CN102564527A - 用于雷达料位计的高频模式发生器 - Google Patents

Abstract

一种雷达料位测量系统，用于确定与到储存罐中的产品的表面的距离相关的至少一个过程变量，该系统包括：收发器电路；处理电路；波导结构，被布置为向该表面引导测量信号；以及辐射体，其连接到收发器电路，并且被布置为将测量信号发射到波导结构中。该系统还包括模式发生器，适合于将从辐射体发射的电磁波从第一传播模式转换为第二传播模式，其中，模式发生器包括具有对工作频率范围内的电磁波透明的体的形式的透镜。使用这种设计，由辐射体发射到透镜中的具有第一传播模式的电磁波将在透镜内被反射至少两次(首先在底表面中，然后在上表面中)。在第二次反射(在透镜的上表面中)时，传播模式将改变，并且射出透镜的电磁波将具有第二传播模式。

Description

用于雷达料位计的高频模式发生器

技术领域

本发明涉及一种具有波导结构和高频模式发生器的类型的雷达料位测量系统，该波导结构被布置为向储存罐中的表面引导测量信号。

背景技术

用于测量储存罐中的液体或者其它填充材料的料位的雷达料位测量系统是公知的，这种系统通常包括：发送器，用于向液体的表面发送微波信号；接收器，用于接收从液体的表面反射的微波信号；以及信号处理设备，用于根据发送的微波信号和接收的微波信号的传播时间，来计算储存罐中的液体的料位。这种设备变得越来越重要，尤其对于诸如原油和由原油制造的产品的石油产品。储存罐可以是构成油船的总装载体积的部分的大容器，或者是更大的通常为圆柱状的具有几十或几百立方米的体积的基于陆地的储存罐。

在一些应用中，储存罐可能包含产生干扰反射的内部结构。在其它应用中，储存罐可能具有适合于被定位为接近表面的移动顶部。在这两种情形下，向测量仪器提供一般称为“静止管道”的具有圆形截面的波导结构是有利的，该波导结构从天线延伸到储存罐的内容中。

这种波导结构中的最适合的传播模式是H₀₁模式。为了在这种模式下产生电磁辐射，可以使用具有片阵列馈送器(patch array feeder)的电路板。馈送并形成辐射体元件(片或者槽)，以建立对于H₀₁传播模式典型的圆周电场。然而，对于高频，由于极限容限而难以制造这种馈送器。同时，诸如26GHz带的高频带由于其提供高精度，因而非常适合雷达料位测量目的。此外，由于实际原因，希望针对使用静止管道的应用以及其它应用，使用相同类型的电子设备单元。因此，存在对易于适合于较高频率的H₀₁模式发生器的需要。

在天线的设计中使用光学元件是公知的，其示例包括在其开口之上具有透镜的喇叭形天线和各种反射器天线。尤其使用基本光学设计制造用于较高频率的笔束(pencil-beam)天线更加容易。

在US 4,641,139中示出了静止管道中的模式发生器的一个示例。根据这种设计，在静止管道的截面中设置反射曲面，稍微进一步向下设置另一曲面。下表面由传导辐射图案构成，使其仅能够透射圆周模式。上表面由螺旋形的“扭转”传导图案构成，其中，每个引线与半径形成45度角。这种螺线图案在其背后由四分之一波长的全金属表面支撑，该组合使径向场旋转成圆周场，反之亦然。已知扭转反射器和对于一个反射透明的片材的组合为“透明扭转(tran-twist)”反射器，并且在用于线性极化波的许多反射器天线中使用。

将由下表面向上表面反射来自环形辐射体的径向电磁辐射(E₀₁模式)。在被上表面反射时，扭转图案将使径向E₀₁模式旋转成具有圆周电场的H₀₁模式。现在，将由下表面中的径向图案传输H₀₁束，并将其发射到储存罐中。在反射时，表面的曲率产生聚焦效果，保证平行束通过管道的整个截面发射到储存罐中。

虽然提供了几个优点，但是根据US 4,641,139的解决方案需要非常小尺度的曲面构成，尤其薄塑料片材可能对于制造具有挑战性。此外，下表面的结构强度可能出现问题，该表面的任何移动将影响测量仪器的精度。

发明内容

本发明的主要目的是克服、或者至少减轻上述缺点，并且提供一种具有改进的模式发生器的静止管道型雷达料位计。

根据本发明的一个方面，由雷达料位测量系统来实现该目的和其它目的，该雷达料位测量系统用于确定与到储存罐中的产品的表面的距离相关的至少一个过程变量，该雷达料位测量系统包括：收发器电路，被布置为生成测量信号，以及接收反射信号；处理电路，其连接到收发器电路，并且被布置为基于测量信号和反射信号之间的关系来确定过程变量；波导结构，被布置为向表面引导测量信号，以及返回反射信号；以及辐射体，其连接到收发器电路，并且被布置为以第一传播模式将测量信号作为工作频率范围内的电磁波发射到波导结构中。该系统还包括：模式发生器，适合于将从辐射体发射的电磁波从第一传播模式转换为第二传播模式，其中，模式发生器包括具有对工作频率范围内的电磁波透明的体的形式的透镜，透镜被布置在波导结构中，并且具有与波导结构的中心轴对齐的光轴。透镜具有：面向储存罐的底表面，该底表面适合于透射具有所述第二传播模式的电磁波，而反射具有所述第一传播模式的电磁波；以及与底表面相对的上表面，该上表面适合于反射电磁波，并且在反射时使所述电磁波的场旋转，以将所述电磁波的传播模式从所述第一传播模式和所述第二传播模式之一改变为另一个。上表面在面向所述辐射体的区域中对于电磁波是透明的。

利用这种设计，由辐射体向透镜中发射的具有第一传播模式的电磁波在透镜内至少被反射两次(首先在底表面中，然后在上表面中)。在第二次反射(在透镜的上表面中)时，传播模式将改变，射出透镜的电磁波将具有第二传播模式。

在现有技术的解决方案中，由通过热成形而制造为非平坦的一个或两个薄PCB(聚乙烯PCB)来产生聚焦效果，与现有技术的该解决方案相比，根据本发明的该方面的透镜对于亚毫米精度更稳定，并且还使得更容易避免不希望的反射。通过制作透镜形式的模式生成器，尤其在固体透镜的情况下，还有效地避免了结构强度不足的问题。

通过使用光学元件(透镜)，可以不仅通过反射，还通过具有不同折射率的介质之间的曲线过渡的折射，获得聚焦效果。例如，底表面可以是凸起的，并且所述透镜的折射率大于周围介质，因此从储存罐入射的平行于透镜的光轴的电磁波在进入透镜时向光轴折射。然后，入射的波被上表面反射，并且在底表面中第二次被反射。

可以选择下表面的曲率，使得折射和两次反射的组合效果产生焦点，在焦点处布置辐射体。来自辐射体的辐射然后作为平行束发射到储存罐中。

透镜的凸起的下表面还有利于避免该表面上的剩余凝聚。

可以使提出的设计具有相对低的轮廓(在管道的轴向上较小的延伸)。为了使透镜更薄，也可以将上面形成为透镜。

然而，从制造的观点，基本平坦的上表面最可能是有利的。例如，基本平坦的上表面使得能够使用用于印刷电路板的传统工艺实现螺旋图案。这在设计螺旋扭转图案以及其中心的馈送结构(辐射体)时提供更大的灵活性。

附图说明

参考附图更详细地描述本发明，附图示出了本发明的当前优选实施例。

图1示出安装了雷达料位计的浮顶储存罐。

图2更详细地示出了雷达料位计。

图3示出螺旋图案。

图4示出径向图案。

具体实施方式

图1和图2示意性地示出了根据本发明的实施例的雷达料位计(RLG)系统1。RLG 1包括安装在储存罐3上的电子设备单元2。储存罐包含液体4，液体4可以是诸如原油或由原油制造的产品的石油产品，或者以超压力和/或被冷却地存储在容器中的压缩气体。丙烷和丁烷是两种典型的作为液体存储的气体。

单元2容纳：收发器5，用于发送微波信号以及接收反射的微波信号；以及处理电路6，用于基于发送的信号和反射的信号来确定到反射表面7的距离(或者任何其它阻抗转变)。

该系统可以是频率调制连续波(FMCW)RLG系统或者脉冲RLG系统或者任意其它类型的距离测量雷达，但是优选为前者。RLG系统可以具有以可以调节的可变频率发射微波信号的能力。

RLG系统还包括基本竖直的管子或者刚性地安装在储存罐3中的管子的形式的波导10。这里将该波导称为静止管道。在示出的示例中，储存罐3具有浮顶8，即被布置为要由产品4的上表面支持的盖。静止管道10通过浮顶中的开口9。

静止管道10优选是能够用作微波的波导的金属材料的，其可以具有任意截面形状。优选圆形截面，并且在许多情况下，静止管道不是装置的一部分，而是已有储存罐结构的一部分。未示出管子的整个长度，而仅示出了管子的上、下部分。在管子的壁中，对管子设置多个相对小的开口11，这使得能够将流体从容器传送到管子的内部，从而使管子中的液体的料位与容器中相同。经验显示，通过在具有显著大于波长的直径的静止管道中使用H01模式，这些孔对波传播的影响可忽略。

收发器5包括连接到辐射体的发送器波导12或者利用探测器14的馈送器13。辐射体13用作天线，用于将具有第一传播模式的电磁波发射到静止管道10中，并且从管道10接收电磁波。发射的波优选为诸如E₀₁模式的圆形对称径向场。

在示出的示例中，发送器波导12是同轴线缆，辐射体13是针对径向场设计的小喇叭形天线。可能的设计是共轴线路的端部向外呈锥形(中心引线和套管两者)，形成产生径向场的环形开口。该开口的外径可以在介质材料的一个波长的量级，即在10GHz的情况下大约为20mm，在25GHz的情况下大约为8mm。辐射体也可以是产生圆形对称径向场的适合的天线阵列。

RLG还包括模式发生器14，模式发生器14布置在辐射体13下面的静止管道10中，并且适合于将从辐射体13发射的第一传播模式的波转换为第二传播模式的波。

根据所示出的本发明的实施例，模式发生器是在整个静止管道截面上延伸的固体透镜14。

这里的透镜14具有面对辐射体的平坦上表面15和凸起的底表面16。透镜可以由在相关频率范围内，即在1-100GHz的量级内对电磁波透明的任意材料制成。作为示例，透镜可以由PTFE制成，但是一些更类似汽油的塑料材料(例如聚乙烯)也适用。

在具有平坦上表面的情况下，PTFE透镜可能变得相对重(对于20cm的管道大约在2kg的量级)。由于该原因，具有不同质、但是由封入透镜形状的外壳等中的一些人造介质材料(即包括金属件)、固体或液体材料制成的透镜是有利的。

上表面15适合于反射所有电磁波，并且在反射时将传播模式从第一模式改变为第二模式。底表面16进一步适合于透射具有第二传播模式的电磁波，以及反射具有第一传播模式的电磁波。

在所示出的示例中，第一传播模式是在径向上具有圆形对称E场的E₀₁模式，而第二传播模式是在圆周方向上具有圆形对称E场的H₀₁模式。通过静止管道的传播仅利用H₀₁模式，但是由于特殊原因，也可以使用H₀₂模式和更高模式。在本公开中，不仅针对长管道中的稳定传播使用术语“第一传播模式”和“第二传播模式”，还在第一传播模式和第二传播模式由于弯曲表面而收敛或者偏离时使用术语“第一传播模式”和“第二传播模式”。

这里，模式发生器被布置为将波从模式E₀₁(第一模式)改变为H₀₁(第二模式)。辐射体13因此发射被旋转成更有利于传播通过静止管道10的H₀₁的模式E₀₁。

这里，用由从透镜的中心向边缘延伸的一个或若干个螺旋引线17形成的传导图案覆盖透镜的基本平坦的上表面15。螺旋的切线和螺旋图案的半径(即通过透镜的中心的线)之间的角γ是45度。

螺旋图案之上是与螺旋的距离为λ/4(在材料中)的全金属表面20(除了其中心的辐射体之外)。在表面的每个小部分处，与配线平行的电场将被配线反射，而与配线垂直的电场将被全金属表面反射。效果是最后的场将相移180°，并且螺旋图案的结果是，将发生所述第一和第二传播模式之间的偏移。

这意味着使具有诸如H₀₁的径向传播模式的入射辐射旋转成诸如E₀₁的圆周场，反之亦然。

注意，螺旋图案不覆盖透镜的布置了辐射体的中心区域。这允许来自辐射体的辐射进入透镜。

根据一个实施例，将透镜的上表面上的图案形成为印刷电路板(PCB)18。优选地，PCB 18具有四分之一波长的厚度，并且一侧设置有覆盖除中心(在该处布置有辐射体13)以外的整个PCB的环形金属层20，并且在其相对侧设置有螺旋图案形式的结构化金属层17(也不覆盖中心)。具有其两个金属层17、20的PCB 18布置在透镜上，螺旋图案面对透镜。

由从表面的中心直接向其边缘延伸的传导引线18的形式的传导图案，提供透镜的凸起的底表面16。这使得该表面对以H₀₁模式传播的辐射透明，而反射具有径向传播模式的辐射。

周围介质(例如空气)和透镜(这里是PTFE的)之间的转变不仅产生折射，还产生反射。这种反射可能由于作为不希望的模式出现而产生干涉。由于该原因，四分之一波长的介质致密介电材料层对于提供防反射功能是有利的。该层可以由提供合适密度的诸如四分之一波长深度的槽的结构化表面形成。

根据一个实施例，底表面具有被设计为防反射表面的四分之一波长深度的槽19，在这种情况下，可以将径向引线18紧固在槽中。可以也在底表面上使用印刷图案。

由于其形状和其折射率，透镜将具有束形成器(beam shaper)的效果，使得将来自辐射体13的辐射折射为被发射到储存罐中的平行束。从储存罐接收到的束将相反地在位于辐射体开口处的透镜的焦点处被收集。

优选地选择透镜的设计参数，使得透镜的焦点位于接近布置了辐射体13的上平坦表面的中心。如果假设周围介质是介电常数为1的空气，则由下式给出有效焦距F：

$F=\frac{1}{\frac{2}{R}+\frac{1}{\frac{R\sqrt{\mathrm{eps}}}{\sqrt{\mathrm{eps}}-1}-2T}}-T$

其中，T是透镜的厚度，R是曲率半径，eps是透镜材料的介电常数。

如果希望焦点在平坦表面的中间，则应当选择参数以给出F＝O。正的F意味着聚焦在平坦表面上方。作为一个示例，对于PTFE透镜，八英寸管道可以具有R＝138mm、T＝57mm。换句话说，对于PTFE透镜，厚度应当为直径的大约26％(或更大)，并且曲率半径应当为直径的大约62％。如果两个表面都是非平坦的，则需要更详尽的公式。

注意，虽然上面的公式允许曲率和厚度的各种组合，但是也需要透镜在其边缘具有足够的厚度，以提供结构强度以用于其被支持。

在使用中，第一传播模式(这里为E₀₁模式)下的电磁波将从天线发射到透镜中。透镜的下表面的径向图案向上表面反射这些波。当到达上表面时，螺旋图案将E₀₁模式的波转换为第二模式(这里为H₀₁模式)，并且将其反射回下表面。这时，因为波处于H₀₁模式，因此下表面是透明的，并且将波发射到波导中。在反射期间，束已被折射为与静止管道的轴向延伸平行。

透镜以如下方式转换来自下面的入射电磁波，即从储存罐内部反射的波。来自储存罐的入射H₀₁模式将透射通过透镜的下表面，并且由于下表面的曲率而向光轴A折射。下表面中的径向图案将反射其它模式的任何辐射。因此，透镜将起到用于反射波的模式滤波器的作用。

然后，透射的辐射被平坦上表面反射。当在上表面中进行反射时，螺旋图案使场的偏振旋转，使H₀₁模式圆周场旋转成径向E₀₁场。由于上表面的平坦形状，进入的束继续靠近光轴，并且入射到下表面上。因为束现在处于E₀₁模式，因此其被下表面的径向结构完全反射。在多次反射之后，E₀₁模式的束将到达优选位于上表面的中心处的透镜的焦点。

本领域技术人员应当认识到，本发明决不局限于上述优选实施例。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多变型和变化。例如，如果环形圆锥部件的直径与透镜的直径不匹配，则可以将环形圆锥部件布置在静止管道中。这是有利的，因为其允许针对不同直径的静止管道使用一个尺寸的透镜。

Claims (10)

1.一种雷达料位测量系统，用于确定与到储存罐(3)中的产品的表面的距离相关的至少一个过程变量，所述雷达料位测量系统包括：

收发器电路(5)，被布置为生成测量信号，以及接收反射信号；

处理电路(6)，其连接到所述收发器电路，并且被布置为基于所述测量信号和所述反射信号之间的关系来确定所述过程变量；

波导结构(10)，被布置为向所述表面引导所述测量信号，以及返回所述反射信号；

辐射体(13)，其连接到所述收发器电路，并且被布置为以第一传播模式将所述测量信号作为工作频率范围内的电磁波发射到所述波导结构中；以及

模式发生器，适合于将从所述辐射体发射的电磁波从第一传播模式转换为第二传播模式，

其中，所述模式发生器包括具有对所述工作频率范围内的电磁波透明的体的形式的透镜(14)，所述透镜被布置在所述波导结构中，并且具有与所述波导结构的中心轴对齐的光轴，

所述透镜具有面向所述储存罐的底表面(16)，所述底表面适合于透射具有所述第二传播模式的电磁波，而反射具有所述第一传播模式的电磁波，

所述透镜具有与所述底表面相对的上表面(15)，所述上表面适合于反射电磁波，并且在反射时使所述电磁波的场旋转，以将所述电磁波的传播模式从所述第一传播模式和所述第二传播模式之一改变为另一个，

所述上表面在面向所述辐射体的区域中对于电磁波是透明的。

2.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述底表面(16)是凸起的，并且所述透镜的介电常数(eps)大于周围介质的介电常数，使得从所述储存罐入射的与所述透镜的所述光轴平行的电磁波向所述光轴折射。

3.根据权利要求1或2所述的雷达料位测量系统，其中，所述上表面(15)基本上是平坦的。

4.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述上表面(15)设置有由螺旋旋转引线形成的传导图案，所述传导图案适合于将反射波的传播模式从圆周场旋转成径向场。

5.根据权利要求4所述的雷达料位测量系统，其中，到每个螺旋引线的每个切线与从所述传导图案的中心延伸的半径形成45度的角(γ)。

6.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述底表面(16)设置有从所述光轴径向延伸的引线的传导图案。

7.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述透镜是固体。

8.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述透镜由PTFE制成。

9.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述透镜包括封入透镜形状的外壳的液体材料。

10.根据权利要求1所述的雷达料位测量系统，其中，所述透镜的焦点位于布置在所述上表面的中心的所述辐射体附近。

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