[发明专利]超声传感器、流量计和方法

说明书

相关申请的交叉引用：本申请要求2009年12月19日提交的、题目为“Ultrasonic Transducer,Flow Meter and Method（超声传感器、流量计和方法）”的美国专利申请No.12/653,913的优先权，该专利申请的全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及使用超声传感器确定管中的流体流率（flowrate）。（如本文所使用的，对“本发明”或“发明”的引用表述涉及示例性实施方案而不一定涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施方案。）更具体地讲，本发明涉及使用如下的超声传感器确定管中的流体流率，其中，该传感器的面具有这样的一部分，所述部分被成形以致所述部分使得由该传感器产生的平面波向外地被导向管的内壁，如此可以测量管内部的整个横截面。

背景技术

本部分旨在向读者介绍可能与本发明的各方面相关的领域的各方面。以下的讨论内容旨在提供有助于更好理解本发明的信息。因此，应该理解，以下讨论内容中的陈述是在就此而论的基础上阅读的而并不承认其是现有技术。

本发明可应用于利用超声渡越时间技术（ultrasonic transit time technology）（例如，超声流量计或UFM）测量流率（flow rate）。具体地，本申请是针对流量计改进的，用于监控海底油井中的化学注入（通常注入单乙二醇或MEG）。这种专门的海底应用的流率范围为100升/小时至30,000升/小时。对于这个流动范围和产品粘度-雷诺数范围从层流（laminar flow）直至全湍流（fully turbulent flow）。雷诺数的这个范围形成从抛物线变至几近平坦的速度分布。作为流量计，必须测量平均速度（例如，速度分布的积分除以面积）。

在一个实施方案中，当前的超声流量计布置在管/管道的相对两端使用了两个传感器，其中，一个处于流体流的上游，另一个处于流体流的下游，这两个传感器都发送和接收信号。每个传感器产生进入流体的平面波。上游信号和下游信号之间的渡越时间差被用于计算这两个传感器之间的速度。这种渡越时间差反映了投射到声学路径上的平均流体速度。

除非传感器大于管/管道的直径，否则声学路径测量代表小于管/管道的整个横截面的面积的速度。只有在传感器大于管道本身时，才可以测量整个横截面。大得足以完全覆盖管/管道横截面的传感器不是一直可能或实际可行的，这取决于管/管道的尺寸或压力（例如，所要求的壁厚度）。一些UFM已使用多次反弹（bounce）；但这些多次反弹无法获得整个横截面。

通过测量整个横截面，解决了速度分布效应（例如，由于液压导致的任何变形或者由于从层流转变成湍流导致的速度分布变化）。

发明内容

本发明涉及对流过管的流体的测量。这种测量是利用渡越时间超声流量计执行的，该流量计具有被设置成与通过管的流体流对准的传感器。由传感器产生的平面波的辐射图案传播通过管中的流动的流体，并且被流量计用于确定流体的流率。

附图说明

在附图中，图示说明本发明的优选实施方案以及实践本发明的优选方法，在附图中：

图1是本发明的标准设计。

图2是带锥形面的传感器的实施例。

图3示出传感器面角度的计算方法。

图4示出图2所示传感器的天线辐射图（antenna pattern）。

图5a示出插入式传感器构造。

图5b示出端盖式（end cap）传感器构造。

图6是通过整合整个横截面提高线性可能的实施例。

图7示出即使在200:1的雷诺数范围内，粘度从10cSt变成20cSt再变成50cSt对线性度没有影响。

图8示出线性度对于液压变化的不敏感性。

具体实施方式