用于对材料特性进行测量的传感器设备制造技术

一种材料组分传感器包括设置成对可能是多相组合物的材料进行探测的一个或多个超材料辅助传感器。信号源在射频(RF)信号的预期范围、微波信号的预期范围、或RF信号与微波信号的组合中对至少一个超材料辅助天线进行激励。数据处理单元被编程为响应于来自至少一个激励的超材料辅助天线的发射能量、由至少一个超材料辅助天线接收到的反射能量、频率偏移数据、或发射能量、反射能量与频率偏移的组合基于幅度数据、相位数据、频率偏移数据、或幅度数据、相位数据与频率偏移数据的组合对与被探测材料相关联的材料组分分率进行估计。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
本公开的主题主要涉及材料特性传感器，并且更为具体地涉及在电磁(EM)谱的射频(RF)/微波区域中运行并且应用于流动和/或非流动材料组分分率测量的材料特性传感器。微波传感器通常用于多相流测量应用，例如对液中含水率(WLR)和气体分率进行测量。微波传感器的许多困难都与低频用天线的尺寸相关联，同时由于频率越低，天线尺寸就越大，因此该天线的尺寸与频率相关。该特性导致了传感器滑阀中的尺寸约束并且还负面地影响了压力操控能力。小尺寸天线提供了滑阀的较大的压力操控能力。鉴于上述情况，提供一种用于多相流测量应用的EM传感器、特别是RF/微波传感器会是有利的，其中，该传感器使得传感器天线进一步小型化，运行频率降低，渐逝波耦合增强，频带更宽且滑阀结构的压力能力更高。
技术实现思路
简言之，根据一个实施方式，一种对材料特性进行测量的方法包括：将超材料辅助传感器放置成对可能包括多相组合物的材料进行探测。RF信号、微波信号、或RF信号和微波信号经由信号源在预期频率范围内产生并施加于超材料传感器，以产生电磁(EM)场。该超材料辅助传感器可在材料是固定不动的时或者在它流过导管/管道时对EM场的变化进行感测。EM场响应中的变化基于发射的EM能量特性、反射的EM能量特性、频率偏移特性、或其组合。感测到的数据被发送至以传递函数编程的计算机或数据处理装置。该计算机/数据处理装置响应于感测到的数据来应用该传递函数以便对该材料的材料特性或组分分率进行估计。估计的材料特性和/或组分分率被发送至显示设备或数据存储设备。根据另一实施方式，一种材料特性传感器包括放置成对可能是多相组合物的材料进行探测的一个或多个超材料辅助天线。信号源构造成在射频信号的预期范围、微波信号的预期范围、或其组合中对至少一个超材料辅助天线进行激励。计算机或数据处理器被编程为对被探测材料的材料特性和/或组分分率进行估计。与该材料相关联的材料特性和/或组分分率响应于来自至少一个激励的超材料辅助天线的发射的电磁(EM)能量、由至少一个超材料辅助天线接收到的反射的EM能量、或其组合基于幅度数据、相位数据、频率数据、或其组合。根据再一实施方式，一种材料特性传感器包括放置成对材料进行探测的一个或多个超材料辅助传感器。每一个超材料辅助传感器都包括构造成电磁(EM)能量的发射器、EM能量的接收器、或其组合的至少一个天线。附图说明本专利技术的这些和其它特征、方面及优点将会在参照附图阅读下列详细说明时得到更好地理解，贯穿附图，相同的附图标记表示相同的元件，其中：图1是示出了滑阀横断面视图的简化系统图，该图描绘了将超材料辅助天线放置成形成根据一个实施方式的材料组分传感器；图2是图1中所绘的材料组分传感器的侧视图；图3是适于与图1中所绘的传感器一起使用的超材料辅助天线的更为详细的视图；图4是描绘了根据一个实施方式的一种对材料组分进行测量的流程图；图5是示出了根据一个实施方式的材料组分感测系统的简图；图6是示出了适于在超材料辅助天线应用中使用以形成根据一个实施方式的材料组分传感器的代表性的螺旋元件型天线的简图；和图7是示出了根据一个实施方式的当与螺旋元件型天线相比时作为用于普通贴片天线的频率的函数的反射系数的曲线图。尽管上述附图阐明了替代实施方式，但本专利技术的其它实施方式同样是可预期的，如在本讨论中所提及的那样。在所有的情况下，本公开作为代表而非限制呈现了本专利技术的说明性实施方式。落入在本专利技术的原理的范围和精神内的多种其它的改型和实施方式均可由本领域技术人员设想出。具体实施方式图1是示出了传感器滑阀横断面视图的简化系统图，其描绘了将两个超材料辅助天线12、14放置成形成根据一个实施方式的材料特性传感器10。更具体地，超材料辅助天线12、14优选地在电磁谱的RF/微波区域中运行以提供材料特性传感器。在传感器结构中使用了还称之为超材料的负折射率材料(NRM)。超材料是一种可展现出自然界不易于发现的EM响应的人工材料。负折射率材料同时展现出负介电常数和负磁导率。这些超材料结构可用于减小EM传感器的尺寸，并获得紧凑的子波长和高性能EM传感器。根据一个实施方式，每一个超材料辅助天线12、14都可包括RF/微波天线以及馈电结构、覆盖层、天线防护件中的至少一个，例如同样在本文中更为详细描述的那样。材料特性传感器10在对可在诸如管线之类的导管中流动的多相混合物/组合物的组分进行测量中是极为有用的。用于对多相组合物进行测量、诸如但不限于对液中含水率(WLR)和气相分率进行测量的测量方法可包括在以幅度、频率或相位或它们的导出量作为被测变量的情况下的电磁波传递、反射或谐振中的任一种或全部。如本文中所述的超材料是从它们的晶胞结构而非从组分材料中获得它们的特性并且实际上具有负折射率的人工构造的材料。这些是在子波长的规模上构造的以提供超过自然界中可获得的电磁特性的人工材料。通过将一种用于获得负介电常数的导线结构状的具有强电场响应的结构与一种用于获得负磁导率的SRR状的具有强磁场响应的结构相结合来准备超材料结构。根据用于制造超材料的晶胞结构，该超材料的典型特性包括负磁导率、负介电常数、或负折射率(当磁导率和介电常数均为负的时)。图2是图1中所绘的材料特性传感器10的侧视截面图。根据一方面，图1中所绘的超材料辅助传感器12和14与防护管路18相结合并放置成对多相组合物进行探测；并且传感器10被利用射频或微波信号来激励，从而使得EM场或渐逝波将会由激励的材料特性传感器10产生。该超材料帮助改进超材料辅助天线12与14之间的传递。材料特性传感器10用于对与由两种或多种材料构成的混合物相关联的材料特性或材料分率进行测量，这些材料例如为流过导管/管道20的气体和液体(油/水)或油和水的乳液。更具体地，超材料辅助天线12、14中的一个或多个在频率范围下被激励并且在该频率范围上对反射的和/或发射的功率进行测量。信号的发射的和反射的幅度和相位取决于管道20内侧的介质的介电常数并用于对该混合物的相分率进行估计。此外，还可使用谐振的品质因数(Q)和谐振峰的幅度。根据一个实施方式，每一种超材料辅助天线均可包括带有馈电结构、天线结构、天线罩和天线防护衬管的RF/微波天线。超材料或负折射率材料可用在传感器10的天线罩、天线尾部和天线防护本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种材料组分测量的方法，所述方法包括：提供至少一个超材料辅助传感器，每一个传感器都包括构造成电磁(EM)能量的发射器、EM能量的接收器、或其组合的至少一个天线；将至少一个超材料辅助传感器进行放置以对材料进行探测；在一个或多个频率下经由信号源对至少一个超材料辅助传感器进行激励；响应于所述传感器激励对发射能量级、反射能量级、频率偏移、或其组合进行测量；以及响应于所述发射能量级、所述反射能量级、测量到的频率偏移、或其组合，应用传递函数以便经由可编程计算装置或可编程数据处理单元、相位数据、频率偏移数据、或其组合对与被探测材料相关联的一个或多个材料分率进行估计。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.05.30 IN 2174/CHE/20121.一种材料组分测量的方法，所述方法包括：
提供至少一个超材料辅助传感器，每一个传感器都包括构造成电
磁(EM)能量的发射器、EM能量的接收器、或其组合的至少一个天
线；
将至少一个超材料辅助传感器进行放置以对材料进行探测；
在一个或多个频率下经由信号源对至少一个超材料辅助传感器
进行激励；
响应于所述传感器激励对发射能量级、反射能量级、频率偏移、
或其组合进行测量；以及
响应于所述发射能量级、所述反射能量级、测量到的频率偏移、
或其组合，应用传递函数以便经由可编程计算装置或可编程数据处理
单元、相位数据、频率偏移数据、或其组合对与被探测材料相关联的
一个或多个材料分率进行估计。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述方法还包括经由所述可
编程计算装置或可编程数据处理单元对被探测材料的含盐量进行估
计。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述一个或多个材料分率包
括水分率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述被探测材料在导管内流
动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将至少一个超材料辅助传感
器放置成对材料进行探测包括将以超材料构造的衬管放置在所述导
管的预期部分的内侧，所述被探测材料流过所述导管。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述被探测材料包括多组分
材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述方法还包括经由所述可

\t编程计算装置或可编程数据处理单元来应用传递函数以对所述被探
测的多组分材料的组分分率进行估计。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述组分分率包括水分率、
气体分率、或其组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其中响应于所述传感器激励对发
射的能量级、反射的能量级、频率偏移、或其组合进行测量包括对射
频范围中的信号特性、微波范围中的信号特性、或其组合进行测量。
10.根据权利要求1所述的方法，其中提供至少一个超材料辅助
传感器还包括将以超材料构造的衬管放置在所述被探测材料通过其
流动的导管的预期部分的内侧，将以超材料构造的天线罩放置在一个
或多个天线的至少一部分的周围，以超材料构造至少一个天线，或其
组合。
11.根据权利要求1所述的方法，其中提供至少一个超材料辅助
传感器还包括将以超材料构造的衬管放置在所述被探测材料通过其
流动的导管的预期部分的内侧，将以超材料构造的天线罩放置在一个
或多个天线的至少一部分的周围，或其组合。
12.根据权利要求1所述的方法，其中提供至少一个超材料辅助
传感器包括在所述超材料辅助传感器能够包括多个天线时提供至少
一个超材料辅助天线和至少一个非超材料辅助天线。
13.根据权利要求1所述的方法，其中提供至少一个超材料辅助
传感器包括提供包括分形几何部件的至少一个天线。
14.一种材料组分传感器，包括：
一个或多个超材料辅助传感器，所述一个或多个超材料辅助传感
器放置成对材料进行探测，其中，每一个超材料辅助传感器都包括构
造成电磁(EM)能量的发射器、EM能量的接收器、或其组合的至少
一个天线；
信号源，...

【专利技术属性】
技术研发人员：P莎马，MK科伊蒂塔米塔尔，AC谢拉瓦德，SMN巴特，V韦拉于罕，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：美国;US