KR0181736B1 - Apparatus and method for measuring the optimum moisture content in oil flow - Google Patents

Apparatus and method for measuring the optimum moisture content in oil flow Download PDF

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에프 에이취 토우즐리쥬니어
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Abstract

본 발명은 석유흐름내 체적당 함수율을 측정하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to the determination of the water content per volume in petroleum flows.

소오스는 2개의 주파수로 마이크로파 에너지를 전달하고 안테나는 선택된 공급 에너지를 흐름으로 전달하며 또한 반사나 전달에 의해 시험에너지를 수신한다. 검출기는 시험에너지 세기신호를 제공하며, 위상차 수단은 공급 에너지와 시험에너지간의 위상차를 나타내는 신호를 제공하고, 감지기는 흐름의 온도를 나타내는 신호를 제공한다. 지시기는 세기신호, 위상차신호 및 온도신호에 따라 함수율을 결정한다. 측정을 위해 2개의 주파수를 사용하므로 2개의 위상차 신호가 제공되어, 위상차가 정확한 위상 편이량과 360°의 정수배의 합일 수 있는 곳에서의 파이프선의 큰 직경이나 높은 유전성흐름으로 인한 비정확성을 해결할 수 있게 된다.The source delivers microwave energy at two frequencies, the antenna delivers the selected supply energy to the flow, and also receives the test energy by reflection or transmission. The detector provides a test energy intensity signal, the phase difference means provides a signal indicative of the phase difference between the supply energy and the test energy, and the detector provides a signal indicative of the temperature of the flow. The indicator determines the moisture content according to the intensity signal, the phase difference signal and the temperature signal. Using two frequencies for the measurement, two phase difference signals are provided to address inaccuracies caused by large diameters or high dielectric flows in the pipeline where the phase difference can be the sum of the exact amount of phase shift and an integer multiple of 360 ° Will be.

Description

석유흐름내 체적당 함수율 측정장치 및 방법Device and method for measuring moisture content per volume in petroleum

도면은 본 발명에 따르는 마이크로파 함수율 모니터의 간단한 블록도이다.The figure is a simple block diagram of a microwave moisture content monitor according to the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

3 : 마이크로파 소오스 4,24 : 스위치 수단3: microwave source 4,24: switch means

9 : 전압 제어식 위상 변위기 12,20 : 안테나9: voltage controlled phase shifter 12,20 antenna

32 : 검출기 34 : 혼합기32: detector 34: mixer

44 : 귀환 회로 50 : 컴퓨터 수단44: feedback circuit 50: computer means

54 : 판독 수단54: reading means

본 발명은 함수율, 즉 석유흐름내 체적당 함수율을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device and a method for measuring the water content, ie the water content per volume in petroleum flow.

본 발명에 따라 제공된 석유흐름내 체적당 함수율을 측정하는 장치는,An apparatus for measuring the moisture content per volume in petroleum flow provided according to the invention,

제1 및 제2주파수로 마이크로파 에너지를 공급하는 소오스와,A source for supplying microwave energy at first and second frequencies,

선택된 상기 공급 마이크로파 에너지를 흐름으로 전달하고, 흐름에서 반사되거나 흐름을 통해 전달된 시험 마이크로파 에너지를 수신하는 안테나 수단과,Antenna means for delivering the selected supply microwave energy to the flow and receiving test microwave energy reflected from or transmitted through the flow;

시험 마이크로파 에너지에 응답하여 시험 마이크로파 에너지의 세기를 나타내는 세기 신호를 제공하는 검출기와,A detector providing an intensity signal indicative of the strength of the test microwave energy in response to the test microwave energy;

선택된 마이크로파 에너지의 시험 마이크로파 에너지에 응답하여 이들 사이의 위상차를 나타내는 위상차 신호를 제공하는 위상차 수단과,Retardation means for providing a retardation signal indicative of retardation therebetween in response to the test microwave energy of the selected microwave energy,

석유흐름의 온도를 나타내는 온도신호를 제공하는 온도 감지기와,A temperature sensor providing a temperature signal indicating the temperature of the petroleum flow,

상기 세기신호, 상기 위상차 신호 및 상기 온도신호에 따라 함수율 지시를 제공하도록 동작하는 지시기를 포함하는 것을 특징으로 한다.And an indicator operable to provide a moisture content indication in accordance with said intensity signal, said phase difference signal and said temperature signal.

안테나는 선택된 상기 공급 마이크로파 에너지를 흐름으로 전달하고, 흐름에서 반사된 마이크로파 에너지를 수신하도록 되어있는 안테나를 포함할 수있으며, 상기 소오스와 상기 안테나에는 소오스에서 안테나로의 에너지 흐름과 안테나에서 검출기로의 에너지 흐름을 인도하기 위한 순환기가 제공될 수도 있다.The antenna may include an antenna configured to deliver the selected supplied microwave energy into the flow and to receive the microwave energy reflected from the flow, wherein the source and the antenna include energy flow from source to antenna and antenna to detector A circulator may be provided to guide the energy flow.

또 다른 실시예의 경우, 안테나 수단은 흐름을 통해 전파된 마이크로파 에너지를 수신하여 검출기에 전달하도록 되어 있는 안테나를 포함한다.In another embodiment, the antenna means comprises an antenna adapted to receive and deliver microwave energy propagated through the flow to the detector.

첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a preferred embodiment of the present invention will be described.

도면에 도시된 함수율 모니터는 2개의 마이크로파 주파수로 마이크로파 에너지를 공급하는 마이크로파 소오스(3)를 포함한다. 이들 주파수 사이에 실질적인 차가 있어야 한다는 것이 사실상의 기준임에도 불구하고, 여기서는 10.119GHz와 10.369GHz를 바람직한 주파수로 사용한다. 소오스(3)는 저 전력형 소오스로서, 마이크로파 건 소오스(gun source)로 사용될 수도 있다.The moisture content monitor shown in the figure comprises a microwave source 3 which supplies microwave energy at two microwave frequencies. Although it is the de facto standard that there must be a substantial difference between these frequencies, we use 10.119 GHz and 10.369 GHz as the preferred frequencies. The source 3 is a low power source and may be used as a microwave gun source.

소오스(3)는 마이크로파 도선(5,6)을 통해 스위치수단(4)에 마이크로파 에너지를 제공한다. 스위치수단(4)은 신호(E1)에 의해 제어되어 도선(5 또는 6)으로 부터의 마이크로파 에너지를 통과시켜 방향성 결합기(7)에 제공한다. 방향성 결합기(7)는 선택된 마이크로파 에너지를 순환기(8)와 통상적인 전압제어식 위상 변위기(phase shifter)(9)에 공급한다. 마이크로파 에너지의 모든 전도(또는 운반)는 통상적인 도파관을 사용함으로써 이루어 진다.The source 3 provides microwave energy to the switch means 4 via the microwave conductors 5, 6. The switch means 4 are controlled by a signal E 1 to pass microwave energy from the leads 5 or 6 to the directional coupler 7. The directional coupler 7 supplies the selected microwave energy to the circulator 8 and a conventional voltage controlled phase shifter 9. All conduction (or transport) of microwave energy is accomplished by using conventional waveguides.

순환기(8)는 마이크로파 에너지를 안테나(12)에 공급한다. 안테나(12)는 전도성 세라믹이나 테프론으로 만들어질 수도 있는 창(14)을 통해 파이프(17)를 통과하는 적어도 기름과 물을 포함하는 석유 흐름에 마이크로파 에너지를 공급한다. 파이프(17)는 창(14)을 지니는 파이프선의 일부분일 수도 있고, 창 재료로 만들어질 수도 있다. 안테나(12)에 의해 공급된 마이크로파 에너지는 석유흐름과 또 다른 창을 통과하여 안테나(20)에 수신된다. 안테나(20)는 수신된 마이크로파 에너지를 스위치 수단(24)에 공급하며, 그 스위치 수단(24)는 이후 설명되는 바와 같이 수신된 신호를 시험 마이크로파 에너지로서 방향성 결합기(28)에 공급한다. 방향성 결합기(28)는 시험 마이크로파 에너지를 검출기(32)와 혼합기(34)에 공급한다. 검출기(32)는 안테나(20)에 의해 수신된 마이크로파 에너지의 세기에 대응하는 신호(E2)를 제공한다.The circulator 8 supplies microwave energy to the antenna 12. Antenna 12 supplies microwave energy to a petroleum flow, including at least oil and water, passing through pipe 17 through window 14, which may be made of conductive ceramic or Teflon. Pipe 17 may be part of a pipeline having window 14 or may be made of window material. Microwave energy supplied by the antenna 12 is received by the antenna 20 through the petroleum flow and another window. The antenna 20 supplies the received microwave energy to the switch means 24, which supplies the received signal to the directional coupler 28 as test microwave energy as described below. Directional coupler 28 supplies test microwave energy to detector 32 and mixer 34. The detector 32 provides a signal E 2 corresponding to the intensity of the microwave energy received by the antenna 20.

석유흐름은 또한 마이크로파 에너지의 일부를 안테나(12)로 다시 반사하며, 이 마이크로파 에너지는 안테나(12)를 통해 다시 순환기(8)를 통과한다.The petroleum flow also reflects some of the microwave energy back to the antenna 12, which passes through the circulator 8 again through the antenna 12.

순환기(8)는 반사된 마이크로파 에너지가 소오스(3)에 다시 공급되는 것을 막으며, 반사된 마이크로파 에너지를 스위치 수단(24)에 공급한다. 반사된 마이크로파 에너지는 안테나(12,20)사이의 거리가 길어질수록 더욱 중요하게 된다. 이것은 특히 석유 흐름을 운반하는 파이프가 클 때 더욱 중요하게 된다.The circulator 8 prevents the reflected microwave energy from being supplied back to the source 3 and supplies the reflected microwave energy to the switch means 24. The reflected microwave energy becomes more important as the distance between the antennas 12 and 20 becomes longer. This is especially important when the pipes carrying the petroleum flow are large.

스위치 수단(24)에 연결된 스위치(36)에는 양의 직류 전압(+V)(positive direct current voltage)이 공급된다. 따라서, 스위치 수단(24)은, 스위치(36)가 개방되면 시험 마이크로파 에너지로서 안테나(20)로 부터의 마이크로파 에너지를 공급하며, 스위치(36)가 폐쇄되면 시험 마이크로파 에너지로서 순환기(8)로 부터 반사된 마이크로파 에너지를 공급한다.A switch 36 connected to the switch means 24 is supplied with a positive direct current voltage (+ V). Thus, the switch means 24 supply microwave energy from the antenna 20 as test microwave energy when the switch 36 is opened, and from the circulator 8 as test microwave energy when the switch 36 is closed. Supply reflected microwave energy.

전압제어식 위상 변위기(9)로 부터의 마이크로파 에너지(이후 기준 마이크로파 에너지로 지칭됨)와 방향성 결합기(28)로 부터의 시험 마이크로파 에너지는, 이들 두 신호를 혼합하여 각각 기준 마이크로파 에너지와 시험 마이크로파 에너지의 위상을 나타내는 두 개의 전기 신호(E3,E4)를 제공하는, 혼합기(34)에 공급된다.The microwave energy from the voltage controlled phase shifter 9 (hereinafter referred to as the reference microwave energy) and the test microwave energy from the directional coupler 28 are mixed with these two signals to respectively refer to the reference microwave energy and the test microwave energy. Supplied to mixer 34, which provides two electrical signals E 3 and E 4 representing the phase of.

차동 증폭기(40)는 신호(E3,E4)간의 차에 따라 출력신호(EO)를 제공한다. 신호(EO)는 기준 마이크로파 에너지와 시험 마이크로파 에너지 사이의 위상차의 함수로서, 귀환회로(44)에 제공된다. 귀환 회로(44)는 신호(C)를 기준 마이크로파 에너지의 위상을 제어하는 전압 제어식 위상 변위기(9)와 소형 컴퓨터 수단(50)에 제공한다. 신호(EO), 즉 신호(C)의 진폭은 기준 마이크로파 에너지와 시험 마이크로파 에너지 사이에 거의 90°의 위상차가 있을때까지 감소한다.The differential amplifier 40 provides the output signal EO according to the difference between the signals E3 and E4. The signal EO is provided to the feedback circuit 44 as a function of the phase difference between the reference microwave energy and the test microwave energy. The feedback circuit 44 provides the signal C to the voltage controlled phase shifter 9 and the small computer means 50 that control the phase of the reference microwave energy. The amplitude of signal EO, ie signal C, decreases until there is a nearly 90 ° phase difference between the reference microwave energy and the test microwave energy.

전압제어식 위상 변위기(9)는 위상차를 제거하는데 필요한 위상 변위양을 나타낸다.The voltage controlled phase shifter 9 represents the amount of phase shift required to remove the phase difference.

검출기(32)로 부터의 신호(E2)도 또한 컴퓨터 수단(50)에 제공되는데, 이 컴퓨터 수단(50)안에는 생산흐름 중 접할 수 있는 다양한 함수율에 대한 진폭, 위상 및 온도에 관련된 데이터를 지니는 기억수단이 내장되어 있다.특정 상황에서는 유체 흐름 측정용 위상차가 360°를 초과할 수 있음이 발견되었다. 이러한 상황에는 흐름의 유전율이 큰 경우, 예를들어 석유의 함수율이 클때와 유체로 물을 사용한 경우 및 안테나간의 거리가 제1도의 큰 파이프(17)를 사용하는 경우와 같이 큰 경우를 포함한다.A signal E 2 from the detector 32 is also provided to the computer means 50, which has data relating to amplitude, phase and temperature for the various moisture contents encountered during the production flow. Memory means are built in. It has been found that, in certain circumstances, the phase difference for fluid flow measurement may exceed 360 °. This situation includes large flow permittivity, for example, when the water content of petroleum is large and when water is used as the fluid and when the distance between the antennas is large, such as when using the large pipe 17 of FIG.

그러한 경우, 실제 위상변위는 측정된 위상 변위와 360°의 정수배의 합일 수 있다. 본 발명은 주 주파수(f1)와 2차 주파수(f2)의 거의 다른 두 주파수에서 석유를 모니터하고 두 주파수에서 측정된 위상 변위차(위상1-위상2)를 사용하여 실제 위상 변위를 계산할 때 사용할 정확한 정수배를 결정함으로써 이 부정확함을 해소한다. 정확한 정수는 관련된 주파수에 대한 인식을 토대로 만든 표에서 선택된다. 결정될 수 있는 정수의 가능한 최대 크기는 주파수(f1,f2)분리에 의해 제한된다. 본 발명의 경우, 정수의 크기는 40까지 결정될 수 있다. 정수의 최대크기의 증가는 주파수분리를 감소시킴으로써 이루어 지며, 단지 위상 변위량을 분해함으로써 제한된다.In such a case, the actual phase shift may be the sum of the measured phase shift and an integer multiple of 360 °. The present invention monitors petroleum at two substantially different frequencies of the main frequency (f 1 ) and the secondary frequency (f 2 ) and calculates the actual phase displacement using the phase shift difference (phase 1 -phase 2) measured at the two frequencies. Eliminate this inaccuracy by determining the exact integer multiple to use. The exact integer is chosen from a table based on the perception of the frequency involved. The maximum possible magnitude of the integer that can be determined is limited by the frequency f 1 , f 2 separation. In the case of the present invention, the size of the integer can be determined up to 40. Increasing the maximum magnitude of the integer is achieved by reducing the frequency separation and is limited only by decomposing the phase shift amount.

파이프(17)내 석유흐름의 온도를 감지하는 온도 감지기(52)는 감지된 온도를 나타내는 신호(T)를 컴퓨터 수단(50)에 제공한다.The temperature detector 52, which senses the temperature of the petroleum flow in the pipe 17, provides the computer means 50 with a signal T indicative of the sensed temperature.

위상 변위기(9)는 컴퓨터 수단(50)이 신호(T,C,R2)를 사용하도록 허용하는 인에이블 신호를 컴퓨터 수단(50)에 제공한다. 컴퓨터 수단(50)은 또한 신호(E1)를 스위치수단(4)에 제공함으로써 신호(E2)를 특정 주파수에 상호관련시킬 수 있게 된다. 내부적으로 컴퓨터 수단(50)은 위상 변위 신호(C), 신호(T) 및 신호(E2)의 두 개의 진폭 레벨을 사용하여 컴퓨터 수단(50) 기억수단의 주소를 지정함으로써 적당한 함수 값을 선택한다. 컴퓨터 수단(50)은 선택된 함수값에 대응하는 신호를 디지탈 디스플레이 수단 또는 기록수단, 또는 이둘의 조합일 수 있는 판독수단(54)에 제공한다.The phase shifter 9 provides an enable signal to the computer means 50 which allows the computer means 50 to use the signals T, C, R 2 . The computer means 50 can also correlate the signal E 2 to a particular frequency by providing the signal E 1 to the switch means 4. Internally, computer means 50 selects an appropriate function value by addressing computer means 50 storage means using two amplitude levels, phase shift signal C, signal T and signal E 2 . do. The computer means 50 provides a signal corresponding to the selected function value to the reading means 54, which may be a digital display means or a recording means, or a combination of both.

Claims (6)

마이크로파 에너지를 공급하는 소오스(3)와, 상기 소오스에 의해 공급된 마이크로파 에너지를 흐름으로 전달하고, 흐름에서 반사되거나 흐름을 통해 전달된 시험 마이크로파 에너지를 수신하는 안테나 수단(12,20)과, 시험 마이크로파 에너지에 응답하여 시험 마이크로파 에너지의 세기를 나타내는 세기신호(E2)를 제공하는 검출기(32)와, 공급된 마이크로파 에너지와 시험 마이크로파 에너지에 응답하는 위상차 수단(9,34,40,44)으로서, 기준 마이크로파 에너지를 제공하도록 위상 변위 신호(C)에 따라 공급된 마이크로파 에너지의 위상을 변위시키는 전압 제어식 위상 변위기(9)와, 상기 시험 에너지 및 기준 에너지 사이의 위상차가 거의 90°가 될 때까지 시험 마이크로파 에너지와 기준 마이크로파 에너지에 응답하여 상기 시험 에너지 및 기준 에너지 사이의 상 차이로서 상기 위상 변위신호를 제공하는 위상차 수단(34,40,44)를 구비하여, 상기 위상 변위기가 인에블링 신호를 제공하는 상기 위상차 수단(9,34,40,44)과, 석유 흐름의 온도를 나타내는 신호(T)를 제공하는 온도 감지기(52)와; 상기 세기 신호(E2), 상기 위상차 신호(C) 및 상기 온도 신호(T)에 따라 물 함량 퍼센트를 나타내도록 검출기(32), 위상 변위기(9), 위상차 수단(9,34,40,44)에 연결된 지시기 수단(50)을 포함하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치로서, 상기 소오스(3)는 마이크로파 에너지를 제1차동 주파수 및 제2차동 주파수로 공급하게 되어 있고, 상기 지시기 수단(50)은 각각의 상기 제1차동 주파수 및 제2주파수로 저장된 위상 변이표를 포함함으로써, 위상차 신호가 정확한 위상 변위와 360°의 정수배의 합을 나타낼 때의 비정확성을 해결하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치.A source (3) for supplying microwave energy, antenna means (12,20) for transmitting the microwave energy supplied by the source into a flow and receiving test microwave energy reflected from or transmitted through the flow, and a test As a detector 32 for providing an intensity signal E 2 representing the intensity of the test microwave energy in response to the microwave energy, and the phase difference means 9, 34, 40, 44 responding to the supplied microwave energy and the test microwave energy. And a voltage controlled phase shifter 9 for shifting the phase of the supplied microwave energy in accordance with the phase shift signal C to provide a reference microwave energy, and when the phase difference between the test energy and the reference energy is approximately 90 °. Up to between the test energy and the reference energy in response to the test microwave energy and the reference microwave energy A phase difference means (34, 40, 44) for providing said phase shift signal as phase difference, said phase shift means (9, 34, 40, 44) for providing said enabling signal, and A temperature sensor 52 providing a signal T indicative of the temperature of the sensor; The detector 32, the phase shifter 9, the phase difference means 9, 34, 40, to indicate the water content percentage according to the intensity signal E 2 , the phase difference signal C and the temperature signal T 44. An apparatus for measuring the water content per volume in an oil stream comprising an indicator means 50 connected to 44, wherein the source 3 is adapted to supply microwave energy at a first and a second differential frequency, the indicator means ( 50) includes a phase shift table stored at each of the first differential frequency and the second frequency, thereby solving the inaccuracy when the phase difference signal represents an accurate sum of phase shift and an integer multiple of 360 °. Device for measuring moisture content per volume in a flow. 제1항에 있어서, 상기 위상차수단(34,40,44)이 각각 시험 에너지 및 기준 에너지의 위상을 나타내는 전기신호(E3,E4)를 제공하도록 시험 에너지 및 기준 에너지에 응답하는 혼합기(34)와, 상기 두 전기 신호간의 차를 나타내는 출력 신호를 제공하도록 혼합기에 연결된 차동 증폭기(40)와, 상기 출력 신호에 따라 상기 위상차 신호를 제공하도록 차동 증폭기에 연결된 귀환 회로(44)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치.The mixer 34 according to claim 1, wherein the phase difference means 34, 40, 44 respond to the test energy and the reference energy so as to provide electrical signals E 3 and E 4 representing the phases of the test energy and the reference energy, respectively. A differential amplifier 40 coupled to the mixer to provide an output signal representing the difference between the two electrical signals, and a feedback circuit 44 coupled to the differential amplifier to provide the phase difference signal in accordance with the output signal. A device for measuring the moisture content per volume in an oil stream. 제1항에 있어서, 상기 안테나 수단이 선택된 상기 공급 마이크로파 에너지를 흐름으로 전달하고, 흐름에서 반사된 시험 마이크로파 에너지를 수신하도록 된 안테나(12)와, 소오스로부터의 에너지를 안테나(12)로 전달하고 안테나로부터의 에너지를 검출기(32)로 전달하도록 상기 소오스(3)와 상기 안테나(12)에 연결된 순환기(8)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치.2. An antenna (12) as claimed in claim 1, wherein the antenna means is adapted to deliver the selected supply microwave energy to the flow, to receive the test microwave energy reflected from the flow, and to transmit the energy from the source to the antenna (12) And a circulator (8) connected to the source (3) and the antenna (12) to transfer energy from the antenna to the detector (32). 제1항, 제2항, 제3항에 있어서, 상기 안테나 수단이 흐름을 통해 전달된 시험 마이크로파 에너지를 수신하여 그 시험 마이크로파 에너지를 검출기(32)로 전달하도록 된 안테나(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치.4. An antenna as claimed in claim 1, 2 and 3, wherein the antenna means comprises an antenna 20 adapted to receive test microwave energy delivered through the flow and to transmit the test microwave energy to the detector 32. A device for measuring the moisture content per volume in an oil stream. 제4항에 있어서, 상기 검출기(32)에 전달하기 위한 시험 마이크로파 에너지를 상기 순환기(8)나 상기 안테나(20)에서 선택하도록 동작 가능한 스위치 수단(24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정 장치.5. The petroleum flow of claim 4, further comprising switch means (24) operable to select test microwave energy for delivery to said detector (32) in said circulator (8) or said antenna (20). Device for measuring moisture content per volume. 제1항, 제2항, 제3항에 있어서, 상기 제1주파수 또는 제2주파수로 상기 안테나 수단(12,20)에 공급할 공급 마이크로파 에너지를 선택하도록 동작가능한 스위치(4)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 석유 흐름내 체적당 함수율 측정장치.4. A switch (4) according to claim 1, 2 or 3, further comprising a switch (4) operable to select supply microwave energy to supply the antenna means (12, 20) at the first or second frequency. A water content measuring device per volume in an oil stream.
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