Система датчика для измерения уровня поверхности раздела в многофазных флюидах Российский патент 2018 года по МПК G01N27/02 

Перекрестные ссылки на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка является родственной параллельно поданной заявке №13/630739, озаглавленной «Системы и способы измерения уровня раздела фаз в многофазном флюиде» права на которую принадлежат компании General Electric Company, являющейся заявителем настоящего изобретения.

Область техники

[0002] Изобретение относится к датчикам, а именно, к датчикам уровня для определения уровня поверхности раздела во флюидах с многофазовым составом.

Предпосылки создания изобретения

[0003] Измерение состава эмульсий и уровня поверхности раздела несмешивающихся флюидов необходимо во многих областях применения. Например, характеристики эмульсий важно знать при управлении нефтяными месторождениями. Измерение содержания воды и нефти в эмульсиях в различных нефтяных скважинах может изменяться в течение срока службы нефтяного месторождения и указывать на его общее состояние. В случае нагнетательных скважин, для уменьшения загидрачивания и коррозии является критически важным контроль качества воды. Определение характеристик состава смеси нефти и воды (например, измерение соотношения нефти и воды в смеси) позволяет эксплуатирующей организации повысить продуктивность и пропускную способность скважины. Полученная информация может также использоваться для снижения противодавления в скважинах, для упрощения и уменьшения размеров напорного трубопровода, а также для снижения требований к теплоизоляции.

[0004] Определение характеристик эмульсий является важным также при эксплуатации систем, в которых флюиды содержатся в резервуарах (резервуарные системы), например в системах обработки флюидов. Резервуарные системы могут включать в себя резервуары для хранения, реакторы, сепараторы и опреснители. Резервуарные системы применяются во многих отраслях промышленности и в различных технологических процессах, в том числе в нефтегазовой, химической, фармацевтической, пищевой промышленности и т.д. Например, отделение воды от сырой нефти необходимо для установления эксплуатационных потоков нефти и газа. Сырая нефть на выходе из устья скважины является одновременно кислой (содержит газообразный сероводород) и обводненной (содержит воду). Выходящая из скважины сырая нефть нуждается в очистке, чтобы ее хранение, обработка и экспорт были экономически целесообразны. Одним из способов очистки сырой нефти является использование сепаратора. В большинстве сепараторов для отделения используются гравитационные силы и разности плотностей между отдельными фазами: нефти, воды, газа и твердых частиц во флюиде. Определение уровней поверхности раздела этих слоев является критичным для управления процессом сепарации. Еще одной системой обработки флюида, в которой важную роль играет определение характеристик эмульсий и измерение уровня поверхности раздела, является опреснитель. Опреснители используются в нефтеперегонных установках для снижения коррозии ниже по потоку. В опреснителях сырая нефть смешивается с водой, в воду экстрагируются неорганические соли и затем вода отделяется и удаляется.

[0005] Наконец, важно точно определить содержание воды и соленость в самой сырой нефти на различных стадиях жизненного цикла продукта по экономическим соображениям. Нефть является ценным товаром и недооценка содержания воды при загрузке танкеров может приводить к значительным излишним затратам.

[0006] Еще одним применением, в которых необходимы измерение и определение характеристик эмульсий, является отвод и очистка отработанной воды. В нефтеперерабатывающей промышленности, как при добыче, так и при перегонке, образуются большое количество отработанной воды, загрязненной нефтью. Ключевым фактором для регулировки концентрации нефти в отработанной воде является усовершенствованная измерительная аппаратура для контроля содержания нефти в эмульсиях.

[0007] Известны множество типов устройств для измерения уровня поверхности раздела, некоторые из которых доступны на рынке. К таким устройствам относятся датчики гамма-излучения, волноводные датчики, магнитострикционные датчики, датчики УКВ-излучения, ультразвуковые датчики, однопластинчатые датчики емкости/проводимости, сегментированные емкостные датчики, индуктивные датчики и датчики компьютерной томографии. Каждый из этих датчиков имеет преимущества и недостатки. Цена на некоторые из них недопустимо высока для многих потребителей. Для некоторых датчиков может требоваться охлаждающая рубашка для работы при высоких температурах (выше 125°С). Для работы некоторых устройств для измерения поверхности раздела фаз требуется наличие четкой границы раздела, что может быть проблематичным при работе с диффузными эмульсиями. Некоторые устройства восприимчивы к засорению. Другие датчики не могут предоставить данные, относящиеся к профилю резервуара, и контролируют отдельные точки в процессе опреснения. Системы, в которых применяются электроды, подвержены коротким замыканиям электродов при высокой солености, а также подвержены засорению. Наконец, многие из таких систем являются сложными и их трудно реализовать.

[0008] В некоторых существующих системах датчиков для измерения уровней флюидов используются отдельные емкостные элементы. Основным ограничением подобных систем является их неспособность одновременной оценки количества нескольких компонентов жидкости. Способы емкостного измерения использовались для измерения диэлектрической постоянной жидкости с помощью электродов, специально спроектированных для емкостных измерений. Такие конструкции ограничены тем, что в них необходимы электроды различных типов - для емкостных измерений, и для измерений проводимости. Для контроля уровня флюида в резервуаре также известно применение индуктивно-емкостных схем, в которых используются электромагнитные резонаторы и изменение емкости связано с уровнем флюида и типом флюида. Однако специалисты в данной области сходятся во мнении, что наполнение резонатора проводящей жидкостью повышает недостоверность измерений и создает шумы, так что измеренные значения отличаются примерно на порядок по сравнению со значениями для непроводящего флюида, например воздуха. Однако такие способы не позволяют получить точные значения концентрации отдельных анализируемых веществ в пределах их максимальных и минимальных концентраций в смеси.

[0009] Ни одна из существующих систем датчиков не обеспечивает сочетания низкой стоимости, высокой чувствительности, выгодного отношения сигнал/шум, высокой избирательности, высокой точности и высокой скорости сбора данных. Кроме того, не существует систем, способных точно охарактеризовать количественно смеси флюидов, где один из флюидов имеет низкую концентрацию (т.е. при их минимальной или максимальной концентрации).

Краткое описание изобретения

[0010] Предлагается техническое решение проблем, связанных со стоимостью, надежностью и точностью существующих систем датчиков уровня. Электрический резонансный преобразователь (резонансный преобразователь) сочетает в себе низкую стоимость, высокую чувствительность, выгодное отношение сигнал/шум, высокую избирательность, высокую точность и высокую скорость сбора данных. Резонансный преобразователь может быть частью робастного датчика, для работы которого не требуется четкая поверхность раздела. Данное решение также обеспечивает датчик, менее подверженный загрязнению, особенно в приложениях, где применяются эмульсии.

[0011] В соответствии с одним из примеров осуществления изобретения, не ограничивающих его объем, предложен датчик, имеющий резонансный преобразователь, выполненный с возможностью определения состава эмульсии, пробоотборный узел и анализатор импеданса.

[0012] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложена система, которая включает в себя систему обработки флюида, узел отбора пробы флюида и систему резонансных датчиков, соединенную с узлом отбора пробы флюида.

[0013] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ измерения уровня смеси флюидов в резервуаре. Способ включает шаги обнаружения сигнала от системы резонансного датчика во множестве точек в резервуаре, преобразование каждого сигнала в значения спектра комплексного импеданса для этого множества точек, запоминание значений спектра комплексного импеданса и значений частоты и определение точки инверсии фазы флюида по указанным значениям спектра комплексного импеданса.

[0014] В еще одном варианте осуществления изобретения предложен способ определения состава смеси нефти и воды в резервуаре. Способ включает следующие шаги: определение значений спектра комплексного импеданса смеси нефти и воды как функции высоты в резервуаре с помощью резонансного преобразователя; определение точки инверсии фазы по этим значениям спектра комплексного импеданса; применение модели нефтяной фазы к значениям спектра комплексного импеданса и значениям проводимости выше точки инверсии фазы флюида и применение модели водной фазы к значениям спектра комплексного импеданса ниже точки инверсии фазы флюида.

[0015] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложен датчик, содержащий резонансный преобразователь, выполненный с возможностью одновременного определения концентрации первого и второго компонентов эмульсии,

[0016] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложен датчик, имеющий резонансный преобразователь, выполненный с возможностью определения состава эмульсии.

[0017] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложена система датчика, имеющая резонансный преобразователь, выполненный с возможностью определения состава эмульсии. Система датчиков содержит пробоотборный узел и анализатор импеданса.

[0018] В еще одном из вариантов осуществления изобретения предложен способ определения состава смеси первого флюида и второго флюида в резервуаре путем определения, с помощью системы датчика, набора значений спектра комплексного импеданса смеси первого флюида и второго флюида как функции высоты в резервуаре. Способ включает также шаг определения точки инверсии фазы флюида по указанному набору значений спектра комплексного импеданса, шаги применения фазовой модели первого флюида к набору значений спектра комплексного импеданса выше точки инверсии фазы флюида и применения фазовой модели второго флюида к набору значений спектра комплексного импеданса ниже точки инверсии фазы флюида.

Краткое описание чертежей

[0019] Другие признаки и преимущества изобретения будут очевидны из приведенного ниже подробного описания предпочтительного варианта его осуществления и чертежей, где с помощью примеров иллюстрируются принципы определенных аспектов изобретения.

[0020] Фиг. 1 изображает не ограничивающий изобретение вариант выполнения системы резонансного датчика.

[0021] Фиг. 2 иллюстрирует работу резонансного преобразователя.

[0022] Фиг. 3 изображает пример измеренного спектра комплексного импеданса, который используется для многопеременного анализа.

[0023] Фиг. 4 изображает вариант выполнения двумерного резонансного преобразователя.

[0024] Фиг. 5 изображает вариант выполнения трехмерного резонансного преобразователя.

[0025] Фиг. 6 изображает электрическую эквивалентную схему трехмерного резонансного преобразователя.

[0026] Фиг. 7 изображает график зависимости отклика Rp резонансного преобразователя от изменения смеси нефти и воды.

[0027] Фиг. 8 изображает график зависимости отклика Ср резонансного преобразователя от изменения смеси нефти и воды.

[0028] Фиг. 9 изображает вид сбоку одного из вариантов выполнения узла резонансного преобразователя с частичным разрезом.

[0029] Фиг. 10 изображает блок-схему одного из вариантов выполнения системы обработки флюида.

[0030] Фиг. 11 изображает блок-схему одного из вариантов выполнения опреснителя.

[0031] Фиг. 12 изображает блок-схему одного из вариантов выполнения сепаратора.

[0032] Фиг. 13 изображает график зависимости частотного отклика (Fp) трехмерного резонансного преобразователя от повышения концентраций нефтеводной и водонефтяной эмульсий.

[0033] Фиг. 14 изображает график зависимости частотного отклика (Fp) двумерного резонансного преобразователя от повышения концентраций нефтеводной и водонефтяной эмульсий.

[0034] Фиг. 15 изображает алгоритм для одного из вариантов осуществления способа определения состава смеси нефти и воды как функции высоты.

[0035] Фиг. 16 изображает график данных для определения точки инверсии фазы флюида и проводимости.

[0036] Фиг. 17 изображает графики, иллюстрирующие результаты анализа экспериментальных данных для одного из вариантов выполнения системы резонансного датчика.

[0037] Фиг. 18 изображает график, иллюстрирующий результаты испытаний системы резонансного датчика в модели опреснителя.

[0038] Фиг. 19 изображает один из вариантов отображения отчета по данным от системы резонансного датчика.

[0039] Фиг. 20 изображает алгоритм для одного из вариантов способа определения уровня флюида в резервуаре.

[0040] Фиг. 21 изображает блок-схему варианта процессорной системы для использования в системе резонансного датчика.

Подробное описание изобретения

[0041] В соответствии с приведенным далее подробным описанием варианты осуществления изобретения обеспечивают недорогие системы для надежных и точных измерений уровня флюида в резервуарах для обработки флюида. Система резонансного датчика позволяет проводить эффективные и точные измерения уровня переходного или эмульсионного слоя при помощи резонансного преобразователя, например многопеременного резонансного преобразователя с индуктивно-емкостно-резистивной (LCR) структурой и посредством многопеременного анализа данных, применяемого к сигналам с этого преобразователя. Система резонансного датчика обеспечивает также возможность определения состава водонефтяных смесей, нефтеводяных смесей, и, когда он применяется, эмульсионного слоя.

[0042] Резонансный преобразователь содержит резонансную схему и приемную катушку. Электрический отклик погруженного во флюид резонансного преобразователя преобразуют в несколько одновременно изменяющихся параметров. Эти параметры могут включать в себя отклик комплексного импеданса, положение пика резонанса, ширину пика, высоту и симметричность пика импедансного отклика антенны датчика, абсолютную величину действительной части импеданса, резонансную частоту мнимой части импеданса, антирезонансную частоту мнимой части импеданса, частоту нулевой реактивности, фазовый угол и абсолютную величину импеданса, а также другие параметры, перечисленные в определении термина «спектральные параметры датчика». Эти спектральные параметры могут изменяться в зависимости от диэлектрических свойств окружающих флюидов. Типовая конфигурация резонансного преобразователя может включать в себя резонансную LCR-схему и антенну. Резонансный преобразователь может функционировать в конфигурации, в которой его приемная катушка подключена к регистратору (анализатору импеданса), при этом приемная катушка обеспечивает возбуждение преобразователя и обнаружение отклика преобразователя. Резонансный преобразователь может также работать в конфигурации, в которой его возбуждение и регистрация отклика выполняется, когда он непосредственно соединен с регистратором (анализатором импеданса).

[0043] Преимущества резонансного преобразователя состоят в сочетании высокой чувствительности, выгодного отношения сигнал/шум, высокой избирательности, высокой точности и высоких скоростей сбора данных в робастном датчике без необходимости в оптической прозрачности анализируемого флюида и измерениях пути потока. В отличие от традиционной импедансной спектроскопии, где сканирование осуществляется в широком диапазоне частот (от долей Гц до десятков МГц или ГГц), резонансный преобразователь применяют для быстрого получения спектра с высоким отношением сигнал/шум в узком частотном диапазоне. Измерительные свойства улучшены за счет того, что чувствительная область находится между электродами, образующими резонансную схему. При реализации в системе обработки флюида, например в опреснителе или сепараторе, система резонансного датчика может включать в себя пробоотборный узел и соединенный с ним резонансный преобразователь. Система резонансного датчика позволяет осуществить способ измерения уровня смеси флюидов в резервуаре, а также способ определения состава смеси нефти и воды в резервуаре. Резонансные преобразователи позволяют получить точную количественную оценку отдельных анализируемых веществ вблизи границ их минимальной или максимальной концентрации. Система резонансного датчика позволяет определять состав смесей флюидов, даже когда один из флюидов имеет низкую концентрацию.

[0044] Примеры систем обработки флюидов, не ограничивающие изобретение, включают реакторы, химические реакторы, биологические реакторы, резервуары для хранения, контейнеры и другие известные устройства.

[0045] На фиг. 1 схематично показан вариант выполнения системы 11 резонансного датчика, содержащий резонансный преобразователь 12, пробоотборный узел 13 и анализатор импеданса (анализатор 15). Анализатор 15 связан с процессором 16, например с микро-ЭВМ. Данные, полученные от анализатора 15, обрабатывают с помощью многопеременного анализа, и его выходные данные могут быть выведены через пользовательский интерфейс 17. Анализатор 15 может представлять собой анализатор импеданса, который измеряет амплитудные и фазовые свойства и коррелирует изменения импеданса с исследуемыми физическими параметрами. Анализатор 15 сканирует частоты в исследуемом диапазоне (т.е. в диапазоне резонансной частоты LCR-схемы) и собирает отклики импеданса резонансного преобразователя 12.

[0046] Как показано на фиг. 2 резонансный преобразователь 12 имеет антенну 20, размещенную на подложке 22, и может быть изолирован от окружающей среды при помощи диэлектрического слоя 21. В некоторых вариантах осуществления изобретения толщина диэлектрического слоя 21 может лежать в диапазоне от 2 нм до 50 см, точнее, от 5 нм до 20 см и еще точнее, от 10 нм до 10 см. В некоторых практических применениях на резонансный преобразователь 12 может быть нанесена чувствительная пленка. В ответ на параметры окружающей среды антенна 20 может генерировать электромагнитное поле 23, которое отходит от плоскости резонансного преобразователя 12 и на которое могут влиять диэлектрические свойства окружающей среды, что позволяет измерять ее физические параметры. Резонансный преобразователь 12 реагирует на изменения комплексной диэлектрической проницаемости окружающей среды. Действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости флюида называется диэлектрической постоянной. Мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости флюида, называемая коэффициентом диэлектрических потерь, прямо пропорциональна проводимости флюида.

[0047] Измерения флюидов могут осуществляться с использованием защитного слоя, который отделяет проводящую среду от антенны 20. Отклик резонансного преобразователя 12 на состав флюидов может включать в себя изменение диэлектрических свойств и размеров резонансного преобразователя 12. Эти изменения связывают с анализируемой окружающей средой, взаимодействующей с резонансным преобразователем 12. Вызываемые флюидом изменения в резонансном преобразователе 12 влияют на комплексный импеданс антенной схемы через изменения сопротивления материала и емкости между витками антенны.

[0048] С целью селективного определения характеристик флюида с помощью резонансного преобразователя 12, измеряют спектры комплексного импеданса антенны 20 датчика, как показано на фиг. 3. Измерение спектров импеданса эмульсии выполняют по меньше мере в трех точках данных. Результаты будут лучше, если измерять спектры импеданса эмульсии по меньшей мере в пяти точках данных. Количество измеренных точек данных может составлять 8, 16, 32, 64, 101, 128, 201, 256, 501, 512, 901, 1024, 2048. Спектры можно измерять в виде действительной части спектров импеданса, мнимой части спектров импеданса или обеих частей спектров импеданса. Примерами параметров резонансной LCR-схемы являются спектр импеданса, действительная часть спектра импеданса, мнимая часть спектра импеданса, действительная и мнимая части спектра импеданса вместе, частота (Fp) максимума действительной части комплексного импеданса, абсолютная величина (Zp) действительной части комплексного импеданса, резонансная частота (F1) и соответствующая ей абсолютная величина (Z1) мнимой части комплексного импеданса, а также антирезонансная частота (F2) и соответствующая ей абсолютная величина (Z2) мнимой части комплексного импеданса.

[0049] Из отклика эквивалентной схемы резонансного преобразователя 12 могут быть получены дополнительные параметры. Примерами таких параметров резонансной схемы, не ограничивающими изобретение, являются коэффициент качества резонанса, частота нулевой реактивности, фазовый угол и абсолютная величина импеданса отклика резонансной схемы резонансного преобразователя 12. Применение многопеременного анализа позволяет снизить размерность многомерного отклика резонансного преобразователя 12 до одной точки данных в многомерном пространстве, что позволяет выполнять селективную количественную оценку различных анализируемых параметров окружающей среды. Примерами инструментов многопеременного анализа являются канонический корреляционный анализ, регрессионный анализ, нелинейный регрессионный анализ, анализ главных компонент, анализ дискриминационных функций, многомерное масштабирование, линейный дискриминантный анализ, логистическая регрессия и/или анализ с помощью нейронных сетей. Посредством многопеременного анализа полных спектров комплексного импеданса или вычисленных спектральных параметров с помощью резонансного преобразователя 12 может быть выполнена количественная оценка анализируемых веществ и их смесей с помехами. Помимо измерений параметров спектров комплексного импеданса можно измерять и другие спектральные параметры, связанные со спектрами комплексного импеданса, например S-параметры (параметры рассеяния) и Y-параметры (параметры проводимости). С помощью многопеременного анализа данных, поступающих с датчика, можно получить одновременную количественную оценку нескольких исследуемых параметров с помощью одного резонансного преобразователя 12.

[0050] Резонансный преобразователь 12 может быть одномерным, двумерным или трехмерным. Одномерный резонансный преобразователь 12 может включать в себя два провода, один из которых расположен вблизи другого, а также дополнительные компоненты.

[0051] На фиг. 4 показан двумерный резонансный преобразователь 25, имеющий антенну 27 и представляющий собой резонансную схему, содержащую LCR-схему. В некоторых вариантах осуществления изобретения двумерный резонансный преобразователь 25 может быть покрыт чувствительной пленкой 21, нанесенной на чувствительную область между электродами. Антенна 27 преобразователя может представлять собой провод в форме плоской спирали. Двумерный резонансный преобразователь может быть проводным или беспроводным. В некоторых вариантах осуществления изобретения резонансный преобразователь 25 может также включать в себя подключенную к антенне 27 интегральную микросхему 29, где могут храниться данные об изготовителе, пользовательские данные, калибровочные и/или другие данные. Интегральная микросхема 29 представляет собой устройство на базе интегральных схем, содержащее схемы модуляции радиочастотных сигналов, которые могут быть изготовлены по технологии комплементарных структур металл-окисел-полупроводник (КМОП), и энергонезависимую память. Компоненты схем модуляции радиочастотных сигналов могут включать диодный выпрямитель, элементы управления напряжением питания, модулятор, демодулятор, генератор тактовых сигналов и другие компоненты.

[0052] Считывание осуществляется посредством контроля изменений спектра комплексного импеданса двумерного резонансного преобразователя 25 при зондировании электромагнитным полем 23, создаваемым антенной 27 преобразователя. Это электромагнитное поле 23 отходит от плоскости двумерного резонансного преобразователя 25 и подвергается влиянию диэлектрических свойств окружающей среды, что позволяет измерять ее физические, химические и биологические параметры.

[0053] На фиг. 5 показан трехмерный резонансный преобразователь 31, содержащий верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35, соединенную с конденсатором 37. Верхняя обмотка 33 намотана на верхнюю часть пробоотборной ячейки 39, а нижняя обмотка 35 намотана на нижнюю часть пробоотборной ячейки 39. Пробоотборная ячейка 39 может быть выполнена из стойкого к загрязнению материала, например из политетрафторэтилена (PTFE), синтетического фторполимера или тетрафторэтилена.

[0054] В трехмерном резонансном преобразователе 31 для снятия сигнала с нижней обмотки 35 используется взаимная индукция с верхней обмоткой 33. На фиг. 6 представлена эквивалентная схема 41, содержащая источник 43 тока, резистор 45 (R0), конденсатор 47 (С0) и катушку 49 индуктивности (L0), катушку 51 индуктивности (L1), резистор 53 (R1) и конденсатор 55 (С1), а также конденсатор 57 (Ср) и резистор 59 (Rp). Кружком обведена часть 61 эквивалентной схемы 41, чувствительная к свойствам окружающего анализируемого флюида. Типовые графики отклика Rp и Ср резонансного преобразователя 12 на различные смеси нефти и воды показаны на фиг. 7 и 8.

[0055] Трехмерный резонансный преобразователь 31 может быть экранирован, как показано на фиг. 9. Узел 63 резонансного преобразователя содержит радиочастотный поглотитель (слой 67 радиочастотного поглотителя), окружающий пробоотборную ячейку 39, верхнюю обмотку 33 и нижнюю обмотку 35. Может быть предусмотрен разделитель 69, окруженный металлическим экраном 71. Металлический экран 71 не является обязательным элементом и не является частью преобразователя 31. Металлический экран 71 позволяет работать внутри или вблизи металлических объектов и трубопроводов, снижает шум и создает стабильную окружающую среду, так что все изменения отклика датчика вызваны непосредственно изменением в анализируемом флюиде. Чтобы надежно заключить датчик в металлический экран 71, между ними может быть размещен слой 67 радиочастотного поглотителя. Это исключает взаимодействие радиочастотного поля с металлом и гасит отклик датчика. Металлический экран 71 может быть обернут кожухом 73 из подходящего материала. Слой 67 радиочастотного поглотителя может поглощать электромагнитное излучение в различных частотных диапазонах, например в килогерцовом, мегагерцовом, гигагерцовом или терагерцовом диапазонах в зависимости от рабочей частоты преобразователя 31 и возможных источников помех. Слой 67 поглотителя может представлять собой сочетание отдельных слоев для конкретных частотных диапазонов, которое обеспечивает более широкий спектральный диапазон экранирования.

[0056] Загрязнение системы 11 резонансного датчика может быть снижено путем придания резонансному преобразователю 12 такой геометрии, которая позволяет ему зондировать окружающую среду в направлении, перпендикулярном к преобразователю, на глубину в диапазоне от 0,1 мм до 1000 мм. Обработка сигналов спектра комплексного импеданса позволяет снизить влияние загрязнения на глубине отбора пробы.

[0057] В соответствии с фиг. 10 система 11 резонансного датчика может применяться для определения уровня и состава флюидов в системе 111 обработки флюида, которая содержит резервуар 113 с пробоотборным узлом 115 и систему 11 резонансного датчика. Система 11 резонансного датчика содержит по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, связанный с пробоотборным узлом 115, анализатор 15 и процессор 16.

[0058] При работе флюиды, не смешивающиеся в нормальных условиях, поступают в резервуар через вход 123 для сырого флюида. Флюиды могут представлять собой первый флюид и второй флюид, не смешивающийся в нормальных условиях с первым флюидом. При обработке флюиды разделяются на слой 117 первого флюида и слой 119 второго флюида, между которыми может находиться смешанный слой 121 диспергированной нефти, воды и твердых частиц. После обработки первый флюид может выходить через выход 125 для первого флюида, а второй флюид может выходить через выход 127 для второго флюида. Система 11 резонансного датчика применяется для измерения уровня слоя 117 первого флюида, уровня слоя 119 второго флюида и уровня смешанного слоя 121, а также может использоваться для определения состава этих слоев 117, 119, 121.

[0059] На фиг. 11 показан вариант выполнения системы 111 обработки флюида, представляющий собой опреснитель 141, содержащий резервуар 143. Сырая нефть поступает в опреснитель через вход 145 для сырой нефти и смешивается с водой, поступающей через вход 147 для воды. Смесь сырой нефти и воды проходит через смесительный клапан 149 в резервуар 143. Опреснитель 141 имеет выход 151 для обработанной нефти и выход 153 для отработанной воды. В резервуаре 143 расположен нефтесборный коллектор 155 и водосборный коллектор 157. При помощи трансформаторов 159 и 161 электричество подается на верхнюю электрическую сетку 163 и нижнюю электрическую сетку 165, между которыми расположены распределители 167 эмульсии.

[0060] При работе сырая нефть, смешанная с водой, поступает в резервуар 143 опреснителя, где эти два флюида смешиваются и распределяются распределителями 167 с образованием эмульсии. Эмульсия удерживается между верхней электрической сеткой 163 и нижней электрической сеткой 165. Вода, содержащая соль, отделяется от нефтеводной смеси при прохождении через верхнюю и нижнюю электрические сетки 163, 165 и падает на дно резервуара 143 опреснителя, где она собирается в качестве отработанной воды.

[0061] Для работы опреснителя 141 важно контролировать уровень эмульсионного слоя и определять содержание компонентов в нефтеводной и водонефтяной эмульсиях. Определение уровня эмульсионного слоя может осуществляться при помощи пробоотборного узла, например, узла 169 испытательной линии, подключенного к резервуару 153 и имеющей по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, размещенный на выходной трубе 172 испытательной линии. Резонансный преобразователь 12 может быть соединен с компонентом 173 сбора данных. При работе резонансный преобразователь 12 используется для измерения уровня воды и нефти, а также для предоставления оператору возможности управления процессом. Узел 169 испытательной линии может представлять собой множество труб, открытых на одном конце внутри резервуара 143, при этом открытый конец каждой из них неподвижно закреплен в резервуаре 143 на требуемой высоте или уровне для забора проб жидкости на этом уровне. Как правило, в обрабатывающем резервуаре имеется множество пробоотборных труб, каждая из которых имеет собственный клапан и открытые концы которых находятся на разной высоте в резервуаре, что позволяет брать пробы жидкости из множества точек резервуара, имеющих каждая фиксированное положение по вертикали. Другим подходом к измерению уровня эмульсионного слоя является использование пробоотборника с качающимся рычагом. Такой пробоотборник представляет собой трубу с открытым концом, находящимся внутри резервуара 143 опреснителя, как правило, соединенного с пробоотборным клапаном, расположенным снаружи резервуара. Он включает в себя узел, предназначенный для изменения вертикального положения открытого конца наклонной трубы в опреснителе 141 путем ее поворота, благодаря чему пробы жидкости могут быть взяты на любой требуемой высоте.

[0062] Еще одним способом измерения уровня воды и нефти является размещение по меньшей мере одного резонансного преобразователя 12 на реечном уровнемере. Реечный уровнемер 175 может представлять собой стержень с резонансным преобразователем 12, который устанавливают в резервуар 143 опреснителя. Измерения выполняют на нескольких уровнях. Альтернативно, реечный уровнемер 175 может представлять собой неподвижный стержень с множеством мультиплексных резонансных преобразователей 12. Резонансный преобразователь 12 может быть соединен с компонентом 179 сбора данных, который собирает данные отдельных измерений для дальнейшей обработки.

[0063] На фиг. 12 представлен вариант выполнения системы 111 обработки флюида, представляющий собой сепаратор 191, содержащий резервуар 193, имеющий входной канал 195 для сырой нефти. Сырая нефть, выходящая из канала 195, сталкивается с входным отклонителем 197 потока, в результате чего частицы воды начинают отделяться от сырой нефти. Сырая нефть проходит в рабочую камеру 199, где она разделяется на водяной слой 201 и нефтяной слой 203. Сырая нефть подается в рабочую камеру 199 ниже поверхности 204 раздела нефть/вода. Это приводит к смешению входной смеси нефти и воды с непрерывной водной фазой на дне резервуара и подъему через поверхность 204 раздела нефть/вода, благодаря чему ускоряется осаждение капель воды, увлекаемых нефтью. Вода опускается на дно, а нефть поднимается наверх. Нефть переливается через перегородку 205 и собирается в нефтяной камере 207. Вода может отводиться из системы через выходной канал 209 для воды, управляемый клапаном 211 управления уровнем воды. Аналогично, нефть может отводиться из системы через выходной канал 213 для нефти, управляемый клапаном 215 управления уровнем нефти. Высота поверхности раздела нефть/вода может определяться узлом 217 испытательной линии, содержащим по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, размещенный в ее выходном канале 218 и подключенный к процессору 221 обработки данных. Альтернативно, для определения уровня поверхности 204 раздела нефть/вода может использоваться реечный уровнемер 223, имеющий по меньшей мере один резонансный преобразователь 12, соединенный с процессором 227. Измеренный уровень используют для управления клапаном 221 управления уровнем воды, чтобы отводить воду, поддерживая поверхность раздела вода/нефть на требуемой высоте.

[0064] Описанные ниже примеры приведены исключительно в качестве иллюстрации и не ограничивают объем изобретения. Для проведения статических испытаний различных конструкций резонансного преобразователя 12 применялась модель, состоящая нефти, водопроводной воды и детергента. Концентрация детергента во всех смесях поддерживалась постоянной.

[0065] Пример 1. При размещении трехмерного резонансного преобразователя 31 на пробоотборном узле 13 на базе испытательной линии или качающего рычага, смеси с разным содержанием воды и нефти выливали в пробоотборную ячейку, на которую снаружи намотан трехмерный резонансный преобразователь 31. На фиг. 13 показан отклик узла с испытательной линией / качающимся рычагом в виде изменения Fp (сдвига частоты действительного импеданса) с ростом концентрации нефти. Вычисленный предел определения содержания нефти в нефтеводных эмульсиях (фиг. 13, часть А) равен 0,28%, а в водонефтяных эмульсиях (фиг. 13, часть В) - 0,58%.

[0066] Пример 2. Двумерный резонансный преобразователь 25 погружали в смеси с различным содержанием нефти и воды. На фиг. 14 представлен отклик двумерного резонансного преобразователя 25 (с окружностью диаметром 2 см) в виде изменения Fp (сдвига частоты действительного импеданса) с ростом концентрации нефти. Вычисленный предел определения содержания нефти в нефтеводных эмульсиях (фиг. 14, часть А) равен 0,089%, а в водонефтяных эмульсиях (фиг. 14, часть В) - 0,044%. Этот пример показывает, что можно с высокой точностью измерить малые концентрации одного флюида в смеси с большими концентрациями другого флюида.

[0067] Пример 3. В модель системы загружали 250 мл нефти и обрабатывали детергентом с концентрацией, равной 1 капле на 50 мл (5 капель). Нефть размешивали и пропускали через датчик, при этом записывались спектры импеданса. Добавляли небольшое количество воды при постоянной солености и той же обработке детергентом. После того, как объем воды превысил 66% или 500 мл, систему очищали и эксперимент повторяли с водой другой солености. Многопеременный отклик двумерного резонансного преобразователя 25 был чувствительным к изменениям состава и проводимости на всех уровнях в испытательном резервуаре модели. Несмотря на то, что влияние проводимости и состава определить довольно сложно, тот факт, что датчик контролирует градиент состава позволяет разделить их вклады в ходе процедуры анализа данных.

[0068] Фиг. 15 изображает обобщенный алгоритм, иллюстрирующий способ 261 определения состава смеси нефти и воды как функции высоты.

[0069] На шаге 263 собирают данные (набор параметров резонансной LCR-схемы) как функцию высоты от поверхности до дна (в лабораторных условиях это имитируют тем, что начинают работу со 100% нефтью и постепенного добавляют воду).

[0070] На шаге 265 определяют проводимость воды с использованием калибровки. При 100% содержании воды в смеси многопеременный отклик сравнивают с калибровочными данными для проводимости воды.

[0071] На шаге 267 определяют точку инверсии фазы флюида с помощью Z-параметров.

[0072] На шаге 269 Z-параметры комбинируют с проводимостью и данными фазы флюида.

[0073] На шаге 271 применяют модель нефтяной фазы. Модель нефтяной фазы - это набор значений, коррелирующих измеренные значения частоты, импеданса и проводимости с содержанием нефти в смеси нефти и воды.

[0074] На шаге 273 применяют модель водной фазы. Модель водной фазы - это набор значений, коррелирующих измеренные значения частоты, импеданса и проводимости с содержанием воды в смеси воды и нефти.

[0075] На шаге 275 определяют состав как функцию высоты с использованием проводимости и точки инверсии фазы флюида в качестве входных параметров многопеременного анализа, и создают отчет.

[0076] На фиг. 16 показаны необработанные данные зависимости импеданса (Zp) от частоты (Fp) для изменения содержания воды от 0 до 66% справа налево. При частоте, равной около 8,12 МГц, содержание воды достаточно высоко (примерно 25%), чтобы вызвать инверсию фазы флюида с непрерывной нефтяной фазы на непрерывную водную фазу. Это очевидно по резкому изменению Zp вследствие увеличенной проводимости исследуемого флюида в непрерывной водной фазе. Ко всем точкам данных справа от инверсии фазы флюида применяют модель непрерывной нефтяной фазы, а слева - модель водной фазы. Кроме того, к конечной точке применяют калибровку, чтобы определить проводимость воды, которая в данном случае составляла 2,78 мС/см.

[0077] На фиг. 17 показаны результаты анализа экспериментальных данных в варианте выполнения системы трехмерного резонансного датчика, которые иллюстрируют корреляцию между фактическими и предсказанными значениями содержания нефти в воде и воды в нефти, а также остаточные ошибки предсказания на основе созданной модели. В части А фиг. 17 даны фактические и предсказанные значения содержания нефти в воде. В части В даны фактические и предсказанные значения содержания воды в нефти. В части А точки данных моделировались отдельно от точек данных в части В (непрерывная водная фаза). В частях С и D фиг. 17 представлена остаточная ошибка между фактическими и предсказанными значениями содержания нефти в воде и воды в нефти, соответственно. В целом остаточная ошибка составила менее 0,5% при фактическом содержании нефти 0%-60%. Остаточная ошибка составила менее 0,04% при фактическом содержании нефти 70%-100%. В точке инверсии фазы флюида, где предсказание осложнено из-за флуктуаций состава исследуемого флюида в установке для динамических испытаний, остаточная ошибка увеличивается до 10%. Способность датчика предсказывать улучшается для составов флюида, содержащих более 66% воды, при большем объеме обучающих данных.

[0078] На фиг. 18 даны результаты, полученные в модели опреснителя. График показывает изменение состава флюида во времени. Для моделирования забора проб с помощью качающегося рычага, который медленно поворачивается в смешанном слое, управление испытательной установкой осуществлялось таким образом, что состав исследуемого флюида медленно изменялся во времени путем добавления небольших количеств воды.

[0079] Фиг. 19 изображает ожидаемый уровень сообщений от системы анализа данных датчика. Конечному пользователю будет представлен график, отображающий состав как функцию высоты в опреснителе, уровень инверсии фазы флюида и ширину смешанного слоя. Слева находится показатели фазы флюида (черный участок - нефть, серый - непрерывная нефтяная фаза, штриховка - непрерывная водная фаза, белый - вода), которые отражают кривую процентного содержания воды в зависимости от высоты. Высота смешанного слоя равна сумме областей непрерывной воды и непрерывной нефти. Уровень детализации отображения позволяет оператору опреснителя выбрать оптимальные скорости подачи химических веществ в технологический процесс, обеспечивает более подробную обратную связь по характеристикам системы обработки флюида, а также позволяет выявить сбои процесса, которые могут привести к повреждениям технологической инфраструктуры, расположенной ниже по потоку.

[0080] На фиг. 20 проиллюстрирован способ 281 измерения уровня смеси флюидов в резервуаре 113.

[0081] На шаге 238 способ 281 может включать определение сигналов (набора сигналов) от системы 11 резонансного датчика во множестве точек внутри резервуара. Сигналы генерируются резонансным преобразователем 12, погруженным в смесь флюидов. Резонансный преобразователь 32 генерирует набор сигналов, соответствующих изменению его диэлектрических свойств. Эти сигналы обнаруживает анализатор 15.

[0082] Шаг 285 может включать преобразование этих сигналов в набор значений спектра комплексного импеданса для указанного множества точек. Преобразование выполняют с помощью многопеременного анализа данных.

[0083] Шаг 287 может включать хранение значений спектра комплексного импеданса.

[0084] Шаге 289 может включать определение того, в достаточном ли количестве точек были проведены измерения.

[0085] На шаге 291 может быть изменен считываемый резонансный преобразователь 12 (или его местоположение), если измерения были проведены в недостаточном количестве точек.

[0086] На шаге 293 может определяться точка инверсии фазы флюида, если измерения были проведены в достаточном количестве точек. Точку инверсии фазы флюида определяют по значениям спектра комплексного импеданса путем выявления резкого изменения значений импеданса.

[0087] На шаге 295 может быть назначено значение уровня раздела поверхности раздела на основании точки инверсии фазы флюида.

[0088] Фиг. 21 изображает блок-схему примера процессорной системы 810, которая может быть использована для реализации описанных устройств и способов. Как показано на фиг. 21, процессорная система 810 содержит процессор 812, который подключен к соединительной шине 814. Процессор 812 может представлять собой любой подходящий процессор, процессорный блок или микропроцессор. Процессорная система 810 может быть мультипроцессорной (на фиг. 21 не показана), и следовательно, может включать в себя один или несколько дополнительных процессоров, которые идентичны или аналогичны процессору 812 и которые подключены, с возможностью связи, к соединительной шине 814.

[0089] Процессор 812 на фиг. 21 подключен к чипсету (микропроцессорному набору) 838, который включает в себя контроллер 820 памяти и контроллер 822 ввода/вывода. Как известно, чипсет обычно выполняет функции управления вводом/выводом и памятью, а также включает в себя множество регистров общего и специального назначения, таймеры и т.п., которые доступны одному или нескольким процессорам, подключенным к чипсету 818, или используются этими процессорами. Контроллер 820 памяти выполняет функции, которые обеспечивают доступ процессора 812 (или процессоров в случае мультипроцессорной системы) к системной памяти 824 и к массовой памяти 825.

[0090] Системная память 824 может включать в себя любой желательный вид энергозависимой и/или энергонезависимой памяти, например статическую память с произвольным доступом (SRAM), динамическую память с произвольным доступом (DRAM), флэш-память, постоянное запоминающее устройство (ROM) и т.п. Массовая память 825 может представлять собой любой желательный тип массовых запоминающих устройств, включая приводы жестких дисков, оптических дисков, запоминающие устройства на магнитной ленте и т.п.

[0091] Контроллер 822 ввода/вывода выполняет функции, обеспечивающие связь процессора 812 с периферийными устройствами 826 и 828 ввода/вывода и сетевым интерфейсом 830 по шине 832. Устройства 826 и 828 ввода/вывода могут быть устройствами ввода/вывода любого типа, например, клавиатурой, видеодисплеем или монитором, мышью и т.п. Сетевой интерфейс 830 может представлять собой устройство сети Ethernet, устройство, соответствующее асинхронному режиму передачи (ATM), устройство, соответствующее стандарту 802.11, модем цифровой абонентской линии (DSL), кабельный модем, сотовый модем и т.п., которые обеспечивают возможность связи процессорной системы 810 с другими процессорными системами. Данные от анализатора 15 могут передаваться в процессор 812 по шине шины 832 ввода/вывода с использованием соответствующих шинных разъемов.

[0092] Контроллер 820 памяти и контроллер 820 ввода/вывода на фиг. 21 показаны в виде отдельных блоков в составе чипсета 818, причем функции, выполняемые этими блоками, могут быть объединены в одной полупроводниковой схеме или могут быть реализованы с использованием двух или более отдельных интегральных схем.

[0093] Некоторые варианты осуществления изобретения предусматривают способы, системы и компьютерные программные продукты на любых машиночитаемых носителях, реализующие описанную выше функциональность. Некоторые варианты могут быть реализованы, например, с использованием существующих компьютерных процессоров или с помощью компьютерных процессоров специального назначения, введенных в состав системы с этой или иной целью, или с помощью аппаратных и/или программно-аппаратных систем. Некоторые варианты осуществления изобретения включают в себя машиночитаемые носители, на которых переносят или хранят машиночитаемые инструкции или структуры данных. Такие машиночитаемые носители могут представлять собой любые доступные носители, к которым могут получать доступ компьютеры общего или специального назначения или другая аппаратура, имеющая в своем составе процессор. Например, такие машиночитаемые носители могут включать оперативное ЗУ, постоянное ЗУ, программируемое постоянное ЗУ, стираемое программируемое ЗУ, электрически стираемое постоянное ЗУ, флэш-память, постоянное ЗУ на компакт-диске или другие ЗУ на оптических дисках, магнитных дисках или другие магнитные запоминающие устройства, или же любые другие носители, которые могут применяться для переноса или хранения соответствующего программного кода в форме машиноисполняемых инструкций или структур данных и к котором могут иметь доступ компьютеры общего или специального назначения, или другая аппаратура, имеющая в своем составе процессор. Термин «машиночитаемый носитель» охватывает также и комбинации перечисленного выше. Машиноисполняемые инструкции, включают, например, инструкции и данные, которые обеспечивают выполнение определенной функции или группы функций компьютером общего назначения, компьютером специального назначения или аппаратурой для обработки данных специального назначения.

[0094] В общем случае машиноисполняемые инструкции включают в себя процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.п., выполняющие соответствующие задачи или реализующие соответствующие абстрактные типы данных. Машиноисполняемые инструкции, связанные с ними структуры данных и модули программ представляют собой примеры программного кода для выполнения шагов описанных выше способов и систем. Конкретные последовательности таких исполняемых инструкций или связанных с ними структур данных представляют собой примеры соответствующих действий для реализации функций, описанных в этих шагах.

[0095] Варианты осуществления изобретения могут применяться на практике в сетевой среде, где используются логические соединения с одним или несколькими удаленными компьютерами, имеющими процессоры. Логические соединения могут включать в себя локальную вычислительную сеть (LAN) и глобальную вычислительную сеть (WAN), которые приведены здесь в качестве примера и не ограничивают изобретение. Такие сетевые среды часто применяются в офисных сетях или корпоративных сетях, интранете и Интернете и могут использовать множество различных протоколов связи. Специалистам в данной области понятно, что такие среды сетевых вычислений обычно охватывают множество типов конфигураций компьютерных систем, включая персональные компьютеры, портативные устройства, мультипроцессорные системы, микропроцессорную или программируемую бытовую электронику, сетевые персональные компьютеры, мини-ЭВМ, мэйнфреймы и т.п. Варианты осуществления изобретения могут также применяться на практике в средах распределенных вычислений, где задачи выполняются локальными и удаленными устройствами для обработки данных, связанными (при помощи проводных линий, беспроводных линий или комбинации проводных и беспроводных линий) через сеть связи. В среде распределенных вычислений программные модули могут размещаться как в локальных, так и в удаленных запоминающих устройствах.

[0096] Контроль изменений комплексного импеданса схемы и применения хемометрического анализа спектров импеданса позволяет предсказать состав и непрерывную фазу в нефтеводяных и водонефтяных смесях со среднеквадратической погрешностью 0,04% в смесях с содержанием воды 0-30% и 0,26% в смесях с содержанием воды 30-100%.

[0097] Инструменты многопеременного анализа в сочетании с большим количеством данных спектров импеданса позволяет устранить помехи, а преобразователи, спроектированные для максимальной глубины проникновения, снижают влияние загрязнений. С повышением глубины проникновения резонатора в толщу флюида поверхностное загрязнение становится менее значительным.

[0098] Термин «анализируемое вещество» включает в себя любой требуемый измеряемый параметр окружающей среды.

[0099] Термин «параметры окружающей среды» используется для обозначения измеряемых переменных окружающей среды внутри или вокруг производственной системы или системы контроля. Измеряемые переменные окружающей среды представляют собой физические и/или химические и/или биологические свойства, и включают в себя, без ограничения перечисленным, температуру, давление, концентрацию материалов, проводимость, диэлектрические свойства, количество диэлектрических, металлических, химических или биологических веществ вблизи датчика или в контакте с ним, дозы ионизирующего излучения и интенсивность света.

[0100] Термин «флюиды» включает в себя газы, пары, жидкости и твердые частицы.

[0101] Термин «помехи» включает в себя любые нежелательные параметры окружающей среды, которые негативно влияют на точность и достоверность измерений с датчиком. Термин «мешающий компонент» относится к флюиду или параметру окружающей среды (включая, без ограничения перечисленным, температуру, давление, освещенность и т.п.), которые потенциально могут вызывать отклик датчика, соответствующий помехе.

[0102] Термин «преобразователь» относится к устройствам, которые преобразуют одну форму энергии в другую.

[0103] Термин «датчик» относится к устройствам, которые измеряют физическую величину и преобразуют ее в сигнал, который может быть считан наблюдателем или прибором.

[0104] Термин «многопеременный анализ данных» относится к математической процедуре, которую используют для анализа более чем одной переменной по отклику датчика и для получения информации о типе по меньшей мере одного параметра окружающей среды из измеренных спектральных параметров датчика и/или количественной информации об уровне по меньшей мере одного параметра окружающей среды из измеренных спектральных параметров датчика.

[0105] Термин «резонансный импеданс» или «импеданс» относится к измеренному частотному отклику датчика в окрестности его резонансной частоты, из которого получают «спектральные параметры» датчика.

[0106] Термин «спектральные параметры» относится к измеряемым переменным отклика датчика. Отклик датчика представляет собой спектр импеданса резонансной схемы резонансного преобразователя 12. Кроме измерения спектра импеданса в виде Z-параметров, S-параметров и других параметров, можно одновременно анализировать спектр импеданса (действительную и мнимую части), используя для анализа различные параметры, например частоту (Fp) максимума действительной части импеданса, величину (Zp) действительной части импеданса, резонансную частоту (F1) и антирезонансную частоту (F2) мнимой части импеданса, величину (Z1) сигнала на резонансной частоте (F1) мнимой части импеданса, величину (Z2) сигнала на антирезонансной частоте (F2) мнимой части импеданса, частоту (Fz) нулевой реактивности, т.е. частоту, на которой мнимая часть импеданса равна нулю. Одновременно с помощью спектров полного импеданса могут измеряться и другие спектральные параметры, например коэффициент качества резонанса, фазовый угол и величина импеданса. В совокупности «спектральные параметры», вычисленные по спектрам импеданса, называют «признаками» или «дескрипторами». Подходящие признаки выбирают из всех возможных признаков, которые могут быть вычислены по спектрам. Многопеременные спектральные параметры описаны в заявке США №12/118950 «Способы и системы для калибровки RFSD-датчиков», которая включена в настоящее описание путем ссылки.

[0107] Терминология в настоящем описании используется для описания конфетных вариантов осуществления изобретения и не ограничивает его объем. В случаях, когда определение термина в описании расходится с общепринятым значением, заявитель руководствуется определением, данным в описании, если не указано обратное. Если какой-либо элемент указан в единственном числе, то подразумевается, что таких элементов может быть несколько, если не оговорено иное. Слова «первый», «второй» и т.д., относящиеся к различным элементам, используются только для того, чтобы отличить один элемент от другого. Выражение «и/или» подразумевает наличие любого или всех перечисленных далее элементов. Выражение «соединен с » подразумевает прямое или опосредованное соединение.

[0108] В данном описании представлены примеры, которые раскрывают изобретение, в том числе и лучший вариант его осуществления, а также дают возможность специалистам в данной области практической реализации изобретения, включая создание и использование любых устройств или систем и осуществление соответствующих способов. Объем изобретения определяется его формулой и может включать другие примеры, очевидные для специалистов. Эти другие примеры находятся в пределах объема изобретения, если они имеют структурные элементы, не отличающиеся от указанных в пунктах формулы, или если они имеют эквивалентные структурные элементы.

Изобретение может быть использовано для определения характеристик эмульсии. Датчик согласно изобретению содержит электрический резонансный преобразователь, содержащий верхнюю обмотку и нижнюю обмотку, противоположными концами параллельно соединенную с конденсатором, при этом упомянутая верхняя обмотка обеспечивает возбуждение и обнаружение отклика нижней обмотки, при этом взаимная индукция верхней обмотки используется для снятия сигнала с нижней обмотки, при этом упомянутая взаимная индукция используется для измерения величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки, параллельной упомянутому конденсатору и упомянутой верхней обмотке, при этом упомянутые спектры импеданса определяют на основании электрического отклика от нижней катушки верхней катушке электрического резонансного преобразователя, когда упомянутая нижняя катушка находится рядом с эмульсией, и каждая из упомянутых измеренных величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки независимо используются для определения состава эмульсии. Изобретение позволяет повысить чувствительность, точность и скорость измерений. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 21 ил.

1. Датчик, содержащий:

электрический резонансный преобразователь, содержащий верхнюю обмотку и нижнюю обмотку, противоположными концами параллельно соединенную с конденсатором,

при этом упомянутая верхняя обмотка обеспечивает возбуждение и обнаружение отклика нижней обмотки,

при этом взаимная индукция верхней обмотки используется для снятия сигнала с нижней обмотки,

при этом упомянутая взаимная индукция используется для измерения величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки, параллельной упомянутому конденсатору и упомянутой верхней обмотке,

при этом упомянутые спектры импеданса определяют на основании электрического отклика от нижней катушки верхней катушке электрического резонансного преобразователя, когда упомянутая нижняя катушка находится рядом с эмульсией, и

каждая из упомянутых измеренных величин действительной и мнимой части спектров импеданса нижней обмотки независимо используются для определения состава эмульсии.

2. Датчик по п. 1, в котором резонансный преобразователь включает в себя резонатор для измерения спектра полного импеданса резонансного преобразователя, связанного с эмульсией.

3. Датчик по п. 1, в котором упомянутый резонансный преобразователь содержит антенну преобразователя, резонансную схему, LCR-схему и покрыт чувствительной пленкой, нанесенной на чувствительную область между электродами.

4. Датчик по п. 1, в котором резонансный преобразователь представляет собой трехмерный резонансный преобразователь.

5. Датчик по п. 4, в котором трехмерный резонансный преобразователь содержит:

пробоотборную ячейку,

верхнюю обмотку, размещенную вокруг верхней части пробоотборной ячейки,

и нижнюю обмотку, размещенную вокруг нижней части пробоотборной ячейки.

6. Датчик по п. 5, содержащий радиочастотный поглотитель, размещенный вокруг верхней обмотки и нижней обмотки.

7. Датчик по п. 6, содержащий также металлический экран, размещенный вокруг радиочастотного поглотителя.

8. Датчик по п. 7, содержащий также кожух, размещенный вокруг металлического экрана.

9. Датчик по п. 5, содержащий также поглотитель электромагнитного излучения, размещенный вокруг верхней обмотки и нижней обмотки, для поглощения излучения в килогерцовом, мегагерцовом, гигагерцовом и терагерцовом частотных диапазонах в зависимости от рабочей частоты трехмерного резонансного преобразователя и потенциального источника помех.

10. Датчик по п. 5, содержащий также поглотитель электромагнитного излучения, размещенный вокруг верхней обмотки и нижней обмотки и представляющий собой сочетание отдельных слоев для конкретных частотных диапазонов.

11. Датчик по п. 1, в котором резонансный преобразователь сконфигурирован для одновременного определения концентрации первого и второго компонентов эмульсии, при этом резонансный преобразователь имеет чувствительную область, обнаруживающую изменения его емкости и сопротивления.

12. Датчик по п. 11, в котором резонансный преобразователь сконфигурирован для измерения резонансного спектра действительной части импеданса эмульсии.

13. Датчик по п. 11, в котором резонансный преобразователь сконфигурирован для измерения по меньшей мере в трех точках данных спектра его импеданса.

14. Датчик по п. 11, в котором резонансный преобразователь имеет чувствительную область, обнаруживающую изменения его емкости, сопротивления и индуктивности.

15. Датчик по п. 11, в котором резонансный преобразователь сконфигурирован для зондирования окружающей среды на глубине отбора пробы между 0,1 мм и 1000 мм в направлении, перпендикулярном к резонансному преобразователю.

16. Датчик по п. 15, в котором влияние его загрязнения снижено посредством обработки сигналов спектра импеданса.

17. Датчик по п. 15, в котором влияние его загрязнения снижено благодаря геометрии преобразователя, связанной с глубиной проникновения электрического поля в эмульсию.

18. Система датчика, содержащая: датчик по любому из пп. 1-17; пробоотборный узел и анализатор импеданса.

19. Система датчика по п. 18, в котором резонансный преобразователь включает в себя резонатор для измерения набора параметров резонансной LCR-схемы.

20. Система датчика по п. 19, в которой набор параметров резонансной LCR-схемы включает в себя по меньшей мере один из следующих параметров: спектр импеданса, действительную часть спектра импеданса, мнимую часть спектра импеданса, действительную и мнимую части спектра импеданса, частоту максимума действительной части спектра импеданса, абсолютную величину действительной части комплексного импеданса, резонансную частоту, абсолютную величину мнимой части комплексного импеданса, а также антирезонансную частоту и абсолютную величину мнимой части комплексного импеданса.

21. Система датчика по п. 18, в которой резонансный преобразователь содержит диэлектрический слой толщиной от 2 нм до 50 см.

22. Система датчика по п. 19, в которой анализатор импеданса преобразует указанный набор параметров резонансной LCR-схемы в значения спектра комплексного импеданса.

23. Система датчика для определения состава смеси нефти и воды в резервуаре, содержащая:

подсистему для определения набора значений спектра комплексного импеданса нефти на одном конце резервуара и воды на его противоположном конце при помощи датчика по любому из пп. 1-17,

подсистему для формирования калибровочных значений для системы датчиков для 100% нефти и 100% воды соответственно,

подсистему для формирования модели по этим калибровочным значениям и

подсистему для применения указанной модели к набору значений спектра комплексного импеданса для определения состава.