NO323548B1

NO323548B1 - Niva Templates

Info

Publication number: NO323548B1
Application number: NO20055030A
Authority: NO
Inventors: Oivind Jenssen; Oivind Tommeras; Oddbjorn Malmo
Original assignee: Kongsberg Maritime As
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-06-11
Also published as: WO2007049966A1; JP4757920B2; NO20055030D0; KR100891572B1; KR20070045888A; JP2009513971A; CN101297182B; CN101297182A

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et apparat for å fastsette fluidnivået i en beholder, omfattende en radarmåleanordning med en antenne for å sende signaler mot væskeoverflaten, anordninger for å detektere ekkosignaler. Apparatet er karakterisert ved at det omfatter en anordning for å tilveiebringe et beholderreferansesignal, med en markør som følger beholderens bunn ved en fast eller beregnelig avstand. Oppfinnelsen er også knyttet til en fremgangsmåte for å måle fluidnivået i en beholder ved hjelp av et radarsystem, omfattende å sende signaler mot fluidoverflaten, å detektere et første ekkosignal fra fluidoverflaten, å detektere et andre ekkosignal fra en beholderreferanseanordning og basert på nevnte første og andre ekkosignaler å tilveiebringe et signal som er representativt for fluidnivået.The present invention relates to an apparatus for determining the fluid level in a container, comprising a radar measuring device with an antenna for transmitting signals to the liquid surface, devices for detecting echo signals. The apparatus is characterized in that it comprises a device for providing a container reference signal, with a marker following the bottom of the container at a fixed or calculating distance. The invention also relates to a method for measuring the fluid level in a container by means of a radar system, comprising transmitting signals to the fluid surface, detecting a first echo signal from the fluid surface, detecting a second echo signal from a container reference device and based on said first and second echo signals to provide a signal representative of the fluid level.

Description

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører apparatet for å fastsette væskenivå beskrevet i søkerens norske patentsøknad nr. 20054466 hvor innholdet er innlemmet her ved henvisning. The present invention relates to the device for determining liquid level described in the applicant's Norwegian patent application no. 20054466, the content of which is incorporated here by reference.

Oppfinnelsen vedrører et apparat for å måle væskenivå i en beholder, og vil forklares i detalj ved hjelp av et eksempel hvor fluidet er LNG og beholderen er en tank plassert i et fartøy. The invention relates to an apparatus for measuring liquid level in a container, and will be explained in detail using an example where the fluid is LNG and the container is a tank placed in a vessel.

Konvensjonelle nivåmåleradarer som støttes av tankens tak måler i virkeligheten mellomrommet, mens fluidnivået beregnes som forskjellen mellom en antageligvis kjent tankdybde, og det målte mellomrommet. Denne metoden er av flere grunner ikke tilstrekkelig nøyaktig til å måle lave nivåer i dype tanker. Termisk ekspansjon av tankens tak har alene et potensial til å påvirke tankdybden mer enn den påkrevde nøyaktigheten for CTS-anvendelser. I LNG-anvendelser er det også betydelige kilder for feil i fremgangsmåtene som anvendes for å rette nivåmålingen for termisk kontraksjon av radarens målerør. Conventional level measuring radars supported by the tank roof actually measure the gap, while the fluid level is calculated as the difference between a presumably known tank depth and the measured gap. For several reasons, this method is not sufficiently accurate to measure low levels in deep tanks. Thermal expansion of the tank roof alone has the potential to affect tank depth more than the required accuracy for CTS applications. In LNG applications, there are also significant sources of error in the methods used to correct the level measurement for thermal contraction of the radar's gauge tube.

Den kjente teknikken leverer ingen tilfredsstillende fremgangsmåte for å måle fluidnivået i dype tanker fordi referansenivået som anvendes for tankens bunn ikke tar i betraktning høydeendringer på tilstrekkelig nøyaktig måte. The known technique does not provide a satisfactory method for measuring the fluid level in deep tanks because the reference level used for the bottom of the tank does not take into account height changes in a sufficiently accurate manner.

En hensikt med denne oppfinnelsen er å tilveiebringe en An object of this invention is to provide a

beholderreferanseanordning som leverer et nøyaktig referansesignal for nivåmåling i forhold til bunnen av beholderen. container reference device which supplies an accurate reference signal for level measurement relative to the bottom of the container.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning som lett festes til beholderen. Another purpose of the invention is to provide a device which is easily attached to the container.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en anordning som tar i betraktning termisk kontraksjon/utvidelse av målerøret. Another purpose of the invention is to provide a device which takes into account thermal contraction/expansion of the measuring tube.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe fremgangsmåter for iboende å fastsette bølgeforplantningshastigheten eller permittiviteten (dielektrisk konstant) i væsken slik at gangavstanden for radarsignalet gjennom væskefasen kan beregnes ut fra den målte tidsforsinkelsen. Another purpose of the invention is to provide methods for inherently determining the wave propagation speed or permittivity (dielectric constant) in the liquid so that the travel distance for the radar signal through the liquid phase can be calculated from the measured time delay.

Disse og andre hensikter er oppnådd ved hjelp av et apparat for fastsettelse av fluidnivå i en beholder, omfattende en radarmåleanordning med en antenne for å sende signaler mot væskeoverflaten og anordninger for å detektere ekkosignaler,karakterisert vedat den omfatter en anordning for å tilveiebringe et beholderreferansesignal, hvor nevnte anordning omfatter en markør som følger beholderens bunn ved en fast eller beregnelig avstand. These and other purposes are achieved by means of an apparatus for determining the fluid level in a container, comprising a radar measuring device with an antenna for sending signals towards the liquid surface and devices for detecting echo signals, characterized in that it comprises a device for providing a container reference signal, where said device comprises a marker which follows the bottom of the container at a fixed or calculable distance.

Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for å måle fluidnivå i en beholder ved hjelp av et radarsystem, omfattende å sende signaler mot fluidoverflaten,karakterisert vedat den videre omfatter å detektere et første ekkosignal fra fluidoverflaten, å detektere et andre signal fra en beholderreferanseanordning, og basert på nevnte første og andre ekkosignaler, å tilveiebringe et signal som er representativt for fluidnivået. I én utførelse er de karakteristiske egenskapene til væsken og således bølgeforplantningshastigheten kjent, i en annen utførelse er de karakteristiske egenskapene til væsken ukjent og permittiviteten eller bølgeforplantningshastigheten er iboende målt av systemet. The invention also includes a method for measuring fluid level in a container using a radar system, comprising sending signals towards the fluid surface, characterized in that it further comprises detecting a first echo signal from the fluid surface, detecting a second signal from a container reference device, and based on said first and second echo signals, to provide a signal representative of the fluid level. In one embodiment the characteristic properties of the liquid and thus the wave propagation speed are known, in another embodiment the characteristic properties of the liquid are unknown and the permittivity or wave propagation speed is inherently measured by the system.

Oppfinnelsen omfatter også et system for å fastsette fluidnivå i en beholder, omfattende en radarmåleanordning med en antenne for å sende signaler mot væskeoverflaten, og anordninger for å detektere et første ekkosignal fra væskeoverflaten,karakterisert vedat den omfatter: en beholderreferanseanordning for å tilveiebringe et andre ekkosignal, anordninger for å detektere nevnte andre ekkosignal og anordninger for basert på de første og andre ekkosignalene å tilveiebringe et signal som er representativt for fluidnivået. The invention also includes a system for determining fluid level in a container, comprising a radar measuring device with an antenna for sending signals towards the liquid surface, and devices for detecting a first echo signal from the liquid surface, characterized in that it comprises: a container reference device for providing a second echo signal , devices for detecting said second echo signal and devices for providing a signal representative of the fluid level based on the first and second echo signals.

Oppfinnelsen er ellers kjennetegnet ved det som fremgår av patentkravene. The invention is otherwise characterized by what appears in the patent claims.

De første og de andre ekkosignalene kan f.eks. sammenlignes for å tilveiebringe det signalet som er representativt for fluidnivået. The first and second echo signals can e.g. are compared to provide the signal representative of the fluid level.

I én utførelse av oppfinnelsen er referanseanordningen koblet til beholderens bunn. I en andre utførelse er referanseanordningen plassert på beholderens bunn. I en annen utførelse er referanseanordningen koblet til en beskyttelsesanordning. I en annen utførelse er referanseanordningen koblet til beskyttelsesanordningens bølgeskjerm. In one embodiment of the invention, the reference device is connected to the bottom of the container. In a second embodiment, the reference device is placed on the bottom of the container. In another embodiment, the reference device is connected to a protection device. In another embodiment, the reference device is connected to the protection device's wave screen.

Forskjellige trekk ved oppfinnelsen presenteres som forskjellige utførelser for klarhets skyld og fagmannen på området vil forstå at det er mulig å kombinere disse for å tilpasse apparatet til en konkret anvendelse. Various features of the invention are presented as different embodiments for the sake of clarity and the person skilled in the art will understand that it is possible to combine these to adapt the apparatus to a specific application.

Oppfinnelsen omfatter også anvendelse av to eller flere The invention also includes the use of two or more

beholderreferanseanordninger for å tilveiebringe to eller flere ekkosignaler. Anvendelse av målerørreferanseanordninger, dvs. anordninger som er koblet til målerøret og som sporer dets bevegelse sammen med beholderreferanseanordninger er også tenkt. container reference devices to provide two or more echo signals. The use of measuring tube reference devices, i.e. devices which are connected to the measuring tube and which track its movement together with container reference devices is also contemplated.

Ifølge oppfinnelsen er bunnekko eller kan ekko fra en markør som følger bunnen med en fast eller beregnelig avstand anvendes for å måle eller beregne fluidnivået basert på tidsforsinkelsen mellom nivåekko og den virkelige eller det forsinkede fremskyndte bunnekko. According to the invention, bottom echoes or echoes from a marker that follows the bottom at a fixed or calculable distance are used to measure or calculate the fluid level based on the time delay between the level echo and the real or the delayed accelerated bottom echo.

Dette i kombinasjon med bunnekkoattenuatoren beskrevet i den norske patentsøknad NO 20054466, vil tilveiebringe den fordelen med anvendelse av en markørekko som enten er fremskyndet eller forsinket i forhold til bunnekko at nivåekkoen kan spores med høyere nøyaktighet og nærmere bunnen. This, in combination with the bottom echo attenuator described in the Norwegian patent application NO 20054466, will provide the advantage of using a marker echo that is either accelerated or delayed in relation to the bottom echo that the level echo can be tracked with higher accuracy and closer to the bottom.

Oppfinnelsen vil nå beskrives ved hjelp av et eksempel illustrert på flg. 1-6. The invention will now be described with the help of an example illustrated on fig. 1-6.

På fig. 1 omfatter en beholderreferanseanordning en referansetapp 10 som er ført gjennom to diametralt motsattliggende slisser 11 i radarens målerør 12. Referansetappen 10 hviler på toppen av en beskyttelsesanordning 13 og således følger bevegelsene til tankens bunn. Slissehøyde tillater den maksimale termiske kontraksjon av målerøret 12 og vil være typisk 90-120 mm og fortrinnsvis 100 mm for en 30 m dyp tank. Bredden til slissene 11 er fortrinnsvis under 5 mm for å unngå uønskede forstyrrelser i radarsignalet. Tappen 10 kan f.eks. være laget av metall eller plastmateriale og signaturen velges slik at det er lett å detektere men mindre enn nivåekkoen for å minimalisere interferensen med nivåekkoen. Avstanden fra bunnen av beskyttelsesanordningen 13 til referansetappen 11 er fortrinnsvis mer enn 20 cm og fortrinnsvis mer enn 25 cm for å unngå uønsket interferens med nivåekko i det kritiske bunnområdet. In fig. 1, a container reference device comprises a reference pin 10 which is passed through two diametrically opposed slots 11 in the radar's measuring tube 12. The reference pin 10 rests on top of a protection device 13 and thus follows the movements to the bottom of the tank. Slot height allows the maximum thermal contraction of the measuring tube 12 and will typically be 90-120 mm and preferably 100 mm for a 30 m deep tank. The width of the slits 11 is preferably below 5 mm to avoid unwanted disturbances in the radar signal. The pin 10 can e.g. be made of metal or plastic material and the signature is chosen so that it is easy to detect but smaller than the level echo to minimize interference with the level echo. The distance from the bottom of the protection device 13 to the reference pin 11 is preferably more than 20 cm and preferably more than 25 cm to avoid unwanted interference with level echo in the critical bottom area.

I fig. 2 oppnås de samme hensiktene ved hjelp av en beholderreferanseanordning omfattende en referansemarkør (skive 14) som hviler på en støttetapp 15 laget av plast eller et annet ikke-metallisk materiale. In fig. 2, the same purposes are achieved by means of a container reference device comprising a reference marker (disk 14) which rests on a support pin 15 made of plastic or another non-metallic material.

På fig. 3 omfatter beholderreferanseanordningen en krage 16 som er plassert på toppen av beskyttelsesanordningen 13. Kragen kan også være plassert på beskyttelsesanordningens vegger ved et lavere nivå enn beskyttelsesanordningens topp, i dette tilfelle vil den være utformet som et ringformet fremspring på veggene. Kragen 16 er anvendt for å forsinke bunnreferansesignalet ved å reflektere deler av energien som deflekteres fra bunnen av beskyttelsesanordningen tilbake til målerøret 12. Signalet som sendes av radaren vil da, gjennom tre refleksjonstrinn før den når mottakeren, forsinkes i forhold til det direkte væskenivåekko, og således vil det ikke forstyrre væskenivåekkoet selv når den er i nærheten av tankens bunn. Forsinkelsen til dette ekko vil imidlertid være avhengig av avstanden mellom radaren og bunnen av tanken, og således være et mål for tankens dybde. In fig. 3, the container reference device comprises a collar 16 which is placed on top of the protection device 13. The collar can also be placed on the walls of the protection device at a lower level than the top of the protection device, in which case it will be designed as an annular projection on the walls. The collar 16 is used to delay the bottom reference signal by reflecting part of the energy that is deflected from the bottom of the protective device back to the measuring tube 12. The signal sent by the radar will then, through three reflection steps before it reaches the receiver, be delayed in relation to the direct liquid level echo, and thus it will not interfere with the liquid level echo even when it is near the bottom of the tank. The delay to this echo will, however, depend on the distance between the radar and the bottom of the tank, and thus be a measure of the tank's depth.

I fig. 4 oppnås den samme effekt som på fig. 3 ved hjelp av en beholderreferanseanordning omfattende en atskilt reflektor 17. Denne utførelsen er mer fleksibel når det gjelder forskyvningsavstand enn den vist på fig. 3. In fig. 4, the same effect as in fig. 3 by means of a container reference device comprising a separate reflector 17. This embodiment is more flexible in terms of offset distance than that shown in fig. 3.

I utførelsene vist på fig. 3 og 4 kan ikke radarenergien absorberes fullstendig ved bunnen, men en tilstrekkelig del bør heller deflekteres mot reflektoren ved hjelp av et kvart bølgetrinn eller en annen type deflektor 18.1 disse utførelsene må bølgeforplantningshastigheten i væsken (fluidet) enten være kjent eller måles differensielt av radaren under lasting/lossing av tanken eller måles direkte f.eks. ved å påføre to målerørreferansetapper 19, 20, 21, 22 i en kjent fast avstand som illustrert på fig. 5 og 6. Målerørreferansetappene 19, 20, 21, 22 kan atskilles med et avstandsstykke laget av Invar eller den aktuelle avstanden i LNG kan beregnes med anvendelse av kjente termiske korreksjonsfaktorer hvis den er laget av et materiale som ikke er invariant i forhold til temperaturendringer. Når den er nedsenket vil et hvilket som helst par med varmereflektorer (skiver som anvendt i Kongsbergs Autrocal<®->system) som er anvendt for å beregne bølgeforplantningshastigheten i damp (og således mellomrommet), kunne anvendes for å beregne permittiviteten i LNG, eller en hvilken som helst kombinasjon av skiver, ytterligere referansetapper og markører som beskrevet i utførelsene illustrert på fig. 1 -4 kan anvendes, så lenge avstanden mellom disse er kjent. In the embodiments shown in fig. 3 and 4, the radar energy cannot be completely absorbed at the bottom, but a sufficient part should rather be deflected towards the reflector by means of a quarter-wave step or another type of deflector 18.1 these designs, the wave propagation speed in the liquid (fluid) must either be known or be measured differentially by the radar during loading/unloading of the tank or measured directly e.g. by applying two measuring tube reference stages 19, 20, 21, 22 at a known fixed distance as illustrated in fig. 5 and 6. The measuring tube reference pins 19, 20, 21, 22 can be separated with a spacer made of Invar or the relevant distance in LNG can be calculated using known thermal correction factors if it is made of a material that is not invariant to temperature changes. When submerged, any pair of heat reflectors (discs as used in Kongsberg's Autrocal<®->system) which is used to calculate the wave propagation speed in steam (and thus the space), could be used to calculate the permittivity in LNG, or any combination of discs, additional reference pins and markers as described in the embodiments illustrated in fig. 1-4 can be used, as long as the distance between them is known.

Hvis bølgeforplantningshastigheten (dvs. den elektriske permittiviteten) er målt direkte, vil en forkunnskap vedrørende andeler av de forskjellige hydrokarboner i LNG ikke være nødvendig, og avstanden fra radaren til tankbunnen kan beregnes fra radarmålingene beskrevet over for alle nivåene, ikke bare når nivået er i bunnområdet. If the wave propagation speed (i.e. the electrical permittivity) is measured directly, a prior knowledge of the proportions of the different hydrocarbons in the LNG will not be necessary, and the distance from the radar to the tank bottom can be calculated from the radar measurements described above for all levels, not only when the level is in bottom area.

Claims

1. Apparatus for determining the fluid level in a container, comprising a radar measuring device with an antenna for sending signals towards the liquid surface, and devices for detecting echo signals, characterized in that it comprises a device for providing a container reference signal, said device comprising a marker which follows the bottom of the container at a fixed or a calculable distance.

2. Method for measuring fluid level in a container using a radar system, comprising sending signals towards the fluid surface, characterized in that the method further comprises: - detecting a first echo signal from the fluid surface, - detecting a second signal from a container reference device, - based on said first and second echo signals to provide a signal representative of the fluid level.

3. Method according to claim 2, characterized in that it comprises comparing characteristic parameters for the first and the second echo signals.

4. Method according to claim 3, characterized in that the signal which is representative of the fluid level is delivered based on the time delay between said first and second signals and the wave propagation speed.

5. Method according to claim 4, characterized by providing the characteristic properties of the liquid and thus the wave propagation speed.

6. Procedure according to claim S, characterized in that the characteristic properties of the liquid are unknown and the method includes measuring permittivity or the wave propagation speed.

7. Apparatus according to claim 1 or method according to claim 2, characterized in that the reference device is connected to the bottom of the container.

8. Apparatus according to claim 1 or method according to claim 2, characterized in that the reference device is placed on the bottom of the container.

9. Apparatus according to claim 1 or method according to claim 2, characterized in that the reference device is connected to a protection device.

10. Apparatus according to claim 2 or method according to claim 9, characterized in that the reference device is connected to a protection device in a wave shield.

11. System for determining the fluid level in a container, comprising a radar measuring device with an antenna for sending signals towards the liquid surface, and devices for detecting a first echo signal from the fluid surface, characterized in that it comprises - a container reference device for providing a second echo signal, - devices for detecting said second echo signal, - and devices for providing a signal representative of the fluid level based on the first and second echo signals.

12. System according to claim 11, characterized in that it includes devices for comparing the first and the second echo signals.

13. System according to one of the preceding claims 11-12, integrated in a radar level device for determining the wave propagation speed or the electrical permittivity of the fluid in the bottom region of the tank.

14. System integrated in a radar level device to determine the wave propagation speed or electrical permittivity of the fluid in the bottom region of the tank, characterized in that it comprises an apparatus according to claim 1.