專利名稱：超聲傳感器、流量計和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用超聲傳感器確定管中的流體流率(flowrate)。(如本文所使用的，對“本發(fā)明”或“發(fā)明”的引用表述涉及示例性實施方案而不一定涉及所附權(quán)利要求書所涵蓋的每個實施方案。)更具體地講，本發(fā)明涉及使用如下的超聲傳感器確定管中的流體流率，其中，該傳感器的面具有這樣的一部分，所述部分被成形以致所述部分使得由該傳感器產(chǎn)生的平面波向外地被導(dǎo)向管的內(nèi)壁，如此可以測量管內(nèi)部的整個橫截面。
背景技術(shù)：
本部分g在向讀者介紹可能與本發(fā)明的各方面相關(guān)的領(lǐng)域的各方面。以下的討論內(nèi)容g在提供有助于更好理解本發(fā)明的信息。因此，應(yīng)該理解，以下討論內(nèi)容中的陳述是在就此而論的基礎(chǔ)上閱讀的而并不承認(rèn)其是現(xiàn)有技木。本發(fā)明可應(yīng)用于利用超聲渡越時間技術(shù)(ultrasonic transit timetechnology)(例如,超聲流量計或UFM)測量流率(flow rate)。具體地,本申請是針對流量計改進(jìn)的，用于監(jiān)控海底油井中的化學(xué)注入(通常注入單こニ醇或MEG)。這種專門的海底應(yīng)用的流率范圍為100升/小時至30，000升/小吋。對于這個流動范圍和產(chǎn)品粘度-雷諾數(shù)范圍從層流(laminar flow)直至全瑞流(fully turbulent flow)。雷諾數(shù)的這個范圍形成從拋物線變至幾近平坦的速度分布。作為流量計，必須測量平均速度(例如，速度分布的積分除以面積)。在一個實施方案中，當(dāng)前的超聲流量計布置在管/管道的相對兩端使用了兩個傳感器，其中，一個處于流體流的上游，另ー個處于流體流的下游，這兩個傳感器都發(fā)送和接收信號。每個傳感器產(chǎn)生進(jìn)入流體的平面波。上游信號和下游信號之間的渡越時間差被用于計算這兩個傳感器之間的速度。這種渡越時間差反映了投射到聲學(xué)路徑上的平均流體速度。除非傳感器大于管/管道的直徑，否則聲學(xué)路徑測量代表小于管/管道的整個橫截面的面積的速度。只有在傳感器大于管道本身時，才可以測量整個橫截面。大得足以完全覆蓋管/管道橫截面的傳感器不是一直可能或?qū)嶋H可行的，這取決于管/管道的尺寸或壓カ(例如，所要求的壁厚度)。ー些UFM已使用多次反彈(bounce);但這些多次反彈無法獲得整個橫截面。通過測量整個橫截面，解決了速度分布效應(yīng)(例如，由于液壓導(dǎo)致的任何變形或者由于從層流轉(zhuǎn)變成湍流導(dǎo)致的速度分布變化)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及對流過管的流體的測量。這種測量是利用渡越時間超聲流量計執(zhí)行的，該流量計具有被設(shè)置成與通過管的流體流對準(zhǔn)的傳感器。由傳感器產(chǎn)生的平面波的輻射圖案傳播通過管中的流動的流體，并且被流量計用于確定流體的流率。


在附圖中，圖示說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案以及實踐本發(fā)明的優(yōu)選方法，在附圖中圖I是本發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。圖2是帶錐形面的傳感器的實施例。
圖3示出傳感器面角度的計算方法。圖4示出圖2所示傳感器的天線福射圖(antenna pattern)。圖5a示出插入式傳感器構(gòu)造。圖5b不出端蓋式(end cap)傳感器構(gòu)造。圖6是通過整合整個橫截面提高線性可能的實施例。圖7示出即使在200:1的雷諾數(shù)范圍內(nèi)，粘度從IOcSt變成20cSt再變成50cSt對線性度沒有影響。圖8示出線性度對于液壓變化的不敏感性。
具體實施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中在多個視圖中類似的附圖標(biāo)記始終表示類似的或相同的部件，更具體地講，參照其中的圖2，在圖2中示出用于管12的超聲傳感器10。傳感器10包括產(chǎn)生平面波的超聲源14。傳感器10包括具有面18的外殼16，面18的至少一部分被彎曲，從設(shè)置在外殼16中的超聲源14產(chǎn)生的平面波通過該部分向外地被發(fā)射并導(dǎo)向管12的內(nèi)壁26，如此可以測量管12內(nèi)部的整個橫截面。參見圖3。傳感器10是從眾多供應(yīng)商可獲得的標(biāo)準(zhǔn)傳感器10，唯一的差別在于，面18的所述至少一部分如上所述地被成形。在ー個實施方案中，由不銹鋼制成的面18的成形部分造成平面波在其依照斯涅爾定律(Snell’ slaw)傳播通過面18并且向外地導(dǎo)向管12的內(nèi)壁26時，發(fā)生折射。類似地，在接收時，與面18的成形部分成各種角度的平面波依照斯涅爾定律被折射回去，形成能被傳感器10捕獲的角度，從而如本領(lǐng)域所公知的，生成基于流率的信號。面18的至少一部分可以是錐形的一部分。在一個實施方案中，面18可以以成錐形的方式被成形。錐形的所需角度^iVsired可以由下式定義
權(quán)利要求
1.一種用于管的超聲傳感器，所述超聲傳感器包括 超聲源，所述超聲源產(chǎn)生平面波；以及 外殼，所述外殼具有這樣的面，所述面的至少一部分被彎曲/成形，由設(shè)置在所述外殼中的所述超聲源產(chǎn)生的所述平面波通過所述面的至少一部分向外地被發(fā)射并導(dǎo)向所述管的內(nèi)壁，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的傳感器，其中，所述面的至少一部分是一錐形的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器，其中，所述面是以成錐形的方式成形的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器，其中，所述錐形的所需角度OVsired可以由下式定義
5.一種用于檢測管中的流體流率的流量計，所述流量計包括 上游超聲傳感器，所述上游超聲傳感器具有這樣的面，所述面的至少一部分被彎曲，所述面的至少一部分與所述管的內(nèi)部連通并且被設(shè)置成使得由所述上游傳感器產(chǎn)生的平面波向外地被導(dǎo)向所述管的內(nèi)壁并且沿著所述管的內(nèi)部傳播，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面；以及 控制器，所述控制器與所述上游傳感器進(jìn)行通信，從已沿著所述管的內(nèi)部傳播的所述平面波計算流體流率。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的流量計，所述流量計包括 下游超聲傳感器，所述下游超聲傳感器具有這樣的面，所述面的至少一部分被彎曲/成形，所述面的至少一部分與所述管的內(nèi)部連通并且被設(shè)置成使得由所述下游傳感器產(chǎn)生的平面波向外地被導(dǎo)向所述管的內(nèi)壁并且沿著所述管的內(nèi)部傳播，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面，并且由所述下游傳感器產(chǎn)生的所述平面波由產(chǎn)生上游傳感器信號的所述上游傳感器接收，所述下游傳感器接收來自所述上游傳感器的所述平面波并且提供下游傳感器信號，所述控制器與所述上游傳感器和所述下游傳感器進(jìn)行通信，從所述上游傳感器信號和所述下游傳感器信號計算流體流率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流量計，其中，每個面的至少一部分是一錐形的一部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的流量計，其中，每個面是以成錐形的方式成形的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的流量計，其中，所述錐形的所需角度OVsired可以由下式定義
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的流量計，包括支承件，所述支承件從所述管壁延伸到所述管的內(nèi)部中，所述上游傳感器被安裝在所述支承件上。
11.一種用于檢測管中的流體流率的方法，所述方法包括以下步驟 由具有這樣的面的上游傳感器產(chǎn)生平面波，所述面的至少一部分被彎曲，所述面的至少一部分與所述管的內(nèi)部連通并且被設(shè)置成使得所述平面波向外地被導(dǎo)向所述管的內(nèi)壁并且沿著所述管的內(nèi)部傳播，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面；以及 利用與所述上游傳感器進(jìn)行通信的控制器，從已沿著所述管的內(nèi)部傳播的所述平面波來計算流體流率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述方法包括以下步驟 利用具有這樣的面的下游超聲傳感器產(chǎn)生平面波，所述面的至少一部分被彎曲，所述面的至少一部分與所述管的內(nèi)部連通并且被設(shè)置成使得所述平面波向外地被導(dǎo)向所述管的內(nèi)壁并且沿著所述管的內(nèi)部傳播，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面； 在產(chǎn)生上游傳感器信號的所述上游傳感器處接收由所述下游傳感器產(chǎn)生的所述平面波； 在產(chǎn)生下游傳感器信號的所述下游傳感器處接收由所述上游傳感器產(chǎn)生的所述平面波； 向與所述上游傳感器和所述下游傳感器進(jìn)行通信的所述控制器提供所述上游信號和所述下游信號；以及 利用所述控制器從所述上游傳感器信號和所述下游傳感器信號計算流體流率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，每個面的至少一部分是一錐形的一部分。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的流量計，其中，每個面是以成錐形的方式成形的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述錐形的所需角度OVsired可以由下式定義
全文摘要
一種用于管的超聲傳感器，該傳感器包括產(chǎn)生平面波的超聲源。該傳感器包括具有這樣的面的外殼，該面的至少一部分被彎曲，由設(shè)置在所述外殼中的所述超聲源產(chǎn)生的所述平面波通過該面的至少一部分向外地被發(fā)射并導(dǎo)向管的內(nèi)壁，如此可以測量所述管的內(nèi)部的整個橫截面。一種用于檢測管中的流體流率的流量計。一種用于檢測管中的流體流率的方法。
文檔編號G10K11/26GK102713529SQ201080057804
公開日2012年10月3日 申請日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月19日
發(fā)明者B·W·格里菲思, D·R·奧根斯坦 申請人:卡梅倫國際公司