CN103328934B - 用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法。该装置包括：发送器，适于放置于管线内，并设置为将超声信号以第一方向发送至流体或流体组分中；接收器，适于放置于管线内，并设置为接收传播的超声信号，其是由流体或流体组分以第二方向传播超声信号而产生的，所述第二方向与所述第一方向不同，并且所述接收器设置为提供代表所传播的超声信号的接收器信号；以及处理单元，设置为接收所述接收器信号并确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差，并且基于所述频率差确定流体或流体组分的流速。

Description

用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法。作为示例，其可应用于原油和原气生产和输送系统的流动中，应用于化学和石化生产中，以及燃料和能源工业中等。

背景技术

以下描述本领域已知的测量管线中流体的流速的方法。该方法包含用第一源（发射器）发出的超声脉冲探测受控量的流体并相对于管线轴横向地迁移。已穿过受控量的该脉冲由与发射器相对定位的第一脉冲接收器记录。第二对发射器和脉冲接收器位于与第一对相隔已知距离的下游。利用应用于两个脉冲接收器的信号的交叉相关方法，可确定流体从第一对流至第二对的时间间隔。由此，确定了流速。

该方法的缺点是，无法在不稳定的流动中利用交叉相关方法测量流速，这是由于在这种情况下，交叉相关方法通常不精确。这导致对流速不精确的确定。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法，其比上述方法具有确定流速的更高精度。

该目的由用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置实现，其包括：发送器，适于放置于管线内，并设置为将超声信号以第一方向发送至流体或流体组分中；接收器，适于放置于管线内，并设置为接收传播的超声信号，其是由流体或流体组分以第二方向传播超声信号而产生的，所述第二方向与所述第一方向不同，并且所述接收器设置为提供代表所传播的超声信号的接收器信号；以及处理单元，设置为接收所述接收器信号并确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差，并且基于所述频率差确定流体或流体组分的流速。

根据本发明，该装置包括用于向流动的流体发送超声信号的发送器。发送器可以是压电发送器或任意其他类型的超声发送器。根据本发明，流体可以是液体或气体。流体可包括多个流体组分，即，液体和/或气体组分。特别地，本发明能够确定包括液体和气体的流体中的液体组分的流速。超声是频率大于人的听觉上限（约为20kHz）的声音。当超声信号发送至流动的流体时，流体将传播信号。随后，该信号由诸如压电接收器的接收器接收。根据公知的多普勒原理，由接收器接收的传播信号的频率将依赖于发送的超声信号的频率以及（i）发送器和流体之间的和（ii）流体和接收器之间的速度差。

发送器和接收器适于放置在管线内。发送器和接收器可置于将放置在管线内的环上或其他支撑结构上。发送器和接收器均可包括连接板，连接板可连接至管线的内壁。在一个实施方式中，发送器和接收器限定了测量量，测量量相对于管线剖面具有相对较小的剖面。这样的测量量可以例如通过将彼此邻近的发送器和接收器设置为与管线内的中央位置邻近而实现。需要注意的是，这样的设置与将发送器和接收器直接设置在管线表面（例如管线的内表面或外表面）上不同。在一个实施方式中，发送器和接收器之间在垂直于流动方向的方向上的距离约为管线直径的5%至10%。典型地，发送器和接收器间隔2至10mm的距离。通过以如此近的间距定位发送器和接收器，有利于接收信号，即使在信号被强烈地衰减（例如在水-油乳剂中）时。发送器、接收器以及可被视为局部相对较小量的测量量可作为形成测量腔。通过将发送器和接收器设置为邻近于彼此，使得传感器仅感测测量腔内的流动。在一个实施方式中，发送器和接收器具有流线形剖面（例如翼形形式），以减轻流动干扰。此外，发送器和接收器可通过等同地成形以避免干扰的连接杆或板而连接至管线。该装置还包括处理单元，其设置为确定传播的超声信号的频率并基于多普勒原理确定流动的速度。该处理单元可包括例如包括DSP（数字信号处理器）等的微处理器。

传播的超声信号将在第一方向和第二方向的交叉点周围的体积内产生。由于该体积相比于流体中的任何空间干扰（例如，不稳定的流动中）都相对较小，所以在该体积中的流速近似均匀或恒定（也就是说，在空间上恒定，而无需在时间上恒定）。因此，根据本发明的装置能够以较高的精度确定流速，这是因为空间干扰只会对流速的确定产生较小的影响或没有影响。

根据本发明的一个实施方式，第一方向和第二方向彼此交叉，限定了交叉角，该交叉角至少为10度，或者优选地，至少为20度，更优选地，在10-45度的范围内，或者优选地，至少为60度，或者更优选地，在80-90度的范围内。

所接收的传播的超声信号在较小的体积内产生比在更大体积内产生会使得对流速的确定将更加精确。第一方向和第二方向之间的交叉角至少为10度的发送器和接收器的配置的优点是，其中产生传播的超声信号的体积小于交叉角小于10度的配置。

根据本发明的装置的一个实施方式，流速限制了流动方向，第一方向和流动方向限定了入射角，第二方向和流动方向限定了传播角，其中入射角等于传播角。

这种配置的一个优点是，发送器和流体之间的速度差将等于流体和接收器之间的速度差。这能够更容易地计算或确定流速。

在根据本发明的装置的一个实施方式中，第一方向、第二方向和流动方向是共面的。

根据本发明，将发送器和接收器设置为置于管线内。在管线内，它们会对流动产生或多或少的干扰。在一个平面中的配置的优点是，当发送器和接收器关于流动方向对称设置时，它们导致更少的扰动或干扰。

在一个实施方式中，根据本发明的装置应用于包括第一管线段的测量设备中，该第一管线段连接至第二管线段，从而使根据本发明的装置设置在第二段内。在使用中，第一管线段以基本水平的方向安装，第二管线段以基本竖直的方向延伸，第一管线段设置为接收流体或流体组分，并向第二管线段提供流体或流体组分。

因此，在该设备中，发送器和接收器以及测量量在使用时设置在竖直管线段内。对水平管线段的使用也称为管的预截面，能够在应用气体-液体流动的情况下形成气体团块。

对水平预截面的使用有助于沿着管子在流体流动中分离气相和液相（如果存在），并使液体和气体交替到达测量腔内。水平预截面可用于使流动稳定，并提供气相（如果存在）的部分聚结。当连接至包括根据本发明的装置的竖直管段时，多相流动的团块流动图案可较宽范围的气体和液体流动速率中得到。

在根据本发明的装置的实施方式中，流体包括第一流体组分和第二流体组分。第一和第二流体组分可以是液体或气体。因此，流体可以是液体和气体的组合，而且两种不同的液体或两种不同的气体的组合也是可能的。情况可以是，第一组分的速度与第二组分的速度不同。

在根据本发明的装置的实施方式中，处理单元被进一步设置为确定描述流体的第一流体组分的量和流体的第二流体组分的量的比率的比例。

该实施方式的优点是，其能够确定流体的组分之一的流动速率，这是因为流体中组分的流动速率依赖于流体中组分的量和该组分的流速。在一个实施方式中，处理单元被进一步设置为基于第一流体组分的流速和所述比例确定第一流体组分的流动速率。

根据本发明的装置的一个实施方式，发送器和接收器的设置限定了测量量，该测量量设置为包含流体或流体组分；发送器设置为将超声信号以第一方向发送至所述测量量；以及接收器设置为从所述测量量以第二方向接收传播的超声信号。

由于发送器设置为以第一方向发送超声信号，且发送的超声信号的路径被吸收和传播所限制，所以发送器限制了发送超声信号的发送量。同样地，由于接收器设置为以第二方向接收传播的超声信号，且传播的超声信号的路径受到吸收和传播的限制，所以接收器限定了从其接收传播的超声信号的接收量。发送量和接收量的交叠称为测量量，这是因为其是测量量中的流体，测量量在接收到发送的超声信号之后产生由接收器接收的传播的超声信号。

在根据本发明的装置的实施方式中，该装置还包括测量腔，该测量腔包括设置为包含流体或流体组分的测量量；其中发送器设置为将超声信号以第一方向发送至所述测量量中，接收器设置为从所述测量量以第二方向接收所传播的超声信号。

该实施方式的优点是，测量量在物理上受到测量腔的限制。如此，测量量的大小、尺寸和/或位置可受控制。测量腔的大小、尺寸和/或位置可以是可调整的，或可在使用前确定。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，测量量小于或等于流体团块的平均量。第一或第二流体组分可包括流体团块，其是所述流体组分的相对较大的连续体积，例如气泡。

该特征的优点是，接收器信号可被用于以简单直接的方式确定流体中第一流体组分的量相对于流体的量的比例，这将在以下进行解释。该特征的另一个优点是可确定流体组分的流速，这也将在以下进行解释。

在根据本发明的装置的实施方式中，处理单元还包括鉴别器，该鉴别器设置为用于基于预定的阈值水平，将接收器信号分为低水平信号和高水平信号。

该特征的优点是，可选择阈值水平，以过滤出接收器信号中的噪声，并形成没有所述噪声的高水平信号。该特征的另一个优点是，可选择阈值水平，以在需确定第一流体组分的流速时过滤出通过在第二流体组分中传播而产生的传播的超声信号。然后，可基于高水平信号确定该频率差。在根据本发明的装置的实施方式中，处理单元设置为基于所述高水平信号确定所述频率差。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，处理单元设置为基于所述高水平信号确定所述比例。当选择阈值水平以过滤出通过在第二流体组分中传播而产生的传播的超声信号时，高水平信号将包括高水平信号基本为零的时间区间以及高水平信号不为零的时间区间。第一时间区间是第二流体组分流动的结果（在这些时间区间中，接收器信号被过滤出），随后的时间区间是第一流体组分流动的结果。对应于流体组分的时间区间的总和相对于样本时间区间的比率将等于流体的流体组分的量相对于流体的总量的比例，如以下将进一步解释的。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，处理单元包括解调器，解调器设置为用于解调接收器信号。解调器设置为将AC信号转换为DC信号。该特征的优点是，用于DC信号的鉴别器比用于AC信号的鉴别器更容易生产或集成在集成电路中。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，该装置还包括频率发生器，频率发生器设置为向发送器和处理单元提供具有预定的固定频率的频率信号，其中发送器设置为基于所述频率信号发送超声信号，处理单元设置为基于所述频率信号确定频率差。

频率发生器的优点是，其向发送器和处理单元提供相同的固定频率。这使得能够以较高精度确定频率差。

在根据本发明的装置的另一实施方式中，发送器和/或接收器具有流线形，优选为机翼形。流线形的优点是，其使可由发送器和/或接收器导致的流体流动的扰动或干扰最小化。

在一个实施方式中，第一方向至少部分为下游方向，并且/或者第二方向至少部分为上游方向。该特征的优点是，其更多地导致将在第二方向上传播的超声信号。另一个优点是，由发送器和流体之间的速度差导致的所谓的多普勒频移加上由流体和接收器之间的速度差导致的多普勒频移。更高的频率差将导致对流速更精确的确定。

本发明的目的还可由方法实现，该方法包括以下步骤：a）将发送器和接收器置于管线中；b）将超声信号以第一方向发送至流体或流体组分中；c）通过由所述流体或流体组分传播超声信号而以第二方向产生传播的超声信号；d）接收传播的超声信号并提供代表所传播的超声信号的接收器信号；e）确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差；以及f）基于所述频率差确定所述流体或流体组分的流速。

在根据本发明的方法的实施方式中，所述第一方向与所述第二方向彼此交叉，限定了交叉角，所述交叉角优选为至少10度，或更优选为至少20度，或更优选为在10-45度的范围内，或更优选为至少60度，或更优选为在80-90度的范围内。

在根据本发明的方法的实施方式中，所述流速限定了流动方向，所述第一方向和所述流动方向限定了入射角，所述第二方向和所述流动方向限定了传播角，并且其中所述入射角等于所述传播角。

在根据本发明的方法的另外实施方式中，所述交叉角等于所述入射角和所述传播角的总和。在另一实施方式中，所述第一方向、所述第二方向和所述流动方向是共面的。

在根据本发明的方法的实施方式中，所述流体包括第一流体组分和第二流体组分。

在根据本发明的方法的实施方式中，该方法还包括步骤g）确定所述第一流体组分的量相对于所述流体的量的比例。

在另一实施方式中，该方法包括步骤h）基于所述第一流体组分的流速和所述比例确定所述第一流体组分的流动速率。

在一个实施方式中，由所述发送器和所述接收器限定测量量，所述流体或流体组分通过所述测量量流动；步骤b）包括以所述第一方向将超声信号发送至所述测量量内；并且步骤d）包括以所述第二方向从所述测量量接收所传播的超声信号。

在根据本发明的方法的一个实施方式中，所述第二流体组分包括流体团块。在另一实施方式中，所述测量量小于或等于所述流体团块的平均量。

在一个实施方式中，该方法还包括步骤d2）解调所述接收器信号。在一个实施方式中，该方法还包括步骤d3）基于预定的阈值水平，将所述接收器信号分为低水平信号和高水平信号。

在一个实施方式中，步骤g）包括：基于所述高水平信号确定所述比例。在另一实施方式中，步骤e）包括：基于所述高水平信号确定所述频率差。

在一个实施方式中，该方法还包括：步骤a2）提供具有预定的固定频率的频率信号，其中步骤b）包括：基于所述频率信号发送超声信号；并且步骤e）包括：基于所述频率信号确定所述频率差。

在一个实施方式中，所述第一方向至少部分为下游方向，所述第二方向至少部分为上游方向。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的装置的一个实施例；

图2示意性地示出了根据本发明的装置的一个实施例；

图3a示意性地示出了混合器输出信号；

图3b示意性地示出了解调的接收器信号；

图4a和4b示意性地示出了管线段，该管线段包括用于使流动稳定的水平预截面。

具体实施方式

根据本发明，提供了一种装置，用于确定管线中流体或流体组分的流速。该流体或流体组分可以是液体，例如油、水或任何其他液体或其混合物。该流体或流体组分还可以是气体，例如空气、甲烷、CO2或任何其他碳氢化合物气体或其混合物。待确定液体的流速可以是管线方向的流速。该流速相对于管线限定，或相对于发送器和/或接收器限定，这是由于该两者可固定地附接于管线。

图1示出了根据本发明的装置的实施例。发送器4位于管线1中。在管线中，流体14或流体14中的流体组分2可以正在流动方向18上流动。将发送器4设置为以第一方向12将超声信号发送至流体或流体组分中。该超声信号被流体或流体组分以第二方向13传播。该传播的超声信号由接收器5接收。

第一方向和第二方向可彼此相交，限定了相交角γ，如可从图1中看到的。该相交角可以至少是10度，或至少是20度，或者更优选地，至少是60度。测量量由16表示为一定量，其中产生传播的超声信号，其进一步由接收器接收。

发送量20可由流体中第一方向上发送的超声信号的路径或穿透深度限定，传播量21可由所接收到的流体中第二方向上传播的超声信号的路径或穿透深度限定。发送量20和传播量21的交叠部分包括测量量16。因此，测量量16可由流体中第一方向上发送的超声信号的路径或穿透深度、所接收到的流体中第二方向上传播的超声信号的路径或穿透深度限定。超声信号在流体中的路径可由信号在流体中的吸收和传播限定，并可处在数毫米的范围内。

因此，测量量可处在数个立方毫米的范围内。

然而，测量量还依赖于交叉角。较小的交叉角（例如，小于5度）将产生较大的量，而较大的交叉角（例如，90度左右）将产生较小的量。然而，更大测量量的优点是，其将产生更大的传播超声信号。较小测量量的优点是，可更精确地确定流速，这是因为流体中任何空间干扰的效果在较小的测量量中也会较小。

由于这些效果，已发现，优选交叉角是至少10度，或者更优选的，至少20度，或者甚至更优选的，在10-45度左右，或者更优选的，至少60度，或者甚至更优选的，在80-90度左右。

为了将测量量设置为相对较小，即，剖面相对于管的剖面更小，发送器和接收器设置在管线内的连接或安装部件25.1和25.2上。这些部件可以例如具有流线形，以避免干扰。如此，发送器和接收器可在相对管线直径较小的距离上间隔开。如此，可将测量量16设置为小于流体的典型团块2的量，也可如图所示。

在一个实施方式中，发送器和接收器安装有以相对于管线直径较小的距离间隔的、其彼此朝向（即，如上所述的交叉）的活性（分别是发送和接收）表面。在一个实施方式中，诸如图1和2所示的安装部件25.1和25.2的安装部件设置为将发送器和接收器安装为使得在垂直于流动方向的方向上的发送器-接收器距离小于管直径的50%，优选为小于10%。典型地，发送器和接收器安装有以管直径平面内2至10mm的距离间隔的、其相对于彼此的活性（分别是发送和接收）表面。因此，所测量的流动可平行于管轴不受阻碍地穿过测量量。这样的发送器和接收器的典型尺寸为5至8mm。包含测量腔（由发送器4、接收器5和测量量16形成）的管的最小直径典型为40mm。在大多数情况下，管直径在60和150mm之间。因此，在通常情况下，发送器至接收器的距离等于管直径的5%至10%。

在图1中，发送器4和接收器5之间的距离已放大为为了清晰地显示第一、第二和流动方向和入射角以及传播角。实际上，由于信号在流体中的吸收，发送器4和接收器5彼此相对紧密地定位。

基于所接收的超声信号，接收器5提供代表所传播的超声信号的接收器信号。接收器信号可包括关于所传播的超声信号的频率的信息，所传播的超声信号由接收器接收，接收器信号还可包括关于所传播的超声信号的振幅的信息，所传播的超声信号由接收器接收。接收器信号可以是电信号，其频率和振幅对应于所传播的超声信号的频率和振幅。

发送器可以是例如压电发送器，接收器可以是例如压电接收器。

该装置还可包括处理单元15，基于公知的多普勒效应，处理单元15利用接收器信号确定流体或流体成分的流速。当流体流动时，所接收的超声信号的频率不同于所发送的超声信号的频率。频率差依赖于第一方向的流速分量和第二方向的流速分量以及所发送的超声信号的频率。

入射角α可限定为第一方向12和流速方向（表示为流动方向18）之间的角度。传播角β可限定为第二方向13和流动方向18之间的角度。流动方向以及第一和第二方向可从发送器和接收器在管线中的配置而获知。由图1可以看出，第一方向至少部分为下游方向，而第二方向至少部分为上游方向。

当入射角α等于传播角β时，可依据以下公式确定流速：

w=2·c·cos(β)·(f_d-f_t)/f_t，

其中：

w：流速

c：超声信号在流体中的速度

β：入射/传播角

f_d：传播的超声信号的频率

f_t：发送的超声信号的频率

处理单元15可设置为根据该公式确定流速。

在本发明的一个实施方式中，该装置还包括频率发生器17，其设置为向发送器和处理单元提供具有预定不变的频率的频率信号。该频率信号可由发送器使用，用于发送具有确定频率的超声信号。由于处理单元15根据发送的超声信号的频率确定流速，所以有利的是，向处理单元15提供相同的频率信号。

频率发生器的功能还可在发送器中、在处理单元中、或作为独立单元提供。

根据本发明，该装置可用于确定管线内流体组分的流速。管线内的流体可包括两种流体组分，例如液体（如，油）和气体（如，甲烷或其他碳氢化合物气体、空气、氮气等）。可需要其分别确定液体和/或气体的流速，这是因为这些组分的流速可不同。例如，甲烷的流速可比油的流速高。

然而，发送至包括两种流体组分的流体中的超声信号会同时由两种流体组分传播。然后，所传播的超声信号可以是由第一流体组分传播的超声信号和由第二流体组分传播的超声信号的组合。那么，难以基于接收器信号确定流体组分之一的流速。

情况可以是，第一流体组分和/或第二流体组分形成为团块的形状。这意味着，第一流体组分未溶解于第二流体组分中（第二流体组分也未溶解于第一流体组分中）。相反，可在流体中识别流体组分中的一个（或多个）的独立的量。一种流体组分的这种独立的量称为团块。例如，流体可包括油团块和气团块。在图1中，这种团块由2对称地指示。

根据本发明的一个实施方式，测量量16小于或等于所述流体团块的平均量。在这种情况下，通常，测量量16在某一时刻完全填充有流体组分之一。在这种情况下，传播的超声信号只由流体组分之一产生，可如上所述确定该流体组分的流速。例如，由图1可看出，当流体流过测量量16时，团块2将填充测量量16。如此，流体的不同组分可由接收器以交替的方式观测。换句话说，通过将发送器和接收器设置为相对接近彼此并因此观测相对较小的测量量（与发送器和接收器设置在管线表面上或管线表面（内表面或外表面）中的设置相比），使得接收器能够接收基本由流体的单个组分上的反射确定的信号。因此，当特定组分通过测量量时，可进行更清晰的识别，因此，可进行不同量部分的更清晰的评估，从而能够更精确地评估通过管线的流动速率。

在流体分量通过测量量时改善的分离中提供的进一步的测量包括利用水平预截面，这将在以下图4a和4b中进行更详细的描述。

如图1所示且如上所述，测量量16可由发送器和接收器限定，发送器将超声信号以第一方向发送至测量量中；接收器从所述测量量中以第二方向接收传播的超声信号。因此，测量量会依赖于发送器和接收器的位置和/或配置。因此，通过调整发送器和接收器的配置和/或位置可控制测量量。

为了进一步控制测量量，该装置还可包括测量腔19，其包括测量量16。在这种情况下，通过调整测量腔的尺寸和位置，可调整测量量。例如，通过减小测量腔的尺寸可进一步减小测量量，而无需调整发送器和接收器的配置。

在本发明的一个实施方式中，测量腔包括数个流体入口和流体出口，其设置为用于使流体流过测量腔。

在上述所有实施方式中，接收器信号可包括一些噪声。接收器信号中噪声的振幅通常相对较小。因此，有益的是，基于预定的阈值水平，将接收器信号分为低水平信号（包括噪声）和高水平。这可包括将噪声或低水平信号过滤至接收的信号之外，从而得到高水平信号。低水平信号自身并不需要被产生或输出。可选择预定的阈值，以对应于（预期的）噪声水平。

在流体具有两种或更多种流体组分的情况下，情况可以是，接收器信号包括信号由第一流体组分而引起的时间区间和信号由第二或另一流体组分而引起的时间区间。这尤其会是，当测量量小于或等于流体组分的团块的平均量时。由于流体组分不同的特性，接收器信号的振幅在这些不同的时间区间中会不同。

例如，在流体包括油和气体作为两个流体组分的情况下，情况会是，气体不会或仅以受限的方式产生传播的超声信号。这将导致在气体占据测量量的时间区间内的接收器信号的振幅比在油占据测量量的时间区间内的振幅小。

因此，基于预定的阈值水平将接收器信号分为低水平信号和高水平是有益的，其中预定的阈值可选为使得高水平信号包括对应于第一流体组分的时间区间，低水平信号包括对应于第二流体组分的时间区间。如此，利用低水平信号和高水平信号，可分别确定两种流体组分的流速。而且在这种情况下，可将噪声滤出低水平信号和/或高水平信号。

可以理解，还可将接收器信号分成多于两个的信号。例如，当流体包括三种组分（每种组分包括可辨别的信号时间区间）时，可将接收器信号分成三个信号（例如，低水平信号、中水平信号和高水平信号）。

图2示意性地示出了处理单元15中的一些信号处理步骤。来自于接收器5的接收器信号可由放大器7放大，然后通过混合器8与频率信号混合。该混合器产生微分信号，表示该接收器信号和该频率信号之间的频率差，其是发送的超声信号和所接收的传播的超声信号之间的频率差。对该信号的分割和/或过滤可在鉴别器10中进行。该鉴别器可以是低通滤波器。为了实现鉴别器10的功能，处理单元15可包括解调器，其设置为用于对接收器信号进行解调。该解调器被设置为将AC信号转化为DC信号。该解调器可集成在接收器5、放大器7或混合器8中。在对信号进行分割或过滤之后，高水平信号（或低水平信号，或中水平信号）可进入模数转换器（ADC）10。然后，ADC的数字信号可由计算单元11使用。计算单元11可设置为确定流体或流体组分的流速。

由于微分信号的频率可以比接收器信号的频率小数倍，所以对ADC规格的要求比将计算单元设置为直接基于数字化的接收器信号计算频率差的实施方式显著减少。图2还示意性地示出了如在图1中的发送器4和接收器5设置在管线中的连接或安装部件25.1和25.2上，从而使测量量能够相对较小。

图3a示出了混合器输出信号的示意性总图，图3b是解调后的信号的示意性总图。混合器输出信号包括数个时间区间P1-P6。时间区间P1、P3和P5中信号的振幅比时间区间P2、P4和P6中的信号小。情况可以是，该信号由包括液体的流体（诸如油和气体团块）导致。已知，气体团块产生较少的或不产生传播的超声信号，因此可推断出，在时间区间P1、P3和P5中测量量填充有气体团块，而在时间区间P2、P4和P6中测量量填充有油。在图3b中，可以看出解调信号如何成为DC信号。还示出了阈值水平的一示例。然后，可由低通滤波器容易地进行该信号的分割或过滤。

通常，为了确定管线中流体组分之一的流动速率，例如油的流动速率，不仅需要管线的剖面面积和该组分的流速，还需要该流体组分的量相对于所有流体组分共同的量（即，流体的量）的比例。可根据以下公式确定流动速率：

其中：

Q：流体组分的体积流动速率

流体组分的比例

w：流体组分的流速

S：管线的剖面面积。

根据本发明的一个实施方式，可将处理单元设置为确定流体或流体组分的流动速率。处理单元15可被设置为根据该公式确定流动速率。

管线的剖面是固定不变的，且是已知的，并且可以输入至处理单元15。流体组分的流速可根据上述实施方式之一确定。流体组分的比例可以多种方式确定，例如，基于流体样品的重量或该样品的其他特性。然而，原位且连续地确定流体组分的比例是有益的，这是因为该比例会随着时间而改变。

根据本发明的一个实施方式，可根据该流体组分在接收器信号中的时间区间确定比例。可根据以下公式确定比例：

其中：

流体组分的比例

T₀：样例时间区间

T：该比例的时间区间的持续时间总和。

该样例时间区间可以是在其中待确定平均比例的任意时间区间。应至少多于该比例的时间区间的持续时间总和。在图3b中，流体成分（例如，气体）的时间区间中的两个已由Ti和Ti+1表示。样例时间区间由T₀表示。

在本发明的一个实施方式中，处理单元设置为根据上述公式确定比例。基于流体组分所确定的比例、流体组分所确定的流速和输入的管线的剖面面积，可进一步设置处理单元15，以确定包括至少两种流体组分的流体中流体组分的流动速率。

以上，还解释了管线中流体或流体组分的流速如何能够由方法确定，该方法包括以下步骤：a）将发送器和接收器置于管线中；b）将超声信号以第一方向发送至流体或流体组分中；c）通过由流体或流体组分传播超声信号而以第二方向产生传播的超声信号；d）接收传播的超声信号并提供代表传播的超声信号的接收器信号；e）确定发送的超声信号和传播的超声信号之间的频率差；以及f）基于所述频率差确定流体或流体组分的流速。

在图4a中，示意性地示出了之前有水平截面52（称之为水平预截面）的竖直管段50的设置。管的预截面52可用于使流动稳定，并且可提供流体的气相（如果存在）的部分结合。这种预截面的特定类型是水平管，其中得益于重力，可产生流动的自然分离。当将这种水平管或预截面连接至包括测量设置（即，如上所述设置为观察测量量中的流动的发送器和接收器）的竖直管50的输入时，这种设置会导致在较宽范围的气体流动速率和液体流动速率中多相流动的所谓的团块流动图案。在根据本发明的装置中，这种团块流动图案可提供气体和液体成分在测量量中交替抵达。图4a进一步示意性地示出了测量配置53在竖直管段50中的位置和由箭头54表示的流动方向。在图4b中，在水平预截面52和连接管50上示出了一些更多的细节，示出了作为管直径d的函数的典型尺寸。

正如所需要的，本文已公开了本发明的具体实施方式；然而，可以理解，所公开的实施方式仅仅是本发明的示例，其可以各种形式实施。因此，本文所公开的特定结构和功能细节并不是旨在作为限定，而仅仅作为用于权利要求的基础，还作为用于教导本领域技术人员的典型基础，从而以实质上任何适当具体的结构，不同地采用本发明。此外，本文所使用的术语和短语并不是旨在限定，而是提供本发明可理解的描述。如本文所使用的术语“一”和“一个”限定为一个或比一个多的多个。如本文所使用的术语多个限定为两个或多于两个的多个。如本文所使用的术语另一个限定为至少一第二个或更多个。如本文所限定的术语包括和/或具有限定为包括（即，开放语言、不排除其他元素或步骤）。权利要求中的任何参考标记不应被认为是对本发明或权利要求的范围进行限定。某些测量在相互不同的从属权利要求中重复的事实并不是表明这些测量的组合不能用于优点。

单个处理器或其他单元可完成权利要求书中提及的多个项目的功能。

Claims (19)

1.一种用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置，包括：

发送器，适于放置于所述管线内，并设置为将超声信号以第一方向发送至所述流体或流体组分中；

接收器，适于放置于所述管线内，并设置为接收由所述流体或流体组分以第二方向传播所述超声信号而产生的所传播的超声信号，所述第二方向与所述第一方向不同，并且所述接收器设置为提供代表所传播的超声信号的接收器信号；以及

处理单元，设置为接收所述接收器信号并确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差，并且基于所述频率差确定所述流体或流体组分的流速，其中

所述流体包括第一流体组分和第二流体组分，并且其中所述处理单元进一步设置为确定所述第一流体组分的量相对于所述流体的量的比例；

其中所述比例根据所述流体组分在接收器信号中的时间区间确定；

其中所述发送器和所述接收器限定了测量量，所述测量量设置为包含所述流体或流体组分；

其中所述装置还包括测量腔，所述测量腔包括设置为包含所述流体或流体组分的测量量；

其中所述发送器设置为将所述超声信号以所述第一方向发送至所述测量量中；

其中所述接收器设置为从所述测量量以所述第二方向接收所传播的超声信号；

其中所述第二流体组分包括流体团块，并且其中所述测量量小于或等于所述流体团块的平均量。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一方向和所述第二方向彼此交叉，限定了交叉角。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述交叉角为至少10度。

4.如权利要求2所述的装置，其中所述交叉角为至少80-90度。

5.如权利要求2所述的装置，其中所述处理单元进一步设置为基于所述第一流体组分的流速和所述比例确定所述第一流体组分的流动速率。

6.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述处理单元还包括鉴别器，所述鉴别器设置为用于基于预定的阈值水平而将所述接收器信号分为低水平信号和高水平信号，其中所述处理单元设置为基于所述高水平信号确定所述比例，并且其中所述处理单元设置为基于所述高水平信号确定所述频率差。

7.如权利要求1-5中任一项所述的装置，其中所述发送器和/或所述接收器具有流线形。

8.如权利要求7所述的装置，其中所述流线形为机翼形。

9.如权利要求1-5中任一项所述的装置，还包括安装部件，所述安装部件用于在所述管线内安装所述发送器和所述接收器，其中所述安装部件设置为将所述发送器和所述接收器安装为所间隔的距离小于管线直径的50％，并且其中所述安装部件具有流线形。

10.如权利要求9所述的装置，其中所述安装部件设置为将所述发送器和所述接收器安装为所间隔的距离小于管线直径的10％。

11.如权利要求9所述的装置，其中所述流线形为机翼形。

12.一种测量设备，

包括第一管线段，所述第一管线段连接于第二管线段，

还包括如前述任一项权利要求所述的装置，

其中，在使用中，所述第一管线段以基本水平的方向延伸，所述第二管线段以基本竖直的方向延伸，所述第一管线段设置为接收所述流体或流体组分，并且向所述第二管线段提供所述流体或流体组分。

13.一种用于确定管线中流体或流体组分的流速的方法，包括以下步骤：

a)将发送器和接收器置于管线中；

b)将超声信号以第一方向发送至所述流体或流体组分中；

c)通过由所述流体或流体组分传播所述超声信号而以第二方向产生所传播的超声信号；

d)接收所传播的超声信号并提供代表所传播的超声信号的接收器信号；

e)确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差；以及

f)基于所述频率差确定所述流体或流体组分的流速，

其中所述流体包括第一流体组分和第二流体组分，并且

其中所述方法还包括以下步骤：

g)确定所述第一流体组分的量相对于所述流体的量的比例；

其中所述比例根据所述流体组分在接收器信号中的时间区间确定；

其中由所述发送器和所述接收器限定测量量，所述流体或流体组分通过所述测量量流动；

其中步骤b)包括以所述第一方向将所述超声信号发送至所述测量量内；

其中步骤d)包括以所述第二方向从所述测量量接收所传播的超声信号，其中所述第二流体组分包括流体团块，并且其中所述测量量小于或等于所述流体团块的平均量。

14.如权利要求13所述的方法，还包括以下步骤：

h)基于所述第一流体组分的流速和所述比例确定所述第一流体组分的流动速率。

15.如权利要求13-14中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

d3)基于预定的阈值水平，将所述接收器信号分为低水平信号和高水平信号，

其中步骤g)包括：基于所述高水平信号确定所述比例，并且

其中步骤e)包括：基于所述高水平信号确定所述频率差。

16.如权利要求13-14中任一项所述的方法，还包括以下步骤：

a2)提供具有预定的固定频率的频率信号，

其中步骤b)包括：基于所述频率信号发送所述超声信号；并且步骤e)包括：基于所述频率信号确定所述频率差。

17.如权利要求13-14中任一项所述的方法，其中将发送器和接收器置于管线中的步骤包括将所述发送器和所述接收器安装为所间隔的距离小于管线直径的50％。

18.如权利要求17所述的方法，其中将发送器和接收器置于管线中的步骤包括将所述发送器和所述接收器安装为所间隔的距离小于管线直径的10％。

19.如权利要求13-14中任一项所述的方法，其中所述发送器和所述接收器安装在所述管线的竖直段中，所述竖直段之前具有所述管线的水平段。