CN1003672B - 测量容器中液态物质水位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

利用发射机馈送一微波信号，通过垂直向下插入容器的管状波导（７），使波导管中物质的上表面位置（１０）随着周围物质的深度变动，以此来测量装在一个容器中流动物质水位的方法。此信号自表面反射回来，通过波导并传到所用的接收机，在一个电子装置中经信号处理后，用以测定容器中的物质水位。微波信号通过模式发生器（１１）馈送入波导的，其波长小于波导（７）（图２）的直径，模式发生器实际上产生一个主要的信号传输模式。

Description

测量容器中液态物质水位的方法和装置

本发明是关于测量储存在容器中的液态物质水位的方法，利用发封机输出的一种微波信号接通垂直向下穿入容器的管状波导，将管子和容器连通，这样，波导中物质的表面便随着周围液态物质的水位而变化，信号被液态物质表面反射，经过波导通向接收机加以利用，经过电子装置对信号的处理，用以测定容器中物质的水位。本发明也涉及实现本方案的装置。

雷达可用来测定装在水箱、油箱或类似容器中的液体或液态物质的水位，如美国№4，044，355号专利中描述的那样。由于雷达波的速度在空气或其它气体中非常稳定。所以，可以得到良好的精确度。由于雷达天线可用非常坚固的材料做成，因此这种水位测量器能用于温度、化学腐蚀以及机械应力的条件都非常恶劣的环境中。由于雷达天线可装在箱顶的一个孔内，因此容易安装和进行维修，甚至更换也很容易。

由于雷达波束在油箱中现有的支柱、梯子和管道等物之间需要一定的空间，所以直到目前仍限制着它的使用。如果采用直径为D的圆形雷达天线，雷达波束的可用宽度约为λ/D弧度。考虑到雷达波束的漫射边界，未受干扰的区域应是顶角约为2λ/D的锥区。运些波长λ代表雷达载波的波长，例如波长为3厘米。考虑到从各种实际情况出发，天线的直径必须限制在一定范围之内，实际上载波的波长有下限。因为从各方面来看，很高的载波频率使得雷达发射机和其他部件变得昂贵和要求苛刻。因此雷达波束不能任意变窄。这在一些应用中很不理想。例如当这种装置用于平稳度和倾斜度在不断变化着的油船时。在实际情况下，可把5°-15°角作为所需的典型空间。这意味着很多油箱不容许安装用自由空间传输方式的雷达水位测量器。这也不能用于带有所谓浮顶的水箱或油箱，即带有直接浮在液化物质上顶板的油箱。

避免上述限制的一种方法是雷达波束通过一根向下穿过油箱的波导管导入。按照这种方法测量水位已经进行了试验（参看美国№.4，359，902专利），但是要适合于雷达使用波段的标准波导管的直径相当小，因此这种方法在实用上有很大限制。这种波导管包括矩形或圆柱形的金属管，管的尺寸只容许单模传播。对于圆形波导管意味着传播波长应在管子内径的1.3-1.7倍间，对典型的雷达频率，管子的直径只有几厘米大小。

这一种波导存在下列问题：

当箱中的物质是蜡状原油时，管子被堵塞。

由于利用波导管上的孔确保管内外液体的自由流动，但对雷达波束的传播产生了不能允许的影响。

在具有标准高度的油箱中，管内的腐蚀产生了自上至下的不可允许的传播衰减。因此，必须用昂贵的材料来制管或用贵金属在管内涂层。

管子的大小和雷达频率对传播速度有严重的影响，因此要想得到良好的精确度，上述这些数值必须是恒定的或者精确地得知。

本发明的出发点在于意识到这些问题，并采用一根坚固的超尺寸波导来解决。将雷达辐射能导入波导，并抑制掉所有不需要的波导模式。在多数实际情形中，波导可以由水箱或油箱中一根已有的管子组成。这意味着所用的结构必须能容许管子尺寸能在各种情形下可经受极大的变化，另外亦需容许适量的锈层和油涂层。

两种实用情形的计算可以说明采用超尺寸圆波导的意义。如果通过波导测量出距离，便可得到大于实际距离L的表观距离Ls，其商数可用下列公式表示：

$\mathrm{Ls=}\frac{L}{\sqrt{\mathrm{1-(}\frac{\lambda }{{\lambda }_C}{)}^2}}$

式中λ（如上所述）可为3厘米，λ_C是波导的极限波长（截止波长），对于基模来说λ_C为管子直径的1.71倍。从公式中可以看出，如果λ_C大于λ（即如果管子的直径大于波长λ），所得的测量值Ls接近于实际距离L。相反，如波长为单模传播，λ为λ_C的75%-100%，则L_S比L大得很多。如果现在改变载波频率，相反改变λ则商Ls/L将变化，如果变化较小，则Ls/L的相反变化与λ或λ_C的相反变化成正比，经过推导与化简，此比例常数可为：

$\frac{{\mathrm{(\lambda /\lambda }}_C{)}^2}{\mathrm{［1-(}\frac{\lambda }{{\lambda }_C}{)}^2\mathrm{］3/2}}$

对于标准单模传播波导管来说此系数典型值为2/3。测量原油水位时要求测量精确度为10^-4，这意味着对于20米距离的测量最大误差为2毫米。对管子直径和工作频率的精度有同样要求，这在实际上不大可能。若采用的管子直径例如为25厘米，波长为3厘米。这个系数就降为5/1000。因此，当直径和频率的精度为百分之一左右时，便可得到10^-4的相对精度，这是合理的。

波导管中的衰减决定于管壁的电阻损耗，其计算结果可在有关波导的一些手册中找到。例如马尔库维兹（Mareuvicz）：“波导手册”，麦克格罗·希尔（Mc Graw Hill）。1951出版。对于一个直径约为2厘米，工作波长λ＝3厘米的单模铜波导管来说，长为25米向前及返回的传播衰减约为10分贝（dB）。如使用的是不锈钢管，衰减便增加10倍（约为100分贝），这太大了，不能作水位的精确测量。

例如若将同样波长的信号改为导入直径为25厘米的管中，则衰减降低40倍，即使采用钢管，其衰减也只有2.5分贝。实际上由于石油在管壁上的沉积，衰减将有所增加，这种在理想情况下较低的衰减，为使用条件的恶化提供了足够的裕度。

如众所知，当管子的直径增大时，损耗减小的原因在于当波导管中传送同样大小的功率时，在管壁上的表面电流减小了。因而，基于同原因，在很大的管子的外表面所能容许存在孔的数目要比标准直径的波导管上的大得多。

按照上面提到的手册中指定的系统，认为要采用波导的基模是H₁₁模。为了改进粗糙的管壁、孔和类似东西影响的容限，不管怎样，利用H₀₁模来传播要更好一些。这种模式在波导壁上只有很小的电流，因而损耗也比较低。除损耗低外，H₁₁模的一个重要特征是在管壁上所有电流沿圆周方向流动，所以由现有的管接头产生的扰动是轻微的。

按照本发明的意图，为了得到在管中精确的距离测量，需要抑制掉一切不希望有的传播模式。若非如此，一个正常的回波将被解释为来自不同距离的多个回波，因为通常不同的传播模式在管中有不同的速度。对所需模式，一个典型的对超额功率的要求可达到25分贝。这对在管子上端的测量装置提出很严的要求。

这个要求，一部分可使不需要模式的发射能量足够低，一部分是对不需要模式入射功率的灵敏度要求充分低。提出这后一个要求，是为了避免管壁上的孔所产生的不需要模式的功率渗进到接收机。

本发明的目的是提供用雷达精确的测定装在容器中的液体或其他液态物质水位的一种方法和装置。本发明特别有助于解决以上讨论的问题，即把伸进容器的管子作为波导用时出现的问题。对于将该方法应用于陆地上有所谓浮顶的油箱或水箱，这方面的一个特殊目的在于提供一种简单安装的雷达装置，不需要对油箱或水箱进行大规模的昂贵的改造。

按照本发明可达到这个目的，因为本发明使用的方法是：发射机向垂直向下插入容器并与容器相通的管状波导7馈送一微波信号。波导中物质的表面10随着周围物质的水位变动而变动;该信号经波导由物质表面反射回来並传输到接收机中，在电子装置信号处理后用以测定容器中物质的水位：其特征是：微波信号的波长比波导7的直径小几倍;该微波信号通过实际上仅产生一个旋转对称的、主要的信号传输模式的模式发生器11馈入波导。实现上述方法的装置包括：一台通过垂直向下插入于容器並与容器相通的管状波导7馈送一微波信号的发射机14，波导中反射微波信号的物质表面随着周围物质的水位变动而变动;一台接收所反射的微波信号的接收机以及一台利用接收到的信号测量容器中物质水位的电子装置;其特征在于：发射机14和波导7之间装有实际上仅用以产生一个主要的信号传输模式的模式发生器11;直径较信号波长大好几倍的波导。

现参考附图详细说明本发明，附图表明典型的实施方案，其中：

图1，是一种类型的油箱垂直断面，是本发明提出的一种重要应用。

图2，表示按照本发明的模式发生器和伸进到如图1所示的油箱中，用做波导的管子上端部分的垂直断面。

图3，是由图2装置的一个部件构成的模式滤波器的顶视图。

图4也是由图2装置的一个部件构成的反射器的底视图。

图5是在图4中沿Ⅴ-Ⅴ线的断面视图。

图1说明本发明的应用，是为了对油箱1进行水位的测量。此箱建于地面2的基底上，箱内能贮存大量石油或其他液态物质3。在贮存时，一个称为浮顶4用作保护石油或其他液态物质。这样一个油箱可以非常大，其直径在100米左右。由于每一毫米高度代表相当大的体积和很大的经济价值，这就需要确切地测量物质的水位，以便测定油箱的容量，尽可能做到正确。

在油箱的顶端有一个平台5，此平台通向一个阶梯6，用以测量水位的管子7的上端固定在平台5上。通过浮顶4的开口8，管子7垂直向下伸到箱底，并固定在那里，沿着管子全长钻有相当大的并相距很近的孔9，以使管内和管外连通。管中液体的表面10能随着周围液体的水位变化，即管中液体表面10在浮顶4的下边，参看图2。在现有油箱中一根相似的管子是原有的，装有一个属于机械领域测量装置用的浮标，所以它的直径通常有20-30厘米那样的合适尺寸。

在用这样的存储结构改装成雷达测量系统的工作中，如果该装置能以现有的油箱结构为基础，并能同时继续利用供浮标测量用的大口径的管子，这将有很大价值。这里从不将雷达测量系统以自由天线辐射为基础出发所假设的、对这样尺寸的油箱进行改建将涉及很大的费用，并且很难实现，特别是在油箱配有一个浮顶时，这种改造不是现实可选的方案。

本发明所设想的对提供一种能装在油箱内，能保持上述特性的测量系统的解决方案，主要包括将油箱管子7用作波导，并经标号为11的模式发生器向波导馈送微波信号，模式发生器接到管子上，使它只产生信号的一个主要传输模式。

在所说的例子中，模式发生器包括一根圆柱形波导12，利用同轴导体13使波导和发射机（未表示出）相偶合，这个发射机包括在电子装置内，适当地安装在平台5上面的机箱14中。相对于所加信号的波长，波导管12的直径应使它只传输H₁₁和E₀₁模信号，并且由于对称之故，可以导致仅有E₀₁模式出现。波导将信号传给向下指向的原辐射器15，这里，用天线喇叭做原辐射器，产生例如为60°波辩宽度的波束及E₀₁特征的电磁场分布图。

在所说的例子中模式发生器是二次反射器类型，此处包括两个反射器16和17，并在辐射方向上将一个辐射器放在另一个之后。首先提到的反射器16可以是平面的或抛物面反射器，它包括一个介电外壳，例如用塑料外壳，在其一面（最好在它的上边）如图3所示，做成许多径向伸展的导体18，最好制成印刷的导线图形。导体间的相互距离应该很小，使得来自天线喇叭15发射的E₀₁模波被反射。基本上就象在一块连续的金属表面上反射一样。

在本例中第二个反射器17用金属管19支持住，该管构成了油箱管子7的向上延长部分，该反射器应为抛物线形或类似的形状，使得来自反射器16在发散方向上向上传播的雷达波束第二次反射后变成平面波，在管子19中垂直向下指向。反射器17也可用塑料板20构成，该板的上边，即在喇叭天线15的径向外围部位被金属化。因此平板20的这部分全部为金属薄膜21所覆盖（参看图5中的断面）。在塑料板20的下面，除去相当于喇叭口径的该板中心部分外，有一个印制导体图形，由螺旋线性导线22组成。它可以有如下面反射器16上辐射形导线18一样的紧密间距。导线图形加上板的厚度（在实际电解质中为0.25^λ）可使垂直于螺旋线的电场矢量E的电磁波比平行于螺旋线的电场矢量E的电磁波滞后180°被反射。导线的螺旋线形状是这样的，即在螺旋线上每一点的切线与在同一点上从螺旋线中心所作的半径成α＝45°角。因此最后的结果为E₀₁模经过向下反射转变成H₀₁模，那就是说现在的电场可取为圆周方向。另一方面，辐射中所不需要的模式同时被反射掉，反射器17可和原辐射器15做在一起，如在图2中所示。

由模式发生器所产生向下传输的H₀₁模，将穿过下面的反射器16。由于H₀₁模的电场有上面述及的方向，当信号通过垂直于电场延伸的导线18和支撑导线的外壳时，信号不会受大的影响，此后微波信号继续向下通过油箱中的管子7，当它遇到管内的液面时被反射到天线15和同轴电缆13。此回波信号由电缆传到电子装置14中的接收机，在接收机中以常规方式产生发射和接收信号的混频，据此，由信号的渡越时间测定至表面10的距离。

在回波信号通过管子7向上渡越时，由于孔9的缘故，其部分功率转变为不同于主模H₀₁的传输模式，它将部分地回到下方的反射器16。然而，在这个反射器上的径向格栅18将阻挡这些假回波进一步传到喇叭天线15的内部。因此，从功能这方面来说，此反射器可作为一个模式滤波器。

本发明不限于以上所表示的和描述的实施方案。还有一种作了变换的实施方案，反射器17可由有上述螺旋线图案形状的波纹的金属面构成。另一种实施方案是以一个传输板代替反射器16和17构成模式发生器，在板的两面有图4所示那样的螺旋图形，来自该板上方的E₀₁模信号转变成H₀₁模，从而成为主要模式。为了使来自平板的辐射波束平行化，可以用一个和管子7的直径相同的透镜来得到。

当本发明用于大的油箱或水箱时，由于那里已有直径为0.2-0.5米的管子可作为波导利用，故以上说明或描述结构的测量系统是很适宜的。较小的管子可以将常用的H₀₁-H₁₁过渡段，例如马列埃（Marie）过渡段，与圆锥截面的匹配器相配合用做模式发生器，但是由于要求模抑制，这样的配合对于许多有兴趣的实际情况变得很长（几米）。如在“目前波导工艺水平”（微波杂志，1982·12）中所表示的，利用非圆锥漏斗可得到一定程度的改进。在某些情形下，如果漏斗可以向下悬挂在管中，在某些情况下，一个漏斗与作为主传输模式的H₀₁相结合起来，可以提供一个合适的解决方案，其时，长度只是一个小缺点，并且，由于H₀₁模的特殊性质，对管道和漏斗之间的匹配方式的要求变得适中。

Claims (19)

1、一种测量装在容器1中液态物质水位的方法，其步骤是：

（A）发射机向垂直向下插入容器並与容器相通的管状波导7馈送一微波信号，波导中物质的表面10随着周围物质的水位变动而变动

（B）该信号经波导由物质表面反射回来並传输到接收机中，信号经过电子装置处理后用以测定容器中物质的水位;

上述测量方法的特征在于：

微波信号的波长比波导7的直径小几倍;该微波信号通过实际上仅产生一个主要的信号传输模式的模式发生器11馈入波导。

2、按照权利要求1所述的测量方法，其特征在于：上述模式发生器11产生的信号传输模式是一个旋转对称的传输模式。

3、一种测量容器1中液态物质水位的装置包括：

一台通过垂直向下插入于容器並与容器相通的管状波导7馈送一微波信号的发射机14，波导中反射微波信号的物质表面随着周围物质的水位变动而变动;

一台接收所反射的微波信号的接收机;

一台利用接收到的信号测定容器中物质水位的电子装置;

其特征在于：发射机14和波导7之间装有实际上仅用以产生一个主要信号传输模式的模式发生器11;直径较信号波长大好几倍的波导。

4、按照权利要求3所述的测量装置，其特征在于：上述一个主要的信号传输模式是H₀₁模;波导7为圆截面;模式发生器11包括一个与发射机相耦合並用来将微波信号变换为E₀₁型信号的同轴波导12，原辐射器15，反射器16以及一个将上述所变换的信号变换为经波导7馈送的H₀₁型信号的由反射器构成的模式变换器17。

5、按照权利要求4所述的测量装置，其特征在于：模式变换器17是向下指向的用来将信号反射成平行平面波的反射器。

6、按照权利要求5所述的测量装置，其特征在于：向下指向的反射器17为抛物线形的，并由上侧是导电的而下侧有一个螺旋式弯曲图形的导线22的介质板20构成。

7、按照权利要求6所述的测量装置，其特征在于：上述介质板20的厚度为0.25λ。（λ是微波波长）。

8、按照权利要求6所述的测量装置，其特征在于：上述向下指向的反射器17有一个位于上述波导7的轴线上的中心;在螺旋形弯曲导线22上的每一点所做的切线与自中心至该点所做的半径之间成45°的角。

9、按照权利要求4所述的测量装置，其特征在于：上述反射器16由位于波导7和原辐射器15之间能将上述E₀₁模微波信号反射到向下指向反射器17上的向上指向反射器构成，经反射器17反射的微波信号被变换为H₀₁模信号並能不受影响地通过向上指向的反射器16。

10、按照权利要求9所述的测量装置，其特征在于：上述反射器16可作模式滤波器并配置在接收机和端部上面留有间隙的波导部件之间，滤掉波导中，例如由于波导上的孔，所产生的不需要的传输模式。

11、按照权利要求10所述的测量装置，其特征在于：向上指向的反射器16有一个位于上述波导的轴线上的中心，并有一个从上述中心辐射式地伸展的导体组成的引线图形18。

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