監控流體流動的方法及系統的制作方法

專利名稱：監控流體流動的方法及系統的制作方法
本申請要求于2003年10月20日提交的美國臨時申請No.60/512,649的優先權，在這里引入其全部公開內容作為參考。
背景技術：
本發明涉及監控流體流動的方法及系統，該流體流動例如是通過用于輸送天然氣、原油和其它類似的液體或氣體能源商品的管路或類似的導管的流體流動。該方法及系統依賴于對流體所產生的聲波的測量，從而允許在不直接接近流體的情況下監控流量。
天然氣、原油、和其它類似的液體或氣體能源商品包括數十億美元的經濟市場。這些商品被許多團體買賣，并且如同任何貿易市場一樣，關于貿易商品的信息對市場參與者很有價值。具體地，用于這些商品中每一商品的生產、運輸、存儲和分配系統的各種部件和設施的操作能夠對這些商品的價格和可用性產生重大沖擊，從而使關于所述操作的信息很有價值。此外，各部件所有者或操作者一般不公開透露這種信息，因此對所述信息的訪問是有限的。
因此希望提供對通過用于輸送天然氣、原油和其它類似的液體或氣體能源商品的管路或類似的導管的流體流動進行監控的方法及系統，使得關于這些商品的信息能夠被積累并通信給市場參與者及其它權益方。

發明內容
本發明是監控流體流動的方法及系統，該流體流動例如是通過用于輸送天然氣、原油和其它類似的液體或氣體能源商品的管路或類似導管的流體流動。該方法及系統依賴于從流體流動的導管外部的位置對流體所產生的聲波的測量，從而允許在不直接接近流體的情況下監控流量。此外，本發明的方法及系統允許估計用于能源商品的生產、運輸、存儲和分配系統的部件或設施的操作動態。
流過管或類似的導管的流體(不論是可壓縮的還是不可壓縮的)的一般屬性是它們產生聲波，即聲音或振動。天然氣或其它能源商品的流動所產生的聲音能夠以它的振幅和頻率為特征。在這點上，振幅和頻率一般與流體通過導管的速度從而與流體的流量直接相關。因此，能夠設置聲換能器或類似的傳感器以對從特定導管發出的、由經過該導管的流體流動所引起的聲波進行探測，并且通過記錄和分析這些聲波能夠估計通過該導管的流量。在這點上，流量一般表示為體積流量，即表征為在預定時間段內通過指定點的流體體積。
與管路接近地設置一個或多個聲換能器，以便能夠可靠地探測聲波。每個聲換能器探測由通過該管路的氣體流動所產生的聲波的振幅和/或頻率，并產生代表該測量結果的信號。每個聲換能器所產生的信號被傳輸給地上監控裝置，該地上監控裝置大體接近這些聲換能器和所監控管路。該監控裝置容納對來自這些聲換能器的信號進行處理和將收集的數據傳輸給中央處理設施所必需的各種電子設備。具體地，對監控裝置編程使得監控裝置周期性地或連續地從這些聲換能器收集數據，將該數據處理成適于傳輸的形式，并將數據傳輸給遠程中央處理設施。
在該中央處理設施處，由數字計算機程序執行計算分析，以確定通過所監控管路的流體的流量。此外，對于其所有或大多數連接管路被根據本發明監控的生產、運輸、存儲和/或分配系統的任何特定設施或其它部件而言，通過對每個管路上的體積流量的簡單求和，能夠確定該設施的輸出或產量。然后，就能夠將與一個或多個設施或部件的產量或輸出有關的信息通信給第三方。該信息不僅可以包括測量流量或輸出估計值，而且可以包括歷史數據、容量估計值、或類似的數據，這些數據為市場參與者及其它權益方將測量流量或輸出估計值置于背景中。可預期且優選通過對訪問受控的因特網站點的數據輸出進行對第三方的這種通信，終端用戶能夠通過普通因特網瀏覽器程序訪問該訪問受控的因特網站點。


圖1是天然氣系統的略圖；圖2是本發明的方法及系統的示例性實施例的略圖；圖3是根據本發明制作的示例性監控裝置的透視圖；圖4是本發明的方法及系統的示例性實施例中的聲換能器與監控裝置的功能框圖；圖5是本發明的方法及系統的示例性實施例中的通信部件與中央處理設施的功能框圖；圖6圖示根據本發明的方法及系統的對連接有三個管路的存儲設施的監控；圖7的圖表圖示在限定的時間段內從與特定導管鄰近設置的聲換能器測量出的信號振幅，以便能夠為對通過該特定導管的流量的后續測量導出最佳擬合方程；并且圖8的圖表圖示在限定的時間段內從與另一個特定導管鄰近設置的聲換能器測量出的信號振幅，以便能夠為對通過該特定導管的流量的后續測量導出最佳擬合方程。
具體實施例方式
本發明是監控流體流動的方法及系統，該流體流動例如是通過用于輸送天然氣、原油和其它類似的液體或氣體能源商品的管路或類似導管的流體流動。該方法及系統依賴于從流體在其中流動的導管的外部位置對流體所產生聲波的測量，從而允許在不直接接近流體的情況下監控流量。此外，本發明的方法及系統允許估計用于能源商品的生產、運輸、存儲和分配系統的部件或設施的產量或輸出。對本應用來說，通過或相對于部件或設施的能源商品流動的產量、輸出、和/或其它測量可以被稱為該部件或設施的“操作動態”。
為了實現這一點，首要的是認識到液體或氣體能源商品的生產、運輸、存儲和分配最常通過管路網絡發生。這些管路連接各種系統部件，例如生產井、各種類型的存儲設施、和由愈來愈小的管路組成的分配網絡。
例如，就天然氣工業而論如圖1所示，生產公司從地理上分散的井定位和采集天然氣，這些井由圖1中的附圖標記10A、10B和10C總體表示。從這些井采集的天然氣通過管路(或類似的導管)網絡12A、12B、12C輸送給主干線14。天然氣從這樣的干線14輸送給存儲設施16和/或本地的分配公司18，這些存儲設施16通常是枯竭的天然氣田、鹽丘或類似的地下結構，這些本地的分配公司18又將天然氣銷售和輸送給工業的、商業的、和住宅的終端用戶用于最終的消費。
在任何情況下，流過管或類似的導管的流體的一般屬性是它們產生聲波即聲音或振動。天然氣或其它能源商品的流動所產生的聲音能夠以它的振幅和頻率為特征。在這點上，振幅和頻率一般與流速度從而與流體的流量直接相關。此外，對于可壓縮流體，振幅和頻率也一般與流體的密度從而與流體的體積流量直接相關。因此，可設置聲換能器或類似的傳感器以對從特定導管發出、由經過該導管的流體流動所引起的聲波進行探測。通過記錄和分析這些聲波，能夠估計經過該導管的流量。如上所述，流量一般表示為體積流量，即表征為在預定時間段內通過指定點的流體體積。
圖2是本發明的方法及系統的示例性實施例的略圖。在該實例中，監控地下管路32。因此，與管路32接近(即與管路32實際接觸或足夠靠近所述管路32)設置一個或多個聲換能器34a、34b…34n(也稱為聲傳感器或氣體傳感器)，以便能夠可靠地探測聲波。在這點上，經常優選多路傳感器以在沿著管路32的多個位置處提供多個測量結果，然后能夠對這些測量結果求平均值以減少誤差。可預期各種在市場上可買到的換能器或傳感器可用于實現本發明的目標。例如，適于本發明的用途的一種優選的聲換能器是由紐約迪普的PCB Piezotronics，Inc.制造和分銷的、型號為No.393B12的高靈敏度震動加速度計。
如上所述，聲換能器34a、34b…34n與管路32接觸或足夠靠近所述管路32設置，以便能夠可靠地探測聲波。例如，許多在市場上可買到的換能器提供安裝磁體，用于將換能器直接連接到管路或類似的導管上。或者，當沒有提供這樣的磁體時，通過使用粘合材料將大致扁平的磁體附著到換能器上，然后使用該磁體將聲換能器34a、34b…34n固定到管路32上，可以將每個聲換能器34a、34b…34n安裝到管路32上。在這點上，每個聲換能器34a、34b…34n可以設有弧形磁體，該弧形磁體較好地匹配它所固定到的管路的輪廓。此外，可以使用各種粘合劑來將每個聲換能器34a、34b…34n直接固定到管路32上。最后，在實際接近管路32不可行或不切實際的情況下，可以將聲換能器34a、34b…34n安裝在托架或類似的框架上，該托架或類似的框架維持聲換能器34a、34b…34n相對于管路32的位置而不必接觸管路32。
在任何情況下，在該實例中，每個聲換能器34探測由經過管路32的氣體流動所產生的聲波的振幅，并產生代表該振幅的信號。每個聲換能器34a、34b…34n所產生的信號經由適當的電纜36a、36b…36n傳輸給地上監控裝置30，該地上監控裝置30優選是“本地的”，即它位于大體接近聲換能器34a、34b…34n和管路32處。如圖3所示，示例性監控裝置30包括大致防風雨的殼體31，該殼體31固定到柱子上，并容納對來自聲換能器34a、34b…34n的信號進行處理和將收集的數據傳輸給如下進一步描述的中央處理設施所必需的各種電子設備。
圖4是聲換能器34a、34b…34n與監控裝置30的功能框圖。如所示那樣，對監控裝置30編程使得監控裝置30周期性地或連續地從聲換能器34a、34b…34n收集數據，將該數據處理成適于傳輸的形式，并將數據傳輸給遠程中央處理設施，在該遠程中央處理設施處對數據執行各種計算分析，以確定通過所監控管路的天然氣或其它能源商品的流量。
具體地，第一聲換能器34a的輸出電壓施加給具有雙重功能的放大及過濾電路40a。該放大及過濾電路40a的一個功能是將聲換能器34a的相對小的輸出電壓放大到適合輸入到模擬-數字轉換器的電平。電路40a的第二功能是用作過濾器，從每個聲換能器34a的輸出電壓中去除外來噪聲。類似地，第二聲換能器34b的輸出電壓施加給另一個放大及過濾電路40b，以放大電壓和去除外來噪聲等。放大及過濾電路40a、40b…40n的具體設計不重要，并且本領域普通技術人員可以設計各種放大及過濾電路來實現放大電壓和去除外來噪聲的雙重目標。
在各個信號放大及過濾之后，這些輸出電壓就施加給模擬多路轉換器(MUX)42的輸入。此外，雖然在圖4中未示出，可取的是在將各個放大及過濾電路40a、40b…40n的輸出電壓施加給MUX 42之前，將這些輸出電壓施加給各個采樣保持放大器的輸入，以便避免在后續將這些信號從模擬形式轉換到數字形式過程中的時間偏移。采樣保持放大器在本領域中是公知的，并且可以如這里預期的那樣將用于執行采樣保持功能的任何傳統裝置結合到本發明中。
這些信號單獨地從MUX 42經過模擬-數字(A/D)轉換器44。由與微處理器50相關聯的控制邏輯確定在任何給定時間使多路信號中的哪個信號經過模擬-數字轉換器44。代表所測量聲波的振幅且現在是數字形式的已轉換數據被存儲在與微處理器50相關聯的存儲器中。然后，來自微處理器50的輸出信號被傳輸給帶有相關傳輸天線60(在圖3中也示出)的射頻(RF)收發器58和用于將信號后續傳輸給中央處理設施的陸上通訊線網絡62中的一個或兩者。
最后，監控裝置30的各個電子部件優選由電池70供電，該電池70可以由太陽能電池板組72(在圖3中也示出)連續地再充電。
圖5是本發明的方法及系統的示例性實施例中的通信部件與中央處理設施的功能框圖。這些部件不是安裝在帶有監控裝置30的現場中，而是位于某些遠程的位置處。具體地，從圖3示出的微處理器50輸出的數據經由帶有相關傳輸天線60的射頻(RF)收發器58和陸上通訊線網絡62中的一個或兩者傳輸給中央處理設施。在現場中的一個或多個監控裝置30的范圍內的接收天線100或類似的通信部件接收代表聲學測量結果的該數據。該接收天線100以可操作的方式連接到模擬或數字通信網絡102上，該模擬或數字通信網絡102將信號傳輸給中央處理設施110。可以通過例如衛星鏈路104、微波鏈路106、和/或光纖鏈路108執行這樣的傳輸，但是當然可以在不偏離本發明的精神及范圍的情況下使用其它數據傳輸裝置。
在中央處理設施110處，由數字計算機程序112執行如下將詳細描述的計算分析，以確定通過管路32的氣體(或類似的流體)的流量。此外，對于其所有或大多數連接管路被根據本發明監控的生產、運輸、存儲和/或分配系統的任何特定天然氣設施或其它部件而言，通過對每個管路上的流量的簡單求和，能夠確定該設施的天然氣產量。然后，就能夠將與一個或多個設施或部件的產量或輸出有關的信息通信給第三方。該信息不僅可以包括測量出的流量或輸出估計值，而且可以包括歷史數據、容量估計、或類似的數據，這些數據為市場參與者及其它權益方將測量出的流量或輸出估計值置于背景中。可預期且優選通過對訪問受控的因特網站點114輸出數據而進行對第三方的這種通信，終端用戶能夠通過例如Microsoft Internet Explorer的普通因特網瀏覽器程序116訪問該訪問受控的因特網站點114。當然，也可以在不偏離本發明的精神及范圍的情況下通過多種其它已知的通信媒介實現對第三方的信息及數據通信。
作為另外的改進，從本地監控裝置30的微處理器50到中央處理設施110的通信信道可以是雙向的，以便可以按照預定計劃的方式發送微處理器50中所保持和存儲的信息或者可以輪詢所述信息。此外，通過雙向通信，微處理器50能夠遠程重編程序。
至于上述的計算分析，測量出的通過導管的聲波與流量的關系在數學上有些復雜，因為聲波不僅可能由流體流動引起，而且可能由流體與管路的機械部件的相互作用引起，這些機械部件包括連接到管路上的和/或在管路外部的壓縮機、氣體流量計、流量及壓力調節器、控制閥和/或類似的設備。然而，在這些部件或設備的相互作用與流體本身中變化著的狀況無關的情況下，聲波的振幅一般隨著流量的增加而增加。關于氣體管路中的噪聲源和產生的噪聲級的更多細節和討論，參考Nelson，D.A.和Cooper，B.A.Reduced-Noise Gas Flow DesignGuide for NASA Glenn Research Center，Proceedings of InterNoise 99，the International Congress on Noise Control Engineering.Institute ofNoise Control Engineering(華盛頓，1999)，在這里引入該出版物作為參考。
因此，通過選擇沿著管路的適當位置即流體與其它部件或設備的相互作用最小的位置，通過將測量出的聲波與已知的流量相比較，能夠導出適于預測流量的數學關系。
例如，圖7的圖表圖示在大于105小時的時間段內從與特定導管鄰近設置的聲換能器測量出的信號振幅。在該時間段期間，還監控實際氣體流量。對該數據集運用線性回歸分析，導出數學關系，具體地估計流量(Mcfh)＝[K(信號振幅)+C]*1000(1)其中Mcfh指千立方英尺/小時，并且其中K＝1.6159且C＝0.5158/當然，該數學關系在某種程度上是只有該特定導管才有的。的確，該導管的尺寸、具體聲換能器的特征、和環境條件都可能對測量出的聲波與流量之間的關系有影響。
對于另一個實例，圖8的圖表圖示在180小時的時間段內從與另一個導管鄰近設置的聲換能器測量出的振幅。同樣，在該時間段期間，還監控實際氣體流量。對該數據集運用線性回歸分析，導出數學關系，具體地估計流量(mcfh)＝K(信號振幅)C(2)其中K＝2100且C＝0.30該數學關系也是只有該特定導管和環境條件才有的。盡管如此，如以上實例所證實，通過為各種設置的各種導管導出“最佳擬合”方程，當要監控新的導管時，能夠根據該導管的尺寸、環境條件等選擇適當的方程。此外，通過數據積累及分析，預期可以推導另外的相互關系，例如常數K及C與如下特征的關系(1)導管的某些可識別的特征，例如導管的內徑和導管的壁厚；(2)流體的特征，例如溫度、壓力、速度、等；和(3)與附近的機械噪聲源的不同類型有關的特征，機械噪聲源例如壓縮機和控制閥。在這點上，關于對由許多這樣的特征引起的噪聲的估計，再次參考Nelson，D.A.和Cooper，B.A.Reduced-NoiseGas Flow Design Guide for NASA Glenn Research Center，Proceedings ofInterNoise 99，the International Congress on Noise Control Engineering.Institute of Noise Control Engineering(華盛頓，DC，1999)，在這里已經引入該出版物作為參考。
在任何情況下，一旦已經導出適當的數學關系，就能夠大致實時地監控特定導管。一旦在中央處理設施處接收到與該特定導管的監控有關的數字化數據，優選由數字計算機程序執行必要的計算分析，以確定通過該導管的氣體(或類似的流體)的流量。
如上所述，通過這樣的計算，本發明的方法及系統允許估計用于能源商品的生產、運輸、存儲和分配系統的部件或設施的操作動態。例如，在天然氣工業中，如以上參考圖1大體描述的那樣，存儲設施在低利用率階段(即夏季)期間接收并存儲由生產公司所采集的氣體，然后在高利用率階段(即冬季)期間將所存儲的氣體分配給本地的分配公司。當然，氣體是通過許多管路運輸到這些存儲設施中和從這些存儲設施中運輸出的。通過如上所述對流過每個管路的氣體量的估計，結合經過每個管路的流動方向的信息，通過對每個管路上的流量的簡單求和，能夠確定特定存儲設施的氣體凈注入或凈排出量。然后，也如上所述，能夠通過訪問受控的因特網站點或其它方式將該估計值通信給第三方。
圖7圖示了對連接有三個管路32、132、232的存儲設施16的輸出的這種估計。由一個或多個聲換能器34、134、234和相關監控裝置30、130、230的組件來監控每個這樣的管路32、132、232。每個監控裝置30、130、230所收集和處理的數據經由衛星鏈路104傳輸給中央處理設施110，在中央處理設施110處，通過對每個管路32、132、232上計算出的流量的簡單求和，能夠確定存儲設施16的氣體凈注入或凈排出量。
至于通過與設施相聯的每個管路的流動方向，能夠使用各種技術來推導流動方向。例如，存儲設施處的管路網絡包括類似的機械部件和結構，這些部件和結構的功能經常依賴于通過管路的流動方向。因此，對管路網絡物理布局的評估可以提供流動方向的一些指示。此外，對測量出的聲波的分析可以提供流動方向的指示，因為當氣體流動在某個方向上時可能促動某些機械部件(例如用于將氣體注入存儲設施中的壓縮機)。對于另一個實例，如上所述，存儲設施的季節性操作的知識可以用于推導流動方向。無論使用何種技術，這樣都能夠確定特定存儲設施的氣體凈注入或凈排出量。
本領域普通技術人員將認識到在不偏離本發明的教導或所附權利要求的范圍的情況下另外的實施方案和/或實施例是可能的。給出該詳細說明特別是其中公開的示例性實施例的具體細節主要是為了理解清楚，而不是要從中理解不必要的限制，因為本領域技術人員在閱讀該公開時將顯而易見多種變型，并且這些變型可以在不偏離所要求保護的發明的精神或范圍的情況下作出。
權利要求
1.一種方法，用于將與通過導管的流體流量有關的信息提供給遠程終端用戶，包括以下步驟與所述導管接近地設置一個或多個聲換能器，每個所述聲換能器產生信號，該信號代表由通過所述導管的流體流動所產生的聲波；從所述一個或多個聲換能器收集所述信號；對所述信號進行處理以確定通過該導管的流量；和將與流量有關的信息通信給所述遠程終端用戶。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述一個或多個聲換能器所產生的信號被本地監控裝置接收和收集，然后從該現場監控裝置傳輸給遠程中央處理設施，該遠程中央處理設施用于對所述信號進行處理以確定通過該導管的流量。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述一個或多個聲換能器在所述導管附近但不與所述導管實際接觸。
4.一種方法，用于監控通過導管的流體流動并將流量通信給終端用戶，包括以下步驟與所述導管接近地設置一個或多個聲換能器，每個所述聲換能器產生信號，該信號代表由通過所述導管的流體流動所產生的聲波的測量振幅；接收這些聲信號并將這些信號處理成代表該測量振幅的數字化數據；對這些數字化數據執行計算分析以根據該測量振幅確定通過所述導管的流量；和將該流量通信給所述終端用戶。
5.如權利要求4所述的方法，其中接收信號并將信號處理成代表所測量振幅的數字化數據的步驟由大體接近聲換能器的監控裝置執行。
6.如權利要求5所述的方法，還包括將數字化數據從監控裝置傳輸給中央處理設施的步驟，該中央處理設施用于對數字化數據執行計算分析以確定通過所述導管的流量。
7.如權利要求5所述的方法，其中該監控裝置包括一個或多個放大及過濾電路，用于放大來自每個聲換能器的信號，并用于在將這些信號處理成代表所測量振幅的數字化數據之前去除外來噪聲。
8.如權利要求6所述的方法，其中傳輸數字化數據的步驟由與監控裝置相關聯的射頻收發器實現。
9.如權利要求5所述的方法，其中監控裝置由電池供電，該電池由太陽能電池板組連續地再充電。
10.如權利要求4所述的方法，其中將流量通信給所述終端用戶的步驟通過訪問受控的因特網站點來實現。
11.一種方法，用于監控通過導管的流體流動并將流量通信給終端用戶，包括以下步驟探測由通過所述導管的流體流動所產生的聲波的振幅；產生代表該探測振幅的信號；將代表探測振幅的該信號傳輸給監控裝置；將該信號處理成代表所測量振幅的數字化數據；對這些數字化數據執行計算分析以根據所測量振幅確定通過所述導管的流量；和將該流量通信給所述終端用戶。
12.一種用于估計設施的操作動態的方法，包括以下步驟與該設施的多個所選導管中的每個導管接近地設置至少一個監控裝置，每個這樣的監控裝置包括至少一個聲換能器，所述至少一個聲換能器用于產生信號，該信號代表由通過每個所選導管的能源商品的流動所產生的聲波；每個監控裝置接收這些信號并將這些信號處理成代表聲波的數字化數據；對這些數字化數據進行處理以確定通過每個所選導管的能源商品的流量；和根據所確定的流量來估計該設施的操作動態。
13.如權利要求12所述的方法，其中每個監控裝置將代表聲波的數字化數據傳輸給遠程中央處理設施，該遠程中央處理設施用于對這些數字化數據進行處理以確定通過每個所選導管的能源商品的流量，并用于根據所確定的流量來估計該設施的操作動態。
14.如權利要求12所述的方法，還包括將與能源商品從該設施的輸出有關的信息中繼給終端用戶的步驟。
15.一種用于估計通過導管的流體流動的方法，包括以下步驟與所述導管接近地設置一個或多個聲換能器，每個所述聲換能器產生信號，該信號代表由通過所述導管的流體流動所產生的聲波的測量振幅；監控通過該導管的實際流體流動；將測量振幅與實際流體流動相比較，以導出在測量振幅與實際流體流動之間的數學關系；和將導出的數學關系用于未來估計通過該導管或具有類似物理特征的另一個導管的流體流動。
全文摘要
監控流體流動的方法及系統，該流體流動例如是通過用于輸送天然氣、原油和其它類似的液體或氣體能源商品的管路或類似導管的流體流動，該方法及系統依賴于對流體所產生的聲波的測量，從而允許在不直接接近流體的情況下監控流量。此外，該方法及系統允許估計用于能源商品的生產、運輸、存儲和分配系統的部件或設施的操作動態。
文檔編號G06F19/00GK1871493SQ200480031012
公開日2006年11月29日 申請日期2004年10月19日 優先權日2003年10月20日
發明者斯特林·拉賓斯基, 約翰·卡羅爾·希爾, 迪爾德麗·阿爾芬奧 申請人:根斯卡佩無形資產控股公司