SE466519B - Anordning foer maetning av nivaan av ett i en behaallare befintligt fluidum - Google Patents

Description

466 519 varierar betydligt för olika fluider som kolväteprodukter, från praktiskt taget noll till atmosfärstryck och däröver. Om behål- laren å andra sidan tömmas, strömmar luft från atmosfären in och blandar sig med kolvätegasen, så att en blandning av kol- vätegas och luft uppstår. I samband med tömningen kommer luftens partialtryck att vara relativt högt, men om behållaren får stå orörd, kommer mer kolväte att avdunsta från ytan och kolväte- partialtrycket ökar. Det är uppenbart, att mikrovågshastigheten kommer att vara olika beroende på kolvätepartialtrycket, vilket i sin tur innebär, att mätresultatet kommer att uppvisa motsva- rande avvikelser från korrekta värden för nivåmätningen.

Det har länge förekommit ett behov av en enkel möjlighet till korrektion av de mätvärden som erhålles med en anordning av det inledningsvis nämnda slaget med hänsyn till rådande tillstånd i den nämnda gasen, utan att någon sådan anordning har anvisats. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en enkel och tillförlitlig anordning av det inledningsvis nämnda slaget, vilket medger korrektion av det därmed erhållna nivåmätningsresul- tatet.

Enligt uppfinningen utmärkas en sådan anordning av ett första organ för mätning av ljudhastigheten i den nämnda gasen och ett andra organ för korrektion av det nämnda första avståndet till ett andra avstånd med hänsyn till mikrovågshastigheten i gasen ifråga medelst en känd relation mellan ljudhastigheten och mikro- vågshastigheten.

Relationen mellan ljudhastigheten och mikrovågshastigheten är känd för ett stort antal gaser och gasblandningar. Storleksmässigt kan man säga, att ljudhastigheten i en blandning av kolvätegas och luft påverkas ca 500 gånger mer av kolvätets partialtryck, dvs andel av gasblandningen, än mikrovågshastigheten. Detta inne- bär, att man kan korrigera en nivåmätning gjord över ett fluidum över vilken står en gas med visst partialtryck av en gas mot- §\ 466 519 svarande fluidet med mycket stor precision genom att mäta ljud- hastigheten i gasen i fråga.

Ljudhastigheten respektive mikrovågshastigheten i gaser och gas- blandningar kan beskrivas med mer eller mindre omfattande formler, allt efter behovet av precision. Vad avser den relation mellan ljudhastigheten och mikrovågshastigheten som nämndes ovan torde kravet på precision vara relativt måttligt, varför närmeformler kan användas.

Mikrovågshastigheten vm kan uttryckas som vm = c/ /ur.er där c = mikrovågshastigheten i vakuum g pr : relativ permeabilitetskonstant för transmissionsmediet er = relativ dielektricitetskonstant för transmissionsmediet ur kan för de gaser det här är fråga om sättas till 1, varför man endast behöver ta hänsyn till den relativa dielektricitets- konstantens variation med gassammansättningen.

För en gas kan er beräknas ur sambandet: (er-4/er+2) = p- R/M där p = gasens täthet R M molär refraktion molekylvikt R kan beräknas genom addition av vissa data för atomer och bind- ningar i en molekyl. För en gasblandning kan motsvarande beräk- ningar utföras. R kan approximeras till att vara proportionell mot molekylvikten om man begränsar sig till kolväten. er -1 kan anses vara proportionell mot gasens täthet så länge er är nära 1, vilket alltid är fallet för gaser nära atmosfärstryck (max 1,01). 466 519 För kolväten kan som medelvärde sättas 0,0011 per 1 kg/m3. Ûm hänsyn tages till den undanträngda luften kan man räkna med att mikrovågshastigheten minskar med 400 ppm (miljondelar) per kg/m3, nästan oberoende av vilken kolvätegas det gäller. Det angivna talet är oberoende av temperaturen inom ett intervall kring 00, men däremot kommer naturligtvis en stigande temperatur att med- föra ökat partialtryck av kolvätegas ovanför fluidets yta. Vissa gaser, såsom vatten, ammoniak etc uppvisar ett permanent dipol- moment vilket påverkar R i sambandet ovan.

För ljudhastigheten i en gas v1 gäller: där specifikt värme vid konstant tryck specifikt värme vid konstant volym tryck täthet 'DU FJCÜ II Il Tätheten för luft vid 200 är ca 1,3 kg/m3 medan den är 3 - 3,5 kg/m3 för kolvätegas av det aktuella slaget. Cp/CV för luft är 1,40 och för kolvätegas 1,15.

För gasblandningar gäller ett samband för v1 som är en modifika- tion av ovanstående formel.

Speciellt om kolvätegasens partialtryck är lågt ökar inverterade ljudhastigheten, dvs löptiden, tillnärmelsevis linjärt med kol- vätetätheten. Som exempel kan nämnas, att ett kolvätepartialtryck motsvarande kolvätetätheten 1 kg/m3 ger en löptidsökníng av 20 % jämfört med löptiden i luft medan motsvarande siffra för mikro- vågens löptid ör 0,04 % ökning. För höga kolvätepartialtryck blir ökningen i ljudvågens löptid inte linjärt beroende av tät- heten, men ändå en funktion av denna.

Eg' '\ '466 sis I praktiken förekommer det ofta vid nivåmätning i t ex tankar med petroleumprodukter, att gasens täthet varierar utmed mät- sträckan för ljudsignalen och mikrovågssignalen. Approxímativt kan man då räkna med, vad gäller ljudsignalen, att ljudets löptíd står i proportion till medelvärdet av kvadratroten ur tätheten, medan vad gäller mikrovågssignalen löptiden är pro- portionell mot tätheten under förutsättning att relativa di- elektricitetskonstanten är nära 1, vilket gäller i de aktuella fallen.

En analys av några praktiska fall med ett par tiotals procent löptidsökning för ljudvågen visar att felet begräffande mikro- vågens löptidsökning begränsas till ett par procent av ökningen, som totalt uppgår till ca 0,01 - 0,1 % i de aktuella fallen, vilket är väl acceptabelt med tanke på den avsedda korrektio- nen vid nivåmätning.

I en lämplig utföringsform av anordníngen enligt uppfinningen är det nämnda första organet inrättat att utsända en ljudsignal parallellt med den nämnda mikrovågssignalen mot fluidets yta, och är inrättat att emottaga den mot den nämnda ytan reflekterade ljudsignalen. På detta sätt kommer såväl ljudsignal som mikrovågs- signal att passera gas, dvs transmissionsmedium med samma samman- sättning, eventuellt uppvisande en täthetsgradient.

Det är fördelaktigt att kombinera det första organet och sändaren för en mikrovågssignal till en enhet, företrädesvis inrättad att utsända ljudsignalen och mikrovågssignalen väsentligen samma väg. Konstruktivt kan man realisera denna princip genom att låta den nämnda enheten innefatta ett horn, inrättat att ge riktverkan åt såväl ljudsignalen som mikrovågssignalen.

I en alternativ utformning av anordníngen enligt uppfinningen utformas det första organet för mätning av ljudhastigheten med en andra sändare och en andra mottagare, båda företrädesvis placerade i behållarens översta del. Fördelen med detta utförande 466 519 är en enkel konstruktion, men nackdelen är, att ljudsignalen går en annan väg än mikrovågssignalen. Endast under förutsättning att gasen över fluidet kan anses vara homogen och utan täthets- gradient kan mätningen av ljudhastigheten användas direkt för korektion av mikrovågssignalens löptid.

För att möjliggöra användning av den just beskrivna alternativa utformningen av anordningen enligt uppfinningen även i de fall då gasen uppvisar en gradient, utrustas anordningen lämpligen med ett tredje organ, utgörande en dator, innefattande en minnes- enhet för lagring av ett första mätvärde på ljudhastigheten för en relativt hög nivå av fluidet i behållaren, vidare inne- fattande en beräkningsenhet för beräkning av ljudhastigheten i en gas uppvisande täthetsgradient, utgående från det första lagrade mätvärdet och ett aktuellt uppmätt andra mätvärde för ljudhastigheten motsvarande en relativt lägre nivå av fluidet i behållaren, samt från en i datorn lagrad algoritm, beskrivande en sannolik täthetsgradient i gasen.

Anordningen enligt uppfinningen kan vara utformad på ett flertal sätt, utöver dem som just nämnts. Så kan anordningen innefatta ett vertikalt rör, genom vilket mikrovågssignalen och eventuellt även ljudsignalen ledes mot fluidets reflekterande yta. Röret måste givetvis vara försett med ett antal öppningar utefter sin längdutsträckning för att fluidet skall inta samma nivå med sin yta såväl inom som utom röret.

Anordningen skall nu beskrivas närmare, med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka figur 1 visar schematiskt ett vertikalsnitt genom en anordning enligt uppfinningen i en första utföringsform, figur 2 visar på samma sätt en andra utföringsform av anord- ningen, av 466 519 figur 3 - 5 visar olika detaljutföranden av anordningen enligt figur 2, figur 6 visar schematiskt ett vertikalsnitt genom en alternativ utföringsform av anordningen enligt uppfinningen, och figur 7 visar ett diagram över gastätheten som funktion av avståndet, från ett organ för mätning av ljudhastigheten enligt figur 6, till fluidets yta.

I figur 1 betecknar 1 en behållare, innehållande ett fluidum, såsom en petroleumprodukt 2, med ytan 3. I behållarens tak 4 är i en stuts 5 placerade en sändare och mottagare 6 för utsändning och emottagning av en mikrovågssígnal, exempelvis med Å = 3,0 cm motsvarande X-bandet inom radarfrekvensområdet.

En elektronikenhet 7 innehåller bl a utrustning till att ur en utsänd och mot ytan 3 reflekterad mikrovågssignals löptid beräkna ett första avstånd till fluidets yta 3. I en annan stuts 8 i behållarens tak är ett första organ 9 för utsändning och emottagning av en mot fluidets yta 3 utsänd och reflekterad ljudsignal placerat. Om nu behållarens 1 utrymme mellan ytan 3 och sändaren/mottagaren 6 respektive organet 9 är fyllt med en kolvätegas med ett visst partialtryck, dvs täthet, kommer mikrovågshastigheten genom transmissionsmediet, dvs gasen, att bli något lägre än om transmissionsmediet hade varit luft.

I figur 1 betecknas det korrekta avståndet med L och det av M = L + dM där dM är ett mått på felmätningen. Det av organet 9 med hjälp elektronikenheten 7 beräknade avståndet med L av en ljudsignal uppmätta avståndet till ytan 3 är LL = L + dL där dL är ett mått på den ökning av avståndet från det kor- rekta avståndet L som beror på att ljudhastigheten i kolvätegasen :k-d är lägre än i luft. Med kännedom om relationen dL 1 M erhålles så L = LM - (LL-LM)/(k1-1) 466 519 eller då 1<1>>1 L = LM - (LL-LM)/|<1 Denna korrektion utföres av ett icke särskilt visat andra organ, ingående i elektronikenheten 7.

Sändaren för mikrovågssignal 6 och organet för utsändning av en ljudsignal är i detta fall placerade på samma höjd över fluidets nivå vilket naturligtvis ej är nödvändigt, eftersom behövliga omräkningar med hänsyn till olika höjd över fluidets nivå lätt kan utföras av det nämnda andra organet. Det bör dock observeras, att det är en fördel, om ljudvågorna och mikro- vågorna går väsentligen lika lång väg genom gasen ifråga.

I figur 2 visas schematiskt en utföringsform av anordningen enligt uppfinningen, innefattande ett horn 11, vilket leder både mikrovågorna och ljudvågorna att sändas ut och reflekteras väsentligen sammanfallande väg.

Några varianter av utföringsformen enligt figur 2 visas i figu- rerna 3 till 5. Av dessa uppvisar sändaren för mikrovågssignaler en vågledare, fylld med ett dielektrikum 12, en ljudkälla och mottagare för reflekterat ljud 13, med tilledning 14 för ljud- signaler och ett horn med vägg 15.

Varianten i figur 4 innefattar en vågledare för mikrovågor 16 med fyllning av ett dielektrikum. Vågledaren omges av ett metallrör 17. Ett med vågledaren koaxiellt ljudelement 18 av piezoelektrisk eller magnetostriktiv typ omger vågledaren.

Nedanför ljudelementen 18 är en akustisk resonator 19 anordnad.

I dennas nedre del finns en kvartsvågstransformator 20 i form av en ringspalt, vilket hindrar mikrovågorna att utbreda sig den vägen, utan begränsar dem till att utträda från vågledaren.

Väggen i ett horn betecknas med 21. (x 465519 En variant med icke cirkulärsymmetrisk matning av ljudvågorna visas i figur 5a och b. En vågledare 22 för mikrovågor är fylld med dielektrikum och avslutas nedåt med en egg 23, vilken framgår av tvärsnittet enligt markeringen I - I, som visas i figur 5b. En ljudkälla 24 är anordnad på sidan om vågledarens ena vägg 25, vilken begränsar vågledarens kilformade nedre del på ena sidan. Ljudsignalen reflekteras av väggen 25 nedåt, och återkommer efter reflektion mot fluidets yta för att reflek- teras av vågledarens motsatta vägg 26 till en mottagare eller mikrofon 27.

Um vågledaren har enmodsutbredning för både mikrovågor och ljudvågor finns relativt stor frihet att utforma övergången osymmetriskt under bibehållande av modens utbredning.

En alternativ utföringsform av anordningen enligt uppfinningen visas i figur 6. Beteckningarna från figur 1 återkommer för motsvarande delar av anordningen, men ljudmätningen sker medelst en i en hållare 28 anordnad ljudkälla 29, riktad mot en mottagare eller mikrofon 30, även monterad på hållaren 28. Avståndet mellan ljudkällan och mikrofonen kan vara av storleksordningen 0,5 m. Som nämnts är nackdelen med denna utföringsform, att ljudsignalen ej går samma väg som mikrovågssignalen. Detta ger endast en tillfredsställande korrektion av nivåmätningen, om gasen 10 ovanför fluidets yta 3 är homogen, dvs ej uppvisar någon täthetsgradient. Detta är fallet då behållaren fyllts med exempelvis en petroleumprodukt, varvid luften förträngts ur behållaren.

För att göra det möjligt att utföra tillfredsställande kor- rektioner med anordningen enligt figur 6 även i sådana fall, då gasen är heterogen och uppvisar en gradient, kan anordningen kompletteras med ett tredje organ, utgörande en dator innefat- tande ett minne för lagring av ett första mätvärde erhållet då behållaren är mer eller mindre fylld med fluidum såsom en petroleumprodukt. Detta mätvärde utgör då ett maximalt täthets- 466 519 10 värde för gasen ifråga, eftersom man kan räkna med att utrymmet över fluidet är helt fyllt av homogen gas motsvarande fluidet.

Det tredje organet innefattar även en beräkningsenhet, som utgående dels från det första lagrade mätvärdet och dels från ett andra mätvärde motsvarande den just förekommande nivån I av fluidet, motsvarande en betydligt lägre täthet hos gasen _ beroende på inblandning med luft under tömningen av behållaren, och dels med hjälp av en i datorn lagrad algoritm, som beskriver en sannolik täthetsgradient i gasen, beräknar den sannolika. ljudhastigheten i gasen, varigenom en tillnärmelsevis tillfreds- ställande korrektion av den med mikrovågssignalen uppmätta nivån kan utföras.

I figur 7 förklaras mätmetoden med en anordning enligt figur 6 för det fall att gasen i behållaren uppvisar en gradient.

Det visade diagrammet visar schematiskt gasens täthet som funk- tion av avståndet mellan ljudmätarorganet och fluidets yta.

Vid väsentligen fylld behållare, med homogen gas i behållaren uppmätes täthetsvärdet (dvs motsvarande ljudhastighet) A. Då behållaren så tömmas bibehålles till en början detta täthets- värde till en punkt B, då luft, som strömmar in börjar sänka tätheten till ett lägsta värde, vid punkten C. Ûm så behål- laren lämnas utan åtgärd förflyktigas efterhand fluidum, och tätheten mätt på detta relativt stora avstånd till ytan når ett värde D. Man har från tidigare mätningar kännedom om det maximala täthetsvärdet E, som kan tänkas förekomma i behål- laren. Man antar nu, t ex genom mätningar med extra utrust- ning eller med hjälp av teoretiska beräkningar av täthetens beroende av höjden i behållaren, täthetsgradienten D-E, vilken lagras i datorn i form av en algoritm som användes för korrektion på så sätt som angavs ovan.

Antagandet, att gasens täthet varierar exponentiellt med höjden över fluidets yta, ger en enkel algoritm, som vanligen är använd- bar som en acceptabel approximation.

Claims (1)

1. ¿\ CN LH ...x \O H 46 Patentkrav . Anordning för mätning av nivån av ett i en behållare befint- ligt fluidum, över vars yta befinner sig en gas, innefattande en första sändare för utsändning av en mikrovågssignal genom den nämnda gasen mot fluidets yta, en första mottagare för emot- tagning av den mot den nämnda ytan reflekterade mikrovågs- signalen, en elektronikenhet inrättad att ur den utsända och reflekterade mikrovågssignalens löptid beräkna ett första av- stånd från den första sändaren till fluidets yta och därmed dettas nivå i behållaren, k ä n n e t e c k n a d av ett första organ för utsändning och emottagning av en ljudsignal i den nämnda gasen och ett andra organ för korrektion av det nämnda första avståndet till ett andra avstånd med hänsyn till mikrovågshastigheten i gasen ifråga medelst en känd relation mellan ljudhastigheten och mikrovågshastigheten. . Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det nämnda första organet är inrättat att utsända en ljud- signal parallellt med den nämnda mikrovågssignalen mot flui- dets yta, och är inrättat att emotta den mot den nämnda ytan reflekterade ljudsignalen. . Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a d av att det första organet och sändaren för en mikro- vågssignal är kombinerade till en enhet, företrädesvis in- rättad att utsända ljudsignalen och mikrovågssignalen väsent- ligen samma väg. . Anordning enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d av att den nämnda enheten innefattar ett horn, inrättat att ge rikt- verkan åt såväl ljudsignalen som mikrovågssignalen. . Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att det första organet för utsändning och emottagning av en ljudsignal innefattar en andra sändare och en andra mottagare, båda företrädesvis placerade i behållarens översta del. 466 519 m 6. Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e o k n a d av ett tredje organ, utgörande en dator, innefattande en minnes- enhet För lagring av ett första mätvärde på ljudhastigheten För en relativt hög nivå av fluidet i behållaren, vidare inne- fattande en beräkningsenhet För beräkning av ljudhastigheten i en gas uppvisande en täthetsgradient, utgående från det första lagrade mätvärdet och ett aktuellt uppmätt andra mät- värde för ljudhastigheten motsvarande en relativt lägre nivå av Fluidet i behållaren, samt en i datorn lagrad algoritm, beskrivande en sannolik täthetsgradient i gasen.