测量流体流的特性的系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】测量流体流的特性的系统
本专利技术涉及一种测量系统，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。
技术介绍
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。本专利技术涉及电气测量，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，TEnm和TMnm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TMnm的截止频率由下式给出其中，c是光速，a是管道的(内)半径，pnm是专用于所述模式的常量。同样的公式也适用于TEnm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](“Cylindricalmicrowaveresonatorsensorsformeasuringmaterialsunderflow”，ThesisfordegreeofDoctorofScienceinTechnology，HelsinkiUniversityofTechnology，RadioLaboratory，ReportS243，2000，181p)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，vpw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。
技术实现思路
本专利技术涉及一种方案，其中，同轴TE11波导模式的第一谐振被用作实现WO2014/1本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.23 NO 201504951.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...

【专利技术属性】
技术研发人员：埃伯·古斯塔夫·耐福斯，
申请(专利权)人：朗盛流量测量公司，
类型：发明
国别省市：挪威,NO