CN103733061A - 多相流体特性系统 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于允许流经管道的多相流体的数个物理参数的多个独立测量的测量系统和方法。多个声换能器布置成与一段现有的绕线管（金属管道）（通常长度小于3英尺）的外表面声通信，或附接至一段现有的绕线管（金属管道）的外表面，以用于非侵入性测量。可以由所述系统同时测量声音速度、声音衰减量、流体密度、流体流动、容器壁的谐振特性、用于气体体积分数的多普勒测量量。使用用于含油量校正的温度传感器进行温度测量。

Description

多相流体特性系统
相关申请的交叉参考
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61/397919的“Noninvasive Multiphase Fluid Characterization System”的优先权，为了该专利申请公开和教导的一切，其全部内容通过引用并入本文。
有关联邦权利的声明
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。政府具有在本发明中的特定权利。
技术领域
本发明通常涉及用于确定流经管道的流体的组成，更特别的是，涉及用于独立测量流经管道的多相流体（分散相的混合，例如，包括油、气和水相的混合）的数个物理参数。
背景技术
在许多工业中，特别是在石油生产中，多相流体（例如，油/水/气）的组成和流动的确定对于确定在储油层中产生多少任意给定相的流体以及确定通过管道抽出或运输多少任意给定相的流体是重要的。存在许多能够提供该信息的当前使用的商业仪器，但是由于没有一个设备能够做出所有需要的测量，通常需要来自多个制造商的不同类型的单独的仪器来提供完整的答案。例如，一个仪器可以测量流体流动，而另一个仪器测量流体组成。
这些仪器通常具有严格的约束和受限的操作范围。例如，用于测量油/水组成的电容探针在流体变成连续型水时无法良好地工作。科里奥利流量计是质量流量计，其也可以用作振动管密度计。每一相的密度可以用来将对于特定相的质量流率转换为体积测量量。在使用科里奥利流量计来识别整个组合的流体流中的油、气和水各自的质量百分比中存在许多困难，特别是在液体存在气体时。
此外，大部分流体属性测量仪器要求将流动从主流动管道转移出去并进入该特定仪器。其它流体属性测量仪器要求传感器与流体之间的物理接触，这需要许多针对腐蚀性流体的维护。本发明允许使用非侵入性技术进行多相系统的多参数测量，其中，传感器附接在现有管道的外部，或者附接在插入线中的小绕线管上，并且所有的传感器除了温度传感器之外都是基于声学的。
发明内容
本发明的实施例通过提供一种用于独立测量多相流体的所选择的参数的系统和方法来克服现有技术中的缺点和限制。
本发明的实施例的另一目标是提供一种用于独立测量多相流体的选择的参数的系统和方法，其中在不必将流体从其主流动管道转移出去的情况下进行测量。
本发明的实施例的又一目标是提供一种用于非侵入性且独立地测量多相流体的选择的参数的系统和方法。
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。
为了实现前述的和其它目标，并且根据本发明的目的，作为本文中具体化且广泛地描述了用于非侵入性测量多相流体的多个独立的参数的系统，所述多相流体包括在具有壁、外表面和轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述系统包括：与管道的外表面超声通信的第一发射换能器；第一波形产生器，其产生用于驱动第一发射换能器的频率啁啾信号；与管道的外表面超声通信的第一接收换能器，与第一发射换能器完全相对，以用于在啁啾信号经过多相流体之后接收来自第一发射换能器的频率啁啾信号，并且用于产生响应频率啁啾信号的第一电信号；用于接收来自第一接收换能器的第一电信号以及由波形产生器产生的频率啁啾信号并用于由此产生声音的速度和声音衰减量信息的模块，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定多相流体的至少一个成分的组成；与管道的外表面超声通信的第二发射换能器；与管道的外表面超声通信的第三发射换能器，设置在沿着所述管道的轴距从第二发射换能器的已知距离处；第二波形产生器，其用于产生第一固定频率信号来驱动第二发射换能器和第三发射换能器；与管道的外表面超声通信的第二接收换能器，与第二发射换能器完全相对，以用于在所述固定频率信号经过多相流体之后接收来自第二发射换能器的第一固定频率信号，并且用于产生响应第一固定频率信号的第二电信号；与管道的外表面超声通信的第三接收换能器，其与第三发射换能器完全相对，以用于在所述固定频率信号经过多相流体之后接收来自第三发射换能器的第一固定频率信号，并且用于产生响应第一固定频率信号的第三电信号；用于接收第二电信号和第三电信号的模块，由此在流体中影响第二电信号的干扰将在一段时间以后影响第三电信号，根据所述干扰来计算流体的流速；与管道的外表面超声通信的第四发射换能器；第三波形产生器，其用于产生第二固定频率信号来驱动第四发射换能器；与管道的外表面超声通信的第四接收换能器，其设置在第四发射换能器的附近的沿着管道的轴的与第四发射换能器相同的位置处，以用于接收源自多相流体中的气泡反射的多普勒频移第二固定频率信号并用于产生响应所述多普勒频移第二固定频率信号的第四电信号；以及用于接收第四电信号和来自第三波形产生器的第二固定频率信号且用于确定多普勒频移第二固定频率信号的信号强度的模块，根据所述信号强度来确定气泡的体积。
在本发明的另一方案中，且根据本发明的目标和目的，用于非侵入性测量多相流体的多个独立的物理参数的方法，所述多相流体包括在具有壁、外表面和轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述方法包括：产生频率啁啾信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第一发射换能器；在啁啾信号经过所述多相流体之后，在第一接收换能器上接收所产生的频率啁啾信号，并且产生响应频率啁啾信号的第一电信号，与管道的外表面超声通信的所述第一接收换能器与第一发射换能器完全相对；接收第一电信号和所产生的频率啁啾信号，并由此产生声音的速度和声音衰减量信息，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定所述多相流体的至少一个成分的组成；产生第一固定频率信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第二发射换能器，并且与所述管道的外表面超声通信的第三发射换能器设置在沿着所述管道的轴距第二发射换能器的已知距离处；在第一固定频率信号经过所述多相流体之后，在第二接收换能器上接收第一固定频率信号，并且产生响应第一固定频率信号的第二电信号，与所述管道的外表面超声通信所述第二接收换能器与第二发射换能器完全相对；在第一固定频率信号经过所述多相流体之后，在第三接收换能器上接收第一固定频率信号，并且产生响应第一固定频率信号的第三电信号，与所述管道的外表面超声通信的所述第三接收换能器与第三发射换能器完全相对；接收第二电信号和第三电信号，并且根据在流体中影响第二电信号并在一段时间以后影响第三电信号的干扰来计算所述多相流体的流速；产生第二固定频率信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第四发射换能器；在第四接收换能器上接收源自所述气泡反射的多普勒频移第二固定频率信号，并且用于产生响应多普勒频移第二固定频率信号的第四电信号，与所述管道的外表面超声通信的所述第四接收换能器设置在第四发射换能器的附近的沿着所述管道的轴的与第四发射换能器相同的位置处；以及接收第四电信号和第二固定频率信号，并且确定所述多普勒频移第二固定频率信号的信号强度，根据所述信号强度来确定所述气泡的体积。
在本发明的另一个方案中，且根据本发明的目标和目的，用于非侵入性测量多相流体的多个独立的物理参数的方法，所述多相流体包括在具有壁、外表面和轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述方法包括：在多相流体中产生超声频率啁啾信号；在啁啾信号经过所述多相流体之后，接收所产生的频率啁啾信号，并且产生响应频率啁啾信号的第一电信号；接收第一电信号和所产生的频率啁啾信号，并且由此产生声音的速度和声音衰减量信息，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定所述多相流体的至少一个成分的组成；产生第一固定超声频率信号和第二固定超声频率信号，所述第二固定超声频率信号设置在多相流体中沿着所述管道的轴距第一固定超声频率信号的已知距离处；在第一固定频率信号经过多相流体之后，接收第一固定频率信号，并且产生响应第一固定频率信号的第二电信号；在第二固定频率信号经过所述多相流体之后，接收第二固定频率信号，并且产生响应第二固定频率信号的第三电信号；接收第二电信号和第三电信号，并且根据在流体中影响第二固定频率电信号并在一段时间以后影响第三电信号的干扰来计算所述多相流体的流速；在多相流体中产生第三固定超声频率信号；接收源自所述气泡反射的多普勒频移第三固定频率信号，并且产生响应所述多普勒频移第三固定频率信号的第四电信号；以及接收第四电信号和第三固定频率信号，并且确定所述多普勒频移第二固定频率信号的信号强度，根据所述信号强度来确定所述气泡的体积。
本发明的实施例的好处和优点包括但不限于：提供用于非侵入性测量多相流体的选择的参数的系统和方法，其中，测量是彼此独立的，且足够推导出所有必要的信息。
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是本发明的测量系统的实施例的示意图，图1B是电子设备模块中的一个的实施例的示意图，以及图1C是用于使用互相关、快速傅里叶变换（FFT）以及其它信号处理函数来产生频率啁啾（chirp）信号并处理数据的装置的示意图。
图2示出了在声音速度的测量中随后的回波的包含物。
图3示出了作为峰值指标的函数的峰值幅度（实心圆），其中，实线是对实验数据的指数拟合，根据该指数拟合，可以从用于拟合的指数中确定声音衰减量。
图4示出了使用与图1C中示出的相似的装置在具有1/4英寸壁厚且3英寸直径（ID）的钢管中通过按60-40比的油和水的混合物的啁啾测量。
图5示出了作为图4中示出的啁啾信号的频率的函数的所测量的壁的声音传输。
图6示出了图5中所接收到的信号和图4中的发射信号的互相关，其显著提高了信噪比。
图7示出了关于声音速度与水和矿物油的混合物的含油量之间的关系的数据。
图8示出了在水在3.7英寸直径的管道中的测量期间的气体流动的影响，底部曲线示出了在有水而没有气体流动的情况下获得的数据。
图9示出了在具有5mm壁厚且包含密度分别为0.79、1.00和0.87g/cm3的丙酮、水和10W-40机油的铝管中，流体密度在壁谐振的峰值幅度上产生的影响。
图10示出了用于测量在两个测量位置之间的距离已知且声学上测量出干扰经行进到该距离所花费的时间时所获得的流体流速的装置，假定干扰在本质上置入流体中并与流体一起行进，作为图1A所示的系统的部分的所述装置包括具有分开距离L的两对换能器。
图11A示出了相同的干扰由两个通道来检测但在时间上被偏移的测量，而图11B示出了两个通道的互相关，所述互相关示出了对应于延迟时间τ的峰值，根据所述延迟时间τ，移动速度可以被计算为L/τ。
图12示出了与用商业的科里奥利流量计进行的测量相比的采用本发明实施例在原油/水混合物中进行的测量。
图13A示出了单个气泡的振荡和振荡的快速傅里叶变换（FFT），而图13B示出了多个气泡的振荡和振荡的快速傅里叶变换。
具体实施方式
简言之，本发明包括用于允许流经管道的多相流体的数个物理参数的多个独立测量的测量系统和方法。将多个传感器放置成与一段现有的绕线管（金属管道）（其通常长度小于3英尺）的外表面进行声通信，或附接至一段现有的绕线管（金属管道）的外表面，以用于非侵入性测量。可以由系统同时测量声音速度、声音衰减量、流体密度、流体流动、容器壁的谐振特性、用于含油量校正的温度和用于气体体积分数的多普勒测量量。在下文中，多相流体可以包括至少一个液体成分和至少一个气体成分，该至少一个液体成分包括液态烃、油和水，并且气体成分包括气态烃。
本装置的元件和方法功能协同如下：
1.使用双通道声音传输相关性来测量液体流动。当由于气泡的扰动而导致在流动流中存在大量的波动时，双通道传输信号变得不稳定，但是啁啾传输信号清楚地示出了应当被考虑的传输中断。非常快地完成了啁啾测量（大约每次测量100μs），而流动测量明显花费更长的时间。
2.为了确定流动，选择操作传输频率，使得通过合适的壁谐振来实现最大的声音传输。虽然，关于这个的信息可以从啁啾传输数据中导出，更加精确和可靠的是对数据进行慢扫描（数秒）以获得壁谐振信息，因为该测量示出了在壁峰值（wall peak）中的更详细结构。因为更长的测量，由于流动而导致的时间波动达到平均数，且清楚地观察到壁谐振信息。通过经由发射器扫描频率且记录作为频率的函数的声音传输幅度（和相位）来在频域中完成扫描测量。
3.用于气体体积的多普勒测量和啁啾传输测量也是相关的，并且可以比较这两个测量来获得气体体积的可靠值。
4.液体密度测量将频率扫描法与多普勒换能器相结合，以获得该结果。
对于液体粘度确定存在相同的情况。由于液体粘度和其声音衰减量
是相关的，该信息于是与通过啁啾传输的声音衰减量测量相关。
现在将对本发明的实施例进行详细地介绍，在附图中示出了本发明实施例的示例。在图中，将使用相同的附图标记来标识相似的结构。应当理解的是，附图是用于描述本发明的特定实施例的目的，而并不旨在将本发明限制于此。现在转到图1A，示出了本发明的测量系统10的实施例的示意图。作为示例，将三对压电换能器12a、12b、14a、14b、16a和16b放置成与管道20的外表面18进行超声通信，或作为示例使用胶水附接至管道20的外表面18，所述管道20可以是多相流体22正流经的现有管道结构的一部分。将每对换能器12a和12b、13a和13b、以及14a和14b中的每一换能器定位在管道20的外表面18，每对换能器中的每个构件与该对换能器中相对应的第二构件完全（diametrically）相对。第四换能器24是双元件换能器，其中，一个元件用作发射器，而另一个元件用作接收器，该第四换能器24被放置在与所述三对压电换能器在管道20上基本相同的半径的位置处，与管道20的外表面18超声通信，或附接至管道20的外表面18。为了方便，换能器可附接至被插入测量管线中的绕线管（一段管道），从而有效地成为原有管线的一部分。所有的换能器附接在管道的外表面，并且以非侵入性方式进行所有的测量。
温度传感器26附接至管道20的外表面18，以用于测量接触管道壁28的流体22的温度。作为示例，可以利用换能器12a和12b使用频率啁啾激励来测量声音速度和衰减量。继续该示例，设置换能器14a和14b、以及16a和16b，使得两对是平行的且沿着管道20由选择的距离30分隔开，并且可以用于声的流动测量。选择的距离30可以在约一个外管直径与约两个外管直径之间。一对换能器中的一个也可被用于慢频率扫描测量以确定壁22中的谐振峰值，其对于流动测量是需要的。双元件换能器24可被用于超声多普勒测量来检测气体，以用于与流动测量相结合确定气体体积，并且用于液体密度测量。
用于操作上述装置的电子电路32包括三个相同的模块34、36和38以及电阻温度检测器转换器，该模块和电路是可方便地互换的，并且该电阻温度检测器转换器用于将来自温度传感器26（例如，铂电阻温度计（PRT））的信号转换为数字形式。电子电路32由数字信号处理器（DSP）42控制，该数字信号处理器（DSP）42转而由计算机44控制。
参照图1B，示出了模块34的实施例。计算机44可以是外部计算机，其通过用于通信的USB端口46来驱动DSP42。DSP42控制任意波形产生器（ARB）48，该任意波形产生器（ARB）48能够产生具有期望的数学形式的波形。对于本文中以下描述的测量，使用在100kHz与10MHz之间具有高斯型包络的频率啁啾，固定频率正弦波以及FM调制信号。ARB48具有在相位上成90°分离的两个输出。同相信号由功率放大器50放大，并且被施加至压电发射器换能器12a，而将正交（余弦波）信号引至I-Q（同相正交）解调器56。通常，换能器在一端接地。激励电压可以高达50V。然而，偶尔，接地构造可能会接收到周围的噪声。为了避免该影响，激励电压可以通过具有来自连接至RF1:1比例变压器（图1B中未示出）的功率放大器50的输出来差分地施加至换能器，在换能器12a连接至该变压器的情况下，该变压器将换能器12a电隔离，由此避免接收到乱真信号。从换能器12b接收到的信号由具有可控的增益（高达70dB）的低噪声放大器52放大，并且要么被引向高速（60M采样/s）16位模数（A/D）换能器54来用于啁啾测量，要么被引向I-Q正交解调器56来用于流动和多普勒测量。I-Q解调器56的输出提供了三个信号（两个正交信号：实信号和虚信号，以及信号包络（ENV））。使用10MHz带宽有效值（rms-to-dc）换能器电路来确定包络信号（在图1B中示出）。同样也可以根据实输出信号和虚输出信号来确定该包络信号，但是包络检测器电路对于观察在信号幅度中的快速改变是方便的。这些数据由16位1M采样/s A/D转换器58来数字化。所有数字化的数据存储在高速内存条60中，并且由可以执行在图1C中示出的互相关，快速傅里叶变换（FFT）和其它数字处理函数的DSP42来分析，采用直接数字合成器62来代替ARB48，如将下文中更详细描述的那样。
A．流体组成的测量
在两相流体中，例如，油/水混合物，声音速度和声音衰减量与流体的组成相关。声音速度通常由脉冲回波法来测量，在所述脉冲回波法中，将由附接至管道外壁的超声换能器（图1A中的源12a）生成的特定持续时间的声音脉冲发出通过液体，并且采用第二换能器（图1A中的接收器12b）在管道的相对侧上检测该声音脉冲。如果确定了脉冲的飞行时间，则可以从该时间和声音源与声音接收器之间的距离中计算出声音速度。也可以采用用作发射器和接收器这两者的单个换能器进行这样的测量，例如图1A中的双换能器24。猝发声列（其中固定频率的预定数量的周期（例如十个）被引到流体中）可以用来代替脉冲。可以进行在各种频率下（一次一个频率）的测量，但是飞行时间的确定则更加困难，因为在流动多相液体的波动声音传输环境中的脉冲的实际开始的识别是困难的。为了改进信号的质量，进一步处理原始信号是非常常见的。所处理信号的信噪比（S/N）相对于未处理信号的信噪比由如下的处理增益来给出：处理增益=频率带宽×持续时间。
在脉冲的情况下，持续时间非常短，而在单一频率猝发声列的情况下，频率带宽是极其小的。不论哪种情况，处理增益是小的，并且在测量中引入大量的噪声，由此需要对信号进行平均并需要额外的测量时间。这些技术是不适于实时测量的，虽然它们广泛地用在工业中。因管道壁或容器壁的存在而引入了额外的困难，管道壁或容器壁的存在使得这些技术难以用于非侵入性测量。脉冲将由于在壁厚度内的多次反射而在壁中鸣响，这使得飞行时间的确定变得困难。对于猝发声列测量也是相似的。由DipenN.Sinha在美国专利No.5767407中研发的扫描频率声学干涉测量（SFAI）技术通过在长的持续时间中使用宽的频率扫描测量来克服S/N比问题，该扫描频率声学干涉测量（SFAI）技术允许在静态的流体中进行精确的声音速度和声音衰减量测量。然而，该方法具有以下限制：如果在诸如多相流体（油/水/气）之类的流动系统中进行测量，则将获得整个流经管道的大体积的流体的平均值，因为正在被测量的流体的体积在更长的持续扫描测量期间（通常是数秒）已经过换能器的有效测量区域。
通过使用例如在约100kHz与约10MHz之间但具有在约10μs与约10ms之间的较短持续时间的宽带宽频率扫描（其是常见已知的如频率啁啾信号），可以获得在信噪比中的数量级改进。回到图1C，在本发明的实施例中，频率啁啾信号64由微控制器44控制的直接数字合成器（DDS）62来产生，并且施加至压电换能器（发射器）12a上，该压电换能器（发射器）12a外部地附接至充入液体的金属管道20的外表面18。第二换能器（接收器）12b附接至与第一换能器12a在直径上相对的管道20的外表面18上，并且对准来截取由发射器产生的声束。在由放大器52放大之后，接收信号由模数（A/D）转换器54数字化。接收信号66包括因为信号在管道壁的内部的相对侧之间反弹而在液体路径内的多个反射。因为使用的管道具有薄壁，所以壁28的影响是微小的。在由微控制器44控制的数字信号处理器（DSP）42中，发射信号与接收信号68互相关。第一尖峰值表示信号从换能器12a至接收器12b的飞行时间。峰值的尖锐度是由于如上文讨论的高处理增益而引起的，并且能够易于确定。互相关信号处理68是在所接收的原始信号66上的显著改进，因此改进了声音速度的测量。
时间测量（到互相关68中的第一峰值的时间）包括通过容器壁的声音传播时间（对于本测量的薄管道壁是微不足道的），并且通常被考虑在精确的流体声音速度测量的推导中。在互相关68中来自于在管道的相对壁内的多个反弹的随后的峰值可用来获得声音速度的附加测量。例如，第二峰值与第一峰值之间的时间差或任意连续的两个峰值之间的时间差是声音在流体中传播所花时间的两倍，并且不包括在管道壁中花费的任何时间。因此，为了在声音速度测量中更高精度，可以使用所有所观察到的峰值之间的时间，因为这提供了可以被平均的多个测量量。
在图2中示出了用于包括在声音速度的测量中随后的回波的另一个方法。相对峰值指标来绘制针对每个峰值的时间，其中，每个回波被编号。每个回波花费有限的时间以在内表面与外表面之间的管道壁中且通过液体来回反弹，这个时间对于所有的回波是固定的。因此，对于数据的线性最小二乘拟合提供了作为斜率的飞行时间测量量。这与确定每个连续的回波之间的平均时间是等同的，但却是更简单的方式。在该情况下，路径长度是2cm，并且对应于通过管道的往返时间的斜率是26.866（拟合的相关系数=1.0）。这给出了对于水的1487.7m/s的声音速度，这与文献中给出的值相比效果更好。
上述讨论示出了如何使用频率啁啾法非侵入性且快速地进行声音速度的精确测量。整个测量在小于200μs内执行。对于快速流经管道的液体，可易于在高精度的情况下快于50μs地进行测量。该测量时间在实践中可以减小到10μs，而不显著影响测量精度，该测量时间对于通常的石油在从井下储油层抽出期间流经管道而言是足够迅速的，任何小体积的液体在换能器之间的活动区内已经移动小于1mm，并且可以获得声音速度的瞬时测量。
用于确定声音速度的另一方法是将所接收到的信号（或互相关信号）快速傅里叶变换至频域70。该频谱示出了在频率中的相等间隔的峰值（△f），其直接与声音的速度有关：声音速度=2×液体路径长度×△f。所观察到的频谱反映了所使用的换能器的带宽，并且示出了在中心的两侧上的幅度下降。因为将峰值间隔而非幅度用在声音速度的确定中，该影响并不会改变针对声音速度所获得的值。从图1C中测量到的△f的值是37.45kHz，其导致对于水的1486m/s的声音速度。在2cm直径、充入水的且壁厚1mm的钢管中进行这些测量以说明该测量。
该频谱法不提供新的信息，但是常常比从时间绘图或相关绘图获得的数据容易处理得多。在频谱的情况下，许多峰值可用于确定频率间隔且可以获得良好的平均值。为了使用频谱法，在原始记录的所接收的换能器信号中必须存在回波。当驻波（谐振）形成在由容器的相对壁形成的流体容器腔内时生成这样的回波。在由Dipen N.Sinha等在2011年9月6日提交的专利申请号的“Method For Noninvasive Determination Of AcousticProperties Of Fluids Inside Pipes”（代理人案号No.LANS.24USU1;S-121,335）中可以找到关于数据分析的额外信息，为了该专利申请公开和教导的一切，其全部内容通过参考并入本文中。
还可以通过测量在整个频率范围上的每个峰值的峰值宽度△f从频谱中确定液体中的声音衰减量。这允许确定在流体中取决于频率的声音衰减量，这有助于液体成分的确定。替代的方案是通过观察峰值幅度衰减量来从互相关中确定液体衰减量。图3示出了作为峰值指标的函数的峰值幅度（实心圆）。实线是对实验数据的指数拟合。因为路径长度是已知的，可以从用于拟合的指数中确定声音衰减量。
对于具有厚壁的管道或容器，在壁的厚度中的多次反射或鸣响使得飞行时间的测量更困难，并且传统的方法不提供精确的测量。鸣响可以视作壁的厚度模式谐振。图4示出了在具有1/4英寸壁厚的3英寸直径（ID）的钢管中通过按60-40比的油和水的混合物的典型的啁啾测量。用来获得该跟踪的装置与图1C中示出的装置相似。施加至发射换能器的发射啁啾信号的频率范围以100μs的持续时间处于约1与约4MHz之间，为清楚起见，该发射啁啾信号的频率范围如沿着纵轴转化的那样示出，另外，它环绕零轴对称。啁啾信号的中部的幅度的略微下降是由于换能器阻抗加载而引起的。因为在管道内部穿过流体的传播时间，所接收的信号示出了约53μs的延迟。所接收的信号示出了强的幅度调制，这是由于管道壁的声音传输特性所引起的。
图5在此示出了作为图4中示出的啁啾信号的频率的函数的所测量的壁的声音传输。因为每个壁的厚度模式谐振依次通过频率啁啾信号计时匹配，发射信号到达最大值，随后减小，从而产生所观察的调制图形。每当进行通过厚壁的非侵入性测量时，就存在这样的影响。为了确定飞行时间，可以利用上文描述的互相关法。如可以从图6中观察到的，接收信号和发射信号的互相关显著地提高了信噪比。从由箭头表示的第一峰值获得飞行时间。虽然在此从图5中，回波是仅仅可勉强辨别的，但是互相关信号处理提取了回波。因此，使用互相关的精确的声音速度和声音衰减量的确定可用于厚壁。
对于诸如油-水和少量气之类的2相系统，声音速度和声音衰减量可以用于流体组成确定。声音衰减量对于具有少量水存在的高含水量的情况是特别有价值的。图7示出了关于声音速度与用于水和矿物油的混合物的含油量之间的关系的数据。根据下式，混合物的声音速度与油的体积分数Φ有关：
速度混合物=Φ·速度油+（1-Φ）·速度水
该关系式提供了如图7中所示的实际测量的良好表示。因为声音速度和液体密度两者都受温度的影响，所以实际依存度取决于温度。典型地，在100%的油和100%采出水这两者的样品中测量声音速度和声音衰减量的温度依存度提供了用于精确组成的确定的适当校准（3%的精度），并且对于高含水量测量，该精度可以实际上等于0.1%，因为在高含水量的情况下，声音传输是强的，并且容易检测到多个回波，这允许更加精确地确定声音速度和声音衰减量。当在液体中存在气体时，这种方法对于确定流体组成是有价值的，虽然存在气体的量应当不够大，以致于没有声音传输通过流体；例如，如果管道完全充入气体且没有液体存在。
图8示出了在3.7英寸管道中的水中进行测量期间的气体流动的影响。图8的底部示出了仅仅有水而没有气体流动的情况下的数据。可以容易观察到在互相关绘图中的测量中的多个回波，在该互相关绘图中，y轴是相关幅度的包络。示出的数据表示10个测量量的平均。图8的上部示出了在氮气以650cc/min的速率流经2英寸直径的钢管的情况下的测量。也可以在具有90%的水和10%的原油的油/水组成的3英寸直径管道中重复这些测量，具有相似的结果。由于声音被气泡散射，所以主要的影响是减小的信号幅度以及较少的回波数量。然而，如可以从图8中垂直的虚线所观察的，飞行时间保持不变。因此，声音速度和由此的流体组成可以如上文描述的那样来确定。在产油井中的典型的油/水流动中，除非该井是重气体生产井，流动处于泡沫流态，其中，小的气泡正流过该井。这些井通常使用静态混合器以打碎气体中的大气泡或大体积。在典型的声测量期间，发射器/接收器换能器的对之间的路径不总是完全被气泡阻塞，因为这些气泡正流过所述井，并且因此，如果对测量值进行平均，则结果并未显示出因为气体的存在而带来的有害影响，所存在的气体按体积计在约40%体积的一定体积分数以下。如果气体体积是适中的，则飞行时间在流体组成变化时而变化，而并不是因为气体的存在而变化。如果迅速顺序地施加多个啁啾并且对所接收的信号进行平均，则将提高测量质量。上文描述的装置允许对这样速射（rapid fire）信号进行平均。例如，来自10个啁啾的数据可以在DSP中在小于2ms内被平均。以下将讨论气体体积的确定。
B.液体密度的确定
图6中的相关信号的包络在此显得不对称，带有较长的尾部和较快的上升时间。这是由于如上文讨论的壁内的多个反射所引起的。衰减形状包含关于声音传输通过固-液界面并因此在壁与容器（管道）内的液体之间的声阻抗失配的信息。因为容器材料是已知的，且液体的声音速度可以根据互相关来确定，唯一未知的是液体密度。随着界面处的每次反射，观察到发射信号在幅度上减小；相关信号的衰减的包络因此提供了关于液体密度的信息，这是时域密度确定。
用于监控液体密度的更容易的方案是在频域中分析。当管道内的流体不允许任何或多个声音传输时（这出现在高含油量和大直径管道），该方法是有利的。该方法利用液体与管道壁的直接接触，并且不要求声音传输至管道的相对侧。可以在管道的一侧使用双元件换能器或单个换能器。在双元件换能器的情况下，一个元件用作发射器，而另一个元件用作接收器。典型地，标准多普勒换能器对于该目的工作良好，其中，所采用的电子电路在图1C中示出。另一方法是测量单个换能器的电阻抗。在任意一种情况下，监控壁谐振峰中的一个的幅度（参见图5）。该测量由频率扫描（频率调制）来进行，其中，频率在包围谐振峰的小的频率范围上变化。记录响应的包络。通过壁的声音泄露到液体中，泄露量取决于壁材料与液体之间的声阻抗（Z=密度×声音速度）失配。这将影响在壁厚度内产生的驻波，因为在一个方向上行进的波仅部分地与反射的波干涉，所反射的波转而影响谐振峰的幅度。在空气或气体出现在管道中的情况下，大部分信号被俘获在壁中，且谐振峰具有最大的幅度。然而，因为液体声阻抗增加且接近壁材料的阻抗，谐振峰的幅度根据界面的反射系数（R）而减小，并由下式给出：
R = [ Z 2 - Z 1 Z 2 - Z 1 ] 2
其中Z2是流体的阻抗，且Z1是壁材料的阻抗。
图9示出了在具有5mm壁厚且包含密度分别为0.79、1.00和0.87g/cm3的丙酮、水和10W-40机油的铝管中，进行关于壁谐振峰的幅度的流体密度影响的测量。由于声音速度由上文描述的方法独立确定，所以可以根据谐振的峰值高度来确定液体密度。将谐振曲线与洛伦兹曲线拟合来平滑数据，并且可以获得更精确的密度测量量。可以以小于0.1g/cm3的精度实时地在流动的液体中进行液体密度测量。
C.液体粘度的确定
如针对10W-40机油可以观察到的，因为在液体的粘度很高时，图9的谐振曲线中的波动显著减弱，所以液体的粘度也可以根据这些测量量来确定。甘油（图9中未示出）甚至可更多地平滑数据。这样的波动出现是因为总是存在管道中的换能器/管道界面处产生的一些导波，并且这些波在管道周围环绕地传播且干涉以产生驻波图形，该驻波图形被检测为且显现为波纹。液体的粘度使这样的波纹减弱，并且当粘度增加时观察到更平滑的曲线。
D.液体流速的确定
流动测量依赖以下事实：对于诸如气泡或漩涡、液体中的小密度波动、以及其它形成在管道内的流动流体中的局部不均匀之类的任何干扰，维持它们对于至少一个管道直径的相关性。因此，如果在管道中沿着流动的方向的两个不同的位置处测量到局部干扰，则在这两者之间的相关性应当是可观察的。假定干扰在本质上置入流体中并与流体一起行进，当两个测量位置之间的距离是已知的且测量到所述干扰行进到该距离所花费的时间时，可以获得流体流速的精确测量。在包括具有分开的距离L30且如图10所示的布置在管道20上的两对换能器14a和14b以及16a和16b的装置中声学地监控该干扰，该装置是图1A中示出的系统的一部分。两个发射器换能器均由固定频率的声音来激励。如在插图72中所示，可以选择对应于管道壁的一个谐振模式的频率，其中声音传输处于最大值。
将来自两个通道的接收信号供应给电子封装（图1A），在所述电子封装中，确定声音传输的包络。插图74示出了典型的测量，其中相同的干扰由两个通道来检测，但在时间上偏移。信号可以是嘈杂的，带有嵌入噪声中的相干特征。可以使用数据的互相关来确定时间延迟，该数据的互相关可以由电子封装中的DSP42（图1A）实时执行。
图11A示出了图10的展开的插图74，从而示出了典型的测量，其中相同的干扰由两个通道来检测但在时间上偏移；而图11B示出了两个通道的互相关，该互相关示出了对应于延迟时间τ的峰值，根据该延迟时间τ，移动速度可被计算为L/τ。
图12示出了在原油/水混合物通过3英寸的直径管道中的测量量，该测量量很好地与使用商业的科里奥利流动测量设备取得的数据相吻合。本流动测量装置不要求校准，并且测量并不取决于正在被测量的流体的类型；作为示例，油，水或其混合物。另外，气泡的存在不影响本测量装置，而它可能会影响科里奥利流量计设备，也不必使流体如对于科里奥利计量所需的那样进行转移。
E：气体浓度的确定
多普勒测量允许伴随流体流经管道的气体量的确定。气体可以是气泡的形式。当驱动多相流体通过静态混合器时尤其如此，所述静态混合器将大体积的气体打碎为较小的体积，除非具有大气体爆炸。移动通过流动液体的气泡以由气泡尺寸和寄主流体的属性来确定的频率进行振荡。图13A示出了单个气泡的振荡和振荡的快速傅里叶变换（FFT），而图13B示出了多个气泡的振荡和振荡的快速傅里叶变换。在水中，气泡半径R与频率fo有关，如foR=3，其中频率fo单位是kHz，且R的单位是mm。当存在许多个气泡时，测量在FFT的曲线以下的区域以确定气体体积。
使用在图1A中示出的双换能器24通过超声多普勒测量获得该信号是直截了当的。在这种情况下，超声的固定频率由具有在气体上的特定的波束分散和轰击的发射器换能器来产生。散射后的声束是多普勒频移且由接收器检测。电子设备模块解调该信号且提取多普勒频移信号。因为大体积散射更多的声音，该多普勒信号的强度是气体体积的测量量，而频移信号包含关于气体移动的速度及其振荡的信息。使用时间频率结合分析来获得所需的信息。
如对于诸如频率啁啾测量和流动测量之类的其它超声测量所观察到的那样，大量的气体可能阻塞声音传输通过管道。当不存在声音传输时，通过测量时间段，能够推导出关于已经通过管道的气体量的信息。对于小数量的气体，可以使用多普勒测量。在由Dipen N.Sinha等在2011年9月6日提交的专利申请号为的“Apparatus and Method For Noninvasive ParticleDetection Using Doppler Spectroscopy”（代理人案号No.LANS.22USU1;S-121,245）中可以找到关于用于这样的分析的装置和方法的额外信息，为了该专利申请公开和教导的一切，其全部内容通过参考并入本文中。
在本发明的实施例中，所使用的换能器包括能够承受连续的高达300℉的温度而不会退化的压电换能器（PZT）。该换能器是矩形形状，但是沿着它们的长轴是曲线的以匹配管道的弯曲，并且可以包括具有环绕电极的裸露晶体，其中可以在晶体的相同一侧进行电连接，留下不受妨碍的表面以附接至管道壁。换能器的中心频率根据预定的应用而选择为在约3至约7MHz之间。对于高含水量的应用，由于声音衰减量并不高，所以可使用较高的频率，而较低的频率换能器更好地适用于高含油量的应用或者适用于信号在高频率下可能会衰减的情况。可以通过采用加载环氧的钨涂覆背面来将换能器制成宽频带，并且以几乎任意的换能器对均可以用于诸如慢扫描、快速啁啾或固定频率操作以及可能的各种组合的任意类型的测量的方式来设计电子设备。花费数秒来完成的慢扫描测量用于高质量的测量，并且用来精确确定管道壁厚度模式谐振，其有助于流动测量并且也有助于多普勒测量以确定最大声音传输。通过使用谐振传输，发射器信号并不必须很高。
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 (34)

1.一种用于非侵入性测量多相流体的多个独立的物理参数的系统，所述多相流体包括在具有壁、外表面以及轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述系统包括：
第一发射换能器，其与所述管道的所述外表面超声通信；
第一波形产生器，其产生用于驱动所述第一发射换能器的频率啁啾信号；
与所述管道的外表面超声通信的第一接收换能器，其与所述第一发射换能器完全相对，以用于在所述啁啾信号经过所述多相流体之后接收来自所述第一发射换能器的所述频率啁啾信号并用于产生响应所述频率啁啾信号的第一电信号；
用于接收来自所述第一接收换能器的所述第一电信号以及由所述波形产生器产生的所述频率啁啾信号并用于由此产生声音的速度和声音衰减量信息的模块，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定所述多相流体的至少一个成分的组成；
第二发射换能器，其与所述管道的外表面超声通信；
与所述管道的外表面超声通信的第三发射换能器，其设置在沿着所述管道的轴距所述第二发射换能器的已知距离处；
第二波形产生器，其用于产生第一固定频率信号来驱动所述第二发射换能器和所述第三发射换能器；
与所述管道的外表面超声通信的第二接收换能器，其与所述第二发射换能器完全相对，以用于在所述第一固定频率信号经过所述多相流体之后接收来自所述第二发射换能器的所述第一固定频率信号，并且用于产生响应所述第一固定频率信号的第二电信号；
与所述管道的外表面超声通信的第三接收换能器，其与所述第三发射换能器完全相对，以用于在所述固定频率信号经过所述多相流体之后接收来自所述第三发射换能器的所述第一固定频率信号，并且用于产生响应所述第一固定频率信号的第三电信号；
用于接收所述第二电信号和所述第三电信号的模块，由此，在所述流体中影响所述第二电信号的干扰将在一段时间以后影响所述第三电信号，根据所述干扰来计算所述多相流体的流速；
第四发射换能器，其与所述管道的外表面超声通信；
第三波形产生器，其用于产生第二固定频率信号来驱动所述第二发射换能器；
与所述管道的外表面超声通信的第四接收换能器，其设置在所述第四发射换能器的附近的沿着所述管道的轴的与所述第四发射换能器相同的位置处，以用于接收源自所述气泡的反射的多普勒频移第二固定频率信号，并且用于产生响应所述多普勒频移第二固定频率信号的第四电信号；以及
用于接收所述第四电信号和来自所述第三波形产生器的所述第二固定频率信号且用于确定所述多普勒频移第二固定频率信号的信号强度的模块，根据所述信号强度来确定所述气泡的体积。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：温度传感器，用于确定所述多相流体的温度以校正所测量的声音的速度。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一发射换能器、所述第一接收换能器、所述第二发射换能器、所述第二接收换能器、所述第三发射换能器、所述第三接收换能器、所述第四发射换能器以及所述第四接收换能器包括压电换能器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第四发射换能器和所述第四接收换能器包括双元件换能器。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括用于确定所述多相流体对所述管道的壁的厚度模式谐振的影响的模块，由此确定所述多相流体的密度。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括用于确定源自所述气泡的反射的所接收的多普勒频移第二固定频率信号的频移的模块，由此确定所述多相流体的流速。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，用于接收来自所述第一接收换能器的所述第一电信号以及由所述波形产生器产生的频率啁啾的模块对其执行互相关和快速傅里叶变换。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多相流体的至少一个成分包括液态烃或油、和水，并且所述气泡包括至少一种烃。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述频率啁啾信号包括在约100kHz与约10MHz之间的频率。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述频率啁啾信号具有在约10μs与10ms之间的持续时间。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述干扰包括在所述多相流体中的局部不均匀。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述局部不均匀包括在所述多相流体中的密度波动和气泡。
13.一种用于非侵入性测量多相流体的多个独立的物理参数的方法，所述多相流体包括在具有壁、外表面和轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述方法包括：
产生频率啁啾信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第一发射换能器；
在所述啁啾信号经过所述多相流体之后，在第一接收换能器上接收所产生的频率啁啾信号，并且产生响应所述频率啁啾信号的第一电信号，与所述管道的外表面超声通信的所述第一接收换能器与所述第一发射换能器完全相对；
接收所述第一电信号和所产生的频率啁啾信号，并且由此产生声音的速度和声音衰减量信息，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定所述多相流体的至少一个成分的组成；
产生第一固定频率信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第二发射换能器以及与所述管道的外表面超声通信的第三发射换能器，所述第三发射换能器设置在沿着所述管道的轴距所述第二发射换能器的已知距离处；
在所述第一固定频率信号经过所述多相流体之后，在第二接收换能器上接收所述第一固定频率信号，并且产生响应第一固定频率信号的第二电信号；与所述管道的外表面超声通信的所述第二接收换能器与第二发射换能器完全相对；
在所述第一固定频率信号经过所述多相流体之后，在第三接收换能器上接收所述第一固定频率，并且产生响应所述第一固定频率的第三电信号，与所述管道的外表面超声通信的所述第三接收换能器与所述第三发射换能器完全相对；
接收所述第二电信号和所述第三电信号，并且根据在流体中影响所述第二电信号并在一段时间以后影响第三电信号的干扰来计算所述多相流体的流速；
产生第二固定频率信号，以用于驱动与所述管道的外表面超声通信的第四发射换能器；
在第四接收换能器上接收源自所述气泡的反射的多普勒频移第二固定频率信号，并且用于产生响应所述多普勒频移第二固定频率信号的第四电信号，与所述管道的外表面超声通信的所述第四接收换能器设置在所述第四发射换能器的附近的沿着所述管道的轴的与所述第四发射换能器相同的位置处；以及
接收所述第四电信号和所述第二固定频率信号，并且确定所述多普勒频移第二固定频率信号的信号强度，根据所述信号强度来确定所述气泡的体积。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括的步骤为：确定所述多相流体的温度；并且校正所测量的声音的速度。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一发射换能器、所述第一接收换能器、所述第二发射换能器、所述第二接收换能器、所述第三发射换能器、所述第三接收换能器、所述第四发射换能器以及所述第四接收换能器包括压电换能器。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第四发射换能器和所述第四接收换能器包括双元件换能器。
17.根据权利要求13所述的方法，还包括的步骤为：确定所述多相流体对所述管道的壁的厚度模式谐振的影响，并且由此确定所述多相流体的密度。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括的步骤为：确定源自所述气泡的反射的所接收的多普勒频移第二固定频率信号的频移；并且由此确定所述多相流体的流速。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述接收来自所述第一接收换能器的所述第一电信号以及所述频率啁啾信号的步骤包括对其进行互相关和快速傅里叶变换。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多相流体的至少一个成分包括液态烃或油、和水，并且所述气泡包括至少一种烃。
21.根据权利要求13所述的方法，其中，所述频率啁啾信号包括在约100kHz与约10MHz之间的频率。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述频率啁啾信号具有在约10μs与10ms之间的持续时间。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，所述干扰包括在所述多相流体中的局部不均匀。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述局部不均匀包括在所述多相流体中的密度波动和气泡。
25.一种用于非侵入性测量多相流体的多个独立的物理参数的方法，所述多相流体包括在具有壁、外表面和轴的管道中流动的至少一个液体成分和气泡，所述方法包括：
在所述多相流体中产生超声频率啁啾信号；
在啁啾信号经过所述多相流体之后，接收所产生的频率啁啾信号，并且产生响应所述频率啁啾信号的第一电信号；
接收所述第一电信号和所产生的频率啁啾信号，并且由此产生声音的速度和声音衰减量信息，根据所述声音的速度和声音衰减量信息来确定所述多相流体的至少一个成分的组成；
在所述多相流体中产生第一固定超声频率信号和第二固定超声频率信号，所述第二固定超声频率信号设置在沿着所述管道的轴距所述第一固定超声频率信号的已知距离处；
在所述第一固定频率信号经过所述多相流体之后，接收所述第一固定频率信号，并且产生响应所述第一固定频率信号的第二电信号；
在所述第二固定频率信号经过所述多相流体之后，接收所述第二固定频率信号，并且产生响应所述第二固定频率信号的第三电信号；
接收所述第二电信号和所述第三电信号，并且根据在流体中影响所述第二固定频率电信号并在一段时间以后影响所述第三电信号的干扰来计算所述多相流体的流速；
在所述多相流体中产生第三固定超声频率信号；
接收源自所述气泡的反射的多普勒频移第三固定频率信号，并产生响应所述多普勒频移第三固定频率信号的第四电信号；以及
接收所述第四电信号和所述第三固定频率信号，并且确定所述多普勒频移第二固定频率信号的信号强度，根据所述信号强度来确定所述气泡的体积。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：确定所述多相流体的温度；并且校正所测量的声音的速度。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：确定所述多相流体对所述管道的壁的厚度模式谐振的影响，并且由此确定所述多相流体的密度。
28.根据权利要求25所述的方法，还包括以下步骤：确定源自所述气泡的反射的所接收的多普勒频移第二固定频率信号的频移；并且由此确定所述多相流体的流速。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述接收来自所述第一接收换能器的所述第一电信号以及所述频率啁啾信号的步骤包括对其执行互相关和快速傅里叶变换。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述多相流体的至少一个成分包括液态烃或油、和水，并且所述气泡包括至少一种烃。
31.根据权利要求25所述的方法，其中，所述频率啁啾信号包括在约100kHz与约10MHz之间的频率。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述频率啁啾信号具有在约10μs与10ms之间的持续时间。
33.根据权利要求25所述的方法，其中，所述干扰包括在所述多相流体中的局部不均匀。
34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述局部不均匀包括在所述多相流体中的密度波动和气泡。
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