CN1232542A - 物料分界面液位检测 - Google Patents

Abstract

用于确定一个容器(18)中不混溶液体(12,14,16,30)的液位的装置(10),该装置包括:在所说容器中垂直延伸以与所说容器内液体接触的一个传输线传感器(20)。一个发生器(22)与所说传感器相连,用于沿所说传感器传输在预定频率范围内连续地扫频的一个第一电信号。一个电压检测器装置(24)与所说传感器相连,用于产生作为从所说传感器沿该传感器的各个电阻抗不连续处,包括在包围所说传感器的不混溶液体之间和其内部的特定分界面(32,34,36)反射的电信号能量幅值函数的一个第二电信号。分析所说第二电信号的频谱特性(26)以确定电阻抗沿传感器的空间分布,由此确定容器内不混溶液体的液位。

Description

物料分界面液位检测

本发明涉及对存储容器中物料液面的检测，更确切地说，本发明涉及对于不混溶物料例如原油与水之间的一个或多个分界面液位的检测。

背景技术和发明概要

转让给本受让人的美国专利US-4,807,471中公开了用于测量存储容器中物料液位的一种技术。一个传输线传感器垂直悬挂在容器内，使得当物料增高和注入容器中时容器内的物料包围传感器并与传感器接触。一个扫频发生器与所说传输线传感器相连，以沿着所说传感器传输自动并且连续地在一个预定频率范围内扫频的正弦波信号。从容器中物料上表面反射的信号表示沿传输线传感器的电阻抗的不连续性，该信号与被传输的信号结合构成沿物料以上传输线传感器的一种驻波模式，该驻波模式具有与物料以上传感器自由长度相关，从而与物料液面相关的特定频率。物料以上，亦即物料液面以上传感器的自由长度是作为这种驻波模式产生的扫频范围中各个频率之间的间隔的函数确定的。

虽然公开在该引用专利中的技术致力于并且解决了在现有技术中存在的问题，但是仍然需要作进一步的改进。例如，在引用专利中公开的装置并不十分适用于检测不混溶液体之间分界面的液位，因为各个分界面液面会产生多次反射。的确，引用专利中公开的装置在传感器下端包括可变阻抗部分，以限定传感器的特征阻抗，从而抑制从传感器下端的反射。当传感器被多层不混溶液体包围时，在每个液体分界面上都会发生与电阻抗不连续性相关的反射，为了正确确定各个液面，必须对所有这些反射信号进行分析。此外，信号在各种液体中传播的速度作为液体介电常数的函数变化，使得分析处理更加复杂。

所以，本发明的基本目的是提供一种装置和方法，它们不仅能够检测一个容器中不混溶液体之间的分界面，而且能够分析液体特性，从而能够确定存储容器内各种不混溶液体分界面的液位。本发明的其它和更具体的目的是提供具有所述特征的一种装置和方法，它们可以比较容易地利用其它的现有技术实现。

根据本发明用于确定一个容器中不混溶液体液位的装置包括一个传输线传感器，该传感器垂直延伸以与容器内的液体接触。一个信号发生器与传感器相连，用于沿所说传感器传输一个第一电信号，该信号在一个预定频率范围内连续地扫频。一个电压检测器与所说传感器相连，用于产生一个第二电信号，该信号是沿所说传感器，包括在包围所说传感器的不混溶液体之间或内部的特定分界面的各个电阻抗不连续位置上传感器所反射的电能量值的函数。分析第二电信号的频谱特性以确定电阻抗沿所说传感器的空间分布，由此可以确定容器内不混溶液体的液位。

在本发明的优选实施例中，通过鉴别与沿传感器的电阻抗变化相关的频率变化部分来分析结合在一起的传输和反射信号幅值包络线的频率特性。就是说，鉴别与在不混溶液体之间的分界面处电阻抗的急剧变化相关的频谱线，以及确定与其中电阻抗发生变化的乳浊液层相关的连续频谱的分布。可取的是这种频谱分析在应用常规信号分析技术，例如富里叶变换分析技术，的一个数字信号处理器中进行。还分析反射能量信号的量值以确定与各种信号反射相关的介电常数的变化，从而确定在各种液体层中信号的传播速度。结合频率组成信息和速度信息可以确定与各种信号反射相关的物料液位。

附图简介

从以下的说明、权利要求和附图可以更好地理解本发明以及本发明其它的目的、特征和优点，在所说附图中：

图1为根据本发明一个目前优选实施例构成的用于确定一个容器中不混溶液体液位的一种装置的功能框图；

图2A和图2B为用于讨论本发明基本原理的曲线说明图；

图3A和图3B为用于讨论本发明操作的曲线说明图。优选实施例的详细描述

上述美国专利US-4807471中公开的内容以引用方式结合在本申请中作为背景技术。

图1表示根据本发明一个目前优选实施例构成的用于测量一个存储容器18中不混溶液体12、14、16液位的一种装置10。液体12可以是例如原油，而液体16可以是从原油中析出的水，并且沉积在存储容器的底部。在这个例子中，中间层14包含一种油/水乳浊液，在这种乳浊液中油和水还没有分开，但是油的浓度从该层的上部到底部连续下降。一个传输线传感器20悬挂在或者以其它方式安装在容器18中，以使之在容器内垂直延伸，可取的是从上部向底部延伸。传输线传感器20以这样的方式安装在容器18内，使得当液体液面上升和注入容器时，传感器被各种液体所包围和接触。可取的是传输线传感器20如在引用专利中所公开的那样具有无屏蔽平行线传感器的结构。或者，传感器20可以由一个同轴传输线传感器构成，以使液体易于进入同轴传感器元件、具有沉积在适合的非导电基质上的平行导体的一条带状传输线、或者其上端围绕着一个接地发射板的一条单线传感器之间的空间。在任何情况下，如在本领域中众所周知的，传感器每个部分的电阻抗作为围绕传感器该部分的物料的介电特性的函数变化。

一个扫频发生器22以这样的方式与传输线传感器20相连，以便沿传感器发射或传播一个可变频率的信号。可取的是，扫频发生器22能够向传感器20发射一种周期信号，该信号自动地和连续地在预先选定频率限值之间的一个预定频率范围内扫频。所传输的信号和从电阻抗不连续处反射的信号从传感器20复合在一起传送至一个电压检测器24，该电压检测器向一个数字信号处理器或DSP26提供一个输出信号，该信号作为传感器20输出的信号能量量值的函数连续地变化。DSP26还从发生器22接收表示瞬间传输信号频率的一个信号(或者控制发生器22的传输频率)，以使复合的信号幅值与传输频率相关，如下所述。DSP26向一个适合的显示器装置28提供表示容器18内各种液体液位、以及其它物料特性如油中水的含量的一个输出信号。

不混溶液体的乳浊液在适合的条件下分离为组分液体，在容器中形成清楚的多层结构。在乳浊液澄清过程中，不同的液体(例如图1中的12和16)一般由一乳浊液层(14)分开，在该乳浊液中一种液体以变化的比例包含在另一种液体中。为了确定各种组分液体的数量，测量并控制发生这些现象的工业生产过程，需要检测不同液体与乳浊液之间的分界面，确定分界面的范围，和分析乳浊液的成分含量。本发明对液体表面的垂直位置(即液体/空气分界面)和不同液体或液体乳浊液之间的一个或多个分界面的位置进行自动检测和连续地信号传输，并分析任一乳浊液层的组分含量。一种典型的应用是从原油中分离出乳浊水的处理。

不同的液体可以借助于其介电常数加以区分。例如含水液体呈现较高的介电常数，而油的介电常数则相当低。所有液体的介电常数都大大高于自由空间的介电常数。通常将真空的介电常数定义为一个单位值；实际上，也可以将空气，气体和蒸气的介电常数定义为1.0。无屏蔽电传输线的高频阻抗与其周围介质的介电特性有关。在空气中，介电常数为1，传输线的阻抗是一个已知的常数值，通常称其为特征阻抗Z₀。Z₀的量值由传输线的几何截面面积确定。当所说传输线浸入介电常数为ε的一种液体时，传输线阻抗Z减小，并由下式给出：

             Z=Z₀/√ε                (1)当将这样一条传输线垂直设置在一个容器中时，其阻抗根据液体表面、和不同的液体和乳浊液层的位置沿传输线产生空间上的变化。在一种液体层内，阻抗基本不发生变化，其实际值利用特定液体的介电特性确定。在乳浊液层中，由于液体含量不断变化，所以阻抗会随着乳浊液层高度的变化而发生空间上的变化。在液体发生解乳浊和分离过程中阻抗还会随时间变化。在某些条件下，乳浊液消失，而留下多个分离的不同的恒值阻抗区段。阻抗沿传输线20的分布表示了容器中不同液体和乳浊液层12、14、16的垂直位置，和在乳浊液层14中液体含量的垂直分布。

参见图1，由发生器22向传感器20顶部的端子传输一个高频信号，例如正弦波信号。这个信号穿过空气层30向下行进到空气/液体分界面32。根据液体12的介电特性，一部分信号能量向上反射，一部分能量透射进入液体。这是由于在空气/液体分界面32阻抗发生急剧变化而引起的。在液体12中，信号向下行进到下一个分界面34，在这里由于两种不同阻抗区分界面阻抗的急剧变化，信号能量再次发生部分反射，剩余部分透射进入下一个液体层14。这种现象在其后的各个分界面(36)处重复发生。在均匀的液体层中，由于阻抗为常数，所以不会发生反射。在乳浊液层14中，阻抗逐渐变化，因此也发生能量反射分布。到达传感器20底端38的能量由于在该点的开路或短路而发生全反射。

返回传感器20顶部的能量不再继续反射，因为在该处阻抗匹配为Z0。电压包络线检测器24测量所产生的电压幅值，其中包含从发生器22产生的输入信号、从各个阻抗不连续点32、34、36、38返回的信号、和在乳浊液层14中产生的具有一定分布的反射信号。在传输线阻抗变化和往返时间延迟的作用下，返回信号与输入信号相比，其幅值和相位都分别发生了变化。(返回到检测器中的还包括多路径信号。但是，由于这些信号路径总是包含三次或多次反射，它们的幅值是不明显的，所以可以忽略不计。同样为了简单起见，在讨论中对于传输线衰减和相位失真也忽略不计。)

图2A和图2B中表示了传输信号和从空气/液体分界面32产生的第一反射信号。用矢量表示，传输信号的幅值为V_TX，反射信号幅值为ρ₃₂V_TX，其中ρ₃₂为该分界面的反射系数。所检测到的电压幅值V_DET是V_TX与ρ₃₂V_TX的矢量和，传输矢量与反射矢量之间的夹角β由下式给出：

                β=(2L/λ)2π弧度        (2)其中L为从检测器到分界面32的距离，λ为传输到传感器中的信号的波长。如果信号频率为f，则：

                   λ=v₀/f                  (3)其中v₀为液体12之上的自由空间30中的传播速度，是一个已知常数。将公式(3)代入(2)得到：

                   β=4πLf/v₀弧度          (4)在一个测量周期内，频率f是变化的，使得β也成正比地变化。从公式(4)可得：

                    dβ/df=4πL/v₀           (5)因为对于给定长度L,dβ/df为常数，所以对于任何频率范围Δf：

               Δβ=(4πL/v₀)Δf        (6)从公式(4)可以看出，当f在一个较宽的范围内连续变化时，β以2π的倍数重复。从公式(6)，设定Δβ=2π，可以看出，对于每个2π相位增量所需的频率偏移Δf_2π仅仅与L相关，从而：

               L=v₀/2Δf_2π             (7)为了确定Δf_2π，从图2B中可以看出，由于f是变化的，则V_DET的包络线是周期性变化的，并以Δf_2π的间隔重复。因为f是变化的，所以DSP26在多个等频率增量点对V_DET幅值进行采样，所说的频率增量大大小于Δf_2π。然后DSP26应用常规的分析方法，例如富里叶变换分析方法确定包络线周期长度，即Δf_2π。然后根据公式(7)求得长度L，对从传感器顶部至空气/液体分界面的距离提供连续的测量结果。然后通过将该长度L从容器18的总高度中减去确定分界面32的高度，并在显示器28上显示出所得结果。

上述参照图2A和图2B进行的讨论将空气/液体分界面32作为唯一发生反射的分界面处理。在如图1所示的多层结构中，V_DET包络线是如图3所示的一个复杂的复合波形，其中包含传输信号和多个反射信号，在传输信号的每次扫频过程中都生成多个驻波模式。DSP26对这个复合波形的频谱特性进行分析以获得和识别每个反射源的频率变化分量Δf。DSP26由此确定电阻抗沿传感器20的空间分布。每个阻抗突变的分界面在图3B所示的频谱中都产生一条指示不混溶液体之间分界面位置的谱线，例如在图2B中与空气/液体分界面32相关的Δf₁和在图3B中与传感器20底端38相关的Δf₄。具有连续分布特性的频谱部分表示乳浊液层的位置和延伸状态，例如图3B中与分界面34、36相关的Δf₂与Δf₃之间，和图1中层14的连续变化阻抗。然后可以如以上参照图2B中简化曲线图所述，根据公式(7)确定每个分界面的深度L。

为了对每个分界面液位L求解方程(7)，必须确定沿传感器20的相应传播速度。在液体30之上的自由空间中，这个速度值就是在自由空间中的速度v₀，这是与容器环境相关的一个预定常数值。这使得液体表面液位的测量的范围参数固定，并且不需要进行范围调节或自动补偿。在空气/液体分界面32处的反射系数ρ₃₂由下式给出：

               ρ₃₂=(1-√ε₁₂)/(1+√ε₁₂)    (8)其中ε₁₂是液体层12的介电常数。ρ₃₂为传输信号幅值V_TX与从液体表面的回波信号幅值的比值，可由检测器24的输出信号确定。重新整理方程(8)可得：

            ε₁₂=[(1-ρ₃₂)/(1+ρ₃₂)]²     (9)从而可以确定ε₁₂。现在就能够确定层12的范围参数了，因为在这种液体中的速度v₁₂可以由下式给出：

                 v₁₂=v₀/√ε₁₂                (10)这样就能够自动确定液体顶层的范围参数。(在许多应用中，并不需要进行自动范围确定，但是可以用于对液体中的已知速度进行微调，因为对于一种特定液体类型来说介电常数是完全相似的)。

传输到第一液体层(最顶层)12的信号幅值为1+ρ₁₂。因为从DSP频谱中可以获知ρ₁₂，所以入射到第二层14的信号幅值也是可知的。现在可以确定第一与第二液体层分界面34的反射系数，并由此按照与第一层相同的方式确定第二层中的范围参数。由于层14是乳浊液，所以反射系数随着层高度的变化具有一定分布，因而速度也随之变化。通过综合对该层连续的Δf频谱的分析结果，可以确定该层的宽度。通过在传感器20的底端38形成开路或短路，在这一点总是产生反射。由于这一点是在已知的传感器实际长度位置，所以可以用对这个位置的电测量结果验证所有的物料液位测量结果。通过分析在乳浊液层14上分布的Δf频谱，可以确定阻抗分布。从方程(1)，还可以获知介电特性的分布。如果乳浊液是由分别具有介电常数ρ_A和ρ_B的两种液体A和B组成的，则表观体积介电常数ρ_APP可以由下列经验公式获得：

             ρ_App=ρ_A ^aρ_b ^b       (11)其中a和b分别为液体A和B的体积比率。例如，对于由90％体积的油和10％体积的水组成的原油(ρ=2.2)和水(ρ=80)的乳浊液来说：

             ρ_app=2.2^.980^.1=3.15如果水的含量减少到5％，则表观介电常数变为：

            ρ_app=2.2^.9680^.06=2.63通过确定乳浊液层14的表观或者体积介电常数，可以从各种成分的已知的实际介电常数推算出各种液体的体积比。对于典型的油/水乳浊液，介电常数较大的差别构成了对于水含量的一种灵敏的指示物，成为在控制和使去乳浊处理过程最佳化时不可缺少的一种测量手段。

总而言之，通过将扫频信号传输到无屏蔽传输线传感器中和对于在传感器输入端检测的所形成驻波电压包络线进行频谱分析，可以确定在围绕传感器的介质中介电特性的垂直分布。由于通过介电特性可以区分不同的液体，所以能够确定分离液体层的位置和高度。此外可以分析乳浊液的构成。

Claims (7)

1、用于确定一个容器(18)中不混溶液体(12,14,16,30)的液位的装置(10)，该装置包括：

在所说容器中垂直延伸以与所说容器内液体接触的一个传输线传感器(20)，

与所说传感器相连、用于沿所说传感器传输在预定频率范围内连续地扫频的一个第一电信号的发生器装置(22)，

与所说传感器相连、用于产生作为传输到所说传感器和从所说传感器反射的电信号能量幅值函数变化的一个第二电信号的电压检测器装置(24)，

用于分析所说第二电信号的频谱特性以确定电阻抗沿所说传感器的空间分布的装置(26)，和

用于确定作为所说电阻抗沿所说传感器的空间分布的函数的、所说容器中多种不混溶液体的液位的装置(26)。

2、如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于所说用于分析所说第二电信号的频谱特性的装置(26)包括用于确定与电阻抗沿所说传感器(20)的变化相关的频率变化成分的装置。

3、如权利要求2所述的装置(10)，其特征在于所说用于确定频率变化成分的装置包括用于确定与在所说容器内不混溶液体之间的分界面电阻抗的急剧变化相关的谱线的装置。

4、如权利要求3所述的装置(10)，其特征在于所说用于确定频率变化成分的装置还包括用于确定与所说容器中电阻抗发生变化的乳浊液层相关的连续分布频谱成分的装置。

5、如在先权利要求中任一项所述的装置(10)，其特征在于它还包括响应所说第二电信号的幅值、用于确定所说第一信号沿所说传输线传感器在所说容器(18)的各个不混溶液体层(12,14,16，和30)中传播速度的装置(26)。

6、确定一个容器(18)中多种不混溶液体(12,14,16，和30)的液位的一种方法，该方法包括以下步骤：

(a)以这样的方式将一个传输线传感器(20)设置在所说容器中，使得当所说液体液位上升和注入所说容器时，所说传感器能够被所说液体包围和接触，

(b)沿着所说传感器传输一个频率连续变化的周期信号，

(c)分析所说传感器从所说容器中的不混溶液体之间的分界面(32,34,36)反射的电信号能量的频谱特性，以确定电阻抗沿所说传感器的空间分布，和

(d)作为所说电阻抗沿所说传感器的空间分布的函数确定在所说容器中的不混溶液体之间分界面的液位。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于所说步骤(c)包括确定与在所说容器(18)中不混溶液体(12,14,16,30)之间的各个分界面(32,34,36)电阻抗的变化相关的频率变化成分的步骤。

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