NO319584B1 - Anordning ved måling av nivå - Google Patents

Description

Område for oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt en anordning for å måle nivået av et materiale.

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.

Bakgrunn for oppfinnelsen

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.

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.

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.

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.

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 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.

Formål med op<p>finnelsen

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.

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.

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.

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.

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.

Sammenfatning av oppfinnelsen

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.

Ytterligere trekk og fordeler med foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse i sammenheng med de vedlagte tegninger, samt fra de vedlagte patentkrav.

Kort beskrivelse av tegningene

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.

Detaljert beskrivelse av utførelser

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.

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.

"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.

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.

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.

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 .

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

MHZ.

En enkeltfrekvensmodus kan f.eks. omfatte 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (11)

1. Anordning for måling av nivået av materiale i en separatorbeholder for flerfasefluid, omfattende en induktiv spole (1), en koblingsanordning (5) for å forsterke koblingen mellom den induktive spole (1) og materiale (4) som skal måles, karakterisert vedet signalprosesseringsorgan (3) innrettet til å generere en strøm i spolen (1), og analysere den komplekse elektriske impedans av spolen (1), hvilken komplekse impedans gjenspeiler parametere til materiale (4) som skal måles, for dermed å bestemme nivået av materiale (4) i beholderen.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat koblingsanordningen (5) er i form av en kjerne som er kontinuerlig eller ringformet eller har en liten spalte, idet kjernen er av et magnetisk materiale med høy permeabilitet og lave tap, og anordnet slik at materiale (4) omslutter i det minste en del av koblingsanordningen (5).

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert vedat koblingsanordningen (5) er innkapslet med et ikke-magnetisk og/eller ikke-ledende forseglingsmateriale for å isolere kjernen og/eller spolen (1) fra materiale (4).

4. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat koblingsanordningen (5) er dimensjonert slik at det oppnås en god måletolerans mot en eventuell oppsamling av "tilstoppende" sjikt på overflaten av koblingsanordningen (5) og/eller spolen (1).

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat signalprosesseringsorganet (3) er innrettet til å generere strømmen i spolen (1) i form av en enkeltfrekvens eller en sveipefrekvens som varierer innen et frekvensområde.

6. Anordning ifølge et av kravene 2-4,karakterisert vedat anordningen omfatter en atskilt søkevikling (10) som er viklet rundt kjernen i koblingsanordningen (5), hvor den samlede magnetiske fluks i kjernen induserer en målespenning/strøm i søkeviklingen (10) som kan analyseres direkte eller indirekte av signalprosesseringsorganet.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert vedat anordningen omfatter minst én ytterligere søkevikling (22a, 23a) og et antall signalgeneratorer (22, 23) innrettet for å sette opp en frekvens i hver vikling som er forskjellig fra frekvensen i andre viklinger, slik at forskjellige egenskaper av materiale (4) i beholderen måles.

8. Anordning ifølge krav 6, karakterisert vedat anordningen omfatter minst én ytterligere søkevikling (22a, 23a) og et antall signalgeneratorer (22, 23) tilknyttet hver sin søkevikling (22a, 23a), hvor hver søkevikling (22a, 23a) er utført med forskjellige antall vindinger, og hvor signalgeneratorene (22, 23) kjøres sekvensielt slik at forskjellige egenskaper av materiale (4) i beholderen måles.

9. Anordning ifølge et av de forutgående krav,karakterisert vedat anordningen omfatter minst en ytterligere koblingsanordning (105-1...105-n) med tilhørende spole, hvor koblingsanordningene (105-1...105-n) er anordnet for å måle nivået av to eller flere materialer som har forskjellige fysiske parametere, hvor koblingsanordningene (105-1...105-n) er anordnet langs en hovedsaklig vertikal linje (CL).

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert vedat de forskjellige kob-lingsanordninger (105-1...105-n) blir forsynt med en enkeltfrekvens eller en varierende frekvens, én eller flere av gangen, hvor én eller flere analyseres av en eller flere signalanalysatorer, enten samtidig eller sekvensielt.

11. Anordning ifølge et av de forutgående krav,karakterisert vedat spolen (1) blir forsynt med et frekvenssveipet signal som velges slik at de parasittiske kapasitanser (CW) mellom hver vinding (2a...2n) i spolen (1) og mellom spolen (1) og et fast (jord-) potensiale vil angi de dielektriske egenskaper av materiale (4) i beholderen for å måle eventuelle tilstoppende sjikt nær spolen (1) og/eller dielektriske egenskaper av materiale (4) i beholderen.