ES2878049T3

ES2878049T3 - Sistema de sensores para medición de un nivel de interfaz en una composición de fluido multifásico

Info

Publication number: ES2878049T3
Application number: ES15720550T
Authority: ES
Inventors: Cheryl Margaret Surman; Jon Albert Dieringer; Radislav Alexandrovich Potyrailo
Original assignee: BL Technologies Inc
Current assignee: BL Technologies Inc
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2035-04-24
Also published as: WO2015167955A1; EP3137888B1; SG11201608700VA; RU2016141592A3; CA2947692A1; RU2016141592A; CN106461449A; RU2682611C2; US20170045492A1; EP3137888A1

Abstract

Un sensor que comprende: un transductor resonante tridimensional (31) configurado para determinar una composición de una emulsión u otra dispersión, en el que el transductor resonante tridimensional comprende: - una célula de muestreo (39); - un devanado superior (33) y un devanado inferior (35), estando el devanado inferior (35) situado alrededor de la célula de muestreo (39) y el devanado superior (33) situado alrededor y concéntrico al devanado inferior (35); - un aislante galvánico proporcionado entre el devanado superior (33) y el devanado inferior (35); - una capa absorbente de radiofrecuencia (67) dispuesta alrededor del devanado superior (33); - un espaciador (72) dispuesto entre el devanado superior (33) y la capa absorbente de RF (67); estando el espaciador (72) fabricado con material aislante galvánico; - cables (74) que conectan los extremos del devanado superior (33) a un conector (68), estando dicho conector adaptado para conectar un cable eléctrico de un analizador de impedancia (15) al transductor resonante tridimensional (31); - accesorios (34) en los extremos de la celda de muestreo (39); en el que: el devanado superior (33) está adaptado para actuar tanto como bobina de accionamiento y bobina de captación; el devanado inferior (35) está adaptado para actuar como resonador o bobina de detección, el devanado inferior (35) es un devanado flotante, sin conexiones galvánicas con otras partes del transductor resonante tridimensional (31); el devanado inferior (35) está adaptado para ser excitado por un campo electromagnético creado por una onda de potencia que fluye a través del devanado superior (33), de manera tal que el devanado inferior excitado (35) genera otro campo electromagnético que es alterado por su interacción con el fluido de la celda de muestreo (39), dicho campo electromagnético alterado siendo detectado por el devanado superior (33).

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de sensores para medición de un nivel de interfaz en una composición de fluido multifásico

Solicitudes relacionadas

La presente solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisoria de los Estados Unidos 61/987.853 presentada el 2 de mayo de 2014.

Campo

El tópico desvelado en la presente memoria se refiere en general a sensores, y más en particular a sensores de nivel para determinar el nivel de interfaz de una composición de fluido multifásico.

Antecedentes

La medición de la composición de las emulsiones y del nivel de interfaz de los fluidos inmiscibles es importante en numerosas aplicaciones. Por ejemplo, es importante caracterizar las emulsiones en la gestión de los campos petrolíferos. La medición del contenido de agua y aceite de las emulsiones de los pozos petrolíferos individuales puede variar a lo largo de la vida de un campo petrolífero y puede indicar la salud general de un campo. En el caso de los pozos de inyección, es fundamental controlar la calidad del agua para reducir la formación de hidratos y la corrosión. La caracterización de la composición de la mezcla de petróleo y agua (por ejemplo, la medición de las proporciones relativas de petróleo y agua en la mezcla) ayuda al operador a mejorar la productividad y la capacidad del pozo. La información obtenida también es útil para reducir la contrapresión de los pozos, el tamaño y la complejidad de la línea de flujo y los requisitos de aislamiento térmico.

La caracterización de las emulsiones también es importante en el funcionamiento de los sistemas que contienen fluidos en un recipiente (sistemas de recipientes), tal como sistemas de procesamiento de fluidos. Los sistemas de recipientes pueden incluir tanques de almacenamiento, reactores, separadores y desaladores. Los sistemas de recipientes se utilizan en numerosas industrias y procesos, tal como la del petróleo y el gas, la química, la farmacéutica y la alimentaria, entre otras. Por ejemplo, la separación del agua del petróleo crudo es importante para establecer flujos de producción de petróleo y gas. El petróleo crudo que sale de la boca del pozo es a la vez agrio (contiene gas sulfhídrico) y húmedo (contiene agua). El crudo que sale de la boca del pozo debe ser procesado y tratado para que sea económicamente viable para su almacenamiento, procesamiento y exportación. Una forma de tratar el petróleo crudo es mediante el uso de un separador. La mayoría de los separadores funcionan por gravedad y utilizan las diferencias de densidad entre las fases individuales de los fluidos de petróleo, agua, gas y sólidos para lograr la separación. La identificación de los niveles de interfaz de estas capas es fundamental para el control del proceso de separación. Otro sistema de procesamiento de fluidos en el que es importante la caracterización de las emulsiones y la medición del nivel de la interfaz es un desalador. Los desaladores se utilizan en una refinería para controlar la corrosión en la parte superior de la cadena. En un desalador se mezclan el agua y el petróleo crudo, se extraen las sales inorgánicas en el agua y después se separa y elimina el agua.

Por último, es importante caracterizar con exactitud el agua y la salinidad en el petróleo crudo propiamente dicho en diversas etapas de la vida del producto desde el punto de vista de los costes. El petróleo es una mercancía valiosa y la subestimación del contenido de agua en una carga típica de un camión cisterna puede tener importantes consecuencias económicas.

La gestión de las aguas residuales es otra aplicación en la que la medición y la caracterización de la emulsión son importantes. En la industria petrolera se generan grandes cantidades de aguas residuales aceitosas, tanto de la recuperación como del refinado. Un factor clave para controlar las concentraciones de descarga de aceite en las aguas residuales es la mejora de la instrumentación para controlar el contenido de aceite de las emulsiones.

A lo largo de los años se han contemplado muchos tipos de instrumentos de nivel e interfaz y un subconjunto de estos se ha comercializado. Entre estos se encuentran los sensores de rayos gamma, los sensores de ondas guiadas, los sensores magnetoestrictivos, los sensores de microondas, los sensores de ultrasonidos, los sensores de capacitancia/admitancia de placa única, los sensores de capacitancia segmentada, los sensores inductivos y los sensores de tomografía computarizada. Cada uno de los sensores tiene ventajas e inconvenientes. Algunos de los sensores son prohibitivos para muchos usuarios. Algunos de los sensores pueden requerir una chaqueta de refrigeración para funcionar a temperaturas de operación (por encima de 125 [grados] C.). Algunos instrumentos de interfaz requieren una interfaz clara para funcionar, lo que puede ser problemático cuando se trabaja con emulsiones difusas. Algunos son susceptibles de ensuciamiento. Otros sensores no tienen la capacidad de proporcionar un perfil del tanque, sino que supervisan puntos aislados del proceso de desalación. Los sistemas que utilizan electrodos son susceptibles de sufrir un cortocircuito en aplicaciones de alta salinidad y son susceptibles de ensuciamiento. Por último, muchos de estos sistemas son complejos y difíciles de aplicar.

Algunos sistemas de sensores existentes han utilizado elementos capacitivos individuales para medir los niveles de líquido. Una de las principales limitaciones de estos sistemas de sensores es su incapacidad para cuantificar simultáneamente diversos componentes del líquido. Los procedimientos de capacitancia se han utilizado para medir la constante dieléctrica de un líquido utilizando electrodos especialmente diseñados para las mediciones de capacitancia. Estos diseños están limitados por la necesidad de disponer de tipos de electrodos separados para las mediciones de capacitancia y las de conductividad. Los circuitos de condensadores inductores también se han utilizado para controlar el nivel de líquido en un recipiente utilizando un resonador electromagnético en el que el cambio de la capacitancia refería al nivel y el tipo de líquido. Sin embargo, los expertos en la técnica coinciden en que el llenado del resonador con un líquido conductor aumenta las incertidumbres y el ruido en las mediciones en aproximadamente un orden de magnitud en comparación con los valores en un fluido no conductor tal como el aire. Sin embargo, estos procedimientos no proporcionan mediciones exactas de las concentraciones de los analitos individuales en los límites de sus concentraciones mínimas y máximas en la mezcla.

Con los sistemas de sensores existentes, ningún sistema es capaz de ofrecer una combinación de bajo coste, alta sensibilidad, relación señal/ruido favorable, alta selectividad, alta exactitud y alta velocidad de adquisición de datos. Además, no se ha descrito ningún sistema existente que sea capaz de caracterizar o cuantificar con precisión mezclas de fluidos en las que uno de estos se encuentra en una concentración baja (es decir, en sus límites mínimo y máximo).

El documento US 2014/090451 describe un sistema de sensor resonante acoplado a un conjunto de muestreo.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

La divulgación proporciona una solución técnica a los problemas de gastos, fiabilidad y exactitud de los sistemas de sensores de nivel existentes. Un transductor eléctricamente resonante (transductor resonante) proporciona una combinación de bajo coste, alta sensibilidad, relación señal/ruido favorable, alta selectividad, alta exactitud y alta velocidad de adquisición de datos. El transductor resonante se incorpora a un sensor robusto sin necesidad de una interfaz clara. La solución también proporciona un sensor menos susceptible de ensuciamiento, particularmente en aplicaciones con emulsiones.

La presente divulgación describe, entre otras cosas, un sensor que comprende un transductor resonante tridimensional como se reivindica en la reivindicación 1. Preferentemente, la célula de muestreo comprende un tubo u otra estructura adaptada para localizar un fluido estacionario o en movimiento, por ejemplo, petróleo o agua.

La divulgación también se refiere a un sensor que tiene un transductor resonante tridimensional como se reivindica en la reivindicación 1, configurado para determinar una composición de una emulsión u otra dispersión, y un sistema sensor que incluye además un conjunto de muestreo y un analizador de impedancia como se reivindica en la reivindicación 7.

En una realización, la divulgación se refiere a un sistema que incluye un sistema de procesamiento de fluidos; un conjunto de muestreo de fluidos; y un sistema de sensor resonante acoplado al conjunto de muestreo de fluidos.

En otra realización, la divulgación se refiere a un procedimiento de medición del nivel de una mezcla de fluidos en un recipiente. El procedimiento incluye las etapas de detectar una señal del sistema de sensores en una pluralidad de ubicaciones en el recipiente; convertir cada señal en valores del espectro de impedancia compleja para la pluralidad de ubicaciones; almacenar los valores del espectro de impedancia compleja y los valores de frecuencia; y determinar un punto de inversión de fase de fluido a partir de los valores del espectro de impedancia compleja.

En otra realización, la divulgación se refiere a un procedimiento de determinación de la composición de una mezcla de petróleo y agua en un recipiente. El procedimiento incluye la etapa de determinar los valores del espectro de impedancia compleja de la mezcla de petróleo y agua en función de una altura en el recipiente con el transductor resonante. El procedimiento también incluye la etapa de determinar un punto de inversión de fase de fluido a partir de los valores del espectro de impedancia compleja; aplicar un modelo de fase de aceite a los valores del espectro de impedancia compleja y a los valores de conductividad por encima del punto de inversión de fase de fluido, y aplicar un modelo de fase de agua a los valores del espectro de impedancia compleja por debajo del punto de inversión de fase de fluido.

En otra realización, la divulgación se refiere a un sensor que comprende un transductor resonante tridimensional configurado para determinar simultáneamente la concentración de un primer y un segundo componente de una emulsión.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Otras características y ventajas de la presente divulgación serán evidentes a partir de la siguiente descripción más detallada de la realización preferente, tomada en conjunto con los dibujos adjuntos que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de ciertos aspectos de la divulgación.

La FIG. 1 es un esquema de una realización no limitante de un sistema de sensor resonante.

La FIG. 2 es una ilustración no limitante de la operación de un transductor resonante.

La FIG. 3 es un ejemplo de un espectro de impedancia compleja medido y utilizado para el análisis multivariante.

La FIG. 4 ilustra una realización de un transductor resonante bidimensional.

La FIG. 5 ilustra una realización de un transductor resonante tridimensional, que no forma parte de la presente invención.

La FIG. 6 es un diagrama eléctrico esquemático del circuito equivalente de un transductor resonante tridimensional.

La FIG. 7 es un gráfico que ilustra la respuesta Rp de un transductor resonante a diferentes mezclas de petróleo y agua.

La FIG. 8 es un gráfico que ilustra la respuesta Cp de un transductor resonante a diferentes mezclas de petróleo y agua.

La FIG. 9 es una vista en corte lateral parcial de una realización de un conjunto transductor resonante.

La FIG. 10 es un diagrama esquemático de una realización

un sistema de procesamiento de La FIG. 11 es un diagrama esquemático de una realización de un desalador.

La FIG. 12 es un diagrama esquemático de una realización de un separador.

La FIG. 13 es un gráfico que ilustra la respuesta en frecuencia (Fp) de un transductor resonante tridimensional a concentraciones crecientes de emulsiones de petróleo en agua y agua en petróleo.

La FIG. 14 es un gráfico que ilustra la respuesta en frecuencia (Fp) de un transductor resonante bidimensional a concentraciones crecientes de emulsiones de petróleo en agua y agua en petróleo.

La FIG. 15 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento de determinación de la composición de una mezcla de petróleo y agua como una función de la altura.

La FIG. 16 es un gráfico que ilustra los datos utilizados para determinar un punto de inversión de fase de fluido y conductividad.

La FIG. 17 es un gráfico que ilustra los resultados de un análisis de los datos experimentales de una realización de un sistema de sensor resonante.

La FIG. 18 es un gráfico que ilustra los resultados de las pruebas de un sistema de sensores resonantes en un desalador simulado.

La FIG. 19 es una realización de una visualización de un informe de datos de un sistema de sensores resonantes.

La FIG. 20 es un diagrama de flujo de una realización de un procedimiento de determinación del nivel de un fluido en un recipiente.

La FIG. 21 es un diagrama de bloques de una realización representativa no limitante de un sistema de procesador para uso en un sistema de sensor resonante.

La FIG. 22 ilustra otra realización de un transductor resonante tridimensional de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Como se discute en detalle a continuación, las realizaciones de la presente invención proporcionan sistemas de bajo coste para medir de forma fiable y exacta el nivel de fluido en un recipiente de procesamiento de fluidos. Un sistema de sensor resonante proporciona una medición eficaz y exacta del nivel de la capa de transición o emulsión mediante el uso de un transductor resonante como un transductor resonante multivariable de estructura inductor-capacitorresistor (LCR) y la aplicación de un análisis de datos multivariable aplicado a las señales del transductor. El sistema de sensores resonantes también permite determinar la composición de las mezclas de agua y petróleo, de las mezclas de petróleo y agua y, en su caso, de la capa de emulsión.

El transductor resonante incluye un circuito resonante y una bobina de captación. La respuesta eléctrica del transductor resonante sumergido en un fluido se traduce en cambios simultáneos de varios parámetros. Estos parámetros pueden incluir la respuesta de impedancia compleja, la posición del pico de resonancia, la anchura del pico, la altura del pico y la simetría del pico de la respuesta de impedancia de la antena del sensor, la magnitud de la parte real de la impedancia, la frecuencia de resonancia de la parte imaginaria de la impedancia, la frecuencia antirresonante de la

parte imaginaria de la impedancia, la frecuencia de reactancia cero, el ángulo de fase y la magnitud de la impedancia, y otros como se describe en la definición del término "parámetros espectrales" del sensor. Estos parámetros espectrales pueden cambiar en función de las propiedades dieléctricas de los fluidos circundantes. La configuración típica de un transductor resonante puede incluir un circuito resonante LCR y una antena. El transductor resonante puede funcionar con una bobina de captación conectada al lector de detectores (analizador de impedancia) en el que la bobina de captación proporciona la excitación del transductor y la detección de la respuesta del transductor. El transductor resonante también puede funcionar cuando la excitación del transductor y la respuesta del transductor de detección se realizan cuando el transductor está conectado directamente al lector de detectores (analizador de impedancia).

Un transductor resonante ofrece una combinación de alta sensibilidad, relación señal/ruido favorable, alta selectividad, alta exactitud y alta velocidad de adquisición de datos en un sensor robusto sin necesidad de transparencia óptica del fluido analizado y de la trayectoria del flujo de medición. En lugar de la espectroscopia de impedancia convencional, que explora un amplio intervalo de frecuencias (desde una fracción de Hz hasta decenas de MHz o GHz), se utiliza un transductor resonante para adquirir un espectro rápidamente y con una alta relación señal/ruido en un intervalo estrecho de frecuencias. La capacidad de detección se mejora colocando la región de detección entre los electrodos que constituyen un circuito resonante. Tal como se implementa en un sistema de procesamiento de fluidos, tal como un desalador o un separador, el sistema de sensor resonante puede incluir un conjunto de muestreo y un transductor resonante acoplado al conjunto de muestreo de fluidos. El sistema de sensor resonante implementa un procedimiento de medición del nivel de una mezcla de fluidos en un recipiente, y también puede implementar un procedimiento de determinación de la composición de una mezcla de petróleo y agua en un recipiente. Los transductores resonantes son capaces de cuantificar con precisión los analitos individuales en sus límites mínimo y máximo. El sistema de sensores resonantes es capaz de determinar la composición de las mezclas de fluidos incluso cuando uno de los fluidos tiene una baja concentración.

Algunos ejemplos no limitantes de sistemas de procesamiento de fluidos incluyen reactores, reactores químicos, reactores biológicos, recipientes de almacenamiento, recipientes y otros conocidos en la técnica.

Se ilustra en la FIG. 1 un esquema de una realización de un sistema de sensor resonante 11. El sistema de sensor resonante 11 incluye un transductor resonante 12, un conjunto de muestreo 13 y un analizador de impedancia (analizador 15). El analizador 15 está acoplado a un procesador 16, tal como un microordenador. Los datos recibidos del analizador 15 se procesan mediante un análisis multivariante, y el resultado puede proporcionarse a través de una interfaz de usuario 17. El analizador 15 puede ser un analizador de impedancia que mide las propiedades de amplitud y fase y correlaciona los cambios de impedancia con los parámetros físicos de interés. El analizador 15 barre ópticamente las frecuencias en el intervalo de interés (es decir, el intervalo de frecuencia de resonancia del circuito LCR) y recoge la respuesta de impedancia del transductor resonante 12.

Como se muestra en la FIG. 2, el transductor resonante 12 incluye una antena 20 dispuesta sobre un sustrato 22. El transductor resonante puede estar separado del ambiente con una capa dieléctrica 21. En algunas realizaciones, el espesor de la capa dieléctrica 21 puede oscilar entre 2 nm y 50 cm, más específicamente entre 5 nm y 20 cm; y aún más específicamente entre 10 nm y 10 cm. En algunas aplicaciones, el transductor resonante 12 puede incluir una película de detección depositada sobre el transductor. En respuesta a los parámetros ambientales, se puede generar un campo electromagnético 23 en la antena 20 que se extiende fuera del plano del transductor resonante 12. El campo electromagnético 23 puede verse afectado por la propiedad dieléctrica de un entorno que ofrece la oportunidad de medir parámetros físicos. El transductor resonante 12 responde a los cambios en la permitividad compleja del entorno. La parte real de la permitividad compleja del fluido se denomina "constante dieléctrica". La parte imaginaria de la permitividad compleja del fluido se denomina "factor de pérdida dieléctrica". La parte imaginaria de la permitividad compleja del fluido es directamente proporcional a la conductividad del mismo.

Las mediciones de fluidos pueden realizarse utilizando una capa protectora que separa el medio conductor de la antena 20. La respuesta del transductor resonante 12 a la composición de los fluidos puede implicar cambios en las propiedades dieléctricas y dimensionales del transductor resonante 12. Estos cambios están relacionados con el entorno analizado que interactúa con el transductor resonante 12. Los cambios inducidos por el fluido en el transductor resonante 12 afectan a la impedancia compleja del circuito de la antena a través de los cambios en la resistencia del material y la capacitancia entre las vueltas de la antena.

Para la caracterización selectiva de fluidos utilizando un transductor resonante 12, se miden los espectros de impedancia compleja de la antena del sensor 20, como se muestra en la FIG. 3. Se miden al menos tres puntos de datos de espectros de impedancia de la emulsión. Se pueden obtener mejores resultados cuando se miden al menos cinco puntos de datos del espectro de impedancia de la emulsión. Los ejemplos no limitantes del número de puntos de datos medidos son 8, 16, 32, 64, 101, 128, 201, 256, 501, 512, 901, 1024, 2048 puntos de datos. Los espectros pueden medirse como una parte real de los espectros de impedancia o una parte imaginaria de los espectros de impedancia o ambas partes de los espectros de impedancia. Los ejemplos no limitantes de los parámetros del circuito resonante LCR incluyen el espectro de impedancia, la parte real del espectro de impedancia, la parte imaginaria del espectro de impedancia, ambas partes reales e imaginarias del espectro de impedancia, la frecuencia del máximo de la parte real de la impedancia compleja (Fp) magnitud de la parte real de la impedancia compleja (Zp), frecuencia resonante (F1) y su magnitud (Z1) de la parte imaginaria de la impedancia compleja, y frecuencia antirresonante (F2) y su magnitud (Z2) de la parte imaginaria de la impedancia compleja.

Se pueden extraer parámetros adicionales de la respuesta del circuito equivalente del transductor resonante 12. Los ejemplos no limitantes de los parámetros del circuito de resonancia pueden incluir el factor de calidad de la resonancia, la frecuencia de reactividad cero, el ángulo de fase y la magnitud de la impedancia de la respuesta del circuito de resonancia del transductor resonante 12. El análisis multivariante aplicado reduce la dimensionalidad de la respuesta multivariable del transductor resonante 12 a un único punto de datos en el espacio multidimensional para la cuantificación selectiva de diferentes parámetros ambientales de interés. Los ejemplos no limitantes de herramientas de análisis multivariante son el análisis de correlación canónica, el análisis de regresión, el análisis de regresión no lineal, el análisis de componentes principales, el análisis de función discriminante, el escalado multidimensional, el análisis discriminante lineal, la regresión logística y/o el análisis de redes neuronales. Aplicando el análisis multivariante de los espectros de impedancia compleja completos o de los parámetros espectrales calculados, se puede realizar la cuantificación de analitos y sus mezclas con interferencias con un transductor resonante 12. Además de las mediciones de los parámetros del espectro de impedancia compleja, es posible medir otros parámetros espectrales relacionados con el espectro de impedancia compleja. Los ejemplos incluyen, entre otros, los parámetros S (parámetros de dispersión) y los parámetros Y (parámetros de admitancia). Mediante el análisis multivariante de los datos del sensor, es posible lograr la cuantificación simultánea de múltiples parámetros de interés con un único transductor resonante 12.

De acuerdo con la invención, el transductor resonante 12 se caracteriza por ser tridimensional.

Se muestra en la FIG. 4 un transductor resonante bidimensional 25 que no está incluido en el ámbito de la invención reivindicada, que tiene una antena transductora 27. El transductor resonante bidimensional 25 es un circuito resonante que incluye un circuito LCR. En algunas realizaciones, el transductor resonante bidimensional 25 puede estar revestido con una película de detección 21 aplicada sobre la región de detección entre los electrodos. La antena del transductor 27 puede tener la forma de un cable en espiral dispuesto en un plano. El transductor resonante bidimensional 25 puede ser cableado o inalámbrico. En algunas realizaciones, el transductor resonante bidimensional 25 puede incluir también un chip IC 29 acoplado a la antena del transductor 27. El chip IC 29 puede almacenar datos de fabricación, de usuario, de calibración y/u otros. El chip IC 29 es un dispositivo de circuito integrado e incluye circuitos de modulación de señales de RF que pueden fabricarse mediante un proceso de semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) y una memoria no volátil. Los componentes del circuito de modulación de la señal de RF pueden incluir un rectificador de diodos, un control de la tensión de alimentación, un modulador, un demodulador, un generador de reloj y otros componentes.

La detección se realiza a través de la monitorización de los cambios en el espectro de impedancia compleja del transductor resonante bidimensional 25, según lo sondeado por el campo electromagnético 23 generado en la antena del transductor 27. El campo electromagnético 23 generado en la antena del transductor 27 se extiende fuera del plano del transductor resonante bidimensional 25 y se ve afectado por la propiedad dieléctrica del entorno, proporcionando la oportunidad de realizar mediciones de parámetros físicos, químicos y biológicos.

Se muestra en la FIG. 5 un transductor resonante tridimensional 31 que no está incluido en el ámbito de la invención reivindicada. El transductor resonante tridimensional 31 incluye un devanado superior 33 y un devanado inferior 35 acoplados a un condensador 37. El devanado superior 33 se enrolla alrededor de una porción superior de una celda de muestreo 39 y el devanado inferior 35 se enrolla alrededor de una porción inferior de la celda de muestreo 39. La celda de muestreo 39 puede, por ejemplo, estar fabricada con un material resistente al ensuciamiento, tal como Politetrafluoroetileno (PTFE), un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno.

El transductor resonante tridimensional 31 utiliza la inductancia mutua del devanado superior 33 para detectar el devanado inferior 35. Se ilustra en la FIG. 6 un circuito equivalente 41, que incluye una fuente de corriente 43, una resistencia R045, un condensador C047 y un inductor L049. El circuito equivalente 41 también incluye el inductor L1 51, la resistencia R1 53 y el condensador C1 55. El circuito también incluye el condensador Cp 57 y la resistencia Rp 59. La porción circulada del circuito equivalente 41 muestra una porción sensible 61 que es sensible a las propiedades del fluido de prueba circundante. En las FIGS. 7 y 8 respectivamente se muestran una respuesta Rp y una respuesta Cp típicas del transductor resonante 12 a mezclas variables de petróleo y agua.

El transductor resonante tridimensional 31 puede tener un escudo como se muestra en la FIG. 9. Un conjunto de transductor resonante 63 incluye un absorbente de radiofrecuencia (capa absorbente de RF 67) que rodea la célula de muestreo 39, el devanado superior 33 y el devanado inferior 35. Se puede proporcionar un espaciador 69 rodeado por un escudo metálico 71. El escudo metálico 71 es opcional y no forma parte del transductor 31. El escudo metálico 71 permite el funcionamiento dentro o cerca de objetos metálicos y tuberías, reduce el ruido y crea un entorno estable de manera que cualquier cambio en la respuesta del sensor se debe directamente a los cambios en el fluido de prueba. Para encapsular con éxito el sensor en un escudo metálico 71, la capa absorbente de RF 67 puede colocarse entre el sensor y el escudo metálico 71. Esto evita que el campo de radiofrecuencia interactúe con el metal y apague la respuesta del sensor. El escudo metálico 71 puede estar envuelto con un revestimiento 73 de material adecuado. La capa absorbente de RF 67 puede absorber la radiación electromagnética en diferentes intervalos de frecuencia con ejemplos no limitantes en los intervalos de frecuencia de kilohercios, megahercios, gigahercios, terahercios, dependiendo de la frecuencia de operación del transductor 31 y de las fuentes potenciales de interferencia. La capa absorbente 67 puede ser una combinación de capas individuales para intervalos de frecuencia particulares, de modo que las combinaciones de estas capas individuales proporcionan un intervalo espectral más amplio de escudo.

El ensuciamiento del sistema de sensor resonante 11 puede reducirse dotando al transductor resonante 12 de una geometría que permita al transductor resonante 12 sondear el entorno a lo largo de la profundidad de la muestra perpendicular al transductor, desde 0,1 mm hasta 1000 mm. El procesamiento de la señal del espectro de impedancia compleja reduce los efectos de la suciedad en la profundidad de la muestra.

Se muestra en la FIG. 22 un segundo transductor resonante tridimensional 31 de acuerdo con la invención reivindicada. El segundo transductor resonante tridimensional 31 incluye un devanado superior 33 y un devanado inferior 35. El devanado inferior 35 está situado alrededor de la célula de muestreo 39 y el devanado superior 33 está situado alrededor del devanado inferior 35. La celda de muestreo 39 puede, por ejemplo, estar fabricada con un material resistente al ensuciamiento y adecuado para proporcionar un aislamiento galvánico entre el devanado inferior 35 y un fluido que se está muestreando, como el politetrafluoroetileno (PTFE), un fluoropolímero sintético de tetrafluoroetileno. La celda de muestreo 39 puede tener forma de tubo o estar adaptada de otro modo para contener un fluido estacionario o en movimiento, normalmente un líquido. El fluido puede comprender partículas líquidas o sólidas mezcladas con un líquido como en una emulsión, suspensión coloidal, látex u otra dispersión. Entre el devanado superior 33 y el devanado inferior 35 hay un aislante galvánico. Por ejemplo, el aislante galvánico puede ser un tubo de PTFE. El devanado inferior 35 puede enrollarse directamente alrededor de una porción de la celda de muestreo 39 o ajustarse de otro modo alrededor de la celda de muestreo 39, o estar en contacto con esta. El devanado superior 33 puede estar separado del devanado inferior 35 por un espacio de aproximadamente 0,1" a 0,3". El devanado superior 33 y el devanado inferior 35 están dispuestos como bobinas tubulares concéntricas entre sí y, preferentemente, con la célula de muestreo 39.

El segundo transductor resonante tridimensional 31 tiene un espaciador 72 entre el devanado superior 33 y la capa absorbente de RF 67. El espaciador 72 está fabricado con material aislante galvánico. Este espaciador 72 aumenta la señal y reduce el ruido, lo que da lugar a una mayor relación señal/ruido. Los inventores también han observado que este espaciador 72 puede mejorar el intervalo dinámico del segundo transductor resonante tridimensional 31.

El segundo transductor resonante tridimensional 31 tiene cables 74 que conectan los extremos del devanado superior 33 a un conector 68. El conector 68 se utiliza para conectar un cable eléctrico del analizador 15 al segundo transductor resonante tridimensional 31. El segundo transductor resonante tridimensional 31 también tiene accesorios 34 en los extremos de la celda de muestreo 39. Los accesorios 34 permiten que la celda de muestreo 39 se conecte opcionalmente a una o más tuberías, que pueden tener válvulas u otros dispositivos de control de flujo, adaptados para introducir una muestra líquida en la celda de muestreo 39 y para retirar una muestra tras haber sido medida.

Opcionalmente, el segundo transductor resonante tridimensional 31 puede tener dos bobinas superiores aisladas galvánicamente 33, una que se utiliza como bobina de accionamiento (excitación) y otra que se utiliza como bobina de captación (recepción). Sin embargo, en el ejemplo de la FIG. 22, un único devanado superior 33 actúa como bobina de accionamiento y bobina de captación. El analizador 15 está configurado tanto para enviar corriente (una onda de potencia) a través del devanado superior 33 como para recibir una señal (corriente) del devanado superior, pero a diferentes intervalos de tiempo, por ejemplo, de acuerdo con un patrón alterno de excitación y recepción. Las etapas de excitación y recepción pueden tener una duración de, por ejemplo, 0,2 a 5 segundos. La frecuencia de la onda de potencia aplicada durante la etapa de excitación puede variar entre las sucesivas etapas de excitación. Además de evitar un segundo devanado superior 33, esta configuración evita tener dos juegos de cables eléctricos que conectan el analizador 15 al segundo transductor resonante tridimensional 31 y esto tiende a reducir el ruido de la señal.

El devanado inferior 35 actúa como un resonador o bobina de detección. El devanado inferior 35 flota sin conexiones galvánicas con otras partes del segundo transductor resonante tridimensional 31. Es preferente que los dos extremos del devanado inferior 35 no estén conectados entre sí (salvo a través de las bobinas del devanado inferior 35) para formar un bucle de circuito, aunque también pueden utilizarse conexiones para formar un circuito como el de la Figura 5, con o sin condensador. El devanado inferior 35 es excitado por un campo electromagnético creado por una onda de potencia que fluye a través del devanado superior 33. El devanado inferior excitado 35 genera otro campo electromagnético que se altera por su interacción con el fluido de la celda de muestreo 39. Luego, este campo electromagnético (reflejado) es percibido por el devanado superior 33. Como se ha mencionado anteriormente, estas dos etapas se producen en periodos de tiempo diferentes, preferentemente repetidos de forma alterna a lo largo de una pluralidad de ciclos.

Aunque el devanado inferior 35 genera un campo electromagnético, debido a que la celda de muestreo 39 contiene un fluido (tal como agua o petróleo) con baja conductividad, las señales que representan la porción eléctrica (en oposición a la magnética) del campo generado por el devanado inferior 35 son el principal o único medio de análisis. Esto contrasta con las técnicas de corrientes de Foucault que se utilizan cuando se hacen mediciones de materiales más conductores y que utilizan la parte magnética de un campo generado por un resonador como el principal o único medio de análisis. Las señales asociadas a la parte magnética del campo electromagnético generado por el devanado inferior 35 tienden a indicar la conductividad de una muestra mientras que las señales asociadas a la parte eléctrica del campo electromagnético generado por el devanado inferior 35 indican la impedancia de la muestra.

El analizador 15 traduce la respuesta eléctrica (señal) generada por el devanado inferior 33 (tal como se recibe a través del devanado superior 35) en uno o más parámetros medidos. Estos parámetros pueden incluir uno o más de los siguientes: respuesta de la impedancia compleja (magnitud y fase); posición del pico de resonancia, anchura del pico, altura del pico y/o simetría del pico de la respuesta de la impedancia; magnitud de la parte real de la impedancia; frecuencia de resonancia de la parte imaginaria de la impedancia; frecuencia antirresonante de la parte imaginaria de la impedancia; frecuencia de reactancia cero; ángulo de fase de la impedancia; magnitud de la impedancia; y, otros.

El segundo transductor resonante tridimensional 31 de la FIG. 22 puede utilizarse en cualquier procedimiento o aparato descrito para el transductor resonante 31 de la FIG. 5. El segundo transductor resonante tridimensional 31 de la FIG.

22 utiliza la inductancia mutua del devanado superior 33 para detectar el devanado inferior 35. El circuito equivalente de la FIG. 6 puede utilizarse con el segundo transductor resonante tridimensional 31 de la FIG. 22. Una respuesta Rp y una respuesta Cp a mezclas variables de petróleo y agua similares a la mostrada en las FIGS. 7 y 8, respectivamente, pueden obtenerse a partir del segundo transductor resonante tridimensional 31 de la FIG. 22.

El segundo transductor resonante tridimensional 31 puede tener un escudo como se muestra en la FIG. 22. Un conjunto de transductor resonante 63 incluye un absorbente de radiofrecuencia (capa absorbente de RF 67) que rodea la célula de muestreo 39, el devanado superior 33 y el devanado inferior 35. La capa absorbente de RF 67 puede estar rodeada por un escudo metálico, por ejemplo de aluminio, 71. Puede haber un espaciador (no mostrado) entre la capa absorbente de RF 67 y el escudo 71. El escudo 71 es opcional, y no es una parte necesaria del segundo transductor resonante tridimensional 31. Sin embargo, el escudo 71 mejora el funcionamiento dentro o cerca de objetos metálicos y tuberías, reduce el ruido y crea un entorno estable de manera que cualquier cambio en la respuesta del sensor se debe directamente a los cambios en el fluido de prueba. Para encapsular con éxito el sensor en un escudo 71, la capa absorbente de RF 67 puede colocarse entre el sensor y el escudo metálico 71. Esto evita que el campo de radiofrecuencia interactúe con el metal y apague la respuesta del sensor. El escudo metálico 71 puede estar envuelto con un revestimiento 73 de material adecuado. La capa absorbente de RF 67 puede absorber la radiación electromagnética en diferentes intervalos de frecuencia con ejemplos no limitantes en los intervalos de frecuencia de kilohercios, megahercios, gigahercios, terahercios, dependiendo de la frecuencia de operación del transductor 31 y de las fuentes potenciales de interferencia. La capa absorbente 67 puede ser una combinación de capas individuales para intervalos de frecuencia particulares, de modo que las combinaciones de estas capas individuales proporcionan un intervalo espectral más amplio de escudo.

El devanado superior 33 es preferentemente, pero no necesariamente, al menos la mitad de largo que el devanado inferior 35. El devanado superior 33 tiene preferentemente, pero no necesariamente, un paso mayor que el devanado inferior 35. Por ejemplo, como se muestra en la FIG. 22, el devanado superior 33 es aproximadamente tan largo como el devanado inferior 35, pero tiene menos de una décima parte de vueltas que el devanado inferior 35. Por ejemplo, el devanado superior 33 puede tener una vuelta por cada 15 a 50 vueltas del devanado inferior 35. El devanado superior 33 y el devanado inferior 35 tienen diferentes frecuencias de resonancia. Cuando se mide la concentración de agua en petróleo o de petróleo en agua, o la concentración de sales o partículas sólidas en un agua o petróleo o en mezclas a base de agua y petróleo, el devanado superior 33 tiene preferentemente una frecuencia de resonancia más alta que el devanado inferior 35. Las frecuencias de resonancia del devanado superior 33 y del devanado inferior 35 están preferentemente separadas por el valor de referencia. Los picos sucesivos de las señales aplicadas y reflejadas (modificadas por la interacción con la muestra) están separados por al menos cierta distancia a lo largo del valor de referencia.

La disposición concéntrica del devanado superior 33 y del devanado inferior 35 mostrada en la FIG. 22 aumenta la sensibilidad del segundo transductor resonante tridimensional 31. Por ejemplo, el segundo transductor resonante tridimensional 31 de la FIG. 22 puede tener más capacidad de determinar la composición de emulsiones y otras dispersiones, incluyendo dispersiones de partículas sólidas y dispersiones que contienen tanto partículas sólidas como una emulsión, en comparación con el transductor resonante 31 de la FIG. 5.

Como se muestra en la FIG. 10, el sistema de sensores resonantes 11 puede utilizarse para determinar el nivel y la composición de los fluidos en un sistema de procesamiento de fluidos 111. El sistema de procesamiento de fluidos 111 incluye un recipiente 113 con un conjunto de muestreo 115 y un sistema de sensor resonante 11. El sistema de sensor resonante 11 incluye al menos un transductor resonante 12 acoplado al conjunto de muestreo 115. El sistema de sensor resonante 11 también incluye un analizador 15 y un procesador 16.

En funcionamiento, una combinación normalmente inmiscible de fluidos entra en el recipiente a través de una entrada de fluido bruto 123. La combinación de fluidos puede incluir un primer fluido y un segundo fluido normalmente inmiscible con el primer fluido. A medida que se procesa la combinación de fluidos, esta se separa en una primera capa de fluido 117, y una segunda capa de fluido 119. Entre la primera capa de fluido 117 y la segunda capa de fluido 119, puede haber una capa de desperdicio 121. Después del procesamiento, un primer fluido puede ser extraído a través de la primera salida de fluido 125, y un segundo fluido puede ser extraído a través de la segunda salida de fluido 127. El sistema de sensores resonantes 11 se utiliza para medir el nivel de la primera capa de fluido 117, la segunda capa de fluido 119 y la capa de desperdicio 121. El sistema de sensores resonantes 11 también puede utilizarse para caracterizar el contenido de la primera capa de fluido 117, la segunda capa de fluido 119 y la capa de desperdicio 121.

Una realización de un sistema de procesamiento de fluidos 111 es un desalador 141 ilustrado en la FIG. 11. El desalador 141 incluye un recipiente desalador 143. El petróleo crudo entra en el desalador 141 a través de la entrada de petróleo crudo 145 y se mezcla con el agua de la entrada de agua 147. La combinación de petróleo crudo y agua fluye a través de la válvula de mezcla 149 y hacia el recipiente desalador 143. El desalador 141 incluye una salida de petróleo tratado 151 y una salida de aguas residuales 153. Dentro del recipiente desalador 143 hay un cabezal de captación de petróleo 155 y un cabezal de captación de agua 157. El transformador 159 y el transformador 161 proporcionan electricidad a la red eléctrica superior 163 y a la red eléctrica inferior 165. Entre la red eléctrica superior 163 y la red eléctrica inferior 165 hay dispuestos distribuidores de emulsión 167.

En funcionamiento, el petróleo crudo mezclado con agua entra en el recipiente desalador 143 y los dos fluidos se mezclan y distribuyen por los distribuidores de emulsión 167, formando así una emulsión. La emulsión se mantiene entre la rejilla eléctrica superior 163 y la inferior 165. El agua que contiene sal se separa de la mezcla de petróleo y agua por la etapa a través de la rejilla eléctrica superior 163 y la rejilla eléctrica inferior 165 y cae hacia el fondo del recipiente desalador 143 en el que se recoge como agua residual.

El control del nivel de la capa de emulsión y la caracterización del contenido de las emulsiones de petróleo en agua y agua en petróleo es importante en el funcionamiento del desalador 141. La determinación del nivel de la capa de emulsión puede llevarse a cabo utilizando un conjunto de muestreo, tal como un conjunto de línea de prueba 169 acoplado al recipiente desalador 143 y que tiene al menos un transductor resonante 12 dispuesto en el conducto de salida de la línea de prueba 172. El transductor resonante 12 puede estar acoplado a un componente de captación de datos 173. En funcionamiento, el transductor resonante 12 se utiliza para medir el nivel de agua y de petróleo y para permitir a los operadores controlar el proceso. El conjunto de la línea de prueba 169 puede ser una pluralidad de tubos abiertos en un extremo dentro del recipiente desalador 143 con un extremo abierto posicionado permanentemente en la posición vertical deseada o nivel en el recipiente desalador 143 para extraer muestras líquidas en ese nivel. Por lo general, hay una pluralidad de tubos de muestra en un recipiente de procesamiento, cada uno con su propia válvula de muestra, con el extremo abierto de cada tubo en una posición vertical diferente dentro de la unidad, de modo que las muestras líquidas pueden ser retiradas de una pluralidad de posiciones verticales fijas en la unidad. Otro procedimiento de medición del nivel de la capa de emulsión es utilizar un muestreador de brazo oscilante. Un muestreador de brazo oscilante es una tubería con un extremo abierto dentro del recipiente del desalador 143, normalmente conectado a una válvula de muestreo fuera de la unidad. Incluye un conjunto utilizado para cambiar la posición vertical del extremo abierto del tubo en ángulo en el desalador 141, mediante su rotación, de modo que las muestras de líquido puedan ser extraídas (o muestreadas) desde cualquier posición vertical deseada.

Otro procedimiento de medición del nivel de petróleo y agua es disponer al menos un transductor resonante 12 en una varilla de medición 175. La varilla 175 puede ser una varilla con un transductor resonante 12 que se introduce en el recipiente desalador 143. Las mediciones se realizan en varios niveles. Alternativamente, la varilla 175 puede ser una barra estacionaria con una pluralidad de transductores resonantes multiplexados 12. El transductor resonante 12 puede estar acoplado a un componente de captación de datos 179 que recoge los datos de las distintas lecturas para su posterior procesamiento.

Otra realización de un sistema de procesamiento de fluidos 111 es un separador 191 ilustrado en la FIG. 12. El separador 191 incluye un recipiente separador 193 que tiene un conducto de entrada 195 para el petróleo crudo. El petróleo crudo que fluye desde el conducto de entrada 195 impacta en un desviador de entrada 197. El impacto del petróleo crudo en el desviador de entrada 197 hace que las partículas de agua comiencen a separarse del petróleo crudo. El petróleo crudo fluye hacia la cámara de procesamiento 199, en la que se separa en una capa de agua 201 y una capa de petróleo 203. El petróleo crudo se transporta a la cámara de procesamiento 199 por debajo de la interfaz petróleo/agua 204. Esto obliga a la mezcla de entrada de petróleo y agua a mezclarse con la fase continua de agua en el fondo del recipiente y a ascender a través de la interfaz petróleo/agua 204, promoviendo así la precipitación de las gotas de agua arrastradas en el petróleo. El agua se deposita en el fondo mientras que el petróleo sube a la parte superior. El petróleo se desnata sobre un vertedero 205 en el que se recoge en la cámara de petróleo 207. El agua puede ser retirada del sistema a través de un conducto de salida de agua 209 que es controlado por una válvula de control de nivel de agua 211. Del mismo modo, el petróleo puede ser retirado del sistema a través de un conducto de salida de petróleo 213 controlado por una válvula de control del nivel de petróleo 215. La altura de la interfaz petróleo/agua puede detectarse utilizando un conjunto de línea de prueba 217 que tiene al menos un transductor resonante 12 dispuesto en un conducto de salida de línea de prueba 218 y acoplado a un procesador de datos 221. Alternativamente, puede utilizarse una varilla de inmersión 223 con al menos un transductor resonante 12 acoplado a un procesador 227 para determinar el nivel de la interfaz petróleo/agua 204. El nivel determinado se utiliza para controlar la válvula de control del nivel de agua 211 para permitir la extracción de agua de manera que la interfaz petróleo/agua se mantenga a la altura deseada.

Los siguientes ejemplos se dan sólo a modo de ilustración y no pretenden ser una limitación del alcance de esta divulgación. Se utilizó un sistema modelo de aceite mineral pesado, agua corriente y detergente para realizar pruebas estáticas de varios diseños de transductor resonante 12. El nivel de detergente se mantuvo constante para todas las mezclas.

EJEMPLO 1

En el caso del transductor resonante tridimensional 31 dispuesto en un conjunto de muestreo de línea de prueba o brazo oscilante 13, se vertieron diferentes composiciones de petróleo y agua en una celda de muestra con el transductor resonante tridimensional 31 enrollado alrededor del exterior de la celda de muestra. La FIG. 13 muestra la respuesta de la línea de prueba/brazo oscilante en términos de Fp (desplazamiento de la frecuencia de la impedancia real) a medida que aumenta la concentración de petróleo. El límite de detección calculado de la composición del petróleo en las emulsiones de petróleo en agua (FIG. 13 parte A) es del 0,28% y de petróleo en emulsiones de agua en petróleo (FIG. 13 parte B) es del 0,58%.

EJEMPLO 2

En el caso del transductor resonante bidimensional 25, el transductor resonante bidimensional 25 se sumergió en diferentes composiciones de petróleo y agua. La FIG. 14 muestra la respuesta de un transductor resonante bidimensional 25 (2 cm circular) en términos de Fp (desplazamiento de la frecuencia de la impedancia real) al aumentar la concentración de petróleo. El límite de detección calculado de la composición del petróleo en las emulsiones de petróleo en agua (FIG. 14 parte A) es del 0,089% y de petróleo en emulsiones de agua en petróleo (FIG. 14 parte B) es del 0,044%. Este ejemplo ilustra que pequeñas concentraciones de un fluido mezcladas con grandes concentraciones de otro fluido pueden ser medidas con un alto grado de exactitud.

EJEMPLO 3

El sistema modelo se cargó con 250 ml de aceite mineral y se trató con detergente a una concentración de 1 gota por 50 ml (5 gotas). El aceite mineral se agita y se inyecta a través del sensor y se registran los espectros de impedancia. Se añadieron pequeñas adiciones de agua con una salinidad constante y el mismo tratamiento de detergente. Una vez que el volumen de agua superó el 66% o 500 ml de agua, se limpió el sistema y se repitió el experimento con aguas de diferente salinidad. La respuesta multivariada del transductor resonante bidimensional 25 fue sensible a los cambios de composición y conductividad en todos los niveles del recipiente de prueba del sistema modelo. Aunque el efecto de la conductividad y la composición son algo enrevesados, el hecho de que el sensor controle un gradiente de composición permite que el procedimiento de análisis de datos deconvolucione estos efectos.

La FIG. 15 es un diagrama de proceso generalizado que ilustra un procedimiento 261 para determinar la composición de una mezcla de petróleo y agua en función de la altura.

En la etapa 263 se recogen los datos (un conjunto de parámetros del circuito resonante LCR) en función de la altura de arriba a abajo (en el laboratorio, esto se simula empezando con 100% de petróleo y añadiendo gradualmente agua).

En la etapa 265 se determina la conductividad del agua utilizando la calibración al 100% de agua, la respuesta multivariante se compara con una calibración para la conductividad del agua.

En la etapa 267 se determina el punto de inversión de la fase de fluido utilizando los parámetros Z.

En la etapa 269, los parámetros Z se combinan con los datos de conductividad y fase de fluido.

En la etapa 271 se aplica un modelo de fase de petróleo. El modelo de fase de petróleo es un conjunto de valores que correlacionan los valores de frecuencia, los valores de impedancia y los valores de conductividad medidos con el contenido de petróleo en una mezcla de petróleo y agua.

En la etapa 273 se aplica un modelo de fase acuosa. El modelo de fase acuosa es un conjunto de valores que correlacionan los valores de frecuencia, los valores de impedancia y los valores de conductividad medidos con el contenido de agua en una mezcla de agua y petróleo.

En la etapa 275 se determina la composición en función de la altura utilizando la conductividad y el punto de inversión de la fase fluida como parámetros de entrada en el análisis multivariante y se genera un informe.

La FIG. 16 muestra los datos de impedancia bruta (Zp) frente a la frecuencia (Fp) para un perfil que contiene 0-66% de agua de derecha a izquierda. Aproximadamente a 8,12 MHz, el contenido de agua es lo suficientemente alto (-25%) como para inducir la inversión de la fase fluida del aceite a la fase continua del agua. Esto se desprende del cambio drástico de Zp debido al aumento de la conductividad del fluido de prueba en la fase continua del agua. Se aplica un modelo de fase continua de petróleo a cualquier punto de datos a la derecha de la inversión de la fase de fluido y un modelo de agua a la izquierda. Además, se aplica una calibración al punto final para determinar la conductividad del agua, que en este caso era de 2,78 mS/cm.

La FIG. 17 muestra los resultados de un análisis de los datos experimentales de una realización de un sistema de sensores resonantes tridimensionales que ilustra la correlación entre los valores reales y los predichos de petróleo en agua y agua en petróleo y los errores residuales de predicción basados en el modelo desarrollado. La parte A del gráfico representa los valores reales y previstos del petróleo en el agua. La parte B del gráfico representa los valores reales y previstos de agua en petróleo. En la parte A, los puntos de datos se modelaron por separado de los puntos de datos de la parte B (fase continua del agua). Las partes C y D del gráfico representan el error residual entre los valores reales y los previstos de petróleo en agua y agua en petróleo, respectivamente. En general, el error residual fue inferior al 0,5% cuando el porcentaje real de petróleo está entre el 0% y el 60%. El error residual fue inferior al 0,04% cuando el porcentaje real de petróleo está entre el 70% y el 100%. En la inversión de la fase del fluido, el error residual aumenta hasta el 10%, donde la capacidad de predicción es difícil debido a las fluctuaciones en la composición del fluido de prueba en el banco de pruebas dinámico. La capacidad de predicción del sensor mejorará en composiciones >66% de agua con más datos de entrenamiento.

La FIG. 18 ilustra los resultados obtenidos en un desalador simulado. El gráfico muestra un perfil desarrollado al trazar la composición en función del tiempo. Para simular el muestreo mediante un brazo oscilante que gira lentamente a través de la capa de desperdicio, se hizo funcionar un banco de pruebas de manera tal que la composición del fluido de prueba se moduló lentamente con el tiempo añadiendo pequeñas adiciones de agua.

La FIG. 19 es una ilustración del nivel de información esperado del sistema de análisis de datos de los sensores. Al usuario final se le mostrará un gráfico que muestra una representación de la composición en función de la altura en el desalador, el nivel de inversión de la fase fluida y la anchura de la capa de desperdicio. A la izquierda están los indicadores de fase de fluido (negro-petróleo, gris-petróleo continuo, agua cruzada continua, agua blanca) que indican la curva de porcentaje de agua/altura. La altura de la capa de desperdicio es la suma de las regiones de agua continua y petróleo continuo. El nivel de detalle indicado permitirá al operador del desalador optimizar la tasa de alimentación de productos químicos en el proceso, proporcionar información más detallada sobre el rendimiento de un sistema de procesamiento de fluidos y poner de relieve las alteraciones del proceso que pueden causar daños a la infraestructura del proceso posterior.

Se ilustra en la FIG. 20 un procedimiento 281 de medición del nivel de una mezcla de fluidos en un recipiente 113.

En la etapa 283, el procedimiento 281 puede detectar señales (un conjunto de señales) de un sistema de sensores resonantes 11 en una pluralidad de ubicaciones en un recipiente. Las señales son generadas por un transductor resonante 12 sumergido en la mezcla de fluidos. El transductor resonante 12 genera un conjunto de señales de transducción correspondientes a los cambios en las propiedades dieléctricas del transductor resonante 12, y las señales son detectadas por un analizador 15.

En la etapa 285, el procedimiento 281 puede convertir las señales en un conjunto de valores del espectro de impedancia compleja para la pluralidad de ubicaciones. La conversión se realiza mediante un análisis de datos multivariante.

En la etapa 287, el procedimiento 281 puede almacenar los valores del espectro de impedancia compleja.

En la etapa 289, el procedimiento 281 puede determinar si se ha medido un número suficiente de ubicaciones.

En la etapa 291, el procedimiento 281 puede cambiar el transductor resonante 12 que se está leyendo (o la ubicación del transductor resonante 12) si se ha medido un número insuficiente de ubicaciones.

En la etapa 293, el procedimiento 281 puede determinar el punto de inversión de la fase de fluido si se ha medido un número suficiente de localizaciones. El punto de inversión de la fase de fluido se determina a partir de los valores del espectro de impedancia compleja identificando un cambio drástico en los valores de impedancia.

En la etapa 295, el procedimiento 281 puede asignar un valor para el nivel de interfaz basado en el punto de inversión de la fase de fluido.

La FIG. 21 es un diagrama de bloques de ejemplo no limitativo de un sistema de procesador 810 que puede utilizarse para implementar los aparatos y procedimientos descritos en la presente memoria. Como se muestra en la FIG. 21, el sistema procesador 810 incluye un procesador 812 que está acoplado a un bus de interconexión 814. El procesador 812 puede ser cualquier procesador, unidad de procesamiento o microprocesador adecuado. Aunque no se muestra en la FIG. 21, el sistema de procesador 810 puede ser un sistema multiprocesador y, por lo tanto, puede incluir uno o más procesadores adicionales que son idénticos o similares al procesador 812 y que están acoplados comunicativamente al bus de interconexión 814.

El procesador 812 de la FIG. 21 está acoplado a un conjunto de chips 818, que incluye un controlador de memoria 820 y un controlador de entrada/salida (E/S) 822. Como es bien sabido, un conjunto de chips típicamente proporciona funciones de E/S y de gestión de la memoria, así como una pluralidad de registros de propósito general y/o especial, temporizadores, etc. que son accesibles o utilizados por uno o más procesadores acoplados al conjunto de chips 818. El controlador de memoria 820 realiza funciones que permiten al procesador 812 (o a los procesadores si hay varios procesadores) acceder a una memoria del sistema 824 y a una memoria de almacenamiento masivo 825.

La memoria del sistema 824 puede incluir cualquier tipo deseado de memoria volátil y/o no volátil tal como, por ejemplo, memoria de acceso aleatorio estático (SRAM), memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM), memoria flash, memoria de sólo lectura (ROM), etc. La memoria de almacenamiento masivo 825 puede incluir cualquier tipo de dispositivo de almacenamiento masivo que se desee, incluyendo unidades de disco duro, unidades ópticas, dispositivos de almacenamiento en cinta, etc.

El controlador de E/S 822 realiza funciones que permiten al procesador 812 comunicarse con los dispositivos periféricos de entrada/salida (E/S) 826 y 828 y con una interfaz de red 830 a través de un bus de E/S 832. Los dispositivos de E/S 826 y 828 pueden ser cualquier tipo de dispositivo de E/S deseado tal como, por ejemplo, un teclado, una pantalla o monitor de vídeo, un ratón, etc. Los dispositivos de E/S 826 y 828 también pueden ser. La interfaz de red 830 puede ser, por ejemplo, un dispositivo Ethernet, un dispositivo de modo de transferencia asíncrono (ATM), un dispositivo 802.11, un módem DSL, un módem de cable, un módem celular, etc. que permite al sistema procesador 810 comunicarse con otro sistema procesador. Los datos del analizador 15 pueden ser comunicados al procesador 812 a través del bus de E/S 832 utilizando los conectores de bus apropiados.

Mientras que el controlador de memoria 820 y el controlador de E/S 822 son representados en la FIG. 21 como bloques separados dentro del conjunto de chips 818, las funciones realizadas por estos bloques pueden estar integradas dentro de un único circuito semiconductor o pueden implementarse utilizando dos o más circuitos integrados separados.

Ciertas realizaciones contemplan procedimientos, sistemas y productos de programas informáticos en cualquier medio legible por máquina para implementar la funcionalidad descrita anteriormente. Ciertas realizaciones pueden implementarse utilizando un procesador informático existente, o mediante un procesador informático de propósito especial incorporado para este u otro propósito o mediante un sistema cableado y/o de firmware, por ejemplo. Algunas realizaciones incluyen medios legibles por ordenador para llevar o tener instrucciones ejecutables por ordenador o estructuras de datos almacenadas en estos. Estos medios legibles por ordenador pueden ser cualquier medio disponible al que pueda acceder un ordenador de propósito general o especial u otra máquina con un procesador. A modo de ejemplo, dichos medios legibles por ordenador pueden comprender RAM, ROM, PROM, EPROm , EEPROM, Flash, CD-ROM u otro almacenamiento en disco óptico, almacenamiento en disco magnético u otros dispositivos de almacenamiento magnético, o cualquier otro medio que pueda utilizarse para llevar o almacenar el código de programa deseado en forma de instrucciones ejecutables por ordenador o estructuras de datos y al que pueda acceder un ordenador de propósito general o especial u otra máquina con un procesador. Las combinaciones de lo anterior también se incluyen en el ámbito de los medios legibles por ordenador. Las instrucciones ejecutables por ordenador comprenden, por ejemplo, instrucciones y datos que hacen que un ordenador de propósito general, un ordenador de propósito especial o máquinas de procesamiento de propósito especial realicen una determinada función o grupo de funciones.

Generalmente, las instrucciones ejecutables por ordenador incluyen rutinas, programas, objetos, componentes, estructuras de datos, etc., que realizan tareas particulares o implementan tipos de datos abstractos particulares. Las instrucciones ejecutables por ordenador, las estructuras de datos asociadas y los módulos de programa representan ejemplos de código de programa para ejecutar etapas de ciertos procedimientos y sistemas divulgados en la presente memoria. La secuencia particular de tales instrucciones ejecutables o estructuras de datos asociadas representan ejemplos de actos correspondientes para implementar las funciones descritas en tales etapas.

Las realizaciones de la presente divulgación pueden practicarse en un entorno de red utilizando conexiones lógicas a uno o más ordenadores remotos que tienen procesadores. Las conexiones lógicas pueden incluir una red de área local (LAN) y una red de área amplia (WAN) que se presentan en este caso a modo de ejemplo y no de limitación. Estos entornos de red son habituales en las redes informáticas de oficinas o empresas, intranets e Internet, y pueden utilizar una gran variedad de protocolos de comunicación diferentes. Los expertos en la técnica apreciarán que dichos entornos informáticos de red abarcarán típicamente muchos tipos de configuraciones de sistemas informáticos, incluyendo ordenadores personales, dispositivos de mano, sistemas multiprocesadores, productos electrónicos de consumo basados en microprocesadores o programables, ordenadores de red, miniordenadores, ordenadores centrales y similares. Las realizaciones de la divulgación también pueden practicarse en entornos informáticos distribuidos en los que las tareas son realizadas por dispositivos de procesamiento locales y remotos que están vinculados (ya sea por enlaces cableados, enlaces inalámbricos o por una combinación de enlaces cableados o inalámbricos) a través de una red de comunicaciones. En un entorno informático distribuido, los módulos de programa pueden estar ubicados en dispositivos de almacenamiento de memoria tanto locales como remotos.

La monitorización de los cambios de la impedancia compleja del circuito y la aplicación del análisis quimiométrico de los espectros de impedancia permite predecir la composición y la fase continua de las mezclas de petróleo en agua y de agua en petróleo con un error estándar de 0,04% en 0-30% de agua y de 0,26% en 30-100% de agua.

Las herramientas de análisis multivariante en combinación con los espectros de impedancia ricos en datos permiten eliminar las interferencias, y los transductores diseñados para una profundidad de penetración máxima disminuyen el impacto del ensuciamiento. A medida que la profundidad de penetración del resonador se extiende más en la masa del fluido, el ensuciamiento de la superficie se vuelve menos significativo.

El término "analito" incluye cualquier parámetro ambiental medido deseado.

El término "parámetros ambientales" se utiliza para referir a las variables ambientales medibles dentro o alrededor de un sistema de fabricación o monitoreo. Las variables ambientales medibles comprenden al menos una de las propiedades físicas, químicas y biológicas e incluyen, entre otras, la medición de la temperatura, la presión, la concentración de material, la conductividad, la propiedad dieléctrica, el número de partículas dieléctricas, metálicas, químicas o biológicas en la proximidad o en contacto con el sensor, la dosis de radiación ionizante y la intensidad de la luz.

El término "fluidos" incluye gases, vapores, líquidos y sólidos.

El término "interferencia" incluye cualquier parámetro ambiental no deseado que afecte indeseablemente a la exactitud y precisión de las mediciones con el sensor. El término "interferente" se refiere a un fluido o a un parámetro ambiental (que incluye, pero sin limitación, la temperatura, la presión, la luz, etc.) que potencialmente puede producir una respuesta de interferencia por parte del sensor.

El término "transductor" significa un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.

El término "sensor" significa un dispositivo que mide una cantidad física y la convierte en una señal que puede ser leída por un observador o por un instrumento.

El término "análisis de datos multivariante" significa un procedimiento matemático que se utiliza para analizar más de una variable de la respuesta de un sensor y para proporcionar la información sobre el tipo de al menos un parámetro ambiental a partir de los parámetros espectrales del sensor medidos y/o a la información cuantitativa sobre el nivel de al menos un parámetro ambiental a partir de los parámetros espectrales del sensor medidos.

El término "impedancia de resonancia" o "impedancia" se refiere a la respuesta de frecuencia medida del sensor alrededor de la resonancia del sensor de la que se extraen los "parámetros espectrales" del sensor.

El término "parámetros espectrales" se utiliza para referir a las variables medibles de la respuesta del sensor. La respuesta del sensor es el espectro de impedancia del circuito sensor de resonancia del transductor resonante 12. Además de medir el espectro de la impedancia en forma de parámetros Z, parámetros S y otros parámetros, el espectro de la impedancia (tanto la parte real como la imaginaria) puede analizarse simultáneamente utilizando diversos parámetros de análisis, tal como, por ejemplo, la frecuencia del máximo de la parte real de la impedancia (Fp), la magnitud de la parte real de la impedancia (Zp), la frecuencia de resonancia de la parte imaginaria de la impedancia (F1) y la frecuencia antirresonante de la parte imaginaria de la impedancia (F2), la magnitud de la señal (Z1) a la frecuencia de resonancia de la parte imaginaria de la impedancia (F1), la magnitud de la señal (Z2) a la frecuencia antirresonante de la parte imaginaria de la impedancia (F2), y la frecuencia de reactancia cero (Fz), frecuencia a la que la parte imaginaria de la impedancia es cero). Otros parámetros espectrales pueden medirse simultáneamente utilizando todo el espectro de impedancia, por ejemplo, el factor de calidad de la resonancia, el ángulo de fase y la magnitud de la impedancia. En conjunto, los "parámetros espectrales" calculados a partir de los espectros de impedancia se denominan en la presente "características" o "descriptores". La selección adecuada de características se realiza a partir de todas las características potenciales que pueden calcularse a partir de los espectros. Los parámetros espectrales multivariables se describen en la Solicitud de Patente de los EE.u U., con Núm. de Serie 12/118.950 titulada "Methods and systems for calibration of RFID sensors".

La terminología empleada en la presente memoria tiene por objeto describir únicamente realizaciones particulares y no pretende ser limitante de la invención. En los casos en que la definición de los términos se aleje del significado comúnmente utilizado, el solicitante pretende utilizar las definiciones proporcionadas en la presente memoria, a menos que se indique específicamente. Las formas singulares "un/a", "el" y "la" se refieren también a las formas plurales, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Se entenderá que, aunque los términos "primero", "segundo", etc., pueden utilizarse para describir diversos elementos, estos no deben estar limitados por dichos términos. Estos términos sólo se utilizan para distinguir un elemento de otro. El término "y/o" incluye todas y cada una de las combinaciones de uno o varios de los elementos asociados enumerados. Las frases "acoplado a" y "acoplado con" contemplan el acoplamiento directo o indirecto.

En algunas realizaciones, la presente invención utiliza el campo eléctrico y una única bobina resonante que es capaz de cuantificar un gran intervalo dinámico, por ejemplo de 0-100% de agua, y caracterizar la fase continua de las emulsiones aceite/agua observadas. No se requieren múltiples bobinas de detección para cubrir el amplio intervalo dinámico que presentan los fluidos de fase continua de aceite/gas o agua. Sin pretender estar limitado por la teoría, la capacidad de operar con una sola bobina de detección resulta de no utilizar un procedimiento basado en las corrientes de Foucault en el que la pérdida de potencia o la atenuación de un campo magnético se determinan y correlacionan con el contenido de componentes conductores de un fluido multifásico.

De forma similar, en al menos algunas realizaciones, la presente invención no requiere una combinación de un transductor de corrientes de Foucault u otro transductor con una sonda de capacitancia de baja frecuencia (o sensores separados para sondear la capacitancia y la conductancia en general) para diferenciar la complejidad de las muestras. De acuerdo con la presente invención, sólo se requiere una única bobina de detección y una segunda bobina que transmita y reciba la señal.

En al menos algunas realizaciones de la presente invención, las mediciones de detección se llevan a cabo en un amplio intervalo de frecuencias, en las que el intervalo de frecuencias incluye regiones en las que la señal del resonador puede ser sólo del 10%, 1% o incluso 0,001% de su respuesta máxima. Los procedimientos de detección pueden incluir uno o más de los siguientes: (1) barrer ópticamente la respuesta del sensor sobre el intervalo de frecuencias que incluye regiones en las que la señal del resonador es sólo 0,001 -10% de su respuesta máxima, (2) analizar el espectro recogido para los cambios simultáneos de uno o más de un número de parámetros medidos que incluyen la posición del pico de resonancia, la magnitud de la parte real de la impedancia, la frecuencia resonante de la parte imaginaria de la impedancia, la frecuencia antirresonante de la parte imaginaria de la impedancia, y otros, (3) determinar la composición de las mezclas de fluidos incluso cuando uno de los fluidos está en una concentración baja, y (4) determinar el nivel de fluido y determinar la capa de emulsión. Se puede utilizar la información del espectro que es tanto ligeramente más baja como más alta en la frecuencia de resonancia. Opcionalmente, una sola bobina puede cumplir dos funciones: excitación y recepción de señal, opcionalmente de forma simultánea.

Al menos algunas realizaciones de la presente invención emplean dos bobinas con frecuencias resonantes con una separación de base entre las bandas de frecuencia. De este modo, la señal de resonancia intrínseca de la bobina de captación (que puede utilizarse como bobina de transmisión y de recepción) no influye en la señal de resonancia de la bobina de detección.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un sensor que comprende:

un transductor resonante tridimensional (31) configurado para determinar una composición de una emulsión u otra dispersión,

en el que el transductor resonante tridimensional comprende:

- una célula de muestreo (39);

- un devanado superior (33) y un devanado inferior (35), estando el devanado inferior (35) situado alrededor de la célula de muestreo (39) y el devanado superior (33) situado alrededor y concéntrico al devanado inferior (35);

- un aislante galvánico proporcionado entre el devanado superior (33) y el devanado inferior (35); - una capa absorbente de radiofrecuencia (67) dispuesta alrededor del devanado superior (33);

- un espaciador (72) dispuesto entre el devanado superior (33) y la capa absorbente de RF (67); estando el espaciador (72) fabricado con material aislante galvánico;

- cables (74) que conectan los extremos del devanado superior (33) a un conector (68), estando dicho conector adaptado para conectar un cable eléctrico de un analizador de impedancia (15) al transductor resonante tridimensional (31);

- accesorios (34) en los extremos de la celda de muestreo (39);

en el que:

el devanado superior (33) está adaptado para actuar tanto como bobina de accionamiento y bobina de captación;

el devanado inferior (35) está adaptado para actuar como resonador o bobina de detección, el devanado inferior (35) es un devanado flotante, sin conexiones galvánicas con otras partes del transductor resonante tridimensional (31);

el devanado inferior (35) está adaptado para ser excitado por un campo electromagnético creado por una onda de potencia que fluye a través del devanado superior (33), de manera tal que el devanado inferior excitado (35) genera otro campo electromagnético que es alterado por su interacción con el fluido de la celda de muestreo (39), dicho campo electromagnético alterado siendo detectado por el devanado superior (33).

2. El sensor de la reivindicación 1, en el que el absorbente de RF (67) absorbe radiación electromagnética en los intervalos de frecuencia de kilohercios, megahercios, gigahercios y terahercios, dependiendo de la frecuencia de funcionamiento del transductor resonante tridimensional (31) y de la fuente potencial de interferencias.

3. El sensor de la reivindicación 1, en el que el absorbente de RF (67) es una combinación de capas individuales para intervalos de frecuencia particulares.

4. El sensor de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el devanado superior (33) es al menos la mitad de largo que el devanado inferior (35).

5. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el devanado superior (33) tiene un paso mayor que el devanado inferior (35).

6. El sensor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, el transductor resonante tridimensional (31) comprende además un escudo metálico (71) alrededor del absorbente de RF (67).

7. Un sistema de sensores (11) que comprende

un sensor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6;

un conjunto de muestreo (13); y

un analizador de impedancia (15); en el que el analizador de impedancia está conectado únicamente al devanado superior (33) del sensor.

8. El sistema de sensores de la reivindicación 7, en el que:

el transductor resonante (31) comprende un resonador configurado para medir un conjunto de parámetros del circuito resonante LCR; y

el conjunto de parámetros del circuito resonante LCR comprende al menos uno de un espectro de impedancia, una parte real del espectro de impedancia, una parte imaginaria de un espectro de impedancia, ambas partes reales e imaginarias del espectro de impedancia, una frecuencia de un máximo de la parte real de una impedancia compleja, una magnitud de la parte real de la impedancia compleja, una frecuencia de resonancia, una magnitud de la parte imaginaria de la impedancia compleja, y una frecuencia antirresonante y una magnitud de la parte imaginaria de la impedancia compleja.

9. El sistema sensor de la reivindicación 8, en el que el analizador de impedancia (15) convierte el conjunto de parámetros del circuito resonante LCR en valores de un espectro de impedancia compleja.

10. Un sistema de sensores para determinar una composición de una mezcla de petróleo y agua en un recipiente que comprende:

un subsistema que determina un conjunto de valores del espectro de impedancia compleja del petróleo en un extremo del recipiente y del agua en el extremo opuesto con un sensor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6;

un subsistema que genera los valores de calibración del sistema de sensores para el 100% de petróleo y el 100% de agua, respectivamente;

un subsistema que genera un modelo a partir de los valores de calibración; y

un subsistema que aplica el modelo al conjunto de valores del espectro de impedancia compleja para determinar la composición.

11. Un procedimiento de medición de una altura de interfaz entre fluidos en un recipiente, comprendiendo el procedimiento,

detectar un conjunto de señales de un sensor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en una pluralidad de ubicaciones en el recipiente;

convertir el conjunto de señales en valores relacionados con la impedancia del fluido muestreado para la pluralidad de ubicaciones; y,

determinar un punto de inversión de fase de fluido a partir de los valores.

12. Un procedimiento de determinación de una composición de una mezcla de partículas en un líquido que comprende determinar con un sistema de sensores (11) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-10 un valor relacionado con la impedancia de la mezcla; y,

aplicar un modelo de fase del líquido al valor.