NO874883L - Elektromagnetisk stroemningsmaaler. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et elektromagnetisk strømningsmålersystem som ikke forstyrrer strømningen., for ledende eller dielektriske fluider. Sensorer som kan måle uten å forstyrre og med stor nøyaktighet strømningen til et fluidum, som kan være under høyt trykk (100 MPa) er sjeldne eller ikke eksisterende. I forbindelse med oljeleting og utvinning støter man ofte på denne type problem, som ofte gjøres vanskeligere ved det faktum at fluidet kan være uhyre korrosivt eller slipende.

Et spesielt relevant eksempel vedrører operasjoner kjent som

syresprekking i en oljeførende bergformasjon, hvor saltsyre under trykk som noen ganger overstiger 100 MPa, blir pumpet gjennom rør med diameter 5 til 10 cm. laget av spesialstål og ved strømnings-hastigheter som gir lineære strømningshastigheter i området fra

0 til 25 meter/sekund.

For andre sprekkingsoperasjoner kan de pumpede fluider være geler basert på dieselolje, som er forholdsvis viskøse og inneholder en stor andel med sand.

Under disse forhold er det nødvendig at sensoren ikke hindrer fluidumstrømningen. Blant de mange anordninger som er benyttet til nå, er elektromagnetiske strømningsmålere nesten de eneste systemer som kan hevde å være svaret på en betydelig del av det problem som oppstår ved strømningsmåling under slike forhold. Dessverre kan disse strømningsmålerne bare arbeide med ledende fluider, mens nesten halvparten av anvendelsene vedrører isolerende fluider.

Det system som er beskrevet her, kombinerer fordelene ved elektromagnetiske strømmålere og fordelene ved en anordning som benytter et prinsipp kalt krysskorrelasjon av triboelektrisk støy.

Det nye ved oppfinnelsen beror på en fremgangsmåte til å kombinere disse to systemer i et arrangement som kan benyttes i felten under vanskelige forhold. Når et dielektrisk fluidum blir pumpet gjennom en elektromagnetisk strømningsmåler utstyrt med elektroder i kontakt med fluidet, blir det vanligvis mottatt et signal fordi elektrodene virker som antenner som er følsomme for elektromagnetisk støy som ikke lenger spres av konduktiviteten 1 fluidet. I slike tilfeller frembringer hver av sensorene i det foreslåtte system et signal. For å velge det signifikante signal, i dette tilfelle det som leveres av krysskorrelasjons-anordningen, omfatter det foreslåtte system også en elektronisk anordning for måling av fluidets konduktivitet. Utvelgelse av signalet er et annet vikig kjennetegn ved oppfinnelsen. Fig.l illustrerer det generelle arrangement av systemet og viser posisjonen av sensorene og et blokkskjema over de elektroniske enheter. Fig.2 gir detaljer om innholdet av den elektroniske enhet for

måling av fluidumkonduktans.

Fig. 3 er et snitt gjennom ledningen som viser et eksempel på

oppfinnelsen under drift.

Fig. 4 viser et snitt av en ledning med et annet eksempel på

oppfinnelsen.

Fig. 5 - 11 vedrører krysskorrelasjonsdelen av oppfinnelsen.

På de forskjellige figurer viser de samme henvisningstall til de samme komponenter.

På figur 1 er den elektromagnetiske strømningsmåler representert med sine to spoler 1 og 2, som genererer magnetfeltet B som er perpendikulært til retningen av fluidums-strømningen i ledningen, og ved sine elektroder 4 og 5 som passerer gjennom ledningsveggen for å være i kontakt med fluidet. Dette arrangementet svarer til en elektromagnetisk strømningsmåler utstyrt med elektroder med lite tverrsnitt (også kalt punktelektroder) i kontakt med fluidet. En elektromagnetisk strømningsmåler som har elektroder med større tverrsnitt (kapasitiv type) kunne også ha vært benyttet, idet det generelle prinsipp er velkjent og ikke vil bli utdypet her.

Strømningsmåleren som er vist på figuren omfatter en elektronisk enhet 6 som styrer strømmen i spolene 1 og 2 som en funksjon av tiden, og måler spenningen mellom elektrodene 4 og 5. På samme figur består krysskorrelasjons-anordningen for triboelektrisk støy av to deteksjonsantenner 7 og 8 adskilt med en avstand a i strømningsretningen, som hver er koblet til en elektronisk strømforsterker 9 og 10. Disse enhetene sikrer en "aktiv overvåkning" av deteksjonsantennene på en slik måte at signaltap mellom antennene og deres omgivelser blir annullert,

og sikrer også en forsterkning som er tilnærmet lik 1. En

lignende krysskorrelasjons-anordning er beskrevet i en samtidig inngitt Fransk Patentsøknad fra samme søker, som det refereres til her. Utgangene fra de to forsterkerne 9 og 10 er to signaler som representerer den tid det tar for fluidet å dekke den avstand som adskiller antennene.

En annen elektronisk anordning 12 som er koblet mellom en av antennene, for eksempel 8, og utgangen avra signalforsterkeren til den andre antennen 10, måler en størrelse som er direkte til-ordnet fluidets konduktivitet.

Endelig mottar en annen elektronisk anordning 13 den informasjon som tilveiebringes av de to sensorer: signalet fra den elektromagnetiske strømnignsmåler 15, signalet fra strømningsmåleren 17 med krysskorrelasjon av den triboelektriske støy og konduktansen mellom de to antennene 16. Denne enheten tester dermed verdien av konduktansen og velger i henhold til resultatet den korrekte strømningshastighet 15 eller 17.

Elektrodene til den elektromagnetiske strømningsmåler og antennene til krysskorrelasjons-anordningen bør fortrinnsvis være laget ved bruk av den velkjente teknikk for trykte kretser med flere fleksible lag, som vanligvis benytter fotoerosjon.

Figur 2 viser arbeidsprinsippet for måleanordningen 12 som måler konduktansen mellom antennene. Enheten omfatter en oscillator som genererer en sinusformet strøm med kjent frekvens F, som tilføres via en meget stor resistans R til en antenne 8 og en anordning for måling av amplityden av utgangssignalet av samme frekvens F fra forsterkeren 10 som er koblet til den andre antennen 7.

Frekvensen F er valgt slik at konduktansemålingen kan foretas samtidig med beregningen av krysskorrelasjonsfunksjonen i anordningen 11, uten i særlig grad å innvirke på resultatet av denne beregningen. I praksis er F mellom 5 og 20 KHz, idet den største verdi er den praktiske grense for deteksjon av komponenten ved frekvens F ved forsterkerutgangen 10.

Figur 3 er et tverrsnitt gjennom en ledning 3 i hvilken fluidum strømmer, og viser det system som er et resultat av kombinasjonen av en elektromagnetisk stømningsmåler med elektroder 4 og 5 med lite tverrsnitt i kontakt med fluidet, og en krysskorrelasjons-anordning for triboelektrisk støy med antenner 7 og 8 festet til ledningens indre overflate.

Innsiden av ledningen er dekket med et dielektrikum av jevn tykkelse, for eksempel polyuretan, som isolerer antennene 7 og 8 fra fluidet mens elektrodene 4 og 5 ligger i flukt med overflaten. Dette arrangementet blir spesielt brukt når fluidumtrykket kan nå meget høye verdier, og i slike tilfeller er det tilrådelig å bruke en metall-ledning. Denne bør imidlertid være ikke-magnetisk slik at magnetfeltet B kan virke på fluidet. Metallet kan være aluminium eller aluminiumlegeringer, rustfritt stål eller, spesielt hvis fluidumtrykket ventes å overstige 100 MPa titan.

Ved meget høye trekk benyttes det spesielle arrangementer for elektrodegjennomføringene og antennetilkoblingene som er i stand til å motstå trykket, noe som ikke er illustrert på denne figuren, men som er beskrevet i den tidligere nevnte Franske patentsøknad.

Det vil i visse tilfeller være fordelaktig at ledningen er av et komposittmateriale basert på glassfiber, karbon eller aramid, eller endog av et keramisk materiale, mer spesielt aluminiumoksyd.

Endelig illustrerer figur 4 en anvendelse av oppfinnelsen hvor ledningen er laget av dielektrisk materiale, på hvis ytterflate er montert elektroder 4 og 5 med stort tverrsnitt og tilhørende den elektromagnetiske strømningsmåler som funksjonerer på kapasitiv måte, og antennene til krysskorrelasjons-anordningen for tripoelektrisk støy.

Hele sammenstillingen er beskyttet mot ytre elektromagnetisk interferens ved hjelp av en jordet, ledende omhylling.

Dette arrangementet har den fordel at det overhodet ikke medfører noen inntrenging i ledningen. Hvis fluidet er under-kastet, meget høye trykk er det også nødvendig å velge et keramisk materiale slik som aluminiumsoksyd eller et komposittmateriale av glass, karbon eller aramidfibere for ledningen.

I det følgende skal den del av strømningsmåleren som benytter krysskorrelasjon av tripoelektrisk støy beskrives mer detaljert.

Denne del av oppfinnelsen vedrører måling av volumstrømnings-hastigheten til et fluidum av dielektrisk type uten å trenge inn i strømningen som skjer gjennom et rør. Et ofte benyttet måleprinsipp er basert på korrelasjonsteknikker. Metoden består i å identifisere turbulente strukturer slik som virvelstrømmer ved to punkter langs røret som er adskilt med en viss aksial avstand. Tidsmellomrommet som adskiller identi-fiseringen av den samme struktur overfor de nevnte punkter, er omvendt proporsjonal med strukturens midlere hastighet som igjen er forbundet med volumstrømnings-hastigheten.

Den egentlige identifikasjonsmetode er velkjent. Den består i å finne verdien på x-aksen for et punkt som tilsvarer maksimum av krysskorrelasjons-funksjonen til utgangssignalene (vanligvis elektriske) ved hjelp av to identiske primærsensorer anbrakt på røret og adskilt med en viss aksial avstand. Flere fysiske prinsipper kan benyttes for å konstruere primærsensorene. I alle tilfeller bør deres utgangssignal være en representasjon av strømningens turbulente tilstand. Følgende sensortyper skal nevnes spesielt. Ultrasoniske, akustiske, optiske, trykk-sensorer, kapasitive eller resistive sensorer.

De fleste av disse sensorene har den ulempe at de tar målinger som bare i begrenset grad er representative for fluidum-strømning over hele rørtverrsnittet. For eksempel ultrasoniske sensorer tar målinger over en korde, og kapasitive sensorer favoriserer et spesielt symmetriplan. Det har derfor vært et behov, spesielt i oljeindustrien, for en nøyaktig, pålitelig, robust strømningsmåler som er enkel å bruke.

Den foreslåtte strømningsmåler medfører brukt av primærsensorer basert på deteksjon av elektrostatiske ladninger som genereres på naturlig måte ved triboelektrisk effekt i et dielektrisk fluidum som strømmer gjennom et rør, og kombinasjonen av disse primærfølerne med krysskorrelasjonsteknikken for signaler. Det er blitt oppdaget at denne kombinasjonen tilveiebringer et svar på de spesielle behov som industrien har.

Figur 5 er et skjema over oppfinnelsen.

Figur 6 er et transversalt tverrsnitt gjennom en primær-føler.

Figur 7 gir et mer detaljert bilde av primærføleren.

Figur 8 er et tverrsnitt gjennom en primærføler.

Figur 9 viser en utførelsesform av oppfinnelsen konstruert spesielt for strømningsmåling i fluider under trykk. Figur 10 er et tverrsnitt som viser prinsippet ved utførelsesformen på figur 5. Figur 11 er et eksempel på en kalibreringskurve oppnådd under bruk av en prototyp bygd i samsvar med oppfinnelsen. Figur 5 er et skjema over oppfinnelsen. Strømningsmåleren består av et rør 1 laget av et dielektrisk materiale slik som polyuretan, teflon, plexiglass, keramikk o.s.v. Primær-sensorene 2.a og 2.b som er adskilt med en aksial avstand d, er i en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen anbrakt på en måte som sikrer mekanisk kontakt mellom dem og hylsen 1, rundt hele hylsens omkrets. Primærsensorene er anbrakt i parallelle plan perpendikulært til hylsens 1 generatriser. De primærsensorer som brukes i den foreslåtte oppfinnelse, har symmetri som er helt identisk med symmetrien til ledningen og er følsomme for hele det fuktede tverrsnitt av fluidet.

Sensorene 2.a og 2.b er koblet til to elektroniske anordninger 3.a og 3.b hvis hovedrolle er å tilveiebringe et elektrisk utgangssignal identisk med inngangssignalet, men under lavere kildeimpedans-forhold. Utgangssignalene fra de elektroniske anordninger 3.a og 3.b blir overført til en anordning 4 for måling og beregning av en krysskorrelasjons-f unk.s jon.

Figur 6 er et detaljert tverrsnitt gjennom en av primær-sensorene 2.a og 2.b, bestående av to antenner 2 og 5 laget av ledende materiale. Den indre antennen kalt deteksjonsantennen, er følsom for forekomsten av elektrostatiske ladninger og er sensorens egentlige følerelement. Den er over hele sensorens omkrets omgitt av en antenne 5 som har en litt større tverr-dimensjon kalt skjermantennen. Deteksjonsantennen er isolert fra skjermantennen med et lag av dielektrisk materiale 6. Deteksjonsantennen 2 er koblet til den ikke-inverterende inngang på en operasjonsforsterker 14 med meget høy inngangsimpedans. Skjermantennen 5 er koblet til et hus 12 laget av ledende materiale, som forsterkeranordningen befinerr seg inne i. Antennene 2.a og 2.b på den ene side og de elektroniske anordninger 3.a og 3.b på den annen, er i en foretrukket ut-førelsesform av oppfinnelsen forbundet ved hjelp av en koaksialkabel 7. Innerlederen i koaksialkabelen er for det første forbundet med deteksjonsantennen og for det annet med den ikke-inverterende inngang på forsterkeren 14. Koaksialkabelens skjerm er for det første koblet til skjermelektroden 5 og for det andre til huset 12. Utgangen fra forsterkeren 14 er tilbakekoblet til den inverterende inngang for å sikre enhetsforsterkning. Forsterkerens 14 utgang er også koblet til huset 12 som er koblet til skjermantennen 5 ved hjelp av skjermen i koaksialkabelen 7. Dette er en anvendelse av det velkjente prinsipp med aktiv skjerm: signaltap fra deteksjonsantennen 2 som skyldes para-sittisk kobling blir redusert betydelig som et resultat av det faktum at antennen er fullstendig omgitt av en ledende overflate på det samme elektriske potensial.

En motstand 13 med meget høy verdi (i alle tilfelle større enn eller lik 500 megaohm) er koblet mellom referansekilde for instrumentet og den ikke-inverterende inngang til forsterkeren 14. Denne motstanden tillater polariseringsstrømmer fra forsterkeren 14 å unnslippe for å unngå metning av forsterkeren. Figur 7 viser en foreslått konstruksjon av sensoren, bestående av deteksjonsantennene 2.a og 2.b og skjermantennene 5.a og 5.b. Figur 8 er et tverrsnitt av en del av figur 7. En foretrukket konstruksjonsmetode for sensoren er basert på foto-erosjons-teknikker som er velkjente på området trykte kretser. Fleksible trykte kretser med flere lag bør nevnes spesielt. Tykkelsen og/eller typen av det dielektriske substrat 6 bør velges på en måte som sikrer at hele sensoren har den nødvendige fleksibilitet for å kunne festes til hylsen 1. Denne fremgangs-måten til fremstilling av sensorer sikrer for det første at deteksjonsplanene er strengt parallelle, og for det andre at den aksiale avstand d som adskiller dem, forblir konstant. Figur 9 viser en utførelsesform av oppfinnelsen som mer spesielt er konstruert for måling av strømningshastigheten til fluider under trykk.

Røret 8 er laget av ikke-magnetisk materiale, mer spesielt titan eller rustfritt stål. Hver antenne 2 som består av en fleksibel trykt krets med flere lag, er anbrakt plant mot innsiden av røret 8 og holdes på plass med for eksempel lim. Den fleksible trykte krets har en tungeforlengelse 7 som utgjør antennens utgangsforbindelse for derved å unngå tilkobling av en koaksialkabel ved lodding. Denne tungen er delvis fylt med et hardt dielektriske materiale slik som polyamid, i utgangsåpningen 10 som er båret tangensialt til rørdiameteren.

Utgangsåpningen 10 er gjenget. En metallplugg 11 som er hul langs sin aksel for å kunne føre tungen 7 gjennom, er skrudd inn i utgangsåpningen. Denne pluggen 11 er konstruert for å absorbere krefter som utøves mot tungens fyllings- eller tetningsmasse med de høye trykk (opptil lOOMPa og over) som kan eksistere inne i røret. En jevn tykkelse av et dielektrisk materiale 9, som er slipebestandig, dekker innsiden av røret og isolerer derved antennene 2 fra det fluidum som strømmer gjennom det.

Materialet 9 vil fortrinnsvis bli valgt slik at det har en lav Shore-hardhet slik at trykket blir overført hydrostatisk. Dette materialet består i en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen av polyuretan. Konstruksjonen av denne kanalen er også endel av oppfinnelsen.

Figur 10 viser en utførelsesform av oppfinnelsen hvor antennnene 2 er anbrakt plant mot utsiden av røret 10. Røret må i dette tilfelle bestå av et dielektrisk materiale.

For at virkningene av fluidets meget høye trykk skal motstås, består røret 8 i samsvar med en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen, av et materiale kalt "komposittmateriale" og som mer spesielt består av en grunnmasse av fibere av glass, karbon eller aramid eller av et keramisk materiale, spesielt aluminiumoksyd .

Figur 11 er et eksempel på en kalibreringskurve fra en strømningsmåler begget i henhold til oppfinnelsen. Det benyttede fluidum er hydraulisk olje av type ISO HV E 32, hvis dielektrisitets-konstant er 2,30. Referansehastigheten er gitt ved hjelp av en turbin-strømningsmåler. Kurven viser resiproke middeltid som svarer til krysskorrelasjons-funksjonens maksimum (ordinaten), som en funksjon av fluidumhastighetene (abscisse). Man ser at det er god linearitet. Måleområdet er større enn det som er vist på figur 11, spesielt når det gjelder fluidum-hastigheter over 15 meter pr. sekund.

Claims (11)

1. System for måling av strømningshastigheten til et ledende eller isolerende fluidum som strømmer gjennom en ledning,karakterisert vedat systemet er en kombinasjon av en elektromagnetisk strømnignsmåler-anordning for ledende fluider og en anordning for måling av krysskorrelasjonen til triboelektrisk støy, utformet for å måle strømningshastigheter for dielektriske fluider og omfattende to antenner som er isolert fra fluidet, idet disse begge for det første er koblet til en elektronisk strømforsterker og for det annet til en elektronisk anordning som måler konduktansen mellom antennene, og ved at systemet omfatter en elektronisk anordning som velger det signal som. svarer til målingen av fluidum-strømningshastigheten fra de signaler som mates inn av de to sensorer i samsvar med konduktansverdien.

2. System ifølge krav 1, karakterisert vedat den elektroniske anordning som måler konduktansen mellom de to antennene i strømningsmåleren med krysskorrelasjon av triboelektrisk støy, for det første består av en oscillator med sinusformet frekvens F som ligger mellom 5 og 20 KHz , hvilken oscillator mater en sinusformet strøm av samme frekvens til en av de to antennene gjennom en komponent med høy resistans, og for det annet en føleranordning for måling av strømamplityden ved frekvens F ved utgangen av den strømforsterker som er forbundet med den annen antenne, idet sistnevnte strømamplityde gir et direkte mål på konduktansen mellom de to antennene.

3. System ifølge krav 1 og/eller 2,karakterisert vedat den elektromagnetiske strømningsmåler er av en type med lite elektrodetverrsnitt hvor elektrodene er i kontakt med fluidet.

4. System ifølge ett eller flere av kravene 1, 2 eller 3,karakterisert vedat ledningen som fører fluidet er en sylinder av ikke-magnetisk metall, mer spesielt av et materiale av en av de følgende typer: rustfritt stål, titan, aluminium eller legeringer av disse, og også ved at antennene til anordningen for krysskorrelasjon av den triboelektriske støy ligger plant mot den indre vegg av sylinderen og er isolert fra fluidet ved hjelp av et lag av dielektrisk materiale som dekker den indre vegg av sylinderen med jevn tykkelse, mens de elektromagnetiske følerelektroder samtidig er i flukt med overflaten.

5. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert vedat den elektromagnetiske strømningsmåler er av kapasitiv type med elektroder med stort tverrsnitt isolert fra fluidet.

6. System ifølge et av kravene 1, 2 og 5,karakterisert vedat den elektromagnetiske strømningsmålers kapasitive elektroder og følerantennene til anordningen for krysskorrelasjon av triboelektrisk støy er sammenstilt plant mot utsiden av den ledning som fører fluidet, idet ledningen består av et dielektrisk materiale.

7. System ifølge krav 6, karakterisert vedat ledningen som fører fluidet, er laget av komposittmateriale hvis fibere er en av følgende typer: glass, karbon eller aramid.

8. System ifølge krav 6, karakterisert vedat ledningen som fører fluidet er laget av et keramisk materiale, mer spesielt aluminiumoksyd.

9. System ifølge et av kravene 5-8,karakterisert vedat den elektromagnetiske strømningsmålers kapasitive elektroder og antennene til anordningen for krysskorrelasjon av triboelektrisk støy er dannet på en enkelt fleksibel, trykt krets med flere lag.

10. Strømningsmåler for dielektriske fluider,karakterisert vedat den består av to antenner (2.a, 2.b) med identisk geometri og laget av elektrisk ledende materiale som er adskilt fra det fluidum som skal måles, med et dielektrisk materiale, idet antennene er anbrakt slik at posisjonen av den ene adskiller seg fra posisjonen av den andre med en enkel lineær translasjon over en avstand forskjellig fra null i en retning som er parallell med den midlere fluidumstrømning som opptrer i umiddelbar nærhet av de to antennene, og ved at antennene hver er koblet til en ladningsforsterkende elektronisk anordning (3.a, 3.b) som muliggjør deteksjon av elektriske ladninger skapt i fluidum-virvelstrømmene av triboelektrisk effekt (og transportert av det samme fluidum), og ved at utgangssignalene fra de to forsterkere er koblet til en elektronisk anordning (4) som krysskorrelerer dem og frembringer et utgangssignal som tilveiebringer et mål på fluidets strømningshastighet.

11. Strømningsmåler ifølge krav 10, karakterisert vedat hver antenne omfatter to ledere, (2, 5) som er isolert fra hverandre med et dielektrisk materiale (6) slik at en første (kalt deteksjonsantennen (2)) er anbrakt overfor fluidet mens den annen (kalt skjermantenne (5)) omgir den første uten å komme mellom den og fluidet, og ved at hver dobbeltantenne er koblet til den forsterkende elektroniske anordning ved hjelp av en leder (7) av koaksialtypen, hvis midtleder er koblet til deteksjonsantennen mens ytterlederen for det første er koblet til skjermantennen (5) og for det andre til det ledende hus (12) som elektronikken befinner seg i.