使用超声波使悬浮在流体中的微粒和流体流型可视化的装置和方法制造方法及图纸

描述了用于实时地可视化在管道、管子、导管或其它容器中的静止或流动流体中悬浮的微粒物质和流体流型的装置和方法。来自流体中的微粒的散射声的超声扫描和检测产生了液体中的微粒和流型的实时图像。以每秒30帧的标准视频速率拍摄图像，并使用商业视频跟踪软件根据时间来跟踪微粒。商业摇动器以振荡方式在选定角度上引导压电换能器。换能器在脉冲回波模式中操作，其中同一换能器检测来自微粒通过和/或流动存在的目标区的返回信号。在换能器的单次扫描期间在选定角度上快速并连续地进行脉冲回波测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用超声波使悬浮在流体中的微粒和流体流型可视化的装置和方法相关申请的交叉引用本申请要求享有2010年9月3日提交的美国临时专利申请号61/379,888“MethodAndApparatusForVisualizationOfParticlesAndFlowPatternsUsingUltrasound”的权益，其全部内容为了它公开和教导的全部通过引用并入本文。关于联邦权利的声明以在美国能源部授予的合同号DE-AC52-06NA25396下的政府支持完成了本专利技术。政府在本专利技术中具有特定权利。专利
本专利技术通常涉及检测流体中的微粒，且更具体地涉及用于测量流体中的微粒的尺寸、浓度和尺寸分布并用于确定流体流型的装置和方法。
技术介绍
常常期望检测流体中的微粒并确定其尺寸分布。如果液体是透明的，且该液体可通过测量设备来观察，显微镜和相机可用于实现这些测量。光散射也可用于检测微粒，但对光的液体透明度仍然是有要求的。已报道了使用相干光（例如激光）以及在电磁频谱的光学区中的非相干光的各种光学方法对于在透明或半透明流体中且在微粒浓度是低到中等的情况下的微粒测量是有用的。在检测流经透明或不透明管道的液体（其中，液体是不透光的，例如原油）中的微粒物质的存在的情况下，传统技术不起作用。此外，监控流体流量和流体流型是有利的。这也可通过视觉观察来实现，但被研究的液体再一次必须是透光的。超声波成像在非破坏性测试中被广泛用于检测裂缝和其它缺陷。它也用于医学成像以使人类或动物中的各种内部器官可视化。
技术实现思路
本专利技术的实施例通过提供用于监控液体流型和液体中的微粒的特性而克服了现有技术的缺点和限制。本专利技术的实施例的另一目的是提供用于非侵入性监控液体流型和液体中的微粒的特性的装置和方法。本专利技术的实施例的又一目的是提供用于非侵入性监控液体流型和不透光的液体中的微粒的特性的装置和方法。本专利技术的实施例的再一目的是提供用于非侵入性微粒检测和可视化的装置和方法，该装置可附在油/气体生产管道上的任何位置处，并可在变得必要时容易移动到另一位置。本专利技术的附加目的、优点和新颖特征将部分地在接下来的描述中被阐述，且在考查下文时将部分地对本领域中的技术人员变得明显或可通过本专利技术的实践被获悉。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达到本专利技术的目的和优点。为了实现前述和其它目的，且根据本专利技术的目的，如在本文体现和广泛描述的，用于检测悬浮在静止或流动流体中的微粒的方法在此包括下列步骤：通过充入第二流体的耦合器引导来自换能器的脉冲超声能的窄波束，以将超声能传输到第一流体中；以选择的速率在选定角度上扫描换能器，使得超声能的波束以所选速率通过选定角度移动穿过第一流体；以及在换能器的扫描期间检测来自第一流体的脉冲回波返回信号；由此检测到存在于第一流体中的微粒。在本专利技术的另一方面中且根据其目的和意图，用于检测在管道或容器中的第一静止或流动流体中悬浮的微粒的装置在此包括：换能器，其用于产生被引导到第一流体中的脉冲超声能的窄波束，并用于检测来自第一流体的脉冲回波返回信号；摇动器，其用于以选择速率在选定角度上扫描换能器，使得超声能的波束以选择速率通过选定角度移动穿过第一流体；圆顶，其包围换能器和摇动器；以及充入第二流体的耦合器，其用于通过管道或其它容器的壁将超声能超声地耦合到第一流体中和从第一流体耦合出。在本专利技术的又一方面中且根据其目的和意图，用于检测在第一静止或流动流体中悬浮的微粒的方法在此包括下列步骤：将来自第一换能器的脉冲超声能的窄波束引导到第一流体中；以选择速率在选定角度上扫描第一换能器，使得超声能的波束以所选速率通过选定角度移动穿过流体；以及在第一换能器的扫描期间检测来自第一流体的脉冲回波返回信号，由此检测到微粒。本专利技术的实施例的益处和优点还包括但不限于提供用于非侵入性检测和识别在静止或流动流体中悬浮的微粒并用于测量流体流型的装置和方法，流体流型可适用于在管道或管子中的不透明的流体，作为示例，例如原油和钻探泥浆。市场上可买到的超声扫描和成像装置可用于穿过固体壁对微观粒子和液体流进行实时成像。该特征能够利用用于向下钻眼应用的当前装置，因为扫描头可被包围在坚固的金属容器或管道内部。装置可用于对不透光的流体中的小微粒和流体流（作为示例，漩涡和扰动）进行成像，这使用传统技术将是不可能的。附图说明合并在说明书中并形成了说明书一部分的附图示出了本专利技术的实施例，且连同描述一起用于说明本专利技术的原理。在附图中：图1A是本专利技术的装置的实施例的透视图的示意性视图，其示出超声波扫描仪电子设备、扫描头以及充入流动液体和微粒的管道或管子，扫描仪与液体直接连接，而图1B是本专利技术装置的另一实施例的示意性视图，其示出使用耦合凝胶或其它流体将扫描头耦合到管道的外部而没有穿透管道壁，且图1C示出用于流动可视化的立体三维微粒的双扫描仪装置的透视图的示意性视图。图2A-2C示出根据本专利技术实施例的在穿过水移动的少量的100μm直径的石英微粒的几秒时段上的连续超声图像。图3A和3B示出在几秒时段上的连续超声图像，其示出了在重力的影响下穿过静止液体的两个不同尺寸的微粒的运动模式以及当它们落下时其分离，而图3C示出液体中的接下来的流型。图4A和4B针对悬浮在水中的少量的5nm尺寸的微粒分别示出了使用视觉相机的图像与图4C和4D的超声扫描仪图像的比较。具体实施方式简言之，本专利技术的实施例包括用于非侵入性检测和可视化悬浮在静止或流动流体中的微粒物质的存在和在管道、管子、导管或其它容器中的流体流型的装置和方法。来自流体中的微粒的声的超声扫描和散射产生了流体中的微粒或流型的实时图像。以每秒30帧的标准视频速率来拍摄图像，且使用商业视频跟踪软件根据时间来跟踪微粒。帧速率取决于待探测的液体内的深度，路径长度越长，就越需要较慢的帧速率。本专利技术允许对纳米尺寸的微粒进行成像，包括DNA链。所使用的扫描仪包括机械摇动器（也称为机械扇形扫描仪），其在选定角度（作为示例，大约120°）上以振荡方式引导在压电圆盘换能器（作为示例，直径为1.5cm）中产生的声束。如果必要，换能器的前表面可以是略微凹的，以提供波束聚焦。来自换能器的在水中产生的声束（3dB）的宽度大约是20°。因此，声束覆盖在垂直于换能器的旋转轴的120°弧中的大约20°宽的区域。换能器可具有大约3.5MHz的中心频率，并操作在脉冲回波模式下，使用合适的换能器可获得更高或更低的频率（对于高度衰减且不透光的流体，可有效地使用较低的超声频率），其中同一换能器检测来自微粒通过和/或流动存在的目标区的返回信号。在换能器的单次扫描期间在选定角度上快速且连续地进行脉冲回波测量。所接收的信号在超声扫描仪电子设备模块中被处理并被实时地显示为图像。超声扫描仪的相控阵也可用于该目的。在相控阵系统中，使用诸如64或128个元件的换能器元件的线性阵列。通过在每个相邻元件之间以小的固定时间延迟将电压脉冲施加到每个换能器元件，由阵列产生的声束以角的方式可从一侧转向另一侧。该延迟确定了转向角。单个接收器或多个接收器可用于检测返回信号。代替机械地移动单个换能器，这允许声束的电子转向。扫描头包括压电圆盘换能器、连同齿轮或其它机械系统，以允许在充入低粘度流体、传输声、并具有圆顶形塑料盖的圆柱形隔间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.03 US 61/379,8881.一种用于使悬浮在第一静止或流动流体中的颗粒可视化的方法，包括：通过包含第二流体的耦合器引导来自第一换能器的脉冲超声能的窄波束，以将所述超声能传输到所述第一静止或流动流体中；以选择速率在选定角度上扫描所述第一换能器，使得所述超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及在所述换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的颗粒散射的脉冲回波返回信号；通过充入第三流体的耦合器引导来自第二换能器的脉冲超声能的第二窄波束，以将所述超声能传输到所述第一静止或流动流体中；以第二选择速率在第二选定角度上扫描所述第二换能器，使得超声能的所述第二窄波束以所述第二选择速率通过所述第二选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；以及在所述第二换能器的扫描期间检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的第二脉冲回波返回信号；由此获得所述颗粒的立体成像，从而允许三维可视化。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述检测脉冲回波返回信号的步骤使用所述第一换能器来实现。3.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一换能器是凹的。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一静止或流动流体位于管道或其它容器中，且非侵入性执行所述将来自换能器的脉冲超声能的窄波束引导到流体中以及检测从所述颗粒散射的所述脉冲回波返回信号的步骤。5.如权利要求1所述的方法，还包括以振荡方式在平面中扫描所述第一换能器的步骤。6.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：使用超声扫描仪电子设备处理所述返回信号，由此，实时产生所述颗粒的图像；以及显示所述实时图像，使得所述颗粒被可视化。7.如权利要求6所述的方法，其中，所述处理所述返回信号的步骤包括使在所述第一静止或流动流体中的流型可视化。8.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：及时跟踪所述颗粒的运动；以及确定所述第一静止或流动流体的流速。9.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：测量所述颗粒的终极速度；以及确定所述第一静止或流动流体的粘度。10.如权利要求1所述的方法，还包括确定所述颗粒的尺寸的步骤。11.一种用于使在管道或容器中的第一静止或流动流体中悬浮的颗粒可视化的装置，包括：第一换能器，其用于产生被引导到所述第一静止或流动流体中的脉冲超声能的窄波束，并用于检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的脉冲回波返回信号；第一摇动器，其用于以选择的速率在选定角度上扫描所述第一换能器，使得超声能的波束以所选速率通过所述选定角度移动穿过所述第一静止或流动流体；第一圆顶，其包围所述换能器和所述摇动器；以及充入第二流体的第一耦合器，其用于通过所述管道或其它容器的壁将所述超声能超声地耦合到所述第一静止或流动流体中和从所述第一静止或流动流体耦合出；第二换能器，其用于产生脉冲超声能的窄波束，并用于检测从所述第一静止或流动流体中的所述颗粒散射的脉冲回波返回信号；所述第二换能器设置在相对所述第一换能器的选定角度处；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·N·森哈，C·F·奥斯特豪特，C·潘泰亚，
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：