专利名称：测量贮存罐水底水位及泄漏的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能够测量处于贮存罐底部的杂质如水的上水位的一种高灵敏度贮存罐监测系统，本发明也能用于贮存罐的泄漏检测。
在装有如石油等的处理液体(process liquids)的大型贮存罐中，一些不希望的杂质如具有比处理液体更大比重的水沉积并聚集在罐底，通常称为水底(water bottom)。水底是密度较大的杂质如沿着松动的顶盖并通过封口漏进罐中的雨水，用于帮助将产品从地面泵入罐中的注入水，以及在油轮航运时用于压载的海水。了解水的上水位是否达到罐的排出口是特别重要的，罐的排出口通常高于罐底一到三英尺，任何排出的处理液体将含有很高比例的水。此外，水及其它所不希望的密度较大的液体或固体物将对罐底造成腐蚀而减短罐的寿命，因此需时常进行清除。
测量罐中水位的一种方法是使用两个空气罩(air bell)，一个置另一个之内，每个都在不同的水位有一个开口并与一个压力表连通，详见美国专利4084435。该方法的缺点是该系统必须要置入罐中。而罩体要在罐底附近精确定位，而罐底并非总是均匀的表面。
测量水位的另外一种方法也是利用压力表详见美国专利1622794。该技术的缺点是罐中必须要总是充满液体而基准管充满一定量的杂质(水)，于是产生一个固定的基准压力头(reference.head)。
许多具有静压力罐测量系统(HTG)是通过质量来测量罐中液体数量，如Rosemount公司(Eden Prairie Minnesota)生产的7500系统。目前的HTG系统通常利用两个分离的压力传感器，它处在由处理液体产生的静压力头下的不同高度并相距的一个予定的距离。第一个压力传感器(pressure transmitter)用来测量罐底附近的静压，第二个压力传感器用来测量距第一个压力传感器一已知距离的静压力。处理液体的质量与较低位置传感器测到的压力乘以罐的水平的面积成正比。其密度则与测到的二个压力之间的差除以二个压力传感器测压孔之间的高度或距离成比例。处理液体的液位和体积则可通过质量和密度的计算得出。
然而，当罐底的具有比处理液体更大的特定比重的水达到第一(较低的)传感器时，质量和密度计算时就易于出错，因为HTG将假设第一压力传感器以上所含物质中仅仅是具有均匀密度的处理液体。因此，HTG虽然能精确地对具有均匀密度的处理液体进行总量控制，并能全自动化，然而目前的HTG系统则不具备精确地测量罐底的水的水位的能力。
液体贮存罐的另一个问题是泄漏。当涉及大型贮存罐时，比如直径为20-50英尺的贮存罐时，就可能产生大量的处理液体流失到地面而罐中的处理液体液位变化甚微的情况。检测泄漏的方法之一是使用目测观察镜，然而其检测液位微小变化的精度较差，而且受温度变化的影响。另一种方法是使用压力传感器测量罐底部的压力变化，正如上述对比文件中那样，液体的体积可随温度变化，而质量则不会。
人们希望得到一种仪器，它不仅能精确测量罐底部水位，而且易于转换成一个高精确度的贮存罐泄漏检测器，此外，人们也希望这种仪器能与目前的HTG系统兼容。
本发明提供了一种简化的且高精度的装置，该装置可用来测量处于贮存罐底部并在密度较低的处理液体的下面的密度较高时杂质如水的上水位。该装置能够自动将杂质的上液位维持在处理液体的排出口下面，以免杂质与处理液体一同排出。该装置易于转换成泄漏检测系统，该系统可实现自动控制并与HTG系统兼容。
在第一最佳实施例中，根据常规设计的单一的低量程压差传感器在第一液位有一高压孔，用来接收处理液体及处于第一液位及其上面的密度较高的杂质所产生的第一静压力头压力。传感器的低压孔处于与第一液位大体相同的液位并从仅含有处理液体的净化管(purged column)中取得第二静压力头压力。所述净化管从高于杂质上水位的平面上与罐相通。压差传感器通过高压和低压孔检测到由处于第一液位的和其上面的密度较高的杂质所造成的压差，并提供一个输出，该输出代表相对于第一液位的杂质的上水位，计算装置接收到这一输出值，并与一个能够接收、存储处理液体和杂质的特定比重数据的装置相连接，并按已知的方式根据特定的比重数据和接收到的输出值计算杂质的上水位。传感器两端的处理液体产生的共同压力效应(相互)抵消，使得使用一个低量程的具有较高精度的压差传感器成为可能。
在第二最佳实施例中，在净化管与贮存罐间安装了一个阀门，用以有选择地将净化管中的压力与贮存罐隔缘开来，以使装置能精确地检测贮存罐的泄漏。净化管的一部分向上延伸，在高于贮存罐中的液体的某一位置与罐相通。关上阀门时，净化管中产生一个固定的基准液位，其高度与贮存罐中液体总量的高度相同。罐中液体高度随后发出的任何变化都会通过压差传感器产生成比例的压差变化。传感器的输出值并不是泄漏量的绝对值但却与液位的变化成比例。阀门关闭后经过一予定的时间，传感器产生一个初始读数。打开阀门时，产生第二个读数，初始读数和第二读数之间反映出的压差传感器两边的压力差与液位的变化成比例。由于予定时间内的温度差及传感器的零点飘移所产生的误差被减小从而提高泄漏检测的精确度。将传感器及净化管保持温度恒定有助于读数的稳定。由于共同的压力头效应的抵消可使用低量程高精度的传感器，因此检测的泄漏值十分精确。
本发明的装置可与通用的静压力系统兼容，因为该传感器可以与通常的HTG系统中所用的予先装好的罐的凸缘相接。本发明并没有指明，也就是说整个装置可以置于贮存罐外，如需要，也可置于罐内。
图1是本发明水底测量系统的简图，显示出在贮存罐中测量水位的原理。
图2是本发明第二种形式的简图，即可将水底测量系统转换成泄漏检测系统。
参照图1，以10所示的液体贮存罐含有两种具有不同的特定比重或密度的液体，其中包括比水比重轻，密度低的处理液体12，及处于处理液体12之下的密度较高的杂质或水14，其中包括沉积物。在本实施例中，贮存罐10有一底部16，水杂质沉积于此，通常称为水底。水底测量系统20与贮存罐相连，该系统可置于贮存罐10中，或按图1所示置于贮存罐10之外。
净化管22从位于水位26之上的孔24接进贮存罐10中，该水位26为处理液体12和水14的交界面，最好是低于液面30处的排出孔28，因此总是低于贮存罐10的罐上液位32。净化管22向下延伸至净化阀34，该阀通过控制线38由控制器36自动控制，在任何测量前将净化管中所含液体40中所含的任何杂质，如水净化出去。
压差传感器42，比如Rosemount公司(Eden、Prairie，Minhesota)生产的3051 C型，具有一高压孔44，该孔经由通道46与贮存罐10位于接近罐底16的孔48相连，测出由较高比重的水14和较低比重的处理液体12造成的压力头P1。低压孔50经由通道52在与高压孔44大体相同的高度与净化管22接通，测到压力头P2并作为基准压力，压力P2仅由净化管22和贮存罐10中的比重较低的处理液体产生，因为净化管22超过了水位26。传感器42的压差探头54分别测到高低压孔44和50之间的差P1-P2，这一压差是由孔48之上的较高比重的水14的存在形成的。传感器42通过线56输出一与压差成比例的传感输出信号，比如一个在4-20MA范围内的直流电流或一数字输出，该信号送到电子线路60中的接收器58，电子线路60可包含逻辑电路或以微处理器为基础的系统。由于高低压孔44和50分别处于大体相同的水平面上，由处理液体12产生的共同压力效应抵消，所以可使用高灵敏度的低量程压差传感器测量由较高密度水14形成的微小压差。
特定比重数据62，包括存储的适当的查阅表，测量出的特定比重，输入的特定比重或类似的数据，向电子线路60中计算器64提供水14以及处理液体12的密度或特定的比重数据。压差P1-P2和水位26的高度之间具有线性关系使得计算简化。计算器64以已知的方式根据特定比重数据62及线56送来的传感输出信号计算水位26。运算存储器66存储计算器64的计算结果并提供一输出值68，该值代表水位26。如果孔48以上没有聚集水14那么压力P1及P2只会由处理液体产生，两值相等，压差P1-P2为零，运算存储器66发出相应的输出值68。如果孔48上聚集有水14，那么由较高比重的水14和处理液体12产生的压力P1便会大于仅由处理液体12产生的压力P2，同时也会出现一个压力差。
当水位26超过予定水位时，可以用输出值68来驱动录音机或产生报警声。计算器64可以通过控制线72自动启动控制器36以打开排水阀70，排水阀70与排水孔74相连，排水孔通向贮存罐中的水14，可以通过将聚积在底部16的水14和其它杂质排出来降低水位26，以确保水位26保持在排出孔28之下。控制器36可通过控制线78控制阀76，阀76与贮存罐排出孔28相连，以便有选择地排出处理液体12。计算器64可以计算水14和处理液体12的质量，即通过以已知的水及处理液体的水平面积乘以罐10中的垂直高度的函数。
为了减少由温度造成的测量误差(温度使液体膨胀)，压差传感器42应通过通道46连到贮存罐10，并尽可能接近罐底部16，阀34和70应处于大体相同的水平面上。通道46或52及净化管22应使用与贮存罐相同的材料制成并与外界加以隔绝，并应在背对太阳的一面，在北半球即在北面与贮存罐相接。
图2显示的是本发明的第二最佳实施例，该实施例系测量水位的高度及罐的泄漏。在本实施例中，与第一最佳实施例所述的测量系统20相似的测量系统和与贮存罐相连。
传感器42的高压孔44经通道46和双向阀与贮存罐10的孔48接通，压差传感器42的低压孔50经通道52和双向阀84通向净化管86。净化管86向下延伸至净化阀34，如前所述该阀可通过控制线38由控制器36自动加以控制，向上延伸至通道88，该通道经处于液体水平面32上的孔89通向贮存罐器，这样便可使管中液体40与处理液体12承受同样的汽压。净化管86还通向通道90，该通道经过阀门94与通道92相接，通道92在高于水位26之上的某一位置通向贮存罐10的孔24，其位置最好低于排出孔28，这样在作任何测量前净化管86进行净化时，只有较低比重的处理液体12被抽入净化管86。
当阀94开启时，测量系统80按照第一最佳实施例中描述的方式测量水位26。当开始进行罐泄漏测量时，阀94被有选择地加以关闭，比如由控制器36通过控制线96将其关闭，净化管86与贮存罐10通过通道90和92的压力取被切断，测量系统80便可作为罐泄漏探测器使用。由处理液体12构成的基准液体40维持在对应于水平面100的恒定的液位98，这样，当液位32由于罐泄漏、蒸发、浓缩阀门泄漏等而发生的变化时便会引起压力P1的变化，也就成高压孔44和低压孔50之间的压差的变化。压差探头分别探到高低压孔44和50的压差变化，这些压差变化与液位32的变化成比例，传感器42向线56传出一按比例变化的传感输出信号。为计算关闭阀94后经过一予定时间罐的泄漏量，由传感器42产生一个对应于液位32的初始读数。当阀94有选择地被找开时，比如由控制器36经控制线90将其打开，净化管86和贮存罐10之间的压力联系得以恢复，此后由传感器42产生一个相应于液位32的第二读数。计算器64根据线56传来的初始数与第二读数间传感输出信号的变化和特定比重数据62计算一予定期内液位32的绝对变化值，运算存储器66给出代表罐泄漏的输出值68。由于初始读数与第二读数之间的时间间隔非常短，温度差及传感器42零点飘移所引起的误差大大减小。如果贮存罐10具有从垂直方向来看是均匀的平面，如一端定位的园柱体，那么液体32的液位变化值乘以该面之面积便可计算出泄漏量。
由于共同的压力效应的抵消，以及当测量基准液位及罐的泄漏时，只遇到很小的压差变化，压差传感器42可以是一种高灵敏度的低量程传感器，因此，提供了高精度的泄漏测量。
双向阀82安在高压孔44和48之间，与通向低压孔50的通道102相连。双向阀84安在低压孔50和基准管86之间，与能向高压孔44的通道104相连。有选择地改变阀门82和84的开关而交换位置，比如可由控制器36分别通过控制线100和108使其开关，那么阀82便会使在孔48处的比重较大的水14经通道102通向低压孔50，切断与高压孔44的压力联系。同样，阀84可以使具有较低的特定比重的基准液体40经通道104通向压差传感器42的高压孔，切断与低压孔50的压力联系，当通过切换82和84而变换位置时，压力头P1和P2与高压孔44及低压孔50的联系被交换，使得计算器能计算出由线56的传感信号所代表的探头54的压差平均值，从而消除了由压差探头54的零点飘移所产生的误差。将诸如有阀门的复式接头安在压差传感器42中，也可使压力P1和P2以类似方式通向相反的压力孔。
本发明所公开的装置可与现有的包括那些已经安装好的HTG系统兼容。
尽管本发明是参照最佳实施例加以描述的，该领域技术人员应意识到可进行形式和细节的修改而不脱离本发明之精神及范围。
权利要求
1.用来连接在第一和第二压力支管之间的装置，其中第一压力支管在第一液位通过第一孔与贮存罐相连，第二压力支管在与第一液位大体相同的位置与一净化管相连，贮存罐中装有具有第一特定比重的第一液体和具有比第一液体比重更大的第二液体，第一液位于第二液体之上在两者之间及第一液位上形成一交界面层，净化管中装有第一液体，通过贮存罐的第二孔与贮存罐相通，第二孔在低于第一液体上的液位处与贮存罐相通，向第一及第二压力支管提供大致相同的第一液体压力头，该装置可提供表示交界面高度的输出值，该装置包括接在第一和第二压力支管之间测量其压差并输出代表其压差值的输出的装置；接收并存储代表第一和第二液体相关的特定比重数据的装置；接于压力输出，用以计算作为压差输出值和数据的函数的交界面层的高度并提供表示该高度所产生的输出的装置。
2.根据权利要求1的装置，还包括排出阀装置，该装置与通向贮存罐的排出口相连接，用以有选择地将第一液体从贮存罐中排出。
3.根据权利要求2的装置，其中计算第二液体的液位的装置还包括可向排出阀装置提供第一信号的装置，以有选择地对排出阀装置进行控制。
4.根据权利要求1的装置，其中还包括通向第二液体的泄放阀装置，以有选择地将第二液体从罐中泄放。
5.根据权利要求4的装置，其中计算第二液体液位的装置还包括向贮存罐泄放阀装置提供第二信号的装置，以有选择地控制贮存罐泄放阀装置。
6.根据权利要求1的装置，其中包括与净化管相连的净化阀装置，以有选择地对净化管净化。
7.根据权利要求6的装置，其中计算第二液体液位的装置还包括可向净化阀装置提供第三信号的装置，以有选择地控制净化阀装置。
8.根据权利要求1的装置，其中还包括安在第二孔和净化管之间的隔离阀装置，有选择地阻止净化管的第一液体与贮存罐中的第一液体的流通，由此得到的压差输出的变化便显示了贮存罐中第一种液体液位的变化。
9.根据权利要求1的装置，其中净化管置于贮存罐之外。
10.根据权利要求1的装置，其中还包括与测量压差的装置相连的零点飘移效应装置，用以将第一和第二压力支管交换地接到该装置上而用于提供平均压差输出值，用以消除测量压差装置的零点飘移效应的误差。
11.连接于第一及第二压力支管之间的装置，其中第一压力支管位于装有第一和第二液体的贮存罐的第一液位，第二压力孔与装有第一液体的净化管相连，第二液体具有较大的特定比重处于第一液体之下，其上液位则位于第一液位之上，第二压力支管与第一压力支管大体上处于同一水平面，该装置包括接在净化管及贮存罐之间的导管装置，该装置在由第一及第二液体形成的交界面的液位之上通向贮存罐中的第一液体;接在第一和第二压力支管之间测量其压差并输出压差值的装置;与导管装置相接用以有选择地关闭导管装置将净化管中的第一液体与贮存罐中的第一液体隔离开的装置，从而压差值的变化便代表了贮存罐中第一液体液位的变化。
12.根据权利要求11的装置，其中还包括接收和存储与第一和第二液体有关的特定比重数据的装置;与压差输出相连的装置，用以计算作为压差输出值和有关数据的函数的第二液体的液位，其中，当有选择地关闭导管装置的装置被打开时，所述计算装置提供一个代表第二液体液位所产生的输出。
全文摘要
一种用来测量贮存罐底部处理液体之下聚集的水的水位的压差传感器。该压差传感器测量第一及第二压力支管之间的压差，其中第一压力支管位于比重较大的水的上水位之下，已含有较低比重的处理液体的净化管的第二压力支管位于水的上水位之上通于贮存罐。所述压差是水的比重或密度及水的压力头的函数。根据该压力差及比重数据便可确定贮存罐中水的高度。本装置可以与目前的罐静压力测量系统兼容。
文档编号G01F23/14GK1061660SQ91109188
公开日1992年6月3日 申请日期1991年9月25日 优先权日1990年9月26日
发明者兰蒂J·朗斯道夫, 罗伯特C·L海迪特克, 理查德L·尼尔森 申请人:罗斯蒙德公司