RU2386953C2 - Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation - Google Patents
Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2386953C2 RU2386953C2 RU2007137207/09A RU2007137207A RU2386953C2 RU 2386953 C2 RU2386953 C2 RU 2386953C2 RU 2007137207/09 A RU2007137207/09 A RU 2007137207/09A RU 2007137207 A RU2007137207 A RU 2007137207A RU 2386953 C2 RU2386953 C2 RU 2386953C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- frequency
- mode
- oil
- calibration
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а также к системам управления технологическими процессами и может быть использовано для измерения относительного объемного содержания воды (влагосодержания) в нефтегазоводной смеси из нефтяной скважины, а также в измерительных системах, технологических установках и других устройствах, измеряющих расход и количество нефти с растворенным газом (далее - нефть) и свободного газа (далее - газа) в продукции нефтяной скважины.The invention relates to measuring equipment, as well as to process control systems and can be used to measure the relative volumetric water content (moisture content) in an oil and gas mixture from an oil well, as well as in measuring systems, technological installations, and other devices that measure oil flow rate and quantity with dissolved gas (hereinafter referred to as oil) and free gas (hereinafter referred to as gas) in the production of an oil well.
В последние годы ясно обозначился интерес нефтедобывающих компаний к использованию влагомеров в замерных групповых установках (АГЗУ), например типа «Спутник» и «Мера», которые измеряют расход жидкости (смесь нефти и воды) и расход газа, но не определяют расход нефти. Целью такого подхода является превращение выпускаемых и находящихся в эксплуатации АГЗУ, которые фактически являются технологическими устройствами, в измерительные установки, определяющие объемный и массовый расход всех трех компонентов продукции нефтяной скважины - нефти, попутного газа и воды. Это направление в развитии метрологии добывающих нефтяных скважин вызвано назревшей необходимостью иметь надежный учет добываемой нефти и попутного газа и тем, что намечаемое решение этой проблемы за счет разрабатываемых трехкомпонентных расходомеров пока не дало ожидаемых результатов. Разработанные к настоящему времени трехкомпонентные расходомеры не удовлетворяют требованиям по точности и экологической чистоте. Кроме того, трехкомпонентные расходомеры, предлагаемые рядом зарубежных фирм, таких как Агар Корпорейшен, Шлюмберже, Роксар и других, очень дороги - порядка двухсот тысяч долларов за один образец, что делает их нерентабельными для установки на каждую скважину.In recent years, the interest of oil companies in the use of moisture meters in metering group installations (AGZU), for example, such as Sputnik and Mera, which measure liquid flow (a mixture of oil and water) and gas flow, but do not determine oil flow, has been clearly indicated. The aim of this approach is to turn produced and in operation gas filling stations, which are actually technological devices, into measuring units that determine the volumetric and mass flow rates of all three components of the production of an oil well - oil, associated gas and water. This direction in the development of metrology of producing oil wells is caused by the urgent need to have reliable accounting of produced oil and associated gas and the fact that the intended solution to this problem due to the developed three-component flow meters has not yet yielded the expected results. The three-component flow meters developed to date do not meet the requirements for accuracy and environmental friendliness. In addition, the three-component flow meters offered by a number of foreign companies, such as Agar Corporation, Schlumberger, Roxard and others, are very expensive - about two hundred thousand dollars for one sample, which makes them unprofitable for installation on each well.
Тем не менее, ряд технических решений, применяемых в трехкомпонентных расходомерах могут быть использованы при создании влагомеров, поскольку последние по сути являются их частью. Общими являются требования высокой точности измерений в реальных условиях эксплуатации без физического разделения потока на его отдельные фазы и компоненты и без внедрения в измеряемый движущийся поток каких-либо элементов конструкции расходомера, особенно подвижных (требование нонинтрузивности). Весьма существенными являются также требования взрывобезопасности и экологической чистоты.Nevertheless, a number of technical solutions used in three-component flowmeters can be used to create moisture meters, since the latter are essentially part of them. General are the requirements for high accuracy of measurements in real operating conditions without physically separating the flow into its individual phases and components and without introducing into the measured moving flow any elements of the flowmeter design, especially moving ones (non-intrusiveness requirement). The requirements of explosion safety and environmental cleanliness are also very significant.
Известно довольно большое количество влагомеров, в том числе сырой нефти. Но все они либо не допускают наличия газа в измеряемой жидкости, либо требуют хорошо перемешанной смеси.A fairly large number of moisture meters are known, including crude oil. But all of them either do not allow the presence of gas in the measured liquid, or require a well-mixed mixture.
Среди них в качестве аналога можно назвать Влагомер AGAR OW-201 (фирма Agar Corporation) [1].Among them, an AGAR OW-201 Hygrometer (Agar Corporation) [1] can be called an analog.
Преимущества:Benefits:
- диапазон измерения влагосодержания от нуля до 100 процентов, независимо от того, какой из компонентов (нефть или вода) является непрерывной фазой;- the range of measurement of moisture content from zero to 100 percent, regardless of which of the components (oil or water) is a continuous phase;
- допускает в измеряемой смеси объемное содержание газа до 99.9 процента.- admits in the measured mixture volumetric gas content of up to 99.9 percent.
Недостатки:Disadvantages:
- малая представительность зондируемого объема среды по отношению к полному сечению потока;- low representativeness of the probed volume of the medium with respect to the total flow cross section;
- зависимость погрешности от структуры потока, откуда рекомендация по установке зондирующего блока изделия на максимально однородном потоке;- the dependence of the error on the flow structure, whence the recommendation for installing the probing unit of the product on the most uniform flow;
- поэтому высокая точность при гомогенизированной среде (±1%) снижается до 2% абс плюс ±5% от показаний при других смесях.- therefore, high accuracy with a homogenized medium (± 1%) is reduced to 2% abs plus ± 5% of the readings for other mixtures.
Влагомер фирмы AGAR Corporation входит в состав разработанного этой же фирмой трехкомпонентного расходомера.A moisture meter from AGAR Corporation is part of a three-component flowmeter developed by the same firm.
Поиск, проведенный с позиции использования подходящих технических решений из трехкомпонентных расходомеров, показал, что ближайшим аналогом по близости принципа действия при определении относительного содержания компонентов смеси и технических решений является трехкомпонентный расходомер «Сател-РВ» по патенту RU 2247947 С110.03.2005 [2]. Однако по назначению он - измеритель покомпонентного расхода, а заявляемый прибор, будучи влагомером, входит в него как составная часть.A search conducted from the perspective of using suitable technical solutions from three-component flowmeters showed that the closest analogue to the proximity of the principle of action in determining the relative content of the mixture components and technical solutions is the three-component flowmeter "Satel-RV" according to patent RU 2247947 C110.03.2005 [2]. However, for its intended purpose, it is a component flow meter, and the inventive device, being a moisture meter, is included in it as an integral part.
Принимаем в качестве прототипа, влагомер AGAR OW-201 фирмы Agar Corporation. Он полностью подходит по критерию назначения, хотя имеет меньше признаков, совпадающих с заявляемым изобретением.Accepted as a prototype, a moisture meter AGAR OW-201 company Agar Corporation. It is fully suitable for the criterion of appointment, although it has fewer signs that match the claimed invention.
В трубе зондирующего блока прототипа установлена передающая антенна и на противоположной стороне трубы две приемные антенны, одна из которых по потоку расположена до передающей антенны, а другая после нее. Причем расстояние до передающей антенны от одной из приемных больше, чем от другой, благодаря чему разность фаз сигналов, принятых приемными антеннами, зависит только от комплексной диэлектрической проницаемости смеси и разности расстояний приемных антенн от передающей. Благодаря этому, возникающие на границе раздела диэлектрического покрытия антенн и проводящей измеряемой среды при водной непрерывной фазе, большие сдвиги фаз, на фоне которых не проявляется полезный сдвиг фазы сигнала при прохождении электромагнитной волны через измеряемую среду, компенсируются, поскольку обе приемные антенны находятся в одном и том же потоке измеряемой среды. Таким образом в прототипе решена проблема использования диэлькометрического метода не только для смесей с непрерывной нефтяной фазой, но и для смесей с непрерывной водной фазой.A transmitting antenna is installed in the tube of the probe block of the prototype and on the opposite side of the pipe are two receiving antennas, one of which is located upstream of the transmitting antenna and the other after it. Moreover, the distance to the transmitting antenna from one of the receiving antennas is greater than from the other, due to which the phase difference of the signals received by the receiving antennas depends only on the complex dielectric constant of the mixture and the difference in the distances of the receiving antennas from the transmitting one. Due to this, large phase shifts that occur at the interface between the dielectric coating of the antennas and the conducting measured medium during the aqueous continuous phase, against which no useful phase shift of the signal occurs when the electromagnetic wave passes through the measured medium, are compensated, since both receiving antennas are in the same and the same stream of the measured medium. Thus, the prototype solved the problem of using the dielcometric method not only for mixtures with a continuous oil phase, but also for mixtures with a continuous aqueous phase.
Однако при этом положительном свойстве возникает недостаток, связанный с малой представительностью зондируемого объема измеряемой среды. Это связано с тем, что указанный объем равен объему конуса, вершина которого находится на передающей антенне а основанием является чувствительная поверхность приемной антенны, размеры которой невелики по сравнению с площадью внутреннего сечения трубы зондирующего блока. Из-за этого высокая точность будет обеспечиваться только при гомогенизированных смесях.However, with this positive property, there is a disadvantage associated with the low representativeness of the probed volume of the measured medium. This is due to the fact that the indicated volume is equal to the volume of the cone, the apex of which is located on the transmitting antenna and the base is the sensitive surface of the receiving antenna, the dimensions of which are small compared to the internal cross-sectional area of the tube of the probing unit. Because of this, high accuracy will only be achieved with homogenized mixtures.
Отсюда возникает рекомендация устанавливать зондирующий блок в максимально гомогенизированном потоке и снижение точности при других структурах измеряемой среды.Hence, the recommendation arises to install the probe unit in the most homogenized flow and a decrease in accuracy with other structures of the medium being measured.
В указанном выше трехкомпонентном расходомере «Сател-РВ» по патенту RU 2247947 С110.03.2005 зондирующий блок содержит два радиоволновых датчика (РВД), представляющих собой объемные высокочастотные резонаторы (ВЧ-резонаторы), - один для определения относительного содержания компонентов, а второй, в паре с первым, для измерения скорости потока корреляционным методом. Относительное содержание определяется с помощью оригинального алгоритма, основанного на математическом описании изменения величины первой, второй и более высоких резонансных частот и амплитуд (или коэффициента передачи) ВЧ-сигнала как функций относительного содержания компонентов смеси.In the above three-component flowmeter "Satel-RV" according to patent RU 2247947 C1.03.03.2005, the probe unit contains two radio wave sensors (RVD), which are volume high-frequency resonators (RF resonators), one for determining the relative content of the components, and the second in paired with the first, for measuring the flow rate by the correlation method. The relative content is determined using an original algorithm based on a mathematical description of the change in the magnitude of the first, second and higher resonant frequencies and amplitudes (or transmission coefficient) of the RF signal as functions of the relative content of the mixture components.
Недостаток, связанный с недостаточной представительностью зондируемого объема среды, присущ практически всем влагомерам и расходомерам, в которых применяется зондирование тонким лучом (трехкомпонентные расходомеры фирм «Roxar», «Schlumberger» и других), или точечное зондирование (изделие «Ультрафлоу»).The disadvantage associated with the lack of representativeness of the probed volume of the medium is inherent in almost all moisture meters and flow meters that use probing with a thin beam (three-component flow meters from Roxar, Schlumberger and others), or spot sensing (Ultraflow product).
В связи с этим для повышения точности влагомера или расходомера рекомендуется применять установку перед зондирующим блоком изделия какого-либо средства, создающего всегда одну и ту же структуру, как правило, хорошо перемешанную. Это может достигаться установкой гомогенизаторов, созданием нескольких колен в подводящем трубопроводе. Как правило, эти средства малоэффективны и, кроме того, создают сопротивление потоку.In this regard, to improve the accuracy of the moisture meter or flowmeter, it is recommended to use the installation in front of the probing unit of the product of any means that always creates the same structure, usually well mixed. This can be achieved by installing homogenizers, by creating several elbows in the supply pipe. As a rule, these funds are ineffective and, in addition, create resistance to flow.
Техническим результатом настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, то есть обеспечение измерения влагосодержания в диапазоне от нуля до ста процентов для любого типа (с непрерывной водной или нефтяной фазой) и любой структуры среды из добывающей нефтяной скважины.The technical result of the present invention is to eliminate these drawbacks, that is, providing measurements of moisture content in the range from zero to one hundred percent for any type (with a continuous water or oil phase) and any medium structure from a producing oil well.
Заявляемый способ и устройство иллюстрируются схемами, графиками и таблицами экспериментальных данных, представленными на следующих чертежах:The inventive method and device are illustrated by diagrams, graphs and tables of experimental data presented in the following drawings:
- фиг.1. Зависимость первой резонансной частоты от времени расслоения для разных степеней начальной гомогенизации смеси;- figure 1. The dependence of the first resonant frequency on the time of separation for different degrees of initial homogenization of the mixture;
- фиг.2. Зависимость первой резонансной частоты зондирующего блока с диэлектрическим зазором 3 мм от параметров выходной электрической цепи съема сигнала с обмотки РВД;- figure 2. Dependence of the first resonant frequency of the probe unit with a dielectric gap of 3 mm on the parameters of the output electrical circuit for signal pickup from the WFD winding;
- фиг.3. Зависимость первой резонансной частоты зондирующего блока с диэлектрическим зазором 15 мм от параметров выходной электрической цепи съема сигнала с обмотки РВД;- figure 3. The dependence of the first resonant frequency of the probing unit with a dielectric gap of 15 mm on the parameters of the output electrical circuit for signal pickup from the WFD winding;
- фиг.4. Градуировочные кривые для смеси вода-нефть;- figure 4. Calibration curves for a water-oil mixture;
- фиг.5. Блок-схема влагомера;- figure 5. Block diagram of a moisture meter;
- фиг.6. Установка зондирующего блока в трубопровод с потоком смеси;- Fig.6. Installation of a sounding unit in a pipeline with a mixture flow;
- фиг.7. Основная абсолютная погрешность измерения влагосодержания.- Fig.7. The main absolute error in measuring moisture content.
В настоящем изобретении предложено производить зондирование среды в полном сечении потока, использовав для этого радиоволновой датчик (РВД), принцип действия и теория которого изложены, например, в книге Викторова В.А., Лункина Б.В., Совлукова А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. [3].The present invention proposes to conduct sounding of the medium in full flow cross section, using for this a radio wave sensor (RVD), the principle of operation and theory of which are described, for example, in the book of Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukova A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M .: Nauka, 1978. [3].
В РВД рабочий объем смеси представляет собой цилиндр диаметром, равным внутреннему диаметру зондирующего блока, и длиной, равной длине возбуждающей обмотки. Таким образом осуществляется объемное зондирование, при котором все участки объема участвуют в образовании сигнала, содержащего информацию о результирующей комплексной диэлектрической проницаемости многокомпонентной среды. В результате обеспечивается полное представительство измеряемого потока среды.In the WFD, the working volume of the mixture is a cylinder with a diameter equal to the inner diameter of the probe unit and a length equal to the length of the exciting winding. In this way, volume sensing is performed, in which all parts of the volume participate in the formation of a signal containing information about the resulting complex permittivity of a multicomponent medium. The result is a complete representation of the measured flow of the medium.
Второй технический результат, состоящий в возможности работы изделия при любом типе и любой структуре измеряемой среды, обеспечивается в настоящем изобретении тем, что предусмотрено два режима работы - «динамический» (поточный) и «статический» (с остановкой потока).The second technical result, consisting in the possibility of operation of the product with any type and any structure of the medium being measured, is provided in the present invention by the fact that there are two operating modes - “dynamic” (in-line) and “static” (with flow stop).
Динамический режим реализуется, когда смесь из скважины представляет собой перемешанный поток с непрерывной нефтяной фазой («вода в нефти»), который без остановки протекает через зондирующий блок влагомера. Процесс измерения при этом осуществляется изделием тоже непрерывно с тактом обновления выходной информации не более восьми секунд.The dynamic mode is realized when the mixture from the well is a mixed stream with a continuous oil phase (“water in oil”), which flows without stopping through the probe block of the moisture meter. In this case, the measurement process is carried out by the product also continuously with a tact of updating the output information of no more than eight seconds.
Статический режим реализуется, когда измеряемая среда представляет собой смесь с непрерывной водной фазой («нефть в воде»). При этом осуществляется перед измерением принудительное превращение этой структуры всегда в одну и ту же - расслоенную смесь. Таким образом, применяется известный прием - смесь приводится всегда к одной и той же структуре, но в данном случае к диаметрально противоположной по отношению к общепринятой, а именно к расслоенной вместо хорошо перемешанной. Надо отметить, что при расслоении потока отпадает возможность сохранения смеси с непрерывной водной фазой.The static mode is realized when the medium being measured is a mixture with a continuous aqueous phase (“oil in water”). In this case, before the measurement is carried out, the forced conversion of this structure is always the same — the layered mixture. Thus, a well-known technique is applied - the mixture is always reduced to the same structure, but in this case it is diametrically opposite to the generally accepted one, namely, to the layered instead of well mixed. It should be noted that with stratification of the flow there is no longer the possibility of preserving the mixture with a continuous aqueous phase.
Статический режим осуществляется путем монтажа зондирующего блока влагомера в трубопровод с измеряемой смесью между двумя переключателями потока (21 и 22 на фиг.6) или двумя запорными (отсечными) клапанами (24 и 25), которые на время измерения влагосодержания запирают смесь в рабочем объеме зондирующего блока. Одновременно открывается запорный клапан 23 в параллельном (байпасном) канале и поток смеси идет через него. Таким образом обеспечивается непрерывное движение потока смеси в основном трубопроводе. При этом в запертом канале производится измерение влагосодержания в полностью или частично расслоившейся смеси в заданный момент времени после запирания потока. Такт проведения измерений и выдачи результата может лежать в пределах от нескольких минут до одного часа.Static mode is carried out by mounting the probe block of the moisture meter in the pipeline with the mixture to be measured between two flow switches (21 and 22 in FIG. 6) or two shut-off (shut-off) valves (24 and 25), which lock the mixture into the working volume of the probe for the duration of the moisture content measurement block. At the same time, the
Надо отметить, что этот статический режим необходим только при среде с непрерывной водной фазой и включается в изделии автоматически. При типе среды с непрерывной нефтяной фазой реализуется динамический режим с непрерывным измерением и выдачей результата, как упоминалось выше, с тактом не более восьми секунд.It should be noted that this static mode is necessary only in an environment with a continuous aqueous phase and turns on automatically in the product. With the type of medium with a continuous oil phase, a dynamic mode is implemented with continuous measurement and output of the result, as mentioned above, with a cycle of no more than eight seconds.
Характер расслоения смеси во времени после остановки потока зависит от того, какой тип смеси был перед остановкой потока - с непрерывной водной фазой или с непрерывной нефтяной фазой. Рассмотрим это обстоятельство более подробно. На фиг.1 представлены «кривые расслоения» - зависимости первой резонансной частоты от времени (номера отсчета) при запирании потока измеряемой смеси в зондирующем блоке влагомера.The nature of the stratification of the mixture in time after stopping the flow depends on what type of mixture was before stopping the flow - with a continuous aqueous phase or with a continuous oil phase. Let us consider this circumstance in more detail. Figure 1 presents the "separation curves" - the dependence of the first resonant frequency on time (reference number) when blocking the flow of the measured mixture in the probe unit of the hygrometer.
Наблюдается следующая определенная закономерность:The following specific pattern is observed:
- при смесях типа «вода в нефти» значения резонансной частоты в динамике (до остановки потока) зависят от относительного объемного содержания воды в общем объеме смеси и эта зависимость может приниматься как градуировочная;- in the case of water-in-oil mixtures, the dynamics of the resonant frequency (until the flow stops) depend on the relative volumetric water content in the total volume of the mixture and this dependence can be taken as a calibration;
- при смесях типа «нефть в воде» значения резонансной частоты в динамике (до остановки потока) близки к значениям, соответствующим воде, хотя при этом влагосодержание смесей может лежать в пределах от 30 до 100 процентов; то есть, зависимости резонансной частоты от относительного объемного содержания воды не наблюдается;- for oil-in-water mixtures, the dynamics of the resonant frequency (until the flow stops) are close to the values corresponding to water, although the moisture content of the mixtures can range from 30 to 100 percent; that is, the dependence of the resonant frequency on the relative volumetric water content is not observed;
- важным является то обстоятельство, что резонансная частота при смесях типа «вода в нефти» даже при самом большом содержании воды, при котором может существовать смесь данного типа (до восьмидесяти процентов), имеет большее значение, чем для смесей типа «нефть в воде», даже с наименее возможным влагосодержанием последних;- it is important that the resonance frequency for water-in-oil mixtures, even at the highest water content at which a mixture of this type can exist (up to eighty percent), is more important than for oil-in-water mixtures , even with the least possible moisture content of the latter;
- приведенное выше свойство резонансной частоты может быть использовано в изделии для автоматического определения типа смеси и выбора режима работы;- the above property of the resonant frequency can be used in the product to automatically determine the type of mixture and select the operating mode;
- если перед остановкой потока смесь была типа «вода в нефти», то после остановки потока начинается медленное расслоение смеси на воду и нефть; время расслоения зависит от сорта нефти и может лежать в пределах от нескольких часов до нескольких суток; при этом в начальный момент резонансная частота имеет значение, которое было непосредственно перед запиранием потока;- if before stopping the flow, the mixture was of the “water in oil” type, then after stopping the flow, a slow separation of the mixture into water and oil begins; the time of separation depends on the type of oil and can range from several hours to several days; in this case, at the initial moment, the resonant frequency has a value that was immediately before the flow blocking;
- если перед остановкой потока смесь была типа «нефть в воде», то после остановки потока расслоение смеси на начальном этапе происходит быстро, а затем наблюдается медленное стремление резонансной частоты к установившемуся значению, соответствующему полному расслоению; при этом через конечное время, от пятнадцати минут до одного часа, измеряемое значение частоты входит в диапазон значений, ширина которого не превышает удвоенную допустимую погрешность;- if before stopping the flow, the mixture was of the type “oil in water”, then after stopping the flow, the stratification of the mixture at the initial stage occurs quickly, and then the resonance frequency slowly tends to a steady-state value corresponding to complete stratification; at the same time, after a finite time, from fifteen minutes to one hour, the measured frequency value falls into the range of values the width of which does not exceed twice the permissible error;
- могут наблюдаться редкие аномальные случаи (на фиг.1 кривая обозначена как «аномальная характеристика»), когда перед остановкой потока смесь была типа «нефть в воде», а после остановки произошел «переворот фазы» смеси и она стала типа «вода в нефти» с медленным расслоением;- rare abnormal cases can be observed (in Fig. 1, the curve is designated as an “anomalous characteristic”) when the mixture was of the “oil in water” type before stopping the flow, and after the stop, the “phase reversal” of the mixture took place and it became of the “water in oil” type »With slow delamination;
- в аномальном случае критерием в определении типа смеси является большая начальная крутизна переходного процесса в сочетании с медленным расслоением после достижения максимального значения.- in the anomalous case, the criterion in determining the type of mixture is the large initial steepness of the transition process in combination with slow delamination after reaching the maximum value.
Как видно из изложенного, с точки зрения использования изделия требуется наличие у потребителя параллельного байпасного трубопровода с управляемыми переключателями или отсечными клапанами для перевода потока из одного канала в другой и обеспечения остановки смеси в зондирующем блоке влагомера.As can be seen from the above, from the point of view of using the product, the consumer requires a parallel bypass pipeline with controlled switches or shut-off valves to transfer the flow from one channel to another and ensure the mixture stops in the probe block of the hygrometer.
При этом могут быть различные варианты взаимодействия влагомера с системами управления оборудованием у потребителя. В частности, влагомер может быть либо «ведущим», либо «ведомым» звеном.In this case, there may be various options for the interaction of the moisture meter with equipment control systems at the consumer. In particular, a moisture meter can be either a “lead” or a “driven” unit.
Если потребителю безразлично, в какие моменты времени будут срабатывать переключающие устройства и запирающие клапаны, то «ведущим» может быть влагомер. Он будет выдавать команды на управление этими элементами.If the consumer doesn’t care at what time points the switching devices and shut-off valves will be triggered, then the moisture meter can be the “lead”. He will issue commands to manage these elements.
В другом случае, когда влагомер «ведомое» звено, он должен получать информацию о возможности проведения очередного измерения и, в свою очередь, информировать о завершении очередного измерения и возможности открывания потока через зондирующий блок.In another case, when the moisture meter is a “driven” unit, it should receive information about the possibility of another measurement and, in turn, inform about the completion of the next measurement and the possibility of opening the flow through the probe unit.
Результаты измерения в обоих случаях могут передаваться как непосредственно на верхний уровень АСУТП, так и в блок управления измерительной установки потребителя, в состав которой входит влагомер.The measurement results in both cases can be transmitted directly to the upper level of the process control system, as well as to the control unit of the consumer’s measuring unit, which includes a moisture meter.
Для обмена указанной информацией в изделии предусмотрена возможность передачи и приема ее как в аналоговой форме, так и по интерфесным линиям RS232, RS485, в том числе по протоколу MODBUS.To exchange the specified information in the product, it is possible to transmit and receive it both in analog form and on the RS232, RS485 interface lines, including the MODBUS protocol.
Для понимания сущности настоящего изобретения отметим следующее. Первичная исходная информация получается в изделии путем зондирования измеряемой смеси высокочастотными электромагнитными волнами в рабочем диапазоне частот объемного резонатора радиоволнового датчика и измерением при этом первой, второй и, при необходимости, более высоких резонансных частот объемного резонатора и коэффициента передачи (амплитуды) на резонансных частотах, а также температуры.To understand the essence of the present invention, we note the following. Primary initial information is obtained in the product by sensing the measured mixture with high-frequency electromagnetic waves in the operating frequency range of the volume resonator of the radio wave sensor and measuring the first, second and, if necessary, higher resonant frequencies of the volume resonator and the transmission coefficient (amplitude) at the resonant frequencies, and also temperature.
При этом имеют место определенные закономерности в работе РВД. Резонансные частоты и амплитуда колебаний на них зависят, с одной стороны, от диэлектрической проницаемости измеряемой среды, находящейся в зондирующем блоке, а с другой стороны, от конструктивных и электрических параметров самого зондирующего блока.In this case, there are certain patterns in the work of the WFD. The resonant frequencies and the amplitude of the oscillations on them depend, on the one hand, on the dielectric constant of the measured medium located in the probing unit, and on the other hand, on the structural and electrical parameters of the probing unit itself.
К таким параметрам, в первую очередь, относятся: диэлектрический зазор между обмоткой и корпусом РВД, определяющий электрическую емкость обмотки, вид схемы и значения емкостей и сопротивлений выходной электрической цепи обмотки.These parameters, first of all, include: the dielectric gap between the winding and the RVD case, which determines the electric capacity of the winding, the type of circuit and the values of capacitances and resistances of the output electric circuit of the winding.
В общем случае названные параметры выбираются, исходя из того, чтобы с требуемой точностью измерялось относительное содержание всех компонентов среды - нефти, газа и воды.In the general case, the named parameters are selected on the basis that the relative content of all components of the medium — oil, gas, and water — is measured with the required accuracy.
В рассматриваемом случае разработки влагомера целесообразно так подобрать эти параметры, чтобы наиболее точно измерялось относительное содержание воды и, более того, чтобы точность не зависела от соотношения содержания газа и нефти.In the considered case of the development of a moisture meter, it is advisable to select these parameters so that the relative water content is most accurately measured and, moreover, that the accuracy does not depend on the ratio of gas and oil contents.
В таблице 1 на фиг.2 и в таблице 2 на фиг.3 представлены экспериментальные зависимости значений первой резонансной частоты от вида и параметров выходной цепи обмотки для двух ЗБ с зазором между обмоткой и корпусом, равным 3 и 15 миллиметрам соответственно. Как видно из этих данных, с увеличением зазора растет резонансная частота и разности частот, соответствующих воздуху и маслу, маслу и воде.Table 1 in figure 2 and table 2 in figure 3 presents the experimental dependence of the values of the first resonant frequency on the type and parameters of the output circuit of the winding for two STs with a gap between the winding and the housing of 3 and 15 millimeters, respectively. As can be seen from these data, with an increase in the gap, the resonance frequency and the frequency differences corresponding to air and oil, oil and water increase.
Погрешность в измерении содержания воды, вызванная наличием газа в среде, тем больше, чем больше разность резонансных частот для воздуха и масла и меньше разность частот для масла и воды (крутизна частотной характеристики для смеси масла с водой). Отношение этих разностей частот несущественно зависит от рассматриваемого зазора в ЗБ, но сильно зависит от вида и параметров выходной цепи обмотки. Существенным является тот факт, что разность частот, соответствующих воздуху и маслу, изменяется не пропорционально крутизне частотной характеристики смеси масла с водой. Иначе не было бы отмеченной зависимости погрешности измерения относительного содержания воды от параметров выходной цепи обмотки и зазора в ЗБ.The error in measuring the water content caused by the presence of gas in the medium, the greater the greater the difference in resonant frequencies for air and oil and the smaller the frequency difference for oil and water (the steepness of the frequency response for a mixture of oil and water). The ratio of these frequency differences does not significantly depend on the considered gap in the ST, but it strongly depends on the type and parameters of the output winding circuit. It is significant that the difference in frequencies corresponding to air and oil does not change in proportion to the steepness of the frequency response of the oil-water mixture. Otherwise, there would be no marked dependence of the measurement error of the relative water content on the parameters of the output circuit of the winding and the gap in the ST.
Анализ таблиц показывает, что минимальные значения погрешностей, полученных при оптимизации параметров выходной цепи обмотки, несколько меньше для ЗБ с малым диэлектрическим зазором (4.32 процента против 5.95). Однако в этом случае имеется наименьшая крутизна градуировочной характеристики - 0.0324 МГц/процент против 0.1965 МГц/процент. Низкая крутизна может привести к возрастанию других составляющих погрешности, вызванных флюктуациями и нестабильностью измеряемой резонансной частоты, в частности от флюктуации влагосодержания и от собственных шумов. В каждом отдельном случае необходимо компромиссное решение.An analysis of the tables shows that the minimum values of the errors obtained by optimizing the parameters of the output circuit of the winding are slightly less for a ZB with a small dielectric gap (4.32 percent versus 5.95). However, in this case, there is the smallest steepness of the calibration characteristic — 0.0324 MHz / percent versus 0.1965 MHz / percent. Low steepness can lead to an increase in other error components caused by fluctuations and instability of the measured resonant frequency, in particular from fluctuations in moisture content and from intrinsic noise. In each case, a compromise solution is needed.
Решения, вытекающие из анализа рассмотренных данных, состоят в следующем: необходимо снимать сигнал с обмотки ЗБ с большими зазорами через дифференцирующую цепь с большой постоянной времени, а для ЗБ с малыми зазорами еще и с добавлением инерционной RC-цепочки.The solutions resulting from the analysis of the considered data are as follows: it is necessary to remove the signal from the ST winding with large gaps through a differentiating circuit with a large time constant, and for an ST with small gaps, also with the addition of an inertial RC chain.
Как было указано выше, исходной информацией, получаемой с помощью РВД, являются измеренные значения величин резонансных частот и коэффициентов передачи. В данном изобретении текущие значения резонансной частоты fрез объемного резонатора и коэффициента передачи КЗБ на резонансной частоте, а также температура Т используются для формирования обобщенного параметра Коб с привлечением значения резонансной частоты fград.w, соответствующей заполнению резонатора при градуировке водой, по формуле:As indicated above, the initial information obtained using the WFD is the measured values of the resonant frequencies and transmission coefficients. In this invention, the current values of the resonant frequency f res of the cavity resonator and the transmission coefficient K ST at the resonant frequency, as well as the temperature T used for the formation of the generalized parameter K involving values of the resonance frequency f grad.w corresponding to the filling cavity with the water calibration, according to the formula :
где коэффициент пропорциональности Кf подбирают, исходя из требований крутизны статической характеристики влагомера.where the proportionality coefficient K f is selected based on the requirements of the slope of the static characteristics of the hygrometer.
Этот обобщенный параметр положен в основу получения обобщенных текущих значений обобщенного параметра при измерении, а также при создании обобщенных градуировочных характеристик.This generalized parameter is the basis for obtaining generalized current values of the generalized parameter during measurement, as well as when creating generalized calibration characteristics.
В изделии предусмотрены две градуировки - для динамического режима и для статического режима:The product has two graduations - for dynamic mode and for static mode:
- «градуировка ДН» - для измерения влагосодержания смеси в динамике и в аномальных случаях, при этом непрерывной фазой в измеряемой среде является нефть, т.е. для смесей типа «вода в нефти»;- “DN graduation” - to measure the moisture content of the mixture in dynamics and in abnormal cases, while the continuous phase in the measured medium is oil, i.e. for mixtures of the type "water in oil";
- «градуировка СВ» - для измерения влагосодержания смеси в случае, если до останови потока непрерывной фазой в измеряемой среде являлась вода (кроме аномальных случаев), т.е. для смесей типа «нефть в воде».- “CB graduation” - to measure the moisture content of the mixture if, until the flow stopped, the continuous phase in the medium being measured was water (except for abnormal cases), i.e. for oil-in-water mixtures.
Примерный вид градуировочных характеристик представлен на фиг.4.An exemplary view of calibration characteristics is presented in figure 4.
Выбор режима работы и нужной градуировочной характеристики производится в изделии автоматически на основании определения типа смеси в соответствии со следующей логикой:The choice of the operating mode and the desired calibration characteristic is made in the product automatically based on the determination of the type of mixture in accordance with the following logic:
- если резонансная частота при текущем измерении выше наименьшей возможной частоты для смеси типа «вода в нефти», то тип смеси - «вода в нефти»; следовательно, нужно оставаться в динамическом режиме и воспользоваться «градуировкой ДН», при этом результаты измерения обновляются с тактом от двух до восьми секунд;- if the resonant frequency in the current measurement is higher than the lowest possible frequency for a mixture of water-in-oil type, then the type of mixture is water-in-oil; therefore, you need to stay in dynamic mode and use the “graduation of the day”, while the measurement results are updated with a clock from two to eight seconds;
- если резонансная частота при текущем измерении ниже наименьшей возможной частоты для смеси типа «вода в нефти», то тип смеси - «нефть в воде»; следовательно, нужно переключаться в статический режим и перекрывать поток в ЗБ влагомера, направляя его в байпас, проводить анализ кривой расслоения на предмет аномальности и в случае отрицательного результата анализа зафиксировать значение резонансной частоты в момент установленного в изделии времени (в диапазоне от 15 до 60 минут) и по этой резонансной частоте определить влагосодержание, воспользовавшись «градуировкой СВ», а при положительном результате анализа зафиксировать в переходном процессе максимальное значение резонансной частоты и по нему определить влагосодержание с помощью «градуировки ДН» и выдать результат измерения;- if the resonant frequency in the current measurement is lower than the lowest possible frequency for a mixture of water-in-oil type, then the type of mixture is oil-in-water; therefore, it is necessary to switch to the static mode and shut off the flow in the ST of the moisture meter, directing it to the bypass, analyze the separation curve for abnormality, and if the analysis fails, fix the value of the resonance frequency at the time set in the product (in the range from 15 to 60 minutes ) and at this resonant frequency determine the moisture content using the "calibration of CB", and if the analysis is positive, fix the maximum value of the resonance value in the transition process pilots at thereon and determine the moisture content using the "calibration Nam" and output a measurement result;
- если перед очередным циклом измерения в статическом режиме будет определен тип смеси «вода в нефти», влагомер переключится в динамический режим работы.- if before the next measurement cycle in static mode the type of the water-in-oil mixture is determined, the moisture meter will switch to the dynamic mode of operation.
Рассмотрим рабочий алгоритм влагомера, реализуемый в модуле центрального процессора (процессорной плате) электронного блока изделия.Consider the working algorithm of the moisture meter, implemented in the module of the central processor (processor board) of the electronic unit of the product.
Для выполнения рабочего алгоритма влагомера требуется предварительная градуировка изделия. В память электронного блока влагомера закладываются градуировочные значения параметров изделия, полученные для разных градуировочных смесей на испытательном стенде.To perform the working algorithm of a moisture meter, a preliminary calibration of the product is required. The calibration values of the product parameters obtained for different calibration mixtures on the test bench are stored in the memory of the electronic unit of the moisture meter.
1) Для «градуировки ДН» (непрерывная фаза - нефть):1) For the "graduation of DN" (continuous phase - oil):
i - номер смеси, i=1÷Nн, где Nн - количество смесей для данной градуировки;i is the mixture number, i = 1 ÷ N n , where N n is the number of mixtures for a given graduation;
2) Для «градуировки СВ» (непрерывная фаза - вода):2) For the "graduation of CB" (continuous phase - water):
i - номер смеси, i=1÷Nв, где Nв - количество смесей для данной градуировки;i is the number of the mixture, i = 1 ÷ N in , where N in is the number of mixtures for a given graduation;
При каждом текущем измерении производится корректировка градуировочных значений резонансных частот и коэффициентов передачи для всех градуировочных смесей под текущее значение температуры (температурная компенсация значений параметров). Для каждой градуировочной i-ой смеси с относительным содержанием воды 
где Kf - коэффициент пропорциональности, который подбирается исходя из требований крутизны градуировочной характеристики влагомера;where K f is the proportionality coefficient, which is selected based on the requirements of the steepness of the calibration characteristics of the hygrometer;
fград.wT - градуировочная первая резонансная частота воды;f deg. wT - calibration first resonance frequency of water;
индекс Т обозначает скорректированное значение параметра под текущую температуру.the T index indicates the adjusted value of the parameter for the current temperature.
На базе значений (2) и (3) строятся градуировочные характеристики 
где φн и φв - некоторые функции интерполяции. В простейшем случае для построения кривых используется линейная интерполяция (фиг.4).where φ n and φ in are some interpolation functions. In the simplest case, linear interpolation is used to construct the curves (Fig. 4).
Измеренные параметры изделия, представляющие собой текущие значения первой резонансной частоты fрез объемного резонатора и коэффициента передачи КЗБ на резонансной частоте, используются для формирования текущего обобщенного параметра Коб. по формуле:The measured product parameters representing the current values of the first resonant frequency f res of the cavity resonator and the transmission coefficient K ST at the resonant frequency are used to generate the current generalized parameter K on. according to the formula:
Зная величину текущего обобщенного параметра, рассчитанного по измеренным значениям первой резонансной частоты и коэффициента передачи по формуле (6), находим по одной из градуировочных характеристик (4) или (5), для соответствующей непрерывной фазы, текущее значение величины влагосодержания (например, методом сканирования). При линейной интерполяции по текущему значению обобщенного параметра Коб. определяется рабочий отрезок ломаной линии и задача сводится к отысканию величины влагосодержания из уравнения прямой линии.Knowing the value of the current generalized parameter calculated from the measured values of the first resonant frequency and the transmission coefficient by the formula (6), we find, using one of the calibration characteristics (4) or (5), for the corresponding continuous phase, the current value of the moisture content (for example, by scanning ) With linear interpolation at the current value of the generalized parameter K about. the working segment of the broken line is determined and the task is reduced to finding the moisture content from the straight line equation.
Для сокращения времени на процедуру градуировки можно использовать уменьшенное число градуировочных смесей с последующим построением аппроксимирующей кривой в виде, например, полинома второго или более высокого порядка.To reduce the time for the calibration procedure, you can use a reduced number of calibration mixtures with the subsequent construction of an approximating curve in the form, for example, of a polynomial of the second or higher order.
Таким образом, технический результат от использования изобретения в части способа достигается тем, что в способе измерения влагосодержания трехкомпонентных двухфазных смесей, основанном на зависимости резонансной частоты и коэффициента передачи объемного ВЧ-резонатора от диэлектрической проницаемости компонентов и их относительного объемного содержания, произведено следующее:Thus, the technical result from the use of the invention in terms of the method is achieved by the fact that in the method for measuring the moisture content of three-component two-phase mixtures, based on the dependence of the resonant frequency and transmission coefficient of the volume RF resonator on the dielectric constant of the components and their relative volume content, the following is done:
1) использован метод объемного зондирования с помощью РВД, что обеспечило полную представительность зондируемым при измерении объемом всего измеряемого потока,1) the method of volumetric sounding using RVD was used, which ensured full representativeness of the volume of the entire measured stream probed by measurement,
2) помимо непрерывного режима работы изделия в динамике (динамический режим), реализуемого, когда непрерывной фазой измеряемой смеси является нефть, с обновлением значений измеряемого влагосодержания с тактом не более 8 секунд предусмотрен статический режим (с остановкой потока в зондирующем блоке влагомера путем переключения его в байпасную линию), в котором обеспечивается правильное измерение влагосодержания в случае, когда непрерывной фазой смеси является вода, с выдачей результата через установленное время в интервале от 15-ти до 60-ти минут после перекрытия потока по «градуировке СВ», если не было переворота фазы смеси, в противном случае фиксируется максимальное значение первой резонансной частоты в переходном процессе после остановки потока и для него определяется по «градуировке ДН» измеренное влагосодержание с непосредственной выдачей результата,2) in addition to the continuous operation of the product in dynamics (dynamic mode), which is realized when the continuous phase of the measured mixture is oil, a static mode is provided with updating the measured moisture content with a cycle of no more than 8 seconds (with the flow stopped in the probe unit of the moisture meter by switching it to bypass line), in which the correct measurement of moisture content is provided in the case when the continuous phase of the mixture is water, with the result being output after a set time in the range from 15 to 60 t minutes after shut-off of "grading SW" if there was no phase reversal mixture otherwise fixed maximum value of the first resonant frequency in the transition process after stopping the flow and it is determined by "grading Nam" moisture content measured with the direct issuance result,
3) выбор режима работы и использования соответствующей градуировочной характеристики производится в изделии автоматически путем анализа в поточном режиме и перед остановкой потока значения резонансной частоты, которая должна быть выше минимальной частоты смеси с нефтяной непрерывной фазой для сохранения поточного режима, а в противном случае производится переход в режим с остановкой потока и осуществляется дополнительный анализ на отсутствие смены типа смеси в момент остановки, критерием чего служит большая начальная крутизна переходного процесса в сочетании с медленным расслоением после достижения максимального значения,3) the selection of the operating mode and the use of the corresponding calibration characteristic is carried out automatically in the product by analyzing the flow mode and before stopping the flow, the resonance frequency, which must be higher than the minimum frequency of the mixture with a continuous oil phase to maintain the flow mode, otherwise, a transition to the regime with stopping the flow and additional analysis is carried out for the absence of a change in the type of mixture at the time of stopping, the criterion of which is the large initial steepness of the transition one process in combination with slow delamination after reaching the maximum value,
4) настройку параметров зондирующего блока и выходной цепи обмотки производят так, чтобы выбранная для работы резонансная частота и коэффициент передачи в основном зависели только от относительного содержания воды в общем объеме смеси, а соотношение относительного содержания нефти и газа влияло на них незначительно, что достигается сочетанием малого диэлектрического зазора между обмоткой РВД и его корпусом с вводом дифференцирующей цепи с большой постоянной времени на выходе обмотки,4) the parameters of the probe unit and the output circuit of the winding are adjusted so that the resonant frequency and transmission coefficient selected for operation mainly depend only on the relative water content in the total volume of the mixture, and the ratio of the relative oil and gas content has little effect on them, which is achieved by a combination a small dielectric gap between the RVD winding and its housing with the input of a differentiating circuit with a large time constant at the output of the winding,
5) определение величины влагосодержания производят методом нахождения его по обобщенной градуировочной характеристике для текущих измеренных значений резонансной частоты и коэффициента передачи,5) the determination of the moisture content is carried out by the method of finding it according to the generalized calibration characteristic for the current measured values of the resonant frequency and transmission coefficient,
6) значения обобщенного параметра при измерении и при формировании обобщенных градуировочных характеристик определяют по формуле6) the values of the generalized parameter during measurement and during the formation of generalized calibration characteristics are determined by the formula
где измеренные значения резонансной частоты fрез, коэффициента передачи КЗБ и температуры Т при градуировке изделия измеряются для смесей воды с нефтью, а коэффициент пропорциональности Кf подбирают исходя из требований крутизны градуировочной характеристики влагомера.where the measured values of the resonant frequency f res , the transfer coefficient K ST and temperature T during calibration of the product are measured for mixtures of water with oil, and the proportionality coefficient K f is selected based on the requirements of the steepness of the calibration characteristics of the hygrometer.
Реализация данного способа может быть выполнена с частичным использованием устройства, защищенного в ближайшем аналоге настоящего изобретения - трехкомпонентном расходомере по патенту RU 2247947 C1 10.03.2005.The implementation of this method can be carried out with the partial use of a device protected in the closest analogue of the present invention - a three-component flow meter according to patent RU 2247947 C1 03/10/2005.
Так, во влагомере используют один из двух РВД, содержащихся в зондирующем блоке, и, соответственно, относящийся к нему канал в электронном блоке. Кроме того, с целью получения максимальной точности в измерении влагосодержания при независимости соотношения относительных объемных содержаний между собой нефти и газа устройство аналога было подвергнуто ряду изменений, которые и заявляются.So, in the hygrometer use one of the two RVD contained in the probe unit, and, accordingly, the channel related to it in the electronic unit. In addition, in order to obtain maximum accuracy in the measurement of moisture content with the independence of the ratio of relative volumetric contents of oil to gas, the analog device was subjected to a number of changes, which are claimed.
Изменения, проведенные с указанной целью получения минимальных погрешностей в измерении влагосодержания, состоят в оптимальном выборе диэлектрического зазора в РВД зондирующего блока и параметров электрической цепи на выходе его обмотки. Для достижения данного результата рекомендуется выполнять диэлектрический зазор наименьшим, но обеспечивающим величину крутизны градуировочной кривой, достаточной с точки зрения соотношения сигнал-шум, и в установке емкостей, значительно больших, чем при измерении всех трех составляющих среды, подбираемых по критерию наименьшей погрешности в измерении влагосодержания.Changes made for the indicated purpose of obtaining minimal errors in the measurement of moisture content consist in the optimal choice of the dielectric gap in the WFD of the probe unit and the parameters of the electrical circuit at the output of its winding. To achieve this result, it is recommended that the dielectric gap be kept as small as possible, but providing a steepness of the calibration curve sufficient from the point of view of signal-to-noise ratio, and in the installation of capacitances significantly larger than when measuring all three components of the medium selected by the criterion of the smallest error in measuring moisture content .
Кроме того, в электронном блоке добавляются интерфейсные связи для обмена сигналами управления переключателями потока (отсечными клапанами).In addition, interface communications are added to the electronic unit to exchange control signals for the flow switches (shut-off valves).
Технический результат в устройстве заключается в построении зондирующего блока с применением радиоволнового датчика в качестве первичного преобразователя влагосодержания трехкомпонентной смеси в резонансные частоты и амплитуды на них как промежуточные параметры для использования их в рабочем алгоритме изделия, в оптимальном выборе его конструктивных параметров, а также вида и параметров входных и выходных цепей обмотки возбуждения.The technical result in the device is to build a sounding unit using a radio wave sensor as a primary transducer of the moisture content of the three-component mixture into resonant frequencies and amplitudes on them as intermediate parameters for use in the product’s working algorithm, in the optimal choice of its design parameters, as well as the type and parameters the input and output circuits of the field winding.
В электронном блоке техническим результатом является оснащение его аналоговыми и интерфейсными портами для управления переключающими устройствами и отсечными клапанами для остановки потока в зондирующем блоке и для взаимодействия с контроллерами измерительных установок при использовании в них влагомера.In an electronic unit, the technical result is equipping it with analog and interface ports for controlling switching devices and shut-off valves for stopping the flow in the probing unit and for interacting with the controllers of the measuring units when using a moisture meter in them.
Рассмотрим более подробно состав и работу изделия, используя блок-схему с фиг.5, на которой представлены все элементы изделия за исключением искрозащитных барьеров между зондирующим блоком и электронным блоком, а также переключателей потока (отсечных клапанов), которые изображены на схеме установки зондирующего блока в трубопровод на фиг.6.Let us consider in more detail the composition and operation of the product using the block diagram of figure 5, which shows all the elements of the product except for the spark barriers between the probing unit and the electronic unit, as well as the flow switches (shut-off valves), which are shown in the installation diagram of the probing unit in the pipeline of Fig.6.
Устройство состоит из зондирующего блока 1 и электронного блока 2.The device consists of a
Зондирующий блок в свою очередь разделяется на две секции - секцию радиоволнового датчика (РВД) 3 и секцию датчиков давления и температуры (ДДТ) 4. Секция РВД содержит первичный преобразователь (обмотку) 5, входную цепь обмотки 6, выходную цепь обмотки 7. Секция ДДТ имеет в своем составе датчик давления 8 и датчик температуры 9.The probe unit, in turn, is divided into two sections - the section of the radio wave sensor (RVD) 3 and the section of pressure and temperature sensors (DDT) 4. The RVD section contains a primary transducer (winding) 5, the input circuit of the winding 6, the output circuit of the winding 7. Section DDT includes a pressure sensor 8 and a temperature sensor 9.
Электронный блок включает в себя: синтезатор частоты 10; усилитель 11, усилители-детекторы 12 и 13; плату аналогового ввода-вывода (ПАВ В) 14 с многоканальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и многоканальным цифроаналоговым преобразователем (ЦАП); модуль центрального процессора 15; интерфейсный модуль 16 (может входить в состав модуля центрального процессора).The electronic unit includes: a
Зондирующий блок и электронный блок непосредственно, либо через искрозащитные барьеры соединяются между собой двумя коаксиальными кабелями 17 и 18, а также двумя низкочастотными кабелями 19 и 20.The probe unit and the electronic unit are directly or via spark barriers interconnected by two
Основная секция ЗБ - радиоволновой датчик - представляет собой радиоволновый объемный ВЧ-резонатор. Первичным преобразователем РВД является обмотка зигзагообразной формы, выполненная способом печатного монтажа на тонкой стеклотекстолитовой плате. Толщина платы составляет 0.3-0.5 мм. Плата сгибается вдоль направления витков обмотки проводниками внутрь и крепится на внешней поверхности диэлектрической трубы толщиной 3-8 мм. Диэлектрическая труба с обмоткой отделена диэлектрическим (в частности, воздушным) зазором от металлического корпуса, играющего роль экрана резонатора. Внутренняя поверхность диэлектрической трубы, соприкасающаяся с протекающей по ней измеряемой смесью, должна быть из материала, стойкого как к механическому износу, так и к химическому воздействию со стороны смеси, а ее внутренний диаметр целесообразно иметь равным внутреннему диаметру основного трубопровода.The main section of the ST - the radio wave sensor - is a radio wave surround RF resonator. The primary converter of the WFD is a zigzag winding made by the method of printed circuit mounting on a thin fiberglass plate. The thickness of the board is 0.3-0.5 mm. The board bends along the direction of the winding turns with the conductors inward and is mounted on the outer surface of the dielectric pipe with a thickness of 3-8 mm. The dielectric pipe with the winding is separated by a dielectric (in particular, air) gap from the metal casing, which plays the role of a resonator screen. The inner surface of the dielectric pipe in contact with the measured mixture flowing through it should be made of a material that is resistant to both mechanical wear and chemical attack from the mixture, and its inner diameter should be equal to the inner diameter of the main pipeline.
Секция ДДТ 4 выделена отдельно от основной секции 3 и содержит вспомогательные датчики давления 8 и температуры 9.
Монтаж секций между собой, а также установка ЗБ на участке трубопровода с измеряемой смесью осуществляется с помощью фланцевых или быстроразъемных (конусно-фланцевых) соединений. Зондирующий блок должен устанавливаться на горизонтальный участок трубопровода.The sections are assembled together, as well as the ST installation in the pipeline section with the measured mixture is carried out using flange or quick disconnect (cone-flange) joints. The probe unit must be installed on a horizontal section of the pipeline.
Узлы электронного блока выполняют следующие функции.The nodes of the electronic unit perform the following functions.
С модуля центрального процессора 15 на вход управляемого синтезатора частот 10 поступает код частоты, лежащей в диапазоне рабочих частот изделия. Синтезатор выдает высокочастотный сигнал синусоидальной формы, частота которого практически мгновенно и с большой точностью соответствует заданному коду. Подходящими для использования в данном изделии являются синтезаторы фирмы ANALOG DEVICES, выполненные по технологии прямого цифрового синтеза (DDS) [например, AD9850, AD9851, AD9854].From the module of the
Сигнал с синтезатора 10 через усилитель 11 (опорный сигнал) подается на вход первичного преобразователя 5 (обмотка РВД), а также на вход одного из каналов ПАВВ 14 через усилитель-детектор 12.The signal from the
С выхода обмотки РВД сигнал поступает на вход второго канала ПАВВ 14 через усилитель-детектор 13.From the output of the RVD winding, the signal is fed to the input of the second SAWV channel 14 through the amplifier-detector 13.
Выходные сигналы с датчиков давления 8 и температуры 9 поступают для измерения на соответствующие каналы ПАВВ 14.The output signals from the pressure sensors 8 and temperature 9 are received for measurement on the corresponding channels SAW 14.
Усилитель 11 и усилители-детекторы 12 и 13 выбираются так, чтобы их АЧХ была горизонтальной в рабочем диапазоне частот изделия.The amplifier 11 and the amplifier-detectors 12 and 13 are selected so that their frequency response is horizontal in the operating frequency range of the product.
АЦП должны удовлетворять требованиям по точности и быстродействию. Так, для обеспечения измерения амплитуды в диапазоне -10 В ÷ +10 В с точностью 0.1% достаточно применить 12-разрядные АЦП с частотой выборок 40 килогерц, что легко осуществимо.ADCs must meet the accuracy and speed requirements. So, to ensure amplitude measurements in the range of -10 V ÷ +10 V with an accuracy of 0.1%, it is sufficient to use 12-bit ADCs with a sampling frequency of 40 kilohertz, which is easily feasible.
ЦАП предназначены для выдачи результатов измерений в виде аналоговых сигналов, например в виде напряжений, лежащих в диапазоне 0÷10 В. Для обеспечения точности выходного сигнала 0.1% достаточно 12-разрядного ЦАП.DACs are designed to provide measurement results in the form of analog signals, for example, in the form of voltages lying in the
Модуль центрального процессора 15 обеспечивает общее управление изделием и вычисления по заложенному в него алгоритму работы. Процессор должен иметь быстродействие не менее 40 МГц, объем оперативной памяти не менее 1 мегабайта, объем флэш-памяти не менее 2 мегабайт, параллельные и последовательные порты ввода-вывода.The
Интерфейсный модуль 16 обеспечивает связь изделия с верхним уровнем АСУТП непосредственно, либо через средства телекоммуникации. Модуль позволяет по линиям RS-232, RS-422 или RS-485 связаться с любым устройством, имеющим в своем составе соответствующие интерфейсы, а также подключить консоль оператора, матричную клавиатуру, знакосинтезирующие дисплеи, принтеры, НГМД.The interface module 16 provides the connection of the product with the upper level of the process control system directly or through telecommunications. The module allows using RS-232, RS-422 or RS-485 lines to communicate with any device that has the corresponding interfaces, as well as connect the operator’s console, matrix keyboard, character-synthesizing displays, printers, and hard disk drives.
В изделии возможно усреднение значений относительного содержания воды в смеси на заданном интервале времени (несколько циклов). Информация о мгновенных и усредненных значениях влагосодержания, а также любая другая информация может храниться в долговременной памяти изделия.In the product, it is possible to average the values of the relative water content in the mixture at a given time interval (several cycles). Information about the instantaneous and average values of moisture content, as well as any other information, can be stored in the long-term memory of the product.
ЛитератураLiterature
1. Поточный микроволновый влагомер OW-201. Патент США 5,101,163; Mar.31, 1992. Сайт в Интернете http://www.agar.ru/watercut_meters.html.1. In-line microwave hydrometer OW-201. U.S. Patent 5,101,163; Mar.31, 1992. Internet site http://www.agar.ru/watercut_meters.html.
2. Трехкомпонентный расходомер «Сател-РВ». Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостно-твердотельного потока и устройство для его осуществления. Патент РФ RU 2247947 C1, 10.03.2005, Бюл. №7.2. Three-component flowmeter "Satel-RV". A method for measuring the component flow rate of a three-component gas-liquid-solid-state flow and a device for its implementation. RF patent RU 2247947 C1, 03/10/2005, bull. Number 7.
3. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978.3. Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. High-frequency method for measuring non-electric quantities. M .: Nauka, 1978.
Claims (2)
где fград.w - значение резонансной частоты, соответствующей заполнению резонатора водой при градуировке; а
Kf - коэффициент пропорциональности, который подбирают, исходя из требований крутизны статической характеристики влагомера,
осуществляют запись в память электронного блока влагомера двух пар градуировочных характеристик, представляющих собой значения резонансной частоты и коэффициента передачи при температуре градуировки, полученные для разных градуировочных смесей на испытательном стенде при нескольких i-х значениях относительного содержания воды Vwi в смеси вода-нефть с непрерывной нефтяной фазой
где i - номер смеси, i=1÷Nн, а Nн - количество смесей для данной градуировки;
и при нескольких i-x значениях относительного содержания воды Vw.i с непрерывной водной фазой
где i - номер смеси, i=1÷Nв, a Nв - количество смесей для данной градуировки;
при каждом текущем измерении проводят корректировку градуировочных значений резонансных частот и коэффициентов передачи для всех градуировочных смесей под текущее значение температуры и рассчитывают для каждой градуировочной i-й смеси с относительным содержанием воды
на базе значений скорректированных обобщенных параметров (6) и (7) строят обобщенные интерполированные градуировочные характеристики, скорректированные под текущую температуру,
применяемую в «динамическом» режиме для сред с непрерывной нефтяной фазой, а также в случае смены типа среды в «статическом» режиме, и
применяемую в «статическом» режиме для сред с непрерывной водной фазой, где φн и φв - функции интерполяции,
вычисляют текущий обобщенный параметр Коб по откорректированной на температуру формуле (1)
по величине текущего обобщенного параметра с помощью одной из градуировочных характеристик для соответствующей непрерывной фазы определяют текущее значение величины влагосодержания, при этом период обновления результатов измерения влагосодержания на выходе влагомера составляет для «динамического» режима от 2 до 8 с, а для «статического» режима, если нет смены типа среды, измерения проводят в полностью или частично расслоившейся среде, спустя заданное в программе время от 15 до 60 мин, а если произошла смена типа среды, то через время порядка 60 с после остановки потока.1. A method of measuring the moisture content of a three-component mixture passing through a pipeline from a producing oil well or undergoing preliminary gas-liquid separation, which includes sensing the flow of the measured mixture by high-frequency electromagnetic waves in the operating frequency range of the radio wave sensor, made in the form of a volume high-frequency resonator, the inertia of which is compensated by differentiation its output signal, measuring the resonance frequency f res high volumetric D onatora and transmission coefficient K ST at the resonant frequency, as well as the temperature T, thus has two modes - a "dynamic", in mixtures with a continuous oil phase moving through the probe unit and the "static", while with the aqueous continuous phase mixtures, stopped in the probe unit, automatic transition from one mode to another by switching the flow from the channel with the moisture meter to the bypass channel and back based on the determination of the type of mixture in the "dynamic" mode, for which the resonance hour value is analyzed frequency, which should be higher than the minimum resonant frequency of the mixture with a continuous oil phase for operation in the "dynamic" mode, and lower for the transition to the "static" mode, while in the "static" mode, an additional analysis is carried out for the presence of a change in the type of mixture at the moment stops, the criterion of which is the large initial steepness of the transition process in combination with slow separation after reaching the maximum value, form a generalized parameter by the formula
where f deg.w is the value of the resonant frequency corresponding to filling the resonator with water during graduation; but
K f - the coefficient of proportionality, which is selected based on the requirements of the slope of the static characteristics of the moisture meter,
two pairs of calibration characteristics are recorded in the memory of the electronic unit of the moisture meter, which are the values of the resonance frequency and transmission coefficient at the calibration temperature obtained for different calibration mixtures on a test bench at several i-values of the relative water content V wi in a continuous water-oil mixture oil phase
where i is the mixture number, i = 1 ÷ N n , and N n is the number of mixtures for a given graduation;
and for several ix values of the relative water content V wi with a continuous aqueous phase
where i is the mixture number, i = 1 ÷ N in , and N in is the number of mixtures for a given graduation;
at each current measurement, the calibration values of the resonant frequencies and transmission coefficients for all calibration mixtures are adjusted to the current temperature value and calculated for each calibration i-th mixture with a relative water content
Based on the values of the adjusted generalized parameters (6) and (7), generalized interpolated calibration characteristics are constructed that are adjusted to the current temperature,
used in the "dynamic" mode for environments with a continuous oil phase, as well as in the case of changing the type of medium in the "static" mode, and
used in the "static" mode for media with a continuous aqueous phase, where φ n and φ in are interpolation functions,
calculate the current generalized parameter K about the temperature-adjusted formula (1)
by the value of the current generalized parameter, using one of the calibration characteristics for the corresponding continuous phase, the current value of the moisture content is determined, while the period of updating the results of measuring the moisture content at the output of the moisture meter is from 2 to 8 s for the “dynamic” mode, and for the “static” mode, if there is no change in the type of medium, measurements are carried out in a fully or partially stratified medium, after a time specified in the program from 15 to 60 minutes, and if there is a change in the type of medium, then after a while Dka 60 s after stopping the flow.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007137207/09A RU2386953C2 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007137207/09A RU2386953C2 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007137207A RU2007137207A (en) | 2009-04-20 |
| RU2386953C2 true RU2386953C2 (en) | 2010-04-20 |
Family
ID=41017255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007137207/09A RU2386953C2 (en) | 2007-10-09 | 2007-10-09 | Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2386953C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU169540U1 (en) * | 2015-03-17 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | FLOW MICROWAVE HUMIDIFIER |
| RU2695957C1 (en) * | 2018-11-29 | 2019-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственное Предприятие Автоматики и Метрологии" (ООО НПП "АМ") | Method of determining volume fractions of water and free gas in a stream of crude oil and a measuring system for its implementation |
| RU2765799C1 (en) * | 2020-12-15 | 2022-02-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container |
-
2007
- 2007-10-09 RU RU2007137207/09A patent/RU2386953C2/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU169540U1 (en) * | 2015-03-17 | 2017-03-22 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы" | FLOW MICROWAVE HUMIDIFIER |
| RU2695957C1 (en) * | 2018-11-29 | 2019-07-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-Производственное Предприятие Автоматики и Метрологии" (ООО НПП "АМ") | Method of determining volume fractions of water and free gas in a stream of crude oil and a measuring system for its implementation |
| RU2765799C1 (en) * | 2020-12-15 | 2022-02-03 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Apparatus for measuring the position of the interfaces between the components of a three-component medium in a container |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007137207A (en) | 2009-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2397482C1 (en) | Method of measuring moisture content of three-component mixtures from producing oil wells using permittivity and electroconductivity and device for realising said method | |
| US5597961A (en) | Two and three phase flow metering with a water cut monitor and an orifice plate | |
| RU2122722C1 (en) | Tester determining multicomponent composition and process of current check using measurement of impedance | |
| EP2920558B1 (en) | Multi-phase flow metering system | |
| CA2572955C (en) | A method and apparatus for measuring the composition and water salinity of a multiphase mixture containing water | |
| CA2617186C (en) | A method and apparatus for measuring the water conductivity and water volume fraction of a multiphase mixture containing water | |
| EP2732249B1 (en) | Vibratory meter and method for determining resonant frequency | |
| CA2117786C (en) | A hydrocarbon mass flow meter | |
| RU2535637C1 (en) | System with multiple temperature sensors | |
| RU2499229C2 (en) | Method and apparatus for determining composition and flow rate of wet gas | |
| US5576974A (en) | Method and apparatus for determining watercut fraction and gas fraction in three phase mixtures of oil, water and gas | |
| EP1173734A1 (en) | Measuring multiphase flow in a pipe | |
| RU2386953C2 (en) | Method for measurement of moisture content in three-component mixtures from producing oil wells and device for its realisation | |
| RU2678955C1 (en) | Method of moister content measuring and sampling in three-component mixtures from extracting oil wells and device for its implementation | |
| Karimi et al. | Extended throat venturi based flow meter for optimization of oil production process | |
| EA024819B1 (en) | Device for determining a component composition of a downhole fluid | |
| US5239862A (en) | Apparatus and method for measuring fluid properties | |
| RU2247947C1 (en) | Method and device for measuring three-phase fluid flow rate | |
| Yang et al. | The design, development, and field testing of a water-cut meter based on a microwave technique | |
| RU2665758C2 (en) | Device for measuring mass flow, molecular weight and humidity of gas | |
| RU2569180C1 (en) | Method of flow measuring of water part in mixture with hydrocarbon liquid and device for its realisation | |
| RU2611439C1 (en) | Method for measuring composition of two-phase substance in the stream | |
| RU2315960C2 (en) | Method and device for measuring parameters of flowing multi-component fluids | |
| Sharma et al. | Recent advances in water cut sensing technology: Chapter 4 | |
| Kite | Instrumentation for Simplified Commingling and Well-Testing Operations |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160726 |
|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20210415 |