專利名稱：利用聲壓測(cè)量管道中的流體參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及管道中流體參數(shù)的測(cè)量，并且更具體地涉及使用聲壓測(cè)量與管道中流體有關(guān)的參數(shù)和聲速。
背景技術(shù)：
眾所周知可以利用管道中流體的聲速amix來確定流體的各種參數(shù)，例如在屬于Alexander等人的標(biāo)題為“Sonic Measurement of FlowRate and Water Content of Oil-Water Streams(油水流的流率及水含量的聲學(xué)測(cè)量)”美國(guó)專利No.4,080,837中，和屬于Shen的標(biāo)題為“Measurement of Fluid Properties of Two-Phase Fluid Usingan Ultrasonic Meter(利用超聲計(jì)測(cè)量?jī)上嗔黧w的流體性能)”美國(guó)專利No.5,115,670中，以及屬于Fick的標(biāo)題為“Apparatus forUltrasonically Measuring Physical Parameter of Flowing Media(超聲方法測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的裝置)”美國(guó)專利No.4,114,439中描述的。這種技術(shù)具有一對(duì)聲發(fā)射器/接收器(收發(fā)器)，其產(chǎn)生聲音信號(hào)并且測(cè)量該聲音穿過收發(fā)器之間運(yùn)行的時(shí)間?！奥曆h(huán)”和“發(fā)射時(shí)間”的方法也是眾所周知的。但是，這種技術(shù)需要對(duì)聲源進(jìn)行精確控制，并且對(duì)于在電子學(xué)中實(shí)現(xiàn)是昂貴的和/或復(fù)雜的。
此外，這些技術(shù)使用超聲波信號(hào)作為待測(cè)量的聲音信號(hào)，這種信號(hào)是高頻的短波信號(hào)(即，波長(zhǎng)比管道直徑短)。典型的超聲波裝置在接近200kHz處工作，其相應(yīng)于水中大約0.3英寸的波長(zhǎng)。通常，為了允許信號(hào)以不受阻礙和從而可以進(jìn)行分析的方式穿過流體傳播，流體必須均質(zhì)地減小到比聲信號(hào)波長(zhǎng)減小幾倍的長(zhǎng)度比例。因此，對(duì)于更短波長(zhǎng)的信號(hào)，流體均質(zhì)性的標(biāo)準(zhǔn)就變得越來越嚴(yán)格。因此，流體中的不均質(zhì)性，例如氣泡、氣體、雜質(zhì)、沙子、金屬塊、分層、流體的水珠等類似物，將反射或散射所發(fā)射的超聲波信號(hào)。這種反射或散射抑制了該裝置確定傳播速度的能力。由于這個(gè)原因，超聲波流量計(jì)的應(yīng)用主要限制在充分混合的流體中。
發(fā)明摘要本發(fā)明的目的包括提供一種系統(tǒng)，用于測(cè)量管道中流體的聲速。
根據(jù)本發(fā)明，一種裝置，用于測(cè)量管道中至少一個(gè)流體混合物的至少一個(gè)參數(shù)，包括至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列，沿管道布置在不同的軸向位置上，并且每個(gè)測(cè)量相應(yīng)軸向位置處管道內(nèi)的聲壓，每個(gè)所說傳感器提供一個(gè)聲壓信號(hào)，代表在對(duì)應(yīng)于一個(gè)所說傳感器的軸向位置處的管道內(nèi)的聲壓；和信號(hào)處理器，響應(yīng)于所說壓力信號(hào)，提供代表管道內(nèi)混合物聲速的信號(hào)。
另外，根據(jù)本發(fā)明，該信號(hào)處理器包括邏輯電路，用于計(jì)算聲音沿空間陣列傳播的速度。
另外，根據(jù)本發(fā)明，該信號(hào)處理器包括邏輯電路，用于計(jì)算每個(gè)聲音壓力信號(hào)的頻域表達(dá)式(或以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào))。另外還根據(jù)本發(fā)明，該信號(hào)處理器包括邏輯電路，用于計(jì)算兩個(gè)頻率信號(hào)的比值。另外仍然根據(jù)本發(fā)明，該傳感器包括至少三個(gè)傳感器。
另外，仍然根據(jù)本發(fā)明，該壓力傳感器是基于布拉格(Bragg)光柵的光纖壓力傳感器。另外仍然根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)壓力傳感器測(cè)量在給出的傳感器軸向位置處的圓周平均壓力。另外根據(jù)本發(fā)明，至少一個(gè)壓力傳感器在給出的傳感器軸向位置測(cè)量管道圓周上多于一點(diǎn)處的壓力。
本發(fā)明提供對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的重大改進(jìn)，通過利用沿管道的聲壓(或交流電、動(dòng)態(tài)、不穩(wěn)定、或隨時(shí)間變化)測(cè)量軸向陣列，提供管道內(nèi)一個(gè)或多個(gè)流體(其中將流體定義為液體或氣體)混合物的聲速amix測(cè)量。不需要顯在的噪聲源，因?yàn)閮H通過被動(dòng)的聲音收聽，管道內(nèi)(或流體內(nèi))的背景噪聲將很可能提供足夠的激勵(lì)，來使得混合物的聲速特征化。
利用具有比用于超聲波測(cè)量?jī)x低的頻率(并因此波長(zhǎng)較長(zhǎng))的聲信號(hào)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，例如在20kHz以下(取決于管徑)。例如，本發(fā)明更能允許流體中氣體、沙子、金屬塊、或其他非均質(zhì)的引入。
利用任意的傳感器間隔和任意的流體馬赫(Mach)數(shù)Mx來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明；但是，如果傳感器均等地隔開，和流體的軸向速度與混合物的聲速相比很小并因此可以忽略(即，混合物的Mach數(shù)Mx小于1)，可以將聲速amix確定為該聲壓信號(hào)在給出的測(cè)定頻率ω處的頻域的顯函數(shù)表達(dá)式(以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào))。
由于聲速是混合物的固有特性，本發(fā)明可以用來測(cè)量管道中一個(gè)或多個(gè)流體的任何混合物的任何參數(shù)(或特征)，其中這些參數(shù)與混合物的聲速amix有關(guān)，例如流體組分、溫度、鹽度、沙子顆粒、金屬塊、管道特性等，或與混合物聲速有關(guān)的混合物的任何其他參數(shù)。例如，本發(fā)明可以用來測(cè)量任何數(shù)量流體的混合物的流體容積率(或成分或沖蝕或容積)，其中混合物的聲速amix與混合物兩個(gè)組分，例如油/水、水/氣、油/氣的容積率有關(guān)(或基本由其確定)。此外，本發(fā)明可以用來測(cè)量任何混合物的聲壓，然后可以將其與其他已知量結(jié)合來得出具有多個(gè)(多于兩個(gè))組分混合物的物相含量。
本發(fā)明允許獨(dú)立于管道的方向、即，垂直、水平、或他們之間的任何方向來確定管道中的聲速。此外，本發(fā)明不需要對(duì)管道內(nèi)的流動(dòng)進(jìn)行任何中斷(例如噴嘴或噴管)。此外，本發(fā)明使用相對(duì)于靜態(tài)(dc)壓力測(cè)量的ac(或不穩(wěn)定或動(dòng)態(tài))壓力測(cè)量，并因此降低對(duì)探測(cè)中靜態(tài)偏移(或誤差)的敏感度。此外，如果使用惡劣環(huán)境下的光纖壓力傳感器來獲得壓力測(cè)量，這種傳感器不需要任何電子元件下井，因此提高了測(cè)量的可靠性。
此外，測(cè)量管道上周向應(yīng)變的應(yīng)變儀(光、電等)可以用來測(cè)量ac壓力?？梢允褂霉饫w纏繞的傳感器來作為光應(yīng)變儀來提供周向平均壓力。因此，本發(fā)明提供聲速(和其他相應(yīng)參數(shù))的非插入測(cè)量，能夠用于油和氣勘測(cè)和生產(chǎn)或其他應(yīng)用的實(shí)時(shí)監(jiān)控和最優(yōu)化處理。
根據(jù)下述對(duì)其優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，將使本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)變得更清楚。
附圖的簡(jiǎn)要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的示意方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的混合物聲速與油/水混合物的水容積率百分比的關(guān)系曲線；圖3是根據(jù)本發(fā)明的具有9個(gè)區(qū)域和輻射阻抗ξrad的管道的一個(gè)例子的發(fā)射矩陣模型；圖4中(a)-(c)是表示根據(jù)本發(fā)明的圖3管道區(qū)域的混合物特性ρmix、amix、hwater軸向值的圖表；圖5是根據(jù)本發(fā)明，輻射阻抗為1.0、水組分為50％、和具有圖4的軸向特性時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P2的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖6是根據(jù)本發(fā)明，輻射阻抗為1.0、水組分為50％、和具有圖4的軸向特性時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P3的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖7是根據(jù)本發(fā)明，使用相應(yīng)于圖5、6的頻率，計(jì)算的聲速大小與誤差項(xiàng)在整個(gè)頻率范圍上的關(guān)系曲線；圖8是根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)輻射阻抗為0.5、水組分為50％、和混合物軸向特性恒定時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P2的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖9是根據(jù)本發(fā)明，輻射阻抗為0.5、水組分為50％、和當(dāng)混合物軸向特性恒定時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P3的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖10是根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)輻射阻抗為0.5、水組分為5％、和混合物軸向特性恒定時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P2的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖11是根據(jù)本發(fā)明，輻射阻抗為0.5、水組分為5％、和混合物軸向特性恒定時(shí)，兩個(gè)壓力的比值P1/P3的大小和相位與頻率的關(guān)系曲線；圖12是根據(jù)本發(fā)明，使用相應(yīng)于圖8-11的兩個(gè)不同水組分的頻率，計(jì)算的聲速大小與誤差項(xiàng)在整個(gè)頻率范圍上的關(guān)系曲線；圖13是根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于水組分為5％、Mach數(shù)為0.05，在25Hz時(shí)聲速與軸向Mach與誤差項(xiàng)之間函數(shù)關(guān)系的等高線圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明，水組分為50％、Mach數(shù)為0.05、在25Hz時(shí)聲速與軸向Mach與誤差項(xiàng)之間函數(shù)關(guān)系的等高線圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明的圖1的部分邏輯電路的邏輯流程圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明的圖15邏輯流程圖的延續(xù)；圖17是根據(jù)本發(fā)明使用光纖傳感器，在油井或氣井應(yīng)用中的流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的示意方框圖；圖18是根據(jù)本發(fā)明的剛性和非剛性管道中聲速與管道壁厚的函數(shù)圖；圖19是根據(jù)本發(fā)明，表示管道周圍多個(gè)傳感器的管道剖視圖；圖20是根據(jù)本發(fā)明在管道探測(cè)區(qū)域周圍具有隔絕套管的管道的側(cè)視圖；圖21是根據(jù)本發(fā)明表示管道內(nèi)部和外部壓力的管道端視圖；圖22是根據(jù)本發(fā)明的管道的側(cè)視圖，在每個(gè)不穩(wěn)定壓力測(cè)量位置受到光纖的纏繞、并且在每個(gè)光纖束周圍具有一對(duì)Brag柵；圖23是根據(jù)本發(fā)明的管道的側(cè)視圖，其中在每個(gè)不穩(wěn)定壓力測(cè)量位置受到光纖的纏繞、并且在每對(duì)光纖束之間具有單個(gè)Bragg柵；圖24是根據(jù)本發(fā)明的管道的側(cè)視圖，其中在每個(gè)不穩(wěn)定壓力測(cè)量位置受到光纖的纏繞、并且在每個(gè)光纖束周圍沒有Bragg柵；圖25是根據(jù)本發(fā)明，具有散熱器管幾何結(jié)構(gòu)的圖21、22中光纖的另一種幾何結(jié)構(gòu)；圖26是根據(jù)本發(fā)明滾珠座圈幾何結(jié)構(gòu)的圖21、22中光纖的另一種幾何結(jié)構(gòu)；圖27是根據(jù)本發(fā)明在每個(gè)軸向探測(cè)位置具有一對(duì)柵的管道側(cè)視圖；圖28是根據(jù)本發(fā)明在每個(gè)軸向探測(cè)位置具有單個(gè)柵的管道側(cè)視圖；圖29是根據(jù)本發(fā)明的另外三個(gè)應(yīng)變儀的頂視圖；圖30是根據(jù)本發(fā)明的管道側(cè)視圖，具有粘附上的三個(gè)軸向隔開的應(yīng)變儀；
圖31是根據(jù)本發(fā)明的管道端視圖，在管道內(nèi)具有相互隔開的三個(gè)非穩(wěn)態(tài)壓力傳感器；圖32是根據(jù)本發(fā)明的管道側(cè)視圖，在管道內(nèi)具有軸向隔開的三個(gè)非穩(wěn)態(tài)壓力傳感器；圖33是根據(jù)本發(fā)明的管道側(cè)視圖，在管道內(nèi)具有軸向和徑向隔開的三個(gè)非穩(wěn)態(tài)壓力傳感器；圖34是根據(jù)本發(fā)明具有內(nèi)管的管道的側(cè)視圖，具有軸向分布的非穩(wěn)態(tài)壓力傳感器光纖束；圖35是根據(jù)本發(fā)明具有內(nèi)管的管道的側(cè)視圖，具有軸向分布的沿內(nèi)管布置的非穩(wěn)態(tài)壓力傳感器；圖36是根據(jù)本發(fā)明具有內(nèi)管的管道的側(cè)視圖，具有三個(gè)軸向分布的布置在內(nèi)管里的水聽器；圖37是根據(jù)本發(fā)明表示超聲波從二維空間內(nèi)的單個(gè)聲源向空間陣列傳播的圖；圖38是根據(jù)本發(fā)明管道的側(cè)視圖，具有沿管道傳播的左和右傳播的超聲波；圖39是根據(jù)本發(fā)明表示從兩個(gè)空間間隔中的兩個(gè)聲源向空間陣列傳播的圖；圖40是根據(jù)本發(fā)明的流體參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例的示意方框圖；圖41是根據(jù)本發(fā)明聲速與含水量的關(guān)系曲線。
實(shí)施本發(fā)明的最佳模型參照?qǐng)D1，管道(或?qū)Ч?12具有三個(gè)超聲波壓力傳感器14、16、18，沿管道12布置在位置x1、x2、x3處。通過與外部壓力傳感器相連的管道12中的孔或通過下文所描述的其他技術(shù)可以測(cè)量壓力。壓力傳感器14、16、18分別在線20、22、24上向已知的快速傅立葉變換(FFT)邏輯電路26、28、30提供隨時(shí)間變化的壓力信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)。FFT邏輯電路26、28、30計(jì)算基于時(shí)間的輸入信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)的傅里葉變換，并且提供位于線32、34、36上代表輸入信號(hào)頻率成份的綜合頻域(或基于頻率的)信號(hào)P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)。也可以用其他技術(shù)代替FFT來獲得信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)的頻域特征。例如，可以使用交叉頻譜密度和功率譜密度來形成下文所描述的頻域轉(zhuǎn)換函數(shù)(或頻率響應(yīng)或比值)。
此外，可以在軟件(使用微處理器或計(jì)算機(jī))和/或固件中實(shí)現(xiàn)邏輯電路60內(nèi)的任何或所有函數(shù)，或者可以利用具有充足內(nèi)存、界面、和能夠執(zhí)行下述函數(shù)的模擬和/或數(shù)字硬件來實(shí)現(xiàn)。
頻率信號(hào)P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)饋送給amix-Mx計(jì)算邏輯電路40，其在線46上提供代表混合物聲速amix(在下文更詳細(xì)描述)的信號(hào)。amix信號(hào)提供給變換(或等分)邏輯電路48，其將amix轉(zhuǎn)換為流體的百分比成分，并且在線50上提供代表它(如下文所述)的a％比較信號(hào)。此外，如果Mach數(shù)Mx是不可以忽略的并且希望知道它，計(jì)算邏輯電路40還可以在線59上提供代表Mach數(shù)Mx的信號(hào)Mx(如下所述)。
具體地，對(duì)于同質(zhì)混合物中的平面一維超聲波，已知沿管道在位置x的超聲壓力場(chǎng)P(x，t)，其中待測(cè)量的超聲波波長(zhǎng)λ比管道12的直徑d長(zhǎng)(即，λ/d＞＞1)，可以表述為右行波和左行波的疊加，如下所示P(x,t)=(Ae-ikrx+Be+iklx)eiωt]]>公式1其中A、B分別是基于頻率的右和左行波的合成振幅，x是沿管道的壓力測(cè)量位置，ω是頻率(單位為弧度/秒(rad/sec)，其中ω＝2πf)，并且kr、kl分別是右側(cè)和左側(cè)行波的波數(shù)，將其定義為kr≡(ωamix)11+Mx]]>andkl≡(ωamix)11-Mx]]>公式2其中amix是管道中混合物的聲速，ω是頻率(rad/sec)，和Mx是管道內(nèi)混合物流量的軸向Mach數(shù)，其中Mx≡Vmixamix]]>公式3其中Vmix是混合物的軸向速度。對(duì)于非均質(zhì)混合物，軸向Mach數(shù)表示混合物的平均速度，并且低頻聲場(chǎng)等級(jí)基本保持不變。
管道內(nèi)以時(shí)間為基礎(chǔ)的聲壓場(chǎng)P(x，t)的頻域表達(dá)式P(x，ω)，是公式1的eiωt項(xiàng)的系數(shù)，如下所示P(x,ω)=Ae-ikrx+Be+iklx]]>公式4參照?qǐng)D1，我們發(fā)現(xiàn)在沿管道12的三個(gè)軸向分布的壓力測(cè)量位置x1、x2、x3使用P(x，ω)的公式4，得到一個(gè)amix等式，作為以頻率為基礎(chǔ)的壓力測(cè)量的比值的函數(shù)，其允許消除系數(shù)A、B。為得到最佳效果，A和B在測(cè)量時(shí)間中基本上是常數(shù)，和在測(cè)量區(qū)域中基本上沒有產(chǎn)生或破壞聲音(或聲能)。聲激勵(lì)僅經(jīng)過測(cè)試區(qū)域51的末端進(jìn)入測(cè)試區(qū)域，因此可以獨(dú)立于測(cè)試區(qū)域外的聲環(huán)境來測(cè)量測(cè)試區(qū)域51內(nèi)的聲速。具體地，利用公式1分別沿管道12的三個(gè)位置x1、x2、x3，對(duì)右側(cè)和左側(cè)行波的頻域壓力測(cè)量P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)如下P1(ω)=P(x=x1,ω)=Ae-ikrx1+Be+iklx1]]>公式5P2(ω)=P(x=x2,ω)=Ae-ikrx2+Be+iklx2]]>公式6P3(ω)=P(x=x1,ω)=Ae-ikrx3+Be+iklx3]]>公式7其中，對(duì)于給定頻率，A和B是描述傳感器14、16、18之間聲場(chǎng)的任何常數(shù)。從公式6、7形成P1(ω)/P2(ω)的比值，和求出B/A，給出下面的表達(dá)式R≡BA=eikrx1-[P1(ω)P2(ω)]eikrx2[P1(ω)P2(ω)]eiklx2-eiklx1]]>公式8其中將R定義為反射系數(shù)。從公式5、7形成1(ω)/P3(ω)的比值，并求出零，給出eikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]=0]]>公式9其中由公式8定義R＝B/A，和kr、kl與由公式2定義amix的有關(guān)。公式9可以通過數(shù)學(xué)求出，例如，通過定義“誤差”或剩余項(xiàng)作為公式9左側(cè)的值，并迭代來使誤差項(xiàng)最小。mag[e-ikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]]≡]]>誤差公式10對(duì)于石油工業(yè)中的許多應(yīng)用，管道中流體的軸向速度比混合物中的聲速小(即，軸向Mach數(shù)Mx小于1)。例如，在典型油井中的石油的軸向速度Voil大約是10ft/sec，而石油的聲速aoil大約是4,000ft/sec。因此，純凈石油混合物的Mach數(shù)Mx是0.025(Voil/aoil＝10/4,000)，并且公式2減少到近似為kr=kl=ωamix]]>公式11并且可以消除右側(cè)和左側(cè)行波波數(shù)之間的差別。在這種情況下(其中Mx是可以忽略的)，由于公式10中除amix外的所有變量都是已知的，可以通過在給定頻率ω計(jì)算誤差項(xiàng)的值和改變amix直到誤差項(xiàng)為零，來迭代求出amix的值。在誤差項(xiàng)的值等于零(或最小化)時(shí)的amix值，對(duì)應(yīng)于混合物聲速amix的正確值。如果公式10是頻率ω的函數(shù)，在誤差項(xiàng)為零時(shí)的聲速amix對(duì)于所計(jì)算的每個(gè)頻率ω都相同(下文將更詳細(xì)描述)。但是，實(shí)際上由于其他原因，例如管道樣式、非聲壓干擾、離散化誤差等，可能會(huì)在特定頻率上有任何變化，如果需要可以對(duì)其進(jìn)行篩選、開窗、求平均等(下文將更詳細(xì)描述)。此外，由于每個(gè)頻率是同一參數(shù)的獨(dú)立測(cè)量，可以對(duì)多個(gè)測(cè)量值進(jìn)行加權(quán)平均或篩選來提供聲速的單個(gè)更穩(wěn)定的測(cè)量。
一個(gè)如何使用管道12中混合物聲速amix的例子是確定混合物容積率。具體地，管道中兩種流體(其中將這里的流體定義為液體和氣體)的混合物聲速amix通常與兩種流體的容積率有關(guān)?？梢杂脤?shí)驗(yàn)法或分析法來確定這種關(guān)系。例如，混合物的聲速可以表述如下amix=1+ρ1ρ2h2h11a12+ρ1ρ2h2h11a22]]>公式12其中a1、a2是已知的聲速，ρ1、ρ2是已知的密度，和h1、h2是兩種相應(yīng)流體的容積率，amix是混合物的聲速，并且兩種流體的密度ρ1、ρ2之比的數(shù)量級(jí)大約在(10∶1)內(nèi)?？梢允褂猛ㄟ^實(shí)驗(yàn)法、分析法、或計(jì)算法得到的物相比值與聲速關(guān)系的其他表達(dá)式。
參照?qǐng)D2，其中流體是油/水混合物，曲線10表示混合物的聲速amix，利用公式12將其標(biāo)繪為水容積率的函數(shù)。對(duì)于該圖表示的例子，油和水的密度(ρ)以及聲速(a)采用的值如下密度(ρ)ρwater＝1,000kg/m3；ρoil＝700kg/m3聲速(a)awater＝5,000ft/sec；aoil＝4,000ft/sec。
公式12的下標(biāo)1、2指定的每個(gè)流體參數(shù)是任何的，提供的使用符號(hào)是一致的。因此，如果測(cè)量混合物的聲速amix，就可以確定油/水的比值。
參照?qǐng)D3，通過例子解釋該原理，管道的聲發(fā)射矩陣模型，該管道具有9個(gè)區(qū)域(或元件或段)1-9、聲源64、輻射(或發(fā)射)阻抗ξrad(ξrad＝P/ρmixamixμmix)，其中μmix是聲干擾；Mx＝0，并且其中穿過測(cè)試區(qū)域5-6和6-7來測(cè)量壓力P1、P2、P3。對(duì)于這個(gè)例子，每個(gè)元件為1米長(zhǎng)。
取決于應(yīng)用，可以需要或不需要顯在的噪聲源，因?yàn)楣艿纼?nèi)的背景噪聲可以提供足夠的激勵(lì)，來保證從現(xiàn)有周圍環(huán)境聲壓中測(cè)量聲速。在油或天然氣井的應(yīng)用中，如果背景噪聲不充足，可以在井的表面或井內(nèi)布置噪聲源(沒有示出)，假定該聲源聲學(xué)地耦合到測(cè)量聲速的測(cè)試區(qū)域51上。
參照?qǐng)D4，圖(a)-(c)是表示管道12的各段1-9中混合物的軸向特性的例子。水的容積率h、混合物的聲速amix和混合物的密度ρmix在管道12的長(zhǎng)度上變化，并且壓力測(cè)量P1-P3之間的測(cè)試段5-6(從4-6米)具有恒定特性。具體地，區(qū)域1-9的ρmix、amix、hwater的值分別用圖4中的曲線表示，并且如下所示hwater＝0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9ρmix＝730、760、790、820、850、850、910、940、970(kg/m3)amix＝4053、4111、4177、4251、4334、4334、4539、4667、4818(ft/sec)參照?qǐng)D5、6，表示的是具有圖4特性的圖3的模型的以頻率為基礎(chǔ)的壓力信號(hào)的比值P1(ω)/P2(ω)和P1(ω)/P3(ω)大小和相位，其中測(cè)試區(qū)域具有50％的水、并且相應(yīng)于具有區(qū)域9和更遠(yuǎn)的恒定特性ρmix和amix的無限長(zhǎng)管道的輻射阻抗為ξrad＝1.0。
參照?qǐng)D7，使用圖5、6的頻率響應(yīng)的公式10的誤差項(xiàng)是一組曲線，每個(gè)曲線對(duì)應(yīng)于一個(gè)頻率ω，其中求出在每個(gè)頻率處從awater(5,000ft/sec)到aoil(4,000ft/sec)變化的amix值的誤差值，并且頻率從5到200Hz以5Hz的增量變化。如果需要可以使用其他頻率。誤差變?yōu)榱?或最小化)時(shí)的聲速amix對(duì)于計(jì)算的每個(gè)頻率ω都相同。在這種情況下，當(dāng)amix為4335ft/sec時(shí)，在點(diǎn)70誤差最小。參照?qǐng)D2，對(duì)于油/水混合物，4335ft/sec的amix對(duì)應(yīng)于測(cè)試區(qū)域中50％的水容積率，其符合該模型的水容積率。此外，amix中的變化相對(duì)于誤差變化的靈敏度在計(jì)算的頻率的基礎(chǔ)上變化。因此，可以通過在特定的低靈敏度頻率計(jì)算amix的值來最優(yōu)化其性能，依靠具體的應(yīng)用和結(jié)構(gòu)來確定這些頻率。
參照?qǐng)D8、9，對(duì)于輻射阻抗ξrad＝0.5，表示圖3的模型的頻率響應(yīng)(即，以頻率為基礎(chǔ)的壓力信號(hào)的比值)P1(ω)/P2(ω)和P1(ω)/P3(ω)的大小和相位，其中所有區(qū)域1-9具有50％的水容積率(h＝0.5)、混合物密度ρmix＝850kg/m3、以及混合物聲速amix＝4334ft/sec的恒定特性。
參照?qǐng)D12，對(duì)于50％的水容積率，使用圖8、9的頻率響應(yīng)，公式10的誤差項(xiàng)的值是一組曲線，每個(gè)曲線對(duì)應(yīng)于一個(gè)頻率ω，其中每個(gè)頻率的amix值從awater(5,000ft/sec)變化到aoil(4,000ft/sec)，并且顯示了四個(gè)頻率50、100、150、200Hz。如上所述，誤差變?yōu)榱?或最小化)時(shí)聲速amix對(duì)于計(jì)算的每個(gè)頻率ω都相同。在這種情況下，當(dāng)amix為4334ft/sec時(shí)，在點(diǎn)72誤差最小，其與圖7所示具有相同水容積率和不同ξrad的amix值符合。參照?qǐng)D2(或公式2)，對(duì)于油/水混合物，4334ft/sec的amix對(duì)應(yīng)測(cè)試區(qū)域中50％的水容積率，其符合該模型的水容積率。這表示本發(fā)明將獨(dú)立于測(cè)試區(qū)域外混合物的聲特性和/或終端阻抗精確確定amix。
參照?qǐng)D10、11，表示圖3的模型的頻率響應(yīng)(即，以頻率為基礎(chǔ)的壓力信號(hào)的比值)P1(ω)/P2(ω)和P1(ω)/P3(ω)的大小和相位，其中所有區(qū)域1-9具有5％的水容積率(h＝0.05)、混合物密度ρmix＝715kg/m3、以及混合物聲速amix＝4026ft/sec的恒定特性。
參照?qǐng)D12，對(duì)于5％的水容積率，使用圖10、11的頻率響應(yīng)，公式10誤差項(xiàng)的值是一組虛線曲線，每個(gè)曲線對(duì)應(yīng)于一個(gè)頻率ω，其中每個(gè)頻率的amix值從awater(5,000ft/sec)變化到aoil(4,000ft/sec)，并且顯示了四個(gè)頻率50、100、150、200Hz。如上所述，誤差變?yōu)榱?或最小化)時(shí)聲速amix對(duì)于計(jì)算的每個(gè)頻率ω都相同。在這種情況下，當(dāng)amix為4026ft/sec時(shí)，在點(diǎn)74誤差最小。參照?qǐng)D1(或公式1)，對(duì)于油/水混合物，4026ft/sec的amix對(duì)應(yīng)測(cè)試區(qū)域中5％的水容積率，其符合該模型的水容積率，因此，校驗(yàn)該模型的結(jié)果。
參照?qǐng)D12，對(duì)于5％和50％的水容積率，amix中的變化相對(duì)于誤差變化的靈敏度在計(jì)算的頻率的基礎(chǔ)上變化。具體地，對(duì)于該例子，所示的四個(gè)頻率的，誤差接近零時(shí)，200Hz的曲線具有最大斜度(ΔError/Δamix)，因此使得更容易探測(cè)到誤差變?yōu)榱闾幍闹?，以及amix的值。因此，可以將200Hz作為穩(wěn)定的頻率，用來確定該例子中的聲速。
如果壓力傳感器等間距地隔開(即，x1-x2＝x3-x2＝Δx；或Δx1＝Δx2＝Δx)，和軸向的Mach數(shù)Mx小于1(因此，kr＝kl＝k)，可以用公式10求出封閉形式解的k(并因此求出amix)，作為壓力頻率響應(yīng)(或以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)比值)的函數(shù)如下所示k=ωamix=[1Δx]ilog[P12+P13P12+(P122+2P13P122+P132P122-4P132)1/22P13]]]>公式13求出amix，給出amix=ω[1Δx]ilog[P12+P13P12+(P122+2P13P122+P132P122-4P132)1/22P13]]]>公式14其中P12＝P1(ω)/P2(ω)，P13＝P1(ω)/P3(ω)，i是-1的平方根，并且log[]函數(shù)的結(jié)果是虛數(shù)，聲速amix仍然是實(shí)數(shù)。
公式13和14中所示的公式10的解析法起初對(duì)于頻率是有效的，對(duì)于該頻率，沿管道12的測(cè)試區(qū)域51的長(zhǎng)度(即，等距隔開傳感器的x3-x1或Δx)比待測(cè)聲波的波長(zhǎng)λ短。這種限制是由于公式10的多重可能解?？梢允褂闷渌阎夹g(shù)來獲得對(duì)于其他頻率范圍的公式10的其他解。
從三個(gè)壓力公式5-7中得到amix的另一個(gè)封閉形式解，其中壓力傳感器等距隔開和Mx是可以忽略的(即，kl＝kr)，如下所示。從公式5-7中形成比值[P1(ω)+P3(ω)]/P2(ω)，給出下面的表達(dá)式P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=Ae-ikx1+Be+ikx1+Ae-ikx3+Be+ikx3Ae-ikx2+Be+ikx2]]>公式15對(duì)于等距隔開的傳感器，x1＝0，x2＝Δx，x3＝2Δx(僅為方便起見，x1＝0)，其給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=A+B+Ae-2ikΔx+Be+2ikΔxAe-ikΔx+Be+ikΔx]]>公式16用A除以分子和分母，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=1+R+e-2ikΔx+Re+2ikΔxe-ikΔx+Re+ikΔx]]>公式17其中，通過公式8利用x1＝0、x2＝Δx定義R＝B/A，其給出R≡BA=1-[P1(ω)P2(ω)]eikΔx[P1(ω)P2(ω)]eikΔx-1]]>公式18將R插補(bǔ)到公式17，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=1+e-2ikΔx+[1-[P1(ω)P2(ω)]e-ikΔx[P1(ω)P2(ω)]eikΔx-1]+(1+e+2ikΔx)e-ikΔx+[1-[P1(ω)P2(ω)]e-ikΔx[P1(ω)P2(ω)]eikΔx-1]e+ikΔx]]>公式19簡(jiǎn)化公式19，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=(P1P2e+ikΔx-1)(1+e-2ikΔx)+(1-P1P2e-ikx)(1+e+2ikΔx)(P1P2e+ikΔx-1)(e-ikΔx)+(1-P1P2e-ikx)(e+ikΔx)]]>公式20分配各項(xiàng)和化簡(jiǎn)，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=-e-2ikΔx+e+2ikΔx-e-ikΔx+e+ikΔx]]>公式21使用指數(shù)和正弦函數(shù)之間的關(guān)系，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=2isin(2kΔx)2isin(kx)=2sin(kx)cos(kx)sin(kx)]]>公式22化簡(jiǎn)和代入k＝ω/amix，給出P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=2cos(kΔx)=2cos(ωΔxamix)]]>公式23由于其簡(jiǎn)單的幾何形模型，公式23特別有用，從其中可以容易地解析出amix。具體地，可以通過來自數(shù)字信號(hào)分析器(或其他類似器械)的檢驗(yàn)直接確定amix，設(shè)置該數(shù)字信號(hào)分析器以提供代表公式23左側(cè)的顯示，是從中可容易獲得amix的余弦曲線。例如，在穿過余弦曲線的零點(diǎn)，公式23等于零和amix等于2ωΔx/π。此外，可以用公式23利用迭代接近來確定amix，其中從公式23的左側(cè)計(jì)算待測(cè)量的函數(shù)(利用測(cè)量的壓力)，并且將其與公式23右側(cè)的余弦曲線相比較，其中amix變化直到其基本符合測(cè)量的函數(shù)為止。可以使用其他多種曲線擬合法、參數(shù)標(biāo)識(shí)、和/或最小化誤差或解答技術(shù)來確定amix的值，提供滿足公式23的最佳擬合。
為amix求解公式23，給出下面封閉形式的答案amix=ωΔxcos-1(P1(ω)+P3(ω)2P2(ω))=ωΔxcos-112(P1(ω)P2(ω)+P3(ω)P2(ω))]]>公式24參照?qǐng)D41，所表示的是聲速(amix)與含水量的關(guān)系曲線，其中如上所述利用公式23計(jì)算出amix。圖41表示的是具有2英寸的ID的160號(hào)鋼管，三個(gè)軸向探測(cè)位置之間的每個(gè)間距是Δx＝2ft，每個(gè)傳感器是壓電ac壓力傳感器，有四個(gè)在每個(gè)軸向探測(cè)位置處圓周均勻隔開的傳感器。直線452表示在下文所述公式12和圖2的基礎(chǔ)上的含水量的理論值，和這些圓是amix的計(jì)算值。
此外，可以將公式9表述為壓力傳感器之間任何間隔的三角函數(shù)，并且其中Mx是可以忽略的(kl＝kr)，如下所示sin(ωamix(x3-x1))-P32sin(ωamix(x2-x1))-P12sin(ωamix(x3-x2))=0]]>公式25其中P32＝P3(ω)/P2(ω)和P12＝P1(ω)/P2(ω)。
參照?qǐng)D13、14，如果Mach數(shù)Mx是不能忽略的和/或是需要計(jì)算的，公式10中誤差項(xiàng)為零時(shí)的Mx和amix的值可以為給定的水容積率由公式10唯一確定。具體地，對(duì)于給定的％水容積率，有分別通過點(diǎn)90、92代表的5％和50％含水量的唯一值?？梢岳靡阎浖呙杷惴ㄔ陬A(yù)定范圍上改變amix和Mx，以確定誤差＝0時(shí)Mx和amix的值(下文將更詳細(xì)描述)。
參照?qǐng)D15，計(jì)算邏輯電路40在步驟100開始，其中將P12計(jì)算為P1(ω)/P2(ω)的比值，和在步驟102中將P32計(jì)算為P3(ω)/P2(ω)的比值。接下來在步驟103確定混合物的Mach數(shù)Mx是否可以忽略(或是否需要計(jì)算Mx)。如果Mx是可以忽略的，步驟104確定傳感器14、16、18是否是等距隔開的(即，x1-x2＝x2-x3＝Δx)。如果等距隔開傳感器，步驟106設(shè)置初始值為ω＝ω1(例如，100Hz)和計(jì)數(shù)器n＝1。接下來，步驟108從公式14封閉形式解計(jì)算amix(n)。然后，步驟110檢查邏輯電路40是否已在預(yù)定數(shù)量(例如10個(gè))頻率上計(jì)算amix。如果n不大于10，步驟112、114使計(jì)數(shù)器n加1和使頻率ω增加預(yù)定量(例如10Hz)，并且重復(fù)步驟108。如果邏輯電路40已經(jīng)在10個(gè)頻率上計(jì)算amix，步驟110的結(jié)果是“是”(yes)，并且邏輯電路40進(jìn)行到步驟116，利用10個(gè)頻率上的amix(n)值來確定amix的平均值，和退出邏輯電路40。
如果傳感器不是等距的，步驟120將當(dāng)前壓力傳感器間隔設(shè)置為x1、x2、x3，和設(shè)置初始值ω＝ω1(例如，100Hz)和計(jì)數(shù)器n＝1。接下來，步驟122設(shè)置amix＝amix-min(例如，aoil＝4000ft/sec)，和步驟124從公式10計(jì)算誤差項(xiàng)。然后，步驟126檢查是否誤差＝0(Error＝0)。如果誤差不等于零，使amix增加預(yù)定量，和邏輯電路40到達(dá)步驟124。
如果步驟126中誤差＝0(Error＝0)，步驟130設(shè)置amix(n)＝amix。接下來，步驟132檢查n是否大于或等于10。如果不是，步驟134使n增加1并且對(duì)頻率ω增加預(yù)定量(例如，10Hz)。如果n大于或等于10，步驟138計(jì)算10個(gè)頻率上amix的平均值。
參照?qǐng)D16，如果Mach數(shù)Mx是不能忽略的，步驟200-204設(shè)置初始條件ω＝ω1(例如，100Hz)；Mx＝Mx-min(例如，0)；amix＝amix-min(例如，aoil＝4000ft/sec)。然后，步驟206計(jì)算在步驟202處公式10的誤差項(xiàng)。接下來，步驟208檢查是否誤差＝0(Error＝0)(或最小值)。如果不是，步驟210檢查是否amix＝amix-min(例如，awater＝5000ft/sec)。
如果步驟210的結(jié)果是“否”(no)，步驟212使amix增加預(yù)定量(例如，1ft/sec)并且邏輯電路到達(dá)步驟206。如果，步驟210的結(jié)果是“是”(yes)，步驟214使Mx增加預(yù)定量(例如1)，并且邏輯電路到達(dá)步驟204。
當(dāng)步驟208代表誤差＝0(Error＝0)(或最小值)時(shí)，步驟216設(shè)置amix(n)＝amix和Mx(n)＝Mx，并且步驟218檢查是否已經(jīng)在10個(gè)不同頻率上計(jì)算amix和Mx的值。如果不是，步驟220使計(jì)數(shù)器n增加1，和步驟222使頻率ω增加預(yù)定量(例如10Hz)。如果已經(jīng)在10個(gè)不同頻率上計(jì)算過amix和Mx的值(即，n等于10)，步驟224在10個(gè)不同頻率上計(jì)算amix(n)和Mx(n)的平均值，以求出amix和Mx。上述amix的值類似于圖13、14所示，如上所述，其中amix的最終值是誤差等于零的點(diǎn)90、92。
作為步驟116、138、224中計(jì)算的amix的平均值的替代，可以從預(yù)定頻率通過篩選或窗口操作amix(n)，來計(jì)算amix。頻率數(shù)和所求的頻率可以是任何需要的數(shù)和值。此外，作為在多于一個(gè)頻率處計(jì)算amix和Mx的替代，可以只在一個(gè)頻率處計(jì)算。此外，圖15、16所示的邏輯電路是多種可能算法中的一種，來利用此處的教導(dǎo)計(jì)算amix。
參照?qǐng)D1和18，探測(cè)區(qū)域中管道12(或?qū)Ч?的柔性(或撓性)可能在兩個(gè)主要方式中影響測(cè)量到的混合物聲速amix的精度或數(shù)據(jù)整理分析。
考慮第一方法，參照?qǐng)D18，探測(cè)區(qū)域中管道12的彎曲減少了來自無界域中聲音的待測(cè)量的聲速amix。無界域(無窮媒質(zhì))中的聲速是與流體特性緊密相連的特性。具體地，管道壁厚(或管道柔性)對(duì)待測(cè)量聲速的影響表示為管道中聲速的減少，該管道具有2英寸的標(biāo)稱直徑，和管道內(nèi)具有100％的水(ρw＝1,000kg/m3；aw＝5,000ft/sec)并且管道直徑外側(cè)是真空(或空氣)。通過扁平曲線350表示完全剛性管道(即，無窮模量)內(nèi)水的聲速，和通過曲線352來表示鋼管中水的聲速。曲線352上的點(diǎn)354表示80號(hào)鋼管的大約4768fet/sec聲速值。因此，管壁越厚，聲速越接近完全剛性管道的5,000fet/sec值。
可以校準(zhǔn)和校正由非剛性(或柔性)管道12引入到測(cè)量中的圖18中所示誤差(或邊界效應(yīng))，來精確確定無窮媒質(zhì)中流體聲速。因此，在這種情況下，雖然系統(tǒng)(管道)修改傳播速度，這種速度可以以預(yù)定方式映射到無窮媒質(zhì)中的傳播速度。
具體地，對(duì)于包含在柔性管道中的流體，通過管道的結(jié)構(gòu)特性影響壓縮波的傳播速度。對(duì)于包含在受到具有可忽略的聲阻抗(ρa(bǔ))的流體包圍的管道12中的流體，傳播速度通過下面的關(guān)系式與無窮流體域的聲速和結(jié)構(gòu)特性有關(guān)1ρmixa2measured=1ρmixa2mix+σwhereσ≡2REt]]>公式26其中R＝管道半徑，t是管道壁厚，ρmix是混合物(或流體)密度，amix是混合物的實(shí)際聲速，ameasured是包含在管道12中的混合物的測(cè)量得到的聲速，和E是管道材料的楊氏模量。公式26主要用于聲波長(zhǎng)比管道直徑長(zhǎng)(例如，大約是2∶1)的頻率和比管道進(jìn)排氣的自然頻率低的頻率。公式26還主要用于足夠長(zhǎng)以使圓周硬度能夠控制管道徑向偏轉(zhuǎn)的波長(zhǎng)。
對(duì)于圖18，曲線352(100％水)是多種不同油/水混合物的一組曲線中的一個(gè)。對(duì)于公式26，可以按照每個(gè)組分密度來定義各項(xiàng)，并且容積相位比值如下所示1ρmixa2mix=Σi=1Nφiρiai2]]>其中 其中ρi是多成分混合物的第i個(gè)組分的密度，ai是混合物的第i個(gè)組分的聲速，φi是混合物的第i個(gè)組分的容積變化比值，和N是混合物的成分?jǐn)?shù)量。已知管道特性、單個(gè)組分的密度和聲速(在無窮域中)、和待測(cè)量的混合物聲速，公式26就能求出amix。因此，可以為柔性管道確定amix。管道的標(biāo)定可以從其他等式或從例如分析法、實(shí)驗(yàn)法、或計(jì)算法等多種其他方法中得到。
對(duì)于某些類型的壓力傳感器，例如在下文所討論的管道應(yīng)變感傳器、加速度計(jì)、速度傳感器或位移傳感器，可以根據(jù)管道12的需要列出管道柔性的某些數(shù)量。
此外，為最小化由管道柔性引起的這些誤差影響(和相應(yīng)標(biāo)定的需要)，可以使得在其上布置傳感器14、16、18的管道12的軸向測(cè)試區(qū)域51盡可能剛硬。為達(dá)到所需要的剛度，可以使測(cè)試區(qū)域51的壁53的厚度具有預(yù)定厚度，或者用非常剛硬的材料制成測(cè)試區(qū)域51，例如鋼、鈦、凱夫拉爾纖維、陶瓷、或其他具有高模量的材料。
考慮第二方法，如果管道12是柔性的，并且在聲學(xué)上將其連接到測(cè)試區(qū)域管道12外面的流體和材料，例如環(huán)面流體、套管、巖層等，管道12直徑外的這些流體和材料的聲學(xué)特性可能影響所測(cè)量的聲速。由于這種流體和材料的聲學(xué)特性是變化的和未知的，它們對(duì)所測(cè)量聲速的影響不能通過柔性來有效糾正(也不能以預(yù)定方式映射到無窮媒質(zhì)中的傳播速度)。
參照?qǐng)D20，為減輕這種影響，將外部絕緣套管410(或護(hù)套、外殼、外罩)布置在管道12上，套管410固定在壓力傳感器14、16、18上管道12的外表面。套管410在管道12和套管410之間形成封閉腔室412。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)腔室412充滿例如空氣的氣體時(shí)，管道中的聲能不能與測(cè)試區(qū)域管道12外面的流體和材料形成聲耦合。由于這一點(diǎn)，對(duì)于柔性管道，其聲速可以校準(zhǔn)為如上所述管道12中的流體的實(shí)際聲速。套管410類似于同時(shí)遞交的系列號(hào)為No.(Cidra Docket No.CC-0187)、標(biāo)題為“Measurement of Propagating Acoustic Waves inCompliant Pipes(柔性管道中傳播聲波的測(cè)量)”，在這里將其引用作為參考。
參照?qǐng)D19，替代沿管道12的軸向位置x1、x2、x3的單點(diǎn)壓力傳感器14、16、18的，可以沿管道12的圓周在每個(gè)軸向位置x1、x2、x3上使用兩個(gè)或多個(gè)壓力傳感器，例如四個(gè)傳感器400-406?？梢詫碜越o定軸向位置圓周上的壓力傳感器400-406的信號(hào)平均，來提供剖面(或圓周)上的平均非穩(wěn)定聲壓測(cè)量?？梢允褂闷渌麛?shù)量的聲壓傳感器和環(huán)形間隔。平均多個(gè)環(huán)形壓力傳感器將減少噪聲，該噪聲來自干擾和管道振動(dòng)以及與管道12中的一維聲壓波無關(guān)的其它噪聲源，因此創(chuàng)建壓力傳感器的空間陣列來幫助表現(xiàn)管道12內(nèi)一維聲場(chǎng)的特征。
這里所描述的壓力傳感器14、16、18可以是能夠測(cè)量管道內(nèi)非穩(wěn)定(或ac或動(dòng)態(tài))壓力的任何類型的壓力傳感器，例如壓電、光學(xué)、電容、電阻(例如惠斯通電橋)傳感器、以及加速度計(jì)(或地音探聽器)、速度測(cè)量裝置、位移測(cè)量裝置等。如果使用光學(xué)壓力傳感器，傳感器14-18可以是基于壓力傳感器的Bragg光柵，例如在1997年9月8日遞交的、標(biāo)題為“Sensitivity Fiber Optic Pressure SensorFor Use In Harsh Environments(嚴(yán)酷環(huán)境中使用的靈敏度光纖壓力傳感器)”、系列號(hào)為No.08/925,598的美國(guó)臨時(shí)專利所描述的那樣。此外，傳感器14-18可以是用于測(cè)量管道壁應(yīng)變的固定在或嵌入管道外壁或內(nèi)壁的電或光應(yīng)變儀，包括麥克風(fēng)、水聽器、或其他任何能夠測(cè)量管道12內(nèi)非穩(wěn)定壓力的傳感器。在利用光纖作為壓力傳感器14-18的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可以將它們單獨(dú)連接，或可以利用波長(zhǎng)分配多路技術(shù)(WDM)、時(shí)間分配多路技術(shù)(TDM)、或其他任何光學(xué)多路技術(shù)(下文將更詳細(xì)描述)沿一個(gè)或多個(gè)光纖進(jìn)行多路傳輸。
參照?qǐng)D21，如果將應(yīng)變儀用作壓力傳感器14-18中的一個(gè)或多個(gè)，其可以通過測(cè)量管道12的(如箭頭350所示)直徑(因此由箭頭351代表圓周)的彈性膨脹和收縮，來測(cè)量管道12內(nèi)的非穩(wěn)定(或動(dòng)態(tài)或ac)的壓力變化Pin。通常，應(yīng)變儀將測(cè)量相應(yīng)于管道12內(nèi)非穩(wěn)定壓力信號(hào)的任何方向內(nèi)的管壁偏轉(zhuǎn)。當(dāng)內(nèi)部壓力Pin改變時(shí)，在應(yīng)變儀的位置測(cè)量管道12的彈性膨脹和收縮，并且測(cè)量由如箭頭351所示方向中的偏轉(zhuǎn)所引起的管道12上的局部應(yīng)變(軸向應(yīng)變、周向應(yīng)變或離軸應(yīng)變)。圓周上的變化量是由管道12的周向應(yīng)力、內(nèi)部壓力Pin和管道12的外部壓力Pout、管壁352的厚度Tw、以及管道材料的剛性或模量等多種因素確定的。因此，可以根據(jù)所希望的傳感器14-18的靈敏度和其他因素來設(shè)置探測(cè)區(qū)域中的管壁352的厚度和管道材料，并且其可以不同于探測(cè)區(qū)域51外管道12的壁厚和材料。
仍然參照?qǐng)D21和圖1，如果將加速器用作壓力傳感器14-18中的一個(gè)或多個(gè)，其可以通過測(cè)量如箭頭350所示的徑向中的管道12的表面加速度，來測(cè)量管道12內(nèi)非穩(wěn)定(或動(dòng)態(tài)或ac)的壓力變化Pin。當(dāng)內(nèi)部壓力Pin變化時(shí)，在加速器的位置測(cè)量測(cè)量管道12表面的加速度，并因此測(cè)量相應(yīng)于管壁352的徑向局部彈性。加速度的大小是由管道12的周向強(qiáng)度、內(nèi)部壓力Pin和管道12的外部壓力Pout、管壁352的厚度Tw、以及管道材料的剛度或模量等多種因素確定的。因此，可以根據(jù)所希望的傳感器14-18的靈敏度和其他因素，來設(shè)置探測(cè)區(qū)域51中(圖1)的管壁352的厚度和管道材料，并且其可以不同于探測(cè)區(qū)域14以外的管道12的壁厚和材料。此外，壓力傳感器14-18可以包括徑向速度或位移測(cè)量裝置，其能夠測(cè)量相應(yīng)于由管道12中非穩(wěn)定壓力信號(hào)引起的壓力變化的管道12的壁352的徑向位移特征。加速器、速度或位移傳感器可以類似于同一申請(qǐng)人在同時(shí)遞交的、標(biāo)題為“Displacement Based Pressure Sensor Measuring UnsteadyPressure in a Pipe(基于位移的壓力傳感器測(cè)量管道中的不穩(wěn)壓力)”、系列號(hào)為No.(Cidra Docket No.CC-0194)的美國(guó)臨時(shí)專利中所描述的，并在此通過引用進(jìn)行參考。
參照?qǐng)D22、23、24，如果使用光應(yīng)變儀，可以利用光纖300構(gòu)成ac壓力傳感器14-18，在由壓力P1、P2、P3的繞組或封套302、304、306分別代表的每個(gè)壓力傳感器位置上盤繞或纏繞光纖并將其固定在管道12上。將光纖封套302-306纏繞在管道12上，以使得當(dāng)相應(yīng)于管道12內(nèi)非穩(wěn)定壓力變化的管道周向應(yīng)變變化時(shí)，每個(gè)光纖封套302-306的長(zhǎng)度改變，并因此在相應(yīng)軸向位置測(cè)量?jī)?nèi)部管道壓力。利用下文所述的已知光測(cè)量技術(shù)來測(cè)量這種光纖長(zhǎng)度的變化。每個(gè)封套基本上在管道12的相應(yīng)軸向位置測(cè)量管道12內(nèi)圓周平均的壓力。此外，封套在給定封套的軸向長(zhǎng)度上提供軸向平均的壓力。雖然管道12的結(jié)構(gòu)提供短波干擾的一些空間濾波，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明操作的基本原理仍然基本與下文所述的點(diǎn)傳感器的相同。
參照?qǐng)D22，對(duì)于封套302、304、306串聯(lián)連接的本發(fā)明的實(shí)施例，可以分別在每個(gè)封套302、304、306的相對(duì)端沿光纖300布置Bragg光柵對(duì)(310、312)、(314、316)、(318、320)。使用光柵來多路傳輸壓力信號(hào)P1、P2、P3，來從光返回信號(hào)中驗(yàn)證單個(gè)封套。封套302周圍的第一對(duì)光柵310、312可以具有同一反射波長(zhǎng)λ1，和封套304周圍的第二對(duì)光柵314、316可以具有同一反射波長(zhǎng)λ2，但是不同于第一對(duì)光柵310、312的。相類似地，封套306周圍的第三對(duì)光柵318、320可以具有同一反射波長(zhǎng)λ3，其不同于λ1、λ2。
參照?qǐng)D23，除了與每個(gè)封套相關(guān)的具有不同對(duì)的反射波長(zhǎng)，可以使用每個(gè)封套302-306之間的僅具有一個(gè)光柵的一組Bragg光柵360-366，其每個(gè)具有同一反射波長(zhǎng)λ1。
參照?qǐng)D22和23，可以用許多已知方法來構(gòu)成具有光柵310-320(圖22)或具有光柵360-366(圖23)的封套302-306，來準(zhǔn)確測(cè)量光纖長(zhǎng)度或光纖長(zhǎng)度的變化，例如干涉測(cè)量?jī)x、Fabry Perot、行程時(shí)間、或其他已知裝置。在Glenn的美國(guó)專利No.4,950,883“Fiber OpticSensor Arrangement Having Reflective Grating Responsive toParticular Wavelengths(其反射光柵響應(yīng)于特定波長(zhǎng)的光纖傳感器裝置)”中描述了Fabry Perot技術(shù)的一個(gè)例子。行程時(shí)間(或時(shí)間分配多路技術(shù)；TDM)的一個(gè)示例將是沿光纖300進(jìn)入的具有波長(zhǎng)的光脈沖，并且系列光脈沖沿光纖300反射回。然后可以通過每個(gè)返回脈沖之間的時(shí)間延遲來確定每個(gè)封套的長(zhǎng)度。
此外，可以在光柵之間的部分或所有光纖(如果需要，或包括光柵、或是整個(gè)光纖)涂上稀土摻雜劑，來構(gòu)成可調(diào)光纖激光器，就如此處引用的Ball等的美國(guó)專利No.5,317,576“Continuously TunableSingle Mode Rare-Earth Doped Laser(連續(xù)可調(diào)的單模稀土摻雜激光裝置)”、或Ball等的美國(guó)專利No.5,513,913“Active MultipointFiber Laser Sensor(有源多點(diǎn)纖維激光傳感器)”、或Ball等的美國(guó)專利No.5,564,832“Birefringent Active Fiber Laser Sensor(雙折射有源纖維激光傳感器)”中所描述的。
雖然圖22、23中所示光柵310-320相對(duì)于管道12軸向地定向，它們可以沿管道12軸向、周向、或任何其他方向定向。取決于定向，光柵可以利用改變靈敏度級(jí)別來測(cè)量管道壁352中的變形。如果光柵反射波長(zhǎng)隨內(nèi)部壓力變化而變化，這種變化可能對(duì)于某種結(jié)構(gòu)(例如，光纖激光器)是需要的，或者對(duì)于其他結(jié)構(gòu)用于補(bǔ)償光學(xué)器械，例如，通過允許每對(duì)光柵反射波長(zhǎng)在預(yù)定范圍中變化。此外，每個(gè)封套除了串聯(lián)連接外，它們可以并聯(lián)連接，例如，通過在每個(gè)封套前使用光耦合器(沒有示出)，每個(gè)都連接到同一光纖300上。
參照?qǐng)D24，此外，不使用布拉格光柵，還可以通過利用封套302-306纏繞管道12來使傳感器14-18形成為純粹的干涉儀傳感器，此處分開的光纖330、332、334可以分別提供給分開的封套302、304、306。在該具體的實(shí)施例中，可以使用已知干涉測(cè)量技術(shù)來確定管道12周圍光纖10的長(zhǎng)度或由于壓力變化引起的長(zhǎng)度變化，例如Mach Zehnder或Michaelson Interferometric技術(shù)，就如在屬于Carroll的標(biāo)題為“Method and Apparatus for the non-invasive Measurement ofPressure Inside Pipes Using a Fiber Optic Interferometer Sensor(利用光纖干涉儀傳感器作非侵入式測(cè)量管內(nèi)壓力的方法和裝置)”的美國(guó)專利No.5,218,197中所描述的一樣。干涉儀測(cè)量光纖可以多路傳輸，就如Dandridge等在1991年2月的IEEE“MultiplexedInterferometric Fiber Sensor Arrays(多路復(fù)用的干涉性纖維傳感器陣列)”，或Dandridge等在1991年的SPIE第1586卷第176-183頁中所描述的一樣?？梢允褂闷渌夹g(shù)來確定光纖長(zhǎng)度的變化。此外，參考光纖繞組可以用于某種干涉儀測(cè)量方法，并且其還可以布置在管道12上或周圍，但是其應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為對(duì)壓力變化不敏感。
參照?qǐng)D25和26，除了作為完全纏繞在管道12周圍的光纖繞組的封套302-306以外，封套302-306可以具有其它幾何形狀，例如“散熱器蛇形管”幾何形狀(圖25)或“跑道”幾何形狀(圖26)，是當(dāng)如果將管道12軸向截開并將其扁平放置時(shí)側(cè)視圖中所示的。在該具體的實(shí)施例中，不需要將封套302-306以360度纏繞在管道上，但是可以布置在管道12圓周的預(yù)定部分上，和具有足夠的長(zhǎng)度來光學(xué)檢測(cè)管道圓周的變化。如果需要可以使用其他的幾何形狀。此外，對(duì)于這里描述的任何幾何形狀的封套，根據(jù)需要的總光纖長(zhǎng)度，可以使用多于一層的光纖。根據(jù)需要測(cè)量的ac壓力的特性，設(shè)置任何具體封套所需要的軸向長(zhǎng)度，例如由待測(cè)渦流引起壓力擾動(dòng)的軸向長(zhǎng)度。
參照?qǐng)D27和28，本發(fā)明的實(shí)施例包括這樣的結(jié)構(gòu)，其中代替使用封套302-306的是光纖300，其可能具有圍繞至少管道12圓周的一個(gè)區(qū)域布置的、并可以光學(xué)檢測(cè)到管道圓周的變化的較短區(qū)域。此外在本發(fā)明的范圍內(nèi)，傳感器可以包括以螺旋模型(沒有示出)布置在管道12周圍的光纖300。如上所述，應(yīng)變傳感元件的方向?qū)⒏淖儗?duì)由管道12中非穩(wěn)定壓力信號(hào)引起的管道壁352變形中偏轉(zhuǎn)的靈敏度。
具體地，參照?qǐng)D27，多個(gè)Bragg光柵對(duì)(310、312)、(314、316)、(318、320)沿光纖300布置，在每個(gè)光柵對(duì)之間分別具有光纖300的區(qū)域380-384。在這種情況下，可以利用已知的Fabry Perot、干涉測(cè)量?jī)x、行程時(shí)間或光纖激光器傳感技術(shù)來測(cè)量管道中的應(yīng)變，以類似于如上所述的方式。
另外，參照?qǐng)D28，可以將單個(gè)的光柵370-374布置在管道上，和用來檢測(cè)在檢測(cè)位置處的管道12應(yīng)變中的非穩(wěn)定變化(以及管道內(nèi)的非穩(wěn)定壓力)。當(dāng)每個(gè)傳感器使用一個(gè)單個(gè)光柵時(shí)，光柵反射波長(zhǎng)變化代表管道直徑以及壓力的變化。
可以使用光應(yīng)變儀的其他任何技術(shù)或結(jié)構(gòu)。光應(yīng)變儀技術(shù)和光信號(hào)分析技術(shù)的類型對(duì)于本發(fā)明不是關(guān)鍵所在，并且本發(fā)明的范圍不會(huì)限制在任何具體的技術(shù)和方法中。
對(duì)于這里所描述的任何實(shí)施例，壓力傳感器，包括電應(yīng)變儀、如這里所述的其它中的光纖和/或光柵，可以通過粘合劑、膠、環(huán)氧樹脂、絕緣膠布或其他合適附屬器件將其固定到管道上，以確保傳感器和管道12之間的合適的接觸。此外可以通過例如機(jī)械扣件、彈簧壓力、夾緊、蛤殼式抓斗裝置、捆扎或其他相當(dāng)?shù)囊阎獧C(jī)械技術(shù)，來可移動(dòng)地或永久性地固定這些傳感器。此外，可以將包括光纖和/或光柵的應(yīng)變儀嵌入到合成管道中。如果需要，對(duì)于某些應(yīng)用，如果需要光柵可以從管道12上卸除(或應(yīng)變或聲隔離)。
參照?qǐng)D29、30，還可以使用其他任何在本發(fā)明范圍內(nèi)的應(yīng)變傳感技術(shù)來測(cè)量管道中的應(yīng)變變化，例如固定在或嵌入到管道12中的高靈敏壓電的、電子的或電動(dòng)的應(yīng)變儀。參照?qǐng)D29，表示不同已知結(jié)構(gòu)的高靈敏壓電應(yīng)變儀，和可以包括薄片類型的儀器。參照?qǐng)D30，表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中壓力傳感器14-18包括應(yīng)變儀320。在該具體的實(shí)施例中，應(yīng)變儀320布置在管道12圓周的預(yù)定部分上。如上所述來確定壓力傳感器14-18之間的軸向位置和間距Δx1、Δx2。
參照?qǐng)D31-33，除了在管道12外部上測(cè)量非穩(wěn)定壓力P1-P3，當(dāng)在管道12內(nèi)測(cè)量非穩(wěn)定壓力時(shí)本發(fā)明還將運(yùn)行。具體地，測(cè)量壓力P1、P2、P3的壓力傳感器14-18可以布置在管道12內(nèi)的任何地方，和可以利用任何技術(shù)來測(cè)量管道12內(nèi)的非穩(wěn)定壓力。
參照?qǐng)D34-36，本發(fā)明還測(cè)量流經(jīng)管道或管子425外側(cè)的混合物聲速。在這種情況下，管子425可以布置在管道12內(nèi)，和可以在管子425外側(cè)測(cè)量壓力P1-P3?？梢岳萌魏渭夹g(shù)來測(cè)量管子425外側(cè)的非穩(wěn)定壓力P1-P3。參照?qǐng)D34，例如，管子425可以在每個(gè)探測(cè)位置具有纏繞在管子425上的光纖封套302-306。此外，這里描述的任何應(yīng)變測(cè)量、或位移、速度或加速度傳感器或技術(shù)可以在管子425上使用。此外，參照?qǐng)D35，還可以利用這里描述的直接壓力測(cè)量傳感器或技術(shù)來測(cè)量壓力P1-P3。其他任何類型的非穩(wěn)定壓力傳感器14-18可以用于測(cè)量管道12內(nèi)的非穩(wěn)定壓力。
此外，參照?qǐng)D36，可以使用水聽器430-434來探測(cè)管道12內(nèi)的非穩(wěn)定壓力。在這種情況下，為了便于部署或其他原因，水聽器430-434可以布置在管子425中。水聽器430-434可以是光纖的、電子的、壓電的或其他類型的水聽器。如果使用光纖水聽器，水聽器430-434可以沿同一光纖300串聯(lián)或并聯(lián)連接。
管子425可以由任何材料制成，這些材料允許非穩(wěn)定壓力傳感器測(cè)量壓力P1-P3而且可以是空心的、實(shí)體的、或充滿氣體或充滿流體。在同一申請(qǐng)人在1999年7月4日遞交的標(biāo)題為“Mandrel Wound FiberOptic Pressure Sensor(纖維壓力傳感器)”、系列號(hào)為No.(AttorneyDocket No.712-2.40/CC-0067)的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)中描述的是動(dòng)態(tài)壓力傳感器的一個(gè)示例。此外，管子425的末端422封閉，并因此流程如線424所示圍繞末端422。對(duì)于在油井或天然氣井中的應(yīng)用，管子425可以是盤繞的管道系統(tǒng)或相當(dāng)?shù)木哂杏糜跍y(cè)量管道系統(tǒng)425內(nèi)P1-P3的壓力傳感器14-18的部署工具。
參照?qǐng)D17，表示在油井或天然氣井中應(yīng)用的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，探測(cè)區(qū)域51與井500內(nèi)生產(chǎn)油管502的局部連接(類似于測(cè)試區(qū)域51中的管道12)。隔絕套管410可以如上所述布置在傳感器14-18上，并且在軸向末端固定到管道502上，以防止傳感器14-18(或光纖)在部署、使用、或取回過程中受到破壞，和/或幫助傳感器免受可能存在于管道502外的聲外壓的影響，和/或幫助管道502中的ac壓力與管道502外的ac壓力相隔離。傳感器14-18與可能包括光纖300(圖22、23、27、28)的光纜506連接，并且與位于井500外的發(fā)射器/接收器510連接。
當(dāng)使用光學(xué)傳感器時(shí)，可以使用收發(fā)器/轉(zhuǎn)換器510來向傳感器14-18接收和發(fā)射光信號(hào)504，和提供分別代表在線20-24的傳感器14-18上壓力P1-P3的輸出信號(hào)。此外，收發(fā)器/轉(zhuǎn)換器510可以是流體參數(shù)邏輯電路60的部分。發(fā)射器/接收器510可以是執(zhí)行這里所描述的相應(yīng)功能的任何裝置。具體地，發(fā)射器/接收器510與上述的光學(xué)傳感器一起可以利用任何類型的基于光柵的測(cè)量技術(shù)，例如掃描干涉儀測(cè)量、掃描Fabert Perot、聲光調(diào)諧濾光器(AOTF)、濾光器、行程時(shí)間，并且可以使用WDM和/或TDM等具有充分靈敏度來測(cè)量管道內(nèi)的ac壓力，就如以下一個(gè)或多個(gè)引文中描述的一樣1993年8月16日第18卷Opt.Letters中A.Kersey等人的“Multiplexed fiberBragg grating strain-sensor system with a Fabry-Perotwavelength filter(有法布珀羅波長(zhǎng)濾波器的多路復(fù)用纖維布拉格柵應(yīng)變傳感器系統(tǒng))”，1996年2月20日對(duì)Mauro Verasi等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,493,390，1994年5月31日對(duì)Ball等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,317,576，1996年10月15日對(duì)Ball等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,564,832，1996年5月7日對(duì)Ball等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,513,913，1995年6月20日對(duì)Dunphy等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,426,297，1995年3月28日對(duì)Dunphy等人授權(quán)的美國(guó)專利No.5,401,956，1990年8月21日對(duì)Glenn授權(quán)的美國(guó)專利No.4,950,883，1991年2月26日對(duì)Morey授權(quán)的美國(guó)專利No.4,996,419等這些在這里引用作為參考的專利。此外，可以利用前序引文中所描述的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)來運(yùn)行這里所描述的傳感器。
本發(fā)明的多個(gè)傳感器10可以連接到同一光纜上，和利用已知的多路傳輸技術(shù)來進(jìn)行多路傳輸。
應(yīng)該明白的是，本發(fā)明可以用來測(cè)量任何數(shù)量流體混合物的流體容積率，其中混合物的聲速amix與混合物兩個(gè)組分的容積率有關(guān)(或基本上由其決定)，例如油/水、油/氣、水/氣。本發(fā)明可以用來測(cè)量任何混合物的聲速，和然后可以與其他已知量結(jié)合來得到具有多個(gè)(多于兩個(gè))組分混合物的物相含量。
此外，本發(fā)明可以用來測(cè)量一個(gè)或多個(gè)流體的任何混合物的任何參數(shù)(或特性)，其中這種參數(shù)與混合物的聲速amix有關(guān)，例如，流體組分、溫度、鹽度、沙子顆粒、金屬塊、管道特性等，或其他任何與混合物聲速有關(guān)的混合物參數(shù)。因此，邏輯電路48(圖1)可以將amix轉(zhuǎn)換為這種參數(shù)(s)。
此外，本發(fā)明獨(dú)立于管道內(nèi)流體流動(dòng)的方向或流量、以及是否在管道內(nèi)流動(dòng)來工作。此外，不取決于聲壓源的位置、特性和/或傳播方向。此外，除了管子，如果需要可以使用任何導(dǎo)管或輸送管來運(yùn)載流體。
此外，線20、22、24(圖1)上的信號(hào)可以是時(shí)間信號(hào)H1(t)、H2(t)、H3(t)，其中Hn(t)具有表示其組分的壓力信號(hào)Pn(t)，因此FFT[H1(t)]＝G(ω)P1(ω)、FFT[H2(t)]＝G(ω)P2(ω)，和比值H2(ω)/H1(ω)＝G(ω)P2(ω)/G(ω)P1(ω)＝P2(ω)/P1(ω)，其中G(ω)是每個(gè)壓力信號(hào)固有的參數(shù)，并且其可能隨溫度、壓力、或時(shí)間而變化，例如校準(zhǔn)特性，例如偏移、線性等。
此外，除了計(jì)算比值P12和P13，通過獲得任何其他兩對(duì)壓力的比值來得到類似于公式9、10的等式，假定公式5-7的等式系統(tǒng)用來求出B/A或A/B以及兩對(duì)壓力的比值。此外，可以不同地解算這里所示的等式來達(dá)到在此所描述的相同結(jié)果。
更進(jìn)一步的是，如果對(duì)于給定的應(yīng)用，A和B之間的關(guān)系(即，右側(cè)和左側(cè)行波之間的關(guān)系，或反射系數(shù)R)是已知的，或者A或B的值是已知的，或者A或B的值是零，僅需要兩個(gè)等式5-7來確定聲速。在這種情況下，可以僅使用兩個(gè)沿管道軸向隔開的聲壓傳感器來測(cè)量聲速amix。
此外，雖然已經(jīng)將本發(fā)明描述為使用頻域方法，但是可以用時(shí)域方法來代替。具體地，可以在給出時(shí)域等式P1(x1、t)、P2(x2、t)、P3(x3、t)的時(shí)域中公式1的形式來寫公式5、6、7，并且利用已知時(shí)域分析和信號(hào)處理技術(shù)(例如卷積法)求出amix聲速和消除系數(shù)A、B。
參照?qǐng)D37-40，應(yīng)該明白的是，盡管在上文中將本發(fā)明描述為利用在一系列不同軸向位置計(jì)算的一維聲波等式來確定聲速，可以使用沿聲壓測(cè)量空間陣列聲音傳播確定速度的任何已知技術(shù)，來確定混合物中的聲速，其中聲源的方向是已知的。眾所周知，這里所用的聲信號(hào)這一項(xiàng)指的是充分隨機(jī)的、時(shí)間穩(wěn)定信號(hào)，其具有在預(yù)定期間上不會(huì)有較大變化的平均(或RMS)統(tǒng)計(jì)特性(即，沒有瞬態(tài)ac信號(hào))。
例如，使用非穩(wěn)定壓力測(cè)量的矩陣來確定管道中包含的流體內(nèi)混合物的一維聲速amix的程序，類似于水聲學(xué)中碰到的問題(例如聲納或聲導(dǎo)航測(cè)距)。在水聲學(xué)中，布置傳感器的軸向陣列來確定水下噪聲源的方位(或方向)。將該步驟稱為“波束形成”。在自由空間中，即，在例如大海的無窮媒質(zhì)中，沿軸向陣列的聲傳播速度既取決于(1)自由空間的聲速，又取決于(2)空間陣列上聲波的入射角。
參照?qǐng)D37，沿陣列傳播聲波的顯在聲速ax與媒質(zhì)中聲源S1的角度或方向(θ＝90-γ)以及聲速α有關(guān)。眾所周知，對(duì)于在聲納中的應(yīng)用，聲速是已知的并且對(duì)顯在聲速αx進(jìn)行測(cè)量，其允許由關(guān)系式θ＝cos-1(α/αx)來確定方向。
相反地，參照?qǐng)D38，我們發(fā)現(xiàn)在管道12中入射聲音的空間陣列上的角度和方向是已知的，即，θ＝0度，可以如下所示來確定管道12中流體的聲速α。
具體地，參照?qǐng)D39，對(duì)于兩維(2D)空間中的單個(gè)遠(yuǎn)間距聲源，可以如下所示來表達(dá)壓力波(例如通常在A.Dowling和J.Williams的“Sound and Source of Sound(聲和聲源)”的第4章第79-81頁中所描述)P(x,y,t)=Aeiω(t-xsinγ1/a-ycosγ1/a)]]>公式27當(dāng)y＝0時(shí)陣列上的壓力為P(x,y=0,t)=Aeiω(t-xsinγ1/a)]]>公式28P(x,t)=Ae-ikxrxeiωt]]>公式29其中kxr＝(sinγ1)ω/α。
可以沿聲源S2陣列的左側(cè)行波運(yùn)行類似分析為P(x,t)=Be+ikxlxeiωt]]>公式30其中kx1＝(sinγ2)ω/α。
對(duì)于沿管道傳播聲音的環(huán)境，然后γ1＝γ2＝90度，和當(dāng)a＝amix，amix為管道內(nèi)流體混合物的聲速，然后kxr=kxl=ωamix]]>公式31因此，參照?qǐng)D38，對(duì)于在管道12中穿過的左側(cè)和右側(cè)行聲波，壓力等式變?yōu)镻(x,t)=Ae-ikxrxeiωt+Be+ikxlxeiωt]]>公式32其與公式1相同，并且可以使用它通過利用這里描述的傳感器，和求出前序關(guān)聯(lián)的等式5-7來確定聲速。在源于三維空間的聲源中使用圓柱或其他同等系統(tǒng)也可以獲得相同結(jié)果。
可以在任何域中處理來自傳感器陣列的數(shù)據(jù)，包括頻率/空間域(如圖4)、時(shí)間/空間域(例如圖1)，時(shí)間/波數(shù)域或波數(shù)/頻率(k-ω)域。因此，如果需要，可以使用在任何這些域中或其他相關(guān)域中的任何已知的矩陣處理技術(shù)。
例如，可以通過采用公式5的空間傅里葉變換在k-ω域中表示公式5，得到下面的k-ω表達(dá)式P(k,ω)=12π∫-∞+∞P(x,ω)eikxdx=A(ω)δ(k-ωa)+B(ω)δ(k+ωa)]]>公式33其中k是波數(shù)，并且δ是狄拉克Δ函數(shù)，其表示滿足k-ω平面聲場(chǎng)的空間/時(shí)間域。
此外，除了使用三個(gè)公式5-7，利用已知聲速(例如，聲納陣列的空間陣列處理、RADAR(雷達(dá))陣列或其他陣列、方向形成、或其他信號(hào)處理技術(shù))在使用空間(或定相)陣列的傳感器領(lǐng)域的已知任何技術(shù)中來確定三維聲場(chǎng)中聲源的方向，可以使用它來求出已知聲波穿行方向的聲速，即，沿管道的軸向。在下文中描述的任何這種已知技術(shù)，是這里同時(shí)應(yīng)用的H.Krim，M.Viberg在IEEE信號(hào)處理雜志第67-94頁的“Two Decades of Array Signal Processing Research-The Parametric Approach(20年的陣列信號(hào)處理研究-參數(shù)式方法)”，和在第51-59頁第2章R.Nielson的“Sonar Signal Processing(聲納信號(hào)處理)”。
因此，參照?qǐng)D40，流體參數(shù)邏輯電路60可以包括空間陣列處理邏輯電路450，其接收聲壓信號(hào)P1(t)、P2(t)、P3(t)的空間陣列，和執(zhí)行這里描述的空間陣列處理，來確定線46上的聲速amix。
應(yīng)當(dāng)理解的是，此處結(jié)合一個(gè)具體實(shí)施力描述的任何特點(diǎn)、特征、變形或改進(jìn)，還可以與此處描述的任何其它實(shí)施例一同應(yīng)用、使用和合并。
盡管已經(jīng)根據(jù)示范性的實(shí)施例描述和解釋了本發(fā)明，可以做出前面和多種其它增加或省略，而沒有脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
權(quán)利要求
1.一種裝置，用于測(cè)量管道內(nèi)至少一個(gè)流體的至少一個(gè)參數(shù)，包括至少兩個(gè)壓力傳感器的空間陣列，沿管道布置在不同的軸向位置處，并且每個(gè)傳感器測(cè)量相應(yīng)軸向位置處管道內(nèi)的聲壓，每個(gè)所說傳感器提供一個(gè)聲壓信號(hào)，代表在一個(gè)對(duì)應(yīng)的所說傳感器的軸向位置處的管道內(nèi)的聲壓；和信號(hào)處理器，響應(yīng)于所說壓力信號(hào)，提供代表管道內(nèi)混合物聲速的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路計(jì)算沿所說空間陣列上的聲音傳播的速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路為每個(gè)所說聲壓信號(hào)計(jì)算以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路計(jì)算兩個(gè)所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)的比值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括至少三個(gè)所說傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，包括至少三個(gè)所說傳感器，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路同時(shí)為所說聲速的下面等式求解P(x1,t)=(Ae-ikrx1+Be+iklx1)eiωt]]>P(x2,t)=(Ae-ikrx2+Be+iklx2)eiωt]]>P(x3,t)=(Ae-ikrx3+Be+iklx3)eiωt]]>
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路利用下面的等式計(jì)算所說混合物的所說聲速e-ikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]=0]]>其中R≡BA=eikrx1-[P1(ω)P2(ω)]eikrx2[P1(ω)P2(ω)]eiklx2-eiklx1]]>其中kr≡(ωamix)11+Mx]]>andkl≡(ωamix)11-Mx]]>其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)并且Mx是管道內(nèi)混合物流體的軸向馬赫數(shù)，其中Mx≡Vmixamix]]>其中Vmix是混合物的軸向速度，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中將傳感器等距隔開，混合物的馬赫數(shù)小于1，并且所說信號(hào)處理器利用下面的等式來計(jì)算混合物的聲速amix=ω[1Δx]ilog[P12+P13P12+(P122+2P13P122+P132P122-4P132)1/22P13]]]>其中P12＝P1(ω)/P2(ω)，P13＝P1(ω)/P3(ω)，i是-1的平方根，Δx是傳感器之間的軸向間距，其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中將傳感器等距隔開，混合物的馬赫數(shù)小于1，并且所說信號(hào)處理器利用下面的等式來計(jì)算混合物的聲速P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=2cos(ωΔxamix)]]>其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)，Δx是傳感器之間的軸向間距，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路計(jì)算管道內(nèi)混合物的流體組分。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說信號(hào)處理器包括邏輯電路，該邏輯電路利用下面的關(guān)系式來計(jì)算管道內(nèi)混合物的流體組分amix=1+ρ1ρ2h2h11a12+ρ1ρ2h2h11a22]]>其中a1、a2是已知的聲速，ρ1、ρ2是已知的密度，并且h1、h2是兩個(gè)相應(yīng)流體的容積率，并且amix是混合物的聲速。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說聲速基本上由混合物內(nèi)的兩種流體來確定。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所說兩種流體是油/水、油/氣、或水/氣。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所說壓力傳感器是光纖壓力傳感器。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)所說壓力傳感器包括基于布拉格柵的光纖壓力傳感器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)所說壓力傳感器在所說傳感器的所說軸向位置測(cè)量均布圓周的壓力。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)所說壓力傳感器在所說傳感器的所說給定軸向位置管道圓周上多于一個(gè)的點(diǎn)上測(cè)量壓力。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少一個(gè)所說壓力傳感器測(cè)量管道上的應(yīng)變。
19.一種方法，用于測(cè)量管道內(nèi)至少一個(gè)流體的至少一個(gè)參數(shù)，包括至少在兩個(gè)沿管道的預(yù)定軸向測(cè)量位置來測(cè)量管道內(nèi)的聲壓；和利用在所說軸向測(cè)量位置上測(cè)量的所說聲壓來計(jì)算混合物的聲速。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說計(jì)算步驟包括計(jì)算沿所說軸向測(cè)量位置聲音傳播的速度．
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說計(jì)算步驟包括為所說聲壓計(jì)算以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所說計(jì)算步驟包括計(jì)算兩個(gè)所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)的比值。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量步驟包括在至少三個(gè)沿管道的軸向測(cè)量位置上測(cè)量聲壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量步驟包括在至少三個(gè)沿管道的軸向測(cè)量位置上測(cè)量聲壓，并且其中所說計(jì)算步驟包括同時(shí)利用下面等式求解聲速P(x1,t)=(Ae-ikrx1+Be+iklx1)eiωt]]>P(x2,t)=(Ae-ikrx2+Be+iklx2)eiωt]]>P(x3,t)=(Ae-ikrx3+Be+iklx3)eiωt]]>
25.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，中所說計(jì)算步驟包括利用下面的關(guān)系式來計(jì)算混合物的所說聲速e-ikrx1+Reiklx1e-ikrx3+Reiklx3-[P1(ω)P3(ω)]=0]]>此外R≡BA=eikrx1-[P1(ω)P2(ω)]eikrx2[P1(ω)P2(ω)]eiklx2-eiklx1]]>此外kr≡(ωamix)11+Mx]]>以及k1≡(ωamix)11-Mx]]>其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)并且Mx是管道內(nèi)混合物流體的軸向馬赫數(shù)，其中Mx≡Vmixamix]]>其中Vmix是混合物的軸向速度，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
26.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量位置是軸向等距隔開，混合物的馬赫數(shù)小于1，并且所說計(jì)算步驟利用下面的關(guān)系式來計(jì)算混合物的聲速amix=ω[1Δx]ilog[P12+P13P12+(P122+2P13P122+P132P122-4P132)1/22P13]]]>其中P12＝P1(ω)/P2(ω)，P13＝P1(ω)/P3(ω)，i是-1的平方根，Δx是傳感器之間的軸向間距，其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
27.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量位置是軸向等距隔開，混合物的馬赫數(shù)小于1，并且所說并且所說計(jì)算步驟利用下面的關(guān)系式來計(jì)算混合物的聲速P1(ω)+P3(ω)P2(ω)=2cos(ωΔxamix)]]>其中amix是管道內(nèi)混合物的聲速，ω是頻率(弧度/秒)，Δx是所說測(cè)量地點(diǎn)之間的軸向間距，并且其中P1(ω)、P2(ω)、P3(ω)是每個(gè)所說聲壓信號(hào)的所說以頻率為基礎(chǔ)的信號(hào)。
28.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括計(jì)算管道中混合物的流體組分。
29.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，還包括利用下面的關(guān)系式來計(jì)算管道中混合物的流體組分amix=1+ρ1ρ2h2h11a12+ρ1ρ2h2h11a22]]>其中a1、a2是已知的聲速，ρ1、ρ2是已知的密度，并且h1、h2是兩個(gè)相應(yīng)流體的容積率，并且amix是混合物的聲速。
30.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中聲速基本上由混合物中的兩種流體所確定。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的方法，其中所說兩種流體是油/水、油/氣、或水/氣。
32.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量步驟由光纖壓力傳感器來執(zhí)行。
33.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量步驟由基于布拉格光柵的光纖壓力傳感器來執(zhí)行。
34.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所說測(cè)量步驟在所說傳感器的所說軸向位置測(cè)量均布圓周的壓力。
35.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中在所說傳感器的所說軸向位置管道圓周上多于一個(gè)的點(diǎn)上測(cè)量壓力。
全文摘要
利用沿管道12的預(yù)定軸向位置x1、x2、x3所布置的聲壓傳感器14、16、18的空間陣列來測(cè)量管道12中至少一個(gè)流體的至少一個(gè)參數(shù)。壓力傳感器14、16、18在線20、22、24上提供聲壓信號(hào)P
文檔編號(hào)G01N29/42GK1307675SQ99807920
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期1999年6月28日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月26日
發(fā)明者D·L·吉斯林, A·D·克爾賽伊, J·D·帕杜爾諾 申請(qǐng)人:塞德拉公司