CN103364051A - 物位测量装置及带反射器的适配器 - Google Patents

Abstract

一种物位测量装置（1），其具有生成电磁波的信号发生器（5）和引导所生成的电磁波的细长中空波导（3），其中反射器（13）位于所述中空波导（3）的一端上。

Description

物位测量装置及带反射器的适配器

技术领域

本发明涉及物位测量技术的领域，特别是使用雷达的物位测量技术的领域，其中使用由中空波导引导的电磁波进行物位测量。

背景技术

现有技术已知的物位测量装置具有生成电磁波的信号发生器和引导所生成的电磁波的细长中空波导管。这样的物位测量装置用作测量流体填充高度的标尺，其具有中空波导，该中空波导被配置成圆筒形管，且填料特别是流体流入该圆筒形管。在填充介质的边界面，至少部分地反射在中空波导中发射和引导的电磁波，从而能够通过测量传播时间而确定在中空波导中介质的填充高度。

这样的一种物位测量装置特别适用于流体，例如溶剂或流体气体，以及形成泡沫的流体和用于具有低电介导电性ε的填料。

现有技术已知的物位测量装置具有以下问题，当流体液位接近零时，即当所测量的信号在与容器底部接近的中空波导一端的区域中被反射时，会发生底部回波，即电磁波会在容器的大部分为金属的底部上进行反射,该回波覆盖所测量的信号，因此无法再确定其填充高度。

图4中符号23所示的是定期测量的信号，即在介质表面上的电磁波的反射，且符号24所示的是在填充程度大约为0%时根据现有技术的物位测量装置的地面反射。从图4我们可以看出，地面反射24完全覆盖测量信号23，从而不可能检测到所测量的信号23。

图5所示为现有技术另外的不利影响，其中使用的物位测量装置具有45cm长的中空波导，其被安装在刚刚超过罐的底面34cm和40cm之间的范围中，会在所测量的信号和底板反射间出现干扰，从而所检测的信号开始跳跃，且因此不可能对填充高度进行有意义的测量。

发明内容

本发明的任务是提供一种填充测量装置，其能克服现在技术中的缺点。此外，本发明的一个任务是提供一个选项，其能够消除现有技术中物位测量装置的上述缺点。

这些问题可通过一种具有专利权利要求1所述特征的物位测量装置以及专利权利要求12所述的用于物位测量装置的适配器而得到解决。

本发明特定的物位测量装置具有生成电磁波的信号发生器以及引导所生成的电磁波的细长中空波导，其具于被置于中空波导一端上的反射器。按照本申请所述，将反射器的反射表面放置在与中空波导的纵向轴线偏离一个角度的位置上来制备所述反射器。

通过提供优选地被配置为板材且位于中空波导的一端的反射器，所生成的电磁波不再出现在待确定填充高度的罐底方向，而是经反射器从中空侧向反射出去，从而导致大部分出现底面回波，且在理想的情况下，回波几乎完全地被阻断。作为在中空波导端部的剩余回波，对经反射器被弹回至中空波导内的反射部分进行检测，即。然而，这一部分被减少，从而使其具有比在此范围中所检测到的被测信号更小的振幅，因此，由于反射器的存在，也可在中空波导的端部确定所测量的值。侧向反射（例如在容器壁的方向）的电磁信号事实上并不会继续被物位测量装置检测出来，但是由于传播时间的增加，其会位于允许的测量区域外部，因此在生成测量值的时候，其会被完全地阻断。

通常，中空波导被配置成管子，优选为圆筒形管。

已经示出了反射器相对于中空波导的纵向轴线应以小于75°，优选为35°和55°之间的角度对齐。当反射器以45°角与中空波导的纵向轴线对齐时，会得到特别好的结果。

当反射器以45°角与中空波导的纵向轴线对齐时，所达到的效果是相对较大部分的电磁信号从中空波导的区域被反射出来。

从根本上讲，位于中空波导上的反射器能够由任何可至少部分反射电磁波的材料所组成。相应地，可能的材料为具有提高的介电值的塑料，且优选为金属。

一个优选实施例的反射器至少部分是金属的，优选地对朝向中空波导的表面进行金属化，例如，使其浸润（dampened）或加印（imprinted）。

如果用片材，特别是用化学惰性的钢，例如高级钢所制的钢片制造反射器，则会获得机械性和化学性特别耐用的反射器。

通过这样的反射器实施例以及一个也用钢制成的中空波导的实施例，可通过将反射器和中空波导焊接在一起而将两者特别简易地进行连接。

可通过布置反射器和中空波导的外壁而形成特别简单的连接。除了将反射器焊接至中空波导，还可以利用其他材料，可以将反射器和中空波导彼此粘接，或进行一些其他的机械连接。

如果反射器的连接不是在点上，而是在中空波导外壁的线状部上，则会增加结构的机械稳定性。这种方式能防止反射器在机械负荷下很容易地与中空波导相分离，即脱离。

例如，可通过使中空波导在附接有反射器的外壁的部分以一个反射器对齐的角度被横切而将反射器以线性方式附接在中空波导上。

在这种方式中，在中空波导的一端，可使外壁的前表面对准成匹配反射器的对准。因此，该区域的反射器可在整个前表面上附接至中空波导。

优选地，反射器位于中空波导上，从而使中空波导的纵向轴线与反射器的交点位于中空波导的前面，该纵向轴线为根据本申请所述的中空波导的对称轴，特别是中空波导的旋转轴。特别地，将交点布置在中空波导的前面意味着该交点不是位于中空波导中，而是至少位于垂直指向中空波导的纵向轴线的平面上且在中空波导一端的高度处。

使反射器以45°角与中空波导的纵向轴线对齐意味着反射器至少有50%的表面这样布置，从而将入射电磁波反射至中空波导的外部区域中。

优选地，如此布置反射器，以使其遮挡中空波导的前表面的至多50%。优选地，反射器按至多30%，更优选地为0%而遮挡中空波导的前表面。

根据本申请所述遮挡中空波导的前表面意味着，通过附有反射器，可使反射器按指定的部分，即未分派的前表面的相应部分以及反射器所处的区域，而减少与中空波导的纵向轴线垂直的假想前表面。

如果反射器的法向矢量位于所反射电磁波的磁场的振荡平面中，则会获得特别好的结果。

所反射的电磁波即所谓的TEM波（横向电磁波），其中电气部件和磁性部件成对地与电磁波的传播方向直交。与以其他方式定向法向矢量的布置相比，可获得4至6dB的改善。

现有技术中根据经中空波导引导的电磁波的原理进行操作的物位测量装置可通过适配器进行改进，其中适配器具有将适配器的端部附接至物位测量装置的细长中空波导的附接部，其中提供有反射器。上述用于附接反射器的定义也适用于本发明特定的适配器。

优选地，附接部被配置为对应于中空波导，从而能通过焊接或粘接或机械夹紧而将适配器置于中空波导上并与之连接。

对于被配置成圆筒的中空波导而言，优选做法为将适配器的附接部配置成圆筒。在这种方式中，适配器的位置方向可有利于在中空波导上的特定用途。例如，因此，例如可对齐适配器以使反射器所反射的波覆盖长至下一容器壁的距离。然而，如上所述，也可对齐适配器使其适于电磁场的电气和磁性部件的振荡平面，从而可特别好地抑制反射。将物位测量装置合适地放置于容器中能够实现在远距离容器壁的方向进行对齐。

如果适配器是由塑料等制成的，则能以特别有利的方式制造本发明特定的适配器。然而，优选地，适配器至少部分是金属的，例如，至少在反射器的区域对其进行表面金属化。

如果适配器由片材，优选为钢片而制成，则能以特别稳定的方式配置适配器。特别地，用钢片制造适配器时，可将适配器与同样也用钢制成的中空波导进行特别简单和稳定的连接，例如可通过将其焊接在一起而实现。然而，从根本上来说，也可对部件进行粘接或一些其他的机械连接。

优选地，反射器应以小于75°，优选为35°和55°之间的预定角与中空波导的纵向轴线对齐。当角度为45°时，可获得非常好的结果。在相对于附接部成45°角对齐反射器时所能达到的效果是，当适配器置于物位测量装置的中空波导上时，可相对于物位测量装置的中空波导对齐反射器。

优选地，将反射器附接至适配器的附接部的外壁上。优选地，以直线部分实现附接，从而能以这种方式获得特别稳定的连接。

为了进一步提高附接部上反射器附接的稳定性，在附接有反射器的外壁部分对附接部以反射器所对齐的角度进行横切。

优选地，附接部的纵向轴线与反射器的交点位于附接部的前面，由于这种方式能获得的是以与附接部的纵向轴线成45°角优选地对齐反射器时，可在附接部或中空波导外区域中反射至少50%的入射电磁波。

测试已经表明，如果反射器的位置可使其按至多50%遮挡附接部的前表面，则能实现特别好的结果。如果反射器的位置可使其按至多33%遮挡前表面，则能获得特别好的结果，更优选地，其不遮挡前表面。

上述有关反射器与中空波导的纵向轴线的交点布置，以及遮挡中空波导前表面的定义可进行必要的变更以适用于适配器。

下面将使用三个实施例的实例，并参考附图对本发明进行更详细的说明。

附图说明

图1：采用第一实施例形式的具有本发明特定适配器的本发明特定的物位测量装置；

图2：第一实施例中具有本发明特定适配器的物位测量装置的垂直管；

图3：根据第三实施例的具有本发明特定适配器的物位测量装置；

图4：回波曲线的示意图；

图5：按照现有技术以及本发明所述使用物位测量装置根据实际填充高度而获得的测量值之间偏差的比较。

具体实施方式

图1为物位测量装置1的图示，其是根据雷达原理进行操作的。

在波适配器5后的后部区域中，物位测量装置1具有信号发生器以及电子评估装置（未在本文进行描述）。信号发生器被适当地配置为发射约1ns的长度以及约26GHz频率的电磁波包。此外，通常使用5.8-6.3、10、24-27或75-83GHz的频率进行水平测量。

经由波适配器5将电磁波耦合至也被指定为垂直管的中空波导3中。在中空波导3中沿填料方向引导电磁波，并在填充介质和其上方所发现的介质间，特别是和空气或其他气体间的边界面反射电磁波。根据对电磁波包传播时间的测量，就能计算出容器内的填充高度。除了在边界面，即填料表面上的反射外，在中空波导的端部和容器底面也会发生反射。特别地，在现有技术中，底面反射会导致使用接近底面安装的管状天线无法再在中空波导3的端部区域进行测量，由于具有极高振幅的底面回波的存在，可完全盖住由被测材料表面所生成的测量信号。稍后将讨论有关相应效果的更详细的信息。

此外，本发明特定的物位测量装置在设有反射器13的前侧具有适配器10。或者，反射器13可直接位于中空波导3上以附接至适配器10上。

在本实施例的实例中，相对于与圆筒形中空波导3的旋转轴线对应的中空波导3的纵向轴线L，反射器13倾斜一个角度α。在能提供特别好结果的本实施例的实例中选择角α为45°，但其也能偏离该值。

本实施例的实例所示的反射器13基本上被配置为板状，且其尺寸能至少使中空波导3横截面的突出表面相对于其表面根据角α而倾斜。这种方式所能获得的效果是所有从中空波导前侧发出的电磁波都能由反射器13所检测到并根据待应用的反射定律而进行反射。

在本实施例的实例中，反射器13与中空波导在其直径的前表面S相交，从而使50%的前表面S由反射器14所遮挡，而使前表面S和反射器13之间的剩余50%的面积形成一个侧向开口。由中空波导3反射出来的电磁波部分本质上取决于反射器13的角α，以及侧向出现的开口大小。如本实施例的实例所述，将反射器13附至适配器10的附接部11的外壁上。附接部10对应于圆筒形中空波导3并经中空波导3的外周推压而与之相连，例如通过粘接或焊接而连接。

反射器13也被焊接至附接部11上。在本实施例的实例中，附接部11在前侧成45°角进行横切，从而产生用于反射器13的且倾斜45°的邻接表面，反射器13也焊接在该邻接面上。

图2和图3为本发明适配器10的两个不同实施例的实例，其中在图2所示实施例的实例中，反射器13仅遮挡了前表面S的33%，而在图3所示实施例的实例中，则不遮挡前表面S。换句话说，中空波导3或适配器10的前表面S与反射器13的剖面线沿其中心点的方向位移了前表面S直径的33%。在图3所示的实施例的实例中，反射器13直接位于前表面S的圆周线上，且仅分别通过适配器10的延伸部或中空波导3的延伸部支撑而实现机械稳定性。因此，从前表面S看，位于反射器13和中空波导3或适配器10的纵向轴线之间的交点x始终位于前表面S的前面。

如果反射器13的法线向量N位于所发射电磁波的磁性部分的振荡平面中，则能获得特别好的结果。为了保证这一点，先决条件是所发射的电磁波为所谓的TEM波，即，线性偏振电磁波，该线性偏振电磁波中电磁波的电场与磁场相互垂直并在传播方向上消失。

图4为填充程度为0%，即当填充位置位于中空波导3开口端区域中时的回波曲线的示意图。曲线21所显示的为现有技术的当波照射至自由空间，即不照射至容器或罐中时，在中空波导3开口端所产生的回波。

曲线22所显示的为当采用本发明的物位测量装置或当使用具有本发明的适配器的物位测量装置时而生成的回波。

曲线23所显示的是具有低介电值（如ε<2.5）的介质，例如油的回波情况。

曲线24所显示的是当把中空波导3安装于接近容器底面的区域中且未提供本发明所述的反射器时从容器底面所产生的回波。

从图4我们可以很容易地看出，底面回波（曲线24）完全遮盖了由介质所生成的测量信号（曲线23），因此，当填充程度大约为0%时，已不可能对填充高度进行合理的测量。

使用本发明特定措施所能达到的效果是电磁波不会作用容器底面，但却会从侧向偏离，因此可避免底面回波（曲线24）且仅得到在反射器上所产生的回波（曲线22）。然而，在该区域中的测量信号（曲线23）的振幅显著大于反射器所生成的信号（曲线22）振幅，从而与现有技术相比，测量可一直持续至填充程度大约为0%时。

图5为具有45cm长中空波导的物位测量装置的两个误差曲线。其表现的是测量误差（单位：mm）与介质表面至中空波导3的起点，即中空波导3的开口部分的距离之间的关系。

曲线25为使用根据现有技术的物位测量装置的测量误差，而曲线26则为使用本发明物位测量装置的测量误差。

从图5毫无疑问地可以看出，利用两个测量装置的测量误差在0-34cm的范围中会按+/-5mm的范围移动。由于底面回波24的存在，从值34cm开始，根据现有技术的物位测量装置中的测量误差会产生显著的跳跃，由于干扰的存在，因此从值34cm开始，不再能确定测量值。

在使用根据本发明的物位测量装置时，可注意到即使超过34cm，乃至达到值44cm时，测量误差仍继续处在+/-5mm的范围中。因此，在使用根据本发明的适配器10或使用具有本发明特定反射器13的物位测量装置时，测量可继续进行直至所采用的中空波导10的一端。

参考符号列表

1  物位测量装置

2  天线

3  中空波导或垂直管

5  波适配器

7  外壁

10 适配器

11 附接部

13 反射器

21 反射开口管

22 利用反射器反射

23 测量信号

24 未使用反射器的底面反射

25 现有技术的误差

26 本发明的误差

α 角度

N  法向矢量

S  前表面

L  纵向轴线

x  交点

Claims (20)

1.一种物位测量装置（1），其具有生成电磁波的信号发生器和引导所生成的电磁波的细长中空波导（3），其特征在于，反射器（13）位于所述中空波导（3）的一端。

2.根据权利要求1所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述中空波导（3）被配置成管子，优选为圆筒形管。

3.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）以小于75°，优选为35°和55°之间，优选为45°的预定角与所述中空波导（3）的纵向轴线（L）对齐。

4.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）至少部分是金属的。

5.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）由片材，优选为钢片所制成。

6.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）位于所述中空波导（3）的外壁（7）上。

7.根据权利要求6所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）附接在所述中空波导（3）外壁（7）的直线部上。

8.根据权利要求7所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述中空波导（3）在附接有所述反射器（13）的外壁（7）的部分以所述反射器（13）所指向的角度(α)被横切。

9.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述中空波导（3）的纵向轴线（L）与所述反射器（13）的交点位于所述中空波导（3）的前面。

10.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）的位置可使其遮挡所述中空波导（3）前表面的至多50%，优选为至多33%，更优选为0%。

11.根据前述权利要求之一所述的物位测量装置（1），其特征在于，所述反射器（13）的法向矢量位于所发射电磁波的磁场的振荡平面中。

12.一种用于物位测量装置（1）的适配器（10），其根据经中空波导（3）引导的电磁波的原理进行操作，其特征在于，所述适配器（10）具有附接部（11），其用于将所述适配器（10）的端部附接至所述物位测量装置（1）的细长中空波导（3），提供有反射器（13），并且所述反射器（13）位于与所述附接部（11）的纵向轴线（L）成小于75°的预定角的位置。

13.根据权利要求12所述的适配器（10），其特征在于，所述附接部（11）被配置为圆筒。

14.根据权利要求12或13所述的适配器（10），其特征在于，所述适配器（10）至少部分由金属制成，优选为片材，特别是钢片所制成。

15.根据权利要求12至14之一所述的适配器（10），其特征在于，所述反射器（13）以在35°和55°之间，优选为45°的角与所述附接部（11）的纵向轴线（L）对齐。

16.根据权利要求12至15之一所述的适配器（10），其特征在于，所述反射器（13）位于所述附接部（11）的外壁（7）上。

17.根据权利要求12至16之一所述的适配器（10），其特征在于，所述反射器（13）被附接在所述附接部（11）的外壁（7）的直线部上。

18.根据权利要求12至17之一所述的适配器（10），其特征在于，所述附接部（11）在附接有所述反射器（13）的外壁（7）的部分以与所述反射器（13）成所述角度(α)地被横切。

19.根据权利要求12至18之一所述的适配器（10），其特征在于，所述附接部（11）的纵向轴线（L）与所述反射器（13）的交点位于所述附接部（11）的前面。

20.根据前述权利要求之一所述的适配器（10），其特征在于，所述反射器（13）的位置可使其遮挡所述中空波导（3）的前表面的至多50%，优选为至多33%，更优选为0%。

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