属管部分被用作一个法兰。应注意的是，任何适合的尺寸和材料可以被用作法兰。

电介质衰减导管部分707可以包括52.5mm内径的具有180mm长度的玻璃纤维管。在一些实施例中，电介质衰减导管部分707是由玻璃织物强化复合材料制成。一个128mm直径的法兰可以被用于将电介质衰减导管部分707连接到这些金属衰减导管部分上，并且一个类似直径(例如，128mm)的法兰可以被用于将电介质衰减导管部分707中的一个连接到文氏管704上。应注意的是，任何适合的尺寸可以被用于电介质衰减导管部分707和对应的法兰上。例如，电介质衰减导管部分707的内径可以与电介质内管的内径基本上相同。电介质衰减导管的长度可以长于180mm，其中更长的导管提供更好的衰减。然而，涉及例如设备的总体大小的其他要求可以决定使用长度仅180mm或者甚至更短的导管。

在一些实施例中，文氏管704具有1.5英寸(38.1mm)的内径并且可以通过一个对焊法兰(weld-neckflange)连接到多相流量计700上，该对焊法兰扩展至电介质内管的内径。应注意的是，可以使用任何适合的尺寸。文氏管704包括一个高压连接部和一个低压连接部。

差压变送器705包括一个变送器，该变送器能够将压差测量的结果无线传输至一个或多个计算机、服务器、或者其他远程装置。差压变送器705可以传输在文氏管704的该高压连接部和该低压连接部处获得的压差测量的结果。

在一个实施例中，波导706可以包括被连接到50欧姆RF电缆上的50欧姆N-型RF连接器。RF电缆可以随后被连接到一个RF矩阵上，该RF矩阵可以随后被连接到一个分析仪上(如一个矢量网络分析仪)，该分析仪继而可以被连接到一个控制器或处理器上。一个示例性分析仪是安捷伦科技(AgilentTechnologies)E5071C或N7018A。该矢量网络分析仪可以被适配用于根据宽带特征标记和/或时间差异来测量RF参数，如将在下文中更详细地讨论的。

传感器组件710可以包括被适配用于测量流动通过微波空腔702的材料的压力、温度、和/或速度的一个或多个传感器。如将在下文中讨论的，这个数据可以随后经由一个适合的通信链路传输至一个中央服务器或者其他处理装置。

在一些实施例中，设备700可以被适配用于使用例如两英寸的Grayloc^TM/DIN接口连接器(其中一个被示出为零件712)连接到外管上。也可以采用在这些接口712之间的适合的法兰连接。

为了其抗腐蚀性属性，先前讨论的元件中的一个或多个可以由不锈钢、黄铜、或者能够承受原油、腐蚀性物质、以及溶剂的其他适合的材料制成。

传感器组件710的温度传感器可以被定位在材料流中或者在其附近，并且可以被适配用于测量在微波空腔702中流动的材料的温度。传感器组件710的压力传感器可以被适配用于测量该流动材料的压力。如果采用两个压力传感器，那么可以获得在第一压力传感器与第二压力传感器之间的差值，以便检测该流动材料的压力的增加或减少。传感器组件710的速度传感器可以被适配用于在两个不同的时间点测量材料的流动，以便提供关于流速，例如关于液体的流速的信息。任选地，一个体积传感器可以被包括在传感器组件710中，并且检测流动的材料的体积。由不同的传感器(例如，压力传感器、温度传感器、体积传感器、和/或速度传感器)获得的读数可以用于确定表征该材料的值。例如，在训练过程中，可以在不同温度下由样品得到频谱，并且针对每个温度可以产生不同的估算量。随后，在估算阶段，由组件710的温度传感器得到的温度测量值可以用于告知哪一个估算量将被用于估算所取样品的属性。传感器可以能够无线地或者经由硬连线连接将测量结果传输至一个或多个计算机、服务器、或者其他远程装置。

多相流量计700可以被安置在一个地点处，例如在一个油井或气井处，或者在需要测量和/或确定流的属性的另一个地点处。用于分析测量结果的一个处理器可以远离该地点提供在例如一个服务器中，该服务器经由通信网络从位于该地点的一个或多个传感器接收数据和测量值。在这点上，该一个或多个传感器可以位于例如该油井或气井中或者邻近其定位。该一个或多个传感器可以包括例如上所述的传感器。

图8是根据本披露的一些实施例的在其中可以使用一个多相流量计的一个示例性架构。多相流量计800通过网络850连接到一个服务器802上。服务器802可以在网络850内部(如图所示)，或者在网络850外部。在一些实施例中，网络850是一个蜂窝网络。在其他实施例中，网络850是无线局域网(WLAN)、全球网(GAN)、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)、全球移动***(GSM)网络、码分多址网络(CDMA)、公共交换电话网络(PSTN)、分组交换网络、移动网络、蓝牙兼容网络、近场通信(NFC)、硬线网络、无线网络、陆线网络、紫蜂(Zigbee)、或者无线保真(Wi-Fi)网络。当然，应理解的是，可以采用本领域的普通技术人员已知的任何网络。

服务器802可以通过网络850访问，例如由SCADA(监视控制与数据采集)804、分析员和操作者806、以及现场控制808。

SCADA804可以是例如一个油井的数据采集和控制***，多相流量计(MPFM)800可以通过网络850将该***所需的一些数据任选地实时地发送至该***。在一些实施例中，在MPFM800与SCADA804之间的通信以及在SCADA804、分析员806、现场控制808以及MPFM800中的任何其他两个之间的通信经过服务器。到服务器的通信和来自服务器的通信可以通过网络850。在一些实施例中，网络850可以包括服务器802。发送至SCADA的数据可以包括例如流速数据、与流动材料的组成相关的数据等。SCADA可以任选地通过网络850相应地控制现场控制808。在一些实施例中，在没有使SCADA涉及在过程中的情况下，MPFM800可以经由网络850向现场控制808发送指令。现场控制可以是可操作的来进行控制，例如从井中泵油、在油田中为泵送产品选定路线等。例如，如果MPFM800发现材料中的含水量超过一个阈值，那么MPFM800可以指示中断泵送，例如持续一个预先确定的时间段，以便允许水沉降。这可以经由SCADA或者直接经由网络850完成。

服务器802可以从MPFM800接收关于流动通过MPFM800的材料的属性的联机数据。在一些实施例中，可能存在若干个MPFM800单元(例如，如果一个现场包括超过一个井)，并且服务器802可以从全部的它们接收数据。在一些实施例中，服务器802可以接收原始数据的样品，例如不同频率下的测量的s参数的原始数据的样品。这种数据可以用于进一步的分析和研究。未发送至服务器802的原始数据可以短时间存储在MPFM800上，并且随后被删除以便实时地为进入的新数据腾出空间。将所有的原始数据发送至服务器可以提供进一步控制和分析的的可能性，但是例如如果通信线路不可获得或者携带所有数据太昂贵，那么该步骤可以被省略。

分析员/操作者806可以向SCADA和/或向MPFM800提供数据。例如，分析员/操作者806可以确定上述含水量的阈值。在一些实施例中，分析员/操作者806可以从MPFM800接收数据样品(例如，经由服务器802)，以便允许现场生产的进一步分析，例如，估算现场的总产量、产量是如何随时间分布的、现场中的不同井的不同生产力等。

SCADA804、分析员和操作者806、以及现场控制808中的每一个可以包括固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、膝上型计算机、平板计算机、无线智能手机、个人数字助理(PDA)、控制***、或者能够执行一组指令(顺序地或以其它方式)的任何其他机器，该组指令指明将由那个机器采取的动作。

服务器802可以连接到可以利用其存储数据以用于稍后检索的一个数据库或者其他存储器和/或存储器装置上。***利用其交互的***的服务器802、数据库、和或其他部件可以在基于云的环境中实现。例如，基于云的环境可以包括一个服务器网络和提供处理和存储资源的网络服务器。

在这点上，上述部件可以具有必要的硬件和软件通信设施，这些设施是在所讨论的不同部件之间的双向通信所必需的。以这种方式，经由多相流量计800或者任何其部件测量和观察的数据可以经由一个蜂窝通信模块或其他无线通信模块、或者本领域的普通技术人员已知有助于数据的传输和接收的硬件和/或软件需求的任何组合实时地传输至服务器802。因此，多相流量计800可以将测量和观察数据传输至服务器802，和/或可以传输一个听觉和/或视觉的警报信号，该警报信号指示导管104中的外来物质(参见图1A)，例如蜡在导管壁上的沉积。有待发送的特定的警报信号可以取决于检测到的具体外来物质。例如，在检测到一种外来物质时，例如可以执行在数据库中的表格或查询中的查找，以便确定哪种外来物质是与什么样的警报信号相关联。在这点上，***的操作者可以决定什么样的物质与什么样的警报信号相关联，并且使用一个适当的接口，例如经由客户804、操作者806和/或现场控制808来存储这些优先选择。也可以针对其他情况如高流速(例如，高于一个预先确定的高流动阈值)、低流速(例如，低于一个预先确定的低流动阈值)，以及与压差、温度等相关联的情况发送警报信号。例如，如果检测到一个低流速，可以传输一个警报信号，该低流速可能是多相流量计中的阻塞、井中或者供给管线中别处的阻塞造成的结果。此外，可以提供一个高流速警报信号以便警告容量状况的潜在缺乏。类似地，与压差相关联的警报信号可以在变危急之前警告潜在的不希望的状况。这些警报信号还可以针对如所讨论观察到的状况的类型，即，高流速、低流速等。

此外或可替代地，现场人员和/或客户可以将任何操作指令例如经由软件或互联网应用传输至多相流量计800。例如，现场人员可以将指示有待通过不同馈源和不同频率施加的激发的指令传输至多相流量计800，以便获得所希望激发模式。当然，可以如将由本领域的普通技术人员已知地发送其他指令。

客户804能够通过一个适当的界面或者如本领域技术人员所理解的可从与客户相关联的适合的装置进行门户网站访问来观看来自服务器的数据。

可以采用一种算法来支持流动材料的流速和/或组成的识别。在一些实施例中，该算法是一个基于Python^TM的程序。该算法包括如将在下文中讨论的一个估算模块。

为了估算材料的属性，例如通过一个传感器的液体的流速Q_L或通过该传感器的气体的流速Q_A，该传感器中的RF馈源可以提供具有散射参数Sii的样品，从而在向馈源i施加电压时，测量对于相同馈源i的反射系数。在一些实施例中，RF馈源还可以提供具有散射参数S_ij的样品，从而在向馈源j施加电压时，测量对于馈源i的透射系数。在频率w下的S参数由S_ij(w)来表示，其中i和j可以相同来提供反射系数，或者不同来提供透射系数。在一些实施例中，可以分析宽带特征标记来提供流动材料的属性，如流速和组成。在一些实施例中，时间变化性可以被用于提供材料属性。在一些实施例中，可以使用时间变化性和宽带特征标记二者。

宽带特征标记RF测量可以被用于发现材料的组成和材料的流速二者。时间变化性测量也可以被用于确定材料的组成和/或流速。

相对于宽带特征标记测量，可以使用在范围[L；H]中的N个均匀间隔的频率，其中[L；H]是较宽的并且N是较大的。示例性值可以是N＝10⁴，L＝1.0GHz，并且H＝6.5GHz。对于这样一组频率W，并且对于一组馈源P＝{1；2；...；K}，宽带特征标记x可以由以下来定义：

x＝{S_ij(w)|w∈W；i，j∈P}

宽带特征标记是大小│W││P│²的复向量。在一些实施例中，输入空间X的维度可以利用在无监督学习上被监督而减小，以便获得减小的输入空间Z。

考虑到X(或Z)和相关联属性的值(例如，流速和/或组成)，支持向量回归可以被用于发现在输入空间与属性之间的适合的映射。

机器学习技术(例如，支持向量回归)可以被用于产生一个估算量，该估算量被配置用于基于输入向量估算材料属性。例如，使用已知属性的材料测量的输入向量可以被存储在与相应的材料属性相关联的数据库中。这个数据库可以被用于产生估算量。为了使用该估算量，可以从具有未知属性的材料测量频谱(例如，空腔的S参数，当一种具有未知组成的材料在该空腔中以未知流速流动时)。该估算量可以随后在这些频谱上进行操作(任选地，在呈简化形式的这些频谱上)以便估算材料的属性。在一个实施例中(在此称为时间变化性实施例)，针对机器学习技术并且对它们产生的估算量的输入可以包括测量的S参数值随时间变化的程度。在这类实施例中，所使用频率(或者更一般地说，激发设置)的数量可以由可以在一个单一时间段期间得到的测量值的数量来限制。该单一时间段可以是足够短的，这样使得材料在该单一时间段内流动的距离与在沿着材料流动路径的馈源之间的距离相比较小。

时间变化性测量可以使用一个更小组的频率F(例如，│F│＝100)，其中每个频率被沿着给定时间间隔T采样若干次。因此，为每个频率w估算dSi_j(w)/dt，这样使得Si_j的动力学可以与流速相关。

图9是一个通用计算机***900的说明性方框图，在该通用计算机***上可以实现根据本披露的一些实施例的一种用于确定一种材料的一个属性的值的方法。计算机***900可以包括一组指令，该组指令可以被执行，以使得计算机***900执行在此披露的方法和基于计算机的功能中的任何一个或多个。计算机***900可以操作为一个独立的装置或者可以被例如使用一个网络901连接到其他计算机***或***装置上。

计算机***900还可以被实现为或者被并入不同的装置中，如固定计算机、移动计算机、个人计算机(PC)、膝上计算机、平板计算机、无线智能手机、个人数字助理(PDA)、控制***、或者能够执行一组指令(顺序地或以其它方式)的任何其他机器，该组指令指明将由那个机器采取的动作。计算机***900可以被合并为或者合并在一个特定装置中，该特定装置继而是在包括另外的装置的一个集成***中。在一个具体的实施例中，计算机***900可以使用提供语音、视频、或者数据通信的电子装置来实现。此外，尽管示出了单个计算机***900，术语“***”还应当包括独立地或联合地执行一组或多组指令来执行一个或多个计算机功能的***或子***的任何集合。

如图9中示出的，计算机***900包括一个处理器910。用于计算机***900的一个处理器是有形的且非暂态的。如在此使用的，术语“非暂态的”不应解释为一种状态的永久特征，而是解释为将持续一段时间的一种状态的一个特征。术语“非暂态的”确切地否定短暂的特征，如一个特定的载波或信号或在任何地点在任何时间仅暂时存在的其他形式的特征。一个处理器是一个制造品和/或一个机器部件。用于计算机***900的一个处理器被配置用于执行软件指令，以便执行如在此不同的实施例中所描述的功能。用于计算机***900的一个处理器可以是一个通用处理器或者可以是一个专用集成电路(ASIC)的部分。用于计算机***900的一个处理器还可以是一个微处理器、一个微型计算机、一个处理器芯片、一个控制器、一个微控制器、一个数字信号处理器(DSP)、一个状态机、或者一个可编程逻辑装置。用于计算机***900的一个处理器还可以是包括一个可编程门阵列(PGA)(如一个现场可编程门阵列(FPGA))的一个逻辑电路，或者是包括离散门和/或晶体管逻辑的另一种类型的电路。用于计算机***900的一个处理器可以是一个中央处理单元(CPU)、一个图形处理单元(GPU)、或二者。此外，在此描述的任何处理器可以包括多个处理器、并行处理器、或二者。多个处理器可以被包括在或者被耦合到单一装置或多个装置上。

此外，计算机***900可以包括可以经由一个总线908彼此通信的一个主存储器920和一个静态存储器930。在此描述的存储器是可以存储数据和可执行指令的有形存储介质，并且在将指令存储在其中的时间期间是非暂态的。在此描述的一个存储器是一个制造品和/或机器部件。在此描述的存储器可以包括计算机可读介质，可以由计算机从这些计算机可读介质读取数据和可执行指令。如在此描述的存储器可以是随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器、电子可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、寄存器、硬盘、可移动磁盘、磁带、只读光盘存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光光盘、或者本领域已知的任何其他形式的存储介质。存储器可以是易失性或非易失性的、安全的和/或加密的、不安全的和/或未加密的。

如图所示，计算机***900可以进一步包括一个显示单元(例如，视频显示单元950)，如一个液晶显示器(LCD)、一个有机发光二极管(OLED)、一个平板显示器、一个固态显示器、或者一个阴极射线管(CRT)。此外，计算机***900可以包括一个输入装置960，如一个键盘/虚拟键盘或触敏输入屏或利用语音识别的语音输入、以及一个光标控制装置970，如一个鼠标或触敏输入屏或平板电脑。计算机***900还可以包括一个磁盘驱动单元980、一个信号生成装置990(如一个扬声器或远程控制)、以及一个网络接口装置940。

在一个具体实施例中，如在图9中描绘的，磁盘驱动单元980可以包括一个计算机可读介质982，一组或多组指令984(例如，软件)可以被嵌入该计算机可读介质中。可以从计算机可读介质982读取多组指令组984。此外，指令984当由一个处理器执行时可以被用于执行如在此描述的一个或多个方法和过程。在一个具体实施例中，指令984在由计算机***900执行的过程中可以完全或者至少部分地驻留在主存储器920、静态存储器930中，和/或在处理器910中。

在一些实施例中，专用硬件实现方式如专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑阵列以及其他硬件组件可以被构造用于实现在此描述的方法中的一个或多个。在此描述的一个或多个实施例可以使用两个或更多个特定的互连硬件模块或装置实现功能，这些模块或装置具有可以在这些模块之间或通过这些模块进行通信的相关控制和数据信号。因此，本披露涵盖软件实现方式、固件实现方式、以及硬件实现方式。本申请中的每件事物应当被解释为是利用软件、硬件、或者软件和硬件的组合实现或可实现的。

根据本披露的不同实施例，在此描述的这些方法可以使用执行软件程序的一个硬件计算机***来实现。此外，在一个示例性的非限制性实施例中，实现方式可以包括分布式处理、组件/对象分布式处理、以及并行处理。可以构建虚拟计算机***处理来实现如在此描述的方法或功能中的一个或多个，并且在此描述的一个处理器可以被用于支持一种虚拟处理环境。

本披露设想了一个计算机可读介质982，该计算机可读介质包括指令984或者响应于一个传播信号而接收和执行指令984。

因此，本披露使得一种用于确定在一个微波空腔内部的一个导管中流动的一种材料的一个属性的值的方法和设备成为可能。

例如，在此设想的过程包括确定原油的含水量、水相所占液相比(waterliquidratio)(WLR)、和/或气体体积分数(GVF)。在例如油和气工业中可以采用在此讨论的方法和设备。作为一个例子，在生产油和水、或气和水的井中，可以测量每种物质的个体流动。此外，可以测量油、水、以及气体的个体流动。在另一个例子中，在蒸汽辅助重力泄油(SAGD)***中，本披露的实施例可以被用于确定例如蒸汽与油的比率。

示例性应用可以包括处理原油和气体流动、监测和检测液体或气体损失、监测冷却液的流动、测量排放。

在湿气工业中，可以在将多种气流混合之前或者之后在井口处执行计量和测量。在乳制品中，可以使用本披露的设备和方法，例如来获得乳的脂肪、糖、以及蛋白质含量的估算。

其中这是可适用的另一个环境是水下石油勘探和生产。

例如，除了监测原油和气体的流动，可以计量和/或测量被注入到流中的泡沫或腐蚀抑制剂或其他化学品的流动。

此外，这可适用的另一个环境是油抽提，如水力压裂(hydraulicfracturing)(通常被称为水力压裂(fracking))。除了计量和测量活动，还可以执行物质组成的识别。在这点上，用于水力压裂的化学品可能对管线和贮运容器是破坏性的，并且进一步可能在燃烧过程中导致污染。

为了处理这种危害，在此描述的方法和设备可以被适配用于检测在水力压裂过程中所使用的化学品，包括酸、盐、聚丙烯酰胺、乙二醇、碳酸钾、碳酸钠、异丙醇、戊二醛、润滑剂、甲醇、放射性核素、放射性示踪剂、放射性污染物等。

应注意的是，术语多普勒信号是指测量的***响应函数随时间的任何变化。

如在此所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一个(a)”、“一种(an)”以及“该(the)”包括复数指示物。在一些地方术语“至少一个”、“一个或多个”等的使用不应解释为指示在使用单数形式的其他地方仅仅参考单数。

如在此所使用，术语“大约”是指±10％。

术语“包含(comprises/comprising)”、“包括(includes/including)”、“具有(having)”以及它们的同根词意指“包括但不限于”；并且涵盖术语“由…组成”和“主要由…组成”。

应理解的是，为清楚起见在单独的实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反地，为简洁起见在单个实施例的上下文中描述的本发明的不同特征也可以被单独地或者以任何适合的子组合提供，或者在适合时被提供在本发明的任何其他描述的实施例中。在不同实施例的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施例的必要特征，除非该实施例在没有那些元素的情况下是不起作用的。

尽管本发明已结合其具体实施例进行了描述，但是显而易见的是，许多改变、修改和变型对本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，旨在包含落入所附权利要求书的精神和宽泛范围内的所有这类改变、修改、增强、以及变型。因此，在法律所允许的最大程度上，本披露的范围将由以下权利要求书和它们的等效物的最宽泛的许可释义来确定，并且不应当受到以上详细说明的约束或限制。

本披露的方法和设备及其方面能够被分配具有在其上具有指令的一个计算机可读介质。术语计算机可读介质包括单个介质或多个介质，如集中式或分布式数据库、和/或存储一组或多组指令的相关联的高速缓存和服务器。术语计算机可读介质还应当包括能够存储、编码、或者携带一组指令的任何介质，这些指令用于由一个处理器执行或者致使一个计算机***执行在此披露的方法或操作中的任何一个或多个。

在一个非限制性的示例性实施例中，计算机可读介质可以包括一个固态存储器，如一个存储卡或者容纳一个或多个非易失性只读存储器的其他封装件。此外，计算机可读介质可以是一个随机存取存储器或其他易失性可重写存储器。此外，计算机可读介质可以包括一个磁光的或光学介质(如一个盘或磁带或者其他存储装置)以便捕获载波信号，如在传输介质上通信的一个信号。因此，本披露被认为是包括可以存储数据或指令的任何计算机可读介质或其他等效物和后继介质。

应理解的是，本披露的摘要不应当被用于解释或限制权利要求书的范围或含义。此外，在上述详细说明中，出于精简本披露的目的，可将不同特征组群在一起或者在单个实施例中进行描述。这个披露不应被解释为反映了要求保护的实施例需要比在每个权利要求中清楚地列举的特征更多的特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，发明主题可以针对少于任何披露的实施例的所有特征。因此，以下权利要求被并入详细说明中，其中每个权利要求自身定义独立要求保护的主题。

Claims (75)

1.一种用于确定在微波空腔内部的导管中流动的材料的一个属性的值的设备，该设备包括：

其中具有该导管的一个多模微波空腔；

多个馈源，每个馈源被配置用于向该空腔馈送RF辐射以便在该空腔中激发多种模式，其中这些馈源中的至少一个包括在该空腔外的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该空腔的一个波导；

一个检测器，该检测器被配置用于检测指示该空腔对馈送至该空腔的射频(RF)辐射的电响应的参数；以及

一个处理器，该处理器被配置用于基于该检测器检测到的这些参数确定该属性的值。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括一个衰减器，该衰减器被附接到该微波空腔上，并且被配置用于使从该微波空腔离开的电场衰减至小于该微波空腔内部的该电场的1％。

3.根据权利要求2所述的设备，其中该衰减器包括一个RF反射衰减导管部分和附接到该RF反射衰减导管部分上的一个电介质衰减导管部分。

4.根据权利要求3所述的设备，其中该衰减器被安排成使得在每个电介质衰减导管部分的远离该RF反射衰减导管部分的端部处的场强小于该微波空腔内部的该场强的1％。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，其中该衰减器被安排成不干扰该材料的流动。

6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中指示该微波空腔对馈送至该微波空腔的RF辐射的电响应的这些参数包括在一个给定馈源处从该微波空腔返回的所测量功率与在该给定馈源处朝向该微波空腔行进的所测量功率的一个比率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中指示该微波空腔对馈送至该微波空腔的RF辐射的电响应的这些参数包括一个散射参数S₁₁。

8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该多个馈源彼此隔离，这样使得在该微波空腔中激发大多数模式时，小于10％的通过一个馈源进入该微波空腔的功率通过另一个馈源离开该微波空腔。

9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该多个馈源中的至少一个馈源是相对于该微波空腔的一个对称轴倾斜的。

10.根据权利要求9所述的设备，其中该多个馈源包括至少一对倾斜的平行馈源。

11.根据权利要求10所述的设备，其中这些倾斜的平行馈源的对称轴彼此不重叠。

12.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中这些馈源中的两个是相对于该微波空腔的对称轴相等地倾斜的，并且被彼此间隔开，这样使得沿着一个馈源的对称轴传播且从该微波空腔的一个内表面反射的电磁辐射通过这两个馈源中的另一个传播出该微波空腔。

13.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该辐射元件的一个端部与该微波空腔的距离至少是该波导中的在该微波空腔中激发这些模式的最低频率的该RF辐射的波长的一半。

14.根据前述权利要求中任一项所述的设备，进一步包括一个RF辐射源，该RF辐射源被配置用于向该多个馈源中的一个或多个提供在具有一个中心频率和该中心频率的至少100％的宽度的频带处的RF辐射。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，进一步包括一个RF辐射源，该RF辐射源被配置用于向该多个馈源中的一个或多个提供在于至少两个倍频程上延伸的频带处的RF辐射。

16.根据权利要求1至13中任一项所述的设备，进一步包括一个RF辐射源，该RF辐射源被配置用于向该多个馈源中的一个或多个提供在于1.5GHz与5GHz之间延伸的频带处的RF辐射。

17.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该微波空腔的截止频率低于该波导的截止频率。

18.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该处理器被配置用于通过应用一种核方法来确定该属性的值。

19.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其中该处理器被配置用于将该检测器测得的参数组合来获得组合参数，并且基于这些组合参数来确定该属性的值。

20.根据权利要求19所述的设备，其中每个组合参数与该多个馈源中的一个相关联。

21.根据权利要求19或权利要求20所述的设备，其中该组合参数是一个Γ参数。

22.根据权利要求19或权利要求21所述的设备，其中该组合参数是一个耗散率。

23.一种确定在一个微波空腔内部的导管中流动的材料的一个属性的值的方法，该方法包括：

通过多个馈源在该微波空腔中激发多种模式，其中这些馈源中的至少一个包括在该微波空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将波从该辐射元件引导至该微波空腔的一个波导；

检测指示该微波空腔对该微波空腔中的这些模式的激发的电响应的参数；并且

基于这些检测到的参数确定该属性的值。

24.根据权利要求23所述的方法，其中在该微波空腔中激发多种模式包括激发一个数量的模式，该数量大于该多个馈源的数量。

25.根据权利要求23或24所述的方法，其中确定该属性的值包括应用一种核方法。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的方法，其中指示该微波空腔对该微波空腔中的这些模式的激发的电响应的这些参数包括一个Γ参数。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的方法，其中指示该微波空腔对该微波空腔中的这些模式的激发的电响应的这些参数包括在一个给定馈源处从该微波空腔返回的所测量功率与在该给定馈源处朝向该微波空腔行进的所测量功率的一个比率。

28.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，其中指示该微波空腔对该微波空腔中的这些模式的激发的电响应的这些参数包括一个散射参数S₁₁。

29.根据权利要求23至28中任一项所述的方法，其中确定该属性的值包括将由一个检测器测得的参数组合来获得组合参数，并且基于这些组合参数确定该属性的值。

30.根据权利要求29所述的方法，其中该组合参数是一个Γ参数。

31.根据权利要求29所述的方法，其中该组合参数是一个耗散率。

32.根据权利要求29所述的方法，其中该组合参数是在不同时间测量时的同一参数的值之间的差值。

33.根据权利要求29所述的方法，其中该组合参数是在不同时间测量时的一个Sii参数的值之间的差值。

34.根据权利要求23至33中任一项所述的方法，包括操作根据权利要求1至22中任一项所述的设备。

35.根据权利要求23至34中任一项所述的方法，其中激发多种模式是通过在多个激发设置下将RF辐射施加至该微波空腔。

36.根据权利要求35所述的方法，其中这些激发设置中的每两个在频率或馈源中的至少一个上不同于彼此。

37.根据权利要求23至36中任一项所述的方法，其中该材料是一种多相材料，并且该属性是该材料的相组成。

38.根据权利要求23至37中任一项所述的方法，其中该材料是原油。

39.根据权利要求38所述的方法，其中该属性是该材料中的水的体积分数。

40.根据权利要求38所述的方法，其中该属性是该材料中的油的体积分数。

41.根据权利要求38所述的方法，其中该属性是该材料中的气体的体积分数。

42.一种用于确定在微波空腔的导管中流动的多相材料的流速的设备，该设备包括：

一个多模微波空腔，该导管延伸穿过该多模微波空腔；

多个倾斜的平行馈源，这些馈源中的每一个被配置用于将射频(RF)辐射递送至该微波空腔，以便在该微波空腔中激发多种模式，这些馈源中的每一个包括在该微波空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将电磁波从该辐射元件引导至该微波空腔的一个波导；

一个检测器，该检测器检测指示该微波空腔对递送至该微波空腔的RF辐射的电响应的参数；以及

一个处理器，该处理器基于该检测器检测到的这些参数确定该多相材料的流速。

43.根据权利要求42所述的设备，进一步包括一个衰减器，该衰减器具有一个RF反射衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。

44.根据权利要求42所述的设备，进一步包括多个衰减器，该多个衰减器中的每一个具有一个RF反射衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。

45.根据权利要求42所述的设备，进一步包括一个衰减器，该衰减器具有一个金属衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。

46.根据权利要求42所述的设备，进一步包括多个衰减器，该多个衰减器中的每一个具有一个金属衰减导管部分和一个电介质衰减导管部分。

47.根据权利要求42所述的设备，进一步包括：

一个压力传感器，该压力传感器被配置用于测量该多相材料的压差；以及

一个温度传感器，该温度传感器被配置用于测量该多相材料的温度。

48.根据权利要求42所述的设备，进一步包括：

通向该微波空腔的一个入口；以及

通向该微波空腔的一个出口，

其中该入口和该出口中的至少一个至少部分地被一个网状物覆盖。

49.根据权利要求48所述的设备，其中该网状物含有一种金属材料。

50.根据权利要求42所述的设备，其中可将不同频率在给定时间施加到该多个倾斜的平行馈源中的每一个上。

51.根据权利要求42所述的设备，其中可将激发在给定时间施加到少于所有的该多个倾斜的平行馈源上。

52.根据权利要求42所述的设备，其中该多相材料包括一种湿气。

53.根据权利要求42所述的设备，其中该多相材料包括原油。

54.一种用于确定在微波空腔的导管中流动的流动材料的流速的方法，该方法包括：

通过多个倾斜的平行馈源在该微波空腔中激发多种模式，其中该多个馈源中的每一个包括在该微波空腔外部的一个辐射元件和被配置用于将电磁波从该辐射元件引导至该微波空腔的一个波导；

检测指示该微波空腔对递送至该微波空腔的RF辐射的电响应的参数；并且

基于该检测器检测到的这些参数确定该流动材料的流速。

55.根据权利要求54所述的方法，进一步包括检测在该流动材料中流动的一种物体。

56.根据权利要求54所述的方法，进一步包括测量来自该流动材料的反射信号以便识别对于该流动材料是外源的一种物质。

57.根据权利要求56所述的方法，进一步包括分析这些反射信号以便识别对于该流动材料是外源的一种物质。

58.根据权利要求54所述的方法，进一步包括检测在该流动材料中流动的一种气体的流速。

59.根据权利要求54所述的方法，进一步包括：

测量该多相材料的压差；并且

测量该流动材料的温度。

60.根据权利要求54所述的方法，进一步包括当在该流动材料中检测到一种外来物质时传输一个警报信号。

61.根据权利要求54所述的方法，其中该流动材料包括一种湿气。

62.根据权利要求54所述的方法，其中该流动材料包括原油。

63.根据权利要求54所述的方法，进一步包括将不同频率在给定时间施加到该多个倾斜的平行馈源中的每一个上。

64.根据权利要求54所述的方法，进一步包括将激发在给定时间施加到少于所有的该多个倾斜的平行馈源上。

65.根据权利要求54至64中任一项所述的方法，其中该流动材料是一种多相材料。

66.根据权利要求54至64中任一项所述的方法，其中该流动材料是一种流动的多相材料中的一个相。

67.一种确定在微波空腔内部的导管中流动的材料的一个属性的值的方法，该方法包括：

通过多个馈源在该微波空腔中激发多个激发设置；

检测指示该微波空腔对该微波空腔中的这些激发设置的激发的电响应的参数；并且

通过应用一种核方法来基于这些检测到的参数确定该属性的值。

68.根据权利要求67所述的方法，其中该多个激发设置中的每两个在频率或馈源中的至少一个上不同于彼此。

69.根据权利要求67至68中任一项所述的方法，其中指示该微波空腔对该微波空腔中的这些激发设置的激发的电响应的这些参数包括一个散射参数S₁₁。

70.根据权利要求67至69中任一项所述的方法，其中该材料是原油。

71.根据权利要求70所述的方法，其中该属性是该材料中的水的体积分数。

72.根据权利要求70所述的方法，其中该属性是该材料中的油的体积分数。

73.根据权利要求70所述的方法，其中该属性是该材料中的气体的体积分数。

74.一种用于确定在微波空腔内部的导管中流动的材料的一个属性的值的设备，该设备包括：

其中具有该导管的一个多模微波空腔；

多个馈源，每个馈源被配置用于向该微波空腔馈送RF辐射以在该微波空腔中激发多个激发设置；

一个检测器，该检测器被配置用于检测指示该微波空腔对馈送至该微波空腔的射频(RF)辐射的电响应的参数；以及

一个处理器，该处理器被配置用于通过应用一种核方法来基于由该检测器检测到的这些参数确定该属性的值。

75.根据权利要求74所述的设备，该设备被适配用于执行根据权利要求67至73中任一项所述的方法。