多相測量儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多相測量儀系統(tǒng)，用于測量管道中流體流的組成和/或鹽度，所述多相測量儀系統(tǒng)包括：共振測量裝置，其包括用于在所述管道中提供第一頻率范圍內的變化電磁場的發(fā)射天線(11)和用于在所述管道中對所述場的共振特性進行測量的接收器天線(12)，以及用于確定所述共振品質的評估裝置；傳輸測量裝置，其包括用于發(fā)送第二頻率范圍內的變化電磁信號的發(fā)射天線(11)，位于距所述發(fā)送器天線不同距離處的至少兩個接收器天線(12，13)，以及時間測量裝置，所述時間測量裝置用于對在所述兩個接收器天線處接收到的傳輸信號之間的相差以及所測量的阻尼差進行確定；以及控制裝置，其用于將所述共振品質與預定閾值進行比較，并且當所述共振品質高于所述閾值時根據(jù)所述共振特性對組成和/或鹽度進行計算，或當所述共振品質低于所述閾值時根據(jù)所述傳輸相差和阻尼對所述組成和/鹽度進行計算。
【專利說明】多相測量儀

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多相測量儀系統(tǒng)，用于對管道內的流體流的組成和/或鹽度進行 測量。
[0002] 更具體地，本發(fā)明涉及在石油和天然氣儲藏的勘探中測量流體流內的水、油、氣和 /或鹽度分數(shù)。

【背景技術】
[0003] 市場上的多種不同的商用流量計可用于測量來自油井的流體流的成分。某些測量 儀基于放射性輻射的使用，某些測量儀為電容式，并且某些測量儀基于微波的使用。
[0004] 由于不受限于與基于放射性輻射的測量儀相關的健康風險及其相當?shù)偷木_度 或污染對電容傳感器的不利影響，因而微波傳感器受到關注。
[0005] 用于對流體的特性進行測量的方法以及用于執(zhí)行該方法的計量設備和傳感器的 示例已在國際專利申請PCT/N001/00200中進行描述，對此的美國專利（US6,826,964 B2) 已授權。該傳感器采用微波共振原理來測量連續(xù)油流（油中的水滴和氣泡，即該油流處于 連續(xù)態(tài)）并且針對連續(xù)水流（水中的油滴和氣泡，即該水流處于連續(xù)態(tài)）測量導電性，并 且該傳感器被用于安裝在油井內部的開采區(qū)。多相流的共振測量的另一示例在挪威專利 308922(對應于W099/63331)中進行了描述。
[0006] 在美國專利6, 915, 707中已描述了用于對具有更高氣體含量的流體，即濕氣或高 氣多相流進行測量的方法的另一示例，濕氣流為具有典型地大于99%的高氣體體積分數(shù) (通常稱為氣體空隙率（GVF))的多相流。該方法同樣基于微波共振原理。
[0007] 該微波共振原理基于測量流體的電容率/介電常數(shù)，并且在W0 2008/085065中參 照水體積分數(shù)（WVF)進行了描述。
[0008] 其他系統(tǒng)在US5101163和W02007/018434,以及US5341100中進行了描述，其中組 成和水鹽度通過測量被放置在距發(fā)射器天線不同距離處的兩個天線所接收到的信號的差 別來進行測量，其被稱為傳輸法。當流體流的損耗很高時，例如在具有相對較高的水鹽度的 連續(xù)水流中時，通常優(yōu)選該方法。
[0009] 現(xiàn)有技術的固有問題在于，在相同流體體積內難以提供完整范圍的成分和鹽度的 足夠精確的測量。如上所述，共振頻率和Q因子適用于一定范圍的分數(shù)，但當流體中的損耗 變得足夠高時不太適用，因而精度被降低。根據(jù)權利要求中所述的實施方案來解決該問題。


【發(fā)明內容】

[0010] 因此，本發(fā)明涉及一種在金屬管道中流動的MUT(被測材料），其中該MUT的介電 性能將通過微波進行測量，例如旨在查明該MUT的組成，例如水與油之間的混合比例。根據(jù) 例如在油/水混合物的情況下，水或油是否處于連續(xù)態(tài)，并且根據(jù)水是否包含溶解的離子 例如鹽，該MUT可呈現(xiàn)出所謂的高損耗或低損耗性能，從而使其更加導電或較少導電。在微 波技術第51、52頁上的參考文獻[4]，即Fra于2005年發(fā)表的"Handbook of Multiphase Flow Metering(多相流量計量手冊）"中，第52頁上的內容闡明了：實際微波MPFM(多相 流量計）使用針對連續(xù)油流的共振器原理以及在連續(xù)水流方面的不同頻率傳輸原理，從而 利用相同的探針。當處于低衰減時，管道用作共振器，并且當處于高衰減時，對兩個接收探 針之間的相差進行檢測。參考文獻[4]中所述的解決方案基于作為共振器的管道的使用。 在TO 2005/057142和US7631543中提供了其他示例。這樣的共振器并不理想，這是因為主 共振發(fā)生在截止頻率處，并且共振能量將沿管道方向泄露，從而降低該系統(tǒng)的精確度。本發(fā) 明通過以下方法解決該問題：利用具有低于截止頻率的共振頻率的共振器，因而易于檢測 到共振峰，從而還提高了流體測量的性能。
[0011] 出于測量的目的，微波共振器已在管道中實現(xiàn)用于在低損耗情況下進行測量，并 且通常三個天線用于實現(xiàn)高損耗情況下的差分傳輸測量。使用兩種方法的原因在于，當損 耗針對該方法運行足夠低時，共振器方法是最精確的方法，并且傳輸方法最適于高損耗，這 是因為傳輸方法可被用在寬動態(tài)范圍中。
[0012] 除此之外，由于微波模式和反射的影響，傳輸方法在低損耗情況下是不太精確的。 在優(yōu)選實施例中，相同的天線被用于耦合到共振器并且用于執(zhí)行傳輸測量，不同之處在于， 僅有兩個天線被用于共振器測量。
[0013] 在發(fā)射天線與接收天線之間所測量到的頻率響應，即作為頻率函數(shù)的傳輸函數(shù)將 顯示直接電容耦合、共振和直接傳輸?shù)奶卣?。根?jù)損耗量的不同，這些中的某些將起主導作 用。在低損耗情況下，高于電容耦合的基線的共振峰將明顯可見。在高損耗情況下，將看不 到峰。直接電容耦合也將不再重要。相反地，直接傳輸將起主導作用，并且所測的相移和衰 減與MUT的介電性能與傳輸距離有關。通過使用差分傳輸，即將具有不同的傳播距離的同 一對天線之間的傳輸進行比較，則天線性能以及包括電纜和連接器的系統(tǒng)的其余部分的影 響被消除，從而顯示出在MUT中的傳播距離的真實影響。
[0014] 在水與油的兩相混合物的情況下，其中水包含一定量的溶解離子，通常相當于超 過0. 1 %的NaCl，根據(jù)該混合物是油連續(xù)還是水連續(xù)，該混合物將顯示出明顯的低損耗或 高損耗性能。在這種情況下，根據(jù)共振峰的出現(xiàn)或缺失以及由此選定的方法易于檢測到該 狀態(tài)。在其他情況下，例如，如果水更新鮮或不太新鮮（NaCl的等效含量低于0. 1% )，或如 果存在相當大的氣體，如具有較高的氣體空隙率（Gas Void Fraction，GVF)的油、水和氣的 三相混合物，那么會出現(xiàn)損耗在其中既不高也不低的狀態(tài)。在這種情況下，頻率響應將既顯 示出共振峰（該共振峰具有低Q因子即與峰相比，其看起來更像響應上的隆起），也顯示出 明顯高于完全電容耦合的傳輸。在這種情況下，不能立即發(fā)現(xiàn)何種方法可被優(yōu)選使用。
[0015] 這種情況下的最佳策略是采用兩種方法進行測量，并且在選擇將何種結果作為測 量結果輸出之前執(zhí)行對這些結果的品質檢查。該品質檢查可以包括例如與體積分數(shù)的預期 范圍相關的準則，與體積分數(shù)變化的預期最大速度有關的準則以及與采用兩種方法的測量 的穩(wěn)定性（方差）有關的準則。為了確定何時應以上述方式使用這兩種方法，或僅使用共振 測量或差分傳輸測量，可以使用一些特征常數(shù)。這些常數(shù)可以是例如共振峰的Q因子（如 果峰不可識別，則該情況是高損耗情況）、隆起處的衰減率（弱共振峰）以及在其（頻率） 上的波谷或谷。限制可以是：在Q因子大于1〇(>1〇)的情況下，使用共振方法；以及在Q因 子介于"不可識別"與10之間的情況下，使用兩種方法。類似準則可針對衰減率進行限定， 或針對取決于兩者的因子進行限定。
[0016] 使用何種準則最好通過實際進行流量測試、記錄原始數(shù)據(jù)，并隨后通過應用不同 的限制和準則對例如組成進行重新計算來根據(jù)經(jīng)驗找到。
[0017] 為了獲得最佳結果，具有共振器和天線的傳感器系統(tǒng)應被設計，使得僅有待使用 的共振峰位于待使用的頻率范圍內。在大多數(shù)情況下，這意味著應當只有一個峰會影響測 量的頻率相應。只要峰由于高損耗還沒有完全消失，就應設計傳輸測量，使得相位和/或衰 減的測量在受共振影響最少的頻率范圍的一部分中被執(zhí)行。單詞"引腳（pin)"通常被用于 天線，尤其當在探針中實現(xiàn)的情況下。
[0018] 在以下說明書中使用了下列定義：
[0019] 頻率響應：作為頻率函數(shù)的從一個天線到另一天線的稱合（衰減和相移）。該奉禹 合被稱為插入損耗。
[0020] 低損耗：通過耦合天線被饋送到管道內的微波能量的衰減很低，使得來自管道壁 的反射以波導模式形成干涉圖案，或者從一個天線到另一天線的能量的耦合（插入損耗） 由直接電容性的耦合進行控制（在該情況下，頻率低于管道內波導模式的最低截止頻率）。
[0021] 高損耗：介質中微波的損耗很高，使得從管道壁反射的并因而比從天線傳播到天 線的那些波行進更長距離的傳播波衰減很大，使得在頻率響應中檢測不到波模式的影響 (插入損耗）。
[0022] 因此，根據(jù)本發(fā)明獲得的解決方案是，共振被用在部分測量中，但當流體中的損耗 增大時，通過切換到測量流體中的相位差和所測量的阻尼的差來實施傳輸方法。通過同時 增加測量頻率還可以測量鹽度。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，所述系統(tǒng)僅包含三個天線，一個發(fā)送器和兩個接收 器。當共振具有高品質時，僅啟動發(fā)射器以及接收器天線中的至少一個天線。因此，所述 測量通過在預定范圍內發(fā)送掃頻信號并對共振頻率和共振峰的寬度兩者進行測量而被執(zhí) 行，從而例如提供Q因子。如果共振頻率的品質低于預定值，則由兩個接收器所測量的信 號的相位差和阻尼差被得到并被用來表征流體的組成。在這種模式下，可以使用不同頻 率范圍，以增加測量的精確度并且還可以根據(jù)信號的實部與虛部之間的關系測量流體的 鹽度，例如，如US5103181中所述，根據(jù)介電常數(shù)和Briiggemann方程來對組成進行計算， 以及參考文獻[2]Nyfors，Ε·，P. Vainikainen，''Industrial Microwave Sensors"，Artech House, 1989,350 p(Nyfors，E.，P.Vainikainen，工業(yè)微波傳感器，Artech House 出版社， 1989年第350頁）中，根據(jù)共振器和傳輸測量來得到介電常數(shù)。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)通過同時執(zhí)行共振和傳輸測量兩種測量方法并選擇待發(fā)送給 用戶的最相關的信息，或者通過監(jiān)測測量的品質并當測量結果低于某一閾值時轉換到可替 代的測量方法來利用共振和傳輸測量。共振測量的品質閾值可以由所選的Q因子、峰寬和 /或共振頻率的值進行限定，而傳輸測量的品質閾值可根據(jù)例如根據(jù)流體的成分、傳感器性 質以及管道的尺寸和材料而被經(jīng)驗地確定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 以下將參照附圖對本發(fā)明進行描述，附圖以示例的方式對本發(fā)明進行說明。
[0026] 圖1是本發(fā)明的第一實施例的示意圖，該實施例在用于共振器測量的兩探針系統(tǒng) 的下游設置第三探針，并且使用該第三探針來進行傳輸以避免沿著圓錐體的邊緣傳輸。
[0027] 圖2是本發(fā)明的第二實施例的示意圖，該實施例利用3天線探針來進行傳輸測量， 并且維持用于共振器測量的兩個標準探針。
[0028] 圖3是3天線探針的本發(fā)明的第三實施例的示意圖。
[0029] 圖4是增加2天線探針的本發(fā)明的第四實施例的示意圖。
[0030] 圖5是在兩探針共振測量系統(tǒng)中將一個探針替換為3天線探針的本發(fā)明的第五實 施例的示意圖。
[0031] 圖6示出了與翅片傳感器結合的實施例。

【具體實施方式】
[0032] 本發(fā)明是專利US6915707中所述的水氣測量儀（WGM)的進一步發(fā)展，該WGM具有 微波共振器傳感器用于測量流體的電容率以計算WVF (水體積分數(shù)）。該WGM在低WVF下 能很好地工作，但現(xiàn)在的目標是將工作范圍進一步向下擴展到GVF (上限到WVF)中，在擴展 后的范圍內流變得過于損耗而使得共振器無法很好工作。解決方法在于增加傳輸類型的測 量。
[0033] 在W0 2008/085065中所述的已知的WGM基于完全共振器測量，因此僅在低損耗情 況下工作。該WGM具有兩個天線，并且電子器件僅能夠測量插入損耗即功率損耗的幅度，并 且僅在由該測量儀所用單元的特定版本中的VC0所限定的有限的頻率范圍內測量。
[0034] 當整個管道是共振器時，傳感器的主要優(yōu)點在于它是非侵入性的。但嚴重的弱點 在于流體會獲得不同的流動型態(tài)。例如，液體會形成靠近管道壁的層，而氣體在中間穿過。 這被稱為環(huán)狀流。這種氣體和液體的非均勻分布影響電容率的測量。尤其在連續(xù)水流條件 和環(huán)狀流的情況下，測量會出錯。這就是在W02005/057142和W02007/018434中已通過增 加另一測量試圖改善的部分，所述另一測量增加靠近壁的流體的電容率的權重，并隨后利 用經(jīng)驗模型對已知誤差進行補償。采用WGM的優(yōu)點在于，流體通常擠壓通過管道壁與優(yōu)選 呈圓錐狀的插入物之間的間隙，當在該區(qū)域進行測量時消除了這樣的流動型態(tài)。當前的共 振測量器圍繞整個圓周對該間隙內的流體進行測量。待增加的傳輸測量也必須被定位以便 當流體經(jīng)過圓錐體時，對該流體進行大致地測量。同時，該圓錐體應該優(yōu)選地不影響測量， 即其不應該被探針"看見"。實現(xiàn)圍繞整個圓周的測量是不可能的，但如果存在大致對稱的 流，就不需要實現(xiàn)圍繞整個圓周的測量。如上所述，優(yōu)選實施例利用圓錐狀的插入物，但也 可以使用其他插入物，例如翅片。
[0035] 對于完整的三相測量（油、水、氣），增加密度計也是必要的。因為存在三個未知 量，因此需要三個能夠求解組成的方程。兩個方程與電容率和密度的測量相關，并且第三個 方程規(guī)定全部三種組成之和等于100%。本發(fā)明主要涉及一種用于提供電容率測量的裝置， 該裝置同時可以像在一般多相測量儀中那樣執(zhí)行其他計算。
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的思想包含增加傳輸測量，例如通過利用一個充當發(fā)射天線的探針進 行發(fā)送，并且利用兩個充當接收天線的探針進行接收。所述兩個接收探針必須位于距所述 發(fā)送探針不同的距離處。距離差導致相差。對相差獲得預定的固定值所在的頻率進行測量。 正如將看到的那樣，接收探針和發(fā)送探針可以與一個具有充當接收或發(fā)射天線的三個天線 的探針進行交換。
[0037] 本發(fā)明涉及兩種測量原理的優(yōu)化使用，其中，對共振進行測量的同時也監(jiān)測共振 的品質。共振的品質情況可與峰的寬度和對稱性有關。通過直接從峰中大致找到共振頻率 和3dB點（即半功率點，其通常用于測量針對Q因子的峰寬度），能夠計算Q因子（共振頻 率除以峰寬度）和不對稱性（例如所測量的共振頻率與3dB點的平均值之間的相對偏差）。 一種更精確的方法涉及一種高精度的對共振頻率和Q因子進行測量的方法。那么首先，對 在峰周圍的范圍內的多個樣本進行測量。隨后，使用3dB水平以上的樣本，并且將理論共振 曲線（參考文獻[3]中的方程式（3.27))與樣本進行擬合。這提供了針對共振頻率與Q因 子兩者的精確值。不對稱性可以利用不同方法通過比較樣本與所得曲線來進行計算。例如， 一種方法可以是計算共振頻率兩側的樣本與曲線之間的平均偏差。當Q因子小于例如10 時，共振峰難以測量，并且實際上根據(jù)響應的其他變化進行識別。針對不對稱性的限制必須 根據(jù)經(jīng)驗測試和對利用共振器方法與傳輸方法得到的結果進行比較來建立。在選定的限制 下，根據(jù)管道中條件的不同，該系統(tǒng)隨后可以改變?yōu)闇y量天線之間的差分傳輸（相位和/或 衰減）。傳輸情況需要針對每種情況進行確定，這是因為傳輸測量會受管道中的共振和反射 的影響。針對特定的傳感器設計和應用可能會需要某些經(jīng)驗測試，這同樣是因為天線處的 局部流動情況會受這些因素影響。
[0038] 共振和傳輸測量可以在相同的頻率范圍內進行，但是由于傳輸信號將受這兩種 方法重疊的條件范圍內的反射和共振影響，因此這些頻率應該被避免。在實踐中，共振頻 率根據(jù)例如物理尺寸的不同可以在100-2500兆赫茲（MHz)的范圍內，但是通常利用例如 W02010/115883中所述類型的MDP錐體的濕氣測量在400-1500MHZ的范圍內進行。
[0039] 例如參考文獻[1]中所述的鹽度測量通常會需要1-3吉赫茲（GHz)范圍內的傳輸 測量，但是針對其他傳輸測量，可以使用低至數(shù)十兆赫茲的較低頻率。
[0040] 然而，本發(fā)明的優(yōu)點在于，該系統(tǒng)可調整到針對每次測量的最優(yōu)頻率范圍。
[0041] 以下對用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的測量的探針的不同實施例和組合進行描述。用于共 振和傳輸測量的探針和方法被認為是已知技術的一部分，例如，如引用文獻和專利出版物 中所述的技術，并且其本身將不在本說明書中進行描述。
[0042] 實施例1 :添加第三探針
[0043] 參照圖1，已知的WGM有兩個探針，每個探針分別具有一個天線2、3,而傳輸類的測 量需要三個探針。通過添加具有第三天線1的第三探針，兩種類型的測量都可被執(zhí)行。第 三探針可以小于其他探針，這是因為其他兩個探針已被標定尺寸以提供到共振器的最佳耦 合。
[0044] 這兩種現(xiàn)有探針位于恰好與圓錐體9的最寬部分相對的管道壁中。因此，可假定 圓錐體的接近度將影響傳輸測量。那么會存在一依賴于β值的效應，該β值與該圓錐體 相對管道的尺寸有關。由于這使校準更加復雜，因此是不利的。通過進一步將第三探針1 不對稱地放置在相對于其他探針2、3的下游處，并且利用該用于傳輸?shù)奶结?，可以減小圓 錐體的影響。
[0045] 該實施例的優(yōu)點在于：
[0046] 總共僅有三個探針。
[0047] 所有探針完全相同，或至少是類似類型。
[0048] 缺點在于：
[0049] 需要切換以能夠改變哪個是傳送探針。
[0050] 這些探針中的兩個探針的直徑大。因此，探針之間的距離將很大，這意味著高的最 大衰減以及第三探針位置處的不同流動情況。當電子器件的靈敏度是限制因素時，與具有 較短傳播距離相比，更高衰減意味著測量儀能夠處理的最大WVF減小。
[0051] 如果可能的話，需要將兩個現(xiàn)有探針安裝得比正常情況更相互靠近。這將增加直 接耦合，該直接耦合會影響可使用共振器方法的最高損耗。
[0052] 實施例2 :添加具有三個天線的探針
[0053] 參照圖2, 3天線探針6已被開發(fā)用于作為獨立單元或在多相測量儀中執(zhí)行雙參數(shù) 測量以發(fā)現(xiàn)水中的鹽度。思想是在足夠高的頻率（建議為3GHz)處對相位和衰減都進行測 量，在該頻率處，電容率的實部也影響所述測量。因為由電導率引起的虛部與頻率成反比， 所以低頻處的虛部完全超過了實部。關于傳感器的論文已被公布，參見參考文獻[1]。該發(fā) 展包含理論研究，建立簡單的原型以研究天線的最佳間距和長度，并且最終生成玻璃模制 的"最終（final)"探針。
[0054] 上述US7631543和W0/2007/018434描述了一種利用同類型的三天線1、2、3單元 6來執(zhí)行雙參數(shù)測量的方法，該方法基于僅在兩個頻率處測量相位。該方法以及其他執(zhí)行 多參數(shù)微波測量的替代性方法還在文獻[2]中進行了描述。在文獻[2]中，描述了一種測 量，該測量例如將對兩個頻率處的相位進行測量作為對在一個頻率處的衰減和相位都進行 測量的替換方案。
[0055] 使用3天線探針以在WGM中執(zhí)行單參數(shù)傳輸測量的概念意味著，該探針必須靠近 圓錐體安裝以實現(xiàn)消除流動型態(tài)的影響的優(yōu)點。另一方面，該測量不應該受金屬圓錐體的 接近度的直接影響。明顯的是，安裝探針的最佳位置為緊挨著圓錐體之后，如圖2中所示， 圖2還示出了靠近圓錐體的共振測量天線4、5。
[0056] 該概念的優(yōu)點在于：
[0057] 在任何情況下共振器測量都不受影響。
[0058] 3天線探針能夠針對每個管道尺寸被標準化。
[0059] 缺點在于：
[0060] 需要比僅采用三個探針的概念更多的切換。
[0061] 實施例3 :僅利用3天線探針
[0062] 圖3所示的概念是上述兩種概念的組合。三個探針將被集成到包含三個天線1、2、 3的單個探針6殼體中，而不是如第一概念中那樣具有三個獨立的探針。為了提供用于共振 器測量的足夠的耦合，該探針天線的尺寸可能會需要大于第二概念中的3天線探針中的天 線尺寸。三個天線探針還可能需要進一步遠離彼此以限制直接電容耦合。該設計可能需要 針對每個β比率而不同。
[0063] 僅考慮共振器測量所設計的當前探針被設計為通常在充氣測量儀中提供大致相 同的耦合，這提供了接近于電子器件的動態(tài)范圍內的最大值的信號電平。較低的信號電平 可被接受，只要該較低的信號電平總是保持在噪聲電平之上。
[0064] 該探針必須被定位成使得這些天線中的兩個天線大致與圓錐體的邊緣相對。然 而，基于之前的模擬，清楚的是，這兩個天線能夠在第三探針的方向上移動幾個毫米，這將 減小圓錐體對傳輸測量的影響。
[0065] 殼體中的三個探針不必具有相同尺寸。發(fā)送探針（下游）可以適當?shù)芈孕　?br> [0066] 該概念的優(yōu)點在于：
[0067] 僅存在一個探針殼體，因而在測量儀主體中僅存在一個孔。
[0068] 與采用三個獨立的探針的情況相比，3個天線能夠具有更近的間隔。
[0069] 缺點在于：
[0070] 用于共振器測量的探針受到影響?？赡鼙仨毥邮艿氖?，信號電平（共振器中的峰 高度）將低于當前設計中的信號電平，并且隨測量儀尺寸和β比率變化。直接電容耦合也 將更高。
[0071] 現(xiàn)有的3天線設計不能被直接使用，而是需要進一步開發(fā)。
[0072] 實施例4 :添加2天線探針
[0073] 在圖4所示的概念中，兩個當前探針1、5將如前所述被用于共振器測量。此外，在 當前發(fā)送探針1附近將存在一個2天線2、3探針7。針對傳輸測量，將切換到利用2天線探 針進行接收。一個信道可被永久地連接到所述天線中的一個天線。
[0074] 該概念的優(yōu)點在于：
[0075] 在任何情況下共振器測量都不受影響。
[0076] 2天線探針能夠針對每個管道尺寸被標準化。
[0077] 缺點在于：
[0078] 可實現(xiàn)的路徑長度受到限制。
[0079] 實施例5 :將一個探針替換為3天線探針
[0080] 如果標準探針中的一個被3天線1，2, 3探針6替換使得一個天線1替換標準探針 5,并且其他兩個天線2, 3位于下游，那么可以維持共振器探針之間的距離，同時傳輸距離 可被保持為短，并且僅存在兩個孔。發(fā)射天線可以大于其他天線。圖5中描述了該概念。
[0081] 該概念的優(yōu)點在于：
[0082] 可以維持共振器探針之間的距離。
[0083] 在測量儀主體中僅需要兩個孔。
[0084] 3天線探針能夠針對每個管道尺寸被標準化。
[0085] 僅需要一次切換。發(fā)送探針可以總是相同的。
[0086] 由于一個共振器探針和以前一樣，因此峰值電平的必需下降小于概念3中的下 降。
[0087] 缺點在于：
[0088] 非對稱耦合。因此，對于給定的峰高度，Q因子低于可實現(xiàn)的Q因子。
[0089] 例如實施例1和4中的用于共振器的標準探針的尺寸會影響其使用。實施例2將 提供在設計傳輸測量上最大程度的自由度，但是包含最大數(shù)量的切換。實施例3似乎是優(yōu) 選的，這是因為該實施例在測量儀主體上僅需要一個孔，以及最少數(shù)量的切換，并且其允許 (比實施例1和4)更短的探針之間的距離，從而提供較低的衰減和更均勻的流動情況，但是 其影響到共振器的耦合。與實施例3相比，實施例5維持共振器探針之間的距離，導致共振 器中信號電平的較小降低，但是在測量儀主體上需要兩個孔。
[0090] 當選擇探針實施例以在具體使用中找到最佳設計時，可以進行多個考慮，例如：
[0091] 圓錐體的影響，例如接近度、尺寸以及與傳輸長度有關的要求。
[0092] 探針尺寸以及從機械的觀點來看探針可被如何緊密地間隔。
[0093] 探針天線，尤其是當每個探針中存在多于一個天線時，可被設計成堅固且容忍某 些腐蝕的，并且可被設計成滿足根據(jù)測量觀點的準則。根據(jù)本發(fā)明的應用的不同還可以研 究天線之間的距離。
[0094] 在所用頻率范圍內的最大衰減需要基于傳輸長度、路徑差以及限定的最差條件進 行估計，并且與所應用的電子器件的性能進行比較。
[0095] 流動情況，例如乳濁液或具有可變鹽度的流動的水或冒泡的水。
[0096] 信號強度的變化范圍和電子器件的動態(tài)范圍必須相對于共振器的所需耦合進行 考慮。
[0097] 實施例6 :栩片式插入物
[0098] 在圖6a和6b中，根據(jù)本發(fā)明的測量系統(tǒng)被放置在具有翅片式插入物的管道中。三 個天線11、12、13已被放置在管道壁中，其中圖6a示出了在相同的軸向位置上的兩個天線 11、12的位置以及距其他天線一定距離處于下游處的第三天線13的位置。當?shù)谝惶炀€11 被用作發(fā)送器時，從第一天線11到其他天線12、13的傳播長度將存在差別，這可用在傳輸 模式測量中。
[0099] 根據(jù)本發(fā)明的測量儀系統(tǒng)可有利地與其他共振器結合，因此差分壓力測量、微波 共振以及差分微波傳輸測量的結合可對例如US6915707中所述的發(fā)明進行補充，以包括三 個使得能夠進行差分傳輸測量的探針。一個實例可以是文氏管中的翅片傳感器，如專利中 的圖5所示，還可以想到不采用文氏管或其他差分壓力測量的解決方案以制作對0-100% 的混合物中的水油比例進行測量的兩相測量儀，如當前圖6所示。
[0100] 因此，總而言之，本發(fā)明涉及一種多相測量儀系統(tǒng)，用于測量管道中的流體的組成 和/或鹽度。該測量儀系統(tǒng)包括共振測量裝置，其包括用于在管道中提供第一頻率范圍內 的變化電磁場的發(fā)射天線和用于在所述管道中測量該場的共振特性的接收器天線，以及用 于確定所述共振的品質的評估裝置。
[0101] 該系統(tǒng)還包括傳輸測量裝置，其包括用于發(fā)送第二頻率范圍內的變化電磁信號的 發(fā)射天線，位于距所述發(fā)送器天線不同距離處的至少兩個接收器天線，以及用于確定在所 述兩個接收器天線處接收到的傳輸信號之間的相差以及所測量的阻尼差的時間測量裝置。 所述傳輸測量裝置和共振測量裝置被定位成在基本相同的流體體積中進行測量。這可以通 過使用相同的天線或探針來進行兩種測量而優(yōu)選地獲得。
[0102] 根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)包括控制裝置，該控制裝置用于將共振品質與預定閾值進行比 較，并且當所述共振品質高于所述閾值時根據(jù)所述共振特性對組成和/或鹽度進行計算， 或當所述共振品質低于所述閾值時根據(jù)所述傳輸時間差和損耗對所述組成和/鹽度進行 計算。因此，根據(jù)流體的成分和特性的不同可使用最精確的測量。
[0103] 共振的品質和相應的閾值優(yōu)選地根據(jù)共振峰的Q因子來進行計算，從而指示共振 器中的損耗。
[0104] 共振測量裝置和傳輸測量裝置的發(fā)射天線可由相同的天線構成，并且可能的，所 述共振測量裝置的接收器天線由傳輸測量裝置的接收器天線中的一個構成，從而使用有限 數(shù)量的穿過管道壁的天線和侵入體。
[0105] 第一頻率范圍和第二頻率范圍至少可以部分重疊但優(yōu)選地包括針對每個測量的 最佳范圍。因此，傳輸信號可以包括對應于所述第一頻率范圍和第二頻率范圍的寬帶頻率， 同時接收器能夠接收完整范圍或針對共振測量或者傳輸測量的范圍。優(yōu)選地，用于共振測 量的第一頻率范圍可以在100-2500MHZ范圍內，優(yōu)選在400-1500MHZ內，而用于傳輸測量的 第二頻率范圍可以在400-3000GHZ范圍內，優(yōu)選1000-3000MHZ。
[0106] 流中的液體的鹽度還可以根據(jù)由傳輸測量裝置測量到的實部值和虛部值來進行 計算。
[0107] 該共振測量裝置和所述傳輸測量裝置被優(yōu)選地基本上同時操作，這是因為控制裝 置適于比較來自所述測量裝置的測量結果的品質，并提供一指示具有最高品質的測量結果 的輸出?？商鎿Q地，基于根據(jù)計算出的所述測量結果的品質而被加權的所述測量結果來計 算輸出。因此，組合的輸出信號可被提供為所述測量結果的優(yōu)化組合。
[0108] 盡管天線，尤其是共振測量天線，優(yōu)選地靠近管道中具有軸向位置的插入物（例 如圓錐體或翅片）進行安裝，但也可以想到其他情況?？拷鼒A錐體所用的共振測量應優(yōu)選 地靠近所述圓錐體的最寬邊緣來執(zhí)行。
[0109] 參考文獻
[0110] [1]

【權利要求】
1. 一種多相測量儀系統(tǒng)，用于測量管道中流體流的組成和/或鹽度，所述多相測量儀 系統(tǒng)包括： 共振測量裝置，其包括用于在所述管道中提供第一頻率范圍內的變化電磁場的發(fā)射天 線和用于在所述管道中測量所述場的共振特性的接收器天線，以及用于確定所述共振的品 質的評估裝置； 傳輸測量裝置，其包括用于發(fā)送第二頻率范圍內的變化電磁信號的發(fā)射天線，位于距 所述發(fā)送器天線不同距離處的至少兩個接收器天線，以及時間測量裝置，所述時間測量裝 置用于對在所述兩個接收器天線處接收到的傳輸信號之間的相差以及所測量的阻尼差進 行確定； 所述傳輸測量裝置和所述共振測量裝置被定位成在基本相同的流體體積中進行測量； 以及 控制裝置，其用于將共振品質與預定閾值進行比較，并且當所述共振品質高于所述閾 值時根據(jù)所述共振特性對所述組成和/或鹽度進行計算，或當所述共振品質低于所述閾值 時根據(jù)所述傳輸時間差和損耗對所述組成和/鹽度進行計算。
2. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述共振品質和相應閾值為共振峰的Q因 子。
3. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置和所述傳輸測量裝置 的發(fā)射天線由相同的天線構成。
4. 根據(jù)權利要求3所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置的接收器天線由所述 傳輸測量裝置的接收器天線中的一個構成。
5. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述第一頻率范圍和所述第二頻率范圍 至少部分重疊。
6. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述傳輸信號包括對應于所述第一頻率 范圍和所述第二頻率范圍的寬帶頻率。
7. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述第一頻率范圍在100-2500MHZ范圍 內，優(yōu)選在400-1500MHZ內。
8. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述第二頻率范圍在400-3000GHZ范圍 內，優(yōu)選 1000-3000MHz。
9. 根據(jù)權利要求8所述的多相測量儀，其中，所述流體的鹽度根據(jù)由所述傳輸測量裝 置測量到的實部值和虛部值來進行計算。
10. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置和所述傳輸測量裝置 被基本上同時操作，所述控制裝置對來自所述共振測量裝置和所述傳輸測量裝置的測量結 果的品質進行比較并提供一指示具有最高品質的測量結果的輸出。
11. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置和所述傳輸測量裝置 被基本上同時操作，所述控制裝置對來自所述共振測量裝置和所述傳輸測量裝置的測量結 果的品質進行比較并基于根據(jù)計算出的所述測量結果的品質而被加權的所述測量結果來 計算輸出，從而提供基于所述測量結果的優(yōu)化組合的輸出。
12. 根據(jù)權利要求1所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置被放置為靠近插入 物，所述插入物優(yōu)選地被設置在所述管道中的軸向位置上。
13. 根據(jù)權利要求12所述的多相測量儀，其中，所述插入物為圓錐形，所述共振測量裝 置被放置為靠近所述圓錐體的最寬邊緣。
14. 根據(jù)權利要求12所述的多相測量儀，其中，所述共振測量裝置包括所述插入物，所 述共振被設置在所述天線與所述插入物之間。
【文檔編號】G01N33/28GK104272105SQ201380022698
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月29日 優(yōu)先權日:2012年4月30日
【發(fā)明者】埃伯·古斯塔夫·耐福斯 申請人:朗盛流量測量公司