用于测量材料的料位的设备

技术领域

本发明涉及测量材料的料位的方法以及用于测量材料(尤其是流体)的料位的设备。本发明特别但非排他性地应用于测量分离器、特别是油/水分离器中的流体的液位，尤其是应用于油生产设施中分离容器中的气-油和油-水边界的位置。

背景技术

通常需要从生产井分离形成流动的水相、油相和气相。水和气体天然与油共同产生，并且水甚至可被注入油田中以维持油的生产。这产生来自生产井的包含油、气和水的混合物的流。也可存在矿物，诸如沙子和重油或焦油材料。因此，有必要在进一步处理之前将这些组分彼此分离。

通常，此类分离在分离系统中进行，该分离系统可包括预分离装置(诸如旋风分离器)以将存在的大部分任何气相与液相分离，并且通常还包括分离容器，在分离容器中，流体流动减慢并被允许分离成层，然后将这些层从分离容器中单独取出。用于移除相应相的装置通常固定在分离容器内，因此需要控制向容器提供油和水以及任何其它组分的混合物的速率，并且还需要控制从容器中移除分离的组分的速率。控制流入和流出速率控制容器内分离的组分的料位，并且保持组分的料位，以使它们易于从分离器中移除。在实践中，通过由液相和气相形成的泡沫以及水相和油相的分散体或乳液，使得相的分离更加困难。泡沫或乳液的存在使得相间边界不太明确，从而使得总体控制更加困难。此类分离器的操作是复杂的，因为难以确定相边界的位置。

例如用于测量容器或其他限定体积内的材料的料位和/或密度的料位和密度测量系统是熟知的。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。

使用微波进行液位测量的方法和设备在US4107993中有所描述。该设备包括使用微波能量的吸收来指示容器中液体的液位的微小变化，以便控制液体的液位。该设备包括类似于观测计的外部腔室、外部微波源和外部微波接收器。测量穿过外部腔室的未吸收的微波能量并推断液体的液位。EP1126251描述了其中使用外部罐的类似设备，但在该设备中，微波发生器被定位成使得微波向下指向液体的表面并且依赖于从表面的反射，而不是穿过液体并依赖于透射来确定液体的液位。EP1235059还描述了一种微波液位测量设备，其中微波发生器被配置为基于反射来测量液体的液位。

US2004/0229376公开了一种用于测定均质流体组成的方法，该均质流体例如是流动的石油流出物、由水和油组成的乳液，或由油和气组成的泡沫。测量穿过未知组成的流体的微波光束的衰减和相移，其中发射器和检测器之间的路径具有不同长度。

US2003/0117150公开了一种分离筒，该分离筒设置有用于确定若干流体层的位置、组成和性质的装置。该装置包括设置有微波束发射器的第一杆、设置有微波束接收器的第二杆、可连接到发射器的微波源以及用于记录和分析由接收器接收的微波束的装置。

US2004/0229376和US2003/0117150均包括发射器的线性阵列和与发射器间隔开的检测器的单独线性阵列。发射器阵列和检测器阵列均设置在流体柱中，使得流体填充发射器和检测器之间的空间，并且微波束从发射器穿过流体到达检测器。此配置体积庞大并且需要发射器和检测器对准。此外，微波可在影响性能或需要高功率微波发射器的某些类型的流体中严重衰减。在替代形式中，某些类型的流体对于微波辐射基本上是透明的，因此基于通过流体传输的微波辐射的吸收的准确测量是不可能的。

US2015/0177163公开了一种用于确定罐中非导电介质的密度的系统和方法，其中该介质的介电常数和密度之间的关系是已知的。该系统包括收发器和波导，该波导朝向介质延伸并且延伸到介质中。该系统还包括第一微波谐振器，该第一微波谐振器位于波导旁边的支撑结构上。第一微波谐振器具有谐振频率，该谐振频率根据已知关系取决于包围谐振器的介质的介电常数，并且被布置为反射沿波导引导的信号的频域中的一部分。这是时域反射计(TDR)系统的变型。这种类型的现有技术配置使用不将传输信号与周围介质隔离的传输线。信号沿传输线与介质相互作用并在周围介质的界面处反射。此方法的问题在于传输信号不能穿透某些界面。DE10133692还公开了一种类似的时域反射计(TDR)系统。

本发明的目的是提供一种用于测量材料的料位或位置或种类的改进的测量系统、设备和方法，并且克服现有技术的限制。

发明内容

本说明书提供了一种用于确定限定体积内的一个或多个材料相的种类、位置或料位或者两个材料相之间的界面的位置的设备，该设备包括：

a)线性单元阵列，该线性单元阵列被配置为产生和检测电磁辐射(例如，微波)；

b)细长壳体，该细长壳体容纳该单元阵列，该细长壳体对于由该单元产生的电磁辐射是至少部分透明的；

该设备被配置为至少部分地浸没在该限定体积内的该一个或多个材料相内，其中该线性单元阵列通过该细长壳体与该一种或多种材料物理隔离，

该线性单元阵列被配置为在沿该壳体的长度的位置处产生穿过该至少部分透明的细长壳体到包围该壳体的该一个或多个材料相的传输信号，以及在沿该壳体的该长度的位置处穿过该细长壳体从包围该壳体的该一个或多个材料相接收返回信号，

其中该设备被配置成处理该返回信号以确定该限定体积内的该一个或多个材料相的该种类、位置或料位或两个材料相之间的界面的该位置。

该设备与诸如US2004/0229376和US2003/0117150中所述的那些配置的不同之处在于，不是提供发射器和检测器的间隔开的阵列并且在电磁辐射穿过位于发射器和检测器之间的材料时测量电磁辐射的吸收，本配置提供了用于发射和检测电磁辐射的单个单元阵列，其中单元阵列通过对电磁辐射至少部分地透明的壳体与周围介质隔离。因此，单元可在沿壳体的位置处穿过壳体传输电磁辐射，并且测量返回信号，该返回信号取决于在沿壳体的每个位置处包围壳体的材料。此配置是紧凑的，并且不依赖于电磁辐射的吸收。该配置可用于准确地测量容器中各种材料的位置。

此外，该设备与时域反射计(TDR)系统(诸如US2015/0177163中所述)的不同之处在于现有技术TRD系统的传输线不与周围介质隔离，使得沿该线传递的信号将从界面反射。如前所述，该方法的问题是传输信号不能穿透某些界面。相比之下，如本文所述的设备包括用于发射和检测电磁辐射的单元阵列，该电磁辐射与周围材料隔离并且在不同深度处发射和检测。因此，本发明的设备不具有从上方穿透界面的相同问题，并且无论材料柱中存在的界面的类型和数量如何，都能够可靠地检测所有材料层。

壳体(其可为浸管)可至少部分地由陶瓷、塑料或金属构成，并且可包括一个或多个窗口，该一个或多个窗口比壳体的其余部分对电磁辐射更透明，该单元被配置为穿过窗口发射电磁辐射和接收电磁辐射。

该设备还可包括一个或多个支撑构件，该一个或多个支撑构件在沿壳体的位置处将单元保持在壳体内，该一个或多个支撑构件被配置为对单元进行定位和定向，以在沿壳体的位置处穿过壳体发射电磁辐射和接收电磁辐射。该设备还可以是模块化的，使得单元可以可拆卸地联接到线性单元阵列以延伸线性单元阵列的长度。

本说明书还提供了一种用于确定限定体积内的一个或多个材料相的位置、种类或料位或者两个材料相之间的界面的位置的方法，所述方法包括：

a)将如前所述的设备定位在该限定体积中的材料内；

b)使该单元阵列产生电磁辐射；

c)使用该单元阵列测量返回的电磁辐射；以及

d)基于返回的电磁辐射的测量结果来确定该限定体积内的一种或多种材料的位置、种类或料位或者两种材料之间的界面的位置。

本文还描述了一种用于测量限定体积内的一个或多个材料相的位置、种类或料位或两个材料相之间的界面的位置的方法，所述方法包括：

a)提供被配置为产生电磁辐射的一个或多个单元；

b)提供被配置为检测电磁辐射的一个或多个单元；

c)在该限定体积内提供该一个或多个单元；

d)使该一个或多个单元以第一频率产生电磁辐射；

e)使用该单元中的一个或多个单元测量返回的电磁辐射；以及

f)基于返回的电磁辐射的测量结果来确定该限定体积内的一种或多种材料的位置、种类或料位或者两种材料之间的界面的位置。

如本文所述的设备和方法允许比先前已知的更准确、更通用和更安全的方法。该设备和方法还可允许确定包围每个单元的材料的种类，并且可使得能够建立限定体积的分布，从该分布可确定任何相边界的位置和(如果需要)任何相间区域(例如泡沫或分散体或乳液)的厚度。被配置为产生/检测电磁辐射的一个或多个单元被提供在限定体积内，使得它们至少部分地浸没在可存在于限定体积内的一个或多个材料层内。本说明书中提及的“单元”或“多个单元”是指被配置为产生和/或检测电磁辐射的一个或多个单元。该单元可为电子单元。该单元可为电磁辐射发生器。该单元可为电磁辐射检测器。该单元可为天线。在单元为天线的情况下，天线可发射电磁辐射。该单元可为谐振器。该单元可以是传输装置，诸如带通滤波器。在单元为谐振器或传输装置的情况下，它们可产生电磁辐射场。以这种方式，包围此类单元的材料以特征方式干扰单元的谐振，使得可以确定包围单元的材料。该单元可以是非核子的。检测到的返回的电磁辐射将提供信号，该信号是单元所位于的材料的特征。

该方法可包括将一个或多个单元定位在限定体积内存在的任何液体内。该方法可包括在限定体积内提供一种或多种液体材料，以及将一个或多个单元定位在液体内。

此外，本发明不依赖于电离辐射或辐射源，因此避免了与放射性材料相关的监管要求和环境关切。因此，本发明是非核的或非放射性的。

应当理解，当在限定体积内存在一个或多个材料相使得一个或多个单元可至少部分地浸没在任何此类材料内时，将使用该设备和方法。例如，该方法可应用于将包含油、水和其他组分(诸如气体和包括焦油的重烃)的混合物的油-水分离器。使单元至少部分地浸没在限定体积(其可为例如分离器容器)内的材料相中允许使用较低的功率，而先前的方法依赖于被测量的材料外部的源，其需要高得多的功率水平。浸没的单元可更靠近不同材料之间的任何界面，因此可提供对界面的位置的更准确的确定。此外，可以确定可能存在于不同材料之间的多个界面的位置。因此，本发明的方法允许使用更小的单元并以更低的功率操作，同时提高准确度。这还允许在给定体积内存在增加数量的单元，这使得更准确地测量单元所位于的材料的性质。可以通过比较单位的测量结果来确定两个材料层之间的界面的位置。此外，由于这些单元浸没在限定体积内的材料内，因此可以使用该系统来分析材料的性质，无论该材料是极性的还是非极性的，并且没有必要向该系统添加任何额外的材料以便该方法起作用。被提供以产生电磁辐射的一个或多个单元可与被提供以检测电磁辐射的一个或多个单元相同或不同。可通过将测量的返回的电磁辐射与已知的特征值或信号进行比较来确定单元所位于的材料的种类。特征值或信号可通过将单元浸没在已知材料(诸如油或水或泡沫或乳液)中并且测量返回到单元的信号来预先确定。这可在每种材料的不同频率和/或温度下进行，以提供单元可设置在其中的不同材料的“指纹”。在油-水分离器的上下文中，已发现当单元浸没在油或水中时，在所接收的信号之间存在可识别的差异，因此可以通过这些观察到的信号差异来识别每层的位置。因此，即使在不将返回的信号与已知值进行比较的情况下，也可以识别不同单元位于不同材料层内。不希望受科学理论的束缚，据信所产生的电磁辐射与包围被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元的材料的近场和/或远场相互作用以作为与电磁辐射相互作用的材料的特征的方式改变电磁辐射。因此，可以确定其中设置一个或多个单元的材料的性质。

使用微波检测容器内材料的料位的某些现有技术系统定位微波源并在容器外检测，这意味着需要更大且更高功率的源。这限制了可提供的源的数量，并且降低了该方法的准确性，并且使用了可能具有安全隐患的更大量的功率或放射性材料。某些现有技术系统也不能准确测量对微波辐射基本上透明的材料的料位，而本发明允许测量在所选波长/频率下不吸收电磁辐射的材料的位置或料位。这是因为本发明中的单元至少部分地被材料包围，因此由单元检测到的信号是材料的特征。因此，通过将来自一个单元的检测到的信号与已知代表一种材料的信号进行比较或通过比较由不同单元检测到的信号，可以确定单元所位于的材料的性质和/或位置。

单元中的一个或多个单元可被配置为以不同频率产生辐射，并且该方法还可包括改变由单元中的一个或多个单元产生的辐射的频率。因此，可以控制单元以选择性地以期望波长/频率产生辐射，而不是仅产生一个波长/频率。当然，应当理解，如果需要，单元可仅在单个波长/频率下产生。可配置或使不同的单元以不同的频率产生电磁辐射。通过改变本发明方法中使用的电磁辐射的频率/波长，可以获得关于单元位于其中的环境的附加数据，从而提供限定体积内的材料相的更准确的图片。例如，根据单元所处的材料环境，不同的频率可提供更清晰的特征信号。在依赖于放射性材料的现有技术系统中，不可能改变所释放的辐射的能量，因为这是提供的辐射源的特征，因此无法使用不同的能量来提供关于测量的材料的进一步信息。

频率可连续地或不连续地改变。应当理解，连续地，这些单元将以第一频率产生电磁辐射，然后通过遍历中间频率而改变为不同的频率。应当理解，不连续地，单元开始以第一频率产生电磁辐射，然后切换到不同的频率而不一定发射中间频率，这显然受到单元的物理限制。因此，连续变化将提供频率的更渐进变化，并且不连续变化将提供频率的阶跃变化。电磁辐射可连续发射或可为脉冲式的。类似地，可连续地或响应于脉冲发射来检测电磁辐射。

电磁辐射的频率可为任何合适的频率，但优选地为微波辐射或近微波辐射。电磁辐射的频率可为约0.5GHz至约200GHz。电磁辐射的频率可为约1GHz至约10GHz。频率可为约2GHz至约6GHz。频率可为约2.4GHz。可使用任何合适的频率，并且可根据哪个频率提供最佳结果来逐个确定所选择的频率。设想本发明的方法特定但非排他性地应用于油/水分离器中的油、水和/或固体(诸如沙子)以及任何泡沫或乳液层的测量。即使在低功率下，微波辐射也具有与油和水充分的特征相互作用，以允许清楚地确定返回的信号的差异。这是因为微波辐射被水强烈吸收，而其仅被油弱吸收。

一个或多个单元可以连接到一个或多个信号发生器，并且可以控制信号发生器以改变提供给一个或多个单元的信号，以使一个或多个单元以预定频率产生电磁辐射。优选地，使用单个信号发生器，但应当理解，可根据需要使用任何数量的信号发生器。信号发生器可控制单元产生电磁辐射的频率，从而允许单元根据需要产生不同的频率。信号发生器可包括任何合适的控制装置。

该方法还可包括使一个单元产生电磁辐射并检测任何返回的电磁辐射。换句话讲，同一单元可用作电磁辐射的发生器和接收器/检测器两者。因此，优选地在微波频带中的信号可从信号发生器沿馈电线(其可为同轴电缆)发送至单元，以使单元以所选择的频率产生电磁辐射。电磁辐射可与包围天线的材料相互作用，并且一些电磁辐射可通过反射或其他机制返回，并且沿馈电线返回。发射的信号与返回的信号的比率称为驻波比率。驻波比取决于包围天线的材料的电特性以及天线自身的几何特性。由于天线的几何特性是已知的和固定的，因此驻波比是包围该单元的材料的特征。以这种方式，可以确定单元所处的环境并检测这何时改变。周围材料对谐振的干扰也可用于确定所考虑材料的性质。

该方法优选地包括提供多个单元或单元阵列(即两个或更多个单元)。在存在多个单元或单元阵列的情况下，可以确定单元的环境，从而通过比较由单元接收的信号来确定一个或多个界面的位置。在相对于水/油分离器使用该方法的情况下，水具有比油高得多的介电常数和电导率，因此当电磁辐射与水或油相互作用时信号的变化被标记，并且油和水之间的界面的位置可通过简单地比较单元的信号来确定。在一些情况下，两种材料之间可能不存在清晰划分的界面。例如，在水/油分离器中，可存在与水层或油层相比提供不同信号的乳液层。本发明的方法允许识别此类层的存在。类似地，可存在泡沫层或其它相间层。同样，当与设置在水层或油层或实际上任何其它层中的单元提供的信号相比时，由于位于泡沫层或其它相间层中的一个或多个单元提供的信号的差异，本发明的方法能够确定此类层的存在和位置。

另选地或附加地，该方法可包括使一个单元产生电磁辐射并利用一个或多个其他单元检测任何返回的电磁辐射。以这种方式，电磁辐射可由一个单元产生，然后由一个或多个其他单元接收。单元之间的材料的电特性以特征方式衰减或以其他方式改变电磁辐射。同样，信号变化取决于环境和几何形状。因此，由于几何形状是固定的并且可根据需要调节频率，因此所产生的信号是单元之间的材料的特征。可将信号与对应于不同环境或材料(诸如油、水、沙子、乳液、或泡沫层或其他相间层)的已知信号进行比较，并且可通过比较由单元提供的信号来确定或简单地确定此类材料层在容器内的位置。

因此，该方法还可包括基于所产生的和检测到的电磁辐射来计算驻波比和/或电磁辐射的衰减或其他变化，以及分别基于所计算的驻波比和/或衰减或其他变化来识别包围一个或多个单元的材料。计算可被理解为是指测量或确定。其他变化还可包括频率的偏移。测量驻波比或衰减或测量的任何其他参数的绝对值可能不是必需的，但这可以进行，并且它是不同单元之间的相对值和/或可用于确定限定体积内的材料的分布的相对于已知环境的值。

优选地，该方法包括提供多个单元或单元阵列。可提供任何合适数量的单元。优选地，提供至少两个单元。优选地，每个单元被配置或操作以产生和/或检测电磁辐射。通过提供多个单元，可以确定不同材料的层在限定体积(诸如容器，如分离器)内的位置。与包括单个电磁辐射源的现有技术系统不同，提供单元阵列(即两个或更多个单元)使得更精确地确定容器中的材料，尤其是此类材料的位置。

此外，对于两个或更多个单元，可以以多种方式操作这些单元以更准确地确定给定体积内不同材料的位置。还允许确定材料之间的多于一个界面的位置，而现有技术系统仅被配置为确定一个界面的位置。

该方法可包括：顺序地使单元中的一个单元以第一频率产生电磁辐射，利用同一单元或其他单元中的一个或多个单元检测任何返回的辐射，基于所检测到的电磁辐射来识别包围单元的材料，并且基于返回的辐射来确定限定体积内的一个或多个材料相的料位或两个材料相之间的界面的位置。应当理解，单元可以以任何顺序激活，但预期单元将以连续顺序激活。可通过将所计算的驻波比和/或测量的衰减与已知值进行比较或简单地基于从不同单元接收的信号之间的比较来识别包围单元的材料。该方法还可基于一个单元产生电磁辐射并且阵列中的所有单元检测任何返回的电磁辐射来操作。

应当理解，该方法可应用于动态系统，其中一种或多种材料的料位随时间推移而变化，因此该方法可根据需要那样频繁地重复。该方法可在不同于第一频率的一个或多个频率下重复。可使用任何合适的频率，只要其与限定体积内的不同材料相互作用并且根据单元所位于的材料提供不同的返回信号即可。该方法可在每个频率下重复一次或多次，并且该方法不受其重复次数的特别限制。该方法重复的频率将取决于操作要求。例如，其可在循环之间几乎没有或没有停机时间的情况下连续重复，或者其可根据是否需要频繁采样而以预定间隔重复。

提供了一种用于确定限定体积内的一个或多个材料相的种类、位置或料位或者两个材料相之间的界面的位置的设备，该设备包括：单元阵列，该单元阵列被配置为产生和检测电磁辐射；和壳体，该壳体容纳单元阵列，该设备被配置成至少部分地浸没在该限定体积内的一个或多个材料相内。

单元阵列位于限定体积内，使得当在限定体积内存在材料时，阵列至少部分地浸没在材料中。这允许确定其中设置有单元的材料的性质，并且通过组合来自每个单元的数据，可以建立限定体积内材料相分布的图片。单元阵列优选地完全设置在壳体内。壳体可完全或部分地容纳单元阵列。优选地，壳体完全容纳单元阵列，以保护单元免受设备所暴露于的材料的影响。

该设备可为基本上线性的。该设备可为基本上细长的。由于旨在确定限定体积内的材料相的分布，因此优选使设备基本上延伸限定体积的整个高度，以便可确定限定体积的分布。此配置优化设备的竖直分辨率和紧凑性。竖直分辨率的极限由被配置成产生和/或检测电磁辐射的单元的尺寸确定，并且由于本发明允许使用小于现有技术的那些单元的单元，因此可使用更大的数量，这增加了设备的分辨率。

该设备还可包括将单元保持在壳体内的一个或多个支撑构件。如前所述，单元可包括天线和/或谐振器。优选地，支撑构件包括用于将单元保持在期望取向下的装置。支撑构件还可适于连接到一个或多个其他支撑构件。本发明不受支撑构件可彼此连接的确切方式的具体限制，并且可包括任何合适的连接装置。因此，支撑构件可形成模块化系统。这样，阵列中被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元的数量可根据要在其中使用设备的容器的尺寸来调节。每个支撑构件可根据需要支撑任何数量的单元。例如，支撑构件可被构造成支撑一个、两个、三个或更多个单元。因此，本发明提供了关于设备的尺寸的更大灵活性，并且可通过选择包括在设备中的模块化单元的数量来容易地配置用于不同尺寸的容器。由于容器可具有许多不同的尺寸，因此期望提供对于每个容器作为最佳尺寸的设备。此外，如果被配置成产生和/或检测电磁辐射的单元变得有缺陷，则可以通过交换出包括有缺陷的部分的模块来快速且容易地更换任何有缺陷的天线。壳体可以是模块化的，也可以不是模块化的。在壳体是模块化的情况下，其可被构造成允许模块彼此连接。同样，本发明不受确切的连接方式的特别限制，但可包括例如推入配合型连接、过盈连接或螺纹连接。

壳体优选地对由被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元产生的电磁辐射是至少部分透明的。由于本发明依赖于由单元产生的电磁辐射和与电磁辐射相互作用的材料之间的不同相互作用，因此辐射需要与包围设备的材料相互作用。因此，容纳单元的壳体必须允许辐射的至少一部分与周围材料相互作用。

壳体可由任何合适的材料(包括陶瓷、塑料或金属)制成。通过合适的方式，应当理解，材料必须能够承受限定体积内的条件。例如，在设备设置在油-水分离器中的情况下，壳体必须能够无损坏地设置在水和油中。

壳体可包括比壳体的其余部分对电磁辐射更透明的一个或多个窗口。为了使电磁辐射可易于与包围设备的材料相互作用，单元可被布置成穿过一个或多个窗口提供辐射。窗口优选地由比壳体对给定波长的辐射相对更透明的材料制成。窗口可以是可移除的，以允许接近被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元。

壳体可为任何合适的形式，但优选地为管的形式。管可具有任何截面，并且本发明不受任何具体截面的特别限制，但管可具有基本上圆形的截面。

阵列中的每个单元能够连接到信号发生器。每个单元不必同时连接到信号发生器，并且该设备可包括开关装置以将阵列中的单元选择性地连接到一个或多个信号发生器。这将取决于如何操作单元以提供特征信号。

该单元可为天线。天线可包括任何合适的天线。天线可以是贴片天线。天线可以是全向天线或定向天线或两者的组合。

单元可为谐振器或传输装置。谐振器可以是任何合适的谐振器。

单元可为任何合适的功率。优选地，单元各自具有在约1pW(皮瓦)至约7W范围内的功率。单元可具有在纳瓦范围内的功率。单元可具有在微瓦范围内的功率。相对低的功率意味着设备操作便宜并且具有低安全风险。

设备可包括一个或多个温度传感器。温度传感器可以是任何合适类型的温度传感器，并且本发明不受所使用的传感器类型的特别限制。

该设备可为料位计。

该设备还包括数据处理装置，该数据处理装置能够从每个单元接收信号并且由此确定在接收信号的单元的位置处的流体材料的特征。如已经描述的，由单元检测到的信号是包围单元的材料的特征，因此可以通过处理从每个单元接收的信号来确定流体材料的性质。

设备可与油-水分离器容器组合提供，设备优选基本上竖直地设置在容器中。由于本发明的设备特别适用于确定分离器内的水和油的液位，因此该设备优选地设置在油-水分离器容器内。

分离器容器可具有至少一个流体入口装置和至少一个流体出口，该流体入口装置用于允许油、气和水的混合物流入，该流体出口用于允许油、气和水从容器流动。根据本发明的第二方面的设备优选地至少部分地定位在容器内。

还提供了一种测量多相介质的分布的方法，该方法包括定位根据本发明的第二方面的设备，使得被配置成产生和/或检测电磁辐射的所述单元阵列的至少一部分定位在介质的其中不同相至少部分地分离的区域中。

本发明任一方面的方法可包括使用本文所述设备作为控制反馈回路的一部分的步骤，该控制反馈回路用于控制容纳多相介质的油-水分离器。

本发明任一方面的方法的特征可在于，相边界/界面的位置通过分析由一个或多个单元检测到的电磁辐射来确定，控制通向限定体积(例如，油-水分离器容器)的入口流量和/或来自限定体积的一个或多个出口流量以将界面的位置保持在预定极限内。由于可以使用本发明的方法和设备确定容器内的材料之间的界面的位置，因此此信息可用于控制材料(例如油和水的混合物)提供给容器的速率，和/或控制彼此分离的油和水被抽出的速率，从而控制容器中油和水之间的界面的液位。此外，本发明的方法和设备能够检测泡沫或相间层的存在并提供一些反馈，使得可对系统进行任何合适的调整。因此，任何相间层(包括包含两种材料的混合物的层)或者泡沫层的厚度可通过本发明的方法和设备来确定，并且控制添加到限定体积中以减少此类相间层或泡沫层的形成的化学品的浓度以将相间层或泡沫层的厚度保持在预定极限内。

在本发明的任何方面，材料可为液体或气体。

应当理解，结合本申请的一个方面描述的任何特征可同样适用于本申请的任何其他方面，并且本文明确考虑和公开了所有此类组合。因此，本发明的设备适于提供本文所述的任何方法步骤，反之亦然。

附图说明

将参考下面的附图仅以举例的方式进一步描述本发明，在附图中：

图1是其中单元产生并接收电磁辐射的配置的示意图；

图2是其中单元产生被另一个单元检测的电磁辐射的配置的示意图；

图3是一种配置的示意图，其中阵列中的单个单元产生并检测电磁辐射，并且这些单元被顺序轮询；

图4是一种配置的示意图，其中阵列中的单个单元产生电磁辐射并且阵列中的其他单元检测电磁辐射；

图5a和图5b是示例性支撑构件的示意图；

图6是穿过设备的截面的示意图；并且

图7是包括设备的油-水分离器的示意图。

具体实施方式

虽然关于油-水分离器描述了本发明，但应当理解，本发明的方法和设备可用于其中期望一种或多种材料的料位已知的任何容器。

图1是本发明的方法和设备可依赖于驻波比的测量发挥功能的一种方式的示意图。设备1通常被描绘为包括容器2，该容器在示例性描绘中为油-水分离器。示意性地描绘了被配置为产生和检测电磁辐射的单元3，并且该单元位于容器2内。单元3连接到控制器4，该控制器包括用于控制单元3和接收由单元3返回的信号的电子器件。单元3通过同轴电缆5连接到控制器4，但本发明不限于同轴电缆。在这种配置中，控制器4使单元3产生电磁辐射(总体由三条曲线描绘)，电磁辐射与单元3周围的材料相互作用。所产生的电磁辐射中的至少一些通过反射或任何其他方式返回到单元3，并且沿电缆5传递回到控制器4，在该控制器中返回的信号被处理，并且确定单元3所位于的材料的种类。返回的波谱是其中设置单元3的材料的特征。这可能受到电磁辐射和周围材料的近场或远场相互作用的影响。控制器4可以改变信号的频率，以使单元3产生不同频率的电磁辐射，以便提供关于单元3的环境的更多信息。辐射可从单元3发出并且在返回到单元3之前与材料相互作用。辐射可以不从单元3发出，而是被单元3周围的材料干扰。

图2示出了与图1类似的设置，但另外描绘了第二单元6。在本发明的这种附加或另选操作方法中，使第一单元3产生进入周围材料的电磁辐射，并通过第二单元6检测电磁辐射，该第二单元将信号传递回控制器4以确定与电磁辐射相互作用的材料。由第二单元6检测到的信号不仅通过视线表示从第一单元3传递到第二单元6的辐射，而且令人惊讶地发现是单元3、6周围的材料的特征。这样，第二单元6将检测电磁辐射的波谱，波谱可被表征以确定包围单元3、6的材料。可根据情况选择图1或图2所示的技术中的一者或两者以提供最佳的噪声信号比。

图3是可为天线的单元阵列7的示意图。仅描绘了阵列的一部分，并且阵列可根据需要包括任何数量的单元。此图描绘了其中顺序地操作阵列7中的单元以产生和检测电磁辐射的操作。如所描绘的，在第一操作中，最顶部的单元产生并检测电磁辐射，因此可确定包围该单元的材料的性质。在第二操作中，如本文所述的操作次顶部单元，并且因此可确定包围该单元的材料的性质。这通过剩余单元继续。如所描绘的，单元从最上部单元开始并且向下连续地朝最下部单元操作。应当理解，单元不一定需要以连续的顺序操作，并且可选择任何序列。另外，选择要操作的第一单元是任意的，但设备的一端或另一端处的单元可能将首先操作。

图4是其中可操作被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元阵列的另一种方式的另一示意图。仅描绘了阵列的一部分，并且阵列可根据需要包括任何数量的单元。操作模式类似于图3所描绘的操作模式，但这些单元中的一个单元被操作以产生电磁辐射，并且另一个单元被操作以检测任何返回的电磁辐射。连接各种单元的线仅是为了展示电磁辐射可从单元中的一个单元传递到其它单元，并非旨在准确地描绘电磁辐射的实际路径。同样，与图3所描绘的操作模式一样，单元被顺序地轮询，并且使用检测到的电磁辐射信号来确定其中设置有单元的容器内的一种或多种材料的料位。应当理解，图3和图4所描绘的不同操作模式可根据系统的要求来选择，并且可彼此互补。因此，该方法可采用一种或两种操作模式。

图5a是支撑构件8的端部示意图。这是示例性支撑构件模块8并且描绘了一个可能的实施方案。支撑构件8为基本上圆形的并且具有允许其插入管中的外径。支撑构件8的截面形状可被选择为大致匹配支撑构件8插入其中的壳体的截面形状。设想了其他截面形状，包括但不限于正方形、椭圆形和三角形。被配置成产生和/或检测电磁辐射的单元9位于支撑构件8的外周内，并且可通过任何合适的方式附接到支撑构件8。例如，单元9可通过粘合剂附接到支撑构件8。附加地或另选地，单元9可由一个或多个夹子或接纳部分保持。支撑构件8还可任选地包括定位装置10，该定位装置被构造为接纳支撑杆(未示出)。在存在接合在一起的多个支撑构件8的情况下，可将支撑杆插入穿过定位装置10以增加所得结构的刚度。同样，应当理解，可使用任何合适形状的定位装置10。支撑构件8包括平坦部分，单元9可附接到该平坦部分上。在所描绘的实施方案中，支撑构件8还包括突起11，该突起从支撑构件8延伸并且被构造成与相邻支撑构件8中的对应凹部接合。以这种方式，支撑构件8可接合在一起作为模块化系统的一部分。应当理解，可使用任何连接装置将支撑构件接合在一起，并且连接装置可采用任何形式。

图5b描绘了根据本发明的支撑构件8的平面视图。尽管从这个角度来看，可能无法看到定位装置10，但向内到外线的两条竖直线描绘了定位装置10的位置以有助于理解。定位装置可延伸支撑构件8的整个长度，但在此实施方案中被描绘为仅延伸支撑构件8的长度的一部分。单元9被描绘为矩形形状，但这是示意性的，并且单元9的形状不受特别限制。突起11被描绘为从支撑构件延伸，并且在支撑构件8的相对端处的对应的接纳装置未示出。由于本发明不使用电离辐射，因此可以由轻质材料(诸如塑料)制成支撑构件。此外，还可以3D打印支撑构件8。支撑构件8被构造成具有电连接可穿过的空隙空间。

图6描绘了壳体12内的多个支撑构件8的示意性截面视图。仅描绘了设备的一部分，并且可存在三个以上支撑构件8。此外，示出了壳体12与支撑构件8的外部部分之间的间隙。虽然可存在间隙，但优选地，支撑构件8的外面至少部分地与壳体12的内面接触，以将支撑构件8并由此将单元9保持在正确的位置。还描绘了窗口13，该窗口被定位成允许电磁辐射离开并返回到壳体12中。在一些实施方案中，不存在窗口，其中电磁辐射穿过壳体12的壁。当在流体环境中使用时，壳体12可为浸管，该浸管在电子器件和被成型的材料之间提供机械(抵抗压力)和耐化学性屏障。选择具有足够强度和耐化学性的材料。

图7是位于油-水分离器内的根据本发明的设备的示意图。壳体13被示出为被布置成竖直阵列，该竖直阵列基本上延伸分离器的整个高度。壳体13穿过分离容器的壁并且浸入容器内的材料层中。输入流14是油、气和水的混合物，该混合物被传递到预处理15中以实现气体的初步分离，该气体经由管线16排出、通常用于进一步处理。液体(即油和水)经由管线17排出。在分离成气体19、水20、油22和沙子或沉淀物21的层之前，流体流动被挡板18减慢并使湍流更少。单独的层通过相应的端口23、24、25流出容器。可提供另一端口(未示出)以移除沙子或沉淀物21。在操作中，处理由壳体13内的阵列中的每个单元检测到的信号，以确定每个单元所位于的材料的性质，从而可在整个分离器中确定每个层的位置和深度。还可以确定气体和水之间以及水层和油层之间的任何不期望的混合层的存在、位置和厚度。

概括地说，本发明提供了一种用于确定限定体积(诸如油-水分离器)内的材料的分布的更安全、更紧凑和更准确的方法和设备。该方法和设备允许识别和定位不同材料之间的边界，并且还特别适用于识别混合层(诸如泡沫或乳液)的存在。本发明不依赖于辐射源，因此设备的处理更容易，并且可避免与放射性材料相关联的安全预防措施。还可以使用一系列频率和能量来获得关于被配置为产生和/或检测电磁辐射的单元所位于的环境的信息。此外，该设备能够使用低功率和低电压，这进一步改善了安全性。设备中不存在活动部件，并且以电子方式控制设备，使得故障的范围减小。此外，由于设备可为模块化的，因此可容易地更换任何有缺陷的部件，并且也使维护变得更容易。本发明的方法和设备也更能抵抗污染物在设备表面上的积聚，因为材料的料位可通过比较所使用的单元所接收的信号而不是绝对值来确定，但是也可使用绝对值。

如本文所述的方法和设备的某些特征在以下条款中陈述。

1.一种用于确定限定体积内的一个或多个材料相的位置、种类或料位或者两个材料相之间的界面的位置的方法，所述方法包括：

a)提供被配置为产生电磁辐射的一个或多个单元；

b)提供被配置为检测电磁辐射的一个或多个单元；

c)在该限定体积内提供该一个或多个单元；

d)使该一个或多个单元以第一频率产生电磁辐射；

e)使用该单元中的一个或多个单元测量返回的电磁辐射；以及

f)基于所述返回的电磁辐射的测量结果来确定所述限定体积内的一种或多种材料的位置、种类或料位或者两种材料之间的界面的位置。

2.根据条款1所述的方法，其中所述单元中的一个或多个单元被配置为以不同频率(优选地在0.5GHz至200GHz的范围内)产生电磁辐射，并且所述方法还包括改变由所述单元中的一个或多个单元产生的所述辐射的所述频率。

3.根据条款1或2所述的方法，其中所述单元中的一个或多个单元连接到一个或多个信号发生器，优选地连接到单个信号发生器，并且所述方法还包括控制所述一个或多个信号发生器以改变提供给一个或多个单元的所述信号，以使所述一个或多个单元以预定频率产生电磁辐射。

4.根据条款1至3中任一项所述的方法，所述方法还包括使一个单元产生电磁辐射并利用同一单元检测任何返回的电磁辐射和/或使一个单元产生电磁辐射并利用一个或多个其他单元检测任何返回的电磁辐射。

5.根据条款4所述的方法，所述方法还包括基于所述发射和检测到的电磁辐射来计算所述电磁辐射的驻波比和/或衰减，以及分别基于所述计算的驻波比和/或所述衰减来识别包围所述一个或多个单元的所述材料。

6.根据条款1至5中任一项所述的方法，所述方法包括：

i)提供单元阵列；

ii)顺序地使所述单元中的一个单元以所述第一频率产生电磁辐射；

iii)利用所述同一单元或所述其他单元中的一个或多个单元检测任何返回的辐射；

iii)基于所述检测到的电磁辐射来识别包围所述单元的所述材料；以及

iv)基于所述返回的辐射确定所述限定体积内的一个或多个材料相的所述料位或两个材料相之间的界面的位置。

7.根据条款6所述的方法，其中通过将计算的驻波比和/或所述测量的衰减与已知值进行比较来识别包围所述单元的所述材料。

8.根据任一前述条款所述的方法，其中所述方法在不同于所述第一频率的一个或多个频率下重复。

9.一种用于确定限定体积内的一个或多个材料相的种类、位置或料位或者两个材料相之间的界面的位置的设备，所述设备包括：

a)单元阵列，所述单元阵列被配置为产生和检测电磁辐射；

b)壳体，所述壳体容纳所述单元阵列；所述设备被配置成至少部分地浸没在所述限定体积内的一个或多个材料相内。

10.根据条款9所述的设备，其中设备是基本上线性的。

11.根据条款9或10所述的设备，其中设备还包括一个或多个支撑构件，所述一个或多个支撑构件将所述单元保持在所述壳体内，优选地其中所述支撑构件适于连接到一个或多个其他支撑构件。

12.根据条款9至11中任一项所述的设备，其中所述壳体对于由所述单元产生的电磁辐射是至少部分地透明的。

13.根据条款9至12中任一项所述的设备，其中所述壳体至少部分地由陶瓷、塑料或金属构成。

14.根据条款9至13中任一项所述的设备，其中所述壳体包括一个或多个窗口，所述一个或多个窗口比所述壳体的其余部分对电磁辐射更透明。

15.根据条款9至14中任一项所述的设备，其中所述阵列中的每个单元能够连接到信号发生器。

16.根据条款9至15中任一项所述的设备，其中所述设备包括开关装置以将所述阵列中的所述单元选择性地连接到一个或所述信号发生器。

17.根据条款9至16中任一项所述的设备，其中所述单元包括天线，优选地其中所述天线包括贴片天线。

18.根据条款9至17中任一项所述的设备，其中所述单元具有在1pW

(皮瓦)至7W范围内的功率。

19.根据条款9至18中任一项所述的设备，所述设备还包括一个或多个温度传感器。

20.根据条款9至19中任一项所述的设备，其中所述设备是模块化的。

21.根据条款9至20中任一项所述的设备，所述设备还包括数据处理装置，所述数据处理装置能够从每个单元接收信号，并由此确定在接收所述信号的所述单元的位置处的所述流体材料的特征。

22.根据条款9至21中任一项所述的与油/水分离器容器组合提供的设备，所述设备优选基本上竖直地设置在所述容器中。

23.根据条款9至22中任一项所述的设备，其中所述设备为料位计。

24.一种测量多相介质的分布的方法，所述方法包括将根据条款9至23中任一项所述的设备定位成使得所述单元阵列的至少一部分定位在所述介质的不同相被至少部分地分离的区域中。

25.根据条款1至8或24中任一项所述的方法，所述方法包括使用条款9至23中任一项所述的设备作为控制反馈回路的一部分的步骤，所述控制反馈回路用于控制容纳多相介质的油-水分离器。

26.根据条款1至8或24或25中任一项所述的方法，其中材料层之间的界面的位置通过分析由所述一个或多个单元检测到的所述电磁辐射并且控制通向所述限定体积的入口流量和/或来自所述限定体积的一个或多个出口流量以将所述界面的位置保持在预定极限内来确定。

27.根据条款9至23中任一项所述的用于确定限定体积内的一种或多种材料的位置、种类或料位或两种材料之间的界面的位置的设备的用途。