NO165267B - Nivaamaaler. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for bestemmelse av posisjonen av en grenseflate mellom forskjellige fluida i en beholder, hvilken innretning omfatter et vertikalt anbrakt, første elektrisk ledende element som er koplet til en vek-selstrøm-signalgenererende anordning, et antall vertikalt anbrakte, andre elektrisk ledende elementer som er koplet til en signaldetekterende anordning for å detektere det overførte vekselstrømsignal, og et vertikalt anbrakt, tredje elektrisk ledende element som er koplet til nullpotensial. En sådan innretning er kjent fra US-A-3 935 739 og kan for eksempel benyttes til å måle nivået av et fluidum i en tank.

Oppfinnelsen angår særlig en fluidumnivåmåler som er innrettet til å benyttes f.eks. i lagringstanker (f.eks. på skip eller på land), i depoter, tankbiler, detaljsalgstasjoner, etc.

Innretninger for måling av posisjonen av grenseflater mellom to eller flere forskjellige materialer er alminnelig kjent. Generelt kjente fluidumnivåmålere er vanligvis basert på mekaniske måleprinsipper, for eksempel en flottør som er forbundet med en nivåindikator. Andre kjente fluidumnivåmålere har vært basert på det velkjente kapasitansmåleprinsipp og er for eksempel vist og beskrevet i det nevnte US-A-3 935 739 og i FR-A-2 274 030. Sådanne kapasitive målere virker på følgende måte:

Den kapasitive nivåmåler består av to anordninger,

for eksempel isolerte metallrør, som er plassert vertikalt i fluidumet i tanken eller beholderen, idet anordningene danner en kapasitans eller kapasitet. Fluidumet fyller rom-met mellom de nevnte anordninger og tjener som dielektrikum. Dielektrikumet mellom anordningene innvirker på målerens kapasitansverdi. Innvirkningen av et bestemt dielektrikum på en kapasitansverdi er kjent for fagfolk på området og vil ikke bli forklart i detalj. Da dielektrikumet over nivået i tanken eller beholderen kan være en gass, og dielektrikumet under nivået kan være en væske, vil det være klart for fagfolk på området at nivået av denne væske i tanken kan bestemmes ut fra en kapasitansmåling.

Fra de nevnte US-A-3 935 739 og FR-A-2 274 030 er det også allerede kjent å benytte en seksjonsinndelt, kapasitiv nivåmåler omfattende et antall seksjoner eller segmenter, en anordning for måling av verdiene av segmentkapasltansene, og en anordning for utledning av informasjon angående nivået i tanken ut fra de målte kapasitansverdier.

Slike (seksjonsinndelte) kapasitive nivåmålere er imidlertid mindre velegnet for benyttelse i ledende fluida, for eksempel vann. Videre kan slike innretninger ikke benyttes i flerfaseblandinger, for eksempel blandinger av vann, olje og gass. Disse kjente målere kan således bare benyttes ved bestemmelse av posisjonen av en grenseflate mellom fluida som har klart forskjellige dielektrisitetskon-stanter.

Dersom dielektrisitetskonstantene for de forskjiel.ii.ge fluida er de samme, eller nesten de samme, kan posisjonen av den nevnte grenseflate ikke bestemmes nøyaktig.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe en forenklet og billig nivåmåler, for eksempel for benyttelse i detaljsalgstasjoner, depoter, lagringstanker, skip, tankbiler og liknende, som virker i ledende såvel som i ikke-ledende fluida.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe en nivåmåler som kan virke over et stort område av temperaturer og er egnet for drift i mange fluida, innbefattet råolje og kjemikalier, der forskjellene i dielektrisitets-konstanter ikke er særlig store.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveie-bringe en nivåmåler som ikke er følsom for forurensning eller tilsøling og som er i stand til å måle mer enn én grenseflate, såsom en gass/væske- eller væske/væske-grenseflate,

i en beholder som inneholder gass, olje og vann.

Ovennevnte formål oppnås med en innretning av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er

kjennetegnet ved et arrangement av et antall celler hvor hver celle har sin egen første, andre og tredje elektrode isolert fra respektive første, andre og tredje elektroder av hvilken som helst annen celle, og hvor hver celle har sin egen vekselstrøm-signalgenererende anordning og signaldetekterende

anordning.

Ved hjelp av dette arrangement oppnås en nivåmåler som er enkel og nøyaktig, som er i stand til å måle nivået i en beholder innenfor en nøyaktighet på 0,5 mm, og som har enestående egenskaper, som f.eks. at den virker både i ledende og ikke-ledende væsker, at den er i stand til å måle mer enn én grenseflate i en beholder (gass, olje, vann), og at den er selv-kalibrerende (ikke følsom for tilsøling).

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med utførelseseksempler under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk lengdesnitt av innretningen for måling av fluidumnivå ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser skjematisk et blokkskjema som representerer måleprinsippet for en celle slik den benyttes i overensstem-melse med oppfinnelsen, fig. 3A viser skjematisk innvirkningen av det tredje element i cellen som benyttes ifølge oppfinnelsen, på signaloverføringen mellom de første og andre elementer i cellen, i tilfelle et ledende medium er til stede i cellen, fig. 3B viser skjematisk signaloverføringen på

fig. 3A, fig. 4 viser skjematisk en ekvivalent krets for en celle med isolerte elementer i et ledende medium, og fig. 5 viser skjematisk et blokkskjema av en celle som benyttes i en fordelaktig utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen .

På fig. 1 er en nivåmålerkonstruksjon 5 vist skjematisk .

Nivåmålerkonstruksjonen 5 består av et antall celler

4 som er anordnet den ene under den andre og er montert på hvilken som helst for formålet passende måte på en solid, mekanisk konstruksjon (for klarhetens skyld ikke vist) som er plassert i vertikal retning i en tank eller beholder 6 som inneholder væske 7 og gass 8. Det er således til stede en væske-gass-grenseflate I. Det vil imidlertid innses at oppfinnelsen ikke er begrenset til måling av posisjonen av væske-gass-grenseflater. I dette eksempel er det for klarhetens skyld vist bare tre celler 4. Det vil imidlertid innses at hvilket som helst antall av celler som er egnet for formålet, kan benyttes. Hver celle 4 har en beliggen-het og en "verdi". Beliggenheten av hver celle er den nevnte celles posisjon i arrangementet av celler og er nøyaktig kjent for hver celle. "Verdien" av hver celle avhenger av mengden og de elektriske egenskaper av mediet eller fluidumet i den nevnte celle. Denne "verdi" av alle celler måles elektrisk, og denne måling vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor. Hver celle 4 består av tre flate, elektrisk ledende elementer 1, 2 og 3 som er isolert fra hverandre og er anordnet i U-form. Planene 1 og 2 er anordnet overfor hverandre, idet hvert har en høyde H og en bredde W.

I en fordelaktig utførelse er elementene 1, 2 og 3 dannet av plan. Det vil imidlertid innses at hvilken som helst form og arrangement som er egnet for formålet kan benyttes, for eksempel konsentriske, rørformede elementer eller elementer som er anordnet i "V"-form. "V"-formen kan benyttes på fordelaktig måte i materialer med klebende eller tilsøl-ende egenskaper eller som har høy viskositet.

Hver celle 4 er innrettet til å detektere tilstede-værelsen av fluidum, i dette tilfelle gass; elleor væske. Cellen oppfører seg som en føler, idet: den. reagerear; på' to-elektriske egenskaper av mediet x. mellomrommet: G. meJJlorm planene 1 og 2.

"Verdien"' a-v hver celle 41 avhenger- av- elektrisk led<1-->ningsevne, av dielektrisitetskonstant av mediet i cellen,

av høyde F av væsken i cellen, og av selve cellens geometri og materialer.. Slik som allerede omtalt foran, måles "verdiene" for alle celler elektrisk for bestemmelse av en flui-dumsøyle i nivåmåleren. "Verdiene" av celler som er fullstendig nedsenket i væske er forskjellige fra verdiene av celler som er nedsenket i gass. Den celle som inneholder gass-væske-grenseflaten, vil ha en mellomliggende "verdi". Ved undersøkelse av alle verdier kan antallet av celler som er fullstendig nedsenket, bestemmes, og således er beliggenheten av den ceile som inneholder gass-væske-grenseflaten, kjent. For denne celle kan brøkdelen av nedsenkning bestemmes nøyaktig ved interpolasjon, idet man benytter verdiene

for tilgrensende celler som befinner seg fullstendig hhv. i væsken og i gassen. Interpolasjonsteknikken som sådan er kjent for fagfolk på området og vil ikke bli beskrevet i detalj. Ut fra ovenstående vil det være klart at bestem-melsen av væskenivå F i cellen er uavhengig av egenskapene til mediene i de respektive celler.

Den totale væskesøyle er summen av beliggenheten av den celle som inneholder den relevante grenseflate, og væskenivået F i denne celle.

Væskenivået i beholderen eller tanken kan således bestemmes dersom en nivåmåler er anbrakt nøyaktig i beholderen eller tanken.

I ovenstående er det antatt at en lineær sammenheng eksisterer mellom "verdien" av en celle og grenseflate-nivået F.

Ved ytterendene av en celle kan det imidlertid opptre ikke-lineariteter, og for eksempel er en celle som er beliggende nær en grenseflate, allerede svakt påvirket av denne grenseflate. For å minimere disse virkninger, må avstanden mellom cellene velges på passende måte, for eksempel lik 1 mm.

Anvendelse av interpolasjonen på fire celler i stedet

for tre reduserer "endevirkningene".

Fig. 2 viser skjematisk driftsprinsippet for hver

celle.

Slik som allerede omtalt tidligere, omfatter hver celle 4 elementer 1, 2 og 3 bestående av elektrisk ledende plan som er isolert fra hverandre og anordnet på en slik måte at det er til stede et mellomrom G i hvilket fluidum kan strømme inn. Planet 3 er koplet til nullpotensial. Hvert ledende plan kan være i direkte kontakt med fluidumet eller, om det er ønskelig, være isolert fra fluidumet ved hjelp av et isolasjonslag (ikke vist).

Slik som allerede omtalt tidligere, avhenger cellens "verdi" av overføringen av et elektrisk signal fra planet 1 til planet 2. En sådan overføring påvirkes av planet 3.

Den nevte overføring avhenger av kombinasjonen av ledende og dielektriske virkninger av fluidumet eller mediet

i mellomrommet G.

Planet 1 er på vilkårlig passende måte koplet til en vekselstrøm-signalgenerator C. I en fordelaktig utfør-else av oppfinnelsen genereres et vekselstrømsignal i fre-kvensområdet 10 - 100 kHz, særlig et vekselstrømsignal på

25 kHz.

Planet 2 er koplet på vilkårlig passende måte til en detekterende anordning bestående av en vekselstrømforsterker A. Vekselstrøm-utgangssignalet fra forsterkeren A kan be-handles på hvilken som helst måte som er egnet for formålet, for å avlede informasjon om grenseflatens posisjon. Utgangs-spenningen fra forsterkeren A er proporsjonal med signalover-føringen fra planet 1 til planet 2. I en fordelaktig utfør-else av oppfinnelsen er den detekterende anordning en amplitudedetektor som detekterer en endring i amplitude av det overførte vekselstrømsignal.

Dersom et ledende fluidum eller medium M er til stede i cellen, forårsaker planet 3 et slags ledende område 9 i fluidumet, hvorved det dannes en "skjerm" mellom planene 1 og 2 (se fig. 3A), slik at signaloverføringen fra planet 1 til planet 2 påvirkes i høy grad.

Fig. 3B viser skjematisk at størstedelen av signalet fra planet 1 dirigeres via planet 3 og at bare en liten del i av signalet mottas på planet 2. I et kraftig ledende medium vil således utgangssignalet fra forsterkeren A være lavt.

I tilfelle av et ikke-ledende fluidum eller medium vil signaloverføringen mellom planene 1 og 2 være bestemt i hovedsaken av dielektrisitetskonstanten av mediet i cellen, 3 og innvirkningen av planet 3 vil følgelig være liten.

I et medium som har en høy dielektrisitetskonstant, vil følgelig utgangssignalet fra forsterkeren A være høyt.

I en gass som har en dielektrisitetskonstant som er tilnærmet lik 1,. vil utgangssignalet fra forsterkeren A ha 5 en-mellomliggende verdi.

Man vil innse at i tilfelle av isolerte plan 1, 2 og 3, er virkemåten noe mer komplisert, men analog med ovenstående beskrivelse.

Fig. 4 viser en ekvivalent krets for en celle som har isolerte plan i et svakt ledende medium.

Henvisningstallene 1, 2 og 3 angir isolerte plan 1,

2 og 3 i cellen 4 på fig. 2. Cj_f C2 og C3 representerer kapasiteter til respektive av de isolerte plan 1, 2 og 3.

<R>^z R2, R3 og C4, C5, Cq er bestemt av væskens elektriske egenskaper (henholdsvis ledningsevne og dielektrisitetskonstant) .

Fig. 5 viser en forbedring i forhold til utførelsen på fig. 2.

Henvisningsbetegnelsene 1, 2, 3, 4, A og C er de samme som de som er benyttet på fig. 2. Utgangen av forsterkeren A er nå koplet til en fasefølsom likeretter D. Det viser, seg at overføringen av et signal fra planet 1 til planet 2 ikke foaire er relatert til signalets amplitude, men også til fasen. Den fasefølsomme likeretter D tilveiebrin-ger således ikke bare en meget lineær kopi av veksels;trøm-utgangssignalet fra forsterkeren A, men resulterer også i likestrøm-utgangssignalendringer som et resultat av endringer i parameterverdier i nettverket på fig. 4, hvilket ikke ville bli lagt merke til med bare en amplitudedetektor. Det vil innses at hver celle 4 i en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen er forsynt med sin egen vekselstrømgenerator og for-sterker/detektor.

Virkemåten av innretningen ifølge oppfinnelsen er

som følger:

Idet man starter fra bunnen og går mot toppen, måles verdiene av alle celler i rekkefølge ved hjelp av en passende innretning, som for eksempel felles målehode-elektronikk (ikke vist), digitaliseres og overføres i serie til en mot-taker-datamaskin (ikke vist) for å oppnå nivåinformasjon. Det vil imidlertid innses at trinnet med måling av cellenes "verdier" kan utføres på hvilken som helst måte som er egnet for formålet, og ikke nødvendigvis er begrenset til å starte fra bunnen og gå mot toppen. Videre kan elektronikken og ytterligere behandlingsinnretninger være beliggende på hvilken som helst måte som er egnet for formålet. For eksempel kan elektronikkretser (ikke vist) være beliggende nær cellene, men slik, soml..".allerede .angitt, vil det også være mulig å benytte elektronikk som er plassert på toppen av nivåmåleren, eller også utenfor tanken eller beholderen. I sistnevnte tilfelle er drift av. innretningen mulig med mye høyere temperaturer i tanken.

For klarhetens skyld er elektronikken og ytterligere behandlingsinnretninger ikke nærmere vist. Slik som allerede angitt foran, har den målte amplitude av et overført signal fra en celle som er beliggende under fluidumnivået, en bestemt "verdi", og denne "verdi" er forskjellig fra "verdien" for en celle som er beliggende over fluidumnivået.

Ved å bestemme "verdiene" for alle celler, for eksempel i serie, kan en endring i disse "verdier" bestemmes, og informasjon og fluidumnivå kan utledes ut fra denne.

I en ytterligere fordelaktig utførelse av opptinneisen (for klarhetens skyld ikke vist) kan planet 2 være i form av en metalltråd.

Bryteranordninger (ikke vist) kan være beliggende nær de respektive celler for å redusere ledningsføring og lekkasjevirkninger. Det er imidlertid også mulig å anbringe bryteranordninger på en viss avstand. Bryteranordningene kan aktiveres på hvilken som helst passende måte, for eksempel mekanisk, magnetisk eller elektronisk.

I en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen benyttes skiftre-gistre som bryteranordning. Det vil videre innses at cellene kan ha hvilken som helst størrelse og utforming som er egnet for formålet. I en fordelaktig utførelse av oppfinnelsen er cellenes høyder lik 7 mm, breddene er 8 mm, og mellomrommene G mellom planene 1 og 2 er 5 mm, mens de vertikale avstander mellom cellene er 1 mm.

Claims (7)

1. Innretning for bestemmelse av posisjonen av en grenseflate mellom forskjellige fluida i en beholder (6), hvilken innretning omfatter et vertikalt anbrakt, første elektrisk ledende element (1) som er koplet til en vekselstrøm-signal-genererende anordning (C), et antall vertikalt anbrakte, andre elektrisk ledende elementer (2) som er koplet til en signaldetekterende anordning (A) for å detektere det overførte vekselstrømsignal, og et vertikalt anbrakt, tredje elektrisk ledende element (3)' som er koplet, til nullpotensial, KARAKTERISERT VED et arrangement av et antall celler (4) hvor hver celle har sin egen første, andre og tredje elektrode (1, 2, 3) isolert fra respektive første, andre og tredje elektroder (1, 2, 3) av hvilken som helst annen celle (4), og hvor hver celle (4) har sin egen vekselstrøm-signalgenererende anordning (C) og signaldetekterende anordning (A).

2. Innretning ifølge krav 1, KARAKTERISERT' VE© at: de tre elektroder (1, 2, 3)' av hver celle (4) er anordnet i U-form.

3'.. Innretning ifølge krav 1 eller 2, KARAKTERISERT VED at; de; tre-, e-lektroder (1, 2, 3) av hver celle (4) er plane elementer..

41.. Innretning! ifølge ett, av kravene 1-3, KARAKTERISERT VED/ a*, cellen; (4"-J> har en høyde1 på 7' mm' og en bredde på 8 mm.;

5. Innretnding, ifølge krav/ 4.-, KARAKTERISERT VED at to elektroder av cellen er beliggende* overfor hverandre, slik at de danner et mellomrom (G) derimellom.

6. Innretning ifølge krav 5, KARAKTERISERT VED at mellomrommet er 5 mm.

7. Innretning ifølge ett av kravene 1-6, KARAKTERISERT VED at den vertikale avstand mellom cellene (4) er 1 mm.