CN101287972A - 两模式雷达液位计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于计量容器中装填物液位的雷达液位计系统。该系统包括向装填物表面延伸的波导；用于在波导中发送第一传播模式的微波信号的发射机；以及用于接收从所述装填物表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机。进一步，它包括用于根据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及连接波导和发射机的转换元件，其中所述转换元件设置为允许一部分发送微波信号流入第二传播模式。其中第一和第二传播模式处于容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同传播模式传播的频带内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收所述微波信号。

Description

两模式雷达液位计系统

技术领域

本发明总地来说涉及基于雷达的液位计量(level gauging)，更具体地说，本发明涉及用于通过波导以高精度对装填物(fillingmaterial)、特别是液体的液位进行基于雷达的液位计量而不需要预先知道装填物表面之上的确切的气体成分和/或压力的系统和方法。

背景技术

用于测量容器中的液体或者其他装填物的液位的雷达液位计系统是公知的，这样一种系统通常包括用于向液体表面发送微波信号的发射机，用于接收从液体表面反射的微波信号的接收机，以及用于根据被发射和被反射的微波信号的传播时间来计算容器内的液体的液位的信号处理装置。这种设备变得越来越重要，特别是对于诸如原油及其制品的石化产品。这里的容器意味着构成储罐的总装填量的一部分的容器，或者甚至更大的通常圆柱形的基于陆地的、具有数十或者数千立方米容量的储罐。

实现雷达液位计量系统的高精度的一个因素是雷达波的速度通常为大家熟知或者等于光在真空中的速度(299 792 458m/s)除以气体的介电常数(对于标准大气来说为1.0006)的平方根。然而，对于一些应用，介电常数是不能充分精确地了解以获得所需高精度的。

在一种特定类型的用于计量容器内液体液位的基于雷达的设备中，微波信号通过波导(例如安装在容器内的垂直钢管，其作为微波在去往和来自液体表面的路径上的波导)被发送、反射并且接收。然而，这种系统中的问题是液体表面之上的气体降低了微波的速度。只有当气体组分、温度与压力都已知时，这种速度降低才可以被精确地估计，但是通常不知道所述气体组分、温度和压力。

在US6915689中由相同申请人提出了对上述问题的解决方案。此文献具体说明了管道测量的方法，其中气体的介电常数对作为测量值的距离的影响可以忽略或者非常小。相对于通常的雷达方法(其中所用大气中的波长已知并且能够作为标准使用)，所述方法典型地用于LPG测量，其中要求CTS精度并且其中介电常数可在1.00-1.02的范围内变化(空气到加压丙烷)。CTS(Custody Transfer Safety，安全密闭输送)被理解为具有很高精度、例如20m距离时±2mm的系统，其由主管机关证明以便允许官方或者商业测量使用。如US6915689所述，不充分知晓的介电常数的问题可以被解决，但是其代价是，精确测量将取决于管道直径而非雷达波的速度。钢管的直径具有足够的稳定性(包含温度校正)来作为标准使用，但是直径的初始确定可能带来一个问题，包括所述直径可能沿着管道轻微地改变(例如+/-0.5％)的事实。管道通常具有25m的长度，由6m的部分焊接在一起。因此直径的精确估计是困难的。

当使用普通石化产品，即那种在常温下流动的产品时，管中的气体典型地是空气。空气的标称介电常数是1.0006，具有+-0.0001的典型偏差。然而在碳氢化合物等蒸发的情况下储罐的内容物将增加介电常数、超过空气的介电常数。这种增加会是显著的。进一步，当计量包含超压下的液化气体的容器中的液位时，速度的改变是非常显著的。在常见的碳氢化合物气体中丙烷具有最高介电常数，使得在10bar压力下速度降低大约1％(相应于ε＝1.02)。这种大的差异在诸如密闭输送(CTS)应用的许多应用中是不可接受的。因此经常需要如密闭输送精度所定义的更高精度。术语密闭输送(CTS)精度意味着一种足够得到密闭输送的批准的精度，其是许多液位计量商业使用中的正式要求。就传播速度而言，密闭输送精度意味着液位确定的精度大约在0.005-0.05％范围内。

US6915689进一步公开了使用两种不同传播模式以便更精确地估计管道直径并且相应采取校正动作。不同模式以不同速率传播，这使得当存在若干模式时很难测量。因此，在雷达液位计量中通常避免若干同时模式。然而在US6915689中，考虑使用若干模式来提供对环境条件尤其是管道直径的估计。

然而，此文献教导的方案的问题是它在发射机中要求相当复杂的馈送系统以提供不同模式的微波信号，这增加了系统复杂性、成本以及使用困难。

因此需要一种更简单和/或更经济、但仍然对测量结果提供至少同样的准确度和可靠性的方案。

发明内容

因此本发明的一个目的是克服或者至少减轻上述问题。该目的通过根据所附权利要求的雷达液位计系统和方法来实现。

根据本发明的第一方面，提供一种用于计量容器中的装填物的液位的雷达液位计系统，包括：向装填物表面延伸的波导；用于在波导中发送第一传播模式的微波信号的发射机；用于接收从所述装填物表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机；以及用于根据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及连接波导和发射机的转换(transition)元件，其中所述转换元件设置为允许一部分发送微波信号流入第二传播模式；其中第一和第二传播模式处于容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同模式传播的频带之内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收所述微波信号。

发明的雷达液位计系统提供一种简单方案，通过使用两种波导模式以两种方法测量距离来计算当前使用的管道部分的精确平均直径。两模式测量本身从US6915689已知，该文献通过引用合并于此。因此，本发明提供一种具有与先前已知系统基本上相同能力和性能的雷达液位计系统，但是具有显著简化的馈送装置，从而可获得一种更简单并且更成本有效的系统。

借助于本发明，可以获得一种成本有效和可靠的用于高精度计量容器中的液体的液位的装置。该装置对于下述环境是特别有用的，其中在将被测量的液位之上存在具有在预定介电常数范围内的介电常数的气体。该液体例如由压缩气体构成，所述气体由气态的压缩气体组成，其中压缩气体在超压下存储在容器中。

波导例如是一种向将被测量的液体表面延伸的管，其中管壁上设置有多个孔，以便容器中的液体可以横向流入和流出所述管来保持管内外液体的一致液位。该波导可以具有任何类型的截面，但是优选地长方形或者圆形截面。该管直径优选地在25-150mm范围内，最优选地在50-100mm范围。

管道直径和工作频率优选地被选择，以便波导中第一和第二传播模式的微波信号的群速度至少在预定的介电常数范围之内基本上与介电常数无关。

该接收机可以以多种方式辨别以第一和第二传播模式中的不同模式接收的微波信号的部分，但是例如根据不同传播模式的反射微波信号在接收机的不同到达时间。

该微波信号可以是调频连续波信号(FMCW)或者脉冲雷达信号。

本发明对计量容器中液体的液位特别有用，在液位之上存在气体，其中波导通过气体向液体表面延伸。

优选地，第一模式是H₀₁模式，而第二模式是H₀₂模式。在此情况中，波导优选地具有不允许H₀₃模式通过的尺寸。微波信号频率例如可以在5-25GHz的范围内。

转换元件优选地被设置为使20-80％的微波功率流入到第二传播模式，并且最优选地为40-60％。

转换元件可以有利地被形成基本上圆锥形。为了获得对第二传播模式的恰当流入，转换元件在轴向上的长度优选地相当短，例如小于0.25m。优选地，转换元件在轴向上的长度在0.05-0.10m范围内。现有技术中，相当长的圆锥被用来避免激发一个以上的传播模式，但是这里使用一个以上模式的激发。

处理电路优选地被设置为从每个传播模式中的反射微波信号估计所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性，以及使用所述一个或多个属性的所述估计来计算所述容器中所述装填物的校正的液位。处理电路可以被设置为单一单元，或者被设置为包括若干单元的分布形式，其可能被设置为彼此分离。所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述波导的长度的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内壁上杂质特别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存在。

一些实施例中，处理电路根据以第一和第二传播模式中的不同模式接收的微波信号的接收和辨别部分计算波导的截面尺寸。优选地，该波导具有圆形截面，并且计算出的截面尺寸是在沿着微波信号在从液体表面反射之前传播的距离上波导的平均直径。

然而，可替换地，该处理电路为两个传播模式中的每一个确定距装填物表面的距离，导致两个并列的测量值序列。这两个测量序列然后可以用于产生综合值，例如平均值，其与管或者管道直径无关，并且不受沿着管/管道直径变化的影响。

为了保证最高精度，期望在管道中具有一个或者两个机械固定的反射，并且通常所述两个固定反射可对应于“空储罐”以及“满储罐”之上的已知位置的状态。“空储罐”反射优选地如US6795015所述完成，该文献通过引用合并于此，其中反射器被浸没时几乎不可见，但是当液体表面低于反射器时该反射器很清楚。“满储罐”反射器优选地被设置来反射仅仅一个模式。

反射电抗可被设置在波导中，以给出至少两个不同传播模式中的一个比至少两个不同传播模式中的另一个实质上更强的微波信号反射。

根据本发明的另一方面，提供一种用于计量容器中装填物的液位的方法，包括步骤：通过波导向装填物表面发送第一传播模式的微波信号；接收从所述装填物表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号；以及根据反射微波信号确定容器的填充液位，其中：所发送的微波信号的一部分被允许流入第二传播模式，第一和第二模式二者均处于容许所述微波信号在所述波导中传播的频带内；以及所述微波信号以所述两个不同传播模式被接收。

根据本发明的这个方面，可获得与上文关于本发明第一方面所讨论的内容相似的优点和变化。

本发明的这些及其他方面将从参考在下文中所述的实施例变得清晰。

附图说明

为了说明的目的，将参考在附图中示出的实施例来更详细地描述本发明。

图1是容器的示意剖面侧视图，其中设置了根据本发明实施例的雷达液位计系统；

图2示意地以透视图更详细地示出图1的用于基于雷达的液位计量的设备。

图3是图1的雷达液位计系统的剖面侧视图；

图4是底部反射器的典型实施例；

图5示出满储罐反射器的一些具体实施例；以及

图6是用于一些典型储罐状态的储罐频谱。

具体实施方式

图1和2示意地示出根据本发明实施例的雷达液位计(radar levelgauge，RLG)系统1。系统可以是调频连续波(FMCW)RLG系统或者脉冲RLG系统或者任何其它类型的测距雷达，但是优选地是前者。RLG系统具有以可以调节的可变频率发送微波信号的能力。

RLG系统包括波导1，采用基本上垂直的管或者固定安装在容器2中的管的形式，该管的上端限制或者顶部由3表示。容器包含液体3，其可以是石油产品，诸如原油或其制品，或者在超压和/或被冷却的情况下存储在容器中的压缩气体。丙烷和丁烷是两种典型的以液体形式存储的气体。

波导1优选地由能够作为对微波的波导的金属材料制成并且可以具有任意的截面形状。然而，圆的、长方形或者超级椭圆的截面是优选的。没有示出该管的整个长度，而是仅仅示出了其上端和下端部分。该管在其壁上装备有多个相对小的开口6，其使得从容器到管内部的液体的流通成为可能，以便管中的液体的液位与容器内的相同。孔的大小和位置被选择以便它们不干扰波的传播但是仍然允许内部和外部液位充分快速地均衡。

单元7被固定安装在其上。该单元7包括用于馈送微波信号的发射机，未明确示出，用于接收反射微波信号的接收机以及用于确定反射微波信号的反射位置的信号处理装置。

发射机包括发射机波导，在图1中由5表示，其由保护管8环绕。波导5经由转换元件9、例如圆锥中间段一直到波导1。

转换元件9被设置来提供发射机波导5和储罐之中的波导1之间的转换以及波导连接。然而，转换元件另外还被设置用来允许一部分发送的微波信号从发射机所提供的第一传播模式中流出并且进入第二传播模式。由此，二种模式通过波导同时被发送。优选地，发射机提供H₀₁，其在转换元件中流入H₀₂模式。然而，转换元件优选地适合于防止H₀₃和更高阶模式，或者至少仅仅引发较少量的模式。

该转换元件优选地设置为在两种传播模式中提供基本上相同的微波功率的量。

第一和第二模式优选地被选择为处于一个频段内，在此频段上，波导中第一和第二传播模式中的微波信号的波群速度至少在预定介电常数范围内基本上与介电常数无关。优选实施例中，频率和直径被选择来使得介电常数对H₀₂模式具有可忽略的影响，而对相同频率的H₀₁模式更有影响。雷达液位计使用相当宽的带宽(该宽度可以是中心频率的10-15％)并且该传播由该频带中间的波群速度表征。这里，发送和接收的微波信号的频率范围和传播模式，和管的内部尺寸优选地被选择来获得一种微波信号波群速度，其在感兴趣的介电常数值范围中、优选地在1.00和1.03之间基本上恒定。这种选择本身已经从US6915689中知晓，其通过引用合并于此。

该转换优选地以管状部件实现，在轴向方向上内部截面面积逐渐增加，其从发射机波导5的内部截面面积增加为波导1的内部截面面积。进一步，转换元件优选地是旋转对称的。最优选地，该转换元件基本上形成圆锥形。为了获得恰当的第二模式流入，转换元件在轴向上的长度优选地是相当短的，例如少于0.25m。优选地，转换元件在轴向上的长度在0.05-0.10m的范围内。

操作过程中，发射机产生第一模式的微波信号，其通过发射机波导和圆锥转换元件9馈送，由此发生对第二模式的流入并且进入波导1。微波信号在波导1的管中向被测量的表面传播，由表面反射并且向接收机返回传播。反射信号通过圆锥转换元件9和波导5，并且由接收机接收。接收机可以以多种方式辨别以第一和第二传播模式中的不同模式接收的微波信号的部分，例如根据对不同传播模式的反射微波信号在接收机的不同到达时间。然后信号处理设备根据微波信号的往返时间计算液体的液位。另外，处理电路可被设置成根据每个传播模式的反射微波信号估计波导或者容器内的环境的一个或多个属性，并使用该一个或多个属性的估计来计算容器中的装填物的校正的液位，例如作为沿着微波信号在从液体表面反射之前传播的距离上波导的平均直径的波导截面尺寸。

为了校准，一个或者几个零反射的反射器10可以被使用，其优选地适合于仅为一个模式而不为另一模式提供反射，如为H₀₁而不为H₀₂提供反射。这种反射器可以在波导1的不同高度设置。另外，当储罐空的时候，为了校准可以将反射器设置在储罐的底部。优选地，使用下面的和上面的反射器，其中上面的是可看到的并且可以用于功能控制，而下面的可以被用于开始校准以及空储罐测试。上部反射器优选地被设置成为两种模式提供不同反射，尽管不是绝对必要的。底部反射器优选地被设置来在两种模式中提供相同的反射量。然而，当没有被液体覆盖时，与被覆盖时相比，底部反射器优选地被设置或提供实质上更强的反射。这种反射器本身从US6795015已知，其通过引用合并于此。因此，这种两反射器结构对基本上所有校准需求是足够的，从而不需要位于其他液位的其他反射器。

图3是图1的雷达液位计系统的示意图，来说明沿着管道的相关特征。电子单元7在波导5生成输出，其在模式产生器等等中被转换到H₀₁模式，其中H₀₁是最高传播模式或者其中H₀₂不能传播。在所述波导中或者其上方，可以设置密封31，其优选地用于高压，如果储罐将用于加压的气体。还可以为安全原因提供球阀32，并且例如如果必须改变密封时可以使用它。提供对波导1的管道直径的转换的转换元件9被设置在球阀下方，并且可以典型地由恰当长度的直圆锥体组成。加压储罐地典型地是球体形状的并且该最高液位——在容量上低于完全装满的储罐几个百分点——不是很靠近于储罐的顶部。在该空间中，为了校准可以将反射器10b定位于比实际顶端略微高些。该反射器在优选实施例中被设置来以与典型液体表面大致相同的方式反射H₀₁，但是以低得多的程度反射H₀₂，甚至根本不反射。波导1优选地接近于垂直地穿过储罐，并且略微地穿孔，如每米2个孔并且每个孔具有10mm的直径。管道在储罐底部21上方几厘米或者几分米处结束来允许最差情况下的热运动。底部反射器10a可以固定在底部上，其优选地被设置来当反射器被浸没时提供很小的反射，而当液位暴露反射器时提供可与液体表面的反射相比的反射。

图4示出对两个使用的模式具有显著不同反射的高液位反射器10b的一些具体实施例。顶端反射器可以以若干方式并且优选地以反射H₀₁而不反射H₀₂的方式被制造。对于H₀₁/H₀₂，反射器可具有由径向金属支杆附着在管道上的薄金属环等等的形状。该环位于H₀₂具有零周向场因此H₀₂反射很小而H₀₁具有强反射的半径位置，其可以由薄几何形状被降低到适当的级别。如果被制作得充分薄，则金属径向附件对H₀₁/H₀₂模式没有影响。

在第一典型实施例中，如图4a所示，反射器10b包括在波导1中由径向支杆102支撑的水平环101。径向支杆不会影响H₀₁或者H₀₂的场模式并且选择其数量和位置以获得良好的机械稳定性。如果环直径是管道直径的55％(或者54.62％)则环的位置是，其中H₀₂的圆周向电场是零从而H₀₂完全不受所示结构影响(即没有来自H₀₂的反射)。反射器的几何形状使得在管道接头处的安装为优选的方法。

另一种实现顶端反射器的方法如图4b中所示。在此实施例中，反射器10b′包括薄的钢条103，其可以被临时弯曲来通过管道1中的孔104被插入。因此几何形状与功能类似于图4a中所述实施例，但是插入反射器的方法可以为通过孔安装，即不考虑接头等等。

考虑到关于H₀₁和H₀₂的功能实现环的另一方法在图4c中示出。在此实施例中，反射器10b″包括一种环，其被分解为金属环内沿圆周取向的多个半波偶极105。所有半波反射器105可以附着在围绕管道并且通过波导管1中的孔104被插入的支撑件(未示出)上，如图4b的实施例中。当10GHz的频率被使用时，该半波反射器可以例如长15mm，并且可以由薄金属板或者指状物形成。优选地，半波反射器被制造成至少有点柔性，由此可以插入波导管中的更小的孔中。注意，4个半波反射器的实施例仅仅是个例子，其他数目的半波反射器，诸如2、3或者6同样是可行的。

图5是反射器10a的例子，其可用作上述系统中的底部反射器。这种底部反射器本身从US6795015中已知，所述文献通过引用合并于此。

图5的典型实施例中，反射器适于被设置得低于波导管或者在其末端，并且略微地高于并且附着在底部。该反射器包括附着于径向支持物111的多个金属环110。该环将作为H₀₁和H₀₂波导模式的周向电场的金属表面，当液体低于反射器时其不考虑低于环的底部可能的不规则结构被反射。然而环之间的距离匹配于液体的介电常数并且当环被浸没时波导由环形成，并且通过使得环为半波长高，反射器将作为对所用频率的波长透明的罩。

图6示出了图3的雷达液位计系统中可接收的三个典型储罐频谱。在第一储罐频谱A中，示出了储罐中中等液位的情形。在此情况中，储罐频谱典型包括相应于上端反射器10b的接收回波信号A1，相应于液体表面上H₀₁模式反射的接收回波信号A2，以及相应于液体表面上H₀₂模式反射的接收回波信号A3。在第二储罐频谱B中，示出了储罐中低液位的情形。在此情况中，储罐频谱典型包括相应于上端反射器10B的接收回波信号B1，在与A1大致相同的位置，相应于液体表面上H₀₁模式的接收回波信号B2，比A2略微低些，以及相应于液体表面上H₀₂模式反射的接收回波信号B3，明显比A3更低。在第三储罐频谱C中，示出了基本上空的储罐的情形。在此情况中，储罐频谱典型包括相应于上端反射器10b的接收回波信号C1，与A1和B1处于相同水平，相应于底部反射器10a的H₀₁模式反射的接收回波信号C4，以及相应于底部反射器10a的H₀₂模式反射的接收回波信号C5。

本发明背后的理论以及两模式测量的应用性现在将简要地被讨论。以下论述集中于FMCW，因为管道中CTS精度至今在管道脉冲系统中难以获得，但是通过本讨论的略微修改，同样适用于脉冲系统。由直线扫描以及普通液体表面建立的典型的IF(中频)信号具有相当恒定幅度的几乎恒定的频率。恒定频率(与距离成正比)可被称作扫描期间的线性增长的相位，并且典型的信号处理器执行相位增长与直线的最小平方匹配。当测量通过管道而非自由空间完成时，相位在扫描期间将具有略微非线性的偏差，并且该偏差可以以公式说明：

其中：

k＝波数(＝重新调节频率)其用于大约10GHz、16％的扫描在103-227m^-1的范围内变化

L＝管道的长度

d＝管道直径

ε＝大气的介电常数，范围从空气的1.0006到压缩丙烷的1.02，

X是适合的Bessel根，其对于H₁₁是1.841，对H₀₁是3.832并且对于H₀₂是7.016。

从等式(1)可知，相位具有对频率的略微非线性相关并且非线性度可以由抛物线匹配估计而不是线性的。该非线性度可以表示为弧高度并且为在管道中传播而以高精度算出，其在此情况中接近于截止。该弧高度可用于计算管道直径作为沿着管道测量片段的平均值。

该“原始距离”L^＊被估算为导数：

并且该估算典型地由最小平方法完成，并且在管道L^＊的情况中由接近于1的因数f调整。在实际中，以下更简单的估算可用于给出L^＊，如：

其中k₁和k₂是扫描的终点。

从(1)和(2)，对于变化的ε测量距离的偏差可以被估算为：

当上面的括号为零时气体无关(gas independence)的条件满足，其还可以用公式表示为相应于中心频率的k：

$0.5\mathrm{kd}\sqrt{\mathrm{\ϵ}}=\sqrt{2}X---\left(5\right)$

管道直径作为参考长度加入计算以便直径的百万分率(ppm)精度必须比所需ppm距离精度更好。因此任何直径测量是无用的(在ppm-尺度中)并且仅仅旋转对称模式(H_on和E_on)可用于避免从理想圆形偏离的任何影响。为此目的，两种同时波导模式，优选地H₀₁和H₀₂，可被用于获得两个L^＊，其间的差异是视为实际路径上的平均值的管道直径的精确量度。

如果由H₀₁和H₀₂测量的原始距离(从等式(2))表示为L⁰¹和L⁰²，则可以看出我们形成了一种相应于自由空间的“平均”L^FS：

$L^{\mathrm{FS}}=\frac{L^X{L}^Y\sqrt{Y^2-X^2}}{\sqrt{\left({\mathrm{YL}}^Y\right)2-{\left({\mathrm{XL}}^X\right)}^2}}=L\sqrt{\mathrm{\ϵ}}---\left(6\right)$

L^FS不取决于直径变化(或者局部或者公共的)而是单独取决于介电常数。来自等式(2)的L^＊一方面取决于直径而非介电常数。从空储罐校准记录值L^FS，L^＊以及弧高度开始，我们可以计算通过储罐测量部分的直径曲线。所述直径曲线将是随时间恒定的(除了可预测的温度变化)并且随后被用来获得整个储罐的CTS精度。

另外，两模式测量将其他环境变化考虑在内，诸如温度变化和所用钢材的热膨胀，以及非均匀管道直径的影响。该管道可以由6m部分制造，其可以具有+/-0.5％精度的直径。H₁₁或者其它极化模式优选地没有使用，因为H₁₁将具有极化相关速度，并且需要基本上理想的圆形管道。

波导管优选地在可用标准中选择并且允许在可用范围内的频率的使用。例如可以使用一种具有52.5mm标称内径的2″SCH 40。将ε＝1.01作为平均介电常数，中心频率优选地选择为大约9781MHz。这能被用于30-40m。替换地，可以使用一种3.5″SCH 10管道，其具有95.5mm内径的并且借助于大约9843MHz的中心频率来满足(5)的气体无关条件。

管道直径可能在段与段(典型地6m长)之间变化百分之一的十分之几，因此在最差偏差的情况下厘米范围内的偏离不是不可能。两模式传播的使用是一种稳定方法并且优选地H₀₁和H₀₂同时被使用。两种传播模式都是旋转对称的，因而对与机械圆的普通偏差(即＜1％)不敏感并且可以在相同模转换器结构中产生。

用H₀₂调节到等式(5)的测量比相同频率和直径的通过H₀₁的测量给出长30％的原始距离。在本发明的简化方法中，这些模式同时被允许。这些同时模式借助于转换元件、例如比常规设计短的多的圆锥转换被获得。

至少对大于约2-3m的距离，该两模式将作为两个很好分离的回波，其可没有彼此干扰地被测量。同时建立两个模式(H₀₂和H₀₁)的模式转换器可以被使用并且最直接的方法是使用圆锥转换2″到4″，其根据常规设计是太短的。保持旋转对称，将通过短圆锥体产生H_0n模式并且适当的直径将限制所产生的模式为H₀₁和H₀₂。另一种方式是使用结合旋转对称机械干扰的H₀₁转换器。

对于小距离的限制在大多数实际情形中不是一种严格的限制。例如在标准尺寸的球体中，球体的98％容量出现在其直径的11/12或者在24m球体中低于顶端2m。未使用的液位间隔中的精度降低通常是可接受的。

作为本发明实施例的一个实际例子，假设大约10GHz的频率。在此情况中2″40管道可用作到达气体无关条件并且以H₀₁模式馈送微波信号的发射机波导。作为管波导，至少对于更深的储罐(40-50m)，一种更厚的管道，例如3.5″SCH 10可以被使用。然后从2″SCH 40到3.5″SCH 10的圆锥转换可以作为转换元件被使用。为了获得对第二传播模式的恰当流入，一种比按标准获得的明显更短的圆锥体被使用，结果是微波功率的已知部分(例如50/50)流入H₀₂中。在此情况中，代替大约0.5m的标准长度(依据精确形状)，一种50-100mm直圆锥体可用于提供所需的模式混合。低于圆锥体的管道直径不会允许H₀₃经过并且旋转对称不会产生H₀₁/H₀₂之外的其他模式。因此，通过适当短的圆锥体，所需模式混合将出现。

本发明的具体实施例现在已经被说明。然而，一些替换是可能的，如本领域技术人员所显而易见的。例如，许多不同组件可以用于执行液位计系统和处理电路的不同功能，对本领域技术人员将很清楚。进一步地，第一模式和第二模式的信号功率之间的关系也可以变化。这种及其他明显的改进必须被认为在本发明的范围之内，由所附权利要求定义。

Claims (23)

1.一种用于计量容器中的装填物的液位的雷达液位计系统，包括：

向所述装填物的表面延伸的波导；

用于在波导中发送第一传播模式的微波信号的发射机；

用于接收从所述装填物的表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机；以及

用于根据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及

连接波导和发射机的转换元件，其中所述转换元件设置为允许一部分发送的微波信号流入第二传播模式；

其中所述第一和第二传播模式处于容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同传播模式传播的频带之内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收所述微波信号。

2.如权利要求1的雷达液位计系统，用于计量容器中的液体的液位，在所述液位之上存在气体，其中该波导通过所述气体向所述液体的表面延伸。

3.如权利要求1或2的雷达液位计系统，其中第一传播模式是H₀₁模式，而第二传播模式是H₀₂模式。

4.如权利要求1-3中任何一项的雷达液位计系统，其中所述波导具有不允许H₀₃模式通过的尺寸。

5.如权利要求1-4中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件被设置为使微波功率的20-80％流入第二传播模式。

6.如权利要求1-5中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件被设置为使微波功率的40-60％流入第二传播模式。

7.如权利要求1-6中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件基本上被形成为圆锥形。

8.如权利要求1-7中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件在轴向上的长度小于0.25m。

9.如权利要求1-8中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件在轴向上的长度在0.05-0.10m范围内。

10.如权利要求1-9中任何一项的雷达液位计系统，其中所述处理电路被设置为根据每个传播模式中的反射微波信号估计所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性，并且使用所述一个或多个属性的所述估计来计算所述容器中所述装填物的校正的液位。

11.如权利要求10的雷达液位计系统，其中所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述波导的长度的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内壁上杂质特别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存在。

12.如权利要求1-11中任何一项的雷达液位计系统，其中将反射电抗设置在所述波导中，以便在所述至少两种不同传播模式中的一种模式中比在所述至少两种不同传播模式中的另一种模式中给出实质上更强的微波信号反射。

13.一种计量容器中的装填物的液位的方法，包括步骤：

通过波导向所述装填物的表面发送第一传播模式的微波信号；

接收从所述装填物的表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号；以及

根据所述反射微波信号确定容器的填充液位，其中：

所述发送的微波信号的一部分被允许流入第二传播模式，第一和第二模式二者均处于容许在所述波导中传播所述微波信号的频带内；以及

所述微波信号以所述两种不同传播模式被接收。

14.如权利要求13的方法，用于测量容器中的液体的液位，在该液位之上存在气体，其中该波导通过所述气体向所述液体的表面延伸。

15.如权利要求13或14的方法，其中第一传播模式是H₀₁模式，而第二传播模式是H₀₂模式。

16.如权利要求15的方法，其中流入H₀₃模式被禁止。

17.如权利要求13-16中任何一项的方法，其中所述微波功率的20-80％流入第二传播模式。

18.如权利要求17的方法，其中所述微波功率的40-60％流入第二传播模式。

19.如权利要求13-18中任何一项的方法，其中流入第二传播模式发生在基本上形成为圆锥形的转换元件之中。

20.如权利要求13-19中任何一项的方法，其中所述转换元件在轴向上的长度小于0.25m。

21.如权利要求13-20中任何一项的方法，其中每种传播模式的反射微波信号用于估计波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性，并且使用所述一个或多个属性的所述估计来计算所述容器中所述装填物的校正的液位。

22.如权利要求21的方法，其中所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述波导的长度的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内壁上杂质特别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存在。

23.如权利要求13-22中任何一项的雷达液位计系统，其中反射电抗设置在所述波导中，以便在所述至少两种不同传播模式中的一种模式中比在所述至少两种不同传播模式中的另一种模式中给出实质上更强的微波信号反射。

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