(57)【要約】  腐食測定装置を利用して、ある期間にわたり、流体に曝露されたターゲット材料の腐食の量を測定する方法であって、腐食測定装置が、ターゲット材料の腐食プロファイルに類似する腐食プロファイルを有する材料から作られる第１の表面領域を有し、かつターゲット材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する材料から作られる第２の表面領域を有する共振器と、共振器を駆動し、かつ結果として得られる共振器運動を検知するように設置され、それによって検知信号を生成する変換器組立体とを含む、方法。本方法において、共振器は、その期間にわたってターゲット流体に曝露され、および検知信号は、変換器組立体によって駆動されることに対する共振器の応答の変化を経時的に判定するために、その期間にわたって分析される。【選択図】図１１
2018517914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある期間にわたり、流体に曝露されたターゲット材料の腐食の量を測定する方法において、
ａ．腐食測定装置を提供することであって、前記腐食測定装置は、
ｉ．前記ターゲット材料の腐食プロファイルに類似する腐食プロファイルを有する材料から作られる第１の表面領域を有し、かつ前記ターゲット材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する材料から作られる第２の表面領域を有する共振器と、
ｉｉ．前記共振器を駆動し、かつ結果として得られる共振器運動を検知するように設置され、それによって検知信号を生成する変換器組立体と
を備える、提供することと、
ｂ．前記共振器を前記期間にわたって前記ターゲット流体に曝露し、および前記変換器組立体によって駆動されることに対する前記共振器の応答の変化を経時的に判定するために、前記期間にわたって前記検知信号を分析することと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記第１の表面領域は、前記ターゲット材料から作られることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記共振器は、共振周波数を有し、および前記検知信号の前記分析は、前記共振周波数が経時的に変化したかどうかを判定することを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法において、前記共振器は、前記第１の表面領域を有する第１の共振器質量体と、前記第２の表面領域を有する第２の共振器質量体とを含み、両方の共振質量体は、前記ターゲット流体に浸漬され、前記２つの共振質量体の異なる腐食は、共振周波数の変化を引き起こすことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法において、前記共振器は、集合的に前記第２の表面領域を有し、ねじりばねによって接合され、前記第１の表面領域を有する２つの共振質量体を有し、前記ねじりばねの腐食は、共振周波数の変化を引き起こすことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、前記装置は、流体不透過性ハウジングをさらに含み、前記共振質量体の第１のものは、前記ハウジングによって取り囲まれ、および前記共振質量体の第２のものは曝露され、前記共振器を前記ターゲット流体に曝露する前記ステップは、前記第２の質量体および前記ねじりばねの少なくとも一部を前記ターゲット流体に曝露することを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法において、前記共振器は、前記曝露された質量体および前記取り囲まれた質量体が、５℃未満だけ離れている平均温度に保持される状態に維持されることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において、前記共振器の温度は、２つの離れた点で測定され、前記測定値は、腐食測定値への到達において利用されることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、前記ターゲット材料は炭素鋼であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、読み取り値のログは、前記期間にわたる腐食の履歴を提供するために記録および分析されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、前記期間は１週間より長いことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、前記期間は１か月より長いことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記期間は１年より長いことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１に記載の方法において、コンパニオンセンサ組立体は、流体特性セットを測定し、および前記測定値は、前記ターゲット材料の腐食の傾向の修正された測定値に到達するために比較されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記流体特性セットは、密度、粘度、電気化学電位、およびｐｈから基本的になるセットからとられる１つまたは複数の特性を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１に記載の方法において、前記共振器は、対称共振器であり、かつ前記変換器組立体は、元の位置から離れるノーダルポイントの移動を検知し、および前記検知信号は、前記ノーダルの前記位置を反映し、かつ前記分析は、前記第１の表面の腐食の程度を判定する際に前記ノーダルポイント位置を使用することを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法において、前記変換器組立体は、前記検知信号に応答して、前記ノーダルポイントの前記位置を前記元の位置に戻すことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法において、前記検知信号の前記分析は、次に腐食による前記第１の表面の粗さの推定値をもたらす減衰の測定をもたらすことを特徴とする方法。
【請求項１９】
ターゲット材料を腐食させるターゲット流体の傾向を測定するための腐食測定装置において、
ａ．前記ターゲット材料の腐食プロファイルに類似する腐食プロファイルを有する材料から作られる第１の表面領域を有し、かつ前記ターゲット材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する材料から作られる第２の表面領域を有する共振器と、
ｂ．前記共振器を駆動し、かつ結果として得られる共振器運動を検知するように設置され、それによって検知信号を生成する変換器組立体と、
ｃ．前記検知信号を受信し、かつ前記変換器組立体によって駆動されることに対する共振器応答の変化を判定するために、前記検知信号を分析するように適合されるデータ処理組立体と
を備えることを特徴とする装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置において、前記第１の表面領域は、前記ターゲット材料から作られることを特徴とする装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の装置において、前記共振器は、共振周波数を有し、および前記検知信号の前記分析は、前記共振周波数が経時的に変化したかどうかを判定することを特徴とする装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置において、前記共振器は、前記第１の表面領域を有する第１の共振質量体と、前記第２の表面領域を有する第２の共振質量体とを含み、両方の共振質量体は、前記ターゲット流体に浸漬され、前記２つの共振質量体の異なる腐食は、共振周波数の変化を引き起こすことを特徴とする装置。
【請求項２３】
請求項２１に記載の装置において、前記共振器は、集合的に前記第２の表面領域を有し、ねじりばねによって接合され、前記第１の表面領域を有する２つの共振質量体を有し、前記ねじりばねの腐食は、共振周波数の変化を引き起こすことを特徴とする装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置において、ハウジングをさらに含み、前記共振質量体の第１のものは、前記ハウジングによって取り囲まれ、および前記共振質量体の第２のものは曝露され、前記共振器を前記ターゲット流体に曝露する前記ステップは、前記第２の質量体および前記ねじりばねの少なくとも一部を前記ターゲット流体に曝露することを含むことを特徴とする装置。
【請求項２５】
請求項１９に記載の装置において、前記共振器は、前記曝露された質量体および前記取り囲まれた質量体が、５℃未満だけ離れている温度に保持される状態に維持されることを特徴とする装置。
【請求項２６】
請求項１９に記載の装置において、前記共振器の温度は、少なくとも２つの個別の点で測定され、前記測定値は、腐食測定値への到達において利用されることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、腐食監視装置および方法である。
【背景技術】
【０００２】
流体輸送および処理機器の腐食は、インフラ整備にコスト高をもたらす深刻な問題である。腐食を監視および防止するための方法が知られているが、示されるように、それぞれ特定の欠点または制限を伴う。
【０００３】
一般に使用される先行技術の装置は、腐食を監視する材料の長方形またはディスク形クーポンからなり、パイプライン、タンク、または腐食を監視する任意のエンクロージャにクーポンを挿入できる取付け手段に固定される。クーポンの重量は取付け前に測定される。しばらくすると、クーポンは流体から引き出されて、再び計量され、重量減少がクーポンの腐食率を推定するために使用される。クーポンによる方法の代わりにリアルタイム腐食測定を使用できると商業的に有利であるため、プローブ形システムの形態による特定の方法を具現化することは有利である。次いで、プローブ形システムは、クーポンの重量減少に基づく既存の腐食監視システムを改造するために容易に使用される可能性がある。そのようなシステムは、その動作パラメータ、すなわち、流体の温度ならびに共振器の共振周波数および減衰を、測定場所から離れたテレメトリステーションに送信する可能性があり、現場での定期的なオペレータの関与の必要性を不要にする。
【発明の概要】
【０００４】
第１の個別の態様において、本発明は、ある期間にわたり、流体に曝露されたターゲット材料の腐食の量を測定する方法の形態をとってもよく、本方法は、ターゲット材料の腐食プロファイルに類似する腐食プロファイルを有する材料から作られる第１の表面領域を有し、かつターゲット材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する材料から作られる第２の表面領域を有する共振器と、共振器を駆動し、かつ結果として得られる共振器運動を検知するように設置され、それによって検知信号を生成する変換器組立体とを含む腐食測定装置を利用する。本方法において、共振器は、その期間にわたってターゲット流体に曝露され、および検知信号は、変換器組立体によって駆動されることに対する共振器の応答の変化を経時的に判定するために、その期間にわたって分析される。
【０００５】
第２の個別の態様において、本発明は、ターゲット材料を腐食させるターゲット流体の傾向を測定するための腐食測定装置の形態をとってもよい。本装置は、ターゲット材料の腐食プロファイルに類似する腐食プロファイルを有する材料から作られる第１の表面領域を有し、かつターゲット材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する材料から作られる第２の表面領域を有する共振器を含む。また、変換器組立体は、共振器を駆動し、かつ結果として得られる共振器運動を検知するように設置され、それによって検知信号を生成する。最後に、データ処理組立体は、検知信号を受信し、かつ変換器組立体によって駆動されることに対する共振器応答の変化を判定するために、検知信号を分析するように適合される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
例示的な実施形態が参照図面に示される。本明細書で開示される実施形態および図は、限定的ではなく例示的なものと見なされることが意図されている。
【０００７】
【図１】図１は、簡略化された対称ねじり質量体ばねシステムを示す。
【図２】図２は、図１のシステム構成要素の運動を図示する。
【図３】図３は、端部質量体のうちの１つの慣性が実質的に減少したときの、図１のシステム構成要素の運動を図示する。
【図４】図４は、共振器がケーシングに収容され、３つのリーフスプリングによって部分的に支持される、ねじり共振器システムを示す。
【図５】図５は、図１のシステムのための動作の補正測定モードの図である。
【図６】図６は、切り抜きパターンを有するリーフスプリングを図示する。
【図７】図７は、円形の腐食試験クーポンを有するリーフスプリング構造を示す。
【図８】図８は、長方形の腐食試験クーポンを有するリーフスプリング構造を示す。
【図９】図９は、ねじり音叉からなるコンパクトな腐食測定装置を示す。
【図１０】図１０は、本発明による方法で使用できる共振器の一般化された描写を示す。
【図１１】図１１は、曲管の一端に取り付けられる横方向振動共振器の断面図である。
【図１２】図１２は、管に径方向に取り付けられる横方向振動センサの断面図である。
【図１３】図１３は、それぞれ熱伝導性ブロックおよびペルチェ装置によって囲まれる図３の横方向振動センサの等角図である。
【図１４】図１４は、図４の横方向振動センサの断面図であり、熱電対およびコントローラへの経路を示す。
【図１５】図１５は、図５３のセンサのより詳細な断面図であり、２つの熱電対の異なる位置を示す。
【図１６】図１６は、流体端部質量体を有する対称共振器、および連結棒に取り付けられる変換器端部質量体の断面図を示す。
【図１７】図１７は、熱伝導性本体によって取り囲まれ、断熱支持体によって管の壁に取り付けられ、平らな流体端部質量体を有するその変換器端部を有する対称共振器の断面図である。
【図１８】図１８は、平らな流体端部質量体を有する対称ねじり共振器の断面図であり、断熱シースがその変換器端部質量体を囲んでいる。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本出願で使用されるとき、「腐食プロファイル」という用語は、多くの異なる腐食性流体のそれぞれによって腐食する材料の傾向を意味する。同様の腐食プロファイルを有する材料は、同じ腐食性流体による腐食の影響を受けやすく、その一方で、異なる腐食プロファイルを有する材料は、異なる腐食性流体の影響を受けやすい。第１の材料の腐食プロファイルと異なる腐食プロファイルを有する第２の材料は、通常、腐食の影響を受けにくいことがある。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態は、設備の複数の場所における腐食率のリアルタイムテレメトリを可能にする、安価であり、長期的であり、敏感であり、インライン式の腐食監視のニーズを満たす腐食監視方法を提供することができる。リアルタイム監視は、好適な比率での防食化学物質のフィードバック制御された適用を可能にし、過剰な適用による費用および環境的な負担または安全性に関する違反なしで最小の腐食率を保証する。
【００１０】
広範な概要において、たとえば、ねじり音叉の形態の対称共振器は、異なる材料の２つの歯に取り付けられ、その一方は所定の流体での腐食に耐性があることが知られており、第２の材料のその流体における腐食が測定される。２つの歯は、個々に同じ共振周波数を有するように構成される。それらは共通基部上に取り付けられ、この基部は、それと音叉との間の接続点の周りの音叉組立体全体より非常に大きい慣性モーメントを有する第２の慣性基部に柔軟に接続される。
【００１１】
２つの歯が製造時の状態であるとき、音叉はバランスがとれている。すなわち、モードが２つの歯の軸線に垂直な平面の周りに鏡面対称を保有するように２つの歯が反対方向に回転する第２のねじり（対称）モードで振動しているとき、共通基部上のリアクショントルクは最小である。２つの歯の質量の違いの任意の変化により、２つの歯間の不均衡は増加し、共通基部上のリアクショントルクはさらに増加する。
【００１２】
共通基部と慣性基部との接続が柔軟にされる場合、不平衡なねじり共振によるリアクショントルクが共通基部の周期的なねじり振動を発生させ、それは、たとえば電磁角速度センサのような多くの知られている手段の１つによって測定できる。
【００１３】
１つの好ましい実施形態において、簡略化された対称ねじり質量体ばねシステム１０は、図１に示されるような、同じ慣性モーメントを有する２つの慣性質量体１２および１４からなる。慣性質量体は、第１の反対称モード周波数で駆動されるとき、矢印１２Ａおよび１４Ａで示される反対方向に回転する。その長さに沿って均一なねじりばね１６は、接着剤結合１８を介して、有効な剪断剛性がねじりばね１６の剪断剛性より非常に小さい柔軟ノーダル支持体２０に取り付けられる。それがばね１６に接着され、ばね１６より非常に柔軟であるため、柔軟なノーダル支持体２０は、ねじりばね１６の剪断によって自由に剪断される。図２は、システム１０の構成要素の運動およびばね１６の長手方向に沿った対称角変位２２を図示する。システム１０がその正中面、すなわちノード２４に対して完全に対称であるため、支持体２０は、矢印２６Ａおよび２６Ｂによって示される、移動のない純粋な剪断を受ける。
【００１４】
図３を参照すると、端部質量体のうちの１つ１４’の慣性は、矢印１２Ａおよび１４Ａが質量体の回転する方向を示す図３に示されるように実質的に減少する。２つの質量体のうちのより大きい方１２’は、極限において、より小さい質量体１４’による端部より実質的に小さい角度振幅で振動するノードになる。１つの結果として、システムの共振周波数は増加し、移動したノード２４Ａがより大きい端部１２’の方に配置される。第２の結果として、支持体２０はもはや純粋な剪断を受けないが、ここで、並進構成要素を示し、矢印２８Ａおよび２８Ｂは支持体２０の変位を示す。したがって、共振器がその第１の反対称モード周波数で振動するような方法で駆動される場合、支持体２０の移動の大きさは、共振器の不均衡の尺度である。これを実現するために、たとえば、励振周波数がシステムを適切な固有振動数に維持することを保証する米国特許第８，２９１，７５０号明細書で説明されるものなど、ある種の追跡励振スキームを使用することが可能である。温度および圧力変化ならびに共振器の質量分布の変化にもかかわらず、シスステムを適切な共振周波数に維持する任意のスキームで十分である。さらにまた、支持体の並進運動は励振周波数で行われ、その結果、同期検出スキームは、支持体の並進運動の非常に小さい変化を測定するために使用することができる。
【００１５】
第３の好ましい実施形態（示されないが、数字を図１〜４の参照番号と同様に要素に割り振る）において、柔軟支持体２０は、リーフスプリング３０の形態であり、その元のノーダルポイント２４でねじりばね１６に取り付けられる。リーフスプリング３０は、２つの端部質量体１２および１４を接続するねじりばね１６より非常に高いねじり柔軟性を有するように寸法決めされる。さらに、それは曲げに対しても非常に柔軟であり、その結果、ねじり共振器２４のノーダルポイントは、その端部質量体１２および１４の変化に応じて移動するとき、ねじれおよび平行移動に対して自由である。システム１０のねじり共振のための励振および検知手段３２は詳細に示されないが、変換器は、所望の振動モードの励起および測定を補助する電磁装置、圧電装置、または任意の他の装置であり得る。
【００１６】
さらなる条件は、２つの端部質量体１２および１４が最初に同じ慣性モーメントを有することである。基準材料が供試材料と異なる密度を有する場合、基準質量体１２は、試験質量体１４と同じ慣性モーメントを有するように寸法的に調整されなければならない。２つの質量体１２および１４が同じ初期直径である場合、各質量体の厚さは、その密度に逆比例することが必要とされる。さらにまた、ねじりばね１６が金属である場合、端部質量体１２および１４は、互いにおよび腐食性流体と接触する異なる材料によって発生するガルバニック電位を通して腐食プロセスに影響を与えることを避けるために、ばね１６から電気的に絶縁されていなければならない。
【００１７】
図４は、システムの第４の好ましい実施形態を示し、ここで、共振器は、共振器の周りに等しい間隔で配設される３つのリーフスプリング３０によってケーシング３４の中心に保持され、励振および検知は、連続的でも断続的でもよい。磁気変換器が使用され、適切な励振および検知コイルが、ケーシングから径方向に延在するパイロン３６に配設される。必要な磁石および／または軟磁性ヨークは、中心ハブの周りに対称的に配設されるリング３８に組み込まれる。ケーシングは、管に組み込まれてもよく、またはパイプライン、源泉、もしくは腐食を測定する他の環境に挿入できるプローブに取り付けることができる。
【００１８】
さらなる好ましい実施形態は、試験ディスク以外のすべての部分のためにチタン構成要素を利用する。チタンは、多様な流体による腐食に対する耐性がある長所を有する。それは磁性がなく、高電気抵抗を有し、その結果、励振、検知、およびピックアップコイルは、渦電流によってほとんど影響を受けない。ハステロイまたは他の高ニッケル含有合金は、システムの別の候補である。
【００１９】
図５を参照すると、システム１０の代替的な動作モードが補正測定の利点を追加している。このモードにおいて、ノーダルピックアップコイル４０の出力は、増幅器４２によって増幅されて補助励振変換器４４にフィードバックされる。システム１０は、試験ディスクが腐食による材料の減量のための慣性トルクの損失に対して正確にバランスをとるように取り付けられる共振器の端部に対し、補助励振変換器４４が十分なトルクを与えるように配置される。ピックアップコイル電圧はゼロのままであるが、補助励振変換器４４を通る電流４６は、質量体の減量による試験ディスクの慣性の損失の直接の尺度である。
【００２０】
対称共振器の他の形態は、この目的のために機能する。たとえば、図６は、切り抜きパターンを有するリーフスプリング４８を図示する。その２つの端部は、腐食に区別を示すように敏感になる可能性がある（マスキング、選択的沈着などによるように）。リーフスプリング４８は、上部タブ５０Ａおよび下部タブ５０Ｂによって支持構造体に固定される。あるいは、このリーフスプリング構造４８は、さらなる可能な実施形態の一般的な考えを与えることのみ意図される図７および８で提案されるように、円形５２または平らな長方形の腐食試験クーポン５４と一緒に使用される可能性がある。
【００２１】
最後に、コンパクトな腐食測定装置５６としてねじり音叉を使用することが可能であるが、図９のものは多くの可能な実施形態の１つに過ぎない。２つの歯５８のバランスがとられて、反対称モードで振動しているとき、基部はトルクを受けない。歯のうちの１つの質量が変わる場合、音叉は不平衡になり、正味のトルクが基部６０上に与えられ、ノーダルリーフスプリング３０および４８は、前に開示された実施形態で行ったのと全く同じように振動する。
【００２２】
これらの実施形態の何れも腐食を測定するために使用することができる。たとえば、２つの慣性質量体には、腐食の変動を測定するために異なるコーティングが設けられてもよく、試験質量体１４と基準質量体１２との間の違いを示す質量変化を監視するために同じ測定原理が使用されてもよい。あるいは、試験質量体１４は、所定の流体の挙動が監視される物質で覆われてもよく、めっきされてもよく、または他の場合にはコーティングされてもよい。
【００２３】
これらのシステムの重要な長所は、それらが流体に完全に浸漬され、そのため、それによって熱的な平衡にあることである。対称共振器の一端が他端と異なる温度になる場合、対称共振器は、ねじりばね１６の２つの端部のばね定数の差のために不平衡になる。質量体が腐食によって除去されることがある共振器の周波数応答の測定値に依存する先行技術のシステムと比較すると、周波数は、このシステムにおける特定の関心事ではない。共振器がその適切な共振周波数で励起されることのみが重要であり、それは、この周波数が温度変化および質量負荷の変化に応じて変わる場合でもそうである。
【００２４】
また、さらなる好ましい実施形態は、電気機械式共振器上の腐食の基づく影響である。図１０を参照すると、質量体ばねねじり共振器１１０は、管状ねじりばね１１６によってノーダル質量体１１４に連結される円筒形質量体１１２を含む。共振器１１０の共振周波数は、質量体１１２の質量およびばね１１６のばね定数によって決まる。
【００２５】
この共振器の周波数は、次の式によって決定される。
2018517914.tif 000003
ここで、Ｆは共振器の共振周波数であり、Ｇはねじりばね１１６のねじり剛性であり、Ｉは共振器の長手方向軸の周りの質量体１１２の慣性モーメントである。
【００２６】
腐食を監視するために共振器１１０を使用する第１の方法は、対称の流体環境において腐食に耐性のある材料から質量体を作ることであり、同時に、腐食が監視される機器と同じ材料からばね１１６を作ることである。腐食性流体がばね１１６を腐食させると、それはより細くなり、その剛性が減少し、共振器１１０の共振周波数を下げる。共振周波数がばね定数に直接関係があるため、およびばね定数がねじりばね１１６の厚さに依存するため、共振周波数の低下は、ばねから失われた材料の量に直接関係がある可能性がある。
【００２７】
２つの要因が本方法の精度に影響を与える。第１の要因は、共振器の共振周波数に対する温度の影響である。ばねのねじり剛性はばねの材料の剪断弾性係数に線形に依存し、次に、剪断弾性係数は材料の温度に依存する。剪断弾性係数の温度係数は、実験的に決定されてもよく、ねじりばね材料の特性であるため、温度の影響による共振器の周波数変化を制御および／または補償することが可能である。
【００２８】
第１の好ましい実施形態を示す図１１を参照すると、横方向振動共振器１００を支持するハウジング２００が曲管１２０Ａの一端に取り付けられる。曲管１２０Ａは断熱材料から選択的に作られる。結果的に、流体に完全に浸漬されたセンサを保持する際、管は、共振器の曝露部およびセンサのハウジングの両方が流体の温度と平衡になることを保証する。共振器１００は基本的に等温であり、取り囲まれた部分１００Ａは、曝露された部分１００Ｂの温度に近くなり、その結果、流体の温度が分かる限り、その無負荷共振周波数を決定することができる。支持管１２０Ａはまた、共振器１００の中棒１６０の自由端に取り付けられる変換器要素２２０への電気的接続のための導管として使用される。変換器全体には、要素２２０に力を与えるさらなる要素（図示せず）が含まれ、共振器をねじれモードで励起し、さらに共振器の回転振動運動を検知する。好ましい実施形態において、変換器要素２２０は永久磁石であり、それはハウジング２００に取り付けられた電磁石組立体（図示せず）によって駆動される。外管（ねじりばねでもある）１４０は、ねじれてまたは代替的な実施形態において横方向に振動するため、ばね１４０の腐食によってばね特性が変わり、共振器１００の共振周波数が変わる。経時的に共振周波数の変化を決定することにより、チューブ１４０の腐食の量から測定または推定を行うことができる。共振器１００が均一な温度に維持されるため、共振温度の測定値を形成することはより容易であり、それにより、ばね１４０のばね特性を変えた腐食の時点で（示されない温度測定装置から）温度の影響を分離することが可能になる。
【００２９】
あるいは、横方向振動センサは、第２の好ましい方法を図示する図１２に示されるように、管１２０内の径方向に取り付けられてもよい。流体と直接接触しないセンサの本体のその部分は、高効率絶縁シース２４０によって覆われ、それはセンサの覆われた部分を基本的に断熱的にする。熱は、共振器の取り囲まれた部分１００Ａによって失うことも得ることもないため、その部分のすべてが最終的に曝露された部分１００Ｂと平衡になり、共振器を流体の温度と等しい温度と等温にする。前述の実施形態と同様に、均一な温度により、測定装置（図示せず）による温度のより容易な測定が可能になる。
【００３０】
単独でまたはここで説明した方法の１つと組み合わせて使用されてもよい、図１３に示される第３の好ましい方法において、共振器ハウジング２００の非浸漬部分は、ハウジングの一部を加熱および／または冷却するための手段を保有する。センサ１００Ａの取り囲まれた部分は、熱伝導性ブロック２６０に囲まれ、次に（図１４に示されるように）センサ本体を設定温度に維持することが可能な適切な電源および制御手段３００に接続される多くのペルチェ装置２８０に囲まれる。これらの温度調節手段は、共振器１００の曝露された部分１００Ｂに配置されるモデルまたは温度センサから温度測定値を受け取り、校正により、共振器ハウジング２００の非浸漬部分の温度を共振器１００の浸漬部分の温度に対して調整する。２つの温度は比較され、それらの違いは、温度差をゼロにするようにペルチェ加熱器／冷却器への電源入力を調整するコントローラ３００に対するエラー信号として使用される。これらの温度調節手段は、加熱および／または冷却手段とともに、共振器１００を等温状態に維持するためのシステムを構成する。このプロセスは、共振器１００が基本的に等温になるようにする。代替的な実施形態において、ペルチェ装置以外の他の種類の加熱および冷却装置が使用される。本実施形態において、共振器１００の温度は知られており、共振器１００の剪断弾性係数に対する温度の影響を補償するために使用され、その結果、腐食のより正確な測定を経時的に形成することができる。
【００３１】
第１の好ましい方法の精度は、センサの非浸漬端部の熱伝導率が十分に高く、かつ周囲構造へのその熱伝達が十分に低く、共振要素が等温であることを保証するという想定に基づく。同様に、第２の好ましい方法の精度は、センサの非浸漬部分を保護するハウジングを囲む断熱材の熱伝導率が十分に低い、かつその温度が共振器１００の浸漬端部の温度と実質的に同じであるという想定に基づく。同様に、第３の好ましい方法の精度は、共振器１００の流体端部と同じ温度に本体を維持するためのペルチェ加熱／冷却システムの効果に依存する。
【００３２】
単独でまたはここで説明した方法の１つと組み合わせて使用されてもよい、図１５に図示される第４の好ましい方法は、共振器１００内の少なくとも２つの位置の温度を測定するための手段を提供することと、共振器１００内の少なくとも２つの位置の測定温度に基づいて共振器の無負荷共振周波数を予測するためのモデルを提供することとからなる。１つの変形形態において、第１の好ましい方法に基づき、ハウジング２００は選択的に断熱材料２４０を含み、少なくとも２つの温度センサ３２０がセンサ上の少なくとも２つの位置、通常、先端と変換器端部とに置かれる。好ましい実施形態において、中棒は中空管３４０に交換され、温度センサのための導線を共振器の自由端に導くことを可能にする。変換器にも貫通孔が設けられ、温度センサ導線３６０が出ることを可能にする。同様に、第２の温度センサ３２０は、共振器の変換器端部に取り付けられる。共振器１００内の少なくとも２つの位置から測定された温度は、予測モデルで使用され、センサの共振器を等温にするために使用される測定の不完全さを修正する。好ましい実施形態において、温度センサは熱電対３８０であり、これらは、質量および剛性が共振器のものと比較して無視できる非常に細いワイヤから加工することができ、そのため、共振器の周波数または減衰特性の何れに対する影響も無視できる。２つの熱電対の出力は、熱電対増幅器（ＴＣアンプ）４００によって増幅され、共振器の無負荷周波数を予測するプロセッサ４２０に記憶されるアルゴリズムへの入力となる（図１４および１５）。さらに、予測モデルおよび共振器１００内の少なくとも２つの位置の測定温度は、アルゴリズムによって使用されて、共振器１００の共振周波数に変化を与える流体による管１４０の腐食を予測する。共振器の初期等温状態が良好であるほど、本方法による補正はより正確になる。等温状態からの残りの逸脱を修正するための本計算方法は、その精度を改善するために上で説明された第２または第３の好ましい方法に等しく適切に適用してもよい。前の方法と同様に、温度についての知識により、温度による管またはばね１４０の純粋な係数を腐食によるものに対して分離することが可能になり、それによって腐食のより良好な測定値を経時的に形成する。
【００３３】
２点温度測定は、より一般的な補償法の単なる例示であることがさらに理解される。２点測定値が十分な精度を提供しない場合、共振センサにおける温度分布に対する好適なモデルとともに、３つまたはより多くの測定値を使うことが可能である。さらに、前述の実施形態におけるセンサは一般的な変換器で示されたが、変換器手段は、共振器で所望の共振を励起することが可能であり、および／または共振器の共振応答を測定することが可能である圧電、容量性、電磁、磁歪、光学、または任意の他の変換手段の群から選択されてもよいことがさらに理解される。
【００３４】
前述の実施形態は、同軸屈曲共振器を使用する。しかしながら、表面の少なくとも一部で自己の表面に垂直に振動する場合、任意の共振器が使用されてもよい。好ましい実施形態の以下の説明において、これらのすべては、上で説明された浸漬および／または絶縁の技術を使用して名目上等温にし得ることと、浸漬および／または絶縁されたセンサの精度は、前のセクションで説明された温度測定および補正スキームによって高め得ることとが理解されるべきである。
【００３５】
上で説明されたものなどの横方向に振動する屈曲共振器は、振動的に不平衡である欠点を有する。管状部が振動すると、それは共振器の本体に実質的な反力を与え、それにより、支持構造体へのエネルギ漏洩を生じさせることがあり、次に無負荷共振周波数および共振器の無負荷減衰に不確実性をもたらす。別の好ましい実施形態において、共振センサは平衡共振器からなり、２つの連結された共振要素は、その共通取付部上の反力が主に無効になるように接合され、不平衡共振器と比較して取付影響からの優れた遮断になる。共通音叉は、バランスのとれた屈曲共振器の例である。先行技術は、流体特性を測定するための屈曲およびねじり浸漬音叉の使用を教示する。しかしながら、これらは、測定されている流体中に変換器を浸漬することなく駆動および検知することが難しいという欠点を有する。
【００３６】
これらの欠点を有しない別の種類の平衡共振器は、米国特許第９，２６７，８７２号明細書で開示されている。図１６を参照すると、平衡共振器１００’は、ノーダルハブ４６０の周りに対称的に構成される管４４０の形態のねじりばねからなる。連結棒４８０は、ここではさらには説明されない変換器手段によってねじり駆動される変換器端部質量体５００と、流体端部質量体５２０とを接合する。流体端部質量体４６０は、変換器端部質量体５００と同じ慣性モーメントを有するように寸法決めされ、その結果、組立体全体が対称共振器として振動し、所望のモードは、２つの端部が反対方向にねじれるものである。このモードで振動するとき、ノーダルハブ上に与えられる正味のトルクはない。
【００３７】
この対称ねじり共振器で腐食を測定するために、流体による負荷がないときの共振周波数を知ることが必要である。この無負荷共振周波数は、本出願で開示されたすべての共振器と同様に、共振器の温度に依存する。また、他の共振器の場合のように、共振器が等温でない限り、より良好な精度でその無負荷共振周波数を予測することは難しいかまたは不可能である。
【００３８】
図１７は、熱伝導性本体５４０によって取り囲まれ、断熱支持体５６０によって管１２０の壁に取り付けられる変換器端部を有する、対称ねじり共振器１００’を示す。これは、共振器全体を基本的に等温にするが、流体端部質量体５２０と変換器端部質量体５００との間に小さい温度差がある場合、さらなる温度補正ステップが上で説明された方法に実装されてもよく、ここで、温度センサは、共振器の両端で実際の温度を測定するために使用され、この情報は、共振器の無負荷共振周波数の補正因子を計算するために使用されることが理解される。
【００３９】
環境のダウンホールは、通常、等温であるため、この構成は、オイルおよびガス生産における腐食のダウンホールを測定するための装置での使用に特に有利である。
【００４０】
ここで図１８を参照すると、腐食監視装置８０の好ましい実施形態は、平らな端部５２０で示される対称ねじり共振器１００’を含む。また、断熱シース５８０は、チャンバ１８０を画定するハウジング５４０を取り囲む。図１２のように、シースは、周囲環境との熱交換を防ぎ、対称共振器を基本的に流体温度と等温に維持する。本実施形態は、図１５に示される温度測定要素をさらに含んでもよく、その結果、取り囲まれた部分１００Ａ’と曝露された部分１００Ｂ’との間の小さい温度差が測定されてもよく、その温度差は、アルゴリズム的に温度差を補償するために使用される。絶縁シースは、図１８のシステムに適用されるとき、実質的に同じ機能を有する図１３および１４に示されるような加熱／冷却システムに交換されてもよいことがさらに理解される。
【００４１】
本方法の精度に影響を与える第２の要因は、共振器の各要素が作られる材料の電気陰性度の違いによって引き起こされる電気化学電位によって発生する腐食測定アーチファクトの可能性である。少なくとも２つの方法がこのようなアーチファクトの修正に利用可能である。第１の方法は、同じ材料から構成要素のすべてを作ることである。それは、すべての構成要素を腐食に対して脆弱にするため、構成要素は、テフロン、エポキシベース塗料、ダイヤモンド状コーティング、またはターゲット流体による腐食に耐性のある同様の不浸透性コーティングなどの流体排除コーティングによって覆うことができる。第２の方法は、非ばね構成要素に耐食性材料を使用するが、これらの耐食性材料がばね材料と同じ電気陰性度を有することを保証することである。
【００４２】
本発明のさらなる態様は、本方法の好ましい実施形態、特に、本方法の基本的要件を満たし、同時に、典型的な腐食監視環境での使用に都合のよい装置を具現化する共振システムの設計を開示する。
【００４３】
これらは２つの大きいカテゴリに分かれる。第１のカテゴリは、差分測定を可能にする共振器からなる。それらは、個別のまたは連結された２つの共振器からなり、同じ流体に曝露され、互いと同じ温度に維持されるが、先に説明されたように、その質量体またはそのばねであり得るその測定要素の腐食性が異なる。第２のカテゴリは、非腐食周波数が共振器上または共振器の直近で測定された１つまたは複数の温度に基づいて計算手段によって計算される共振器からなり、非腐食周波数は、腐食共振器の周波数から腐食の程度を計算する基準として使用される。
【００４４】
この共振器は、シングルエンド形、または好ましくは、２０１６年３月２３日に発行された米国特許第９，２６７，８７２号明細書で開示されているような対称共振器でもよい。本明細書に開示される方法の１つに従って構築される共振器、すなわち、２つの共振器のうちのその１つは、腐食しやすいばねまたは質量体を有し、一方、第２の共振器は、比較的腐食しないように構築される。その場合、非腐食性共振器の周波数は、腐食性要素を有する共振器の周波数と比較され、腐食の程度および比率は共振周波数の違いから計算される。
【００４５】
装置の第２の大きいカテゴリは、単一の非差分共振器を略一定の温度に維持するための上で説明された方法を具現化し、その結果、非腐食周波数は、１つまたは複数の温度から計算できる（上の図１５を説明する文章を参照されたい）。１つの特に有利な実施形態は、２０１３年６月６日に発行された米国特許出願公開第２０１３／０１３９５７６号明細書で説明されている種類の完全浸漬ねじり音叉を使用し、それは高温および高圧でのダウンホールの使用に特に適した流体特性共振器を開示している。質量体またはばねの何れかが腐食性材料から作られるようにねじり音叉の設計を修正することにより、音叉は、上で開示された方法のうちの１つによって腐食を監視するために使用できる。
【００４６】
上記方法または装置のうちの何れかを使用している間、密度および粘度の任意の組合せを含むがこれに限定されない流体特性の大きい変化が、共振器またはその一部の腐食とは無関係な共振器の共振周波数の変化を引き起こす可能性があってもよい。このような流体特性変化を補償する方法は、腐食センサの近くに配置される補助センサを使用し、流体と接触する補助センサの一部は、ターゲット流体による腐食の影響を受けない材料から作られる。補助センサは、腐食監視装置の共振周波数への流体特性の影響に対して腐食測定値を補償する計算アルゴリズムを実装するプログラムを実行するデータ処理装置への入力を提供する。
【００４７】
代替的な方法において、分析は、流体特性の変化の影響を補償するために、温度の測定値および単一の腐食に敏感な共振器の減衰に基づいて実行される。
【００４８】
共振器１００または１００’などの共振器の、ある時点から別の時点までの共振周波数の比較により、それらの２つの時点間に進行した腐食が測定される。第１の時点が共振器の取付けである場合、第２の時点での測定により、共振器取付け以降の期間の全腐食が得られる。１つの好ましい実施形態において、共振器は、腐食測定装置内で交換可能である。値のログは、経時的な腐食の履歴を提供することができ、それらは、流体の変化の進行が共振器の付近を通過している状況において非常に価値のあるものであり得る。たとえば、特定の井戸からの原油の特性は、経時的に変わることがある。工業用プラントにおける流体の流れさえ、いくつかの変化を示すことがある。いくつかの状況において、最も大きい腐食が発生したときを知ることは価値のあることであり得る。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、流体特性測定装置を製造する分野、ならびに流体特性および／または周囲構造における流体の影響の監視において産業上の利用可能性を見出す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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