NO20140850A1

NO20140850A1 - Permitivity measurements of layers

Info

Publication number: NO20140850A1
Application number: NO20140850A
Authority: NO
Inventors: Kjetil Folgerø; Jan Kocbach
Original assignee: Tecom Analytical Systems
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-01-04

Description

Beskrivelse Description

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

Teknisk område Technical area

Oppfinnelsen vedrører målinger generelt og mer spesielt et system og en fremgangsmåte for karakterisering av lag nær en rørledningsvegg. The invention relates to measurements in general and more particularly to a system and method for characterizing layers near a pipeline wall.

Teknisk bakgrunn Technical background

Fra tidligere kjent teknikk kan det vises til N019971024 vedrørende en anordning for måling av refleksjonskoeffisient for høyfrekvente bølger i fluider så vel som en fremgangsmåte for å bestemme vanninnhold i en flerfasestrømning i et rør ved å bruke denne anordningen. From prior art, reference can be made to N019971024 regarding a device for measuring the reflection coefficient of high-frequency waves in fluids as well as a method for determining water content in a multiphase flow in a pipe using this device.

Problemet er at nevnte oppfinnelse ikke bidrar til å bestemme tykkelsen av fluidlagene. The problem is that said invention does not contribute to determining the thickness of the fluid layers.

Det skal også vises til JPH5-113323 vedrørende en målemetode for filmtykkelse. Reference should also be made to JPH5-113323 regarding a measurement method for film thickness.

Dette dokumentet angir ingen midler for å bestemme egenskapene til filmlaget som måles, og den beskrevne fremgangsmåten krever informasjon om lagegenskaper for å beregne tykkelsen. This document does not provide any means of determining the properties of the film layer being measured, and the described method requires information about layer properties to calculate the thickness.

Det skal også vises til US2010064820 vedrørende måling av flerfasefluid i et rør. Dette dokumentet beskriver imidlertid en fremgangsmåte som krever to teknologier for måling og kan ikke brukes for tykkelser større enn sensitivitets- eller inntrengningsdybden til den største sonden. Reference should also be made to US2010064820 regarding the measurement of multiphase fluid in a pipe. However, this document describes a method that requires two technologies for measurement and cannot be used for thicknesses greater than the sensitivity or penetration depth of the largest probe.

Det skal også vises til US6198293 som beskriver en fremgangsmåte og en anordning for tykkelsesmålinger ved bruk av mikrobølger. Den beskrevne fremgangsmåten krever imidlertid forhåndskunnskap om permittiviteten til det materialet som skal måles. Reference should also be made to US6198293 which describes a method and a device for thickness measurements using microwaves. However, the described method requires prior knowledge of the permittivity of the material to be measured.

Beskrivelse av oppfinnelsen Description of the invention

Problemer som skal løses ved hjelp av oppfinnelsen Problems to be solved with the help of the invention

Et hovedformål med foreliggende oppfinnelse er følgelig å tilveiebringe et system og en fremgangsmåte som tillater måling av egenskaper og tykkelse av lag og fluidfilmer, spesielt lag og fluidfilmer nær en rørledningsvegg, og mer spesielt fluider som strømmer inne i et rør. Fluidfilmen kan være enten stasjonær eller strømmende, og fluidet bak laget eller filmen kan være enten stasjonær eller strømmende. Mulige lag innbefatter avsetninger av voks, avleiringer, asfaltener eller hydrater. A main purpose of the present invention is therefore to provide a system and a method which allows the measurement of properties and thickness of layers and fluid films, especially layers and fluid films near a pipeline wall, and more particularly fluids flowing inside a pipe. The fluid film can be either stationary or flowing, and the fluid behind the layer or film can be either stationary or flowing. Possible layers include deposits of waxes, deposits, asphaltenes or hydrates.

Midler for løsning av problemene Means for solving the problems

Formålet blir i henhold til oppfinnelsen oppnådd ved hjelp av en anordning for karakterisering av lag som angitt i ingressen til krav 1, og som har de egenskapene som er angitt i den karakteriserende del av krav 1. According to the invention, the purpose is achieved by means of a device for characterizing layers as stated in the preamble to claim 1, and which has the properties stated in the characterizing part of claim 1.

Et antall ikke-uttømmende utførelsesformer, varianter eller alternativer av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige kravene. A number of non-exhaustive embodiments, variants or alternatives of the invention are set forth in the independent claims.

Den foreliggende oppfinnelse oppnår de ovenfor beskrevne formål ved hjelp av en sonde for kombinert permittivitets- og tykkelsesestimering. The present invention achieves the above-described purposes by means of a probe for combined permittivity and thickness estimation.

Permittiviteten i et første frekvensområde blir estimert ved å bruke sonden i et første frekvensområde. The permittivity in a first frequency range is estimated by using the probe in a first frequency range.

Permittiviteten i et andre frekvensområde blir estimert fra permittiviteten i det første frekvensområdet i kombinasjon med anvendelse av spesifikk kjennskap til spektralkarakteristikkene for permittiviteten. The permittivity in a second frequency range is estimated from the permittivity in the first frequency range in combination with the application of specific knowledge of the spectral characteristics of the permittivity.

Tykkelsen av laget blir funnet ved analyse av responsen ved de andre frekvensene i frekvensområdet i kombinasjon med den estimerte permittivitets-verdien i det andre frekvensområdet og applikasjonskunnskap. The thickness of the layer is found by analyzing the response at the other frequencies in the frequency range in combination with the estimated permittivity value in the other frequency range and application knowledge.

Virkninger av oppfinnelsen Effects of the invention

Den tekniske forskjellen i forhold til N019971024 er bruken av et andre frekvensområde til tykkelsesestimering. Dette gjør det mulig å bestemme et tykkelsesestimatfor lag nær en rørledningsvegg. The technical difference compared to N019971024 is the use of a second frequency range for thickness estimation. This enables a thickness estimate to be determined for layers close to a pipeline wall.

Disse effektene tilveiebringer i sin tur flere ytterligere fordelaktige effekter: These effects in turn provide several additional beneficial effects:

• det gjør det mulig å bestemme et tykkelsesestimat for lag i et fluid som strømmer i en rørledning • det muliggjør bruk for lag tykkere enn sensitivitets- eller inntrengningsdybden til den største sonden • bruk av en enkelt sonde reduserer kompleksiteten, prisen og antall inntrengninger i røret • it enables a thickness estimate to be determined for layers in a fluid flowing in a pipeline • it enables the use of layers thicker than the sensitivity or penetration depth of the largest probe • the use of a single probe reduces the complexity, cost and number of penetrations in the pipe

Kort beskrivelse av tegningene Brief description of the drawings

De ovennevnte og ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår spesielt av de vedføyde krav og vil sammen med fordelene fremgå klarere ved gjennomgang av den følgende detaljerte beskrivelse av en [eksempelvis] utførelsesform av oppfinnelsen med henvisninger til de vedføyde tegningene. The above-mentioned and further features of the invention appear in particular from the appended claims and, together with the advantages, will appear more clearly when reviewing the following detailed description of an [example] embodiment of the invention with references to the appended drawings.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor i forbindelse med utførelseseksempler som er vist skjematisk på tegningene, hvor: The invention will be described in more detail below in connection with embodiments shown schematically in the drawings, where:

Figur 1 viser en utførelsesform av en sonde montert i en rørledning. Figure 1 shows an embodiment of a probe mounted in a pipeline.

Figur 2a viser sondemåling av en lagtykkelse d og permittivitet Ei som på baksiden har et materiale/fluid med permittivitet £2. Figur 2b viser simulert refleksjonskoeffisient (absolutt verdi) for noen lag-tykkelser. Figur 3 viser et eksempel på permittivitet som en funksjon av frekvens for vann, olje og en emulsjon av 40 % olje i vann. Figure 2a shows a probe measurement of a layer thickness d and permittivity Ei which on the back has a material/fluid with permittivity £2. Figure 2b shows the simulated reflection coefficient (absolute value) for some layer thicknesses. Figure 3 shows an example of permittivity as a function of frequency for water, oil and an emulsion of 40% oil in water.

Figur 4 viser beregnet tilsynelatende permittivitet for lag av vann. Figure 4 shows the calculated apparent permittivity for layers of water.

Figur 5a viser den absolutte verdien av den målte refleksjonskoeffisienten for forskjellige lag. Figur 5b viser en invers Fourier-transformasjon av det funksjonelle forholdet R(Tmeas)-Figur 5c viser tid som svarer til en topp i det invers Fourier-signalet som funksjon av lagtykkelse. Figur 5d viser estimert tykkelse som funksjon av en referansetykkelse. Figure 5a shows the absolute value of the measured reflection coefficient for different layers. Figure 5b shows an inverse Fourier transform of the functional ratio R(Tmeas) - Figure 5c shows time corresponding to a peak in the inverse Fourier signal as a function of layer thickness. Figure 5d shows estimated thickness as a function of a reference thickness.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Forskjellige aspekter ved oppfinnelsen blir beskrevet nærmere i det følgende under henvisning til de vedføyde tegningene. Foreliggende oppfinnelse kan imidlertid utføres i mange forskjellige former og skal ikke anses begrenset til noen spesiell struktur eller funksjon som er presentert i denne beskrivelsen. Disse aspektene er derimot gitt slik at fremstillingen skal bli grundig og komplett, og overbringe omfanget av oppfinnelsen til fagkyndige på området. På grunnlag av den lære som er angitt her, bør en fagkyndig på området forstå at beskrivelsen er ment å dekke ethvert aspekt ved oppfinnelsen som er beskrevet her, uansett implementert uavhengig av eller kombinert med et hvilket som helst annet aspekt ved oppfinnelsen. En anordning kan for eksempel implementeres, eller en fremgangsmåte kan praktisere et hvilket som helst antall av de aspektene som er angitt her. Omfanget av oppfinnelsen er i tillegg ment å dekke en slik anordning eller fremgangsmåte som blir praktisert ved å bruke annen struktur, funksjonalitet eller struktur og funksjonalitet i tillegg til andre enn de forskjellige aspektene ved oppfinnelsen som er angitt her. Det skal bemerkes at et hvilket som helst aspekt ved oppfinnelsen som er beskrevet her, kan omfattes av ett eller flere elementer i et krav. Various aspects of the invention are described in more detail below with reference to the attached drawings. However, the present invention can be implemented in many different forms and should not be considered limited to any particular structure or function presented in this description. These aspects, on the other hand, are provided so that the presentation is thorough and complete, and conveys the scope of the invention to experts in the field. Based on the teachings set forth herein, one skilled in the art should understand that the specification is intended to cover any aspect of the invention described herein, whether implemented independently of or combined with any other aspect of the invention. For example, a device may implement or a method may practice any number of the aspects set forth herein. The scope of the invention is also intended to cover such a device or method which is practiced using a different structure, functionality or structure and functionality in addition to other than the various aspects of the invention stated here. It should be noted that any aspect of the invention described herein may be encompassed by one or more elements of a claim.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med utførelses-eksemplene som er vist skjematisk på tegningene, hvor figur 1 viser en skisse av et sensorsystem for måling av permittiviteten nær den indre veggen i en rørledning. Systemet opererer ved måling av den komplekse refleksjonskoeffisienten fra en koaksialsonde med åpen ende som er i kontakt med det materialet som skal undersøkes. Permittiviteten ved en gitt frekvens for materialet nær sonden kan beregnes fra den målte amplituden og fasen til refleksjonskoeffisienten ved den gitte frekvensen, ettersom refleksjonskoeffisienten er avhengig av utkantfeltresponsen (eng: «fringe field response») til sonden. Permittiviteten er en frekvensavhengig materialparameter, og frekvensspektret til permittiviteten blir bestemt ved å sveipe refleksjonskoeffisienten over det frekvensområdet som er av interesse. Det elektromagnetiske feltet til en koaksialsonde med åpen ende når den opereres i ikke-strålingsmodus, dempes eksponentielt inn i materialet som testes, slik at refleksjonskoeffisienten bare avføler materialer nær sondens grenseflate. Den følsomhetsdybden til en sonde er tilnærmet lik den indre radien til den ytre lederen i koaksialsonden. The invention will be described in more detail in connection with the embodiment examples which are shown schematically in the drawings, where Figure 1 shows a sketch of a sensor system for measuring the permittivity near the inner wall of a pipeline. The system operates by measuring the complex reflection coefficient from a coaxial probe with an open end that is in contact with the material to be examined. The permittivity at a given frequency for the material near the probe can be calculated from the measured amplitude and phase of the reflection coefficient at the given frequency, as the reflection coefficient is dependent on the fringe field response of the probe. The permittivity is a frequency-dependent material parameter, and the frequency spectrum of the permittivity is determined by sweeping the reflection coefficient over the frequency range of interest. The electromagnetic field of an open-ended coaxial probe when operated in non-radiative mode attenuates exponentially into the material under test, so that the reflection coefficient only senses materials near the probe interface. The sensitivity depth of a probe is approximately equal to the inner radius of the outer conductor of the coaxial probe.

Prinsipper som utgjør grunnlaget for oppfinnelsen Principles that form the basis of the invention

En alternativ fremgangsmåte for måling av tykkelsen til materiallag er kortpulsradarmetoden (også kjent som GPR (Ground Penetration Radar)) Beslektede teknologier kan innbefatte nærfeltradar. Kortpulsradar er det elektromagnetiske motstykket til lyd- og ultralyd-pulsekkometoder. Ved denne fremgangsmåten blir en kortpuls utsendt fra en antenne og blir reflektert ved grenseflater mellom materialer med forskjellige permittiviteten Som en første ordens tilnærmelse, er forplantningstiden til den reflekterte pulsen An alternative method for measuring the thickness of material layers is the short pulse radar method (also known as GPR (Ground Penetration Radar)). Related technologies may include near-field radar. Short pulse radar is the electromagnetic counterpart to sound and ultrasound pulse echo methods. In this method, a short pulse is emitted from an antenna and is reflected at interfaces between materials with different permittivity. As a first-order approximation, the propagation time of the reflected pulse is

hvor c er lyshastigheten og d er tykkelsen til laget. Legg merke til at den komplekse permittiviteten til materialet må være kjent for å beregne tykkelsen fra målingene av forplantningstid. Disse anvendelsene bruker vanligvis antenner med høy effektivitet. where c is the speed of light and d is the thickness of the layer. Note that the complex permittivity of the material must be known to calculate the thickness from the propagation time measurements. These applications typically use high efficiency antennas.

Oppfinnelsen består i å bruke en enkelt sonde til kombinert permittivitets- og tykkelsesestimering. Permittiviteten blir estimert ved å bruke sonden i et lavt frekvensområde (det vanlige frekvensområdet for sonden), mens tykkelses-informasjonen blir funnet ved hjelp av en analyse av responsen ved høyere frekvenser med bruk av applikasjonskunnskap. Prinsippene bak oppfinnelsen kan forklares som følger: Ved høye frekvenser begynner sonden delvis å utstråle elektromagnetiske signaler og vil begynne å oppføre seg som en kort monopolantenne. Disse utstrålte signalene trenger mye dypere inn enn utkantsfeltet som normalt blir brukt til permittivitetsmålinger. Som illustrert på figur 2(a), kan de utstrålte signalene reflekteres fra eventuelle impedansforskjeller (for eksempel lag av materialer med forskjellig permittivitet). Ved å analysere disse refleksjonene blir det mulig å beregne tykkelsen til laget. Det er flere potensielle fremgangsmåter for å utføre denne beregningen: The invention consists in using a single probe for combined permittivity and thickness estimation. The permittivity is estimated by using the probe in a low frequency range (the usual frequency range for the probe), while the thickness information is found using an analysis of the response at higher frequencies using application knowledge. The principles behind the invention can be explained as follows: At high frequencies, the probe begins to partially radiate electromagnetic signals and will begin to behave like a short monopole antenna. These radiated signals penetrate much deeper than the fringe field normally used for permittivity measurements. As illustrated in figure 2(a), the radiated signals can be reflected from possible impedance differences (for example layers of materials with different permittivity). By analyzing these reflections, it becomes possible to calculate the thickness of the layer. There are several potential ways to perform this calculation:

1. Teknikk med kortpulsradar 1. Technology with short pulse radar

Denne fremgangsmåten ble beskrevet i siste avsnitt, men noen ulemper når den kombineres med koaksialsonden med åpen ende. Et sveipet frekvenssignal blir fortrinnsvis anvendt på sonden ved måling av permittivitet i det vanlige frekvensområdet. Teknikken med kortpulsradar opererer i tidsdomenet, og en kompleks elektronikkenhet som opererer både i tids- og This method was described in the last section, but some disadvantages when combined with the open-ended coaxial probe. A swept frequency signal is preferably applied to the probe when measuring permittivity in the usual frequency range. The short-pulse radar technique operates in the time domain, and a complex electronics unit that operates in both time and

frekvensdomenet, er derfor nødvendig hvis de to teknikkene skal kombineres. the frequency domain, is therefore necessary if the two techniques are to be combined.

2. Sveipet frekvensanalyse 2. Sweep frequency analysis

I denne fremgangsmåten blir et sveipet frekvenssignal anvendt på den måten som blir brukt for vanlig permittivitetsmåling med den åpne ende sonden, men i et høyere frekvensområde. De reflekterte signalene fra materialet bak grenseflaten vil så interferere med refleksjonene fra sonde/material-grensen. Denne interferensen kan være konstruktiv eller destruktiv avhengig av den aktuelle frekvensen, tykkelsen og lagpermittiviteten, og blir oppfattet som ringing i den målte refleksjonskoeffisienten (se figur 2(b)). Tidligere ble denne ringingen ansett å være problematisk ved beregning av permittiviteten til laget. Foreliggende oppfinnelse beskriver derimot en fremgangsmåte og tilsvarende algoritmer som viser at det er mulig å beregne lagtykkelsen ved å analysere frekvensen til ringingen. Dette kan gjøres direkte i frekvensdomenet eller ved hjelp av invers Fourier-transformasjon inn i tidsdomenet. In this method, a swept frequency signal is used in the way that is used for normal permittivity measurement with the open-ended probe, but in a higher frequency range. The reflected signals from the material behind the interface will then interfere with the reflections from the probe/material interface. This interference can be constructive or destructive depending on the relevant frequency, thickness and layer permittivity, and is perceived as ringing in the measured reflection coefficient (see figure 2(b)). Previously, this ringing was considered problematic when calculating the permittivity of the layer. The present invention, on the other hand, describes a method and corresponding algorithms which show that it is possible to calculate the layer thickness by analyzing the frequency of the ringing. This can be done directly in the frequency domain or by inverse Fourier transformation into the time domain.

Den målte responsen vil avhenge av forplantningskonstanten multiplisert med lagtykkelsen ( yd), hvor forplantningskonstanten er avhengig av kvadratroten av den komplekse permittiviteten. For grunnfrekvensen kan dette beskrives som: The measured response will depend on the propagation constant multiplied by the layer thickness (yd), where the propagation constant depends on the square root of the complex permittivity. For the fundamental frequency, this can be described as:

Ligninger som innbefatter høyere ordens modi er for eksempel gitt i ligning 21-23 i (Folgerø m.fl., 1996). Hvis derfor lagtykkelsen d skal beregnes ved å bruke ligning (2) eller lignende, må permittiviteten til materialet være kjent. Legg merke til at siden permittiviteten endres med frekvensen, må permittiviteten være kjent /' det høyfrekvente området for å beregne lagtykkelsen ved hjelp av denne fremgangsmåten. Dette kan måles ved hjelp av en separat sensor (med liten sensivitetsdybde), men i vår oppfinnelse kombinerer vi lavfrekvente permittivitetsmålinger med anvendelse av applikasjonskunnskap til estimering av den høyfrekvente permittiviteten. Dette sikrer at både permittivitet og lagtykkelse kan måles ved hjelp av en enkelt sensor. Equations that include higher order modes are, for example, given in equations 21-23 in (Folgerø et al., 1996). If therefore the layer thickness d is to be calculated using equation (2) or similar, the permittivity of the material must be known. Note that since the permittivity changes with frequency, the permittivity must be known /' the high frequency range to calculate the layer thickness using this method. This can be measured using a separate sensor (with small sensitivity depth), but in our invention we combine low-frequency permittivity measurements with the application of application knowledge to estimate the high-frequency permittivity. This ensures that both permittivity and layer thickness can be measured using a single sensor.

Som et eksempel kan man betrakte en våtgass-strømning av olje, vann og gass. I dette tilfellet består væskelaget av en emulsjon av vann i olje eller olje i vann. Permittiviteten til væskelaget er gitt av Bruggeman's ligning (her vist for olje-kontinuerlig strømning): As an example, a wet gas flow of oil, water and gas can be considered. In this case, the liquid layer consists of an emulsion of water in oil or oil in water. The permittivity of the fluid layer is given by Bruggeman's equation (shown here for oil-continuous flow):

Ettersom permittiviteten til vann og olje endres med frekvensen, vil den resulterende blandingspermittiviteten også endres med frekvens. I en typisk anvendelse kan vanninnholdet og konduktiviteten til vannet beregnes fra permittivitetsmålinger i MHz-området (cyan-området på figur 8) ved å bruke en passende sonde med åpen ende. Blandingens permittivitet i GHz-området (det grønne området på figur 3) kan så estimeres ved å bruke den på forhånd kjente frekvensavhengigheten til vann og olje. En sonde med åpen ende og med følsomhetsområdet i MHz-området vil typisk stråle i GHz-området, og dermed innføre rippler i de målte refleksjonskoeffisientene. Analyse av disse ripplene sammen med kunnskap om blandingens permittivitet vil så gi informasjon om lagtykkelsen. As the permittivity of water and oil changes with frequency, the resulting mixture permittivity will also change with frequency. In a typical application, the water content and conductivity of the water can be calculated from permittivity measurements in the MHz range (cyan range in Figure 8) using a suitable open-ended probe. The mixture's permittivity in the GHz range (the green area in Figure 3) can then be estimated by using the previously known frequency dependence of water and oil. An open-ended probe with a sensitivity range in the MHz range will typically radiate in the GHz range, thus introducing ripples into the measured reflection coefficients. Analysis of these ripples together with knowledge of the permittivity of the mixture will then provide information on the layer thickness.

Oppsummering: Summary:

(a) Sonden med åpen ende blir brukt til permittivitetsmåling i sitt (vanlige) (a) The open-ended probe is used for permittivity measurement in its (usual)

frekvensområde. frequency range.

(b) Permittiviteten ved høyere frekvenser blir estimert fra målingene i det lave (vanlige) frekvensområdet ved å bruke applikasjonskunnskap og passende (b) The permittivity at higher frequencies is estimated from the measurements in the low (common) frequency range using application knowledge and appropriate

modeller. models.

(c) Sonden blir brukt som en antenne i sitt høyfrekvensområde for å beregne tykkelseJorplantningskonstant, og tykkelsen kan så beregnes ettersom forplantningskonstanten er kjent fra (b). (c) The probe is used as an antenna in its high frequency range to calculate the thickness propagation constant, and the thickness can then be calculated as the propagation constant is known from (b).

Beste måte å utføre oppfinnelsen på Best way to carry out the invention

Dette avsnittet beskriver mulige utførelsesformer av oppfinnelsen i samsvar med figur 1 og 2. This section describes possible embodiments of the invention in accordance with figures 1 and 2.

1. Målinger i det lavfrekvente ( vanlige) området 1. Measurements in the low-frequency (normal) range

En sensor laget av rustfritt stål og Peek (Polieter-eterketonplast) som dielektrisk materiale vil bli brukt som eksempel. Den ytre radien til koaksialsonden er 10 mm. Den tilsynelatende permittiviteten til et materiale som undersøkes, kan beregnes ved å bruke framgangsmåter forklart i (Folgerø m.fl., 1996), for eksempel den bilineære kalibreringsprosedyren A sensor made of stainless steel and Peek (Polyether ether ketone plastic) as dielectric material will be used as an example. The outer radius of the coaxial probe is 10 mm. The apparent permittivity of a material under investigation can be calculated using procedures explained in (Folgerø et al., 1996), for example the bilinear calibration procedure

Her er A, B og<£>™/beregningskoeffisienter som karakteriserer sonden. Disse koeffisientene er beregnet fra referansemålinger av kjente standarder (i dette tilfelle kjente fluider slik som for eksempel luft, saltvann og etanol). Disse referanse-målingene kan utføres direkte eller på forhånd, slik at et sett med kalibrerings-koeffisienter kan brukes om igjen når sonden er installert i en anvendelse. Here, A, B and<£>™/calculation coefficients characterize the probe. These coefficients are calculated from reference measurements of known standards (in this case known fluids such as, for example, air, salt water and ethanol). These reference measurements can be performed directly or in advance, so that a set of calibration coefficients can be reused when the probe is installed in an application.

Andre modeller enn den bilineære kalibreringsprosedyren kan brukes til å beregne permittiviteten (se Folgerø 1996). Models other than the bilinear calibration procedure can be used to calculate the permittivity (see Folgerø 1996).

Beregningsmodellene som forutsetter uendelig tykke lag kan brukes til å beregne den tilsynelatende permittiviteten så lenge eventuell stråling fra sonden ikke interfererer med hovedrefleksjonen. I den følgende diskusjonen vil vi referere til dette frekvensområdet som frekvensområde 1. Figur 4 viser permittiviteten til forskjellige vannlag som funksjon av frekvens ved å bruke den bilineære kalibreringsprosedyren. Det kan ses at permittiviteten blir estimert bra i frekvensområdet 100 MHz - 1 GHz. Ved lavere frekvenser er responsen forvrengt av støy. Ved høyere frekvenser (>~1 GHz), vil refleksjonen fra vann/luft-grenseflaten gi rippler i den beregnede permittiviteten. Den sorte kurven viser permittiviteten til et meget tykt vannlag (>20 mm). Fra disse målingene kan vi derfor beregne den tilsynelatende permittiviteten ved frekvenser under 1 GHz. The calculation models that assume infinitely thick layers can be used to calculate the apparent permittivity as long as any radiation from the probe does not interfere with the main reflection. In the following discussion, we will refer to this frequency range as frequency range 1. Figure 4 shows the permittivity of different water layers as a function of frequency using the bilinear calibration procedure. It can be seen that the permittivity is estimated well in the frequency range 100 MHz - 1 GHz. At lower frequencies, the response is distorted by noise. At higher frequencies (>~1 GHz), the reflection from the water/air interface will cause ripples in the calculated permittivity. The black curve shows the permittivity of a very thick water layer (>20 mm). From these measurements we can therefore calculate the apparent permittivity at frequencies below 1 GHz.

Frekvensområdet 1 er fra 100 MHz til 1 GHz, men frekvenser ned til 100 kHz og opp til 10 GHz kan også anvendes avhengig av anvendelsesmåte og sensorgeometri. Frekvensområdet 2 er typisk mellom 1 GHz og 20 GHz, men frekvenser ned til 100 MHz og opp til 60 GHz kan benyttes avhengig av bruksområdet og sensorgeometri. I noen utførelsesformer kan frekvensområdet 1 overlappe frekvensområdet 2. I andre utførelsesformer kan frekvensområdet 1 innbefatte frekvensområdet 2. Frequency range 1 is from 100 MHz to 1 GHz, but frequencies down to 100 kHz and up to 10 GHz can also be used depending on the method of application and sensor geometry. Frequency range 2 is typically between 1 GHz and 20 GHz, but frequencies down to 100 MHz and up to 60 GHz can be used depending on the area of use and sensor geometry. In some embodiments, frequency range 1 may overlap frequency range 2. In other embodiments, frequency range 1 may include frequency range 2.

2. Estimering av permittivitet ved utvidede frekvenser 2. Estimation of permittivity at extended frequencies

Frekvensområdet hvor ref leksjoner fra de bakenforliggende materiallagene interfererer med den første refleksjonen fra sonde/lag-grenseflaten, blir definert som frekvensområdet 2 (over et par GHz i Feil! Fant ikke referansekilden.). Den nedre frekvensen for frekvensområdet 2 vil avhenge av sondegeometri, lagtykkelse og tykkelse av bakenforliggende materialer, og permittiviteten til laget og bakenforliggende materiale. Den nedre grensefrekvensen til frekvensområdet 2 er typisk mellom 1 og 10 GHz. Ved måling av støtvis flerfasestrømning av våtgass, vil et væskelag med gass på baksiden være til stede foran sonden. Betrakt følgende spesialtilfeller: The frequency range where reflections from the underlying material layers interfere with the first reflection from the probe/layer interface is defined as frequency range 2 (over a couple of GHz in Error! The reference source was not found.). The lower frequency for frequency range 2 will depend on probe geometry, layer thickness and thickness of underlying materials, and the permittivity of the layer and underlying material. The lower limit frequency of frequency range 2 is typically between 1 and 10 GHz. When measuring shock-like multiphase flow of wet gas, a liquid layer with gas on the back will be present in front of the probe. Consider the following special cases:

a) Lagtykkelsen er større enn sensivitetsdybden til sonden a) The layer thickness is greater than the sensitivity depth of the probe

1 dette tilfellet vil permittiviteten være beskrevet av Bryggeman-ligningen (eller In this case, the permittivity will be described by the Bryggeman equation (or

lignende relasjoner). Permittiviteten til olje og vann er kjent på forhånd. Vann er godtkarakterisert, og permittiviteten kan beregnes hvis konduktiviteten og temperaturen er kjent (se for eksempel). Permittiviteten til olje er kjent å vanligvis være område 2-2,5 som i mange tilfeller er nøyaktig nok. Ellers er det mulig å måle oljepermittiviteten direkte eller å gi et godt estimat basert på foreksempel hydrokarbonsammensetning (Folgerø, 2012). Ettersom permittiviteten til olje og vann er kjent (se for eksempel Peyman 2007), kan Bruggeman's ligning anvendes til å beregne vannfraksjonen til væskefilmen fra den målte permittiviteten i frekvensområdet 1. similar relationships). The permittivity of oil and water is known in advance. Water is well characterized, and the permittivity can be calculated if the conductivity and temperature are known (see for example). The permittivity of oil is known to usually be in the range 2-2.5 which is accurate enough in many cases. Otherwise, it is possible to measure the oil permittivity directly or to give a good estimate based on, for example, hydrocarbon composition (Folgerø, 2012). As the permittivity of oil and water is known (see for example Peyman 2007), Bruggeman's equation can be used to calculate the water fraction of the liquid film from the measured permittivity in the frequency range 1.

Neste trinn er å anvende Bruggeman's ligning til å estimere permittiviteten i frekvensområdet 2. Ettersom vannfraksjonen i væskelaget er kjent fra beregningene ovenfor, blir permittiviteten i frekvensområdet 2 beregnet ved å sette inn de på forhånd kjente vann- og oljepermittivitetene i frekvensområdet 2 i Bruggeman-ligningen. Legg merke til at denne permittiviteten generelt vil variere med frekvensen ettersom vannpermittiviteten vil variere innenfor frekvensområdet 2. The next step is to apply Bruggeman's equation to estimate the permittivity in frequency range 2. As the water fraction in the liquid layer is known from the calculations above, the permittivity in frequency range 2 is calculated by inserting the previously known water and oil permittivities in frequency range 2 into the Bruggeman equation . Note that this permittivity will generally vary with frequency as water permittivity will vary within the frequency range 2.

b) Lagtykkelsen er mindre enn sensivitetsdybden til sonden b) The layer thickness is less than the sensitivity depth of the probe

I dette tilfellet kan Bruggeman's ligning ikke brukes direkte til å beregne vannfraksjonen ettersom den målte (tilsynelatende) permittiviteten atskiller seg fra lagpermittiviteten. Hvis tykkelsen til laget antas å være kjent, kan imidlertid den empiriske modellen eller flere komplekse modeller slik som helbølgemodellen som er beskrevet i (Folgerø m.fl., 1996), brukes til å beregne lagpermittiviteten. Den samme fremgangsmåten som beskrevet i a) kan så brukes til å beregne permittiviteten til laget i frekvensområdet 2. In this case, Bruggeman's equation cannot be used directly to calculate the water fraction as the measured (apparent) permittivity differs from the layer permittivity. If the thickness of the layer is assumed to be known, however, the empirical model or several complex models such as the full wave model described in (Folgerø et al., 1996) can be used to calculate the layer permittivity. The same procedure as described in a) can then be used to calculate the permittivity of the layer in frequency range 2.

Ettersom lagets tykkelse ikke er kjent, foreslår vi å bruke en iterativ metode til å beregne tykkelsen og permittiviteten i dette tilfellet. I en første iterasjon blir en lagtykkelse antatt. Permittiviteten i frekvensområdet 1 blir så beregnet som beskrevet, permittiviteten i frekvensområdet 2 blir estimert som beskrevet i a), og så blir tykkelsen til laget estimert ved å bruke algoritmen i trinn 3 (nedenfor). Den estimerte tykkelsen fra trinn 3 blir så brukt som inngangs-tykkelse for neste iterasjon. Dette blir repetert inntil den estimerte tykkelsen i trinn 3 konvergerer. As the thickness of the layer is not known, we suggest using an iterative method to calculate the thickness and permittivity in this case. In a first iteration, a layer thickness is assumed. The permittivity in frequency range 1 is then calculated as described, the permittivity in frequency range 2 is estimated as described in a), and then the thickness of the layer is estimated using the algorithm in step 3 (below). The estimated thickness from step 3 is then used as input thickness for the next iteration. This is repeated until the estimated thickness in step 3 converges.

Et lignende tilfelle som skal betraktes, er når en avsetning vokser foran sonden. Den samme løsningen som beskrevet ovenfor, kan anvendes til å estimere permittivitetene i frekvensområdet 2, men permittivitetsmodellene som brukes, vil være forskjellige fra Bruggeman's. En grundig beskrivelse av forskjellige effektive permittivitetsmodeller kan finnes i (Sihvola). A similar case to be considered is when a deposit grows in front of the probe. The same solution as described above can be used to estimate the permittivity in frequency range 2, but the permittivity models used will be different from Bruggeman's. A thorough description of different effective permittivity models can be found in (Sihvola).

3. Tykkelsesestimering i frekvensområdet 2 3. Thickness estimation in the frequency range 2

Én mulig måte for bestemmelse av tykkelse fra sveipede frekvensmålinger blir beskrevet i det følgende, eksemplifisert i Feil! Fant ikke referansekiIden.. Først definerte vi følgende parametere: rn* as: Målt refleksjonskoeffisient til et lag med tykkelse d og permittivitet si Wmeas). En funksjonell refleksjon for den målte refleksjonskoeffisienten. One possible way of determining thickness from swept frequency measurements is described below, exemplified in Error! Couldn't find the reference key.. First we defined the following parameters: rn* as: Measured reflection coefficient of a layer with thickness d and permittivity si Wmeas). A reflection functional for the measured reflection coefficient.

Tykkelsen kan så finnes ved hjelp av følgende trinn: The thickness can then be found using the following steps:

1) Mål refleksjonskoeffisienten til laget med tykkelse d og beregn den funksjonelle relasjonen R( rmeas} (se eksempel i Feil! Fant ikke referansekilden.). 2) Beregn den inverse Fourier-transformasjonen for den funksjonelle relasjonen ^m™) (se eksempel i Feil! Fant ikke referansekilden.b). 3) Identifiser tider svarende til topper i tidsdomenesignalet (se eksempel i 1) Measure the reflection coefficient of the layer of thickness d and calculate the functional relation R( rmeas} (see example in Error! Reference source not found.). 2) Calculate the inverse Fourier transform of the functional relation ^m™) (see example in Error! Reference source not found.b). 3) Identify times corresponding to peaks in the time domain signal (see example i

Feil! Fant ikke referansekilden.c). Error! Could not find the reference source.c).

Beregn lagtykkelsene fra toppinformasjonen enten ved hjelp av teoretiske modeller, eller fra empiriske relasjoner (se eksempel i Feil! Fant ikke referansekilden.d). Calculate the layer thicknesses from the peak information either using theoretical models, or from empirical relations (see example in Error! Could not find the reference source.d).

En alternativ fremgangsmåte for estimering av tykkelse er å analysere ripplene direkte i frekvensområdet. An alternative method for estimating thickness is to analyze the ripples directly in the frequency range.

Alternative utførelsesformer Alternative embodiments

Et antall variasjoner av det ovennevnte kan tenkes. For eksempel: A number of variations of the above are conceivable. For example:

• Oppfinnelsen kan også brukes med andre sensortyper enn koaksialsonder. Eksempler på andre sensortyper som kan anvendes, er sirkulære eller rektangulære bølgeledere med åpne ender, plane patch-antennesensorer, spiralsensorer og hornantenner. • Refleksjonsmålinger utført ved å bruke fremgangsmåter i tidsdomenet (tidsdomenet reflektometri). • Anvendelse av et modulert signal (for eksempel chirp-signal) som inngang for tykkelsesestimering er også mulig. • The invention can also be used with sensor types other than coaxial probes. Examples of other sensor types that can be used are circular or rectangular waveguides with open ends, planar patch antenna sensors, spiral sensors and horn antennas. • Reflection measurements carried out using methods in the time domain (time domain reflectometry). • Application of a modulated signal (for example chirp signal) as input for thickness estimation is also possible.

Målinger i fjernfeltet (i stedet for nærfeltet) er mulig. Measurements in the far field (instead of the near field) are possible.

Flere sensorer eller sensorsystemer kan være festet til rørledningen for å Several sensors or sensor systems can be attached to the pipeline to

karakterisere laget eller fluidfilmen ved flere posisjoner. characterize the layer or fluid film at several positions.

Systemet kan anvendes til andre bruksområder enn strømning inne i en rørledning. The system can be used for applications other than flow inside a pipeline.

Industriell anvendbarhet Industrial applicability

Oppfinnelsen i henhold til søknaden kan anvendes til måling av flerfase-strømninger i rørledninger. The invention according to the application can be used for measuring multiphase flows in pipelines.

Referanser References

K. Folgerø and T. Tjomsland "Permittivity measurement of thin liquid layers using open-ended coaxial probes" Measurement, Science & Technology, vol. 7, pp 1164-1173, 1996 K. Folgerø and T. Tjomsland "Permittivity measurement of thin liquid layers using open-ended coaxial probes" Measurement, Science & Technology, vol. 7, pp. 1164-1173, 1996

K. Folgerø "Coaxial sensors for broad-band complex permittivity measurements of petroleum fluids", Dr. Science. Dissertation, 1996 K. Folgerø "Coaxial sensors for broad-band complex permittivity measurements of petroleum fluids", Dr. Science. Dissertation, 1996

K Folgerø, A L Tomren, S Frøyen "Permittivity calculator. Method and tool for calculating the permittivity of oils from PVT data", 30th Int. North Sea Flow Measurement Workshop, St. Andrews, Oet 2012 K Folgerø, A L Tomren, S Frøyen "Permittivity calculator. Method and tool for calculating the permittivity of oils from PVT data", 30th Int. North Sea Flow Measurement Workshop, St. Andrews, Oet 2012

K Folgerø, J Kocbach, "Inline measuring apparatus and method", PCT/NO2011/000134 K Folgerø, J Kocbach, "Inline measuring apparatus and method", PCT/NO2011/000134

K Haukalid, K Folgerø "Measurements of water conductivity in oil continuous emulsions", 10th Int Conf on Electromagnetic Interaction with Water and Moist Substances, Weimar, Germany, Sept 25 - 27, 2013 K Haukalid, K Folgerø "Measurements of water conductivity in oil continuous emulsions", 10th Int Conf on Electromagnetic Interaction with Water and Moist Substances, Weimar, Germany, Sept 25 - 27, 2013

J. Hilland, "Simple sensor system for measuring the dielectric properties of saline solutions," Measurement Science and Technology, vol. 8, no. 8, pp. 901-910, 1997. 0 Isaksen «Innretning for måling av refleksjonskoeffisienten til høgfrekvente elektromagnetiske bølgjer i væske, samt fremgangsmåte for å bestemme vassinnhold i fleirfasestraum ved bruk av innretninga», N019971025 J. Hilland, "Simple sensor system for measuring the dielectric properties of saline solutions," Measurement Science and Technology, vol. 8, no. 8, pp. 901-910, 1997. 0 Isaksen "Device for measuring the reflection coefficient of high-frequency electromagnetic waves in liquid, as well as a method for determining water content in multiphase currents using the device", N019971025

T. Jakobsen and K. Folgerø "Dielectric measurements of gas hydrate formation in water-in-oil emulsions using open-ended coaxial probes" Measurement, Science & Technology, vol. 8, pp 1006-1015, 1997 T. Jakobsen and K. Folgerø "Dielectric measurements of gas hydrate formation in water-in-oil emulsions using open-ended coaxial probes" Measurement, Science & Technology, vol. 8, pp. 1006-1015, 1997

Baker-Jarvis J, Janezic M D, Domich P D and Geyer R G 1994 Analysis of an open-ended coaxial probe with lift-off for nondestructive testing IEEE Trans Instrum. Meas. Baker-Jarvis J, Janezic M D, Domich P D and Geyer R G 1994 Analysis of an open-ended coaxial probe with lift-off for nondestructive testing IEEE Trans Instrum. Meas.

43 711-18 43 711-18

Gerardo G. Clemena "Short-Pulse Radar Methods" in "Handbook on Nondestructive Testing of Concrete," edited by V. M. Malhotra, Nicholas J. Carino A. Peyman, C. Gabriel, and E. H. Grant, "Complex permittivity of sodium chloride solutions at microwave frequencies," Bioelectromagnetics, vol. 28, no. 4, pp. 264-274, 2007. Gerardo G. Clemena "Short-Pulse Radar Methods" in "Handbook on Nondestructive Testing of Concrete," edited by V. M. Malhotra, Nicholas J. Carino A. Peyman, C. Gabriel, and E. H. Grant, "Complex permittivity of sodium chloride solutions at microwave frequencies,” Bioelectromagnetics, vol. 28, no. 4, pp. 264-274, 2007.

A. H. Sihvola and Institution of Electrical Engineers, Electromagnetic Mixing Formulas and Applications. Institution of Electrical Engineers, 1999. A. H. Sihvola and Institution of Electrical Engineers, Electromagnetic Mixing Formulas and Applications. Institution of Electrical Engineers, 1999.

Claims

1. System for characterizing layers near a pipeline wall, comprising: a sensor operating in a non-radiative mode in a first frequency range and operating in a partial radiation mode in a second frequency range, the non-radiative mode occurring when reflections from a first layer boundary surface dominates the reflection coefficient, where the radiation mode occurs when reflections from a second interface for the layer interfere with reflections from a first interface.

2. System according to claim 1, where the sensor is a coaxial probe with an open end.

3. System according to claim 1, where the sensor is a circular waveguide with an open end.

4. System according to claim 1, further comprising a signal generator for emitting a short pulse for use with short pulse radar technology.

5. System according to claim 1, further comprising a signal generator for outputting a swept frequency signal generation.

6. System according to claim 1, where the signal generator is arranged to emit a short pulse for use in connection with short pulse radar technology.

7. Method for characterizing layers near a pipeline wall using a system according to claim 1, comprising: emitting a signal in a first frequency range, determining a complex reflection coefficient, determining a value for permittivity, emitting a signal in a second frequency range, to determine a complex reflection coefficient, and to determine a value for layer thickness, characterized in that for the first frequency range the probe operates in a non-radiative mode, for the second frequency range the probe operates at least partially in a radiative mode, the permittivity in the second frequency range is determined from the permittivity in the first frequency range, and the layer thickness is determined using a value for propagation constant determined from the value of permittivity in the first frequency range.

8. Method according to claim 7, where radiation from the probe does not interfere with the main reflection, and the calculation model assumes that infinitely thick layers can be used to calculate the apparent permittivity.

9. Method according to claim 8, where the first frequency is in the range 100 kHz to 10 GHz.

10. Method according to claim 8, where the first frequency is in the range 10 MHz to 1 GHz.

11. Method according to claim 7, where reflections from the material behind the layer interfere with the first reflection from the probe/layer interface.

12. Method according to claim 11, where the layer thickness is greater than the sensitivity depth of the probe, where Bruggeman's equation is used to estimate the permittivity.

13. Method according to claim 11, where the layer thickness is less than the sensitivity depth of the probe, where (describe the method here) is used to estimate the permittivity.

14. Method according to claim 11, where the first frequency is in the range 1 GHz to 10 GHz.

15. Method according to claim 7, where the signal in the second frequency range is a short pulse, where the value for thickness is determined by using a short pulse radar technique with propagation time calculations.

16. Method according to claim 7, where the second frequency is a swept frequency, where the value for thickness is determined by using swept frequency analysis.

17. Method according to claims 14-16, where the value for layer thickness is determined by using the ringing frequency of the reflection.

18. Method according to claims 14-16, where the value for layer thickness is determined using the following steps: a: to determine • rn* as: a measure of reflection coefficient for a layer of thickness d and permittivity £i • ^(Tmfflu): a functional relation for the measured reflection coefficient b: to measure the reflection coefficient of a layer of thickness d and calculate the functional relation ^m™) (see example in Error! Reference source not found.a) c: to calculate an inverse Fourier transform for it functional relation d: to identify the times Éi that correspond to peaks in the time domain signal e: to calculate the layer thicknesses from the peak information, either using theoretical models or from empirical relations.