CN114556055A - 液位测量设备 - Google Patents

Abstract

一种用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的设备，该设备包括：发射器，该发射器用于发射电磁发射信号；接收器，该接收器用于接收电磁返回信号；和壳体，该壳体被构造成至少部分地浸没在容器中的一个或多个材料相内，该壳体包括壁，该壁限定设备的内部和外部以密封设备，使得当壳体被浸没在容器中的一个或多个材料相内时防止一个或多个材料相进入设备，壳体壁对电磁发射信号是不透明的；其中壳体在壳体壁中包括至少一个窗口，窗口对于电磁发射信号是至少部分透明的，发射器被布置成通过窗口发射电磁发射信号以与容器中的位于窗口外部的一个或多个材料相相互作用，并且接收器被布置成从窗口接收电磁返回信号，并处理该电磁返回信号以确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置，其中窗口安装在壳体的壁中，具有至少1000kPa(10巴)的压力额定值和至少150℃的温度额定值，以便防止窗口失效以及一种或多种材料相在高压和高温下进入设备，并且其中发射器被构造成发射微波信号或无线电波信号。

Description

液位测量设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定容器诸如油分离器单元内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或者两个材料相之间的界面的位置的设备。

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处检测到的辐射源发射的辐射量，使用核子液位计测量填料的液位，特别是包括液体、气体和多相材料诸如乳液和浆液的流体的液位。辐射在通过材料时衰减，衰减量与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WO2000/022387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。这些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被反射并且由接收器在液位计系统处接收回来。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和/或提供了替代功能和/或增强的准确度。

发明内容

本说明书提供了一种用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的设备，该设备包括：

发射器，所述发射器用于发射电磁发射信号；

接收器，所述接收器用于接收电磁返回信号；和

壳体，所述壳体被构造成至少部分地浸没在所述容器中的所述一个或多个材料相内，所述壳体包括壁，所述壁限定设备的内部和外部以密封所述设备，使得当所述壳体被浸没在所述容器中的所述一个或多个材料相内时防止所述一个或多个材料相进入所述设备，壳体壁对所述电磁发射信号是不透明的；

其中所述壳体在所述壳体壁中包括至少一个窗口，所述窗口对于所述电磁发射信号是至少部分透明的，所述发射器被布置成通过所述窗口发射所述电磁发射信号以与所述容器中的位于所述窗口外部的所述一个或多个材料相相互作用，并且所述接收器被布置成从所述窗口接收所述电磁返回信号以进行处理，以确定所述容器内的所述一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的所述界面的位置，

其中所述窗口安装在所述壳体的所述壁中，具有至少1000kPa

(10巴)的压力额定值和至少150℃的温度额定值，以便防止所述窗口失效以及所述一种或多种材料相在高压和高温下进入所述设备，并

且

其中所述发射器被构造成发射微波信号或无线电波信号。

壳体可以呈细长浸管的形式，其中沿着浸管提供多个窗口。窗口可以直接嵌入浸管的壁中。另选地，窗口可以安装到细长窗口安装件中，并且细长窗口安装件嵌入浸管的壁中。壳体提供密封环境，在该密封环境中，电磁信号可以被引导至多层流体柱的任何液位。因此，设备不具有传统导波雷达解决方案的限制，在该传统导波雷达解决方案中，电磁辐射通过流体柱被向下引导，使得多层流体柱中的下层的可靠检测被流体柱中的上层阻碍。

在一种构型中，设备包括发射器和接收器的阵列，该阵列设置在细长浸管内，使得每个窗口具有相关联的发射器和接收器。

在替代构型中，设备包括联接到发射器的细长电磁辐射引导件，以沿着浸管将电磁发射信号从发射器引导到多个窗口。在这种情况下，细长电磁辐射引导件还可以被配置成将电磁返回信号从多个窗口引导回到检测器。

如本文所述的设备必须密封该设备的内部，以防止该设备所在的容器中的周围材料相进入该设备。因此，设备壳体壁中提供的窗口必须被构造成承受需要使用该设备来监测的某些容器中所经历的高温和高压。对于某些应用，窗口可以被构造成具有至少2000kPa(20巴)、3000kPa(30巴)、4000kPa(40巴)或5000kPa(50巴)的压力额定值和/或至少200℃、250℃或300℃的温度额定值。窗口可以被构造成例如具有高达10,000kPa(100巴)的压力额定值和高达500℃的温度额定值。

为了增加窗口的压力额定值，窗口可以通过倾斜的或阶梯式的壁密封件形式的锥形密封件安装在壳体的壁中，以防止窗口在经受来自设备所在的容器内的材料相的压力时被推入设备中。在某些构型中，壳体壁是金属，一个或多个窗口是玻璃，并且一个或多个玻璃窗口通过玻璃金属粘接剂安装在壳体的金属壁中。可提供承受高温下额定压力的观察镜，诸如硼硅酸盐观察镜。可以通过加热金属环绕件以使环绕件膨胀、插入窗口，以及允许环绕件围绕窗口冷却和收缩来安装窗口。窗口的边缘熔化，并通过玻璃金属粘接剂粘结到金属环绕件，并且环绕件冷却收缩以压紧窗口从而提供紧密压力密封。该安装方法还具有避免使用会与设备在使用过程中所在的容器内的材料反应的粘合剂的优点。也就是说，玻璃金属粘接剂提供化学惰性密封。

如本文所述的设备用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。提供了一种用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的方法，该方法包括：

将设备引入容器中；

通过所述一个或多个窗口发射电磁发射信号，所述电磁发射信号是微波信号或无线电波信号；

从所述一个或多个窗口接收电磁返回信号；以及

处理所述电磁返回信号以确定所述容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。

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示出了包括多个微波收发器的液位测量设备的横截面；

图2示出了包括微波收发器和波导的另一液位测量设备的剖面示意图；

图3是包括液位测量设备的油水分离器的示意图；

图4示出了与图1和图2中所示的设备一起使用的浸管，其中多个窗口已被安装在细长窗口安装件中，并且细长窗口安装件嵌入在浸管的壁中；并且

图5是与图1和图2所示的设备一起使用的浸管，其中多个窗口已被直接安装到浸管中。

具体实施方式

图1示出了包括壳体12内的多个微波收发器8的液位测量设备的示意性横截面视图。还描绘了窗口13，该窗口被定位成允许电磁辐射离开并返回到壳体12中。当在流体环境中使用时，壳体12可为浸料管或浸管，其在微波收发器与被成型的材料之间提供耐机械和耐化学阻隔。选择具有足够强度和耐化学性的壳体材料。

在图1所示的布置结构中，每个窗口13与对应的微波收发器8相关联。图2示出了替代布置结构，该替代布置结构具有位于外壳2中的微波收发器和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。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。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。

图3是位于油水分离器内的液位测量设备的示意图。壳体13被示出为被布置成竖直阵列，该竖直阵列基本上延伸分离器的整个高度。壳体13穿过分离容器的壁并且浸入容器内的材料层中。输入流14是油、气和水的混合物，该混合物被传递到预处理器15中以实现气体的初步分离，该气体经由管线16排出，通常以用于进一步处理。液体(即油和水)经由管线17排出。在分离成气体19、水20、油22和沙子或沉淀物21的层之前，流体流动被挡板18减慢并使湍流更少。单独的层通过相应的端口23、24、25流出容器。可提供另一端口以去除沙子或沉淀物21。在操作中，处理由壳体13内的检测器检测到的信号，以确定每个窗口位置处的材料的性质，因此可在整个分离器中确定每个层的位置和深度。还可以确定气体和水之间以及水层和油层之间的任何不期望的混合层的存在、位置和厚度。

图1和图2中所示出的仪器能够分析复杂的多层流体柱，该多层流体柱包括可存在于油分离器单元中的油/水界面和乳液。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，该构型类似于在限定的竖直位置处提供多个核子源。多个发射器可以设置在流体柱的不同深度处，如图1的构型中所示出。另选地，如图2所示的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查询点而无需具有单独的发射器。类似地，图2的构型不需要在流体柱的不同深度处设置的多个接收器。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。在图1和图2所示的构型中的任一个构型中，设备必须被构造成使得当被引入到流体柱中时流体不会通过窗口进入细长电磁辐射引导件。

图4和图5示出了浸管的示例，在该浸管中已经安装了多个窗口。在图4中，窗口已安装在细长窗口安装件中，并且细长窗口安装件嵌入浸管的壁中。在图5中，窗口直接安装在浸管中。此类浸管提供壳体，该壳体被构造成至少部分地浸没在容器中的一个或多个材料相内，壳体包括壁，该壁限定设备的内部和外部以密封设备，使得当壳体被浸没在容器中的一个或多个材料相内时防止一个或多个材料相进入设备。浸管壁对电磁发射信号是不透明的。相比之下，窗口对电磁发射信号是至少部分透明的。

一个或多个发射器被布置成通过窗口发射电磁发射信号以与容器中的窗口外部的一个或多个材料相相互作用。接收器被布置成从窗口接收电磁返回信号，并且处理电磁返回信号以确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。

窗口安装在浸管的壁中，具有至少1000kPa(10巴)的压力额定值和至少150℃的温度额定值，以便防止窗口失效以及一种或多种材料相在高压和高温下进入设备。如本文所述的设备必须密封该设备的内部，以防止该设备所在的容器中的周围材料相进入该设备。因此，设备壳体壁中提供的窗口必须被构造成承受需要使用该设备来监测的某些容器中所经历的高温和高压。对于某些应用，窗口可以被构造成具有至少2000kPa(20巴)、3000kPa(30巴)、4000kPa(40巴)或5000kPa(50巴)的压力额定值和/或至少200℃、250℃或300℃的温度额定值。窗口可以被构造成例如具有高达10,000kPa(100巴)的压力额定值和高达500℃的温度额定值。

浸管提供密封环境，在该密封环境中，电磁信号可以被引导至多层流体柱的任何液位。因此，设备不具有传统导波雷达解决方案的限制，在该传统导波雷达解决方案中，电磁辐射通过流体柱被向下引导，使得多层流体柱中的下层的可靠检测被流体柱中的上层阻碍。

为了增加窗口的压力额定值，窗口可以通过倾斜的或阶梯式的壁密封件形式的锥形密封件安装在壳体的壁中，以防止窗口在经受来自设备所在的容器内的材料相的压力时被推入设备中。在某些构型中，壳体壁是金属，一个或多个窗口是玻璃，并且一个或多个玻璃窗口通过玻璃金属粘接剂安装在壳体的金属壁中。可提供承受高温下额定压力的观察镜，诸如硼硅酸盐观察镜。可以通过加热金属环绕件以使环绕件膨胀、插入窗口，以及允许环绕件围绕窗口冷却和收缩来安装窗口。窗口的边缘熔化，并通过玻璃金属粘接剂粘结到金属环绕件，并且环绕件冷却收缩以压紧窗口从而提供紧密压力密封。该安装方法还具有避免使用会与设备在使用过程中所在的容器内的材料反应的粘合剂的优点。也就是说，玻璃金属粘接剂提供化学惰性密封。

发射器被配置成发射微波信号或无线电波信号。因此，窗口不需要对可见光透明，并且在某些应用中，窗口有颜色或对可见光不透明可为有利的。

如本文所述的设备用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。提供了一种用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的方法，该方法包括：

将根据任一前述权利要求所述的设备引入所述容器中；

通过一个或多个窗口发射电磁发射信号；

从所述一个或多个窗口接收电磁返回信号；以及

处理所述电磁返回信号以确定所述容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。

对于非常高压的应用，设备可设置有压力控制机构，以改变壳体内的压力并且因此减小壳体中的窗口上的压差。

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 (14)

1.一种用于确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的设备，所述设备包括：

发射器，所述发射器用于发射电磁发射信号；

接收器，所述接收器用于接收电磁返回信号；和

壳体，所述壳体被构造成至少部分地浸没在所述容器中的所述一个或多个材料相内，所述壳体包括壁，所述壁限定设备的内部和外部以密封所述设备，使得当所述壳体被浸没在所述容器中的所述一个或多个材料相内时防止所述一个或多个材料相进入所述设备，壳体壁对所述电磁发射信号是不透明的；

其中所述壳体在所述壳体壁中包括至少一个窗口，所述窗口对于所述电磁发射信号是至少部分透明的，所述发射器被布置成通过所述窗口发射所述电磁发射信号以与所述容器中的位于所述窗口外部的所述一个或多个材料相相互作用，并且所述接收器被布置成从所述窗口接收所述电磁返回信号以进行处理，以确定所述容器内的所述一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的所述界面的位置，

其中所述窗口安装在所述壳体的所述壁中，具有至少1000kPa(10巴)的压力额定值和至少150℃的温度额定值，以便防止所述窗口失效以及所述一种或多种材料相在高压和高温下进入所述设备，并且

其中所述发射器被构造成发射微波信号或无线电波信号。

2.根据权利要求1所述的设备，

其中所述壳体呈细长浸管的形式，并且沿着所述浸管提供多个窗口。

3.根据权利要求2所述的设备，

其中所述窗口直接嵌入所述浸管的所述壁中。

4.根据权利要求2所述的设备，

其中所述窗口安装到细长窗口安装件中，并且所述细长窗口安装件嵌入所述浸管的所述壁中。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，

其中所述设备包括发射器和接收器的阵列，所述阵列设置在所述细长浸管内，使得每个窗口具有相关联的发射器和接收器。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的设备，

其中所述设备包括联接到所述发射器的细长电磁辐射引导件，以沿着所述浸管将所述电磁发射信号从所述发射器引导到所述多个窗口。

7.根据权利要求6所述的设备，

其中所述细长电磁辐射引导件被构造成将所述电磁返回信号从所述多个窗口引导到所述检测器。

8.根据任一前述权利要求所述的设备，

其中所述一个或多个窗口具有至少2000kPa(20巴)、3000kPa(30巴)、4000kPa(40巴)或5000kPa(50巴)的压力额定值。

9.根据任一前述权利要求所述的设备，

其中所述一个或多个窗口具有至少200℃、250℃或300℃的温度额定值。

10.根据任一前述权利要求所述的设备，

其中所述一个或多个窗口通过倾斜的或阶梯式的壁密封件形式的锥形密封件安装在所述壳体的所述壁中，以防止所述一个或多个窗口在经受来自所述容器内的所述一个或多个材料相的压力时被推入所述设备中。

11.根据任一前述权利要求所述的设备，

其中所述壳体壁是金属，所述一个或多个窗口是玻璃，并且所述一个或多个玻璃窗口通过玻璃金属粘接剂安装在所述壳体的所述金属壁中。

12.根据任一前述权利要求所述的设备，

其中所述一个或多个窗口对可见光不透明。

13.一种根据前述权利要求中任一项所述的设备的用途，所述用途为确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。

14.一种确定容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置的方法，所述方法包括：

将根据任一前述权利要求所述的设备引入所述容器中；

通过所述一个或多个窗口发射电磁发射信号，所述电磁发射信号是微波信号或无线电波信号；

从所述一个或多个窗口接收电磁返回信号；以及

处理所述电磁返回信号以确定所述容器内的一个或多个材料相的特性、位置或液位或两个材料相之间的界面的位置。

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