CN101233392A - 用于填充水平雷达的电势分隔 - Google Patents

Abstract

出于安全的原因，雷达传感器的供电线的电势可以与填充水平容器的电势分隔。根据本发明的一个示例性实施例提供了一种带有电势分隔的填充水平雷达，该填充水平雷达包括使天线与馈送装置绝缘的分隔元件，其中，分隔元件直接设置在天线处，或形成天线的一部分。以这种方式提供了天线与容器外部的绝缘。

Description

用于填充水平雷达的电势分隔

本发明涉及填充水平的测量。具体而言，本发明涉及一种带有电势分隔的用于确定罐中的填充水平的填充水平雷达、一种天线、以及一种用于确定罐中的填充水平的方法。

出于有关测量技术的考虑以及出于安全的原因，可以将雷达传感器的供电线的电势与通常为金属的填充水平容器的电势分隔。这可以例如使测量过程中的噪声的影响减小，并且降低对测量信号的干扰的敏感度。此外，这样的绝缘可以使例如有关避免失火的安全性增加，其中短路或者供电线或填充水平雷达的电子器件的缺陷可以导致失火。这样，不希望的火花放电能够导致例如给料材料(feed material)的着火或损坏。

此外，这样的绝缘可用于给料材料与电子器件的热分隔，这在罐内部与罐周围存在大温差的情况下特别有必要。

WO 2005/038414涉及用于使填充水平雷达绝缘的方法和设备。为此，将电绝缘体设置成横跨波导(以下也称为空心导体)的开口端。空心导体的另一端向天线馈送信号。绝缘体直接位于电子器件处，或者它将空心导体分隔成下空心导体和上空心导体。

本发明的一个目的是提出用于填充水平雷达的改进的电势分隔。

根据本发明的一个示例性实施例，提供了一种用于确定罐中的填充水平的带有电势分隔的填充水平雷达，包括：用于发射和/或接收电磁波的天线；用于将电磁波馈送给天线的馈送装置(feed device)；以及用于使天线与馈送装置绝缘的分隔元件；其中，分隔元件直接设置在天线处。

以这种方式，可以在天线与空心导体之间直接提供电势分隔。这样，设置于例如给料材料容器内部的天线与设置于例如填充水平容器外的空心导体绝缘。这样，尤其提供了容器的内部与容器的外部之间的绝缘。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件设计成使天线在直至规定电压的电压与馈送装置电绝缘。例如，如此设置分隔元件的尺度，以便保证在直至规定的最大电压的电压的充分电绝缘。

此外，根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件设计成使天线与馈送装置热绝缘。这在例如罐内部的热状况要保持恒定并与外部热影响绝缘的情况下是特别有利的。具体而言，在容器的内部与容器的外部之间存在大温差的情况下，这样的热绝缘会是相当有利的。

类似地，在容器内的温度处于极端状态的情况下，可能有利的是使这些温度远离电子器件，以免温度对功能造成任何影响，或甚至造成电子器件的故障。

根据本发明的另一个示例性实施例，馈送装置包括空心导体(波导)和辐射源，其中辐射源设计成产生电磁波，空心导体设计成将电磁波从辐射源传导到天线。

这样，天线通过空心导体连接到辐射源，其中空心导体和天线通过分隔元件相互绝缘。这样的绝缘可以是电绝缘和热绝缘两者。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件包括电介质。这样的电介质可以具有好的电绝缘特性，通常还可以提供令人满意的热绝缘特性，并且可以特别适合于建立绝缘层。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件是包括一层固体电介质材料的电介质阻挡件。

这样的层可以容易地制造，并且特点是具有好的电绝缘特性和好的击穿电压。

根据本发明的另一个实施例，分隔元件与馈送装置之间或分隔元件与天线之间的连接以这样一种方式建立，以便将馈送装置保持为能够相对于天线旋转。这样，例如可以提供带有内置电路的传感器外壳与天线子组件之间的可旋转性。这可以改进填充水平雷达的灵活性，因为变化的环境条件或安装条件通常会要求传感器外壳处于其它位置。

此外，由于干扰性的容器安装(除了待测量的填充水平表面之外，该干扰性的容器安装还会产生反射并从而使测量更加困难)，能够使从天线所发射的电磁波的偏振旋转通常会是有利的。借助于这种偏振的旋转，某些不想要的反射可以被最小化，从而使对给料材料的测量变得更加可靠和更加准确。为此，使整个填充水平传感器在它的安装位置旋转至今一直是惯常的做法。对于带有法兰附件的传感器，这意味着必须拆卸法兰的所有安装螺钉，以及，对应于法兰的孔分度(hole division)，例如以90°或60°的步幅旋转法兰。因此，不可能对偏振进行超出孔分度所限定的递增跨度的精细调节。

在带有旋进螺纹的传感器的情况下，必须通过对应地旋转旋进螺纹来使偏振旋转，这尽管能够产生对应的精细递增，但就螺纹的密封功能而言仍是有问题的。

借助于本发明所提出的分隔元件与馈送装置之间或分隔元件与天线之间的可旋转性，可以使偏振旋转，而无需对天线进行旋转-天线通常以机械方式牢固地连接到法兰或旋进螺纹。

在法兰附件或旋进螺纹的位置不变的情况下，可以通过旋转(可能与传感器外壳耦合的)馈送装置、以任何想要的精细程度使偏振旋转，而不用任何安装操作且不会妨碍容器的密封。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件与馈送装置之间或分隔元件与天线之间的连接设计成可脱离的(unclippable)。

通过为填充水平雷达设计可拆卸且可脱离的连接(填充水平雷达的整个上部可以借助该连接从天线拉出)，可以以简单的方式将电子器件连同空心导体(如果存在的话)移除或调换。这可以提高雷达的灵活性，特别是在维修或维护的情况下，因为上部(外部)部件子组件可以以简单的方式拆除，无需将法兰从天线上移除或将天线以某种其它方式从填充水平容器的盖子上拆卸。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件与馈送装置之间或分隔元件与天线之间的连接是气密的或不透水的。

以这种方式，可以防止天线侧的罐与馈送装置侧的外部环境之间的物质传输。这样，例如能够防止对天线上方的填充水平雷达的腐蚀或某种其它的损伤或破坏。此外，以这种方式，可以防止固态、液态或气态物质非期望地进入罐中。而且，可以避免罐的内部与罐的外部之间的压力变得相等。

根据本发明的另一个示例性实施例，填充水平雷达进一步包括测量电路，用于产生由天线发射的微波信号，以及/或者用于测量天线接收到的电磁波，其中该测量电路至少部分地与分隔元件相结合。

通过将测量电路与分隔元件至少部分地相结合，可以节省空间。

根据本发明的另一个示例性实施例，天线设计为喇叭形天线或抛物线形天线。以这种方式，可以使各种天线与馈送装置的电势绝缘，或者使各种天线与馈送装置热分隔。

根据本发明的另一个示例性实施例，空心导体设计为圆形空心导体或矩形空心导体。

根据本发明的另一个示例性实施例，天线设计为抛物线形天线，其中，馈送装置包括带有第一区域的空心导体。在该设置中，空心导体的第一区域伸进抛物线形天线，其中，分隔剂(separation agent)部分地包覆空心导体。

这样，借助于分隔元件，对天线进行馈送的空心导体可以与抛物线形天线以及与连接到所述抛物线形天线的附件法兰绝缘。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件完全包覆空心导体的第一区域。以这种方式，可以通过完整的封套，例如电介质封套使对天线进行馈送的空心导体完全绝缘。

根据本发明的另一个示例性实施例，提出了一种用于发射和/或接收电磁波的天线，其中，该天线包括用于使天线与馈送装置绝缘的分隔元件。馈送装置设计成将电磁波馈送给天线。

根据本发明的这个示例性实施例，分隔元件形成天线的一部分，其结果是可以保证天线与连接到所述天线的馈送装置的绝缘。

这样的天线可被用作填充水平雷达的模块化部件，其中，即使使用了不同的电子器件和波导，天线与电子器件之间的绝缘也得以保证。

根据本发明的另一个示例性实施例，分隔元件设计成使天线与馈送装置热绝缘，或者设计成使天线(在直至规定电压的电压)与馈送装置电绝缘。此外，分隔元件可以包括电介质，例如包括一层固体电介质材料的电介质阻挡件形式的电介质。

特别地，可以将天线保持为能够相对于馈送装置旋转，其中，分隔元件形成轴承装置的一部分。

此外，提出了用于确定罐中的填充水平的方法，其中将电磁波馈送给天线。此外，电磁波由天线发射和/接收，并且，分隔元件产生天线与馈送装置的绝缘，其中分隔元件直接设置在天线处。

以这种方式提供了一种方法，通过该方法可以确定罐中的填充水平，其中，可以产生(外部)馈送装置和连接到其上的电子器件与(填充水平罐内部的)天线之间的电势分隔。在该设置中，可以直接在天线处产生电势分隔。

根据本发明的另一个示例性实施例，电磁波由辐射源产生并通过空心导体从辐射源引导到天线。在该设置中，空心导体和辐射源形成馈送装置的一部分并从而借助于分隔元件与天线绝缘。

本发明的其它示例性实施例在从属权利要求中提出。

下面参考附图对本发明的优选示例性实施例进行描述。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的填充水平雷达的电势分隔。

图2示出了根据本发明的另一个示例性实施例的天线的电势分隔。

图3示出了根据本发明的另一个示例性实施例的抛物线形天线的电势分隔。

图4示出了根据本发明的另一个示例性实施例的抛物线形天线的另外的电势分隔。

图5示出了根据本发明的另一个示例性实施例的电势分隔。

在以下对附图的描述中，相同的或类似的元件使用相同的标号。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的带有电势分隔的填充水平雷达的一部分。如图1所示，该装置包括：空心导体1(即波导)，其用来传导电磁波；天线2，用于发射和/或接收电磁波；以及分隔元件3，用于使天线2与空心导体1绝缘。如图1所示，分隔元件3直接设置在天线2处。为此，天线2包括连接元件5。分隔元件3可以例如气相沉积或以其它方式沉积到连接元件5上。当然，分隔元件3还可以粘在或夹在连接元件上，或以某种其它方式附着。

空心导体1包括设置在分隔元件3的另一侧的第二连接元件4。

分隔元件可以设计成包括一层固体电介质材料的电介质阻挡件的形式。为此，分隔元件3的厚度可以足以提供足够的电绝缘。例如，该厚度可以如此设置：只有空心导体1与天线2之间的某一最大电压才能通过分隔元件3在这两个元件1、2之间产生可以觉察到的电流传导。例如，这样的分隔元件3的典型厚度是0.5mm。当然，分隔元件3还可以更厚或者(例如，如果最大电压较低的话)它可以薄一些。

空心导体1用于传导电磁波，特别是例如频率为6到85GHz的微波。空心导体1和天线2当然还可以设计成传导、检测或发射更高频率的电磁辐射。此外，还可以传导、检测或发射频率低于6GHz的电磁辐射。

空心导体1可以包括例如圆形或旋转对称的横截面。此外，空心导体1可以包括角形横截面(矩形的或多边形的)或某种完全不同的横截面。

而且，空心导体可以填充空气或包括电介质材料填充物。

空心导体1与分隔元件3之间以及/或者分隔元件3与天线2之间的连接以这样的方式设计，使得将空心导体1和天线2保持为能够相对于彼此旋转。以这种方式，即使在安装了天线(其牢固地连接到填充水平容器的盖子上的法兰)时，其后仍可以相对于天线2对空心导体1(从而对壳体，包括位于其上的电子器件)进行旋转调节。天线2和带有内置电路的传感器外壳(未在图1中示出)从而能够相对于彼此旋转。

此外，分隔元件3与上部连接元件4之间或分隔元件3与天线侧的连接元件5之间的连接可以设计成可脱离的，以便可以以简单的方式将空心导体1和天线2调换、分离或插在一起。

分隔元件3当然也可以牢固地连接到两个连接元件4、5，以便可以防止任何误调或不希望的脱离(unclipping)。

特别地，分隔元件3可以保证天线2与空心导体1之间的连接是不透水的或者甚至是气密的，以便防止天线(从而填充水平容器的内部)与空心导体(从而连接到空心导体或连接到外界环境的电子器件)之间的物质传输。

为此，可以以本领域的技术人员常用的方式在规定的位置提供例如O形圈的密封。

此外，可以保证分隔元件不过于妨碍微波在空心导体中的传播。为此，可以通过安装所谓的λ/4变换线(transformation line)来优化分隔元件的位置处的波转变(wave transition)。在这种设置中，变换线是从两侧与分隔元件相邻的两个金属部分之间的圆周形间隙。该间隙可以被分隔元件填充且优选地具有λ/的径向延伸，λ表示在间隙中所引导的微波的波长。圆的外圆周上的间隙的开口端通过变换线变换成到圆的具有空心导体的直径的内圆周上的短路。这个短路代替由于分隔元件而不存在的空心导体的壁。

图2示出了根据本发明的另一个示例性实施例的带有分隔元件3的天线装置。在这个装置中，用于测量由天线所接收到的电磁波的测量电路与分隔元件3相结合。在这个装置中，测量电路6包括例如多个安装在分隔元件上的SMD部件。在这个装置中，帽7用来终结(close off)波线。此外，提供了保护测量电路6的壳体8。测量电路6通过分隔元件3与天线2完全绝缘。

在这个装置中，分隔元件3不仅起到绝缘的作用，而且在背对容器的一侧，包括用于测量电路的部件的条形导体和焊接垫。在最简单的情况下，分隔元件是印刷电路板，但其一定不能包含任何贯通镀层，以免消除电绝缘。当然，也可以提供具有贯通镀层的多层印刷电路板，该贯通镀层并不贯穿所有的层导电，即所谓的盲孔贯通镀层。

图3示出了用于填充水平测量设备的天线装置，其包括抛物线形天线2。在这个装置中，馈送装置包括空心导体9，待发射的信号通过接入针(coupling-in pin)接入到该空心导体中。波通过空心导体9引导到逆反射器(counter reflector)13，在该处它们由抛物线形天线2通过反射以聚焦的方式辐射出去。为了保护馈送装置不受进入的容器气氛的影响，通常借助于电介质体来填充空心导体的下端与逆反射器之间的空间。这样做防止了气体和湿汽进入空心导体9。图3还示出了：抛物线形天线与用于在容器中安装的法兰11连接，以及提供了用于保护电子器件(未示出)和馈送装置的周围壳体12。

此外，提供了管状电介质阻挡件3，其部分地包覆对天线进行馈送的空心导体9，并且使所述空心导体9与抛物线形天线2及连接到其上的附件法兰11绝缘。

图4示出了根据本发明的另一个示例性实施例的装置，其中空心导体9伸进抛物线形天线2的部分完全被电介质阻挡件3包覆。以这种方式，空心导体9伸进抛物线形天线2的部分完全与法兰11位于天线侧的区域(从而与例如给料材料容器的内部区域)绝缘。除了电绝缘之外，这个保护层还能够为防止对空心导体9的腐蚀或其它破坏而提供有效的保护。此外，这种包覆防止了填充水平容器的内部区域与填充水平容器的外部区域之间的任何材料传输。

图5示出了根据本发明的天线的另一个示例性实施例。在这个装置中，除了分隔元件3之外，天线2还包括附加电介质体10，其延伸到天线中并逐渐变细为一个尖。在圆空心导体1的情况下，这个附加电介质体10是圆锥形的，而在具有矩形横截面的空心导体1的情况下，它是金字塔形的。以这种方式，增强了空心导体1和天线2之间的耦合，改善了将天线所检测到的电磁信号发射到空心导体1中的质量。此外，所述尖便于任何可能形成的冷凝物滴落，该设置提高了信号的质量并从而提高了测量的可靠性。在这个装置中，分隔元件3和第二电介质体10可以是不同的体。然而，它们也可以包括连续件，以便同时提供绝缘和改进的耦合。

本发明特别适用于填充水平测量设备，然而，决不限于这个领域的应用。任何要求发射或接收电磁波的天线与对应的馈送装置绝缘的情况下都可以使用。

此外，应当指出的是，“包括”一词并不排除其它的元件或步骤，而且，“一”或“一个”并不排除多个。此外，应当指出的是，针对上述实施例之一所描述的特征或步骤可以与其它上述实施例的特征或步骤结合使用。权利要求中的标号不具有限制性。

Claims (27)

1.一种带有电势分隔的用于确定罐中的填充水平的填充水平雷达，所述填充水平雷达包括：

用于发射和/或接收电磁波的天线；

用于将所述电磁波馈送给所述天线的馈送装置；

用于将所述天线与所述馈送装置隔离的分隔元件；

其中，所述分隔元件直接设置在天线处。

2.根据权利要求1的填充水平雷达，

其中，所述分隔元件设计成使所述天线在直至规定电压的电压与所述馈送装置电绝缘。

3.根据权利要求1或2的填充水平雷达，

其中所述分隔元件设计成使所述天线与所述馈送装置热绝缘。

4.根据权利要求1到3之一的填充水平雷达，

其中，所述馈送装置包括波导和辐射源；

其中，所述辐射源设计成产生所述电磁波；以及

其中，所述波导设计成将所述电磁波从所述辐射源传导到所述天线。

5.根据权利要求1到4之一的填充水平雷达，

其中，所述分隔元件包括电介质。

6.根据权利要求5的填充水平雷达，

其中，所述分隔元件是包括一层固体电介质材料的电介质阻挡件。

7.根据前述权利要求之一的填充水平雷达，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的连接以这样一种方式形成：即，将所述馈送装置保持为能够相对于所述天线旋转。

8.根据前述权利要求之一的填充水平雷达，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的所述连接设计成使所述馈送装置能够从所述天线脱离。

9.根据所述前述权利要求之一的所述填充水平雷达，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的所述连接是气密的或不透水的。

10.根据前述权利要求之一的填充水平雷达，

进一步包括用于测量所述天线所接收到的电磁波的测量电路；

其中所述测量电路至少部分地与所述分隔元件相结合。

11.根据前述权利要求之一的填充水平雷达，

其中，所述天线设计为喇叭形天线或抛物线形天线。

12.根据所述权利要求之一的填充水平雷达，

其中所述波导设计为圆形空心导体或矩形波导。

13.根据前述权利要求之一的填充水平雷达，

其中，所述天线设计为抛物线形天线；

其中，所述馈送装置包括带有第一区域的波导；

其中，所述波导的所述第一区域伸进所述抛物线形天线；以及

其中，所述分隔元件部分地包覆所述波导。

14.根据权利要求13的填充水平雷达，

其中所述分隔元件完全包覆所述波导的所述第一区域。

15.一种用于发射和/或接收电磁波的天线，

其中，所述天线包括用于将所述天线与馈送装置绝缘的分隔元件；

其中，所述馈送装置设计成向所述天线馈送给所述电磁波。

16.根据权利要求15的天线，

其中所述分隔元件设计成使所述天线在直至规定电压的电压与所述馈送装置电绝缘。

17.根据权利要求15或权利要求16的天线，

其中所述分隔元件设计成使所述天线与所述馈送装置热绝缘。

18.根据权利要求15到17之一的天线，

其中，所述分隔元件包括电介质。

19.根据权利要求15到18之一的天线，

其中，所述分隔元件是包括一层固体电介质材料的电介质阻挡件。

20.根据权利要求15到19之一的天线，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的连接以这样一种方式形成：即，将所述馈送装置保持为能够相对于所述天线旋转。

21.根据权利要求15到20之一的天线，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的所述连接设计成使所述馈送装置能够从所述天线脱离。

22.根据权利要求15到21之一的天线，，

其中，所述分隔元件与所述馈送装置之间或所述分隔元件与所述天线之间的所述连接是气密的或不透水的。

23.根据权利要求15到22之一的天线，

进一步包括用于测量所述天线所接收到的电磁波的测量电路；

其中所述测量电路至少部分地与所述分隔元件相结合。

24.根据权利要求15到23之一的天线，

其中，所述天线设计为喇叭形天线或抛物线形天线。

25.一种用于确定罐中的填充水平的方法，包括以下步骤：

通过馈送装置将电磁波馈送给天线；

通过所述天线发射和/或接收电磁波；

借助于分隔元件将所述天线与所述馈送装置绝缘；

其中，所述分隔元件直接设置在所述天线处。

26.根据权利要求25的方法，进一步包括以下步骤：

通过辐射源产生所述电磁波；

通过波导将所述电磁波从所述辐射源传导到所述天线；

其中，所述馈送装置包括所述波导和所述辐射源。

27.根据权利要求25或26的方法，进一步包括以下步骤：

借助于测量电路，测量所述天线所接收到的所述电磁波；

其中所述测量电路至少部分地与所述分隔元件相结合。

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