可浸入液体的探针的制作方法

专利名称：可浸入液体的探针的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及可浸入液体中的传感系统。更具体地，本发明涉及用 于检测与流体环境的流体相关联的参数的可浸入液体中的探针。
背景技术：
各种流体被存储在地上和地下的流体存储箱中。例如，基于石油的产 品(例如燃油或汽油)通常就存储在这样的箱中。对于将流体存储在这些 箱中的任何工业主要关注的是对于满足工业和安全要求的这些流体的精
确控制和盘存(inventorying)。对于存储易燃的流体(例如燃油和汽油) 的工业是尤其重要的。同样，为了满足这些工业的流体监测需要对于更有 效的检测策略存在持续的需求。
另外，为研究世界的海洋和淡水水体的物理、生物和地质属性，对于 更有效的检测策略也存在持续的需求。

发明内容
本发明包括一种探针，所述探针用于在流体中配置和用于产生表示与 流体相关联的参数的输出。改变探针的密度以将探针从流体中的第一位置 移动到流体中的第二位置。探针的移动采用探针所携带的定位系统追踪。


图l示出在流体存储箱中的流体中配置的本发明的可浸入液体的探
针；
图2是图1的可浸入液体的探针的框图3示出用于采用图1的探针确定流体深度的本发明的一种方法；
图4示出用于采用图1的探针确定流体深度的本发明的另一种方法；
图5A示出用于采用图1的探针确定多个流体层的深度的本发明的一
种方法；
图5B示出装备有可穿透淀积物的底部检测凸出部的本发明的可浸入 液体的探针；
图6示出在管道系统中配置的本发明的可浸入液体的探针；
图7是包括传输线的图1的可浸入液体的探针的实施例；
图8是包括可充气的气囊的图7的可浸入液体的探针的实施例；
图9A是用于图1的可浸入液体的探针的实施例的可释放的重物的俯
视图9B是沿着图9A的线9B所取的图9A的可释放的重物的侧剖面图9C是固定到图1的可浸入液体的探针的实施例的图9A和9B的可释
放的重物的剖视图10A是用于图1的可浸入液体的探针的实施例的两个可释放的重物
的俯视图10B是沿着图10A的线10B,和10B2获得的图10A的可释放的重物的 剖面图10C是固定到图1的可浸入液体的探针的实施例的图10A的可释放 的重物的剖视图10D示出正在从图10C的可浸入液体的探针中释放的图10C的重物 中的一个。
具体实施例方式
图1示出配置在流体存储箱14中的流体12的本发明的可浸入液体的探 针10。如图1所示，探针10是包括可浸入液体的外壳16和具有端20和22的 可选的柔性的传输线18的现场装置。可浸入液体的外壳16在端20与传输线 18连接，并容纳包括用于检测与流体12相关联的参数的一个或更多个传感 器的电子部件。可浸入液体的外壳16抵抗流体渗透以保护容纳在其内部的 电子部件。
传输线18的端22与过程系统24连接，所述过程系统24可能是控制间、 另一个现场装置、或本领域内己知的任何其他过程控制部件或过程控制系统。传输线18可以用于多种功能，例如，在探针10和过程系统24之间提供 通信连接、提供用于给探针10供电的装置、提供用于从流体12中取回探针 的装置，或其任意组合。在一些实施例中，传输线18包括用于将压缩空气 传递给探针IO (如下面更详细地描述)以改变探针10的密度的空气通道。
例如，在一个实施例中，传输线18包括用于给探针10供电和通信连接 的过程控制环(例如双线过程控制环或四线过程控制环)。适合的过程控 制环标准的示例包括4-20mA标准、HART⑧通信协议、 FOUNDATION⑧Fieldbus通信协议、Profibus通信协议或任何本领域内的公 知的过程控制环标准。
当被配置在诸如流体存储箱14的流体环境中，探针10可以实现各种功 能。探针10适用于产生表示与流体环境相关联的条件的输出或一系列输 出。在一些实施例中，探针10可以追踪其在流体环境内的移动，并将传感 器数据与流体环境内的位置相匹配。另外，在一些实施例中，探针10可以 对其在流体环境内的位置施加影响以检测参数(例如流体深度)。
图2是图1所示的探针的框图。如图2所示，探针10包括传感器30、信 号调节电路32、数据处理器34、输出电路36、密度控制系统38和定位控制 系统40。每个传感器30测量与流体12相关联的参数并产生表示被检测的参 数的传感器信号。信号处理电路32接收传感器信号并由数据处理器34调节 传感器信号以供使用。数据处理器34产生作为经过调节的传感器信号的函 数的输出。数据处理器34然后可以将所述输出与输出电路36进行通信，以 经由可选的传输线18传递到过程系统24。在一些实施例中，输出电路36 是用于在探针10和过程系统24之间进行信息的无线传递的无线通信电路。
数据处理器34也与密度控制系统38和定位系统40进行通信。密度控制 系统38和定位系统40都可以包括信号调节电路，用于调节被数据处理器38 使用的信号。
与数据处理器34相连的密度控制系统38控制探针10的总体密度并可 以改变总体密度以对探针10在流体12中的位置施加影响。密度控制系统38 的示例包括可以排和/或抽流体12的压载系统、与内部或者外部加压气源 的连通的可充气室、可释放地连接到可浸入液体的外壳16上的压载重物以 及它们的组合。在一些实施例中，传输线18包括与端20和22相通的通道以 传送(或接收)压力空气给与可浸入液体的外壳16相关联的一个或更多个 可充气室。在一个实施例中，密度控制系统38包括可释放地连接到并被束 缚在可浸入液体的外壳16上的压载重物，以使得密度控制系统38可以释放 压载重物以降低探针10的密度，但仍允许通过绳索回收压载重物。
与数据处理器34相连的定位系统40确定流体12中的探针10的位置。定 位系统40检测由密度控制系统38 (或其他任何因素)造成的探针10的移动 并将移动相关的信息与数据处理器34进行通信，数据处理器34将探针10 在流体12中的位置计算作关于移动的信息的函数。定位系统40的示例包括 线性加速度计、角度加速度计、本领域公知的任何其他惯性传感系统、陀 螺仪、全球定位系统(GPS)以及它们的组合。在典型的实施例中，定位 系统40包括提供有稳定的参照系以抵抗或补偿探针10的旋转或扭转运动 的三轴系线性加速度计。用于提供稳定的参照系的一种方法是将加速度计 相对于可浸入液体的外壳16固定，并采用陀螺仪测量和/或角度加速度计 测量计算稳定的参照系(reference frame)。
传感器30可以是能够测量温度、压力、流量、密度、粘度、pH、导 电性、产物水平、混浊度、振动、位置、分析物浓度以及其他任何与流体 12相关联的化学或物理属性的任何类型的传感器。在一些实施例中，探针 10包括用于检测多个参数的多个传感器30。数据处理器34可以将从传感器 30接收到的传感器数据与从定位系统40接收到的定位信息相匹配，以识别
产生传感器数据的位置。
图3和4示出采用探针10确定流体存储箱14中的流体相对于表面42和 底部44的深度的两种不同的方法。在两个实施例中，探针10的定位系统40 包括能够检测垂直方向上(即在图3和4中的z轴的方向)的加速度的加速 度计。在图3中，流体12的深度在探针10从表面42移动到底部44被测量， 而在图4中，流体12的深度在探针10从底部44移动到表面42被测量。
如图3所示，探针10被配置在表面42的初始位置A上，以使得探针IO
在垂直方向上具有已知的初始速度。在大多数实施例中，该步骤涉及将探 针10定位到表面42上，以使得探针10在垂直方向上具有大约0米每秒(m/s) 的速度。例如通过采用传输线18将探针10悬挂在表面42上或通过控制探针 10的密度可以获得0m/s的初始速度，以使得在流体12中能够上浮。
一旦探针10在表面42上具有已知的初始速度，那么造成(或允许)探 针10朝底部44下沉。如果探针10的密度当被配置在位置A时小于流体的密 度，则采用密度控制系统38增加探针10的密度，以使得探针10比流体12 密度更大并呈现负的浮力。同样，如果传输线18被拉伸到将探针10定位于 表面位置A上，则该拉力被减缓。当探针10下沉时，定位系统40测量在给 定时刻t时的探针10的瞬时加速度，并将瞬时加速度与数据处理器34进行 通信，数据处理器34将在时刻t时的探针10相对于位置A的位置计算作加速 度的函数。当探针10在底部44的位置B上处于静止时，数据处理器34确定 探针10已经在垂直方向上停止运动。然后，数据处理器34计算相对于位置 A的位置B，并确定在位置A和位置B之间的垂直距离(或深度)。
在图4中，确定流体12的垂直深度的方法基本上是相反地执行图3的方 法。探针10被配置在底部44上的初始位置A上，这通过控制探针10的密度 大于流体12的密度来实现。 一旦探针10碰到底部44并在位置A上静止，则 在垂直方向上的初始速度被获知为Om/s。然后密度系统38降低探针10的密 度，直到探针10的密度比流体12低为止，并呈现正的浮力。随着探针IO 朝向表面上浮，定位系统40测量探针10在给定时刻t时的瞬时加速度，并 将该加速度因数据处理器34通信，数据处理器34将探针10的位置(相对于 位置A)计算为加速度的函数。当探针10到达表面42的位置B并在垂直方 向上停止运动时，数据处理器34计算相对于位置A的位置B，并确定在位 置A和B之间的垂直距离。
在一些实施例中，数据处理器34可以随着其从定位系统40接收瞬时的 加速度数据持续地计算探针10的位置，而在其他的实施例中，数据处理器 34可以为探针10的位置和/或流体12的之后的计算存储瞬时的加速度信 息。在一些实施例中，数据处理器34可以执行测定体积算法，以计算存储 在流体存储箱14中的流体12的体积。该算法产生作为流体12的垂直深度和 关于流体存储箱14的尺寸信息的函数的、存储在箱14中的流体12的体积。
图5A示出包含流体12、流体52、泡沫52和淀积物54的流体存储箱14。 泡沬52覆盖流体12的表面42，且淀积物54覆盖流体存储箱14的底部44。流 体12和50具有不同的密度，且流体50具有比流体12更大的密度。如图5A 所示，流体12和50是不互溶的，并形成由界面56互相分隔的两层。
采用配置在表面42上的浮体的传统的深度测量方法不能确定流体12
和50的单层深度，且不可能补偿淀积物54。同样，由于泡沫50和/或淀积 物54的存在，采用位于表面42上面的超声传感器的传统的深度测量方法可
能得不到可靠的结果。
然而，如图5A所示，探针10可以用于通过采用图3和4的方法确定流 体12和50的各自的深度。如果流体12和50的密度是已知的，探针10可以被 配置在流体存储箱14中，以使得其初始密度大于流体12和50的密度，由此 造成探针10下沉直到到达淀积物54的表面58为止。然后，探针10的密度被 降低到小于流体50的密度而大于流体12的密度的密度，造成探针50上升到 界面56。采用如上面图3和4所述的方法，数据处理器34将液体50的深度计 算为在从淀积物58上升到界面56的过程中由定位系统40收集的信息的函 数。在静止在界面56上以后，探针10的密度再次下降，因此探针10的密度 小于流体12，造成探针10上升到表面42，并使得探针10计算流体12的深度。
在流体12和50的密度未知或界面56的数量未知的情况下，探针10可以 用于确定存在的界面56的数量以及由界面56分隔的每个流体层的深度。例 如，探针10可以被配置在流体存储箱14中，以使得探针10或者(a)具有 很高的初始密度以将探针10定位在存储箱14的底部，或者(b)具有很低 的初始密度以将探针10定位在表面42上。依赖于所采用的这些密度策略， 探针10的密度然后逐渐增大或减小，直到探针10的垂直运动被定位系统40 检测到为止。 一旦定位系统40确定探针10的所有垂直运动已经停止(表示 探针10己经到达界面56)，那么探针10的密度再次逐渐地改变以重新初始 化上升或下降。该过程一直重复到探针10到达一定的密度为止，根据该密 度，可以合理地推断探针10或者位于表面42上或者位于存储箱14的底部 上。
在一些实施例中，探针10可以用于计算淀积物54的厚度。图5B示出 设有检测底部的凸出部59的探针10。如图5B所示，凸出部59具有类似匕首 的形状，以穿透淀积物54并接触底部44。装备有凸出部59的探针10可以用 于计算淀积物54在垂直方向上的厚度。例如，探针10可以首先不带有凸出 部59配置在流体12中并下沉直到接触淀积物54的表面58。然后，可以从流 体12去除装备凸出部59的探针10，并导致在流体12中下沉，以使得凸出部
59穿透淀积物54并接触底部44。由定位系统40生成的数据可以用于确定探 针10装备和不装备凸出部5卯寸的歇置位置(或者静止位置)，而可以计算 在表面58和底部44之间的垂直距离以确定淀积物54的厚度。
尽管如图5B所示具有类似匕首的形状，检测底部的凸出物59可能是 能够穿透淀积物51的表面58的任何形状。在一些实施例中，检测底部的凸 出物59在垂直方向上是可调整的以便于穿透不同厚度的淀积物54层。
图6示出配置在包含沿流矢量方向流动的流体12的管道系统62中。在 图5A中，探针60的可浸入液体的外壳是子弹形状的，以便于探针60通过管 道系统62运动。尽管，在一些实施例中，探针60可能不包括密度控制系统 38或传感器30，但是容纳在可浸入液体的外壳16内的电子部件通常与图2 中所示相类似。
探针60的定位系统40包括能够在三个维度上检测探针的加速度的三 轴系加速度计，其使得探针60能够追踪其通过管道系统62的三个维度的运 动。该运动信息可以经由无线通信电路的形式的图2的输出电路36与过程 系统34通信。可选地，运动信息可以被存储在包含在探针60内的存储器中 以供以后访问，例如在使用者在管道系统62的出口处回收探针60之后。例 如，运动信息可以用于确定管道系统62中的流体12的流动特性并辨别在管 道系统62内存在的阻塞。用于探针60的管道系统62的示例包括排污水系 统、水传输系统和石油管线。
本发明的可浸入液体的探针也可以用于海洋、湖泊或河流以研究世界 的海洋和淡水水体的物理、生物和地质属性。例如，探针10在装备有三轴 系加速度计时可以被配置在海洋中以研究与存在于世界海洋中的各种冷 暖水流相关联的参数。在这种情况下，探针10采用传感器30监测周围水的 温度，并采用密度控制系统38保持探针10相对于具有特定温度的水或者安 置在温水和冷水之间的界面的位置。
由本发明的可浸入液体的探针承担的任何测量、密度控制或其他动作 可以自动地出现或以用户的初始化为基础。另外，随着瞬时加速度(或其 他运动参数)被定位系统40测量，本发明的位置计算可以由数据处理器34 实时地实现。可选地，加速度数据可以被存储并由数据处理器34或过程系 统2 4以计算的目的在以后的时间访问。
如在此所使用的，术语"数据处理器"包括可以实现逻辑或计算功能 以控制现场装置10的操作或执行产生作为调节传感器信号的函数的输出 的指令或需要的步骤的任何电路或电路的组合。数据处理器34的示例包括 微处理器、特定应用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、精简指
令集的计算机以及在本领域公知的任何其他合适的计算装置。在一个实施 例中，数据处理器34是带有相关的存储器的微处理器。
在一些实施例中，本发明的可浸入液体的探针涂覆有不粘涂料(例如 Teflon )以防止外界材料沉积在可浸入液体的外壳16上。在一些实施例 中，可浸入液体的外壳16是球形的以允许探针10滚动。探针10滚动的能力 可能对于涉及管道系统62或不规则形状的流体存储箱14的应用是有用的。 例如，当测量在不规则形状的流体存储箱14中的流体12的深度时，滚动能 力可以促使探针10将自身位于流体存储箱14的最低点(gp"真正的"底部)。
图7示出装备有传输线18的一个实施例的图1的可浸入液体的探针。如 图7所示，传输线18包括保护护套70、导线72A和72B以及空气通道74。保 护护套70在端20上经由连接件76连接到外壳16，并容纳导线72A和72B以 及空气通道74。导线72A和72B延伸到保护护套70的长度，并将探针10连 接到过程系统24。在一些实施例中，导线72A和72B包括双线过程控制环。 空气通道74也延伸保护护套的长度，并将图2的密度控制系统38连接到外 部气源。在一些实施例中，图1的过程系统24包括用于改变探针10的密度 的外部气源。在一个实施例中，保护护套70配置用于将空气直接从外部气 源供给到图2的密度控制系统38，消除空气通道74的需要。
被供给的空气可以用于通过移动或者位于探针IO内或者位于探针IO 的外部的流体改变探针10的密度。在一些实施例中，通过对外壳16或传输 线18的可膨胀部分充气而移动外部流体。在一个实施例中，容纳在探针IO 的内部压载系统内的流体由所供给的空气置换(或者移动)以改变探针IO 的密度。
图8是装备有包括可充气气囊80的密度控制系统38的实施例的图7的 可浸入液体的探针10的传输线18 (无空气通道74)的剖面图。如图8所示， 可充气气囊80包括可以通过从外部气源经由护套70供给的空气充气的护 套的可膨胀部分，以控制探针10的密度。虚线示出可充气气囊在充气以后
的受膨胀的情况。在图8的实施例中，外壳16包括与连接件76上的螺纹进 行配合的带螺纹的卡圈82，以将传输线18的端20与外壳16相连。连接件76 包括导线72A和72B所通过的密封件84。在一些实施例中，传输线18被经 由连接件76以搭接连接件(snap connector)的形式固定到外壳6上。
在一些实施例中，可充气气囊70被包括在外壳16中而不是在传输线18 中。例如，在一些实施例中，可充气气囊70包括外壳16的可膨胀部分。
图9A-9C和图10A-10D示出用于释放压载重物以控制探针10的密度的
压载系统的两个实施例。本领域内公知的任何其他的压载系统也可以被包 括在探针10的密度控制系统38中。
图9A-9C示出包括可释放的重物90的密度控制系统38的一个实施例， 图9A是可释放的重物90的俯视图，图9B是沿着图9A的线9B得到的剖面侧 视图，而图9C是被安装到探针10的外壳16的可释放的重物90的剖视图。重 物卯包括阴螺纹配合面92、安装凹槽94、绳索安装件96和绳索98。如果如 图9C所示，重物90可以通过将外壳16定位在阴螺纹配合表面92内而被固定 到外壳16上，以使得一个或更多个安装凹槽94可以容纳来自外壳16的可缩 回的安装销IOO。重物90可能随后通过縮回安装销100从外壳16释放。在一 些实施例中，多个重物90可以被固定到外壳16上。
在释放之后，重物90可以经由绳索98被回收，如图9C所示，所述绳 索将第一端102经由绳索安装件96连接到重物90上，将第二端104连接到外 壳16上。第一端102可以釆用本领域内公知的任何连接或紧固装置被连接 到重物90的任何合适的部分上。第二端104可以采用本领域内公知的任何 连接或紧固装置被连接到外壳16的任何合适的部分上、传输线18上或任何 其他结构上。
图10A-10D示出包括相互嵌套的重物110和112的图2的密度控制系统 38的实施例，图10A是重物100和112的俯视图，图10B是沿着线10B冴niOB2 获得的重物110和112的剖面图，图10C是被固定到外壳16的重物110和112 的剖视图，而图10D示出正在从外壳16释放出的重物U2。类似于图9A-9C 的重物90，相互嵌套的重物110和112包括用于容纳可从探针10的外壳16缩 回的销100的安装凹槽94，而重物110包括用于容纳外壳16的阴螺纹配合表 面112。重物110包括外螺纹表面114，所述外螺纹表面114的尺寸制成与重 物112的内螺纹表面116配合，并允许重物110和112相互嵌套在探针10的周 围，如图10C所示。
相互嵌套的重物110和112可以由外壳16的可缩回的销100固定。如图 IOD所示，可縮回的销100可以部分地縮回以释放重物112。可縮回的销IOO 完全被缩回以释放重物IIO。例如，可以在诸如图5A所示的多层流体应用 中使用图10A-10D的压载系统，以确定每种流体的深度或体积。
因此，如上所述，本发明的可浸入液体的探针提供用于测量与流体环 境相关联的参数的有效的装置。可浸入液体的探针可以包括用于改变探针 密度以对探针在流体环境中的位置产生影响的密度系统。另外，可浸入液 体的探针也可以包括用于追踪探针在流体环境中的位置的定位系统。
尽管本发明己经参照优选的实施例进行了描述，但是本领域的技术人 员应当理解在不背离本发明的精神和保护范围的条件下可以对形式和细 节进行改变。
权利要求
1.一种探针，所述探针配置在流体中并用于产生表示与所述流体相关联的参数的输出，所述探针包括可浸入液体的外壳；传感器，由可浸入液体的外壳携带，用于检测参数并产生表示所述参数的传感器信号；密度控制系统，由可浸入液体的外壳携带，用于改变探针的密度；数据处理器，与传感器进行通信，以产生作为传感器信号的函数的输出；与数据处理器进行通信的输出电路；以及柔性传输线，具有第一和第二端，所述第一端与可浸入液体的外壳相连并与输出电路进行通信，而第二端用于连接到远程过程系统。
2. 根据权利要求l所述的探针，其中所述密度控制系统包括压载系统。
3. 根据权利要求2所述的探针，其中所述压载系统包括安装到可浸入 液体的外壳上的可释放的重物。
4. 根据权利要求3所述的探针，其中所述重物连接在绳索的第一端，而可浸入液体的外壳连接到绳索的第二端。
5. 根据权利要求l所述的探针，其中所述密度控制系统包括可充气气
6. 根据权利要求5所述的探针，其中所述压缩气源与所述可充气气囊 相连。
7. 根据权利要求6所述的探针，其中所述柔性传输线包括空气通道以 将压縮空气从传输线的第一端传递到可充气气囊。
8. 根据权利要求l所述的探针，其中所述柔性传输线是过程控制环的 一部分。
9. 根据权利要求l所述的探针，其中所述多个传感器由可浸入液体的 外壳携带以检测多个参数。
10. 根据权利要求l所述的探针，其中所述可浸入液体的外壳是球形 的。
11. 根据权利要求l所述的探针，还包括 与数据处理器进行通信的定位系统。
12. 根据权利要求ll所述的探针，其中所述定位系统包括加速度计。
13. 根据权利要求l所述的探针，还包括 用于穿透位于流体底部的淀积物的检测底部的凸出部。
14. 一种用于确定在流体环境中的流体中的第一位置和在流体中的第 二位置之间的垂直距离的方法，所述方法包括将探针配置在第一位置；改变探针的密度以将探针从第一位置移动到第二位置；使用由探针携带的定位系统检测探针从第一位置到第二位置的运动；以及基于被检测的运动确定在第一位置和第二位置之间的垂直距离。
15. 根据权利要求14所述的方法，其中所述流体环境包括流体处理系统。
16. 根据权利要求14所述的方法，其中所述流体处理系统包括存储箱。
17. 根据权利要求14所述的方法，其中所述定位系统包括加速度计。
18. —种用于将探针在流体处理系统中定位的方法，所述方法包括 将探针配置入流体处理系统的流体中； 确定探针在第一位置上的初始速度；检测探针的加速度；以及基于检测到的加速度确定相对于探针的第一位置的探针的第二位置。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中所述流体处理系统包括管道系统。
20. 根据权利要求18所述的方法，其中所述流体处理系统包括存储箱。
全文摘要
一种用于流体测量中的探针(10)产生表示与流体相关联的参数的输出。探针(10)包括用于控制探针(10)的密度的密度控制系统(38)和用于追踪探针在流体中的位置的定位系统(40)。
文档编号G01F23/00GK101198844SQ200680021381
公开日2008年6月11日 申请日期2006年5月15日 优先权日2005年6月16日
发明者威廉·托马斯·安德森, 戈布瑞尔·拉查罗·赛拉, 爱德华·查尔斯·哈杰克 申请人:罗斯蒙德公司