DE112006000734T5

DE112006000734T5 - Verfahren und Vorrichtung für eine kontaktlose Pegel- und Grenzflächenerfassung

Info

Publication number: DE112006000734T5
Application number: DE112006000734T
Authority: DE
Inventors: Lars Bååth
Original assignee: AGELLIS GROUP AB
Current assignee: AGELLIS GROUP AB
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2008-02-07
Also published as: ATE493673T1; US20090066966A1; DE602005025590D1; EP1707983A1; US8044843B2; EP1707983B1; JP2008534940A; WO2006103200A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer Materialschicht einer in einem Behälter angeordneten Substanz, wobei die Substanz ein in einer oberen Schicht angeordnetes erstes Material und ein in einer unteren Schicht angeordnetes zweites Material enthält, mit den Schritten:
– Aussenden eines Funksignals von einer in einem vorgegebenen Abstand von einem Behälterabschnitt angeordneten Antenneneinrichtung durch die Substanz zum Behälterabschnitt hin;
– Empfangen, an der Antenneneinrichtung reflektierter Signale von einem oberen ersten Oberflächenabschnitt der oberen Schicht, von einem zweiten Oberflächenabschnitt der zweiten Schicht und vom Behälterabschnitt;
– Ändern der Frequenz des ausgesendeten Signals über ein Frequenzband zum Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und den reflektierten Signalen;
– Bestimmen optischer Abstände von der Antenneneinrichtung zum ersten und zweiten Oberflächenabschnitt und zum Behälterabschnitt in Abhängigkeit von den Phasenverschiebungen;
– Bestimmen der Dicke einer der Schichten in Abhängigkeit von...

Description

Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Pegeln einer in einem Behälter angeordneten Substanz, die zwei oder mehr Materialien aufweist, wobei die Materialien im Behälter in Schichten angeordnet sind. Das Verfahren beinhaltet vorzugsweise das Messen der Positionen von Oberflächen der verschiedenen Schichten unter Verwendung von Funkwellen.
Hintergrund
In bestimmten Fällen wird eine Substanz in einem Behälter gespeichert, wobei verschiedene Materialien der Substanz im Behälter in verschiedenen Schichten getrennt sind. Wenn die Substanz zwei flüssige Materialien enthält, die sich nicht mischen, z.B. ein Material auf Ölbasis und ein Material auf Wasserbasis, wird sich das dichtere Material näher am Boden des Behälters und das weniger dichte Material näher an der Oberfläche des Behälters sammeln. Ein anderes Beispiel kann eine Substanz sein, die ein erstes, im Allgemeinen flüssiges Material aufweist, in dem feste Partikel eines zweiten Materials dispergiert sind. Wenn die Substanz in Ruhe gelassen wird, werden sich die Partikel des zweiten Materials anschließend in Abhängigkeit davon, welches Material dichter ist, über oder unter dem flüssigen ersten Material sammeln.
In diesen Fällen kann es von Interesse sein, die Menge der verschiedenen Materialien im Behälter oder die Pegel der die Materialschichten definierenden Oberflächen zu messen. Ein Beispiel einer Situation, in der eine derartige Messung von Interesse ist, ist ein Behälter mit Erdöl, der auch eine bestimmte Menge Wasser enthält. Dies kann im Tank eines Öltankers oder in einem Ölspeicherbehälter z.B. in einer Raffinerie der Fall sein. Das Wasser kann absichtlich oder aufgrund von Kondensation im Behälter angeordnet sein. Trotzdem werden, wenn es im Behälter vorhanden ist, das Öl und das Wasser sich trennen, so dass das Öl sich in einer oberen Schicht und das Wasser sich in einer unteren Schicht sammelt. Weil die Ölmenge im Allgemeinen wesentlich größer ist als die Wassermenge, wird die die beiden Schichten trennende Oberfläche in der Nähe des Bodens des Behälters angeordnet sein, so dass die tatsächliche Position der Trennfläche nicht leicht erfassbar ist.
Auf dem Fachgebiet sind Lösungen zum Messen des Wasserpegels in einem Öltank vorgeschlagen worden. Ein Problem hierbei besteht darin, dass der Wasserpegel vorzugsweise mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern bestimmt werden sollte, auch wenn die Wasserschicht unter einer Ölschicht von bis zu 35 Metern oder mehr angeordnet ist, deren Dielektrizitätskonstante nicht gut bekannt ist. Daher ist es nicht möglich gewesen, ein kontaktloses Verfahren zum Bestimmen des Wasserpegels mit einer geeigneten Genauigkeit durch das Öl hindurch bereitzustellen. Herkömmlich wurden daher alternative Lösungen verwendet, z.B. kapazitive Sensoren, die in einem engen Rohr angeordnet wurden, das sich vom Boden des Behälters zu seiner Oberseite erstreckt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
In vielen Fällen, in denen Materialien in einem Behälter in zwei Schichten getrennt sind, wie beispielsweise in Öltanks, ist ein kontaktloses Analyseverfahren bevorzugt. Ein Grund hierfür kann sein, dass die Substanz z.B. gefährlich oder schädlich ist, bei einem Kontakt mit Detektorvorrichtungen reagiert oder die verwendete Detektorvorrichtung einfach unnötigerweise verschleißt, oder dass die Substanz selbst durch einen Kontakt mit Sonden oder anderen Vorrichtungen kontaminiert oder verunreinigt wird. Außerdem sind kontaktlose Sensoren im Allgemeinen für Wartungs- oder Reparaturzwecke leichter zugänglich.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kontaktloses Verfahren zum Analysieren einer in einem Behälter angeordneten Substanz bereitzustellen, wobei die Substanz zwei oder mehr in Schichten angeordnete verschiedene Materialien aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den beigefügten Patentansprüchen gelöst.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben; es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Systemkonfiguration zum Ausführen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen von Pegelpositionen von Materialschichten einer Substanz in einem Behälter; und
2 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung, die in einem System oder Verfahren zum Analysieren einer Substanz in einem Behälter gemäß einer Ausführungsform der Erfindung geeignet ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Änderungen des Musters elektromagnetischer Wellenfronten stellen in der Physik die empfindlichsten Sonden dar. Elektromagnetische Wellen können Medien mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften durchdringen, wobei sich ihre Amplitude und Phase auf eine für den Inhalt der Medien spezifische Weise ändern. Kontinuumstrahlung wird, wenn sie ein medium durchdringt, in dem Sinne beeinflusst, dass die Amplitude gedämpft und die Ausbreitungsgeschwindigkeit sich ändern wird, was zu einer plötzlichen Phasenänderung an der Grenzschichtoberfläche führt. Das Frequenzband ist dahingehend von besonderem Interesse, dass Wellen in bestimmten Frequenzbändern tiefer in staub- oder pulverförmige Bereiche eindringen und Materialien durchdringen können, die für sichtbares Licht opak sind.
Im für den vorliegenden Erfinder erteilten US-Patent Nr. 5629706 ist ein Verfahren zum Messen der Position der Oberfläche einer metallurgischen Schmelze in einem Ofen oder einer ähnlichen Vorrichtung beschrieben, wobei ein Metallabschnitt der Schmelze durch eine Schlackenschicht bedeckt ist. Das Verfahren weist das Bereitstellen eines Signalgenerators zum Erzeugen von Signalen bei mehreren Frequenzen über ein Frequenzband und das Bereitstellen einer Antenne zum Empfangen der durch den Signalgenerator erzeugten Signalen und zum Aussenden von Funkwellen bei den mehreren Frequenzen über das Frequenzband auf. Die Antenne ist in der Nähe der metallurgischen Schmelze angeordnet und sendet Funkwellen bei den mehreren Frequenzen über das Frequenzband zur metallurgischen Schmelze hin aus. Die ausgesendeten Funkwellen werden in der oberen Fläche der Schlackenschicht und in der Oberfläche des Metallabschnitts reflektiert. Die Antenne empfängt daher von diesen Oberflächen reflektierte Bilder der ausgesendeten Funkwellen, und es wird eine Einrichtung zum Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen den ausgesendeten Funkwellen und den empfangenen reflektierten Bildern der ausgesendeten Funkwellen, Transformieren der bestimmten Phasenverschiebung von einer Frequenz- in eine Zeitebene, und Bestimmen einer Position des Metallabschnitts und der Schlackenschicht von der durch die Transformation erhaltenen Zeitebene bereitgestellt. Auf diese Weise kann eine Messung der Menge des im Ofen vorhandenen Metalls erhalten werden. Die Strahlung durchdringt jedoch nicht die Metallschmelze.
Im Gegensatz zu dem vorstehend erwähnten US-Patent betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Analysieren einer Substanz in einem Behälter, wobei die Substanz zwei oder mehr Materialien enthält, die für Mikrowellenstrahlung transparent sind, und wobei ein Mikrowellenstrahlungssignal die Substanz durchdringen kann und zu einem Behälterabschnitt, typischerweise zum Behälterboden, hin reflektiert wird.
Die Zeitverzögerung eines Wellensignals bezüglich eines anderen Wellensignals entspricht im Fourier- oder Frequenzraum einer linearen Verschiebung der Phase mit der Frequenz. Wenn ein Signal zu einer Oberfläche hin ausgesendet und an der Oberfläche reflektiert wird, wird sich die relative Phase der ausgesendeten und empfangenen Signale daher mit der Frequenz linear ändern. Wenn das Signal über ein Frequenzband in Schritten gemessen wird, würde ein Plot einer Phase als Funktion der Frequenz eine Linie mit einer der Verzögerung des reflektierten Signals bezüglich eines Referenzsignals entsprechenden Steigung sein. Der optische Abstand kann daher durch ein derartiges Frequenzschrittsystem gemessen werden, und auch der durch den Brechungsindex des ersten Me diums, das typischerweise Luft ist, erhaltene geometrische Abstand ist bekannt. Wenn das Signal stattdessen zu einem halbtransparenten Medium hin ausgesendet wird, wird ein Teil des Signals reflektiert, und ein Teil des Signals wird das Medium durchdringen und an der nächsten Oberfläche oder an den nächsten Oberflächen reflektiert, an denen der Brechungsindex sich erneut ändert. Diese doppelt oder mehrfach reflektierten Wellen werden, wenn sie mit der Konjugierten des Referenzsignals, d.h. des ausgesendeten Signals, komplex multipliziert werden, eine kompliziertere Kurve der Phase als eine Funktion der Frequenz zeigen. Wenn daher Daten als komplexe Amplituden in Frequenzkanälen über ein Frequenzband abgetastet werden, können die optischen Abstände zu allen Oberflächen, an denen eine Reflexion auftritt, bestimmt werden. Wenn das Signal durch ein Interferometer in der Aperturebene ausgesendet und empfangen wird, kann die vollständige dreidimensionale Struktur der beiden Oberflächen rekonstruiert werden.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die Grundidee hinter dem vorstehend erwähnten Patent für andere Substanzen als metallurgische Schmelzen verwendet werden kann, typischerweise für Substanzen mit zwei oder mehr Materialien, die für Mikrowellenstrahlung transparent und in Schichten in einem Behälter angeordnet sind. Außerdem nutzt die vorliegende Erfindung die Transparenz der Substanz durch Verwendung eines sich durch die Substanz zu und von einem Behälterabschnitt, typischerweise einem inneren Bodenwandabschnitt des Behälter, ausbreitenden Signals. Der reflektierende Behälterabschnitt kann jedoch auch eine spezifisch angeordnete Oberfläche sein, die für diesen Zweck im Behälter angeordnet ist, und muss nicht notwendigerweise am Boden des Behälters angeordnet sein. Die vorliegende Erfindung beinhaltet jedoch die Kenntnis des tatsächlichen geo metrischen Abstands zum Behälterabschnitt, und dass der Behälterabschnitt, betrachtet von der Antenne, hinter einer ersten Schicht eines ersten Materials und hinter oder in einer zweiten Schicht eines zweiten Materials angeordnet ist. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet ein System, das dem im US-Patent Nr. 5629706 beschriebenen System ähnlich ist. Das System wird jedoch auf eine andere Weise verwendet.
2 zeigt eine zur Verwendung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung geeignete Vorrichtung. Ein Signal wird durch einen Signalgenerator 1 bei einer definierten Frequenz erzeugt. Dieses Signal wird über ein Kabel einem Leistungsteiler (Power Splitter) 2 zugeführt, der das Signal über einen Pfad über ein Kabel einer Antenne 3 zuführt. Außerdem wird das Signal über einen zweiten Pfad über ein Kabel einer Phasenvergleichereinheit 4 zugeführt, in der das Signal als Referenzsignal verwendet wird. Die Antenne dient zum Aussenden eines elektromagnetischen Signals, z.B. in der Form einer zirkular polarisierten Funkwelle, zu einer Objektoberfläche (in 2 nicht dargestellt) hin. Wenn das ausgesendete Signal auf die Objektoberfläche auftrifft, wird es mindestens teilweise reflektiert, wobei das reflektierte Signal durch die gleiche Antenne 3 empfangen wird. Bei einer zirkular polarisierten Welle wird das reflektierte Signal aufgrund der ungeradzahligen Anzahl der Reflexionen im entgegengesetzten zirkularen Polarisationszustand empfangen. Das empfangene Signal wird über ein Kabel dem Phasenvergleicher 4 zugeführt und dort mit der Konjugierten des Zeitreferenzsignals komplex multipliziert. Die Phase und möglicherweise auch die Amplitude der komplex konjugierten Multiplikation werden durch eine Steuereinheit 5, die typischerweise ein Computer ist, in einer Tabelle gespeichert, und der Signalgenerator wird bezüglich der Frequenz schrittweise wei tergeschaltet, und es wird eine neue Messung ausgeführt. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis eine bestimmte Anzahl von Frequenzkanälen über ein Frequenzband separat gemessen worden ist. Die Vorrichtung wird z.B. durch die Steuereinheit 5 computergesteuert, die auch die Daten speichert und eine Signalanalyse ausführt. Die Steuereinheit 5 weist daher typischerweise ein Computersystem mit einem Datenprozessor, einer Speichereinrichtung und einem Computerprogrammcode auf, der, wenn er durch den Datenprozessor ausgeführt wird, die Steuereinheit veranlasst, die in der vorliegenden Beschreibung dargestellten Schritte auszuführen, d.h. beispielsweise einen Schritt zum schrittweisen Ändern der Frequenz des ausgesendeten Signals, einen Schritt zum Ausführen einer Fouriertransformationsanalyse der kombinierten ausgesendeten und empfangenen Signale, und einen Schritt zum Berechnen von geometrischen Abständen und Brechungsindizes.
1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Systemkonfiguration zum Messen von Materialschichtpegeln in einer Substanz, die ein in einer ersten, oberen Schicht 101 angeordnetes erstes Material und ein in einer zweiten, unteren Schicht 102 angeordnetes zweites Material enthält und in einem Behälter 11 angeordnet ist. Die Materialien der Schichten 101 und 102 sind derart, dass sie sich nicht mischen, insofern sie nicht aktiv gerührt oder anderweitig beeinflusst werden. Daher können das erste und das zweite Material verschiedene Zusammensetzungen haben, so dass sie sich nicht mischen, wobei das erste Material ein Material auf Ölbasis und das zweite Material ein Material auf Wasserbasis ist. Eine andere Möglichkeit ist, dass das erste oder das zweite Material partikelförmig und das andere Material flüssig ist, wobei in Abhängigkeit von der Dichtebeziehung entweder die Partikel des ersten Materials zur Oberfläche des flüssigen zweiten Materials aufschwimmen oder Partikel des zweiten Materials zum Boden des flüssigen ersten Materials absinken. Eine weitere Möglichkeit ist, dass sowohl das erste als auch das zweite Material partikelförmige Materialien oder Pulver sind, die in einer bestimmten Folge im Behälter 11 angeordnet sind und Schichten 101 und 102 definieren.
In 1 ist die Antenne 3 dargestellt, während die übrigen Teile der Vorrichtung von 2 nicht dargestellt sind. Ziel der Konfiguration von 1 ist es, die Pegelposition des Oberflächenabschnitts 14 zu erfassen, wodurch auch die relativen und absoluten Mengen des ersten und des zweiten Materials in der Substanz bestimmt werden können. Zu diesem Zweck wird die Antenne 3 in der Nähe der oberen Fläche 12 der Substanz angeordnet, und vorzugsweise senkrecht zum Oberflächenabschnitt 12 ausgerichtet. Das zwischen der Antenne 3 und dem Oberflächenabschnitt 12 angeordnete Medium ist typischerweise Luft, es kann jedoch verunreinigt sein oder eine andere Gaszusammensetzung haben, und es hat einen Brechungsindex n₀. Dieser Index liegt typischerweise sehr nahe bei 1, und für die folgende Beschreibung wird näherungsweise angenommen, dass n₀ = 1 ist. Infolgedessen entspricht die Signalausbreitungsgeschwindigkeit zwischen der Antenne 3 und dem Oberflächenabschnitt 12 näherungsweise der Lichtgeschwindigkeit c.
Wenn ein von der Antenne 3 ausgesendetes Funksignal auf den Oberflächenabschnitt 12 auftrifft, wird es teilweise zur Antenne 3 hin zurück reflektiert, wo es empfangen wird. Das empfangene Signal wird über ein Kabel dem Phasenvergleicher 4 zugeführt, wo es zusammen mit dem ausgesendeten Signal gemäß der vorstehenden Beschreibung weiterverarbeitet wird. Ein Teil des ausgesendeten Signals durchläuft die Schicht 101 und wird vom Oberflächenabschnitt 14, wo die Schichten 101 und 102 geteilt sind, teilweise zur Antenne 3 hin zurück reflektiert. Weil die Schicht 102 für die Strahlung des ausgesendeten Signals ebenfalls transparent ist, wird ein Teil der auf den Oberflächenabschnitt 14 auftreffenden Strahlung sich weiter durch die zweite Schicht 102 ausbreiten. Das Reflexionsvermögen im Oberflächenabschnitt 14 ist bezüglich der Intensität proportional zu (n₂ – n₁)/(n₁ + n₂).
Erfindungsgemäß ist die Antenne 3 in einem vorgegebenen geometrischen Abstand L von einem Objekt und vorzugsweise senkrecht zum Objekt hin ausgerichtet, das bezüglich des Behälters 11 fixiert ist, wobei die Sichtlinie von der Antenne 3 zum Objekt sich durch den Oberflächenabschnitt 12 erstreckt. Dieses Objekt kann eine im Inneren des Behälters angeordnete Referenzplatte sein. In der Ausführungsform von 1 ist das Objekt jedoch ein nachstehend als Behälterabschnitt 13 bezeichneter Bodenwandabschnitt 13 des Behälters 11. Das ausgesendete Signal wird daher die Schichten 101 und 102 teilweise durchlaufen und am Behälterabschnitt 13 zur Antenne 3 zurück reflektiert.
Die zu einem Zeitpunkt t₀ und bei einer Frequenz ω empfangene Referenzwelle kann dargestellt werden durch:
Die obere Fläche der Substanz 10, von der der Oberflächenabschnitt 12 ein Teil ist, ist in einem geometrischen Abstand L₀ von der Antenne 3 angeordnet. L₀ kann bekannt sein, aber in einer typischen Ausführungsform gemäß 1 ist dies nicht der Fall. Insbesondere kann die obere Fläche der Substanz 10 uneben sein, besonders dann, wenn die Substanz 10 ein Pulver oder ein partikelförmiges Material ist, so dass die tatsächliche Position des Oberflächenabschnitts 12 möglicherweise nicht bekannt ist, selbst wenn eine allgemeine Oberflächenposition bestimmbar ist. Das vom Oberflächenabschnitt 12, der eine erste Reflexionsfläche ist, re flektierte Signal, das mit der Empfangszeit t₀ in Beziehung gesetzt wird, kann dargestellt werden durch:
Das die erste Schicht 101 der Substanz durchlaufende Signal wird die Schicht 101 mit einem geometrischen Abstand 2L zweimal durchlaufen, bevor oder nachdem es am zweiten Oberflächenabschnitt 14 reflektiert worden ist. Das nach der Reflexion am Oberflächenabschnitt 14 empfangene Signal, das mit der Empfangszeit t₀ in Beziehung gesetzt wird, kann dargestellt werden durch:
Hierbei beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit v₁ = c/n₁, wobei n₁ den Brechungsindex des Materials der ersten Schicht 101 bezeichnet.
Das den Oberflächenabschnitt 14 und die zweite Schicht 102 der Substanz durchlaufende Signal wird sich über einen anderen geometrischen Abstand 2L₂ bewegen, bevor und nachdem es am Behälterabschnitt 13 reflektiert worden ist. Das nach der Reflexion am Behälterabschnitt 13, der die dritte Reflexionsfläche darstellt, empfangene Signal, das mit der Empfangszeit t₀ in Beziehung gesetzt wird, kann dargestellt werden durch:
Hierbei beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit v₂ = c/n₂, wobei n₂ den Brechungsindex des Materials der ersten Schicht 102 bezeichnet. Die Brechungsindizes können frequenzabhängig sein, was durch Einkalkulieren der Frequenzabhängigkeit in der verwendeten Formel berücksichtigt werden kann.
Die Abstände L und L₀ werden von einer als Pegel 15 dargestellten Referenzposition der Antenne gemessen. Die kom plex konjugierte Multiplikation, wobei U* die konjugierte von U darstellt, oder eine Kreuzkorrelation im Zeitbereich, des reflektierten und des Referenzsignals ist dann gegeben durch: Scorr(ω) = U*ref (ω)·US1(ω) + U*ref (ω)·US2(ω) + U*ref (ω)·US3(ω)oder, wenn die Frequenz auf ein Durchlassband Bpass(ω₁, ω_h) begrenzt ist, wobei ω₁ die niedrigste Kreisfrequenz und ω_h die höchste Kreisfrequenz des Durchlassbandes darstellen:
Durch die inverse Fouriertransformation wird eine Transformation von der Frequenz- in die Zeitebene (Verzögerungs- oder Abstandsebene) erhalten. Bpass(ω₁, ω_h) kann näherungsweise durch Rect(ω₁, ω_h) dargestellt werden F–1Scorr(Dt) = sinc(Dt – 2L0/c) + sinc(Dt – 2L0/c – 2L1n1/c – 2L2n2/c)
Die Zeitverzögerungsantwort des Systems wird normalerweise in der Optik als Punktspreizfunktion (Point Spread Function) bezeichnet und ist im vorliegenden Fall die Fouriertransformierte des Frequenzdurchlassbandes. Diese Antwort wird durch Untersuchen der Antwort eines Metallreflektors bei einem bekannten Abstand gemessen. Die Abstände zu den Oberflächen werden dann von dem beobachteten Signal durch Entfalten mit der gemessenen Punktspreizfunktion rekonstruiert. Der Abstand kann dann durch eine Translation einer Zeitkoordinate mit einem spezifizierten Referenzpegel DL_ref in Beziehung gesetzt werden: Dt = Dt – 2DL_ref/c. Der Referenzpegel kann die zuvor gemessene Position eines Metallrefelektors im Signalpfad, der Rand des Metallbehälters oder z.B. der Behälterabschnitt 13 sein, wenn keine Substanz im Behälter 11 angeordnet ist. Die Transformation enthält die Struktur in der Tiefenrichtung. Wenn die Daten unter Verwendung eines Interferometers als Sende- und Empfängerantenne auch in der Aperturebene abgetastet werden, wird eine weitere zweidimensionale Transformierte über die Aperturebene die Struktur über die restlichen beiden Dimensionen zeigen.
Gemäß der Ausführungsform von 1 ist eine Antenne 3 dazu vorgesehen, ein kohärentes Funksignal zum Oberflächenabschnitt 12 hin, durch den Oberflächenabschnitt 14 und weiter zum Behälterabschnitt 13 hin zu übertragen. Die Antenne 3 wird dann drei reflektierte Funksignale von den Reflexionsflächen der Oberflächenabschnitte 12 und 14 bzw. vom Behälterabschnitt 13 empfangen. Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird sich die relative Phase der ausgesendeten und empfangenen Signale linear mit der Frequenz ändern. Die Frequenz des ausgesendeten Signals und damit auch der Empfangssignale wird daher stufenförmig über ein Frequenzband geändert, und die Phasenverschiebung der Empfangssignale bezüglich des ausgesendeten Signals wird für jeden Schritt gemessen. Durch Bestimmen, wie die Phasenverschiebung sich in Abhängigkeit von der Frequenzänderung ändert, werden die Verzögerungen der reflektierten Signale bezüglich des ausgesendeten Signals bestimmt. Jeder Frequenzschritt sollte mindestens für eine der Laufzeit vom Sender zum Empfänger entsprechende Zeitdauer ausgeführt werden, d.h. mindestens für eine Zeitdauer, die das Signal benötigt, um den doppelten Abstand zwischen dem Sender und dem am weitesten entfernten reflektierenden Ziel zurückzulegen, beispielsweise breitet sich eine kohärente Welle eines Sendesignals während einer Übertragungszeit von 1 μs über etwa 300 m aus, was zum Messen von Abständen bis zu etwa 150 m geeignet ist. Die Übertragungszeit kann natürlich in jedem Schritt länger sein, z.B. 1 ms betragen, aber durch kürzere Schritte wird eine schnellere Verarbeitung ermöglicht.
Zu diesem Zeitpunkt ist der geometrische Abstand L von der Antenne 3 zum Behälterabschnitt 13 bekannt, weil er im Voraus bestimmt wurde, ist der geometrische Abstand L₀ durch eine Berechnung von der gemessenen Zeitverzögerung des reflektierten Signals vom Oberflächenabschnitt 12 und dem bekannten oder erfassten Brechungsindex n₀ bekannt, und ist der optische Abstand n₁L₁ durch eine Berechnung von der gemessenen Zeitverzögerung des reflektierten Signals vom Oberflächenabschnitt 14 bekannt, und ist der optische Abstand n₂L₂ durch eine Berechnung von der gemessenen Zeitverzögerung des reflektierten Signals vom Behälterabschnitt 13 bekannt. Wenn der Brechungsindex n₁ des Materials der Schicht 101 bekannt ist, kann auch der geometrische Abstand L₁ berechnet werden. Außerdem kann, weil der geometrische Abstand L₁ + L₂ als Differenz zwischen L und L₀ bekannt ist, der geometrische Abstand L₂ auch dann berechnet werden, wenn der Brechungsindex n₂ des Materials der zweiten Schicht 102 nicht bekannt ist. Auf die gleiche Weise kann die Position des Oberflächenabschnitts 14, d.h. die Position, wo die Schicht 101 an die Schicht 102 grenzt, auch dann bestimmt werden, wenn der Brechungsindex n₂ des Materials der zweiten Schicht 102 bekannt, der Brechungsindex n₁ des Materials der ersten Schicht 101 jedoch unbekannt ist. Auf diese Weise ist die vorliegende Erfindung, insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Brechungsindex eines der Materialien der Schichten 101 und 102 zuverlässiger ist als der andere, so dass ausgewählt werden kann, welcher Brechungsindex verwendet werden soll. Dies ist z.B. dann vorteilhaft, wenn eines der Materialien ein Schadstoff oder ein verunreinigtes Produkt ist, das eine unbekannte Verunreinigung oder Substanzen enthalten kann, die den Brechungsindex beeinflussen können. Für das Beispiel einer Substanz, die Öl in Wasser enthält, wie beispielsweise bei einem Öltanker, kann die Zusammensetzung des Öls ziemlich gut bekannt sein, während die Brechungseigenschaften des Wassers von seiner Reinheit abhängen. Gemäß einem Aspekt kann es jedoch vorteilhaft sein, einen bekannten oder erfassten Wert für den Brechungsindex der dünnsten Schicht zu verwenden, die in 1 die zweite Schicht 102 sein würde. Der Grund hierfür ist, dass der geometrische Abstand dem Brechungsindex und der Laufzeit durch das Medium direkt proportional ist. Daher wird durch eine dickere Schicht mit einer bestimmten Genauigkeit des Brechungsindex ein größerer geometrischer Fehler erhalten als bei einer weniger dicken Schicht mit der gleichen Genauigkeit des Brechungsindex.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein spezielles Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex des Materials einer Schicht in der Substanz verwendet werden.
In einem ersten Schritt werden ein geometrischer Abstand zu einer Oberfläche über der Schicht des betrachteten Materials und der optische Abstand durch diese Schicht auf die vorstehend beschriebene Weise bestimmt. Beispielsweise wird der Abstand L₀ basierend auf der Phasenänderung des reflektierten Signals vom Oberflächenabschnitt 12 und dem Brechungsindex n₀ bestimmt, und der optische Abstand n₁L₁ durch die Schicht 101 wird basierend auf der Phasenänderung des reflektierten Signals vom Oberflächenabschnitt 14 bestimmt.
Anschließend wird dem Behälter im betrachteten Beispiel eine Materialmenge nur dieser Schicht 101 hinzugefügt.
Dann wird das Verfahren des ersten Schritts wiederholt, d.h. der geometrische Abstand L₀ zum Oberflächenabschnitt 12 und der optische Abstand n₁L₁ durch die Schicht 101 werden erneut bestimmt. Weil Material der Schicht 101 hinzugefügt wurde, haben sich sowohl L₀ als auch n₁L₁ geändert.
Im nächsten Schritt wird die Differenz von L₀ zwischen den wiederholten Schritten berechnet, die die zusätzliche Dicke ΔL₁ der Schicht L₁ darstellt, und der zusätzliche opti sche Abstand durch diese Schicht wird von der Differenz der Phasenverschiebung zwischen den wiederholten Schritten berechnet.
Schließlich wird der Brechungsindex des Materials dieser Schicht durch Berechnen des Verhältnisses zwischen der zusätzlichen optischen Dicke durch die Schicht und der zusätzlichen Dicke der Schicht bestimmt.
Auf diese Weise kann der Brechungsindex eines der Materialien in der Substanz bestimmt werden. Wenn nur zwei Materialien und damit zwei Schichten 101 und 102 im Behälter 11 vorhanden sind, kann dieses Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex für eines der Materialien verwendet werden, wohingegen der Brechungsindex des anderen Materials redundant ist. Dies kann insbesondere nützlich sein, wenn kein zuverlässiger Schätzwert für den Brechungsindex irgend eines der beiden Materialien vorliegt, oder nur für das Material einer Schicht, die wesentlich dicker ist als die andere Schicht.
Außerdem muss, wenn mehr als zwei Schichten mit verschiedenen Materialien vorhanden sind, ein Parameter für jede zusätzliche Schicht bekannt sein, entweder ihre Dicke oder ihr Brechungsindex, d.h. die optische Dicke. Daher kann, wenn eine Menge nur eines weiteren Materials einer dritten Schicht hinzugefügt werden kann, der Brechungsindex des Materials dieser Schicht gemäß dem vorstehenden Verfahren berechnet werden. Daraufhin kann die geometrische Position aller Trennflächen zwischen den Materialschichten und der oberen Fläche der Substanz gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren bestimmt werden. Für Fachleute ist ersichtlich, dass das gleiche für eine beliebige Anzahl von Schichten zutrifft.
Aufgabe des vorstehend erwähnten US-Patents war eine Schlackendickenmessung, wobei der Brechungsindex des Schlackenmaterials bekannt sein musste, es beinhaltete jedoch keine Messungen von Signalen, die durch zwei oder mehr Oberflächen von einem Behälterabschnitt reflektiert werden. Obwohl die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung eine andere ist, kann sie unter Verwendung einer ähnlichen Anordnung wie im US-Patent Nr. 5629706 realisiert werden. Auf das im US-Patent Nr. 5629706 dargestellte Arbeitsbeispiel mit den darin enthaltenen Komponenten wird daher hierin durch Verweis Bezug genommen und als Beispiel einer Ausführungsform zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrachtet. Gemäß diesem Beispiel und unter Bezug auf 1 werden die beiden Ausgangssignale von der rechten Seite eines Leistungsteilers 2 über ein Heliaxkabel (Andrew FSJ4-50B) einem ersten Port der Antenne 3 zugeführt, die ein Signal, vorzugsweise mit einer linkszirkularen Polarisation aussendet, und über ein Stahl-Koaxialkabel einem Empfänger 4 zugeführt. Der andere Hochfrequenzport auf der rechten Seite des Empfängers 4 ist über ein Heliax-Koaxialkabel (Andrew FSJ4-50B) mit einem zweiten Port der Antenne 3 verbunden, die vorzugsweise das Signal mit einer entgegengesetzten, rechtszirkularen Polarisation empfängt. Ein Datenerfassungssystem 5 ist über GPIB-Buskabel mit dem Signalgenerator 1 und dem Leistungsteiler 2 verbunden. Das Datenerfassungssystem 5, das vorzugsweise ein Vektor-Netzwerk-Analysator ist, kann in der vorliegenden Ausführungsform derart eingestellt werden, dass es 501 Frequenzschritte zwischen 10 und 15 GHz ausführt, wobei dieser Bereich das verwendete Frequenzband darstellt, und die komplexe Division zwischen dem empfangenen Signal und dem Referenzsignal vom Sender wird für jeden Frequenzkanal gespeichert. Für jede Datenabtastung kann eine Gesamtintegrationszeit von 1 Sekunde verwendet werden. Die komplexen Daten werden vorzugsweise auf Computerplatten gespeichert, und jedes Spektrum wird dann basierend auf den vorstehend dargestellten Gleichungen offline durch ein spe zielles Computerprogramm analysiert, um den Brechungsindex n₁ zu bestimmen.
Das im US-Patent Nr. 5629706 beschriebene Arbeitsbeispiel wurde unter Verwendung von Mikrowellenfrequenzen im Bereich von 10 bis 14 GHz ausgeführt. Dies ist auch ein für die vorliegende Erfindung geeignetes Frequenzband. Der tatsächliche Bereich des verwendeten Frequenzbandes muss jedoch in Abhängigkeit von den Materialien der betrachteten Schichten 101 und 102 ausgeglichen sein. Gemäß einem Aspekt nimmt die Genauigkeit der Abstandsmessung mit zunehmender Frequenz des Funkwellensignals zu. In einigen Fällen ist der vorstehend erwähnte Frequenzbereich möglicherweise ungeeignet, wenn die Absorption in der Substanz zu groß ist. Dies kann der Fall sein, wenn beispielsweise eines der Materialien ein hochgradig absorbierendes Material enthält, und auch dann, wenn die Gesamttiefe der Substanz groß ist. Beispiele hierfür sind ein Öltank, der, wie vorstehend erwähnt wurde, bis zu 35 m Öl und Wasser enthalten kann, wobei bei einer Frequenz von 10 GHz eine Dämpfung von 1000-5000 dB erhalten wird. In diesem Fall muss ein niedrigerer Frequenzbereich verwendet werden, z.B. ein Bereich von 1-5 GHz, auch wenn dadurch die Genauigkeit des Verfahrens herabgesetzt wird. Die aufgrund der Absorption erhaltene Dämpfung würde dann theoretisch auf 100-500 dB abnehmen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die vorliegende Erfindung zum Bestimmen des Pegels von einer oder mehreren Oberflächen verschiedener Materialschichten 101, 102 einer in einem Behälter 11 enthaltenen Substanz geeignet. Eine typische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Fall, in dem die Substanz im Behälter 11 ein erstes Material auf Ölbasis und ein zweites Material auf Wasserbasis enthält. Der Behälter 11 kann ein Tank eines Öltankers oder ein stationärer Öltank sein.
Die Erfindung wurde unter Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen ausführlich beschrieben, sie es jedoch nicht auf die dargestellten Details beschränkt, sondern innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung sind Modifikationen und Änderungen möglich.
Zusammenfassung
Verfahren und Vorrichtung für eine kontaktlose Pegel- und Grenzflächenerfassung
Durch die vorliegende Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke von Materialschichten einer in einem Behälter (11) angeordneten Substanz, die ein in einer oberen Schicht (101) angeordnetes erstes Material und ein in einer unteren Schicht (102) angeordnetes zweites Material enthält, durch Aussenden eines Funksignals durch die Substanz zu einem Behälterabschnitt (13) hin; Empfangen reflektierter Signale von einer Oberfläche (12) der oberen Schicht, einer Oberfläche (14) der unteren Schicht und dem Behälterabschnitt (13); Ändern der Frequenz des ausgesendeten Signals zum Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und den reflektierten Signalen; Bestimmen optischer Abstände zu den Oberflächen und zum Behälterabschnitt in Abhängigkeit von den Phasenverschiebungen; Bestimmen der Dicke (L₁) einer der Schichten in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung durch diese Schicht und einem Brechungsindex (n₁) dieser Schicht; und Bestimmen der Dicke (L₂) der anderen Schicht in Abhängigkeit von der Dicke der einen Schicht bereitgestellt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Dicke einer Materialschicht einer in einem Behälter angeordneten Substanz, wobei die Substanz ein in einer oberen Schicht angeordnetes erstes Material und ein in einer unteren Schicht angeordnetes zweites Material enthält, mit den Schritten: – Aussenden eines Funksignals von einer in einem vorgegebenen Abstand von einem Behälterabschnitt angeordneten Antenneneinrichtung durch die Substanz zum Behälterabschnitt hin; – Empfangen, an der Antenneneinrichtung reflektierter Signale von einem oberen ersten Oberflächenabschnitt der oberen Schicht, von einem zweiten Oberflächenabschnitt der zweiten Schicht und vom Behälterabschnitt; – Ändern der Frequenz des ausgesendeten Signals über ein Frequenzband zum Bestimmen einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und den reflektierten Signalen; – Bestimmen optischer Abstände von der Antenneneinrichtung zum ersten und zweiten Oberflächenabschnitt und zum Behälterabschnitt in Abhängigkeit von den Phasenverschiebungen; – Bestimmen der Dicke einer der Schichten in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung und einem Brechungsindex dieser Schicht; und – Bestimmen der Dicke der anderen der Schichten in Abhängigkeit vom vorgegebenen Abstand und von der Dicke der einen Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine Schicht die untere Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die eine Schicht die obere Schicht ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Material eine Flüssigkeit auf Ölbasis und das zweite Material eine Flüssigkeit auf Wasserbasis ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter ein Ölbehälter eines Öltankers ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Behälter ein an Land angeordneter Ölspeicherbehälter ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eines der Materialien eine Flüssigkeit und das andere der Materialien ein partikelförmiges Material ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: – Bestimmen des geometrischen Abstands zu einer Oberfläche über der Schicht des einen der Materialien und des optischen Abstands durch diese Schicht; – Hinzufügen einer Menge des Materials dieser Schicht zur Substanz; – erneutes Bestimmen des geometrischen Abstands zur Oberfläche über der Schicht des einen der Materialien und des optischen Abstands durch diese Schicht; – Berechnen der zusätzlichen Dicke dieser Schicht und des zusätzlichen optischen Abstands durch diese Schicht; und – Bestimmen des Brechungsindex des Materials dieser Schicht in Abhängigkeit von der zusätzlichen Dicke und dem zusätzlichen optischen Abstand durch diese Schicht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche über der Schicht eines der Materialien die oberste Fläche der Substanz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: – Bestimmen des geometrischen Abstands zu einer Oberfläche in der Substanz; – Hinzufügen einer Menge eines dritten Materials zur dritten Schicht, die über dieser Oberfläche angeordnet ist; – Erneutes Bestimmen des geometrischen Abstands zur Oberfläche über dieser Schicht und des optischen Abstands durch die dritte Schicht; – Berechnen der Dicke der dritten Schicht; und – Bestimmen des Brechungsindex des dritten Materials in Abhängigkeit von der Dicke und dem optischen Abstand durch die dritte Schicht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antenneneinrichtung derart ausgerichtet ist, dass sie Funksignalwellen im Wesentlichen vertikal nach unten aussendet, wobei der Behälterabschnitt ein innerer Bodenwandabschnitt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: – Multiplizieren des ersten reflektierten Signals mit dem ausgesendeten Signal im Frequenzbereich, um die erste Phasenverschiebung zu bestimmen; und – Transformieren der ersten Phasenverschiebung in den Zeitbereich, um den optischen Abstand vom Oberflächenabschnitt des Behälterabschnitts zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, mit den Schritten: – Bereitstellen einer Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Signalen bei mehreren Frequenzen über ein Frequenzband; und – Verbinden der Antenneneinrichtung mit der Signalerzeugungseinrichtung zum Empfangen der durch die Signalerzeugungseinrichtung erzeugten Signale und zum Aussenden von Funkwellen bei den mehreren Frequenzen über das Frequenzband.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Bestimmen einer ersten Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und dem ersten reflektierten Signal den Schritt zum Kreuzkorrelieren des ausgesendeten Signals und des empfangenen reflektierten Signals aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antenne ein Interferometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt zum Ändern der Frequenz des ausgesendeten Signals den Schritt zum Aussenden des Signals bei sequenziellen Frequenzen der mehreren Frequenzen aufweist.
Vorrichtung zum Bestimmen der Dicke einer Materialschicht einer in einem Behälter angeordneten Substanz, wobei die Substanz ein in einer oberen Schicht angeordnetes erstes Material und ein in einer unteren Schicht angeordnetes zweites Material enthält, wobei die Vorrichtung aufweist: – eine in einem vorgegebenen Abstand von einem Behälterabschnitt angeordnete Antenneneinrichtung, die durch die Substanz zum Behälterabschnitt hin ausgerichtet ist; – eine Vergleichereinheit, die dazu geeignet ist, ein durch die Antenneneinrichtung ausgesendetes Signal und reflektierte Signale von einem oberen ersten Oberflächenabschnitt der oberen Schicht, von einem oberen zweiten Oberflächenabschnitt der zweiten Schicht und vom Behälterabschnitt zu vergleichen; – eine Steuereinheit, die dazu geeignet ist, die Frequenz des ausgesendeten Signals über ein Frequenzband zu ändern, um eine Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten Signal und den reflektierten Signalen zu bestimmen, wobei die Steuereinheit eine Recheneinrichtung aufweist, die dazu geeignet ist, optische Abstände von der Antenneneinrichtung zum ersten und zweiten Oberflächenabschnitt und zum Behälterabschnitt in Abhängigkeit von den Phasenverschiebungen zu bestimmen, die Dicke einer der Schichten in Abhängigkeit von der Phasenverschiebung durch diese Schicht und dem Brechungsindex dieser Schicht zu bestimmen, und die Dicke der anderen Schicht in Abhängigkeit vom vorgegebenen Abstand und der Dicke der einen Schicht zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, mit: einem Signalgenerator, der dazu geeignet ist, ein elektromagnetisches Signal zu erzeugen und der Antenneneinrichtung zuzuführen; und einem zwischen dem Generator und der Antenneneinrichtung geschalteten Signalleistungsteiler; wobei die Vergleichereinheit mit der Antenneneinrichtung und dem Signalleistungsteiler verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Steuereinheit ferner eine Einrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2-16 aufweist.