CN106233139B - 截止调节器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器组件，用于对管道中碳氢化合物流体流中的介电属性进行测量，尤其是对所述流的盐度进行测量，所述传感器组件包括：微波空腔谐振器，用于放置在所述管道的壁中，以及被设计为在选择的谐振频率上工作。所述传感器组件还包括：距所述微波空腔谐振器一段距离的金属板，其中，所述板限定了波导，所述波导包围所述空腔谐振器传感器，所述波导沿所述管道的轴开放以用于允许所述流通过，所述波导具有比所述微波空腔谐振器的谐振频率高的截止频率。

Description

截止调节器

技术领域

本发明一般地涉及对管道中的流体流进行测量。

更具体地，本发明涉及对管道中的流体流(特别是湿气或多相流)中的水体积分数(WVF)、液膜厚度、液膜流动速度和/或盐度进行测量，所述管道用于运输含碳氢化合物的流体，在许多情况下，所述流体附加地含有在石油和天然气储层的勘测中出现的水、盐或其他物质。

背景技术

在市场上可获得对石油、水和天然气的混合物中的成分和属性进行测量的很多不同的商业流量计。一些流量计是基于放射性辐射的使用，一些流量计是电容性的，并且一些流量计是基于微波的使用。

由于微波传感器不受与基于放射性辐射的流量计相关联的健康风险以及基于放射性辐射的流量计相当低的精度的限制，或者不受污染物对电容式传感器的不良影响的限制，因此，微波传感器是很受欢迎的。一个示例是第315584/US 6915707号专利中描述的湿气流量计，在该专利中，管道中的结构既可以用作用于产生压差的装置，也可以用作微波空腔谐振器传感器。该空腔谐振器对整个流量的介电常数进行测量，在整个流量中，液体(水和油)主要在气体中形成液滴。这被称之为雾状流。第328801/US8570050号专利中讨论了与本发明相关的此类传感器的另一个示例。该传感器原理上是由一件波导构成的空腔谐振器，该空腔谐振器的一端闭合且另一端开放。该波导填充有介电材料，考虑到前方是平坦的，将所述波导安装在套管的壁上，尽可能地与管道壁保持齐平。在壁上作为薄膜流动的湿气流中的任何液体也将流过传感器的前方。该液体将与谐振的边缘效应的电容电场相接触，从而影响谐振频率(fr)和品质(Q)因子。两个主要的变量是水量和水的电导率。该电导率取决于水的盐度(含盐量)和温度。通过测量fr和Q(以及温度)能够推导出所述盐度。

与基于对流量的复介电常数进行测量的方法相比，使用对形成表面膜的液体的盐度进行测量的这种方法的优势是：fr和Q作为盐度的函数是单调变化的。对于测量水量的情况，水通常分布为液滴(例如雾状流)，这表明了：由球形液滴的电导率产生的复介电常数的虚部首先随着电导率的增加而增加，然后再开始减小。

空腔谐振器传感器的谐振模式是基于圆柱形波导的波导模式TM01。电场图是圆对称的。因此，空腔谐振器的开路端没有辐射到它前面的空间。当在例如实验室的桌子上测量时，具有一个非常高的Q因子。然而，任何小的对称性的干扰(例如，由于在所述传感器的前表面上的一些小水滴)将引起辐射发生。这导致Q因子的下降，但是Q因子的下降不是盐或导电损失引起的，而是由于在传感器表面引入的不对称引起的。然而，当所述传感器安装在用于传输碳氢化合物和水的混合物的金属管(例如所谓的湿气或多相流量计的套管)的壁上时，通过设计所述传感器以至于所述传感器的谐振频率低于所有流状态下所述管道的微波截止频率，可以防止由于液滴引入的传感器不对称而产生的Q因子下降。这是因为谐振频率处的微波无法在管道中传播，因此该微波不能从传感器中逸出。

如果所述谐振器以具有面对流体流的圆截面的圆柱形轮廓来构造，则所述谐振频率主要是由所述空腔谐振器传感器的直径确定的。所述谐振器的面对流体流的面积可以称之为所述谐振器的孔径。如果所述谐振器以任何其他几何轮廓(例如，立方体的、立方形的或棱柱形的)来构造，则所述谐振器的孔径的最大尺寸通常会限定谐振频率。所述空腔谐振器的谐振频率进一步取决于所述谐振器内部的介电填充材料的介电常数。垂直或近似垂直于所述孔径的高度或尺寸对所述谐振频率也有小的影响，且进一步影响所述传感器的灵敏度。这表明对于任何低介电常数值的填充材料而言，所述传感器必须具有一个不切实际的大直径以产生比所述管道的截止频率低的谐振频率。由于这个原因，且由于兼容性的原因，陶瓷材料(例如，使用具有介电常数为28的氧化锆)可能是更优选的。

由于所述空腔谐振器传感器的尺寸必须基于所述管道的截止频率来选择，所述管道的截止频率取决于所述管道的内直径，因此，所述微波谐振器传感器需要按照所述管道尺寸来缩放比例。在实践中，如此做将导致需要针对很多不同的管道尺寸来制造不实用的大量版本的传感器。此外，由于根据不同的管道直径缩放的谐振器将在不同频率工作，且由于水的介电常数是依赖频率的，因此，对盐度的计算同样需要很多不同的数学模型，且不同的传感器通常必须在测试流回路中单独地进行校准。

发明内容

为此，结论是所述空腔谐振器传感器的谐振频率必须低于所述管道的截止频率。除此之外，另一个限制是：从机械/实用的角度考虑，谐振器或传感器可以被允许多大。使用氧化锆作为材料，这些限制之间具有一些空间。例如，使用3个不同直径的传感器可以覆盖尺寸为2英寸到8英寸的管道。考虑到还可能希望针对不同的应用具有不同灵敏度的传感器，例如具有低含水量的湿气(需要高的灵敏度)，或具有高的含水量的多相流。因此，传感器的版本总数变得非常巨大，这些版本的传感器需要覆盖具有不同管道尺寸和不同灵敏度的整个产品范围。从而，本发明的目的是提供一个更灵活的解决方案，并且还降低不同传感器的数量。

例如，当来自几个井的流相混合且在一根管道中运输时，管道尺寸甚至可以大于8英寸。那么，上述提到的3种尺寸的传感器全都不能使用。为适合大的管道尺寸而设计的传感器不仅不切实际地大，而且制造昂贵。从而，本发明的另一个目的是提供一种用于大的管道尺寸的解决方案。

因此，本发明旨在盐度传感器，正如前述提到的美国专利US8570050中讨论的，所述盐度传感器构成微波空腔谐振器传感器，所述微波空腔谐振器传感器安装在管道或类似物的壁中。所述传感器的谐振频率低于所述管道的截止频率，从而避免辐射引起的损失，所述辐射例如是由传感器上的水滴引起的，这可以被理解为是由盐度引起的。

因为所述管道截止频率随着管道直径的增加而降低，所以更大的管道将具有更低的截止频率。所述空腔谐振器传感器的谐振频率取决于所述传感器直径，从而，更大直径将产生低的谐振频率。从而，更大的管道直径将需要更大的传感器直径。然而，就大型管道而言，这可能并不切实际。因此，本发明的主要目的是提供具有增大的使用范围的微波传感器。将显示出通过以下说明和权利要求书来解决该目的以及现有技术的其他限制。

为了简单起见且不限制或不失一般性地，我们将可交换地使用例如，微波空腔谐振器、微波谐振器、谐振器、空腔谐振器传感器、或传感器等术语。我们将在不限制所述谐振器或传感器的几何形状或不丧失所述谐振器或传感器的几何形状的一般性的情况下，进一步使用术语谐振器直径来指示沿所述传感器或谐振器的孔径的最大尺寸。正如之前讨论的，所述传感器或谐振器的谐振频率取决于沿所述传感器的孔径的最大尺寸。从而，直径指示的是圆形表面的最大尺寸，对于矩形或正方形表面，所述直径将是对角线的长度。因此，为简单起见，我们将可互换地使用例如所述传感器的直径和所述传感器的最大尺寸等术语，以指示沿所述传感器或谐振器的孔径的最大尺寸。

通过在传感器前方提供一个插入物而划界出所述管道的一部分，使得所述传感器看到相比主管道具有更高截止频率的管道部分，本发明解决了该目的。这样，在大型管道中可以使用小的传感器。

尽管本发明目前的讨论主要涉及基于具体实施例的盐度测量，然而，本领域技术人员很清楚，本发明也可以用于其他测量。正如上述提到的，例如，所述传感器可以用于对流体流中的水体积分数(WVF)、液膜厚度、液膜流动速度和/或盐度进行测量，或者进行与所述流的介电常数相关的其他测量。

附图说明

下面参考附图来描述本发明，这些附图以举例的方式说明本发明。

图1-6使用不同形状的板的一些示例来说明管道的横截面，所述板形成专用通道，所述专用通道作为所述空腔谐振器传感器的开路端上的局部波导。

图7示出了对根据本发明的板加以说明的系统侧视图，所述板沿管道长度形成专用通道。

具体实施方式

如附图所示，本发明提供了在空腔谐振器2前方的体积4中的局部截止频率，所述体积4是由所述空腔谐振器2的孔径、金属壁3以及管道1限定的。这种设置可以简称为“截止调节器”。本发明中提出的所述截止调节器包含“壁3”，所述壁3将所述管道1的横截面划分为几部分，以至于在所述空腔谐振器2的前方的部分(密闭体积4)成为波导，所述波导的截止频率高于所述空腔谐振器传感器2的谐振频率。为了使得描述更清楚，附图中概略地显示了所述截止调节器，所述截止调节器由虚线形状5圈出。在基本设计中，所述壁3具有可忽略的横截面，该横截面沿管道长度可见，因此，所述壁3将对沿管道的流提供最小的限制。

从图1-6可清楚地看到，实际上任何形状都可充当波导，所述截止调节器5的形状或所述密闭体积4的形状并不重要，因此，可以基于其他方面(例如，机械鲁棒性、抗振性、易于制造)或通过可用的标准材料对所述形状进行选择。然而，对于通常不用作波导的形状，可能很难找到计算所述截止频率的方程式。在这种情况下，基于计算机的对电磁场问题的仿真(例如，高频结构仿真(HFSS)或其类似的)可以用来获得所述截止频率。

附图5示出了本发明的典型的实施例，其中，将所述谐振器2和板3作为一个组件引入到所述管道1中。从所述管道的内部来看，如此的组件被引入并安装到所述管道1中。图5显示的本实施例的另一个特征在于：所述波导是由所述板3和所述谐振器2的表面完全限定的-所述管道1的内表面没有参与波导形状的限定。图5显示的板3形成了所述调节器5的圆截面，然而，其他的几何形状也是可能的。为简单起见，仅仅示出了圆形轮廓。

一般地，截止调节器5的小的横截面积意味着高的截止频率，或者更准确地来说，所述横截面中的最大尺寸限定了截止频率而非横截面的面积限定了截止频率。为了更清楚地说明，我们现在具体参考图6a和6b。例如，具有矩形横截面的2个截止调节器，只要它们的矩形横截面具有相同的宽度W，即使高度H1和H2不同，它们也将具有几乎类似的截止频率。

当所述空腔谐振器2在低于截止频率的波导中激励电磁场时，这种情况下，所述电磁场不会传播，但是随着远离激励点呈指数方式衰减。如果所述波导短于某一长度且所述波导具有一个开路端，则在所述电磁场到达所述开路端之前，所述电磁场不会完全衰减。在截止调节器(或在该情况下，截止调节器5)由于从所述波导的开路端到所述管道1的辐射而导致一些功率损失的情况下，如附图7所示，所述截止调节器因此也需要具有沿着所述管道1的长度延伸的某个最小长度6，以防止辐射逸出所述波导或专用通道。所述谐振频率越接近于所述截止频率，所述截止调节器需要越长的长度。通常情况下，所述长度(6)为所述空腔谐振器2的孔径的最大尺寸的2倍到4倍就足够了。所述谐振器2优选地大致坐落在所述提出的波导的长度6的中间。

总之，本发明涉及一种传感器组件，所述传感器组件用于对管道1中碳氢化合物流体流的介电属性进行测量，尤其是对所述流的盐度进行测量。所述流沿着所述管道的长度穿过。所述组件包括微波空腔谐振器2，所述微波空腔谐振器用于放置在所述管道1的壁中，以及用于在选择的谐振频率上工作以至于测量例如在所述管道中出现的所述流体流的介电常数或盐度等具体参数。

所述传感器组件还包括距所述传感器一段距离的金属板3，其中，所述板限定了一个波导，所述波导包围所述空腔谐振器传感器。用包围表示所述金属板3与所述传感器2一起沿所述管道1的长度或轴在所述管道1中创建专用通道，所述传感器2位于在所述通道的外围上所选择的位置处。所述通道用作微波信号的波导，所述微波信号由所述传感器2生成。所述波导沿所述管道1的轴或长度开放，允许所述流通过，同时，所述波导具有足够的长度6，以避免通过端部开口的辐射损失。所述波导在所述空腔谐振器2、所述板3和所述管道壁1之间限定了体积4，所述波导具有一截止频率，所述截止频率高于所述空腔谐振器传感器的谐振频率，所述体积中的管壁也优选地由金属制成的。优选地，所述金属板3沿着所述管道的长度延伸了沿所述空腔谐振器2的孔径的最大尺寸的至少2倍。

所述波导可以以任何合适的几何截面形式来实现，例如，圆形、椭圆形、多边形以及它们的结合。

所述空腔谐振器2用于具有面对所述流且与所述管道壁齐平的表面或孔径，同时，所述金属板3延伸到所述流中，但是其在流方向上具有一个最小面积，以免对流状态产生任何实质性的影响。

所述金属板3可以安装在所述空腔谐振器2上，作为单个单元引入到所述管道1中，或者，所述金属板3可以安装在所述管道壁1中在所述空腔谐振器2位置处。

所述传感器组件可以是传感系统的一部分，所述传感系统进一步包括与所述传感器组件耦合的测量装置，用于检测所述空腔谐振器的谐振频率。所述测量装置也可以测量所述谐振器的Q因子。所述测量装置进一步可以测量与所述系统相关的其他电参数。所述其他电参数可以包括：对所述空腔谐振器的激励的电压和电流幅度、阻抗以及与所述谐振器相关的电信号的相位。所述系统进一步包括其他测量，以提高所述系统的鲁棒性。所述其他测量可以包括温度测量。

Claims (10)

1.一种传感器组件，用于对管道中碳氢化合物流体流的介电属性进行测量，所述传感器组件包括：微波空腔谐振器，用于放置在所述管道的壁中，以及被设计为在选择的谐振频率上工作；

所述传感器组件还包括：距所述微波空腔谐振器一段距离的金属板，其中，所述板限定了波导，所述波导包围所微波空腔谐振器，所述波导沿所述管道的长度开放以用于允许所述碳氢化合物流体流通过，所述波导具有比所述微波空腔谐振器的谐振频率高的截止频率。

2.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述管道中所述碳氢化合物流体流的所述介电属性包括所述碳氢化合物流体流的盐度。

3.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述金属板沿着所述管道的长度延伸了所述微波空腔谐振器面对所述碳氢化合物流体流的表面的最大尺寸的至少2倍。

4.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述金属板沿着所述管道的长度延伸了所述微波空腔谐振器面对所述碳氢化合物流体流的表面的最大尺寸的至少4倍。

5.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述波导以几何截面的形式实现，所述几何截面包括：圆形、椭圆形、多边形以及它们的结合。

6.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述微波空腔谐振器用于具有一个面对所述碳氢化合物流体流且与所述管道的壁齐平的表面，所述金属板延伸到所述碳氢化合物流体流中。

7.根据权利要求1所述的传感器组件，其中，所述金属板安装在所述微波空腔谐振器上，作为单个单元引入到所述管道中。

8.根据上述任一权利要求所述的传感器组件，其中，所述波导不包括所述管道的壁。

9.一种包含根据上述任一权利要求所述的传感器组件的传感器系统，包括测量装置，所述测量装置耦合到所述传感器组件，用于对所述微波空腔谐振器的谐振频率进行检测。

10.一种根据权利要求9所述的传感器系统，其中，所述测量装置还对其他参数进行测量，所述其他参数包括所述微波空腔谐振器的品质因子。