專利名稱：測量貯存罐水底水位及泄漏的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能夠測量處于貯存罐底部的雜質如水的上水位的一種高靈敏度貯存罐監(jiān)測系統(tǒng)，本發(fā)明也能用于貯存罐的泄漏檢測。
在裝有如石油等的處理液體(process liquids)的大型貯存罐中，一些不希望的雜質如具有比處理液體更大比重的水沉積并聚集在罐底，通常稱為水底(water bottom)。水底是密度較大的雜質如沿著松動的頂蓋并通過封口漏進罐中的雨水，用于幫助將產品從地面泵入罐中的注入水，以及在油輪航運時用于壓載的海水。了解水的上水位是否達到罐的排出口是特別重要的，罐的排出口通常高于罐底一到三英尺，任何排出的處理液體將含有很高比例的水。此外，水及其它所不希望的密度較大的液體或固體物將對罐底造成腐蝕而減短罐的壽命，因此需時常進行清除。
測量罐中水位的一種方法是使用兩個空氣罩(air bell)，一個置另一個之內，每個都在不同的水位有一個開口并與一個壓力表連通，詳見美國專利4084435。該方法的缺點是該系統(tǒng)必須要置入罐中。而罩體要在罐底附近精確定位，而罐底并非總是均勻的表面。
測量水位的另外一種方法也是利用壓力表詳見美國專利1622794。該技術的缺點是罐中必須要總是充滿液體而基準管充滿一定量的雜質(水)，于是產生一個固定的基準壓力頭(reference.head)。
許多具有靜壓力罐測量系統(tǒng)(HTG)是通過質量來測量罐中液體數(shù)量，如Rosemount公司(Eden Prairie Minnesota)生產的7500系統(tǒng)。目前的HTG系統(tǒng)通常利用兩個分離的壓力傳感器，它處在由處理液體產生的靜壓力頭下的不同高度并相距的一個予定的距離。第一個壓力傳感器(pressure transmitter)用來測量罐底附近的靜壓，第二個壓力傳感器用來測量距第一個壓力傳感器一已知距離的靜壓力。處理液體的質量與較低位置傳感器測到的壓力乘以罐的水平的面積成正比。其密度則與測到的二個壓力之間的差除以二個壓力傳感器測壓孔之間的高度或距離成比例。處理液體的液位和體積則可通過質量和密度的計算得出。
然而，當罐底的具有比處理液體更大的特定比重的水達到第一(較低的)傳感器時，質量和密度計算時就易于出錯，因為HTG將假設第一壓力傳感器以上所含物質中僅僅是具有均勻密度的處理液體。因此，HTG雖然能精確地對具有均勻密度的處理液體進行總量控制，并能全自動化，然而目前的HTG系統(tǒng)則不具備精確地測量罐底的水的水位的能力。
液體貯存罐的另一個問題是泄漏。當涉及大型貯存罐時，比如直徑為20-50英尺的貯存罐時，就可能產生大量的處理液體流失到地面而罐中的處理液體液位變化甚微的情況。檢測泄漏的方法之一是使用目測觀察鏡，然而其檢測液位微小變化的精度較差，而且受溫度變化的影響。另一種方法是使用壓力傳感器測量罐底部的壓力變化，正如上述對比文件中那樣，液體的體積可隨溫度變化，而質量則不會。
人們希望得到一種儀器，它不僅能精確測量罐底部水位，而且易于轉換成一個高精確度的貯存罐泄漏檢測器，此外，人們也希望這種儀器能與目前的HTG系統(tǒng)兼容。
本發(fā)明提供了一種簡化的且高精度的裝置，該裝置可用來測量處于貯存罐底部并在密度較低的處理液體的下面的密度較高時雜質如水的上水位。該裝置能夠自動將雜質的上液位維持在處理液體的排出口下面，以免雜質與處理液體一同排出。該裝置易于轉換成泄漏檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)自動控制并與HTG系統(tǒng)兼容。
在第一最佳實施例中，根據常規(guī)設計的單一的低量程壓差傳感器在第一液位有一高壓孔，用來接收處理液體及處于第一液位及其上面的密度較高的雜質所產生的第一靜壓力頭壓力。傳感器的低壓孔處于與第一液位大體相同的液位并從僅含有處理液體的凈化管(purged column)中取得第二靜壓力頭壓力。所述凈化管從高于雜質上水位的平面上與罐相通。壓差傳感器通過高壓和低壓孔檢測到由處于第一液位的和其上面的密度較高的雜質所造成的壓差，并提供一個輸出，該輸出代表相對于第一液位的雜質的上水位，計算裝置接收到這一輸出值，并與一個能夠接收、存儲處理液體和雜質的特定比重數(shù)據的裝置相連接，并按已知的方式根據特定的比重數(shù)據和接收到的輸出值計算雜質的上水位。傳感器兩端的處理液體產生的共同壓力效應(相互)抵消，使得使用一個低量程的具有較高精度的壓差傳感器成為可能。
在第二最佳實施例中，在凈化管與貯存罐間安裝了一個閥門，用以有選擇地將凈化管中的壓力與貯存罐隔緣開來，以使裝置能精確地檢測貯存罐的泄漏。凈化管的一部分向上延伸，在高于貯存罐中的液體的某一位置與罐相通。關上閥門時，凈化管中產生一個固定的基準液位，其高度與貯存罐中液體總量的高度相同。罐中液體高度隨后發(fā)出的任何變化都會通過壓差傳感器產生成比例的壓差變化。傳感器的輸出值并不是泄漏量的絕對值但卻與液位的變化成比例。閥門關閉后經過一予定的時間，傳感器產生一個初始讀數(shù)。打開閥門時，產生第二個讀數(shù)，初始讀數(shù)和第二讀數(shù)之間反映出的壓差傳感器兩邊的壓力差與液位的變化成比例。由于予定時間內的溫度差及傳感器的零點飄移所產生的誤差被減小從而提高泄漏檢測的精確度。將傳感器及凈化管保持溫度恒定有助于讀數(shù)的穩(wěn)定。由于共同的壓力頭效應的抵消可使用低量程高精度的傳感器，因此檢測的泄漏值十分精確。
本發(fā)明的裝置可與通用的靜壓力系統(tǒng)兼容，因為該傳感器可以與通常的HTG系統(tǒng)中所用的予先裝好的罐的凸緣相接。本發(fā)明并沒有指明，也就是說整個裝置可以置于貯存罐外，如需要，也可置于罐內。


圖1是本發(fā)明水底測量系統(tǒng)的簡圖，顯示出在貯存罐中測量水位的原理。
圖2是本發(fā)明第二種形式的簡圖，即可將水底測量系統(tǒng)轉換成泄漏檢測系統(tǒng)。
參照圖1，以10所示的液體貯存罐含有兩種具有不同的特定比重或密度的液體，其中包括比水比重輕，密度低的處理液體12，及處于處理液體12之下的密度較高的雜質或水14，其中包括沉積物。在本實施例中，貯存罐10有一底部16，水雜質沉積于此，通常稱為水底。水底測量系統(tǒng)20與貯存罐相連，該系統(tǒng)可置于貯存罐10中，或按圖1所示置于貯存罐10之外。
凈化管22從位于水位26之上的孔24接進貯存罐10中，該水位26為處理液體12和水14的交界面，最好是低于液面30處的排出孔28，因此總是低于貯存罐10的罐上液位32。凈化管22向下延伸至凈化閥34，該閥通過控制線38由控制器36自動控制，在任何測量前將凈化管中所含液體40中所含的任何雜質，如水凈化出去。
壓差傳感器42，比如Rosemount公司(Eden、Prairie，Minhesota)生產的3051 C型，具有一高壓孔44，該孔經由通道46與貯存罐10位于接近罐底16的孔48相連，測出由較高比重的水14和較低比重的處理液體12造成的壓力頭P1。低壓孔50經由通道52在與高壓孔44大體相同的高度與凈化管22接通，測到壓力頭P2并作為基準壓力，壓力P2僅由凈化管22和貯存罐10中的比重較低的處理液體產生，因為凈化管22超過了水位26。傳感器42的壓差探頭54分別測到高低壓孔44和50之間的差P1-P2，這一壓差是由孔48之上的較高比重的水14的存在形成的。傳感器42通過線56輸出一與壓差成比例的傳感輸出信號，比如一個在4-20MA范圍內的直流電流或一數(shù)字輸出，該信號送到電子線路60中的接收器58，電子線路60可包含邏輯電路或以微處理器為基礎的系統(tǒng)。由于高低壓孔44和50分別處于大體相同的水平面上，由處理液體12產生的共同壓力效應抵消，所以可使用高靈敏度的低量程壓差傳感器測量由較高密度水14形成的微小壓差。
特定比重數(shù)據62，包括存儲的適當?shù)牟殚啽?，測量出的特定比重，輸入的特定比重或類似的數(shù)據，向電子線路60中計算器64提供水14以及處理液體12的密度或特定的比重數(shù)據。壓差P1-P2和水位26的高度之間具有線性關系使得計算簡化。計算器64以已知的方式根據特定比重數(shù)據62及線56送來的傳感輸出信號計算水位26。運算存儲器66存儲計算器64的計算結果并提供一輸出值68，該值代表水位26。如果孔48以上沒有聚集水14那么壓力P1及P2只會由處理液體產生，兩值相等，壓差P1-P2為零，運算存儲器66發(fā)出相應的輸出值68。如果孔48上聚集有水14，那么由較高比重的水14和處理液體12產生的壓力P1便會大于僅由處理液體12產生的壓力P2，同時也會出現(xiàn)一個壓力差。
當水位26超過予定水位時，可以用輸出值68來驅動錄音機或產生報警聲。計算器64可以通過控制線72自動啟動控制器36以打開排水閥70，排水閥70與排水孔74相連，排水孔通向貯存罐中的水14，可以通過將聚積在底部16的水14和其它雜質排出來降低水位26，以確保水位26保持在排出孔28之下?？刂破?6可通過控制線78控制閥76，閥76與貯存罐排出孔28相連，以便有選擇地排出處理液體12。計算器64可以計算水14和處理液體12的質量，即通過以已知的水及處理液體的水平面積乘以罐10中的垂直高度的函數(shù)。
為了減少由溫度造成的測量誤差(溫度使液體膨脹)，壓差傳感器42應通過通道46連到貯存罐10，并盡可能接近罐底部16，閥34和70應處于大體相同的水平面上。通道46或52及凈化管22應使用與貯存罐相同的材料制成并與外界加以隔絕，并應在背對太陽的一面，在北半球即在北面與貯存罐相接。
圖2顯示的是本發(fā)明的第二最佳實施例，該實施例系測量水位的高度及罐的泄漏。在本實施例中，與第一最佳實施例所述的測量系統(tǒng)20相似的測量系統(tǒng)和與貯存罐相連。
傳感器42的高壓孔44經通道46和雙向閥與貯存罐10的孔48接通，壓差傳感器42的低壓孔50經通道52和雙向閥84通向凈化管86。凈化管86向下延伸至凈化閥34，如前所述該閥可通過控制線38由控制器36自動加以控制，向上延伸至通道88，該通道經處于液體水平面32上的孔89通向貯存罐器，這樣便可使管中液體40與處理液體12承受同樣的汽壓。凈化管86還通向通道90，該通道經過閥門94與通道92相接，通道92在高于水位26之上的某一位置通向貯存罐10的孔24，其位置最好低于排出孔28，這樣在作任何測量前凈化管86進行凈化時，只有較低比重的處理液體12被抽入凈化管86。
當閥94開啟時，測量系統(tǒng)80按照第一最佳實施例中描述的方式測量水位26。當開始進行罐泄漏測量時，閥94被有選擇地加以關閉，比如由控制器36通過控制線96將其關閉，凈化管86與貯存罐10通過通道90和92的壓力取被切斷，測量系統(tǒng)80便可作為罐泄漏探測器使用。由處理液體12構成的基準液體40維持在對應于水平面100的恒定的液位98，這樣，當液位32由于罐泄漏、蒸發(fā)、濃縮閥門泄漏等而發(fā)生的變化時便會引起壓力P1的變化，也就成高壓孔44和低壓孔50之間的壓差的變化。壓差探頭分別探到高低壓孔44和50的壓差變化，這些壓差變化與液位32的變化成比例，傳感器42向線56傳出一按比例變化的傳感輸出信號。為計算關閉閥94后經過一予定時間罐的泄漏量，由傳感器42產生一個對應于液位32的初始讀數(shù)。當閥94有選擇地被找開時，比如由控制器36經控制線90將其打開，凈化管86和貯存罐10之間的壓力聯(lián)系得以恢復，此后由傳感器42產生一個相應于液位32的第二讀數(shù)。計算器64根據線56傳來的初始數(shù)與第二讀數(shù)間傳感輸出信號的變化和特定比重數(shù)據62計算一予定期內液位32的絕對變化值，運算存儲器66給出代表罐泄漏的輸出值68。由于初始讀數(shù)與第二讀數(shù)之間的時間間隔非常短，溫度差及傳感器42零點飄移所引起的誤差大大減小。如果貯存罐10具有從垂直方向來看是均勻的平面，如一端定位的園柱體，那么液體32的液位變化值乘以該面之面積便可計算出泄漏量。
由于共同的壓力效應的抵消，以及當測量基準液位及罐的泄漏時，只遇到很小的壓差變化，壓差傳感器42可以是一種高靈敏度的低量程傳感器，因此，提供了高精度的泄漏測量。
雙向閥82安在高壓孔44和48之間，與通向低壓孔50的通道102相連。雙向閥84安在低壓孔50和基準管86之間，與能向高壓孔44的通道104相連。有選擇地改變閥門82和84的開關而交換位置，比如可由控制器36分別通過控制線100和108使其開關，那么閥82便會使在孔48處的比重較大的水14經通道102通向低壓孔50，切斷與高壓孔44的壓力聯(lián)系。同樣，閥84可以使具有較低的特定比重的基準液體40經通道104通向壓差傳感器42的高壓孔，切斷與低壓孔50的壓力聯(lián)系，當通過切換82和84而變換位置時，壓力頭P1和P2與高壓孔44及低壓孔50的聯(lián)系被交換，使得計算器能計算出由線56的傳感信號所代表的探頭54的壓差平均值，從而消除了由壓差探頭54的零點飄移所產生的誤差。將諸如有閥門的復式接頭安在壓差傳感器42中，也可使壓力P1和P2以類似方式通向相反的壓力孔。
本發(fā)明所公開的裝置可與現(xiàn)有的包括那些已經安裝好的HTG系統(tǒng)兼容。
盡管本發(fā)明是參照最佳實施例加以描述的，該領域技術人員應意識到可進行形式和細節(jié)的修改而不脫離本發(fā)明之精神及范圍。
權利要求
1.用來連接在第一和第二壓力支管之間的裝置，其中第一壓力支管在第一液位通過第一孔與貯存罐相連，第二壓力支管在與第一液位大體相同的位置與一凈化管相連，貯存罐中裝有具有第一特定比重的第一液體和具有比第一液體比重更大的第二液體，第一液位于第二液體之上在兩者之間及第一液位上形成一交界面層，凈化管中裝有第一液體，通過貯存罐的第二孔與貯存罐相通，第二孔在低于第一液體上的液位處與貯存罐相通，向第一及第二壓力支管提供大致相同的第一液體壓力頭，該裝置可提供表示交界面高度的輸出值，該裝置包括接在第一和第二壓力支管之間測量其壓差并輸出代表其壓差值的輸出的裝置；接收并存儲代表第一和第二液體相關的特定比重數(shù)據的裝置；接于壓力輸出，用以計算作為壓差輸出值和數(shù)據的函數(shù)的交界面層的高度并提供表示該高度所產生的輸出的裝置。
2.根據權利要求1的裝置，還包括排出閥裝置，該裝置與通向貯存罐的排出口相連接，用以有選擇地將第一液體從貯存罐中排出。
3.根據權利要求2的裝置，其中計算第二液體的液位的裝置還包括可向排出閥裝置提供第一信號的裝置，以有選擇地對排出閥裝置進行控制。
4.根據權利要求1的裝置，其中還包括通向第二液體的泄放閥裝置，以有選擇地將第二液體從罐中泄放。
5.根據權利要求4的裝置，其中計算第二液體液位的裝置還包括向貯存罐泄放閥裝置提供第二信號的裝置，以有選擇地控制貯存罐泄放閥裝置。
6.根據權利要求1的裝置，其中包括與凈化管相連的凈化閥裝置，以有選擇地對凈化管凈化。
7.根據權利要求6的裝置，其中計算第二液體液位的裝置還包括可向凈化閥裝置提供第三信號的裝置，以有選擇地控制凈化閥裝置。
8.根據權利要求1的裝置，其中還包括安在第二孔和凈化管之間的隔離閥裝置，有選擇地阻止凈化管的第一液體與貯存罐中的第一液體的流通，由此得到的壓差輸出的變化便顯示了貯存罐中第一種液體液位的變化。
9.根據權利要求1的裝置，其中凈化管置于貯存罐之外。
10.根據權利要求1的裝置，其中還包括與測量壓差的裝置相連的零點飄移效應裝置，用以將第一和第二壓力支管交換地接到該裝置上而用于提供平均壓差輸出值，用以消除測量壓差裝置的零點飄移效應的誤差。
11.連接于第一及第二壓力支管之間的裝置，其中第一壓力支管位于裝有第一和第二液體的貯存罐的第一液位，第二壓力孔與裝有第一液體的凈化管相連，第二液體具有較大的特定比重處于第一液體之下，其上液位則位于第一液位之上，第二壓力支管與第一壓力支管大體上處于同一水平面，該裝置包括接在凈化管及貯存罐之間的導管裝置，該裝置在由第一及第二液體形成的交界面的液位之上通向貯存罐中的第一液體;接在第一和第二壓力支管之間測量其壓差并輸出壓差值的裝置;與導管裝置相接用以有選擇地關閉導管裝置將凈化管中的第一液體與貯存罐中的第一液體隔離開的裝置，從而壓差值的變化便代表了貯存罐中第一液體液位的變化。
12.根據權利要求11的裝置，其中還包括接收和存儲與第一和第二液體有關的特定比重數(shù)據的裝置;與壓差輸出相連的裝置，用以計算作為壓差輸出值和有關數(shù)據的函數(shù)的第二液體的液位，其中，當有選擇地關閉導管裝置的裝置被打開時，所述計算裝置提供一個代表第二液體液位所產生的輸出。
全文摘要
一種用來測量貯存罐底部處理液體之下聚集的水的水位的壓差傳感器。該壓差傳感器測量第一及第二壓力支管之間的壓差，其中第一壓力支管位于比重較大的水的上水位之下，已含有較低比重的處理液體的凈化管的第二壓力支管位于水的上水位之上通于貯存罐。所述壓差是水的比重或密度及水的壓力頭的函數(shù)。根據該壓力差及比重數(shù)據便可確定貯存罐中水的高度。本裝置可以與目前的罐靜壓力測量系統(tǒng)兼容。
文檔編號G01F23/14GK1061660SQ91109188
公開日1992年6月3日 申請日期1991年9月25日 優(yōu)先權日1990年9月26日
發(fā)明者蘭蒂J·朗斯道夫, 羅伯特C·L海迪特克, 理查德L·尼爾森 申請人:羅斯蒙德公司