DE69006866T2

DE69006866T2 - Mikrowellen-Überwachungsgerät von Wassergehalt.

Info

Publication number: DE69006866T2
Application number: DE69006866T
Authority: DE
Inventors: Earl Leonard Dowty; Michael Gregory Durrett; Gregory John Hatton; David Albert Helms; John David Marrelli
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1989-02-23
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2010-02-02
Also published as: DK0384593T3; JP3044379B2; CA2005671C; JPH02298843A; KR900013304A; AU614216B2; US4947127A; NO900844L; AU4997790A; DE69006866D1; NO300658B1; MX168480B; KR0156928B1; CA2005671A1; EP0384593A1; NO900844D0; ES2050946T3; EP0384593B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Wasseranteils in einem Strom von Rohöl, im folgenden kurz als Mikrowellen-Wasseranteilmonitor bezeichnet.
Die US-A-4 499 418 beschreibt einen Rohölstrom- Mikrowellen-Wasseranteilmonitor mit:
- einer Prüfzelle, die dazu eingerichtet ist, es einem Probenstrom eines Rohölstroms zu erlauben, durch diesen zu fließen,
- einer Quelle zur Erzeugung von Mikrowellenenergie;
- ersten Antennenmitteln, die mit der Quelle zur Übertragung von Mikrowellenenergie in den Probenstrom verbunden sind,
- zweiten Antennenmitteln zum Aufnehmen der Mikrowellenenergie, die den Prüfstrom passiert hat und zum Aufbereiten der empfangenen Mikrowellenenergie als Prüf-Mikrowellenenergie;
- Phasendifferenzmittel, die angeordnet sind, um ein Signal zu schaffen, das die Phasendifferenz zwischen der ausgesandten Mikrowellenenergie und der empfangenen Mikrowellenenergie wiedergibt; und
- Rechenmittel, die dazu eingerichtet sind, eine Angabe des Wasseranteils in dem Rohöl-Strom in Übereinstimmung mit dem Phasendifferenzsignal zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß:
die Prüfzelle dazu eingerichtet ist, um auch eine Probe eines mehrphasigen Bezugs-Erdölfluids aufzunehmen;
das erste Antennenmittel dazu eingerichtet ist, die Mikrowellenenergie in wahlweise den Probenstrom oder die Bezugsprobe zu richten;
wobei das zweite Antennenmittel dazu eingerichtet ist, Mikrowellenenergie aufzunehmen, die den Probenstrom oder die Bezugsprobe passiert hat;
ein Detektor mit dem zweiten Antennenmittel verbunden ist, um die Leistung der Prüf-Mikrowellenenergie zu erkennen und ein diese wiedergebendes Leistungssignal zu schaffen; und
das Rechenmittel mit dem zweiten Antennenmittel, mit der Quelle und mit dem Detektor verbunden ist, um die Angabe des Wasseranteils des Rohölstroms in Abhängigkeit von dem Phasendifferenzsignal und dem Leistungssignal von dem Probenstrom zu schaffen, daß als Grundlinien-Phasendifferenz angesehen wird, und Leistungssignalen von der Bezugsprobe.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird jetzt beispielhaft unter Bezugnahme auf die Beiliegenden Zeichnungen erläutert, dabei zeigt bzw. zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Blockdarstellung und eine teilweise schematische Darstellung eines Mikrowellen-Wasseranteilmonitors, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist,
Fig. 2 eine vereinfachte Blockdarstellung der in Fig. 1 dargestellten Prüfvorrichtung,
Fig. 3 die Prüfzelle von Fig. 2, und
Fig. 4 und 5 Schnitte entlang der Linien 4-4 und 5-5 der in Fig. 3 gezeigten Prüfzelle.
Der in Fig. 1 dargestellte Wasseranteil-Monitor weist einen Mikrowellen-Sender 3 auf, der elektromagnetische Energie, die im folgenden als Mikrowellenenergie bezeichnet wird, mit einer Mikrowellenfrequenz aussendet, auf. Der Sender 3 hat eine geringe Leistung und kann eine Mikrowellen-Kanonenquelle verwenden. Der Sender 3 liefert Mikrowellenenergie an einen Richtungskoppler 4. Der Richtungskoppler 4 liefert Mikrowellenenergie an einen spannungsgesteuerten Phasenschieber 5 und die Prüfvorrichtung 8. Die Übertragung der Mikrowellenenergie wird durch Verwendung von Wellenführungen und Koaxialkabel durchgeführt.
Die Prüfvorrichtung 8 hat eine Leitung 10, die einen Prüfstrom eines mehrphasigen Rohölstroms führt, der in die Vorrichtung 8 eintritt. Der Probenstrom verläßt die Prüfvorrichtung 8 über eine Leitung 11. Die Vorrichtung 8 wird im folgenden eingehender beschrieben. Es ist hier ausreichend, daß die Mikrowellenenergie, die die Prüfvorrichtung 8 verläßt, im folgenden als Prüf- Mikrowellenenergie bezeichnet wird, eine Mikrowellenenergie ist, die entweder den Prüfstrom oder eine Bezugsprobe passiert hat. Die Prüf-Mikrowellenenergie wird auf einen Richtungskoppler 18 aufgetracht. Der Richtungskoppler 18 versorgt einen Detektor 22 und einen Mischer 28 mit Prüf-Mikrowellenenergie. Der Detektor 22 erzeugt ein Signal E1, das der Leistung entspricht, d. h. der Intensität der Prüf-Mikrowellenenergie von der Prüfvorrichtung 8.
Der spannungsgesteuerte Phasenschieber 5 erzeugt Mikrowellenenergie, die im folgenden als Bezugs-Mikrowellenenergie bezeichnet wird, für den Mischer 28, der die Bezugs-Mikrowellenenergie mit der Prüf-Mikrowellenenergie vermischt, um zwei elektrische Signale E2, E3, zu schaffen, die den Phasen der Bezugs-Mikrowellenenergie und der Prüf-Mikrowellenenergie entsprechen.
Ein Differenzverstärker 30 liefert ein Ausgangssignal E0 in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen den Signalen E2 und E3. Das Signal E0 ist eine Funktion der Phasendifferenz zwischen der Bezugs-Mikrowellenenergie und der Prüf-Mikrowellenenergie und wird einem Rückführ-Netzwerk 34 zugeführt. Das Rückführ-Netzwerk 34 erzeugt ein Signal C für den spannungsgesteuerten Phasenschieber 5 unter Kontrolle der Phase der Bezugs- Mikrowellenenergie, und für einen Kleinrechner 40. Das Signal E0 und danit das Signal C nehmen in ihre Amplitude ab, bis eine Phasendifferenz von etwa 90º zwischen der Bezugs-Mikrowellenenergie und der Prüf-Mikrowellenenergie vorliegt. Der spannungsgesteuerte Phasenschieber 5 gibt den Betrag der Phasenschiebung an, die erforderlich ist, um die Phasendifferenz zu eleminieren.
Die Signale E1, C und T (die Temperatur der Prüfzelle wie unten beschrieben) werden dem Kleinrechner 40 zugeführt, der einen Speicher aufweist, der Daten beinhaltet, die sich auf die Phase und die Leistung für verschiedene Prozentsätze des Wasseranteils, die in dem Produktionsstrom beobachtet werden können, beziehen. Der Phasenschieber 5 erzeugt weiter ein Freigabesignal an den Rechner 40 und erlaubt es dem Rechner 40 die Signale T, C und E1 zu verwenden, in den geeigneten Wasseranteilwert auszubilden. Der Rechner 40 erzeugt Signale, die dem gewählten Wasseranteilwert entsprechen, für ein Auslesemittel 44, das entweder ein Display oder aber ein Aufzeichnungsmittel oder eine Kombination aus beidem sein kann.
Fig. 1 und 2 verdeutlichen, daß die Prüfvorrichtung 8 eine Prüfzelle 53 aufweist. Die Prüfzelle wird im folgenden näher beschrieben. Mikrowellenenergie von dem Richtungskoppler 4 erreicht Schaltmättel 58, die die Prüfzelle 53 entweder über eine Leitung 62 oder eine Leitung 64 mit Mikrowellen versorgen. Die Leitung 62 führt die Mikrowelle zu einer Antenne 63, die die Mikrowellenenergie in den Prüfstrom ausstrahlt. Wenn die Mikrowellenenergie von der Leitung 64 geführt wird, wird diese entsprechend zu einer Antenne 65 geführt. Die Antenne 65 strahlt die Mikrowellenenergie in die Bezugsprobe aus. Die Leitung 66 trägt die Prüf- Mikrowellenenergie, die von einer Antenne 67 empfangen worden ist, nachdem diese den Prüfstrom passiert hat. Entsprechend führt die Leitung 69 Mikrowellenenergie, die von einer Antenne 70 aufgenommen worden ist, nachdem diese die Bezugsprobe passiert hat. Schaltmittel 72 nehmen die Prüf-Mikrowellenenergie entweder von der Leitung 66 oder der Leitung 69 auf und führen diese zu dem Richtungskoppler 18.
Eine Bezugsprobenquelle 77 liefert das Bezugsprobenfluid an die Prüfzelle 53 über eine Lettung 80, die mit einem Ventil 84 versehen ist. Ein Kanal in der Prüfzelle 53 verbindet die Leitung 80 mit einer anderen Leitung 88, die mit einem Ventil 90 versehen ist. Bei Betrieb liefert die Quelle 77 das Bezugsfluid durch die Prüfzelle 53. Eine Messung könnte durchgeführt werden, während dieses strömt oder das Prüffluid könnte durch Schließen des Ventils 90 in einem Ruhezustand in der Prüfzelle 53 gehalten werden, bis der Kanal in der Prüfzelle 53 vollständig gefüllt ist. Um das Bezugs- Prüffluid aus der Prüfzelle 53 abzuführen, wird das Ventil 84 geschlossen, wenn das Ventil 90 geöffnet wird.
Fig. 3 verdeutlicht, daß die Prüfzelle 53 Mikrowellenenergieeingänge 95 und 98 hat. Auf der anderen Seite der Prüfzelle 53 sind, wie gestrichelt dargestellt, Mikrowellenausgänge 105 und 108 vorhanden. Ein Mikrowellenkanal 110 verbindet den Mikrowelleneingang 95 und den Mikrowellenausgang 105. Ein Mikrowellenkanal 112 verbindet in ähnlicher Weise den Mikrowelleneingang 98 mit dem Mikrowellenausgang 108.
Fig. 3 zeigt weiter Fluidkanäle 116 und 120. Da die Fluidkanäle 116 und 120 in dieser Ansicht der Prüfzelle 53 übereinanderliegen, sind diese nur durch einen Satz von gestrichelten Linien wiedergegeben. Dies ist besser in Fig. 4 erkennbar, die eine geschnittene Ansicht der Prüfzelle 53 in Richtung der Pfeile 4-4 zeigt. Dort ist ein Körper 125 wiedergegeben, der aus einem Metall gefertigt sein kann, mit Fluidkanälen 116 und 120, die durch diesen in Längsrichtung verlaufen und Mikrowellenkanäle 110 und 112 für die Mikrowellenenergie quer durch diesen geschnitten. Es ist weiter zu beachten, daß die Kanäle 110 und 112 als zueinander versetzt dargestellt sind. Dies ist jedoch für die Ausführung der Erfindung nicht erforderlich.
Es ist weiter zu beachten, daß die Fluidkanäle 116, 120 einen rechteckigen Querschnitt haben, so daß die Mikrowellenenergie, die die Fluide passiert, immer denselben Passierabstand haben.
Fig. 5 zeigt eine Ansicht der Prüfzelle 53 entlang der Leitung in Richtung von 5-5, gezeigt in Fig. 3. Der Kanal 110 ist mit einem festen Material 130 gefüllt, etwa einem Polytetrafluoroethylen von hoher Dichte, das für Mikrowellenenergie leitfähig ist, mit Ausnahme des Abschnitts des Kanals 110, der einen Querschnitt des Fluidkanals 116 bildet. In den Körper 125 ist ein Mikrowelleneingang 95 eingeschnitten. Weiter ist eine andere Kammer 134 vorgesehen, die den Mikrowelleneingang 95 verbindet und in das Material 130 in dem Kanal 110 eintritt. Dies dient zum Einbringen einer Mikrowellenantenne 63, bei der es sich um die käuflich erhältliche Antenne von Omni Spectra, Teil Nr. 2057-5134-02 handeln kann, für die vorliegende Erfindung leicht abgewandelt. Entsprechend ist ein Mikrowellenausgang für die Antenne 67 mit einer zusätzlichen Kammer 135 dargestellt, die in das Material 130 eintritt. Dies dient wiederum zu dem Zweck der Beobachtung des Probenstroms. Grundsätzlich ist diese von demselben Antennentyp wie diejenige, die in den Eingangsanschluß 95 eingebracht ist, jedoch für die vorliegende Erfindung wiederum abgewandelt. Die Mikrowellenenergie erreicht bei Aufbringen auf die Antenne 63 das Material 130 und wird in einen Querkanal 116 gerichtet, bis sie die Antenne 67 erreicht, die in den Ausgangsanschluß 105 eingesetzt ist.
Es wird jetzt auf die Fig. 2 Bezug genommen. Leitungen 10 und 11 sind in üblicher Weise mit den Kanal 116 verbunden, so daß der Probenstrom in der Leitung 10 durch die Prüfzelle 53 zu der Leitung 11 fließt. In ähnlicher Weise sind die Leitungen 80 und 88 mit dem Fluidkanal 120 derart verbunden, daß der Prüfstrom in der Leitung 80 den Fluidkanal 120 erreicht und aus der Zelle 53 durch die Leitung 88 austritt. In ähnlicher Weise ist die Antenne 65 in dem Eingangsanschlur 98 mit der Leitung 64 verbunden und die Antenne 70 in dem Ausgangsanschluß 108 ist mit der Leitung 69 verbunden.
in Fig. 3 ist erkennbar, daß ein Temperatursensor 140, der ein Thermoelement ist, in eine Kammer eingesetzt ist, die in den Block 125 eingeschnitten ist, und so die Temperatur des Blocks 125 als Temperatur des Bezugsfluids oder des Produktionsstromprobe liest.

Claims

1. Rohölstrom-Mikrowellenwasseranteilmonitor mit:

- einer Prüfzelle (53), die dazu angeordnet ist, es einem Rohölstrom zu erlauben, diese zu durchströmen;

- eine Quelle (3) zum Liefern von Mikrowellenenergie;

- einem ersten Antennenmittel (63), das mit der Quelle (3) verbunden ist, um Mikrowellenenergie in den Prüfstrom zu übertragen;

- zweite Antennenmittel (67) zum Empfangen von Mikrowellenenergie, die den Prüfstrom passiert hat und zum Aufbereiten der empfangenen Mikrowellenenergie als Prüf-Mikrowellenenergie;

- Phasendifferenzmittel (30), die dazu eingerichtet sind, ein Signal (E0) zu schaffen, das die Phasendifferenz zwischen der ausgesendeten Mikrowellenenergie und der empfangenen Mikrowellenenergie wiedergibt; und

- ein Rechenmittel (5, 34, 40, 44) das dazu eingerichtet ist, eine Aussage über den Wasseranteil in dem Rohölstrom in Abhängigkeit von dem Phasendifferenzsignal (E0) zu geben;

dadurch gekennzeichnet daß

- die Prüfzelle weiter dazu eingerichtet ist, eine mehrphasige Fluidprobe eines Bezugs-Rohöls aufzunehmen;

- das erste Antennenmittel (63, 65) dazu eingerichtet ist, die Mikrowellenenergie wahlweise in den Prüfstrom und die Bezugsprobe zu übertragen;

- das zweite Antennenmittel (67, 70) dazu eingerichtet ist, die Mikrowellenenergie aufzunehmen, die den Prüfstrom oder die Bezugsprobe passiert hat;

- ein Detektor (22) mit dem zweiten Antennenmittel (67, 70) verbunden ist, um die Leistung der Prüf- Mikrowellenenergie zu erkennen und ein Leistungs Signal (E1) zu erzeugen, das diesem entspricht; und

- das Rechenmittel (5, 34, 40, 44) mit dem zweiten Antennenmittel (67, 70), mit der Quelle (3) und mit dem Detektor (23) verbunden ist, um die Angabe des Wasseranteiles des Rohölstromes in Abhängigkeit von dem Phasendifferenzsignal (E0) und dem Leistungs- Signal (E1) aus dem Probenstrom zu erzeugen, definiert als Grundlinien-Basendifferenz und Leistungs-Signal (E0, E1) aus der Bezugsprobe.

2. Ein Monitor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

- ein Mittel (140) zum Messen der Temperatur der Bezugsprobe und des Probenstroms zum Schaffen dieser entsprechenden Temperatursignale (T); und

- wobei das Rechenmittel (5, 34, 40, 44) dazu eingerichtet ist, die Angabe des Wasseranteils auch in Abhängigkeit von den Temperatursignalen (T) zu erzeugen.

3. Ein Monitor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfzelle (53) aufweist:

- einen Körper (125) mit zwei Kanälen (116, 120) in diesem für eine Fluidpassage und zwei Kanäle (110, 112) zur Mikrowellenenergie-Passage;

- eine Fluidquelle (77) zur Zuführung der Bezugsprobe zu einer der Fluidkanäle (120);

- Mittel (10) zur Aufnahme des Probenstroms und zu dessen Zuführen zu dem anderen Fluidkanal (116);

- Mittel (11) zum Ermöglichen eines Austritts des Probenstroms aus den Körper; und

- wobei der eine Fluidkanal (116) und der andere Mikrowellenkanal (110) einander rechtwinklig schneiden und der andere Fluidkanal (120) und der andere Mikrowellenkanal (112) einander rechtwinklig schneiden.

4. Ein Monitor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Mikrowellenkanal (110, 112) ein Material (130) aufweist mit Ausnahme des Abschnitts des Mikrowellenkanals, der einen Fluidkanal schneidet, wobei das Material für ein Fluid undurchlässig ist, jedoch die Passage von Mikrowellenenergie erlaubt.

5. Ein Monitor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Material in dem Mikrowellenkanal Polytetrafluoroethylen ist.

6. Ein Monitor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Antennenmittel (63, 65) aufweist:

- eine erste Sendeantenne (63), die mit Abstand von einem der Mikrowellenkanäle (110) angeordnet ist, um Mikrowellenenergie in den einen Mikrowellenkanal einzubringen;

- eine zweite Sendeantenne (65), die mit Abstand von dem anderen Mikrowellenkanal (112) angeordnet ist zum Übertragen von Mikrowellenenergie in den anderen Mikrowellenkanal; und

- erste Schaltmittel (58), die mit dar Quelle (3) und der ersten und der zweiten Sendeantenne (63, 65) verbunden ist zur Zuführung von Mikrowellenenergie, die von der Quelle stammt, entweder zu der ersten Sendeantenne oder zu der zweiten Sendeantenne; und

- das zweite Antennenmittel (67, 70) aufweist;

- eine erste Empfangsantenne (67), die mit Abstand von dem einen Mikrowellenkanal (110) angeordnet ist;

- eine zweite Empfangsantenne (70) die mit Abstand dem anderen Mikrowellenkanal (112) angeordnet ist; und

- zweite Schaltmittel (72), die mit der ersten und der zweiten Empfangsantenne (67, 70) verbunden sind und mit dem ersten Schaltmittel (58) zusammenwirkt, um Mikrowellenenergie, die ein Fluid passiert und von einer Empfangsantenne empfangen worden ist, zu dem Detektor (22) und dem Rechenmittel (5, 34, 40, 44) zu führen.