ФАРАДМЕТР Российский патент 2005 года по МПК G01N27/22 G01F1/74 

Данное изобретение относится к определению свойства текучей среды в трубопроводе с помощью фарадметра.

Фарадметры применяют для измерения диэлектрического свойства текучей среды. На основе одного или нескольких измерений диэлектрического свойства нередко можно определить еще одно свойство текучей среды.

В частности, фарадметры применяют для получения изобразительного представления свойства текучей среды в сечении трубопровода, например - диэлектрической постоянной или пространственного распределения определенного компонента многокомпонентной текучей среды. В данном описании: слово «изображение» используют для обозначения упомянутого изобразительного представления. Многокомпонентной текучей средой является текучая среда, содержащая компоненты числом более одного, например - скважинная текучая среда, получаемая из подземной формации и которая может содержать нефть, воду и/или природный газ.

Способы, которые обеспечивают изображение текучей среды на основе измерений электрической емкости с помощью фарадметра, часто называют емкостной томографией. Из уровня техники хорошо известны способы вычисления изображения по электрическим емкостям, измеряемым фарадметром; например, линейное обратное проецирование, согласно которому изображение вычисляют с помощью ряда линейных операций на электрических емкостях.

Фарадметр для емкостной томографии раскрывают в Европейской патентной заявке №0326266 В1. Известный фарадметр содержит кольцевой емкостной датчик, установленный вокруг трубопровода. Емкостной датчик содержит восемь зондирующих электродов, расположенных по окружности трубопровода. Измеряют электрические емкости между любыми двумя отдельными зондирующими электродами; при этом каждое измерение электрической емкости замеряет среднюю диэлектрическую постоянную в пространстве, зондируемом соответствующими электродами. По измерениям изображения можно создать изображение, состоящее из К элементов изображения; причем элемент изображения представляет среднее значение диэлектрической постоянной в дискретном пространственном элементе в сечении - данные элемента изображения. Это изображение можно преобразовать в изображение концентрации или изображение плотности.

Если текучая среда протекает по трубопроводу, то часто очень желательно получить измерения свойства текучей среды, помимо изображения. В публикации R. Thorn et al., Flow Meas. Instrum. Vol.1, October 1990, pages 259-268, раскрывают, как можно получить профиль скорости текучей средой. Для этого: фарадметр содержит два кольцевых емкостных датчика, расположенных на трубопроводе выше и ниже по ходу течения. С помощью каждого кольцевого емкостного датчика неоднократно определяют изображения Р_u и Р_d в течение некоторого временного интервала. Профиль скорости определяют по взаимной корреляции данных элементов изображения Р_u,k изображений, определяемых в течение указанного временного интервала у датчика верхнего течения, с данными элементов изображения P_d,1, определяемых в течение этого временного интервала у датчика нижнего течения. Взаимную корреляцию данных элемента изображения в виде чисел, представляющих, например, плотность, можно охарактеризовать следующим выражением

где

k, 1 - целые числа, где 1≤k, 1≤К, и К - число элементов изображения в данном изображении;

(P_u,k·P_d,1)(t) - взаимная корреляция данных элементов изображения в течение определенного времени t;

P_u,k(t-s) - число, относящееся к элементу изображения k в изображении, обеспечиваемом датчиком верхнего течения за время (t-s);

P_d,1(s) - число, относящееся к элементу изображения 1 в изображении, обеспечиваемом датчиком нижнего течения за время s;

Т - длительность окна временной корреляции в течение данного временного интервала.

Нужно отметить, что это и другие уравнения в данном описании, относящиеся к вычислениям взаимной корреляции, записаны в интегральной форме; но специалисту будет ясно, как вычислять взаимные корреляции с помощью дискретных измерений.

Описываемый способ называется емкостной томографией взаимной корреляции. Если текучая среда является многокомпонентной, то из изображения концентрации или изображения плотности и профиля скорости потока можно определить и другие свойства потока, такие как объемная скорость потока или массовая скорость потока.

Но существуют некоторые проблемы, связанные с фарадметрами потока и которые пока препятствуют их практическому применению в промышленности. Например, пока не соблюдены определенные требования для применений в нефтяной промышленности, где необходимо контролировать поток многокомпонентной текучей среды. Одно из требований - быстродействие. Для емкостной томографии взаимной корреляции требуется обработка больших объемов данных.

Например, рассмотрим случай, когда емкостные датчики и верхнего и нижнего течения содержат N зондирующих электродов. В известных датчиках N обычно равно 8-12. Полный набор данных электрических емкостей, измеряемых между всеми парами отдельных зондирующих электродов в отдельном кольцевом емкостном датчике, состоит из порядка N² измеряемых электрических емкостей (точнее - N(N-1)/2 электрических емкостей). Из этого набора данных вычисляют изображение, состоящее из порядка (N²)²=N⁴ элементов изображения. Для определения полного профиля скорости потока: в течение некоторого временного интервала на обоих фарадметрах необходимо определить большое число изображений, и необходимо вычислить все возможные взаимные корреляции между данными элементов изображения каждой плоскости изображения. Тогда для этой задачи потребуется порядка N⁸ операций взаимной корреляции. Это представляет собой очень большой объем вычислительной работы, требующей применения высокопроизводительных устройств обработки данных, например - специализированных устройств, таких как параллельный процессор. Поэтому в отсутствие более эффективного способа обработки данных необходимость применения высокопроизводительных устройств обработки данных будет препятствовать практическому применению указанного устройства в промышленности.

Патент США №5396806 раскрывает способ и устройство для определения массового расхода компонента в двухкомпонентой смеси цементного раствора. Массовую скорость потока определяют как произведение объемной доли компонента и общей скорости потока. Объемную долю выводят из электрической емкости смеси, и электрическую емкость измеряют с помощью отдельного кольцевого емкостного датчика, содержащего некоторое число электродов. Измерения, использующие разные пары электродов, усредняют, чтобы уменьшить последствия нарушений единообразности режимов потока. Скорость потока выводят из трибоэлектрических измерений, по взаимной корреляции сигналов, измеряемых трибоэлектрическим зондом выше и ниже течения.

Задача данного изобретения заключается в обеспечении эффективного способа и фарадметра для определения свойства потока текучей среды, протекающей по трубопроводу, с помощью фарадметра потока.

Основу данного изобретения составляет то обстоятельство, определенное автором, что эффективность определения профиля скорости потока в значительной степени определяется числом вычислений взаимной корреляции, необходимых для емкостной томографии взаимной корреляции.

Заявитель обнаружил, как можно достичь значительного сокращения числа вычислений взаимной корреляции по сравнению с известными способами.

Согласно одной из особенностей данного изобретения обеспечивают способ определения свойства потока текучей среды, протекающей через трубопровод, имеющий фарадметр, содержащий кольцевой емкостной датчик, при этом указанный кольцевой емкостной датчик содержит по меньшей мере три зондирующих электрода, расположенных по окружности трубопровода; при этом согласно указанному способу:

а) для кольцевого емкостного датчика выбирают набор измерительных конденсаторов; причем измерительный конденсатор образован двумя измерительными электродами, и измерительный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо, по меньшей мере, из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

б) измеряют электрическую емкость каждого измерительного конденсатора, причем кольцевой емкостной датчик образует кольцевой емкостной датчик верхнего течения; и фарадметр также содержит кольцевой емкостной датчик нижнего течения, имеющий, по меньшей мере, три зондирующих электрода; причем зондирующие электроды расположены по окружности трубопровода;

согласно указанному способу также

в) для кольцевого емкостного датчика нижнего течения выбирают набор измерительных конденсаторов;

г) в несколько моментов времени в течение некоторого временного интервала измеряют электрическую емкость каждого измерительного конденсатора каждого кольцевого емкостного датчика;

д) определяют взаимные корреляции между электрическими емкостями, измеренными в течение указанного временного интервала у кольцевого емкостного датчика верхнего течения, и электрическими емкостями, измеренными в течение указанного временного интервала у кольцевого датчика нижнего течения; и

е) по взаимным корреляциям определяют свойство потока.

Согласно способу данного изобретения сначала вычисляют взаимные корреляции между электрическими емкостями, измеренными у датчика верхнего течения, и электрическими емкостями, измеренными у датчика нижнего течения в течение некоторого временного интервала; и затем по этим взаимным корреляциям определяют свойство потока (напр., профиль скорости потока). Если для определения свойства потока необходимы взаимные корреляции между данными элементов изображения, то эти взаимные корреляции можно определить линейной операцией на взаимных корреляциях между электрическими емкостями; причем в этих целях используют линейный способ вычисления изображения. Соответственно, чтобы определить полный профиль скорости потока, нужно определить только порядка (N²)²=N⁴ взаимных корреляций, а не N⁸ взаимных корреляций как у способа согласно Thorn и др. Поскольку вычисление взаимных корреляций пока является операцией, занимающей наибольший объем времени, то эта особенность данного изобретения значительно повышает производительность обработки данных и намного ускоряет работу.

Для полноты описания ссылка делается на книгу "Imaging Industrial Flows: Applications of Electrical Process Tomography", A. Plaskowski et al., IOP Publishing, 1995. В отношении будущих разработок в области отображения скорости потока на стр. 197 указанной книги высказывается следующее неточное положение: «Исследования в основном сосредоточатся на: Рассмотрении относительных достоинств взаимной корреляции данных томографического отображения, за которым иногда будет следовать восстановление, в сравнении со взаимной корреляцией данных восстановленного изображения». Но эта книга не раскрывает, как это практически сделать.

Также отмечается, что существуют многие другие известные способы определения свойства потока, и в отношении данного изобретения далее подробно обсуждается один из этих способов. Ссылка делается на описание патента США №4228353, в котором речь идет о способах определения массовой скорости потока текучей среды. Но эти способы основаны на рентгеновской томографии взаимной корреляции - в противоположность данному изобретению, которое использует фарадметр. Описываемые в этом патенте США способы предусматривают определение изображений плотности и профилей скорости потока.

В рентгеновской томографии интенсивность пропускаемого рентгеновского луча измеряют на разных хорошо определенных траекториях луча. Первый этап обработки данных по способам согласно этому патенту США заключается в вычислении средней плотности вдоль траектории луча из измеренной пропускаемой интенсивности рентгеновского луча. Для последующего определения профиля скорости потока рассматривают два способа:

(i) вычисляют изображения плотности из средних плотностей, после чего выполняют взаимную корреляцию данных элементов изображения; и

(ii) вычисляют взаимные корреляции средних плотностей, которые используют в вычислении взаимных корреляций данных элементов изображения.

Поэтому оба этих способа отличаются от способа данного изобретения.

Данное изобретение также предусматривает калибровку фарадметра. Целесообразный способ калибровки повысит надежность работы фарадметра в практических условиях. В рабочих условиях: окружающая среда воздействует на кольцевой емкостной датчик и может повлиять на измерения; и примерами такового влияния окружающей среды являются изменения температуры и давления, внешние усилия, изменения расположения зондирующих электродов, отложения материалов на зондах или в пространстве, зондируемом кольцевым емкостным датчиком. Измерения электрической емкости, в частности для емкостной томографии взаимной корреляции, должны выполняться с достаточной точностью, чтобы обеспечивать полезные данные. Поэтому необходим способ, позволяющий вносить поправку на влияния со стороны окружающей среды за счет эффективной калибровки фарадметра. Заявитель обнаружил, как взаимосвязь между электрическими емкостями, измеряемыми кольцевым емкостным датчиком, можно применить в новом способе корректирования измеряемых электрических емкостей.

Если трубопровод в кольцевом емкостном датчике наполнен калибровочной текучей средой с известным диэлектрическим свойством, например с известной диэлектрической постоянной ε, то тогда калибровочные электрические емкости можно измерить между парами зондирующих электродов кольцевого емкостного датчика. Если калибровочные измерения повторить через некоторое время, используя калибровочную текучую среду с тем же диэлектрическим свойством, то обычно будет заметным изменение измеряемых калибровочных электрических емкостей, обусловленное воздействием окружающей среды.

Но при обычной работе кольцевого емкостного датчика он будет заполнен проверочной текучей средой с неизвестным диэлектрическим свойством, и задача емкостного датчика будет заключаться в определении неизвестного диэлектрического свойства путем измерения проверочных электрических емкостей. Поэтому очевидно, что необходим способ корректирования измеряемых проверочных электрических емкостей, чтобы учитывать последствие воздействия окружающей среды.

Поэтому также обеспечивают новый способ обеспечения корректированных электрических емкостей, используя кольцевой емкостной датчик для определения диэлектрического свойства проверочной текучей среды в трубопроводе; при этом указанный датчик электрической емкости содержит по меньшей мере четыре зондирующих электрода, расположенных по окружности канала; и согласно указанному способу

- заполняют трубопровод проверочной текучей средой;

- выбирают набор измерительных конденсаторов; причем измерительный конденсатор сформирован двумя измерительными электродами, и измерительный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо по меньшей мере из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

- измеряют проверочную электрическую емкость каждого измерительного конденсатора;

- причем согласно этому способу также

- прерывают измерение в определенные моменты;

- заполняют трубопровод калибровочной текучей средой, имеющей известное диэлектрическое свойство;

- выбирают набор калибровочных конденсаторов, при этом калибровочный конденсатор сформирован двумя калибровочными электродами, и калибровочный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо по меньшей мере из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

- измеряют калибровочную электрическую емкость каждого калибровочного конденсатора и

- определяют скорректированные электрические емкости из проверочных и калибровочных электрических емкостей, используя взаимосвязь между калибровочными электрическими емкостями и известным электрическим свойством калибровочной текучей среды.

Ссылка делается на статью D.G.Lampard and R.D.Cutkovsky, Proc. Instr. Of Electrical Engineers part C, vol.196 C, The Institute of Electrical Engineers, Monograph No.351 M, Jan. 1960. В этой статье обсуждается теорема в области электростатики, которая далее будет называться теоремой Томпсона-Лампара.

Теорема Томпсона-Лампара относится к электропроводной цилиндрической оболочке, которая подразделяется на четыре взаимно изолированных электрода за счет узких интервалов, параллельных оси цилиндрической оболочки. Если цилиндрическая оболочка заполнена материалом с известной диэлектрической постоянной ε, то будет верной следующая зависимость:

где

C₁ - электрическая емкость на единицу длины конденсатора, сформированного двумя несоседними электродами;

С₂ - электрическая емкость на единицу длины конденсатора, сформированного двумя остальными электродами; и

ε - диэлектрическая постоянная, которая для однородного материала является произведением диэлектрической постоянной вакуума ε₀ и относительной диэлектрической постоянной ε_r, являющейся свойством данного материала.

Теорема Томпсона-Лампара определяет взаимосвязь между известным диэлектрическим свойством материала, напр., калибровочной текучей средой, и измеряемыми калибровочными электрическими емкостями. Поэтому теорема Томпсона-Лампара обеспечивает основу для способа данного изобретения в целях определения скорректированных электрических емкостей для проверочной текучей среды. На практике может стать необходимой модификация теоремы Томпсона-Лампара, чтобы учитывать особенности практической ситуации, напр., размеры межэлектродного зазора, присутствие других диэлектрических материалов, не являющихся калибровочной текучей средой, таких как стенка трубопровода, вблизи зондирующих электродов.

Например, обобщенный вид теоремы Томпсона-Лампара можно представить как:

,

где константа с равна 1 в идеальных обстоятельствах, но может отклоняться от 1 в реальной ситуации. Отклонение от идеальности может частично обусловливаться расположением электродов в реальном кольцевом емкостном датчике (напр., размер зазоров между электродами, длина электродов, наличие охранных электродов, электростатические экраны или диэлектрические материалы вблизи электродов), и частично - влияниями окружающей среды. При необходимости: отклонения, вызываемые расположением электродов, можно определить или учесть путем сравнения с измерениями, в которых исключены прочие воздействия окружающей среды, напр., заводские калибровочные измерения.

Изобретение далее поясняется, в качестве примера, более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - схематическое изображение боковой проекции трубопровода, с установленным на нем фарадметром, содержащим два кольцевых емкостных датчика согласно данному изобретению.

Фиг.2 схематически изображает, в другом масштабе по сравнению с Фиг.1, сечение трубопровода, изображаемого на Фиг.1, по линии I-I.

Обращаясь к Фиг.1 и 2. Трубопровод 1 имеет кольцевые емкостные датчики 2а и 2b нижнего и верхнего течения, отделенные друг от друга расстоянием L. Каждый кольцевой емкостной датчик в этом примере имеет восемь электродов 11а,..., 18а и 11b,..., 18b, которые единообразно распределены по окружности трубопровода 1.

Далее следует описание нормальной работы фарадметра взаимной корреляции, схематически изображаемого на Фиг.1 и 2; причем по трубопроводу 1 в направлении стрелки 20 протекает многокомпонентная текучая среда.

Сначала выбирают набор измерительных конденсаторов. В этом примере измерительный конденсатор сформирован парой отдельных зондирующих электродов, и подбирают все 8·(8-1)/2=28 возможных пар отдельных зондирующих электродов в датчике верхнего течения, т.е. пары (11а, 12а); (11а, 13а);...; (11а, 18а); (12а, 13а);...; (12а, 18а);...; (17а, 18а), и также все 28 пар отдельных зондирующих электродов в датчике нижнего течения, т.е. пары (11b, 12b); (11b, 13b);...; (11b, 18b); (12b, 13b);...; (12b, 18b);...; (17b, 18b). Таким образом, отдельный зондирующий электрод образует часть некоторого числа измерительных конденсаторов.

Затем выбирают некоторый временной интервал, и измеряют электрическую емкость каждого выбранного измерительного конденсатора в разные моменты этого временного интервала. Каждое измерение электрической емкости представляет собой зондирование диэлектрических свойств текучей среды, которая протекает в данный момент в пространстве, зондируемом соответствующей парой электродов. Например, электрическую емкость пары (11а, 12а) измеряют в нескольких моментах указанного интервала. Может быть желательным измерение более одной электрической емкости в один и тот же момент времени; например - электрической емкости всех измерительных конденсаторов, которые содержат определенный зондирующий электрод, такой как (11а, 12а); (11а, 13а); (11а, 14а);...; (11а, 18а).

Электрические измерения, измеренные у датчика верхнего течения в определенное время, обозначают как C_u,i(t'), a электрические емкости, измеренные у датчика нижнего течения, обозначают как C_d,j (t'); (i, j=1,..., 28; и t' является временем этого временного интервала); причем i и j указывают соответствующую пару электродов в датчиках верхнего течения и нижнего течения.

Затем определяют взаимную корреляцию между электрическими емкостями, измеренными в течение данного временного интервала у датчика верхнего течения, и электрическими емкостями, измеренными в течение данного временного интервала у датчика нижнего течения. Для этого выбирают временное окно длительностью Т в данном временном интервале, и затем взаимную корреляцию между электрическими сопротивлениями вычисляют с помощью уравнения

где

(C_u,i·С_d,j)(t) - взаимная корреляция между электрическими емкостями в течение заданного времени t,

s и (t-s) обозначают количества времени во временном интервале, и другие символы имеют то же прежнее значение.

Взаимные корреляции электрической емкости создают основу для определения свойства потока текучей среды. Помимо этого, измеряемые электрические емкости можно использовать для вычисления изображения. Для этого используют линейный способ вычисления изображения, такой как линейная обратная проекция. Соответственно, данные элементов изображения P_u,k и P_d,i (k, l=1,..., К) для изображений, обеспечиваемых датчиками верхнего течения и нижнего течения, вычисляют из электрических емкостей C_u,i и C_d,j (i, j=1,..., 28), соответственно, с помощью линейных операций, которые можно выразить следующими уравнениями:

где

k= 1=1,..., K;

a_ki - элементы независимой от времени матрицы коэффициентов для вычисления данных элементов изображения из электрических емкостей у датчика верхнего течения; и

b_ij - элементы независимой от времени матрицы коэффициентов для вычисления данных элементов изображения из электрических емкостей у датчика нижнего течения.

Далее в соответствии с данным изобретением вычисляют взаимные корреляции данных элементов изображения из взаимных корреляций измеренных электрических емкостей; причем применяют линейность вычислений данных элементов изображения:

Поэтому

Таким образом, после вычисления 28·28=784 взаимных корреляций всех пар электрических емкостей, измеренных в датчиках верхнего и нижнего течения, - все взаимные корреляции данных элементов изображения можно вычислить из них с помощью линейных операций.

Используя взаимные корреляции данных элементов изображения, можно определить свойства потока текучей среды. Например, можно определить профиль скорости потока. Для определения профиля скорости потока время прохождения потока τ_kl(T) между элементами изображения P_u,k у датчика верхнего течения и Р_d,1 у датчика нижнего течения определяют путем нахождения максимума взаимной корреляции между соответствующими данными элементов изображения как функции времени

где

Т_max - максимальная длительность временного окна для временной корреляции; и остальные символы имеют то же прежнее значение.

По времени прохождения текучей среды можно определить скорость потока текучей среды v_k1 между элементами изображения P_u,k и P_d1 по уравнению

где L - расстояние между датчиками верхнего и нижнего течения, скорректированное для учета фактического расстояния между элементами изображения; прочие символы имеют то же прежнее значение.

Набор данных, созданный всеми значениями v_ki (k, 1=1,..., К), обозначают как профиль скорости потока. Подмножество этого профиля скорости потока является специальным профилем скорости потока, который создается всеми значениями v_k1, причем k=1, и k=1,..., К; при этом специальный профиль скорости потока представляет компонент потока, параллельный оси трубопровода.

Если текучая среда является многокомпонентной текучей средой, то можно определить и другие нужные свойства потока, если помимо профиля скорости потока необходимо также вычислить и изображение текучей среды. В этом изображении элементы изображения можно приписать одному из компонентов на основании значения данных элементов изображения. Выбирая все элементы изображения, приписанные одному компоненту, вместе с профилем скорости потока можно также определить объемную скорость потока этого компонента. Если плотность данного компонента известна, то можно также непосредственно определить массовую скорость потока, если текучая среда состоит только из одного компонента. Разумеется, объемную скорость потока и/или массовую скорость потока можно также определить, если текучая среда состоит только из одного компонента.

Электрические емкости C_u,i и C_d,j предпочтительно измеряют согласно способу обеспечения корректированных электрических емкостей в соответствии с данным изобретением.

Электроды в примере согласно Фиг.1 расположены на внешней поверхности 22 трубопровода, но они также могут быть расположены в стенке 24 трубопровода, либо на внутренней поверхности 26, и они могут быть накрыты защитным материалом (не изображен). Все электроды кольцевого емкостного датчика предпочтительно имеют одинаковую длину в осевом направлении трубопровода. Фарадметр может содержать дополнительные компоненты помимо изображаемых на Фиг.1 и 2; напр., дополнительные кольцевые емкостные датчики для выбора другого расстояния между кольцевыми емкостными датчиками верхнего течения и нижнего течения, электростатический экран, охранные электроды, диэлектрический наполнитель, средство обработки данных, средство передачи данных, средство электроснабжения или корпус.

Далее следует описание способа калибровки согласно данному изобретению, и ссылка делается на кольцевой емкостной датчик 2 а, изображаемый на Фиг.1 и 2. Во время обычной работы кольцевого емкостного датчика трубопровод 1 наполняют текучей средой, при этом диэлектрическое свойство текучей среды определяют исходя из электрических емкостей, измеряемых кольцевым емкостным датчиком 2а. Далее эта текучая среда называется «проверочной текучей средой». Обычно проверочная текучая среда будет протекать по трубопроводу. Выбирают набор измерительных конденсаторов; обычно выбирают все 28 возможных пар отдельных зондирующих электродов. На электрическую емкость измерительного конденсатора, образованного парой зондирующих электродов, влияют диэлектрические свойства текучей среды в пространстве, которое зондируют парой зондирующих электродов. Помимо этого, на измеряемую проверочную электрическую емкость влияют факторы окружающей среды.

Для корректирования влияний окружающей среды: способ, использующий кольцевой емкостной датчик, целесообразно предусматривает калибровку для обеспечения корректируемых проверочных электрических емкостей. Для этого согласно данному изобретению поток проверочной текучей среды, проходящей по фарадметру, прерывают, и текучую среду удаляют из участка, который зондируют кольцевым емкостным датчиком. Этот участок затем заполняют калибровочной текучей средой с известным диэлектрическим свойством, предпочтительно однородной текучей средой, имеющей однородную диэлектрическую постоянную ε. Калибровочной текучей средой может быть жидкость или газ, напр., воздух, инертный газ, или газ с пониженным давлением («вакуум»).

Затем выбирают набор калибровочных конденсаторов. Для этого восемь зондирующих электродов подразделяют на четыре последовательные секции [S1; S2; S3; S4], напр., [(11а); (12а); (13а, 14а, 15а); (16а, 17а, 18а)]. Числа в скобках указывают те зондирующие электроды Фиг.1, которые являются частью соответствующей секции. Все зондирующие электроды, относящиеся к определенной секции, образуют, при взаимном соединении, калибровочный электрод. Первый калибровочный электрод выбирают путем выбора двух не соседних калибровочных электродов. Согласно приводимому выше примеру: один калибровочный электрод образован зондирующим электродом (11а), а другой калибровочный электрод образован взаимно соединенными зондирующими электродами (13а, 14а, 15а). Второй выбираемый калибровочный электрод образован остальными двумя калибровочными электродами, т.е. (12а) и (16а, 17а, 18а). Будет ясно, как с помощью других подразделений зондирующих электродов на последовательные секции, напр., [(11а, 12а); (13а, 14а); (15а, 16а); (17а, 18а)] или [(11а); (12а; 13а); (14а, 15а); (16а, 17а, 18а)], можно будет выбрать другие пары первого и второго калибровочного конденсатора. Если соответствующим образом выбрать набор, состоящий из всех возможных калибровочных конденсаторов, то будет очевидно, что этот набор калибровочных конденсаторов отличается от набора измерительных конденсаторов.

Для выбранной пары первого и второго калибровочных конденсаторов измеряют калибровочную электрическую емкость C_c,1 первого конденсатора и калибровочную электрическую емкость С_с,2 второго калибровочного конденсатора. Если выбрана некоторая совокупность пар первого и второго калибровочных конденсаторов, то измеряют совокупность пар (C_c,1, C_c,2).

Калибровочные электрические емкости затем преобразуют в калибровочные электрические емкости на единицу длины, учитывая длину электродов. Для каждой пары калибровочных электрических емкостей на единицу длины должна выполняться взаимосвязь согласно теореме Томпсона-Лампара. Если известные отклонения от идеальных значений можно учесть, то применяют модификацию теоремы Томпсона-Лампара. На практике (модифицированная) теорема Томпсона-Лампара не будет точно выполняться из-за воздействий окружающей среды. Поэтому за счет измерения совокупности пар калибровочных электрических емкостей на единицу длины обеспечивают систему уравнений, которая выполняется неточно. Для этой системы уравнений определяют оптимальное решение. Может оказаться целесообразным сравнить оптимальное решение с оптимальными решениями, которые могли быть определены предыдущими калибровками, напр., первоначальной калибровкой на заводе. Если имеется достаточная симметрия размеров и расположения калибровочных электродов, то теорему можно свести к требованию равенства определенному значению обоих значений пары калибровочных электрических емкостей.

После выполнения всех измерений калибровочных электрических емкостей калибровочный этап можно закончить. Калибровочную текучую среду удаляют из кольцевого емкостного датчика, и трубопровод снова можно наполнить проверочной текучей средой. Оптимальное решение, которое определено, затем используют для определения коррекции, которая необходима для проверочных электрических емкостей, измеряемых кольцевым емкостным датчиком, заполненным проверочной текучей средой. В частности, все электрические емкости C_u,i и C_d,j, которые измеряют в способе для определения свойства потока текучей среды, целесообразно корректировать таким образом.

Практическое требование применительно, например, к нефтяной промышленности, касается необходимости обеспечения измерительных устройств, которыми можно управлять дистанционно, напр., в стволе скважины или в подводной установке. Поэтому данное изобретение также относится к фарадметру, который содержит средство для дистанционной работы, целесообразно содержащее средство для телеметрии и/или дистанционного электроснабжения. Телеметрия является частным аспектом дистанционной работы и необходима, например, для управления фарадметром и для передачи данных. Нужное электроснабжение для работы фарадметра является еще одним аспектом дистанционной работы. Нередко нежелательно обеспечивать фарадметр кабелем, идущим через ствол скважины на поверхность. Но в стволе скважины телеметрию и/или дистанционное электроснабжение можно обеспечить, например, через обсадные трубы и/или насосно-компрессорную колонну в стволе скважины. В этих целях средство для телеметрии и/или дистанционного электроснабжения содержит цепь индуктивной связи, которая использует переменное электромагнитное поле для передачи данных и/или электроэнергии между фарадметром и обсадной трубой или насосно-компрессорной колонной. Фарадметр может также содержать другие электронные компоненты, например средство регулирования и аккумулирования электропитания, которое может быть перезаряжаемой батареей или ультраконденсатором, процессором обработки данных, контроллером или интерфейсом связи.

Использование: для определения свойств текучей среды в трубопроводе. Способ для определения свойства потока текучей среды, протекающей по трубопроводу (1), имеющему фарадметр, содержащий кольцевые емкостные датчики (2а, 2b) верхнего и нижнего течения. Каждый кольцевой емкостной датчик содержит по меньшей мере три зондирующих электрода (11а-13a, 11b-13b). Зондирующие электроды расположены по окружности трубопровода. Для каждого кольцевого емкостного датчика выбирают набор измерительных конденсаторов. Измерительный конденсатор сформирован двумя измерительными электродами, а измерительный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо по меньшей мере из двух взаимно соединенных зондирующих электродов. Измеряют в несколько моментов в течение некоторого временного интервала электрическую емкость каждого измерительного конденсатора каждого кольцевого емкостного датчика (2а, 2b). Определяют взаимные корреляции между электрическими емкостями, измеренными в течение данного временного интервала у кольцевого емкостного датчика (2а) верхнего течения, и электрическими емкостями, измеренными в течение данного временного интервала у кольцевого емкостного датчика (2b) нижнего течения. Из взаимных корреляций определяют свойство потока. Также предложен способ обеспечения корректированных электрических емкостей и собственно фарадметр. 5 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ для определения свойства потока текучей среды, протекающей через трубопровод, имеющий фарадметр, содержащий кольцевой емкостный датчик; при этом кольцевой емкостный датчик содержит по меньшей мере три зондирующих электрода; причем зондирующие электроды расположены по окружности трубопровода; причем согласно указанному способу

а) для кольцевого емкостного датчика выбирают набор измерительных конденсаторов; причем измерительный конденсатор образован двумя измерительными электродами и измерительный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо, по меньшей мере, из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

б) измеряют электрическую емкость каждого измерительного конденсатора,

отличающийся тем, что кольцевой емкостный датчик образует кольцевой емкостный датчик верхнего течения, и тем, что фарадметр также содержит кольцевой емкостный датчик нижнего течения, имеющий, по меньшей мере, три зондирующих электрода; причем зондирующие электроды расположены по окружности трубопровода, причем согласно указанному способу также

в) для кольцевого емкостного датчика нижнего течения выбирают набор измерительных конденсаторов;

г) в несколько моментов времени в течение некоторого временного интервала измеряют электрическую емкость каждого измерительного конденсатора каждого кольцевого емкостного датчика;

д) определяют взаимные корреляции между электрическими емкостями, измеренными в течение указанного временного интервала у кольцевого емкостного датчика верхнего течения, и электрическими емкостями, измеренными в течение указанного временного интервала у кольцевого датчика нижнего течения; и

е) по взаимным корреляциям определяют свойство потока.

заполняют трубопровод проверочной текучей средой;

выбирают набор измерительных конденсаторов; причем измерительный конденсатор сформирован двумя измерительными электродами и измерительный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо по меньшей мере из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

измеряют проверочную электрическую емкость каждого измерительного конденсатора;

причем согласно этому способу также

прерывают измерение в определенные моменты;

заполняют трубопровод калибровочной текучей средой, имеющей известное диэлектрическое свойство;

выбирают набор калибровочных конденсаторов, при этом калибровочный конденсатор сформирован двумя калибровочными электродами и калибровочный электрод состоит либо из отдельного зондирующего электрода, либо по меньшей мере из двух взаимно соединенных зондирующих электродов;

измеряют калибровочную электрическую емкость каждого калибровочного конденсатора и

определяют скорректированные электрические емкости из проверочных и калибровочных электрических емкостей, используя взаимосвязь между калибровочными электрическими емкостями и известным электрическим свойством калибровочной текучей среды.