用于非侵入式确定管道内部的流体的声学特性的方法技术

描述用于根据对流体的声学特性的非侵入式测量来确定流经管道的流体的构成的方法，其包括激发位于管道（流体穿过该管道流动）的外表面上的第一换能器，以生成与常规脉冲相对的超声啁啾信号。啁啾信号由布置在在管道的外表面上的与第一换能器的位置相对的第二换能器接收，根据该信号，确定穿过流体的渡越时间，且计算流体中的超声波的声速。根据其中的声速计算流体的构成。也可根据声衰减的测量来得到流体密度。描述了用于从数据提取渡越时间信息的几种信号处理方法，其中管道壁的影响被除去。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及用于确定流经管道的流体的构成的方法，更具体地，涉及用于非侵入式地确定流经厚壁管道的流体的声速和声衰减的方法和用于确定流体的构成的导管。
技术介绍
确定容器中的或流经导管和管道的流体的声学特性在很多工业中，特别是在石油生产中是重要的，因为这些特性可用于确定流体构成。一般，利用穿过被机器加工到管道壁中的特殊窗口附着到管道的传感器来进行声学测量(例如，液体中的声速和声吸收)，其中传感器元件与流体物理接触，或传感器元件被直接安装在流体中。在这样的情况下，该传感器或该窗口遭受流体的污染，使长期操作和维护变得困难。而且，如果传感器被放置在流体内部或穿过该壁侵入到液体中，则它可能影响流型(flow pattern)并污损对流型的损坏很敏感的测量。已使用具有10μ s持续时间的高电压脉冲信号来在被附着到适应管道的外部曲率的弯曲延迟线的超声换能器中激发声波，该声波在横穿管道中的流体之后由第二换能器检测。通过所接收的信号的阈值检测来测量脉冲的渡越时间，这是困难的，由于在容器壁中的多次反射并且还由于穿过壁本身的声的传播。对于用于渡越时间度量的正确阈值检测需要100个信号的平均值，根据该渡越时间度量来确定流体声速和随后的流体构成。
技术实现思路
本专利技术的实施例通过提供用于确定管道内部的流体的构成的非侵入式方法来克服现有技术的缺点和限制。本专利技术的额外的目的、优点和新颖特征将在接下来的描述中部分地被阐述，且对于检查了下文后的本领域技术人员来说将部分地变得清楚，或可通过实践本专利技术来学习本专利技术的额外的目的、优点和新颖特征。可借助于特别在所附权利要求中指出的手段和组合来实现和获得本专利技术的目的和优点。为了实现前述和其它目的，且根据如在本文中体现和广泛描述的本专利技术的目的，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括:使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号(ultrasonic frequency chirp signal);在啁啾信号穿过所述多相流体之后,在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全(diametrical Iy)相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；通过将所接收的信号与所生成的频率啁啾信号进行相乘来对频率啁啾并且得到差别频率来进行解啁啾(dechirping)，根据该差别频率来确定频率啁啾信号的总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过多相流体的传播时间，根据该传播时间来确定多相流体的构成。在本专利技术的另一方面中并且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括:使用与管道的外表面超声通信的发射换能器生成超声频率啁啾信号；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；将所发射的信号与所接收的信号互相关，其中生成互相关峰值；选择最高峰值，该最高峰值对应于频率啁啾信号的总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过所述多相流体的传播时间，根据传播时间来确定所述多相流体的构成。在本专利技术的又一方面中且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁、外表面和轴的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括:使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；将所发射的信号与所接收的信号互相关，其中生成互相关峰值；确定在连续的峰值之间的时间，其中所确定的时间是穿过多相流体的行进时间的两倍，根据该行进时间来确定多相流体的构成。在本专利技术的又一方面中且根据其目的和意图，用于非侵入式地确定流经具有壁和外表面的管道的包括油和水的多相流体的构成的方法于此包括:使用与管道的外表面超声通信的发射换能器来生成超声频率啁啾信号，该超声频率啁啾信号具有比该超声频率啁啾穿过多相流体所花费的时间短的持续时间；在啁啾信号穿过所述多相流体之后，在与管道的外表面超声通信的与发射换能器完全相对的接收换能器上接收所生成的频率啁啾信号，其中响应于此而生成电信号；接收电信号；使用短时傅立叶变换来变换电信号，由此，生成作为时间的函数的所接收的频率啁啾的频率变化的曲线，归因于壁共振的振幅调制作为个体数据点出现；以及，所生成的频率啁啾是具有斜率的直线；执行数据点与具有该斜率的直线的最小二乘拟合；确定时间轴上的截距，根据该截距来确定总渡越时间；确定频率啁啾信号在管道的壁中的时间延迟；以及从总渡越时间减去时间延迟以确定频率啁啾信号穿过多相流体的传播时间，根据传播时间确定多相流体的构成。本专利技术的实施例的益处和优点包括但不限于提供用于确定在管道内部可以是流动的或静止的流体的构成同时利用管道壁来帮助测量而不是不利地影响测量的非侵入方法。其它益处包括不被容器或管道的壁的存在影响的高质量的构成确定、归因于频率啁啾的使用和用于信号分析的方法(其同时使用用于确定流体中的声速的多种方法并优于常规脉冲飞行时间(time-of-flight)方法)而得到的高信噪比、高质量声速数据的提取(即使激发啁啾信号没有高质量且可以是基于方波的，该基于方波简化了波的生成并允许使用较低功耗的电子设备。附图说明被并入本说明书并形成本说明书的一部分的附示了本专利技术的实施例，且连同描述一起用于解释本专利技术的原理。在附图中:图1A是对有效用于实践本专利技术的方法的本专利技术的测量装置的实施例的示意性表示，图1B是管道和被固定到管道外表面的弯曲换能器的透视图的示意性表示，而图1C是管道和弯曲换能器的顶视图的示意性表示。图2是振幅与时间相对的曲线图，该曲线图示出使用于此在图1A-1C中示出的装置得到的数据，其中多个突发(burst)特征是由于管道壁的传输特征导致的。图3A示出在低频率处开始的典型啁啾信号，低频率以连续的方式经过时间段T增大到较高的频率f2，同时在图3B中示出作为时间的函数的啁啾的频率变化。图4A示出被显示为线的所生成的啁啾输入信号s (t)，该信号穿过系统传播并在某个延迟之后由接收机检测，延迟的啁啾信号是s(t-T)从而在线性系统中是线性的，这两个信号是平行线，且延迟时间τ是所寻求的渡越时间度量，而图4Β示出该度量也可被考虑为在由Λ f所给出的两个啁啾线之间的频率偏移，Λ f是固定的频率，被称为解啁啾的频率的该差别频率sdiff(t)在这两个信号的重叠时期期间是不变的，且相当于延迟时间。图5A示出包括一系列在时间上相等地间隔开的啁啾(其具有减小的振幅并由在管道或容器的壁内部的反射而造成)的延迟的啁啾信号，而图5B示意性示出当其横穿壁时被多次反射的脉冲声信号。图6A是由接收机换能器从充水的黄铜管道检测的信号的曲线图，而图6B是该信号与来自发射机换能器的源信号的互相关的曲线图，该曲线图示出明显的脉冲压缩。图7A和图7B是分别针对具有相同尺寸的不锈钢管道和黄铜管道本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·N·森哈，C·F·奥斯特豪特，A·乔杜里，
申请(专利权)人：洛斯阿拉莫斯国家安全股份有限公司，
类型：
国别省市：