傳導(dǎo)率測量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于對流體流的特性、特別是包括一部分水的多相流體流的特性進行測量的測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在油和氣體生產(chǎn)和處理中，因為油、氣體和水的分數(shù)以及水的鹽度將在生產(chǎn)過程中改變并影響進一步的處理，所以有必要對流體流的含量和特性進行監(jiān)視。多種類型的技術(shù)已經(jīng)被用于對發(fā)現(xiàn)分數(shù)和鹽度所必需的信息進行采樣，諸如聲學(xué)測量值、壓強、伽馬射線和電學(xué)測量值。本發(fā)明涉及電學(xué)測量值，電學(xué)測量值被用于確定油、氣體和水的混合物中的含量，并特別用于確定流中的水的傳導(dǎo)率，因此指示流中的鹽度和/或水含量。水中的溶解鹽使水具有傳導(dǎo)性。傳導(dǎo)率取決于溶液中的離子的量和類型以及溫度。油工業(yè)中的多相流中的水可以含有多種類型的離子，但是目前最為常見的是來自氯化鈉的Na+ (鈉離子)和Cl_(氯離子)。這里的鹽度指的是氯化鈉的當(dāng)量，其具有與實際溶液相同的傳導(dǎo)率，并且以鹽水的重量百分比(％ weight)來表示。
[0003]如下所述，根據(jù)本發(fā)明的溶液使用微波方法，微波方法主要提供對傳導(dǎo)率的測量。鹽度能夠通過使用已知模型根據(jù)傳導(dǎo)率和溫度來計算。傳導(dǎo)率能夠隨時以相同方式通過反向使用相同的模型根據(jù)鹽度和溫度來計算。
[0004]在US 6182504中對測量混合物的介電常數(shù)以及溫度的解決方案進行了論述，并隨后根據(jù)這些測量值來決定流是否是水連續(xù)或油連續(xù)的，并且基于該決定來決定待完成的測量的類型。
[0005]在PCT申請W02005/057142中對一種用于測量多相流的方法進行了說明。在該情況下，依據(jù)通過換能器施加的電場的頻率來測量流的特性。在流中的至少兩個方向上測量流的特性、或更準確說是電磁損耗和相位測量值，并且環(huán)流度(degree of annular flow)被確定。因此，W02005/057142中公開的解決方案的目的是對主要是環(huán)流的具體流體系中的測量誤差進行修正。該解決方案測量橫截面以及更接近壁以查明是否存在差別。
[0006]在國際申請W02007/018434中發(fā)現(xiàn)了一種用于對多相流中的水的鹽度/傳導(dǎo)率進行測量的解決方案。該解決方案是關(guān)于使用傳輸傳感器來測量兩個或更多頻率下的差分相位移位，傳輸傳感器由安裝在管壁中的三個小型天線制成。該專利申請僅涉及在水連續(xù)條件下進行測量。
[0007]在W02006/019311中對一種用于測量濕潤氣體流中的水的鹽度/傳導(dǎo)率的方法。該專利申請涉及對截止頻率下的相位響應(yīng)的陡度進行測量。該方法與由傳導(dǎo)率產(chǎn)生的損耗有關(guān)，該損耗與鹽度/傳導(dǎo)率有關(guān)。該方法的問題是，盡管在專利中并未提及，但是在下文中顯示，該現(xiàn)象并不是單調(diào)的。
[0008]在W02008085065中說明了一種在濕潤氣體流中在管壁上的液體膜上進行測量的諧振器。該諧振器對于濕潤氣體，即極少量的水來說是最佳的，并且可以對多相流過度靈敏。
[0009]上述的已知技術(shù)的一個問題是，對油或氣體連續(xù)多相(包括濕潤氣體)流中的傳導(dǎo)率/鹽度進行測量，以便提供諸如濕潤氣體中的形成水(format1n water)的檢測/測量之類的重要信息，并且用于制作與鹽度的改變無關(guān)的含水率或濕潤氣體計。
[0010]正如US 6182504中所述，諧振可以被用于獲得流中的傳導(dǎo)率。在Ebbe GustafNyfors的技術(shù)理學(xué)博士學(xué)位論文^Cylindrical microwave resonator sensors formeasuring materials under flow”(用于測量流中的材料的圓柱形微波諧振器傳感器)，報告S243，2000年5月，赫爾辛基理工大學(xué)(ISBN 951-22-4983-9)。如該論文中所述，微波諧振器存儲電磁能。在測量情況下，能量由激勵源提供用于諧振，并且被各種損耗源耗散。在對包含水滴的混合物進行測量的情況下，在滴液中感生的電流是一個損耗源。因而，傳導(dǎo)率影響諧振。諧振器具有兩個主要特征:諧振頻率和Q因數(shù)(品質(zhì)因數(shù))。這兩個特征受到復(fù)電容率(permittivity)(也被稱為介電常數(shù))的影響。電容率是復(fù)數(shù)意味著具有實部和虛部。虛部受到傳導(dǎo)率的影響。對于被認為是低損耗情況(虛部遠小于實部)的油或氣體連續(xù)混合物，由于該混合物整體不具有傳導(dǎo)性，因此諧振頻率主要取決于電容率的實部，且Q因數(shù)(質(zhì)量因數(shù))還取決于虛部。
[0011]該論文還解釋了微波諧振器能夠按照傳輸線中(例如在空心波導(dǎo)中)的波導(dǎo)模進行說明。諧振器能夠形成在以兩個反射間斷點(就像是柵格，或者截止頻率的改變)界定的區(qū)段，或者由如下所述的截止頻率處的空心波導(dǎo)形成。
[0012]電磁能能夠以波模(wave mode)在空心管(波導(dǎo))中傳播。理論上來說，波模是給定的場型(field pattern)，該場型是在考慮到邊界條件的情況下(例如，與金屬壁平行的電場在表面處必須為零)，針對該環(huán)境中的電磁問題的具體解決方案，存在許多種解決方案，即波模?？招墓苤械娜坎Ｓ幸粋€共同點，就是所謂的截止頻率。這意味著波模僅能夠在高于截止頻率的頻率下傳播。但是全部模具有不同的截止頻率。
[0013]如果將諧振器置于管中，且諧振頻率高于最小截止頻率，則能量能夠逃逸并且在管中傳播開來(除非是被例如反射柵格界定)。這增加了諧振器的損耗，即Q因數(shù)變得更小。因為本發(fā)明涉及基于傳導(dǎo)率在諧振器中造成的損耗(即傳導(dǎo)率降低Q因數(shù))來測量傳導(dǎo)率，所以很容易理解由于輻射造成的損耗降低測量的靈敏度和精確度。如果在另一方面諧振頻率低于管的最小截止頻率，則沒有能量能夠通過輻射逃逸到管中并以波模傳播開來。因而，諧振器結(jié)構(gòu)能夠相對開放(如W000/063331中公開的鰭傳感器)，而不會造成額外的降低Q因數(shù)的損耗。
[0014]波模的另一獨特之處在于，能量的傳播速度取決于(在頻率上)與截止頻率的距離。距離截止頻率越近，能量傳播越慢。確切來說，能量在截止頻率處完全不傳播。波模無論以何種方式被激勵或發(fā)起，但能量停留在被激勵之處。這實際上是諧振。也就是說，各個波模在截止頻率下具有諧振。這還能夠被用于測量目的。然而，該諧振并不很好。峰具有給定寬度，即在頻域中具有一定分布。在諧振/截止頻率的峰頂端的較低側(cè)，管提供了輻射保護。在較高側(cè)，由于頻率大于截止頻率，能量能夠泄露出。因而，這樣的諧振峰稍許不對稱，在低頻側(cè)更陡。然而，這能夠被用于測量目的。一種方式是僅測量較低的一半，且隨后在較高側(cè)制作鏡像以構(gòu)造整個峰。該類型的諧振器的一個優(yōu)點是該諧振器是完全不侵入的。僅需要一些用于耦合能量的探頭/天線。高質(zhì)量截止頻率諧振器的一個示例是上述的鰭傳感器。諧振是在具有鰭的區(qū)段的截止頻率下的截止頻率諧振。另外，諧振器被沒有鰭的區(qū)段界定，該區(qū)段具有更高的截止頻率。被界定(即被限制在具有鰭的區(qū)段)還對在更高頻率下的其他諧振模式的存在和位置有影響，并因而與下文中所述的本發(fā)明有關(guān)。
[0015]因此，諧振器傳感器可以被用于對低損耗條件下的復(fù)電容率進行測量，并因而是良好的解決方案。傳導(dǎo)率影響電容率的虛部，并因而影響諧振器的Q因數(shù)，例如在WO2003/034051中所述的那樣。問題在于，油或氣體連續(xù)混合物的電容率的虛部不是水的傳導(dǎo)率的單調(diào)函數(shù)。因而，Q因數(shù)并不隨傳導(dǎo)率單調(diào)變化。因而，測量值是模糊的。這在實踐中能夠看出且使用布呂熱曼(Bruggeman)方程預(yù)計到，布呂熱曼方程是用于根據(jù)組分的電容率和體積分數(shù)來計算混合物的電容率的方程。
[0016]基于傳導(dǎo)率的Q因數(shù)的模糊度在被用于根據(jù)