CN102667419B - 流量计和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于检测管中的流体流率的流量计，该流量计包括管道，该管道具有设置在管中的通道，管中的流体流过该通道。该流量计包括上游传感器，该上游传感器接触管并且被设置成使得上游传感器产生的平面波传播通过通道。该流量计包括下游传感器，该下游传感器接触管并且被设置成使得下游传感器产生的平面波传播通过通道并且被产生上游传感器信号的上游传感器接收。下游传感器从上游传感器接收平面波并且提供下游传感器信号。该流量计包括控制器，该控制器与上游传感器和下游传感器进行通信，用于从上游传感器信号和下游传感器信号计算流体流率。一种用于检测管中的流体流率的方法。

Description

流量计和方法

相关申请的交叉引用：本申请要求2009年12月8日提交的、题目为“FlowmeterandMethod（流量计和方法）”的美国专利申请No.12/653,087的优先权，该专利申请的全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于检测具有管道的管中的流体流率（flowrate）的流量计，该管道具有设置在管中的通道，管中的流体流过该通道并且由上游超声传感器和下游超声传感器产生的平面波传播通过该通道。（如本文所使用的，对“本发明”或“发明”的引用表述涉及示例性实施方案而不一定涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施方案。）更具体地讲，本发明涉及用于检测具有管道的管中的流体流率的流量计，该管道具有设置在管中的通道，管中的流体流过该通道并且由上游超声传感器和下游超声传感器产生的平面波传播通过该通道，其中，管道由吸声材料制成，使得本质上所有声音的非流体路径被吸收。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与本发明的各方面相关的领域的各方面。以下的讨论内容旨在提供有助于更好理解本发明的信息。因此，应该理解，以下讨论内容中的陈述是在就此而论的基础上阅读的而并不承认其是现有技术。

当前的超声流量计布置在管的相对两端使用了两个传感器，其中，一个处于流体流的上游，另一个处于流体流的下游，这两个传感器都发送和接收信号。每个传感器产生进入流体并环绕管壁的平面波。上游信号和下游信号之间的渡越时间（transittime）差被用于计算流率。因为声音在管壁中的传播速度比在流体介质中的传播速度快，所以接收传感器具有噪声，这是由于声音进入管中并且在行进于液体中的声音之前的时候到达。噪声水平是显著的，因为其降低了流量测量的精确度并且导致低流率时差的测量或不测量。

此外，传统上，具有散射填料（如，金属或玻璃或微球体）的聚合物被用作超声传感器的背衬块（backingmass）。由于使用衰减背衬块，通过从传感器背面吸收声音并且不允许反射出现，提高了传感器发送的超声信号的带宽。据信，在使用超声渡越时间流量测量的情况下，具有散射填料的聚合物从来没有作为管壁声衰减器被使用过。

发明内容

本发明可应用于利用超声渡越时间技术测量流率，尤其是低流率。本申请尤其应用于监控海底油井中的化学流体注入。本发明涉及使用吸声管道来引导流。这种管道衰减所有声学路径的声音，除了通过流体的路径之外。这种改进使得有可能通过非常小孔的管在流率非常低时进行流动测量。

附图说明

在附图中，图示说明本发明的优选实施方案以及实践本发明的优选方法，在附图中：

图1示出本发明的流量计。

图2示出声信号路径。

图3示出低流量计布置。

图4示出具有100cSt油的4.5mm直径管的渡越时间流量计性能的实例证明（3Mhz信号）。

具体实施方式

现在参照附图，其中在多个视图中类似的附图标记始终表示类似的或相同的部件，更具体地讲，参照其中的图1和图3，在图1和图3中示出用于检测管12中的流体流率的流量计10。流量计10包括管道14，该管道14具有设置在管12中的通道，管12中的流体流过该通道。流量计10包括上游超声传感器，该上游超声传感器接触管12并且被设置成对准该通道使得上游传感器16产生的平面波传播通过该通道。流量计10包括下游超声传感器，该下游超声传感器接触管12并且被设置成使得下游传感器18产生的平面波传播通过该通道并且被产生上游传感器16信号的上游传感器16接收。下游传感器18从上游传感器16接收平面波并且提供下游传感器18信号。流量计10包括控制器20，该控制器20与上游传感器和下游传感器18进行通信，用于从上游传感器16信号和下游传感器18信号计算流体流率。

管道14可由吸声材料制成，使得本质上所有声音的非流体路径都被吸收。上游传感器16和下游传感器18可以延伸通过管12的壁并且与管12的内部声学连通。管道14可以与管12形成密封，从而本质上防止管12中的流体在管道14周围泄露。

管道14可以由填充有衰减颗粒的聚合物制成。所述聚合物可以是环氧化物、尼龙、PTFE或PEEK（聚芳基醚酮）。所述颗粒是金属、玻璃微球、金属氧化物或橡胶，其大小等于或小于声波波长。管道可以具有长度L和直径开口D，使得在其中Q>.2升/小时的容积流量条件下，当C>1400m/s时，管道尺寸L/D²大于1385/米。

本发明涉及用于检测管12中的流体流率的方法。该方法包括使流体流过管12中设置的管道14的通道的步骤。存在由上游传感器16产生平面波的步骤，该上游传感器16接触管12并且被设置成对准该通道，使得平面波传播通过通道并且由产生下游传感器18信号的下游传感器18接收。存在由下游传感器18产生平面波的步骤，该下游传感器18接触管12并且被设置成使得平面波传播通过通道并且由产生上游传感器16信号的上游传感器16接收。存在利用与上游传感器和下游传感器18进行通信的控制器20从上游传感器16信号和下游传感器18信号计算流体流率的步骤。

管道14可以由吸声材料制成，并且其中，由上游传感器16产生平面波的步骤可以包括由上游传感器16产生平面波使得本质上所有声音的非流体路径被管道14吸收的步骤，并且其中，下游传感器18产生平面波的步骤可以包括由下游传感器18产生平面波使得本质上所有声音的非流体路径被管道14吸收的步骤。由上游传感器16产生平面波的步骤可以包括由延伸通过管12的壁并且与管12的内部声学连通的上游传感器16产生平面波的步骤，并且其中，由下游传感器18产生平面波的步骤可以包括由延伸通过管12的壁并且与管12的内部声学连通的下游传感器18产生平面波的步骤。管道14可以与管12形成密封，从而本质上防止管12中的流体在管道14周围泄露。

在本发明的操作过程中，当前的超声流量计布置是在管12中的管道14的相对两端使用两个润湿的传感器，其中，一个处于流体流的上游而另一个处于流体流的下游，这两个传感器都发送和接收信号（图1）。上游信号和下游信号之间的渡越时间的差被用于计算流率。每个传感器产生进入流体并环绕管12的壁的平面波（图2）。声波的传播具有被称为传感器束分布的分布。

对于 $\mathrm{\Δt}=\frac{2\mathrm{VL}}{C^2}=\frac{8\mathrm{QL}}{\mathrm{\π}{C}^2{D}^2},$

L：路径长度

C：声音在流体中的速度

V：流体速度

C>>V

Δt：t₂-t₁渡越时间差

Q：质量流

D：开口的直径

随着质量流减少，上游流动和下游流动之间的渡越时间差也跟着减小。通过增大管道14的长度“L”并且减小直径开口“D”，有效的Δt会增大，使得Δt>.1ns，在低质量流的条件下，因为C是常数，所以流量计10不得不被设计成使得管道14的尺寸可以测量低至.2升/小时的Q。

对于图1：

$t_2=\frac{L}{C-V}$

t₁：上游渡越时间

t₂：下游渡越时间

L：路径长度

C：声音在流体中的速度

V：流体速度

$t_1=\frac{L}{C+V}$ C>>V

$V=\frac{C^2\mathrm{\Δt}}{2L}$ $\mathrm{\Δt}=\frac{2\mathrm{VL}}{C^2}=\frac{8\mathrm{QL}}{\mathrm{\π}{C}^2{D}^2}$

Q=V·AreaQ：质量流D：开口的直径

$V=\frac{Q}{A}$ $\mathrm{Area}=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}$

为了求出声音在流体中的速度和流体速度，需要借助控制器20测量上游和下游渡越时间。控制器20计算上游流动和下游流动之间的渡越时间差。然后，对于计算得到的声速“C”、针对给定流量计10的长度“L”，使用Δt计算流体速度。一旦已经计算出速度“V”，则可以确定质量流Q，因为流体开口或管12的面积“A”是已知的。

对于图2：

λ：波长

Nd：焦距 $\mathrm{\Φ}={\sin }^{-1}\left(\frac{.61\mathrm{\λ}}{r}\right)$

r：传感器的半径

$\mathrm{Nd}=\frac{r^2}{\mathrm{\λ}}$

当声音以角度Ф发散时，则其传播到管12的壁中，作为噪声被相对的传感器接收。

f：频率

因为声音在固体管12或管道14的壁中行进的速度比在流体介质中快，所以接收传感器承受来自管12/管道14声学路径的声学噪声。这种声学噪声在行进于液体中的声音之前的时候到达，因为声音在固体中的速度高于在流体中的速度。这种噪声是显著的，因为其降低了流动测量的精确度并且导致低流率时差的测量或不测量。这种噪声影响的量度是信噪比。

为了解决这个问题，将具有声学衰减特性的管道14插入管12内（图3）。声学管道14具有小的内径和大的外径。管道14中的开口充当流体的导管和声音的流体路径，同时周围的区域充当吸声器。在声音行进通过导管之后，其再次开始发散，但这对信噪比并无影响，因此周围的吸声器成功地使管12的噪声丧失作用。

管道14优选地由填充有衰减颗粒的聚合物制成，例如是具有一高达50%的特定体积比（volumefraction）的钨颗粒（200目）。所述聚合物可以是例如环氧化物、尼龙、PTFE或PEEK，但不限于这些材料。对聚合物的选择取决于应用的压力等级及其与衰减颗粒一起作用来衰减声音的效果。填料可以是具有小目径（meshsize）的任何金属、金属氧化物或橡胶，颗粒填料的体积比越低，声学衰减越多。一旦构成圆柱体，则将其机械加工，使得具有适于流体流的内径。吸声管14可以通过螺纹连接到OD上；因此，其旋入流量计10中。吸声管14可以胶合到OD上；因此，其粘结到流量计10中。吸声管14可以是压配合或者通过夹具或保持器固定（capture）。

简单的超声流动测量测试已经展现出在低流率下对信噪比的改进。实验设置包括以4英寸的距离分开的5MHz频率的超声传感器。所使用的管道14具有1/4″的内径和1″的外径。管道14由具有钨颗粒填料的环氧化物制成。出于测试目的，使用橄榄油，因为其粘度近似于要施用的特定注入化学物。注意的是，流体粘度越高，吸声特性变得越重要。具体来讲，当粘度升高时，流体路径声学信号衰减并且信噪比降低。

测量1升/小时的流率并且使用衰减管道14将信噪比提高10倍。能不费力地实现低至0.2升/小时的流率。还可以分析高达90升/小时的流率。低流量计使得化学物注入计量阀能够将防腐蚀化学物以低流率分配到海底油井。低流量计用于化学注入物，但其也可以用于需要低流率下进行测量的任何应用。参照图4，图4示出具有100cSt油的4.5mm直径管的渡越时间流量计性能的实例证明（3MHz信号）。

在超声传输的过程中，在传感器焦距之后以一定角度传播的任何声音在吸声管道14壁内衰减或被吸收。这样使得待接收的视线超声信号没有隔绝任何其他的声学噪声源。结果，信噪比大大提高，从而使得能够以非常低的流率进行超声渡越时间流动测量，因为SNR增加10倍，所以这样的测量在之前是不可能的。将在低流量计中使用本发明，用于监控海底油井中的流体注入。

虽然为了图示说明的目的在以上实施方案中已详细描述了本发明，但要理解，这种细节只是出于图示说明的目的，并且除了可以由所附的权利要求书描述的细节之外，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的技术人员可以对所述细节进行变形。

Claims (12)

1.一种用于检测管中的流体流率的流量计，所述流量计包括：

管道，所述管道具有设置在所述管中的通道，所述管中的流体流过所述通道，所述管道由吸声材料制成，使得本质上所有声音的非流体路径被吸收；

上游超声传感器，所述上游超声传感器接触所述管并且被设置成对准所述通道，使得由所述上游传感器产生的平面波传播通过所述通道；

下游超声传感器，所述下游超声传感器接触所述管并且被设置成对准所述通道，使得由所述下游传感器产生的平面波传播通过所述通道并且被产生上游传感器信号的所述上游传感器接收，所述下游传感器从所述上游传感器接收所述平面波并且提供下游传感器信号，所述上游传感器和下游传感器在所述管的相对两端；以及

控制器，所述控制器与所述上游传感器和所述下游传感器进行通信，用于从所述上游传感器信号和所述下游传感器信号计算流体流率，所述管道在通过所述管低至.2升/小时的流体流率下，将与由所述上游超声传感器和所述下游超声传感器产生的平面波相关联的信噪比提高10倍。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中，所述上游传感器和所述下游传感器延伸通过所述管的壁并且与所述管的内部声学连通。

3.根据权利要求2所述的流量计，其中，所述管道与所述管形成密封，从而本质上防止所述管中的流体在所述管道周围泄露。

4.根据权利要求3所述的流量计，其中，所述管道由填充有衰减颗粒的聚合物制成。

5.根据权利要求4所述的流量计，其中，所述聚合物是环氧化物、尼龙、PTFE或PEEK。

6.根据权利要求5所述的流量计，其中，所述颗粒是目径小于或等于声波波长的金属、金属氧化物、玻璃微球或橡胶。

7.根据权利要求5所述的流量计，其中，所述管道具有长度L和直径开口D，使得在质量流Q>.2升/小时的容积流动条件下，当声音在流体中的速度C>1400m/s时，管道尺寸L/D²大于1385/米。

8.一种用于检测管中的流体流率的方法，所述方法包括以下步骤：

使流体流过设置在所述管中的管道的通道，所述管道由吸声材料制成，使得本质上所有声音的非流体路径被吸收；

由上游超声传感器产生平面波，所述上游超声传感器接触所述管并且被设置成对准所述通道，使得所述平面波传播通过所述通道并且被产生下游传感器信号的所述下游传感器接收，所述上游传感器和下游传感器在所述管的相对两端；

由下游超声传感器产生平面波，所述下游超声传感器接触所述管并且被设置成对准所述通道，使得所述平面波传播通过所述通道并且被产生上游传感器信号的所述上游传感器接收；

利用与所述上游传感器和所述下游传感器进行通信的控制器从所述上游传感器信号和所述下游传感器信号计算流体流率，所述管道在通过所述管低至.2升/小时的流体流率下，将与由所述上游超声传感器和所述下游超声传感器产生的平面波相关联的信噪比提高10倍。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述管道由吸声材料制成，并且其中，所述上游传感器产生所述平面波的步骤包括由所述上游传感器产生所述平面波使得本质上所有声音的非流体路径被所述管道吸收的步骤，并且其中，所述下游传感器产生所述平面波的步骤包括由所述下游传感器产生所述平面波使得本质上所有声音的非流体路径被所述管道吸收的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述上游传感器产生所述平面波的步骤包括由延伸通过所述管的壁并且与所述管的内部声学连通的所述上游传感器产生所述平面波的步骤，并且其中，所述下游传感器产生所述平面波的步骤包括由延伸通过所述管的壁并且与所述管的内部声学连通的所述下游传感器产生所述平面波的步骤。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述管道与所述管形成密封，从而本质上防止所述管中的流体在所述管道周围泄露。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述管道具有长度L和直径开口D，使得在质量流Q>.2升/小时的容积流动条件下，当声音在流体中的速度C>1400m/s时，管道尺寸L/D²大于1385/米。