CN106537097A - 流体传感器 - Google Patents

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CN106537097A
CN106537097A CN201580026800.3A CN201580026800A CN106537097A CN 106537097 A CN106537097 A CN 106537097A CN 201580026800 A CN201580026800 A CN 201580026800A CN 106537097 A CN106537097 A CN 106537097A
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fluid flow
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贾尔斯·爱德华
艾伦·帕克
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M-Is Lip River Science And Technology Ltd Co Not
M Flow Technologies Ltd
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M-Is Lip River Science And Technology Ltd Co Not
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Abstract

流体传感器包括具有限定流体流动路径的壁的流体管道和设置于流体流动路径外部的声换能器。所述流体管道的壁包括在声换能器和流体流动路径之间的复合区域，所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。这种流体传感器可用于检测流体的性能，以及具体地但非排他性地用于检测从油井或气井产生或注入到油井或气井内的流体性能。

Description

流体传感器
技术领域
本发明涉及用于检测流体性能的流体传感器，具体地但非排他性地涉及用于检测从油井或气井产生或注入到油井或气井内的流体性能的传感器。本发明还涉及检测流体的方法和制造流体传感器的方法。
背景技术
已知在石油和天然气工业中使用声学流体传感器、特别是超声波流体传感器来用于测量多相流体流动。由于这样的流体流动可在升高的压力下发生，因此钢管件历来被用来提供所需的结构强度以对这样的流体流动提供压力完整性。
声学流体传感器是已知的，其中声换能器设置于钢管的外部。通过钢管传输到由钢管限定的流体流动路径内的声能可能是低的，并且这样的声学流体传感器可能不能给某些应用提供足够准确度和/或灵敏度的测量。
其它已知的声学流体传感器包括钢管，所述钢管具有通过其壁形成的一个或多个孔。每个孔都配有窗口，诸如石英窗口，用于声波管内存在的流体进出的传输。然而，这样的窗口会弱化管并对于压力完整性而言可能难以密封。此外，在这样的一个窗口设置于限定在钢管壁内的凹部内的情况下，该窗口会易于积聚沉积物或污染物，其会对声波传输通过窗口具有不利的影响并且其可会劣化传感器的性能。
发明内容
应当理解的是，在下文所述的关于本发明的以下方面中的任何一个或多个方面的任何特征可关于本发明其它方面中的任何一个或多个方面以单独的方式或以任何组合的方式使用。
根据本发明的第一方面，提供一种流体传感器，其包括：
具有限定流体流动路径的壁的流体管道；和
设置于流体流动路径外部的声换能器；
其中所述流体管道的壁包括在声换能器和流体流动路径之间的复合区域，所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。
这种流体传感器与现有技术的流体传感器相比可允许声换能器和存在于流体流动路径内的流体之间的声波增强的耦合。这可允许在存在于流动路径内的流体上执行更灵敏的声学测量和/或允许以更少的声能以给定的测量灵敏度来进行声学测量。与现有技术的流体传感器相比，这种流体传感器可具有改善的压力完整性。这种流体传感器相比于现有技术的流体传感器可能不太易于积聚沉积物且可能不太易于污染邻近于流体流动路径的流体管道表面，因此相比于现有技术的流体传感器可提供改进的测量精度和/或性能。在声换能器和流体流动路径之间复合区域的存在可给流体管道提供更大的结构强度，而不过度劣化流体流动路径和声换能器之间的声能传输。
流体管道可包括管。
流体管道的壁可包括在复合区域和流体流动路径之间的均质区域，其中所述均质区域包括聚合物基质材料且基本上没有增强元件。
复合区域可比均质区域薄。复合区域的厚度可被选择成给流体管道提供所需的结构强度，而不过度劣化流体流动路径和声换能器之间的声能传输。
流体管道可包括均质的基部构件。
基部构件可从聚合物基质形成。
基部构件可限定均质区域。
流体管道可包括设置于所述基部构件外部的复合材料内层。
复合材料内层可限定复合区域。
该换能器可配置成接收或检测声波或声学信号中的至少一个，所述声波或声学信号在流体流动路径内存在的流体内传输或由流体流动路径内的流体传输或通过流体流动路径内的流体传输。
该换能器可配置成接收或检测由另外的换能器所传输的声波或声学信号中的至少一个。
该换能器可配置成接收或检测存在于流体流动路径内的流体的压力。
该换能器可配置成接收或检测存在于流体流动路径内的流体压力的变化。
该换能器可配置成接收或检测流体管道壁内的应力或应力的变化。
声换能器可配置成沿着相对于所述流体管道纵向轴线的径向方向将声波传输到流体流动路径和/或从所述流体流动路径接收声波。
声换能器可配置成沿着相对于所述流体管道纵向轴线的非径向方向的方向将声波传输到流体流动路径和/或从所述流体流动路径接收声波。
声换能器可配置成沿着相对于所述流体管道纵向轴线限定弦线的路径将声波传输到流体流动路径和/或从所述流体流动路径接收声波。
声换能器可配置成沿着具有平行于所述流体管道纵向轴线的分量的方向将声波传输到流体流动路径和/或从所述流体流动路径接收声波。
声换能器可设置于流体管道的外部。
声换能器可设置于基部构件的外部。
声换能器可安装到流体管道上或由流体管道支撑。
声换能器可安装在基部构件上或由基部构件支撑。
声换能器可安装在流体管道的外表面上或由流体管道的外表面支撑。
声换能器可安装在基部构件的外表面上或由基部构件的外表面支撑。
声换能器可接合于流体管道的外表面。
声换能器可接合于基部构件的外表面。
声换能器可部分地或完全地嵌入到流体管道内。
声换能器可部分地嵌入到所述基部构件内。
流体管道可限定凹部。这样的凹部可用于相对于所述流体流动路径和/或相对于一个或多个另外的声换能器准确地定位声换能器。
声换能器可部分地或完全地设置于所述凹部内。
凹部可限定底表面。
声换能器可安装到凹部的底表面或由凹部的底表面支撑。
声换能器可接合于凹部的底表面。
复合区域可限定于流体流动路径和凹部的底表面之间。
复合区域可限定于均质区域和凹部的底表面之间。该复合区域可给在凹部附近的流体管道提供更大的结构强度，而不过度劣化流体流动路径和声换能器之间的声能传输。
凹部的底表面可以是成角度的。这种具有成角度的底表面的凹部可不仅用于相对于所述流体流动路径和/或相对于一个或多个另外的声换能器准确地定位所述声换能器，而且还可用于相对于所述流体流动路径和/或相对于一个或多个另外的声换能器准确地取向声换能器。这可用于确保声波沿着穿过流体流动路径和/或声换能器之间的期望路径传输。
流体传感器可包括设置于流体管道和声换能器之间的阻抗匹配材料。
阻抗匹配材料可包括树脂或凝胶。
流体传感器可包括设置于换能器外部的复合材料外层，该复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料中的一个或多个增强元件。复合材料的外层可提供具有额外结构强度的流体传感器，其适于与高压流体流动一起使用和/或适于在高压环境中使用。
复合材料的外层可沉积在换能器上或形成在换能器的上方。
复合材料的外层可设置于基部构件的外部。
复合材料的外层可设置于复合材料内层的外部。
复合材料的外层可沉积在复合材料的内层上或形成在复合材料的内层上方。复合材料外层的复合材料可包括与复合区域相同的复合材料。
复合材料外层的复合材料和复合区域的复合材料可包括不同的材料。
声换能器可部分地或完全地嵌入到复合材料的外层内。
声换能器可配置成在一个或多个超声频率下操作。
声换能器可配置成在0兆赫-100兆赫范围内、在1兆赫-10兆赫范围内、或在频率集中到基本上等于5兆赫范围内的一个或多个频率下操作。
声换能器可包括压电材料。
声换能器可包括陶瓷材料
声换能器可包括钛酸锆(zirconium titanate)(PZT)。
声换能器可包括压电材料层
压电材料层可具有相当于在声换能器的声操作频率下的波长一半的厚度。
声换能器可包括在压电材料和流体管道之间的在压电材料层前表面上的前面层。
前面层可具有相当于在声换能器的声操作频率下的波长四分之一的厚度。
前面层可具有一定的声阻抗，其介于压电材料的声阻抗和聚合物基质材料的声阻抗之间。这样的前面层可增强压电材料和流体管道之间的声波耦合。
在流体流动路径和声换能器之间的流体管道壁的厚度可相当于在声换能器的声操作频率下的波长的四分之一。这样的流体管道可用于增强压电材料和流体流动路径之间的声波耦合。
聚合物基质材料可具有的一定的声阻抗，其介于压电材料的声阻抗和油或水的声阻抗之间。
声换能器可包括在压电材料层后面侧的背衬层。
背衬层可配置成在所述声换能器的声操作频率下至少部分地抑制声波反射。背衬层可配置成在所述声换能器的声操作频率下至少部分地吸收声波。
流体传感器可包括填料构件。
填料构件可包括硬质的、刚性的和/或非顺从性(non-compliant)材料。
填料构件可包括与聚合物基质材料相同的聚合物材料。
填料构件可设置于换能器和流体管道之间。
填料构件可设置于换能器的后面和所述流体管道之间。
填料构件可设置于换能器的一侧和流体管道之间。
填料构件可设置于换能器和所述基部构件之间。
流体传感器可包括设置在换能器和流体管道之间的顺从性(non-compliant)填料材料。
顺从性填料材料可包括灌封化合物、树脂或凝胶。
顺从性填料材料可包括与阻抗匹配材料相同的材料。
流体传感器可包括电信号发生器和电信号接收器。
电信号发生器和电信号接收器可配置成在一个或多个超声频率下操作。
电信号发生器和电信号接收器可配置成在0兆赫-100兆赫范围内、在1兆赫-10兆赫范围内、或在频率集中到基本上等于5兆赫范围内的一个或多个频率下操作。
电信号发生器可在第一时间下耦合到声换能器以及所述电信号接收器可在与第一时间不同的第二时间下耦合到声换能器。
流体传感器可包括多个声换能器。
每个声换能器可设置于流体流动路径的外部。
所述多个声换能器相对于所述流体管道的纵向轴线可在周向上分布。
所述多个声换能器可相对于所述流体管道的纵向轴线在轴向上分布。
所述多个声换能器可包括发射换能器和接收换能器。
发射换能器可配置成将声波经由流体流动路径传输到接收换能器。发射换能器和接收换能器可彼此成角度。
发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着相对于所述流体管道纵向轴线的径向方向将声波传输到接收换能器。发射换能器和接收换能器可相对于流体管道的纵向轴线径向地相反设置。
发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着相对于所述流体管道纵向轴线的非径向方向的方向将声波传输到接收换能器。
发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着相对于所述流体管道纵向轴线限定弦线的路径将声波传输到接收换能器。发射换能器和接收换能器可设置于相对于流体管道的纵向轴线限定的弦线的相对两端处。
发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着具有平行于所述流体管道纵向轴线的分量的方向将声波传输到接收换能器。
电信号发生器可耦合到发射换能器以及所述电信号接收器可耦合到接收换能器。
所述多个声换能器可包括发射换能器和多个接收换能器。每个接收换能器可布置在围绕所述流体流动路径的不同位置处。接收换能器的这种布置可允许沿着多个不同的方向从所述流体流动路径接收声波。这可允许从存在于流体流动路径中的任何流体来测量反向散射。这可允许可从接收到的声波来确定气泡的尺寸和密度，或者可允许从所接收到的声波来确定流体组成和/或分布。
所述多个接收换能器可布置成阵列。接收换能器的这种阵列可用作相控阵列，以允许沿着从流体流动路径的一个或多个优选的离散方向检测声波。
所述多个声换能器可包括多个发射换能器和一个接收换能器。多个发射换能器可布置成阵列。发射换能器的这种阵列可用作相控阵列，以允许沿着朝向流体流动路径的一个或多个优选的离散方向发射声波。
流体传感器可包括多个换能器对，其中每对换能器包括发射换能器和接收换能器，并且其中每对换能器的发射换能器配置成经由所述流体流动路径沿着不同的方向将声波传输到相应的接收换能器。
每对换能器的发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着相对于所述流体管道纵向轴线的不同径向方向将声波传输到相应的接收换能器。
每对换能器的发射换能器可配置成经由流体流动路径沿着相对于所述流体管道的纵向轴线由不同的弦线所限定的方向将声波传输到相应的接收换能器。
流体传感器可包括用于将电磁辐射传输到流体流动路径的源和用于从流体流动路径接收电磁辐射的传感器。电磁辐射可具有在1千赫至1赫兹、10千赫至100千兆赫、100千赫至10千兆赫、或1兆赫到1千兆赫范围内的频率。电磁辐射可包括射频(RF)辐射、微波辐射、和/或毫米波辐射中的至少一个。这样的流体传感器可允许在存在于流体流动路径内的任何流体上执行电磁测量来提供关于流体的附加信息。
流体传感器可包括电振荡器、增益介质或适于电信号的放大器。当与配置成限制电磁能量的空腔构件结合使用时，电振荡器、增益介质或放大器可限定电磁谐振器，其具有一定的谐振频率，所述谐振频率取决于由包括存在于流体流动路径中的任何流体的空腔构件限定的电磁场容量。电信号可具有在1KHz至1THz、10KHz至100GHz，100KHz至10GHz，或1MHz至1GHz范围内的频率。电信号可包括射频(RF)电信号、微波频率电信号，和/或毫米波频率电信号。
流体管道的材料可配置成具有介于钢的声阻抗和油或水的声阻抗之间的声阻抗。
基部构件的材料可配置成具有介于钢的声阻抗和油或水的声阻抗之间的声阻抗。
聚合物基质材料可具有在1MPa.s.m-1至46MPa.s.m-1之间、在1.5MPa.s.m-1至3.5MPa.s.m-1之间、或在2.4MPa.s.m-1至2.6MPa.s.m-1之间的声阻抗。
流体管道的复合材料可具有在1MPa.s.m-1至46MPa.s.m-1之间、在1.5MPa.s.m-1至3.5MPa.s.m-1之间、或在2.4MPa.s.m-1至2.6MPa.s.m-1之间的声阻抗。
流体管道的材料可配置成具有选择成基本上匹配油或水的声阻抗的声阻抗。
基部构件的材料可配置成具有选择成基本上匹配油或水的声阻抗的声阻抗。
聚合物基质材料可包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种。
聚合物基质材料可包括聚芳基醚酮，聚芳基酮，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚碳酸酯，聚氯乙烯(PVC)，聚酰胺，聚酰胺11(PA11)，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚苯硫醚(PPS)，聚乙烯亚胺(PEI)，聚甲醛(POM)，缩醛，硬化树脂，聚合物树脂，和环氧树脂中的至少一种。
所述一个或多个增强元件可配置成吸收电磁辐射。所述一个或多个增强元件可配置成吸收具有在1KHz至1THz、10KHz至100GHz，100KHz至10GHz，或1MHz至1GHz范围内的频率。使用这种增强元件可允许复合材料的外层用作复合空腔构件，其用于至少部分地限制具有在任何这样的频率范围内的频率的电磁场。这样的复合空腔构件可限定适于电磁场的空腔，所述空腔至少部分地延伸到流体流动路径中。这样的空腔可允许除了使用换能器来执行声学测量之外对存在于流体流动路径中的流体进行电磁测量。这种电磁测量可提供关于存在于流体流动路径中的任何流体的附加信息，或可允许测量存在于流体流动路径中的任何流体的附加性能。所述一个或多个增强元件可配置成吸收在以射频(RF)、微波频率，和/或毫米波频率的电磁辐射。所述一个或多个增强元件可以是导电的。
所述一个或多个增强元件对于电磁辐射而言可以是基本上透过的。所述一个或多个增强元件对于具有在1KHz至1THz、10KHz至100GHz，100KHz至10GHz，或1MHz至1GHz范围内的频率的电磁辐射而言可以是基本上透过的。使用这样的增强元件可允许复合材料给基部构件提供附加的结构支撑，而不对具有在任何这样的频率范围内的频率的电磁场提供任何限制。所述一个或多个增强元件可对于在射频(RF)、微波频率、和/或毫米波频率的电磁辐射而言是基本上透过的。所述一个或多个增强元件可以是基本上不导电的。
所述一个或多个增强元件可包括碳纤维。
所述一个或多个增强元件可包括金属纤维。
所述一个或多个增强元件可包括聚合物纤维，例如芳族聚酰胺纤维。所述一个或多个增强元件可包括非聚合纤维，例如玻璃，玄武岩纤维和/或类似物。所述一个或多个增强元件可包括E-玻璃。
所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于流体管道的纵向轴线可以预定的角度排列。
所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于基部构件的纵向轴线可以正的角度排列，以及所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于流体管道的纵向轴线可以负的角度排列。
所述一个或多个增强元件中的至少一个可平行于流体管道的纵向轴线排列，或相对于流体管道的纵向轴线周向地排列。
根据本发明的第二方面，提供检测流体性能的方法，所述方法包括：
通过流体管道壁的复合区域从由壁所限定的流体流动路径接收声波；
其中复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基体材料内的一个或多个增强元件。
该方法可包括将声波通过流体管道壁的复合区域传输到流体流动路径。
该方法可包括在流体流动路径内定位流体。
该方法可包括沿着流体流动路径通过或流动流体。
该方法可包括确定所发射的声波的振幅或能量。
该方法可包括确定所接收到的声波的振幅或能量。
该方法可包括从所传输和接收的声波所确定的振幅或能量确定通过流体流动路径的声波的发射和/或吸收。
该方法可包括测量声波的飞行时间。
该方法可包括确定所述声波的速度。
该方法可包括从声波的速度确定流体流动路径内的流体的性能。
该方法可包括测量所接收到的声波和所发射的声波之间的相位延迟。该方法可包括为此目的使用相位比较器和/或相位锁定环。
该方法可包括从流体流动路径接收多个声波。每个所接收到的声波可沿着不同于其它声波的方向行进。
该方法可包括从所接收的多个声波确定气泡的尺寸和密度。
该方法可包括从所接收到的多个声波确定流体组成和/或分布。
该方法可包括沿着相对于所述流体管道纵向轴线的径向方向传输声波。
该方法可包括沿着相对于所述流体管道纵向轴线的径向方向接收声波。
该方法可包括接收多个声波，每个声波沿着相对于所述流体管道纵向轴线的不同于其它声波的径向方向接收。
该方法可包括沿着具有平行于流体管道纵向轴线的分量的方向上发射(或传输)声波。
该方法可包括沿着具有平行于流体管道纵向轴线的分量的方向上接收声波。
该方法可包括沿着相对于所述流体管道纵向轴线限定弦线的方向上发射(或传输)声波。
该方法可包括沿着相对于所述流体管道纵向轴线限定弦线的方向上接收声波。
使用这种方法测量的声波飞行时间可取决于在流体流动路径内的流体的流速。这可允许从飞行时间来确定在流体流动路径内流体的流速。
该方法可包括在同一时间从所述流体流动路径接收每个声波。这样的方法可允许确定在流体流动路径内的流体的分布。这样的方法可允许使用相位阵列技术在优先方向上检测来自流体流动路径的声波。
该方法可包括在不同于其它声波的时间接收来自所述流体流动路径的每个声波。这样的方法可允许在流体流动路径内的流体性能的变化，诸如在一段时间内要被监测的流体流动路径内的流体组成和/或流速。
该方法可包括将多个声波发射(或传输)到所述流体流动路径。
该方法可包括沿着与其它声波不同的方向将每个声波传输到流体流动路径。
该方法可包括在同一时间将每个声波传输到流体流动路径。这样的方法可允许使用相位阵列技术在优先方向上将声波传输到流体流动路径。
该方法可包括在与其它声波不同的时间将每个声波传输到流体流动路径。这样的方法可允许在流体流动路径内的流体性能的变化，诸如在一段时间内要被监测的流体流动路径内的流体组成和/或流速。
根据本发明的第三方面，提供制造流体传感器的方法，其包括：
提供具有限定流体流动路径的壁的流体管道；和
提供设置于流体流动路径外部的声换能器；
其中所述流体管道的壁包括在声换能器和流体流动路径之间的复合区域，所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。
该方法可包括在所述流体管道内形成凹部。
该方法可包括将换能器设置在凹部中。
该方法可包括提供基部构件。
基部构件可以是均质的。
基部构件可包括聚合物基质材料。
该方法可包括将复合材料的内层外部地提供到基部构件，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料中的一个或多个增强元件。
该方法可包括在复合材料内层内形成凹部。
该方法可包括在基部构件内形成凹部。
该方法可包括将复合材料外层外部地提供到换能器，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基质材料中的一个或多个增强元件。
该方法可包括将复合材料的外层提供到换能器上或上方。
该方法可包括将复合材料的外层形成到换能器上或上方。
复合材料外层的复合材料可包括与复合区域相同的复合材料。
该方法可包括将复合材料的外层外部地提供到基部构件。
该方法可包括将复合材料的外层外部地提供到复合材料的内层。
该方法可包括将复合材料的外层提供到复合材料的内层上或上方。
该方法可包括在复合材料的内层上或上方形成复合材料外层。该方法可包括将填料构件定位在换能器的外部。
填料构件可包括聚合物基质材料。
该方法可包括将填料构件的后面与复合材料内层的外表面平齐排列。
该方法可包括将复合材料的外层形成到填料构件上或上方。
该方法可包括将顺从性填料材料施加到换能器。
该方法可包括将顺从性填料材料施加至填料构件。
该方法可包括将顺从性的填料材料施加到复合材料的内层和外层的一者或两者。
根据本发明的第四方面，提供一种流体传感器，其包括：
限定流体流动路径的基部构件；和
声换能器，其设置于所述流体流动路径的外部用于将声波通过所述基部构件的壁的至少一部分传输到流体流动路径和/或用于从流体流动路径通过所述基部构件的壁的至少一部分接收声波；
其中基部构件包括聚合物材料。
基部构件可包括均质材料。
基部构件可包括复合材料，所述复合材料包括聚合物材料和嵌入到聚合物材料内的一个或多个增强元件。
基部构件的壁可包括在流体流动路径和所述声换能器之间的均质区域，其中所述均质区域包括所述聚合物基质材料切且基本上没有增强元件。
基部构件的壁可包括在流体流动路径和所述声换能器之间的复合区域，所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物材料和嵌入到聚合物材料内的一个或多个增强元件。
复合区域可设置于均质区域和声换能器之间。
复合区域可比均质区域薄。复合区域的厚度可选择成给基部构件提供所需的结构强度，而不过度劣化通过基部构件的壁在流体流动路径和所述声换能器之间的声能传输。
根据本发明的第五方面，提供一种检测流体性能的方法，其包括：
将声波通过包括聚合物材料的基部构件的壁的至少一部分传输到由基部构件限定的流体流动路径；以及
通过基部构件的壁的至少一部分从所述流体流动路径接收声波。
根据本发明的第六方面，提供制造流体传感器的方法，其包括：
提供限定流体流动路径的基部构件，所述基部构件包括聚合物；和
在所述流体流动路径的外部提供声换能器。
附图说明
现在将仅参考以下附图通过非限制性示例的方式描述本发明，其中：
图1(a)是流体传感器的纵向截面示意图；
图1(b)是图1(a)所示的流体传感器在AA上的横截面示意图；
图2是图1(a)和图1(b)在声换能器附近的流体传感器声换能器纵向截面示意图的细节；
图3(a)是在声换能器附近的第一替代流体传感器的纵向截面示意图的细节；
图3(b)是图3(a)所示的流体传感器在AA上的横截面示意图的细节；
图4是在声换能器的附近的第二替代流体传感器的纵向截面示意图的细节；
图5是在声换能器附近的第三替代流体传感器的纵向截面示意图的细节；
图6是第四替代流体传感器的纵向截面示意图；
图7是第五替代流体传感器的横截面示意图；以及
图8是第六替代流体传感器的纵截面示意图。
具体实施方式
首先参考图1(a)和图1(b)，提供通常标记为2的流体传感器，其包括为管4形式的流体管道，为发射超声波换能器6形式的发射声波的换能器和为接收超声换能器8形式的接收声换能器。管4具有限定流体流动路径10的壁9。管4包括内部套筒12和内部复合层14a，所述内部套筒12从均质的聚醚醚酮(PEEK)材料形成，并且内部复合层14a围绕PEEK套筒12形成。内部复合层14a包括复合材料，其由PEEK基质材料和在PEEK基质材料内的一根或多根碳纤维形成。内部复合层14a的PEEK基质材料与PEEK套筒12的PEEK材料相连。
该声换能器6，8以径向地彼此相对的方式安装在管4上。流体传感器2包括形成在复合材料内层14a上的复合材料的外层14b和声换能器6，8。复合材料的外层14b包括PEEK基质材料和在PEEK基质材料内的一个或多个碳纤维增强的元件。复合材料外层14b的PEEK基质材料与内部复合层14a的PEEK基质材料和PEEK套筒12的PEEK材料是相连。
电缆16延伸穿过复合材料的外层14b到达发射换能器6以便将电信号从电信号发生器(未示出)传输到发射换能器6。类似地，电缆18延伸穿过复合材料的外层14b到达接收换能器8以便电信号从接收换能器8传输到电信号接收器(未示出)。
图2示出更详细地示出在接收换能器8附近的图1(a)和图1(b)所示的流体传感器2。接收换能器8包括半球形壳体20，其包围夹置于四分之一波长厚的前面层24和吸收背衬层26之间的钛酸锆(PZT)压电材料层22。前面层24的声阻抗被选择成用于在前面层24内进行多次反射的相长干涉。背衬层26至少部分地抑制声能的反射。前面层24和/或背衬层26的存在可导致通过管4的壁9在流体流动路径10和PZT层22之间声能更有效地耦合。壳体20限定在其前侧中的窗口28。阻抗匹配树脂材料(未示出)可在管4的壁9的材料和壳体20的窗口28之间提供，使用这种阻抗匹配树脂材料可导致换能器8和管4的壁9的材料之间声能更有效地耦合。
流体传感器2还包括PEEK填料构件40，所述PEEK填料构件40在其前表面43内限定用于容纳所述接收换能器8的凹部42。灌封化合物或顺从性填料材料(未示出)可设置在PEEK填料构件40的每一侧45和内部复合层14a的复合材料之间。使用这种顺从性填料材料可避免围绕PEEK填料构件40形成任何空气填充的空隙，否则当高压流体存在于流体流动路径10中时和/或当流体传感器2设置于高压环境中时，该空隙可能有损于流体传感器2的压力完整性。顺从性填料材料可包括与阻抗匹配树脂材料相同的材料。
虽然未在图1(a)，图1(b)和图2中明确示出，但是应当理解的是，电缆16，18相对于PEEK填充部件40和复合材料的外层14b密封。流体传感器2为此目的例如可包括围绕电缆16，18的顺从性填料材料(未示出)。但是应当理解的是，在发射换能器6附近的图1(a)和图1(b)所示的流体传感器2的细节与针对接收换能器8的上面描述是相同的。
流体传感器2的制造在不同阶段中实现。在第一阶段中，管4的内部复合层14a的复合材料沉积或形成于内部套筒12上，在第二阶段中，形成具有底表面51和侧面52的凹部50，例如，在内部复合层14a中加工而成。凹部50的深度被选择成限定复合区域53，其为在PEEK套筒11的外表面和凹部50的底部51之间的复合材料的剩余厚度形式。这可给凹部50附近的管4提供更大的结构强度，而不会过度劣化流体流动路径10和接收换能器8之间的声能传输。
阻抗匹配树脂材料被施加到凹部50的底部51和/或施加到所述窗口28。顺从性填料材料施加到PEEK填料构件40的侧面和/或施加到凹部50的侧面52。接收换能器8和PEEK填料构件40***到凹部50内，使得PEEK填料构件40的背面54与内部复合层14a的外表面56齐平。然后复合材料的外层14b沉积到或形成到内部复合层14a以及PEEK填料构件40的背侧54上或上方，直至复合材料的外层14b是完整的。
在使用中，流体定位成例如流动通过流体流动路径10。发射超声换能器6将声波通过流体流动路径10内的流体通过邻近于每个换能器6，8的PEEK套筒12和复合区域53传输到接收超声换能器8。使用一种或多种已知的技术从经由电缆16施加到发射换能器6的电信号的获知以及经由电缆18从接收换能器8所接收到的电信号的测量和分析来确定流体流动路径10中的流体性能。例如，通过流体流动路径10中流体的声波的声速可从从发射换能器6到接收换能器8的声波飞行时间的测量来确定，并且在适于各种已知流体的校准过程中将所确定的声速与使用流体传感器2测得的声速进行比较。
图3(a)和图3(b)示出在接收换能器108附近的第一替代流体传感器102的细节。第一替代流体传感器102和流体传感器2共享许多相同的特征，因此在图3(a)和图3(b)中所示的第一替代流体传感器102的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“100”。类似于图2中所示的声换能器8，在图3(a)和图3(b)中所示的声换能器108安装在限定流体流动路径110的管104上。管104包括PEEK套筒112和复合材料层114，复合材料层114包括嵌入到围绕PEEK套筒112形成的PEEK基质材料内的碳纤维。电缆118延伸通过复合层114到达声换能器108以便将电信号从声换能器108传输到电信号检测器(未示出)。
换能器108还包括大致圆柱形的壳体120，所述壳体120具有其前表面内的窗口128。类似于在图2中所示的换能器8，在图3(a)和图3(b)中所示的换能器108包括夹置于四分之一波长厚的前面层124和吸收背衬层126之间的PZT层122。然而，不像图2中所示的流体传感器2，在图3(a)和图3(b)中所示的流体传感器102没有填料构件。但是应当理解的是，聚醚醚酮套筒112、复合层114的相对厚度、以及换能器106的层122，124和126的相对厚度可不同于图3(a)和图3(b)中所示的那些。
在图3(a)和图3(b)中所示的第一替代流体传感器102的制造过程中，形成凹部150，例如在复合层114中加工而成。凹部150的深度选择成使得所述凹部的底部151刚好接触PEEK套筒的外表面112。作为换能器108的壳体120的大致圆柱形的几何形状的结果，大致环形的复合区域153由PEEK套筒112的外表面和凹部150的底部151之间的复合材料的剩余厚度限定。复合区域153可给在凹部150附近的管104的壁109提供一定的结构强度而不会过度地劣化流体流动路径110和接收换能器108之间的声能传输。阻抗匹配树脂材料可提供在凹部150的底部151和壳体120的窗口128之间。顺从性填料材料(未示出)可提供在换能器108的壳体120的侧面145和复合层114的复合材料之间。
图4示出在接收换能器208附近的第二替代流体传感器202的细节。第二替代流体传感器202和流体传感器2共享许多相同的特征，因此在图4中所示的第二替代流体传感器202的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“200”。类似于图2中所示的声换能器8，在图4中所示的声换能器208安装在限定流体流动路径210的管204上。管204包括PEEK套筒212和复合材料内层214a，复合材料内层214a包括嵌入到围绕PEEK套筒212形成的PEEK基质材料内的碳纤维。复合材料外层214b沉积复合材料内层214a和声换能器208上或形成在复合材料内层214a和声换能器208的上方。
类似于图2中所示的换能器8，在图4中所示的换能器208包括夹置于四分之一波长厚的前面层224和吸收背衬层226之间的PZT层222。但是，不像图2中所示的换能器8，图4中所示的换能器208没有壳体。取而代之的是，换能器208的层222，224和226直接安装到管204，由此使得换能器208的前面层224或者接合内部复合层214a的外表面256，或通过阻抗匹配树脂材料(未示出)从内部复合层214a的外表面256分离。此外，不像图2中所示的换能器8，图4中所示的换能器208没有填料构件。顺从性填料材料244提供在换能器208的层222，224和226的侧面245和复合材料外层214b之间。但是应当理解的是，PEEK套筒212和内部复合层214a的相对厚度，外部复合层214b的相对厚度，以及换能器208的层222，224和226的相对厚度可不同于图4中所示的那些。
图5示出在接收换能器308附近的第三替代流体传感器302的细节。第三替代流体传感器302和流体传感器2共享许多相同的特征，因此在图5中所示的第三替代流体传感器的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“300”。类似于图2中所示的声换能器8，声换能器308安装在限定流体流动路径310的管304上。管304包括PEEK套筒312和复合材料内层314a，复合材料内层314a包括嵌入到围绕PEEK套筒312形成的PEEK基质材料内的碳纤维。复合材料外层314b包括设置于复合材料内层314a外侧的嵌入到PEEK基质内的碳纤维。凹部350在复合材料外层314b内形成以容纳所述声换能器308。类似于图2中所示的换能器8，换能器308包括壳体320，其包围PZT层322和吸收背衬层326。然而，不同于图2中所示的换能器8，换能器308没有前面层。取而代之，在换能器308和流体流动路径310之间的管304的壁309的该部分的厚度被选择成为波长的四分之一厚。壳体320在其前侧上限定窗口328。阻抗匹配树脂材料(未示出)可提供在管304的壁309材料和壳体320的窗口328的之间。顺从性填料材料(未示出)可提供在壳体320的每一侧345和复合材料的外层314b之间。
图6示出第四替代流体传感器402的细节，其和参照图1(a)，图1(b)和图2所述的流体传感器2共享许多相同的特征。因此在图6中所示的第四替代流体传感器402的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“400”。类似于流体传感器2，图6的流体传感器402包括管404，第一超声换能器406和第二超声换能器408。管404限定在其内部的流体流动路径410。管404包括PEEK套筒412和复合材料内层414a，复合材料内层414a包括嵌入到围绕PEEK套筒412形成的PEEK基质材料内的碳纤维。在第一阶段期间，第一超声换能器406配置成发射声波以及所述第二超声换能器408配置成接收声波。在第二阶段期间，所述第二超声换能器408配置成发射声波以及所述第一超声换能器406配置成接收声波。
声换能器406，408安装在管404上。流体传感器402包括复合材料的外层414b，其设置于复合材料内层414a的外部且其包括PEEK基质和嵌入到PEEK基质内的一个或多个碳纤维增强元件。复合材料的外层414b设置于声换能器406，408的外部。
类似于图1(a)，图1(b)和图2的声换能器6，8，每个声换能器406，408包括半球形壳体420，其包围夹置于四分之一波长厚的前面层(未示出)和吸收背衬层(未示出)之间的PZT层(未示出)。每个壳体420限定在其前侧上的窗口(未示出)。
流体传感器402还包括PEEK填料构件440，每个PEEK填料构件440在其前表面443上限定凹部442以便容纳所述换能器406，408。然而不像图1(a)，图1(b)和图2的声换能器6，8，该声换能器406，408在轴向上彼此偏移并朝向彼此成角度。阻抗匹配树脂材料430提供在管404的材料和每个壳体420的窗口之间，以便适应换能器406，408的角度。声换能器406，408的成角度的布置可意味着根据流体流动路径410中的流体流速用于将声信号从第一换能器406传输到第二换能器408的第一飞行时间不同于用于将声信号从第二换能器408传输到第一换能器406的第二飞行时间。这可允许流体流动路径410中的流体流速从第一和第二飞行时间的测量值来确定。
图7示出第五替代流体传感器502，其和参照图1(a)，图1(b)和图2所述的流体传感器2共享许多相同的特征。因此在图7中所示的第五替代流体传感器502的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“500”。类似于流体传感器2，流体传感器502包括以管504形式的流体管道，管504在其内部限定流体流动路径510。管504包括PEEK套筒512和复合材料内层514a，复合材料内层514a包括嵌入到围绕PEEK套筒512形成的PEEK基质材料内的碳纤维。
类似于流体传感器2，流体传感器502还包括发射超声换能器506和主接收超声换能器508。换能器506，508设置于流体流动路径510的外部。然而，不像流体传感器2，流体传感器502还包括辅助接收超声换能器560，其也设置在流体流动路径510的外部围绕基管504周边的不同位置处。
复合材料内层514a的厚度的至少一部分限定在PEEK套筒512和每个换能器506，508，560之间的复合区域。
流体传感器502还包括复合材料的外层514b，其设置于复合材料内层514a的外部，并且其包括PEEK基质和嵌入到PEEK基质内的一个或多个碳纤维增强元件。复合材料外层514b设置于换能器506，508和560的外部。
在使用中，辅助接收超声换能器560可用于接收散射的声波，所述声波指示存在于或流动通过流体流动路径510的流体中的气泡或气穴，表示存在于或流动通过流体流动路径510的流体中的颗粒，和/或表示存在于或流动通过流体流动路径510的流体的组成或分布的变化。
图8示出第六替代流体传感器602，其和参照图1(a)，图1(b)和图2所述的流体传感器2共享许多相同的特征。因此在图8中所示的第六替代流体传感器602的特征具有与图1(a)，图1(b)和图2的流体传感器2的相应特征相同的附图标记，加上“600”。类似于流体传感器2，流体传感器602包括以管604形式的流体管道，管604在其内部限定流体流动路径610。管604包括PEEK套筒612和复合材料内层614a。类似于流体传感器2，流体传感器602还包括发射超声换能器606和接收超声换能器608。换能器606，608安装在管604上。复合材料内层614a的厚度的至少一部分限定在PEEK套筒612和每个换能器606，608之间的复合区域。
流体传感器602还包括PEEK空腔填料构件670和复合空腔构件614b，复合空腔构件614b包括PEEK基质和嵌入到PEEK基质内的一个或多个碳纤维增强元件。流体传感器602包括设置于PEEK空腔填料构件670和复合腔体构件614b之间的贴片天线672。复合空腔构件614b设置于换能器606，608、PEEK空腔填料构件670与贴片天线672的外部。贴片天线672从复合空腔构件614电隔离。电连接由绝缘电缆674提供给贴片天线672。在使用时，该复合空腔构件614在其内部限定适于射频电磁场的谐振腔。这种流体传感器602可允许除了使用换能器606，608对流体进行声学测量之外还在存在于流体流动路径610中的流体上执行电磁测量。这种电磁测量可允许确定存在于流体流动路径610中的流体的附加性能。
本领域内的技术人员将理解的是，可对参照图1至8描述的任何流体传感器进行各种修改。例如，声换能器的数目和/或布置可不同于在图1至8中示出的声换能器的数目和/或布置。一个或多个换能器可配置成接收或检测声波或声信号中的至少一个，所述声波或声信号在存在于流体流动路径中的流体内传输、由存在于流体流动路径中的流体传输或通过存在于流体流动路径中的流体传输。一个或多个换能器可配置成接收或检测存在于流体流动路径中的流体的压力。一个或多个换能器可配置成接收或检测存在于流体流动路径中的流体压力的变化。一个或多个换能器可配置成接收或检测在流体管道或管的壁内的应变或应变变化。
可能没有必要在声换能器的壳体与管壁的材料之间或在声换能器的壳体和复合材料外层之间提供顺从性的填料材料。在形成复合材料外层的过程中，可将PEEK填料构件的PEEK材料和管壁的PEEK材料熔融并熔合在一起，从而避免PEEK填料构件40周围的任何空隙的形成。
一个或多个换能器可部分地或完全地嵌入到管壁内。一个或多个换能器可部分地或完全地设置于形成在管壁中的凹部内。
一个或多个换能器可部分地或完全地设置于形成在管壁中的成角度的凹部内。这种成角度的凹部可在预定的位置和角度下形成，所述位置和角度选择成用于将声波横跨流体流动路径在换能器之间传输。
流体流动路径可具有圆形或非圆形的横截面。
发射和接收换能器可设置于相对于管轴线的相同轴向位置处。然而，不是彼此径向相对地布置在流体流动路径的不同侧上以便穿过横跨流体流动路径所限定的直径在其间传输声波，而是发射和接收换能器可朝向彼此成角度以便沿着穿过流体流动路径所限定的弦线传输声波。
尽管所有上述的流体传感器包括流体管道，所述流体管道具有壁，所述壁包括声换能器和流体流动路径之间的复合区域，但是应当理解的是，在如上所述的任何所述流体传感器的变型中，容纳所述声换能器的凹部可一直延伸通过内部复合层进入PEEK套筒内。在这种流体传感器的变型中，均质的PEEK材料从所述流体流动路径延伸到声换能器。

Claims (41)

1.流体传感器，包括：
具有限定流体流动路径的壁的流体管道；和
设置于所述流体流动路径外部的声换能器；
其中所述流体管道的所述壁包括在所述声换能器和所述流体流动路径之间的复合区域，所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到所述聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。
2.根据权利要求1所述的流体传感器，其中所述流体管道的所述壁包括在所述流体流动路径和所述复合区域之间的均质区域，其中所述均质区域包括所述聚合物基质材料且基本上没有增强元件。
3.根据权利要求2所述的流体传感器，其中所述复合区域比所述均质区域薄。
4.根据权利要求2或3所述的流体传感器，其中所述流体管道包括从所述聚合物基质材料形成的均质基部构件。
5.根据权利要求4所述的流体传感器，其中所述流体管道包括设置于所述基部构件外部的复合材料的内层。
6.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述声换能器安装到所述流体管道上或由所述流体管道支撑。
7.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述声换能器部分地或完全地嵌入到所述流体管道内。
8.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述流体管道限定凹部以及所述声换能器部分地或完全地设置于所述凹部内。
9.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，包括设置于所述流体管道和所述声换能器之间的阻抗匹配材料、树脂或凝胶。
10.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述流体管道包括设置于所述换能器外部的复合材料的外层，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到所述聚合物基质材料中的一个或多个增强元件。
11.根据权利要求10所述的流体传感器，其中复合材料的所述外层的所述复合材料包括与所述流体管道的所述复合区域相同的复合材料。
12.根据权利要求10或11所述的流体传感器，其中复合材料的所述外层设置于所述复合材料内层的外部。
13.根据权利要求10至12的任一项所述的流体传感器，包括硬质的、刚性的和/或非顺从性的填料构件。
14.根据权利要求13所述的流体传感器，其中所述填料构件包括聚合物基质材料。
15.根据权利要求13或14所述的流体传感器，其中所述填料构件设置于所述换能器和所述流体管道之间。
16.根据权利要求13至15的任一项所述的流体传感器，其中所述填料构件设置于所述换能器和复合材料的所述外层之间。
17.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，包括设置于所述换能器和所述流体管道之间的顺从性填料材料、灌封化合物、树脂或凝胶。
18.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述声换能器包括压电材料层。
19.根据权利要求18所述的流体传感器，其中所述聚合物基质材料具有介于所述压电材料的声阻抗和油或水的声阻抗之间的声阻抗。
20.根据权利要求18或19所述的流体传感器，其中所述声换能器包括在所述压电材料和所述流体管道之间的所述压电材料层的前表面上的前面层，所述前面层具有相当于在所述声换能器的声操作频率下的四分之一波长的厚度。
21.根据权利要求20所述的流体传感器，其中所述前面层具有介于所述压电材料的声阻抗和所述聚合物基质材料的声阻抗之间的声阻抗。
22.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中在所述流体流动路径和所述声换能器之间的所述流体管道的所述壁的厚度相当于在所述声换能器的声操作频率下的四分之一波长。
23.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述聚合物基质材料包括热塑性材料和热固性材料中的至少一种。
24.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中聚合物基质材料包括聚芳基醚酮，聚芳基酮，聚醚酮(PEK)，聚醚醚酮(PEEK)，聚碳酸酯，聚氯乙烯(PVC)，聚酰胺，聚酰胺11(PA11)，聚偏二氟乙烯，聚偏二氟乙烯(PVDF)，聚苯硫醚(PPS)，聚乙烯亚胺(PEI)，聚甲醛(POM)，缩醛，硬化树脂，聚合物树脂，和环氧树脂中的至少一种。
25.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述一个或多个增强元件包括芳族聚酰胺纤维，玻璃纤维，玄武岩纤维和碳纤维中的至少一种。
26.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于所述流体管道的纵向轴线以预定的角度排列。
27.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于基部构件的纵向轴线以正的角度排列，以及所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于所述流体管道的纵向轴线以负的角度排列。
28.根据任一前述权利要求所述的流体传感器，其中所述一个或多个增强元件中的至少一个平行于所述流体管道的纵向轴线排列，或所述一个或多个增强元件中的至少一个相对于所述流体管道的纵向轴线周向地排列。
29.根据前述任一项权利要求所述的流体传感器，包括设置于所述流体流动路径外部的多个声换能器。
30.根据权利要求29所述的流体传感器，其中所述声换能器中的至少一个配置成发射声能以及所述声换能器中的至少一个配置成接收声能。
31.检测流体性能的方法，所述方法包括：
通过流体管道的壁的复合区域从由所述壁所限定的流体流动路径接收声波；
其中所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到聚合物基体材料内的一个或多个增强元件。
32.根据权利要求31所述的方法，其包括：
将声波通过所述流体管道的所述壁的所述复合区域传输到所述流体流动路径。
33.制造流体传感器的方法，包括：
提供具有限定流体流动路径的壁的流体管道；和
提供所述流体流动路径外部的声换能器；
其中所述流体管道的所述壁包括在所述声换能器和所述流体流动路径之间的复合区域，以及所述复合区域包括复合材料，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到所述聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。
34.根据权利要求33所述的方法，包括：
在所述流体管道内形成凹部；以及
将换能器设置在所述凹部中。
35.根据权利要求33或34所述的方法，包括：
将复合材料的外层形成于所述换能器上或上方，所述复合材料包括聚合物基质材料和嵌入到所述聚合物基质材料内的一个或多个增强元件。
36.根据权利要求35所述的方法，其中复合材料的所述外层的所述复合材料包括与所述流体管道的所述复合区域相同的复合材料。
37.根据权利要求35或36所述的方法，包括在所述换能器的外部设置填料构件。
38.根据权利要求37的方法，其中所述填料构件包括所述聚合物基质材料。
39.种根据权利要求37或38所述的方法，包括将复合材料的所述外层形成于所述填料构件上或上方。
40.根据权利要求37至39任一项所述的方法，包括将顺从性填料材料施加到所述换能器、所述流体管道和所述填料构件中的至少一个上。
41.流体传感器，包括：
限定流体流动路径的基部构件；和
声换能器，其设置于所述流体流动路径的外部，用于将声波通过所述基部构件的壁的至少一部分传输到流体流动路径和/或用于从所述流体流动路径通过所述基部构件的所述壁的至少一部分接收声波；
其中基部构件包括聚合物材料。
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