EA 32592B1 20190628 Номер и дата охранного документа [PDF] EAPO2019\PDF/032592 Полный текст описания EA201390914 20111220 Регистрационный номер и дата заявки NL2005886 20101221 Регистрационные номера и даты приоритетных заявок NL2011/050864 Номер международной заявки (PCT) WO2012/087120 20120628 Номер публикации международной заявки (PCT) EAB1 Код вида документа [PDF] eab21906 Номер бюллетеня [GIF] EAB1\00000032\592BS000#(1456:1135) Основной чертеж [**] УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ИЛИ КОМПОНЕНТА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ Название документа [8] G01F 1/66, [8] G01F 1/74 Индексы МПК [RU] Дробков Владимир, [RU] Мельников Владимир, [NL] Шустов Андрей Сведения об авторах [NL] ШУСТОВ АНДРЕЙ Сведения о патентообладателях [NL] ШУСТОВ АНДРЕЙ Сведения о заявителях
 

Патентная документация ЕАПВ

 
Запрос:  ea000032592b*\id

больше ...

Термины запроса в документе

Реферат

[RU]

1. Устройство для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе, содержащее передатчик, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; приемник, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала, сформированного рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении, причем второе направление отличается от первого направления, и обеспечения сигнала приемника, представляющего рассеянный ультразвуковой сигнал; и блок обработки, выполненный с возможностью приема упомянутого сигнала приемника и определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом, и определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности, при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды; при этом передатчик и приемник расположены и выполнены с возможностью определения объема измерения, выполненного с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; при этом передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении; при этом приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении; при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём упомянутые порции текучей среды представляют собой непрерывные объёмы второго компонента текучей среды, и при этом передатчик и приёмник расположены и выполнены таким образом, что объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.

2. Устройство по п.1, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10 ° или более, предпочтительно по меньшей мере 80-90 °.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и в котором угол падения равен углу рассеивания.

4. Устройство по п.3, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.

5. Устройство по п.3 или 4, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.

6. Устройство по п.1, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения объемной доли первого компонента текучей среды в отношении объема текучей среды.

7. Устройство по п.6, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения расхода первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.

8. Устройство по одному из пп.1-7, дополнительно содержащее камеру измерения, причем камера измерения содержит объем измерения, выполненный с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении, и приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.

9. Устройство по одному из пп.1-8, в котором блок обработки дополнительно содержит дискриминатор, выполненный с возможностью разделения сигнала приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.

10. Устройство по п.9, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой доли на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

11. Устройство по п.9 или 10, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой разности частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

12. Устройство по одному из пп.1-11, в котором блок обработки дополнительно содержит демодулятор, выполненный с возможностью демодулирования сигнала приемника.

13. Устройство по одному из пп.1-12, дополнительно содержащее генератор частоты, выполненный с возможностью обеспечения частотного сигнала с заданной постоянной частотой для передатчика и блока обработки, причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала на основании упомянутого частотного сигнала и блок обработки выполнен с возможностью определения разности частот на основании упомянутого частотного сигнала.

14. Устройство по одному из пп.1-13, в котором передатчик и/или приемник имеют обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.

15. Устройство по одному из пп.1-14, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку, и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.

16. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащее монтажный элемент для установки передатчика и приемника внутри трубопровода.

17. Устройство по п.16, в котором монтажный элемент выполнен с возможностью установки передатчика и приемника, разделенных расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.

18. Устройство по п.16 или 17, в котором монтажный элемент имеет обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.

19. Измерительная система, содержащая первый сегмент трубопровода, соединенный со вторым сегментом трубопровода, и содержащая устройство по любому из предшествующих пунктов, причем при использовании первый сегмент трубопровода проходит, по существу, в горизонтальном направлении, а второй сегмент трубопровода проходит, по существу, в вертикальном направлении, причем первый сегмент трубопровода выполнен с возможностью приема текучей среды или компонента текучей среды и подачи текучей среды или компонента текучей среды во второй сегмент трубопровода.

20. Способ определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе с использованием устройства для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе по п.1, причём способ содержит этапы, на которых: a) размещают передатчик и приемник в трубопроводе; b) передают ультразвуковой сигнал в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; c) формируют рассеянный ультразвуковой сигнал во втором направлении за счет рассеивания ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды; d) принимают рассеянный ультразвуковой сигнал и обеспечивают сигнал приемника, представляющий рассеянный ультразвуковой сигнал; e) определяют разность частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом; и f) определяют скорость потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности; при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды; при этом объем измерения определен передатчиком и приемником, через который течет текучая среда или компонент текучей среды; этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал в упомянутый объем измерения в первом направлении; и этап d) содержит этап, на котором принимают рассеянный ультразвуковой сигнал из упомянутого объема измерения во втором направлении; при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.

21. Способ по п.20, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10 ° или более предпочтительно по меньшей мере 80-90 °.

22. Способ по п.20 или 21, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и при этом угол падения равен углу рассеивания.

23. Способ по п.22, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.

24. Способ по п.22 или 23, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.

25. Способ по п.24, дополнительно содержащий этап, на котором: g) определяют объемную долю первого компонента текучей среды по отношению к объему текучей среды.

26. Способ по п.25, дополнительно содержащий этап, на котором: h) определяют расход первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.

27. Способ по одному из пп.20-26, дополнительно содержащий этап, на котором: d2) демодулируют сигнал приемника.

28. Способ по одному из пп.20, 25-27, дополнительно содержащий этап, на котором: d3) разделяют сигнал приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.

29. Способ по п.28, в котором этап g) содержит этап, на котором определяют упомянутую долю на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

30. Способ по п.28 или 29, в котором этап е) содержит этап, на котором определяют упомянутую разность частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

31. Способ по одному из пп.20-30, дополнительно содержащий этап, на котором: а2) обеспечивают частотный сигнал с заданной постоянной частотой, причем этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал на основании упомянутого частотного сигнала; и этап е) содержит этап, на котором определяют разность частот на основании упомянутого частотного сигнала.

32. Способ по одному из пп.20-31, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.

33. Способ по одному из пп.20-32, в котором этап размещения передатчика и приемника в трубопроводе содержит этап, на котором устанавливают передатчик и приемник так, что они разделены расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.

34. Способ по одному из пп.20-33, в котором передатчик и приемник установлены в вертикальном сегменте трубопровода, которому предшествует горизонтальный сегмент трубопровода.


Полный текст патента

(57) Реферат / Формула:

1. Устройство для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе, содержащее передатчик, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; приемник, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала, сформированного рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении, причем второе направление отличается от первого направления, и обеспечения сигнала приемника, представляющего рассеянный ультразвуковой сигнал; и блок обработки, выполненный с возможностью приема упомянутого сигнала приемника и определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом, и определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности, при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды; при этом передатчик и приемник расположены и выполнены с возможностью определения объема измерения, выполненного с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; при этом передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении; при этом приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении; при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём упомянутые порции текучей среды представляют собой непрерывные объёмы второго компонента текучей среды, и при этом передатчик и приёмник расположены и выполнены таким образом, что объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.

2. Устройство по п.1, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10 ° или более, предпочтительно по меньшей мере 80-90 °.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и в котором угол падения равен углу рассеивания.

4. Устройство по п.3, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.

5. Устройство по п.3 или 4, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.

6. Устройство по п.1, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения объемной доли первого компонента текучей среды в отношении объема текучей среды.

7. Устройство по п.6, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения расхода первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.

8. Устройство по одному из пп.1-7, дополнительно содержащее камеру измерения, причем камера измерения содержит объем измерения, выполненный с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении, и приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.

9. Устройство по одному из пп.1-8, в котором блок обработки дополнительно содержит дискриминатор, выполненный с возможностью разделения сигнала приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.

10. Устройство по п.9, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой доли на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

11. Устройство по п.9 или 10, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой разности частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

12. Устройство по одному из пп.1-11, в котором блок обработки дополнительно содержит демодулятор, выполненный с возможностью демодулирования сигнала приемника.

13. Устройство по одному из пп.1-12, дополнительно содержащее генератор частоты, выполненный с возможностью обеспечения частотного сигнала с заданной постоянной частотой для передатчика и блока обработки, причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала на основании упомянутого частотного сигнала и блок обработки выполнен с возможностью определения разности частот на основании упомянутого частотного сигнала.

14. Устройство по одному из пп.1-13, в котором передатчик и/или приемник имеют обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.

15. Устройство по одному из пп.1-14, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку, и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.

16. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащее монтажный элемент для установки передатчика и приемника внутри трубопровода.

17. Устройство по п.16, в котором монтажный элемент выполнен с возможностью установки передатчика и приемника, разделенных расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.

18. Устройство по п.16 или 17, в котором монтажный элемент имеет обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.

19. Измерительная система, содержащая первый сегмент трубопровода, соединенный со вторым сегментом трубопровода, и содержащая устройство по любому из предшествующих пунктов, причем при использовании первый сегмент трубопровода проходит, по существу, в горизонтальном направлении, а второй сегмент трубопровода проходит, по существу, в вертикальном направлении, причем первый сегмент трубопровода выполнен с возможностью приема текучей среды или компонента текучей среды и подачи текучей среды или компонента текучей среды во второй сегмент трубопровода.

20. Способ определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе с использованием устройства для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе по п.1, причём способ содержит этапы, на которых: a) размещают передатчик и приемник в трубопроводе; b) передают ультразвуковой сигнал в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; c) формируют рассеянный ультразвуковой сигнал во втором направлении за счет рассеивания ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды; d) принимают рассеянный ультразвуковой сигнал и обеспечивают сигнал приемника, представляющий рассеянный ультразвуковой сигнал; e) определяют разность частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом; и f) определяют скорость потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности; при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды; при этом объем измерения определен передатчиком и приемником, через который течет текучая среда или компонент текучей среды; этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал в упомянутый объем измерения в первом направлении; и этап d) содержит этап, на котором принимают рассеянный ультразвуковой сигнал из упомянутого объема измерения во втором направлении; при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.

21. Способ по п.20, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10 ° или более предпочтительно по меньшей мере 80-90 °.

22. Способ по п.20 или 21, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и при этом угол падения равен углу рассеивания.

23. Способ по п.22, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.

24. Способ по п.22 или 23, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.

25. Способ по п.24, дополнительно содержащий этап, на котором: g) определяют объемную долю первого компонента текучей среды по отношению к объему текучей среды.

26. Способ по п.25, дополнительно содержащий этап, на котором: h) определяют расход первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.

27. Способ по одному из пп.20-26, дополнительно содержащий этап, на котором: d2) демодулируют сигнал приемника.

28. Способ по одному из пп.20, 25-27, дополнительно содержащий этап, на котором: d3) разделяют сигнал приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.

29. Способ по п.28, в котором этап g) содержит этап, на котором определяют упомянутую долю на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

30. Способ по п.28 или 29, в котором этап е) содержит этап, на котором определяют упомянутую разность частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.

31. Способ по одному из пп.20-30, дополнительно содержащий этап, на котором: а2) обеспечивают частотный сигнал с заданной постоянной частотой, причем этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал на основании упомянутого частотного сигнала; и этап е) содержит этап, на котором определяют разность частот на основании упомянутого частотного сигнала.

32. Способ по одному из пп.20-31, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.

33. Способ по одному из пп.20-32, в котором этап размещения передатчика и приемника в трубопроводе содержит этап, на котором устанавливают передатчик и приемник так, что они разделены расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.

34. Способ по одному из пп.20-33, в котором передатчик и приемник установлены в вертикальном сегменте трубопровода, которому предшествует горизонтальный сегмент трубопровода.


Евразийское 032592 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2019.06.28
(21) Номер заявки 201390914
(22) Дата подачи заявки
2011.12.20
(51) Int. Cl.
G01F1/66 (2006.01) G01F1/74 (2006.01)
(54) УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ ИЛИ КОМПОНЕНТА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ
(31) 2005886; 61/425,704
(32) 2010.12.21
(33) NL; US
(43) 2013.11.29
(86) PCT/NL2011/050864
(87) WO 2012/087120 2012.06.28
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ШУСТОВ АНДРЕЙ (NL)
(72) Изобретатель:
Дробков Владимир, Мельников Владимир (RU), Шустов Андрей (NL)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU)
(56) US-A-3741014 FR-A-1232113 US-A1-2008163700 US-A-4718269 EP-A1-2103911 US-A-4066095 US-A1-2006048583 WO-A1-2007129897
(57) Описано устройство и способ определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе. Устройство содержит передатчик, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; приемник, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала, сформированного рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении, причем второе направление отличается от первого направления, и обеспечения сигнала приемника, представляющего рассеянный ультразвуковой сигнал; и блок обработки, выполненный с возможностью приема упомянутого сигнала приемника и определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом, и определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству и способу определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе. В качестве примера, оно может быть применено при прокачке сырой нефти, при производстве газа и в системах транспортировки нефти в химическом и нефтехимическом производстве, а также в топливных и энергетических отраслях промышленности и т.д.
Уровень техники
Ниже описан способ измерения скорости потока текучей среды в трубопроводе, известный в данной области техники. Способ подразумевает зондирование подконтрольного объема текучей среды ультразвуковыми импульсами, излученными первым источником (излучателем) и перемещающимися перпендикулярно оси трубопровода. Импульсы, которые прошли через подконтрольный объем, регистрируются первым приемником импульсов, расположенным противоположно излучателю. Вторая пара излучателя и приемника импульсов размещена ниже по потоку на известном расстоянии от первой пары. Используя способ взаимной корреляции, примененный к сигналам двух приемников импульсов, может быть определен интервал времени, в котором текучая среда течет от первой пары ко второй паре. Из этого может быть определена скорость потока.
Недостаток этого способа состоит в том, что измерение скорости потока, используя способ взаимной корреляции, невозможно в неустановившемся потоке, поэтому в таком случае способ взаимной корреляции часто является неточным. Это приводит к неточному определению скорости потока.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - обеспечить устройство и способ определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе с более высокой точностью определения скорости потока, чем в способе, описанном выше.
Задача решается устройством для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе, содержащим передатчик, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; приемник, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала, сформированного рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении, причем второе направление отличается от первого направления, и для обеспечения сигналом приемника, представляющим рассеянный ультразвуковой сигнал; блок обработки, выполненный с возможностью приема упомянутого сигнала приемника и определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом, и определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности.
Согласно изобретению устройство содержит передатчик для передачи ультразвукового сигнала к текущей текучей среде. Передатчик может представлять собой пьезоэлектрический передатчик или другой ультразвуковой передатчик. В соответствии с настоящим изобретением текучая среда может представлять собой жидкость или газ. Текучая среда может содержать множество компонентов текучей среды, являющихся жидкими и/или газовыми компонентами. В частности настоящее изобретение обеспечивает возможность определения скорости потока жидкостного компонента в текучей среде, содержащей жидкость и газ. Ультразвук представляет собой звук с частотой более высокой, чем верхний предел слуха пользователя, приблизительно 20 кГц. Если ультразвуковой сигнал передается к текущей текучей среде, текучая среда будет рассеивать сигнал. Этот сигнал в дальнейшем принимается приемником, например пьезоэлектрическим приемником. Частота рассеянного сигнала при приеме приемником будет зависеть от частоты переданного ультразвукового сигнала и разности в скорости между (i) передатчиком и текучей средой и (ii) текучей средой и приемником согласно известному принципу Доплера.
Передатчики и приемник приспособлены для размещения внутри трубопровода. Передатчик и приемник могут быть размещены на кольце или другой конструкции поддержки, которая должна быть размещена внутри трубопровода. Каждый передатчик и приемник может содержать пластину соединения, которая может быть соединена с внутренней стенкой трубопровода. В варианте осуществления передатчик и приемник определяют объем измерения, имеющий относительно небольшое поперечное сечение по сравнению с поперечным сечением трубопровода. Такой объем измерения может быть, например, реализован за счет размещения и передатчика, и приемника близко друг с другом рядом с центральным положением внутри трубопровода. Заметим, что такая компоновка отлична от компоновки, при которой передатчик и приемник размещены непосредственно на поверхности трубопровода, например, внутренней или внешней поверхности трубопровода. В варианте осуществления расстояние между передатчиком и приемником в направлении перпендикулярном направлению потока имеет значение около 5-10% от диаметра трубопровода. Типично передатчик и приемник разделены расстоянием от 2 до 10 мм. За счет позиционирования передатчика и приемника на таком близком расстоянии, облегчается прием сигналов, даже когда они серьезно ослаблены, как например, в эмульсиях воды-нефти. Передатчик, приемник и объем измерения, которые могут подразумеваться для локального, сравнительно небольшого объема, могут быть рассмотрены в качестве образующих камеру измерения. За счет размещения передатчика и приемника близко друг к другу, преобразователи распознают лишь поток внутри камеры измерения. В
варианте осуществления передатчик и приемник имеют обтекаемый профиль, такой как крыловидная форма, чтобы смягчать возмущения потока. Более того, передатчик и приемник могут быть соединены с трубопроводом через соединительные стержни или пластины, которые могут иметь одинаковую форму, чтобы избежать возмущений. Устройство дополнительно содержит блок обработки, который выполнен с возможностью определения частоты рассеянного ультразвукового сигнала и определения скорости потока на основании принципа Доплера. Такой блок обработки может, например, содержать микропроцессор, включающий в себя ЦСП (цифровой сигнальный процессор) и т.п.
Рассеянный ультразвуковой сигнал будет сформирован в объеме в окрестности пересечения первого направления и второго направления. Поскольку этот объем является относительно небольшим по сравнению с любыми пространственными возмущениями в текучей среде, например, в неустойчивом потоке, скорость потока в объеме является приблизительно равной или постоянной (т.е. постоянной в пространстве, не обязательно во времени). Поэтому, устройство согласно изобретению способно определять скорость потока с высокой точностью, поскольку пространственные возмущения будут иметь небольшое влияние или не будут иметь влияния на определение скорости потока.
Согласно варианту осуществления изобретения первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения имеет значение по меньшей мере 10° градусов, или предпочтительно по меньшей мере 20°, а более предпочтительно в диапазоне от 10 до 45°, или предпочтительно по меньшей мере 60°, или более предпочтительно в диапазоне от 80 до 90°.
Определение скорости потока будет более точной, если принятый рассеянный ультразвуковой сигнал формируется в меньшем объеме, нежели чем большем объеме. Преимущество конфигурации передатчика и приемника, в которой угол пересечения между первым и вторым направлением имеет значение по меньшей мере 10°, заключается в том, что объем, в котором формируется рассеянный ультразвуковой сигнал, является меньшим, чем в конфигурации с углом пересечения меньшим 10°.
Согласно варианту осуществления устройства согласно изобретению скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания, при этом угол падения равен углу рассеивания.
Преимущество такой конфигурация заключается в том, что разность в скорости между передатчиком и текучей средой будет равна разности в скорости между текучей средой и приемником. Это обеспечивает возможность более простого вычисления или определения скорости потока.
В варианте осуществления устройства согласно изобретению, первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.
Согласно изобретению и передатчик, и приемник выполнены с возможностью размещения внутри трубопровода. Внутри трубопровода они могут в той или иной степени вызывать возмущения в потоке. Преимущество конфигурации, находящейся в одной плоскости, заключается в том, что передатчик и приемник вызывают меньшую турбулентность или возмущения, когда они размещены симметрично относительно направления потока.
В варианте осуществления устройство согласно изобретению применено в измерительной системе, содержащей первый сегмент трубопровода, соединенный со вторым сегментом трубопровода так, что устройство согласно изобретению размещено внутри второго сегмента. В течение использования первый сегмент трубопровода установлен, по существу, в горизонтальном направлении, а второй сегмент трубопровода проходит в по существу вертикальном направлении, причем первый сегмент трубопровода выполнен с возможностью приема текучей среды или компонента текучей среды и обеспечения текучей средой или компонентом текучей среды второго сегмента трубопровода.
Таким образом, в такой компоновке передатчик и приемник, и объем измерения при использовании размещены внутри вертикального сегмента трубопровода. Применение горизонтальной секции трубопровода, также называемой пред-секцией трубы, обеспечивает возможность образования порций газа в случае применения потока из газа-жидкости.
Применение горизонтальной пред-секции помогает разделить фазы газа и жидкости (если присутствуют) в потоке текучей среды вдоль трубы и предусматривается для поочередного входа жидкости и газа в камеру измерения. Горизонтальная пред-секция может быть использована для стабилизации потока и обеспечения частичной коалесценции газовой фазы (если присутствует). При соединении с вертикальным сегментом трубы, содержащим устройство согласно изобретению, может быть получена порционная модель мультифазового потока в широком диапазоне расхода газа и жидкости.
В варианте осуществления устройства согласно изобретению, текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды. Первый и второй компонент текучей среды могут представлять собой жидкость или газ. Поэтому, текучая среда может представлять собой объединение жидкости и газа, но также возможны объединения двух различных жидкостей или двух различных газов. Может существовать случай, когда скорость первого компонента отличается от скорости второго компонента.
В варианте осуществления устройства согласно изобретению, блок обработки выполнен с дополнительной возможностью определения доли, характеризующей отношение объема первого компонента текучей среды и объема второго компонента текучей среды.
Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что он обеспечивает возможность определения расхода одного из компонентов текучей среды, поскольку расход компонента в текучей среде зависит от объема компонента в текучей среде и скорости потока этого компонента. В варианте осуществления блок обработки выполнен с дополнительной возможностью определения расхода первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.
Согласно варианту осуществления устройства согласно изобретению компоновка передатчика и приемника определяет объем измерения, выполненный с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; при этом передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении; при этом приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.
Поскольку передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в первом направлении, и путь переданного ультразвукового сигнала ограничен за счет поглощения и рассеивания, передатчик определяет объем передачи, в котором передается ультразвуковой сигнал. Подобным образом, поскольку приемник выполнен в возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала во втором направлении, и путь рассеянного ультразвукового сигнала ограничен за счет поглощения и рассеивания, приемник определяет объем приема, из которого принимается рассеянный ультразвуковой сигнал. Частичное совпадение объема передачи и объема приема называется объемом измерения, поскольку в объеме измерения находится текучая среда, которая после получения переданного ультразвукового сигнала формирует рассеянный ультразвуковой сигнал, который принимается приемником.
В варианте осуществления устройства согласно изобретению устройство дополнительно содержит камеру измерения, причем камера измерения содержит объем измерения, выполненный с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды; в котором передатчик выполнен в возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении, а приемник выполнен в возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.
Преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что объем измерения физически ограничен камерой измерения. Таким образом, габариты, размеры и/или расположение объема измерения могут быть подконтрольными. Габариты, размеры и/или расположение камеры измерения могут быть регулируемыми или могут быть определены перед использованием.
В другом варианте осуществления устройства согласно изобретению, объем измерения является меньшим или равным среднему объему порций текучей среды. Первый или второй компонент текучей среды может содержать порции текучей среды, т.е. сравнительно большой непрерывный объем упомянутого компонента текучей среды, например пузырьки газа.
Преимущество этого признака заключается в том, что сигнал приемника может быть использован для определения объемной доли первого компонента текучей среды в текучей среде в отношении объема текучей среды прямым образом, как будет объяснено ниже. Другое преимущество этого признака заключается в том, что может быть определена скорость потока компонента текучей среды, как также в дальнейшем описано ниже.
В варианте осуществления устройства согласно изобретению, блок обработки дополнительно содержит дискриминатор, выполненный с возможностью разделения сигнала приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.
Преимущество этого признака заключается в том, что пороговый уровень может быть выбран как для отфильтровывания шума в сигнале приемника, так и для образования сигнала высокого уровня без упомянутого шума. Другое преимущество этого признака заключается в том, что этот пороговый уровень может быть выбран для отфильтровывания рассеянного ультразвукового сигнала, который формируется рассеиванием во втором компоненте текучей среды, когда должна быть определена скорость потока первого компонента текучей среды. Затем на основании сигнала высокого уровня может быть определена разность частот. В варианте осуществления устройства согласно изобретению блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой разности частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
В другом варианте осуществления устройства согласно изобретению блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой доли на основании упомянутого сигнала высокого уровня. Когда пороговый уровень выбран для отфильтровывания рассеянного ультразвукового сигнала, который формируется рассеиванием во втором компоненте текучей среды, сигнал высокого уровня будет содержать интервалы времени, в которых сигнал высокого уровня имеет по существу нулевое значение, и интервалы времени, в которых сигнал высокого уровня является ненулевым. Первые интервалы времени являются результатом течения второго компонента текучей среды (сигнал приемника отфильтровывается
в этих интервалах времени), а последние интервалы времени являются результатом течения первого компонента текучей среды. Отношение суммы интервалов времени, соответствующих компоненту текучей среды, в отношении интервала времени выборки полагается равным объемной доле компонента текучей среды в текучей среде в отношении общего объема текучей среды, как это дополнительно разъяснено ниже.
В другом варианте осуществления устройства согласно изобретению блок обработки содержит демодулятор, выполненный с возможностью демодулирования сигнала приемника. Демодулятор выполнен с возможностью преобразования АС-сигнала в DC-сигнал. Преимущество этого признака заключается в том, что дискриминатор для DC-сигнала является более простым для производства или для интеграции в интегральную микросхему, чем дискриминатор для АС-сигнала.
В другом варианте осуществления устройства согласно изобретению устройство дополнительно содержит генератор частоты, выполненный с возможностью обеспечения частотным сигналом с заданной постоянной частотой передатчика и блока обработки, в котором передатчик выполнен в возможностью передачи ультразвукового сигнала на основании упомянутого частотного сигнала, а блок обработки выполнен с возможностью определения разности частот на основании упомянутого частотного сигнала.
Преимущество генератора частоты заключается в том, что он обеспечивает одной и той же постоянной частотой и передатчик, и блок обработки. Это обеспечивает возможность определения разности частот с высокой точностью.
В другом варианте осуществления устройства согласно изобретению передатчик и/или приемник имеет обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму. Преимущество обтекаемой формы заключается в том, что она минимизирует турбулентность или возмущения потока текучей среды, которые могут быть вызваны передатчиком и/или приемником.
В варианте осуществления первое направление представляет собой направление по меньшей мере частично по потоку и/или второе направление представляет собой направление по меньшей мере частично против потока. Преимущество этого признака заключается в том, что он вызывает большее рассеивание ультразвукового сигнала во втором направлении. Другое преимущество заключается в том, что так называемый доплеровский сдвиг частоты, вызванный разностью в скорости между передатчиком и текучей средой, дополняется к доплеровскому сдвигу, вызванному разностью в скорости между текучей средой и приемником. Более высокая разность частот будет выдавать в результате более точное определение скорости потока.
Задача настоящего изобретения также решается способом, содержащим этапы: а) размещения передатчика и приемника в трубопроводе; b) передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; с) формирования рассеянного ультразвукового сигнала во втором направлении рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды; d) приема рассеянного ультразвукового сигнала и обеспечения сигналом приемника, представляющим рассеянный ультразвуковой сигнал; е) определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом; и f) определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности.
В варианте осуществления способа согласно изобретению первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения имеет значение предпочтительно по меньшей мере 10° или более предпочтительно по меньшей мере 20°, или более предпочтительно в диапазоне 10-45°, или более предпочтительно по меньшей мере 60°, или более предпочтительно в диапазоне 80-90°.
В варианте осуществления способа согласно изобретению скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания, при этом угол падения равен углу рассеивания.
В другом варианте осуществления способа согласно изобретению угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания. В другом варианте осуществления первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.
В варианте осуществления способа согласно изобретению текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды.
В варианте осуществления способа согласно изобретению способ дополнительно содержит этап: д) определения объемной доли первого компонента текучей среды в отношении объема текучей среды.
В дополнительном варианте осуществления способ содержит этап: h) определения расхода первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.
В варианте осуществления объем измерения определен передатчиком и приемником, через который течет текучая среда или компонент текучей среды; этап b) содержит передачу ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении; и, этап d) содержит прием рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.
В варианте осуществления способа согласно изобретению второй компонент текучей среды содер
жит порции текучей среды. В другом варианте осуществления объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.
В варианте осуществления способ дополнительно содержит этап d2) демодулирования сигнала приемника. В варианте осуществления, способ дополнительно содержит этап d3) разделения сигнала приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.
В варианте осуществления этап д) содержит определение упомянутой доли на основании упомянутого сигнала высокого уровня. В другом варианте осуществления этап е) содержит определение упомянутой разности частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
В варианте осуществления способ дополнительно содержит этап а2) обеспечения частотным сигналом с заданной постоянной частотой, в котором этап b) содержит передачу ультразвукового сигнала на основании упомянутого частотного сигнала; и этап е) содержит определение разности частот на основании упомянутого частотного сигнала.
В варианте осуществления первое направление представляет собой направление по меньшей мере частично по потоку, и второе направление представляет собой направление по меньшей мере частично против потока.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 схематично изображен вариант осуществления устройства согласно изобретению; на фиг. 2 схематично изображен вариант осуществления устройства согласно изобретению; на фиг. 3 a схематично отображен выходной сигнал смесителя и на фиг. 3b схематично отображен демодулированный сигнал приемника;
на фиг. 4a и 4b схематично отображен сегмент трубы, включающей в себя горизонтальную пред-секцию для стабилизации потока.
Осуществление изобретения
Согласно изобретению обеспечено устройство для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе. Текучая среда или компонент текучей среды могут представлять собой жидкость, такую как нефть, вода или другую жидкость, или их смеси. Текучая среда или компонент текучей среды также могут представлять собой газ, например, воздух, метан, CO2 или другие углеводородные газы или их смеси. Скорость потока жидкости, которую необходимо определить, может представлять собой скорость потока в направлении трубопровода. Скорость потока определена в отношении трубопровода или в отношении передатчика и/или приемника, поскольку они оба могут быть неподвижно прикреплены к трубопроводу.
На фиг. 1 показан вариант осуществления устройства согласно изобретению. Передатчик 4 размещен в трубопроводе 1. В трубопроводе текучая среда 14 или компонент 2 текучей среды в текучей среде 14 могут течь в направлении 18 потока. Передатчик 4 выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении 12. Ультразвуковой сигнал рассеивается текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении 13. Этот рассеянный ультразвуковой сигнал принимается приемником 5.
Первое направление и второе направление могут пересекаться друг с другом, определяя угол у пересечения, как можно видеть на фиг. 1. Угол пересечения может иметь значение по меньшей мере 10 градусов или по меньшей мере 20 градусов или, более предпочтительно по меньшей мере 60 градусов. Объем измерения указан как 16 в качестве объема, в котором формируется рассеянный ультразвуковой сигнал, который в дальнейшем принимается приемником.
Объем 20 передачи может быть определен путем или глубиной проникновения переданного ультразвукового сигнала в текучую среду и первым направлением, тогда как объем 21 рассеивания может быть определен путем или глубиной проникновения принятого рассеянного ультразвукового сигнала в текучую среду и вторым направлением. Частичное совпадение объема 20 передачи и объема 21 рассеивания содержит объем 16 измерения. Поэтому, объем 16 измерения может быть определен путем или глубиной проникновения переданного ультразвукового сигнала в текучую среду, первым направлением, путем или глубиной проникновения принятого рассеянного ультразвукового сигнала в текучую среду и вторым направлением. Путь ультразвукового сигнала в текучей среде может быть ограничен поглощением и рассеиванием сигнала в текучей среде и может находиться в диапазоне нескольких миллиметров.
Поэтому, объем измерения может находиться в диапазоне нескольких кубических миллиметров.
Однако объем измерения является также зависимым от угла пересечения. Небольшой угол пересечения (например, меньше 5°) приведет к большому объему, тогда как большой угол пересечения (например, около 90°) приведет к небольшому объему. Однако преимущество большего объема измерения заключается в том, что он приведет к большему рассеиванию ультразвукового сигнала. Преимущество небольшого объема измерения заключается в том, что скорость потока может быть определена более точно, поскольку эффект любых пространственных возмущений в текучей среде также является небольшим в небольшом объеме измерения.
Вследствие этих эффектов было выяснено, что предпочтительный угол пересечения имеет значение 10 градусов, или более предпочтительно по меньшей мере 20°, или еще более предпочтительно около 10
45° или более предпочтительно по меньшей мере 60° или еще более предпочтительно около 80-90°.
Для того чтобы предпринять таким меры, чтобы объем измерения был сравнительно небольшим, т.е. имел поперечное сечение, которое было бы сравнительно небольшим относительно поперечного сечения трубы, передатчик и приемник размещаются на соединительном или монтажном элементе 25.1 и 25.2 внутри трубопровода. Элементы могут, например, иметь обтекаемую форму, чтобы избежать возмущений. Поступая таким образом, передатчик и приемник могут быть разделены сравнительно небольшим расстоянием по сравнению с диаметром трубопровода. При этом объем 16 измерения может быть установлен так, чтобы быть меньшим, чем объем типичной порции 2 текучей среды, см. также дальше.
В варианте осуществления передатчик и приемник устанавливаются так, чтобы их активные (соответственно передающие и принимающие) поверхности были направлены к друг к другу (т.е. пересекались, как описано выше) на сравнительно небольшом расстоянии друг от друга по сравнению с диаметром трубопровода. В варианте осуществления монтажный элемент, такой как монтажный элемент 25.1 и 25.2, как показано на фиг. 1 и 2, выполнен с возможностью установки передатчика и приемника таким образом, чтобы расстояние передатчик-приемник в направлении перпендикулярном направлению потока имело значение меньше 50% от диаметра трубы, предпочтительно меньше 10%. Типично передатчик и приемник устанавливаются так, чтобы их активные (соответственно передающие и принимающие) поверхности были направлены друг к другу на расстоянии от 2 до 10 мм в плоскости диаметра трубы. Измеряемый поток, таким образом, может беспрепятственно проходить через объем измерения параллельно оси трубы. Типичный размер такого передатчика и приемника имеет значение от 5 до 8 мм. Минимальный диаметр трубы, содержащей в себе камеру измерения (образованную передатчиком 4, приемником 5 и объемом 16 измерения), имеет значение типично 40 мм. В большинстве случаев диаметр трубы находится между 60 и 150 мм. Таким образом, в общем случае расстояние от передатчика до приемника равно от 5 до 10% диаметра трубы.
На фиг. 1 расстояние между передатчиком 4 и приемником 5 было увеличено, с тем, чтобы ясно отобразить первое второе направление и направление потока, а также угол падения и рассеивания. На практике передатчик 4 и приемник 5 позиционированы сравнительно близко друг к другу по причине поглощения сигнала в текучей среде.
На основании принятого ультразвукового сигнала приемник 5 обеспечивает сигнал приемника, который представляет рассеянный ультразвуковой сигнал. Сигнал приемника может содержать информацию о частоте рассеянного ультразвукового сигнала, который принят приемником, и информацию об амплитуде рассеянного ультразвукового сигнала, который принят приемником. Сигнал приемника может представлять собой электрический сигнал, частота и амплитуда которого соответствуют частоте и амплитуде рассеянного ультразвукового сигнала.
Передатчик может, например, представлять собой пьезоэлектрический передатчик, а приемник может, например, представлять собой пьезоэлектрический приемник.
Устройство дополнительно содержит блок 15 обработки, который использует сигнал приемника для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании известного эффекта Доплера. Когда текучая среда течет, частота принятого ультразвукового сигнала является отличной от частоты переданного ультразвукового сигнала. Разность частот зависит от компонента скорости потока в первом направлении и компонента скорости потока во втором направлении, а также от частоты переданного ультразвукового сигнала.
Угол а падения может быть определен как угол между первым направлением 12 и направлением скорости потока, называемым направлением 18 потока. Угол в рассеивания может быть определен как угол между вторым направлением 13 и направлением 18 потока. Направление потока, а также первое и второе направление могут быть известны из конфигурации передатчика и приемника в трубопроводе. Как можно видеть на фиг. 1, первое направление представляет собой направление по меньшей мере частично по потоку, тогда как второе направление представляет собой направление по меньшей мере частично против потока.
Когда угол а падения равен углу в рассеивания, скорость потока может быть определена на основании формулы:
w=2 • с • cos (|3) • (fd-ft)/ft,
где w - скорость потока;
с - скорость ультразвукового сигнала в текучей среде; в - угол падения/рассеивания; fd - частота рассеянного ультразвукового сигнала; ft - частота переданного ультразвукового сигнала.
Блок 15 обработки может быть выполнен с возможностью определения скорости потока на основании этой формулы.
В варианте осуществления изобретения устройство дополнительно содержит генератор 17 частоты, выполненный с возможностью обеспечения частотным сигналом с заданной постоянной частотой передатчика и блока обработки. Этот частотный сигнал может быть использован передатчиком для передачи
ультразвукового сигнала с конкретной частотой. Поскольку блок 15 обработки определяет скорость потока на основании частоты переданного ультразвукового сигнала, предпочтительно обеспечивать тем же самым частотным сигналом блок 15 обработки.
Функция генератора частоты также может быть предусмотрена в передатчике, в блоке обработки или в качестве отдельного блока.
В соответствии с изобретением устройство может быть использовано для определения скорости потока компонента текучей среды в трубопроводе. Текучая среда в трубопроводе может содержать два компонента текучей среды, такие как жидкость, например нефть, и газ, например, метан или другие углеводородные газы, воздух, азот, и т.д. Может потребоваться отдельно определить скорость потока жидкости и/или газа, поскольку скорость потока компонентов может быть различной. Например, скорость потока метана может быть более высокой, чем скорость потока нефти.
Однако ультразвуковой сигнал, переданный в текучую среду, содержащую два компонента текучей среды, может быть рассеян двумя компонентами текучей среды в одно и то же время. Рассеянный ультразвуковой сигнал может тогда представлять собой объединение ультразвукового сигнала, рассеянного первым компонентом текучей среды, и ультразвукового сигнала, рассеянного вторым компонентом текучей среды. В таком случае определение скорости потока одного из компонентов текучей среды на основании сигнала приемника может быть сложным.
Может существовать случай, когда первый компонент текучей среды и/или второй компонент текучей среды образованы в форме порций. Это значит, что первый компонент текучей среды не растворен во втором компоненте текучей среды (и не наоборот). Вместо этого отдельные объемы одного (или нескольких) из компонентов текучей среды могут быть идентифицированы в текучей среде. Такие отдельные объемы одного компонента текучей среды также называются порциями. Например, текучая среда может содержать порции нефти и порции газа. На фиг. 1 такая порция схематично указана 2.
Согласно варианту осуществления изобретения объем 16 измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды. В таком случае объем 16 измерения вообще полностью заполняется одним из компонентов текучей среды в конкретный момент. В таком случае рассеянный ультразвуковой сигнал формируется лишь одним из компонентов текучей среды, при этом скорость потока этого компонента текучей среды может быть определена, как описано выше. Например, на фиг. 1 можно видеть, что порция 2 будет заполнять объем 16 измерения, когда текучая среда течет через объем 16 измерения. За счет этого различные компоненты текучей среды могут поочередно определяться приемником. Другими словами, размещение передатчика и приемника сравнительно близко друг к другу, таким образом определяя сравнительно небольшого объема измерения (по сравнению с компоновкой, при которой передатчик и приемник размещены на или в поверхности трубопровода (либо внутренней, либо внешней)), обеспечивает возможность приемнику принимать сигналы, которые по существу определены отражениями на единственном компоненте текучей среды. В результате можно выполнить более четкое различие, когда конкретный компонент проходит объем измерения и, поэтому, можно выполнить более четкую оценку различных объемных долей (см. также в дальнейшем), обеспечивая возможность более точной оценки расхода текучей среды в трубопроводе.
Дополнительные меры для обеспечения улучшенного разделения компонентов текучей среды при прохождении через объем измерения включают в себя использование горизонтальной пред-секции, как разъяснено более подробно ниже на фиг. 4а и 4b.
Как проиллюстрировано на фиг. 1 и описано выше, объем 16 измерения может быть определен передатчиком и приемником, причем передатчик передает ультразвуковой сигнал в объем измерения в первом направлении; а приемник принимает рассеянный ультразвуковой сигнал из упомянутого объема измерения во втором направлении. Таким образом, объем измерения может зависеть от расположения и/или конфигурации передатчика и приемника. Поэтому, объем измерения может быть управляемым за счет регулирования конфигурации и/или расположения передатчика и приемника.
Для дальнейшего управления объемом измерения устройство может дополнительно содержать камеру 19 измерения, содержащую объем 16 измерения. В таком случае объем измерения может быть отрегулирован за счет регулирования размеров и расположения камеры измерения. Например, объем измерения может быть дополнительно уменьшен за счет уменьшения размеров камеры измерения, не регулируя конфигурацию передатчика и приемника.
В варианте осуществления изобретения камера измерения содержит несколько входов текучей среды и выходов текучей среды, выполненных для обеспечения возможности течения текучей среды через камеру измерения.
Во всех из описанных выше вариантов осуществления сигнал приемника может содержать некоторый шум. Амплитуда шума в сигнале приемника обычно имеет относительно небольшое значение. Поэтому, можно преимущественно разбить сигнал приемника на сигнал низкого уровня (содержащий шум) и высокого уровня на основании заданного порогового уровня. Это может содержать отфильтровывание шума или сигнала низкого уровня из принятого сигнала, для того чтобы получить сигнал высокого уровня. Нет необходимости формировать или выводить сам сигнал низкого уровня. Предварительно заданное пороговое значение может быть выбрано с тем, чтобы соответствовать (ожидаемому) уровню шума.
В случае текучей среды с двумя или несколькими компонентами текучей среды, может существовать случай, когда сигнал приемника содержит интервалы времени, в которых сигнал вызван первым компонентом текучей среды, и интервалы времени, в которых сигнал вызван вторым или другим компонентом текучей среды. В особенности это может быть случаем, когда объем измерения является меньшим или равным среднему объему порций компонентов текучей среды. Из-за различных характеристик компонентов текучей среды амплитуда сигнала приемника может быть отличной в этих различных интервалах времени.
Например, в случае текучей среды, содержащей нефть и газ в качестве двух компонентов текучей среды, может существовать случай, когда газ не формирует или лишь ограниченным образом формирует рассеянный ультразвуковой сигнал. Это будет вызывать небольшую амплитуду в сигнале приемника в интервалах времени, когда газ заполняет объем измерения, по сравнению с амплитудой в интервалах времени, когда объем измерения заполняет нефть.
Поэтому, преимущественно разбивать сигнал приемника на сигнал низкого уровня и высокого уровня на основании заданного порогового уровня, причем заданное пороговое значение может быть выбрано так, чтобы сигнал высокого уровня содержал интервалы времени, соответствующие первому компоненту текучей среды, а сигнал низкого уровня содержал интервалы времени, соответствующие второму компоненту текучей среды. Таким образом, скорость потока двух компонентов текучей среды может быть определена раздельно, используя сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня. Также в этом случае из сигнала низкого уровня и/или сигнала высокого уровня может быть отфильтрован шум.
Может быть понятно, что сигнал приемника может быть также разделен на больше, чем два сигнала. Например, сигнал приемника может быть разделен на три сигнала (например, на сигнал низкого уровня, сигнал среднего уровня и сигнал высокого уровня), когда текучая среда содержит три компонента текучей среды, причем каждый имеет различимый интервал времени сигнала.
На фиг. 2 схематично проиллюстрировано несколько этапов обработки сигнала в блоке 15 обработки. Сигнал приемника от приемника 5 может быть усилен усилителем 7, затем смешан смесителем 8 с частотным сигналом. Смеситель формирует разностный сигнал, указывающий разность частот между сигналом приемника и частотным сигналом, т.е. разность частот между переданным ультразвуковым сигналом и принятым рассеянным ультразвуковым сигналом. Разделение и/или фильтрование этого сигнала может быть выполнено дискриминатором 10. Дискриминатор может представлять собой фильтр низких частот. Для содействия функции дискриминатора 10, блок 15 обработки может содержать демодулятор, предназначенный для демодулирования сигнала приемника. Демодулятор выполнен с возможностью преобразования АС-сигнала в DC-сигнал. Демодулятор может быть интегрирован в приемник 5, усилитель 7 или смеситель 8. После разделения или фильтрования сигнала, сигнал высокого уровня (или сигнал низкого уровня или сигнал среднего уровня) может поступить в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 10. Цифровой сигнал АЦП затем может быть использован вычислительным блоком 11. Вычислительный блок 11 может быть выполнен с возможностью определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды.
Поскольку частота разностного сигнала может быть в несколько раз меньшей, чем частота сигнала приемника, требования для технических характеристик АЦП значительно уменьшены по сравнению с вариантом осуществления, в котором вычислительный блок выполнен с возможностью вычисления разности частот непосредственно на основании оцифрованного сигнала приемника. На фиг. 2 дополнительно к фиг. 1 схематично отражен передатчик 4 и приемник 5, размещенные на соединительных и монтажных элементах 25.1 и 25.2 внутри трубопровода таким образом, чтобы обеспечить возможность объему измерения быть сравнительно небольшим.
На фиг. 3a показано схематичное общее представление выходного сигнала смесителя, а на фиг. 3b -схематичное общее представление демодулированного сигнала. Выходной сигнал смесителя содержит несколько интервалов P1-P6 времени. В интервалах Р1, P3 и Р5 времени амплитуда сигнала является небольшой по сравнению с сигналом в интервалах Р2, Р4 и P6 времени. Может существовать случай, когда этот сигнал вызывается текучей средой, содержащей жидкость, такой как нефть, и порции газа. Известно, что порции газа не формируют или формируют слабые рассеянные ультразвуковые сигналы и поэтому можно заключить, что в течение интервалов Р1, P3 и Р5 времени объем измерения был заполнен порциями газа, тогда как в интервалах Р2, Р4 и P6 времени объем измерения был заполнен нефтью. На фиг. 3b можно видеть, как демодулированный сигнал представляет DC-сигнал. Также показан пример порогового уровня. Разделение или фильтрование этого сигнала затем может быть без труда выполнено фильтром низких частот.
Вообще для определения расхода одного из компонентов текучей среды в трубопроводе, например, расхода нефти, требуется не только площадь поперечного сечения трубопровода и скорость потока этого компонента, но также объемная доля этого компонента текучей среды в отношении совместного суммарного объема компонентов текучей среды (т.е. объема текучей среды). Расход может быть определен на основании формулы:
Q=cp • w • S
где Q - объемный расход компонента текучей среды ср: доля компонента текучей среды;
w - скорость потока компонента текучей среды; S - площадь поперечного сечения трубопровода.
Согласно варианту осуществления изобретения блок обработки может быть выполнен с возможностью определения расхода текучей среды или компонента текучей среды. Блок 15 обработки может быть выполнен с возможностью определения расхода на основании этой формулы.
Поперечное сечение трубопровода является постоянным и известным и может быть введено в блок 15 обработки. Скорость потока компонента текучей среды может быть определена в соответствии с одним из вариантов осуществления, описанных выше. Доля компонента текучей среды может быть определена несколькими способами, например, на основании веса образца текучей среды или других характеристик этого образца. Однако может быть преимущественным определять долю компонента текучей среды на месте и непрерывно, поскольку доля может изменяться с течением времени.
Согласно варианту осуществления изобретения доля компонента может быть определена на основании интервалов времени этого компонента текучей среды в сигнале приемника. Доля компонента текучей среды может быть определена на основании формулы:
Ф=Т/Т0,
где р - доля компонента текучей среды; Т0 - интервал времени выборки;
Т - сумма продолжительностей интервалов времени с компонентом текучей среды.
Интервал времени выборки может быть любым интервалом времени, в котором должна быть определена средняя доля. Он должен быть по меньшей мере большим суммы продолжительностей интервалов времени с долей компонента текучей среды. На фиг. 3b два из интервалов времени компонента текучей среды, например, газа, были указаны как Ti и Ti+1. Интервал времени выборки указан как T0.
В варианте осуществления изобретения блок обработки выполнен с возможностью определения доли компонента на основании упомянутой выше формулы. На основании определенной доли компонента текучей среды, определенной скорости потока компонента текучей среды, введенной площади поперечного сечения трубопровода, блок 15 обработки может быть выполнен с дополнительной возможностью определения расхода компонента текучей среды в текучей среде, содержащей по меньшей мере 2 компонента текучей среды.
Выше также разъяснено, как может быть определена скорость потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе способом, содержащим этапы: а) размещения передатчика и приемника в трубопроводе; b) передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении; с) формирования рассеянного ультразвукового сигнала во втором направлении рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды; d) приема рассеянного ультразвукового сигнала и обеспечения сигналом приемника, представляющим рассеянный ультразвуковой сигнал; е) определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом; и f) определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности.
На фиг. 4а схематично показана компоновка вертикального сегмента 50 трубы, которому предшествует горизонтальная секция 52, называемая горизонтальной пред-секцией. Пред-секция 52 трубы может быть использована для стабилизации потока и может обеспечить частичную коалесценцию газовой фазы текучей среды (если присутствует). Конкретный тип такой пред-секции представляет собой горизонтальную трубу, где естественное разделение потока может возникнуть благодаря силе тяжести. Когда такая горизонтальная труба или пред-секция соединена с входом вертикальной трубы 50, которая содержит измерительную систему (т.е. передатчик и приемник, выполненные с возможностью наблюдения за потоком в объеме измерения, как описано выше), такая система может выдать в результате так называемую порционную модель мультифазного потока в широком диапазоне расхода газа и жидкости. Такая порционная модель потока может обеспечить в устройствах согласно изобретению поочередный вход фракций газа и жидкости в объем измерения. На фиг. 4а дополнительно схематично показано положение измерительной системы 53 в вертикальном сегменте 50 трубы и направление потока, указанное стрелкой 54. На фиг. 4b показано немного больше деталей на горизонтальной пред-секции 52 и соединенной трубе 50, показывающих типичные размеры в качестве функции от диаметра d трубы.
В соответствии с требованиями в материалах настоящей заявки раскрыты подробные варианты осуществления настоящего изобретения, однако, должно быть понятно, что раскрытые варианты осуществления являются лишь примерами изобретения, которое может быть осуществлено в различных формах. Поэтому конкретные структурные и функциональные подробности, раскрытые в материалах настоящей заявки, не должны быть интерпретированы в качестве ограничивающих, а подразумеваются лишь в качестве основы формулы изобретения и в качестве репрезентативных примеров для информирования специалистов в данной области техники о различных применениях настоящего изобретения практически в любой подходящей детализированной конструкции. Более того, термины и фразы, используемые в материалах настоящей заявки, не предназначены, чтобы быть ограничивающими, а скорее предназначены для обеспечения понятного описания изобретения. Термины в единственном числе в контексте
материалов настоящей заявки определены как один или более одного. Термин "множество", в контексте материалов настоящей заявки определен как "два или более двух". Термин "другой" в контексте материалов настоящей заявки определен как "по меньшей мере второй или дальнейший". Термины "включающий в себя" и/или "имеющий", в контексте материалов настоящей заявки определены как "содержащий" (то есть открытый перечень, не исключающий других элементов или этапов). Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны истолковываться в качестве ограничивающих объем формулы изобретения или объем изобретения. То обстоятельство, что определенные средства перечислены во взаимно разных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих средств не может быть использовано с достижением преимущества.
Единственный процессор или другое устройство может выполнять функции нескольких пунктов, изложенных в формуле изобретения.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Устройство для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе, содержащее
передатчик, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью передачи ультразвукового сигнала в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении;
приемник, приспособленный для размещения внутри трубопровода и выполненный с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала, сформированного рассеиванием ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды во втором направлении, причем второе направление отличается от первого направления, и обеспечения сигнала приемника, представляющего рассеянный ультразвуковой сигнал; и
блок обработки, выполненный с возможностью приема упомянутого сигнала приемника и определения разности частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом, и определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности,
при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды;
при этом передатчик и приемник расположены и выполнены с возможностью определения объема измерения, выполненного с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды;
при этом передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении;
при этом приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении;
при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём упомянутые порции текучей среды представляют собой непрерывные объёмы второго компонента текучей среды, и при этом передатчик и приёмник расположены и выполнены таким образом, что объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.
2. Устройство по п.1, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10° или более, предпочтительно по меньшей мере 80-90°.
3. Устройство по п.1 или 2, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и в котором угол падения равен углу рассеивания.
4. Устройство по п.3, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.
5. Устройство по п.3 или 4, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.
6. Устройство по п.1, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения объемной доли первого компонента текучей среды в отношении объема текучей среды.
7. Устройство по п.6, в котором блок обработки дополнительно выполнен с возможностью определения расхода первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.
8. Устройство по одному из пп.1-7, дополнительно содержащее камеру измерения, причем камера измерения содержит объем измерения, выполненный с возможностью содержания в себе текучей среды или компонента текучей среды;
причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала в упомянутый объем измерения в первом направлении, и приемник выполнен с возможностью приема рассеянного ультразвукового сигнала из упомянутого объема измерения во втором направлении.
9. Устройство по одному из пп.1-8, в котором блок обработки дополнительно содержит дискрими-
натор, выполненный с возможностью разделения сигнала приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.
10. Устройство по п.9, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой доли на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
11. Устройство по п.9 или 10, в котором блок обработки выполнен с возможностью определения упомянутой разности частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
12. Устройство по одному из пп.1-11, в котором блок обработки дополнительно содержит демодулятор, выполненный с возможностью демодулирования сигнала приемника.
13. Устройство по одному из пп.1-12, дополнительно содержащее генератор частоты, выполненный с возможностью обеспечения частотного сигнала с заданной постоянной частотой для передатчика и блока обработки,
причем передатчик выполнен с возможностью передачи ультразвукового сигнала на основании упомянутого частотного сигнала и блок обработки выполнен с возможностью определения разности частот на основании упомянутого частотного сигнала.
14. Устройство по одному из пп.1-13, в котором передатчик и/или приемник имеют обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.
15. Устройство по одному из пп.1-14, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку, и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.
16. Устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащее монтажный элемент для установки передатчика и приемника внутри трубопровода.
17. Устройство по п.16, в котором монтажный элемент выполнен с возможностью установки передатчика и приемника, разделенных расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.
18. Устройство по п.16 или 17, в котором монтажный элемент имеет обтекаемую форму, предпочтительно аэродинамическую форму.
19. Измерительная система, содержащая первый сегмент трубопровода, соединенный со вторым сегментом трубопровода, и содержащая устройство по любому из предшествующих пунктов, причем при использовании первый сегмент трубопровода проходит, по существу, в горизонтальном направлении, а второй сегмент трубопровода проходит, по существу, в вертикальном направлении, причем первый сегмент трубопровода выполнен с возможностью приема текучей среды или компонента текучей среды и подачи текучей среды или компонента текучей среды во второй сегмент трубопровода.
20. Способ определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе с использованием устройства для определения скорости потока текучей среды или компонента текучей среды в трубопроводе по п.1, причём способ содержит этапы, на которых:
a) размещают передатчик и приемник в трубопроводе;
b) передают ультразвуковой сигнал в текучую среду или компонент текучей среды в первом направлении;
c) формируют рассеянный ультразвуковой сигнал во втором направлении за счет рассеивания ультразвукового сигнала текучей средой или компонентом текучей среды;
d) принимают рассеянный ультразвуковой сигнал и обеспечивают сигнал приемника, представляющий рассеянный ультразвуковой сигнал;
e) определяют разность частот между переданным ультразвуковым сигналом и рассеянным ультразвуковым сигналом; и
f) определяют скорость потока текучей среды или компонента текучей среды на основании упомянутой разности;
при этом текучая среда содержит первый компонент текучей среды и второй компонент текучей среды;
при этом объем измерения определен передатчиком и приемником, через который течет текучая среда или компонент текучей среды;
этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал в упомянутый объем измерения в первом направлении; и
этап d) содержит этап, на котором принимают рассеянный ультразвуковой сигнал из упомянутого объема измерения во втором направлении;
при этом второй компонент текучей среды содержит порции текучей среды, причём объем измерения является меньшим или равным среднему объему упомянутых порций текучей среды.
21. Способ по п.20, в котором первое направление и второе направление пересекаются друг с другом, определяя угол пересечения, причем угол пересечения составляет предпочтительно по меньшей мере 10° или более предпочтительно по меньшей мере 80-90°.
22. Способ по п.20 или 21, в котором скорость потока определяет направление потока, первое направление и направление потока определяют угол падения, второе направление и направление потока определяют угол рассеивания и при этом угол падения равен углу рассеивания.
21.
23. Способ по п.22, в котором угол пересечения равен сумме угла падения и угла рассеивания.
24. Способ по п.22 или 23, в котором первое направление, второе направление и направление потока являются компланарными.
25. Способ по п.24, дополнительно содержащий этап, на котором:
g) определяют объемную долю первого компонента текучей среды по отношению к объему текучей среды.
26. Способ по п.25, дополнительно содержащий этап, на котором:
h) определяют расход первого компонента текучей среды на основании скорости потока первого компонента текучей среды и упомянутой доли.
27. Способ по одному из пп.20-26, дополнительно содержащий этап, на котором: d2) демодулируют сигнал приемника.
28. Способ по одному из пп.20, 25-27, дополнительно содержащий этап, на котором:
d3) разделяют сигнал приемника на сигнал низкого уровня и сигнал высокого уровня на основании заданного порогового уровня.
29. Способ по п.28, в котором этап g) содержит этап, на котором определяют упомянутую долю на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
30. Способ по п.28 или 29, в котором этап е) содержит этап, на котором определяют упомянутую разность частот на основании упомянутого сигнала высокого уровня.
31. Способ по одному из пп.20-30, дополнительно содержащий этап, на котором:
а2) обеспечивают частотный сигнал с заданной постоянной частотой,
причем этап b) содержит этап, на котором передают ультразвуковой сигнал на основании упомянутого частотного сигнала; и этап е) содержит этап, на котором определяют разность частот на основании упомянутого частотного сигнала.
32. Способ по одному из пп.20-31, в котором первое направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, по потоку и второе направление представляет собой направление, по меньшей мере частично, против потока.
33. Способ по одному из пп.20-32, в котором этап размещения передатчика и приемника в трубопроводе содержит этап, на котором устанавливают передатчик и приемник так, что они разделены расстоянием менее 50% от диаметра трубопровода, предпочтительно менее 10%.
34. Способ по одному из пп.20-33, в котором передатчик и приемник установлены в вертикальном сегменте трубопровода, которому предшествует горизонтальный сегмент трубопровода.
32.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
032592
- 1 -
(19)
032592
- 1 -
(19)
032592
- 1 -
(19)
032592
- 9 -
032592
- 13 -