NO319584B1

NO319584B1 - Device for measuring level

Info

Publication number: NO319584B1
Application number: NO980070A
Authority: NO
Inventors: Knut Asskildt; Bjørn Tore Hjertaker; Arne Nysveen
Original assignee: Aibel As
Priority date: 1998-01-07
Filing date: 1998-01-07
Publication date: 2005-08-29
Also published as: NO980070D0; NO980070L

Description

Område for oppfinnelsen Field of the invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en anordning for å måle nivået av et materiale. The present invention generally relates to a device for measuring the level of a material.

Som et eksempel kan foreliggende oppfinnelse vedrøre en anordning for å måle nivået av materiale i separatorbeholdere for olje, vann, gass osv., hvilken separatorbeholder kan være plassert enten under eller over vann. As an example, the present invention can relate to a device for measuring the level of material in separator containers for oil, water, gas, etc., which separator container can be placed either under or above water.

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

Induktive målinger av nivået i f.eks. separatorbeholdere for oljer, vann, gass osv. enten under eller over vann, medfører visse fordeler i forhold til andre måleteknikker. Inductive measurements of the level in e.g. separator containers for oils, water, gas, etc., either under or above water, have certain advantages compared to other measuring techniques.

Et induktivt prinsipp som baserer seg på virvelstrømtap i mediet som skal måles, er i og for seg kjent, og er blitt brukt i mange målekonfigurasjoner. En forutsetning for denne teknikk er at mediet som skal måles, har en bestemt elektrisk ledeevne, så som den iboende ledeevne av f.eks. sjøvann eller utvunnet vann fra en olje- og gass-brønn. An inductive principle that is based on eddy current loss in the medium to be measured is known per se, and has been used in many measurement configurations. A prerequisite for this technique is that the medium to be measured has a specific electrical conductivity, such as the inherent conductivity of e.g. seawater or extracted water from an oil and gas well.

Fra GB patent 1 545 326 er det kjent en nivåmåler for måling på smeltet metall. Det anvendes en kjerne med en påviklet spole. Det sendes en likestrøm gjennom spolen, som setter opp et statisk magnetisk felt. Når smeiten kommer inn i måleren, skjer det en bevegelse i magnetkretsen som skaper en kortvarig strømpuls gjennom spolen. Pulsen tas ut, via en transformator i tilførselsledningene. From GB patent 1 545 326 a level gauge for measuring molten metal is known. A core with a wound coil is used. A direct current is sent through the coil, which sets up a static magnetic field. When the smelt enters the meter, a movement occurs in the magnetic circuit which creates a short current pulse through the coil. The pulse is taken out via a transformer in the supply lines.

Slik denne kretsen er innrettet, kan måleren bare gi en enkel på-/avindikasjon i det øyeblikket smeiten kommer til eller forlater måleren, dvs. at den bare kan varsle en endring i nivået. Kretsen kan ikke anvendes i en separator med flerfasefluider, hvorav flere av fasene ikke er konduktive. The way this circuit is arranged, the meter can only give a simple on/off indication at the moment the melt arrives or leaves the meter, i.e. it can only indicate a change in level. The circuit cannot be used in a separator with multiphase fluids, of which several of the phases are not conductive.

US patent 4 536 713 beskriver et instrument for å måle ledningsevnen i boreslam. Det anvendes en måleoppstilling (Fig. 2) omfattende en kjerne 32 med et stort luftgap 31. Det er viklet en spole 37 på kjernen. Over spolen er det koblet en kondensator 47 slik at man får en avstemt krets. Det tilføres et oscillatorsignal på resonansfrekvensen fra generator 50. Ved resonans er kretsen rent ohmsk, hvorfor man bare måler slammets konduktivitet. Det er følgelig ikke mulig å måle dielektriske egenskaper til et evt. flerfasefluid, om noe sånt skulle komme inn i brønnen. US patent 4,536,713 describes an instrument for measuring the conductivity of drilling mud. A measuring set-up (Fig. 2) comprising a core 32 with a large air gap 31 is used. A coil 37 is wound on the core. A capacitor 47 is connected above the coil so that a tuned circuit is obtained. An oscillator signal is supplied at the resonance frequency from generator 50. At resonance, the circuit is purely ohmic, which is why you only measure the sludge's conductivity. Consequently, it is not possible to measure the dielectric properties of a possible multiphase fluid, should something like that enter the well.

US patent 5 549 008 beskriver en måleoppstilling for å måle egenskapene til et flerfasefluid. I en utførelse blir oppstillingen brukt som nivåmåler (fig. 7). Det brukes en spole som er viklet rundt en beholder. Det vil si at det ikke finnes noen kjerne. Spolen er igjen koblet som en resonanskrets (Fig. 2), og man måler kretsens Q. Q-forholdet er avhengig av kretsens dempning, som igjen avhenger av de ohmske tap i kretsen og ikke dens impedans. Imaginære komponenter vil bare forskyve resonansfrekvensen. Videre vil denne oppstillingen bare virke på ledende fluider, og bare kunne gi en grov indikasjon på væskenivået (egentlig volumet) i væsken. US patent 5,549,008 describes a measuring setup for measuring the properties of a multiphase fluid. In one embodiment, the arrangement is used as a level gauge (fig. 7). A coil is used which is wound around a container. That is, there is no core. The coil is again connected as a resonant circuit (Fig. 2), and the circuit's Q is measured. The Q ratio depends on the circuit's attenuation, which in turn depends on the ohmic losses in the circuit and not its impedance. Imaginary components will only shift the resonant frequency. Furthermore, this setup will only work on conductive fluids, and can only give a rough indication of the liquid level (actually the volume) in the liquid.

Formål med op<p>finnelsen Purpose of the invention

Et hovedformål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for å måle nivået av materiale, hvilken anordning vil ha en større følsomhetsgrad enn kjente anordninger ifølge teknikkens stand. A main purpose of the present invention is to provide a device for measuring the level of material, which device will have a greater degree of sensitivity than known devices according to the state of the art.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for å måle nivået av materiale, hvilken anordning er spesielt egnet for nivåmålinger i separatorbeholdere. Another object of the present invention is to provide a device for measuring the level of material, which device is particularly suitable for level measurements in separator containers.

Enda et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning for å måle nivået av materiale, hvilken anordning er på egnet måte beskyttet mot mediet som skal måles. Yet another object of the present invention is to provide a device for measuring the level of material, which device is suitably protected against the medium to be measured.

Enda et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning av den nevnte type, som påvirkes mindre av en eventuell utvikling av gjengroingssjikt av forskjellige typer på elementer av anordningen. Yet another object of the present invention is to provide a device of the aforementioned type, which is less affected by the possible development of overgrowth layers of different types on elements of the device.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en anordning som kombinert med en egnet signal-prosessering, kan måle ikke bare nivået av materiale, men også hovedkjennetegnene, nemlig ledeevnen (og permittiviteten), av materialet. Another purpose of the present invention is to provide a device which, combined with suitable signal processing, can measure not only the level of material, but also the main characteristics, namely the conductivity (and permittivity) of the material.

Sammenfatning av oppfinnelsen Summary of the Invention

Disse formål oppnås i sammenheng med en anordning av den type som beskrives i ingressen, som i henhold til foreliggende oppfinnelse kjennetegnes ved trekkene som angis i de vedlagte patentkrav. These purposes are achieved in connection with a device of the type described in the preamble, which according to the present invention is characterized by the features stated in the attached patent claims.

Ytterligere trekk og fordeler med foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse i sammenheng med de vedlagte tegninger, samt fra de vedlagte patentkrav. Further features and advantages of the present invention will be apparent from the following description in connection with the attached drawings, as well as from the attached patent claims.

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

Fig. 1 er et skjematisk riss som illustrerer det generelle prinsipp av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 er et lignende riss som fig.l, men viser en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 er et skjematisk riss som illustrerer en tredje utførelse av foreliggende oppfinnelse. Fig. 4A er et elektrisk kretsdiagram som kan brukes for å påvise endringer av den elektriske impedans. Fig. 4B viser et antall anordninger ifølge oppfinnelsen til bruk for en differensiert måling av materialnivået. Fig. 1 is a schematic diagram illustrating the general principle of the device according to the present invention. Fig. 2 is a similar view to Fig. 1, but shows another embodiment of the present invention. Fig. 3 is a schematic diagram illustrating a third embodiment of the present invention. Fig. 4A is an electrical circuit diagram that can be used to detect changes in electrical impedance. Fig. 4B shows a number of devices according to the invention for use for a differentiated measurement of the material level.

Detaljert beskrivelse av utførelser Detailed description of designs

På fig. 1 vises skjematisk det generelle prinsipp av foreliggende oppfinnelse. Denne anordning omfatter en induktiv spole 1 som omfatter en primær vikling som har et flertall primære vindinger 2a...2n, og som er forbundet med en sig-nalprosesseringsanordning 3, som i kombinasjon kan omfatte en frekvensgenerator og en signalanalyserer. In fig. 1 schematically shows the general principle of the present invention. This device comprises an inductive coil 1 which comprises a primary winding which has a plurality of primary windings 2a...2n, and which is connected to a signal processing device 3, which in combination may comprise a frequency generator and a signal analyser.

For å forbedre den magnetiske kobling mellom den primære vikling, med vindingene 2a...2n, av spolen 1 og mediet som skal måles, som her er forsynt med henvisningstallet 4, frembringes det ifølge foreliggende oppfinnelse å innlemme en koblingsanordning 5 mellom den primære vikling og mediet 4 som skal måles. I utførelsen som vises på fig. 1, brukes en koblingsanordning 5, som fortrinnsvis er fremstilt av et magnetisk/høymagnetisk permeabelt materiale og formet som en kontinuerlig eller "toroid" kjerne. Denne koblingsanordning 5 som er formet som en kjerne, er anordnet slik at mediet 4 som skal måles, vil omslutte i det minste en del av kjernematerialet. Koblingsanordningen 5 kan også ses på som en transformator som omfatter en fordelt sekundær vikling. In order to improve the magnetic coupling between the primary winding, with the windings 2a...2n, of the coil 1 and the medium to be measured, which is here provided with the reference number 4, according to the present invention it is provided to incorporate a coupling device 5 between the primary winding and the medium 4 to be measured. In the embodiment shown in fig. 1, a coupling device 5 is used, which is preferably made of a magnetic/highly magnetic permeable material and shaped as a continuous or "toroidal" core. This coupling device 5, which is shaped like a core, is arranged so that the medium 4 to be measured will enclose at least part of the core material. The switching device 5 can also be seen as a transformer comprising a distributed secondary winding.

"Toroiden" eller kjernen kan eventuelt utstyres med en sprekk eller spalt, eller eventuelt med hvilken som helst egnet form for å øke den optimale magnetiske kobling mellom primærviklingen og mediet 4 som skal måles. The "toroid" or core can optionally be equipped with a crack or gap, or optionally with any suitable shape to increase the optimal magnetic coupling between the primary winding and the medium 4 to be measured.

Det er fordelaktig hvis materialet av koblingsanordningen 5, f.eks. fremstilt av ferritt, innkapsles med et ikke-magnetisk og ikke-ledende forseglingsmateriale for å isolere kjernen og/eller spoleviklingen fra mediet 4 som skal måles. Med en slik anordning beskyttes primærviklingen og ferritt-kjernen for aggressive angrep fra mediet som skal måles, uten noen vesentlig nedsettelse av målefølsomheten. It is advantageous if the material of the coupling device 5, e.g. made of ferrite, is encapsulated with a non-magnetic and non-conductive sealing material to isolate the core and/or coil winding from the medium 4 to be measured. With such a device, the primary winding and the ferrite core are protected against aggressive attacks from the medium to be measured, without any significant reduction in measurement sensitivity.

I en egnet uførelse kan kjernematerialet, f.eks. ferritt-kjernen, dimensjoneres slik at det oppnås en god måletolerans i betraktning av en eventuell utvikling av "sammen-klumpings "-sjikt på overflaten av kjernematerialet og/eller viklingen av spolen. Med andre ord kan kjernens diameter 5 på egnet måte tilpasses den forventede tykkelse av "sammen-klumpingssjikt". Slike gjengroingSBjikt kan stamme fra mediet som skal måles, og/eller vekselvirkningen mellom mediet og materialet av koblingsanordningen 5 og/eller materialet av primærvindingene 2a...2n, spesielt hvis mediet er et såkalt vanskelig medium eller fluidum. Eksem-pler på slike vanskelige medier kan omfatte flak (magnetiske, ikke-magnetiske, ledende, ikke-ledende), asfaltener, vokser, emulsjoner, skum osv. In a suitable embodiment, the core material, e.g. the ferrite core, is dimensioned so that a good measurement tolerance is achieved in consideration of any development of a "clumping" layer on the surface of the core material and/or the winding of the coil. In other words, the diameter 5 of the core can be suitably adapted to the expected thickness of the "clumping layer". Such overgrowths may originate from the medium to be measured, and/or the interaction between the medium and the material of the coupling device 5 and/or the material of the primary windings 2a...2n, especially if the medium is a so-called difficult medium or fluid. Examples of such difficult media may include flakes (magnetic, non-magnetic, conductive, non-conductive), asphaltenes, waxes, emulsions, foams, etc.

På fig. 1 er primærviklingen forbundet med et signalproses-serende organ 3 via en egnet elektrisk kabel, hvilket sig-nalprosesserende organ eventuelt kan være anordnet i form av et frittstående organ. Imidlertid kan signalprosesseringsorganet innlemmes på forskjellige måter, f.eks. ved generering av en egnet strøm i primærviklingen av spolen 1, mens signalanalysereren kan analysere den komplekse elektriske impedans, både med hensyn til fase og størrelses-orden, av spolen 1, for å dermed muliggjøre en måling av den kombinerte effekt av resistiviteten i mediet 4 og den-nes fordeling i rommet. Avhengig av anvendelsen og utfor-mingen av koblingsanordningen 5, kan strømmen i primærviklingen velges på egnet måte, f.eks. som en enkelt frekvens, eller som en sveipefrekvens som dekker et egnet frekvensområde . In fig. 1, the primary winding is connected to a signal-processing body 3 via a suitable electrical cable, which signal-processing body can optionally be arranged in the form of a free-standing body. However, the signal processing means can be incorporated in various ways, e.g. by generating a suitable current in the primary winding of the coil 1, while the signal analyzer can analyze the complex electrical impedance, both with respect to phase and order of magnitude, of the coil 1, to thereby enable a measurement of the combined effect of the resistivity in the medium 4 and their distribution in the room. Depending on the application and design of the switching device 5, the current in the primary winding can be selected in a suitable way, e.g. as a single frequency, or as a sweep frequency covering a suitable frequency range.

Det bør forstås at de optimale frekvenser vil være avhengig av kjernematerialet og geometrien, ampereviklingene, resis tiviteten i mediet som skal måles, osv., men vanligvis vil frekvensene ligge innen området fra 100 kHz til noen få It should be understood that the optimum frequencies will depend on the core material and geometry, the ampere windings, the resistivity of the medium to be measured, etc., but usually the frequencies will be in the range of 100 kHz to a few

MHZ. MHz.

En enkeltfrekvensmodus kan f.eks. omfatte 1 MHz. A single frequency mode can e.g. include 1 MHz.

På fig. 2 illustreres en anordning som ligner utførelsen på fig. 1, men hvor en atskilt søkevikling 10 er blitt tilsatt ved å vikle den rundt kjernen av koblingsanordningen 5 i tillegg til primærviklingen. Den samlede magnetiske fluks i kjernen 5 vil indusere en målespenning/strøm som kan analyseres med et atskilt prosesseringsorgan 11, som på egnet måte kan innlemmes i signalprosesseringsorganet 3. In fig. 2 illustrates a device similar to the embodiment in fig. 1, but where a separate search winding 10 has been added by winding it around the core of the coupling device 5 in addition to the primary winding. The overall magnetic flux in the core 5 will induce a measurement voltage/current which can be analyzed with a separate processing device 11, which can be suitably incorporated into the signal processing device 3.

På fig. 3 vises en annen utførelse, som omfatter de samme organer som utførelsen på fig. 1, men som her er supplemen-tert med minst én ytterligere frekvensgenerator 22, hvor det er underforstått at én, to eller flere slike ytterligere frekvensgeneratorer 23 kan tilsettes, hvor generatorene 22 og 23 har en separat vikling som er viklet rundt kjernen 5, og hvor generatorene har individuelle frekvens-programmer og et individuelt antall vindinger og eventuelt en individuell isolasjon fra mediet. In fig. 3 shows another embodiment, which includes the same organs as the embodiment in fig. 1, but which is here supplemented with at least one further frequency generator 22, where it is understood that one, two or more such further frequency generators 23 can be added, where the generators 22 and 23 have a separate winding which is wound around the core 5, and where the generators have individual frequency programs and an individual number of windings and possibly an individual isolation from the medium.

På fig. 4A vises et elektrisk kretsdiagram som kan brukes for å påvise endringer i den elektriske komplekse impedans, hvilken krets er anordnet hovedsaklig som en Wheatstone-bro, anordnet som en 1/4 til 1/2 eller helbro, for å øke kretsens følsomhet, eventuelt med et bestemt måleområde som er tilpasset plasseringen av anordningen og det kringlig-gende materiale som skal måles. In fig. 4A shows an electrical circuit diagram that can be used to detect changes in the electrical complex impedance, which circuit is arranged essentially as a Wheatstone bridge, arranged as a 1/4 to 1/2 or full bridge, to increase the sensitivity of the circuit, optionally with a specific measuring area which is adapted to the location of the device and the surrounding material to be measured.

På fig. 4B illustreres skjematisk hvordan et flertall anordninger ifølge foreliggende oppfinnelse kan finne en anvendelse spesielt for å måle nivået av to eller flere medier som har forskjellige fysiske parametere. På fig. 4B vises n spoler 105-1...105-n plassert hovedsaklig langs en vertikal linje CL, og ved å analysere signalene fra hver signalspole i gruppen kan signalprosesseringsorganet 103 på enklere måte måle nivået av grenseflatene IF1 og IF2 mellom de forskjellige medier. In fig. 4B schematically illustrates how a plurality of devices according to the present invention can find an application in particular for measuring the level of two or more media that have different physical parameters. In fig. 4B shows n coils 105-1...105-n placed mainly along a vertical line CL, and by analyzing the signals from each signal coil in the group, the signal processing device 103 can more easily measure the level of the interfaces IF1 and IF2 between the different media.

For å forbedre mangesidigheten av en slik gruppe av spoler, kunne man tilføre strøm fra én eller flere strømkilder til én eller flere av spolene, og hver spole kunne analyseres med ett eller flere signalprosesseringsorganer, enten samtidig eller sekvensielt. To improve the versatility of such a group of coils, one could supply current from one or more current sources to one or more of the coils, and each coil could be analyzed by one or more signal processing means, either simultaneously or sequentially.

Det bør forstås at målingen i sammenheng med hver spole i gruppen av spoler, slik det vises på fig. 4A og 4B, kan utføres på forskjellige måter. F.eks. kan de enkelte spoler utstyres med en egen, eller eventuelt en felles, frekvens, og den gjensidige målesekvens kan varieres, f.eks. avhengig av de tidligere målinger som ble utført av enkelte kjerner, på adaptiv måte. It should be understood that the measurement in connection with each coil in the group of coils, as shown in fig. 4A and 4B, can be carried out in different ways. E.g. the individual coils can be equipped with a separate, or possibly a common, frequency, and the mutual measurement sequence can be varied, e.g. depending on the previous measurements carried out by individual cores, in an adaptive way.

Mellom de enkelte vindinger kan det foreligge en parasit-tisk kapasitans CW, og mellom viklingen og et (avsideslig-gende) fast (jord-) potensial kan det foreligge en ytterligere kapasitans Cg. Disse kåpasitanser kan utsettes for mediet, og de dielektriske egenskaper av mediene vil bestemme kapasitansverdien, som kan variere mellom f.eks. er-permittiviteten for vann » 80, og er for olje » 2-3. Between the individual windings there can be a parasitic capacitance CW, and between the winding and a (remote) fixed (ground) potential there can be a further capacitance Cg. These cover capacitances can be exposed to the medium, and the dielectric properties of the media will determine the capacitance value, which can vary between e.g. is the permittivity for water » 80, and is for oil » 2-3.

Disse parasittiske kåpasitanser vil være følsomme for variasjoner i er-verdien nær primærviklingen, og denne effekt kan f.eks. benyttes for måling av eventuelle gjengroingssjikt nær primærviklingen. These parasitic cover capacitances will be sensitive to variations in the er value near the primary winding, and this effect can e.g. used for measuring possible overgrowth layers near the primary winding.

Claims

1. Device for measuring the level of material in a separator container for multiphase fluid, comprising an inductive coil (1), a coupling device (5) to strengthen the coupling between the inductive coil (1) and material (4) to be measured, characterized by signal processing means (3) arranged to generate a current in the coil (1), and analyze the complex electrical impedance of the coil (1), which complex impedance reflects parameters of material (4) to be measured, in order to determine the level of material (4) in the container.

2. Device according to claim 1, characterized in that the coupling device (5) is in the form of a core which is continuous or annular or has a small gap, the core being of a magnetic material with high permeability and low losses, and arranged so that material (4) encloses at least a part of the coupling device (5).

3. Device according to claim 2, characterized in that the coupling device (5) is encapsulated with a non-magnetic and/or non-conductive sealing material to isolate the core and/or coil (1) from material (4).

4. Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the coupling device (5) is dimensioned so that a good measurement tolerance is achieved against a possible accumulation of "clogging" layer on the surface of the coupling device (5) and/or the coil (1).

5. Device according to claim 1, characterized in that the signal processing device (3) is arranged to generate the current in the coil (1) in the form of a single frequency or a sweep frequency that varies within a frequency range.

6. Device according to one of claims 2-4, characterized in that the device comprises a separate search winding (10) which is wound around the core of the coupling device (5), where the overall magnetic flux in the core induces a measuring voltage/current in the search winding (10) which can be analyzed directly or indirectly by the signal processing means.

7. Device according to claim 6, characterized in that the device comprises at least one further search winding (22a, 23a) and a number of signal generators (22, 23) arranged to set up a frequency in each winding which is different from the frequency in other windings, so that different properties of material (4) in the container is measured.

8. Device according to claim 6, characterized in that the device comprises at least one further search coil (22a, 23a) and a number of signal generators (22, 23) associated with each search coil (22a, 23a), where each search coil (22a, 23a) is made with a different number of turns, and where the signal generators (22, 23) are run sequentially so that different properties of material (4) in the container are measured.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device comprises at least one further coupling device (105-1...105-n) with associated coil, where the coupling devices (105-1...105-n) are arranged to measuring the level of two or more materials having different physical parameters, where the connecting devices (105-1...105-n) are arranged along a substantially vertical line (CL).

10. Device according to claim 9, characterized in that the various coupling devices (105-1...105-n) are provided with a single frequency or a varying frequency, one or more at a time, where one or more are analyzed by one or more signal analyzers, either simultaneously or sequentially.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coil (1) is supplied with a frequency-swept signal which is chosen so that the parasitic capacitances (CW) between each winding (2a...2n) in the coil (1) and between the coil (1) and a fixed (ground) potential will indicate the dielectric properties of material (4) in the container to measure any clogging layers near the coil (1) and/or dielectric properties of material (4) in the container.