[发明专利]测量流体流的特性的系统

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种测量系统，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。

背景技术

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。

本发明涉及电气测量，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，TE_nm和TM_nm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TM_nm的截止频率由下式给出