DE4220440A1 - MEASURING ORGAN OR SENSOR FOR DETECTING GAS LIQUID FLOWS - Google Patents
MEASURING ORGAN OR SENSOR FOR DETECTING GAS LIQUID FLOWSInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Meßfühlorgan oder einen Sensor zum Nachweis wenigstens einer Kenngröße oder Eigenschaft eines durch eine Leitung fließenden Fluids, insbesondere eines in einer Rohrleitung fließenden Erdöls.The invention relates to a measuring element or a sensor to prove at least one parameter or property a fluid flowing through a line, in particular of petroleum flowing in a pipeline.
Aus Bohrlöchern kommendes Erdöl besteht normalerweise aus einem zweiphasigen Fluid, das eine flüssige Phase und eine Gasphase beinhaltet. Eine der wichtigsten Größen, die bei einer Ölquellenrohrleitung nachgewiesen und kontrolliert werden müssen, ist das Verhältnis von Gas im Rohöl. Daher werden eine Vielzahl verschiedener Verfahren und Systeme eingesetzt, um das Vorhandensein von Gas im fließenden Öl nachzuweisen.Petroleum coming from wells usually consists of a two-phase fluid, which is a liquid phase and a Includes gas phase. One of the main sizes at proven and checked in an oil well pipeline is the ratio of gas in crude oil. Therefore are a variety of different processes and systems used to detect the presence of gas in the flowing oil to prove.
Zu den bekannten Verfahren zum Nachweis des Fließens zweiphasiger Fluide zählt das Messen der Schwankungen des elektrischen Widerstandes des zu überwachenden zweiphasigen Strömungsmittels. Die zum Messen dieser Schwankungen eingesetzte Gerätschaft verfügt allgemein über ein Fühlelement, mit einem Elektrodenpaar, an das eine vorbestimmte Spannung angelegt ist. Wenn der Meßfühler in eine flüssige Phase der Strömung eingetaucht wird, nimmt der Widerstand zwischen den beiden Elektroden einen bestimmten, im Verhältnis zur überwachten Flüssigkeit stehenden Wert an. Wenn sich der Meßfühler jedoch in der Gasphase der Strömung befindet, sind die beiden Elektroden im wesentlichen isoliert, da der Widerstand einen extrem hohen Wert annimmt. Mit diesem Verfahren sind mehrere Nachteile verbunden. So ist es zum Beispiel bei nichtleitenden Flüssigkeiten wie Öl nicht anwendbar. Darüberhinaus besteht bei leitenden Flüssigkeiten die große Gefahr, daß aufgrund der angelegten Spannung eine chemische Reaktion stattfindet.The known methods for the detection of flow two-phase fluids counts measuring the fluctuations of the electrical resistance of the two-phase to be monitored Fluid. The one to measure these fluctuations used equipment generally has a Sensing element, with a pair of electrodes, to one predetermined voltage is applied. If the sensor is in a liquid phase of the flow is immersed the resistance between the two electrodes one determined, in relation to the monitored liquid pending value. However, if the sensor is in the The two electrodes are the gas phase of the flow essentially isolated because the resistance is extremely assumes high value. With this procedure there are several Disadvantages connected. For example, it is with non-conductive liquids such as oil not applicable. In addition, there is a large one for conductive liquids Danger of a chemical Reaction takes place.
US-PS 42 86 208 beschreibt einen Detektor zum Nachweis der Grenzfläche zweier Flüssigkeiten bei einem bestimmten Pegel. Der Grenzflächendetektor enthält eine Schaltung zum Nachweis des Vorhandenseins mindestens zweier Fluide, um eine Trennschicht dazwischen aufzubauen. Die Detektionsschaltung erzeugt ein Ausgangssignal, einer veränderlichen Impulslänge, die von der Art des vorhandenen Fluids bestimmt wird. Der Detektor beinhaltet ferner wenigstens eine Schaltung zur Erzeugung eines Referenzsignals vorbestimmter Impulslänge und eine Einrichtung zum Vergleich der Impulslänge des Ausgangssignals der Detektionsschaltung mit der vorbestimmten Impulslänge des Referenzsignals. Es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das bezeichnend dafür ist, ob ein erstes oder ein zweites Fluid vorhanden ist. Bei der Detektionsschaltung wird eine oder es werden mehrere kapazitive Meßfühlvorrichtungen verwendet, die eine elektrische Impulsfolge kapazitiv übertragen. Die elektrischen Impulse werden verändert, sobald eine geerdete elektrisch leitende Flüssigkeit in die engere Umgebung jeder kapazitiven Meßfühlervorrichtung kommt. Die Änderung der elektrischen Impulse wird durch die Detektionsschaltung in ein Ausgangssignal mit verschiedenen Impulslängen umgewandelt. Der Flüssigkeitsgrenzflächendetektor weist für jede zusätzliche kapazitive Meßfühlvorrichtung in der Detektionsschaltung einen Sensor zur Erzeugung zusätzlicher Referenzsignale auf, von denen jedes eine andere vorbestimmte Impulslänge und eine zusätzliche Vorrichtung zum Vergleich jedes Referenzsignals der Referenzschaltung mit dem Ausgangssignal der Detektionsschaltung hat. Auf diese Art gibt der Detektor gemäß US-PS 42 86 208 an, welche Flüssigkeit von zweien vorhanden ist.US-PS 42 86 208 describes a detector for the detection of Interface between two liquids at a certain one Level. The interface detector contains a circuit for Evidence of the presence of at least two fluids in order to build a separating layer between them. The Detection circuit generates an output signal, one variable pulse length, depending on the type of existing Fluid is determined. The detector also includes at least one circuit for generating a Reference signal of predetermined pulse length and a Device for comparing the pulse length of the Output signal of the detection circuit with the predetermined pulse length of the reference signal. It will be a Output signal generated, which is indicative of whether a first or a second fluid is present. In the Detection circuit becomes one or more capacitive measuring devices used, the one Capacitive transfer of electrical pulse train. The electrical impulses are changed as soon as a grounded electrically conductive liquid in the immediate vicinity any capacitive probe device comes. The change of the electrical impulses is through the detection circuit into an output signal with different pulse lengths converted. The liquid interface detector points to any additional capacitive measuring device in the Detection circuit a sensor for generating additional Reference signals, each one a different one predetermined pulse length and an additional device to compare each reference signal of the reference circuit with the output signal of the detection circuit. On this type of detector indicates according to US-PS 42 86 208 what liquid is present from two.
Ein weiteres Verfahren zum Nachweis des Fließens von zweiphasigen Gas/Flüssigkeits-Fluiden benutzt die Messung von Lichtintensitätsschwankungen. Bei diesem Verfahren besteht das übliche Instrument aus einer zu einem U gebogenen Lichtleitfaser. Ein Teil des Faserschutzmantels wird entfernt. Der exponierte Teil wird dann als ein Meßfühler benutzt, der im Zweiphasenfluß angeordnet wird.Another method of detecting the flow of two-phase gas / liquid fluids used the measurement of light intensity fluctuations. With this procedure the usual instrument consists of one to a U curved optical fiber. Part of the fiber protection jacket will be removed. The exposed part is then called a Sensor used, which is arranged in two-phase flow.
Wenn der Meßfühler sich in der flüssigen Phase befindet, sinkt die Ausgangslichtintensität am anderen Ende der Lichtleitfaser, weil ein Teil des Lichtes in der Flüssigkeit bleibt (die Differenz zwischen Refraktionsmeßzahl der Flüssigkeit und der Faser ist dabei sehr klein). Befindet sich der Meßfühler in der Gasphase, wird das Licht völlig reflektiert und die Ausgangsintensität entspricht im wesentlichen der Eingangsintensität. Es hat sich herausgestellt, daß dieses Verfahren nicht anwendbar ist, wenn kleine Blasen oder hochviskose Flüssigkeiten, wie Rohöl, vorhanden sind.When the probe is in the liquid phase, the output light intensity decreases at the other end of the Optical fiber because part of the light in the Liquid remains (the difference between Refraction index of the liquid and the fiber is included tiny). If the sensor is in the gas phase, the light is completely reflected and the Output intensity corresponds essentially to that Input intensity. It has been found that this Procedure is not applicable when small bubbles or highly viscous liquids, such as crude oil, are present.
US-PS 45 16 432 beschreibt ein Instrument zur Messung von zweiphasigen Gas/Flüssigkeits-Strömen, bei dem eine senkrecht zur Strömung befindliche Lichtleitfaser verwendet wird. Einer der Mängel des von Hironaga et al. verwendeten Instrumentes ist, daß sich Rückstandsöl auf den optischen Fenstern ansammelt und diese demzufolge immer wieder gereinigt werden müssen.US-PS 45 16 432 describes an instrument for measuring two-phase gas / liquid flows, in which one Optical fiber located perpendicular to the flow is used becomes. One of the shortcomings of the Hironaga et al. used Instrumentes is that residual oil on the optical Windows accumulates and consequently again and again need to be cleaned.
Eines der mit Ölquellenrohrleitungen verbundenen Probleme besteht darin, daß die Kolben der Kolbenpumpen stark beschädigt werden können, wenn es ein Mißverhältnis zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsmenge in dem durch die Rohrleitung fließenden Fluid gibt. Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Meßfühlorgan, das insbesondere zur Überwachung des Flusses durch Ölquellenrohrleitungen eingesetzt werden kann, wobei der Fluß aus einer nichtleitenden Flüssigkeit, wie Öl, und einer Gasphase besteht. Es ist wünschenswert, daß das Meßfühlorgan von einer Fernüberwachungsanlage aus kontrolliert werden kann, um so Fehler in den Quellen bereits in deren Anfangsstadien nachzuweisen, bevor größere Schäden entstehen.One of the problems associated with oil well piping is that the pistons of the piston pumps are strong can be damaged if there is a mismatch between the amount of gas and liquid in the through the pipeline gives flowing fluid. Therefore there is a Need for an improved sensing element, in particular to monitor the flow through oil well pipelines can be used, the river from a non-conductive liquid, such as oil, and a gas phase consists. It is desirable that the sensing element of can be controlled from a remote monitoring system, all the more mistakes in the sources in their early stages to be proven before major damage occurs.
In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art unter Minderung der erkannten Mängel zu verbessern.Knowing this state of the art Inventor set the goal of a device of the beginning described type while reducing the identified defects improve.
So ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Meßfühlorgan bereitzustellen, das den Fluß eines Gas/Flüssigkeits- Fluides durch eine Ölquellenrohrleitung nachweisen kann. Es soll insbesondere Flüssigkeiten verschiedener Viskosität, die durch eine Rohrleitung fließen, erkennen können, wenn das Volumen der durch die Rohrleitung fließenden Flüssigkeit im wesentlichen konstant gehalten wird.It is the aim of the present invention to provide a measuring element to provide the flow of a gas / liquid Can detect fluids through an oil well pipeline. It especially liquids of different viscosity, that flow through a pipe can recognize when the volume of the flowing through the pipeline Liquid is kept essentially constant.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Meßfühlorgan bereitzustellen, das auch als ein einfacher Fließdetektor und als ein Durchflußmesser bei homogenen, durch eine Rohrleitung fließenden Medien eingesetzt werden kann. Es soll über Vorrichtungen verfügen, den Fluß eines zweiphasigen Gas/Flüssigkeits- Fluides nachzuweisen.Yet another object of the present invention is to provide a sensing element, also known as a simple flow detector and as a flow meter at homogeneous media flowing through a pipe can be used. It's supposed to be about devices have the flow of a two-phase gas / liquid Detect fluids.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Patentanspruchs; die Unteransprüche geben weitergehende Verbesserungen an.The teaching of the independent leads to the solution of this task Claim; the subclaims give further Improvements.
Die vorgenannten Ziele und Vorteile werden durch das erfindungsgemäße Meßfühlorgan bzw. den Sensor nach der Erfindung ohne weiteres erreicht. Der Sensor enthält ein bewegliches Meßfühlelement, das in eine Leitung eingesetzt wird und zumindest teilweise in das durch die Leitung oder Rohrleitung fließende Fluid eintaucht, Organe zum Nachweis der durch irgendeine Ortsveränderung als Folge des Flusses des Fluids hervorgerufene Bewegung des Meßfühlelements sowie Einrichtungen, die ein für das beobachtete Fluid repräsentatives elektrisches Signal erzeugen als Antwort auf die detektierte Bewegung des Meßfühlelements. The aforementioned goals and advantages are achieved through the inventive measuring element or the sensor according to the Invention easily achieved. The sensor contains a Movable measuring element, which is inserted into a line is and at least partially in that through the line or Pipeline flowing fluid immersed, organs for detection by any change of location as a result of the river movement of the sensor element caused by the fluid as well as facilities that have a for the observed fluid generate a representative electrical signal in response on the detected movement of the measuring element.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist das Meßfühlelement einen Stab aus nichtmagnetischem Werkstoff auf, der so in einer Gehäusekonstruktion gelagert ist, daß er oszillierende Bewegungen ausführen kann. Das Meßfühlelement enthält weiterhin ein Kopfstück, das an einem Ende des Stabes befestigt ist, aus einem magnetischen Werkstoff wie einem ferromagnetischen Material oder einem Permanentmagneten. Das Kopfstück wird aus seiner Ruhelage verschoben, sobald ein Fluid das Meßfühlelement streift. Die beiden elektrischen Spulen sind in einem Gehäuse gelagert, um ein Magnetfeld aufzubauen. Durch die Überwachung der - von der Verlagerung des magnetischen Kopfstückes herrührenden - Schwankungen im Magnetfeld, kann man verschiedene Eigenschaften des Fluidflusses in der Rohrleitung bestimmen.In a preferred embodiment of the present invention the measuring element has a rod made of non-magnetic Material that is stored in a housing construction is that it can make oscillating movements. The Sensor element also contains a head piece that one end of the rod is attached from a magnetic Material such as a ferromagnetic material or a Permanent magnets. The headpiece is from its rest position shifted as soon as a fluid touches the sensor element. The two electrical coils are in one housing stored to build up a magnetic field. Through the Monitoring the - from the shift of the magnetic Head piece originating - fluctuations in the magnetic field, can be different properties of fluid flow in the Determine the pipeline.
Ist zum Beispiel der Fluß des Fluids durch die Rohrleitung homogen, d. h. gasförmig oder flüssig, kann man das Meßfühlorgan zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einsetzen. Das Meßfühlorgan könnte alternativ auch zum Nachweis des Vorhandenseins oder Fehlens eines Fließens in der Rohrleitung eingesetzt werden.For example, is the flow of fluid through the pipeline homogeneous, d. H. gaseous or liquid, you can do that Sensor element for measuring the flow velocity deploy. The measuring element could alternatively to Evidence of the presence or absence of flow in the pipeline.
Weiterhin kann man mit dem erfindungsgemäßen Meßfühlorgan Schwankungen der Mengenverhältnisse der beiden Bestandteile des Fluids nachweisen, sofern das Medium mit einer konstanten Geschwindigkeit fließt und es aus zwei Bestandteilen mit deutlich unterschiedlichen Viskositäten besteht.Furthermore, one can with the measuring element according to the invention Fluctuations in the proportions of the two components of the fluid, if the medium with a constant velocity flows and it consists of two Ingredients with significantly different viscosities consists.
Nach der erfindungsgemäßen Lehre weist also das Meßfühlorgan ein bewegliches Meßfühlelement auf, das zumindest teilweise in das durch die Rohrleitung fließende Fluid eingetaucht ist, zwei elektrische Spulen zum Nachweis von Bewegung des Meßfühlelements, die der Ortsveränderung aufgrund des Flusses des Fluids folgt, und elektrische Einrichtungen, die ein elektrisches Signal erzeugen, das für das nachgewiesene Fluid als Antwort auf die nachgewiesene Bewegung des Meßfühlelements steht.According to the teaching of the invention, this shows Sensor organ on a movable sensor element, the at least partially in the flowing through the pipeline Fluid is immersed in two electrical coils for detection of movement of the measuring element, that of the change in position follows due to the flow of the fluid, and electrical Devices that generate an electrical signal that for the detected fluid in response to the proven movement of the sensor element is.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht das Meßfühlelement aus einer einends festliegenden Platte aus nichtmagnetischem Werkstoff, die innerhalb einer Gehäusekonstruktion gelagert ist, um eine oszillierende Bewegung zu ermöglichen. Dieses Meßfühlelement weist weiterhin ein Kopfstück auf, das an einem Ende der Platte befestigt ist und aus einem magnetischen Werkstoff - wie einem ferromagnetischen Werkstoff oder einem Permanentmagneten - besteht. Sobald ein Fluid das Meßfühlelement berührt, wird das Kopfstück aus seiner Ruhelage verschoben. Die beiden elektrischen Spulen befinden sich innerhalb eines Ummantelungsteils zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Durch die Überwachung von Magnetfeldschwankungen, die aufgrund der Verschiebung des magnetischen Kopfstückes entstehen, können verschiedene Eigenschaften des durch die Rohrleitung fließenden Fluids bestimmt werden.In a preferred embodiment of the present invention the measuring element consists of a fixed one end Plate made of non-magnetic material within a Housing construction is mounted to an oscillating To allow movement. This sensor element has continue to have a headpiece on that at one end of the plate is attached and made of a magnetic material - like a ferromagnetic material or one Permanent magnets - exists. Once a fluid that Touching sensor element, the head piece is out of his Rest position shifted. The two electrical coils are located within a sheathing part Generation of a magnetic field. By monitoring Magnetic field fluctuations due to the displacement of the magnetic head piece can arise different Properties of the fluid flowing through the pipeline be determined.
Das Meßfühlelement und die Spulen sind durch ein mechanisches Dichtungsorgan getrennt, das eine Berührung des Fluids innerhalb der Leitung mit den Spulen verhindert.The sensor element and the coils are by a mechanical sealing member separated, which is a touch of the fluid within the line with the coils prevented.
Zudem schließen erfindungsgemäß die vorgenannten Generierungsorgane elektronische Schaltungen zur Verstärkung und Behandlung des von den Spulen erzeugten elektrischen Signals und zur Erzeugung eines Ausgangssignals ein, das für ein Aufzeichnungsgerät verwendbar ist.In addition, the aforementioned close according to the invention Generating organs for electronic circuits Reinforcement and treatment of that generated by the coils electrical signal and to generate a Output signal for a recording device is usable.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung wird ein Signal erzeugt, welches bezüglich eines Fluids aus zwei Komponenten das Verhältnis des ersten Bestandteils zum zweiten Bestandteil angibt.According to another feature of the invention, a signal generated which with respect to a fluid from two Components the ratio of the first component to the specifies second component.
Im Rahmen der Erfindung kann zudem ein Signal erzeugt werden, welches das Vorhandensein des vorgenannten Fluids in der Leitung angibt und/oder die Fließgeschwindigkeit des Fluids in der Leitung.A signal can also be generated within the scope of the invention be the presence of the aforementioned fluid indicates in the line and / or the flow rate of the Fluids in the line.
Das Meßfühlorgan wird - wie gesagt - in der Rohrleitung an einer gewünschten Stelle sicher befestigt, wozu es mit einem Ummantelungsteil oder Rohrmantelabschnitt ausgestattet ist; in diesem ist das stab- oder streifenartig längliche Meßfühlelement schwingbar beweglich gelagert, d. h. fußwärts so festgelegt, daß das mit dem Magnetorgan ausgestattete andere Ende frei schwingt. Das Meßfühlelement weist eine gewünschte Dicke und eine gewünschte Breite auf und ist innerhalb der Rohrleitung so ausgerichtet, daß es mit seiner Breite im wesentlichen senkrecht zur Richtung des Ölflusses verläuft.The sensor is - as I said - in the pipeline securely attached to a desired location, which is why with a casing part or tubular casing section Is provided; in this is the stab or strip-like elongated measuring element can be swiveled stored, d. H. set footwards so that with the Magnet end equipped other swinging freely. The Sensor element has a desired thickness and a desired width and is so within the pipeline aligned that its width is essentially runs perpendicular to the direction of the oil flow.
Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Verwendung zum Detektieren eines Erdölstroms in einer Pipeline umfaßt das Meßfühlorgan eine Einrichtung zur Erzeugung zweier Magnetfelder sowie eine Einrichtung zum Detektieren von Veränderungen in vorgenannten Magnetfeldern aufgrund der Lageveränderung des Magnetorgans des Meßfühlelements und zum Erzeugen eines Ausgangssignales, das für eine Kenngröße des vorgenannten Ölflusses repräsentativ ist.In the preferred use according to the invention for Detecting oil flow in a pipeline includes this Measuring device a device for generating two Magnetic fields and a device for detecting Changes in the aforementioned magnetic fields due to the Change in position of the magnetic element of the measuring element and for generating an output signal that is used for a parameter of the aforementioned oil flow is representative.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:Further advantages, features and details of the invention emerge from the description below more preferred Exemplary embodiments and with reference to the drawing; these shows in:
Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch eine mit einem Meßfühlorgan ausgestattete Rohrleitung; FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an equipped with a Meßfühlorgan pipeline;
Fig. 2 einen teilweisen Längsschnitt durch Fig. 1; Fig. 2 is a partial longitudinal section through Fig. 1;
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Frontansicht des Meßfühlorgans; Fig. 3 is a partially sectioned front view of the sensor element;
Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht des Meßfühlorgans; Fig. 4 is a sectional side view of the sensor element;
Fig. 5 zeigt eine Explosionsdarstellung des Meßfühlorgans. Fig. 5 shows an exploded view of the sensor element.
Ein Sensor bzw. Meßfühlorgan 10 weist einen Rohrmantelabschnitt 12 und an diesem ein bügelartiges Traggehäuse 14 auf. Der Rohrmantelabschnitt 12 ist mit einem Außengewinde 16 zum Festlegen des Meßfühlorgans 10 innerhalb eines Nippels oder Anschlußstückes 18 einer Leitung 20 ausgestattet, so daß das Traggehäuse 14 in die Leitung 20 hineinragt. Für den Rohrmantelabschnitt 12 und das Anschlußstück 18 kann jedes passende Gewinde - beispielsweise ein NPT (National Pipe Taper)-Gewinde - benutzt werden.A sensor or measuring element 10 has a tubular casing section 12 and a bracket-like support housing 14 thereon. The tubular casing section 12 is provided with an external thread 16 for fixing the measuring element 10 within a nipple or connecting piece 18 of a line 20 , so that the support housing 14 projects into the line 20 . Any suitable thread - for example an NPT (National Pipe Taper) thread - can be used for the pipe jacket section 12 and the connecting piece 18 .
Innerhalb des Traggehäuse 14 des Meßfühlorgans oder Sensors 10 ist ein Meßfühlteil 22 in Form einer Sensor- oder Meßfühlplatte der Breite n befestigt. Diese ist in irgendeiner brauchbaren Weise, z. B. durch Punktschweißen oder dgl., am Bodenteil 24 des Traggehäuses 14 befestigt und befindet sich, wie vor allem Fig. 3 entnommen werden kann, darauf mittig zwischen den Seitenschenkeln 26, 28 des Traggehäuses 14. Die Meßfühlplatte 22 ist innerhalb des Traggehäuses 14 montiert, um oszillierende Bewegungen zwischen einer Ruhelage und einer Vielzahl von Meßpositionen, während des Fließens eines Mediums in der Leitung zu ermöglichen, welches die Meßfühlplatte 22 berührt.A measuring part 22 in the form of a sensor or measuring plate of width n is fastened within the support housing 14 of the measuring element or sensor 10 . This is in some useful way, e.g. B. by spot welding or the like. Attached to the bottom part 24 of the support housing 14 and, as can be seen in particular from FIG. 3, is located centrally between the side legs 26 , 28 of the support housing 14 . The sensor plate 22 is mounted within the support housing 14 to allow oscillating movements between a rest position and a plurality of measuring positions while flowing a medium in the line which touches the sensor plate 22 .
Die Meßfühlplatte 22 besteht bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Werkstoff wie rostfreiem Stahl, und ihr freies Ende trägt ein daran befestigtes Kopfstück 30, das aus einem magnetischen Werkstoff - wie einem ferromagnetischen Material - besteht oder als Permanentmagnet ausgebildet ist.The sensor plate 22 is preferably made of a non-magnetic material such as stainless steel, and its free end carries an attached head piece 30 , which consists of a magnetic material - such as a ferromagnetic material - or is designed as a permanent magnet.
Insbesondere Fig. 3 und 5 verdeutlichen, daß das Traggehäuse 14 und entsprechend die Meßfühlplatte 22 an dem Rohrmantelabschnitt 12 mit Hilfe von Schraubelementen 32 befestigt sind. Die am Bodenteil 24 des Traggehäuses 14 befestigte Meßfühlplatte 22 kann in Abhängigkeit von der ihr zu verleihenden Steifigkeit jede gewünschte Dicke haben und eine von der Viskosität des in der Leitung zu überwachenden Fluids abhängige Breite. Ist beispielsweise das Fluid ein hochviskoses Rohöl, wird eine schmale Platte einzusetzen sein; wenn jedoch das Fluid eine niedrige Viskosität hat, ist eine breitere Platte erforderlich, um eine meßbare Biegung der Meßfühlplatte 22 zu erreichen.In particular, Figs. 3 and 5 illustrate that the support housing 14 and accordingly the Meßfühlplatte 22 are attached to the tube jacket portion 12 by means of screw 32nd The measuring plate 22 fastened to the bottom part 24 of the support housing 14 can have any desired thickness depending on the rigidity to be imparted to it and a width depending on the viscosity of the fluid to be monitored in the line. If, for example, the fluid is a highly viscous crude oil, a narrow plate will have to be used; however, if the fluid has a low viscosity, a wider plate is required to achieve a measurable bend in the sensor plate 22 .
Wie der Zeichnung zu entnehmen, wird die Meßfühlplatte 22 so im Traggehäuse 14 gelagert, daß ihre Breite im wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des Fluids in der Rohrleitung 20 ist. Wie bereits erwähnt, steht die Ansprechbarkeit oder Sensitivität der Meßfühlplatte 22 in Bezug auf den Fluß in der Rohrleitung 20 in direktem Zusammenhang mit der Breite der Meßfühlplatte 22. Diese sollte, wie es wünschenswert, relativ breit sein, falls das durch die Leitung 20 fließende Fluid ein geringes Volumen hat.As can be seen in the drawing, the sensor plate 22 is mounted in the support housing 14 so that its width is essentially perpendicular to the direction of flow of the fluid in the pipeline 20 . As already mentioned, the responsiveness or sensitivity of the sensor plate 22 with respect to the flow in the pipeline 20 is directly related to the width of the sensor plate 22 . As should be desirable, this should be relatively wide if the fluid flowing through line 20 is small in volume.
Der Rohrmantelabschnitt 12 des Sensors oder Meßfühlorgans 10 ist mit einem Paar von Bohrungen 34 ausgestattet, in die ein Paar elektrischer Spulen 36a und 36e eingebracht sind. Die Spulen 36a, 36e und der Rohrmantelabschnitt oder Rohrstutzen 12 werden durch ein Dichtungsorgan 38, das mit einer Mutter 40 gegen einen Schraubkragen 13 des Rohrmantelabschnitts 12 und die Spulen 36a und 36e gehalten wird, von dem in der Leitung 20 fließenden Medium und dem Kopfstück 30 der Meßfühlplatte 22 getrennt. Das Dichtungsorgan 38 ruht in einem Innenraum 42 der Mutter 40 und verhindert, daß das Fluid aus der Rohrleitung 20 in den Rohrmantelabschnitt 12 eindringt und die elektrischen Spulen 36a und 36e berührt. Das Dichtungsorgan 38 besteht bevorzugt aus einer Scheibe aus rostfreiem Stahl mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 2,0 mm.The tubular casing section 12 of the sensor or measuring element 10 is equipped with a pair of bores 34 , into which a pair of electrical coils 36 a and 36 e are introduced. The coils 36 a, 36 e and the tubular casing section or pipe socket 12 are held by a sealing member 38 , which is held with a nut 40 against a screw collar 13 of the tubular casing section 12 and the coils 36 a and 36 e, from the medium flowing in the line 20 and the head piece 30 of the sensor plate 22 separately. The sealing member 38 rests in an interior 42 of the nut 40 and prevents the fluid from the pipeline 20 from entering the pipe jacket section 12 and touching the electrical coils 36 a and 36 e. The sealing member 38 preferably consists of a disc made of stainless steel with a thickness in the range from 0.1 to 2.0 mm.
Erfindungsgemäß werden die elektrischen Spulen 36a und 36e dazu benutzt, ein Magnetfeldpaar zu erzeugen. Die Magnetfelder wiederum werden eingesetzt, um die Lage des magnetischen Kopfstückes 30 auf der Meßfühlplatte 22 zu erkennen. Die elektrischen Spulen 36a und 36e sind bevorzugt in einer Halbbrückenanordnung (half bridge configuration) miteinander verbunden und mit drei Leitungen 46 an irgendeine handelsübliche elektrische Standardschaltung zur Verstärkung und Behandlung von Spulensignalen, je nach der Ortsveränderung des Kopfstückes 30 und einer Überwachungsbedingung des Flusses in der Rohrleitung 20, angeschlossen. Mit dem erfindungsgemäßen Meßfühlorgan 10 sind typische handelsübliche elektrische Schaltungen einsetzbar. Die Schaltung wird dazu verwendet, die von den Spulen 36a und 36e generierten Signale zu verstärken und zu behandeln sowie ein für ein Aufzeichnungsgerät oder dgl. Vorrichtung verwendbares Ausgangssignal zu erzeugen. Üblicherweise läßt die handelsübliche Schaltung ein Ausgangssignal im Standardbereich von ca. 4 bis 20 mA entstehen.According to the invention, the electrical coils 36 a and 36 e are used to generate a pair of magnetic fields. The magnetic fields in turn are used to detect the position of the magnetic head piece 30 on the measuring plate 22 . The electrical coils 36 a and 36 e are preferably connected to one another in a half bridge configuration and with three lines 46 to any commercially available standard electrical circuit for amplifying and treating coil signals, depending on the change in position of the head piece 30 and a monitoring condition of the flow in the pipeline 20 connected. Typical commercially available electrical circuits can be used with the measuring element 10 according to the invention. The circuit is used to amplify and treat the signals generated by the coils 36 a and 36 e and to generate an output signal that can be used for a recording device or the like. The commercially available circuit usually produces an output signal in the standard range of approx. 4 to 20 mA.
Wie vorhergehend erläutert, kann das Meßfühlorgan 10 der vorliegenden Erfindung zur Überwachung einer Reihe von Parametern dienen, die mit dem Fluß durch die Leitung 20 zusammenhängen. Zum Beispiel kann es dazu benutzt werden, die Gasmenge des in der Leitung fließenden Öles zu messen. Es sollte daran gedacht werden, daß, im Falle einer durch die Rohrleitung fließenden Flüssigkeit wie Rohöl, deren Viskosität relativ hoch ist. Wenn das Fluid auf die Meßfühlplatte 22 auftrifft, entsteht daher eine Kraft, welche die Platte um einen Drehpunkt bzw. eine Drehachse bewegt, der/die etwa durch Punktschweißen der Meßfühlplatte 22 an Traggehäuse 14 entstanden ist. Die Bewegung der Meßfühlplatte 22 aus ihrer Ruhelage verändert die Lage des Endes mit dem magnetischen Kopfstück 30. Dessen Verschiebung erzeugt wiederum eine Schwankung im Magnetfeld der Spulen 36a und 36e und diese Schwankung ist meßbar. Die gemessene Schwankung wird dann von einer handelsüblichen Schaltung weiterverarbeitet, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das für das durch die Leitung 20 fließende Medium repräsentativ ist. As previously explained, the sensing element 10 of the present invention can be used to monitor a number of parameters related to the flow through line 20 . For example, it can be used to measure the amount of gas in the oil flowing in the line. It should be borne in mind that, in the case of a liquid such as crude oil flowing through the pipeline, its viscosity is relatively high. When the fluid strikes the sensor plate 22 , a force is therefore generated which moves the plate about a fulcrum or an axis of rotation, which has arisen, for example, by spot welding the sensor plate 22 to the support housing 14 . The movement of the sensor plate 22 from its rest position changes the position of the end with the magnetic head piece 30 . Its displacement in turn produces a fluctuation in the magnetic field of the coils 36 a and 36 e and this fluctuation is measurable. The measured fluctuation is then processed by a commercially available circuit to generate an output signal which is representative of the medium flowing through line 20 .
Ist das durch die Leitung 20 fließende Medium Gas, so wird es im wesentlichen keine Änderung im Magnetfeld der Spulen geben und daher auch kein elektronisches Signal. Das Fehlen jeder Veränderung im Magnetfeld, kommt von der verhältnismäßig niedrigen Viskosität des durch die Rohrleitung 20 fließenden Gases und davon, daß sich die Meßfühlplatte 22 nicht in fühlbarem Maße biegt.If the medium flowing through line 20 is gas, there will be essentially no change in the magnetic field of the coils and therefore no electronic signal. The lack of any change in the magnetic field comes from the relatively low viscosity of the gas flowing through the tubing 20 and from the fact that the sensor plate 22 does not bend to any appreciable extent.
Wenn das durch die Rohrleitung 20 fließende Medium ein zweiphasiges Gas/Flüssigkeit-Fluid ist, wird eine Biegung der Meßfühlplatte 22 entstehen, die ein elektrisches Signal erzeugt, das mit Anstieg der flüssigen Phase und der dementsprechend größeren Biegung der Meßfühlplatte 22 zunimmt.If the medium flowing through the tubing 20 is a two-phase gas / liquid fluid, there will be a bend in the sensor plate 22 which will produce an electrical signal which increases with the increase in the liquid phase and the correspondingly larger bend in the sensor plate 22 .
Das erfindungsgemäße Meßfühlorgan 10 kann als Meßgerät zur Überwachung von Fluiden mit im wesentlichen verschiedenen Viskositäten eingesetzt werden. Man kann die Meßfühlplatte 22 so kalibrieren, daß ihr Ausgangssignal dazu benutzt werden kann, das Mischungsverhältnis zweier durch die Rohrleitung 20 fließender Flüssigkeiten zu bestimmen. Zum Beispiel kann das Meßfühlorgan 10 dazu eingesetzt werden, das Verhältnis von Wasser und Öl, die durch eine Rohrleitung fließen, zu bestimmen, da die Viskositäten dieser beiden Flüssigkeiten voneinander wesentlich verschieden sind. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Meßfühlorgans 10 ist, daß es auch ausschließlich dazu benutzt werden kann, das Vorhandensein oder Fehlen eines Flusses in der Rohrleitung 20 festzustellen. Ist kein Fluß in der Rohrleitung; bleibt die Meßfühlplatte 22 in ihrer Ruhelage; wenn es jedoch einen Fluß oder Strom in der Rohrleitung 20 gibt, wird sich die Meßfühlplatte 22 bewegen und ein Signal erzeugen, das anzeigt, daß ein Fluid durch die Rohrleitung 20 fließt.The measuring element 10 according to the invention can be used as a measuring device for monitoring fluids with essentially different viscosities. The sensor plate 22 can be calibrated so that its output signal can be used to determine the mixing ratio of two liquids flowing through the pipeline 20 . For example, the sensing element 10 can be used to determine the ratio of water and oil flowing through a pipeline since the viscosities of these two liquids are significantly different from one another. Another advantage of the measuring element 10 according to the invention is that it can also be used exclusively to determine the presence or absence of a flow in the pipeline 20 . There is no flow in the pipeline; the sensor plate 22 remains in its rest position; however, if there is a flow or current in the tubing 20 , the probe plate 22 will move and generate a signal indicating that a fluid is flowing through the tubing 20 .
Das Meßfühlorgan 10 der vorliegenden Erfindung kann auch als Geschwindigkeitsmesser (flow meter) bei homogenen Flüssigkeiten dienen. In diesem Fall kann das Meßfühlorgan 10 so kalibriert bzw. eingestellt werden, daß sein Ausgangssignal die Geschwindigkeit des durch die Rohrleitung 20 fließenden Mediums wiedergibt. Dies ist möglich, da das Ausgangssignal proportional zur Geschwindigkeit des durch die Rohrleitung 20 fließenden Fluids ist. In diesem Fall würde man natürlich ein Meßfühlorgan 10 bereitstellen, das die Temperatur des Fluids in der Rohrleitung 20 mißt, da dieser Wert Einfluß auf die Einstellung der Meßfühlplatte 22 hat.The sensor element 10 of the present invention can also serve as a flow meter for homogeneous liquids. In this case, the measuring element 10 can be calibrated or adjusted so that its output signal reflects the speed of the medium flowing through the pipeline 20 . This is possible because the output signal is proportional to the speed of the fluid flowing through the tubing 20 . In this case one would of course provide a sensor element 10 which measures the temperature of the fluid in the pipeline 20 , since this value influences the setting of the sensor plate 22 .
Obwohl die Meßfühlplatte 22 bevorzugt aus rostfreiem Stahl sein sollte, kann sie auch aus anderen Werkstoffen hergestellt sein. Insbesondere bei Öl mit einem hohen Anteil an Sand, der einen Abrasionseffekt erzeugen kann, ist es möglich, den rostfreien Stahl durch einen keramischen Werkstoff zu ersetzen. Der verwendete keramische Werkstoff sollte natürlich im wesentlichen abriebfest gegenüber dem Sand im Ölfluß sein.Although the probe plate 22 should preferably be made of stainless steel, it can also be made of other materials. In particular with oil with a high proportion of sand, which can produce an abrasion effect, it is possible to replace the stainless steel with a ceramic material. The ceramic material used should of course be essentially resistant to abrasion against the sand in the oil flow.
Wie der vorangegangenen Beschreibung zu entnehmen ist, wird ein Meßfühlorgan 10 bereitgestellt, das zur Überwachung verschiedener Kennwerte eines durch eine Rohrleitung 20 fließenden Mediums dient. Das Meßfühlorgan 10 hat den Vorteil, relativ einfach konstruiert zu sein. Es hat weiterhin den Vorteil, daß das Meßfühlorgan 10, wenn es einen Defekt haben sollte, einfach ausgetauscht werden kann. Um einen solchen Wechsel vorzunehmen, muß man nur den Rohrmantelabschnitt 12 von der Rohrleitung 20 abschrauben und es mit einem anderen Meßfühlteil in einem anderem Traggehäuse austauschen.As can be seen from the preceding description, a measuring element 10 is provided which is used to monitor various characteristic values of a medium flowing through a pipeline 20 . The measuring element 10 has the advantage of being of relatively simple construction. It also has the advantage that the measuring element 10 , if it should have a defect, can be easily replaced. To make such a change, one only has to unscrew the pipe jacket section 12 from the pipeline 20 and replace it with another sensor part in a different support housing.
Das Meßfühlorgan 10 der vorliegenden Erfindung hat weiterhin den Vorteil, daß seine Sensitivität durch den Einsatz einer Meßfühlplatte mit einer speziell für das durch die vorgesehene Rohrleitung 20 fließende Medium ausgesuchten Breite wesentlich erhöht werden kann. The sensor element 10 of the present invention has the further advantage that its sensitivity can be significantly increased by using a sensor plate with a width selected specifically for the medium flowing through the pipeline 20 provided.
Es ist offensichtlich, daß mit dem erfindungsgemäßen Meßfühlorgan eine Vorrichtung geschaffen wurde, die das Vorhandensein eines Fließens in Rohrleitungen der Erdölproduktion nachweist und die vorgenannten Ziele, Mittel und Vorteile ohne weiteres erreicht. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten Ausführungen beschrieben wurde, umfaßt sie auch viele andere Alternativen, Modifikationen und Variationen, die für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich sind. Demgemäß sollen all solche Alternativen, Modifikationen und Variationen mit erfaßt werden, die in den Geist und den breiten Rahmen der nachfolgenden Ansprüche fallen, ebenso alle äquivalenten Mittel. It is obvious that with the invention Measuring device a device was created that the Presence of flow in pipelines of the Demonstrates oil production and the aforementioned objectives, Means and benefits easily achieved. Although the Invention in connection with certain designs it includes many others Alternatives, modifications and variations for one Average specialist can be seen. Accordingly, all such alternatives, modifications and variations with to be grasped in the spirit and broad scope of the the following claims, as well as all equivalents Medium.
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