CN101033996A - 用于料位测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量容器中的流体的填充料位的料位测量装置。更具体地，本发明还涉及一种用于确定容器中的第一流体的料位以及第一流体之下的第二流体是否存在的方法。为了实现该目的，在浸入液体(24)中的波导(16)上引导在料位测量装置(14)中生成的微波信号。扫描来自所接收的测量信号的测量曲线(20d)是否有指示第一流体表面(36)的第一信号峰(34)。还扫描测量曲线是否有可能的极性与第一信号峰(34)相同并因而指示在第一和第二流体(24，32)之间的界面(38)的第二信号峰(40)。

Description

用于料位测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于确定容器中的第一流体的料位并用于确定在第一流体之下是否存在第二流体的方法。本发明还涉及一种用于执行所述方法的料位测量装置。

背景技术

已知利用料位测量装置确定容器中流体的料位，该测量装置使用由浸入流体中的波导引导的电磁测量信号。对于微波信号，这些测量还作为时域反射计(TDR)料位测量而已知。根据这种测量原理，在通常安装在容器顶部上的料位测量装置中创建并处理测量信号。测量信号在波导中给出，波导位于容器内部并浸入容器中存储的流体或介质中。料位的确定基于测量信号沿波导从测量装置到容器中的流体并由此返回至料位测量装置的行程时间的测量。测量的信号行程时间是从测量装置到流体表面的距离的量度，其中测量信号沿波导的传播依赖于容器内的波导周围的介质的介电常数。考虑到容器的预定几何数据，可以计算流体的料位。

对于测量容器中单一流体的料位，前述常用测量方法非常可靠。当第二部分或第二相与流体分离从而在容器中最终可以发现两种流体体积时，发生问题。如果例如油和水的乳浊液在容器中越来越分离，则水的部分比油的部分的体积小。大多数现有的TDR料位测量甚至将不能识别小的水部分，并且如果它们能够识别，那在计算水和油部分的体积时必须已知并使用水部分的精确的介电常数。这往往导致重标定TDR料位测量装置。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种方法和装置，以允许简单地确定第一流体的料位以及容器中是否存在第二流体，如果存在第二流体则还确定其体积。

这个目的通过根据本发明的新方法得以实现，该方法用于确定并指示容器中存储的第一流体的料位并分析在第一流体之下是否存在第二流体，该方法包括以下步骤：

-在安装在所述容器上的料位测量装置中生成微波测量信号；

-将所述微波测量信号发送至延伸入所述容器的波导；

-在波导上将所述微波测量信号朝向容器中的第一流体以及可能存在的在第一和第二流体之间的界面引导；

-在波导上将反射的测量信号引导回料位测量装置；

-生成关于波导长度的测量曲线；

-扫描该测量曲线是否有指示第一流体的料位的第一信号峰；

-扫描该测量曲线是否有与波导底部区域有关的第二信号峰；

-如果在测量曲线中识别到第二信号峰，则将第二信号峰的相位与第一信号峰的相位相比较；

-考虑在流体的介电常数之间假定的关系，确定在第一流体之下是否存在第二流体；

-考虑容器中第二流体的存在与否，确定第一流体的料位。

根据这个新方法的另一实施方式，在以下情况中指示存在第二流体：

-第二信号峰与第一信号峰具有相同的相位或极性；并且

-假定第二流体比第一流体的介电常数高。

根据这个新方法的另一实施方式，在以下情况中指示不存在第二流体：

-与波导本身相比，波导末端表现出特征阻抗增加；

-第二信号峰的相位或极性与第一信号峰的相反；并且

-假定第二流体比第一流体的介电常数高。

根据这个新方法的另一实施方式，在以下情况中指示存在第二流体：

-第二信号峰的相位或极性与第一信号峰的相反；以及

-假定第一流体比第二流体的介电常数高。

根据这个新方法的另一实施方式，在以下情况中指示不存在第二流体：

-与波导本身相比，波导末端表现出特征阻抗降低；

-第二信号峰的相位或极性与第一信号峰的相同；并且

-假定第一流体比第二流体的介电常数高。

这个新方法的另一实施方式允许：

-料位测量装置仅由指示第一流体的料位的单信号输出装置构成；并且

-在存在第二流体的情况中，在所述单信号输出装置上生成特别的补充输出信号，其在指示输出信号的常见电平范围之外。

这个新方法的另一实施方式允许由在料位测量装置中创建并在第二信号输出装置上传递的模拟或数字信号指示第二流体的存在。

这个新方法的另一实施方式涉及特别的输出信号，其指示在容器中第二流体的存在，该输出信号是发送至上位控制单元的报警信号。

根据这个新方法的另一实施方式，只要不存在第二流体，就考虑波导的已知长度以及波导末端信号峰的位置而计算第一流体的精确介电常数，这个计算得到的第一流体介电常数在后面用于确定容器中第一和第二流体之间的精确界面。

这个新方法的另一实施方式允许第一和第二流体的介电常数之比小于等于0.7或大于等于1.4。

在这个新方法的另一实施方式中，用于从容器中除去至少部分流体的至少一个特别的装置由料位测量装置的输出信号控制。

在这个新方法的另一实施方式中，当第二流体料位高于特定点时，输出信号启动控制装置，以除去第二流体；以及当第二流体料位低于波导末端时，输出信号停用控制装置，以除去第二流体。

上述目的还通过根据本发明的新的料位测量装置实现，该装置执行以上所述的一种新方法，并且该装置包括波导，该波导的末端在容器中位于待检测的可能存在的第二流体的最低料位位置。

上述目的还通过料位测量装置的另一实施方式实现，该装置执行以上所述的一种新方法，并且该装置包括波导，该波导的末端在容器中位于在容器中将要允许的第二流体的最大料位位置。

根据本发明的一种具有优点的设备包括：

-第一料位测量装置，其具有波导，该波导的末端在容器中位于可能存在的待检测的第二流体的最低料位位置；和

-第二料位测量装置，其具有波导，该波导的末端在容器中位于可能存在的第二流体的最低料位位置。

附图说明

参考以下的说明以及附图，将清楚地看到本发明的以上和其它特征以及实现它们的方法，并将能够更好地理解本发明，其中：

图1a)～d)是在顶部上安装有根据本发明的优选实施例的料位测量装置的容器的内部的示意性侧视图，显示了不同料位情况；

图2是设置有根据优选实施例的两个料位测量装置的容器的内部的示意性侧视图。

具体实施方式

在附图中，基本相同且具有同等功能的装置、仪表或器件以相同的附图标记指示。

图1包括容器10中的填充料位状态的四个不同示图图1a)、b)、c)、d)，在这里出于简化的原因没有完整示出容器10。在每一容器10的右手侧画出了相关的测量曲线，由于它们依赖于不同的填充状态，所以以不同的数字20a、20b、20c、20d指示它们。

料位测量装置14安装在容器10的顶部12上。料位测量装置14是根据本发明的使用雷达或微波测量信号的料位测量仪表。这种测量信号在料位测量装置14中由合适的电子电路创建并被提供给波导16，它们在波导上从料位测量装置14传递到容器10中的介质或流体。波导16的一个末端17通常不固定至容器10的底部，如图1a)所示。料位测量装置14是用于工业过程控制的测量设备，因此其通常不是单独的设备而是经由总线连接至这里没有显示的中央及上位控制单元或控制站的工业过程控制设备网络的一部分。因此，料位测量装置14包括输出端18和与该输出端18相连的电缆，它们用于将料位测量装置14确定的测量料位数据发送至上位控制单元。

图1a)示出容器10中没有存储介质或流体的状态。容器10是空的并且仅填充有气体或混和气体，例如环境空气。所示的测量曲线20a是信号与时间或者信号与路径的简化示意表示，并且与波导16的长度相关。当容器10填充有介质或流体时，所示的这个测量曲线20a代表测量信号从料位测量装置14传播到容器中的流体的方式，其中测量信号在容器中在流体的表面上被反射。反射的信号在波导16上向回传播到料位测量装置14。通过合适的电子电路处理信号并形成测量曲线。每次信号由于波导16上的阻抗变化而改变其幅度和/或相位都由测量曲线中的信号峰指示。图1a)的示例状态中的容器10是空的，并且测量曲线20a在从料位测量装置14直至波导16的末端17没有明显的信号改变，其中由于显著的阻抗改变而在所述末端产生显著的信号峰22。

图1b)示意性显示了部分填充有第一流体24的容器10。根据本发明且安装在容器10顶部12上的料位测量装置14基本与图1a)中所示的相同。波导16浸入第一流体24。测量曲线20b指示第一信号峰26，其是由于波导16周围的介质改变而引起的容器10中的第一流体24的表面28处的显著阻抗改变而出现的。在波导16上从料位测量装置14传播进入容器10的空气填充上部区域的测量信号到达第一流体24的表面28，在那里一部分信号能量被反射并被迫传播回料位测量装置14。其余信号能量继续沿波导16传播，直至其末端17。

得到的测量曲线10b不仅指示由于第一流体24的表面28得到的第一信号峰26，而且指示由于第一流体24中的波导16末端17引起的阻抗改变而得到的第二信号峰30。应当从图1b)的测量曲线20b理解，第一信号峰26与代表波导16末端17的第二信号峰30的相位或极性相反。

图1c)示意性显示了部分填充有第一流体24和一小部分第二流体32的容器10，其中第二流体在第一流体24之下。在图1c)所示的例子中，假定第二流体32的介电常数比第一流体24的高。这在容器10是例如舰船燃料容器的情况中是典型的，第一流体24是油或燃料，第二流体32是水，其逐渐与第一流体24分离并且由于其较高的密度而沉积在容器10中。图1d)中的测量曲线20d指示了第一流体信号峰34，其是由第一流体24的表面36处的反射信号而引起的。第一流体24之下的第二流体32的表面38引起测量信号的反射，这在图1d)的测量曲线20d中指示为第二流体信号峰40。在图1d)所示的例子中，容器10中的第二流体32体积刚刚达到波导16的下端17。由于在波导16下端17的第二流体32表面38而引起的测量曲线20c的第二流体信号峰40覆盖并遮蔽由波导末端17引起的信号峰，该信号峰在图1a)中指示为信号峰22且在图1b)中为信号峰30。图1c)中的第一流体24没有填满容器10的中空下部，而是仅仅填充第一和第二流体24、32的两个表面36和38之间的体积，从而第二流体32的表面38位于波导16的末端17。因此，容器10中第一流体24的真实含量是容器10内部从容器10的最底部直到第一流体24的表面36的体积减去从容器10的最底部直到第二流体32的表面38的体积。

图1d)示意性显示了第二流体24的体积比图1c)所示的情况有所增加的情况。容器10部分填充有第一流体24，并且在容器10中在第一流体24之下有更大量的第二流体32。再一次，与图1c)中所示的例子类似，假定第二流体32具有比第一流体24高的介电常数。图1d)中的测量曲线20d指示第一流体信号峰34，其由第一流体24表面36处的反射信号引起。第二流体32的表面38作为第一和第二流体24、32之间的界面，还引起测量信号的反射，其在图1d)的测量曲线20d中作为第二流体信号峰40而表示。在图1d)所示的例子中，容器10中的第二流体32的体积超过波导16的下端17。由于波导末端17引起的信号峰没有显示在图1d)的测量曲线20d中。因此，容器10中第一流体24的真实含量是容器10内部从容器10的最底部直至第一流体24表面36的体积减去从容器10的最底部直至第二流体32表面38的体积。图1d)中容器10中的第一流体24的体积小于在图1c)的例子中的。

正如图1a)至1d)所示的，容器10中第二流体部分存在与否可以从测量曲线20a～20d清楚地检测到。特别地，图1c)和1d)显示了作为容器10底部的第二流体的水的检测可以容易地由在第二流体到达波导16末端17的时刻的测量曲线20a～20d而推导得到。

下面的表解释了如何从测量曲线20c或20d的第二信号峰与第一流体24的第一信号峰34相比较而确定容器10中第二流体32存在与否。下表还解释了如何从测量曲线20c或20d确定第一流体24的真实料位，其中假定第二流体(如果存在，)的介电常数比第一流体24的高，其中认为容器中总是存在第一流体24，即使在测量曲线中没有可检测的第一流体信号峰。

第一流体信号峰	第二流体信号峰	第二流体	第一流体料位的确定
				存在不存在存在不存在存在不存在	存在；与第一流体信号峰极性相反存在；与通常的或先前的第一流体信号峰极性相反不存在不存在存在；与第一流体信号峰极性相同存在；与通常的或先前的第一流体信号峰极性相同	不存在；第二信号峰来自波导末端不存在；第二信号峰来自波导末端可能存在第二流体可能存在第二流体存在第二流体存在第二流体	由第一流体信号峰由在波导末端处第二信号峰的变化由第一流体信号峰不可能；生成错误或报警信号由第一流体信号峰，考虑第二流体料位不可能；生成错误或报警信号

根据本发明，用于确定容器中存储的第一流体的料位并将其信号化以及用于分析第一流体之下的第二流体存在与否的方法可以从上表结合图1a)～1d)看出。

在容器10顶部12上安装的料位测量装置14中生成的微波测量信号被发送至延伸进入容器10的波导16。波导16判断朝向容器10中的第一流体24并向第一和第二流体24和32之间可能存在的界面的微波测量信号。在第一流体24的表面28反射的测量信号被在波导16上引导回到料位测量装置14。在波导16的长度上，由所有测量信号生成测量曲线20b～20d。扫描测量曲线20b～20d是否有指示容器10中第一流体24的料位的第一信号峰26或34。还扫描测量曲线20b～20d是否有与波导16底部区域有关的第二信号峰30或40，该“波导底部区域”代表至少相对于波导16在第一信号峰26或34之下。

如果在测量曲线20b～20d中确定第二信号峰30或40，则将它们的相位与第一信号峰26或34的相位比较。根据上表确定在容器10中在第一流体24之下是否存在第二流体32，并且根据它，考虑容器10中的第二流体32，确定第一流体24的料位。假定第二流体32的介电常数高于第一流体24，则当第二信号峰30或40与第一信号峰26或34的相位或极性相同时，指示存在第二流体。当第二信号峰30或40的相位或极性与第一信号峰26或34的相位相反时，指示不存在第二流体32。在这种情况中，第二信号峰30或40是由波导16的末端17引起的，其与波导16本身相比表现出特征阻抗增加，并且这里假定第二流体的介电常数比第一流体的高。

假定第一流体的介电常数比第二流体的高，则当第二信号峰30或40的相位或极性与第一信号峰26或34的相反时，指示存在第二流体32。考虑到第一流体24比第二流体32的介电常数高，在第二信号峰30或40的相位与第一信号峰26或34的相同的情况中指示不存在第二流体32，其中第二信号峰由与波导16自身相比表现出特征阻抗降低的波导16末端17引起。

在第一流体24的精确介电常数未知的情况中，只要不存在第二流体32，就可以考虑波导16的已知长度以及来自波导16末端17的第二信号峰30的位置和变化，而计算第一流体的精确介电常数。这种状态在图1c)中显示并且在上面有所说明。计算的第一流体24的介电常数在后面用于确定在容器中的第一和第二流体之间的精确界面高度。

实际测量已经显示，当第一和第二流体24和32的介电常数之间的比小于等于0.7或者大于等于1.4时，很好地确定是否存在第二流体32。

当安装的料位测量装置14仅包括单信号输出装置18用于指示容器10中第一流体24的料位时，可以通过到管理程序或控制单元的特定补充输出信号而用信号通知存在第二流体32。这个特定补充输出信号可以在所述单信号输出装置18上在指示输出信号的常用电平范围之外生成。或者，料位测量装置14可以装备有第二信号输出装置，用于以料位测量装置中创建且被独立地从第一输出装置18发送至监督程序或控制单元的模拟或数字信号通知第二流体的存在。这个在第二信号输出装置上的特定的模拟或数字信号可以用于控制至少一个用于从容器10除去至少部分流体的装置(例如阀门)。在其它情况中，用于指示容器中存在第二流体32的特定输出信号是发送至上位控制单元的报警信号。

图2是另一特定容器50的部分内部的示意性侧视图，该容器50装备有根据本发明的优选实施例的两个料位测量装置52和54。第一料位测量装置52和第二料位测量装置54基本上是与图1a)～1d)中示出的实施例相同的料位测量装置。优选地，两个料位测量装置52和54都具有用于发送输出信号的两个输出端18a和18b，发送输出信号包括指示容器50中的流体的测量料位的信号还包括发送至图2中未示出的上位控制单元的报警或控制信号。这种容器50用于第一和第二流体的混和物，这两种流体需要在存储期间在容器50内部分离。

正如在图2中示出的，容器50包括安装在其内部并固定至容器50底部58的分离壁56。分离壁56部分地将容器的内部分离为两个腔室，直至容器50内部的预定高度。较大的第一腔室60用于存储第一流体62和第一流体62之下的第二流体64。第二腔室用作溢流腔室，其收集并存储溢出分离壁56的第一流体。第一和第二流体62和64的混和被经由入口，优选地经由入口抽头68泵出并填充入容器50。图2显示了这样的情况，即，由于第一流体62的表面70已经达到分离壁56的最大高度并且流入第二腔室66，一定部分的第一流体62已经在第二腔室66中。

为了控制第一和第二流体62、64的体积比，并且特别地为了不允许第二流体64的体积超过预定的最大体积，以特殊的方式设置两个料位测量装置52和54。第一料位测量装置52的波导72的长度使得波导72的末端74非常靠近容器50的底部58并且将波导72浸入第一和第二流体62和64。正如上面根据如何分析测量曲线20b～20d的图1c)和表所描述的，从第二流体64的表面76达到第一料位测量装置52的波导72末端74的时刻可以检测第二流体64的存在。报警信号可以发送至上位控制单元，指示在容器50的第一腔室60内存在第二流体64，并且其表面已经达到第一料位测量装置52的波导72末端74的已知位置所给定的高度。

第二料位测量装置54的波导78的长度比第一料位测量装置52的波导72的长度小。波导78规定末端80还在容器50的第一腔室60中并且在另一波导72的末端74之上。波导78浸入第一流体62。当第二流体64的表面76达到第二料位测量装置54的波导78的末端80时，根据上述对于测量曲线20b～20d的分析，可以检测在容器50中的这个预定高度存在第二流体64。现在将信号发送至上位控制单元，以指示第二流体64的表面76已经达到第二料位测量装置54的末端80的预定位置，该位置代表容器50中第二流体64的最大可接受体积。这个信号可以直接用于打开在容器50的第一腔室60的底部区域中的第一出口82，优选地可遥控的阀门，以允许第二流体64流出并从而减少容器50中第二流体64的体积。由于这个流出，第二流体64的表面76下降，直至它达到并刚刚经过第一料位测量装置52的波导72的末端74，这导致在第一料位测量装置中的相关信号指示第二流体64的体积已经达到其最小接受值。这个信号可以直接用于关闭第一出口82。

第一流体62的实际料位可以根据图1b)～1d)的说明而确定。第一料位信号峰26和34可以从来自第一料位测量装置52和/或第二料位测量装置54的测量曲线20b～20d读出。容器50的第一腔室60中的第一流体62的料位依赖于这个腔室60中的第二流体64的体积。第二流体64的体积在其表面76达到第一料位测量装置52的波导72的末端74时为最小，在其表面76达到第二料位测量装置54的波导78的末端80时为最大。于是，容器50的第一腔室60中的第一流体62的体积在第二流体64的表面76在第二料位测量装置54的波导78的末端80时为最小，在第二流体64的表面76下降到第一料位测量装置52的波导72的末端74时为最大。

第二出口84优选地是可遥控的阀门，其安装在容器50的第二腔室66的底部区域中，以控制在第二腔室66中由于从第一腔室60溢流而聚集的第一流体62的体积。考虑第一腔室60中的料位测量，打开第二开口84，以允许第二腔室66中的第一流体62的体积减少。

Claims (15)

1.用于确定并用信号指示容器(12；50)中存储的第一流体(24；62)的料位并分析在第一流体(24；62)之下是否存在第二流体(32；64)的方法，该方法包括以下步骤：

-在所述容器(12；50)上安装的料位测量装置(14；52，54)中生成微波测量信号；

-将所述微波测量信号发送至延伸入所述容器(12；50)的波导(16；72，78)；

-在波导(16；72，78)上将所述微波测量信号朝向容器(12；50)中的第一流体(24；62)以及可能存在的在第一(24；62)和第二(32；64)流体之间的界面(38；76)引导；

-在波导(16；72，78)上将反射的测量信号引导回料位测量装置(14；52，54)；

-关于波导(16；72，78)长度生成测量曲线(20a～20d)；

-扫描该测量曲线(20a～20d)是否有指示第一流体(24；62)的料位的第一信号峰(26，34)；

-扫描该测量曲线(20a～20d)是否有与波导(16；72，78)底部区域有关的第二信号峰；

-如果在测量曲线(20a～20d)中识别到第二信号峰(22，30，40)，则将第二信号峰(22，30，40)的相位与第一信号峰(26，34)的相位相比较；

-确定容器(12；50)中在第一流体(24；62)之下是否存在第二流体(32；64)；

-考虑容器(12；50)中第二流体(32；64)的存在与否，确定第一流体(24；62)的料位。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在以下情况中指示存在第二流体(32；64)：

-第二信号峰(40)与第一信号峰(26，34)具有相同的相位或极性；并且

-假定第二流体(32；64)比第一流体(24；62)的介电常数高。

3.根据权利要求1所述的方法，其中在以下情况中指示不存在第二流体(32；64)：

-与波导(16；72，78)本身相比，波导(16；72，78)末端表现出特征阻抗增加；

-第二信号峰(30)的相位或极性与第一信号峰(26，34)的相位相反；并且

-假定第二流体(32；64)比第一流体(24；62)的介电常数高。

4.根据权利要求1所述的方法，其中在以下情况中指示存在第二流体(32；64)：

-第二信号峰(30)的相位或极性与第一信号峰(26，34)的相反；以及

-假定第一流体(24；62)比第二流体(32；64)的介电常数高。

5.根据权利要求1所述的方法，其中在以下情况中指示存在第二流体(32；64)：

-与波导(16；72，78)本身相比，波导(16；72，78)末端(17；74，80)表现出特征阻抗降低；

-第二信号峰(40)的相位与第一信号峰(26，34)的相同；并且

-假定第一流体(24；62)比第二流体(32；64)的介电常数高。

6.根据权利要求1～5之一所述的方法，其中：

-料位测量装(14；52，54)仅包括一个指示第一流体(24；62)的料位的单信号输出装置(18)；并且

-在存在第二流体(32；64)的情况中，在所述单信号输出装置上(18)生成特别的补充输出信号，其在指示输出信号的常见电平范围之外。

7.根据权利要求1～5之一所述的方法，其中由在料位测量装置(14；52，54)中创建并在第二信号输出装置(18)上传递的模拟或数字信号指示第二流体(32；64)的存在。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其中所述指示在容器(12；50)中第二流体(32；64)的存在的特别的输出信号是发送至上位控制单元的报警信号。

9.根据权利要求1～8之一所述的方法，其中只要不存在第二流体(32；64)，就考虑波导(16；72，78)的已知长度以及波导末端信号峰(30)的位置而计算第一流体(24；62)的介电常数，这个计算得到的第一流体(24；62)介电常数在后面用于确定容器(12；50)中第一(24；62)和第二(32；64)流体之间的精确界面。

10.根据权利要求1～9之一所述的方法，其中第一(24；62)和第二(32；64)流体的介电常数之比小于等于0.7或大于等于1.4。

11.根据权利要求1～10之一所述的方法，其中输出信号用于控制至少一个出口装置(82，84)，该出口装置用于从容器(50)中除去至少部分流体(62，64)。

12.根据权利要求11所述的方法，其中当第二流体料位高于预定点时，输出信号启动出口装置(82)以除去第二流体(64)；以及当第二流体料位低于波导(72)末端(74)时，输出信号停用所述装置(82)。

13.用于执行根据权利要求1～12之一所述的方法的料位测量装置(52)，其包括波导(72)，该波导的末端(74)在容器(50)中位于待检测的可能存在的第二流体(64)的最低料位位置。

14.用于执行根据权利要求1～12之一所述的方法的料位测量装置(54)，其包括波导(78)，该波导的末端(80)在容器(50)中位于在容器(50)中允许的第二流体(64)最大料位位置。

15.料位测量设备，包括根据权利要求13所述的料位测量装置(52)和根据权利要求14所述的第二料位测量装置(54)。

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