使用贴片天线的多相流计量制造技术

公开了使用工作在无线电或微波频率范围内的贴片天线(30)来计量管(100)内多相组分的方法(10)，包括定位贴片天线(30)并在频率范围上对其进行激励(14)；随时间测量发射和反射信号(16)；估计共振频率从基准共振频率的偏移(18)；然后，基于偏移计算组分的电容率(20)；并且计算多相组分的相组分(22)。根据具体实施例描述了本发明专利技术，并且要领会，除了明确记载的那些以外，等效、备选和修改是可能的并在随附权利要求书的范围内。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及多相流计量(multiphase flow metering)，具体而言涉及贴片 (patch)天线在多相组分(composition)的计量中的使用。
技术介绍
在加工工业、油气工业以及其它此类领域中，通常需要精确测量在管线内部流动的材料的组分和流速。在其中介质的电导率很低的情况下，例如其中组分具有小百分比的油和/或水的湿气流，而且随油/水的分馏(fractional)变化的介电常数变化很小，测量组分变化变得困难。在石油工业中用于测量流体的商业可得传感器基于多种原理(单一技术或者是几种技术的组合)。例如，阻抗传感器、容性和/或感性传感器、双能量伽马传感器、venturi 测量计和微波传感器(衰减/相位/共振)都已得到使用。目前，有许多可得的基于微波的流计量传感器，它们提供不同程度的灵敏度、复杂性和成本。典型地，使用信号的幅度和相位的测量来重建各种流态，例如段塞流(slug)、混状流(churn)和环状流(annular)。采用所有测量多相流的方法，精度、灵敏度、成本和技术复杂性是所关注的。因此，当前存在对多相流计量进行改进的需要。
技术实现思路
本专利技术通过提供用于多相组分流计量的改进方法和装置而至少克服一些前述缺陷。具体而言，本专利技术的多方面可以使用一个或多个贴片天线来获得来自在管中流动的多相组分的信息。因此，根据本专利技术的一个实施例，一种计量管中多相组分的方法，包括将工作在无线电或微波频率范围内的至少一个贴片天线定位于接近多相组分；在频率范围上激励该至少一个贴片天线；随时间测量发射和反射信号；估计基准共振频率；估计共振频率从基准共振频率的偏移；基于该偏移计算多相组分的电容率(permittivity)；并且，基于电容率计算多相组分的相组分。根据本专利技术的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，该方法包括将至少一个贴片天线定位成与多相组分通信(communication)，其中该至少一个贴片天线工作在无线电或微波频率范围内；在频率范围上激励该至少一个贴片天线；在该频率范围上测量发射和反射功率；基于幅度和相位测量估计多相组分的相馏分(fraction)。根据本专利技术的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括将工作在无线电或微波频率范围内的多个贴片天线定位于接近多相组分；在至少一个频率上激励该多个贴片天线，由此产生发射和反射信号；基于发射和反射信号的特征(signature)估计流态；并且，基于发射和反射信号计算多相组分的相组分。根据本专利技术的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，该方法包括沿管轴向定位多个贴片天线组(set)，其中将第一贴片天线组轴向安置在距第二贴片天线组的一定距离处；在频率范围上激励多个贴片天线组；在该频率范围的至少一个上测量多个贴片天线组的功率；并且，基于该测量估计流动的多相组分的速率。根据本专利技术的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括从多相组分获得多个被测对象，其中多个被测对象包括幅度、相位和频率测量中的至少一个；通过使用传递函数将多个测量对象组合成单个量；并且，基于该单个量估计多相组分的相馏分。根据本专利技术的另一实施例，一种计量流过管的多相组分的方法，包括将工作在无线电或微波频率范围内的多个贴片天线定位于接近多相组分；并且，使用该多个贴片天线作为电极，从而获得多相组分的低频阻抗测量。从以下详细描述和附图，本申请的各种其它特征和优点将显而易见。 附图说明附图示出目前预期用于实现本专利技术的一个实施例。图1为根据本专利技术实施例的多相流计量方法的流程图。图2A-2D为根据本专利技术各种实施例使用贴片天线的管线部分的透视图。图3A-3C为根据本专利技术各种实施例使用贴片天线的管线部分的端视图。图4A-4F为根据本专利技术各种实施例的各种贴片天线形状的视图。图5为根据本专利技术实施例使用贴片天线的多相流计量系统的透视图。图6为根据本专利技术实施例示出典型频率响应曲线的图表。图7为根据本专利技术实施例示出测试结果的图表。图8为根据本专利技术实施例示出测试结果的图表。图9A-9D为根据本专利技术各种实施例示出测试结果的各种图表。具体实施例方式本专利技术的多方面提供测量频率变化的技术，它与幅度/相位测量相比更鲁棒。本专利技术提供可探测主要由例如油或气组成的不导电材料的非侵入式非接触式方法。本专利技术的多方面涉及通过使用工作在RF/微波频率范围内的一个或多个贴片天线来测量多相混合物的组分的方法。在可能应用之一中，多相混合物可在管线中流动。在金属管的情况下，天线将在内表面上，而在非金属管/绕线管的情况下，天线可在外表面上， 比方说如搭接(strap-on) —样。一个新颖方面是贴片天线的使用产生非侵入式低压损耗测量。另外，贴片天线可充当低频阻抗测量的电极。发射、反射或共振方法可以和作为测量对象的幅度、频率或相位一起使用。和更易受噪声影响的幅度和相位测量相比，发现共振频率测量更鲁棒。本专利技术的多方面集中于共振频率方法。然而，在其它实施例中，在不依靠共振的情况下可将贴片配置用于幅度/相位测量，并且贴片阵列可提供在管内部流动的多相混合物的断层分析(tomographic)重建。为了本申请和专利技术，存在各种关系密切的定义。本文使用的术语“贴片天线”是指4能够工作在高频(例如大约IGHz到大约20GHz)的发射和/或接收元件，其包括两个平行导体、由其间的介电层或基底隔开的地平面上金属贴片。基底可以是柔性的，这种情况下它可以与管的内表面一致。在微带贴片内，金属贴片被印在电介质上。微带贴片具有重量轻、 便宜和易于与其它电子器件集成的优点。本文使用的术语“多相”是指包括至少两相材料的组分。多相组分可以包括油、水和气的某种组合。例如，组分可以包括气和水。组分可以包括气和油。本文使用的术语“无线电或微波频率范围”是指在几百MHz到几十GHz之间的电磁频率。本文使用的术语“管”是指其中多相组分的流动是可能的任何结构。即，该术语并不限于作为横截面 实质上圆形的实质上封闭的纵向元件(例如，在卫生保健和管道工程中使用的术语)。在一些油气应用中，管包含例如气和流体(例如，油/水)的两种材料的混合物或者油和水的乳状液。在实施例中，在频率范围上激励一个或多个贴片，并在该频率范围上测量反射和/或发射功率。对于给定管直径，系统的共振频率取决于管内部介质的电容率(介电常数)。介电特性是与频率有关的复数量。介电常数的实部是在存在电场时如何轻松极化材料的指示。介电常数的虚部表示在介质中的损耗。共振模式可以由共振频率、Q因数和峰值的幅度来表征。随组分变化的共振频率偏移用来估计混合物的相馏分。另外，还可以使用共振的品质因数(Q)和共振峰值的幅度。共振频率和介电常数的实部成反比。由Q 因数所量化的共振峰值的幅度和锐度与介电常数的虚部成反比。例如，随着水含量增加，有效介电常数增加而共振频率降低。类似地，如果水例如由于盐度而损耗，则将导致峰值幅度减小而峰值宽度增加。由于峰值的识别(分辨率)成为难题，因此随着水含量增加，使用共振频率方法估计相馏分变得困难。为了估计流速率，在沿管轴线的两个位置的共振频率可以用两组贴片来测量，并且可使用互相关技术。在断层分析重建的情况下可以使用类似方法。本专利技术的多方面使用工作在RF/微波频率范围内的一个或多个贴片天线来测量管内部流动的本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种计量管（１００）内多相组分的方法（１０），包括：将工作在无线电或微波频率范围内的至少一个贴片天线（３０）定位于接近所述多相组分（１２）；在频率范围上对所述至少一个贴片天线（３０）进行激励（１４）；随时间测量发射和反射信号（１６）；估计基准共振频率（１８）；估计共振频率从所述基准共振频率的偏移；基于所述偏移计算所述多相组分的电容率（２０）；以及基于所述电容率计算所述多相组分的相组分（２２）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：A·C·谢拉瓦德，M·D·戈德博尔，P·夏马，M·K·K·米塔尔，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US