CN105806445A - 多变量导波雷达探针 - Google Patents

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Abstract

一种多变量流体水位检测系统，包括：导波雷达探针，一个或多个传感器与该探针集成，用于产生传感器信号；发射机，用于沿着所述探针向下发送引导的微波脉冲；接收机，用于接收反射的微波脉冲；以及处理器，用于基于发送脉冲和接收反射脉冲之间的时间差和传感器信号，产生流体水位的测量。

Description

多变量导波雷达探针
技术领域
本发明涉及用于检测封闭罐内流体水位的导波雷达测量。
背景技术
导波雷达罐探针从顶部插入罐并浸入过程流体。然后，探针用于将引导的电磁波发送到罐内包含的一种或多种流体中。电磁波是由发射机通过探针发送的。当波遇到具有不同介电常数的流体时发生反射。此时，部分能量将以反射波的形式反射回来。波的未反射部分将继续穿过流体，直到其到达具有不同介电常数的另一流体、罐底或探针的末端。接收机接收到所有反射。
在波由罐内流体的表面反射回来时发生接收。波的速度和波反射的强度取决于波经过的流体的介电常数。在接收之后，处理一个或多个反射以用于定时差分。这些定时差分被转换为距离，然后计算罐中包含的流体的水位。
诸如电磁波的错误发送或接收、电线或连接管的不正确安装、罐压力或温度的改变、罐流体流速的改变、流体浓度的改变、流体密度的改变或测量具有非常低的介电常数的流体(例如具有比水的介电常数少约八倍的介电常数的油)的水位等的若干因素可能影响水位计算的精确度。不精确的计算造成罐内流体水位的不正确报告，这可能导致正在使用罐的过程中的错误告警和不必要的停止。
已经作出克服水位不精确的尝试。已经使用通过一个或多个收发机发送多个雷达信号的雷达系统来计算多个罐水位以用于比较。然而，这些系统尽管善于检测一个雷达分量的故障，但是仍易受上述其他造成失真的系统因素的影响。
通过在固定位置添加单独的、非整体的压力传感器，已经作出克服雷达不精确的其他尝试。然而，这些传感器在罐中的布置限制了其精确度和可用性。该解决方案还是难以安装且昂贵的，因为传感器是在探针组合件外部，需要额外的罐改型。
发明内容
在一个实施例中，提供一种多变量流体水位检测系统，包括：导波雷达探针，具有与所述探针集成的第一传感器，用于产生第一传感器信号，所述第一传感器信号是第一感测参数的函数；发射机，用于沿着所述探针向下发送引导的微波脉冲；接收机，用于接收反射的微波脉冲；以及处理器，用于基于脉冲的发送和反射脉冲的接收之间的时间差并基于所述第一传感器信号，产生流体水位的测量。
在另一实施例中，提供一种多变量流体水位检测系统，包括导波雷达探针。所述探针包括：发射机，用于沿着所述探针向下发送引导的微波脉冲；接收机，用于接收反射的微波脉冲；多个传感器，与所述探针集成，所述多个传感器产生传感器信号，所述传感器信号是感测参数的函数；以及处理器，用于基于从发送引导的微波脉冲到接收反射的微波脉冲的时间并基于所述多个感测信号，产生测量输出。
另一实施例包括一种用于沿着探针组合件向下发送导波脉冲到第一流体中的方法。导波从所述第一流体反射并然后被检测到。该方法还包括产生第一信号，所述第一信号是第一感测参数的函数。第一信号由第一传感器产生，第一传感器与探针组合件集成。然后，基于从发送导波脉冲到接收反射脉冲的时间和第一感测参数，产生测量输出。
附图说明
图1是示出了根据本公开的第一实施例的多变量水位检测系统的实施例的截面图。
图2是示出了根据本公开的多变量水位检测系统的框图。
图3是示出了导波雷达水位检测系统中检测的水位测量的示意图。
具体实施方式
根据本公开的技术，通过将一个或更多个传感器集成到导波雷达探针中，可以更精确地完成流体水位检测。除了发送单个或多个导波、检测波的反射并基于波检测来计算水位之外，一个或更多个传感器感测罐内的额外参数。这些传感器提供额外参数，这些额外参数结合导波雷达测量可以提供罐内更精确的和可靠的水位测量。此外，将这些附加传感器集成到探针系统中降低了系统构建和安装的成本以及罐服务的成本。
图1是示出了用于使用多个变量来检测罐12内流体的水位FL的多变量水位检测系统(MLD)10的示例的截面图。罐12包含：第一流体L1、第二流体L2和第三流体G1。流体水位FL表示第三流体G1(气体)和第一流体L1(罐12内的上层流体)之间的界面。罐12包括罐安装接口16，MLD10安装在罐安装接口16上。
MLD10包括：设备头18、探针组合件20和MLD安装接口22。探针组合件20包括传感器24a-24n和砝码26。设备头18还包括：导波雷达(GWR)系统、传感器系统和其他内部电路(参考图2)。
MLD10在MLD安装接口22处安装到罐12，其中MLD安装接口22连接到罐安装接口16。探针组合件20插入罐12中并浸入气体G1、第一流体L1和第二流体L2。传感器24a-24n安装到探针组合件20，并暴露于气体G1、第一流体L1和第二流体L2。砝码26安装在靠近探针组合件20的末端。设备头18物理上连接到探针组合件20。在备选实施例中，可以使用刚性探针组合件，在这种情况下可以不需要砝码26。
MLD10计算、测量、监视并报告罐12中的流体水位FL。更具体地，通过探针组合件20测量罐12中第一流体L1(例如油)的水位。罐12还可以包含第二流体L2(例如水)和气体G1(例如空气)，气体G1位于第一流体L1和第二流体L2之上。探针组合件20具有感测参数的多个装置，以提供第一流体L1的水位14的精确测量。探针组合件20进行测量并传送给设备头18中的GWR系统和传感器系统。在设备头18中进行计算和监视，并通过各种装置最终向用户输出。
图2是示出了根据本公开的多变量水位检测系统的一个实施例的框图。MLD10包括探针组合件20和设备头18。探针组合件20包括：传感器24a-24n、探针外壳28、探针分割器30、传感器部分32和GWR部分34。设备头18包括GWR系统36和传感器系统38。GWR系统36包括GWR收发机40和GWR信号处理器42。GWR收发机40包括GWR发射机44和GWR接收机46。
设备头18还包括传感器系统38。传感器系统38包括：传感器24a-24n、传感器信号处理器48和传感器信号线50。传感器系统38还可以包括管理系统所需的其他电气组件。设备头18还包括：系统处理器52、存储器54、本地操作员接口(LOI)56、和通信接口58。设备头18中的所有这些组件由设备头外壳60包围。
MLD10安装到罐12(如图1所示)，其中探针组合件20附着到设备头18并插入罐12，使得其向下延伸经过气体G1、第一流体L1和第二流体L2，如图1所示。传感器24a-24n附着到探针组合件20。传感器系统38的传感器24a-24n通过传感器信号线50连接到传感器信号处理器48。
探针组合件20还连接到GWR系统36。GWR收发机40在GWR系统36中，GWR收发机40包括GWR发射机44和GWR接收机46。GWR发射机44和GWR接收机46连接到GWR信号处理器42。传感器信号处理器48和GWR信号处理器42通过单独的导线管电连接到系统处理器52。系统处理器52还电连接到存储器54、通信接口58和LOI56。通信接口58然后可以通过物理电连接或无线连接连接到外部通信设备。与MLD10中各种电气组件连接的导体可以是导线、电缆、印刷电路或能够承载电子信号或电磁信号的其他导体。
MLD10计算、测量、监视并报告罐12中的流体水位测量(参考图1)。罐中第一流体L1的水位是通过探针组合件20测量的。探针组合件20具有感测参数的多个装置，用于提供罐12中第一流体L1的流体水位FL的准确测量。感测参数的第一装置是通过GWR系统36。
GWR系统36分别通过处于GWR收发机40中的GWR发射机44和GWR接收机46发送和接收微波脉冲，导出主要参数。当GWR信号处理器42指示GWR发射机44发送这些脉冲时，GWR发射机44这样做。脉冲离开GWR发射机44，沿着探针组合件20的GWR部分34向下导向进入罐12、气体G1、第一流体L1和第二流体L2。微波被罐内在相邻流体之间发生介电常数改变的界面反射回来。GWR接收机46检测到所反射的脉冲。GWR收发机40向GWR信号处理器42传送回所反射的脉冲。GWR信号处理器42计算所发送的脉冲和所接收的反射脉冲之间的时间差。GWR信号处理器校正GWR接收机46检测的多个脉冲反射。多个脉冲反射可以由罐12中介电常数具有差异的相邻流体的界面产生。
通过传感器系统38感测额外的一个或多个参数。在本系统中，传感器24a-24n可以包括：温度传感器、压力传感器、流量传感器、振动传感器、加速计、各种其他传感器或这些传感器中一些或所有的组合。传感器24a-24n感测额外参数，并传送给传感器信号处理器48。传感器信号处理器48对所接收的传感器信号执行若干功能。在需要时，信号将被滤波和放大。然后，将传感器信号从模拟形式转换为数字形式。
在由传感器信号处理器48和GWR信号处理器42处理之后，参数被传送到系统处理器52。然后，系统处理器52对其已经接收的参数进行分析，并执行计算以确定水位测量值。所计算的值被存储到存储器54，并且系统处理器52将其与存储器54中先前存储的值进行比较。系统处理器52可以执行其他计算。然后，用户通过LOI56或经由通信接口58通过外部通信系统能够访问计算和比较的结果。
MLD10提供有益的若干特征。首先，MLD10需要非常少的罐改型。因为MLD10中的各种传感器与探针组合件20集成，需要对罐进行非常少的改型以使罐能够接受探针组合件20和MLD10。在图1中所示的实施例中，仅需要单个罐刺穿以使罐接受MLD10。
最小化罐改型对用户有若干优点，例如降低罐对末端用户的初始开销和缩短罐的交付时间。当针对罐应用需要标准罐或定制罐的定制时，制造商制造罐所需的时间通常增加。随着更少的刺穿，需要更少的定制，从而缩短制造时间和对于客户的罐交付时间。这允许压缩建造日程安排，节省时间和金钱。此外，最小化罐改型将降低对罐和探针的服务的复杂度。随着更少的刺穿，需要更少的替换部分和服务技术。
此外，更少的刺穿意味着更少的罐故障的机会。穿过罐的刺穿一般需要罐中的焊接，并具有保持罐的内容不泄漏的密封。这些通常是罐中的最薄弱点，并因此是最有可能故障的点。伴随更少的刺穿，罐将具有更少的薄弱点并因此将更少可能出现昂贵的罐故障。通过图3中的示意图最佳地示出MLD10的其他优点。
图3是示出了导波雷达水位检测系统中检测的水位测量的示意图。在图的x轴上显示时间(t)，并且在图的y轴上显示水位(1)，其中y轴的原点(O)表示空的水位(1)，而y轴的顶部表示满的水位(1)。时间(t)从其轴的左侧向右侧移动。
线62是对于罐12内的第一流体L1，随时间检测的波反射的图形表示。线64是对于罐12内的第二流体L2，随时间检测的波反射的图形表示。两个波均由GWR接收机36检测。区域66和区域68是正常操作期间随时间的波检测，其中罐12中的水位缓慢增加和减少。尖峰70和尖峰72分别表示第一流体L1和第二流体L2的水位检测中的快速增加和减少。区域74和区域76是在正常操作期间但在水位的快速增加之间随时间的波检测。
尖峰70和尖峰72在GWR系统中是有疑问的。尖峰70和尖峰72之前有区域66和68，区域66和68指示非满水位以预期的方式缓慢上升和下降。尖峰70和72之后紧跟有区域74和76，区域74和76也指示以预期的方式表现的非满水位。尖峰70和尖峰72紧跟在这些区域之前和之后暗示尖峰70和尖峰72是GWR系统的错误水位计算或测量。
MLD10的优点是其改进水位测量的精确度。诸如雷达波的错误发送或接收、罐压力或温度的改变、罐流体流速的改变、流体浓度的改变或流体密度的改变等的若干因素可以影响GWR系统的波检测的精确度。这种影响可以导致不精确性，例如图3的尖峰70和尖峰72。这些尖峰如果不校正错误则可能导致不正确的水位计算，这可能进而导致罐中流体水位的不正确报告。这是有问题的，因为罐中错误满情况的报告可以导致正在使用罐的过程中的错误告警和不必要的停止。这些停止可能是昂贵的。
MLD10通过检测多个参数来改进水位测量的精确度。将波雷达检测与温度、压力、流速、震动、力或罐12中的各种其他条件的测量进行组合允许进行更复杂的计算以更精确地确定罐中的水位。例如，力传感器可以用作用于检测探针组合件20的移动的传感器24a，在图1中所描绘的实施例中探针组合件20是非刚性的。这种移动可以导致由GWR进行的不正确的水位测量，例如图3的尖峰70和尖峰72。
在本示例中，力传感器可以检测探针组合件20在一个或许多方向上的力或加速度。探针组合件20的这种类型的移动可以是由于从流入罐中的流体的不正常的高容积流速或不正常的高压所施加的力。如果检测到移动，则可以在计算中考虑该移动并与最近存储的流体水位值进行比较以确定所检测的水位波动(例如图3的尖峰70和尖峰72)是流体水位的真实波动还是由于系统流效应对探针施加的力的结果。这在探针是柔性的本示例中特别有帮助，因为柔性的探针更易由于上述力而弯曲。结果是更少的高流体水位损害和更少的不期望的过程关闭，节省时间和金钱。
在另一示例中，压力换能器可以用作传感器24a-24n中的传感器。于是，系统处理器52可以通过比较先前在存储器54中存储的罐压力值来考虑罐的系统压力的改变。然后，系统压力的改变可以用于更新罐12中流体的密度值，然后该密度值可以用在基于所检测的微波反射时间的水位计算中，从而增加水位测量的精确度。如果使用温度传感器，则可以以相同方式改进测量。
MLD10还通过其他方式提供超越现有技术的额外精确度。如上所述，将波雷达检测与温度、压力、流、震动、加速计或罐12中的各种其他条件的测量进行组合允许进行复杂的计算以更精确地确定罐中的水位。此外，将波雷达检测与罐中以上所列条件的多个参数(或在多个位置处的相同参数)的测量进行组合可以提供进一步的精确度。
例如，当压力换能器用作传感器24a并且温度传感器用作传感器24b时，系统处理器52通过比较存储器54中先前存储的第一流体L1的压力和温度值，考虑罐中第一流体L1的系统压力和温度的改变。然后，系统压力和温度的改变可以用于更新第一流体L1的密度值，然后该密度值可以用在基于所检测的微波反射时间的水位计算中。更新且精确的密度值提高水位测量的精确度。与仅使用压力传感器或温度传感器相比，使用罐中流体的温度和压力两者可确定更精确的流体密度。
在另一示例中，力传感器可以用作传感器24a并且压力传感器可以用作传感器24b。这将允许通过传感器24a检测探针组合件20移动，并还将在基于从传感器24b接收到的压力读数来计算密度改变之后允许在系统处理器52中更新第一流体L1的密度值。如上所述，这意味着水位测量的精确度将增加，并可以检测到并避免高流体水位损害错误，提供整个系统精确度和冗余度的增加。
在另一示例中，压力传感器(或组合的压力和温度传感器)可以用于沿着探针组合件20垂直间隔的传感器24a-24n中的每一个。这里，MLD10基于先前存储的流体密度值和所计算的脉冲时间差分，进行初步水位检测。此后或同时地，系统处理器52可以读取在探针组合件20的不同高度处的所有压力传感器。通过知道所有压力传感器的高度，系统处理器52然后可以计算罐中所有流体的密度梯度。在水位计算中，密度值可以与在存储器54中存储的最新的密度梯度进行比较，纠正错误并然后更新。然后可以执行更精确的水位计算。利用温度传感器的替换或增加，可以执行类似的计算。加速传感器的增加还可以提供如上所述的进一步的精确度和冗余度。此外，具有检测流体水位能力的传感器(例如电导传感器)可以用在这种配置中。
尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解，在不背离本发明范围的前提下，可以对其要素作出各种改变或将其要素替换为等同物。另外，在不背离其基本范围的前提下，可以作出很多修改，以使特定情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不旨在受限于所公开的特定实施例，而是将意在包括落入所附权利要求范围中的所有实施例。

Claims (21)

1.一种多变量流体水位检测系统，包括：
导波雷达探针；
第一传感器，所述第一传感器与所述探针集成，所述第一传感器用于产生第一传感器信号，所述第一传感器信号是第一感测参数的函数；
发射机，用于沿着所述探针向下发送引导的微波脉冲；
接收机，用于接收反射的微波脉冲；
处理器，用于基于发送脉冲和接收反射脉冲之间的时间差并基于所述第一感测参数，产生流体水位的测量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一传感器包括：压力传感器、温度传感器或加速计。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：
第二传感器，所述第二传感器与所述探针集成，所述第二传感器用于产生第二传感器信号，所述第二传感器信号是第二感测参数的函数；
其中，所述处理器基于发送脉冲和接收反射脉冲之间的时间差、所述第一感测参数和所述第二感测参数，产生所述流体水位的测量。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个包括压力传感器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二传感器包括温度传感器。
6.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二传感器包括加速计。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述加速计传感器包括三轴加速计。
8.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个包括温度传感器。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述加速计包括三轴加速计。
10.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一传感器和所述第二传感器中的至少一个包括加速计。
11.一种多变量流体水位检测系统，包括：
导波雷达探针；
发射机，用于沿着所述探针向下发送引导的微波脉冲；
接收机，用于接收反射的微波脉冲；
多个传感器，所述多个传感器被集成在所述探针中，用于产生多个传感器信号，所述传感器信号是感测参数的函数；以及
处理器，用于基于从发送引导的微波脉冲到接收反射的微波脉冲的时间和多个传感器信号，产生测量输出。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个传感器包括一个或更多个压力传感器。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个传感器包括一个或更多个温度传感器。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述多个传感器包括一个或更多个加速计传感器。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述加速计包括三轴加速计。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个传感器包括一个或更多个温度传感器。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个传感器包括加速计。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述加速计传感器包括三轴加速计。
19.一种用于确定罐中的流体水位的方法，所述方法包括：
沿着探针组合件向下发送导波脉冲到第一流体中，其中，所述导波从所述第一流体反射；
检测从所述第一流体反射的波脉冲；
产生第一信号，所述第一信号是第一感测参数的函数，其中所述第一信号由第一传感器产生，所述第一传感器与探针组合件集成；以及
基于从发送所述导波脉冲到接收反射的波脉冲的时间和所述第一感测参数，产生测量输出。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
产生第二信号，所述第二信号是第二感测参数的函数，其中所述第二信号由第二传感器产生，所述第二传感器与所述探针组合件集成；以及
基于从发送所引导的微波脉冲到接收反射的微波脉冲的时间、所述第一感测参数和所述第二感测参数，产生测量输出。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一信号是压力信号、温度信号或力信号。
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