CN107407645B - 测量流体流的特性的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量流过一段管道的流体的电气特性的系统，该系统包括一个同轴谐振器，同轴谐振器由在所述管道中的基本同轴的插入物构成，并限定了一个位于所述插入物的选定部分和管道壁之间的环形空间，插入物和管道壁由导电材料制成，该系统还包括：至少一根适于发射电磁信号到同轴谐振器和从同轴谐振器接收电磁信号的天线；以及用于在包括同轴谐振器的波导模式TE₁₁的频率范围内测量所述同轴谐振器的频率响应的构件。同轴插入物通过至少一个位于环形空间外的支撑腿部安装在管道壁上，并且一个导电翅片至少部分地布置在环形空间内，所述翅片布置在径向平面中，所述平面不同于由所述的至少一根的天线和所述环形空间的轴线构成的平面。

Description

测量流体流的特性的系统

技术领域

本发明涉及一种测量系统，用于测量流体流动的特性，并且尤其是包含一部分水的多相流体流动的特性。

背景技术

在石油与天然气的生产和加工中，需要监测流体流的成分含量与性质，这是因为石油、天然气和水的分数以及水的盐度会在生产中发生改变并且影响进一步地加工。已经使用了多种技术来对确定所述分数与所述盐度所必须的信息进行采样，所述技术例如声学测量，压力、伽马和电气测量。

本发明涉及电气测量，该电气测量用于确定石油、天然气和水的混合物中成分，并且特别是确定流体流中的水的导电率，从而指示流体流中的盐度和/或水含量。在水中溶解的盐使水具有导电性。其可以被测量的，这是因为盐度会影响在微波范围内或接近微波范围的电磁信号的状态(并且尤其是在流体流中电磁信号的谐振频率的作用下)，正如下述出版物中所论述的。

导电率取决于溶液中离子的数量和种类以及温度。石油工业中的多相流中的水可能含有多种类型的离子，但目前最常见的来自氯化钠的Na⁺和Cl^-。在本文中，盐度是指产生与实际溶液相同的导电率的氯化钠的等价的量，以占盐水的重量百分比(％)表达。

已知有几种管道中的插入物可以用来对流体流进行导电率的测量。欧洲专利EP2500699B1描述了一种用于此种目的的锥形插入物，其中支撑片被成形成如下形状：不会对测量产生影响，同时还能提供足够的机械刚度以避免振动。EP2500699B1中的测量是基于同轴共振模式下的微波谐振峰值，其电磁场围绕插入物对称，并且对圆形空间中的导电率的变化的敏感性是受限的。简单起见，本文使用的词语“微波”是对于没有特定频率限制的所有高频信号的统称，也包括其他可能的称呼，例如射频波或毫米波。

在WO2014/122093中论述了一种目的在于通过提供并从谐振频率和Q因子两个方面在两个谐振态测量电磁场来优化导电率测量的方案。WO2014/122093中的不同的谐振频率可以通过几种不同的方法得到。其中一种可以是EP2500699B1中论述的同轴TEM模式，而其他几种可以是TEM模式的高阶谐振，或者通过以特定方法构建插入物或布置包括天线或换能器的探针获得的所谓的波导模式(见下文)。

NO315584/US6915707描述了一种利用TE11和TEM模式的多相测量方法来测量介质的频率响应，而NO308922/US6466035描述了一种用于测量管道中流动的几种流体之间的比例的微波传感器，其中传感器设置有沿着管道轴线延伸的径向导电翅片，所述径向导电翅片可在测量体积的内部。

一般来说，电磁能量可以在空心波导(例如矩形或圆形波导)中以多种波模式传播，其中每个模式都是一个满足边界条件的、特定的场型。理论上有无限多可能的波模式。它们被分为两组，TE_nm和TM_nm模式。空心波导中的波模式的特定特征在于每种模式都有一个截止频率，意味着只能以高于所述截止频率的频率传播。圆形波导中的TM_nm的截止频率由下式给出

其中，c是光速，a是管道的(内)半径，p_nm是专用于所述模式的常量。同样的公式也适用于TE_nm模式，不过常量p用一个素数标记。p值可以在微波工具书中的表格中以及Nyfors，E的阐述波导基本特征的论文[1](“Cylindrical microwave resonator sensorsfor measuring materials under flow”，Thesis for degree of Doctor of Science inTechnology，Helsinki University of Technology，Radio Laboratory，Report S 243，2000，181p)中找到.

其中一种模式的截止频率最低。其显示出：最小p值为1.8412，属于模式TE₁₁(见于Nyfors所著的上述论文中的表5.3)。对于内直径为125mm的圆形波导，经公式(1)后得到1406.6MHz作为截止频率。在低于所述频率时，没有电磁波能传播。然而，这种情况适用于“真空”或填充空气的波导。对于另一介质而言，截止频率以与谐振器的谐振频率相同的方式变化。

具有多于一个的导体的结构，例如同轴缆线，可以支持第三种类型的模式，即TEM模式。这种模式没有截止频率。虽然如此，但是同轴结构也可以支持拥有截止频率的波导模式。同轴结构中的第一个波导模式也被称作TE₁₁，即使它是与圆形波导中拥有相同名字的模式不同的模式。同轴波导模式TE₁₁的截止频率大约为：

其中a和b是内导体和外导体的半径。电介质再一次降低了截止频率。

对于使用同轴缆线或用于携载调制信号(例如用于通信目的)的波导而言，通常应注意：波导模式以取决于频率和截止频率之比的群速度传播。

其中，v_pw是平面波(即，位于自由空间中)的速度。没有截止频率的TEM波以与平面波相同的速度传播。如果有多种模式能够在传输线路(波导，同轴缆线)中于使用频率下传播，在不连续、弯曲等情况下，能量可能从一种模式泄露到另一种模式中去。因为波导模式以比平面波低的群速度传播，例如TE₁₁模式在同轴缆线中传播的比TEM模式更慢。在大多数情况下，即，同轴缆线用于携载信号，这可能导致不可接受的色散效应。因此，在实践中，同轴缆线采用的频率上限等于TE₁₁的截止频率，并且用于高频的缆线的直径很小。出于同样的原因，波导被使用在仅第一模式能够传播的频率范围内。对于常见的矩形波导来说，这个范围是一个倍频程。

管道中的微波谐振器可以被认为是传输线(例如空心波导或同轴结构)的具有反射端部的一部分。谐振模式是以传输波模式为基础的。当反射产生一个驻波波形时，谐振就发生了。

当谐振器传感器在管道中被设计为谐振频率低于作为波导的管道的截止频率时，在谐振中储存的能量无法通过传播逃逸。于是可以使用一种相对开放的结构，这是因为不需要栅格(grids)或其他高度侵入性的结构来容纳能量。为了实现这一点，所述传输线路必须能够支持处于比管道低的频率的波，即，所述传输线路拥有比管道低的截止频率。因为TEM模式没有截止频率，所以同轴结构满足这一标准。同时，如论文[1]中所述的扇形或半扇形的结构也满足这一标准。

圆锥谐振器是同轴结构，其中，能量被包含在谐振器中主要是因为谐振频率低于管道的截止频率，这意味着储存的能量无法通过在管道中的传播而从谐振器中泄露。这一标准在EP2500699B1中论述的用于介电常量测量的椎体谐振中被自动满足，其中椎体腿部继续在椎体上方延续一定的距离，这使他在物理上更加坚固。因此椎体的宽的头部突出并因此形成同轴结构。所述椎体是中心导体，所述管道是外部导体。所述腿部起短路作用，而另一端为开路。因此，基本TEM模式的第一谐振为λ/4型谐振(见于论文[1]中第3.3节)。电场是径向对称且圆对称的。所述电场的最大值在所述椎体中的宽的开路端部，并且在腿部端部为0。因为圆锥形的形状，该模式被容性加载在开路端，这使谐振频率低于简单的通过波长为椎体突出长度的四倍计算出来的频率。因为波长和椎体长度的关系，很明显，更长的椎体拥有更低的谐振频率。

也存在基于TEM模式的高阶谐振，下一个谐振为3λ/4型，但是对于任何实用的锥形设计，谐振频率都高于管道的截止频率。因此，能量可以在管道中传输并且谐振对测量来说没有用处。

发明内容

本发明涉及一种方案，其中，同轴TE₁₁波导模式的第一谐振被用作实现WO2014/122093中所描述的方法的第二谐振。TE₁₁模式的场型在插入物和管壁之间的圆周上具有幅度变化。如下文中所要描述的，TE₁₁模式的场型在稳定条件下会被布置为在相同位置处提供最大幅度。但是该模式可能在任意轴向方向上存在，并且一旦流动条件中的对称性被改变，极大值的位置就会发生变化，从而影响测量的准确性。

本发明的目的是提供一种方案，其中，尤其在基于TEM和TE₁₁谐振峰值的同时测量的系统中，TE₁₁模式的位置保持不变。这可以通过根据本发明的用于测量流过一段管道的流体的电气特性的系统来达成。

附图说明

下文中将通过参考附图来讨论本发明，并通过示例的方式说明本发明。

图1示出了本发明的优选实施例。

图2a至2d示出了相对于锥形插入物的电场。

图3a，3b示出了谐振腔的模拟图3a以及与天线非对称的布置的一部分盐水的模拟图3b。

图4示出了盐水位置与谐振频率条件的依赖关系。

图5为具有72mm的突出物和4个腿部的椎体的模拟结果，4个腿部中的两个(图中的沿水平方向的腿部)沿轴向延伸。

具体实施方式

在图1中示出了由本发明的实施例，该实施例由具有3个支撑翼片或用于将其安装在管道壁上的腿部2，3，4的锥形插入物1构成。支撑腿部中的一个腿部2比其他腿部更为延伸靠近椎体部分。椎体本身在形状方面可以在锥形的基础上有或多或少的不同变形，这取决于结构的选择，同样也会影响谐振频率。支撑腿部的数目也可以多于三个，在这种情况下，有两个支撑腿部会更靠近椎体部分。这两个腿部必须基本位于结构的对侧，即两个腿部间的夹角接近180°。

上文讨论过的同轴波导模式TE₁₁能够以高于公式(2)给出的截止频率传播，并以与TEM相同的方式呈现谐振。主要不同在于，不论突出的椎体有多长，谐振频率不能低于该模式的截止频率，而TEM模式谐振的谐振频率随长度的增加而持续下降。这是因为波导中的波长为：

其中λ_pw是平面波的波长。波长λ_wg接近截止非常长，并在截止频率下无限大。因此，对同轴模式TE₁₁的第一谐振频率能有多低有一个基本的限制。公式(2)表明了所述限制取决于椎体的半径a，但是所述半径沿椎体改变。因此，所述限制(有效截止频率)取决于比值β和椎体的锥形轮廓。比值β是一个常量，常用来描述文丘里管或用于通过缩窄引起的压差来测量流动的椎体的缩窄，并且因此是一种与管道直径相对应的椎体尺寸的量度。事实证明，在所有使用的椎体设计中，TE₁₁模式的谐振频率(通常被称作第二峰值)接近于管道的截止频率。因此，在执行项目的开发工作中，需要注意在满足其他所有条件的同时实现足够低的第二谐振频率。所以很有挑战性的情况的示例中，聚焦于具有β＝0.86的设计方案，因为这个值对应的椎体很小。如果在其他情况下将相同类型的锥体设计应用于较大的锥体，第二峰值将对管道的截止频率拥有更大的裕度。

当同轴TEM模式的电场场型是圆对称的并且在同轴结构的横截面上是径向的时，同轴TE₁₁模式的电场场型沿着圆周改变，使得在所述结构的对侧有最大值(在相反的相位)，并且场的中间(与最大值成90°角)处的值是0。模式的方向主要取决于天线5，6的位置。图2a，2b示出了在两种谐振模式下电场分布的横截面模拟图，而图2c，2d示出了纵向截面图。应注意的是第二峰值的电场的角度变化和轴向延伸。

如上文所述，因为在图2b，2d中的同轴TE₁₁模式的场型不是圆对称的，所以相同的模式能够以不同的定向存在。特别地，两个所谓的正交模式能够以彼此独立的方式存在。术语“正交”意味着模式的能量间没有耦合。在本申请的情形中，它还意味着正交模式的场型彼此转动了90°。两种模式都有它们自己的谐振。因为除了定向以外的其他一切都是相同的，所以谐振频率也相同。当几种谐振模式拥有相同谐振频率时，它们也被称作简并模式。很明显，同轴TE₁₁模式将具有两个呈圆对称结构的简并谐振。

简并谐振模式在这种应用中很容易出问题。如果两个都被激励和接收，它们会干扰并使共振峰值失真，如图3a和3b所示。测量Q因子的效果最大。尤其是如果介电常数在潮湿气体流中的分布略微不均匀而使得更多的水更接近这些模式中的一个的场的最大值(相比其它模式)，则“看到”更多水的模式会在谐振频率上有更大的变化。于是，这些模式不再具有相同的谐振频率，并且干扰会更强。在完美圆对称并且耦合天线安装在管道对侧的情况下，这些简并模式中只有一个被激励，但是介电常数的不均匀分布同样会使所述模式的场型失真，并且因此影响与模式的耦合，并且能量从一个模式泄露到另一个模式。因此在实践中不可能只通过这种天线配置就完全避免激励不需要的简并模式。很明显，简并模式的存在使得将第二峰值用于测量目的具有挑战性，因为峰值很容易因为干扰而劣化。这很严重，因为使用第二峰值的主要原因是使用WO2014/122093中论述的方法测量盐度，WO2014/122093中论述的方法基于在两个频率测量Q因子，并且即使是轻度失真也会对Q因子产生很大的影响。本发明的一个目的是避免简并模式产生的问题。

第二峰值的横截面中的电场的形状如图2b，2d所示。在对侧分别有两个最大值，而在正交方向上值为0。即使腿部没有覆盖整个横截面，具有三个相同腿部的机械结构也可以被认为是圆对称的，这意味着所述模式在可以任意定向上存在。尤其是可能存在如上文所述的两个正交模式。当两天线间角度为120°时(如图2a至2d中所示)，模式间的干扰会比图3a，3b所示的情形更加强烈。所述干扰必须被消除，或者至少在峰值可以用于测量目的之前被大幅度减弱。

在对称情况下消除干扰的一种方案为将天线角度改为180°，并将他们相对于腿部对称的布置，即，使得管道的一半是另一半的镜像。模拟显示，当传感器是空的(empty)时，峰值是干净的，即不受干扰。然而，很明显，任何不对称都将使场分布失真，从而激励和接收正交模式。为了测试问题的严重性，以海水7的一部分沿着管壁8呈非对称布置(如图3b所示)的方式进行了模拟。图中的结果很清楚的表明了峰值因为强烈的干扰而翻倍了。

同时，通过焊接在一段管道中的锥形样件进行了实践测试。天线角度为180°。管道保持大约偏离竖向大约20°的角度，并将少量的水注入并沿着一边的管壁通过传感器，同时使用网络分析仪测得谐振峰值。其也表明了峰值很容易失真或者甚至翻倍。当然，这个测试和模拟是在最坏情形下进行的，但结论显示这本身不是一个足够好的解决方案。

当一个模式拥有零电场的径向平面时，可以将一块金属板插入所述平面而不影响所述模式，因为不会违反边界条件。这意味着如果腿部中的一个为一片沿着轴向延伸到椎体的宽端的翅片，模式TE₁₁就可以像之前一样存在(即使所述腿部很厚)，但是仅定向为使得场最大值在垂直于延伸的腿部平面的方向上。因此，延伸的翅片锁定了模式的定向。我们可以称呼其为主要模式，因为它就是所期望的模式。所述正交次要模式(所不期望的)仍然可以存在于延伸的腿部或翅片的下游的区域，流动方向在图1中为从右至左。即使只有一片延伸翅片并且因此这不是短路的一个明确定义的平面，谐振器的有效长度对于次要模式比对于主要模式更短。必须指出的是，考虑到谐振器的类型是λ_wg/4，基于TE₁₁波模式的谐振频率取决于公式(2)描述的截止频率以及公式(4)描述的波长。因此，有效长度的不同从频率上将两种模式分隔。

因为所述延伸翅片，正交波模式不再有简并谐振模式，但是峰值间的距离需要大至足以避免干扰。很明显，所述分隔也取决于造成谐振器有效长度不同的所述延伸翅片的数量。对于主要模式TE₁₁，翅片能够一直延伸到椎体的下游端，在这种情况下次要模式会完全消失，但是因为TEM模式不能存在，所以第一峰值也是如此。延伸翅片也会移动用于导致更高频率的第一峰值的短路的有效平面。然而，如果延伸足够小的话，这就并不重要。

为了找到足够好的平衡点而进行了一些模拟。图4显示了对于具有大约相当于海水的盐度的水7在椎体的突出部分为72mm的结构内的不同位置下的结果。腿部2(图中指向下方的那个)的延伸为30mm。天线角度也是180°以尽可能减少到次要模式的耦合。主要模式的峰值很明显被第二峰值的接近与变化的分隔所影响，变化的分隔取决于两种模式受水的影响程度。这在实际情况中并不够好，但是水的数量和极度不均匀的水分布是夸张的最坏情况。结果同样证实了频率上的分隔，这被认为是设计参数的很好的平衡。

两个模式的更有效的分隔能够以相同的延伸量通过将三个腿部换为四个腿部2a，2b，3，4或更多个腿部来实现，其中两个相对的腿部2a，2b被伸出。所述两个腿部2a，b会导致针对次要模式的定义更明确的短路平面。这也做了模拟，结果如图5所示，示出了拥有72mm突出部分和四个腿部的椎体的模拟结果，这些腿部中的两个腿部2a，2b(图中的水平腿部)沿轴向延伸。上方的情况(upper case)的延伸长度为20mm，下方的情况(lower case)的延伸长度为30mm。该结果表明所述分隔比具有三个腿部要好。它们大致表明了通过延伸20mm可以取得三腿部版本通过延伸30mm取得的同样量的分隔。四腿部版本很明显是另一种更好的选择，但是也更贵，会造成更多的流量流动，并且更难焊接。

基于上述讨论，因此，对于在以上的描述中当作例子使用的管道和椎体的尺寸而言，在本发明的优选实施例中可以被描述为3腿部设计，其中一个腿部通常延伸30mm，并且天线角度为180°，所述天线以与延伸的腿部成90°的方式布置。

另一优选实施例是一种4腿部设计，其中两个相对的腿部通常延伸20mm，天线角度为180°，所述天线以与延伸的腿部成90°的方式布置。

在上面的描述中假设了两根耦合天线5，6。然而，必须理解的是，这只是一个例子。本领域技术人员了解，其他数量的天线也同样适用而不会偏离本发明。例如，谐振器也可以仅使用一根天线来测量，在这种情况下，如论文[1]中第三章所解释的，谐振频率和Q因子是从被测量到的反射系数中得到的。使用两根以上天线也同样是可以的，例如三根天线以及例如从由两根接收天线测量的差分相位或幅度中检测出谐振频率和Q因子。简并模式和使用延伸的腿部的方案的问题是一样的，无论使用天线的数量是多少。

在上面的描述中，很明显，延伸一个或两个腿部的主要效果是在不同的地方为两个正交的同轴TE₁₁谐振模式创建短路平面，从而在频率上将他们分隔开。然而，在期望的位置创造短路平面的唯一要求是，存在面对存在谐振的空间的翅片的边缘，因为所述边缘定义了短路的位置。因此，同样的效果也可以通过导电片或其他任何将插入物(例如椎体)与管道壁连接起来的结构达成，从而在期望的位置造成短路。因此，它不需要与任何腿部连接，并且甚至不需要与任何腿部安装在同一方向，但是定向将定义期望的TE₁₁谐振模式的定向。作为例子，以上仅仅是出于实际原因选择了拥有一个延伸翅片(或两个)的方案，但是它并不是为不同定向的模式在不同位置创造短路平面的唯一可能。

总之，本发明涉及一种系统，用于测量流体流过一部分管道的电气特性。系统包括同轴谐振器，同轴谐振器由在所述管道中的基本上同轴的插入物形成，并在所述插入物的选定部分和管道壁之间限定了一块圆形或环形区域，其中所述插入物和管道壁由导电材料制成。所述系统还包括至少一个探头，其具有能够将电磁信号发射到所述同轴谐振器中并且还能够从谐振器中接收信号的天线，从而能够在所述区域内测量谐振特性。其可能包含谐振频率和Q因子。因此，它包含用于在包括所述同轴谐振器的波导模式TE₁₁的频率范围内测量所述同轴谐振器的频率响应的构件。

其中，所述同轴插入物通过至少一个布置在所述被选定的圆形或环形空间之外的支撑腿部安装在管道壁上，并且一个导电翅片被布置为沿纵向至少部分地伸入支撑腿部和天线之间的环形空间区域中。按这种方法，该翅片会通过阻尼场影响其位置处的谐振条件，并因此消除沿切线方向在环形空间中传播的模式。为了避免干扰问题，翅片应该被布置在由天线和环形空间中的管道轴线定义的平面之外。如附图中所示，优选地，角度在90°的范围，但是其他方案也是可行的，例如，取决于翅片和天线的数量。

因此，按这种方法，流体的盐度可以通过分析谐振特性得到。所述流体可为多相流，例如含有水，如具有一定的盐度的海水。

优选的，所述测量构件适于在至少包括所述同轴波导模式TE₁₁的频率范围内测量谐振频率，并且适于同轴TEM模式谐振。

根据本发明优选的实施例，至少两根天线可能被布置在垂直于翅片限定的径向平面的径向平面，并位于管道中插入物的相对的侧上，每根天线都可以发射和/或接收来自环形空间的信号。

所述插入物所具有的形状在所述空间处具有距管道壁的最小距离，例如，为沿管道方向的同轴形状。

优选的，所述至少一个导电翅片由至少一个延伸到所述空间中选定的长度的支撑腿部组成。

所述插入物可以被安装在从管壁延伸出的两个腿部之间，腿部布置在与所述天线之间等距的平面中。其中，对于三个腿部的情况，优选的，为了稳定的目的，腿部中的一个被布置在所述平面中。对于四个腿部的情况，腿部中的两个被布置在所述平面中，这种布置也是可以使用的，并且可以被用于有利地其他目的，例如图5中所示的。

所述系统可以包括用于基于所述TE₁₁谐振模式的频率来计算所述圆形空间中的导电率的构件。优选的，所述计算构件适于计算在所述空间中的导电率，所述计算包括在所述圆形空间测量到的TEM和TE₁₁的谐振特性。

Claims (12)

1.用于测量流过一段管道的流体的电气特性的系统，所述系统包括一个同轴谐振器，所述同轴谐振器由在所述管道中的基本同轴的插入物构成并限定出位于所述插入物的一部分和管道壁之间的环形空间，所述插入物和管道壁由导电材料制成，所述系统还包括至少一根天线，所述天线适于发射电磁信号到所述同轴谐振器以及从所述同轴谐振器接收电磁信号，以及所述系统还包括用于在包括所述同轴谐振器的波导模式TE₁₁的频率范围内测量所述同轴谐振器的频率响应的构件，其中，所述同轴的插入物通过至少一个位于所述环形空间外的支撑腿部安装在管道壁上，并且一个导电翅片被至少部分地布置在环形空间内，所述翅片被布置在径向平面中，所述平面不同于由所述至少一根天线和所述环形空间的轴线限定的平面。

2.如权利要求1所述的系统，所述测量构件适于在至少包括所述同轴波导模式TE₁₁的频率范围内测量谐振频率，并且适于同轴TEM模式谐振。

3.如权利要求1所述的系统，其中，至少有两根天线被布置在垂直于由所述翅片限定的径向平面的径向平面内，并且位于所述管道中的插入物的相对的侧上。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述插入物所具有的形状在所述空间的位置处具有距管道壁的最小距离。

5.如权利要求4所述的系统，其中，所述插入物沿管道方向具有同轴的形状。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述至少一个导电翅片由至少一个延伸到所述空间中选定长度的支撑腿部组成。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述插入物可以被安装在从管壁延伸出的至少两个腿部之间，所述腿部被布置在与所述天线之间等距的平面中。

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述插入物安置三个腿部之间，所述三个腿部中的一个布置在所述平面内。

9.如权利要求7所述的系统，其中，所述插入物安置在四个腿部之间，所述腿部中的两个布置在所述平面内。

10.如权利要求1所述的系统，包括用于基于所述TE₁₁谐振模式的谐振频率计算所述环形空间中的导电率的构件。

11.如权利要求10所述的系统，其中，所述计算包括在所述环形空间内测量的TEM和TE₁₁谐振特性。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述支撑腿部由导电材料制成。

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