Поточный влагомер
FLOW MOISTURE METER

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано в контрольно-измерительных установках для обеспечения непрерывного контроля обводненности продукции добывающих скважин и углеводородных смесей в трубопроводах для транспортировки нефти.
Известен инфракрасный датчик из семейства измерителей обводненности Red Eye, содержащий первичный преобразователь, включающий широкополосный источник ближнего инфракрасного (ИК) излучения, проточную ячейку, оптоволоконный коллиматор, оптические фильтры и фотодиоды, и электронный блок обработки информации, обеспечивающий формирование аналогового выходного сигнала, пропорционального содержанию воды (заявка США №US 2006/0186340 А1, 2006 г.).
Недостатком таких измерителей является то, что измерение обводненности производится в очень узком диапазоне исследуемого потока. Однако в реальных водонефтегазовых потоках значение обводненности, измеренное в одной точке, может не соответствовать значению обводненности всего потока. Для получения достоверных результатов измерений обводненности в данном случае необходима гомогенная (равномерно перемешанная) структура потока. Измерители могут осуществлять измерения обводненности и при высоком содержании свободного газа, однако при объемной доле газа более 10% погрешности измерений превышают допустимые.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является поточный влагомер, включающий основной корпус с размещенной в нем инфракрасной камерой, в которой расположены широкополосный источник инфракрасного излучения, коллиматорная линза, инфракрасные фильтры и конический отражатель. При этом в стенках инфракрасной камеры и основного корпуса выполнены кольцевые окна, а снаружи основного корпуса напротив его кольцевых окон размещены инфракрасные детекторы, обеспечивающие регистрацию интенсивности излучения, прошедшего через кольцевой канал, образованный наружной поверхностью инфракрасной камеры и внутренней поверхность основного корпуса (RU 2669156 С1, опубл. 08.10.2018).
Недостатком данного поточного влагомера является сложность его конструкции, обуславливающая значительную трудоемкость его изготовления.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является упрощение конструкции устройства и снижение материальных и трудовых затрат на его изготовление.
Технический результат достигается тем, что в поточном влагомере, содержащем корпус, источник инфракрасного излучения и инфракрасные детекторы, корпус выполнен с прямоугольной камерой и сообщенными с ней двумя окнами, расположенными напротив друг друга с противоположных сторон прямоугольной камеры, при этом источник инфракрасного излучения представляет собой инфракрасные светодиоды, расположенные снаружи прямоугольной камеры напротив одного из окон в несколько рядов, причем каждый ряд инфракрасных светодиодов обеспечивает излучение определенной длины волны, а напротив каждого инфракрасного светодиода снаружи другого окна расположен соответствующий ему инфракрасный детектор.
На фиг. 1 представлена схема поточного влагомера, на фиг. 2 изображено сечение А-А фиг. 1.
1
2
n
Поточный влагомер содержит корпус 1 с присоединительными фланцами 2 и прямоугольной камерой 3, оснащенной двумя окнами 4, расположенными на противоположных сторонах камеры 3 напротив друг друга, ИК-светодиоды 5 и ИК-детекторы 6, расположенные соответственно напротив противоположных окон снаружи прямоугольной камеры. ИК-светодиоды 5 располагаются в несколько рядов, при этом каждый ряд имеет свою определенную длину излучения λ, λ, …, λ. ИК-детекторы 6 располагаются напротив ИК-светодиодов 5 на противоположной стороне прямоугольной камеры 3. Для обработки сигналов ИК-детекторы 6 соединены с внешним вычислительным устройством (на схеме не показано), которое обеспечивает обработку результатов измерений и их отображение на цифровом дисплее.
Принцип действия поточного влагомера заключается в определении обводненности газожидкостного потока по степени поглощения ИК-излучения ближнего диапазона в области длин волн от 1000 до 2000 нм. По интенсивностям падающего и прошедшего через поток излучения определяется оптическая плотность, по значению которой вычисляется значение влагосодержания. При этом в измерениях могут быть использованы несколько значений длин волн.
Устройство работает следующим образом.
Поточный влагомер встраивается в технологический трубопровод, что позволяет производить определение влажности нефти в рабочих условиях в процессе ее добычи и перекачки.
1
2
n
Излучение от ИК-светодиодов 5 с заданными величинами длин волн (λ, λ, …, λ) проходит сквозь окна 4 через поток газожидкостной смеси и попадает на ИК-детекторы 6. Каждый ряд ИК-светодиодов 5 создает излучение определенной длины волны. Количество рядов ИК-светодиодов 5 зависит от числа выбранных длин волн, на которых будут осуществляться измерения. Одна длина волны может соответствовать поглощению нефти, другая - поглощению воды, дополнительное значение длины волны может быть использовано для учета эффекта рассеяния. Для газа же поглощение на всех длинах волн может быть не существенным. Таким образом, использование нескольких длин волн позволяет определять количество воды при наличии попутного газа с учетом эффекта рассеяния излучения.
ИК-детекторы 6 фиксируют интенсивность прошедшего через газожидкостный поток излучения. Сигналы с ИК-детекторов 6 поступают на внешнее вычислительное устройство, в котором производится расчет среднего значения обводненности измеряемого потока жидкости и отображение его на цифровом дисплее. Перерасчет сигналов с ИК-детекторов в значение обводненности осуществляется на основе системы уравнений, базирующейся на законе поглощения Бугера-Ламберта-Бера, выражающимся известной формулой:
0
где D - оптическая плотность анализируемой среды; I - интенсивность падающего излучения; I - интенсивность прошедшего излучения; k - коэффициент поглощения, зависящий от природы вещества и длины волны падающего излучения; С - концентрация поглощающего вещества в просвечиваемой среде;  - толщина слоя анализируемой среды. Интенсивность падающего излучения регистрируется ИК-детекторами в отсутствие перекачиваемой через камеру 3 среды.
Для предотвращения перепада давления на участке технологического трубопровода с встроенным влагомером характерные размеры прямоугольной камеры 3 подобраны таким образом, чтобы площадь его поперечного сечения была равной или незначительно меньше площади поперечного сечения технологического трубопровода.
Изобретение обеспечивает высокую точность измерения обводненности водонефтегазовой смеси и, благодаря своей упрощенной конструкции, позволяет сократить трудозатраты на собственное изготовление.