CN101479575A - 用于层析成像的多相流测量的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定管中流体的流量的方法，该流体包括气体和至少一种液体的多组分混合物，该方法包括下列步骤a)调节多组分混合物流以产生对称的环形气体浓度流条件，b)确定所述对称流在管的横截面内的密度分布和/或介电常数分布，c)确定描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数，d)确定多组分混合物的速率，e)获得温度和压力，以及f)根据流体混合物的组分的密度和/或介电常数的知识，以及来自上述步骤a－e的结果，计算流体混合物的气体和液体组分的体积流量和/或质量流量。也公开了执行该方法的设备。

Description

用于层析成像的多相流测量的方法和设备

本发明涉及用于确定多相流体的成分和各个组分的流量(flow rate)的方法和流量计，分别如权利要求1和18的前序中所限定的。

自从20世纪80年代早期以来，如何计量油水气混合物就是石油工业所关心的问题。从那时起，在适合于在工业环境中使用的三相流量计的开发中进行了相当多的研究。

存在用于测量多相流的一些技术和已知的仪器，如将在下面进一步描述的。这样的仪器需要是相当精确的(一般对于每相，好于速率的±5％)、非介入式的、可靠的、流型(flow regime)独立的，并在全组分百分比范围(full component fraction range)内提供精确的测量。尽管近年来提出了大量解决方案，还没有市场上可买到的三相流量计满足所有这些要求。除了严格的测量要求以外，仪器需要在苛刻的和腐蚀性环境中，例如在海面以下几千米，可靠地完成任务。在管内部，流动的多相流体可在1-50m/s的速度下，以超过1000巴的压力和高于200℃的温度行进。沙子也经常出现并可能损坏仪器的内部。

在油气工业中的多相流通常被定义为液体和气体的混合物，其中也表示为GVF的自由气体的数量少于管体积的90％。对于在范围90％-99.99％内的GVF，多相流通常称为湿气。在很多情况下，在早期生产阶段中产生的井被定义为多相井，并可在油从贮存器中排出且更多的气顶产生时发展成湿气井。为了说明的目的，在本专利申请的上下文中的多相流覆盖全组分百分比范围，因此包括湿气和多相流条件。

油/气贮存器的输出可能根据井的位置和使用期，产生极大的变化。除了油和气组分以外，水、沙和蜡也可能出现在所产生的井流中。因为井的位置和输出可如此广泛地变化，设计成收集和处理该输出的系统也相当大地变化。至今还没有实现石油工业的开发通用多相流量计来代替目前使用的传统分离/单相计量解决方案、财政监控井输出的初始目标。

多相流量计越来越多地用于井测试和分配测量。为了最优化油/气田的生产和寿命，操作人员必须能够定期监控田里每个井的输出。完成这项工作的常规方法是使用测试分离器。测试分离器昂贵，占用生产平台上的宝贵空间，且由于所需要的稳定流条件而需要很长的时间来监控每个井。此外，测试分离器仅仅是中等准确的(一般为每相流量的±5到10％)，且不能用于连续的井监控。三相流量计可代替测试分离器用在第一种情况中，并从长远观点来看可以作为每个井上的永久设施。这样的布置在通常与井测试相关的生产中节省损失。对一般离岸设施来说，这样的损失被估计为大约2％。当公共管道用于将来自不同公司所拥有的很多井的输出输送到处理设备时，需要分配计量。这项工作目前通过使每个井的输出在进入公共管道之前经由测试分离器传送来实现。然而，除了上面描述的测试分离器的缺点以外，还需要到达每个井的专用测试管道。永久安装的三相流量计为分配计量提供了重要的优点。

根据一批主要的石油公司，对多相计在0-99％的气体体积百分比范围(volume fraction range)和0-90％的含水率范围(water cut range)内的精确性要求是：对液体和气体流量的5-10％相对误差，以及在2％abs内的含水率测量误差。对于生产分配应用，需要更精确的测量。商业三相流量计现在通常能够在流量和相部分的相当宽的范围内，将各个相部分的流量测量到小于10％的不确定性。有两个工作区，如果流量不确定性仍然使用当前的组合测量技术——流型相关性和各个相速率(phase velocity)测量——来进一步减小，则需要进一步研究这两个工作区。

市场上可买到的非介入式多相计的一些例子，例如从NO 304333、NO304332、US 5,103,181、WO 00/45133(图5)和US 6,097,786知道的那些多相计，测量横截面成分和相速率以获得流量。为了提供精确的测量，在管的横截面中需要均质混合物。起因于管纵向方向的不均匀性的效应，通常通过横截面成分的快速取样来最小化。由于层流的存在，多相计通常不安装在水平位置中，其中水在管的底部而气体在顶部，这将使测量失真。因此，为了在多相计的管横截面中获得均质混合物，一般惯例采用流在向上或向下的方向上流动的方式来安装多相计。然后可避免层流。然而，当包含气体和液体的多相混合物在垂直方向上流动时，通常出现环形气体浓度。环形气体浓度意味着：在管中心内气体的百分率(GVF)比管壁处的GVF更高。根据特定的安装，气体浓度可为对称或非对称的。对称意味着：GVF沿着任何圆的周长恒定，该圆的原点在管中心内且半径在管中心和管壁之间。环形气体浓度流以与在水平安装中的层流类似的方式使测量失真。在水平管中，所有气体都处于管中间的纯环形流通常仅仅在较高的气体百分比(gas fraction)情况下出现。然而，当流在垂直管中流动时，甚至在中等流量(几米/秒)下和气体百分比低至10％，在管中间获得精确的气体浓度。即使管中间的在较低气体百分比下的气体浓度也将引入严重的测量误差。实际上，液体几乎不会完全无气体。

NO 304333、US 5,103,181、US 6,097,786和US 5,135,684使用核密度计。当核密度计用于测量密度时，不可能得到管的横截面的全覆盖。因此，为了获得精确的测量，它依赖于横截面中的均质混合物。根据铯662keV峰值，一般市场上可买到的用于密度测量的核探测器具有半径为2”和更低的圆面积。如在US 5,135,684和US 6,097,786中描述的，对于双能系统(x射线和γ射线)，由于对管内复合窗的需要，该面积通常更小，以便允许来自低能x射线辐射的辐射通过管。利用一般在市场上可买到的γ射线密度计在2”管中的覆盖面积，一般为管的总横截面积的70-80％。然而，当在6”管中使用时，很难实现管的横截面的超过30％的覆盖。增加覆盖的一种方法是将密度测量置于文丘里管通路内部，如在US 5,135,684中的。然而，将核密度测量置于文丘里管通路内部，也增加了测量截面内的环形流的数量。当源和检测器放置在管的中间时，将会在环形流处测量到太低的密度。当管的面积增加时，测量中的误差将增加。抵消这种效应的一种方法是将密度计偏心地放置。然而，由于管中间的环形气体浓度导致的测量误差仍然相当大。

最小化环形流效应的又一方法是使用混合设备。US Re.36,597描述了一种方法，其中容积式流量计用于测量总流量，并在成分测量之前使多相混合物均质化。环形流接着被最小化；然而，多相计变成高度介入式的和易损坏的，因为它依赖于位于多相流中的机械限制或旋转设备。测量随着时间过去的重复性也易受沙蚀的损坏。减小环形流的出现的另一方法是使用混合器。US 5,135,684提到一种方法，其中滞留罐(hold up-tank)用于使多相流均质化。然而，该结构是高度介入式的，因而产生压力降，并因此限制井的生产能力。混合器的性能也取决于流量和流型，例如气塞和液塞的长度，并可因此限制这样的多相计的操作外壳(operational envelope)。在US6,272,934中描述了基于多相流的混合的另一方法。

减小环形流的效应的又一方法是在WO 00/45133的图1中所示的环形文丘里管的横截面处进行成分测量。然而，该方法也是介入式的，测量随着时间过去的重复性也易受沙蚀的损坏。

多相混合物的成分可根据管的截止频率的测量来测量，这也是众所周知的。在US 4423623、US 5455516、US 5331284、US 6614238、US 6109097和US 5351521中，可找到这种设备的例子，这些专利描述了根据管的截止频率的测量，基于在变化频率处的损耗或相位测量，来确定多相混合物的成分的方法。然而，所有这些方法被环形气体浓度极大地影响，且在这样的条件下不能够提供所需要的测量准确性。

用于测量多相流的层析成像(tomographic)技术也是众所周知的。在US 5485743、US 5130661、US 6857323、US 6940286和US 5793216中，可找到这种设备的例子。然而，所有这些层析成像技术都需要用于推出多相流体的成分和流量的复杂的传感器和成熟的测量算法，因此很难在苛刻的工业环境下，例如具有油、气和水的管中实现。为了获得管内多相分布的详细图像的目的，传感器通常位于管的整个圆周周围。多相流的复杂性和快速变化与完全成熟的层析成像系统所涉及的测量算法的复杂性相结合，也可能容易将不稳定性引入计算例行程序中，导致在最终计算中的巨大误差。为这样的系统开发模型也是耗费时间的，使得很难按比例绘制不同的管直径。而且，这样系统的配置和校准也耗费时间，且不能够完全适合于工业生产。

WO 2005/067142描述了基于用于确定成分和流量的简化层析成像技术的多相流量计。该方法依赖于安装在垂直向上的流动方向上的传感器元件中的环形气体浓度。根据在管的多个方向上进行的测量，环形气体浓度的程度被确定并被使用，以便确定多相流体的组分的百分比和流量。然而，该方法依赖于管内对称的环形气体浓度，在多相流量计的上游没有调节设备的情况下，该对称的环形气体浓度不能被保证。

用于测量多相流体的流量的设备是公知的。这样的设备可基于检测流的液体小滴和气体小滴中的变化的测量信号的交叉相关。通过将载波信号传输到流中并测量响应，所接收的信号包含通过扰动而由振幅(损耗)、相位或频率调制引起的流的变化的信息。通过在位于相对彼此已知距离处的管的两个部分处进行测量，人们可创建两个时间变化的信号，这两个信号在一段时间内偏移，该时间等于多相流在两个部分之间行进所花费的时间。在US 4402230、US 4459958、US 4201083、US 4976154、WO 94/17373、US 6009760和US 5701083中，公开了基于电磁载波信号的这样的设备的例子。

用于测量流量的其它设备，可基于对跨越管中限制处的微分压力的测量，例如，文丘里管、喷嘴、V形锥体或流混合器。在US 4638672、US4974452、US 6332111、US 6335959、US 6378380、US 6755086、US 6898986、US 6993979、US 5,135,684、WO 00/45133和WO 03/034051中，可找到这样的设备的例子。然而，上面的设备中没有一个适合于精确测量管内具有环形气体浓度的流量。

本发明的目的是克服现有解决方案的上面提到的限制。

本发明的目的是提供对具有任何流型的多相混合物的油、水和气流量的精确测量。

本发明的目的是调节流动的多相混合物，以便在层析成像测量设备中获得漩涡式自由对称的环形气体浓度流型。

本发明的目的是调节多相混合物，以便简化的层析成像技术可用于测量具有任何流型的多相混合物的油、水和气流量。

本发明的目的是基于简单的参数化模型来获得流动的多相混合物的层析成像测量。

本发明的目的是允许使用多相流的简单和精确的数学建模。

本发明的目的是为流调节和测量提供紧凑的结构。

本发明的目的是允许对多相流量计使用简单的校准例行程序。

本发明的目的是允许对多相流量计使用简单的检验例行程序。

本发明的目的是在多相流体的各个部分的全组分范围内提供具有高度测量精确性的多相流量计。

本发明的目的是在湿气流条件下提供液体百分比的精确测量。

本发明的目的是在流动的多相流体的管中提供小压力降。

本发明的目的是提供用于进行多相流测量的非介入式设备。

本发明的目的是允许多相流量计的紧凑安装。

本发明的目的是提供用于进行测量的紧凑机械结构。

根据本发明的方法包括下列步骤：

a.调节多组分混合流，以创建对称的环形气体浓度流条件，

b.确定管横截面内的所述对称流中的密度分布和/或介电常数分布，

c.确定描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数，

d.确定多组分混合物的速率(velocity)，

e.获得温度和压力，以及

f.根据流体混合物的组分的密度和/或介电常数的知识，以及来自上面步骤a-e的结果，计算流体混合物的气体和液体组分的体积和/或质量流量。

根据本发明的设备进一步以在独立权利要求18中限定的特征为特征。

从属权利要求2-17和19-30限定本发明的优选实施方式。

将在下文中进一步参考附图描述本发明，其中：

图1示出本发明的主要元件的示意性纵向截面图，

图2示出用于根据本发明测量油、水和气的百分比和流量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图3示出用于根据本发明测量油、水和气的百分比和流量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图4示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图5示出图4中沿着线III-III的示意性横截面图，

图6示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图7示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图8示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图9示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图10示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图11示出天线(探针组件)的紧凑机械单元的示意图，

图12示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图，

图13示出用于根据本发明进行层析成像测量的设备的示例性实施方式的示意性纵向截面图。

本发明涉及用于测量管中多相混合物的流量和体积百分比的方法和设备。本发明包括三个元件，垂直管状部分1，也可为合并的调节设备和测量设备的流调节设备2，以及测量设备3。流调节设备的目的是调节多相流体，以便气体和液体沿管的半径对称地分布。而且，流调节设备的目的是创建流型，为了本专利申请的目的，该流型被定义为漩涡式自由对称的环形气体浓度，为了简单起见，其此后被称为对称的环形气体浓度(symmetrical annular gas concentration)或仅仅SAGC。位于流调节设备2的下游的元件3是适合于测量在对称的环形气体浓度流型中的气体和液体组分百分比的设备。

对称的环形气体浓度意味着：在管中心内气体的百分率(GVF)比管壁处的GVF更高，而且GVF沿着任何圆的周长恒定，该圆的原点在管中心内，而半径在管中心和管壁之间。GVF从管中心向着管壁的变化率可能是线性或非线性的。对于GVF的非线性降低，该变化可能是S形的，例如tanh函数，或暗示液体几乎完全从气体分离的阶梯函数。后面的情况通常称为(纯)环形流，其一般在高气体百分比下出现，例如湿气流。为了本专利申请的目的，描述GVF从管中心向着管壁的变化的函数称为浓度分布函数。

流调节设备利用多相流的漩涡来产生对称的环形气体浓度流。漩涡意味着多相流在沿着管行进时具有轴向旋转部分。通过将多相流引导进管内更窄的通路，漩涡的旋转速度增加且SAGC流型产生。通过经由管直径的逐渐增加来逐步降低轴向旋转速度，漩涡的旋转速度可减小，同时维持SAGC流型。文丘里管可用作流调节设备2，其也可为组合的流调节和测量设备。

对于在包括弯曲和直线部分的管道中的多相流，漩涡是正常发生的现象。弯曲使流方向改变方向，将旋转力引入流。然而，如果流程线对于较长的部分是直的，则漩涡将减少。在这样的情况下，可在流调节设备的上游使用包括一个或两个弯曲的管结构，以便在多相流中产生所需要的漩涡。可选地，在管内部的鳍状物可用于在流中产生漩涡。

对于SAGC流型，简化的处理层析成像测量技术理想地适合于进行多相流体的成分和流量的精确测量。处理层析成像的基本概念是在管的圆周周围使用很多传感器。来自传感器的信号接着被处理，以提供管横截面中的多相流的图像。因为在管的横截面中液体/气体分布是对称的，可使用用于确定管横截面中的液体/气体分布的简单层析成像参数化模型和计算例行程序。此外，对称性允许使用比传统的层析成像传感器更简单的传感器布置，因为在管横截面的仅仅一半截面中进行测量就足够。本发明还提供了模型和传感器的更简单的校准。对于纯环形流，其中所有液体被分布为沿着壁的膜层，多相流的成分测量简化而变成液膜沿壁的厚度的测量。纯环形流在高GVF时是普遍现象，因此本发明允许在这样的条件下进行液体百分比的非常精确的测量。

下面是本发明的概要。

流调节设备2位于在如图1所示的垂直管状部分1中用于进行层析成像测量3的设备的下游。流的方向用箭头4示出。层析成像测量意味着：多相混合物的各部分在管横截面中的分布用位于管圆周周围的传感器测量，如图1所示，或在垂直管状部分的如图2的规定区域3所示的仅仅一半截面中。流调节设备2的目的是产生漩涡式自由对称的环形气体浓度流型，以便足以在管3的仅仅一半截面中测量多相混合物的各个部分以及各个部分的分布，以便针对整个管状部分1计算多相混合物的各个部分以及部分的分布。如图2所示的层析成像传感器布置3也称为简化的层析成像测量，因为流中的对称允许在管的仅仅一半横截面中进行测量，以确定整个管横截面内的分布。在MPM多相流实验室中的测试，揭示了如图3所示的文丘里管可用作组合的流调节设备2和测量设备。文丘里管由管1中窄通路6内的收敛部分5组成。通过借助于压力变送器8测量上游压力9和窄通路10中的压力，可确定流体的流量。在文丘里管的进口处的多相混合物中的任何漩涡的旋转速度将在收敛部分5中加速，在窄通路6中产生具有高旋转速度(漩涡)的对称的环形气体浓度流型。接着，当直径扩大回到其原始尺寸时，漩涡的旋转速度在扩散部分7中被减速。在稳定部分11中，漩涡的旋转速度将进一步减小并稳定，同时维持对称的环形气体浓度流型。稳定区的一般长度是2-3个管直径。接着，对于整个层析成像测量部分3维持对称的环形气体浓度流型，而没有任何漩涡或具有非常低的旋转速度，以便多相流体为了任何实际目的可被考虑为无漩涡的。

对于在多相计前面的长直上游管部分，多相流体在流调节设备的进口处可为无漩涡的，以便不产生调节效果。对于这样的安装，可在流调节设备的上游使用弯曲部，以将漩涡引入到如图3所示的多相混合物中。文丘里管6的进口现在被安装在弯曲部12的下游相对短的距离13处。流方向用箭头4指示。多相流行进的方向在弯曲部中变化，弯曲部在流中产生漩涡。漩涡可进一步通过在文丘里管6/流调节设备3的上游使用多个弯曲部来发展。

根据如图4所示的多相混合物的介电常数/电容率的宽带RF(射频)测量，可进行简化的层析成像测量。设备包括用于电磁能的发射和接收的三个发射天线14、15、16以及六个接收天线17、18、19、20、21和22。天线位于管的一半截面中，其中在管的圆周周围的天线之间的角优选地为图5所示的90度。天线是被绝缘材料从管壁分离的同轴导线，并稍微穿入管中充当管内部的偶极天线。设备还可用于通过交叉相关在管的不同横截面中进行的测量，来进行多相流体的速率测量。

图4中示出的设备可进一步通过增加如图6所示的光子源和探测器来扩展。简化的层析成像设备现在还包括用于测量从放射源22辐射的光子23的核探测器24。放射光束23优选地通过管的中心辐射。光子的质量吸收涉及多相流体的密度，并可结合多相混合物的介电测量使用，以获得多相混合物的组分百分比的更精确的测量或延伸多相混合物的组分范围。

多光子吸收测量也可用于进行如图7所示的简化的层析成像测量。放射源22辐射光子通过管1的横截面。光子束27优选地通过管的中心辐射到探测器25。第二光束28通过管1的一半横截面辐射到第二探测器26。

多相混合物的阻抗测量也可用于进行如图8所示的简化的层析成像测量。阻抗意指流的一个或几个下列流特征：电容、电导、电阻、导纳或电感。最少三个电极29、30、31位于管1的一半截面。电极之间的角应优选地为90度。额外的电极(32和33)也可用于进一步提高测量分辨率。电极可与多相流体接触或通过介电材料被保护而不受流体影响。图8中的设备也可进一步被扩展，以通过沿着如图6所示的管中心线增加光子源和探测器，来提高测量精确性和组分范围，但为了简单起见，这没有在单独的图中示出。

如图9所示沿着管壁定位的介电探针也可用于进行简化的层析成像测量。该设备特别适合于在湿气流条件时沿着壁进行液膜的介电测量。设备包括发射天线34和从发射天线34分开不同距离38、39的两个接收天线35、36。天线是通过绝缘材料从管壁绝缘的同轴导线，并稍微穿入管中充当管内部的偶极天线。天线可作为如图11所示的一个紧凑的探针单元41被制造，其中发射天线34和两个接收天线35、36通过陶瓷玻璃40从金属框架41电绝缘。图9中的设备也可进一步被扩展，以通过沿着如图6所示的管中心线增加光子源和探测器，来提高测量精确性和组分范围，但为了简单起见这没有在单独的图中示出。

图10示出图9中的设备的扩展部分，其中第二探针单元38被定位在离第一探针单元39的已知距离39处。通过用探针进行同时的测量并交叉相关这些测量，可推断多相流体的速率。图10中的设备也可进一步被扩展，以通过沿着如图6所示的中心线增加光子源和探测器，来提高测量精确性和组分范围，但为了简单起见这没有在单独的图中示出。

发射和反射方法也可用于进行如图12所示的简化的层析成像测量。组合的发射和接收设备42位于管壁。该设备可为通过管壁1发射信号的夹持式设备，或通过管壁1中的孔直接传输到流中的设备。设备发射信号，例如具有给定持续时间和形状的脉冲。反射的信号从多相混合物被接收，并且基于反射信号的分析，多相混合物的各个部分和分布被确定。信号可基于电磁能、声能或光子的发射和接收。图12中的设备也可进一步被扩展，以通过沿着如图6所示的管中心线增加光子源和探测器，来提高测量精确性和组分范围，但为了简单起见这没有在单独的图中示出。

简化的层析成像测量也可基于如图13所示的传输线方法来进行。具有内部导线43、屏蔽45和介电绝缘体44的同轴导线安装在与管壁1齐平的开口，如所示的。该设备特别适合于在湿气流条件时沿着壁进行液膜的介电测量。通过在同轴导线上发射信号并分析同轴线上的反射信号，由于同轴电缆和包含多相流体的管1之间的阻抗差，可确定多相混合物的部分。图12中的设备也可进一步被扩展，以通过沿着如图6所示的管中心线增加光子源和探测器，来提高测量精确性和组分范围，但为了简单起见这没有在单独的图中示出。

在根据图2所示的设备确定组分百分比和流量中涉及的主要步骤如下：

1)对从发送天线发射的并在位于离发送天线不同距离处的两个接收天线接收的电磁波的差分损耗和相移(渡越时间)进行测量。

2)步骤1的测量在宽频域进行，产生差分损耗和相位测量对频率的两个一维阵列。应使用最少两个频率，然而实际上25-100个测量频率可用于最佳测量性能。

3)步骤2的测量对几个测量方向重复。应使用最少两个频率，然而实际上8-15个测量方向可用于提供最佳测量性能。

4)根据差分相位测量，对所有测量频率计算多相混合物的复介电常数和水百分比(water fraction)。

5)根据差分损耗测量，对所有测量频率计算多相混合物的复介电常数和水百分比。

6)根据测量的光子吸收来计算测量的密度(对提高的组分百分比范围和测量不确定性是可选的)

7)根据在步骤1-5或1-6中进行的测量，计算在管中心处和在管壁处的GFV(气体百分比)以及水液比(WLR)。

8)根据测量1-5或1-6，选择从管中心向着管壁的气/液分布(GVF分布)的浓度分布函数。

9)根据来自步骤7的结果和来自步骤8的选定浓度分布函数，计算横截面均质化的GVF、多相流体的密度。在本上下文中的均质化意指当多相混合物均匀地分布在管的整个横截面中时GVF的相应值。

10)通过合并步骤9的结果和来自文丘里管的测量，来确定油、水和气的流量。

11)作为步骤10的可选方案，根据用图4所示的发射和接收天线在管的不同横截面中进行的交叉相关的测量，来确定油、水和气的流量。

下面是本发明的更详细的描述，且还在本发明的进一步的讨论中对下面的正文章节进行参考。

在文献例如S.Ramo，J.R.Whinnery和T.V.Duzer的“Fieldsand Wavesin Communication Electronics”(Wiley)中，充分描述了任何介质中传播的电磁波的基本原理和管(波导)中电磁场的行为。

在Ari Sihvola的“Electromagnetic mixing formulas and applications”(IEE Electromagnetic Wave Series 47)和Chen等人的“Microwave Electronics-measurements and material characterization”(Wiley)以及J.B.Hasted的“Aqueous Dielectrics”(Chapman and Hall)中，可找到用于进行电磁测量的基本原理、电磁混合定律和基于电磁测量的层析成像测量技术。

在M.S.Beck等人的“Tomographic Techniques for Process Design andOperation”(Computational Mechanics Publications)和Plaskowski等人的“Imaging Industrial Flows：Applications of Electrical Process Tomography”(Bristol)中，充分描述了基于阻抗测量的层析成像测量技术。

在Jackson等人的“Radioisotope Gauges for Industrial ProcessMeasurements”(Wiley)中，充分描述了使用光子测量计例如γ密度计进行的多相流测量。

在M.S.Beck的“Cross Correlation Flowmeters-their design andapplications”(Adam Hilger)中，充分描述了用于测量多相流体的速率的方法。

在以下文献中可找到流体例如油、水和气的物理特性：“Handbook ofChemistry and Physics”(CRC Press)；

等人的“Complex permittivity ofcrude oils and solutions of heavy oil fractions”，Journal of Dispersion Sci.Tchnology，19(1)，(1998)第93-126页；D.P.Fernandez等人的“A formulationfor the Static Permittivity of Water and Steam at temperatures from 238 K to873 K at Pressures up to 1200Moa，Including Derivatesand Debye-HünckelCoefficients”，J.Phys.Chem.Ref.Data，Vol.26，No4，1997；“Release on theIAPWS Industrial Formulation 1997 for the Thermodynamic Properties ofWater and Steam”，The International Association for the Properties of Waterand Steam，德国Erlangen。

该方法基于下面的基本原理：

1)包含水的多相混合物是极性物质。因此，多相流体的介电常数是频率相关(复数)的，且相关性与频率的关系曲线是公知的。所以，每个测量频率提供多相混合物的复介电常数的新的和独立的测量。

2)在多相流体中的不连续性引起发射波的散射，该散射具有使波在传播方向上衰减的效应。散射对损耗有巨大效应，并依赖于测量频率以及依赖于散射物体例如气泡的尺寸和数量。因此，每个新测量频率在电磁波的传播方向上，提供散射物体的尺寸和数量的新的和独立的测量。渡越时间(相位测量)与损耗测量相比，受多相流中的散射的影响小得多(参考Microwave Determination of Moisture in Coal：Comparison of Attenuationand Phase，Journal of Microwave Power，16，3&4-1981)。因此，通过在相同的测量频率下进行损耗和相位测量，在电磁波的相同传播方向上进行散射的两个独立的测量。

3)通过在管内的很多方向上进行在上面的部分1和2中描述的测量，可得到描述气泡的位置和浓度的参数，例如在管壁处的GVF、在壁中心处的GVF，以及描述GVF从管中心向着管壁转移的适当浓度分布函数的确定。

在自由空间中正向传播的电磁波的电场的一般等式，可由下列等式来描述，其中在z方向上传播的电场具有x和y分量：

等式1： $E=(\hat{x}{E}_1+\hat{y}{E}_2{e}^{\mathrm{j\ψ}})e^{-\mathrm{jkz}}$

其中：E＝电场矢量

E₁＝在x方向上的电场

E₂＝在y方向上的电场

Ψ＝x和y分量之间的相角

k＝相位常数或波数

对于在有损耗介质中传播的电磁波，例如在分散在水中的油和/或气的混合物传播的电磁波，波数k成为如下面在等式2中所示的复数。

等式2：k-a+jβ

其中：a＝波衰减系数

β＝波相位常数

于是，等式1的相位复矢量波的指数传播因子e^-jkz变成：

等式3：e^-jkz＝e^-aze^-jβz

其中a和β可根据下面的等式4和5计算：

等式4： $\mathrm{\α}=\mathrm{\ω}\sqrt{\left(\frac{\mathrm{\μ\ϵ}\′}{2}\right)[\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}\′\′}{\mathrm{\ϵ}\′}\right)}^2}-1]}$

等式5： $\mathrm{\β}=\mathrm{\ω}\sqrt{\left(\frac{\mathrm{\μ\ϵ}\′}{2}\right)[\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}\′\′}{\mathrm{\ϵ}\′}\right)}^2}+1]}$

其中：ε′＝介质的复介电常数的实部

ε＂＝介质的复介电常数的虚部

ω＝频率

μ＝介质的渗透性

其中，根据下面的等式6可描述介质的复介电常数ε：

等式6：ε＝ε′-jε＂

对于空气、气体、油和冷凝物，介电常数的虚部为了所有实际目的而为零。对于水，复介电常数可由如下面示出的单一Debye驰豫定律来描述：

等式7： ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{water}}={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}}{1+\mathrm{j\ϵ\τ}}-j\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}}{{\mathrm{\ω\ϵ}}_0}$

其中：ε_water＝水的复介电常数

ε_∞＝在无限频率处的介电常数

ε_s＝静态介电常数

ω＝频率

σ_water＝水的传导率

ε₀＝玻尔兹曼常数

为了计算如下面在等式8和9中所示的水的介电常数的实部(ε′)和虚部(ε＂)，可重新整理等式7：

等式8： $\mathrm{\ϵ}\′=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}}{1+{\left(\mathrm{\ω\τ}\right)}^2}$

等式9： $\mathrm{\ϵ}\′\′=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_s-{\mathrm{\ϵ}}_{\∞}}{1+{\left(\mathrm{\ω\τ}\right)}^2}\left(\mathrm{\ω\τ}\right)+\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}}{{\mathrm{\ω\ϵ}}_0}$

其中：ε_s＝静态介电常数

ε_∞＝在无限频率处的介电常数

σ_water＝水的传导率

τ＝偶极子驰豫时间

ω＝频率

ε₀＝玻尔兹曼常数

在文献中充分描述了水静态介电常数、偶极子驰豫时间和在无限频率处的介电常数的测量和等式。在J.B.Hasted中可找到一些例子，J.B.Hasted已在Aqueous Dielectrics(1973)中完成了可用数据的评论性审查。较新的数据已在以下文献公布：由Udo Kaatze在J.Chem.Eng.Data，1989 p371-374中，并由Meissner和Wentz在“Report from Boeing/AER inverstigation forCMIS”中，以及D.P.Fernandez等人在“A formulation for the StaticPermittivity of Water and Steam at temperatures from 238K to 873K atPressures up to 1200Moa，Including Derivates and Debye-HünckelCoefficients”，J.Phys.Chem.Ref.Data，Vol.26，No4，1997中。

水静态介电常数、偶极子驰豫时间和在无限频率处的介电常数还依赖于水的盐度，也是有根据的。淡水的水静态介电常数、偶极子驰豫时间和在无限频率处的介电常数可接着乘以与水盐度相关的校正因子，以便得到盐水的ε_s、ε_∞和τ的值。由Meissner和Wentz在“Reportfrom Boeing/AERinverstigation for CMIS”，page17，J.B.Hasted，“Aqueous Dielectrics”(Chapman Hall 1973)中公布了水盐度校正因子关于ε_s、ε_∞和τ的等式的一些例子。

复介电常数的有效实部是：

等式10： ${\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}=\frac{\mathrm{\ϵ}\′}{2}*\{1+\sqrt{{\left(\frac{\mathrm{\ϵ}\′\′}{\mathrm{\ϵ}\′}\right)}^2}\}$

其中：ε′：介电常数的实部

ε＂：介电常数的虚部

在混合物模型中，多相混合物的介电常数(或渗透性)按照每个组成组分的介电常数的有效实部及其体积百分比表示。介电混合物模型的一些综合评论在下列文献中被公布：例如，van Beek，1967；Tinga等人，1973；Wang & Schmugge，1980；Shutko & Reutov，1982；Hallikainen等人，1985；Sihlova，1989；以及E.Hammer的“Flow permittivity models and theirapplications in multiphase meters”，Proc.Multiphase Metering，IBC TechnicalServices，Mar.12-13，1997，Aberdeen。Bruggeman等式，最初由Bruggeman(1935)推出并以后由Hanai(1936)修改成产生复介电常数，使二组分混合物的介电常数与组分的体积百分比联系起来。如果二组分混合物是小滴，作为分散在外相的连续介质中的内相，则等式变成：

等式11：

其中：ε_inter＝内相(分散相)的介电常数

ε_onter＝外相(连续相)的介电常数

ε_mix＝混合物的被测量的介电常数

Φ_inter＝内相(分散相)的体积百分比

Φ_onter＝外相(连续相)的体积百分比

因此，通过测量多相混合物的复节点常数，并知道混合物的各个组分例如水和碳氢化合物的复介电常数，可计算水和碳氢化合物的体积百分比。

通过测量在管内部传播的平面电磁波的波相位常数β和衰减常数α，来确定复介电常数。β的测量基于在管内部的两个接收天线17、22之间的相差的测量，这两个接收天线位于离图4所示的传感器布置的第三发射天线15不同距离处。相位测量在1Mhz和10Ghz之间的范围内的至少两个频率处进行。可使用发射器(14、15、16)和接收器(17、18、19、20、21、22)对的任何组合进行测量，但为了实际目的，推荐将组合的数量限制到27个。通过将三个接收天线连接到电子设备的多路传输接收器通道，并将剩余的三个接收天线连接到电子设备的第二多路传输接收器通道，来获得27个可能测量方向的组合。这种结构阻止通道之间的信号泄露，因为天线总是连接到接收器电子设备的相同输入通道。根据差分损耗而不是相位的测量，以与对β类似的方式来测量衰减系数α。

频率范围也可根据利用电子设备的全动态测量范围的最优化规则来选择。频率一般在20-4000Mhz范围中选择，然而可使用在1Mhz到10Ghz范围中的频率。最低和最高频率之间的比，可依赖于测量频率的选择和测量电子设备的性能。假定有足够的损耗，在发送天线和接收天线之间的传播的电磁波将根据平面波理论表现。

根据平面波理论，接收天线之间的相差可被描述为：

等式12：

其中：

β＝传播的波相位常数(参考等式5)

Z＝d₂-d₁

d₁＝从发射天线到第一接收天线的距离

d₂＝从发射天线到第二接收天线的距离

因此，通过测量相差

并知道系统的Z值，可确定从发送天线传播到接收天线的波的相位常数β。实验表明，Z的值也是发射信号的波长的函数，且在多相流体的传导率方面存在对Z的轻微依赖性。这是由于下列事实：接收天线位于发射天线的近场中，然后平面波传播的模型不完全有效。一种建模方法是使用与相位和传导率相关的校准因子Z。这是由于下列事实：有效天线间距离Z是发射波长的函数，发射波长又是两个接收天线之间被测量的相差的函数。还发现有效距离Z依赖于多相传导率，多相传导率可能与传感器中场的扩散有关。接着可如下面等式13所示的计算Z：

等式13：

其中：Z：有效天线间距离(校准常数)

测量的相差

σ_mix：多相混合物的传导率

油/水混合物的传导率可根据如下所示的Maxwell Garnett混合公式计算：

等式14： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{mix}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}+3*{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{oil}}*{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}*\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oil}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oil}}-2*{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}}-{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{oil}}*({\mathrm{\σ}}_{\mathrm{oil}}-{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{water}})}$

其中：σ_mix：油水混合物的传导率

σ_oil：油的传导率

σ_water：水的传导率

Φ_oil：液相中油的百分比

可在迭代计算循环中确定复介电常数。假定在执行这些迭代时介电常数的实部和虚部之间的常数比，相当大地简化了计算。实验表明，通过对纯水和对水和油的混合物使用相同的实和虚介电常数之间的比率，可得到体积百分比的精确计算。此近似只引入小的测量误差，因为Bruggeman混合公式完全是线性函数。

因此，实和虚介电常数之间的比率被定义为：

等式15： $K=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{water}}^{\′\′}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{water}}^{\′}}$

接着，可通过合并等式15和5，来计算混合物的介电常数的实部，如下所示：

等式16： $\mathrm{\ϵ}\′=\frac{2*{\mathrm{\β}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2*(\sqrt{1+K^2}+1)*\mathrm{\μ}}$

下面示出所涉及的步骤，以便根据差分相位测量来确定多相混合物的复介电常数和水百分比：

1)测量在预先确定的频率ω处的相差

2)根据等式8和9，计算水的实介电常数和虚介电常数

3)根据等式15计算K

4)使用等式14，基于油百分比以及油百分比和水和油的传导率的最后计算，来计算油/水混合物的传导率

5)使用等式13，计算有效的天线间距离Z

6)使用等式12，计算β的测量值

7)使用等式16，计算油/水混合物的介电常数的实部

8)使用等式15(虚部)和10(有效实部)，计算油/水混合物的介电常数的虚部和有效实部

9)使用等式11，基于水、油和油/水混合物的介电常数的有效实部计算水的体积百分比

10)重复步骤4-9，直到水百分比的计算收敛

11)对下一测量频率，重复步骤2-10

12)对下一测量方向，重复步骤1-11

通过用α而不是β的计算代替步骤6，以与相位测量几乎相同的方法来处理所测量的损耗。

基于下列等式，可计算在任何测量频率处的多相混合物的衰减系数α：

等式17： $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{\ΔP}-P_{\mathrm{offset}}}{20*Z}*\ln \left(10\right)$

其中：α：在给定频率处多相混合物的衰减系数

dP：被测量的差分损耗[dB]

P_offset：在等式15中计算的功率偏移[dB]

Z：根据等式13计算的有效天线间距离

需要项P_offsct来校正对在管的特定方向上暴露的天线面积的效应的测量。天线的面积确定天线的耦合效率，因此接收的差分损耗也被在传播的不同方向上暴露的不同天线面积影响。然而在dB项(分贝)中这可容易被模拟为与相位(波长)和多相传导率相关的偏移值，如下面在等式18中示出的：

等式18：P_offset＝f(Δφ，σ_mix)

其中：

被测量的相差

σ_mix：多相混合物的传导率

为了根据差分损耗测量来确定多相混合物的复介电常数和水百分比所涉及的步骤，类似于通过计算P_offset和α而不是β来代替步骤6的相位测量所涉及的步骤。

众所周知，由于散射而产生的损耗是高度频率相关的。散射意味着干扰例如气泡或液泡重新辐射部分电磁能量，使得能量在朝着接收器传播的方向上损失。散射通常分为Rayleigh散射和Mie散射，由Ari Sihvola在“Electromagnetic Mixing Formulas and Applications”-IEE ElectromagneticWaves series 47中进一步描述。

根据Sihvola，由以下等式给出介电球体例如液体小滴的Rayleigh散射：

等式19： ${\mathrm{\σ}}_s=\frac{3}{8}{\mathrm{\πa}}^2{\left(2\mathrm{\πf}\sqrt{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_0}\right)}^4\left|\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{inner}}-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{outer}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{inner}}+2{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{outer}}}\right|$

其中：σ_s：散射横截面

a：散射物体的直径

f：频率

μ₀：自由空间的渗透率

ε₀：自由空间的介电常数

ε_inter：散射物体的介电常数

ε_outer：连续相的介电常数

如从等式19中看到的，物体的有效散射部分随着频率极大地增加。

根据在所有测量频率处测量的差分损耗和相位，可得到用于确定在管壁处和管中心处的GVF的模型和对适当的液体/气体浓度分布函数的选择规则。得到模型的最方便的方法是在多相流实验室中通过经验性实验，其中除了管的横截面中液体和气体的分布之外，还可单独控制油、水和气的流量。MPM多相流实验室特别为此目的设计。根据在所有测量方向和频率处的相位和损耗的被记录的测量以及在管中心处的GVF、管壁处的GVF的已知值、液体/气体浓度分布函数和水液比，可以根据经验得到模型。

在管中心中的GVF也可使用如图6所示的γ密度计，根据被测量的光子吸收来确定。增加γ密度计，提高了设备的测量精确性和组分百分比范围。

γ射线吸收的测量是用于密度测量的广泛使用的技术。该技术考虑在管内任何材料(流量计)中的光子束辐射的吸收可由下列公式表示：

等式20：N＝N₀e^-μρd

其中：N₀＝空管计数率(辐射)

N＝被测量的计数率(辐射)

μ＝管内部材料的辐射质量吸收系数

d＝通过管的横截面的辐射的传输长度

ρ＝管内部材料的密度

在Jackson等人的“Radioisotope Gauges for Industrial ProcessMeasurements”(Wiley)中，较详细地描述了如何根据核探测器来校准和确定多相混合物的GVF和密度的细节。

匀质GVF和密度可接着仅仅根据集成方法，基于在管壁处和管中心处的被测量的GVF以及选定的浓度分布函数来计算，该函数描述哪些项连同在中心处和在壁处的GVF的值一起确定在沿着管半径的任何点处的GVF的值。

知道液体和气体速率，可根据匀质GVF和水液比(WLR)来计算油、水和气流量。

混合物的介电常数也可根据反射技术和基于管的截止频率的测量的技术来确定。在第一种情况中，文丘里管可用作进入电磁波的反射设备。通过确定反射波与接收器处的发射波异相时的频率，可确定管内材料的介电常数，这些接收器位于管的纵向方向。反射频率可根据相位和损耗测量来确定。

基于被测量的反射频率的被测量的介电常数遵循公知的公式：

等式21： $\mathrm{\ϵ}=\frac{k_2^2}{f_c^2}$

其中：ε：被测量的介电常数

k₂：在空气中被测量的频率

f_c：多相混合物的被测量的频率

截止频率和反射频率离得相当远，以便可得到宽带测量。测量也可如针对α和β的测量所描述的在多个方向上进行，并与α和β的测量合并，以便确定在中心处的GVF、在壁处的GVF和GVF浓度分布函数。

在以下文献中，描述了用于根据电磁波信号进行层析成像测量的其它方法：Bramanti等人的“Electromagnetic Techniques of Nondestructive Testingof Dielectric Materials：Diffraction Tomography”，Journal of MicrowavePower and Electromagnetic Energy，vol.27，No.4，1992；和“CylindricalGeometry：A Further Step in Active Microwave Tomography”，IEEETransactions on Microwave Theory and Theory and Techniques，Vol.39，No.5，May 1991。

获得液体和气体速率的一种方法是通过使用交叉相关技术。交叉相关技术频繁地用于多相流的测量，并在M S Beck和A Plaskowski的“CrossCorrelation Flow Meters，their design and applications”(Adam Hilger，Bristol)-1987中被充分描述。

通过在发射天线14上发射被发射到流中的载波并测量响应，在天线17和18上的接收信号包括由干扰导致的通过振幅(损耗)、相位或频率调制引起的流的变化信息。通过在管的两个部分处进行测量，例如位于已知距离49处的14 17 18和16 21 22，可创建两个随时间变化的信号，这两个信号在一段时间内偏移，该时间等于多相流在两个部分之间行进所花费的时间。通过使用天线15 19 20可获得额外的测量。

通过使用下列公式来使两个信号交叉相关：

等式22： $R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\lim }_{T\→\∞}\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}x(t-\mathrm{\τ})*y\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中x(t)和y(t)是取样信号，时间延迟τ可被计算。信号x(t)和y(t)之间的时间延迟τ可以是时间的测量，该时间是流中的干扰从第一对天线转到第二对天线所花费的。

基于电磁信号且基于交叉相关的流量计(即，基于电容、电感和RF的流量计)通常使用频率实质上低于截止频率的载波或测量信号，以便获得测量部分之间的隔离。

根据Ramo等人由下面的等式23给出在环形波导(TE₁₁)中最低模的截止频率：

等式23： $f_c=\frac{0.293}{a\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}$

其中    μ：传感器(管)内的渗透率

ε：传感器(管)内的介电常数

a：管直径

截止波长由下式给出：

等式24：λ_c＝3.41a

其中a：管直径

根据Ramo等人，对于在波导的截止频率以下的频率有衰减而没有相移，且对于在截止频率以上的频率有相移而没有衰减，而正好在截止频率处既没有衰减也没有相移。波导的此基本行为可用于通过测量相移的位置来测量管的截止频率，这也是公知的。根据所测量的频率，管内多相混合物的介电常数可根据等式22得到。

根据Ramo等人，在管的纵向方向上传播的电磁波的衰减系数可根据下面的等式25来计算：

等式25： $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c}\sqrt{1-\frac{f}{f_c}}$

其中α：衰减系数

λ_C：截止波长

f_C：截止频率

f：测量频率

因此，通过使用实质上在截止频率以下的测量频率，比值f/f_C比1小得多，使得在管的纵向方向上的衰减变得实质上独立于频率。通过合并等式24和25，衰减系数接着近似于恒定值：

等式26： $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{3.41a}$

其中    a：管直径

因此，通过测量或计算管的截止频率并选择实质上在截止频率之下的测量频率，在管的纵向方向上传播的能量被最小化，从而提供了管的上游和下游测量横截面之间的电磁隔离。

用于根据交叉相关测量来确定液体和气体速率的信号处理方法是公知的，如在以下文献中所描述的：Corral Davalos的“Simulation of two peakscorrelation method for gas-liquid flow velocity measurements”，PhD at UMIST，1985；和

ivind Midttveit的“Development of signal interpretation models formultiphase flow rate metering of oil-water-gas flow”，PhD at University ofBergen 1996；Xu L-A的“Apulsed ultrasound cross correlation system forvelocity measurement in two component fluids”，PhD at UMIST 1986；和Rune Viggo Time的“Analysis of Spaceand Time Structures in Two Phase Flowusing Capacitance Sensors”，PhD University of Stavanger 1993。

文丘里管流量计通常用于测量多相流体的流量。在管中的任何限制将导致多相混合物的速率的变化，并跨越该限制引入压力降。根据流体动力学的原理，压力降的平方根与管中的总质量流量成比例。文丘里管是管直径逐渐减小到管的一部分具有较小直径的结构。该较小的部分可为短或相对长的部分。接着直径逐渐扩大到管的原始尺寸。在ISO标准5167“Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices insertedin circular cross-section conduits running full”部分1-一般原理和部分4-文丘里管中，描述了具有这样结构的质量流测量。

根据ISO 5167-1，质量流量可被计算为：

等式27： $\mathrm{Qm}=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\ρ\Δp}}$

其中：Qm＝总质量流量

C＝流量系数

β＝文丘里管颈部和管之间的直径比

d＝文丘里管颈部的直径

Δp＝进口和文丘里管颈部之间的被测量的压力降

ρ＝多相混合物的密度

在以下文献中进一步描述了对于多相和湿气流条件采用文丘里管：“Design of a flow metering process for two-phase dispersed flows”，Int.J.Multiphase Flow vol 22，No4，pp 713-732；Hall，Reader-Harris和Millington的“Astudy of the performance of Venturi meters in multiphase flow”，2^nd NorthAmerican Conference on Multiphase Technology；以及Rick de Leeuw的“Liquid Correction of Venturi Meter Readingsin Wet Gas Flow”，North SeaFlow Measurement Workshop-1997。

图9所示的设备也可用于进行流的简化层析成像测量。当浓度分布函数近似于阶梯函数使得大多数液体沿着壁分布时，该设备特别适合。这是在湿气流条件时通常出现的现象。采用与上面描述的相同的方法，通过在天线34上发射并在天线35和36上接收，通过在宽频域进行衰减系数α和相位系数β的测量，来确定复介电常数。然而，在这种情况下，浓度分布函数被假定为阶梯函数，且在壁处的GVF为零，使得测量简化成为液膜的厚度和成分的测量。

两个图9所示的设备也可被分开已知的距离39，合并为如图10所示的设备。通过使用如上所述的交叉相关技术，可得到液体和气体速率。

通过使用来自如图7所示的单个放射源的两个γ探测器，可确定两相流的百分比和液体分布。在Jackson等人的“Radioisotope Gauges forIndustrial Process Measurements”和Heidriek等人的“Cross-Section AveragedDensity and Mass Flux Measurements in Two-Phase Flow Through Pipes”，ASME Measurements in Polyphase Flows，1-9(1978)中，可找到如何进行计算的进一步的细节。

用于基于阻抗测量来进行层析成像测量的传感器，在几十年以来是已知的。阻抗传感器可基于电容(ECT)、电阻(ERT)或电感电磁(EMT)的测量。如图8所示的层析成像阻抗传感器的工作原理和设计，在以下文献中被充分描述：M.S.Beck等人的“Tomographic Techniques for ProcessDesignand Operation”，-Computational Mechanics Publications(1993)；

.Isaksen的“A Novel Approach to Reconstruction of Process TomographyData”，PhD at University of Bergen(1996)；和Plaskowski等人的“ImagingIndustrial Flows：Applications of Electrical Process Tomography”，Bristol(1995)。

发射和反射方法是用于材料特征描述的公知方法，如图12和13所示。当浓度分布函数近似于阶梯函数使得大多数液体沿着壁分布时，这些设备特别适合。这是在湿气流条件时通常出现的现象。对于声信号，声脉冲从由液体/气体界面所表示的反射表面前后传播所花费的时间，可用于测量液膜厚度。已知管壁离声发射器和接收器的距离，可确定膜厚度。

电磁方法可基于如图12所示的穿过壁的辐射槽，或通过使用如图13所示的端部开口的同轴导线。脉冲或连续频率在同轴电缆43上发射。根据反射回同轴导线上的振幅和脉冲变化的测量，可确定管内材料的复介电常数，以便可得到液膜的厚度和百分比。在以下文献中进一步描述了如图12和13所示的发射和反射传感器的设计和工作原理：Chen等人的“Microwave Electronics—measurement and material characterization”，Wiley(2004)和“Permittivity Measurements of Thin Liquid FilmLayers usingopen-ended Coaxial Probes”，Meas.Sci.Technol.，7(1996)，1164-1173。

Claims (30)

1.一种用于确定管中流体的流量的方法，所述流体包括多组分混合物，所述多组分混合物包括气体和至少一种液体，所述方法包括下列步骤：

a.调节多组分混合物流，以产生对称的环形气体浓度流条件，

b.确定所述对称流在所述管的横截面内的密度分布和/或介电常数分布，

c.确定描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数，

d.确定所述多组分混合物的速率，

e.获得温度和压力，以及

f.基于流体混合物的组分的密度和/或介电常数的知识，以及来自上述步骤a-e的结果，计算所述流体混合物的气体和液体组分的体积流量和/或质量流量。

2.如权利要求1所述的方法，其中使用文丘里管来产生所述对称的环形气体浓度流条件。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中使用文丘里管来确定所述多组分混合物的速率。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述密度分布和/或介电常数分布是在所述管的一半横截面内确定的。

5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述管的横截面内的介电常数分布是基于穿过所述管内部的介质传播的电磁波的能量损耗和/或相移的测量来测量的。

6.如前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述管的横截面内的介电常数分布是基于从所述管内部的介质反射的电磁波的能量损耗和/或相移的测量来测量的。

7.如前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述管的横截面内的介电常数分布是基于阻抗测量来测量的。

8.如权利要求5或6所述的方法，其中所述电磁波是正弦波。

9.如权利要求5或6所述的方法，其中所述电磁波是脉冲形成的。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述管的横截面内的密度分布是基于光子吸收的测量来测量的。

11.如前述权利要求1-9中任一项所述的方法，其中所述管的横截面内的密度分布是基于声能的反射来测量的。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数是基于穿过所述管内部的介质传播的电磁波的能量损耗和/或相移的测量来确定的。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数是线性的。

14.如前述权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数是S形的。

15.如前述权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的函数是阶梯函数。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用交叉相关技术来确定所述多组分混合物的速率。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中使用跨越所述管中窄通路的压力降的测量来确定所述多组分混合物的速率。

18.一种用于确定管中流体的流量的设备，所述流体包括多组分混合物，所述多组分混合物包括气体和至少一种液体，所述方法包括管状部分和下列单元：

a.用于调节多组分混合物的装置，其用于调节所述多组分混合物以产生对称的环形气体浓度流条件，

b.用于确定密度分布和/或介电常数分布的装置，其用于确定所述管状部分的横截面内的密度分布和/或介电常数分布，位于所述用于调节多组分混合物的装置的下游，

c.数学函数，其描述密度的径向分布和/或介电常数的径向分布，

d.用于确定多组分混合物的速率的装置，

e.用于确定温度和压力的装置，以及

f.用于计算的装置，其用于基于流体混合物的组分的密度和/或介电常数的知识以及来自上述单元a-e的结果来计算所述流体混合物的气体和液体组分的体积流量和/或质量流量。

19.如权利要求18所述的设备，其包括文丘里管，用于产生所述对称的环形气体浓度流条件。

20.如权利要求18或19所述的设备，其中所述文丘里管被使用来确定所述多组分混合物的速率。

21.如前述权利要求18-20中任一项所述的设备，其中所述用于确定密度分布和/或介电常数分布的装置位于所述管状部分的一半横截面内。

22.如前述权利要求18-21中任一项所述的设备，其包括用于发射并记录电磁能的装置，用于在至少两个发射天线上发射至少两个频率的电磁能，并记录在至少四个接收天线处所接收的所述频率的电磁能。

23.如前述权利要求18-21中任一项所述的设备，其包括用于发射并记录电磁能的装置，用于将电磁能发射到所述管状部分中，并记录来自所述管状部分的反射电磁能。

24.如前述权利要求18-21中任一项所述的设备，其包括用于确定所述管状部分的横截面内的阻抗分布的装置。

25.如前述权利要求18-24中任一项所述的设备，其包括用于确定所述管状部分的横截面内的密度分布的装置。

26.如前述权利要求18-25中任一项所述的设备，其包括用于将声能发射到所述管状部分中并测量来自所述管状部分的反射声能的装置。

27.如前述权利要求18-26中任一项所述的设备，其包括用于计算所述管状部分内部的密度的径向分布和/或介电常数的径向分布的数学程序。

28.如权利要求18-27中任一项所述的设备，其包括用于测量所述多组分混合物的速率的装置。

29.如权利要求28所述的设备，其包括用于通过使在所述管状部分的两个横截面内进行的测量交叉相关来测量所述速率的装置。

30.如权利要求28所述的设备，其包括用于测量所述管状部分的窄通路中的所述速率的装置。

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