CN114450562B - 用于确定材料柱的竖直液位或密度的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于确定包括粒状固体、湿粒状固体、浆液和悬浮液中的一种或多种的材料柱的竖直液位或密度的设备，该设备包括：支撑构件；以及至少一个测量模块；其中该测量模块包括：支撑臂，其安装到该支撑构件并且从该支撑构件向外延伸；平衡浮子，其安装到该支撑臂；以及力测量装置，其被配置为测量由该平衡浮子在该材料柱中的浮力介导的能够归因于该平衡浮子的质量的力，其中该测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从该测量模块传输到该数据处理单元以生成关于该材料柱的液位或密度信息，其中该设备还包括振动致动器，该振动致动器被配置为振动该材料柱中围绕该平衡浮子的材料，以使该材料柱中围绕该平衡浮子的该材料流化。

Description

用于确定材料柱的竖直液位或密度的设备
技术领域
本发明涉及一种用于测量材料柱内的材料的液位和/或密度的设备和方法。
背景技术
例如用于测量容器或其他限定体积内的材料的液位和/或密度的液位和密度测量***是熟知的。还已知的是，通过测量容器内容物在不同位置处的密度来定位容器中不同材料之间的边界，以形成容器和内容物的密度分布，以便识别指示边界区域的密度变化。例如，在WO 00/22387中已提出通过以下方式来测量介质的密度分布：提供γ辐射源的阵列以给出所述辐射的准直光束，以及设置成使得所研究的介质在源和检测器之间延伸的检测器的阵列。通过监测由检测器接收的辐射，可确定由介质从每个光束吸收的辐射的量，并且因此可检测介质密度的变化。WO 00/22387的***的一个缺点是需要采用放射性材料，这因此在使用和/或健康和安全问题方面施加了限制以便确保安全工作。
GB 1524303描述了用于通过细长构件来确定不同密度的液体之间的边界的设备，一系列外壳沿着该细长构件的长度设置，在每个外壳之间具有空间，所研究的介质可通过细长构件的壁中的穿孔进入该空间。每个外壳包括超声发射器和检测器，并且每个外壳的端部用作反射器以将来自下一个相邻外壳的发射器的波通过外壳之间的空间中的介质反射回到该下一个相邻外壳。这种类型的布置的一个缺点是，竖直分辨率受到在外壳中的每个外壳之间提供竖直空间的需要的限制。
前述核子和超声***能够检测不同密度的两种不同液体之间的界面。
使用机械***来测量单个液相的液位或密度也是已知的。此类装置使用浮子或平衡浮子重物上的浮力作为测量液体液位或密度的手段。下文简要描述了此类机械***的示例。
US5614672描述了用于监测密封容器中的液位的设备，该设备包括：测力传感器，该测力传感器位于压力外壳内，该压力外壳安装在密封容器顶部处的外部管凸缘上，该密封容器具有已知横截面并且包含已知比重的液体；以及具有已知重量和长度的平衡浮子重物，该平衡浮子重物穿过管凸缘开口并且悬挂在容器底部上方。该设备的工作原理是，当罐中不存在液体时，测力传感器及其计量***感测平衡浮子筒的最大重量，该平衡浮子筒是用于测量的空点或“零”点。然后，液体中平衡浮子重物的浮力反映容器中的体积。
WO2018/162541公开了与US5614672中所述的***类似的***。WO2018/162541中描述的***用于测量容器中液体的液位，诸如用于在装瓶设备处测量容器中液体饮料的液位。该***包括向下延伸到容器中的细长浸没主体。浸没主体经由连接杆连接到测力传感器。当液体填充容器时，细长浸没主体上的浮力增加，并且这被测力传感器检测到并用于确定容器中液体的液位。
US2015/0300864公开了用作燃料液位传感器的液位传感器***。机械臂设置在燃料罐内，该臂被构造成具有足够的浮力以在燃料填充罐时提供向上的力。臂连结到安装在燃料罐外部的应变仪，以测量由浮力机械臂提供的力并确定罐中的燃料液位。
EP0886128公开了用于测量液体混合物的密度的传感器。传感器包括施加浮力的浮子，该浮力取决于液体混合物的密度。使用测力传感器来测量浮力，并且确定液体混合物的密度。
虽然前述现有技术文献描述了包括单个浮子或平衡浮子重物的浮力传感器***作为测量液体的液位或密度的装置，但还已知提供包括在容器内不同高度处的多个浮子的***，使得可以确定渐进液位。此类***的示例在GB2190500和US4483192中有所描述。
GB2190500公开了传感器配置，其中若干硅应变仪传感器被固定在管壁中，每个传感器具有与其附接的浮子，并且每个传感器具有到电子处理单元的连接器引线。管中液体的变化液位逐渐向电子器件提供来自相应硅应变仪的变化输出，使得可由电子器件确定渐进液位。描述了该传感器配置可用作机动车辆中的燃油量表传感器。
US4483192公开了类似的配置，其中若干应变仪传感器被固定到管壁，每个传感器具有与其附接的浮子，并且每个传感器具有到电子处理单元的连接器引线。同样，管中液体的变化液位逐渐向电子器件提供来自相应应变仪的变化输出，使得可由电子器件确定渐进液位。描述了传感器***用于指示包含水和蒸汽的封闭容器中的瞬时水位。还描述了***可检测蒸汽-水的中间区，因为该区域中的浮子构件将由于蒸汽区和水区之间的中间区中的搅拌而处于振荡中，并且浮力和振荡的叠加指示中间区。
本发明的目的是提供用于测量材料的液位或密度的改进的测量***、设备和方法。
本发明的目的是提供不需要核子源的测量***、设备和方法。
发明内容
复杂多层流体柱(诸如油分离器容器中的那些复杂多层流体柱)的密度和液位分析先前已使用如WO0022387中所述的核子分析仪来执行。此类核子密度分析仪已被广泛使用。然而，本发明人已认识到，对于某些应用，提供此类核子装置的使用的替代形式将是有用的。
如背景技术部分中所述，使用机械***来测量液相的液位或密度是已知的。此类装置使用一个或多个浮子或平衡浮子重物上的浮力作为测量液体柱的液位或密度的手段。
本发明提出扩展简单的机械/浮力装置的功能，以便能够准确确定材料柱的竖直液位或密度，该材料柱包括粒状固体或固体和液体的混合物，诸如湿粒状固体、浆液或悬浮液。就这一点而言，已经发现，围绕平衡浮子的固体材料可以导致错误的密度测量。平衡浮子密度/液位测量仪使用附接到平衡浮子的测力传感器来测量平衡浮子重量和浮力的合力。浮力与平均流体密度成比例，因此可以推断密度或流体液位。当置于诸如粒状固体、湿粒状固体或浆液(诸如水泥或薄浆)的介质中时，已经发现只有当介质通过仪器或介质的运动而流化时才能进行准确的液位/密度测量。在此上下文中，所谓“流化”是指根据基于浮力的测量，围绕平衡浮子的材料(例如，固体/液体混合物)的振动使材料表现像流体。因此，本申请人已经发现，这种设备可以通过添加致动器(在设备内部或外部)来增强，以引起平衡浮子和/或围绕平衡浮子的介质的振动移动(即振荡)。振动动作使介质流化，从而允许进行准确的液位或密度测量。
鉴于以上内容，提供了一种用于确定材料柱的竖直液位或密度的设备，该材料柱包括粒状固体或固体和液体的混合物(例如湿粒状固体、浆液或悬浮液)，该设备包括：
支撑构件；以及
至少一个测量模块；
其中所述测量模块包括：
支撑臂，所述支撑臂安装到所述支撑构件并且从所述支撑构件向外延伸；
平衡浮子，所述平衡浮子安装到所述支撑臂；以及
力测量装置，所述力测量装置被配置为测量由所述平衡浮子在所述材料柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力，
其中所述测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元以生成关于所述材料柱的液位或密度信息，
其中所述设备还包括振动致动器，所述振动致动器被配置为振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化。
本文还描述了一种确定包括粒状固体或液体-固体混合物的材料柱的竖直液位或密度的方法。该方法包括：
将如上所述的设备引入到所述材料柱中；
振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化；
测量由所述平衡浮子在所述材料柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力；
将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元，以及
处理来自所述测量模块的所述测量数据以生成关于所述材料柱的液位或密度信息。
本发明使得非核子密度和液位测量仪能够准确测量粒状固体和固体/液体混合物诸如浆液的液位和密度。这种方法可以用于一系列应用，包括例如对水泥或薄浆的监测。本发明的实施方案已经用于连续监测薄浆直到薄浆基本上固化为止。
附图说明
现在将参考附图以举例而非任何限制性的方式描述本发明的实施方案，其中：
图1是穿过其中已安装密度分析仪设备的油分离器容器的横剖面的示意图；
图2更详细地示出图1的设备；
图3示出设备的单个密度测量模块；
图4示出可替代设备；并且
图5示出适用于如本文所述的设备中的平衡浮子。
具体实施方式
如发明内容部分中所述，本发明涉及提供一种更准确的测量设备，该测量设备用于确定材料柱的竖直液位或密度，该材料柱包括粒状固体或固体和液体的混合物，诸如湿粒状固体、浆液或悬浮液。提供了一种设备，其包括：
支撑构件；以及
至少一个测量模块；
其中所述测量模块包括：
支撑臂，所述支撑臂安装到所述支撑构件并且从所述支撑构件向外延伸；
平衡浮子，所述平衡浮子安装到所述支撑臂；以及
力测量装置，所述力测量装置被配置为测量由所述平衡浮子在所述材料柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力，
其中所述测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元以生成关于所述材料柱的液位或密度信息，
其中所述设备还包括振动致动器，所述振动致动器被配置为振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化。
通过使用振动致动器使围绕平衡浮子的材料流化，对于包含固体的流体柱，实现更准确的液位和密度测量。该方法还可用于干燥的粒状固体，这些干燥的粒状固体被有效地流化，以便在测量的情况下充当流体。在这种情况下，可以测量粒状固体的体密度，即固体颗粒和颗粒之间的气体的平均密度。
振动致动器可以被配置为振动平衡浮子，以振动材料柱中围绕平衡浮子的材料，以使材料柱中围绕平衡浮子的材料流化。在这种情况下，平衡浮子本身振动以流化周围的材料。作为替代方案，设备可以设有一个或多个振动单元，所述振动单元邻***衡浮子延伸，以便振动和流化围绕平衡浮子的材料。
振动致动器可以安装到支撑构件、支撑臂或平衡浮子或设置在支撑构件、支撑臂或平衡浮子内。例如，振动致动器可以安装到支撑构件的端部，使得整个设备振动。另选地，振动致动器可以更局部地安装到平衡浮子，使得仅平衡浮子附近的区域振动。
振动致动器可以被配置为产生在1Hz至800kHz，任选地1Hz至400kHz范围内的振动频率。优选的频率将取决于待测量的固体/液体混合物的性质，并且振动致动器可以针对特定的固体/液体组合进行调谐。致动器可以例如呈联接到不平衡负载、线性马达、螺线管、压电换能器、磁致伸缩致动器、风扇或泵的旋转马达的形式。
可以提供控制器以用于控制振动致动器，所述控制器被配置为在力测量装置测量由平衡浮子在材料柱中的浮力介导的能够归因于平衡浮子的质量的力之前立即使振动致动器产生振动。这消除了对连续操作振动致动器的需要。当要进行测量时，可以打开振动，然后关闭，直到要进行另一测量为止。就这一点而言，控制器可以被配置为使振动致动器在测量期间继续振动，或者控制器可以被配置为在测量之前立即产生振动，然后停止振动，使得平衡浮子在测量期间不振动。后一种方法可以减少由于振动引起的测量数据中的噪声。在这种情况下，应在停止振动之后立即进行测量以确保周围材料在测量期间保持流化。
控制器可以被配置为改变振动的振幅和频率中的一者或两者。例如，控制器可以被配置为基于来自力测量装置的测量数据而调谐振动的振幅和频率中的一者或两者。这种反馈机制使设备能够优化特定固体/液体混合物的所施加的振动，以确保在进行测量时，围绕平衡浮子的材料正确流化。另选地或除此之外，设备可以针对不同类型的固体/液体混合物使用不同的振动设置进行预编程。还可以提供用户界面，使得用户可以选择特定应用的期望设置。
振动频率和/或振幅可以被控制为间歇性和/或固定或可变频率和/或强度。振动特性也可以针对固体/液体组合进行调谐。此外，可以选择振动特性以远离设备或其部件的自然频率。另选地，可以选择振动频率接近设备或其部件的(阻尼)自然频率以增强振动振幅。
也可以在物理或化学过程中动态地调谐振动特性，使得设备在周围材料的特性发生变化时继续进行准确的测量。例如，在硬化薄浆或水泥时，可以在硬化过程中改变振动特性以优化密度或液位测量。
控制器还可以被配置为实施清洁循环，其中振动致动器赋予合适的振动模式以清洁设备的部件。仪器、平衡浮子探针或周围介质的振动可以用于防止或去除平衡浮子上材料(诸如悬浮、溶解或固化的固体)的积聚。用于清洁的振动模式可以与用于密度/液位测量的振动模式不同。
数据处理单元可以被配置为处理测量数据以从振动致动器中去除振动噪声。仪器的振动可以将噪声引入密度测量，并且这可以通过例如测量结果的滚动平均值来平滑化。如前所指出的那样，降噪的另一替代方案是短暂地停止振动以进行静态测量，同时介质仍然被流化。
设备可以进一步包括加速度计。加速度计可用于对设备进行正确地取向(相对于重力)。此外，如果设备在材料柱内移动，则设备的加速度将影响由浮力介导的能够归因于平衡浮子的质量的力测量。加速度计可用于检测设备的任何加速度并且在生成液位或密度测量结果时对此进行补偿。此外，来自加速度计的数据可以用于从测量数据中滤除振动噪声。
设想了设备的各种配置。支撑构件、支撑臂和平衡浮子可以由连接在一起的单独部件形成，或者另选地，这些结构可以集成到共同部件中。根据某些配置，平衡浮子经由力测量装置安装到支撑臂。力测量装置可以包含在平衡浮子内。对于某些应用，设备包括多个测量模块，这些测量模块间隔开并且沿着支撑构件支撑，以形成测量模块的阵列。这尤其可用于确定包括至少两种不同液体的复合多层流体柱或包括沿流体柱具有变化固体含量的至少一种液体的流体柱的竖直液位/密度分布。
根据一种配置，提供了一种用于确定包括具有变化固体含量的至少一种液体的流体柱(例如，多层流体柱)的竖直液位/密度分布的设备，该设备包括：
支撑构件(例如，细长竖直支撑构件)；以及
间隔开并且沿着细长竖直支撑构件支撑以形成测量模块的竖直阵列的多个测量模块；
其中每个测量模块包括：
安装到细长竖直支撑构件并且从细长竖直支撑构件向外延伸的支撑臂；
承载在支撑臂上的平衡浮子；以及
力测量装置，所述力测量装置被配置为测量由所述平衡浮子在所述流体柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力，
其中所述多个测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从所述多个测量模块传输到所述数据处理单元，并且
其中数据处理单元被配置为处理来自多个测量模块的测量数据并生成流体柱的液位/密度分布。
这样的设备将现有技术的核子密度分析仪装置的原理中的若干原理与现有技术的机械/浮力液位测量装置的原理中的若干原理相结合。根据本发明，振动致动器被集成到该配置中，以流化材料柱中围绕平衡浮子的材料，如发明内容部分中所述。
根据一个优选配置，在测量模块中的每个测量模块中，平衡浮子经由力测量装置安装到支撑臂，并且力测量装置包含在平衡浮子内。将力测量装置包含在平衡浮子内具有若干优点。首先，通过浮力平衡浮子保护以这种方式安装的力测量装置。物理保护减轻了力测量装置在设备的运输、安装和使用期间受损的问题。此外，力测量装置可被密封在平衡浮子内，使得它们在使用中不被流体接触和污染。力测量装置的污染可导致不准确的密度分布结果和/或设备的故障。
此外，通过将力测量装置安装在平衡浮子内，平衡浮子和力测量装置之间的安装点可位于平衡浮子的浮心处或周围。这样的安装配置可减小非线性力并且再次提高密度分布结果的准确度。例如，设备可被配置为使得每个支撑臂在平衡浮子的浮心和细长竖直支撑构件之间延伸，其中每个力测量装置在平衡浮子内的浮心处位于支撑臂的端部处。力测量装置可以是细长测力传感器，其中细长测力传感器的第一端部安装到支撑臂，并且细长测力传感器的第二端部安装到平衡浮子。此外，平衡浮子可被配置为使得其浮心和其质心重合。
当与用于测量单个液体层的液位或密度的更简单的装置相比时，此类修改增加了用于复杂多层流体柱的液位和密度分析的设备的灵敏度和准确度。此外，此类配置减少了复杂多层流体柱中设备的污染和/或故障。此外，通过将电子部件密封在浮力平衡浮子内，设备增加了用于在危险环境中(诸如在油气精炼厂中)使用的电安全性。
为了进一步减少污染并增加电安全性，从多个测量模块到数据处理单元的数据连接可被配置为沿着细长竖直支撑构件传递并容纳在该细长竖直支撑构件内。因此，电子器件可与其中放置设备的流体完全隔离。
平衡浮子的平均密度可被选择为小于或大于待测量的流体中的全部或任一种流体或与待测量的流体中的一种流体相同。有利的是，平衡浮子的平均密度与其在使用中所放置的流体的密度大致相同。这将提高对不同液体层(诸如油和水)之间的密度的小变化的敏感度。与在容器中的流体内使用物理结构相关联的特定问题是污染物的积聚。平衡浮子的平均密度也可被选择为匹配任何预期积聚的平均密度，并且因此减轻其影响。例如，对于油/水分离，平衡浮子的平均密度可落在0.1g/cm3至2g/cm3、0.5g/cm3至1.5g/cm3、或0.8g/cm3至1.0g/cm3的范围内，其中例如油可污染平衡浮子。
根据最终应用和期望的功能，可以设想到设备的各种实施方案。例如，对于某些应用，平衡浮子中的至少一个平衡浮子可被配置为具有与其他平衡浮子中的至少一个平衡浮子不同的浮力。因此，可针对不同的功能定制平衡浮子，诸如临界液位信令、跳闸***、蒸馏柱中的托盘的液位和密度信息的组合等。
除了提供测量模块的竖直阵列之外，测量模块也可围绕细长竖直支撑构件彼此径向地间隔开。该配置可用于减小平衡浮子之间的竖直间距，并且因此增加可测量两个流体层之间的界面的精度。除了密度的竖直变化之外，该配置还可给出关于密度的水平变化的信息。
数据处理单元可被配置为使用密度分布来指示多层流体柱内的每个流体层的竖直液位。设备还可包括一个或多个温度传感器和/或一个或多个压力传感器。当处理测量数据以生成密度分布时，可应用温度和压力校正。附加地或另选地，密度信息可与压力和/或温度信息结合以给出容器内的操作条件的指示。
如本文所述的设备可用于复杂多层流体***中，诸如精炼厂中的油/水分离器容器。因此，还提供了***，该***包括油/水分离器容器和设置在油/水分离器容器内的如本文所述的设备。
还提供了一种确定包括至少两种不同液体的流体柱或包括具有变化固体含量的至少一种液体的流体柱的竖直密度分布的方法，该方法包括：
将如本文所述的设备引入到流体柱中；
在所述测量模块中的每个测量模块处测量由所述平衡浮子在所述流体柱中的所述浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的所述质量的力；
将测量数据从多个测量模块传输到数据处理单元，以及
处理来自所述多个测量模块的所述测量数据以生成所述流体柱的液位或密度分布。
设备可被引入到流体柱中以便处于流体柱内的固定位置，或者可在流体柱内移动。例如，设备可沿着流体柱向上和/或向下移动。在这种情况下，还可以提供仅包括单个测量模块的替代配置。这样的设备包括：
支撑构件；以及
至少一个测量模块；
其中所述测量模块包括：
支撑臂，所述支撑臂安装到所述支撑构件并且从所述支撑构件向外延伸；
承载在支撑臂上的平衡浮子；以及
力测量装置，所述力测量装置被配置为测量由所述平衡浮子在所述流体柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力，
其中所述测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元，并且
其中所述数据处理单元被配置为处理来自所述测量模块的所述测量数据并生成所述流体柱的液位或密度分布。
在其他方面，该配置可包括与先前描述的多测量模块设备的特征结构相同的特征结构。
本发明要利用的原理是平衡浮子在不同流体中的差分相对浮力。平衡浮子的差分相对浮力在力测量装置中产生差分测量结果，可从该差分测量结果推导出关于流体的液位和/或密度和/或在平衡浮子的位置处具有不同密度的流体之间的界面的存在的推论。
为此，力测量装置与平衡浮子相关联地设置，使得能够在使用中测量由平衡浮子在其所在的任何流体中的浮力介导的能够归因于平衡浮子的质量的力。
力测量装置可与平衡浮子支撑臂相关联地安装，或构成平衡浮子支撑臂的一部分，或与平衡浮子支撑臂一体地形成，以在使用中测量由平衡浮子施加在支撑臂上的力，该力能够归因于平衡浮子的质量，由平衡浮子在其所在的任何流体中的浮力介导。例如，力测量装置可安装在平衡浮子和平衡浮子支撑臂之间。另选地，力测量装置可安装在平衡浮子支撑臂和竖直细长构件之间。另选地，力测量装置可直接承载在平衡浮子上或与平衡浮子一体地形成。
力测量装置可位于待监测的流体中。在可能的布置中，力测量装置可包含在防流体外壳中。在可能的布置中，平衡浮子可被构造成限定用于力测量装置的这种外壳，或者力测量装置可在共同的外壳中与平衡浮子相关联。
合适的力测量装置包括测力传感器。多个测力传感器可与每个平衡浮子相关联地设置。
平衡浮子具有已知质量m和体积V。平衡浮子的重量施加m*g的力(在使用中竖直向下)。平衡浮子周围的流体根据平衡浮子的体积V(或排出的流体的体积)和流体的密度ρδ来在平衡浮子上施加ρ*V*g的浮力(在使用中向上)。设备中的每个平衡浮子附接到一个或多个测力传感器或其他力测量装置。这些将平衡浮子的质量的由浮力介导的合力测量为Fr＝m*g-ρ*V*g。
由此可确定流体的密度，或者例如在界面处或当流体液位随时间推移变化时，密度的变化可被检测为测力传感器或其他力测量装置处的力的变化，而无需如此确定密度。平均密度可被直接校准或计算为r＝(m*g-Fr)/(V*g)。
部分地被两个或更多个相覆盖的平衡浮子将具有由排出的每个相的体积及其相应的密度确定的浮力。内插或其他技术可用于估计相位变化的位置。
力测量装置测量由平衡浮子在使用中在其所在的任何流体材料中的浮力介导的能够归因于平衡浮子的质量的力。
某些配置的特征可在于力测量装置相对于平衡浮子安装的方式。例如，平衡浮子可承载在从竖直细长构件向外延伸的平衡浮子支撑臂上，并且可例如在平衡浮子和平衡浮子支撑臂之间的安装件处与每个平衡浮子相关联地设置力测量装置。
有利的是，这意味着对于单个平衡浮子可以直接测量由平衡浮子的浮力介导的能够归因于平衡浮子的质量的力，从而允许在纵向阵列中提供多个平衡浮子，其中每个平衡浮子可以单独并行寻址以给出附加功能。纵向阵列中的多个单独的平行测量模块的这种布置在现有技术的***中是不可能的，该***将应变仪安装在待测容器或其他体积外部或至少高于预期的最大流体液位，并且测量能够归因于一个或多个浮力平衡浮子在该液位处的排水量的力。
因此，细长竖直支撑件可设置有如上所述的液位测量模块的阵列，该液位测量模块沿着其长度的至少一部分间隔地设置。因此，该设备包括用于***待测容器或其他体积中的细长构件，所述细长构件承载沿着细长构件的纵向轴线的至少一部分彼此间隔开的多个液位测量模块。这样，提供了沿着细长构件的至少一部分设置的液位测量模块的纵向阵列，并且因此在使用中，液位测量模块的竖直阵列设置在待测体积内。
这样的阵列中的液位测量模块的数量可根据待测容器或其他体积的尺寸、材料的深度和所需的分辨率而变化。
相邻液位测量模块之间的间距可以沿着细长构件的长度变化或者可以是恒定的。
这样的阵列中的连续液位测量模块可具有相同或不同的适形和排水量特性。
附加地或另选地，该设备可包括用于***所述待测容器或其他体积中的细长构件，所述细长构件承载径向围绕细长构件彼此间隔开的多个液位测量模块。这样，提供了沿着细长构件设置在给定点处的液位测量模块的径向阵列，并且因此在使用中，在给定高度处的液位测量模块的径向阵列设置在待测容器或其他体积内。
在某些配置中，该设备可设置有如上所述的多个竖直细长构件，每个竖直细长构件承载如上所述的一个或多个液位测量模块。
本文讨论了体现本发明原理的液位测量模块的优选特征。除非上下文另有明确要求，否则应当理解，如上所述的多个液位测量模块阵列中的任何模块可以单独地体现任何此类特征，并且如上所述的液位测量模块阵列的构件可以根据给定功能的需要相同或不同地适形。
每个液位测量模块包括平衡浮子支撑臂，在优选的情况下，该平衡浮子支撑臂从细长构件向外延伸；平衡浮子，该平衡浮子承载在平衡浮子支撑臂上；力测量装置，诸如与平衡浮子相关联的测力传感器。
平衡浮子可承载在平衡浮子支撑臂上，因为其直接或间接地安装在支撑臂上。在可能的情况下，力测量装置可安装在平衡浮子和平衡浮子支撑臂之间。
平衡浮子优选地承载在支撑臂的在其与细长构件的附接远侧的端部处或朝向该端部承载。
平衡浮子优选地安装在其浮心处或周围，以便在使用中使任何非线性力最小化。
平衡浮子可以是实心且均匀的。另选地，平衡浮子可具有不均匀的结构，并且例如包括封闭一个或多个开放体积的壳体，该开放体积可为中空的并且填充有液体、气体或真空。
平衡浮子具有一定质量和封闭体积。平衡浮子由此限定质心和浮心。有利的是，平衡浮子被配置为使得其浮心和其质心重合，使得在使用中作用在平衡浮子上的两个力正作用在同一点处。便利地，为了实现这一点，平衡浮子可具有均匀结构。另选地，在平衡浮子不具有均匀结构的情况下，例如在平衡浮子包括封闭一个或多个开放体积的壳体的情况下，该结构使得围绕重合的浮心/质心形成质量的均匀分布。
平衡浮子的平均密度可被选择为小于或大于待测量的流体中的全部或任一种流体或与待测量的流体中的一种流体相同。有利的是，平衡浮子的平均密度与其在使用中所放置的流体的密度大致相同。这将提高对不同液体层(诸如油和水)之间的密度的小变化的敏感度。与在容器中的流体内使用物理结构相关联的特定问题是污染物的积聚。平衡浮子的平均密度也可被选择为匹配任何预期积聚的平均密度，并且因此减轻其影响。例如，对于油/水分离，平衡浮子的平均密度可落在0.1g/cm3至2g/cm3、0.5g/cm3至1.5g/cm3、或0.8g/cm3至1.0g/cm3的范围内，其中例如油可污染平衡浮子。
力测量装置可以是适于测量在使用中由平衡浮子施加的力的任何形式，该力能够归因于平衡浮子的质量，由平衡浮子在其所在的流体中的浮力介导。
力测量装置优选地为测力传感器。
合适的测力传感器可包括多个应变仪。
合适的测力传感器可为细长的。在这种情况下，对安装测力传感器的参考可被解读为是对安装细长测力传感器的一端或另一端的参考。例如，细长测力传感器的第一端部可安装到从细长构件向外延伸的平衡浮子支撑臂的一部分或被安装以形成该平衡浮子支撑臂的一部分，并且细长测力传感器的第二端部可安装到平衡浮子。
某些配置的特征可在于测力传感器相对于平衡浮子安装的方式。根据所描述的配置，平衡浮子可承载在从细长构件向外延伸的平衡浮子支撑臂上，并且例如在平衡浮子和平衡浮子支撑臂之间的安装件处与每个平衡浮子相关联地设置测力传感器。
该设备还可包括用以测量待测体积内的温度的一个或多个温度传感器。可使用放置在该液位测量模块或每个液位测量模块上或其内的一个或多个传感器来实现温度测量。附加地或另选地，可提供单独的温度探针。
该设备还可包括用以测量待测体积内的压力的一个或多个压力传感器。可使用放置在该液位测量模块或每个液位测量模块上或其内的一个或多个传感器来实现压力测量。附加地或另选地，可提供单独的压力探针。
如果需要，可以通过将测力传感器的自由端物理地致动到对应于已知测力传感器的一个或多个已知位置来执行原位测力传感器校准。这可例如通过电磁体和硬止动件，或通过使用马达或螺线管来执行。
该设备还包括数据处理装置，该数据处理装置能够接收来自该测力传感器或每个测力传感器的所测量的力，并且由此确定测力传感器与其相关联的平衡浮子的位置处的流体材料的特性。数据处理装置例如能够接收多个所测量的力并且由此确定测力传感器与其相关联的平衡浮子的位置处的流体材料的特性，该多个所测量的力包括来自与多个平衡浮子相关联的多个测力传感器的所测量的力和/或来自与单个平衡浮子相关联的测力传感器的随时间推移连续测量的多个连续测量的力。流体材料的特性可包括待测容器或其他体积中的流体的液位和/或密度和/或不同密度的流体之间的界面的存在。
该流体单元或每个流体单元被设置成与此类数据处理装置进行数据通信，并且例如包括与此类数据处理装置的数据通信链路以将所测量的力从测力传感器传输到数据处理装置。数据通信链路可以是有线的或无线的。如本文所述的配置的特定优点在于，多个平衡浮子可设置有并行数据通信链路，以用于并行处理其相应的所测量的力数据。
应当理解，相对于本发明的一个方面描述的特征可同样适用于本发明的其他方面。例如，相对于本发明的设备描述的特征可同样适用于本发明的方法，反之亦然。还应当理解，任选的特征可能不适用于本发明的某些方面，并且可能被排除在本发明的某些方面之外。
本发明尤其可结合油/水分离容器使用。因此，油/水分离器可设置有用于油/水混合物的入口和用于分离的油相和水相的单独出口，并且设置有根据本发明的监测设备，其细长构件基本上竖直地设置在容器中，其中至少一个液位测量模块承载在细长构件上，并且在优选的情况下，液位测量模块阵列沿着细长构件的长度设置，从而包围预期的油/水边界。因此，液位或密度，以及在优选的情况下密度分布可被测量。可响应于油/水的所监测的液位和/或气体/液体边界来控制流向入口和/或从出口流出的流速。
通常，存在于容器中的相位数量及其大致组成是已知的，并且该信息可用于解释从本发明的设备获得的信息。例如，预期油分离器中的相位将包括油、水、气体，并且可能包括油/水乳液、泡沫，并且可能包括在包含砂或其他固体的容器底部处的重相。
在图1中，这样的油分离器容器以本发明的应用的示例的方式示出。容器10包含来自油气井的多相流体流。该流包含气相11、原油14和水18。还存在附加的异质相，即在油相和气相之间形成的泡沫12、在油和水之间的乳液16、以及掺入砂和其他重材料的固体颗粒的致密下相20。流体通过入口端口(未示出)进入容器，在重力作用下分离成相，并且然后通过单独的出口端口(未示出)分别从容器中提取。可将化学物添加到流体中以便破坏泡沫相和乳液相，使得它们分离成期望的气相、油相和水相。
该设备包括承载多个液位测量模块26(在图2中更详细地示出)的细长竖直支撑构件24，该细长竖直支撑构件沿着其长度以线性布置被支撑。竖直支撑构件24由外壳30支撑并且尺寸被设计成通过检查端口22装配到容器中。电连接件(未示出)沿着支撑构件延伸到外壳30，以将信号从液位测量模块载送到数据处理单元，该数据处理单元在该示例中位于外壳内。光纤32将设备连接到控制***并且将数据从数据处理器载送到监测站。对于数据处理装置，可以考虑到外壳的另选位置，该数据处理装置可例如在监测站处在每个液位测量模块本地或远离设备至少部分地设置。该设备定位在容器中，使得支撑构件穿透不同的流体相11–20。
根据本发明，振动致动器被集成到该配置中，以流化材料柱中围绕平衡浮子的材料。例如，振动致动器可以集成到外壳30、竖直支撑构件24或液位测量模块26中。
图2更详细地示出图1的设备。竖直设置的支撑构件24承载五个液位测量模块的阵列，其中相应的平衡浮子32a至32e沿着其长度的一部分间隔地排列，每个平衡浮子设置有要单独并行寻址的数据链路。当在使用中部署在容器内时，这形成图1所示的竖直阵列。
安装布置在图3中更详细地示出。平衡浮子32包括具有浮力的平坦圆柱体或材料盘，该浮力理想地相对紧密地匹配于其中要部署该平衡浮子的流体。该盘可为实心且均匀的，或者为液体、气体或真空填充的中空壳体。支撑臂构件40经由安装块42安装到竖直支撑构件24，以便横向向外延伸。细长测力传感器44具有连接到支撑臂构件40的远侧端部的第一端部以及安装到平衡浮子32的轴向浮心的第二端部，安装由相应的间隔件46、48实现。细长测力传感器为例如双弯曲梁测力传感器。
当图1所示的具有相应平衡浮子的测量模块的竖直阵列在使用中部署在容器内时，每个液位处的不同流体根据每个平衡浮子排出的流体的重量对物体施加浮力。通过测量放置在容器中的具有已知重量和体积的每个平衡浮子的合力，可以计算目标平衡浮子所在的流体的密度。附接到如图所示的测力传感器并放置在具有不同密度的流体柱中的此类平衡浮子的竖直阵列将允许待测量流体的密度分布。
图3示出了单个平衡浮子。这可用作图2的每个平衡浮子可如何安装的图示。然而，其也可代表另外的配置，其中竖直设置的支撑构件在合适的高度处承载单个液位测量模块。这样的实施方案的可能应用可以是作为液位跳闸装置。已知的核子跳闸***使用辐射衰减来测量密度，并且在某个相位达到临界液位时提供信号。该配置将提供另选的非核子技术以满足这种要求。基于平衡浮子的跳闸***可用于触发***设计者所需的任何密度。该密度可例如被选择为表示一定压力下的气体、泡沫、液体、乳液或流体化固体。基于平衡浮子的跳闸***的原理可以扩展到在不止一个液位处具有平衡浮子的***。
前述布置的另外应用可存在于由除容器之外的其他装置限定的体积中的液位监测中。以举例的方式，已知在海底环境中倾倒诸如薄浆之类的材料，并且期望测量倾倒液位。当在海底倾倒薄浆时，不可能看见薄浆液位，因为悬浮的薄浆模糊了可见性。已知的核子薄浆探针测量薄浆密度并用于确保具有足够密度的薄浆已达到期望的液位。本申请中描述的平衡浮子***可用作用于海底安装的另选非核子薄浆探针，检测倾倒的薄浆何时达到了期望的液位。该平衡浮子***可从线材悬挂部署、作为固定器械安装或经由ROV部署。
图4示出了另外的配置。在图2配置使用相同平衡浮子的阵列的情况下，图4配置使用不同适形的平衡浮子。竖直设置的支撑构件54承载具有相应的平衡浮子52、53的两个液位测量模块，每个平衡浮子设置有要单独并行寻址的数据链路。这可在使用中以图1所示的方式部署在容器内。
图4配置的区别在于平衡浮子52、53是相异的。第一平衡浮子52是平坦圆柱体或材料盘，类似于上文所示的那些。然而，第二平衡浮子53为细长圆柱形杆。细长棒可被替代。可提供每种类型的多个平衡浮子。
图4所示的配置可用于给出密度和液位信息。第一平衡浮子52朝向支撑构件54的底部定位在预期流体液位下方。第二平衡浮子53竖直地延伸支撑构件54的大部分高度以在使用中定位成使得其在实际流体液位范围内延伸流体表面的任一侧。通过测量第一平衡浮子的合力，可以计算流体的密度。保持静止并放置成使得其在流体表面上方和下方延伸的第二平衡浮子将具有合力，该合力取决于该物体的浸没量。通过测量该力并使用利用第一平衡浮子测量的密度，可计算流体深度。
该原理可用于获得例如蒸馏柱中的托盘的密度和液位信息，从而提供在线非核子塔扫描的手段。它提供了连续数据的可能性，而不是当前使用核子技术提供的快照数据。一个(或为了冗余，多个)平衡浮子以其基部靠近蒸馏柱中的托盘底部的方式悬挂。为了最佳结果，该平衡浮子将采取平板或盘的形式。第二平衡浮子以其基部位于第一平衡浮子的最上表面上方的方式悬挂。该平衡浮子将采取杆或棒的形式。其应延伸超过液相将在托盘中达到的最高液位。为了准确度、为了扩展测量范围或为了冗余，可以添加这种形式的附加平衡浮子。
在上述示例性布置中，支撑臂构件40和细长测力传感器44一起从竖直支撑构件24上的安装点延伸到平衡浮子32的轴向浮心处的安装点，并且因此支撑臂构件40和细长测力传感器44一起构成其上承载有平衡浮子的平衡浮子支撑臂。另选的布置是可能的。例如，细长测力传感器可与平衡浮子支撑臂一体地形成，或形成为构成该平衡浮子支撑臂。例如，另选地，测力传感器可安装在平衡浮子上或形成为平衡浮子的一部分，并且例如安装或形成在平衡浮子的轴向浮心处，其中支撑臂构件在平衡浮子的轴向浮心和竖直支撑构件之间延伸。
图5中示出了适用于如本文所述的设备中的平衡浮子的这种另选布置的示例。在这种布置中，测力传感器包含在平衡浮子内，例如用于环境保护，如图5a以竖直横截面和图5b以透视图所示。
在该实施方案中，测力传感器60包含在由平衡浮子主体限定的环境封装件内。平衡浮子包括限定腔64的环形主体62，测力传感器60包含在该腔中，该腔通过螺栓68安装在两个平行安装臂66中的一者上，以允许自由端的必要移动。
安装形成物70提供了一种装置，平衡浮子可通过该装置附接到细长平衡浮子支撑臂。这未在附图中示出，但图5的平衡浮子可以以与参考图1至图4所述的平衡浮子大致类似的方式安装并且用于与该平衡浮子大致类似的应用中，但其中平衡浮子支撑臂从竖直支撑构件延伸到平衡浮子上的安装点，并且其中那些实施方案的细长测力传感器被图5的所包含的测力传感器替代。
安装形成物70在由外壳限定的空腔部分72中的位置以及顺应性安装件74的使用一起提供了一定程度的公差，借助于该公差，组件可在使用中适应较大程度的偏转，否则该偏转可能损坏测力传感器。
测力传感器通过柔性密封件76环境密封在平衡浮子组件内。这些仅在图5a中被示出为密封孔，并且为清楚起见从图5b中省略。然而，在可能的实施方案中，柔性密封件可延伸以包封并环境隔离整个所示组件，例如围绕所示组件形成球囊状包封件。
在这些示例性实施方案和应用中的每一者中，可以获得关于待测体积中的流体的液位和/或密度和/或在平衡浮子的位置处具有不同密度的流体之间界面的存在的信息。在这些实施方案和应用中的每一者中，这可在不需要采用核子源，并且没有随后的使用限制和/或与其相关联的健康和安全问题的情况下进行以便确保安全工作。
如本文所述的设备和方法的应用可包括：化学/材料处理；油/水分离器；水下灌浆；纸张/纸浆处理；采矿应用；监测蒸馏柱；以及监测储罐。
虽然已参考某些示例具体示出和描述了本发明，但本领域的技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明范围的情况下，可以对形式和细节进行各种改变。

Claims (15)

1.一种用于确定包括粒状固体或固体-液体混合物的材料柱的竖直液位或密度的设备，所述设备包括：
支撑构件；以及
至少一个测量模块；
其中所述测量模块包括：
支撑臂，所述支撑臂安装到所述支撑构件并且从所述支撑构件向外延伸；
平衡浮子，所述平衡浮子安装到所述支撑臂；以及
力测量装置，所述力测量装置被配置为测量由所述平衡浮子在所述材料柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力，
其中所述测量模块具有到数据处理单元的数据连接，以用于将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元以生成关于所述材料柱的液位或密度信息，
其中所述设备还包括振动致动器，所述振动致动器被配置为振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化，并且
其中所述振动致动器被配置为振动所述平衡浮子，以振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动致动器安装到所述支撑构件、所述支撑臂或所述平衡浮子或设置在所述支撑构件、所述支撑臂或所述平衡浮子内。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述振动致动器被配置为产生在1Hz至800kHz范围内的振动频率。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括用于控制所述振动致动器的控制器，所述控制器被配置为使所述振动致动器在所述力测量装置进行测量之前立即产生振动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器被配置为使所述振动致动器在所述测量期间继续振动。
6.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器被配置为使所述振动致动器在所述测量期间停止振动。
7.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器被配置为改变振动的振幅和频率中的一者或两者。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述控制器被配置为基于来自所述力测量装置的所述测量数据而调谐振动的振幅和频率中的一者或两者。
9.根据权利要求4所述的设备，其中所述控制器被配置为实施清洁循环，其中所述振动致动器赋予与用于进行测量不同的振动模式。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述数据处理单元被配置为处理所述测量数据以从所述振动致动器中去除振动噪声。
11.根据权利要求1所述的设备，所述设备还包括加速度计。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述平衡浮子经由所述力测量装置安装到所述支撑臂，并且所述力测量装置包含在所述平衡浮子内。
13.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括多个测量模块，所述多个测量模块间隔开并且沿着所述支撑构件支撑，以形成测量模块的阵列。
14.一种确定包括粒状固体或固体-液体混合物的材料柱的竖直液位或密度的方法，所述方法包括：
将根据权利要求1所述的设备引入所述材料柱中；
振动所述材料柱中围绕所述平衡浮子的材料，以使所述材料柱中围绕所述平衡浮子的所述材料流化；
测量由所述平衡浮子在所述材料柱中的浮力介导的能够归因于所述平衡浮子的质量的力；
将测量数据从所述测量模块传输到所述数据处理单元，以及处理来自所述测量模块的所述测量数据以生成关于所述材料柱的液位或密度信息。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述材料柱包括水泥或薄浆。
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