BESCHREIBUNG
Verfahren und Vorrichtung zur Fullstandsmessung mit einem Gammastrahlen/Kapazitäts-Kombisensor
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Füllstandsanzeigen. Sie geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 6.
STAND DER TECHNIK
Bei der Offshore-Erdölförderung werden Separationstanks eingesetzt, in welchen die bei der Bohrung auftretenden Phasen (Sand, Wasser, Öl und Gas) durch Segregation separiert und in getrennten Leitungssystemen abgeführt werden. Zur Steuerung der Auslassventile werden die Füllstände, insbesondere die Positionen der Grenzschichten zwischen Gas und Öl sowie zwischen Öl und Wasser, überwacht.
Neuerdings werden Hochdruck-Separationstanks entwickelt, die für den Betrieb auf dem Meeresboden einige 100 m unterhalb der Meeresoberfläche ausgelegt sind. Dadurch kann das Öl zuerst separiert und dann mit geringem Energieaufwand an die Meeresoberfläche gepumpt werden. Solche Separatortanks sind sehr hohen Drücken von 60 bar-180 bar und hohen Temperaturen von 50°C-120°C ausgesetzt. Ein Füllstandsmesssystem muss unter solchen schwierigen Bedingungen jahrelang wartungsfrei und zuverlässig funktionieren, um die Betriebssicherheit des Separatortanks zu gewährleisten.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen zur Fullstandsmessung eines Behälters be-
kannt, die auf unterschiedlichen physikalischen Messprin- zipien beruhen. Diese umfassen elektrische (kapazitive oder resistive) und optische Methoden, Radarreflexionsmethoden, Ultraschall-Laufzeitmethoden sowie Gammatransmis- sionsmethoden. Besonders die Messung der Gammatransmission und der Kapazität stellen robuste, zuverlässig und kostengünstige Füllstandsmessmethoden dar.
In der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 197 22 837.2 wird ein Gammastrahlensensor beschrieben, bei dem ein vertikales Dichteprofil des Füllguts in einem Separatortank durch ortsaufgelöste Messung der Gammastrahlentransmission bestimmt wird. Hierfür ist eine Reihe von Gammaquellen gegenüber von einem langgestreckten, lichtleitenden Szintillatorstab angeordnet.
In der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer DE 197 13 267.7 wird ein Kapazitätssensor vorgestellt, bei dem eine stabförmige geschlossene Messsonde mit mehreren, entlang einer Sondenachse angeordneten Ringelektroden in das Füllgut getaucht wird. Eine Grenzschicht zwischen Wasser und Öl kann aufgrund des grossen Sprungs in der Dielektrizitätskonstanten durch Messung der Kapazitäten zwischen Paaren benachbarter Ringelektroden lokalisiert werden. Nachteilig ist, dass die Ortsauflösung durch die Pe- riodizität der Elektrodenanordnung begrenzt ist und dazwischenliegende Füllstände nicht messbar sind. Auch sind Grenzschichten zwischen Medien gleicher Dielektrizitätskonstanten nicht nachweisbar.
Für Medien mit unterschiedlicher Leitfähigkeit ist es bekannt, zur Ortung der Grenzschicht die ohmschen Entlade- ströme zwischen einzelnen Elektroden zu messen. Hierfür ist eine Messfrequenz so niedrig zu wählen, dass in beiden Medien der ohmsche gegenüber dem kapazitiven Strom dominant ist. Bisher ist jedoch ausser Betracht geblieben, dass die Leitfähigkeit der Medien auf die Feldverteilung zwischen den Elektroden und damit auf die Grosse der Kapazitäten einen grossen Einfluss haben kann.
Ein wesentlicher Nachteil bei diesen bekannten Messmethoden besteht darin, dass sie entweder auf Dichteunterschiede oder auf Unterschiede in dielektrischen Eigenschaften des Füllguts empfindlich sind. Die Signaländerungen an der Grenzschicht gasförmig/flüssig (Gas/Öl) sind beim Gammastrahlensensor ca. 15 mal grösser und beim Kapazitatssensor ca. 40 mal kleiner als an der Grenzschicht flüssig/flüssig (Öl/Wasser) . Die Genauigkeit oder Ortsauflösung variiert daher stark mit dem Füllgut. Mit einem der bisherigen Sensoren ist es daher messtechnisch schwierig oder unmöglich, die Füllstände aller Phasen in einem Separatortank simultan zu überwachen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fullstandsmessung anzugeben, die sich durch eine verbesserte Genauigkeit bei beliebigen Füllgütern auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.
Die Erfindung besteht darin, dass mit einem Gammastrahlensensor ein dichteabhängiger Füllstand und mit einem Kapazitätssensor ein von den elektrischen Eigenschaften abhängiger Füllstand bestimmt werden. Durch die Kombination der Gammatransmissions- und Kapazitatsmessung kann eine Füllstandsmessung mit hoher Ortsauflösung über ein grosses Spektrum möglicher Füllgüter realisiert werden.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind der Gammastrahlensensor, der Kapazitatssensor und eine Messelektronik in einem Kombisensor integriert.
Für den Gammastrahlensensor werden Ausführungsbeispiele mit einem lichtleitenden Szintillationsdetektor, endseiti- gen Photodetektoren und einer Messelektronik mit verzögerter Koinzidenz-LaufZeitmessung angegeben.
Für den Kapazitätssensor werden Ausführungsbeispiele mit einer vertikalen Anordnung von Ringelektroden angegeben, deren Höhe zu Abstand in vertikaler Richtung grösser als 1 ist .
Weitere Ausführungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemässen Gammastrahlen/Kapazitäts- Kombisensor zur Füllstandsmessung in einem Ölsepa- ratortank;
Fig. 2 einen erfindungsgemässen Gammastrahlen-Dichteprofilsensor (a) mit einem Photo ultiplier- oder Photodioden-Array oder (b) mit einem lichtleitenden Szintillatorstab zur ortsaufgelösten Szintil- lationsblitz-Detektion; und
Fig. 3 einen erfindungsgemässen Kapazitätssensor mit einer vertikalen Anordnung von Ringelektroden.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
WEGE ZUR AUSFUHRUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung gemass Fig. 1 hat ein Verfahren zur Füllstandsmessung eines Behälters 2 zum Gegenstand, das besonders zur Lokalisierung von Grenzschichten 34, 45, 56 zwischen unterschiedlichen Medien 3, 4, 5, 6 in einem Separatortank 2 geeignet ist. Erfindungsgemäss wird mit einem Gammastrahlensensor la der Füllstand 34, 56 zweier Medien 3, 4; 5, 6 unterschiedlicher Dichte und mit einem Kapazitätssensor lb der Füllstand 45 zweier Medien 4, 5 unter-
schiedlicher elektrischer Eigenschaften gemessen. Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele angegeben.
Mit dem Gammastrahlensensor la wird ein vertikales Dichteprofil des Füllguts 3, 4, 5, 6 gemessen. Mit dem Kapazitätssensor lb wird ein vertikales Profil der Dielektrizitätskonstanten und/oder der elektrischen Leitfähigkeit des Füllguts 3, 4, 5, 6 gemessen. Aus den Profilen wird die Position mindestens einer Grenzschicht 34, 45, 56 bestimmt. Zur Füllstandsbestimmung können Signale des Gammastrahlensensors la und des Kapazitätssensors lb simultan überwacht werden. Insbesondere wird in Abhängigkeit des Füllguts 3, 4, 5, 6 aus den Signalen ein dominantes Messsignal ausgewählt.
Im Fall eines Separatortanks 2 wird mit dem Gammastrahlen- sensor la eine vertikale Position einer Grenzschicht 34 zwischen Gas 3 und Öl 4 und mit dem Kapazitätssensor la eine vertikale Position einer Grenzschicht 45 zwischen Öl 4 und Wasser 5 gemessen. Beide Füllstände 34; 45 sollen mit einer hohen Ortsauflösung, insbesondere besser als ±10 cm beim Gammastrahlensensor la und besser als ±2 cm beim Kapazitatssensor lb, bestimmt werden.
Desweiteren hat die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zum Gegenstand. Der Gammastrahlensensor la und der Kapazitätssensor lb sind zusammen mit einer Messelektronik lc in einem Kombisensor 1 integriert. Gemass Fig. 2a, 2b, 3 umfasst der Kombisensor 1 einen langgestreckten Gammadetektor 11, 14, insbesondere einen Pho- tomultiplier-Array 11, einen Photodioden-Array 11 oder einen Szintillator 14, sowie eine stabförmige Sonde 17 mit mehreren, entlang einer Sondenachse A angeordneten Elektroden 18. Der Gammadetektor 11, 14 und die Messsonde 17 sind im wesentlichen in einer Füllrichtung des Behälters 4 orientiert. Insbesondere ist eine Gegenelektrode für die stabförmige Sonde 17 durch eine Behälterwand 2a, ein Gehäuse 9 des Gammastrahlensensors la oder eine nicht darge-
stellte, vorzugsweise langgestreckte Hilfselektrode gegeben.
Fig. 2b zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit einem Szintillator 14 in Form eines lichtleitenden Stabs, einer optischen Faser oder einem optischen Faserbündel. Der Szintillator 14 steht an mindestens einem Ende mit einem Photodetektor in optischer Verbindung. Die Photodetektoren sind mit Mitteln lc zur verzögerten Koinzidenzmessung und gegebenenfalls zur Pulshöhendiskrimina- tion ausgerüstet. Die Funktionsweise und Ausgestaltungen des Szintillatorstabs 14 sind in der deutschen Patentanmeldung DE 197 22 837.2 dargelegt, deren Inhalt hiermit in die vorliegende Offenbarung aufgenommen wird. Insbesondere ist der Szintillatorstab 14 an beiden Enden mit Photodetektoren ausgerüstet, deren Signale in einer Messelektronik lc mit verzögerter Koinzidenzmessung ausgewertet werden. Die Dichte des Füllguts 3, 4, 5, 6 wird aus der Ab- schwächung der Gammastrahlung und die Ortsinformation aus einer Zeitverzögerung der im Szintillatorstab 14 auseinanderlaufenden Lichtanteile der Szintillationsblitze 15 bestimmt. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen Varianten des Szintillatorstabs 14 mit einem Photodetektor an einem Ende und einer Reflexionsschicht am anderen Ende, mit beidseitigen Photodetektoren und einer reflektierenden Schicht auf halber Höhe, und mit einer Energiediskrimination der Szintillationsblitze zur selektiven Erfassung von Photopeak-Signalen im Szintillator. Auch andere bekannte Szintillationsdetektoren mit ein- oder zweidimensionaler Ortsauflösung sind verwendbar.
Für Anwendungen, bei denen eine hinreichend starke Hintergrund-Gammastrahlung vorhanden ist, können die Gammaquel- len 7 entfallen. Die Messung beruht darauf, dass die Stärke der Hintergrund-Gammastrahlung je nach Füllstand des Füllguts 3, 4, 5, 6 abgeschwächt wird. Durch die Weglassung radioaktiver Gammaquellen 7 vereinfachen sich Aufbau, Handhabung, Sicherheitsvorkehrungen und Entsorgung des
Füllstandssensors 1 entscheidend und die Kundenakzeptanz wird deutlich erhöht.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Kapazitatssensor lb. Mit Vorteil weisen die Elektroden 18 ein Verhältnis von Höhe h zu Abstand a im Bereich von 1 bis 6, vorzugsweise zwischen 1,5 und 4,5, insbesondere gleich 3, auf. Die Messelektronik lc umfasst Mittel zur Kapazitätsmessung zwischen Paaren von vorzugsweise nächst benachbarten Elektroden 18 zur Bestimmung des Füllstands. Auf diese Weise werden ein weitgehend kontinuierliches Füllstandsmesssignal und eine hohe Messgenauigkeit erzielt.
Eine weitere erfindungsgemässe Massnahme betrifft die Reduktion der Störungsanfälligkeit eines Messsignals des Kapazitätssensors lb bei Verschmutzung der Messsonde. Hierfür weisen die Elektroden 18 elektrisch isolierende Abdek- kungen 19 mit unterschiedlichen Dicken auf. Die Messelektronik lc umfasst Mittel zur Kapazitätsmessung zwischen Paaren von Elektroden 18, zur Berechnung einer effektiven Dicke ds/εs eines isolierenden Schmutzfilms und zur Korrektur des Messsignals des Kapazitätssensors lb. Ein einfacher Fall liegt vor, wenn die Elektroden 18 gleich grosse Oberflächen und benachbarte Elektroden 18 unterschiedliche Dicken und übernächst benachbarte Elektroden 18 gleiche Dicken der Abdeckung 19 aufweisen. Dann ist die effektive Dicke ds/εs des isolierenden Schmutzfilms mit der Gleichung ds /εs= ( d1 /εe ) . [ ( CDsD .d: ) / ( CDSl.d1 ) - l ] . [ l -CDsNCDSi ] " 1 (Gl)
bestimmbar, wobei εe=Dielektrizitätskonstante der Abdeckung 19, und d_ , d-,=Dicken der Abdeckung 19 und CDsι CDΞ]=Doppel- schichtkapazitäten einer i-ten, j-ten Elektrode 18 sind. Die Kenntnis der effektiven Schmutzfilmdicke ds/εs kann zur Signalkorrektur verwendet werden.
Bei Anwesenheit einer Gegenelektrode, z. B. einer leitfähigen Behälter- oder Tankwand 2a, einem leitfähigen Gehäuse 9 des Gammastrahlensensors la oder einer Hilfselektrode, können zusätzlich oder alternativ die Kapazitäten zwi-
sehen Elektroden 18 und der mindestens einen Gegenelektrode 2a, 9 gemessen werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Gammastrahlen/Kapazitäts-Kombisensor la Gammastrahlen-Dichteprofilsensor lb Kapazitätssensor lc Messelektronik
2 Behälter, Separatortank
2a Behälterwand, Separatortankwand
3-6 Füllgut
3 Gas
4 Öl
5 Wasser
6 Sand 4,45,56 Grenzschichten, Füllstand
7 Gammastrahler
8 Sendekollimator
9 Stahlwand, Gehäuse des Gammastrahlensensors
10 Gammastrahlen 11, 14 Gammadetektor
11 Photomultiplier-Array, Photodioden-Array
12 Gammadetektorabschirmung
13 elektrische Signalleitungen
14 Szintillator (Stab, Faser, Faserbündel)
15 Szintillationslichtblitz
16 Kalibrationsquelle
17 stabförmige Sonde 8 Elektroden, Ringelektroden 9 elektrisch isolierende Elektroden-Abdeckung (en)