NO159962B - Fremgangsmaate og anordning for nivaamaaling i en beholder. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til å måle nivået for et flytende materialet som oppbevares i en beholder, ved hjelp av et mikrobølgesignal, som mates fra en sender gjennom en rørformet bølgeleder som strekker seg vertikalt nedover gjennom beholderen, og kommuniserer med denne slik at overflaten av materialet i bølgelederen følger det omgivende materialets nivå, og som reflekteres av overflaten tilbake oppover gjennom bølgelederen og ledes til en mottaker, for etter signalbehandling i en elektronikkenhet å utnyttes til bestemmelse av materialnivået i beholderen. Oppfinnelsen angår også en anordning til utførelse av fremgangsmåten.

Det er mulig å benytte radar til måling av nivået til væsker eller væskelignende materiale som oppbevares i en sisterne, tank eller lignende, slik det f.eks. beskrives i US 4 044 355. Idet radarbølgers hastighet i luft eller andre gasser er meget stabil, kan god nøyaktighet oppnås, og siden radarantennen kan fremstilles av meget holdbare materialer, kan en slik nivåmåler anvendes i miljøer som er svært ekstreme når det gjelder temperatur, kjemisk korosjon og mekaniske påkjenninger. Etter som radarantennen kan monteres i et hull i tankens tak, blir installasjonen enkel, og det blir også enkelt å utføre service og eventuelt utskifting.

En begrensning når det gjelder anvendelse har hittil vært at radarstrålen krever en viss plass mellom eventuelle støttebjelker, leidere, rør eller lignende i tanken. Dersom en rund radarantenne med diameter D benyttes, blir radarstrålens brukbare bredde ca. A/D radianer, men området uten forstyrrelser må, av hensyn til radarstrålens diffuse grenser, være en kjegle med toppvinkel ca. 2 h>/D radianer. A betegner her radarbærbølgens bølgelengde, som eksempelvis kan være 3 cm. Antennediameteren må av forskjellige praktiske grunner holdes innenfor visse grenser, og bærebølgens bølgelengde er i praksis begrenset nedad, ettersom radarsendere og andre komponenter blir dyre og kritiske i forskjellige henseender ved svært høy bærefrekvens. Radarstrålen kan således ikke gjøres vilkårlig smal, og i flere anvendelser er dette ikke heller ønskelig, f.eks. når utrustningen blir anvendt på en tankbåt med varierende trim og slagside. I praktiske tilfeller kan en vinkel på 5-15° angis som et typisk område behov, og dette innebærer at mange tanker ikke tillater at en radarnivåmåler med fri antennestråle kan installeres. Ikke minst gjelder dette sisterner eller tanker med såkalt flytende tak, dvs. et tak som flyter direkte på innholdet.

En metode for å unngå den ovennevnte begrensningen er å lede radarbølgene i en bølgeleder som strekker seg ned i gjennom tanken. Nivåmåling etter denne metoden er prøvd tidligere(se eksempelvis US 4 359 908), men har store praktiske begrensninger pga. at en normal bølgeleder har relativt liten diameter for å passe til radarfrekvenser. De bølgelederedet dreier seg om her, er rektangulær-eller sirkulær-sylindriske rør av metall med dimensjoner som tillater enmodes-transmisjon. For en sirkulær bølgeleder innebærer dette at bølgelengden A> må ligge mellom 1,3 og 1,7 ganger rørets innerdiameter, og for typiske radarfrekvenser blir rørdiameteren da av størrelsesorden noen få centimeter.

Problemer med en slik bølgeleder er følgende:

- Dersom tankens innhold er råolje som er rik på voks, vil røret bli tettet igjen. - Radarbølgenes utbredelse kommer til å påvirkes i uakseptabel grad av de hullene i den rørformede bølgelederen som er nødvendige for å garantere at væsken kan flyte fritt mellom ut- og innsiden. - Korrosjon i røret kommer til å medføre uakseptabel dempning ved transmisjon fra topp til bunn ved normalt forekommende høyder på tanken. Det blir derfor nødvendig å fremstille røret av dyrt materialetteller å belegge innsiden av røret med edelt metall. - Utbredelseshastigheten påvirkes kraftig av rørdimensjonen og av radarfrekvensen, og god nøyaktighet stiller derfor

svært strenge krav til at disse størrelsene er konstante eller nøyaktig kjent.

Foreliggende oppfinnelse har sitt utspring i den innsikt at disse problemene kan løses ved anvendelse av en kraftig overdimensjonert bølgeleder, idet radarstråling ledes til bølgelederen på en slik måte at alle uønskede bølgeleder-modi blir undertrykt. Bølgelederen kan i de fleste praktiske tilfeller antas å bestå av et rør som befinner seg i tanken eller sisternen, hvilket medfører at en brukbar konstruksjon må kunne tolerere at rørets dimensjoner kan variere betraktelig fra tilfellet til tilfellet. Det er også nødvendig at en rimelig mengde rust-og oljebelegg kan aksepteres.

Et par beregninger av praktiske tilfeller kan illustrere betydningen av å benytte overdimensjonerte, sirkulære bølgeledere. Dersom avstanden måles via bølgelederen, oppnås en tilsynelatende avstand Lg, som er større enn den virkelige avstanden L, og forholdet kan utrykkes ved hjelp av formelen

der A som før kan settes til 3 cm, og ^ er bølgelederens grensebølgelengde, som for grunnmodusen er 1,71 ganger rørets diameter. Av denne formelen kan man se, at dersom <\ cer stor i sammenligning med Å (dvs et rør som er grovt sammenlignet med bølgelengden Å), fåes en måleverdi L som ligger nær den virkelige L. Om derimot bølgelederen har enmodus-utbredelse, er A 75 - 100 % av ^c og Lg blir dermed atskillig større enn L. Om nå bærefrekvensen og dermed A forandres, kommer forholdet Lg/L til å forandres, og dersom forandringene er små, blir den relative endrengen av L /L proporsjonal med den relative endringen av A eller 7\ og proporsjonalitets-konstanten kan etter derivasjon og ordning angis som

b

For en normal bølgeleder med enmodus-utbredelse blir faktoren typisk 2/3. For måling på råolje er det ønskelig med en målenøyaktighet på ca IO<-4>, hvilket medfører en

maksimal feil på 2 mm på 20 m avstand, og samme nøyaktighet<10>måtte da kreves av rørdiameter og frekvens, hvilket ikke er praktisk mulig. Om man i stedet benytter et rør med f.eks.

25 cm i diameter og bølgelengde 3 cm, sunker faktoren til

5/1000. Man oppnår da en relativ nøyaktighet på 10<_4>

forutsatt at nøyaktigheten på rørdiameter og frekvens er av<15>størrelsesorden 1%, hvilket er rimelig.

Dempningen i en bølgeleder forårsakes av resistivt tap i veggene, og beregninger av dette finnes i flere håndbøker

om bølgeledere, eksempelvis Marcuvicz: "Waveguide

iUHandbook",McGraw Hill 1951. For en enmodus-bølgeleder av kobber, hvis diameter blir ca 2 cm ved A =3 cm, biir dempningen gjennom en 25 m lang bølgelederfram og tilbake ca 10 dB. Dersom det benyttes rustfritt stål , blir

dempningen ca 10 ganger høyere (ca 100dB), hvilket er for mye til å tillate nøyaktig nivåmåling.

Dersom signaler med samme bølgelengde?i stedet ledes gjennom et rør med f.eks. diameter 25 cm, blir dempningen

ca 40 ganger lavere, og selv med et stålrør stopper da

<30>dempningen på 2,5dB. I praksis kommer dempningen til å bli større pga. belegg på rørets innside, men den lave dempningen i det ideelle tilfellet tillater en tilstrekkelig margin for forverring under drift.

<35>Grunnen til at dempningen synker når rørdiameteren økes,

er son kjent at overflatestrømmen på veggene synker ved like stor overført effekt i bølgelederen. Av samme grunn kan man derfor tolerere betydelige flere hull i manteloverflaten hos et meget grovt rør, enn det som får opptre i en

bølgeleder med normal diameter.

I diskusjonen er det hittil antatt at bølgelederens grunnmodus er blitt anvendt, dvs i følge betegnelses-systemet i ovennevnte håndbok. For å forbedre holdbarheten mot påvirkning av rustende vegger, hull osv bør man imidlertid heller benytte forplantningsmodusen HQ^,som gir betydelig lavere strøm i bølgelederens vegger, og derved mindre tap. Foruten de lave tapene er det en viktig egenskap ved HQ1-modusen at all strøm i rørets vegg går i perifer retning, hvorved forstyrrelser fra eventuelle rørskjøter blir svake.

For å oppnå en nøyaktig avstandsmåling i et rør i samsvar med den foreliggende oppfinnelsesideen, er det nødvendig at alle uønskede forplantningsmodi undertrykkes. Ved at de forskjellige forplantningsmodi generelt har forskjellige hastigheter i røret, vil ellers et normalt ekko bli oppfattet som flere ekkoer fra forskjellige avstander. Et typisk krav på effekt-overvekt for den ønskede modus kan være 25 dB, og dette stiller store krav til mateanordningen i rørets øvre ende.

Kravet er dels at utsendt effekt i uønskede modi er tilstrekkelig lav, dels at følsomheten for innkommende effekt i uønskede modi er tilstrekkelig lav. Det siste kravet må stilles for å unngå at den effekt som spres til uø<nsk>ede mocji via hull i rørveggen når signalmottageren.

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for å kunne bestemme nøyaktig med radar nivået for en væske eller annet flytende materiale som oppbevares i en beholder. Oppfinnelsen er spesielt ment å løse de ovenfordiskuterte problemene, som oppstår når man vil benytte et rør gjennom beholderen som bølgeleder for radarmålingen. For å kunne benytte metoden ved tanker eller sisterner på land som omfattersåkalte flytende tak, er det et spesielt formål å oppnå en enkel innstallasjon av radarutrustningen, uten omfattende og dyr

ombygning av tanken eller sisternen.

Disse hensikter oppnås i følge oppfinnelsen ved at fremgangsmåten og anordningen har de kjennetegn som fremgår av de etterfølgende patentkrav.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere nedenfor, med henvisning til den vedføyde tegningen som viser et foretrukket utf ørelsesekse.mpel, og hvor avsnitt

Fig. 1 er et vertikalsnitt av en oljesisterne av en type som utgjør en viktig anvenndelse for oppfinnelsen, Fig. 2 viser et vertikalsnitt gjennom en modusgenerator i følge oppfinnelsen og den øvre delen av et rør som inngår i sisternen i fig. 1 og benyttes som bølgeleder, Fig. 3 viser modusfilter som inngår i anordningen ifig. 2, sett ovenfra, Fig. 4 er en reflektor som også inngår i anordningen i fig 2, og

Fig. 5 er et snitt langs linjen V-V i fig. 4.

I den utførelse av oppfinnelsen som illustreres i fig. 1, gjelder det å utføre nivåmåling i en sisterne 1 som kan være oppbygd på et fundament på bakken 2, og som det kan lagres en stor mengde olje eller annet flytende materiale 3 i, og som under lagringen beskyttes av et såkalt flytende tak 4. Slike sisterner kan lages svært store, med diameter i størrelsesorden 100 m, og siden hver mm i høyde representerer et betraktelig volum og har stor økonomisk verdi, kreves det at nivået til materialet kan måles eksakt for at tankinnholdet skal kunne bestemmes så korrekt som mulig.

Lengst opp på sisternen finnes det en plattform 5, som en trapp 6 leder opp til, og som den øvre enden av et rør 7 til nivåmåling er festet til. Dette røret strekker seg vertikalt nedover gjennom en åpning-8 oppe i det flytende taket 4 til sisternens bunn, hvor røret er festet, og langs hele sin lengde har røret en perforering med tilstrekkelig store og tett beliggende hull 9 til at rørets indre skal kunne stå i forbindelse med omgivelsene og væskeoverflaten 10 i røret kan følge den omgivende væskens nivå, dvs undersiden av taket 4, se fig. 2. Et lignende rør er i forekommende tanker opprinnelig tenkt å romme en flottør som tilhører en mekanisk måleutrustning, og diameteren er derfor vanligvis så stor som 20-30cm.

Man innser at det er av stor verdi om man ved overgang til et radarmålesystem i et slikt lageranlegg kan basere innstallasjonen på den aktuelle sisternekonstruksjonen, og derved også i fortsettelsen utnytte det grove røret som er laget for flottørmåleren. En ombygning av en oljesisterne av den størrelsen som er antydet her, med den hensikt å basere radarmålesystemet på en fri antennestråle i stedet, ville, spesielt dersom sisternen har et flytende tak, bli så kostbart og være så vanskelig å utføre at den ikke er noe realistisk alternativ.

Den løsningen som oppfinnelsen som anviser på problemet med å tilveiebringe et radarmålesystem som lar seg innstalleres i sisterner slik at disse kan beholde en konstruksjon som nevnt ovenfor, innebærer prinsipielt at sisternerøret 7 utnyttes som bølgeleder og mates med et mikrobølgesignal via en modusgenerator som er anbrakt på røret og som generelt betegnes med 11, og er innrettet til å gi bare en dominerende forplantningsmodus av signalet.

I det viste eksemplet innbefatter modusgeneratoren en sylindrisk bølge-leder 12, som ved hjelp av en koaxialleder 13 er koblet tilen (ikke vist) sender innbefattet i en elektronikkenhet som hensiktsmessig kan monteres i en kasse

14 over plattformen 5. Bølgelederen 12 skal ha en slik diameter i forhold til det tilførte signalets bølgelengde, at bare modene H11og EQ1kan transmitteres, og med hjelp av symmetri kan man få til at bare den sistnevnte modus kommer til å gjenfinnes i signalet. Bølgelederen går over i en nedadrettet primærstrålingsinnretning 15 som kan være utformet som et antennehorn, og som danner en antennestråle med f.eks. 60° strålebredde og et felt- bilde av E^^-karakter, slik at det elektriske feltet blir rettet radielt.

Modusgeneratoren er i det viste eksempelet av dobbelt-reflektortype, og innbefatter her to mctrettede reflektorer 16,17 som ligger etter hverandre i strålingsretningen. Den første av dem, som kan være plan eller parabolsk, består av en dielektrisk stamme, eksempelvis av plast, som på en side, hensiktsmessig oversiden, slik det vises i fig. 3 er forsynt med et system av radielt gående ledere 18, fortrinnsvis utført som et trygt ledningsmønster. Ledernes innbyrdes avstand bør være så liten at E^-modusen som avgis fra antennehornet 15, hovedsaklig reflekteres like bra som i en sammenhengende metallflate.

Den andre reflektoren 17, som i eksemplet bæres av et metallrør 19 som utgjør en forlengelse oppover av sisternerøret 7, skal ha parabolsk eller en lignende form for at radarstrålen, som forplanter seg oppover fra reflektoren 16 i divergerende retning, skal bli planparalell ved en andre refleksjon og rettet vertikalt nedover i røret 19. Også reflektoren 17 kan utgjørs av en plastskive 20, og dens overside radielt utenfor hornet 15 er metallisert, slik at den dekkes av et metallskikt 21, se tverrsnittet i fig. 5. På plastskivens underside finnes, bortsett fra på dens sentrale.del som tilsvarer hornets diameter, et trykt ledningsmønster som består av spiralformede ledere 22, som kan ligge like tett som de radielle lederne 18 på den nedere reflektoren 16. Ledningsmønsteret sammen med skivens tykkelse (ca.0,25 A i det aktuelle dielektrikum) har den egenskapen at en elektromagnetisk bølge som har E-vektor vinkelrett på spiralene, reflekteres med 180° forsinkelse sammenlignet med en bølge som har E-vektor paralell med spiralene. Ved at ledernes spiralform er slik at tangenten i et vilkårlig punkt på den danner en vinkel cC = 4-5° mot radius gjennom samme punkt, oppnås tilslutt at EQ1-modusen ved refleksjonen nedover transformeres tilenHp^-modus, dvs det elektriske feltet får nå en periferisk retning. Andre, ikke ønskede modi i strålingen reflekteres samtidig bort. Reflektoren 17 kan, slik det vises på fig. 2, være sammenbygd med primærstrålingsinnretningen 15.

Hg^-modusen som således er dannet av modusgeneratoren 11, kommer under forplantningen nedover til å gå gjennom den nedre reflektoren 16, og ettersom H^-raodusens felt har fått retning som angitt ovenfor, påvirkes ikke signalet nevneverdig ved passering av de vinkelrett på feltet gående lederne 18 og stammen som bærer disse. Mikrobølgesignalet fortsetter deretter nedover gjennom sisternerøret 7, for å treffe væskeoverflaten 10 og reflekteres av denne, returnere til antennen 15 og koaksialkabelen 13. Ekkosignalet ledes av kabelen til en mottaker i elektronikkenheten 14, hvor det på konvensjonelt vis skjer en blanding av utsendt og mottatt signal, hvoretter en bestemmelse av materialnivået skjer, basert på gangtiden, dvs. avstanden til overflaten 10.

På ekkosignalets vei oppover gjennom røret 7 kommer en del av dets effekt til å omvandles til andre utbredningsmodi enn den dominerende Hg^-modusen på grunn av hullene 9, og disse modi kommer delvis til å returnere til den nedre reflektoren 16. Det radielle gitteret 18 på denne vil imidlertid hindre disse falske ekkoene fra å trenge videre og nå det indre av antennen 15. Reflektoren fungerer derved altså som et modusfilter.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til den her viste og beskrevne utførelsesformen. I en modifisert utførelse kan modusgeneratoren i stedet for reflektorene 16 ha en transmitterende plate, hvis begge sider har et spiralmønster som på fig. 4, hvilket mønster transformerer signalets EQ^-modus som kommer ovenfra, til Hq^, som altså blir den dominerende modus. For å gjøre stråleknippet fra platen parallelt kan det benyttes en linse med samme diameter som røret 7.

I en annen alternativ utførelse kan reflektoren 17 bestå av en metallisk overflate med korrigeringer i form av et spiralmønster som ovenfor.

Et målesystem i følge den viste eller modifiserte konstruksjonen er å foretrekke ved tilpasning av oppfinnelsen til store tanker og sisterner, når det kan være aktuelt å benytte rør med diameter 0,2-0,5 m som bølgeleder. I mindre rør er det mulig å anvende en konvensjonell Hg^-H^-overgang som modusgenerator, f.eks. Marié-overgang i kombinasjon med en konisk diametertilpasning, men på grunn av kravet til modusundertrykkelse blir en slik kombinasjon meget lang (fler meter) for flere praktisk interessente tilfeller. En viss forbedring kan oppnås med en ikke-konisk trakt av den type som vises i "State of the Waveguide Art" i MicroWave Journal, desember 1982. I visse tilfeller kan en trakt gi en praktisk løsning i kombinasjon med Hq^som dominerende forplantningsmodus, forutsatt at trakten kan henges ned i røret. Lengden er da en mindre ulempe, og på grunnav Hp^-modusens spesielle egenskaper blir kravene til passform mellom rør og trakt begrensede.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte til å måle nivået for et i en beholder(l) oppbevart flytende materiale ved hjelp av et mikrobølge-signal, som mates fra en sender gjennom en rørformet bølgeleder (7) som strekker seg vertikalt nedad gjennom beholderen og kommuniserer med denne slik at overflaten (10) av materialet i bølgelederen følger det omgivende materialets nivå, og som reflekteres av overflaten tilbake oppad gjennom bølgelederen og ledes tilen mottaker for etter signalbehandling i en elektronikkenhet å utnyttes til bestemmelse av materialnivået i beholderen,karakterisert vedat mikrobølgesignalets bølgelengde er mye mindre enn bølgelederens (7) diameter, og at mikrobølgesignalet mates til bølgelederen via en modusgenerator (11) som danner hovedsakelig bare en dominerende forplantningsmodus av signalet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisert vedat en rotasjonssymmetrisk forplantningsmodus utmates fra modusgeneratoren (11).

3. Anordning for måling av nivået for et i en beholder(1) oppbevart flytende materiale , innbefattende en sender (14) for mating av et mikrobølgesign<a>l gjennom en rørformet bølgeleder (7) som strekker seg vertikalt nedad gjennom beholderen og kommuniserer med denne slik at materialover-flaten som reflektere mikrobølgesignalet inne i bølge-lederen følger det omgivende materialets nivå, en mottaker for mottaking av det reflekterte mikrobølgesignalet, og en elektronikkenhet som er anordnet for å bestemme materialnivået i beholderen ved utnyttelse av det mottatte signalet,karakterisert vedat det mellom senderen (14) og bølgelederen (7) finnes en modusgenerator (11) som er anordnet for å danne hovedsakelig bare en dominerende forplantningsmodus av signalet, og at bølgelederens (7) diameter er mye større enn bølgelederen.

4. Anordning som angitt i krav 3, hvorved den dominerende modus er Hg^-modusen, og bølgeledern (7) har sirkulært tverrsnitt,karakterisert vedat modusgeneratoren (11) har en primærstrålingstiinretning (15) tilsluttet til senderen, hvilken primærstrålingsinnretning transformerer mikrobølgesignalet til et signal av Eg^-type, og en moduskonverterer (17) som omformer signalet til et signal av H^-type som mates gjennom bølgeledepen(7) .

5. Anordning som angitt i krav 4,karakterisert vedat moduskonvertereren (1-7) er en nedadrettet reflektor (17), som ved omformingen reflekterer signalet til planparallell form.

6. Anordning som angitt i krav 5,karakterisert vedat den nedadrettede reflektoren (17) er parabolsk og består av en dielektrisk plate (20) hvis overside (21) er elektrisk ledende, og hvis underside har et ledningsmønster bestående av ledere (22) som går i spiralform.

7. Anordning som angitt i krav 6,karakterisert vedat tangenten til de spiralformede lederne (22) dannér en vinkel (oC) med reflektoren (17) radius i hvert punkt på den som er omtrent 45°.

8. Anordning som er angitt i et av kravene 3-7,karakterisert vedet filter (16) , som er plassert under mottakeren og anordnet for å filtrere bort uønskede modi som har oppstått i bølgelederen (7) pga. f.eks. hull (9) i denne.

9. Anordning som angitt i et av kravene 4-8,karakterisert vedat filteret utgjøres av en oppadrettet reflektor (16), som er plassert mellom bølgelederen (7) og primær<s>trålingsinretningen (15), og er anordnet for å reflektere mikrobølgesignaler av Eg1~type til den nedadrettede reflektoren (17) på en slik måte at det deri reflekterte mikrobølgesignalet omformes og kan passere upåvirket gjennom den oppadrettede reflektoren.

10. Anordning som angitt i krav 9,karakterisert vedat den oppadrettede relektoren (16) har et ledningsmønster (18) bestående av radielle ledninger.