DE2750715A1

DE2750715A1 - Mehrphasen-durchsatzmessgeraet

Info

Publication number: DE2750715A1
Application number: DE19772750715
Authority: DE
Inventors: Dan Mccay Arnold; Jun Robert William Pitts
Original assignee: Texaco Development Corp
Current assignee: Texaco Development Corp
Priority date: 1977-03-18
Filing date: 1977-11-12
Publication date: 1978-09-21
Also published as: SE7801799L; CA1096655A; JPS53116866A; US4144754A; FR2384240A1; GB1571372A

Description

DR. GERHARD SCHUPFNER

PATENTASSESSOR IM HAUSE DEUTSCHE TCXACO AO SOOO HamBurg SO T.l.fon (O4O) «3 TS 3Ύ 2S NrmclmlMr O2 1TOO9

Hamburg, 1. 11. 1977 Fl

T 77 047 (D # 76,047)

TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 (U.S.A.)

MEHRPHASEN-DURCHSATZMESSGERÄT

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Die Erfindung betrifft allgemein Durchsatzmeßgeräte und insbesondere ein neuartiges Mehrphasen-Durchsatzmeßgerät für ein strömendes Medium.

Es ist bereits bekannt, zur Messung des Durchsatzes eines strömenden Mediums eine unter Zentrifugalkräften stehende Strömung auszunutzen. Ein im Februar 1960 veröffentlichter diesbezüglicher Vorschlag macht die Kenntnis der Dichte des durch das Meßgerät strömenden Mediums erforderlich. Aus diesem Grunde ist dieses bekannte Verfahren nicht verwendbar für Medien unbekannter Dichte oder Medien unterschiedlicher Phase in nicht genau bekannter Zusammensetzung. Der bekannte Vorschlag ist enthalten in einem Aufsatz von J. P. Cortelyou mit dem Titel "Centrifugal Flow Measurement" ("Zentrifugalströmungs· messung") in der Zeitschrift "Instruments and Control Systems" Band 33, Ausgabe Februar 1960, Seiten 276 - 280.

Durch die Erfindung soll nunmehr unter Anwendung des Prinzips der Zentrifugalströmung ein Mehrphasen-Durchsatzmeßgerät für ein strömendes Medium geschaffen werden, mit dem der Durchsatz von Mehrphasenmedien innerhalb eines weiten Dichtebereichs mit hoher Genauigkeit möglich und keine Konstanthaltung der Dichte des strömenden Mediums erforderlich ist.

Das zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Mehrphasen-Durchsatzmeßgerät. für ein strömendes Medium ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen zum Durchtritt des strömenden Mediums dienenden Kanal mit einer zum Einwirken von Zentrifugalkräften auf das Medium dienenden Schleife, ein zum Messen des Druckdifferentials zwischen Innen - und Außenhalbmesser der Schleife dienendes Druckdifferential-Meßinstrument, eine zum Messen der Dichte des durch die Schleife hindurchströmenden Mediums dienende Vorrichtung und durch zum

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Korrelieren der Meßwerte und Parameter des Geräts und zur Anzeige des Volumendurchsatzes an Medium dienende Vorrichtungen .

Entsprechend einer bevorzugten Ausgestaltung des Meßgeräts ist die Schleife als vollständige Kreisringschleife von 360° ausgebildet und weist konstanten Querschnitt auf. Sie ist an ihren Enden über jeweils einen tangentialen Abschnitt mit einem Einlaß bzw. einem Auslaß verbunden, wobei die tangentialen Abschnitte praktisch geradlinig ausgebildet sind und einen Krümmungshalbmesser aufweisen, der wenigstens zwei Durchmessern der Schleife entspricht. Die zum Messen der Dichte des durch die Schleife hindurchströmenden Mediums und das zum Messen des Druckdifferentials zwischen Innen- und Außenhalbmesser der Schleife dienende Druckdifferential-Meßinstrument sind etwa in der Mitte der Schleife angeordnet. Die Dichtenmeßvorrichtung umfaßt eine Gammastrahlungsquelle und einen diese umgebenden, den Innenraum der Schleife ausfüllenden Bleiblock mit einem Radialkanal, der zur gerichteten Führung der von der Gammastrahlungsquelle ausgehenden Gammastrahlung durch das durch die Schleife hindurchströmende Medium in einem in Nähe der Mitte der Kreisringschleife befindlichen Bereich dient. Die Dichtenmeßvorrichtung umfaßt außerdem einen außerhalb der Schleife angeordneten Szintillationsdetektorkristall, dessen Strahlungsaufffangberexch durch eine zu dem Radialkanal ausgerichtete Bleiabschirmung kollimiert ist. Weiterhin können ein zum Messen der Temperatur des durch die Schleife hindurchströmenden Mediums dienender Temperaturfühler und ein zum Messen des Drucks des durch die Schleife hindurchtretenden Mediums dienender Druckmesser vorgesehen sein. Die zur Anzeige des Volumendurchsatzes durch das Meßgerät dienenden Vorrichtungen umfassen vorzugsweise Sichtanzeige- und/oder Aufzeichnungsgeräte.

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Das erfindungsgemäße Durchsatzmeßgerät wird im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 ein schematischer Seitenaufriß eines erfindungsgemäß ausgebildeten Durchsatzmefigeräts in Verbindung mit verschiedenen, zugeordneten Meßinstrumenten,

Fig. 2 ein endseitiger Aufriß des Meßgeräts von . Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische, schaubildliche Ansicht

der Schleife des Meßgeräts zur Beschreibung der theoretischen Meßgrundlagen und

Fig. 4 ein in einem größeren Maßstab gehaltener Querschnitt durch den oberen Bereich der Schleife von Fig. 3.

In der erdölverarbeitenden Industrie ergeben sich viele Anwendungsmöglichkeiten für Mehrphasen-Durchsatzmeßgeräte. Eine kontinuierliche überwachung eines aus mehreren Phasen bestehenden Mediums ist beispielsweise sehr nützlich an verschiedenen Stellen wie z.B. am Kopfende eines Produktionsbohrlochs, in Sammelleitungen und in Gas-Öl-Abscheidern. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Mehrphasen-Durchsatzmeßgerät weist den Vorteil eines einfachen Aufbaus, jedoch hoher Zuverlässigkeit und hoher Meßgenauigkeit auf, wobei es zudem verhältnismäßig preiswert herstellbar ist. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die körperlichen Abmessungen des Durchsatzmeßgeräts verhältnismäßig klein sind.

In den Figuren 1 und 2 sind die grundsätzlichen Merkmale eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Durchsatzmeßgeräts dargestellt.

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Das Meßgerät weist einen Einlaß 11 und einen Auslaß 12, die jeweils mit einem Plansch 13 bzw. 14 versehen sind, auf, vermittels welcher das Meßgerät in eine Rohrleitung 18 montierbar ist, durch welche das Medium transportiert wird, dessen Durchsatz gemessen werden soll.

Der Einlaß 11 befindet sich an einem Ende eines Kanals 19, der eine Kreisringschleife 20 von 360° Umfang bildet. Diese Schleife bewirkt, daß auf das durch die Schleife hindurchströmende Medium Zentrifugalkräfte einwirken. Außerdem umfaßt der Kanal 19 tangentiale Abschnitte 23 und 24, durch welche die Enden der Schleife 20 jeweils mit dem Einlaß 11 bzw. dem Auslaß 12 verbunden sind.

Einlaß 11 und Auslaß 12 sind wie aus Fig. 1 ersichtlich in senkrechter Richtung in einer Linie zueinander ausgerichtet. Außerdem sind sie in waagerechter Richtung nur so wenig wie möglich zueinander versetzt. Dementsprechend liegen die einander zugewandten Seiten der Abschnitte 23 und 24 wie aus Fig. 2 ersichtlich aneinander an.

Zur Erzielung eines gleichmäßigen Strömungseintritts in die Schleife des Durchsatzmeßgeräts sind die tangentialen Abschnitte 23 und 24 so geradlinig wie möglich ausgebildet, wobei ihr zulässiger Krümmungshalbmesser wenigstens zwei Durchmessern der Kreisringscheibe 20 entspricht.

Zur Messung des Druckunterschieds zwischen Innen- und Außenhalbmesser der Kreisringschleife 20 des Kanals 19 ist ein Druckdifferential-Meßinstrument 28 vorgesehen, das allgemein von unterschiedlicher Beschaffenheit sein kann und beispielsweise einem handelsüblichen Instrument wie z.B. dem Instrument Modell 1151 DP Differentialdruckübertrager der Firma Rosemount Inc. entspricht. Dieses Instrument weist eine

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(nicht dargestellte) Fühlermembran auf, auf welche die über Druckleitungen 31 und 32 von den Anschlußstutzen 33 bzw. 34 zugeführten Drücke einwirken. Die Anschlußstutzen 33 und 34 sind in Fig. 1 schematisch dargestellt und befinden sich im oberen Bereich der Schleife 20 an Innen- und Außenseite derselben .

Das Druckdifferential-Meßinstrument 28 liefert ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend den Messungen des Druckdifferentials in den beiden Druckleitungen 31 und 32. Dieses elektrische Ausgangssignal wird über elektrische Leitungen und 38 einem Mikrorechner 39 zugeführt und kann außerdem an ein Aufzeichnungsgerät 40 angelegt werden, welches eine kontinuierliche und dauerhafte Aufzeichnung des gemessenen Druckdifferentialwerts liefert.

Zur Messung der Dichte des durch die Schleife 20 strömenden Mediums ist ein Szintillationsdetektor 43 vorgesehen, mit dem die Gammastrahlung aufgefangen wird, welche durch das durch die Schleife 20 strömende Medium hindurchtritt. Zur Ausführung dieser Dichtemessung umfaßt diese Anordnung außerdem eine Gammastrahlungsquelle 45 wie z.B. 1,3 Millicurie Cäsium 137. Die von dieser Gammastrahlungsquelle ausgehende Strahlung wird durch einen Bleiblock 46 kollimiert, der den Innenraum der Schleife 20 ausfüllt und ausreichende Stärke aufweist, um die Strahlung mit Ausnahme eines Radialkanals 49 zurückzuhalten. Der (in gestrichelten Linien dargestellte) Radialkanal 49 dient zur gerichteten Führung der Gammastrahlung entlang eines Halbmessers der Schleife 20 durch das durch diese hindurchströmende Medium.

Der Szintillationsdetektor 43 ist in seinem Strahlungsauffangbereich durch eine Bleiabschirmung 50 kollimiert. Der Durchlaßbereich dieser Bleiabschirmung 50 ist selbstverständlich zu dem Radialkanal 49 ausgerichtet, befindet sich jedoch

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außerhalb der Kreisringschleife 20. Der Detektor 43 umfaßt einen (nicht dargestellten) Detektorkristall, welcher mit einem (gleichfalls nicht dargestellten) Fotovervielfacher gekoppelt ist. Der Detektor 43 kann beispielsweise dem Szintillationsdetektor der Firma Bicron Corp., Newberry, Ohio, V.St.A. entsprechen. Der Detektorkristall kann beispielsweise aus einem mit Thallium dotierten Natriumjodidkristall bestehen, der für die hier beschriebene Anwendung in der Weise ausgelegt bzw. vorgespannt ist, daß er nur von der Strahlungsquelle ausgehende (d.h. nicht gestreute) Primärgammastrahlung zählt. Diese Primärgammastrahlung führt im Szintillationsdetektor zu einem Zählwert, der in direkter Beziehung steht zur Dichte des Mediums, das sich im Weg der kollimierten Gammastrahlung in einem Querschnitt der Schleife 20 befindet.

Die den Zählwert und damit die Dichte des Mediums in der Schleife 20 darstellenden Signale werden über elektrische Leitungen 53 und 54 zum Mikrorechner 39 übertragen. In diesem werden die Differentialdrucksignale mit den durch den Gammastrahlungszählwert vorgegebenen Dichtesignalen in Beziehung gesetzt, um den Volumendurchsatz an Medium zu bestimmen .

Die Korrelation der erhaltenen Signale kann entsprechend der nachstehend angegebenen Gleichung erfolgen. Diese Gleichung beruht auf den in der vorgenannten Veröffentlichung über Zentrifugalströmungsmessung angegebenen Prinzipien. Die von Cortelyou entwickelte allgemeine Theorie bildet somit eine Grundlage für die Beziehung zwischen Druckdifferential an Innen- und Außenseite der einen Halbmesser R aufweisenden Schleife und Medium der Dichte p , welches in einem Volumendurchsatz V durch die Schleife hindurchströmt, wie folgt:

ÜP=p V² /gRd (1)

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In dieser Gleichling (1) sind mit d und R die in den Fig. 3 und 4 angegebenen Abmessungen der Schleife 20 bezeichnet und g ist die Schwerkraftbeschleunigung. Die Gleichung (1) läßt sich auflösen nach V, so daß sich ergibt:

V = ( Δ ρ g R d³ / p > ^2 (2)

Dieser Volumendurchsatz wird natürlich als Ausgangssignal des Mikrorechners 39 erhalten. Dieser Mikrorechner 39 kann selbstverständlich von beliebiger und unterschiedlicher Ausführung sein. Eine für den hier betrachteten Anwendungszweck geeignete Ausführung ist ein Mikroprozessor vom Typ KIM-1 (Hersteller: MOS Technology Inc., 950 Rittenhouse Road, Norristown, Pa. 19401, V.St.A.).

Die Dichte f des Mediums wird in der vorstehend beschriebenen Weise durch den Gammastrahlungs-Dichtemesser gemessen. Sie steht in Beziehung zu dem vom Szintillationsdetektor 43 erzeugten Zählwert für Primärgammastrahlung entsprechend folgender Gleichung:

C = c_o e"ⁿ?^X (3)

In dieser Gleichung bedeutet:

C = Zählwert des Detektors, wenn die Schleife mit Luft

gefüllt ist,
C = Zählwert des Detektors, wenn die Schleife mit dem Meßmedium gefüllt ist,

η = der Dämpfungskoeffizient der Primärgammastrahlung, X = die effektive, von der Primärgammastrahlung zurückgelegte Strecke,

γ = die Massendichte des Mediums, und e = die Basis des natürlichen Logarithmus. Wenn die Gleichung (3) nach f aufgelöst wird, erhält man:

² J ^/nX

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Da die auf der rechten Seite von Gleichung stehenden Ausdrücke entweder bekannt sind oder bei der Eichung des Dichtemesser ermittelt oder gemessen werden, läßt sich die Massendichte kontinuierlich bestimmen. Wenn nun Gleichung (4) in Gleichung (2) eingesetzt wird, erhält man:

C 1 V =[ΔΡ· g. R. d³. n- X/loq_e(-£)\^/2 (5)

Der Mikrorechner 39 liefert somit ein den Volumendurchsatz an Medium darstellendes Ausgangssignal über eine elektrische Leitung 57 zu einem Aufzeichnungsgerät 58, in welchem der Volumendurchsatz an Medium kontinuierlich aufgezeichnet wird.

Wenn das durch das Durchsatzmeßgerät hindurchströmende Medium aus einem Gemisch aus Flüssigkeit und freiem Gas besteht, ist zweckmäßig, Temperatur und Druck des hindurchströmenden Mediums zu messen, um die Gasdichte berechnen zu können. Zu diesem Zweck ist ein Temperaturfühler 61 vorgesehen und über eine elektrische Leitung 62 mit dem Aufzeichnungsgerät 40 verbunden. Durch eine weitere (in gestrichelten Linien dargestellte) elektrische Leitung 63 kann der Temperaturfühler 61 außerdem mit dem Mikrorechner 39 verbunden sein.

In entsprechender Weise ist ein Anschlußstutzen 66 über eine Druckleitung 67 mit einem Druckmesser 70 verbunden. Bei diesem Druckmesser kann es sich beispielsweise um ein Instrument handeln, daß vom gleichen Hersteller wie das Druckdifferential-Meßinstrument 28 stammt (Rosemount, Inc., P.O. Box 35129, Minneapolis, Minn. 55435, V.St.Α.). Der Druckmesser 70 liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das über eine elektrische Leitung 71 dem Aufzeichnungsgerät 40 zugeführt wird. Außerdem kann das Ausgangssignal über eine(in gestrichelten Linien dargestellte ) elektrische Leitung 68 dem Mikrorechner 39 zugeführt werden.

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Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Ourchsatzmeegerät ist besonders gut geeignet zur Herleitung interessierender Größen wie z.B. des Gas-Flüssigkeits-Verhältnisses oder im Falle von Medien, die kein freies Gas enthalten, des Öl-Wasser-Verhältnisses.

Selbstverständlich können zur Ausführung der Temperatur- und Druckmessung als auch der Dichtemessung andere oder in anderer Weise beschaffene Meßinstrumente eingesetzt werden. In gleicher Weise kann das Korrelieren der Meßwerte und Parameter des Geräts auch mit unterschiedlichen Ausführungen von Rechnern erfolgen.

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L e e r s e i t

Claims

27*0715 Patentansprüche :

1.) Mehrphasen-Durchsatzmeßgerät für ein strömendes Medium, gekennzeichnet durch einen zum Durchtritt des strömenden Mediums dienenden Kanal (19) mit einer zum Einwirken von Zentrifugalkräften auf das Medium dienenden Schleife (20), ein zum Messen des Druckdifferentials zwischen Innen- und Außenhalbmesser der Schleife dienendes Druckdifferential-Meßinstrument (28), eine zum Messen der Dichte des durch die Schleife (20) hindurchströmenden Mediums dienende Vorrichtung (43 - 53) und durch zum Korrelieren der Meßwerte und Parameter des Geräts und zur Anzeige des Volumendurchsatzes dienende Vorrichtungen (39,58)

2. Durchsatzmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Messen der Dichte des Mediums dienende Vorrichtung zur Messung eines Dichtenmittelwerts in Radialrichtung quer zu dem durch die Schleife hindurchströmenden Medium ausgelegt ist.

3. Durchsatzmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Messung eines Dichtenmittelwerts dienende Vorrichtung einen Gammastrahluugs-Dichtemesser (43, 45) umfaßt.

4. Durchsatzmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gammastrahlungs-Dichtemesser eine Gammastrahlungsquelle (45), eine zum Kollimieren der Gammastrahlung in einem Radialkanal (49) in bezug auf die Schleife (20) dienende Vorrichtung (46) und einen zum Auffangen kollimierter Gammastrahlung nach Durchgang durch das durch die Schleife (20) hindurchtretende Medium dienenden Detektor (43) umfaßt.

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ORIGINAL INSPECTED

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5. Durchsatzmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorvorrichtung aus einem den Innenraum der Schleife (20) ausfüllenden und einen zur gerichteten Führung der von der Gammastrahlungsquelle (45) ausgehenden Gammastrahlung dienenden Radialkanal (49) aufweisenden Bleiblock (46) besteht.

6. Durchsatzmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gammastrahlungsdetektor (43) aus einem außerhalb der Schleife (20) angeordneten Szintillationsdetektorkristall besteht, dessen Strahlungsauffangbereich durch eine zu dem Radialkanal (49) ausgerichtete Bleiabschirmung (50) kollimiert ist.

7. Durchsatzmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife (20) als vollständiger Kreisring von 360° ausgebildet ist.

8. Durchsatzmeßgerät nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Messen der Temperatur des durch die Schleife (20) hindurchströmenden Mediums dienender Temperaturfühler (61) und ein zum Messen des Drucks des durch die Schleife hindurchströmenden Mediums dienender Druckmesser (70) vorgesehen sind.

9. Durchsatzmeßgerät nach den Ansprüchen 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreisringschleife (20) konstanten Querschnitt aufweist und an ihren Enden über jeweils einen tangentialen Abschnitt (23, 24) mit einem Einlaß (11) bzw. einem Auslaß (12) verbunden ist, wobei die tangentialen Abschnitte praktisch geradlinig ausgebildet sind und einen Krümmungshalbmesser aufweisen, der wenigstens zwei Durchmessern der Schleife entspricht, das Druckdifferential-Meßinstrument (28) in der Mitte der Schleife angeordnet ist,

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und der Radialkanal (49) des Gammastrahlungs-Dichtemessers (43, 45) zu einem in der Nähe der Mitte der Kreisringschleife befindlichen Bereich ausgerichtet ist.

10. Durchsatzmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige des Volumendurchsatzes an Medium durch das Gerät und ggf. der Meßwerte dienende Sichtanzeige- und/oder Aufzeichnungsgeräte (58, 40) vorgesehen sind.

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