CN102156138B - 使用贴片天线的多相流计量 - Google Patents
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Abstract
公开了使用工作在无线电或微波频率范围内的贴片天线(30)来计量管(100)内多相组分的方法(10)，包括定位贴片天线(30)并在频率范围上对其进行激励(14)；随时间测量发射和反射信号(16)；估计共振频率从基准共振频率的偏移(18)；然后，基于偏移计算组分的电容率(20)；并且计算多相组分的相组分(22)。根据具体实施例描述了本发明，并且要领会，除了明确记载的那些以外，等效、备选和修改是可能的并在随附权利要求书的范围内。
Description
相关申请交叉引用
本申请要求2010年2月8日提交的、指定律师案号243265-1的美国专利申请序号61/302381的优先权，因此通过引用整体合并该专利申请的内容。
技术领域
本发明一般涉及多相流计量(multiphase flow metering)，具体而言涉及贴片(patch)天线在多相组分(composition)的计量中的使用。
背景技术
在加工工业、油气工业以及其它此类领域中，通常需要精确测量在管线内部流动的材料的组分和流速。在其中介质的电导率很低的情况下，例如其中组分具有小百分比的油和/或水的湿气流，而且随油/水的分馏(fractional)变化的介电常数变化很小，测量组分变化变得困难。
在石油工业中用于测量流体的商业可得传感器基于多种原理(单一技术或者是几种技术的组合)。例如，阻抗传感器、容性和/或感性传感器、双能量伽马传感器、venturi测量计和微波传感器(衰减/相位/共振)都已得到使用。目前，有许多可得的基于微波的流计量传感器，它们提供不同程度的灵敏度、复杂性和成本。典型地，使用信号的幅度和相位的测量来重建各种流态，例如段塞流(slug)、混状流(churn)和环状流(annular)。采用所有测量多相流的方法，精度、灵敏度、成本和技术复杂性是所关注的。
因此，当前存在对多相流计量进行改进的需要。
发明内容
本发明通过提供用于多相组分流计量的改进方法和装置而至少克服一些前述缺陷。具体而言，本发明的多方面可以使用一个或多个贴片天线来获得来自在管中流动的多相组分的信息。
因此，根据本发明的一个实施例，一种计量管中多相组分的方法，包括：将工作在无线电或微波频率范围内的至少一个贴片天线定位于接近多相组分；在频率范围上激励该至少一个贴片天线；随时间测量发射和反射信号；估计基准共振频率；估计共振频率从基准共振频率的偏移；基于该偏移计算多相组分的电容率(permittivity)；并且，基于电容率计算多相组分的相组分。
根据本发明的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，该方法包括：将至少一个贴片天线定位成与多相组分通信(communication)，其中该至少一个贴片天线工作在无线电或微波频率范围内；在频率范围上激励该至少一个贴片天线；在该频率范围上测量发射和反射功率；基于幅度和相位测量估计多相组分的相馏分(fraction)。
根据本发明的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括：将工作在无线电或微波频率范围内的多个贴片天线定位于接近多相组分；在至少一个频率上激励该多个贴片天线，由此产生发射和反射信号；基于发射和反射信号的特征(signature)估计流态；并且，基于发射和反射信号计算多相组分的相组分。
根据本发明的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，该方法包括：沿管轴向定位多个贴片天线组(set)，其中将第一贴片天线组轴向安置在距第二贴片天线组的一定距离处；在频率范围上激励多个贴片天线组；在该频率范围的至少一个上测量多个贴片天线组的功率；并且，基于该测量估计流动的多相组分的速率。
根据本发明的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括：从多相组分获得多个被测对象，其中多个被测对象包括幅度、相位和频率测量中的至少一个；通过使用传递函数将多个测量对象组合成单个量；并且，基于该单个量估计多相组分的相馏分。
根据本发明的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括：将工作在无线电或微波频率范围内的多个贴片天线定位于接近多相组分；并且，使用该多个贴片天线作为电极，从而获得多相组分的低频阻抗测量。
从以下详细描述和附图，本申请的各种其它特征和优点将显而易见。
附图说明
附图示出目前预期用于实现本发明的一个实施例。
图1为根据本发明实施例的多相流计量方法的流程图。
图2A-2D为根据本发明各种实施例使用贴片天线的管线部分的透视图。
图3A-3C为根据本发明各种实施例使用贴片天线的管线部分的端视图。
图4A-4F为根据本发明各种实施例的各种贴片天线形状的视图。
图5为根据本发明实施例使用贴片天线的多相流计量系统的透视图。
图6为根据本发明实施例示出典型频率响应曲线的图表。
图7为根据本发明实施例示出测试结果的图表。
图8为根据本发明实施例示出测试结果的图表。
图9A-9D为根据本发明各种实施例示出测试结果的各种图表。
具体实施方式
本发明的多方面提供测量频率变化的技术，它与幅度/相位测量相比更鲁棒。本发明提供可探测主要由例如油或气组成的不导电材料的非侵入式非接触式方法。
本发明的多方面涉及通过使用工作在RF/微波频率范围内的一个或多个贴片天线来测量多相混合物的组分的方法。在可能应用之一中，多相混合物可在管线中流动。在金属管的情况下，天线将在内表面上，而在非金属管/绕线管的情况下，天线可在外表面上，比方说如搭接(strap-on)一样。一个新颖方面是贴片天线的使用产生非侵入式低压损耗测量。另外，贴片天线可充当低频阻抗测量的电极。发射、反射或共振方法可以和作为测量对象的幅度、频率或相位一起使用。和更易受噪声影响的幅度和相位测量相比，发现共振频率测量更鲁棒。本发明的多方面集中于共振频率方法。然而，在其它实施例中，在不依靠共振的情况下可将贴片配置用于幅度/相位测量，并且贴片阵列可提供在管内部流动的多相混合物的断层分析(tomographic)重建。
为了本申请和发明，存在各种关系密切的定义。本文使用的术语“贴片天线”是指能够工作在高频(例如大约1GHz到大约20GHz)的发射和/或接收元件，其包括两个平行导体、由其间的介电层或基底隔开的地平面上金属贴片。基底可以是柔性的，这种情况下它可以与管的内表面一致。在微带贴片内，金属贴片被印在电介质上。微带贴片具有重量轻、便宜和易于与其它电子器件集成的优点。本文使用的术语“多相”是指包括至少两相材料的组分。多相组分可以包括油、水和气的某种组合。例如，组分可以包括气和水。组分可以包括气和油。本文使用的术语“无线电或微波频率范围”是指在几百MHz到几十GHz之间的电磁频率。本文使用的术语“管”是指其中多相组分的流动是可能的任何结构。即，该术语并不限于作为横截面实质上圆形的实质上封闭的纵向元件(例如，在卫生保健和管道工程中使用的术语)。
在一些油气应用中，管包含例如气和流体(例如，油/水)的两种材料的混合物或者油和水的乳状液。在实施例中，在频率范围上激励一个或多个贴片，并在该频率范围上测量反射和/或发射功率。对于给定管直径，系统的共振频率取决于管内部介质的电容率(介电常数)。介电特性是与频率有关的复数量。介电常数的实部是在存在电场时如何轻松极化材料的指示。介电常数的虚部表示在介质中的损耗。共振模式可以由共振频率、Q因数和峰值的幅度来表征。随组分变化的共振频率偏移用来估计混合物的相馏分。另外，还可以使用共振的品质因数(Q)和共振峰值的幅度。共振频率和介电常数的实部成反比。由Q因数所量化的共振峰值的幅度和锐度与介电常数的虚部成反比。例如，随着水含量增加，有效介电常数增加而共振频率降低。类似地，如果水例如由于盐度而损耗，则将导致峰值幅度减小而峰值宽度增加。由于峰值的识别(分辨率)成为难题，因此随着水含量增加，使用共振频率方法估计相馏分变得困难。
为了估计流速率，在沿管轴线的两个位置的共振频率可以用两组贴片来测量，并且可使用互相关技术。在断层分析重建的情况下可以使用类似方法。
本发明的多方面使用工作在RF/微波频率范围内的一个或多个贴片天线来测量管内部流动的成分的相馏分/流速。贴片在频率范围上进行激励，并且将根据管尺寸、贴片配置和管内部材料的介电特性在一些频率建立共振模式。
在一个实施例中，每个贴片将和管的内壁一致，从而使设计为非侵入式。在高频率中作为天线工作的贴片可以包括两个平行导体、由其间的介电层隔开的地平面上金属贴片。在用于流计量的贴片的情况下，地平面可以与不锈钢管相同。给贴片馈电的一种方法是使用从贴片背部连接的同轴电缆。
使用模拟和实验测试本方法的多方面。在一个实验中，管内部的混合物由气和油组成，需要精确确定油馏分的小变化(＜10％)。在这种情况下，因为水的介电常数(大约80)比油的介电常数(大约2.2)和天然气的介电常数(大约1)高很多，所以与油/水或者气/水的情形相比，电容率差异(contrast)小得多。模拟以及实验示出，甚至小的电容率变化转化成可测量的频率偏移。还对介电常数彼此接近的两种油的混合物进行实验。与相馏分的小变化(0到5％)对应的介电常数的小变化导致可测量的一致和有限的频率偏移。
在另一配置中，贴片天线可置于围绕管的部分的空腔(cavity)内部。在这种情况下，通过空腔的尺寸可部分控制共振频率，并且与开管的情况相比，品质因数会更好。然而，与贴片在管内部相比，阻抗匹配变得更棘手并且耦合效率将更低。
在又一配置中，如果管是非金属的或者如果存在非金属绕线管，则贴片可以安装在管/绕线管的外表面上。该实施例可提供搭接类型的方案。
此外，形状不限于正方形，并且可以可能是满足要求的任何其它形状。类似地，天线的极化也可不同，并且可以可能是圆形极化、椭圆形极化或其它极化。
图1示出根据本发明多方面使用贴片天线测量多相流的方法的流程图。方法10包括在12将多个贴片天线30定位成与多相组分流通信和/或接近于多相组分流。多个贴片天线30一般能够工作在至少无线电和/或微波频率范围内。
在14，对多个贴片天线30应用频率扫描，其中在频率范围上激励贴片天线30。
结果，多个贴片天线30产生电磁场并在某些频率建立共振。在16，方法10包括测量来自多个贴片天线30的发射和反射信号。基于在16的测量，在18估计或计算共振频率，以及从基准共振频率的偏移。
然后在20，基于估计/计算的频率偏移，计算多相组分的电容率。通过应用传递函数可以得到电容率。
在22，基于在20得到的电容率计算多相组分的相百分比组分。通过应用如Brueggman、Maxwell Garnet等的传递函数可以计算相组分。
图2A到2D示出可根据本发明多方面用于测量多相流的各种示例贴片天线系统的透视图。例如，称为“同线(inline)贴片”的图2A中实施例包括管100和按实质上线性配置进行配置的多个贴片天线30。多个贴片天线30可配置成实质上围绕管100的周边。例如，可在实质上为金属的管100的内表面上定位贴片天线30的同线贴片。同线贴片可以在使用前安装在新管100内，或者使用例如绕线管件安装在现有管100内(例如，在临时停机期间)，由此提供改型方案。
称为“空腔贴片”的图2B中实施例包括管100和多个贴片天线30，配置多个贴片天线30使得在多个贴片天线30和管100的外表面之间存在空腔。多个贴片天线30至少包括发射器天线30和接收器天线30。包括附着在其上的多个贴片天线30的空腔贴片34沿管100的一部分进行安装。空腔贴片34的各部分可以和非金属管100接触或不接触。空腔贴片34可以在使用前安装在新管100周围，或者安装在现有管100周围(例如，在临时停机期间)，由此提供改型方案。
称为“贴片带”的图2C中实施例包括管100和包括多个贴片天线30的元件40(例如“贴片带”)，配置多个贴片天线30使得该元件可以安装在管100的外表面周围(例如缠绕在管100周围)。元件40可以由允许元件40充分弯曲和/或缠绕在管100的周边周围的任何适合材料制成。典型地，贴片带实施例可以在其中管100为非金属(例如，塑料、玻璃、陶瓷等)或者具有非金属部分的情形中使用。包含附着在其上的多个贴片天线30的元件40可以沿管100的一部分进行安装。多个贴片天线30可按实质上线性排列进行配置，使得当元件40附着于管100时多个贴片天线实质上围绕管100(例如参见图2C)。元件40可以在使用前安装在新管100周围，或安装在现有管100周围(例如，在临时停机期间)，由此提供改型方案。
称为“螺旋贴片”的图2D中实施例包括管100和按实质上螺旋排列进行配置的多个贴片天线30。多个贴片天线30可以配置成实质上围绕在管100的周边。例如，可以在实质上为金属的管100的内表面上或在实质上为非金属的管100的外表面上使用贴片天线30的螺旋贴片。同线螺旋贴片可以在使用前安装在新管100之内或者之上，或者安装在现有管100之中或之上(例如，在临时停机期间)，由此，提供改型方案。显然，在不脱离本发明多方面的情况下，可以使用与所述那些不同的贴片天线30的实施例和配置。
图3A到3C示出使用本发明各种实施例的管线100的端截面图。示出使用贴片天线30的不同配置。例如，图3A示出构造在柔性基底上的贴片天线30，因此允许贴片天线30与管100的形状(例如弯曲)一致。在某些实施例中的管100可以为非平面的。本实施例允许在贴片天线30的形状和其所附着的管100之间的紧密或精确一致。图3B示出可部分突出到管100的内部流动空间中的贴片天线30。本实施例中贴片天线30的基底材料可为刚性的。图3C示出从管100的内部流动空间向外凹进(recess)的贴片天线30。对微波实质上透明的材料40可被置于贴片天线30和管100的内部流动空间之间。在另一实施例中，贴片天线30可以可去除地附着于管100。在又一实施例中，贴片天线30可还包括保护罩和/或在其上的天线罩，以便提供免于各种因素(例如腐蚀、侵蚀等)的额外保护。显然，在不脱离本发明多方面的情况下，可以采用使用前述特征的某种组合的其它实施例。
图4A到4F示出根据本发明多方面使用的贴片天线30的一些形状。贴片天线30的形状事实上可以是任何多边形形状或其组合。例如，贴片天线30可以是矩形的(例如图4A4C)、正方形的(例如图4C)、圆形的(例如图4F)、椭圆形的(例如图4D4F)等或者其组合。如图所示，贴片天线30的主轴线可以实质上和管的纵轴线平行(例如图4A、4D)，或者贴片天线30的主轴线可以实质上和管的纵轴线垂直(例如图4B、4E)。类似地，除了所用的贴片天线30的物理形状之外，还可以使用具有不同极化的贴片天线30。例如，贴片天线30的极化可以是椭圆的、圆形的、线性的等。显而易见，在不脱离本发明多方面的情况下，本文使用的贴片天线30的形状可以和示出的那些不同。
图5为根据本发明的多方面用贴片天线计量多相流的系统200的示意图。系统200包括布置成与管100内部的多相组分通信的多个贴片天线30。单个贴片天线30或者多个贴片天线30可以按本文所述的任何排列进行配置。图5仅为了示意目的而只示出两个贴片天线30。在任何情况下，多个贴片天线30连接到源/功率传感器或者备选地连接到网络分析器，源/功率传感器或者网络分析器则与包括通信装置212(例如，图形用户界面、计算机屏幕等)的计算机210接口。通信部件32可以是电缆、无线连接、因特网或者允许在计算机210和在管100的贴片天线30配置之间通信的其它任何合适部件。计算机210可以是与用于提供本文所述方法的各个方面的软件、固件和/或诸如此类相结合的任何合适计算机(例如，个人计算机、云计算、服务器布置、计算机网络等)。
图6示出典型的频率响应曲线，这些曲线示出共振频率随组分的变化。图7示出相比各种油气组分的气量馏分(GVF：gas volume fraction)％(X轴线)的中心频率(Y轴线)。如图所示，频率的实质上线性偏移与GVF的偏移一致。
类似地，图8示出在4″管内部使用贴片天线配置的情况下所获得的附加实验数据的结果。在这个实验里，多相组分包括具有不同电容率的两种油(即蓖麻油和机油)，其中蓖麻油具有大约3.3的电容率，而机油具有大约2的电容率。示出相比机油中蓖麻油的百分比(X轴线)的共振频率(Y轴线)。如图所示，共振频率随多相组分电容率的小变化(例如，蓖麻油百分比的变化)而实质上以线性方式偏移。
在另一实施例中，在发射-接收模式中两个或多个贴片天线可工作在几个选择频率。通过使用来自发射的幅度和相位信息并且使用反射系数来进行相馏分估计。另外，通过使贴片天线工作在所述几个选择频率，可以将相同的来自发射的幅度和相位信息以及反射系数用于流态识别。图9A到9D示出在单个频率对多相组分进行的测试结果，测试结果示出时间(X轴线)的发射信号强度S21(Y轴线)。如图所示，S21表示由于在端口1的激励而在管线上端口2的测量信号。参考图9A，对于具有21的含水量百分比和0的GVF百分比的组分示出发射信号强度S21。因而，图9A中测试的组分包括大约21％的水和大约79％的油。类似地，图9B示出对于包括大约18％的气和大约82％的流体的多相组分的测试结果，流体中大约20％是水而剩下的百分比是油。类似地，图9C示出对于包括大约51％的气和大约49％的流体的多相组分的测试结果，流体中大约20％是水而剩下的百分比是油。最后，图9D示出对于包括大约75％的气和大约25％的流体的多相组分的测试结果，流体中大约25％是水而剩下的百分比是油。可见，这些信号根据流态呈现不同特征，并且该事实可以用于流态分类算法。
在另一实施例中，可以通过使用传递函数而将多个测量对象(例如，发射的相位和幅度信息与反射系数、共振频率等)组合成单个参数。和使用单个参数或测量对象相比，这给出结果中噪声或波动更小的附加好处。
在另一实施例中，可将两组贴片天线沿管的纵轴线间隔开一定距离，使得可使用互相关来估计流速。在又一实施例中，贴片天线可以还充当低频阻抗测量的电极。通过将贴片天线用作电极，可以使用电阻抗光谱学(EIS)测量方法。另外，在另一实施例中，可将贴片天线阵列用于断层分析重建。例如，可将贴片天线阵列沿周边置于管圆周，以便产生断层分析图像。显然，可将贴片天线用于本文所述的以及其它的各种测量方法。
本发明已经根据优选实施例进行了描述，并且除了明确记载的那些以外，等效、备选和修改是可能的并在随附权利要求书的范围内。
部件清单：
方法10
将多个贴片天线定位成与多相组分流通信和/或接近于多相组分流12
对多个贴片天线应用频率扫描14
测量来自多个贴片天线的发射和反射信号16
估计/计算共振频率18
基于估计/计算的频率偏移计算多相组分的电容率20
计算多相组分的相百分比组分22
贴片天线30
通信部件32
空腔贴片34
元件40
管100
计算机210
通信装置212
Claims (10)
1.一种计量管(100)内多相组分的方法(10)，包括：
将工作在无线电或微波频率范围内的至少一个贴片天线(30)定位于接近所述多相组分(12)；
在频率范围上对所述至少一个贴片天线(30)进行激励(14)；
随时间测量来自所述至少一个贴片天线(30)的发射和反射信号(16)；
估计基准共振频率(18)；
估计共振频率从所述基准共振频率的偏移；
基于所述共振频率中的所述偏移计算所述多相组分的电容率(20)；以及
基于所述电容率计算所述多相组分的相组分(22)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)包括矩形、圆形、菱形、椭圆形、正方形或者上述形状的任意组合。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多相组分包括气和流体。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述定位所述至少一个贴片天线包括按螺旋或者圆形配置放置所述多个贴片天线(30)，以便至少部分围绕所述管(100)。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)被放置在所述管(100)的内表面上。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)被放置在所述管(100)的外表面上。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)配置成和所述管(100)的表面一致。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)配置成突出到所述管(100)的部分内部流动空间中。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)从所述管(100)的内部流动空间凹进，还包括定位在所述至少一个贴片天线(30)和所述管(100)的内表面之间的微波透明材料。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个贴片天线(30)具有圆形、椭圆形、矩形及其组合中之一的极化。
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