FI97829C

FI97829C - Measurement method and equipment for determining interfaces

Info

Publication number: FI97829C
Application number: FI952784A
Authority: FI
Inventors: Matti Nissinen
Original assignee: Acutest Oy
Priority date: 1995-06-07
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 1997-02-25
Also published as: FI952784A0; GB2301890A; NO962274D0; GB9611346D0; FI97829B; FR2735228B1; NO962274L; FR2735228A1

Description

9782997829

Mittausmenetelmä ja -laitteisto rajapintojen määrittämiseksiMeasurement method and equipment for determining interfaces

Keksinnön kohteena on mittausmenetelmä, jonka avulla voidaan turvallisesti ja luotettavasti määrittää aineiden rajapintoja eri aineiden ollessa 5 limittäin materiaalina tai nesteenä. Keksintö kohdistuu myös laitteistoon menetelmän toteuttamiseksi.The invention relates to a measuring method by means of which the interfaces of substances can be safely and reliably determined with different substances overlapping as a material or liquid. The invention also relates to an apparatus for carrying out the method.

Nykyisin käytössä olevilla menetelmillä esimerkiksi eri nesteiden rajapinnat todetaan nestesäiliöistä laskemalla nestettä eri korkeudella ole-10 vien yhteiden kautta säiliöstä pois ja katsomalla silmämääräisesti, milloin neste muuttaa väriään tai muuttuu kaasuksi. Apuna voidaan käyttää esim. fluorivetyhapon toteamiseksi puukeppiä, jonka väri muuttuu tummaksi hapossa. Näin toteutettu rajapinnan määrittäminen on epätarkkaa ja nesteitä ulkoilmaan laskettaessa muodostuu ympäristöhaittoja ja 15 suoranaista ainehävikkiä. Mittaustapahtumassa on aina olemassa myös tapaturmariski, kun kyseessä ovat myrkylliset ja palovaaralliset aineet, kuten esim. fluorivetyhappo ja vastaavat aineet. Mittausta suorittavalla henkilöllä on oltava asianmukainen neopreenista valmistettu suojapuku ja umpinainen huppu, jonka sisään johdetaan letkulla hengi-20 tysilma. Lisäksi on varusteina oltava suojakäsineet ja jalkineet. Lisäksi säiliöihin joudutaan asentamaan useita yhteitä ainoastaan rajapintojen toteamiseksi, tämä aiheuttaa turhia valmistus- ja kunnossapitokustannuksia sekä paineastian rakenteen heikkenemisen.For example, currently used methods detect the interfaces of different liquids from liquid tanks by draining the liquid through connections at different heights out of the tank and visually observing when the liquid changes color or becomes a gas. For example, a wooden stick, the color of which turns dark in the acid, can be used to detect, for example, hydrofluoric acid. The interface determination thus carried out is inaccurate and the discharge of liquids into the ambient air results in environmental damage and 15 direct losses of matter. There is always a risk of accidents in the measurement event in the case of toxic and flammable substances, such as hydrofluoric acid and the like. The person performing the measurement must wear a suitable protective suit made of neoprene and a closed hood into which breathing air is introduced by means of a hose. In addition, protective gloves and footwear must be provided. In addition, several joints have to be installed in the tanks only to identify the interfaces, which causes unnecessary manufacturing and maintenance costs as well as a deterioration of the pressure vessel structure.

25 Ultraäänen käyttöä suljetuissa säiliöissä olevien nesteiden pintojen määrittämiseen on lisäksi käsitelty patenttikirjallisuudessa: • · • · · • · • · · · 0* Julkaisussa GB-2050604 on esitetty resonanssin mittaaminen neste- korkeuden määrittämiseksi.The use of ultrasound to determine the surfaces of liquids in closed containers is further discussed in the patent literature: GB-2050604 discloses the measurement of resonance to determine the height of a liquid.

3030

Julkaisussa GB-2100430 esitetään heijastumisen perustekniikkaa. Tässä anturi on sijoitettu säiliön pohjaan, jolloin etäisyydet yläpuolella oleviin nesteen rajapintoihin tulevat pitkiksi.GB-2100430 discloses a basic technique for reflection. Here, the sensor is placed at the bottom of the tank, whereby the distances to the liquid interfaces above become long.

35 Julkaisussa GB-2126342 on esitetty mahdollisuus tutkia nestepinnan korkeutta mm. vastapäisestä säiliön seinämästä saatavan kaiun avulla.35 GB-2126342 discloses the possibility of studying the height of a liquid surface e.g. by an echo from the opposite wall of the tank.

Laite ilmaisee sen, tuleeko kaiku. Koska nestepinnan yläpuolella kaikua 2 97829 ei saada riittävässä määrin vastapäisestä seinämästä, ilmaisinlaite toimii on/off-periaatteella.The device indicates whether an echo is coming. Since the echo 2 97829 above the liquid surface is not sufficiently obtained from the opposite wall, the detector device operates on / off.

Keksinnön tarkoituksena on esittää uusi menetelmä, jolla on mahdollis-5 ta suorittaa eri nesteiden ja materiaalien rajapintojen määritys edellyttäen, että mitattavilla aineilla on toisistaan poikkeavat äänen etenemisnopeudet. Menetelmän käyttökohteita on erityisesti kemian- ja petrokemian teollisuudessa erilaisten aineiden prosessoinnissa ja säilön-nässä.The object of the invention is to present a new method which makes it possible to perform the determination of the interfaces of different liquids and materials, provided that the substances to be measured have different sound propagation speeds. The method is used especially in the chemical and petrochemical industries in the processing and storage of various substances.

10 Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnus-merkkiosassa. Menetelmässä käytetään hyväksi vakioetäisyydellä uit-raääniluotaimesta sijaitsevaa, säiliön seinämästä erillistä vastetta, josta 15 ultraääni heijastuu takaisin luotaimeen.To achieve this, the method according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of the appended claim 1. The method utilizes a response at a constant distance from the uit sonar, separate from the tank wall, from which the ultrasound is reflected back to the sonar.

Keksinnön mukaiselle laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa. Laitteisto on helppo asentaa olemassaoleviin säiliöihin.The apparatus according to the invention, in turn, is characterized by what is set forth in the characterizing part of the appended claim 5. The equipment is easy to install in existing tanks.

2020

Keksinnön tärkeimpinä etuina voidaan mainita seuraavia seikkoja: Menetelmällä voidaan rajapinnan määritys tehdä tarkasti. Menetelmää käytettäessä ei ainetta tarvitse päästää ulos säiliöstä, ja näin ei muodostu myöskään ympäristöhaittoja eikä ainehävikkiä. Mittaus voidaan 25 tehdä turvallisesti ilman aineen välitöntä kosketusvaaraa, koska ainetta ei tarvitse valuttaa säiliöstä ulos. Lisäksi paineastioiden rakenne yksin- • · . kertaistuu, koska ulospuhallusyhteitä ei tarvita. Näin syntyy kustannus-θ' säästöjä valmistuksessa ja kunnossapidossa.The following are the main advantages of the invention: The method can be used to determine the interface accurately. When using the method, the substance does not have to be discharged from the tank, and thus no environmental damage or loss of substance occurs. The measurement can be performed safely without the immediate risk of contact with the substance, as the substance does not have to be drained out of the container. In addition, the structure of pressure vessels alone • ·. multiplies because exhaust connections are not required. This results in cost-θ 'savings in manufacturing and maintenance.

30 Keksinnön mukaista mittausmenetelmää voidaan soveltaa myös siten, että rajapintojen tarkkailu voidaan toteuttaa ohjaamosta käsin ilman, , .· että operaattori käy laitteen luona suorittamassa mittausta.The measurement method according to the invention can also be applied in such a way that the monitoring of the interfaces can be carried out from the cab without the operator having to visit the device to perform the measurement.

• 0 « ··· »• 0 «···»

Muihin ultraääntä hyväksikäyttäviin menetelmiin verrattuna menetelmän 35 etu on se, että mittaus voidaan suorittaa säiliön sivuseinämistä, joihin on helppo päästä, toisin kuin pohjan alle julkaisun GB-2100430 esittämällä tavalla. Lyhyen heijastusmatkan ansiosta saadaan riittävän voimakas signaali myös suurissa säiliöissä.Compared to other methods utilizing ultrasound, the advantage of method 35 is that the measurement can be performed from easily accessible side walls of the container, as opposed to under the bottom as disclosed in GB-2100430. Thanks to the short reflection distance, a sufficiently strong signal is obtained even in large tanks.

3 978293 97829

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheiseen piirustukseen viittaamalla, joka esittää kaaviomaisesti mittaustapahtumaa eri aineita sisältävässä säiliössä säiliö leikattuna ja mittalaitteen näyttö-5 osaa, josta rajapinnat ilmenevät.In the following, the invention will be explained in detail with reference to the accompanying drawing, which schematically shows a measuring operation in a container containing different substances with the container cut away and the display part 5 of the measuring device, from which the interfaces appear.

Kuviossa esitetään kaaviomaisesti säiliötä, jossa on kolmea eri ainetta kerroksittain varastoituna. Säiliön leikkauskuvassa on esitetty aineet a, b ja c. Aineiden rajapintojen toteamiseksi on säiliöön asennettu rajapin-10 tojen poikki ulottuva vaste 1 kiinnittämällä se runkoon 2 säiliön sisäpuolelle vakioetäisyydelle sivuseinämän sisäpinnasta. Vasteen etäisyys si-vuseinämästä on noin 10 cm. Näin varustetun säiliön rajapinta voidaan todeta ultraääntä hyväksikäyttäen laitteistolla, jota käytetään NDT-tar-kastustoiminnassa (non-destructive testing). Ultraääniluotainta 3 15 liikutetaan pystysuunnassa oletettujen aineiden rajapintojen yli, jolloin luotaimen 3 lähettämä ultraäänisignaali kimmahtaa takaisin lii-kuttelusuunnan suuntaisesta vasteesta 1, jolloin äänen etenemisnopeus näkyy näyttölaitteen ruudussa 4. Näyttölaitteessa olevan takaisin kimmahtaneen ultraäänen paluukaiku ilmenee näytössä kaikuna 5.The figure schematically shows a container with three different substances stored in layers. Substances a, b and c are shown in the sectional view of the tank. In order to detect the interfaces of the substances, a stop 1 extending across the interfaces is mounted on the container by fixing it to the body 2 inside the container at a constant distance from the inner surface of the side wall. The distance of the stop from the side wall is about 10 cm. The interface of the container thus equipped can be detected using ultrasound with equipment used in non-destructive testing (NDT). The ultrasonic sonar 3 15 is moved vertically over the interfaces of the assumed substances, whereby the ultrasonic signal transmitted by the sonar 3 bounces back from the forward direction response 1, whereby the speed of sound is shown in the display screen 4. The echo of the bounced ultrasound 5 appears in the display.

20 Lähtösignaalin 6 ja paluukaiun välinen aika ilmenee akselilla A suureena X.20 The time between the output signal 6 and the return echo appears on the axis A as X.

Liikutettaessa luotainta rajapinnassa eri äänennopeuden omaavissa aineissa ilmenee aineiden raja äänen muuttuneena kulkunopeutena, joka 25 on havaittavissa luotaimen 3 lähettämän paluukaiun 7 muuttuneena aikana X1. Näin luotaimen 3 avulla pystytään luotettavasti määrittämään : aineiden rajapinnat ilman aineen poistoa säiliöstä. Luotaimen 3 aseman mukaisesti rekisteröidään aineiden rajapinnat, ja voidaan määritellä aineiden määrät suhteellisen tarkasti.When the sonar is moved at the interface in substances with different speeds of sound, the limit of the substances appears as a changed speed of sound, which is detectable during the changed time X1 of the return echo 7 sent by the sonar 3. In this way, the sonar 3 can reliably determine: the interfaces of the substances without removing the substance from the tank. According to the position of the sonar 3, the interfaces of the substances are recorded, and the quantities of the substances can be determined relatively accurately.

30 . .·. Erityisesti on huomattava, että keksinnön mukaisessa menetelmässä luotaimen liikuttaminen säiliön pinnassa voidaan toteuttaa käsin tai mekaanisesti, jolloin se voidaan myös automatisoida. Luotaimet voivat olla myös kiinteästi määrävälein säiliöön kiinnitettynä, jolloin aineiden raja-35 pinnat ovat koko ajan valvonnassa luotainten aseman mukaisesti. Erilaisista sovellustavoista keksinnön mukaiselle mittausmenetelmälle 4 97829 voidaan mainita sovellus, jossa luotaimen kanssa samaan liikuteltavaan rakenteeseen on asennettu kiinteä vaste, jolloin luotaimen lähettämä ultraääni kimmahtaa kiinteästä vakioetäisyydellä olevasta vasteesta takaisin. Näin varustettu rakenne upotetaan tutkittavaan, eri ai-5 neita sisältävään säiliöön, jolloin luotaimen kuljettaminen korkeussuunnassa ilmoittaa ultraäänen etenemisnopeuden muutoksella aineiden rajapinnat. Luotaimen asema korkeussuunnassa tutkittavassa säiliössä ilmoittaa, missä aineiden rajapinnat sijaitsevat.30. . ·. In particular, it should be noted that in the method according to the invention, the movement of the sonar on the surface of the tank can be carried out manually or mechanically, whereby it can also be automated. The sonar can also be fixed to the tank at fixed intervals, so that the boundary surfaces of the substances are constantly monitored according to the position of the sonar. Among the various embodiments for the measuring method 4 97829 according to the invention, an application can be mentioned in which a fixed response is mounted on the same movable structure as the sonar, whereby the ultrasound emitted by the sonar bounces back from a fixed constant distance response. The structure thus equipped is immersed in a container containing various substances to be examined, whereby the transport of the sonar in the height direction indicates the interfaces of the substances with a change in the speed of the ultrasound. The position of the sonar in the height of the tank under investigation indicates where the interfaces of the substances are located.

10 Kiinteästi säiliöön kiinnitetty vaste voi sijaita myös säiliön sivuseinämän ulkopuolella. Säiliön ulkopuolella voi esimerkiksi kulkea erillinen pysty pienihalkaisijainen putki, jossa on sivuttaiset yhteet säiliöön, jotta rajapinnat putkessa ovat samalla kohtaa kuin säiliössä. Sijoitettaessa luotain vasten putkea toimii putken vastakkainen sisäseinämä vasteena.10 The stop fixed to the tank may also be located outside the side wall of the tank. For example, a separate vertical small diameter pipe with lateral connections to the container may pass outside the container so that the interfaces in the pipe are at the same point as in the container. When placed against a tube, the opposite inner wall of the tube acts as a response.

1515

Edellä on keksintöä esitetty vain yhteen sen edulliseen toteutusesi-merkkiin viitaten. Tällä ei kuitenkaan millään tavoin haluta rajoittaa keksintöä vain tätä esimerkkiä koskevaksi, vaan monet muunnokset ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten määrittelemän keksin- 20 nöllisen ajatuksen puitteissa.The invention has been described above with reference to only one preferred embodiment thereof. However, this is in no way intended to limit the invention to this example only, but many modifications are possible within the scope of the inventive idea defined by the following claims.

• · 1 · · • · • · · « · · • · • ·• · 1 · · • · • · · «· · • ·

Claims

1. Mätningsmetod för bestämning av gränsytor, i vilken medelst en metod som grundar sig pä framskridningshastighet av ljud söks gräns- 5 ytor av olika ämnen i en behällare bland ämnen eller ämnekombi-nationer som har olika ljudframskridningshastigheter, varvid metoden utnyttjar nägon förut känd ljudsändande och ljudmottagande enhet, t.ex. en inom NDT-inspektionsverksamhet använd ultraljudapparatur, känne-tecknad därav, att med en sond (3) av den ljudsändande och Ijudmot-10 tagande enheten observeras framskridningshastigheten av det sända och emottagda ljudet i det i behällaren befintliga ämnet, mellan en i ett konstant avständ frän sonden (3) befintlig och frän behällarens stomme (2) separat stoppare (1) och sonden (3) för att urskilja mellan ämnen med olika ljudframskridningshastigheter. 151. Measurement method for determining interface areas, in which, by means of a method based on the speed of sound, the interfaces of different substances are searched in a container among substances or combinations of substances having different sound advancement rates, the method utilizing no-one beforehand. audio receiving device, e.g. an ultrasonic apparatus used in NDT inspection operations, characterized in that with a probe (3) of the sound transmitting and receiving unit, the rate of progress of the transmitted and received sound is observed in the substance present in the container, between a constant distance from the probe (3) existing and from the body of the container (2) separate stopper (1) and the probe (3) to distinguish between substances with different sound advancement rates. 15

2. Mätningsmetod enligt krav 1, kännetecknad därav, att stopp-aren (1) är fixerad i behällaren för att sträcka sig över gränsytorna i konstant avständ frän placeringsstället av sonden, varvid sonden (3) flyttas längst placeringsstället parallelt med stopparen(l) eller flera 20 sonder används som är fast fixerade vid stopparen (1) i behällaren.Measurement method according to claim 1, characterized in that the stop (1) is fixed in the container to extend over the boundary surfaces at a constant distance from the location of the probe, the probe (3) being moved farthest to the location parallel to the stop (1) or several probes are used which are fixedly fixed to the stopper (1) in the container.

3. Mätningsmetod enligt krav 1, kännetecknad därav, att stopparen är fixerad i samma rörbara konstruktion med sonden (3) i konstant avständ frän den, varvid sonden insänks i behällaren för att observera 25 olika gränsytor. tMeasurement method according to claim 1, characterized in that the stopper is fixed in the same movable construction with the probe (3) at a constant distance from it, the probe being immersed in the container to observe different interfaces. t

· '·’ 4. Mätningsmetod enligt kravl, 2 eller 3, kännetecknad därav, att framskridningshastigheten observeras i en förevisningsenhet (4), i vilken man kan observera visuellt längs tidaxel (A) tiden (X) mellan en 30 medelst sonden (3) sänd ljudsignal (6) och ett emottaget eko (5), och : när sonden (3) och gränsytan rör i relation med varandra sälunda att ett - :1· ämne med en olik ljudhastighet kommer tili verkningsomrädet av Ijudsignalen, förändras framskridningshastighet av ljudsignalen som utgär frän sonden (3), enligt ämnenas egenskaper, och baserande pä 35 tidskillnaden av ett retureko (7) relativt ekot (5) av det föregäende ämnet kan ämnenas gränsyta där ämnena möter fastsläs. 8 97829Measurement method according to claim 2 or 3, characterized in that the rate of progress is observed in a display unit (4), in which one can observe visually along the time axis (A) the time (X) between one by the probe (3). transmit audio signal (6) and a received echo (5), and: when the probe (3) and the interface move in relation to each other, such that a -: 1 · substance with a different sound speed enters the field of action of the sound signal, the rate of progress of the sound signal is changed. from the probe (3), according to the properties of the substances, and based on the time difference of a return echo (7) relative to the echo (5) of the preceding substance, the interface of the substances where the substances meet can be determined. 8 97829

5. Apparatur för bestämning av gränsytor, omfattande en Ijud-sändande och ljudmottagande enhet, t.ex. inom NDT-inspektionsverk-samhet använd ultraljudapparatur, för bestämning av olika i en behällare befintliga gränsytor, kännetecknad därav, att i ett konstant 5 avständ frän sonden (3) av den ljudsändande och ljudmottagande enheten befinner sig en frän behällarens stomme (2) separat stopp-are (1).Apparatus for determining interface areas, comprising an audio transmitting and sound receiving device, e.g. ultrasonic apparatus used in NDT inspection operations for determining different interfaces present in a container, characterized in that a constant distance from the probe (3) of the sound transmitting and receiving unit is a separate stop from the body of the container (2) -are (1).

6. Apparatur enligt krav5, kännetecknad därav, att stopparen (1) är 10 fixerad i behällaren för att sträcka sig över gränsytorna, i ett konstant avständ frän sondens (1) placeringsställe.Apparatus according to claim 5, characterized in that the stopper (1) is fixed in the container for extending over the boundary surfaces, at a constant distance from the location of the probe (1).

7. Apparatur enligt krav5 kännetecknad därav, att stopparen är fixerad i samma rörbara konstruktion med sonden (3) i ett konstant 15 avständ frän den, och konstruktionen är kopplad till organ för dess insänkning tili behällaren.Apparatus according to claim 5, characterized in that the stopper is fixed in the same movable construction with the probe (3) at a constant distance from it, and the construction is coupled to means for its immersion into the container.

8. Apparatur enligt nägot av föregäende krav5—7, kännetecknad därav, att sonden (3) är kopplad tili en förevisningsenhet. 20 ' I • · « I • » • « ♦ I « · • « • « ♦ • · · • · « « • · »·# 1 I IH I III! I f f Π «Apparatus according to any one of the preceding claims 5-7, characterized in that the probe (3) is connected to a display unit. 20 'I • · «I •» • «♦ I« · • «•« ♦ • · · • · «« • · »· # 1 I IH I III! I f f Π «