CN107690569B - 流体测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量管道中的多相流体流的电学特性的系统，系统包括基本为同轴的插入件，该插入件在所述流中限定出处于所述插入件的选定的部分和管壁之间的环形空间。系统包括谐振测量装置，该谐振测量装置包括至少一个第一天线，谐振测量装置适于将在一频率范围内的电磁信号发射到所述容积中，该频率范围包含所述容积中的至少一个预定的谐振，谐振测量装置还适于测量所述容积中的谐振特性，所述谐振在所述容积中的至少一个已知位置处具有振幅最小点，并且所述第一天线被定位在所述振幅最小点的已知位置外部。系统还包括传输测量装置，该传输测量装置包含位于或接近于所述振幅最小点的已知位置的第二天线，并且该传输测量装置适于测量所述第二天线与所述谐振测量装置中的所述第一天线中的至少一个之间的传输特性。基于这些测量，系统适于计算所述电学特性。

Description

流体测量系统

技术领域

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

背景技术

在油气生产和加工中，需要监测流体流的成分含量与特性，诸如石油、天然气和水的分数以及水的盐度，这是因为它们会在生产过程中发生改变并且影响进一步的加工。已经使用了多种类型的技术来采集对确定分数与盐度所必需的信息，诸如声学测量值、压强、伽马射线和电学测量值。

本发明涉及电学测量，该电学测量被用于使用在流中选定的电磁信号的谐振特性和传输特性来确定石油、天然气和水的混合物中的成分含量(例如组分和盐度)。这例如可涉及流的传导率，从而能够指示流中的例如盐度和/或水含量。后一个示例是基于水中溶解的盐赋予水传导性的事实。可以不同方式(例如，通过使用电磁信号的系统)对该后一示例进行测量，其中，盐度会对电磁信号的状态造成在微波范围内或接近于微波范围的影响，更具体地说，如在下文讨论的本公开中所讨论的，是对流中的电磁信号的谐振特性或传输特性产生影响。

传导率取决于溶液中离子的数量和种类以及取决于温度。石油工业中多相流中的水可含有多种类型的离子，但目前最常见的离子是来自氯化钠的Na⁺和Cl^-。本文中盐度是指产生与实际溶液相同的传导率的等量氯化钠，通常以占盐水的重量百分比(％)来表达盐度。

正如WO2013/164303中所讨论的，可以通过测量穿过流体的传输特性或通过包含流体的腔中的谐振状态来测量流的盐度，该传输特性或谐振状态取决于流体的特性，尤其是与穿过流体传播的电磁能量的损耗相关。谐振特性例如可被用于在相关电磁频率下具有低损耗的流体中，而当损耗较高时可以使用传输特性测量。例如，用于测量在管道中流动的流体的谐振器例如可以通过在管道中引入插入件来形成。在WO2013/164303中以及在WO2014122093、WO2003/034051以及WO99/63331中也讨论了涉及不同类型的插入件的谐振特性的使用，其中在传导管和插入件之间得到微波范围内或接近微波范围的谐振电磁波。

在WO2014122093中，还确认可以得到多个谐振频率，其与谐振峰的Q因子一同可以被用于表征流体传导率。更具体地，论述了一种解决方案，该解决方案的目的在于通过提供处于两个谐振态下的电磁场并测量谐振频率和Q因子来优化传导率测量。WO2014/122093中的不同的谐振频率可以通过几种不同的方式得到。其中一个可以是在EP2500699B1中论述的同轴TEM模式，而其它几种可以是TEM模式的更高阶谐振，或者是通过以特定方式构建插入件或安置包括天线或换能器的探针而得到的所谓的波导模式(见下文)。

与在WO2013/164303中描述的解决方案相关的问题是可能存在当介质既不明显地是高损耗介质也不是低损耗介质时的情况。于是谐振的质量过于不良以至于不能用于测量并且或许应使用传输测量来代替，但是谐振仍然足够强，足以影响传输测量，从而常常干扰传输信号并导致测量的质量降低。

NO313647中讨论了用于测量流体的介电常数的测量系统，该测量系统使用发射器天线和接收器天线来进行谐振测量，其中，选择天线的位置以限制其它谐振模式的影响。

因此，可通过以下方式来执行对流体的介电特性进行的用于确定例如水成分的组分或盐度的测量：当流体是低损耗流体时，使用电磁(例如微波)谐振器传感器，以及当流体是高损耗流体时，使用传输测量。根据测得的频率响应确定的谐振器特性通常是谐振频率和/或Q因子。通常可使用单个天线通过测量作为频率的函数的反射系数或者使用两个天线来测量谐振器特性，在使用两个天线的情况下，一个天线激发谐振，另一个天线感测所得到的电磁场。当频率扫过谐振频率时，在频率响应中显示谐振峰。本文中的传输测量是指使用第一天线发射电磁波并且在传播后使用一个或几个其它天线接收该电磁波。所确定的传输特性通常是由信号通过流体从一个天线传播到另一个天线引起的相变和/或衰减。

发明内容

本发明的目的是减少一个或多个谐振对传输信号的干扰，从而当在管道的同一部段中结合谐振测量和传输测量时(例如WO2013/164303中所描述的)，得到改善的测量质量。这通过提供根据本发明的用于测量管道中的多相流体流的电学特性的系统来达成。

发射天线和接收天线之间，或者是用于执行谐振测量或传输测量的天线之间在原理上没有区别，尽管它们可能因实际原因而不同。因此，可使用相同的天线来发射波或激发谐振，以及用来接收信号或感测电磁场。在本发明的说明书中提到的个体天线可被用于多于一个的目的。在本讨论中，会根据所讨论的用途来称呼它们，但不排除当讨论其它用途时，在说明书的其它部分可能对它们使用不同称呼的可能性。

作为示例，谐振测量装置中的谐振天线可将电磁信号发射到谐振器中并且还可基于已知的现有技术所描述的原理接收与测量谐振特性，例如谐振频率与Q-因子。当使用单个谐振天线时，同一天线可以既进行发射又进行接收，但是在其它系统中，一个谐振天线可以是发射器而另一个天线是接收器。

对于传输测量装置类似，在所示的示例中，被定位在最小值点处的天线将是发射天线，但是系统可被重新配置为从谐振测量装置中的所述第一天线中的至少一个接收特定的信号。从传输测量装置可得到在谐振测量装置和传输测量装置中的发射天线与接收天线之间发射的信号的相位。除了相位之外，还可以得到阻尼特性和其它特性。此外，当使用多于两个天线时，可以使用通过不同的传播路径穿过流所得到的差分相位信号。本文中无需提及在测量系统中进行差分测量的优点，因为所述优点对电路和测量领域的技术人员是已知的。所述优点通常包括：抑制大的共模信号(有助于降低对测量系统的要求)、抑制共模噪声和减少漂移。

在本发明中，所公开的天线定位通过利用以下事实提供了传输信号和谐振信号之间的更容易的分隔方法：如WO2014/122093中讨论的更高的谐振频率将具有干扰最小点，在该干扰最小点处某一频率下的振幅将为零或至少足够低从而不会干扰传输信号。

附图说明

现在将在下文中参照通过示例的方式示出本发明的附图来更详细地描述本发明。

图1A-D示出了围绕圆柱形插入件的不同谐振，该圆柱形插入件通过传导支撑翅片被安装在管壁上。

图2A和图2B示出了在两处不同位置测得的信号。

具体实施方式

图1A、图1B和图1C示出了围绕传导翅片1和圆柱形插入件3的谐振电磁场4，该圆柱形插入件被定位在传导材料材质的管道6中，因此提供了一种微波腔谐振器。圆柱形插入件3在用于使流体通过的管道6中产生了环形空间。图1D示出了测量值的标绘图，其示出了系统的响应曲线。在位于翅片1和插入件3的端部处的天线2上施加扫频，并测量天线2处的电响应。

如图1A-D所示，场4在三个不同谐振A、B、C处将取决于频率而沿着并围绕插入件有差别地分布。如图1D所示的响应是振幅响应。在第一谐振模式A下，场4除了在靠近支撑翅片1处之外沿着插入件3以及围绕该插入件均匀分布，其中，管道、插入件3和翅片1由传导材料制成。按照Ebbe Gustaf Nyfors在技术理学博士学位论文“Cylindrical microwaveresonator sensors for measuring materials under flow”(用于测量流中的材料的圆柱形微波谐振器传感器)(报告S243，2000年5月，赫尔辛基理工大学(ISBN 951-22-4983-9))中介绍的规约，该模式被称作TE_1/210。因此，可以沿着插入件3在任何径向位置和轴向位置测量谐振和Q-因子。

然而，当增大频率时，被称作TE_1/211的下一个谐振模式沿纵向方向在插入件的中间处具有最小值点5B。因此，在该轴向位置处的天线在谐振频率处将测量不到振幅或测量到低振幅。

在被称作TE₁₁₀的第三谐振模式下，最小值点5C处于沿着管道方向的平面上，位于与支撑翅片相对的一侧。因此，在该径向位置处的天线在谐振频率处将测量不到振幅或测量到低振幅。

因此，能够测量全部这三个谐振的谐振测量天线将必须被定位在这两个最小值点5B、5C的外部，例如，如垂直于由支撑翅片限定的平面的轴向平面所示的，靠近插入件的端部。

也可以使用更高阶的谐振来测量谐振频率和确定第二天线2b的位置。

标绘图中例示的模拟结果用于内径为125mm的管道以及具有近似于如附图所示的相对尺寸的插入件。如标绘图所示的频率A、B和C大约分别为620MHz、999MHz和1280MHz。本领域技术人员应理解，频率取决于各个部件的尺寸，该尺寸包括管道内径以及插入件的形状和尺寸)。此外，一些模式(例如在本示例中示出的第二模式)还很大程度地取决于插入件的长度。

通过响应来意指诸如插入损耗的信号参数，该插入损耗是发射天线和接收天线之间的信号的衰减。然而，信号参数的类别还包括例如天线中的信号的衰减、幅度、功率、相对功率、电压或电流。也可以针对信号的相位制成与如图1D所示的响应图类似的响应图。响应参数的选择取决于测量系统架构，并可能受诸如测量的便易性等的因素的影响。响应甚至可以包括几种信号参数的组合。本发明不受特定测量系统的限制，因此测量系统或测量电路的选择与本文无关。响应通常包括与传输相关的参数，特别是当在接收天线上测量时，但是也可以通过在发射天线上进行测量得出至少一些与传输相关的参数。

图2A示出了通过在垂直于支撑翅片的平面中的、在插入件的一个端部处的天线2得到的测量值，该图清楚地示出了对应于关于图1讨论的三个峰值的三个谐振峰。

另一方面，图2B示出了又一个实施例，其示出了通过天线2b测得的测量值，该天线位于从支撑翅片观察处于管道的相对的那一侧的位置、位于插入件的中间。如从图中可见的，在该位置未见到第二谐振和第三谐振。

因此，为了避免谐振频率的影响，有利地，用于执行传输测量的天线可被定位在谐振场的更高谐振模式的最小值点处。

谐振具有谐振频率，在该谐振频率处谐振现象最强。如同在图2中所见谐振为频率响应的峰，该谐振还会影响在谐振频率两侧的频率的频率响应，因为峰有一限定的宽度。损耗越高，峰变得越宽。如果频率响应显示多个谐振峰，则当损耗增加时，如果频率上的距离不够大，那么这些谐振峰可能会在峰之间的区域中开始交叠。在这种情况下，在谐振之间甚至没有可以进行传输测量而不会造成谐振干扰测量的频率。因此，当执行传输测量时，有利地要尽可能多地消除谐振的连结以产生没有谐振干扰的频率区域。

通过将发射器天线2b定位在最小值点的位置，可以在这些频率下不受干扰地将信号传输到指定的接收器或者传输到如在WO2013/164303中讨论的能够接收信号的谐振天线2。因此，所提出的系统能够减少两种测量方法之间的干扰并改善变化的条件下的测量的质量。

为了将谐振测量和传输测量相结合，可以使用如图2B所示的两个天线，其中第一天线2发射并测量谐振频率，而第二天线2b将信号发射到腔中以测量在高损耗情况下的传输特性。

替代地，可以使用两个谐振测量天线。如果从发射器天线到第一谐振天线和到第二谐振天线的距离相差一已知的长度，则距离的差也可以被用来测量穿过流体的传输特性。

电磁场包括电分量和磁分量。出于简化的目的，之前的实施例大体上更多地涉及电场测量。磁场大体上被忽略了。电场和磁场通常分布不同，所以在之前的实施例中，例如通过限定天线相对于电场功率基本为零的位置的定位，从而更特定于与电场关联的天线进行讨论。

在替代实施例中，可以使用与磁场关联的天线，例如用于磁场的环形天线。在该实施例中，利用与磁场关联的天线，可以进行相应的测量来将用于传输测量的发射天线定位在磁场的零点。在前述实施例中公开的等效测量原理可被用于所提出的有关磁的实施例。

在又一个实施例中，本发明包括电天线和磁天线。

因此，根据本发明的系统总体上涉及对管道内多相流体流的电学特性(诸如盐度)进行测量。系统包括在所述流中基本为同轴的插入件3，该插入件在所述插入件的选定部分和管壁6之间限定出基本为圆筒形的，或者更具体地为环形的容积，该容积构成了微波谐振腔，管道和插入件都是由导电材料制成的。

系统包括谐振测量装置，该谐振测量装置包括至少一个可被称为谐振天线的第一天线。谐振测量装置适于通过谐振天线将在一频率范围内的电磁信号发射到所述容积中，该频率范围包含所述容积中的至少一个预定的谐振。系统或谐振测量装置还适于通过同一谐振天线或另一个被联接到谐振测量装置的天线来测量所述容积中的谐振特性。选定的谐振在所述容积中的至少一个已知位置处具有最小振幅，并且所述第一天线或多个第一天线被定位在所述振幅最小的已知位置的外部。

优选地，频率范围包括至少两个谐振频率，其中的至少一个谐振频率在所述已知位置处具有最小振幅。

系统还包括传输测量装置，该传输测量装置包括第二天线2b，该第二天线被定位于或接近于所述振幅最小的已知位置5B、5C。尽管可被用于测量从谐振天线发射到与传输测量装置相关的传输天线的信号，但出于简化的目的，第二天线2b可被称作传输天线。传输测量装置适于基于下述信号来提供传输特性：该信号在所述第二天线和所述谐振测量装置中的所述第一天线中的至少一个之间传播。

之后，如现有技术中所述，可使用谐振特性和传输特性来对基于所述谐振特性和传输特性的电学特性提供测量。

谐振测量装置和传输测量装置可以由与测量系统关联的不同单元构成，或者被实现为仅在编程和天线的用途方面不同的硬件。

系统还包括至少一个传输天线2b，该传输天线被定位于在一个谐振频率处具有低振幅的所述已知位置5B、5C处。优选地，传输天线适于发射由至少一个谐振天线接收的信号，但是该传输天线也能够接收从谐振天线发射的信号。

系统还适于测量所述至少两个谐振特性以及测量传输特性，即，所述谐振天线和传输天线之间的相位和/或衰减。

优选地，系统可包括两个谐振天线2和一个传输天线2b，传输天线2b适于发射具有已知内容的信号。之后，谐振天线可被置于离传输天线不同距离处，并因此能够测量从传输天线到每个谐振天线的传输特性的差异。通过这种方式，可以测量穿过流的信号的传播特性。

在扫频中使用的选定的频率范围可被选择成包含所述容积内的三个谐振频率，发射器天线被定位在对于选定数量的谐振模式振幅最小点处。

如示出的，插入件3可具有有着选定的长度的圆柱形形状，该插入件沿管道方向提供了圆筒形的容积。至少一个谐振天线2被定位成靠近所述插入件的一个端部，并且发射器天线2b被定位在离插入件端部的距离相等处，从而处于第一纵向谐振的最小点5B处。

圆柱形插入件3通过一个细长的、在插入件长度的主要部分上延展的传导翅片1被联接至管壁6，以限制电磁信号沿圆筒形腔的周界进行的传播，从而将谐振最小点5C的位置锁定成在圆筒形容积中沿切线方向。

Claims (8)

1.用于测量管道中的多相流体流的电学特性的系统，所述系统包括同轴的插入件，所述插入件在所述多相流体流中限定出处于所述插入件的一部分和管壁之间的环形容积，其中：

所述系统包括谐振测量装置，所述谐振测量装置包括至少一个第一天线，所述谐振测量装置适于将在一频率范围内的电磁信号发射到所述环形容积中，该频率范围包含所述环形容积中的至少一个预定的谐振，所述谐振测量装置还适于测量所述环形容积中的谐振特性，所述谐振在所述环形容积中的至少一个已知位置处具有振幅最小点，并且所述第一天线被定位在所述振幅最小点的已知位置外部；

所述系统还包括传输测量装置，所述传输测量装置包含位于所述振幅最小点的已知位置处的第二天线，并且所述传输测量装置适于测量所述第二天线与所述谐振测量装置中的所述第一天线中的至少一个之间的传输特性；

所述系统还适于基于所述谐振特性和传输特性计算所述电学特性。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述频率范围包含至少两个谐振频率，所述谐振频率中的至少一个在所述已知位置处具有最小振幅。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述谐振特性包括以下中的任一项：Q-因子或频率。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述传输特性包括以下中的任一项：衰减，相位差或相位。

5.根据权利要求1所述的系统，所述系统包括两个谐振天线，传输天线适于发射具有已知内容的信号，并且所述谐振天线离所述传输天线的距离不同，所述系统适于测量从所述传输天线到每个谐振天线的传输特性的差异，从而测量穿过所述多相流体流的信号的传播特性。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述频率范围包括所述环形容积内的三个谐振频率。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述插入件具有圆柱形的形状，所述圆柱形的形状具有选定的长度，所述插入件沿管道方向提供了圆筒形的容积，并且其中，至少一个谐振天线被定位在所述插入件的一个端部处，并且发射器天线被定位在离插入件端部距离相等处，从而处于第一纵向谐振的最小点。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述圆柱形的插入件通过一个细长的传导翅片被联接至所述管壁，所述传导翅片对插入件长度的一部分进行了延展。