專利名稱：測量流體密度的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體密度的測量。更具體地，描述了一種準確計量由在管狀波導(dǎo)內(nèi)適當(dāng)設(shè)計的障礙物回波的電磁信號的速度的方法和裝置。本發(fā)明的目的在于獲得存儲在容器內(nèi)的液體的密度。所述容器可以是船舶上的液化氣貨艙。然而容器的類型或液體的種類與本發(fā)明無關(guān)。
背景技術(shù)：
電磁波例如微波已經(jīng)用于液體存儲容器內(nèi)的準確液位測量很多年。液位計儀器放置在容器的頂部用于測量被液體表面回波的電磁信號的飛行時間。所述飛行時間通過乘以電磁波的傳播速度而轉(zhuǎn)換為距離，并且所述距離被從罐高度減去以產(chǎn)生液位讀數(shù)。自由空間信號傳輸(例如雷達)和導(dǎo)波傳播(例如金屬管)都可以用于計量存儲在容器內(nèi)的液體的液位。一般認為，飛行時間可以通過利用大信號帶寬來相當(dāng)準確地測量，其進而意味著準確的液位讀數(shù)依賴于電磁波的傳播速度的準確認識。在許多情況下后者非常接近標準大氣壓中的光速，雖然氣體狀態(tài)和蒸汽組成可能會影響速度。然而在管狀波導(dǎo)中，有限的截面尺寸阻礙傳播速度(例如信息速度)，其因此必須被解決以便產(chǎn)生準確的液位讀數(shù)。雷達類型液位計儀器利用在存儲在容器內(nèi)的液體的表面處產(chǎn)生的回波。然而，在向液體存儲容器下部的路徑上電磁信號所遇到的障礙物也將產(chǎn)生將由液位計儀器檢測為回波的反向散射。對于兩種類型的回波的飛行時間可以由液位計儀器準確地測量。如果現(xiàn)在參考的障礙物定位在離液位計儀器已知的(固定的)距離處，則與所述回波相關(guān)聯(lián)的回波飛行時間是被檢測回波信號的傳播速度的合格的間接測量。速度的這種間接測量進而將允許液位計儀器產(chǎn)生與由液體產(chǎn)生的回波相關(guān)聯(lián)的范圍的可靠且準確的測量，其隨后允許儀器產(chǎn)生關(guān)于容器內(nèi)液位的正確且可靠的讀數(shù)。根據(jù)這個方案，顯然通過允許液位計儀器監(jiān)測由以已知間隔分布在存儲容器下部的一系列固定障礙物產(chǎn)生的回波，甚至能夠測量容器下部的傳播速度的變化，從而允許儀器產(chǎn)生液位的更加準確且可靠的讀數(shù)。使用電磁波從特定目標(例如液體表面或障礙物)產(chǎn)生回波的領(lǐng)域的技術(shù)人員總體上認識到，必須滿足所述目標的某些質(zhì)量特征以便產(chǎn)生回波的準確且可靠的飛行時間測量。一種這樣的質(zhì)量特征是目標的反射率，其說明將要被液位計儀器檢測的目標射回的能量的數(shù)量。另一個重要質(zhì)量特征是目標產(chǎn)生關(guān)于飛行時間明確的回波的能力。例如，產(chǎn)生分布在沿著電磁信號傳播路徑的短但有限的距離上的回波的目標將使液位計儀器的回波飛行時間測量具有由所述目標產(chǎn)生的回波的所述分布限定的有限的精度。平靜的液體表面可以用作目標的示例，其將產(chǎn)生在飛行時間方面明確的回波，而波動的液體表面可以示范將產(chǎn)生在飛行時間方面包含不明確的回波的目標。根據(jù)上述通過引入障礙物以便允許液位計儀器監(jiān)測電磁信號的傳播速度的推理， 顯然準確的液位計量僅在所述障礙物產(chǎn)生與液體自身要求的質(zhì)量相同的回波時可以獲得。 這個觀察適用于反射率和飛行時間明確性兩者?？傊@意味著一方面由目前的液位計類型獲得的測距精度依賴于相當(dāng)平靜的液體表面，并且另一方面引入來允許速度測量的障礙物必須設(shè)計為產(chǎn)生清晰且明確的回波。對于管狀導(dǎo)管(波導(dǎo))中的電磁波傳播領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，公知的是波傳播可以得到一系列不同且獨特的傳播波型的幫助。每個具體波型由特定波型圖樣關(guān)于電場和磁場而特征化，其完全由導(dǎo)管截面的特定形狀限定。此外，每個波型允許由某種波型攜帶的電磁能量以特定速度傳播，其與電磁波的頻率非常密切地關(guān)聯(lián)。熟悉相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員總體上認識到，每個波型要求波頻超過某個較低限度(截止頻率)以便允許傳播特定波型，并且這個較低限度與導(dǎo)管的截面尺寸成反比。作為示例，一英寸圓形導(dǎo)管將僅允許一種波型來幫助電磁波以10 GHz的工作頻率傳播，而圓形8英寸導(dǎo)管將允許大約115種特定波型來幫助電磁能量以相同的工作頻率在導(dǎo)管內(nèi)不受阻礙地傳播。然而，如上述提及的，每個波型具有一般不同于其他波型的獨特的傳播速度，其意味著由電磁信號攜帶的能量(信息)在若干個不同波型的幫助下傳輸通過導(dǎo)管時將被及時分散，其進而將使電磁波信號關(guān)于液位計量應(yīng)用中的飛行時間方面不明確。這個觀察要求關(guān)于用于在電磁信號傳播的幫助下計量液位的導(dǎo)管的兩個選項的其中一個。最明顯的選擇可能會是僅允許一個波型傳播的相對較窄的導(dǎo)管。這種選擇由于所有的能量都將以明確的速度傳播，因此消除了關(guān)于飛行時間的不明確性。但是另一方面，較大導(dǎo)管截面允許信號傳播的截止頻率的下降，這也意味著會使所應(yīng)用的波型對于臨時或永久的截面及管壁變化相當(dāng)?shù)剌^不敏感，而這些變化通常影響波型傳播速度。這個選項需要激勵并維持傳播波型的合理純度的方法和部件，以便允許能量以盡可能低的速度模糊性傳播。然而，兩個選項由相同的基本物理定律指導(dǎo)，并且沒有理論和實踐的原因來考慮兩個選項的其中一個不適于液位計量。由于明顯的原因，管狀導(dǎo)管必須被通風(fēng)以便當(dāng)容器內(nèi)的液位變化時允許液體不受阻礙地在導(dǎo)管內(nèi)上升和下降。因此導(dǎo)管本身以規(guī)律的間隔穿設(shè)有認真設(shè)計的通風(fēng)狹縫或通風(fēng)孔，其沿著導(dǎo)管以使在導(dǎo)管內(nèi)傳播的電磁波不受影響的方式對齊。未對齊會導(dǎo)致信號放射到導(dǎo)管外，這意味著信號能量的凈損失。未對齊也會導(dǎo)致少量信號能量射回液位計，從而產(chǎn)生不期望的回波。然而未對齊產(chǎn)生的最重要的影響是狹縫和孔將液位計本身產(chǎn)生的電磁波的能量轉(zhuǎn)換為其他類型的傳播波型的能力。管狀導(dǎo)管內(nèi)電磁波傳播領(lǐng)域的技術(shù)人員容易認識到的是，嚴重的波型轉(zhuǎn)換可能會使雷達液位計在進行液體的準確液位計量方面是沒有幫助的。因此，總之通風(fēng)狹縫和通風(fēng)孔的對齊是至關(guān)重要的問題。然而通常并且概括地講， 波型轉(zhuǎn)換是容易由導(dǎo)管內(nèi)的任何類型的瑕疵來促進的，其進而抑制安裝或刻設(shè)在管狀波導(dǎo)內(nèi)以允許液位計儀器測量電磁波的傳播速度的障礙物部件的設(shè)計自由度。從上述推理和觀察得出，導(dǎo)管內(nèi)的任何障礙物必須被設(shè)計成使得液體能夠在導(dǎo)管內(nèi)不受阻礙地上升和下降，并且波型轉(zhuǎn)換不應(yīng)當(dāng)破壞工作的回波信號的質(zhì)量。Kongsberg Maritime AS已經(jīng)生產(chǎn)、出售、銷售、安裝和維護液位計儀器AutroCAL 超過了十年，基于在上述給出的背景描述中概括的概念性思想，尤其承載液化氣產(chǎn)品的船舶，并且已經(jīng)積累了多年關(guān)于液化氣產(chǎn)品的特定特征的相當(dāng)多的經(jīng)驗。在最近這些年已經(jīng)變得清晰的是，一種這樣的特征即雷達信號在液體中的傳播速度，具有提供測量液體密度的實用的解決方案的潛能。在相關(guān)市場收集的信息清晰地表明關(guān)于存儲在船舶上的液化天然氣的密度的可靠信息對這些船舶的操作是有價值的輸入。使用電磁信號在液體中的信息速度來計算所述液體的密度的概念性思想被認為是新穎的。


為了使本發(fā)明更容易理解，下面的描述將參考附圖。圖1表示具有本發(fā)明障礙物部件的液體存儲容器。圖2表示實現(xiàn)所述障礙物部件的一種方式的示例。圖3表示實際的回波圖。
具體實施例方式下面，將通過描述實施例的示例并且通過參考附圖更詳細地描述本發(fā)明。圖1示出了液體存儲容器1。從容器頂部向下到底部安裝有豎直延伸的管狀導(dǎo)管 2。假設(shè)所述導(dǎo)管在整個長度上具有均勻的截面形狀，雖然形狀的逐漸且平滑的變化關(guān)于導(dǎo)管的總體應(yīng)用來說僅產(chǎn)生很小的局限性。安裝在導(dǎo)管頂部的液位計儀器3以這樣的方式工作，它產(chǎn)生和發(fā)射電磁波信號進入導(dǎo)管中，并且同時收集和檢測在導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生的電磁信號的回波。在導(dǎo)管內(nèi)安裝有若干個障礙物部件4，方便起見也稱為標識4，其中一些在存儲容器的通常工作情況下浸沒到液體5中，同時另一些暴露在液體上方的蒸汽環(huán)境6中。每個標識4安裝在沿著導(dǎo)管的從液位計參考高度7測量的固定且已知的位置處。一般來說，上述的液體和蒸汽不保持在相同的溫度，這些溫度甚至可能會很不同于通常的室溫。從這個觀察應(yīng)該清楚，導(dǎo)管上的熱效應(yīng)將改變從液位計參考高度7到每個標識4測量的長度，其因此必須被校準以便允許液位計儀器產(chǎn)生最可靠且準確的液位讀數(shù)。然而這種熱長度校準不考慮為本發(fā)明的部分，從而剩余的描述不予考慮。通常，由電磁波攜帶的能量的僅小部分將射回來產(chǎn)生來自液體表面8的可檢測回波，意味著大多數(shù)能量將穿過表面8并且傳播到液體5中。當(dāng)能量由入射電磁波攜帶時，標識4將射回相似小部分的能量，從而允許由電磁波攜帶的大多數(shù)能量穿過障礙物4，并且在導(dǎo)管中進一步向下傳播。由液位計儀器3檢測到的回波信號將因此包含關(guān)于每個標識4的信息，除了包括來自液體表面8的那個標識，還包括暴露在液體上方的那些標識以及浸沒液體中的那些標識。在導(dǎo)管下部由障礙物4或液體表面8產(chǎn)生并且向上傳播的回波信號將產(chǎn)生其他回波，其將向下投射。這種二次且向下指向的回波信號累加到主向下信號，并且將產(chǎn)生將由液位計儀器3檢測的附加的延時回波。雖然這種延時回波由于測量方案是不可避免的，但是它們攜帶極少量的能量。這個觀察表明在導(dǎo)管內(nèi)產(chǎn)生的延時回波可以不認為是測量方案的不利特征。然而僅是在標識4的反射率保持為盡可能低時，這才是真實的結(jié)論，但仍然不損害對回波信號限定的信噪比要求以便保持液位計量精度。當(dāng)用液位計記錄時，假設(shè)液位計儀器3能夠測量在管狀導(dǎo)管內(nèi)射回的若干回波的飛行時間。只是由于電磁波在汽-液界面處經(jīng)歷的介電性能的突然改變，因此在限制在管狀導(dǎo)管內(nèi)的液體的表面8處產(chǎn)生了一個這樣的回波。由于導(dǎo)管內(nèi)的均勻水平的液體表面， 因此該回波在飛行時間方面將是非常清晰且明確的。除了液體回波，障礙物部件4當(dāng)安裝在導(dǎo)管下部的固定位置時將產(chǎn)生附加的回波。為了允許液位計儀器以所需的精度測量電磁波的傳播速度，由標識4射回的每個回波將滿足與液體目標相似的回波質(zhì)量標準。該要求致力于由障礙物部件4滿足的至少四個質(zhì)量特征。首先，標識4的反射率必須足以產(chǎn)生大大超過由液位計儀器規(guī)定的測距精度所限定的信噪比限制的回波。第二，由障礙物4射回的信號應(yīng)該產(chǎn)生在飛行時間方面明確的回波。第三，障礙物部件4不應(yīng)該將能量轉(zhuǎn)換為導(dǎo)管內(nèi)的電磁波傳播的不期望的波型。并且第四，障礙物4應(yīng)該允許液體不受阻礙地在所述導(dǎo)管內(nèi)上升和下降。用于波型激勵的部件被認為超過了本發(fā)明的范圍，因為一系列的實用方法和技術(shù)是在相關(guān)教科書中容易得到的。然而維持波型純凈度方面被認為是本發(fā)明的核心問題。為了在電磁波在管狀導(dǎo)管內(nèi)傳播時維持波型純凈度，一方面必須處理關(guān)于波型圖樣的一系列因子，另一方面必須處理受管壁特性影響的邊界條件和限制。例如，必須仔細地使波型圖樣適于通風(fēng)狹縫或通風(fēng)孔，并且還必須選擇成容易處理光滑沉積物、冷凝液體、或管壁的腐蝕性演變物。然而在這種情況下最重要的是，標識4不應(yīng)該允許發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，而是維持波型純凈度。圖2描繪了一種實現(xiàn)障礙物部件4的方式的示例。圖加表示俯視圖，而圖2b表示側(cè)視圖。當(dāng)從俯視圖觀察時，標識4在這個設(shè)計示意圖中是圓形的，其表明應(yīng)用在具有圓形對稱截面形狀的管狀導(dǎo)管中。然而，這只是一個示例，不是關(guān)于本發(fā)明適用性的限制。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道截面可以呈現(xiàn)任何的形狀。然而關(guān)于圖2b的側(cè)視圖，設(shè)計示意圖表明標識4在管狀導(dǎo)管的整個截面上具有均勻的厚度11。這個特性確實是重要的，但是這個特性最典型地適用于較大導(dǎo)管截面。如還可從圖2見到的，障礙物部件4穿設(shè)有孔9，在這個具體示例中，圓形孔以六邊形的圖案分布，這允許蒸汽和液體不受阻礙地穿過障礙物4。一方面圖案及另一方面在標識4中穿設(shè)的孔的相對大小和密度應(yīng)該確保作為傳播通過管狀導(dǎo)管的電磁波的反向散射和傳輸?shù)慕Y(jié)果波型轉(zhuǎn)換不是即將發(fā)生的。此外，材料10的特有屬性以及板厚11都增加必要的設(shè)計自由度，以實現(xiàn)如根據(jù)計劃的速度測量應(yīng)用所規(guī)定的要求而限定的標識4的凈反射率。如圖2所示的障礙物部件4的設(shè)計只是一個示例。然而材料去除部9可以顯著地變化。關(guān)于電磁波傳播，適用的僅有限制是允許蒸汽和液體不受阻礙地通過以及不發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。第一個限制是對如穿孔9所示的材料去除部的要求。波型轉(zhuǎn)換通過以下述方式仔細地設(shè)計材料去除部9的圖案來防止應(yīng)用來幫助電磁波傳播的波型將碰到在管狀導(dǎo)管的截面平面內(nèi)的實質(zhì)上均勻的障礙物4。在本文中，實質(zhì)上均勻意味著管狀導(dǎo)管內(nèi)的電磁波傳播的所有許可波型應(yīng)該經(jīng)歷由標識4限制的電屬性，其在較大程度上是沿著所有橫向方向相等的。由如圖2所示的材料去除部9引入的不可避免的較小程度的非均勻性將一定允許傳播的非許可波型產(chǎn)生。然而，非許可波型是易損耗的并且將在離障礙物4的短距離內(nèi)迅速消失。對于相關(guān)理論和技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然易損耗的波型收集和存儲障礙物部件4的附近的無功能量。然而通過對應(yīng)用于材料去除部9的幾何圖案的精巧和細心設(shè)計，能夠?qū)⑦@種能量存儲最小化，以便確保標識4的操作意圖不會被破壞或惡化。材料10是標識4的重要部分。雖然最明顯的選擇是固體介電材料，但是這個選擇被最正確地認為是實用和方便的選擇。具有磁性、或傳導(dǎo)性能、或甚至所有相關(guān)電性能的組合的固體材料都是可應(yīng)用的。適用的僅有重要限制是選擇的材料應(yīng)該忍耐所有關(guān)于液體存儲容器1的操作可應(yīng)用的環(huán)境情況。在許多情況下蒸汽和液體的化學(xué)性質(zhì)將限制材料的選擇，其通常使得僅很少的一些塑料和陶瓷作為普遍可應(yīng)用的可選物。下面將描述液位計的操作特性。一般對于任何類型的測距儀來說，距離讀數(shù)可以通過兩個分離且獨立的因子來計算出。這些因子之一關(guān)注測距儀的參考點，其在本示例中相應(yīng)于參考高度7，而另一個因子關(guān)注測距儀的標度因子。對于假設(shè)能夠非常準確地測量任何有效回波的飛行時間的本發(fā)明的類型的液位計儀器3，測距儀標度因子直接由利用的電磁波信號的傳播速度s給出。從這個觀察可知，顯然對于液體回波相對于參考高度7測量的測量距離R，可以根據(jù)線性方程表
(1)在這個方程中，θ和Q1表示由測距儀3測量的回波飛行時間，前者關(guān)于液體表面8， 而后者關(guān)于暴露在液體表面8上方的一個參考標識4。R1表示液位計參考高度7與作為參考選擇的標識4之間的已知距離。當(dāng)相同的線性方程應(yīng)用于任何一對回波時，由此得出通過對暴露在蒸汽環(huán)境6中的兩個障礙物部件4測量回波飛行時間，傳播速度s是可以容易得到的。
R1和Rtl表示液位計參考高度7與液體上方的兩個障礙物部件4之間的已知距離，并且 θ i和θ ^表示由所述障礙物部件4產(chǎn)生的回波的測量飛行時間。
權(quán)利要求
1.一種利用電磁波信號準確測量存儲在容器(1)內(nèi)的液體的液體密度的方法，包括發(fā)射和收集所述電磁信號在管狀導(dǎo)管(2)內(nèi)的能量的液位計儀器(3)，所述管狀導(dǎo)管(2)可以呈現(xiàn)任何截面形狀，其從所述液體存儲容器(1)的頂部豎直向下延伸到底部從而部分地浸入液體(5)中，并且裝備有通風(fēng)狹縫或孔以便允許液體不受阻礙地在所述導(dǎo)管內(nèi)上升和下降，其中也在距離液位計參考高度(7)已知的距離的固定位置處安裝有若干個標識(4)，其特征在于使所述液位計儀器(3)監(jiān)測由液體表面(8)和標識(4)反向散射的所述電磁信號的若干個回波；使所述液位計儀器(3)通過利用所述標識(4)產(chǎn)生的回波所承載的飛行時間信息來計算在管狀波導(dǎo)(2)中傳播的電磁信號的傳播速度，并且在于使由所述液體(5)限制的傳播速度由所述液位計儀器(3)使用以產(chǎn)生存儲在所述存儲容器(1)內(nèi)的所述液體(5)的密度的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求(1)所述的方法，其特征在于使所述液位計儀器(3 )利用來自連續(xù)的成對障礙物部件(4)的回波，使所述液位計儀器(3)測量電磁信號在管狀導(dǎo)管(2)上下路徑上的傳播速度的變化，使所述液位計儀器(3)使用液體(5)中的傳播速度的變化以監(jiān)測所述容器(1)下部的液體密度的分布。
3.一種利用電磁波準確測量液體密度的裝置，包括發(fā)射和收集所述電磁信號在管狀導(dǎo)管(2)內(nèi)的能量的液位計儀器(3)，所述管狀導(dǎo)管(2)從液體存儲容器(1)的頂部豎直向下延伸到底部從而部分地浸入液體(5)中，并且裝備有通風(fēng)狹縫或孔以便允許液體不受阻礙地在所述導(dǎo)管內(nèi)上升或下降，其中也在距離液位計參考高度(7)已知的距離的固定位置處安裝有若干個障礙物部件(4)，其特征在于所述障礙物部件(4)被布置成允許液位(8)不受阻礙地上升和下降，同時仍然保持既不退出也不維持管狀導(dǎo)管(2)內(nèi)的電磁波傳播的不期望的波型的特征；所述障礙物部件(4)被制造成產(chǎn)生在管狀導(dǎo)管(2)中傳播的電磁信號的清晰明確的回波；以及用浸沒在液體(5)中的標識(4)限制的回波的信號強度通過材料(10)的適當(dāng)選擇以允許所述儀器以要求的10_4的精度在60米的飛行時間距離內(nèi)測量回波飛行時間，從而適于液位計儀器(3)的固有噪聲電平。
全文摘要
本發(fā)明涉及測量流體密度的方法和裝置，具體公開了用于準確地測量被管狀波導(dǎo)內(nèi)適當(dāng)設(shè)計的障礙物回波的電磁信號的速度的方法和裝置。本發(fā)明的主要目的在于計量存儲在容器內(nèi)的液體的密度。所述容器可以是船舶上的液化氣貨艙。然而容器的類型或液體的種類與本發(fā)明的思想無關(guān)。
文檔編號G01N9/24GK102235961SQ201110089558
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者詹森 O. 申請人:康斯博海運公司