накладной ультразвуковой многофазный расходомер

Формула изобретения

1. Многофазный расходомер для определения, по меньшей мере, одной характеристики первой фазы, проходящей в трубе, причем в трубе также присутствует, по меньшей мере, вторая фаза, содержащий процессор, выполненный с возможностью определения, по меньшей мере, одной характеристики первой фазы; первый преобразователь, выполненный с возможностью подавать первый импульсный сигнал в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем первый импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне, причем первый преобразователь выполнен с возможностью соединяться с внешней стенкой трубы, и абсолютное значение первого угла падения в первой фазе задано, чтобы быть по меньшей мере 10° и по большей мере 80°; и

второй преобразователь, выполненный с возможностью подавать второй импульсный сигнал в первую фазу под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем второй импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне, второй преобразователь выполнен с возможностью соединяться с внешней стенкой трубы, и абсолютное значение второго угла падения в первой фазе задано, чтобы быть менее 10°, тем самым абсолютное значение второго угла падения задано, чтобы иметь по существу нормальное падение, при этом генерированный первый импульсный сигнал и первый обратный эхо-сигнал, принятый первым преобразователем, используются для определения первого времени прохождения, причем определение первого времени прохождения основано на профиле скорости потока и/или первом доплеровском профиле эхо-энергии первой фазы; генерированный второй импульсный сигнал и второй обратный эхо-сигнал, принятый вторым преобразователем, используются для определения второго времени прохождения, причем определение второго времени прохождения основано на втором доплеровском профиле обратных эхо-энергии сигналов от множества уровней глубины первой фазы.

2. Многофазный расходомер по п.1, в котором по меньшей мере, одна характеристика первой фазы содержит расход жидкости первой фазы и расход жидкости первой фазы определен на основе определения средней скорости потока и толщины слоя первой фазы.

3. Многофазный расходомер по п.2, в котором средняя скорость потока в первой фазе определена на основе, по меньшей мере, двух вычислений времени прохождения.

4. Многофазный расходомер по п.1, в котором, по меньшей мере, одна характеристика первой фазы содержит скорость звука в первой фазе; скорость звука в первой фазе определена на основе, по меньшей мере, двух вычислений времени прохождения.

5. Многофазный расходомер по п.1, в котором, по меньшей мере, одна характеристика первой фазы содержит толщину первой фазы; и толщина первой фазы определена на основе определения скорости звука в первой фазе.

6. Многофазный расходомер по п.1, в котором труба является горизонтальной трубой; первый преобразователь выполнен с возможностью соединения с нижней стороной горизонтальной трубы; и второй преобразователь выполнен с возможностью соединяться с нижней стороной горизонтальной трубы.

7. Многофазный расходомер по п.1, в котором труба является вертикальной трубой; первый преобразователь выполнен с возможностью соединения с вертикальной трубой; и второй преобразователь выполнен с возможностью соединения с вертикальной трубой.

8. Многофазный расходомер по п.7, дополнительно содержащий формирователь потока, который генерирует кольцевую структуру потока, так что первая фаза образует распределение кольцевой формы вокруг внутренней стенки вертикальной трубы.

9. Многофазный расходомер по п.1, в котором первый преобразователь выполнен с возможностью разъемного соединения с внешней стенкой трубы; и второй преобразователь выполнен с возможностью разъемного соединения с внешней стенкой трубы.

10. Многофазный расходомер по п.1, в котором абсолютное значение первого угла падения в первой фазе задано, чтобы быть, по меньшей мере, 15° и, по большей мере, 60°.

11. Многофазный расходомер по п.1, в котором абсолютное значение второго угла падения в первой фазе задано, чтобы быть менее 5°.

12. Многофазный расходомер по п.1, в котором

генерированный первый импульсный сигнал и первый обратный эхо-сигнал, принятый первым преобразователем, используются для определения первого времени прохождения, причем вычисление первого времени прохождения основано на определении первой характеристики первой фазы в первом множестве уровней глубины; и генерированный второй импульсный сигнал и второй обратный эхо-сигнал, принятый вторым преобразователем, используются для определения второго времени прохождения, причем вычисление второго времени прохождения основано на определении второй характеристики первой фазы во втором множестве уровней глубины.

13. Многофазный расходомер по п.1, дополнительно содержащий третий преобразователь, выполненный с возможностью подавать третий импульсный сигнал в первую фазу под третьим углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем третий импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне, причем третий преобразователь выполнен с возможностью соединения с внешней стенкой трубы; третий преобразователь дополнительно выполнен так, что третий преобразователь принимает первый импульсный сигнал; и первый преобразователь принимает третий импульсный сигнал; и абсолютное значение третьего угла падения в первой фазе задано, чтобы быть, по меньшей мере, 10° и, по большей мере, 80°.

14. Многофазный расходомер по п.13, в котором, по меньшей мере, одна характеристика первой фазы определена на основе, по меньшей мере, трех вычислений времени прохождения.

15. Многофазный расходомер по п.13, в котором абсолютное значение третьего угла падения в первой фазе задано, чтобы быть, по меньшей мере, 15° и, по большей мере, 60°.

16. Многофазный расходомер по п.13, в котором

первый преобразователь выполнен с возможностью генерирования первой энергии возбуждения частотой, по меньшей мере, 50 кГц и, по большей мере, 1000 кГц в стенке трубы; и

третий преобразователь выполнен с возможностью генерирования второй энергии возбуждения частотой, по меньшей мере, 50 кГц и, по большей мере, 1000 кГц в стенке трубы.

17. Способ определения расхода жидкости первой фазы, проходящей в трубе, причем в трубе также присутствует, по меньшей мере, вторая фаза, содержащий этапы, на которых

подают первый импульсный сигнал в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем первый импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне;

подают второй импульсный сигнал в первую фазу под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем второй импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне;

определяют расход жидкости первой фазы на основе, по меньшей мере частично, определений средней скорости потока в первой фазе, при этом дополнительно

определяют первое время прохождения на основе множества определений доплеровского сдвига частоты первого обратного эхо-сигнала из уровня глубины в первой фазе; и

определяют второе время прохождения на основе множества определений энергетического уровня второго обратного сигнала из уровня глубины в первой фазе.

18. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором определяют среднюю скорость потока в первой фазе на основе, по меньшей мере, двух вычислений времени прохождения.

19. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором

определяют скорость звука в первой фазе на основе, по меньшей мере, двух вычислений времени прохождения.

20. Способ по п.17, дополнительно содержащий этап, на котором определяют толщину первой фазы на основе, по меньшей мере частично, определения скорости звука в первой фазе.

21. Способ по п.17, в котором первая фаза является многофазным потоком, дополнительно содержащий этап, на котором закручивают многофазный поток таким образом, что первая фаза образует распределение кольцевой формы вокруг внутренней стенки трубы.

22. Способ определения расхода жидкости первой фазы, проходящей в трубе, причем в трубе также присутствует, по меньшей мере, вторая фаза, причем способ содержит этапы, на которых генерируют первую энергию возбуждения в первом общем местоположении в стенке трубы так, что первый импульсный сигнал подается в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы; принимают первый импульсный сигнал во втором общем местоположении, где сгенерирована вторая энергия возбуждения; генерируют вторую энергию возбуждения во втором общем местоположении в стенке трубы, такую, что второй импульсный сигнал подается во вторую фазу под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы; принимают второй импульсный сигнал в первом общем местоположении, где сгенерирована первая энергия возбуждения; генерируют третью энергию возбуждения, такую, что третий импульсный сигнал подается в третьем общем местоположении, в третью фазу под третьим углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем третий импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне; и принимают третий импульсный сигнал в третьем общем местоположении, где сгенерирована третья энергия возбуждения.

23. Способ по п.22, дополнительно содержащий этап, на котором

определяют первое время прохождения, используя первый импульсный сигнал;

определяют второе время прохождения, используя второй импульсный сигнал;

определяют третье время прохождения, используя третий импульсный сигнал.

24. Способ по п.22, дополнительно содержащий этап, на котором определяют, по меньшей мере, одну характеристику первой фазы на основе определения первого времени прохождения, второго времени прохождения и третьего времени прохождения.

25. Способ по п.22, в котором первая энергия возбуждения имеет частоту по меньшей мере 50 кГц

и по большей мере 1 МГц; и

вторая энергия возбуждения имеет частоту по меньшей мере 50 кГц

и по большей мере 1 МГц; и

третья энергия возбуждения имеет частоту по меньшей мере 500 кГц

и по большей мере 20 МГц.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится в целом к расходомеру и без ограничения к многофазному расходомеру.

Уровень техники

По сравнению со встраиваемым расходомером накладной расходомер предлагает значительные функциональные и экономические преимущества. Некоторые из этих накладных расходомеров спроектированы, чтобы использовать ультразвук для наблюдения за однофазными потоками. Однако такие расходомеры не могут быть использованы для наблюдения за многофазными потоками, которые распространены в нефтяной и газовой промышленности.

Для многофазных потоков известны некоторые ультразвуковые технические приемы для измерения толщины жидкой фазы в цистерне или трубе. Например, подавая импульсный сигнал и измеряя эхо от поверхности раздела между газом и жидкостью, время прохождения импульсного сигнала до цели и обратно может быть использовано для определения положения раздела между газом и жидкостью. Однако технические приемы, такие как этот, требуют определения скорости звука в жидкой фазе.

Для того чтобы определить скорость звука в жидкой фазе, различные технические приемы требуют того, чтобы длина пути перемещения импульсного сигнала была известна. Однако в нефтегазовой промышленности, где толщина жидкой фазы может варьироваться от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, не принято проектировать путь перемещения так, чтобы можно было определить репрезентативную скорость звука из пути перемещения.

Сущность изобретения

Один вариант осуществления настоящего изобретения описывает накладной расходомер, который использует ультразвук для наблюдения за многофазными потоками, которые распространены в нефтяной и газовой промышленности. Накладной расходомер определяет скорость звука в жидкой фазе, не требуя известности длины пути перемещения импульсного сигнала. В различных вариантах осуществления накладной расходомер способен определять скорость потока, фракцию фазы, скорость звука и звуковое полное сопротивление жидкой фазы, которые могут быть объединены для определения расхода жидкости жидкой фазы и пропорций смеси разных компонентов в жидкой фазе. Различные измерения времени прохождения могут быть объединены для определения толщины жидкого слой и скорости звука в жидком слое.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет многофазный расходомер, для определения, по меньшей мере, одной характеристики первой фазы, проходящей в трубе, причем в трубе также присутствует, по меньшей мере, вторая фаза. Многофазный расходомер включает в себя процессор, выполненный с возможностью определения, по меньшей мере, одной характеристики первой фазы. Многофазный расходомер также включает в себя первый преобразователь, выполненный с возможностью подавать первый импульсный сигнал в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем первый импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне, причем первый преобразователь выполнен с возможностью соединяться с внешней стенкой трубы, и абсолютное значение первого угла падения в первой фазе задано, чтобы быть, по меньшей мере, 10 градусов и, по большей мере, 80 градусов. Дополнительно, многофазный расходомер включает в себя второй преобразователь, выполненный с возможностью подавать второй импульсный сигнал в первую фазу под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем второй импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне, причем второй преобразователь выполнен с возможностью соединяться с внешней стенкой трубы, и абсолютное значение второго угла падения в первой фазе задано, чтобы быть менее 10 градусов, т.е. по существу нормальное падение.

В другом варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет способ определения расхода жидкости первой фазы проходящей в трубе, причем в трубе так же присутствует, по меньшей мере, вторая фаза. На одном этапе подают первый импульсный сигнал в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем первый импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне. На другом этапе подают второй импульсный сигнал в первую фазу под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем второй импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне. На еще одном этапе определяют расход жидкости первой фазы на основе, по меньшей мере частично, определений средней скорости потока в первой фазе.

В еще одном варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет способ расхода жидкости первой фазы, проходящей в трубе, причем в трубе также присутствует, по меньшей мере, вторая фаза. На одном этапе, генерируют первую энергию возбуждения в первом общем местоположении в стенке трубы под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, так, чтобы первый импульсный сигнал подавался в первую фазу. На другом этапе принимают первый импульсный сигнал во втором общем местоположении, где сгенерирована вторая энергия возбуждения. На еще одном этапе генерируют вторую энергию возбуждения во втором общем местоположении в стенке трубы под вторым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, так, чтобы второй импульсный сигнал подавался во вторую фазу. Дополнительно, на одном этапе принимают второй импульсный сигнал в первом общем местоположении, где сгенерирована первая энергия возбуждения. На другом этапе генерируют третью энергию возбуждения так, чтобы третий импульсный сигнал подавался в третьем общем местоположении, в третью фазу под третьим углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, причем третий импульсный сигнал находится в ультразвуковом диапазоне. На еще одном этапе принимают третий импульсный сигнал в третьем общем местоположении, где сгенерирована третья энергия возбуждения.

Дополнительные области применения настоящего изобретения станут понятны из подробного описания, представленного ниже. Следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, несмотря на то, что указывают различные варианты осуществления, предназначены только для иллюстрации и не предназначены для ограничения объема изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описано совместно с приложенными фигурами:

На Фиг.1A-1I показаны блок-схемы вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На Фиг.2A-2I показаны функциональные схемы вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На Фиг.3A-3B показан профиль скорости потока и доплеровский профиль эхо-энергии вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На фиг.4 показано распределение жидкой фазы вариантов осуществления;

На фиг.5A и 5B показаны функциональная схема и ответ перпендикулярного высокочастотного преобразователя вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На фиг.6A и 6B показаны функциональная схема и ответ акустико-волновых преобразователей вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На фиг.7 показана функциональная схема для кросскорреляционного профиля скорости вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На фиг.8 показаны функциональная схема и ответ способа пульс-эхо во временной области вариантов осуществления расходомера в соответствии с аспектами настоящего изобретения;

На фиг.9 показана схема последовательности операций варианта осуществления процесса для определения расхода жидкости жидкой фазы проходящей в трубе в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

На приложенных фигурах схожие компоненты и/или признаки могут иметь одинаковые ссылочные обозначения. Дополнительно, различные компоненты одного типа могут быть отличены посредством выделенного ссылочного обозначения и второго обозначения, которое отличает схожие компоненты. Если в описании используется только первое ссылочное обозначение, описание подходит для любого из схожих компонентов, имеющих одинаковые ссылочные обозначения, независимых от вторых ссылочных обозначений.

Подробное описание

Последующее описание предоставляет только предпочтительный примерный вариант(ы) осуществления и не предназначено для ограничения объема, области применения и конфигурации настоящего изобретения. Скорее, последующее описание предоставляет только предпочтительный примерный вариант(ы) осуществления, предоставит специалистам в области техники описание для реализации предпочтительного примерного варианта осуществления. Следует понимать, что в функциях и расположении элементов могут быть сделаны изменения, не отходя от смысла и объема описанного в приложенной формуле изобретения.

Со ссылкой на фиг.1А показан вариант осуществления расходомера 101 с двумя преобразователями. Угловой доплеровский преобразователь 121 и перпендикулярный узкополосный преобразователь 122, подключенные к контроллеру 110 для определения, по меньшей мере, одной характеристики жидкой фазы в трубе. Контроллер подключен к интерфейсному порту (портам) 111, от которых контроллер 110 принимает ввод и создает вывод для, по меньшей мере, одной характеристики жидкой фазы.

Угловой доплеровский преобразователь 121 является узкополосным преобразователем, который используется для доплеровского измерения со стробированием по дальности. Подробности преобразователя, разработанного для доплеровского измерения скорости потока со стробированием по дальности, были описаны, например, в патенте США № 6,758,100, озаглавленном Доплеровский расходомер для многофазных потоков , описание которого включено в данную заявку, для любых целей, посредством ссылки. Как будет описано более подробно, угловой допплеровский преобразователь 121 создает профиль скорости потока и доплеровский профиль эхо-энергии. Из профилей может быть определено, по меньшей мере, вычисление времени прохождения.

Перпендикулярный узкополосный преобразователь 122 имеет нормальный угол падения по отношению к центральной линии трубы. Перпендикулярный узкополосный преобразователь 122 может быть использован для доплеровского измерения со стробированием по дальности для определения, по меньшей мере, вычисления второго времени прохождения. Перпендикулярный узкополосный преобразователь 122 может также осуществлять пульс-эхо измерение во временной области для определения времени прохождения в стенке трубы и от раздела между газом и жидкостью.

Контроллер 110 может содержать блок обработки, память, порты ввода-вывода.

Контроллер 110 может так же содержать аналого-цифровой преобразователь и процессор сигналов для преобразования аналоговых сигналов и осуществления анализа частотных характеристик. Контроллер 110 управляет угловым доплеровским преобразователем 121 и перпендикулярным узкополосным преобразователем 122 для осуществления различных измерений и для определения, по меньшей мере, одной характеристики жидкой фазы.

Интерфейсный порт (порты) 111 может подключаться к устройству отображения для вывода вычислений, определенных контроллером 110. Интерфейсный порт (порты) 111 может также подключаться или проводным образом или беспроводным образом через интерфейс связи или сеть к системе, удаленной от расходомера, для возможности удаленного наблюдения за вычислениями, определенными контроллером 110. Дополнительно, интерфейсный порт (порты) 111 может принимать ввод от нажатия кнопок или ввод с клавиатуры для управления работой контроллера. Интерфейсный порт (порты) 111 может также принимать ввод или проводным образом или беспроводным образом, через интерфейс связи или сеть, от системы, удаленной от расходомера, для возможности удаленного управления работой контроллера 110.

Со ссылкой на фиг.1В, показан вариант осуществления акустико-волнового расходомера 102 с тремя преобразователями. Акустико-волновой расходомер 102 с тремя преобразователями схож с расходомером 101 с двумя преобразователями с фиг.1А, так как они оба используют, по меньшей мере, угловой и перпендикулярный преобразователи. Акустико-волновой расходомер 102 с тремя преобразователями включает в себя два угловых акустико-волновых преобразователя 123 и перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124.

Акустико-волновые преобразователи 123 генерируют используемые импульсы возбуждения, имеющие обычный частотный диапазон от 50 килогерц до 1 мегагерца. Преобразователи расположены друг напротив друга для формирования пары передатчик-приемник; расстояние между ними обычно составляет несколько сотен миллиметров и является регулируемым. Во время обычной работы, первый акустико-волновой преобразователь 123-1 генерирует импульс возбуждения, который создает акустическую волну в стенке трубы. Когда акустическая волна перемещается по стенке трубы, ультразвуковая энергия подается в жидкую фазу. Второй акустико-волновой преобразователь 123-2 затем принимает отраженную ультразвуковую энергию, так же как и акустическую волну. Затем второй акустико-волновой преобразователь 123-2 генерирует импульс возбуждения, а первый акустико-волновой преобразователь 123-1 работает как приемник. Два вычисления времени прохождения, одно определяется, когда акустическая волна перемещается в том же направлении что и поток жидкой фазы, и одно определяется, когда акустическая волна перемещается в противоположном направлении, могут быть определены в этом варианте осуществления.

Перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124 генерирует используемые импульсы, имеющие обычный частотный диапазон от 1 мегагерца до 20 мегагерц. Как будет описано более подробно, перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124 осуществляет пульс-эхо измерение во временной области для определения времени прохождения в стенке трубы и от раздела между газом и жидкостью.

Со ссылкой на фиг.1С, показан вариант осуществления кросскорреляционного/акустико-волнового расходомера 103. Кросскорреляционный/акустико-волновой расходомер 103 схож с акустико-волновым расходомером 102 с тремя преобразователями с фиг.1В, за исключением того, что кросскорреляционный/акустико-волновой расходомер 103 использует перпендикулярные высокочастотные преобразователи 124 и кросскоррелятор со стробированием по дальности 115. Этот вариант осуществления демонстрирует один путь создать профиль скорости жидкой фазы.

Каждый из перпендикулярных высокочастотных преобразователей 124 подает энергию в жидкую фазу и принимает энергию назад. Энергия может отражаться назад эхогенными отражателями, которые представлены на разных уровнях глубины в жидкой фазе. Кросскоррелятор со стробированием по дальности 115 позволяет выбирать энергию, отраженную от разных уровней глубины, и посредством кросскорреляции между энергиями, принятыми двумя преобразователями, может быть создан профиль скорости жидкой фазы в этом варианте осуществления.

Со ссылкой на фиг.1D, показан вариант осуществления доплеровского/акустико-волнового расходомера 104. Доплеровский/акустико-волновой расходомер 104 схож с акустико-волновым расходомером 102 с тремя преобразователями с фиг.1В, за исключением того, что доплеровский/акустико-волновой расходомер 104 использует угловой высокочастотный импульсный доплеровский преобразователь 125 для создания профиля скорости. Угловой высокочастотный импульсный доплеровский преобразователь 125 работает в некоторой степени схоже с вышеупомянутым угловым доплеровским преобразователем 121. В сравнении с кросскорреляционным/акустико-волновым расходомером 103, доплеровский/акустико-волновой расходомер 104 позволяет создать профиль скорости, используя меньшее количество преобразователей.

Со ссылкой на фиг.1E, показан вариант осуществления расходомера 105 с контактным преобразователем. Расходомер 105 с контактным преобразователем схож с акустико-волновым расходомером 102 с тремя преобразователями с фиг.1В, за исключением того, что расходомер 105 с контактным преобразователем использует различные типы контактных преобразователей 126. В одном варианте осуществления расходомер 105 с контактным преобразователем может определять тип жидкости за стенкой трубы, используя измерения акустического сопротивления. В другом варианте осуществления, расходомер 105 с контактным преобразователем может предоставлять измерения скорости по многим путям в трубе для более аккуратного измерения средней скорости.

Контактные преобразователи 126 находятся в непосредственном контакте с трубой. Контактная поверхность может быть плоской или изогнутой для того, чтобы подходить внешней стороне трубы. На контактной поверхности могут использоваться контактные материалы для устранения любой воздушной прослойки между преобразователем и трубой. Технические приемы, используемые для контактных преобразователей 126, могут включать в себя линию задержки, двойственный элемент и т.д. Преобразователь с линией задержки позволяет завершить посылку ультразвукового сигнала перед приемом ультразвукового сигнала. Преобразователь с двойственным элементом обычно имеет один независимый элемент, который посылает ультразвуковой сигнал, и другой независимый элемент, который принимает ультразвуковой сигнал. Контактные преобразователи 126 могут быть расположены под разными углами вокруг окружности трубы. Некоторые контактные преобразователи 126 могут определять тип жидкости за стенкой трубы, используя измерения акустического сопротивления. Другие контактные преобразователи 126 могут предоставлять измерения скорости по многим путям в трубе для более аккуратного измерения средней скорости.

Со ссылкой на фиг.1F показан вариант осуществления мультиинтервального акустико-волнового расходомера 106. Мультинтервальный акустико-волновой расходомер 106 схож с акустико-волновым расходомером 102 с тремя преобразователями с фиг.1В, за исключением того, что мультинтервальный акустико-волновой расходомер 106 использует третий угловой акустико-волновой преобразователь 123-3. Третий угловой акустико-волновой преобразователь 123-3 предоставляет дополнительное измерение с большим интервалом между третьим угловым акустико-волновым преобразователем 123-3 и вторым угловым акустико-волновым преобразователем 123-2. Тогда как меньший интервал предоставляет лучшее соотношение сигнал-шум для определения первичного эхо, больший интервал позволяет определить больше множеств эхо от раздела жидкости.

Со ссылкой на фиг.1G, показан вариант осуществления акустико-волнового расходомера 107 с верхним и нижним креплением. Акустико-волновой расходомер 107 с верхним и нижним креплением схож с акустико-волновым расходомером 102 с тремя преобразователями с фиг.1В, за исключением того, что акустико-волновой расходомер 107 с верхним и нижним креплением использует дополнительные угловые акустико-волновые преобразователи 123. Дополнительные угловые акустико-волновые преобразователи 123 могут формировать между собой пары передатчиков и приемников для дополнительных измерений.

Со ссылкой на фиг.1H показан вариант осуществления широкополосного расходомера 108. Широкополосный расходомер 108 схож с расходомером 101 с двумя преобразователями с фиг.1А, за исключением того, что широкополосный расходомер 108 использует перпендикулярный широкополосный преобразователь 127 в дополнение к, или вместо перпендикулярного узкополосного преобразователя 122. Этот вариант осуществления может позволить альтернативный способ измерения или предоставить чрезмерность измерений.

Широкополосный преобразователь 127 генерирует используемые импульсы, имеющие обычный частотный диапазон от 1 мегагерца до 20 мегагерц. Как будет описано более подробно, широкополосный преобразователь 127 может быть использован для определения акустического сопротивления жидкой фазы и фракции воды в жидкой фазе. Впоследствии в одном варианте осуществления могут быть определены скорость звука и толщина слоистой/разделенной жидкой фазы. В другом варианте осуществления могут быть также определены скорость звука и толщина кольцевой жидкой фазы.

Со ссылкой на фиг.1H показан вариант осуществления мультиуглового расходомера 109. Мультиугловой расходомер 109 схож с расходомером 101 с двумя преобразователями с фиг.1А, за исключением того что мультиугловой расходомер 109 использует дополнительные угловые допплеровские преобразователи 121. Дополнительные угловые доплеровские преобразователи 121 могут работать на разных друг от друга углах и/или разных частотах для обеспечения более надежного определения профиля скорости в одном варианте осуществления.

Со ссылкой на фиг.2А, показан вариант осуществления расходомера 101 с двумя преобразователями с фиг.1А, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Соединение может быть удаляемого типа, такое как зажим. Как будет понятно специалистам в данной области техники, соединение может так же быть постоянного типа, такое как встраивание преобразователя непосредственно в участок трубы. Дополнительные пути прикрепления расходомера 101 с двумя преобразователями к трубе могут включать в себя использование эпоксида, обвязывание вокруг трубы, и т.д. Многофазный поток в трубе состоит, по меньшей мере, из жидкого слоя 240 и газа 250. Раздел 220 между трубой и жидкостью существует между стенкой 210 трубы и жидким слоем 240. Дополнительно, раздел 230 между газом и жидкостью существует между жидким слоем 240 и газом 250.

Угловой доплеровский преобразователь 121 выполнен с возможностью подавать импульсный сигнал в жидкий слой 240 под углом 260 падения по отношению к прямой линии 262, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью. Следует понимать, что стенка трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью может быть не цилиндрической формы и может иметь не ровную поверхность, так как поверхность может иметь дефекты. Однако внутренняя стенка трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью обычно цилиндрическая и ровная. Можно определить угол 260 падения как положительный, если осевое направление распространения импульса противоположно направлению потока, и как отрицательный, если совпадает с направлением потока. Абсолютное значение угла 260 падения в жидком слое 240, обычно, по меньшей мере, 10 градусов и, по большей мере, 80 градусов. Специалистам в данной области техники следует понимать, что другие абсолютные значения для угла 260 падения в жидком слое 240, такие как, по меньшей мере, 45 градусов и, по большей мере, 70 градусов; по меньшей мере, 37 градусов и, по большей мере, 58 градусов; и, по меньшей мере, 18 градусов и, по большей мере, 80 градусов, могут быть использованы в различных вариантах осуществления.

Угловой доплеровский преобразователь 121 может быть использован для определения первого времени прохождения от времени подачи импульсного сигнала до прибытия обратного эхо как отраженного от раздела 230 между газом и жидкостью. Как будет понятно специалистам в данной области техники, подача импульсного сигнала перемещается вплотную к потоку жидкого слоя 240, и обратное эхо перемещается с потоком. Дополнительно, полное время прохождения импульсного сигнала в стенке 210 трубы может быть определено также как и калибровочное измерение.

Перпендикулярный узкополосный преобразователь 122 также выполнен с возможностью подавать импульсный сигнал в жидкий слой 240 под углом 260 падения по отношению к прямой линии 262, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью. Абсолютное значение угла 260 падения в жидком слое 240 обычно менее чем 10 градусов, отклоняясь от 0. Специалистам в данной области техники будет понятно, что другие углы 260 падения в жидком слое 240, такие как: в пределах ±5 градусов; в пределах ±1,5 градусов; и, по меньшей мере, -0,5 градусов и, по большей мере, 0,5 градусов, могут быть использованы в различных вариантах осуществления.

Схоже с угловым доплеровским преобразователем 121, перпендикулярный узкополосный преобразователь 122 может быть использован для определения, по меньшей мере, вычисления второго времени прохождения. Эффект скорости потока на вычисление второго времени прохождения отсутствует или отличается от первого вычисления, определенного угловым доплеровским преобразователем 121. Специалистам в данной области техники следует понимать, что два вычисления времени прохождения с удалением соответствующего времени прохождения в стенке трубы могут формировать следующие два уравнения, где c - скорость звука в жидком слое 240, h - толщина жидкого слоя 240, и k - известная константа, основанная на скорости звука и угле преломления в стенке 210 трубы:

Вычисление первого времени прохождения = , и

Вычисление второго времени прохождения = .

Объединением вычислений времени прохождения от углового доплеровского преобразователя 121 и перпендикулярного узкополосного преобразователя 122, в этом варианте осуществления можно определить скорость звука в жидком слое 240. Из определения скорости звука можно также определить толщину жидкого слоя 240. Дополнительно, скорость звука в жидком слое может быть использована для определения фракции воды в жидком слое 240. Корме того, расход жидкости жидкого слоя 240 также может быть определен на основе скорости потока и толщины жидкого слоя 240. В некоторых вариантах осуществления средняя скорость потока может быть определена на основе определения профиля скорости жидкого слоя 240. В некоторых аспектах настоящего изобретения профиль скорости может быть измерен угловым (импульсным) допплеровским преобразователем 121.

Со ссылкой на фиг.2В, показан вариант осуществления расходомера 101 с тремя преобразователями с фиг.1В, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2А, так как они оба используют, по меньшей мере, угловой и перпендикулярный преобразователи.

Два угловых акустико-волновых преобразователя 123 могут быть использованы для создания и обнаружения акустической волны 270 с малой амплитудой. Второй угловой акустико-волновой преобразователь 123-2 создает акустическую волну 270 с малой амплитудой, которая перемещается в том же направлении что и поток жидкого слоя 240, при этом первый угловой акустико-волновой преобразователь 123-1 работает как приемник. По существу, первый угловой акустико-волновой преобразователь 123-1 создает акустическую волну, которая перемещается в направлении, противоположном потоку жидкого слоя 240, при этом второй угловой акустико-волновой преобразователь 123-2 работает как приемник. Перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124 осуществляет измерение пульс-эхо во временной области для определения вычисления времени прохождения раздела 230 между газом и жидкостью, так же как и вычисления времени прохождения в стенке трубы 210.

Угловой акустико-волновой преобразователь 123 может быть использован для определения вычисления первого времени прохождения и вычисления третьего времени прохождения, одного - по направлению потока, и одного - в направлении, противоположном потоку. Как будет описано более подробно, перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124, который по существу перпендикулярен внутренней стенке трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью, может быть использован для определения вычисления второго времени прохождения, которое отсутствует из-за эффекта скорости потока. Специалистам в данной области техники будет понятно, что три вычисления времени прохождения в жидкости могут быть использованы в следующих трех уравнениях:

Разница между вычислениями первого и третьего времени прохождения = ,

Сумма вычислений первого и третьего времени прохождения = , и

Вычисление второго времени прохождения = ,

где c - скорость звука в жидком слое 240, h - толщина жидкого слоя 240, V - средняя скорость потока жидкого слоя 240, p - известная скорость акустической волны в стенке 210 трубы, и k - известная константа, основанная на скорости звука и угле преломления в стенке 210 трубы. Из трех вычислений скорости прохождения, в этом варианте осуществления, могут быть определены скорость звука, толщина и средняя скорость потока жидкого слоя 240.

Со ссылкой на фиг.2C, показан вариант осуществления кросскорреляционного/акустико-волнового расходомера 103 с фиг.1C, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2B, за исключением того, что высокочастотные преобразователи 124 могут использоваться для создания профиля скорости посредством кросскорреляции, способом стробирования по дальности, эхо-энергий, принятых двумя преобразователями. Этот вариант осуществления демонстрирует один путь создания профиля скорости жидкого слоя 240.

Со ссылкой на фиг.2C, показан вариант осуществления допплеровского/акустико-волнового расходомера 104 с фиг.1D, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2B, за исключением того, что угловой высокочастотный импульсный допплеровский преобразователь 125 может использоваться для создания профиля скорости. Этот вариант осуществления демонстрирует другой путь создания профиля скорости жидкого слоя 240 с использованием меньшего числа преобразователей.

Угловой высокочастотный импульсный допплеровский преобразователь 125 выполнен с возможностью подавать импульсный сигнал в жидкий слой 240 под первым углом 260 падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью. Абсолютное значение первого угла 260 падения в жидком слое 240 обычно, по меньшей мере, 10 градусов и, по большей мере, 80 градусов. Специалистам в данной области техники следует понимать, что другие абсолютные значения для угла 260 падения в жидком слое 240, такие как, по меньшей мере, 45 градусов и, по большей мере, 70 градусов; по меньшей мере, 27 градусов, и, по большей мере, 58 градусов; и, по меньшей мере, 58 градусов, и, по большей мере, 80 градусов, могут быть использованы в различных вариантах осуществления.

Со ссылкой на фиг.2Е показан вариант осуществления расходомера 105 с контактным преобразователем с фиг.1Е, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2B, за исключением того, что используются различные типы контактных преобразователей 126. В одном варианте осуществления тип жидкости за стенкой трубы может быть определен с использованием измерения акустического сопротивления. В других вариантах осуществления более аккуратные измерения средней скорости могут быть представлены измерением скорости по многим путям в трубе.

Контактные преобразователи 126 могут быть расположены под разными углами вокруг окружности трубы. Контактный преобразователь 126-4 на верху трубы может формировать пару передатчик-приемник с контактным преобразователем 126-1 внизу трубы. Таким же образом, контактный преобразователь 126-2 на боку трубы может формировать дополнительную пару передатчик-приемник с контактным преобразователем 126-5 на противоположном боку трубы. Схожим образом, контактные преобразователи 126-10, 126-4 на верху трубы могут также формировать пару передатчик-приемник с контактными преобразователями 126-7, 126-1 внизу трубы. Когда жидкий слой 240 заполняет трубу, могут быть промежутки, позволяющие прямую передачу между парами передатчик-приемник.

Со ссылкой на фиг.2F показан вариант осуществления мультиинтервального акустико-волнового расходомера 106 с фиг.1F, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2B, за исключением того, что этот вариант осуществления использует третий угловой акустико-волновой преобразователь 123-3. Третий угловой акустико-волновой преобразователь 123-3 позволяет создавать и принимать акустическую волну 271 с длинной амплитудой. Акустическая волна 271 с длинной амплитудой позволяет определить больше информации о потоке в этом варианте осуществления.

Со ссылкой на фиг.2G, показан вариант осуществления акустико-волнового расходомера 107 с верхним и нижним креплением с фиг.1G, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2B, за исключением того, что в этом варианте осуществления используются дополнительные угловые акустико-волновые преобразователи 123. Угловые акустико-волновые преобразователи 123-3, 123-4 на верху трубы могут формировать дополнительные пары передатчик-приемник с угловыми акустико-волновыми преобразователями 123-2, 123-1 внизу трубы.

Со ссылкой на фиг.2H показан вариант осуществления широкополосного расходомера 108 с фиг.1H, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2А, за исключением того, что в этом варианте осуществления используется перпендикулярный широкополосный преобразователь 127 в дополнение к или вместо перпендикулярного узкополосного преобразователя 122. Этот вариант осуществления может позволить альтернативный способ измерения или предоставить чрезмерность измерений.

Со ссылкой на фиг.2I показан вариант осуществления мультиуглового расходомера 109 с фиг.1I, функционально соединенного со стенкой трубы 210. Этот вариант осуществления схож с вариантом осуществления, показанным на фиг.2А, за исключением того, что дополнительные угловые доплеровские преобразователи 121, в этом варианте осуществления, работают на разных друг от друга углах и/или разных частотах. Этот вариант осуществления может обеспечить более надежное определение профиля скорости. Перпендикулярный угловой доплеровский преобразователь 121 (с углом 260 падения по существу в ноль градусов) может обеспечить альтернативное (для узкополосного преобразователя 122) определение раздела 220 между трубой и жидкостью и/или раздела 230 между газом и жидкостью, на основе измерения доплеровского профиля эхо-энергии.

Со ссылкой на фиг.3А показан профиль 300 скорости потока. Ось 310 времени записи представляет время задержки между подачей импульсного сигнала и прибытием обратного эхо. Нижняя секция профиля 300 скорости потока с нулевой скоростью соответствует участкам внутри преобразователя и стенки 210 трубы потому, что в этих участках нет движущихся эхогенных отражателей. Если в жидком слое 240 есть обнаруживаемые движущиеся эхогенные отражатели, такие как твердые частицы, маленькие газовые пузырьки или жидкие капли, энергии отражаются, и может быть создан профиль скорости через жидкий слой 240. Как будет понятно специалистам в данной области техники, скорость значительно увеличивается около раздела 230 между газом и жидкостью из-за эффекта притяжения от газа 250, который обычно перемещается быстрее, чем жидкий слой 240.

Со ссылкой на фиг.3В показан допплеровский профиль 301 эхо-энергии. Схоже с профилем 300 скорости с фиг.3А, ось 310 времени записи представляет время задержки между подачей импульсного сигнала и прибытием обратного эхо. Таким же образом нижняя секция доплеровского профиля 300 эхо-энергии с нулевой энергией соответствует участкам внутри преобразователя и стенки 210 трубы. Эхогенные отражатели, которые проходят в жидком слое 240, побуждают определенные уровни энергии отражаться. Уровни энергии зависят от таких факторов, как разница в сопротивлении между эхогенными отражателями и жидким слоем 240 или концентрация и распределение по крупности эхогенных отражателей в соответствующем контрольном объеме в жидком слое 240. На разделе 230 между газом и жидкостью, уровень энергии резко возрастает, потому что раздел 230 между газом и жидкостью является очень большой отражающей поверхностью.

Со ссылкой на фиг.4 показана горизонтальная труба 440 слева и вертикальная труба 450 справа. Если скорость потока относительно маленькая, горизонтальная труба 440 может действовать как естественный гравитационный сепаратор, который создает слоистое распределение 410, причем жидкий слой 240 занимает нижнюю часть трубы и газ 250 занимает верхнюю часть. Преобразователи выполнены с возможностью подсоединяться к нижней стороне трубы, если труба горизонтальная. С вертикальной трубой 450 может использоваться формирователь потока для генерирования кольцевого распределения 420, с жидким слоем 240, формирующим кольцевую структуру потока вокруг раздела 220 между трубой и жидкостью, и газом 250, формирующим цилиндрическую структуру в центре трубы.

Для слоистого распределения 410 жидкое поперечное сечение разделено на суб-зоны параллельными горизонтальными линиями. Для кольцевого распределения 420 жидкое поперечное сечение разделено на столько концентрических зон кольцевой формы, сколько ненулевых точек скорости присутствует на профиле скорости. Соответственно, время прохождения в жидком слое 240, которое обозначено как время прохождения 430 жидкости, может быть определено в этом варианте осуществления. Расход жидкости жидкого слоя 240 может быть также определен на основе определений зоны и скорости потока каждой секции.

В конкретных аспектах слоистый поток может возникать в горизонтальной трубе. В других аспектах настоящего изобретения способ и устройство настоящей концепции могут быть использованы для осуществления определений, характеризации и измерения закрученного потока в трубе. Концепция характеризации/измерения свойств закрученного потока описана в находящейся в процессе рассмотрения публикации заявки на патент США № US2008/0223146, описание которой включено в данную заявку, для любых целей.

В целом, для того чтобы эффективно охарактеризовать многофазный поток, будет полезно, если смесь многофазной жидкости проявляется как предопределенный тип потока. Например, если известно, что смесь является, например, слоистой, пенистой или гомогенизированной, соответствующие регулировки могут быть сделаны в отношения, используемые при вычислении/характеризации жидкости и/или расхода жидкости. В вариантах осуществления настоящего изобретения смесь сама по себе может быть сформирована для проявления как закрученный поток, который отделяет жидкость от газа. Например, патрубок может иметь закручивающий элемент, такой как вставленную спираль или сборку лопастей, для индуцирования смеси проявляться как закрученный поток. Закручивающий элемент может включать в себя один или несколько спиралеобразных элементов, тянущихся вдоль патрубка в направлении прохождения жидкости. Предпочтительно, спиралеобразные элементы расположены на стенке патрубка и при рассмотрении патрубка вдоль оси оставляют центральное ядро патрубка свободным (т.е. они не тянутся радиально внутрь так, как центральная ось патрубка). Альтернативно, закручивающий элемент может быть сформирован тангенциальным впускным отверстием к патрубку.

Преимущество закрученного потока в том, что его относительно легко индуцировать и поддерживать (в отличие от слоистого или гомогенизированного потока, которые могут быть нестабильными на типичных дистанциях измерения). Дополнительно, моделирование характеристик закрученного потока через трубку Вентури относительно просто, например, по сравнению с моделированием слоистого или гомогенизированного потока. Также закрученный поток в целом симметричен около оси потока, что приводит к тому, что конкретные измерения потока не зависят от угловой ориентации.

Индуцирование смеси может проявляться как закрученный поток, который разделяет жидкую и газовую фазы смеси. Закрученный поток побуждает жидкость смеси к смещению к стенке патрубка, например, формировать кольцевое пространство жидкости, прилегающее к стенке патрубка, оставляя газовое ядро в центре патрубка.

Со ссылкой на фиг.5А и 5В, показаны диаграмма измерения перпендикулярного высокочастотного пульс-эхо и его ответ. Диаграмма с фиг.5А показывает перпендикулярный высокочастотный широкополосный преобразователь 124, который подает энергию в стенку 210 трубы. В ответ, часть энергии отражается назад от раздела 220 между трубой и жидкостью, а оставшаяся энергия подается в жидкий слой 240. Часть энергии, затем, отражается назад от раздела 230 между газом и жидкостью.

Ответ показан на графике зависимости напряжения от времени на фиг.5В. Время между приемом первой энергии, как отраженной от раздела 220 между трубой и жидкостью, и приемом первой энергии, как отраженной от раздела 230 между газом и жидкостью, является временем прохождения в жидком слое 240, которое обозначается как время прохождения 430 жидкости. Это вычисление времени прохождения отсутствует из-за эффекта скорости жидкости.

Со ссылкой на фиг.6А и 6В, показаны диаграмма измерения угловой акустической волны и ее ответ. Диаграмма с фиг.6А показывает первый угловой акустико-волновой преобразователь 123-1, работающий как приемник, и второй угловой акустико-волновой преобразователь 123-2, создающий акустическую волну 270 с малой амплитудой, которая перемещается в том же направлении, что и поток жидкого слоя 240. В ответ, тогда как акустическая волна 270 с малой амплитудой перемещается вдоль стенки 210 трубы, ультразвуковая энергия подается в жидкий слой 240 под углом 260 падения и отражается назад от раздела 230 между газом и жидкостью, как эхо 610 от раздела между газом и жидкостью. Угол 260 падения определен по отношению к прямой линии 262, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на разделе 220 между трубой и жидкостью. Абсолютное значение угла 260 падения в жидком слое 240 обычно, по меньшей мере, 3 градуса и, по большей мере, 80 градусов. Специалистам в данной области техники следует понимать, что другие абсолютные значения для угла 260 падения, такие как, по меньшей мере, 45 градусов и, по большей мере, 70 градусов; по меньшей мере, 7 градусов и, по большей мере, 58 градусов; и, по меньшей мере, 58 градусов и, по большей мере, 80 градусов, могут быть использованы в различных вариантах осуществления.

Ответ показан на графике зависимости напряжения от времени на фиг.6В. Время между приемом акустической волны 270 с малой амплитудой и приемом эхо 610 от раздела между газом и жидкостью в первом угловом акустико-волновом преобразователе 123-1 является временем прохождения в жидком слое 240. Это время прохождения обозначается как время прохождения 620 между передачей и получением. Затем второй угловой акустико-волновой преобразователь 123-2 работает как приемник, а первый угловой акустико-волновой преобразователь 123-1 генерирует импульс возбуждения, который создает акустическую волну, распространяющуюся в направлении, противоположном показанному на фиг.6А. Следовательно, могут быть определены два вычисления времени прохождения, одно время прохождения 620-1 между передачей и получением, когда перемещается с потоком жидкого слоя 240, и одно время прохождения 620-1 между передачей и получением, когда перемещается против потока жидкого слоя 240.

Со ссылкой на фиг.7 показана диаграмма 700 измерения кросскорреляционной скорости. Каждый из перпендикулярных высокочастотных широкополосных преобразователей 124 подает импульсную энергию в жидкий слой 240 и принимает назад эхо-энергию. Эхо-энергия может быть отражена назад эхо-создающими отражателями 710, которые присутствуют на разных уровнях глубины в жидком слое 240. Примеры эхо-создающих отражателей 710 могут включать в себя твердые частицы, маленькие газовые пузырьки или жидкие капли, которые побуждают энергию отражаться из-за несоответствия сопротивления между эхо-создающими отражателями и жидким слоем 240. Кросскоррелятор 115 со стробированием по дальности вначале выбирает энергии, отраженные от различных уровней глубины, затем на каждой глубине стробирования по дальности, кросскорреляция между энергиями принимается двумя преобразователями для создания профиля скорости жидкого слоя 240.

Со ссылкой на фиг.8А и 8В показаны диаграмма измерения пульс-эхо во временной области и его ответ. Схоже с вышеупомянутым перпендикулярным высокочастотным широкополосным преобразователем 124 с фиг.7, диаграмма с фиг.8 показывает перпендикулярный широкополосный преобразователь 127, который подает импульсную энергию в стенку 210 трубы. В ответ часть энергии отражается назад от раздела 220 между трубой и жидкостью, а оставшаяся энергия подается в жидкий слой 240. Часть энергии затем отражается назад от раздела 230 между газом и жидкостью.

Многочисленные эхо фактически отражаются от каждого раздела. Например, когда энергия отражается назад от раздела 220 между трубой и жидкостью, часть энергии далее отражается назад к разделу 220 между трубой и жидкостью от наружной стороны стенки 210 трубы. Такие многочисленные эхо обозначаются как эхо 810 от раздела между трубой и жидкостью. Подобным образом, когда энергия отражается назад от раздела 230 между газом и жидкостью, часть энергии далее отражается назад к разделу 230 между газом и жидкостью от раздела 220 между трубой и жидкостью. Такие многочисленные эхо обозначаются как эхо 820 от раздела между газом и жидкостью. Так как энергия отражается из-за несоответствия акустического сопротивления, акустическое сопротивление жидкого слоя 240 может быть определено на основе скорости снижения амплитуды эхо 810 от раздела.

Ответ показан на графике зависимости напряжения от времени на фиг.8В. Фракция воды в жидком слое 240 может быть определена на основе определения акустического сопротивления жидкого слоя 240, если известны значения акустического сопротивления отдельных компонентов в жидком слое 240, например нефти, воды. Дополнительно, может быть определена толщина жидкого слоя 240 на основе временной разницы между прибытием первого из эхо 810 от раздела между трубой и жидкостью и прибытием первого из эхо 820 от раздела между трубой и жидкостью, если известна скорость звука в жидком слое 240.

Со ссылкой на фиг.9А и 9В показан вариант осуществления процесса для определения расхода жидкости первой фазы, когда жидкость проходит с несколькими фазами в трубе. Показанный участок процесса начинается на блоке 910 с начального определения того, установлена ли труба вертикально. Если установлена, в некоторых вариантах осуществления многофазный поток закручивается таким образом, что первая фаза образует распределение кольцевой формы вокруг стенки трубы на блоке 915.

Фиг.9А в большинстве случаев может быть выполнена с вариантами осуществления с фиг.1А и фиг.2А. На блоке 920 подают первый импульсный сигнал в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы, и принимают на блоке 925. Второй импульсный сигнал также подается в первую фазу под вторым углом падения, по существу в ноль градусов, по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на блоке 930, и принимают на блоке 932. Специалистам в данной области техники следует понимать, что в конкретных вариантах осуществления процессы, реализованные на блоках 920, 925, 930 и 932, могут быть выполнены одновременно или в другом порядке.

Обработка принятого импульсного сигнала позволяет определить, по меньшей мере, два вычисления времени прохождения. На блоке 940 определяется вычисление первого времени прохождения. В некоторых вариантах осуществления вычисление основано на множестве определений уровня энергии первого, вернувшегося от уровня глубины в первой фазе, эхо-сигнала. В других вариантах осуществления вычисление основано на множестве определений средней скорости потока, которые могут быть получены из первого, вернувшегося от уровня глубины в первой фазе, эхо-сигнала. На блоке 945 определяют доплеровский профиль скорости жидкости в первой фазе на основе множества определений доплеровского частотного сдвига первого вернувшегося эхо-сигнала от стробированного по дальности уровня глубины в первой фазе. Схожим образом определяют вычисление второго времени прохождения на блоке 950. В некоторых вариантах осуществления процессы, осуществленные на блоке 940 и блоке 950, могут быть выполнены одновременно или в другом порядке.

После определения, по меньшей мере, двух вычислений времени прохождения, на блоке 960 может быть определена скорость звука в первой фазе. В некоторых вариантах осуществления средняя осевая скорость первой фазы может так же быть определена из измерения доплеровского профиля скорости жидкости, определенной на блоке 945. Из определения скорости звука может быть определена толщина первой фазы на блоке 965. Дополнительно, определение скорости звука также позволяет определить соотношение воды и жидкости в первой фазе на блоке 967. Расход жидкости первой фазы может быть определен на блоке 970 из определения толщины первой фазы, определенной на блоке 965, и средней осевой скорости первой фазы, определенной на блоке 945.

В другом варианте осуществления фиг.9В в большинстве случаев может быть выполнена с вариантами осуществления с фиг.1В и фиг.2В. Из первого импульсного сигнала, сгенерированного в стенке трубы и испущенного в первую фазу под первым углом падения по отношению к прямой линии, которая перпендикулярна внутренней стенке трубы на блоке 920, может быть определено вычисление первого времени прохождения на блоке 940 из принятого первого импульсного сигнала на блоке 925. Схожим образом, из второго импульсного сигнала, сгенерированного в стенке трубы и испущенного в первую фазу под вторым углом падения, по существу зеркальным к первому углу падения на блоке 930, может быть определено вычисление второго времени прохождения на блоке 950 из принятого второго импульсного сигнала на блоке 932. Из третьего импульсного сигнала, испущенного в первую фазу под третьим углом падения, по существу в ноль градусов на блоке 935, можно определить вычисление третьего времени прохождения на блоке 955 из принятого третьего импульсного сигнала на блоке 937. По меньшей мере, одна характеристика первой фазы может быть определена на основе вычисления первого времени прохождения, вычисления второго времени прохождения и вычисления третьего времени прохождения на блоке 962. Некоторые из этих характеристик могут включать в себя скорость звука, толщину и среднюю скорость потока первой фазы как жидкой. Пропускная способность первой фазы затем определяется на блоке 970. Дополнительно, определение скорости звука также позволяет определить соотношение воды и жидкости в первой фазе как жидкой на блоке 967.

Также может быть использовано большое число вариантов и модификаций раскрытых вариантов осуществления. Например, многочисленные фазы, представленные в трубе, могут включать в себя легкие и тяжелые газы, другие типы жидкостей или смесь типов жидкостей. Другие типы жидкостей могут включать в себя воду, сироп, алкоголь, кровь, бензин или различные типы нефти. Жидкость может быть относительно грязной или относительно чистой, и также может быть относительно спокойной или относительно бурной.

Конкретные детали даны в описании для предоставления полного понимания вариантов осуществления. Тем не менее следует понимать, что варианты осуществления могут быть применены без этих конкретных деталей. Например, схемы могут быть показаны на блок-схемах для того, чтобы не загружать варианты осуществления ненужными деталями. В других случаях известные схемы, процессы, алгоритмы, структуры и технические приемы могут быть показаны без необходимых деталей для того, чтобы не загружать варианты осуществления.

Реализация технических приемов, блоков, этапов и средств, описанная выше, может быть сделана различными путями. Например, эти технические приемы, блоки, этапы и средства могут быть реализованы аппаратными средствами, программным обеспечением или их комбинацией. Для реализации аппаратными средствами, блоки обработки могут быть реализованы с одной или несколькими интегральными схемами прикладной ориентации (ASIC), цифровыми сигнальными процессорами (DSP), цифровыми устройствами обработки сигнала (DSPD), вентильными матрицами, программируемыми пользователем (FPGA), процессорами, контроллерами, микроконтроллерами, микропроцессорами, другими электронными блоками, разработанными для осуществления функций, описанных выше, и/или их комбинацией.

Также следует отметить, что варианты осуществления могут быть описаны как процесс, который изображен как схема последовательности операции, структурная схема, структурная схема данных или блок-схема. Хотя схема последовательности операции может описывать операции как многостадийный процесс, многие операции могут быть осуществлены параллельно или одновременно. В дополнение, порядок операций может быть изменен. Процесс прекращается, когда его операции завершены, но может иметь дополнительные этапы, не включенные в фигуры. Процесс может соответствовать способу, функции, процедуре, подпрограмме, части программы и т.д. Когда процесс соответствует функции, его прекращение соответствует возвращению функции к вызывающей функции или главной функции.

Кроме того, варианты реализации могут быть осуществлены аппаратными средствами, программным обеспечением, языками сценариев, программно-аппаратным обеспечением, промежуточным ПО, микрокодом, языками описания аппаратных средств, и/или любой их комбинацией. При осуществлении аппаратными средствами, программным обеспечением, языками сценариев и/или микрокодом, код программы или сегменты кода, чтобы выполнить необходимые задачи, могут быть сохранены в машиночитаемой среде, такой как носитель данных. Сегмент кода или выполнимая машиной инструкция может представлять процедуру, функцию, подпрограмму, программу, рутину, подпрограмму, модуль, пакет программ, скрипт, класс или любую комбинацию инструкций, структур данных, и/или операторов программы. Сегмент кода может быть соединен с другим сегментом кода или аппаратной логикой, проходя и/или принимая информацию, данные, аргументы, параметры и/или содержание памяти. Информация, аргументы, параметры, данные, и т.д. могут быть переданы, отправлены или пересланы через любые подходящие средства, включающие в себя разделение памяти, передачу сообщений, передачу маркера, сетевую передачу, и т.д.

Для выполнения программным обеспечением и/или программно-аппаратным обеспечением, методологии могут быть реализованы с модулями (например, процедурами, функциями и так далее), которые выполняют функции, описанные здесь. Любая машиночитаемая среда, ощутимо осуществляющая инструкции, может использоваться в реализации методологий, описанных здесь. Например, системная программа может быть сохранена в памяти. Память может быть реализована в пределах процессора или быть внешней к процессору. Использующийся здесь термин "память" относится к любому типу среды хранения: долговременной, кратковременной, энергозависимой, энергонезависимой или другому типу и не должен быть ограничен никаким специфическим типом памяти или числом памятей, или типом среды, на которой хранится память.

Кроме того, как раскрыто здесь, термин "среда хранения" может представлять одну или более память для того, чтобы хранить данные, включая постоянное запоминающее устройство (ROM), оперативное запоминающее устройство (RAM), магнитную RAM, память на сердечниках, магнитные дисковые носители данных, оптические носители данных, флэш устройства памяти и/или другие машиночитаемые среды для хранения информации. Термин "машиночитаемая среда" включает в себя, но не ограничена портативными или неподвижными устройствами хранения, оптическими устройствами хранения, беспроводными каналами и/или различными другими средами хранения, способными к хранению, которые содержат или несут инструкцию (и) и/или данные.

В то время как принципы изобретения были описаны выше в связи с определенными устройствами и способами, нужно ясно понимать, что это описание сделано только для примера и не как ограничение рамок изобретения.