NO335917B1

NO335917B1 - Apparat og fremgangsmåte for måling av fluidparametre i rørledninger ved bruk av akustiske trykksensorer

Info

Publication number: NO335917B1
Application number: NO20006620A
Authority: NO
Inventors: Alan D Kersey; Daniel L Gysling; James D Paduano
Original assignee: Weatherford Lamb Inc
Priority date: 1998-06-26
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2015-03-23
Also published as: RU2250438C2; AU4961699A; US6862920B2; US6988411B2; RU2250438C9; EP1090274A1; US20060144148A1; WO2000000793A8; US20020152802A1; US6732575B2; US20050000289A1; US20020134144A1; CN1192213C; CA2335457C; NO20006620D0; CN1307675A; EP1090274B1; AU746996B2; CA2335457A1; US7322245B2

Description

Apparat og fremgangsmåte for fluidparametermåling i rørledninger ved bruk av akustisk trykk

Denne oppfinnelsen angår fluidparametermåling i rørledninger, og mer spesielt måling av lydhastighet og parametere relatert til denne i fluider i rørledninger, ved bruk av akustiske trykk.

Det er kjent at hastigheten til lyd a,™ i fluider i rørledninger kan brukes til å bestemme forskjellige parametere til fluidet, slik som beskrevet i US patent nr. 4.080.837, med tittel "Sonic Measurement of Flow Rate and Water Content of Oil-Water Streams", Alexander et al, US patent nr. 5,115,670, med tittel "Measurement of Fluid Properties of Two-Phase Fluids Using an Ultrasonic Meter", Shen, og US patent 4,114,439, med tittel "Apparatus for Ultrasonically Measuring Physical Parameters of Flowing Media", Fick. Slike teknikker har et par akustiske sendere/mottakere (transceivers) som genererer et lydsignal og måler tiden det tar for lydsignalet å forplante seg mellom transceiverne. Dette er også kjent som en "rund-sang" eller "transitt-tid" fremgangsmåte. Slike teknikker krever imidlertid nøyaktig kontroll av den akustiske kilden og de er kostbare og/eller komplekse å implementere når det gjelder elektronikkdelen.

US 4,896,540 A beskriver en anordning for å måle en parameter til en fluidblanding i et rør. Det amerikanske patent US 4,932,262 A omtaler en anordning for å måle strømningsrate og gass/væske-forhold i rør og brønner. Fra WO 93/14382 A fremgår det diskret fouriertransformasjon (Fast Fourier Transform, FFT) anvendt for å fremskaffe et frekvensavhengig signal ved analyse av et trykkpulssignal. I publikasjonen av KERSEY AD et al. Med tittelen "Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter" fra Optics Letters, Vol. 18, No. 16, s. 1370-1372 (1993), fremgår det anvendelse av fiber Fabry-Perot bølgelengdefilter i et Bragg-sensorsystem.

Disse teknikkene bruker også ultrasoniske akustiske signaler som det målte lydsignalet, som er signaler med høy frekvens og har kort bølgelengde (d.v.s. bølgelengder som er korte sammenlignet med diameteren til røret). Typiske ultrasoniske anordninger arbeier nær 220k Hz, hvilke korresponderer med en bølgelengde på omtrent 0.8 cm (0.3 tommer) i vann. For å tillate signalforplantning gjennom fluidet på en uhindret og således tolkbar måte må generelt fluidet være homogent ned til lengdeskalaer som er flere ganger mindre enn bølgelengden til det akustiske signalet. Kriteriet for homogenitet i fluidet blir således økende mer strengt med kortere bølgelengdesignaler. Følgelig vil inhomogeniteter i fluidet, slik som bobler, gass, skitt, sand, slam, lagdeler, væskeperler og lignende reflektere eller spre det sendte ultrasoniske signalet. Slik refleksjon og spredning forhindrer instrumentets evne til å bestemme forplantningshastigheten. Av denne grunnen har applikasjonen av ultrasoniske strømningsmetere blitt begrenset til primært godt blandede strømninger.

Formål ved den foreliggende oppfinnelsen innbefatter tilveiebringelse av et system for å måle hastigheten til lyd i fluider i rørledninger.

Ifølge den foeliggende oppfinnelsen omfatter et apparat for å måle i det minste en parameter i en blanding av i det minste ett fluid i et rør, en romlig rekke av i det minste to trykksensorer, anordnet i forskjellige aksiale lokaliseringer langs røret, og hvor hver måler et akustisk trykk inne i røret i en korresponderende aksial lokalisering, hvor hver av sensorene tilveiebringer et akustisk trykksignal som er indikerende for det akustiske trykket inn i rørledningen i den aksiale lokaliseringen av en korresponderende av sensorene; og en signalprosessor som reagerer på trykksignalene, og som tilveiebringer et signal som er indikerende for lydhastigheten i blandingen i røret.

Ifølge den foreliggende oppfinnelsen omfatter videre signalprosessoren logikk som beregner en hastighet hvorved lyd forplanter seg langs den romlige rekken.

Videre ifølge den foreliggende oppfinnelsen, omfatter signalprosessoren logikk som beregner en frekvensdomenerepresentasjon av (eller frekvensbasert signal for) hvert av de akustiske trykksignalene. Videre ifølge oppfinnelsen, omfatter signalprosessoren logikk som beregner et forhold av to av frekvenssignalene. Ytterligere ifølge den foreliggende oppfinnelsen, omfatter sensorene i det minst tre sensorer.

Enda ytterligere ifølge den foreliggende oppfinnelsen, er trykksensorene fiberoptiske Bragg-gitterbaserte trykksensorer. Nok ytterligere ifølge den foreliggende oppfinnelsen måler i det minste en av trykksensorene et omkretsutjevnet trykk i en gitt aksial lokalisering av sensoren. Ytterligere ifølge den foreliggende oppfinnelsen, måler i det minste en av trykksensorene trykk i mer enn ett punkt rundt en omkrets av røret i en gitt aksial lokalisering av sensoren.

Den foreliggende oppfinnelsen frembringer en betydelig forbedring sammenlignet med kjent teknikk ved at det tilveiebringes en måling av hastigheten til lyd a,™ i en blanding av ett eller flere fluider i en rørledning (hvor et fluid er definert som en væske eller en gass) ved at det anvendes en aksial rekke av akustiske (eller ac, dynamiske, ustabile, eller tidsvarierende) trykkparametere langs rørledningen. Det er ikke nødvendig med en eksplisitt akustisk støykilde siden den akustiske bakgrunnstøyen i rørledningen (eller fluidet i denne) sannsynligvis vil tilveiebringe tilstrekkelig eksitasjon for å muliggjøre karakterisering av lydhastigheten i blandingen ved kun passiv akustisk lytting. Oppfinnelsen virker med akustiske signaler som har lavere frekvenser (og således lengere bølgelengder) enn de som brukes med ultrasoniske metere, slik som nedenfor omtrent 10k Hz (i avhengighet av rørdiameter). Som sådan er oppfinnelsen mer tolerant overfor innføringen av gass, sand, slam eller andre inhomogeniteter i strømningen.

Oppfinnelsen vil virke med tilfeldig sensoravstand og tilfeldig strømnings-Mach-tall Mx; men dersom imidlertid sensorene er likt adskilt og den aksiale hastigheten til strømningen er liten og derfor neglisjerbar sammenlignet med hastigheten til lyd i blandingen (d.v.s. Mach-tall i blandingen Mx er lite sammenlignet med en), kan lydhastigheten a,™ bestemmes som en eksplisitt funksjon av frekvensdomenerepresen-tasjonen (frekvensbasert signal) for de akustiske trykksignalene ved en gitt evaluerings-frekvens

CD.

Siden lydhastigheten er intrinsik egenskap for blandinger, kan den foreliggende oppfinnelsen anvendes for å måle en hvilken som helst parameter (eller karakteristika) i en hvilken som helst blanding av en eller flere fluider i en rørledning hvori en slik parameter er relatert til lydhastigheten i blandingen amix, feks. fluidfraksjon, temperatur, saltholdighet, sandpartikler, slam, røregenskaper, etc, eller enhver annen parameter av blandingen som er relatert til lydhastigheten i blandingen. Den foreliggende oppfinnelsen kan feks. brukes til å måle fluidvolumfraksjoner (eller sammensetning eller del eller innhold) i en blanding av et hvilket som helst antall fluider hvori lydhastigheten til blandingen amixer relatert til (eller i hovedsaken bestemt av), volumfraksjonene til to bestanddeler av blandingen, feks. olje/vann, olje/gass, vann/gass. Den foreliggende oppfinnelsen kan også anvendes til å måle lydhastigheten i enhver blanding og kan så brukes i kombinasjon med andre kjente kvantiteter til å avlede faseinnhold av blandinger med multiple (flere enn to) bestanddeler.

Den foreliggende oppfinnelsen gjør det også mulig å bestemme lydhastigheten i et rør uavhengig av rørorienteringen, d.v.s., vertikalt, horisontalt, eller enhver annen orientering. Oppfinnelsen krever heller ikke noe sammenbrudd av strømningen inne i rørledningen (feks. en åpning eller venturi). Videre bruker oppfinnelsen ac (eller ustabil eller dynamisk) trykkmålinger i motsetning til statiske (dc) trykkmålinger og den er derfor mindre sensitiv overfor statiske forskyvninger (eller feil) i avfølingen. Enn videre, dersom det brukes fiberoptiske trykksensorer for røft miljø for å oppnå trykkmålingene, vil slike sensorer eliminere behovet for eventuelle elektroniske komponenter nede i hullet, og derved forbedres påliteligheten til målingen.

En deformasjonsmåler (optisk, elektrisk, etc.) som måler periferideformasjon på røret kan også anvendes for å måle ac-trykket. Pakkede fiberoptiske sensorer kan også anvendes som optiske deformasjonsmålere for å tilveiebringe gjennomsnittlig omkretstrykk. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer således ikke-intrusive målinger av lydhastigheten (og andre korresponderende parametere), som muliggjør samtidsovervåkning og optimalisering ved olje- og gassundersøkelser og produksjon, eller andre applikasjoner.

De foregående og andre formål, trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil bli mer typegjort i lys av den etterfølgende detaljerte beskrivelsen av eksempelutførelser av oppfinnelsen.

Fig. 1 er et skjematisk blokkdiagram over et fluidparametermålesystem ifølge den

foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 2 er en kurve over lydhastigheten i en blanding som funksjon av vannprosent-volumfraksjonen i en olje/vannblanding, ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 3 er en transmisjonsmatrisemodell for akustikken til et eksempelrør som har 9 seksjoner og en strålingsimpedans C, Tai ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 4, illustrasjonene (a)-(c), er kurver over aksiale verdier for pmix, amix, hvann-egenskapene til en blanding for segmentene av røret på fig. 3, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 5 er en kurve over størrelse og fase som fuksjon av frekvens for et forhold på to trykk Pl/P2, for strålingsimpedans på 1.0, vannfraksjon på 50%, og aksiale egenskaper på fig. 4, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 6 er en kurve over størrelse og fase som fuksjon av frekvens for et forhold på to trykk P1/P3, for strålingsimpedanse på 1.0, vannfraksjon på 50%, og aksiale egenskaper på fig. 4, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 7 er en kurve over størrelsen på lydhastighetsestimatet som funksjon av et feiluttrykk over et område av frekvenser, ved bruk av frekvensresponsene på fig. 5,6, i følge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 8 er en kurve over størrelse og fase som funksjon av frekvens for et forhold av to trykk P1/P2 for en strålingsimpedans på 0.5, vannfraksjon på 50%, og konstante aksiale egenskaper i blandingen, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 9 er en kurve over størrelse og fase som funksjon av frekvens for et forhold av to trykk P1/P3, for strålingsimpedans på 0.5, vannfraksjon på 50%, og konstante aksiale egenskaper i blandingen, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 10 er en kurve over størrelse og fase som funksjon av frekvens for et forhold av to trykk P1/P2, for strålingsimpedans på 0.5, vannfraksjon på %, og konstante aksiale egenskaper for blandingen, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 11 er en kurve over størrelse og fase som funksjon av en frekvens for et forhold av to trykk P1/P3, for strålingsimpedans på 0.5, vannfraksjon på 5%, og konstante aksiale egenskaper for blandingen, ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 12 er en kurve over størrelsen til lydhastighetsestimatet som funksjon av et feiluttrykk over et område av frekvenser, ved bruk av frekvensresponsen for to forskjellige vannprosentfraksjoner, på figurene 8-11, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 13 er en konturopptegning av aksial Mach som funksjon av en feilterm, for 5% vannfraksjon, Mach-tallpå 0.05, ved 25 Hz, ifølge den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 14 er en konturopptegning av lydhastighet som funksjon av aksial Mach som funksjon av en feilterm, for 50% vannfraksjon, Mach-tall på 0.05, ved 25 Hz, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 15 er en del av et logisk flytskjema for logikken på fig. 1, ifølge den foreliggende

oppfinnelsen.

Fig. 16 er en fortsettelse av det logiske flytskjemaet på fig. 15, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 17 er et skjematisk blokkdiagram over et fluidparametermålesystem, i en olje- eller gassbrønnapplikasjon, ved bruk av fiberoptiske sensorer, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 18 er en opptegning av lydhastighet som funksjon av veggtykkelse i et rør for en stiv eller rigid og en ikke-rigid rørledning, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 19 er et tverrsnitt av et rør, og viser et mangfold av sensorer rundt omkretsen til

røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 20 er et sideriss av et rør som har en isolerende hylse rundt avfølingsområdet til

røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 21 er et enderiss av et rør og viser trykket inne i og på utsiden av røret, i samsvar

med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 22 er et sideriss av et rør som har en optisk fiber viklet rundt røret ved hvert ustabilt trykkmålested og et par Bragg-gittere rundt hver optisk vikling, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 23 er et sideriss av et rør som har en optisk fiber viklet rundt røret ved hvert ustabilt trykkmålested med et enkelt Bragg-gitter mellom hvert par av optiske viklinger, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 24 er et sideriss av et rør som har en optisk fiber viklet rundt røret ved hvert ustabilt trykkmålested uten Bragg-gittere rundt hver av viklingene, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 25 er en alternativ geometri for en optisk vikling på figurene 21, 22, med en

radiatorrørgeometri, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 26 er en alternativ geometri for en optisk vikling på figurene 21,22, med en

veddeløpsbanegeometri, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 27 er et sideriss av et rør som har et par gittere ved hvert aksialt avfølingssted, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 28 er et sideriss av et rør som har at enkelt gitter ved hvert aksialt avfølingssted, i

samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 29 er et toppriss av tre alternative deformasjonsmålere, i samsvar med den

foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 30 er et sideriss av et rør som har tre aksialt adskilte deformasjonsmålere festet til

seg, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 31 er et enderiss av et rør som har tre ustabilt trykksensorer adskilt fra hverandre

inne i røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 32 er et sideriss av et rør som har tre ustabilt trykksensorer adskilt aksialt inne i

røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 33 er et sideriss av et rør som har tre ustabilt trykksensorer som er aksialt og

radialt adskilt inne i røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 34 er sideriss av et rør som har et indre rør med aksialt fordelte optiske fiberviklinger for ustabilt trykksensorer, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 35 er et sideriss av et rør som har et indre rør med aksialt fordelte ustabilt trykksensorer som befinner seg langs røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 36 er et sideriss av et rør som har et indre rør med tre aksialt fordelte hydrofoner som befinner seg inne i røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 37 er et diagram som viser forplantningen av akustiske bølger fra en enkelt kilde i to-dimensjonalt rom på en romlig rekke, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 38 er et sideriss av et rør som har venstre og høyre forplantende akustiske bølger som forplanter seg langs røret, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 39 er et skjema som viser forplantningen av akustiske bølger fra to kilder i to-dimensjonalt rom på en romlig rekke, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 40 er et skjematisk blokkdiagram over en alternativ utførelse av et

fluidparametermålesystem, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 41 er en kurve over lydhastigheten som funksjon av vannstengning, i samsvar med

den foreliggende oppfinnelsen.

Det refereres til fig. 1 hvor et rør (eller rørledning) 12 har tre akustiske trykksensorer 14,16,18 anordnet på tre steder xi x2x3 langs røret 12. Røret kan måles gjennom hull i røret 12 som har porter til eksterne trykksensorer eller ved hjelp av andre teknikker som er beskrevet i det etterfølgende. Trykksensorene 14,16,18 tilveiebringer tidsvarierende signaler Pi(t),P2(t),P3(t) på ledninger 20,22,24 til respektive hurtige Fourier-transformasjonslogikkretser 26,28,30 (Fast Fourier Transform FFT). FFT logikkretsene 26,18,30 beregner den Fourier-transformerte av de tidsbaserte inngangssignalene Pi(t),P2(t),P3(t) og frembringer komplekse frekvensdomene (eller frekvensbaserte) signaler Pi(co),P2(cd),P3(cd) og ledninger 32,34,36, som indikerende for frekvensinnholdet i inngangssignalene. I stedet for FFT, kan det brukes en hvilken som helst annen teknikk for å frembringe frekvensdomenekarakteristikaene til signalene Pi(t),P2(t),P3(t). For eksempel kan det benyttes den tverrspektrale tettheten og den spektrale effekttettheten for å danne en frekvensdomeneoverføringsfunksjon (eller frekvensrespons eller forhold), beskrevet i det etterfølgende.

Noen eller alle funksjonene i logikkretsen 60 kan også implementeres i programvare (ved bruk av mikroprosessor eller datamaskin) og/eller fastvare, eller kan implementeres ved bruk av analog og/eller digital maskinvare som har tilstrekkelig lager, grensesnitt, og kapasitet til å utføre funksjonene som er beskrevet her.

Frekvenssignalene Pi(co),P2(co),P3(co) ble matet til en amix-Mx beregningslogikk 40 som tilveiebringer et signal på en ledning 46 som er indikerende for lydhastigheten i blandingen a,™ (beskrevet ytterligere i det etterfølgende). Amix-signalet blir levert til kartleggings- (eller liknings)-logikk 48, som konverterer amixtil en prosent sammenseting av fluidet og tilveiebringer et % sammensetningssignal på en ledning 50 som er indikerende for sammensetningen (som beskrevet i det etterfølgende). Dersom Mach-tallet Mx ikke er neglisjerbart og det er ønskelig å kjenne dette, kan beregningslogikken 40 også tilveiebringe et signal Mz på en ledning 59 som er indikerende for Mach-tallet Mx (som beskrevet i det etterfølgende).

Mer spesielt, for en-dimensjonale akustiske bølger i et plan, en homogen blanding, er det kjent at det akustiske trykkfeltet P(x,t) på et sted X langs et rør, går bølgelengden X til de akustiske bølgene som skal måles er lang sammenlignet med diameteren d til røret 12 (d.v.s. ÅVd»l), kan uttrykkes som en overlagring av en bølge som forplanter seg til høyre og en bølge som forplanter seg til venstre på følgende måte:

hvor A,B er de frekvensbasert kompleksamplitudene til de respektive høyre og venstre forplantende bølgene, x er trykkmålingsstedet langs røret, cd er frekvensen (i rad/sek, hvor co=27if), og kr,kier bølgenummer for de respektive bølgene som forplanter seg til høyre og venstre, som er definert som: hvor amixer hastigheten til lyd i blandingen i røret, co er frekvensen (i rad/sek), og Mxer et aksiale Mach-tallet til strømmen av blandingen i røret, hvor Vmix er den aksiale hastigheten til blandingen. For ikke-homogene blandinger representerer det aksiale Mach-tallet gjennomsnittshastigheten til blandingen og den lavfrekvente akustiske feltbeskrivelsen forblir i hovedsaken uendret. Frekvensdomenerepresentasjonen P(x,co) til det tidsbaserte akustiske trykkfeltet P(x,t) i et rør, er koeffesienten til e<Itot>uttrykket i likn. 1, som følger:

Med henvisning til fig. 1 har vi funnet at ved å bruke likn. 4 for P(x,co) i tre aksialt fordelte trykkmålesteder xi,x2,x3langs røret 12, fører dette til en likning for amix som en funksjon av forholdet mellom frekvensbaserte trykkmålinger, som gjør det mulig å eliminere koeffisientene A,B. For optimale resultater er A og B i hovedsaken konstante over måletidsrommet og i hovedsaken ingen lyd (eller akustisk energi) blir skapt eller ødelagt i måleseksjonen. Den akustiske eksitasjonen entrer testseksjonen bare gjennom endene av testseksjonen 51 og således kan lydhastigheten inne i testseksjonen 51 måles uavhengig av det akustiske miljøet utenfor testseksjonen. Spesielt er frekvensdomenetrykkmålingene Pi(co),P2(co),P3(co) i de tre respektive stedene xi,x2,x3langs røret 12 ved å bruke likn. 1 for bølger som forplanter seg mot høyre og venstre som følger: hvor A og B for en gitt frekvens er tilfeldige konstanter som beskriver det akustiske feltet mellom sensorene 14,16,18. Ved å danne forholdet Pi(co)/P2(co) fra likn. 6 og 7 og løse med hensyn på B/A, gir dette det følgende uttrykket:

hvor R er definert som refleksjonskoeffisient.

Dannelse av forholdet mellom Pi(co)/P3(co) av likn. 5 og 7, og sette dette lik null gir: hvor R=B/A er definert av likn. 8 og kr og kl er relatert til amiXsom definert av likn. 2. Likn. 9 kan for eksempel løses nummerisk ved å definere et "feil" eller restuttrykk som størrelsen på den venstre siden av likn. 9, og iterere for å minimalisere feiluttrykket. I mange applikasjoner i oljeindustrien er den aksiale hastigheten i røret liten sammenlignet med lydhastigheten i blandingen (dvs. at det aksiale Mach-tallet Mxer lite sammenlignet med en). For eksempel er den aksiale hastigheten til oljen V0iii en typisk oljebrønn omtrent 10 ft/sek og lydhastigheten i olje a0uerr omtrent 4.000 ft/sek. Mac-tallet Mx til en ren oljeblanding er således 0.0025

(V0ii/aoii=l0/4.000) og likn. 2 reduseres til omtrent:

og skillet mellom bølgenumrene for bølgene som forplanter seg til høyre og venstre er

eliminert. I dette tilfellet (hvor Mx er neglisjerbart) kan siden alle de variable i likn. 10 er kjent unntatt for amix, verdien til a,™ bestemmes iterativt ved å evaluere feiluttrykket ved en gitt frekvens co og variere a,™ inntil feiluttrykket går mot null. Verdien til amix hvorved størrelsen på feiluttrykket er lik null (eller er et minimum), korresponderer til den korrekte størrelsen av lydhastigheten av blandingen amix-Siden likn. 10 er en funksjon av frekvensen co, er lydhastigheten amixhvorved feilen går mot null den samme for hver evaluert frekvens co (beskrevet ytterligere i det etterfølgende). I praksis kan det imidlertid være noen variasjon over visse frekvenser på grunn av andre effekter, feks. rørmodig,

ikke-akustiske trykkforstyrrelse, diskretiseringsfeil, etc, som kan filtreres, legges i vinduer, gjennomsnittsberegnes etc, dersom det er ønskelig (beskrevet ytterligere i det etterfølgende). Siden hver frekvens er en uavhengig måling av den samme parameteren, kan videre de mange målingene bli vektet til en middelverdi eller filtrert for å tilveiebringe en enkelt mer robust måling av lydhastigheten.

Ett eksempel på hvordan lydhastigheten til blandingen a^ i røret 12 kan brukes, er til å bestemme volumfraksjonen i blandingen. Spesielt er lydhastigheten til en blanding a,™ av to fluider (hvor et fluid er definert her som en væske eller en gass) i et rør generelt relatert til volumfraksjonen av de to fluidene. Forholdet kan bestemmese eksperimentelt eller analytisk. Eksempelvis kan lydhastigheten til en blanding uttrykkes som følger:

hvor ai a2 er kjente lydhastigheter, pi,p2er kjente tettheter, og hi,h2er volumfraksjonene av de to respektive fluidene, amixer lydhastigheten i blandingen og tettheten er pi,p2til de to fluidene ligger innenfor den størrelsesorden av (10:1) hverandre. Andre uttrykk som relaterer seg til fasefraksjonen til lydhastigheten kan anvendes, utledet eksperimentelt, analytisk eller ved utregning.

Det refereres til fig. 2 hvor fluidet er en olje/vann blanding, og en kurve 10 viser lydhastigheten til blandingen amixopptegnet som en funksjon av vannvolumfraksjonen ved bruk av likn. 12. For dette illustrative eksemplet er verdiene som brukes for tetthet (p) og lydhastighet (a) til olje og vann som følger:

Indeksene 1,2 i likn. 12 tilordnet parameterene for hvert fluid er tilfeldig, under forutsetning av at angivelsen er konsistent. Dersom lydhastigheten i blandingen amk blir målt, kan således olje/vannfraksjonen bestemmes.

Det refereres til fig. 3. For å illustrere konseptet ved et eksempel er det vist en transmisjonsmatrisemodell for akustikken til et eksempelrør som har 9 seksjoner (elelr elementer eller segmenter) 1-9, en akustisk kilde 64, en strålings- (eller transmisjons)-impedans C, nd (£rad = P/pmixamixMmix) hvor [ imix er en akustisk forstyrrelse; Mx=0, og hvor trykkene Pi,P2,P3er målt på tvers over testseksjonene 5-6 og 6-7. For dette eksemplet er hvert element 1 meter langt.

I avhengighet av applikasjonen kan det være nødvendig, eller ikke nødvendig med en eksplisitt akustisk støykilde siden den akustiske bakgrunnsstøyen inne i røret kan gi tilstrekkelig eksitasjon for å muliggjøre en lydhastighetsmåling på bakgrunn av de eksisterende omgivende akustiske trykkene. I en olje- eller gassbrønnapplikasjon kan, dersom den akustiske bakgrunnsstøyen ikke er tilstrekkelig, en akustisk strømkilde (ikke vist) være anordnet ved overflaten av brønnen eller inne i brønnen, forutsatt at kilden er akustisk koplet til testseksjonen 51 som lydhastigheten måles over.

Med henvisning til fig. 4, illustrerer (a)-(c) et eksempel på de aksiale egenskapene til blandingen i segmentene 1-9 av røret 12. Volumfraksjonen vann h, lydhastigheten til blandingen amix og tettheten til blandingen pmix varierer over lengden av røret 12, og testsegmentene 5,6 (fra 4-6 meter) mellom trykkmålingene P1-P3har konstante egenskaper. Spesielt er verdiene til pmix, amix, hvannfor de respektive seksjonene 1-9, vist grafisk på fig. 4, og de er som følger:

Med henvisning til fig. 5 og 6 er størrelsen og fasen til forholdet til de frekvensbaserte trykksignalene Pi(co)/P2(co) og Pi(co)/P3(co) vist for modellen på fig. 3 med egenskapene på fig. 4 med 50% vann i testseksjonen og en strålingsimpedanse på i^rad=l .0 som korresponderer med et uendelig langt rør med konstante egenskaper for pmix og amixfor seksjon 9 og forbi denne.

Med henvisning til fig. 7 er feiluttrykket i likn. 10 ved bruk av frekvensresponsene på fig.

5 og 6 en kurvefamilie med en kurve for hver frekvens cd, hvor verdien til feilen er evaluert for verdier av a,™ som varieres fra avann(5.000 ft/sek) til a^i(4.000 ft/sek) ved hver frekvens og frekvensen varieres fra 5 til 200 Hz i 5 Hz inkrementer. Andre frekvenser kan anvendes dersom dette er ønskelig. Lydhastigheten amjxhvor feilen går mot null (eller er minimalisert) er den samme for hver frekvens cd som er evaluert. I dette tilfellet er feilen minimalisert ved et punkt 70 når a^xer 4335 ft/sek. Av fig. 2 vil det se at for en olje/vannblanding vil en amixpå 4335 ft/sek korrespondere med et 50% vannvolumforhold i testseksjonen som passer sammen med vannfraksjonen i modellen. Sensitiviteten til en endring i amixoverfor en endring i feilen variere også basert på evalueringsfrekvensen. Ytelsen kan således optimaliseres ved å evaluere amixved spesifikke lave sensitivitetsfrekvenser, idet slike frekvenser bestemmes i avhengighet av den spesifikke applikasjonen og konfigurasjonen.

Med henvisning til fig. 8 og 9 er det for en strålingsimpedanse £rad=0.5, vist størrelse og fasen til frekvensresponsene (dvs. forholdet mellom frekvensbaserte trykksignaler) Pi(co)/P2(co) og Pi(co)/P3(co) for modellen på fig. 3 med konstante egenskaper over alle seksjonene 1-9 på 50% vannfraksjon (h=0.5), blandingstetthet pmix= 850 kg/m<3>, og lydhastigheten til blandingen amix= 4334 ft/sek.

Med henvisning til fig. 12 vil for en 50% vannfraksjon størrelsen på feiluttrykket i likn. lOunder burk av frekvensresponsene på fig. 8 og 9, være en familie av kurver, Med en kurve for hver frekvens co, hvor verdien av amixvarieres fra avann(5.00 ft/sek) til aon(4.000 ft/sek) ved hver frekvens og er vist ved fire frekvenser 50,100,150,200 Hz. Som beskrevet tidligere, er lydhastigheten amixhvor feilen går mot null, (eller er minimalisert) den samme for hver evaluert frekvens co. I dette tilfellet er feilen minimalisert ved et punkt 72 hvor amix=4334 ft/sek, hvilket passer sammen med verdien av amix vist på fig. 7 for den samme vannfraksjonen og forskjellig £rad. Av fig. 2 (eller likn. 2) fremgår at for en olje/vannblanding vil en amixpå 4334 ft/sek korrespondere med et 50% vannvolumforhold i testseksjonen som korresponderer med vannfraksjonen i modellen. Dette viser at oppfinnelsen vil bestemme nøyaktig amiXuavhengig av de akustiske egenskapene til blandingen utenfor testseksj onene og/eller termineringsimpedansene. Med henvisning til fig. 10 og 11 er det vist størrelsen og fasen til frekvensresponsene (dvs. forholdet mellom de frekvensbasert trykksignalene) Pi(co)/P2(co) og Pi(co)/P3(co) vist for modellen på fig. 3 med konstante egenskaper over alle seksjonene 1-9 med 5% vannfraksjon (h=0.05), blandingstetthet pmix=715 kg/m3 og lydhastigheten i blandingen amix=4026 ft/sek, og en strålingsimpedans i^rad=0.5.

Med henvisning til fig. 12 er for en 5% vannfraksjon størrelsen til feiluttrykket i likning 10 ved bruk av frekvensresponsene på fig. 10 og 11 en familie av brutte kurver, med en kurve for hver frekvens co, hvor verdien til amixvarieres fra avann(5.000 ft/sek) til a^i(4.000 ft/sek) ved hver frekvens og er vist ved fire frekvenser 50,100,150,200 Hz. Som beskrevet tidligere, er lydhastigheten amixhvor feilen går mot null (eller er minimalisert) den samme for hver evaluert frekvens co. I dette tilfellet er feilen minimalisert ved et punkt 74 når en amix=4026 ft/sek. Fra fig. 1 (eller likn. 1) vil for en olje/vannblanding en amixpå 4026 ft/sek korrespondere med et 5% vannvolumforhold i testseksjonen, hvilket korresponderer med vannfraksjonen i modellen, og således verifiserer resultatene i modellen.

Med henvisning til fig. 12 vil for både 5% og 50% vannfraksjon sensitiviteten til en endring i a,™ på en endring i feilen variere basert på evalueringsfrekvensen. For dette eksemplet vil spesielt feilen for de fire viste frekvensene nærme seg null med den største helningen (Afeil/Aamix) for 200 Hz kurven, og derved gjøre det lettere å detektere verdien hvor feilen går mot null, og således verdien til amix. 200 Hz vil således sannsynligvis være en robust eller solid frekvens å anvende for å bestemme lydhastigheten i dette eksemplet.

Dersom trykksensorene er likt adskilt (dvs. xl-x2=x3-x2=Ax; eller Axl=Ax2=Ax) og det aksiale Mach-tallet Mx er lite sammenlignet med en (og således kr=kl=k), kan likn. 10

løses med hensyn på k (og således amix) i en lukket-formløsning som en funksjon av trykkfrekvensresponsene (eller frekvensbaserte signalforhold) som følger:

Løsning av denne med tanke på amixgir:

hvor Pi2=Pi(co)/P2(co), Pi3=Pi(co)/P3(co), i er kvadratroten av -1, og resultatet av Log[]-funksjonen er et imaginært tall, som gir et sant tall for lydhastigheten amiX.

Den analytiske løsningen av likn. 10 vist i i likn. 13 og 14 er primært gyldig for frekvensene hvorved lengden av testseksjonen 51 langs røret 12 (dvs. X3.xl eller 2Ax for likt adskilte sensorer) er kortere enn bølgelengden Å, til de akustiske bølgene som skal måles. Denne begrensningen skyldes mange mulige løsninger av likn. 10. Alternative løsninger på likn. 10 for andre frekvensområder kan avledes ved å bruke en rekke forskjellige kjente teknikker.

En alternativt lukket form for løsning av amix(i en trigonometrisk form) fra de tre trykklikningene 5-7, hvor trykksensorene er likt adskilt og Mx er neglisjerbar (dvs. kl=kr) er som føgler. Dannelsen av uttrykket [Pi(co)/P3(co)]/P2(co) fra likn. 5-7 gir det følgende uttrykket:

For likt adskilte sensorer, xl=0,x2=Ax, x3=2Ax (xl=0 kun av bekvemmelighetsgrunner), hvilket gir:

Divisjon av telleren og nevneren med A gir: hvor R=B/A er definert av likn. 8 med xl=0,x2=Ax, hvilket gir:

Innsetting av R i likn. 17 gir:

Forenkling av likn. 19 gir:

Fordeling av uttrykk og forenkling gir:

Bruk av forholdet mellom eksponentene og sinusfunksjonene gir:

Forenkling og substituering av k=co/amix, gir:

Likn. 23 er spesielt nyttig på grunn av dens enkle geometriske form hvorfra a,™ lett kan tolkes. Spesielt kan amixbestemmes direkte ved inspeksjon ved hjelp av en digital signalanalysator (eller annet tilsvarende instrument) som er oppsatt for å tilveiebringe en fremvisning som er indikerende for den venstre siden av likn. 23, som vil være en kosinuskurve hvorfra amixlett kan hentes. Ved nullkryssingen til kosinuskurven vil feks. likning 26 være lik null og amixvil være lik 2coAX/ti. Alternativt kan likn. 23 brukes til å bestemme amiXved bruk av en iterativ fremgangsmåte hvor en målt funksjon blir beregnet fra den venstre siden av likn. 23 (ved bruk av de målte trykkene) og sammenlignet med en kosinuskurve av den høyre siden av likn. 23 hvor amixvarieres inntil den i hovedsaken passer sammen med den målte funksjonen. Forskjellige andre kurvetilpasninger, parameteridentifiksjon, og/eller minimal feil eller løsningsteknikker kan anvendes for å bestemme verdien til amixsom tilveiebringer den beste tilpasningen for å tilfredsstille likn.

23. Løsning av likn. 23 med hensyn på amixgir den følgende lukket-formløsningen.

Under henvisnign til fig. 41 er det vist en kurve over lydhastigheten (a^x) som funksjon av vannkutt, hvor amixblir beregnet ved bruk av likn. 23 som beskrevet ovenfor. Fig. 41 er for en veggtykkelse 160 stålrør som har en 2 tommers indre diameter, Ax=2ft lik avstand mellom tre aksiale avfølingssteder, hvor hver sensor er en piezo-elektrisk ac-trykksensor, og det er fire, langs omkretsen jevn fordelte adskilte sensorer ved hvert aksialt avfølingssted. Linjen 452 viser den teoretiske verdien for vannkutt basert på likn.

12 og fig. 2 beskrevet ovenfor, og sirklene er de beregnede verdiene for amix-

Alternativt kan likn. 9 skrives på trigonometrisk form for tilfeldig avstand mellom trykksensorene og hvor Mx er neglisjerbar (kl=kr), som følger.

hvor P32= P3(co)/P2(co) og P,2= Pi(co)/P2(co).

Det refereres nå til fig. 13 og 14. Dersom Mach-tallet Mx ikke er neglisjerbart og(eller det er ønskelig å beregne dette, kan verdien til Mx og amix når feiluttrykket i likn. 10 er null bestemmes entydig på bakgrunn av likn. 10 for en gitt vannfraksjon. Spesielt er det for en gitt prosent vannfraksjon en unik verdi indikert ved punkter 90,92 for henholdsvis 5% og 50% vannkutt. Kjente programsøkealgoritmer kan anvendes for å variere a,™ og Mx overfor bestemte områder for å finne verdien av Mx og hvor feilen = 0 (beskrevet ytterligere i det etterfølgende).

Med henvisning til fig. 15 begynner beregningslogikken 40 i et trinn 100 hvor Pi2beregnes som forholdet Pi(co)/P2(co), og et trinn 102 hvor Pnberegnes som fohroldet Pi(co)/P3(co). Et neste trinn 103 bestemmer hvorvidt Mach-tallet Mx i blandingen er neglisjerbart (eller hvorvidt det er ønskelig å beregne Mx. Dersom Mx er neglisjerbart, bestemmer et trinn 104 hvorvidt sensorene 15,16,18 er likt adskilt (dvs. xl-x2=x2-x3=Ax).Dersom sensorene er likt adskilt, innstiller 106 initialverdier for co=col (feks.100 Hz) og en teller n=l. Så beregner et trinn 109 amix(n) fra den lukkede formløsningen til likn. 14. Så undersøker et trinn 110 hvorvidt logikken 40 har beregnet a,™ ved et forutbestemt antall frekvenser, feks. 10. Dersom n ikke er større enn 10, øker trinnene 112,114 inkrementalt telleren n med en og øker frekvensen co med en forutbestemt verdi (feks. 10 Hz) og trinnet 108 blir gjentatt. Dersom logikken 40 har beregnet a,™ ved 10 frekvenser, vil resultatet av trinnet 116 være ja og logikken 40 går til et trinn 116 som bestemmer en gjennomsnittsverdi for a,™ ved å bruke verdiene av amix(n) over de 10 frekvensene og logikken 40 forlates.

Dersom sensorene ikke er likt adskilt, setter trinnet 120 xl,x2,x3 til den løpende trykksensoravstanden, og innstiller initialverdier for co=col (100 Hz) og telleren n =1. Så innstiller et trinn 122 an^a,™.,™ (feks. aOii=4000 ft/sek) og et trinn 124 beregner feiluttrykket på bakgrunn av likn. 10. Så undersøker et trinn 126 hvorvidt feil=0. Dersom feilen ikke er lik null, økes amixinkrementalt med en bestemt verdi og logikken 40 går til et trinn 124.

Dersom feil=0 (eller et minimum) i trinn 126, innstiller et trinn 130 amiX(n)=amix. Så undersøker et trinn 132 hvorvidt n er større enn eller lik 10. Dersom ikke, øker et trinn 134 n med en og øker frekvensen cd med en forutbestemt størrelse (feks. 10 Hz). Dersom n er større enn eller lik 10, beregner et trinn 138 en gjennomsverdi av a,™ over de 10 frekvensene.

Det refereres nå til fig. 16. Dersom Mach-tallet Mx ikke er neglisjerbart, innstiller trinnene 200-204 startbetingelser: co=col (feks. 100 Hz); Mx=Mx-min (feks. 0); amix=amix-min (feks. aoii=4000 ft/sek). Så beregner et trinn 206 feiluttrykket i likn. 10 i et trinn 202. Så undersøker et trinn 208 hvorvidt feil=0 (eller et minimum). Dersom ikke, undersøker ett rinn 210 hvorvidt amix=amix. max (f.eks. avann=5000 ft/sek).

Dersom resultatet av trinn 210 er nei, øker et trinn 212 amixmed en forutbestemt størrelse (feks. 1 ft/sek) og logikken går til trinn 206. Dersom resultatet av trinn 210 er ja, øker et trinn 214 Mx med forutbestemt størrelse (feks. 1) og logikken går til trinn 204.

Når trinn 208 indikerer feil=0 (eller et minimum), innstiller et trinn 216 amix(n)=amiXog Mx(n)=Mx, og et trinn 218 undersøker hvorvidt verdiene til amixog Mx har blitt beregnet ved 10 foreskjellige frekvenser. Dersom ikke, øker et trinn 220 telleren n med en og et trinn 222 øker størrelsen til frekvensen co med en forutbestemt størrelse (feks. 10 Hz). Dersom verdiene til amixog Mx har blitt beregnet ved 10 forskjellige frekvenser (dvs. n er lik 10), beregner et trinn 224 en gjennomsverdi av amix(n) og Mx(n) ved de 20 forskjellige frekvensene for å beregnet a,™ og Mx. Verdien for a,™ ovenfor er tilsvarende den som er vist på fig. 13 og 14, beskrevet ovenfor, hvor sluttverdien til amixer punktene 90,92 hvor feilen er lik null.

I stedet for å beregne en gjennomsverdi for a,™ i trinn 116,138,124, kan amixberegnets ved å filtrere eller danne et vindu amix(n) fra forutbestemte frekvenser. Antallet frekvenser og frekvensene som evalueres kan være et hvilket som helst antall og verdier. I stedet for å beregne amixog/eller Mx ved flere enn en frekvens, kan den også beregnes ved bare en frekvens. Logikken vist på fig. 15 og 16 er videre en av mange mulige algoritmer for å beregne a,™ ved bruk av læren her.

Det refereres nå til fig. 1 og 18. Føyeligheten (eller fleksibiliteten) til røret 12 (eller rørledningen) i avfølingsområdet kan innvirke på nøyaktigheten eller tolkningen av den målte lydhastigheten amixi blandingen på to primære måter.

Med hensyn på den første måten vil under henvisning til fig. 18 bøyning av røret 12 i avfølingsområdet redusere den målte lydhastigheten amixfra lyden i et uavgrenset domene. Lydhastigheten i et uavgrenset domene (uendelig medium) er en egenskap som er tett knyttet til fluidegenskapene. Spesielt er det vist innvirkningen av rørveggtykkelsen (eller føyeligheten til røret) på den målte lydhastigheten på grunn av reduksjon i lydhastigheten for et rør som har en 2 tommers nominell diameter og har 100% vann (pw=1000 kg/m<3>;aw=5000 ft/sek) inne i røret og vakuum (eller luft) på utsiden av røret. Lydhastigheten i vann i et uendelig stivt rør (dvs. uendelig modul) er indikert med en flat kurve 350, og lyshastigheten i vann i et stålrør er indikert med en kurve 352. Et punkt 354 på kurven 352 indikerer verdien av lydhastigheten på omtrent 4768 ft/sek for et veggtykkelse 80 stålrør. Følgelig vil, dess tykkere rørveggen er, dess nærmere lydhastigheten komme verdien 5000 ft/sek for et uendelig stivt rør.

Feilene (eller grenseeffektene) vist på fig. 18 som innføres i målingene av et ikke-stivt (eller føyelig) rør 12 kan kalibreres og korrigeres for nøyaktig å bestemme lydhastigheten i fluidet i et ikke-avgrenset medium. I dette tilfellet, kan således, selv om systemet (røret) modifiserer forplantningshastigheten, en slik hastighet kartlegges som forplantningshastigheten i et uendelig medium på en forutsigbar måte.

For fluider inneholdt i et ettergivende eller fleksibelt rør vil spesielt forplantningshastigheten til kompresjonsbølger bli påvirket av de strukturelle egenskapene til røret. For et fluid inneholdt i røret 12 omgitt med et fluid med neglisjerbar akustisk impedans (pa) er forplantningshastigheten relatert til den uendelig fluiddomenelydhastigheten og de strukturelle egenskapene via den følgende likningen.

hvor R=rørradius, t rørveggtykkense, pmixtettheten til blandingen (eller fluid), amixtettheten til blandingen (eller fluid),&mixer den virkelige lydhastigheten i blandingen, amait

er den målte lydhastigheten til blandingen inneholdt i røret 12, og E elastisitetsmodulen til rørmaterialet. Likn. 26 gjelder spesielt for frekvenser hvor bølgelengden til akustikkene er lang (feks. større enn 2 til 1) sammenlignet med diameteren til røret og for frekvenser som er lave sammenlignet med den naturlige frekvensen til pustemodusen til røret. Likn. 26 gjelder også primært bølgelender som er lange nok slik at periferistivhet dominerer de radiale refleksjonene til røret.

For fig. 18 vil kurven 352 (for 100% vann) være en av en familie av kurver for forskjellige olje/vannblandinger. For likn. 16 kan uttrykkene defineres uttrykt ved tettheten til hver bestanddel, og den volummessige fasefraksjonen som følger:

hvor pi er tettheten til den i<th>bestanddelen av en multikomponentblanding, ai er lydhastigheten til den i<th>bestanddelen i blandingen, fa er den volummessige fasefraksjonen av den i<th>bestanddelen i blandingen, og N antallet komponenter i blandingen. Når en kjenner røregenskapene, tetthetene og lydhastigheten (i et uendelig domene) til de individuelle bestanddelene, og den målte lydhastigheten i blandingen, kan likn. 26 løses med hensyn på amix. AmiXkan bestemmes for et ettergivende eller fleksibelt rør. Kalibreringen av røret kan utledes fra andre likninger eller fra en rekke forskjellige andre måter, slik som analytisk, eksperimentelt eller beregningsmesig.

For visse typer trykksensorer, feks. rørspenningssensorer, akselerometere, hastighetssensorer eller forskyvningssensorer, beskrevet i det etterfølgende, kan det være ønskelig at røret 12 innehar en viss del rørfleksibilitet.

For å minimalisere disse feileffektene (og behovet for den korresponderende kalibreringen) forårsaket av rørettergivenhet, kan alternativt den aksiale testseksjonen 51 av røret 12 langs hvilken sensorene 14,16,18 befinner seg være laget så stiv som mulig. For å oppnå den ønskede stivheten kan tykkelsen til veggen 53 i testseksjonen 51 være utført slik at den har en forutbestemt tykkelse, eller testseksjonen 51 kan være laget av et svært stivt materiale, feks. stål, titan, Kevlar<®>, keramikk, eller et anent materiale med høy elastisitetsmodul.

Med hensyn til den andre måten, kan dersom røret 12 er ettergivende og aksustisk koplet til fluider og materialer utenfor røret 12 i avfølingsområdet, slik som det ringformede fluid, foringsrør, bergformasjoner, etc, de akustiske egenskapene til disse fluidene og materialene utenfor røret 12 innvirke på den målte lydhastigheten. Siden de akustiske egenskapene til slike fluider og materialer er variable og ukjente, kan ikke deres innvirkning på målt lydhastighet korrigeres kraftig ved kalibrering (eller kartlagt til forplantningshastigheten i et uendelig medium på en forutsigbar måte).

For å lette denne effekten, er det under henvisning til fig. 20 anordnet en ytre isolerende hylse 410 (eller skjede, skall, hus eller deksel) som er festet til den ytre overflaten av røret 12 over der hvor trykksensorene 14,16,18 befinner seg på røret 12. Hylsen 410 danner et lukket kammer 412 mellom røret 12 og hylsen 410. Vi har funnet at når kammeret 412 er fylt med en gass slik som luft, blir ikke den akustiske energien i røret akustisk koplet til fluider og materialer utenfor røret 12 i avfølingsområdet. Som sådan kan for et ettergivende rør lydhastigheten kalibreres til den virkelige lydhastigheten i fluidet i røret 12 som beskrevet ovenfor. Hylsen 410 er lik den som er vist i serie nr.

(Cidra Docket No. CC-0187), med tittel "Measurement of Propagating Acoustic Waves in Compliant Pipes", inngitt samtidig med foreliggende søknad, og som er innlemmet her som referanse.

Det refereres nå til fig. 16 hvor det er vist at i stedet for enkeltpunkttrykksensorer 14,16,18 i de aksiale stedene xl,x2,x3 langs røret 12, er anordnet to eller flere trykksensorer, feks. fire sensorer 400-406, rundt omkretsen til røret 12 ved hver av de aksiale stedene xl,x2,x3. Signalene fra trykksensorene 400-406 rundt omkretsen ved et gitt aksialt sted kan gjennomsnittberegnes for å tilveiebringe en tverrsnitts (eller langs omkretsen) gjennomsnittlig utstabil akustisk trykkmåling. Andre antall akustiske trykksensorer og ringformet avstand kan brukes. Gjennomsnittsberegning på bakgrunn av flere ringformede trykksensorer reduserer støy fra forstyrrelser og rørvibrasjoner og andre støykilder som ikke er relatert til en-dimensjonale akustiske trykkbølger i røret 12, og derved skapes en romlig rekke av trykksensorer som hjelper til i å karakteriseres det en-dimensjonale lydfeltet inne i røret 12.

Trykksensorene 14,16,18 som er beskrevet her kan være en hvilken som helst type trykksensorer som er i stand til å måle de ustabile (eller ac eller dynamiske) trykkene inne i et rør, slik som piezoelektriske, optiske, kapasitive, resistive (feks. Wheatstone-bro), akselerometer (eller geofoner), hastighetsmåleanordninger, forskyvningsmåle-anordninger, etc Dersom det ble brukt optiske trykksensorer, kan sensorene 14-18 være Bragg-gitterbaserte trykksensorer, slik som de som er beskrevet i den parallelle US patentsøknad med serie nr. 08/925.598, med tittel "Hich Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments", inngitt 8. september 1997. Alternativt kan sensorene 14-18 være elektriske eller optiske deformasjonsmålere som er festet til eller innleiret i den ytre eller indre veggen av røret, som måler rørveggspenning, innbefattende mikrofoner, hydrofoner, eller en annen sensor som er i stand til å måle de ustabile trykkene inne i røret 12.1 en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen som anvender fiberoptikk som trykksensorene 14-18, kan de være forbundet individuelt eller de være multiplekset langs en eller flere optiske fibere ved bruk av bølgelengdedivisjon-mulipleksing (WDM), tidsdivisjonmultipleksing (TDM), eller en annen optisk multipleksingsteknikk (beskrevet ytterligere i det etterfølgende).

Det refereres nå til fig. 21. Dersom en deformasjonsmåler ble brukt som en eller flere av trykksensorene 14-18, kan den måle de ustabile (eller dyanamiske eller ac) trykkvariasj onene Pin inne i røret 12 ved å måle de elastiske utvidelsen eller sammentrekningen, som angitt med piler 350, til diameteren (og således omkretser som angitt med piler 351) til røret 12. Generelt vil deformasjonsmålerne måle rørveggavbøyningen i en hvilken som helst retning som respons på ustabile trykksignaler inne i røret 12. Den elastiske utvidelsen og sammentrekningen av røret 12 blir målt på stedet for deformasjonsmåleren som de indre trykk Pjn-endringene, og måler således den lokale spenningen (aksial spenning, periferispenning eller spenning utenfor aksen), forårsaket av avbøyninger i retningene indikert med piler 351 på røret 12. Endringsstørrelsen på omkretsen blir varierende bestemt av periferistyrken til røret 12, det indre trykket Pin, det ytre trykket Putpå utsiden av røret 12, tykkelsen Twtil rørveggen 352, og stivheten eller modulen til rørmaterialet. Tykkelsen til rørveggen 352 og rørveggmaterialet i sensorseksjonene 51 (fig. 1) kan således innstilles basert på den ønskede sensitiviteten til sensorene 14-18 og andre faktorer som kan være forskjellig fra veggtykkelsen eller materialet til røret 12 utenfor avfølingsområdet 51.

Fremdeles med henvisning til fig. 21 og fig. 1 vil dersom et akselerometer blir brukt som en eller flere av trykksensorene 14-18, dette kunne måle de ustabile (eller dynamiske eller ac) trykkvairasj onene Pm inne i røret 12 ved å måle akselerasjonen til overflaten til røret 12 i en radial retning, som angitt med piler 350. Akselerasjonen til overflaten til røret 12 måles på stedet til akselerometeret som endringer i det indre trykket Pin og måler således den lokale elastiske dynamiske radielle responsen til rørveggen 352. Størrelsen på akselerasjonen er varierende bestemt av periferistyrket til røret 12, det indre trykket Pin, det ytre trykket Put på utsiden av røret 12, tykkelsen Twtil rørveggen 352 og stivheten eller modulen til rørmaterialet. Tykkelsen til rørveggen 352 og rørmaterialet i avfølingsområdet 51 (fig. 1) kan således innstilles basert på den ønskede sensitiviteten til sensorene 14-18 og andre faktorer og kan være forskjellig fra veggtykkelsen eller materialet i røret 12 utenfor avfølingsområdet 14. Alternativt kan trykksensorene 14-18 omfatte en radial hastighets- eller forskyvningsmåleanordning som er i stand til å måle den radiale forskyvningskarakteristikken til veggen 352 til røret 12 som respons på trykkendringer forårsaket av ustabile trykksignaler i røret 12. Akselerometeret, hastighets- eller forskyvningssensorer kan være lik de som er beskrevet i den felleseide parallelle US pantentsøknad med serie nr. (CiDRA Docket No. CC/0194), med tittel "Dosplacement Based Pressure Sensor Measuring Unsteady Pressure in a Pipe", inngitt samtidig med den foreliggende søknad og innlemmet i denne som referanse.

Det refereres nå til fig. 22, 23 og 24. Dersom en optisk deformasjonsmåler blir brukt, kan ac-trykksensorene 14-18 være konfigurert ved å bruke en optisk fiber 300 som er snodd eller viklet rundt og festet til røret 12 ved hvert av stedene for trykksensorene som indikert med spolene eller viklingene 302, 304 og 306 for de respektive trykkene Pi,P2P3. Fiberviklingene 302-306 er viklet rundt røret 12 slik at lengden til hver fibervikling 302-306 endrer seg med endringer i rørperiferispenningen som respons på ustabile trykkvariasj oner inne i røret 12, og således blir indre rørtrykk målt i de respektive aksiale stedene. Slike fiberlengdeendringer blir målt ved bruk av kjente optiske måleteknikker som beskrevet i det etterfølgende. Hver av viklingene måler i hovedsaken det gjennomsnittlige omkretstrykket inne i røret 12 og et korresponderende aksialt sted på røret 12. Viklingene tilveiebringer også aksiale gjennomsnittstrykk over den aksiale lengden av en gitt vikling. Mens strukturen til røret 12 tilveiebringer for noe romlig filtrering av kortbølgelengdeforstyrrelser, har vi funnet at det grunnleggende prinsippet for oppfinnelsens virkemåte forblir i hovedsaken det samme som det som er beskrevet for punktsensorer beskrevet ovenfor.

Det henvises nå til fig. 22 for utførelser av den foreliggende oppfinnelsen hvor viklingene 302,304,306 er forbundet i serie, hvor par av Bragg-gittere

(310,312),(314,316),(318,320) kan være anordnet langs fiberen 300 ved motstående ender av hver av de respektive viklingene 302,304,306. Gitterparene blir brukt for å multiplekse trykksignalene Pi,P2,P3for å indentifisere de individuelle viklingene fra optiske retursignaler. Det første paret av gittere 310,312 rundt viklingen 302 kan ha en felles refleksjonsbølgelengde X\, og det andre gitterparet 314,316 rundt viklingen 304 kan ha en felles refleksjonsbølgelengde X2, men som er forskjellig fra bølgelengden til det

første gitterparet 310,312. På tilsvarende måte kan det tredje gitterparet 318,320 rundt viklingen 306 ha en felles refleksjonsbølgelengde X3, som er forskjellig fra X\og X2.

Det refereres nå til fig. 23 hvor det i stedet for at det er et forskjellig par refleksjonsbølgelengder tilordnet hver vikling kan brukes en serie Bragg-gittere 360-366 med bare ett gitter mellom hver av viklingene 302-306, som hver har en felles refleksjonsbølgelengde X{.

Under henvisning til fig. 22 og 23 kan viklingene 302-306 med gifterene 310-320 (fig. 22) eller med gifterene 360-366 (fig. 23) være konfigurert på en rekke kjente måter for nøyaktig å måle fiberlengden eller endring i fiberlengder, slik som et interferometrisk, Fabry Perot, flukt-tid, eller annet kjent arrangement. Et eksempel på en Fabry Perot-teknikk beskrevet i US patent nr. 4.950.883 "Fiber Optic Sensor Arrangement Håving Reflective Gratings Responsive to Particular Wavelengths", Glenn. Ett eksempel på flukt-tid (eller tidsdelemultipleksing; TDM) vil være når en optisk puls som har en bølgelengde blir sendt ned fiberen 300 og en serie optiske pulser blir reflektert tilbake langs fiberen 300. Lengden på hver vikling kan så bestemmes ved å bestemme tidsforsinkelsen mellom hver returpuls.

Alternativt kan en del eller hele fibere mellom gifterene (eller innbefattende gifterene eller hele fiberen, dersom dette er ønskelig) være dopet med en sjeldent jordmetalldopemiddel (slik som erbium) for å danne en avstembar fiberlaser, slik som beskrevet i US patent nr. 5,317,576, "Continuously Tunable Single Mode Rare-Earth Doped Laser Arrangement", Ball et al, eller US patent nr. 5,513,913, "Active Multipoint Fiber Laser Sensor", Ball et al., eller US patent nr. 5,564,832, "Birefringent active Fiber Laser Sensor", Ball et al, som er innlemmet her som referanse.

Selv om gifterene 310-320 er vist orientert aksialt i forhold til røret 12 på fig. 22 og 23, kan de være orientert langs røret 12, aksialt, langs omkretsen, eller i en hvilken som helst annen orientering. I avhengighet av orienteringen kan gitteret måle deformasjoner i rørveggen 352 med forskjellig sensitivitetsnivå. Dersom gitterrefleksjonsbølgelengden varierer ved indre trykkendringer, kan slik variasjon være ønskelig for disse konfigurasjoner (feks. fiberlasere) eller kan kompenseres for i den optiske instrumenteringen i andre konfigurasjoner, feks. ved at det tillates for et forbestemt område i bølgelengdeforskyvning for hvert par giftere. Alternativt kan viklingene i stedet for å være forbundet i serie være parallellforbundet, feks. ved at det brukes optiske kopiere (ikke vist) før hver av viklingene, som hver er koplet til den felles fiberen 300. Under henvisning til fig. 24 kan alternativt sensorene 14-18 også være formet som en rent interferometrisk sensor ved å vikle inn røret 12 med viklingene 302-306 uten bruk av Bragg-gittere hvor separate fibere 330, 332, 334 kan være matet til de respektive separate viklingene 302, 304, 306.1 denne spesielle utførelsen kan interferometriske teknikker brukes for å bestemme lengdeendringen i lengden til fiberen 10 rundt røret 12 på grunn av trykkendringer, slik som Mach Zehnder eller Michaelson interferometriske teknikker, slik som beskrevet i US patent 5,218,197, med tittel "Method and Apparatus for Non-invasive Measurement of Pressure Inside Pipes Using a Fiber Optic Interferometer Sensor", Caroll. De interferometriske viklingene kan være multiplekset slik som beskrevet i Dandridge et al, "Fiber Optic Sensors for Navy Applications", IEEE, februar 1991, eller Dandridge et al, "Multiplexed Interferometric Fiber Sensor Arrays", SPIE, Vol. 1586, 1991 pp 176-183. Andre teknikker for å bestemme endringen i fiberlengde kan også brukes. Optiske referansespoler (ikke vist) kan også brukes i noen interferometriske fremgangsmåter og kan også befinne seg på eller rundt røret 12, men være designet for å være ufølsomme overfor trykkvairasj oner.

Under henvisning til fig. 25 og 26 kan viklingene 302-306 i stedet for å være fiberoptiske spoler viklet fullstendig rundt røret 12 ha alternative geometrier, slik som en "radiatorspole"-geometri (fig. 25) eller en "vedderløpsbane"-geometri (fig. 26), som er vist i et sideriss som om røret 12 er skåret aksialt og lagt flatt. I denne bestemte utførelsen er viklingene 302-306 ikke nødvendigvis viklet 360 grader rundt røret, men de kan være anordnet over et forutbestemt parti av omkretsen til røret 12, og ha en lengde som er lang nok til optisk å detektere endringer i røromkretsen. Andre geometrier på viklingene kan brukes dersom dette er ønskelig. For en hvilken som helst geometri av viklingene som er beskrevet her kan også fler enn ett fiberlag brukes i avhengighet av den totale fiberlengden som er ønskelig. Den ønskede aksiale lengden til en bestemt vikling er bestemt i avhengighet av egenskapene til ac-trykket som ønskes målt, feks. kan den aksiale lengde til trykkforstyrrelsen forårsaket av en virvel være ønskelig å måle.

Under henvisning til til fig. 27 og 28 innbefatter utførelser av den foreliggende oppfinnelsen konfigurasjoner hvor det i stedet for å bruke viklingene 302-306 kan fiberen 300 ha kortere seksjoner som er anordnet rundt i det minste et parti av omkretsen til røret 12 og som kan optisk detektere endringer i røromkretsen. Det ligger videre innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelsen at sensorene kan omfatte en optisk fiber 300 anordnet i et helisk mønster (ikke vist) om røret 12. Som beskrevet ovenfor, vil orienteringen til det spenningsavfølende elementet variere sensitiviteten overfor avbøyninger i rørveggen 352, dvs. deformasjoner forårsaket av ustabile trykksignaler i røret 12.

Med henvisning spesielt til fig. 27 befinner parene av Bragg-gittere (310, 312), (314, 316), (318, 320) seg langs fiberen 300 med sekjoner 380-384 av fiberen 300 mellom hvert av de respektive gitterparene. I dette tilfellet kan kjente Fabry Perot interferometriske, flukt-tids- eller fiberlaseravfølingsteknikker bli brukt for å måle spenningen i røret, på en måte tilsvarende det som er beskrevet i de forannevnte referansene.

Med henvisning til fig. 28 kan alternativt individuelle gittere 370-374 være anordnet på røret og bli brukt til å avføle ustabile spenningsvariasjoner i røret 12 (og således det ustabile trykket inne i røret) på avfølingsstedene. Når et enkelt gitter blir brukt pr sensor, vil forskyvningen i gitterrefleksjonsbølgelengden være indikerende for endringer i rørdiameteren og således trykk.

Enhver annen teknikk eller konfigurasjon av en optisk deformasjonsmåler kan brukes. Typen optisk deformasjonsmålingsteknik og optisk signalanalyserfemgangsmåte er ikke kritisk for den foreliggende oppfinnelsen, og rammen for oppfinnelsen er ikke ment å være avgrenset til en bestemt teknikk eller fremgangsmåte.

For en hvilken som helst av utførelsene som er beskrevet her kan trykksensorene, innbefattende elektriske deformasjonsmålere, optiske fibere og/eller gittere, bl.a. som beskrevet her, være festet til røret ved hjelp av et klebemiddel, lim, epoksy, tape eller en annen egnet festeinnretning for å sikre passende kontakt mellom sensoren og røret 12. Sensorene kan alternativt være fjernbart eller permanent festet via kjente mekaniske teknikker slik som mekaniske festeinnretninger, fjærbelastet, fastklemt, klemmeskall-arrangement, stropper eller andre ekvivalenter. Alternativt kan deformasjonsmålerne, innbefattende optiske fibere og/eller gittere, være innleiret i et komposittrør. Dersom det er ønskelig for noen anvendelser, kan gitterene være fraskilt fra (eller deformasjons eller akustisk isolert fra) røret 12 dersom dette er ønskelig.

Med henvisning til fig. 29 og 30 er det også innenfor rammen av den foreliggende oppfinnelsen at enhver annen spenningsavfølende teknikk kan brukes for å måle variasjonene i spenningen i røret, slik som høyt sensitive piezoelektriske, elektroniske eller elektriske anordninger, deformasjonsmålere, festet til eller innleiret i røret 12. Under henvisning til fig. 29 er det vist kjente konfigurasjoner av høyst sensitive piezoelektriske deformasjonsmålere og kan omfatte folietype målere. Under henvisning til fig. 30 er det vist en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen hvor trykksensorer 14-18 omfatter deformasjonsmålere 320.1 denne bestemte utførelsen er deformasjonsmålerne 320 anordnet om et forutbestemt parti av omkretsen til røret 12. Den aksielle plasseringen av og skilleavstanden AXi, AX2 mellom trykksensorene 14-18 er bestemt som beskrevet ovenfor.

Under henvisning til fig. 31-33 vil oppfinnelsen i stedet for å måle de ustabile trykkene Pi-P3på det ytre av røret 12 også virke når de ustabile trykkene blir målt inne i røret 12. Spesielt kan trykksensorene 14-18 som måler trykkene Pi,P2,P3befinne seg hvor som helst inne i røret 12 og enhver teknikk kan brukes for å måle de ustabile trykkene inne i røret 12.

Under henvisning til fig. 34-36 kan oppfinnelsen også måle lydhastigheten i en blanding som strømmer på utsiden av et rør eller rørledning 425.1 dette tilfellet kan røret 425 være plassert inne i røret 12 og trykkene P1-P3blir målt på utsiden av røret 425. Enhver teknikk kan brukes for å måle de ustabile trykkene P1-P3utenfor røret 425. Under henvisning til fig. 34 kan røret 425 for eksempel ha de optiske viklingene 302-306 viklet rundt røret 425 ved hvert avfølingssted. Alternativt kan en hvilken som helst av spenningsmålings- eller forskyvnings-, hastighets- eller akselerometersensorene eller teknikkene som beskrevet her bli brukt på røret 425. Under henvisning til fig. 35 kan trykkene P1-P3alternativt bli målt ved å bruke direkte trykkmålesensorer eller teknikker som er beskrevet her. Enhver annen type ustabilt-trykksensorer 14-18 kan anvendes for å måle de ustabile trykkene inne i røret 12.

Under henvisning til fig. 36 kan det alternativt anvendes hydrofoner 430-434 for å avføle de ustabile trykkene inne i røret 12.1 dette tilfellet kan hydrofonene 430-434 befinne seg i røret 425 for enkel utsetting eller av andre grunner. Hydrofonene 430-434 kan være fiberoptiske, elektroniske, piezoelektriske eller andre typer hydrofoner. Dersom det brukes optiske hydrofoner, kan hydrofonene 430-434 være serieforbundet eller parallelle langs den felles optiske fiberen 300.

Røret 425 kan være av et hvilket som helst materiale som gjør det mulig for ustabilt-trykkmålerne å måle trykkene P1-P3og kan være hule, massive eller gassfylte eller fluidfylte. Et eksempel på en dynamisk trykksensor er beskrevet i den parallelle felleseide US patentsøknaden, med serie nr. (Attorney Docket No. 712-2.40/CC-0067) med tittel "Mandrel Wound Fiber Optic Pressure Sensor", inngitt 4. juni 1999. Enden 422 av røret 425 er også lukket og strømningsbanen vil således være rundt enden 422 som indikert med linjer 424. For olje- og gassbrønnapplikasjoner kan røret 425 være et kveilrør eller ekvivalent anbringelsesverktøy som har trykksensorene 14-18 for å avføle P1-P3inne i røret 425.

Med henvisning til fig. 17 er det vist en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen i en olje- eller gassbrønnapplikasjon, hvor avfølingsseksjonen 51 kan være forbundet med eller del av produksjonsrøret 502 (analog til røret 12 i testseksjonen 51) inne i en brønn 500. Isolasjonshylsen410 kan befinne seg over sensorene 14-18 som beskrevet ovenfor og festet til røret 502 ved de aksiale endene for å beskytte sensorene 14-18 (eller fibere) mot ødeleggelse under anbringelse, bruk eller gjenhenting, og/eller hjelpe til å isolere sensorene fra eksterne akustiske trykkeffekter som kan være tilstede utenfor røret 502, og/eller hjelpe til å isolere ac-trykk inne i røret 502 fra ac-trykk utenfor røret 502. Sensorene 14-18 er forbundet med en kabel 506 som kan omfatte den optiske fiberen 300 (fig. 22,23,27,28) og er forbundet med en transceiver/konverter 510 som befinner seg utenfor brønnen 500.

Når det brukes optiske sensorer, kan transceiver/konverteren 510 bli brukt til å motta og overføre optiske signaler 504 til sensorene 14-18 og tilveiebringer utgangssignaler som er indikerende for trykket P1-P3ved sensorene 14-18 på de respektive ledningene 20-24. Transceiveren/konverteren 510 kan også være en del av fluidparameterlogikken 60. Transceiver/konverteren 510 kan være en hvilken som helst anordning som utfører de korresponderende funksjonene som er beskrevet her. Spesielt kan transceiver/konverteren 510 sammen med de optiske sensorene som er beskrevet ovenfor bruke en hvilken som helst type optisk gitterbasert måleteknikk, feks. scannende interferometrisk, scannende Fabry Perot, akusto-optisk-avstemt filter (AOTF), optisk filter, flukt-tid, og kan bruke WDM og/eller TDM, etc, som har tilstrekkelig følsomhet til å måle ac-trykkene inne i røret, slik som beskrevet i en eller flere av de etterfølgende referansene: A. Kersey et al, "Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a Fabry-Perot wavelength filter", Opt. Letters, Vol 18, nr. 16, aug. 1993, US patent nr. 5.493.390, utstedt 20. februar 1996 til Mauro Verasi, et al., US patent nr. 5.317.576, utstedt 31. mai 1994 til Ball et al., US patent nr. 5.564.832, utstedt 15. oktober 1996 til Ball et al., US patent nr. 5.513.913, utstedt 7. mai 1996 til Ball et al., US patent nr. 5.426.297, utstedt 20. Juni 1995 til Dunphy et al., US patent nr. 5.401.956, utstedt 28. mars 1995 til Dunphy et al., US patent nr. 4.950.883, utstedt 21. august 1990 til Glenn, US patent nr. 4.996.419, utstedt 26. februar 1991 til Morey, hvilke publikasjoner alle er innlemmet som referanse. Trykksensorene som er bskrevet her kan også ved at det brukes en eller flere av teknikkene beskrevet i de forannevnte referansene.

Et mangfold av sensorene 10 i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan være forbundet med en felles kabel og multiplekset sammen under bruk av en hvilken som helst kjent multipleksingsteknikk. Det må forstås at den foreliggende oppfinnelsen kan anvendes for å måle fluidvolumfraksjoner i en blanding av et hvilket som helst antall fluider hvori lydhastigheten til blandingen amixer relatert til (eller i hovedsaken bestemt av), volumfraksj onene til to av bestanddelene i blandingen, feks. olje/vann, olje/gass, vann/gass. Den foreliggende oppfinnelsen kan anvendes til å måle lydhastigheten til enhver blanding og kan så brukes i kombinasjon med andre kjente kvantiteter for å utlede faseinnhold av blandinger med multiple (flere enn to) bestanddeler.

Videre kan den foreliggende oppfinnelsen brukes til å måle en hvilken som helst parameter (eller karakteristika) til enhver blanding av en eller flere fluider hvori en slik parameter er relatert til lydhastigheten i blandingen amix, feks. fluidfraksjon, temperatur, saltholdighet, mineralinnhold, sandpartikler, slam, røregenskaper, etc. eller en hvilken som helst annen parameter i blandingen som er relatert til lydhastigheten i blandingen. Følgelig kan logikken 48 (fig. 1) konvertere amixtil en slik parameter eller parametere.

Videre vil oppfinnelsen arbeide uavhengig av retningen på strømningen eller mengden strømning av fluider eller fluidet i røret, og hvorvidt eller ei det er strømning i røret. Karakteristika og/eller forplantningsretninger til kilden for de akustiske trykkene er også uavhengig av lokaliseringen. I stedet for et rør kan det også anvendes en hvilken som helst rørledning eller kanal for å føre et fluid.

Signalene på ledningene 20,22,24 (fig. 1) kan også være tidssignaler Hi(t),H2(t),H3(t), hvor Hn(t) har trykksignalet Pn(t) som en komponent av dette, slik at FFT[Hi(t)]=G(co)Pi(co),FFT[2(t)] = G(co)P2(co), og forholdet H2(co)/H,(co) = G(©)P2(co)/G(co)Pi(co) = P2(co)/Pi(co), hvor G(co) er en parameter som er iboende i hvert trykksignal og som kan variere med temperatur, trykk eller tiden, slik som kalibrerings-karakteristika, feks., drift, lineæritet, etc.

I stedet for å beregne forholdene PJ2og PJ3kan det også avledes likninger til tilsvarende likn. 9,10 ved å frembringe forholdene til et hvilket som helst andre to trykkpar, forutsatt at systemet av likninger, likn. 5-7, blir løst med hensyn på B/A eller A/B og forholdet til to trykkpar. Likningene som er vist her kan også manipuleres forskjellig for å oppnå det samme resultatet, som beskrevet her.

For en gitt applikasjon er videre forholdet mellom A og B (dvs. forholdet mellom bølger som forplanter seg til høyre og til venstre, eller refleksjonskoeffisienten R) kjent, eller verdien av A eller B er null, og det bare er behov for to av likningene 5-7 for å bestemme lydhastigheten. I dette tilfellet kan lydhastigheten amixmåles ved å bruke bare to aksialt adskilte akustiske trykksensorer langs røret.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet med bruk av en frekvensdomene-fremgangsmåte, kan videre en tidsdomene-fremgangsmåte anvendes i stedet. Spesielt kan likn. 5,6,7 skrives på formen til likn. 1 i tidsdomenet og gir tidsdomenelikninger Pi(xi,t),P2(x2,t),P3(x3;t), og løses med hensyn på lydhastigheten amixog koeffisientene A,B elimineres under bruk av kjente tidsdomene, analytiske og signalbehandlingsteknikker (feks. konvolutering).

Under henvisning til fig. 37-40 må det forstås at selv om oppfinnelsen er beskrevet ovenfor under bruk av den en-dimensjonale akustiske bølgelikningen evaluert på en rekke forskjellige aksiale steder for å bestemme lydhastigheten, kan det brukes enhver kjent teknikk for å bestemme hastigheten som lyd forplanter seg med langs en romlig rekke av akustiske trykkmålinger hvor retningen til kilden eller kildene er kjent for å bestemme lydhastigheten i blandingen. Uttrykket akustiske signaler slik det brukes her refererer seg til som kjent, i hovedsaken stokastiske, tidsstasjonære signaler, som har gjennomsnittlige (eller RMS) statistiske egenskaper slik at de ikke varierer betydelig over en forutbestemt tidsperiode (dvs. ikke-transiente ac-signaler).

Prosedyren for å bestemme den en-dimensjonale hastigheten til lyd amixi et fluid inneholdt i et rør under bruk av en rekke ustabilt trykkmålinger er for eksempel tilsvarende ett problem som også oppleves ved undervannsakustikk (feks. SONAR eller "Sound Navigation Ranging"). Ved undervannsakustikk blir aksiale rekker av sensorer utplassert for å bestemme overføringen (eller retningen) av undervannsstøykilder. Prosessen refereres til som "stråleformene". I fritt rom, dvs. i et ikke avgrenset medium, slik som havet, vil hastigheten hvorved en lydbølge forplanter seg langs en aksial rekke være avhengig av både (1) lydhastigheten i fritt rom og (2) innfallsvinkelen til lydbølgen på den aksiale rekken.

Under henvisning til fig. 37 er den åpenbare lydhastigheten Ax hvorved bølgen forplanter seg rekken relatert til vinkelen eller føringen (6 = 90 -y) til kilden Sl og lydhastigheten a i mediumet. For en SONAR applikasjon er som kjent lydhastigheten kjent og den tilsynelatende lydhastigheten ax blir målt, hvilket gjør det mulig å bestemme føringen ved forholdet: 6 = cos"1 ( a/ ax).

I motsetning til dette har vi med henvisning til fig. 38 runnet at i et rør 12 hvor vinkelen eller føringen på rekken til den innfallende lyden er kjent, dvs, 0 = 0 grader, kan lydhastigheten a i fluidet i røret 12 bestemmes fom følger.

Med spesielt henvisning til fig. 39 kan for en enkelt avstandsplassert kilde i to-dimensjonalt rom (2D) trykkbølgen skrives som følger (som generelt besrekvet i A. Dowling og J. Williams, "Sound and Sources of Sound", kapittel 4, s. 79-81):

Trykk slik det sees på rekken ved y=0 er:

En tilsvarende analyse kan gjøres for en bølge som forplanter seg til venstre langs rekken fra kilden S2 som:

For situasjonen hvor lyden forplanter seg langs et rør, da yi=y2= 90 grader, og hor A=amixsom er lydhastigheten i fluidblandingen i røret, er:

Under henvisning til fig. 38 blir således for akustiske bølger som forplanter seg til venstre og høyre i røret 12, trykklikningen lik:

som er den samme som likn. 1, og som kan brukes til å bestemme lydhastigheten ved å bruke sensorene beskrevet her og løse de tilordnede likningene 5-7 vist ovenfor. Det samme resultatet kan også vist fra kilder som opprtår i tre-dimensjonalt rom ved å bruke sylindrisk eller andre koordinatsystemer.

Dataene fra sensorrekken kan behandles i enhver domene, innbefattende freksvens/romdomenet (slik som likn. 4), det midlertidige/formlige domenet (slik som likn. 1), detmidlertidige/bølgetalldomenet eller bølgetall/frekvens (k-co)-domenet. Som sådan kan enhver kjent rekkebehandlingsteknikk i et hvilket som helst av disse eller andre relaterte domener anvendes hvis det er ønskelig.

For eksempel kan likn. 5 representeres i k-co-domenet ved å ta den romlige Fourier-transformerte av likn. 5, hvilket resulterer i den følgende k-co-representasjonen:

hvor k er bølgetallet og 5 Dirac-deltafunksjonen, som viser en romlig/tidsmessig kartlegging av det akustiske feltet i k-co-planet.

Alternativt kan det i stedet for å bruke de tre likningene 5-7 anvendes enhver kjent teknikk på området for bruk av en romlig (eller faset) rekke sensorer for å bestemme retningen til en akustisk kilde i tredimensjonalt lydfelt med en kjent lydhastighet (feks. romlig rekkebehandling for SONAR-rekker, RADRA (Radio Detecting And Ranging)-rekker eller andre rekker, stråleforming, eller andre signalbehandlingsteknikker), for å løse med hensyn på lydhastigheten når en kjenner forplantningsretningen til de akustiske bølgene, dvs. aksialt langs røret. Noen slike kjente teknikker er beskrevet i de følgende referansene, som er innlemmet her som referansehenvisning: H. Krim, M. Viberg, "Two Decades of Array Signal Processing Research - The Paramtric Approach", IEEE Signal Processing Magazine, s. 67-94, R. Nielson, "Sonar Signal Processing", kapittel 2, s. 51-59.

Under henvisning til fig. 40 kan følgelig fluidparameterlogikken 60 omfatte romlig rekkeprosesseringslogikk 450 som mottar den romlige rekken av akustiske trykksignaler Pi(t), P2(t), Ps(t) og utfører den romlige rekkeprosesseringen eller behandlingen beskrevet her for å bestemme lydhastigheten amixpå ledningen 46.

Det må forstås at hvilke som helst av trekkene, karakteristiske kjennetegn, alternativer eller modifikasjoner som er beskrevet med hensyn på en bestemt utførelse i det ovenstående, også kan anvendes, brukes eller innlemmes med en hvilken som helst annen utførelse som er beskrevet her.

Selv om oppfinnelsen er beskrevet og illustrert med hensyn på eksempelutførelser, kan de forutgående og forskjellige andre tilføyelser og utelatelser bli utført uten at rammen for oppfinnelsen forlates.

Claims

1. Apparat for å måle i det minste hastigheten av lyd gjennom en fluid eller en blanding av fluider i et rør (12),karakterisert vedat den omfatter: en spatial array av i det minste to trykksensorer (14, 16, 18), anordnet på forskjellige aksiale steder langs røret, og hvor hver er anordnet for å måle et akustisk trykk omfattende akustisk bakgrunnsstøy inne i røret ved en korresponderende aksialt sted, hvor hver av sensorene er anordnet for å tilveiebringer et akustisk trykksignal som er indikerende for den akustisk bakgrunnsstøyen inne i røret på dette aksiale stedet korresponderende til en av de nevnte sensorene; og en signalprosessor (60), som responderer på nevnte trykksignaler, anordnet for å tilveiebringe et signal som er indikerende for hastigheten av lyd gjennom en fluid eller blandingen av fluider i røret (12).

2. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat signalprosessoren omfatter logikk som beregner en hastighet hvorved lyd forplanter seg langs den romlige rekken.

3. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat signalprosessoren omfatter logikk som beregner et frekvensbasert signal for hvert av de akustiske trykksignalene.

4. Apparat ifølge krav 2,karakterisert vedat signalprosessoren omfatter logikk som beregner et forhold mellom to av de frekvensbaserte signalene.

5. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter i det minste tre sensorer.

6. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter tre sensorer og hvor signalprosessoren omfatter en logikk som samtidig løser de følgende likningene for lydhastigheten:

7. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat signalprosessoren beregner lydhastigheten i blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor

hvor amixer lydhastigheten til blandingen i røret, cd er frekvens (i rad/sek), og Mxer det aksiale Mach-tallet til strømningen av blandingen i røret, hvor:

og hvor Vmix er den aksiale hastigheten til blandingen, og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykksignalene.

8. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat sensorene er likt adskilt, et Mach-tall til blandingen er lite sammenlignet med en, og signaleprosessoren beregner lydhastigheten til blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor Pi2=Pi(co)/P2(co), Pi3=Pi(co)/P3(co),/er kvadratroten av -1, Ax er den aksiale avstanden mellom sensorene, hvor a^xer lydhastigheten til blandingen i røret, co er frekvens (i rad/sek) og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykksignalene.

9. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat sensorene er likt aksialt adskilt, et Mach-tall til blandingen er lite sammenlignet med 1, og signalprosessoren beregnet lydhastigheten til blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor amixer lydhastigheten til blandingen i røret, co er frekvens (i rad/sek), Ax er den aksiale avstanden mellom sensorene, og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykksignalene.

10. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat signalprosessoren omfatter logikk som beregner en fluidsammensetning av blandingen i røret.

11. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat signalprosessoren omfatter logikk som beregner fluidsammensetningen i blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor ai,a2er kjente lydhastigheter, pi,p2er kjente tettheter, og hi,h2er volumfraksjoner av de to respektive fluidene, og amixer lydhastigheten i blandingen.

12. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat lydhastigheten i hovedsaken er bestemt av to fluider i blandingen.

13. Apparat ifølge krav 12,karakterisert vedat de to fluidene er: olje/vann, olje/gass, eller vann/gass.

14. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat trykksensorene er fiberoptiske trykksensorer.

15. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat i det minste en av trykksensorene omfatter en fiberoptiske Bragg-gitterbasert trykksensor.

16. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat i det minste en av trykksensorene måler et gjennomsnittlig omkretstrykk ved det aksiale stedet til sensoren.

17. Apparat ifølge krav 1,karakterisert vedat i det minste en av trykksensorene måler trykk i flere enn ett punkt rundt en omkrets av røret ved det gitte aksiale stedet til sensoren.

18. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat i det minste en av trykksensorene måler formendring i røret.

19. Fremgangsmåte for å måle i det minste en parameter i en blanding av i det minste ett fluid i et rør,karakterisert vedat den omfatter: å måle akustiske trykk basert på akustisk bakgrunnstøy inne i røret ved i det minste to forutbestemte aksiale målesteder langs røret; og beregne lydhastigheten til blandingen ved bruk av det akustiske trykket målt ved de aksiale målestedene;

20. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat beregningstrinnet omfatter å beregne en hastighet hvorved lyd forplanter seg langs de aksiale målestedene.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat beregningstrinnet omfatter å beregne frekvensbaserte signaler for de akustiske trykkene.

22. Fremgangsmåte ifølge krav 21,karakterisert vedat beregningstrinnet omfatter å beregne et forhold mellom to av de frekvensbaserte signalene.

23. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet omfatter å måle akustisk trykk ved i det minste tre aksiale målesteder langs røret.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet omfatter å måle akustisk trykk ved tre aksiale målesteder langs røret og hvor beregningstrinnet omfatter samtidig å løse de følgende likningene med hensyn på lydhastigheten:

25. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat beregningstrinnet beregner lydhastigheten til blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor

hvor amixer lydhastigheten til blandingen i røret, cd er frekvens (i rad/sek), og Mxdet aksiale Mach-tallet til strømningen til blandingen inne i røret, hvor:

og hvor Vmix er den aksiale hastigheten til blandingen, og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykkene.

26. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat målestedene er likt aksialt adskilt, et Mach-tall for blandingen er lite, og beregningstrinnet beregner lydhastigheten til blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor P12er Pi(co)/P2(co), Pi3=Pi(co)/P3(co), i er kvadratroten av -1, Ax er den aksiale avstanden mellom sensorer, hvor amixer lydhastigheten til blandingen i røret, cd er frekvens (i rad/sek), og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykkene.

27. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat målestedene er likt aksialt adskilt, et Mach-tall til blandingen er lite sammenlignet med en, og beregningstrinnet beregner lydhastigheten til blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor amix er lydhastigheten til blandingen i røret, co er frekvens (i rad/sek), Ax er den aksiale avstanden mellom målestedene, og hvor Pi(co),P2(co),P3(co) er de frekvensbaserte signalene for hvert av de akustiske trykkene.

28. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat den videre omfatter å beregne en fluidsammensetning av blandingen i røret.

29. Anordning ifølge krav 19,karakterisert vedat den videre omfatter å beregne en fluidsammensetning av blandingen ved bruk av det følgende forholdet:

hvor ai,a2er kjente lydhastigheter, pi,p2er kjente tettheter, og hi,h2er volumfraksjoner av de to respektive fluidene, amixer lydhastigheten til blandingen.

30. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat lydhastigheten i hovedsaken er bestemt av to fluider i blandingen.

31. Fremgangsmåte ifølge krav 30,karakterisert vedat de to fluidene er: olje/vann, olje/gass, eller vann/gass.

32. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet blir utført ved hjelp av fiberoptiske trykksensorer.

33. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet blir utført ved hjelp av fiberoptiske Bragg-gitterbaserte trykksensorer.

34. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet måler et gjennomsnittelig omkretstrykk ved det aksiale stedet til sensoren.

35. Fremgangsmåte ifølge krav 19,karakterisert vedat måletrinnet måler trykk i flere enn ett punkt rundt en omkrets av røret ved det aksiale stedet til sensoren.