[发明专利]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

说明书

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“Method And Apparatus For Visualization Of Particles And Flow Patterns Using Ultrasound”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发明。政府在本发明中具有特定权利。

发明领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明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。

本发明的附加目的、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发明的实践被获悉。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发明的目的和优点。

为了实现前述和其它目的，且根据本发明的目的，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。

在本发明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。

在本发明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。

本发明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