超声波钳位多相流量计的制作方法

专利名称：超声波钳位多相流量计的制作方法
技术领域：
本公开大体上涉及流量计，但不以限制的方式，涉及其中的多相流量计。
背景技术：
与联机流量计相比，钳位流量计提供了强大的操作和经济优点。这些钳位流量计 中的一些设计为采用超声波监测单相流量。然而，这些流量计不可能用来监测油气工业中 常有的多相流量。对于多相流量，能够测量容器或管道中的液相的厚度的一些超声波技术是已知 的。例如，通过发射脉冲信号并测量来自气/液界面的回波，脉冲信号的来回行程传播时间 可以用来确定气/液界面位置。然而，这种技术要求确定液相中的声速。为了确定液相中的声速，多种技术一般要求知道脉冲信号的传播路径的长度。然 而，在液相的厚度会在从数毫米到数厘米的范围内变化的油气工业中，设计传播路径以便 可以根据传播路径确定典型的声速是不实际的。

发明内容
本发明的一种实施方式描述了钳位型流量计，其采用超声波监测油气工业中常有 的多相流量。这种钳位型流量计确定液相中的声速，而不要求知道脉冲信号的传播路径的 长度。在多种实施方式中，这种钳位型流量计能够确定液相的流速、相分数、声速和声阻抗， 这些可以合并确定液相的流量和液相中的不同成分的混合比。多个飞行时间测量值可以结 合，以确定液体层的厚度和液体层中的声速。在一种实施方式中，本发明提供了一种用于确定在管道中流动的第一相的至少一 种特性的多相流量计，其中至少第二相也存在于所述管道中。该多相流量计包括构造为确 定所述第一相的至少一种特性的处理器。该多相流量计还包括构造为以相对于垂直于内管 壁的直线的第一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中的第一换能器，所述第一脉冲 信号位于超声波范围，并且所述第一换能器构造为连接至外管壁；并且所述第一相中的所 述第一入射角的绝对值配置为至少为10度且最多为80度。此外，该多相流量计还包括构 造为以相对于垂直于内管壁的所述直线的第二入射角将第二脉冲信号发射到所述第一相 中的第二换能器，所述第二脉冲信号位于超声波范围，并且所述第二换能器构造为连接至 所述外管壁；并且所述第二相中的所述第二入射角的绝对值配置为小于10度，即大致法向 入射。在另一种实施方式中，本发明提供了一种用于确定在管道中流动的第一相的流量 的方法，其中至少第二相也存在于所述管道中。在一个步骤中，以相对于垂直于内管壁的直线的第一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中，所述第一脉冲信号位于超声波范围 内。在另一步骤中，以相对于垂直于内管壁的所述直线的第二入射角将第二脉冲信号发射 到所述第一相中，所述第二脉冲信号位于超声波范围内。在又一步骤中，至少部分地基于所 述第一相中的平均流速的确定来确定所述第一相的流量。在又一种实施方式中，本发明提供了一种用于确定在管道中流动的第一相的流量 的方法，其中至少第二相也存在于所述管道中。在一个步骤中，以相对于垂直于内管壁的直 线的第一入射角在管壁的第一常规位置处产生第一激励能量，以便将第一脉冲信号发射到 所述第一相中。在另一步骤中，在产生第二激励能量的第二常规位置处接收所述第一脉冲 信号。在又一步骤中，以相对于垂直于所述内管壁的所述直线的第二入射角在管壁的第二 常规位置处产生第二激励能量，以便将第二脉冲信号发射到所述第一相中。此外，在一个步 骤中，在产生所述第一激励能量的所述第一常规位置处接收所述第二脉冲信号。在另一步 骤中，产生第三激励能量，以便在第三常规位置处以相对于垂直于所述内管壁的所述直线 的第三入射角将第三脉冲信号发射到所述第一相中，所述第三脉冲信号在超声波范围内。 在又一步骤中，在产生所述第三激励能量的所述第三常规位置处接收所述第三脉冲信号。根据随后提供的详细描述，本发明的其它应用方面将变得明显。应当理解，虽然指 示了多个实施方式，但详细的描述和具体实施例仅是用于说明目的，并且不是必须限制本 发明的保护范围。


本发明结合随附的附图进行描述图IA至II图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的方块示意图；图2A至21图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的功能图；图3A和3B图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的流量分布和多普勒 回波能量分布；图4图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的液相分布；图5A和5B图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的垂直高频换能器的 功能图和响应；图6A和6B图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的倾斜板波换能器的 功能图和响应；图7图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的互相关速度分布的功能 图；图8图示了根据本发明多个方面的流量计的实施方式的时域脉冲回波方法的功 能图和响应；以及图9图示了根据本发明多个方面的用于确定在管道中流动的液相的流量的过程 的实施方式的流程。 在随附的附图中，相同的元件和/或特征具有相同的附图标记。而且，通过在附图 标记后面加上破折号和在类似的元件之间进行区分的第二标记而可以区别相同类型的不 同元件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则这种描述适用于任何具有相同的附图标 记而不考虑第二附图标记的类似元件。
具体实施例方式随后的描述仅提供优选的示例性实施方式，并且不是要限制本发明的保护范围、 应用性或构造。更确切地说，优选的示例性实施方式的随后的描述将为本领域技术人员提 供用于实现优选的示例性实施方式的有效描述。应当理解，在不背离如在随附的权利要求 中提出的精神和范围的前提下，可以在元件的功能和配置防止进行各种改变。首先参照图1A，示出了双换能器流量计101的实施方式。倾斜多普勒换能器121 和垂直窄带换能器122连接至用于确定管道中的液相的至少一种特性的控制器110。控制 器110连接至接口端口 111，控制器110接受来自接口端口 111的输入，并产生用于液相的 至少一种特性的输出。倾斜多普勒换能器121为可用于距离选通(range-gated)多普勒测量的窄带换能 器。设计用于流速的距离选通多普勒测量的窄带换能器的详细结构例如已经在名称为“用 于多相流量的多普勒流量计”的美国专利No. 6，758，100中描述了，通过引用将其结合与此 用于各种目。如将更详细地描述的那样，倾斜多普勒换能器121产生流量分布和多普勒回 波能量分布。从这些分布中，至少可以确定飞行时间测定值。垂直窄带换能器122具有相对于管道中心线的法向入射角。垂直窄带换能器122 可以用于距离选通多普勒测量，以至少确定第二飞行时间测定值。垂直窄带换能器122还 可以进行时域脉冲回波测量，以确定管道壁中的并且来自气液界面的飞行时间。控制器110可以包括处理单元、存储器、输入输出端口、脉冲发生器-接收器和放 大电路以及时钟电路。控制器110还可以包括用于转换模拟信号并进行频域分析的模数转 换器和信号处理器。控制器110控制倾斜多普勒换能器121和垂直窄带换能器122，以进行 各种测量，并确定液相的至少一种特性。接口端口 111可以连接至用于由控制器110确定的测定值的输出的显示器。接口 端口 111还可以通过通信接口或网络有线或无线连接至远离流量计的系统，以能够远程监 测由控制器110确定的测定值。此外，接口端口 111可以接受来自按钮按压或键盘输入的 输入，以控制控制器的操作。接口端口 111还可以通过通信接口或网络有线或无线接受来 自远离流量计的系统的输入，以能够远程控制控制器110的操作。参照图1B，示出了三重换能器板波流量计102的实施方式。三重换能器板波流量 计102类似于图IA中的双重换能器流量计101，因为它们都至少使用倾斜换能器和垂直换 能器。三重换能器板波流量计102包括两个倾斜板波换能器123和垂直高频宽带换能器 124。板波换能器123产生具有从50kHz至IMHz的典型频率范围的有用激励脉冲。所 述换能器设置为相互面对，以形成发送器和接收器对；它们之间的间距通常为数百毫米，并 且是可调节的。在通常的操作期间，第一板波换能器123-1产生在管壁中产生板波的激励 脉冲。当板波沿着管壁传播时，超声波能量发射到液相中。随后第二板波换能器123-2接 收反射的超声波能量以及板波。随后，第二板波换能器123-2产生激励脉冲，并且第一板波 换能器123-1作为接收器进行工作。可以在该实施方式确定两个飞行时间测定值，一个在 板波沿与液相的流动相同的方向传播时确定，另一个在板波沿相反的方向传播时确定。垂直高频宽带换能器124产生具有从IMHz至20MHz的典型频率范围的有用脉冲。如将更详细地说明的那样，垂直高频宽带换能器124进行时域脉冲回波测量，以确定管壁 中的且来自气液接口的飞行时间。接下来参照图1C，示出了互相关/板波流量计103的实施方式。除了互相关/板 波流量计103采用垂直高频换能器124和距离选通互相关装置115之外，互相关/板波流 量计103类似于图IB中的三重换能器板波流量计102。该实施方式展示了一种产生液相的 速度分布的方式。每个垂直高频换能器124都向液相中发射能量，并接收返回的能量。能量可以通 过位于液相的不同深度水平处的回波产生反射装置发射回。距离选通互相关装置115使得 能够选择从不同深度水平反射的能量，并且通过在由两个换能器接收的能量之间进行互相 关，可以在该实施方式中产生液相的速度分布。参照图1D，示出了多普勒/板波流量计104的实施方式。除了多普勒/板波流量 计104采用倾斜高频脉冲多普勒换能器125产生速度分布之外，多普勒/板波流量计104 类似于图IB中的三重换能器板波流量计102。倾斜高频脉冲多普勒换能器125以与前述倾 斜多普勒换能器121类似的方式进行操作。与互相关/板波流量计103相比，多普勒/板 波流量计104使得能够采用较少的换能器产生速度分布。接下来参照图1E，示出了接触-换能器流量计105的实施方式。除了接触-换能 器流量计105采用不同类型的接触换能器126之外，接触-换能器流量计105类似于图IB 中的三重换能器板波流量计102。在一种实施方式中，接触-换能器流量计105可以使得能 够采用声阻抗测量检测关闭后面的流体类型。在另一种实施方式中，接触_换能器流量计 105 可以为更精确的平均速度测量提供沿着管道中的多个路径的速度测量。接触换能器126直接接触管道。接触表面可以为平坦的或弯曲的，以匹配管道的 外面。在接触表面处，接触材料可以用来去除换能器和管道之间的任何气隙。用于接触换 能器126的技术可以包括延迟线、双元件等。延迟线换能器允许在接收到超声波信号之前 完成超声波信号的发送。双元件换能器一般具有一个发送超声波信号的独立元件和另一个 接收超声波信号的独立元件。接触换能器126可以以不同的角度设置在管道圆周附近。一 些接触换能器126可以通过采用声阻抗测量检测管壁后面的流体类型。为更精确的平均速 度测量，其它接触换能器126可以沿着管道中的多个路径设置速度测量。参照图1F，示出了多间距板波流量计106的实施方式。除了多间距板波流量计106 采用第三倾斜板波换能器123-3之外，多间距板波流量计106类似于图IB中的三重换能器 板波流量计102。在第三倾斜板波换能器123-3和第二倾斜板波换能器123-2之间存在较 长的间距的情况下，第三倾斜板波换能器123-3提供附加的测量。虽然较短的间距为检测 主回波提供更好的信号比，但较长的间距使得能够检测更多倍的流体界面回波。接下来参照图1G，示出了上下板波流量计107的实施方式。除了上下板波流量计 107采用附加的倾斜板波换能器123之外，上下板波流量计107类似于图IB中的三重换能 器板波流量计102。附加的倾斜板波换能器123可以在它们之间形成用于附加测量的发送 器和接收器对。参照图1H，示出了宽带流量计108的实施方式。除了宽带流量计108采用除垂直 窄带换能器122之外或代替垂直窄带换能器122的垂直宽带换能器127之外，宽带流量计 108类似于图IA中的双重换能器流量计101。该实施方式使得能够实现可替换的测量方法或提供冗余测量。宽带换能器127产生具有从IMHz至20MHz的典型频率范围的有用脉冲。如将更 详细地描述的那样，宽带换能器127可以用来确定液相的声阻抗和在液相中水的分数。随 后，在一种实施方式中，可以确定声速和成层/分离液相的厚度。在另一种实施方式中，还 可以确定声速和环形液相的厚度。接下来参照图II，示出了多倾角流量计109的实施方式。除了多倾角流量计109 采用附加的倾斜多普勒换能器121之外，多倾角流量计109类似于图IA中的双重换能器流 量计101。附加的倾斜多普勒换能器121可以以相互不同的角度和/或不同的频率操作，使 得在一种实施方式中能够实现更稳健的速度分布测定值。参照图2A，示出了图IA中的在功能上连接至管壁210的双重换能器流量计101 的实施方式。这种连接可以为可拆卸类型的，如夹紧。如本领域技术人员将会认识到的那 样，这种连接也可以是永久类型的，如通过将换能器壳体直接构造在一段管道中。将双重换 能器流量计101固定至管道的其它方式可以包括采用环氧、在管道周围缠绕带子等。管道 中的多相流至少包括液体层240和气体250。管道/液体界面220位于管壁210和液体层 240之间。此外，气/液界面230位于液体层240和气体250之间。倾斜多普勒换能器121构造为以相对于垂直于管道/液体界面220处的内管壁的 直线262的入射角260将脉冲信号发射到液体层240中。将会理解，管道/液体界面220处 的管壁可以不为圆筒形形式，并且可以不具有均勻的表面，因为该表面可能具有不完整性。 然而，管道/液体界面220的内管壁通常为圆筒形，具有均勻的表面。如果脉冲的轴向传播 方向与流动方向相反，人们可以将入射角260定义为正，并且如果脉冲的轴向传播方向与 流动方向一致，则将入射角260定义为负。液体层240中的入射角260的绝对值一般至少 为10度且最多为80度。本领域技术人员将会认识到，在多种实施方式中可以使用液体层 240中的入射角260的其它绝对值，如至少为45度且最多为70度、至少为37度且最多为 58度、以及至少为18度且最多为80度。倾斜多普勒换能器121可以用来确定从脉冲信号发射时到从气/液界面230上反 射的返回回波到达时的第一飞行时间。如本领域技术人员将会认识到的那样，脉冲信号的 发射逆着液体层240的流动传播，返回回波顺着流动传播。此外，脉冲信号在管壁210中的 往返形成飞行时间例如可以采用校正测量确定。垂直窄带换能器122也构造为以相对于垂直于管道/液体界面220处的内管壁的 直线262的入射角260将脉冲信号发射到液体层240中。液体层240中的入射角260的绝 对值偏离0度的程度一般小于10度。本领域技术人员将会认识到，可以在多种实施方式中 使用液体层240中的其它入射角260，如在士5度内、在士 1. 5度内、以及至少为-0. 5度且 最多为+0.5度。与倾斜多普勒换能器121类似，垂直窄带换能器122可以用来至少确定第二飞行 时间测定值。流速对第二飞行时间测定值的影响不存在或者与用倾斜多普勒换能器121确 定的第一测定值不同。本领域技术人员将会认识到，在去除管壁中的对应的飞行时间的情 况下，两个飞行时间测定值可以形成下述两个等式，其中c为液体层240中的声速，h为液 体层240的厚度，且k为居于声速和管壁210中的折射角的已知常数
通过合并来自倾斜多普勒换能器121和垂直窄带换能器122的飞行时间测定值， 可以在该方式中确定液体层240中的声速。根据声速测定值，可以确定液体层240的厚度。 此外，液体层240中的声速可以用来确定液体层240中水占的分数。而且，液体层240的流 量可以基于平均流速和液体层240的厚度确定。在一些实施方式中，平均流速可以基于液 体层240的速度分布的测定值而确定。在本发明的一些方面中，速度分布可以通过倾斜(脉 冲)多普勒换能器121测量。接下来参照图2Β，示出了图IB中的在功能上连接至管壁210的三重换能器板波流 量计102的实施方式。该实施方式与图2Α中图示的实施方式类似，因为它们都至少采用倾 斜换能器和垂直换能器。两个倾斜板波换能器123可以用于产生短程板波270并检测短程板波270。第二 倾斜板波换能器123-2产生沿与液体层240的流动相同方向传播的短程板波270，同时第一 倾斜板波换能器123-1作为接收器进行工作。随后，第一倾斜板波换能器123-1产生沿与 液体层240的流动相反方向传播的板波，同时第二倾斜板波换能器123-2作为接收器进行 工作。垂直高频宽带换能器124进行时域脉冲回波测量，以确定气液接口 230的飞行时间 测定值以及管壁210中的飞行时间测定值。倾斜板波换能器123可以用来确定第一飞行时间测定值和第三飞行时间测定值， 一个顺着流动，一个逆着流动。如将更详细地说明的那样，大体上垂直于管道/液体界面 220处的内管壁的垂直高频宽带换能器124可以用来确定不受流速影响的第二飞行时间测 定值。本领域技术人员将会认识到，所述三个液体中飞行时间测定值可以用在下述三个等 式中
第一和第三飞行时间测定值之间的差值二4么ι k V,
h)2第一和第三飞行时间测定值的和=4么，以及
c 小-(k.c) 其中c为液体层240中的声速，h为液体层240的厚度，V为液体层240的平均流 速，P为管壁210中的已知的板波速率，k为基于管壁210中的声速和折射角的常数。根据 这三个飞行时间测定值，可以在该实施方式确定液体层240的声速、厚度和平均流速。参照图2C，示出了图IC中的在功能上连接至管壁210的互相关/板波流量计103
的实施方式。除了高频换能器124可以用来通过以距离选通的方式互相关由两个换能器接收的回波能量之外，该实施方式类似于图2B中示出的实施方式。该实施方式展示了一种产 生液体层240的速度分布的方式。接下来参照图2D，示出了图ID中的在功能上连接至管壁210的多普勒/板波流量 计104的实施方式。除了倾斜高频脉冲多普勒换能器125可以用来产生速度分布之外，该 实施方式类似于图2B中示出的实施方式。该实施方式展示了另一种用较少的换能器产生 液体层240的速度分布的方式。倾斜高频脉冲多普勒换能器125构造为以相对于垂直于管道/液体界面220处的 内管壁的直线的入射角260将脉冲信号发射到液体层240中。液体层240中的入射角260 的绝对值一般至少为10度且最多为80度。本领域技术人员将会认识到，在多种实施方式 中可以使用液体层240中的入射角260的其它绝对值，如至少为45度且最多为70度、至少 为27度且最多为58度、以及至少为58度且最多为80度。参照图2E，示出了图IE中的在功能上连接至管壁210的接触-换能器流量计105 的实施方式。除了使用多种类型的接触换能器126之外，该实施方式类似于图2B中图示的 实施方式。在一种实施方式中，可以用声阻抗测量检测管壁后面的流体类型。在另一种实 施方式中，可以用沿着管道中的多个路径的速率测量来提供更精确的平均速率测量。接触换能器126可以以不同的角度设置在管道圆周附近。管道顶部上的接触换能 器126-4可以与管道底部上的接触换能器126-1形成发送器和接收器对。同样地，管道一 个侧部上的接触换能器126-2可以与管道的相对的侧部上的接触换能器126-5形成另一发 送器和接收器对。类似地，管道顶部上的接触换能器126-10、126-4还可以与管道底部上的 接触换能器126-7、126-1形成发送器和接收器对。当液体层240填充管道时可能有间隔， 使得在发送器和接收器对之间能够进行直接传输。接下来参照图2F，示出了图IF中的在功能上连接至管壁210的多间距板波流量 计106的实施方式。除了该实施方式采用第三倾斜板波换能器123-3之外，该实施方式类 似于图2B中示出 实施方式。第三倾斜板波换能器123-3使得能够产生和接收长距离板 波271。长距离板波271可以允许在该实施方式中确定更多关于流动的信息。参照图2G，示出了图IG中的在功能上连接至管壁210的上下板波流量计107的 实施方式。除了在该实施方式中使用附加的倾斜板波换能器123之外，该实施方式类似于 图2B中示出的实施方式。管道顶部上的倾斜板波换能器123-3、123-4可以与管道底部上 的倾斜板波换能器123-2、123-1形成附加的发送器和接收器对。接下来参照图2H，示出了图IH中的在功能上连接至管壁210的宽带流量计108的 实施方式。除了该实施方式附加或代替垂直窄带换能器122采用垂直宽带换能器127之外， 该实施方式类似于图2A中图示的实施方式。该实施方式可以能够采用可替换的测量方法 或提供冗余测量。参照图21，示出了图II中的在功能上连接至管壁210的多倾角流量计109的实施 方式。除了在该实施方式中使用以相互不同的角度和/或不同的频率工作的附加倾斜多普 勒换能器121之外，该实施方式类似于图2A中图示的实施方式。该实施方式可以使得能够 实现更稳健的速度分布测定。垂直倾斜多普勒换能器121 (具有基本为零度的入射角260) 可以基于测量的多普勒回波能量分布(向窄带换能器122)提供管道/液体界面220和/ 或气/液界面230的替换测定值。
接下来参照图3A，示出了流量分布300。记录时间轴310表示脉冲信号的发射和返 回回波到达之间的延迟时间。流量分布300的具有零速率的下段对应于换能器和管壁210 内的区域，因为在这些区域没有移动的回波产生反射装置。如果由可检测的移动回波产生 反射装置，如液体层240中的固体粒子、小气泡或液滴，则能够被反射，并产生液体层240范 围内的速度分布。本领域技术人员将会认识到，由于来自通常比液体层240传播得快的气 体250的牵制效应，速率向着气/液界面230明显增加。参照图3B，示出了多普勒回波能量分布301。类似于图3A中的流量分布300，记录 时间轴310表示脉冲信号的发射和返回回波到达之间的延迟时间。同样地，多普勒回波能 量分布301的具有零能量的下段对应于换能器内部和管壁210内部的区域。在液体层240 中流动的回波产生反射装置引起某些能级被反射。能级取决于诸如回波产生反射装置和液 体层240之间的阻抗失配或液体层240中的相应的采用体积中的回波产生反射装置的浓度 或尺寸分布之类的因数。在气/液界面230处，能级显著增加，因为气/液界面230为非常 大的反射面。接下来参照图4，示出了左侧的水平管道440和右侧的垂直管道450。如果流速相 对低，则水平管道440可以用作天然的重力沉降分离器，其产生分层分布410，其中液体层 240占据管道的下部，气体250占据管道的上部。换能器构造以如果管道水平则连接至管道 的下侧。采用垂直管道450，流动调节装置可以用来产生环形分布420，其中液体层240形 成管道/液体界面220周围的环形流动图案，且气体250形成管道中心处的柱形图案。对于分层分布410，液体截面由平行的水平线分成子区域。对应环形分布420，液 体截面分成与速度分布上的非零速率点的数量一样多的同心环形区域。因此，可以在该实 施方式中确定液体层240中的飞行时间，其指定为液体飞行时间430。液体层240的流量也 可以基于每段的面积和流速的测定来确定。在某些方面中，分层流动可以出现在大体水平的管道等中。在本发明的其它方面 中，本概念的方法和设备可以用来获得管道中的回旋流的测定、特征和/或测量值。回旋流 的特征/测量值特性的思想在申请人的共同未决美国专利申请公开No. US2008/0223146中 描述了，将起全部内容结合于此，用于多种目的。通常，为了有效地特征化多相流动，如果多相流体混合物展现出预定类型的流动， 这是有用的。例如，如果已知混合物例如为分层、搅乳或均勻化的，则可以对用在流体的计 算/特征化和/或流体流量的关系进行恰当的调整。照这样，在本发明的多种实施方中，可 以调节混合物，以展现出回旋流，这将液体与气体分开。例如，导管可以具有漩涡元件，如螺 旋插入件或叶片组，用于引起混合物展现出回旋流。漩涡元件可以包括沿着导管沿流体流 动方向颜色的一个或多个螺旋行构件。优选地，螺旋形构件位于导管的壁上，当沿着导管的 轴线观看时，剩下未被阻碍的导管的中心芯体(即，它们不向内径向延伸到导管的中心轴 线)。可替换地，漩涡元件可以通过至导管的切向流入口形成。回旋流的好处在于它相对容易诱发和维持(不像在典型的测量距离范围内可能 不稳定的分层或均勻化流动)。而且，例如与模型化分层或搅拌流相比，通过文丘里管模型 化回旋流的特征相对简单。而且，回旋流通常关于流动轴线对称，使得流动的某些测量独立 于角定向。诱发混合物展现出回旋流分离混合物的液相和气相。回旋流使得混合物的液相移向导管的壁，如靠近导管壁形成液体环，气体芯留在管道的中心。参照图5A和5B，示出了垂直高频脉冲-回波测量示意图及其响应。图5A中的示 意图示出了将能量发射到管壁210中的垂直高频宽带换能器124。响应时，一些能量从管 道/液体界面220反射回，剩余的能量发射到液体层240中。一些能量能够随后从气/液 界面230反射回。响应在图5B中的电压-时间图上示出。接收到从管道/液体界面220反射的第 一能量和接收到从气/液界面230反射的第一能量之间的时间差为液体层240中的飞行时 间，其指定为液体飞行时间430。这种飞行时间测定不受流速的影响。参照图6A和6B，示出了倾斜板波测量示意图及其响应。图6A中的示意图示出了 作为接收器工作的第一倾斜板波换能器123-1、以及产生沿与液体层240的流动相同的方 向传播的短程板波270的第二倾斜板波换能器123-2。在响应时，当短程板波270沿着管壁 210传播时，超声波能量以入射角260发射到液体层240中，并作为气/液界面回波610从 气/液界面230反射回。入射角260相对于垂直于管道/液体界面220处的内管壁的直线 定义。液体层240中的入射角260的绝对值一般至少为3度且最多为80度。本领域技术 人员将会认识到，在多种实施方式中可以使用其它入射角260，如至少为45度且最多为70 度、至少为7度且最多为58度、以及至少为58度且最多为80度。响应在图6B中的电压-时间图上示出。在第一倾斜板波换能器123-1处接收到 短程板波270和接收到气/液界面回波610之间的时间差为液体层240中的飞行时间。该 飞行时间指定为间距-捕获飞行时间620。随后，第二板波换能器1 23-2作为接收器工作， 并且第一板波换能器123-1产生激励脉冲，这产生了沿与图6A中示出的方向相反的方向传 播的板波。因此，可以确定两个飞行时间测定值，一个为顺着液体层240的流动的传播时的 间距-捕获飞行时间620-1，另一个为逆着液体层240的流动的传播时的间距-捕获飞行时 间 620-2。参照图7，示出了互相关速率测量示意图700。每个垂直高频换能器124都将脉冲 能量发射到液体层240中，并接收返回的回波能量。回波能量可以由处于液体层240中的 不同深度水平处的回波产生反射装置710反射回。回波产生反射装置710的例子可以包括 固体粒子、小气泡或液滴，由于回波产生反射装置和液体层240之间的阻抗失配，这些回波 产生反射装置710使得能量被反射。距离选通互相关装置115首先选择从不同深度水平反 射的能量，随后，在每个距离选通深度，在由两个换能器接收的能量之间进行互相关，以产 生液体层240的速度分布。接下来参照图8A和8B，示出了时域脉冲回波测量示意图及其响应。类似于图7中 的前述垂直高频宽带换能器124，图8A中的示意图示出了将脉冲能量发射到管壁210中的 垂直宽带换能器127。在响应时，一些能量从管道/液体界面220反射回，剩余的能量发射 到液体层240中。一些能量从气/液界面230反射回。多个回波事实上从每个界面上反射。例如，当能量从管道/液体界面220上反射 回时，一些能量随后进一步从管壁210的外部向着管道/液体界面220反射回。这样的多 个回波指定为管道/液体界面回波810。同样地，当能量从气/液界面230反射回时，一些 能量随后进一步从管道/液体界面220向着气/液界面230反射回。这样的多个回波 定 为气/液界面回波820。因为能量是由于声阻抗的失配而反射的，则可以基于界面回波810的振幅衰变速度确定液体层240的声阻抗。响应在图8B中的电压-时间图上示出。如果液体层240中的诸如油和水之类的 独立成分的声阻抗是已知的，则可以基于液体层240的声阻抗的确定来确定液体层240中 的水占的分数。此外，如果液体层240中的声速已知，则液体层240的厚度可以基于管道/ 液体界面回波810的第一回波的到达和气/液界面回波820的第一回波的到达之间的时间
差确定。参照图9A和9B，示出了用于确定与管道中的多相一起流动的作为液体的第一相 的流量的过程的实施方式。如果管道垂直定位，则该过程的图示部分在块910中开始初始 确定。如果这样，在一些实施方式中，多相流成漩涡以使在块915中第一相形成管壁附近的 环形分布。图9A—般可以由图1A和2A中的实施方式进行。在块920中，第一脉冲信号以相 对于垂直于内管壁的直线的第一入射角发射到第一相中，并在块925中接收到。在块930 中，第二脉冲信号也以相对于垂直于内管壁的直线的基本为零度的第二入射角发射到第一 相中，并在块932中接收到。本领域技术人员将会认识到，在一些实施方式中，在块920、 925,930和932中执行的过程可以同时进行或者以不同的顺序进行。对接收到的脉冲信号的处理使得至少可以确定两个飞行时间测定值。在块940中 确定第一飞行时间测定值。在一些实施方式中，这种确定基于来自第一相中的深度水平的 第一返回回波信号的能级的多个测定值。在其它实施方式中，这种确定基于可以从来自第 一相中的深度水平的第一返回回波信号导出的平均流速值的多个测定值。在块945中，第 一相的多普勒液体速度分布的确定基于来自第一相中的深度水平的第一返回回波信号的 多普勒频移的多个测定值。类似地，第二飞行时间测定值在块950中确定。在一些实施方 式中，这种确定基于来自第一相中的距离选通深度水平的第二返回信号的能级的多个测定 值。本领域技术人员还将认识到，在一些实施方式中，在块940和块950中执行的过程可以 同时进行或者以不同的顺序进行。在确定至少两个飞行时间测定值之后，第一相中的声速可以在块960中确定。在 一些实施方式中，第一相的平均轴线速率可以根据在块945中测量的多普勒液体速度分布 来确定。根据声速测定值，在块965中可以确定第一相的厚度。此外，声速确定还使得能够 在块967中确定作为液体的第一相的液体中的水的比率。随后可以根据在块965中确定的 第一相的厚度和在块945中确定的第一相的平均轴向速率的确定在块970中确定第一相流 量。在另一种实施方式中，图9B—般可以由图1B和2B中的实施方式进行。根据在管 壁中产生的、并以在块920中以相对于垂直于内管壁的直线的第一入射角发射到第一相中 的第一脉冲信号，可以在块940中根据在块925中接收到的第一脉冲信号确定第一飞行时 间测定值。同样地，根据在管壁中产生的、并以在块930中以基本上与第一入射角成镜像的 第二入射角发射到第一相中的第二脉冲信号，可以在块950中根据在块932中接收到的第 二脉冲信号确定第二飞行时间测定值；根据在块935中以基本上为零度的第三入射角发射 到第一相中的第三脉冲信号，可以在块955中根据在块937中接收到的第三脉冲信号确定 第三飞行时间测定值。随后可以在块962中基于第一飞行时间测定值、第二飞行时间测定 值和第三飞行时间测定值确定第一相的至少一种特性。这些特性中的一些包括作为液体的第一相的声速、厚度和平均流速。随后在块970确定第一相的流。此外，声速确定也使得能 够在块967中确定作为液体的第一相的液体中的水的比率。还可以使用所公开的实施方式的多种变形和修改。例如，存在于管道中的多相可 以包括较轻和较重的气体、其它类型的液体或液体混合物类型。其它类型的液体可以包括 水、果汁、酒精、血液、汽油或各种类型的油。液体可以相对脏或相对干净，并且可以相对平 静或相对湍急。在上述描述了给出了具体的细节，以提供对各实施方式的充分理解。然而，应当理 解，各实施方式可以不以这些具体的细节来实现。例如，在方块示意图中没有必要在细节上 示出电路，以避免搞混各实施方式。在其它例子中，没有必要在细节上示出熟知的电路、工 艺、算法、结果和技术，避免搞混各实施方式。可以以各种方式进行上述技术、步骤和措施的执行。例如，这些技术、方块、步骤和 措施可以在硬件、软件或其组合中执行。对于应将执行，处理单元可以在一个或专用集成电 路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理装置(DSPD)、可编程逻辑器件(PLDs)JS 场可编程门阵列(FPGAs)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其它设计为进行上述功能 的电子部件和/或其组合内实现。而且，注意到，实施方式可以描述为作为流程图、流动示意图。结构示意图或方块 示意示的过程。虽然流程图可以将操作描述为顺序过程，但多种操作可以并行或同时 进行。此外，可以重新配置操作顺序。当其操作完成时过程终止，但可以具有不包括在附图 中的其它步骤。过程可以对应于方法、功能、程序、子程序、辅程序等。当过程对应于功能时， 它的结束对应于功能返回至调用功能或主功能。而且，各实施方式可以由硬件、软件、脚本语言、固件、中间件、微码、硬件描述语言 和/或其组合执行。当在软件、固件、中间件、脚本语言和/或微码中执行时，进行必要任务 的程序代码或代码片段可以存储在诸如存储介质之类的机器可读介质中。代码片段或机器 可执行指令可以表示程序、功能、辅程序、程序、例行程序、子程序、模块、软件包、脚本、类、 或指令、数据结果和/或程序片段的任何组合。代码片段可以通过传递和/或接收信息、数 据、变元、参数和/或存储内容而耦接至另一代码片段或硬件电路。信息、变元、参数、数据 等可以经由包括存储器共享、信息传递、令牌传递、网络传输等的任何适合的措施传递、转 发或传输。对于固件和/或软件执行，方法可以由进行在此描述的功能的模块(如，程序、功 能等等)来执行。任何机器可读介质确实执行的指令可以用于执行在此描述的方法。例如， 软件代码可以存储在存储器中。存储器可以在处理器内或处理器外实现。在此使用的术语 “存储器”涉及任何类型的长期、短期、非易失或其它存储介质，并且不限于任何特定类型的 存储器或存储器数量、或者存储存储器的媒介的类型。而且，如在此公开的，术语“存储介质”可以表示用于存储数据的一种或多种存储 器，包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁性RAM、磁心存储器、磁盘存储介质、 光存储介质、闪存装置和/或其它用于存储信息的机器可读介质。术语“机器可读介质”包 括但不限于便携或固定存储装置、光存储装置、无线信道和/或各种能够存储的包含或携 带指令和/或数据的其它存储介质。
权利要求
一种用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流量计，其中至少第二相也存在于所述管道中，该多相流量计包括处理器，构造为确定所述第一相的至少一种特性；第一换能器，构造为以相对于垂直于内管壁的直线的第一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中，所述第一脉冲信号位于超声波范围，其中所述第一换能器构造为连接至外管壁；并且所述第一相中的所述第一入射角的绝对值配置为至少为10度且最多为80度；以及第二换能器，构造为以相对于垂直于内管壁的所述直线的第二入射角将第二脉冲信号发射到所述第一相中，所述第二脉冲信号位于超声波范围，其中所述第二换能器构造为连接至所述外管壁；并且所述第一相中的所述第二入射角的绝对值配置为小于10度，从而所述第二入射角的绝对值配置为具有大致法向的入射。
2.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述第一相的所述至少一种特性包括所述第一相的流量；并且 所述第一相的流量基于所述第一相的平均流速和层厚度的确定而确定。
3.根据权利要求2所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中，所述第一相中的平均流速基于至少两个飞行时间测定值确定。
4.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述第一相的所述至少一种特性包括所述第一相中的声速；并且 所述第一相中的声速基于至少两个飞行时间测定值确定。
5.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述第一相的所述至少一种特性包括所述第一相的厚度；并且 所述第一相的厚度基于所述第一相中的声速的确定而确定。
6.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述管道为水平管道；所述第一换能器构造为连接至所述水平管道的底侧；并且 所述第二换能器构造为连接至所述水平管道的底侧。
7.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述管道为垂直管道；所述第一换能器构造为连接至所述垂直管道；并且 所述第二换能器构造为连接至所述垂直管道。
8.根据权利要求7所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，还包括流动调节装置，用于产生环形流动图案，使得所述第一相在所述垂直管道的内管壁周 围形成环形分布。
9.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中所述第一换能器构造为可拆卸地连接至所述外管壁；并且所述第二换能器构造为可拆卸地连接至所述外管壁。
10.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中，所述第一相中的所述第一入射角的绝对值配置为至少为15度且最多为60度。
11.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中，所述第一相中的所述第二入射角的绝对值配置为小于5度。
12.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中由所述第一换能器产生的第一脉冲信号和接收的第一返回回波信号用来确定第一飞 行时间测定值，其中所述第一飞行时间测定值基于处于多个第一深度水平处的第一相的第 一特性的确定；并且由所述第二换能器产生的第二脉冲信号和接收的第二返回回波信号用来确定第二飞 行时间测定值，其中所述第二飞行时间测定值基于处于多个第二深度水平处的第一相的第 二特性的确定。
13.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，其中由所述第一换能器产生的第一脉冲信号和接收的第一返回回波信号用来确定第一飞 行时间测定值，其中所述第一飞行时间测定值基于所述第一相的流速分布图和/或基于第 一多普勒回波能量分布图；并且由所述第二换能器产生的第二脉冲信号和接收的第二返回回波信号用来确定第二飞 行时间测定值，其中所述第二飞行时间测定值基于从所述第一相的多个深度水平返回的信 号的第二多普勒回波能量分布图。
14.根据权利要求1所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流 量计，还包括第三换能器，构造为以相对于垂直于所述内管壁的所述直线的第三入射角将第三脉冲 信号发射到所述第一相中，所述第三脉冲信号位于超声波范围内，其中所述第三换能器构造为连接至所述外管壁；所述第三换能器还构造为使得所述第三换能器接收所述第一脉冲信号；并且所述第一换能器接收所述第三脉冲信号；并且所述第一相中的所述第三入射角的绝对值配置为至少为10度且最多为80度。
15.根据权利要求14所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相 流量计，其中，所述第一相的所述至少一种特性基于至少三个飞行时间测定值确定。
16.根据权利要求14所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相 流量计，其中，所述第一相中的所述第三入射角的绝对值配置为至少为15度且最多为60度。
17.根据权利要求14所述的用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相 流量计，其中所述第一换能器构造为在管壁中产生频率至少为50kHz且最多为IMHz的第一激励能 量；并且所述第三换能器构造为在所述管壁中产生频率至少为50kHz且最多为IMHz的第二激 励能量。
18.一种用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，其中至少第二相也存在于所 述管道中，该方法包括下述步骤以相对于垂直于内管壁的直线的第一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中，所 述第一脉冲信号位于超声波范围内；以相对于垂直于内管壁的所述直线的第二入射角将第二脉冲信号发射到所述第一相 中，所述第二脉冲信号位于超声波范围内；以及至少部分地基于所述第一相中的平均流速的确定来确定所述第一相的流量。
19.根据权利要求18所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤基于至少两个飞行时间测定值确定所述第一相中的所述平均流速。
20.根据权利要求18所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤基于至少两个飞行时间测定值确定所述第一相中的声速。
21.根据权利要求18所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤至少部分地基于所述第一相中的声速的确定来确定所述第一相的厚度。
22.根据权利要求18所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，其中所述 第一相为多相流，还包括下述步骤使所述多相流涡旋，从而使得所述第一相在内管壁周围形成环形分布。
23.根据权利要求18所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤基于来自所述第一相中的深度水平的第一返回信号的多普勒频移的多个测定值来确 定第一飞行时间测定值；以及基于来自所述第一相中的深度水平的第二返回信号的能量水平的多个测定值来确定 第二飞行时间测定值。
24.一种用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，其中至少第二相也存在于所 述管道中，该方法包括下述步骤在管壁的第一常规位置处产生第一激励能量，以便以相对于垂直于内管壁的直线的第 一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中；在产生第二激励能量的第二常规位置处接收所述第一脉冲信号；在管壁的第二常规位置处产生第二激励能量，从而以相对于垂直于所述内管壁的所述 直线的第二入射角发射第二脉冲信号；在产生所述第一激励能量的所述第一常规位置处接收所述第二脉冲信号； 产生第三激励能量，从而在第三常规位置处以相对于垂直于所述内管壁的所述直线的 第三入射角将第三脉冲信号发射到所述第一相中，所述第三脉冲信号在超声波范围内；以 及在产生所述第三激励能量的所述第三常规位置处接收所述第三脉冲信号。
25.根据权利要求24所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤采用所述第一脉冲信号确定第一飞行时间测定值； 采用所述第二脉冲信号确定第二飞行时间测定值；以及 采用所述第三脉冲信号确定第三飞行时间测定值。
26.根据权利要求24所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，还包括下 述步骤基于所述第一飞行时间测定值、第二飞行时间测定值和第三飞行时间测定值来确定所 述第一相的所述至少一种特性。
27.根据权利要求24所述的用于确定在管道中流动的第一相的流量的方法，其中 第一激励能量的频率至少为50kHz且最多为IMHz ；并且第二激励能量的频率至少为50kHz且最多为IMHz ；并且 第三激励能量的频率至少为500kHz且最多为20MHz。
全文摘要
本发明公开一种用于确定在管道中流动的第一相的至少一种特性的多相流量计，其中至少第二相也存在于所述管道中。该多相流量计包括处理器，构造为确定所述第一相的至少一种特性；第一换能器，构造为以相对于垂直于内管壁的直线的第一入射角将第一脉冲信号发射到所述第一相中，所述第一脉冲信号位于超声波范围，并且所述第一换能器构造为连接至外管壁；并且所述第一相中的所述第一入射角的绝对值配置为至少为10度且最多为80度；以及第二换能器，构造为以大致法向入射将第二脉冲信号发射到所述第一相中。
文档编号G01F1/66GK101883967SQ200880118515
公开日2010年11月10日 申请日期2008年11月24日 优先权日2007年12月5日
发明者伊恩·艾金森, 谢成钢, 黄松明 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司