DE69005245T2

DE69005245T2 - Mikrowellen-füllstandsmesser.

Info

Publication number: DE69005245T2
Application number: DE90906420T
Authority: DE
Inventors: Kurt Edvardsson
Original assignee: Saab Marine Electronics AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 1989-04-10
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1994-03-31
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: EP0419636B1; JPH03502493A; CA2031453C; KR920700396A; SE466519B; BR9006408A; DK0419636T3; NO905314L; NO179385B; KR940000144B1; SA90110002B1; SE8901260D0; US5070730A; DE69005245D1; FI906016A0; NO179385C; AU616357B2; JPH068741B2; ES2048487T3; SE8901260L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter, bei dem sich oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit ein Gas befindet, wobei die Vorrichtung einen ersten Sender für die Aussendung eines Mikrowellensignals durch das Gas auf die Oberfläche der Flüssigkeit umfaßt sowie einen ersten Empfänger zum Empfang des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche reflektiert wird, und eine Elektronikeinrichtung zur Berechnung der Laufzeit des ausgesendeten und des reflektierten Mikrowellensignals einer ersten Entfernung vom ersten Sender zur Oberfläche der Flüssigkeit und dadurch deren Pegel im Behälter.
Derartige Vorrichtungen kommen zunehmend in Gebrauch, insbesondere für Erdölprodukte wie Rohöl sowie daraus hergestellte Produkte. Mit Behältern sind in diesem Zusammenhang sehr große gemeint, die sowohl Teile des Gesamtladevolumens eines Tankers als auch größere, gewöhnlicherweise kreisförmig zylindrische Tanks an Land mit Volumen mit zehntausenden von Kubikmetern sein können. Die Anforderungen für die Genauigkeit der Messung sind zunehmend größer geworden. In einigen Fällen kann eine Meßgenauigkeit von 1 bis 2 mm bei einer Entfernung von 20 Meter vom Sender zur Oberfläche der Flüssigkeit erforderlich sein. Um eine derart hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, sind Spezialmaßnahmen erforderlich, um Störungen auszuschließen. Ein Problem, das häufig im Zusammenhang mit der Pegelmessung der eingangs genannten Art auftritt, insbesondere in bezug auf Behälter, die Erdölerzeugnisse oder andere chemische Erzeugnisse enthalten, ist die Beschaffenheit des Gases oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit, d.h. der "Tankatmospäre", die einen Partialdruck der verdampften Flüssigkeit und ebenfalls gewöhnlich einen Partialdruck der Luft und möglicherweise Wasserdampf aufweist. Ein verdampftes Erdölerzeugnis, d.h. ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, weist eine etwas geringere Laufzeitgeschwindigkeit für Mikrowellen im Vergleich zu Luft auf. Die Laufzeitgeschwindigkeit steht in einer gewissen Relation zur Dichte des Gases. Das bedeutet, daß die Laufzeitgeschwindigkeit von Mikrowellen oder die Mikrowellengeschwindigkeit vom Zustand im Gas oberhalb der Flüssigkeit im Behälter abhängt. Wenn der Behälter im wesentlichen mit einem Erdölerzeugnis gefüllt ist, ist der entsprechende Partialdruck der Kohlenwasserstoffe im wesentlichen gleich dem Dampfdruck, wenn ein stabiler Zustand erreicht worden ist, d.h. das Gas ist mit gasförmigem Kohlenwasserstoff gesättigt. Der Dampfdruck variiert im wesentlichen für unterschiedliche Flüssigkeiten wie Kohlenwasserstofferzeugnissen von faktisch 0 bis zu Atmosphärendruck und darüber hinaus. Wenn andererseits der Behälter geleert ist, strömt Luft aus der Atmosphäre hinein und vermischt sich mit dem gasförmigen Kohlenwasserstoff, so daß eine Mischung aus gasförmigem Kohlenwasserstoff und Luft erfolgt. In Verbindung mit dem Entleeren wird der Partialdruck der Luft verhältnismäßig hoch, aber wenn der Behälter unbewegt gehalten wird, wird mehr Kohlenwasserstoff aus der Oberfläche ausdampfen und der Partialdruck des Kohlenwasserstoffs wird sich erhöhen. Es ist offensichtlich, daß die Mikrowellengeschwindigkeit in Abhängigkeit des Partialdrucks des Kohlenwasserstoffs variieren wird, was gleichzeitig bedeutet, daß das Meßergebnis entsprechende Abweichungen von den korrekten Werten der Pegelmessung zeigen wird.
Es bestand seit langer Zeit ein Bedürfnis an einer einfachen Möglichkeit, die Meßwerte zu korrigieren, die mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erhalten wurden, und die das allgemeine Verhältnis bzw. die Beschaffenheit im Gas berücksichtigt, wobei aber keine Vorrichtung zur Verfügung gestellt wurde.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und zuverlässige Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine Korrektur des mit ihr erhaltenen Pegelmeßergebnisses ermöglicht. Mit einer bevorzugten Ausführungsform ist es mit der Erfindung ebenfalls möglich, die Korrektur verhältnismäßig unabhängig vom horizontalen Dichtegradienten werden zu lassen.
Gemäß der Erfindung ist eine derartige Vorrichtung gekennzeichnet durch ein erstes Mittel zur Aussendung einer Schallwelle und zum Empfang der reflektierten Schallwelle aus einer bekannten oder annähernd bekannten Entfernung, sowie durch ein zweites Mittel zur Korrektur der ersten Entfernung in eine zweite Entfernung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Mikrowelle im Gas mittels einer bekannten Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Mikrowellengeschwindigkeit.
Die Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Mikrowellengeschwindigkeit ist für eine große Zahl von Gasen und Gasgemischen bekannt. Zur Größenordnung kann gesagt werden, daß die Schallgeschwindigkeit in einem Gemisch gasförmigen Kohlenwasserstoffs und Luft ungefähr 500 Mal stärker durch den Partialdruck des Kohlenwasserstoff beeinflußt wird, d.h. im Verhältnis zum Gasgemisch, als die Mikrowellengeschwindigkeit. Das bedeutet, daß eine Pegelmessung, die oberhalb einer Flüssigkeit ausgeführt wird, wo es ein Gas mit einem gewissen Partialdruck eines Gases entsprechend der Flüssigkeit gibt bzw. vorhanden ist, mit sehr großer Genauigkeit durch die Messung der Schallgeschwindigkeit des fraglichen Gases berichtigt werden kann. Wenn für den Schall und die Mikrowellen derselbe Weg benutzt wird, ist die Korrektur unabhängig von der Inhomogenität.
Die Schallgeschwindigkeit bzw. die Mikrowellengeschwindigkeit im Gas und im Gasgemisch kann mit mehr oder weniger komplexen Formeln in Abhängigkeit der gewünschten Genauigkeit beschrieben werden. Im Hinblick auf die vorangehend erwähnte Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Mikrowellengeschwindigkeit sollten die Anforderungen verhältnismäßig niedrig sein, was bedeutet, daß Näherungsformeln verwendet werden können.
Die Mikrowellengeschwindigkeit vm kann ausgedrückt werden durch:
v m = c / [ur × &epsi;r] ,
wobei c = die Mikrowellengeschwindigkeit im Vakuum,
ur = die relative Permeabilitätskonstante für das Übertragunsmedium und
&epsi;r = die relative Dielekrizitätskonstant für das Übertragungsmedium
ist. ur kann den Wert 1 für das hier in Frage kommende Gas annehmen, wobei deshalb lediglich die Variation der relativen Dielektrizitätskonstante mit der Gaszusammensetzung berücksichtigt werden muß.
Für ein Gas kann &epsi;r aus der Beziehung
(&epsi;r - 1/&epsi;r + 2) = x R/M
berechnet werden, wobei
= die Gasdichte,
R = die molare Refraktion und
M = das Molekulargewicht
ist.
R kann durch Addition bestimmter Größen für Atome und Bänder in einem Molekül berechnet werden. Für ein Gasgemisch können die entsprechenden Berechnungen ausgeführt werden. R kann näherungsweise proportional zum Molekulargewicht sein, wenn eine Einschränkung auf Kohlenwasserstoffe vorgenommen wird. Einige Gase sind polar, was R größer erscheinen läßt, wobei in diesem Fall R in Abhängigkeit vom Gas ausgewählt werden kann. Für Kohlenwasserstoffe ist eine eingehende Kenntnis der Zusammensetzung des Gases nicht erforderlich. &epsi;r - 1 kann als proportional zur Dichte des Gases angenommen werden, solange &epsi;r dicht bei 1 ist, was immer der Fall ist für Gase nahe dem Atmosphärendruck (max. 1,01). Für Kohlenwasserstoffe kann ein Mittelwert von 0,0011 pro 1 kg/m³ angegeben werden. Wenn die verdrängte Luft in Betracht gezogen wird, kann berechnet werden, daß die Mikrowellengeschwindigkeit mit 400 ppm (millionstel Teile) pro kg Kohlenwasserstoff und pro m³ abnimmt, immer unabhängig von der Art des einzelnen gasförmigen Kohlenwasserstoffs. Die erhaltene Zahl ist unabhängig von der Temperatur in einem Bereich oberhalb 20º (d.h. der gewöhnlichen Lagertemperatur), wobei aber die zunehmende Temperatur natürlich einen zunehmenden Partialdruck des gasförmigen Kohlenwasserstoffs oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit zur folge hat. Verschiedene Gase wie Wasser, Ammoniak usw. zeigen ein permanentes Dipolmoment was R in der oben dargestellten Beziehung beeinflußt.
Für die Schallgeschwindigkeit in einem Gas v&sub1; gilt folgendes:
wobei Cp = die spezifische Wärme bei konstantem Druck,
Cv = die spezifische Wärme bei konstantem Volumen,
p = der Druck und
= die Dichte
ist. Die Dichte der Luft bei 20º beträgt ungefähr 1,2 kg/m³, während sie 3 - 3,5 kg/m³ für gasförmigen Kohlenwasserstoff der hier in Frage kommenden Art ist. Cp/Cv beträgt für Luft 1,40 und für gasförmigen Kohlenwasserstoff 1,15.
Für Gasgemische gibt es eine Beziehung für v&sub1;, die eine Abwandlung der obigen Formel ist. Die Geschwindigkeit v&sub1; ist dann
v&sub1; = [(T/M/(1/R - 1/Cp)] ,
wobei T = die absolute Temperatur,
M = das durchschnittliche Molekulargewicht,
R = die Gas konstante und
Cp = die spezifische Wärme pro Mol (Durchschnitt)
ist.
Insbesondere wenn der Partialdruck des gasförmigen Kohlenwasserstoffs niedrig ist, wird die inverse Schallgeschwindigkeit, d.h. die Laufzeit, zunehmend im wesentlichen linear mit der Dichte des Kohlenwasserstoffs. Als Beispiel sei erwähnt, daß der Partialdruck eines Kohlenwasserstoffs entsprechend der Dichte von 1 kg/m³ des Kohlenwasserstoffs eine Laufzeitzunahme von 20 % im Vergleich zur Laufzeit in Luft zeigt, während die entsprechende Darstellung für die Laufzeit der Mikrowelle eine Zunahme von 0,04 % zeigt. Für hohe Partialdrücke des Kohlenwasserstoffs ist die Zunahme der Laufzeit der Schallwelle nicht linear in Abhängigkeit von der Dichte, aber weiterhin eine Funktion von dieser.
In der Praxis geschieht es während der Pegelmessung oft beispielsweise in einem Tank mit Erdölprodukten, daß die Dichte des Gases längs der Meßlänge für das Schallsignal und das Mikrowellensignal variiert. In bezug auf das Schallsignal kann annähernd berechnet werden, daß die Laufzeit des Schalls proportional zum Durchschnitt der Quadratwurzel der Dichte ist, wohingegen in bezug auf das Mikrowellensignal die Laufzeit proportional der Dichte ist unter der Bedingung, daß die relative Dielektrizitätskonstante nahe 1 ist, was für den hier in Frage kommenden Fall richtig ist.
Eine Auswertung einiger praktischer Fälle mit etwa 20 %iger Zunahme der Laufzeit der Schallwelle zeigt, daß der Fehler in bezug auf die Laufzeitzunahme der Mikrowelle auf einige wenige Prozent Zunahme begrenzt ist, der sich auf ungefähr 0,01 - 0,1 % in den fraglichen fällen beläuft und der unter Berücksichtigung der gewünschten Korrektur der Pegelmessung gut akzeptabel ist.
Bei einer gebräuchlichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient das erste Mittel zur Aussendung eines Schallsignals parallel zum Mikrowellensignal auf die Oberfläche der Flüssigkeit und zum Empfang des an der Oberfläche reflektierten Schallsignals. Auf diese Weise durchläuft sowohl das Schallsignal als auch das Mikrowellensignal dasselbe Gas, d.h. das Übertragungsmedium mit derselben Zusammensetzung, das möglicherweise einen Dämpfungsgradienten aufweist.
Es ist vorteilhaft, das erste Mittel und den Sender des Mikrowellensignals in einer Einheit zusammenzufassen, um vorzugsweise das Schallsignal und das Mikrowellensignal im wesentlichen auf demselben Weg auszusenden. Konstruktiv kann dieses Prinzip dadurch verwirklicht werden, daß die Einheit ein Horn zur Bündelung bzw. zum Erhalt einer Richtwirkung sowohl des Schallsignals als auch des Mikrowellensignals umfaßt.
In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist das erste Mittel zur Messung der Schallgeschwindigkeit mit einem zweiten Sender und einem zweiten Empfänger ausgerüstet, wobei vorzugsweise beide im oberen Teil des Behälters angeordnet sind. Der mit dieser Ausgestaltung erreichbare Vorteil liegt in einer einfachen Konstruktion, wobei aber der Nachteil darin liegt, daß das Schallsignal und das Mikrowellensignal unterschiedliche Wege beschreiten. Lediglich unter der Voraussetzung, daß das Gas oberhalb der Flüssigkeit als homogen angenommen werden kann und keinen Dämpfungsgradienten aufweist, kann die Messung der Schallgeschwindigkeit direkt für die Korrektur der Laufzeit des Mikrowellensignals verwendet werden.
Um die Verwendung der vorangehend beschriebenen alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ebenfalls in den Fällen möglich zu machen, in denen das Gas einen Gradienten aufweist, ist die Vorrichtung geeigneterweise mit einem dritten Mittel versehen, das durch einen Computer gebildet wird, der eine Speichereinrichtung zur Speicherung eines ersten Meßwertes der Schallgeschwindigkeit für einen relativ hohen Pegel der Flüssigkeit im Behälter umfaßt, und das eine Recheneinheit zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas, welches einen Dichtegradienten aufweist, umfaßt, die mit dem ersten gespeicherten Meßwert und einem zuletzt gespeicherten zweiten Meßwert für die Schallgeschwindigkeit entsprechend einem relativ niedrigeren Pegel der Flüssigkeit im Behälter und mittels eines Algorithmusses, der im Computer gespeichert ist und einen wahrscheinlichen Dichtgradienten im Gas beschreibt, beginnt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich zu dem vorangehend Erwähnten in einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen ausgebildet sein. Die Vorrichtung kann beispielsweise ein vertikales Rohr umfassen, durch das das Mikrowellensignal und möglicherweise ebenfalls das Schallsignal auf die reflektierende Oberfläche der Flüssigkeit geleitet wird. Das Rohr muß natürlich mit einer Mehrzahl von Öffnungen längs seiner Längsausdehnung versehen sein, um sicherzustellen, daß die Oberfläche der Flüssigkeit den gleichen Pegel innerhalb und außerhalb des Rohrs aufweist.
Die Vorrichtung wird nun in größerer Einzelheit in Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1 in schematischer Form einen vertikalen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung einer ersten Ausführungsform zeigt,
Fig. 2 auf gleiche Weise eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung,
Fig. 3-5 unterschiedliche Detailausgestaltungen der Vorrichtung gemäß Figur 2,
Fig. 6 schematisch einen vertiklen Querschnitt durch eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 7 eine grafische Darstellung der Gasdichte als Funktion der Entfernung von einem Mittel zur Messung der Schallgeschwindigkeit gemäß der Figur 6 zur Oberfläche der Flüssigkeit.
In Figur 1 bezeichnet 1 einen Behälter, der eine Flüssigkeit wie eines Erdölproduktes 2 mit einer Oberfläche 3 umfaßt. Auf dem Dach bzw. Deckel 4 des Behälters ist in einem Verbindungsstück 5 ein Sender und ein Empfänger 6 für die Aussendung und den Empfang eines Mikrowellensignals angeordnet, beispielsweise mit λ = 3,0 cm entsprechend dem X Band innerhalb des Radarfrequenzbereiches. Eine Elektronikeinheit 7 umfaßt neben anderen Dingen eine Einrichtung zur Berechnung einer ersten Entfernung zur Oberfläche der Flüssigkeit aus der Laufzeit eines ausgesandten und an der Oberfläche reflektierten Mikrowellensignals. In einem anderen Verbindungsstück 8 im Deckel des Behälters ist ein erstes Mittel 9 für die Aussendung und den Empfang eines ausgesandten und an der Oberfläche 3 der Flüssigkeit reflektierten Schallsignals angeordnet. Wenn der Raum im Behälter zwischen der Oberfläche 3 und dem Sender/Empfänger 6 bzw. dem Mittel 9 mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff mit einem bestimmten Partialdruck gefüllt ist, d.h. eine bestimmte Dichte aufweist, ist die Mikrowellengeschwindigkeit durch das Übertragungsmedium, d.h. durch das Gas, etwas geringer als dann, wenn das Obertragungsmedium Luft ist. In Figur 1 ist der richtige Abstand mit L bezeichnet und der durch die Elektronikeinheit 7 berechnete Abstand mit LM = L + dM, wobei dM eine Messung der Fehlermessung ist. Der Abstand zur Oberfläche 3, der durch das Mittel 9 mittels eines Schallsignals gemessen wird, beträgt LL = L + dL, wobei dL eine Messung der Zunahme der Entfernung der richtigen Entfernung L ist, was daher kommt, daß die Schallgeschwindigkeit in dem gasförmigen Kohlenwasserstoff niedriger als in der Luft ist. Mit der Kenntnis der Beziehung dL = k&sub1; x dM wird folgendes erhalten:
L = LM - (LL - LM)/(kl - 1),
oder wenn k&sub1; » 1 ist, dann
L = LM - (LL - LM)/k&sub1;.
Eine derartige Korrektur wird durch ein nicht dargestelltes zweites Mittel, das in der Elektronikeinheit 7 enthalten ist, bewirkt.
Für Kohlenwasserstoffe ist es richtig, daß in der Praxis k&sub1; unabhängig davon ist, welcher Kohlenwasserstoff sich im Behälter befindet. Dieses ist wichtig, da das Gemisch oft unbekannt ist. So kann beispielsweise Treibstoff (Benzin) ungefähr tausend Bestandteile enthalten. Für andere Flüssigkeiten, beispielsweise polare Flüssigkeiten, kann k&sub1; entsprechend dem Inhalt gewählt werden.
Der Sender für das Mikrowellensignal 6 und die Mittel für die Übertragung eines Schallsignals sind in diesem Falle in derselben Höhe oberhalb des Pegels der Flüssigkeit angeordnet, was natürlich nicht erforderlich ist, wenn die erforderlichen Umrechnungen, die unterschiedliche Höhen oberhalb des Pegels der Flüssigkeit berücksichtigen, auf einfache Weise durch das zweite Mittel ausgeführt werden können. Es soll jedoch angemerkt werden, daß es vorteilhaft ist, wenn die Schallwellen und die Mikrowellen im wesentlichen in gleichen Entfernungen durch das fragliche Gas hindurchgehen.
In Figur 2 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt, die ein Horn 11 umfaßt, welches sowohl die Mikrowellen als auch die Schallwellen bündelt bzw. ausrichtet, um diese im wesentlichen koinzident auszusenden und zu reflektieren.
Einige Abwandlungen der Ausführungsformen gemäß Figur 2 sind in den Figuren 3 bis 5 dargestellt. Von diesen zeigt der Sender für das Mikrowellensignal einen Wellenleiter, der mit einem Dielektrikum 12 gefüllt ist, und eine Schallquelle und einen Empfänger für den reflektierten Schall 13 mit einer Zuführung 14 für ein Schallsignal und ein Horn mit einer Wand 15.
Die Abwandlung gemäß Figur 4 umfaßt einen Wellenleiter für Mikrowellen 16 mit dielektrischer Füllung. Der Wellenleiter ist durch ein Metallrohr 17 umgeben. Ein piezoelektrisches oder magnetostriktives Schallelement, das koaxial zum Wellenleiter ausgebildet ist, umgibt den Wellenleiter. Unterhalb des Schallelementes 18 ist ein akustischer Resonator 19 angeordnet. An seinem unteren Teil ist ein Viertelwellentransformator 20 in Form eines Ringschlitzes angeordnet, der verhindert, daß die Mikrowellen sich auf diesem Wege ausbreiten, d.h. daß er sie am Verlassen des Wellenleiters hindert. Die Wand in einem Horn ist mit 21 bezeichnet.
Eine Abwandlung mit nicht kreisförmig symmetrischer Zuführung der Schallwellen ist in den Figuren 5 a und b dargestellt. Ein Wellenleiter 22 für Mikrowellen ist mit einem Dielektrikum angefüllt und endet nach unten gerichtet mit einer Kante 23, die aus dem Querschnitt entsprechend den Markierungen I - I, wie sie in Figur 5 b dargestellt ist, ersichtlich ist. Eine Schallquelle 24 ist an der Seite einer Wand 25 des Wellenleiters angeordnet, welche den keilförmigen unteren Teil des Wellenleiters auf dieser Seite begrenzt. Das Schallsignal wird durch die Wand 25 nach unten reflektiert und kehrt nach der Reflexion an der Oberfläche der Flüssigkeit durch Reflexion an der gegenüberliegenden Wand 25 auf den Wellenleiter zu einem Empfänger oder Mikrophon 27 zurück.
Wenn der Wellenleiter ein Einzelmodeausbreitung sowohl für die Mikrowellen als auch die Schallwellen aufweist, gibt es eine verhältnismäßig große Freiheit, um den Übergang unter Aufrechterhaltung der Ausbreitung des Modes unsymmetrisch aufrechtzuerhalten.
Eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Figur 6 dargestellt. Die Bezeichnungen in Figur 1 sind für entsprechende Teile der Vorrichtung wiederholt worden, wobei aber die Schallmessung über eine Schallquelle 29 erfolgt, die an einem Träger 28 ausgebildet ist, und die Schallquelle auf einen Empfänger oder ein Mikrophon 30 gerichtet ist, der bzw. das ebenfalls auf dem Träger 28 befestigt ist. Der Abstand zwischen der Schallquelle und dem Mikrophon kann ungefähr 0,5 m betragen. Wie schon erwähnt, besteht der Nachteil dieser Ausführungsform darin, daß das Schallsignal nicht denselben Weg wie das Mikrowellensignal beschreitet. Dieses führt zu einer befriedigenden Korrektur der Pegelmessung lediglich dann, wenn das Gas 10 oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit homogen ist, d.h. keinen Dichtegradienten aufweist. Dieses ist der Fall, wenn der Behälter beispielsweise mit einem Erdölprodukt gefüllt ist und in diesem Fall die Luft aus dem Behälter verdrängt worden ist.
Um es möglich zu machen, befriedigende Korrekturen mit der Vorrichtung gemäß Figur 6 ebenfalls in den Fällen zu erreichen, in denen das Gas heterogen ist und einen Gradienten aufweist, kann die Vorrichtung mit einem dritten Mittel ergänzt werden, das einen Computer enthält, der einen Speicher zur Speicherung eines ersten Meßwertes enthält, der erhalten wird, wenn der Behälter mehr oder weniger mit Flüssigkeit wie einem Erdölprodukt gefüllt ist. Dieser Meßwert stellt dann einen maximalen Dichtewert für das fragliche Gas dar ebenso wie berechnet werden kann, daß der Raum oberhalb der Flüssigkeit vollständig mit einem homogenen Gas entsprechend der Flüssigkeit gefüllt ist. Das dritte Mittel umfaßt ebenfalls eine Recheneinheit, die, teilweise beginnend vom ersten gespeicherten Wert an und teilweise von einem zweiten Meßwert entsprechend dem vorherigen Pegel der Flüssigkeit entsprechend einer im wesentlichen niedrigeren Dichte im Gas in Abhängigkeit des Luftgemisches während der Leerung des Behälters und teilweise unter Berücksichtigung eines im Computer gespeicherten Algorithmusses, der einen wahrscheinlichen Dichtegradienten im Gas beschreibt, die wahrscheinliche Schallgeschwindigkeit im Gas berechnet, wobei eine annähernd befriedigende Korrektur des mit dem Mikrowellensignals gemessenen Pegels durchgeführt werden kann.
In Figur 7 ist das Meßverfahren mit der Erfindung gemäß Figur 6 für den Fall beschrieben, daß das Gas im Behälter einen Gradienten aufweist.
Das dargestellte Diagramm zeigt schematisch die Dichte des Gases als Funktion des Abstandes zwischen dem Schallmeßmittel und der Oberfläche der Flüssigkeit. Bei einem im wesentlichen gefüllten Behälter mit einem homogenen Gas im Container wird der Dichtewert (d.h. entsprechend der Schallgeschwindigkeit) A gemessen. Wenn der Behälter geleert wird, wird dieser Dichtewert zu Beginn bis zu einem Punkt B aufrechterhalten. Wenn Luft einströmt, beginnt die Dichte auf einen niedrigsten Wert bei Punkt C abzunehmen. Wenn dann der Behälter ohne irgendeine Messung der Flüssigkeit belassen wird, wird Flüssigkeit nach und nach ausdampfen und die gemessene Dichte bei dieser verhältnismäßig großen Entfernung zur Oberfläche einen Wert D erreichen. Über eine frühere Messung ist Kenntnis über den maximalen Dichtewert E erhalten worden, der möglicherweise im Behälter auftreten kann. Es sei nun angenommen, daß der Dichtegradient D - E sei, d.h. durch Messung mit einer gesonderten Einrichtung oder mittels theoretischer Berechnungen der Abhängigkeit der Dichte in der Höhe im Behälter, wobei der Dichtegradient D - E im Computer in Form eines Algorithmusses gespeichert ist, der zur Korrektur in der vorangehend beschriebenen Weise benutzt wird. Die Annahme, daß die Dichte des Gases exponentiell mit der Höhe oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit variiert, ergibt eines einfachen Algorithmus, der normalerweise als akzeptable Näherung geeignet ist.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Pegels einer Flüssigkeit in einem Behälter, wobei sich oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit ein Gas befindet, mit einem ersten Sender für die Aussendung eines Mikrowellensignals durch das Gas auf die Oberfläche der Flüssigkeit, mit einem ersten Empfänger zum Empfang des von der Oberfläche reflektierten Mikrowellensignals, mit einer Elektronikeinrichtung zur Berechnung einer ersten Entfernung vom ersten Sender zur Oberfläche der Flüssigkeit und dadurch deren Pegel im Behälter aus der Laufzeit des ausgesendeten und reflektierten Mikrowellensignals, gekennzeichnet durch ein erstes Mittel zur Aussendung einer Schallwelle und zum Empfang einer reflektierten Schallwelle aus einer bekannten oder annähernd bekannten Entfernung, sowie durch ein zweites Mittel zur Korrektur der ersten Entfernung in eine zweite Entfernung unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der Mikrowelle im Gas mittels einer bekannten Beziehung zwischen der Schallgeschwindigkeit und der Mikrowellengeschwindigkeit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Mittel zur Aussendung eines Schallsignals parallel zum Mikrowellensignal auf die Oberfläche der Flüssigkeit und zum Empfang des an der Oberfläche reflektierten Schallsignals dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Mittel und der Sender des Mikrowellensignals in einer Einheit zusammengefaßt sind, um bevorzugt das Schallsignal und das Mikrowellensignal im wesentlichen auf demselben Weg auszusenden.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit ein Horn zur Bündelung bzw. zum Erhalt einer Richtwirkung sowohl des Schallsignals als auch des Mikrowellensignals umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Mittel zur Messung der Schallgeschwindigkeit einen zweiten Sender und einen zweiten Empfänger umfaßt, die beide vorzugsweise im oberen Teil des Behälters angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Mittel durch einen Computer gebildet wird, der eine Speichereinheit zur Speicherung eines ersten Meßwertes der Schallgeschwindigkeit für einen verhältnismäßig hohen Pegel der Flüssigkeit im Behälter umfaßt, und der eine Recheneinheit zur Berechnung der Schallgeschwindigkeit in einem Gas, welches einen Dichtegradienten aufweist, umfaßt, die mit dem ersten gespeicherten Meßwert und einem zuletzt gemessenen zweiten Meßwert für die Schallgeschwindigkeit entsprechend einem relativ niedrigeren Pegel der Flüssigkeit im Behälter und mittels eines Algorithmusses, der im Computer gespeichert ist und einen wahrscheinlichen Dichtegradienten im Gas beschreibt, beginnt.