WO2004046662A1 - Procede de mesure de la hauteur d'un liquide au moyen d'une sonde a ligne haute frequence - Google Patents

Procede de mesure de la hauteur d'un liquide au moyen d'une sonde a ligne haute frequence Download PDF

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    • G01F23/243—Schematic arrangements of probes combined with measuring circuits
    • G01F23/244—Schematic arrangements of probes combined with measuring circuits comprising oscillating circuits

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the height of a liquid using a high frequency line probe and the probe used.
  • Various probes are known for measuring the height of a liquid in a tank.
  • the float probe is the oldest.
  • the information comes from a triangulation driving, via pinions, a magnet inside a tank.
  • Microwave probes are based on the radar principle.
  • the transmission and reception of the wave emitted by a directive antenna are carried out. After reflection, we measure the time difference between transmission and reception. The consumption and the cost of production are important.
  • a pulse is emitted on a coaxial line partially immersed in the liquid to be measured. At the time of the crossing of the liquid, part of the energy is reflected.
  • the power at the source varies according to the time difference and therefore the level of the liquid. This method works well for liquids with high permittivity, but is very imprecise and not very reproducible for the measurement of liquids of low permittivity like hydrocarbons.
  • the invention aims to remedy these drawbacks by proposing a measurement method based on the measurement of the characteristics of a high frequency line coaxial or not, in particular the impedance, through its module, its argument or its real or imaginary part. , which vary according to its physical dimensions and the characteristics of its dielectric.
  • the method according to the invention is limited to the measurement of the impedance module of the probe line.
  • the method according to the invention is characterized in that it consists in carrying out on an electrical circuit, supplied with high frequency alternating current, a comparison between the impedance of a probe with coaxial line or not and a reference resistance, at by means of a bridge resistive measurement, the probe immersed in a fluid reservoir whose height it is desired to determine constituting a measurement arm and said reference resistance constituting an opposite arm of the measurement bridge, the comparison signal resulting from the alternative measurement of the signal on each of the arm of the bridge by means of a suitable detector, and to process the comparison signal in order to obtain the calculation of the height of the liquid as a function of its permittivity, the length of the probe and the frequency of supply of the circuit.
  • the probe is advantageously constituted by a simple tube or rod or metal wire of indifferent nature and of rectilinear shape, extending over the height of the liquid in the tank to be measured. Its length can vary from 0.1 to 10 m.
  • This probe is in fact a high frequency line with an open end and therefore without contact with the bottom of the tank, consisting of the dielectric part formed by the fluid contained in the tank and the core of which is completed by the enclosure of the tank.
  • the determination of the impedance of such a high frequency probe makes it possible to determine its characteristic of impedance module, fairly precisely, with current electronic processing means and to obtain a linear response of the signal for measuring the height of the liquid. with satisfactory accuracy, less than 1%; such a measurement is also possible with surrounding fluids of low permittivity, as can be encountered in petroleum products.
  • the frequency range of the probe supply is advantageously between 4 and 20 MHz.
  • the reference resistance is advantageously chosen to be substantially equal to that of the impedance of the probe module at mid-height of the liquid in the reservoir.
  • the processing of the comparison signal is advantageously carried out in two stages, a stage of logarithmic amplifier then a terminal stage of differential amplifier.
  • the logarithmic amplifier stage makes it possible to transform the signals from the arms of the measuring bridge into a difference, which is expressed by a ratio in the differential amplifier and is freed from any temperature, aging and other drifts of the high generator. frequency and the amplifier itself.
  • a double synchronous switching is carried out, between the output of the measurement bridge and the input of the differential amplifier stage, of the signal coming from the arms of the bridge, so as to use only one amplifier. logarithmic for the first processing stage of the circuit.
  • the signal from the arms alternately passes over the same logarithmic amplifier. This eliminates the differential drift from the use of two logarithmic amplifiers, one per arm measurement signal.
  • the alternative measurement signals processed by the logarithmic amplifier are advantageously collected alternately by said synchronous switching on a capacitive circuit memorizing the information at the input of the terminal differential amplifier stage, to be taken up and then processed by this last.
  • said double synchronous switching is advantageously controlled by a square pulse electrical pulse generator.
  • the invention also relates to the probe used, namely the entire high frequency line for measuring the height of a liquid in an associated tank and the signal processing circuit for determining said height of the liquid in The reservoir.
  • the single figure is a schematic view of the electrical circuit of the probe according to the invention.
  • the assembly shows the assembly of the probe used according to the invention for measuring the height of a liquid of hydrocarbon type in a reservoir, namely consisting of a high frequency line 1 immersed in the liquid of the reservoir. on its height and its electrical measurement circuit 3.
  • the tank is not shown.
  • the measurement circuit 3 has been shown schematically. It comprises a high frequency power generator 5 (4 to 20 MHz), a measurement bridge 7 for the impedance of the line 1, a logarithmic amplifier 9 connected to the output of the measurement bridge 7, a differential amplifier 11, connected to the output of the logarithmic amplifier 9, a double synchronous switch 13 disposed between the terminals of the logarithmic amplifier 9 and an intermediate capacitive load circuit 15 disposed at the input of the differential amplifier 11.
  • the measurement bridge 7 is a resistive bridge, comprising at the lower level the high frequency line 1 for measuring the height of the liquid (lower arm) and at the upper level (upper arm) a reference resistor 17 whose value is substantially equal to the module line impedance, when the reservoir liquid is halfway up in the latter.
  • the value of this resistance may be equal to 2.5 times the characteristic impedance of the line, for example between 100 ⁇ and 1 k ⁇ .
  • Line 1 consists of a simple metal rod (with open end) arranged vertically in the tank and over the measurement height of the liquid in the tank.
  • the distance from the line to the bottom of the tank can be a few centimeters, so as to isolate it from the impurities deposited at the bottom and which can disturb the measurement.
  • the synchronous switch 13 ensures by a first branch 13a the alternative transmission of the signal coming respectively from the upper arm and the lower arm of the bridge to the logarithmic amplifier for processing; it synchronously ensures by another branch 13b the storage of the alternating signal processed in two opposite branches 15a, 15b of the intermediate capacitive load circuit 15 before their transmission to the final stage of differential amplifier.
  • This switching circuit is controlled by a generator 19 of square wave electrical pulses.
  • the measurement signal of the line impedance module is compared with that of the reference resistance, the two signals are processed alternately, via the switch, by the logarithmic amplifier, are stored in the circuit intermediate load, via the switch, in sequence at each change of the pulse from the generator 19, then are compared and processed in the differential amplifier in order to determine the height of the liquid in the tank.
  • the processed signal becomes respectively a stored log VI in the upper branch 15a of the intermediate load circuit, and a log V stored in the lower branch 15b of the intermediate load circuit, a being a coefficient dependent on the logarithmic amplifier.
  • the formula is known and is not developed here.
  • the measurement accuracy within the aforementioned field of application is less than one percent.

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Abstract

Le procédé est caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer sur un circuit électrique (3), alimenté en courant alternatif haute fréquence une comparaison entre l'impédance d'une sonde à ligne coaxiale ou non (1) et une résistance de référence (17), au moyen d'un pont de mesure résistif (7), la sonde (1) immergée dans un réservoir de fluide dont on souhaite déterminer la hauteur constituant un bras de mesure du pont de mesure et ladite résistance de référence (17) constituant un bras opposé du pont de mesure, le signal de comparaison résultant de la mesure alternative du signal sur chacun des bras au moyen d'un détecteur adéquat, et à traiter le signal de comparaison en vue d'obtenir le calcul de la hauteur du liquide en fonction de sa permittivité, de la longueur de la sonde (1) et de la fréquence d'alimentation du circuit (3).

Description

PROCÉDÉ DE MESURE DE LA HAUTEUR D ' UN LIQUIDE AU MOYEN D' UNE SONDE À LIGNE HAUTE FRÉQUENCE
L'invention concerne un procédé de mesure de la hauteur d'un liquide au moyen d'une sonde à ligne haute fréquence et la sonde utilisée.
On connaît diverses sondes de mesure de la hauteur d'un liquide dans un réservoir. La sonde à flotteur est la plus ancienne. L'information est issue d'une triangulation entraînant, via des pignons, un aimant à l'intérieur d'une cuve. Le champ à l'extérieur de celle-ci entraîne un codeur optique ou bien est capté par une sonde à effet Hall.
Dans le premier cas, le système est lourd et onéreux, dans le second, il est imprécis et reste onéreux.
Les sondes à hyperfréquence sont basées sur le principe du radar.
On réalise l'émission puis la réception de l'onde émise par une antenne directive. Après réflexion, on mesure l'écart de temps entre l'émission et la réception. La consommation et le coût de la réalisation sont importants.
Dans les sondes à impulsions, une impulsion est émise sur une ligne coaxiale baignant partiellement dans le liquide à mesurer. Au moment de la traversée du liquide une partie de l'énergie est réfléchie.
La puissance au niveau de la source varie en fonction de l'écart de temps et donc du niveau du liquide. Ce procédé fonctionne bien pour des liquides à forte permittivité, mais est très imprécis et peu reproductible pour la mesure de liquides de faible permittivité comme les d'hydrocarbures.
L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de mesure basé sur la mesure des caractéristiques d'une ligne haute fréquence coaxiale ou non, notamment l'impédance, à travers son module, son argument ou bien sa partie réelle ou imaginaire, qui varient en fonction de ses dimensions physiques et des caractéristiques de son diélectrique.
Le procédé selon l'invention est limité à la mesure du module d'impédance de la ligne de sonde.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer sur un circuit électrique, alimenté en courant alternatif haute fréquence, une comparaison entre l'impédance d'une sonde à ligne coaxiale ou non et une résistance de référence, au moyen d'un pont de mesure résistif, la sonde immergée dans un réservoir de fluide dont on souhaite déterminer la hauteur constituant un bras de mesure et ladite résistance de référence constituant un bras opposé du pont de mesure, le signal de comparaison résultant de la mesure alternative du signal sur chacun des bras du pont au moyen d'un détecteur adéquat, et à traiter le signal de comparaison en vue d'obtenir le calcul de la hauteur du liquide en fonction de sa permittivité, de la longueur de la sonde et de la fréquence d'alimentation du circuit.
La sonde est avantageusement constituée par un simple tube ou tige ou fil métallique de nature indifférente et de forme rectiligne, s 'étendant sur la hauteur de liquide du réservoir à mesurer. Sa longueur peut varier de 0, 1 à 10 m.
Cette sonde est en fait une ligne haute fréquence à extrémité ouverte et donc sans contact avec le fond du réservoir, constituée de la partie diélectrique formée par le fluide contenu dans le réservoir et dont l'âme est complétée par l'enceinte du réservoir.
La détermination de l'impédance d'une telle sonde à haute fréquence permet de déterminer sa caractéristique de module d'impédance, assez précisément, avec les moyens de traitement électroniques actuels et d'obtenir une réponse linéaire du signal de mesure de hauteur du liquide avec une précision satisfaisante, inférieure à 1% ; une telle mesure est également réalisable avec des fluides environnants de faibles permittivité, comme on peut les rencontrer dans les produits pétroliers. Le domaine de fréquence de l'alimentation de la sonde est avantageusement compris entre 4 et 20 MHz.
La résistance de référence est choisie avantageusement égale sensiblement à celle de l'impédance du module de la sonde à mi- hauteur du liquide dans le réservoir. Le traitement du signal de comparaison s'effectue avantageusement en deux étages, un étage d'amplificateur logarithmique puis un étage terminal d'amplificateur différentiel.
L'étage d'amplificateur logarithmique permet de transformer les signaux des bras du pont de mesure en une différence, laquelle s'exprime par un rapport dans l'amplificateur différentiel et s'affranchit des éventuelles dérives de température, vieillissement et autres du générateur haute fréquence et de l'amplificateur lui-même. De façon avantageuse, on réalise une commutation double synchrone, entre la sortie du pont de mesure et l'entrée de l'étage d'amplificateur différentiel, du signal issu des bras du pont, de façon à n'utiliser qu'un seul amplificateur logarithmique pour le premier étage de traitement du circuit. Le signal issu des bras passe alternativement sur le même amplificateur logarithmique. On s'affranchit ainsi de la dérive différentielle de l'utilisation de deux amplificateurs logarithmiques, un par signal de mesure de bras.
Les signaux de mesure alternatifs traités par l'amplificateur logarithmique sont avantageusement recueillis de façon alternée par ladite commutation synchrone sur un circuit capacitif mémorisant l'information à l'entrée de l'étage d'amplificateur différentiel terminal, pour être repris et traités ensuite par ce dernier.
Enfin, ladite commutation double synchrone est avantageusement commandée par un générateur d'impulsions électriques à signal carré.
L'invention concerne également la sonde utilisée, à savoir l'ensemble de la ligne haute fréquence de mesure de hauteur d'un liquide dans un réservoir associé et du circuit de traitement du signal en vue de la détermination de la dite hauteur du liquide dans le réservoir.
L'invention est illustrée ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation et en référence au dessin annexé sur lequel :
La figure unique est une vue schématique du circuit électrique de la sonde selon l'invention. On a représenté sur le dessin l'ensemble de la sonde utilisée selon l'invention pour la mesure de la hauteur d'un liquide de type hydrocarbure dans un réservoir, à savoir constitué d'une ligne haute fréquence 1 immergée dans le liquide du réservoir sur sa hauteur et de son circuit électrique de mesure 3. Le réservoir n'est pas représenté.
Le circuit de mesure 3 a été représenté de façon schématique. Il comporte un générateur d'alimentation haute fréquence 5 (4 à 20 MHz), un pont de mesure 7 de l'impédance de la ligne 1, un amplificateur logarithmique 9 relié à la sortie du pont de mesure 7, un amplificateur différentiel 11, relié à la sortie de l'amplificateur logarithmique 9, un commutateur double synchrone 13 disposé entre les bornes de l'amplificateur logarithmique 9 et un circuit de charge capacitif intermédiaire 15 disposé à l'entrée de l'amplificateur différentiel 11.
Le pont de mesure 7 est un pont résistif, comportant au niveau inférieur la ligne haute fréquence 1 de mesure de hauteur du liquide (bras inférieur) et au niveau supérieur (bras supérieur) une résistance de référence 17 dont la valeur est égale sensiblement au module de l'impédance de la ligne, lorsque le liquide du réservoir est à mi-hauteur dans ce dernier. La valeur de cette résistance peut-être égale à 2,5 fois l'impédance caractéristique de la ligne, par exemple comprise entre 100 π et 1 kπ.
La ligne 1 est constituée par une simple tige métallique (à extrémité ouverte) disposée verticalement dans le réservoir et sur la hauteur de mesure du liquide dans le réservoir. La distance de la ligne au fond du réservoir peut être de quelques centimètres, de manière à l'isoler des impuretés déposées au fond et qui peuvent perturber la mesure.
Le commutateur synchrone 13 assure par une première branche 13a la transmission alternative du signal issu respectivement du bras supérieur et du bras inférieur du pont à l'amplificateur logarithmique en vue de leur traitement ; il assure de façon synchrone par une autre branche 13b le stockage du signal alternatif traité dans deux branches opposées 15a, 15b du circuit de charge capacitif intermédiaire 15 avant leur transmission à l'étage final d'amplificateur différentiel. Ce circuit de commutation est piloté par un générateur 19 d'impulsions électriques à signal carré.
Ainsi, le signal de mesure du module de l'impédance de la ligne est comparé à celui de la résistance de référence, les deux signaux sont traités de façon alternative, via le commutateur, par l'amplificateur logarithmique, sont stockés dans le circuit de charge intermédiaire, via le commutateur, en séquence à chaque changement de l'impulsion du générateur 19 puis sont comparés et traités dans l'amplificateur différentiel en vue de déterminer la hauteur du liquide dans le réservoir.
A la borne de sortie de commutation supérieure du pont, la tension étant VI et à la borne de sortie de commutation inférieure du pont, la tension étant V, après le passage dans l'amplificateur logarithmique, le signal traité devient respectivement a log VI stocké dans la branche supérieure 15a du circuit de charge intermédiaire, et a log V stocké dans la branche inférieure 15b du circuit de charge intermédiaire, a étant un coefficient dépendant de l'amplificateur logarithmique.
Ensuite, le signal de comparaison traité dans l'amplificateur différentiel devient G (<x log V - (X log VI) = G a log V/Vl qui prend en compte le rapport de V et VI pour la détermination du module de l'impédance de la ligne, laquelle est fonction essentiellement de la hauteur du liquide dans le réservoir, de la permittivité du liquide, de la longueur de la ligne et de la fréquence du courant d'alimentation du circuit. La hauteur du liquide est ensuite calculée. La formule est connue et n'est pas développée ici.
La précision de mesure dans le cadre du domaine d'application précité (alimentation en courant haute fréquence de 4 à 8 MHz, sonde à tige rectiligne verticale de 0, 1 à 10 m, gaz d'hydrocarbure en phase liquide mesuré) est inférieure à un pour cent.
Ce qui précède montre l'application avantageuse de la sonde selon l'invention à la mesure de hauteur ou niveau des liquides dans les réservoirs et, notamment ceux à faible permittivité comme les hydrocarbures en phase liquide.

Claims

REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la hauteur d'un liquide au moyen d'une sonde à ligne haute fréquence (1), caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer sur un circuit électrique (3), alimenté en courant alternatif haute fréquence une comparaison entre l'impédance d'une sonde à ligne coaxiale ou non (1) et une résistance de référence (17), au moyen d'un pont de mesure résistif (7), la sonde (1) immergée dans un réservoir de fluide dont on souhaite déterminer la hauteur constituant un bras de mesure du pont de mesure et ladite résistance de référence (17) constituant un bras opposé du pont de mesure, le signal de comparaison résultant de la mesure alternative du signal sur chacun des bras au moyen d'un détecteur adéquat, et à traiter le signal de comparaison en vue d'obtenir le calcul de la hauteur du liquide en fonction de sa permittivité, de la longueur de la sonde (1) et de la fréquence d'alimentation du circuit (3).
2. Procédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde (1) est constituée par un simple tube ou tige ou fil métallique de nature indifférente et de forme rectiligne, s 'étendant sur la hauteur de liquide du réservoir à mesurer.
3. Procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que la longueur de la sonde (1) est variable de 0, 1 à 10 m.
4. Procédé de mesure selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le domaine de fréquence de l'alimentation du circuit (3) de la sonde (1) est variable de 4 à 20 MHz.
5. Procédé de mesure selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la résistance de référence (17) est choisie sensiblement égale à celle de l'impédance du module de la sonde (1) à mi-hauteur du liquide dans le réservoir.
6. Procédé de mesure selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le traitement du signal de comparaison s'effectue en deux étages, un étage d'amplificateur logarithmique (9) puis un étage terminal d'amplificateur différentiel (1 1).
7. Procédé de mesure selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une commutation double synchrone (13) d'une part entre l'entrée (13a) de l'étage d'amplificateur logarithmique (9) et d'autre part entre la sortie de ce dernier (13b) et l'étage d'amplificateur différentiel (11), de façon à n'utiliser qu'un seul amplificateur logarithmique (9) pour le premier étage de traitement du circuit.
8. Procédé de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que les signaux de mesure alternatifs traités par l'amplificateur logarithmique (9) sont recueillis de façon alternée via la dite commutation synchrone sur un circuit capacitif (15) à branches opposées (15a, 15b) à l'entrée de l'étage d'amplificateur différentiel terminal (11), pour être repris et traités par ce dernier.
9. Procédé de mesure selon l'une des revendications 7, 8, caractérisé en ce que ladite commutation double synchrone (13) est commandée par un générateur d'impulsions à signal carré (19).
10. Sonde utilisée pour la mesure de la hauteur des liquides, notamment des hydrocarbures dans les réservoirs, caractérisée en ce qu'elle est constituée par l'ensemble d'une ligne haute fréquence à extrémité ouverte (1) baignant dans le liquide sur la hauteur à mesurer, et d'un circuit (3) à pont de mesure (7) et étages d'amplificateur logarithmique (9) et différentiel (11) du signal d'impédance de ligne traité.
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