NO20120502A1 - Flerfasemåler - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et flerfasemålesystem for målinger av sammensetning og/eller salinitet for en fluidstrøm i et rør, omfattende: en resonansmåleinnretning som innbefatter en senderantenne for å tilveiebringe varierende elektromagnetisk felt innenfor et første frekvensområde i røret og en mottakerantenne for å måle resonanskarakteristikk for feltet i nevnte rør og en evalueringsanordning for bestemmelse av kvaliteten for den nevnte resonans, en transmisjonsmåleinnretning som innbefatter en senderantenne for å sende et varierende elektromagnetisk signal innenfor et andre frekvensområde, idet minst to mottakerantenner blir plassert i forskjellige avstander fra nevnte senderantenne, og en tidsmåleanordning for å bestemme faseforskjellen og forskjell i den målte dempningen mellom mottak av det overførte signalet ved nevnte to mottakerantenner, og en reguleringsanordning som sammenligner resonanskvalitet med en forutbestemt terskelverdi og, når nevnte resonanskvalitet er over nevnte terskel, gjøre en beregning av sammensetning og/eller salinitet fra nevnte resonansegenskaper eller, når nevnte resonanskvalitet er under nevnte terskel, gjøre en beregning av nevnte sammensetning og/eller salinitet fra nevnte transmisjonstidsforskjell og -tap.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et flerfasemålesystem for måling av sammensetning og/eller salinitet i en fluidstrøm i et rør.

Mer spesifikt, den foreliggende oppfinnelsen gjelder måling av vann-, olje-, gass-og/eller salt-fraksjoner for en fluidstrøm ved leting etter olje- og gassreservoarer.

En rekke forskjellige kommersielle strømningsmålere er tilgjengelige på markedet for måling av innholdet i fluidstrøm fra oljebrønner. Noen målere er basert på bruk av radioaktiv stråling, noen er kapasitive, og noen er basert på bruk av mikrobølger.

Mikrobølgesensorer er attraktive fordi de ikke er begrenset av den helserisiko som er forbundet med målere som baserer seg på måling av radioaktive stråling, og deres nokså lave nøyaktighet eller uønskede påvirkning fra forurensing på de kapasitive følerne.

Et eksempel på en fremgangsmåte for å måle egenskaper for strømmende væsker og en måleanordning og en føler brukt for å utføre denne fremgangsmåte har blitt beskrevet i internasjonal patentsøknad PCT/NOO1/00200, for hvilket det har blitt meddelt US-patent (US 6 826 964 B2). Sensoren bruker mikrobølgens resonansprinsipp for måling av olje-kontinuerlige fluider (vanndråper og gassbobler i olje, det vil si at oljen er i en kontinuerlig fase) og måling av konduktiviteten for vann-kontinuerlige fluider (oljedråper og gassbobler i vann, det vil si at vannet er den kontinuerlige fasen) og er beregnet for montering i en produksjonssone innenfor i en oljebrønn.

Et annet eksempel på en fremgangsmåte for måling av strømmende fluider er med et langt høyere gassinnhold, det vil si våt gass (en våt gasstrøm er en flerfasestrømning med en høy volumfraksjon av gass, vanligvis kalt gasstomroms-fraksjon (GVF), typisk > 99 %) eller høy gass flerfasestrøm, har blitt beskrevet i US patent 6 915 707. Dette er også basert på mikrobølge-resonansprinsippet.

Mikrobølge-resonansprinsippet er basert på måling av

permittivitet/dielektrisitetskonstanten for strømningen og omtales med referanse til fraksjoner for vannvolum (WVF) i WO 2008/085065.

Et annet system er beskrevet i US 5 101 163 og WO 2007/018434, hvor sammensetningen og vannets salinitet måles ved å måle forskjellen i det signalet som tas i mot av to antenner som har blitt anbrakt i forskjellige avstander fra senderantennen, kalt transmisjonsmetoden. Denne fremgangsmåten er vanligvis foretrukket når tapet i fluidstrømmen er høyt, for eksempel i en vann-kontinuerlig strøm med forholdsvis høyt saltinnhold for vannet.

Et problem som ligger iboende i faget er at det er vanskelig å tilveiebringe tilstrekkelig nøyaktige målinger innenfor det komplette området for sammensetninger og saliniteter. Slik som det har blitt omtalt ovenfor, vil resonansfrekvensen og Q-faktoren være egnet for et visst område av fraksjoner, men mindre egnet når tapet i strømningen blir tilstrekkelig høyt og nøyaktigheten blir redusert. Dette problemet har blitt løst slik som er beskrevet i kravene.

Således er den foreliggende oppfinnelse relatert til en MUT (materiale - under - test) som strømmer i et metall-rør, hvor de dielektriske egenskapene for denne MUT'en skal måles med mikrobølger, for eksempel for det formål av å finne sammensetningen i MUT, for eksempel blandingsforholdet mellom olje og vann. MUT'en kan utvise såkalte høy-taps eller lav-taps egenskaper, for eksempel avhengig av om enten vannet eller oljen er den kontinuerlige fase i tilfelle av en olje-/vannblanding, og avhengig av om vannet inneholder oppløste ioner, for eksempel salter, noe som vil gjøre det mer eller mindre ledende. I "Handbook of Multiphase Flow Metering" fra 2005, ref [4] in Microwave technology, på side 51 og 52 står det, på side 52, at en praktisk mikrobølge - MPFM bruker resonatorprinsippet for olje - kontinuerlige væsker, og varierende frekvenstransmisjonsprinsippet i vann-kontinuerlige fluider, ved å benytte de samme sondene. Når dempningen er liten, virker røret som en resonator, og, når dempningen er høy, blir faseforskj ellen mellom to mottakersonder detektert. Løsningen som er beskrevet i [4] er basert på bruk av røret som resonator. Andre eksempler er gitt i WO 2005/057142 og US 7 631 543. Resonatoren som sådan er ikke ideell, ettersom den viktigste resonansen inntreffer ved cutoff - frekvensen, og resonerende energi vil lekke i retning av røret, og dermed redusere nøyaktigheten for systemet. Foreliggende oppfinnelse løser dette problemet ved å bruke en resonator med en resonansfrekvens nedenfor cutoff, og dermed en resonans-topp som lett blir detektert, for så å forbedre ytelsen for strømningsmålinger.

For formålet av å måle har en mikrobølge-resonator blitt implementert i røret for å måle under forhold med lavt tap, og typisk tre antenner for å utføre differensielle transmisjonsmålinger under forhold med høyt tap. Bakgrunnen for å benytte begge fremgangsmåtene er at resonatormetoden er den mest nøyaktige fremgangsmåten når tapene er lave nok til at denne metoden skal kunne fungere, og det er transmisjonsmetoden som er best egnet for høye tap fordi den kan brukes i et bredt dynamisk område.

Dessuten er transmisjonsmetoden mindre nøyaktig under forhold med lavt tap, på grunn av påvirkning fra bølgemoduser og refleksjoner. I en foretrukket utførelsesform brukes de samme antennene for både kopling til resonatoren og for å utføre målingstransmisjoner, med det unntak av at bare to av antennene blir benyttet til resonatormålingen.

Frekvensresponsen, det vil si transmisjonsfunksjonen som en funksjon av frekvens, målt mellom en senderantenne og en mottaksantenne, vil vise særtrekk om direkte kapasitiv kobling, resonanser, og direkte transmisjon. Avhengig av mengden med tap, vil noen av disse dominere. Under forhold med lave tap vil resonanstopp(er) være godt synlig over et grunnlinje for kapasitiv kobling. Under forhold med høye tap vil ingen topper vil være synlige. Heller ikke vil direkte kapasitiv kobling være av noen betydning. Isteden vil direkte transmisjon dominere og den målte faseforskyvning og dempningen vil være relatert til de dielektriske egenskapene til MUT og spredningsavstanden. Ved å bruke differensiell transmisjon, det vil si sammenligne transmisjonen mellom identiske par antenner med forskjellig spredningsavstand, blir påvirkningen fra egenskapene i antenner og resten av systemet, inkludert kabler og kontakter, kansellert, og vil vise den sanne effekten av spredningsavstanden gjennom MUT'en.

I tilfellet med en to-fase blanding av olje og vann, hvor vannet inneholder en viss mengde av oppløste ioner, vanligvis ekvivalent med mer enn 0,1 % NaCl, vil blandingen tydelig vise lav-taps eller høy-taps egenskaper, avhengig av hvorvidt blandingen er olje- eller vann-kontinuerlig. I dette tilfelle er situasjonen lett å oppdage ved tilstedeværelse eller fravær av resonanstopp(er), og målingsmetoden blir valgt tilsvarende. I andre tilfeller, for eksempel dersom vannet er mer eller mindre friskt (ekvivalent innhold av NaCl på under 0,1 %), eller dersom betydelige mengder med gass er til stede, slik som i en tre-fase blanding av olje, vann og gass med en høy GVF (gass tomroms-fraksjon), kan det oppstå situasjoner der tapene verken er høy eller lave. I dette tilfelle vil frekvensresponsen vise både resonanstopper, som har en lav Q-faktor, det vil si at de ser mer som ut humper på responsen enn topper, og transmisjon er klart over en ren kapasitiv kobling. I dette tilfelle behøver det ikke være umiddelbart klart hvilken fremgangsmåte som er foretrukket å bruke.

Den beste strategien i dette tilfellet er å måle med begge, og utføre en kvalitetskontroll på resultatene før det velges ut en til å la komme ut som måleresultat. Kvalitetskontrollen kan for eksempel inneholde kriterier knyttet til det forventede området av for eksempel volumandeler, kriterier relatert til den forventede maksimale hastighetsendringen for volumandelene, og kriterier relatert til stabiliteten (variansen) av målingene med de to fremgangsmåtene. For å bestemme når begge metoder bør benyttes i den ovenfor beskrevne måten, eller bare resonans, eller differensielle transmisjonsmålinger, kan et sett med karakteristiske konstanter brukes. Disse kan for eksempel være Q-faktoren for toppresonans(er) (dersom topp(er) ikke kan identifiseres, er dette tilfelle er et høyt-taps tilfelle), og tallforholdet for dempningen ved en hump (dårlig resonanstopp) og søkket eller dalen ovenfor (i frekvens) er det. En grense kan være at Q-faktoren må være større enn 10 for at resonansmetoden skal kunne brukes, og mellom "ikke-identifiserbar" og 10 for at begge fremgangsmåter skal brukes. Lignende kriterier kan defineres for dempningsforholdet, eller det kan defineres en faktor som er avhengig av begge.

Hvilke kriterier som skal brukes blir best funnet empirisk ved å utføre strømningstester i praksis, logge rådata, og deretter beregne for eksempel sammensetningen ved å anvende ulike grenser og kriterier.

For best resultat bør sensorsystemet, med resonatoren og antennene, være utformet slik at bare de(n) resonanstoppen(e) som skal brukes er innenfor det frekvensområde som skal brukes. I de fleste tilfeller betyr dette at bare én topp bør kunne påvirke den målte frekvensresponsen. Den transmisjonsmålingen bør også være utformet slik at målingene av fase og/eller dempning blir utført i en del av det frekvensområdet som er minst påvirket av resonansen, så lenge toppen er ikke har forsvunnet helt på grunn av høye tap. Ordet "stift" blir ofte brukt for antennene, spesielt når de har blitt implementert i en sonde.

I den følgende beskrivelsen blir følgende definisjoner gjort gjeldende: Frekvensrespons: Koblingen (demping og faseforskyvning) fra en antenne til en annen som en funksjon av frekvens. Koblingen kalles innsettingstap.

Lavt tap: Dempningen av mikrobølge-energien matet inn i et rør gjennom en koplingsantenne er så lav at refleksjoner fra rørvegger danner et interferensmønster i form av bølgeledende modi, eller koblingen av energi fra en antenne til annen (innsettingstap) blir dominert av direkte kapasitiv kobling (i tilfelle frekvensen er lavere enn den laveste grensefrekvens for bølgeledende modi i røret).

Høyt tap: Dempningen av mikrobølger i mediet er så høy at spredningsbølger, som blir reflektert fra rørveggen og derved går over en lengre avstand enn de som sprer seg ut fra antenne til antenne, og blir dempet så mye at ingen påvirkning av bølge-modi er synlig i frekvensresponsen (innsettingstap).

Således oppnås en løsning i henhold til oppfinnelsen, hvor resonans anvendes i en del av målingene, men hvis tapet i væsken stiger, anvendes en transmisjonsmetode ved å bytte til å måle faseforskjellen og forskjell i målt dempning i strømningen. Ved samtidig å øke målefrekvensen vil saltholdigheten også kunne måles.

I henhold til den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen omfatter systemet bare tre antenner, en sender og to mottakere. Når resonansen bare har en høy kvalitet, vil senderen og minst en av de mottakerantenner være aktive. Således utføres målingen ved å sende et frekvens-sveipesignal innenfor et forutbestemt område, og måle både resonansfrekvensen og bredden på resonanstoppen, og dermed for eksempel tilveiebringe Q-faktoren. Hvis kvaliteten på resonansfrekvensen er mindre enn en forutbestemt verdi, vil fase- og dempningsforskjellene i de signalene som måles ved de to mottakerne bli funnet, og bli brukt til å karakterisere sammensetningen i strømningen. I denne modusen vil et annet frekvensområde kunne benyttes, slik som å øke nøyaktigheten av målingene og også eventuelt å måle saltholdigheten for strømningen fra forholdet mellom den reelle og imaginære delen av signalet, for eksempel slik som beskrevet i US 5 103 181, og beregne sammensetningen ut fra permittivitet og Briiggemann-ligningen og i referanse [2] Nyfors, E., P. Vainikainen,

"Industrial Microwave Sensors", Artech House, 1989, s. 350, og finne permittiviteten fra resonator- og transmisjonsmålinger.

Systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse anvender både resonans- og transmisjonsmålinger, enten ved å utføre begge metodene samtidig og velge ut den mest aktuelle informasjonen som skal overføres til brukeren, eller ved å overvåke kvaliteten på målingene og skifte til den alternative målemetoden hvis målingene er under en viss terskel. Kvalitetsterskelen for resonansmålinger vil kunne bli definert ved valgte verdier for Q-faktor, toppbredden og/eller resonansfrekvensen, mens kvalitetsterskel for transmisjonsmålinger kan bli definert empirisk, for eksempel avhengig av innholdet i fluid-strømning, sensorens egenskaper, rørdimensjoner og materialer.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de medfølgende tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler. Fig. 1: En skisse av en første utførelsesform av oppfinnelsen som tilveiebringer en tredje sonde nedstrøms for et to-sonde system for resonator-målinger, og bruke den til transmisjon for å unngå transmisjon langs kanten på konusen. Fig. 2: Viser en skisse av en annen utførelsesform for oppfinnelsen, der det anvendes en 3-antennet sonde for transmisjonsmålinger, og opprettholder de to standard sondene for resonator-målinger. Fig. 3: Viser en skisse av en tredje utførelsesform, hvor oppfinnelsen har en 3-antennet sonde. Fig. 4: Viser en skisse av en fjerde utførelsesform av oppfinnelsen hvor det er lagt til en 2 -antennet sonde. Fig. 5: Viser en skisse av en femte utførelsesform av oppfinnelsen som erstatter en en 3-antennet sonde i et 2-sondet resonansmålesystem.

Fig. 6: Illustrerer en utførelsesform kombinert med en finne-sensor.

Oppfinnelsen er en videreutvikling av en vann-gass måler (WGM), slik som er beskrevet i US 6 915 707, og som har en mikrobølge-resonator sensor for å måle permittiviteten for strømmen, for å gjøre beregning av WVF (vannvolum-fraksjon). Dette fungerer godt ved en lav WVF, men nå er målet å strekke ut driftsområdet ytterligere ned i GVF (opp i WVF), hvor strømmen blir for tapsbringende til at resonatoren kan fungere bra. Ideen er å legge til en måling av transmisjonstype.

Den kjente WGM'en som har blitt beskrevet i WO 2008/085065 er basert på en ren resonatormåling og arbeider derfor bare under lave tapsforhold. Den har to antenner, og elektronikken er bare i stand til å måle amplituden av innsettingstap, det vil si kraftdempningen, og bare over et begrenset frekvensområde definert av VCO'en(e) i den særskilte versjonen av enheten som benyttes i apparatet.

Den største fordelen med en sensor, hvor hele røret er resonatoren, er at den er ikke - inntrengende. Men den har den alvorlige svakheten at flyten vil kunne få ulike strømningsregimer. For eksempel vil væsken kunne danne et lag som er nær rørveggen, mens gassen passerer i midten. Dette kalles ringformet strømning. Slik inhomogen fordeling av gass og væske vil påvirke måling av permittiviteten. Spesielt under forhold som er vann-kontinuerlige og ringformet flyt vil målingene være feil. Det er dette som har blitt forsøkt å bedre på i WO 2005/057142 og WO 2007/018434, ved å legge til en annen måling, som vekter permittivitet for flyten nær opp til veggen, og deretter kompenserer for kjente feil med empiriske modeller. Fordelen med den WGM'en er at strømningen blir alltid presset gjennom gapet mellom rørveggen og den foretrukne konisk formede innsatsen, noe som eliminerer slike strømningsregimer når målingen utføres i dette området. Den nåværende resonatormålingen måler strømmen i denne spalten rundt hele omkretsen. Den transmisjonsmålingen som skal legges til må også være plassert slik at strømmen blir målt omtrentlig når den passerer konusen. Samtidig bør konusen fortrinnsvis ikke påvirke målingen, det vil si den bør ikke bli "sett" av sondene. Det vil ikke være mulig å oppnå måling rundt hele omkretsen, men ved å anta en omtrentlig symmetrisk flyt ville ikke dette være nødvendig. Som angitt ovenfor, den foretrukne utførelsesform vil benytte en konisk formet innsats, men andre innsatser kan også benyttes, slik som en finne.

For en full 3-fase måling (olje, vann, gass) vil det også være nødvendig å legge til et densitometer. Siden det er tre ukjente, må man ha tre ligninger for å kunne være i stand til å løse sammensetningen. To ligninger er knyttet til måling av permittivitet og tetthet, og den tredje angir at summen av de tre komponenter er lik 100 %. Den foreliggende oppfinnelsen er i hovedsak knyttet til en innretning for tilveiebringelse av permittivitetsmålingene mens andre beregninger kan utføres som i generelle flerfasemålere.

Idéen, ifølge den foreliggende oppfinnelsen, innebærer at man legger til en transmisjonsmåling, for eksempel ved transmisjon med en sonde som fungerer som en senderantenne og som tar i mot med to sonder som fungerer som mottaksantenner. De to mottakssondene må være i forskjellig avstand fra den sendende sonden. Forskjellen i avstand fører til en faseforskjell. Frekvensen, hvor faseforskj ellen oppnår en forhåndsbestemt fast verdi, blir målt. Som det vil fremgå, vil mottaker- og sendersondene kunne utveksles med en sonde som har tre antenner som opptrer som mottaker- eller sender-antenner.

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en optimalisert bruk av to måleprinsipper hvor resonanssignalene måles samtidig med å overvåke resonanskvaliteten. Kvalitetsbetingelsene forholdene or resonansen vil kunne være relatert til bredde og symmetri for toppen. Ved omtrentlig å finne resonansfrekvensen og 3 dB punktene (det vil si punkter for halvt kraftuttak, som normalt brukes ved måling av toppbredden for Q-faktoren) direkte fra toppen, kan man beregne Q-faktorens frekvens (resonansfrekvensen delt med toppbredden) og asymmetri (for eksempel relativ forskjell mellom den målte resonansfrekvensen og middelverdien av de 3dB punktene). En mer nøyaktig fremgangsmåte er relatert til en høy-nøyaktig fremgangsmåte for måling av resonansfrekvens og Q-faktor. Først da blir et antall prøver målt i området rundt toppen. Da vil prøvene ovenfor 3dB-nivået bli brukt, og den teoretiske resonanskurven (lign.

(3.27) i [3]) blir tilpasset til dem. Dette gir en nøyaktig verdi for både resonansfrekvens og Q-faktor. Asymmetrien kan beregnes ved hjelp av forskjellige fremgangsmåter, ved å sammenligne prøvene med den resulterende kurve. En fremgangsmåte kan for eksempel være å beregne det midlere avviket mellom prøvene og kurven på begge sider av resonansfrekvensen. Når Q-faktoren er mindre enn for eksempel 10, er resonanstoppen vanskelig å måle, og faktisk identifisere fra andre variasjoner i responsen. En grense for asymmetri må etableres, basert på empirisk testing og sammenligne resultatene ved hjelp av både resonatormetoden og transmisjonsmetoden. Ved de valgte grenser, avhengig av forholdene i røret, kan systemet deretter endre for å måle differensiell transmisjon (fase og/eller demping) mellom antennene. Transmisjonsbetingelser må bestemmes for hvert enkelt tilfelle siden overgangsmålingene kan påvirkes av resonanser og refleksjoner i røret. Noe empirisk testing vil kunne være nødvendig for en bestemt sensorutforming og anvendelse, også fordi de lokale strømningsforholdene på antennene vil kunne bli påvirket av disse faktorene.

Resonans- og transmisjonsmålingene vil kunne utføres innenfor samme område av frekvenser, men siden transmisjonssignalet vil bli påvirket av refleksjoner og resonanser i det området av betingelser, hvor disse to metodene overlapper hverandre, bør disse frekvensene unngås. I praksis kan resonansfrekvensene være innenfor området 100-2500 MHz, for eksempel avhengig av den fysiske størrelsen, men typisk blir våtgass-målinger ved hjelp MDP - konuser, for eksempel av de typene som er beskrevet i WO 2010/115883, utført i området av 400 - 1500 MHz.

Saltholdighetsmålinger, for eksempel slik som har blittomtalt i referanse [1], vil typisk kunne kreve transmisjonsmålinger i området fra 1-3 GHz, men for andre transmisjonsmålinger brukes lavere frekvenser, ned til noen få tidels MHz.

Det er imidlertid en fordel ved foreliggende oppfinnelse at systemet kan tilpasses til det optimale frekvensområdet for hver av målingene.

Nedenfor er forskjellige utførelsesform er og kombinasjoner av sonder diskutert for å utføre målingene i samsvar med oppfinnelsen. Sondene og fremgangsmåtene for bruk av resonans- og transmisjonsmålinger er ansett for å være en del av kjent teknikk, for eksempel slik som beskrevet i refererte artikler og patentpublikasjoner, og vil i og for seg ikke bli omtalt videre i denne beskrivelsen.

Utførelsesform 1: Legge til en tredje sonde

Under henvisning til fig. 1 har de kjente WGM'ene to sonder, som hver har en antenne 2, 3, mens en måling av transmisjonstype krever tre sonder. Ved å legge til en tredje sonde med en tredje antenne 1, kan begge typer målinger utføres. Den tredje sonden vil kunne være mindre enn de andre, fordi de andre to er dimensjonert for å gi en optimal kopling til resonatoren.

De to eksisterende sondene vil være plassert i rørveggen nøyaktig motsatt til den bredeste del av en membran 9. Man vil derfor kunne anta at konusens nærhet vil påvirke transmisjonssmålingen. Det vil da kunne være en effekt, som vil være avhengig av -verdien, som er relatert til størrelsen av konusen i forhold til røret. Dette er uønsket fordi dette gjør kalibreringen mer komplisert. Ved å plassere den tredje sonden 1 ytterligere nedstrøms, asymmetrisk i forhold til de andre to 2, 3, og ved å anvende denne sonde 1 for transmisjon, kan påvirkningen fra konusen reduseres.

Fordeler ved denne utførelsesformen er:

• Til sammen bare tre sonder.

• Alle sonder er identiske, eller i det minste av lignende type.

Ulemper er:

• Trenger brytere for å kunne være i stand til å endre noe som er transmisjonssonden.

• To av sondene er store i diameter. Derav vil avstandene mellom sondene være store, noe som betyr høy maksimal dempning, og forskjellige strømningsbetingelser ved plassering av den tredje sonden. Høye dempningsverdier betyr at den maksimale WVF'en, som apparatet kan håndtere, blir redusert sammenlignet med å ha kortere spredningsavstander, dersom følsomheten i elektronikken er en begrensende faktor. • Hvis mulig, ville det være ønskelig å montere de to eksisterende sondene nærmere hverandre enn normalt. Dette vil øke den direkte koblingen, som kan påvirke de høyeste tapene hvor resonator-metoden kan benyttes.

Utførelsesform 2: Legge til en sonde med 3 antenner

Under henvisning til fig. 2 har en 3-antennet sonde 6 blitt utviklet for å utføre en 2-parameters måling, enten som en frittstående enhet eller i en flerfasemåler for å finne saltinnholdet i vannet. Ideen var å måle både fase og dempning ved en høy nok frekvens (3 GHz er foreslått) slik at også den reelle delen av permittiviteten påvirker målingene. Siden den imaginære delen forårsaket av ledningsevnen er omvendt proporsjonal med frekvensen, dominerer den imaginære delen helt i forhold til den reelle delen ved lave frekvenser. En artikkel om sensoren har blitt publisert, se referanse [1]. Utviklingen innebar teoretiske studier, bygging av enkle prototyper for å studere optimal avstand og lengde for antennene, og til slutt produksjon av glass-støpte «endelige» sonder.

Ovennevnte US 7 631 543 og WO 2007/018434 beskriver en måte å utføre en 2-parameter måling på, med den samme type av 3-antennet 1, 2, 3 enhet 6, som er basert på måling av fasen bare, men ved to frekvenser. Denne og andre alternative måter å utføre multi-parameter mikrobølgemålinger på har også blitt beskrevet i [2]. I [2] er en måling beskrevet som måler for eksempel fasen ved to frekvenser som et alternativ til måling av dempningen og fasen ved én frekvens.

Konseptet med å bruke en 3-antennet sonde for å utføre 1-parameter transmisjonsmålinger i WGM'en ville bety at sonden må monteres i nærheten av konusen for å oppnå den fordel av å eliminere effekten fra strømningsregimer. På den ene side skulle ikke målingen være direkte påvirket av nærheten til metallkonusen. Det ser ut til at det optimale stedet for å montere sonden ville være rett etter konusen, slik som vist i fig. 2, som også illustrerer resonansmålingsantenner 4, 5 tett opp til konusen.

Fordelene med dette konseptet er:

• Resonatormålingen blir ikke påvirket på noen måte.

• Den 3-antennete sonden kan standardiseres for hvert rør størrelse.

Ulemper er:

• Behov for enda flere brytere enn konseptet med bare tre sonder.

Utførelsesform 3: Bruke bare en 3- antennet sonde

Det konseptet som er vist i fig. 3 er en kombinasjon av de to tidligere konseptene. I stedet for å ha tre separate sonder, som i det første konseptet, ville de være integrert i et enkel sonde 6 -hus som inneholder tre antenner 1,2,3. For å gi nok kopling til resonatormålingen, vil sondeantennene sannsynligvis måtte gjøres større enn i den 3-antennete sonden i det andre konseptet. De ville sannsynligvis også måtte være lengre vekk fra hverandre for å begrense den direkte kapasitive koblingen. Utformingen ville sannsynligvis måtte være forskjellig for hvert tallforhold for .

Dagens sonder, som er utformet med tanke på resonatormålingene bare, er designet for alltid å gi omtrent samme koblingen i et luftfylt måleapparat, noe som gir et signalnivå i nærheten av det maksimale i det dynamiske spekteret for elektronikken. Et lavere signalnivå kan godtas, forutsatt at det alltid vil holde seg over støynivået.

Sonden må være plassert slik at to av antennene er omtrent motsatt for kanten av konusen. Imidlertid, basert på tidligere simuleringer, er det klart at de kan forskyves noen millimeter i retning av den tredje sonden, noe som ville redusere innflytelsen fra konusen på transmisj onssmålingen.

De tre sondene i huset trenger ikke nødvendigvis å være av samme størrelse. Den overførende sonden (nedstrøms) kan godt være noe mindre.

Fordelene med dette konseptet er:

• Det ville bare være et sonde-hus, og bare ett hull i målerapparaturens legeme.

• De 3 antennene kan være tettere fordelt enn med tre separate sonder.

Ulemper er:

• Sondene for resonatormålingen vil være påvirket. Det må sannsynligvis aksepteres at signalnivået (topp-høyde i resonatoren) vil være lavere enn i dagens utforming, og vil variere med måleapparaturens dimensjoner og -forholdet. Den direkte kapasitive koplingen vil også være høyere. • Den eksisterende 3-antennete utformingen kan ikke brukes direkte, men må utvikles videre.

Utførelsesform 4: Legge til en 2- antennet sonde

I det konseptet som er vist i fig. 4 ville de to gjeldende sondene 1, 5 bli brukt til resonatormålingen som tidligere. I tillegg ville det være en 2-antennet 2, 3 sonde 7 i nærheten av den gjeldende transmisjonssonden 1. For transmisjonsmålinger ville man bytte for å ta i mot med den 2-antennete sonden. En kanal kan kobles til én av antennene permanent.

Fordelene med dette konseptet er:

• Resonatormålingen blir ikke påvirket på noen måte.

• Den 2-antennete sonden kan standardiseres for hvert rørstørrelse.

Ulemper er:

• Den oppnåelige banelengden er begrenset.

Utførelsesform 5: Bytte ut en sonde med en 3- antennet sonde

Hvis en av de standard sondene blir erstattet med en 3-antennet 1, 2, 3 sonde 6 på en slik måte at en antenne 1 erstatter standard-sonde 5, og de andre to 2, 3 er nedstrøms, vil avstanden mellom resonatorsondene kunne opprettholdes, mens transmisjonsavstandene holdes korte, og det vil bare være to hull. Senderantennen vil kunne være større enn de andre. Konseptet er vist i fig. 5.

Fordelene med dette konseptet er:

• Avstanden mellom resonatorsondene kan opprettholdes.

• Det er bare behov for to hull i måleinstrumentets legeme..

• Den 3-antennede sonden kan standardiseres for hvert rørstørrelse.

• Trenger bare en bryter. Transmisjonssonden vil alltid kunne være den samme.

• Siden en resonatorsonde er som før, vil det nødvendige fallet i toppnivået være mindre enn i konsept 3.

Ulemper er:

• Usymmetrisk kobling. Derfor en lavere Q-faktor enn oppnåelig for en gitt topphøyde.

Størrelsen på standardsondene for resonatoren, for eksempel i utførelsesformene 1 og 4 vil kunne påvirke deres bruk. Utførelsesform 2 ville gi den høyeste grad av frihet i utformingen

av transmisjonssmålingen, men innebærer det høyeste mengde med brytere. Utførelsesform 3 synes å være foretrukket da den krever bare ett hull for sonder i måleapparatets legeme, og et minimum av brytere, og den tillater kortere avstander mellom sondene (enn utførelsesformene 1 og 4), som gir lavere dempning og mer ensartede strømningsforhold, men den påvirker koplingen til resonatoren. Sammenlignet med utførelsesform 3, vil utførelsesform 5 opprettholde avstanden mellom resonatorsondene, og fører til en mindre reduksjon i signalnivået i resonatoren, men krever to hull i måleapparatets legeme.

En rekke betraktninger kan gjøres ved valg av sonden utførelsesform for å finne den optimale utformingen i henhold til den spesifikke bruk, som for eksempel:

• Påvirkningen av kjeglen, slik som nærhet, størrelse og krav til transmisjonslengde.

• Sondestørrelse, og hvor tett adskilt sondene kan være ut fra et mekanisk synspunkt.

• Sondeantennene, spesielt hvis det er mer enn én i hver sonde, kan være utformet til å være både robust og tåle en viss erosjon, og for å oppfylle kriteriene ut fra et målingssynspunkt. Avstanden mellom antennene vil også kunne studeres, avhengig av anvendelsen for den foreliggende oppfinnelsen. • Maksimal demping i det anvendte frekvensområdet må evalueres basert på transmisjonslengde, baneforskjell, og verst tenkelige forhold som er definerte, og i forhold til ytelsen for anvendt elektronikk. • Strømningsforholdene, så som emulsjoner eller strømmende eller boblende vann med varierende saltholdighet. • Området for variasjoner i signal styrken, og det dynamiske området for elektronikken må tas i betraktning med hensyn til den nødvendige koplingen av resonatoren.

Utførelsesform 6: En finne - innsettings type

I fig. 6a og 6b har et målesystem i samsvar med oppfinnelsen blitt plassert i et rør med en type finne-innsats. Tre antenner 11, 12, 13 har blitt plassert i rørveggen, hvor fig. 6a viser posisjonen for to antenner 11, 12 i den samme aksiale posisjonen, og en tredje antenne 13 i en avstand nedstrøms fra de andre. Dersom den første antennen 11 blir brukt som en sender vil det være en forskjell i spredningslengden fra den første antennen 11 til de andre 12, 13 antennene, som vil kunne anvendes i målinger i en transmisjonsmodus.

Målesystemet i henhold til oppfinnelsen kan med fordel kombineres med andre resonatorer, således en kombinasjon med målinger av differensialtrykk, mikrobølgeresonans og differensielle mikrobølge - transmisjonsmålinger, for eksempel for å gi et tillegg til den oppfinnelsen som har blitt beskrevet i US 6 915 707 til å omfatte tre sonder som gjør det mulig med målinger av differensiell transmisjon. Et eksempel kan være en finne-sensor i en utprøving, slik som vist i fig. 5, i patentet kan en løsning uten utprøving eller annet, vil målinger av differensialtrykk også kunne tenkes å lage en to-fase måler, som måler forholdet mellom vann og olje i en 0 - 100 % blanding, slik som har blitt illustrert i foreliggende figur 6.

Således, for å sammenfatte, gjelder den foreliggende oppfinnelsen et system for flerfasemåling av sammensetning og/eller salinitet i en fluidstrøm i et rør. Målesystemet omfatter en resonans - måleinnretning, som innbefatter en senderantenne for å tilveiebringe et varierende elektromagnetisk felt innenfor et første frekvensområde inn i røret, og en mottakerantenne for å måle resonans som er karakteristikk for feltet i nevnte rør og en evalueringsanordning for å kunne bestemme kvaliteten på nevnte resonans.

Systemet innbefatter også en transmisjonsmåleinnretning som innbefatter en senderantenne for å sende et varierende elektromagnetisk signal innenfor et andre frekvensområde, idet minst to mottakerantenner er plassert i forskjellige avstander fra nevnte senderantenne, og en tidsmåleanordning for å bestemme faseforskjellen og forskjellen i målt dempning mellom mottaket av det overførte signalet ved nevnte to mottakerantenner.

Systemet ifølge oppfinnelsen omfatter en reguleringsanordning for å sammenligne resonanskvaliteten med en forutbestemt terskelverdi, og når nevnte resonanskvalitet er over nevnte terskel, vil det bli beregnet sammensetning og/eller salinitet fra nevnte resonansegenskaper eller, når nevnte resonanskvalitet er under nevnte terskel, vil nevnte sammensetning og/eller salinitet bli beregnet fra nevnte transmisjonstidsforskjell og -tap. Således kan de mest nøyaktige målinger bli benyttet, avhengig av innholdet og karakteristikkene ved fluidstrømmen.

Resonanskvaliteten og den tilsvarende terskelen blir fortrinnsvis beregnet som Q-faktoren or den resonanstoppen, noe som indikerer tapet i resonatoren.

Senderantennen for resonansmåleanordningen og transmisjonsmålemidlet vil kunne omfattes av den samme antennen, og muligens kan mottakerantennen for nevnte resonansmåleanordning omfattes av én av mottakerantennene ved

transmisjonsmåleanordningen, ved anvendelse av et begrenset antall antenner og inntrengninger gjennom rørveggen.

Det første og andre frekvensområdet kan være i det minste delvis overlappende, men fortrinnsvis omfatter det optimale området for hver måling. De overførte signalene kan således omfattes av et bredt bånd med frekvenser som tilsvarer det første og det andre frekvensområdet, mens mottakerne kan være i stand til å ta i mot det fullstendige området eller områdene for enten resonans- eller transmisjonsmålinger. Fortrinnsvis vil det første frekvensområdet som brukes for resonansmålinger kunne være i området fra 100 - 2500 MHz, fortrinnsvis innenfor 400 - 1500 MHz, mens det andre frekvensområdet for transmisjon av målingene kan være i området fra 400 - 3000 GHz, fortrinnsvis 1000 - 3000 MHz.

Saltinnholdet for fluidet i strømningen kan også beregnes som en funksjon av de reelle og imaginære verdiene målt med transmisjonsmåleanordningen.

Resonansmålingsmidlene og nevnte transmisjonsmåleanordning blir fortrinnsvis i hovedsak operert samtidig, siden reguleringsanordningen er innrettet for å sammenligne kvaliteten på målingene fra målemidlene og tilveiebringe en utgang som indikerer de målingene som har den høyeste kvaliteten. Alternativt kan utgangen være basert på at nevnte målinger blir vektet i henhold til den beregnede kvaliteten på målingene. Dermed tilveiebringes et kombinert utgangssignal som er en optimalisert kombinasjon av nevnte målinger.

Selv om antennene, og særlig resonansmålingsantennene, fortrinnsvis blir montert i nærheten av en innsats, så som for eksempel en konus eller finne, kan de ha en aksial posisjon i et rør, og andre situasjoner vil også kunne tenkes. Benyttet tett opptil en konus, bør resonansmålinger fortrinnsvis utføres nær den bredeste kanten på nevnte konus.

Referanser

[1] Bø, Ø.L., E. Nyfors, "Application of microwave spectroscopy for the detection of water fraction and water salinity in water/oil/gas pipe flow", J. of Non - Crystalline Solids (Elsevier), 305, 2002, s. 345 - 353. (Også presentert i Dielectric Spectroscopy, Jerusalem januar 2001).

[2] Nyfors, E., P. Vainikainen, " IndustrialMicrowave Sensors", Artech House, 1989, s. 350.

[3] Nyfors, E., Cylindrical Microwave Resonator Sensors for MeasuringMaterials under Flow, Thesis, Helsinki Univ. of Tech., Radio laboratory, Report S 243, 2000, s. 181.

[4] Nyfors et al: Handbook of Multiphase Flow Metering, side 51-52.

Claims (14)

1. Krav 1. Flerfasemålersystem for målinger av sammensetning og/eller salinitet i en fluidstrøm i et rør, omfattende: en resonansmåleinnretning inkludert en senderantenne for å tilveiebringe varierende elektromagnetisk felt innenfor et første frekvensområde i røret og en mottakerantenne for å måle resonanskarakteristikker for feltet i nevnte rør og en evalueringsanordning for bestemmelse av kvaliteten på den nevnte resonans, en transmisjonmåleinnretning som innbefatter en senderantenne for å sende et varierende elektromagnetisk signal innenfor et andre frekvensområde, idet minst to mottakerantenner er plassert i forskjellige avstander fra nevnte senderantenne, og en tidsmåleanordning for å bestemme faseforskjellen og forskjell i målt dempingen mellom mottak av det overførte signal ved nevnte to mottakerantenner, og en reguleringsanordning som sammenligner resonanskvalitet med en forutbestemt terskelverdi og, når nevnte resonanskvalitet er over nevnte terskel, beregner sammensetning og/eller salinitet fra nevnte resonansegenskaper eller når nevnte resonanskvalitet er under nevnte terskel beregner nevnte sammensetning og/eller salinitet fra nevnte transmisjonstidsforskjell og -tap.
2. 2. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori resonanskvaliteten og den tilsvarende terskelen er Q-faktoren for resonanstoppen.
3. 3. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori senderantennen for resonansmålemidlene og transmisjonsmåleinnretningen omfattes av den samme antennen.
4. 4. Flerfasemåler i henhold til krav 3, hvori mottakerantennen for nevnte resonansmålemidler omfattes av én av mottakerantenner for transmisjonmåleinnretningen.
5. 5. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori nevnte første og andre frekvensområder i det minste er delvis overlappende.
6. 6. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori de overførte signalene omfattes av et bredt bånd med frekvenser som tilsvarer det første og det andre frekvensområdet.
7. 7. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori nevnte første frekvensområdet er i størrelsesorden 100 - 2500 MHz, fortrinnsvis innenfor 400 - 1500 MHz
8. 8. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori det andre frekvensområde er i størrelsesorden 400 - 3000 GHz, fortrinnsvis 1000 - 3000 MHz.
9. 9. Flerfasemåler som angitt i krav 8, hvori saltholdigheten av strømningen blir beregnet som en funksjon av de reelle og imaginære verdier målt med transmisjonsmåleanordningen.
10. 10. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori nevnte resonansmåleanordning og nevnte transmisjonsmåleanordning drives hovedsakelig samtidig, idet nevnte reguleringsanordning sammenligner kvaliteten for målingene derav og å tilveiebringer et utgangssignal som indikerer de målingene som har den høyeste kvaliteten.
11. 11. Flerfasemåler i henhold til krav 1, hvori resonansmåleanordningen og nevnte transmisjonsmåleanordning drives hovedsakelig samtidig, idet nevnte styreanordning sammenligner kvaliteten av målingene derav og beregner et utgangssignal basert på at nevnte målinger blir vektet i henhold til den beregnede kvaliteten på målingene, og dermed gi et utgangssignal basert på en optimalisert kombinasjon av nevnte målinger.
12. 12. Flerfasemåler som angitt i krav 1, hvori resonansmåleanordningen er plassert nær en innsats, fortrinnsvis anordnet i en aksial stilling i røret.
13. 13. Flerfasemåler i henhold til krav 12, hvori innsatsen har en konisk form, der resonansmåleanordningen blir posisjonert nær den bredeste kanten av nevnte konus.
14. 14. Flerfasemåler i henhold til krav 12, hvori resonansmåleanordningen omfatter en innsats idet resonansen blir tilvceiebragt mellom nevnte antenner og innsatsen.