[发明专利]用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法。作为示例，其可应用于原油和原气生产和输送系统的流动中，应用于化学和石化生产中，以及燃料和能源工业中等。

背景技术

以下描述本领域已知的测量管线中流体的流速的方法。该方法包含用第一源（发射器）发出的超声脉冲探测受控量的流体并相对于管线轴横向地迁移。已穿过受控量的该脉冲由与发射器相对定位的第一脉冲接收器记录。第二对发射器和脉冲接收器位于与第一对相隔已知距离的下游。利用应用于两个脉冲接收器的信号的交叉相关方法，可确定流体从第一对流至第二对的时间间隔。由此，确定了流速。

该方法的缺点是，无法在不稳定的流动中利用交叉相关方法测量流速，这是由于在这种情况下，交叉相关方法通常不精确。这导致对流速不精确的确定。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置和方法，其比上述方法具有确定流速的更高精度。

该目的由用于确定管线中流体或流体组分的流速的装置实现，其包括：发送器，适于放置于管线内，并设置为将超声信号以第一方向发送至流体或流体组分中；接收器，适于放置于管线内，并设置为接收传播的超声信号，其是由流体或流体组分以第二方向传播超声信号而产生的，所述第二方向与所述第一方向不同，并且所述接收器设置为提供代表所传播的超声信号的接收器信号；以及处理单元，设置为接收所述接收器信号并确定所发送的超声信号和所传播的超声信号之间的频率差，并且基于所述频率差确定流体或流体组分的流速。

根据本发明，该装置包括用于向流动的流体发送超声信号的发送器。发送器可以是压电发送器或任意其他类型的超声发送器。根据本发明，流体可以是液体或气体。流体可包括多个流体组分，即，液体和/或气体组分。特别地，本发明能够确定包括液体和气体的流体中的液体组分的流速。超声是频率大于人的听觉上限（约为20kHz）的声音。当超声信号发送至流动的流体时，流体将传播信号。随后，该信号由诸如压电接收器的接收器接收。根据公知的多普勒原理，由接收器接收的传播信号的频率将依赖于发送的超声信号的频率以及（i）发送器和流体之间的和（ii）流体和接收器之间的速度差。

发送器和接收器适于放置在管线内。发送器和接收器可置于将放置在管线内的环上或其他支撑结构上。发送器和接收器均可包括连接板，连接板可连接至管线的内壁。在一个实施方式中，发送器和接收器限定了测量量，测量量相对于管线剖面具有相对较小的剖面。这样的测量量可以例如通过将彼此邻近的发送器和接收器设置为与管线内的中央位置邻近而实现。需要注意的是，这样的设置与将发送器和接收器直接设置在管线表面（例如管线的内表面或外表面）上不同。在一个实施方式中，发送器和接收器之间在垂直于流动方向的方向上的距离约为管线直径的5%至10%。典型地，发送器和接收器间隔2至10mm的距离。通过以如此近的间距定位发送器和接收器，有利于接收信号，即使在信号被强烈地衰减（例如在水-油乳剂中）时。发送器、接收器以及可被视为局部相对较小量的测量量可作为形成测量腔。通过将发送器和接收器设置为邻近于彼此，使得传感器仅感测测量腔内的流动。在一个实施方式中，发送器和接收器具有流线形剖面（例如翼形形式），以减轻流动干扰。此外，发送器和接收器可通过等同地成形以避免干扰的连接杆或板而连接至管线。该装置还包括处理单元，其设置为确定传播的超声信号的频率并基于多普勒原理确定流动的速度。该处理单元可包括例如包括DSP（数字信号处理器）等的微处理器。

传播的超声信号将在第一方向和第二方向的交叉点周围的体积内产生。由于该体积相比于流体中的任何空间干扰（例如，不稳定的流动中）都相对较小，所以在该体积中的流速近似均匀或恒定（也就是说，在空间上恒定，而无需在时间上恒定）。因此，根据本发明的装置能够以较高的精度确定流速，这是因为空间干扰只会对流速的确定产生较小的影响或没有影响。

根据本发明的一个实施方式，第一方向和第二方向彼此交叉，限定了交叉角，该交叉角至少为10度，或者优选地，至少为20度，更优选地，在10-45度的范围内，或者优选地，至少为60度，或者更优选地，在80-90度的范围内。

所接收的传播的超声信号在较小的体积内产生比在更大体积内产生会使得对流速的确定将更加精确。第一方向和第二方向之间的交叉角至少为10度的发送器和接收器的配置的优点是，其中产生传播的超声信号的体积小于交叉角小于10度的配置。