专利名称：用于测量三相流的流动特性的流量计系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种流量计(flow meter)系统和方法，并且更加具体地涉及一种用于测量三相流(three phase flow)的流动特性(flowcharacteristic)的流量计系统和方法。
背景技术：
流量计被用于测量流动材料的质量流率、密度和其它特性。流动材料可包括液体(liquid)、气体(gas)、相组合的液体和气体、在液体中悬浮的固体、包括气体和悬浮固体的液体等。 振动管道传感器例如Coriolis (科里奥利)质量流量计和振动密度计通常通过检测包含流动材料的振动管道的运动而进行操作。与管道中的材料相关联的性质例如质量流量、密度等能够通过处理从与管道相关联的运动换能器(transducer)接收到的测量信号而得以确定。振动的、被材料填充的系统的振动模式通常受到包容管道和在其中所包含的材料的、相组合的质量、刚度以及阻尼特性的影响。 典型的Coriolis质量流量计包括在管线或者其它输送系统中串列式(inline)连接并且在系统中输运材料例如流体(fluid)、浆液等的一个或者多个管道。每一个管道可以被视为具有一组固有振动模式，包括例如简单弯曲、扭转、径向和耦合模式。在典型的Coriolis质量流量测量应用中，当材料流动通过管道时，管道在一种或者多种振动模式中受到激励(excite)，并且在沿着管道隔开的点位处测量管道的运动。通常由致动器例如机电装置(如以周期性方式扰动管道的音圈式驱动器)提供激励。可以通过测量在换能器位置处的运动之间的时间延迟或者相位差而确定质量流率。能够根据流量计的振动响应频率而确定流动材料的密度。两个这样的换能器(或者拾取传感器(pickoff sensor))通常被用以测量一个或者多个流管道(flow conduit)的振动响应并且通常位于在致动器上游和下游的位置处。该两个拾取传感器通过电缆线路例如通过独立的两对导线而被连接到电子仪器。该仪器从该两个拾取传感器接收信号并且处理该信号从而得到流量测量(flowmeasurement)。 使用近来在信号处理和量计(meter)设计方面的进展并且注意到包括混合、气泡尺寸等的流体动力学，一种低频振动式(vibratory)流量计能够被用于准确地测量多相流体液流的混合物密度和混合物质量流量。虽然这个是一个大的进展，但是很多流量计使用者希望了解纯粹液体(liquid-only)的密度。关于纯粹液体密度的主要应用是在用于三相油田流量测量和用于纯粹液体水泥工艺测量这两者的上游油气计量中。能够测量纯粹液体密度的振动式流量计可以消除对于用于测量多相流的气体体积分率(volume fraction)的气体体积分率量计的需求。这可以消除另外的成本和复杂度。 在上游油气工业中，油井通常产生水(water)、油(oil)和天然气。分离器(s印arator)被用于将这些分量(component)分离到气腿(leg)和液腿中。液腿的密度然后得以测量并且被用于计算构成液流的水的分率(fraction)和油的分率。这种测量只是一种基于测得密度的浓度测量并且被称作净油计算(net oil computing)。例如，如果油具有0. 8g/cc的密度并且水具有1. 0g/cc的密度，则测得的0. 9的混合物密度意味着按照体积50%的水和50%的油。类似地，0. 95的测得密度意味着按照体积75%的水和25%的油。 在仅仅存在两种液相时并且在油和水的基础密度(base density)已知的情况下，根据两个等式和两个未知量，两相分量确定是比较容易的。基本等式包括
1
1+ P water①water
其中(小)项包括体积相分率(phase fraction)并且(P )项包括密度。这能够被以矩阵形式写为
1
1
wa敏 输入水和油密度并且利用振动式流〗矩阵求逆计算体积相位分率，包括
:计测量混合物密度，标准净油计算过程利用
0)
oz7
0)
1
An-; P
1
1体积。
流
一旦两个相分率已知，它们便能够乘以体积流率以确定所产生的水的体积和油的另外，能够通过将分量体积流率乘以分量密度而计算分量质量流率。
在一些情形中，尽管经过分离过程，但是液流将仍然携带一些气体。当在阀门或者量装置两端存在压降时，这将发生。结果，一些被夹带的气体脱离油混合物。当由于油的粘度增加、受激生产(stimulated production)或者通过油井发生滞流(slugging)而使得分离器并非以完美方式工作时，气体脱离也会发生。在这些情形中，存在于液流中的气体在实际的水和油生产中引起非常大的误差。例如，如果油井仅仅产生水和天然气并且分离器的液腿的输出包括95%的水和5%的气体，则所示意的混合物密度是0. 95g/cc(假设气体密度为零)并且净油计算假设液流再次为75%的水和25%的油。实际上，这个油井并不产油并且在产油中的误差是无穷大的。 —种典型解决方案是添加含气率(gas void fraction, GVF)量计。气体分率能够由GVF量计定量并且液体密度测量的气体部分能够被移除。这在净油处理计算中消除了大的夹带气体误差。 当存在三种相态时，存在三个未知量(油、水和天然气的相分率)并且为了解决该问题而需要另一等式。如上所述，在过去，这个第三等式已经根据含水率探针(water-cutprobe)或者含气率量计而得出。然而，期望利用单个Coriolis量计作出这个测量。
在本技术领域中仍然需要一种能够测量三相流的流动特性的振动式流量计和方法。
发明内容
根据本发明的一个实施例提供了一种用于效
:三相流的流动特性的振动式流j计。该振动式流量计包括量计组件，该量计组件包括拾取传感器和被耦接到该拾取传感器的量计电子器件。该量计电子器件被配置为从拾取传感器接收振动响应，使用振动响应的第一频率分量产生三相流的第一密度测量，并且使用振动响应的至少第二频率分量而产生三相流的至少第二密度测量。该至少第二频率分量包括与第一频率分量不同的频率。该量计电子器件进一步被配置为根据该第一密度测量和该至少第二密度测量而确定一个或者多个流动特性。 根据本发明的一个实施例提供了一种用于测量三相流的流动特性的振动式流量计系统。该振动式流量计系统包括第一振动式流量计、至少第二振动式流量计，和被耦接到该第一振动式流量计和该至少第二振动式流量计的处理系统。该处理系统被配置为从第一振动式流量计接收第一振动响应并且从该至少第二振动式流量计接收至少第二振动响应。该至少第二振动响应包括与第一振动响应不同的频率。该处理系统进一步被配置为根据第一振动式流量计的第一振动响应产生三相流的第一密度测量并且根据该至少第二振动式流量计的该至少第二振动频率响应产生三相流的至少第二密度测量。该处理系统进一步被配置为根据该第一密度测量和该至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。
根据本发明提供了一种用于测量三相流的流动特性的方法。该方法包括从振动式流量计接收振动响应，使用振动响应的第一频率分量产生三相流的第一密度测量，和，使用振动响应的至少第二频率分量产生三相流的至少第二密度测量。该至少第二频率分量包括与第一频率分量不同的频率。该方法进一步包括根据该第一密度测量和该至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。 根据本发明提供了一种用于测量三相流的流动特性的方法。该方法包括接收第一振动响应和至少第二振动响应，根据该第一振动响应产生三相流的第一密度测量，和，根据该至少第二振动频率响应产生三相流的至少第二密度测量。该至少第二振动频率响应包括与该第一振动频率响应不同的频率。该方法进一步包括根据该第一密度测量和该至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。本发明的各个方面
在振动式流量计的一个方面，该量计电子器件进一步被配置为接收关于三相流的:中的每一种的预定分量密度。
在振动式流量计的另一个方面，该量计电子器件进一步被配置为接收关于三相流
:中的每一种的预定声速值。
三种分j
的三种分〗 在振动式流量计的又一个方面，确定一个或者多个流动特性进-三相流的三种分量中的每一种的相分率。 在振动式流量计的又一个方面，确定一个或者多个流动特性进-流的含气率(GVF)。
在振动式流』流的含水率。
在振动式流』 在振动式流』
-步包括确定关于
-步包括确定三相
t计的又一个方面，确定一个或者多个流动特性进一步包括确定三相
t计的又一个方面，该至少第二频率分量基本被叠加在该第一频率分
t计的又一个方面，该第一频率分量和该至少第二频率分量在振动响
应中在基本交替的时间发生。
在振动式流量计的又一个方面，该量计电子器件进一步被配置为以第一频率振动该量计组件并且以至少第二频率振动该量计组件，从拾取传感器接收振动响应，并且将振动响应分离成该第一频率分量和该至少第二频率分量，其中该至少第二频率是与该第一频率不同的频率。 在振动式流量计的又一个方面，该量计电子器件进一步被配置为以第一频率振动该量计组件，从拾取传感器接收振动响应，并且将振动响应分离成该第一频率分量和该至少第二频率分量，其中该第一频率分量和该至少第二频率分量是由在第一频率下的振动产生的。 在振动式流量计的又一个方面，接收振动响应进一步包括将振动响应分离成该第一频率分量和该至少第二频率分量。 在振动式流量计的又一个方面，接收振动响应进一步包括将振动响应滤波(filter)成该第一频率分量和该至少第二频率分量。 在振动式流量计系统的一个方面，该处理系统进一步被配置为接收关于三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度。 在振动式流量计系统的另一个方面，该处理系统进一步被配置为接收关于三相流的三种分量中的每一种的预定声速值。
在振动式流量计系统的又一个方面，确定关于三相流的三种分量中的每一种的相分率。
在振动式流量计系统的又一个方面，确定三相流的含气率(GVF)。 在振动式流量计系统的另一个方面，确定三相流的含水率。 在振动式流量计系统的又一个方面，第一振动式流量计被以第一频率振动以产生第一振动响应并且该至少第二振动式流量计被以至少第二频率振动以产生该至少第二振动响应。 在该方法的一个方面，该方法进一步包括接收关于三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度的初步步骤。
在该方法的另一个方面种的预定声速值的初步步骤。
在该方法的又一个方面的三种分量中的每一种的相分率
在该方法的又一个方面气率(GVF)。 在该方法的又一个方面水率。 在该方法的又一个方面
在该方法的又一个方面基本交替的时间发生。
在该方法的又一个方面
8
个或者多个流动特性进一步包括确定个或者多个流动特性进一步包括确定个或者多个流动特性进一步包括确定
，该方法进一步包括接收关于三相流的三种分量中的每一
，确定一个或者多个流动特性进一步包括确定关于三相流
，确定一个或者多个流动特性进一步包括确定三相流的含
，确定一个或者多个流动特性进一步包括确定三相流的含
，该至少第二频率分量基本被叠加在该第一频率分量上。，该第一频率分量和该至少第二频率分量在振动响应中在
，接收振动响应进一步包括以第一频率振动该振动式流量计的量计组件并且进一步以至少第二频率振动该量计组件，从量计组件的拾取传感器接收振动响应，并且将振动响应分离成该第一频率分量和该至少第二频率分量，其中该至少第二频率是与该第一频率不同的频率。 在该方法的又一个方面，接收振动响应进一步包括以第一频率振动该振动式流量计的量计组件，从量计组件的拾取传感器接收振动响应，并且将振动响应分离成该第一频率分量和该至少第二频率分量，其中该第一频率分率下的振动产生的。 在该方法的又一个方面，接收振动响应进分量和该至少第二频率分量。 在该方法的又一个方面，接收振动响应进分量和该至少第二频率分量。 在该方法的又一个方面，接收振动响应进振动响应并且从第二振动式流量计接收该至少第二振动响应，该至少第二振动响应处于与该第一振动响应不同的频率。 在该方法的又一个方面，接收振动响应进一步包括以第一频率振动第一振动式流量计以产生第一振动响应并且以至少第二频率振动至少第二振动式流量计以产生该至少第二振动响应，该至少第二振动响应处于与该第一振动响应不同的频率。
图1示出包括流量计组件和量计电子器件的流量计。 图2是根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的方法的流程图。
图3示出根据本发明的实施例用于产生第一频率和至少第二频率的电路。
图4示出根据本发明的实施例的Hilbert (希尔伯特)变换块(transform block)的一部分的细节。 图5是根据本发明的实施例的分析块的框图。 图6示出根据本发明的实施例用于产生第一频率和至少第二频率的电路。
图7示出根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的振动式流量计系统。
图8是根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的方法的流程图。
具体实施例方式
图l-8和以下说明描绘了用于教导本领域技术人员如何实现和使用本发明的最佳模式的特定实例。为了教导创造性原理，一些传统的方面已被简化或者省略。本领域技术人员可以意识到落入本发明范围内的这些实例的变型。本领域技术人员可以意识到在下面描述的特征能够被以各种方式组合以形成本发明的多种变型。结果，本发明不限于在下面描述的特殊实例，而是仅由权利要求和它们的等价形式限定。 图1示出包括流量计组件10和量计电子器件20的流量计5。量计电子器件20经由导线100而被连接到量计组件10并且被配置为通过通信路径26提供密度、质量流率、体积流率、总体(totalized)质量流量、温度和其它信息中的一个或者多个的测量。本领域技术人员应该清楚，本发明能够在任何类型的Coriolis流量计中使用，而与驱动器、拾取传
量和该至少第二频率分量是由在第一频一步包括将振动响应分离成该第一频率一步包括将振动响应滤波成该第一频率一步包括从第一振动式流量计接收第一感器、流管道的数目或者振动操作模式无关。另外，应该认可的是，流量计5能够可替代地包括振动式密度计。 流量计组件10包括一对凸缘101和101'、歧管(manifold) 102和102'、驱动器104、拾取传感器105-105'和流管道103A禾口 103B。驱动器104和拾取传感器105和105'被连接到流管道103A和103B。 凸缘101和101'被固定到歧管102和102'。歧管102和102'能够被固定到间隔器(spacer) 106的相对端部。间隔器106保持在歧管102和102'之间的间隔从而防止在流管道103A和103B中的不期望的振动。当流量计组件10被插入携带被测量的流动材料的管道系统(未示出)中时，流动材料通过凸缘101进入流量计组件10，经过进口歧管102(在此处全部量的流动材料被引导进入流管道103A和103B)，流动通过流管道103A和103B并且返回到出口歧管102'中，在此处它通过凸缘101'离开量计组件IO。
流管道103A和103B被选择并且适当地被安装到进口歧管102并且被安装到出口歧管102'从而具有基本相同的质量分布、惯性动量(moment of inertia)和分别地围绕弯曲轴线W—W和W' —W'的弹性模量。流管道103A和103B以基本并行的方式从歧管102和102'向外延伸。 流管道103A和103B被驱动器104围绕各自的弯曲轴线W和W'沿着相反方向并且在被称作流量计5的第一异相弯曲模式的模式下驱动。驱动器104可以包括很多熟知的装置之一，例如被安装到流管道103A的磁体和被安装到流管道103B的相对线圈。交流电流过该相对线圈以引起两个管道振荡。量计电子器件20经由导线110向驱动器104施加适当的驱动信号。 量计电子器件20能够以预定频率产生驱动信号。量计电子器件能够以变化频率产生驱动信号，包括产生多个叠加频率。 量计电子器件20分别地在导线111和111'上接收传感器信号。量计电子器件20在导线110上产生引起驱动器104振荡流管道103A和103B的驱动信号。量计电子器件20处理来自拾取传感器105和105'的左和右速度信号从而计算质量流率。通信路径26提供允许量计电子器件20与操作员或者与其它电子系统相接口的输入和输出装置。图1的说明仅仅作为Coriolis流量计的操作的一个实例给出而非旨在限制本发明的教导。
有利地，可用的低频振动式流量计能够准确地测量其中夹带空气的量并不过度的三相流的密度。相反，可以使用高频量计，该高频量计准确地测量量计的振动频率，但是在存在多相流时由于另外的误差而受到妨碍。有利地采用这两个特性来准确地并且可靠地确定密度和流动特性。 图2是根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的方法的流程图200。在步骤201中，接收关于三种相分量中的每一种的密度。密度包括已知的或者假设的数值。能够例如从远程装置或者从操作员接收密度。密度能够被存储或者被编程到适当的存储器中。 在步骤202中，接收关于三种相分量中的每一种的声速值。声速值包括已知的或者假设的数值。能够例如从远程装置或者从操作员接收声速值。声速值能够被存储或者被编程到适当的存储器中。 在步骤203中，振动式流量计的流量计组件受到振动。根据本发明的这个实施例
10需要仅仅单个振动式流量计。能够以一个或者多个频率振动该流量计组件。
在一个实施例中，以单个驱动频率振动流量计组件。单个驱动频率能够产生包括 第一频率分量和至少第二频率分量的振动响应，因为量计组件在单个驱动频率下的振动能 够诱发多个频率响应分量。例如，由通过流量计的流动产生的噪音将以至少第二频率在流 量计组件中形成振动。这个至少第二频率分量将通常是与驱动频率不同的频率。振动响应 的这个至少第二频率分量将当然具有比第一频率分量小得多的幅度。然而，这个至少第二 频率分量能够被放大和被以其它方式处理。能够随后在下面的步骤中处理该第一振动频率 响应和该至少第二振动频率响应。 在另一实施例中，单个流量计的流量计组件被以第一驱动频率振动并且还被以至 少第二驱动频率振动。该至少第二驱动频率是与该第一驱动频率不同的频率。例如，第一 驱动频率能够是大约100赫兹(Hz)并且第二驱动频率能够是大约450Hz。应该理解，给出 这些驱动频率仅仅用于示意并且本发明不限于任何具体的驱动频率。应该理解，可能需要 对于该第一驱动频率和该至少第二驱动频率这两者校准该单个振动式流量计。例如可以使 用空气和水这两者校准该单个振动式流量计。 在一个实施例中，该流量计组件被以该第一驱动频率振动并且然后被以该至少第 二驱动频率振动(即，振动在时间上交替地发生)。可替代地，流量计能够被以该第一驱动 频率和该至少第二驱动频率二者同时地振动(驱动信号因此可包括两个或者更多驱动频 率的合成)。结果，流量计的振动响应包括至少两个频率分量。 在所有的以上实施例中，该单个振动式流量计产生第一振动频率响应和至少第二 振动频率响应这两者。能够随后在下面的步骤中处理第一振动频率响应和第二振动频率响 应。 在步骤204中，从单个振动式流量计接收振动响应。该振动响应可包括第一频率 分量和该至少第二频率分量。频率分量处于与该第一频率分量不同的频率。例如，该至少 第二频率分量可包括比该第一频率分量更高的频率。 在步骤205中，处理该振动响应以获得第一频率分量和该至少第二频率分量。该
处理可包括将振动响应分离成第一频率分量和该至少第二频率分量。该处理可包括例如通
过使用例如带通滤波器而将振动响应滤波成第一频率分量和该至少第二频率分量。 在步骤206中，产生三相流的第一密度测量。使用从第一频率分量导出的第一频
率产生第一密度测量。 在步骤207中，产生三相流的至少第二密度测量。使用该至少第二频率分量的至 少第二频率产生该至少第二密度测量。如在前讨论地，该至少第二频率是与第一频率不同 的频率。因此，由于三相流材料以不同频率的振动，和所引起的压縮性效应(见在下面的讨 论)，该第一密度测量和该至少第二密度测量将是不同的。差异能够被用于确定其它流动特 性。 在步骤208中，根据在第一和第二密度测量之间的差异确定一个或者多个流动特 性(见在下面的讨论)。第一和第二密度测量能够被用于确定三相流的气体分率以及第一 和第二液体分率。例如，对于包括油田生产的三相流，第一和第二密度测量能够被用于确定 三相流的含气率(GVF)和含水率。 —旦三种相分率已知，便能够将它们乘以体积流率以例如确定被产生的水的体积
11和油的体积。另外，能够通过将分量体积流率乘以分量密度而计算分量质量流率。
已经研究了在Coriolis量计和振动管密度计中气体压縮性和流体压縮性的效 应。由于对于流动材料的测得密度的影响，压縮性能够在流量测量中引起显著误差。能够 由于流量计的振动而引起压縮性效应，其中激烈的振动能够在多相流中引起液相和气相二 者的压縮。然而，混合物压縮性是主要效应。 这种压縮性效应与在推导关于质量流量和密度测量的等式时已经作出的一些假 设相反。已知具有低的驱动频率的量计通常并不呈现这些现象，因为较低频率流量计根据 设计将在流动材料上产生较小的作用力。结果，低频率振动式流量计在三相流上施加较小 的压縮性作用力。相反，较高频率流量计将在流动材料上产生较高作用力并且因此将在三 相流的全部相分量上施加更大的压縮。压縮性效应在振动式流量计中形成质量流量和密度 这两种误差。可能有用的是，带有和不带有可测压縮性效应地产生振动响应。除了别的以 外，在三相流上的压縮性效应的定量化能够被用于确定流的相分率和密度。
如果关于气体和两个液相的声速是已知的，并且如果从低频量计和高频量计这两 者获得密度测量，则能够生成另外的等式以解决三相流问题。以独特的方式，能够在两种模 式中驱动流量计；在低频模式中(例如标准驱动模式，例如)和在高频模式中。通过获得这 两个密度测量的差异而产生的误差能够被用作缺少的第三等式。 三相流问题的一种解决方案是非凡的。需要第三等式来将流量测量分解
(resolve)成三个分量。在下面示出两个已知的等式 Ooil+Owater+Ogas = 1 (1) P 。i,。i丄+P water①冊ter+P卵s①辟s = P mix (2) 其中(小)项包括体积相分率并且(P)项包括密度。在这两个等式中，能够由振 动式流量计或者振动式流量计系统准确地测量总体(即，三相)混合物密度(Pmix)。另外，
能够假定(assume)每一种分量(P 。n， P watCT， P gas)的密度。例如，它们能够由使用者输入 或者能够被编程到量计电子器件20或者处理系统707(见图7)或者其它等效部件中并且 由其存储。应该指出，气体密度(Pgas)是压力的强函数。因此，存在两个等式和三个未知 量①。n，①w^r和①^(即，每一个体积相分率)。需要另一等式，从而能够求解分量密度
P 。il， P water禾口 P gas。 第三等式的来源通过探究在存在夹带空气的情况下操作的高频量计的密度特性 (density performance)而得以发现。已经发现，当空气被注入流动液流中时，高频流量计 产生意外地高的密度值。这是反直觉的，因为将空气添加到流体使得流体更轻并且更不稠 密。然而，根据声速模型和压縮性效应而完全解释了这个意外结果，其中夹带的空气降低了 三相流的声速并且增加了压縮性效应。针对增加含气率(void fraction)而由高频流量计 给出的高密度读数是由在振动期间的晃荡效应产生的，其中气泡并不完全地随着流动流体 移动。 相反，熟知的是，在小于200Hz下操作的低频量计例如流量计产生非常良好的密 度估计。这也是按照声速理论的，因为低频量计将在三相流上施加最小压縮性效应。较慢 的振动速度引起较小的压縮和较轻的晃荡。 使用关于低频和高频这两种量计均已得到检验的声速理论，能够使用单个振动式 流量计作出关于低频和高频这两种模式的密度估计预测。可替代地，能够使用多于一个的流量计。 利用声速等式开始推导所需的第三等式。这些等式定义了基于各个分量性质 (agas， awater和aoil)的、关于三相流的混合物声速(amix)。
<formula>formula see original document page 13</formula>
(4) 混合物声速(amix)能够被用于确定在流管中的声学驻波。声学驻波的频率(f)是 熟知的并且与刚度(K)除以质量(M)的平方根相关。然后能够操作这种关系以给出估计流 体刚度(Kfluid)，其由于流体压縮性而并非无限大。
<formula>formula see original document page 13</formula>(5)
<formula>formula see original document page 13</formula>(6) 其中D是流管的内径并且(f)是振动频率。这些结果然后能够被代入定义高频 驱动模式、混合物声速(a^)、混合物密度(Pmix)和管子直径(D)之间的关系的特征值问题 中。 <formula>formula see original document page 13</formula>(8) 其中(i)是流管位移速度并且(AJ)是流管加速度因子。当特征值问题得以解 决时，能够根据全部参数而确定频率模式。然后根据密度等式定义这种模式的估计密度 (P):
一 、2
一l (9) P:
<formula>formula see original document page 13</formula>
其中(a)是密度校准常数。这些等式的解给出在下面示出的最终的第三等式<formula>formula see original document page 14</formula> 其中(p high)和(p 是分别地在高驱动振动/模式下和在低驱动振动/模式下
的测得密度，并且(pwatCT)是已知的水的密度值。这个等式能够被添加到另外两个以得到
以下矩阵等式 [O川]<formula>formula see original document page 14</formula>这个矩阵等式然后能够被取逆成最终形式'
<formula>formula see original document page 14</formula>
能够求解等式(14)以确定体积分率。gas、 Owate，P①^ 将希望了解关于三相流的含水率和气体体积分率。基于已知的分] 式为Gas Volume Fraction = GVF = t (15)
通常，流量计的使用者 t分率，关于这些量的等
<formula>formula see original document page 14</formula>
U①。"卜~ 1-GKP
使用等式(15)和(16)，使用者能够获得含气率的估计。振动式流量计(或者流量 计系统)因此并不要求单独的气体分率量计。使用等式(15)和(16)，使用者能够获得对含 水率的估计。振动式流量计(或者流量计系统)因此并不要求单独的含水率量计。
相分量分率的确定能够进一步被用于提供另外的诊断。例如，如果GVF或者WC数 值超过预定阀值，则能够产生警报。 图3示出根据本发明的实施例用于产生第一频率和至少第二频率的电路300。这 个实施例配合单个振动式流量计使用并且因此电路300被耦接到振动式流量计5的单个拾 取传感器105/105'。电路300能够包括量计电子器件20的一部分。可替代地，电路300能够包括处理系统707的一部分。电路300包括滤波器302A和302B、 Hilbert变换304A 和304B，以及分析i央306A和306B。 滤波器302A从拾取传感器105/105'滤出第一频率分量(即，在一些实施例中的 "低频模式")而滤波器302B滤出该至少第二频率分量(即，在一些实施例中的高频模式)。 滤波器302A和302B因此形成两个单独的处理分支。根据需要，例如如果采用多于两个振 动频率，则能够配置多于两个处理分支。 在一个实施例中，滤波可包括以流量计的预期基频为中心的带通滤波。滤波可包 括进行滤波以移除噪音和不希望的信号。另外，能够执行其它调节操作，例如放大、缓冲等。 如果传感器信号包括模拟信号，则这个块能够进一步包括任何方式的采样、数字化和被执 行用于产生数字传感器信号的抽取。 在一些实施例中，波型滤波器(mode filter) 302A和302B包括数字有限脉冲响应 (FIR)多相抽取滤波器。滤波器能够在处理装置中或者量计电子器件20或处理系统707的 处理例程中实现。这些滤波器提供用于对拾取传感器信号进行滤波和抽取的最佳方法，其 中滤波和抽取是在相同序时(chronological time)和在相同抽取率下执行的。可替代地， 滤波器302A和302B可包括无限脉冲响应(IIR)滤波器或者其它适当的数字滤波器或者滤 波过程。然而，应该理解，其它滤波过程和/或滤波实施例已经得到考虑并且是在说明书和 权利要求书的范围内的。 Hilbert变换304A将第一频率分量相移大约九十度并且Hilbert变换304B将该 至少第二频率分量相移大约九十度。相移操作产生相应的频率分量的I和Q分量(即，同 相和正交分量)。然而，应该理解，能够以任何方式的相移机制或者操作执行90度相移。
I和Q分量由分析块306A和306B接收和处理。该处理产生第一频率fA和至少第 二频率fB。该第一频率fA和该至少第二频率fB能够被用于产生第一密度和至少第二密度。
有利地根据90度相移计算根据本发明的频率。频率在一个实施例中使用90度相 移和从其推导出90度相移的相应传感器信号(即，从I和Q分量)。 获得如此推导的频率而不需要任何独立的频率基准信号。在非常快速的操作中从 单个90度相移获得了该频率。所得到的频率具有高的准确度。 图4示出根据本发明的实施例的Hilbert变换块304A和304B的一部分的细节。 在所示实施例中，Hilbert变换块304A和304B每一个均包括与滤波块412并联的延迟块 411。延迟块411引入采样延迟。延迟块411因此选择按照序时在时间上比由滤波块412 并行地滤波的数字信号样本更晚的数字信号样本。滤波块412对于输入的数字信号样本执 行90度相移。 Hilbert变换块304A和304B产生拾取(P0)信号的90度相移版本，即，它们产生 初始的、同相(I)信号的正交(Q)分量。Hilbert变换块304A和304B的输出因此与用于第 一和至少第二振动响应的初始的、同相(I)信号分量一起地提供用于第一和至少第二振动 响应的新的正交(Q)分量P0 Q和P0 Q。 到Hilbert变换块304A或者304B的输入能够被表示成
P0 = Ap。 cos(wt) (17)
使用Hilbert变换，输出变成
P0hilbert = A加sin("t) (18)
将初始项与Hilbert变换的输出相组合给出
P0 = Ap。[cos(wt)+isin(wt)] = Ap。eJ("t) (19) 图5是根据本发明的实施例的分析块306A或者306B的框图。分析块306A或者 306B从单个拾取(P0)信号接收信号。在所示实施例中的分析块306A或者306B包括联结 块(join block) 501、复共轭块502、采样块503、复数乘法块504、滤波块505、相角块506、 常数块507和除法块508。 联结块501接收特定振动响应的同相(I)和正交(Q)分量并且传递它们。共轭块 502对于振动响应执行复共轭运算并且形成虚信号(imaginary)的负部(negative)。延迟 块503将采样延迟引入分析块306A或者306B中并且因此按照序时按时间选择数字信号样 本。在复数乘法块504中，这个更老的(older)数字信号样本被乘以当前数字信号。复数 乘法块504将P0信号和P0共轭信号相乘，从而实现在下面的等式(20)。滤波块505实现 数字滤波，例如在前讨论的FIR滤波。滤波块505可包括被用于从传感器信号的同相(I) 和正交(Q)分量移除谐波含量以及用于抽取信号的多相抽取滤波器。能够选择滤波器系数 以提供所输入信号的抽取，如例如按照因子10的抽取(decimation by a factor of 10)。 相角块506根据PO信号的同相(I)和正交(Q)分量确定相角。相角块506实现在下面的 等式(21)的一部分。常数块507供给包括样本速率Fj余以二pi的因子，如在等式(22)中 所示。除法块5908执行等式(22)的除法操作。
分析块306A或者306B实现以下等式
(20)
(21) 在两个相继样本之间的角度因此是
—i sin(纽一)
w/ —欣—t =tan -^~ 这是振动响应的角频率。转换成Hz :
, 一 —，) x 阔力。=^——^~
2;r (22) 其中"Fs"是Hilbert变换块304A或者304B的速率。在一些实施例中，"Fs"为 大约2kHz。 图6示出根据本发明的实施例用于产生第一频率和至少第二频率的电路300。与 其它实施例同样的部件共享标号。这个实施例不同于前一实施例300之处在于进一步包括 平均滤波器609。 这个实施例同样地从单个拾取传感器105/105'接收振动响应。然而，单个振动式 流量计在该实施例中可以仅仅被以单个频率振动，其中如在前讨论地，在流量计中的噪音 产生第二振动响应。电路300因此利用了在流动系统中的噪音。因为少量的流动噪音将激 励传感器模式，自诱发的(self-induced)更高的振动响应模式将能够被检测到，即便不提 供任何驱动信号。这意味着仅仅需要一个驱动信号。
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这种方法要求多得多的滤波，因为更高模式信号(并未利用驱动得以增强)将处 于低得多的幅度。因为这个更高模式振动响应的大致频率范围是已知的，所以较低的幅度 不是一个重大问题。另外，另一个考虑在于，因为较低的幅度，密度测量也将更嘈杂。只要 缓慢响应时间是可接受的，便能够在已经进行频率测量之后通过将很多样本取平均而消除 这个问题。为此目的，平均滤波器609能够使得该至少第二频率达到平均值从而改进频率 确定并且减少结果中的噪音和误差。 图7示出根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的振动式流量计系统 700。振动式流量计系统700包括第一流量计5A和至少第二流量计5B。流量计5A和5B在 管道711中连接。流量计5A和5B这两者均测量在管道711中流动的三相流。振动式流量 计系统700进一步包括处理系统707。处理系统707被耦接到该第一流量计5A和该至少第 二流量计5B。处理系统707从第一流量计5A接收第一振动响应并且从该至少第二流量计 5B接收至少第二振动响应。如在前讨论地并且如在下面结合图8所讨论地，处理系统707 能够确定第一密度、至少第二密度和另外的流动特性。 图8是根据本发明的实施例用于测量三相流的流动特性的方法的流程图800。在
步骤801中，如在前讨论地，接收关于三种相分量中的每一种的密度。 在步骤802中，如在前讨论地，接收关于三种相分量中的每一种的声速值。 在步骤803中，第一振动式流量计和至少第二振动式流量计受到振动。该第一振
动式流量计被以第一频率振动并且产生第一振动响应。该至少第二振动式流量计被以至少
第二频率振动并且产生至少第二振动响应。 根据本发明的这个实施例，能够采用两个或者更多振动式流量计。应该理解，可包 括多于两个振动式流量计并且能够接收多于两个振动响应。多个振动响应能够得以采用并 且可以进一步改善密度和流动特性计算。 应该理解，多个振动式流量计应该在共同的三相流动液流上操作。另外，流动液流 在多个振动式流量计的每一个处应该处于大约相同的压力下。 在步骤804中，从该第一振动式流量计和该至少第二振动式流量计接收该第一振 动响应和该至少第二振动响应。如在前讨论地，该至少第二振动响应包括与该第一振动响 应不同的频率。 在步骤805中，如在前讨论地，产生三相流的第一密度测量。 在步骤806中，如在前讨论地，产生三相流的至少第二密度测量。 在步骤807中，如在前讨论地，根据在第一和第二密度测量之间的差异确定一个
或者多个流动特性。
权利要求
一种用于测量三相流的流动特性的振动式流量计(5)，振动式流量计(5)包括量计组件(10)，量计组件(10)包括拾取传感器(105，105′)和被耦接到拾取传感器(105，105′)的量计电子器件(20)，其中振动式流量计(5)的特征在于量计电子器件(20)被配置为从拾取传感器(105，105′)接收振动响应，使用所述振动响应的第一频率分量产生所述三相流的第一密度测量，使用所述振动响应的至少第二频率分量产生所述三相流的至少第二密度测量，以及根据所述第一密度测量和所述至少第二密度测量而确定一个或者多个流动特性，其中所述至少第二频率分量处于与所述第一频率分量不同的频率。
2. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中量计电子器件(20)进一步被配置为接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度。
3. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中量计电子器件(20)进一步被配置为接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定声速值。
4. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定关于所述三相流的三种分量中的每一种的相分率。
5. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含气率(GVF)。
6. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含水率。
7. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中所述至少第二频率分量基本被叠加在所述第一频率分量上。
8. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中所述第一频率分量和所述至少第二频率分量在所述振动响应中在基本交替的时间发生。
9. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中量计电子器件(20)进一步被配置为以第一频率振动量计组件(10)并且以至少第二频率振动量计组件(IO)，从拾取传感器(105，105')接收振动响应，并且将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量，其中所述至少第二频率是与所述第一频率不同的频率。
10. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中量计电子器件(20)进一步被配置为以第一频率振动量计组件(IO)，从拾取传感器(105， 105')接收振动响应，并且将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量，其中所述第一频率分量和所述至少第二频率分量是由在所述第一频率下的振动产生的。
11. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中接收所述振动响应进一步包括将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量。
12. 根据权利要求1的振动式流量计(5)，其中接收所述振动响应进一步包括将所述振动响应滤波成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量。
13. —种用于测量三相流的流动特性的振动式流量计系统(700)，振动式流量计系统(700)的特征在于第一振动式流量计(5A);至少第二振动式流量计(5B);禾口被耦接到第一振动式流量计(5A)和至少第二振动式流量计(5B)的处理系统(707)，其中处理系统(707)被配置为从第一振动式流量计(5A)接收第一振动响应，从至少第二振动式流量计(5B)接收至少第二振动响应，根据第一振动式流量计(5A)的所述第一振动响应产生所述三相流的第一密度测量，根据至少第二振动式流量计(5B)的所述至少第二振动频率响应产生所述三相流的至少第二密度测量，以及根据所述第一密度测量和所述至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性，其中所述至少第二振动响应处于与所述第一振动响应不同的频率。
14. 根据权利要求13的振动式流量计系统(700)，其中处理系统(707)进一步被配置为接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度。
15. 根据权利要求13的振动式流量计系统(700)，其中处理系统(707)进一步被配置为接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定声速值。
16. 根据权利要求1的振动式流量计系统(700)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定关于所述三相流的三种分量中的每一种的相分率。
17. 根据权利要求13的振动式流量计系统(700)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含气率(GVF)。
18. 根据权利要求13的振动式流量计系统(700)，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含水率。
19. 根据权利要求13的振动式流量计系统(700)，其中第一振动式流量计(5A)被以第一频率振动以产生所述第一振动响应并且所述至少第二振动式流量计(5B)被以至少第二频率振动以产生所述至少第二振动响应。
20. —种用于测量三相流的流动特性的方法，所述方法包括从振动式流量计接收振动响应；使用所述振动响应的第一频率分量产生所述三相流的第一密度测量；使用所述振动响应的至少第二频率分量产生所述三相流的至少第二密度测量，其中所述至少第二频率分量处于与所述第一频率分量不同的频率；以及根据所述第一密度测量和所述至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。
21. 根据权利要求20的方法，进一步包括接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度的初步步骤。
22. 根据权利要求20的方法，进一步包括接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定声速值的初步步骤。
23. 根据权利要求20的方法，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定关于所述三相流的三种分量中的每一种的相分率。
24. 根据权利要求20的方法，其中确定所述个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含气率(GVF)。
25. 根据权利要求20的方法，其中确定所述个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含水率。
26. 根据权利要求20的方法，其中所述至少第二频率分量基本被叠加在所述第一频率分量上。
27. 根据权利要求20的方法，其中所述第一频率分量和所述至少第二频率分量在所述振动响应中在基本交替的时间发生。
28. 根据权利要求20的方法，其中接收所述振动响应进一步包括以第一频率振动所述振动式流量计的量计组件并且进一步以至少第二频率振动所述量计组件，其中所述至少第二频率是与所述第一频率不同的频率；从所述量计组件的拾取传感器接收所述振动响应；禾口将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量。
29. 根据权利要求20的方法，其中接收所述振动响应进一步包括以第一频率振动所述振动式流量计的量计组件；从所述量计组件的拾取传感器接收所述振动响应；以及将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量，其中所述第一频率分量和所述至少第二频率分量是由在所述第一频率下的振动产生的。
30. 根据权利要求20的方法，其中接收所述振动响应进一步包括将所述振动响应分离成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量。
31. 根据权利要求20的方法，其中接收所述振动响应进一步包括将所述振动响应滤波成所述第一频率分量和所述至少第二频率分量。
32. —种用于测量三相流的流动特性的方法，所述方法包括接收第一振动响应和至少第二振动响应；根据所述第一振动响应产生所述三相流的第一密度测量；根据所述至少第二振动频率响应产生所述三相流的至少第二密度测量，其中所述至少第二振动频率响应处于与所述第一振动频率响应不同的频率；禾口根据所述第一密度测量和所述至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。
33. 根据权利要求32的方法，进一步包括接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定分量密度的初步步骤。
34. 根据权利要求32的方法，进一步包括接收关于所述三相流的三种分量中的每一种的预定声速值的初步步骤。
35. 根据权利要求32的方法，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定关于所述三相流的三种分量中的每一种的相分率。
36. 根据权利要求32的方法，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含气率(GVF)。
37. 根据权利要求32的方法，其中确定所述一个或者多个流动特性进一步包括确定所述三相流的含水率。
38. 根据权利要求32的方法，其中接收所述振动响应进一步包括从第一振动式流量计接收所述第一振动响应；以及从第二振动式流量计接收所述至少第二振动响应，其中所述至少第二振动响应处于与所述第一振动响应不同的频率。
39. 根据权利要求32的方法，其中接收所述振动响应进一步包括以第一频率振动第一振动式流量计以产生所述第一振动响应；以及以至少第二频率振动至少第二振动式流量计以产生所述至少第二振动响应，其中所述至少第二振动响应处于与所述第一振动响应不同的频率。
全文摘要
根据本发明提供一种用于测量三相流的流动特性的振动式流量计(5)。振动式流量计(5)包括量计组件(10)，量计组件(10)包括拾取传感器(105，105′)和被耦接到拾取传感器(105，105′)的量计电子器件(20)。量计电子器件(20)被配置为从拾取传感器(105，105′)接收振动响应，使用该振动响应的第一频率分量产生三相流的第一密度测量，和，使用该振动响应的至少第二频率分量产生三相流的至少第二密度测量。频率分量处于与该第一频率分量不同的频率。量计电子器件(20)进一步被配置为根据该第一密度测量和该至少第二密度测量确定一个或者多个流动特性。
文档编号G01F1/74GK101765759SQ200780100085
公开日2010年6月30日 申请日期2007年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者A·T·佩滕, C·B·麦卡纳利, M·J·贝尔, R·L·小圣皮埃尔 申请人:微动公司