JP5372060B2 - 液体の密度を測定するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体の密度の測定に関する。より詳細には、管状導波路内部の適切に設計された障害物によって反響される電磁信号の速度を正確に測定するための方法および手段を記載する。この目的は、容器内に貯蔵された液体の密度を導出することである。この容器は、船舶に搭載された液化ガス用の貨物タンクでよい。しかし、容器のタイプまたは液体の種類は、本発明の重要な側面ではない。

液体貯蔵容器内の正確な液位計測には、長年、電磁波、例えばマイクロ波が使用されている。液面によって反響された電磁信号の飛行時間を測定するために、液面計器が容器の上に配置される。この飛行時間は、電磁波の伝播速度を掛けることによって距離に換算され、この距離がタンクの高さから引かれて、液位読取値が得られる。容器内に貯蔵された液体の液位計測には、自由空間信号伝送（すなわちレーダ）と導波伝播（例えば金属のパイプ）の両方が適用可能である。

大きな信号帯域幅を利用することによって飛行時間をかなり正確に測定することができることが一般に認識されており、これはさらに、正確な液位読取りが、電磁波の伝播速度の正確な知識に依拠することを意味する。電磁波の伝播速度は、ガス状態および蒸気組成が影響を及ぼすことがあるが、多くの場合には標準大気中の光速に非常に近い。しかし、管状導波路では、限られた断面寸法により伝播速度（すなわち情報速度）が妨げられ、したがって、正確な液位読取値を生成するためにはこれを考慮しなければならない。

レーダ型液面計器は、容器内に貯蔵された液体の表面で生成されるエコーを利用する。しかし、液体貯蔵容器を下る途中で電磁信号が当たる障害物も後方散乱を生成し、これは、液面計器によってエコーとして検出される。どちらの種類のエコーに関する飛行時間も、液面計器によって正確に測定することができる。ここで、基準となる障害物が液面計器から既知の（固定）距離に位置決めされる場合、上記のエコーに関連付けられるエコー飛行時間が、検出されるエコー信号の伝播速度の適格な間接的な尺度となる。さらに、この間接的な速度測定により、液面計器は、液体によって生成されるエコーに関連する距離の確実で正確な尺度を生成でき、これにより、その後、計器が容器内の液体液位に関する正確で確実な読取値を生成できるようになる。貯蔵容器内で下に向かって既知の間隔で分布される様々な固定障害物によって生成されるエコーを液面計器が監視できるようにすることによって、容器内を下っていく伝播速度の変化さえも測定することができ、それにより、計器が液体液位に関するより正確で確実な読取値を生成できるようになることが、この方式から明らかである。

特定のターゲット（例えば液面または障害物）からエコーを生成するために電磁波を使用する技術分野の当業者には、エコーの正確で確実な飛行時間測定値を生成するためにターゲットの特定の質的特徴が満たされなければならないことが一般に認識されている。１つのそのような質的特徴は、ターゲットの反射率であり、これは、液面計器によって検出すべきターゲットから返されるエネルギーの量を表す。別の重要な質的特徴は、ターゲットが、飛行時間が明確なエコーを生成することができることである。例えば、電磁信号の伝播経路に沿って有限の短い距離にわたって分散されるエコーを生成するターゲットは、ターゲットによって生成されるエコーのこの分散によって定義される有限の精度で液面計器がエコー飛行時間を測定できるようにする。飛行時間が明確であるエコーを生成するターゲットの一例として穏やかな液面を挙げることができ、飛行時間が曖昧であるエコーを生成するターゲットの例として波立った液面を挙げることができる。

上記の理由から、液面計器が電磁信号の伝播速度を監視できるようにするために障害物を導入することによって、液体自体によって必要とされる質と同じ質のエコーを上記の障害物が生成する場合にのみ、正確な液位計測を得ることができることが明らかである。この知見は、反射率と飛行時間の曖昧さとの両方に当てはまる。結論として、これは、一面では、このタイプの液面計によって得られる測距精度がかなり穏やかな液面に依存し、別の面では、速度測定を可能にするために導入される障害物を、明瞭で明確なエコーを生成するように設計しなければならないことを意味する。

環状パイプ（導波路）内での電磁波伝播の技術分野の当業者には、波伝播を様々な異なる一意の伝播モードによって補助することができることがよく知られている。各特定のモードは、電場および磁場に関する特定のモードパターンによって特徴付けられ、これは、パイプ断面の形状そのものによって完全に定義される。さらに、各モードは、そのモードによって搬送される電磁エネルギーが特定の速度で伝播できるようにし、この速度は、電磁波の周波数に密接に関連付けられる。特定のモードが伝播できるようにするためには、各モードは、波周波数が特定の下限値（カットオフ周波数）を超えることを必要とし、この下限値はパイプの断面寸法に反比例することが、関連技術分野の当業者によって一般に認識されている。一例として、１インチの円形パイプは、電磁波が１０ＧＨｚの動作周波数で伝播するのを補助するために１モードのみを可能にし、８インチの円形パイプは、同じ動作周波数で電磁エネルギーがパイプ内で妨げられずに伝播するのを補助するために約１１５種の特定のモードを可能にする。しかし、上述したように、各モードは一般に他のモードとは異なる一意の伝播速度を有し、これは、電磁信号によって搬送されるエネルギー（すなわち情報）が、複数の異なるモードを使ってパイプを通して伝送されるときに時間的に分散されることを意味し、これはさらに、液位計測用途において電磁波信号の飛行時間を曖昧にする。この知見から、電磁信号伝播を利用する液位計測のために使用されるパイプに関する２つのオプションの一方を採ることが要求される。最も明白な選択肢は、１つのモードだけが伝播できるようにする比較的細いパイプと考えられる。このオプションは、すべてのエネルギーが明確な速度で伝播するので、飛行時間の曖昧さをなくす。しかし他方で、より大きなパイプ断面積では、信号伝播のためのカットオフ周波数を低減することができるようになり、これはまた、一般にモード伝播速度に影響を及ぼす一時的または永久的な断面積およびパイプ壁の変化に対して、適用されるモードの感度をかなり弱くすることができることを意味する。このオプションは、最小限の速度曖昧さでエネルギーが伝播できるようにするために、妥当に純粋な伝播モードを励起して維持する方法および手段を必要とする。しかし、どちらのオプションも根底にある物理法則は同じであり、２つのオプションの一方を液位計測に適さないとみなす理論的または実用的な理由はない。

明白な理由により、容器内部の液体液位が変化するので、液体がパイプ内部で妨げられずに上下できるように管状パイプから排気しなければならない。したがって、パイプ自体に、入念に設計された換気スリットまたは換気穴が一定の間隔で穴開けされ、これらは、パイプ内部で伝播する電磁波に影響が及ばないようにパイプに沿って位置合わせされる。位置合わせ不良があると、信号はパイプの外に放射され、これは正味の信号エネルギー損失を意味する。また、位置合わせ不良により、少量の信号エネルギーしか液面計に返されず、それにより望ましくないエコーが生成される。しかし、位置合わせ不良によって及ぼされる最も重要な影響は、スリットおよび穴が、液面計自体によって発生される電磁波のエネルギーを他のタイプの伝播モードに変換する可能性があることである。管状パイプ内の電磁波伝播の技術分野の当業者には、液体の正確な液位計測を行う際に、激しいモード変換によりレーダ液面計が使用できなくなることがあることが容易に理解される。したがって結論として、換気スリットおよび換気穴の位置合わせは重要な問題である。しかし、典型的には、一般的に言って、パイプ内部でのいかなる種類の不完全性によってもモード変換が容易に促され、これはさらに、液面計器が電磁波の伝播速度を測定できるようにするために管状導波路に設置されるまたは刻まれる妨害手段に関する設計自由度を制約する。

上記の理由および知見から、パイプ内部の障害物は、液体がパイプ内部で妨げられずに上下でき、モード変換がエコー信号の質を悪化させることがないように設計しなければならないということになる。

Ｋｏｎｇｓｂｅｒｇ Ｍａｒｉｔｉｍｅ ＡＳは、数十年にわたって、上述した背景技術で要約した概念に基づいて、特に液化ガス生成物を搬送する船舶に搭載される液面計器（ＡｕｔｏＣＡＬ（登録商標））を製造し、市場に出し、販売し、設置し、点検しており、数年来、液化ガス生成物特有の特性に関してかなりの経験を得ている。近年、１つのそのような特性、すなわち液中でのレーダ信号の伝播速度が、液体密度を測定するための実用的な解決策を提供する可能性があることが明らかになっている。船舶に搭載されて貯蔵された液化天然ガスの密度に関する確実な情報がそのような船の動作にとって有用な入力であることが、関連市場で得られている知識から明らかに示されている。液体の密度を計算するために液中での電磁信号の情報速度を使用するという概念は新規なものと考えられる。

本発明をより容易に理解できるように、以下の説明において添付図面を参照する。

本発明による妨害手段を有する液体貯蔵容器を示す図である。 妨害手段を実現するための方法の一例を示す図である。 実用的なエコー図を示す図である。

以下、実施形態の一例を説明すると共に添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、液体貯蔵容器１を示す。容器の上部から底部まで、垂直に延在する管状パイプ２が設置される。このパイプは、全長にわたって断面形状が均一であると考えられるが、形状が徐々に滑らかに変化しても、パイプの全般的な適用可能性に関して課される制限はごくわずかである。パイプの上部に設置された液面計器３は、電磁波信号を発生してパイプに送出し、同時にパイプ内部で生成される電磁波信号のエコーを収集して検出するように動作する。パイプの内部に複数の妨害手段４（便宜的にマーカー４とも呼ぶ）が設置され、そのうちのいくつかは、貯蔵容器の典型的な動作条件下で液体５中に浸漬され、他のいくつかは、液体よりも上で蒸気雰囲気６に露出される。各マーカー４は、パイプに沿って、液面計基準高さ７から測定して固定の既知の位置に設置される。

一般に、液体とその上の蒸気は等しい温度には保たれず、また、これらの温度は、典型的な室温とは大きく異なることさえありうる。この知見から、パイプに対する熱の影響が、液面計基準高さ７から各マーカー４まで測定される長さを変えることは明白であり、したがって、液面計器ができるだけ確実で正確な液位読取値を生成できるようにこの変化を補正しなければならない。しかし、そのような熱に関わる長さの補正は本発明の一部とはみなされず、したがって以下の説明では割愛する。

典型的には、液面８からの検出可能なエコーを生成するために、電磁波によって搬送されるエネルギーのわずかな部分しか返されず、これは、ほとんどのエネルギーが液面８を通過して液体５中に伝播することを意味する。マーカー４も、入射電磁波によって搬送されるエネルギーの同様の一部分を返し、それにより、電磁波によって搬送されるエネルギーのほとんどが障害物４を通過して、さらにパイプを下って伝播できるようにする。したがって、液面計器３によって検出されるエコー信号は、液面８からの情報に加えて、液体よりも上に露出されたマーカーと液中に浸漬されたマーカーの両方からの各マーカー４に関する情報も含む。

パイプを下って障害物４または液面８によって生成され、上に向かって伝播するエコー信号は、さらなるエコーを生成し、これらは下に向かって進められる。そのような二次的な下に向かうエコー信号は、下への主信号に加わってさらなるラグタイムエコーを生成し、このエコーは液面計器３によって検出される。そのようなラグタイムエコーはこの測定方式に欠かせないものであるが、それらが搬送するエネルギーは非常に少量である。この知見は、パイプ内部で生成されたラグタイムエコーが、測定方式の好ましくない特徴として無視される可能性があることを示唆する。しかし、その可能性が当てはまるのは、液位計測精度を保つためにエコー信号に関して定義された信号対雑音比の要件を欠かないようにしながらマーカー４の反射率ができるだけ低く保たれる場合のみである。

液面計器３は、液面計によって記録される管状パイプ内部で返される複数のエコーの飛行時間を測定することができると考えられる。１つのそのようなエコーは、単純に、蒸気と液体の界面で電磁波が受ける誘電特性の突然の変化により、管状パイプ内部に閉じ込められた液体の表面８で生成される。パイプ内部での液面の液位にばらつきがないため、このエコーは、飛行時間が非常に明瞭であり明確である。液体エコーに加えて、パイプに沿って固定位置に設置された妨害手段４が、さらなるエコーを生成する。液面計器が所要の精度で電磁波の伝播速度を測定できるようにするために、マーカー４によって返される各エコーは、液体ターゲットと同様のエコー質的標準に適合する。この要件は、妨害手段４が満たすべき少なくとも４つの質的特徴に関わる。第１に、マーカー４の反射率が、液面計器によって指定される測距精度によって定義される信号対雑音限界を十分に上回るエコーを生成するのに十分でなければならない。第２に、障害物４によって返される信号が、飛行時間が明確なエコーを生成する。第３に、妨害手段４が、エネルギーを、パイプ内部で望ましくない電磁波伝播モードに変換しない。第４に、障害物４は、液体がパイプ内部で妨げられずに上下できるようにする。

モード励起のための手段は、様々な実用的な方法および技法を関連の教本から容易に知ることができるので、本発明の範囲外であると考えられる。しかし、モード純度を維持するという側面が本発明の中心課題と考えられる。管状パイプ内で電磁波が伝播するときにモード純度を維持するために、一方ではモードパターンに関して、他方ではパイプ壁の性質によって課される境界条件および制約に関して、様々な考察を行わなければならない。例えば、モードパターンは、排気スリットまたは排気穴に入念に適合させなければならず、また、油膜堆積、凝縮液、またはパイプ壁の腐食進行に容易に対処できるように選択しなければならない。しかし、この文脈で最も重要なのは、マーカー４は、モード変換を行えるようにはせず、モード純度を維持することである。

妨害手段４を実現するための方法の一例が、図２に概略的に示されている。図２ａは上面図であり、図２ｂは側面図である。上面図から分かるように、マーカー４は、この設計概略図では円形であり、これは、円対称の断面形状を有する管状パイプでの適用を示唆する。しかし、これは一例にすぎず、本発明の適用可能性を限定するものではない。断面が任意の形状でよいことが当業者には理解される。しかし、図２ｂの側面図に関して、この設計概略図は、マーカー４が管状パイプの断面全体にわたって均一な厚さ１１を有することを示唆する。この特性は確かに重要であるが、最も典型的には比較的大きなパイプ断面に当てはまる。やはり図２で見ることができるように、妨害手段４は穴９を開けられ、この特定の例では六角形パターンで分布された円形穴であり、蒸気および液体が障害物４によって妨げられずに通過できるようにする。一方ではパターン、他方ではマーカー４に穴を開ける相対サイズおよび密度は、管状パイプを通って伝播する電磁波の後方散乱および伝達によりモード変換が起こらないことを保証するものとする。これに加えて、材料１０の特性とプレート厚さ１１はどちらも、意図された速度測定用途で課される要件に従って定義されるマーカー４の正味の反射率を実現するために、必要な設計自由度を提供する。

図２に示される妨害手段４の設計は一例にすぎず、材料除去部９はかなり多様な形態を取ることができる。電磁波の伝播に関して、当てはまる唯一の制約は、蒸気および液体が妨害されずに通過できるようにすること、およびモード変換が行われないことである。最初の制約には、穴９によって示される材料の除去が必要である。モード変換は、電磁波の伝播を補助するために適用されるモードにとって管状パイプの断面平面内で障害物４がほぼ均一となるように、材料除去９のパターンを入念に設計することによって防止される。ほぼ均一とは、本明細書の文脈では、管状パイプ内での電磁波伝播のすべての許容されるモードが、より大きなスケールで、マーカー４によって規定されるどの横方向でも等しい電磁特性を受けることを意味する。図２に示される材料除去部９によってもたらされる不可避の比較的小さなスケールの不均一性は、許容されない伝播モードを確かに生成させるが、これらの許容されないモードは一過性のものであり、障害物４からわずかな距離で急速に減衰する。一過性のモードが妨害手段４の近傍で反応エネルギーを捕捉して貯蔵することが関連の理論および技術分野の当業者には明らかである。しかし、材料除去部９に用いられる幾何的パターンの巧妙で入念な設計により、そのようなエネルギー貯蔵を最小限にすることができ、マーカー４の機能上の意義が損なわれる、または失われることがないことを保証する。

材料１０は、マーカー４の重要な要素である。最も明白な選択肢は固体誘電体材料であるが、この選択肢は、最も正確には、実用性および便宜性の面での選択肢と考えられる。磁気特性または導電特性、さらにはすべての関連の電気特性の組合せを有する固体材料が適用可能である。当てはまる唯一の重要な制約は、選択される材料が、液体貯蔵容器１の動作に関して適用可能なすべての環境条件に耐えられることである。多くの場合、蒸気および液体の化学的特性が材料選択に制約を加え、典型的には、いくつかのわずかなプラスチックおよびセラミックのみが、あらゆる状況に適用可能な選択肢となる。

以下、液面計の動作特性を説明する。

典型的には、いかなるタイプの測距計においても、距離読み取りは、２つの別個の独立した因子によって表すことができる。これらの因子の一方は、測距計の基準点に関し、これは、この場合には基準高さ７に対応し、他方の因子は、測距計のスケール因子に関する。任意の適格なエコーに関する飛行時間を非常に正確に測定することができると考えられるこのタイプの液面計器３に関して、測距計スケール因子は、採用される電磁信号の伝播速度ｓによって直接与えられる。この知見から、基準高さ７を基準として測定される液体エコーに関する測定距離Ｒを線形式として表現することができることが明らかである。
（１） Ｒ＝Ｒ_１＋ｓ・（θ−θ_１）

この式で、θおよびθ_１は、測距計３によって測定されるエコー飛行時間を表し、前者は液面８に関し、後者は液面８よりも上に露出した１つの基準マーカー４に関する。Ｒ_１は、液面計基準高さ７と、基準として選択されたマーカー４との間の既知の距離を表す。同じ線形式が任意の一対のエコーに関して当てはまるので、したがって、伝播速度ｓは、蒸気雰囲気６に露出された２つの妨害手段４に関してエコー飛行時間を測定することによって容易に利用可能となる。

（２）

Ｒ_１およびＲ_０は、液面計基準高さ７と液体よりも上の２つの妨害手段４との間の既知の距離を表し、θ_１およびθ_０は、前記妨害手段４によって生成されたエコーの測定された飛行時間を表す。

速度を測定するために液面計器３が２つのマーカー４を必要とすることが上述した説明から明らかである。この本来的な要件に対処する３つの方法を容易に識別することができる。１つ目の方法は、貯蔵容器１の十分上に管状パイプ２を延在させることであり、それにより液面計器３を引き上げることができるようになり、２つのマーカー４を、貯蔵容器１内に充填された液体の最高液位を超える高さでパイプ内部の位置に固定できるようにする。別の方法は、パイプ上の連続するマーカー４の間の距離を短くすることであり、それにより、最少で２つのマーカー４を、許容できる最高の液体液位よりも上に引き上げることができるようになる。これら２つの方式の組合せも、実際に実施可能なオプションである。第３のオプションであり、最も明白なものは、基準点として、液面計器３の固有検出点を採用することである（この場合、Ｒ_０は、基準高さ７から液面計３の固有検出点まで負の方向に測定された距離であり、当然、θ_０＝０である）。

上に提示した説明および動作特性から、管状導波路の蒸気充満区域を通る電磁信号の伝播速度を測定するためにレーダ液面計器ＡｕｔｒｏＣＡＬ（登録商標）が設計されることが明らかである。しかし、近年集められた経験から、液化天然ガス中に浸漬されたマーカー４が、液中に深く沈んでいてもはっきりと見え、驚くほど良好な信号対雑音比を有する明瞭なエコーを生成することが示されている。これは、レーダ液面計器ＡｕｔｒｏＣＡＬ（登録商標）自体の独特な特質であるが、それにもかかわらず、この良好なエコー信号の質が本発明の着想を想起させて企図させたので、これは重要な知見である。しかし、この知見は、第１に、液化天然ガスが電磁信号に関して非常に低い減衰率を有することを示唆し、第２に、液中に浸漬された管状導波路の区域内を伝播する電磁信号の情報速度ｖを測定するという追加の機能を取り扱うように液面計ＡｕｔｒｏＣＡＬ（登録商標）を適合させることができることを示唆する。液中の情報速度ｖは、液体の誘電率ε_Ｒの暗示的であるが明確な尺度である。

（３）ｖ＝ｃ／ε_Ｒ・√ε_Ｒ−（ｆ_ｃ／ｆ）^２

管状導波路内の信号伝播を補助するために採用される伝播モードのカットオフ周波数がｆ_ｃであり、レーダ計器の動作周波数がｆであり、ｃは真空中での光速である（２．９９７９２４５８×１０^８ｍ／ｓ）。液体の誘電率ε_Ｒは、情報速度ｖに基づいて式（３）から容易に計算することができ、情報速度ｖは、液体５中に浸漬された２つ（以上）のマーカー４の飛行時間測定に基づいて式（２）に従って計算される。

図３は、実際のエコー図を示す。この図は、液化天然ガスを搬送する船舶に搭載されたＡｕｔｒｏＣＡＬ（登録商標）によって記録される。３つのマーカー４が液中に浸漬され、対応するエコーが、狭いパルスとして、一方向飛行時間３７、６４、および９０ナノ秒付近の位置に現れる。１つのマーカーが液面よりも上に露出され、対応するエコーは、飛行時間約１２ナノ秒の位置に現れる。液体エコーは、飛行時間１６．５ナノ秒の位置に現れる。この図は、３つのマーカー４を液中の伝播速度ｖの測定に利用可能であることを示唆する。カットオフ周波数ｆ_ｃ＝３．５２ＧＨｚであり、液面計器の動作周波数がｆ＝１０ＧＨｚに設定され、液中に浸漬された連続するマーカー４の間の距離が６メートルと分かっており、これらのマーカー４の間の飛行時間が約２６．６ナノ秒と測定されるとき、式（２）により、伝播速度をｖ＝２．２５６×１０^８ｍ／ｓと容易に推定することができる。式（３）により、誘電率はε_Ｒ＝１．６９と計算され、これは、液化天然ガスの場合に妥当な推定値である。

一連の過程の最後は、測定された誘電率ε_Ｒに基づいて液体密度ρを推定するためにクラウジウス−モソッティ（Ｃｌａｕｓｉｕｓ−Ｍｏｓｏｔｔｉ）の式（またはローレンツ−ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ−Ｌｏｒｅｎｚ）の式）を使用することである。

（４） （ε_Ｒ−１）／（ε_Ｒ＋２）＝κ・ρ

比例定数κは、液体分子の電子分極率を表す固有特性定数である。分子が永久双極子モーメントを保持する場合、この特性定数は温度に依存する。

船舶に搭載されて搬送される液化天然ガスの典型的な貨物では、液体の組成に応じて、電子分極率を表す特性定数κが変化する。典型的な値は、κ＝４×１０^−４ｍ^３／ｋｇである。この値は、誘電率がε_Ｒ＝１．６９の液化天然ガスの貨物がρ＝４６７ｋｇ／ｍ^３に近い密度を有することを示唆し、これは、典型的な重量タイプの液化天然ガス（典型的には約８５％メタン）に関して妥当な推定値と考えられる。

図３から明らかなように、マーカー４の反射率は、液化天然ガスに浸漬したときにかなり変化する。この図では約１３ｄＢの減少が示され、これは、液面８よりも上で蒸気に露出されている第１のマーカー４と比較すると、反射力が２０分の１に減少したことに相当する。関連技術分野の当業者は、この特徴が、液体に近い誘電特性を有する非磁性材料を使用して妨害手段４を作成した結果であることを容易に理解されよう。この場合の材料１０は、液体よりもわずかに高い誘電率を有するプラスチック材料であることが適切に企図される。低い反射率は、信号対雑音比を低下させ、したがってまた液中に浸漬されたマーカー４からのエコーパルスの質も低下させる。この特徴は、測定された液中の情報速度によって規定される精度が、飛行時間を正確に測定することができる液面計器３の本来的な機能ではなく、エコー信号の強度によって制限されるという点で好ましくない効果と考えることができる。この好ましくない効果を克服するための１つのオプションは、典型的なプラスチックよりも大きな余裕をもって液体の誘電率を上回る誘電率を有する誘電体材料から妨害手段４を作成することである。選択肢としてはセラミック材料がありえ、セラミック材料は通常、ほとんどの液体に比べて十分に大きい誘電率を有し、したがってまた液中に浸漬されたときにより強いエコーを生成する。

式（４）により、０．５％の精度で誘電率ε_Ｒ＝１．６９が測定された場合、測定される液化天然ガスの密度ρ＝４６７ｋｇ／ｍ^３では１％の精度が容易に得られる。式（３）により、この精度は、伝播速度ｖ＝２．２５６×１０^８ｍ／ｓに関して０．２３％の測定精度に当たる。この速度は、液体５中に浸漬された２つのマーカー４に関して記録されたエコーによって規定される飛行時間に基づいて測定される。容易に分かるように、液面計器３は、飛行時間に関する精度が約０．１％となり、これは、誘電率ε_Ｒ＝１．６９を有する液体中に浸漬され、２６．６ナノ秒離して位置された任意の２つのマーカー４に関して、約２７ピコ秒の測定精度に換算される。液中に浸漬された２つのマーカー４の間の離隔距離がより長い場合、例えば、どちらも液体５に浸漬された図３における第２のマーカーと第４のマーカーのエコー間の飛行時間の差が５３．２ナノ秒である場合、それに対応して飛行時間の所要の測定精度を緩めることができる。しかし、より厳密な精度を使用して、液体５中に浸漬された連続する一対のマーカー４間の伝播速度の変化を測定することができ、それによりまた、液面計器３が、容器１を下っていく液体密度の変化を測定できるようにする。密度プロファイリングは、液化天然ガス業界における課題であり、転覆の危険を監視し、場合によってはその危険をなくす。現在の解決策では、液体５中を上下されるセンサが採用される。本発明の解決策は可動部品を伴わず、これは、頑強性、信頼性、および最小の維持費をもたらす点で有益である。

現代のレーダベース型の液面計器３、例えばＫｏｎｇｓｂｅｒｇ Ｍａｒｉｔｉｍｅ ＡＳが供給するＡｕｔｒｏＣＡＬ（登録商標）計器は、図３のエコー図の飛行時間範囲内で２７ピコ秒よりもはるかに良い精度でエコー飛行時間を容易に測定する。液中の妨害手段４からのエコー強度が、液面計器３によって規定される一般的な信号雑音フロアに比べて十分に大きい、例えば３０ｄＢを超える（すなわちパワーに関して１０００：１）と仮定すると、飛行時間に関するエコー信号の位置は、十分に０．０１％以内、すなわち２７０ナノ秒の飛行時間位置では２７ピコ秒以内の精度で容易に測定される。ｖ＝２．２５６×１０^８ｍ／ｓの伝播速度では、この飛行時間は、貯蔵容器内で６０メートルの深さに対応する。測定システムのこの質が、飛行時間を正確に測定することができる液面計器３の機能によって制限されるのではなく、液面計器３によって保たれる一般的な雑音フロアによって及ぼされる干渉によって制限されることを繰り返し述べる価値がある。

１ 容器
２ 管状パイプ
３ 液面計器
４ マーカー
５ 液体
８ 液面
１０ 材料

Claims (4)

1. 電磁波によって液体密度を正確に測定するための装置であって、
   管状パイプ（２）内部で前記電磁信号のエネルギーを送出して収集するための液面計器（３）を備え、前記管状パイプ（２）が、液体貯蔵容器（１）の上部から底部に垂直下方向に延在し、それにより液体（５）中に部分的に浸漬され、液体がパイプ内外を妨げられずに通過するために排気スリットまたは排気穴が設けられ、またゲージ基準高さ（７）から既知の距離で固定位置に複数の妨害手段（４）が取り付けられる装置において、
   前記妨害手段（４）が、液体（５）が貫通部（９）を通じて妨げなく上下できるように製造され、また、前記貫通部（９）の大きさや形状は、管状パイプ（２）内部で電磁波伝播の望ましくないモードの励起を起こさない、あるいは前記励起を少なくとも最小限に保つよう設計、製造され、さらに、前記妨害手段（４）は、均一な厚さの薄い平板ディスクであって、前記厚さは、前記管状パイプ（２）内で伝播する電磁信号の明瞭で明確なエコーを生成するように、前記妨害手段（４）を構成する材料（１０）や貫通部（９）の選択に合わせて設定され、
   液体（５）中に浸漬された妨害手段（４）によって規定されたエコーの信号強度が材料（１０）や貫通部（９）の適切な選択によって液面計器（３）の固有雑音フロアに適合し、前記エコーの信号強度が前記固有雑音フロアよりも少なくとも３０ｄＢ高く保たれ、前記液面計器（３）が６０メートルの深さに対して所要の精度０．０１％以下でエコー飛行時間を測定できることを特徴とする装置。
2. 前記液面計器（３）は、各々一対の前記妨害手段（４）からのエコーの飛行時間を用いて前記管状パイプ（２）を上下する途中での電磁信号の伝播速度を測定し、液体の誘電率を、前記容器（１）の深さ方向へのプロファイルを含めて監視することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記液面計器（３）は、前記容器（１）に貯蔵されている液体の密度に関する正確な情報を、密度プロファイルを含めて得るための手段を備えていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記妨害手段（４）の材料（１０）が前記液体（５）の誘電率より大きな誘電率をもつ固体の誘電体であること特徴とする、請求項１に記載の装置。