CN101292137A - 雷达水平计系统及用于该系统的传输线探针 - Google Patents

Abstract

提供一种测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统，所述雷达水平计系统包括：设置在所述容器外的配置成发射微波能量的发射机，设置在所述容器外的配置成接收反射微波能量的接收机；以及包括至少一个探针线的配置成引导向所述内容发射的微波能量和从所述内容反射的微波能量的传输线探针，所述探针至少部分设置在所述容器内，其中所述传输线探针还包括至少封装所述至少一个探针线的相当大的部分的介质封装结构，所述介质封装结构用来减小待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响。采用以上系统的优点是在测量包含在容器内的内容的填充水平时，由于介质封装结构减小了内容所引入的衰减，精度被提高。

Description

雷达水平计系统及用于该系统的传输线探针

技术领域

本发明涉及测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统。本发明还涉及这种系统内所用的传输线探针。

背景技术

过程控制和运输行业用过程参数计监视与化学制剂、石油、药剂、食物等行业内诸如固体、液体和气体之类的物质关联的过程参数。过程参数包括压力、温度、流量、水平、化学成分和其他特性。为测量包含在容器内的物质的水平，通常使用雷达水平计系统。这些系统通常使用发射微波能量的发射机、接收所述所发射的微波能量的反射部分的接收机和根据雷达回波估计距离的控制器。在很多情况下，使用朝向表面的窄波束天线(“不接触式雷达”)，但是根据容器的结构和设计以及根据存储在容器内的物质，可以使用传输线探针。传输线雷达称为“接触式雷达”或“导波雷达”(GWR)，是一种避免来自表面的雷达回波可能被来自容器内各种障碍物的回波干扰的问题的方式。

使用传输线探针在测量两种物质(诸如空气与油)之间的界面水平时特别合适。

为此，可以使用双线传输线探针、稍微穿孔的同轴线或单线表面波导。实际的限制确定了在什么情况下使用不同类型的传输线，例如同轴线只能用于非常清洁的液体，因为无法控制沉淀物在管内的累积。在(通常是垂直的)传输线通过液面或两种液体之间的界面时，由于传输线周围的物质的介质常数，传输线的特性改变。沿传输线传播的雷达波将部分在界面处反射，与传输线连接的雷达水平计可用该反射来估计水平。

US6085589揭示了一种测量容器内的物质的水平的系统，这种系统包括适合设置成与容器内的物质接触的传输线探针。一些电子组件与传输线探针耦合，用来沿探针发射微波辐射和检测由于容器内空气/物质界面处的电抗突变而反射的辐射。容器内空气/物质界面的水平用时域反射测量技术(TDR)确定。按照这个所揭示的系统的一个实施例，传输线探针包括一些平行探针线，这些平行探针线由介质隔片相互隔开。这使这些探针线可以适当分开和平行对准。

然而，这种系统和现有技术中使用平行探针线的其他类似系统有着会提供不够精确的测量的问题，例如在测量三种物质(例如空气/油/水)之间的两个界面水平时。已知有些容器气氛，例如受压的铵，会使雷达信号在向下传递到表面期间衰减。在这种情况下的一个典型问题例如是上部的液体引入衰减，使得在雷达必须通过一厚层上部液体时界面回波太弱。此外，使用传输线探针的现有技术系统会有受到包含在容器内的内容侵蚀的问题。

因此，本发明的目的是提供一种解决至少一些上述问题的改进的传输线探针。

发明内容

这个目的是用如在所附权利要求书中所给出的用于测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统和传输线探针来实现的。所附的从属权项给出了按照本发明的一些优选实施例。

按照本发明的第一方面，所提供的是一种测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统，所述雷达水平计系统包括：配置成发射微波能量的发射机；设置在所述容器外的配置成接收反射微波能量的接收机；以及包括至少一个探针线的配置成引导向所述内容发射的微波能量和从所述内容反射的微波能量的传输线探针，所述传输线探针至少部分设置在所述容器内，其中所述传输线探针还包括至少封装所述至少一个探针线的相当大的部分的介质封装结构，所述介质封装结构具有使待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响减小的厚度。采用以上系统的优点是在测量包含在容器内的内容的填充水平时，由于介质封装结构减小了内容所引入的衰减精度被提高。本发明通过所述介质材料减小衰减，这也适用于具有大的衰减的气氛的情况。因此，甚至在传输线探针穿过介质环境的情况下和待测量的水平低于介质材料层时也可以得到精确的测量结果。所谓“至少封装所述至少一个探针线的相当大的部分”应理解为指的是封装了探针有效部分区域的显著部分。优选的是，基本上完全封装传输线探针的插入容器内的部分，或者至少是传输线探针的与包含在容器内的内容接触的部分。优选的是，传输线探针的有效部分在轴向也基本上或完全封装。此外，介质封装结构还为这至少一个探针线提供了保护性屏蔽，从而保护这至少一个传输线免受容器内的内容的侵蚀之类。在一个实施例中，传输线探针包括平行的探针线，这些平行探针线的至少相当大的部分被所述介质封装结构封装。然而，可以有各种替换方式，诸如在例如第一探针线是由如上所述的一个封装探针线构成的情况下，第二探针线可以由例如容器壁或角挡板构成。

特别是，本发明可以用来同时确定从一些液面的反射。在这种情况下优选的是，系统配置成接收从容器内的至少两个物质界面的反射。这样的一个优点是，在例如容器填有多层物质时可以精确地测量若干水平，因此可以测量甚至最接近容器底的第二内容的水平。在待测量的内容包括油而最接近底的内容包括水的情况下，采用按照这个实施例设计的系统就能抵消底部内容(水)从而提供对待测量的“真正”内容(油)的更为精确的测量结果。在另一个实施例中，提供了一种雷达水平计系统，其中所述介质封装结构包括形成所述传输线探针的外表面的外表面和配置成离所述至少一个探针线有一段距离的内表面。优选的是，所述介质封装传输线探针的外表面到所述至少一个探针线的外表面的距离(D)大于所述至少一个探针线的半径(R)的二分之一，更为优选的是大于所述至少一个探针线的半径(R)，而甚至更优选的是大于所述至少一个探针线的半径(R)的两倍。半径在这里应理解为不仅是指具有圆形截面的探针线的普通半径，而且也指在截面为非圆形的其他情况下中心点与外边界之间的最小距离。采用上述厚度，以上所说明的介质封装结构可以非常有效地减小待测量的内容所引起的衰减微波能量的影响。熟悉该技术领域的人员可以理解，本发明的这个实施例还更加减小了容器内的内容的侵蚀作用。这个实施例的一个可行的实现是将这至少一个探针线放在例如塑料管内。在这种情况下，管和在管与至少一个探针线之间的部分就成为介质封装结构的部分，从而减小了待测量的内容所引起的衰减微波能量的影响。

管与这至少一个探针线之间的部分可以充以气体，诸如环境空气。然而，在一个优选实施例中，所述介质封装结构的内表面与所述至少一个探针线之间的部分至少部分填有固体介质填充材料。厚塑料封装是简单可行的，但固体介质填充材料也可以从晶态和非晶态材料中选择，诸如为陶瓷或玻璃。这个实施例将具有较低的传播速度，具有进一步减小待测量的内容所引起的衰减微波能量的影响的优点。

本发明的传输线探针可以认为是部分外部介质(PED)传输线探针。按照本发明的PED传输线探针由设置在所述容器内的被所述介质封装结构封装的所述传输线探针形成。

沿传输线的传播速度表征为有效介质常数ε_eff，它是传输线本身(可以多于一种材料)绝缘情况的介质常数ε_int与周围媒体(空气、油等)的介质常数ε_ext之间的一种平均值。传播速度为光速除以ε_eff的平方根，对于距离测量来说是关键性的。PED传输线的典型特征是ε_eff取决于传输线本身(ε_int)和周围媒体(ε_ext)。

介质封装结构和周围物质所提供的绝缘度可以表征为“绝缘因数”α，作为ε_ext的函数，它是ε_eff的相对导数。绝缘因数α基本上为：

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ext}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ext}}}$

α＝0意味着没有外部介质的影响，这是可以安装在任何地方而不受环境影响的同轴线缆等的正常情况，而α＝1或者非常接近1表示现有技术雷达水平计所用的传输线(即基本上是裸露的传输线，可能具有PTFE的保护层，诸如此类)。如果将这导数估计为差分，在ε_ext从2改变到3(包括大多数类型的油)时将α看作ε_eff的改变是最为适当的。绝缘因数α对ε_ext具有相当慢的相关性，因此选择ε_ext来表征α不是关键性的，通常在周围介质具有如1-3那样的低的介质常数时α接近它的最大值。为了根据实验室测量得到α，ε_eff在双导体传输线的情况下与传输线之间的电容量密切相关，从而在式中可以将ε_eff改为电容量。

所提出的系统优选的是使用中间值，诸如0.2≤α≤0.8，更为优选的是0.2≤α≤0.5，以便可以减小上层的衰减而保持下面的界面的反射，这样仍然能测量。这样，下面的水平界面的反射将有所减小，但是由于通过上层物质的衰减随厚度而增大，界面反射与厚度无关，因此可以相当大的提高通过厚层进行测量的可能性。熟悉该技术领域的人员根据上述讨论可以理解，这提供了一种得到改善的方式来测量例如在三种物质(例如空气/油/水)之间的两个界面的水平。这种方法还减小了容器气氛内的某些气体的衰减。

为了例示绝缘因数α的影响，图5a和5b示出了两个所计算的例子。雷达水平计表现为频率为0.5GHz(与脉冲宽度为1ns相应)。此外，上层的介质常数ε为2.5，损耗因数为0.05和0.02的情况分别示于图5a和5b。对于三个不同的上层厚度(12.8m、5.3m和0.2m)，计算了通过液体的介质衰减和界面处的反射衰减之和。如果所用的雷达系统能在这两项衰减之和低于40dB时进行测量，图5a的曲线表明除了对于非常小的绝缘因数(α)的值，特别是对于选择α＝1的现有技术，可以通过0-5.3米的油进行测量。更厚的层以α～1进行测量就不行了，但是用绝缘因数的最佳值(在这种情况下为0.15)就在油层厚到12.8m时也可以测量。对于液体的损耗因数较小(0.02)的情况，曲线稍有改变，如图5b所示。在这个图中，使用与图5a中相同的距离，现在所有三个距离(即直到12.8m)都可以用选择α～1的现有技术测量，但是使用α的最佳值衰减就可以减小约五倍(在功率上)。在实际安装中，可以用出现的最大损耗因数来选择最佳绝缘因数，因为所有低一些的损耗因数将给出较小的衰减。

按照本发明的又一方面，提供了一种用于测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统的传输线探针，其中所述传输线探针包括：至少一个配置成引导向所述内容发射的微波能量和从所述内容反射的微波能量的探针线；以及基本上封装所述至少一个探针线的介质封装结构，所述介质封装结构配置成减小待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响。如上面就本发明的第一方面所说明的，这种新颖的传输线探针具有多个优点，例如在测量包含在容器内的内容的填充水平时由于介质封装结构减小了内容所引起的衰减因而改善了精度。此外，按照本发明的传输线探针还可以以更精确的方式测量最接近容器底的内容的水平。

从所附权利要求书和以下说明中可以清晰地看到本发明的另一些特征和优点。熟悉该技术领域的人员可以理解，本发明的不同特征可以以其他方式组合起来，形成与下面所说明的实施例不同的实施方式。

附图说明

下面将较为详细地结合附图对本发明进行例示性的说明，在这些附图中：

图1例示了安装到容器系统上的按照本发明的雷达水平计系统；

图2例示了按照本发明的雷达水平计系统的详细视图；

图3例示了用于按照本发明的雷达水平计系统的优选传输线探针的例子；

图4在两幅图中例示了分别按照现有技术和本发明的从物质界面反射的信号；

图5在两幅图中例示了对于介质封装结构的一些典型厚度的不同绝缘因数α的衰减情况。

具体实施方式

在本说明中，同样的标号所标的是相应或类似的结构和组件。

在图1中示出了按照本发明的雷达水平计系统的一个例子。在这里，雷达水平计系统1已经安装到容器2上。在容器2内，已经存放了诸如油之类的内容3。在容器2没有完全充满时，容器的顶部将包括一层气体，通常是空气4。通常在容器内还存在少量的水(由于冷凝而引起的)，这层水5可以在容器2的底部看见。然而，熟悉该技术的人员可以理解，对于许多其他类型的容器和罐和对于许多其他类型的填充物质都可使用本雷达水平计系统。

雷达水平计系统1还包括发射机和接收机，优选的是包括组合在一起的发射机和接收机的收发机6，用来发射和接收微波能量。此外，系统还包括传输线探针7，配置成引导向容器2内的内容发射的微波能量和从容器2内的内容反射的微波能量。传输线探针7从雷达水平计系统1垂直伸到容器2的底部，从而至少部分与容器2内的油内容3和水内容5接触。

在测量作业期间，脉冲微波能量将从收发机6的发射机部分发射，通过传输线探针7传输，从而由内容界面8(空气/油)和内容界面9(油/水)所引起的第一和第二反射微波能量通过传输线探针7将被传回到收发机6的接收机部分。可以用使用时域反射测量技术(TDR)的控制器来分析从发射微波能量到接收到反射之间的时间，从而可以计算出到第一和第二内容界面8和9的距离。将从容器底到第一界面8的距离减去从容器底到第二界面9的距离，就可以得到表示“真正内容”(油)的水平的精确测量水平。然而，熟悉该技术的人员可以理解，在这里所说明的传输线探针和雷达水平计系统也可以用于其他类型的本身公知的测量作业。例如，可以使用TDR之外的其他脉冲测量作业，或者使用诸如在FMCW中的连续发射微波能量。以上功能说明用空气/油/水作为例子，应指出的是，如果绝缘因数α充分低于1，就可以测量通过水的底回波和测量精确的底回波。这种可能性能提高精度，因为现有技术的探针通常掩蔽了通过对雷达几乎不透明的水的底回波。

在图2a中示出了图1所示的雷达水平计系统1的详细情况。如图1所示，雷达水平计系统1已经安装到容器2上(可以看到容器的顶部)，它包括收发机6和传输线探针7。传输线探针垂直地安装在容器2内，至少部分与容器的内容3、4和5接触。此外，还可以看到第一界面水平(气/油)8和第二界面水平(油/水)9。

图2b示出了图2a中垂直延伸的传输线探针7的详细剖视图。传输线探针7包括平行探针线10和介质封装结构11，其中介质封装结构11用来减小待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响，并保护探针线不受侵蚀之类。

图3a为按照本发明的传输线探针7的径向剖面图。在这个实施例中，探针线10由介质结构11封装。从介质封装的传输线探针7的外表面到每个平行探针线10的外表面的距离D大于每个平行探针线的半径R。这为传输线探针7提供了有效的抗蚀能力和改进的测量性能。图3b为按照本发明的另一个实施例设计的传输线探针7的径向剖面图。在这个实施例中，探针线10设置在塑料管12内，塑料管12用作封装探针线10的外结构。结构封装管12的内表面之间的体积13可以或者包括诸如空气之类的气体或者至少部分填有固体或液体介质填充材料。在体积13填有固体介质填充材料的情况下，优选的固体介质填充材料是从诸如陶瓷或玻璃之类的晶态和/或非晶态材料中选择的。

图3c为按照本发明的又一个实施例设计的传输线探针7的径向剖面图。在这个实施例中，在围绕介质封装传输线探针7的外表面的任一点上从介质封装传输线探针7的外表面到每个平行探针线10的外表面的距离D是相等的。这个实施例提供了系统总介质常数可以较容易计算的传输线探针7，因为在围绕介质封装传输线探针7的外表面的任一点上待测量的内容所引起的衰减微波能量的影响将是相同的。

图3d为按照本发明的又一个实施例设计的传输线探针7的径向剖面图。在这种情况下，单线探针线10设置在用作封装探针线10的外结构的塑料管12内。结构封装管12的内表面之间的体积13可以或者包括诸如空气之类的气体或者至少部分填有固体或液体介质填充材料。

图3e例示了以与图3d同样的方式设置在塑料管12内的单个探针线10。在这个实施例中，中心件15将探针线10保持在管12内中心。

在图3f中，单个探针线10覆盖有绝缘材料16。作为一个例子，绝缘探针线10还配置在角挡板17上。在这种情况下，用金属带或角挡板17作为第二导体。在另一种情况下，可以用容器的壁代替角挡板17作为第二导体。

以类似的方式，图3g例示了覆盖有绝缘材料16的单线探针线10。金属覆盖层17包围了探针线10的约60-80％。如图3f所示，用金属覆盖层17作为第二导体。

如上所述，这种单个探针线与第二导体的组合起着平行探针线的作用。在这种情况下，平行探针线将是不对称配置的。

此外，使用被绝缘的单线探针允许另外选择受保护的导体的传导材料。优选的是，选择铜作为导体。

图4a示意性地例示了按照现有技术所得到的从两个物质界面8和9(如图2a所示)反射的信号峰8′和9′。如可以看到的那样，反射信号9′由于所测量的内容的介质作用而被衰减。

在图4b中，示意性地例示了与图4a中的相同的反射信号峰，但是在这里使用的是按照本发明的介质封装传输线探针。与图4a中的情况相同，存在从两个物质界面8和9反射的信号峰8″和9″。在这个实施例中，封装结构将对峰8″有小衰减影响，同时使得减小了使峰9″衰减的衰减微波能量的影响，因此产生了较大的底部物质界面反射峰。

熟悉该技术领域的人员可以理解，对以上详细说明的本发明的实施例的许多改变和替换都是可行的，本发明并不局限于以上所说明的这些优选实施例。相反，在所附权利要求书的范围内许多修改和变动都是可行的。例如，传输线探针如所说明的那样可以用于基本上所有可用类型的雷达水平测量。此外，封装介质覆盖层可以用许多不同的方式例如使用不同的厚度、不同的介质材料等实现。而且，传输线探针可以具有多于两个的探针线，诸如具有四个或六个探针线之类。

Claims (23)

1.一种用于测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统，所述雷达水平计系统包括：

配置成发射微波能量的发射机；

设置在所述容器外的配置成接收反射的微波能量的接收机；以及

包括至少一个探针线的传输线探针，配置成引导向所述内容发射的微波能量和从所述内容反射的微波能量，所述传输线探针至少部分设置在所述容器内，

其中，所述传输线探针还包括至少封装所述至少一个探针线的相当大的部分的介质封装结构，所述介质封装结构具有使待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响减小的厚度。

2.按照权利要求1所述的雷达水平计系统，其中所述传输线探针包括平行探针线，所述平行探针线的至少相当大的部分由所述介质封装结构封装。

3.按照权利要求1-2中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述配置在所述容器内的被所述介质封装结构封装的所述传输线探针是部分外部介质PED传输线探针。

4.按照权利要求1-3中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述介质封装结构提供大于或等于0.2而小于或等于0.8的绝缘因数α。

5.按照权利要求1至3中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述介质封装结构提供大于或等于0.2而小于或等于0.5的绝缘因数α。

6.按照权利要求1-5中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述系统用来接收从所述容器内的至少两个物质介面的反射。

7.按照权利要求1-6中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述介质封装结构包括形成所述传输线探针的外表面的外表面和配置成离所述至少一个探针线有一段距离的内表面。

8.按照权利要求1-7中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)的二分之一。

9.按照权利要求1-8中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)。

10.按照权利要求1-9中任一项所述的雷达水平计系统，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)的两倍。

11.按照权利要求7所述的雷达水平计系统，其中所述介质封装结构的内表面与所述至少一个探针线之间的体积至少部分填有固体介质填充材料。

12.按照权利要求11所述的雷达水平计系统，其中所述固体介质填充材料是从包括晶态材料、非晶态材料、陶瓷和玻璃的组中选择的。

13.一种用于测量包含在容器内的内容的填充水平的雷达水平计系统的传输线探针，所述传输线探针包括：

配置成引导向所述内容发射的微波能量和从所述内容反射的微波能量的至少一个探针线；以及

基本上封装所述探针线的介质结构，用来减小待测量的所述内容所引起的衰减微波能量的影响。

14.按照权利要求13所述的传输线探针，其中所述传输线探针包括平行探针线，所述平行探针线的至少相当大的部分被所述介质封装结构封装。

15.按照权利要求13或14所述的传输线探针，其中所述配置在所述容器内的被所述介质封装结构封装的传输线探针是部分外部介质PED传输线探针。

16.按照权利要求13至15中任一项所述的传输线探针，其中所述介质封装结构提供大于或等于0.2而小于或等于0.8的绝缘因数α。

17.按照权利要求13至16中任一项所述的传输线探针，其中所述介质封装结构提供大于或等于0.2而小于或等于0.5的绝缘因数α。

18.按照权利要求13至17中任一项所述的传输线探针，其中所述介质封装结构包括形成所述传输线探针的外表面的外表面和配置成离所述至少一个探针线有一段距离的内表面。

19.按照权利要求13至18中任一项所述的传输线探针，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)的二分之一。

20.按照权利要求13至19中任一项所述的传输线探针，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)。

21.按照权利要求13至20中任一项所述的传输线探针，其中所述探针线的介质封装结构的外表面到所述探针线的外表面的距离(D)大于所述探针线的半径(R)的两倍。

22.按照权利要求18所述的传输线探针，其中所述介质封装结构的内表面与所述至少一个探针线之间的体积至少部分填有固体介质填充材料。

23.按照权利要求22所述的传输线探针，其中所述固体介质填充材料是从包括晶态材料、非晶态材料、陶瓷和玻璃的组中选择的。

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