ES2612703T3 - Caracterización no invasiva de un fluido multifase que fluye usando interferometría ultrasónica - Google Patents

Caracterización no invasiva de un fluido multifase que fluye usando interferometría ultrasónica Download PDF

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ES2612703T3 ES03737038.4T ES03737038T ES2612703T3 ES 2612703 T3 ES2612703 T3 ES 2612703T3 ES 03737038 T ES03737038 T ES 03737038T ES 2612703 T3 ES2612703 T3 ES 2612703T3
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Abstract

Un método para monitorizar la composición de un fluido (14) que fluye a través de un recipiente (12) a un caudal que comprende las etapas de: a) aplicar una señal acústica periódica continua en el exterior del recipiente de tal manera que la señal acústica se transfiere al fluido que fluye, generando de este modo unas características de resonancia de vibración; b) detectar las características de vibración generadas en el líquido que fluye; c) barrer la señal acústica periódica continua a través de un intervalo de frecuencias elegido que incluye una parte de una característica de resonancia de vibración; d) medir la fase de la característica de resonancia de vibración en relación con la de la señal acústica periódica continua que genera de este modo una diferencia de fase; e) determinar el caudal del fluido; y f) corregir la diferencia de fase para el caudal del fluido, por lo que se identifican los cambios en la composición del fluido.

Description

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DESCRIPCION
Caracterizacion no invasiva de un fluido multifase que fluye usando interferometna ultrasonica Declaracion sobre los derechos federales
Esta invencion se ha realizado con el apoyo del gobierno bajo el contrato N.° W-7405-ENG-36 otorgado por el Departamento de energfa de los Estados Unidos a los regentes de la Universidad de California. El gobierno tiene ciertos derechos en la invencion.
Campo de la invencion
La presente invencion se refiere, en general, a la determinacion interferometrica acustica de barrido de frecuencia (SFAI) de la velocidad del sonido y la absorcion en fluidos y, mas espedficamente, al uso de SFAI para determinar de manera no invasiva la velocidad de flujo y la composicion de los fluidos que fluyen.
Antecedentes de la invencion
La interferometna acustica de barrido de frecuencia (SFAI) [1] es una adaptacion de las tecnicas de interferometna ultrasonica desarrolladas hace varias decadas para determinar la velocidad del sonido y la absorcion en lfquidos y gases. En la tecnica original, y tambien en las modificaciones mas recientes de la tecnica [2], los transductores (sensores) se colocan en contacto directo con el fluido que se esta ensayando. Esto restringio el uso de esta tecnica a la caracterizacion altamente especializada de laboratorio de los fluidos. Por el contrario, la tecnica SFAI amplfa las capacidades de la tecnica de interferometna ultrasonica de manera significativa y permite la determinacion no invasiva de la velocidad y la atenuacion del sonido en un fluido (lfquido, gas, mezclas, emulsiones, etc.) dentro de recipientes sellados (tubenas, tanques, reactores qmmicos, etc.) en un amplio intervalo de frecuencias. Ademas, si se conocen las propiedades del material del recipiente (densidad y velocidad del sonido), puede determinarse la densidad del lfquido usando la tecnica SFAI. Tambien se ha mostrado que es posible identificar de manera unica diversos compuestos qmmicos y sus precursores mas significativos basandose en los parametros ffsicos del sonido: velocidad, atenuacion, dependencia de la frecuencia de la atenuacion del sonido y densidad [3].
Las compares petroleras han mostrado recientemente interes en tecnicas no invasivas para caracterizar el flujo de petroleo en las tubenas de los campos de petroleo.
La patente de Estados Unidos N.° 5.606.130 [4] indica que se anticipa que las mediciones SFAI descritas en la misma pueden realizarse en muestras que fluyen en tubenas. Sin embargo, no se hace mencion en la misma de como realizar tales mediciones.
La patente de Estados Unidos N.° 5.359.541 (Noah y col.) desvela que pueden determinarse la gravedad espedfica del soluto y la concentracion (despues de la calibracion) transformando el espectro de resonancia de un recipiente lleno de fluido al dominio del tiempo mediante una FFT y observando la localizacion del pico en los datos transformados. Noah y col. no ensenan un metodo adecuado para su uso con un sistema que fluye.
La patente de Estados Unidos N.° 5.062.296 (Migliori) ensena como puede obtenerse el espectro de resonancia de un objeto solido y como puede usarse este espectro como una firma unica de un objeto de tal manera que una comparacion con un espectro de referencia puede indicar si un objeto espectro similar tiene cualquier tipo de variacion o defectos en el mismo. Esta patente, de manera similar, tampoco ensena a determinar los valores absolutos de las propiedades del lfquido, tal flujo de lfquido o la composicion del lfquido.
La patente de Estados Unidos N.° 5.606.130 (Sinha y col.) muestra que las caracterfsticas de resonancia de un recipiente lleno de gasolina tienen caractensticas de agrupamiento distintas para la gasolina con diferente mdice de octanaje. Esta propiedad de agrupamiento de los picos de resonancia se ha usado como una medida del mdice de octanaje de la gasolina. Las mediciones presentadas son para muestras estaticas y no para lfquidos que fluyen, como se muestra en la figura 1.
La patente de Estados Unidos N.° 5.886.262 (Sinha) muestra como puede usarse un solo transductor para medir las condiciones de resonancia de un fluido dentro de un recipiente, pero no ensena la medicion de un lfquido que fluye.
La patente europea N.° 1109016 desvela un monitor de propiedad de fluido que incluye un conjunto transductor para impartir energfa de multiples frecuencias a un conducto en uno o mas modos y para recibir energfa de frecuencia resonante desde el conducto.
En consecuencia, es un objeto de la presente invencion proporcionar un aparato y un metodo para determinar la composicion de los fluidos que fluyen.
Otro objeto de la invencion es proporcionar un aparato y un metodo para determinar el caudal de un fluido.
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Otros objetos, ventajas y caractensticas novedosas de la invencion se exponen en parte en la descripcion siguiente y en parte se haran evidentes para los expertos en la materia tras el examen de lo siguiente o pueden aprenderse mediante la practica de la invencion. Los objetos y ventajas de la invencion pueden realizarse y alcanzarse por medio de los instrumentos y las combinaciones espedficamente senalados en las reivindicaciones adjuntas.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona, de acuerdo con sus objetos y fines, el metodo para monitorizar la composicion de un fluido que fluye a traves de un recipiente a un caudal que comprende las etapas de: aplicar una senal acustica periodica continua al exterior del recipiente de tal manera que la senal acustica se transfiere al fluido que fluye, generando de este modo unas caractensticas de resonancia de vibracion; detectar las caractensticas de vibracion generadas en el lfquido que fluye; barrer la senal acustica periodica continua a traves de un intervalo de frecuencias elegido que incluye una parte de una caractenstica de resonancia de vibracion; medir la fase de la caractenstica de resonancia de vibracion en relacion con la de la senal acustica periodica continua que genera de este modo una diferencia de fase; determinar el caudal del fluido; y corregir la fase de la diferencia del caudal del fluido, por la que se identifican los cambios en la composicion del fluido.
La presente invencion proporciona tambien un aparato para monitorizar la composicion de un fluido que fluye a traves de un recipiente de acuerdo con la reivindicacion 2.
Los beneficios y ventajas de la presente invencion incluyen la medicion no invasiva del caudal y los cambios en la composicion de un fluido que fluye.
Breve descripcion de los dibujos
Los dibujos adjuntos, que se incorporan y forman parte de la memoria descriptiva, ilustran una realizacion de la presente invencion y, junto con la descripcion, sirven para explicar los principios de la invencion. En los dibujos:
La figura 1a es una representacion esquematica de una realizacion del aparato de la presente invencion que muestra un transductor de elemento doble localizado en un lado de la tubena o tubo a traves del que fluye el lfquido; la figura 1b muestra una segunda realizacion del aparato de la presente invencion que muestra el transductor de transmision en un lado de la tubena o tubo y el transductor de recepcion en el otro lado del mismo, y la figura 1c muestra una tercera realizacion de la presente invencion, en la que se usa un unico transductor piezoelectrico para generar tanto una senal oscilatoria en la muestra como para responder a las resonancias producidas por la misma.
La figura 2 muestra un ejemplo de un circuito electronico adecuado para observar la respuesta de resonancia del fluido que fluye a traves del tubo o tubena como una funcion de la frecuencia; un aparato similar sena adecuado para observar los cambios en la fase del fluido a partir de los de la senal de ultrasonido inicial impresa sobre el tubo o tubena por el transductor de transmision como una funcion de los cambios en la composicion del fluido o en el caudal.
La figura 3 es un espectro de resonancia compuesto para una medicion no invasiva que usa un aparato de barrido de frecuencia y un metodo de la presente invencion, e ilustra que los picos de lfquido pueden estudiarse independientemente de las resonancias inducidas en la pared del recipiente si se selecciona una region de frecuencia apropiada.
La figura 4 es una grafica de las propiedades ffsicas de varios lfquidos medidos en un recipiente estatico.
La figura 5 muestra unas mediciones de interferometna acustica de barrido de frecuencia realizadas bajo condiciones de flujo, que muestran que la velocidad del sonido que esta relacionada con la separacion entre los picos de resonancia consecutiva no cambia como resultado del flujo, ni tampoco la atenuacion de sonido que esta relacionada con la anchura de los picos de resonancia.
La figura 6 muestra unas mediciones de interferometna acustica de barrido de frecuencia realizadas en un lfquido que contiene burbujas; de nuevo, la separacion entre los picos no cambia.
La figura 7 es una grafica de la magnitud de fase diferencial medida como una funcion del flujo de masa para el agua.
La figura 8 muestra los patrones de resonancia para el agua y el petroleo como una funcion de la frecuencia e ilustra que a una frecuencia apropiada las caractensticas de los picos de resonancia son sensibles a las propiedades acusticas del lfquido.
Descripcion detallada
En resumen, la presente invencion incluye un aparato y un metodo para monitorizar de manera no invasiva el flujo y/o la composicion de un fluido que fluye usando ultrasonidos. En lo que sigue, el fluido se definira como un lfquido, que incluye lfquidos con mas de un constituyente, lfquidos con algunas partfculas y los que contienen burbujas de gas. Como se describira en detalle a continuacion en el presente documento, se encontro que la posicion de los picos de resonancia para un fluido excitado por una senal ultrasonica de barrido de frecuencia cambia la frecuencia, tanto en respuesta a un cambio en la composicion como en respuesta a un cambio en la velocidad de flujo. Ademas, la diferencia de frecuencia entre picos de resonancia sucesivos no cambia como una funcion del flujo, sino que mas
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bien en respuesta a un cambio en la composicion. De este modo, una medicion de ambos parametros (posicion de resonancia y separacion de resonancia), una vez calibrada, permite la determinacion simultanea del caudal y la composicion usando el aparato y el metodo de la presente invencion. Los parametros adicionales utiles para determinar la composicion de fluido incluyen la anchura total a la mitad del maximo de una caractenstica de resonancia, la relacion de amplitud y la impedancia acustica del lfquido. Ninguno de estos parametros cambio significativamente como una funcion del caudal. El aparato se ensayo usando soluciones de decano, dodecano, agua y salmuera para determinar si estas composiciones se distinguen facilmente usando la tecnica de interferometna acustica de barrido de frecuencia (SFAl) que se ha descrito en detalle para los fluidos estaticos en la patente de Estados Unidos N.° 5.767.407 [1] y en la patente de Estados Unidos N.° 5.886.262 [5], las ensenanzas de ambas referencias se incorporan como referencia en el presente documento.
A continuacion se hara referencia en detalle a las presentes realizaciones preferidas de la invencion, ejemplos de las mismas se ilustran en los dibujos adjuntos. Las estructuras similares o identicas se etiquetan usando identicas leyendas. Volviendo ahora a la figura 1a, se muestra una representacion esquematica de una realizacion del aparato de la presente invencion que ilustra un transductor de dos elementos o dos transductores de un elemento 10a y 10b localizados en un lado de la tubena o tubo 12 a traves de los cuales el fluido, 14, fluye y la electronica, 16, proporciona la frecuencia de accionamiento de acustica fija o variable, 18, y recibe la senal de resonancia, 20, generada en el fluido 14. La figura 1b muestra una segunda realizacion del aparato de la presente invencion que muestra el transductor de transmision 10a alimentado por el generador de barrido de onda sinusoidal 20, en un lado de la tubena o tubo 12 y el transductor de recepcion 10b en conexion electrica con la electronica de recepcion y analisis 22, en el otro lado del mismo. Ejemplos de la circuitena y los principios de funcionamiento se encuentran en la descripcion para la patente '232, supra. Para la excitacion de una sola frecuencia de las resonancias dentro del fluido 14, puede monitorizarse el cambio en la fase por el aparato. Como se demostrara mas adelante en el presente documento, el tubo o tubena 12 puede fabricarse a partir de metales, plasticos o vidrio. La figura 1c muestra una tercera realizacion de la presente invencion, en la que se usa un unico transductor piezoelectrico, 24, para generar tanto una senal oscilatoria en la muestra como para responder a las resonancias producidas por la misma. Como se describe tambien en la descripcion de la patente '262, supra, la conexion de puente 26 se emplea para derivar una senal diferencial e incluye un brazo que contiene el transductor 24, un brazo de equilibrado que contiene un circuito coincidente o equivalente para el transductor, y un generador de barrido de onda sinusoidal. Cuando el transductor no esta unido a la tubena, la salida es cero; sin embargo, cuando se une a la tubena, una impedancia de tubena cambiante debida a las ondas estacionarias generadas en la misma genera una senal de un brazo en relacion con la del otro brazo y la salida es la diferencia entre estos valores.
Para la medicion del caudal, es necesario corregir los cambios en la composicion del fluido, o al menos tener el conocimiento de que la composicion no esta cambiando. Existen numerosos dispositivos de monitorizacion de composicion disponibles comercialmente que incluyen dispositivos en lmea en tiempo real tales como espectrometros de infrarrojos y espectrometros uv/vis, como ejemplos, y dispositivos de muestreo tales como cromatografos de lfquidos y espectrometros de masas como ejemplos. Uno podna tomar una muestra para su analisis usando una jeringa introducida a traves de un tabique para su analisis fuera de las instalaciones. Otro procedimiento sena detener el flujo y utilizar el procedimiento SFAI detallado en la Referencia 1. Debido al numero y la variedad de estos metodos, las figuras 1a-1c no muestran ningun dispositivo para monitorizar la composicion del fluido que fluye; excepto para aquellos ensenados por la presente invencion reivindicada. De manera similar, para monitorizar la composicion del fluido; ciertas realizaciones de la presente invencion requieren que se realice una correccion a la localizacion del pico de resonancia para el caudal de fluido, o al menos que se conozca que el caudal es constante. Existen numerosos y variados dispositivos de medicion de flujo comercialmente disponibles, algunos dispuestos en el interior de una tubena a traves de la que esta fluyendo el fluido, y otros dispuestos en el exterior de la tubena. De nuevo, no se ilustran dispositivos de medicion de flujo en las figuras 1a-1c, excepto para aquellos ensenados por la presente invencion reivindicada, por la misma razon que no se muestra el aparato de monitorizacion de composicion de fluido.
La figura 2 muestra un ejemplo de un circuito electronico adecuado para observar la respuesta de resonancia del flujo que fluye 14 a traves del tubo o tubena 12 como una funcion de la frecuencia; un aparato similar sena adecuado para observar los cambios en la fase del fluido a partir de los de la senal de ultrasonido inicial impresa sobre el tubo o tubena por el transductor de transmision como una funcion de los cambios en la composicion del fluido y/o los cambios en el caudal del fluido. El circuito electronico comprende un CI de sintetizador digital directo (DDS), 28, para generar frecuencias de hasta 10 MHz; un amplificador 30, para amplificar la senal de salida del transductor 10b; un detector de fase 32, para proporcionar una salida de tension proporcional a la diferencia de fase entre dos ondas sinusoidales; un convertidor analogico a digital (A/D), 34, que tiene un mmimo de capacidad de multiplexacion de dos canales, 36 MUX (multiplexor); un microcontrolador, 38 que tiene un calculo de punto flotante y capacidad de transformada rapida de Fourier (FFT); y una unidad de visualizacion, 40, para visualizar los resultados. Los dos transductores utilizados eran transductores piezoelectricos comerciales listos para usarse (transductores de 1,27 cm (0,5 pulgadas) de diametro de frecuencia central de 5 MHz de Panametric Videoscan). La marca real no es cntica para las mediciones y puede emplearse casi cualquier transductor.
El microcontrolador 38 un es software programable y controla el DDS 28 para generar ondas sinusoidales que tienen una frecuencia elegida dentro del intervalo de frecuencia del dispositivo. La salida de frecuencia del DDS 28 puede o
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ser fija o variada en el tiempo (es dedr, barrida). La resolucion de frecuencia del aparato usado para demostrar la presente invencion fue mejor que 0,1 Hz. La frecuencia podna barrerse en un intervalo de frecuencia elegido de una fraccion de segundo.
La salida del DDS se usa para excitar el transductor transmisor 10a colocado en contacto ffsico con la tubena 10 a traves de la que puede fluir el lfquido 14. El segundo transductor 10b se usa como receptor. Tambien es posible usar un unico transductor y medir el cambio de impedancia del mismo (figura 1 c del presente documento) para realizar el mismo tipo de medicion. Sin embargo, para la presente descripcion, es mas sencillo tratar las dos realizaciones del transductor separadas que estan colocadas en contacto ffsico con la tubena 12, o en el mismo lado de la misma en la proximidad de la otra o en lados opuestos de la tubena 12. El transductor receptor 10b recibe la respuesta de senal del fluido/tubena a la senal de excitacion procedente del transductor 10a que esta amplificada por el amplificador 30 con una ganancia de hasta 60 dB. La senal amplificada se procesa usando la entrada de multiplexacion 36 del convertidor A-D 34. El microcontrolador 38 controla la conmutacion de la entrada del multiplexador 36 y la salida de datos procedente del convertidor A-D 34.
Para las mediciones de fase, se emplea un circuito detector de fase 32 que tiene como salida la diferencia de fase entre la senal para el transductor transmisor 10a y la senal amplificada del transductor receptor 10b. Normalmente, las mediciones de fase se realizan a una frecuencia fija que corresponde a un pico de resonancia cuando no hay flujo de lfquido a traves de la tubena. Cuando se permite que el lfquido fluya, la salida del detector de fase se relaciona con la magnitud del flujo. No existe una relacion simple para describir la diferencia de fase como una funcion del flujo y se requiere una calibracion. La diferencia de fase observada es una funcion aproximadamente lineal del flujo (vease la figura 7 del presente documento). El microcontrolador 38 puede monitorizar continuamente la salida de fase y convertirla a un valor de flujo y visualizar los resultados usando la pantalla 40.
Para monitorizar la composicion del fluido, el circuito conmuta al canal que dirige la salida de senal de transductor receptor amplificada al convertidor A/D 34. Para esta medicion, la frecuencia aplicada para el transductor transmisor se barre rapidamente a traves de un intervalo de frecuencias elegido. Este intervalo depende de las dimensiones de la tubena (vease la figura 3 del presente documento). Aunque puede emplearse cualquier intervalo de frecuencias conveniente, prefiere usarse un intervalo de frecuencias entre dos resonancias de pared sucesivas (vease la figura 3 del presente documento). Esto produce una lmea base plana y los resultados pueden ajustarse a una teona que implica ecuaciones simples. Se da a continuacion una breve descripcion de las relaciones.
Como se ha indicado anteriormente en el presente documento, con el fin de obtener facilmente las propiedades acusticas de un fluido, es conveniente seleccionar un intervalo de frecuencias de medicion para evitar las contribuciones de resonancia de las paredes (aproximadamente 4, 6 y 8 MHz como ejemplos en la figura 3). En primer orden, esto reduce el analisis esencialmente al de la transmision de sonido a traves de un modelo de una capa que hace los calculos mas directos sin introducir errores sustanciales en la medicion de la velocidad del sonido y de la atenuacion del sonido. Esto es similar a evitar la region de frecuencia de resonancia de cristal del transductor en la interferometna tradicional. El coeficiente de transmision de intensidad, T, para el caso de una unica capa de fluido que tiene una longitud de trayectoria L, un coeficiente de atenuacion ai (ai_ L << 1) y una velocidad del sonido, cl, entre dos lfmites de pared identicos, puede expresarse como
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donde, a = zw/zl + zjzw, ro = 2rcf, es la frecuencia angular, y zw y zl son la impedancia acustica de la pared y del fluido, respectivamente. Para la mayona de los lfquidos dentro de un recipiente metalico, a ~ zjzi. T en la Ecuacion (1) es una funcion periodica de oL/cl y alcanza un valor maximo (pico) siempre que se satisface la condicion 2^fnL/Ci = nrc, donde fn es la frecuencia del n-esimo pico. A partir de esta condicion, puede determinarse la velocidad del sonido Cl (cl = 2 L At) si se mide la diferencia de frecuencia entre picos sucesivos.
Como se ha indicado, la velocidad del sonido en el fluido se determina a partir de la separacion de frecuencia entre dos picos consecutivos. Por lo tanto, es necesario barrer la frecuencia a lo largo de un intervalo que abarca dos picos de resonancia sucesivos cualquiera. Los datos digitalizados de los dos picos de resonancia pueden usarse a continuacion para extraer la velocidad del sonido ya que se conoce la longitud de la trayectoria del lfquido (el diametro del tubo). Esta es la manera mas conveniente para determinar la velocidad del sonido en el fluido, y la medicion puede realizarse en una fraccion de segundo. Si se requiere o mayor precision o resolucion, puede usarse un segundo enfoque. En este enfoque, cubre un intervalo de frecuencias mucho mayor de tal manera que se observan picos de resonancia multiples (digamos, 10). El microcontrolador se usa para realizar una FFT de los datos que determina la periodicidad de los picos de resonancia que esta directamente relacionada con la separacion de los picos. Esto es equivalente a promediar la medicion de la velocidad del sonido sobre multiples separaciones de pico.
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La atenuacion del sonido y la densidad del Ifquido estan relacionadas con el espectro de frecuencias. La relacion de los coeficientes de transmision mmimo, Tmn y maximo, Tmax, puede expresarse en terminos de a y at como:
T .
mm
T ■
max
~+LaL(f).
(2)
La ecuacion (2) ilustra que tanto at como a pueden determinarse a partir de un ajuste lineal de los datos del factor de relacion de transmision Como una funcion de Z2. El intercepto a frecuencia cero esta relacionado con la relacion de impedancia acustica a. Si se conoce la impedancia del material de pared, puede determinarse la densidad del lfquido ya que la velocidad del sonido del fluido se determina independientemente de como se ha tratado anteriormente en el presente documento.
Otro para determinar el coeficiente de atenuacion acustica es utilizar el ancho de banda de media potencia de los picos de resonancia observados. A partir de la Ecuacion (1), puede derivarse una solucion inversa para el ancho de banda de media potencia, Sf, en terminos de propiedades acusticas del fluido de acuerdo con
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Similar a la Ecuacion (2), el segundo termino es la contribucion de la absorcion acustica del lfquido y es identico a la solucion obtenida a partir de la teona de resonador de los transductores en contacto directo con el lfquido. El primer termino, la anchura extrapolada a la frecuencia cero Sfo, es independiente de la frecuencia y depende de a, cl y L. Este termino resulta de la perdida de reflexion en la interfaz pared-lfquido debido a la falta de coincidencia de impedancia acustica y puede usarse para determinar la densidad del lfquido si se conoce la impedancia acustica de la pared. Este analisis puede usarse para extraer el valor absoluto de la absorcion acustica del lfquido. Mas frecuentemente, es suficiente la monitorizacion de la anchura de pico para los picos de resonancia para el petroleo y el agua (vease la figura 8 del presente documento) para obtener una discriminacion cualitativa. El ancho de resonancia es el ancho total a la mitad del maximo del pico, y el microcontrolador puede calcular rapidamente esta cantidad ajustando la parte superior de cualquier pico con una forma de lmea Lorentziana. El Lorentziano puede linearizarse invirtiendo (tomando el redproco de la amplitud en cada frecuencia) los datos y a continuacion un ajuste parabolico simple es todo lo que es necesario en lugar de un ajuste de mmimos cuadrados no lineal. La anchura indicada para el petroleo crudo en la figura 8 se refiere solo a la descripcion cualitativa.
Por lo tanto, el espectro contiene toda la informacion relacionada con el lfquido, cualquier parametro deseado puede extraerse mediante calculos simples.
La descripcion anterior cubre el comportamiento de la transmision de sonido a traves de una trayectoria de fluido en funcion de la frecuencia y la Ecuacion (1) describe el espectro de frecuencia. Es posible que los mmimos cuadrados ajusten esta ecuacion a datos experimentales observados para extraer diversos parametros del fluido, tales como la velocidad del sonido, la absorcion acustica y la densidad. Sin embargo, tambien es posible obtener la misma informacion con buena exactitud incluso monitorizando un solo pico de resonancia. En la practica, a menudo se requiere monitorizar el cambio en la calidad del fluido, en terminos de velocidad del sonido, absorcion de sonido y variacion de densidad, que fluye a traves de una tubena y no valores absolutos de estas cantidades. En una situacion de este tipo, un circuito electronico selecciona y rastrea simplemente un unico pico de resonancia y mide la anchura de pico, la posicion de pico y el valor mmimo (la lmea base) de la curva de resonancia.
Si cambia la velocidad del sonido del fluido, la posicion de pico de resonancia seleccionada cambiara en frecuencia. Este desplazamiento de frecuencia (Afs) esta relacionado con la variacion de la velocidad del sonido (Ac) simplemente como Afs = (n/2L) Ac. En este caso n, es el numero de orden del pico de resonancia espedfico. De manera similar, si la absorcion acustica del lfquido cambia entonces la diferencia observada en el valor de la anchura total a mitad de la maxima (Sf) del pico de resonancia para un pico de resonancia elegido A (Sf) proporciona el cambio en la absorcion acustica como A (Sf) “ (Ac/rc)Aa . Otro metodo para determinar el cambio en la absorcion acustica es medir la relacion del mmimo de pico de resonancia, Tmin con el maximo de pico, Tmax para una caractenstica de resonancia unica. El cambio en la absorcion Aa = A (Tmin / Tmax)/L (vease la ecuacion (2) y la figura 8 del presente documento). Este enfoque proporciona un procedimiento mas rapido para determinar Aa y no requiere un ajuste de curvas.
Finalmente, la variacion en el mmimo (Tmin) de la curva de resonancia puede proporcionar una medida de la variacion en el cambio en la impedancia acustica del lfquido. La relacion entre los dos parametros puede expresarse como ATmin = (2/Zw) AZ, donde AZ es el cambio en la impedancia acustica del lfquido. Todas estas relaciones se derivan de la Ecuacion (1), y se muestran graficamente en la figura 8 del presente documento con fines descriptivos. Para la monitorizacion cualitativa de la variacion en la absorcion acustica, por ejemplo, para la discriminacion simple entre petroleo y agua, es conveniente determinar simplemente la anchura del pico de resonancia entre el maximo y
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el mmimo de la resonancia como se muestra en la figura 8. Para una determinacion precisa de la absorcion acustica, es mejor ajustar el espectro de resonancia con varios picos usando la Ecuacion (1).
Mediante el empleo de un circuito de bucle de bloqueo de fase que monitoriza simultaneamente tanto la posicion de pico de resonancia de un unico pico como la anchura de pico en la region de frecuencia mas sensible, se proporcionan continuamente tanto la velocidad del sonido como la atenuacion del sonido. Estos valores se usan a continuacion para caracterizar el fluido como en el caso de la SFAI. Con un circuito adicional, puede monitorizarse la densidad del lfquido. El bloqueo de fase se logra usando una senal de onda de diente de sierra para variar la frecuencia del transductor de excitacion alrededor de la frecuencia de resonancia deseada de un solo pico de resonancia. El pico de resonancia se monitoriza como una funcion del tiempo y proporciona una medida de la velocidad del sonido debido a que se conoce el diametro de la tubena. En este caso, no es necesario determinar la separacion de frecuencia entre dos picos consecutivos cualquiera debido a que el espectro de resonancia esta determinado por la longitud de la trayectoria (el diametro de la tubena o del tubo) y la velocidad del sonido del lfquido. Por lo tanto, la posicion de un unico pico conocido determina la velocidad del sonido. La salida de la modulacion de frecuencia es una senal que se modula en amplitud a medida que se barre a traves de un pico de resonancia. Si la resonancia es aguda entonces la modulacion de amplitud a lo largo de la region de barrido de frecuencia corta es de amplitud alta con un valor de amplitud mediana alto. Para picos de amplitud baja o de resonancia ancha, la senal de salida es de un valor mediano mas bajo con salidas de amplitud mas bajas. Por lo tanto, midiendo el valor de RMS de la senal y de la CA, acoplandolo de tal manera que se filtra el valor mediano de CC, es posible obtener la anchura del pico de resonancia. El valor mediano de CC proporciona una medida de la densidad del lfquido.
La figura 3 es un espectro de resonancia compuesto para una medicion no invasiva usando el aparato de barrido de frecuencia y el metodo de la presente invencion sobre un recipiente que tiene un espesor de pared finito e ilustra que los picos de lfquido pueden estudiarse independientemente de las resonancias inducidas en la pared del recipiente si se selecciona una region de frecuencia apropiada. La grafica siguiente muestra como se ve un espectro tfpico cuando se realiza una medicion de barrido de frecuencia desde el exterior de un recipiente con un espesor de pared finito.
La figura 4 es una grafica de las propiedades ffsicas de varios lfquidos medidos en un recipiente estatico. El decano y el dodecano fueron investigados ya que se sabe que ambos lfquidos tienen propiedades similares a las del petroleo. Acusticamente, estos lfquidos estan muy separados. La velocidad del sonido y los valores de atenuacion se resumen en la TABLA.
Lfquido
Velocidad del sonido m/s Densidad g/cm3 Atenuacion n Np m'1 s2 x 1014
Decano
1263 0,73 5,7
Dodecano
1300 0,75 6,3
Agua
1483 1,00 2,5
Agua + 18 % (NaCl)
1550 1,01 6,0
1585 1,02 30,0
Agua + 26 % (NaCl)
La resolucion para la velocidad del sonido para la tecnica SFAI de la presente invencion es aproximadamente de ± 2 m/s; esto puede mejorarse a 0,1 m/s, si es necesario. Esta diferencia entre el decano y el dodecano permite identificarles. Diferenciar entre agua, salmuera y decano (o dodecano) es sencillo. Los mismos datos se presentan en una grafica tridimensional en la figura 3 para mayor claridad.
Estudios recientes sobre la velocidad del sonido en hidrocarburos puros y mezclas que usan la tecnica de eco de pulso tradicional de Wang y Nur [5] muestran que la velocidad del sonido en 13 n-alcanos, 10 1-alquenos y 3 hidrocarburos de naftena disminuye linealmente con la temperatura con pendientes que van desde -3,43 a -4,85 (m/s)/°C en un intervalo de temperatura entre -12° a 132 °C. Por lo tanto, si se conoce la temperatura, puede corregirse la velocidad del sonido para la temperatura. En un estudio separado [6] se muestra que la velocidad del sonido c para los hidrocarburos puede expresarse en funcion de la temperatura T y del peso molecular M en unidades de masa atomica como:
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donde, co es una constante. Esto demuestra que debena ser posible identificar diversos hidrocarburos usando la velocidad del sonido si esta cantidad puede medirse con precision.
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Ademas de la velocidad del sonido, la tecnica SFAI puede determinar tambien la absorcion acustica en los fluidos, lo que proporciona un parametro ffsico adicional para la caracterizacion del petroleo. Los hidrocarburos tambien muestran una pronunciada absorcion acustica dependiente de la frecuencia. La tecnica SFAI de la presente invencion tambien es capaz de este tipo de medicion.
Se utilizo un bucle de flujo para realizar las mediciones SFAI en condiciones de flujo. Se uso un tubo de plastico de 11,43 cm (4,5 pulgadas) de diametro en el bucle de flujo. Se uso agua para el lfquido porque es mas facil de trabajar que el petroleo crudo. La medicion tambien se realizo con petroleo vegetal. La figura 5 muestra las mediciones bajo condiciones de flujo entre 0 y 20 gal/min de agua. Se observa que la separacion entre los picos de resonancia consecutivos es la misma para el agua que fluye y para el que no fluye. Esto indica que la velocidad del sonido no cambia cuando el lfquido esta fluyendo. Tambien se observa que la anchura de los picos de resonancia es la misma, lo que indica que la atenuacion sonora tambien permanece invariable bajo condiciones de flujo. La diferencia entre los dos espectros es un ligero desplazamiento de todo el patron en frecuencia.
Se cree que el desplazamiento de frecuencia se debe a una ligera variacion en las propiedades acusticas del fluido debido a la capa lfmite de flujo formada adyacente a la superficie interior de la pared. Esta capa lfmite tiende a introducir un desplazamiento de fase de las ondas sonoras que se reflejan desde la pared, lo que puede afectar al patron de onda estacionaria formado dentro de la longitud total de la trayectoria del fluido. El desvm de lmea base a mayor amplitud hacia el lado de la frecuencia mas alta de la figura es un resultado del hecho de que los datos presentados estan algo cerca de un pico de resonancia de la pared (vease la figura 3). Se ha observado que la constancia de la velocidad del sonido se observa desde la FFT de los datos.
La figura 6 muestra que las mediciones SFAI requeridas para determinar la velocidad del sonido pueden realizarse con fluidos que contienen burbujas de gas. Para esta medicion, se hizo burbujear gas nitrogeno a traves del fondo de un tubo de Plexiglas de aproximadamente 5,08 cm (2 pulgadas) de diametro, y las mediciones se hicieron uniendo dos transductores en el exterior del tubo. Debe senalarse que la separacion de frecuencia entre los picos de resonancia consecutivos no cambia significativamente, y que el espectro puede observarse claramente (las mediciones se hicieron con poco tiempo de integracion (~ 1 ms)); por otra parte, la periodicidad todavfa puede determinarse en tasas relativamente altas de propagacion. Esto indica que la velocidad del sonido no cambia apreciablemente hasta que la fraccion de volumen de las burbujas es grande cuando la tasa de burbujeo es demasiado alta. Si la integracion de la medicion se aumenta en un factor de 10, se encuentra que la relacion de senal a ruido de los datos mejora considerablemente, y se encuentra que el patron observado para el lfquido que burbujea es similar al del mismo lfquido sin introducir burbujas. Esto es porque se promedian todas las fluctuaciones debidas a las burbujas en las mediciones, y hasta una cierta tasa de burbujas, las mediciones SFAI son todavfa bastante fiables.
La figura 7 es una representacion grafica del desplazamiento en el angulo de fase como una funcion del flujo de masa, lo que demuestra que el aparato de la presente invencion es util como un medidor de flujo no invasivo; es decir, uniendo transductores al exterior de una tubena existente, puede monitorizarse el flujo del fluido en el mismo.
Para monitorizar en tiempo real (continuo), se ha descubierto que es mas util seleccionar un solo pico de resonancia a una frecuencia apropiada. La figura 8 es una representacion grafica de la amplitud de resonancia como una funcion de la frecuencia para el petroleo crudo (trazo superior) y de agua (trazo inferior) en una tubena de vidrio de 5,08 cm (2 pulgadas) de diametro. En el intervalo de frecuencias entre 3,78 y 3,8 MHz (encerrada por el rectangulo), la cavidad de resonador espedfica (el interior de la tubena) alcanza su maxima sensibilidad en terminos de monitorizar los cambios en la velocidad del sonido. Hay muchas de tales frecuencias dispersadas de una manera regular. Se observa un desplazamiento de frecuencia de 5 kHz entre los datos para el petroleo crudo y el agua. La tecnica SFAI de la presente invencion puede resolver facilmente 1 Hz, permitiendo de este modo una resolucion de la velocidad del sonido de 1 parte en 5000. Ademas del desplazamiento en la frecuencia, la anchura de resonancia tambien cambia dramaticamente lo que indica una gran variacion en la absorcion del sonido. Ademas, el mmimo de la resonancia tambien cambia debido a un cambio en la falta de coincidencia de impedancia acustica y puede estar relacionado con la densidad del lfquido. La circuitena electronica se ha desarrollado de tal manera que puede monitorizar los tres parametros de una manera continua. El desplazamiento en la lmea de base para las dos representaciones graficas (agua y petroleo crudo) se debe al hecho de que la impedancia acustica es diferente para los dos fluidos. El valor mmimo de la resonancia proporciona una medida de la densidad del fluido que puede derivarse de la falta de coincidencia de impedancia acustica entre la pared del tubo y el fluido en el interior.
Por lo tanto, se ve que la localizacion de frecuencia de los picos de resonancia vana como una funcion tanto de la composicion del fluido como de su caudal. Si se desea un medidor de flujo, la composicion debe determinarse para que sea constante; esto puede lograrse monitorizando el pico de separacion para determinar que la velocidad del sonido del fluido permanece relativamente constante para la calibracion in situ. La calibracion tambien puede realizarse usando una pequena seccion de la misma tubena y un lfquido conocido en otro lugar en cualquier sistema de flujo para derivar la informacion de calibracion. En la calibracion de flujo, cualquier pico de resonancia en un intervalo de frecuencia deseado (preferentemente en el intervalo de frecuencia en el medio de dos picos de resonancia de la pared) se monitoriza como una funcion del flujo del lfquido. Las posiciones de los picos de resonancia de la pared se determinan por el espesor de la pared. El presente aparato puede calibrarse tanto para
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mediciones de alta como de baja sensibilidad de la siguiente manera: para las frecuencias bajas (aproximadamente de 1 MHz), el desplazamiento de los picos de resonancia es menor que el desplazamiento observado en las frecuencias mucho mas altas (aproximadamente de 10 MHz). Mediante la observacion de diversos intervalos de frecuencia, es posible obtener diferentes niveles de sensibilidad. Este proceso de calibracion no es diferente al de otros medidores de flujo ultrasonicos de tiempo de transito donde debe determinarse la velocidad del sonido del fluido. Una vez que el aparato se calibra para el flujo, entonces tanto la velocidad del sonido (y la absorcion de sonido) como el flujo del fluido pueden monitorizarse simultaneamente si no se desea una gran precision en la medicion. Para muchas aplicaciones practicas, tales como la monitorizacion del flujo y la composicion en la industria del petroleo (productos derivados del petroleo), una calibracion de flujo de petroleo proporciona una precision adecuada. Tambien es posible, en principio, extender la calibracion de flujo de un lfquido, por ejemplo, agua a petroleo. La figura 8 ilustra la diferencia en los picos de resonancia para el petroleo y el agua. Las anchuras de los picos de resonancia son diferentes para los dos lfquidos, y cada lfquido puede identificarse basandose en las caractensticas de resonancia de un solo pico de resonancia. Por lo tanto, una vez que la calibracion de flujo se completa para el petroleo y por separado para el agua, es posible extrapolar el caudal cuando el fluido que fluye es una combinacion de los dos lfquidos, porque esta cantidad es intermedia entre las dos calibraciones. Esto es posible porque la composicion puede monitorizarse a partir de una medicion de la separacion de pico o por una FFT de los datos de resonancia, mientras que el flujo se mide mediante el seguimiento de la posicion de un unico pico de resonancia. Estas dos mediciones son, en gran medida, independientes entre sf en la practica.
La presente invencion proporciona informacion tanto en caudales bajos como altos. Ya que el desplazamiento de frecuencia de los picos debido a que el flujo aumenta con la frecuencia, para caudales bajos es conveniente usar un intervalo de frecuencia mas alto (> 5 MHz), donde un caudal pequeno produce un desplazamiento medible en la frecuencia de pico o en el desplazamiento de fase de cualquier pico de resonancia seleccionado. Por el contrario, para caudales mas altos, el desplazamiento de pico de resonancia puede ser grande y uno puede perder la pista del pico seleccionado que es equivalente a exceder un desplazamiento de fase de 360 grados. En este caso, es conveniente observar los datos en una region de frecuencia mas baja (“ 1 MHz). Los intervalos de frecuencia apropiados dependen de la geometna de la tubena espedfica y pueden determinarse durante el proceso de calibracion inicial donde se emplea una exploracion de frecuencias de banda ancha para determinar las caractensticas de la tubena (vease la figura 3 del presente documento). Como se ha mencionado anteriormente en el presente documento, es preferible usar las regiones de frecuencia entre dos frecuencias de resonancia de la pared, para monitorizar tanto el flujo como la composicion.
Para una calibracion del sistema de flujo, las mediciones (amplitud de senal del receptor y diferencia de fase) se realizan con un lfquido que fluye para varios valores de flujo y se monitoriza todo el espectro de frecuencias. Una vez hecho esto, se extrae la informacion de calibracion para los intervalos de alta y baja frecuencia de estos espectros y se almacena en el microcontrolador como terminos de ecuaciones simples. A continuacion, puede interpolarse a partir de este valor para una medicion real.
Una vez que el aparato se calibra para el flujo, tanto la velocidad del sonido (y la absorcion de sonido) como el flujo de fluido pueden monitorizarse de manera simultanea si no se desea una gran precision en la medicion. Para monitorizar el flujo y la composicion de los productos derivados del petroleo, una calibracion de flujo simple con petroleo puede proporcionar la monitorizacion adecuada. Tambien es posible, en principio, extender la calibracion de flujo a partir de un lfquido, por ejemplo, agua a petroleo. La figura 8 muestra la diferencia en los picos de resonancia para el petroleo y el agua, y el lfquido puede identificarse facilmente a partir de las caractensticas de resonancia de un solo pico. Una vez que se realiza la calibracion de flujo con el petroleo y a continuacion con agua, es posible corregir el flujo cuando el fluido que fluye es una combinacion de cualquiera de los dos debido a que los resultados medidos estaran entre los de cualquiera de los lfquidos. Esto es posible porque la composicion se monitoriza midiendo la separacion de pico o una FFT de los datos de resonancia, mientras que el flujo se mide mediante el seguimiento de la posicion de un unico pico de resonancia. Estas dos mediciones son independientes una de otra.
La descripcion anterior de la invencion se ha presentado con fines de ilustracion y descripcion y no pretende ser exhaustiva o limitar la invencion a la forma precisa desvelada, y obviamente son posibles muchas modificaciones y variaciones a la luz de las ensenanzas anteriores. Las realizaciones se eligieron y describieron con el fin de explicar mejor los principios de la invencion y su aplicacion practica para permitir de este modo que otros expertos en la materia utilicen mejor la invencion en diversas realizaciones y con diversas modificaciones que sean adecuadas al uso espedfico contemplado. Se pretende que el alcance de la invencion este definido por las reivindicaciones adjuntas a la misma.
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7. Z. Wang y A. Nur, Geophysics 55, 723 (1990).

Claims (2)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para monitorizar la composicion de un fluido (14) que fluye a traves de un recipiente (12) a un caudal que comprende las etapas de:
    a) aplicar una senal acustica periodica continua en el exterior del recipiente de tal manera que la senal acustica se transfiere al fluido que fluye, generando de este modo unas caractensticas de resonancia de vibracion;
    b) detectar las caractensticas de vibracion generadas en el lfquido que fluye;
    c) barrer la senal acustica periodica continua a traves de un intervalo de frecuencias elegido que incluye una parte de una caractenstica de resonancia de vibracion;
    d) medir la fase de la caractenstica de resonancia de vibracion en relacion con la de la senal acustica periodica continua que genera de este modo una diferencia de fase;
    e) determinar el caudal del fluido; y
    f) corregir la diferencia de fase para el caudal del fluido, por lo que se identifican los cambios en la composicion del fluido.
  2. 2. Un aparato para monitorizar la composicion de un fluido que fluye a traves de un recipiente a un caudal que comprende en combinacion:
    a) un primer transductor (10a) en contacto acustico con la superficie exterior de dicho recipiente (12) para aplicar una senal acustica periodica continua en el exterior de dicho recipiente (12) de tal manera que la senal acustica se transfiere a dicho fluido (14) que fluye, generando de este modo unas caractensticas de resonancia de vibracion que tienen una pluralidad de maximos y mmimos en su interior, y para detectar el patron de vibracion generado;
    b) un generador de barrido (28) para barrer dicho primer transductor (10a) a traves de un intervalo de frecuencias elegido que incluye una parte de una caractenstica de resonancia de vibracion;
    c) medios para medir la fase de la caractenstica de resonancia de vibracion en relacion con la de la senal acustica periodica continua que genera de este modo una diferencia de fase;
    d) un medidor de flujo para determinar el caudal del fluido (14); y
    e) un procesador de datos (38) para registrar la diferencia de fase y corregir la diferencia de fase del caudal del fluido, en el que se identifican los cambios en la composicion del fluido.
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