ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ РАЗДЕЛА ФАЗ В МНОГОФАЗНОЙ ТЕКУЧЕЙ КОМПОЗИЦИИ
MEASURING SYSTEM FOR DETERMINING INTERFACE LEVEL IN MULTIPHASE FLUID COMPOSITION

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Настоящая заявка основана на предварительной заявке на патент США №61/987853, поданной 2 мая 2014 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
В общем, предмет настоящего изобретения относится к датчикам и, в частности, к датчикам уровня, предназначенным для определения уровня раздела фаз многофазной текучей композиции.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Во многих областях важным является определение состава эмульсий и уровня раздела фаз несмешиваемых текучих сред. Например, определение характеристик эмульсий важно для работы на нефтяных месторождениях. Определяемое содержание воды и нефти в эмульсиях, получаемых из индивидуальных нефтяных скважин, может быть различным в течение всего срока эксплуатации нефтяного месторождения и может указывать на общее состояние месторождения. В случае нагнетательных скважин, чтобы снизить скорость образования гидратов и коррозии, качество воды необходимо контролировать. Определение характеристик состава смеси нефти и воды (например, определение относительных пропорций нефти и воды в смеси) позволяет оператору повышать продуктивность и производительность скважины. Получаемая информация также позволяет снизить обратное давление в скважинах, уменьшить размер и сложность промыслового трубопровода и снизить требования к тепловой изоляции.
Определение характеристик эмульсий также важно для работы систем, которые содержат текучие среды, находящиеся в резервуаре (резервуарные системы), такие как системы для обработки текучих сред. Резервуарные системы могут включать резервуары для хранения, реакторы, сепараторы и обессоливающие установки. Резервуарные системы применяют во множестве различных отраслей и способов, таких как, например, нефтегазовая, химическая, фармацевтическая промышленность, отрасли пищевой промышленности. Например, для получения производственных потоков нефти и газа нужно отделить воду от неочищенной (сырой) нефти. Нефтяное сырье, отбираемое из устья скважины, отличается кислой реакцией (содержит газообразный сульфид водорода) и влажностью (содержит воду). Сырье, отбираемое из устья скважины, необходимо обработать и переработать, чтобы его было экономически выгодно хранить, перерабатывать и экспортировать. Одним из способов обработки неочищенной нефти является ее пропускание через сепаратор.
Принцип действия большинства сепараторов основан на использовании силы тяжести и разности в плотностях фаз индивидуальных текучих сред, таких как нефть (масло), вода, газ и твердые вещества. Для регулирования процесса разделения необходимо производить идентификацию уровней раздела фаз имеющихся слоев. Другая система для обработки текучей среды, в которой важным является определение характеристик эмульсий и определение уровня раздела фаз, представляет собой обессоливающую установку. Обессоливающие установки применяют на нефтеперерабатывающих заводах для ограничения коррозии верхних частей колонн, находящихся ниже по потоку. В обессоливающей установке производят смешивание воды и нефтяного сырья, неорганические соли экстрагируются водой, после чего воду отделяют и удаляют.
Наконец, с экономической точки зрения, важно точно проводить характеристику воды и определять соленость (содержание солей) самого нефтяного сырья на различных этапах использования продукта. Нефть является ценным грузом, и недооценка содержания воды в типичной загрузке танкера может приводить к значительным экономическим последствиям.
Другим применением, в котором важно измерение и определение характеристик эмульсий, является обработка сточных вод. В нефтяной промышленности, как при добыче, так и при переработке нефти, образуются большие количества сточных вод, содержащих нефть. Ключевым фактором в регулировании концентраций нефти, попадающей в сточные воды, является усовершенствованный инструментарий для мониторинга содержания нефти в эмульсиях.
В течение многих лет создавалось множество устройств различных типов для измерения уровня и определения поверхности раздела, и часть этих устройств стали коммерчески доступными. Среди них можно упомянуть гамма-лучевые датчики, волноводные датчики, магнитострикционные датчики, микроволновые датчики, ультразвуковые датчики, однодисковые емкостные датчики/датчики проводимости, сегментированные емкостные датчики, индуктивные датчики и датчики компьютерной томографии. Каждый из типов датчиков имеет свои преимущества и недостатки. Некоторые датчики недоступны по цене для многих пользователей. Для того, чтобы некоторые датчики работали при повышенных температурах (выше 125°С), им может потребоваться охлаждающая рубашка. Для того, чтобы некоторые устройства определения поверхности раздела работали, им требуется четкая граница раздела, что может быть проблематичным при работе с размытыми эмульсиями. Некоторые датчики легко загрязняются. Некоторые датчики не в состоянии обеспечить отслеживание профиля в резервуаре и могут служить лишь для отдельных точечных измерений при выполнении способа обессоливания. В системах с электродами имеется тенденция к закорачиванию электродов в средах с высоким содержанием солей, и, кроме того, они склонны к засорению. Наконец, множество таких систем сложны в применении и изготовлении.
В некоторых существующих системах датчиков для измерения уровней текучих сред применяют индивидуальные емкостные элементы. Ключевое ограничение этих измерительных систем состоит в их неспособности одновременно количественно оценивать несколько компонентов в жидкости. Основанные на определении электрической емкости способы применяют для измерения коэффициента диэлектрической проницаемости жидкости с помощью электродов, специально сконструированных для измерения электрической емкости. Ограничением этих конструкций является необходимость использования электродов различных типов для измерения электрической емкости и измерения проводимости. Цепи типа индуктивность-емкость также применяют для отслеживания уровня текучей среды в контейнере с помощью электромагнитного резонатора, где изменение электрической емкости связано с уровнем текучей среды и типом текучей среды. Однако специалисты в данной области техники соглашаются с тем, что заполнение резонатора проводящей жидкостью повышает нестабильность и шумы при измерениях приблизительно на один порядок величины по сравнению со значениями, получаемыми в непроводящей текучей среде, такой как воздух. Кроме того, эти способы не обеспечивают точных измерений концентраций индивидуальных анализируемых веществ на границе их максимальных и минимальных концентраций в смеси.
Ни одна система из существующих измерительных систем не сочетает в себе низкой стоимости, высокой чувствительности, подходящего соотношения "сигнал/шум", высокой селективности, высокой точности и высоких скоростей получения данных. Кроме того, не было описано существующей системы, которая могла бы точно характеризовать или количественно оценить смеси текучих сред, в которых одна из текучих сред имеет низкую концентрацию (т.е. концентрации имеют минимальные и максимальные граничные значения).
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение представляет альтернативу существующим дорогостоящим системам измерения уровня, имеющим проблемы с надежностью и точностью. Электрорезонансный преобразователь (резонансный преобразователь) может обеспечить одно или более из следующих преимуществ: низкую стоимость, высокую чувствительность, подходящее соотношение "сигнал/шум", высокую селективность, высокую точность и высокие скорости получения данных. Резонансный преобразователь помещен в устойчивый датчик, для которого не требуется четкой поверхности раздела. Изобретение также относится к датчику, который может быть в меньшей степени подвержен засорению, особенно в условиях, включающих присутствие эмульсий.
В частности, настоящее изобретение относится к датчику, включающему пробоотборную ячейку, нижнюю обмотку, расположенную вокруг пробоотборной ячейки, и верхнюю обмотку, расположенную вокруг нижней обмотки. Предпочтительно, пробоотборная ячейка включает трубку или другую структуру, приспособленную для локализации стационарной или текущей текучей среды, например, масла (нефти) или воды.
В соответствии с одним из неограничивающих воплощений изобретения, изобретение относится к датчику, имеющему резонансный преобразователь, предназначенный для определения состава эмульсии или другой дисперсии, который включает пробоотборный узел и анализатор импеданса.
Другое воплощение изобретения относится к системе, включающей систему обработки текучей среды; узел отбора проб текучей среды; и систему резонансного датчика, соединенную с узлом отбора проб текучей среды.
Другое воплощение изобретения относится к способу измерения уровня смеси текучих сред в резервуаре. Способ включает этапы обнаружения сигнала системы резонансного датчика в множестве мест внутри резервуара; преобразование каждого сигнала в значения спектра комплексного импеданса для множества мест; сохранение значений спектра комплексного импеданса и значений частоты; и определение точки инверсии текучей фазы, исходя из значений спектра комплексного импеданса.
Другое воплощение изобретения относится к способу определения состава смеси масла (нефти) и воды, находящейся в резервуаре. Способ включает этап определения значений спектра комплексного импеданса смеси масла и воды в зависимости от высоты положения точки в резервуаре с помощью резонансного преобразователя. Способ также включает этап определения точки инверсии текучей фазы, исходя из значений спектра комплексного импеданса; применение модели масляной фазы к значениям спектра комплексного импеданса и значениям проводимости, лежащим выше точки инверсии текучей фазы, и применение модели водной фазы к значениям спектра комплексного импеданса, лежащим ниже точки инверсии текучей фазы.
Другое воплощение изобретения относится к датчику, включающему резонансный преобразователь, предназначенный для одновременного определения концентрации первого и второго компонента эмульсии.
Другое воплощение изобретения относится к датчику, имеющему резонансный преобразователь, предназначенный для определения состава эмульсии.
Другое воплощение изобретения относится к измерительной системе, имеющей резонансный преобразователь, предназначенный для определения состава эмульсии. Измерительная система включает пробоотборный узел и анализатор импеданса.
Другое воплощение изобретения относится к способу определения состава смеси первой текучей среды и второй текучей среды, находящихся в резервуаре. Определение состава выполняют, определяя с помощью измерительной системы множество значений спектра комплексного импеданса смеси первой текучей среды и второй текучей среды в зависимости от высоты положения точки в резервуаре. Способ включает этап определения точки инверсии текучей фазы, исходя из множества значений спектра комплексного импеданса. Способ также включает этапы применения фазовой модели первой текучей среды к множеству значений спектра комплексного импеданса, находящихся выше точки инверсии текучей фазы, и применения фазовой модели второй текучей среды к множеству значений спектра комплексного импеданса, находящихся ниже точки инверсии текучей фазы.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие признаки и полезные эффекты настоящего изобретения станут более ясными после прочтения приведенного ниже более подробного описания предпочтительного воплощения, сопровождаемого графическими материалами, которые иллюстрируют, без ограничений, принципы определенных аспектов изобретения.
На Фиг. 1 схематично представлено одно из неограничивающих воплощений системы резонансного датчика.
На Фиг. 2 представлено неограничивающее изображение действия резонансного преобразователя.
На Фиг. 3 представлен один из примеров полученного спектра комплексного импеданса, используемого в многомерном анализе.
На Фиг. 4 представлено одно из воплощений двухмерного резонансного преобразователя.
На Фиг. 5 представлено одно из воплощений трехмерного резонансного преобразователя.
На Фиг. 6 представлена электрическая схема эквивалентной цепи трехмерного резонансного преобразователя.
На Фиг. 7 представлен график зависимости отклика Rp резонансного преобразователя от состава смеси масла (нефти) и воды.
На Фиг. 8 представлен график зависимости отклика Ср резонансного преобразователя от состава смеси масла (нефти) и воды.
На Фиг. 9 представлен вид сбоку в частичном разрезе одного из воплощений блока резонансного преобразователя.
На Фиг. 10 схематически представлено одно из воплощений системы обработки текучей среды.
На Фиг. 11 схематически представлено одно из воплощений обессоливающей установки.
На Фиг. 12 схематически представлено одно из воплощений сепаратора.
На Фиг. 13 представлена диаграмма зависимости отклика частоты (Fp) трехмерного резонансного преобразователя от повышения концентрации эмульсий типа "масло в воде" и "вода в масле".
На Фиг. 14 представлена диаграмма отклика частоты (Fp) двухмерного резонансного преобразователя от повышения концентрации эмульсий типа "масло в воде" и "вода в масле".
На Фиг. 15 представлена блок-схема одного из воплощений способа определения состава смеси масла и воды в зависимости от высоты положения точки.
На Фиг. 16 представлена диаграмма, на которой показаны данные, применяемые для определения точки инверсии текучей фазы и проводимости.
На Фиг. 17 представлена диаграмма результатов анализа экспериментальных данных одного из воплощений системы резонансного датчика.
На Фиг. 18 представлена диаграмма, на которой показаны результаты испытаний системы резонансного датчика в модели обессоливающей установке.
На Фиг. 19 представлено одно из воплощений представления сводки данных, полученных от системы резонансного датчика.
На Фиг. 20 представлена блок-схема одного из воплощений способа определения уровня текучей среды в резервуаре.
На Фиг. 21 представлена блок-схема одного из неограничивающих репрезентативных воплощений процессорной системы, подходящей для применения в системе резонансного датчика.
На Фиг. 22 представлено другое воплощение трехмерного резонансного преобразователя.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как будет подробно изложено ниже, воплощения настоящего изобретения относятся, наряду с другими аспектами, к системам для надежного и точного измерения уровня текучей среды в резервуаре для обработки текучей среды. Система резонансного датчика обеспечивает эффективное и точное измерение уровня перехода или слоя эмульсии с помощью резонансного преобразователя, такого как многопараметрический резонансный преобразователь со структурой типа "индуктивность-конденсатор-сопротивление" (LCR) и проведение многомерного анализа данных на основании сигналов преобразователя. Система резонансного датчика также предоставляет возможность определения состава смесей воды и масла, смесей масла и воды и, там, где это возможно, эмульсионного слоя.
Резонансный преобразователь включает резонансный контур и воспринимающую катушку. Электрический отклик резонансного преобразователя, помещенного в текучую среду, вызывает одновременные изменения ряда параметров. Эти параметры могут включать отклик комплексного импеданса, положение резонансного пика, ширину пика, высоту пика и симметричность пика отклика импеданса антенны датчика, величину действительной составляющей импеданса, резонансную частоту мнимой составляющей импеданса, антирезонансную частоту мнимой составляющей импеданса, частоту нулевого реактивного сопротивления, угол сдвига фаз, величину импеданса и другие параметры, рассмотренные при определении термина "спектральные параметры" датчика. Эти спектральные параметры могут изменяться в зависимости от диэлектрических свойств окружающих текучих сред. Типичная конфигурация резонансного преобразователя может включать резонансный контур LCR и антенну. Резонансный преобразователь может функционировать с воспринимающей катушкой, соединенной со считывающим устройством датчика (анализатором импеданса), и в этом случае воспринимающая катушка обеспечивает возбуждение преобразователя и обнаружение отклика преобразователя. Резонансный преобразователь также может функционировать, если возбуждение преобразователя и обнаружение отклика преобразователя осуществляют, когда преобразователь непосредственно соединен со считывающим устройством датчика (анализатором импеданса).
Резонансный преобразователь может обеспечивать одно или более из следующих преимуществ: высокую чувствительность, благоприятное соотношение сигнал/шум, высокую селективность, высокую точность и высокие скорости получения данных в надежном датчике, и при этом не требует обязательной оптической прозрачности анализируемой текучей среды и определения траектории потока. В отличие от традиционной импеданс-спектроскопии, включающей сканирование широкого диапазона частот (от доли Гц до десятков МГц или ГГц), резонансный преобразователь используют для быстрой регистрации спектра с высоким отношение сигнал/шум лишь в узком диапазоне частот. Чувствительность увеличивается за счет того, что характеризуемый участок располагают между электродами, которые образуют резонансный контур. Устанавливаемая в системе обработки текучей среды, такой как обессоливающая установка или сепаратор, система резонансного датчика может включать пробоотборный узел и резонансный преобразователь, соединенный с узлом для отбора проб текучей среды. С помощью системы резонансного датчика осуществляют способ измерения уровня смеси текучих сред в резервуаре, при этом также возможно осуществление способа определения состава смеси масла (нефти) и воды, находящейся в резервуаре. Резонансные преобразователи имеют возможность точно и количественно определять индивидуальные аналиты при их минимальном и максимальном содержании. Система резонансного датчика может быть способна определять состав смесей текучих сред, даже если одна из текучих сред представлена в низкой концентрации.
Неограничивающие примеры систем обработки текучей среды включают реакторы, химические реакторы, биологические реакторы, резервуары для хранения, контейнеры и другие резервуары, известные в данной области техники.
На Фиг. 1 схематично представлено одно из воплощений системы 11 резонансного датчика. Система 11 резонансного датчика включает резонансный преобразователь 12, пробоотборный узел 13 и анализатор импеданса (анализатор 15). Анализатор 15 соединен с процессором 16, таким как микрокомпьютер. Данные, получаемые от анализатора 15, обрабатывают с использованием многомерного анализа, и выходные данные могут быть выведены на пользовательский интерфейс 17. Анализатор 15 может представлять собой анализатор импеданса, который измеряет как амплитуду, так и фазовые свойства, и сопоставляет изменения импеданса с интересующими физическими параметрами. Анализатор 15 сканирует частоты в интересующем диапазоне (т.е. в диапазоне резонансных частот контура LCR) и принимает отклик импеданса от резонансного преобразователя 12.
Как показано на Фиг. 2, резонансный преобразователь 12 включает антенну 20, расположенную на подложке 22. Резонансный преобразователь может быть отделен от окружающей среды диэлектрическим слоем 21. В некоторых воплощениях толщина диэлектрического слоя 21 может составлять от 2 нм до 50 см, в частности, от 5 нм до 20 см; и более предпочтительно от 10 нм до 10 см. В некоторых примерах применения резонансный преобразователь 12 может включать осажденную на преобразователь чувствительную пленку. В ответ на изменение параметров окружающей среды в антенне 20, которая выступает за плоскость резонансного преобразователя 12, может генерироваться электромагнитное поле 23. На электромагнитное поле 23 могут влиять диэлектрические свойства окружающей среды, вызывая измерения физических параметров. Резонансный преобразователь 12 вырабатывает отклик в ответ на изменение комплексной диэлектрической проницаемости окружающей среды. Действительную составляющую комплексной диэлектрической проницаемости текучей среды называют "коэффициентом диэлектрической проницаемости". Мнимую составляющую комплексной диэлектрической проницаемости текучей среды называют "коэффициентом диэлектрических потерь". Мнимая составляющая комплексной диэлектрической проницаемости текучей среды прямо пропорциональна проводимости текучей среды.
Измерения в текучих средах могут быть проведены с использованием защитного слоя, который отделяет проводящую среду от антенны 20. Отклик резонансного преобразователя 12 на состав текучих сред может включать изменения диэлектрических свойств и размеров резонансного преобразователя 12. Эти изменения связаны с характеристиками анализируемого окружения, которое взаимодействует с резонансным преобразователем 12. Изменения в резонансном преобразователе 12, вызываемые текучей средой, влияют на комплексный импеданс контура антенны посредством изменения сопротивления материала и электрической емкости между витками антенны.
Для селективного определения характеристик текучей среды с помощью резонансного преобразователя 12 измеряют, как показано на Фиг. 3, спектры комплексного импеданса антенны 20 датчика. Определяют по меньшей мере три экспериментальные точки спектров импеданса эмульсии. Лучшие результаты могут быть получены при измерении в по меньшей мере пяти экспериментальных точках спектров импеданса эмульсии. Неограничивающие примеры количества определяемых экспериментальных точек включают 8, 16, 32, 64, 101, 128, 201, 256, 501, 512, 901, 1024, 2048 экспериментальных точек. Спектры могут быть зарегистрированы в виде действительной составляющей спектров импеданса или мнимой составляющей спектров импеданса или обеих составляющих спектров импеданса. Неограничивающие примеры параметров резонансного контура LCR включают спектр импеданса, действительную составляющую спектра импеданса, мнимую составляющую спектра импеданса, как действительную, так и мнимую составляющие спектра импеданса, частоту максимальной действительной составляющей комплексного импеданса (Fp), величину действительной составляющей комплексного импеданса (Zp), резонансную частоту (F 1) и величину (Z 1) ее мнимой составляющей комплексного импеданса, и антирезонансную частоту (F 2) и величин (Z 2) ее мнимой составляющей комплексного импеданса.
Из отклика эквивалентной цепи резонансного преобразователя 12 могут быть извлечены дополнительные параметры. Неограничивающие примеры параметров резонансного контура могут включать добротность резонанса, частоту реактивного сопротивления нулевой последовательности, угол сдвига фаз и величину импеданса отклика резонансного контура резонансного преобразователя 12. Применяемый многомерный анализ снижает размерность многопараметрического отклика резонансного преобразователя 12 до единственной экспериментальной точки в многомерном пространстве для селективного количественного определения различных интересующих параметров окружения. Неограничивающими примерами инструментов многомерного анализа являются: канонический корреляционный анализ, регрессионный анализ, нелинейный регрессионный анализ, анализ основных компонентов, дискриминантный анализ, многомерное шкалирование, линейный дискриминантный анализ, логистическая регрессия и/или нейросетевой анализ. Применение многомерного анализа полных спектров комплексного импеданса или вычисленных спектральных параметров позволяет с помощью резонансного преобразователя 12 выполнять количественное определение аналитов и их смесей при наличии помех. Кроме измерений параметров спектров комплексного импеданса можно измерять другие спектральные параметры, связанные со спектрами комплексного импеданса. Их примеры включают, без ограничений, S-параметры (параметры рассеяния) и Y-параметры (параметры проводимостей). Использование многомерного анализа данных, получаемых от датчика, позволяет производить одновременное количественное определение множества интересующих параметров, применяя единственный резонансный преобразователь 12.
Резонансный преобразователь 12 может быть одномерным, двухмерным или трехмерным. Одномерный резонансный преобразователь 12 может включать два провода, причем один провод расположен вблизи другого провода, и может включать дополнительные компоненты.
На Фиг. 4 представлен двухмерный резонансный преобразователь 25, включающий антенну 27 преобразователя. Двухмерный резонансный преобразователь 25 представляет собой резонансный контур, который включает LCR контур. В некоторых воплощениях на двухмерный резонансный преобразователь 25 может быть нанесена чувствительная пленка 21, наносимая на воспринимающую область между электродами. Антенна 27 преобразователя может иметь форму уложенного в виде спирали проводника, расположенного в одной плоскости. Двухмерный резонансный преобразователь 25 может быть проводным или беспроводным. В некоторых воплощениях двухмерный резонансный преобразователь 25 также может включать кристалл 29 ИС (интегральной микросхемы), соединенный с антенной 27 преобразователя. На кристалле 29 ИС могут храниться данные по изготовлению, пользовательские данные, калибровочные и/или другие данные. Кристалл 29 ИС представляет собой устройство на интегральных схемах, и он включает электронные схемы модуляции РЧ (радиочастотного) сигнала, которые могут быть изготовлены способом с использованием комплементарных металло-оксидных полупроводников (КМОП) и энергонезависимой памяти. Компоненты электронных схем модуляции РЧ сигнала могут включать диодный выпрямитель, регулятор напряжения источника питания, модулятор, демодулятор, генератор синхронизирующих импульсов и другие компоненты.
Получение характеристик выполняют отслеживанием изменений в спектре комплексного импеданса двухмерного резонансного преобразователя 25, на который воздействует электромагнитное поле 23, генерируемое антенной 27 преобразователя. Электромагнитное поле 23, генерируемое антенной 27 преобразователя, выходит за пределы плоскости двухмерного резонансного преобразователя 25, и на него воздействуют диэлектрические свойства окружающей среды, что позволяет определять физические, химические и биологические параметры.
На Фиг. 5 представлен трехмерный резонансный преобразователь 31. Трехмерный резонансный преобразователь 31 включает верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35, соединенную с конденсатором 37. Верхняя обмотка 33 намотана вокруг верхней части пробоотборной ячейки 39, а нижняя обмотка 35 намотана вокруг нижней части пробоотборной ячейки 39. Пробоотборная ячейка 39 может быть изготовлена, например, из материала, устойчивого к засорению, такого как политетрафторэтилен (ПТФЭ), синтетический фторполимер тетрафторэтилена.
В трехмерном резонансном преобразователе 31 использован эффект взаимной индуктивности верхней обмотки 33 и нижней обмотки 35. На Фиг. 6 представлена эквивалентная цепь 41, включающая источник 43 тока, R0 резистор 45, С0 конденсатор 47 и L0 катушка 49 индуктивности. Эквивалентная цепь 41 также включает L1 катушку 51 индуктивности, R1 резистор 53 и С1 конденсатор 55. Цепь также включает Ср конденсатор 57 и Rp резистор 59. В обведенном участке эквивалентной цепи 41 представлен чувствительный участок 61, который может определять свойства испытуемой окружающей текучей среды. Типичный Rp отклик и Ср отклик резонансного преобразователя 12 на изменение состава смеси масла (нефти) и воды представлены на Фиг, 7 и 8, соответственно.
Трехмерный резонансный преобразователь 31 может быть экранированным, как показано на Фиг. 9. Блок резонансного преобразователя 63 включает радиочастотный поглотитель (слой 67, поглощающий РЧ), окружающий пробоотборную ячейку 39, верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35.
Может быть установлен разделитель 69, окруженный металлическим экраном 71. Металлический экран 71 представляет собой необязательную деталь и не является частью преобразователя 31. Металлический экран 71 позволяет работать внутри или вблизи металлических объектов и труб, снижает шум и создает стабильное окружение, так что любые изменения отклика датчика обусловлены непосредственно изменениями в испытуемой текучей среде. Для успешной инкапсуляции датчика в металлическом экране 71 между датчиком и металлическим экраном 71 может быть размещен слой 67, поглощающий РЧ. Это предотвращает взаимодействие РЧ поля с металлом и глушение отклика датчика. Металлический экран 71 может быть обернут оболочкой 73 из подходящего материала. Слой 67, поглощающий РЧ, может поглощать электромагнитное излучение в различных частотных диапазонах, неограничивающие примеры которых включают частотные диапазоны порядка килогерц, мегагерц, гигагерц, терагерц, в зависимости от рабочей частоты преобразователя 31 и потенциальных источников помех. Поглощающий слой 67 может представлять собой комбинацию отдельных слоев, соответствующих определенным частотным диапазонам, то есть комбинации таких отдельных слоев обеспечивают более широкий спектральный диапазон экранирования.
Засорение системы 11 резонансного датчика может быть снижено за счет придания резонансному преобразователю 12 геометрической формы, которая позволяет резонансному преобразователю 12 зондировать окружающую среду на глубине отбора образца, составляющей от 0,1 мм до 1000 мм, в направлении, перпендикулярном размещению преобразователя. Обработка сигнала спектра комплексного импеданса снижает эффект засорения в результате отбора образца на соответствующей глубине.
На Фиг. 22 представлен второй трехмерный резонансный преобразователь 31. Второй трехмерный резонансный преобразователь 31 включает верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35. Нижняя обмотка 35 расположена вокруг пробоотборной ячейки 39, и верхняя обмотка 33 расположена вокруг нижней обмотки 35. Пробоотборная ячейка 39 может быть, например, изготовлена из материала, препятствующего засорению и подходящего для создания гальванической развязки, например, из политетрафторэтилена (ПТФЭ), синтетического фторполимера тетрафторэтилена, между нижней обмоткой 35 и текучей средой, от которой отбирают образец. Пробоотборная ячейка 39 может иметь форму трубки или иную форму, подходящую для вмещения стационарной или текущей текучей среды, обычно жидкости. Текучая среда может включать жидкость или твердые частицы, смешанные с жидкостью, как, например, в эмульсии, коллоидной суспензии, латексной или другой дисперсии. Между верхней обмоткой 33 и нижней обмоткой 35 предпочтительно размещен гальванический изолятор 34; однако, верхняя обмотка 33 и нижняя обмотка 35 также могут быть разделены воздушным зазором. Например, гальванический изолятор 34 может представлять собой трубку из ПТФЭ. Нижняя обмотка 35 может быть намотана непосредственно вокруг части пробоотборной ячейки 39 или иным образом может быть размещена вокруг или находиться в контакте с наружной стороной пробоотборной ячейки 39. Верхняя обмотка 33 может быть отделена от нижней обмотки 35 расстоянием, приблизительно составляющим от 0,1 до 0,3 дюйма (от 2,5 до 7,5 мм). Верхняя обмотка 33 и нижняя обмотка 35 предпочтительно выполнены в виде трубчатых катушек, расположенных концентрически по отношению друг к другу и к пробоотборной ячейке 39.
Второй трехмерный резонансный преобразователь 31 содержит разделитель 72, находящийся между верхней обмоткой 33 и слоем 67, поглощающим РЧ. Разделитель 72 изготовлен из гальванически изолирующего материала. Этот разделитель 72 усиливает сигнал, одновременно снижая шум, что приводит к повышению отношения сигнал/шум. Авторами изобретения также было отмечено, что разделитель 72 может расширять динамический диапазон второго трехмерного резонансного преобразователя 31.
Второй трехмерный резонансный преобразователь 31 имеет провода 74, соединяющие концы верхней обмотки 33 с соединительным элементом 68. Соединительный элемент 68 применяют для соединения электрического кабеля, выходящего из анализатора 15, со вторым трехмерным резонансным преобразователем 31. Второй трехмерный резонансный преобразователь 31 также имеет фитинги 34, расположенные на концах пробоотборной ячейки 39. Фитинги 34 обеспечивают необязательное соединение пробоотборной ячейки 39 с одной или более трубами, которые могут включать клапаны или другие устройства регулирования потока, позволяющие направлять жидкостный образец в пробоотборную ячейку 39 и извлекать образец после проведения измерений.
Необязательно, второй трехмерный резонансный преобразователь 31 может включать две гальванически разделенные верхние обмотки 33, одну из которых используют в качестве задающей катушки (катушки возбуждения), а другую - в качестве воспринимающей (принимающей) катушки. Однако в примере, представленном на Фиг. 22, единственная верхняя обмотка 33 действует и как задающая катушка, и как воспринимающая катушка. Анализатор 15 предназначен и для направления тока (обычно синусоидальной волны напряжения) через верхнюю обмотку 33, и для получения сигнала (тока) от верхней обмотки, но в различные временные интервалы, например, в соответствии с чередующимися фазами возбуждения и приема. Каждый из этапов возбуждения и приема может иметь соответствующую продолжительность, например, от 0,2 до 5 секунд. Частота переменного напряжения, прикладываемого при проведении этапа возбуждения, в последовательных этапах возбуждения может быть различной. Кроме отсутствия второй верхней обмотки 33, в этой конфигурации нет двух комплектов электрических кабелей, соединяющих анализатор 15 со вторым трехмерным резонансным преобразователем 31, что может снизить шумовой сигнал.
Нижняя обмотка 35 действует как резонатор или измерительная катушка. Нижняя обмотка 35 является "плавающей", не имея гальванических соединений с другими деталями второго трехмерного резонансного преобразователя 31. Оба конца нижней обмотки 35 предпочтительно не соединены друг с другом (кроме как через витки нижней обмотки 35), то есть образуют замкнутый контур, хотя также могут быть применены образующие контур соединения, представленные на Фиг. 5, с или без конденсатора. Нижняя обмотка 35 возбуждается электромагнитным полем, создаваемым переменным напряжением, проходящим через верхнюю обмотку 33. Возбужденная нижняя обмотка 35 генерирует другое электромагнитное поле, которое изменяется в результате взаимодействия с текучей средой, находящейся в пробоотборной ячейке 39. После чего это (отраженное) электромагнитное поле определяется верхней обмоткой 33. Как было указано выше, эти два этапа происходят в разные временные интервалы и предпочтительно чередуются в течение множества циклов.
Несмотря на то, что нижняя обмотка 35 генерирует электромагнитное поле, поскольку пробоотборная ячейка 39 содержит текучую среду (такую как вода или масло) с низкой проводимостью, сигналы, представляющие электрическую (в отличие от магнитной) часть поля, генерируемого нижней обмоткой 35, представляют собой первичный или единственный материал для анализа. В этом состоит отличие от методик на основе вихревых токов, применяемых для проведения измерений в более проводящих материалах, в которых в качестве первичного или единственного материала для анализа используют магнитную часть поля, генерируемого резонатором. Сигналы, связанные с магнитной составляющей электромагнитного поля, генерируемого нижней обмоткой 35, отражают проводимость образца, в то время как сигналы, связанные с электрической составляющей электромагнитного поля, генерируемого нижней обмоткой 35, относятся к импедансу образца.
Анализатор 15 переводит электрический отклик (сигнал), генерируемый нижней обмоткой 33 (получаемый через верхнюю обмотку 35), в один или более измеряемых параметров. Эти параметры могут включать одну или более из следующих величин: комплексный (величину и фазу) отклик импеданса; положение резонансного пика, ширину пика, высоту пика и/или симметричность пика отклика импеданса; величину действительной составляющей импеданса; резонансную частоту мнимой составляющей импеданса; антирезонансную частоту мнимой составляющей импеданса; частоту нулевого реактивного сопротивления; угол сдвига фаз импеданса; величину импеданса и другие параметры.
Второй трехмерный резонансный преобразователь 31, представленный на Фиг. 22, может быть применен в любом способу или устройстве, включающем применение резонансного преобразователя 31, представленного на Фиг. 5. Во втором трехмерном резонансном преобразователе 31, представленном на Фиг. 22, использован эффект взаимной индуктивности верхней обмотки 33 и нижней обмотки 35. Представленная на Фиг. 6 эквивалентная цепь может включать второй трехмерный резонансный преобразователь 31, показанный на Фиг. 22. Соответственно, от второго трехмерного резонансного преобразователя 31, представленного на Фиг. 22, может быть получен Rp отклик и Ср отклик, зависящие от состава смеси масла (нефти) и воды, аналогичные откликам, представленным на Фиг. 7 и 8.
Второй трехмерный резонансный преобразователь 31 может быть экранированным, как показано на Фиг. 22. Блок резонансного преобразователя 63 включает радиочастотный поглотитель (слой 67, поглощающий РЧ), окружающий пробоотборную ячейку 39, верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35. Слой 67, поглощающий РЧ, может быть окружен металлическим, например, алюминиевым экраном 71. Между слоем 67, поглощающим РЧ, и экраном 71, может быть расположен разделитель (не показан). Наличие экрана 71 не является обязательным, и он не является необходимой частью второго трехмерного резонансного преобразователя 31. Тем не менее, экран 71 улучшает работу внутри или вблизи металлических объектов и труб, снижает шум и создает стабильное окружение, так что любые изменения отклика датчика обусловлены непосредственно изменениями в испытуемой текучей среде. Для успешной инкапсуляции датчика в экране 71 между датчиком и металлическим экраном 71 может быть размещен слой 67, поглощающий РЧ. Это предотвращает взаимодействие РЧ поля с металлом и глушение отклика датчика. Металлический экран 71 может быть обернут оболочкой 73 из подходящего материала. Слой 67, поглощающий РЧ, может поглощать электромагнитное излучение в различных частотных диапазонах, неограничивающие примеры которых включают частотные диапазоны порядка килогерц, мегагерц, гигагерц, терагерц, в зависимости от рабочей частоты преобразователя 31 и потенциальных источников помех. Поглощающий слой 67 может представлять собой комбинацию отдельных слоев, соответствующих определенным частотным диапазонам, то есть комбинации таких отдельных слоев обеспечивают более широкий спектральный диапазон экранирования.
Предпочтительно, но не обязательно, длина верхней обмотки 33 составляет по меньшей мере половину длины нижней обмотки 35. Предпочтительно, но не обязательно, шаг верхней обмотки 33 превышает шаг нижней обмотки 35. Например, как показано на Фиг. 22, длина верхней обмотки 33 приблизительно равна длине нижней обмотки 35, но верхняя обмотка имеет в десять раз меньше витков, чем нижняя обмотка 35. Например, верхняя обмотка 33 может иметь один виток на каждые от 15 до 50 витков нижней обмотки 35. Верхняя обмотка 33 и нижняя обмотка 35 имеют разные резонансные частоты. При измерении концентрации воды в масле или масла в воде или концентрации солей или твердых частиц в воде или масле или в смесях воды и масла, верхняя обмотка 33 предпочтительно имеет более высокую резонансную частоту, чем нижняя обмотка 35. Базовые линии резонансных частот верхней обмотки 33 и нижней обмотки 35 предпочтительно разделены. Последовательные пики подаваемых и отраженных (модифицированных в результате взаимодействия с образцом) сигналов находятся на по меньшей мере некотором расстоянии друг от друга вдоль базовой линии.
Концентрическое расположение верхней обмотки 33 и нижней обмотки 35, представленное на Фиг. 22, повышает чувствительность второго трехмерного резонансного преобразователя 31. Например, второй трехмерный резонансный преобразователь 31, представленный на Фиг. 22, может быть лучше приспособлен для определения состава эмульсий и других дисперсий, включая дисперсии твердых частиц и дисперсии, содержащие твердые частицы и эмульсии, чем резонансный преобразователь 31, представленный на Фиг. 5. Однако резонансный преобразователь 31, представленный на Фиг. 5, также может применяться для определения состава эмульсий и других дисперсий, включая дисперсии твердых частиц и дисперсии, содержащие твердые частицы и эмульсии.
Как показано на Фиг. 10, система 11 резонансного датчика может быть применена для определения уровня и состава текучих сред в системе 111 обработки текучей среды. Система 111 обработки текучей среды включает резервуар 113 с пробоотборным узлом 115 и системой 11 резонансного датчика. Система 11 резонансного датчика включает по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, соединенный с пробоотборным узлом 115. Система 11 резонансного датчика также включает анализатор 15 и процессор 16.
Во время работы, обычно несмешиваемую комбинацию текучих сред направляют в резервуар через впускное отверстие 123 для необработанной текучей среды. Комбинация текучих сред может включать первую текучую среду и вторую текучую среду, обычно несмешиваемую с первой текучей средой. При проведении обработки комбинации текучих сред, комбинацию текучих сред разделяют на слой 117 первой текучей среды и слой 119 второй текучей среды. Между слоем 117 первой текучей среды и слоем 119 второй текучей среды может находиться слой 121 смеси диспергированного масла (нефти), воды и твердых частиц (англ. rag layer). После обработки первая текучая среда может быть извлечена через выпускное отверстие 125 для первой текучей среды, а вторая текучая среда может быть извлечена через выпускное отверстие 127 для второй текучей среды. Систему 11 резонансного датчика применяют для измерения уровня слоя 117 первой текучей среды, слоя 119 второй текучей среды и слоя 121 смеси диспергированного масла (нефти), воды и твердых частиц. Система 11 резонансного датчика также может быть применена для получения характеристик содержимого слоя 117 первой текучей среды, слоя 119 второй текучей среды и слоя 121 смеси диспергированного масла (нефти), воды и твердых частиц.
Одно из воплощений системы 111 обработки текучей среды относится к обессоливающей установке 141, представленной на Фиг. 11. Обессоливающая установка 141 включает резервуар 143 обессоливающей установки. Неочищенную нефть направляют в обессоливающую установку 141 через впускное отверстие 145 для нефтяного сырья и смешивают с водой, направляемой через впускное отверстие 147 для воды. Комбинацию нефтяного сырья и воды пропускают через смесительный клапан 149 в резервуар 143 обессоливающей установки. Обессоливающая установка 141 включает отверстие 151 для выпуска обработанной нефти и отверстие 153 для выпуска сточной воды. В резервуаре 143 обессоливающей установки имеются сборный коллектор 155 для нефти и сборный коллектор 157 для воды. Трансформатор 159 и трансформатор 161 подают электричество в верхнюю электрическую сеть 163 и нижнюю электрическую сеть 165. Между верхней электрической сетью 163 и нижней электрической сетью 165 расположены распределители 167 эмульсии.
В процессе работы нефтяное сырье, смешанное с водой, направляют в резервуар 143 обессоливающей установки, где две текучие среды смешивают и распределяются с помощью распределителей 167 эмульсии, образуя эмульсию. Эмульсию поддерживают между верхней электрической сетью 163 и нижней электрической сетью 165. Воду, содержащую соль, отделяют от смеси нефть/вода пропусканием через верхнюю электрическую сеть 163 и нижнюю электрическую сеть 165, в результате чего она осаждается на дно резервуара 143 обессоливающей установки, откуда ее собирают в виде сточной воды.
Контроль уровня слоя эмульсии и определение характеристик содержимого эмульсий типа "масло в воде" и "вода в масле" необходимо для работы обессоливающей установки 141. Уровень слоя эмульсии может быть определен с помощью пробоотборного узла, такого как блок 169 линий для отбора образцов, соединенный с резервуаром 143 обессоливающей установки и включающий по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, расположенный на выходном трубопроводе 172 линии для отбора образцов. Резонансный преобразователь 12 может быть соединен с компонент 173 для сбора данных. В процессе работы резонансный преобразователь 12 применяют для измерения уровня воды и нефти, что позволяет операторам управлять способом. Блок 169 линий для отбора образцов может состоять из множества труб, открытые концы которых находятся внутри резервуара 143 обессоливающей установки, причем открытые концы расположены фиксированным образом на требуемом вертикальном уровне или в требуемой точке в резервуаре 143 обессоливающей установки для отбора жидкостных образцов на этом уровне. В резервуаре для обработки обычно установлено множество труб для отбора образцов, каждая из которых имеет свой клапан для отбора образца, и открытые концы всех труб находятся на разных, считая в вертикальном направлении, уровнях внутри установки, то есть жидкостные образцы могут быть отобраны из множества фиксированных точек, расположенных на разных уровнях по вертикали внутри установки. Другой подход к измерению уровня слоя эмульсии состоит в применении маятникового пробоотборника. Маятниковый пробоотборник представляет собой трубу, открытый конец который находится внутри резервуара 143 обессоливающей установки, которая обычно соединена с клапаном для отбора образцов, находящимся снаружи установки. Он включает блок, применяемый для изменения вертикального положения открытого конца изогнутой трубы, находящегося в обессоливающей установке 141, за счет его поворота, что позволят отбирать (извлекать) образцы жидкости из любой точки, расположенной на требуемом уровне по вертикали.
Другой способ измерения уровня масла (нефти) и воды включает размещение по меньшей мере одного резонансного преобразователя 12 на измерительном штоке 175. Измерительный шток 175 может представлять собой стержень, на котором закреплен резонансный преобразователь 12 и который погружают в резервуар 143 обессоливающей установки. Измерения производят на множестве уровней. В альтернативном воплощении измерительный шток 175 может представлять собой стационарный стержень, включающий множество мультиплексированных резонансных преобразователей 12. Резонансный преобразователь 12 может быть соединен с компонентом 179 для сбора данных, который собирает данные из различных показаний приборов для дополнительной обработки.
Другим воплощением системы 111 обработки текучей среды является сепаратор 191, представленный на Фиг. 12. Сепаратор 191 включает резервуар 193 сепаратора, имеющую трубопровод 195 для впуска нефтяного сырья. Вытекающее из впускного трубопровода 195 нефтяное сырье встречает на своем пути впускной отклоняющий щиток 197. Действие нефтяного сырья на впускной отклоняющий щиток 197 вызывает отделение частиц воды от нефтяного сырья. Нефтяное сырье попадает в камеру 199 для обработки, где оно разделяется на водный слой 201 и нефтяной слой 203. Нефтяное сырье перемещается в камеру 199 для обработки ниже поверхности 204 раздела нефть/вода. Это приводит к тому, что подаваемая смесь нефти и воды смешивается с непрерывной водной фазой в нижней части резервуара и поднимается через поверхность 204 раздела нефть/вода, способствуя осаждению капель воды, захваченных нефтью. Вода оседает на дне, в то время как нефть поднимается на поверхность. Нефть переливается через переливной барьер 205 и собирается в камере 207 для нефти. Вода может быть извлечена из системы через трубопровод 209 для выпуска воды, который регулируется клапаном 211 регулировки уровня воды. Аналогично, нефть может быть извлечена из системы через трубопровод 213 для выпуска нефти, который регулируется клапаном 215 регулировки уровня нефти. Высота поверхности раздела нефть/вода может быть определена с помощью блока 217 линий для отбора образцов, включающего по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, расположенный на выпускном трубопроводе 218 линии для отбора образцов и соединенный процессором 221 для обработки данных. В альтернативном воплощении для определения уровня поверхности раздела 204 нефть/вода может быть применен измерительный шток 223, включающий по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, соединенный с процессором 227. Полученное значение уровня используют для управления клапаном 211 регулирования уровня воды, что позволяет отбирать воду таким образом, что уровень поверхности раздела нефть/вода поддерживается на требуемой высоте.
Приведенные ниже примеры предоставлены лишь для иллюстрации и не ограничивают объем настоящего изобретения. Для проведения статических испытаний различных конструкций резонансного преобразователя 12 применяли модельную систему, состоящую из тяжелого минерального масла, водопроводной воды и детергента (моющего средства). Концентрация детергента была постоянной во всех смесях.
Пример 1
В случае трехмерного резонансного преобразователя 31, расположенного на линии для отбора образцов или маятниковом пробоотборном узле 13, в ячейку для образца, снабженную трехмерным резонансным преобразователем 31, намотанным снаружи вокруг ячейки для образца, заливали различные композиции из масла и воды. На Фиг. 13 представлен отклик линии для отбора образцов/маятникового пробоотборного узла в виде зависимости Fp (сдвига частоты действительной части импеданса) от повышения концентрации масла. Вычисленный предел обнаружения состава масла в эмульсиях типа "масло в воде" (Фиг. 13, часть А) составил 0,28%, и предел обнаружения состава масла в эмульсиях типа "вода в масле" (Фиг. 13, часть В) составил 0,58%.
Пример 2
В случае двухмерного резонансного преобразователя 25, двухмерный резонансный преобразователь 25 погружали в различные составы из масла и воды. На Фиг. 14 представлен отклик двухмерного резонансного преобразователя 25 (2 см, круглый) в виде зависимости Fp (сдвига частоты действительной части импеданса) от повышения концентрации масла. Вычисленный предел обнаружения состава масла в эмульсиях типа "масло в воде" (Фиг. 14, часть А) составил 0,089%), и предел обнаружения состава масла в эмульсиях типа "вода в масле" (Фиг. 14, часть В) составил 0,044%. Этот пример показывает, что небольшие концентрации одной текучей среды, смешанные с большими концентрациями другой текучей среды, могут быть определены с высокой степенью точности.
Пример 3
В модельную систему помещали 250 мл минерального масла и обрабатывали детергентом в концентрации 1 капля на 50 мл (5 капель). Минеральное масло перемешивали, вводили через датчик и записывали спектры импеданса. При постоянной солености и той же обработке детергентом добавляли небольшие порции воды. После того, как объем воды превысил 66% или 500 мл воды, систему очищали, и эксперимент повторяли при различных соленостях воды. Многомерный отклик двухмерного резонансного преобразователя 25 зависел от изменений состава и проводимости на всех уровнях в резервуаре для испытаний модельной системы. Несмотря на то, что эффект проводимости и состава был несколько криволинейным, отслеживание датчиком градиента состава позволяло устранить эффект нелинейности при проведении анализа данных.
На Фиг. 15 представлена обобщенная блок-схема способа, иллюстрирующая способ 261 определения состава смеси масла и воды в зависимости от высоты положения точки.
При выполнении этапа 263 собирают данные (массив LCR параметров резонансного контура) в зависимости от высоты положения точки в диапазоне от верха до днища (в лабораторных опытах это моделировали, начиная со 100% масла и постепенно добавляя воду).
При выполнении этапа 265 определяют проводимость воды с использованием калибровки. При 100% воды многомерный отклик сравнивают с данными калибровки для проводимости воды.
При выполнении этапа 267 с помощью Z параметров определяют точку инверсии текучей фазы.
При выполнении этапа 269 Z параметры объединяют с данными проводимости и параметрами текучей фазы.
При выполнении этапа 271 применяют модель масляной фазы. Модель масляной фазы представляет собой набор значений, сопоставляющих измеренные значения частоты, значения импеданса и значения проводимости с содержанием масла в смеси масла и воды.
При выполнении этапа 273 применяют модель водной фазы. Модель водной фазы представляет собой набор значений, сопоставляющих измеренные значения частоты, значения импеданса и значения проводимости с содержанием воды в смеси воды и масла.
При выполнении этапа 275 определяют состав в зависимости от высоты положения точки, используя величины проводимости и точки инверсии текучей фазы в качестве параметров, вводимых в многомерный анализ, и получают отчет.
На Фиг. 16 представлена необработанная зависимость импеданса (Zp) от результатов частоты (Fp) для профиля, содержащего 0-66% воды, справа налево. При приблизительно 8,12 МГц содержание воды достаточно высоко (~25%) для инициирования инверсии фазы текучей среды от масляной к непрерывной водной фазе. Это подтверждается резким изменением Zp из-за повышения проводимости испытуемой текучей среды в непрерывной водной фазе. Модель непрерывной масляной фазы применяют к любым экспериментальным точкам справа от точки инверсии фаз текучей среды, а модель водной фазы - к точкам, находящимся слева от нее. Кроме того, для определения проводимости воды в конечной точке, которая в этом случае составила 2,78 мС/см, используют калибровочные данные.
На Фиг. 17 представлены результаты анализа экспериментальных данных полученных от одного из воплощений трехмерной системы резонансного датчика, которые показывают корреляцию между реальными и предсказанными значениями для систем "масло в воде" и "вода в масле" и остаточную погрешность значений, предсказанных на основании созданной модели. В части А диаграммы показаны реальные и предсказанные значения для системы "масло в воде". В части В диаграммы показаны реальные и предсказанные значения для системы "вода в масле". В части А моделирование экспериментальных точек проводили отдельно от моделирования экспериментальных точек части В (непрерывной водной фазе). В частях С и D диаграммы показана остаточная погрешность между реальными и предсказанными значениями систем "масло в воде" и "вода в масле", соответственно. В общем, если действительная доля масла составляла от 0% до 60%, то остаточная погрешность составляла менее 0,5%. Если действительная доля масла составляла от 70% до 100%, то остаточная погрешность составляла менее 0,04%. При инверсии фаз текучей среды, когда возможность прогнозирования затруднена из-за флуктуации состава испытуемой текучей среды в установке для динамических испытаний, остаточная погрешность повышается до 10%. Возможность прогнозирования датчика улучшается при составах, содержащих>66% воды, при наличии большего количества тестовых данных.
На Фиг. 18 показаны результаты, полученные в модели обессоливающей установке. На диаграмме представлен профиль зависимости состава от времени. Для моделирования отбора образцов с помощью маятникового пробоотборника, медленно вращающегося через слой смеси диспергированного масла, воды и твердых частиц, при работе испытательной установки состав испытуемой текучей среды медленно изменяли добавлением небольших количеств воды.
На Фиг. 19 представлен ожидаемый уровень, сообщаемый сенсорной систем анализа данных. Конечному пользователю будет показан график зависимости состава от высоты положения точки в обессоливающей установке, уровень инверсии фаз текучей среды и ширина слоя смеси диспергированного масла, воды и твердых частиц. Слева представлены индикаторы текучей фазы (черный - масло, серый - непрерывная масляная фаза, заштрихованный - непрерывная водная фаза, белый - вода), которые показывают кривую процент воды/высота. Высота слоя смеси диспергированного масла, воды и твердых частиц является суммой высот областей непрерывной водной и непрерывной масляной фазы. Показываемый уровень деталей позволяет оператору обессоливающей установки оптимизировать скорость подачи химических веществ в способ, производить более детальное обратное воздействие на работу системы обработки текучей среды, а также обнаруживает нарушения проведения способа, которые могут вызывать повреждения находящихся ниже по потоку инфраструктур способа.
На Фиг. 20 представлена блок-схема способа 281 измерения уровня смеси текучих сред в резервуаре 113.
При выполнении этапа 283 в соответствии со способом 281 могут быть обнаружены сигналы (набор сигналов), поступающие от системы 11 резонансного датчика, находящихся во множестве мест внутри резервуара. Сигналы генерируются резонансным преобразователем 12, погруженным в смесь текучих сред. Резонансный преобразователь 12 генерирует набор сигналов преобразователя, соответствующих изменениям диэлектрических свойств резонансного преобразователя 12, и сигналы обнаруживаются анализатором 15.
При выполнении этапа 285 в соответствии со способом 281 может быть произведено преобразование сигналов в набор значений спектра комплексного импеданса для множества мест. Преобразование производят с помощью многомерного анализа данных.
При выполнении этапа 287 в соответствии со способом 281 может быть произведено сохранение значений спектра комплексного импеданса.
При выполнении этапа 289 в соответствии со способом 281 может быть определено, достаточное ли количество мест было проверено.
При выполнении этапа 291 в соответствии со способом 281 может быть заменен резонансный преобразователь 12, с которого считывают данные (или участок размещения резонансного преобразователя 12), если было проверено недостаточное количество мест.
При выполнении этапа 293 в соответствии со способом 281 может быть определена точка инверсии текучей фазы, если было проверено достаточное количество мест. Точку инверсии текучей фазы определяют, исходя из значений спектра комплексного импеданса, посредством обнаружения резкого изменения значений импеданса.
При выполнении этапа 295 в соответствии со способом 281 уровню раздела фаз может быть присвоено значение, вычисленное из положения точки инверсии текучей фазы.
На Фиг. 21 представлена блок-схема неограничивающего примера процессорной системы 810, которая может быть применена для управления устройством и способами, рассмотренными в настоящем описании. Как показано на Фиг. 21, процессорная система 810 включает процессор 812, соединенный с соединительной шиной 814. Процессор 812 может быть любым подходящим процессором, обрабатывающей установкой или микропроцессором. Несмотря на то, что на Фиг. 21 она не показана, процессорная система 810 может представлять собой многопроцессорную систему и, таким образом, может включать один или более дополнительных процессоров, которые идентичны или аналогичны процессору 812 и которые соединены с возможностью связи с соединительной шиной 814.
Представленный на Фиг. 21 процессор 812 соединен с набором 818 микросхем, который включает контроллер 820 памяти и контроллер 822 ввода/вывода. Как известно, набор микросхем обычно обеспечивает управление функциями ввода/вывода и памятью, а также множеством регистраторов, таймеров и т.д. общего и/или специального назначения, которые доступны или используются одним или более процессорами, соединенными с набором 818 микросхем. Функции контроллера 820 памяти разрешат процессору 812 (или процессорам, если имеется множество процессоров) доступ к системной памяти 824 и запоминающему устройству 825 большой емкости.
Системная память 824 может включать энергозависимую и/или энергонезависимую память любого типа, такую как, например, статическая память с произвольной выборкой (СЗУПВ), динамическая память с произвольной выборкой (ДЗУПВ), флэш-память, постоянная память (ROM) и т.д. Запоминающее устройство 825 большой емкости может включать запоминающее устройство большой емкости любого требуемого типа, включающее накопители на жестких дисках, накопители на оптических дисках, запоминающие устройства на ленте и т.д.
Функции контроллера 822 ввода/вывода позволяют процессору 812 обмениваться информацией с периферийными устройствами 826 и 828 ввода/вывода и сетевым интерфейсом 830 через шину 832 ввода/вывода. Устройства 826 и 828 ввода/вывода могут представлять собой устройства ввода/вывода любого требуемого типа, такие как, например, клавиатура, видеодисплей или монитор, мышка и т.д. Сетевой интерфейс 830 может представлять собой, например, устройство Ethernet, устройство, работающее в режиме асинхронной передачи (протокол ATM), устройство 802.11, DSL-модем, кабельный модем, сотовый модем и т.д., которое позволяет процессорной системе 810 обмениваться информацией с другой процессорной системой. Данные, полученные анализатором 15, могут быть переданы процессору 812 через шину 832 ввода/вывода с помощью соответствующих шинных разъемов.
Несмотря на то, что контроллер 820 памяти и контроллер 822 ввода/вывода изображены на Фиг. 21 как отдельные модули, находящиеся в наборе 818 микросхем, функции, выполняемые этими модулями, могут быть интегрированы в одном полупроводниковом контуре или могут быть воплощены в виде двух или более отдельных интегральных схем.
Некоторые воплощения изобретения для выполнения функций, рассмотренных выше, включают способы, системы и компьютерные программы, записанные на любом машиночитаемом носителе. В некоторых воплощениях может быть применен, например, существующий компьютерный процессор или специально сконструированный для тех или иных целей воплощения компьютерный процессор или жестко смонтированная и/или встроенная система. Некоторые воплощения включают применение читаемого компьютером носителя, на котором записаны или имеются выполняемые компьютером инструкции или хранятся структуры данных. Такой читаемый компьютером носитель может представлять собой любой доступный носитель, к которому может иметь доступ компьютер общего или специального назначения или другая машина с процессором. Например, такой читаемый компьютером носитель может включать ОЗУ (англ. Random Access Memory, сокращено RAM), постоянную память (англ. read-only memory, сокращенно ROM), PROM, EPROM, EEPROM, флэш-накопитель, CD-ROM или другой накопитель на оптических дисках, накопитель на магнитных дисках или другие магнитные накопительные устройства или любой другой носитель, который может быть использован для нанесения или хранения требуемого программного кода в виде выполняемых компьютером инструкций или структур данных и к которому может иметь доступ компьютер общего или специального назначения или другая машина с процессором. Комбинации перечисленных выше устройств также включены в понятие читаемого компьютером носителя. Выполняемые компьютером инструкции включают, например, инструкции и данные, которые заставляют компьютер общего назначения, компьютер специального назначения или обрабатывающие машины специального назначения выполнять некоторые функции или группу функций.
В общем, выполняемые компьютером инструкции включают стандартные программы, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.д., которые выполняют конкретные задачи или выполняют конкретные типы абстрактных данных. Выполняемые компьютером инструкции, связанные с ними структуры данных и программные модули представляют собой примеры программного кода, предназначенного для выполнения этапов некоторых способов и систем, рассмотренных в настоящем описании. Конкретная последовательность таких выполняемых инструкций или связанных с ними структур данных представляют собой примеры соответствующих действий, нацеленных на выполнение функций, описанных для этих этапов.
Воплощения настоящего изобретения могут быть осуществлены в сетевом окружении с использованием логических соединений с одним или более удаленных компьютеров, имеющих процессоры. Неограничивающие примеры логических соединений могут включать локальную вычислительную сеть (ЛВС; англ. local area network, сокращенно LAN) и территориально распределенную сеть (ТРС; англ. wide area network, сокращенно WAN). Такие сетевые окружения являются обычными для офисных компьютерных сетей или компьютерных сетей, охватывающих предприятие, внутрикорпоративных сетей и Интернета, и могут использовать множество различных протоколов обмена данными. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что такие сетевые компьютерные системы обычно включают множество различных типов конфигураций компьютерных систем, включая персональные компьютеры, мобильные устройства, многопроцессорные системы, бытовую электронную технику на основе микропроцессоров или программируемую бытовую электронную технику, сетевые ПК, миникомпьютеры, универсальные ЭВМ и подобные устройства. Воплощения изобретения также могут быть осуществлены в среде распределенных вычислений, в которой задачи выполняются локальными и удаленными обрабатывающими устройствами, которые связаны (через проводные связи, беспроводные связи или через комбинацию проводных или беспроводных связей) через сеть обмена данными. В среде распределенных вычислений программные модули могут быть находиться как в локальных, так и в удаленных устройствах памяти.
Отслеживание изменений комплексного импеданса цепи и применение хемометрического анализа спектров импеданса позволяет предсказать состав и непрерывную фазу смесей "масло в воде" и "вода в масле" при стандартной погрешности 0,04% при содержании воды 0-30% и 0,26% при содержании воды 30-100%.
Инструменты многомерного анализа, используемые в комбинации с множеством данных спектров импеданса, позволяют устранить помехи, а преобразователи, сконструированные для проникновения на максимальную глубину, позволяют снизить воздействие засорения. По мере погружения резонатора на дополнительную глубину в массу текучей среды, засорение поверхностей становится менее значительным.
Термин "аналит" включает любой целевой определяемый параметр окружающей среды.
Термин "параметры окружающей среды" означает определяемые переменные окружающей среды, находящейся внутри или окружающей технологическую или отслеживающую систему. Определяемые переменные окружающей среды включают по меньшей мере одно физическое, химическое и биологическое свойство, а также включают, без ограничений, измерение температуры, давления, концентрации материала, проводимости, диэлектрических свойств, количество диэлектрических, металлических, химических или биологических частиц вблизи или в контакте с датчиком, дозу ионизирующего излучения и интенсивность света.
Термин "текучие среды" включает газы, пары, жидкости и твердые вещества.
Термин "помехи" включает любой нежелательный параметр окружающей среды, который нежелательным образом влияет на точность и аккуратность измерений датчика. Термин "мешающий компонент" относится к параметру текучей среды или окружающей среды (который включает, без ограничений температуру, давление, свет и т.д.), который может потенциально создавать помеху в отклике датчика.
Термин "преобразователь" означает устройство, которое превращает одну форму энергии в другую.
Термин "датчик" означает устройство, которое измеряет физическую количественную характеристику и превращает ее в сигнал, который может быть считан наблюдателем или измерительным устройством.
Термин "многомерный анализ данных" означает математическую процедуру, которую применяют для анализа более одной переменной, получаемой из отклика датчика, и для получения информации о типе по меньшей мере одного параметра окружающей среды из измеренных датчиком спектральных параметров и/или для получения количественной информации об уровне по меньшей мере одного параметра окружающей среды из измеренных датчиком спектральных параметров.
Термин "резонансный импеданс" или "импеданс" означает измеренный датчиком частотный отклик вблизи резонанса датчика, из которого определяют "спектральные параметры" датчика.
Термин "спектральные параметры" используют для обозначения измеряемых переменных отклика датчика. Отклик датчика представляет собой спектр импеданса резонансного контура датчика резонансного преобразователя 12. Кроме регистрации спектра импеданса в виде Z-параметров, S-параметров и других параметров, спектр импеданса (действительная и мнимая составляющие) может быть проанализирован при одновременном использовании различных подходящих для анализа параметров, таких как, частота максимума действительной составляющей импеданса (Fp), величина действительной составляющей импеданса (Zp), резонансная частота мнимой составляющей импеданса (F 1) и антирезонансная частота мнимой составляющей импеданса (F 2), величина сигнала (Z 1) при резонансной частоте мнимой составляющей импеданса (F 1), величина сигнала (Z 2) при антирезонансной частоте мнимой составляющей импеданса (F 2) и частота нулевого реактивного сопротивления (Fz), т.е. частоты, при которой мнимая составляющая импеданса равна нулю. Из полных спектров импеданса могут быть одновременно определены другие спектральные параметры, например, показатель качества резонанса, угол сдвига фаз и величина импеданса. Обобщенно вычисленные из спектров импеданса "спектральные параметры" в настоящем описании называются "характеристиками" или "дескрипторами". Подходящие характеристики выбирают из всех потенциальных характеристик, которые могут быть вычислены из спектров. Многопараметрические спектральные параметры рассмотрены в заявке на патент США No. 12/118950, озаглавленной "Способы и системы для калибровки РЧИД датчиков (англ. Methods and systems for calibration of RFID sensors)", которая включена в настоящее описание посредством ссылки.
Используемая в настоящем описании терминология предназначена только для описания конкретных воплощений и не ограничивает изобретение. Если определения отступают от обычно используемых значений термина, то заявитель рекомендует, если не указано иное, использовать определения, приведенные в тексте. Если из контекста не ясно иное, то формы единственного числа также включают формы множественного числа. Следует понимать, что, несмотря на то, что для описания различных элементов могут употребляться термины "первый", "второй" и т.д., эти элементы не ограничиваются указанными терминами. Эти термины используются только для отличия одного элемента от другого. Термин "и/или" включает любые и все комбинации одного или более перечисленных с ним объектов. Фразы "соединен с" и "присоединен к" включают как непосредственное, так и опосредованное соединение.
В некоторых воплощениях настоящего изобретения применяют электрическое поле и одну резонансную катушку, способную определять значения в широком динамическом диапазоне, например, от 0 до 100% воды, и характеризовать непрерывную фазу исследуемых эмульсий масло/вода. Для покрытия широкого динамического диапазона, создаваемого текучими средами, которые представляют собой непрерывную фазу масло/газ или непрерывную водную фазу, не требуется применение множества измерительных катушек. Не ограничиваясь какой-либо теорией, можно отметить, что возможность проведения измерений с помощью одной измерительной катушки проистекает из того факта, что в этом случае не применяют способ, основанный на использовании вихревых токов, в котором определяют потери мощности или ослабление магнитного поля и соотносят его с содержанием проводящего компонента в многофазной текучей среде.
Аналогично, в по меньшей мере некоторых воплощениях настоящего изобретения для дифференцирования комплексности образцов не требуется применение комбинации индуктивного датчика с использованием токов Фуко или другого преобразователя с низкочастотным зондом с емкостным преобразователем (или отдельных датчиков обычно для измерения электрической емкости и проводимости). В по меньшей мере некоторых воплощениях настоящего изобретения требуется только одна измерительная катушка и вторая катушка, каждая из которых передает и воспринимает сигнал.
В по меньшей мере некоторых воплощениях настоящего изобретения первичные измерения производят в широком диапазоне частот, где диапазон частот включает области, в которых сигнал резонатора может составлять лишь 10%, 1% или даже 0,001% от его максимального отклика. Способы измерений могут включать один или более из следующих действий: (1) сканирование отклика датчика в той области, где диапазон частот включает участки, в которых сигнал резонатора составляет лишь 0,001-10% от его максимального отклика, (2) анализ полученного спектра для одновременных изменений одного или более из ряда измеренных параметров, которые включают положение резонансного пика, величину действительной составляющей импеданса, резонансную частоту мнимой составляющей импеданса, антирезонансную частоту мнимой составляющей импеданса и другие, (3) определение состава смесей текучих сред, даже если одна из текучих сред имеет низкую концентрацию, и (4) определение уровня текучей среды и определение эмульсионного слоя. Может быть использована полученная из спектра информация, которая несколько ниже и выше по резонансной частоте. Необязательно, одна катушка может выполнять две функции - возбуждение и восприятие сигнала, необязательно одновременно.
По меньшей мере в некоторых воплощениях настоящего изобретения применяют две катушки, у которых базовые линии резонансных частот разделены по частотам. Таким образом, сигнал внутреннего резонанса принимающей катушки (которая может быть применена в качестве и передающей, и принимающей катушки) не влияет на резонансный сигнал измерительной катушки.
В настоящую заявку включены патентные заявки US 13/630587 и US 13/630739, поданные 28 сентября 2012 года General Electric Company.
Примеры, а также описание наилучшего способа воплощения изобретения, включены в приведенное выше описание для раскрытия изобретения, а также для того, чтобы после прочтения предлагаемого описания специалисты в данной области техники могли воплотить изобретение, включая изготовление и применение любых устройств или систем и выполнение любых рассмотренных способов. Патентуемый объем настоящего изобретения определяется пунктами формулы изобретения и может включать другие примеры, которые могут быть созданы специалистами в данной области техники. Другие примеры также включены в объем, ограничиваемый пунктами формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не противоречат буквальному содержанию пунктов формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы.