NO169622B

NO169622B - PROCEDURE AND DEVICE FOR A DETERMINED VERTICAL DISTRIBUTION OF ONE OR MORE MEDIA CONTAINING A MEASURING DEVICE

Info

Publication number: NO169622B
Application number: NO895293A
Authority: NO
Inventors: Bjoern R Hope
Original assignee: Bjoern R Hope
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1992-04-06
Also published as: SE9201979D0; NO895293D0; GB2257792B; GB2257792A; WO1991010116A1; NO169622C; GB9213796D0; SE9201979L; DK169574B1; DK84492D0; DK84492A; NO895293L

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å bestemme vertikal fordeling av ett eller flere medier som omslutter en måleanordning, og hvor grenseskikt(er )s posisjoner) lar seg bestemme ut fra forskjell i målemediets eller medienes termiske egenskaper (varmeledningsevne) som innvirker på en oppstilling av ett eller flere termiske følerelementer som har direkte eller indirekte termisk kobling til målemediet via en ytre skillevegg, idet varme tilføres nevnte element eller elementer. The present invention relates to a method for determining the vertical distribution of one or more media that encloses a measuring device, and where the positions of the boundary layer(s) can be determined based on differences in the thermal properties (thermal conductivity) of the measuring medium or media that affect an arrangement of one or more thermal sensor elements that have a direct or indirect thermal connection to the measuring medium via an outer partition wall, as heat is supplied to said element or elements.

Videre vedrører oppfinnelsen an anordning for å bestemme vertikal fordeling av ett eller flere medier som omslutter en måleanordning der grenseskikters posisjoner lar seg bestemme ut fra forskjell i termiske tilstander og egenskaper, der det anvendes en oppstilling av ett eller flere termiske følerele-menter som har direkte eller indirekte termisk kobling til målemediet via en ytre skillevegg, der effekt tilføres elementet eller elementene, og der nevnte posisjon eller posisjoner registreres som funksjon av størrelsen av den effekt som målemediet ved målepunktet absorberer (dets varmeledningsevne ). Furthermore, the invention relates to a device for determining the vertical distribution of one or more media that encloses a measuring device where the positions of boundary layers can be determined based on differences in thermal states and properties, where an arrangement of one or more thermal sensor elements that have direct or indirect thermal connection to the measuring medium via an external partition, where power is supplied to the element or elements, and where said position or positions are recorded as a function of the size of the power that the measuring medium at the measuring point absorbs (its thermal conductivity).

I forbindelse med kontinuerlig overvåkning av tanker og lag-ringsrom, er det nødvendig til enhver tid å kunne overvåke grenseskikters posisjoner og utbredelse samt eventuell dannelse av sludgesoner. Med sludgesone forstås en blandingssone i hovedsak av de nærliggende stoffer, men det kan også være iblandet visse utfellinger, så som voks og andre forurens-ninger som har en egenvekt som ligger mellom de to hovedmedi-ene som grenser mot hverandre, som i dette tilfelle er råolje og vann. Grenseskiktene kan bestå av ulike typer væsker, granulater, gasser og en kombinasjon av disse. I særdeleshet er det tatt sikte på en måleanordning for å bestemme grense-skiktenes posisjoner i lagertanker for råolje ved produksjon eller lagring til sjøs eller i forbindelse med store lagerrom i fjell. In connection with the continuous monitoring of tanks and storage rooms, it is necessary at all times to be able to monitor the positions and distribution of boundary layers as well as the possible formation of sludge zones. Sludge zone means a mixing zone mainly of the nearby substances, but it can also contain certain precipitates, such as wax and other pollutants that have a specific gravity that lies between the two main media that border each other, as in this case is crude oil and water. The boundary layers can consist of different types of liquids, granules, gases and a combination of these. In particular, the aim is a measuring device to determine the positions of the boundary layers in storage tanks for crude oil during production or storage at sea or in connection with large storage rooms in mountains.

I nevnte lagringssystemer består grenseskiktene i hovedtrekk av olje/vann, men det er ikke uvanlig med overgangskikter væske/gass samt væske/sedimenter eller andre former for avleiringer. I tillegg dannes det ofte, spesielt rundt grenseskiktsposisjoner, overgangssoner som i hovedtrekk er en sammensetning av to eller flere av bestanddelene som lagres. Disse danner såkalte sludgesoner med derav følgende avleiringer som kan ha uheldige virkninger på måleinnretninger o. 1. In the above-mentioned storage systems, the boundary layers mainly consist of oil/water, but it is not uncommon to have transition layers liquid/gas as well as liquid/sediments or other forms of deposits. In addition, transition zones are often formed, especially around boundary layer positions, which are essentially a composition of two or more of the components that are stored. These form so-called sludge zones with resulting deposits which can have adverse effects on measuring devices etc. 1.

Videre er installasjoner i ovennevnte situasjoner av en sådan art at vedlikehold, utskiftninger, rengjøring eller annen form for service byr på store adkomstvanskeligheter og kostnader. Furthermore, installations in the above-mentioned situations are of such a nature that maintenance, replacements, cleaning or other forms of service present major access difficulties and costs.

Det finnes ulike følersystemer som baserer seg på termiske effekter. Eksempelvis kan nevnes Europeisk patentsøknad, publikasjon nr. 0052215 fra 1981 fra VDO i Tyskland. Denne viser et prinsipp hvor det på et substrat er etset ut et mønster av motstandselementer som suksessivt mates med konstant strøm, og hvor spenningsfallet over motstands-elementene vil være større eller mindre, avhengig av hvorvidt elementet er neddykket i væske eller ikke. There are various sensor systems that are based on thermal effects. For example, European patent application, publication no. 0052215 from 1981 from VDO in Germany can be mentioned. This shows a principle where a pattern of resistance elements is etched on a substrate which is successively fed with a constant current, and where the voltage drop across the resistance elements will be greater or less, depending on whether the element is immersed in liquid or not.

En signalbehandlingselektronikk kobler suksessivt inn elementene, spenningen registreres og spenningsnivået avgjør hvorvidt elementet er helt eller delvis nedsenket i væske. I de tilfeller hvor et element er delvis nedsenket, fremkommer tilleggsnivået ved hjelp av interpolering mellom andelen av spenningsfallet i luft og andelen av spenningsfallet fra ele-mentdelen som er nedsenket i væske. A signal processing electronics successively connects the elements, the voltage is recorded and the voltage level determines whether the element is fully or partially immersed in liquid. In cases where an element is partially submerged, the additional level is obtained by means of interpolation between the proportion of the voltage drop in air and the proportion of the voltage drop from the part of the element which is immersed in liquid.

Det er beskrevet flere lignende nivåmålersystemer, spesielt i forbindelse med brennstofftanker på fartøy hvor motstandselementer i form av metalltråd eller ulike former for tynnfilm/- tykkfilmteknikk står i direkte kontakt med målemediet, slik som det også fremgår av fransk patent nr. FR 8215750 av Pras Jean Claude. En detaljert beskrivelse foreligger også i VDI-Berichte nr. 509.1984, sidene 235-242. Several similar level measuring systems have been described, especially in connection with fuel tanks on vessels where resistance elements in the form of metal wire or various forms of thin film/thick film technology are in direct contact with the measuring medium, as also appears from French patent no. FR 8215750 by Pras Jean Claude. A detailed description is also available in VDI-Berichte no. 509.1984, pages 235-242.

Felles for ovennevnte måleprinsipper er at disse i hovedtrekk er tiltenkt nivåmåling i brennstofftanker som inneholder rene produkter, og at målingen går ut på å bestemme grenseskiktet mellom luft og væske. Det er likeså en nødvendighet at selvreguleringselementene har en direkte kontakt med målemediet samt at lange tilledninger til de enkelte måleelementer unngås, ettersom slike lett bidrar til feil. Det vil si at signalbehandlingen bør skje i umiddelbar nærhet av selvreguleringselementet. Common to the above-mentioned measurement principles is that these are mainly intended for level measurement in fuel tanks containing clean products, and that the measurement involves determining the boundary layer between air and liquid. It is also a necessity that the self-regulating elements have direct contact with the measuring medium and that long connections to the individual measuring elements are avoided, as such easily contribute to errors. This means that the signal processing should take place in the immediate vicinity of the self-regulating element.

Av andre kjente nivåmålersystemer som benytter seg av termiske effekter for påvisning av nivå og grenseskikt, kan nevnes forskjellige diskrete punkt nivåmåleranordninger hvor varmetransporten fra et varmeelement til et målemedium måles ved hjelp av et dif ferensialregistrerende temperaturmåle-system som i hovedtrekk baserer seg på en termosøyle bestående av et stort antall termoelementer koblet i serie. Of other known level measuring systems that make use of thermal effects for level and boundary layer detection, mention can be made of various discrete point level measuring devices where the heat transport from a heating element to a measuring medium is measured by means of a differential recording temperature measuring system which is basically based on a thermal column consisting of of a large number of thermocouples connected in series.

Ved at de enkelte målepunktene suksessivt kobles til en egnet signalprosesseringsenhet, vil den termiske transporten ved de enkelte målepunkter være et uttrykk for det omkringliggende mediums beskaffenhet. Fra patentlitteraturen kan det vises til norsk patent nr. 133517, britisk patentsøknad nr. GB-A 2.134.260, TJS patent nr. 2.702.476, US patent nr. 3.280.627 samt tysk Offenlegungsschrift nr. 1.959.041. As the individual measurement points are successively connected to a suitable signal processing unit, the thermal transport at the individual measurement points will be an expression of the nature of the surrounding medium. From the patent literature, reference can be made to Norwegian patent no. 133517, British patent application no. GB-A 2,134,260, TJS patent no. 2,702,476, US patent no. 3,280,627 as well as German Offenlegungsschrift no. 1,959,041.

Felles for måleanordninger av ovennevnte kategori er at hvert målepunkt er relativt kostbart og komplisert, særlig dersom det skal oppnås brukbar signalkontrast mellom ulike målemedier, Det kreves en omfattende og kostbar signal-kondisjonering, særlig når små signalnivåer skal overføres via lange kabler. Likeså kreves det god termisk kontroll over varmekilden og de termiske masser som inngår i systemet samt at målemediets temperatur er stabilisert. Common to measuring devices of the above category is that each measuring point is relatively expensive and complicated, especially if usable signal contrast is to be achieved between different measuring media. Extensive and expensive signal conditioning is required, especially when small signal levels are to be transmitted via long cables. Likewise, good thermal control over the heat source and the thermal masses included in the system is required, as well as that the temperature of the measuring medium is stabilised.

Ifølge oppfinnelsen kjennetegnes fremgangsmåten ved at det som nevnte element eller elementer anvendes et temperatur-følsomt, selvregulerende materiale, fortrinnsvis av et elektrisk ledende komposittmateriale, og at nevnte posisjon eller posisjoner som registreres av følerelementet eller følerelementene, bestemmes som en funksjon av den elektriske effekt som tilføres respektive element(er). According to the invention, the method is characterized by the fact that a temperature-sensitive, self-regulating material is used as said element or elements, preferably of an electrically conductive composite material, and that said position or positions recorded by the sensor element or sensor elements are determined as a function of the electrical effect which are added to the respective element(s).

Den innledningsvis nevnte anordning kjennetegnes ifølge oppfinnelsen ved at nevnte element eller elementer utgjøres av et temperaturfølsomt, selvregulerende materiale, fortrinnsvis av et elektrisk ledende komposittmateriale, f.eks. bestående av en polymer med en karbonforbindelse som har god mekanisk og elektrisk forbindelse til metalliske, parallelle tilkoblingsforbindelser med hvilke ett eller flere elementer selektivt er innrettet til å kobles til innganger på en signalbehandlingsenhet. The initially mentioned device is characterized according to the invention in that said element or elements are made up of a temperature-sensitive, self-regulating material, preferably of an electrically conductive composite material, e.g. consisting of a polymer with a carbon compound which has good mechanical and electrical connection to metallic parallel connection connections with which one or more elements are selectively adapted to connect to inputs of a signal processing unit.

Ytterligere utførelsesformer ved fremgangsmåten og anord-ningen vil fremgå av de etterfølgende patentkrav og den etterfølgende beskrivelse med henvisning til de vedlagte tegninger. Further embodiments of the method and device will appear from the subsequent patent claims and the subsequent description with reference to the attached drawings.

Ifølge oppfinnelsen oppnås stor fleksibilitet hva angår oppløsning og signaleffekt samt en vesentlig kostnads-besparende effekt såvel i fremstilling som installasjon. Den tilførte elektriske effekt til følerpunktet, er avhengig av avledet termisk effekt som igjen er avhengig av det omsluttende mediums termiske tilstand. En vesentlig fordel er at følersignalet i form av tilført effekt og den nødvendige oppvarming av elementet, kan skje over de samme tilledninger. According to the invention, great flexibility is achieved in terms of resolution and signal power as well as a significant cost-saving effect both in manufacturing and installation. The added electrical power to the sensor point is dependent on the derived thermal power which in turn is dependent on the thermal state of the surrounding medium. A significant advantage is that the sensor signal in the form of applied power and the necessary heating of the element can occur over the same connections.

Oppfinnelsen baserer seg på termiske prinsipper ved at varme transporteres til målemediet fra et varmeelement som er sterkt selvregulerende, det vil si at tilført elektrisk effekt er en funksjon av effekttapet mot målemediet. Derved kombineres på en måte varmekilde og føler i en og samme enhet, i teksten videre benevnt som selvreguleringselement, ved at selvreguleringselementet regulerer den tilførte elektriske effekt som en funksjon av elementets temperatur, og temperaturen igjen er avhengig av varmeavgivelsen til det omkringliggende medium. Ved til enhver tid å registrere tilført effekt, oppnås en signaleffekt som er et uttrykk for det omkringliggende mediums sammensetning ut fra termiske egenskaper. The invention is based on thermal principles in that heat is transported to the measuring medium from a heating element that is strongly self-regulating, that is to say that the added electrical power is a function of the power loss to the measuring medium. Thereby, heat source and sensor are in a way combined in one and the same unit, further referred to in the text as a self-regulating element, in that the self-regulating element regulates the added electrical power as a function of the element's temperature, and the temperature in turn depends on the heat output to the surrounding medium. By registering added power at all times, a signal effect is obtained which is an expression of the composition of the surrounding medium based on thermal properties.

Føleeffekten oppnås ved at det aktive elementet i føleren er fremstilt av en polymer iblandet et ledende karbonmateriale som danner et stort antall parallelle, elektriske forbindelser mellom to i hovedtrekk parallelle tilkoblingsforbindelser som er integrert i elementet og som danner tilkoblingspunktene for tilledningene mellom de enkelte følerpunkter og signalbehandlingsenheten. The sensing effect is achieved by the fact that the active element in the sensor is made of a polymer mixed with a conductive carbon material which forms a large number of parallel, electrical connections between two essentially parallel connection connections which are integrated into the element and which form the connection points for the cables between the individual sensor points and the signal processing unit .

Ved at strøm tilføres tilledningene, varmes det mellom-liggende, halvledende kjernemateriale opp og en mikroskopisk ekspansjon opptrer med derav følgende økning av resistansen, hvilket i sin tur igjen forårsaker en reduksjon av avgitt effekt. When current is supplied to the leads, the intermediate, semi-conducting core material is heated and a microscopic expansion occurs with the resulting increase in resistance, which in turn causes a reduction in output power.

På samme måte vil en reduksjon av temperaturen forårsake en sammentrekning av materialet og derved reduksjon av resistansen med en derav følgende økning av avgitt effekt. Derved oppnås den selvregulerende effekten som utgjør selve følersignalet. In the same way, a reduction of the temperature will cause a contraction of the material and thereby a reduction of the resistance with a consequent increase in the emitted power. This achieves the self-regulating effect that constitutes the sensor signal itself.

Det finnes på markedet ulike produsenter av varmeelementer basert på plastmaterialer som ved iblanding av ledende materialer, karbon, metallpartikler e.l. har den ovennevnte effekt, og som lar seg tilpasse i form og størrelse til et følerelement. Terminering av tillederne til de enkelte følerelementene, såvel mekanisk som elektrisk, er av stor viktighet for å oppnå et stabilt element. I det her beskrevne eksempel på utførelse av et følersystem, er det av praktiske grunner benyttet materialet i en varmekabel som har de ovennevnte reguleringsegenskaper samt at termineringen mellom materialet og tilledningene har en hensiktsmessig utforming. There are various manufacturers of heating elements based on plastic materials on the market, which by mixing conductive materials, carbon, metal particles etc. has the above-mentioned effect, and which can be adapted in shape and size to a sensor element. Termination of the leads to the individual sensor elements, both mechanically and electrically, is of great importance to achieve a stable element. In the example described here of the execution of a sensor system, for practical reasons the material is used in a heating cable which has the above-mentioned regulation properties and that the termination between the material and the leads has an appropriate design.

Ovennevnte eksempel på anvendelse av materialet i selvreguleringselementet, er kun for å vise en praktisk utførelse uten at dette er å betrakte som en begrensning i andre materialer med samme egenskaper, men med ulik utforming, terminering etc. Av kjente produktnavn er Raychems omfattende produktspekter av varmekabler tilpasset ulike formål med hensyn til arbeidsspenning, temperaturområde, effekt pr. lengdeenhet med ulike former for mekanisk, elektrisk og kjemisk beskyttelse. The above-mentioned example of the use of the material in the self-regulating element is only to show a practical design without this being considered as a limitation in other materials with the same properties, but with different design, termination etc. Raychem's extensive product range of heating cables is a well-known product name adapted to different purposes with regard to working voltage, temperature range, power per length unit with various forms of mechanical, electrical and chemical protection.

Et følersystem vil i prinsipp bestå av en rekke diskrete selvreguleringselementer med en hensiktsmessig vertikal fordeling. Tilledningene forbinder hvert enkelt selvreguleringselement til en koblingsanordning som muliggjør kobling av hvert enkelt element til en strømkrets hvor den tilførte effekt måles i størrelse og tid for hvert enkelt element. A sensor system will in principle consist of a number of discrete self-regulating elements with an appropriate vertical distribution. The leads connect each individual self-regulating element to a connection device that enables the connection of each individual element to a circuit where the applied power is measured in size and time for each individual element.

I større følersystemer bestående av store antall målepunkter, kan det være fordelaktig å fordele tilkoblingene til de enkelte målepunkter i hensiktsmessige grupper, matriser eller andre kjente former for adressering av enkelte elementer eller grupper over et minimum av tilledninger. Den enkleste formen vil være at en større eller mindre gruppe av selvreguleringselementer har en f ellesf orbindelse, mens de andre føres separat frem til koblingsanordningen. I visse tilfeller kan det være hensiktsmessig å integrere koblings-elementer sammen eller i umiddelbar nærhet av selvreguleringselementene slik at de enkelte elementer kobles til en felles strømforsyning som styres over signallederne og dermed reduserer tillederforbindelsen mellom føler .og koblingsmodulen. In larger sensor systems consisting of a large number of measuring points, it can be advantageous to distribute the connections to the individual measuring points in appropriate groups, matrices or other known forms for addressing individual elements or groups over a minimum of connections. The simplest form would be for a larger or smaller group of self-regulating elements to have a common connection, while the others are led separately to the coupling device. In certain cases, it may be appropriate to integrate connecting elements together or in the immediate vicinity of the self-regulating elements so that the individual elements are connected to a common power supply which is controlled over the signal conductors and thus reduces the feeder connection between the sensor and the coupling module.

Grenseskiktbestemmelsen foregår ved at følerelementene suksessivt kobles til en' strømkilde etter en hensiktsmessig sekvens. Den tilførte effekten registreres, og ut fra kjennskap til følerelementets effektkarakteristikk som en funksjon av temperatur, bestemmes det omrkingliggende mediums termiske egenskaper og derved mediets posisjoner. The boundary layer determination takes place by successively connecting the sensor elements to a current source according to an appropriate sequence. The supplied power is registered, and based on knowledge of the sensor element's power characteristics as a function of temperature, the thermal properties of the surrounding medium and thereby the positions of the medium are determined.

En spesiell utførelse av et selvreguleringselement består av en vertikal fordeling av det aktive følermaterialet med en kabellignende utforming og med to tilledninger for tilkobling av en strømkilde. Den tilførte effekt vil normalt inn-regulere seg på gjennomsnittsverdien for elementets totale utbredelse. Føleren kan således bestå av et eller flere selvreguleringselementer eller også en kombinasjon av korte, punktformede samt lange elementer for å dekke spesielle krav til et tankmålesystem. A special embodiment of a self-regulating element consists of a vertical distribution of the active sensor material with a cable-like design and with two connections for connecting a power source. The added effect will normally adjust to the average value for the element's total distribution. The sensor can thus consist of one or more self-regulating elements or also a combination of short, point-shaped and long elements to cover special requirements for a tank measurement system.

På grunn av en viss termisk overgangsmotstand mellom elementet og mediet, vil det oppstå en temperaturforskjell mellom elementet og mediet. Denne vil variere vertikalt i det tilfelle hvor selvreguleringselementet befinner seg i en overgangssone mellom to eller flere målemedier med forskjellige termiske egenskaper. Ved hjelp av temperaturfølere som er hensiktsmessig vertikalt fordelt, og med god termisk forbindelse nærmest målemediet, kan en eller flere overgangssoner eller en passasje av disse registreres innenfor et og samme selvreguleringselement. Due to a certain thermal transition resistance between the element and the medium, a temperature difference will occur between the element and the medium. This will vary vertically in the case where the self-regulating element is located in a transition zone between two or more measuring media with different thermal properties. With the help of temperature sensors that are suitably vertically distributed, and with a good thermal connection closest to the measuring medium, one or more transition zones or a passage of these can be registered within one and the same self-regulating element.

En mikroprosessor styrer signalbehandlingen og vil på grunnlag av måledataene fremskaffe entydig informasjon om målemediet som omslutter føleren med hensyn til mediets termiske egenskap som er bestemmende for selvregulerings-elementets effektavgivelse. A microprocessor controls the signal processing and, on the basis of the measurement data, will provide unambiguous information about the measuring medium that surrounds the sensor with regard to the medium's thermal properties, which determine the self-regulating element's output.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere under henvisning til de vedlagte tegninger som representerer ikke-begrensende utførelseseksempler av oppfinnelsen. Fig. 1 viser det aktive selvreguleringselement i forbindelse med et målepunkt. Fig. 2 viser et eksempel på forholdet effekt og temperatur. Fig. 3 viser det aktive selvreguleringselement anordnet på innsiden av et beskyttende rør. Fig. 4 viser en føler med et langstrakt selvreguleringselement med temperaturfølere. Fig. 5-8 viser ytterligere eksempler på anordning av det aktive selvreguleringselementet. The invention will now be explained in more detail with reference to the attached drawings which represent non-limiting examples of the invention. Fig. 1 shows the active self-regulating element in connection with a measuring point. Fig. 2 shows an example of the relationship between power and temperature. Fig. 3 shows the active self-regulating element arranged on the inside of a protective tube. Fig. 4 shows a sensor with an elongated self-regulating element with temperature sensors. Fig. 5-8 show further examples of arrangement of the active self-regulating element.

Fig. 9 viser snittet IX-IX i fig. 8. Fig. 9 shows the section IX-IX in fig. 8.

Fig. 10 viser et eksempel på gruppering av de enkelte selvreguleringselementers tilkoblinger. Fig. 11 viser eksempel på en komplett avføler installert i en lagringstank for olje og vann. Fig. 12 viser et blokkdiagram over hvordan følerne er forbundet til signalbehandling for fremvisning. Fig. 10 shows an example of grouping of the individual self-regulating elements' connections. Fig. 11 shows an example of a complete sensor installed in a storage tank for oil and water. Fig. 12 shows a block diagram of how the sensors are connected to signal processing for display.

I fig. 1 er vist en utførelse av det aktive selvreguleringselement med det aktive materialet 1 som danner et stort antall parallelle strømveier mellom tilledningene 2 og 3. Materialet har en omsluttende kappe av et godt elektrisk isolerende materiale 4. Den avgitte effekt pr. lengdeenhet er en funksjon av materialets sammensetning og temperatur. In fig. 1 shows an embodiment of the active self-regulating element with the active material 1 which forms a large number of parallel current paths between the leads 2 and 3. The material has an enclosing sheath of a good electrically insulating material 4. The emitted power per unit length is a function of the material's composition and temperature.

I fig. 2 er vist eksempel på en typisk karakteristikk som viser forhold mellom tilført effekt (i W/ft) og temperatur (grader F) på ulike "blandinger av det aktive materialet merket a, b, c og d. In fig. 2 shows an example of a typical characteristic that shows the relationship between applied power (in W/ft) and temperature (degrees F) on various "mixtures of the active material marked a, b, c and d.

I fig. 3 er vist et eksempel på hvordan selvreguleringselementet 1 er termisk koblet til innsiden av en rørvegg 5 ved hjelp av et godt termisk ledende materiale 6 for optimalisering av den termiske kontakten mellom selvreguleringselement og rørveggen. Koblingsmaterialet 6 kan være av metall e.l. godt ledende materiale, eventuelt også lim eller pasta som har god termisk ledningsevne. Selvreguleringselementet kan ha en viss vertikal utstrekning som i og for seg kan være et selvstendig system. Det kan eventuelt også danne et målepunkt som har en viss vertikal utstrekning, men som i et større målesystem, eksempelvis over 100 m, blir å betrakte som et målepunkt. In fig. 3 shows an example of how the self-regulating element 1 is thermally connected to the inside of a pipe wall 5 using a good thermally conductive material 6 to optimize the thermal contact between the self-regulating element and the pipe wall. The coupling material 6 can be made of metal or the like. good conductive material, possibly also glue or paste that has good thermal conductivity. The self-regulating element can have a certain vertical extent which in and of itself can be an independent system. It may also form a measurement point that has a certain vertical extent, but which in a larger measurement system, for example over 100 m, is considered a measurement point.

I fig. 4 er vist et eksempel på hvordan det over et selvregulerende elements utstrekning kan etableres flere målepunkter ved at et selvregulerende element 1, som har en viss vertikal utstrekning og som gjennom sin selvregulerende funksjon innenfor sitt reguleringsområde, vil opprettholde en konstant temperatur. På figuren er det vist tre adskilte koblings-elementer 11, 12, 13 som hver danner separat termisk kobling til målemediene 14, 15. Disse har igjen ulike termiske egenskaper. Eksempelvis vil mediet 15, som kan være vann, ha en større varmeavledning enn mediet 14 som eksempelvis kan være olje. Temperaturdifferansen over respektive koblings-elementer 11, 13 som registreres ved hjelp av temperatur-følerne 7, 9, vil således være forskjellig. Forskjellen vil være proporsjonal med forskjellen i termisk ledning og kapasitet i målemediene. Koblingselementet 12 vil overføre en termisk effekt til såvel mediet 14 som 15. Det vil si at temperaturdifferansen målt ved 8, er større enn 15 og mindre enn 14 i respektive vann og olje. Temperaturmålingene 7, 8, 9 føres frem til signalbehandlingsenheten 40 og angis som ulike temperaturgradienter på fremvisningsenheten 45 i form av diagrammer 43. In fig. 4 shows an example of how several measuring points can be established over the extent of a self-regulating element, in that a self-regulating element 1, which has a certain vertical extent and which through its self-regulating function within its regulation area, will maintain a constant temperature. The figure shows three separate connecting elements 11, 12, 13, each of which forms a separate thermal connection to the measuring media 14, 15. These again have different thermal properties. For example, the medium 15, which may be water, will have a greater heat dissipation than the medium 14, which may for example be oil. The temperature difference across the respective connecting elements 11, 13, which is recorded by means of the temperature sensors 7, 9, will thus be different. The difference will be proportional to the difference in thermal conductivity and capacity in the measuring media. The coupling element 12 will transfer a thermal effect to both the medium 14 and 15. That is to say that the temperature difference measured at 8 is greater than 15 and less than 14 in respective water and oil. The temperature measurements 7, 8, 9 are forwarded to the signal processing unit 40 and indicated as different temperature gradients on the display unit 45 in the form of diagrams 43.

I fig. 5 er det vist et eksempel der det selvregulerende elementet er anbrakt i god termisk kontakt med et koblings-materiale 16 på innsiden av en rørformet barriere. Det oppnås på denne måten en radiell termisk kontakt med målemediet gjennom barrieren, samtidig som følerpunktets vertikale utstrekning er begrenset. Den sentrale delen 18 av koblingsmaterialet 16, gir plass for fremføring av tilledninger fra nedenforliggende selvreguleringselementer (ikke vist på fig. 5). Fig. 5 representerer således en variant av det som er vist på fig. 4 og på de etterfølgende figurer 8-11. In fig. 5 shows an example where the self-regulating element is placed in good thermal contact with a coupling material 16 on the inside of a tubular barrier. In this way, a radial thermal contact with the measuring medium is achieved through the barrier, while the vertical extent of the sensor point is limited. The central part 18 of the coupling material 16 provides space for bringing in leads from the self-regulating elements below (not shown in Fig. 5). Fig. 5 thus represents a variant of what is shown in Fig. 4 and on the subsequent figures 8-11.

I fig. 6 er vist en flat konstruksjon hvor selvreguleringselementet 1' står i termisk kontakt til to av barrierens sideflater 19, 19'. Derved økes den termiske kontakten mellom følerelementet 1 og det omsluttende målemediet via koblingselementene 20, 20' og barrieren 19, 19'. Koblingselementene 20, 20' kan være av godt termisk ledende materiale. Hulrommene 21 gir rom for elektriske forbindelser 22 til selvreguleringselementene. In fig. 6 shows a flat construction where the self-regulating element 1' is in thermal contact with two of the barrier's side surfaces 19, 19'. Thereby, the thermal contact between the sensor element 1 and the surrounding measuring medium via the connection elements 20, 20' and the barrier 19, 19' is increased. The connecting elements 20, 20' can be of good thermally conductive material. The cavities 21 provide space for electrical connections 22 to the self-regulating elements.

Fig. 7 er i hovedtrekk som utførelsen i fig. 6, med unntak av at følerelementet 1'' har en mer horisontal utbredelse for at målepunktet (følerpunktet) skal ha en begrenset vertikal-utbredelse med det formål å øke den vertikale oppløsning for angivelse av nivå. Fig. 7 is essentially the same as the embodiment in fig. 6, with the exception that the sensor element 1'' has a more horizontal spread so that the measuring point (sensor point) has a limited vertical spread with the aim of increasing the vertical resolution for indicating the level.

I fig. 8 er vist en fleksibel føleranordning hvor selvreguleringselementene 1''' er anbrakt på en fleksibel rørlignende kjerne 23 som også tjener som kanal for frem-føring av tilledningene 2, 3. Barrieren 24 utgjøres av et fleksibelt materiale, eksempelvis polyetylen e.l. I forbindelse med store lengder kan det være hensiktsmessig å integrere et bøyelig organ 25 f.eks. av stål, Kevlar ® eller annet strekkfast materiale for å oppta strekkrefter samt gjøre føleren lengdestabil med hensyn til vertikal målenøyak-tighet. In fig. 8 shows a flexible sensor device where the self-regulating elements 1''' are placed on a flexible tube-like core 23 which also serves as a channel for advancing the leads 2, 3. The barrier 24 is made of a flexible material, for example polyethylene or the like. In connection with large lengths, it may be appropriate to integrate a flexible member 25, e.g. of steel, Kevlar ® or other tensile material to absorb tensile forces and make the sensor longitudinally stable with regard to vertical measurement accuracy.

Ved en integrert utførelse hvor følere og tilleder-forbindelser i prinsipp danner en kabellignende utførelse, oppnås et enhetlig følersystem uten risiko for inntrenging av væske, spesielt egnet i undervanns lagringssystemer hvor et utilgjengelig termineringspunkt mellom føler og kabel befinner seg i vann med tildels høyt trykk. With an integrated design where sensors and feeder connections in principle form a cable-like design, a uniform sensor system is achieved without the risk of liquid ingress, particularly suitable in underwater storage systems where an inaccessible termination point between sensor and cable is located in water with partly high pressure.

Fig. 9 viser snittet IX-IX i fig. 8. Fig. 9 shows the section IX-IX in fig. 8.

I fig. 10 er vist et eksempel på hvordan de forskjellige selvreguleringselementene 1''' kan termineres i grupper 26 for bl.a. å fordele den tilførte effekt på hensiktsmessig måte. Forbindelsen 2 og 3 til de enkelte følere er helt avhengig av hvilken adresseringsmåte som brukes. I eksempelet mates følerne med likestrøm, og for å hindre uønskede parallellforbindelser, er det i tilledningene 2 for hvert enkelt element satt inn en sperrediode 27. In fig. 10 shows an example of how the various self-regulating elements 1''' can be terminated in groups 26 for e.g. to distribute the added effect in an appropriate manner. The connection 2 and 3 to the individual sensors is entirely dependent on which addressing method is used. In the example, the sensors are fed with direct current, and to prevent unwanted parallel connections, a blocking diode 27 is inserted in the leads 2 for each individual element.

I fig. 11 er vist et eksempel på en følerinstallasjon i en lagringstank 38 for respektive olje 29 og vann 30 med en overgangssone 31. Selvreguleringselementene 1''' kan ha en hensiktsmessig vertikal fordeling, f.eks. innbyrdes forskjellig avstand, og er omgitt av et stålrør 32. Føleren er avsluttet i et følerhode 33 med terminering 34 av de elektriske forbindelsene til følerpunktene 1'''. In fig. 11 shows an example of a sensor installation in a storage tank 38 for respective oil 29 and water 30 with a transition zone 31. The self-regulating elements 1''' can have an appropriate vertical distribution, e.g. mutually different distances, and is surrounded by a steel tube 32. The sensor is terminated in a sensor head 33 with termination 34 of the electrical connections to the sensor points 1'''.

I fig. 12 er vist et enkelt blokkdiagram over forbindelsene mellom følerne og tilhørende enheter. De enkelte følerne 35, 35', 35'' er forbundet via flerlederkabler 36 til en koblingsmodul 37 som suksessivt eller i grupper kobler de enkelte selvreguleringselementer 1''' i følerne 35, 35', 35'' til en kraftforsyning 38. Tilført effekt til de enkelte selvreguleringselementer måles og konverteres i en A/D omformer 39. Signalene behandles i en signalbehandlingsenhet 40 og sammenlignes der mot måleverdiene i en kalibreringstabell. Styringen av koblingsmodulen 37 skjer via signalbehandleren som på grunnlag av måleresultatet kan påvirke innkobling av de enkelte selvreguleringselementene på en hensiktsmessig måte, eksempelvis i grupper, som funksjon av nivåposisjon og retning samt tilført effekt. En frem-visningsenhet 41 er et eksempel på presentasjonsmulighet av en oversikt over de respektive overgangssoners posisjoner 42. Temperaturgradientene 43 kan være en integrert del av fremvisningsenheten. In fig. 12 shows a simple block diagram of the connections between the sensors and associated units. The individual sensors 35, 35', 35'' are connected via multi-conductor cables 36 to a connection module 37 which successively or in groups connects the individual self-regulating elements 1''' in the sensors 35, 35', 35'' to a power supply 38. Added power to the individual self-regulating elements are measured and converted in an A/D converter 39. The signals are processed in a signal processing unit 40 and compared there against the measured values in a calibration table. The control of the switching module 37 takes place via the signal processor which, on the basis of the measurement result, can influence the connection of the individual self-regulating elements in an appropriate way, for example in groups, as a function of level position and direction as well as applied power. A display unit 41 is an example of the possibility of presenting an overview of the positions 42 of the respective transition zones. The temperature gradients 43 can be an integral part of the display unit.

Selvreguleringselementet eller elementene vil kunne fungere som temperaturmotstander til å måle den vertikale temperatur-fordeling av det omsluttende målemediet. Dette er et viktig trekk, etter som væskenes temperaturer i utgangspunktet kan være forskjellige, hvilket forsterker måleeffekten kraftig. Spesielt i forbindelse med hovedanvendelsen av dette systemet, dvs. lagringstanker på en produksjonsplattform hvor temperaturforskjellen mellom olje og vann kan komme opp i 30 grader eller mer. Ved hjelp av signalbehandlingsenheten trekkes denne informasjon ut og kan fremvises på displayet 41 som temperaturgradientkurver 43. Dette må ikke forveksles med fig. 4 hvor temperaturen fremkommer ved hjelp av spesielle temperaturfølere som bare reagerer på temperatur. Som et eksempel på anvendelse av nevnte system er en produksjonsplattform hvor mellomlagring av råolje skjer i store lagringsceller som inneholder olje og vann med en vertikal fordeling. The self-regulating element or elements will be able to function as temperature resistors to measure the vertical temperature distribution of the surrounding measuring medium. This is an important feature, as the temperatures of the liquids can initially be different, which greatly enhances the measurement effect. Especially in connection with the main application of this system, i.e. storage tanks on a production platform where the temperature difference between oil and water can reach 30 degrees or more. With the help of the signal processing unit, this information is extracted and can be presented on the display 41 as temperature gradient curves 43. This must not be confused with fig. 4 where the temperature is obtained using special temperature sensors that only react to temperature. As an example of the application of said system is a production platform where intermediate storage of crude oil takes place in large storage cells containing oil and water with a vertical distribution.

Følernes utstrekning omfatter det totale måleområdet for respektive overgangssone. Den vertikale fordeling av målepunktene kan tilpasses behovet for oppløsning. De enkelte selvreguleringselementer tilkobles kraftforsyningen 38 enkeltvis eller i grupper, mens tilført effekt til hvert enkelt element måles og omformes i A/D omformer 39 til digital form for videre signalbehandling i signalbehandleren 40. Den tilførte effekts størrelse er en funksjon av elementets temperatur som igjen er påvirket av de termiske egenskaper til det omkringliggende medium. The extent of the sensors includes the total measurement area for the respective transition zone. The vertical distribution of the measurement points can be adapted to the need for resolution. The individual self-regulating elements are connected to the power supply 38 individually or in groups, while the applied power to each individual element is measured and converted in the A/D converter 39 into digital form for further signal processing in the signal processor 40. The size of the applied power is a function of the element's temperature, which in turn is influenced by the thermal properties of the surrounding medium.

Siden den termiske avledningen fra føleren mot olje er mindre enn til vann, vil den tilførte elektriske effekt være større i vann enn i olje. Den relative forskjell mellom føler-punktene i henholdsvis olje og vann, er i hovedtrekk gitt av temperaturgradienten i respektive målemedier, og til en viss grad produksjonstoleranser av de ulike selvreguleringselementene. De enkelte selvreguleringselementers følsomhets-karakteristikk som funksjon av temperatur i et kjent målemedium, eksempelvis vann, kan inngå som en kalibrer-ingsverdi av den ferdige føleren som en referansetabell. Since the thermal dissipation from the sensor to oil is less than to water, the added electrical power will be greater in water than in oil. The relative difference between the sensor points in oil and water, respectively, is mainly given by the temperature gradient in the respective measuring media, and to a certain extent production tolerances of the various self-regulating elements. The sensitivity characteristics of the individual self-regulating elements as a function of temperature in a known measuring medium, for example water, can be included as a calibration value of the finished sensor as a reference table.

Ved at nevnte referansetabell inngår i signalbehandlingen, er det mulig å skille mellom de ulike medier og de vertikale temperaturgradientene langs følerens overflate. Ved hjelp av en noe mer avansert signalbehandling, kan de forskjellige overgangssoners bevegelser i lagringscellene overvåkes, slik at kun de nærliggende selvreguleringselementene til enhver tid aktiveres, samtidig som signalnivåenes størrelse og karakter i forhold til referanseverdier og grenseskiktets posisjon vil være et uttrykk for følerpunktets tilstand med hensyn til beleggdannelse, eksempelvis voksdannelse. Likeså vil det være mulig å skille mellom øvre og nedre avgrensing av en grenseskiktsone, spesielt når denne passerer et eller flere følerpunkter, f.eks. ved fylling eller tømming av tanken. As the aforementioned reference table is included in the signal processing, it is possible to distinguish between the various media and the vertical temperature gradients along the sensor's surface. With the help of somewhat more advanced signal processing, the movements of the various transition zones in the storage cells can be monitored, so that only the nearby self-regulating elements are activated at all times, while the size and nature of the signal levels in relation to reference values and the position of the boundary layer will be an expression of the state of the sensor point with consideration of coating formation, for example wax formation. Likewise, it will be possible to distinguish between the upper and lower delimitation of a boundary layer zone, especially when this passes one or more sensor points, e.g. when filling or emptying the tank.

I tilfeller hvor belegging, f.eks. voksdannelse, omkring følerpunktet registreres, påtrykkes større effekt i tid og/eller størrelse som igjen fører til høyere overflate-temperatur og derved hindrer voksdannelse. Dette kan styres manuelt eller være en del av signalbehandlingsrutinen. Særlig i forbindelse med lagringsceller vil følerne utsettes for voksavleiring. Det er da viktig å kunne styre tilført effekt ved hjelp av følerne for å hindre dette. Selvreguleringselementet har således en tredelt funksjon, nemlig: 1) å registrere overgangssoner på grunnlag av termiske egenskaper i mediene, 2) å registrere medienes temperaturer (gradienter) samt 3) å hindre og/eller fjerne voksbelegg. In cases where coating, e.g. wax formation, around the sensor point is registered, a greater effect is applied in time and/or size, which in turn leads to a higher surface temperature and thereby prevents wax formation. This can be controlled manually or be part of the signal processing routine. Especially in connection with storage cells, the sensors will be exposed to wax deposits. It is therefore important to be able to control the added power using the sensors to prevent this. The self-regulating element thus has a threefold function, namely: 1) to register transition zones on the basis of thermal properties in the media, 2) to register the media's temperatures (gradients) and 3) to prevent and/or remove wax coatings.

Målemediets sammensetning, konsistens og temperatur er i hovedtrekk bestemmende for den påtrykte effekts størrelse og varighet. I tillegg kommer kravet til responstid. The composition, consistency and temperature of the measuring medium mainly determine the size and duration of the imprinted effect. In addition, there is the requirement for response time.

Det er to alternative måter å styre følerne på: There are two alternative ways to control the sensors:

a. Ved bruk av den dynamiske, respektive statiske del av den tilførte effektkarakteristikken, der den dynamiske delen representerer fallkarakteristikken som funksjon av tid etter innkoblingen av selvreguleringselementet, mens den statiske delen er representert ved det stabile effekt-nivået som føleren inntar etter et bestemt tidsforløp. I dette tilfellet vil følerne eller grupper av disse stå konstant aktivert (oppvarmet) samtidig som påtrykt effekt på de enkelte elementer registreres suksessivt. Denne måten gir den raskeste oppdateringstid (responstid) og den største følsomhet mot endringer i mediets termiske egenskaper. Imidlertid kreves det tilsvarende store energimengder ved at et stort antall følere er koblet inn samtidig. a. When using the dynamic, respective static part of the supplied power characteristic, where the dynamic part represents the drop characteristic as a function of time after the switching on of the self-regulating element, while the static part is represented by the stable power level that the sensor takes after a certain time . In this case, the sensors or groups of these will be constantly activated (heated) at the same time as the impressed effect on the individual elements is recorded successively. This method provides the fastest update time (response time) and the greatest sensitivity to changes in the medium's thermal properties. However, correspondingly large amounts of energy are required when a large number of sensors are connected at the same time.

b. Alternativt kobles selvreguleringselementene inn enkeltvis og det dynamiske forløpet fra innkoblingsøyeblikket til et gitt tidspunkt er et uttrykk for følerens respons som en sammensatt funksjon av såvel de i føleren som omkringliggende mediers termiske egenskaper. Følerens termiske egenskaper er kjent i henhold til en kalibreringstabell (referanseverdier), og kan således i prinsippet subtra-heres fra den målte verdi for derved å kunne bestemme de termiske egenskapene til det omkringliggende målemedium. b. Alternatively, the self-regulating elements are switched on individually and the dynamic course from the moment of switching on to a given time is an expression of the sensor's response as a composite function of the thermal properties of both those in the sensor and the surrounding media. The sensor's thermal properties are known according to a calibration table (reference values), and can thus in principle be subtracted from the measured value in order to thereby be able to determine the thermal properties of the surrounding measuring medium.

Det er naturlig at samme fremgangsmåte kan benyttes til målinger av overgangssoner, temperaturgradienter i andre medier og kombinasjoner enn nevnt i eksempelet, såfremt disse har forskjellige termiske egenskaper. It is natural that the same method can be used for measurements of transition zones, temperature gradients in other media and combinations than mentioned in the example, provided these have different thermal properties.

Claims

1. Procedure for determining the vertical distribution of one or more media that encloses a measuring device, and where the position(s) of the boundary layer(s) can be determined based on the difference in the measuring medium's or media's thermal properties (thermal conductivity) that affect an arrangement of one or several thermal sensor elements which have a direct or indirect thermal connection to the measuring medium via an outer partition, heat being supplied to said element or elements, characterized in that a temperature-sensitive, self-regulating material is used as said element or elements, preferably an electrically conductive composite material, and that said position or positions recorded by the sensing element or sensing elements are determined as a function of the electrical power applied to the respective element(s).

2. Method as stated in claim 1, characterized in that a combination of discrete points and continuous measurement is provided by allowing the elements to cover different vertical units of length.

3. Method as stated in claim 1 or 2, characterized in that the vertical temperature distribution of the surrounding measuring medium is measured by allowing the elements to function as temperature-dependent resistors.

4. Method as specified in one or more of claims 1-3, characterized in that the elements, in addition to the measuring effect, also prevent the formation of wax as a result of their emitted heat effect to the surroundings.

5. Method as stated in one or more of claims 1-4, characterized in that a sludge zone, i.e. a zone where both measuring media in the boundary layer are mixed in a ratio that follows a certain vertical gradient, is recorded by an interpolation between the media and where the gradient is recorded in that one or more measuring points are passed during a loading or unloading situation of said measuring media in a storage container.

6. Method as specified in one or more of claims 1-3 and 5, characterized in that information recorded by said elements is extracted in both a static and dynamic part of the signals emitted from the elements.

7. Method as stated in one or more of the preceding claims, characterized in that one or more temperature-sensitive organs are arranged closer to the measuring medium than said elements, in order to register the gradient of the relative distribution of the thermal transport over the element's distribution.

8. Device for determining the vertical distribution of one or more media that encloses a measuring device, where the positions of boundary layers can be determined based on differences in thermal states and properties, where an arrangement of one or more thermal sensor elements is used that has a direct or indirect thermal connection to the measuring medium via an outer dividing wall, where power is supplied to the element or elements, and where said position or positions are registered as a function of the size of the power that the measuring medium absorbs at the measuring point (its thermal conductivity), characterized by said element or elements consisting of a temperature-sensitive, self-regulating material, preferably of an electrically conductive composite material (1), e.g. consisting of a polymer with a carbon compound which has a good mechanical and electrical connection to metallic, parallel connection connections (2, 3) with which one or more elements are selectively adapted to be connected to inputs of a signal processing unit (40).

9. Device as specified in claim 8, characterized in that each element is an independent, self-regulating heating element, e.g. with cable-like design, where each element has its mentioned metallic connection connections (2, 3) connected to a power source (38).

10. Device as stated in claim 8 or 9, characterized in that the elements are enclosed by a barrier (5; 10; 19, 19') of suitable material as protection against the measuring medium, e.g. of acid-resistant steel or plastic material, e.g. teflon, nylon, polyethylene etc.

11. Device as stated in one or more of claims 8-10, characterized in that the elements' one connection connection (2) is common, while the elements' other connection connection (3) enables selective connection of the elements individually by means of an appropriate connection module (fig. 10).