本发明涉及一种监测系统，并且涉及确定储存罐的浮顶的状态的方法。
背景技术：
在某些罐中，特别是用于炼油厂等的石油产品的储存罐中，经常使用浮顶，该浮顶漂浮在罐中的液态产品上，并且因此在垂直方向上可移位。因此，当产品从罐中排出或被填充到罐中时，浮顶能够跟踪液态产品的物位。这种类型的浮顶用于防止产品蒸气从罐泄漏到大气中，并且防止雨等进入由罐壁和浮罐顶限定的空间中。通常，通过沿着浮顶的周边安装的、用于提供密封和与罐的内壁的滑动接触的密封装置来加强防止泄漏和进入。此外，使用漂浮在液态产品上的顶能够使液体表面与顶之间的体积最小化，从而使罐中的气相产品的量最小化。
用于这些目的的浮顶通常被制造成带有浮动装置(浮筒)的大型钢结构，并且具有大约一百吨的重量和数十米的直径。关于尺寸和环境方面，重要的是监测浮顶的正常操作和不受干扰的漂浮，使得在早期阶段识别出浮顶的任何干扰。
过去已经观察到对正常操作和漂浮产生干扰的不同情况。
在对罐进行填充时，浮顶的一部分可能会卡在罐的内壁上。随着填充的进行，浮顶然后会被液态产品部分地淹没，可能导致危险的情况。
在对罐进行排放时，浮顶的一部分可能会卡在罐的内壁上。随着排放的进行，大量的空气能够进入液体与浮顶之间的空间。如果随后顶坍塌，可能在坍塌的顶上方形成易爆气体环境。
规范趋于变得更加严格，以使液体从浮顶罐的蒸发最小化。这造成了在浮顶的周边与罐的内壁之间的密封装置中表现出较高的摩擦力的浮顶设计。这种摩擦力的增加可能增加顶卡住的风险。
如果大量的雨或雪存在于顶上或不均匀地分布在顶上，同样可能发生功能和漂浮异常。这可能导致顶下沉或倾斜以及坍塌。
多年来，在石油工业中，如上所述的这些问题已经引起了关注。对于解决这些问题的系统的需求似乎越来越大。
各种现有的监测浮顶的方法基于测量在操作时浮顶上的几个定位的相对位置或倾角。还存在将上述方法与例如视频监测或检测在浮顶顶部上气体的存在相结合的监测。
技术实现要素：
鉴于以上情形，本发明的总体目的是提供改进的浮顶的监测，特别是在要求装备安装不复杂的情况下提供改进的浮顶的监测。
本发明的各方面基于以下认识：从浮顶沿多个不同传播方向中的每个传播方向行进的反射能量的选择性评估可以被用作确定浮顶的状态的基础，并且这允许使用布置在浮顶上方的单个雷达物位计系统进行浮顶监测。
根据本发明的第一方面，提供了一种使用布置在储存罐的浮顶上方的雷达物位计系统确定浮顶的状态的方法，该雷达物位计系统包括收发器、天线装置和处理电路，其中，雷达物位计系统可控制为选择性地评估沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向天线装置行进的反射能量，该方法包括以下步骤：由雷达物位计系统朝向浮顶辐射电磁发射信号；由雷达物位计系统接收由发射信号在浮顶处的反射而产生的电磁反射信号；由雷达物位计系统基于反射信号选择性地评估从浮顶沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向天线装置行进的反射能量；以及基于选择性评估确定浮顶的状态。
根据本发明的第二方面，提供了一种浮顶监测系统，该浮顶监测系统用于确定储存罐的浮顶的状态，该浮顶监测系统包括用于布置在浮顶上方的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：用于生成、发射和接收电磁信号的收发器；天线装置，其耦接至收发器，用于朝向浮顶辐射电磁发射信号，并且接收由发射信号被浮顶反射而产生的电磁反射信号；以及处理电路，其被配置成：控制收发器生成并发射电磁发射信号；基于由发射信号在浮顶处的反射而生成并且由收发器接收的电磁反射信号，选择性地评估从浮顶沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向天线装置行进的反射能量；以及基于选择性评估确定浮顶的状态。
根据本发明的方法和系统的实施方式允许对浮顶状态的各个方面进行确定。这些方面可以例如包括浮顶的局部倾角的指示、浮顶上的多个预定定位的位置、顶中的应力分布、浮顶相对于罐中的液态产品的定位等。基于所确定的关于浮顶的状态的信息，可以向罐操作者提供指示浮顶未能按预期起作用以及可选地还指示故障的类型的早期警告。
在本申请的上下文中，术语“选择性地评估”/“选择性评估”应该被理解为是指针对不同的传播方向分别评估从浮顶行进的反射能量的至少一种特性。被评估的至少一种特性的示例可以例如包括反射能量的大小、距反射能量的源头(反射点/反射区域)的距离等。
天线装置可以被实现为辐射天线的形式，该辐射天线可控制为朝向不同方向发射和/或从不同方向接收。这样的天线可以是物理上可移动的，和/或优选的发射/接收的方向可以是电子可控制的。在后一种情况下，天线可以是所谓的贴片天线，可以使用本身众所周知的相控阵控制方法来控制该贴片天线。替选地或组合地，天线装置可以包括被配置成朝向/从彼此不同的方向发射/接收的多个天线。
“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的发射器单元和接收器单元的系统。
应当注意，处理电路可以被提供为一个设备或一起工作的多个设备。
总之，本发明因此涉及一种使用布置在浮顶上方的雷达物位计系统确定储存罐的浮顶的状态的方法，该雷达物位计系统可控制为选择性地评估沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向雷达物位计系统行进的反射能量，该方法包括以下步骤：由雷达物位计系统朝向浮顶辐射电磁发射信号；由雷达物位计系统接收由发射信号在浮顶处的反射而产生的电磁反射信号；由雷达物位计系统基于该反射信号选择性地评估沿多个不同传播方向中的每个传播方向从浮顶朝向雷达物位计系统行进的反射能量；以及基于选择性评估确定浮顶的状态。
附图说明
现在将参照示出本发明当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的实施方式的浮顶监测系统的示例性浮顶罐装置；
图2是在图1中的浮顶监测系统中包括的示例性雷达物位计系统的示意图；
图3是示意性地示出了根据本发明的方法的示例实施方式的流程图；
图4a至图4b示意性地示出了根据本发明的方法和系统的示例实施方式；
图5a至图5b示意性地示出了根据本发明的方法和系统的其他示例实施方式；以及
图6示意性地示出了根据本发明的方法和系统的另外的示例实施方式。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的示例实施方式的浮顶监测系统1。浮顶监测系统1被布置在储存罐3处，储存罐3具有罐壁5和浮顶7。浮顶7漂浮在储存罐3中的液态产品9上。如背景技术部分所提及的，产品9可以是石油产品，或者具有足够密度以使浮顶7漂浮(通常在图1中未示出的浮筒上)的任何其他液态产品。
如图1示意性所示，浮顶监测系统1包括用于布置在浮顶7上方的雷达物位计系统11和要布置在浮顶7的相应目标区域15a至15c中的图1中所示的可选反射器13a至13c。应当注意，根据本发明的浮顶监测系统1的实施方式可以仅包括雷达物位计系统11，特别是当浮顶7已经具有适于反射微波的结构时可以仅包含雷达物位计系统11。
除了浮顶监测系统1之外，图1中的罐3还具有填充物位确定系统17，该填充物位确定系统17包括雷达物位计单元19，雷达物位计单元19本身具有已知的配置、安装在静止管道21上用于测量罐3中的产品9的填充物位。
图2是在图1中的浮顶监测系统1中包括的雷达物位计系统11的放大图，其示意性地示出了雷达物位计系统11的功能部件。参照图2，雷达物位计系统11包括收发器23、天线装置(此处为贴片天线25的形式)、处理电路27、通信接口29和用于实现雷达物位计系统11与外部单元、例如控制系统(未显示)之间的无线通信的通信天线31。图2中的雷达物位计系统11可以被控制为选择性地评估沿多个不同传播方向朝向天线装置25行进的反射能量。这可以以本身公知的方式实现，例如，通过在不同时间将天线物理地指向不同方向来控制由贴片天线25的贴片拾取的能量的叠加或者通过为雷达物位计系统11提供包括沿相互不同的方向定向的多个天线的天线装置来实现。
包括在浮顶监测系统1中的雷达物位计系统11可以借助于合适的支撑装置(例如，图2中示意性地示出的支撑件33)固定地附接至罐壁5。
在图2的示例实施方式中，来自/去往雷达物位计系统11的通信被示出为是无线通信。替选地，例如，可以通过模拟和/或数字有线通信信道进行通信。例如，通信信道可以是两线4ma至20ma回路，并且可以通过在两线4ma至20ma回路上提供与填充物位对应的某一电流来传递表示浮顶的状态的信号。也可以使用hart协议穿过这样的4ma至20ma回路发送数字数据。此外，可以使用例如网络通信协议(modbus)或基金会现场总线(foundationfieldbus)的纯数字通信协议。
在下文中，将参照图3中的流程图以及本文中所指示的其他附图来描述根据本发明的方法的示例实施方式。
在第一步骤100中，由包括在浮顶监测系统1中的雷达物位计系统11朝向浮顶7辐射电磁发射信号st。该发射信号st可以由一组测量扫描(即一个或更多个测量扫描)形成，或者该发射信号st可以是脉冲信号。此外，取决于根据本发明的监测系统和方法的特定实施方式，发射信号st可以呈现出基本固定的辐射图，或者可以沿不同的传播方向被顺序地指向浮顶7上的不同目标区域15a至15c。
在随后的步骤101中，包括在浮顶监测系统1中的雷达物位计系统11经由天线装置25接收由发射信号st在浮顶7处的的反射而产生的电磁反射信号sr。
在接收到反射信号sr之后，在步骤102中，雷达物位计系统11基于反射信号sr选择性地评估从浮顶7沿多个不同传播方向中的每个传播方向rr朝向天线装置25行进的反射能量。
基于在步骤102中执行的选择性评估，然后在步骤103中确定浮顶7的状态。然后，在步骤104中，根据所确定的浮顶7的状态，可以连续地或有条件地提供指示所确定的状态的信号。
图4a至图4b示意性地示出了根据本发明的方法和系统的示例实施方式。
图4a是浮顶监测系统1的示意图，其中包括在浮顶监测系统1中的雷达物位计系统11被配置成生成发射信号st，并且基本垂直地朝向浮顶7的第一目标区域15a发射和辐射发射信号st。发射信号的辐射能量沿图4a中的垂直线35可以具有其最大值。如上面参照图3中的流程图所解释的(步骤101)，接收反射信号sr，并且针对多个不同传播方向中的每个传播方向选择性地评估从浮顶7朝向天线装置25行进的反射能量(步骤102)。在图4a所示的示例实施方式中，所评估的传播方向在由sr所指示的反射辐射图内并到达天线装置25的方向中。
在图4a至图4b的示例实施方式中，选择性评估步骤(步骤102)涉及针对多个传播方向中的每个传播方向确定指示从第一目标区域15a朝向天线装置25行进的反射能量的量的测量结果。在图4b中，选择性评估的传播方向由各个传播方向与图4a中的垂直线35之间的相应角度α表示。
此处确定浮顶的状态的步骤(步骤103)包括：基于指示针对多个传播方向中的每个传播方向确定的从第一目标区域15a朝向天线装置25行进的反射能量的量的测量结果来估计第一目标区域15a的倾角α1，该反射能量的量在图4b中的图的垂直轴上由“e”表示。在这种情况下，如图4a至图4b所示，取反射能量的最大量的方向(由角度α1表示)来对应于浮顶7在第一目标区域15a处的倾角。浮顶7在第一目标区域15a处的倾角的偏差或变化可以表明浮顶7正在倾斜(如图4a示意性所示)和/或浮顶7在第一目标区域15a处变形。在任一种情况下，可以将所估计出的倾角α1与预定的阈值倾角进行比较，并且当估计出的倾角α1超过预定的阈值倾角时可以提供指示这种情况的信号。
图5a至图5b示意性地示出了根据本发明的方法和系统的其他示例实施方式。
图5a是浮顶监测系统1的示意图，其中包括在浮顶监测系统1中的雷达物位计系统11被配置成生成、发射和辐射如下发射信号st，该发射信号st包括基本垂直地指向浮顶7的第一目标区域15a的第一信号部分st1、指向第二目标区域15b的第二信号部分st2以及指向第三目标区域15c的第三信号部分st3。图5a中的浮顶监测系统1可以可选地包括布置在目标区域15a至15c中的微波反射器设备。应当注意，第一信号部分st1、第二信号部分st2和第三信号部分st3可以作为单独的窄波瓣信号或者作为宽波瓣信号st的一部分进行发射/辐射。
如以上参照图3中的流程图所说明的(步骤101)，接收反射信号，然后针对沿多个不同传播方向中的每个传播方向选择性地评估从浮顶7朝向天线装置25行进的反射能量(步骤102)。在图5a所示的示例实施方式中，经评估的传播方向是从各个目标区域15a至15c到天线装置25的方向。
在图5a至图5b的示例实施方式中，选择性评估步骤(步骤102)包括：基于st1与sr1之间的时序关系确定第一目标区域的第一位置(x1，y1，z1)，基于st2与sr2之间的时序关系确定第二目标区域的第二位置(x2，y2，z2)，以及基于st3与sr3之间的时序关系确定第三目标区域的第三位置(x3，y3，z3)。
此处确定浮顶的状态的步骤(步骤103)包括：基于浮顶7的目标区域15a至15c中的每一个的相应位置来确定浮顶7的表示。可以使用基于图5b中的三个位置的表示来确定以具有倾角方向和大小的平面形式的浮顶7的表示。基于可以根据其来确定每个目标区域15a至15c的局部倾角的另外的评估，如以上结合图4a至图4b针对单个目标区域进一步描述的那样，可以形成浮顶7的更复杂的表示。可以使用携带关于浮顶7的整体定向的信息以及关于局部倾角的信息的这种表示来确定浮顶7的形状变化。如果浮顶7的所确定的表示不能满足至少一个预定标准，则可以提供指示这种情况的信号。
在截止目前所描述的任何一个示例实施方式中，可以基于发射信号st和反射信号sr来确定指示浮顶监测系统1的雷达物位计系统11与浮顶7之间的垂直距离的测量结果，并且可以另外地基于该测量结果确定浮顶7的状态。
例如，如果基于该垂直距离确定当将产品9以已知的添加速率添加到罐3中或者以已知的移除速率从罐3中移除时浮顶7比预期移动得更少或更多，则这可以被视为一种表明浮顶7没有以令人满意的方式跟随液体产品9的移动的指示，并且可以提供指示这一点的信号。
此外，可以从填充物位确定系统17(参见图1)获取指示罐3中的产品9的填充物位的测量结果，并且对浮顶7的状态的确定可以另外基于指示填充物位的测量结果。例如，产品9的物位与浮顶7的物位之间的比预期大的差可以指示液体产品9的表面与浮顶7之间存在充气间隙。
图6示意性地示出了根据本发明的方法和系统的另外的示例实施方式。在图6中示意性地示出的浮顶监测系统1包括雷达物位计系统11以及第一微波反射器设备13a、第二微波反射器设备13b和第三微波反射器设备13c。在图6的示例配置中，微波反射器设备13a至13c中的每一个包括用于微波辐射的回射器35a至35c、用于将微波反射器设备13a至13c附接至浮顶7的目标区域15a至15c的附接结构37a至37c，并且可选地还包括感测设备39a至39c。在包括可选的感测设备39a至39c的实施方式中，感测设备39a至39c可以例如是电池供电的倾角传感器或任何其他类型的有用的传感器。有利地，每个感测设备39a至39c都能够与浮顶监测系统1中包括的雷达物位计系统11和/或例如主机系统的外部系统进行无线通信。来自包括在微波反射器设备13a至13c中的感测设备39a至39c的信号可以用于增强浮顶7的所确定的表示，这继而可以用于提供关于浮顶7的状态的增强信息。
本领域技术人员会意识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求书的范围内可以进行多种修改和变型。
1.一种使用布置在储存罐的浮顶上方的雷达物位计系统确定浮顶的状态的方法，所述雷达物位计系统包括收发器、天线装置和处理电路，其中，所述雷达物位计系统能够控制为选择性地评估沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，所述方法包括以下步骤：
由所述雷达物位计系统朝向所述浮顶辐射电磁发射信号；
由所述雷达物位计系统接收由所述发射信号在所述浮顶处的反射而产生的电磁反射信号；
由所述雷达物位计系统基于所述反射信号选择性地评估从所述浮顶沿所述多个不同传播方向中的每个传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量；以及
基于选择性评估确定所述浮顶的状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
辐射步骤包括：朝向所述浮顶上的第一目标区域辐射所述发射信号；
选择性评估的步骤包括：针对所述多个传播方向中的每个传播方向，确定指示从所述第一目标区域朝向所述天线装置行进的反射能量的量的测量结果；以及
确定所述浮顶的状态的步骤包括：基于针对所述多个传播方向中的每个传播方向确定的指示从所述第一目标区域朝向所述天线装置行进的反射能量的量的测量结果来估计所述第一目标区域的倾角。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以下步骤：
将所述第一目标区域的所估计出的倾角与预定的阈值倾角进行比较；并且
当所估计出的倾角超过所述预定的阈值倾角时，提供指示这种情况的信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中：
辐射步骤包括：朝向所述浮顶上的第一目标区域和所述浮顶上的与所述第一目标区域横向地间隔开的第二目标区域辐射所述发射信号；
选择性评估的步骤包括：基于从所述第一目标区域沿第一传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，确定所述第一目标区域的第一位置；以及基于从所述第二目标区域沿不同于所述第一传播方向的第二传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，确定所述第二目标区域的第二位置；并且
确定所述浮顶的状态的步骤包括：基于所述第一位置和所述第二位置来确定所述浮顶的表示。
5.根据权利要求4所述的方法，其中：
辐射步骤包括：朝向所述浮顶上的至少三个相互横向地间隔开的目标区域辐射所述发射信号；
选择性评估的步骤包括：基于从每一个目标区域沿各自传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，确定所述目标区域中的每一个的各自位置；以及
确定所述浮顶的状态的步骤包括：基于所述目标区域中的每一个的各自位置来确定所述浮顶的表示。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括以下步骤：
将所述浮顶的所确定的表示与所述浮顶的至少一个预定标准进行比较；并且
当所述浮顶的所确定的表示不能满足所述至少一个预定标准时，提供指示这种情况的信号。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中：
所述方法还包括以下步骤：基于所述发射信号与所述反射信号之间的时序关系，确定指示所述雷达物位计系统的参考位置与所述浮顶之间的垂直距离的测量结果；并且
所述浮顶的状态的确定还另外地基于指示所述垂直距离的测量结果。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中：
所述方法还包括以下步骤：获取指示所述罐中的产品的填充物位的测量结果；并且
所述浮顶的状态的确定还另外地基于指示所述填充物位的测量结果。
9.一种浮顶监测系统，所述浮顶监测系统用于确定储存罐的浮顶的状态，所述浮顶监测系统包括用于布置在所述浮顶上方的雷达物位计系统，所述雷达物位计系统包括：
用于生成、发射和接收电磁信号的收发器；
天线装置，其耦接至所述收发器，用于朝向所述浮顶辐射电磁发射信号，并且接收由所述发射信号被所述浮顶反射而产生的电磁反射信号；以及
处理电路，其被配置成：
控制所述收发器生成并发射电磁发射信号；
基于由所述发射信号在所述浮顶处的反射而产生并且由所述收发器接收的电磁反射信号，选择性地评估从所述浮顶沿多个不同传播方向中的每个传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量；以及
基于选择性评估确定所述浮顶的状态。
10.根据权利要求9所述的浮顶监测系统，其中，所述处理电路被配置成：
针对所述多个传播方向中的每个传播方向，确定指示从所述浮顶上的第一目标区域朝向所述天线装置行进的反射能量的量的测量结果；
基于针对所述多个传播方向中的每个传播方向确定的指示从所述第一目标区域朝向所述天线装置行进的反射能量的量的测量结果来估计所述第一目标区域的倾角；以及
基于所估计出的倾角确定所述浮顶的状态。
11.根据权利要求9所述的浮顶监测系统，其中，所述处理电路被配置成：
控制所述雷达物位计系统朝向所述浮顶上的第一目标区域和所述浮顶上的与所述第一目标区域横向间隔开的第二目标区域辐射所述发射信号；
基于从所述第一目标区域沿第一传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，确定所述第一目标区域的第一位置，以及基于从所述第二目标区域沿不同于所述第一传播方向的第二传播方向朝向所述天线装置行进的反射能量，确定所述第二目标区域的第二位置；
基于所述第一位置和所述第二位置确定所述浮顶的表示；以及
基于所述表示确定所述浮顶的状态。
12.根据权利要求9或10所述的浮顶监测系统，还包括至少第一微波反射器设备，所述第一微波反射器设备布置在所述浮顶上的至少第一目标区域中。
13.根据权利要求12所述的浮顶监测系统，其中，所述第一微波反射器设备包括用于微波辐射的回射器。
14.根据权利要求12或13所述的浮顶监测系统，其中，所述浮顶监测系统包括布置在所述浮顶上的第一目标区域中的第一微波反射器设备，以及布置在所述浮顶上的与所述第一目标区域横向间隔开的第二目标区域中的第二微波反射器设备。
15.根据权利要求14所述的浮顶监测系统，其中：
所述第一微波反射器设备包括用于感测所述第一目标区域处的所述浮顶的特性的第一感测设备，以及用于提供指示所感测的特性的信号的第一通信电路；以及
所述第二微波反射器设备包括用于感测所述第二目标区域处的所述浮顶的特性的第二感测设备，以及用于提供指示所感测的特性的信号的第二通信电路。
技术总结