NO304333B1

NO304333B1 - Method and instrument for measuring three-component medium

Info

Publication number: NO304333B1
Application number: NO910622A
Authority: NO
Inventors: Erling A Hammer; Eivind Dykesteen
Original assignee: Fluenta As
Priority date: 1988-09-01
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1998-11-30
Also published as: NO910622L; NO910622D0

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et instrument for å måle forholdene mellom komponentene i en blanding som består av tre komponenter og særlig en fremgangsmåte og et instrument for å fastslå fraksjonene av gass, vann og olje i en blanding av gass, vann og olje. The present invention relates to a method and an instrument for measuring the ratios between the components in a mixture consisting of three components and in particular a method and an instrument for determining the fractions of gas, water and oil in a mixture of gas, water and oil.

Denne oppfinnelsen kan anvendes på forskjellige typer trefaseblandinger, men her vil den bli beskrevet med henvisning til en trefaseblanding som inneholder gass, vann og olje. Ligningene som presenteres heri viser følgelig til en trefaseblanding som inneholder gass, vann og olje, og til denne blandingens tre spesifikke komponenter. Likevel er ligningene, som presenteres heri, felles for forskjellige komponenter, dvs. til tre komponenter uttrykt som henholdsvis komponenter a, (3 og y. This invention can be applied to different types of three-phase mixtures, but here it will be described with reference to a three-phase mixture containing gas, water and oil. The equations presented herein therefore refer to a three-phase mixture containing gas, water and oil, and to this mixture's three specific components. Nevertheless, the equations presented here are common to different components, i.e. to three components expressed respectively as components a, (3 and y.

Under produksjon av råolje består væsken ved brønnhodet sjelden, om noensinne, av enkeltfase, enkelt-komponent strømning. Vanligvis inneholder den råolje, gass (i fri tilstand og/eller oppløst i oljen) og muligens vann. Vanninnholdet har en tendens til å øke etterhvert som produksjonen fortsetter. During crude oil production, the fluid at the wellhead rarely, if ever, consists of single-phase, single-component flow. It usually contains crude oil, gas (free and/or dissolved in the oil) and possibly water. The water content tends to increase as production continues.

Målinger av mengden av hydrokarboner produsert fra brønnene i et felt er en nødvendighet for reservoardrift og produksjonsallokering. Med hjelp av slike data kan man foreta nedtapping av reservoaret med henblikk på å optimalisere totalproduksjon over feltets levetid. I tillegg trenger man å fastslå den total produksjonsmengden av olje og gass for fiskale formål. Dette krever en mye høyere grad av nøyaktighet. Measurements of the amount of hydrocarbons produced from the wells in a field are a necessity for reservoir operation and production allocation. With the help of such data, the reservoir can be drawn down with a view to optimizing total production over the life of the field. In addition, the total production quantity of oil and gas needs to be determined for fiscal purposes. This requires a much higher degree of accuracy.

Foreløpig krever produksjonssystemer for råolje at man separarer gass-, vann- og oljefåsene for å kunne måle de enkelte komponentene på en tilfredsstillende måte. Currently, production systems for crude oil require that the gas, water and oil phases be separated in order to be able to measure the individual components in a satisfactory manner.

Pr. i dag er offshore produksjonsplattformer, f.eks. i Nordsjøen, utstyrt med et manifoldsystem som lar strømmen fra en produksjonsbrønn enten gå direkte til hovedsepara-torene eller til en testseparator. As of today, offshore production platforms, e.g. in the North Sea, equipped with a manifold system that allows the flow from a production well to either go directly to the main separators or to a test separator.

Strømmen fra en enkelt brønn kan derfor til enhver tid, dog vanligvis ifølge en fast syklus, sendes til en testseparator hvor den separeres til vann, olje og gass. Samtidig blir produktet fra all de andre brønnene samlet og prosessert i hovedseparatorsystemet. Fraksjonene av gass, olje og vann blir målt i sine respektive enkeltfase rørene fra testseparatoren. The flow from a single well can therefore be sent at any time, although usually according to a fixed cycle, to a test separator where it is separated into water, oil and gas. At the same time, the product from all the other wells is collected and processed in the main separator system. The fractions of gas, oil and water are measured in their respective single-phase tubes from the test separator.

Normalt blir samtlige tre strømmene målt ved hjelp av en måleblende, turbinmåler eller andre konvensjonelle måle-systemer. En antar at en betydelig andel av de gjenværende oljereservene ligger offshore på vanndybder i overkant av 200m, i forholdsvis små oljefelt, og i miljømessige fiendtlige områder. Med en økning i intensiteten på hvilken som helst av disse forholdene, og spesielt når to eller flere inntrer sammen, øker kostnadene som er assosiert med konvensjonell offshore utnyttelsessystemer med bore- og produksjonsfasiliteter installert på overflateplattformer fort, og blir snart ulønnsomme. Normally, all three currents are measured using a measuring aperture, turbine meter or other conventional measuring systems. It is assumed that a significant proportion of the remaining oil reserves lie offshore at water depths in excess of 200m, in relatively small oil fields, and in environmentally hostile areas. With an increase in the intensity of any of these conditions, and especially when two or more occur together, the costs associated with conventional offshore exploitation systems with drilling and production facilities installed on surface platforms increase rapidly, and soon become unprofitable.

På grunn av dette har man viet undervannssystemer oppmerksomhet, hvor en gunstig teknikk er å bore flere brønner i umiddelbar nærhet av hverandre og installere utstyret for brønnhodekontroll på havbunnen. Because of this, attention has been paid to underwater systems, where a favorable technique is to drill several wells in close proximity to each other and install the equipment for wellhead control on the seabed.

I ethvert utkast til en ny produksjonsfasilitet må behovet for å måle strømmene fra de enkelte brønnene, samt den totale produksjonen fra feltet, vurderes i detalj. Med tilkomst av andre konsepter for produksjonssystemer, som f.eks. skissert overfor, er det blitt innlysende at nye metoder for strømningsmåling er ønskelige, for å øke såvel den tekniske som den økonomiske levedyktigheten til slike prosjekter. In any draft for a new production facility, the need to measure the flows from the individual wells, as well as the total production from the field, must be assessed in detail. With the advent of other concepts for production systems, such as outlined above, it has become obvious that new methods for flow measurement are desirable, in order to increase both the technical and economic viability of such projects.

Et spesielt problem med flerfase regimer dreier seg om variasjoner i strømningsforholdene i røret. Lagdelte, bølgende, boble-, plugg-, slugg-, og annulær strømning kan alle oppstå til forskjellige tider i horisontale rør. I vertikal strømning unngår man for øvrig lagstrømning. A particular problem with multiphase regimes concerns variations in the flow conditions in the pipe. Laminar, undulating, bubbly, plug, slug, and annular flow can all occur at different times in horizontal pipes. In vertical flow, laminar flow is also avoided.

Tettheten av en trekomponent gass/vann/oljeblanding gis ved: der pm er tettheten av trekomponentblandingen, pg er tettheten til gassen, pver tettheten av vannet, og pQ er tettheten av oljen. Denne pm er tettheten som måles ved hjelp av en gammastråle densitometer. Dersom vi på en eller annen måte kjenner vannfraksjonen p kan vi beregne gassfraksjonen a fra ligning [1] som her: The density of a three-component gas/water/oil mixture is given by: where pm is the density of the three-component mixture, pg is the density of the gas, pver is the density of the water, and pQ is the density of the oil. This pm is the density measured using a gamma ray densitometer. If we somehow know the water fraction p, we can calculate the gas fraction a from equation [1] as here:

På den andre siden, dersom gassfraksjonen er kjent kan man bruke ligning [1] til å beregne vannfraksjonen p. Utfra dette er det innlysende at en gammastråle densitometer kan ikke benyttes alene til å måle enten gass- eller i vannfraksjonen. On the other hand, if the gas fraction is known, equation [1] can be used to calculate the water fraction p. From this it is obvious that a gamma ray densitometer cannot be used alone to measure either the gas or the water fraction.

Permittiviteten til en trekomponentblanding kan relateres til volumfraksjonene av de enkelte komponentene gjennom følgende forhold: The permittivity of a three-component mixture can be related to the volume fractions of the individual components through the following relationship:

hvor a er gassf raks j onen og sb er permittivi teten av trekomponentblandingen. eaer permittivi teten av to komponenter (olje/vannkomponenten) av where a is the gas fraction and sb is the permittivity of the three-component mixture. eaer permittivity of two components (oil/water component) of

trekomponentblandingen, og er gitt ved: the three-component mixture, and is given by:

hvor Pf er vannkonsentrasjonen i de to komponentene (olje/- vannkomponenten). Denne formelen er en mindre modifisering av Bruggeman's formel for tokomponentblandinger. Den virkelige vannfraksjonen i trekomponentblandingen gis ved: where Pf is the water concentration in the two components (oil/water component). This formula is a minor modification of Bruggeman's formula for two-component mixtures. The real water fraction in the three-component mixture is given by:

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom en spalte mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder. The present invention relates to a method for determining the fractions of the components in a three-component mixture, in particular the fractions of gas, water and oil in a gas/water/oil mixture, where the three-component mixture is caused to flow through a gap between two non-penetrating opposite electrodes.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at under passering av trekomponentblandingen mellom de to ikke-inntrengende motsatte elektroder, måles permittiviteten (eb) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en kapasitiv første sensor, og tettheten (pm) til nevnte strømmende blanding ved hjelp av en andre sensor, som innbefatter et radioaktivt element og et gammastråle densiometer, hvoretter de målte elektroniske signaler fra nevnte to sensorer omsettes til diskrete verdier for videre behandling i en datamaskin, hvori de inngår i følgende ligninger: The method according to the invention is characterized by the fact that during the passage of the three-component mixture between the two non-penetrating opposite electrodes, the permittivity (eb) of said flowing mixture is measured by means of a capacitive first sensor, and the density (pm) of said flowing mixture by means of a second sensor, which includes a radioactive element and a gamma ray densiometer, after which the measured electronic signals from said two sensors are converted into discrete values for further processing in a computer, in which they are included in the following equations:

hvor a er fraksjonen av en første komponent, eb er permittiviteten til trekomponentblandingen, es er er permittiviteten til en tokomponentblanding av en andre og en tredje komponent, og er gitt ved: hvor Pf er konsentrasjonen av den andre komponenten i nevnte tokomponentblanding,83er permittiviteten til nevnte tredje komponent, og den virkelige fraksjon av den andre komponent i trekomponentblandingen er gitt ved: og where a is the fraction of a first component, eb is the permittivity of the three-component mixture, es is the permittivity of a two-component mixture of a second and a third component, and is given by: where Pf is the concentration of the second component in said two-component mixture,83 is the permittivity of said third component, and the real fraction of the second component in the three-component mixture is given by: and

hvor pxer tettheten av første komponent, p2er tettheten av andre komponent, p3er tettheten av tredje komponent, og where px is the density of the first component, p2 is the density of the second component, p3 is the density of the third component, and

pm er tettheten som er målt av gammadensiometeret, og at fraksjonene av nevnte tre komponenter deretter beregnes gjennom en iterativ prosessering av nevte ligninger i nevnte datamaskin. pm is the density measured by the gamma densiometer, and that the fractions of said three components are then calculated through an iterative processing of said equations in said computer.

Det er dermed mulig å beregne suksessivt og med til-strekkelig nøyaktighet de tre komponenter av blandings- It is thus possible to calculate successively and with sufficient accuracy the three components of the mixture

i strømmen ved forholdsvis korte intervaller, mens blandings-strømmen passerer i mellomrommet mellom elektrodene. in the current at relatively short intervals, while the mixed current passes in the space between the electrodes.

Dykesteen et al, J. Phys. E; Sei Instrum., Vol, 18, 1985, s. 540-544 viser en metode for ikke-inntrengbare Dykesteen et al., J. Phys. E; Sei Instrum., Vol, 18, 1985, pp. 540-544 shows a method for non-penetrable

målinger av komponentene i en gass/vann/olje blanding. measurements of the components in a gas/water/oil mixture.

) Fraksjonene av gass, vann og olje, som strømmer mellom to ) The fractions of gas, water and oil, which flow between two

isolerte elektroder, er bestemt ved å måle både resistans og kapasitans over sensoren. En matematisk modell er brukt for å relatere disse målte verdier til tomfraksjonen og vannfraksjonen av rørstrømningen. insulated electrodes, is determined by measuring both resistance and capacitance across the sensor. A mathematical model is used to relate these measured values to the void fraction and the water fraction of the pipe flow.

Et instrument ifølge oppfinnelsen for å fastslå fraksjonene av komponentene i en trekomponentblanding, spesielt fraksjonene av gass, vann og olje i en gass/vann/olje blanding, hvor trekomponentblandingen bringes til å strømme gjennom en spalte mellom to ikke-inntrengende motsatte elektroder, er kjennetegnet ved An instrument according to the invention for determining the fractions of the components of a three-component mixture, in particular the fractions of gas, water and oil in a gas/water/oil mixture, where the three-component mixture is caused to flow through a gap between two non-penetrating opposite electrodes, is characterized by

a) en første i og for seg kjent kapasitanssensor som omfatter de nevnte to elektroder for å måle permittiviteten a) a first per se known capacitance sensor comprising the aforementioned two electrodes to measure the permittivity

til nevnte trekomponentblanding, to said three-component mixture,

b) et sensorhode med skjerm for å redusere eller eliminere innvirkningen av uønskete impedanser mellom elektrodene, og b) a sensor head with shield to reduce or eliminate the influence of unwanted impedances between the electrodes, and

fra elektrodene til sensorhodet, from the electrodes to the sensor head,

c) en tetthetsmåler som omfatter et radioaktivt element og et gammastråle densiometer for å beregne tettheten til c) a densitometer comprising a radioactive element and a gamma ray densiometer to calculate the density of

blandingen, og the mixture, and

d) en datamaskin for å prosessere de elektroniske signaler og beregne fraksjonene av de nevnte tre komponenter i d) a computer to process the electronic signals and calculate the fractions of the aforementioned three components i

nevnte trekomponentblanding. said three-component mixture.

Algoritmen i datamaskinen i instrumentet i den aktuelle oppfinnelsen vil være slik: The algorithm in the computer in the instrument of the invention in question will be as follows:

1. Velg en verdi for p. 1. Choose a value for p.

2. Beregn a ved hjelp av p og blandingens målte tetthet (ligning 2). 3. Utifrå a og den målte permittivitet av blandingen, beregn en ny verdi for P ved å benytte formelen for 2. Calculate a using p and the measured density of the mixture (equation 2). 3. From a and the measured permittivity of the mixture, calculate a new value for P using the formula for

trekomponent permittiviteten (ligning 3). the three-component permittivity (equation 3).

4. Gå til trinn 2 og gjenta prosessen et på forhånd gitt antall ganger, eller benytt et konvergenskriterium for å stanse prosessen. Nøyaktigheten av det endelige resultatet er avhengig av flere faktorer. Herunder er 4. Go to step 2 and repeat the process a predetermined number of times, or use a convergence criterion to stop the process. The accuracy of the final result depends on several factors. Below are

disse diskutert i korthet. these discussed briefly.

(a) Nøyaktigheten er sterkt betinget av hvor nøyaktig man kjenner råoljens tetthet. Tettheten er avhengig av temperatur og trykk, og av den grunn vil det være nødvendig å kompensere for variasjoner i temperatur og trykk. Tettheten forandrer seg med trykk på grunn av oljens kompressibilitet, og fordi gass/olje forholdet forandres med forandringer i trykk. (b) Vannets tetthet må også være kjent med en stor grad av nøyaktighet. Vanntettheten er sterkt betinget av saltinn-holdet, og av den grunn må den måles i hvert tilfelle. Hva angår vannet kan man overse variasjoner i tetthet som for-årsakes av temperatur og trykk innenfor rimelig variasjoner i temperatur og tetthet. (c) Gassens tetthet må også være nøyaktig kjent. Også denne størrelsen er avhengig av temperatur, trykk og gassens sammensetning. Ved atmosferetrykk er gassens tetthet kun ca. 1 kg/m<3>, og den kan overses i forhold til tetthetene til oljen og vannet. Ved betydelige høyere trykk kan denne ikke overses og den må kompenseres for. (d) Råoljens permittivitet bør være kjent innenfor ±1% for å unngå betydelige feil på grunn av denne faktoren. (e) Tilsist er nøyaktigheten avhengig av nøyaktigheten av densitometeren og kapasitansmålingene. (a) The accuracy is strongly dependent on how accurately one knows the density of the crude oil. The density is dependent on temperature and pressure, and for that reason it will be necessary to compensate for variations in temperature and pressure. The density changes with pressure due to the oil's compressibility, and because the gas/oil ratio changes with changes in pressure. (b) The density of the water must also be known with a great degree of accuracy. The water tightness is strongly dependent on the salt content, and for that reason it must be measured in each case. As regards the water, variations in density caused by temperature and pressure can be ignored within reasonable variations in temperature and density. (c) The density of the gas must also be accurately known. This size also depends on temperature, pressure and the composition of the gas. At atmospheric pressure, the density of the gas is only approx. 1 kg/m<3>, and it can be neglected in relation to the densities of the oil and the water. At significantly higher pressures, this cannot be overlooked and must be compensated for. (d) The permittivity of the crude oil should be known within ±1% to avoid significant errors due to this factor. (e) Finally, the accuracy depends on the accuracy of the densitometer and the capacitance measurements.

Sensorens "inline" plassering i produksjonssystemet innebærer at et meget begrenset trykkfall over sensoren kan tolereres. Dessuten kan erosjon i et stigerør være betydelig, og ideelt sett bør derfor sensoren ikke ha deler som trenger inn i selve blandingsstrømmen. The sensor's "inline" location in the production system means that a very limited pressure drop across the sensor can be tolerated. Also, erosion in a riser can be significant, and ideally the sensor should therefore have no parts that penetrate the mixing flow itself.

Ved å ta disse faktorene i betraktning er sensorhodets elektroder konstruert som sirkelbueformete elektrodeplater inkorporert i et rør som utgjør sensorhodet til hver av nevnte elektroder, som plasseres mot blandings- strømmen i nevnte sensorhode. I det følgende er sensoren omtalt som en overflateplatesensor. Taking these factors into account, the sensor head's electrodes are constructed as arc-shaped electrode plates incorporated in a tube that forms the sensor head of each of said electrodes, which are placed against the mixture flow in said sensor head. In the following, the sensor is referred to as a surface plate sensor.

Sensorhodet er ring- eller hylseformet og det inkorporerer et par radielt innerste elektroder og en radielt ytterst skjerm med en mellomliggende volum som inneholder elektrisk isolerende materiale. Skjermen er holdt på jordspenningsnivå. De sirkelbueformete elektrodeplatene kan holdes på en viss avstand fra blandingsstrømmen ved hjelp av et lag elektrisk isolerende materiale. The sensor head is ring- or sleeve-shaped and it incorporates a pair of radially innermost electrodes and a radially outermost screen with an intermediate volume containing electrically insulating material. The screen is held at ground voltage level. The arc-shaped electrode plates can be kept at a certain distance from the mixture flow by means of a layer of electrically insulating material.

I overflateplate elektrodesensor penetrerer det elektriske feltet hele måleseksjonen, noe som gjør sensoren følsom overfor strømmen såvel i midten av røret som langs rørveggen. Et nøyaktig valgt åpningsvinkel for elektroden sikrer at enhver del av målevolumet har samme virkning på sensorens totalimpedans. In a surface plate electrode sensor, the electric field penetrates the entire measuring section, which makes the sensor sensitive to the current both in the middle of the pipe and along the pipe wall. A precisely chosen opening angle for the electrode ensures that any part of the measuring volume has the same effect on the sensor's total impedance.

Det lar seg demonstrere at med henblikk på det elektriske feltets homogenitet, er den optimale åpnings-vinkelen til elektroden et sted mellom 60 og 90°. Følsom-heten til er overflateplatesensor med en slik åpningsvinkel vil i tillegg være god. It can be demonstrated that with regard to the homogeneity of the electric field, the optimal opening angle of the electrode is somewhere between 60 and 90°. The sensitivity of a surface plate sensor with such an opening angle will also be good.

I samsvar med en foretrukket utforming av oppfinnelsen blir elektrodene, plassert på omkretsen til den indre overflaten av røret som utgjør sensorhodet, gitt en gjensidig plassering med en åpningsvinkel på omtrent 60 og 90° . In accordance with a preferred design of the invention, the electrodes, placed on the circumference of the inner surface of the tube which constitutes the sensor head, are given a mutual position with an opening angle of approximately 60 and 90°.

Sensorhodet også reduserer eller eliminerer impe-dansen mellom elektrodene. En måte å oppnå dette på er ved å utstyre sensorhodet i hvert mellomrom mellom elektrodene med en ringformet beskyttelsesjord med en avstand på noen få sirkelbuegrader, og ved å koble nevnte beskyttelsesjord på samme potensiale som nevnte første elektrode. The sensor head also reduces or eliminates the impedance between the electrodes. One way to achieve this is by equipping the sensor head in each space between the electrodes with an annular protective ground at a distance of a few circular arc degrees, and by connecting said protective ground at the same potential as said first electrode.

En foretrekker at nevnte beskyttelsesjordplater blir inkorporert i en ringformet beskyttelsesjord som omgir kantene til en av nevnte to elektroder. It is preferred that said protective earth plates be incorporated into an annular protective earth surrounding the edges of one of said two electrodes.

Et egnet elektrisk isolerende materiale er et keramisk eller polyuretan eller annet materiale som har god motstand mot erosjon, samt lav termisk ekspansjon. A suitable electrically insulating material is a ceramic or polyurethane or other material that has good resistance to erosion, as well as low thermal expansion.

Elektrodene er fremstilt i et elektrisk ledende material som f.eks. rustfritt stål, ledende keramisk eller annet egnet materiale. The electrodes are made of an electrically conductive material such as e.g. stainless steel, conductive ceramic or other suitable material.

Den aktuelle oppfinnelsen, dvs. såvel fremgangsmåten som instrumentet ifølge oppfinnelsen, har følgende for-deler : The invention in question, i.e. both the method and the instrument according to the invention, has the following advantages:

- er ikke inntrengende - is not intrusive

- måler den totale rørstrømmen, ikke basert på prøver - measures the total pipe flow, not based on samples

- foretar sanntidsmålinger - makes real-time measurements

- inneholder ingen bevegelige deler - contains no moving parts

- er pålitelig, med lave vedlikeholdskrav. - is reliable, with low maintenance requirements.

Oppfinnnelsen illustreres, men er ikke begrenset til det som er vist i fig. 1-4 på vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 viser en skjematisk fremstilling av et system som inkorporerer en kapasitanssensor og en tetthetssensor, dvs. en gammadensitometer for å beregne strømningens sammensetning. Fig. 2 viser en transmitter for kapasitansmålinger, illustrert i fig. 1. The invention is illustrated, but is not limited to what is shown in fig. 1-4 on the attached drawings, where: Fig. 1 shows a schematic representation of a system incorporating a capacitance sensor and a density sensor, i.e. a gamma densitometer to calculate the composition of the flow. Fig. 2 shows a transmitter for capacitance measurements, illustrated in fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en sensor. Fig. 3 shows a section through a sensor.

Fig. 4 viser et planriss av en av elektrodene og dennes tilhørende beskyttelsesjord. Fig. 4 shows a plan view of one of the electrodes and its associated protective earth.

Under henvisning til fig. 1, strømmer en trekomponentblanding av gass, vann og olje gjennom et rør 10 som inkorporerer en kapasitanssensor 11, dvs. en første sensor, som måler blandingens permittivitet. En sender lia fører signaler fra den første sensoren 11 til en først dataprosesseringsenhet 12 og videre til en annen dataprosesseringsenhet 13, som er inkorporert i en datamaskin. Nevnte enheter kan inkorporere en visualisering av de relative proporsjonene av trekomponentblandingen. With reference to fig. 1, a three-component mixture of gas, water and oil flows through a pipe 10 which incorporates a capacitance sensor 11, i.e. a first sensor, which measures the permittivity of the mixture. A transmitter 1a carries signals from the first sensor 11 to a first data processing unit 12 and further to a second data processing unit 13, which is incorporated in a computer. Said devices may incorporate a visualization of the relative proportions of the three component mixture.

En annen sensor 15, dvs. et gammadensitometer, er inkorporert i strømningslinjen 10 i nærheten av den første sensor 11. Gammadensitometeret 15 inkluderer en gammamåler radioaktiv kilde 16. I dette tilfelle har en valgt en caesium isotop, men andre isotoper, så som f.eks. en americium isotop, kunne også ha vært benyttet. Gammadensitometeret 15 inkluderer videre en gammamålerdetektor17. Gammamålerens radioaktiv kilde 16 og gammamålerens detektor 17 er plassert på motsatte sider av strømningslinjen 10, festet til et rør som utgjør sensorhodet til nevnte andre sensor 15. Gammadensitorneterets utgangsdata, kombinert med utgangsdata fra den første sensoren 11, er benyttet for å beregne fraksjonene i blandingen, og et nøyaktig resultat kan oppnås på en ganske lettvint måte. Another sensor 15, i.e. a gamma densitometer, is incorporated in the flow line 10 near the first sensor 11. The gamma densitometer 15 includes a gamma meter radioactive source 16. In this case a cesium isotope has been chosen, but other isotopes, such as e.g. an americium isotope, could also have been used. The gamma densitometer 15 further includes a gamma meter detector 17. The gamma meter's radioactive source 16 and the gamma meter's detector 17 are placed on opposite sides of the flow line 10, attached to a tube which forms the sensor head of said second sensor 15. The output data of the gamma densitometer, combined with output data from the first sensor 11, is used to calculate the fractions in the mixture , and an accurate result can be obtained quite easily.

Utgangsfrekvensen Fr fra kapasitansmålingenes elektronikk blir konvertert fra en først dataprosesseringsenhet 12 til en digitalverdi Cb som representerer sensorens kapasitans. Forholdet mellom Cb og Fr etableres ved å kalibrere måleelektronikken, og kalibreringskurven lagres i datamaskinens hukommelse. Datamaskin lagrer i tillegg en kalibreringskurve for kapasitanssensor 11. Dette er brukt heri for å omdanne den målte kapasitans Cb i en annen dataprosesseringsenhet 13 til en verdi for blandingens permittivitet eb. The output frequency Fr from the electronics of the capacitance measurements is converted from a first data processing unit 12 into a digital value Cb which represents the sensor's capacitance. The relationship between Cb and Fr is established by calibrating the measuring electronics, and the calibration curve is stored in the computer's memory. The computer also stores a calibration curve for the capacitance sensor 11. This is used here to convert the measured capacitance Cb in another data processing unit 13 into a value for the permittivity eb of the mixture.

Gammamålerens detektor 17 i den andre sensoren 15 utgir et signal Vg, som er proporsjonalt med tettheten til blandingen som strømmer gjennom røret. En dataprosesseringsenhet 18 i nevnte datamaskin omdanner signalet Vg til den digitale verdien, som er den målte tettheten til den strømmende blandingen. Denne verdien fra enhet 18 og verdien b fra enhet 13 blir videreprosessert i en felles enhet 14 i datamaskinen. Enheten 14 inneholder en matematisk modell som setter den målte permittiviteten og målte tettheten av den strømmende blandingen i sammenheng med proporsjonene av gass (a) , vann ((3) og olje (y) . The gamma meter's detector 17 in the second sensor 15 emits a signal Vg, which is proportional to the density of the mixture flowing through the tube. A data processing unit 18 in said computer converts the signal Vg into the digital value, which is the measured density of the flowing mixture. This value from unit 18 and the value b from unit 13 are further processed in a common unit 14 in the computer. The unit 14 contains a mathematical model which relates the measured permittivity and the measured density of the flowing mixture to the proportions of gas (a), water ((3) and oil (y).

Kapasitanssenderen lia er avbildet i mer detalj i fig. 2. Sensorens kapasitans Cx gir en trekantbølge ^ som genereres ved integrasjon av en firkantbølge v2.-Denne trekantbølge v1blir benyttet i sin tur som inngang til en firkantbølgegenerator. Den illustrerte lukkete sløyfe utgjør et resonanssystem, hvis resonansfrekvens f er gitt av ligning [5]: The capacitance transmitter 11a is depicted in more detail in fig. 2. The sensor's capacitance Cx gives a triangle wave ^ which is generated by integration of a square wave v2.-This triangle wave v1 is used in turn as input to a square wave generator. The illustrated closed loop constitutes a resonant system, whose resonant frequency f is given by equation [5]:

hvor k er en konstant gitt av Rx og zenerdiodene z3og z4og Cx er sensorens kapasitans. where k is a constant given by Rx and the zener diodes z3 and z4 and Cx is the sensor's capacitance.

Under henvisning til fig. 3, viser denne et utsnitt av et sensorhode 20 i den første sensoren 11. Dette sensorhodet 20 består av to elektroder 21 og 22, som er koblet til terminalene 21a og 22a og en beskyttelsesjord 25 koblet til en terminal 25a. En ytre skjerm 26 av stål er koblet til jord. Denne utgjør et hus for sensorhodet og omgir en isolasjon 27, som inkorporerer elektrodene 21 og 22 og beskyttelsesjord 25. Isolasjonen 27 etterlater en sentral åpning 28 for væskestrømmen. With reference to fig. 3, this shows a section of a sensor head 20 in the first sensor 11. This sensor head 20 consists of two electrodes 21 and 22, which are connected to the terminals 21a and 22a and a protective ground 25 connected to a terminal 25a. An outer screen 26 of steel is connected to earth. This forms a housing for the sensor head and surrounds an insulation 27, which incorporates the electrodes 21 and 22 and protective ground 25. The insulation 27 leaves a central opening 28 for the flow of liquid.

Nærmere bestemt er elektrodene 21 og 22 og be-skyttelses jorden 25 isolert fra væskestrømmen ved hjelp av en radielt innerste isolasjonslag 27a som består av et første keramisk materiale, som f.eks. sintrert alumina (aluminium oxyd). Mellom nevnte radielt innerste isolasjonslag 27a og den radielt ytterste skjerm 26 finnes et hovedisolasjonslag 27b i et annet keramisk materiale, som f.eks. "Ceramite". More specifically, the electrodes 21 and 22 and the protective earth 25 are isolated from the liquid flow by means of a radially innermost insulating layer 27a which consists of a first ceramic material, which e.g. sintered alumina (aluminium oxide). Between said radially innermost insulation layer 27a and the radially outermost shield 26 there is a main insulation layer 27b in another ceramic material, which e.g. "Ceramite".

I praksis blir isolasjonslaget 27b, elektrodene 21 og 22, og beskyttelsesjorden 25 plassert mellom det indre isolasjonslag 27a og den ytre skjermen 26. Som fig. 3 viser, passerer koblingene 21a, 22a og 25a fra henholdsvis sine tilhørende elektroder 21 og 22 og beskyttelsesjord 25 gjennom isolasjonslaget 27b til en koblingsboks 26a ved den ene siden av skjermen 26. In practice, the insulation layer 27b, the electrodes 21 and 22, and the protective ground 25 are placed between the inner insulation layer 27a and the outer screen 26. As fig. 3 shows, the connectors 21a, 22a and 25a pass from their respective electrodes 21 and 22 and protective earth 25 through the insulation layer 27b to a junction box 26a at one side of the screen 26.

Fig. 4 viser elektroden 22 og beskyttelsesjorden 25 i utbrettet stilling. Elektroden 22 (i likhet med elektroden 21) er rektangulær. Fig. 4 viser klart at beskyttelsesjorden er utformet som en firkantet ring, med en mindre avstand fra elektroden 22 på f.eks. 5 mm. Elektrodene 21 og 22 og beskyttelsesjorden er i en foretrukket utforming under produksjonen derav, påført i et ganske tynnvegget lag, direkte på den radielt ytre overflaten av det radielt innerste isolasjonslag 27a, og dermed er dekket av det radielt ytterste isolasjonslag 27b. Fig. 4 shows the electrode 22 and the protective earth 25 in the unfolded position. The electrode 22 (like the electrode 21) is rectangular. Fig. 4 clearly shows that the protective ground is designed as a square ring, with a smaller distance from the electrode 22 of e.g. 5 mm. The electrodes 21 and 22 and the protective earth are, in a preferred design during their production, applied in a fairly thin-walled layer, directly on the radially outer surface of the radially innermost insulating layer 27a, and are thus covered by the radially outermost insulating layer 27b.

Claims

1. Method for determining the fractions of the components of a three-component mixture, esp the fractions of gas, water and oil in a gas/water/oil mixture, where the three-component mixture is made to flow through a gap (2 8) between two non-penetrating opposite electrodes (21, 22), characterized by that during passage of the three-component mixture between the two non-penetrating opposite electrodes (21, 22), the permittivity (eb) of said flowing mixture is measured by means of a capacitive first sensor (11), and the density (pm) of said flowing mixture by means of of a second sensor which includes a radioactive element (16) and a gamma ray densiometer (15), after which the measured electronic signals from said two sensors (11, 15) are converted into discrete values for further processing in a computer (14), where they are included in the following equations:

where a is the fraction of a first component, eb is the permittivity of the three-component mixture, es is the permittivity of a two-component mixture of a second and a third component, and is given by:

where pf is the concentration of the second component in said two-component mixture, s3 is the permittivity of said third component, and the real fraction of the second component in the three-component mixture is given by:

and

where pi is the density of the first component, p2 is the density of the second component, p3 is the density of the third component, and pm is the density measured by the gamma densiometer (15), and that the fractions of said three components are then calculated through an iterative processing of said equations in said computer (14).

2. Instrument for determining the fractions of the components of a three-component mixture, in particular the fractions of gas, water and oil in a gas/water/oil mixture, wherein the three-component mixture is made to flow through a gap (2 8) between two non-penetrating opposite electrodes (21, 22), characterized by) a first per se known capacitance sensor (11), which comprises the aforementioned two electrodes (21, 22) to measure the permittivity of said three-component mixture, b) a sensor head (20) with screen to reduce or eliminate the influence of unwanted impedances between the electrodes (21, 22) and from the electrodes (21, 22) to the sensor head (20), c) a densitometer, comprising a radioactive element (16) and a gamma ray densiometer (15) to calculate the density of the mixture, and d) a computer (14) to process the electronic signals and calculate the fractions of said three components in said three-component mixture.

3. Instrument in accordance with claim 2, characterized by that the electrodes (21, 22) in the sensor head (20) are designed as circular arc-shaped plates, incorporated in a tube (10) that makes up the sensor head (20), each of said electrodes (21, 22) being placed against the mixture flow in said sensor head (20)._

4. Instrument in accordance with one of claims 2 or 3, characterized by that the sensor head (20) is ring- or sleeve-shaped and incorporates a pair of radially innermost electrodes (21, 22) and a radially outermost screen (26) with an intermediate volume containing electrically insulating material (27b).

5. Instrument in accordance with requirements 2 to 3, characterized by that the screen (26) is at earth voltage level.

6. Instrument in accordance with one of claims 3 to 5 characterized by that the arc-shaped electrode plates (21, 22) are kept separate from the mixture flow by a layer of electrically insulating material (27a).

7. Instrument in accordance with one of claims 3 to 6 characterized by that the electrodes (21, 22) which are placed on the circumference of the inner surface of the tube (10) which make up the sensor head (20), have a mutual distance with an opening angle of between 60 and 90°.

8. Instrument in accordance with one of claims 5 or 7, characterized by that the sensor head (20) in each gap between the electrodes (21, 22) is provided with a protective ground (25) shaped like a square ring placed at a distance of a few circular arc degrees, and that said protective ground (25) is kept at the same ground voltage level as said first electrode.

9. Instrument in accordance with claim 7, characterized by that said protective earth (25) is incorporated in an annular protective earth which surrounds the edges of one of the two mentioned electrodes (21, 22).

10. Instrument in accordance with one of claims 4 or 6, characterized by that the electrically insulating material (27a, 27b) is ceramic.

11. Instrument in accordance with one of claims 2 to 10, characterized by that the electrodes (21, 22) are made of an electrically conductive ceramic material.