液位測量方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于確定容器中的諸如填充液位的相界的位置的方法和裝置。該方法包括以下步驟：提供至少一個能夠發射通過容器的內部的一部分的輻射的輻射源；提供多個輻射檢測器，每個檢測器能夠在一部分所述測量范圍內檢測由源所發射的輻射；以及提供用于從由檢測器所檢測的輻射量來計算相界的位置的數據處理設備，其特征在于，所述數據處理設備是從由檢測器通過以下步驟所檢測的輻射量來計算相界的位置的：(i)在第一步驟中，確定相界所位于的檢測器級，以及然后，(ii)在第二步驟中，確定在(i)中所確定的檢測器級內的相界的位置。
【專利說明】液位測量方法和裝置
[0001]本發明涉及一種用于測量器皿或容器內的容物的液位(level)的方法以及適于在執行本發明方法中有用的裝置。特別地，該方法是一種通過測量由輻射(radiation)源發射并在其穿過可存在容物的器皿的一部分之后被輻射檢測器檢測的輻射來測量器皿內特別是液體的液位的方法。
[0002]通過輻射的手段測量器皿中的液位是公知的，并且已廣泛應用了多年。例如，US-A-3654458描述了通過使用電離輻射源和多個檢測器來檢測和控制海底容器中的液位。
[0003]存在對于提供優于現有技術的裝置和方法的優勢的改進的液位測量系統的需求。
[0004]根據本發明，我們提供一種確定容器內兩個相(phase)之間的邊界(boundary)的測量范圍內的位置的方法，每個相具有不同的輻射衰減特性，所述方法包括以下步驟:
[0005](a)提供至少一個能夠發射通過容器的內部的一部分的輻射的輻射源，
[0006](b)提供多個輻射檢測器，每個檢測器能夠在一部分所述測量范圍內檢測由源所發射的輻射，
[0007](C)提供用于從由檢測器所檢測的輻射量來計算相界的位置的數據處理設備；
[0008]其特征在于，所述數據處理設備是從由檢測器通過以下步驟所檢測的輻射量來計算相界的位置的:
[0009](i)確定相界所位于的檢測器級，以及然后
[0010](ii)確定在(i)中所確定的檢測器級內的相界的位置。
[0011]當沉積物(Cbp0Sit)在容器壁上聚集時，當壓力變化時，或者當泡沫在液體上方的蒸汽空間中產生時，該方法精確地確定相界(phase boundary)位置。即使當沒有泡沫或者沉積物存在時，該方法也相對于現有技術的傳統液位或界面測量系統提供改善的精度。
[0012]根據本發明的進一步方面，我們提供一種用于測量容器內兩個相之間的邊界的測量范圍內的位置的裝置，每個相具有不同的輻射衰減特性，包括以下步驟:
[0013](a)提供至少一個能夠發射通過容器的內部的一部分的輻射的輻射源，
[0014](b)提供多個輻射檢測器，每個檢測器能夠在一部分所述測量范圍內檢測由源所發射的輻射，
[0015](C)提供用于從由檢測器所檢測的輻射量來計算相界的位置的數據處理設備；
[0016]其特征在于，所述數據處理設備是從由檢測器通過以下步驟所檢測的輻射量來計算相界的位置的:
[0017](i)確定相界所位于的檢測器級，以及然后
[0018](ii)確定在(i)中所確定的檢測器級內的相界的位置。
[0019]期望邊界被定位的容器中存在的相的輻射衰減特性是不同的。這意味著通過相中的一個從源傳輸到檢測器的輻射少于通過相中的另一個從源傳輸相同距離到檢測器的輻射。以這種方式，在源和(或者每個)檢測器之間的每個相的材料(material)的量影響通過疏松(bulk)材料的輻射的傳輸。因此比較所檢測的被傳輸的輻射允許介質的密度的變化被測量，使得相界可被定位。
[0020]在現有技術的傳統液位測量系統中，輻射源被布置為朝向沿形成液位測量系統的測量范圍的路徑而布置的一個或多個檢測器發射通過容器的內部的輻射。例如，當容器含有液體和頂空(headspace)氣體時,一個或多個檢測器可位于液位之下,并且一個或多個檢測器可定位在液位之上，即，在頂空內。在許多現有技術系統中，以閃爍材料的長度的形式的單個延長(elongate)檢測器被使用，使得閃爍體的部分位于液位之上，部分位于液位之下。輻射被它經過的介質衰減，使得小于源發射的輻射的100%被檢測器檢測，在通過介質傳播后由檢測器所檢測的由源發射的輻射量與它經過的介質的量和密度成比例。容器內的液位例如因此通過確定由源發射和由檢測器檢測的輻射總量并將總的檢測的輻射的變化識別為液位變化來傳統地測量。相對低的液位總體提供較小密度的介質以用于輻射的傳播，因此比液位較高時檢測相對多的輻射。在現有技術的傳統的液位測量儀器中，來自完整的檢測器系統的總的累積計數率(eount rate)被用于計算液位。任何例如由容器壁上的固體的沉積、蒸汽空間內泡沫的產生或壓力變化引起的計數率的降低，將導致錯誤高的液位測量。在此描述的方法和裝置的一個優點在于，盡管聚集沉積物或者在蒸汽空間中產生泡沫，但它允許精確的液位測量。本發明的第二個優點在于，即使當沒有泡沫或者沉積物存在時，它仍允許改進的測量精度。這第二個優點的產生是由于當與由傳統的現有技術系統所產生的那些相比時，由計數率中自然的、統計上可預測的波動所引起的測量誤差降低，所以出現了所述第二個優點。
[0021]測量范圍是其中相界可通過方法和裝置檢測的容器的界限。裝置通常被設計為具有覆蓋(cover)相界位置的預期變化的測量范圍。這通常覆蓋容器的實際高度的大部分或者全部，盡管在一些應用中當容器的填充物的相界不期望變化那么大時測量范圍可設計得更小。每個檢測器能夠檢測輻射的測量范圍的部分將被稱為檢測器級(detectorstage)。總之，檢測器級覆蓋整個測量范圍。相鄰檢測器的檢測器級優選地被布置為鄰近的(contiguous)。測量范圍通常沿著覆蓋期望液位變化的高度的容器的一部分延伸。檢測器可直接地浸入容器容物內，但優選地位于容器外部或定位在容器內的保護殼、腔室或汲取管內。當檢測器位于容器外部時，它們通常與容器壁相鄰或者安裝在容器壁上。檢測器被定向，使得它們檢測來自源的輻射。檢測器可屏蔽從源方向以外的方向到達的輻射。
[0022]盡管不排除其應用于含有固相的容器，但本發明的方法和裝置特別適于確定兩個液相之間的相界的容器中的位置。這種裝置的廣泛應用在于確定含有液相和氣相(其可以是例如空氣、真空或者頂空蒸汽)的容器中的液位。通過本發明的方法確定的相界則為液位。容器可替代地含有多于一種液相，例如，水相和有機相，諸如油和水。
[0023]在優選的形式中，輻射包括諸如X射線或者更優選為伽馬射線的電離輻射。可替代地，可以使用微波、無線電波或者聲波。通過容器和/或其容物的輻射的可透性(transparency)(即，介質的衰減系數)和合適的源和檢測器的可用性來選擇所使用的福射。可以使用來自可見或近可見(near-visible)光譜的輻射，但其使用將非常有限。為了掃描諸如處理容器的大的固體結構，伽馬輻射是大大地優選的。合適的伽馬源包括6tlCo和137Cs、133Ba、241Am、24Na和182Ta,然而，足夠穿透力的任意伽馬發射同位素可被使用，并且許多這樣的同位素已經在液位測量設備中常規使用。對于固定裝置，放射性同位素源應當選擇為具有相對長的半衰期以給予設備滿意的服務期限。通常，所使用的放射性同位素的半衰期將至少為2年，并且期望地，至少為10年。以上所提到的放射性同位素的半衰期為=137Cs伽馬ca, 30年,133Baca, 10年，以及241Amca, 430年。合適的源通常以大約40與1500keV之間的能量發射輻射，并且合適的檢測器可以足夠的靈敏度檢測這樣的輻射，使得所檢測的輻射根據傳輸介質的密度變化。
[0024]在液位測量方法和裝置中可使用一個或多個源。通常所使用的源的數量不多于10個，優選地為1-4個。每個源可朝向多于I個的檢測器發射一束輻射，多于I的檢測器通常為4-10個檢測器，但也可以使用2-40個檢測器，這取決于每個檢測器的尺寸/檢測面積以及裝置所需的分辨率。
[0025]盡管在實際中通常選擇緊湊的設備，但在裝置和方法中所使用的特定檢測器本身并不關鍵。檢測器可以是電動的，例如與諸如光電倍增器或者光電二極管鏈接的Geiger-Muller(GM)管或者閃爍檢測器，或者如在簡單的閃爍設備中那樣可以是無動力的。在電動檢測器之中，GM管是優選的，原因在于它們具有電和熱魯棒性(robust)，并且以機械魯棒的形式可用。在無動力檢測器之中，通過光纖鏈路鏈接到計數器的閃爍檢測器(可選地，對于測試下的介質利用在容器外部的諸如光電倍增器或者光電二極管的光檢測器)是特別有用的。當使用電動檢測器，特別是當在燃燒或者爆炸風險的環境中使用裝置時，期望的是在發生系統故障的情況下(特別是導致燃燒或者爆炸材料與任何帶電元件之間的直接接觸)，與檢測器相關聯的總的電能和功率足夠低以不能成為明顯的火源(source ofignition)。
[0026]用于這些檢測器中的任意一個的計數設備將通常是電子的，并且每個檢測器將與通常被鏈接到數據處理器的計數器相關聯。為每個檢測器提供計數器通常是實用的，但是可以使用計數器的時分多蹈復用，盡管伴隨著計算所需的時間的增加以及因此測量之間的最小時間間隔的增加。
[0027]數據處理器可以是任意的商業處理器，其能夠操作來自計數器的數據以產生所需的信息。處理器可包括標準計算機，或者可以是作為邊界位置系統的一部分而安裝的專用設備。處理器鏈接到計數器，使得計數數據可被傳送到處理器。該鏈接可以是有線的或者無線的，這取決于系統的環境和需求。處理器能夠以預定的時間間隔并對于預定的持續時間詢問計數器，并因此包括定時設備。處理器計算由每個檢測器產生的計數率，并根據時間常數Tc或者另一個濾波算法來平滑(smoothe)計數率值。Tc是校準參數，其通常用于核應用。合適的平滑算法在儀器設計的領域是眾所周知的。如果穩定的計數率應當突然變化AQ，那么，在時間t過去之后，所測量的計數率的變化將為:
[0028]
【權利要求】
1.一種確定容器內兩個材料相之間的邊界的測量范圍內的位置的方法，每個相具有不同的輻射衰減特性，所述方法包括以下步驟: a)提供至少一個能夠發射通過容器的內部的一部分的輻射的輻射源， b)提供多個輻射檢測器，每個檢測器能夠在一部分所述測量范圍內檢測由源所發射的輻射， c)提供用于從由檢測器所檢測的輻射量來計算相界的位置的數據處理設備； 其特征在于，所述數據處理設備是從由檢測器通過以下步驟所檢測的輻射量來計算相界的位置的: (i)在第一步驟中，確定相界所位于的檢測器級，以及然后 (?)在第二步驟中，確定在(i)中所確定的檢測器級內的相界的位置。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述材料相包括液相和氣相。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述材料相包括具有不同密度的兩種液體。
4.根據前述權利要求中的任意一項的方法，其中，在步驟(i)中，將由每個檢測器在方法的正常操作期間測量產生的平滑的計數率與由相同的檢測器在它恰好被更密的相覆蓋時以及在它未被覆蓋時所產生的計數率相比較。
5.根據權利要求4所述的方法，其中，在步驟⑴中，在兩個相鄰的檢測器級中進行所述比較。
6.根據權利要求5所述的方法，其中，通過使用包括以下步驟的方法來執行步驟(i): a)對于每個檢測器n，獲取當前平滑和衰變校正的計數率Qn，其中，η從I到N變化，N是檢測器的數量， b)對于所有的η個級，計算:
7.根據權利要求5所述的方法，其中，通過使用包括以下步驟的方法來執行步驟(i): a)對于每個檢測器n，獲取當前平滑和衰變校正的計數率Qn，其中，η從I到N變化，N是檢測器的數量， b)對于所有的η個級，計算:
8.根據權利要求6或7所述的方法，其中，X= O。
9.根據前述權利要求中的任意一項的方法，其中，所述步驟(ii)是通過包括將由檢測器在方法的正常操作期間測量檢測的計數率與當檢測器級恰好被覆蓋時的計數率進行比較的方法來執行的。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，在步驟(i)中所確定的含有相界的檢測器級P內的相界的位置是通過求解算法C來確定的:
11.根據權利要求9所述的方法，其中，所述測量范圍內的相界的液位為檢測器級P內的相界的液位與檢測器級P之下的測量范圍的長度之和，該方法提供將由于計數率中自然的、統計上可預測的波動所產生的誤差最小化的手段，并因此相對于現有技術的等同的傳統儀器提供增強的精度。
12.根據前述權利要求中的任意一項的方法，進一步包括校準步驟，在該校準步驟中，當容器僅含有較低密度的相時對于每個檢測器η測量每個檢測器級上的計數率Qm，當形成相界的更密的相恰好覆蓋檢測器級η時對于每個檢測器η測量每個檢測器級上的計數率Qnf。
13.根據權利要求1-12中的任意一項的方法，其中，通過計算獲得Qm和Qnf。
14.根據前述權利要求中的任意一項的方法，進一步包括第三步驟，在該第三步驟中，a)容器的壁上的密相的沉積、或者b)相位密度的變化、或者c)容器內泡沫的存在對計數率的影響被應用到步驟(i)和(ii)中的計算。
15.根據權利要求14所述的方法，其中，所述第三步驟包括:對于被計算含有相界的檢測器級的液位之上的所有檢測器級，將校準計數率Qm重置為當前測量的計數率Qn。
16.根據前述權利要求中的任意一項的方法，其中，在方法的正常操作期間所測量的Qn和當容器為空時所測量的初始值Qm之間的差被用于計算存在于容器壁上的沉積物的特性。
17.一種用于測量容器內兩個相之間的邊界的測量范圍內的位置的裝置，每個相具有不同的輻射衰減特性，所述裝置包括: 至少一個輻射源，其能夠發射通過容器的內部的一部分的輻射， 多個輻射檢測器，每個檢測器能夠在部分所述測量范圍內檢測由源所發射的輻射， 數據處理設備，其用于從由檢測器所檢測的輻射量來計算相界的位置； 其特征在于，所述數據處理設備被編程以從由檢測器通過以下步驟所檢測的輻射量來計算相界的位置: (i)在第一步驟中，確定相界所位于的檢測器級，以及然后 (ii)在第二步驟中，確定在(i)中所確定的檢測器級內的相界的位置。
18.根據權利要求17所述的裝置，其中，所述數據處理設備被編程以根據權利要求1-16中的任意一項的方法執行計算以`定位所述邊界。
【文檔編號】G01F23/288GK103765172SQ201280037663
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2012年6月29日 優先權日:2011年7月1日
【發明者】E·R·桑切斯·加利西亞, K·詹姆斯, S·J·洛 申請人:莊信萬豐股份有限公司