DE9204374U1 - Device for measuring parameters characterizing multiphase flows - Google Patents
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Description
Vorrichtung zur Messung von mehrphasenströmungen
charakterisierenden ParameternDevice for measuring multiphase flows
characterizing parameters
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technisch wichtige Gebiet der Mehrphasenströmungen. Hiermit werden Strömungen bezeichnet, die aus mehreren Komponenten in den unterschiedlichen Aggregatzuständen (Gase, Flüssigkeiten, Feststoffteilchen ) bestehen, welche in Abhängigkeit von den Betriebsparametern unterschiedliche Verteilungsformen über den Querschnitt der Förderleitung annehmen können.The present invention relates to the technically important field of multiphase flows. This refers to flows that consist of several components in different aggregate states (gases, liquids, solid particles), which can assume different distribution forms across the cross-section of the conveyor line depending on the operating parameters.
Diese Verteilungsformen werden in Gruppen sog. Strömungsformen zusammengefaßt, welche eine sehr starke Einflußgröße beispielsweise für den Druckverlust entlang der Förderleitung und damit auf den Energiebedarf für die Förderung darstellen. Ein Beispiel für eine wichtige Gas/ Flüssigkeits- Strömungsform ist die sog. Slug- Strömung, bei der durch das Gas Flüssigkeitspfropfen (=slugs) mit hoher Geschwindigkeit durch die Förderleitung geschoben werden. In den Slugs selbst ist der Gasanteil sehr gering, während zwischen den Slugs i.A. nur ein dünner Flüssigkeitsfilm an der Rohrwand, und damit ein hoher Gasanteil vorhanden ist. In Pipelinesystemen für die Offshore- Erdölförderung können Sluglängen von 600 bis 1000 Rohrdurchmessern auftreten, die infolge der großen Massen und geringen Kompressibilität beträchtliche Impulskräfte auf Armaturen und Pumpen ausüben können.These distribution forms are grouped together in so-called flow forms, which have a very strong influence on the pressure loss along the production line and thus on the energy required for production. An example of an important gas/liquid flow form is the so-called slug flow, in which the gas pushes liquid plugs (=slugs) through the production line at high speed. The gas content in the slugs themselves is very low, while between the slugs there is generally only a thin liquid film on the pipe wall, and thus a high gas content. In pipeline systems for offshore oil production, slug lengths of 600 to 1000 pipe diameters can occur, which can exert considerable impulse forces on valves and pumps due to their large masses and low compressibility.
Meßgeräte, die eine Bestimmung der Zusammensetzung in Mehrphasenströmungen sowie die Detektion der momentanen Verteilungsform der Strömungskomponenten im Sensor ermöglichen, sind deshalb von hoher Bedeutung für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb von Mehrphasen- Transportsystemen. Aus den ermittelten Volumenanteilen der Komponenten lassen sich über deren Dichten die Massenanteile berechnen. Durch zyklische Ermittlung der momentanen Verteilungsform kann die vorherrschende Strömungsform bestimmt werden. Ferner kann die Bestimmung der Fördermengen durchgeführt werden, indem die Messung derMeasuring devices that enable the composition in multiphase flows to be determined as well as the detection of the current distribution form of the flow components in the sensor are therefore of great importance for the safe and economical operation of multiphase transport systems. From the determined volume proportions of the components, the mass proportions can be calculated using their densities. By cyclically determining the current distribution form, the predominant flow form can be determined. Furthermore, the flow rates can be determined by measuring the
Zusammensetzung mit einer Geschwindigkeitsmessung kombiniert wird.Composition is combined with a speed measurement.
Gut geeignet zur Messung der volumetrischen Gemischzusammensetzung in Mehrphasenströmungen ist die Impedanzmethode. Sie basiert auf den unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften (Permittivität, Leitfähigkeit) der Strömungskomponenten und deren Auswirkung auf die gemessene Impedanz (Kapazität, Leitwert) eines geeigneten Sensors. Trotz einer Reihe von Vorteilen wie z.B. hohe Ansprechgeschwindigkeit und Verzicht auf bewegliche Teile gibt es Einschränkungen wie z.B. die Empfindlichkeit des Meßwerts von der Verteilungsform, und es sind verschiedene Elektrodenanordnungen entwickelt worden, die versuchen, diese Abhängigkeit zu minimieren.The impedance method is well suited to measuring the volumetric mixture composition in multiphase flows. It is based on the different electrical properties (permittivity, conductivity) of the flow components and their effect on the measured impedance (capacitance, conductance) of a suitable sensor. Despite a number of advantages such as high response speed and the absence of moving parts, there are limitations such as the sensitivity of the measured value to the distribution shape, and various electrode arrangements have been developed that attempt to minimize this dependency.
In sehr speziellen Fällen, wenn die Grenzfläche zwischen den Strömungskomponenten eben und senkrecht oder parallel zu den ebenen Elektroden des Impedanzsensors liegt, kann die resultierende Impedanz leicht über die Parallel- bzw. Serienschaltung von Teilimpedanzen berechnet werden. Für den allgemeinen Fall, mit dispergierten Strömungskomponenten, wurde eine Reihe von analytischen Ansätzen entwickelt, die die Permittivität einer Mischung aus zwei Komponenten der spezifischen Permittivitäten el, &egr;2 als Funktion der Volumenanteile der Komponenten darstellen. Diese Ansätze basieren auf allgemeinen Annahmen bezüglich der Form der dispergierten Teilchen und sind sehr oft beschränkt auf relativ schmale maximale Konzentrationen. Ein guter Überblick über diese Modelle ist bei van Beek [1] gegeben.In very special cases, when the interface between the flow components is flat and perpendicular or parallel to the flat electrodes of the impedance sensor, the resulting impedance can easily be calculated by connecting partial impedances in parallel or in series. For the general case, with dispersed flow components, a number of analytical approaches have been developed that represent the permittivity of a mixture of two components of the specific permittivities el, ε2 as a function of the volume fractions of the components. These approaches are based on general assumptions regarding the shape of the dispersed particles and are very often limited to relatively narrow maximum concentrations. A good overview of these models is given by van Beek [1].
Trotz der relativ hohen Anzahl analytischer Modelle für die Mischungspermittivität in Zweikomponentenströmungen gibt es nur sehr wenige Modelle für Dreikomponentenströmungen, z.B. Dykesteen [2], der ein Modell von Maxwell [3] auf Dreikomponentenströmungen ausweitet. Hierbei gibt es im Unterschied zu den Zweikomponentenströmungen zwei Unbekannte — z.B. Gasgehalt &agr; und Wassergehalt &bgr; — , sodaß mindestens zwei Variablen gemessen werden müssen. Hammer [4] gibt einen Vorschlag für eine Meßstrategie zur Konzentrationsmessung in Öl/Wasser/Gas- Strömungen an, wobei sowohl Kapazität als auch Leitfähig-Despite the relatively high number of analytical models for the mixing permittivity in two-component flows, there are only very few models for three-component flows, e.g. Dykesteen [2], who extends a model by Maxwell [3] to three-component flows. In contrast to two-component flows, there are two unknowns here - e.g. gas content α and water content β - so that at least two variables have to be measured. Hammer [4] gives a suggestion for a measurement strategy for concentration measurement in oil/water/gas flows, where both capacitance and conductivity are taken into account.
keit der Mischung gemessen werden. Jede Messung ergibt eine Reihe möglicher Zusammensetzungen von &agr; und ß, sodaß die genaue Zusammensetzung aus dem Schnittpunkt der beiden Kurven ermittelt werden kann. Das Problem in diesem Fall besteht darin, aus einer Reihe von Kennfeldern das für die jeweilige Strömungsform richtige auszuwählen. Dies erfordert zusätzliche Informationen über die vorherrschende Strömungsform.ity of the mixture can be measured. Each measurement gives a range of possible compositions of α and ß, so that the exact composition can be determined from the intersection of the two curves. The problem in this case is to select the right one for the respective flow pattern from a range of characteristic maps. This requires additional information about the prevailing flow pattern.
Bei der in PS DE 38 16 867 Cl beschriebenen Vorrichtung zur Messung der Komponentenanteile stellt die notwendige Kalibrierung auf die elektrischen Stoffwerte einen bedeutenden Nachteil dar.In the device for measuring the component proportions described in PS DE 38 16 867 Cl, the necessary calibration to the electrical material values represents a significant disadvantage.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden und mit Hilfe einer geeigneten Meßanordnung die Anteile sowie die Verteilungsform der Komponenten in Mehrphasenströmungen zu bestimmen. Die nachstehend beschriebene Meßanordnung wurde ursprünglich für die Anwendung in Öl/Wasser/Gas- Strömungen in der Offshore-Erdölförderung entwickelt, kann jedoch leicht auf ein wesentlich weiteres Feld von Mehrkomponentenströmungen ausgeweitet werden.The purpose of the present invention is to overcome the above-mentioned disadvantages and to determine the proportions and the distribution form of the components in multiphase flows with the help of a suitable measuring arrangement. The measuring arrangement described below was originally developed for use in oil/water/gas flows in offshore oil production, but can easily be extended to a much wider field of multicomponent flows.
Zentrales Teil der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Meßanordnung ist ein Impedanzsensor ohne in die Strömung hineinragende Einbauten, der aus vorzugsweise acht Streifenelektroden (1) besteht, die gleichmäßig an der Innenseite des Rohres angebracht sind, Fig.l. Mittels einer Umschaltvorrichtung wird ein Impedanzmessgerät so mit den Sensorelektroden verbunden, daß die Impedanz zwischen mindestens 2 Elektroden gemessen wird. Die übrigen Elektroden werden dabei auf definierte Potentiale gelegt, so daß sich eine bestimmte elektrische Feldverteilung im Sensor einstellt.The central part of the measuring arrangement proposed according to the invention is an impedance sensor without any internal components protruding into the flow, which preferably consists of eight strip electrodes (1) that are evenly attached to the inside of the pipe, Fig. 1. An impedance measuring device is connected to the sensor electrodes by means of a switching device in such a way that the impedance between at least 2 electrodes is measured. The other electrodes are placed at defined potentials so that a certain electrical field distribution is established in the sensor.
Je nach Lage der Meßelektroden zueinander sowie nach der Anzahl der verwendeten Meßelektroden können auf diese Weise unterschiedliche Meßfelder im Sensor erzeugt werden. Diese Felder können schrittweise um die Sensorachse rotiert werden, so daß sich je nach Symmetriegrad eine unterschiedliche Anzahl von Meßfeldern je Gruppe ergibt. Fig. 2 zeigt die elektrischen Felder im ungestörten Zustand für dieDepending on the position of the measuring electrodes relative to each other and the number of measuring electrodes used, different measuring fields can be generated in the sensor. These fields can be rotated step by step around the sensor axis, so that a different number of measuring fields per group is produced depending on the degree of symmetry. Fig. 2 shows the electrical fields in the undisturbed state for the
wichtigsten Potentialverteilungen sowie die Symbole (2) für die daraus abgeleiteten Meßfelder. Bei einer Anordnung von 8 Elektroden können diese Meßfelder in die Gruppen der diametralen Felder D1-D4 (4), exzentrischen Felder E1-E8 (6), Wandfelder W1-W8 (8), Breitfelder B1-B4 (10), integralen Felder 11,12 (12), und das maltheserkreuzförmige Feld Ml (14) unterteilt werden. Diese Gruppen weisen stark unterschiedliche Eigenschaften auf. Die bei homogener Stoffverteilung nahezu homogenen diametralen Felder D1-D4 liefern einen Impedanzmess wert, dessen Empfindlichkeit entlang eines schmalen streifenformigen Bereichs diametral über den Sensorquerschnitt näherungsweise gleichmäßig verteilt ist. Die Breitfelder verhalten sich ähnlich, jedoch mit einer breiteren Empfindlichkeitsbereich. Wenn zu den exzentrischen und Wandfeldern übergegangen wird, wird das Feld immer inhomogener — wie durch die zunehmende Dichte der Äquipotentiallinien (1) in Fig. 2 wiedergegeben — und der Empfindlichkeitsbereich wird von der Rohrmitte in Richtung auf die Rohrwand verlagert. Eine Messung über die Felder Il und 12 ergibt den Durchschnittswert der Impedanz über den Bereich des Rohrumfangs. Beim Meßfeld Ml liegt der Bereich maximaler Empfindlichkeit noch näher an der Rohrwand.most important potential distributions and the symbols (2) for the measuring fields derived from them. With an arrangement of 8 electrodes, these measuring fields can be divided into the groups of diametrical fields D1-D4 (4), eccentric fields E1-E8 (6), wall fields W1-W8 (8), broad fields B1-B4 (10), integral fields 11,12 (12), and the Maltese cross-shaped field Ml (14). These groups have very different properties. The diametrical fields D1-D4, which are almost homogeneous with a homogeneous material distribution, provide an impedance measurement value whose sensitivity is distributed approximately evenly along a narrow strip-shaped area diametrically across the sensor cross-section. The broad fields behave in a similar way, but with a wider sensitivity range. When moving on to the eccentric and wall fields, the field becomes increasingly inhomogeneous - as shown by the increasing density of equipotential lines (1) in Fig. 2 - and the sensitivity range is shifted from the center of the pipe towards the pipe wall. A measurement over the fields Il and 12 gives the average value of the impedance over the area of the pipe circumference. In the measuring field Ml the area of maximum sensitivity is even closer to the pipe wall.
Die Impedanz ist eine integrale Größe, die durch die gegebene Elektrodenanordnung sowie durch die Stoffverteilung im Zwischenraum eindeutig bestimmt ist. Zwischen beliebigen Elektroden lassen sich Teilimpedanzen Z^ bestimmen, die im Vakuum ihren Minimalwert annehmen, der durch Einbringen von Materie erhöht wird. Entsprechend der Lage zweier Elektroden zueinander ist die Empfindlichkeitsverteilung der Teilimpedanz Zij mehr oder weniger homogen. Bei der Impedanzmessung zwischen zwei benachbarten Elektroden des vorgeschlagenen Impedanzsensors mittels der Wandfelder Wl...W8 ergeben sich daher inhomogene Felder, die nur einen ungenauen Rückschluß auf die quantitativen Komponentenanteile im Feld ermöglichen. Aufgrund ihres eng in Wandnähe abgegrenzten Empfindlichkeitsbereichs lassen sich diese Felder jedoch sehr gut als Indikatoren benutzen, um qualitativ das Vorliegen von bestimmten Verteilungsformen anzu-The impedance is an integral quantity that is uniquely determined by the given electrode arrangement and by the material distribution in the space between them. Partial impedances Z^ can be determined between any electrodes, which assume their minimum value in a vacuum and are increased by introducing material. Depending on the position of two electrodes relative to each other, the sensitivity distribution of the partial impedance Zij is more or less homogeneous. When measuring the impedance between two adjacent electrodes of the proposed impedance sensor using the wall fields Wl...W8, inhomogeneous fields are therefore produced, which only allow an imprecise conclusion to be drawn about the quantitative component proportions in the field. Due to their narrowly defined sensitivity range near the wall, these fields can, however, be used very well as indicators to qualitatively indicate the presence of certain distribution forms.
zeigen. Im Unterschied dazu kann mit Hilfe der weitgehend homogenen Meßfelder Dl...D4, Bl...B4 bei bekannter Strömungsform die Permittivität und damit die volumetrische Zusammensetzung der Mehrphasenströmung mit guter Genauigkeit bestimmt werden.In contrast, with the help of the largely homogeneous measuring fields Dl...D4, Bl...B4, the permittivity and thus the volumetric composition of the multiphase flow can be determined with good accuracy if the flow shape is known.
Das unterschiedliche Verhalten der Meßfelder ist in Fig.3 beispielhaft dargestellt. Es zeigt die Abhängigkeit der Kapazität von den Volumenanteilen von Öl, Wasser und Luft für die in Fig.2 bezeichneten Meßfelder eines Sensors mit 8 Elektroden. Die gezeigten Zusammensetzung umfassen geschichtete Verteilungen von Öl/ Luft mit steigendem Ölanteil (Bereich (I)) sowie Wasser/ Luft mit ansteigendem Wasseranteil (Bereich (3)). Dazwischen (3) ist der Kapazitätsverlauf für ringförmige Verteilung von Öl in Luft bei 35% vol. Ölanteil gezeigt.The different behavior of the measuring fields is shown as an example in Fig.3. It shows the dependence of the capacity on the volume fractions of oil, water and air for the measuring fields of a sensor with 8 electrodes shown in Fig.2. The compositions shown include layered distributions of oil/air with increasing oil content (area (I)) and water/air with increasing water content (area (3)). In between (3) the capacity curve for an annular distribution of oil in air with 35% vol. oil content is shown.
Im allgemeinen Fall verteilter Strömungskomponenten innerhalb des Strömungsquerschnitts ist ein Ansatz zur analytischen Berechnung der Teilimpedanzen im Sensor nicht bekannt. Deshalb muß die Impedanz zwischen beliebigen vorgegebenen Elektroden in Abhängigkeit von der Strömungsform und des angelegten Feldes numerisch berechnet werden.In the general case of distributed flow components within the flow cross-section, an approach for the analytical calculation of the partial impedances in the sensor is not known. Therefore, the impedance between any given electrodes must be calculated numerically depending on the flow shape and the applied field.
Die elektrostatische Feldverteilung innerhalb eines Gebietes A mit der Permittivität &egr;, das durch einen Rand S begrenzt wird, wird durch die PoissongleichungThe electrostatic field distribution within a region A with the permittivity ε, which is limited by a boundary S, is described by the Poisson equation
&ngr;2&phgr; = &Agr;&phgr; = -- (1) ν 2 φ = �Aφ = -- (1)
beschrieben, welche sich im speziellen Fall keiner freien Ladungen p, auf die Laplace- Gleichung reduziertwhich, in the special case of no free charges p, reduces to the Laplace equation
&Agr;&phgr; = 0 (2) αφ = 0 (2)
Hierbei steht &Dgr; für den Laplace- Operator und &phgr; beschreibt das Potential. In karthesischen Koordinaten, und wenn eine der drei Dimensionen als unendlich betrachtet werden kann, reduziert sich Gleichung (2) aufHere, Δ stands for the Laplace operator and φ describes the potential. In Cartesian coordinates, and if one of the three dimensions can be considered infinite, equation (2) reduces to
- O - O
im zweidimensionalen Fall. Im allgemeinen Fall, mit verteilten Strömungskomponenten, besteht das Gebiet A aus Teilgebieten Ai mit einzelnen Permittivitäten &egr;,, und Gleichung (3) gilt innerhalb jedes einzelnen Teilgebietes Ai. Die Übergangsbedingungen ergeben sich aus der Stetigkeit der tangentialen elektrischen Feldstärke Et, der normalen Verschiebungsdichte Dn und den daraus abgeleiteten Beziehungen: in the two-dimensional case. In the general case, with distributed flow components, the region A consists of subregions Ai with individual permittivities ε,, and equation (3) applies within each individual subregion Ai. The transition conditions result from the continuity of the tangential electric field strength Et , the normal displacement density D n and the relationships derived from them:
e-E = D (4) eE = D (4)
jp JpJP JP /E\/E\
Enl £2 (6) £ 2 (6)
Die numerische Berechnung des zweidimensionalen Feldes wird mit Hilfe diskreter Methoden durchgeführt. Hierbei wird ein Gitter über das gesamte Gebiet A gelegt und die oben genannten Bedingungen werden angesetzt. Unter der Voraussetzung, daß die Diskretisierungsmaschenweite fein genug ist, kann mit diesem Satz von Gleichungen jede Potentialverteilung in einem Impedanzsensor beliebiger Form durchgeführt werden. Hierbei gibt es keine Beschränkungen hinsichtlich der zulässigen Strömungsform oder hinsichtlich maximaler Konzentrationen. Fig. 4 zeigt Verteilungen der Äquipotentiallinien (1) , die numerisch für Schichten- (2) sowie für Ringströmung (3) Luft/ Wasser berechnet wurden. Wie man im Vergleich mit den ungestörten Feldern in Fig. 2 deutlich sehen kann, beeinflußt die Gegenwart von Wasser erheblich den Verlauf der Potentiallinien und damit auch die Verteilung der Kapazitäten zwischen den Elektroden.The numerical calculation of the two-dimensional field is carried out using discrete methods. A grid is placed over the entire area A and the above conditions are applied. Provided that the discretization mesh size is fine enough, this set of equations can be used to create any potential distribution in an impedance sensor of any shape. There are no restrictions on the permissible flow shape or on maximum concentrations. Fig. 4 shows distributions of the equipotential lines (1) that were calculated numerically for layered (2) and ring flow (3) air/water. As can be clearly seen in comparison with the undisturbed fields in Fig. 2, the presence of water significantly influences the course of the potential lines and thus also the distribution of the capacitances between the electrodes.
Aus der berechneten Potentialverteilung im elektrischen Feld kann die Ladungsverteilung auf den Elektroden eindeutig bestimmt werden. Dazu wird bei geeigneter Potentialbelegung der Elektroden die Verschiebungsdichte über der aktiven Elektrodenfläche integriert. Die Kapazität Cab zwischen zwei beliebigen Elektroden läßt sich damit berechnen durchThe charge distribution on the electrodes can be clearly determined from the calculated potential distribution in the electric field. For this purpose, the displacement density is integrated over the active electrode surface with a suitable potential coverage of the electrodes. The capacitance C a b between any two electrodes can thus be calculated by
&PSgr;&Bgr; - &psgr; &Agr; Ψβ - Ψα
Im Falle nichtleitender Fluide besteht die Impedanz lediglich aus einem kapazitiven Anteil, der mit dem oben genannten Verfahren berechnet werden kann. Wenn jedoch mindestens eine der Strömungskomponenten elektrisch leitfähig ist, muß anstelle der reellen Permittivität &egr; mit einer komplexen PermittivitätIn the case of non-conductive fluids, the impedance consists only of a capacitive component, which can be calculated using the above-mentioned method. However, if at least one of the flow components is electrically conductive, a complex permittivity must be used instead of the real permittivity ε.
X = &sgr; + jue (10) X = σ + jue (10)
gerechnet werden. Hierbei bezeichnet &sgr; die spezifische Leitfähigkeit während &ohgr; = 2 7rf die Kreisfrequenz des angelegten elektrischen Feldes bezeichnet. Die numerische Feldberechnung muß in diesem Falle sowohl für den realen als auch den imaginären Teil durchgeführt werden.Here, &sgr; denotes the specific conductivity while &ohgr; = 2 7rf denotes the angular frequency of the applied electric field. In this case, the numerical field calculation must be carried out for both the real and the imaginary part.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßanordnung mit den dazu notwendigen Baugruppen ist in Fig. 5 dargestellt. Man erkennt einen Impedanzsensor (2) ohne Einbauten, dessen vorzugsweise acht Streifenelektroden über einen Multiplexer (4) mit einem Impedanzmeßgerät (6) verbunden werden. Die Potentiale für die Schirmelektroden werden mit einem Breitbandtreiberverstärker (8) mit geringer Ausgangsimpedanz erzeugt. Der Ablauf der Meßzyklen wird durch einen Rechner (10) über eine Schnittstelle (12) gesteuert. Die Meßdaten werden in den Rechner eingelesen, wo auch die weitere Datenverarbeitung erfolgt. Dieser Meßaufbau kann eine sehr kurze Zykluszeit für einen kompletten Umlauf über die Meßfelder sicherstellen, so daß auch die bei praxisrelevanten Strömungsformen herrschenden zeitlichen Fluktuationen der Komponentenverteilung aufgelöst werden können.The measuring arrangement proposed according to the invention with the necessary components is shown in Fig. 5. An impedance sensor (2) without built-in components can be seen, whose preferably eight strip electrodes are connected to an impedance measuring device (6) via a multiplexer (4). The potentials for the shield electrodes are generated with a broadband driver amplifier (8) with low output impedance. The sequence of the measuring cycles is controlled by a computer (10) via an interface (12). The measuring data are read into the computer, where further data processing also takes place. This measuring setup can ensure a very short cycle time for a complete circuit over the measuring fields, so that the temporal fluctuations in the component distribution that prevail in flow patterns relevant in practice can also be resolved.
Die Daten eines jeden Meßzyklus bestehen aus einer Anzahl &eegr; Impedanzmessungen, entsprechend der &eegr; angelegten Meßfelder. Diese Daten werden als ndimensionaler Vektor V betrachtet und mit Kennfeldern in Form einer im Rechner abgespeicherten Referenzmatrix M der Dimension &eegr; &khgr; m verglichen. Die Matrix M enthält die Impedanzwerte für insgesamt m verschiedene Gemischzusammensetzungen, wobei die Anteile der einzelnen Komponenten innerhalb einer Verteilungsform schrittweise variiert sind. Aufgrund der numerischen Berechnung der Impedanzwerte kann die Referenzmatrix genau für die vorliegenden Strömungskomponenten erstellt und z.B. im Falle von temperaturbedingten Schwankungen für die aktuellen elektrischen Stoffwerte aktualisiert werden. Diese schrittweise Neuberechnung kann vorteilhaft im Hintergrund ind zeitlich parallel zum Meßbetrieb auf dem Rechner erfolgen, wobei auch auf bereits früher berechnete und abgespeicherte Referenzmatrizen zurückgegriffen werden kann. Dadurch entfällt die umständliche und oft nicht durchführbare Kalibrierung auf elektrische Stoffwerte und Verteilungsformen.The data of each measurement cycle consists of a number of η impedance measurements, corresponding to the η applied measurement fields. This data is viewed as an n-dimensional vector V and compared with characteristic maps in the form of a reference matrix M of dimension η × m stored in the computer. The matrix M contains the impedance values for a total of m different mixture compositions, where the proportions of the individual components within a distribution form are varied step by step. Due to the numerical calculation of the impedance values, the reference matrix can be created precisely for the flow components present and, for example, in the case of temperature-related fluctuations, updated for the current electrical material values. This step-by-step recalculation can advantageously be carried out in the background and in parallel with the measurement operation on the computer, whereby previously calculated and stored reference matrices can also be used. This eliminates the laborious and often impossible calibration for electrical material values and distribution forms.
Zur Bestimmung der gesuchten Zusammensetzung kann der Meßvektor V mit der Referenzmatrix M verglichen werden, wobei eine gewichtete AbweichungsgrößeTo determine the desired composition, the measurement vector V can be compared with the reference matrix M, whereby a weighted deviation value
&khgr; =&khgr; = h(Mhj -V1)2+ Ic2(M2J -V2)2 + ... + kn(Mn,j h(M hj -V 1 ) 2 + Ic 2 (M 2 J -V 2 ) 2 + ... + k n (M n ,j - - Vn)2 3 Ic1+Ic2+ ... + K [ ' V n ) 2 3 Ic 1 +Ic 2 + ... + K [ '
für jede Matrixspalte ermittelt wird. Für die Spalte mit der maximalen Ähnlichkeit wird die Abweichung minimal:is determined for each matrix column. For the column with the maximum similarity the deviation is minimal:
\J=1...m \ J=1 ... m
Die gesuchten Komponentenanteile sowie deren Verteilungsform können direkt bestimmt werden, da sie in der ermittelten Spaltenadresse jo implizit enthalten sind.The component shares sought and their distribution form can be determined directly, since they are implicitly contained in the determined column address jo .
Die angegebene Vergleichsprozedur bietet die Möglichkeit, durch Nullsetzen einzelner Gewichtungsfaktoren fc, beim Vergleichsalgorithmus nur diejenigen Impedanzwerte zu berücksichtigen, die im Bereich der herrschenden VerteilungsformThe specified comparison procedure offers the possibility of setting individual weighting factors fc to zero, in the comparison algorithm to only take into account those impedance values that are in the range of the prevailing distribution form
den größten Informationsgehalt, d.h. die größten Änderungen aufweisen. Eine zeitoptimierte Meßstrategie kann somit realisiert werden, daß in längeren zeitlichen Abständen nur hochsignifikante Indikatorenfelder ausgewertet werden. Daraus wird die vorherrschende Verteilungsform ermittelt und anschließend mit einer größeren Anzahl von Meßfeldern die Gemischzusammensetzung mit hoher Genauigkeit bestimmt.have the greatest information content, i.e. the greatest changes. A time-optimized measurement strategy can thus be implemented by evaluating only highly significant indicator fields at longer time intervals. From this, the predominant distribution form is determined and then the mixture composition is determined with high accuracy using a larger number of measurement fields.
Die Optimierung der Berechnungen im Zuge der beschriebenen Aktualisierung der Referenzmatrix wird somit vorteilhaft ebenfalls nur für diejenigen Impedanzwerte durchgeführt, die bei den im aktuellen Betrieb herrschenden Verteilungsformen genügend hohe Informationsgehalte aufweisen.The optimization of the calculations during the described updating of the reference matrix is thus advantageously carried out only for those impedance values that have sufficiently high information content for the distribution forms prevailing in current operation.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Meßanordnung ist sehr gut geeignet zum Aufbau eines berührungslosen Durchsatzmeßgeräts für Mehrphasenströmungen. Hierzu kann der vorgeschlagene Impedanzsensor mittels zusätzlicher Elektrodenpaare so erweitert werden, daß Impedanzschwankungen aufgrund der stochastisch verteilten Strömungskomponenten erfaßt werden können. Nach Umsetzung in Spannungssignale kann die mittlere zeitliche Verschiebung zwischen den Signalen mit Hilfe der Kreuzkorrelationsmethode bestimmt werden. Aus dem bekannten Abstand der Elektrodenpaare und der berechneten Laufzeit können somit die mittlere Transportgeschwindigkeit, und damit über die berechneten Volumenanteile und dem bekannten Leitungsquerschnitt die geförderten Volumenströme für die einzelnen Strömungskomponenten ermittelt werden.The measuring arrangement proposed according to the invention is very well suited to constructing a contactless flow meter for multiphase flows. For this purpose, the proposed impedance sensor can be expanded using additional electrode pairs so that impedance fluctuations due to the stochastically distributed flow components can be recorded. After conversion into voltage signals, the average time shift between the signals can be determined using the cross-correlation method. From the known distance between the electrode pairs and the calculated running time, the average transport speed can be determined, and thus the volume flows conveyed for the individual flow components can be determined using the calculated volume fractions and the known line cross-section.
Das Vorliegen von Slugströmung ist durch größere, periodische Fluktuationen des mittleren volumetrischen Gasgehalts gekennzeichnet. In den Slugs selbst herrscht ein sehr geringer Gasgehalt nahe Null vor. Somit kann die beschriebene Meßanordnung vorteilhaft zur Slugdetektion eingesetzt werden, indem der Gasgehalt vorzugsweise im oberen Querschnittsbereich der Förderleitung zyklisch bestimmt wird. In Kombination mit der beschriebenen Geschwindigkeitsmessung lassen sich somit auch Aussagen über die Sluglänge treffen und als wertvolle Steuergrößen für Stellglieder in Mehrphasen- Transportsystemen auswerten.The presence of slug flow is characterized by larger, periodic fluctuations in the average volumetric gas content. In the slugs themselves, there is a very low gas content close to zero. The measuring arrangement described can therefore be used advantageously for slug detection by cyclically determining the gas content, preferably in the upper cross-sectional area of the conveyor line. In combination with the speed measurement described, statements can also be made about the slug length and evaluated as valuable control variables for actuators in multi-phase transport systems.
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Claims (4)
(M) bestehend aus m n-dimensionalen Vektoren für m unterschiedliche Verteilungsmuster in mehreren Strömungsformbereichen der Gemischkomponenten in der Mehrphasenströmung mit jeweils &eegr; zugehörigen Impedanzwerten,a storage device for storing a reference matrix
(M) consisting of m n-dimensional vectors for m different distribution patterns in several flow shape regions of the mixture components in the multiphase flow, each with η associated impedance values,
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