传导率测量的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于对流体流的特性、特别是包括一部分水的多相流体流的特性进行测量的测量系统。
【背景技术】
[0002]在油和气体生产和处理中，因为油、气体和水的分数以及水的盐度将在生产过程中改变并影响进一步的处理，所以有必要对流体流的含量和特性进行监视。多种类型的技术已经被用于对发现分数和盐度所必需的信息进行采样，诸如声学测量值、压强、伽马射线和电学测量值。本发明涉及电学测量值，电学测量值被用于确定油、气体和水的混合物中的含量，并特别用于确定流中的水的传导率，因此指示流中的盐度和/或水含量。水中的溶解盐使水具有传导性。传导率取决于溶液中的离子的量和类型以及温度。油工业中的多相流中的水可以含有多种类型的离子，但是目前最为常见的是来自氯化钠的Na+ (钠离子)和Cl_(氯离子)。这里的盐度指的是氯化钠的当量，其具有与实际溶液相同的传导率，并且以盐水的重量百分比(％ weight)来表示。
[0003]如下所述，根据本发明的溶液使用微波方法，微波方法主要提供对传导率的测量。盐度能够通过使用已知模型根据传导率和温度来计算。传导率能够随时以相同方式通过反向使用相同的模型根据盐度和温度来计算。
[0004]在US 6182504中对测量混合物的介电常数以及温度的解决方案进行了论述，并随后根据这些测量值来决定流是否是水连续或油连续的，并且基于该决定来决定待完成的测量的类型。
[0005]在PCT申请W02005/057142中对一种用于测量多相流的方法进行了说明。在该情况下，依据通过换能器施加的电场的频率来测量流的特性。在流中的至少两个方向上测量流的特性、或更准确说是电磁损耗和相位测量值，并且环流度(degree of annular flow)被确定。因此，W02005/057142中公开的解决方案的目的是对主要是环流的具体流体系中的测量误差进行修正。该解决方案测量横截面以及更接近壁以查明是否存在差别。
[0006]在国际申请W02007/018434中发现了一种用于对多相流中的水的盐度/传导率进行测量的解决方案。该解决方案是关于使用传输传感器来测量两个或更多频率下的差分相位移位，传输传感器由安装在管壁中的三个小型天线制成。该专利申请仅涉及在水连续条件下进行测量。
[0007]在W02006/019311中对一种用于测量湿润气体流中的水的盐度/传导率的方法。该专利申请涉及对截止频率下的相位响应的陡度进行测量。该方法与由传导率产生的损耗有关，该损耗与盐度/传导率有关。该方法的问题是，尽管在专利中并未提及，但是在下文中显示，该现象并不是单调的。
[0008]在W02008085065中说明了一种在湿润气体流中在管壁上的液体膜上进行测量的谐振器。该谐振器对于湿润气体，即极少量的水来说是最佳的，并且可以对多相流过度灵敏。
[0009]上述的已知技术的一个问题是，对油或气体连续多相(包括湿润气体)流中的传导率/盐度进行测量，以便提供诸如湿润气体中的形成水(format1n water)的检测/测量之类的重要信息，并且用于制作与盐度的改变无关的含水率或湿润气体计。
[0010]正如US 6182504中所述，谐振可以被用于获得流中的传导率。在Ebbe GustafNyfors的技术理学博士学位论文^Cylindrical microwave resonator sensors formeasuring materials under flow”(用于测量流中的材料的圆柱形微波谐振器传感器)，报告S243，2000年5月，赫尔辛基理工大学(ISBN 951-22-4983-9)。如该论文中所述，微波谐振器存储电磁能。在测量情况下，能量由激励源提供用于谐振，并且被各种损耗源耗散。在对包含水滴的混合物进行测量的情况下，在滴液中感生的电流是一个损耗源。因而，传导率影响谐振。谐振器具有两个主要特征:谐振频率和Q因数(品质因数)。这两个特征受到复电容率(permittivity)(也被称为介电常数)的影响。电容率是复数意味着具有实部和虚部。虚部受到传导率的影响。对于被认为是低损耗情况(虚部远小于实部)的油或气体连续混合物，由于该混合物整体不具有传导性，因此谐振频率主要取决于电容率的实部，且Q因数(质量因数)还取决于虚部。
[0011]该论文还解释了微波谐振器能够按照传输线中(例如在空心波导中)的波导模进行说明。谐振器能够形成在以两个反射间断点(就像是栅格，或者截止频率的改变)界定的区段，或者由如下所述的截止频率处的空心波导形成。
[0012]电磁能能够以波模(wave mode)在空心管(波导)中传播。理论上来说，波模是给定的场型(field pattern)，该场型是在考虑到边界条件的情况下(例如，与金属壁平行的电场在表面处必须为零)，针对该环境中的电磁问题的具体解决方案，存在许多种解决方案，即波模。空心管中的全部波模有一个共同点，就是所谓的截止频率。这意味着波模仅能够在高于截止频率的频率下传播。但是全部模具有不同的截止频率。
[0013]如果将谐振器置于管中，且谐振频率高于最小截止频率，则能量能够逃逸并且在管中传播开来(除非是被例如反射栅格界定)。这增加了谐振器的损耗，即Q因数变得更小。因为本发明涉及基于传导率在谐振器中造成的损耗(即传导率降低Q因数)来测量传导率，所以很容易理解由于辐射造成的损耗降低测量的灵敏度和精确度。如果在另一方面谐振频率低于管的最小截止频率，则没有能量能够通过辐射逃逸到管中并以波模传播开来。因而，谐振器结构能够相对开放(如W000/063331中公开的鳍传感器)，而不会造成额外的降低Q因数的损耗。
[0014]波模的另一独特之处在于，能量的传播速度取决于(在频率上)与截止频率的距离。距离截止频率越近，能量传播越慢。确切来说，能量在截止频率处完全不传播。波模无论以何种方式被激励或发起，但能量停留在被激励之处。这实际上是谐振。也就是说，各个波模在截止频率下具有谐振。这还能够被用于测量目的。然而，该谐振并不很好。峰具有给定宽度，即在频域中具有一定分布。在谐振/截止频率的峰顶端的较低侧，管提供了辐射保护。在较高侧，由于频率大于截止频率，能量能够泄露出。因而，这样的谐振峰稍许不对称，在低频侧更陡。然而，这能够被用于测量目的。一种方式是仅测量较低的一半，且随后在较高侧制作镜像以构造整个峰。该类型的谐振器的一个优点是该谐振器是完全不侵入的。仅需要一些用于耦合能量的探头/天线。高质量截止频率谐振器的一个示例是上述的鳍传感器。谐振是在具有鳍的区段的截止频率下的截止频率谐振。另外，谐振器被没有鳍的区段界定，该区段具有更高的截止频率。被界定(即被限制在具有鳍的区段)还对在更高频率下的其他谐振模式的存在和位置有影响，并因而与下文中所述的本发明有关。
[0015]因此，谐振器传感器可以被用于对低损耗条件下的复电容率进行测量，并因而是良好的解决方案。传导率影响电容率的虚部，并因而影响谐振器的Q因数，例如在WO2003/034051中所述的那样。问题在于，油或气体连续混合物的电容率的虚部不是水的传导率的单调函数。因而，Q因数并不随传导率单调变化。因而，测量值是模糊的。这在实践中能够看出且使用布吕热曼(Bruggeman)方程预计到，布吕热曼方程是用于根据组分的电容率和体积分数来计算混合物的电容率的方程。
[0016]基于传导率的Q因数的模糊度在被用于根据