CN102865902A - 多通道雷达物位计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种物位计。所述物位计用于检测与至罐中容纳物的表面的距离有关的处理变量，其包括在功能上独立的包含收发器电路和处理电路的第一电路装置和第二电路装置。所述物位计还包括：连接至这些电路装置的传输线探头，其中，所述传输线探头延伸至罐中的容纳物内，并且被配置成允许第一传输模式和第二传输模式的传播；以及馈送装置，其被连接为以在第一传播模式和第二传播模式将电磁信号耦合至探头内。

Description

多通道雷达物位计
技术领域
本发明涉及一种雷达物位计，该雷达物位计使用通过导波探头引导至罐中的电磁波来确定至该罐中的物品表面的距离。
背景技术
用于测量诸如液体或如同颗粒那样的固体的填充材料的物位的雷达物位计(RLG)逐渐成为罐、容器等的物位测量的重要方法。先前已知多种不同类型的RLG系统。本申请人的专利US7106247公开了这类系统的例子。
由于安全限制、环境定律和需求等，经常需要对容器内的介质的表面物位进行多次测量，其中，这些测量彼此完全分开并且在功能上彼此独立。例如，在用于罐车的负载容器的雷达物位测量系统中，需要在功能上独立于物位测量系统的至少一个警报功能(例如，溢出警报)。
这里，功能独立性表示一个系统的故障不会导致其它系统不运作。这种独立性可以通过确保不存在公共电路和布线来实现，即确保不同的测量系统之间必须不存在任何电接触。实现此的一个方式是仅安装至少两个完全独立的物位计。然而，为了节约成本，(按照技术要求和规章要求)可以允许共用通常不可能故障的固定机械结构。
先前已知几种这类提供两个以上功能上独立的通道的雷达物位测量系统。例如，转让至同一受让人的专利US 6,414,625公开了用于测量包含一个以上的雷达通道的容器内填充材料的表面物位的设备和方法。
使用同一物理天线但电独立的独立雷达物位计已发现了低成本的冗余使用。用以将一个以上的传感器连接至一个天线的方法是实现例如具有物位传感器和独立溢出警报等的系统的非常符合成本效益的方式，并且在用户和权力机构之间已被广泛接受。
然而，在一些应用中，使用天线来提供自由传播信号的雷达物位计不适当，并且使用波导结构来引导这些波。基于传播机制，现有技术已知三种不同类型的波导结构。
第一类型的波导为中空型(例如，适当横截面的管)，并且在波导的横截面为波长的一半以上的意义上为“厚”，这很可能因电介质填充而减少。这种波导中的电磁场通常具有沿着传播方向的至少一个场分量。当用于雷达物位应用时，这种类型的波导被称为“蒸馏管(still pipe)”，并且必须进行凿孔以使得内部物位与外部相同。
第二类型的波导结构是具有两个以上的导体(conductor)的传输线路，诸如双线或同轴线。传输线波导的直径比所传输的波的直径小得多，并且一个典型特征是电磁场为横向或TEM型(横向电磁场)。对于使用(波长为300mm以上的)1GHz以下的信号的实际物位测量应用，通常使用直径为3～20mm的输送线。过小的直径将增加电阻损耗并且可能导致材料堵塞和机械强度的问题。
最后，第三类型的波导结构是表面波导(SWG)，诸如具有或不具有介电涂层的单线传输线或管。与波长(4～8mm是1GHz以下使用的公共SWG直径)相比较，表面波导可以非常薄，但这些表面波导沿着传播方向还具有场并且在SWG外部也具有场。与传输线探头相对比，由于布线外侧存在场，因此需要更多的自由空间。在单金属连线的情况下，诸如不锈钢的不良电导体是适当的。单连线(single wire)探头非常实用，并且针对物位测量的使用是鲁棒性好。
因而，第二类型和第三类型的波导结构的直径都比所传输的波的波长小得多。在雷达物位测量应用中，这类波导通常被称为“探头”，并且检测原理有时被称为导波雷达(GWR)。最常见的类型使用无载波的短脉冲(约1ns)，并且占据大致0.1～1GHz的频率范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用传输线探头的多通道物位计。
由以下的物位计来实现本发明的该目的和其它目的：该物位计用于检测与至罐中的容纳物的表面的距离有关的处理变量，所述物位计包括：第一电路装置和第二电路装置，其中，所述第一电路装置包括：用于生成、发送和接收第一电磁信号的第一收发器电路，以及连接至所述第一收发器电路的第一处理电路，所述第一处理电路用于确定第一处理变量，所述第二电路装置包括：用于生成、发送和接收第二电磁信号的第二收发器电路，以及连接至所述第二收发器电路的第二处理电路，所述第二处理电路用于确定第二处理变量，其中，所述第一电路装置和所述第二电路装置在功能上独立。所述物位计还包括：连接至所述第一电路装置和所述第二电路装置的一个传输线探头，所述传输线探头延伸至所述罐中的容纳物内，并被配置为将所述第一电磁信号和所述第二电磁信号引导朝向所述容纳物并使所述第一电磁信号和所述第二电磁信号进入所述容纳物中，并且将所反射的信号引导回至第一电路装置和第二电路装置，其中，所述传输线探头被配置为允许第一传输模式和第二传输模式的传播，以及馈送装置，其被连接为接收所述第一电磁信号并以第一传播模式将所述第一电磁信号耦合至所述传输线探头内，并且被连接为接收所述第二电磁信号并以第二传播模式将所述第二电磁信号耦合至所述传输线探头内。
本发明基于以下的实现：在大多情况下，传输线探头可被设计成允许两个以上的传输模式，并且可以通过功能上独立的通道来使用这些模式。
根据该设计，两个电路装置经由馈送装置连接至一个传输线探头，确保信号以不同的传播模式耦合至探头。这使得这些电路装置能够在与不同的电路装置相关联的信号之间进行区分，由此有效地提供两个测量通道。
使用不同的模式在通道之间提供了隔离，从而确保这些通道之间的泄漏少或无泄漏。结果，无需将第一电磁信号和第二电磁信号彼此区分开。事实上，根据优选实施例，第一电子单元和第二电子单元被设计成传输相同的电磁信号，即频率和振幅行为相同的信号。
因此，电路装置可能在功能上相同，并且最优选地，多个样本来自同一制造工艺。这使得系统可以高效地进行制造。两个基本上相同的单元仅连接至馈送装置，馈送装置连接至传输线探头。
探头可以是双线探头，并且在这种情况下，馈送装置可被配置为将第一信号作为TEM模式在这些线之间进行馈送，并且利用这些线中的至少一个将第二信号作为SWG模式来馈送。优选地，TEM模式信号相对于SWG模式信号成反相。
可选地，探头可以是具有中央引线和凿孔的护罩的同轴线，凿孔的护罩允许信号在其外表面上传播。在这种情况下，馈送装置可被配置为沿着中央引线传输第一信号(TEM模式)，并且沿着护罩的外表面传输第二信号(SWG模式)。可以采用许多其它类型的传输线，并且通过使用三个(或更多个)导体，可以创建TEM类型的两种(或，比导体的数量少一个)独立的传播模式。
附图说明
将参考示出本发明的当前优选实施例的附图来更详细地说明本发明。
图1示意性示出配备有根据本发明实施例的导波雷达物位计的罐。
图2更详细地示意性示出图1的物位计。
图3a和3b示意性示出连接至双线探头的图2的馈送装置的两个示例。
图4示出根据本发明实施例的同轴线探头的连接。
图4a示出图4中同轴线的间隔元件。
图5示出根据至本发明实施例的三连线探头的连接。
图5a示出图5的探头的间隔元件。
具体实施方式
在本详细说明中，参考使用脉冲信号的雷达物位计系统以及通过测量发射脉冲和反射脉冲之间的时间的填充物位确定来主要论述根据本发明的雷达物位计系统的各种实施例。然而，对于本领域的技术人员显而易见，本发明的教导等同地适用于利用用于通过例如频率调制连续波(FMWC)测量来确定填充物位的相位信息的雷达物位计系统。当使用载波调制的脉冲时，还可以利用相位信息。
图1示意性示出根据本发明实施例的雷达物位计系统1，其中，雷达物位计系统1包括至少两个测量电子单元2a、2b，这两个测量电子单元2a、2b各自包括具有收发器电路和处理电路的电路装置。电子单元2a、2b各自经由以下将更详细地进行说明的馈送装置4连接至公共探头3。雷达物位计系统1设置在部分填充有要测量的物品6的罐5上。通过对由探头3朝向物品6的表面7引导的发射信号ST1和ST2以及从表面7返回的反射信号SR1和SR2进行分析，测量电子单元2可以确定基准位置(诸如罐顶)与物品6的表面7之间的距离，由此可以得出填充物位和其它处理变量。应当注意，尽管这里论述了包含单一物品6的罐5，但可以以类似的方式测量沿着探头至任何材料界面的距离。
如图2示意性示出地，各电子单元2a、2b包括：收发器电路10，用于发送和接收电磁信号；处理电路11，其连接至收发器10，以对该收发器进行控制并且处理该收发器所接收到的信号以确定罐5中物品6的填充物位。此外，处理电路11可经由接口12连接至外部通信线路13，以进行模拟和/或数字通信。此外，尽管图1没有示出，但雷达物位计系统1通常可连接至外部电源，或者可以利用外部通信线路13进行供电。可选地，该物位计可以使用例如无线HART协议进行无线通信，并且使用利用电池的本地电源(未示出)或其它方式的提取能源以进行自主操作。
图3a～3b示意性示出用于创建横向电场(TEM)模式和表面波导(SWG)模式并将其馈送到传输线探头3内的两个示例。在这些例子中，传输线探头3包括第一探头导体20a、与第一探头导体20a大致平行地延伸的第二探头导体20b以及围绕第一探头导体20a和第二探头导体20b的封闭介电结构21。
首先参考图3a，导波雷达物位计系统1还包括馈送装置30，其中，馈送装置30用于创建第一传播模式ST1信号和第二传播模式ST2信号并将其馈送至传输线探头3。
馈送装置30包括具有一次绕组32和二次绕组33的变压器31。二次绕组33连接在第一探头导体20a和第二探头导体20b之间。为了允许将发送来的电磁信号ST1和ST2馈送至传输线探头3，馈送装置30还包括横跨一次绕组32的第一输入I1和第二输入I2，其中，第二输入I2的一个端子34连接至二次绕组33的中间，并且另一端子连接至传输线探头3附近的罐壁5。在GWR所使用的最常见频率范围100～1000MHz内，这种变压器连接在商业上是可用的。该变压器中通常使用小的铁氧体磁芯。
通过将发送来的信号ST1提供至第一输入I1并且将第二信号ST2提供至第二输入I2，创建两个不同的传播模式并且将其馈送至传输线探头3。第一信号ST1被反相地或相反相位地提供至第一探头导体20a和第二探头导体20b，并且以TEM模式沿着传输线探头3传播。第二信号ST2被同相地提供至第一探头导体20a和第二探头导体20b，并且以SWG模式沿着传输线探头3传播。
现在参考图3b，示意性示出馈送装置40，其中，馈送装置40包括所谓的混合环41。如图3b所示，该环的连接彼此分离与发送信号的四分之一波长(λ/4)相对应的距离。如微波电路领域的技术人员众所周知的，为了创建和馈送两个不同的传播模式而提供了混合环41的尺寸。有利地，混合环41可以设置为电路板上的带状线。可以利用同轴线缆或其它类型的传输线来获得相同的功能。
再次，第一信号ST1被反相地或相反相位地提供至第一探头导体20a和第二探头导体20b，并且以TEM模式沿着传输线探头3传播。第二信号ST2被同相地提供至第一探头导体20a和第二探头导体20b，并且以SWG模式沿着传输线探头3传播。
图4示出用于创建TEM模式和表面波导(SWG)模式并将其馈送到传输线探头中的馈送装置的另一示例。在该例子中，探头是同轴线22，其中，同轴线22具有中心线23和外金属管24。该金属管的外表面涂覆有介电涂层25。管24和涂层25凿孔有开口26，以允许罐中的容纳物进入管，从而影响中心线23的信号。中心线23通过以适当距离配置的介电间隔27与管24的内壁分离。利用适当的密封装置(未示出)使同轴线22的上端相对于外部密封。
这里，馈送装置50仅被配置为使两个单元2a和2b分离，并且包括漏斗51，其中，漏斗51配置有绕同轴线22安装的窄颈部52并且其宽开口朝下面向罐内。该颈部经由介电涂层25与管24隔开。来自单元2a的第一电磁信号耦合在中央引线23和管24之间从而以TEM模式传播。来自单元2b的第二电磁信号连接在漏斗51和管24之间从而以SWG模式传播。优选地，该漏斗接地。
凿孔的同轴线还可以成形为如同内侧支撑有中心导体的U形金属护罩那样的一些等同形状，并且外侧能够支持SWG模式。
图5示意性示出用于创建两个不同的TEM模式并且将其馈送到具有三个导体的传输线探头3内的馈送装置60的示例。馈送装置60可以大致与图3a或3b的馈送装置相对应，以提供同相或反相的两个信号。在图5的例子中，探头包括接地的中央导体27a以及两个信号导体27b和27c。三个导体27a～27c可以以仅安装在罐顶和罐底的方式自由悬挂在罐内，然后优选通过以适当距离配置的介电间隔28固定为彼此分离一定距离。
三导体传输线将接地的一个导体和机械支撑物组合，其中，有可能通过同相和反相馈送将两个模式分离。馈送装置60被配置为从电路装置2a接收第一电磁信号，并且将该第一电磁信号以第一同相TEM模式耦合至导体27a和27b之间，并且从电路装置2b接收第二电磁信号并且将该第二电磁信号以第二反相TEM模式耦合在导体27a和27c之间。
在三导体系统中形成两个独立模式的另一方式是以下的三相系统：在该系统中，三个导体大致对称，并且被馈送相位0°、20°和240°(第一模式)以及0°、240°和120°(第二模式)。
通常，探头可以执行比其具有的导体少一个的TEM模式。对于三TEM模式，将需要四个导体，等等。
本领域的技术人员将意识到本发明决不局限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求书的范围内，许多变形和变化都是可以的。

Claims (10)

1.一种物位计(1)，用于检测与至罐(5)中的容纳物的表面的距离有关的处理变量，所述物位计包括：
第一电路装置(2a)，其包括：用于生成、发送和接收第一电磁信号的第一收发器电路，以及连接至所述第一收发器电路的第一处理电路，所述第一处理电路用于确定第一处理变量，
第二电路装置(2b)，其包括：用于生成、发送和接收第二电磁信号的第二收发器电路，以及连接至所述第二收发器电路的第二处理电路，所述第二处理电路用于确定第二处理变量，
所述第一电路装置和所述第二电路装置在功能上独立，
连接至所述第一电路装置和所述第二电路装置的一个传输线探头(3)，所述传输线探头延伸至所述罐的容纳物中，并且被配置为将所述第一电磁信号和所述第二电磁信号朝向所述容纳物引导并使所述第一电磁信号和所述第二电磁信号进入所述容纳物中，并且将所反射的信号引导回至第一电路装置和第二电路装置，其中，所述传输线探头被配置为允许第一传输模式和第二传输模式的传播，
馈送装置(4)，其被连接为接收所述第一电磁信号并以第一传播模式将所述第一电磁信号耦合至所述传输线探头内，并且被连接为接收所述第二电磁信号并以第二传播模式将所述第二电磁信号耦合至所述传输线探头内。
2.根据权利要求1所述的物位计，其中所述传输线探头是双线探头，并且其中所述馈送装置被配置为在线(20a、20b)之间馈送TEM模式信号，并且利用所述线中的至少之一来馈送SWG模式信号。
3.根据权利要求2所述的物位计，其中所述TEM模式信号相对于所述SWG模式信号反相。
4.根据权利要求1所述的物位计，其中所述传输线探头是具有中央引线(23)和凿孔的护罩(24)的同轴线(22)，所述凿孔的护罩(24)允许在其外表面上进行信号传播，并且其中所述馈送装置被配置为沿着所述中央引线馈送TEM模式信号，并且沿着所述护罩的外表面馈送SWG模式信号。
5.根据权利要求1所述的物位计，其中所述传输线探头包括至少三条导线(27a、27b、27c)，由此允许至少两个TEM模式沿着所述探头传播。
6.根据权利要求5所述的物位计，其中所述馈送装置被配置为同相地和反相地馈送两个TEM模式。
7.根据权利要求5所述的物位计，其中所述馈送装置被配置为对称地馈送三条导线，其中，相位0°、120°和240°提供第一TEM模式，并且相位0°、240°和120°提供第二TEM模式。
8.根据权利要求1所述的物位计，还包括功率分割元件，所述功率间隔元件被配置成连接至所述传输线探头，以在具有相同传播模式的信号之间提供隔离。
9.根据权利要求1所述的物位计，其中所述第一电磁信号和所述第二电磁信号基本上相同。
10.根据权利要求8所述的物位计，其中所述第一电路装置(2a)和所述第二电路装置(2b)功能上相同。
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