专利名称：用于使用多普勒光谱进行无损颗粒检测的装置和方法
用于使用多普勒光谱进行无损颗粒检测的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年9月3日提交的名称为“Method And Apparatus ForNoninvasive Solid Particle Detection Using Doppler Spectroscopy”的美国临时专利申请N0.61/379，881的优先权，其公开和教导的全部内容在此通过引用特意并入本申请。
关于联邦权利的声明
本发明是在美国能源部授予的第DE-AC52-06NA25396号合同的政府支持下作出的。政府对本发明具有某些权利。技术领域
本发明总体上涉及一种用于检测流动流体中的颗粒的装置和方法，更具体而言，涉及一种用于检测流动流体中的颗粒的精确的、无损的并且可移动的装置。
背景技术：
为了通过避免沙子引起的严重损害来使得汽油/煤气的生产率最大化，检测诸如沙子的固体颗粒的存在并确定在井筒管和其它流动系统中生成的沙子的量是很重要的。沙子可能会阻塞井线，从而对生产生成不利影响，并且还会污染分离槽。一旦沙子进入井管线，严重的腐蚀和/或侵蚀很有可能需要昂贵的去除深海和井下管线。沙子的生成可能从相对少的量开始，但是可能接着会快速增加。
当前已经具有用于检测流体流中是否存在颗粒的几种可用技术。一种技术持续感测沙子冲击包括沙子的液体所流动的管道或导管生成的振动。将例如克莱彭公司(ClampOn )的仪表的这些设备附接到管道上，通附接到弯头处或管道中流体必须进行急剧拐弯的部分处，当沙子冲击管道时使用被动超声波倾听来检测振动。这种被动倾听技术的明显局限性在于它们不能用于管道的直线部分或仅稍微弯曲的管道。被动倾听技术还受到周围环境噪声的影响，这种噪声仅能够被补偿一部分。其它技术包括将探针插入到流体流动线路，该探针将沙子对探针的冲击转换成电信号。发明内容
通过提供一种用于检测流动流体中的固体的装置和方法，本发明的实施例克服了现有技术的缺点和局限性。
本发明的实施例的另一目的是提供一种用于对流动流体中的固体进行无损检测的装置和方法。
本发明的实施例的另一目的是提供一种用于检测流动流体中的能够附接在生产管道中的任何位置处并且容易地移动到另一位置的固体的装置和方法。
本发明的实施例的再一目的是提供一种对流动流体中的固体进行无损检测的装置和方法，其能够检测少量和大量颗粒两者。
本发明的实施例的另一目的是提供一种用于精确的、无损的检测流动流体中存在的少量固体的装置和方法。
本发明的其它目的、优点和新颖性特征将在随后的说明书中加以阐述，对于本领域的技术人员而言，在研究了以下内容之后，其部分内容将会变得显而易见，或者可以通过本发明的实施获悉部分内容。通过所附权利要求书中具体指出的结构和组合，可以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并根据本发明的目标，如在此具体实施并宽泛描述的，一种用于对在具有轴和壁的管道中流动的流体中悬浮的至少一个颗粒进行无损检测的装置，包括:第一换能器，在沿所述管道的轴的选择位置处与所述管道的外表面振动通信；信号发生器，用于将具有至少一个选择频率的选择信号提供到所述第一超声换能器，其中在所述流体中生成振动，并且至少一部分所述振动在所述流体的流动方向上；第二换能器，与所述管道的外表面振动通信并且设置在沿着所述轴的所述选择位置处的所述第一换能器旁边，以检测来自所述至少一个颗粒的散射振动信号；以及用于监测所检测的来自所述至少一个颗粒的散射信号与所述第一换能器生成的所述选择振动信号之间的多普勒频移的模块；从而检测所述至少一个颗粒被。
在本发明的另一方面中并根据其目标和目的，一种用于对在具有轴和壁的管道中流动的流体中悬浮的至少一个颗粒进行无损检测的方法，包括:在所述流体的流动方向上，在所述流体中生成具有至少一个选择频率的振动；检测来自所述至少一个颗粒的散射振动信号；以及监测所述来自至少一个颗粒的散射振动信号与生成的振动的选择频率之间的多普勒频移；从而检测所述至少一个颗粒。
本发明的实施例的优点和益处包括但不限于:提供用于确定在流经管道的流体中是否存在颗粒的无损装置和方法，其可以利用高频( MHz);其总体消除周围环境噪声并且可以调谐到用于优化多普勒信号的管壁厚度模式共振；由于信号强度取决于散射体的体积并且频谱与颗粒大小和分布有关，所以其能够检测包括大于用于使单相流体层流的I μ m的单个颗粒的颗粒大小和颗粒总体积；其可以将直接声音传输测量和多普勒测量结合；以及其可以根据需要附接到沿生产管道外部的任意位置处并且容易地移动到另一个位置。
附图被并入说明书中并形成说明书的一部分，附示意图出了本发明的实施例，并连同说明书一起来解释本发明的原理。在附图中:
图1A是具有被环形压电换能器环绕的盘形压电换能器的双元件压电换能器的实施例的顶视图的示意图，其中盘形换能器用作发射器，并且环形换能器用作接收器；图1B是安装在管道外表面上的图1A所示的换能器的顶视图的示意图，示出在一侧具有平坦表面并且在另一侧具有曲面以与管道的曲率匹配的耦合器；并且图1C和图1D分别是管道立体图和管道顶视图的示意图，其中管道附接有与管道的曲率匹配的平行弯曲压电材料条。
图2A示出了沿图1A示出的双元件换能器的管轴传播的换能器声音束，而图1B示出了弯曲换能器的外周传播。
图3是本颗粒检测系统的电子部件的实施例的示意图。
图4是根据本发明实施例的作为频率的函数的管壁的声音传输特性的图示。
图5是作为时间函数的在水中流动的50 μ m大小固体颗粒的各种颗粒量的多普勒检测的图示。
图6A是约200粒沙子在图5中示出的数据的FFT的图示；并且图6B是5粒沙子在图5中示出的数据的FFT的图示。
图7A示出了来自穿过图3的系统的25微米颗粒的测量系统的真实原始多普勒数据；并且图7B是示出了作为时间的函数的颗粒速率的联合时间-频率的等高线图。
图8A示出了对于45 μ m的颗粒大小来自图3的测量系统的真实原始多普勒数据；并且图8B是作为时间的函数的速率的图示。
图9A是示出了当仅存在水而不存在颗粒时的图示，其中没有多普勒信号；图98是示出了当将3.28μπι的乳胶颗粒引入流动的水中时的多普勒信号的图示；并且图9C是示出了水/矿物油泡沫的多普勒效应的图示。
具体实施方式
简单而言，本发明的实施例包括用于对是否存在固体颗粒物(例如沙子)进行无损检测的装置和方法，所述固体颗粒物可能在油井或气井中的井下遇到并且悬浮在流过导管或管道的流体中。高频OlMHz)超声多普勒频谱用于检测颗粒并用于测量颗粒大小分布。流经导管并包括固体颗粒物的流体的体积受到附接在管道外部的换能器的超声振动的固定频率的影响。通过相邻的换能器检测到从移动固体颗粒的声音的散射得到的返回频移信号。通过选择与导管壁的厚度模式共振对应的频率，所使用的高频通常高于在生产位置中存在的外部和环境噪声，并且通过该壁传输的声音被最大化，该壁还用作窄带通滤波器并使得本系统基本上不受到外部噪声的影响。本发明将发射的信号与多普勒信号组合以提供灵敏的沙子检测。信号的幅值和多普勒频移两者用来确定颗粒的特性，例如颗粒大小的分布，并且多普勒移位信号的频谱可以用于确定颗粒的速率。
可以使用小的双元件超声换能器，或者，在另一实施例中，使用与管道的曲率匹配的一组弯曲换能器。基于特定应用的实施的方便性来确定换能器的具体类型。管道内的流体中的换能器的束传播应足以执行多普勒测量。换能器不需要任何特别制备并且可以安装在管道壁外部的任何位置处。
本发明与现有技术的不同之处在于不用管道内表面或内部探针测量彼此碰撞的沙子颗粒生成的冲击振动。因此，本发明不需要传感器附接到“弯头”或管道具有急剧转折的部分。当大量颗粒穿过系统时，声音传播也受到影响。
根据本发明的实施例，多普勒测量在流动流体的同侧利用发射换能器和接收换能器。1-Q (同相和正交)解调器是一种将发送频率和接收器输出频率混合以提取不同频率的设备。然而，解调器包括彼此以90°操作的两个混合器，例如正弦函数和余弦函数。即，多普勒信号是向量信号并且I和Q在X方向上和I方向上提供了向量信息。如果仅对颗粒的速度感兴趣，则不需要这种信息，在这种情况下仅需要不同频率信号的幅值。然而，这种信息不提供方向信息。1-Q解调器还提供了相位信息，从所述相位信息中能确定移动方向。在下文中更详细描述的装置实现了这两种功能。
如在下文中将更详细描述的，该装置还在管道与发送换能器相对的一侧使用接收换能器，以确定声音传输为最大值处的壁厚共振。一旦将这些所谓的发射窗定位，使用这些频率的任意频率来进行多普勒测量。较高频率在相同速度下提供较高的差频信号，因此会更灵敏。然而，较高频率还使得换能器的束宽变窄。因而，对任意给定测量可以选择特定发射窗。根据管道的厚度不总是需要发射窗:如果壁较厚，则共振峰值间距较小，可以选择任何一个共振峰值而不会明显不同。然而，尽管不论是否选择适当的发射窗该装置都会执行的相当好，然而对于薄壁管道，发射窗间隔较远并且可以选择适当频率。为了有效操作，选择适当发射窗很好地调谐了该装置。
如果液体的温度显著改变(例如，在蒸汽注入以使得井下石油变得松散的期间)，则管道壁的温度改变并且稍微改变共振频率。如同在下文中将要描述的，如果经常检查，则壁共振频率突变并且该装置可能会离开频带。进行这种测量的一种方式是扫描频率并且观察类似干涉频谱。一种替代方式是发射快速频率啁啾信号(chirp)，在大约100μ s的时间内完成整个频率扫描(对于3英尺直径的管道，通过液体的总发射时间约为55 μ S)，并且记录以所接收的信号为依据的时间。当频率接近任一个共振频率时，随着信号变大，所检测的信号显示为幅值调制信号。如果缓慢地扫描频率，则共振包括壁共振和液体共振作为在干涉频谱上添加的精细结构。然而，对于短持续时间啁啾信号，(通过抛弃后面的回声)仅可以捕捉通过管道直径从源到接收器的第一遍突发通过，而不包括有效液体。即，如果壁厚较小，则在啁啾信号持续时间，在声音传播通过壁时，声音被反射多次，并且在检测到啁啾信号之前，嵌入这些多次反射的啁啾信号通过液体一次，从而具有来自壁共振的信息而没有液体共振。
现在将对本发明的实施例进行详细描述，在附图中示出本发明的实施例。在附图中，使用相同的附图标记来表示类似的结构。应理解的是，附图是为了描述本发明的特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。
现在转到图1Α，示出了双元件压电换能器10的顶视图的示意图，双元件压电换能器10具有由环形压电换能器14环绕的盘形压电换能器12，其中盘形换能器12用作发射器，并且环形换能器14用作接收器。由于(I)盘形换能器12生成较宽信号束传播；并且(2)换能器能够容易地耦合到弯曲导管表面，从而选择小于约I厘米的盘形换能器12的直径。图1B是安装在管道16的外表面上的换能器10的顶视图的示意图。在一个实施例中，在一侧具有平坦表面20并且在另一侧具有弯曲表面22以与管道16的曲率匹配的盘形树脂玻璃或铝耦合器18可以用于安装换能器。双元件压电换能器10也可以直接附接到不具有耦合器18的弯曲导管表面，而观察不到测量的质量的退化。环氧或粘合剂材料可以用于将盘12或环13附接到导管16的外表面的任何位置。有利地，附接的位置远离弯头或急剧转折。
图1C和图1D分别是管道16的立体图和管道16的顶视图的示意图，其中管道16附接有平行的弯曲压电材料条24a-24c。作为示例，可以使用在弯曲方向上约为I厘米宽和约2厘米长的压电材料条。根据导管的大小，可以采用其它数量和其它尺寸的条。通过用含钨环氧层涂布换能器远离管道的一侧，使得图1A、图1B、图2A、图2B中的换能器元件为宽带。所使用的典型中心频率可以在约3MHz到约7MHz之间。由于信号穿透至管道内的液体，从而较低频率用于大直径管道，而较高频率对于较小直径管道更有效。也可以使用基于不需要任何后负载的任何1-2-3合成材料的较宽带宽换能器。作为示例，在医疗成像应用中所使用的标准双元件多普勒换能器可以用于本发明的颗粒检测测量。在图1C中示出的弯曲条换能器的情况下，外部元件24a和24c可以用作接收器，而中心收发器24b用作发射器。还可以使用单个换能器接收器。在下文中，将在与图3关联的讨论中解释设置在图1D中的管道16上的换能器24b对面的换能器28。
换能器与管道的表面耦合，从而束通常与流体正交。这与没有正交地安装换能器的可用的商用系统不同之处在于:由于以90°正交，从而多普勒信号在理论上为零。如同在上文中所描述的，换能器可以被安装为与管道的表面齐平，但是对于至少在一维上的小换能器，束环绕换能器的轴充分传播，声音不仅仅与流体流动完全正交地传输。即使在换能器被安装为与管道的表面齐平，这是能够检测多普勒信号的主要原因，并且简化了在领域中的本发明的实施例的实施方式。通过如下公式给出束传播(_6dB点):
权利要求
1.一种用于对悬浮在管道中流动的流体中的至少一个颗粒进行无损检测的装置，所述管道具有轴和壁，所述装置包括: 第一换能器，在沿着所述管道的轴的选择位置处与所述管道的外表面振动通信， 信号发生器，用于向所述第一超声换能器提供具有至少一个选择频率的选择信号，其中在所述流体中生成振动，并且所述振动的至少一部分在所述流体的流动方向上； 第二换能器，与所述管道的外表面振动通信并且设置在沿着所述轴的所述选择位置处的所述第一换能器旁边，以检测来自所述至少一个颗粒的散射振动信号；以及 用于监测所检测的来自所述至少一个颗粒的散射信号与所述第一换能器生成的选择振动信号之间的多普勒频移的模块； 由此检测到所述至少一个颗粒。
2.根据权利要求1所述的装置，其中用于监测所述多普勒频移的所述模块包括同相和正交解调器，所述同相和正交解调器用于确定来自所述至少一个颗粒的所述散射信号与所述第一换能器生成的所述选择振动信号之间的相移，从而确定所述至少一个颗粒的行进方向。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括: 第三换能器，与所述管道的外表面振动通信并且与所述第一换能器径向相对，以检测从所述第一换能器引导至所述液体中的振动； 信号发生器，用于向所述第一换能器提供频率啁啾信号，所述频率啁啾信号具有比在所述液体中生成的振动从所述第一换能器到达所述第三换能器的时间更少的持续时间；以及 信号处理器，用于接收所述啁啾信号； 由此检测到所述管道的壁中的谐振。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述信号处理器对所接收的啁啾信号进行快速傅立叶变换。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述至少一个选择频率与所述管道的所述壁中的谐振对应。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所生成的振动的频率>1ΜΗζ。
7.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一换能器、所述第二换能器以及所述第三换能器包括压电换能器。
8.根据权利要求2 所述的装置，其中所述同相和正交解调器还确定所述散射信号的幅值，根据所述幅值来确定所述颗粒的数量。
9.一种用于对在管道中流动的流体中的至少一个颗粒进行无损检测的方法，所述管道具有轴和壁，所述方法包括: 在所述流体的流动方向上，在所述流体中生成具有至少一个选择频率的振动； 检测来自所述至少一个颗粒的散射振动信号；以及 监测来自所述至少一个颗粒的所述散射振动信号与所生成振动的选择频率之间的多普勒频移； 由此检测到所述至少一个颗粒。
10.根据权利要求9所述的方法，其中在所述流体中生成振动的所述步骤是使用第一换能器来执行的，所述第一换能器在沿着所述管道的轴的选择位置处与所述管道的外表面振动通信并且以所述至少一个选择频率进行驱动。
11.根据权利要求10所述的方法，其中检测来自所述至少一个颗粒的散射振动信号的所述步骤是使用第二换能器来执行的，所述第二换能器与所述管道的外表面振动通信并且设置在沿着所述轴的所述选择位置处的所述第一换能器旁边。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括确定所述至少一个颗粒的行进方向的步骤。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述至少一个颗粒的行进方向的所述步骤是使用同相和正交解调器来执行的，所述同相和正交解调器用于确定来自所述至少一个颗粒的所述散射信号与所述第一换能器的所述至少一个选择频率之间的相移。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述同相和正交解调器还确定所述散射信号的幅值，根据所述幅值来确定所述颗粒的数量。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述至少一个选择频率选择为共振壁振动的频率的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中选择所述至少一个选择频率的所述步骤是使用第三换能器和信号处理器来执行的，从而检测到共振壁振动，所述第三换能器与所述管道的外表面振动通信并且与所述第一换能器径向相对，以检测从所述第一换能器引导至所述液体中的振动，所述第三换能器通过信号发生器进行驱动，所述信号发生器用于向所述第一换能器提供频率啁啾信号，所述频率啁啾信号具有比在所述液体中生成的振动从所述第一换能器到达所述第三换能器的时间更少的持续时间，所述信号处理器用于接收所述啁啾信号。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括对所接收的啁啾信号进行快速傅立叶变换的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，其中对所接收的啁啾信号进行快速傅立叶变换的所述步骤是使用从所述第三换能器接收所述啁啾信号的信号处理器执行的。
19.根据 权利要求9所述的方法，其中所述至少一个选择频率>1ΜΗζ。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述第一换能器、所述第二换能器以及所述第三换能器包括压电换能器。
全文摘要
描述了一种对是否在管道或油井或气井中流动的流体中悬浮固体颗粒进行无损检测的装置和方法。流经导管并包括固体颗粒物的流体的体积受到附接在管道外部的换能器的超声振动的固定频率的影响。通过换能器检测从移动固体颗粒的声音的散射得到的返回多普勒频移信号。通过选择与导管壁的厚度模式共振对应的频率，所使用的高频高于在生产位置中存在的外部和环境噪声，并且通过该壁传输的声音被最大化。将发射的信号与多普勒信号组合以提供灵敏的颗粒检测。信号的幅值和多普勒频移用于确定颗粒大小的分布和颗粒的速率。
文档编号G01N29/34GK103154721SQ201180048270
公开日2013年6月12日 申请日期2011年9月6日 优先权日2010年9月3日
发明者D·N·森哈 申请人:洛斯阿拉莫斯国家安全股份有限公司