CN102105778A - 光探针窗口的声学清洁 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于从测量仪器移除沉积物的系统，该测量仪器测量包含于管或容器中的流体介质的选定特性，该测量仪器包括窗口(10)和与所述介质接触的第一表面(12)，所述第一表面(12)位于限定长形构件(13)的探头(2)的一端上，该长形构件(13)适于延伸穿过所述管或容器的壁(6)，所述构件(13)的外端位于所述壁(6)外部，该清洁系统包括位于所述长形构件(13)的另一端上的声换能器(5)，其中，所述声换能器(5)声耦合到该长形构件(13)以便向其耦合声能，声能沿着所述构件(13)传播到与所述管或容器内的流体接触的探针(1)的端部(2，12)，其所产生的振动通过诱导空化而从所述窗口(10)移除任何污染物。

Description

光探针窗口的声学清洁
技术领域
本发明涉及一种用于测量仪器的清洁系统，该测量仪器测量包含于管或容器中流体介质的选定特性，特别地用于水、油和/或气体流动的光学测量探针。更具体而言，本发明涉及一种通过主动移除沉积物而清洁位于流体介质中的光学测量探针前方的窗口的系统。
背景技术
在执行诸如水、油和/或气体流动的多相流动的测量中，熟知问题在于在与流动接触的探针表面上形成沉积物。对于光探针尤为如此，例如在流动中执行荧光测量，因为该探针包括朝向流动的透明窗口。如果此窗口被沉积物覆盖，在可继续测量之前，必须进行清洁。这种清洁可通过从流动中移除探头而进行，但是这可能是不实用的且耗时的，在某些情况下，需要局部关闭该系统。
已提出若干建议来原位且甚至在操作期间清洁该窗口。在EP1480764中讨论了一种方案，其中使用光学系统，其发出激光脉冲以能移除沉积物。与该EP公开物相关的问题在于以某些流体类型出现的某些软沉积物不能由激光脉冲移除。因此，必须在适当间隔移除探头以进行清洁。
由Dr.Jens Bublitz等人在2005年11月23至24日的第7次油包水监测讲习班(Oil-in-Water Monitoring Workshop)中公开的“Adaptation of approved laser-induced time-resolved fluorescence spectroscopy in offshore applications：Experience of 24 months measurements in produced water”中讨论了另一方案。在此公开物中描述了测试，其中使用振动从用于执行荧光测量的光纤前方的窗口移除沉积物。测试了这两种方案。第一种使用耦合到检测头的换能器使得纤维和窗口经受振动。因而具有某些实际问题，诸如窗口丢失且实际上Bublitz等人发现了下面的方案：窗口胶合到头部中的凹口内且向窗口施加空气射流以辅助沉积物移除。后者是不实用的，因为根据该公开物，其需要在管中的第二开口，此外，可能会干扰或限制流动。这个方案的另一问题在于光纤可受到振动损坏。
在美国申请2002/0167664中示出类似布置，其中由在传感器头部中在光学部件与窗口之间的压电环元件提供振动。这使得探头复杂且在故障情况下必需取回该探针。变化的物理环境(例如，变化的温度和压力)也可表现对美国申请2002/0167664中所描述的设计的显著限制。
一种根据Bublitz等人的公开物的替代方案合并了声换能器，声换能器使其声能自管中的另一位置对准探头。这也需要在管壁中的两个开口，这可为不实用的，需要特殊物理布置或限制定位探针的自由度以及干扰或限制管中流体流动。
专利申请WO 2008/015390描述了光学界面元件和整合了高功率声谐振器的光学系统的原理和实施例，其中高功率声谐振器可用于通过向光学界面元件上传输声振动而利用声波清洁该光学界面元件。在需要高能声振动来清洁该光学界面元件(例如，在高压)的应用中，光学界面元件与声谐振器的完全整合可导致光学界面元件的物理腐蚀，而无论使用什么材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单方案从光学测量探针窗口移除沉积物而不会损坏其中的光波导或者其它器械，且无需使测量探针的安装和操作复杂化的额外开口或周围系统。
使用上文所述的系统达成这个目的，该系统的特征如在所附独立权利要求中所述。
因此，本发明提供一种系统，其中声波沿着探针轴杆传递到探头。优选地，信号从探头通过一构件传输到流体外的仪器，该构件与声振动声绝缘，优选地在传输声振动的构件内同轴地布置。
附图说明
将在下文中参看附图来描述本发明，附图以实例的方式示出本发明。
图1示出根据本发明的系统。
图2示出图1所示的系统的探头部段的一实施例。
图3示出图1所示的系统的探头部段的优选实施例。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及探针1，探针1穿透管壁或容器6。探针具有：探头2，其提供(例如)在包含于管或容器6中的介质中的光学测量，以及在相反端部具有安装器件7和用于相关仪器的连接器件和控制器件。管或容器6可为任何类型，其包含流体，如水、油、气体等的混合物，其中需要执行测量且特别地如果在探头上有沉积物的风险，会干扰待执行的测量。在图1中，在壁中提供额外开口9，例如，用于检查目的。
根据本发明，探针1在与探头2相反的端部中具有声换能器5。探针包括长形构件3，且声换能器5激发该构件且声波沿着它朝向探头2传播。为了保护至/自探头的信号发送器，长形构件3优选地形成为环形管，环形管具有内部通道4，可穿过内部通道4牵引传输线。在图1中，探针1通过O形环8或类似物连接到容器壁6，密封通孔。在探针内的长形构件3与探针1的外部壳体声绝缘且因此也与管或容器壁6声绝缘，而在内部通道4内的传输线和换能器优选地与长形构件声绝缘。
图2示出在长形构件3、13端部的探头。长形构件3延伸穿过探头2一直到端部13且声耦合到探头12的振荡前部。
在本发明的预期用途中，前表面10是透明窗口，其从光学测量仪11和向光学测量仪11传输光学测量信号，光学测量仪11在窗口后方且在探头2内。测量仪11可由向流动或自流动传输光的光纤端部、数位摄像机等构成，数位摄像机带有光源用于提供流动的图像。为了减少从探头2、12传播到测量仪11的声振动，测量仪11由O形环17、18与长形构件3声隔离使得长形构件3振动以便移除窗口上的沉积物，而测量仪11和在通道4中耦合到测量仪11的相对应的信号和电导体向少量振动暴露从而受到保护防止损坏。
长形构件3、13可如图1和图2所示位于外部管道19、20内，外部管道19、20可向探针1周围的环境提供流体密封和声绝缘。在图2中，外部管道19、20由O形环14、15或类似物耦合到长形构件。
由于所施加的振动优选地在纵向模式，振动阻尼O形环14、15、17、18和其支座优选地适于允许在探针纵向振动同时阻尼横向运动。虽然例示为O形环，但可使用提供振动阻尼和密封的任何装置。
在图2中，窗口10安装于探头2的端部，其耦合到测量仪11但与长形构件3声绝缘。探头的外边缘12是长形构件3、13的延伸部且因此可限定振动表面，其便于将声能耦合于探针窗口10附近的流体，振动在窗口10产生空化从而从它移除沉积物。可在振动部件12与非振动部件10、11之间使用不同类型的密封，诸如O形环17、18，以避免流体侵入到探针内。
在图3中示出本发明的优选实施例，其中示出窗口10和长形构件3、13的外端12。外端12延伸到窗口外且如图3所示，其可成形为允许流体靠近窗口10流动，同时还在窗口上延伸以便使振动的一部分朝向窗口表面聚集。在图3中，这通过在窗口外的爪形延伸部达成。因此利用合适耦合器件16或粘合剂将窗口紧固到测量仪上。此外，测量仪11通过诸如O形环17的密封环耦合到长形构件13内，密封环可避免将流体引入到探针内且减少从长形构件13传播到测量仪11的声振动。为了达成这个目的，在测量仪11与长形构件之间设有环形空间以便允许它们在某种程度上相对于彼此移动。
窗口10优选地由蓝宝石制成，但也可设想到其它硬质透明材料。由于振动能量的传输特性和由于化学、机械和热条件所致的机械要求，传输声能的金属部件3、13优选地由钛或其合金制成。外部件由适于要使用该器械的环境的标准材料制成，诸如双炼钢和/或其它不锈钢合金。
声源5可选自多种可用类型，取决于预期用途和局部过程环境，包括流体含量、污染物类型和压力。优选地，频率范围在20-30kHz的范围且振幅在纵向高达50μm。
总之，本发明涉及用于从测量仪器或探针1移除沉积物的系统，测量仪器或探针测量包含于管或容器6中流体介质的选定特性。测量仪器包括第一表面10，第一表面10接触所述介质，第一表面位于限定长形构件3的探头2的一端上，长形构件3适于延伸穿过所述管或容器的壁。长形构件的外端位于所述壁外且该清洁系统包括位于所述长形构件外端上的声换能器5，其中声换能器声耦合到长形构件3以便向其耦合声能，声能沿着所述构件传播到所述第一表面，第一表面与管或容器内的介质接触。所造成的振动施加到探头2的端部12上，探头2的端部12被成形为便于通过流体传输声能的部分到由探头端部关闭的窗口，从而由流体中的空化移除沉积到窗口表面上的任何污染物。
优选地，测量仪器包括内部元件21，内部元件21位于长形构件3内的通道中且至少部分地与所述长形构件声绝缘，使得长形构件的振动不会有损内部元件21或者影响其内传播的任何信号。
内部元件11可包含光学波导21，光学波导21从所述第一表面后方的位置朝向所述管或容器外的测量仪器延伸，在此情况下，第一表面由窗口表面10构成，窗口表面10对于通过波导传输的光学信号是透明的。或者，内部元件包含光学传感系统，例如，成像系统，通过电子或光学信号导体耦合以便从所述成像系统向所述管或容器外部的测量仪器传输信号，第一表面由窗口的外表面构成，窗口的外表面对于通过波导传输的光学信号是透明的。也可设想到下面的应用：进行其它测量，如测量介质的某些电特性，在此情况下，将相应地选择窗口性质。
用于清洁与管或容器中流体接触的探针的内表面的声能优选地由沿着长形构件在纵向传播的压力波构成，从而向具有轴向的探头的内表面提供振动，振动造成探头上的延伸部12振动且因此朝向窗口传输能量从而移除污染物。

Claims (8)

1.一种用于从测量仪器移除沉积物的系统，所述测量仪器测量包含于管或容器中的流体介质的选定特性，所述测量仪器包括接触所述介质的第一表面，所述第一表面位于限定长形构件的探头的一端上，所述长形构件适于延伸穿过所述管或容器的壁，所述构件的外端位于所述壁的外部，清洁系统包括位于所述长形构件的另一端上的声换能器，其中，所述声换能器声耦合所述长形构件以便向其耦合声能，所述声能沿着所述构件传播到所述第一表面，所述探头设有窗口，通过所述窗口来测量所述特性，所述窗口与所述第一表面声绝缘但在选定距离使得所形成的从所述第一表面传播到所述窗口的振动具有从所述第一表面移除污染物的效果。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测量仪器包括内部元件，所述内部元件位于所述长形构件内且与所述长形构件至少部分地声绝缘。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内部元件包括光波导，所述光波导从所述第一表面后方的位置朝向所述管或容器外的测量仪器延伸，所述第一表面由窗口的外表面构成，相对于通过所述波导传输的光学信号是透明的。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内部元件的内端与所述探头至少部分地声绝缘。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述声能通过所述长形构件传输，从而向具有轴向的探头提供振动。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述长形构件通过声绝缘耦合而耦合到所述管或容器的壁。
7.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述内部元件包含例如成像系统的光学传感器系统，通过电子或光学信号导体耦合以便从所述成像系统向所述管或容器外的测量仪器传输信号，所述第一表面由窗口的外表面构成，相对于通过所述波导传输的光学信号是透明的。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一表面由管部段构成，所述管部段延伸到流内且所述窗口位于所述管部段内。
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