CN1890535A - 用于确定多相流体成分的流量的方法和流量计 - Google Patents

Abstract

一种用于确定管中流体的流量和/或成分的方法，所述流体包括气体和至少一液体的多组分混合物，所述方法包括下列步骤：沿所述管的至少两方向进行电磁损耗和相位测量；基于所述步骤a的测量来确定环状流度；基于步骤a和b的结果包括对所述环状流度的校正来计算所述流混合物的介电常数；测量所述混合物的密度并对所述环状流度补偿其；获得温度和压力；确定液体和气体的速度；以及基于所述流体混合物的所述组分的密度和介电常数的知识，以及自以上步骤a－f的结果，来计算所述流体混合物的所述气体和液体或若干液体的体积和质量流量。还公开一种执行所述方法的流量计。

Description

用于确定多相流体成分的流量的方法和流量计

本发明涉及一种用于确定多相流体各组分的组成和流量的方法和流量计，其分别定义在权利要求1和12的前序部分。

自二十世纪八十年代早期，如何计量油水气混合物已成为石油工业感兴趣的问题。其后，进行了大量的研究来开发适合在工业环境使用的三相流量计。

存在若干技术和已知的仪器来用于测量多相流，下面将进一步进行描述。这样的仪器需要是相当精确(一般对于每一相为速度的±5％)、无干扰、可靠、流态独立的且适合在所有的组分百分比(fraction)范围使用。尽管在最近几年已提出了大量的解决方案，然而仍没有任何商业上可利用的三相流量计满足所有的这些要求。

油/气存储库(reservoir)的输出可极大地变化，这取决于井的位置和井龄。除了油和气成分外，水、沙和蜡也可出现在开采的井流中。由于井的位置和输出可广泛地变化，因此已设计来收集和处理此输出的系统也要相当大地变化。仍必须实现井输出的财政监督和油类工业的最初目标，该目标为开发通用多相流量计来取代当前使用的传统分离/单相计量方案。

多相流量计越来越用于井测试和分配测量。为了最佳化油田/气田的生产和寿命，操作者需要能够定期监测田中每一井的输出。传统的实现这的方式是使用计量分离器(test separator)。计量分离器昂贵，占用生产平台上的有用空间，且需要长时间监测每一井，这是因为需要稳定的流动条件。另外，计量分离器仅中等精确(一般上，每相流量的±5％到10％)，且不能用于连续的井监测。三相流量计可起初代替计量分离器使用，而从长远观点来看可永久安装在每一井使用。这样的装置节省一般与井测试相关的生产损耗。估计对于典型的离岸安装(offhore installation)这样的损耗约为2％。当公共管道用于将来自不同公司拥有的许多井的输出输送到处理厂时需要分配计量。目前通过在使每一井的输出进入公共管道之前使其经过计量分离器来实现。然而，除了上述计量分离器的不利之处外，还需要对于每一井的专用测试管道。永久安装的三相流量计对分配计量提供了重要的优势。

根据一组大石油公司，在0-99％的气体体积百分比范围和0-90％的含水率范围内的多相计的准确度要求是5-10％的液体和气体流量的相对误差和2％绝对值(abs)内的含水率测量误差。对于生产分配应用需要更准确的测量。现在，商业三相流量计一般能够在相当大范围的流量和相部分对各相部分的流量测量的不准确度小于10％。存在使用当前组合的测量技术即流态依赖和各相速度测量的两操作领域，其需要进一步调查是否流量不确定度还需进一步被降低。

本发明旨在提供一种方法和装置，其相当大地降低了此不确定度，具体地涉及流态依赖的不确定度。

商业上可利用的无干扰多相计的一些例子，例如自NO 304333、NO304332、US 5,103,181、WO 00/45133(图5)和US 6,097,786已知的那些多相计测量相的横截面成分和速度以获得流量。为了提供准确的测量，要求在管的横截面为均匀混合物。由于管的纵向方向不均匀而导致的效果一般通过横截面成分的快速采样来被最小化。多相计一般不安装在水平位置，这是由于存在层流，其中水在管的底部而气体在顶部，这会使测量失真。因此，为了在多相计管的横截面获得均匀混合物，通用的操作是安装多相计，使得流沿上或下方向流动。那么可避免层流。然而，当包含气体和液体的多相混合物沿垂直方向流动时，可出现环状流。环状流意味着，大部分液体沿管壁分布成环状，且大部分气体集中在管中间。环状流以与在水平安装下的层流相似的方式使测量失真。在水平管，纯环状流一般仅发生在较高气体百分比情况下，在该纯环状流中所有气体在管中间。然而，当流在垂直管流动时，甚至在中等流量(几m/s)和气体百分比低为10％的情况下也会出现气体严重集中在管中间。即使在更低气体百分比下，气体在管中间的集中也会引入严重的测量误差。实际上，液体很少完全不含气体。在本专利申请的上下文中，定义环状流度为1减去管壁游离气体的量除以管中间游离气体的量，其在下面的方程中示出。

$\mathrm{DOAF}=1-\frac{\mathrm{GVFW}}{\mathrm{GVFC}}$

其中

DOAF＝环状流度

GVF_W＝管壁游离气体的量

GVF_C＝管中间游离气体的量

换句话说，对于1.0(或100％)的环状流度，所有的气体体积都位于管中间，且所有的液体体积沿壁分布成环状。此外，对于0(或0％)的环状流度，气体体积均匀分布在管的整个横截面上。此外，对于0.5(或50％)的环状流度，在管中间的气体体积是在管壁的气体体积的两倍。在本发明中，GVF_W和GVF_C的值仅与描述所测量的数据和环状流度间的关系的数学模型的校准相联系使用，而不是计算流量的方程的直接的一部分。

NO 304333、US 5,103,181、US 6,097,786和US 5,135,684使用核密度计(nuclear densitometer)。当核密度计用于测量密度时，不可能获得对管横截面的全部覆盖。因此，为了获得准确测量，其依赖横截面的均匀混合物。基于铯662keV峰的用于密度测量的典型商业可利用核检测器具有半径为2”和更小的圆形区。对于如US 5,135,684和US 6,097,786所描述的双能系统(x射线和γ射线)，由于管中需要复合窗以使得自低能x射线辐射的辐射线通过该管，该区域一般更小。典型商业上可利用γ射线密度计的2”管中的覆盖面积一般为管的总横截面面积的70-80％。然而当使用于6”管时，难于实现管横截面的超过30％的覆盖范围。增加覆盖范围的一种方式是如在US 5,135,684中将密度测量放置在文丘里管管道内。然而，将核密度测量放置在文丘里管管道还增加了测量截面的环状流量。当源和检测器放置在管中间时，在环状流将测量到很低的密度。测量误差随着管面积的增加而增加。补偿此效果的一种方式是将密度计偏离中心放置。然而，由于气体集中在管中间，测量误差仍是相当大的。

而另一种最小化环状流效果的方式是使用混合设备。US Re.36,597描述了一种方法，其中正位移计(positive displacement meter)用于在成分测量前测量总流量且使多相混合物均匀。于是环状流被最小化；然而，多相计受到高度干扰且易损坏，这是由于其依赖位于多相流中的机械扼流设备(restricting device)或旋转设备。随着时间的推移测量的可重复性还受到沙冲蚀的影响。另一种减少环状流的出现的方式是使用混合器。US5,135,684提到一种方法，其中滞留槽(hold up-tank)用于使多相流均匀。然而，该结构是高度干扰的，从而引起压力降，且因此限制了井的生产能力。混合器的性能还依赖流量和流型例如气体和液体段塞的长度，且因此可限制这样的多相计的操作包络(operational envelope)。在US 6,272,934中描述了基于多相流混合的另一种方法。

而另一种降低环状流的效果的方式是在环状文丘里管的横截面进行成分测量，其在WO 00/45133，在图1中示出。然而，此方法也是干扰的，且随着时间的推移测量的可重复性还受到沙冲蚀的影响。

此外已知的是基于微波的多相成分和流量计。US 4,458,524公开了一种测量介电常数(介电系数)、密度、温度和压力的多相流量计。这样的设备使用两接收天线间的相移来确定介电常数。

还已知其它技术是基于共振频率测量。在WO 03/034051和US6,466,035中公开了这样的技术的例子。基于共振频率测量的技术一般限制于多相条件，其中管内的损耗小，且因此由于混合物的高介电损耗一般对高含水率应用和盐水不起作用。US 5,103,181描述了一种基于管中相长和相消干涉图测量的方法。

还已知基于使用电容电感传感器确定多相混合物的介电常数的多相流量计。可在WO 00/45133和NO 304333中找到这样的方法的例子。与基于RF和微波系统相比，这些设计使用较低频来用于介电常数的测量，且因此对于多相流的水盐度和小滴尺寸的改变更敏感。通过使用较低频，还难于设计一种单测量单元，该测量单元能够在油和水连续流条件以及任何小滴尺寸下进行横截面测量，这是由于油和水连续流的相对阻抗在低频有多个数量级的不同。由于传感器和电极是电路的一部分，基于电容和电感的流量计还易于测量漂移问题。通过将电路的参数与参考值相比较来测量该电路参数，其需要稳定在几皮法拉内以获得所需要的准确度。由于系统中与例如管壁上固体或油/水膜累积有关的信号线路电容漂移、温度漂移和寄生电容，因此难于实现这样的稳定性。

然而，上述的技术没有任何一个是无干扰的且能够在环状流条件下或当气体集中度(gas concentration)在管中间较高时进行准确的流量测量。因此，本发明的主要目的在于提供一种方法，其用于在任何流态包括环状流和管中间严重的气体集中情况下多相混合物各成分的流量的准确测量，而不用使用机械混合或流调节设备。

本发明的目的在于提供一种确定管中间的气体集中度的方法，以及对与环状流度有关的测量误差进一步补偿介电常数和密度测量。

本发明的目的还在于提供一种改进的装置，其避免目前已知用于多相流测量的技术的上述性能限制。

本发明的目的还在于提供一种低成本单结构，其用于执行油、水和气体流量的准确测量。

以及，本发明的目的在于提供一种几乎无干扰的结构，其用于执行测量而不需要上游混合设备。

根据本发明的方包括下列步骤：

a.沿管的至少两个方向进行电磁损耗和相位测量，

b.基于步骤a的测量，确定环状流度，

c.基于步骤a和b的结果包括对环状流度的校正，来计算流体混合物的介电常数，

d.测量混合物密度并对环状流度补偿其，

e.获得温度和压力，

f.确定液体和气体的速度，以及

g.基于流体混合物组分的密度和介电常数的知识，以及以上步骤a-f的结果，来计算流体混合物的气体和液体或若干液体的体积和质量流量。

根据本发明的流量计进一步特征在于如独立权利要求12所定义的特点。

从属权利要求2-11和13-21定义了本发明的优选实施例。

在下面参照附图通过示例来进一步描述本发明，其中：

图1示出通过4”管横截面的环状流的四个示例的图示，

图2示出根据本发明的第一流量计的纵截面示意图，

图3示出沿图2的线III-III的横截面示意图，

图4是图2的细节的较大比例的简图，

图5示出对于图2的流量计在低损耗下为频率函数的相差，

图6示出在根据图2的流量计内部在低于截止频率TE₁₁或高损耗下的电磁场，

图7示出在根据图2的流量计的横截面上对于波导模TE₁₁和TE₀₁的电场，

图8示出对于图2的流量计在低损耗下为频率函数的相差，

图9示出图2的流量计对于在纯环状流的各液体的未补偿的频率测量，

图10示出对于环状流补偿的对应于图9的测量，

图11示出对于在纯环状流的各液体的未补偿的GVF(％气体)测量，

图12示出对于环状流补偿的对应于图11的测量，

图13示出根据本发明的流量计的第二实施例，

图14示出根据本发明的流量计的第三实施例，

图15示出根据本发明的流量计的第四实施例，

图16示出根据本发明的流量计的第五实施例，

图17示出根据本发明的流量计的第六实施例。

根据本发明的方法包括如下三个主要元素：

1)测量以确定管横截面的气体集中度的变化，即环状流度。

2)管横截面上流组分，例如油、水和气体的测量。这包括介电常数、密度的测量以及获得流的温度和压力。对管横截面气体集中度的变化补偿介电常数和密度测量。

3)液体和气体速度的测量。通过结合以上自2)和3)点的测量以及获知管(传感器)横截面面积和油、水和气体的密度，可计算基于油、水和气体的体积和质量流量。

现有的多相计的缺点主要涉及两个因素，即：

1)现有的多相计依赖管横截面上油、水和气体间的均匀混合。在管横截面上大的气体集中度变化的情况下，将出现大的测量误差。在图1示出了对于环状流的四个示例用基于2”检测器1和伽马源34的典型伽马密度计对GVF(％气体)测量结果的图示，其中所有气体37在管中间且所有液体38沿管壁分布。尽管由于所有气体集中在管中间使这成为极端情况，然而其示出在测量中将发生大的误差。

2)需要使用机械混合元件。一些多相计使用机械混合设备使多相流均匀。混合器会降低环状流的量；然而其使得该计高度干扰。一些混合器还可包含可动机械物体，其易受沙冲蚀的影响且可能甚至因与井启动关联的速度的快速变化而损坏。

本发明的独特性在于能够检测环状流的出现和程度，且补偿与环状流度有关的测量误差。

附图2示出了根据本发明的流量计。天线16、17、18、19、20和21可在图4中看得更加详细，其实际上是同轴导体，其插入所设计的管，从而中心导线22通过电介质材料23例如塑料或陶瓷与管壁24绝缘。在此示例中，三个天线用作发射器，且因此给予前缀Tx，以及三个天线用作接收器，且因此给予前缀Rx。流的方向用箭头25表示。密度计29也是该流量计的一部分。能够用多种天线发送和接收宽带信号(典型10Mhz-4，0Ghz)的电子系统、用于温度和压力测量的设备和计算机也是流量计的部分。但是出于简化，这些设备从所有附图和进一步的论述中省略，这是因为技术人员清楚如何实施它们。在本专利申请的上下文中，还可认为图2的管装置为传感器。

通过测量所接收的宽带信号(典型10Mhz-4,0Ghz)的功率和相差来进行损耗和相位测量，该宽带信号自一发射天线发送且通过两接收天线接收，该接收天线位于自该发射天线不同的距离处。在管的至少两个且优选的三个平面进行测量，其中一平面在横截面，第二平面在纵向方向，且第三平面与流的方向成一角度(例如45度)。频率一般从10Mhz变化到4,0Ghz，这取决于管的直径。通过记录至少三个预定相差的频率以及对系统使用校准常数(calibration constant)，可沿所有方向测量管内的介电常数。基于在各方向的介电常数的测量，通过使用数学模型例如神经网络可测量和补偿环状流度，这是因为各测量受到管中间气体集中度的不同影响。

图5示出了在管内高损耗下根据图2的流量计的相位对频率测量。当管内的损耗高时，电磁场按平面波理论行为。当流被充分混合时，如图5所示，相位对频率曲线4差不多为线性的。当气体集中在管中间时，曲线5是更非线性的。因此，通过分析相位测量的分布，也可检测和补偿环状流。一种开发描述此特征行为的数学模型的方式为使用经验数据以及训练神经网络以检测环状流和补偿测量。可训练网络来预测相应的充分混合的介电常数或测量频率，其中在此上下文中充分混合的介电常数或频率意味着在同等均匀多相混合物中已测量的理论介电常数或频率。

基于此方法的实验测试已提供100％的环状流鉴别，以及在由于环状流而导致的测量误差方面的大程度降低。

当该管用作波导管(低损耗)时，通过测量与该管的一些波导模式的截止频率有关的频率来测量介电常数。在管内电场和磁场的分布是依赖频率的。由S.Ramo、J.R Whinnery以及T.V.Duzer (John Wiely与Sons，1964，第二版)所写的通信电子学中的场和波(Fields and Waves in CommunicationElectronics)的第425页的表8.9示出了对于圆形管的各TM和TE级波(波导模)的相应的截止频率和电磁场线。图6示出了在高损耗或在充分低于管的截止频率TE₁₁的频率的情况下根据图2的流量计内的电磁场。低于管的最低截止频率即TE₁₁，电磁场将根据平面波理论传播，如图6中的箭头6所示。图7示出了圆形波导管的两最低波导模即TE₁₁7和TM₀₁8的电场线。当管中的电场(E场)从平面波传播改变到TE₁₁时，在接收天线的相差9中出现阶跃，这在图8中示出。通过对发射器施加频率扫描以及测量在至少三个预定相差的频率，可计算相位阶跃的频率，其是管的截止频率TE₁₁的度量。

通过自发射天线预定的距离处放置微波反射器12例如具有约0.5管直径长度的十字形物(cross)或翅片(fin)，可实现沿管的纵向方向所进行的管内介电常数的测量。图13示出了这样的装置，其中微波反射器12放置在发射天线Tx319的上游。

图8示出在低损耗下图15的传感器装置的所测量的相差对频率。相变9的频率位置对应于文丘里喉管10的波导模TE₁₁的截止频率。图8的相变13的频率位置对应于发射天线Tx3 19和反射器12间的第一半波反射，其在大管11的截止频率TE₁₁以上，且为管内介电常数的函数。相似地，相变15对应于发射天线Tx3 19和反射器12间的第一半波反射的频率，其在大管11的截止频率TM₀₁以上。相移9、13和15的频率位置还是管内介电常数的函数。因此，通过测量相移9、13和15的频率位置以及对系统使用校准常数，可获得管内介电常数的三次测量。如图7所示，在管的横截面上，TE₁₁7和TM₀₁8具有不同的电场分布。由于基于波导模TE₁₁和TM₀₁，在横截面上进行一测量，以及沿纵向方向进行两测量，因此三次测量受到管横截面的不均匀混合物例如管中间的气体集中度(环状流)的不同影响。通过对Tx1 16进行频率扫描以及测量在Rx1 17和Rx218的至少三个预定相差的频率，可获得该测量。这些相移的频率位置用作第二和第三频率扫描的起始点，其在Tx3 19发射且记录Rx3 20和Rx218间的相位。首先，记录至少三个预定相差的频率时频率进一步增加，来鉴别相移15的频率位置。然后，当记录至少三个预定相差的频率时频率降低，来用于鉴别相移13的频率位置。基于对于相移9、13和15的所记录的频率以及对系统使用校准常数，可测量管内的介电常数。基于这些介电常数的三次测量，使用数学模型例如神经网络可计算环状流度，这是因为三次测量受到环状流度的不同影响。基于经验数据可得到该模型，该经验数据通过对大范围已知的环状度测量相移9、13和15来获得。然后，所计算的环状流度用于补偿使用实验获得的数学模型例如神经网络进行的介电常数和密度测量。

在低损耗，也可通过选择充分低于管的截止频率TE₁₁的测量频率且测量在管的两或更多平面上的损耗，来测量环状流度。当在低损耗使用此方法以测量环状流度时，反射器12可从流量计省略掉，使其减少干扰。由于截止频率TE₁₁9为管内多相混合物的介电常数的函数，因此该测量频率作为介电常数的函数而变化。在该测量频率，管不充当波导管，且因此电场如图7的7中所示。在充分低于截止频率TE₁₁的频率，电场按照平面波理论传播，这在图6的6中示出。通过用图2的天线Tx1 16以充分低于截止频率TE₁₁的所选的测量频率发射，且记录在图2的天线Rx1 17和天线Rx2 18所接收的功率，来测量损耗。然后，使用相同的频率，下一步是用天线Tx3 19发射，且用天线Rx2 18和Rx3 20接收。通过用天线Tx3 19发射，且用天线Rx2 18和Rx1 17接收可获得第三平面。基于在两或三测量平面所测量的损耗，使用实验获得的数学模型可计算环状流度，且其用于补偿使用数学模型例如神经网络进行的介电常数和密度的测量。

图9示出了在1.0的环状流度和大范围的液体下、对于0-64％的气体含量范围、基于横截面测量平面的所测量的频率对理论频率。所测量的频率是三个不同预定相差的平均频率，且在此上下文中理论频率意味着在环状流度为0.0的同等多相混合物中已测量的理论值。图10示出基于上述方法使用神经网络作为用于计算理论均匀频率值(homogeneous frequencyvalue)的数学模型的补偿的频率测量。图11示出在1.0的环状流度和大范围液体下对于0-64％的GVF范围的未补偿GVF(％气体)测量。图12示出对于环状流度补偿的GVF的测量·。

为了计算管横截面的油、水和气体百分比，还需要测量横截面密度。此测量还受到环状流度的影响。在知道管中的环状流度的情况下，以相似的方式使用实验获得的数学模型例如神经网络可对测量的影响补偿密度测量。

根据本发明，以两种方式进行密度测量，这取决于应用：

1)伽马射线吸收(图13和17)。通过基于伽马源34的辐射来测量多相混合物的伽马射线吸收33和获知油、水与气体的吸收系数，和多相混合物的介电常数以及油、水与气体的介电常数，可以以迭代计算来计算混合物密度。作为此迭代的一部分，通过数学模型例如神经网络，可对环状流的出现校正伽马射线吸收测量。

2)文丘里管质量流测量(图14和15)。文丘里管可用于测量混合物的密度。在文丘里管入口30的压降是多相混合物的质量流和密度的函数。此外，在文丘里管出口31的压降是多相混合物的质量流、密度和压缩率的函数。结合文丘里管的入口30和出口31的压力测量以及互相关的气体和液体速度的测量(下面部分描述)，可以以迭代方式计算混合物密度。然而，在超过0的环状流度下，会对密度测量引入误差。因而，作为迭代的一部分，可对环状流度校正测量。

还可使用例如图16和17所示的伽马射线吸收(pt1)和文丘里管(pt2)测量组合。在一些情况下，此组合可延伸测量系统的操作包络，以及提高测量准确度。在图16和17中，伽马密度计与天线一起放置在文丘里喉管内，从而可在相同条件下进行测量。然而，伽马密度计33和34还可放置在传感器的任一端，不过其需要补偿模型以校正文丘里喉管10和管11之间的差异。基于经验可获得此校正模型。当天线放置在文丘里喉管内时，天线16、17和18必须距离文丘里喉管起始处约0.5个喉管10直径；否则，截止频率的测量将受大管11的直径的影响。可选地，为了使传感器更紧凑，在这样的装置中的横截面测量可更多地放置文丘里喉管地中间，这在图17中示出。现在，另外两天线即Rx4 35和Rx5 36加到文丘里喉管。现在，通过在Tx3 19发射以及在Rx4 35和Rx5 36接收可得到横截面测量。

该传感器用于测量多相混合物的成分和速度(液体和气体)。下面更详细地描述所涉及地公式。

速度测量

通过在位于已知距离S+L26的天线对Tx1 16/Rx2 18和Tx2 21/Rx320连续地发射和测量，可产生两时变信号，其在等于多相流在两天线对间行进所花费的时间的时间变换。选择测量频率，使得在纵向方向消耗少量能量。在低损耗下，该频率一般基本低于管的截止频率TE₁₁。通过使用下面的公式互相关两信号：

方程1：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)={\lim }_{T\→\∞}\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{T}{\∫}}x(t-\mathrm{\τ})*y\left(t\right)\mathrm{dt}$

其中x(t)和y(t)是采样信号，可计算时间延迟τ。在信号x(t)和y(t)间的时间延迟τ是流中的扰动从第一对天线前进到第二对天线所花费的时间的度量。使用高频信号来测量流的扰动还能够使用高的采样速率，这是因为可在几微秒内进行单次测量。因此该信号包含关于小振动和大振动的信息，该小振动例如液相中的小气泡或油相中的水滴或水相中的油滴，其一般表示液体的速度，该大振动例如气体段塞，其表示气相的速度。通过应用适当过滤所采样的数据和统计分类互相关的速度，可获得液体和气体速度(V_液体和V_气体)的测量。

成分测量

然而，为了测量油、水和气体的流量，需要测量油、水和气体的多相混合物的横截面成分(％油、％水和％气体)。测量混合物的介电常数ε_mix和混合物的密度ρ_mix，可使用下列方程：

方程2：

Φ_油+Φ_水+Φ_气体＝1

其中：

Φ_油＝油的横截面体积百分比

Φ_水＝水的横截面体积百分比

Φ_气体＝气体的横截面体积百分比

方程3：

Φ_油×ρ_油+Φ_水×ρ_水+Φ_气体×ρ_气体＝ρ_mix

其中：

ρ_油＝油的密度

ρ_水＝水的密度

ρ_气体＝气体的密度

ρ_mix＝所测量的密度

还需要温度和压力测量，以对于温度和压力变化补偿以上密度参数，但是出于简化，在下面测量原理的讨论中省略了这些。

Bruggeman混合方程将两组分混合物的介电常数(介电系数)与该组分的体积百分比联系起来。如果两组分混合物是小滴，其作为内相分散在外相的连续介质中，那么方程为：

方程4：

其中：

ε_内＝内相(分散相)的介电常数

ε_外＝外相(连续相)的介电常数

ε_mix＝所测量的混合物的介电常数

Φ_内＝内相(分散相)的体积百分比

Φ_外＝外相(连续相)的体积百分比

还需要温度和压力测量，以对于温度和压力变化补偿以上介电常数参数，但是出于简化，在下面测量原理的讨论中省略了这些。

以上方程还可用于三相混合物例如油、水和气体，其中内相是分散在外相的两相充分混合的组合物。例如，内油/水混合物可分散在气体的外连续介质中，相似地，气泡可分散在油/水混合物的外连续介质中。

圆形波导管例如流量计的管部分的最低截止频率为TE₁₁，在：

方程5：

$f_c=\frac{0.293}{r\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}$

其中：

f_c＝截止频率

r＝管的半径

ε＝波导(管)内的介电常数(介电系数)

μ＝波导(管)内的磁导率

低于截止频率，电场6根据平面波理论传播，这在图6中示出。在管中的低损耗以及高于截止频率f_c的情况下，管中的电场在图7的7中示出，其对应于TE₁₁。当管中的场从平面波传播改变到TE₁₁时，在图2的接收天线Rx1 17和Rx2 18的相差中出现阶跃。在图8的9中示出了相位阶跃。通过对发射器Tx1 16施加频率扫描以及测量在两接收天线间的至少三个预定相差的频率，可测量在接收天线间的相差阶跃变化的频率位置。因而，所测量的频率是管的截止频率f_c的度量。

方程5可重新整理成：

方程6：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{k_2^2}{f_c^2}$

其中：

$k_2=\frac{0.293}{r\sqrt{\mathrm{\μ}}}$

f_c＝电磁波的频率(截止频率TE₁₁)

ε＝管内的介电常数(介电系数)

因此，用已知的管内介电常数例如真空中介电常数是1.0，通过测量频率f_c，可确定k₂。

通过对发射天线16或19中的之一施加频率扫描，以及记录位于自发射天线距离S和距离L处的两接收天线17/18或18/20间至少三个预定相差的频率，来测量管(传感器)内高损耗下混合物的介电常数。低于截止频率或当管内的损耗大时，电场按平面波理论传播。两接收天线间的相差表示两点间波传播的时间，且可写成：

方程7：

$\mathrm{\ΔS}=\mathrm{\λ}\frac{\mathrm{\Δ\θ}}{2\mathrm{\π}}$

其中：ΔS＝L-S(26)

Δθ＝接收天线间的相差

λ＝波长

根据平面波理论，电磁波的速度可表示成：

方程8：

$v=\mathrm{\λf}=\frac{c}{\sqrt{\mathrm{\μ\ϵ}}}$

其中：

f＝电磁波的频率

λ＝电磁波的波长

ε＝管内的介电常数(介电系数)

μ＝管内的磁导率

c＝光速

由于在预定的相差测量频率，可组合方程6和7而得到：

方程9：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{k_1^2}{f^2}$

其中：

$k_1=\frac{\mathrm{c\Δ\θ}}{\mathrm{\ΔS}\sqrt{\mathrm{\μ}}}$

f＝电磁波的频率

ε＝管内的介电常数(介电系数)

用管内已知的介电常数通过测量相差Δθ的频率，可确定k₁。

沿至少两方向测量管内的介电常数。首先，发射器在Tx1 16发射且在Rx2 18和Rx1 17接收(图2)，来进行在管横截面的介电常数的测量。然后发射器在Tx3 19发射且在Rx2 18和Rx3 20测量，来进行沿管的纵向方向介电常数的测量。还可通过在Tx3 19发射且在Rx1 17和Rx2 18接收来进行介电常数的测量，且因此进行在横截面和纵向测量间的测量。

各测量方向上的环状流的影响可如下解释。当流充分混合时，相差对频率几乎是线性的。如果流是环状的，其使自发射器到接收器的L和S路径的对称性失真，那么相差将更弯曲。如图2所示，纵向天线(18、19和20)较少受到环状流的影响，这是因为在环状流中也保持对称。

通过测量在几个预定相差的频率，可检测和补偿对测量的影响。实验数据显示，对测量的影响与相差的斜率(dθ/df)有关。一种补偿由环状流引入的误差的方式是，首先训练神经网络以计算环状流度。然后，可培训第二神经网络来补偿与环状流度有关的介电常数测量中的误差。

还可通过沿纵向和横截面方向测量损耗来测量环状流的存在。首先，发射器在Tx1 16发射，且在Rx2 18和Rx1 17接收，因此在管的横截面进行相对损耗的测量。然后，发射器在Tx3 19发射，且在Rx2 18和Rx3 20测量，以沿管的纵向方向进行相对损耗的测量。还可通过在Tx3 19发射且在Rx1 17和Rx2 18接收来进行测量，且因此进行在横截面和纵向测量间的测量。在大于0的环状流度的情况下，与横截面测量相比，纵向测量是不同的。必须在管不充当波导管这样的方式下进行测量。一种实现其的方式是选择一测量频率，其低于TE₁₁的所测量的截止频率。

而另一种沿管的纵向方向获得介电常数测量的方式是使用传感器装置，其在图15中示出，且在前述部分已描述。在此情况下，方程6的校准常数k2等于在管(传感器)内真空下图8的相移13和15的频率位置。

伽马射线吸收的测量是用于密度测量的广泛使用的技术。此技术考虑到管(流量计)中任何材料内的光子束辐射吸收可表达为公式：

方程10：

N＝N₀e^-μρd

其中：

N₀＝空管计数速率(辐射)

N＝所测量的计数速率(辐射)

μ＝管内材料的辐射质量吸收系数

d＝通过管的横截面的辐射的透射深度

ρ＝管内材料的密度

通过测量管内已知吸收系数的介质例如淡水的计数速率，可根据方程11确定参数d：

方程11：

其中：

N₀＝空管的计数速率(辐射)

N_淡水＝淡水中所测量的计数速率(辐射)

μ_淡水＝淡水的辐射质量吸收系数

ρ_淡水＝淡水的密度

密度测量没有覆盖管的整个横截面面积，因此其依赖横截面的均匀混合物。在典型商业可利用γ射线检测器的2”管中的覆盖面积一般为横截面的70-80％。然而，当使用于6“管时，难于实现管横截面的超过30％的覆盖。不过，知道管中间的环状流度，可补偿测量以提供横截面液体和气体比的更准确测量。补偿算法可从管内中心覆盖区的几何描述或通过使用经验获得的数学模型，例如神经网络来得到，该神经网络被训练来校正测量。

而另一种测量密度的方式是使用如图14和图15所示的文丘里管质量流量计。管内的任何限制将导致多相混合物的速度的改变，以及引入在该限制的压力降。基于流体动力学理论，压力降30的平方根与管中的总质量流量成比例。文丘里管是一种结构，其中管直径向具有较小直径的管截面逐渐减小。较小的截面可是短或相对长的截面。然后，直径逐渐扩展到管原有的尺寸。在ISO 5167-1和ISO 5167-4描述了用这样的结构的质量流测量。

根据ISO 5167-1，可计算质量流量为：

方程12：

$\mathrm{Qm}=\frac{C}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\frac{\mathrm{\π}}{4}{d}^2\sqrt{2\mathrm{\ρ\Δp}}$

其中：

Qm＝总质量流量

C＝流量系数

β＝文丘里喉管和管间的直径比

d＝文丘里喉管的直径

Δp＝在入口和文丘里喉管间的所测量的压力降

ρ＝多相混合物的密度

在文丘里管出口的压力恢复主要依赖多相流的质量流量、密度、压缩率和粘度以及文丘里喉管10的长度和粗糙度。当多相混合物的气体含量高时，相比于具有低气体含量的多相混合物，文丘里管出口的压力恢复较大。因此，通过将方程12与文丘里管出口31的压力恢复测量相结合，可获得多相混合物密度的测量。

使用计算机作为流量计的集成部分，一般以迭代方式解方程1-12以及校正函数，从而得到基于油、水和气体的体积和质量的流量。

尽管作为用于使用本发明的示例，已描述了用于测量油、水和气体流量的几个流量计，然而本发明还可使用于其他领域，例如处理工业内具有空气或气体的多相灰浆(slurry)的测量，发电工业内煤和空气或蒸汽和水的多相流的测量。此外，技术人员清楚的是本发明并不限于在此所描述的实施例，而其可在本发明的范围内改变和修改，本发明的范围由在所附权利要求及其等同物所阐述的特征定义。

Claims (21)

1.一种用于确定管中流体的流量的方法，所述流体包括气体和至少一液体的多组分混合物，所述方法包括下列步骤：

a.沿所述管的至少两方向进行电磁损耗和相位测量，

b.基于所述步骤a的测量来确定环状流度，

c.基于步骤a和b的结果，包括对所述环状流度的校正，来计算所述流混合物的介电常数，

d.测量所述混合物的密度并对所述环状流度补偿其，

e.获得温度和压力，

f.确定液体和气体的速度，以及

g.基于所述流体混合物的所述组分的密度和介电常数的知识，以及自以上所述步骤a-f的结果，来计算所述流体混合物的所述气体和液体或若干液体的体积和质量流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中还确定多相流的成分。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，沿所述管的横截面和纵向方向进行所述电磁测量。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的方法，其中，通过对流动的流体中的发射天线进行频率扫描以及记录在所述流动的流体中的两接收天线上的至少三个预定相差的频率，来进行所述电磁测量。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在所述步骤b中，基于所述所记录的频率的分布来确定所述环状流度。

6.根据权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中在所述步骤b，基于所述流动的流体中所述介电常数的至少两不同测量来确定所述环状流度，所述至少两不同测量受所述环状流度的不同影响。

7.根据权利要求4所述的方法，其中在所述步骤b，基于在所述接收天线上的所测量的功率差异来确定所述环状流度。

8.根据权利要求1-7中任何一项所述的方法，其中，通过互相关在所述流动的流体中的彼此相距已知距离的两组天线上所执行的测量，来测量所述液体和气体的速度。

9.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其中，使用γ射线吸收技术来测量所述流体混合物的密度。

10.根据权利要求1-8中任何一项所述的方法，其中，使用文丘里管来测量所述流体混合物的密度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，测量在所述文丘里管出口的压力恢复。

12.一种用于确定管中流体的流量的流量计，所述流体包括气体和至少一液体的多组分混合物，所述流量计包括管状部分和下列元件：

a.用于沿所述管状部分的至少两方向进行电磁损耗和相位测量的装置，

b.用于基于上述测量包括适当的数据模型来确定环状流度的装置，

c.用于基于自以上所述元件a和b的结果、包括对所述环状流度的校正，来计算所述流混合物的介电常数的计算机和数学程序，

d.用于确定所述混合物的密度并对所述环状流度补偿其的装置，

e.用于确定液体和气体的速度的装置

f.用于确定温度和压力的装置，以及

g.用于基于自所述元件a-f的信息以及所述流体混合物的所述组分的密度和介电常数的知识，来计算所述流体混合物的所述气体和液体或若干液体的体积和质量流量的装置。

13.根据权利要求12所述的流量计，其中，所述管状部分包括：一发射天线和两接收天线，其位于所述管状部分的相同横截面；以及一发射天线和两接收天线，其沿所述管状部分的纵向方向隔开。

14.根据权利要求13所述的流量计，其包括用于发射对一发射天线的频率扫描且同时记录在所述接收天线的两个上的对于所述频率扫描的相差和损耗的电子装置。

15.根据权利要求14所述的流量计，其包括用于基于所述所记录的相差和/或损耗来计算所述环状流度的装置。

16.根据权利要求14所述的流量计，其包括用于基于在所述管状部分的横截面和纵向方向上的介电常数的测量来计算所述环状流度的装置。

17.根据权利要求12-16中任何一项所述的流量计，其包括用于沿所述管状部分的纵向方向反射电磁波的在所述管状部分中的设备。

18.根据权利要求13-17中任何一项所述的流量计，其包括用于通过互相关在两组天线上所执行的测量来计算所述液体和气体的速度的装置，所述两组天线位于所述管状部分的不同横截面上，彼此相距预定的距离。

19.根据权利要求12-18中任何一项所述的流量计，其包括基于γ射线吸收的密度计，其用于测量所述流体混合物的密度。

20.根据权利要求18所述的流量计，其包括用于基于文丘里管的压降的测量来计算所述流体混合物的密度的装置

21.根据权利要求20所述的流量计，其包括用于测量在所述文丘里管出口的压力恢复的装置。

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