专利名称：料位计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用电磁波用于确定到容纳在储罐中的产品的表面的距离的料位计系统。具体地，本发明涉及一种用于这种雷达料位计系统的传播设备。
背景技术：
诸如雷达料位计的现场设备适合用于测量产品的料位，该产品诸如工艺液体、粒状化合物和其它材料。这种的雷达料位计的示例可以包括微波单元，用于向表面发射微波以及接收被表面反射的微波；处理电路，被布置成与微波单元通信以及基于发射的微波与接收的微波之间的关系确定料位；接口，用于将所述处理电路外部连接到雷达料位计；以及功率管理电路，对微波单元和处理电路供操作功率。更具体地，一般基于在电磁信号的发射与其反射的接收之间的时间来确定到产品表面的距离，其中电磁信号在储罐(tank)中的大气与储罐中所容纳的产品之间的界面反射。为了确定产品的实际填充料位，基于上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定从基准位置到表面的距离。为了准确地确定电磁信号的飞行时间，接收的信号必须具有足够的幅度或功率以使得可以检测到并分析接收的信号。因此，使传播损耗保持为最小值是重要的。传播损耗例如可以是信号的散射或衰减的结果，这二者都会导致到达接收器/收发器的信号的功率的降低。传输线探针、波导结构和辐射天线均会发生传播损耗。附着于天线的污染材料可以引起信号的散射，因为天线的几何形状被改变。在信号必须通过天线上的污染材料传播的情况下，污染物在天线上的附着也可以导致信号的衰减。处理污染的问题尤其与用于存储石油产品的储罐相关，石油产品可以容易地粘到天线表面从而导致信号质量恶化。涉及一种具有设置有防粘覆层的天线的填充料位传感器的US7，707，881公开了解决上述污染问题的尝试。US 7，707，881的目的是实现防止任何材料粘到天线表面的不可润湿且自清洁的表面。根据US7，707，881，可以通过形成具有防粘表面特性的微光滑表面来实现该目的。然而，特别地对于储罐容纳物与环境状况的一些组合，结果是，诸如在US7，707,881中描述的防粘覆层的防粘覆层不能够防止储罐容纳物附着于天线，从而导致性能损耗。
发明内容鉴于上述及其它问题，本发明的总体目的是提供一种改进的料位计系统，具体地提供一种即便在污染方面的困难状况下也能够保持其料位计量性能的料位计系统。根据本发明的第一方面，这些及其它目的是通过用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的料位计系统来实现的，该料位计系统包括收发器，用于生成、发送和接收电磁信号；信号传播设备，其连接至收发器，该信号传播设备包括信号导向部分，该信号导向部分被布置和配置成将所发送的电磁信号沿着大体竖直的路径导向储罐内的产品的表面，以及返回由于所发送的电磁信号在容纳在储罐中的产品的表面处的反射而产生的表面回波信号；以及处理电路，其连接至收发器并被配置成基于表面回波信号确定填充料位；其中，信号导向部分的表面包括表面部分，该表面部分具有由该表面部分与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性。在本申请的上下文中使用的“润湿性”的限定涉及静态接触角。当液滴既不前进也不后退时可以说接触角是静态的。如本领域内技术人员知道的，可以通过将水滴布置在水平表面上、获取至少在液滴与表面之间的界面的轮廓图、并分析液滴的轮廓来确定表面的静态接触角。该类型的接触角测量被称作座滴(sessile drop)技术。液体与固体之间的表面张力确定液体与表面接触的角。该角被称作液体到固体的润湿角或接触角。因此，可以认为润湿性是特定液体附着于具体表面的能力的测量，其中，较高的润湿性意味着液体更容易附着于表面。当使用料位计系统时，信号导向部分是信号传播设备的进行操作以将所发送的信号朝向容纳在储罐中的产品的表面导向的部分。对于辐射天线，信号导向部分是天线的对于阵列天线情况可以通过直接发射或者对于抛物面天线情况可以通过反射使发送信号朝向储罐中的产品的表面导向的部分。在后者情况下，例如，信号导向部分是朝向储罐中的产品的表面的凹侧，并且具有指定的润湿性的表面部分面对储罐中的产品。此外，信号导向部分有利地可以是导电的，例如是金属的，但也可以是部分绝缘的。根据本发明的各个实施方式的料位计系统可以对确定容纳在任何种类的储罐中的产品的填充料位是有用的。由于在石油产品的海上运输期间发生的困难的表面污染状况，预期根据本发明的各个实施方式的料位计系统将对安装有料位计系统以确定船上储罐的填充料位的实施方式尤其有用。应当注意，包括在处理电路中的装置中的任何一个或几个可以设置为以下中的任何一个单独的物理部件、单个部件内的单独硬件模块、或由一个或几个微处理器执行的软件。当分析在诸如在海上石油产品运输一例如在寒冷天气和汹涌大海情况下的海上原油运输一期间可能时常出现的状况的状况下不同表面与某些石油产品之间的相互作用时，本发明人发现防粘覆层对防止储罐容纳物附着于天线是无效的。此外，本发明人发现温度是关键因素，并发现了，例如即使当表面在室温下是高度防水的，原油在较低周围温度(诸如低于10°c)下也趋于在表面上凝固为液滴。本发明人还惊奇地发现，诸如原油的石油产品的液滴可以容易且完全地从被薄水膜覆盖的表面滚落。这被认为是归因于这样获得的液液相互作用。公知地，天线上的水可以干扰使用微波的测量，然而本发明人发现，如果料位计系统的传播设备至少部分地具有高的润湿性且传播设备被布置在容纳水蒸汽的储罐环境中，则薄水膜将形成在表面的涂覆部分上，该膜能够实现以上所述的石油产品的滚落，同时该膜足够薄而不会显著干扰基于微波的填充料位测量。已发现，用于形成期望的薄水膜的足够高的润湿性对应于表面部分与水之间的接触角小于30°。诸如小于20°的更小的接触角提供薄且连续的水膜的更进一步改善的结果和更快速的形成，这可以进一步改善料位计系统的性能和/或允许料位计系统在更具挑战的应用领域中使用。预期接触角更进一步降低到10°以下会导致进一步的改善。在存在水的情况下，水膜将形成在可润湿表面上，并且该水膜帮助防止污染物附着于该表面。特别地，由于石油产品是疏水的，即，石油产品天然防水，所以石油产品不容易附着于水覆盖的表面。因此，本发明的各个实施方式提供了一种具有改善的信号传播特性的料位计系统，这是由于一般的污染物和具体的石油产品被阻止附着于信号传播设备的表面，从而降低了信号由于污染物而衰减并散射的风险。为了实现促进石油产品滚落的期望的水膜，而同时允许以足够低的损耗发射和接收微波，已发现如果表面部分具有这样的性质是有利的均匀地发生凝结，使得至少在宏观尺度上没有分离的小水滴形成。应当将“分离的小水滴”理解为被未被水膜覆盖的区域包围的小水滴。随着水膜厚度的增大，即使凝结初始为基本均匀的水膜，小水滴也可以形成。然而，这样的小水滴不会是分离的小水滴，而会被水膜的较薄部分连接。本发明人发现，可以通过涂覆表面部分来实现这种均匀地发生的凝结。表面部分可以涂覆有提供期望的表面特性，即表面部分与水之间的小于30°的接触角的任何覆层。根据一个实施方式，覆层可以包括二氧化钛。预期可以设计具有相似特性的其它覆层。例如，其它的金属氧化物、亲水聚合物、氧化硅或陶瓷材料也可以导致均匀地发生的凝结。本领域内技术人员通过简单的实验和目视检查可以确定是否均匀地发生具体覆层的凝结。除了提供期望的均匀地发生的凝结之外，还可以使用诸如溅射或蒸发的已知方法来容易地沉积二氧化钛(Ti02)。可替代地，可以使用包括TiO2粒子的涂覆材料。此外，由于TiO2是相对硬的材料，所以，TiO2对磨损和刮擦不过于敏感。在本发明的一个实施方式中，上述涂覆的表面部分可以有利地构成信号传播设备的信号导向部分的表面的至少一半。可以不需要信号传播设备的信号导向部分的整个表面都是可润湿的。在一些应用中，在信号导向部分的选定部分，例如信号强度特别高的地方或信号对干扰敏感的位置处形成可润湿的表面就足够了。在本发明的一个实施方式中，信号传播设备可以有利地是抛物面天线，该抛物面天线包括具有凹入信号传播表面的抛物面反射器。该凹入信号传播表面可以包括上述表面部分，该表面部分具有由表面部分与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性。在抛物面天线中，由向反射器的凹入表面发射信号的馈送器提供要向产品的表面发射的信号，信号在反射器处被反射并被导向至产品。因此，可以将反射器的凹入表面看作信号导向表面。反射器上的污染物可以使由馈送器发射的信号和后续接收的表面回波信号二者衰减或散射。因此，期望的是，减少附着于抛物面天线中的反射器的污染物的量，这可以通过提供在上述信号导向表面的至少一部分上形成的水膜来实现。根据本发明的一个实施方式，信号传播设备可以是喇叭形天线。由于喇叭形天线是辐射天线，所以喇叭形天线共享上述与辐射抛物面天线有关的优点。此外，喇叭形天线的信号导向表面的一半以上可以有利地具有上述可润湿的表面特性。可以将喇叭形天线的特别期望避免污染物附着的信号导向表面看作管状喇叭结构的内表面。在本发明的一个实施方式中，信号传播设备可以是棒状天线。在本发明的一个实施方式中，信号传播设备可以是探针。不同类型的探针包括但不限于单导体探针、多导体探针、同轴导体探针或/和柔性电缆导体探针。此外，也可以使用诸如静止管道(still pipe)的波导结构。当产品的料位变化时，探针的整个表面具有可润湿特性会是有利的。在本发明的一个实施方式中，表面部分可以有利地包括用于阻止附着于表面部分的水从表面部分流走的结构。期望的是，附着于表面部分的水保持在该处。因此，表面结构可以合并在传播设备的表面中，该表面结构阻止或防止附着于表面的水离开表面。此外，结构可以有利地包括水平布置的脊。沿传播设备的周向延伸的诸如水平布置的脊的结构可以阻止水离开表面。然而，可以使用诸如槽或微结构表面(microstructured surface)的其它类型的结构来达到相同的效果。此外，根据本发明的各个实施方式的料位计系统可以有利地被包括在用于运输石油产品的船中，船还包括被布置成容纳石油产品的储罐，其中，料位计系统以如下方式附连到储罐至少传播设备的具有由表面部分与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性的表面部分被布置成朝向储罐内部的石油产品。根据本发明的第二方面，提供一种确定容纳在储罐中的产品的填充料位的方法，包括步骤提供料位计系统，该料位计系统包括具有表面部分的传播设备，该表面部分具有由表面部分与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性；以及将料位计系统布置在封闭的储罐处，使得传播设备的至少表面部分经受容纳水蒸汽的储罐环境以使得水蒸汽在传播设备的至少表面部分上凝结为液态水，从而在涂覆的表面部分上形成水膜。为了提高凝结率从而促进水膜在传播设备的表面部分上的形成，可以有利地加热
女口
广叩ο本发明的该第二方面的另外的实施方式和通过本发明的该第二方面获得的效果与以上针对本发明的第一方面描述的实施方式和效果基本上类似。
现在，将参照示出本发明的示例性实施方式的附图，对本发明的这些及其它方面进行更详细的描述，其中图1示意性地示出根据本发明的实施方式的安装在示例性储罐中的料位计系统；图2是包括在图1的料位计系统中的测量电子单元的示意图；以及图3示出包括在图1的料位计系统中的传播设备的示例性实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出根据本发明的实施方式的料位计系统1，料位计系统I包括测量电子单元2和辐射天线设备3形式的传播设备。雷达料位计系统I被设置在储罐5上，储罐5部分地填充有待测量的产品6。在图1示出的情况中，产品6是液体，诸如基于石油的产品。具体地，产品是真空瓦斯油(VG0)。通过分析由天线设备3向产品6的表面7辐射的发射信号St和从表面7传回的反射信号Sk，测量电子单元2可以确定基准位置与产品6的表面7之间的距离，由此，可以推断填充料位。应当注意的是，虽然在本文中讨论了容纳单个产品6的储罐5，但是可以根据材料的传播特性以相似的方式测量到存在于储罐5中的任何材料界面的距离。如图2示意性地示出的，电子单元2包括收发器10和处理单元11，收发器10用于发送和接收电磁信号，处理单元11连接到收发器10以用于控制收发器以及处理收发器所接收到的信号，从而确定储罐5中的产品6的填充料位。此外，处理单元11可经由接口 12连接到用于模拟和/或数字通信的外部通信线13。而且，虽然图2未示出，但是雷达料位计系统I通常可连接到外部电源，或可以通过外部通信线13供电。可替代地，雷达料位计系统I可以由本地供电，并可以将雷达料位计系统I配置为无线地进行通信。尽管收发器10、处理电路11和接口 12在图2中示出为分离的块，但是它们中的几个可以设置在同一电路板上。此外，在图2中，收发器10示出为与储罐5的内部分离并经由穿过设置在储罐壁内的馈通(feed-through) 15的导体14连接到天线设备3。应当理解的是,并非必须是上述情况，至少收发器10可以被设置在储罐5的内部。图3示意性地示出这里以包括有天线馈送器20和导电式抛物面反射器22的抛物面天线的形式的辐射天线3。抛物面天线被布置在容纳在储罐中的产品6的表面7上方。抛物面反射器的凹入表面具有TiO2的覆层24，可以使用常规的沉积方法，例如蒸发或溅射来沉积覆层24。图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。还示出了已溅到水膜上的油滴28 (这例如可能在海上运输期间发生)滑动到反射器的边缘，油滴28在该边缘处掉落。由于水与石油产品之间的吸引力低，所以油滴将直接地或通过沿着反射器的弯曲部分滑动到边缘而从反射器掉落。表面也可以设置有用于阻止附着于表面的水从表面流走的表面结构。表面结构例如可以是被布置成绕着传播设备的周边部分地或完全地延伸的圆形脊或槽。根据传播设备的类型，表面结构可能需要以不同方式设计以使得不会不利地影响传播设备的电特性，同时仍能实现阻止水离开表面的期望特性。注意，以上参照几个实施方式大体描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的，除以上公开的实施方式之外的其它实施方式也可以等同地在如所附权利要求所限定的本发明的范围内。例如，本发明构思也可以适用于可以与待测量的产品直接接触或不直接接触的波导型天线。还要注意，在权利要求中，词“包括(comprising)”不排除其它的元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个设备或其它的单元可以完成权利要求中所列举的若干项功能。仅是在相互不同的从属权利要求中列举某些手段的这个事实不表示不能有利地使用这些手段的组合。实验在实验中，钢板被通过溅射涂覆以50纳米厚的TiO2层。如此涂覆的钢板被布置为覆层面朝下地位于被加热到80°C的一烧杯水上方。在这些条件下，在不足5分钟内在涂覆表面上形成连续的水膜。随后，将被加热到65°C的VGO (真空瓦斯油)滴到水膜上，然后钢板被倾斜。VGO液滴具有良好的移动性，并且可以通过倾斜而使VGO液滴从表面完全滚落。
通过使用座滴技术测量静态接触角来估计TiO2涂层的润湿性。将液滴体积为1-5 μ I的液滴布置在水平布置的表面上面。接触角被确定为大约15°。
权利要求1.一种用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的料位计系统，所述料位计系统包括收发器，用于生成、发送和接收电磁信号；信号传播设备，其连接至所述收发器，所述信号传播设备包括信号导向部分，所述信号导向部分被布置和配置成将所发送的电磁信号沿着大体竖直的路径导向所述储罐内的所述产品的表面，并且返回由于所发送的电磁信号在容纳在所述储罐中的所述产品的表面处的反射而产生的表面回波信号；以及处理电路，其连接至所述收发器并被配置成基于所述表面回波信号确定所述填充料位，其中，所述信号导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与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性。
2.根据权利要求1所述的料位计系统,其中,所述接触角小于20°。
3.根据权利要求1所述的料位计系统，其中，所述接触角小于10°。
4.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述表面部分涂覆有包括二氧化钛的覆层以用于提供小于30°的所述接触角。
5.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述表面部分构成所述信号传播设备的所述信号导向部分的所述表面的至少一半。
6.根据权利要求5所述的料位计系统，其中，所述表面部分构成所述信号传播设备的所述信号导向部分。
7.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述信号传播设备是抛物面天线，所述抛物面天线包括具有凹入信号导向表面的导电抛物面反射器，其中，所述凹入信号导向表面包括所述表面部分。
8.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述信号传播设备是喇叭形天线，所述喇叭形天线包括内信号导向表面，其中，所述内信号导向表面包括所述表面部分。
9.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述信号传播设备是探针，所述探针被布置成延伸到容纳在所述储罐中的所述产品中，其中，至少所述探针的布置在所述收发器与所述储罐的最大填充料位之间的部分包括所述表面部分。
10.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述表面部分包括用于阻止附着于所述表面部分的水从所述表面部分流走的结构。
11.根据权利要求10所述的料位计系统，其中，所述结构包括水平布置的脊。
12.根据权利要求1或2所述的料位计系统，其特征是，所述料位计系统还包括水膜，所述水膜被布置在经受所述储罐内的储罐环境的所述被涂覆的表面部分上。
13.一种用于在海上运输石油产品的船，包括浮动储罐，被布置成容纳所述石油产品；以及根据权利要求1或2所述的料位计系统，其中，所述料位计系统以使得所述传播设备的至少所述表面部分被布置成朝向所述储罐内的所述石油产品的方式附接到所述储罐。
14.根据权利要求13所述的船，其特征是，所述船还包括水膜，所述水膜被布置在经受所述储罐内的储罐环境的所述表面 部分上。
专利摘要本实用新型涉及一种用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的料位计系统，所述料位计系统包括收发器，用于生成、发送和接收电磁信号；信号传播设备，其连接至收发器并被布置成沿着大体竖直的路径向储罐内的产品的表面传播所发送的电磁信号，以及返回由于所发送的电磁信号在容纳在储罐中的产品的表面处的反射而产生的表面回波信号；以及处理电路，其连接至收发器并被配置成基于表面回波信号确定填充料位。信号传播设备的表面包括表面部分，该表面部分具有由该表面部分与水之间的小于30°的接触角限定的润湿性。
文档编号G01F23/284GK202869601SQ20122020678
公开日2013年4月10日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年3月13日
发明者马蒂斯·苏内松, 莱纳斯·埃克隆德 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司