水平测量系统.pdf

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摘要
申请专利号:

CN200880115888.6

申请日:

2008.11.13

公开号:

CN101855525A

公开日:

2010.10.06

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01F 23/296申请日:20081113|||公开

IPC分类号:

G01F23/296; G01N9/24; G01N29/024; G01N29/22

主分类号:

G01F23/296

申请人:

约翰森·马瑟公开有限公司

发明人:

T·J·帕廷顿; P·D·费通比; K·詹姆斯; P·杰克森

地址:

英国伦敦

优先权:

2007.11.13 GB 0722256.5

专利代理机构:

中国国际贸易促进委员会专利商标事务所 11038

代理人:

王爱华

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内容摘要

一种用来识别多相介质中的不同的相(11-20)的设备和方法,包括超声换能器的至少两个阵列(26A、26B),超声换能器的至少两个阵列能够发射和接收穿过分离它们的介质的超声。该方法和设备可用于定位诸如油分离器的容器中的相界面。

权利要求书

1: 一种确定容器内的两种材料之间的界面的位置的方法, 该方法包括以下步骤 : (a) 提供能够发射超声通过所述材料的至少一种的多个第一超声换能器, 所述第一换 能器位于细长的第一外壳内, 沿该细长的第一外壳的纵轴线彼此间隔开 ; (b) 提供能够接收由所述第一超声换能器发射的超声并且响应于该超声而产生电信号 的多个第二超声换能器, 所述第二换能器位于细长的第二外壳内, 沿该细长的第二外壳的 纵轴线彼此间隔开 ; (c) 所述第一超声换能器的每一个与所述第二超声换能器的对应的一个关联, 以形 成发射器 - 接收器对, 使得由所述发射器 - 接收器对的一个构件发出的超声被所述发射 器 - 接收器对的另一构件接收并且在所述发射器 - 接收器对的另一构件中产生电信号 ; (d) 将第一外壳和第二外壳定位在容器内, 使得由第一换能器的至少一个发射的超声 能够被至少一个对应的第二换能器检测到, 并且使得包含换能器的第一外壳和第二外壳至 少部分地浸在包含在容器中的材料的至少一种中 ; (e) 从多于一个的所述第一超声换能器发射超声到对应的第二超声换能器, 并且监视 所述第二超声换能器的每一个响应于所述第一超声换能器发射的超声而产生的信号 ; (f) 对比接收第二超声换能器产生的信号或根据所述接收第二超声换能器产生的信号 计算的参数与不同的接收超声换能器产生的信号或根据所述不同的接收超声换能器产生 的信号计算的参数, 以确定位于该第一外壳和该第二外壳之间的材料的声学特性是否在被 对比的接收换能器之间改变。
2: 权利要求 1 的方法, 其中第一换能器向对应的第二换能器发射超声脉冲, 该对应的 第二换能器在接收该脉冲时被激励而发射回到开始的第一换能器。
3: 根据权利要求 2 的方法, 其中脉冲发生器为每个发射换能器提供编码序列的脉冲, 并且相邻发射换能器的脉冲编码是不同的。
4: 根据权利要求 1-3 的任何一项的方法, 其中相邻发射换能器被激励以在不同时间发 射。
5: 根据权利要求 1-4 的任何一项的方法, 其中第一发射器 - 接收器对之间的超声能量 的渡越时间与相邻的发射器 - 接收器对之间的超声能量的渡越时间对比。
6: 根据权利要求 1-5 的任何一项的方法, 其中第一发射器 - 接收器对之间的超声能量 的衰减与相邻的发射器 - 接收器对之间的超声能量的衰减对比。
7: 根据权利要求 6 的方法, 其中所述第一超声换能器包括超声发射器的线性阵列 Tn-Tn+x, 其中 n 是从 1 到 x 的整数, 并且 x 是阵列中的发射器的数量, 所述第二超声换能器包 括超声接收器的线性阵列 Rn-Rn+x, 所述发射器和接收器形成多个发射器 - 接收器对 TRn, 并 且第一外壳和第二外壳都放置在容器中, 彼此对齐且平行, 取向成使得所述外壳向着该容 器的底部延伸, T1 和 R1 最靠近该容器的底部, 其中步骤 (f) 包括以下步骤 : i. 测量由接收换能器 Rn 接收的信号的波幅 An ; ii. 对比 An 与预定波幅 AL ; iii. 如果 An > AL 则测量 TOFn, 其中 TOFn 是 Tn 和 Rn 之间的声音渡越时间 ; iv. 如果 An < AL 则将 TRn 记录为位于具有高的声音衰减性质的材料相内 ; v. 对于每个 TRn 重复步骤 i-iv, 直到 n = x ; vi. 对比 TOFn 和 TOFn+1 ; 2 vii. 如果 TOFn+1 > TOFn+P%则记录材料相边界位于 TRn 和 TRn+1 之间, 其中 P 是代表重 要因子的预定值。
8: 根据权利要求 7 的方法, 其中, 在从 TR1 开始的序列中对每一个 TRn 执行步骤 i-iv。
9: 根据权利要求 7 或权利要求 8 的方法, 还包括以下步骤 : viii. 对比 TOFn 和 TOFn+2 以及可选的 TOFn+3 ; 和 ix. 如果 TOFn+1、 TOFn+2 以及可选的 TOFn+3 的每一个> TOFn+P%, 则记录材料相边界位于 TRn 和 TRn+1 之间。
10: 根据权利要求 7 到 9 的任何一项的方法, 其中作为在一段时间上间隔测量的 A 和 TOF 值的平均值计算 An 和 TOFn。
11: 根据权利要求 7 到 10 的任何一项的方法, 还包括以下步骤 : 根据每个 TRn 的位置与 TOFn 和 An 测量值编制容器内的材料的相分布图。
12: 根据前述权利要求的任何一项的方法, 其中所述换能器的至少一个响应于检测到 从所述外壳的内壁反射回的、 其自身的放射而产生信号, 并且其中该信号被处理, 以提供关 于所述外壳的外壁和该外壁的外部且紧邻该外壁的材料之间的声耦合的信息。
13: 根据前述权利要求的任何一项的方法, 其中发射器 - 接收器对的构件之间的超声 能量沿一个方向的渡越时间与沿另一方向的渡越时间对比, 从而能够估计流体流的流率和 方向。
14: 根据前述权利要求的任何一项的方法, 其中所述换能器的至少一些被周期性地激 励, 以发出适于在所述换能器和外壳的表面引起流体的空穴作用的频率的声波。
15: 一种适合用于执行根据权利要求 1-14 的任何一项的方法的设备, 该设备包括 : (a) 能够发射超声通过所述材料的至少一种的多个第一超声换能器, 所述第一换能器 位于细长的第一外壳内, 布置为线性阵列, 沿该细长的第一外壳的纵轴线彼此间隔开 ; (b) 能够接收由所述第一超声换能器发射的超声并且响应于该超声而产生电信号的多 个第二超声换能器, 所述第二换能器位于细长的第二外壳内, 布置为线性阵列, 沿该细长的 第二外壳的纵轴线彼此间隔开 ; (c) 所述第一超声换能器的每一个与所述第二超声换能器的对应的一个关联, 以形 成发射器 - 接收器对, 使得由所述发射器 - 接收器对的一个构件发出的超声被所述发射 器 - 接收器对的另一构件接收, 并且在所述发射器 - 接收器对的另一构件中产生电信号 ; (d) 用于所述第一外壳和第二外壳的安装装置, 所述安装装置能够将所述第一外壳和 第二外壳相对彼此维持在一位置, 使得发射器 - 接收器对的每一个与发射器 - 接收器对的 另一个对齐, 并且使得由至少一个第一换能器发射的超声能够被至少一个对应的第二换能 器检测到 ; (e) 用来将第一外壳和第二外壳安装在容器内的安装装置, 使得包含换能器的第一外 壳和第二外壳的至少一部分浸在包含在容器中的材料的至少一种中 ; (f) 信号处理装置, 该信号处理装置能够对比第二超声换能器产生的信号或根据第二 超声换能器产生的所述信号计算的参数, 以确定位于第一外壳和第二外壳之间的任何材料 的声学特性是否在任何发射器 - 接收器对之间改变。
16: 根据权利要求 15 的设备, 其中外壳由含钛金属合金形成。
17: 根据权利要求 15-16 的任何一项的设备, 其中外壳包含声耦合介质。 3
18: 根据权利要求 15-17 的任何一项的设备, 其中每个外壳在其内和外壁的至少一个 上涂覆有声耦合涂层。
19: 根据权利要求 15-18 的任何一项的设备, 包括 : 能够发射声能通过所述材料的至少 一种的多个第三换能器, 和能够接收由所述第三超声换能器发射的声能并且响应于此而产 生电信号的多个第四换能器, 所述第三换能器的每一个与所述第四换能器的对应的一个关 联, 以形成发射器 - 接收器对, 使得所述发射器 - 接收器对的一个构件发出的超声由所述发 射器 - 接收器对的另一个构件接收且在所述发射器 - 接收器对的另一个构件中产生电信 号。
20: 如权利要求 19 中所述的设备, 其中所述第三换能器和第四换能器适于发射和接收 与所述第一换能器和第二换能器频率不同的声能。

说明书


水平测量系统

    技术领域 本发明涉及用来检测包含在容器中的不同材料之间的界面的位置、 例如用来测量 容器内材料的水平的水平测量系统和设备以及方法。
     背景技术 例如用于测量容器内材料的水平的水平测量系统是熟知的。也已知, 通过在不同 位置测量容器包含物的密度以形成容器和包含物的密度分布图, 以便识别指示边界区域的 密度变化, 从而定位容器内的不同材料之间的边界。例如, 在 WO 00/22387 中已经提出通 过提供伽玛辐射源的轴向分布的阵列和检测器的轴向分布的阵列, 来测量介质的密度分布 图, 其中伽玛辐射源的轴向分布的阵列给出所述辐射的准直射束, 检测器的轴向分布的阵 列布置成使得被研究的介质在该源和该检测器之间延伸。通过监视检测器接收到的辐射, 可以确定介质从每个射束吸收的辐射量, 因此可检测介质密度的变化。 WO 00/22387 的系统 的一个缺点是需要利用放射性物质, 这因此产生为了保证安全工作的健康和安全问题。
     GB 1524303 描述了通过细长构件用于确定不同密度的液体之间的边界的设备, 沿 该细长构件沿长度布置有一系列外壳, 每个外壳之间具有空间, 被研究的介质可通过细长 构件的壁中的穿孔进入该空间。每个外壳包括超声发射器和检测器, 并且每个外壳的端部 充当反射器, 来使得来自下一个相邻外壳的发射器的波穿过外壳之间的空间中的介质, 被 反射回到该下一个相邻外壳。这种类型的布置的一个缺点是, 由于需要在每个外壳之间提 供竖直空间, 竖直分辨率受到限制。
     WO03/012379 描述用来监视介质成分的设备, 该设备包括 : 用来插入所述介质中 的细长构件, 所述构件具有沿其长度的至少一部分间隔布置的超声波的发射器和接收器的 阵列 ; 和将发射的超声波反射到接收器的反射器装置, 所述反射器装置由所述构件支撑但 与所述构件横向间隔开, 由此, 当所述细长构件插入到所述介质中时, 所述介质占据所述细 长构件和所述反射器装置之间的空间, 并且所述发射器、 接收器和反射器装置布置成使得 被发射的超声波在途中穿过所述介质达到接收器, 并且监视装置根据超声波从发射器到达 与其关联的接收器所花费的时间提供信号。
     US 4565088 描述一种用来检测脱盐容器中成分的变化的设备, 其中超声探头向着 布置成在汲取管内竖直行进的镜子发射声音。 该镜子引导从汲取管出来的声能朝向容器内 布置成离开汲取管的反射器, 使得该能量被反射回镜子, 并且沿汲取管向上被探头接收。
     发明内容
     本发明的目的是提供一种用来确定容器内的含有物的水平的改进的方法、 用于执 行该方法的设备和系统。
     根据本发明的第一方面, 一种确定容器内的两种材料之间的界面的位置的方法包 括以下步骤 :
     (a) 提供能够发射超声通过所述材料的至少一种的多个第一超声换能器, 所述第一换能器位于第一细长外壳内, 沿该外壳的纵轴线彼此间隔开 ;
     (b) 提供能够接收由所述第一超声换能器发射的超声并且响应于该超声而产生电 信号的多个第二超声换能器, 所述第二换能器位于第二细长外壳内, 沿该外壳的纵轴线彼 此间隔开 ;
     (c) 所述第一超声换能器的每一个与所述第二超声换能器的对应的一个关联以形 成发射器 - 接收器对, 使得由所述对的一个构件发出的超声可以被所述对的另一构件接收 并且在所述对的另一构件中产生电信号 ;
     (d) 将第一和第二外壳定位在容器内, 使得由第一换能器的至少一个发射的超声 能够被至少一个对应的第二换能器检测到, 并且使得包含换能器的第一和第二外壳至少部 分地浸在包含在容器中的材料的至少一种中 ;
     (e) 从多于一个的所述第一超声换能器发射超声到关联的对应第二超声换能器, 并且监视所述第二超声换能器的每一个响应于所述第一超声换能器发射的超声而产生的 信号 ;
     (f) 对比每一个第二超声换能器产生的信号或根据所述信号计算的参数与相邻的 第二换能器产生的对应信号或从其计算的参数, 以确定位于第一外壳和第二外壳之间的材 料的声学特性是否在相邻的第二换能器的位置之间改变。 根据本发明的第二方面, 一种用来确定容器内的两种材料之间的界面的位置的设 备包括 :
     (a) 能够发射超声通过所述材料的至少一种的多个第一超声换能器, 所述第一换 能器位于第一细长外壳内, 沿该外壳的纵轴线彼此间隔开 ;
     (b) 能够接收由所述第一超声换能器发射的超声并且响应于该超声而产生电信号 的多个第二超声换能器, 所述第二换能器位于第二细长外壳内, 沿该外壳的纵轴线彼此间 隔开 ;
     (c) 所述第一超声换能器的每一个与所述第二超声换能器的对应的一个关联以形 成发射器 - 接收器对, 使得由所述对的一个构件发出的超声可以被所述对的另一构件接收 并且在所述对的另一构件中产生电信号 ;
     (d) 用于所述第一和第二外壳的安装装置, 所述安装装置能够将所述第一和第二 外壳相对彼此维持在一位置, 使得发射器 - 接收器对的每一个与发射器 - 接收器对的另一 个对齐, 并且使得由第一换能器的至少一个发射的超声能够被至少一个对应的第二换能器 检测到 ;
     (e) 用来将第一和第二外壳安装在容器内的安装装置, 使得包含换能器的第一和 第二外壳的至少一部分可浸在包含在容器中的材料的至少一种中 ;
     (f) 信号和数据处理装置, 该信号和数据处理装置能够对比第二超声换能器产生 的信号或根据所述信号计算的参数以确定位于第一外壳和第二外壳之间的任何材料的声 学特性是否在任何发射器 - 接收器对之间改变。
     优选地, 所述多个第一和第二换能器各布置在线性阵列中。
     在本说明书中, 如涉及声音由换能器接收而使用的 “接收” 、 “接收器” 等应当理解 为包括 “检测” 和 “检测器” 的含义。超声换能器优选地包括压电材料。压电材料能够响应 于适当电压或电压变化而产生且发射声振动, 并且当被适当的声振动激励时它也能够产生
     电信号。合适的压电材料包括压电聚合物和晶体。第一和第二换能器可以为类似类型并 且优选地为类似类型。第一和第二换能器优选地包括压电晶体。可以根据辐射期望穿过 的材料选择超声波的频率。为了测量液体系统内的水平, 所用频率的优选范围是从 20kHz 到 25MHz。气相材料可能需要低频发射, 例如 1-100kHz, 而对于液体系统中的测量, 所用频 率可能优选地在 2 到 10MHz, 更优选地在 1-5MHz。换能器可被选择成以彼此相同的频率发 射, 或它们的一个或更多个可以以不同于其它换能器的频率发射声音。换能器的一个或更 多个可以能够发出 / 发射和接收一定范围内的不同频率。至少一个发射器 - 接收器换能器 对可适于以多个不同频率发射和接收声音。 可以周期性地激励换能器以发出适于在换能器 和外壳的表面引起流体的空穴作用的频率的波, 以便清洁换能器和相邻外壳的表面, 并且 避免污垢和矿物鳞片的积累。用于这种清洁的频率的实际上限是大约 10MHz。也可选择换 能器以发射和 / 或检测超声频谱外的振动, 例如可听见的范围内的频率和向下到 1Hz 的频 率。作为另外的替代方案, 每个换能器适于发射和接收的频率可以在设备上的不同位置处 不同。 例如, 当该设备意图用于油分离容器中的相识别时, 位于容器的上部的外壳或汲取管 的端部处的换能器可以被调谐而以选定发射穿过气相的频率发射声音, 而离开上部较远的 换能器可以被调谐到适于发射通过液相的频率。作为另外的替代方案, 可以布置至少一个 另外的换能器阵列, 该至少一个另外的换能器阵列能够发射和接收具有与第一和第二多个 换能器所发射和接收的声音不同的特性的声音。该另外的阵列可以与第一和 / 或第二多个 换能器存在于相同的外壳内。替代地, 这种另外的阵列可以 ( 各自 ) 布置在分离的外壳中。 提供的超声换能器的数量取决于容器的尺寸、 材料的深度和要求的分辨率。可实 现的分辨率, 即声学性质在其上改变且因此可检测到界面的距离, 由沿着外壳的换能器对 之间的距离决定, 而该距离部分地由所用换能器的尺寸确定。使用可容易地获得的换能器 的情况下, 中心到中心的最小间隔是大约 10mm。 当换能器非常紧密地在一起时, 希望提供编 码信号或时间选通的激活和检测以便避免串扰, 即不同的换能器对之间的超声的发射和接 收。对于适用于油和气体回收工业中所用类型的工业油分离器的设备, 换能器对的数量典 型地从 2 到 500 不等, 但可以更大。相邻的换能器对之间的间隔可以沿外壳的长度变化, 但 在更常见的情况下是恒定的。
     第一和第二换能器优选地安装在对应的第一和第二外壳内。该外壳可以为圆形 或其它横截面。在一个实施例中, 外壳横截面设计成提供垂直于超声的发射方向的表面以 便最小化被反射的波的散射。因此外壳可具有一个或更多个平面壁, 例如用来提供盒形截 面或其它多边形形状。外壳不需要为规则的横截面。例如, 它们可以大体上圆形, 但具有与 换能器相对的平面壁。外壳优选地大体上彼此平行地布置, 优选地间隔开, 优选地间隔开 10-300mm 的距离。 本发明的设备包括安装装置, 例如支架或托架, 能够将第一和第二外壳相 对彼此维持在希望布置中。外壳优选地由坚固的且耐受要进行测量的环境的、 但超声也可 相对透过的材料形成。低密度的金属是优选的。对于在油分离器和存储设施中的使用, 外 壳优选地由耐腐蚀的且对超声的衰减显著小于钢的钛或钛合金形成。在优选实施例中, 该 设备包括被安装装置保持成平行且间隔开 10-300mm 的至少两个钛汲取管, 每个汲取管包 含沿汲取管的长度大体上线性地布置的 2-500 超声换能器。该外壳可以与容器的壁连续或 者固定到容器上, 使得容器的内部可以维持在外壳外部的升高的压力和温度。外壳在换能 器和它们放置其中的容器的包含物之间形成保护性障碍物。 每个换能器优选地安装成与外
     壳的内壁紧密接触。这可以通过将换能器安装在一个或更多个坚固的 (solid) 支撑块中来 实现, 坚固的支撑块布置在外壳内以使换能器邻近外壳的内壁。 替代地, 可以使用偏压装置 来安装换能器, 以将换能器靠着外壳壁保持在适当位置。
     外壳还包含每个换能器之间需要的电连接器、 电源和用来分析第二 “检测器” 换能 器对所接收的超声的响应的信号处理装置。外壳优选地还包含耦合流体, 该耦合流体被选 择用来最小化超声能量在穿过外壳的内部空间和壁以及邻近介质时的损失。 在没有耦合流 体的情况下, 在声波穿过对超声高度衰减的空气时损失超声能量。当水平测量设备意图用 于具有爆炸危险的环境时, 耦合流体的存在也可用于减小爆炸的风险, 因此它排斥氧气离 开电连接器附近。耦合流体可被选择成适合于水平测量应用。对于在油分离器中的使用, 诸如硅油的电绝缘耐高温耦合流体是优选的。 在一些实施例中, 汲取管在它们的内表面和 / 或它们的外表面上涂覆有涂层, 该涂层被选择成在汲取管材料和与该材料接触的介质之间 提供声耦合。耦合涂层大体上最小化金属汲取管和流体介质之间的界面处的密度变化, 否 则该密度变化会耗散一部分超声能量。
     该设备还包括电源和脉冲发生器, 以驱动第一换能器发出所需频率的超声。脉冲 发生器可提供规则的脉冲或不规则的编码脉冲, 该不规则的编码脉冲可以对每个换能器或 对一组换能器具有不同的间隔和波幅 ( 电压 )。通过以 m 将换能器对电分组成纵向间隔开 的组 ( 例如, 每第 m 个换能器为同组的一部分 ), 可以错开相邻换能器之间的超声的发射, 进 一步减小任何换能器检测到来自另一对换能器的超声的风险。对于信噪比很低的情况, 也 可能希望使用编码信号, 以便从噪声频带内提取信号。切换电路优选地用于排序发送到发 射换能器的脉冲, 并且也通过检测换能器可选地提供已排序脉冲的时间选通检测。 信号处理装置通过常规的有线连接、 光导纤维链接或通过无线发射从检测器换能 器接收电子信号。信号处理装置和 / 或相关联的数据处理装置能够对比第二超声换能器产 生的信号或根据所述信号计算的参数, 以确定位于第一外壳和第二外壳之间的任何材料的 声学特性是否在任何相邻的第二换能器之间改变。 电源、 脉冲发生器、 切换电路和信号处理 装置优选地位于可连接到包含超声换能器的外壳的单独的 “控制” 外壳内。控制外壳可包 括安装装置, 换能器外壳可通过该安装装置安装在控制外壳上, 以形成毗邻的水平测量仪 器。 在该方法的操作期间, 数据可通过可视显示或听得见的或可视的警报传达到用户, 以警 告用户特别的水平改变。 替代地, 来自水平测量设备的信息可以直接用于控制系统, 以控制 被测量的材料的水平。来自信号处理装置的信息可以发射到远处, 以便用户使用或用于控 制系统。 例如, 当水平测量设备用于海底油分离器容器时, 来自换能器的信号可以由信号处 理装置本地处理, 随后发射到远程地位于海面上的控制系统、 数据处理器或操作者。
     该设备还可包括一个或更多个温度传感器, 以测量第一和第二换能器之间的材料 的温度。 使用放置在换能器外壳上或内或与换能器外壳间隔开的单独的外壳内的一个或更 多个传感器, 可实现温度测量。替代地, 温度探头可从一个或更多个外壳延伸。温度探头 ( 如果存在的话 ) 电连接到数据处理装置, 使得关于温度的信息可用于根据超声发射数据 计算材料的性质, 例如密度或成分。
     在操作中, 优选的是, 由第一换能器发出的超声由第二换能器检测, 并且来自第二 换能器的信号用于计算穿过第一和第二换能器之间的材料的渡越时间和 / 或能量衰减。这 种布置在原理上不同于 WO03/012379 中描述的布置, 在 WO03/012379 中描述的布置中, 超声
     换能器的单个线性阵列布置成与将发出的超声反射回到发射换能器的反射器间隔开。
     通常, 第一和第二换能器既能够发射声音又能够接收声音。 在本说明书中, 对是声 音的发射器的第一换能器和是声音的接收器的第二换能器的描述不意图排除第一换能器 检测第二换能器发出的声音的方法和设备。在根据本发明的优选方法中, 第一和第二换能 器都发出和接收超声。 在一个实施例中, 第一换能器向对应的第二换能器发出超声, 该第二 换能器在接收脉冲时被激励, 以发射回到开始的第一换能器。超声的接收触发随后的发射 的这种操作被称为 “声循环 (sing-around)” 。在第一和第二换能器都发出和检测超声的情 况下, 它们可以称为第一 / 第二换能器对, 而不是称为发射器和接收器。以这种方式操作的 一个好处是给出的固有的自校验。例如, 如果响应于超声的发射没有从接收换能器检测到 信号, 这可能是由于声波被高度分散的介质 ( 例如水或泡沫或乳化液中的沙粒 ) 或有故障 的换能器过度散射。然而, 在声循环操作中, 一对换能器的另一个可提供信号, 该信号将指 示换能器之间的介质不是没有信号的原因。如果需要, 操作的声循环模式可以延及到三个 或更多个换能器。
     关于超声从发射换能器传到接收换能器所穿过的材料的信息可以从超声的 “渡越 时间” (TOF) 获得, 该渡越时间就是超声从发射换能器的发射和超声由接收换能器的接收之 间的时间。在流体中, 声音的速度, c =√ K/ρ, 其中 K 是流体的体积弹性模量, ρ( 柔 ) 代 表密度。 流体 ( 特别是气体 ) 的压力与液体的成分一样影响其密度。 例如, 海水中的声音的 速度取决于海水的盐度。因此, 超声的发出和接收之间的时间根据声音发射穿过的材料的 密度而变化, 并且在温度和压力已知的情况下, 可以从 TOF 数据计算该密度。实际上, 该设 备和方法最佳地用于检测容器中的材料之间的边界的存在和位置, 即用来沿外壳的长度检 测不同密度或成分的区域。这种应用不要求进行绝对密度的计算 : 以足够的精度测量不同 发射器 - 接收器对之间的渡越时间就可以了, 因此可检测到在发射穿过一种材料 ( 例如油 ) 和另一种材料 ( 例如水 ) 之间的差异。穿过诸如油和水的两种材料的超声的 TOF 之间的差 异通常随温度变化。在较高的温度下, 该差异通常较大。例如, 声音穿过水的速率从 5℃下 的大约 1427m/s 增加到 70℃下的大约 1555m/s。声音穿过原油的速度在这个温度范围上根 据油的成分从大约 1400m/s 减小到大约 1150m/s。
     替代 TOF 测量或除了 TOF 测量外, 可以测量超声在发射穿过发射器和接收器之间 的材料时的衰减。 当发射穿过诸如乳化液、 泡沫和悬浮液的不连续材料时, 声波在相边界偏 转并且显示显著衰减。通过监视跨越检测换能器的电压, 可检测到该衰减。通过确定衰减, 可以估计例如悬浮在油分离器容器的包含物的流体相内的沙的量。在优选实施例中, 超声 波的衰减和渡越时间均根据接收换能器的响应被计算出。
     在本发明的方法的特别实施例中, 可以监视一个或更多个换能器对从外壳的内壁 反射回的、 其自身发射的检测。 通过时间选通检测方法或使用编码脉冲, 可以方便内部反射 的超声的检测。 为内部反射分析而产生的超声的脉冲可以在波幅上小于为发射到另一换能 器而产生的脉冲。 从外壳的内壁反射的能量的量可提供关于外壳的外壁和该外壁外部且紧 密邻接该外壁的材料之间的声耦合的信息。当该耦合良好时, 超声能量可穿透该壁进入周 围介质。 当该耦合不那么良好时, 较少的能量发射穿过该壁, 使得较多的能力被反射回外壳 内的换能器。耦合的改变可指示鳞片或其它沉积物积累在外壳上, 或与邻近换能器的外壳 接触的基体材料的改变, 例如泡沫 - 金属界面具有不同于液体 - 金属界面的声耦合特性。在另一实施例中, 该设备包括至少一个另外的超声换能器, 该至少一个另外的超 声换能器安装成使得它基本上垂直于包含在容器中的材料的上表面发射超声。通常, 这个 另外的换能器安装在它自身的外壳内, 并且取向成沿第一和第二换能器外壳的纵轴线的方 向发射超声。该另外的换能器旨在指示容器内的凝聚相材料的上水平的位置。在油分离器 中, 上水平可包括泡沫, 可能难以通过密度差或超声的渡越时间区分气体和泡沫, 因为泡沫 可能对超声的衰减太大而不能产生可靠的信号。 仅仅使用另外的换能器来向着顶层发出超 声并从顶层的表面接收反射, 这提供了定位这种表面的水平的另外手段。反射的超声的特 性也可提供关于表面的性质 ( 例如, 粗糙度或运动 ) 的信息。 该另外的超声换能器可位于容 器的顶部以定位顶表面, 或位于容器的底部以定位下界面。 在油分离器中, 底层经常包含沙 并且相对稠密。在这种位置中, 在这种相中的超声的衰减可能相对高, 使得反射测量困难。 该另外的超声换能器可连接到该设备的其它部分或与该设备的其它部分成一体, 或者可以 与这些其它部分分离。 优选的是, 即使该设备与该另外换能器分离, 来自该另外换能器的信 号也可由设置有本发明的设备的数据和信号处理装置接收和处理。
     因此, 本发明提供用来监视多相介质的成分的设备, 该设备包括 : 用来插入所述介 质中的两个或更多个细长外壳, 每个所述外壳具有沿其长度的至少一部分间隔布置的超声 波发射器和接收器的阵列, 由此, 当所述外壳插入到所述介质中时, 该介质占据所述细长外 壳之间的空间, 并且所述发射器和接收器布置成使得发射的超声波在途中穿过所述介质到 达接收器 ; 和监视装置, 该监视装置根据超声波从发射器到达关联的接收器所花费的时间 提供信号。 超声波优选地作为脉冲被发射, 并且监视脉冲的发射和接收之间花费的时间。因 此, 该时间, 即 “渡越时间” 指示超声波从发射器通过介质到达接收器花费的总时间, 并且因 此取决于波穿过介质的速率。借助校准 ( 通过在诸如油、 水和空气的不同的材料作为介质 的情况下测量时间 ), 监测到的时间可用于指示发射器和接收器的位置处的介质的性质。 通 过沿细长构件的长度在不同空间位置处的发射器 / 接收器对处测量时间, 可以确定所述介 质的不同材料之间的界面或边界的位置。许多应用不要求进行绝对密度的计算 : 以足够的 精度测量不同的、 特别地相邻的发射器 - 接收器对之间的渡越时间就可以了, 因此可检测 到发射穿过一种材料 ( 例如油 ) 和另一种材料 ( 例如气体 ) 之间的差异。在这种应用中需 要很少校准或不需要校准。
     当该设备插在包含根据每相的密度分层的多相流体的容器中时, 相邻发射器 - 接 收器对的发射器和接收器之间的声音的渡越时间和 / 或作为在接收器处的信号损失被测 量的声音的衰减可以被对比, 以便识别第一对换能器之间记录的渡越时间与相邻的第二对 换能器之间记录的渡越时间之间的阶跃变化, 该阶跃变化将指示相变发生在第一和第二发 射器 - 接收器对之间或第一和第二发射器 - 接收器对的区域中。该对比优选地在每个换能 器 - 接收器对处记录的渡越时间和 / 或波幅测量值的平均值之间进行, 在适当时间段上获 取该平均值。 测量该平均值的时间段取决于容器中期望的水平改变速率和设备的所需时间 精度, 并且可以在宽的界限内变化, 例如从小于 1 秒到数分钟。通过使用平均值测量或应 用其它已知数据平滑方法, 可以减小数据峰值或噪音引起的相间区域的位置误差。本发明 的设备和方法的特别益处是, 通过对比接收的信号的波幅和外壳中相邻的换能器测量到的 TOF, 可以忽略改变流体介质的声学性质的温度和压力的影响。在设备和方法的这种形式
     中, 不需要计算声音的实际速度和介质的密度, 因为利用相邻换能器的位置之间的声学性 质的改变来识别材料界面的存在。 可以根据界面的位置和对容器的包含物的了解推断形成 界面的材料的性质。
     因此, 在本发明的优选形式中, 该方法包括以下步骤 : 对比由第一发射器 - 接收器 对 TR1 测量的声音的渡越时间 TOF1 与由第二发射器 - 接收器对 TR2 测量的声音的渡越时间 TOF2 ; 和计算 TOF1 和 TOF2 之差是否大于预定值。TR1 和 TR2 可以是相邻的, 但当需要确定容 器中的两种材料之间的界面是否位于两个不相邻的发射器 - 接收器对之间时, 不需要是相 邻的。替代由 TR 对测量的 TOF, 可以对比对应接收器 R1 和 R2 接收到的信号的波幅。当声音 的速度在容器内的不同相中类似时, 这是有用的。优选的是, 对比由 TR1 记录的渡越时间和 / 或波幅与基于由 TR2 记录的渡越时间和 / 或波幅的预定值, 该预定值是可以期望渡越时间 或波幅的值在相同的材料相内变化的上和 / 或下极限。例如, 当由每个对测量的渡越时间 以大于某个选定的百分比 P( 例如, 从 0.5-5% ) 变化时, 即当 :
     TOF1 < TOF2-((P/100) * TOF2) 或
     TOF1 > TOF2+((P/100) * TOF2)
     时, 可以确定相变发生在相邻的发射器 - 接收器对的位置之间, 在这种情况下, TOF1 和 TOF2 是在相邻的发射器 - 接收器对 1 和 2 处测量的渡越时间。 在本发明的方法的特别优选的形式中, 所述第一超声换能器包括超声发射器的线 性阵列 Tn-Tn+x, 其中 n 是从 1 到 x 的整数, 并且 x 是阵列中的发射器的数量, 所述第二超声 换能器包括超声接收器的线性阵列 Rn-Rn+x, 所述发射器和接收器形成多个发射器 - 接收器 对 TRn, 并且第一和第二外壳都放置在容器中, 彼此对齐且平行, 取向成使得外壳向着容器 的底部延伸, T1 和 R1 最靠近容器的底部, 其中步骤 (f) 包括以下步骤 :
     i. 优选地以 n = 1 开始, 测量接收换能器 Rn 接收的信号的波幅 An ;
     ii. 对比 An 与预定波幅 AL ;
     iii. 如果 An > AL 则测量 TOFn, 其中 TOFn 是 Tn 和 Rn 之间的声音渡越时间 ;
     iv. 如果 An < AL, 则记录 TRn 位于具有高的声音衰减性质的材料相内, 例如包含固 体的相、 气相或诸如泡沫或乳化液的不连续相 ;
     v. 对于每个 TRn 重复步骤 i-iv, 直到 n = x ;
     vi. 对比 TOFn 和 TOFn+1 ;
     vii. 如果 TOFn+1 > TOFn+P%则记录材料相边界位于 TRn 和 TRn+1 之间, 其中 P 是代 表重要因子的预定值。
     与在第一和第二外壳之间的材料为均质液体相的情况下将接收的信号的波幅相 比, AL 优选地至少为 10%, 更优选地至少 20%, 可任选地直到大约 50%的值。AL 可以根据 发射的超声的参数和设备的性质计算得到, 或者它可以通过校准获得。 P 通常在大约 0.1 和 大约 5%之间, 并且用于计算相邻换能器之间的 TOF 变化是显著的还是仅仅由于统计噪音。 P 可以基于用于确定测量系统中固有的噪音的校准试验来选择, 或者它可以是计算值。 An 和 TOFn 优选地如上所述那样为时间段上的平均值。该方法优选地还包括根据每个 TRn 的位置 与 TOFn 和 An 测量值编制容器内的材料的相分布图。
     为了进一步验证界面的位置, 优选方法可包括以下另外步骤 :
     viii. 对比 TOFn 和 TOFn+2 以及可选的 TOFn+3 ;
     ix. 如果 TOFn+1、 TOFn+2 以及可选的 TOFn+3 的每一个> TOFn+P%, 则记录材料相边界 位于 TRn 和 TRn+1 之间。
     这个步骤校验 TRn+1 以上的换能器也记录材料相边界, 以减小 TRn+1 或 TRn 中的假 变化被错误地解释为相边界的风险。基于容器及其包含物的已知参数, 当预期每个材料相 内存在多于两个或三个换能器时, 这个步骤是优选的。
     通常, 存在于容器中的相的数量和它们的大概成分是已知的, 并且这个信息可用 于解释从对比来自成对换能器的渡越时间和信号获得的信息。例如, 油分离器中的相应该 包括油、 水、 气体和很可能的油 / 水乳化液、 泡沫和包含沙或其它固体的容器的底部处的可 能的重的相。当容器的底部处的发射器 - 接收器对之间的声音发射很低或者不能被测量 时, (An < AL) 则可能假定该对位于包含固体的相内。由于定位成离容器底部更远的每个连 续的发射器 - 接收器对被监视, 因此声音发射在固体水平上方相当剧烈地增加, 并且可以 假定这表示水的最低水平。监视这个水平上方的发射器 - 接收器对, 通常达到较长渡越时 间的相邻对之间的另一声音发射变化指示油相的位置。可能伴随中等渡越时间 ( 如果可 测量的话 ) 的、 油相和水相之间的信号损失通常将指示乳相的存在。穿过乳化液的声音的 速度通常位于其组成液体的每一个中的声音速度之间, 并且正比于乳化液中的每种液体的 量。在油相上方, 信号 ( 波幅 ) 损失和较长的 TOF 可能指示泡沫或气相。泡沫或气体上方 的另外的相变可能是确定性的, 因为在另外的相变指示转变到泡沫上方的气相的情况下, 则未知相很可能是泡沫。如果存在另外的换能器来测量凝聚相的高度, 则可以进一步确认 泡沫的存在及其高度 ( 如果存在的话 )。 本发明的设备也可提供关于流体流的信息, 至少一个换能器对定位在该流体流 中。例如, 通过对比超声在一对换能器之间沿一个方向的渡越时间与沿另一方向的渡越时 间, 可以估计流体流的流率和方向。
     在本发明的另一实施例中, 换能器能够发出 / 发射和接收一定范围的不同频率。 通过监视和对比在不同发射频率下 ( 即在一频谱上 ) 穿过介质的渡越时间和超声能量的衰 减, 可以获得关于介质的性质的另外信息。这种信息可用于计算诸如乳化液或泡沫的多相 介质的连续相内的不连续相的特性, 或者用来提供关于诸如悬浮在液体介质中的沙的固体 颗粒的量和尺寸的信息。
     本发明在油气回收工业中、 特别地在油 / 水分离器中特别有用。因此, 油 / 水分离 器可设置有用于油 / 水混合物的入口和用于已分离的油相和水相的分开的出口, 并且设置 有根据本发明的监视设备, 包含超声换能器的外壳大体上竖直地布置在容器中, 发射器和 接收器的阵列沿穿越期望的油 / 水边界的外壳的长度被布置。优选地, 外壳也设置有沿穿 越期望的气体 / 液体边界的每个外壳的长度布置的发射器和接收器的阵列。可以响应于油 / 水和 / 或气体 / 液体边界的被监视的水平控制到入口和 / 或离开出口的流率。许多其它 应用存在于需要识别材料相变的位置的各种工业中, 例如, 如在 US 4565088 中描述的, 在 洗涤过程之后, 监视沉降器或处理过程或乳化液的分离中的固体沉降。
     附图说明
     将在以下例子中参考附图详细描述本发明, 其中 :
     图1: 穿过本发明的设备已经安装到其中的油分离器容器的横向截面的示意图 ;图2: 在多相系统的每个相中接收的信号特性的图 ; 图3: 穿过根据本发明设备的一个实施例的横向截面 ; 图4: 穿过根据本发明的替代设备的横向截面 ; 图 5A : 穿过本发明的设备的第一纵向横截面 ; 图 5B : 以与图 5A 成 90°示出的、 穿过图 5A 中的设备的第二纵向横截面视图。具体实施方式
     在图 1 中, 油分离器容器 10 包含来自油气井的多相流体流。 该流包括气相 11、 原油 14 和水 18。也存在另外的非均相, 即形成在油相和气相之间的泡沫 12、 油和水之间的乳化 液 16, 和包括沙的固体颗粒和其它重材料的下部密相 20。流体通过入口端口 ( 未示出 ) 进 入容器, 由重力分离成若干相, 随后通过分开的出口端口 ( 未示出 ) 从容器被分别地抽出。 化学物品可添加到流体中, 以便使泡沫相和乳化液相破裂, 使得它们分离成希望的气相、 油 相和水相。本发明的设备包括钛汲取管 24A、 B, 每个汲取管包含多个超声换能器 26A、 B, 该 多个超声换能器 26A、 B 沿汲取管的长度以线性布置的方式被支撑。每个换能器 26A 被布置 成将超声波发射到对应的一个换能器 26B 和从对应的一个换能器 26B 接收超声波, 从而形 成发射器 / 接收器对。成对的换能器沿它们的对应的汲取管位于相同距离处, 并且取向成 优选地从该对的另一个接收超声波。汲取管由外壳 30 支撑, 并且被设计成适当尺寸以通过 检查端口 22 装配到容器中。单独的外壳包含取向成向着泡沫 12 的表面发射的另外超声换 能器 28。电连接器 ( 未示出 ) 沿汲取管延伸, 并且延伸到外壳 30, 以将电力和信号传送到 换能器且将来自换能器的信号传送到外壳内的数据处理单元。外壳 30 另外包含脉冲调制 器、 信号 / 数据处理器和适于为换能器、 脉冲发生器和数据处理器提供动力的电源。光学纤 维 32 将该设备连接到控制系统, 并且将数据从数据处理器传送到监视站。该设备布置在容 器中, 使得汲取管穿透不同的流体相 11-20。
     图 3 示出穿过汲取管 24A、 B 的横截面。每个汲取管由具有内涂层 34 和外涂层 38 的钛合金壁 36 形成。选择涂层 34 以将汲取管内表面声耦合到耦合流体 40。选择涂层 38 以将汲取管的外表面声耦合到该汲取管要浸入其中的介质。超声换能器 26 安装在设置有 电连接器 44 的支撑块 42 中, 该电连接器用来将电力和信号传送到换能器和从换能器传送 电力和信号。
     在操作中, 脉冲发生器产生电信号并将电信号发射到一个或更多换能器对 A-B 中 的一个构件 A。换能器 A 通过将超声脉冲发射到该对的另一个换能器 ( 换能器 B) 而响应。 在接收到超声脉冲的情况下, 换能器 B 产生电信号作为响应。该信号被发送到信号 / 数据 处理器, 并且同时激励换能器 B 以将第二超声脉冲发射到换能器 A, 该换能器 A 在接收到该 脉冲的情况下也产生电信号。信号 / 数据处理器计算每个信号从发射器传到接收器所花费 的时间 ( 渡越时间 ) 和接收到的超声波的波幅, 渡越时间与波已经穿过的介质的密度直接 相关, 从该波幅可计算由于界面损失而引起的衰减。图 2 示出渡越时间 ( 水平条 ) 和波幅 ( 虚线 ) 是如何在位于图 1 中描述的相 11-20 中的成对换能器之间变化的。声音在气相中 的速度大大小于凝聚相中的速度, 因此渡越时间相对长。当渡越时间在不同的相中 ( 例如, 在油 14、 乳化液 16 和水 18 之间 ) 类似时, 通过对比声音在它穿过这些相时的衰减, 可以更 容易地区别这些相。虚线代表不同相中接收的信号强度 ( 波幅 )。不连续乳化液相和泡沫相由于声能在包含的和连续的相之间的边界耗散而引起更大衰减, 使得接收到的信号强度 与穿过连续相的发射比较相对小。重的沙相 20 是高度衰减的, 使得很少 ( 如果有的话 ) 信 号将有希望穿过 ( 取决于存在的沙粒的量 )。当在纵向上相邻的换能器对之间的信号的渡 越时间和 / 或衰减存在显著差异时, 可以推断周围流体中的相变。替代地, 数据处理器可通 过校准而计算系统中的一个或更多相的实际和相对密度。 当已知超声所穿过的气相的密度 时, 作为从泡沫 12 的表面的反射的、 换能器 28 接收到的信号确定换能器 28 和泡沫的表面 之间的距离。这样, 可以确认泡沫表面的位置。
     图 4 示出存在三个汲取管 50 的替代实施例。汲取管 50A 包含支架 52, 该支架支 撑取向成沿不同方向发射声波的压电传感器 26A 和 56A 的两个竖直阵列。换能器 26A 向位 于汲取管 50B 中的换能器 26B 发射和从位于汲取管 50B 中的换能器 26B 接收。汲取管 50C 包含容纳换能器 56B 的阵列的支架 42C。换能器 26A 和 26B 被选择成以大约 2-3MHz 发射 和接收超声能量。换能器 56A 向位于汲取管 50C 中的换能器 56B 发射和从位于汲取管 50C 中的换能器 26B 接收。换能器 56A 和 56B 被选择成在 1-20kHz 之间发射和接收低频声音。 这个实施例在检测对超声能量高度衰减的气体和泡沫介质的水平是有用的。图 5 示出如前 所述布置在多相介质 11-20 中的设备。图 5A 是以与图 5B 中的视图成 90°绘制的视图。包 含低频换能器的阵列的汲取管 50C 短于汲取管 50A 和 50B, 因为在包含液体介质的容器的 那部分中不需要低频换能器。在替代布置中, 不同换能器阵列可布置在流体介质的整个深 度上或仅仅部分深度上 ( 如这里示出的 )。图 2 中的点线 58 代表由低频换能器 56A 和 56B 测量的接收到的信号强度。

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一种用来识别多相介质中的不同的相(11-20)的设备和方法,包括超声换能器的至少两个阵列(26A、26B),超声换能器的至少两个阵列能够发射和接收穿过分离它们的介质的超声。该方法和设备可用于定位诸如油分离器的容器中的相界面。 。

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