CN114127516A - 液位测量仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液位测量仪器，该液位测量仪器包括：发射器，该发射器被配置成发射电磁传输信号，该电磁传输信号是微波信号或无线电波信号；接收器，该接收器被配置成接收多个电磁返回信号；细长电磁辐射引导件，该细长电磁辐射引导件联接到该发射器以引导该电磁传输信号；其中该细长电磁辐射引导件设有沿着该细长电磁辐射引导件间隔的多个窗口，该窗口能够至少部分地透射该电磁传输信号，使得在使用中，当该细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，该电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并生成电磁返回信号，来自每个窗口的返回信号取决于邻近每个窗口的流体的参数，使得流体柱中的不同流体具有不同的返回信号，并且其中接收器被配置成区分电磁返回信号，并且因此基于流体柱中的不同流体的相对介电常数的差异来确定流体柱中的一种或多种流体的液位。
Description
技术领域
本发明涉及一种液位测量仪器，该液位测量仪器用于测量流体柱中的流体的液位，并且有利地用于测量多层流体柱中(诸如油分离器单元中)的多种流体的液位。
背景技术
多年来，已经通过测量由在容器内的一个或多个液位下检测到的辐射源发射的辐射量，使用核子液位计进行填充液位(特别是包含液体、气体和流体多相材料的流体，诸如乳液和浆液的填充液位)的测量。辐射在通过材料时衰减，衰减量与该源和检测器之间的材料密度有关。通过比较在容器的不同液位下检测到的辐射衰减，可以估计容器中容纳的材料的高度。
在W02000/022387中描述了基于这些原理的密度分析仪。该装置包括电离辐射源的线性阵列，其朝向设置在一个或多个线性阵列中的检测器发射辐射。当源阵列和一个或多个检测器阵列被定位成使得它们横穿容器中两种或更多种流体之间的界面时，可以根据阵列中的每个检测器所接收的辐射的差异来识别流体的界面。该装置已成功部署用于储罐和油分离器中。
可能不希望使用包括电离辐射源的装置。在世界的某些地方，核子技术可能不是一个可行的选项。因此，已经提出了不需要电离辐射源的具有类似功能的替代检测器布置结构。
已知雷达液位计系统用于测量容器中的流体液位。具体地，导波雷达液位传感器探头是已知的，其中发射的电磁信号通过通常从容器的顶部到底部竖直地布置的波导朝向容器被引导并进入容器中。电磁信号在流体表面处反射并且通过接收器接收回液位计系统。从发射到接收信号的时间用于确定容器中的液位。
然而，传统的导波雷达解决方案存在局限性。例如，虽然导波解决方案可以检测到清洁的油-水界面，但如果有乳液阻碍，它们就无法检测到油-水界面。此外，微波不会通过水传输，因此不会有效地探测到水界面之外。
本发明的目的是提供一种非核子测量仪器，该非核子测量仪器用于测量材料的液位，尤其是流体的液位，并且任选地用于测量/计算多层流体柱的液位分布，这减轻了当前导波雷达解决方案的一些或所有前述缺点并且/或者提供了替代功能和/或增强的准确度。
发明内容
本说明书描述了一种液位测量仪器，该液位测量仪器包括：
发射器，该发射器被配置成发射电磁传输信号，该电磁传输信号是微波信号或无线电波信号；
接收器，该接收器被配置成接收多个电磁返回信号；
细长电磁辐射引导件，该细长电磁辐射引导件联接到该发射器以引导该电磁传输信号；
其中细长电磁辐射引导件设有沿着该细长电磁辐射引导件间隔的多个窗口，所述窗口能够至少部分地透射电磁传输信号，使得在使用中，当细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并生成电磁返回信号，来自每个窗口的返回信号取决于邻近每个窗口的流体的参数，使得流体柱中的不同流体具有不同的返回信号，并且
其中接收器被配置成区分电磁返回信号，并且因此基于流体柱中的不同流体的相对介电常数的差异来确定流体柱中的一种或多种流体的液位。
还提供了一种测量流体柱中的一种或多种流体的液位的方法，该方法包括：
将如本文所述的液位测量设备引入到流体柱中，使得细长电磁辐射引导件延伸穿过该流体柱，
通过细长电磁辐射引导件发射电磁传输信号，该电磁传输信号是微波信号或无线电波信号，使得电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并且生成电磁返回信号，来自每个窗口的电磁返回信号取决于邻近每个窗口的流体的参数，使得流体柱中的不同流体具有不同的返回信号；
接收电磁返回信号；以及
处理返回信号以区分来自窗口中的每个窗口的电磁返回信号，并且基于流体柱中的不同流体的相对介电常数的差异来确定流体柱中的一种或多种流体的液位。
此外，提供了一种系统，该系统包括用于容纳流体的容器和如本文所述的液位测量仪器，该液位测量仪器被安装成使得该液位测量仪器的细长电磁辐射引导件延伸穿过该容器。
附图说明
现在将参考附图仅以示例的方式描述本发明，其中：
图1示出了液位测量仪器的剖面示意图；并且
图2示出了可以从一系列可用选项中选择信号频率的飞行时间测量系统的系统配置的示意图。
具体实施方式
本说明书提供一种液位测量仪器，该液位测量仪器包括用于发射电磁传输信号的发射器和用于接收多个电磁返回信号的接收器。该仪器还包括细长电磁辐射引导件，该细长电磁辐射引导件联接到发射器和接收器以在使用中引导电磁传输信号和电磁返回信号。细长电磁辐射引导件设有沿着该细长电磁辐射引导件间隔的多个窗口，所述窗口能够至少部分地透射电磁传输信号，使得在使用中，当细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并生成电磁返回信号。来自每个窗口的返回信号取决于邻近每个窗口的流体的参数(例如，相对介电常数)，使得流体柱中的不同流体具有不同的返回信号。接收器被配置成区分电磁返回信号，并且因此确定流体柱中的一种或多种流体的液位。
该仪器能够分析复杂的多层流体柱，该多层流体柱包括油/水界面和乳液，并且可以在油分离器单元中发现。因此，该仪器可以提供对现有技术雷达液位计系统的功能改进，同时还避免使用核子源。改进功能的一个原因是电磁辐射不通过来自上方的流体层引导。相反，电磁辐射被引导通过波导，并且仅在波导中提供窗口的限定竖直位置处与细长电磁波导外部的流体相互作用。在这方面，该配置类似于在限定竖直位置处提供多个核子源。
本发明仪器的另一个优点是，其不需要提供设置在流体柱的不同深度处的多个发射器。波导可以沿着细长波导引导来自单个发射器的电磁辐射，并且窗口的作用是提供多个询问点而无需具有单独的发射器。类似地，该配置不需要设置在流体柱的不同深度处的多个接收器。波导沿着该波导引导来自多个窗口的返回信号，使得可以提供单个接收器。单个接收器可以位于与发射器单元相同的壳体中。也就是说，发射器和接收器可以设置在细长电磁辐射引导件的一个端部处的壳体中。因此，本发明配置提供了具有降低的部件要求的物理上紧凑的系统。
细长电磁辐射引导件可以被配置成使得当所述细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，流体不通过所述窗口进入所述细长电磁辐射引导件。例如，细长电磁辐射引导件可以由管状构件(例如金属管状构件)形成，电磁传输信号和电磁返回信号在使用中被引导通过该管状构件，并且窗口可以通过固体透射材料(例如，玻璃或陶瓷材料，诸如用于微波系统的石英)密封，该固体透射材料对电磁传输信号至少部分透明。固体透射材料可以作为单独的窗口板提供或作为位于波导内部或外部的管状构件提供。另选地，固体透射材料可以部分地或完全地填充细长电磁辐射引导件的内部。
在某些配置中，窗口由细长电磁辐射引导件中的狭槽形成，从而提供开槽波导。开槽波导已知用于其它技术应用，但是申请人不知道在如本文所述的液位测量仪器中使用此类开槽波导的任何建议。
在某些配置中，发射器被配置成发射微波信号或无线电波信号。发射器可以被配置成发射频率在0.3GHz至300GHz，优选地2GHz至20GHz，例如2GHz至11GHz或2.4GHz至2.5GHz的范围内的电磁辐射。
接收器被配置成区分电磁返回信号，并且因此基于流体柱中的不同流体的参数的差异来确定流体柱中的一种或多种流体的液位。所利用的特定参数将取决于使用的电磁辐射的类型和待分析的流体的类型。对于基于微波的仪器，流体的相对介电常数的差异可以被检测并用于确定每种液体的液位。
如本文所述的仪器可以用于如下测量流体柱中的一种或多种流体的液位的方法中。
将液位测量设备引入到流体柱中，使得细长电磁辐射引导件延伸穿过该流体柱。然后，电磁传输信号通过细长电磁辐射引导件发射，使得电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并生成电磁返回信号。如前所述，来自每个窗口的电磁返回信号取决于邻近每个窗口的流体的一个或多个参数，使得流体柱中的不同流体具有不同的返回信号。然后将返回信号引导回接收器，它们在接收器中进行处理以区分来自窗口中的每个窗口的信号并确定流体柱中的一种或多种流体的液位。
因此，当将细长电磁辐射引导件插入到需要液位分布信息的容器中时，使发射信号经受由波导中的窗口中的每个窗口处的材料(例如材料诸如容器中的流体，或者不存在此类材料)介导的相互作用。例如，可以使发射信号经受由窗口中的每个窗口处的材料的介电特性介导的相互作用。例如，可以使发射信号穿过位点处的材料/流体并且经受吸收和/或散射相互作用和/或可以使发射信号被材料反射。因此，在由窗口中的每个窗口处的材料介导的此类相互作用之后，可以针对波导中的每个窗口产生相应的返回信号。然后可以处理从这些多个位点中的每个位点获得的返回信号，以确定每个位点/窗口处的材料的介电特性(例如介电常数)。由此可以推断出材料的组成和/或液位和/或材料之间的任何界面的液位。
此外，虽然该仪器不直接测量密度，但该仪器可以被配置成计算密度，并且因此例如生成密度分布。在这方面，该仪器检测不同材料的层，并且因此检测不同密度的层。可以预先校准该仪器以将接收信号转换为密度值。此外，可以注意到，对于水-油乳液，油中水的质量密度将至少在一阶上与介电常数相关。因此，除了水层和油层之外，该仪器还可用于确定乳液的密度。
发射器和接收器可以作为收发器提供。发射器可以包括用于生成电磁信号的合适信号发生器或与其相关联。另选地，可以提供单独的发射器和接收器。
在一种配置中，接收器可以包括接收阵列，在该接收阵列中提供多个接收元件，每个接收元件被设置成接收对应于来自所述电磁辐射发射位点中的一个电磁辐射发射位点的相应发射信号的返回信号。此类接收阵列可以与窗口位点远程间隔，例如在细长波导的一个端部处。在某些配置上，可以提供与细长波导完全分离的接收阵列。例如，接收器可以包括与发射电磁辐射引导件分离的细长接收形成物，并设有接收阵列，该接收阵列具有沿其延伸长度的至少一部分设置的多个接收元件。
该仪器优选地适于插入容器中，使得细长电磁辐射引导件延伸到容器中，并且延伸到其中容纳的材料/流体中，例如从容器顶部大体上竖直地延伸。因此，该仪器适于安装到容纳至少需要确定其液位的材料的容器中。
应当注意，如本文所用的术语流体柱旨在包括除一种或多种流体材料之外还可以包括一种或多种固体材料的材料柱。此外，术语流体柱不旨在限于竖直取向的细长容器。流体柱可以处于立式或卧式容器中。例如，在某些应用中，该仪器可以用于主要是卧式容器的脱盐器和生产分离器中。
沿电磁辐射引导件的延伸长度在纵向间隔阵列中提供多个电磁辐射窗口/检测位点意味着该仪器特别适于测量/计算混合材料系统(诸如包含不同密度和不同介电特性的两种或更多种物质的混合流体系统)的分布。例如，该仪器适于与容纳层状/分层材料组合物的容器结合使用并安装到该容器中，该组合物至少包含具有第一密度的第一物质和具有不同于第一密度的第二密度的第二物质，由此该仪器适于并且在安装在容器中的情况下被适当地设置成确定第一物质与第二物质之间的界面的液位。
此外，例如，该仪器可以适于与容纳层状/分层材料组合物的容器结合使用并安装到该容器中，该组合物至少包含具有第一密度的第一物质、具有大于第一密度的第二密度的第二物质和具有大于第二密度的第三密度的第三物质，由此该仪器适于并且在安装在容器中的情况下被适当地设置成确定第一物质与第二物质之间的界面的液位以及第二物质与第三物质之间的界面的液位。
待测量的一种或多种物质不限于任何特定的材料相，并且因此可以包括固体、液体和气体。可以应用本发明的仪器的物质的一些示例包括但不限于石油产品和其它生产的化学产品、水、污泥/沙子等。
然而，本发明可以在包含多个分层不混溶流体相和另外至少一个固相的容器的液位测量中进行特定应用。可以应用本发明的此类相的组合的特定示例可以是包含油相、水相和空气或其他气相的容器。此类材料将表现出不同的介电特性。因此，发射信号将根据在波导中的每个窗口处存在的材料而不同地相互作用，从而提供检测位点阵列。所接收的返回信号的结果差异允许推断出相应的相和/或它们的液位。
电磁辐射引导件可以包括至少一种材料，该至少一种材料具有的相对介电常数小于水的相对介电常数。合适的材料可以具有小于10的相对介电常数。该至少一种材料可以具有小于5的相对介电常数。低介电常数材料适合用作微波传输窗口和/或通过波导的核心提供。电磁辐射引导件还可以包括合适的导体。例如，电磁辐射引导件可以由用于限制和引导电磁辐射的金属管材形成。
电磁辐射引导件可以是基本上环形的，并且例如可以包括细长中空构件，诸如具有正方形、矩形或倒圆(例如圆形或椭圆形)横截面的管。细长管优选地是封闭管，除了沿其延伸长度的至少一部分间隔以构成检测位点阵列的窗口/狭槽之外。
为了防止容器内容物在使用期间进入，此类环形和/或中空电磁辐射引导件的内部可以填充有电介质的固体填充材料，并且优选地可以填充有对于在使用中待由电磁辐射引导件引导的电磁辐射基本上透明的填充材料。例如，在电磁辐射是微波辐射的情况下，电磁辐射引导件可以填充有基本上微波透明的填充材料。合适的填充材料可包括陶瓷材料。
本发明的仪器方便地包括在使用中适于安置在容器外部的头部部分和在使用中适于延伸到容器中并延伸到其中容纳的材料中的细长探头部分。细长探头部分包括细长电磁发射辐射引导件。
任选地，探头部分可以另外包括接收器，并且发射电磁辐射引导件可以另外用作引导返回电磁辐射的装置。
另选地，可以将接收器与包括细长电磁辐射引导件的探头部分分开提供，例如提供于第二探头部分中，该第二探头部分在使用中适于延伸到容器中并延伸到其中容纳的材料中，例如与第一探头部分间隔以在返回电磁辐射传输通过其中容纳的材料之后接收该返回电磁辐射。
头部部分和探头部分中的一者或两者可以容纳在合适的壳体内并由其保护。壳体被设计成承受可以部署该仪器的条件，包括超过环境温度和压力的那些条件。至少探头部分的壳体可以包括热绝缘。合适的热绝缘体具有<0.05W/m/K，尤其是<0.005W/m/K的热导率(K)。可以提供温度传感器以监测壳体内的一个或多个位置处的温度。
使传输信号经受由每个窗口位点处的材料介导的相互作用。如前所述，相互作用可以是吸收、散射或反射中的一者或多者。一种方法是设置每个窗口位点处的共振条件，比较相应的共振频率，并且从中得出关于存在于相应窗口位点中的每个窗口位点处的材料推断。
图1所示的仪器(以剖面示意图示出)具有用于微波辐射发射器(未示出)的壳体2，该壳体在使用中适于位于容器外部；以及在使用中延伸到容器和内容物中的细长探头部分4。
探头部分4包括由导电波导壁限定的细长圆柱形微波波导。用于导电波导壁的合适材料可以包括金属，例如铜、铝或钢。波导放射性地联接到发射器以用于沿着其长度传递发射的电磁辐射。
在导电波导壁中提供纵向间隔的波导狭槽6阵列。传统上，开槽制导雷达天线用作船用天线，以监测航行。这些系统通常使用微波形式，因为电磁辐射由天线发射。本发明对其制导微波探头使用类似的原理。
当将波导探头4插入容纳需要分布信息的多层物质的容器中时，可以研究由来自波导中的每个狭槽6的信号在与相应狭槽处的材料相互作用(例如透射和/或反射)之后产生的返回信号，以了解相应狭槽处的材料的介电特性，并且可以由此推断该分布信息。
可以结合由制导微波探头中的狭槽限定的发射器阵列提供任何合适的接收器布置结构。
在图1所示的配置中，发射器和接收器设置在波导的端部处的壳体2中。然而，在替代配置中，可提供第二探头，该第二探头包括接收元件阵列，每个接收元件在使用中对应于发射狭槽。然后，每个接收元件在与相应狭槽外部的材料相互作用之后接收单独的微波信号，该相互作用已由材料的介电特性介导。例如，在使用中，第二探头可以与第一探头间隔，使得每个接收信号是由通过材料的传输介导的信号，因此受到吸收。
本文所述的开槽波导配置和标准船用天线之间的一个差异是必须保护本发明仪器中的波导的内部免受正在分析的外部流体的影响，否则这些流体可能会进入波导并阻止其正常工作。为了防止这种情况，波导狭槽6可以设有实心透明窗口和/或波导可以填充有对微波透明的材料。图1示出了波导探头4的导电波导壁内的陶瓷波导8。
返回电磁信号可以以各种方式处理。从发射到接收信号的时间可以用于确定每个接收信号的电平并将每个接收信号与相应狭槽相关联，从而允许推断分布信息。图2示出了用于飞行时间测量系统的系统配置的基本框图。现有射频(RF)电子构建块可用于构建可以为本文所述的系统生成、发射、接收和测量必要的RF信号的系统。雷达和通信系统中常用的构建块是“直接数字合成”(DDS)装置，其可以直接构建从低频到RF的各种高纯度和稳定的波形。可用的混频器还可用于将DDS信号上变频到所需的任何频率。DDS还能够配置输出信号的频率特性-单音、扫频和线性调频(通常用于雷达)都可以轻松设置。
RF电压/功率测量可直接使用至多数十千兆赫的标准现成部件轻松实现，无需下变频。这些装置采用RF信号并生成可以直接数字化为分析的代表性DC输出信号。如果利用RF信号的飞行时间测量，则超快数字电子设备可用于构建高速定时子系统。
虽然已参考某些实施方案具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。
Claims (12)
1.一种液位测量仪器，所述液位测量仪器包括：
发射器，所述发射器被配置成发射电磁传输信号，所述电磁传输信号是微波信号或无线电波信号；
接收器，所述接收器被配置成接收多个电磁返回信号；
细长电磁辐射引导件，所述细长电磁辐射引导件联接到所述发射器以引导所述电磁传输信号；
其中所述细长电磁辐射引导件设有沿着所述细长电磁辐射引导件间隔的多个窗口，所述窗口能够至少部分地透射所述电磁传输信号，使得在使用中，当所述细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，所述电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并生成电磁返回信号，来自每个窗口的所述返回信号取决于邻近每个窗口的所述流体的参数，使得所述流体柱中的不同流体具有不同的返回信号，并且
其中所述接收器被配置成区分所述电磁返回信号，并且因此基于所述流体柱中的不同流体的相对介电常数的差异来确定所述流体柱中的一种或多种流体的液位。
2.根据权利要求1所述的液位测量仪器，
其中所述细长电磁辐射引导件被配置成使得当所述细长电磁辐射引导件被引入到流体柱中时，流体不通过所述窗口进入所述细长电磁辐射引导件。
3.根据权利要求2所述的液位测量仪器，
其中所述细长电磁辐射引导件由管状构件形成，所述电磁传输信号在使用中被引导通过所述管状构件，并且
所述窗口通过固体透射材料密封，所述固体透射材料对所述电磁传输信号至少部分透明。
4.根据权利要求3所述的液位测量仪器，
其中所述固体透射材料至少部分地填充所述细长电磁辐射引导件的内部。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的液位测量仪器，
其中所述管状构件是金属的，并且所述固体透射材料是玻璃或陶瓷。
6.根据前述权利要求中任一项所述的液位测量仪器，
其中所述窗口由所述细长电磁辐射引导件中的狭槽形成，从而提供开槽波导。
7.根据前述权利要求中任一项所述的液位测量仪器，
其中所述发射器被配置成发射频率在0.3GHz至300GHz范围内的电磁辐射。
8.根据权利要求7所述的液位测量仪器，
其中所述发射器被配置成发射频率在2GHz至20GHz范围内的电磁辐射。
9.根据前述权利要求中任一项所述的液位测量仪器，
其中所述发射器和所述接收器设置在所述细长电磁辐射引导件的一个端部处的壳体中。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的液位测量仪器，
其中所述接收器设置在与所述细长电磁辐射引导件间隔开的单独壳体中。
11.一种测量流体柱中的一种或多种流体的液位的方法，所述方法包括：
将根据前述权利要求中任一项所述的液位测量设备引入到所述流体柱中，使得所述细长电磁辐射引导件延伸穿过所述流体柱；
通过所述细长电磁辐射引导件发射电磁传输信号，所述电磁传输信号是微波信号或无线电波信号，使得所述电磁传输信号与邻近每个窗口的流体相互作用并且生成电磁返回信号，来自每个窗口的所述电磁返回信号取决于邻近每个窗口的所述流体的参数，使得所述流体柱中的不同流体具有不同的返回信号；
接收所述电磁返回信号；以及
处理所述返回信号以区分来自所述窗口中的每个窗口的所述电磁返回信号，并且基于所述流体柱中的不同流体的相对介电常数的差异来确定所述流体柱中的一种或多种流体的液位。
12.一种系统，所述系统包括用于容纳流体的容器和根据权利要求1至10中任一项所述的液位测量仪器，所述液位测量仪器被安装成使得所述液位测量仪器的所述细长电磁辐射引导件延伸穿过所述容器。
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