WO2000070314A1 - Verfahren und vorrichtung zur füllstandsmessung mit einem gammastrahlen/kapazitäts-kombisensor - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur füllstandsmessung mit einem gammastrahlen/kapazitäts-kombisensor Download PDF

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WO2000070314A1
WO2000070314A1 PCT/CH2000/000240 CH0000240W WO0070314A1 WO 2000070314 A1 WO2000070314 A1 WO 2000070314A1 CH 0000240 W CH0000240 W CH 0000240W WO 0070314 A1 WO0070314 A1 WO 0070314A1
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sensor
gamma ray
gamma
electrodes
level measurement
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PCT/CH2000/000240
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Inventor
Anthony Byatt
Daniel Matter
Thomas Kleiner
Philippe Pretre
Walter Rüegg
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Abb Research Ltd.
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G01F23/288—X-rays; Gamma rays or other forms of ionising radiation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
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    • G01F23/14—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measurement of pressure
    • G01F23/16—Indicating, recording, or alarm devices being actuated by mechanical or fluid means, e.g. using gas, mercury, or a diaphragm as transmitting element, or by a column of liquid
    • G01F23/162—Indicating, recording, or alarm devices being actuated by mechanical or fluid means, e.g. using gas, mercury, or a diaphragm as transmitting element, or by a column of liquid by a liquid column

Definitions

  • the present invention relates to the field of level indicators. It is based on a method and a device for level measurement according to the preamble of claims 1 and 6.
  • separation tanks In offshore oil production, separation tanks are used, in which the phases occurring in the drilling (sand, water, oil and gas) are separated by segregation and carried away in separate piping systems.
  • the fill levels In control the outlet valves, the fill levels, in particular the positions of the boundary layers between gas and oil and between oil and water, are monitored.
  • High-pressure separation tanks have recently been developed, which are designed for operation on the seabed some 100 m below the surface of the sea. As a result, the oil can be separated first and then pumped to the sea surface with little energy consumption. Such separator tanks are exposed to very high pressures of 60 bar-180 bar and high temperatures of 50 ° C-120 ° C. A level measurement system has to function reliably and reliably for years under such difficult conditions to ensure the operational safety of the separator tank.
  • the prior art describes a large number of methods and devices for measuring the fullness of a container. knows, which are based on different physical measuring principles. These include electrical (capacitive or resistive) and optical methods, radar reflection methods, ultrasonic transit time methods and gamma transmission methods. The measurement of gamma transmission and capacity in particular represent robust, reliable and cost-effective level measurement methods.
  • a gamma ray sensor in which a vertical density profile of the filling material in a separator tank is determined by spatially resolved measurement of the gamma ray transmission.
  • a number of gamma sources are arranged opposite an elongated, light-guiding scintillator rod.
  • a capacitance sensor in which a rod-shaped, closed measuring probe with several ring electrodes arranged along a probe axis is immersed in the filling material.
  • a boundary layer between water and oil can be located due to the large jump in the dielectric constant by measuring the capacitances between pairs of adjacent ring electrodes. It is disadvantageous that the spatial resolution is limited by the periodicity of the electrode arrangement and fill levels in between cannot be measured. Boundary layers between media of the same dielectric constant are also not detectable.
  • a measuring frequency should be chosen so low that the ohmic over the capacitive current is dominant in both media. So far, however, it has not been considered that the conductivity of the media can have a major impact on the field distribution between the electrodes and thus on the size of the capacitors.
  • a major disadvantage of these known measuring methods is that they are sensitive either to density differences or to differences in the dielectric properties of the filling material. The signal changes at the gaseous / liquid (gas / oil) boundary layer are approx. 15 times larger with the gamma ray sensor and approx.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for level measurement which is characterized by an improved accuracy for any filling goods. According to the invention, this object is achieved by the features of claims 1 and 6.
  • the invention consists in that a density-dependent fill level is determined with a gamma-ray sensor and a fill level dependent on the electrical properties with a capacitance sensor.
  • the gamma-ray sensor, the capacitance sensor and measuring electronics are integrated in a combination sensor.
  • Exemplary embodiments with a light-guiding scintillation detector, end-side photodetectors and measuring electronics with delayed coincidence-running time measurement are given for the gamma-ray sensor.
  • exemplary embodiments for the capacitance sensor are specified with a vertical arrangement of ring electrodes, the height of which is greater than 1 at a distance in the vertical direction.
  • FIG. 1 shows a gamma-ray / capacitance combination sensor according to the invention for level measurement in an oil separator tank
  • FIG. 2 shows a gamma-ray density profile sensor according to the invention (a) with a photo ultiplier or photodiode array or (b) with a light-guiding scintillator rod for spatially resolved scintillation flash detection; and
  • FIG 3 shows a capacitance sensor according to the invention with a vertical arrangement of ring electrodes.
  • Advantageous exemplary embodiments are given below.
  • a vertical density profile of the contents 3, 4, 5, 6 is measured with the gamma ray sensor la.
  • a vertical profile of the dielectric constant and / or the electrical conductivity of the filling material 3, 4, 5, 6 is measured.
  • the position of at least one boundary layer 34, 45, 56 is determined from the profiles.
  • signals from the gamma ray sensor la and the capacitance sensor lb can be monitored simultaneously. In particular, depending on the filling material 3, 4, 5, 6, a dominant measurement signal is selected from the signals.
  • a vertical position of an interface layer 34 between gas 3 and oil 4 is measured with the gamma radiation sensor 1 a and a vertical position of an interface layer 45 between oil 4 and water 5 is measured with the capacitance sensor 1 a.
  • Both fill levels 34; 45 should be determined with a high spatial resolution, in particular better than ⁇ 10 cm for the gamma ray sensor la and better than ⁇ 2 cm for the capacitance sensor lb.
  • the invention relates to a device for carrying out the method.
  • the gamma ray sensor la and the capacitance sensor lb are integrated in a combination sensor 1 together with measuring electronics lc. 2a, 2b, 3, the combination sensor 1 comprises an elongated gamma detector 11, 14, in particular a photomultiplier array 11, a photodiode array 11 or a scintillator 14, as well as a rod-shaped probe 17 with a plurality, along a probe axis A arranged electrodes 18.
  • the gamma detector 11, 14 and the measuring probe 17 are oriented essentially in a filling direction of the container 4.
  • a counter electrode for the rod-shaped probe 17 is through a container wall 2a, a housing 9 of the gamma-ray sensor la or a not shown provided, preferably given elongated auxiliary electrode.
  • FIG. 2b shows a preferred exemplary embodiment with a scintillator 14 in the form of a light-conducting rod, an optical fiber or an optical fiber bundle.
  • the scintillator 14 is in optical connection with a photodetector at at least one end.
  • the photodetectors are equipped with means 1c for delayed coincidence measurement and possibly for pulse height discrimination.
  • the mode of operation and configurations of the scintillator rod 14 are set out in the German patent application DE 197 22 837.2, the content of which is hereby incorporated into the present disclosure.
  • the scintillator rod 14 is equipped at both ends with photodetectors, the signals of which are evaluated in measuring electronics 1 c with delayed coincidence measurement.
  • the density of the filling material 3, 4, 5, 6 is determined from the attenuation of the gamma radiation and the location information from a time delay of the light components of the scintillation flashes 15 that diverge in the scintillator rod 14.
  • Further exemplary embodiments relate to variants of the scintillator rod 14 with a photodetector at one end and a reflective layer at the other end, with photodetectors on both sides and a reflective layer at half height, and with energy discrimination of the scintillation flashes for the selective detection of photopeak signals in the scintillator.
  • Other known scintillation detectors with one- or two-dimensional spatial resolution can also be used.
  • the gamma sources 7 can be omitted for applications in which there is a sufficiently strong background gamma radiation.
  • the measurement is based on the fact that the strength of the background gamma radiation is attenuated depending on the filling level of the filling 3, 4, 5, 6.
  • the omission of radioactive gamma sources 7 simplifies the construction, handling, safety precautions and disposal of the Level sensor 1 is crucial and customer acceptance is significantly increased.
  • the electrodes 18 advantageously have a ratio of height h to distance a in the range from 1 to 6, preferably between 1.5 and 4.5, in particular equal to 3.
  • the measuring electronics 1c comprise means for measuring the capacitance between pairs of preferably adjacent electrodes 18 for determining the fill level. In this way, a largely continuous level measurement signal and high measurement accuracy are achieved.
  • Another measure according to the invention relates to the reduction of the susceptibility to failure of a measurement signal of the capacitance sensor 1b when the measurement probe is contaminated.
  • the electrodes 18 have electrically insulating covers 19 with different thicknesses.
  • the measuring electronics lc comprise means for measuring the capacitance between pairs of electrodes 18, for calculating an effective thickness d s / ⁇ s of an insulating dirt film and for correcting the measurement signal of the capacitance sensor 1b.
  • a counter electrode e.g. B. a conductive container or tank wall 2a
  • a conductive housing 9 of the gamma ray sensor la or an auxiliary electrode the capacities between or see electrodes 18 and the at least one counter electrode 2a, 9 are measured.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren und einen Sensor (1) zur Füllstandsmessung, insbesondere für Ölseparatortanks (2). Es ist bekannt, mit einem Gammastrahlensensor (1a) eine Grenzschicht (34) mit grosser Dichteänderung, z.B. zwischen Gas (3) und Ö1 (4), und mit einem Kapazitätssensor (1b) eine Grezzschicht (45) mit grossem Sprung in der Dielektrizitätskonstanten, z.B. zwischen Ö1 (4) und Wasser (5), zu lokalisieren. Erfindungsgemäss wird ein Kombisensor (1) vorgeschlagen, in dem ein Gammastrahlensensor (1a), ein Kapazitätssensor (1b) und eine gemeinsame Messelektronik (1c) integriert sind. Ausführungsbeispiel betreffen insbesondere einen Gammastrahlensensor (1a) mit lichtleitendem Szintillatorstab (14), einen Kapazitätssensor (1b) mit linearer Anordnung von Elektroden (18) und Ausgestaltungen der Messelektronik (1c). Durch die Kombination der Gammatransmissions- und Kapazitätsmessung kann eine Füllstandsmessung mit hoher Ortsauflösung über ein grosses Spektrum möglicher Füllgüter (3, 4, 5, 6) realisiert werden.

Description

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)

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Fullstandsmessung eines Behälters (2), insbesondere geeignet zur Lokalisierung von Grenzschichten (34, 45, 56) zwischen unterschiedlichen Medien (3, 4, 5, 6) in einem Separatortank (2), dadurch gekennzeichnet, dass 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) unterschiedlicher elektrischer Eigenschaften gemessen wird.
2. Verfahren zur Fullstandsmessung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) mit dem Gammastrahlensensor (la) ein vertikales Dichteprofil des Füllguts (3, 4, 5, 6) gemessen wird, b) mit dem Kapazitätssensor (lb) ein vertikales Profil der Dielektrizitätskonstanten und/oder der elektrischen Leitfähigkeit des Füllguts (3, 4, 5, 6) gemessen wird und c) aus den Profilen die Position mindestens einer Grenzschicht (34, 45, 56) bestimmt wird.
3. Verfahren zur Fullstandsmessung nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass a) zur Füllstandsbestimmung Signale des Gammastrahlen- sensors (la) und des Kapazitätssensors (lb) simultan überwacht werden und b) insbesondere in Abhängigkeit des Füllguts (3, 4, 5, 6) aus den Signalen ein dominantes Messsignal ausgewählt wird.
4. Verfahren zur Fullstandsmessung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Separatortank (2) a) mit dem Gammastrahlensensor (la) eine vertikale Position einer Grenzschicht (34) zwischen Gas (3) und Öl (4) gemessen wird und b) mit dem Kapazitätssensor (la) eine vertikale Position einer Grenzschicht (45) zwischen Öl (4) und Wasser (5) gemessen wird.
5. Verfahren zur Füllstandsmessung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Füllstände (34; 45) mit einer hohen Ortsauflösung, insbesondere besser als ±10 cm beim Gammastrahlensensor (la) und besser als ±2 cm beim Kapazitätssensor (lb), bestimmt werden .
6. Vorrichtung zur Füllstandsmessung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gammastrahlensensor (la) und der Kapazitätssensor (lb) zusammen mit einer Messelektronik (lc) in einem Kombisensor (1) integriert sind.
7. Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Kombisensor (1) einen langgestreckten Gammadetektor (11, 14), insbesondere einen Photomultipli- er-Array (11) , einen Photodioden-Array (11) oder einen Szintillator (14), sowie eine stabförmige Sonde (17) mit mehreren, entlang einer Sondenachse (A) angeordneten Elektroden (18) umfasst, b) der Gammadetektor (11, 14) und die stabförmige Sonde (17) im wesentlichen in einer Füllrichtung des Behälters (4) orientiert sind und c) insbesondere eine Gegenelektrode für die stabförmige Sonde (17) durch eine Behälterwand (2a) , ein Gehäuse (9) des Gammastrahlensensors (la) oder eine vorzugsweise langgestreckte Hilfselektrode gegeben ist.
8. Vorrichtung zur Fullstandsmessung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) der Szintillator (14) einen lichtleitenden Stab, eine optische Faser oder ein optisches Faserbündel aufweist und an mindestens einem Ende mit einem Photodetektor in optischer Verbindung steht und b) die Photodetektoren mit Mitteln (lc) zur verzögerten Koinzidenzmessung und gegebenenfalls zur Puls- höhendiskrimination ausgerüstet sind.
9. Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gammastrahlensensor (la) mit Hintergrund-Gammstrahlung betrieben wird.
10. Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass a) 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, aufweisen und b) die Messelektronik (lc) Mittel zur Kapazitatsmessung zwischen Paaren von vorzugsweise nächst benachbarten Elektroden (18) zur Bestimmung des Füllstands umfasst.
11. Vorrichtung zur Füllstandsmessung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Elektroden (18) elektrisch isolierende Abdek- kungen (19) mit unterschiedlichen Dicken aufweisen und b) die Messelektronik (lc) Mittel zur Kapazitätsmessung zwischen Paaren von Elektroden (18) , zur Berechnung einer effektiven Dicke (ds/εs) eines isolierenden Schmutzfilms und zur Korrektur eines Messsignals des Kapazitätssensors (lb) umfasst.
2. Vorrichtung zur Fullstandsmessung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Elektroden (18) gleich grosse Oberflächen aufweisen, b) benachbarte Elektroden (18) unterschiedliche Dicken und übernächst benachbarte Elektroden (18) gleiche Dicken der Abdeckung (19) aufweisen und c) die effektive Dicke (ds/εs) des isolierenden Schmutzfilms gemass dΞ/εs= (dx/εe) • [ (Cos^d-, ) / (Cosi' -1] • [l-CDS]/CDsι] ~ bestimmbar ist, wobei εe=Dielektrizi- tätskonstante der Abdeckung (19), und dx , d3=Dicken der Abdeckung (19) und CDsι/ CDS;)=Doppelschicht- kapazitäten einer i-ten, j-ten Elektrode (18) sind.
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