CN102713529A - 超声传感器、流量计和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于管的超声传感器，该传感器包括产生平面波的超声源。该传感器包括具有这样的面的外壳，该面的至少一部分被弯曲，由设置在所述外壳中的所述超声源产生的所述平面波通过该面的至少一部分向外地被发射并导向管的内壁，如此可以测量所述管的内部的整个横截面。一种用于检测管中的流体流率的流量计。一种用于检测管中的流体流率的方法。

Description

超声传感器、流量计和方法

相关申请的交叉引用：本申请要求2009年12月19日提交的、题目为“UltrasonicTransducer,Flow Meter and Method（超声传感器、流量计和方法）”的美国专利申请No.12/653,913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

本发明涉及使用超声传感器确定管中的流体流率（flowrate）。（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，本发明涉及使用如下的超声传感器确定管中的流体流率，其中，该传感器的面具有这样的一部分，所述部分被成形以致所述部分使得由该传感器产生的平面波向外地被导向管的内壁，如此可以测量管内部的整个横截面。

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。

本发明可应用于利用超声渡越时间技术（ultrasonic transit time technology）（例如，超声流量计或UFM）测量流率（flow rate）。具体地，本申请是针对流量计改进的，用于监控海底油井中的化学注入（通常注入单乙二醇或MEG）。这种专门的海底应用的流率范围为100升/小时至30,000升/小时。对于这个流动范围和产品粘度-雷诺数范围从层流（laminar flow）直至全湍流（fully turbulent flow）。雷诺数的这个范围形成从抛物线变至几近平坦的速度分布。作为流量计，必须测量平均速度（例如，速度分布的积分除以面积）。

在一个实施方案中，当前的超声流量计布置在管/管道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的平面波。上游信号和下游信号之间的渡越时间差被用于计算这两个传感器之间的速度。这种渡越时间差反映了投射到声学路径上的平均流体速度。

除非传感器大于管/管道的直径，否则声学路径测量代表小于管/管道的整个横截面的面积的速度。只有在传感器大于管道本身时，才可以测量整个横截面。大得足以完全覆盖管/管道横截面的传感器不是一直可能或实际可行的，这取决于管/管道的尺寸或压力（例如，所要求的壁厚度）。一些UFM已使用多次反弹（bounce）；但这些多次反弹无法获得整个横截面。

通过测量整个横截面，解决了速度分布效应（例如，由于液压导致的任何变形或者由于从层流转变成湍流导致的速度分布变化）。

发明内容

本发明涉及对流过管的流体的测量。这种测量是利用渡越时间超声流量计执行的，该流量计具有被设置成与通过管的流体流对准的传感器。由传感器产生的平面波的辐射图案传播通过管中的流动的流体，并且被流量计用于确定流体的流率。

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是本发明的标准设计。

图2是带锥形面的传感器的实施例。

图3示出传感器面角度的计算方法。

图4示出图2所示传感器的天线辐射图（antenna pattern）。

图5a示出插入式传感器构造。

图5b示出端盖式（end cap）传感器构造。

图6是通过整合整个横截面提高线性可能的实施例。

图7示出即使在200:1的雷诺数范围内，粘度从10cSt变成20cSt再变成50cSt对线性度没有影响。

图8示出线性度对于液压变化的不敏感性。

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2，在图2中示出用于管12的超声传感器10。传感器10包括产生平面波的超声源14。传感器10包括具有面18的外壳16，面18的至少一部分被弯曲，从设置在外壳16中的超声源14产生的平面波通过该部分向外地被发射并导向管12的内壁26，如此可以测量管12内部的整个横截面。参见图3。传感器10是从众多供应商可获得的标准传感器10，唯一的差别在于，面18的所述至少一部分如上所述地被成形。在一个实施方案中，由不锈钢制成的面18的成形部分造成平面波在其依照斯涅尔定律（Snell’slaw）传播通过面18并且向外地导向管12的内壁26时，发生折射。类似地，在接收时，与面18的成形部分成各种角度的平面波依照斯涅尔定律被折射回去，形成能被传感器10捕获的角度，从而如本领域所公知的，生成基于流率的信号。

面18的至少一部分可以是锥形的一部分。在一个实施方案中，面18可以以成锥形的方式被成形。锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是管12的直径，L是管12的长度，r是传感器10的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

本发明涉及用于检测如图1和图5b中所示的管12中的流体流率的流量计20。流量计20包括具有面18的上游超声传感器22，面18的至少一部分被成形，该面18的至少一部分与管12的内部连通并且被设置成使得由上游传感器22产生的平面波被向外地导向管的内壁26并且沿着管的内部传播，如此可以测量管内部的整个横截面。参见图3。流量计20包括与上游传感器22进行通信的控制器28，该控制器28从已经沿着管内部传播的平面波计算流体流率。从接收到的平面波计算流体流率是本领域所公知的。[参照以引用方式并入本文的1979年由Academic Press（学术出版社）出版、W.P.Mason和R.N.Thurston（编辑）所编辑的Physical Acoustics-Principles and Methods（《物理声学-原理和方法》）中的卷14，第407-525页的第五章]。

流量计20可以包括具有面18的下游超声传感器24，面18的至少一部分被弯曲，该面18的至少一部分与管的内部连通并且被设置成使得由下游传感器24产生的平面波向外地被导向管的内壁26并且沿着管的内部传播，由此可以测量管内部的整个横截面，并且所述平面波被生成上游传感器22信号的上游传感器22接收。下游传感器24从上游传感器22接收平面波并且提供下游传感器24信号。控制器28与上游和下游传感器24进行通信，用于从上游传感器22信号和下游传感器24信号计算流体流率。

每个面18的至少一部分可以是一锥形的一部分。每个面18可以以成锥形的方式被成形。

锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是管12的直径，L是管12的长度，r是上游传感器22的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

流量计20可以包括支承件30，该支承件30从管12的壁26延伸到管12的内部中，上游传感器22被安装在该支承件30上。参见图5a。图9示出单个支承件30。图10示出双支承件30并且图11示出悬臂式支承件30。

本发明涉及用于检测管12中的流体流率的方法。该方法包括如下步骤：由具有面18的上游传感器22产生平面波，面18的至少一部分被弯曲，该面18的至少一部分与管12的内部连通并且被设置成使得平面波向外地导向管的内壁26并且沿着管的内部传播，如此可以测量管内部的整个横截面。存在利用与上游传感器22进行通信的控制器28从已经沿着管内部传播的平面波计算流体流率的步骤。

可以存在如下步骤：由具有面18的下游超声传感器24产生平面波，面18的至少一部分被弯曲并且与管的内部连通且被设置成使得平面波向外地导向管的内壁26并且沿着管的内部传播，如此可以测量管内部的整个横截面。可以存在由生成上游传感器22信号的上游传感器22接收由下游传感器24产生的平面波的步骤。可以存在由生成下游传感器24信号的下游传感器24接收由上游传感器22产生的平面波的步骤。可以存在向与上游传感器和下游传感器进行通信的控制器28提供上游信号和下游信号的步骤。可以存在利用控制器28从上游传感器22信号和下游传感器24信号计算流体流率的步骤。

每个面18的至少一部分可以是锥形的一部分。每个面18可以以成锥形的方式被成形。锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是管12的直径，L是管12的长度，r是传感器10的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

在本发明的操作过程中，使用一对传感器声透射（ensonify）正接受测量的管道或管的整个横截面。最终结果是对反映整个横截面的速度的行程时间的测量。这样形成基本上对粘度（例如，雷诺数）和上游液压的变化不敏感的流量计。本发明使用具有面18的传感器10，面18的至少一部分是弯曲的面18并且理想地具有锥形。基于测量管道的长度和尺寸来设计锥形的角度。锥形的角度考虑到折射现象（由于斯涅尔定律导致的折射）。折射的影响被计算，是不明显的。该锥形面18使声能从传感器10中心辐射到管道的侧面。接着，在壁处将声音反射回中心。带来的结果是，流量计测量了正接受测量的管道的整个横截面。

传感器处于管道的相对两端。参见图1。图1是本发明的标准设计。标准传感器10的窗口面18（面对流体的侧面）基本是平坦的。本发明采用锥形面18以将声音折射到壁上。参见图2。图2是带锥形面的传感器10的实施例。锥形面18的设计取决于正接受测量的管道的尺寸和由于流体与传感器10的面18的接触面（例如，斯涅尔定律）所导致的折射。参照图3提出以下的计算，还示出示例性天线辐射图。图3示出传感器10的面角度的计算方法。

锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是管12的直径，L是管12的长度，r是传感器10的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

传感器的面18的辐射图案或天线辐射图导致形成散开的锥形图案（也就是说，在其碰到壁（此时变成汇聚的锥形）之前）。在图4中示出一个传感器10构建（参见图2）的天线图案。该天线具有3.5MHz的传感器、12.7mm直径的传感器并且传播介质具有1500m/s的声速。图4示出图2所示传感器10的天线图案。

流量计20的设计不需要限于在管道两端具有传感器的计量器。这些原理可以用于其他布置—例如，图5a和图5b。图5a示出插入式传感器10的构造。图5b示出端盖式传感器10的构造。存在以下布置方式：传感器10可以沿着使用锥形的一部分的一侧或另一侧，将相对的侧用作反射源14，来跨管12进行辐射。

在图6中证明了本发明改进线性度的实例。该图示出利用本发明可能的真实性能改进。标准视线方法由三角形表征。这种标准计量器在1.5英寸直径的管道中具有0.5英寸的传感器10。图6是通过整合整个横截面提高可能的线性度的实例。图7示出即使在200:1的雷诺数范围内，粘度从10cSt变成20cSt再变成50cSt对线性度没有影响。图8示出线性度对于液压变化的不敏感性。图8示出液压的变化（从与70度弯头非平面耦合的90度弯头，到三个非平面90度弯头，到一个平面弯头时），线性度不受影响。本发明不限于化学注入计量器，因为本发明解决了速度分布整合问题。

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 (15)

1.一种用于管的超声传感器，所述超声传感器包括：

超声源，所述超声源产生平面波；以及

外壳，所述外壳具有这样的面，所述面的至少一部分被弯曲/成形，由设置在所述外壳中的所述超声源产生的所述平面波通过所述面的至少一部分向外地被发射并导向所述管的内壁，如此可以测量所述管的内部的整个横截面。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述面的至少一部分是一锥形的一部分。

3.根据权利要求2所述的传感器，其中，所述面是以成锥形的方式成形的。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是所述管的直径，L是所述管的长度，r是所述传感器的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

5.一种用于检测管中的流体流率的流量计，所述流量计包括：

上游超声传感器，所述上游超声传感器具有这样的面，所述面的至少一部分被弯曲，所述面的至少一部分与所述管的内部连通并且被设置成使得由所述上游传感器产生的平面波向外地被导向所述管的内壁并且沿着所述管的内部传播，如此可以测量所述管的内部的整个横截面；以及

控制器，所述控制器与所述上游传感器进行通信，从已沿着所述管的内部传播的所述平面波计算流体流率。

6.根据权利要求5所述的流量计，所述流量计包括：

下游超声传感器，所述下游超声传感器具有这样的面，所述面的至少一部分被弯曲/成形，所述面的至少一部分与所述管的内部连通并且被设置成使得由所述下游传感器产生的平面波向外地被导向所述管的内壁并且沿着所述管的内部传播，如此可以测量所述管的内部的整个横截面，并且由所述下游传感器产生的所述平面波由产生上游传感器信号的所述上游传感器接收，所述下游传感器接收来自所述上游传感器的所述平面波并且提供下游传感器信号，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，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。

7.根据权利要求6所述的流量计，其中，每个面的至少一部分是一锥形的一部分。

8.根据权利要求7所述的流量计，其中，每个面是以成锥形的方式成形的。

9.根据权利要求8所述的流量计，其中，所述锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是所述管的直径，L是所述管的长度，r是所述上游传感器的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

10.根据权利要求9所述的流量计，包括支承件，所述支承件从所述管壁延伸到所述管的内部中，所述上游传感器被安装在所述支承件上。

11.一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：

由具有这样的面的上游传感器产生平面波，所述面的至少一部分被弯曲，所述面的至少一部分与所述管的内部连通并且被设置成使得所述平面波向外地被导向所述管的内壁并且沿着所述管的内部传播，如此可以测量所述管的内部的整个横截面；以及

利用与所述上游传感器进行通信的控制器，从已沿着所述管的内部传播的所述平面波来计算流体流率。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括以下步骤：

利用具有这样的面的下游超声传感器产生平面波，所述面的至少一部分被弯曲，所述面的至少一部分与所述管的内部连通并且被设置成使得所述平面波向外地被导向所述管的内壁并且沿着所述管的内部传播，如此可以测量所述管的内部的整个横截面；

在产生上游传感器信号的所述上游传感器处接收由所述下游传感器产生的所述平面波；

在产生下游传感器信号的所述下游传感器处接收由所述上游传感器产生的所述平面波；

向与所述上游传感器和所述下游传感器进行通信的所述控制器提供所述上游信号和所述下游信号；以及

利用所述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。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，每个面的至少一部分是一锥形的一部分。

14.根据权利要求13所述的流量计，其中，每个面是以成锥形的方式成形的。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述锥形的所需角度Ф_Desired可以由下式定义：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Desired}}={\tan }^{-1}\left[\frac{\frac{D}{2}-\frac{r}{2}}{\frac{L}{2}+\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}\·\frac{r}{z}}\right]$

其中，D是所述管的直径，L是所述管的长度，r是所述传感器的半径，

$\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{face}}}{C_{\mathrm{window}}}=\frac{\sin {\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{refract}}}{C_{\mathrm{fluid}}}$

Φ_Desired=Φ_face-Φ_refract。

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