JPS62184339A - 配管を通つて流れる原油混合物中の種々の成分割合を測定する方法および装置 - Google Patents

配管を通つて流れる原油混合物中の種々の成分割合を測定する方法および装置

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JPS62184339A JP61280551A JP28055186A JPS62184339A JP S62184339 A JPS62184339 A JP S62184339A JP 61280551 A JP61280551 A JP 61280551A JP 28055186 A JP28055186 A JP 28055186A JP S62184339 A JPS62184339 A JP S62184339A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、石油に含まれたカスと水分の少なくとも一
方の含量を測定すること、特に、原油流体混合物中のガ
ス、水、および石油の割合を測定する方法および装置に
関するものである。
〔従来の技術〕
油井および石油産出配管からの石油の産出は。
通常、ガスまたは水の産出を伴う。流体系中のこのよう
な成分の体積分率の測定は、どんな石油産出系において
も、特に数基の油井が海面に通じる昇水管または配管で
海底マニホールドに連結され得る海底油井の場合には重
要でるる。各油井からの配管中における石油、水、およ
びガスの成分を知ることは、石油産出系および石油産出
タンクをより良好に制御するために必要な情報を提供す
る。
上述した成分のうちの7種以上を測定する種々の技術が
ある。例えば、靜車容童法またはマイクロ波法は、流体
配管中の水分含量を測定するのに使用され、また、ガン
マ(γ)線法または中性子線法は空隙やガス成分を測定
するのに使用されることができる。
他の測定法は、原油中の水の体積を測定するために石油
/水分離機を使用する。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述したような方法では、水の量をバッチ式でしか測定
できないという問題点があった、原油中で水および石油
はしばしば乳濁しており、このような場合、水と石油と
の分離は不完全となシ、測定結果に誤差を与えることK
なる。さらに1石油中のガスの量は、別途に測定しなけ
ればならず、通常、取シ締まシ官庁は個々の油井におけ
る頻繁な流量測定を必要とするので、この測定のために
は個別の試験分離機が必要でるるという問題点がめった
。また、石油/水分離機は大型でオシ、石油産出または
採掘プラットフォームの貴重なスペースを占有するので
5個々の油井または複合された油井からの原油流体中の
ガスおよび水の比率を測定する信頼できる方法が求めら
れている。
この発明は、このような問題点を解決するためになされ
たもので、原油混合物中のガス、水、および石油の成分
割合を測定する方法および装置を得ることを目的とする
〔間視点を解決するための手段〕
従って、この発明に係る原油混合物中の種々の成分割合
を測定する方法は、配管を通って流れる原油混合物にγ
線またはX線を照射する工程と。
既知体積の原油混合物中を透過した放射線を検出し、上
記原油混合物中の成分の含有量に関係づけられ得る信号
を発生する工程と、この信号を処理して上記成分の質量
比を得る工程と、流量制限部分を通る上記原油混合物の
圧力低下を測定する工程と、上記質量比、圧力低下値、
および標準相関校正値を相関させて上記原油混合物中に
存在する成分の質量流量を得る工程とからなるものであ
る。
ここで標準相関校正値とは1機器中で使用されるときと
同様な形状で流量制限部分を流れる際に、石油、水、お
よびガス系の種々の混合物が他の成分例えば砂を伴いあ
る・^は伴わないでそれぞれの成分ごとに独立に測定さ
れた圧力低下データである。
この発明の別の発明に係る原油混合物中の揮々の成分割
合を測定する装置は、配管の所定長さ沿いの原油混合物
の流量を制限するための絞り手段と、この絞り手段中の
原油′r#、合物にγ線またはX線を照射するための放
射線源と、上記原油混合物の成分を透過した放射線を検
出して第1組の信号を発生するための検出手段と、上記
絞り手段を横切る上記原油混合物の圧力低下を測定して
第2組の信号を発生するための圧力測定手段と、流体中
の適当な点における温度を測定して第1組の信号を発生
するための温度測定手段と、上記第1組。
第2組および第3組の信号と標準相関校正値とを比較し
て関係づけ、上記原油混合物中の成分の質量流量を与え
る信号処理手段とを備えたものである。
〔作 用〕
この発明においては、原油混合物中を透過した放射線強
度を求めることによって、配管の流量制限部分における
原油混合物中の各成分の質量流量を求めることができる
。また、各成分の温度や圧力が変わったとしても、正確
な測定結果が得られる。
また、この発明の別の発明においては、配管の流量制限
部分を通る原油混合物中の各成分の質量流量を求めるこ
とができる。
〔実施例〕
第1図はこの発明の製電の一実施例およびこれが組み込
まれた配管を示す略縦断面図であり、この発明の装置は
、原油、水、およびガスを1層状に分散された混合物ま
たはこれらが互いに混合された混合物の形態で運ぶ配管
(ハに使用される。この発明の装置は、配管(1)の絞
り部分(,21に設けられ。
放射線例えばγ線またはX線の放射線源(3)を備えて
いる。吸収率が小さい窓[4=1は、配管(ハの模り部
分(λ)に設けられ、原油を透過する放射線を増加させ
ることができる。配管(ハを流れる石油を透過した放射
線は、放射線検出器(5)によって検出され、検出され
た信号は線路(6)を通して信号処理装置(ワ)に送ら
れる、 これと同時に、絞り部分(2)を横切る圧力低下は圧力
計ffflおよび(9)を使用して測定される、これら
の圧力計(5)および(9)によって発生された信号は
それぞれ線路(10)および(//)を通して信号処理
装置(7)に送られる。原油の温度は温度計(/2)を
使用して測定され、この温度計(/2)は別な信号を発
生し、この信号は線路(/7)を通して信号処理装置(
7)に送られる。信号処理装#(71としては例工ばマ
イクロコンピュータを使用でき、この信号処理装置(7
)は出力線路(/lI)を通してディスプレイユニット
(図示しない)に信号を伝達する、ディスプレイユニッ
トは原油流体中の石油、水。
およびガスの′lt!流量を視覚的に表示する。
第2図はこの発明の装置の他の実施例および配管を示す
略縦断面図であり、゛第1図に示す装置と実質的に同一
である、第2図において、配管(/1の絞り部分(2)
は可変絞り部分(/6)で蓋き換えることができる、こ
の可変絞り部分(16)は、それぞれ放射線源(3)お
よび放射線検出器(3)を収容した一対のケース(/7
)および(tg)、並びに、これらのケース(/7)お
よび(7g)を互いに近接させたり離したりするための
駆動手段(19)および(2のによって構成されている
、駆動手段(19)および(20)は1例えば流体で作
動させるシリンダーで良く、そのピストン棒(図示しな
い)がケース(/7)および(7g)を支持する。
石油生産用パイプラインにおける配管(1)の直径は例
えばSα〜i s cWL(さらにはyoatt)であ
る。
しかし、放射線を透過させて原油混合物の成分割合を測
定するこの発明の方法が適用され得るためには、配管(
ハの内径はり信程度以下、好適には/1〜ArcMであ
ることが必要である。従って配管(ハの内径が!;cm
程度よシ大きい場合には、絞り部分(,11または可変
絞り部分(/6)などの絞り手段によって、放射線測定
部分の配管(/1の内径を調節することができる。
上述したように、構成された装置において、放射線検出
器(3)は装黄動作時に配管(1)の絞υ部分(2)″
または可変絞り部分(/6)における流体を透過した放
射線を検出する。放射線源(3)は実際には少なくとも
3種類の異なるエネルギーレベルを持つγ線またはX線
を発生する放射線源、または配管(1)中の流体を照射
するそれぞれ別個な放射線源であるや放射線検出器(5
1は7種類以上の別個の放射線を検出する測定要素(図
示しない)を含み、この測定要素はγ線またはX線のそ
れぞれ異なったエネルギーレベルを区別することができ
る。放射線<W (3)および測定要素は、配管tノ)
中の原油混合物の別々の3種類の成分を透過した放射f
sRを示す信号を発生するように設計てれている。
信号処理装置(7)は、放射線検出器(3)から送られ
てきたパルス信号を増幅する前置増幅器(図示しない)
を備えている。この前置増幅器で増幅された慴号は、主
増幅器でさらに増幅された後に、3個のパルス波高弁別
器(図示しない)に送られる。
波高弁別器は一!種の光子エネルギーに対応するウィン
ドウレベルを設定する。演算処理装置(図示しない)は
波高弁別とからのパルス出力信号を受は取ρ、かつ透過
放射@強度の対αに比例した、原油中の石油、水、およ
びガスの′ホ債比を算出する。圧力=r (g)および
(9)によって供給された圧力低下値は、演算処理過程
において質量比匝と関係づけられ、さらに演算処理過程
内に記1はされている標準相関校正値と比較対照され、
原油中の石油、水、およびガスの成分の’*i流量を提
供する。得られた質量流量はナイスプレイユニットに送
られて表示される。流体の密度は一般に温度に依存し。
でいるので、信号処理装#(71に送られた温度測定値
は基準値と比較した時に、質量流量を正確に計算きせる
放射線検出i (!5)として例えばガス封入型比例計
数管を使用できる。上述した測定装置例えば前瞳増幅器
、主増幅器、および波高弁別器は放射線計測の分野で日
常的に使用されている既製品である。
演算処理装置としては9例えばマイクロコンピュータま
たはアナログ回路を使用できる、物質中での放射線の減
衰は一般(( 1n工o / I = ttpd 81表わせる、ここで、IOは入射放射線の強並。
■は透過放射線の強度、μは物質の放射線質量吸収係数
、ρは物質の密度、およびdは物質中の透過厚ジ(距離
)である。もl−原油−ガス−水系の放射線透過厚さを
D (am)とすると、石油成分の全厚さはdo、水成
分の全厚さはdw、ガス成分の全厚さはdgとなり1石
油、水、およびガスの放射線質量吸収係数はそれぞれμ
0.μW、およびμgとなる、ρ0.ρW、およびρ5
がそれぞれ石油、水、およびガスの密度であり、Ioお
よび工がそれぞれ入射放射線の強度および透過放射線の
強度であり、d/コが配管(1)の測定部分の管壁の厚
さであり、ρが管壁の測定部分の密度であり、μが管壁
の測定部分の放射afff吸収係数であるときに1次の
各式を得ることができる: μ0/ρOdO+μWlpWdW+μg/ρgdg =
in  (IO/  / I/)  −11tl)d 
      (/1μo−ρOdo + μWJ ρW
dW  + μgJ  ρgdg  gin  (I□
コ/ 工J)−/JJρd      LzlμOJρ
odo+μw3ρydy + fitz3 ρgdg 
=In  (I□J/ 1.y)−aJρd(3)ここ
で添字/、コ、および3はそれぞれ7種類の異なった放
射線エネルギー忙関するものである。
μlρdは一定でアシかっ工。/は予め知ることができ
るので、上述した各式の右辺は透過放射線の強度を測定
することによって求めることができる。
この透過放射線の強度をC/とすると、Jn(I□l/
I/)−ttipd=J−n工0t−atpd−J−n
工t=at−J−nIi=CI(ダ) in(Ioa/Ia)−μコρd =J酊OJ−μコρ
d−4nIコ=aコーJ−nエコ=C−(5)in(I
o、y/I3) −ayρd=JLnI03113ρd
−J−nIJ=a3−J−nI3=CJ(61が得られ
る。
放射線エネルギーは(μQ/、μy/、μgz)、(μ
0コ。
μw」、μg2)、および(μ03.μWJIμgJ)
をそれぞれ互いに一次独立となるように選択されるので
、式(/1、(コ1.および(3)ハそれぞれdoρO
* dvρ7.およびdgρgにつめて次のように解く
ことができる:dOρo = No/M       
    (71dWρw = Nw / M     
    (ffldgρg =Ng / M     
    (9)但し。
M=μO7μw2μgJ+μglμQJμw3+μW/
μgコμQj−μQ/μgコμw3−μg/μWコμ0
3−μW/μ0コμgj         (/のNo
 = C7μTIJμgj+cコμg/μWJ+CJμ
W/μgコーC/μg2μw3−CコμW/μgJ−C
Jμg/μWコ                  
  (//)Nw = C7μgコμ0.7+CコμO
7μg、y+Cyμg/μ0コ−Ctμ0コμgj−C
コ惰lμ0y−CJ顯lμgコ           
    (/2)Ng =C/μQJμvrJ+cコl
rW/μQj+C,7μolμWコーC/μWコμQj
−CコμO7μw3−CyμW/μ0コ       
           (/3)でめる。
所定の油井中の石油およびガスの組成の物理的性質は急
には変らないので、μQ/、μOJ、μQj。
μg/、μgコ、μg3.μW/、μWj、4w3はか
なシ長い期間一定と見なすことができる。 C/、CJ
およびCJは透過放射線の強度の測定によって決定する
ことができ、そしてdoρ0.awρWおよびdgρ2
は上述した式から求めることができる。doρO、dW
ρWおよびdgρgは、それら自体の定義から、放射線
透過路の全長に亘り、放射線透過路を横切って延びるこ
の単位面積ごとの石油、水およびガスの質量の合計でめ
る。要するに、μW/、μWJ、μWJ、μQ/。
μ。−1μQJ、μgl、μgJ、μg3に予め一定の
値を与えておけば、上述した式からd OR)* dw
 I)w 、 dgρgを求めることができ、また、C
/、CJおよびCJは透過放射線の強度を測定すること
によって式(4!1.(31から求めることができ、従
って、原油混合物流体中の石油、水およびガスの質量比
を求めることができる、すなわち、透過ガンマ線の強度
をオンラインで測定できるので、石油、水およびガス成
分の質量比は他の情報を使用することなくオンラインで
求めることができる。さらに、原油混合物流体中の3種
類の成分の成分分析は、光子エネルギーの異なるコ種類
の放射線を使用して行なうことができる、得られた質量
比は原油の温度や圧力が変わったり、ガス、石油および
水の密度が変わったとしても影響を受けない。
以下罠具体的な数値例を示して、この発明をさらに詳細
に説明する。
放射線源としてAm−コダlを使用する。この放射線源
は!; 9.!r KeV 、 2 b、t KeVの
rH,並びに13.9KeV、i’1tKeV、 20
.tKeVのX@を放出する。そこで、コls、t K
eV以下のエネルギーを有する放射線を一〇KevのX
′4Bと見なし、さらにパルス計数型放射線検出器とし
て比例計数管を用すて59jKeV。
γ線を測定すると、代表的な検出器のエネルギー分解能
が10%程度でめるので、これら2つのエネルギーは容
易に分離され、2棟類の強度のγ線とX線を同時に測定
することができる、さらに、第2番目のエネルギーを持
った放射線源としてCkaHyを使用することができる
。Gaは約100KI3Vのγ線を放射する。γ線の測
定は、比例計数管またはシンチレーショノカウンターを
使用して行なうことができる。
例えば石油の組成が昨シnかつガスの組成がCI(弘と
すると、それぞれの放射線質量吸収係数は次のとおシで
らる: り 従って、(μQ/、μW/、μgt)と(μOコ、μW
J、μgs)と(μQJ、μwJ、μgs )とは互い
忙−次独立でtbシ。
d0ρ0+dWρW + d gρgは一義的に決定す
ることかでき、原油中の石油、水およびガス成分を求め
ることができる。放射線質量吸収係数が温度や圧力と無
関係に物質によって一定であるので原油・中の石油、水
およびガ子の質量成分は原油の温度または圧力に無関係
に得ることができる。
上述した放射線検出器系の代わりに、単一の放射線源例
えばkm2ri1から放出された1種類のエネルギー分
解能の放射線を区別することができる放射線検出器系を
使用することができる。
また、長期間に亘っては、石油、水またはガスの性質は
変化することがめるので、定期的にμO/+μ0コ、μ
oJ、μW/、μWJ、μWJ、μg/、μgコ、μg
3 の値を更耕できるように演算処理装着を構成してお
くこともできる。
さらに、第1および第一の種類の放射線に対して、一つ
の別々な放射線測定系を使用することができる。この場
合、第1の放射線測定系として第1の放射線源、第1の
放射線検出器、第1の前置増幅器および第1の主増幅器
を使用し、第一の放射線測定系として第一の放射線源、
第一の放射線検出器、第一の前貸増幅器および第2の主
増幅器を便用する。、あるいは、3檀類の放射線測定系
について単一のパルス計数型検出器を利用することによ
シ、放射線検出器から主増幅器までの放射線測定系とし
て共通の放射線測定系を使用することができる。、また
、γ線源の代わ夛にX線管を用いることもできる。
上述した数値例では、放射線の強度の測定をパルス計数
法で行なったが、直流直流型の検出器を用いて放射線の
強度を測定することもできる。
また、上述した数値例では、透過放射線強度の対数に比
例する信号を演算処理装置で発生させたが、パルス波高
弁別器の後に対数計数率計を設け、この対数計数率数が
透過放射線強度の対数に比例する信号を出力するように
構成することもできる、また、放射線が透過する管壁の
材料としてベリリウムを使用することによって、放射線
の減衰を減少させることができ、かつ透過放射線の測定
を容易に行なうことができる。
なお、原油成分の変動が速い場合、放射線検出系を自動
的に補正することが可能である。このよ 1うな自動的
補正は、第1.第コおよび第3の放射線測定系の光子エ
ネルギーとは放射線の光子エネルギーが異なる第4の放
射線測定系を設けることによって可能となる。例えば、
原油中のイオウ分が変動する場合、第ダの放射線測定系
を使用して。
次の式が得られる: μOup□do+μW@pwdw+μg<+ρgdg 
=in(I041/l4I)−μ<rρd−μS 41
WS                 (/り但し1
wSはイオウ密度と放射線透過路におけるイオウ成分の
放射線厚さとの積であり、他の記号は上述と同様に定義
されている。式(ハ、(コl 、 (3)の右辺からそ
れぞれμ5IWB+μ5−Ws、μB J V7 Bを
引き。
これらの式と式(/q)を連立させて解くことによfi
、a□ρ01dWρw、dgpgおよびWsが求メラレ
ル。
第1.第2.第3の放射線の光子エネルギーをそれぞれ
5OKeV 、 b OKeV 、 /θ0KeVとし
た場合。
第4の放射線源すなわちγ線源の光子エネルギーはダ0
Kev 程度に選択することができる。
さらに1例えば原油中のニッケル成分の変動を考慮して
計算を補正するのが望ましい場合は、第5の放射線測定
系を設けることができる。この測定系の放射線の光子エ
ネルギーは、測定を十分正確に行な′うためK、他の測
定系の放射線の光子エネルギーとは異なるように選択さ
れる。
上述したように、イオウ分を補償する場合、原油中のイ
オウおよびニッケルを考慮して次の式を適用することが
できる: μ041ρOdQ+Jw*ρWdW+μg@pgdg 
=jn(I酵/I+)−μダρd−μ541WS−μN
1 *WN1         (/! )μ0!ρO
do+μWjρw(iw+μgtρg d g :’ 
n (工□ z/ I j)−μ!ρd−μ5jW8−
μN1rWNi          (/6)上述した
場合と同様に1式(1) 、 Lzlおよび(3)を変
形し、これらの式と式(/r)、(16)のsつの式を
解くことによって、dOρO+dWρWおよヒdgρg
の正確な値が得られる。
原油中にはしばしば砂が含まれている場合がある。この
砂の量が少ない場合には、上述した場合と同様に式(/
l 、 (xiおよび(3)からdoρO+dWρWお
よびdgpgを求めることができる。しかし、原油中に
含まれる砂の量が多くかつ変動する場合には。
9種類のエネルギーに対してμ0.μW、μgおよびμ
sDが互いに一次独立となるように第4の光子エネルギ
ーレベルを持った放射線を放出する放射線源を選択すべ
きである。次の式を解くことによって、石油、水、ガス
および砂の質量比が求められることは容易に明らかであ
る。
μ0/ρ○dO+μW/ρWdW+μg/ρgdg十μ
SD/ρ5DdSD =−Ln<IO/Al) −μl
ρd=al−J−nIl(/7)μ0コρodo+μW
JρWdW+μgJρgdg+μf3D2ρ5DdSD
=Jn(I(B/Ia)−μコρd=a2−LnIs 
       (it)μOJρOdO+μW3ρWd
W+μg3ρgdg+μ8D、7ρ5DdSD=1n(
I□、y/l3)−μJρd==a、7−jnI7  
      (/9)μ0−ρOdo+μW1f’Wd
W+μgapgdg十μBDIρ8DdSD=j’n(
I04I/I41)−μ*ρd=a+−J’nI4+(
−の上弐忙おいて添字8Dは、砂についての値を定義し
ている。
圧力計+fflおよび(9)によって得られた圧力低下
値と、上述のようKして得られた質量比の値とを関係づ
けることによって、標準相関校正値から各々の成分の質
量流量率が求められる、直線状配管においては、滑シの
ために各成分層間で流速が非常に異なる場合がある。こ
の場合、流量制限部分は、この区域における各成分の流
速が均一化されるのを促進し、この流速の均一化によっ
て各成分の質量割合や質量流量を正確に求めることがで
きる。
低エネルギー放射線法と、絞り手段により配管の直径を
減少させて測定する方法を組みあわせることによって、
必要な感度が得られ、原油混合物中の別々の成分を高い
精度で測定することができる。
〔発明の効果〕
この発明は以上説明したとおり、配管の絞り部分を透過
した放射線を検出し、原油混合物中の各成分の質量流量
を得るので、原油混合物中の各成分の質量流量を必要な
感度でかつ高い精度で測定することができ、各成分の温
度や圧力が変わったとしても、正確な測定結果が得られ
るという効果がある。
また、この発明の別の発明は、上述したような原油混合
物中の各成分の質量流量を求めることができる装置が得
られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の装置の一実施例およびこれが組み込
まれた配管を示す略縦断面図、第2図はこの発明の装置
の他の実施例およびこれが組み込まれた配管を示す略縦
断面図である。 図において、(1)は配管、(2)は絞υ部分、(1)
は放射線源、(ダ)は窓、(S)は放射線検出器、 (
b)、(10)。 (//)、(/Gは線路、(ワ)は信号処理装置、 I
gl 。 (9)は圧力計、(/2)は温度計、(ハ0は出力線路
。 (16)は可変絞り部分、(/7)、(/ざ)はケース
。 (/9)、(20)は駆動手段である。 なお、各図中、同一符号は同一または和尚部分を示す。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)配管を通って流れる原油混合物にγ線またはX線
    を照射する工程と、既知体積の原油混合物中を透過した
    放射線を検出し、上記原油混合物中の成分の含有量に比
    例した信号を発生する工程と、この信号を処理して上記
    成分の質量比を得る工程と、上記原油混合物の温度を測
    定する工程と、流量制限部分を通る上記原油混合物の圧
    力低下を測定する工程と、上記質量比、温度および圧力
    低下値を相関させて上記原油混合物中に存在する成分の
    質量流量を得る工程とからなることを特徴とする配管を
    通って流れる原油混合物中の種々の成分割合を測定する
    方法。
  2. (2)照射工程は、流量制限部分で行われることを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載の原油混合物中の種々
    の成分割合を測定する方法。
  3. (3)配管の所定長さ沿いの原油混合物の流量を制限す
    るための絞り手段と、この絞り手段の所定区域における
    上記原油混合物にγ線またはX線を照射するための放射
    線源と、上記原油混合物の成分を透過した放射線を検出
    して第1組の信号を発生するための検出手段と、上記絞
    り手段を横切る上記原油混合物の圧力低下を測定して第
    2組の信号を発生するための圧力測定手段と、上記第1
    組の信号と上記第2組の信号とを相関させ、上記原油混
    合物の成分の相対的な比率を示す、上記原油混合物の質
    量流量を与えるための信号処理手段とを備えたことを特
    徴とする配管中を流れる原油混合物中の種々の成分割合
    を測定する装置。
  4. (4)放射線源および検出手段は、絞り手段に置かれて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第3項記載の原油
    混合物中の種々の成分割合を測定する装置。
  5. (5)絞り手段の所定区域における原油混合物の温度を
    測定し、第1組の信号および第2組の信号と相関する第
    3組の信号を発生するための温度測定手段を含むことを
    特徴とする特許請求の範囲第4項記載の原油混合物中の
    種々の成分割合を測定する装置。
  6. (6)絞り手段は原油混合物の流量を制限する大きさを
    変えることができることを特徴とする特許請求の範囲第
    3項、第4項または第5項記載の原油混合物中の種々の
    成分割合を測定する装置。
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