KR101810723B1 - 도플러 분광법을 이용한 비침투적 입자 검출 장치 및 방법 - Google Patents

도플러 분광법을 이용한 비침투적 입자 검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 파이프 또는 오일이나 가스의 유정 시추공(wellbore)을 통해 유동하는 유체에 부유하는 고체의 미세입자들의 존재를 감지하는 장치 및 방법을 제공한다. 미세한 고체입자들을 포함한 도관을 통해 유동하는 임의의 유체는 파이프 외부에 부착된 변환기(transducer)로부터의 초음파 진동의 고정된 주파수에 드러난다. 움직이는 고체 입자들로부터의 음파의 산란에 의해 파생된 도플러 주파수 천이된 귀로 신호는 변환기에 의해 검출된다. 사용되는 높은 주파수는 측정기구 위치에서의 외부와 주변 잡음 이상이어야 하며, 벽의 두께 모드 공진(thickness mode resonance)에 해당하는 주파수를 선택함으로써, 도관 벽을 통한 음파의 전송은 최대가 된다. 전송된 신호 및 도플러 신호는 민감한 미세 입자 검출을 제공하기 위해 결합된다. 신호의 크기 및 도플러 주파수 천이는 입자 크기 분포 및 입자의 속도를 결정하는데 사용된다.

Description

도플러 분광법을 이용한 비침투적 입자 검출 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR NONINVASIVE PARTICLE DETECTION USING DOPPLER SPECTROSCOPY}
본 출원은 2010년 9월 3일에 출원된 미국 가출원 제 61/379,881호 (발명의 명칭: "Method And Apparatus For Noninvasive Solid Particle Detection Using Doppler Spectroscopy")를 기초로 우선권을 주장하며, 상기 미국 가출원의 모든 내용은 개시되고 교시된 모든 것에 대해 본 명세서에 참조로서 포함된다.
본 발명은 미국 에너지 부(U.S. Department of Energy)와의 계약번호 DE-AC52-06NA25396 에 의거 정부의 지원 하에 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 가진다.
본 발명은 유동 유체 내의 입자를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유동 유체 내의 입자를 검출하기 위한 정확하고 비침투적이며 이동성을 갖춘 장치에 관한 것이다.
유정의 시추공 파이프(well bore pipes)나 여타 유동 시스템(flow system)에서, 모래와 같은 고체 입자의 존재 여부의 검출과 산출된 모래 양의 파악은, 모래에 의한 심각한 피해를 피해 오일이나 가스의 생산율을 극대화하기 위해 중요하다. 모래는 유정 관을 막을 수 있고, 이로써 생산에 악영향을 줄 수 있으며, 또한 모래는 분리 탱크(separator tank)를 오염시킬 수도 있다. 일단 모래가 유정 파이프라인에 유입되면, 심각한 부식 및 침식, 또는 이들 중 어느 하나로 인해 깊은 바다나 땅속의 파이프라인을 제거하는데 높은 비용이 소요될 수 있다. 모래의 산출은 상대적으로 적은 양으로 시작하지만, 이후 빠르게 증가할 수 있다.
현재, 유체의 플로우-스트림(flow-stream)에 미세입자가 있는지 여부를 검출하는 몇몇 가능한 기술이 있다. 그 중 하나는 모래를 포함한 유체가 유동하는 파이프나 도관에 충돌하는 모래로 인해 발생하는 진동을 연속적으로 감지하는 기술이다. 예를 들어 클램프온(ClampOnTM) 사의 측정기와 같은 장치는 파이프에 부착되는데, 일반적으로 유체의 유동이 급격히 전환되는 파이프 부분이나 파이프의 엘보우(elbow) 부분에 부착되고, 모래가 파이프에 충돌할 때의 진동을 감지하고자 수동식 초음파 측정(passive ultrasonic listening)을 사용한다. 그와 같은 수동식 측정 기술의 명백한 단점은 파이프의 곧은 부분 또는 약간 굽은 파이프에 사용할 수 없다는 점이다. 또한, 수동식 측정 기술은 부분적으로만 보상 가능한 주위 잡음에 의해 영향받는다. 또 다른 기술로는 프로브(probe)상의 모래의 충돌을 전기신호로 바꾸어 주는 프로브를 유체 플로우 라인(flow line)에 삽입하는 것이 있다.
본 발명의 실시예는 유동 유체 내의 고체 물질을 검출하는 장치 및 방법을 제공하여 종래 기술의 단점과 한계를 극복하도록 한다.
본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 유동 유체 내의 고체 물질을 비침투적으로 검출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 생산 파이프의 임의의 위치에 부착될 수 있고 쉽게 다른 위치로 이동 가능한, 유동 유체 내에서 고체물질을 감지하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 적은 양의 입자나 많은 양의 입자 모두를 감지할 수 있는, 유동 유체 내에서 비침투적으로 고체물질을 검출하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예의 또 다른 목적은 유동 유체 내에 존재하는 적은 양의 고체물질을 정확하게 비침투적으로 감지하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 목적들, 본 발명의 장점이나 새로운 특징은 이하의 설명에 일부는 명시될 것이고, 일부는 이하의 설명으로부터 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람에게 분명하거나 또는 본 발명의 실시를 통해 습득 가능하다. 본 발명의 목적과 장점들은 첨부된 청구항에서 특별히 언급된 수단과 조합에 의해 실현되거나 획득될 수 있다.
전술한 목적과 다른 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 목적에 따라, 여기에서 구체화되고 넓게 기술된 것처럼 축과 벽을 가진 파이프에 유동하는 유체에 부유하는 적어도 하나의 입자를 비침투적으로 검출하기 위한 장치는 다음의 구성들을 포함한다: 상기 축을 따라 선택된 위치에서 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는(vibrational communication) 제1 변환기(transducer); 적어도 하나의 선택된 주파수를 갖는 선택 신호를 상기 제1 초음파 변환기에 제공하기 위한 신호 생성기 - 상기 유체 내에서 진동이 생성되는데, 적어도 그 일부가 상기 유체의 유동 방향을 가짐 -; 상기 적어도 하나의 입자로부터 산란된 진동 신호를 검출하기 위해 상기 축을 따라 상기 선택된 위치에 상기 제1 변환기와 나란히 위치하여 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는 제2 변환기; 및 상기 적어도 하나의 입자로부터 검출된 상기 산란된 신호와 상기 제1 변환기에 의해 생성된 상기 선택된 진동 신호 간의 도플러 주파수 천이를 모니터링하기 위한 수단을 포함하며, 이로써 상기 적어도 하나의 입자가 검출된다.
본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명의 목적과 용도에 따라 축과 벽을 가진 파이프 내에 유동하는 유체에 있는 적어도 하나의 입자를 비침투적으로 검출하는 방법은 다음의 단계들을 포함한다: 적어도 하나의 선택된 주파수를 갖는 진동을 상기 유체 내에서 유체 유동 방향으로 생성하는 단계; 상기 적어도 하나의 입자로부터 산란된 진동 신호를 검출하는 단계; 상기 적어도 하나의 입자로부터의 상기 산란된 진동 신호와 상기 생성된 진동의 상기 선택된 주파수 간의 도플러 주파수 천이를 모니터링하는 단계를 포함하며, 이로써 상기 적어도 하나의 입자가 검출된다.
본 발명의 실시예의 혜택과 장점은 파이프를 통해 유동하는 유체에서 미립자의 존재 여부를 판정하는 비침투적 장치 및 방법을 제공하는 것을 포함하며, 이에 한정되지 않는다. 상기 장치 및 방법에서는 일반적으로 주변 잡음을 제거하고 도플러 신호의 최적화를 위한 파이프 벽 두께 모드 공진(pipe wall thickness mode resonance)에 맞춰 조절될 수 있는 높은 주파수(~㎒)가 사용될 수 있으며, 신호의 세기는 산란체의 양에 의존하고 스펙트럼은 입자의 크기 및 분포와 관련이 있기 때문에, 단일 상 유체의 층류(laminar flow of single phase fluid)에서 1㎛ 보다 큰 단일 입자들을 비롯한 입자들의 크기와 그 총 체적 모두를 검출할 수 있으며, 직접적인 음파의 전송 측정과 도플러 측정을 결합할 수 있으며, 생산 파이프의 외부를 따라 임의의 위치에 부착될 수 있고 필요하면 쉽게 다른 위치로 이동될 수 있다.
첨부 도면은 본 명세서에 포함되거나 일부분을 이루는 것으로 본 발명의 실시예를 도시하고 있으며, 본 설명과 함께 발명의 원리를 설명하는데 제공된다.
도 1의 (a)는 링형 압전 변환기에 둘러싸인 디스크형 압전 변환기를 포함한 2요소 압전 변환기의 일 실시예의 평면도를 개략적으로 도시하는 도면으로, 여기서 상기 디스크형 변환기는 송신기로, 상기 링형 변환기는 수신기로 사용된다. 도 1의 (b)는 파이프의 외표면에 부착된 도 1의 (a)에 나타난 변환기의 평면도를 개략적으로 도시하는 것으로, 한쪽 면은 평면이고 반대 면은 파이프의 굴곡과 맞는 곡면으로 된 커플러를 도시하는 도면이고, 도 1의 (c) 및 도 1의 (d)는 부착되는 파이프의 굴곡과 맞는 만곡된 압전 물질 스트립들이 나란히 있는, 파이프의 투시도와 그것의 평면도를 각각 개략적으로 도시하는 도면.
도 2a는 도 1의 (a)에 나타난 2요소 변환기에 대해 파이프 축을 따라 변환기의 음파 빔이 확산되는 것을 도시하는 도면이고, 반면에 만곡된 변환기에 대한 원주 방향의 확산은 도 1의 (b)에 나타남.
도 3은 본 입자 검출 시스템의 전자 부품들의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 파이프 벽의 음파 전송 특성을 주파수에 대한 함수로 나타낸 그래프.
도 5는 물속에 유동하는 50㎛ 크기 고체 입자들의 여러 그레인(grain) 별 수량에 대한 도플러 검출 결과를 시간에 대한 함수로 나타낸 그래프.
도 6의 (a)는 도 5에 나타난 약 200 그레인의 모래 대한 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT)한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6의 (b)는 5 그레인의 모래에 대한 같은 결과 그래프.
도 7a는 도 3의 시스템을 통과한 25 마이크론 크기의 입자에 대해 측정 시스템으로부터 얻은 실제 원시 도플러 데이터(raw Doppler data)를 도시하는 도면이고, 도 7b는 시간에 대한 함수로 입자의 속도를 나타내는 시간-주파수 등고선도(joint time-frequency contour plot).
도 8a는 45㎛ 크기의 입자에 대한 도 3의 측정 시스템으로부터 얻은 실제 원시 도플러 데이터를 도시하는 도면이고, 도 8b는 시간에 대한 함수로 속도를 나타낸 그래프.
도 9의 (a)는 입자 없이 오직 물만 존재할 때 도플러 신호가 나타나지 않음을 도시하는 그래프이고, 도 9의 (b)는 3.28㎛ 라텍스 입자들(latex particles)이 유동하는 물에 유입될 때의 도플러 신호를 도시하는 그래프이며, 도 9의 (c)는 물 또는 광물성 오일 거품(water/mineral oil foam)에 대한 도플러 효과를 도시하는 그래프.
간단히 본 발명의 실시예는 오일이나 가스 유정의 다운홀(down-hole)에서 접할 수 있는 도관이나 파이프를 따라 유동하는 유체에 부유하는 모래와 같이 고체 미립자 물질의 존재를 비침투적으로 감지하는 장치 및 방법을 포함한다. 높은 주파수의(> 1㎒) 초음파 도플러 분광법(ultrasonic Doppler spectroscopy)을 이용하여 입자를 검출하고 입자의 크기 분포를 측정한다. 고체 미립자를 포함하는 도관을 통해 유동하는 임의의 유체는 파이프 외부에 부착된 변환기로부터의 고정된 주파수의 초음파 진동에 노출된다. 움직이는 고체 입자로부터의 음파의 산란에 의해 얻어지는 주파수 천이 된 귀로 신호(returning frequency shifted signal)는 주변의 다른 변환기에 의해 검출된다. 사용되는 고주파 영역은 일반적으로 측정기구 위치에서의 외부와 주변 잡음 이상이어야 하며, 도관 벽을 통한 음파의 전송은 벽의 두께 모드 공진(thickness mode resonance)에 부합하는 주파수를 선택함으로써 최대가 되며, 또한 이러한 공진은 협대역 대역통과필터 역할을 수행하여 본 시스템이 외부 잡음에 상당히 강하도록 할 수 있다. 본 발명은 민감한 모래 검출을 위해 전송한 신호와 도플러 신호를 결합한다. 신호의 크기와 도플러 주파수 천이 둘 다 입자 크기 분포와 같은 입자의 특성을 결정하는데 사용되고, 도플러 천이 신호의 스펙트럼은 입자들의 속도를 결정하는데 이용될 수 있다.
본 발명에서는 작은 2요소(dual-element) 초음파 변환기들이 사용될 수 있으며, 또 다른 실시예에서는 파이프의 굴곡에 들어맞는 만곡된 변환기 세트가 사용될 수 있다. 변환기들의 특별한 형태는 해당 특정 응용 예에 구현되기 쉽도록 결정된다. 파이프 내 유체에서의 변환기들의 빔 확산은 도플러 측정을 할 만큼 충분해야 한다. 변환기들은 어떠한 특별한 준비를 필요치 않으며 파이프 벽의 바깥쪽 어디에든 설치될 수 있다.
본 발명은 모래 상호 간의 충돌, 모래와 파이프 내면과의 충돌 또는 모래와 내부 프로브와 충돌에 의해 생성되는 충격 진동을 측정하지 않는다는 점에서 종래 기술과 다르다. 그러므로 본 발명은 파이프의 "엘보우" 부분 또는 급격한 전환이 있는 파이프 부분에 부착되는 센서가 필요하지 않다. 음파의 전송은 또한 많은 수의 입자가 시스템을 통해 지나갈 때 영향을 받는다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도플러 측정은 유동 액체의 같은 면에 위치한 송신용 변환기와 수신용 변환기를 이용한다. I-Q(동위상 - 직교위상) 복조기는 송신한 것을 수신기 출력 주파수들과 믹싱(mixing)하여 차분 주파수(difference frequency)를 얻어내는 장치이다. 그러나 복조기는 사인, 코사인 함수와 같이 서로 90도 위상 차이를 갖고 동작하는 두 개의 믹서를 포함한다. 즉, 도플러 신호는 벡터 신호이고 I, Q는 x, y 방향의 벡터 정보를 제공한다. 그와 같은 정보는 만약 입자의 속도에만 관심이 있다면 필요하지 않고, 이 경우 단지 차분 주파수 신호의 크기가 필요할 뿐이다. 그러나 이러한 정보는 방향 정보를 제공하지 않는다. I-Q 복조기는 또한 위상 정보를 제공하며 이로부터 움직임 방향을 알 수 있다. 아래 상술 되는 본 장치는 이 두 가지 기능을 모두 실시할 수 있다.
본 발명의 장치는 음파의 전송이 최대가 되는 벽 두께 공진(wall thickness resonance)을 측정하기 위해 송신용 변환기로부터 파이프의 대향하는 측에 위치한 수신용 변환기를 또한 이용하며, 이에 대해 이하 상술한다. 일단 이와 같은 소위 전송 윈도우들(transmission windows)을 찾으면, 도플러 측정을 위해 이 영역의 어떠한 주파수라도 사용될 수 있다. 주파수가 더 높아지면, 같은 속도에서 더 높은 차분 주파수 신호들이 제공되고, 따라서 더욱 민감하게 된다. 그러나 주파수가 높아질수록 또한 변환기의 빔 폭을 좁히게 된다. 따라서 특정 전송 윈도우를 임의의 주어진 측정에 대해 선택할 수 있다. 이는 파이프의 벽 두께에 따라 항상 결정되는 것은 아니다: 만약 벽이 두꺼우면 공진 피크들은 가까이 위치하게 되고, 특별한 어려움 없이 이 중 어느 것을 고를 수 있다. 그러나 얇은 벽의 파이프의 경우, 비록 적합한 전송 윈도우를 선택했는지에 관계없이 장치는 꽤 잘 동작하겠지만, 전송 윈도우들이 멀리 떨어지게 되고 하나의 적합한 주파수가 선택될 수 있다. 적합한 전송 윈도우의 선택으로 효율적인 동작을 위해 장치가 미세 조정된다.
(예컨대, 오일 다운홀을 헐겁게 하기 위해 증기를 주입하는 동안) 만약 액체의 온도가 급격하게 변한다면, 파이프 벽의 온도가 변하고, 공진 주파수들이 약간 이동한다. 아래 설명되는 바와 같이, 벽의 공진 주파수들은 첨예하기 때문에 가끔 확인하지 않으면 장치는 공진 주파수 영역에서 벗어날 수 있다. 이러한 측정을 위한 하나의 방법은 주파수를 스윕(sweep)하여 간섭 측정 같은 스펙트럼(interferometric-like spectrum)을 관찰하는 것이다. 다른 대안으로는 약 100㎲ 이내에 전체 주파수 스윕이 완료되는 빠른 주파수 첩(frequency chirp)을 송신하고 수신한 신호의 시간 의존성을 기록하는 것이다 (3 인치 지름의 파이프의 경우 액체를 통과하는 전체 전달시간은 약 55㎲ 이다). 검출된 신호는 주파수가 임의의 공진 주파수에 가까워질 때 그 크기가 커지면서, 크기 변조된 신호 형태로 나타나게 된다. 만약 주파수가 천천히 스윕되면, 간섭 스펙트럼에 중첩된 미세 구조처럼 공진은 벽의 공진과 액체의 공진 둘 다 포함하게 된다. 그러나 짧은 지속시간의 첩 신호의 경우, 신호원에서 수신부까지의 파이프 지름을 최초로 통과한 버스트(burst)만이 액체의 영향을 많이 받지 않고도 (지연된 반향신호들을 버림으로써) 포착될 수 있다. 즉 벽의 두께가 얇다면 음파는 벽을 통과해 갈 때 첩 지속시간 동안 여러 번 반사되고, 이러한 여러 반사 성분들이 포함된 첩 신호의 경우 그것이 검출되기 전 단지 한 번만 액체를 통과하여 액체에 의한 공진이 아닌 벽에 의한 공진 정보만을 가지게 된다.
본 발명의 실시예에 대한 자세한 참조가 이루어지며, 본 발명의 실시예는 첨부 도면에 도시되어 있다. 도면에서 유사한 구조는 동일한 참조 기호들을 사용해서 확인할 수 있다. 도면들은 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위한 목적으로 이해되어 지며, 그러한 실시예에 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1의 (a)는 링형 압전 변환기(ring piezoelectric transducer; 14)에 둘러싸인 디스크형 압전 변환기(disk piezoelectric transducer; 12)를 포함하는 2요소 압전 변환기(dual-element piezoelectric transducer; 10)의 평면도의 개략적인 도시로, 상기 디스크형 변환기(12)는 송신기로, 상기 링형 변환기(14)는 수신기로 사용된다. 디스크형 변환기(12)의 외부 지름은 약 1㎝ 미만으로 선택되는데, 그 이유로는 첫째, 더 넓은 신호의 빔 확산을 생성할 수 있고, 둘째, 변환기가 쉽게 도관의 만곡된 표면에 결합 될 수 있기 때문이다. 도 1의 (b)는 파이프의 외표면(16)에 설치된 변환기(10)의 평면도를 개략적으로 도시하고 있다. 일 실시예에서, 한쪽은 평면(20)이고 반대쪽은 도관(16)의 굴곡과 맞는 곡면(22)으로 된 디스크 형태의 플렉시 유리(Plexiglas) 또는 알루미늄 커플러(aluminum coupler; 18)가 변환기를 설치하기 위해 사용될 수 있다. 2요소 변환기(10)는 또한 어떠한 두드러진 측정 품질의 열화 없이 굴곡진 도관 표면에 커플러(18) 없이 직접 부착될 수 있다. 에폭시(Epoxy)나 접착 물질들을 사용하여 도관(16) 외표면 어느 위치에든 디스크(12) 또는 링(14)을 부착시킬 수 있다. 유익하게도 부착 위치는 엘보우나 심한 굴곡 부분과 떨어질 수 있다.
도 1의 (c) 및 도 1의 (d)는 만곡된 압전 물질 스트립들(curved piezoelectric material strips; 24a 내지 24c)이 나란하게 부착된 파이프(16)의 투시도와 그것의 평면도를 각각 개략적으로 도시하고 있다. 일 실시예로, 넓이가 약 1㎝ 이고, 만곡된 방향으로 약 2㎝ 길이인 압전 물질 스트립들이 사용될 수 있다. 도관의 크기에 따라 다른 크기나 숫자의 스트립이 사용될 수 있다. 도 1의 (a) 및 도 1의 (b), 도 2a 및 2b에 나타난 변환기 요소들은 파이프에서 먼 쪽의 변환기 면을 한 겹의 텅스텐을 입힌 에폭시(tungsten-loaded epoxy)로 코팅을 함으로써 광대역으로 만들어질 수 있다. 일반적인 중심 주파수는 약 3㎒ 에서 약 7㎒ 사이에서 사용될 수 있다. 낮은 주파수는 지름이 큰 파이프들에 사용되고, 반면에 높은 주파수는 파이프 내 유체로의 신호 침투 때문에 파이프 지름이 작은 경우 더욱 효과적이다. 어떠한 백로딩(back loading)이 필요치 않은, 1-2-3 복합재료(1-2-3 composite material)에 기반을 둔 더 넓은 대역폭의 변환기도 사용될 수 있다. 일 실시예로 의료 영상 응용물에 사용되는 표준 2요소 도플러 변환기도 본 발명의 입자 검출 측정에 사용될 수 있다. 도 1의 (c)에 나타난 만곡된 스트립 변환기(curved strip transducer)의 경우 바깥쪽 구성요소들(24a 및 24c)은 수신기로 사용될 수 있고, 반면에 중앙의 변환기(24b)는 송신기로 사용될 수 있다. 하나의 변환기를 수신기로 사용할 수도 있다. 도 1의 (d)의 파이프(16) 상에서 변환기(24b) 반대편에 배치된 변환기(28)는 아래 도 3과 관련된 논의에서 설명될 것이다.
변환기들은, 빔이 일반적으로 유동과 직교를 이루도록 파이프의 표면에 결합 된다. 이는, 변환기들을 직교하도록 설치하지 않는 상용 시스템과는 다른 것인데, 이는 90°가 되면 도플러 신호가 이론적으로 0이 되기 때문이다. 상기 설명된 것처럼, 변환기들은 파이프 면에 플러시 마운트될(mounted flush) 수 있지만, 적어도 일차원의 작은 변환기들의 경우 빔이 변환기의 축 선상 주변으로 충분히 퍼져서 음파가 유체의 유동에 직교하게만 전송되지는 않는다. 이는, 변환기들이 파이프의 면에 플러시 마운트될 때조차 도플러 신호가 감지될 수 있는 주된 이유이며, 현장에서 본 발명의 실시예의 구현을 단순화시킨다. 빔의 확산(-6㏈ 지점)은 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112013028726676-pct00001
여기서 θ는 송신기 빔의 각도이고, c는 유체에서의 음파의 속도이고, f는 변환기에 인가된 주파수이며, D는 변환기의 지름을 나타낸다. 상기 수식 및 도 2a에서 볼 수 있듯이, 변환기 지름이 작을수록 빔의 확산은 커지고, 빔의 일부분은 파이프 축과 나란한 방향으로 전송된다. 반경 방향(radial direction)으로 빔의 원주방향의 확산(circumferential spread)은 파이프의 굴곡 때문에 한 지점에 모이는 경향이 있다. 파이프 벽은 빔 프로파일(beam profile)의 근거리장(near-field) 영역을 상당히 감소시키므로 나타나는 빔은 원거리장(far field) 영역에 있게 된다.
도 2a는 2요소 변환기(10)에 대해서 파이프의 축 방향을 따라 초음파 에너지가 확산됨을 보여주며, 반면에 도 2b는 파이프(16)와 결합한 커다란 만곡된 스트립 변환기(24b)에 대한 원주방향의 빔 프로파일을 보여준다. 빔은, 도면에 도시된 것처럼 한 점에 초점을 맞추는 것이 아니라 좁아진다. 만약 유체가 크게 감쇠시키지 않는다면, 음파 빔은 파이프의 대향하는 벽에서 반사될 것이고, 확산이 계속되어 상호작용하는 양이 더 많아지게 된다. 도 2a는 파이프(16)를 통해 이동하고 있는 입자(30)가 변환기(12)로부터의 음파 빔을 차단하고 있는 것을 도시하고 있다.
움직이는 입자로부터 검출되는 도플러 신호는 다음 수식과 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112013028726676-pct00002
여기서 Δfd는 도플러 천이된 신호이고, f는 송신기가 여기되는 주파수이고, α는 빔의 확산과 유체의 유동 사이의 전체 각도를 나타내며, VP 및 VL은 액체와 함께 유동하는 입자의 속도 및 액체 내에서의 음파의 속도를 각각 나타낸다. 수식에서 볼 수 있듯이, 유동률(flow rate)이 높아질수록 도플러 천이된 신호가 더 커지게 된다.
도 3은 본 입자 검출 시스템의 전자 부품들의 일 실시예를 개략적으로 도시하고 있으며; 다른 구성 형태로도 성공적으로 구현할 수 있음을 예측할 수 있다. 마이크로콘트롤러(microcontroller; 34)에 의해 제어되는 직접 디지털 파형 합성기(Direct Digital Synthesizer: DDS)(32)는, 사인 함수의 연속파를 생성하거나 또는 때때로 사용되는 간헐적인 주파수 첩 신호(intermittent-frequency chirp signal)를 생성한다. 신호는 완충 증폭기(buffer amplifier, 36)를 통해 변환기 시스템(10)의 송신용 변환기(12)로 가게 된다. (송신용 변환기와 같은 파이프의 면에 위치한) 수신용 변환기(14)에 의해 검출되는, 산란되고 반사된 신호는, 신호 증폭기(38)에 의해 증폭되고 동 위상 직교위상(I-Q) 복조기 회로(40)로 가게 되며, 이를 통해 고체 입자(30)의 움직이는 방향을 검출하거나 파이프(16) 내 유체의 유동(42)에 혼입된 입자들의 총체를 검출할 수 있다. 복조기(40)는 차분 주파수를 추출하기 위해, (DDS(32)로부터의 사인과 코사인 출력인) 직교 위상의 송신된 주파수를 도플러 천이된 주파수와 믹싱한다. 복조기는 서로 90°로 동작하는 두 개의 주파수 믹서(mixer) 및 도플러 신호의 실수부와 허수부 출력을 포함한다. 이 출력으로부터, 12 비트, 25㎒의 다채널 아날로그-디지털(A/D) 변환기(44)에 의한 디지털화를 거친 후 DSP(46)에서 도플러 신호의 크기와 위상이 결정된다. 위상 정보는 움직이는 방향의 정보를 제공한다. 아날로그-디지털 변환기(44)는 연속적인 측정결과를 기록할 때에는 훨씬 더 느린 레이트(rate)로 동작할 수 있다. 시간에 대해 연속적으로 기록된 도플러 신호는 시간-주파수 형식(joint time-frequency format)으로 변환되어 도플러 주파수를 시간에 대한 함수로서 관찰할 수 있다. DSP(46)에 의해 처리된 데이터로부터 생성되고, 마이크로콘트롤러(34)에 의해 디스플레이(display; 48)에 표시된 스펙트럼 사진 또는 단시간 푸리에 변환(short-time Fourier Transform) 결과는, 도플러 주파수 천이를 얻기 위한 순시 주파수 정보(instantaneous frequency information)를 제공하며, 여기서 입자의 속도는 도플러 천이와 직접적인 관련이 있다.
변환기 시스템(10)과 대향하는 파이프(16) 면의 외벽에 부착된 수신용 변환기(28)는, 도플러 측정을 최적화하기 위한 파이프의 음파 전송 특성을 결정하는데 사용된다. 약 1㎒에서 약 10㎒ 사이에서 (또는 임의의 더 작은 범위에서) 약 100㎲ 지속시간의 주파수 첩이, DDS 회로에 의해 생성되고 송신용 변환기에 인가된다. 첩의 지속시간은 그리 중요한 것은 아니며 다른 지속시간 또한 사용될 수 있다. 대향하는 면에서 수신된 신호는 신호 증폭기(46)에 의해 증폭되고, A/D 변환기(44)에 의해 다른 채널에 기록된다. 이 측정을 위해 또 하나의 A/D 변환기를 사용할 수 있다. 첩 신호의 처리를 위해 A/D 변환기(44)의 출력은 디지털 신호 처리기(Digital Signal Processor: DSP) 시스템(46)으로 가게 된다. 디지털 신호 처리기(46)는 데이터 저장을 위한 디지털 메모리를 또한 포함하며, 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 첩 신호 데이터를 주파수 영역으로 변환하고, 도플러 신호 데이터를 또한 분석하기 위해 더욱 사용된다. 상기 설명한 바와 같이, 주파수 첩 측정은 벽의 공진 주파수를 얻기 위한 시스템의 최적화 목적에 사용될 수 있으며, 오랜 시간 동안의 온도 변화 또는 벽의 가늘어짐으로 인한 변화를 보정하는데 사용된다. 그 외의 시간 동안은, 2요소 변환기(10) 또는 만곡된 변환기들(24a 내지 24c; 도 1의 (c))을 사용해서 얻은 도플러 신호가, 연속적인 고정 주파수에서 파이프를 통해 송신된 신호와 함께 사용된다. 송신된 신호는 많은 수의 입자가 파이프를 통과할 때 크기 변화를 보여주며, 이러한 두 가지 형태의 측정방법의 결합은 입자 검출 과정에 있어 견고함을 제공한다.
상기 설명한 바와 같이, 변환기(28)는 (전송 윈도우로 알려진) 음파의 전송이 최대가 되는, 벽의 두께 공진을 결정하기 위해 사용한다. 도플러 측정을 위해 이 주파수들 중 어떠한 것이라도 사용할 수 있다. 주파수가 높아질수록 같은 입자 속도에 대해 더 높은 차분 주파수 신호를 제공하며, 따라서 더욱 민감하게 된다. 그러나 높은 주파수는 변환기의 빔 폭을 또한 좁힌다. 만약 파이프의 벽이 매우 두껍다면, 공진 피크들이 가까이 위치하게 되고, 별다른 어려움 없이 개별적인 피크들 중에 몇 개가 선택될 수 있다. 그러나 얇은 벽의 경우, 전송 윈도우들이 주파수 상에서 멀리 떨어지고, 시스템의 가장 효율적인 동작을 위한 시스템의 미세조정을 위해 주파수의 선택이 중요할 수 있다. 적합한 전송 윈도우를 선택했느냐에 관계없이 본 시스템은 꽤 잘 동작할 것이다. 신호 세기에서의 손실은 벽의 공진 피크의 첨예도(Q, 양호도)와 관련이 있으며, 대부분 일반적으로 약 10이다.
수신용 변환기(28)의 출력은 연속파 신호의 실효값(RMS value)을 제공하는 RMS→DC 변환 회로(50)로 또한 갈 수 있다. RMS→DC 변환기는 송신된 신호의 순간적인 크기 값에 해당하는 DC값을 제공하기 때문에, 단지 수신된 신호의 크기만이 모니터링 될 때는, 이 회로를 씀으로써 높은 샘플 레이트(sample rate)의 디지털화가 불필요해진다. 측정을 할 때, 올바른 음파의 전송 윈도우 및 음파의 전송 윈도우 내의 특정 동작 주파수가 주기적으로 결정된다. 일단 주파수가 선택되면, 연속파 신호가 생성되고 도플러 및 음파의 전송에 대한 측정이 이루어진다.
도 4는 송신용 변환기(12)와 대향하는 파이프(16)의 면에 위치한 수신용 변환기(28)에 의해 검출된 주파수 첩 신호를 고속 푸리에 변환(FFT)한 그래프를 주파수에 대한 함수로 도시하고 있다. 이 그래프는 주파수 상에서 등간격의 공진 피크들의 주기적인 패턴, ΔFW를 도시하는데, 이 주파수의 차이는 파이프 벽의 두께와 관련이 있다. 도시된 데이터는 0.25 인치 두께의 벽을 가진 3 인치 지름의 스테인리스 강(stainless steel) 파이프에 관한 것이다. 공진 피크 주파수들 중 어떠한 것이라도 도플러 측정을 하기 위해 사용할 수 있으며, 그 선택은 특정 응용 예에 따르게 된다. 4㎒까지의 스펙트럼이 도시되어 있으나, 공진 피크들은 더 높은 주파수까지도 또한 계속된다. 도플러 측정은 어떠한 주파수에서도 가능하지만, 더 높은 송신 주파수의 선택은 더 강한 도플러 신호를 제공한다. 상기 설명한 바와 같이, 이러한 소위 전송 윈도우는 데이터의 대역통과 필터 기능을 또한 제공하고, 이로써 측정이 외부 잡음에 덜 민감하게 된다; 즉, 주변 잡음이 크게 제거된다. DSP에서 처리된 데이터는 결과를 디스플레이하기 위해 또는 입자의 검출 시 경보기를 작동시키기 위해 마이크로콘트롤러에 전달된다.
(예컨대, 오일 다운홀을 헐겁게 하기 위해 증기를 주입하는 동안에) 만약 액체의 온도가 크게 변한다면, 파이프 벽의 온도가 변하고 공진 주파수들이 약간 이동한다. 도 4로부터 공진 주파수들이 첨예함을 관찰할 수 있으며, 가끔 확인하지 않으면, 약간의 벽 온도의 변화로도 고정된 인가 주파수가 주파수 윈도우 밖으로 벗어날 수 있다. 상기 설명한 바와 같이, 빠른 주파수 첩이 파이프에 인가되고, - 이는 전체 주파수 스윕이 100㎲ 이내에 완료됨을 의미 - 송신된 신호는 시간에 대한 함수로 기록된다. 결과 신호는, 공진 주파수에 다가갈 때마다 커지며, 크기 변조된 신호처럼 나타난다. 이러한 시간에 대한 기록의 FFT로부터 도 4에 도시된 데이터를 얻을 수 있다. 이와 같은 측정을 하기 위한 다른 방법은 주파수를 스윕하여 도 4의 스펙트럼을 관찰하는 것이 될 것이다.
본 발명의 일반적인 실시예에 대해 설명했으며, 다음 예는 추가적인 상세한 설명을 제공한다.
[예]
도 5는 내경이 3 인치인 파이프 내에서, 물에 유동하는 50㎛ 크기의 고체 입자들의 여러 그레인(grain) 별 수량에 대한 도플러 검출 결과를 시간에 대한 함수로 나타낸 그래프이다 (도플러 천이된 주파수는 전압으로 변환되었다). 각각의 유동 측정결과에서 입자의 수(5, 20, 200)는 대략적인 값이다. 분명히 매우 작은 그레인(~5개 입자)의 모래도 검출할 수 있다. 신호의 크기는 입자의 수에 따라 증가하므로, 산란체의 수가 증가함에 따라 반사되는 신호도 커진다. 크기는 장치로부터의 원시 신호를 나타낸다. 7㎒ 주파수에서, 두께가 0.25 인치인 벽을 가진, 내경이 3 인치인 강철관에서 측정이 이루어졌다.
도 6의 (a)는 도 5의 약 200 그레인의 모래에 대한 데이터의 FFT 그래프이고, 도 6의 (b)는 5 그레인의 모래에 대한 데이터의 FFT 그래프이다. y 축은 신호의 FFT 크기를 나타내고, 입자의 속도와 관련이 있다. 적은 그레인의 모래는 검출 영역을 빠르게 통과하지만, 반면에 많은 수의 입자는 조금 더 넓은 공간 영역에 대해 퍼져있으므로 음파 빔을 더욱 천천히 가로지른다. 도 6의 (a) 및 6의 (b)는 본 방법을 사용하여 매우 초기 단계의 모래 산출을 검출할 수 있음을 나타낸다. 곡선 아래의 적분된 영역은 존재하는 입자의 수에 대한 척도를 제공한다. 사용된 장치의 검출 한계는 밀리리터 당 약 20 개의 입자이며, 측정 가능한 입자의 크기는 약 1㎛이다. 도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 도시된 데이터를 얻기 위해서 9.4㎒의 동작 주파수를 사용하였다.
30mL 물에 25㎛의 (800 그릿(grit)) 입자의 0.15g의 현탁액을 만들고, 분당 약 0.15 갤런의 비율로 유동하는 물과 함께 천천히 2 인치 지름의 스테인리스 강 파이프에 주입된다. 미처리 원시 도플러 신호가 도 7a에 되시되어 있다. 현탁액의 주입 과정이 일정하지 않기 때문에 측정 데이터에 버스트들이 나타난다. 도 7b는 도 7a의 데이터로부터 얻은 시간 주파수 플롯(joint time and frequency plot)을 도시하며, 여기서 입자 속도의 신호가 시간에 대한 함수로 도시된다. 비록 입자의 속도는 대략 같게 유지되지만, 주입 과정 때문에 입자의 유동에 버스트들이 나타난다. 이 경우의 유동률은 꽤 느리며, 더 높은 유동률이 사용될 때 도플러 신호는 훨씬 더 커질 것이다.
30mL 물에 45㎛의 (320 그릿) 입자의 0.03g의 현탁액이 분당 약 0.15 갤런의 비율로 유동하는 물과 함께 2 인치 지름의 스테인리스 강 파이프에 주입되고, 원시 도플러 신호가 도 8a에 도시된다. 같은 데이터의 속도-시간 도면(velocity-time plot)이 도 8b에서 등고선도로 도시되는데, 이로부터 주입 과정 동안 서로 뭉쳐진 입자들로 인한 것으로 보이는 속도의 확산을 관찰할 수 있다.
도 9의 (a) 내지 (c)는 오일/물의 거품이 시스템에 인가된 경우의 측정 그래프들이다. 도 9의 (a)는 입자 없이 오직 물만 존재할 때 도플러 신호가 나타나지 않음을 도시한다. 3.28㎛ 라텍스 입자들(latex particles)이 유동하는 물에 인가될 때, 도 9의 (b)에서 관찰되는 바와 같이 도플러 신호가 쉽게 검출된다. 도 9의 (c)에서 관찰될 수 있듯이, 거품은 다른 독특한 도플러 신호를 만들어낸다. 그러므로 원시 도플러 신호의 FFT는 입자의 크기 및 유형에 관한 정보를 담고 있다.
도플러 및 음파 전송의 동시측정결과를 관찰하는 것은 도면에 나타나 있지 않지만, 본 발명의 또 다른 실시예이다. 송신된 신호는, 두 개의 대향하는 변환기 사이의 액체 내에서의 입자의 존재에 민감하다. 그러나 (예컨대 1㎛ 미만의) 작은 크기의 (예컨대 5 그레인 미만의) 적은 양의 입자는 이러한 방법에 의해 확실하게 검출할 수 없다. (크기가 큰 입자들 또는 많은 수의 작은 입자들과 같이) 입자들의 버스트가 측정 영역을 지나갈 때 송신된 신호의 크기는 입자의 존재에 상응하여 감소하고, 이로써 입자 또는 모래의 존재 여부를 추가적으로 확실히 알 수 있게 되며, 이는 갑자기 많은 수의 입자가 파이프를 통과할 때 경보기 트리거(trigger)로 사용할 수 있다.
비록 본 측정결과들은 물에 관한 것이지만, 같은 측정결과들이 광물성 오일에서 유사하게 되풀이되었다. 물뿐만 아니라 광물성 오일에서도, 파이프에 유동하는 적은 수의 입자들이 1㎒ 정도로 낮은 여기 주파수에서 비침투적 방법으로 검출될 수 있었다. 그러나 일반적으로 주파수가 높을수록 더 향상된 신호를 얻을 수 있다. 유동률이 높을수록 더 큰 도플러 천이를 또한 일으킨다.
상기 설명된 바와 같이 도플러 스펙트럼은 입자의 크기 및 분포를 결정한다. 유체 입자의 유동에서, 스톡스 수(Stokes number)는 입자의 응답시간, 즉 캐리어의 유속 변화에 입자가 반응하는데 걸리는 시간의 유동 시스템의 시간 특성에 대한 비율이다. 만약 스톡스 수가 0.1 미만이면, 입자는 유체의 속도 변화에 반응하는데 충분한 시간을 가지며, 입자의 속도는 유체의 속도에 접근한다. 반대로, 만약 스톡스 수가 10 보다 크면, 입자는 변화하는 유체의 속도에 반응할 시간이 거의 없고, 입자의 속도는 해당 변화를 거의 나타내지 못한다. 유체에서의 입자들의 상대적인 집중도를 로딩(loading)이라 부르며, 이는 입자의 질량 유동(mass flow)을 유체의 질량 유동에 대한 비율로 정의할 수 있다. 만약 입자의 로딩이 작으면 유체는 입자의 특성(속도, 온도 등)에 영향을 주지만, 입자는 유체의 특성에 영향을 주지 않으며, 이를 단방향 결합(one-way coupling)이라 부른다. 만약 입자와 유체 사이에서의 상호작용이 있게 되는 조건이라면, 그 유동은 양방향 결합(two-way-coupling)이 된다.
전술한 본 발명의 설명은 도시 및 설명을 목적으로 제공된 것으로, 누락 없는 철저한 것이 아니고 개시된 상세한 형태로 본 발명을 제한하려는 것은 아니며, 다른 변형 또는 변경도 이전 교시에 비춰 가능함은 자명하다. 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 용례를 가장 잘 설명하고자 선택 및 개시되었고, 이를 통해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람은 계획된 특정 용도에 적절한 다양한 변경을 가하여, 다양한 실시예 형태로 본 발명을 가장 잘 사용할 수 있다. 본 발명의 범위는 여기 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.

Claims (20)

  1. 축과 벽을 가진 파이프에 유동하는 유체에 부유하는 적어도 하나의 입자를 비침투적으로 검출하는 장치로서,
    상기 축을 따라 선택된 위치에서 상기 파이프의 외표면과 같은 높이로 마운트되고(mounted flush with) 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는(vibrational communication) 제1 변환기(transducer);
    적어도 하나의 선택된 주파수를 갖는 선택 신호를 상기 제1 변환기에 제공하기 위한 신호 생성기 - 상기 유체 내에서 진동이 생성되고, 적어도 그 일부가 상기 유체의 유동 방향을 가짐 -;
    상기 적어도 하나의 입자로부터 산란된 진동 신호를 검출하기 위해 상기 축을 따라 상기 선택된 위치에 상기 제1 변환기와 나란히 위치하여 상기 파이프의 외표면과 같은 높이로 마운트되고 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는 제2 변환기; 및
    상기 적어도 하나의 입자로부터 검출된 상기 산란된 신호와 상기 제1 변환기에 의해 생성된 상기 선택된 진동 신호 간의 도플러 주파수 천이를 모니터링하기 위한 수단
    을 포함함으로써 상기 적어도 하나의 입자가 검출되는, 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도플러 주파수 천이를 모니터링하기 위한 수단은 상기 적어도 하나의 입자로부터 산란된 신호와 상기 제1 변환기에 의해 생성된 상기 선택된 진동 신호 간의 위상 천이를 판정하기 위한 동위상 직교위상 복조기(in-phase and quadrature demodulator)
    를 포함함으로써 상기 적어도 하나의 입자의 이동방향이 결정되는, 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되며, 상기 제1 변환기로부터 상기 유체로 가는 진동을 검출하기 위해 상기 제1 변환기와 직경상으로 대향하게(diametrically opposed) 위치해 있는 제3 변환기;
    상기 유체 내에 생성된 진동이 상기 제1 변환기로부터 제3 변환기에 도달하는 시간 보다 짧은 지속시간을 갖는 주파수 첩 신호(frequency chirp signal)를 상기 제1 변환기에 제공하기 위한 신호 생성기; 및
    상기 첩 신호를 수신하기 위한 신호 처리기
    를 더 포함함으로써 상기 파이프의 상기 벽에서의 공진 진동이 검출되는, 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 수신된 첩 신호를 고속 푸리에 변환하는, 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 주파수는 상기 파이프의 상기 벽에서의 공진 진동에 상응하는, 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 생성된 진동은 1㎒ 보다 큰 주파수를 갖는, 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 변환기, 상기 제2 변환기 및 상기 제3 변환기는 압전 변환기들(piezoelectric transducers)을 포함하는, 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 동위상 직교위상 복조기는 또한 상기 산란된 신호의 진폭을 판정함으로써 입자들의 수가 판정되는, 장치.
  9. 축과 벽을 가진 파이프에 유동하는 유체 내의 적어도 하나의 입자를 비침투적으로 검출하는 방법으로서,
    적어도 하나의 선택된 주파수에서 구동되는, 상기 축을 따라 선택된 위치에서 상기 파이프의 외표면과 같은 높이로 마운트되고 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는 제1 변환기를 사용하여, 상기 적어도 하나의 선택된 주파수를 갖는 진동들을 상기 유체 내에서 유체 유동 방향으로 생성하는 단계;
    상기 축을 따라 상기 선택된 위치에 상기 제1 변환기와 나란히 위치하여 상기 파이프의 외표면과 같은 높이로 마운트되고 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되는 제2 변환기를 사용하여, 상기 적어도 하나의 입자로부터 산란된 진동 신호를 검출하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 입자로부터의 상기 산란된 진동 신호와 상기 생성된 진동들의 상기 선택된 주파수 간의 도플러 주파수 천이를 모니터링하는 단계
    를 포함함으로써 상기 적어도 하나의 입자가 검출되는, 방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 입자의 이동 방향을 판단하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 입자의 이동 방향을 판단하는 단계는
    상기 적어도 하나의 입자로부터의 상기 산란된 신호와 상기 제1 변환기의 상기 적어도 하나의 선택된 주파수 간의 위상 천이를 판정하기 위해 동위상 직교위상 복조기를 사용하여 수행되는, 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 동위상 직교위상 복조기는 또한 상기 산란된 신호의 진폭을 판정함으로써 입자들의 수가 판정되는, 방법.
  15. 제9항에 있어서,
    공진 벽 진동(resonant wall vibration) 주파수가 될 상기 적어도 하나의 선택된 주파수를 선택하는 단계를 더 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 주파수를 선택하는 단계는
    상기 유체 내에 생성된 진동이 상기 제1 변환기로부터 제3 변환기에 도달하는 시간보다 짧은 지속시간을 갖는 주파수 첩 신호를 상기 제1 변환기에 제공하기 위한 신호 생성기에 의해 구동되며, 상기 파이프의 외표면과 진동으로 연통되며, 상기 제1 변환기로부터 상기 유체로 가는 진동들을 검출하기 위해 상기 제1 변환기와 직경상으로 대향하게 위치해 있는 상기 제3 변환기; 및
    상기 제3 변환기로부터 상기 첩 신호를 수신하기 위한 신호 처리기를 사용하여 수행됨으로써 공진 벽 진동들이 검출되는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제3 변환기에 의해 수신된 첩 신호를 고속 푸리에 변환하는 단계를 더 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 변환기에 의해 수신된 첩 신호를 고속 푸리에 변환하는 단계는
    상기 제3 변환기로부터 상기 첩 신호를 수신하는 신호 처리기를 사용하여 수행되는, 방법.
  19. 제9항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 선택된 주파수는 1㎒ 보다 큰, 방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 제1 변환기, 상기 제2 변환기 및 상기 제3 변환기는 압전 변환기들을 포함하는, 방법.
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Families Citing this family (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2717026A3 (en) * 2012-10-04 2016-03-16 Sonotec Ultraschallsensorik Halle GmbH Method of and apparatus for determining a flow rate of a fluid and detecting gas bubbles or particles in the fluid
US9320995B2 (en) * 2013-09-17 2016-04-26 Covaris, Inc. Method and apparatus for processing sample material
WO2015065479A1 (en) * 2013-11-01 2015-05-07 Halliburton Energy Services, Inc. Downhole optical communication
EP2913641B1 (en) * 2014-02-28 2019-07-31 Yokogawa Electric Corporation Multiphase flowmeter
KR101533539B1 (ko) * 2014-12-17 2015-07-03 성균관대학교산학협력단 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치
DE102015107752A1 (de) * 2015-05-18 2016-11-24 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zur Ermittlung zumindest einer Rohrwandresonanzfrequenz sowie Clamp-On-Ultraschall-Durchflussmessgerät
PL3317658T3 (pl) 2015-07-03 2021-05-04 Kamstrup A/S Czujnik mętności oparty na pomiarach ultradźwiękowych
US10996203B2 (en) 2015-08-12 2021-05-04 Triad National Security, Llc Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
US10585069B2 (en) 2015-08-12 2020-03-10 Chevron U.S.A. Inc. Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
WO2017099852A1 (en) * 2015-08-12 2017-06-15 Los Alamos National Security, Llc Detection and monitoring of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
CN115683956A (zh) * 2015-08-19 2023-02-03 索拉里斯纳米科技公司 用于识别和分离大分子的非简并两波混频
US10379114B2 (en) * 2015-08-19 2019-08-13 Solaris Nanosciences, Inc. Nondegenerate two-wave mixing for identifying and separating macromolecules
US10698427B2 (en) 2016-10-31 2020-06-30 Ge Oil & Gas Pressure Control Lp System and method for assessing sand flow rate
US10830735B2 (en) * 2017-03-20 2020-11-10 Triad National Security, Llc Simultaneous real-time measurement of composition, flow, attenuation, density, and pipe-wallthickness in multiphase fluids
WO2019040639A1 (en) * 2017-08-22 2019-02-28 Ge Oil & Gas Pressure Control Lp SYSTEM AND METHOD FOR EVALUATING SAND FLOW
JP6971332B2 (ja) * 2018-01-23 2021-11-24 京セラ株式会社 流体測定装置、流体測定方法、及びプログラム
EP3785027B1 (en) * 2018-04-27 2024-07-10 Chevron U.S.A. Inc. Detection, monitoring, and determination of location of changes in metallic structures using multimode acoustic signals
US11274952B2 (en) * 2018-11-16 2022-03-15 Levitronix Gmbh Ultrasonic measuring device for ultrasonic measurement on a flowing fluid
US10823700B2 (en) 2019-02-15 2020-11-03 Raytheon Technologies Corporation Active oil debris monitor particle detection and monitoring system
US11536706B2 (en) 2019-02-18 2022-12-27 Raytheon Technologies Corporation Active oil debris monitor phase angle calculation and monitoring system
US11137383B2 (en) 2019-02-18 2021-10-05 Raytheon Technologies Corporation Active oil debris monitor particle detection and monitoring system
RU2724179C1 (ru) * 2019-07-22 2020-06-22 Станислав Александрович Ежов Способ регистрации твёрдых фракций в газовом потоке
MX2020011238A (es) * 2019-10-31 2022-02-10 Neptune Tech Group Inc Elemento de medicion unificado para conjunto de medidor de agua.
CN112780929B (zh) * 2019-11-06 2022-09-27 计算系统有限公司 振动传感器安装结构
US12117420B2 (en) 2021-03-30 2024-10-15 International Business Machines Corporation Sonar scanning water cooled coaxial cables
US20230080236A1 (en) * 2021-09-15 2023-03-16 Saudi Arabian Oil Company Gaseous Bubble System and Method to Measure Gelation Time
CN118329833B (zh) * 2024-06-13 2024-09-03 华东交通大学 水果品质连续化检测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103679A (en) 1977-03-22 1978-08-01 Biosonics, Inc. Method and apparatus for measuring blood flow noninvasively
US20070293759A1 (en) 2004-09-03 2007-12-20 Nephros, Inc. Doppler Flow Measurement Apparatus
US20100000325A1 (en) 2004-07-29 2010-01-07 Gregory Kaduchak Ultrasonic analyte concentration and application in flow cytometry

Family Cites Families (39)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3178940A (en) * 1958-01-08 1965-04-20 Gulton Ind Inc Ultrasonic measuring device
US4246653A (en) * 1979-01-08 1981-01-20 Northrop Corporation In-phase quadrature demodulator for CPSK signals
US4279167A (en) * 1979-10-01 1981-07-21 Ramsey Engineering Company Liquid coupling for doppler sonic flowmeter
US4280365A (en) * 1979-10-10 1981-07-28 Leeds & Northrup Company Ultrasonic Doppler flowmeter with correction for vibratory signals at zero-flow conditions
US4542644A (en) * 1983-09-26 1985-09-24 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Void/particulate detector
US4689986A (en) * 1985-03-13 1987-09-01 The University Of Michigan Variable frequency gas-bubble-manipulating apparatus and method
GB2215050B (en) * 1988-02-03 1991-09-04 Schlumberger Ind Ltd Systems for detecting magnetic particles in fluids
US5103827A (en) * 1990-12-14 1992-04-14 Medasonics, Inc. Apparatus for and a method of distinguishing ultrasound signals returned from bubbles and particles moving in a fluid from signals due to ultrasound transducer motion
DE4118810C2 (de) * 1991-06-07 1993-11-18 Wagner Louise Vorrichtung zur Messung kleiner Partikel in einem in einem Meßrohr strömenden Medium
WO1994027142A1 (de) * 1993-05-19 1994-11-24 Flueh Gerd Verfahren und vorrichtung zum erkennen von fremdkörpern in viskosen oder flüssigen lebensmitteln mit stückigen inhaltsstoffen
US5719329B1 (en) * 1995-12-28 1999-11-16 Univ Ohio Ultrasonic measuring system and method of operation
RU2104555C1 (ru) * 1996-04-30 1998-02-10 Александр Михайлович Деревягин Измеритель скорости потока
JP2002520584A (ja) * 1998-07-10 2002-07-09 パナメトリクス・インコーポレイテッド 誘導モードによる流量測定システム
EP1816442A3 (en) * 1999-03-17 2013-10-30 Panasonic Corporation Ultrasonic flow meter
US6481268B1 (en) * 1999-10-12 2002-11-19 Baker Hughes, Inc. Particle measurement by acoustic speckle
US6378357B1 (en) * 2000-03-14 2002-04-30 Halliburton Energy Services, Inc. Method of fluid rheology characterization and apparatus therefor
GB2363455B (en) * 2000-06-12 2002-10-16 Schlumberger Holdings Flowmeter
US6854338B2 (en) * 2000-07-14 2005-02-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Fluidic device with integrated capacitive micromachined ultrasonic transducers
US6401538B1 (en) * 2000-09-06 2002-06-11 Halliburton Energy Services, Inc. Method and apparatus for acoustic fluid analysis
KR20040020869A (ko) * 2000-12-18 2004-03-09 이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니 서스펜션 입자의 초음파 사이징을 위한 방법 및 장치
JP4169504B2 (ja) * 2001-10-26 2008-10-22 東京電力株式会社 ドップラ式超音波流量計
NL1020714C2 (nl) * 2002-05-30 2003-12-02 Tno Ultrasone karakterisatie van hoge concentratie deeltjes.
DE10224294A1 (de) * 2002-05-31 2004-01-15 systec Controls Meß- und Regeltechnik GmbH Verfahren zur Ultraschall-Laufzeit-Mengenmessung
US6644119B1 (en) * 2002-06-28 2003-11-11 The Regents Of The University Of California Noninvasive characterization of a flowing multiphase fluid using ultrasonic interferometry
US6782751B2 (en) * 2002-09-13 2004-08-31 Ctes, L.C. Pipe inspection systems and methods
US7010962B2 (en) * 2003-01-24 2006-03-14 Sinha Naveen N Characterization of liquids using gas bubbles
US6837098B2 (en) * 2003-03-19 2005-01-04 Weatherford/Lamb, Inc. Sand monitoring within wells using acoustic arrays
US20060027015A1 (en) * 2004-07-23 2006-02-09 Tavlarides Lawrence L Method and apparatus for estimating solids concentration in slurries
DE102005024134A1 (de) * 2005-05-23 2007-01-11 Endress + Hauser Flowtec Ag Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße
US8162837B2 (en) * 2005-06-13 2012-04-24 Spentech, Inc. Medical doppler ultrasound system for locating and tracking blood flow
KR101216649B1 (ko) * 2005-10-18 2012-12-31 마이크로 모우션, 인코포레이티드 유량계의 제1 센서 신호와 제2 센서 신호 사이의 위상차를 결정하기 위한 방법 및 계측 전자장치
US7503217B2 (en) * 2006-01-27 2009-03-17 Weatherford/Lamb, Inc. Sonar sand detection
EP2076739A4 (en) * 2006-10-10 2014-10-01 Shahar Seifer ULTRASONIC DETERMINATION OF FLUID FLOW PARAMETERS THROUGH A CONDUIT USING FIELD FIELD ANALYSIS
CA2669292C (en) * 2006-11-09 2016-02-09 Expro Meters, Inc. Apparatus and method for measuring a fluid flow parameter within an internal passage of an elongated body
US7661293B2 (en) * 2007-02-06 2010-02-16 Cosense, Inc. Ultrasonic system for detecting and quantifying of air bubbles/particles in a flowing liquid
US7954362B2 (en) * 2007-07-27 2011-06-07 Multiphase Flow International Llc Ultrasound multiphase fraction meter and method for determining phase fractions in a multiphase fluid
US8166801B2 (en) 2007-09-30 2012-05-01 Los Alamos National Security, Llc Non-invasive fluid density and viscosity measurement
WO2009077754A1 (en) * 2007-12-19 2009-06-25 Schlumberger Technology B.V. System and method for measuring or monitoring of a low concentration dispersed phase
US8364421B2 (en) * 2008-08-29 2013-01-29 Schlumberger Technology Corporation Downhole sanding analysis tool

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4103679A (en) 1977-03-22 1978-08-01 Biosonics, Inc. Method and apparatus for measuring blood flow noninvasively
US20100000325A1 (en) 2004-07-29 2010-01-07 Gregory Kaduchak Ultrasonic analyte concentration and application in flow cytometry
US20070293759A1 (en) 2004-09-03 2007-12-20 Nephros, Inc. Doppler Flow Measurement Apparatus
JP2008512653A (ja) * 2004-09-03 2008-04-24 ネフロス・インコーポレーテッド ドップラー方式流速測定装置

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EP2612143A1 (en) 2013-07-10
US20120055264A1 (en) 2012-03-08

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