CN115280110A - 用于微波流量测量的扩大管道 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于流量测量的管道，包括配置为测量管道内流体的预定特性的测量天线。该管道包括具有预定尺寸的输入端和输出端，该管道包括具有在第一方向上延伸超过输入和输出尺寸预定量的第一横截面，和第二方向上的横截面与第一方向垂直，其尺寸B小于第一方向的尺寸A。

Description

用于微波流量测量的扩大管道
技术领域
本发明涉及用于流量测量的扩大管道。由于标准文丘里管是对管道直径的限制，这可以称为反向文丘里管，来引导要测量的流体流动，其中管道部分包括用于监测内容物和流动条件的测量探头，特别是用于基于微波的介电常数测量。
背景技术
基于微波的多相流量计(MPFM)需要能够在油连续流动或气体体积分数(GVF)很高时测量介电常数，从而使损耗足够低，可以用腔谐振器测量介电系数，并且当损耗很高时必须使用传输方法。这在许多出版物中都有讨论，如EP2845000B1，EP2954319B1，EP3308160B1和EP3286561B1。测量系统还必须能够测量水相的盐度，以补偿盐度变化的影响。此外，还需要测量密度和流速，以便能够计算出成分和流速。密度可以用伽马密度计等测量，这里不再赘述，因为本发明主要与测定多相流中液体的盐度和含水率(WC)的介电常数测量有关。
EP3308160B1中提出了一种涉及三个天线的解决方案，这些天线既用于成分和盐度测量的差分传输，也用于激励共振器。一种具体的解决方案是在管道中心支撑一个锥形或圆柱形插入物，在这种情况下，流体被引导通过插入物和管道之间的间隙。
上述出版物中的结构包括插入物，它们产生差压，也可用于速度测量。这些解决方案的一个问题是它们是侵入性的，给流体流动增加了障碍。因此，本发明涉及一种具有相同基本概念的非侵入性的设计，将共振器传感器与差分传输结合起来用于成分和盐度测量。
EP1451562B1中提到了侵入式解决方案的替代方案，显示了构成反向文丘里管解决方案的管道部分，其中管道的直径增加，同时提供了共振器和压差。US10175075中也讨论了与全波横向共振有关的类似解决方案。但这种圆形对称的共振器有一个与第一种相关的基本问题，因此通常首选使用的共振模式，如下所述。首选第一种模式有两个原因，一个是谐振频率需要低于要包含在谐振器中的管道2中的截止频率。如果使用较高的模式，则需要进一步扩大需要扩大的部分以达到这一目的，这就不必要地降低了流速，可能导致不必要的流动不稳定性。另一个原因是，对于更高的模式，频率与其他峰值的距离会更小，从而增加了在高动态条件下无法识别正确峰值的风险。US5455516中说明了具有此问题的解决方案。该出版物中的谐振器不是反向文丘里管，而是在一个维度上具有相当大的截面，这将在该方向上分离谐振频率，但模式之间的差异对于实际测量来说太小了。
发明内容
本发明在所附的独立权利要求中得到了更具体的定义。
在非侵入式设计中实现了一种将谐振器和差分传输测量相结合的新颖设计，它还提供了天线位置和管道尺寸的灵活性，因为在优选实施例中天线可以安装在平面管壁中，而无需任何适应曲率或其他问题。此外，不需要像以前提出的一些非侵入式设计那样填充介电管或复合材料。
附图说明
下面将参照附图更详细地讨论本发明，通过实施例说明本发明。
图1说明了根据已知技术在反向文丘里管中测得的损坏谐振峰值。
图2说明了本发明的优选实施例，其具有两个对立的平坦表面，导致清晰的共振。
图3a-3c说明了根据本发明的不同的替代横截面。
图4说明了设计的频率响应，图2和3a所示，具有平坦的顶部和底部。
具体实施方式
如上所述，反向文丘里管解决方案是众所周知的，例如来自上述EP1451562B1和US10175075，但基本圆柱形几何结构的问题是形成共振的最低波导模式(TE11)不是圆形对称的，而是没有预定义的方向。这意味着可以存在两种正交模式。它们是独立的，但具有相同的共振频率。流动中的不均匀性可能使独立的谐振频率偏移，并导致它们相互干扰，从而导致损坏的组合谐振峰，如图1所示的分裂谐振峰。即使在HFSS(高频结构模拟器，基于有限元方法的模拟程序)中使用空传感器进行模拟，也显示峰值在中间分裂。
参照图2，本发明涉及对管道1的改进，构成改进的反向文丘里管，其截面比管道1的输入和输出端2b的截面大，本发明中的术语"截面"用于表示垂直于管道和流动方向的尺寸。
该管道1位于两个管道2之间，管道2通过具有预定长度的过渡区2a引导流体流动，代替现有技术中已知的圆形横截面。所示实施例的横截面是圆形横截面部分和线性横截面部分的组合，从而有两个相对的平面3和两个相对弧形表面4，后者比前者有更大的间隔。这有几个优点，例如：
-正交谐振在频率上分离，因此每个峰值都是清晰的。
-用于测量传输和谐振的三个或更多的天线5可以位于平面3上，完全相同的配置可以用于多个管道直径。可以使用任何所需的配置，例如三角形、轴向或横向线性。
-表面敏感的空腔谐振器传感器，如EP2104837中所述，可以很容易地集成在其中一个平面上。
-该设计没有理论上的流速限制。
-腔内没有电介质管、套管、插入物或填充物。
图2所示的设计产生的频率响应显示了两个明显分离的清晰峰值12，13，如图4所示，它也显示了图1中圆柱形设计的分裂峰值响应11，其虚线用于参考。
更详细地说，图2中设计的频率响应具有平坦的顶部3和底部，有清晰的第一个共振峰，与下一个峰有足够的距离，以避免在高度动态的流动条件下峰与峰之间的混淆。这个距离可以通过改变设计的纵横比来改变。如EP3286561B1中所公开的，这两个共振峰可用于测量流动特性。
如图3a-3c所示，可以考虑其他形状的管道截面，例如具有椭圆(图3c)或矩形截面(图3b)，或者适合接收天线5的表面具有适合所选天线的标准曲率，而垂直方向上的曲率则不同。主要的方面是两个峰值被明显分开，相对于横截面的谐振场的方向被限定。
根据本发明，管道1的横截面面积优选大于管道2其余部分的横截面面积，以便不侵入流体流动，但如果不需要在流动中出现压力变化，也可以考虑沿管道和管道的面积不变的解决方案。
作为说明，参考图3b，说明了定义矩形波导的管道，其尺寸为AxB，其中A>B，A是前两个对立面4之间的距离，B是后两个对立面3的距离。第一种模式，其中A对应于半波长，下一种模式是A 对应于全波长。正交模式具有截止频率，其中B对应于半波长。如果A＝2B，接下来的两个模式将具有相同的截止频率，是第一个模式的两倍。因此，波导通常具有这个比例，并且在只能存在一种模式的情况下获得倍频程。根据本发明，优选中间解决方案，其中B<A<2B，获得由对立面反射的谐振模式，每个模式提供不同的驻波。较长的距离，A>2B，将导致谐振太近的长谐振器。因此，应选择尺寸，以便在谐振模式之间获得合理的分离。
因此，多相流测量(MPFM)的概念是基于使用探头或天线5在高损耗条件下测量液体在壁面局部的含水率(WC)和盐度，而不是试图测量整个流动的有效介电常数，因为它受到不同流动状态的严重影响。但如果需要，可以在相对的墙上安装额外的接收天线。然而，用表面敏感的盐度传感器进行的测试表明，管道的扩大将使液体靠近墙壁流动，有利于盐度和局部WC的测量。
两个位于流动方向的附加天线6可用于交叉关联，如图2所示。如果它们位于相对的墙壁上，测量的速度代表整个流动的平均速度。如果它们位于同一面墙上，测量的速度代表离墙较近的速度，但接收的信号更强。
如EP3308160B1所述，可选择图2中主天线的位置，以便将传输测量天线定位在文丘里管中至少一个较高谐振模式中，以减少谐振干扰，同时在中等损耗条件下执行传输测量。
从上面的讨论中可以了解到，本发明解决了在基本圆柱形腔体中的激发最低谐振有关的基本问题，而不使用任何锥体、翅片或其他插入物，同时提供一些与在几种尺寸的管道上使用相同的几何天线配置有关的额外优势，并允许结合使用以测量谐振和差分传输。能够在多种尺寸的管道上使用相同的天线配置的主要优点是，可以使用相同的模型来提取含水率和盐度，而无需额外的管道尺寸相关修改。这减少了昂贵且耗时的测试和校准需求。
本发明不需要在空腔中使用电介质材料(管道、套管或填充物)，因为这些材料可能会吸水，随着时间的推移会受到液体的影响，并具有需要补偿的温度依赖性。本发明也没有任何速度限制。
总之，本发明涉及一种用于流量测量的管道，该管道包括被配置为测量管道内流体的预定特性的测量天线。管道包括具有预定尺寸的输入端和输出端。该管道包括在第一方向上具有第一截面的断面，该断面超出输入和输出尺寸的预定量，第二方向上的断面优选与第一方向垂直，其尺寸B小于第一方向的尺寸A。
虽然在本发明中讨论了谐振器中的两个垂直方向，提供了两个不同的谐振条件，但也可以考虑其他的解决方案，其中，横截面的形状可以选择，以获得两个以上的谐振频率或适应其他类型的测量和条件。
根据一个实施方案，该管道在第一方向由两个对立的弯曲管壁构成，在第二方向可由两个对立的平面管壁构成。在后一种情况下，至少有一个所述天线被安装在所述平面管壁上。
天线优选是微波测量天线，被配置为测量所述管道中微波信号的谐振和/或传输特性。
第二方向上的横截面可以具有在输入和输出的横截面与第一方向上的尺寸之间的尺寸。因此管道部分在两个方向上都大于输入和输出管道，但是其中尺寸在第一和第二方向上是不一样的。
优选地，选择第一和第二尺寸，以提供至少与管道横截面面积相同并且优选更大的横截面面积。

Claims (10)

1.一种用于流量测量的管道，包括至少一个测量微波天线，所述测量微波天线配置为测量管道内流体的预定特性，管道包括具有预定尺寸的横截面的输入端和输出端，管道包括第一方向的截面，所述第一方向的截面具有尺寸A，所述尺寸A延伸超出输入和输出尺寸预定量，以及在第二方向上具有相对于所述第一方向的角度，优选为90度，并且具有小于尺寸A的第二尺寸B，第一和第二方向选择为B<A<2B；
其中，所述的至少一个天线配置为测量表明所述流体特性的至少一个谐振频率。
2.根据权利要求1的管道，其特征在于，选择第一尺寸A以使其对应于微波信号的第一谐振模式的波长的一半。
3.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述管道构成反向文丘里管。
4.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，在所述方向中的至少一个方向上的管道由两个相对的弯曲管壁构成。
5.根据权利要求2所述的管道，其特征在于，在所述方向中的至少一个方向上的管道由两个相对的平面管壁构成。
6.根据权利要求3所述的管道，其特征在于，至少有一个所述天线安装在所述平面管壁上。
7.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述天线是微波测量天线，配置为测量所述管道中微波信号的谐振和/或传输特性。
8.根据权利要求1所述的管道，其特征在于，所述第二方向上的横截面具有在所述输入和输出的横截面与所述第一方向上的尺寸之间的尺寸。
9.根据前述权利要求之一，用于测量包括管道在内的流体流动特性的系统，其特征在于，所述至少一个测量天线包括至少一个谐振测量天线，所述谐振测量天线配置为测量所述管道中的至少一个电磁谐振。
10.根据权利要求9的系统，其特征在于，所述至少一个测量天线包括至少一个发射器和一个接收器，该系统配置为测量发射器和接收器之间的传输时间。
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