NO781141L - Detektor for grensenivaaet mellom to vaesker - Google Patents

Abstract

"Detektor for grensenivået mellom, to væsker"

Description

Den foreliggende oppfinnelse går ut på en detektor for grensenivået mellom to væsker. Den får særlig anvendelse når det gjelder å bestemme forurensning av sjøvann med råolje i nærheten av under-sjøiske bore- eller produksjonsanlegg.

Det er allerede kjent fremgangsmåter til å lokalisere et grensenivå mellom to væsker under anvendelse av en måling av kapasiteten av en kondensator neddykket i væsken eller væskene. Disse metoder forutsetter at væskenes dielektrisitetskonstanter er forskjellige. Kondensatorens kapasitet avhenger dermed av de respektive væskemengder som foreligger mellom kondensatorplatene,

og følgelig av grenseflatens stilling.

I den forbindelse kan der henvises til US patent 2 426 252

på "System of flat electrodes", utstedt 26. august 1947.

Kapasitetsmålingen kan skje via en frekvensmåling. Til dette formål anordner man kondensatoren i en oscillatorkrets. Bestemm-elsen av grensenivået mellom to væsker reduserer -seg da til en måling av kretsens svingefrekvens.

De fleste apparater hvor man gjør bruk av denne metode, gir beliggenheten av grensenivået i forhold til kondensatorens to elektroder . ,' Men man kan tenke seg. enklere apparater som snarere kan betegnes som detektorer enn som måleapparater, forsåvidt som de gir en binær informasjon av typen: grenseflaten når eller når ikke den og den høyde.

For å oppnå denne form for informasjon er det nok å bestemme om ketsens svingefrekvens når eller ikke når en referanseverdi som tilsvarer den verdi svingefrekvensen antar når grensenivået mellom væskene når vedkommende høyde. Man kan som referansefrekvens f.eks. velge den verdi som fås når grensenivået mellom væskene befinner seg i halv høyde mellom kondensatorplatene. En detektor basert på dette prinsipp gir da stedet for grensenivået i forhold til kondensatorplatenes midtplan ved en indikasjon av typen "over" eller "under".

Det sier seg selv at man ved å benytte flere kondensatorer plassert over hverandre, får en skala med flere referansenivåer. Det blir da mulig å bestemme et skillenivå i forhold til hvilket som helst to av de nevnte referansenivåer, og det ved en indikasjon som gir munrene på de to referansenivåer som grensenivået

befinner seg imellom.

Apparatet ifølge den foreliggende oppfinnelse er av den sist-nevnte type. Det er med andre ord en detektor. Det utgjøres av minst én kondensator (i praksis 2, 3 eller 4), idet hver kondensator tilhører en oscillatorkrets, og elektroniske anordninger til å sammenligne kretsens svingefrekvens med en referansefrekvens. Apparatet erkarakterisert veden ny utformning av kondensatorens elektroder og av anordningene til å forbinde disse med de elektroniske måleorganer.

I laboratorieapparater til utførelse av den nettopp angitte fremgangsmåte er det ikke nødvendig å ta spesielle forholdsregler for å skaffe kondensatorene og realisere forbindelsene. Det samme gjelder imidlertid ikke når apparatet skal brukes under meget krevende forhold, slik det særlig er tilfellet i undersjøiske olje-installasjoner, hvor kondensatorelektrodene er neddykket i sjøvann og undertiden på stort dyp. Det blir da nødvendig å treffe spesielle forholdsregler for å realisere et apparat som er meget robust, er godt avtettet og er korrosjonsfast, med andre ord er av høy kvali-tet. Dette er nettopp hva man tar sikte på med den foreliggende oppfinnelse.

Til dette formål omfatter detektoren to parallelle jern som er fast forbundet med et felles metallisk fundament, og en flerhet av metalliske småplater som er innkledt i en sentral isolerende stolpe plassert mellom de to jern, slik at det hele danner en rekke kondensatorer hvor jernene utgjør en felles kondensatorelek-trode, mens hver småplate utgjør den respektive annen kondensator-elektrode.

Fortrinnsvis er de elektroniske måleanordninger anbragt i en tett kapsel plassert under det nevnte underlag, og tilsluttet de

forskjellige småplater via elektriske forbindelser som er ført avtettet gjennom underlaget.

Videre utgjøres den sentrale bærestolpe fortrinnsvis av en isolerende kjerne som er forsynt med leier til å oppta de metalliske småplater og er dekket med to påsveisede,isolerende sideplater.

De metalliske småplater kan være dekket med en isolerende harpiks før de innkles i plastmaterialet. Kjernen og sideplatene er fordelaktig utført i plast, f.eks. polyvinylklorid.

Spesielle forholdsregler er truffet for å skaffe god av-tetning av systemet. Til formålet er den sentrale stolpe sveiset til en isolerende fot i anlegg på en tettende pakning,samtidig som stolpen med fot er montert på det metalliske underlag ved hjelp av festebolter.

For å utføre sin avfølingsfunksjon omfatter apparatet fortrinnsvis elektroniske innretninger av . numerisk karakter. Til dette har hver målekrets en teller som mottar pulser fra en oscillatorkrets tilknyttet en målekondensator, og organer til å bestemme om tellerens innhold under et gitt tidsrom når en referanseverdi.

Fortrinnsvis arbeider målekretsens oscillatorer i et område fra noen kHz til noen titalls kHz. Det ser ut til at man innen dette område støter på minst vanskeligheter i forbindelse med den tiltenkte anvendelse.

De karakteristiske trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil

i ethvert tilfelle fremgå bedre av den følgende beskrivelse av ikke-begrensende utførelseseksempler i forbindelse med tegningen, som der henvises til.

Fig. 1 er et perspektivriss av detektoren ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser partielt vertikalsnitt av kondensatorsystemet. Fig. 3 er et oversiktsskjerna over de elektroniske måleorganer. Fig. 4 viser et apparat ifølge oppfinnelsen montert på et undersjøisk brønnhode for oljeproduksjon.

I utførelsesformen på fig. 1 omfatter apparatet to parallelle jern 2 og 4, som er montert på et metallisk underlag 6, og en sentral stolpe 8 av isolasjonsmateriale, som tjener til å bære kondensatorbelegg. Disse utgjøres av metalliske småplater A, B, C innkledd i midtstolpen. Under underlaget 6 er der festet en klokke 10, som inneholder elektroniske målekretser. Et undersjøisk strøm- uttak 12 tjener til tilslutning av en overføringskabel 'som forbinder apparatet med overflaten.

Jernene 2 og 4 utgjør et par kondensatorelektroder tilknyttet gods for kondensatorer hvis elektroder med motsatt polaritet

utgjøres av småplatene A, B, C. Hver enkeltkondensator er således dobbelt,forsåvidt som den setter seg sammen av to parallell-koblede enkeltkondensatorer hvis ene elektrode er felles. Skjønt der er vist tre småplater, sier det seg selv at dette antall bare er valgt for anskuelighets skyld,og at tallet i virkeligheten kan være vilkårlig.

Fig. 2 viser mer detaljert utførelsen av midtelektroden såvel som en spesiell form for forbindelse mellom denne og underlaget.

Stolpen 8 utgjøres fortrinnsvis av en kjerne 14, hvori der

er uttatt leier 16. I disse leier er de metalliske småplater inn-satt (bare den nederste plate A er vist, idet de øvrige er anordnet på samme måte). Småplatene er fortrinnsvis dekket med en isolerende harpiks 18 til å bedre isolasjonen. På kjernen 14 er der anbragt to sideplater 20 og 22 til å holde småplatene på plass. Sideplatene er sveiset til kjernen ved sømmer henholdsvis 24 og 26. Midtstolpen er sveiset til en isolerende fot 28 ved sveisesømmer 30.

På metallunderlaget 6 hviler en pakning 32. Festebolter 34 fast-holder foten 28 til underlaget 6. En avtettet passasje 36 er ut-formet i foten og underlaget for gjennomføring av ledninger 38,som forbinder hver sin småplate i midtstolpen med målekretsene i klokken 10, som er fastgjort under underlaget 6.

Isolerende strevere 42 forbinder midtstolpen med jernene

2 og 4. De holdes på plass av en stagbolt 34 med muttere 46.

Fortrinnsvis er kjernen 14, sideplatene 20 og 22, foten 28

og streverne 4 2 utført i plastmateriale, særlig polyvinylklorid. Sveisene 24, 26 og 30 fås da ved blåsning av varmluft mot fugene med tilskudd av plastmateriale.

Hovedkomponentene av de elektroniske målekretser er vist på fig. 3. Målekondensatoren 50, dannet av de to kondensatorelektroder 2 og 4 som er forbundet med gods (i praksis med metallunderlaget), og midtplaten A, tilhører en oscillator 52. Kretsen sender ut pulser 54, hvis pulsfrekvens avhenger av kapasiteten av kondensatoren 50 og dermed av nivået for grenseflaten 56 mellom de to væsker L, og L- som kondensatorelektrodene er dykket ned i.

Pulsene 54 tilføres en teller 58 omfattende en flerhet av binære telleceller og en nullstillingsinngang 59. Noen av disse celler er forbundet med et utløsbart monostabilt ledd 60, som ved sin inngang har en OG-port 62. Leddet 60 styrer et deteksjons-terskelrelé 64. Forøvrig utsender en referanseoscillator 66 et pulstog 68 med en referansefrekvens som divideres i en divisorkrets 70, f.eks. med 10.Divisoren 70 sender ut pulser 72 som tilføres nullstillingsinngangen 59 til telleren 58.

For å forklare virkemåten av denne krets skal man f.eks.

anta at frekvensen av de pulser som sendes ut av kretsen 52,er 10 kHz når elektrodene hos kondensatoren 50 er neddykket i sjøvann, og er 25 kHz når de er neddykket i råolje, og at det referanse-nivå som grensenflaten mellom vann og olje skal bestemmes i forhold til, ligger i elektrodenes midtplan, som tilsvarer en frekvens av omtrent 13 kHz. Det skal påpekes at råoljen er lettere enn sjø-vannet, og svingefrekvensen vil ligge over 13 kHz når grenseflaten ligger nedenfor midtplanet. Videre skal det antas at tilbake-stillingspulsene 72 opptrer i tidsavstander på Ims.

Under disse forhold inntrer nullstilling av telleren 58,

som skjer hvert millisekund, før tellerens innhold har nådd tallet 13, dersom frekvensen av pulsene 54 er under 13 kHz, dvs. hvis grensenflaten mellom vann og råolje ligger ovenfor elektrodenes midtplan. Omvendt inntrer tilbakestillingen til null etterat teller-innholdet har nådd tallet 13, dersom grenseflaten befinner seg nedenfor midtplanet. Sammenligningen mellom svingefrekvensen og referansefrekvensen blir dermed ensbetydende med en sammenligning mellom det maksimale innhold telleren 58 har nådd,og et referanse-tall.

I det spesielle påtenkte tilfelle kan.man velge å avføle overskridelse av tallet 12. Da dette tall i binær-kode skrives som 1100, vil porten 62 få sine innganger forbundet med tellerens 3. og 4. celle. Når tallet 12 nås, vil en puls bli frembragt ved utgangen fra porten 62 og endre tilstanden av vippen 60. Reléet

64 vil da melde at terskelen er overskredet.

Man kan selvsagt velge en annen verdi for terskelen enn tallet 12, f.eks. 13, men porten 62 vil da måtte forbindes med tre celler hos telleren med nummer henholdsvis 1, 3 og 4. Oscillator- og referansekretsene henholdsvis 52 og 66 kan f.eks. utgjøres av en eneste integrert krets av type SE556, montert med en referansekondensator på 100 pF, divisorkretsen kan være en integrert krets av type 54L90 og telleren av type 5493 med klemmene med nummer 11 og 8 (svarende til tallet 12) forbundet med to innganger til en vippe 54L122. Alle disse kretser markeds-føres av selskapet "National Semiconductor".

Fig. 4 viser plasseringen av det nettopp beskrevne apparat

i en anvendelse for deteksjon av forurensning med råolje i nabo-skapet av et undersjøisk brønnhode. Anlegget omfatter et produksjons-system 80 forsynt med fordelingsledninger, ventiler etc. som ikke er vist i detalj, en produksjonsledning 82 og en hydraulisk styre-blokk 84 som hviler på en klokkeformet bunn 86. I tilfellet av lekkasje av råolje i området for en slik installasjon samler råoljen seg oventil i klokken (sone 90), og apparatet 88 avføler stillingen av grenseflaten mellom sjøvannet 92 og oljen 90. Apparatet avføler suksessivt grenseflatens forskyvning gjennom

tre referansenivåer svarende til midtplanene for de tre kondensator-plater A, B og C og gjør det dermed mulig å følge variasjonen i oppsamlet oljemengde under klokken.

Claims (9)

1. Nivådetektor for grenseflaten mellom to væsker med forskjellig dielektrisitetskonstant, omfattende en flerhet av kondensatorer dannet av to innbyrdes parallelle ytre elektroder som bæres av et metallisk underlag, og en sentral elektrode som er elektrisk iso-lert fra underlaget, samtidig som disse elektroder er neddykket i minst én av væskene, og hver kondensator tilhører en oscillatorkrets tilknyttet elektroniske organer til å sammenligne kretsens svingefrekvens med en referansefrekvens, karakterisert ved at kondensatorenes ytre elektroder utgjøres av to parallelle jern, og de sentrale elektroder utgjøres av metallplater innkledd i en sentral isolerende stolpe plassert mellom de to jern.

2. Detektor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den sentrale stolpe utgjøres av en isolerende kjerne forsynt med leier som er bestemt til å oppta de metalliske småplater, og kjernen er dekket med to isolerende sideplater fastsveiset tii den.

3. Detektor som angitt i krav 2, karakterisert ved at den sentrale stolpe er sveiset til en isolerende fot som ligger an på en tettende pakning, og at foten med pakning er montert på det metalliske underlag med festebolter.

4. Detektor som angitt i krav 1, karakterisert ved at den sentrale stolpe er forbundet med jernene ved isolerende strevere.

5. Detektor som angitt i kravene 2,-4, karakterisert ved at kjernen, sideplatene, foten og streverne består av plastmateriale, særlig polyvinylklorid.

6. Detektor som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at metallplatene er dekket med isolerende harpiks.

7. Detektor som angitt i et av kravene 1 - 6, karakterisert ved at de elektroniske måleorganer omfatter for hver kondensator: en teller som mottar pulser fra den måleisolatorkrets som omfatter kondensatoren, en referanseoscillator som sender ut nullstillingspulser til telleren, og et utløsbart, monostabilt ledd, hvis inngang er forbundet med telleren, og hvis utgang styrer et relé.

8. Detektor som angitt i et av kravene 1-7, karakterisert ved at måleoscillatorene arbeider i området fra noen kHz til noen titalls kHz.

9. Detektor som angitt i et av kravene 1-8, karakterisert ved at den er anbragt under den øvre del av et undersjøisk oljeproduksjonsanlegg, og detektoren gjør det mulig å avfø le nivået for forurensning av sjøvannet med olje i denne produksjonssone.