NO855345L

NO855345L - Mikroboelgeinnretning for maaling av tankinnholdsnivaa.

Info

Publication number: NO855345L
Application number: NO855345A
Authority: NO
Inventors: Joseph M Zacchio
Original assignee: Transamerica Delaval Inc
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1985-12-30
Publication date: 1986-07-21
Also published as: SE8504803L; US4566321A; JPS61169785A; GB2173368A; GB8527247D0; SE8504803D0; DE3539555A1

Description

Oppfinnelsen angår mikrobølgesystemer for måling

av tankinnholdsnivå, og særlig en montasje eller innretning for montering på det ytre av en tank over en åpning i tankens øvre vegg.

I US-patentskrift 4 044 355 er det beskrevet et mikrobølgebasert system for måling av innholdet av tanker,såsom olje eller liknende i tankene på et tankskip. En kilde for mikrobølgeenergi er montert utvendig over en åpning ved det høyeste punkt i tanken. Montasjen eller innretningen er vist og beskrevet som bestående av en opprettstående, rørfor-met kapsel (hus) i hvis øvre.del det er montert en skålfor-met, nedad konkav antenne. En mindre, rørformet kapsel

(hus) som er montert horisontalt på den ene side av den første kapsel, rommer en mikrobølgegenerator og blandere.

En bølgeleder rager ut fra generatoren og blanderne inn i

den opprettstående, større kapsel og bærer ved sin indre ende en mikrobølgetrakt som er adskilt under og koaksial med antennen. Trakten er rettet oppover slik at den belyser antennen som utstråler et signal nedover mot den overflate hvis nivå skal bestemmes. Returnerende ekkosignaler opp-samles av antennen og rettes tilbake til trakten og deretter til blanderne for behandling og bestemmelse av tankinnholdets nivå.Adgangs- eller servicedeksler er beliggende over den opprettstående kapsel og ved den frie ende av den horisontale kapsel. Det er vist detaljer for elektronikk som er nødven-dig for å komplettere systemet, men da elektronikken ikke utgjør noen del av den foreliggende oppfinnelse, vil de ikke bli nærmere beskrevet.

Slik som foran nevnt, er kilden for mikrobølge-energi montert utvendig over en åpning i tanken. Dette betyr at bunnen av den opprettstående kapsel er forsynt med en flens for forbindelse av innretningen med det ytre av en tanktopp. Som vist i patenttegningene, er den opprettstående kapsel sylindrisk med sin nedre ende fullstendig åpen og montert over en sirkulær åpning i tankveggen, hvilken åpning har en diameter som er noe mindre enn diameteren av den opprettstående kapsel.

Den foran-nevnte, patenterte innretning har en alvorlig ulempe. Når målemontasjen er montert på en tank,

er hele de innvendige deler av kapslene og disses innhold avdekket mot atmosfæren som er til stede i tanken. Dunstene fra råolje eller andre petroleumsprodukter kan være korrode-rende og angripe systemets komponenter. Av enda større betydning er at disse dunster kan være eksplosive og frembringe en farlig tilstand når et adgangsdeksel må fjernes for å etterse den indre utrustning. Andre væsker kan forår-sake liknende farer. Det finnes derfor mange væsker med hvilke den i patentskriftet beskrevne innretning ikke kan benyttes, og denne hindring er generelt til stede nettopp der hvor et ikke-inntrengende målesystem er nødvendig.

Med ovennevnte problem i tankene er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en ikke-inntrengende mikro-bølgeinnretning for måling av tankinnholdsnivå som er iso-lert fra tankens innhold når den er installert.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe den nevnte isolasjon mens nøyaktigheten av det aktuelle målesystem forøkes, og å unngå forstyrrelse av avstandssignalet med kommunikasjon mellom innretning og tank.

I overensstemmelse med oppfinnelsen er det tilveiebrakt en mikrobølgeinnretning for måling av tankinnholdsnivå, hvilken innretning omfatter et hus, et mikrobølge-sender-mottaker-system som er koplet til en trakt-utstråler-mottaker for utsendelse, av et mikrobølge-avstandssignal som skal reflekteres fra tankinnholdets overflate for deteksjon og nivåbestemmelse, idet huset har en vegg med en åpning, idet systemet og trakten er montert i huset for sending og mottagning av avstandssignalet gjennom veggåpningen, en dielektrisk mikrobølgelinse som er ugjennomtrengelig for fluidum og som er anbrakt over åpningen og forenet med huset med i det minste en fluidumtett forsegling, idet linsen er konstruert for å kollimere avstandssignalet under dets utgående passasje og å fokusere avstandssignalet på dets returpassasje i et punkt som er i hovedsaken sammenfallende med traktens effektive fasesentrum, og en anordning for fastgjøring av huset med den linsestengte veggåpning over en åpning i en øvre vegg av en tank, idet linsen danner i det minste en fluidumtett forsegling over tankåpningen.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med en for tiden foretrukket utførelse under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser en skjematisk illustrasjon av en nivåmålende mikrobølgeinnretning som omfatter den foreliggende oppfinnelse og er montert på toppen av en tank som inneholder en væske hvis nivå skal bestemmes, fig. 2 viser et vertikalsnitt etter linjen 2-2

på fig. 1, fig. 3 viser et tverrsnitt etter linjen 3 - 3 på fig. 2, fig. 4 viser et noe skjematisk perspektivriss av den mikrobølgeutstrålende trakt og en monteringsflens som inngår i den på fig. 2 viste innretning, fig. 5 viser et riss av baksiden av den på fig. 4 viste monteringsflens og viser åpningen i denne, og fig. 6 er en skjematisk illustrasjon som viser sammenhengen mellom mikrobølgetrakten og den dielektriske linse som utgjør en vesentlig del av innretningen på fig. 2.

I de forskjellige figurer på tegningene er de samme henvisningstall benyttet for å betegne de samme eller liknende deler.

Idet det henvises til fig. 1, betegner henvisnings-tallet 10 generelt en beholder eller tank som kan være beliggende i et marint fartøy eller et annet sted og hvis innhold 11 skal måles ved hjelp av en ikke-inngripende mikro-bølgemåleinnretning som er betegnet generelt med henvisnings-tallet 12. Som vist er målemontasjen eller måleinnretningen 12 flensmontert på toppen av tanken 10. Under drift vil montasjen eller innretningen 12 sende et avstandssignal nedover mot væskens 11 overflate 13 hvor det reflekteres tilbake til innretningen 12 for behandling og nivåbestemmelse. Vanligvis benytter sådanne systemer et frekvensmodulert bærebølgesignal hvor det reflekterte signal sammenliknes med et lokalt frembrakt referansesignal, slik at frekvensfor-skjellen indikerer avstanden fra måleinnretningen 12 til væskens 11 overflate 13.

Idet det nå henvises til fig. 2 og 3 i tillegg

til fig. 1, er måleinnretningen 12 vist å ha en flensring

14 som har en radialt ytre sirkel av bolthull for opptagelse av bolter for befestigelse av flensen 14 til tankens 10 øvre vegg 15. Flensringen 14 har en sentral åpning 16 som er plassert over og innrettet med en tilsvarende åpning (ikke vist) i tankens 10 øvre vegg 15.

Resten av montasjen eller innretningen omfatter et hus for den nivåmålende utrustning, hvilket hus består av en sylindrisk legemsseksjon 17 som ved sin nedre ende har en flens 18 ved hjelp av hvilken den er forenet med flensringen 14, og som ved sin øvre ende har en annen flens 19 til hvilken det er adskillbart fastboltet et husdeksel 20 ved hjelp av dets tilhørende flens 21. Mikrobølge-sender-mottaker-systemet bestående av generator og mottakerinnretning (ikke vist) er inneholdt i et innelukke 22. Sistnevnte er ved hjelp av en flens 50 opphengt i en sirkulær flensring 23, idet sistnevnte ved hjelp av skruer 24 (best vist på fig. 3) er festet til et innvendig forløpende flensparti 25 som er dannet i ett stykke med flensen 19. Skruer 51 fester flensen 50 til ringen 23. Utvendige, elektriske forbindelser er tilveiebrakt til montasjen eller innretningen 12 via en konven-sjonell rørstuss 26 som via et kabelavsnitt 45 står i forbindelse med utrustningen i innelukket 22.

Det erønskelig å opprettholde innholdet av innelukket 22 i en inaktiv eller inert nitrogenatmosfære. For dette formål er en innløpsventil 27 og en trykkmåler 28 montert på innelukkets 22 øvre vegg 52. For å tillate ettersyn av utstyret i innelukket 22, er det også tilveiebrakt en trykkavlastningsventil 29 for ventilering av nitrogenet som normalt holdes på et trykk på ca. 1,05 kg/cm 2.

For å unngå tilstedeværelse av fri fuktighet i huset 17, 20, er tørkemiddelbeholdere 30 og 31 ved hjelp av passende klebemiddel montert på den øvre vegg 52.

Tvers over bunnåpningen av husets sylindriske sek-sjon 17, og montert i en fals 32 i flensen 18 med en kanal-pakning 33 som omgir det radialt utragende flensparti 34, er det anordnet en fluidumugjennomtrengelig, dielektrisk mikro-bølgelinse 35. Når flensen 18 er riktig fastboltet til flensen 14, vil pakningen 33, avhengig av materialet i pak ningen, frembringe i det minste en fluidumtett forsegling mellom linsens 35 radiale flensparti 34 og de tilstøtende komponenter av montasjen 12 i falsen 32. Når således flensen 14 er riktig fastboltet og forseglet til toppen av tanken 10, idet hvilken som helst passende tetning er innskrudd deri-mellom, vil flensen 14 i samvirke med linsen 35 frembringe i det minste et fluidumtett deksel over tankens 10 åpning. Ved fjerning av montasjens 12 toppdeksel 20 vil imidlertid alle de elektroniske komponenter være tilgjengelige for ettersyn uten å bryte opp den av linsen 35 tilveiebrakte forsegling over tankåpningen.

Mikrobølgeenergien overføres fra og til utrustningen i innelukket 22 ved hjelp av en trakt-utstråler-mottaker 36 som er festet til enden av en bølgeleder (ikke vist) ved hjelp av en standard traktmonteringsflens 37 med en rektangulær åpning 38 (best vist på fig. 5) som tilveiebringer overgangen mellom den indre bølgeleder og trakten eller hornet 36. Det foreliggende system arbeider fortrinns-vis ved en frekvens på 10 GHz. Ved denne driftsfrekvens må den rektangulære åpning 38 ha en bredde N = 10,16nm og en lengde M = 22,86 mm. For å samvirke på riktig måte med linsen 35 må trakten 36 ha en lengde Lru i = 127 mm, en høyde A = 55,88 mm og en bredde B = 73,66 mm. Dimensjonene A og

B er målt mellom de indre overflater av traktveggene, hvilke vegger har en tykkelse på ca. 1,6 mm. Ved flensen 37 grenser traktveggene til åpningen 38. Divergensvinkelen for de bredeste traktvegger i forhold til traktaksen er 10°12', mens divergensvinkelen for de smaleste traktvegger i forhold til traktaksen er 11°18<1.>

Linsen 35 kan være konstruert av et polyesterhar-piksmateriale. Den må være massiv og uten eventuelle hulrom eller diskontinuiteter som ville begrense eller forvrenge mikrobølge-gjennomgangsledeevnen (engelsk: microwave transconductance). Man har funnet at en tilfredsstillende plankonveks form med den konvekse overflate dannet som den overflate som oppnås ved å rotere en hyperbdel om sin akse (en sfærisk hyperbel), idet overflaten vender inn i montasjen 12 som vist, kan fremstilles av en polyester-herder- støpesammensetning som gir et dielektrikum med en relativ dielektrisitetskonstant på ca. 2,83.

Idet det henvises til fig. 2 og 6, idet husseksjo-nen 17 har en utvendig diameter på ca. 35,6 cm, er diameteren av den effektive del av linsen 35, som svarer til diameteren av åpningen 16 i flensen 14, lik DT= 34,3 cm. Dette er utstrekningen av den konvekse, krumme overflate. Det flate flensparti 34 har en bredde på 13,5 mm, slik at linsens totale diameter er 36,95 cm. Linsens tykkelse TT er lik 61,57 mm. Avstanden mellom det punkt på linsens 35 konvekse overflate som ligger på linseaksen, og det plan som inneholder traktens 36 fremre kant, er S = 25,81 cm. Traktens 36 effektive fasesentrum, og linsens 35 brennpunkt, er beliggende ved 39, i en avstand F Lå = 26,707 cm fra linsens konvekse overflate langs linseaksen. Den hyperbolske overflate av linsens 35 konvekse side kan beregnes ved benyt-

telse av likningen R = ( fe~* - l)FT/(/i~~' cos 0) - 1, hvor R

r r

er polarkoordinatradien fra linsens brennpunkt 39 på den konvekse side til et punkt på den konvekse overflate, er linsematerialets relative dielektrisitetskonstant ved driftsfrekvensen, F Li er brennvidden fra det nevnte brennpunkt langs linseaksen til den konvekse overflate, og 0 er polarkoordinatvinkelen for den nevnte radius målt fra linseaksen.

For å redusere indre refleksjoner, er endelig hus-seksjonen 17 foret med en ledende skumplast 40 med høy tetthet. Den nedre overflate av innelukket 2 2 er på liknende måte dekket av et lag av den samme ledende skumplast 41 med høy tetthet, og et sådant plastmateriale er også tilføyd ved 42 til den avdekkede overflate av den elektriske rørstuss 43.

Linsen 35 må være massiv uten noen luftlommer eller hulrom. Den kan valgfritt være belagt, særlig på sin plane overflate 44, med et kjemisk motstandsdyktig, dielektrisk belegg, f.eks. én av fluorkarbonharpiksene, dersom harpiks-materialet i selve linsen ville bli utsatt for kjemisk an-grep av innholdet i den tank på hvilken måleinnretningen skal monteres. Et ytterst tynt lag av et sådant belegg, bare tilstrekkelig tykt til å opprettholde sin integritet som en kjemisk barriere, og i det vesentlige gjennomsiktig for mikrobølgeenergi, bør benyttes slik at det har ubetyde-lig innvirkning på linsens brytningsegenskaper.

Under drift vil linsen 35 tilveiebringe en linse-stengt eller linseavtettet veggåpning som forsegler åpningen, og som virker slik at den kollimerer avstandssignalet under dettes utadgående passasje og fokuserer avstandssignalet på dets returpassasje i punktet 39 i hovedsaken sammenfallende med traktens 36 effektive fasesentrum. En linse som er konstruert slik som beskrevet foran, vil tilveiebringe en ytterst smal strålebunt av strålingsenergi med ubetydelige sidesløyfer. Dette er vesentlig for å minimere forstyr-rende signaler som reflekteres fra forskjellige konstruk-sjonsdeler i tanken, i motsetning til de ønskede refleksjoner fra overflaten av tankinnholdet eller væsken.

Den i det foregående beskrevne utførelse antar en fast relasjon mellom linsen og traktutstråleren, med trakten anbrakt aksialt på linseaksen. Under visse forhold kan det imidlertid være ønskelig å ha muligheten for å rette avstandssignalet noe bort fra aksen, og dette kan oppnås ved å sørge for innstilling av trakt-utstråler-mottakeren noe til den ene side av linseaksen på hvilken som helst kjent måte.

Etter å ha beskrevet den for tiden foretrukne ut-førelse av oppfinnelsen vil det være åpenbart for fagfolk på området at forskjellige endringer i konstruksjon kan innføres uten å avvike fra oppfinnelsens ramme slik den er definert i kravene. For eksempel kan andre kjente, dielektriske mate-rialer, såsom en epoksy, polystyren eller liknende, innsettes i stedet for polyesteren ved fremstilling av linsen. Dersom dielektrisitetskonstanten er forskjellig, kan den foran angitte likning benyttes til å beregne den nødvendig krumning av den konvekse overflate. Dersom det ønskes, kan andre kjente linsekonfigurasjoner benyttes.

Claims

1. Mikrobølgeinnretning for måling av tankinnholdsnivå, karakterisert ved at den omfatter et hus, et mikrobølge-sender-mottaker-system som er koplet til en trakt-utstråler-mottaker for utsendelse av et på forhånd valgt mikrobølge-avstandssignal som skal reflekteres fra tankinnholdets overflate for deteksjon og nivåbestemmelse, idet huset har en vegg med en åpning, idet systemet og trakten er montert i huset for sending og mottagning av det på forhånd valgte avstandssignal via veggåpningen, en dielektrisk mikrobølgelinse som er ugjennomtrengelig for fluidum og som er anbrakt over åpningen og forenet med huset med i det minste en fluidumtett forsegling, idet linsen er geome-trisk formet og konstruert slik at den kollimerer avstandssignalet under dettes utgående passasje og på returpassasjen, for å fokusere avstandssignalet i et punkt som er i hovedsaken sammenfallende med traktens effektive fasesentrum, og en anordning for fastgjøring av huset med den linsestengte veggåpning over en åpning i en øvre vegg av en tank, idet linsen danner i det minste en fluidumtett forsegling over tankåpningen, slik at nivået av eventuelt innhold i tanken overvåkes av måleinnretningen.

2. Måleinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at huset har et avtagbart deksel over en annen åpning i sine vegger for å tillate adgang til og ettersyn av mikrobølgesystemet uten å fjerne linsen fra sin stilling over tankåpningen.

3. Måleinnretning ifølge krav 2, karakterisert ved at linsen er plankonveks med sin konvekse overflate dannet som den overflate som oppnås ved å rotere en hyperbel om sin akse, idet overflaten vender inn i huset, og at trakten har en utstrålingsakse som er anbrakt kolineært med linsens optiske akse.

4. Måleinnretning ifølge krav 3, karakterisert ved at den konvekse overflate er definert ved likningen: R = (/i r ' - 1)F J_> /(/i r' cos 9) - 1, hvor R er polarkoordinatradien fra linsens brennpunkt på den konvekse side til et punkt på den konvekse overflate, r er linsematerialets relative dielektrisitetskonstant ved driftsfrekvensen, FT er brennvidden fra det nevnte brennpunkt langs linseaksen til den konvekse overflate, og 0 er polarkoordinatvinkelen for den nevnte radius målt fra linseaksen.

5. Måleinnretning ifølge krav 4, karakterisert ved at e rer ca. 2,83 ved 10 GHz.

6. Måleinnretning ifølge krav 5, karakterisert ved at linsen er dannet av massiv polyesterharpiks og i det minste på sin plane overflate er belagt med et tynt lag av kjemisk motstandsdyktig, dielektrisk materiale som i det vesentlige er gjennomtrengelig for mikrobølgeenergi, men forskjellig fra den nevnte linseharpiks.

7. Måleinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at linsen er plankonveks med sin konvekse overflate dannet som den overflate som oppnås ved å rotere en hyperbel om sin akse, idet overflaten vender inn i huset, og at trakten har en utstrålingsakse som er anbrakt kolineært med linsens optiske akse.

8.M åleinnretning ifølge krav 7, karakterisert ved at den konvekse overflate er definert ved likningen: R - (>/ </> e^T~ l)Fp/(/e~^' cos 0) - 1, hvor R er polarkoordinatradien fra linsens brennpunkt på den konvekse side til et punkt på den konvekse overflate, rer linsematerialets relative dielektrisitetskonstant ved driftsfrekvensen, FiT -f er brennvidden fra brennpunktet langs linseaksen til den konvekse overflate, og 0 er polarkoordinatvinkelen for den nevnte radius målt fra linseaksen.

9. Måleinnretning ifølge krav 8, karakterisert ved at£ r er ca. 2,'83 ved 10 GHz.

10. Måleinnretning ifølge krav 9, karakterisert ved at linsen er dannet av massiv polyesterharpiks og i det minste på sin plane overflate er belagt med et tynt lag av et kjemisk motstandsdyktig, dielektrisk materiale som er i det vesentlige gjennomtrengelig for mikrobølgeenergi, men forskjellig fra den nevnte linseharpiks.

11. Måleinnretning ifølge krav 1, karakterisert ved at den dielektriske linse har en relativ dielektrisitetskonstant ved 10 GHz på ca. 2,83.

12. Måleinnretning ifølge krav 11, karakterisert ved at linsen er dannet av massiv polyesterharpiks og i det minste på sin plane overflate er belagt med et tynt lag av et kjemisk motstandsdyktig, dielektrisk materiale som er i det vesentlige gjennomtrengelig for mikrobølgeenergi, men forskjellig fra den nevnte linseharpiks.