專利名稱：物料分界面液位檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對存儲容器中物料液面的檢測，更確切地說，本發(fā)明涉及對于不混溶物料例如原油與水之間的一個或多個分界面液位的檢測。
背景技術(shù)：
和發(fā)明概要轉(zhuǎn)讓給本受讓人的美國專利US-4,807,471中公開了用于測量存儲容器中物料液位的一種技術(shù)。一個傳輸線傳感器垂直懸掛在容器內(nèi)，使得當(dāng)物料增高和注入容器中時容器內(nèi)的物料包圍傳感器并與傳感器接觸。一個掃頻發(fā)生器與所說傳輸線傳感器相連，以沿著所說傳感器傳輸自動并且連續(xù)地在一個預(yù)定頻率范圍內(nèi)掃頻的正弦波信號。從容器中物料上表面反射的信號表示沿傳輸線傳感器的電阻抗的不連續(xù)性，該信號與被傳輸?shù)男盘柦Y(jié)合構(gòu)成沿物料以上傳輸線傳感器的一種駐波模式，該駐波模式具有與物料以上傳感器自由長度相關(guān)，從而與物料液面相關(guān)的特定頻率。物料以上，亦即物料液面以上傳感器的自由長度是作為這種駐波模式產(chǎn)生的掃頻范圍中各個頻率之間的間隔的函數(shù)確定的。
雖然公開在該引用專利中的技術(shù)致力于并且解決了在現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，但是仍然需要作進(jìn)一步的改進(jìn)。例如，在引用專利中公開的裝置并不十分適用于檢測不混溶液體之間分界面的液位，因為各個分界面液面會產(chǎn)生多次反射。的確，引用專利中公開的裝置在傳感器下端包括可變阻抗部分，以限定傳感器的特征阻抗，從而抑制從傳感器下端的反射。當(dāng)傳感器被多層不混溶液體包圍時，在每個液體分界面上都會發(fā)生與電阻抗不連續(xù)性相關(guān)的反射，為了正確確定各個液面，必須對所有這些反射信號進(jìn)行分析。此外，信號在各種液體中傳播的速度作為液體介電常數(shù)的函數(shù)變化，使得分析處理更加復(fù)雜。
所以，本發(fā)明的基本目的是提供一種裝置和方法，它們不僅能夠檢測一個容器中不混溶液體之間的分界面，而且能夠分析液體特性，從而能夠確定存儲容器內(nèi)各種不混溶液體分界面的液位。本發(fā)明的其它和更具體的目的是提供具有所述特征的一種裝置和方法，它們可以比較容易地利用其它的現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明用于確定一個容器中不混溶液體液位的裝置包括一個傳輸線傳感器，該傳感器垂直延伸以與容器內(nèi)的液體接觸。一個信號發(fā)生器與傳感器相連，用于沿所說傳感器傳輸一個第一電信號，該信號在一個預(yù)定頻率范圍內(nèi)連續(xù)地掃頻。一個電壓檢測器與所說傳感器相連，用于產(chǎn)生一個第二電信號，該信號是沿所說傳感器，包括在包圍所說傳感器的不混溶液體之間或內(nèi)部的特定分界面的各個電阻抗不連續(xù)位置上傳感器所反射的電能量值的函數(shù)。分析第二電信號的頻譜特性以確定電阻抗沿所說傳感器的空間分布，由此可以確定容器內(nèi)不混溶液體的液位。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過鑒別與沿傳感器的電阻抗變化相關(guān)的頻率變化部分來分析結(jié)合在一起的傳輸和反射信號幅值包絡(luò)線的頻率特性。就是說，鑒別與在不混溶液體之間的分界面處電阻抗的急劇變化相關(guān)的頻譜線，以及確定與其中電阻抗發(fā)生變化的乳濁液層相關(guān)的連續(xù)頻譜的分布?？扇〉氖沁@種頻譜分析在應(yīng)用常規(guī)信號分析技術(shù)，例如富里葉變換分析技術(shù)，的一個數(shù)字信號處理器中進(jìn)行。還分析反射能量信號的量值以確定與各種信號反射相關(guān)的介電常數(shù)的變化，從而確定在各種液體層中信號的傳播速度。結(jié)合頻率組成信息和速度信息可以確定與各種信號反射相關(guān)的物料液位。
附圖簡介從以下的說明、權(quán)利要求和附圖可以更好地理解本發(fā)明以及本發(fā)明其它的目的、特征和優(yōu)點，在所說附圖中

圖1為根據(jù)本發(fā)明一個目前優(yōu)選實施例構(gòu)成的用于確定一個容器中不混溶液體液位的一種裝置的功能框圖；圖2A和圖2B為用于討論本發(fā)明基本原理的曲線說明圖；圖3A和圖3B為用于討論本發(fā)明操作的曲線說明圖。優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述上述美國專利US-4807471中公開的內(nèi)容以引用方式結(jié)合在本申請中作為背景技術(shù)。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個目前優(yōu)選實施例構(gòu)成的用于測量一個存儲容器18中不混溶液體12、14、16液位的一種裝置10。液體12可以是例如原油，而液體16可以是從原油中析出的水，并且沉積在存儲容器的底部。在這個例子中，中間層14包含一種油/水乳濁液，在這種乳濁液中油和水還沒有分開，但是油的濃度從該層的上部到底部連續(xù)下降。一個傳輸線傳感器20懸掛在或者以其它方式安裝在容器18中，以使之在容器內(nèi)垂直延伸，可取的是從上部向底部延伸。傳輸線傳感器20以這樣的方式安裝在容器18內(nèi)，使得當(dāng)液體液面上升和注入容器時，傳感器被各種液體所包圍和接觸?？扇〉氖莻鬏斁€傳感器20如在引用專利中所公開的那樣具有無屏蔽平行線傳感器的結(jié)構(gòu)?；蛘?，傳感器20可以由一個同軸傳輸線傳感器構(gòu)成，以使液體易于進(jìn)入同軸傳感器元件、具有沉積在適合的非導(dǎo)電基質(zhì)上的平行導(dǎo)體的一條帶狀傳輸線、或者其上端圍繞著一個接地發(fā)射板的一條單線傳感器之間的空間。在任何情況下，如在本領(lǐng)域中眾所周知的，傳感器每個部分的電阻抗作為圍繞傳感器該部分的物料的介電特性的函數(shù)變化。
一個掃頻發(fā)生器22以這樣的方式與傳輸線傳感器20相連，以便沿傳感器發(fā)射或傳播一個可變頻率的信號。可取的是，掃頻發(fā)生器22能夠向傳感器20發(fā)射一種周期信號，該信號自動地和連續(xù)地在預(yù)先選定頻率限值之間的一個預(yù)定頻率范圍內(nèi)掃頻。所傳輸?shù)男盘柡蛷碾娮杩共贿B續(xù)處反射的信號從傳感器20復(fù)合在一起傳送至一個電壓檢測器24，該電壓檢測器向一個數(shù)字信號處理器或DSP26提供一個輸出信號，該信號作為傳感器20輸出的信號能量量值的函數(shù)連續(xù)地變化。DSP26還從發(fā)生器22接收表示瞬間傳輸信號頻率的一個信號(或者控制發(fā)生器22的傳輸頻率)，以使復(fù)合的信號幅值與傳輸頻率相關(guān)，如下所述。DSP26向一個適合的顯示器裝置28提供表示容器18內(nèi)各種液體液位、以及其它物料特性如油中水的含量的一個輸出信號。
不混溶液體的乳濁液在適合的條件下分離為組分液體，在容器中形成清楚的多層結(jié)構(gòu)。在乳濁液澄清過程中，不同的液體(例如圖1中的12和16)一般由一乳濁液層(14)分開，在該乳濁液中一種液體以變化的比例包含在另一種液體中。為了確定各種組分液體的數(shù)量，測量并控制發(fā)生這些現(xiàn)象的工業(yè)生產(chǎn)過程，需要檢測不同液體與乳濁液之間的分界面，確定分界面的范圍，和分析乳濁液的成分含量。本發(fā)明對液體表面的垂直位置(即液體/空氣分界面)和不同液體或液體乳濁液之間的一個或多個分界面的位置進(jìn)行自動檢測和連續(xù)地信號傳輸，并分析任一乳濁液層的組分含量。一種典型的應(yīng)用是從原油中分離出乳濁水的處理。
不同的液體可以借助于其介電常數(shù)加以區(qū)分。例如含水液體呈現(xiàn)較高的介電常數(shù)，而油的介電常數(shù)則相當(dāng)?shù)?。所有液體的介電常數(shù)都大大高于自由空間的介電常數(shù)。通常將真空的介電常數(shù)定義為一個單位值；實際上，也可以將空氣，氣體和蒸氣的介電常數(shù)定義為1.0。無屏蔽電傳輸線的高頻阻抗與其周圍介質(zhì)的介電特性有關(guān)。在空氣中，介電常數(shù)為1，傳輸線的阻抗是一個已知的常數(shù)值，通常稱其為特征阻抗Z0。Z0的量值由傳輸線的幾何截面面積確定。當(dāng)所說傳輸線浸入介電常數(shù)為ε的一種液體時，傳輸線阻抗Z減小，并由下式給出Z=Z0/√ε(1)當(dāng)將這樣一條傳輸線垂直設(shè)置在一個容器中時，其阻抗根據(jù)液體表面、和不同的液體和乳濁液層的位置沿傳輸線產(chǎn)生空間上的變化。在一種液體層內(nèi)，阻抗基本不發(fā)生變化，其實際值利用特定液體的介電特性確定。在乳濁液層中，由于液體含量不斷變化，所以阻抗會隨著乳濁液層高度的變化而發(fā)生空間上的變化。在液體發(fā)生解乳濁和分離過程中阻抗還會隨時間變化。在某些條件下，乳濁液消失，而留下多個分離的不同的恒值阻抗區(qū)段。阻抗沿傳輸線20的分布表示了容器中不同液體和乳濁液層12、14、16的垂直位置，和在乳濁液層14中液體含量的垂直分布。
參見圖1，由發(fā)生器22向傳感器20頂部的端子傳輸一個高頻信號，例如正弦波信號。這個信號穿過空氣層30向下行進(jìn)到空氣/液體分界面32。根據(jù)液體12的介電特性，一部分信號能量向上反射，一部分能量透射進(jìn)入液體。這是由于在空氣/液體分界面32阻抗發(fā)生急劇變化而引起的。在液體12中，信號向下行進(jìn)到下一個分界面34，在這里由于兩種不同阻抗區(qū)分界面阻抗的急劇變化，信號能量再次發(fā)生部分反射，剩余部分透射進(jìn)入下一個液體層14。這種現(xiàn)象在其后的各個分界面(36)處重復(fù)發(fā)生。在均勻的液體層中，由于阻抗為常數(shù)，所以不會發(fā)生反射。在乳濁液層14中，阻抗逐漸變化，因此也發(fā)生能量反射分布。到達(dá)傳感器20底端38的能量由于在該點的開路或短路而發(fā)生全反射。
返回傳感器20頂部的能量不再繼續(xù)反射，因為在該處阻抗匹配為Z0。電壓包絡(luò)線檢測器24測量所產(chǎn)生的電壓幅值，其中包含從發(fā)生器22產(chǎn)生的輸入信號、從各個阻抗不連續(xù)點32、34、36、38返回的信號、和在乳濁液層14中產(chǎn)生的具有一定分布的反射信號。在傳輸線阻抗變化和往返時間延遲的作用下，返回信號與輸入信號相比，其幅值和相位都分別發(fā)生了變化。(返回到檢測器中的還包括多路徑信號。但是，由于這些信號路徑總是包含三次或多次反射，它們的幅值是不明顯的，所以可以忽略不計。同樣為了簡單起見，在討論中對于傳輸線衰減和相位失真也忽略不計。)圖2A和圖2B中表示了傳輸信號和從空氣/液體分界面32產(chǎn)生的第一反射信號。用矢量表示，傳輸信號的幅值為VTX，反射信號幅值為ρ32VTX，其中ρ32為該分界面的反射系數(shù)。所檢測到的電壓幅值VDET是VTX與ρ32VTX的矢量和，傳輸矢量與反射矢量之間的夾角β由下式給出β=(2L/λ)2π弧度(2)其中L為從檢測器到分界面32的距離，λ為傳輸?shù)絺鞲衅髦械男盘柕牟ㄩL。如果信號頻率為f，則λ=v0/f (3)其中v0為液體12之上的自由空間30中的傳播速度，是一個已知常數(shù)。將公式(3)代入(2)得到β=4πLf/v0弧度 (4)在一個測量周期內(nèi)，頻率f是變化的，使得β也成正比地變化。從公式(4)可得dβ/df=4πL/v0(5)因為對于給定長度L,dβ/df為常數(shù)，所以對于任何頻率范圍ΔfΔβ=(4πL/v0)Δf(6)從公式(4)可以看出，當(dāng)f在一個較寬的范圍內(nèi)連續(xù)變化時，β以2π的倍數(shù)重復(fù)。從公式(6)，設(shè)定Δβ=2π，可以看出，對于每個2π相位增量所需的頻率偏移Δf2π僅僅與L相關(guān)，從而L=v0/2Δf2π(7)為了確定Δf2π，從圖2B中可以看出，由于f是變化的，則VDET的包絡(luò)線是周期性變化的，并以Δf2π的間隔重復(fù)。因為f是變化的，所以DSP26在多個等頻率增量點對VDET幅值進(jìn)行采樣，所說的頻率增量大大小于Δf2π。然后DSP26應(yīng)用常規(guī)的分析方法，例如富里葉變換分析方法確定包絡(luò)線周期長度，即Δf2π。然后根據(jù)公式(7)求得長度L，對從傳感器頂部至空氣/液體分界面的距離提供連續(xù)的測量結(jié)果。然后通過將該長度L從容器18的總高度中減去確定分界面32的高度，并在顯示器28上顯示出所得結(jié)果。
上述參照圖2A和圖2B進(jìn)行的討論將空氣/液體分界面32作為唯一發(fā)生反射的分界面處理。在如圖1所示的多層結(jié)構(gòu)中，VDET包絡(luò)線是如圖3所示的一個復(fù)雜的復(fù)合波形，其中包含傳輸信號和多個反射信號，在傳輸信號的每次掃頻過程中都生成多個駐波模式。DSP26對這個復(fù)合波形的頻譜特性進(jìn)行分析以獲得和識別每個反射源的頻率變化分量Δf。DSP26由此確定電阻抗沿傳感器20的空間分布。每個阻抗突變的分界面在圖3B所示的頻譜中都產(chǎn)生一條指示不混溶液體之間分界面位置的譜線，例如在圖2B中與空氣/液體分界面32相關(guān)的Δf1和在圖3B中與傳感器20底端38相關(guān)的Δf4。具有連續(xù)分布特性的頻譜部分表示乳濁液層的位置和延伸狀態(tài)，例如圖3B中與分界面34、36相關(guān)的Δf2與Δf3之間，和圖1中層14的連續(xù)變化阻抗。然后可以如以上參照圖2B中簡化曲線圖所述，根據(jù)公式(7)確定每個分界面的深度L。
為了對每個分界面液位L求解方程(7)，必須確定沿傳感器20的相應(yīng)傳播速度。在液體30之上的自由空間中，這個速度值就是在自由空間中的速度v0，這是與容器環(huán)境相關(guān)的一個預(yù)定常數(shù)值。這使得液體表面液位的測量的范圍參數(shù)固定，并且不需要進(jìn)行范圍調(diào)節(jié)或自動補償。在空氣/液體分界面32處的反射系數(shù)ρ32由下式給出ρ32=(1-√ε12)/(1+√ε12)(8)其中ε12是液體層12的介電常數(shù)。ρ32為傳輸信號幅值VTX與從液體表面的回波信號幅值的比值，可由檢測器24的輸出信號確定。重新整理方程(8)可得ε12=[(1-ρ32)/(1+ρ32)]2(9)從而可以確定ε12?，F(xiàn)在就能夠確定層12的范圍參數(shù)了，因為在這種液體中的速度v12可以由下式給出v12=v0/√ε12(10)這樣就能夠自動確定液體頂層的范圍參數(shù)。(在許多應(yīng)用中，并不需要進(jìn)行自動范圍確定，但是可以用于對液體中的已知速度進(jìn)行微調(diào)，因為對于一種特定液體類型來說介電常數(shù)是完全相似的)。
傳輸?shù)降谝灰后w層(最頂層)12的信號幅值為1+ρ12。因為從DSP頻譜中可以獲知ρ12，所以入射到第二層14的信號幅值也是可知的?，F(xiàn)在可以確定第一與第二液體層分界面34的反射系數(shù)，并由此按照與第一層相同的方式確定第二層中的范圍參數(shù)。由于層14是乳濁液，所以反射系數(shù)隨著層高度的變化具有一定分布，因而速度也隨之變化。通過綜合對該層連續(xù)的Δf頻譜的分析結(jié)果，可以確定該層的寬度。通過在傳感器20的底端38形成開路或短路，在這一點總是產(chǎn)生反射。由于這一點是在已知的傳感器實際長度位置，所以可以用對這個位置的電測量結(jié)果驗證所有的物料液位測量結(jié)果。通過分析在乳濁液層14上分布的Δf頻譜，可以確定阻抗分布。從方程(1)，還可以獲知介電特性的分布。如果乳濁液是由分別具有介電常數(shù)ρA和ρB的兩種液體A和B組成的，則表觀體積介電常數(shù)ρAPP可以由下列經(jīng)驗公式獲得ρApp=ρAaρbb(11)其中a和b分別為液體A和B的體積比率。例如，對于由90％體積的油和10％體積的水組成的原油(ρ=2.2)和水(ρ=80)的乳濁液來說ρapp=2.2.980.1=3.15如果水的含量減少到5％，則表觀介電常數(shù)變?yōu)棣補pp=2.2.9680.06=2.63通過確定乳濁液層14的表觀或者體積介電常數(shù)，可以從各種成分的已知的實際介電常數(shù)推算出各種液體的體積比。對于典型的油/水乳濁液，介電常數(shù)較大的差別構(gòu)成了對于水含量的一種靈敏的指示物，成為在控制和使去乳濁處理過程最佳化時不可缺少的一種測量手段。
總而言之，通過將掃頻信號傳輸?shù)綗o屏蔽傳輸線傳感器中和對于在傳感器輸入端檢測的所形成駐波電壓包絡(luò)線進(jìn)行頻譜分析，可以確定在圍繞傳感器的介質(zhì)中介電特性的垂直分布。由于通過介電特性可以區(qū)分不同的液體，所以能夠確定分離液體層的位置和高度。此外可以分析乳濁液的構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.用于確定一個容器(18)中不混溶液體(12,14,16,30)的液位的裝置(10)，該裝置包括在所說容器中垂直延伸以與所說容器內(nèi)液體接觸的一個傳輸線傳感器(20)，與所說傳感器相連、用于沿所說傳感器傳輸在預(yù)定頻率范圍內(nèi)連續(xù)地掃頻的一個第一電信號的發(fā)生器裝置(22)，與所說傳感器相連、用于產(chǎn)生作為傳輸?shù)剿f傳感器和從所說傳感器反射的電信號能量幅值函數(shù)變化的一個第二電信號的電壓檢測器裝置(24)，用于分析所說第二電信號的頻譜特性以確定電阻抗沿所說傳感器的空間分布的裝置(26)，和用于確定作為所說電阻抗沿所說傳感器的空間分布的函數(shù)的、所說容器中多種不混溶液體的液位的裝置(26)。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置(10)，其特征在于所說用于分析所說第二電信號的頻譜特性的裝置(26)包括用于確定與電阻抗沿所說傳感器(20)的變化相關(guān)的頻率變化成分的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置(10)，其特征在于所說用于確定頻率變化成分的裝置包括用于確定與在所說容器內(nèi)不混溶液體之間的分界面電阻抗的急劇變化相關(guān)的譜線的裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置(10)，其特征在于所說用于確定頻率變化成分的裝置還包括用于確定與所說容器中電阻抗發(fā)生變化的乳濁液層相關(guān)的連續(xù)分布頻譜成分的裝置。
5.如在先權(quán)利要求中任一項所述的裝置(10)，其特征在于它還包括響應(yīng)所說第二電信號的幅值、用于確定所說第一信號沿所說傳輸線傳感器在所說容器(18)的各個不混溶液體層(12,14,16，和30)中傳播速度的裝置(26)。
6.確定一個容器(18)中多種不混溶液體(12,14,16，和30)的液位的一種方法，該方法包括以下步驟(a)以這樣的方式將一個傳輸線傳感器(20)設(shè)置在所說容器中，使得當(dāng)所說液體液位上升和注入所說容器時，所說傳感器能夠被所說液體包圍和接觸，(b)沿著所說傳感器傳輸一個頻率連續(xù)變化的周期信號，(c)分析所說傳感器從所說容器中的不混溶液體之間的分界面(32,34,36)反射的電信號能量的頻譜特性，以確定電阻抗沿所說傳感器的空間分布，和(d)作為所說電阻抗沿所說傳感器的空間分布的函數(shù)確定在所說容器中的不混溶液體之間分界面的液位。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所說步驟(c)包括確定與在所說容器(18)中不混溶液體(12,14,16,30)之間的各個分界面(32,34,36)電阻抗的變化相關(guān)的頻率變化成分的步驟。
全文摘要
用于確定一個容器(18)中不混溶液體(12,14,16,30)的液位的裝置(10),該裝置包括:在所說容器中垂直延伸以與所說容器內(nèi)液體接觸的一個傳輸線傳感器(20)。一個發(fā)生器(22)與所說傳感器相連,用于沿所說傳感器傳輸在預(yù)定頻率范圍內(nèi)連續(xù)地掃頻的一個第一電信號。一個電壓檢測器裝置(24)與所說傳感器相連,用于產(chǎn)生作為從所說傳感器沿該傳感器的各個電阻抗不連續(xù)處,包括在包圍所說傳感器的不混溶液體之間和其內(nèi)部的特定分界面(32,34,36)反射的電信號能量幅值函數(shù)的一個第二電信號。分析所說第二電信號的頻譜特性(26)以確定電阻抗沿傳感器的空間分布,由此確定容器內(nèi)不混溶液體的液位。
文檔編號G01F23/26GK1232542SQ97198590
公開日1999年10月20日 申請日期1997年9月17日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月7日
發(fā)明者T·C·庫爾南 申請人:賓迪卡特公司