SE441306B - Sett och anordning for metning av nivan hos ett i en behallare forvarat flytande material - Google Patents

Description

849221174! En inskränkning i användningen har hittills varit att radarstrålen kräver en viss plats mellan eventuella stödbalkar, lejdare, rör m.m. i tanken. Om en rund radarantenn med diametern D användes blir radar- strålens användbara bredd cirka 7yb radianer men det ostörda området måste med hänsyn till radarstrålens diffusa gränser vara en kon med toppvinkeln ca 2 Ä/D radianer. Å_betecknar här radarbärvågens våg- längd som exv. kan vara 3 cm . Antenndiametern måste av olika prak- tiska skäl hållas inom vissa gränser och bärvågens våglängd är i prak- tiken begränsad nedåt eftersom radarsändare och andra komponenter blir dyra och kritiska i olika avseenden vid mycket hög bärfrekvens. Radar- strålen kan sålunda inte göras godtyckligt smal och i flera tillämp- ningar är detta inte heller önskvärt, t.ex då utrustningen används på en tankbåt med varierande trim och slagsida. I praktiska fall kan en vinkel på 5 - 150 anges som ett typiskt utrymmesbehov och det inne- bär att många tankar inte medger att en radarnivåmätare med fri antenn- stråle kan installeras. Inte minst gäller detta cisterner eller tankar med s.k. flytande tak, dvs ett tak som flyter direkt på innehållet.

En metod att undvika ovannämnda begränsning är att leda radarvågorna i en vågledare som sträcker sig ner igenom tanken. Nivåmätning enligt denna metod har tidigare provets (se exv. US 4 359 908) men har stora praktiska in- skränkningar beroende på att en normal vågledare har relativt liten diameter för att passa för radarfrekvenser. De vågledare som avses här utgöres av rektangulärt eller cirkulärt cylindriska rör av metall med dimensioner som medger enmodsutbredning. För en cirkulär vågledare inne- bär detta att våglängden )»skall vara mellan 1,3 och 1,7 gånger rörets innerdiameter, och för typiska radarfrekvenser blir rördíametern då av storleksordningen några få cm.

Problemen med en sådan vågledare är: - Om tankinnehållet är vaxrik råolja komer röret att bli igensatt.

- Radarvågornas utbredning komer att påverkas oacceptabelt av de hål i den rörformiga vågledaren som behövs för att garantera fritt flöde av vätska mellan ut- och insida.

- Korrosion i röret kommer att medföra oacceptabel dämpning vid trans- mission från topp till botten vid normalt förekommande tankhöjder.

Det blir därför nödvändigt att göra röret av dyrbart material eller belägga dess insida med ädelmetall.

- Utbredningshastigheten påverkas kraftigt av rördimensionen och radarfrekvensen och en god noggrannhet sätter därför mycket strange krav på att dessa storheter är konstanta eller noga kända.

Den föreliggande uppfinningen utgår från insikten att dessa problem kan lösas genom användning av en kraftigt överdimensionerad vàgledare till vilken radarstràlning lades så, att alla icke önskvärda vägleder» moder undertryckes. Vågledaren kan i flertalet praktiska fall antas bestå av ett i tanken eller cisternen befintligt rör, vilket gor att en användbar konstruktion måste kunna tolerera att rörets dimensioner kan variera avsevärt från fall till fall. Det är också nödvändigt att en rimlig mängd rost- och oljebeläggning kan accepteras.

Ett par beräkningar av praktiska fall kan illustrera betydelsen av att använda överdimensionerade, cirkulära vågledare. Om avståndet mäts gener vågledaren fås ett skenbart avstånd Lq, som är större än det verkliga i avståndet L och kvoten kan uttryckas med formeln LS = 1, _/1-<.-f*->2 ~ AC där,L kan som förutsättastill3c:rochXC är vågledarens gränsvåglïngd, som för grundmoden är 1,71 gånger rörets diameter. Av formeln kan man se att cnilc är stor jämfört med )_(dvs ett rör som är grovt jämfört med våglängden 1) fås ett mätvärde Ls som är nära det verkliga L. Gm däremot vágledaren har enmodsutbredning är X 75 - 1G0% av'XC och Ls blir avsevärt större än L. Om nu bärfrekvensen och därmed )\än8ras kommer kvoten Ls/L att ändras och om ändringarna är små blir den relativa ändringen av LS/L proportionell mot den relativa ändringen av Ä_ellerÅ(C och proportional;« tetskonstanten kan efter derivering och hyfsning anges till el? ^c l1-<í7-:>213/2 För en normal vågledare med enmodsutbredning blir faktorn typiskt 2/3.

För mätningen på råolja efterfrågas en mätnoggrannhet på ca 10-4 vilket innebär ett maximalt fel på 2 mm på 20 m avstånd, och samma noggrannhet GÅÜEZÅT-Åt skulle då krävas på rördíameter och frekvens vilket inte är praktiskt möj1igt.Cm1man i stället använder ett rör med t.ex 25 cm diameter och våglängden 3 cm sjunker faktorn till 5/1000. Man uppnår då relativa noggrannheten 10-4 med procentnoggrannhet på diameter och frekvens, vilket är rimligt.

Dämpningen i en vägledare beror på resistiva förluster i väggarna och beräkningar härav finns i ett flertal handböcker om vågledare, exv.

Marcuvicz: "Waveguide Handbook", McGraw Hill 1951. För en enmodsvåg- ledare av koppar, vars diameter blir ca 2 cm vid )t= 3 cm, blir dämp- ningen genom en 25 m lång vâgledare fram och tillbaka ca 10 dB. Om rost- fritt stål används blir dämpningen ca 10 ggr högre (ca 100 dB) vilket är för mycket för att medge noggrann nivåmätning.

Om signaler av samma våglängd i stället leds genom ett rör med exv. diametern 25 cm blir dämpningen ca 40 ggr lägre och även med ett stål- . rör stannar då dämpningen på 2,5 dB. I praktiken kommer dämpningen att bli större på grund av beläggningar på rörets insida men den låga dämp- níngen i det ideala fallet medger en tillräcklig marginal för försämringar under drift.

Anledningen till att dämpningen sjunker när rördiametern ökas är som bekant att ytströmen på väggarna sjunker vid lika stor överförd effekt i vågledaren. Av sama anledning kan man därför tolerera betydligt fler hål i mantelytan hos ett mycket grovt rör än vad som får finnas i en vågledare med normal diameter.

I resonemanget hittills har det antagits att vågledarens grundmod an- vänds, dvs H11 enligt beteckningssystemet i ovannämnda handbok. För att förbättra tåligheten mot inverkan av rostiga väggar, hål m.m bör man emellertid hellre använda utbredningsmoden H01 , som ger betydligt lägre ström i vågledarens väggar och därigenom lägre förluster. Förutom de låga förlusterna är en viktig egenskap hos H01-moden att all ström i rörets vägg går i periferiell led, varigenom störningar från eventuella rörskarvar blir ringa.

För att åstadkomma en noggrann avståndsmätníng i ett rör, i enlighet mfld den föreliggande uppfinningsidên, är det nödvändigt att alla icke 5 önskvärda utbredningsmoder undertryckes. Genom att de olika utbred« ningsmoderna i allmänhet har olika hflßïíëhëï i röret kommer i annat fall ett normalt eko att uppfattas som flera ekon från olika avstånd.

Ett typiskt krav på effektövervikt för den önskade moden kan vara 25 dB och detta ställer stora krav på matningsanordningen i rörets övre ände.

Kravet är dels att utsänd effekt i icke önskvärda moder är tillräckïšgt låg, dels att känsligheten för inkommande effekt i icke önskvärda mole: är tillräckligt låg. Det senare kravet måste ställas för att undvika att den effekt som sprides till icke önskvärda moder via häl i rörvëggef når signalmottagaren. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma ett sätt och en anordning för att med radar noggrant bestämma nivån hos en vätska eller annat flytande material som förvaras i en behållare. Uppfinningen syfi~ tar härvid särskilt till att lösa de ovan diskuterade problem som upp- träder då man för radarmätningen vill använda ett genom behållaren gående rör såsom vågledare. För metodens tillämpning vid tankar eller Cisterner på land innefattande s.k. fl'tande tak är det härvid ett sär- skilt önskemål att få en enkel ínstallation av radarutrustningen utan omfattande och dyrbar ombyggnad av tanken eller cisternen.

Detta ändamål uppnås enligt uppfinningen genom att sätt t och anordníngen erhållit de kännetecken so framgår av efterföljande patentkrav.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare nedan med hänvisning till bifogad ritning som visar ett föredraget utföringsexempel och på vilken: Fig. 1 är en vertikalsektion av en oljecistern av ett slag som utgör en viktig tillämpning för uppfinningen; Fig. 2 visar en vertikalsektion genom en modgenerator enligt uppfinningen och den övre delen av ett såsom vàgledare utnyttjat rör ingående i cisternen i Fig. 1; Fig. 3 är en vy uppifrån av ett modfilter ingående i anordningen i Fig. Éfi Fig. 4 är en vy nedifràn av en reflektor också ingående i anordningen i Fig. 2; Fig. 5 är en sektion längs linjen “Yi-fil i Fig. 4. 8402214741 I den tillämpning av uppfinningen som illustreras i Fig. 1 gäller det att utföra nivåmätning i en cistern 1 som kan vara uppbyggd på ett funda- ment på marken 2 och i vilken kan lagras en stor kvantitet olja eller annat flytande material 3 som under lagringen skyddas av ett s.k flytande tak 4. Sådana cisterner kan göras mycket stora, med diametern i stor- leksordningen 100 m, och eftersom varje mm i höjd representerar en avse- värd volym och stort ekonomiskt värde fordras det att nivån hos materialet kan mätas exakt för att möjligast korrekt bestämma tankinnehållet.

Längst upp på cisternen finnes en plattform 5 till vilken leder en trap- pa 6 och vid vilken är fäst den övre änden av ett för nivåmätningen av- sett rör 7. Detta sträcker sig vertikalt nedåt genom en öppning 8 i det flytande taket 4 till cisternens botten, där röret är fixerat, och utefter hela sin längd har röret en perforering med tillräckligt stora och tätt belägna hål 9 för att rörets inre skall kommunicera utåt och vätskeytan 10 i röret kan följa den omgivande vätskans nivå, dvs undersidan av taket 4. se Fig. 2. Ett dylikt rör är i befintliga tankar ursprungligen tänkt att hysa en flottör tillhörande en mekanisk mätutrustning och dess diameter är därför vanligen så pass stor som 20 à 30 cm.

Det inses att det är av stort värde om man vid övergång till ett radar- mätsystem vid en dylik lagringsanläggning kan basera installationen på den aktuella cisternkonstruktionen och härvid även fortsättningsvis ut- nyttja det grova rör som tillkommit för flottörmätaren. En ombyggnad av en oljecístern av här antydd storlek i avsikt att i stället basera radarmät- systemet på en fri antennstråle skulle, särskilt om cisernen har ett flytande tak, dra så stora kostnader och vara så svår att utföra att den inte är något realistiskt alternativ.

Den lösning som uppfinningen anvisar på problemet att framskaffa ett radar- mätsystem som låter sig installeras i cisterner så att dessa kan bibe- hålla ett utförande enligt ovan, innebär principiellt att cisternröret 7 utnyttjas såsom vågledare och matas med en mikrovågssignal via en på röret anbringad modgenerator som generellt betecknas med 11 och vilken är inrättad att alstra endast en dominerande utbredningsmod av signalen.

I det visade exemplet innefattar modgeneratorn en cylindrisk vágledare 12 som medelst en koaxialledare 13 är kopplad till en (icke visad) sändare ßírü22ffi~å inqiicænrie i en elektronikenhet som lälnpligvn nurxtrzras; i en läcla 111 un' :ff-r- för plattfornwn 5. Vågledaren 12 skall ha sådan diameter i färhäflanw till den tillförda signalens våglängd att endast nrflerna H11 och E”¿, transmitteras och med hjälp av symmetri kan man åstadkamna att enbart den senare moden komner att återfinnas i signalen. Vågledaren övergår i en nedåtriktad primärstrålare 15 som kan vara utformad som ett antenn- horn och som alstrar en antennstråle med exv. 600 lobbredd och en fält- bild av E01-karaktär, så att det elektriska fältet blir radiellt riktat.

Modgeneratorn är i det visade exemplet av dubbelreflektortyp och inne- fattar här två i strålningsriktningen efter varandra belägna motriktade reflektorer 16, 17. Den förstnämnda, som kan vara plan eller parabolisk, består av en dielektrisk stomme, exv. av plast, som på en sida, lämplfqer ovansidan, såsom visas i Fig. 3 är försedd med ett system av radiellt gående ledare 18, företrädesvis utfört som ett tryckt ledningsmönster.

Ledarnas inbördes avstånd bör vara så litet att den från antennhornet *É avgivna E -moden reflekteras i huvudsak lika bra som i en sammanhänganie 01 metallyta.

Den andra reflektorn 17, som i exemplet uppbäres av ett metallrör 19 utgörande en förlängning uppåt av cisternröret 7, skall ha parabolisk eller därmed likartad form för att radarstrålen, som från reflektorn 16 i divergerande riktning utbreder sig uppåt, vid en andra reflexion skall bli planparallell och riktad vertikalt nedåt i röret 19. Även reflek- torn 17 kan utgöras av en plastskiva 20 och dess översida utanför hornet 15 är metalliserad, så att den helt täckes av ett metallskikt 21, se tvär~ sektionen i Fig. 5. På plastskivans undersida finnes utom på dess centrala del svarande mot hornets diameter ett tryckt ledningsmönster bestående av spiralformade ledare 22 som kan vara lika tätt belägna som de radiella ledarna 18 på den undre reflektorn 16. Ledningsmönstret tillsammans med skivans tjocklek (ca 0,25)ti det aktuella dielektrikat) har egenskapen att en elektromagnetisk våg som har E-vektorn vinkelrät mot spiralerna reflekteras med 1800 fördröjning jämfört med en våg som har E-vektorn parallell med spiralerna. Genom att ledarnas spiralform är sådan att taa¿ef'.> iengodtycklig Punkt på dem bildar en vinkelcC,= 450 mot radien genom samma punkt åstadkommas slutligen att E01-moden vid reflexionen nedåt trans~ formeras till en H01-mod, dvs det elektriska fältet får nu en periferieil riktning. Andra, icke önskvärda moder i strålningen reflekteras samtidigt bort. Reflektorn 17 kan som Fig. 2 visar vara sammanbyggd med primär~ strålaren 15.

POOR QUA 84022/17-4 Den så av modgeneratorn 11 alstrade Hm-moden kommer under utbredningen nedåt att gå genom den undre reflektorn 16 och eftersom Hof-rnodens fält fått ovan angivna riktning påverkas signalen inte nämnvärt då den pas-- serar de vinkelrätt mot fältet gående ledarna 18 och stormen som uppbär dessa. Mikrovågssignalen fortsätter härefter nedåt genom cisternröret 7 för att då den träffar vätskeytan 10 reflekteras av denna samt återvända tiïl antennen 15 och koaxialkabeln 13. Ekosignalen ledes av kabeln till en mottagare i elektronikenheten 14 där det på konventionellt sätt sker en blandning avlitsändcch mottagen signal varefter en på gånqtíden, dvs avståndet till ytan 1U, baserad bestämning av materialnivàn sker.

Under ekosígnalens väg uppåt genom röret 7 kommer en del av dess effekt på grund av hålen 9 att konverteras till andra utbredningsmoder än den dominerande H01-moden och dessa kommer delvis att återvända till den undfe , reflektorn 16. Det radiella gallret 18 på denna kommer emellertid att hindra dessa falska ekon från att tränga vidare och nå det inre av anten- nen 15. Reflektorn fungerar härvid alltså som ett modfilter.

Uppfinningen är icke begränsad till den här visade och beskrivna utförings~ formen. I ett modifierat utförande kan modgeneratorn i stället för reflek- torerna 16, 17 ha en transmitterande platta vars båda sidor har ett spiral- mönster enligt Fig. 4 vilket transformerar den ovanifrån kommande sig- nalens E oï-rrod till H07 som alltså blir den dominerande moden. För parallel» lisering av strålknippet från plattan kan användas en lins ned sanna diameter som röret 7 .

Ett mätsystem enligt den visade eller modifierade konstruktionen är att Föredraga vid uppfinningens tillämpning vid stora tankar och cisterner då detkan vara aktuellt att såsom vågledare använda rör med diametern 0,242? m; I mindre rör är det möjligt att såsom modgenerator använda en konventionell Hmf- Ein-övergång, t.ex Marie-övergång, i kombination med en konísk dia- meteranpassning men genom kraven på modundertryckning blir en sådan kornbína- tion mycket lång (flera m) för flera praktiskt intressanta fall. En viss förbättring kan fås med en sådan icke konísk tratt som visas i "State of the Waveguide Art" i MicroWave Journal, december 1982. I vissa fall kan en tratt erbjuda en praktisk lösning i kombination med H01 såsom dominerande utbredningsxnod förutsatt att tratten kan hängas ner i röret. Längden är ciä en mindre nackdel och genom Hm-modens speciella egenskaper blir kraven p."- passform mellan rör och tratt måttliga.

Claims (1)

1. 840221474; 9 Patentkrav 1. Sätt att mäta nivàn för ett i en behållare (1) förvarat flytande material med hjälp av en mikrovågssignal, som från en sändare mat genom en rörformad vägledare (7) som sträcker sig vertikalt nedà. genom behållaren och kommunicerar med denna så att ytan (10) av materialet i vågledaren följer det omgivande materialets nivå, och som reflekteras av ytan tillbaka uppåt genom vågledaren och leden till en mottagare för att efter signalbehandling i en elektronik- enhet utnyttjas för bestämning av materialnivân i behållaren, k ä n n e t e c k n a t därav, att mikrovågssignalen vars vågläng; är mycket mindre än vàgledarens (7) diameter, matas till vàgledarer via en modgenerator (11), som alstrar endast en dominerande uthr@“ ningsmod av signalen. Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav,att en rotationssymmetrisk utbredningsmod, dvs av Hon- eller Eon-typ, ut~ matas från nodgeneratorn (11). Anordning för mätning av nivån för ett i en behållare (1) förvarat flytande material, innefattande en sändare (14) för matning av en mikrovågssignal genom en rörformad vågledare (7), som sträcker sig vertikalt nedåt genom behållaren och kommunicerar med denna så att den mikrovâgssignalen reflekterande materialytan i vågledaren följer det omgivande materialets nivå, en mottagare för mottagning av den reflek terade mikrovågssignalen och en elektronikenhet, som är anordnad att bestämma materialnivån i behållaren under utnyttjande av den mottagwr signalen, k ä n n e t e c k n a d därav, att mellan sändaren (14) och vágledaren (7) finnes en modgenerator (11), som är anordnad att alstra endast en dominerande utbredningsmod av signalen, och att vä; ledarens (7) diameter är mycket större än våglängden. Anordning enligt patentkravet 3, varvid den dominerande moden är H01- moden och vågledaren (7) har cirkulär tvärsektion, k ä n n e t e c n a d därav att modgeneratorn (11) har en till sändaren ansluten primärstràlare(15),SUUtransformerar mikrovågssignalen till en signa? av E -typ, och en modkonverterare (17), sonomformarsignalen till en 01 signal av H01-typ, vilken matas genom vågledaren (7). 'PGOR QWï-ï 84922147 *k 5. 10. 10 Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att modkonverteraren (17) är en nedâtriktad reflektor (17), som vid omformningen reflekterar signalen till planparallell form. Anordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att den nedåtriktade reflektorn (17) är parabolisk och består av en dielektrisk platta (20), vars ovansida (21) är elektriskt ledande och vars undersida har ett ledningsmönster bestående av spiralformigt gående ledare (22). Anordning enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d därav, att tangenten till de spiralformiga ledarna (22) i varje punkt på desamma med reflektorns (17) radie bildar en vinkel (.§) som är ungefärlí'en 45°. Anordning enligt något av patentkraven 3 - 7, k ä n n e t e c k n a d av ett filter (16), som är placerat under nottagaren och anordnat att filtrera bort oönskade moder, vilka uppstått i vågledaren (7) på grund av t.ex hål (9) i denna. Anordning enligt patentkraven 4 - 8, k ä n n e t e c k n a d därav,atï filtret utgöres av en uppåtriktad reflektor (16), som är placerad mellan vågledaren (7) och primärsträlaren (15)cxü1är anordnad att reflek- tera mikrovågssignalen av E01-typ till den nedåtriktade reflektorn (17), pà så sätt att den däri reflekterade mikrovågssignalen omformas och opåverkad kan passera genom den uppåtriktade reflektorn. Anordning enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att den uppåtriktade reflektorn (16) har ett ledningsmönster (18) bestående av radiella ledningar.