CN102235961B - 测量流体密度的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量流体密度的方法和装置，具体公开了用于准确地测量被管状波导内适当设计的障碍物回波的电磁信号的速度的方法和装置。本发明的主要目的在于计量存储在容器内的液体的密度。所述容器可以是船舶上的液化气货舱。然而容器的类型或液体的种类与本发明的思想无关。

Description

测量流体密度的方法和装置

技术领域

本发明涉及液体密度的测量。更具体地，描述了一种准确计量由在管状波导内适当设计的障碍物回波的电磁信号的速度的方法和装置。本发明的目的在于获得存储在容器内的液体的密度。所述容器可以是船舶上的液化气货舱。然而容器的类型或液体的种类与本发明无关。

背景技术

电磁波例如微波已经用于液体存储容器内的准确液位测量很多年。液位计仪器放置在容器的顶部用于测量被液体表面回波的电磁信号的飞行时间。所述飞行时间通过乘以电磁波的传播速度而转换为距离，并且所述距离被从罐高度减去以产生液位读数。自由空间信号传输（例如雷达）和导波传播（例如金属管）都可以用于计量存储在容器内的液体的液位。

一般认为，飞行时间可以通过利用大信号带宽来相当准确地测量，其进而意味着准确的液位读数依赖于电磁波的传播速度的准确认识。在许多情况下后者非常接近标准大气压中的光速，虽然气体状态和蒸汽组成可能会影响速度。然而在管状波导中，有限的截面尺寸阻碍传播速度（例如信息速度），其因此必须被解决以便产生准确的液位读数。

雷达类型液位计仪器利用在存储在容器内的液体的表面处产生的回波。然而，在向液体存储容器下部的路径上电磁信号所遇到的障碍物也将产生将由液位计仪器检测为回波的反向散射。对于两种类型的回波的飞行时间可以由液位计仪器准确地测量。如果现在参考的障碍物定位在离液位计仪器已知的（固定的）距离处，则与所述回波相关联的回波飞行时间是被检测回波信号的传播速度的合格的间接测量。速度的这种间接测量进而将允许液位计仪器产生与由液体产生的回波相关联的范围的可靠且准确的测量，其随后允许仪器产生关于容器内液位的正确且可靠的读数。根据这个方案，显然通过允许液位计仪器监测由以已知间隔分布在存储容器下部的一系列固定障碍物产生的回波，甚至能够测量容器下部的传播速度的变化，从而允许仪器产生液位的更加准确且可靠的读数。

使用电磁波从特定目标（例如液体表面或障碍物）产生回波的领域的技术人员总体上认识到，必须满足所述目标的某些质量特征以便产生回波的准确且可靠的飞行时间测量。一种这样的质量特征是目标的反射率，其说明将要被液位计仪器检测的目标射回的能量的数量。另一个重要质量特征是目标产生关于飞行时间明确的回波的能力。例如，产生分布在沿着电磁信号传播路径的短但有限的距离上的回波的目标将使液位计仪器的回波飞行时间测量具有由所述目标产生的回波的所述分布限定的有限的精度。平静的液体表面可以用作目标的示例，其将产生在飞行时间方面明确的回波，而波动的液体表面可以示范将产生在飞行时间方面包含不明确的回波的目标。

根据上述通过引入障碍物以便允许液位计仪器监测电磁信号的传播速度的推理，显然准确的液位计量仅在所述障碍物产生与液体自身要求的质量相同的回波时可以获得。这个观察适用于反射率和飞行时间明确性两者。总之这意味着一方面由目前的液位计类型获得的测距精度依赖于相当平静的液体表面，并且另一方面引入来允许速度测量的障碍物必须设计为产生清晰且明确的回波。

对于管状导管（波导）中的电磁波传播领域的技术人员来说，公知的是波传播可以得到一系列不同且独特的传播波型的帮助。每个具体波型由特定波型图样关于电场和磁场而特征化，其完全由导管截面的特定形状限定。此外，每个波型允许由某种波型携带的电磁能量以特定速度传播，其与电磁波的频率非常密切地关联。熟悉相关领域的技术人员总体上认识到，每个波型要求波频超过某个较低限度（截止频率）以便允许传播特定波型，并且这个较低限度与导管的截面尺寸成反比。作为示例，一英寸圆形导管将仅允许一种波型来帮助电磁波以10 GHz的工作频率传播，而圆形8英寸导管将允许大约115种特定波型来帮助电磁能量以相同的工作频率在导管内不受阻碍地传播。然而，如上述提及的，每个波型具有一般不同于其他波型的独特的传播速度，其意味着由电磁信号携带的能量（信息）在若干个不同波型的帮助下传输通过导管时将被及时分散，其进而将使电磁波信号关于液位计量应用中的飞行时间方面不明确。这个观察要求关于用于在电磁信号传播的帮助下计量液位的导管的两个选项的其中一个。最明显的选择可能会是仅允许一个波型传播的相对较窄的导管。这种选择由于所有的能量都将以明确的速度传播，因此消除了关于飞行时间的不明确性。但是另一方面，较大导管截面允许信号传播的截止频率的下降，这也意味着会使所应用的波型对于临时或永久的截面及管壁变化相当地较不敏感，而这些变化通常影响波型传播速度。这个选项需要激励并维持传播波型的合理纯度的方法和部件，以便允许能量以尽可能低的速度模糊性传播。然而，两个选项由相同的基本物理定律指导，并且没有理论和实践的原因来考虑两个选项的其中一个不适于液位计量。

由于明显的原因，管状导管必须被通风以便当容器内的液位变化时允许液体不受阻碍地在导管内上升和下降。因此导管本身以规律的间隔穿设有认真设计的通风狭缝或通风孔，其沿着导管以使在导管内传播的电磁波不受影响的方式对齐。未对齐会导致信号放射到导管外，这意味着信号能量的净损失。未对齐也会导致少量信号能量射回液位计，从而产生不期望的回波。然而未对齐产生的最重要的影响是狭缝和孔将液位计本身产生的电磁波的能量转换为其他类型的传播波型的能力。管状导管内电磁波传播领域的技术人员容易认识到的是，严重的波型转换可能会使雷达液位计在进行液体的准确液位计量方面是没有帮助的。因此，总之通风狭缝和通风孔的对齐是至关重要的问题。然而通常并且概括地讲，波型转换是容易由导管内的任何类型的瑕疵来促进的，其进而抑制安装或刻设在管状波导内以允许液位计仪器测量电磁波的传播速度的障碍物部件的设计自由度。

从上述推理和观察得出，导管内的任何障碍物必须被设计成使得液体能够在导管内不受阻碍地上升和下降，并且波型转换不应当破坏工作的回波信号的质量。

Kongsberg Maritime AS已经生产、出售、销售、安装和维护液位计仪器AutroCAL^®超过了十年，基于在上述给出的背景描述中概括的概念性思想，尤其承载液化气产品的船舶，并且已经积累了多年关于液化气产品的特定特征的相当多的经验。在最近这些年已经变得清晰的是，一种这样的特征即雷达信号在液体中的传播速度，具有提供测量液体密度的实用的解决方案的潜能。在相关市场收集的信息清晰地表明关于存储在船舶上的液化天然气的密度的可靠信息对这些船舶的操作是有价值的输入。使用电磁信号在液体中的信息速度来计算所述液体的密度的概念性思想被认为是新颖的。

附图说明

为了使本发明更容易理解，下面的描述将参考附图。

图1表示具有本发明障碍物部件的液体存储容器。

图2表示实现所述障碍物部件的一种方式的示例。

图3表示实际的回波图。

具体实施方式

下面，将通过描述实施例的示例并且通过参考附图更详细地描述本发明。

图1示出了液体存储容器1。从容器顶部向下到底部安装有竖直延伸的管状导管2。假设所述导管在整个长度上具有均匀的截面形状，虽然形状的逐渐且平滑的变化关于导管的总体应用来说仅产生很小的局限性。安装在导管顶部的液位计仪器3以这样的方式工作，它产生和发射电磁波信号进入导管中，并且同时收集和检测在导管内产生的电磁信号的回波。在导管内安装有若干个障碍物部件4，方便起见也称为标识4，其中一些在存储容器的通常工作情况下浸没到液体5中，同时另一些暴露在液体上方的蒸汽环境6中。每个标识4安装在沿着导管的从液位计参考高度7测量的固定且已知的位置处。

一般来说，上述的液体和蒸汽不保持在相同的温度，这些温度甚至可能会很不同于通常的室温。从这个观察应该清楚，导管上的热效应将改变从液位计参考高度7到每个标识4测量的长度，其因此必须被校准以便允许液位计仪器产生最可靠且准确的液位读数。然而这种热长度校准不考虑为本发明的部分，从而剩余的描述不予考虑。

通常，由电磁波携带的能量的仅小部分将射回来产生来自液体表面8的可检测回波，意味着大多数能量将穿过表面8并且传播到液体5中。当能量由入射电磁波携带时，标识4将射回相似小部分的能量，从而允许由电磁波携带的大多数能量穿过障碍物4，并且在导管中进一步向下传播。由液位计仪器3检测到的回波信号将因此包含关于每个标识4的信息，除了包括来自液体表面8的那个标识，还包括暴露在液体上方的那些标识以及浸没液体中的那些标识。

在导管下部由障碍物4或液体表面8产生并且向上传播的回波信号将产生其他回波，其将向下投射。这种二次且向下指向的回波信号累加到主向下信号，并且将产生将由液位计仪器3检测的附加的延时回波。虽然这种延时回波由于测量方案是不可避免的，但是它们携带极少量的能量。这个观察表明在导管内产生的延时回波可以不认为是测量方案的不利特征。然而仅是在标识4的反射率保持为尽可能低时，这才是真实的结论，但仍然不损害对回波信号限定的信噪比要求以便保持液位计量精度。

当用液位计记录时，假设液位计仪器3能够测量在管状导管内射回的若干回波的飞行时间。只是由于电磁波在汽-液界面处经历的介电性能的突然改变，因此在限制在管状导管内的液体的表面8处产生了一个这样的回波。由于导管内的均匀水平的液体表面，因此该回波在飞行时间方面将是非常清晰且明确的。除了液体回波，障碍物部件4当安装在导管下部的固定位置时将产生附加的回波。为了允许液位计仪器以所需的精度测量电磁波的传播速度，由标识4射回的每个回波将满足与液体目标相似的回波质量标准。该要求致力于由障碍物部件4满足的至少四个质量特征。首先，标识4的反射率必须足以产生大大超过由液位计仪器规定的测距精度所限定的信噪比限制的回波。第二，由障碍物4射回的信号应该产生在飞行时间方面明确的回波。第三，障碍物部件4不应该将能量转换为导管内的电磁波传播的不期望的波型。并且第四，障碍物4应该允许液体不受阻碍地在所述导管内上升和下降。

用于波型激励的部件被认为超过了本发明的范围，因为一系列的实用方法和技术是在相关教科书中容易得到的。然而维持波型纯净度方面被认为是本发明的核心问题。为了在电磁波在管状导管内传播时维持波型纯净度，一方面必须处理关于波型图样的一系列因子，另一方面必须处理受管壁特性影响的边界条件和限制。例如，必须仔细地使波型图样适于通风狭缝或通风孔，并且还必须选择成容易处理光滑沉积物、冷凝液体、或管壁的腐蚀性演变物。然而在这种情况下最重要的是，标识4不应该允许发生波型转换，而是维持波型纯净度。

图2描绘了一种实现障碍物部件4的方式的示例。图2a表示俯视图，而图2b表示侧视图。当从俯视图观察时，标识4在这个设计示意图中是圆形的，其表明应用在具有圆形对称截面形状的管状导管中。然而，这只是一个示例，不是关于本发明适用性的限制。本领域的技术人员知道截面可以呈现任何的形状。然而关于图2b的侧视图，设计示意图表明标识4在管状导管的整个截面上具有均匀的厚度11。这个特性确实是重要的，但是这个特性最典型地适用于较大导管截面。如还可从图2见到的，障碍物部件4穿设有孔9，在这个具体示例中，圆形孔以六边形的图案分布，这允许蒸汽和液体不受阻碍地穿过障碍物4。一方面图案及另一方面在标识4中穿设的孔的相对大小和密度应该确保作为传播通过管状导管的电磁波的反向散射和传输的结果波型转换不是即将发生的。此外，材料10的特有属性以及板厚11都增加必要的设计自由度，以实现如根据计划的速度测量应用所规定的要求而限定的标识4的净反射率。

如图2所示的障碍物部件4的设计只是一个示例。然而材料去除部9可以显著地变化。关于电磁波传播，适用的仅有限制是允许蒸汽和液体不受阻碍地通过以及不发生波型转换。第一个限制是对如穿孔9所示的材料去除部的要求。波型转换通过以下述方式仔细地设计材料去除部9的图案来防止：应用来帮助电磁波传播的波型将碰到在管状导管的截面平面内的实质上均匀的障碍物4。在本文中，实质上均匀意味着管状导管内的电磁波传播的所有许可波型应该经历由标识4限制的电属性，其在较大程度上是沿着所有横向方向相等的。由如图2所示的材料去除部9引入的不可避免的较小程度的非均匀性将一定允许传播的非许可波型产生。然而，非许可波型是易损耗的并且将在离障碍物4的短距离内迅速消失。对于相关理论和技术领域的技术人员来说，显然易损耗的波型收集和存储障碍物部件4的附近的无功能量。然而通过对应用于材料去除部9的几何图案的精巧和细心设计，能够将这种能量存储最小化，以便确保标识4的操作意图不会被破坏或恶化。

材料10是标识4的重要部分。虽然最明显的选择是固体介电材料，但是这个选择被最正确地认为是实用和方便的选择。具有磁性、或传导性能、或甚至所有相关电性能的组合的固体材料都是可应用的。适用的仅有重要限制是选择的材料应该忍耐所有关于液体存储容器1的操作可应用的环境情况。在许多情况下蒸汽和液体的化学性质将限制材料的选择，其通常使得仅很少的一些塑料和陶瓷作为普遍可应用的可选物。

下面将描述液位计的操作特性。

一般对于任何类型的测距仪来说，距离读数可以通过两个分离且独立的因子来计算出。这些因子之一关注测距仪的参考点，其在本示例中相应于参考高度7，而另一个因子关注测距仪的标度因子。对于假设能够非常准确地测量任何有效回波的飞行时间的本发明的类型的液位计仪器3，测距仪标度因子直接由利用的电磁波信号的传播速度s给出。从这个观察可知，显然对于液体回波相对于参考高度7测量的测量距离R，可以根据线性方程表示。

（1）

在这个方程中，θ和θ₁表示由测距仪3测量的回波飞行时间，前者关于液体表面8，而后者关于暴露在液体表面8上方的一个参考标识4。R₁表示液位计参考高度7与作为参考选择的标识4之间的已知距离。当相同的线性方程应用于任何一对回波时，由此得出通过对暴露在蒸汽环境6中的两个障碍物部件4测量回波飞行时间，传播速度s是可以容易得到的。

（2）

R₁和R₀表示液位计参考高度7与液体上方的两个障碍物部件4之间的已知距离，并且θ₁和θ₀表示由所述障碍物部件4产生的回波的测量飞行时间。

根据上面给出的描述，显然液位计仪器3要求两个标识4测量速度。可以容易地确定应对这种固有要求的三种方法。一种方法是使管状导管2延伸大大超过存储容器1，从而允许提升液位计仪器3，以便允许两个标识4固定在导管内超过填充于存储容器1内的液体的最大液位的高度处的位置。另一种方法是减小导管顶部的连续标识4之间的距离，从而允许最少两个标识4被提升到最大允许液位之上。当然两个方案的组合是可行的选择。第三个选择并且是最明显的选择是使用液位计仪器3的固有检测点作为参考点（在这种情况下，R₀说明从参考高度7到液位计3的固有检测点沿着相反方向测量的距离，并且当然θ₀=0）。

从上面给出的描述和操作特性，显然雷达液位计仪器AutroCAL^®设计成测量电磁信号通过管状波导的蒸汽填充部分的传播速度。然而，最近这些年积累的经验已经表明，浸入在液化天然气内的标识4是清晰可见的，甚至向下深入到液体中，并且产生具有非常好的信噪比的独特的回波。后者是雷达液位计仪器AutroCAL^® 本身的独特质量，但依然是重要的观察，因为将设想良好回波信号质量启发的本发明的思想。然而，首先这个观察表明液化天然气对于电磁信号具有非常低的衰减因子，并且其次表明液位计AutroCAL^® 可以适于处理附加特征来测量电磁信号在管状波导浸入于液体的部分中传播的信息速度v。液体中的信息速度v是液体的介电常数ε_R的明确但隐含的测量。

（3）

用来帮助管状波导中的信号传播的传播波型的截止频率是f_c，雷达仪器的工作频率是f，并且c是光在真空中的速度（2.99792458·10⁸ m/s）。液体的介电常数ε_R通过基于信息速度v的方程（3）是能够容易地计算的，其根据基于浸没液体5中的两个（或更多）标识4的飞行时间测量的方程（2）来计算。

图3示出实际回波图。所述图由承载液化天然气的船舶上的AutroCAL^®记录。三个标识4浸没液体中，并且相应回波在靠近37、64、90纳秒的单程飞行时间的位置显示为窄脉冲。一个标识暴露在液体表面上方，而相应回波位于大约12纳秒的飞行时间处。液体回波位于16.5纳秒的飞行时间处。这个图表明三个标识4可用于测量液体中的传播速度v。通过在f_c=3.52 GHz的截止频率、液位计仪器的设定为f=10 GHz的工作频率、浸没液体中的连续标识4之间已知为6米的距离、以及所述标识4之间测量为大约26.6纳秒的飞行时间，根据方程（2）能够容易地估计传播速度为v=2.256·10⁸ m/s）。根据方程（3）计算介电常数为ε_R=1.69，其是在液化天然气的情况下的合理估计。

这个链中的最终环节是基于测量的介电常数ε_R使用Clausius-Mosotti（或Lorentz-Lorenz）关系来估计液体密度ρ。

（4）

比例因子κ是解释液体分子的电子极化率的特定特征常数。在分子保持永久偶极矩的情况下，所述特征常数是依赖于温度的。

对于船舶上承载的一般的液化天然气货物，解释电子极化率的特征常数κ根据液体的成分改变。典型的值是κ = 4×10^-4 m³/kg。这个值表明具有介电常数为ε_R=1.69的液化天然气货物具有接近ρ = 467 kg/m³的密度，其被认为是对通常的重量型液化天然气（典型的大约85%的甲烷）的合理估计。

如由图3显示的那样，当浸没在液化天然气中时，标识4的反射率相当大地改变。这个图示出当与暴露于液体表面8上方的蒸汽的第一标识4比较时为大约13 dB的下降，其相当于关于反射功率的20倍的减少。相关领域的技术人员将容易理解，这个特征是使用具有接近液体的介电性能的非磁性材料来制造障碍物部件4的结果。在这个情况下材料10恰当地设想为具有略高于液体的介电常数的塑性材料。低的反射率减小信噪比，从而也降低来自浸没在液体中的标识4的回波脉冲的质量。这个特征可以认为是不良的影响，因为由液体中的测量信息速度限制的精度受到回波信号强度的限制，而不是液位计仪器3准确测量飞行时间的固有能力。一种克服这种不良影响的选择是用具有以比一般塑料更大的余量超过液体介电常数的介电常数的介电材料制造障碍物部件4。所选择的可以是陶瓷材料，其与大多数液体相比通常将具有足够大的介电常数，从而当浸没在液体中时也产生更强的回波。

根据方程（4）容易得出，如果介电常数ε_R=1.69测量至0.5%的精度，那么液化天然气的测量密度ρ=467 kg/m³具有1%的精度。根据方程（3），前者的精度遵照关于传播速度v=2.256·10⁸ m/s的0.23%的测量精度。该速度是基于由为浸没在液体5中的两个标识4记录的回波限制的飞行时间测量的。容易得出关于飞行时间液位计仪器3应提供大约0.1%的精度，其对于浸没在具有ε_R=1.69的介电常数的液体中并且相距26.6纳秒的任何两个标识4转换为大约27皮秒的测量精度。对于浸没在液体中的两个标识4之间的更长分离距离，例如图3中都浸没在液体5中的第二和第四标识回波之间的53.2纳秒的飞行时间差值，要求的飞行时间测量精度可以被相应地放宽。然而，可以使用更严格的精度来测量浸没在液体5中的连续的成对标识4之间的传播速度的变化，从而也允许液位计仪器3测量容器1下部的液体密度的变化。密度分布在液化天然气行业中是监测并且最终排除翻滚风险的问题。目前的解决方案使用通过液体5下降和上升的传感器。本方案不包括移动部件，这是有利的，因为它提供坚固性、可靠性和最小的维护成本。

基于现代雷达类型的液位计仪器3，例如由Kongsberg Maritime AS提供的AutroCAL^®仪器，在图3中的回波图的飞行时间范围内以远低于27皮秒的精度容易地测量回波飞行时间。假设来自液体中的障碍物部件4的回波强度与由液位计仪器3限制的一般的信号噪声电平相比足够大，比如大大超过30 dB（即关于功率是1000:1），则关于飞行时间的回波信号位置容易地以充分在0.01%内的精度被测量，或者在270纳秒的飞行时间位置处具有27皮秒的精度。通过v=2.256·10⁸ m/s的传播速度，这个飞行时间相应于存储容器中的60米的深度。值得重申的是，测量系统的该质量不由液位计仪器3准确地测量飞行时间的能力限制，而是受到由液位计仪器3所保持的一般噪声电平施加的干扰的限制。

Claims (3)

1.一种利用电磁波信号准确测量存储在容器（1）内的液体的液体密度的方法，包括发射和收集所述电磁波信号在管状导管（2）内的能量的液位计仪器（3），所述管状导管（2）能够呈现任何截面形状，其从所述液体存储容器（1）的顶部竖直向下延伸到底部从而部分地浸入液体（5）中，并且装备有通风狭缝或孔以便允许液体不受阻碍地在所述导管内上升和下降，其中也在距离液位计参考高度（7）已知的距离的固定位置处安装有若干个障碍物部件（4），其特征在于以下步骤：

使所述液位计仪器（3）监测由液体表面（8）和障碍物部件（4）反向散射的所述电磁波信号的若干个回波；

使所述液位计仪器（3）根据公式 计算在管状波导（2）中传播的电磁波信号的传播速度s，其中，θ₁和θ₀表示由所述两个障碍物部件(4)产生的回波的测量飞行时间，所述两个障碍物部件(4)位于距离液位计参考高度(7)的相应距离R₁和R₀处，并且在于

使得所述液位计仪器（3）使用由所述液体（5）限制的传播速度 s，以产生存储在所述存储容器（1）内的所述液体（5）的密度的测量。

2.根据权利要求（1）所述的方法，其特征在于：

使所述液位计仪器（3）利用来自连续的成对障碍物部件（4）的回波，

使所述液位计仪器（3）测量电磁波信号在管状导管（2）上下路径上的传播速度的变化，

使所述液位计仪器（3）使用液体（5）中的传播速度的变化以监测所述容器（1）下部的液体密度的分布。

3.一种利用电磁波准确测量液体密度的装置，包括发射和收集所述电磁波信号在管状导管（2）内的能量的液位计仪器（3），所述管状导管（2）从液体存储容器（1）的顶部竖直向下延伸到底部从而部分地浸入液体（5）中，并且装备有通风狭缝或孔以便允许液体不受阻碍地在所述导管内上升或下降，其中也在距离液位计参考高度（7）已知的距离的固定位置处安装有若干个障碍物部件（4），其特征在于：

所述障碍物部件（4）被布置成允许液位（8）不受阻碍地上升和下降，同时仍然保持既不存在也不维持管状导管（2）内的电磁波传播的不期望的波型的特征；

所述障碍物部件（4）被制造成产生在管状导管（2）中传播的电磁波信号的清晰明确的回波；以及

用浸没在液体（5）中的障碍物部件（4）限制的回波的信号强度通过材料（10）的适当选择以允许所述仪器以要求的10^-4的精度在60米的飞行时间距离内测量回波飞行时间，从而适于液位计仪器（3）的固有噪声电平。