NO325703B1 - Fremgangsmate for a registrere et strommende mediums karakteristiske tilstand, mengde og sammensetning - Google Patents

Abstract

Fremgangsmåte og anordning som ved hjelp av akustisk signalenergi generert av et strømmende medium registrerer karakteristiske egenskaper, mengder og den innbyrdes fordeling mellom flere komponenter/faser så som væsker, gasser, partikler eller en hvilken som helst fordeling innbyrdes og mellom disse.

Description

Den foreliggende oppfinnelse danner grunnlaget for en kontinuerlig registrering av et strømmende mediums mengder og karakteristiske egenskaper ved hjelp av akustisk spektrometri basert på passiv akustikk, som i prinsipp også fungerer som en on-line analyse av det strømmende mediet. Det være seg den innbyrdes fordeling mellom flere komponenter/stoffer/faser i et strømmende medium som igjen kan være væsker, gasser, partikler eller en hvilken som helst sammensetning av disse. Det være seg også den innbyrdes sammensetning av den enkelte fase.

I EP 0825436A1 beskrives en partikkelsensor for registrering av partikler i et fluidum som i henhold til beskrivelsen hovedsakelig er innrettet for overvåkning av metallpartikler i maskinoljer ved slitasje på biler, hydrauliske anlegg og lignende. Det er også beskrevet en overvåkning av forurensende partikkelkonsentrasjoner i luft. Måleeffekten skjer ved at fluidets hastighet økes ved hjelp av en innløpsdyse slik at partiklene kolliderer direkte på sensoroverflaten som står på tvers av strømningsretningen for så å dreneres ut nedstrøms via et utløpssystem. Sensoren er anbrakt på en holder som igjen er fiksert på innsiden av et kammer ved hjelp av O-ringer. O-ringene har således ingen akustisk isolerende funksjon. Sensoren består av en piezoelektrisk film fiksert mot et underlag som omformer vibrasjoner til elektriske signaler avhengig av partiklenes hastighet og masse. For å oppnå stor følsomhet er sensoren direkte eksponert for det strømmende mediet. Etter passering av sensoren strømmer fluidet ut av kammeret.

En stor ulempe sammenlignet med foreliggende oppfinnelsen er blant annet at vitale deler av sensorelementene utsettes direkte for fluidets egenskaper så som partikkelerosjon etc. Likeså vil det bli en brå reduksjon av fluidhastigheten som vil gi opphav til partikkelavsetning nedstrøms sensoren. Sensorsystemet som beskrives er begrenset til kun å registrere/detektere partikler i form av varierende signalstyrke.

I foreliggende oppfinnelse er det imidlertid en hovedmålsetning å oppnå en effektiv akustisk og trykktett isolasjon av så vel strømningsomformeren og i særdeleshet sensorsystemet fra det strømmende mediet som i hovedtrekk kan bestå av et komplekst sammensatt medium under varierende trykk så som olje, vann, gass, partikler etc. (Det er også lagt vekt på å hindre erosjon samt muligheter for clogging/avsetning ved utformingen av strømningsomdanneren). Likeså er sensorenes bredbåndskarakteristikk helt avgjørende for karakterisering av mediet basert på avanserte signalanalyser.

Det er i patentlitteraturen, norsk patent nr. 166379 og nr. 316343, beskrevet ulike metoder for registrering av et gjennomstrømmende medium ved hjelp av akustiske prinsipper. I hovedsak ved at det i en rørseksjon spennes inn mellom flenser en turbulensskapende restriksjon som genererer akustiske signaler som er egnet for, ved hjelp av elektroniske systemer, å beregne mengder og sammensetninger. Felles for disse er at den signalgivende restriksjonen er fast innspent ved hjelp av kraftige bolter og flenser for å oppnå tilstrekkelig tetning mellom flatene, og inngår således som en integrert del i et strømningssystem. Det er også vist at en strupeanordning i en ventil kan utgjøre en turbulensskapende restriksjon som kan anvendes for karakterisering av det strømmende mediet.

Imidlertid påvirkes måleresultatet i stor grad av ulike ytre og til dels store og akustisk ukontrollerbare påvirkninger via og fra de tilgrensende konstruksjonsdetaljer oppstrøms og nedstrøms restriksjonsinnretningen. Krefter som dels er mekaniske i form av bøye-, skyv- og strekkrefter, dels krefter som utløses av trykk- og temperaturvariasjoner i systemet. I tillegg til dels sterke akustiske og/eller bølgeforplantende signaler fra prosessutstyr, så som pumper, ventiler etc. som kan ha ødeleggende effekter på måleprinsippet.

Til dels store avvik i målesystemets nøyaktighet oppstår under måleprosessen når ytre påvirkninger i form av den mekaniske sammenkobling mellom den turbulensskapende restriksjonen og de til denne monterte konstruksjonsdetaljer, endres fra forholdet slik det var ved kalibrering. Det vil si at de akustiske svingnihgsegenskapene fra restriksjonsenheten kan ha store og vekslende avvik for de parametre som er avgjørende for karakterisering/beregning av det strømmende mediet. Selv ved kalibrering etter at installasjonen er foretatt, såkalt plasskalibrering, viser det seg at måleresultatet påvirkes ved i og for seg naturlige endringer i rør og ventilsettinger samt eventuelt annet tilkoblet prosessutstyr slik at til dels store målefeil opptrer. Slike feil/endringer kan være utløst av termiske krefter som følge av temperatursvingninger i mediet og/eller atmosfæren, hvilket igjen utløser sterke mekaniske trykk- strekk- og momentkrefter som umiddelbart har forstyrrende innvirkning på strømningsbehandlerens akustiske egenskaper, og derved også måleresultatet.

Kalibrering skjer hovedsakelig i slike tilfeller ved registrering av de akustiske strørhningssignaler hvor kjente størrelser av mediets sammensetning og mengde utgjør en referanse. Signalprosesseringen skjer i hovedtrekk ved en transformering av akustiske signaler fra et tidsdomene til en spektral fordeling eksempelvis ved hjelp av FFT transformasjon.

Ved en etterprosessering basert på en statistisk signalanalysemetode, etableres en modell som deretter benyttes ved beregning/prediksjon av et mediums sammensetning, mengde og tilstand. Det introduseres på den måten dominerende variabler uten noen som helst korrelasjon til det strømmende mediet. Selv små endringer i innspenningsforholdene, termisk som mekanisk, gir opphav til målefeil i form av så vel amplitude som frekvensendringer. Det er også en forutsetning at de registrerte strømningssignalene ligger innenfor et gitt område begrenset av kalibreringsmodellen.

Uten en tilstrekkelig isolasjon av den turbulensskapende innretningen, påvirkes denne av endringer i form av skiftende mekanisk, akustisk og termisk kontakt med tilgrensende konstruksjonsdetaljer. Grunnlaget for kalibreringen er dermed endret med den følge at det oppstår til dels store feil i målingene. Endringene i de akustiske signalene som genereres under en forandring i innspenningsforholdene, kan i verste fall resultere i at systemet faller helt ut på grunn av at signalene ligger utenfor kalibreringsmodellen. De akustiske signalene som ved hjelp av modellen danner grunnlaget for prediktering av strømningsforholdet, har da liten eller ingen korrelasjon til den aktuelle strømningen. Med den følge at måleresultatet blir ubrukbart eller i beste fall resulterer i et større avvik.

Ifølge oppfinnelsen unngås de ovennevnte ulemper og mangler ved kjente anordninger ved at det etableres en turbulensskapende strømningsbehandler som er akustisk og i hovedtrekk mekanisk fritt opphengt i forhold til de ytre konstruksjonsdetaljer. Det oppnås på den måten et akustisk signal som kun reflekterer det strømmende mediets egenskaper uten at signalene påvirkes/forstyrres av andre støykilder. Videre oppnås det også en mye bedre systemkalibrering som ikke påvirkes av lokale og ukontrollerbare forhold. Dette oppnås ved strømningsbehandlerens utforming ved en mot tilgrensende konstruksjoner akustisk isolert og trykktett innmontering.

Oppfinnelsen beskriver her en løsning på en fremgangsmåte for registrering av et gjennom en strømningsbehandler strømmende medium, hvor strømningsbehandleren er isolert mot ytre påvirkninger i form av mekaniske, akustiske og termiske effekter. Ved en mot omgivelsen isolert strømningsbehandler, kan den enkelt tilpasses for ulike medier, sammensetninger og mengder. Dette ved en fleksibel, mekanisk/akustisk isolerende innfesting mot tilgrensende konstruksjonsdetaljer, så som et system av rør, ventiler, pumper eller lignende, oppstrøms/nedstrøms innmonteringsposisjon for strømningsbehandleren. På den måten oppnås det en tilstrekkelig nøyaktighet som i prinsipp muliggjør en on-line analyse av det strømmende mediet og dets sammensetning for blant annet å kunne optimalisere en prosess.

Isolasjonen av strømningsbehandleren kan etableres etter ulike i og for seg kjente prinsipper. I beskrivelsen er det for tydeliggjøring beskrevet noen enkle fremgangsmåter uten at dette er begrensende i forhold til andre og ulike løsninger for å oppnå den nødvendige isolasjonseffekten. Med begrepet isolasjon forstås i dette tilfellet en fremgangsmåte for etablering av en akustisk, mekanisk og termisk isolering av strømningsbehandleren mot tilgrensende konstruksjonsdetaljer samt at det via den samme isolasjonsanordningen etableres den for fremgangsmåten nødvendige tetningsfunksjon mot det strømmende mediet. På den måten er de akustiske energisignaler kun relatert til det strømmende mediets egenskaper uten påvirkning av ytre og forstyrrende effekter.

Det strømmende mediets egenskaper vil således kunne generere et vidt spekter av akustiske svingninger/signaler i strømningsbehandleren som igjen ved hjelp av en eller flere akustiske sensorer konverteres til elektriske prosesserbare signaler. Signalene er analogt skalert og tilpasset analog/digital konvertering ved en hensiktsmessig signalbehandling.

Ved etterfølgende signalprosessering konverteres signalene fra tidsdomene til frekvensdomene for etterfølgende statistisk signalanalyse. Dette skjer ved anvendelse av kjemometriske/multivariate fremgangsmåter hvor man benytter seg av å beregne modeller basert på projeksjon av latente datastrukturer. Modellene utgjør således et mellomledd for beregning av en ukjent størrelse på grunnlag av et strukturert signalmønster under den forutsetning at det oppfyller kravet til korrelasjon innenfor et begrenset område. Det akustiske strømningsmønsteret består i hovedtrekk av en spektral del i form av spektrallinjer. I tillegg kan det være hensiktsmessig for beregningen at en eller flere prosessparametre, så som trykk, trykkfall (DP) og temperatur(er) inkluderes i beregningsgrunnlaget. Likeså for en kontroll/verifisering av modellens kapasitet til å beregne eksempelvis temperatur på grunnlag av de akustiske signalene via det strømmende mediet og i forhold til temperatur målt via prosessparametrene direkte på strømningsbehandleren. Dette gir en god indikasjon på modellens evne til å prediktere.

Modellen(e) danner således kalibreringsgrunnlaget for etterfølgende on-line prediksjon/måling av de ulike måleverdier i det strømmende mediet som modellen danner grunnlaget for. Måleprosessen er i hovedsak kontinuerlig ved at de akustiske signaler i digital form deles opp i korte intervaller (records) for konvertering fra tids- til frekvensdomene. Dette skjer normalt ved hjelp av et dataprogram, eksempelvis en Fast Fourier Transformation (FFT). Det registreres således mer eller mindre kontinuerlig spektral- og prosessvariabler som ved hjelp av modellkoeffisientene danner grunnlaget for beregning av de for modellen(e) relevante måleresultater.

For å etablere en rask respons med hensyn til skiftninger i målemediets sammensetning og størrelse, kan det være hensiktsmessig å benytte en såkalt hardware signal prosessor (DSP), og/eller en løsning hvor signalprosesseringen deles opp i flere parallellprosesserende prosessorer, såkalt multi core systemer. Signal prosesseringen kan arrangeres i en multi control enhet som styrer/administrerer en eller flere i parallell prosesserende prosessorer. Det oppnås derved en kontinuerlig og rask oppdatering/prosessering av innkomne måledata, det være seg måledata fra flere sensorposisjoner. Disse kan i prinsipp være arrangert på en og samme strømningsbehandler og/eller på flere strømningsbehandlere som gjennomstrømmes av det samme mediet. På den måten muliggjøres en parallellprosessering av sensorsignaler fra en eller flere posisjoner på en eller flere strømningsbehandlere i sann tid, dels for å utvide målegrunnlaget for å oppnå nøyaktig prediksjon/måleresultat og dels for å kunne nyttiggjøre andre for det strømmende mediet relevante beregningsprosesser så som krysskorrélasjon eller lignende.

Et eksempel på oppfinnelsens anvendelse kan være der mediet i hovedsak utgjøres av en gassblanding for en on-line analyse av sammensetning og mengder. Det kan være en gassblanding som tilføres et forbrenningsanlegg som gasskraftverk eller lignende, og hvor man ønsker å registrere gassenes sammensetning før og etter en forbrenningsprosess for å optimalisere så vel prosessen som minimalisering av miljøskadelige utslippsgasser, så som C02 eller lignende. Likeså kan en hensiktsmessig anvendelse omfatte analysering og en mengderegistrering av gassammensetningen(er) av en flare gass strømning i forbindelse med fakling hvor det er av stor interesse å kjenne utslippsmengden av klimagassen C02. Ovennevnte er ment som eksempel uten at dette skal være begrensende for så vel mediet, mediets art og fremgangsmåte.

Eksperimenter har vist at C02 innholdet i et gassmedium skiller seg spesielt godt ut i et akustisk spektralt sammensatt signalmønster. I forbindelse med en on-line gassanalyse, vil små mengder av ulike former for væske eller partikler fremkomme som klare strukturer i signalmønsteret. Under enhver omstendighet er det avgjørende for måleresultatet at signalmønsteret, spesielt den spektrale delen, ikke påvirkes av ikke-relevante effekter i form av mekanisk, akustisk og termisk påvirkning som ikke inngår som en naturlig del av kalibreringsprosessen.

Registrering av partikler i det strømmende mediet så som eksempelvis deteksjon av sand, skiller seg i hovedtrekk ut fra væske- og gassrelaterte signaler. Signaler generert fra sandpartikler i væske eller gass eller en blanding av disse, fremkommer som et karakteristisk høyfrekvent signalmønster som skiller seg klart ut fra andre strømningsrelaterte akustiske signaler. Systemet er i prinsipp også egnet til å detektere sandrater i et strømmende medium.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for karakterisering av et strømmende medium ved gjennomstrømning av en fra omgivelsen akustisk isolert strømningsbehandler. Derved frigjøres akustiske energisignaler som blant annet er karakteristisk for det gjennomstrømmende mediet med hensyn til sammensetning, fysikalske egenskaper, strømningsforhold og mengde. Ved hjelp av hensiktsmessige på strømningsbehandler anbrakte sensorer, transformeres akustiske bølgeforplantende signaler til elektriske signaler. Disse videreprosesseres ved hjelp av kjente former for signalanalyse til lesbar/registrerbar informasjon om det strømmende mediets karakteristiske egenskaper ved hjelp av avansert signalanalyse.

Fordelen ved å isolere strømningsbehandleren akustisk, mekanisk og termisk fra tilkoblede konstruksjonsdetaljer så som flenser, rørtilkoblinger eller lignende, er i hovedtrekk å unngå tap av kalibrering som igjen kan forårsake totalt sammenbrudd i måleprosessen samt at isolasjonsanordningen også etablerer den nødvendige tetningsfunksjonen i forhold til det strømmende mediet. Nevnte ytre påvirkninger danner ikke relevante variabler og ukontrollerbare akustiske koblinger mot strømningsbehandler, og på den måten endres/modifiseres signalene slik at de ikke lenger passer inn i en strømningsrelatert modell. Ved en isolasjon fra de omliggende konstruksjonsdetaljer, oppnås at de informasjonsbærende akustiske signaler som i hovedtrekk genereres av det strømmende mediets egenskaper, ikke dempes/påvirkes eller forstyrres av tilgrensende konstruksjonsdetaljer, så som flenser, rørkoblinger, pakninger etc.

Det etableres i prinsipp en kombinert mekanisk, akustisk og termisk isolasjon som også omfatter en tetningsfunksjon. Likeså opprettholdes en for mediet representativ temperatur på strømningsbehandleren uten påvirkning av omgivende temperaturendringer. Ved strømningsbehandlerens akustiske, mekaniske og termiske frikobling fra tilgrensende konstruksjonsdetaljer, oppnås en system/produktkalibrering som ikke påvirkes/ endres ved montering/flytting og/eller andre mekaniske, akustiske og termiske effekter.

Strømningsbehandlerens utforming er ut fra type medium, mengde, sammensetning og temperatur, konstruert slik at ved gjennomstrømning skapes stabil turbulens i form av akustiske bredbåndssignaler. Det vil si generering/transformering av akustisk signalinformasjon, som igjen kan omformes til elektriske signaler ved hensiktsmessig anbrakte sensorer, akustisk koblet til strømningsbehandlerenheten uten å påvirke dens fritt svingende akustiske egenskaper. Den optimale utformingen av strømningsbehandlerens turbulensskapende detaljer er basert på empirisk oppnådde resultater, kombinert med Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering, samt mediets art, mengde og praktiske installasjonsforhold av målesystemet. Dette for å oppnå en strømningssituasjon gjennom strømningsbehandleren som er optimal for konvertering av strømningsrelaterte, bredbåndede, akustiske energisignaler isolert fra ytre konstruksjonsrelaterte forstyrrelser. Et viktig designkriterium for den turbulensskapende utformingen av strømningsbehandleren, er å oppnå en mest mulig stabil konvertering av strømningsparametre til akustiske signaler over et størst mulig måleområde. Det vil si unngå at det oppstår sprangvis skifte av strømningsavløsende kanter og/eller ugunstige egen resonanser med stor amplitude som undertrykker strømningsrelevante energisignaler.

Med isolasjon fra omgivende/tilsluttende konstruksjonsdetaljer, menes fortrinnsvis akustisk, mekanisk og termisk. Det er likeså å forstå at isolasjonsbegrepet av naturlige grunner ikke kan være absolutt, men tilstrekkelig for at ikke ytre, nevnte påvirkninger/forstyrrelser har innvirkning på kalibrering og det oppnådde måleresultat. Likeså som isolasjonen skal hindre forstyrrende effekter fra omgivende konstruksjonsdetaljer, oppnås det ved hjelp av isolasjonseffekten at akustiske energisignaler i større eller mindre grad ikke overføres til ytre konstruksjonsdetaljer.

Strømningsbehandleren er også akustisk slik utformet at man unngår strømningseksiterte sterke resonanser innenfor den del av frekvensbåndet som er egnet til overføring av strømningsinformasjon. Eksitering som fører til resonans, overskygger helt eller delvis den informasjon som er relevant for karakterisering av det strømmende mediet samt at signal/støyforholdet påvirkes på en ugunstig måte. Ved at strømningsbehandleren er isolert så vel akustisk som fra ytre mekaniske og termiske innvirkninger fra tilgrensende konstruksjonsdetaljer, er det kun de signaler som fremkommer ved mediets strømning som registreres og som inngår i beregningsgrunnlaget for det strømmende mediet. Strømningsbehandlerens overflate er tilpasset for god akustisk kobling til en eller flere akustiske sensorer slik at disse kommer i en akustisk optimal posisjon i forhold til strømningsbehandlerens geometriske utforming.

Som tilleggsvariabler til den rent akustiske delen av strømningsbehandleren, er trykk, trykkdifferanse samt temperatur hensiktsmessig for å sikre et bedre måleresultat ved at også disse såkalte prosessparameteme tas inn i kalibreringsmodellen. Likeså etableres en kvalitetssikring av modellen ved en direkte sammenligning av temperaturmåling på strømningsbehandler og den indirekte ved hjelp av akustiske signaler beregnede mediumtemperatur.

Strømningsbehandlerens utforming vil uvilkårlig også respondere på andre effekter, direkte/indirekte forårsaket av det strømmende mediet, som genereres av strømningsbehandlerens turbulensskapende mekaniske utforming. Som en tilleggsfunksjon kan det være hensiktsmessig å tilføre strømningsbehandleren en akustisk eksitering/stimulans i form av et bølgeforplantende signal som oppfanges av de akustiske sensorene med signaloverføring med etterfølgende signalprosesseringsinnretninger. En slik stimulering kan være i form av en bølgeforplantende impuls som setter strømningsbehandleren i et egensvingningsmønster, dels for en kontroll av at tilstrekkelig isolasjon/frikobling av strømningsbehandleren fra omgivelsen er etablert, dels en enkel form for etterkalibrering/kontroll av så vel strømningsbehandlerens akustiske egenskaper med eller uten gjennomstrømning samt som en funksjonskontroll av alle ledd i måle-og signalprosessen. En slik aktivering skjer kontrollert ved at en signalgenerator trigges til å utløse et akustisk mekanisk eksiteringssignal på strømningsbehandlerens overflate.

Et slikt stimuleringssignal kan også ha en hvilken som helst annen karakter i form av pulser, frekvenser og amplitudemodulasjon for å generere akustiske bølgefor-plantende signaler i strømningsbehandleren i form av en tilstandskontroll av dennes egenskaper. Avvik i strømningsbehandlerens respons på en ytre stimulering kan utgjøre et varselsignal om at isolasjonseffekten helt eller delvis er endret. Dette kan være blant annet som følge av clogging/avsetninger, slitasjeeffekter, erosjon, lekkasjer eller andre tilstander som har innvirkning på kalibrering og følgelig måleresultatet. En slik fremgangsmåte for fjernkontroll av målesystemets funksjonalitet er spesielt hensiktsmessig hvor det av praktiske grunner ikke er mulig med en manuell kontroll. Det være seg ved en installasjon i et eksplosjonsfarlig område eller i forbindelse med en undervanns installasjon (subsea/nedhulls).

Strømningsbehandleren kan med fordel utformes slik at den passer inn i en målesituasjon med hensyn til størrelse og utforming. Likeså kan det være hensiktsmessig at den har en utskiftbar turbulensskapende innsats i størrelse og utforming tilpasset målemediets mengde og sammensetning samt temperatur og trykk. Innsatsen kan være så vel en tilpasning til mediet og eventuelt materialvalg som er motstandsdyktig mot erosjon eller har andre i forhold til måleprosessen og/eller mediet gunstig virkning. Strømningsbehandleren er fortrinnsvis utformet slik at det ikke oppstår lokale avsetninger, erosjoner som kan være medvirkende til å endre de akustiske egenskaper og følgelig kalibreringsgrunnlaget.

I visse tilfeller kan det oppnås en bedre karakterisering av målemediets tilstand ved at en eller flere strømningsbehandlere er arrangert etter hverandre i serie i strømningsretning for å oppnå et bredere akustisk signalgrunnlag, dels på grunn av oppnådd mikseeffekt, dels som følge av at mediet utsettes for en flertrinns omforming.

For å øke systemets målekapasitet/range kan det være hensiktsmessig at en eller flere selvstendige strømningsbehandlere er arrangert i en form for parallellkobling hvor den enkelte strømningsbehandlers utforming og range kan være lik eller innbyrdes forskjellig. Dette for å oppnå maksimal fleksibilitet med hensyn til målemediets mengde og sammensetning. Likeså oppnås det med en slik parallell inn- og utkobling av strømningsbehandlere, en redundans effekt som kan være spesielt nyttig i forbindelse med fjernkontrollerte undervanns/nedhullsinstallasjoner. Likeså forenkles kalibreringsprosessen i situasjoner hvor det av kapasitetsmessige grunner er vanskelig eller umulig å gjennomføre en kalibrering hvor de enkelte faser innbyrdes skal varieres over et stort måleområde.

De akustiske signalene konverteres til elektriske signaler ved hjelp av en eller flere sensorer. Signalprosesseringen etter konvertering til digital form med etterfølgende signalanalyse, består av en transformasjon fra et tidssignal (tidsdomene) til en spektral form (frekvensdomene).

Ved hjelp av etterfølgende statistisk signalanalyse, "Principal Component Analyses"

(PCA) og Partial Least Squares (PLS), beregnes en regresjonsmodell etter i og for seg kjente metoder. I regresjonsmodellen er konsentrert all relevant informasjon for etterfølgende beregning/prediksjon av det strømmende mediet på grunnlag av kontinuerlig registrerte måledata. Normalt er måleområdet begrenset til den opprinnelige kalibreringsprosessen så vel med hensyn til omfanget av de enkelte måleparametre som den range som danner grunnlaget for kalibreringen. For at regresjonsmodellen skal kunne fungere innenfor nevnte område, forutsettes det også at måleparameterne som inngår i modelleringen ikke blir forstyrret eller påvirket av forhold som ikke er relevant for det strømmende mediets kalibreringsområde.

Oppfinnelsen tar sikte på å løse problemet med ytre forstyrrelser som helt eller delvis setter kalibreringen ut av funksjon slik som ovenfor beskrevet. Fremgangsmåten ved bruk av såkalt multivariabel kalibrering for etablering av en PLS modell for prediksjon av et nytt datasett som har en variabel utspenning innenfor modellen, er vel etablert og kjent. Det kan blant annet refereres til ulike beskrivelser av multivariat kalibrering og kjemometriske metoder, ref "Multivariate Calibration" av Harald Martens, Svante Wold og Kim H. Esbensen etc.

Oppfinnelsen beskriver også en løsning som muliggjør en form for ekstrapolering eller omfangsutvidelse av registrerte måleparametre ut over kalibreringsmodellens range. Dette under forutsetning av at de akustiske signaler som registreres ikke påvirkes av ytre forstyrrelser samt at signalene reflekterer informasjon som kun er relatert til det strømmende mediet. En ny range extended modell beregnes ut fra et antall sub-modeller innenfor kalibreringsmodellen. Det vil si at den samme funksjonen som de rangeavhengige variabler endres med innenfor kalibreringsmodellen, benyttes til å beregne en modell som i range spenner ut over kalibreringsmodellen.

De etterfølgende figurer viser hvordan fremgangsmåten er gjennomførbar i form av noen praktiske løsninger, uten at de her beskrevne løsninger på noen som helst måte er begrensende for oppfinnelsen for hvordan isolasjonseffekten oppnås eller den praktiske gjennomføringen av denne.

Fig. 1 viser et eksempel på isolasjon av strømningsbehandler.

Fig. 2 viser et eksempel på en innmonteringsinnretning av en isolert arrangert strømningsbehandler. Fig. 3 viser et utsnitt av en stålringstetning mellom et rørsystem og strømningsbehandler.

Fig. 4 viser en strømningsbehandler løsning i form av en innsats i et rørsystem.

Fig. 5 viser et blokkdiagram over signalveien fra strømningsbehandler som generator via signalprosessering og frem til et entydig måleresultat.

I fig. 1 er vist en fremgangsmåte for innmontering av en strømningsbehandler 2 direkte i et rørsystem 9 og 9.1 hvor den akustiske isolasjonseffekten kombineres direkte med en tetningsinnretning 6 som kan være en stålring eller lignende. Isolasjonseffekten oppnås ved at det er kun en punktvis kontakt 6.1 mellom stålringen og strømningsbehandleren på den ene siden og et rørarrangement 9 og 9.1 på den andre som kan holdes sammen ved hjelp av et system av flenser og bolter, uten at dette påvirker strømningsbehandlerens akustiske egenskaper i vesentlig grad, ikke vist på figur. Materialvalget kan ytterlig gi en termisk isolerende effekt som begrenser termisk kobling mellom strømningsbehandler og tilgrensende konstruksjonsdetaljer. I dette tilfellet er det også vist en strømningsbehandler innretning med en utskiftbar restriksjon/turbulensskapende del 2.1. Dette dels for å kunne oppnå en tilpasning til forskjellige mengder og/eller medieegenskaper. Likeså kan det være hensiktsmessig å velge et annet høyverdig materiale for å hindre/redusere erosjon eller annen form for strømningsslitasje som igjen påvirker/endrer de akustiske egenskaper. Innfestingen av 2.1 i 2 skjer ved at det er etablert god akustisk kontaktflate ved former for innspenning slik at utskiftingen ikke påvirker kalibreringen. De akustiske signalene fra strømningsbehandler registreres av sensorene 2.3 og 2.3'.

Figuren viser også tilleggsmåleparameter som kan være hensiktsmessig å arrangere på selve strømningsbehandleren og i umiddelbar nærhet av den turbulensskapende delen. Eksempelvis er det vist uttak for trykk oppstrøms P1 og nedstrøms P2 samt mulighet for å måle trykkfallet DP. Temperaturen T registreres for en optimal gjengivelse av det strømmende mediums temperatur. I tillegg kan det være hensiktsmessig å anbringe en mekanisk akustisk signalgiver 2.2.

I fig. 2 er vist en strømningsbehandler enhet 2 isolert innfestet i en innmonteringsinnretning 3 ved hjelp av en mekanisk fritt opphengt innretning 4. Denne er slik utformet at det oppnås en mekanisk, akustisk og termisk isolasjon fra innmonteringsinnretningen 3 som igjen kan være forbundet med eksempelvis flenstilkoblinger til et rørarrangement 9 og 9.1. Målemediet 5 strømmer inn og gjennom den turbulensskapende strømningsbehandleren som har en utforming som er tilpasset for den aktuelle mengde og type medium. I tillegg etableres det en stabil strømningsprofil over hele måleområdet. Strømningsbehandleren 2 kan med fordel være utstyrt med en eller flere akustiske sensorer 2.3 og 2.3'. I tillegg kan det være hensiktsmessig å registrere trykk-, trykkdifferanse- og temperaturmåling som tilleggsparametre. Disse kan være enten arrangert på den isolerte strømningsbehandleren eller i tilknytning til den omsluttende konstruksjonsdelen 3, ikke vist på figur.

Strømningsbehandleren kan ha ulike utforminger avhengig av det mediet som skal måles og tilgrensende systemer. Den optimale utformingen av strømningsbehandleren er basert på empirisk oppnådde resultater, kombinert med Computational Fluid Dynamics (CFD) modellering. Dette for å oppnå en strømningssituasjon gjennom strømningsbehandleren som er optimal for konvertering av strømningsrelaterte bredbåndede akustiske signaler isolert fra ytre konstruksjonsrelaterte forstyrrelser. Med isolasjon fra omgivende/tilsluttende konstruksjonsdetaljer menes fortrinnsvis akustisk og mekanisk frikobling i forhold til bølgeforplantende signaler som har forstyrrende innvirkning på måleprosessen. Med termisk isolasjon menes at temperaturmåling på strømningsbehandler ikke blir påvirket ved ledning, konveksjon eller på annen måte.

Rent strømningsmessig fungerer strømningsbehandleren som en mikser som bidrar til en homogenisering av et strømmende medium bestående av flere komponenter/faser, blandinger etc. Fortrinnsvis monteres strømningsbehandleren i en i hovedsak vertikal strømningsretning. I slike tilfeller hvor måleinnretningen skal være montert horisontalt, er det lagt vekt på at strømningsbehandleren eller den turbulensskapende innretningen er slik utformet at det ikke skapes lommer som strømningsmessig kan gi opphav til ansamling/avsetning av en eller en kombinasjon av flere komponenter som igjen vil påvirke/endre de akustiske egenskapene til strømningsbehandleren, og således ikke påvirker kalibrering og måleresultat.

I fig. 3 er vist mer detaljert hvordan den akustiske og termiske isolasjonen er etablert som i figur 1. Dette ved hjelp av stålringen 6 som har minimale kontaktpunkter/flater 6.1. Likeså oppnås det en fullverdig tetning via den samme stålringen 6 og kontaktpunktene 6.1. Isolasjonen er etablert mellom de ytre konstruksjonsdetaljer 9 og strømningsbehandler 2. For å oppnå en større isolasjonseffekt, kan en eller flere slike tetningsarrangementer som beskrevet, kobles etter hverandre i serie. Materialvalget i disse kan ytterlig bidra til å redusere den akustiske og termiske koblingen i forhold til de ytre konstruksjonsdetaljer bestående av tilkoblede rør og flensarrangementer.

I fig. 4 er det vist en spesiell strømningsbehandlerløsning 5 i form av en strømningsbehandlerinnsats 5.1 i en rørseksjon 5.2. Den turbulensskapende delen har en god akustisk termisk kontakt til rørseksjonens indre overflate 5.3 slik at sensorene arrangeres på denne. Hensiktsmessig antall og posisjonering av akustiske sensorer er her arrangert på rørseksjonens overflate, 2.3, 2.4 og 2.5. Den isolerende effekten oppnås i hovedsak via avstanden mellom strømningsbehandler innsatsen og rørseksjonens feste/tetningsarrangement. På grunn av en i hovedsak radiell utbredelse av de strømningsrelaterte akustiske signaler, oppnås det en tilsiktet isolasjonseffekt/dempning i rørseksjonens lengderetning dels ved en mer ugunstig mekanisk akustisk termisk kobling til ytre konstruksjonsdetaljer, dels ved at avstanden til innfestningene av seksjonene oppstrøms nedstrøms er relativt mye lenger enn diameter. I tillegg vil materialvalg og eventuelle mekaniske konstruksjonsdetaljer kunne etablere ytterlig isolasjonseffekt for å unngå forstyrrende effekter fra tilgrensende konstruksjoner.

I figurene er det også vist en akustisk/mekanisk eksiteringsgiver 2.2 som kan være hensiktsmessig for en funksjonskontroll av alle ledd i måle- og signalprosessen. Likeså vil en slik aktiv stimulering av strømningsbehandleren være en kontroll på at isolasjonseffekten er opprettholdt. Ved en impulsstimulering vil strømningsbehandleren respondere med et svingningsmønster som er karakteristisk for dens tilstand vedrørende isolasjon, slitasje eller annen feilsituasjon.

I fig. 5 er vist et blokkdiagram over de ledd i måle- og signalprosessen som inngår i et målesystemet. I tillegg til de akustiske signalene er det vist en gruppe av en eller flere prosessparametre. En stiplet kontrollinje viser en signalvei til en signalgénerator for en akustisk mekanisk stimulering av strømningsbehandleren. Dette er spesielt hensiktsmessig når strømningsbehandleren befinner seg i et eksplosjonsfarlig område eller annet behov for fjernkontroll så som ved undervannsinstallasjoner (subsea/nedhulls).

Claims (19)

1. Fremgangsmåte som ved hjelp av akustisk signalenergi generert av et strømmende medium, registrerer karakteristiske egenskaper, mengder og den innbyrdes fordeling mellom flere komponenter/faser så som væsker, gasser, partikler eller en hvilken som helst fordeling mellom disse karakterisert ved at en mediestrøm føres gjennom en fra omgivelsen akustisk, mekanisk og termisk isolert strømningsbehandler som er koblet til ytre konstruksjon/konstruksjonsdetaljer og er slik innrettet at den isolerende koblingen også danner en tetningsfunksjon for det strømmende mediet og tilgrensende konstruksjonsdetaljer, slik at de via signalbehandling genererte strømningsrelaterte akustiske signaler, forblir upåvirket av ikke-strømningsrelaterte effekter slik at de akustiske strømningssignaler kun er representative for det strømmende mediets sammensetning, mengder og innbyrdes fordeling mellom komponenter/faser samt den innbyrdes sammensetning av den enkelte fase.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det strømmende mediet strømningsbehandles ved hjelp av en strømningsbehandler utformet/tilpasset mediet ut fra mengde, sammensetning og temperatur for generering/transformering av akustisk signalinformasjon omfattende det strømmende mediets mengde, sammensetning, temperatur og trykk, samt andre for mediet fysikalske egenskaper som frigjøres i form av akustisk registrerbare signaler under strømningsbehandlingen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-2, karakterisert ved at strømningsbehandlerens overflate er tilpasset for god akustisk kobling til en eller flere akustiske sensorer slik at disse kommer i en akustisk optimal posisjon i forhold til strømningsbehandlerens geometriske utforming.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at det integrert i strømningsbehandleren, registreres tilleggsinformasjon/parametre relatert til det strømmende mediet i form av oppstrøms/nedstrøms trykk, trykkdifferanse og temperaturer, kombinert eller enkeltvis og anvendelig også i forbindelse med modellens prediksjonsevne.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-4, karakterisert ved at det etableres en mekanisk, akustisk og termisk isolasjon mellom strømningsbehandleren og de ytre konstruksjonsdetaljer som samtidig har en tetningsfunksjon mellom strømningsbehandler og de ytre konstruksjonsdetaljer samt hindrer lekkasje av mediet mot omgivelsen.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-5, karakterisert ved at strømningsbehandlerens indre turbulensskapende konstruksjonsdetaljer er dimensjonert etter type/sammensetning av mediet og den strømningsinformasjon fra mediet som strømningsbehandleren er innrettet for å transformere fra strømning til informasjonsbærende akustiske energisignaler.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-6, karakterisert ved at strømningsbehandleren er utformet med en utskiftbar, akustisk, turbulensskapende innsats av et i forhold til målemediet motstandsdyktig materiale som ikke påvirkes/endres av det strømmende mediet.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-7, karakterisert ved at strømningsbehandleren er slik utformet at den turbulensskapende konstruksjonen i tillegg har en slik utforming at eventuelle avsetninger, erosjon eller lignende ikke forårsaker endringer i de akustiske egenskaper som er relatert til det strømmende mediet.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at strømningsbehandleren er utformet slik at dennes orientering horisontalt, vertikalt eller en hvilken som helst orientering mellom disse ikke har innflytelse på kalibrering og måleresultat.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-9, karakterisert ved at det i forbindelse med en strømningsbehandling oppnås en mikseeffekt med det tilleggsformål å homogenisere målemediet for på den måten å oppnå en stabil og for det strømmende medium representativ akustisk signalinformasjon.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-10, karakterisert ved at en eller flere strømningsbehandlere er innbyrdes, akustisk isolert og arrangert etter hverandre i strømningsretning for å oppnå et bredere akustisk signalgrunnlag, dels på grunn av oppnådd mikseeffekt, dels som følge av at mediet utsettes for en flertrinns strømningsomforming.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-11, karakterisert ved at det strømmende mediet fordeles på en eller flere selvstendige og i parallell arrangerte strømningsbehandlerinnretninger.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-12, karakterisert ved at det ved strømningsbehandlerens akustiske, mekaniske og termiske frikobling fra tilgrensende konstruksjonsdetaljer oppnås en selvstendig produktkalibrering for strømningsbehandleren som ikke påvirkes/endres av tilgrensende monterings- og konstruksjonsdetaljer og således muliggjør flytting/skifting mellom målesystemer uten at kalibreringen påvirkes.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-13, karakterisert ved at det beregnes en modell for prediksjon av det strømmende mediet som ligger utenfor kalibreringsområde beregnet på grunnlag av måleområdeavhengige variabler ved et flertall kalibreringsmodeller innenfor et kalibreringsområde.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-14, karakterisert ved at strømningsbehandleren kan være påmontert en eksiteringsinnretning ved hjelp av en bølgeforplantende signalgiver, akustisk/mekanisk, for å oppnå en tilleggsfunksjon for kalibrering/funksjonstest av strømningsbehandleren med og via de akustisk(e) sensorer samt tilhørende signaloverføring og signalprosesseringsinnretninger.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-15, karakterisert ved at det oppnås en rask respons i sann tid for registrering av raske skiftinger i målemediets sammensetning og størrelse ved at tidskritisk signalprosessering skjer i form av parallell prosessering ved hjelp av en eller flere prosessorer kontrollert og styrt fra en felles multi kontroll enhet (prosessor).

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-16, karakterisert ved at mediet utgjøres av hovedsakelig gass(er) for en on-line analyse og mengdemåling av de enkelte fraksjoner og sammensetninger, også innbefattende klimagasser som C02 eller lignende.

18. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-17, karakterisert ved at partikler så som sand eller lignende i det strømmende mediet, gir opphav til signifikante akustiske signaler og på den måten etablerer en måte for sanddeteksjon og/eller mengdemåling.

19. Framgangsmåte som angitt i krav 1-18, karakterisert ve dat det etableres en modellomfangsutvidelse utenfor en kalibreringsmodell som igjen danner grunnlaget for en on-line prediksjon/måling av et strømmende mediums sammensetning, mengde og termiske egenskaper.