專利名稱：料位計系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用電磁波用于確定到容納在儲罐中的產(chǎn)品的表面的距離的料位計系統(tǒng)。具體地，本發(fā)明涉及一種用于這種雷達料位計系統(tǒng)的傳播設備。
背景技術：
諸如雷達料位計的現(xiàn)場設備適合用于測量產(chǎn)品的料位，該產(chǎn)品諸如工藝液體、粒狀化合物和其它材料。這種的雷達料位計的示例可以包括微波單元，用于向表面發(fā)射微波以及接收被表面反射的微波；處理電路，被布置成與微波單元通信以及基于發(fā)射的微波與接收的微波之間的關系確定料位；接口，用于將所述處理電路外部連接到雷達料位計；以及功率管理電路，對微波單元和處理電路供操作功率。更具體地，一般基于在電磁信號的發(fā)射與其反射的接收之間的時間來確定到產(chǎn)品表面的距離，其中電磁信號在儲罐(tank)中的大氣與儲罐中所容納的產(chǎn)品之間的界面反射。為了確定產(chǎn)品的實際填充料位，基于上述時間(所謂的飛行時間)和電磁信號的傳播速度來確定從基準位置到表面的距離。為了準確地確定電磁信號的飛行時間，接收的信號必須具有足夠的幅度或功率以使得可以檢測到并分析接收的信號。因此，使傳播損耗保持為最小值是重要的。傳播損耗例如可以是信號的散射或衰減的結果，這二者都會導致到達接收器/收發(fā)器的信號的功率的降低。傳輸線探針、波導結構和輻射天線均會發(fā)生傳播損耗。附著于天線的污染材料可以引起信號的散射，因為天線的幾何形狀被改變。在信號必須通過天線上的污染材料傳播的情況下，污染物在天線上的附著也可以導致信號的衰減。處理污染的問題尤其與用于存儲石油產(chǎn)品的儲罐相關，石油產(chǎn)品可以容易地粘到天線表面從而導致信號質量惡化。涉及一種具有設置有防粘覆層的天線的填充料位傳感器的US7，707，881公開了解決上述污染問題的嘗試。US 7，707，881的目的是實現(xiàn)防止任何材料粘到天線表面的不可潤濕且自清潔的表面。根據(jù)US7，707，881，可以通過形成具有防粘表面特性的微光滑表面來實現(xiàn)該目的。然而，特別地對于儲罐容納物與環(huán)境狀況的一些組合，結果是，諸如在US7，707,881中描述的防粘覆層的防粘覆層不能夠防止儲罐容納物附著于天線，從而導致性能損耗。
發(fā)明內容鑒于上述及其它問題，本發(fā)明的總體目的是提供一種改進的料位計系統(tǒng)，具體地提供一種即便在污染方面的困難狀況下也能夠保持其料位計量性能的料位計系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，這些及其它目的是通過用于確定容納在儲罐中的產(chǎn)品的填充料位的料位計系統(tǒng)來實現(xiàn)的，該料位計系統(tǒng)包括收發(fā)器，用于生成、發(fā)送和接收電磁信號；信號傳播設備，其連接至收發(fā)器，該信號傳播設備包括信號導向部分，該信號導向部分被布置和配置成將所發(fā)送的電磁信號沿著大體豎直的路徑導向儲罐內的產(chǎn)品的表面，以及返回由于所發(fā)送的電磁信號在容納在儲罐中的產(chǎn)品的表面處的反射而產(chǎn)生的表面回波信號；以及處理電路，其連接至收發(fā)器并被配置成基于表面回波信號確定填充料位；其中，信號導向部分的表面包括表面部分，該表面部分具有由該表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性。在本申請的上下文中使用的“潤濕性”的限定涉及靜態(tài)接觸角。當液滴既不前進也不后退時可以說接觸角是靜態(tài)的。如本領域內技術人員知道的，可以通過將水滴布置在水平表面上、獲取至少在液滴與表面之間的界面的輪廓圖、并分析液滴的輪廓來確定表面的靜態(tài)接觸角。該類型的接觸角測量被稱作座滴(sessile drop)技術。液體與固體之間的表面張力確定液體與表面接觸的角。該角被稱作液體到固體的潤濕角或接觸角。因此，可以認為潤濕性是特定液體附著于具體表面的能力的測量，其中，較高的潤濕性意味著液體更容易附著于表面。當使用料位計系統(tǒng)時，信號導向部分是信號傳播設備的進行操作以將所發(fā)送的信號朝向容納在儲罐中的產(chǎn)品的表面導向的部分。對于輻射天線，信號導向部分是天線的對于陣列天線情況可以通過直接發(fā)射或者對于拋物面天線情況可以通過反射使發(fā)送信號朝向儲罐中的產(chǎn)品的表面導向的部分。在后者情況下，例如，信號導向部分是朝向儲罐中的產(chǎn)品的表面的凹側，并且具有指定的潤濕性的表面部分面對儲罐中的產(chǎn)品。此外，信號導向部分有利地可以是導電的，例如是金屬的，但也可以是部分絕緣的。根據(jù)本發(fā)明的各個實施方式的料位計系統(tǒng)可以對確定容納在任何種類的儲罐中的產(chǎn)品的填充料位是有用的。由于在石油產(chǎn)品的海上運輸期間發(fā)生的困難的表面污染狀況，預期根據(jù)本發(fā)明的各個實施方式的料位計系統(tǒng)將對安裝有料位計系統(tǒng)以確定船上儲罐的填充料位的實施方式尤其有用。應當注意，包括在處理電路中的裝置中的任何一個或幾個可以設置為以下中的任何一個單獨的物理部件、單個部件內的單獨硬件模塊、或由一個或幾個微處理器執(zhí)行的軟件。當分析在諸如在海上石油產(chǎn)品運輸一例如在寒冷天氣和洶涌大海情況下的海上原油運輸一期間可能時常出現(xiàn)的狀況的狀況下不同表面與某些石油產(chǎn)品之間的相互作用時，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)防粘覆層對防止儲罐容納物附著于天線是無效的。此外，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)溫度是關鍵因素，并發(fā)現(xiàn)了，例如即使當表面在室溫下是高度防水的，原油在較低周圍溫度(諸如低于10°c)下也趨于在表面上凝固為液滴。本發(fā)明人還驚奇地發(fā)現(xiàn)，諸如原油的石油產(chǎn)品的液滴可以容易且完全地從被薄水膜覆蓋的表面滾落。這被認為是歸因于這樣獲得的液液相互作用。公知地，天線上的水可以干擾使用微波的測量，然而本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，如果料位計系統(tǒng)的傳播設備至少部分地具有高的潤濕性且傳播設備被布置在容納水蒸汽的儲罐環(huán)境中，則薄水膜將形成在表面的涂覆部分上，該膜能夠實現(xiàn)以上所述的石油產(chǎn)品的滾落，同時該膜足夠薄而不會顯著干擾基于微波的填充料位測量。已發(fā)現(xiàn)，用于形成期望的薄水膜的足夠高的潤濕性對應于表面部分與水之間的接觸角小于30°。諸如小于20°的更小的接觸角提供薄且連續(xù)的水膜的更進一步改善的結果和更快速的形成，這可以進一步改善料位計系統(tǒng)的性能和/或允許料位計系統(tǒng)在更具挑戰(zhàn)的應用領域中使用。預期接觸角更進一步降低到10°以下會導致進一步的改善。在存在水的情況下，水膜將形成在可潤濕表面上，并且該水膜幫助防止污染物附著于該表面。特別地，由于石油產(chǎn)品是疏水的，即，石油產(chǎn)品天然防水，所以石油產(chǎn)品不容易附著于水覆蓋的表面。因此，本發(fā)明的各個實施方式提供了一種具有改善的信號傳播特性的料位計系統(tǒng)，這是由于一般的污染物和具體的石油產(chǎn)品被阻止附著于信號傳播設備的表面，從而降低了信號由于污染物而衰減并散射的風險。為了實現(xiàn)促進石油產(chǎn)品滾落的期望的水膜，而同時允許以足夠低的損耗發(fā)射和接收微波，已發(fā)現(xiàn)如果表面部分具有這樣的性質是有利的均勻地發(fā)生凝結，使得至少在宏觀尺度上沒有分離的小水滴形成。應當將“分離的小水滴”理解為被未被水膜覆蓋的區(qū)域包圍的小水滴。隨著水膜厚度的增大，即使凝結初始為基本均勻的水膜，小水滴也可以形成。然而，這樣的小水滴不會是分離的小水滴，而會被水膜的較薄部分連接。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，可以通過涂覆表面部分來實現(xiàn)這種均勻地發(fā)生的凝結。表面部分可以涂覆有提供期望的表面特性，即表面部分與水之間的小于30°的接觸角的任何覆層。根據(jù)一個實施方式，覆層可以包括二氧化鈦。預期可以設計具有相似特性的其它覆層。例如，其它的金屬氧化物、親水聚合物、氧化硅或陶瓷材料也可以導致均勻地發(fā)生的凝結。本領域內技術人員通過簡單的實驗和目視檢查可以確定是否均勻地發(fā)生具體覆層的凝結。除了提供期望的均勻地發(fā)生的凝結之外，還可以使用諸如濺射或蒸發(fā)的已知方法來容易地沉積二氧化鈦(Ti02)?？商娲?，可以使用包括TiO2粒子的涂覆材料。此外，由于TiO2是相對硬的材料，所以，TiO2對磨損和刮擦不過于敏感。在本發(fā)明的一個實施方式中，上述涂覆的表面部分可以有利地構成信號傳播設備的信號導向部分的表面的至少一半?？梢圆恍枰盘杺鞑ピO備的信號導向部分的整個表面都是可潤濕的。在一些應用中，在信號導向部分的選定部分，例如信號強度特別高的地方或信號對干擾敏感的位置處形成可潤濕的表面就足夠了。在本發(fā)明的一個實施方式中，信號傳播設備可以有利地是拋物面天線，該拋物面天線包括具有凹入信號傳播表面的拋物面反射器。該凹入信號傳播表面可以包括上述表面部分，該表面部分具有由表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性。在拋物面天線中，由向反射器的凹入表面發(fā)射信號的饋送器提供要向產(chǎn)品的表面發(fā)射的信號，信號在反射器處被反射并被導向至產(chǎn)品。因此，可以將反射器的凹入表面看作信號導向表面。反射器上的污染物可以使由饋送器發(fā)射的信號和后續(xù)接收的表面回波信號二者衰減或散射。因此，期望的是，減少附著于拋物面天線中的反射器的污染物的量，這可以通過提供在上述信號導向表面的至少一部分上形成的水膜來實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，信號傳播設備可以是喇叭形天線。由于喇叭形天線是輻射天線，所以喇叭形天線共享上述與輻射拋物面天線有關的優(yōu)點。此外，喇叭形天線的信號導向表面的一半以上可以有利地具有上述可潤濕的表面特性。可以將喇叭形天線的特別期望避免污染物附著的信號導向表面看作管狀喇叭結構的內表面。在本發(fā)明的一個實施方式中，信號傳播設備可以是棒狀天線。在本發(fā)明的一個實施方式中，信號傳播設備可以是探針。不同類型的探針包括但不限于單導體探針、多導體探針、同軸導體探針或/和柔性電纜導體探針。此外，也可以使用諸如靜止管道(still pipe)的波導結構。當產(chǎn)品的料位變化時，探針的整個表面具有可潤濕特性會是有利的。在本發(fā)明的一個實施方式中，表面部分可以有利地包括用于阻止附著于表面部分的水從表面部分流走的結構。期望的是，附著于表面部分的水保持在該處。因此，表面結構可以合并在傳播設備的表面中，該表面結構阻止或防止附著于表面的水離開表面。此外，結構可以有利地包括水平布置的脊。沿傳播設備的周向延伸的諸如水平布置的脊的結構可以阻止水離開表面。然而，可以使用諸如槽或微結構表面(microstructured surface)的其它類型的結構來達到相同的效果。此外，根據(jù)本發(fā)明的各個實施方式的料位計系統(tǒng)可以有利地被包括在用于運輸石油產(chǎn)品的船中，船還包括被布置成容納石油產(chǎn)品的儲罐，其中，料位計系統(tǒng)以如下方式附連到儲罐至少傳播設備的具有由表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性的表面部分被布置成朝向儲罐內部的石油產(chǎn)品。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種確定容納在儲罐中的產(chǎn)品的填充料位的方法，包括步驟提供料位計系統(tǒng)，該料位計系統(tǒng)包括具有表面部分的傳播設備，該表面部分具有由表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性；以及將料位計系統(tǒng)布置在封閉的儲罐處，使得傳播設備的至少表面部分經(jīng)受容納水蒸汽的儲罐環(huán)境以使得水蒸汽在傳播設備的至少表面部分上凝結為液態(tài)水，從而在涂覆的表面部分上形成水膜。為了提高凝結率從而促進水膜在傳播設備的表面部分上的形成，可以有利地加熱
女口
廣叩ο本發(fā)明的該第二方面的另外的實施方式和通過本發(fā)明的該第二方面獲得的效果與以上針對本發(fā)明的第一方面描述的實施方式和效果基本上類似。

現(xiàn)在，將參照示出本發(fā)明的示例性實施方式的附圖，對本發(fā)明的這些及其它方面進行更詳細的描述，其中圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的安裝在示例性儲罐中的料位計系統(tǒng)；圖2是包括在圖1的料位計系統(tǒng)中的測量電子單元的示意圖；以及圖3示出包括在圖1的料位計系統(tǒng)中的傳播設備的示例性實施方式。
具體實施方式
圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的實施方式的料位計系統(tǒng)1，料位計系統(tǒng)I包括測量電子單元2和輻射天線設備3形式的傳播設備。雷達料位計系統(tǒng)I被設置在儲罐5上，儲罐5部分地填充有待測量的產(chǎn)品6。在圖1示出的情況中，產(chǎn)品6是液體，諸如基于石油的產(chǎn)品。具體地，產(chǎn)品是真空瓦斯油(VG0)。通過分析由天線設備3向產(chǎn)品6的表面7輻射的發(fā)射信號St和從表面7傳回的反射信號Sk，測量電子單元2可以確定基準位置與產(chǎn)品6的表面7之間的距離，由此，可以推斷填充料位。應當注意的是，雖然在本文中討論了容納單個產(chǎn)品6的儲罐5，但是可以根據(jù)材料的傳播特性以相似的方式測量到存在于儲罐5中的任何材料界面的距離。如圖2示意性地示出的，電子單元2包括收發(fā)器10和處理單元11，收發(fā)器10用于發(fā)送和接收電磁信號，處理單元11連接到收發(fā)器10以用于控制收發(fā)器以及處理收發(fā)器所接收到的信號，從而確定儲罐5中的產(chǎn)品6的填充料位。此外，處理單元11可經(jīng)由接口 12連接到用于模擬和/或數(shù)字通信的外部通信線13。而且，雖然圖2未示出，但是雷達料位計系統(tǒng)I通常可連接到外部電源，或可以通過外部通信線13供電?？商娲?，雷達料位計系統(tǒng)I可以由本地供電，并可以將雷達料位計系統(tǒng)I配置為無線地進行通信。盡管收發(fā)器10、處理電路11和接口 12在圖2中示出為分離的塊，但是它們中的幾個可以設置在同一電路板上。此外，在圖2中，收發(fā)器10示出為與儲罐5的內部分離并經(jīng)由穿過設置在儲罐壁內的饋通(feed-through) 15的導體14連接到天線設備3。應當理解的是,并非必須是上述情況，至少收發(fā)器10可以被設置在儲罐5的內部。圖3示意性地示出這里以包括有天線饋送器20和導電式拋物面反射器22的拋物面天線的形式的輻射天線3。拋物面天線被布置在容納在儲罐中的產(chǎn)品6的表面7上方。拋物面反射器的凹入表面具有TiO2的覆層24，可以使用常規(guī)的沉積方法，例如蒸發(fā)或濺射來沉積覆層24。圖3中示出了水膜26如何存在于由TiO2涂覆的反射器的表面上。還示出了已濺到水膜上的油滴28 (這例如可能在海上運輸期間發(fā)生)滑動到反射器的邊緣，油滴28在該邊緣處掉落。由于水與石油產(chǎn)品之間的吸引力低，所以油滴將直接地或通過沿著反射器的彎曲部分滑動到邊緣而從反射器掉落。表面也可以設置有用于阻止附著于表面的水從表面流走的表面結構。表面結構例如可以是被布置成繞著傳播設備的周邊部分地或完全地延伸的圓形脊或槽。根據(jù)傳播設備的類型，表面結構可能需要以不同方式設計以使得不會不利地影響傳播設備的電特性，同時仍能實現(xiàn)阻止水離開表面的期望特性。注意，以上參照幾個實施方式大體描述了本發(fā)明。然而，如本領域技術人員容易理解的，除以上公開的實施方式之外的其它實施方式也可以等同地在如所附權利要求所限定的本發(fā)明的范圍內。例如，本發(fā)明構思也可以適用于可以與待測量的產(chǎn)品直接接觸或不直接接觸的波導型天線。還要注意，在權利要求中，詞“包括(comprising)”不排除其它的元件或步驟，并且不定冠詞“一個(a)”或“一個(an)”不排除多個。單個設備或其它的單元可以完成權利要求中所列舉的若干項功能。僅是在相互不同的從屬權利要求中列舉某些手段的這個事實不表示不能有利地使用這些手段的組合。實驗在實驗中，鋼板被通過濺射涂覆以50納米厚的TiO2層。如此涂覆的鋼板被布置為覆層面朝下地位于被加熱到80°C的一燒杯水上方。在這些條件下，在不足5分鐘內在涂覆表面上形成連續(xù)的水膜。隨后，將被加熱到65°C的VGO (真空瓦斯油)滴到水膜上，然后鋼板被傾斜。VGO液滴具有良好的移動性，并且可以通過傾斜而使VGO液滴從表面完全滾落。
通過使用座滴技術測量靜態(tài)接觸角來估計TiO2涂層的潤濕性。將液滴體積為1-5 μ I的液滴布置在水平布置的表面上面。接觸角被確定為大約15°。
權利要求1.一種用于確定容納在儲罐中的產(chǎn)品的填充料位的料位計系統(tǒng)，所述料位計系統(tǒng)包括收發(fā)器，用于生成、發(fā)送和接收電磁信號；信號傳播設備，其連接至所述收發(fā)器，所述信號傳播設備包括信號導向部分，所述信號導向部分被布置和配置成將所發(fā)送的電磁信號沿著大體豎直的路徑導向所述儲罐內的所述產(chǎn)品的表面，并且返回由于所發(fā)送的電磁信號在容納在所述儲罐中的所述產(chǎn)品的表面處的反射而產(chǎn)生的表面回波信號；以及處理電路，其連接至所述收發(fā)器并被配置成基于所述表面回波信號確定所述填充料位，其中，所述信號導向部分的表面包括表面部分，所述表面部分具有由所述表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性。
2.根據(jù)權利要求1所述的料位計系統(tǒng),其中,所述接觸角小于20°。
3.根據(jù)權利要求1所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述接觸角小于10°。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述表面部分涂覆有包括二氧化鈦的覆層以用于提供小于30°的所述接觸角。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述表面部分構成所述信號傳播設備的所述信號導向部分的所述表面的至少一半。
6.根據(jù)權利要求5所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述表面部分構成所述信號傳播設備的所述信號導向部分。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述信號傳播設備是拋物面天線，所述拋物面天線包括具有凹入信號導向表面的導電拋物面反射器，其中，所述凹入信號導向表面包括所述表面部分。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述信號傳播設備是喇叭形天線，所述喇叭形天線包括內信號導向表面，其中，所述內信號導向表面包括所述表面部分。
9.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述信號傳播設備是探針，所述探針被布置成延伸到容納在所述儲罐中的所述產(chǎn)品中，其中，至少所述探針的布置在所述收發(fā)器與所述儲罐的最大填充料位之間的部分包括所述表面部分。
10.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述表面部分包括用于阻止附著于所述表面部分的水從所述表面部分流走的結構。
11.根據(jù)權利要求10所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述結構包括水平布置的脊。
12.根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其特征是，所述料位計系統(tǒng)還包括水膜，所述水膜被布置在經(jīng)受所述儲罐內的儲罐環(huán)境的所述被涂覆的表面部分上。
13.一種用于在海上運輸石油產(chǎn)品的船，包括浮動儲罐，被布置成容納所述石油產(chǎn)品；以及根據(jù)權利要求1或2所述的料位計系統(tǒng)，其中，所述料位計系統(tǒng)以使得所述傳播設備的至少所述表面部分被布置成朝向所述儲罐內的所述石油產(chǎn)品的方式附接到所述儲罐。
14.根據(jù)權利要求13所述的船，其特征是，所述船還包括水膜，所述水膜被布置在經(jīng)受所述儲罐內的儲罐環(huán)境的所述表面 部分上。
專利摘要本實用新型涉及一種用于確定容納在儲罐中的產(chǎn)品的填充料位的料位計系統(tǒng)，所述料位計系統(tǒng)包括收發(fā)器，用于生成、發(fā)送和接收電磁信號；信號傳播設備，其連接至收發(fā)器并被布置成沿著大體豎直的路徑向儲罐內的產(chǎn)品的表面?zhèn)鞑ニl(fā)送的電磁信號，以及返回由于所發(fā)送的電磁信號在容納在儲罐中的產(chǎn)品的表面處的反射而產(chǎn)生的表面回波信號；以及處理電路，其連接至收發(fā)器并被配置成基于表面回波信號確定填充料位。信號傳播設備的表面包括表面部分，該表面部分具有由該表面部分與水之間的小于30°的接觸角限定的潤濕性。
文檔編號G01F23/284GK202869601SQ20122020678
公開日2013年4月10日 申請日期2012年5月9日 優(yōu)先權日2012年3月13日
發(fā)明者馬蒂斯·蘇內松, 萊納斯·?？寺〉?申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司