CN103201598B - 使用超声波使悬浮在流体中的微粒和流体流型可视化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于实时地可视化在管道、管子、导管或其它容器中的静止或流动流体中悬浮的微粒物质和流体流型的装置和方法。来自流体中的微粒的散射声的超声扫描和检测产生了液体中的微粒和流型的实时图像。以每秒30帧的标准视频速率拍摄图像，并使用商业视频跟踪软件根据时间来跟踪微粒。商业摇动器以振荡方式在选定角度上引导压电换能器。换能器在脉冲回波模式中操作，其中同一换能器检测来自微粒通过和/或流动存在的目标区的返回信号。在换能器的单次扫描期间在选定角度上快速并连续地进行脉冲回波测量。

Description

使用超声波使悬浮在流体中的微粒和流体流型可视化的装置 和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2010年9月3日提交的美国临时专利申请号61/379,888“MethodAnd Apparatus For Visualization Of Particles And Flow Patterns UsingUltrasound”的权益，其全部内容为了它公开和教导的全部通过引用并入本文。

关于联邦权利的声明

以在美国能源部授予的合同号DE-AC52-06NA25396下的政府支持完成了本发明。政府在本发明中具有特定权利。

发明领域

本发明通常涉及检测流体中的微粒，且更具体地涉及用于测量流体中的微粒的尺寸、浓度和尺寸分布并用于确定流体流型的装置和方法。

背景技术

常常期望检测流体中的微粒并确定其尺寸分布。如果液体是透明的，且该液体可通过测量设备来观察，显微镜和相机可用于实现这些测量。光散射也可用于检测微粒，但对光的液体透明度仍然是有要求的。已报道了使用相干光（例如激光）以及在电磁频谱的光学区中的非相干光的各种光学方法对于在透明或半透明流体中且在微粒浓度是低到中等的情况下的微粒测量是有用的。在检测流经透明或不透明管道的液体（其中，液体是不透光的，例如原油）中的微粒物质的存在的情况下，传统技术不起作用。

此外，监控流体流量和流体流型是有利的。这也可通过视觉观察来实现，但被研究的液体再一次必须是透光的。

超声波成像在非破坏性测试中被广泛用于检测裂缝和其它缺陷。它也用于医学成像以使人类或动物中的各种内部器官可视化。

发明内容

本发明的实施例通过提供用于监控液体流型和液体中的微粒的特性而克服了现有技术的缺点和限制。

本发明的实施例的另一目的是提供用于非侵入性监控液体流型和液体中的微粒的特性的装置和方法。

本发明的实施例的又一目的是提供用于非侵入性监控液体流型和不透光的液体中的微粒的特性的装置和方法。

本发明的实施例的再一目的是提供用于非侵入性微粒检测和可视化的装置和方法，该装置可附在油/气体生产管道上的任何位置处，并可在变得必要时容易移动到另一位置。

本发明的附加目的、优点和新颖特征将部分地在接下来的描述中被阐述，且在考查下文时将部分地对本领域中的技术人员变得明显或可通过本发明的实践被获悉。可借助于特别在所附权利要求中指出的手段和组合来实现和达到本发明的目的和优点。

为了实现前述和其它目的，且根据本发明的目的，如在本文体现和广泛描述的，用于检测悬浮在静止或流动流体中的微粒的方法在此包括下列步骤：通过充入第二流体的耦合器引导来自换能器的脉冲超声能的窄波束，以将超声能传输到第一流体中；以选择的速率在选定角度上扫描换能器，使得超声能的波束以所选速率通过选定角度移动穿过第一流体；以及在换能器的扫描期间检测来自第一流体的脉冲回波返回信号；由此检测到存在于第一流体中的微粒。

在本发明的另一方面中且根据其目的和意图，用于检测在管道或容器中的第一静止或流动流体中悬浮的微粒的装置在此包括：换能器，其用于产生被引导到第一流体中的脉冲超声能的窄波束，并用于检测来自第一流体的脉冲回波返回信号；摇动器，其用于以选择速率在选定角度上扫描换能器，使得超声能的波束以选择速率通过选定角度移动穿过第一流体；圆顶，其包围换能器和摇动器；以及充入第二流体的耦合器，其用于通过管道或其它容器的壁将超声能超声地耦合到第一流体中和从第一流体耦合出。

在本发明的又一方面中且根据其目的和意图，用于检测在第一静止或流动流体中悬浮的微粒的方法在此包括下列步骤：将来自第一换能器的脉冲超声能的窄波束引导到第一流体中；以选择速率在选定角度上扫描第一换能器，使得超声能的波束以所选速率通过选定角度移动穿过流体；以及在第一换能器的扫描期间检测来自第一流体的脉冲回波返回信号，由此检测到微粒。

本发明的实施例的益处和优点还包括但不限于提供用于非侵入性检测和识别在静止或流动流体中悬浮的微粒并用于测量流体流型的装置和方法，流体流型可适用于在管道或管子中的不透明的流体，作为示例，例如原油和钻探泥浆。市场上可买到的超声扫描和成像装置可用于穿过固体壁对微观粒子和液体流进行实时成像。该特征能够利用用于向下钻眼应用的当前装置，因为扫描头可被包围在坚固的金属容器或管道内部。装置可用于对不透光的流体中的小微粒和流体流（作为示例，漩涡和扰动）进行成像，这使用传统技术将是不可能的。

附图说明

合并在说明书中并形成了说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，且连同描述一起用于说明本发明的原理。在附图中：

图1A是本发明的装置的实施例的透视图的示意性视图，其示出超声波扫描仪电子设备、扫描头以及充入流动液体和微粒的管道或管子，扫描仪与液体直接连接，而图1B是本发明装置的另一实施例的示意性视图，其示出使用耦合凝胶或其它流体将扫描头耦合到管道的外部而没有穿透管道壁，且图1C示出用于流动可视化的立体三维微粒的双扫描仪装置的透视图的示意性视图。

图2A-2C示出根据本发明实施例的在穿过水移动的少量的100μm直径的石英微粒的几秒时段上的连续超声图像。

图3A和3B示出在几秒时段上的连续超声图像，其示出了在重力的影响下穿过静止液体的两个不同尺寸的微粒的运动模式以及当它们落下时其分离，而图3C示出液体中的接下来的流型。

图4A和4B针对悬浮在水中的少量的5nm尺寸的微粒分别示出了使用视觉相机的图像与图4C和4D的超声扫描仪图像的比较。

具体实施方式

简言之，本发明的实施例包括用于非侵入性检测和可视化悬浮在静止或流动流体中的微粒物质的存在和在管道、管子、导管或其它容器中的流体流型的装置和方法。来自流体中的微粒的声的超声扫描和散射产生了流体中的微粒或流型的实时图像。以每秒30帧的标准视频速率来拍摄图像，且使用商业视频跟踪软件根据时间来跟踪微粒。帧速率取决于待探测的液体内的深度，路径长度越长，就越需要较慢的帧速率。本发明允许对纳米尺寸的微粒进行成像，包括DNA链。

所使用的扫描仪包括机械摇动器（也称为机械扇形扫描仪），其在选定角度（作为示例，大约120°）上以振荡方式引导在压电圆盘换能器（作为示例，直径为1.5cm）中产生的声束。如果必要，换能器的前表面可以是略微凹的，以提供波束聚焦。来自换能器的在水中产生的声束（3dB）的宽度大约是20°。因此，声束覆盖在垂直于换能器的旋转轴的120°弧中的大约20°宽的区域。换能器可具有大约3.5MHz的中心频率，并操作在脉冲回波模式下，使用合适的换能器可获得更高或更低的频率（对于高度衰减且不透光的流体，可有效地使用较低的超声频率），其中同一换能器检测来自微粒通过和/或流动存在的目标区的返回信号。在换能器的单次扫描期间在选定角度上快速且连续地进行脉冲回波测量。所接收的信号在超声扫描仪电子设备模块中被处理并被实时地显示为图像。

超声扫描仪的相控阵也可用于该目的。在相控阵系统中，使用诸如64或128个元件的换能器元件的线性阵列。通过在每个相邻元件之间以小的固定时间延迟将电压脉冲施加到每个换能器元件，由阵列产生的声束以角的方式可从一侧转向另一侧。该延迟确定了转向角。单个接收器或多个接收器可用于检测返回信号。代替机械地移动单个换能器，这允许声束的电子转向。

扫描头包括压电圆盘换能器、连同齿轮或其它机械系统，以允许在充入低粘度流体、传输声、并具有圆顶形塑料盖的圆柱形隔间内部的振荡运动，从而允许声传输和换能器的灵活运动。圆顶形盖也帮助波束的声透镜化，并可放置成与液体接触或耦合到容器或管道的外壁。例如，通过厚达1cm的钢壁观察到良好的可视化，虽然通过薄得多（作为示例，大约2mm厚）的壁来进行更普遍的测量。

可通过跟踪所成像的微粒的轨迹来确定流体流动速度，所成像的微粒用作流体中的示踪微粒。可使用斯托克斯方程来确定流体中的球形微粒的终极速度：V_t=gd²(ρ_s-ρ)18μ，其中分别g是重力加速度，d是微粒的直径，μ是液体粘度，ρ是液体的密度，且ρ_s是固体微粒的密度。该速度是低于尤其是在油中的液体流速的数量级，且因此微粒随着液体一起流动。此外，斯托克斯方程表明，如果微粒落在静止流体中且微粒尺寸是已知的，则液体粘度可根据微粒的终极速度来确定。相反，如果寄主流体速度和物理特性是已知的，则可确定微粒尺寸。

现在将详细参考本发明的当前实施例，其示例在附图中示出。在附图中，将使用相同的参考符号标识相似的结构。将理解，附图是为了描述本发明的特定实施例的目的，且不旨在将本发明限制于此。现在转到图1A，扫描仪10包括扫描头12，其包括用于在平面中扫描圆盘换能器14的机械摇动器，以使得可在选定角度上以选择的速率来扫描所产生的超声波束。使用一列脉冲来电气激发换能器14，且产生并传输声束。返回信号也由换能器14检测。换能器14可以是略微凹的，以提高声束的聚焦，且被密封在硬塑料圆顶15内部，圆顶15充入耦合流体或凝胶16，并且也助于声束的聚焦。圆顶15还用作对返回信号的会聚透镜。设计用于兽医使用的商业超声扫描仪适合于根据本发明的教导进行微粒成像，尽管任何合适的扫描仪均可用于微粒扫描。如上文所述，可有效使用换能器元件的相控阵来代替摇动器和换能器14，在那里没有移动部分。将相控阵设置在电连接到扫描仪电子设备17的扫描头12中，并将从换能器14接收的脉冲回波距离测距信号转换成图像，并且驱动摇动器。所检测的信号是以从所传输的信号的飞行时间来确定的从换能器14到目标的距离的形式，且其返回是随着来自目标的反射。扫描头12与管道、管子、导管或其它流体容器20中的流体18通过其壁22中的孔相连通，使得包含换能器14的塑料圆顶15直接接触管道20内部的流体18。扫描头支撑体23将头附接到管道，并包括用于将扫描头圆顶15密封在孔周围的橡皮垫圈，从而防止流体泄露。流体18可具有悬浮在其中的微粒24，并可以是流动的，如向下方向26所示。

在扫描头12与流体18的直接接触是不期望的或不可能的应用中，圆顶15使用支撑体23耦合到容器20的容器壁22，支撑体23也用作充入诸如水或凝胶的超声振动传输耦合剂材料的储蓄器28，作为示例，如图1B所示。来自扫描头12的声束通常从相对于容器18的轴30的垂直方向进入流体18；对于在图1B中被示为垂直取向的管道18而言，是在水平方向上。不同类型和尺寸的微粒24从容器20的顶部落到液体中，这使得微粒运动是垂直的。管道18的壁厚度可以大至1cm，而不会有图像的明显降级。

使用单个扫描头获得的图像基于扫描头所设置的方式在该平面中示出的物体的水平切片。提供根据信号返回的时间的深度信息。然而，如果对两个相同的扫描头进行电子同步，则可产生立体3维图像，以获得微粒流和轨迹。如图1C所示，将扫描头12和32以取决于管道20的尺寸的距离相互靠近定位。在矩形容器的情况下，扫描头可相互垂直定位。用于该测量的脉冲是声脉冲群、正弦波信号的若干周期（例如，5个周期）。头12和32中的两个换能器以略微不同的频率操作，且从每个扫描头接收的信号为了测量而被带通滤波（未在图1C中示出），以使得一个扫描仪测量不干扰而另一扫描仪测量。扫描电子设备以及相关联的数据采集（未在图1C中示出）系统存储来自这两个扫描头的同步数据的每一帧，使得可呈现立体输出显示。对于该测量的修改可以是一个扫描头对垂直于轴30的场进行扫描，而另一扫描仪头平行于轴30来扫描。这提供在3维中的微粒轨迹和流体流动的另一观察。可使用用于在垂直于轴30的平面中扫描的单个扫描头同时沿着轴30上下移动该扫描头来实现另一3维测量。这能够实现2维扫描和3维成像，其中多个切片被组装以建立3维图像。然而，这样的布置可能对观察快速移动的微粒变得不实际，其中扫描头的机械振荡无法跟随微粒的运动。在这样的情况下，可使用电子扫描的压电换能器的2维相控阵，而不必对穿过特别是壁厚大于2mm的管道壁或容器壁的波束折射进行校正。

图2A-2C示出穿过静止水柱落下并到达终极速度的若干50μm尺寸的微粒的一系列实时图像。可清楚地标识和跟踪各微粒。所检测的微粒的路径在该系列图像中表现为略微弯曲的，因为超声波束以选定角度来回扫描。然而，该曲率可易于校正。此外，由于在微粒的运动期间换能器的摇动，各微粒的图像出现模糊。这也可通过应用传统的去模糊算法来校正。通过跟踪各微粒的位置或全体微粒的质量中心，可确定微粒速度。如果微粒悬浮在流动液体中，则可确定液体流速。

以大约±5μm的尺寸分布的具有大约250μm和大约45μm的标称尺寸的粉末的混合物用于可视化微粒分离过程的动态，当混合物中的微粒穿过静止水柱落下时。图3A-图3C示出在几秒内拍摄的一系列图像。如可从图3A和3B观察的那样，较大和较小尺寸的微粒快速分离。图3C示出两个微粒尺寸的完全分离，使得较大的微粒不再位于看得见的地方。较大微粒的快速运动产生涡流，其可在图3C中被观察到。如果容器20中的水18被搅拌，则流型和漩涡可在没有微粒的情况下被观察到。作为示例，也在诸如10W-40机油和钻探泥浆的不透明液体中执行超声可视化研究，这两种不透明液体都直接接触宏观物品（诸如，扳手和弹簧）并对宏观物品是非侵入的。

图4A-4D示出使用本发明的装置的纳米尺寸的微粒的可视化。制备了在水中的5nm涂碳的菱形微粒的悬浮液，且将该悬浮液的一滴放置在充入水的透明容器20的顶表面上。同时产生视觉图像和超声图像，尽管这两组图片的标度由于视觉相机和超声扫描仪大约彼此正交地设置而是不同的。图4A和4B示出视觉图片，而图4C和4D示出对应的超声图片。由于超声图片成角度，所形成的漩涡环看起来为两个分离的块。牛DNA链也通过本发明成功地成像，这说明本发明的实施例对于使纳米尺寸的微粒成像是有效的。设想本发明的实施例可用于使悬浮在不透光的寄主流体中的碳纳米管和其它纳米线成像，但这可能需要明显更高的频率，例如50MHz，对于50MHz在水中的声波长是30μm。各个碳纳米管可能难于溶解，但这样的微粒的小簇有可能是可观察的，因为根据本发明实施例的教导，已观察到5nm菱形微粒。

对于视觉观察，在透光液体中的所有液体流研究目前使用彩色染料对流型进行突出。然而，无法使用这样的方法来研究原油或其它不透光流体中的流型。本发明能够使这样的测量得以进行。

本装置的实施例的很多改进是可能的。例如，可使用较高频率的扫描仪来制作较好质量的图像；也就是说，对于小距离，高达50MHz的频率可用于获得高分辨率图像。商业扫描仪根据脉冲回波测量确定传送时间，并产生根据距换能器的距离显示微粒位置的图像。如果两个扫描仪是同步的并放置在不同的位置处彼此成一角度，则可以获得立体3维成像。返回回波信号也可通过频率转换来分析，且取决于频率的衰减可用于图像校正目的。

为了说明和描述的目的而提出了本发明的前述描述，而并不旨在用于排他的或将本发明限制到所公开的确切形式，并且根据上面的教导，显然能够进行多种修改和变形。选择并描述实施例，以便最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够在各种实施例中以及采用各种如适合于所设想的特定使用的修改来最好地利用本发明。旨在由所附权利要求来限定本发明的范围。

Claims (27)

1.一种用于使悬浮在第一静止或流动流体中的颗粒可视化的方法，包括：

通过包含第二流体的耦合器引导来自第一换能器的脉冲超声能的窄波束，以将所述超声能传输到所述第一静止或流动流体中；

以选择速率在选定角度上扫描所述第一换能器，使得所述超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及

在所述换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的颗粒散射的脉冲回波返回信号；

通过充入第三流体的耦合器引导来自第二换能器的脉冲超声能的第二窄波束，以将所述超声能传输到所述第一静止或流动流体中；

以第二选择速率在第二选定角度上扫描所述第二换能器，使得超声能的所述第二窄波束以所述第二选择速率通过所述第二选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及

在所述第二换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的第二脉冲回波返回信号；

由此获得所述颗粒的立体成像，从而允许三维可视化。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述检测脉冲回波返回信号的步骤使用所述第一换能器来实现。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一换能器是凹的。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一静止或流动流体位于管道或其它容器中，且非侵入性执行所述将来自换能器的脉冲超声能的窄波束引导到流体中以及检测从所述颗粒散射的所述脉冲回波返回信号的步骤。

5.如权利要求1所述的方法，还包括以振荡方式在平面中扫描所述第一换能器的步骤。

6.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：使用超声扫描仪电子设备处理所述返回信号，由此，实时产生所述颗粒的图像；以及显示所述实时图像，使得所述颗粒被可视化。

7.如权利要求6所述的方法，其中，所述处理所述返回信号的步骤包括使在所述第一静止或流动流体中的流型可视化。

8.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：及时跟踪所述颗粒的运动；以及确定所述第一静止或流动流体的流速。

9.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：测量所述颗粒的终极速度；以及确定所述第一静止或流动流体的粘度。

10.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述颗粒的尺寸的步骤。

11.一种用于使在管道或容器中的第一静止或流动流体中悬浮的颗粒可视化的装置，包括：

第一换能器，其用于产生被引导到所述第一静止或流动流体中的脉冲超声能的窄波束，并用于检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的脉冲回波返回信号；

第一摇动器，其用于以选择的速率在选定角度上扫描所述第一换能器，使得超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；

第一圆顶，其包围所述换能器和所述摇动器；以及

充入第二流体的第一耦合器，其用于通过所述管道或其它容器的壁将所述超声能超声地耦合到所述第一静止或流动流体中和从所述第一静止或流动流体耦合出；

第二换能器，其用于产生脉冲超声能的窄波束，并用于检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的脉冲回波返回信号；所述第二换能器设置在相对所述第一换能器的选定角度处；

第二摇动器，其用于以选择的速率在选定角度上扫描所述第二换能器，使得所述超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；

第二圆顶，其包围所述第二换能器和所述第二摇动器；以及

充入第三流体的第二耦合器，其用于通过所述管道或其它容器的壁将所述超声能超声地耦合到所述第一静止或流动流体中。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述第一换能器是凹的。

13.如权利要求11所述的装置，其中，所述第二流体选自水和凝胶。

14.如权利要求11所述的装置，其中，所述圆顶充入超声传输流体。

15.如权利要求11所述的装置，其中，所述摇动器以平面振荡方式扫描所述换能器。

16.如权利要求11所述的装置，还包括用于实时产生图像的超声扫描仪电子设备；以及用于可视化所述实时图像使得所述颗粒是可观察到的显示器。

17.如权利要求16所述的装置，其中，所述超声扫描仪电子设备和所述显示器将所述第一静止或流动流体中的流型可视化。

18.一种用于使悬浮在第一静止或流动流体中的颗粒可视化的方法，包括：

将来自第一换能器的脉冲超声能的窄波束引导到所述第一静止或流动流体中；

以选择的速率在选定角度上扫描所述第一换能器，使得超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及

在所述第一换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的脉冲回波返回信号；

以距超声能的第一波束的选择的固定角度将来自第二换能器的脉冲超声能的第二窄波束引导到所述第一静止或流动流体中；

以第二选择速率在第二选定角度上扫描所述第二换能器，使得超声能的所述第二窄波束以所述第二选择速率通过所述第二选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及

在所述第二换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的第二脉冲回波返回信号；

由此获得所述颗粒的立体成像，从而允许三维可视化。

19.如权利要求18所述的方法，其中，使用所述第一换能器来实现所述检测脉冲回波返回信号的步骤。

20.如权利要求18所述的方法，其中，所述第一换能器是凹的。

21.如权利要求18所述的方法，其中，所述第一静止或流动流体位于管道或其它容器中，且通过所述管道或其它容器中的孔来执行所述将来自换能器的脉冲超声能的窄波束引导到流体中以及检测从所述颗粒散射的所述脉冲回波返回信号的步骤。

22.如权利要求18所述的方法，还包括以平面振荡方式扫描所述第一换能器的步骤。

23.如权利要求18所述的方法，还包括下列步骤：使用超声扫描仪电子设备处理所述返回信号，由此实时地产生图像；以及显示所述实时图像，使得所述颗粒被可视化。

24.如权利要求23所述的方法，其中，所述处理所述返回信号的步骤包括使在所述第一静止或流动流体中的流型可视化。

25.如权利要求18所述的方法，还包括下列步骤：及时跟踪所述颗粒的运动；以及确定所述第一静止或流动流体的流速。

26.如权利要求18所述的方法，还包括下列步骤：测量所述颗粒的终极速度；以及确定所述第一静止或流动流体的粘度。

27.如权利要求20所述的方法，还包括确定所述颗粒的尺寸的步骤。