JP4757920B2 - 液位計 - Google Patents

Description

本発明は、本出願人のノルウェー特許出願第２００５４４６６号（特許文献１）に記載されている、液位を求める装置に関し、当該出願の内容は、参照により本明細書に援用される。

上記装置は、レーダー機器及びいくつかの実施の形態では底面部によって液位を測定する波遮蔽体を備える。

したがって、本発明は、容器内の液位を測定する装置に関し、液体がＬＮＧであり、容器が船にあるタンクである例によって詳細に説明するが、例えば地上配置式のＬＮＧ貯蔵タンク、石油製品タンク、化学薬品タンク、及び液状栄養タンク等、他の任意のレーダー測定システムにおいて使用することができる。

従来の液位計のレーダーは、タンクの屋根によって支持されている。レーダー源とタンクの底面間には一定の距離（タンク深さ）があるものと思われる。液位計のレーダーは、（レーダー源及び液面間の距離である）アレージを測定し、液位は、タンク深さと測定されたアレージとの差として計算される。この方法は、多くの理由から、深いタンク内の低い液位を測定するのに十分に正確ではない。

ＩＳＯ１３６８９によると、液位測定は、「液深を測定する基準となる、タンク較正テーブルのゼロ位に等しい基準面（reference level）」である基準面（datum level）に関連し得る（ＩＳＯ／ＣＤ１３６８９．３§３．６）。液位は、「タンク内の液面と基準面との距離である」（§３．７）。本発明は、（容器底面の）タンク基準面に直接関連し得る、（容器上部の）レーダー測定用の一定の基準位置を確立する際の実際的な問題に対処する。タンク屋根の熱膨張はそれのみで、ＣＴＳ用途に必要とされる正確性にはとどまらないほど（レーダー及び底面間の距離を変えることによって）タンク深さに影響を与える可能性を有する。レーダーが固定されるタンク屋根の熱膨張は、主としてデッキ上の太陽熱の放射に起因し、これはタンクの上部が容器内部の冷却液化ガスから熱的に分離されているためである。この現象は従来技術のシステムでは考慮されていない。ＬＮＧの用途でも、レーダースチールパイプの熱収縮について液位測定を補正するのに使用される方法においては、誤差の原因となるものがかなりある。

国際公開第２００４／０８３７９１号（特許文献２）は、製品の表面レベルを測定するシステムを示している。このシステムは２つの液位計を備え、第１のものは製品の表面よりも上に配置され、第２のものは容器の底面近くに配置されて、測定値が所定値未満である場合に製品の液位を求める。この装置、低い液位を正確に測定するように試みており、主として、層を成す貯蔵タンク内（すなわち油タンクの底面の水）の高密度液体の液位を測定することができることを含む。しかし、第２の液位計の提供は以下の不都合点を有する。すなわち、設置段階の追加コスト及び複雑さ、並びに第２の液位計は、ＬＮＧ貯蔵タンク内の極めて低い温度で沈められるであろうため、動作中の故障の危険が高まることである。

従来技術では、タンクの底面に用いられる基準面は、十分に正確な方法で高さのばらつきを考慮していないため、深いタンク内で液位を測定するいかなる満足のいく方法も提供されていない。

ノルウェー特許出願第２００５４４６６号 国際公開第２００４／０８３７９１号

本発明の目的は、容器の底面に対する液位測定のための正確な基準信号を供給する、容器基準装置を提供することである。

別の目的は、液位を測定するときに、容器及び／又は測定システムの熱膨張／熱収縮を考慮することである。

本発明の別の目的は、容器に容易に固定することができる装置を提供することである。

本発明の別の目的は、スチールパイプの熱収縮／熱膨張を考慮に入れた装置を提供することである。

本発明の別の目的は、好ましくは直接的に（すなわち、別個の測定もオペレータ入力値も必要とせずに）流体の波伝搬速度又は誘電率（permittivity）（誘電定数（dielectric constant））を求める方法を提供し、レーダー信号が液相を通る移動距離を、測定された時間遅延から計算することができるようにすることである。

これら及び他の目的は、信号を液面へ向けて送るアンテナを有するレーダー測定装置と、エコー信号を検出する手段とを備える、容器内の液位を求める装置であって、容器基準信号を提供する装置を備えることを特徴とする、装置によって達成される。

一実施の形態では、レーダー測定装置は、スチールパイプ及び遮蔽装置を備える。この実施の形態の変形では、容器基準装置は、主にスチールパイプ内の縦スリット内を摺動するようになっており、且つ遮蔽装置の開口に受け入れられるようになっている基準ピンを備える。別の変形では、容器基準装置は、ディスク及び支持ピンを備え、ディスクは、基準マーカであり、支持ピンに載っている。別の変形では、容器基準装置はリフレクタを備え、遮蔽装置は底面部を有し、それによりリフレクタを使用して、遮蔽装置の底面部から屈折するエネルギーの部分をスチールパイプへ反射して戻すことにより底面基準信号を遅らせる。この実施の形態の変形では、リフレクタは、遮蔽装置の上縁部又は壁上に位置するカラーリングであり、別の変形ではリフレクタは、オフセット距離に関して自由度を提供するようになっている別個のリフレクタである。

本発明の別の実施の形態では、上記装置は、波伝搬速度を測定するさらなる手段を備える。この実施の形態の変形では、当該手段は、主にスチールパイプの縦スリット（split）を摺動するようになっている２つのピンを備え、別の変形では、固定マーカを備える。

本発明は、信号を液面へ向けて送ることを含む、レーダーシステムによって容器内の液位を測定する方法であって、液面からの第１のエコー信号を検出すること、容器基準装置からの第２の信号を検出すること、及び上記第１のエコー信号及び上記第２のエコー信号に基づいて、好ましくはこれらの信号と波伝搬速度との間の時間遅延に基づいて、液位を表す信号を供給することをさらに含むことを特徴とする、方法も含む。一実施の形態では、流体の特性（したがって波伝搬速度）は分かっており、別の実施の形態では、流体の特性は不明であり、誘電率又は波伝搬速度は、上記レーダーシステムによって直接測定される。

本発明は、信号を液面へ向けて送るアンテナを有するレーダー測定装置と、液面からの第１のエコー信号を検出する手段とを備える、容器内の液位を求めるシステムであって、第２のエコー信号を供給する容器基準装置と、当該第２のエコー信号を検出する手段と、上記第１のエコー信号及び上記第２のエコー信号に基づいて液位を表す信号を提供する手段とをさらに備えることを特徴とする、システムも含む。

第１のエコー信号及び第２のエコー信号間の時間遅延を測定して、時間遅延と波伝搬速度とを乗算し、次いで、真の容器底面及び容器基準位置間の距離に対する適切な補正を適用することによって液位を表す信号を供給する。

本発明の一実施の形態では、基準装置は容器の底面に接続される。別の実施の形態では、基準装置は容器の底面に位置付けられる。別の実施の形態では、基準装置は遮蔽装置に接続され、この基準装置の変形では遮蔽装置の波遮蔽体に接続される。本発明の異なる特徴は、分かりやすくするために異なる実施の形態として提示され、当業者は、これらの実施の形態を組み合わせて装置を実際的な使用に適応させることができることを理解するであろう。

本発明は、２つ以上のエコー信号を供給するために２つ以上の容器基準装置を使用することをさらに含む。スチールパイプに接続されている装置であるスチールパイプ基準装置の使用、及び容器基準装置と共にその動きを追跡することも予見される。

本発明によると、底面エコー、又は底面からの固定距離若しくは計算可能な距離において底面に追従するマーカからのエコーを用いて、液面エコーと、真の、又は遅延した／進んだ底面エコーとの間の時間遅延に基づいて液位を測定又は計算する。

この特徴は、ノルウェー特許出願第２００５４４６６号（特許文献１）に記載されているような底面エコー減衰器を有する遮蔽装置と組み合わせることができる。底面エコー（これは基準装置の幾何学的形状によって制御される）に対して進んでいるか又は遅延しているマーカエコーを使用することにより、液面エコーをより正確に、従来技術におけるよりも底面近くで追跡することが可能である。

ここで、本発明を添付の図面に示される例によって説明する。

図１は、壁１００及び底面部１０１を有する（好ましくは減衰器を備える）遮蔽装置１３を示す。底面部１０１は、タンクの底面に接続されるか、又はタンクの底面に位置付けられる。壁１００は、基準ピン１０を受け入れるようになっている開口１０２を有し、且つピン１０及び底面部１０１間に一定距離を提供する。したがって、本発明による容器基準装置は、この実施形態では、レーダースチールパイプ１２の２つの直径方向に対向するスリット１１内に通されると共に、ここで摺動することができる基準ピン１０を備える。基準ピン１０は、遮蔽装置１３の上縁部に載り、これにより当該遮蔽装置１３、及びしたがってタンク底面の動きに追従する。スリット１１の高さにより、容器上面部の湾曲（curving）（屋根の熱膨張）と組み合わせられたスチールパイプ１２の最大熱収縮が可能になる。レーダーはスチールパイプに固定され、スチールパイプは容器の屋根又は上面部に接続される。スリット１１は、上記現象によるピンの高さ方向の変位を可能にする。スリット１１は通常、深さ３０ｍのタンクの場合、９０〜１２０ｍｍ、好ましくは１００ｍｍである。スリット１１の幅は、レーダー信号の望ましくない外乱を回避するために５ｍｍ未満であることが好ましい。ピン１０は、例えば金属又はプラスチックの材料で作製することができ、シグネチャは、標準エコーとの干渉を最小限にするために、検出しやすいが標準エコーよりも低い（好ましくは標準エコーの１０ｄＢ〜２０ｄＢ未満）ように選択される。遮蔽装置１３の底面部から基準ピン１１までの距離は、臨界底面域において、基準エコーとのいかなる望ましくない干渉も回避するために、さらに好ましくは２０ｃｍよりも長く、好ましくは２５ｃｍよりも長い。

レーダー信号は、液面及び基準ピンによって反射され、これらの信号の比較により、タンク底面及び基準ピン間の距離は一定であり分かっているため、液位の測定を行うことができる。

図２では、同じ目的が、容器基準装置がプラスチック又は他の非金属材料製の支持ピン１５上に載っている基準マーカ（ディスク１４）を備える、本発明の第２の実施形態によって実現される。支持ピン１５は底面部１０１に固定されており、レーダー信号はこの場合、ディスク１４及び液面によって反射される。

図３に示す本発明の第３の実施形態では、容器基準装置は、遮蔽装置１３の上縁部に位置するカラーリング１６を備える。カラーリング１６はまた、遮蔽装置１３の壁の、遮蔽装置の上縁部よりも低い高さに位置することができ、この場合、壁の環状突起として設計される。カラーリング１６は、レーダーエネルギーの適当な部分を、容器底面部１０１における第２の反射によってスチールパイプに反射して戻すように設計される。この反射の強度は好ましくは、標準エコーの大きさと同じであるべきであるが、この反射は標準エコーに対して遅延するため、液位が低い場合でも、液位測定の正確性を下げることなくより強い信号が受け取られることができる。したがって、カラーリング１６を使用して、遮蔽装置１３の底面部１０１から屈折するエネルギーの部分をスチールパイプ１２へ反射して戻すことにより底面基準信号を遅延させる。次に、レーダーによって送信された信号は、受信器に達する前に３つの反射ステップを通り（２００で参照される矢印）、直接的な液位エコー（液面エコー）に対して遅延され、したがって液位が低い（タンクの底面に近い）場合であっても液位エコーと干渉しない。しかし、このエコーの遅延は、レーダー及びタンクの底面間の距離によって変わり、したがってタンク深さが測定される。

図４では、図３と同じ効果が、容器基準装置が別個のリフレクタ１７を備える本発明の第４の実施形態によって得られる。この実施形態は、図３の実施形態に比べて距離をオフセットすることに関してより自由度が高い。

ノルウェー特許第２００５４４６６号（特許文献１）において述べられているように、遮蔽装置１３の底面部１０１は、例えば減衰器、偏向器又は１／４波長ステップ装置（quarter wave step device）であり得る。

基準装置を、（図１及び図２に示す実施形態のように）底面部よりも先に位置付けるか、又は（基準装置のエコーが、信号を底面部の反射よりも長い経路にわたって反射している、図３及び図４に示す実施形態にように）底面部よりも後に位置付けることにより、マーカエコーは、底面エコーに対して進められるか又は遅延し、底面に近い場合でも高い正確性が達成される。

図３及び図４の実施形態は、底面部からの反射に基づいており、１／４波長ステップ又は別のタイプの偏向器１８によって、レーダーエネルギーの十分な部分がリフレクタの方へ屈折される。これらの実施形態では、流体（液体）の波伝搬速度は、分かっているか、又はタンクの充填（loading）／非充填中にレーダーによって別様に測定されなければならない。これは例えば、図５及び図６がそれぞれに示すように、摺動させるか又は既知の固定距離にあるスチールパイプの２つの基準ピン１９、２０、２１、２２を適用することによって直接測定することもできる（図５及び図６）。スチールパイプの基準ピン１９、２０、２１、２２は、インバー（Invar）製の距離ホルダ（distance holder）２０１によって分離することができるか、又は温度変化に対して不変ではない材料製である場合、ＬＮＧ内の実際の距離は、既知の温度補正係数を用いて計算することができる。

図６は、２つの固定されているマーカ２１及び２２、並びに可動基準ピン２３（図１の実施形態に対応する、底面に追従するマーカ）を示す。基準ピン２３は、遮蔽装置１３（図示せず）と接触する。

蒸気（したがって空気率）中の波伝搬速度を計算するのに用いられる、任意の対のリフレクタ（Ｋｏｎｇｂｅｒｇｓ Ａｕｔｒｏｃａｌ（登録商標）システムにおいて用いられるようなディスク）を使用して、このリフレクタが沈められると、ＬＮＧ内の誘電率を計算することができるか、又は図１〜図４に示される実施形態において記載されたディスク、追加の基準ピン及びマーカの任意の組み合わせを（これらの間の距離が分かっている限り）用いることができる。

波伝搬速度（すなわち誘電率）が直接測定される場合、ＬＮＧ内の一部の種々の炭化水素に関する先験的な知識は必要なく、レーダーからタンク底面までの距離は、液位が底面域にある場合のみではなく、すべての液位について上述したレーダー測定値から計算することができる。

本発明の第１の実施形態を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 図３の実施形態の変形を示す図である。 流体特性を測定することができる、本発明の一実施形態を示す図である。 流体特性を測定することができる、本発明の他の実施形態を示す図である。

Claims (15)

1. 容器内の液位（fluid level）を求める装置であって、信号を液面へ向けて送るためのアンテナとエコー信号を検出するための手段とを有するレーダー測定装置を含み、さらに、容器基準装置を含み、前記レーダー測定装置は、静止したスチールパイプ（still pipe）（１２）と、前記容器に備えられる遮蔽装置（１３）とを含み、前記容器基準装置は、前記スチールパイプ（１２）の縦スリット（１１）内で上下に摺動するようにされ且つ前記遮蔽装置（１３）の上端の開口（１０２）に支承された基準ピン（１０）を含み、前記液面からのエコー信号と前記基準ピン（１０）からのエコー信号とに基いて前記液位を表す信号を提供することを特徴とする装置。
2. 波伝搬速度を測定する手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記波伝搬速度を測定する手段は、前記スチールパイプ（１２）の縦スリット内で摺動する２つのピン（１９、２０）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記スチールパイプに固定されたマーカ（２１、２２）を含むことを特徴とする、請求項２に記載の装置。
5. レーダー測定装置によって容器内の液位（fluid level）を測定する方法であって、信号を液面へ向けて送ることを含み、さらに、
   前記液面からの第１のエコー信号を検出すること、
   容器基準装置からの第２のエコー信号を検出すること、及び
   前記第１のエコー信号及び前記第２のエコー信号に基づいて、前記液位を表す信号を提供すること
   を含み、
   前記レーダー測定装置は、静止したスチールパイプ（still pipe）（１２）と、前記容器に備えられる遮蔽装置（１３）とを含むものであり、前記容器基準装置は、前記スチールパイプ（１２）の縦スリット（１１）内で上下に摺動するようにされ且つ前記遮蔽装置（１３）の上端の開口（１０２）に支承された基準ピン（１０）を含むものであることを特徴とする、方法。
6. 前記第１のエコー信号及び前記第２のエコー信号について特性パラメータを比較することを含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
7. 前記液位を表す前記信号は、前記第１のエコー信号と前記第２のエコー信号との間の時間遅延と波伝搬速度とに基づいて提供されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 流体の特性、したがって前記波伝搬速度を提供することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 流体の特性は不明であり、前記方法は、誘電率又は前記波伝搬速度を測定することを含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記基準装置は前記容器の底面に接続されるか、若しくは位置付けられるか、又は遮蔽装置に接続されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
11. 前記基準装置は、前記遮蔽装置の波遮蔽体（wave screen）に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 容器内の液位（fluid level）を求めるシステムであって、信号を液面へ向けて送るアンテナを有するレーダー測定装置と、前記液面からの第１のエコー信号を検出する手段とを含み、さらに、
    第２のエコー信号を提供する容器基準装置と、
    前記第２のエコー信号を検出する手段と、
    前記第１のエコー信号及び前記第２のエコー信号に基づいて、前記液位を表す信号を供給する手段と
    を含み、
    前記レーダー測定装置は、静止したスチールパイプ（still pipe）（１２）と、前記容器に備えられる遮蔽装置（１３）とを含み、前記容器基準装置は、前記スチールパイプ（１２）の縦スリット（１１）内で上下に摺動するようにされ且つ前記遮蔽装置（１３）の開口（１０２）に支承された基準ピン（１０）を含むことを特徴とする、システム。
13. 前記第１のエコー信号及び前記第２のエコー信号を比較する手段を含むことを特徴とする、請求項１２に記載のシステム。
14. タンクの底面域における流体の前記波伝搬速度又は誘電率を求めるレーダー液位計に組み込まれる、請求項１２に記載のシステム。
15. タンクの底面域における流体の波伝搬速度又は誘電率を求めるレーダー液位計に組み込まれるシステムであって、請求項２−４のいずれか１項に記載の装置を含むことを特徴とする、システム。

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