NO179385B - Anordning for nivåmåling med mikrobölger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning av den art som er angitt i krav l's ingress for bestemmelse av nivået av et fluidum i en beholder, hvor det over overflaten av fluidumet er en gass, hvilken anordning omfatter en første sender for avsendelse av et mikrobølgesignal gjennom gassen mot overflaten av fluidumet, en første mottaker for å motta mikrobølgesignalet reflektert fra overflaten, en elektronisk enhet anordnet for å beregne forplantningstiden for det utsendte og reflekterte mikrobølgesignalet, til å gi en første avstand fra senderen til overflaten av fluidumet og derved dets nivå i beholderen.

Slike anordninger har fått stadig større anvendelse, spesielt for petroleumsprodukter, såsom råoljer og produkter fremstilt derav. Med beholder menes i denne forbindelse meget store beholdere som utgjør en del av et totalt lastevolum i et tankfartøy, såvel som også større, vanligvis sirkulære sylindriske landbaserte tanker med volumer på flere tusen m<3>. Kravet for nøyaktig måling har stadig blitt større. I visse tilfeller kan målenøyaktigheter på 1-2 mm i en 20 m avstand fra senderen til overflaten av fluidumet være nødvendig. I den hensikt å oppnå en slik høy måle-nøyaktighet må spesielle forholdsregler tas for å eliminere forstyrrelser. Et problem som ofte oppstår i forbindelse med nivåmåling av den ovenfor nevnte type, spesielt med hensyn til beholdere inneholdende petroleumprodukter eller andre kjemiske produkter er den tilstand at gassen over overflaten av fluidumet, det vil si "tankatmosfæren", utviser et partialtrykk for det fordampete fluidumet og også vanligvis et partialtrykk av luft og eventuelt vann. Et fordampet petroleumprodukt, det vil si et gassformig hydrokarbon utviser en noe lavere overføringshastighet for mikrobølger sammenlignet med luft. Denne overføringshastig-het står i et visst forhold til gassens densitet. Dette betyr at forplantningshastigheten for mikrobølgen eller mikrobølgehastigheten er avhengig av betingelsen i gassen over fluidumet i beholderen. Hvis beholderen i det vesentlige er fylt med et petroleumprodukt vil det tilsvarende partialtrykk for hydrokarbonene i det vesentlige være likt med damptrykket når en likevektstilstand er oppnådd, det vil si at gassen er mettet med gassformige hydrokarboner. Damptrykket varierer vesentlig for forskjellige fluida såsom hydrokarbonprodukter, fra praktisk talt null til atmosfæretrykk og over. På den annen side, hvis beholderen tømmes vil luft strømme inn fra atmosfæren og blandes med de gassformige hydrokarboner slik at det oppstår en blanding derav. I forbindelse med tømming vil partialtrykket for luft være relativt høyt, men hvis beholderen får stå urørt vil mere hydrokarbon fordampe fra overflaten og hydrokarbontrykket vil tilta. Det er således åpenbart at mikrobølgehastigheten vil variere avhengig av hydrokarbon-partialtrykket, hvilket på sin side betyr at måleresultatet vil vise tilsvarende avvik fra den korrekte verdi for nivåmålingen.

Det har lenge vært et behov for en enkel mulighet for å korrigere de målte verdier erholdt med en anordning av den type som er nevnt i innledningen hvor det tas hensyn til de herskende betingelser i gassen. Anordningen : er således særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-6.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en enkel og pålitelig anordning av den nevnte type som tillater korrigering av nivåmåleresultatet erholdt med en slik anordning. I dens foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen tillater denne at korreksjonen blir relativt uavhengig av en horisontal densitetsgradient. I henhold til oppfinnelsen er en slik anordning særpreget ved en første anordning for å måle lydhastigheten i gassen og en andre anordning for å korrigere den første avstand til en andre avstand under iakttagelse av mikrobølgehastigheten via et kjent forhold mellom lydhastigheten og mikrobølgehastighe-

ten.

Forholdet mellom lydhastigheten og mikrobølgehastigheten er kjent for et stort antall gasser og gassblandinger. Med hensyn til størrelsesorden kan det sies at lydhastigheten i en blanding av gassformig hydrokarbon og luft påvirkes ca. 500 ganger mer av partialtrykket for tilstedeværende hydrokarbon, det vil si andelen av gassen i blandingen, enn mikrobølgehastigheten. Dette betyr at nivåmålingen som påvirkes over et fluidum hvor det er en gass med et visst partialtrykk for gassen tilsvarende det for fluidumet så kan målingen korrigeres med stor nøyaktighet ved å bestemme lydhastigheten i den aktuelle gass. Hvis den samme bane anvendes for både lyd- og mikrobølger vil korreksjonen være uavhengig av en eventuell inhomogenitet. Lydhastigheten og mikrobølgehastigheten kan henholdsvis beskrives med mer eller mindre komplekse formler, i henhold til den nødvendi-ge nøyaktighet. Med hensyn til det ovenfor nevnte forhold mellom lydhastigheten og mikrobølgehastigheten skulle kravet til nøyaktighet være relativt moderat, hvilket betyr at tilnærmete formler kan anvendes.

Mikrobølgehastigheten vm kan uttrykkes som

hvor c = mikrobølgehastigheten i vakuum

/ir = den relative permeabilitetskonstant for trans-misj onsmediet

er = den relative dielektrisitetskonstant for transmisjonsmediet

/xr kan gis verdien 1 for de aktuelle gasser og følgelig er det kun variasjonen i den relative dielektrisitetskonstant for gassblandingen som må tas i betraktning.

For en gass kan er beregnes ut fra forholdet:

(er-l/er+2) = p ■ R/M

hvor p = gassens densitet

R = molar refraksjon

M = molekylvekt

R kan beregnes ved å addere visse data for atomer og bindinger i et molekyl. For en gassblanding kan tilsvarende beregninger utføres. R kan approksimeres til å være proporsjonal med molekylvekten hvis man begrenser seg til hydrokarboner. Visse gasser er polare hvilket gjør at R synes å være større og i et slikt tilfelle må R velges i henhold til den aktuelle gass. For hydrokarboner er det ikke nødvendig å ha detaljert kjennskap til gassens sammen-setning. er - 1 kan betraktes som å være proporsjonal med gassens densitet så lenge som er er nær opptil 1, hvilket alltid er tilfelle for gasser nær atmosfæretrykket (max 1.01).

For hydrokarboner kan et middeltall på 0,0011 pr.l kg/m<3 >angis. Hvis man tar hensyn til fortrengt luft kan man beregne at mikrobølgehastigheten avtar 400 ppm (milliontedels deler) pr. kg hydrokarbon pr. m<3> nesten uavhengig av hvilken hydrokarbongass det gjelder.

Den gitte verdi er uavhengig av temperaturen innen et intervall på ca. 20°C (dvs. den vanlige lagringstempera-tur) , men en forøkning av temperaturen vil naturligvis forårsake et forøket partialtrykk for det gassformige hydrokarbon over fluidumets overflate. Visse gasser såsom vann, amoniakk etc. viser et permanent dipolmoment som påvirker R i ligningen ovenfor.

For lydhastigheten i en gass vx gjelder følgende:

hvor Cp = spesifikk varme ved konstant trykk

CV = spesifikk varme ved konstant volum

p = trykk

p = densitet

Densiteten for luft ved 20°C er ca. 1,2 kg/m<3>, mens den er 3-3,5 kg/m<3> for de aktuelle gassformige hydrokarboner. Cp/Cv for luft er 1,40 og for gassformige hydrokarboner ca. 1,15.

For gassblandinger gjelder et forhold for v1 som er en modifikasjon av den ovenfor gitte formel. Hastigheten vx vil da være

hvor T = absolutt temperatur

M = midlere molekylvekt

R = gasskonstant

Cp = spesifikk varme pr. mol (gjennomsnittlig)

Spesielt hvis partialtrykket for det gassformige hydrokarbon er lavt vil den inverse lydhastighet, det vil si forplantningstiden, tilta i det vesentlige linjært med densiteten for hydrokarboner. Som eksempel kan det nevnes at partialtrykket for et hydrokarbon tilsvarende en densitet på lkg/m<3> av hydrokarbonet gir en forplantningstids forøkning på 20% sammenlignet med forplantningstiden i luft, mens den tilsvarende verdi for forplantningstiden for mikrobølgen er en forøkning på 0,04% For høyere hydrokar-bonpartialtrykk vil forøkningen i forplantningstid for lydbølgen ikke være linjært avhengig av densiteten, men likevel en funksjon av denne.

I praksis kan det ofte ved nivåmåling skje, eksempelvis i tanker med petroleumprodukter, at densiteten varierer langs målelengden for lydsignalet og mikrobølgesignalet. Med hensyn til lydsignalet kan det tilnærmet beregnes at forplantningstiden for lyden er proporsjonal med middel-verdien for kvadratroten av densiteten, mens for mikrobølgesignalet vil forplantningstiden være proporsjonal med densiteten forutsatt at den relative dielektrisitetskonstant er nær 1 hvilket gjelder i de aktuelle tilfeller.

En analyse av noen praktiske tilfeller med ca.20% forøkning av forplantningstiden viser at feilen med hensyn til forlengelse av forplantningstiden for mikrobølgen er begrenset til noen få prosents forøkelse, hvilket totalt utgjør 0,01 - 0,1% for det aktuelle tilfelle, som er meget akseptabelt tatt i betraktning den påtenkte korreksjon ved nivåmåling.

I en egnet utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen er det første middel anordnet til å avgi et lydsignal parallelt med mikrobølgesignalet ned mot overflaten av fluidumet og er anordnet til å motta lydsignalet som reflekteres fra overflaten. På denne måte vil både lydsignalet og mikrobølgesignalet passere gjennom den samme gass, det vil si transmisjonsmediet, med den samme sammen-setning og som muligens også utviser en densitetsgradient.

Det er fordelaktig å kombinere den første anordning og senderen for mikrobølgesignalet til en enhet, fortrinnsvis anordnet for å sende lydsignalet og mikrobølgesignalet i det vesentlige i den samme retning. Følgelig kan dette prinsipp realiseres ved å la enheten omfatte et horn anordnet til å gi en retning både for lydsignalet og mikrobølgesignalet.

I en annen utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen kan den første anordning for måling av lydhastigheten være utformet som en andre sender og en andre mottaker som begge fortrinnsvis er lokalisert i den øvre del av beholderen. Fordelen med denne utførelsesform er en enkel konstruksjon, men ulempen er at lydsignalet og mikrobølge-signalet går forskjellige veier. Kun forutsatt at gassen over fluidumet kan anses som homogen og uten en densitetsgradient så kan bestemmelsen av lydhastigheten anvendes direkte for å korrigere forplantningstiden for mikrobølge-signalet .

For også å gjøre det mulig å anvende den ovenfor beskrevne alternative utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen for de tilfeller hvor gassen utviser en gradient så kan anordningen passende forsynes med en tredje anordning som utgjør en regnemaskin omfattende en hukommelsesenhet for lagring av den første måleverdi av lydhastigheten for et relativt høyt nivå av fluidumet i beholderen, ytterligere omfattende en regneenhet for beregning av lydhastigheten i en gass som utviser en densitetsgradient, utgående fra den første lagrede måleverdi og en nylig målt andre måleverdi for den andre lydhastighet tilsvarende et relativt lavere nivå i fluidumet i beholderen og under anvendelse av en algoritme lagret i regnemaskinen som beskriver den sannsynlige densitetsgradient i gassen.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan utformes på et antall forskjellige måter, i tillegg til de ovenfor nevnte. Anordningen kan eksempelvis omfatte et vertikalt rør gjennom hvilket mikrobølgesignalet og eventuellt også lydsignalet føres ned mot den reflekterende overflate av fluidumet. Dette rør må naturligvis være forsynt med et antall åpnin-ger langs dets lengderetning for at overflaten av fluidumet vil innta det samme nivå på innsiden som utsiden av røret.

Anordningen skal nå beskrives mer detaljert under henvis-ning til de vedlagte tegninger, hvor

figur 1 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom anordningen ifølge oppfinnelsen i en første utførelsesform,

figur 2 viser på samme måte en andre utf ørelsesf orm av oppfinnelsen,

figurene 3-5 viser forskjellige detaljer vedrørende utførelsesformene ifølge figur 2,

figur 6 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en alternativ utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen, og

figur 7 viser grafisk gassdensiteten som funksjon av avstanden fra en anordning for bestemmelse av lydhastigheten i henhold til figur 6 til overflaten av fluidumet.

I figur 1 angir 1 en beholder inneholdende et fluidum såsom et petroleumsprodukt 2 med en overflate 3. I taket 4 av beholderen er det plassert i et forbindelsesstykke 5 en sender og mottaker 6 for sending og mottaking av et mikro-bølgesignal, eksempelvis med n = 3,0 cm tilsvarende X-båndet innen radarfrekvensområdet. En elektronisk enhet 7 omfatter blant annet utstyr som på basis av forplantningstiden for mikrobølgesignalet som avsendes og reflekteres fra overflaten 3 beregner en første avstand til overflaten av fluidumet. I et annet forbindelsesstykke 8 i taket av beholderen er det lokalisert en første anordning 9 for avsendelse og mottakelse av et lydsignal som sendes mot og reflekteres fra overflaten 3 av fluidumet.

Hvis rommet i beholderen mellom overflaten 3 og henholdsvis senderen/mottakeren 6 og anordningen 9 er fylt med gassformig hydrokarbon med et visst partialtrykk, det vil si densitet, vil mikrobølgehastigheten gjennon transmisjonsmediet, det vil si gassen, være noe lavere enn hvis trans-misj onsmediet hadde vært luft. I figur 1 er den korrekte avstanden angitt med L og den beregnede avstand fra den elektroniske enhet 7 betegnet med = L + dM hvor dM er et mål for feilbestemmelsen. Avstanden til overflaten 3 bestemt med anordningen 9 ved hjelp av lydsignalet er LL = L + dL hvor dL er et mål for forøkningen i avstanden fra den korrekte avstand L som skyldes at lydhastigheten i det gassformige hydrokarbon er lavere enn i luft. Med kunnska-pen om forholdet dL = kx • dM erholdes det følgende :

L = LM - (LL-LM)/(k1-l)

eller når kx >> 1

L = Lm - (Ll-Lm)/^

Denne korreksjon utføres ved hjelp av en andre ikke vist anordning som inngår i den elektroniske enhet 7.

For hydrokarboner er det i praksis tilfelle at kx er uavhengig av hydrokarbonet i beholderen. Dette er viktig da blandingen ofte er ukjent, det vil si petroleum kan inne-holde ca. tusen bestanddeler. For andre væsker, eksempelvis en polar væske kan kx velges i henhold til innholdet.

Senderen 6 for mikrobølgesignalet på anordningen for avsendingen av lydsignalet er i dette tilfelle plassert i samme høyde over væskenivået, hvilket naturligvis ikke er nødvendig da den nødvendige omdannelse vedrørende forskjellige høyder over væskenivået lett kan tas hånd om av den andre anordning. Det bør imidlertid bemerkes at det er fordelaktig at lydbølgene og mikrobølgene gjennomløper i det vesentlige de samme avstander gjennom den aktuelle gass.

I figur 2 er vist skjematisk en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen og som omfatter et horn 11 som styrer både mikrobølgene og lydbølgene som avgis og mottas i det vesentlige sammenfallende.

Noen varianter av utførelsesformen ifølge figur 2 er vist i figurene 3-5. I disse er senderen for mikrobølgesig-nalet vist som en bølgeleder fylt med et dielektrikum 12, en lydkilde og en mottaker for reflektert lyd 13 med en tilførselsledning 14 for lydsignaler og et horn med en vegg 15.

Varianten ifølge figur 4 omfatter en bølgeleder 16 for mikrobølger med dielektrisk fylling. Bølgelederen er omgitt av et metallrør 17. Et lydelement 18, koaksialt med bølge-lederen, av den piezoelektriske eller magneto-restriktive type omgir bølgelederen. Under lydelementet 18 er det anordnet en akustisk resonator 19. Ved dens nedre del er det anordnet en kvartbølgetransformator 20 i form av en ringspalte som forhindrer at mikrobølgene utstrekker seg i denne retning, men begrenser dem til å utgå fra bølge-lederen. Veggen i et horn er betegnet med 21.

En variant med ikke-sirkulærsymmetrisk matning av lydbølge-ne er vist i figurene 5a og 5b. En bølgeleder 22 for mikro-bølger er fylt med dielektrikum og avsluttes nedad med en kant 23, hvilket fremgår av tverrsnittet i henhold til linjen I - I, som vist i figur 5b. En lydkilde 24 er anordnet ved siden av den ene vegg 25 av bølgelederen, som begrenser den kileformete nedre del av bølgelederen på en side. Lydsignalet reflekteres av veggen 25 nedad og retur-nerer etter refleksjon mot overflaten av fluidumet for igjen å bli reflektert av den motsatte vegg 26 av bølge-lederen for å mottas av en mottaker eller mikrofon 27.

Hvis bølgelederen har en enkeltmodeutbredning for både mi-krobølger og lydbølger eksisterer det relativt stor frihet til å forme overgangen usymmetrisk under ivaretakelse av modens utbredning.

En alternativ utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen er vist i figur 6. Henvisningstallene i figur 1 er vist for tilsvarende deler av anordningen, men lydmålingen utføres via en lydkilde 29 anordnet på en brakett 28. Lydkilden er rettet mot en mottaker eller mikrofon 3 0 som også er montert på braketten 28. Avstanden mellom lydkilden og mikrofonen er ca. 0,5 m. Som tidligere nevnt er ulempen ved denne utførelsesform at lydsignalet ikke går den samme vei som mikrobølgesignalet. Dette gir kun tilfredsstillende korreksjon for nivåmålingen hvis gassen 10 over overflaten 3 av fluidumet er homogen, det vil si ikke utviser noen densitetsgradient. Dette er tilfelle når beholderen eksempelvis er fylt med et petroleumprodukt, i hvilket tilfelle luften er fortrengt ut av beholderen.

For å muliggjøre tilfredsstillende korreksjoner med anordningen ifølge figur 6, også i de tilfeller når gassen er hetrogen og utviser en gradient, så kan anordningen supple-res med en tredje anordning som utgjør en regnemaskin som omfatter en hukommelse for lagring av en første måleverdi, erholdt når beholderen er mer eller mindre fylt med et petroleumprodukt. Denne verdi utgjør da en maksimal densitetsverdi for den aktuelle gass, da det kan beregnes at rommet over fluidumet er fullstendig fylt med homogen gass tilsvarende det for fluidumet. Den tredje anordning omfatter også en regneenhet som utgår delvis fra den første lagrete måleverdi og delvis fra en andre måleverdi tilsvarende et nylig fluidumnivå, tilsvarende en vesentlig lavere densitet i gassen som følge av blanding med luft under tømming av beholderen, og delvis ved hjelp av en algoritme lagret i regnemaskinen, som beskriver en sannsynlig densitetsgradient i gassen og beregner den sannsynlige lydhastighet i gassen, slik at en tilnærmet tilfredsstillende korreksjon kan oppnås for nivået målt med mikrobølgesigna-let.

I figur 7 er målemetoden beskrevet med en anordning i henhold til figur 6 i det tilfelle hvor gassen i beholderen utviser en gradient.

I det viste diagram er avsatt skjematisk gassens densitet som funksjon av avstanden mellom lydmåleanordningen og overflaten av fluidumet. For en i det vesentlige fylt beholder med homogen gass i beholderen blir densitetsverdien (dvs. tilsvarende til lydhastigheten) A bestemt. Når beholderen tømmes vil densitetsverdien bibeholdes i begyn-nelsen inntil et punkt B hvor luften strømmer inn hvilket fører til at densiteten avtar til en lavere verdi ved punktet C. Hvis beholderen får henstå uten å røres vil fluidumet fordampe gradvis og densitetsmålingen og densiteten bestemt ved denne relativt store avstand til overflaten når en verdi D. Fra tidligere målinger, er det erholdt kunnskap om den maksimale densitetsverdi E som overhode kan være tilstede i beholderen. Det antas nå at densitetsgradienten D-E, eksempelvis ved måling med til-leggsutstyr eller ved hjelp av teoretiske beregninger av densitetens avhengighet av høyden i beholderen, så kan densitetsgradienten D-E lagres i regnemaskinen i form av en algoritme som anvendes for korrigering på den tidligere nevnte måte.

Antakelsen at densiteten for gassen varierer eksponentielt med høyden over overflaten av fluidumet gir et eksempel på en algoritme, som vanligvis tilpasses som en akseptabel approksimasj on.

Claims (6)

1. Anordning for bestemmelse av nivået av et fluidum i en beholder (1), hvor det over overflaten (3) av fluidumet er en gass, hvilken anordning omfatter en første sender (6) for avsendelse av et mikrobølgesignal gjennom gassen mot overflaten av fluidumet, en første mottaker (6) for å motta fSxkrobølge signalet reflektert fra overflaten, en elektronisk enhet (7) anordnet for å beregne forplantningstiden for det utsendte og reflekterte mikrobølgesignalet, til å gi en første avstand fra senderen til overflaten av fluidumet og derved dets nivå i beholderen, karakterisert ved en første anordning (9) for bestemmelse av lydhastigheten i gassen og en andre anordning for å korrigere den første avstand til en andre avstand på basis av et kjent forhold mellom mikrobølge-hastigheten i gassen og lydhastigheten i gassen.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den første anordning (9) er anordnet til å avgi et lydsignal parallelt med mikrobølgesignalet mot overflaten (3) av fluidumet og er anordnet til å motta lydsignalet reflektert fra overflaten.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den første anordning (9) og senderen (6) for mikrobølgesignalet er kombinert til en enhet, fortrinnsvis anordnet til å avsende lydsignalet og mikrobølgesignalet i hovedsakelig samme retning.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at enheten omfatter et horn (11) anordnet til å gi retning både for lydsignalet og mikrobølgesignalet.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den første anordning (9) for måling av lydhastigheten omfatter en andre sender (29) og en andre mottaker som begge fortrinnsvis er lokalisert i den øvre (28) del av beholderen.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved en tredje anordning som utgjøres av en regnemaskin som omfatter en hukommelsesenhet for lagring av en første måleverdi for lydhastigheten i forhold til høydenivået for fluidumet i beholderen, ytterligere omfatter en regneenhet for beregning av lydhastigheten i en gass som utviser en densitetsgradient utgående fra den første lagrede verdi og en nylig målt andre verdi for lydhastigheten tilsvarende et relativt lavere nivå av fluidumet i beholderen og som fra en lagret algoritme i regnemaskinen beskriver den sannsynlige densitetsgradient for gassen.