專利名稱：多相流量和濃度的同時(shí)確定的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于確定在多相液體/氣體混合物(諸如，包括油、水和氣體的油井流體)中的液相組分和氣體的體積流量和體積濃度的方法和裝置。
相關(guān)技術(shù)的描述自油井沿著管線流動(dòng)的流出物是一種包括油、水和氣體的多相混合物。精確和同時(shí)測量混合物組分的流量和體積濃度對(duì)于油井操作的控制是重要的。
目前所采用的用于測量這些流動(dòng)特性的方法和裝置要求在專用的分離器中進(jìn)行氣體的初步分離，所述專用的分離器安裝在油田區(qū)域上的測量裝置中。由于進(jìn)行這樣的測量可能會(huì)大大地增加資本費(fèi)用。
在不進(jìn)行氣相的預(yù)先分離的情況下測量所述多相流動(dòng)特性的技術(shù)也已為人們所知。這些方法和裝置基于各種物理原理各組分的密度和電磁特性的差異、與γ射線和超聲波的相互作用以及其他原理。
美國專利US5,287,752披露了一種利用設(shè)置在兩個(gè)平行板上的一組電容器確定多相流體的流量的裝置，所述兩個(gè)平行板設(shè)置在平行于流動(dòng)方向的水平或者傾斜的管線中。為了確定水/油體積比例和由液相所占的管線橫截面的部分，在測量所有基本電容器的單元時(shí)測量所處介質(zhì)的阻抗。通過測量和在位于由液相所占的橫截面部分中的一個(gè)矩陣行中的基本電容器的交互相關(guān)的阻抗來確定液相的速度。通過測量在管線的上部中的多相流的結(jié)構(gòu)變形的通過時(shí)間來確定氣體的速度?？紤]由多相流的液相和氣相所占的管線橫截面的部分來確定這些相的體積流量。
所提出的這種方法已經(jīng)限制了應(yīng)用范圍，這是由于僅可利用一種間歇式流動(dòng)方式才能使該方法被有效地使用。此外，在該方法中不考慮乳狀液和組分彌散類型。
美國專利US5,367,911披露了一種在可用作流量計(jì)的導(dǎo)管中檢測流體性能的設(shè)備。該測量裝置包括至少兩個(gè)設(shè)置在一個(gè)管線內(nèi)的傳感器，一個(gè)在另一個(gè)的下游。所述傳感器可包括聲換能器或者導(dǎo)電率(或電阻率)傳感器。每一個(gè)傳感器提供一種輸出數(shù)據(jù)信號(hào)，表示在各個(gè)取樣體積中流動(dòng)的介質(zhì)的所測得的物理性能。輸出信號(hào)在一個(gè)電路中被處理并且被交互關(guān)聯(lián)。由于傳感器之間的距離是已知的，因此能夠進(jìn)行流速的計(jì)算。
但是該專利的作者沒有考慮，在多相流中，氣相相對(duì)于液相移動(dòng)。
歐洲專利EP A 0684458涉及一種用于測量多相流體的流量的方法和設(shè)備。該設(shè)備包括沿著一個(gè)管道設(shè)置的兩段并且這兩段之間保持一定的距離。所述段采用文丘里管的形式。每一段包括一個(gè)具有不同橫截面積的通道，所述通道設(shè)有用于在其中相應(yīng)地產(chǎn)生速度變化并且產(chǎn)生動(dòng)壓力變化的裝置。此外，該設(shè)備包括適合的用于測量所得到的壓力差的裝置。在所述各段中獲得的兩個(gè)壓力差信號(hào)適于交互相關(guān)以產(chǎn)生一個(gè)表示總體積流量的第三信號(hào)。為了確定多個(gè)相的流量，在一個(gè)文丘里管類型的流動(dòng)段中測量另一個(gè)壓力差并且獲得一種作為總質(zhì)量流量Q和混合物密度ρ的函數(shù)的信號(hào)。在一種“壓差密度計(jì)”類型的段中測量另一個(gè)壓力差。該段被設(shè)置在一個(gè)垂直管道中的具有恒定橫截面積的部分中。后一個(gè)壓力差通常表示一種大致與混合物密度ρ成比例的靜壓力差。另外，該設(shè)備包括一個(gè)位于管道中的模塊，所述模塊提供一種或者多種關(guān)于多相流體構(gòu)成的指示，換言之，確定構(gòu)成所述流體的各組分的體積或者質(zhì)量濃度。一個(gè)處理器根據(jù)氣體含量通過并行的路徑計(jì)算質(zhì)量流量Q。當(dāng)氣體含量適度(＜65％)時(shí)，根據(jù)與表達(dá)式Q2/ρ成比例的信號(hào)和表示混合物密度ρ的信號(hào)使用第一種處理方式。當(dāng)氣體含量高(＞65％)時(shí)，使用基于表示總體積流量的信號(hào)和表示混合物密度ρ的信號(hào)的第二種處理方式。
必須注意的是，帶文丘里管類型的段的設(shè)備具有小的動(dòng)態(tài)范圍，因此可用于流量測量的有限范圍中。此外，這樣的設(shè)備的流量因子主要取決于會(huì)影響測量精度的氣體含量。在所述設(shè)備中，氣體含量是計(jì)算出來的而不是測得的，因此會(huì)降低測量精度。使用這樣的設(shè)備測量包含原油的油井流出物的流量可能會(huì)因壓力卸除而導(dǎo)致其堵塞。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供一種能夠在不預(yù)先分離氣體的情況下確定沿著管線的一部分的多相混合物組分的體積流量的方法和裝置。
本發(fā)明提供一種能夠測量沿著管線的一部分的多相混合物組分的體積濃度的方法和裝置。
本發(fā)明還提供一種用于測量一種具有不同類型的多相流的多相介質(zhì)的上述特性的方法和裝置。
本發(fā)明能夠確保獲得測量具有不同尺寸的氣體包裹體的流出物的特性的可靠數(shù)據(jù)。
此外，本發(fā)明保證該裝置的致密性和其簡單的可攜帶性。
上述特征可通過一種用于確定在沿著一個(gè)管線流動(dòng)的多相混合物中的液體組分和氣體的體積流量的方法來達(dá)到，根據(jù)該方法，一個(gè)安裝在管線中的測流室包括沿著流動(dòng)方向串行地設(shè)置的兩個(gè)管線區(qū)，所述兩個(gè)管線區(qū)具有不同的流動(dòng)截面積F2＝kF1(直徑D2＝D1√k)k≠1。
當(dāng)k≈0.5時(shí)，流動(dòng)截面積的改變會(huì)使測量管線區(qū)中的液相速度和氣相實(shí)際速度(wg，1＜wg，2)產(chǎn)生很大的變化，而氣體內(nèi)含物的相對(duì)速度和混合物中的氣體實(shí)際體積濃度的變化卻不大。對(duì)混合物流動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算分析，得出一個(gè)用于確定通過被校準(zhǔn)的管線區(qū)的多相流的液相體積流量的公式Ql＝(k/1-k)F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)].
利用下列公式確定氣體體積流量Qg＝F1wg，1·1＝F2wg，2·2.
利用帶有沿著一個(gè)流動(dòng)截面的半徑設(shè)置在測量管線區(qū)內(nèi)的一組換能器的多相流的超聲波檢測取樣體積確定在校準(zhǔn)的管線區(qū)中的氣相的實(shí)際速度wg、氣體的體積濃度、諸如水W和油(1-W)液相的體積濃度。這些換能器用作取樣體積中的聲信號(hào)的發(fā)射器和接收器。
接著在測量的管線區(qū)的橫截面積上對(duì)所獲得的多相流的局部性能的數(shù)值取平均值。
利用傳感器信號(hào)的交互相關(guān)或者利用多普勒(Doppler)方法進(jìn)行氣體實(shí)際速度的測量。
通過介質(zhì)的取樣體積的聲導(dǎo)率的指示進(jìn)行氣體的體積濃度的測量。
液相組分的體積濃度的超聲波測量基于聲脈沖通過取樣體積的時(shí)間的確定，這是由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在諸如水/油混合物的液體中，信號(hào)通過的時(shí)間實(shí)際上線性地取決于這些組分的體積濃度的比例而與乳液類型無關(guān)。
也可利用一種用于確定在沿著一個(gè)管線流動(dòng)的液-氣多相混合物中的液體組分和氣體的體積流量和體積濃度的設(shè)備來提供這些特征，該設(shè)備包括一個(gè)安裝在管線中的測流室。所述測流室包括沿著流動(dòng)方向串行地設(shè)置的兩個(gè)管線區(qū)，所述兩個(gè)管線區(qū)具有不同的流動(dòng)截面積F2＝kF1(直徑D2＝D1√k)k≠1。
流動(dòng)截面積的改變(當(dāng)k≈0.5時(shí))會(huì)使測量管線區(qū)中的液相速度和氣相實(shí)際速度(wg，1＜wg，2)產(chǎn)生很大的變化，而氣體內(nèi)含物的相對(duì)速度和混合物中的氣體實(shí)際體積濃度的變化卻不大。利用在第一和第二測量管線區(qū)中的液相(1-)所占的一部分管線截面的一部分與氣相實(shí)際速度wg乘積之差來確定一個(gè)液相的體積流量Ql＝(k/1-k)F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)].
利用下列公式確定氣體體積流量Qg＝F1wg，1·1＝F2wg，2·2.
利用帶有沿著一個(gè)流動(dòng)截面的半徑設(shè)置在測量管線區(qū)內(nèi)的一組換能器的多相流的超聲波檢測局部體積確定在校準(zhǔn)的管線區(qū)中的氣相實(shí)際速度wg、氣體體積濃度、諸如水W和油(1-W)液相的體積濃度。
一個(gè)局部氣體速度計(jì)的操作原理基于一個(gè)聲導(dǎo)率換能器的信號(hào)幅值的互相關(guān)函數(shù)的確定。兩個(gè)換能器沿著流動(dòng)方向以一個(gè)在另一個(gè)上游的方式被設(shè)置并且兩者之間保持一個(gè)固定距離。聲換能器包括由用于提供取樣體積的聲照射的超聲波脈沖的發(fā)射器和接收器。換能器可用作以“發(fā)射-接收”模式工作的反射信號(hào)的發(fā)射器和接收器。
該速度計(jì)的電-聲通道是以下列方式操作的來自于脈沖發(fā)生器的電壓脈沖到達(dá)發(fā)射器，電壓脈沖在發(fā)射器中被轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖。在通過取樣體積后，它們被接收器接收，被轉(zhuǎn)換成電壓脈沖，被放大并且被送至一個(gè)由選通脈沖控制的峰值檢測器輸入。選通脈沖確定期望信號(hào)接收的時(shí)間間隔。在峰值檢測器輸入處的電壓與被接收的信號(hào)的幅值成比例并且是由在傳感器取樣體積中的聲能損耗確定的。峰值檢測器的輸出信號(hào)到達(dá)一個(gè)計(jì)算器，計(jì)算器確定一個(gè)互相關(guān)函數(shù)或者自相關(guān)函數(shù)(在一個(gè)換能器的情況下)并且計(jì)算氣相或者不包括氣體的液相的實(shí)際局部速度。
除了已經(jīng)提及的原理之外，利用朝向多相流上游的超聲波脈沖對(duì)一種介質(zhì)的感測來測量氣相局部速度的Doppler方法也可被使用。在這種變型中，發(fā)射器和接收器也被設(shè)置在測量管線區(qū)內(nèi)。
氣體體積濃度測量計(jì)的操作原理基于一個(gè)取樣體積的聲導(dǎo)率的指示。來自于電壓脈沖發(fā)生器的信號(hào)被送至包括發(fā)射機(jī)和波導(dǎo)的發(fā)射器上。在轉(zhuǎn)換的聲脈沖通過波導(dǎo)達(dá)到取樣體積后，通過該體積并且通過一個(gè)接收波導(dǎo)到達(dá)所述發(fā)射機(jī)，它們?cè)谒霭l(fā)射機(jī)中被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)在經(jīng)過放大后到達(dá)一個(gè)峰值檢測器。選通脈沖形成裝置在期望信號(hào)到來的時(shí)間內(nèi)斷開峰值檢測器。與被接收的信號(hào)的幅值成比例的峰值檢測器的輸出信號(hào)到達(dá)一個(gè)比較器，比較器將峰值檢測器的輸出信號(hào)與由鑒別電平的形成裝置設(shè)定的鑒別電平進(jìn)行比較。比較器的輸出信號(hào)到達(dá)一個(gè)計(jì)算器，計(jì)算器根據(jù)氣相在取樣體積中存在的時(shí)間與全部測量時(shí)間的比率確定在一個(gè)介質(zhì)中的氣相體積含量。
液體組分體積濃度的超聲波測量計(jì)的操作原理基于超聲波脈沖通過多相流的取樣體積的時(shí)間的確定，這是由于已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在諸如水/油的混合物中，超聲波信號(hào)通過的時(shí)間實(shí)際上線性地取決于液體組分的體積濃度的關(guān)系而與乳液類型無關(guān)。選擇發(fā)射器和接收器之間的距離以防止尺寸大于1毫米的大的氣體包裹體通過。來自于發(fā)生器的電壓脈沖被送至能夠形成聲脈沖的超聲波發(fā)射器。聲脈沖通過一個(gè)取樣體積，被接收器接收并且被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)被放大接著被送至一個(gè)被選通的比較器。利用能夠保證線路的高抗干擾性的選通脈沖形成裝置在期望信號(hào)接收的時(shí)間內(nèi)斷開比較器。在形成發(fā)射脈沖的同時(shí)，啟動(dòng)一個(gè)形成脈沖持續(xù)時(shí)間的線路。利用來自于比較器輸出的信號(hào)中止該線路。這樣，輸出信號(hào)的持續(xù)時(shí)間等于超聲波信號(hào)從發(fā)射器到達(dá)接收器的時(shí)間。接著，將該脈沖轉(zhuǎn)換成一個(gè)幅值信號(hào)并且到達(dá)一個(gè)計(jì)算器中，計(jì)算器確定液相組分的體積濃度。
根據(jù)設(shè)定程序的處理器功能控制局部流動(dòng)參數(shù)wg，1、wg，2、1、2、W的測量計(jì)的操作，在測量管線區(qū)的橫截面上對(duì)這些參數(shù)取平均值并且計(jì)算液相組分和氣體的體積流量。
附圖的簡要說明

圖1a、1b示出了在本發(fā)明的框架內(nèi)提出的多相流量裝置的構(gòu)造。
圖2是表示換能器的順序位置的變型的氣相局部速度計(jì)的框圖。
圖3是圖2中所示框圖中處理的信號(hào)的電壓圖。
圖4示出了峰值檢測器的輸出信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)的典型形式。
圖5是表示串行設(shè)置的換能器的變型(以“發(fā)射-接收”模式)的氣相局部速度計(jì)的框圖。
圖6是圖5中所示框圖中處理的信號(hào)的電壓圖。
圖7是在一對(duì)換能器以形成自相關(guān)函數(shù)的模式工作時(shí)的氣相局部速度計(jì)的框圖。
圖8示出了峰值檢測器的輸出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)的典型形式。
圖9是在一個(gè)換能器以“發(fā)射-接收”模式工作時(shí)的氣相局部速度計(jì)的框圖。
圖10是圖9中所示框圖中處理的信號(hào)的電壓圖。
圖11示出了在使用一個(gè)換能器的變型中的峰值檢測器的輸出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)形式。
圖12是氣相局部速度的超聲波Doppler測量計(jì)的框圖。
圖13示出了圖12中所示的超聲波Doppler速度計(jì)的框圖中的信號(hào)的典型形式。
圖14是用于測量氣相局部速度的超聲波Doppler測量計(jì)的框圖的第二種變型。
圖15是圖14中所示框圖中處理的信號(hào)的電壓圖。
圖16是存在與一種多相混合物中的氣體含量測量計(jì)的框圖。
圖17是氣體含量測量計(jì)的框圖中處理的信號(hào)的示意圖。
圖18是峰值檢測器的輸出信號(hào)的示意圖。
圖19是液相組分體積濃度的超聲波測量計(jì)的框圖。
圖20是在用于測量液相組分體積濃度的框圖中處理的信號(hào)的電壓圖。
圖21是液相組分體積濃度的超聲波測量計(jì)的框圖的第二變型。
圖22是液相組分體積濃度測量計(jì)的框圖的第二變型中的信號(hào)的電壓圖。
本發(fā)明具體實(shí)施例圖1a和1b示出了用于確定在一種多相混合物中的液體組分和氣體的體積流量的設(shè)備的測流室的構(gòu)造。
該測流室通過法蘭連接被安裝在一個(gè)管線中。該流室包括兩個(gè)沿著流動(dòng)方向串行設(shè)置的測量管線區(qū)1和2，所述兩個(gè)管線區(qū)具有不同的流動(dòng)截面積F2＝kF1(直徑D2＝D1√k)。對(duì)于圖1，使k＜1。
流動(dòng)截面積的改變會(huì)使具有橫截面積F1和F2的測量管線區(qū)中的液相速度和氣相實(shí)際速度產(chǎn)生很大的變化。為了保證流動(dòng)的最小流體動(dòng)力學(xué)干擾，利用過渡管線區(qū)3和4實(shí)現(xiàn)從第一區(qū)到第二區(qū)的過渡以及回到管線的初始橫截面積F1。一個(gè)實(shí)際速度計(jì)和氣體含量測量計(jì)的每一個(gè)傳感器5和6包括一組沿著截面的半徑設(shè)置在測量管線區(qū)內(nèi)的換能器。液體組分的體積濃度測量計(jì)的傳感器7包括一組設(shè)置在第一管線區(qū)的腔中的換能器。為了加速在換能器體積內(nèi)的粘滯介質(zhì)變化的處理以及去除石蠟沉積物，這些傳感器裝有機(jī)械清潔裝置或者電子加熱器。這些傳感器以這樣一種方式被安裝，即，使它們可從測量管線區(qū)中被取出，例如以便于技術(shù)維護(hù)或者更換。
讓我們單獨(dú)考慮作為該裝置的一部分的多相流參數(shù)的測量計(jì)以及用于確定混合物組分的體積流量的多相混合物流的計(jì)算模型。
利用一種其中以各種尺寸的氣體包裹體表示氣相的液/氣混合物的計(jì)算模型確定各相的流量。取平均的實(shí)際數(shù)值用于公式中。
在第i流動(dòng)橫截面積中的氣相實(shí)際體積濃度為i＝Fg，i/Fi， (1)其中Fi＝π/4Di2是第i個(gè)管線區(qū)的橫截面積；Fg，i＝i·Fi是氣體所占的橫截面積。
由于Fi＝Fg，i+F1，i，其中F1，i是液體所占的橫截面積，我們可將公式(1)改為 其中wrg，i＝Qg，i/Fi是在第i個(gè)管線區(qū)中的氣相的減小的速度，
其中，Qg，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的氣相的體積流量；wr1，i＝Q1，i/Fi是在第i個(gè)管線區(qū)中的液相的減小的速度，其中，Q1，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的液相的體積流量；wg，i＝Qg，i/Fg，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的氣相的實(shí)際速度，其中，Qg，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的氣相的體積流量；w1，i＝Q1，i/F1，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的液相的實(shí)際速度，其中，Q1，i是在第i個(gè)管線區(qū)中的液相的體積流量；以及F1，i＝(1-i)Fi是液體所占的第i個(gè)管線區(qū)的截面積。
由于，除了w1，i＝wr1，i(1-i)，以及wg，i＝w1，i+wg，irel，其中wg，irel是在第i個(gè)管線區(qū)中的氣相的相對(duì)速度，因此我們得到 根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，氣泡wg，irel的相對(duì)流速(上浮的群速度)與實(shí)際體積濃度i存在下列關(guān)系wg，irel＝wg，∞/(1-i)，(4)其中wg，∞是在無限液體介質(zhì)中的單個(gè)上浮氣泡的平均速度。
在測量管線區(qū)中的實(shí)際速度wg，1和wg，2與相對(duì)速度存在下列關(guān)系wg，1＝wl，1+wg，1rel以及wg，2＝wl，2+wg，2rel. (5)用第二等式(5)減去第一等式(5)，我們得到下列等式wg，2-wg，1＝Δwg＝(wt，2-wl，1)+(wg，2rel-wg，1rel)， (6)該等式也可被寫成下列形式
Δwg＝wrl，2/(1-2)-wrl，1/(1-1)+wg，∞[1/(1-2)-1/(1-1)](7)假設(shè)，存在下列關(guān)系F2＝kF1，其中k≠1，并且考慮到，wr1，i＝Q1，i/Fi，我們得到 因?yàn)镼1，i＝Q1。
利用關(guān)系式(3)和(4)可以得到i＝wrg，i/(wrg，i+wrl，i+wg，∞). (9)在進(jìn)行適合的換算并且考慮到Qg，i＝Qg，我們得到1/i＝1+Ql/Qg+F1wg，∞/Qg. (10)代入數(shù)值Qg，i＝Fiiwg，i，其中wg，i和i是被測量的數(shù)值，我們得到 其中根據(jù)
因此Ql＝F1[wg，i(1-i)-wg，∞].(13)應(yīng)該注意的是，在固定液體(Q1＝0)的情況下，根據(jù)公式(13)能夠得到下列關(guān)系wg，i＝wrg，∞(1-i)，這與在wg，i＝wg，irel的情況下得到的相對(duì)速度(4)的確定是相符的。
根據(jù)公式(13)得到Ql＝F1[wg，1(1-1)-wg，∞] (14)以及Ql＝F2[wg，2(1-2)-wg，∞].(15)根據(jù)等式(14)和(15)，并且考慮到F2＝kF1，其中k≠1，我們得到Ql＝F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)]k/(1-k). (16)這樣，根據(jù)關(guān)系式(16)從在第一和第二測量管線區(qū)中所測得的氣相的實(shí)際速度和體積濃度確定在校準(zhǔn)的管線區(qū)中的液相的體積流量。如果F2＝0.5F1，表達(dá)式(16)變?yōu)镼l＝F1[wg，2(1-2)-wg，1(1-1)]. (17)此外，應(yīng)該注意的是，如果1＝2＝0，那么速度計(jì)應(yīng)該固定液相的聲不均勻性以及相應(yīng)的速度w1，1和w1，2。這樣，關(guān)系式(16)轉(zhuǎn)變成公式Ql＝F1·w1，1，并且如果1＝2＝1，那么該關(guān)系式的形式為Ql＝0。
利用下列公式確定液相組分的體積流量
Qoil＝Ql·(1-W)和Qw＝Ql·W， (18)其中W是在乳液中的水的體積濃度。利用下列關(guān)系式確定氣相的體積流量Qg＝wg，1·F1·1＝wg，2·F2·2. (19)圖2示出了多相混合物的氣體局部速度wg的超聲波測量計(jì)的框圖。該測量計(jì)的電路包括電壓脈沖發(fā)生器8；與發(fā)生器8串聯(lián)的第一換能器9，第一換能器9包括發(fā)射器10和接收器11(在它們之間的一個(gè)間隙形成了第一取樣體積12)；第一放大器13和被選通的第一峰值檢測器14。下列元件與發(fā)生器8串聯(lián)第二換能器15，第二換能器15包括發(fā)射器16和接收器17(在它們之間的一個(gè)間隙形成了第二取樣體積18)，第二放大器19和被選通的第二峰值檢測器20。此外，延遲的選通脈沖的形成裝置21以及第一峰值檢測器14和第二峰值檢測器20與發(fā)生器8相連。后面提及的峰值檢測器分別通過第一模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)22和23與計(jì)算器24和顯示器25相連。
傳感器9和15以這樣一種形式被設(shè)置在管線內(nèi)，即，使多相流首先通過一個(gè)取樣體積(例如取樣體積18)再通過另一個(gè)取樣體積(例如取樣體積12)。以這樣一種方式選擇換能器的尺寸，即，能夠產(chǎn)生最小的流動(dòng)干擾(換能器的直徑≤3毫米)。發(fā)射器和接收器之間的距離δ為2毫米，并且下面成對(duì)的換能器和上面成對(duì)的換能器之間的距離1等于3÷5毫米。第一對(duì)換能器和第二對(duì)換能器的波導(dǎo)在傳感器的平面圖中是相互垂直以提高多相流的流體動(dòng)力性能。
一種超聲波局部速度計(jì)以下列方式操作。來自于發(fā)生器8的電壓脈沖被傳輸?shù)桨l(fā)射器3和9，被轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖并且通過取樣體積12和18，接著它們被接收器11和17接收，被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大器13和19的放大并且被傳輸?shù)奖贿x通的峰值檢測器14和20。在以固定的脈沖頻率傳輸超聲波脈沖的同時(shí)，選通脈沖到達(dá)峰值檢測器14和20的選通輸入，超聲波脈沖通過的時(shí)間是由發(fā)射器和接收器之間的距離確定的。選通脈沖將峰值檢測器切換到一個(gè)啟動(dòng)狀態(tài)。因此，與所接收的聲信號(hào)的幅值成比例的電壓電平形成在峰值檢測器的輸出(見圖3中所示的電壓圖)。在ADC22和ADC23中經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換后，電壓信號(hào)被傳輸?shù)接?jì)算器24，計(jì)算器24計(jì)算關(guān)于所接收的聲信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)(CCF)并且將其示出在顯示器25上。
由于離散結(jié)構(gòu)，多相混合物是一種聲不均勻的介質(zhì)。因此，所接收的信號(hào)的幅值將出現(xiàn)波動(dòng)。首先當(dāng)聲擴(kuò)散體(大部分是氣體包裹體，主要用于超聲波脈沖的擴(kuò)散)通過第二取樣體積時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，在第二峰值檢測器20處的輸出信號(hào)的幅值改變并且接著帶有一些延遲，所述延遲等于聲擴(kuò)散體從第二取樣體積到第一取樣體積的時(shí)間τ，在第二峰值檢測器14處的輸出信號(hào)的幅值也改變。峰值檢測器的輸出信號(hào)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累積提供一個(gè)CCF的最大值的形成，其沿著時(shí)間軸線的坐標(biāo)等于τ。因此，利用下列表達(dá)式確定局部氣體速度wg＝1/τ，其中1是第一取樣體積和其二取樣體積之間的距離。
圖4中示出了該互相關(guān)函數(shù)的典型形式。
通過測量局部氣體速度的聲檢測多相混合物的另一種變型也是可以的。在這種情況下，使用兩個(gè)串行設(shè)置的聲換能器，所述聲換能器以“發(fā)射-接收”模式工作。圖5中示出了這樣一種情形。
在該變型中，速度計(jì)包括兩個(gè)相同的電聲通道，每一個(gè)包括下列串聯(lián)的元件一個(gè)聲傳感器26、一個(gè)放大器13、一個(gè)被選通的峰值檢測器14、一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)22以及一個(gè)電脈沖發(fā)生器8，電脈沖發(fā)生器8通過一個(gè)取樣體積電阻器27和一個(gè)延遲選通脈沖的形成裝置21與傳感器26相連。形成裝置21與峰值檢測器14的選通輸入相連。所述通道的輸出與一個(gè)計(jì)算器24以及接著一個(gè)顯示器25相連。聲傳感器位于一個(gè)管線內(nèi)以使多相流28順序地首先通過第一通道的一個(gè)取樣體積，接著通過第二通道的一個(gè)取樣體積。
該測量計(jì)以下列方式操作。來自于發(fā)生器28的電脈沖被傳輸?shù)铰晜鞲衅?6，它們?cè)诼晜鞲衅?6中被轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)并且被發(fā)射到多相流28中。接著，一部分聲能從介質(zhì)擴(kuò)散體發(fā)射并且回到傳感器26，被放大器13放大并且被傳輸?shù)奖贿x通的峰值檢測器14。同時(shí)來自于形成裝置21的延遲選通脈沖被傳輸?shù)椒逯禉z測器14的選通輸入(見圖6中的電壓圖)。電阻器27執(zhí)行發(fā)生器8的輸出與放大器13的輸入的去耦。在峰值檢測器14的輸出處，形成與所接收的聲信號(hào)的幅值成比例的電壓電平?？紤]超聲波信號(hào)從傳感器到取樣體積以及返回的通過時(shí)間，設(shè)定選通脈沖相對(duì)于發(fā)生器8的脈沖的延遲時(shí)間t0(見圖6)。
在峰值檢測器的輸出處的信號(hào)幅值根據(jù)在一個(gè)取樣體積中的聲擴(kuò)散體的出現(xiàn)而產(chǎn)生波動(dòng)。由于擴(kuò)散體首先通過第一傳感器的取樣體積接著通過第二傳感器的取樣體積，因此形成了它們的CCF上的最大值。該最大值的沿著時(shí)間軸線的坐標(biāo)τ是由擴(kuò)散體從第一傳感器到第二傳感器的通過時(shí)間確定的。包含在一種介質(zhì)中的擴(kuò)散體的速度是由下列公式確定的wg＝1/τ，其中1是第一傳感器和其二傳感器之間的距離。
為了計(jì)算，來自于第一通道和第二通道的峰值檢測器的輸出的CCF信號(hào)通過ADC到達(dá)計(jì)算器24。計(jì)算結(jié)果顯示在顯示器25上。
除了上述變型以外，可利用一個(gè)換能器來實(shí)現(xiàn)氣體局部速度計(jì)，所述換能器具有一對(duì)聲信號(hào)發(fā)射器和接收器并且也位于所述管線內(nèi)。以彼此相對(duì)的方式設(shè)置發(fā)射器和接收器并且形成一個(gè)取樣體積。選擇它們之間的距離以使一種混合物能夠自由流過所述取樣體積。利用通過一個(gè)間隙的聲擴(kuò)散體使超聲波信號(hào)在所述擴(kuò)散體通過取樣體積的時(shí)間內(nèi)衰減。根據(jù)這些情況，形成一個(gè)輸出信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)并且確定擴(kuò)散體通過取樣體積的時(shí)間。圖7中示出了氣體局部速度計(jì)的這種變型。在這種情況下，該電路包括下列串聯(lián)的元件電脈沖發(fā)生器8、與接收器11聲連接的發(fā)射器10、放大器13、被選通的峰值檢測器14、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)22、計(jì)算器24和顯示器25。發(fā)生器8還通過一個(gè)延遲選通脈沖的形成裝置21與峰值檢測器的選通輸入相連。發(fā)射器10和接收器11之間的間隔表示一個(gè)取樣體積12。
該速度計(jì)以下列方式操作。來自于發(fā)生器8的電脈沖到達(dá)發(fā)射器10，被轉(zhuǎn)換成超聲波信號(hào)并且通過取樣體積12到達(dá)接收器11，接著到達(dá)放大器13和峰值檢測器14。同時(shí)，在信號(hào)從發(fā)射器到接收器的傳播時(shí)間內(nèi)延遲的來自于形成裝置21的選通脈沖被送至峰值檢測器的選通輸入。來自于峰值檢測器14的輸入的并且與所接收的信號(hào)幅值成比例的電壓被傳輸給ADC22，接著被傳輸給計(jì)算器24和顯示器25。當(dāng)顆粒尺寸小于取樣體積的聲信號(hào)擴(kuò)散體存在于多相流中時(shí)，進(jìn)入到取樣體積中的每一個(gè)擴(kuò)散體將導(dǎo)致所接收的信號(hào)的幅值波動(dòng)。幅值波動(dòng)的時(shí)間基本上等于擴(kuò)散體通過取樣體積的時(shí)間。自相關(guān)函數(shù)為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)取樣確定了平均時(shí)間。圖8中示出了自相關(guān)函數(shù)的一種典型形式。因此，可利用下列公式計(jì)算氣體局部速度wg＝d/τ1，其中d是壓電發(fā)射板在流動(dòng)方向上的一個(gè)線性尺寸，τ1是該自相關(guān)函數(shù)的一個(gè)波瓣寬度(圖8)。
氣體局部速度計(jì)的另一個(gè)變型也是可以的。圖9中示出了其技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程。在該變型中，該速度計(jì)的電路包括下列串聯(lián)的元件一個(gè)聲換能器26、一個(gè)放大器13、一個(gè)被選通的峰值檢測器14、一個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器22、一個(gè)計(jì)算器24、一個(gè)顯示器25以及發(fā)生器8，所述發(fā)生器8通過電阻器27與換能器26相連并且通過一個(gè)延遲選通脈沖的形成裝置21與峰值檢測器14的選通輸入相連。換能器26位于一個(gè)管線內(nèi)以使多相流28以與流動(dòng)方向垂直的方向穿過換能器26的聲場。
該速度計(jì)以下列方式操作。來自于發(fā)生器8的電壓脈沖通過電阻器27被傳輸?shù)綋Q能器26，它們?cè)趽Q能器26中被轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)并且以與流動(dòng)方向垂直的方向被發(fā)射到多相流28中。一部分聲能從多相介質(zhì)的聲擴(kuò)散體(大部分是氣體包裹體)反射并且返回?fù)Q能器26，在換能器26中被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，所述電信號(hào)通過放大器13到達(dá)峰值檢測器14。同時(shí)，來自于形成裝置21的延遲選通脈沖被傳輸?shù)椒逯禉z測器14的選通輸入(見圖10中所示的電壓圖)。
一個(gè)電阻器使發(fā)生器8的輸出和放大器13的輸入去耦。在峰值檢測器14的輸出處的電壓幅值與所接收的信號(hào)的幅值成比例。
根據(jù)超聲波信號(hào)從換能器26到取樣體積以及返回的通過時(shí)間，設(shè)定選通脈沖相對(duì)于發(fā)生器8的脈沖的延遲時(shí)間t0(見圖10)。
在峰值檢測器的輸出處的信號(hào)幅值根據(jù)在一個(gè)取樣體積中的聲擴(kuò)散體的出現(xiàn)而產(chǎn)生波動(dòng)。幅值波動(dòng)的時(shí)間基本上等于擴(kuò)散體通過取樣體積的時(shí)間。在擴(kuò)散體的尺寸遠(yuǎn)小于取樣體積的尺寸的情況下，可按照下列公式根據(jù)自相關(guān)函數(shù)確定氣體局部速度wg＝d/τ1，其中d是壓電發(fā)射板在流動(dòng)方向上的一個(gè)線性尺寸，τ1是該自相關(guān)函數(shù)的一個(gè)波瓣寬度(圖11)。
除了上述變型以外，利用速度確定的Doppler方法的超聲波局部氣體速度計(jì)的另一個(gè)實(shí)施例也是可以的。在這種情況下，線性尺寸高達(dá)3毫米的發(fā)射器和接收器以相互之間保持一個(gè)固定角度的方式被設(shè)置在校準(zhǔn)的管線區(qū)。圖12中示出了該速度計(jì)的電路。該速度計(jì)包含一個(gè)與發(fā)射器10相連的電脈沖發(fā)生器8。接收器11通過一個(gè)放大器13與一個(gè)相位檢測器-倍增器29相連。下列元件與檢測器29的輸出串聯(lián)一個(gè)低通濾波器30、第二放大器31、一個(gè)信號(hào)頻譜計(jì)算器32和一個(gè)顯示器25。以下列方式在該測量電路中處理信號(hào)。在多相流的聲擴(kuò)散體對(duì)發(fā)射出來的超聲波振動(dòng)反射后，聲信號(hào)到達(dá)接收器11，被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通過放大器13被傳輸?shù)较辔粰z測器29的第一輸入。來自于發(fā)生器8的電壓信號(hào)被送至相位檢測器29的第二輸入。來自于檢測器29的輸出的低頻信號(hào)通過濾波器30和放大器31被送至計(jì)算器32，在計(jì)算器32中，與聲擴(kuò)散體到達(dá)換能器的速度成比例的Doppler頻率被確定并且接著計(jì)算氣體局部速度。處理的結(jié)果被送至顯示器9。圖13中示出了該電路中的信號(hào)處理。
圖14中示出了超聲波Doppler氣體局部速度計(jì)的實(shí)施例的另一個(gè)變型。線性尺寸高達(dá)3毫米的發(fā)射器和接收器也以相互之間保持一個(gè)固定角度的方式被設(shè)置在校準(zhǔn)的管線區(qū)。該速度計(jì)的測量電路包括與發(fā)射器10相連的電壓脈沖發(fā)生器8。接收器11通過一個(gè)放大器13與一個(gè)相位檢測器-倍增器29相連，相位檢測器-倍增器29的輸出與一個(gè)“取樣-存儲(chǔ)”塊30相連。相位檢測器29的第二輸入與發(fā)生器8相連?！叭?存儲(chǔ)”塊30的輸入通過延遲選通脈沖的形成裝置21與發(fā)生器8相連。塊30的輸出與計(jì)算器32相連，并且接著與顯示器25相連。
該速度計(jì)以下列方式操作。電壓脈沖從發(fā)生器8被傳輸?shù)桨l(fā)射器10并且產(chǎn)生沿著與流動(dòng)方向相反的方向傳播的聲脈沖。從主要由氣泡構(gòu)成的聲擴(kuò)散體反射的脈沖到達(dá)接收器11并且通過放大器13被傳輸?shù)较辔粰z測器-倍增器29的第一輸入。一個(gè)高頻信號(hào)從發(fā)生器8被送至檢測器29的第二輸入。一個(gè)低頻信號(hào)從檢測器29被送至“取樣-存儲(chǔ)”塊30，“取樣-存儲(chǔ)”塊30在由形成裝置21的延遲選通脈沖的時(shí)間位置確定的時(shí)刻在其輸入中記錄信號(hào)。在計(jì)算器32中執(zhí)行對(duì)來自于“取樣-存儲(chǔ)”塊30的信號(hào)進(jìn)行頻譜處理，在計(jì)算器32中，與聲擴(kuò)散體到達(dá)發(fā)射機(jī)的速度成比例的Doppler頻率被隔離并且接著計(jì)算氣體局部速度。處理結(jié)果顯示在顯示器25上。圖15中示出了在該電路中的信號(hào)處理。
超聲波氣體含量測量計(jì)(見圖16)包含一個(gè)與發(fā)射器10串聯(lián)的電壓脈沖發(fā)生器8，發(fā)射器10與接收器11、放大器33和被選通的峰值檢測器34聲連接。發(fā)生器8還通過延遲選通脈沖的形成裝置35與峰值檢測器34的選通輸入相連。峰值檢測器的輸出與第一比較器36的直接輸入、與第二比較器37的反相輸入以及一個(gè)計(jì)算器24相連。比較器36和37的輸出也與計(jì)算器24相連以及接著與顯示器25相連。第一峰值檢測器的反相輸入和第二峰值檢測器的直接輸入分別與第一電壓設(shè)定裝置38和第二電壓設(shè)定裝置39相連。發(fā)射器10和接收器11以一個(gè)與另一個(gè)相對(duì)的方式被固定以形成一個(gè)取樣體積40。
該測量計(jì)是以下列方式操作的。由發(fā)生器8產(chǎn)生的矩形電壓脈沖被發(fā)射器10轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖，超聲波脈沖被發(fā)射到取樣體積40中，到達(dá)接收器11，被轉(zhuǎn)換成電壓脈沖并且通過放大器33被傳輸?shù)椒逯禉z測器34。圖17中示出了一個(gè)測量計(jì)測量電路的各元件中信號(hào)處理的示意圖。在峰值檢測器34的輸出處形成與在延遲選通脈沖到達(dá)時(shí)所接收的信號(hào)幅值成比例的電平。
被接收的信號(hào)幅值是由取樣體積40中的氣體體積濃度確定的。當(dāng)取樣體積被液體充滿并且沒有氣體包裹體時(shí)，被接收的信號(hào)幅值處于最大值，并且在峰值檢測器34的輸入處的電壓電平高于設(shè)定裝置38的電壓(U1)。這導(dǎo)致比較器36的啟動(dòng)并且在其輸出處形成一個(gè)單獨(dú)的邏輯信號(hào)。該邏輯信號(hào)被送至計(jì)算器24并且在氣體體積濃度＝0時(shí)被計(jì)算器24考慮(見圖18)。在一個(gè)實(shí)際的多相流中的氣體包裹體的尺寸是不同的并且可小于和大于取樣體積40的尺寸。當(dāng)氣泡或者氣柱的尺寸超過取樣體積的尺寸時(shí)，超聲波脈沖的傳播被完全阻擋，被接收的信號(hào)幅值減小到由噪聲級(jí)所確定的最小值，并且在峰值檢測器34的輸出處的電壓電平也達(dá)到最小，并且低于設(shè)定裝置39的電壓(U2)。在這種情況下，比較器37啟動(dòng)并且產(chǎn)生一個(gè)在氣體體積濃度＝1時(shí)被計(jì)算器24考慮的單獨(dú)的邏輯信號(hào)。
當(dāng)氣泡的尺寸小于取樣體積40的尺寸時(shí)，峰值檢測器34的輸出信號(hào)幅值在從U1到U2的范圍內(nèi)(見圖18)并且由下列關(guān)系式確定
U＝Umaxexp(-k·nb·db2)， (20)其中Umax是當(dāng)液相充填被控制的體積時(shí)的信號(hào)幅值，K是由傳感器的幾何尺寸、超聲波頻率等確定的比例因子，nb是氣泡的濃度，db是氣泡的直徑。
考慮到，由于混合物流動(dòng)而使取樣體積中氣泡的濃度發(fā)生連續(xù)變化，信號(hào)幅值也出現(xiàn)波動(dòng)。取樣體積中的氣泡數(shù)量是由Puasson法則確定的。因此，通過測量被接收的信號(hào)及其彌散值的平均值，利用計(jì)算器24根據(jù)一種已知的數(shù)學(xué)模型計(jì)算nb和db的數(shù)值。按照下列公式確定氣體體積濃度 其中，V是取樣體積，N＝nb·V是取樣體積中的氣泡數(shù)量。
在氣體包裹體在多相流中的組分可變的情況下，利用下列關(guān)系式確定氣相濃度 T＝t1+t2+t3是時(shí)間的平均值，其中t1是當(dāng)氣體包裹體不存在于取樣體積中時(shí)的時(shí)間段，t2是當(dāng)表現(xiàn)為大直徑氣泡和氣柱的氣體包裹體存在于取樣體積中時(shí)的時(shí)間段，t3是當(dāng)小直徑氣泡存在于取樣體積中時(shí)的時(shí)間段。
根據(jù)技術(shù)實(shí)施的條件或者傳感器的應(yīng)用來選擇取樣體積的尺寸，該尺寸通常小于1立方毫米。
圖19中示出了液體組分的體積濃度的超聲波測量計(jì)的框圖。該測量計(jì)的測量電路包括一個(gè)電壓脈沖發(fā)生器8以及下列與其串聯(lián)的元件一個(gè)與接收器11聲連接的發(fā)射器10、放大器41、第一比較器42、第一元件2&43、第一RS觸發(fā)器44、第二元件2&45、第二RS觸發(fā)器46以及一個(gè)“持續(xù)時(shí)間-幅值”轉(zhuǎn)換器47。發(fā)生器8還與延遲選通脈沖的形成裝置48以及RS觸發(fā)器44和46的第二輸入相連。第一比較器42的第二輸入與一個(gè)電壓設(shè)定裝置49相連。放大器41的輸出與一個(gè)第二比較器50相連，其輸出與第二元件2&45的第二輸入相連。延遲選通脈沖的形成裝置48的輸出與第一元件2&43的第二輸入相連。
發(fā)射器和接收器以一個(gè)與另一個(gè)相對(duì)的形式被安裝在一個(gè)工具主體51上，從而形成一個(gè)取樣體積52。
工具主體51裝有加熱器53和用于對(duì)所述取樣體積52進(jìn)行清潔的元件54。
體積濃度的超聲波測量計(jì)以下列方式操作。
由發(fā)生器8產(chǎn)生的矩形電壓脈沖通過發(fā)射器10被轉(zhuǎn)換成超聲波脈沖。在通過取樣體積52后，它們到達(dá)接收器11并且被轉(zhuǎn)換成電脈沖。接著，所述信號(hào)通過放大器41被傳輸?shù)降谝槐容^器42的直接輸入。
在發(fā)送電壓脈沖的同時(shí)，第一RS觸發(fā)器44被切換到一個(gè)“0”狀態(tài)并且第二RS觸發(fā)器46被切換到一個(gè)“1”狀態(tài)。
由于比較器42的反相輸入與電壓設(shè)定裝置49相連，因此當(dāng)被接收的信號(hào)幅值超過一個(gè)設(shè)定電壓時(shí)啟動(dòng)比較器42。來自于比較器42的輸出的脈沖通過被從延遲選通脈沖的形成裝置48輸出的脈沖選通的第一元件2&43被傳輸?shù)降谝籖S觸發(fā)器44的S輸入并且將其切換成“一”狀態(tài)(見圖20中的電壓圖)。利用超聲波脈沖從發(fā)射器10到接收器11的傳播時(shí)間確定一個(gè)時(shí)間滯后。利用一個(gè)延遲元件排除由電子和聲噪聲所規(guī)定的測量計(jì)的錯(cuò)誤啟動(dòng)。
由于第二比較器50的其中一個(gè)輸入與地線相連，因此當(dāng)被接收的信號(hào)幅值與一個(gè)“零”標(biāo)記交叉以平整固定一個(gè)很弱的信號(hào)時(shí)，它每次產(chǎn)生電壓脈沖(見圖20)。該比較器的輸出信號(hào)不取決于被接收的信號(hào)幅值。
來自于第一RS觸發(fā)器44的一個(gè)輸出并且被傳輸?shù)降诙?&45的其中一個(gè)輸入的信號(hào)能夠使來自于第二比較器50的信號(hào)通過，表示被接收的信號(hào)與一個(gè)“零”標(biāo)記交叉。第一“零”標(biāo)記交叉使第二RS觸發(fā)器46啟動(dòng)，這樣將其切換到“零”狀態(tài)。這樣形成的電壓脈沖具有與超聲波脈沖從發(fā)射器10到接收器11的通過時(shí)間成比例的持續(xù)時(shí)間并且不取決于超聲波脈沖幅值。接著，這些脈沖在轉(zhuǎn)換器47中被轉(zhuǎn)換成與其被傳輸?shù)接?jì)算器和監(jiān)視器的持續(xù)時(shí)間成比例的幅值信號(hào)。
在液體組分體積濃度的超聲波測量計(jì)的第二個(gè)變型(見圖21)中，一個(gè)電壓設(shè)定裝置用作一個(gè)被選通的峰值檢測器55(見圖21)。其輸入與放大器41的輸出相連，一個(gè)選通輸入與延遲選通脈沖的形成裝置48的輸出相連，以及峰值檢測器55的輸出通過分壓器56與第一比較器42的第二輸入相連。
該電壓設(shè)定裝置以下列方式操作。來自于放大器41的電壓信號(hào)被傳輸?shù)椒逯禉z測器55。在利用超聲波脈沖從發(fā)射器10到接收器11的通過時(shí)間確定一個(gè)時(shí)間滯后的同時(shí)，來自于延遲選通脈沖的形成裝置48的信號(hào)到達(dá)其選通輸入(見圖22)。因此，等于信號(hào)幅值的最大值的電壓電平形成在峰值檢測器55的輸出處。通過分壓器56的電壓信號(hào)衰減以便在由于被控制的介質(zhì)性能和溫度出現(xiàn)變化以及由于測量電路元件的老化等而使其產(chǎn)生變化時(shí)能夠以所選擇的信號(hào)半波確保第一比較器42的安全啟動(dòng)。
使用這樣的電壓設(shè)定裝置，通過在規(guī)定的介質(zhì)中信號(hào)衰減的顯著變化(10倍)，例如，通過在取樣體積內(nèi)出現(xiàn)氣泡、組分離散以及通過其他原因，能夠自動(dòng)地支持比較器啟動(dòng)的電平。
利用處理器根據(jù)一組程序可以控制局部數(shù)值wg，1、wg，2、1、2、W的測量計(jì)的操作。也可利用處理器進(jìn)行上述指示的數(shù)值的校準(zhǔn)的管線區(qū)的時(shí)間平均和橫截面平均。另外，可利用處理器根據(jù)公式(16、18、19)確定諸如液體、油、水和氣體的多相流組分的體積流量Ql、Qoil、Qw、Qg。
盡管上述本發(fā)明特別適用于油、水和氣體的混合物，但是必須理解的是，如所附的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的原理也適用于其他混合物。
另外，盡管圖1中的示例示出的管線區(qū)順序是從流動(dòng)方向看過去橫截面積逐漸減小，但是也可使用相反的管線區(qū)順序，即從流動(dòng)方向看過去橫截面積逐漸增大的管線區(qū)順序。
權(quán)利要求
1.用于確定沿著一管線的多相液/氣混合物的流動(dòng)特性的方法，其包括下列步驟a.改變?cè)诘谝还芫€區(qū)(1)和與第一管線區(qū)(1)串行的第二管線區(qū)(2)中的混合物的流速；b.測量在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的多相流的局部流動(dòng)特性；c.根據(jù)所測定的局部流動(dòng)特性確定混合物的氣相的體積流量(Qg)、第一液相組分的體積流量(Q1)和第二液相組分的體積流量(Q2)，其特征在于，d.對(duì)于每一個(gè)管線區(qū)(1、2)，測量所述混合物中的至少一個(gè)相的實(shí)際速度(w)；e.在每一個(gè)管線區(qū)(1、2)中，測量混合物的聲導(dǎo)率；f.根據(jù)所測定的聲導(dǎo)率數(shù)值確定每一個(gè)管線區(qū)(1、2)的混合物的氣相的體積濃度()；g.根據(jù)所測定的聲導(dǎo)率數(shù)值確定每一個(gè)管線區(qū)(1、2)的混合物的液體組分的體積濃度(W)；h.根據(jù)在每一個(gè)管線區(qū)(1、2)中的各相的速度值和濃度值確定體積流量值。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，第一管線區(qū)(1)的橫截面積(F1)不同于第二管線區(qū)(2)的橫截面積(F2)，并且F2＝kF1，其中k≠1。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，利用下列公式確定液相體積流量Ql＝k/(k-1)F1[w2(1-2)-w1(1-1)]，其中w1、w2是分別在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的氣相的平均實(shí)際速度，1、2是分別在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的混合物中氣體的平均實(shí)際體積濃度；利用下列公式確定氣相體積流量Qg＝F1w11或者Qg＝F2w22，利用下列公式確定液相的第一組分的體積流量Q1＝WQl，利用下列公式確定液相的第二組分的體積流量Q2＝(1-W)Ql。
4.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)的每一個(gè)所述橫截面中的不同徑向位置處測量氣相的速度(w)，并且對(duì)于每一個(gè)橫截面的所測定的局部速度值取平均值以提供一個(gè)用作在計(jì)算中的速度值的數(shù)值。
5.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，在所述第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)的每一個(gè)所述橫截面中的不同徑向位置處測量氣相的濃度()，并且對(duì)于每一個(gè)橫截面的所測定的體積濃度值取平均值以提供一個(gè)用作在計(jì)算中的濃度值的數(shù)值。
6.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用超聲波換能器進(jìn)行所述測量。
7.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用在第一和第二管線區(qū)(1、2)中的至少一個(gè)橫截面中的超聲波換能器以及通過測量超聲波脈沖從換能器通過混合物的通過時(shí)間來確定混合物的液相組分的體積濃度(W)。
8.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用在第一和第二管線區(qū)(1、2)中的至少一個(gè)橫截面中的超聲波換能器以及通過測量超聲波脈沖從換能器通過混合物的幅值來確定混合物的氣相組分的體積濃度()。
9.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用在第一和第二管線區(qū)(1、2)中的至少一個(gè)橫截面中的超聲波換能器以及通過互相關(guān)或者自相關(guān)方法來確定混合物的各相的速度(w)。
10.如上述任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，利用在第一和第二管線區(qū)(1、2)中的至少一個(gè)橫截面中的超聲波換能器以及通過測量來自于換能器的超聲波脈沖的Doppler頻率來確定混合物的各相的速度(w)。
11.如權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的方法，其特征在于，利用電導(dǎo)率換能器進(jìn)行所述測量。
12.如權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的方法，其特征在于，利用電容換能器進(jìn)行所述測量。
13.如權(quán)利要求1、2、3、4、5所述的方法，其特征在于，利用光學(xué)傳感器進(jìn)行所述測量。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述混合物的液相組分是水和油。
15.用于確定沿著一個(gè)管線的多相液/氣混合物的流動(dòng)特性的設(shè)備，其包括i.用于改變?cè)诘谝还芫€區(qū)(1)和與第一管線區(qū)(1)串行的第二管線區(qū)(2)中的混合物的流速的流室，所述兩個(gè)管線區(qū)設(shè)置在所述流室中；j.用于測量在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的多相流的局部流動(dòng)特性的裝置；k.用于根據(jù)所測定的局部流動(dòng)特性確定混合物的氣相的體積流量(Qg)、第一液相組分的體積流量(Q1)和第二液相組分的體積流量(Q2)的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，對(duì)于每一個(gè)管線區(qū)(1、2)，使用下列用于測量所述混合物的至少一個(gè)相的局部流動(dòng)特性的裝置1.用于根據(jù)相關(guān)性或者Doppler方法測量混合物的氣體實(shí)際速度(w)的超聲波氣體速度計(jì)；m.超聲波氣體體積濃度測量計(jì)；n.液體組分體積濃度的超聲波測量計(jì)。
17.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，使用帶有用于測量所述混合物的至少一個(gè)相的局部流動(dòng)特性的電容或者電導(dǎo)率換能器的測量計(jì)。
18.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，對(duì)于每一個(gè)管線區(qū)(1、2)，使用用于測量氣體體積濃度的伽馬測量計(jì)。
19.如權(quán)利要求15所述的設(shè)備，其特征在于，使用相對(duì)于每一個(gè)管線區(qū)(1、2)垂直設(shè)置的并且利用測量靜壓力差來確定氣體體積濃度的設(shè)備。
20.如權(quán)利要求15、16、17所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體速度計(jì)在所述第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)的每一個(gè)所述橫截面中的不同徑向位置處測量氣相的速度(w)，并且對(duì)于每一個(gè)橫截面的所測定的局部速度值取平均值以提供一個(gè)用作在計(jì)算中的速度值的數(shù)值。
21.如權(quán)利要求15、16、17所述的設(shè)備，其特征在于，所述氣體體積濃度測量計(jì)在所述第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)的每一個(gè)所述橫截面中的不同徑向位置處測量氣相的濃度()，并且對(duì)于每一個(gè)橫截面的所測定的體積濃度值取平均值以提供一個(gè)用作在計(jì)算中的濃度值的數(shù)值。
22.如權(quán)利要求15、16、17、18、19、20、21所述的設(shè)備，其特征在于，第一管線區(qū)(1)的橫截面積(F1)不同于第二管線區(qū)(2)的橫截面積(F2)，并且F2＝kF1，其中k≠1。
23.如權(quán)利要求15、16、17、18、19、20、21所述的設(shè)備，其特征在于，包括一個(gè)處理器，所述處理器能夠利用下列公式確定液相體積流量Ql＝k/(k-1)F1[w2(1-2)-w1(1-1)]，其中w1、w2是分別在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的氣相的平均實(shí)際速度，1、2是分別在第一管線區(qū)(1)和第二管線區(qū)(2)中的混合物中氣體的平均實(shí)際體積濃度；利用下列公式確定氣相體積流量Qg＝F1w11或者Qg＝F2w22，利用下列公式確定液相的第一組分的體積流量Q1＝WQl，利用下列公式確定液相的第二組分的體積流量Q2＝(1-W)Ql。
24.如權(quán)利要求15、16、17、18、19、20、22、23所述的設(shè)備，其特征在于，所檢測的多相流的液相組分是水和油。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測量在沿著一個(gè)管線的多相混合物中的液體組分和氣體的體積流量以及確定它們的體積濃度的方法和設(shè)備。利用一種超聲波系統(tǒng)進(jìn)行測量，所述超聲波系統(tǒng)包括一組設(shè)置在所述管線內(nèi)部的局部聲換能器。換能器的每一對(duì)發(fā)射器和接收器形成了在控制下的一種介質(zhì)的取樣體積。利用超聲波脈沖通過所述介質(zhì)的取樣體積的通過時(shí)間來確定混合物組分的體積濃度。利用測量在兩個(gè)管線區(qū)中的相的速度和體積濃度來計(jì)算混合物組分的體積流量，所述兩個(gè)管線區(qū)具有不同的橫截面積并且以相互之間保持一定距離的方式沿著流動(dòng)方向串行地設(shè)置。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1427948SQ01809249
公開日2003年7月2日 申請(qǐng)日期2001年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月9日
發(fā)明者弗拉基米爾·德洛布科夫, 弗拉基米爾·梅爾尼科夫, 安德烈·蘇斯托夫 申請(qǐng)人:內(nèi)斯特國際有限公司, 弗拉基米爾·德洛布科夫, 弗拉基米爾·梅爾尼科夫, 安德烈·蘇斯托夫