[发明专利]使用相控阵超声探头的过程控制

说明书

技术领域

本发明涉及控制过程的方法和系统。特别是，本发明涉及在其中使用相控阵超声探头监测工艺参数对工艺物流的效应的过程的控制方法和系统。所述方法和系统可以用于控制工业的工艺物流，例如化学或石化加工厂的工艺物流。

背景技术

大规模工业过程中的工艺物流经常包括粒子、气泡、小滴和相界。过去，光学成像、声成像、NMR技术和X-射线成像已经全部用于分析工艺物流。

光学成像包括使用照相机利用可见、紫外或红外光捕获三维物体的二维图像。利用算法将物体的三维视图变换成二维图像，并将透视和一些透镜校正考虑在内。由此产生的图像随后利用图像分析方法分析来提取数据。

光学技术有许多相关的缺点。源自于光学图像的数据包含固有误差：由变换算法中的假设产生的那些误差，以及由透镜畸变引起的那些误差。此外为了光学相机能够捕获样品的图像，需要透明窗和光源。

US 5,152,175中公开了利用光学成像来测量气泡尺寸分布。根据该文件中的公开内容，气泡测量池具有透明的观视室，通过它可以拍摄气泡影子的照片。所述照片然后可以进行照片分析来测量气泡的尺寸和分布。

声学评估典型利用单元式换能器进行。用于这些方法的工作原理被称作声穿透。这包括从单元式换能器发射不同的超声频率。当频率匹配特定气泡尺寸的谐振频率时，所述气泡振动，以n倍于原始频率产生它自己的频率。可以收集由所述气泡发射的谐振频率并与所述气泡的原始尺寸关联起来(参见，例如，US 5,913,823中的公开内容)。

US 6,408,679公开了利用单元式换能器声成像的例子。根据该文件中的公开内容，利用低频泵信号激发气泡，使它们在与它们的直径相关的频率下共振。

然而，单元式换能器只能感受到在所述传感器前面的行列中的物体，并且可能需要许多超声频率来表征含有宽气泡尺寸分布的样品。由于必需要在待检测的物体中产生激发，因此样品中的许多物体可能通过单元式换能器而未被检测到。

为了生成区域的图像，机械扫描装置可以与单元式换能器一起使用。然而，对于快速流动的物流，所述物流中气泡或粒子的速度可显著大于机械扫描装置的移动(例如0.1m/s)。因此，所述机械扫描装置可能并未快得足以鉴别所述物流中物体的精确位置和尺寸。另一种方法包括利用若干单元式换能器来形成图像。

在这两种情况下，生成的图像名为振幅模式(被称为A-模式)图像。这是最简单类型的超声图像。为了产生A-模式图像，一个或多个换能器独立工作，扫描通过介质的行列，并将超声回波在屏幕上随深度而变绘图。在这样的方法中，所述超声信号彼此独立地穿过所述流体，并且没有出现相长干涉的类型。由于相邻换能器之间的分离和所述一个或多个换能器元件的尺寸(经常大于15mm)，所产生的图像的分辨率倾向于极差。因此，所述一个或多个换能器可以检测从大于待检测物体例如粒子或气泡的区域发出的超声。

在别的声成像技术中，可以测量背散射信号的衰减。这些声衰减技术也使用单元式换能器并且承受着许多前面提到的缺点。

这样的方法的例子公开在US 7,114,375中。根据该文件中的公开内容，发酵过程可通过检测从细胞背散射的随时间而变的超声来监测。所述背散射测量可用于确定生长期转变，例如细胞的对数生长期和它们的静止期之间的转变。

开发相控阵超声最初是用于动物组织和骨的医疗诊断，后来用于材料的无损评价，例如在金属中检测腐蚀或评估焊接。

在相控阵超声探头中，多个元件同步使用。所述元件是小型化的压电式换能器，通常安装在单个硬质匣中。向所述元件施加短程高电压脉冲，所述元件随之生成机械振动或声波。所述元件可被个别地或成组地脉冲。因此，所述元件可以成组脉冲而同步，并且波前可通过射束聚焦和射束调向来控制方向。选择控制所述元件的方式以匹配超声应用要求。

US 2008/015440中使用了相控阵超声探头。根据在该文件中公开的方法，向流场添加接种示踪剂并利用超声生成超声亮度模式(亦称B-模式)图像，从所述图像可以测定所述场内部的流的速度矢量。所述方法用于表征哺乳动物血液在身体内的流动，并且需要引入外源作用剂产生合适的对比度，以从所述图像提取有用的信息。

对用于监测工业工艺物流的非侵入性高分辨率方法有需求，所述方法使得能够实时控制所述工艺物流。

发明内容