多相测量仪的制作方法

多相测量仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多相测量仪系统，用于测量管道中流体流的组成和/或盐度，所述多相测量仪系统包括：共振测量装置，其包括用于在所述管道中提供第一频率范围内的变化电磁场的发射天线(11)和用于在所述管道中对所述场的共振特性进行测量的接收器天线(12)，以及用于确定所述共振品质的评估装置；传输测量装置，其包括用于发送第二频率范围内的变化电磁信号的发射天线(11)，位于距所述发送器天线不同距离处的至少两个接收器天线(12，13)，以及时间测量装置，所述时间测量装置用于对在所述两个接收器天线处接收到的传输信号之间的相差以及所测量的阻尼差进行确定；以及控制装置，其用于将所述共振品质与预定阈值进行比较，并且当所述共振品质高于所述阈值时根据所述共振特性对组成和/或盐度进行计算，或当所述共振品质低于所述阈值时根据所述传输相差和阻尼对所述组成和/盐度进行计算。
【专利说明】多相测量仪

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多相测量仪系统，用于对管道内的流体流的组成和/或盐度进行 测量。
[0002] 更具体地，本发明涉及在石油和天然气储藏的勘探中测量流体流内的水、油、气和 /或盐度分数。

【背景技术】
[0003] 市场上的多种不同的商用流量计可用于测量来自油井的流体流的成分。某些测量 仪基于放射性辐射的使用，某些测量仪为电容式，并且某些测量仪基于微波的使用。
[0004] 由于不受限于与基于放射性辐射的测量仪相关的健康风险及其相当低的精确度 或污染对电容传感器的不利影响，因而微波传感器受到关注。
[0005] 用于对流体的特性进行测量的方法以及用于执行该方法的计量设备和传感器的 示例已在国际专利申请PCT/N001/00200中进行描述，对此的美国专利（US6,826,964 B2) 已授权。该传感器采用微波共振原理来测量连续油流（油中的水滴和气泡，即该油流处于 连续态）并且针对连续水流（水中的油滴和气泡，即该水流处于连续态）测量导电性，并 且该传感器被用于安装在油井内部的开采区。多相流的共振测量的另一示例在挪威专利 308922(对应于W099/63331)中进行了描述。
[0006] 在美国专利6, 915, 707中已描述了用于对具有更高气体含量的流体，即湿气或高 气多相流进行测量的方法的另一示例，湿气流为具有典型地大于99%的高气体体积分数 (通常称为气体空隙率（GVF))的多相流。该方法同样基于微波共振原理。
[0007] 该微波共振原理基于测量流体的电容率/介电常数，并且在W0 2008/085065中参 照水体积分数（WVF)进行了描述。
[0008] 其他系统在US5101163和W02007/018434,以及US5341100中进行了描述，其中组 成和水盐度通过测量被放置在距发射器天线不同距离处的两个天线所接收到的信号的差 别来进行测量，其被称为传输法。当流体流的损耗很高时，例如在具有相对较高的水盐度的 连续水流中时，通常优选该方法。
[0009] 现有技术的固有问题在于，在相同流体体积内难以提供完整范围的成分和盐度的 足够精确的测量。如上所述，共振频率和Q因子适用于一定范围的分数，但当流体中的损耗 变得足够高时不太适用，因而精度被降低。根据权利要求中所述的实施方案来解决该问题。


【发明内容】

[0010] 因此，本发明涉及一种在金属管道中流动的MUT(被测材料），其中该MUT的介电 性能将通过微波进行测量，例如旨在查明该MUT的组成，例如水与油之间的混合比例。根据 例如在油/水混合物的情况下，水或油是否处于连续态，并且根据水是否包含溶解的离子 例如盐，该MUT可呈现出所谓的高损耗或低损耗性能，从而使其更加导电或较少导电。在微 波技术第51、52页上的参考文献[4]，即Fra于2005年发表的"Handbook of Multiphase Flow Metering(多相流量计量手册）"中，第52页上的内容阐明了：实际微波MPFM(多相 流量计）使用针对连续油流的共振器原理以及在连续水流方面的不同频率传输原理，从而 利用相同的探针。当处于低衰减时，管道用作共振器，并且当处于高衰减时，对两个接收探 针之间的相差进行检测。参考文献[4]中所述的解决方案基于作为共振器的管道的使用。 在TO 2005/057142和US7631543中提供了其他示例。这样的共振器并不理想，这是因为主 共振发生在截止频率处，并且共振能量将沿管道方向泄露，从而降低该系统的精确度。本发 明通过以下方法解决该问题：利用具有低于截止频率的共振频率的共振器，因而易于检测 到共振峰，从而还提高了流体测量的性能。
[0011] 出于测量的目的，微波共振器已在管道中实现用于在低损耗情况下进行测量，并 且通常三个天线用于实现高损耗情况下的差分传输测量。使用两种方法的原因在于，当损 耗针对该方法运行足够低时，共振器方法是最精确的方法，并且传输方法最适于高损耗，这 是因为传输方法可被用在宽动态范围中。
[0012] 除此之外，由于微波模式和反射的影响，传输方法在低损耗情况下是不太精确的。 在优选实施例中，相同的天线被用于耦合到共振器并且用于执行传输测量，不同之处在于， 仅有两个天线被用于共振器测量。
[0013] 在发射天线与接收天线之间所测量到的频率响应，即作为频率函数的传输函数将 显示直接电容耦合、共振和直接传输的特征。根据损耗量的不同，这些中的某些将起主导作 用。在低损耗情况下，高于电容耦合的基线的共振峰将明显可见。在高损耗情况下，将看不 到峰。直接电容耦合也将不再重要。相反地，直接传输将起主导作用，并且所测的相移和衰 减与MUT的介电性能与传输距离有关。通过使用差分传输，即将具有不同的传播距离的同 一对天线之间的传输进行比较，则天线性能以及包括电缆和连接器的系统的其余部分的影 响被消除，从而显示出在MUT中的传播距离的真实影响。
[0014] 在水与油的两相混合物的情况下，其中水包含一定量的溶解离子，通常相当于超 过0. 1 %的NaCl，根据该混合物是油连续还是水连续，该混合物将显示出明显的低损耗或 高损耗性能。在这种情况下，根据共振峰的出现或缺失以及由此选定的方法易于检测到该 状态。在其他情况下，例如，如果水更新鲜或不太新鲜（NaCl的等效含量低于0. 1% )，或如 果存在相当大的气体，如具有较高的气体空隙率（Gas Void Fraction，GVF)的油、水和气的 三相混合物，那么会出现损耗在其中既不高也不低的状态。在这种情况下，频率响应将既显 示出共振峰（该共振峰具有低Q因子即与峰相比，其看起来更像响应上的隆起），也显示出 明显高于完全电容耦合的传输。在这种情况下，不能立即发现何种方法可被优选使用。
[0015] 这种情况下的最佳策略是采用两种方法进行测量，并且在选择将何种结果作为测 量结果输出之前执行对这些结果的品质检查。该品质检查可以包括例如与体积分数的预期 范围相关的准则，与体积分数变化的预期最大速度有关的准则以及与采用两种方法的测量 的稳定性（方差）有关的准则。为了确定何时应以上述方式使用这两种方法，或仅使用共振 测量或差分传输测量，可以使用一些特征常数。这些常数可以是例如共振峰的Q因子（如 果峰不可识别，则该情况是高损耗情况）、隆起处的衰减率（弱共振峰）以及在其（频率） 上的波谷或谷。限制可以是：在Q因子大于1〇(>1〇)的情况下，使用共振方法；以及在Q因 子介于"不可识别"与10之间的情况下，使用两种方法。类似准则可针对衰减率进行限定， 或针对取决于两者的因子进行限定。
[0016] 使用何种准则最好通过实际进行流量测试、记录原始数据，并随后通过应用不同 的限制和准则对例如组成进行重新计算来根据经验找到。
[0017] 为了获得最佳结果，具有共振器和天线的传感器系统应被设计，使得仅有待使用 的共振峰位于待使用的频率范围内。在大多数情况下，这意味着应当只有一个峰会影响测 量的频率相应。只要峰由于高损耗还没有完全消失，就应设计传输测量，使得相位和/或衰 减的测量在受共振影响最少的频率范围的一部分中被执行。单词"引脚（pin)"通常被用于 天线，尤其当在探针中实现的情况下。
[0018] 在以下说明书中使用了下列定义：
[0019] 频率响应：作为频率函数的从一个天线到另一天线的稱合（衰减和相移）。该奉禹 合被称为插入损耗。
[0020] 低损耗：通过耦合天线被馈送到管道内的微波能量的衰减很低，使得来自管道壁 的反射以波导模式形成干涉图案，或者从一个天线到另一天线的能量的耦合（插入损耗） 由直接电容性的耦合进行控制（在该情况下，频率低于管道内波导模式的最低截止频率）。
[0021] 高损耗：介质中微波的损耗很高，使得从管道壁反射的并因而比从天线传播到天 线的那些波行进更长距离的传播波衰减很大，使得在频率响应中检测不到波模式的影响 (插入损耗）。
[0022] 因此，根据本发明获得的解决方案是，共振被用在部分测量中，但当流体中的损耗 增大时，通过切换到测量流体中的相位差和所测量的阻尼的差来实施传输方法。通过同时 增加测量频率还可以测量盐度。
[0023] 根据本发明的优选实施例中，所述系统仅包含三个天线，一个发送器和两个接收 器。当共振具有高品质时，仅启动发射器以及接收器天线中的至少一个天线。因此，所述 测量通过在预定范围内发送扫频信号并对共振频率和共振峰的宽度两者进行测量而被执 行，从而例如提供Q因子。如果共振频率的品质低于预定值，则由两个接收器所测量的信 号的相位差和阻尼差被得到并被用来表征流体的组成。在这种模式下，可以使用不同频 率范围，以增加测量的精确度并且还可以根据信号的实部与虚部之间的关系测量流体的 盐度，例如，如US5103181中所述，根据介电常数和Briiggemann方程来对组成进行计算， 以及参考文献[2]Nyfors，Ε·，P. Vainikainen，''Industrial Microwave Sensors"，Artech House, 1989,350 p(Nyfors，E.，P.Vainikainen，工业微波传感器，Artech House 出版社， 1989年第350页）中，根据共振器和传输测量来得到介电常数。
[0024] 根据本发明的系统通过同时执行共振和传输测量两种测量方法并选择待发送给 用户的最相关的信息，或者通过监测测量的品质并当测量结果低于某一阈值时转换到可替 代的测量方法来利用共振和传输测量。共振测量的品质阈值可以由所选的Q因子、峰宽和 /或共振频率的值进行限定，而传输测量的品质阈值可根据例如根据流体的成分、传感器性 质以及管道的尺寸和材料而被经验地确定。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 以下将参照附图对本发明进行描述，附图以示例的方式对本发明进行说明。
[0026] 图1是本发明的第一实施例的示意图，该实施例在用于共振器测量的两探针系统 的下游设置第三探针，并且使用该第三探针来进行传输以避免沿着圆锥体的边缘传输。
[0027] 图2是本发明的第二实施例的示意图，该实施例利用3天线探针来进行传输测量， 并且维持用于共振器测量的两个标准探针。
[0028] 图3是3天线探针的本发明的第三实施例的示意图。
[0029] 图4是增加2天线探针的本发明的第四实施例的示意图。
[0030] 图5是在两探针共振测量系统中将一个探针替换为3天线探针的本发明的第五实 施例的示意图。
[0031] 图6示出了与翅片传感器结合的实施例。

【具体实施方式】
[0032] 本发明是专利US6915707中所述的水气测量仪（WGM)的进一步发展，该WGM具有 微波共振器传感器用于测量流体的电容率以计算WVF (水体积分数）。该WGM在低WVF下 能很好地工作，但现在的目标是将工作范围进一步向下扩展到GVF (上限到WVF)中，在扩展 后的范围内流变得过于损耗而使得共振器无法很好工作。解决方法在于增加传输类型的测 量。
[0033] 在W0 2008/085065中所述的已知的WGM基于完全共振器测量，因此仅在低损耗情 况下工作。该WGM具有两个天线，并且电子器件仅能够测量插入损耗即功率损耗的幅度，并 且仅在由该测量仪所用单元的特定版本中的VC0所限定的有限的频率范围内测量。
[0034] 当整个管道是共振器时，传感器的主要优点在于它是非侵入性的。但严重的弱点 在于流体会获得不同的流动型态。例如，液体会形成靠近管道壁的层，而气体在中间穿过。 这被称为环状流。这种气体和液体的非均匀分布影响电容率的测量。尤其在连续水流条件 和环状流的情况下，测量会出错。这就是在W02005/057142和W02007/018434中已通过增 加另一测量试图改善的部分，所述另一测量增加靠近壁的流体的电容率的权重，并随后利 用经验模型对已知误差进行补偿。采用WGM的优点在于，流体通常挤压通过管道壁与优选 呈圆锥状的插入物之间的间隙，当在该区域进行测量时消除了这样的流动型态。当前的共 振测量器围绕整个圆周对该间隙内的流体进行测量。待增加的传输测量也必须被定位以便 当流体经过圆锥体时，对该流体进行大致地测量。同时，该圆锥体应该优选地不影响测量， 即其不应该被探针"看见"。实现围绕整个圆周的测量是不可能的，但如果存在大致对称的 流，就不需要实现围绕整个圆周的测量。如上所述，优选实施例利用圆锥状的插入物，但也 可以使用其他插入物，例如翅片。
[0035] 对于完整的三相测量（油、水、气），增加密度计也是必要的。因为存在三个未知 量，因此需要三个能够求解组成的方程。两个方程与电容率和密度的测量相关，并且第三个 方程规定全部三种组成之和等于100%。本发明主要涉及一种用于提供电容率测量的装置， 该装置同时可以像在一般多相测量仪中那样执行其他计算。
[0036] 根据本发明的思想包含增加传输测量，例如通过利用一个充当发射天线的探针进 行发送，并且利用两个充当接收天线的探针进行接收。所述两个接收探针必须位于距所述 发送探针不同的距离处。距离差导致相差。对相差获得预定的固定值所在的频率进行测量。 正如将看到的那样，接收探针和发送探针可以与一个具有充当接收或发射天线的三个天线 的探针进行交换。
[0037] 本发明涉及两种测量原理的优化使用，其中，对共振进行测量的同时也监测共振 的品质。共振的品质情况可与峰的宽度和对称性有关。通过直接从峰中大致找到共振频率 和3dB点（即半功率点，其通常用于测量针对Q因子的峰宽度），能够计算Q因子（共振频 率除以峰宽度）和不对称性（例如所测量的共振频率与3dB点的平均值之间的相对偏差）。 一种更精确的方法涉及一种高精度的对共振频率和Q因子进行测量的方法。那么首先，对 在峰周围的范围内的多个样本进行测量。随后，使用3dB水平以上的样本，并且将理论共振 曲线（参考文献[3]中的方程式（3.27))与样本进行拟合。这提供了针对共振频率与Q因 子两者的精确值。不对称性可以利用不同方法通过比较样本与所得曲线来进行计算。例如， 一种方法可以是计算共振频率两侧的样本与曲线之间的平均偏差。当Q因子小于例如10 时，共振峰难以测量，并且实际上根据响应的其他变化进行识别。针对不对称性的限制必须 根据经验测试和对利用共振器方法与传输方法得到的结果进行比较来建立。在选定的限制 下，根据管道中条件的不同，该系统随后可以改变为测量天线之间的差分传输（相位和/或 衰减）。传输情况需要针对每种情况进行确定，这是因为传输测量会受管道中的共振和反射 的影响。针对特定的传感器设计和应用可能会需要某些经验测试，这同样是因为天线处的 局部流动情况会受这些因素影响。
[0038] 共振和传输测量可以在相同的频率范围内进行，但是由于传输信号将受这两种 方法重叠的条件范围内的反射和共振影响，因此这些频率应该被避免。在实践中，共振频 率根据例如物理尺寸的不同可以在100-2500兆赫兹（MHz)的范围内，但是通常利用例如 W02010/115883中所述类型的MDP锥体的湿气测量在400-1500MHZ的范围内进行。
[0039] 例如参考文献[1]中所述的盐度测量通常会需要1-3吉赫兹（GHz)范围内的传输 测量，但是针对其他传输测量，可以使用低至数十兆赫兹的较低频率。
[0040] 然而，本发明的优点在于，该系统可调整到针对每次测量的最优频率范围。
[0041] 以下对用于执行根据本发明的测量的探针的不同实施例和组合进行描述。用于共 振和传输测量的探针和方法被认为是已知技术的一部分，例如，如引用文献和专利出版物 中所述的技术，并且其本身将不在本说明书中进行描述。
[0042] 实施例1 :添加第三探针
[0043] 参照图1，已知的WGM有两个探针，每个探针分别具有一个天线2、3,而传输类的测 量需要三个探针。通过添加具有第三天线1的第三探针，两种类型的测量都可被执行。第 三探针可以小于其他探针，这是因为其他两个探针已被标定尺寸以提供到共振器的最佳耦 合。
[0044] 这两种现有探针位于恰好与圆锥体9的最宽部分相对的管道壁中。因此，可假定 圆锥体的接近度将影响传输测量。那么会存在一依赖于β值的效应，该β值与该圆锥体 相对管道的尺寸有关。由于这使校准更加复杂，因此是不利的。通过进一步将第三探针1 不对称地放置在相对于其他探针2、3的下游处，并且利用该用于传输的探针1，可以减小圆 锥体的影响。
[0045] 该实施例的优点在于：
[0046] 总共仅有三个探针。
[0047] 所有探针完全相同，或至少是类似类型。
[0048] 缺点在于：
[0049] 需要切换以能够改变哪个是传送探针。
[0050] 这些探针中的两个探针的直径大。因此，探针之间的距离将很大，这意味着高的最 大衰减以及第三探针位置处的不同流动情况。当电子器件的灵敏度是限制因素时，与具有 较短传播距离相比，更高衰减意味着测量仪能够处理的最大WVF减小。
[0051] 如果可能的话，需要将两个现有探针安装得比正常情况更相互靠近。这将增加直 接耦合，该直接耦合会影响可使用共振器方法的最高损耗。
[0052] 实施例2 :添加具有三个天线的探针
[0053] 参照图2, 3天线探针6已被开发用于作为独立单元或在多相测量仪中执行双参数 测量以发现水中的盐度。思想是在足够高的频率（建议为3GHz)处对相位和衰减都进行测 量，在该频率处，电容率的实部也影响所述测量。因为由电导率引起的虚部与频率成反比， 所以低频处的虚部完全超过了实部。关于传感器的论文已被公布，参见参考文献[1]。该发 展包含理论研究，建立简单的原型以研究天线的最佳间距和长度，并且最终生成玻璃模制 的"最终（final)"探针。
[0054] 上述US7631543和W0/2007/018434描述了一种利用同类型的三天线1、2、3单元 6来执行双参数测量的方法，该方法基于仅在两个频率处测量相位。该方法以及其他执行 多参数微波测量的替代性方法还在文献[2]中进行了描述。在文献[2]中，描述了一种测 量，该测量例如将对两个频率处的相位进行测量作为对在一个频率处的衰减和相位都进行 测量的替换方案。
[0055] 使用3天线探针以在WGM中执行单参数传输测量的概念意味着，该探针必须靠近 圆锥体安装以实现消除流动型态的影响的优点。另一方面，该测量不应该受金属圆锥体的 接近度的直接影响。明显的是，安装探针的最佳位置为紧挨着圆锥体之后，如图2中所示， 图2还示出了靠近圆锥体的共振测量天线4、5。
[0056] 该概念的优点在于：
[0057] 在任何情况下共振器测量都不受影响。
[0058] 3天线探针能够针对每个管道尺寸被标准化。
[0059] 缺点在于：
[0060] 需要比仅采用三个探针的概念更多的切换。
[0061] 实施例3 :仅利用3天线探针
[0062] 图3所示的概念是上述两种概念的组合。三个探针将被集成到包含三个天线1、2、 3的单个探针6壳体中，而不是如第一概念中那样具有三个独立的探针。为了提供用于共振 器测量的足够的耦合，该探针天线的尺寸可能会需要大于第二概念中的3天线探针中的天 线尺寸。三个天线探针还可能需要进一步远离彼此以限制直接电容耦合。该设计可能需要 针对每个β比率而不同。
[0063] 仅考虑共振器测量所设计的当前探针被设计为通常在充气测量仪中提供大致相 同的耦合，这提供了接近于电子器件的动态范围内的最大值的信号电平。较低的信号电平 可被接受，只要该较低的信号电平总是保持在噪声电平之上。
[0064] 该探针必须被定位成使得这些天线中的两个天线大致与圆锥体的边缘相对。然 而，基于之前的模拟，清楚的是，这两个天线能够在第三探针的方向上移动几个毫米，这将 减小圆锥体对传输测量的影响。
[0065] 壳体中的三个探针不必具有相同尺寸。发送探针（下游）可以适当地略小。
[0066] 该概念的优点在于：
[0067] 仅存在一个探针壳体，因而在测量仪主体中仅存在一个孔。
[0068] 与采用三个独立的探针的情况相比，3个天线能够具有更近的间隔。
[0069] 缺点在于：
[0070] 用于共振器测量的探针受到影响。可能必须接受的是，信号电平（共振器中的峰 高度）将低于当前设计中的信号电平，并且随测量仪尺寸和β比率变化。直接电容耦合也 将更高。
[0071] 现有的3天线设计不能被直接使用，而是需要进一步开发。
[0072] 实施例4 :添加2天线探针
[0073] 在图4所示的概念中，两个当前探针1、5将如前所述被用于共振器测量。此外，在 当前发送探针1附近将存在一个2天线2、3探针7。针对传输测量，将切换到利用2天线探 针进行接收。一个信道可被永久地连接到所述天线中的一个天线。
[0074] 该概念的优点在于：
[0075] 在任何情况下共振器测量都不受影响。
[0076] 2天线探针能够针对每个管道尺寸被标准化。
[0077] 缺点在于：
[0078] 可实现的路径长度受到限制。
[0079] 实施例5 :将一个探针替换为3天线探针
[0080] 如果标准探针中的一个被3天线1，2, 3探针6替换使得一个天线1替换标准探针 5,并且其他两个天线2, 3位于下游，那么可以维持共振器探针之间的距离，同时传输距离 可被保持为短，并且仅存在两个孔。发射天线可以大于其他天线。图5中描述了该概念。
[0081] 该概念的优点在于：
[0082] 可以维持共振器探针之间的距离。
[0083] 在测量仪主体中仅需要两个孔。
[0084] 3天线探针能够针对每个管道尺寸被标准化。
[0085] 仅需要一次切换。发送探针可以总是相同的。
[0086] 由于一个共振器探针和以前一样，因此峰值电平的必需下降小于概念3中的下 降。
[0087] 缺点在于：
[0088] 非对称耦合。因此，对于给定的峰高度，Q因子低于可实现的Q因子。
[0089] 例如实施例1和4中的用于共振器的标准探针的尺寸会影响其使用。实施例2将 提供在设计传输测量上最大程度的自由度，但是包含最大数量的切换。实施例3似乎是优 选的，这是因为该实施例在测量仪主体上仅需要一个孔，以及最少数量的切换，并且其允许 (比实施例1和4)更短的探针之间的距离，从而提供较低的衰减和更均匀的流动情况，但是 其影响到共振器的耦合。与实施例3相比，实施例5维持共振器探针之间的距离，导致共振 器中信号电平的较小降低，但是在测量仪主体上需要两个孔。
[0090] 当选择探针实施例以在具体使用中找到最佳设计时，可以进行多个考虑，例如：
[0091] 圆锥体的影响，例如接近度、尺寸以及与传输长度有关的要求。
[0092] 探针尺寸以及从机械的观点来看探针可被如何紧密地间隔。
[0093] 探针天线，尤其是当每个探针中存在多于一个天线时，可被设计成坚固且容忍某 些腐蚀的，并且可被设计成满足根据测量观点的准则。根据本发明的应用的不同还可以研 究天线之间的距离。
[0094] 在所用频率范围内的最大衰减需要基于传输长度、路径差以及限定的最差条件进 行估计，并且与所应用的电子器件的性能进行比较。
[0095] 流动情况，例如乳浊液或具有可变盐度的流动的水或冒泡的水。
[0096] 信号强度的变化范围和电子器件的动态范围必须相对于共振器的所需耦合进行 考虑。
[0097] 实施例6 :栩片式插入物
[0098] 在图6a和6b中，根据本发明的测量系统被放置在具有翅片式插入物的管道中。三 个天线11、12、13已被放置在管道壁中，其中图6a示出了在相同的轴向位置上的两个天线 11、12的位置以及距其他天线一定距离处于下游处的第三天线13的位置。当第一天线11 被用作发送器时，从第一天线11到其他天线12、13的传播长度将存在差别，这可用在传输 模式测量中。
[0099] 根据本发明的测量仪系统可有利地与其他共振器结合，因此差分压力测量、微波 共振以及差分微波传输测量的结合可对例如US6915707中所述的发明进行补充，以包括三 个使得能够进行差分传输测量的探针。一个实例可以是文氏管中的翅片传感器，如专利中 的图5所示，还可以想到不采用文氏管或其他差分压力测量的解决方案以制作对0-100% 的混合物中的水油比例进行测量的两相测量仪，如当前图6所示。
[0100] 因此，总而言之，本发明涉及一种多相测量仪系统，用于测量管道中的流体的组成 和/或盐度。该测量仪系统包括共振测量装置，其包括用于在管道中提供第一频率范围内 的变化电磁场的发射天线和用于在所述管道中测量该场的共振特性的接收器天线，以及用 于确定所述共振的品质的评估装置。
[0101] 该系统还包括传输测量装置，其包括用于发送第二频率范围内的变化电磁信号的 发射天线，位于距所述发送器天线不同距离处的至少两个接收器天线，以及用于确定在所 述两个接收器天线处接收到的传输信号之间的相差以及所测量的阻尼差的时间测量装置。 所述传输测量装置和共振测量装置被定位成在基本相同的流体体积中进行测量。这可以通 过使用相同的天线或探针来进行两种测量而优选地获得。
[0102] 根据本发明的系统包括控制装置，该控制装置用于将共振品质与预定阈值进行比 较，并且当所述共振品质高于所述阈值时根据所述共振特性对组成和/或盐度进行计算， 或当所述共振品质低于所述阈值时根据所述传输时间差和损耗对所述组成和/盐度进行 计算。因此，根据流体的成分和特性的不同可使用最精确的测量。
[0103] 共振的品质和相应的阈值优选地根据共振峰的Q因子来进行计算，从而指示共振 器中的损耗。
[0104] 共振测量装置和传输测量装置的发射天线可由相同的天线构成，并且可能的，所 述共振测量装置的接收器天线由传输测量装置的接收器天线中的一个构成，从而使用有限 数量的穿过管道壁的天线和侵入体。
[0105] 第一频率范围和第二频率范围至少可以部分重叠但优选地包括针对每个测量的 最佳范围。因此，传输信号可以包括对应于所述第一频率范围和第二频率范围的宽带频率， 同时接收器能够接收完整范围或针对共振测量或者传输测量的范围。优选地，用于共振测 量的第一频率范围可以在100-2500MHZ范围内，优选在400-1500MHZ内，而用于传输测量的 第二频率范围可以在400-3000GHZ范围内，优选1000-3000MHZ。
[0106] 流中的液体的盐度还可以根据由传输测量装置测量到的实部值和虚部值来进行 计算。
[0107] 该共振测量装置和所述传输测量装置被优选地基本上同时操作，这是因为控制装 置适于比较来自所述测量装置的测量结果的品质，并提供一指示具有最高品质的测量结果 的输出。可替换地，基于根据计算出的所述测量结果的品质而被加权的所述测量结果来计 算输出。因此，组合的输出信号可被提供为所述测量结果的优化组合。
[0108] 尽管天线，尤其是共振测量天线，优选地靠近管道中具有轴向位置的插入物（例 如圆锥体或翅片）进行安装，但也可以想到其他情况。靠近圆锥体所用的共振测量应优选 地靠近所述圆锥体的最宽边缘来执行。
[0109] 参考文献
[0110] [1]

【权利要求】
1. 一种多相测量仪系统，用于测量管道中流体流的组成和/或盐度，所述多相测量仪 系统包括： 共振测量装置，其包括用于在所述管道中提供第一频率范围内的变化电磁场的发射天 线和用于在所述管道中测量所述场的共振特性的接收器天线，以及用于确定所述共振的品 质的评估装置； 传输测量装置，其包括用于发送第二频率范围内的变化电磁信号的发射天线，位于距 所述发送器天线不同距离处的至少两个接收器天线，以及时间测量装置，所述时间测量装 置用于对在所述两个接收器天线处接收到的传输信号之间的相差以及所测量的阻尼差进 行确定； 所述传输测量装置和所述共振测量装置被定位成在基本相同的流体体积中进行测量； 以及 控制装置，其用于将共振品质与预定阈值进行比较，并且当所述共振品质高于所述阈 值时根据所述共振特性对所述组成和/或盐度进行计算，或当所述共振品质低于所述阈值 时根据所述传输时间差和损耗对所述组成和/盐度进行计算。
2. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述共振品质和相应阈值为共振峰的Q因 子。
3. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置和所述传输测量装置 的发射天线由相同的天线构成。
4. 根据权利要求3所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置的接收器天线由所述 传输测量装置的接收器天线中的一个构成。
5. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述第一频率范围和所述第二频率范围 至少部分重叠。
6. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述传输信号包括对应于所述第一频率 范围和所述第二频率范围的宽带频率。
7. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述第一频率范围在100-2500MHZ范围 内，优选在400-1500MHZ内。
8. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述第二频率范围在400-3000GHZ范围 内，优选 1000-3000MHz。
9. 根据权利要求8所述的多相测量仪，其中，所述流体的盐度根据由所述传输测量装 置测量到的实部值和虚部值来进行计算。
10. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置和所述传输测量装置 被基本上同时操作，所述控制装置对来自所述共振测量装置和所述传输测量装置的测量结 果的品质进行比较并提供一指示具有最高品质的测量结果的输出。
11. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置和所述传输测量装置 被基本上同时操作，所述控制装置对来自所述共振测量装置和所述传输测量装置的测量结 果的品质进行比较并基于根据计算出的所述测量结果的品质而被加权的所述测量结果来 计算输出，从而提供基于所述测量结果的优化组合的输出。
12. 根据权利要求1所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置被放置为靠近插入 物，所述插入物优选地被设置在所述管道中的轴向位置上。
13. 根据权利要求12所述的多相测量仪，其中，所述插入物为圆锥形，所述共振测量装 置被放置为靠近所述圆锥体的最宽边缘。
14. 根据权利要求12所述的多相测量仪，其中，所述共振测量装置包括所述插入物，所 述共振被设置在所述天线与所述插入物之间。
【文档编号】G01N33/28GK104272105SQ201380022698
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2013年4月29日 优先权日:2012年4月30日
【发明者】埃伯·古斯塔夫·耐福斯 申请人:朗盛流量测量公司