CN103424159A

CN103424159A - 具有改进的密封布置的导波雷达物位计

Info

Publication number: CN103424159A
Application number: CN2012103586237A
Authority: CN
Inventors: 米卡埃尔·埃里克松; 哈坎·弗雷德里克松
Original assignee: Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-12-04
Also published as: CN203011488U; CN111537042A; US8842039B2; EP2667163A1; CN111537042B; EP2667163B1; US20130314275A1

Abstract

公开了具有改进的密封布置的导波雷达物位计。一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的导波雷达物位计，其具有包括中空壳体、导体和电介质套管的密封布置，该电介质套管被布置在壳体的内部并围绕导体。在电介质套管与相邻的导电表面之间形成至少一个间隙，该间隙具有向容器的内部敞开的第一端，以使得在使用中，容器气氛可以进入并且凝结在间隙中。密封布置还包括导电涂层，该导电涂层设置在电介质套管的面向间隙的表面上，并且与相邻的导电表面电接触，以使得在物位计的操作频率下导电涂层与相邻的导电表面之间的阻抗充分低，以降低存在于容器中的任何介质的影响。通过使该间隙短路，进入间隙中间的任何介质都不会对信号传输特性有任何影响。

Description

具有改进的密封布置的导波雷达物位计

技术领域

本发明总体上涉及一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的导波雷达物位计，并且具体地涉及包括延伸到容器中的探测器的并且适合于高温、高压条件的这种物位计。

背景技术

微波物位计或雷达物位计（RLG）系统广泛用于确定包含在容器中的产品的填充水平。一般借助于非接触式测量或通常被称为导波雷达（GWR）的接触式测量来执行雷达物位计量，其中，借由非接触式测量朝着包含在容器中的产品辐射电磁信号，而借由接触式测量通过用作导波传输线的探测器朝着产品引导电磁信号，并将电磁信号引导到产品中。

这样的探测器一般布置为从容器的顶部朝容器的底部竖直延伸。探测器也可以布置在被连接到容器的外壁、并与容器内部处于流体连接的测量管（所谓的室）中。通常，探测器从发送器/接收器组件经由可形成气密屏障（hermetic barrier）的密封布置延伸到容器或室内部的产品中。

最常见类型的导波雷达使用无载波短脉冲（约1ns），并且占用大约0.1GHz-1GHz的频率范围。

文献US 7,255,002描述了用于测量容器中的处理材料的水平的这种导波雷达物位计，该导波雷达物位计具有改进的密封布置，该密封布置包括陶瓷密封体，该陶瓷密封体通过在其外表面上进行钎焊（brazing）而以密封方式结合到壳体，使得导体隔绝于容器气氛（tank atmosphere）。

在一些情况下，湿气和凝结物可能进入形成在陶瓷密封体与周围表面之间的任何间隙。这样的湿气或凝结物会干扰反射信号的接收，使得对产品水平的确定和测量的质量和耐用性被降低。例如，在物位计暴露于高压下、因而迫使容器气氛进入间隙的情况下，可能会存在这样的问题。然而，在无高压的情形下，密封布置各处的温度梯度也可能足以导致间隙中凝结的问题。

发明内容

本发明的目的为至少减轻上述问题。具体地，目的为提供一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的、改进的导波雷达物位计。

这些和其他目的是通过根据独立权利要求的导波雷达物位计和方法来实现的。本发明的优选实施方式呈现在从属权利要求中。

根据第一方面，本发明涉及一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的导波雷达物位计，该导波雷达物位计包括：收发器，该收发器用于生成电磁发送信号并且接收在产品的表面处反射的电磁回波信号；探测器，该探测器连接到收发器，并且被配置为延伸到容器中并朝着该表面引导发送信号以及朝着收发器引导回波信号；以及密封布置，该密封布置允许电磁信号穿过容器密封件传输，该密封布置包括中空壳体、延伸至壳体内部用于在收发器与探测器之间传输电磁信号的导体和被布置在壳体内部并围绕导体的电介质套管。在电介质套管与相邻的导电表面之间形成至少一个间隙，该间隙具有向容器的内部敞开的第一端和被容器密封件封闭的第二端，以使得在使用中，容器气氛可以进入并且凝结在间隙中。密封布置还包括导电涂层，该导电涂层设置在电介质套管的面向间隙的表面上，并且与相邻的导电表面电接触，以使得在上述物位计的操作频率下上述导电涂层与上述相邻的导电表面之间的阻抗充分低，以降低存在于上述间隙中的任何介质的影响。

根据第二方面，本发明涉及一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的方法，该方法包括以下步骤：生成电磁发送信号；借助于延伸至容器中的探测器，朝着表面引导发送信号；借助于探测器，引导在产品的表面处反射的回波信号；接收回波信号；以及基于发送信号与回波信号之间的关系确定填充水平。该方法还包括以下步骤：沿着延伸通过处于壳体内部的电介质套管的导体来传输发送信号和回波信号；以及使设置在电介质套管的表面上的导电涂层与相邻的导电表面进行导电接触，由此确保在物位计的操作频率下导电涂层与相邻的导电表面之间的阻抗充分低，以降低存在于形成在电介质套管与相邻的导电表面之间的间隙中的介质的任何影响，其中该间隙具有面向容器的敞开端，从而允许容器气氛进入并且凝结在间隙中。

当在权利要求中使用术语“探测器”时，术语“探测器”意在指代允许电磁信号沿着探测器朝着容器中的产品的表面传播的任何类型的导波传输介质。将在详细描述中给出几个示例。

当在权利要求中使用术语“相邻”时，术语“相邻”意在表示近距离、但并未近到足以阻止水汽或凝结物进入形成在两个相邻表面之间的间隙。例如，电介质套管通常适合于紧贴地安装到导体上。然而，由于制造公差的实际限制，可能存在容器气氛可以进入其中的小间隙。由于处于一方面的套管与处于另一方面的壳体或导体之间的热膨胀系数的差异，也可能在温度变化期间形成间隙。

本发明基于本发明人的如下认识：可以通过在电介质套管的面向导体的内表面上和/或在该套管的面向壳体的外表面上设置导电表面涂层来改进密封布置的性能。由此，可以降低来自例如如下凝结物或湿气的干扰：该凝结物或湿气形成在或渗透到处于电介质套管与导体之间和/或电介质套管与壳体之间的间隙中。否则，这样的凝结物或湿气可能影响电介质套管的有效厚度，由此干扰信号传输。

根据本发明，在电介质套管与导体之间和/或在电介质套管与壳体之间形成间隙不再那么严重，因而放宽了对制造处理的公差要求。还可以降低在组装根据本发明的RLG期间的制造公差和对准要求。

电介质套管的涂层还允许实现在酸性或碱性环境中抵抗化学腐蚀的改进能力。

根据一个实施方式，导电涂层与相邻的导电表面进行电流接触，以确保将间隙的两侧保持在相等的电势（即，间隙的两侧将被短路）。通过使该间隙短路，进入间隙中的任何介质都不会对信号传输特性有任何影响。

该间隙可以包括形成在套管与导体之间的第一间隙，于是导电表面涂层可以包括设置在套管的内表面上的第一导电表面涂层。

该间隙还可以包括形成在套管与壳体之间的第二间隙，于是导电表面涂层可以包括设置在套管的外表面上的第二导电表面涂层。

可以由电介质套管相对于壳体来悬挂导体构件。例如，导体构件可以包括径向延伸的带状物，该带状物抵靠电介质体的支撑表面，以使得导体构件被电介质套管悬挂。由此，以使该带状物直接或间接地倚在支撑表面上的持久的方式来悬挂导体构件并将导体构件与壳体隔离，同时微波信号可以有利地在干扰降低的情况下耦合通过电介质体。

大体上，根据下面的详细公开内容、根据所附从属权利要求以及根据附图，本发明的其他目的、特征和优点将会呈现。

附图说明

将参照示出了本发明的当前优选实施方式的附图来更详细地描述本发明。应当理解附图的比例并不真实，并且，如本领域技术人员容易理解的，除附图中示出的尺寸之外的尺寸在本发明的范围内具有同等可能。

图1是安装在容器上的雷达物位计系统的示意图。

图2是根据本发明的第一实施方式的密封布置的截面图。

图3是图2中的电介质套管和传导构件的分解图。

具体实施方式

在附图中，用相同的附图标记来表示相似或相同的元件。

图1示意性地示出了安装在容器5上的根据本发明的实施方式的雷达物位计系统1。该物位计系统1包括用于发送并接收电磁信号的收发器电路2，该收发器电路2连接到导波探测器3。

探测器的示例为具有两个或更多个导体的传输线，例如双线或同轴线。对于使用低于1GHz的信号（波长大于300mm）的实际的物位计量应用，通常使用3mm-20mm的传输线直径。探测器的其他示例包括表面波导（SWG），例如具有或没有电介质涂层的单线传输线（Goubau探测器）或管。表面波导与波长相比可以非常细；对于低于1GHz的使用，4mm-8mm是常见的SWG直径。探测器本质上可以为刚性的或柔性的，并且探测器可以由例如不锈钢的金属、诸如聚四氟乙烯（PTFE）的塑料、或其组合来制成。

物位计系统1还包括处理电路6，该处理电路6被连接到收发器2，以用于控制收发器并处理被收发器接收的信号以确定容器5中的产品7的填充水平。

发送的电磁信号（典型地为微波）在产品的表面处反射，并且反射的信号被包括在雷达物位计系统中的发送器/接收器组件接收。基于发送的信号和反射的信号，可以确定到产品的表面的距离。

更具体地，一般基于电磁信号的发送与该电磁信号在以下界面处的反射的接收之间的时间来确定到产品的表面的距离：该界面位于容器中的气氛与容器中所包含的产品之间。为了确定产品的实际填充水平，基于上述时间（飞行时间）和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。

为了防止来自容器的内容物泄漏到物位计中并进一步泄漏到外面气氛，收发器2经由密封布置4连接到探测器3。该密封布置4包括可以是高温和/或高压密封件（HTHP密封件）的容器密封件，并将在以下对其进行更详细的描述。在容器密封件的容器侧，密封布置向容器敞开，从而意味着容器气氛和凝结物可以进入密封布置。

此外，处理电路6经由接口10可连接到用于模拟和/或数字通信的外部通信线9。虽然在图1中未示出，但是雷达物位计系统1典型地可连接到外部电源，或者可以通过外部通信线9来供电。可替代地，该物位计可以使用例如无线HART协议来进行无线通信，并且可以使用具有电池或收集用于自主操作的能量的其他装置的本地电源（未示出）。

在操作中，处理电路6控制收发器电路2发送要被探测器3朝着产品7的表面8引导的电磁信号。通过分析发送信号S_T和从表面8传播回来的反射信号S_R，处理电路6可以确定参考位置（例如容器顶）与产品7的表面8之间的距离，由此可以推断填充水平或其他处理变量。应当注意的是，尽管在本文中讨论了包含单个产品6的容器5，但是可以以相似的方式测量沿着探测器到任何材料界面的距离。

在典型的GWR应用中，发送信号为无载波短脉冲（约1ns），并且占用约0.1GHz-1GHz的频率范围。可以基于时域反射计（time domainreflectometry，TDR）来确定距离。

这样的脉冲雷达物位计系统通常具有用于生成发送信号的第一振荡器和用于生成参考信号的第二振荡器，其中，该发送信号由具有发送脉冲重复频率f_t的、用于朝着包含在容器中的产品的表面发送的脉冲形成，而该参考信号由具有参考脉冲重复频率f_r的参考脉冲形成，该参考脉冲重复频率f_r与发送脉冲重复频率相差给定的频率差Δf。此频率差Δf通常在Hz或数十Hz的范围内。

在测量扫描开始时，使发送信号和参考信号同步，以具有相同的相位。由于频率差Δf，发送信号与参考信号之间的相位差将在测量扫描期间逐渐增加。在测量扫描期间，使由于发送信号在容器中所包含的产品的表面处反射而形成的反射信号与参考信号相关，以基于反射信号与参考信号之间的时间相关来形成测量信号。基于测量信号，可以确定填充水平。

图2至图3更详细地示出了根据本发明的实施方式的密封布置4，这里，其适合于与单线传输探测器连接。在下面的描述中，当使用诸如上或下的参考方向时，这些参考方向涉及正常操作条件下的密封布置（即如图2中所示）的方位。

密封布置4包括中空壳体11，该中空壳体11被以密封方式附接（例如焊接）至物位计凸缘12。中心导体13延伸通过壳体11，并且被布置成提供收发器2与探测器3之间的电接触。导体下端与用于连接探测器（图2中未示出）的端连接器15电接触。该连接器将适合于探测器的类型（例如，单线、双线、同轴线等）。

导体主体13被阻抗匹配的电介质套管16悬挂在壳体中。该套管16倚靠由壳体的向内突出部18形成的环形支撑表面17。在所示出的情况中，套管16还具有下终止部19，下终止部19具有较小的径向延伸，该下终止部19延伸超过突出部18并延伸到突出部18以下。

终止部19具有到达突出部18的下表面以下的延伸。如将在下面更详细地描述的，该设计具有将降低电短路风险的技术效果。终止部19的下端可以逐渐变尖或以其他方式形成，使得促进其上任何流体的排出。

电介质套管16还包括中心孔20，导体13延伸穿过该中心孔20。导体13还具有向外突出的带状物21，该向外突出的带状物21倚靠套管16的上环形表面22。由此，导体13被套管16悬挂在壳体11中。

密封布置4还包括容器密封件14，导体可以以密封方式穿过该容器密封件14进入容器中。在示出的示例中，容器密封件包括与套管16同轴安装并且延伸到套管16的上端以上的套管23。与套管16的突出部相符地，两个密封构件24、25（例如O形环）被布置在套管23中的凹槽中，一个密封构件24在外侧，其面向壳体的内侧，并且一个密封构件25在内侧，其面向导体的外侧。

在容器密封件以下，壳体11实际上向容器敞开，并且包含例如蒸气和气态内容物的容器气氛将因此进入壳体11的内部。尤其在高压、高温条件下，这样的容器气氛可能进入到在壳体11与电介质套管16之间以及在电介质套管16与导体13之间的间隙26、27。任何容器气氛同样可能凝结在间隙中。

虽然间隙26、27在图2中被显著放大，但是由于各种部件的制造中的实际公差和/或热膨胀系数的差异而不能完全消除间隙26、27。沿着套管的内表面和外表面形成了间隙26、27。在示出的实施方式中，其中导体13、套管16和壳体11都同轴，间隙26、27为圆柱形，其纵轴平行于导体13的纵轴延伸。

当容器气氛进入这些间隙并凝结时，电介质套管的有效半径被改变（变得较小）从而造成被导体传输的信号的干扰。尤其在高温条件下，即当容器的内部被保持在与外部相比的升高的温度下时，将存在穿过容器壁的显著的温度梯度，因而也将存在穿过雷达物位计的密封布置的显著的温度梯度。具体地，套管16、导体13和壳体11可以具有比容器气氛的温度低的温度，从而引起进入间隙26、27的任何容器气氛的凝结。

为了克服该问题，根据本发明的实施方式，电介质套管16的表面的沿着间隙26和/或间隙27延伸的部分、即套管16的内表面或套管16的外表面设置有导电涂层28、29。此外，导电涂层28、29与相邻的导电表面、即导体13的表面和/或壳体11的表面进行导电接触。

在使用中，当沿着导体传输发送信号和回波信号时，设置在电介质套管的表面上的导电涂层将与相邻的、导体和/或壳体的导电表面进行导电接触，由此使间隙26、27短路。这将消除或至少减轻由间隙和包含在间隙中的任何介质对导波雷达物位计的信号传输特性的任何影响。

根据示出的实施方式，第一导电涂层28设置在套管16的内表面上，即沿着间隙26并在间隙26的外侧。涂层28的部分28a延伸到套管16的上环形表面22，在该处涂层28的部分28a与导体13的突出的带状物21进行接触。为了改进导体13与涂层28之间的电接触，传导环形构件31可以被布置在上环形表面22与导体13的突出的带状物21之间。上环形表面可以轴向地凹进到电介质套管16中，以允许对准传导环形构件31。

第二导电涂层29设置在电介质套管16的终止部19的外表面上，即沿着间隙27并在间隙27内侧。涂层29的部分29a在部19外侧径向地延伸到环形表面32上，在该处涂层29的部分29a与套管16的突出部18进行接触。为了改进壳体11与涂层29之间的电接触，传导环形构件33可以被布置在下环形表面32与导体13的突出部18之间。下环形表面32可以轴向地凹进到电介质套管16中，以允许对准传导环形构件33。

如上所述，套管16的终止部19在突出部18的下表面以下延伸一段距离，由此降低了涂层28与涂层29之间的任何电连接的风险。

接触环形构件31和33可以由如下材料组成：该材料对将微波耦合到导电涂层28、29中和将微波耦合出导电涂层28、29进行改进，例如碳、石墨或人造石墨。注意：在许多应用中，环形构件31和33将提供充足的密封以形成容器密封件。

电介质套管16可以是具有适当的电特性的任何合适的材料，包括陶瓷材料和塑料材料。

在陶瓷套管16的情况下，导电涂层28和29可以是例如氮化钛或硅铂（silicon platinum），这些都适合于沉积处理。在塑料套管16的情况下，导电涂层29可以被代替为例如适合于与塑料表面结合的镍合金。

本领域内技术人员认识到本发明绝不限于上述优选实施方式。相反，可以在所附权利要求的范围内进行许多修改和变化。例如，各个元件的详细设计及其机械关系可以是不同的。此外，密封布置4可以针对不同的应用而在尺寸上按比例放大或缩小，也无需针对每个新应用分析和调整形状。

Claims

1.一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的导波雷达物位计，所述物位计包括：

收发器，所述收发器用于发送电磁发送信号以及接收在所述产品的表面处反射的电磁回波信号；

探测器，所述探测器连接到所述收发器，并且被配置成延伸到所述容器中并朝着所述表面引导所述发送信号以及朝着所述收发器引导所述回波信号；以及

密封布置，所述密封布置包括：

-中空壳体，

-导体，所述导体在所述壳体内部延伸，以用于在所述收发器与所述探测器之间传输电磁信号，

-电介质套管，所述电介质套管被布置在所述壳体内部并围绕所述导体，

-至少一个间隙，所述至少一个间隙形成在所述电介质套管与相邻的导电表面之间，所述间隙具有面向所述容器的敞开端，从而允许容器气氛进入并凝结在所述间隙中，以及

-导电涂层，所述导电涂层设置在所述电介质套管的面向所述间隙的表面上，并且与所述相邻的导电表面电接触，以使得在所述物位计的操作频率下所述导电涂层与所述相邻的导电表面之间的阻抗充分低，以降低存在于所述间隙中的任何介质的影响。

2.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述导电涂层与所述相邻的导电表面电流接触，以确保将所述间隙的两侧保持在相等的电势。

3.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述至少一个间隙包括形成在所述套管与所述导体之间的第一间隙，并且其中，所述导电涂层包括设置在所述套管的内表面上的第一导电表面涂层。

4.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述至少一个间隙包括形成在所述套管与所述壳体之间的第二间隙，并且其中，所述导电涂层包括设置在所述套管的外表面上的第二导电表面涂层。

5.根据权利要求3所述的导波雷达物位计，其中，所述电介质套管相对于所述壳体来悬挂所述导体。

6.根据权利要求4所述的导波雷达物位计，其中，所述电介质套管相对于所述壳体来悬挂所述导体。

7.根据权利要求5所述的导波雷达物位计，其中，所述导体包括抵靠所述电介质套管的支撑表面的、径向延伸的带状物，以使得所述电介质套管悬挂所述导体。

8.根据权利要求7所述的导波雷达物位计，其中，所述第一导电表面涂层的一部分延伸到所述支撑表面上。

9.根据权利要求8所述的导波雷达物位计，还包括导电材料的第一接触构件，所述第一接触构件被布置在所述第一导电表面涂层的在所述支撑表面上的所述部分与所述径向延伸的带状物之间。

10.根据权利要求6所述的导波雷达物位计，其中，所述壳体具有向内突出部，并且其中，所述电介质套管具有抵靠所述突出部的悬挂表面，以使得所述壳体悬挂所述电介质套管。

11.根据权利要求10所述的导波雷达物位计，其中，所述电介质套管具有半径减小的终止部，所述终止部延伸超过所述悬挂表面，并且其中，所述第二导电表面涂层的一部分设置在所述悬挂表面上。

12.根据权利要求11所述的导波雷达物位计，其中，所述终止部延伸超过所述突出部一段距离。

13.根据权利要求11所述的导波雷达物位计，还包括导电材料的第二接触构件，所述第二接触构件被布置在所述向内突出部与所述第二导电表面涂层的在所述悬挂表面上的所述部分之间。

14.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述导电涂层为沉积在所述套管上的金属合金。

15.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述电介质套管由陶瓷材料和塑料材料中的一种材料制成。

16.一种用于确定包含在容器中的产品的填充水平的方法，包括以下步骤：

生成电磁发送信号，

借助于延伸到所述容器中的探测器，朝着所述产品的表面引导所述发送信号，

借助于所述探测器，引导在所述产品的表面处反射的回波信号，

接收所述回波信号，

基于所述发送信号与所述回波信号之间的关系，确定所述填充水平，

沿着延伸通过处于壳体内部的电介质套管的导体来传输所述发送信号和所述回波信号，以及

使设置在所述电介质套管的表面上的导电涂层与相邻的导电表面电接触，

由此确保在所述物位计的操作频率下所述导电涂层与所述相邻的导电表面之间的阻抗充分低，以降低存在于形成在所述电介质套管与所述相邻的导电表面之间的至少一个间隙中的介质的任何影响，

所述间隙具有面向所述容器的敞开端，从而允许容器气氛进入并凝结在所述间隙中。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，使所述导电涂层与所述相邻的导电表面电流接触，以确保将所述间隙的两侧保持在相等的电势。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个间隙包括形成在所述套管与所述导体之间的第一间隙。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述至少一个间隙包括形成在所述套管与所述壳体之间的第二间隙。