NO841874L

NO841874L - MEASUREMENT SYSTEM FOR MULTIPLE PHASE LEVEL MEASUREMENT.

Info

Publication number: NO841874L
Application number: NO841874A
Authority: NO
Inventors: Magne J Hessen
Original assignee: Magne J Hessen
Priority date: 1984-05-10
Filing date: 1984-05-10
Publication date: 1985-11-11

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et kapasitivt system for flerfase nivåmåling i tanker og lukkete beholdere, i åpne kar og i r ør. The present invention relates to a capacitive system for multiphase level measurement in tanks and closed containers, in open vessels and in pipes.

Det er problematisk å måle væskemengder i tanker og rørIt is problematic to measure liquid quantities in tanks and pipes

som inneholder to ikke blandbare stoffer. I oljetanker, eksempelvis, har man ofte et innhold som består av flere faser. Det øverste skiktet er vanligvis gass eller luft. Over oljelaget kan det være et skumlag, hvis tykkelse kan være vanskelig å bestemme. Under oljen er det ofte et vannlag og i bunnen av vannlaget kan det være varierende mengder av slam. I faseovergangen mellom olje og vann kan det dannes emulsjonsskikt hvis tykkelse kan være vanskelig å måle. Innenfor den petrokjemiske industri synes det å være et voksende behov for flerfase nivåmålere . which contain two immiscible substances. In oil tanks, for example, you often have a content that consists of several phases. The top layer is usually gas or air. Above the oil layer there may be a foam layer, the thickness of which may be difficult to determine. Beneath the oil there is often a water layer and at the bottom of the water layer there can be varying amounts of sludge. In the phase transition between oil and water, an emulsion layer can form whose thickness can be difficult to measure. Within the petrochemical industry there seems to be a growing need for multiphase level gauges.

Kjente innretninger for invåmåling bygger på prinsipperKnown devices for measuring occupancy are based on principles

som tillater registrering av kun en faseovergang, og derfor kan man med slikt utstyr kun registrere det øverste væskeskikt i eksempelvis en oljetank med både olje, vann og mellomliggende emulsjonslag. which allows recording of only one phase transition, and therefore with such equipment one can only record the uppermost liquid layer in, for example, an oil tank with both oil, water and an intermediate emulsion layer.

De kjente innretninger for måling av væskenivåer er således ikke i stand til å måle diffuse faseoverganger som oppstår ved skum eller emulsjonsdanneIse. Heller ikke tykkelsen av et slamlag kan måles med eksisterende nivåmålere . The known devices for measuring liquid levels are thus not capable of measuring diffuse phase transitions that occur during foam or emulsion formation. Nor can the thickness of a mud layer be measured with existing level gauges.

Den foreliggende oppfinnelse har til hensikt å løse pro-blemet med f lerfase nivåmåling, eksempelvis i en oljetank. The present invention aims to solve the problem of multi-phase level measurement, for example in an oil tank.

Ved hjelp av det foreslåtte målesystem er det mulig å registrere beliggenheten av overgangene mellom flere faser i eksempelvis en oljetank. Forutsetningen er dog at de stoffer, som danner faseoverganger på grunn av ulik tetthet eller ulik b landbar het, har forskjellig dielektrisitetskonstant . Using the proposed measurement system, it is possible to record the location of the transitions between several phases in, for example, an oil tank. The prerequisite, however, is that the substances which form phase transitions due to different densities or different b landability have different dielectric constants.

Oppfinnelsen bygger på et kapasitivt må le prinsi pp, ved at man måler dielektri si tetsverdiene for forskjellige medier, som på grunn av forskjellig tetthet og forskjellig blandbarhet, ligger over hverandre. Innenfor ett og samme medium vil man, med det foreslåtte måleprinsipp registrere en konstant dielektrisitetsverdi . I faseovergangene mellom disse medier vil man registrere endrete dielektrisi-tetsverd ier . The invention is based on a capacitive principle, by measuring the dielectric strength values for different media, which, due to different density and different miscibility, lie on top of each other. Within one and the same medium, with the proposed measurement principle, a constant dielectricity value will be recorded. In the phase transitions between these media, changed dielectric values will be recorded.

Må le pr insi ppet er i og for seg enkelt og målesystemer basert på dette prinsipp innehar ingen bevegelige deler. The must le principle is in itself simple and measuring systems based on this principle have no moving parts.

På grunn av at kondensatorplate ne som benyttes, elektrisk sett, er isolert fra de medier som det skal bestemmes ni-vået av, og på grunn av at det skal svært små energimeng-der til for å registrere endringer i dielektrisitetsverdier, kan målesystemet tilvirkes i eksplosjonssikker utfør-else. Forøvrig er be leggdanne Ise på overflaten mot de forskjellige medier ikke til hinder for å oppnå gode registre-ringer av overflaten. Dette impliserer at det kan tilvirkes vedlikeholdsfritt nivåmåleutstyr basert på den foreliggende oppfinnelse. Due to the fact that the capacitor plates used are electrically isolated from the media from which the level is to be determined, and due to the fact that very small amounts of energy are needed to register changes in dielectric values, the measuring system can be manufactured in explosion-proof design. Otherwise, ice that forms on the surface against the various media is not an obstacle to achieving good registrations of the surface. This implies that maintenance-free level measuring equipment can be manufactured based on the present invention.

Et kapasitivt målesystem i følge oppfinnelsen er vist i fig. 1. Målesystemet består av elektrisk ledende kondensator - plater (1,2,3,^,5,6,7,8,9) anordnet som en vertikal rekke, og et instrument for kapasitetsmåling (29), samt en mellomliggende koblingsenhet (25). Kondensator platene er elektrisk isolert, både innbyrdes og mot de medier som skal nivåmåles. Dette kan skje ved at kondensatorplate ne innstøp-es i et egnet isolerende materiale. De isolerte kondensatorplatene kan så bygges inn en tankvegg eller inn i en må le pr obe (10). A capacitive measuring system according to the invention is shown in fig. 1. The measuring system consists of electrically conductive capacitor - plates (1,2,3,^,5,6,7,8,9) arranged as a vertical row, and an instrument for capacity measurement (29), as well as an intermediate coupling unit (25 ). The condenser plates are electrically insulated, both from each other and from the media whose level is to be measured. This can happen by embedding the capacitor plate in a suitable insulating material. The insulated capacitor plates can then be built into a tank wall or into a test tube (10).

Den elektrisk isolerende veggs ene side (12) ligger i kontakt med de medier som skal nivåmåles. På veggens andre side (11) er det plass for ledningsføring og elektriske eller elektroniske kretser. Kondensator platene er via elektriske ledere (16,17,18,19,20,21,22,23,24) tilknyttet koblingsenheten. Fra koblingsenheten er det lednings-føring (34 og 35) til instrumentet for kapasitetsmåling. One side (12) of the electrically insulating wall is in contact with the media whose level is to be measured. On the other side of the wall (11) there is space for wiring and electrical or electronic circuits. The capacitor plates are connected to the switching unit via electrical conductors (16,17,18,19,20,21,22,23,24). From the coupling unit, there is a cable route (34 and 35) to the instrument for capacity measurement.

I figuren er det vist et utsnitt av et målesystem som er integrert i en tankvegg . Dette består av vertikalt anordnete kondensatorplater. Langs veggens ene side er det to væsker - vann og olje. Vann er den tyngste væske, og over vannet flyter det olje. Mellom disse væsker er det et emulsjonslag. Over oljen er det gass eller luft. De aktuelle faseoverganger som er vist i figuren er: faseovergangen mellom olje og gass (13), de diffuse faseoverganger mellom olje og skum (14), og mellom emulsjon og vann (15). The figure shows a section of a measuring system that is integrated into a tank wall. This consists of vertically arranged capacitor plates. Along one side of the wall there are two liquids - water and oil. Water is the heaviest liquid, and oil floats above the water. Between these liquids there is an emulsion layer. Above the oil is gas or air. The relevant phase transitions shown in the figure are: the phase transition between oil and gas (13), the diffuse phase transitions between oil and foam (14), and between emulsion and water (15).

Ved hjelp av koblingsenheten, og instrumentet for kapasitetsmåling, kan man måle kapasiteten over to og to vertikale kondensator plater. Ved en slik kapasitetsmåling kan man, når platenes areal og innbyrdes avstand er gitt, bestemme de omliggendematerialers dielektrisitetskonstant. For målesystemets funksjon er denne størrelse i og for seg uinteressant, men så lenge de vertikalt anordnete plater har samme areal og samme innbyrdes avstand, vil variasjon-ene i de omliggende mediums dielektrisitetskonstant gi grunnlag for nivåmåling. Ved suksessiv omkobling mellom to og to plater i vertikal retning, kan man, når platenes avstand er kjent, bestemme lokaliteten for faseovergangene mellom de forskjellige dielektriske medier. Koblingsenheten i det foreliggende eksempel består av to velgermekanismer. Den ene velgermekanismens kontaktarm (26) beveger seg mellom kontaktpunktene 30 og 31. Den andre velgermekanismes kontaktarm (27), beveger seg mellom kontaktpunktene 32 og 33. With the help of the coupling unit, and the capacity measurement instrument, you can measure the capacity over two and two vertical capacitor plates. With such a capacity measurement, once the area of the plates and their mutual distance are given, the dielectric constant of the surrounding materials can be determined. For the function of the measuring system, this size in and of itself is uninteresting, but as long as the vertically arranged plates have the same area and the same mutual distance, the variations in the dielectric constant of the surrounding medium will provide a basis for level measurement. By successive switching between two plates in the vertical direction, when the distance between the plates is known, the location of the phase transitions between the different dielectric media can be determined. The coupling unit in the present example consists of two selector mechanisms. One selector mechanism's contact arm (26) moves between contact points 30 and 31. The other selector mechanism's contact arm (27) moves between contact points 32 and 33.

I koblingsenheten er de elektriske lederne fra kondensator - platene koblet og anordnet slik at, når den ene velgermeka nismes kontaktarm (26) er . elektrisk koblet til kontaktpunktet (30) som har ledningsføring (16) fra kondensatorplate 1, vil den andre velgermekanismes kontaktarm (27) In the coupling unit, the electrical conductors from the capacitor plates are connected and arranged so that, when the contact arm (26) of one selector mechanism is . electrically connected to the contact point (30) which has wiring (16) from capacitor plate 1, the second selector mechanism contact arm (27)

være i elektrisk kontakt med kontaktpunktet 30 med lednings-føring (17) fra kondensator plate 2. Således vil instrumentet for kapasitetsmåling, som via de elektriske ledere 34 og 35 er elektrisk tilknyttet kontaktarmene i velger-mekanismene, være tilkoplet kondensator platene 1 og 2. Kondensator plate nes ledningsføring er videre, via kop-lingsenheten, koblet på en slik måte at, når velgermekanismens kontaktarmer 26 og 27 beveger seg fra kontaktpunktene henholdsvis 31 og 33, vil de enkelte kondensatorplater to og to, i vertikal retning, bli tilkoplet instrumentet for kapasitetsmåling. På denne måte kan man ved hjelp av de para lieltgående (28) velgermekanismer, be in electrical contact with the contact point 30 with wire routing (17) from capacitor plate 2. Thus, the instrument for capacity measurement, which via the electrical conductors 34 and 35 is electrically connected to the contact arms in the selector mechanisms, will be connected to the capacitor plates 1 and 2. The wiring of the capacitor plates is further, via the coupling unit, connected in such a way that, when the selector mechanism's contact arms 26 and 27 move from the contact points 31 and 33 respectively, the individual capacitor plates two and two, in the vertical direction, will be connected to the instrument for capacity measurement. In this way, with the help of the parallel (28) selector mechanisms,

måle dielektrisitetsverdier i vertikal retning langs me-diene, for således å finne hvor faseovergangene mellom de forskjellige medier ligger. measure dielectricity values in a vertical direction along the media, in order to thus find where the phase transitions between the different media are located.

Når kontaktarmen 26 er koblet til kontaktpunktet 30, og kontaktarmen 27 er koblet til kontaktpunktet 32, måles kapasitetsverdien for platene 1 og 2 med gass som det dielektriske medium. Når de tilsvarende koblinger skjer over kontaktpunktene, henholdsvis 36 og 39, vil kapasitetsverdien over k onde ns at or p la tene 3 og 4 bli målt. Da er di-elektrisitet smed ie t olje, og derfor vil den målte verdi være forskjellig fra forutgående måling. Hvis det ut-føres en tilsvarende måling over kondensator platene 4 og 5, ved at 26 og 27 er koblet henholdsvis til punktene 37 When the contact arm 26 is connected to the contact point 30, and the contact arm 27 is connected to the contact point 32, the capacity value is measured for the plates 1 and 2 with gas as the dielectric medium. When the corresponding connections take place over the contact points, 36 and 39 respectively, the capacity value over the condenser plates 3 and 4 will be measured. In that case, dielectricity is forged ie t oil, and therefore the measured value will be different from the previous measurement. If a corresponding measurement is carried out over capacitor plates 4 and 5, in that 26 and 27 are connected respectively to points 37

og 39, vil vi få samme kapasitetsverdi som over platene 3 og 4. Av dette kan det sluttes at platene 3,4 og 5 er omgitt av samme medium, nemlig olje. and 39, we will get the same capacity value as over plates 3 and 4. From this it can be concluded that plates 3,4 and 5 are surrounded by the same medium, namely oil.

Tilsvarende måling for kondensator platene 8 og 9, vil vise en stor endring i kapasitetsverdi i forhold til forutgående målinger. Her er det dielektriske medium vann. Corresponding measurement for capacitor plates 8 and 9 will show a large change in capacity value compared to previous measurements. Here, the dielectric medium is water.

Når kontaktarmen 26 er i kontakt med 38, og kontakt-When contact arm 26 is in contact with 38, and contact

armen 27 er i kontakt med 40, måles kapasitetsverdien mellom platene 6 og 7. I det konkrete tilfelle vil det her, på grunn av emulsjonsdanneIsen, kunne måles en kapasitetsverdi som ligger mellom oljens og vannets verdi. arm 27 is in contact with 40, the capacity value is measured between the plates 6 and 7. In this specific case, due to the emulsion formation, it will be possible to measure a capacity value that lies between the value of the oil and the water.

I et reelt system vil de relative avstander mellom faseovergangene i forhold til kondensatorplatenes dimensjoner være en helt annen enn i figuren. Da vil et stort antall etterfølgende kondensator plater ha samme kapasitetsverdi fordi de vil befinne seg innenfor ett og samme medium. In a real system, the relative distances between the phase transitions in relation to the dimensions of the capacitor plates will be completely different than in the figure. Then a large number of subsequent capacitor plates will have the same capacity value because they will be within one and the same medium.

Målesystemet vil kunne benyttes for måling av forskjellige typer medier. Forutsetningen er bare at de stoffer som skal nivåregistreres, har forskjellig tetthet og forskjellig dielektrisitetskonstant, samt at de også har forskjellig blandbarhet o The measuring system will be able to be used for measuring different types of media. The only prerequisite is that the substances to be level registered have different densities and different dielectric constants, and that they also have different miscibility o

I figuren er koblingsenheten vist i enkleste prinsipielle versjon, men det naturlige er å tilvirke denne ved bruk av halvlederkomponenter. I stedet for mekaniske vendere kan det benyttes analoge multipleksere med lav gjennom-gangsmotstand. In the figure, the connection unit is shown in the simplest principled version, but it is natural to manufacture this using semiconductor components. Instead of mechanical inverters, analogue multiplexers with low on-resistance can be used.

Parallelt med de vertikale kondensator plater kan det være arrangert et nytt sett med kondensator plater, slik at det blir to horisontalt anordnete k onde nsat or p later . Da vil cet på to plater på samme nivå kunne bli foretatt en måling. Dette vil komplisere de elektriske ledningsføringer uten Parallel to the vertical condenser plates, a new set of condenser plates can be arranged, so that there are two horizontally arranged condenser plates. Then a measurement can be made on two plates at the same level. This will complicate the electrical wiring without

at løsningen i seg selv kan sies å være prinsipielt forskjellig i forhold til den foreliggende oppfinnelse. that the solution in itself can be said to be fundamentally different in relation to the present invention.

Claims

Capacitive measuring system for level registration and registration of phase transitions between different media with different dielectric constants, consisting of electrically conductive capacitor plates and an instrument for capacity measurement as well as an intermediate coupling unit, characterized by the fact that the capacitor plates are arranged in a vertical row that overlaps and faces the media to be recorded , are physically separated by an electrically insulating layer, and by the fact that the individual capacitor plates are individually electrically connected to the switching unit, and by the instrument for capacity measurement being directly connected to the switching unit, which consists of two parallel-acting selector mechanisms that control or automatically select and electrically connect two by two vertically successive capacitor plates to the instrument for capacity measurement, thereby allowing continuous recording of phase transitions between different media by means of the measured change in dielectric constant.