DE69126121T2

DE69126121T2 - Doppelfrequenzmikrowellengerät und Verfahren zur Überwachung des Wasserprozentsatzes

Info

Publication number: DE69126121T2
Application number: DE69126121T
Authority: DE
Inventors: Michael Gregory Durrett; Gregory John Hatton; David Albert Helms
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: ES2101717T3; DE69126121D1; US5014010A; EP0501051B1; EP0501051A1; DK0501051T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zum Bestimmen des Wasseranteils, d. h. des Volumen-Prozentanteils Wassergehalt, in einem Erdölstrom.
Die EP-A-0 384 593 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen des Volumen-Prozentanteils Wassergehalt in einem Erdölstrom, mit:
einer Quelle zum Zuführen von Mikrowellenenergie;
einer Antenneneinrichtung zum Übertragen der Mikrowellenenergie, die von der Quelle geliefert wird, in den Strom und zum Empfangen von Prüf-Mikrowellenenergie, die entweder von dem Strom zurückreflektiert worden ist oder durch den Strom durchgelassen worden ist;
einem Detektor, der auf die Prüf-Mikrowellenenergie anspricht, um ein Intensitätssignal zu liefern, das repräsentativ für die Intensität der Prüf-Mikrowellenenergie ist;
eine Phasendifferenzeinrichtung, die auf die zugeführte Mikrowellenenergie und auf die Prüf-Mikrowellenenergie anspricht, wobei die Phasendifferenzeinrichtung einen spannungsgesteuerten Phasenschieber zum Verschieben der Phase der zugeführten Mikrowellenenergie entsprechend einem Phasenverschiebungssignal, um Referenz-Mikrowellenenergie zu liefern, und eine Differenzeinrichtung, die auf die Prüf-Mikrowellenenergie und auf die Referenz-Mikrowellenenergie anspricht, um das Phasenverschiebungssignal als die Phasendifferenz zwischen der Prüf- und der Referenzenergie zu liefern, bis es im wesentlichen eine Phasendifferenz von 90º gibt, woraufhin der Phasenschieber ein Freigabesignal liefert, aufweist;
einem Temperatursensor, um ein Temperatursignal zu liefern, das repräsentativ für die Temperatur des Erdölstroms ist; und
einer Anzeigeeinrichtung, die mit dem Detektor, dem Phasenschieber, der Phasendifferenzeinrichtung und dem Temperatursensor verbunden ist, um eine Angabe des Prozentanteils Wassergehalt entsprechend dem Intensitätssignal, dem Phasenschiebersignal und dem Temperatursignal zu liefern.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Quelle so ausgelegt ist, daß sie Mikrowellenenergie bei einer ersten und zweiten Frequenz, die unterschiedlich sind, liefert; und
die Anzeigeeinrichtung eine gespeicherte Tabelle von Phasenverschiebungen jeweils der ersten und zweiten Frequenzen enthält, um somit die Mehrdeutigkeit auflösen zu können, wenn das Phasendifferenzsignal eine richtige Phasenverschiebung plus einem ganzzahligen Vielfachen von 360º darstellen kann.
Die US-A-4 812 739 beschreibt die Verwendung von ersten und zweiten Mikrowellenstrahlen, die sich in der Frequenz, dem Empfangsort oder beidem unterscheiden, mit dem besonderen Ziel, das Durchlaufen großer Wasserstöße zu erfassen.
Die Antenneneinrichtung kann eine Antenne enthalten, die dazu ausgelegt ist, eine ausgewählte der zugeführten Mikrowellenenergie in den Strom zu übertragen und um Prüf-Mikrowellenenergie zu empfangen, die von dem Strom zurückreflektiert worden ist, und es ist auch eine Richtungsgabel vorgesehen, der mit der Quelle und der Antenne verbunden ist, um Energie von der Quelle zu der Antennne zu leiten und um Energie von der Antenne zu dem Detektor zu leiten.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Antenneneinrichtung eine Antenne, die dazu ausgelegt ist, Prüf-Mikrowellenenergie zu empfangen, die sich durch den Strom fortgepflanzt hat, und um die Prüf-Mikrowellenenergie zu dem Detektor zu führen.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun beschrieben werden, beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung, die ein vereinfachtes Blockschaubild einer Mikrowellenüberwachungseinrichtung für den Wasseranteil entsprechend der Erfindung ist.
Die Überwachungseinrichtung für den Wasseranteil, die in der Zeichnung gezeigt ist, umfaßt eine Mikrowellenquelle 3 zum Liefern von Mikrowellenenergie bei zwei Mikrowellenfrequenzen. Bevorzugte Frequenzen von 10.119 GHZ und 10.369 GHz werden verwendet, obwohl das wahre Kriterium das ist, daß es einen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Frequenzen gibt. Die Quelle 3 hat niedrige Leistung und kann eine Mikrowellenkanonenquelle benutzen. Die Quelle 3 liefert die Mikrowellenenergien an Schalteinrichtungen 4 über Mikrowellenleiter 5 und 6. Die Schalteinrichtung 4 wird durch ein Signal E1 gesteuert, so daß die Mikrowellenenergie entweder von dem Leiter 5 oder 6 durchgeleitet und zu einem Richtungskoppler 7 geliefert wird. Der Richtungskoppler 7 liefert die ausgewählte Mikrowellenenergie an eine Richtungsgabel 8 und an einen herkömmlichen spannungsgesteuerten Phasenschieber 9. Alles Leiten oder Übertragen von Mikrowellenenergie wird durch Verwenden herkömmlicher Wellenleiter erreicht.
Die Richtungsgabel 8 liefert Mikrowellenenergie an eine Antenne 12. Die Antenne 12 liefert die Mikrowellenenergie durch ein Fenster 14, das aus einem leitenden keramischen Material oder Teflon hergestellt sein kann, in einen Erdölstrom, der wenigstens Öl und Wasser enthält, welcher durch ein Rohr 17 läuft. Das Rohr 17 kann ein Teil einer Pipeline mit Fenstern-14 sein, oder es kann aus dem "Fenster"-Material bestehen. Die Mikrowellenenergie, die von der Antenne 12 geliefert wird, läuft durch den Erdölstrom und ein weiteres Fenster 14 und wird von einer Antenne 20 empfangen. Die Antenne 20 liefert die empfangene Mikrowellenenergie an eine Schalteinrichtung 24, die wiederum die empfangene Mikrowellenenergie als Prüf-Mikrowellenenergie an einen Richtungskoppler 28 liefert, wie es hiernach erläutert wird. Der Richtungskoppler 28 liefert die Prüf-Mikrowellenenergie an einen Detektor 32 und an einen Mischer 34. Der Detektor 32 liefert ein Signal E2, das der Intensität der Mikrowellenenergie entspricht, welche von der Antenne 20 empfangen worden ist.
Der Erdölstrom reflektiert auch etwas von der Mikrowellenenergie zurück zur Antenne 12, die durch die Antenne 12 zu der Richtungsgabel 8 zurückläuft. Die Richtungsgabel 8 blockt die reflektierte Mikrowellenenergie davon ab, zu der Quelle 3 zurückgespeist zu werden, und gibt die reflektierte Mikrowellenenergie an die Schalteinrichtung 24. Reflektierte Mikrowellenenergie wird wichtiger, wenn die Entfernung zwischen den Antennen 12 und 20 zunimmt. Dies ist insbesondere richtig, wenn eine große Pipeline, die den Erdölstrom transportiert, überwacht wird.
Eine positive Gleichspannung +V wird an einen Schalter 36 gegeben, der mit der Schalteinrichtung 24 verbunden ist. Wenn der Schalter 36 offen ist, liefert die Schalteinrichtung 24 Mikrowellenenergie von der Antenne 20 als Prüf-Mikrowellenenergie. Wenn der Schalter 36 geschlossen ist, wird die reflektierte Mikrowellenenergie von der Richtungsgabel 8 von der Schalteinrichtung 24 als die Prüf-Mikrowellenenergie bereitgestellt.
Die Mikrowellenenergie von dem spannungsgesteuerten Phasenschieber 9, hiernach Referenz-Mikrowellenenergie genannt, und die Prüf-Mikrowellenenergie von dem Richtungskopppler 28 werden an den Mischer 34 gegeben, der sie mischt, um zwer elektrische Signale E3, E4 zu bilden, die jeweils repräsentativ für die Phasen der Referenz-Mikrowellenenergie und der Prüf- Mikrowellenenergie sind.
Ein Differentialverstärker 40 bildet ein Ausgabesignal E0 entsprechend der Differenz zwischen den Signalen E3 und E4. Das Signal E0 ist eine Funktion der Phasendifferenz zwischen der Referenz-Mikrowellenenergie und der Prüf-Mikrowellenenergie und wird an ein Rückkopplungsnetzwerk 44 geliefert. Das Rückkopplungsnetzwerk 44 liefert ein Signal C an den spannungsgesteuerten Phasenschieber 9, welcher die Phase der Referenz- Mikrowellenenergie steuert, und an eine Minicomputereinrichtung 50. Das Signal E0 und somit das Signal C nimmt in der Amplitude ab, bis es eine Phasendifferenz von im wesentlichen 90º zwischen der Referenz-Mikrowellenenergie und der Prüf-Mikrowellenenergie gibt. Der spannungsgesteuerte Phasenschieber 9 gibt den Betrag an Phasenverschiebung an, der erforderlich ist, die Phasendifferenz auszuschalten.
Das Signal E2 von dem Detektor 32 wird auch an die Computereinrichtung 50 geliefert, die eine Speichereinrichtung enthält mit Daten, die zu der Temperatur und Phase und Amplitude für verschiedene Prozentsätze von Wasseranteilen umfaßt, denen man bei dem Produktionsstrom gegenüberstehen könnte. Es ist entdeckt worden, daß die Phasendifferenz für Messungen in einem Fluidstrom unter bestimmten Umständen 360º überschreiten können. Diese Umstände schließen Fälle ein, in denen die Dielektrizität des Stromes groß ist, zum Beispiel, wenn der Prozentsatz des Wassers in dem Erdöl groß ist und wenn die Emulsion wasserkontinuierlich ist, und in Fällen, in denen die Entfernung zwischen den Antennen groß ist, wie in dem Fall, wenn man größere Rohre 17, siehe Figur 1, benutzt.
In den Fällen kann die wahre Phasenverschiebung die gemessene Phasenverschiebung plus irgendeinem ganzzahligen Vielfachen von 360º sein. Die vorliegende Erfindung löst diese Mehrdeutigkeit auf, indem das Erdöl bei zwei wesentlich unterschiedlichen Frequenzen überwacht wird, der Hauptfrequenz f&sub1; und einer Sekundärfrequenz f&sub2; und indem die Differenz der gemessenen Phasenverschiebung (Phase 1 - Phase 2) bei den beiden Frequenzen gemessen wird, um das genaue ganzzahlige Vielfache zu bestimmen, das zu verwenden ist, wenn die wahre Phasenverschiebung berechnet wird. Die richtige ganze Zahl wird aus einer Tabelle gewählt, die aus der Kenntnis der Frequenzen, die beteiligt sind, erzeugt wird. Die maximal mögliche Größe der ganzen Zahl, die aufgelöst werden kann, ist durch die Trennung der Frequenzen f&sub1; und f&sub2; begrenzt. Im vorliegenden Fall kann eine Größe der ganzen Zahl bis zu 40 aufgelöst werden. Die Verringerung der Frequenztrennung würde die Größe der maximalen ganzen Zahl erhöhen, die weiter nur durch die Auflösung der Phasenverschiebungsmessung begrenzt ist.
Ein Temperatursensor 52, der die Temperatur des Ölstroms in dem Rohr 17 abfühlt, liefert ein Signal T an die Computereinrichtung, das repräsentativ für die abgefühlte Temperatur ist.
Der Phasenschieber 9 liefert auch ein Freigabesignal an die Computereinrichtung 50, welches es der Computereinrichtung 50 erlaubt, die Signale T, C und E2 zu benutzen. Die Computereinrichtung 50 liefert auch das Signal E1 an die Schalteinrichtung 4, so daß die Computereinrichtung 50 das Signal E2 mit einer bestimmten Frequenz korrelieren kann. Intern nutzt die Computereinrichtung 50 das Phasenverschiebungssignal C, das Signal T und die beiden Amplitudenpegel des Signals E2, um die Speichereinrichtung der Computereinrichtung 50 für die Auswahl der richtigen Wasseranteilswerte zu adressieren. Die Computereinrichtung 50 liefert Signale, die dem ausgewählten Wasseranteilswert entsprechen, an die Ausleseeinrichtung 54, die entweder eine Digitalanzeigeeinrichtung oder eine Aufzeichnungseinrichtung oder eine Kombination der beiden sein kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen des Volumen-Prozentanteils Wassergehalt in einem Erdölstrom, mit:

einer Quelle (3) zum Liefern von Mikrowellenenergie;

einer Antenneneinrichtung (12, 20) zum Übertragen der Mikrowellenenergie, die von der Quelle geliefert wird, in den Strom, und zum Empfangen von Prüf-Mikrowellenenergie, die entweder von dem Strom zurückreflektiert worden ist oder durch den Strom durchgelassen worden ist;

einem Detektor (32), der auf die Prüf-Mikrowellenenergie antwortet, um ein Intensitätssignal (E2) zu liefern, das repräsentativ für die Intensität der Prüf-Mikrowellenenergie ist;

einer Phasendifferenzeinrichtung (9, 34, 40, 44), die auf die zugeführte Mikrowellenenergie und auf die Prüf-Mikrowellenenergie anspricht, wobei die Phasendifferenzeinrichtung (9, 34, 40, 44) einen spannungsgesteuerten Phasenschieber (9) zum Verschieben der Phase der zugeführten Mikrowellenenergie entsprechend einem Phasenverschiebungssignal (C), um Referenz-Mikrowellenenergie zu liefern, und eine Differenzeinrichtung (34, 40, 44), die auf die Prüf-Mikrowellenenergie und auf die Referenz-Mikrowellenenergie anspricht, um das Phasenverschiebungssignal als die Phasendifferenz zwischen der Prüf- und der Referenz-Energie zu liefern, bis es im wesentlichen eine Phasendifferenz von 90º gibt, woraufhin der Phasenschieber ein Freigabesignal liefert, aufweist;

einem Temperatursensor (52), um ein Temperatursignal (T) zu liefern, das repräsentativ für die Temperatur des Erdölstroms ist; und

einer Anzeigeeinrichtung (50), die mit dem Detektor (32), dem Phasenschieber (9), der Phasendifferenzeinrichtung (9, 34, 40, 44) und dem Temperatursensor (52) verbunden ist, um eine Angabe des Prozentanteils Wassergehalt entsprechend dem Intensitätssignal (E2), dem Phasenverschiebungssignal (C) und dem Temperatursignal (T) zu liefern;

dadurch gekennzeichnet, daß:

die Quelle (3) so ausgelegt ist, daß sie Mikrowellenenergie mit einer ersten und zweiten Frequenz, die unterschiedlich sind, liefert; und

die Anzeigeeinrichtung (50) eine gespeicherte Tabelle von Phasenverschiebungen bei jeder der ersten und zweiten Frequenzen enthält, um somit die Mehrdeutigkeit auflösen zu können, wenn das Phasendifferenzsignal eine richtige Phasenverschiebung plus einem ganzzahligen Vielfachen von 360º darstellen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzeinrichtung (34, 40, 44) einen Mischer (34), der auf die Prüf- und Referenz-Energie anspricht, um elektrische Signale (E3, E4) zu liefern, die repräsentativ für die Phasen jeweils der Prüf- und der Referenz- Energie sind, einen Differentialverstärker (40), der mit dem Mischer verbunden ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, das repräsentativ für die Differenz zwischen den beiden elektrischen Signalen ist, und ein Rückkopplungsnetzwerk (44), das mit dem Differentialverstärker verbunden ist, um das Phasendifferenzsignal entsprechend mit dem Ausgangssignal zur Verfügung zu stellen, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenneneinrichtung eine Antenne (12), die dazu ausgelegt ist, eine ausgewählte aus den zugeführten Mikrowellenenergien in den Strom zu senden und Prüf-Mikrowellenenergie zu empfangen, die von dem Strom rückreflektiert worden ist, und eine Richtungsgabel (8), die mit der Quelle (3) und mit der Antenne (12) verbunden ist, um Energie von der Quelle zu der Antenne (12) zu leiten und um Energie von der Antenne zu dem Detektor (32) zu leiten, aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenneneinrichtung eine Antenne (20) enthält, die dazu ausgelegt ist, Prüf-Mikrowellenenergie zu empfangen, die sich durch den Strom fortgepflanzt hat, und die Prüf-Mikrowellenenergie an den Detektor (32) zu leiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schalteinrichtung (24), die so arbeitet, daß sie Prüf- Mikrowellenenergie von der Richtungsgabel (8) oder von der Antenne (20) auswählt, um sie zu dem Detektor (32) zu leiten.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Schalter (4), der so arbeitet, daß er eine Zuleitung von Mikrowellenenergie der ersten oder zweiten Frequenz für das Liefern an die Antenneneinrichtung (12, 20) auswählt.