NO303596B1 - Device for determining the water content of a petroleum stream with two frequencies of microwave energy - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning til bestemmelse av vanninnholdet i en petroleumstrøm i volumprosent som angitt i innledningen til krav 1. The present invention relates to a device for determining the water content in a petroleum stream in percentage by volume as stated in the introduction to claim 1.

EP-A-384593 samt publikasjonen NO-A-900844 beskriver en anordning av den i innledningen til krav 1 angitte art. EP-A-384593 and the publication NO-A-900844 describe a device of the kind specified in the introduction to claim 1.

Foreliggende oppfinnelse er rettet mot det problemet at i noen tilfeller kan den virkelige faseforskyvningen være den målte faseforskyvningen pluss et eller annet multiplum av 360° . En målt faseforskyvning kan således være tvetydig og dermed føre til en alvorlig unøyaktighet ved vannfrak-s;] on små lingene. Foreliggende oppfinnelse har således til hensikt å løse problemet med denne tvetydigheten, og det tilveiebringes ved hjelp av en anordning av den innlednings-vis nevnte art hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1. Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av de øvrige uselvstendige kravene. The present invention is aimed at the problem that in some cases the real phase shift can be the measured phase shift plus some multiple of 360°. A measured phase shift can thus be ambiguous and thus lead to a serious inaccuracy in the case of small water fractions. The present invention thus aims to solve the problem of this ambiguity, and it is provided by means of a device of the type mentioned at the outset, the characteristic features of which appear in claim 1. Further features of the invention appear in the other independent claims.

Det skal bemerkes at US-A-4 812 739 beskriver bruk av første og andre mikrobølgestråler som adskiller seg i frekvens, mottakelsessted, eller begge deler, med det formål å detektere passasje av store vannplugger. It should be noted that US-A-4,812,739 discloses the use of first and second microwave beams differing in frequency, location of reception, or both, for the purpose of detecting the passage of large water plugs.

Antenneanordningen kan innbefatte en antenne som er beregnet på å sende en valgt mengde mikrobølgeenergi inn i strømmen og på å motta prøve-mikrobølgeenergi som er blitt reflektert tilbake fra strømmen, og det finnes også en sirkulator som er forbundet med kilden og antennen for å føre energi fra kilden til antennen og rette energi fra antennen til detektoren. The antenna device may include an antenna adapted to transmit a selected amount of microwave energy into the stream and to receive sample microwave energy that has been reflected back from the stream, and there is also a circulator connected to the source and the antenna to conduct energy from the source to the antenna and direct energy from the antenna to the detector.

I en annen utførelsesform omfatter antenneinnretningen en antenne som er beregnet på å motta prøve-mikrobølgeenergi som er forplantet gjennom strøm og på å føre prøve-mikro-bølgeenergien til detektoren. In another embodiment, the antenna device comprises an antenna which is designed to receive sample microwave energy propagated through current and to convey the sample microwave energy to the detector.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til tegningen, som er et forenklet blokk-diagram for en mikrobølgedrevet overvåkningsanordning for vanninnholdet ifølge oppfinnelsen. An embodiment of the invention will now be described with reference to the drawing, which is a simplified block diagram for a microwave-powered monitoring device for the water content according to the invention.

Overvåkningsanordningen for vanninnholdet som er vist på tegningen innbefatter en mikrobølgekilde 3 for tilførsel av mikrobølgeenergi ved to mikrobølgefrekvenser. Foretrukne frekvenser på 10,119 GEz og 10,369 GHz er benyttet, selv om det virkelige krav er at det skal være en betydelig forskjell mellom de to frekvenser. Kilden 3 har lav effekt og kan benytte en mikrobølgekanon. Kilden 3 fører mikrobølgeenergier til en venderanordning 4 via mikrobølgeledere 5 og 6. Venderen 4 er styrt av et signal El for å føre mikro-bølgeenergi enten fra lederen 5 eller 6 og føre denne videre til en rethingskobler 7. Retningskobleren 7 sørger for den valgte mikrobølgeenergi til en sirkulator 8 og til en vanlig spenningsstyrt faseforskyver 9. All ledning eller føring av mikrobølgeenergi foregår ved hjelp av vanlige bølgeledere. The monitoring device for the water content shown in the drawing includes a microwave source 3 for supplying microwave energy at two microwave frequencies. Preferred frequencies of 10.119 GEz and 10.369 GHz are used, although the real requirement is that there should be a significant difference between the two frequencies. The source 3 has a low power and can use a microwave cannon. The source 3 leads microwave energy to a reversing device 4 via microwave conductors 5 and 6. The reversing device 4 is controlled by a signal El to carry microwave energy either from the conductor 5 or 6 and pass this on to a rehing coupler 7. The directional coupler 7 provides the selected microwave energy to a circulator 8 and to a normal voltage-controlled phase shifter 9. All conduction or guiding of microwave energy takes place by means of normal waveguides.

Sirkulatoren 8 sender mikrobølgeenergi til en antenne 12. Antennen 12 fører mikrobølgeenergien videre til et vindu 14 som kan være laget av en ledende keramikk eller Teflon, til en petroleumstrøm som inneholder i det minste olje og vann og som flyter gjennom et rør (17). Røret (17) kan være en del av en rørledning med vinduer (14) eller den kan være laget av "vindus"-materiale. Mikrobølgeenergien som avgis av antennen 12 går gjennom petroleumstrømmen og et annet vindu 14 og mottas av en antenne 20. Antennen 20 fører mottatt mikro-bølgeenergi til en vender 24 som på sin side leder den mottatte mikrobølgeenergi som prøve-mikrobølgeenergi til en retningskobler 28, som forklart i det følgende. Retningskobleren 28 fører prøve-mikrobølgeenergien til en detektor 32 og til en blander 34. Detektoren 32 avgir et signal E2 svarende til styrken på den mikrobølgeenergi som er mottatt av antennen 20. The circulator 8 sends microwave energy to an antenna 12. The antenna 12 passes the microwave energy on to a window 14 which can be made of a conductive ceramic or Teflon, to a petroleum stream which contains at least oil and water and which flows through a pipe (17). The pipe (17) may be part of a pipeline with windows (14) or it may be made of "window" material. The microwave energy emitted by the antenna 12 passes through the petroleum stream and another window 14 and is received by an antenna 20. The antenna 20 conducts received microwave energy to a inverter 24 which in turn conducts the received microwave energy as sample microwave energy to a directional coupler 28, which explained in the following. The directional coupler 28 leads the sample microwave energy to a detector 32 and to a mixer 34. The detector 32 emits a signal E2 corresponding to the strength of the microwave energy received by the antenna 20.

Petroleumstrømmen reflekterer også tilbake noe av mikrobølge-energien til antennen 12, og denne energi fortsetter tilbake gjennom antennen 12 til sirkulatoren 8. Sirkulatoren 8 blokkerer den reflekterte mikrobølgeenergi slik at den ikke kobles tilbake til kilden 3 og fører den reflekterte mikrobølgeenergi til venderen 24. Reflektert mikrobølgeenergi blir mer og mer viktig når avstanden mellom antennene 12 og 20 øker. Dette er av særlig betydning når det som overvåkes er en stor rørledning som fører petroleumstrømmen. En positiv likespenning +V påtrykkes en bryter 36 som er forbundet med venderen 24. Med bryteren 36 åpen vil venderen 24 føre mikrobølgeenergi fra antennen 20 som prøve-mikrobølgeenergi. Når bryteren 36 er sluttet vil reflektert mikrobølgeenergi fra sirkulatoren 8 bli avgitt fra venderen 24 som prøve-mikrobølgeenergi . The petroleum stream also reflects back some of the microwave energy to the antenna 12, and this energy continues back through the antenna 12 to the circulator 8. The circulator 8 blocks the reflected microwave energy so that it is not connected back to the source 3 and leads the reflected microwave energy to the inverter 24. Reflected microwave energy becomes more and more important as the distance between the antennas 12 and 20 increases. This is of particular importance when what is being monitored is a large pipeline that carries the petroleum flow. A positive DC voltage +V is applied to a switch 36 which is connected to the inverter 24. With the switch 36 open, the inverter 24 will conduct microwave energy from the antenna 20 as sample microwave energy. When the switch 36 is closed, reflected microwave energy from the circulator 8 will be emitted from the inverter 24 as sample microwave energy.

Mikrobølgeenergi fra den spenningsstyrte faseforskyver 9, i det følgende kalt referanse-mikrobølgeenergi og prøve-mikrobølgeenergi fra retningskobleren 28 føres til blanderen 34 som blander disse for å avgi to elektriske signaler E3, E4, som representerer fasene for referanse-mikrobølgeenergi og prøve-mikrobølgeenergien. Microwave energy from the voltage-controlled phase shifter 9, hereinafter referred to as reference microwave energy and sample microwave energy from the directional coupler 28 is fed to the mixer 34 which mixes these to emit two electrical signals E3, E4, which represent the phases of the reference microwave energy and the sample microwave energy.

En differensialforsterker 40 avgir et utgangssignal EO i overensstemmelse med forskjellen mellom signalene E3 og E4. Signalet EO er en funksjon av faseforskjellen mellom referanse-mikrobølgeenergien og prøve-mikrobølgeenergien og avgis til en tilbakekoblingskrets 44. Tilbakekoblingskretsen 44 avgir et signal C til den spenningsstyrte faseforskyver 5 til styring av fasen for referanse-mikrobølgeenergien og til en minidatamaskin 50. Signalet EO og dermed signalet C avtar i amplitude inntil det er stort sett 90° faseforskyvning mellom referanse-mikrobølgeenergien og prøve-mikro-bølgeenergien. Den spenningsstyrte faseforskyver 5 angir verdien av den faseforskyvning som er nødvendig for å oppheve faseforskjellen. A differential amplifier 40 outputs an output signal EO in accordance with the difference between the signals E3 and E4. The signal EO is a function of the phase difference between the reference microwave energy and the sample microwave energy and is output to a feedback circuit 44. The feedback circuit 44 outputs a signal C to the voltage controlled phase shifter 5 for controlling the phase of the reference microwave energy and to a minicomputer 50. The signal EO and thus the signal C decreases in amplitude until there is substantially a 90° phase shift between the reference microwave energy and the sample microwave energy. The voltage-controlled phase shifter 5 indicates the value of the phase shift that is necessary to cancel the phase difference.

Signalet E2 fra detektoren 32 føres også til datamaskinen 50 som inneholder en hukommelse med data knyttet til temperatur, fase og amplitude for forskjellige prosentvise vanninnhold som man kan støte på i produksjonsstrømmen. Det har vist seg at faseforskjellen for målinger i en fluidumstrøm kan overskride 360° under visse betingelser. Disse betingelser innbefatter forhold der den dielektriske verdi for strømmen er stor, f.eks. når det prosentvise vanninnhold i petroleum er stort og når emulsjonen i vann er sammenhengende og under forhold der avstanden mellom antennene er stor, slik tilfellet er når det anvendes store rør 17 på fig. 1. The signal E2 from the detector 32 is also fed to the computer 50 which contains a memory with data relating to temperature, phase and amplitude for different percentage water contents that can be encountered in the production stream. It has been shown that the phase difference for measurements in a fluid flow can exceed 360° under certain conditions. These conditions include conditions where the dielectric value of the current is large, e.g. when the percentage water content in petroleum is large and when the emulsion in water is continuous and under conditions where the distance between the antennas is large, as is the case when large pipes 17 in fig. 1.

I noen tilfeller kan den virkelige faseforskyvning være den målte faseforskyvning pluss et eller annet helt multiplum av 360". Foreliggende oppfinnelse opphever denne tvetydighet ved å overvåke petroleumstrømmen ved to betydelig forskjellige frekvenser, nemlig hovedfrekvensen f]_, og en sekundærfrekvens f2, og ved å benytte forskjellen i målt faseforskyvning (fase 1 - fase 2) ved de to frekvenser til bestemmelse av den rette hele multiplikator som anvendes ved beregning av den virkelige faseforskyvning. Det rette hele tall velges fra en tabell som er fremkommet med kjennskap til de frekvenser det dreier seg om. Den maksimalt mulige verdi av det hele tall som kan fremkomme er begrenset av adskiIlelsen av frekvensene fl og f2- I foreliggende sak kan verdien av det hele tall på opptil 40 være løsningen. Reduksjon av frekvensadskillelsen vil øke den maksimale verdi av det hele tall ytterligere og bare være begrenset ved oppløsningen av faseforskyvnings-målingen. In some cases, the actual phase shift may be the measured phase shift plus some whole multiple of 360". The present invention eliminates this ambiguity by monitoring the petroleum flow at two significantly different frequencies, namely the main frequency f]_, and a secondary frequency f2, and by use the difference in measured phase shift (phase 1 - phase 2) at the two frequencies to determine the correct integer multiplier used when calculating the real phase shift. about. The maximum possible value of the whole number that can appear is limited by the separation of the frequencies fl and f2- In the present case, the value of the whole number of up to 40 can be the solution. Reducing the frequency separation will increase the maximum value of the whole number further and only be limited by the resolution of the phase shift measurement.

En temperaturføler 52 føler temperaturen på petroleumstrømmen i røret 17 og avgir et signal T til datamaskinen 50 som angivelse av den følte temperatur. A temperature sensor 52 senses the temperature of the petroleum flow in the pipe 17 and emits a signal T to the computer 50 as an indication of the sensed temperature.

Faseforskyveren 9 avgir også et åpningssignal til datamaskinen 50 slik at denne kan utnytte signalene T, C og E2. Datamaskinen 50 avgir også et signal El til venderen 4 slik at datamaskinen 50 kan korrelere signalet E2 til en bestemt frekvens. Datamaskinen 50 benytter faseforskyvningssignalet C, signalet T og de to amplituden!våer på signalet E2 til å adressere datamaskinens 50 hukommelse for å velge de riktige verdier på vanninnholdet. Datamaskinen 50 avgir signaler svarende til den verdi på vannivået som fremkommer til en leseanordning 54 som kan være enten en digital skjerm eller en registreringsanordning eller en kombinasjon av begge. The phase shifter 9 also emits an opening signal to the computer 50 so that it can utilize the signals T, C and E2. The computer 50 also emits a signal El to the inverter 4 so that the computer 50 can correlate the signal E2 to a certain frequency. The computer 50 uses the phase shift signal C, the signal T and the two amplitudes of the signal E2 to address the memory of the computer 50 to select the correct values of the water content. The computer 50 emits signals corresponding to the value of the water level that appears to a reading device 54 which can be either a digital screen or a recording device or a combination of both.

Claims (6)

1. Anordning til bestemmelse av vanninnholdet i en petroleum-strøm i volumprosent, innbefattende en kilde (3) til frembringelse av mikrobølgeenergi, antenneanordninger (12, 20) for sending av en valgt tilførsel av mikrobølgeenergi inn i strømmen og for å motta prøve-mikrobølgeenergi som enten er reflektert tilbake fra strømmen eller har passert gjennom denne, en detektor (32) som påviser prøve-mikrobølgeenergien for å avgi et styrkesignal (E2) som representerer styrken på prøve-mikrobølgeenergien, faseforskjellanordninger (9, 34, 40, 44) som reagerer på den tilførte mikrobølgeenergi og på prøve-mikrobølge-energien, idet faseforskjellanordningene (9, 34, 40, 44) omfatter en spenningsstyrt faseforskyver (9) for forskyvning av fasen for den tilførte mikrobølgeenergi i overensstemmelse med et faseforskyvningssignal (C) for å danne en referanse-mikrobølgeenergi, og differanseanordninger (34, 40, 44) som påvirkes av prøve-mikrobølgeenergien og referanse-mikro-bølgeenergien for å avgi det nevnte faseforskyvningssignal som angir faseforskjellen mellom prøve- og referanseenergien inntil det er så godt som 90°faseforskjell, hvoretter faseforskyveren avgir et åpningssignal, en temperaturføler (52) som avgir et temperatursignal (T) basert på temperaturen til petroleumstrømmen og en indikatoranordning (50) forbundet med detektoren (32), faseforskjellanordningene (9, 34, 40, 44) og tempera-turføleren (52), og som frembringer en angivelse av vanninnholdet i prosent i overensstemmelse med styrkesignalet (E2), faseforskjellsignalet (C) og temperatursignalet (T),karakterisert vedat kilden (3) er tilpasset til å tilføre mikrobølgeenergi ved en første og andre frekvens, og at indikatoranordningen (50) innbefatter en lagret tabell over faseforskyvninger ved hver av de første og andre frekvenser for å muliggjøre oppløsning av tvetydighet der faseforskjellsignalet kan representere en korrekt faseforskyvning pluss et helt multiplum av 360°.1. Device for determining the water content of a petroleum stream in percentage by volume, inclusive a source (3) for generating microwave energy, antenna means (12, 20) for sending a selected supply of microwave energy into the stream and for receiving sample microwave energy which has either been reflected back from the stream or has passed through it, a detector (32) which detects the sample microwave energy to output an intensity signal (E2) representing the intensity of the sample microwave energy, phase difference devices (9, 34, 40, 44) which respond to the supplied microwave energy and to the sample microwave energy, the phase difference devices (9, 34, 40, 44) comprising a voltage-controlled phase shifter (9) for shifting the phase of the supplied microwave energy in accordance with a phase shift signal (C) to form a reference microwave energy, and difference means (34, 40, 44) which are affected by the sample microwave energy and the reference microwave energy to output said phase shift signal indicating the phase difference between sample and the reference energy until there is as good as 90° phase difference, after which the phase shifter emits an opening signal, a temperature sensor (52) which emits a temperature signal (T) based on the temperature of the petroleum stream and an indicator device (50) connected to the detector (32), the phase difference devices (9, 34, 40, 44) and the temperature sensor (52), and which produces an indication of the water content in percent in accordance with the strength signal (E2), the phase difference signal (C) and the temperature signal (T), characterized in that the source (3) is adapted to supply microwave energy at a first and second frequency, and that the indicator device (50) includes a stored table of phase shifts at each of the first and second frequencies to enable resolution of ambiguity where the phase difference signal may represent a correct phase shift plus an integer multiple of 360°. 2. Anordning som angitt i krav 1,karakterisertved at forskjellsanordningen (34, 40, 44 ) omfatter en blander (34) som reagerer på prøve- og referanseenergiene for å avgi elektriske signaler (E3, E4) som representerer fasene for henholdsvis prøve- og referanseenergiene, en differensialforsterker (40) forbundet med blanderen for å avgi et utgangssignal som representerer forskjellen mellom de to elektriske signaler og en tilbakekoblingskrets (34) forbundet med differensialforsterkeren for å avgi faseforskjellsignalet i overensstemmelse med utgangssignalet.2. Device as stated in claim 1, characterized in that the difference device (34, 40, 44) comprises a mixer (34) which reacts to the test and reference energies to emit electrical signals (E3, E4) which represent the phases for the test and reference energies respectively, a differential amplifier (40) connected to the mixer to provide an output signal representing the difference between the two electrical signals and a feedback circuit (34) connected to the differential amplifier to provide the phase difference signal in accordance with the output signal. 3. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 2,karakterisert vedat antenneanordningen innbefatter en antenne (12) som er beregnet på å sende en valgt tilførsel av mikrobølgeenergi inn i strømmen og på å motta prøve-mikrobølgeenergi som er reflektert fra strømmen, og en sirkulator (8) som er forbundet med kilden (3) og med antennen (12) for å rette energi fra kilden til antennen (12) og for å lede energi fra antennen til detektoren (32).3. Device as set forth in any one of claims 1 to 2, characterized in that the antenna device includes an antenna (12) which is designed to send a selected supply of microwave energy into the stream and to receive sample microwave energy reflected from the stream, and a circulator (8) which is connected to the source (3) and to the antenna (12) to direct energy from the source to the antenna (12) and to direct energy from the antenna to the detector (32). 4. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 3,karakterisert vedat antenneanordningen innbefatter en antenne (20) som er innrettet til å motta prøve-mikrobølgeenergi som har forplantet seg gjennom strømmen og til å føre prøve-mikrobølgeenergien til detektoren (32).4. Device as set forth in any one of claims 1 to 3, characterized in that the antenna device includes an antenna (20) adapted to receive sample microwave energy that has propagated through the stream and to convey the sample microwave energy to the detector (32) . 5. Anordning som angitt i krav 4,karakterisertved en venderanordning (24) som er i stand til å velge enten prøve-mikrobølgeenergi fra sirkulatoren (8) eller fra antennen (20) for føring av energien til detektoren (32).5. Device as set forth in claim 4, characterized by a turning device (24) which is able to select either sample microwave energy from the circulator (8) or from the antenna (20) for conducting the energy to the detector (32). 6. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 1 til 5,karakterisert veden vender (4) som kan velge en tilførsel av mikrobølgeenergi med den nevnte første frekvens eller den nevnte andre frekvens for tilførsel til antenneanordningen (12, 20).6. Device as set forth in any one of claims 1 to 5, characterized by the wood facing (4) which can select a supply of microwave energy with said first frequency or said second frequency for supply to the antenna device (12, 20).