NO339488B1 - Anordning og fremgangsmåte for måling av en parameter i en multifasestrømning - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen vedrører en anordning for måling av en parameter i en prosesstrømning som går i et rør, nærmere bestemt en strømningsmåleanordning som har ultrasoniske sensorer og en oppstilling av tøyningsbaserte sensorer og for prosessering av datasignaler fra disse for å tilveiebringe en utgang som er indikative for lydhastighetspropageringen gjennom prosesstrømningen og/eller en strømningsparameter av prosesstrømningen som går gjennom et rør.

I områder som involverer strømmende fluider for industrielle anvendelser slik som slurrier, væsker, kjemikalier, papirmasser, tremasser, petroleum, gass, farmasøytisk industri, matvarer, gruvedrift, mineraler og damp og gasser i raffineringsverk, er det noen ganger fordelaktig å kjenne visse karakteristikker til de strømmende fluidene. For eksempel i petroleumsindustrien der milliarder av dollar av råolje måles av skattemessige grunner hver dag på sin vei fra brønnhodene til raffineriene, er strømningsvolumraten et kritisk mål i prosesskontrollen og optimaliseringen. Beklageligvis kan imidlertid store mengder hydrokarboner ha en tendens til å være tilstede i råolje og som sådan under transport mellom brønnhodet og raffineriene har råoljen en tendens til "utgassing" (out gas) under transport og dette resulterer i at små ukjente nivåer av innfanget gass er tilstede ved de skattemessige målelokasjonene. Dette er uønsket av minst to grunner.

For det første, siden virkningen av innfangne gasser i det mest kjente væskevolumetriske teknologier resulterer i en overrapportering av den flytende komponentstrømningsraten med en mengde som er lik volumet av de innfangne gassene, den målte volumetriske strømningysraten er typisk unøyaktig. Faktisk har det blitt pålagt standarder for volumetrisk strømning. Beklageligvis er det imidlertid slik at mens de fleste standarder for skattemessig volumetrisk strømning av væsker krever at væsken er fullstendig fri for gasser, et problem som oppstår når det blir upraktisk å sikre at den angjeldende væskestrømningen faktisk er fullstendig fri for frie gasser. Dette, siden selv om gassvolumfraksjonen (GVF) nivået typisk er mindre enn 1% er det ofte primærkilden når det gjelder feil i de skattemessige målingene. For det andre, siden fullstendig separering av gass og væskefase ikke kan sikres er også væskevolum-bestemmelsen også typisk unøyaktig noe som resulterer i en unøyaktig vannkuttverdi. Således er det rimelig å forvente at jo flere karakteristikker som er kjent om den strømmende fluiden desto bedre er sjansen for en effektiv måling, kontroll og optimalisering av prosesseringen av den strømmende væsken.

Nøyaktighet i oljeproduksjonsmåling er typisk begrenset til tre restriksjoner. En restriksjon er at det er uunngåelig å sikre fullstendig separering av gass og væskestrømning. Denne begrensningen resulterer i unøyaktig flytende volumbestemmelse, unøyaktig gassvolumbestemmelse og unøyaktig vannkuttbestemmelse. Den andre begrensningen er det relativt lave antallet strømningsmålinger. Dette skyldes ikke bare installasjonen og vedlikeholdskrav for slike måleinnretninger, men også virkningen som hver måleinnretning har på fluidstrømningen slik som et assosiert trykkfall. Som sådan forårsaker økningen av antall målepunkt en tilsvarende økning i det totale assosierte trykkfallet så vel som en økning i antallet og kostnadene av installasjon og vedlikeholdskrav. Grunnen er vedlikeholdskrav, installasjonskrav og trykkfall i punktet med enhver økning i målepunkter. Den tredje begrensningen er det svært lave antallet vannkuttmålepunkter. Dette lave antallet skyldes påliteligheten av vannkuttmåleinnretninger av kalibreringskrav for målerne.

I WO 0169040 Al beskrives en fremgangsmåte og anordning for in-situ bestemmelse av nedihullosstrømninger i et borehull ved bruk av sendte Tl, og mottatte RI austiske signaler.

I US 4491008 A beskrives en fremgangsmåte for ultralymåling av forholdet mellom gassvolumet som er tilstede i et lukket område som inneholder en difase væskefasegassblading og volumet til det lukkede området.

Således vil det være fordelaktig spesielt i olje og produksjonsfelt å ha en pålitelig, ikke-forstyrrende, påspennings/påfestingsanordninger som er i stand til å måle parameterne til en multifase fluidstrømning med CO2slik som den volumetriske strømningsraten av væsken i prosesstrømningen, gassvolumet (eller void) fraksjonen i strømningen, vannkutte av strømningen og den volumetriske strømningsraten til hver av fasene i strømningen. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en slik anordning.

Det er tilveiebragt en anordning for bestemmelse av en karakteristikk/egenskap til en fluidstrømning med CO2i et rør der anordningen innbefatter minst en første føleinnretning. Den minst ene første følerinnretningen er forbundet med røret slik at den minst ene første følerinnretningen føler en lavfrekvenskomponent av fluidstrømningen med CO2og genererer første sensordata som respons på lavfrekvenskomponenten i fluidet med CO2.1 tillegg er det tilveiebragt minst én andre følerinnretning der den minst ene andre følerinnretningen er forbundet med røret slik at den minst ene andre følerinnretningen føler en høyfrekvenskomponent av fluidstrømningen med CO2der andre sensordata genereres som respons på høyfrekvenskomponenten i fluidet med CO2. Videre er det tilveiebragt en prosessinnretning der prosessinnretningen er i kommunikasjon med minst en første følerinnretning og minst en andre følerinnretning for å motta og prosessere de første sensordataene og de andre sensordataene for å generere fluiddata som respons på en karakteristikk i fluidstrømningen med CO2.

En fremgangsmåte for bestemmelse av en egenskap i en fluidstrømning i et rør er tilveiebragt der fremgangsmåten innbefatter generering av lydhastighetsdata "Speed of Sound" data som respons på lydhastigheten i minst en del av fluidet for minst en første frekvens og en andre frekvens, føling av den konvektive hastigheten til trykkfelt generert av fluidet og generering av konvektive data som respons på den konvektive hastigheten til trykkfeltene. I tillegg innbefatter fremgangsmåten prosessering av lydhastighetsdata og konvektive data for å bestemme karakteristikken til fluidet.

En anordning for bestemmelse av vannkuttverdien i en multifasestrømning i et rør er tilveiebragt der anordningen innbefatter en transmitteringsinnretning utformet for å introdusere et høyfrekvens akustisk signal i fluidet, der mottagsinnretningen er utformet for å motta høyfrekvensakustiske signal etter at høyfrekvensakustiske signal har gått minst en del av fluidet der minst en av transmitteringsinnretningene og mottagingsinnretningen genererer sensordata som respons på den mottatte høyfrekvente akustiske signal og prosesseringsinnretningen der prosesseringsinnretningen er i kommunikasjon med minst en av transmitteringsinnretningen og mottagingsinnretningen for å motta og prosessere sensordata for å bestemme vannkuttverdien av fluidet.

En fremgangsmåte for bestemmelse av vannkuttverdien i en fluidstrømning gjennom et rør er tilveiebragt der fremgangsmåten innbefatter innføring av en akustisk bølge som har en forutbestemt frekvens inni fluidet og, etter at den akustiske bølgen har gått minst en del av fluidet, motta den akustiske bølgen og generere sensordata som respons på i det minste en del av den mottatte akustiske bølgen og prosessere sensordata for å bestemme vannkuttverdien av fluidet.

Det foregående og andre formål, trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelsen vil fremgå klart i lys av den følgende detaljerte beskrivelsen av eksempler på utførelsesformer.

Fig. 1 er et blokkdiagram av en strømningsmåleanordning som har en oppstilling av tøyningsbaserte sensorer og en oppstilling av ultrasoniske sensorer for måling av parametere i en multifasestrømning i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 2 er et plott av den målte lydhastigheten normalisert i forhold til lydhastigheten av væsken over et frekvensområde i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 3 er et plott av den målte lyshastigheten normalisert i forhold til lydhastigheten av væsken som en funksjon av gassvolumfraksjonen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 4 er et skjematisk diagram av en strømningsmåleanordning i fig. 1 som har en oppstilling av tøyningsbaserte sensorer for måling av parametere i en multifasestrømning. Fig. 5 er et tverrsnitt av et rør som har en turbulent fluidstrømning eller blandingsstrømning, strømningen har koherente strukturer, nemlig akustiske bølger og virvelforstyrrelser i samsvar med den foreliggende oppfinnnelsen. Fig. 6 og 7 er blokkdiagram av GVF logikk i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 8 er et skjematisk diagram av en lydhastighet "speed of sound" (SOS) logikk av en array prosessor av en strømningsmåleanordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse. Fig. 9 er et k© plott av data prosessert fra en anordning som innehar utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse som viser helningene til et par akustiske kammer/furer i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 10 er et plott av en blanding av lydhastighet som funksjon av gassvolumfraksjon over et område av prosesstrykk i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 11 er et skjematisk diagram av en strømningslogikk av en array prosessor av en strømningsmåleanordning i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 12 er et k© plott av data prosessert fra en anordning som er en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse som viser hellingen til en konvektiv fure (ridge), og et plott av optimaliseringsfunksjonen til den konvektive furen i samsvar med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 13 er et plott av lydhastigheten i væsken som funksjon av volumfraksjonen av vannet i multifasestrømningen i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 14 er et blokkdiagram av en annen utførelsesform av en strømningsmåleanordning som har en array av tøyningsbaserte sensorer og en ultrasonisk sensor for måling av parametere i en multifasestrømning i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 15 er et skjematisk diagram av en strømningsmåleanordning i fig. 14 som har en array av tøyningsbaserte sensorer og en array av ultrasoniske sensorer for måling av parametere i en multifasestrømning. Fig. 1 viser et blokkdiagram av en strømningsmåleanordning 100 for måling av en parameter i en multifasestrømning 102 som passerer gjennom et rør 104. Multifasestrømningen eller blandingen 102 innbefatter en hvilken som helst slags blanding av en kombinasjon av en gass, væske eller fastfase. Mens den foreliggende oppfinnelsen er spesielt anvendbar for måling av multifasestrømninger 102 kan anotrdningen 100 også måle en parameter i en enkelt fasestrømning. Som diskutert her er anordningen 100 som er en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen, anvendbar for måling av multifasestrømning 102 omfattende olje, vann og gass. Beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelsen vil derfor forutsette at blandingen er en kombinasjon av olje, vann og gass, imidlertid kan oppfinnelsen også innebære at en hvilken som helst slags enkel eller en multifasestrømning 102 kan måles.

Som vist i fig. 1 fungerer anordningen 100 som en gassvolumfraksjon (eller void fraksjon) måler 106, en ultrasonisk strømningsmåler 108 og en ultrasonisk vannkuttmåler 110. Gassvolumfraksjons-(GVF) måleren 106 tilveiebringer en output som er indikativ for gassvolumfraksjonen eller voidfraksjonen i blandingen 102 ved måling av lydhastighetspropageringen ved lave frekvenser aksielt gjennom strømningen 102 i røret 104. Den ultrasoniske strømningsmeter 108 tilveiebringer et flertall av høyfrekvente akustiske signaler gjennom strømningen 102 for å tilveiebringe utgangssignaler indikative for trykkforstyrrelser (for eksempel virvelforstyrrelser) eller andre forstyrrelser eller andre egenskaper ved strømningen som propagerer med strømningen 102 fordi de ultrasoniske sensorene som vil bli beskrevet mer detaljert heretter. Den ultrasoniske vannkuttmåleren 1110 måler lydhastigheten med et høyfrekvenssignal som propagerer gjennom strømningen 102 for å tilveiebringe et utgangssignal indikativ for lydhastigheten av væskekomponenten i strømningen 102 som er indikativ for vannkutte i blandingen 102. Vannkuttet er fasefraksjonen eller prosentdelen av vannet i væskedelen av strømningen 102.

Det kan forstås at kombinasjonen av GVF-målet 106, strømningsmåleren 108 og vannkuttmåleren 110 tilveiebringer tilstrekkelig informasjon for fullt ut å karakterisere multifasestrømningen 102 som strømmer gjennom røret 104. Spesielt er anordningen 100 istand til å måle minst strømningshastigheten, den volumetriske strømningsraten, strømningskomposisjonen (for eksempel fasefraksjonen til hver fase av fluidet), vannkutte, den volumetriske strømningsraten til hver fase i blandingen 102, gassvolum (void) fraksjonen i strømningen 102, lydhastigheten i blandingen 102 og lydhastighetyen i væskekomponenten i strømningen 102. Det kan forstås at disse målte parameterne er spesielt viktige for oljeproduksjonsanvendelser.

Et viktig aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er erkjennelsen av at for fluider med gassbobler eksisterer det en frekvensavhengighet av lydhastigheten som propagerer gjennom fluidstrømningen 102. Bobleresonnansen bestemmer overgangsfrekvensen. Fig. 2 viser frekvensavhengigheten av lydhastigheten i boblefluider. Som vist, ved lave frekvenser under bobleresonnansfrekvensen (omtrent 100 Hz til 1000 Hz) påvirkes lydhastigheten som propagerer gjennom fluidet dramatisk av innfangne gasser. Omvendt, ved høye frekvenser over bobleresonnansfrekvensen (omtrent 1 MHz og større) har innfangne gasser i fluidstrømningen 102 ingen betydelig påvirkning på lyshastighetspropageringen gjennom fluidkomponenten av strømningen 102. På grunn av erkjennelsen av dette fenomenet tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen ved en utførelsesform anordningen 100 en måler (dvs. GVF-måler 106) for å måle lydhastigheten med lavfrekvenser under bobleresonnansfrekvensen, og en annen måler (dvs. ultrasonisk vannkuttmåler 108) for å måle lydhastigheten ved høye frekvenser over bobleresonnansfrekvensen.

Som det vil bli beskrevet mer detaljert heretter er lydhastigheten med lave frekvenser (subresonnansfrekvenser) indikativ for lydkastigheten av blandingen 102, mens lydhastigheten ved høyere frekvenser (for eksempel superresonnansfrekvenser) er indikativ for lydhastigheten i væskekomponenten av blandingen 102. Ved å kjenne til lydhastigheten i en blanding 102 kan gassvolumet (og void) fraksjonen i strømningen 102 (eller blandingen) bestemmes. Videre ved å kjenne lydhastigheten til væskekomponenten i blandingen 102 gjør dette det mulig å bestemme vannkutte. Denne prosesseringen vil bli beskrevet i større detalj heretter. Også, ved å kjenne gassvolumfraksjonen (eller voidfraksjonen) og vannkutte kan fasefraksjonen og den volumetriske strømningsraten til hver fase i fluidstrømningen 102 bestemmes, som beskrevet mer detaljert nedenfor.

Tester ble utført ved anvendelse av et vertikalt rør fylt med fluid der bobler ble injisert inn i fluidet ved bunnen av røret. Anvendelse av en ultrasonisk sensor og en GVF-måler ble lydhastigheten ved superresonnansfrekvenser og subresonnansfrekvenser, respektivt målt. Det er tilveiebragt data i fig. 3 som illustrerer det fenomenet beskrevet ovenfor at den målte lydhastigheten av væskekomponenten i blandingen 102 (for eksempel superresonnans SOS) ikke er påvirket av den innfangne gassen, mens den målte lydhastigheten av blandingen 102 (for eksempel subresonnans SOS) er påvirket av den innfangne gassen. Fig. 3 viser virkningen av lydhastigheten i bobleblandinger eller strømninger. Spesielt er den målte lydhastigheten normalisert ved væskelydhastigheten plottet som en funksjon av referansegassvolumfraksjonen.

Linjen A viser det normalisert målte superresonnanslydhastigheten som en funksjon av den refererte GVF. Som diskutert tidligere er den målte lydhastigheten høyere frekvenser (superresonnans) ikke påvirket av den innfangne gassen og er indikativ på lydhastigheten i væsken i blandingen 102 uavhengig av mengden innfanget gass.

Linjen B viser den normalisert målte subresonnanslydhastigheten som en funksjon av den refererte GVF. Som diskutert tidligere er den målte lydhastigheten ved lavere frekvenser (subresonnans) påvirket av den innfangne gassen ved en kjent eller bestembart forhold og således muliggjør dette bestemmelse av gassvolumet (eller void-) fraksjonen av multifasestrømningen eller blandingen.

Linjen C viser den teoretiske normaliserte subresonnanslydhastigheten i blandingen 102 som en funksjon av den refererte GVF i samsvar med Woods ligning. Som vist er den målte subresonnanslydhastigheten korrelert med den teoretiske bestemmelsen av subresonnanslydhastigheten.

Fig. 4 viser et skjematisk diagram av strømningsmåleanordningen 100 i fig. 1 som innbefatter en føleinnretning (sensorhode) 112 montert på røret 104 og en prosesseringsenhet eller arrayprosessor (transmitter) 114. Anordningen 100, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen kan bestemme hastigheten som lyden (akustisk bølge 90 i fig. 5) propagerer gjennom fluidstrømningen 102 med i røret 104 for å måle bestemte egenskaper ved enkeltfase eller multifase fluider 102. For å forenkle forklaringen fra den foreliggende oppfinnelsen vil strømningen 102 som progagerer gjennom røret 104 bli referert til som en prosesstrømning 102 med forståelsen at fluidet eller prosesstrømningen 102 kan være en enkelfase eller multifasestrømning som beskrevet ovenfor.

Føleinnretningen 112 omfatter en array av tøyningsbaserte sensorer eller trykksensorer 116-122 for måling av ikke-stasjonære trykk produsert av akustiske trykkforstyrrelser (for eksempel akustisk bølge 90) i røret 104 for å bestemme lyshastigheten som propagerer gjennom strømningen 102. Føleinnretningen 112 innbefatter videre en array av ultrasoniske sensorer 124-130 som hver har en transmitter 131 og en mottager 132 for også å måle en parameter i strømningen 102. Trykksensorene 116-122 og ultrasonisk sensor 124-130 er vist sammenflettet, imidlertid kan også hver respektive sensorarray være delvis sammenflattet og ikke-sammenflettet i det hele tatt uten å avvike fra omfanget av den foreliggende oppfinnelse. Det kan også være slik at GVF målet 106 og den ultrasoniske strømningsmåleren 108 kan være to distinkte enheter anbragt ved siden av hverandre på røret 104.

Trykksignalene Pi(t) - P>j(t) og ultrasoniske signaler Si(t) - SnO) er tilveiebragt til en prosesseringsenheten 114 som digitaliserer signalene og beregner de egnede strømningsparameterne. Selv om en kabel er vist som elektronisk å koble føleinnretningen 112 til prosesseringsenheten 114 kan hvilken som helst slags fremgangsmåte eller innretning egnet for det ønskede endeformålet brukes for å kommunisere føleinnretningen 112 med prosesseringsenheten 114. De analoge trykksensorsignalene Pi(t) - P>j(t) er typisk 4-20 mA strømsløyfesignaler.

Array en av trykksensorer 116-122 omfatter en array av minst to trykksensorer 116,118 anbragt aksielt i avstand fra hverandre langs en ytre overflate 134 av røret 104, og har en prosesstrømning 102 propagerende deri. Trykksensorene 116-122 kan være spent fast på eller generelt fjernbart montert på røret 104 av en hvilken som helst slags festeinnretning slik som magnetiske festeinnretninger, bolter, skruer og/eller innspenningsinnretninger. Alternativt kan sensorene være permanent festet til eller integrert (for eksempel innesluttet) i røret 104. Arrayen av sensorer i føleinnretningen 112 kan innbefatte et hvilket som helst slags antall trykksensorer 116-122 som er større enn to sensorer, slik som tre, fire, åtte,seksten eller N antall sensorer mellom to og tjuefire sensorer. Generelt øker målingsnøyaktigheten når antallet sensorer i et array øker. Graden av nøyaktighet tilveiebragt med det større antallet sensorer er forskjøvet ved økning i kompleksitet og tiden for beregning av den ønskede outputparameteren av strømningen 102. Derfor er antallet sensorer som brukes avhengig av minst en grad av nøyaktighet som ønskes og den ønskede oppdateringsraten for outputparameteren tilveiebragt ved anordningen 100. Trykksensoren 116-122 måler de uregelmessige/varierende trykkene produsert av akustiske bølger som propagerer gjennom strømningen 102 i røret 104, som er indikative for SOS-propageringen gjennom fluidstrømningen 102 i røret 104. Outputsignalene (Pi(t) - PnO)) fra trykksensorene 116-122 er tilveiebragt til en signalforsterker 136 som forsterker signalene generert av trykksensoren 116 - 122. Prosesseringsenheten 114 som prosesserer trykkmåledataene Pi(t) - PnO) og bestemmer de ønskede parameterne og egenskapene i strømningen 102 som beskrevet tidligere.

Anordningen 100 kan også tilveiebringe en eller flere akustiske sensorer 138 for å muliggjøre målingen av lydhastigheten som propagerer gjennom strømningen 102 for eksempel en akustisk stille strømning 102. Den akustiske kilden(e) 138 kan være en innretning som kobles til eller vibrerer på veggen av røret 104 for eksempel. Den akustiske kilden 138 kan være anbragt ved inputenden eller outputenden av arrayet og sensorer 116-122 eller ved begge ender som vist. Man skal forstå at av de fleste tilfeller er ikke de akustiske sensorene 138 nødvendig og at anordningen 110 passivt detekterer de akustiske furer eller rygger tilveiebragt i strømningen 102, som vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor. Den passive støyen innbefatter støy generert av pumper, ventiler,

motorer og den turbulente blandingen 102 selv.

Generelt måler prosesseringsenheten 114 uregelmessige trykk skapt ved akustiske forstyrrelser som propagerer gjennom strømningen 102 for å bestemme lydhastigheten (SOS) som propagerer gjennom strømningen 102. Ved å kjenne trykket og/eller temperaturen av strømningen og lydhastigheten til den akustiske forstyrrelsen eller bølgene som vist i fig. 6 og fig. 7 kan prosesseringsenheten 114 bestemme den volumetriske strømningen av fluidet 102, konsistentheten eller sammensetningen av fluid 102, Mach tallet til fluidet 102, den gjennomsnittlige partikkelstørrelsen for partiklene som strømmer gjennom fluidet 102, luft/masseforholdet av fluidet 102 og/eller prosentdelen av innfanget luft i blandingen 102, slik som beskrevet i US-patentsøknader nr. 10/349,716, innlevert 23. januar 2003, patentsøknad nr. 10/376,427, innlevert 26. februar 2003, patentsøknad nr. 10/762,410, innlevert 21. januar 2004, som det alle herved henvises til.

Som vist i fig. 4, har en anordning 100 som har en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen en array på minst to tøyningsbaserte eller trykkbaserte sensorer 116,118 lokalisert ved to lokasjoner xi, x2aksielt langs røret 104 for føling av respektive stokastiske signaler som progagerer mellom sensorne 116,118 i røret 104 ved deres respektive lokasjoner. Hver sensor 116,118 tilveiebringer et signal som indikerer et uregelmessig trykk ved lokasjonen av hver sensor 116,118, ved hvert øyeblikk i en serie av sampling/prøvetakingsøyeblikk. Man skal forstå at sensor arrayet kan innbefatte mer enn to trykksensorer 116,118 som vist ved trykksensorene 120,122 ved lokasjoner x3,xN. Trykket generert ved de akustiske bølgene 90 (se fig. 5) kan måles ved tøyningsbaserte sensorer og/eller trykksensorer 116-122. Trykksensorene 116-122 tilveiebringer analoge trykk tidsvarierende signaler Pi(t),P2(t),P3(t),PN(t) til signalprosesseringsenheten 114.

Som vist i fig. 8 innbefatter SOS blandingslogikk (SOS mixture logic) 140 en dataakvisasjonsenhet 142 som digitaliserer trykksignalene Pi(t)-PN(t) assosiert med de akustiske bølgene 90 som propagerer gjennom røret 104. En FFT logikk 144 beregner Fourier transformasjonen til de digitaliserte tidsbaserte inputsignalene Pi(t)-PN(t) og tilveiebringer et kompleks frekvensdomene (eller frekvensbaserte) signaler Pi(co),P2(co),P3(co),PN(co) indikative for frekvensinnholdet i inputsignalene.

En dataakkumulator 146 akkumulerer signalene Pi(t)-PN(t) fra sensorene 116-122 og tilveiebringer data akkumulert over et samplingsintervall til en arrayprosessor 148 som utfører en romlig temporal (todimensjonal) transformasjon av sensordataene, fra x(t) domene til k-© domene og så beregner signalstyrken (power) i k-© planet, som representert ved et k-© plott lignende det tilveiebragt av den konvektive arraysensoren vist i fig. 11.

For å beregne signalstyrken i k-© planet som representert ved et k-© plott (se fig. 9) av enten signalene eller de differensierte signalene, bestemmer arrayprosessoren 148 bølgelengden og som sådan (romlig) bølgetall k, og også (den temporale) frekvensen som sådan, vinkelfrekvensen © til forskjellige spektrale komponenter av stokastiske parametere. Det er et stort antall algoritmer tilgjengelig i offentlig domene for å utføre romlig/temporal dekomponering av array av trykksensorer 116-122.

Spesielt bruker arrayprosessoren 148 standard såkalte stråledannende, arrayprosessering eller adapter arrayprosesseringsalgoritmer, dvs. algoritmer for prosessering av sensorsignaler som bruker forskjellige forsinkelser og vektlegging for å skape egnede faseforhold mellom signalene tilveiebragt av de forskjellige sensorene, derved skapes faset antennearrayfunksjonalitet. Med andre ord transformerer stråledannelses eller arrayprosesseringsalgoritmer tidsdomenesignaler fra sensorarrayene inn i deres romlige og temporale frekvenskomponenter, dvs. inn i et sett av bølgetall gitt ved k=2n/ X hvor X er bølgelengden til en spektral komponent, og svarende til vinkelfrekvenser gitt ved (0=271v.

En slik teknikk for bestemmelse av lydhastighetspropageringen gjennom strømningen 102 involverer anvendelse av arrayprosesseringsteknikken for å definere en akustisk rygg/fure i k-© planet som vist i fig. 9. Stigningen til den akustiske ryggen/furen er indikativ for lydhastighetspropageringen gjennom strømningen 102. Lyshastigheten (SOS) bestemmes ved anvendelse av sonararrayprosesseringsteknikk for å bestemme hastigheten ved hvilken de endimensjonale akustiske bølgene 90 propagerer forbi den aksiale arrayen av uregelmessig trykkmålinger fordelt langs røret 104.

Anordningen 100 i den foreliggende oppfinnelsen måler lydhastigheten (SOS) til endimensjonale lydbølger 90 (se fig. 5) som propagerer gjennom blandingen 102 for å bestemme gassvolumfraksjonen til blandingen 102. Det er kjent at lydpropageringen gjennom forskjellige medier ved forskjellige hastigheter i slike felt som SONAR og RAD AR-felt. Lydhastighetspropageringen gjennom røret 104 og strømningen 102 kan bestemmes ved anvendelse av et antall kjente teknikker slik som de beskrevet i US-patentsøknad nr. 09/344,094, innlevert 25. juni 1999, nå US 6,354,147; US-patentsøknad nr. 10/795,111, innlevert 4. mars 2004; US- patentsøknad nr. 09/997,221, innlevert 28. november 2001, nå US 6,587,798; US- patentsøknad nr. 10/007,749, innlevert 7. november 2001 og US-patentsøknad nr. 10/762,410, innlevert 21. januar 2004, hver av disse henvises det hermed til.

I tilfelle av egnede akustiske bølger 90 som er tilstede i begge aksialretninger, vil signalstyrken i k-co planet vist i et k-co plottet i fig. 9 som således er bestemt fremvise en struktur som kalles en akustisk rygg 150,152 i både venstre og høyere plan av plottet, der en av de akustiske ryggene 150 er indikativ for lydhastigheten som går i en aksiell retning og den andre akustiske ryggen 152 er indikativ for lydhastigheten som går i den andre aksielle retningen.

De akustiske ryggene 150, 152 representerer konsentrasjoner av stokastiske parametere som propagerer gjennom strømningen 102 og som er en matematisk manifestasjon av forhold mellom romlige variasjoner og temporale variasjoner beskrevet ovenfor. Et slikt plott vil indikere en tendens for et k-co par til å komme til syne mer eller mindre langs en linje 150,152 med noe helling, hellingen indikerer lydhastigheten. Signalstyrken i k-co planet som således bestemmes tilveiebringes så til en akustisk ryggidentifiserer 154 som også bruker en eller en annen trekkekstraksjonsmetode for å bestemme lokasjonen og orienteringen (hellingen) til enhver akustisk rygg 150, 152 som er tilstede i venstre og høyere k-co planet. En analysator 156 bestemmer lydhastigheten i blandingen 102 ved anvendelse av hellingen til en eller to akustiske rygger 150,152 eller gjennomsnittet/midlingen av hellingen til de akustiske ryggene 150,152.

Som vist i figurene 1 og 4, tilveiebringes GVF-logikken outputsignaler som er indikative for gassvolum eller voidfraksjon av blandingen 102 som respons på den målte lydhastigheten i blandingen 102. For eksempel, for å bestemme gassvolumfraksjonen (eller fasefraksjonen) antar GVF-logikken et nesten isotermt forhold for strømningen 102. Som sådan er gassvolumfraksjonen eller voidfraksjonen relatert til lydhastigheten ved den følgende kvadratiske ligning:

der x er lydhastigheten, A=l+rg/rl<*>(Kelf/P-l)-Kefl/P, B=Kefl/P-2+rg/rl; C=l-Keff/rl<*>amea8<A>2); Rg = gasstetthet, ri = væsketetthet, Keg-= effektiv K (moduler av væske og rørveggen), P= trykk, og ameas= målt lydhastighet.

Effektivt,

Gassvolumfraksjon (GVF) = (-B+sqrt(B<A>2-4<*>A<*>C))/(2<*>A)

Alternativt kan lydhastigheten i en blanding 102 relateres til volumetrisk fasefraksjon (c|>i) av komponentene og lydhastigheten (a) og tetthetene (p) til komponentene gjennom Woods ligning.

En dimensjonal kompresjonsbølgepropagering i en blanding 102 inneholdt i røret 104 utøver en varierende indre trykkbelastning på røret 104. Graden som røret 104 forskyves er resultat av variable trykkbelastninger som påvirker hastigheten av propageringen av kompresjonsbølgen. Forholdet mellom uendelig-domene lydhastighet og tetthet i blandingen 102, elastisitetsmodulen (E), tykkelsen (t), og radiusen (R) til en sylindrisk rørledning med vakumbakside og den effektive propageringshastigheten (aefr) for endimensjonal kompresjon kan bli gitt ved følgende uttrykk:

Blandingsregelen slår hovedsakelig fast at kompresibiliteten til en blanding (l/(p a<2>)) er det volumetrisk veide gjennomsnittet av kompresibilitetene til komponentene. For gass/væskeblandingen 102 ved trykk og temperaturer som er typiske for papir- og tremasseindustrien, er kompressibiliteten til gassfasen flere størrelsesordener større enn væskefasen. Således bestemmes kompresibiliteten til gassfasen og tettheten til væskefasen hovedsakelig av blandingslydhastigheten, og som sådan er det nødvendig å ha gode estimater av prosesstrykk for å tolke blandingslydhastigheter når det gjelder volumetrisk fraksjon av den innfangede gassen. Virkningen av prosesstrykket på forholdet mellom lydhastigheten og ved den innfangende luftvolumfraksjonen er vist i fig. 10.

Noen eller alle funksjonene i prosesseringsenheten 114 kan implementeres i datamaskinprogramvaren (ved anvendelse av en mikroprosessor eller datamaskin) og/eller firmware, eller kan implementeres ved anvendelse av analog og/eller digital hardware, som har tilstrekkelig minne, grensesnitt og kapasitet til å utføre funksjonene som her er beskrevet.

Som vist i fig. 4 innbefatter måleanordningen 100 en føleinnretning 112 som omfatter en array av ultrasoniske sensorenheter 124-130. Hver sensorenhet 124-130 omfatter et par ultrasoniske sensorer 131-132 hvor en av disse kan fungere som en transmitter (Tx) 131 og den andre som en mottager (Rx) 132. Sensorenhetene 124-130 er anbragt med mellomrom aksielt langs den ytre overflaten 134 til røret 104 og har en prosesstrømning 102 som propagerer deri. Paret med sensorer 131,132 er anbtagt diamentralt på røret 104 ved forutbestemte steder langs røret 104 for å tilveiebringe en gjennomtransmisjonskonfigurasjon slik at sensorene 131,132 transmitterer og mottar ultrasonisk signal som propagerer gjennom fluidet 102 hovedsakelig ortogonalt på retningen av fluidstrømning 102 i røret 104. Den ultrasoniske måledelen av den foreliggende oppfinnelsen er lignende den som er vist i US provisjonelle patentsøknad nr. 10/756,977, innlevert 13. januar 2004 som det hermed henvises til.

Som vist i fig. 1, måler hvert par ultrasoniske sensorer 131,132 i en transittid (dvs. flytid (TOF), "time of flight"), eller fasemodulasjon) til et ultrasonisk signal som propagerer gjennom fluidet 102 fra transmitteringssensoren 131 til mottagingssensoren 132. Transittidmålingen eller variasjonen er indikativ for koherente egenskaper som konvekterer med strømningen 102 i røret 104 (for eksempel virvelforstyrrelser, inhomogeniteter i strømningen 104, temperaturvariasjoner, bobler, partikler, trykkforstyrrelser), som er indikative for hastigheten i prosesstrømning 102. De ultrasoniske sensorene 124-130 kan drives ved en hvilken som helst slags frekvens, imidlertid har det blitt funnet at de høyere frekvenssensorene er mer egnet for enkeltfasefluider mens de lavere frekvenssensorene er mer egnet for multifasefluider. Den optimale frekvensen for ultrasoniske sensorer 124-130 er avhengig av størrelse eller type partikkel eller stoffer som progagerer i strømningen 102. For eksempel, jo større luftboblene er i en fluid med CO2 desto lavere er den ønskede frekvensen til det ultrasoniske signalet. Eksempler på frekvens som brukes i en strømningsmåler som har en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen er 1 MHz og 5 MHz. De ultrasoniske sensorene 124-130 kan også tilveiebringe et pulset, "chirped" eller kontinuerlig signal gjennom fluidstrømningen 102. Et eksempel på sensoren 131,132 som kan brukes er modellnummer 113-241-591, fremstilt av Krautkramer.

En ultrasonisk signalprosessor 162 avfyrer sensorene 131 som respons på et fyringssignal fra transmitteren 114 og mottar de elektroniske utgangssignalene Si(t)-SnO) fra sensorene 132. Den ultrasoniske signalprosessoren 162 prosesserer data fra hver av sensorenhetene 124-130 for å tilveiebringe et analogt eller digitalt utgangssignal Ti(t)-TN(t) som er indikative for flighttiden eller transittiden til det ultrasoniske signalet gjennom fluidet 102. Den ultrasoniske signalprosessoren 162 kan også tilveiebringe et utgangssignal som er indikativt for aplituden (eller dempningen) til de ultrasoniske signalene. En slik signalprosessor er modell nr. USPC 2100 fremstilt av Krautkramer Ultrasonic Systems. Måling av amplituden til det ultrasoniske signalet er delvis anvendbart og virker best for måling av hastigheten i en fluid 102 som innbefatter et stoff i strømning 102 (for eksempel multifasefluid eller slurry).

Utgangssignalene (Ti(t)-TN(t)) til den ultrasoniske signalprosessoren 162 er tilveiebragt til prosessoren 114 som prosesserer transittiden eller modulasjonsmåledata for å bestemme den volumetriske strømningsraten. Transittiden eller flighttidsmålingen defineres ved tiden det tar for et ultrasonisk signal å propagere fra transmitteringssensor 131 til den respektive mottakssensor 132 gjennom rørveggen 104 og fluid 102. Virkningen av virvelforstyrrelsene (og/eller inhomogenitetene i fluid 102) på transittiden til det ultrasoniske signalet er å forsinke eller øke transittiden. Derfor tilveiebringer hver føleenhet 124-130 et respektivt utgangssignal Ti(t)-TN(t) indikative for variasjonene i transittiden til de ultrasoniske signalene som propagerer ortogonalt til fluidretningen 102. Målingen utledes ved å tolke konveksjonskoherensegenskapen og/eller egenskapene i prosesseringsrøret 104 ved anvendelse av minst to sensorenheter 124,126. De ultrasoniske sensorene 124-126 kan "vætes" eller fastspennes på den ytre overflaten 134 av røret 104 (for eksempel kontakt eller ikke-kontaktsensor).

I et eksempel måler strømningsmåleren 100 den volumetriske strømningsraten ved å bestemme hastigheten til virvelforstyrrelser eller "eddies" 164 (se fig. 5) som propagerer med strømningen 102 ved anvendelse av arrayet av ultrasoniske sensorer 124-130. Strømningsmåleren 100 som måler hastighetene forbundet med varierende strømningsfelt skapt ved virvelforstyrrelser eller "eddies" 164 og andre inhomogeniteter for å bestemme hastigheten til strømningen 102. De ultrasoniske sensorenhetene 124-130 måler transmitteringstid Ti(t)-TN(t) til de respektive ultrasoniske signalene mellom hvert respektivt par av sensorer 131,132 kan variere på grunn av virvelforstyrrelser når disse forstyrrelsene konvekterer med strømningen 102 gjennom røret 104 på en kjent måte. Derfor er hastighetene til disse virvelforstyrrelsene relatert til hastigheten av strømning 102 og følgelig kan den volumetriske strømningsraten bestemmes noe som vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor. Den volumetriske strømningen bestemmes ved å multiplisere hastigheten til fluidet 102 med tverrsnittsarealet av røret 104.

Flytlogikken ("the flow logic") 166 i prosessoren 112 prosesserer de ultrasoniske signalene som vist i fig. 11. Flytlogikken 166 mottar de ultrasoniske signalene fra arrayet av sensorer 124-130. En dataakvisisjonsenhet 168 (for eksempel A/D omformer) omformer analoge signaler til respektive digitale signaler. De digitaliserte signalene tilveiebringes til Fast Fourier Transform (FFT) logikk 170. FFT-logikk 170 beregner Fouriertransformasjonen til de digitaliserte tidsbaserte inngangssignalene Ti(t)-TN(t) og tilveiebringer kompleksfrekvensdomene (eller frekvensbaserte) signaler Ti (co), T2(co), T3(o>), TN(co) indikative for frekvensinnholdet i inngangssignalene. Istedenfor FFT kan en hvilken som helst slags annen teknikk for å tilveiebringe frekvensdomene-karakteristikker til signalene Ti(t)-TN(t) brukes. For eksempel kan krysspektraltettheter og signalstyrkespektraltettheten (power spectral density) brukes for å danne frekvensdomeneoverføringsfunksjoner (eller frekvensrespons eller forhold) diskutert heretter.

En teknikk for å bestemme konveksjonshastigheten til de turbulente "eddies" 164 i prosesstrømningen 102 (se fig. 5) involverer karakterisering av en kkonvektiv rygg (ridge) av de resulterende varierende trykkene ved anvendelse av en array av sensorer eller andre stråledanningsteknikker, lignende det beskrevet i US patentsøknad (Cidras internnr. CC-0122A) og US patentsøknad nr. 09/729,994 (Cidras internnr. CC-0297), innlevert 4.desember 2000, nå US 6,609,069, som det hermed henvises til.

En dataakkumulator 172 akkumulerer frekvenssignalene Ti(©) - TN(©) over et samplingsintervall og tilveiebringer data til en array prosessor 174 som utfører en romlig-temporal (todimensjonal) transformasjon av sensordataene fra x(t) domene til k-© domene også beregne signalstyrken i k-© planet som representert ved et k-© plott.

Arrayprosessoren 174 bruker en standard såkalt stråledanning, arrayprosessering eller adapterarrayprosesseringsalgoritmer, dvs. algoritmer for prosessering av sensorsignaler ved anvendelse av forskjellige forsinkelser og vekting for å skape egnede faseforhold mellom signalene tilveiebragt ved de forskjellige sensorene, derved skapes faseantennearrayfunksjonalitet. Med andre ord stråledannings eller arrayprosesserings-algoritmene transformerer tidsdomenesignaler fra sensorarray inn i deres romlige eller temporale frekvenskomponenter, dvs. inn i et sett av bølgetall gitt ved k = 2n/ X der X er bølgelengden til en sprektral komponent og tilsvarende vinkelfrekvenser gitt ved©=27t v.

Kjent teknikk beskriver mange algoritmer for anvendelse i romlig og temporale dekomponering av et signal fra en fasearray av sensorer, og den foreliggende oppfinnelsen er ikke begrenset til noen bestemt algoritme. En bestemt adaptiv array prosesseringsalgoritme er Capon metoden/algoritmen. Mens Capon metoden er beskrevet med en metode kan man ifølge foreliggende oppfinnelsen anvende andre adaptive array prosesseringsalgoritmer slik som MUSIC algoritmen. Den foreliggende oppfinnelsen erkjenner at slike teknikker kan brukes for å bestemme strømningsrate, dvs. signalene forårsaket av stokastiske parameterkonvektering med en strømning som er tidsstasjonær og som har en koherent lengde lang nok til at det er praktisk å lokalisere sensorenheter i avstand fra hverandre og fortsatt være innenfor koherentlengden. Konvektive karakteristikker eller parametere har et dispersjonsforhold som kan være tilnærmet ved rett linje ligningen,

k=co/u,

der u er konveksjonshastigheten (strømningshastigheten). Et plott av k-co par tilveiebragt fra en spektralanalyse av sensorprøver assosiert med konvektive parametere avbildet slik at energien til forstyrrelsen spektralt samsvarer med paringen som kan beskrives som en hovedsakelig rett rygg, en rygg som i turbulent grenselagsteori kalles en konvektiv rygg. Det som føles er ikke diskret hendelser av turbulente "eddies" 164, men heller at kontinum av mulig overlappende hendelser som utgjør en temporær stasjonær, hovedsakelig hvir prosess over frekvensområdet av interesse. Med andre ord er de konvektive "eddies" 164 fordelt over et lengdeområdeskala og følgelig temporale frekvenser.

For å beregne signalstyrken i k-co planet som representert ved et k-co plott (se fig. 12) av enten signalene, arrayprosessor 174 bestemmer bølgelengden og så det (romlige) bølgetallet k, og også (temporal) frekvensen og så vinkelfrekvensen co, til de forskjellige spektralkomponentene av den stokastiske parameteren. Det er et stort antall algoritmer tilgjengelig i det offentlige området for å utføre romlig/temporal dekomposisjon av arrayet av sensorenheter 124-130.

Den foreliggende oppfinnelse kan bruke temporal og romlig filtrering for å forhåndsbehandle signalene for effektivt å filtrere ut felles moduskarakteristikker Pfeiies modus og andre lange bølgelengder (sammenlignet med sensorspacingen) karakteristikker i røret 104 ved å differensiere nærliggende sensoren og beholde en betydelig porsjon av den stokastiske parameteren forbundet med strømningsfeltet og en hvilken som helst annen kortbølgelengde (sammenlignet med sensorspacingen) lavfrekvente sokastiske parametere.

I tilfelle av egnet turbulente "eddies" 164 (se fig. 5) er tilstede, viser signalstyrken i k-co planet vist i et k-co plott i fig. 12 en konvektiv rygg 176. Den konvektive ryggen representerer konsentrasjonen av en stokastisk parameter som konvekter med strømningen 102 og er en matematisk manifestasjon på forholdet mellom de romlige variasjonene og temporale variasjoner beskrevet ovenfor. En slikt plott vil indikere en tendens for et k-co par til å fremtre mer eller mindre langs en linje 176 med noe helning, helningen indikerer strømningshastigheten.

Straks signalstyrken k-co planet er bestemt, bruker en konvektiv ryggidentifiserer 174 én eller et annet trekkekstraksjonsmetode for å bestemme lokasjonen og orienteringen (hellingen) til en hvilken som helst slags konvektiv rygg 176 som er tilstede i k-co planet. I en utførelsesform, brukes en såkalt skrå stacking metode, en metode der de akkumulerte frekvensene av k-co par i k-co plottet langs forskjellige stråler som kommer ut fra utgangspunktet sammenlignes, hver forskjellig stråle assosieres med en forskjellig prøvekonveksjonshastighet (ved at helningen til en stråle antas å være strømningshastigheten eller korrelert med strømningshastigheten på en kjent måte). Den konvektive ryggidentifiserer 178 tilveiebringer informasjon om de forskjellige forsøkskonveksjonshastighetene, informasjonen refererer generelt til som konvektiv rygginformasjon.

En analysator 180 undersøker den konvektive rygginformasjonen innbefattende den konvektive ryggorienteringen (skråningen). Ved å anta at rettlinjedispersjonsrelasjonen er gitt ved k=co/u, bestemmer analysatoren 180 strømningshastigheten, Mach tallet og/eller volumetrisk strømning. Den volumetriske strømningen kan bestemmes ved å multiplisere tverrsnittsarealet av innsiden av røret 104 med hastigheten i prosesstrømningen 102.

Vannkuttet i prosesstrømningen 102 kan bestemmes ved å anvende utgangen av minst en av sensorene 124-130 i den ultrasoniske strømningsmåleren 108. Mens en ultrasonisk sensor 124-130 i den ultrasoniske strømningsmåleren 108 brukes til å bestemme vannkuttet i strømningen 102 antas det at en separat ultrasonisk sensor for måling av vannkuttet vil tillate sensoren å overføre et ultrasonisk signal ved forskjellige frekvenser for å sikre at den ultrasoniske sensoren for vannkuttet drives ved en frekvens større enn bobleresonnansfrekvensen.

SOS flytende logikk (SOS Liquid Logic) konverterer den målte transittiden av det ultrasoniske signalet til et signal indikativt for lydhastigheten av væskekomponenten i blandingen 102. Frekvensen til det ultrasoniske signalet som propagerer gjennom fluidstrømning 102 er større enn bobleresonnansfrekvensen slik at den innfangne gassen ikke påvirker det ultrasoniske signalet. Ved å kjenne SOS til væskedelen av fluidstrømning 102 kan vannkuttet i fluidstrømningen 102 bestemmes. Vannkuttet er en funksjon av SOS i væskekomponenten til blandingen 102, SOS til oljen, SOS til vannet, tettheten av oljen og tettheten av annet. Ved å kjenne SOS og tettheten av olje og vann, kan forholdet mellom vannkuttet i strømningen 102 og SOS i væskekomponenten til blandingen 102 kan vannkuttet bestemmes. Som vist på fig. 13 er dette forholdet vist i plottet av SOS av væskekomponenten i blandingen 102 versus vannkutt, og derfor ved å kjenne SOS av væskekomponenten i blandingen 102 kan vannkuttet bestemmes.

Vannkuttet er definert som:

der (|>w er fasefraksjonen av vannkomponenten av fluidstrømningen, og §o er fasefraksjonen av oljekomponenten til fluidstrømningen.

Videre, kan fasefraksjonen til fluidstrømningen karakteriseres som:

der (|>w er fasefraksjonen til vannkomponenten og fluidstrømningen, $ 0 er fasefraksjonen til oljekomponenten av fluidstrømningen, og §g er fasefraksjonen av gasskomponenten i fluidstrømningen.

Den foreliggende oppfinnelsen måler vannkuttet (W0) og GVF ($ g), som beskrevet tidligere. Prosessoren 114 kan ved anvendelse av de ovenfornevnte forhold (ligninger) bestemme fasefraksjonene til vannet og olje ($ o) (dvs. sammensetningen av fluidstrømningen 102).

Prosessoren 114 kan så (ved å kjenne fasefraksjonen til hver komponent av fluidet) bestemme den volumetriske strømningsraten til hver komponent ved bruk av følgende formel:

der Qp er den volumetriske strømningsraten til fase (komponent) §p er fasefraksjonen til fasen; og U er hastigheten til fluidstrømningen og A er tverrsnittsarealet til røret.

Mens den sonarbaserte strømningsmåleren 100 anvender en array av sensorer 124-130 for å måle lydhastigheten av en akustisk bølge 90 som propagerer gjennom blandingen er vist og beskrevet, vil man forstå at et hvilken som helst slags middel for måling av lydhastigheten av den akustiske bølgen 90 kan brukes for å bestemme den innfangne gassvolumfraksjonen til blandingen/fluidet 102 eller andre karakteristikker av strømningen 102 beskrevet tidligere.

Mens hver av de ultrasoniske sensorenhetene 124-130 i fig. 1 omfatter et par ultrasoniske sensorer (transmitter og mottager) 131,132 diamentralt motstående for å tilveiebringe gjennom transmisjon, den foreliggende oppfinnelsen antar at en av de ultrasoniske sensorene 131,132 til hver sensorenhet 124-130 kan forskyves aksielt slik at det ultrasoniske signalet fra transmittersensoren 131 har en aksiell komponent i propageringsretningen.

Den foreliggende oppfinnelsen antar også at sensorenheten 124-130 i føleinnretningen

112 kan utformes i en pulset/ekkokonfigurasjon. I denne utførelsesformen omfatter hver føleenhet 124-130 en ultrasonisk sensor som transporterer et ultrasonisk signal gjennom rørets 104 vegg og fluidet 102 hovedsakelig ortogonalt til retningen av strømningen og mottar en refleksjon av det ultrasoniske signalet reflektert tilbake fra veggen 104 av røret til den ultrasoniske sensoren.

Videre, kan føleinnretningen 112 være utformet til å fungere i en "pitch og catch"-konfigurasjon. I denne utførelsesformen omfatter hver sensorenhet 124-130 et par ultrasoniske sensorer (transmitter/mottaker) 131,132 anbragt aksielt langs røret 104 til å anbringes på den samme siden av røret 104 ved en forutbestemt avstand fra hverandre. Hver transmittersensor 131 tilveiebringer et ultrasonisk signal ved en forutbestemt vinkel inn i strømningen 102. Det ultrasoniske signalet propagerer gjennom fluidet 102 og reflekteres fra den innvendige overflaten av røret 104 og reflekterer det ultrasoniske signalet tilbake gjennom fluidet 102 til den respektive mottagssensoren 132.

Som vist i fig. 1, mens den ultrasoniske sensordelen omfatter en array av ultrasoniske sensorenheter 124-130 (se fig. 5), antar den foreliggende oppfinnelsen at en hvilken som helst slag ultrasonisk strømningsmåler 108 eller føledel kan anvendes. Den ultrasoniske strømningsmåleren 108 kan være en hvilken som helst måler i en hvilken som helst slags av tre klasser av strømningsmålinger som anvender ultrasoniske transducere, som innbefatter transittid ultrasoniske strømningsmålere (TTUF), "transit time ultrasonic flow meters", doppler ultrasoniske strømningsmålere (DUF), og tverrsnittskorrelerte ultrasoniske strømningsmålere (CCUF) "cross correlation ultrasonic flow meters".

Den ultrasoniske sensordelen kan være en hvilken som helst slags kjent ultrasonisk strømningsmåler 108 slik som U.S. patent nr. 2,874,568; U.S. patent nr. 4,004,461; U.S. patent nr. 6,532,827; U.S. patent nr. 4,195,517; U.S. patent nr. 5,856,622; og U.S. patent nr. 6,397,683, som det herved henvises til.

Den arraybaserte strømningsmåleren 108 er lik den beskrevet i US patentsøknad nr. 10/007,749, innlevert 7. november 2001, US patentsøknad nr. 10/007,736, innlevert 8.november 2001, US patentsøknad nr. 6,587,798, innlevert 28. november 2001, US patentsøknad nr. 60/359,785, innlevert 26. februar 2002, US patentsøknad nr. 60/425,436, innlevert 12. november 2002, US patentsøknad nr. 09/729,994, innlevert 4.desember 2000 og US patentsøknad nr. 10,875,857, innlevert 24. juni 2004, som det alle herved henvises til.

Mens en enkel arrayprosessor 114 er vist til å motta og prosessere inputsignaler fra trykksensoren 116-122 og de ultrasoniske sensorene 124-130 antar den foreliggende oppfinnelsen at en arrayprosessor kan dedikeres til hver av arrayene av trykksensorene 116-122 og arrayen av ultrasoniske sensorer 124-130. Videre, mens dataakvisisjonsenhetene 142,168, FFT logikk 144,170, dataakumulatorer 146,172, arrayprosessorer 148,174 og ryggidentifiserere 154,178 er vist som separate elementer eller separate software/prosesseringsrutiner, vil man forstå at hver av disse elementene kan være vanlige og i stand til prosessere data assosiert med både trykksignalene assosiert med lydhastigheten og trykkene som konvekterer prosesstrømningen 102.

Fig. 14 viser et blokkdiagram av en strømningsmåleanordning 200 lignende anordningen i fig. 1 som innbefatter en føleinnretning (sensorhode) 112 montert på et rør 104 og en prosesseringsenhet eller arrayprosessor (transmitter) 114.

Anordningen 200 fungerer som en GVF måler 106, en strømningsmåler 108 og en vannkuttmåler 110.1 denne utførelsesformen fungerer sensorhodet 112 for GVF måleren 106 som sensorhodet 112 for både GVF måleren 106 og strømningsmåleren 108 i fig. 1. Prosesseringen av alle dataene er lignende den beskrevet tidligere. Like henvisnings tall er de samme elementene og funksjon på samme måte som beskrevet tidligere.

Det henvises til fig. 15 der sensorhodet 112 innbefatter en array av tøyningsbaserte sensorer eller trykksensorer 116-122. Signalene tilveiebragt av trykksensorene 116-122 er prosessert for å bestemme gassvolumet (eller void) fraksjonen av strømningen 102, hastigheten av strømningen 102, den volumetriske strømningsraten og lydhastigheten i blandingen ( dvs. strømningen) 102. Kombinasjonen av GVF/strømningsmåler, i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, kan bestemme hastigheten som lyden (dvs. akustisk bølge 90 i fig. 5) propagerende gjennom fluidstrømningen 102 i røret 104 for å måle lydhastigheten i en blanding 102 og gassvoid (eller volum) fraksjonen av strømningen 102. GVF/strømningsmåleren kan også bestemme hastigheten ved hvilken trykkforstyrrelsene (for eksempel virvelforstyrrelser) propagerende gjennom røret 104 for å bestemme hastigheten av fluidstrømning 102. Trykkforstyrrelsene kan være i form av virvelforstyrrelser 164 (for eksempel turbulente "eddies" fig. 5) eller andre trykkforstyrrelser som konvekterer (eller propagerer) med strømningen 102.

Som foreslått og ytterligere beskrevet i større detalj heretter har anordningen 200 evnen til å måle lydhastigheten (SOS) og strømningsraten (eller hastigheten) ved anvendelse av en eller begge av følgende teknikker som bruker samme array av trykksensorer 116-122 beskrevet nedenfor: 1) Bestemmelse av lydhastigheten av akustiske forstyrrelser eller lydbølger som propagerer gjennom strømningen 102 ved anvendelse av arrayet av trykksensorer 116-122, og/eller 2) Bestemmelse av trykkforstyrrelseshastigheter (for eksempel virveleddies 164) som propagerer gjennom strømningen 102 ved anvendelse av arrayen av trykksensorer 116-122.

Disse teknikkene er lignende det som ble beskrevet tidligere med henvisning til figurene 8 og 11, respektivt. Også, prosesseringen relatert til vannkuttmåleren 110 er lignende den beskrevet tidligere.

En fagmann på området kan forstå at vannkuttmåleren 110 også kan brukes som en frittstående måler for å gjøre det mulig for en bruker å måle vannkuttet av en multifasefluidstrømning 102 med innfanget luft.

Trykksensorene 116-122 og de ultrasoniske sensorene 124-130 vist i anordningen 100,200 i fig. 4 og 15 respektivt, kan være påspenningssensorer eller ikke-vætede sensorer. Disse fastspenningssensorene gjør det mulig for anordningen 100,200 å bli retrotilpasset på rør 104 uten å måtte stoppe systemet. Anordningen 100,200 vil heller ikke interferere med fluidstrømningen 102 og heller ikke skape noen tilbaketrykk av fluidstrømningen 102. En annen fordel med disse ikke-vætede/ fastpåspennede sensorene er at korrosjon eller scaling ikke forstyrrer sensorene.

I en utførelsesform som vist i fig. 4 og 15 kan hver av trykksensorene 116-122 innbefatte en piezoelektrisk film festet til en unitær multibåndfesteinnretning for å måle variable trykk av strømningen 102 ved anvendelse av hvilken som helst slags teknikk beskrevet ovenfor. De piezoelektriske filmsensorene 116-122 kan monteres på et unitært substrat eller nett som kan være montert eller fastspent på den ytre overflaten 132 av røret 104 som vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor.

De piezoelektriske filmsensorene 116-122 kan innbefatte et piezoelektrisk materiale eller film for å generere et elektrisk signal som er proporsjonalt med graden som materialet er mekanisk deformert eller stresset. Det piezoelektriske føleelementet er typisk utformet til å tillate fullstendig eller nesten fullstendig omkretsmåling av indusert tøyning for å tilveiebringe et omkretsmidlet trykksignal. Sensorene 116-122 kan dannes fra PVDF-filmer, kopolymerfilmer eller fleksible PZT sensorer lignende de beskrevet i "Piezo Film Sensors Technical Manual" av Measurement Specialties, Inc., som det hermed henvises til. En piezoelektrisk filmsensor som kan brukes for den foreliggende oppfinnelsen er del nummer 1-1002405-0, LDT4-028K, fremstilt av Measurement Specialties, Inc. Mens piezoelektrisk materiale er tilveiebragt hovedsakelig lengden av båndet og derfor omkretsen av røret 104, kan man også ifølge foreliggende oppfinnelse anta at det piezoelektriske filmmaterialet kan anbringes langs en del av båndet av en hvilken som helst slags lengde mindre enn omkretsen av røret 104.

Den piezoelektriske filmen ("piezofilm"), lik piezoelektrisk materiale er et dynamisk materiale som utvikler en elektrisk ladning proporsjonal med ladningen ved mekanisk spenning. Følgelig måler det piezoelektriske materialet tøyningen indusert i røret 104 på grunn av ustabile eller sokastiske trykkvariasjoner (for eksempel virvel og/eller akustisk) i prosesstrømningen 102. Tøyning i rør 104 transduceres til en utgangsspenning eller strøm av den påfestede piezoelektriske sensoren 116-122. Det piezoelektriske materialet eller filmen kan være laget av en polymer slik som en polarisert fluorpolymer, polyvinylidenfluorid (PVDF). De piezoelektriske filmsensorene er lignende de beskrevet i US patentsøknad nr. 10/712,818, innlevert 12, november 2003 og US patentsøknad nr. 10/795,111, innlevert 4. mars 2004, som det hermed henvises til. Fordelene med påspenningsteknikk ved anvendelse av piezoelektrisk film innbefatter ikke-intrusiv strømningsratemålinger, lave kostnader og måleteknikker som ikke krever noen eksitasjonskilde. Man vil anta at sensorene 116-122 kan installeres eller påmonteres røret 104 som enkeltsensorer 116-122 eller alle sensorene 116-122 kan monteres som en enkel enhet som vist i fig. 4 og 15.

Trykksensorene 116-122 i fig. 4 som her er beskrevet kan være en hvilken som helst slags type sensor, i stand til å måle variabel (eller ac eller dynamisk) trykk eller parametere som konvekterer med strømningen 102 i røret 104 slik som piezoelektrisk, optisk, kapasitiv, resistiv (for eksempel Wheatstone bro), akselerometere (eller geofoner), hastighetsmåleinnretninger, forskyvningsmåleinnretninger, ultrasoniske innretninger osv. Hvis optiske trykksensorer anvendes kan sensorene 116-122 være Bragg gitterbaserte trykksensorer, slik som de beskrevet i US patentsøknad nr. 08/925,598 med tittel "High Sensitivity Fiber Optic Pressure Sensor For Use In Harsh Environments", innlevert 8. september 1997, nå US patent 6,016,702, og US patentsøknad nr. 10/224,821 med tittel "Non-Intrusive Fiber Optic Pressure Sensor For Measuring Unsteady Pressures within a Pipe", som det hermed henvises til. I en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen som anvender fiberoptikk som trykksensorer 116-122, kan trykksensorene 116-122 være koblet enkeltvis eller kan være sammenflettet langs en eller flere optiske fibre ved anvendelse av bølgelengdedivisjonsmultipleksing (WDM), "wavelenght division multiplexing", tidsdivisjonsmultipleksing (TDM), "time division multiplexing", eller en hvilken som helst slags annen optisk multipleksingsteknikk.

I visse utførelsesformer av den foreliggende oppfinnelsen kan piezoelektroniske trykktransducere brukes som en eller flere av trykksensorene 116-122 og den kan måle enhver variabel (eller dynamisk eller ac) trykkvariasjon inni røret 104 ved å måle trykknivåer inni røret 104. Disse sensorene 116-122 kan ha åpning inni røret 104 for å ha direkte kontakt med prosessorstrømningen 102.1 en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen omfatter sensorene 116-122 trykksensorer fremstilt av PCB Piezotronics. I en trykksensor er det integrerte kretspiezoelektrisk spenningsmodustype sensorer som innehar innebygde mikroelektroniske forsterkere og konverterer høyimpedanseladning til en lav-impedansespenningsutgang. Nærmere bestemt brukes en modell 106B fremstilt ved PCB Piezoelectronics som er en svært følsom, akselerasjonskompensert integrert krets piezoelektrisk kvartstrykksensor egnet for måling av lavtrykk akustiske fenomen i hydrauliske og pneumatiske systemer.

Det er også innenfor omfanget av den foreliggende oppfinnelsen at enhver tøyningsføleteknikk kan brukes for å måle variasjonene i tøyning i røret 104 slik som

svært følsom piezoelektrisk, elektronisk eller elektrisk tøyningsmåling og piezoresistiv tøyningsmåling festet til røret 104. Andre tøyningsmåleinnretninger innbefatter resistiv foiltype måleinnretninger som har en race track konfigurasjon lignende den beskrevet i US patentsøknad nr. 09/344,094, innlevert 25. juni 1999, nå US 6,354,147, som det

herved henvises til. Oppfinnelsen kan også omfatte tøyningsmåleinnretninger som anbringes om en forutbestemt del av omkretsen av røret 104. Den aksielle forskyvningen av og separeringsavstanden AXi, AX2mellom tøyningssensorene 116-122 er bestemt som beskrevet ovenfor.

Informasjonen/målingen tilveiebragt ved den foreliggende oppfinnelsen kan brukes for å overvåke strømningskarakteristikker som strømmer med røret, for å kontrollere en prosess, og for å diagnostisere problemer i prosessen. Brukeren kan også ta ut data lagret i prosessoren via en inngangs/utgangsinnretning/åpning.

Det er også innenfor omfanget av den foreliggende oppfinnelsen at enhver annen tøyningsføleteknikk kan brukes for å måle variasjoner i tøyning i røret 104, slik som svært følsomme piezoelektriske, elektroniske eller elektriske, tøyningsmåleinnretninger festet til eller innsunket i røret 104.

Mens beskrivelsen har beskrevet anordningen 100,200 som en enkel måler som måler GVF, strømning og vannkutt, kan hver funksjon separeres i enkeltmålere for måling av GVF, strømning og vannkutt.

Mens utførelsesformene i den foreliggende oppfinnelsen innbefatter påspennings/klemmingssensorer eller innretninger skal man forstå at sensorene eller innretningene kan ha en åpning inn i eller være vætet for å være i kontakt med fluidstrømningen 102.

Den foreliggende oppfinnelsen omfatter videre at en fluidblandeinnretning lignende den som er kjent på feltet kan anbringes før (eller oppstrøms strømningen) sensorer for å tilveiebringe en godt blandet fluid. En godt blandet fluid sikrer minimal eller ingen glidning mellom væskefasen og gassfasen. Glidning/slippage er definert som forskjellen i hastighet mellom væskefasen og gassfasen i fluidstrømningen 102.

Dimensjonene og/eller geometriene for en hvilken som helst slags utførelsesform beskrevet her er kun for illustrative formål og således kan hvilke som helst slags dimensjoner og/eller geometrier anvendes hvis det er ønskelig, avhengig av anvendelsesområdet, størrelse, ytelse, fremstillingskrav og andre faktorer med hensyn på beskrivelsen som er gitt her.

Det skal også forstås at med mindre annet er uttrykkelig beskrevet, kan hvilke som helst av trekkene, karakteristikkene, alternativene eller modifikasjonene som her er beskrevet representerer en bestemt utførelsesform som også kan anvendes, brukes eller inkorporeres med en hvilken som helst slags annen utførelsesform som her er beskrevet. Heller ikke tegningene som her er vist er tegnet i en bestemt størrelse.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet og vist i forhold til eksempler på utførelsesformer kan det i det foregående og forskjellige andre tillegg og utelatelser gjøres uten å avvike fra beskyttelsesomfanget til den foreliggende oppfinnelsen.

Claims (16)

1. Anordning for bestemmelse av en egenskap ved fluid som strømmer i et rør,karakterisert vedat den omfatter: minst en første føleinnretning anvendelig for passivt å føle fluidstrømmen, der nevnte minst første føleinnretning er assosiert med røret slik at nevnte minst første føleinnretning føler en lavfrekvenskomponent av fluidet og genererer første sensordata responsive til nevnte lavfrekvenskomponent i fluidet; minst en andre føleinnretning anvendelig for å føle fluidstrømmen ved å transmittere signaler inn i fluidstrømmen, der nevnte minst andre føleinnretning er assosiert med røret slik at nevnte minst ene andre føleinnretning føler en høyfrekvenskomponent av fluidet og genererer andre sensordata responsive for høyfrekvenskomponenten i fluidet; og en prosesseringsinnretning der nevnte prosesseringsinnretning kommuniserer med nevnte minst ene første føleinnretning og nevnte minst ene andre føleinnretning for å motta og prosessere nevnte første sensordata og nevnte andre sensordata for å generere fluiddata responsive til en egenskap ved fluidet.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat nevnte egenskap ved fluidet er minst en av gassvolumfraksjon, GVF, en volumetrisk strømningsrate og en vannkuttverdi.

3. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat minst ene første føleinnretning genererer første sensordata responsive for lydhastigheten gjennom fluidet.

4. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat fluidet innbefatter en væskefase omfattende vann og der minst ene andre føleinnretning genererer andre sensordata som er responsive for minst en av strømningsratene i fluidet og lydhastigheten gjennom nevnte vann.

5. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat minst en første føleinnretning innbefatter et flertall av første føleinnretninger der nevnte flertall av første føleinnretninger er aksielt fordelt langs røret.

6. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat minst en andre føleinnretning innbefatter et flertall av andre føleinnretninger der nevnte flertall av andre føleinnretninger er aksielt fordelt langs røret.

7. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat minst en andre føleinnretning innbefatter en transmitteringsinnretning og en mottagsinnretning.

8. Anordning ifølge krav 7,karakterisert vedat nevnte transmitteringsinnretning og nevnte mottagsinnretning er anbragt på diamentralt motsatte sider av røret.

9. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat anordningen innbefatter en festeinnretning for fjernbart og fast og festende assosiert med anordningen med en ytre del av røret, der festeinnretningen er utformet for lett fjerning og installering av anordningen.

10. Fremgangsmåte for bestemmelse av en egenskap ved et fluid som strømmer i et rør,karakterisert vedat den omfatter: generering av lydhastighetsdata responsive til hastigheten av lyden i minst en del av fluidet for minst en av en første frekvens og en andre frekvens; hvori nevnte generering innbefatter å passsivt føle fluiden for lydbølger som har den nevnte første frekvensen ved å bruke en første føleinnretning og føle fluiden ved å transmittere signaler inn i fluiden ved å bruke en andre føleinnretning; føle den konvektive hastigheten av trykkfelt skapt av fluidet og generere konvektivdata responsive for den konvektive hastigheten av trykkfeltene; og prosessere nevnte lydhastighetsdata nevnte konvektive data for å bestemme egenskapen til fluidet.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat egenskapen til fluidet er minst en av vannkuttverdien, en gassvolumetrisk fraksjon og en volumetrisk strømningsrate.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat nevnte første frekvens er mindre enn omtrent 1 KHZ og nevnte andre frekvens er større enn omtrent 100 KHz.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat nevnte generering ytterligere innbefatter innføring av en lydbølge inn i fluidet og føling av nevnte lydbølge ved mottaging av nevnte lydbølge med den andre føleinnretningen etter at nevnte bølge har gått gjennom fluidet.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 10,karakterisert vedat nevnte prosessering innbefatter prosessering av minst en av nevnte lydhastighetsdata for nevnte første frekvens, nevnte lydhastighetsdata for nevnte andre frekvens og nevnte konvektive data for å bestemme minst en av en vannkuttverdi, en gassvolumetrisk fraksjon og en volumetrisk strømningsrate.

15. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat den første føleinnretningen er anvendelig for å passivt føle lavfrekvenskomponenten, hvis komponent har en frekvens som er mindre enn omtrent 1 KHz.

16. Anordning ifølge krav 15,karakterisert vedat den andre føleinnretningen er anvendelig for å føle høyfrekvenskomponenten til fluidstrømmen ved å transittere signaler inn i fluidstrømmen med en frekvens som er større enn omtrent 100 KHz.