DE60100360T2

DE60100360T2 - Gleichzeitiges bestimmen von mehrphasigen durchflussmengen und konzentrationen

Info

Publication number: DE60100360T2
Application number: DE60100360T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Melnikov; Vladimir Drobkov; Andrey Shustov
Original assignee: Nest International NV
Current assignee: Nest International NV
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2021-03-06
Also published as: EA200200632A1; JP2003526101A; ES2201033T3; WO2001067051A9; ATE242872T1; DE60100360D1; AU3334800A; US6658944B2; EP1261846B8; CN1427948A; NO20022700D0; DK1261846T3; CN1217161C; JP4800543B2; CZ20022958A3; EP1261846A1; AU2001241281A1; WO2001067051A1; CA2393727C; KR100808729B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Volumenströmungsmengen und Volumenkonzentrationen von Flüssigphasenbestandteilen und Gas in mehrphasigen Flüssigkeits-Gas-Gemischen wie beispielsweise Öl, Wasser und Gas enthaltende Ölbohrspülungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 beziehungsweise 15.
Beschreibung des Standes der Technik
Der einem Ölbohrloch entlang einer Rohrleitung entströmende Ausfluss stellt ein mehrphasiges Gemisch aus Öl, Wasser und Gas dar. Eine genaue und gleichzeitige Messung von Strömungsmengen und Volumenkonzentrationen der Gemischbestandteile ist zur Kontrolle des Betriebes der Ölquelle wichtig.
Die bis in die Gegenwart verwendeten Verfahren und Vorrichtungen zum Messen dieser Strömungskennwerte erfordern eine vorherige Abtrennung des Gases in speziellen Separatoren, die in Messvorrichtungen auf den Ölfeldern aufgebaut sind. Mit der Durchführung derartiger Messungen geht ein beträchtlicher finanzieller Aufwand einher.
Es sind auch Verfahren zum Messen der Kennwerte einer mehrphasigen Strömung ohne vorherige Abtrennung der Gasphase bekannt. Diese Verfahren und Vorrichtungen beruhen auf verschiedenen physikalischen Prinzipien, beispielsweise auf den unterschiedlichen Dichten oder elektromagnetischen Kennwerten der Bestandteile, auf der Wechselwirkung mit Gammastrahlen und Ultraschallwellen und anderes.
Die RU-C-2138023 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 beziehungsweise 15. Bei diesem Verfahren des Standes der Technik wird an einer Position entlang einer von einem mehrphasigen Gemisch mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit durchströmten Rohrleitung die akustische Leitfähigkeit des Gemisches gemessen, indem von einem Sender durch ein Kontrollvolumen des Gemisches akustische Impulse gesendet werden, die nach Empfang bei einem Empfänger gezählt werden, wobei das Verhältnis zwischen gesendeten und empfangenen Impulsen die Menge einer Phase des Gemisches darstellt. Darüber hinaus wird an jeder von zwei Positionen die von dem Impuls für einen Durchtritt durch das Kontrollvolumen benötigte Zeit gemessen, die mit der an der anderen Position gemessenen Zeit kreuzkorreliert und anschließend zusammen mit dem Wert für den Abstand zwischen den beiden Positionen zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet wird. Während der Gerätekalibrierung mit sauberem Öl und sauberem Wasser werden die von einem Impuls für den Durchtritt durch das Kontrollvolumen benötigten Zeiten gemessen und zusammen mit der tatsächlichen (in situ) gemessenen Durchtrittszeit, dem Verhältnis der Phasenmengen, der Geschwindigkeit und dem Wert für den Querschnitt der Rohrleitung verwendet, um die tatsächlichen Strömungsmengen von Gas, Öl und Wasser zu berechnen.
Die EP-A-0684458 offenbart ein Mehrphasenströmungsmessgerät, bei dem eine Rohrleitung zwei Verengungen aufweist, die im Vergleich zu Strömungsgeschwindigkeiten in Positionen unmittelbar vor jeder Verengung beziehungsweise in jeder Verengung jeweils eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit bewirken. Für jede Verengung wird der Druckunterschied zwischen den Positionen gemessen. Der Wert für das Volumen V zwischen den Verengungen muss vorab bestimmt werden. Durch Verwendung von Drukkunterschiedssignalen und Volumenwerten V wird die gesamte Volumenströmungsmenge q bestimmt. Durch Messen des statischen Druckunterschiedes kann eine erste Näherung für die Dichte ρ des Gemisches bestimmt werden. Eine zusätzliche Vorrichtung wird verwendet, um einen oder mehrere Anhaltspunkte über die Zusammensetzung des mehrphasigen Gemisches zu erhalten. Bei gegebenen Dichten ρ_o, ρ_w, ρ_g der Bestandteile des mehrphasigen Gemisches werden die Strömungsmengen der Phasen bestimmt. Bei diesem Strömungsmessgerät des Standes der Technik wird in Positionen, in denen sich die Geschwindigkeit des Gemisches verändert hat, also an jeder Verengung, nicht die Geschwindigkeit selbst gemessen. Ebenso wenig wird die Geschwindigkeit in einem Abstand von der Verengung gemessen. Anstatt dessen muss ein Druckunterschied an jeder Verengung gemessen werden, um daraus die Zeit zu bestimmen, die das Gemisch für eine Bewegung von der einen Verengung zu der anderen Verengung benötigt. Aus dieser Zeit und dem bekannten Abstand zwischen den Verengungen wird die Geschwindigkeit errechnet.
Das US-Patent 5,287,753 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen von Strömungsmengen mehrphasiger Fluide mittels eines Satzes von Kondensatoren, die an zwei parallelen Platten angeordnet sind, die wiederum in einer parallel zur Strömungsrichtung rallelen Platten angeordnet sind, die wiederum in einer parallel zur Strömungsrichtung verlaufenden horizontalen oder geneigten Rohrleitung angeordnet sind. Zur Bestimmung des Öl-Wasser-Volumenanteiles wird derjenige Teil des Rohrleitungsquerschnittes, der von Flüssigphasenimpedanzen des gerade in den Messzellen aller Elementarkondensatoren befindlichen Mediums eingenommen wird, vermessen. Die Geschwindigkeit der Flüssigphase wird bestimmt, indem die Kreuzkorrelationsimpedanzen der Elementarkondensatoren vermessen werden, die in einer Matrizenreihe angeordnet sind, die wiederum in einem Teil des von der Flüssigphase eingenommenen Querschnittes angeordnet ist. Die Gasgeschwindigkeit wird bestimmt, indem die Durchtrittszeit struktureller Verformungen der Strömung in dem oberen Teil der Rohrleitung gemessen wird. Volumenströmungsmengen der Phasen werden unter Berücksichtigung der Anteile des von der Flüssigphase und der Gasphase der Strömung eingenommenen Rohrleitungsquerschnittes bestimmt.
Das vorgeschlagene Verfahren weist einen beschränkten Anwendungsbereich auf, da es lediglich bei diskontinuierlichen Strömungsbedingungen wirkungsvoll eingesetzt werden kann. Darüber hinaus werden bei diesem Verfahren bestimmte Emulsions- und Dispersionsarten von Bestandteilen nicht berücksichtigt.
Das US-Patent 5,367,911 beschreibt eine Vorrichtung zum Vermessen des Verhaltens eines Fluids in einem Kanal, der als Strömungsmessgerät verwendet werden kann. Die Messvorrichtung umfasst wenigstens zwei Sensoren, die – der eine strömungsabwärts vom anderen – in einer Rohrleitung angeordnet sind. Die Sensoren können akustische Wandler oder Sensoren für die elektrische Leitfähigkeit (oder den spezifischen Widerstand) aufweisen. Jeder Sensor liefert ein Ausgangsdatensignal, das die gemessenen physikalischen Kennwerte des in den jeweiligen Probevolumen strömenden Mediums darstellt. Die Ausgangssignale werden in einer Schaltung verarbeitet und kreuzkorreliert. Da der Abstand zwischen den Sensoren bekannt ist, kann eine Berechnung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgen.
Die Urheber dieses Patentes berücksichtigen jedoch nicht, dass sich in mehrphasigen Strömungen die Gasphase relativ zur Flüssigphase bewegt.
Die Europäische Patentanmeldung EP-A-0684458 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Strömungsmengen mehrphasiger Fluide. Die Vorrichtung umfasst zwei Abschnitte, die entlang eines Kanals in einem Abstand voneinander angeord net sind. Die Abschnitte sind als Venturi-Düsen ausgebildet. Jeder Abschnitt umfasst einen Durchtritt mit einer anderen Querschnittsfläche, der mit Mitteln zum Anzeigen einer Veränderung der Geschwindigkeit darin und entsprechend einer Schwankung des dynamischen Druckes ausgestattet ist. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung geeignete Mittel zum Messen der auftretenden Druckunterschiede. Zwei in den jeweiligen Abschnitten erzeugte Druckunterschiedssignale sind für eine Kreuzkorrelation geeignet, um ein drittes Signal zu erzeugen, das die gesamte Volumenströmungsmenge darstellt. Um die Strömungsmengen der Phasen zu bestimmen, wird ein weiterer Druckunterschied in einem Strömungsabschnitt vom Venturi-Typ gemessen, wodurch man ein Signal erhält, das eine Funktion der gesamten Massenströmungsmenge Q und der Dichte ρ des Gemisches darstellt. Ein weiterer Druckunterschied wird in einem Abschnitt gemessen, der als Neigungsdruckmessgerät (Gradiomanometer) ausgebildet ist. Dieser Abschnitt ist in einem Bereich eines vertikalen Kanals angeordnet, der eine konstante Querschnittsfläche aufweist. In üblicher Manier stellt der letztgenannte Druckunterschied einen statischen Druckunterschied dar, der in erster Näherung proportional zur Dichte ρ des Gemisches ist. Darüber hinaus weist die Vorrichtung ein in dem Kanal angeordnetes Modul auf, das einen oder mehrere Anhaltspunkte über die Zusammensetzung des mehrphasigen Fluids liefert, das heißt, das die Volumen- oder Massenkonzentrationen der das Fluid bildenden Bestandteile bestimmt. Ein Prozessor berechnet die Massenströmungsmenge Q parallel in Abhängigkeit vom Gasgehalt. Ist der Gasgehalt mäßig (kleiner als 65 Prozent), so wird eine erste Bestimmungsweise auf Basis eines zu dem Ausdruck Q²/ρ proportionalen Signals sowie eines die Dichte ρ des Gemisches darstellenden Signals verwendet. Eine zweite Bestimmungsweise auf Basis eines die gesamte Volumenströmungsmenge anzeigenden Signals sowie eines die Dichte ρ des Gemisches darstellenden Signals wird verwendet, wenn der Gasgehalt hoch ist (größer als 65 Prozent).
Man beachte, dass Vorrichtungen mit Abschnitten vom Venturi-Typ lediglich einen kleinen dynamischen Bereich aufweisen und daher bei Strömungsmengenmessungen lediglich in einem beschränkten Bereich anwendbar sind. Darüber hinaus hängt der Strömungsmengenfaktor dieser Vorrichtung in erheblichem Maße vom Gasgehalt ab, was die Messgenauigkeit beeinflusst. Bei der beschriebenen Vorrichtung wird der Gasgehalt nicht gemessen, sondern berechnet, was die Messgenauigkeit ebenfalls senkt. Die Verwendung der Vorrichtung zur Messung von Strömungsmengen von Ausflüssen aus Ölbohrlöchern mit Rohöl kann zudem zu einer Verstopfung der Druckabnehmer führen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Volumenströmungsmengen der Bestandteile mehrphasiger Gemische entlang eines Abschnittes einer Rohrleitung ohne vorherige Abtrennung des Gases bereit.
Die Erfindung stellt zudem ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der vorstehend erwähnten Kennwerte eines mehrphasigen Mediums für verschiedene Strömungstypen bereit.
Die Erfindung stellt zuverlässige Daten für Messkennwerte von Ausflüssen mit verschieden großen Gaseinschlüssen bereit.
Darüber hinaus sichert die Erfindung eine raumsparende Bauweise und eine einfache Portabilität.
Die vorstehend erwähnten Aufgaben werden durch das Verfahren des Anspruches 1 gelöst. Volumenströmungsmengen von Flüssigbestandteilen und Gas in dem entlang einer Rohrleitung strömenden mehrphasigen Gemisch werden mittels einer Messströmungszelle bestimmt, die in die Rohrleitung eingebaut ist, wobei die Rohrleitung zwei Rohrleitungsabschnitte (die auch Rohrleitungsteilbereiche genannt werden können) aufweist, die, in Strömungsrichtung betrachtet, in Reihe angeordnet sind und unterschiedliche Strömungsabschnittsflächen aufweisen: F₂ = kF₁ (Durchmesser D₂ = D₁√k) für k ≠⁣ 1.
Bei k ≈ 0,5 bewirkt eine Veränderung der Strömungsabschnittsfläche eine erhebliche Veränderung der Flüssigphasengeschwindigkeit und entsprechend der realen Gasphasengeschwindigkeit in den Rohrleitungsmessabschnitten ( w _g,1 < w _g,2), wohingegen die Veränderung der relativen Geschwindigkeit von Gaseinschlüssen und der realen Volumengaskonzentration φ in dem Gemisch nicht ins Gewicht fällt. Eine mathematische Analyse des Strömungsmodells des Gemisches hat die Herleitung einer Formel zur Bestimmung der durch die kalibrierten Rohrleitungsabschnitte hindurchtretenden Flüssigphasenvolumenströmungsmenge möglich gemacht: Ql = k/(1 – k)F1[w g,1(1 – φ 2) – w g,1(1 – φ 1)].
Die Gasvolumenströmungsmenge ist durch die nachfolgende Formel bestimmt: Qg = F1 w g,1·φ 1 = F2 w g,1·φ 2.
Die realen Geschwindigkeiten der Gasphase w_g, die Volumenkonzentration des Gases φ, die Volumenkonzentrationen der Flüssigbestandteile, nämlich diejenige des Wassers W und diejenige des Öles (1 – W), werden in den kalibrierten Rohrleitungsabschnitten mittels eines Ultraschallsensors bestimmt, der Probevolumen der mehrphasigen Strömung mittels eines Satzes von Wandlern vermisst, die in den Rohrleitungsmessabschnitten entlang des Radius eines Strömungsabschnittes angeordnet sind. Diese Wandler dienen als Sender und Empfänger akustischer Signale in den Probevolumen.
Die erhaltenen Werte für lokale Kennwerte der mehrphasigen Strömung werden sodann über die Querschnittsflächen der Rohrleitungsmessabschnitte gemittelt.
Die Messung der realen Gasgeschwindigkeit wird mittels einer Kreuzkorrelation von Sensorsignalen oder mittels des Doppler-Verfahrens durchgeführt.
Die Messung der Volumenkonzentration des Gases wird durch eine Anzeige der akustischen Leitfähigkeit der Probevolumen des Mediums durchgeführt.
Die Ultraschallmessung der Volumenkonzentration der Flüssigphasenbestandteile beruht auf einer Bestimmung der von den akustischen Impulsen für den Durchtritt durch das Probevolumen benötigten Zeit, da herausgefunden wurde, dass in einem Fluid, beispielsweise einem Wasser-Öl-Gemisch, die Zeit des Signaldurchtritts unabhängig vom Emulsionstyp praktisch linear vom Anteil der Volumenkonzentrationen der Bestandteile abhängt.
Die vorstehenden Aufgaben löst auch die Vorrichtung nach Anspruch 15. Volumenströmungsmengen und Volumenkonzentrationen von Flüssigbestandteilen und Gas eines entlang einer Rohrleitung strömenden mehrphasigen Flüssigkeits-Gas-Gemisches werden mittels einer Messströmungszelle bestimmt, die in der Rohrleitung angeordnet ist. Die Messströmungszelle umfasst zwei Rohrleitungsabschnitte, die, in Strömungsrichtung betrachtet, in Reihe angeordnet sind und unterschiedliche Strömungsabschnittsflächen aufweisen: F₂ = kF₁(Durchmesser D₂ = D₂ = D₁√k) für k ≠⁣ 1.
Eine Veränderung der Strömungsabschnittsfläche (für k ≈ 0,5) bewirkt eine erhebliche Veränderung der Flüssigphasengeschwindigkeit und der realen Gasgeschwindigkeit in den Rohrleitungsmessabschnitten ( w _g,1 < w _g,2), wohingegen eine Veränderung der relativen Geschwindigkeit der Gaseinschlüsse und der realen Volumengaskonzentration φ in dem Gemisch nicht ins Gewicht fällt. Die Volumenströmungsmenge einer Flüssigphase wird aus der Differenz von Produkten der realen Gasphasengeschwindigkeit w_g durch einen Teil eines Rohrleitungsabschnittes bestimmt, der von einer Flüssigphase (1 – φ) in dem ersten und dem zweiten Rohrleitungsmessabschnitt eingenommen wird: Ql = k/(1 – k)F1[w g,1(1 – φ 2) – w g,1(1 – φ 1)].
Die Gasvolumenströmungsmenge ist durch folgende Formel bestimmt: Qg = F1 w g,1·φ 1 = F2 w 9,2·φ 2
Die realen Geschwindigkeiten der Gasphase W _g, die Volumenkonzentration des Gases φ, die Volumenkonzentrationen der Flüssigbestandteile, nämlich diejenige des Wassers W und diejenige des Öles (1 – W), werden in den kalibrierten Rohrleitungsabschnitten mittels eines Ultraschallsensors bestimmt, der Volumen der mehrphasigen Strömung mittels eines Satzes von Wandlern misst, die in den Rohrleitungsmessabschnitten entlang des Radius eines Strömungsabschnittes angeordnet sind.
Das Funktionsprinzip eines lokalen Gasgeschwindigkeitsmessgerätes beruht auf der Bestimmung der Kreuzkorrelationsfunktion der Amplitude eines Signals eines akustischen Leitfähigkeitswandlers. Die zwei Wandler werden in einem festen Abstand, der eine, in Strömungsrichtung betrachtet, stromaufwärts von dem anderen, angeordnet. Der akustische Wandler weist einen Sender und einen Empfänger für Ultraschallimpulse zur akustischen Anstrahlung eines Probevolumens auf. Der Wandler kann als Sender wie auch als Empfänger reflektierter Signale im „Sende-Empfangs"-Modus betrieben werden.
Der elektroakustische Kanal des Messgerätes arbeitet auf folgende Weise: Spannungsimpulse aus einem Impulsgenerator gelangen zum Sender, wo sie in Ultraschal limpulse umgewandelt werden. Nach ihrem Durchtritt durch das Probevolumen werden sie von dem Empfänger empfangen, in Spannungsimpulse umgewandelt, verstärkt und einem Peakdetektoreingang zugeführt, der durch Taktimpulse gesteuert ist. Die Taktimpulse bestimmen ein Zeitintervall, in dem der Empfang eines Signals zu erwarten ist. Die Spannung am Eingang des Peakdetektors ist proportional zur Amplitude des empfangenen Signals und ist durch akustische Energieverluste in dem vermessenen Probevolumen bestimmt. Die von dem Peakdetektor ausgegebenen Signale gelangen zu einem Rechner, der eine Kreuzkorrelationsfunktion oder (für den Fall eines Wandlers) eine Autokorrelationsfunktion bestimmt, die die reale lokale Geschwindigkeit der Gasphase oder der Flüssigphase ohne Gas berechnet.
Neben dem erläuterten Verfahren kann auch das Doppler-Verfahren zum Messen der lokalen Geschwindigkeit der Gasphase durch das Vermessen eines Mediums mittels strömungsaufwärts gerichteter Ultraschallimpulse verwendet werden. Auch bei dieser Ausführungsvariante sind Sender und Empfänger in Rohrleitungsmessabschnitten angeordnet.
Das Funktionsprinzip eines Volumengaskonzentrationsmessgerätes beruht auf der Erfassung der akustischen Leitfähigkeit eines Probevolumens. Ein Signal aus einem Spannungsimpulsgenerator wird einem Sender zugeführt, der aus einem Wandler und einem Wellenleiter besteht. Die gewandelten akustischen Impulse erreichen das Probevolumen durch den Wellenleiter, treten durch das Volumen und durch einen Empfangswellenleiter hindurch und gelangen zu dem Wandler, wo sie in Spannungssignale umgewandelt werden, die nach einer Verstärkung zu einem Peakdetektor gelangen. Ein Taktimpulsgenerator öffnet den Peakdetektor für einen gewissen Zeitraum, in dem der Eingang des Signals erwartet wird. Von dem Peakdetektor gelangt ein zur Amplitude des empfangenen Signals proportionales Ausgangssignal zu einem Vergleicher, der das Ausgangssignal des Peakdetektors mit einem von einem Unterdrückungspegelgenerator festgelegten Unterdrückungspegel vergleicht. Das Ausgangssignal des Vergleichers gelangt zu einem Rechner, der den Volumengasgehalt in dem Medium als Verhältnis zwischen der Zeit des Vorhandenseins der Gasphase in dem Probevolumen und der gesamten Messzeit bestimmt.
Die Funktionsweise eines Ultraschallmessgerätes von Volumenkonzentrationen flüssiger Bestandteile beruht auf einer Bestimmung der Durchtrittszeit von Ultraschallimpulsen durch ein Probevolumen einer mehrphasigen Strömung, da man herausgefunden hat, dass in der Flüssigphase, beispielsweise in einem Wasser-Öl-Gemisch, die Durchtrittszeit des Ultraschallsignals unabhängig vom Emulsionstyp praktisch linear von einer mathematischen Beziehung der Volumenkonzentrationen der Flüssigbestandteile abhängt. Der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger wird derart gewählt, dass ein Eindringen großer Gaseinschlüsse mit Größen von mehr als einem Millimeter verhindert wird. Spannungsimpulse aus einem Generator werden dem Ultraschallsender zugeführt, der wiederum akustische Impulse erzeugt. Die akustischen Impulse treten durch das Probevolumen hindurch, werden von dem Empfänger empfangen und in Spannungssignale umgewandelt, die verstärkt und sodann einem getakteten Vergleicher zugeführt werden. Der Vergleicher öffnet für einen Zeitraum, in dem der Eingang eines Signals zu erwarten ist, mittels eines Taktimpulsgenerators, der eine hohe Interferenzimmunität des Schemas sicherstellt. Gleichzeitig mit der Erzeugung der Sendeimpulse wird ein die Impulsdauer erzeugendes Schema aktiviert. Dieses Schema wird von einem Signal angehalten, das von dem Ausgang des Vergleichens kommt. Daher entspricht die Dauer des Ausgangssignals der Durchtrittszeit des Ultraschallsignals von dem Sender zu dem Empfänger. Der Impuls wird in ein Amplitudensignal umgewandelt und gelangt zu einem Rechner, der die Volumenkonzentrationen der Flüssigphasenbestandteile bestimmt.
Ein fest programmierter Prozessor steuert den Betrieb der Messgeräte für die lokalen Strömungsparameter w_g,1, w_g,₂, φ₁, φ₂, W, mittelt diese Parameter über die Querschnitte der Rohrleitungsmessabschnitte und berechnet die Volumenströmungsmengen der Flüssigphasenbestandteile und des Gases.
Kurze Beschreibung der Figuren der Zeichnung
1a, 1b zeigen den Aufbau der im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen Vorrichtung zum Messen von Strömungsmengen mehrphasiger Strömungen.
2 zeigt ein Blockdiagramm des lokalen Geschwindigkeitsmessgerätes für die Gasphase in einer Ausführungsvariante mit sequenzieller Anordnung von Wandlern.
3 zeigt ein Spannungsdiagramm des in dem Blockdiagramm von 2 verarbeiteten Signals.
4 zeigt die typische Form einer Kreuzkorrelationsfunktion für Ausgangssignale ei nes Peakdetektors.
5 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsvariante des lokalen Gasphasengeschwindigkeitsmessgerätes mit in Reihe angeordneten Wandlern („Sende-Empfangs"-Modus).
6 zeigt ein Spannungsdiagramm des in dem Blockdiagramm von 5 verarbeiteten Signals.
7 zeigt ein Blockdiagramm eines lokalen Gasphasengeschwindigkeitsmessgerätes, bei dem ein Wandlerpaar Autokorrelationsmodus arbeitet.
8 zeigt die typische Form einer Autokorrelationsfunktion für Ausgangssignale eines Peakdetektors.
9 zeigt ein Blockdiagramm eines lokalen Gasphasengeschwindigkeitsmessgerätes, bei dem ein Wandler im „Sende-Empfangs"-Modus arbeitet.
10 zeigt ein Spannungsdiagramm des in dem Blockdiagramm von 9 verarbeiteten Signals.
11 zeigt die Form der Autokorrelationsfunktion des Ausgangssignals des Peakdetektors bei einer Ausführungsvariante mit einem Wandler.
12 zeigt ein Blockdiagramm des Ultraschall-Doppler-Messgerätes für die lokale Gasphasengeschwindigkeit.
13 zeigt die typische Form von Signalen in dem Blockdiagramm des Ultraschallgeschwindigkeits-Doppler-Messgerätes von 12.
14 zeigt eine zweite Ausführungsvariante des Blockdiagramms des Ultraschall-Doppler-Messgerätes zum Messen der lokalen Gasphasengeschwindigkeit.
15 zeigt ein Spannungsdiagramm eines in dem Blockdiagramm von 14 verarbeiteten Signals.
16 zeigt ein Blockdiagramm des Gasgehaltmessgerätes für ein mehrphasiges Gemisch.
17 zeigt ein Diagramm eines in dem Blockdiagramm des Gasgehaltmessgerätes verarbeiteten Signals.
18 zeigt das Diagramm eines Ausgangssignals des Peakdetektors.
19 zeigt ein Blockdiagramm des Ultraschallmessgerätes für Volumenkonzentrationen von Flüssigbestandteilen.
20 zeigt ein Spannungsdiagramm eines in dem Blockdiagramm zur Messung von Flüssigphasenvolumengaskonzentrationen verarbeiteten Signals.
21 zeigt eine zweite Ausführungsvariante des Blockdiagramms des Ultraschallmessgerätes für Volumenkonzentrationen von Flüssigbestandteilen.
22 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Signals der zweiten Ausführungsvariante des Blockdiagramms des Volumenkonzentrationsmessgerätes für Flüssigbestandteile.
Ausführungsvarianten der Erfindung
In 1a und 1b ist der Aufbau einer Strömungsmesszelle einer Vorrichtung zum Bestimmen von Volumenströmungsmengen von Flüssigbestandteilen und Gas in einem mehrphasigen Gemisch dargestellt.
Die Strömungsmesszelle ist mittels Flanschverbindungen in eine Rohrleitung eingebaut. Die Strömungsmesszelle umfasst zwei Rohrleitungsmessabschnitte 1 und 2, die, in Strömungsrichtung betrachtet, in Reihe angeordnet sind und unterschiedliche Strömungsabschnittsflächen aufweisen: F₂ = kF₁ (Durchmesser D₂ = D₁√k). In 1 gilt k < 1.
Die Veränderung der Strömungsabschnittsfläche bewirkt eine erhebliche Veränderung der Flüssigphasengeschwindigkeit und der realen Gasphasengeschwindigkeit in den Rohrleitungsmessabschnitten mit den Querschnittsflächen F₁ und F₂. Um eine minimale hydrodynamische Störung der Strömung sicherzustellen, ist ein Übergang von dem er sten Abschnitt zu dem zweiten Abschnitt und zurück zu der anfänglichen Querschnittsfläche F, der Rohrleitung durch Rohrleitungsübergangsabschnitte 3 und 4 verwirklicht. Jeder Sensor 5 und 6 eines Realgeschwindigkeitsmessgerätes und eines Gasgehaltmessgerätes umfasst einen Satz von Wandlern, die in den Rohrleitungsmessabschnitten entlang von Radien der Abschnitte angeordnet sind. Ein Sensor 7 des Volumenkonzentrationsmessgerätes der Flüssigbestandteile umfasst einen Satz von Wandlern, die in einem Hohlraum der ersten Rohrleitungsabschnitte angeordnet sind. Um Veränderungen des viskosen Mediums in den Volumen der Wandler zu beschleunigen und um Paraffinablagerungen zu entfernen, sind die Sensoren mit mechanischen Reinigungseinrichtungen oder elektrischen Heizelementen ausgestattet. Die Sensoren sind derart eingebaut, dass sie aus den Rohrleitungsmessabschnitten beispielsweise zum Zwecke der Ausführung einer technischen Wartung oder eines Austausches entfernt werden können.
Nachfolgend werden die zur Vorrichtung gehörenden Messgeräte für Mehrphasenströmungsparameter betrachtet. Zudem wird ein Berechnungsmodell für die Strömung des mehrphasigen Gemisches vorgestellt, das zur Bestimmung der Volumenströmungsmengen der Gemischbestandteile verwendet wird.
Ein Berechnungsmodell eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches, in dem Gaseinschlüsse verschiedener Größen die Gasphase darstellen, wird zur Bestimmung der Strömungsmengen der Phasen verwendet. In den Formeln werden gemittelte physikalische Werte verwendet.
Die reale Volumenkonzentration des Gases in dem i-ten Querschnitt der Strömung ist φi = Fg,i/Fi (1)
Hierbei bezeichnen
F_i = π/4 D_i ² die Querschnittsfläche der i-ten Rohrleitungsabschnitte und
F_g,i = φ_i·F_i die von dem Gas eingenommene Querschnittsfläche.
Wegen F_i = F_g,i + F_l,i mit der von Flüssigkeit eingenommenen Querschnittsfläche F_l,i kann man anstelle von Formel (1) wie folgt schreiben:
Hierbei bezeichnen
w^r _g,i = Q_g,i/F_i die reduzierte Geschwindigkeit der Gasphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
Q_g,i die Volumenströmungsmenge der Gasphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
w^r _l,i = Q_l,i/F_i die reduzierte Geschwindigkeit der Flüssigphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
Q_l,i die Volumenströmungsmenge der Flüssigphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
w_g,i = Q_g,i/F_g,i die reale Geschwindigkeit der Gasphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
Q_g,i die Volumenströmungsmenge der Gasphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
w_l,i = Q_l,i/F_l,i die reale Geschwindigkeit der Flüssigphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten,
Q_l,i die Volumenströmungsmenge der Flüssigphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten
und
F_l,i = (1 – φ_i)F_i die von der Flüssigkeit eingenommene Querschnittsfläche der i-ten Rohrleitungsabschnitte.
Wegen w_l,i = w^r _l,i/(1 – φ_i) und w_l,i = w_l,i + w_g,i ^rel mit der relativen Geschwindigkeit der Gasphase in den i-ten Rohrleitungsabschnitten w_g,i ^rel erhält man:
Experimentellen Daten zufolge ist die relative Strömungsgeschwindigkeit w_g,i ^rel von Gasblasen (Gruppengeschwindigkeit des Aufwärtsstromes) mit der realen Volumenkonzentration φ_i über folgende Beziehung verbunden: wg,i rel = wg,∞/(1 – φi) (4)
Hierbei bezeichnet w_g,∞ die Durchschnittsgeschwindigkeit einer einzelnen in dem unendlich ausgedehnten Flüssigkeitsmedium aufsteigenden Blase ist.
Die realen Geschwindigkeiten w_g,1 und w_g, ₂ in den Rohrleitungsmessabschnitten sind mit den relativen Geschwindigkeiten auf folgende Weise verbunden: wg,1 = wl,1 + wg,1 rel wg,2 = wl,2 + wg,2 rel (5)
Eine Subtraktion der ersten Gleichung (4) von der zweiten Gleichung (5) liefert folgende Gleichung. wg,2 – wg,1 = Δwg = (wl,2 – wl,1) + (wg,2 rel – wg,1 rel) (6)
Gleichung (6) kann auch auf folgende Weise geschrieben werden. Δwg = wr l,2/(1 – φ2) – wr l,1/(1 – φ1) + wg,∞[1/(1 – φ2) – 1/(1 – φ1)] (7)
Unter der Annahme, dass F₂ = kF₁ mit k ≠⁣ 1 sowie w^r _l,i = Q_l,i/F_i gilt, ergibt sich:
da Q_l,i = Q_l gilt.
Aus den Beziehungen (3) und (4) folgt: (φi = wr g,i/(wr g,i + wr g,i + wr g,∞) (9)
Nach Ausführung einiger Umwandlungen und unter Berücksichtigung von Q_g,i = Q_g ergibt sich: 1/φi = 1 + Ql/Qg + Fiwg,∞/Qg (10)
Eine Ersetzung von Q_g = F_iφ_iw_g,i, wobei w_g,i und φ_i Messwerte sind, liefert:
wobei
Folglich gilt: Ql = Fi[wg,i(1 – φi) – wg,∞ (13)
Man beachte, dass für den Fall einer stationären Flüssigkeit (Q_l = 0) aus Formel (13) die Beziehung w_g,i = w_g,∞/(1 – φ_i) folgt, was mit der Definition der relativen Geschwindigkeit nach (4) zusammenfällt, weshalb in diesem Fall w_g,i = w_g,i ^rel gilt.
Aus Formel (13) folgt somit: Ql=F1[wg,1(1 – φ1) – wg,∞] (14)und Ql = F2[wg,2(1 – φ2) – wg,∞] (15)
Durch Gleichsetzen der Beziehungen (14) und (15) und unter Berücksichtigung von F₂ = kF₁ mit k ≠⁣ 1 ergibt sich: Ql = F1[wg,2(1 – φ2) – wg,1(1 – φ1)]k/(1 – k) (16)
Derart wird die Volumenströmungsmenge der Flüssigphase in den kalibrierten Rohrleitungsabschnitten entsprechend Beziehung (16) aus den gemessenen realen Geschwindigkeiten und den Volumenkonzentrationen der Gasphase in den ersten und zweiten Rohrleitungsmessabschnitten bestimmt. Für F₂ = 0,5 F₁ gilt: Ql = F1[wg,2(1 – φ2) – wg,1(1 – φ1)] (17)
Man beachte darüber hinaus, dass für φ₁ = φ₂ = 0 die Geschwindigkeitsmessgeräte eine akustische Inhomogentität der Flüssigphase und entsprechend der Geschwindigkeiten w_l,1 und w_l,2 feststellen. Daher geht Beziehung (16) in die Formel Q_l = F_l· w_l,1 über, und für φ₁ = φ₂ = 1 nimmt diese Beziehung die Gestalt Q_l = 0 an.
Die Volumenströmungsmengen der Flüssigphasenbestandteile sind durch die folgenden Formeln bestimmt: Qoil = Ql·(1 – w) Qw = Ql·W (18)
Hierbei bezeichnet W die Volumenkonzentration von Wasser in der Emulsion. Die Volumenströmungsmenge der Gasphase ist durch die folgende Beziehung bestimmt: Qg = wg,1·F1·φ1 = wg,1·F2·φ2 (19)
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Ultraschallmessgerätes für die lokale Gasgeschwindigkeit w_g eines mehrphasigen Gemisches. Die Schaltung des Messgerätes umfasst einen Generator für Spannungsimpulse 8, einen in Reihe mit dem Generator 8 verbundenen und einen Sender 10 sowie einen Empfänger 11 aufweisenden ersten Wandler 9 (die Lücke zwischen dem Sender 10 und dem Empfänger 11 bildet das erste Probevolumen 12), einen ersten Verstärker 13 sowie einen ersten getakteten Peakdetektor 14. Mit dem Generator 8 in Reihe verbunden sind ein einen Sender 16 und einen Empfänger 17 (die Lücke zwischen beiden bildet das zweite Probevolumen 18) aufweisender zweiter Wandler 15, ein zweiter Verstärker 19 sowie ein zweiter getakdetor Peakdetektor 20. Darüber hinaus sind ein Erzeuger 21 verzögerter Taktimpulse, der erste Peakdetektor 14 sowie der zweite Peakdetektor 20 mit dem Generator 8 verbunden. Die letztgenannten Peakdetektoren sind jeweils über einen ersten Analog-Digital-Wandler (ADC) 22 und einen zweiten Analog-Digital-Wandler (ADC) 23 mit einem Rechner 24 sowie einer Anzeige 25 verbunden.
Sensoren 9 und 15 sind derart in der Rohrleitung angeordnet, dass eine Strömung zunächst durch das eine Probevolumen, beispielsweise das Volumen 18, und sodann durch das andere Probevolumen, beispielsweise das Volumen 12, hindurchtritt. Die Größen der Wandler sind derart gewählt, dass die durch sie bewirkten Strömungsstörungen (Wandlerdurchmesser kleiner 3 Millimeter) minimal sind. Der Abstand 6 zwischen dem Sender und dem Empfänger beträgt ungefähr 2 Millimeter. Der Abstand 1 zwischen dem oberen und dem unteren Wandlerpaar ist gleich 3 + 5 Millimeter. Wellenleiter des ersten Wandlerpaares und des zweiten Wandlerpaares sind, von oben betrachtet, rechtwinklig zueinander angeordnet, was die Hydrodynamik der Strömung verbessert.
Das Ultraschallmessgerät für die lokale Geschwindigkeit funktioniert auf folgende Weise. Spannungsimpulse von dem Generator 8 werden an die Sender 3 und 9 übertragen, dort in Ultraschallimpulse umgewandelt und treten durch die Probevolumen 12 und 18 hindurch. Sodann werden sie von den Empfängern 11 und 17 empfangen, in Spannungssignale umgewandelt, von den Verstärkern 13 und 19 verstärkt und den getakteten Peakdetektoren 14 und 20 zugeführt. Gleichzeitig mit der Zuführung der Ultraschallimpulse, deren Durchtrittszeit durch den Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger durch die feste Impulsfrequenz bestimmt wird, gelangen die Taktimpulse zu den Takteingängen der Peakdetektoren 14 und 20. Die Taktimpulse versetzen die Peakdetektoren in einen aktivierten Zustand. Infolgedessen werden an den Ausgängen der Peakdetektoren (siehe Spannungsdiagramm von 3) zu den Amplituden der empfangenen akustischen Signale proportionale Spannungssignale erzeugt. Nach einer Analog-Digital-Wandlung in dem ADC 22 und in dem ADC 23 werden die Spannungssignale an den Rechner 24 übertragen, der eine Kreuzkorrelationsfunktion (CCF) für die empfangenen akustischen Signale berechnet und sie an der Anzeige 25 anzeigt.
Aufgrund der diskreten Struktur ist das mehrphasige Gemisch ein akustisch inhomogenes Medium. Daher schwankt die Amplitude des empfangenen Signales. Akustische Diffusoren (mehrheitlich Gaseinschlüsse, die den Hauptbeitrag zur Diffusion der Ultraschallimpulse leisten) bewirken zunächst eine Schwankung, wenn sie durch das zweite Probevolumen hindurchtreten. Infolgedessen verändert sich die Amplitude des Ausgangssignals an dem zweiten Peakdetektor 20 und anschließend mit einer Verzögerung, die dem Durchtritt des akustischen Diffusors von dem zweiten Probevolumen zu dem ersten Probevolumen r entspricht, ändert sich die Amplitude des Ausgangssignals an dem ersten Peakdetektor 14 ebenfalls. Eine Sammlung statistischer Daten über die Ausgangssignale der Peakdetektoren liefert das CCF-Maximum mit zugehöriger Zeitachsenkoordi nate Τ. Daher wird die lokale Gasgeschwindigkeit durch den Ausdruck wg = I/Τbestimmt, wobei I der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Probevolumen ist.
Die typische Form einer Kreuzkorrelationsfunktion zeigt 4.
Es gibt auch eine andere Ausführungsvariante des akustischen Vermessens eines mehrphasigen Gemisches durch Messung der lokalen Gasgeschwindigkeit. In diesem Fall werden zwei in Reihe angeordnete akustische Wandler verwendet, die im „Sende-Empfangs"-Modus arbeiten. Die Ergebnisse dieser Anordnung sind in 5 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsvariante besteht das Geschwindigkeitsmessgerät aus zwei identischen elektroakustischen Kanälen, von denen ein jeder die nachfolgenden in Reihe verbundenen Elemente aufweist: einen akustischen Sensor 26, einen Verstärker 13, einen getakteten Peakdetektor 14, eine Analog-Digital-Wandler (ADC) 22 sowie einen elektrischen Impulsgenerator 8, der über einen Probevolumenwiderstand 27 und einen Erzeuger verzögerter Taktimpulse 21 mit dem Sensor 26 verbunden ist. Der Erzeuger 21 ist mit einem Takteingang des Peakdetektors 14 verbunden. Die Ausgänge der Kanäle sind mit einem Rechner 24 sowie einer Anzeige 25 verbunden. Akustische Sensoren sind derart in einer Rohrleitung angeordnet, dass eine Strömung 28 nacheinander zunächst durch ein Probevolumen des ersten Kanals und anschließend durch ein Probevolumen des zweiten Kanals hindurchtritt.
Das Messgerät funktioniert auf folgende Weise: Elektrische Impulse von dem Generator 8 werden an den akustischen Sensor 26 übertragen, wo sie in Ultraschallsignale umgewandelt werden, die durch die Strömung 28 hindurchtreten. Hierbei wird ein Teil der akustischen Energie von Diffusoren in dem Medium reflektiert, gelangt zu dem Sensor 26 zurück, wird von dem Verstärker 13 verstärkt und an den getakteten Peakdetektor 14 übertragen. Gleichzeitig wird der verzögerte Taktimpuls von dem Erzeuger 21 dem Takteingang des Peakdetektors 14 zugeführt (siehe Spannungsdiagramm in 6). Der Widerstand 27 bewirkt eine Entkopplung des Ausgangs des Generators 8 und des Eingangs des Verstärkers 13. An dem Ausgang des Peakdetektors 14 wird ein zur Amplitude des empfangenen Signals proportionales Spannungssignal erzeugt. Die Zeit t₀ der Taktimpulsverzögerung relativ zu Impulsen des Generators 8 (siehe 6) wird unter Berücksichtigung der Durchtrittszeit des Ultraschallsignals von dem Sensor zu dem Probevolumen und zurück festgesetzt.
Die Signalamplitude an dem Ausgang des Peakdetektors schwankt entsprechend der Wirkstärke der akustischen Diffusoren in dem Probevolumen. Da die Diffusoren zuerst durch das Probevolumen des ersten Sensors und sodann durch das Probevolumen des zweiten Sensors hindurchtreten, bildet sich in ihrer CCF ein Maximum. Die Zeitachsenkoordinate r des Maximums wird aus der Durchtrittszeit der Diffusoren von dem ersten Sensor zu dem zweiten Sensor bestimmt. Die Geschwindigkeit der in dem Medium enthaltenen Diffusoren wird durch die Formel wg = I/Τberechnet, wobei I der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sensor ist.
Zum Zwecke der Berechnung gelangen die CCF-Signale von den Ausgängen der Peakdetektoren des ersten Kanals und des zweiten Kanals durch die ADC zu dem Rechner 24. Die Ergebnisse der Berechnungen werden in Anzeige 25 angezeigt.
Neben der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante kann das Messgerät für die lokale Gasgeschwindigkeit auch mit einem Wandler nebst Sender-Empfänger-Paar für akustische Signale in der Rohrleitung ausgestattet sein. Der Sender und der Empfänger werden einander gegenüberliegend angeordnet und bilden das Probevolumen. Der Abstand zwischen beiden wird derart gewählt, dass ein Gemisch frei durch das Probevolumen strömen kann. Durch den Durchtritt akustischer Diffusoren durch die Lücke wird das Ultraschallsignal für eine Zeit gedämpft, die der Zeit des Diffusorendurchtritts durch das Probevolumen entspricht. Auf der Grundlage dieser Vorgänge wird eine Autokorrelationsfunktion der Ausgangssignale gebildet, die die Zeit des Diffusorendurchtritts durch das Probevolumen bestimmt. Eine Darstellung dieser Ausführungsvariante des Messgerätes für die lokale Gasgeschwindigkeit ist in 7 gegeben. In diesem Fall enthält die Schaltung die nachfolgenden in Reihe verbundenen Elemente: einen Generator 8 für elektrische Impulse, einen mit einem Empfänger 11 akustisch verbundenen Sender 10, einen Verstärker 13, einen getakteten Peakdetektor 14, einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 22, einen Rechner 24 sowie eine Anzeige 25. Der Generator 8 ist zudem über einen Erzeuger 21 verzögerter Taktimpulse mit einem Takteingang des Peakdetektors verbunden. Der Raum zwischen dem Sender 10 und dem Empfänger 11 stellt das Pro bevolumen 12 dar.
Das Geschwindigkeitsmessgerät funktioniert auf folgende Weise. Elektrische Impulse von dem Generator 8 gelangen zu dem Sender 10, werden dort in Ultraschallsignale umgewandelt, gelangen durch das Probevolumen 12 zu dem Empfänger 11, zu dem Verstärker 13 und zu dem Peakdetektor 14. Gleichzeitig werden für die Zeit des Laufs des Signals von dem Sender zu dem Empfänger verzögerte Taktimpulse von dem Generator 21 dem Takteingang des Peakdetektors zugeführt. Eine zu der Amplitude des empfangenen Signals proportionale Spannung von dem Eingang des Peakdetektors 14 wird an den ADC 22 und sodann an den Rechner 24 sowie die Anzeige 25 übertragen. Sind in der Strömung Diffusoren des akustischen Signals mit Teilchengrößen vorhanden, die kleiner als das Probevolumen sind, so bewirkt jeder in das Probevolumen eintretende Diffusor eine Amplitudenschwankung des empfangenen Signals. In erster Näherung ist die Zeit der Amplitudenschwankung gleich der Zeit des Diffusorendurchtritts durch das Probevolumen. Die Autokorrelationsfunktion bestimmt die Durchschnittszeit bei der statistischen Abtastung der Daten. Die typische Form der Autokorrelationsfunktion ist in 8 gezeigt. Daher kann die lokale Gasgeschwindigkeit entsprechend der Formel wg = d/Τ1 bestimmt werden, wobei d die lineare Größe einer Piezotransmitterplatte in Strömungsrichtung und Τ₁ die Breite der Hauptglocke der Autokorrelationsfunktion (8) ist.
Es gibt noch eine andere Ausführungsvariante des Messgerätes für die lokale Gasgeschwindigkeit. Dessen technische Umsetzung ist in 9 gezeigt. Bei dieser Ausführungsvariante weist die Schaltung des Geschwindigkeitsmessgerätes die folgenden in Reihe verbundenen Elemente auf: einen akustischen Wandler 26, einen Verstärker 13, einen getakteten Peakdetektor 14, einen Analog-Digital-Wandler 22, einen Rechner 24 sowie eine Anzeige 25 und zudem einen Generator 8, der über einen Widerstand 27 mit dem Wandler 26 und über einen Erzeuger 21 verzögerter Taktimpulse mit einem Takteingang des Peakdetektors 14 verbunden ist. Der Wandler 26 ist derart in der Rohrleitung angeordnet, dass eine mehrphasige Strömung 28 durch ein akustisches Feld des Wandlers 26 senkrecht zur Strömungsrichtung tritt.
Das Messgerät funktioniert auf folgende Weise. Spannungsimpulse von dem Generator 8 werden über den Widerstand 27 an den Wandler 26 übertragen, wo sie in akustische Signale umgewandelt und senkrecht zur Strömungsrichtung in die Strömung 28 abgegeben werden. Ein Teil der akustischen Energie wird von akustischen Diffusoren des mehrphasigen Mediums (der Hauptteil davon sind Gaseinschlüsse) reflektiert und kehrt zu dem Wandler 26 zurück, wo er in elektrische Signale umgewandelt wird, die durch den Verstärker 13 zu dem Peakdetektor 14 gelangen. Gleichzeitig wird ein verzögerter Taktimpuls von dem Generator 21 dem Takteingang des Peakdetektors 14 (siehe Spannungsdiagramm in 10) zugeleitet.
Ein Widerstand entkoppelt den Ausgang des Generators 8 und den Eingang des Verstärkers 13. Die Spannungsamplitude am Ausgang des Peakdetektors 14 ist proportional zur Amplitude des empfangenen Signals.
Die Verzögerungszeit t₀ eines Taktimpulses (siehe 10) relativ zu einem Impuls des Generators 8 wird entsprechend der Durchtrittszeit des Ultraschallsignals von dem Wandler 26 zu dem Probevolumen und zurück festgesetzt.
Die Signalamplitude an dem Ausgang des Peakdetektors schwankt entsprechend der Wirkstärke der akustischen Diffusoren in dem Probevolumen. In erster Näherung ist die Schwankungszeit gleich der Zeit des Diffusorendurchtritts durch das Probevolumen. Unter der Bedingung, dass die Größe der Diffusoren sehr viel kleiner als die Größe des Probevolumens ist, kann die lokale Gasgeschwindigkeit durch eine Autokorrelation der Signale aus der Formel wg = d/Τ1 bestimmt werden, wobei d die lineare Größe einer Piezotransmitterplatte in Strömungsrichtung und Τ₁ die Breite der Hauptglocke der Autokorrelationsfunktions (11) ist.
Neben der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante gibt es noch eine andere Ausgestaltung des Ultraschallmessgerätes für die lokale Gasgeschwindigkeit beruhend auf dem Doppler-Verfahren zur Bestimmung der Geschwindigkeit. In diesem Fall werden der Sender und der Empfänger mit linearen Größen von bis zu 3 Millimetern in die kalibrierten Rohrleitungsabschnitte in einem festen Winkel relativ zueinander eingesetzt. Die Schaltung des Messgerätes ist in 12 gezeigt. Der Empfänger 11 ist durch den Verstärker 13 mit einem Phasendetektormesswiderstand 29 verbunden. Die folgenden Elemente sind mit dem Ausgang des Detektors 29 in Reihe verbunden: ein Tiefpassfilter 30, ein zweiter Verstärker 31, ein Signalspektrumsrechner 32 sowie eine Anzeige 25. Ein Signal wird auf folgende Weise in der Messschaltung verarbeitet. Nach der Reflexion der von den akustischen Diffusoren ausgesendeten Ultraschalloszillationen in der Strömung gelangen die akustischen Signale zu dem Empfänger 11, werden in Spannungssignale umgewandelt und über den Verstärker 13 einem ersten Eingang des Phasendetektors 29 zugeleitet. Das Spannungssignal von dem Generator 8 wird einem zweiten Eingang des Detektors 29 zugeleitet. Von einem Ausgang des Detektors 29 werden niederfrequente Signale über einen Filter 30 und einen Verstärker 31 an den Rechner 32 übermittelt, wo eine zu der Geschwindigkeit der akustischen Diffusoren proportionale Geschwindigkeit bestimmt und sodann die lokale Gasgeschwindigkeit berechnet wird. Die Ergebnisse der Verarbeitung werden der Anzeige 9 zugeleitet. Die Signalverarbeitung in der Schaltung ist in 13 gezeigt.
Eine weitere Ausführungsvariante des technischen Konzeptes eines Ultraschall-Doppler-Messgerätes für die lokale Gasgeschwindigkeit ist in 14 dargestellt. Der Sender und der Empfänger mit linearen Größen von bis zu 3 Millimetern sind wieder in kalibrierten Rohrleitungsabschnitten in einem festen Winkel relativ zueinander angeordnet. Die Messschaltung des Messgerätes enthält einen Generator 8 für Spannungsimpulse, der mit einem Sender 10 verbunden ist. Ein Empfänger 11 ist über einen Verstärker 13 mit einem Phasendetektormesswiderstand 29 verbunden, dessen Ausgang mit einem „Probenspeicher"-Block 30 verbunden ist. Der zweite Eingang des Phasendetektors 29 ist mit dem Generator 8 verbunden. Der Eingang des Probenspeicherblocks 30 ist über einen Erzeuger 21 verzögerter Taktimpulse mit dem Generator 8 verbunden. Ein Ausgang des Blocks 30 ist mit dem Rechner 32 sowie mit der Anzeige 25 verbunden.
Das Messgerät funktioniert auf folgende Weise. Spannungsimpulse von dem Generator 8 werden an den Sender 10 übertragen und bewirken akustische Impulse, die sich gegen die Strömungsrichtung ausbreiten. Die von den akustischen Diffusoren, hauptsächlich Gasblasen, reflektierten Impulse gelangen zu dem Empfänger 11 und werden über den Verstärker 13 an den ersten Eingang des Phasendetektormesswiderstandes 29 übertragen. Ein hochfrequentes Signal von dem Generator 8 wird dem zweiten Eingang des Detektors 29 zugeleitet. Das Frequenzsignal aus dem Detektor 29 wird dem Probenspeicherblock 30 zugeleitet, der das Signal an seinem Eingang zu Zeitpunkten registriert, die durch die Zeitpunkte der verzögerten Taktimpulse aus dem Generator 21 bestimmt sind. In dem Rechner 32 wird eine spektrale Verarbeitung der Signale aus dem Probenspeicherblock 30 ausgeführt, indem eine zu der Geschwindigkeit der Annäherung der akustischen Diffusoren an den Sender proportionale Doppler-Frequenz isoliert und sodann die lokale Gasgeschwindigkeit berechnet wird. Die Ergebnisse der Verarbeitung werden an der Anzeige 25 angezeigt. Die Signalverarbeitung in der Schaltung ist in 15 gezeigt.
Das Ultraschallmessgerät für den Gasgehalt (siehe 16) enthält einen Generator 8 für Spannungsimpulse, der in Reihe mit einem mit dem Empfänger 11 akustisch verbundenen Sender 10, einem Verstärker 33 und einem getakteten Peakdetektor 34 verbunden ist. Der Generator 8 ist zudem über einen Erzeuger 35 verzögerter Taktimpulse mit einem Takteingang des Peakdetektors 34 verbunden. Der Ausgang des Peakdetektors ist mit einem direkten Eingang eines ersten Vergleichers 36, mit einem inversen Eingang eines zweiten Vergleichers 37 und mit einem Rechner 24 verbunden. Die Ausgänge der Vergleichen 36 und 37 sind zudem mit dem Rechner 24 sowie mit der Anzeige 25 verbunden. Ein inverser Eingang des ersten Peakdetektors und ein direkter Eingang des zweiten Peakdetektors sind mit einer ersten Spannungseinstellvorrichtung 38 beziehungsweise einer zweiten Spannungseinstellvorrichtung 39 verbunden. Der Sender 10 und der Empfänger 11 sind gegeneinander fest und bilden das Probevolumen 40.
Das Messgerät funktioniert auf folgende Weise. Von dem Generator 8 erzeugte rechtekkige Spannungsimpulse werden von dem Sender 10 in Ultraschallimpulse umgewandelt, die in das Probevolumen 40 eintreten, den Empfänger 11 erreichen, in Spannungsimpulse umgewandelt und über den Verstärker 33 dem Peakdetektor 34 zugeleitet werden. Das Diagramm der Signalverarbeitung der Elemente des Messschaltkreises des Messgerätes ist in 17 dargestellt. An einem Ausgang des Peakdetektors 24 wird eine Amplitude erzeugt, die zu der Amplitude eines im Moment das Eintreffens des verzögerten Taktimpulses empfangenen Signals proportional ist.
Die Amplitude des empfangenen Signals ist durch die Gasvolumenkonzentration im Probevolumen 40 bestimmt. Ist das Probevolumen mit Flüssigkeit ohne Gaseinschlüsse gefüllt, so ist die Amplitude des empfangenen Signals maximal, und der Spannungspegel an dem Eingang des Peakdetektors 34 ist größer als die Spannung U1 der Einstellvorrichtung 38. Dies bewirkt ein Ansprechen des Vergleichers 36 und die Bildung eines einzelnen logischen Signals an dessen Ausgang. Das logische Signal wird dem Rechner 24 zugeführt und von dem Rechner 24 als Zustand interpretiert, in dem für die Gasvolumenkonzentration φ = 0 (siehe 18) gilt. Die Größen der Gaseinschlüsse in einer realen mehrphasigen Strömung sind verschieden und können sowohl größer wie auch kleiner als die Größe des Probevolumens 40 sein. Wenn die Größen der Gasblasen oder Gasplüge die Größe des Probevolumens übersteigen, wird die Ausbreitung der Ultraschallimpulse gänzlich blockiert, und es verringert sich die Amplitude des empfangenen Signals auf ein durch Rauschen bedingtes Minimum, wobei der Spannungspegel an dem Ausgang des Peakdetektors 34 ebenfalls minimal wird und unter die Spannung U2 der Einstellvorrichtung 39 sinkt. In diesem Fall spricht der Vergleichen 37 an und erzeugt ein einzelnes logisches Signal, das von dem Rechner 24 als Zustand interpretiert wird, in dem für die Gasvolumenkonzentration φ = 0 gilt.
Sind die Größen der Gasblasen kleiner als die Größe des Probevolumens, so kann die Amplitude des Ausgangssignals des Peakdetektors 34 Werte zwischen U1 und U2 (siehe 18) annehmen und wird durch die folgende Beziehung bestimmt: U = Umax = exp(–k·nb·db 2) (20)
Hierbei bezeichnen
U^max die Amplitude des Signals, wenn die Flüssigphase das Kontrollvolumen füllt,
k einen von der geometrischen Größe des Sensors, der Ultraschallfrequenz und so weiter abhängenden Proportionalitätsfaktor,
n_b die Konzentration der Gasblasen und
d_b die Durchmesser der Gasblasen.
Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich die Konzentration der Blasen in dem Probevolumen aufgrund der Gemischströmung kontinuierlich ändert, schwankt die Signalamplitude. Die Anzahl der Blasen in dem Probevolumen ist durch das Poisson'sche Gesetz bestimmt. So werden durch die Messung des Durchschnittswertes des empfangenen Signals und der zugehörigen Dispersionswerte n_b und d_b unter Verwendung eines bekannten mathematischen Modells von dem Rechner 24 berechnet. Der Volumengasgehalt ist durch die nachstehende Formel bestimmt: φ3 = Nπd3I/6V (21)
Hierbei bezeichnen
V das Probevolumen und
N = n_b·V die Anzahl der Blasen in dem Probevolumen.
Die Gasvolumenkonzentration ist für den Fall einer variablen Zusammensetzung der Gaseinschlüsse in der Strömung durch die folgende Beziehung bestimmt: Uφ = (t2·I + t3·φ3)/T (22)
Hierbei bezeichnen
T = t, + t2 + t3 die Durchschnittszeit,
t₁ den Zeitraum, wenn keine Gaseinschlüsse in dem Probevolumen vorhanden sind,
t₂ den Zeitraum, wenn die Gaseinschlüsse in Form von Blasen großen Durchmessers gegeben und zudem Gasplüge in dem Probevolumen vorhanden sind und
t₃ den Zeitraum, wenn kleine Blasen in dem Probevolumen vorhanden sind.
Die Größe des Probevolumens wird entsprechend den technischen Gegebenheiten wie auch entsprechend der Anwendung des Sensors gewählt, wobei als Regel gilt, dass die Größe kleiner als ein Kubikmillimeter gewählt werden sollte.
Ein Blockdiagramm des Ultraschallmessgerätes für Volumenkonzentrationen von Flüssigbestandteilen ist in 19 gezeigt. Der Schaltkreis des Messgerätes umfasst einen Generator für Spannungsimpulse sowie die folgenden in Reihe verbundenen Elemente: einen akustisch mit einem Empfänger 11 verbundenen Sender 10, einen Verstärker 41, einen ersten Vergleicher 42, ein erstes 2&-Element 43, einen ersten RS-Trigger 44, ein zweites 2&-Element 45, einen zweiten RS-Trigger 46 und einen „Daueramplituden"-Wandler 47. Der Generator 8 ist zudem mit einem Erzeuger verzögerter Taktimpulse 48 und mit dem zweiten Eingang des RS-Triggers 44 sowie mit dem zweiten Eingang des RS-Triggers 46 verbunden. Der zweite Eingang des ersten Vergleichers 40 ist mit einer Spannungseinstellvorrichtung 49 verbunden. Ein Ausgang des Verstärkers 41 ist mit einem zweiten Vergleichen 50 verbunden, dessen Ausgang mit einem zweiten Eingang des zweiten 2&-Elementes 45 verbunden ist. Ein Ausgang des Erzeugers verzögerter Taktimpulse 48 ist mit dem zweiten Eingang des ersten 2&-Elementes 43 verbunden.
Der Sender und der Empfänger sind in einem Haltekörper 51 einander gegenüberliegend angeordnet und bilden so das Probevolumen 52.
Der Haltekörper 51 ist mit einem Heizelement 53 und einem Element 54 zur mechanischen Reinigung des Probevolumens 52 versehen.
Das Ultraschallmessgerät für die Volumenkonzentration funktioniert auf folgende Weise.
Von dem Generator 8 erzeugte rechteckige Spannungsimpulse werden von dem Sender 10 in Ultraschallimpulse umgewandelt. Nach dem Durchtritt durch das Probevolumen 52 erreichen sie den Empfänger 11 und werden in elektrische Impulse umgewandelt. Sodann gelangt das Signal durch den Verstärker 41 zu dem direkten Eingang des ersten Vergleichers 42.
Gleichzeitig mit dem Senden der Spannungsimpulse wird der erste RS-Trigger 44 in den „Null"-Zustand und der zweite RS-Trigger in den „Eins"-Zustand versetzt.
Da der inverse Eingang des Vergleichers 40 mit der Spannungseinstellvorrichtung 49 verbunden ist, erfolgt das Ansprechen des Vergleichers 40 dann, wenn die Amplitude des empfangenen Signals eine eingestellte Spannung übersteigt. Impulse von dem Ausgang des Vergleichens 42 werden dem S-Eingang des ersten RS-Triggers 44 über das erste 2&-Element 43 zugeleitet, das durch Impulse aus dem Ausgang des Erzeugers 48 verzögerter Taktimpulse getaktet ist, und versetzen ihn in den „Eins"-Zustand (siehe Spannungsdiagramm in 20). Eine Zeitverzögerung wird durch die Ausbreitungszeit der Ultraschallimpulse von dem Sender 10 zu dem Empfänger 11 bedingt. Die Verwendung eines Verzögerungselementes schließt ein irrtümliches, durch elektrisches oder akustisches Rauschen bedingtes Ansprechen aus.
Da einer der Eingänge des zweiten Vergleichers 50 mit Masse verbunden ist, erzeugt er immer dann Spannungsimpulse, wenn die Amplitude des empfangenen Signals eine „Null"-Linie kreuzt, sodass ein schwaches Signal (siehe 20) eingestellt werden kann. Das Ausgangssignal des Vergleichens hängt nicht von der Amplitude des empfangenen Signals ab.
Das Signal aus dem Ausgang des ersten RS-Triggers 44, der an einen der Eingänge des zweiten 2&-Elementes 45 überträgt, ermöglicht einen Durchtritt des Signals von dem zweiten Vergleichen 50, wodurch angezeigt wird, dass das empfangene Signal die „Null"-Linie kreuzt. Die erste „Null"-Linienkreuzung bewirkt ein Ansprechen des zweiten RS-Triggers 46, wodurch eine Versetzung in den „Null"-Zustand erfolgt. Die derart erzeugten Spannungsimpulse weisen eine Dauer auf, die der Durchtrittszeit der Ultraschallimpulse von dem Sender 10 zu dem Empfänger 20 proportional ist, und hängen nicht von den Amplituden der Ultraschallimpulse ab. Sodann werden diese Impulse in dem Wandler 47 in zu ihren Dauern proportionale Amplitudensignale umgewandelt, die an den Rechner und den Monitor übertragen werden.
In der zweiten Ausführungsvariante des Ultraschallmessgerätes für Volumenkonzentrationen von Flüssigbestandteilen (siehe 21) ist die Spannungseinstellvorrichtung als getakteter Peakdetektor (siehe 21) implementiert. Dessen Eingang ist mit dem Ausgang des Verstärkers 41 verbunden, der Takteingang ist mit dem Ausgang des Erzeugers 48 verzögerter Taktimpulse verbunden, und der Ausgang des Peakdetektors 55 ist über einen Spannungsteiler 56 mit dem zweiten Eingang des ersten Vergleichens 42 verbunden.
Die Spannungseinstellvorrichtung funktioniert auf folgende Weise. Ein Signal aus dem Verstärker 41 wird dem Peakdetektor 55 zugeleitet. Gleichzeitig mit einer Zeitverzögerung, die von der Durchtrittszeit der Ultraschallimpulse von dem Sender 10 zu dem Empfänger 11 abhängt, gelangt das Signal aus dem Erzeuger 48 verzögerter Taktimpulse zu dem Takteingang (siehe 22). Infolgedesselben wird ein dem Peak der Signalamplitude entsprechendes Spannungspotential an dem Ausgang des Peakdetektors 55 erzeugt. Das durch den Teiler 56 gelangte Spannungssignal wird gedämpft, sodass ein sicheres Ansprechen des ersten Vergleichers 42 bei der ausgewählten Halbwelle des Signals schwankungsbedingt aufgrund von Veränderungen der Kennwerte des Kontrollmediums und der Temperatur sowie aufgrund der Alterung der Messschaltelemente und so weiter sichergestellt ist.
Die Verwendung einer solchen Spannungseinstellvorrichtung ermöglicht die automatische Steuerung des Ansprechpegels des Vergleichers bei größeren (zehnfachen) Veränderungen der Signaldämpfung in dem angeregten Medium, beispielsweise durch das Auftreten von Gasblasen in der Probebohrung und durch eine Veränderung der Dispersion der Bestandteile sowie auch aus anderen Gründen.
Der Betrieb der Messgeräte für die lokalen Werte w_g,1, w_g,2, φ₁, φ₂ und W wird durch einen fest programmierten Prozessor gesteuert. Zeit- und Querschnittsmittelungen der kalibrierten Rohrleitungsabschnitte für die vorstehend angegebenen Werte werden ebenfalls von einem Prozessor ausgeführt. Die Volumenströmungsmengen der mehrphasigen Strömungsbestandteile, beispielsweise diejenigen der Flüssigkeit Q_l, des Öles Q_oil des Wassers Q_w und des Gases Q_g, werden darüber hinaus entsprechend den Formeln (16), (17) und (19) von dem Prozessor berechnet.
Obwohl die Erfindung anhand eines Öl-Wasser-Gas-Gemisches beschrieben wurde, ist einsichtig, dass das Prinzip der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen niedergelegt, auch auf andere Gemische anwendbar ist.
Obwohl das Beispiel der 1 eine Reihenfolge der Rohrleitungsabschnitte mit, in Strömungsrichtung betrachtet, kleiner werdenden Querschnittsflächen vorsieht, kann auch die umgekehrte Reihenfolge der Rohrleitungsabschnitte, das heißt eine Anordnung mit, in Strömungsrichtung betrachtet, größer werdenden Querschnittsflächen, verwendet werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen von Strömungsmengen von Gas- und Flüssigphasen eines Stroms eines mehrphasigen Gemischs in einer Rohrleitung, das die folgenden Schritte umfasst: a) Messen einer realen Geschwindigkeit w wenigstens einer Phase des Gemischs in einem Abschnitt (1) der Rohrleitung; b) Messen einer akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1); c) Bestimmen einer Volumenkonzentration (φ) einer Gasphase des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1) auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1); d) Bestimmen von Volumen-Strömungsmengen der Gasphase Qg und eines ersten sowie eines zweiten Bestandteils Q1, Q2 der Flüssigphase Q_l des Gemischs unter Verwendung von Werten der realen Geschwindigkeit w und der Volumenkonzentration; dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Rohrleitungsabschnitt ein erster Rohrleitungsabschnitt (1) ist: e) ein zweiter Rohrleitungsabschnitts (2) in Reihe mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) bereitgestellt wird, wobei der erste und der zweite Rohrleitungsabschnitt (1, 2) unterschiedliche Querschnitte haben, so dass es zu einer Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs an der Verbindung der zwei Abschnitte (1, 2) kommt; f) die reale Geschwindigkeit in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) gemessen wird; g) die akustische Leitfähigkeit in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) gemessen wird; h) die Volumenkonzentration φ der Gasphase in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) bestimmt wird; i) eine Volumenkonzentration W verschiedener Flüssigphasen-Bestandteile des Gemischs auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in wenigstens einem Rohrleitungsabschnitt bestimmt wird; j) die Volumen-Strömungsmengen Qg, Q_l, Q1, Q2 unter Verwendung von Werten der realen Geschwindigkeit w und der Volumenkonzentrationen, die für den ersten und den zweiten Rohrleitungsabschnitt (1, 2) ermittelt wurden, in Kombination bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche F₁ des Querschnitts des ersten Rohrleitungsabschnitts (1) sich von der Fläche F₂ des Querschnitts des Rohrleitungsabschnitts (2) um F₂ = kF₁unterscheidet, wobei k ≠⁣ 1.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Volumen-Strömungsmenge der flüssigen Phase mit der folgenden Gleichung bestimmt wird: Qt = k/(k – 1)F1[w2(1 – φ2) – w1(1 – φ1)],wobei w₁, w₂ eine durchschnittliche reale Geschwindigkeit der Gasphase in dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) bzw. dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) ist, φ₁, φ₂ eine durchschnittliche reale Volumen-Gaskonzentration in dem Gemisch in dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) bzw. dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) ist; wobei die Volumen-Strömungsmenge von Gasphase bestimmt wird durch: Qg = F1w1φ1 oder Qg = F2w2φ2,die Volumen-Strömungsmenge des ersten Bestandteils von Flüssigphase bestimmt wird durch: Q1 = wQl,und die Volumen-Strömungsmenge des zweiten Bestandteils von Flüssigphase bestimmt wird durch: Q2 = (1 – W)Ql.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit w der Gasphase an verschiedenen radialen Positionen in jedem der Querschnitte des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) gemessen wird und gemessene lokale Geschwindigkeitswerte für jeden Querschnitt gemittelt werden, um einen Wert bereitzustellen, der in Berechnungen als Geschwindigkeitswert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der Gasphase φ an verschiedenen radialen Positionen in jedem der Querschnitte des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) gemessen wird und gemessene Volumenkonzentrationswerte für jeden Querschnitt gemittelt werden, um einen Wert bereitzustellen, der in Berechnungen als Konzentrationswert verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen unter Einsatz von Ultraschallwandlern ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Volumenkonzentrationen von Flüssigphasen-Bestandteilen des Gemischs W unter Einsatz von Ultraschallwandlern in wenigstens einem Querschnitt in wenigstens einem der Rohrleitungsabschnitte (1, 2) und durch Messen der Zeit des Durchgangs von Ultraschallimpulsen durch das Gemisch von den Wandlern bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Volumenkonzentrationen von Gasphasen-Bestandteilen φ des Gemischs unter Einsatz von Ultraschallwandlern in wenigstens einem Querschnitt des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) und durch Messen der Amplitude von Ultraschallimpulsen bestimmt werden, die von den Wandlern durch das Gemisch hindurchgehen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Geschwindigkeiten w der Gemischphasen unter Einsatz von Ultraschallwandlern in wenigstens einem Querschnitt des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) und durch Kreuzkorrelations- oder Autokorrelationsverfahren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Geschwindigkeiten w der Gemischphasen unter Einsatz von Ultraschallwandlern in wenigstens einem Querschnitt des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) und durch Messen der Doppler-Frequenz von Ultraschallimpulsen von den Wandlern bestimmt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen unter Einsatz elektrischer Leitfähigkeitswandler ausgeführt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen unter Einsatz elektrischer Kapazitätswandler ausgeführt werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen unter Einsatz optischer Sensoren ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphasen-Bestandteile des Gemischs Wasser und Öl sind.
Vorrichtung zum Bestimmen von Strömungsmengen von Gas- und Flüssigphasen eines Stroms eines mehrphasigen Gemischs in einer Rohrleitung, die umfasst: a) einen Geschwindigkeitssensor (5), der in einem Abschnitt (1) der Rohrleitung angeordnet ist und der mit einer Schaltung zum Messen einer realen Geschwindigkeit w wenigstens einer Phase des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1) verbunden ist; b) einen akustischen Leitfähigkeitssensor (6), der in dem Rohrleitungsabschnitt (1) angeordnet ist und der mit einer Schaltung zum Messen einer akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1) und zum Bestimmen einer Volumenkonzentration (φ) der Gasphase des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1) auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem Rohrleitungsabschnitt (1) verbunden ist; c) einen Prozessor (p. 24 I. 34), der mit der Schaltung zum Bestimmen von Volumen-Strömungsmengen der Gasphase Qg sowie einem ersten und einem zweiten Bestandteil Q1, Q2 der Flüssigphase Q_l des Gemischs unter Verwendung von Werten der realen Geschwindigkeit w und der Volumenkonzentration verbunden ist; gekennzeichnet, wenn der Rohrleitungsabschnitt ein erster Rohrleitungsabschnitt (1) ist, durch: d) einen zweiten Rohrleitungsabschnitt (2), der in Reihe mit dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) angeordnet ist, wobei der erste (1) und der zweite (2) Rohrleitungsabschnitt unterschiedliche Querschnitte haben, so dass es zu einer Ände rung der Strömungsgeschwindigkeit des Gemischs an der Verbindung der zwei Abschnitte (1, 2) kommt; e) einen weiteren Geschwindigkeitssensor (5), der in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) angeordnet ist und der mit einer Schaltung zum Messen einer realen Geschwindigkeit w wenigstens einer Phase des Gemischs in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) verbunden ist; f) einen weiteren akustischen Leitfähigkeitssensor (6), der in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) angeordnet ist und der mit einer Schaltung zum Messen einer akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) und zum Bestimmen einer Volumenkonzentration φ der Gasphase des Gemischs in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) verbunden ist; g) einen Flüssigkeitskonzentrationssensor (7), der in einem (1) der Rohrleitungsabschnitte (1, 2) angeordnet ist und der mit einer weiteren Schaltung zum Bestimmen einer Volumenkonzentration W verschiedener Flüssigphasen-Bestandteile des Gemischs auf Basis der gemessenen akustischen Leitfähigkeit des Gemischs in dem einen Rohrleitungsabschnitt (1) verbunden ist; und wobei der Prozessor mit der weiteren Schaltung verbunden ist und der Prozessor Werte der realen Geschwindigkeit w und der Volumenkonzentrationen, die für den ersten und den zweiten Rohrleitungsabschnitt (1, 2) ermittelt wurden, in Kombination verwendet, um die Volumen-Strömungsmengen Qg, Q_l, Q1, Q2 zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei für jeden Rohrleitungsabschnitt (1, 2) die folgenden Einrichtungen zum Messen lokaler Strömungseigenschaften wenigstens einer Phase des Gemischs verwendet werden: ein Ultraschall-Gasgeschwindigkeitsmesser zum Messen einer realen Gasgeschwindigkeit w des Gemischs auf Basis von Korrelation oder Doppler-Verfahren; ein Ultraschall-Volumen-Gaskonzentrationsmesser; ein Ultraschallmesser für Volumenkonzentrationen von flüssigen Bestandteilen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei Messer mit elektrischen Kapazitäts- oder elektrischen Leitfähigkeitswandlern zum Messen lokaler Strömungseigenschaften wenigstens einer Phase des Gemischs eingesetzt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei für jeden Rohrleitungsabschnitt (1, 2) ein Gammameter zum Bestimmen der Volumen-Gaskonzentration eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei für jeden Rohrleitungsabschnitt (1, 2), der vertikal angeordnet ist, eine Vorrichtung zum Bestimmen der Volumen-Gaskonzentration durch Messen einer statischen Druckdifferenz eingesetzt wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15, 16, 17, wobei der Gasgeschwindigkeitsmesser die Geschwindigkeit w von Gasphase an verschiedenen radialen Positionen in jedem der Querschnitte des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) misst und gemessene lokale Geschwindigkeitswerte für jeden Querschnitt Bemittelt werden, um einen Wert bereitzustellen, der in Berechnungen als Geschwindigkeitswert verwendet wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15, 16, 17, wobei der Volumen-Gaskonzentrationsmesser die Konzentration von Gasphase φ an verschiedenen radialen Positionen in jedem der Querschnitte des ersten und des zweiten Rohrleitungsabschnitts (1, 2) misst und gemessene Volumenkonzentrationswerte für jeden Querschnitt Bemittelt werden, um einen Wert bereitzustellen, der in Berechnungen als Konzentrationswert verwendet wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, wobei die Fläche F, des Querschnitts des ersten Rohrleitungsabschnitts (1) sich von der Fläche F₂ des Querschnitts des Rohrleitungsabschnitts (2) um F₂ = kF₁ unterscheidet, wobei k ≠⁣ 1.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, die einen Prozessor enthält, der den Wert der Volumen-Strömungsmenge der flüssigen Phase mit der folgenden Gleichung berechnet: Qt = k/(k – 1)F1[w2(1 – φ2) – w1(1 – φ1)],wobei w₁, w₂ eine durchschnittliche reale Geschwindigkeit der Gasphase in dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) bzw. dem zweiten Rohrleitungsabschnitt (2) ist, φ₁, φ₂ eine durchschnittliche reale Volumen-Gaskonzentration in dem Gemisch in dem ersten Rohrleitungsabschnitt (1) bzw. dem zweiten Rohrleitungsabschnit (2) ist; wobei die Volumen-Strömungsmenge der Gasphase mit den folgenden Gleichungen berechnet wird: Qg = F1w1φ1 oder Qg = F2w2φ2,die Volumen-Strömungsmenge des ersten Bestandteils von Flüssigphase mit der folgenden Gleichung berechnet wird: Q1 = WQl,und die Volumen-Strömungsmenge des zweiten Bestandteils von Flüssigphase mit der folgenden Gleichung berechnet wird: Q2 = (1 – W)Ql.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 23, wobei die erfassten Flüssigphasen-Bestandteile des mehrphasigen Stroms Wasser und Öl sind.