專利名稱：扭轉(zhuǎn)傳感器、扭轉(zhuǎn)傳感器的方法及測量流體參數(shù)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及扭轉(zhuǎn)傳感器，其用于通過沿著部分地定位成接觸流體的扭轉(zhuǎn)傳感器傳播扭轉(zhuǎn)波能量來測量流體的至少一個參數(shù)。
背景技術(shù)：
在工業(yè)過程控制中，通常需要確定是沿著(例如)管中的流徑的流體的屬性的至少一個參數(shù)。參數(shù)可包括流體的密度、流體速度、流體高度(level)、溫度、流體相等。存在用于探測與流體相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的許多已知的傳感器。用于探測與流體相關(guān)聯(lián)的參數(shù)的一個這種傳感器是扭轉(zhuǎn)傳感器。在這種裝置中， 扭轉(zhuǎn)傳感器部分地插入需要測量其屬性的流體中。沿著被保持為部分地接觸流體的傳感器而引導(dǎo)波能量。在扭轉(zhuǎn)傳感器的周圍的流體的參數(shù)會影響扭轉(zhuǎn)波特性，具體而言是波模式的渡越時間(time of flight)。換句話說，沿著傳感器的導(dǎo)波能量與流體的相互作用會導(dǎo)致沿著傳感器的導(dǎo)波能量的傳播速度更低，使得與關(guān)于空氣或真空中的傳感器的基準(zhǔn)時間相比，波的渡越時間的改變會提供接觸傳感器的流體的參數(shù)的指示。在特定情況下，流體成分、容器幾何和傳感器特性中的至少一個是已知的，被沿著傳感器引導(dǎo)的波能量的渡越時間的度量可提供流體的參數(shù)的指示。但是，對于給定的波模式，沒有一個已知的扭轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計會通過更長的渡越時間來導(dǎo)致至少一個參數(shù)的測量的改進(jìn)。此外，已知的扭轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計不適于測量不同類型的流體(具體而言，單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物)的至少一個參數(shù)。因此，繼續(xù)存在對于處理這些和其它缺點中的至少一個的改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)傳感器的需要。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器。扭轉(zhuǎn)傳感器包括扭轉(zhuǎn)部分，扭轉(zhuǎn)部分聯(lián)接到基準(zhǔn)部分上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部。扭轉(zhuǎn)傳感器的至少一部分可安裝成以便浸入流體中，并且可操作以沿著扭轉(zhuǎn)傳感器的該至少一部分傳播與流體相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于流體的該至少一個參數(shù)的方式影響扭轉(zhuǎn)波的傳播。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的感測系統(tǒng)。該感測系統(tǒng)包括扭轉(zhuǎn)傳感器，扭轉(zhuǎn)傳感器具有扭轉(zhuǎn)部分，扭轉(zhuǎn)部分聯(lián)接到基準(zhǔn)部分上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部。激勵裝置構(gòu)造成以便在扭轉(zhuǎn)傳感器中激勵波能量。扭轉(zhuǎn)傳感器的至少一部分可安裝成以便浸入流體中，并且可操作以沿著扭轉(zhuǎn)傳感器的該至少一部分傳播與流體相互作用的波能量，以便以依賴于流體的至少一個參數(shù)的方式影響波能量的傳播。變送器裝置構(gòu)造成以便對扭轉(zhuǎn)傳感器提供扭轉(zhuǎn)激勵以及探測來自扭轉(zhuǎn)部分的波能量。處理器裝置構(gòu)造成以便響應(yīng)于來自變送器裝置的輸出來確定流體的至少一個參數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器。該扭轉(zhuǎn)傳感器包括具有至少一個凹口的基準(zhǔn)部分。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器。該傳感器包括包含第一材料的基準(zhǔn)部分。扭轉(zhuǎn)部分聯(lián)接到基準(zhǔn)部分上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部。扭轉(zhuǎn)部分包含不同于第一材料的第二材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器。該傳感器包括基準(zhǔn)部分，基準(zhǔn)部分具有將基準(zhǔn)部分分成兩個或更多個子區(qū)段的至少一個凹口。扭轉(zhuǎn)部分聯(lián)接到基準(zhǔn)部分上，并且具有向外延伸且彼此隔開的多個突出部?；鶞?zhǔn)部分和扭轉(zhuǎn)部分包含相同的材料。根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性實施例，公開了一種用于感測流體的至少一個參數(shù)的方法。


當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更好理解，在附圖中，相似的符號在所有圖中表示相似的部件，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、用于感測流過管道的流體的至少一個參數(shù)的感測系統(tǒng)的簡圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)傳感器的透視圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)傳感器的透視圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)傳感器的透視圖；圖9是根據(jù)圖8的示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面；圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在示例性扭轉(zhuǎn)傳感器上的變送器裝置的側(cè)視圖；圖17是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、包裹在示例性扭轉(zhuǎn)傳感器的基準(zhǔn)部分的周圍的變送器裝置的截面；圖18是表示沿著根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的示例性扭轉(zhuǎn)傳感器傳播的波的幅度-時間的變化的曲線圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的兩個扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖22是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的兩個扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖23是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、沿著管道的一個區(qū)段設(shè)置的多個扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖M是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖25是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的、設(shè)置在管道中的兩個扭轉(zhuǎn)傳感器的截面圖；圖沈是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的扭轉(zhuǎn)傳感器的正視圖；以及圖27是根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施例的扭轉(zhuǎn)傳感器的正視圖。部件列表10感測系統(tǒng)12 流體14 管道16扭轉(zhuǎn)傳感器18基準(zhǔn)部分20扭轉(zhuǎn)部分21激勵裝置22波發(fā)生器24放大器26變送器裝置28數(shù)字示波器30處理器裝置32扭轉(zhuǎn)傳感器34基準(zhǔn)部分36扭轉(zhuǎn)部分38突出部40中心區(qū)段42扭轉(zhuǎn)部分44多個突出部45多個突出部46中心區(qū)段48扭轉(zhuǎn)部分50多個突出部51多個突出部
52中心區(qū)段53交會點54扭轉(zhuǎn)部分55交會點56多個突出部58中心區(qū)段60扭轉(zhuǎn)部分62多個突出部64中心區(qū)段66扭轉(zhuǎn)傳感器68基準(zhǔn)部分70扭轉(zhuǎn)部分72—個突出部74中心區(qū)段76扭轉(zhuǎn)傳感器78基準(zhǔn)部分80扭轉(zhuǎn)部分82—個突出部84中心區(qū)段86星形扭轉(zhuǎn)部分88多個突出部90中心區(qū)段91多個突出部92星形扭轉(zhuǎn)部分93多個突出部94多個突出部95交會點96中心區(qū)段97交會點98星形扭轉(zhuǎn)部分99交會點100多個突出部101交會點102中心區(qū)段104星形扭轉(zhuǎn)部分106多個突出部108中心區(qū)段110扭轉(zhuǎn)部分111傳感器
112多個突出部113變送器裝置114扭轉(zhuǎn)部分的區(qū)段1115基準(zhǔn)部分116基準(zhǔn)信號117扭轉(zhuǎn)部分118信號119擴(kuò)大的頂部部分120基準(zhǔn)信號的峰值121凹進(jìn)的側(cè)部部分122信號的峰值124渡越時間126扭轉(zhuǎn)傳感器128扭轉(zhuǎn)傳感器130管道132基準(zhǔn)部分134扭轉(zhuǎn)部分136一側(cè)138壁140基準(zhǔn)部分142扭轉(zhuǎn)部分144中心軸線146另一側(cè)148扭轉(zhuǎn)傳感器150管道152多個凹口154扭轉(zhuǎn)部分156多個扭轉(zhuǎn)子區(qū)段158扭轉(zhuǎn)傳感器160管道162扭轉(zhuǎn)傳感器164扭轉(zhuǎn)傳感器166管道168多個扭轉(zhuǎn)傳感器170管道172扭轉(zhuǎn)傳感器174管道176扭轉(zhuǎn)傳感器178扭轉(zhuǎn)傳感器
180 管道182扭轉(zhuǎn)傳感器184基準(zhǔn)部分186扭轉(zhuǎn)部分188凹口或凹槽189凹口或凹槽190多個子區(qū)段192扭轉(zhuǎn)傳感器194基準(zhǔn)部分195凹口或凹槽196扭轉(zhuǎn)部分
具體實施例方式如本文下面所論述的那樣，本發(fā)明的實施例公開了用于感測流體的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器。該扭轉(zhuǎn)傳感器包括基準(zhǔn)部分和聯(lián)接到基準(zhǔn)部分上的扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部。扭轉(zhuǎn)部分的縱橫比可有所改變?？v橫比可處于但是不限于1 2至1 7的范圍中。扭轉(zhuǎn)傳感器的至少一部分可安裝成以便浸入流體中，并且可操作以沿著扭轉(zhuǎn)傳感器的至少一部分傳播與流體相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于流體的至少一個參數(shù)的方式影響扭轉(zhuǎn)波的傳播。該至少一個參數(shù)包括流體的絕對密度、密度分布(profile)、流體高度、絕對溫度、溫度分布、絕對粘度、粘度分布、絕對流速、流速分布、 絕對流體相份額、流體相份額分布或它們的組合。流體可包括單相流體或兩相流體混合物或多相流體混合物。在一個具體實施例中，公開了結(jié)合扭轉(zhuǎn)傳感器的系統(tǒng)。在用于測量單相流體或兩相流體混合物或多相流體混合物中的至少一個參數(shù)的解決方案上，示例性扭轉(zhuǎn)傳感器設(shè)計提供了很大的改進(jìn)。參照圖1，示出了用于感測流過管道14的流體12的至少一個參數(shù)的感測系統(tǒng)10 的簡圖。在示出的實施例和隨后的實施例中，管道可為豎直布置或水平布置。應(yīng)當(dāng)注意，雖然公開了管道，但是感測系統(tǒng)10可應(yīng)用于容納流體的任何裝置，以感測是處于靜態(tài)和流動狀態(tài)兩者中的流體的屬性的至少一個參數(shù)。系統(tǒng)10包括部分地浸入流過管道14的流體12 中的扭轉(zhuǎn)傳感器16。扭轉(zhuǎn)傳感器16包括基準(zhǔn)部分18和扭轉(zhuǎn)部分20。在一個具體實施例中，基準(zhǔn)部分18是圓柱形基準(zhǔn)部分。浸入流體12中的扭轉(zhuǎn)傳感器16的深度可有所改變。系統(tǒng)10進(jìn)一步包括具有波發(fā)生器22的激勵裝置21，波發(fā)生器22構(gòu)造成以便通過放大器M將剪切波能量傳遞給扭轉(zhuǎn)傳感器16。變送器裝置沈構(gòu)造成以便對扭轉(zhuǎn)傳感器16提供剪切激勵。沿著扭轉(zhuǎn)傳感器16傳播的超聲導(dǎo)波探測周圍的流體12的存在性和性質(zhì)。當(dāng)扭轉(zhuǎn)傳感器16部分地浸入流體12中時，波的傳播受流體12的至少一個參數(shù)影響。因此，可通過探測波能量沿著傳感器16的傳播來測量流體12的至少一個參數(shù)。至少一個參數(shù)包括流體12的絕對密度、密度分布、流體高度、絕對溫度、溫度分布、絕對粘度、粘度分布、絕對流速、流速分布、絕對流體相份額、流體相份額分布或它們的組合。流體12可包括單相流體或兩相流體混合物或多相流體混合物。在本文應(yīng)當(dāng)注意，兩相流體混合物或多相流體混合物可包括具有不同密度的兩種或更多種流體。例如，多相流體混合物可包括油、水和氣體。激勵源和接收器可為壓電變送器、彎曲型壓電變送器、相位陣列磁致伸縮式變送器、基于激光的電磁聲變送器(EMAT)、相位式EMAT和薄膜。設(shè)想了將示例性傳感器16 應(yīng)用于所有這樣的類型的流體。在示出的實施例中，變送器裝置沈還構(gòu)造成以便探測來自傳感器16的扭轉(zhuǎn)部分 20的波能量。來自變送器裝置沈的對應(yīng)的輸出信號通過數(shù)字示波器觀供給到處理器裝置 30，例如計算機(jī)。處理器裝置30構(gòu)造成以便響應(yīng)于來自變送器裝置沈的輸出信號來確定流體12的至少一個參數(shù)。在本文應(yīng)當(dāng)注意，感測系統(tǒng)10的構(gòu)造是示例性實施例，且不應(yīng)以任何方式理解為限制本發(fā)明的范圍。示例性傳感器16可應(yīng)用于需要探測是流體12的屬性的至少一個參數(shù)的任何應(yīng)用，其中，流體容納在容器中或流過管道。典型的實例包括石油工業(yè)、油&氣體等。參照隨后的實施例來更詳細(xì)地闡述傳感器的示例性傳感器設(shè)計和布置。參照圖2，示出了示例性扭轉(zhuǎn)傳感器32的透視圖。扭轉(zhuǎn)傳感器32包括基準(zhǔn)部分 34和扭轉(zhuǎn)部分36。在示出的實施例中，基準(zhǔn)部分34是圓柱形基準(zhǔn)部分，而扭轉(zhuǎn)部分36是 X形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分36包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部38。具體而言，扭轉(zhuǎn)部分36包括在該扭轉(zhuǎn)部分36的中心區(qū)段40周圍對稱地設(shè)置的多個單獨的突出部38。如之前所論述的那樣，扭轉(zhuǎn)傳感器32利用由于存在周圍的流體介質(zhì)而引起的沿著扭轉(zhuǎn)部分36傳播的波能量的速度的改變來探測流體介質(zhì)的至少一個參數(shù)。當(dāng)剪切波傳播通過傳感器32的扭轉(zhuǎn)部分36時，會發(fā)生在扭轉(zhuǎn)部分36的周圍的流體的加速和減速。法向力施加在扭轉(zhuǎn)部分36的表面上，其繼而作用于周圍的流體上。在扭轉(zhuǎn)部分36的周圍的流體運(yùn)動由在流體-固體接合部處的速度的法向速度分量引起，并且還由周圍的流體的粘滯曳力引起。因此，流體被截留在扭轉(zhuǎn)部分36的角部處，從而影響波能量的傳播。換句話說，波能量的傳播歸因于周圍的流體的慣性?？赏ㄟ^確定傳播的波能量的速度來探測周圍的流體介質(zhì)的至少一個參數(shù)。參照圖3，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分42的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分42是X形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分42包括從中心區(qū)段46向外延伸且彼此隔開的多個突出部44、45。該多個突出部44、 45在中心區(qū)段46周圍對稱地設(shè)置。在一個具體實施例中，兩個突出部44之間的距離可在 3mm至50mm的范圍中。在另一個具體實施例中，兩個突出部45之間的距離可在3mm至50mm 的范圍中。在又一個具體實施例中，突出部44和另一個突出部45之間的距離可在Imm至 17mm的范圍中。突出部44、45的相對的交會點之間的距離可在Imm至20mm的范圍中。參照圖4，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分48的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分48是X形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分48包括從中心區(qū)段52向外延伸且彼此隔開的多個突出部50、51。該多個突出部50、 51在中心區(qū)段52周圍不對稱地設(shè)置。突出部50、51之間的距離可在3mm至50mm的范圍中。交會點53、55之間的距離可在Imm至17mm的范圍中。交會點53、57之間的距離可在 0. 5mm M 8. 5mm的范圍中。參照圖5，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分M的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分討為乂形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分M包括從中心區(qū)段58向外延伸且彼此隔開的多個突出部56。該多個突出部56在中心區(qū)段58周圍對稱地設(shè)置。參照圖6，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分60的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分42為X形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分60包括從中心區(qū)段64向外延伸且彼此隔開的多個突出部62。該多個突出部62在中心區(qū)段64周圍對稱地非對稱地設(shè)置。
參照圖7，示出了示例性扭轉(zhuǎn)傳感器66的透視圖。扭轉(zhuǎn)傳感器66包括基準(zhǔn)部分 68和扭轉(zhuǎn)部分70。在示出的實施例中，基準(zhǔn)部分68為圓柱形基準(zhǔn)部分，而扭轉(zhuǎn)部分70為扇形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分70包括向外延伸的一個突出部72或向外延伸且彼此隔開的多個突出部70。具體而言，扭轉(zhuǎn)部分70包括在扭轉(zhuǎn)部分70的中心區(qū)段74周圍對稱地設(shè)置的多個單獨的突出部72。參照圖8，示出了示例性扭轉(zhuǎn)傳感器76的透視圖。扭轉(zhuǎn)傳感器76包括基準(zhǔn)部分 78和扭轉(zhuǎn)部分80。在示出的實施例中，基準(zhǔn)部分78為圓柱形基準(zhǔn)部分，而扭轉(zhuǎn)部分80為曲扇形扭轉(zhuǎn)部分。扭轉(zhuǎn)部分80包括向外延伸的一個突出部82或向外延伸且彼此隔開的多個突出部80。具體而言，扭轉(zhuǎn)部分80包括在該扭轉(zhuǎn)部分80的中心區(qū)段84周圍對稱地設(shè)置的多個單獨的突出部82。參照圖9，示出了扭轉(zhuǎn)部分80的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分80包括在扭轉(zhuǎn)部分80的中心區(qū)段84周圍對稱地設(shè)置的多個單獨的突出部82。從一個突出部82的尖部到相鄰的突出部80的尖部的距離可在3mm至50mm的范圍中。各個突出部80的基部具有在Imm至20mm 的范圍中的長度。從各個突出部80的尖部到相鄰的突出部80的彎曲部分81的距離可在 2mm至33mm的范圍中。參照圖10，示出了示例性星形扭轉(zhuǎn)部分86的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分86包括從中心區(qū)段90向外延伸且彼此隔開的多個突出部88、91、93。該多個突出部88、91、93在中心區(qū)段90 周圍對稱地設(shè)置。在一個實施例中，兩個突出部88的尖部之間的距離可在3mm至50mm的范圍中。在另一個具體實施例中，兩個突出部91的尖部之間的距離可在Imm至17mm的范圍中。在又一個具體實施例中，一個突出部91的尖部和突出部93的尖部之間的距離可在 3mm至50mm的范圍中。在又一個實施例中，交會點95、97之間的距離可在0. 5mm至7mm的范圍中。在另一個具體實施例，交會點99、101之間的距離可在0. 6mm至8. 5mm的范圍中。在本文應(yīng)當(dāng)注意，在上面論述的實施例中公開的尺寸是示例性的值，并且不應(yīng)以任何方式理解為限制本發(fā)明的范圍。參照圖11，示出了示例性星形扭轉(zhuǎn)部分92的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分92包括從中心區(qū)段96向外延伸且彼此隔開的多個突出部94。該多個突出部94在中心區(qū)段96周圍對稱地設(shè)置。參照圖12，示出了示例性星形扭轉(zhuǎn)部分98的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分98包括從中心區(qū)段102向外延伸且彼此隔開的多個突出部100。該多個突出部100在中心區(qū)段102周圍對稱地設(shè)置。參照圖13，示出了示例性星形扭轉(zhuǎn)部分104的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分104包括從中心區(qū)段108向外延伸且彼此隔開的多個突出部106。該多個突出部106在中心區(qū)段108周圍對稱地設(shè)置。參照圖14，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分110的截面圖。扭轉(zhuǎn)部分110包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部112。參照圖15，示出了示例性扭轉(zhuǎn)部分的截面114。雖然在本文公開了扭轉(zhuǎn)部分的各種形狀，但是還設(shè)想了扭轉(zhuǎn)部分的所有這種形狀的組合。參照圖16，示出了示例性傳感器111和變送器裝置113的布置的側(cè)視圖。在示出的實施例中，傳感器111包括基準(zhǔn)部分115和扭轉(zhuǎn)部分117?；鶞?zhǔn)部分113包括具有凹進(jìn)的側(cè)部部分121的擴(kuò)大的頂部部分119。變送器裝置113安裝到基準(zhǔn)部分113的凹進(jìn)的側(cè)部部分121上。這種布置可應(yīng)用于本文所論述的實施例中的任一個實施例。參照圖17，公開了基準(zhǔn)部分115和變送器裝置113的布置的側(cè)視圖?；鶞?zhǔn)部分115 包括擴(kuò)大的頂部部分119，而變送器裝置113包裹在擴(kuò)大的頂部部分119的周圍。參照圖18，示出了示出表示來自傳感器的扭轉(zhuǎn)部分的波能量的輸出信號的幅度相對于時間(以秒為單位)的變化的圖示。如上面所論述的那樣，變送器裝置還構(gòu)造成以便探測來自傳感器的扭轉(zhuǎn)部分的波能量。來自變送器裝置的對應(yīng)的輸出信號通過數(shù)字示波器供給到處理器裝置。處理器裝置構(gòu)造成以便響應(yīng)于來自變送器裝置的輸出信號來確定流體的至少一個參數(shù)。通過測量波到達(dá)扭轉(zhuǎn)傳感器的兩個位置處的時間來確定波在扭轉(zhuǎn)部分中的傳播速度?；鶞?zhǔn)信號116是從傳感器的基準(zhǔn)部分和扭轉(zhuǎn)部分之間的接合部傳遞的信號。信號 118是從傳感器的扭轉(zhuǎn)部分的端部傳遞的信號。例如，參照圖2，基準(zhǔn)信號是從傳感器32的基準(zhǔn)部分34和扭轉(zhuǎn)部分36之間的接合部傳遞的信號。另一個信號是從傳感器32的扭轉(zhuǎn)部分36的端部傳遞的信號。再次參照圖18，從基準(zhǔn)信號116的峰值120到信號118的峰值 122的時間稱為“渡越時間” 124。基于渡越時間124來計算波傳播的速度。參照圖19，示出了兩個扭轉(zhuǎn)傳感器126、128的布置的截面圖。在示出的實施例中， 兩個傳感器126、1 設(shè)置在管道130中的不同位置處。傳感器1 具有基準(zhǔn)部分132和扭轉(zhuǎn)部分134。傳感器1 設(shè)置成接近管道130的壁138的一側(cè)136。傳感器1 具有基準(zhǔn)部分140和扭轉(zhuǎn)部分142。傳感器1 設(shè)置在傳感器1 和管道130的壁138的另一側(cè)146 之間。具體而言，傳感器1 設(shè)置在中心軸線144和管道130的壁138的另一側(cè)146之間。在示出的實施例中，各個傳感器經(jīng)歷脈沖回波模式的操作，其中，變送器裝置用來既產(chǎn)生又接收扭轉(zhuǎn)波能量。一個回波對應(yīng)于扭轉(zhuǎn)波能量從對應(yīng)的傳感器的基準(zhǔn)部分和扭轉(zhuǎn)部分之間的接合部的反射，而另一個回波對應(yīng)于扭轉(zhuǎn)波能量從對應(yīng)的傳感器的端部的反射。在本文公開的所有實施例中，各個傳感器可還經(jīng)歷透射模式的操作，其中，一個變送器裝置用來產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)波能量，而另一個變送器裝置用來接收扭轉(zhuǎn)波能量。在一個具體實施例中，兩相流體混合物流過管道130。例如，該兩相流體混合物包括油和水。一個傳感器126構(gòu)造成以便探測一種流體(例如油)的密度。另一個傳感器 1 構(gòu)造成以便探測另一種流體(例如水)的密度。在示出的實施例中，傳感器126、1觀設(shè)置在管道130中的同一位置處。在本文應(yīng)當(dāng)注意，在本文論述的實施例中，傳感器的數(shù)量和傳感器的位置不應(yīng)當(dāng)理解為限制性的。該傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體混合物的其它參數(shù)。該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖20，示出了扭轉(zhuǎn)傳感器148的布置的截面圖。在示出的實施例中，傳感器 148設(shè)置在管道150中。在示出的實施例中，傳感器148包括用于將扭轉(zhuǎn)部分IM分成多個扭轉(zhuǎn)子區(qū)段156的多個凹口 152。來自各個扭轉(zhuǎn)子區(qū)段156的波能量表示與限于管道150 中的對應(yīng)的區(qū)域的流體相關(guān)聯(lián)的至少一個參數(shù)。例如，一個扭轉(zhuǎn)子區(qū)段可指示密度，而另一個子區(qū)段可指示相份額。在本文應(yīng)當(dāng)注意，該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體的其它參數(shù)。該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。
參照圖21，示出了扭轉(zhuǎn)傳感器158的布置的截面圖。在示出的實施例中，傳感器 158設(shè)置成延伸跨過管道160的直徑。在一個實施例中，扭轉(zhuǎn)傳感器158構(gòu)造成以便探測單相流體的密度。在另一個實施例中，扭轉(zhuǎn)傳感器158構(gòu)造以便探測兩相流體混合物的平均密度。在又一個實施例中，扭轉(zhuǎn)傳感器158構(gòu)造成以便在各個流體相限于管道160中的對應(yīng)的區(qū)域時，探測多相流體混合物中的各個流體相的高度。在又一個實施例中，扭轉(zhuǎn)傳感器160構(gòu)造成以便在相分配在管道160中時，探測多相流體混合物中的各個流體相的份額。 該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體/流體混合物的其它參數(shù)。該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖22，示出了兩個扭轉(zhuǎn)傳感器162、164的布置的截面圖。傳感器162、164設(shè)
置在管道166中的不同位置處。在示出的實施例中，傳感器162、164在管道166中隔開預(yù)
定的距離(L)。在一個具體實施例中，傳感器162的輸出響應(yīng)時間和傳感器164的輸出響應(yīng)
時間之間的相互關(guān)系可表示流體的相速度。例如，如果傳感器162的輸出響應(yīng)時間由“tl”
表示，并且傳感器164的輸出響應(yīng)時間由“t2”表示，則流體的相速度由以下關(guān)系確定 t2-tl I(!)如在之前的實施例中的那樣，傳感器的數(shù)量和傳感器的位置不應(yīng)理解為限制性的。該傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體/流體混合物的其它參數(shù)。該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖23，示出了多個扭轉(zhuǎn)傳感器168的布置的截面圖。在示出的實施例中，該多個扭轉(zhuǎn)傳感器168設(shè)置成沿著管道170的截面彼此隔開。在一個具體實施例中，傳感器168 構(gòu)造成以便確定兩相/多相流體混合物的密度分布。在另一個實施例中，傳感器168構(gòu)造成以便確定兩相/多相流體混合物中的各個流體相的相份額。此處，再次，傳感器的數(shù)量不應(yīng)理解為限制性的。該傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體混合物的其它參數(shù)。該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖24，示出了扭轉(zhuǎn)傳感器172的布置的截面圖。在示出的實施例中，傳感器 172設(shè)置成越過管道174而延伸。傳感器172構(gòu)造成以便探測兩相/多相流體混合物中的各個流體相的至少一個參數(shù)。在一個實施例中，當(dāng)兩相流體混合物流過管道174時，傳感器 172在第一個時間的輸出響應(yīng)可表示一個流體相的相密度或相份額，而該傳感器在晚于第一個時間的第二個時間處的另一個輸出響應(yīng)可表示另一個流體相的相密度或相份額。該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體混合物的其它參數(shù)。該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖25，示出了兩個扭轉(zhuǎn)傳感器176、178的布置的截面圖。在示出的實施例中， 傳感器176、178設(shè)置在管道180的相同位置處。扭轉(zhuǎn)傳感器176具有第一長度，而另一個扭轉(zhuǎn)傳感器178具有不同于第一長度的第二長度。在一個實施例中，當(dāng)兩相流體混合物流過管道180時，一個傳感器176可針對一個流體相的相密度或相份額而構(gòu)造，而另一個傳感器178可針對另一個流體相的相密度或相份額而構(gòu)造。該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體混合物的其它參數(shù)。該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖沈，示出了示例性扭轉(zhuǎn)傳感器182的正視圖。傳感器182包括基準(zhǔn)部分184和扭轉(zhuǎn)部分186。在示出的實施例中，基準(zhǔn)部分184包括兩個凹口或凹槽188、189，以用于將基準(zhǔn)部分184分成多個子區(qū)段190?；鶞?zhǔn)部分184和扭轉(zhuǎn)部分186包含相同的材料。如之前所論述的那樣，扭轉(zhuǎn)傳感器182利用沿著扭轉(zhuǎn)部分186傳播的波能量的由于存在周圍的流體介質(zhì)的原因而引起的速度改變來探測流體介質(zhì)的至少一個參數(shù)。在示出的實施例中，扭轉(zhuǎn)部分186和具有凹口 189的基準(zhǔn)部分184的一部分浸入流體介質(zhì)中。如之前所論述的那樣，基于傳播波的渡越時間來計算傳播波的速度。在一個實施例中，應(yīng)當(dāng)注意到，沿著扭轉(zhuǎn)傳感器182的扭轉(zhuǎn)波的渡越時間的任何變化都?xì)w因于流體的至少一個參數(shù)(例如溫度)的改變。針對特定的溫度來標(biāo)定傳播波的渡越時間，并且基于該標(biāo)定來修正渡越時間，以確定流體的至少一個參數(shù)。一個凹口 188是對應(yīng)于暴露于空氣的傳感器182的部分的基準(zhǔn)區(qū)，而另一個凹口 190是對應(yīng)于浸入流體中的傳感器182 的部分的基準(zhǔn)區(qū)。在另一個實施例中，不是在基準(zhǔn)部分184中具有凹口，而是基準(zhǔn)部分184 和扭轉(zhuǎn)部分186兩者可包含不同的材料。換句話說，基準(zhǔn)部分184可包含第一材料，而扭轉(zhuǎn)部分186可包含第二材料。該示例性傳感器布置還可應(yīng)用于探測流體混合物的其它參數(shù)。 該傳感器布置還可應(yīng)用于任何單相流體、兩相流體混合物和多相流體混合物。參照圖27，示出了示例性扭轉(zhuǎn)傳感器192的正視圖。傳感器192包括基準(zhǔn)部分194 和扭轉(zhuǎn)部分196。在示出的實施例中，基準(zhǔn)部分194包括凹口或凹槽195，以用于將基準(zhǔn)部分194分成兩個子區(qū)段196。基準(zhǔn)部分194和扭轉(zhuǎn)部分196包含相同的材料。在示出的實施例中，扭轉(zhuǎn)部分196和具有凹口 195的基準(zhǔn)部分194的一部分浸入流體介質(zhì)中。此處應(yīng)當(dāng)注意到，沿著扭轉(zhuǎn)傳感器192的扭轉(zhuǎn)波的渡越時間的任何變化歸因于流體的至少一個參數(shù)(例如粘度)的改變。在示出的實施例中，針對特定的粘度來標(biāo)定傳播波的渡越時間，并且基于該標(biāo)定來修正渡越時間，以確定流體的至少一個參數(shù)。在另一個實施例中，不是在基準(zhǔn)部分194中具有凹口 195，而是基準(zhǔn)部分194和扭轉(zhuǎn)部分196兩者可包含不同的材料。換句話說，基準(zhǔn)部分194可包含第一材料，而扭轉(zhuǎn)部分196可包含第二材料。如參照上述實施例所論述的那樣，傳感器的形狀在存在圍繞扭轉(zhuǎn)部分的流體時對傳播的扭轉(zhuǎn)波提供阻力。此阻力表現(xiàn)在傳播的波的渡越時間的改變中。示例性傳感器形狀和布置對傳播的波提供拖曳力，并且增加渡越時間，從而導(dǎo)致用于測量流體的一個或多個參數(shù)的傳感器的增強(qiáng)的分辨率。雖然已經(jīng)在本文中示出和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多修改和改變。因此，將理解所附權(quán)利要求書意圖覆蓋落在本發(fā)明的真實精神內(nèi)的所有這樣的修改和改變。
權(quán)利要求
1.一種用于感測流體(1 的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16) 包括基準(zhǔn)部分(18)；以及扭轉(zhuǎn)部分(20)，其聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分(18)上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)；其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分可安裝成以便浸入所述流體(12)中，并且可操作以沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的所述至少一部分傳播與所述流體相互作用的扭轉(zhuǎn)波， 以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述扭轉(zhuǎn)波的傳播。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)構(gòu)造成以便感測至少一個參數(shù)，包括所述流體(1 的絕對密度、密度分布、流體高度、絕對溫度、 溫度分布、絕對粘度、粘度分布、絕對流速、流速分布、絕對流體相份額、流體相份額分布或它們的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)部分00)包括從中心區(qū)段GO)向外延伸且彼此隔開的多個單獨的突出部(38)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)部分00)包括X形扭轉(zhuǎn)部分、星形扭轉(zhuǎn)部分、扇形扭轉(zhuǎn)部分、曲扇形扭轉(zhuǎn)部分或它們的組合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，其特征在于，所述扭轉(zhuǎn)部分OO)具有1 2 至1 7的縱橫比。
6.一種用于感測流體(12)的至少一個參數(shù)的感測系統(tǒng)(10)，所述感測系統(tǒng)(10)包括扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，其包括基準(zhǔn)部分(18)；以及聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分(18)上、并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)的扭轉(zhuǎn)部分OO)；激勵裝置(21)，其構(gòu)造成以便在所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)中激勵剪切波能量；其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分可安裝成以便浸入所述流體(12)中，并且可操作以沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的所述至少一部分傳播與所述流體(1 相互作用的波能量，以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述波能量的傳播；變送器裝置( )，其構(gòu)造成以便對所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)提供剪切激勵以及探測來自所述扭轉(zhuǎn)部分OO)的波能量；處理器裝置(30)，其構(gòu)造成以便響應(yīng)于來自所述變送器裝置06)的輸出來確定所述流體(12)的至少一個參數(shù)。
7.一種用于感測流體(1 的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16) 包括基準(zhǔn)部分(18)，其包括至少一個凹口(152)；以及扭轉(zhuǎn)部分(20)，其聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分(18)上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)；其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分可安裝成以便浸入所述流體(1 中，并且可操作以沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的所述至少一部分傳播與所述流體(1 相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述扭轉(zhuǎn)波的傳播；其中，所述扭轉(zhuǎn)波的渡越時間(124)的變化歸因于所述流體(12)的至少一個參數(shù)的改變。
8.一種用于感測流體(1 的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16) 包括基準(zhǔn)部分(18)，其包含第一材料；以及扭轉(zhuǎn)部分(20)，其聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分(18)上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)；其中，所述扭轉(zhuǎn)部分00)包含不同于所述第一材料的第二材料；其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分可安裝成以便浸入所述流體(1 中，并且可操作以沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的所述至少一部分傳播與所述流體(1 相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述扭轉(zhuǎn)波的傳播；其中，沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的所述扭轉(zhuǎn)波的渡越時間(124)的變化歸因于所述流體(12) 的至少一個參數(shù)的改變。
9.一種用于感測流體(1 的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器(148)，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16) 包括基準(zhǔn)部分，其包括將所述基準(zhǔn)部分分成兩個或更多個子區(qū)段(156)的至少一個凹口 (152)；以及扭轉(zhuǎn)部分(巧4)，其聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部；其中，所述基準(zhǔn)部分和所述扭轉(zhuǎn)部分(154)包含相同的材料；其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(148)的至少一部分可安裝成以便浸入所述流體(12)中，并且可操作以沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(148)的所述至少一部分傳播與所述流體(1 相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述扭轉(zhuǎn)波的傳播; 其中，沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(148)的所述扭轉(zhuǎn)波的渡越時間(148)的變化歸因于所述流體 (12)的至少一個參數(shù)的改變。
10.一種用于感測流體(1 的至少一個參數(shù)的方法，所述方法包括通過激勵裝置在部分地浸入所述流體(1 中的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)中激勵波能量，以便沿著所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分傳播與所述流體(1 相互作用的所述波能量，以便以依賴于所述流體(1 的所述至少一個參數(shù)的方式影響所述波能量的傳播，其中，所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)包括基準(zhǔn)部分(18)；以及扭轉(zhuǎn)部分(20)，其聯(lián)接到所述基準(zhǔn)部分 (18)上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)；通過變送器裝置06)對所述扭轉(zhuǎn)傳感器(16)提供扭轉(zhuǎn)激勵，以及探測來自所述扭轉(zhuǎn)部分OO)的波能量；響應(yīng)于來自所述變送器裝置06)的輸出來確定所述流體(1 的至少一個參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及扭轉(zhuǎn)傳感器、扭轉(zhuǎn)傳感器的方法及測量流體參數(shù)的系統(tǒng)。公開了一種用于感測流體(12)的至少一個參數(shù)的扭轉(zhuǎn)傳感器(16)。該扭轉(zhuǎn)傳感器(16)包括扭轉(zhuǎn)部分(20)，扭轉(zhuǎn)部分(20)聯(lián)接到基準(zhǔn)部分(18)上，并且包括向外延伸且彼此隔開的多個突出部(38)。扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的至少一部分可安裝成以便浸入流體(12)中，并且可操作以沿著扭轉(zhuǎn)傳感器(16)的該至少一部分傳播與流體(12)相互作用的扭轉(zhuǎn)波，以便以依賴于該流體(12)的該至少一個參數(shù)的方式影響扭轉(zhuǎn)波的傳播。
文檔編號G01D5/48GK102183269SQ201110026468
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月11日
發(fā)明者B·甘桑, E·R·弗隆, M·K·K·米塔爾, S·N·戈拉瓦, V·K·R·科馬雷迪, 敖曉蕾 申請人:通用電氣公司