CN104048730B - 具有料箱馈通结构的雷达料位计 - Google Patents

Abstract

一种使用电磁波以确定料箱中的产品的填充料位的雷达料位计，雷达料位计包括收发器、处理电路、信号传播装置以及箱馈通结构。料箱馈通结构包括：设置成固定至箱的固定的料箱连接件（23）；设置在固定的料箱连接件的通孔中的料箱连接转接器（26）；设置在通孔中并且置靠料箱连接转接器的耦合装置（30）；以及附接至固定的料箱连接件的紧固构件（43），并且紧固构件（43）将耦合装置固定在料箱连接转接器与紧固构件之间。根据这种设计，不同的料箱连接转接器可以适于与具有相同设计的固定的料箱连接件配合。这大幅减少了独特部件的所需数量。

Description

具有料箱馈通结构的雷达料位计

技术领域

本发明涉及一种用于雷达料位计的料箱馈通系统。

背景技术

雷达料位计（RLG）适合用于测量容纳在料箱中的产品例如过程流体、颗粒复合物以及其它材料的料位。这种雷达料位计的示例可以包括用于发送和接收微波的收发器、信号传播装置以及处理电路，信号传播装置设置成将微波向表面引导并且将由表面反射的微波返回至收发器，处理电路适于基于由收发器发送的微波和接收的微波之间的关系确定填充料位。

信号传播装置可以是定向天线，定向天线适于将自由传播的电磁波发射到料箱中并且接收这些电磁波的反射。这种RLG有时被称为非接触式RLG。天线可以适于特定的频带，并且现今最常用的频带具有6GHz和24GHz的中心频率。显然，适于这种相隔甚远频带的天线在结构上将是不同的，并且需要不同的波导器进行匹配。

可替代地，信号传播装置可以是探针，探针延伸到料箱中的产品中。发射的信号由探针引导，并且RLG经常被称为波导雷达（GWR）料位计。存在数种不同类型的探针，每种探针适于特定的中心频率并且具有不同的结构特征。

雷达料位计将必须适于信号传播装置的类型和设计。更特别地，料箱馈通结构与料箱凸缘牢固地配合并且用作料箱与雷达料位计之间的接口，料箱馈通结构将需要特别适于信号传播装置。当然，料箱馈通结构也需要特别适于料箱凸缘的尺寸和类型。这导致需要由雷达料位计的供应商制造和储存大量单独部件。这进而导致低效率的物流和制造成本。

发明内容

本发明的目的是减轻这些问题并且提供可以与用于任意给定的料箱凸缘的各种不同信号传播装置一起使用的雷达料位计。

根据本发明的第一方面，通过如下的雷达料位计实现该目的和其它目的，该雷达料位计包括:收发器，收发器用于发送电磁发送信号以及接收电磁回波信号；处理电路，处理电路连接至收发器，用于基于电磁回波信号确定填充料位；信号传播装置，信号传播装置用于向产品的表面引导电磁发送信号并且从表面返回反射作为电磁回波信号；以及料箱馈通结构。料箱馈通结构包括:固定的料箱连接件，固定的料箱连接件设置成固定至料箱，固定的部件具有通孔，通孔具有抵接表面；以及料箱连接转接器，料箱连接转接器以与抵接表面抵接的方式设置在通孔中；耦合装置，耦合装置设置在通孔中并且置靠料箱连接转接器，耦合装置通过馈通结构提供收发器与信号传播装置之间的电磁耦合；以及紧固构件，紧固构件附接至固定的料箱连接件并且将耦合装置固定在料箱连接转接器与紧固构件之间。

根据这种设计，不同料箱连接转接器可以适于与具有相同设计的固定的料箱连接件配合。这大幅地减少了独特部件的所需数量。例如，为了使得能够将四个不同类型的信号传播装置安装至四个不同的料箱连接件，本发明将所需部件的数量从16个减少至8个。

在雷达料位计——即以高频电磁信号操作的料位计——的情况下，环绕耦合装置的料箱连接转接器优选由导电材料例如金属制成。另外，固定的料箱连接件可以由与转接器相同的材料制成，使得固定的料箱连接件和料箱连接转接器一起形成整体的料箱连接。

耦合装置可以包括延伸通过电介质套筒的导电信号传输构件。然后，信号传播装置可以包括连接至信号传输构件的传输线探针。通过这种设计，料箱连接转接器用作同轴线的外导体，并且信号传输构件用作中央导体。

可替代地，料箱连接转接器可以形成中空波导器的一部分，中空波导器将收发器与信号传播装置连接。另外，固定的料箱连接件可以形成波导器的一部分。中空波导器可以可选地填充有电介质填充构件，以提供料箱的密封。

可能需要另外的密封构件，特别是在高压状态下，以形成料箱的过程密封。因此，耦合装置可以包括至少一个密封构件。

根据本发明的第二方面，提供了用于将雷达料位计的料箱馈通结构安装在料箱的顶部中的凸缘中的方法。方法包括如下步骤：将固定的料箱连接件固定在凸缘中，固定的料箱连接件具有通孔，通孔具有抵接表面，将料箱连接转接器以与抵接表面抵接的方式插入到通孔中，将耦合装置设置在通孔中，并且将紧固构件附接至固定的料箱连接件，由此将耦合装置固定在料箱连接转接器与紧固构件之间。

应当指出，这些步骤的顺序可以不同于在此所列的顺序。具体地，在固定的料箱连接件安装至料箱的凸缘之前，料箱连接转接器和耦合装置可以固定在固定的料箱连接件中。

信号传播装置可以连接至料箱连接转接器或者连接至耦合装置。另外，这可以在料箱连接件安装至料箱之前或者之后完成。

附图说明

将参照附图对本发明进行更加具体地描述，附图示出了本发明的目前优选的实施方式。

图1为安装在料箱上的雷达料位计的示意图。

图2a-图2b示出了根据本发明的第一实施方式的料箱馈通结构。

图3a-图3b示出了根据本发明的第二实施方式的料箱馈通结构。

图4a-图4b示出了根据本发明的第三实施方式的料箱馈通结构。

图5a-图5b示出了根据本发明的第四实施方式的料箱馈通结构。

图6示出了料箱连接件的不同示例。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施方式的雷达料位计（RLG）1的示意图。RLG1安装在料箱2上，并且RLG1设置成执行对过程变量——例如在料箱2中的两种材料4、5之间的界面3的料位L——的测量。通常，第一材料是储存在料箱中的液体4，例如汽油，而第二材料是料箱中的空气或者其它气氛5。在一些应用中，料箱是非常大的金属料箱（直径在10m量级）。

雷达料位计1包括收发器电路6、处理电路7以及信号和电源接口8，收发器电路6、处理电路7以及信号和电源接口8都包围在壳体14中。收发器电路6电连接至信号传播装置10，信号传播装置10延伸到料箱2中。信号传播装置10设置成用作转接器，信号传播装置10将电磁波发送到料箱2中以由界面——在此为料箱2中的产品4的表面3——反射。

信号传播装置10可以是如图1中示出的波导传输线。该传输线可以是悬置在料箱的顶部和底部之间的柔性线，或者可以是延伸到料箱中的刚性探针。该传输线可以是单线、双线、同轴的、或者任意其它类型的适当传输线。可替代地，信号传播装置是设置在料箱的顶部中的自由传播天线（图1中未示出）。在这种情况下，所传输的信号必须是微波信号，例如调制的脉冲。

RLG1还包括料箱馈通结构12，料箱馈通结构12适于提供更好的压力密封通道，压力密封通道用于使电磁信号通过料箱的壁，由此允许在收发器电路6与信号传播装置10之间传输发送信号和返回信号。料箱馈通结构12固定地安装至料箱凸缘13，并且信号传播装置10和壳体14机械地固定至料箱馈通结构12。下文中将参照图2至图5描述料箱馈通结构12的多个实施方式。

图2至图3示出了适于波导雷达（GWR）信号传播装置的实施方式。在这些实施方式中，料箱馈通结构包括多种导电信号传输构件，多种导电信号传输构件延伸通过馈通结构。图4至图5示出了适于非接触式（NC）信号传播装置的实施方式。在这些实施方式中，替代导电传输构件，料箱馈通结构在此包括填充有电介质构件的中央波导器。

图2a至图2b示出了料箱馈通结构21，料箱馈通结构21适于连接至单线传输探针22a-22d。图2a示出适于多种状态的四个不同类型的探针22a-22d。探针22a、22b分别是8mm和13mm的刚性探针。探针22c、22d是不同类型的柔性探针。主要参照图2b，馈通结构包括固定的料箱连接件23，固定的料箱连接件23由金属材料通常是钢制成，固定的料箱连接件23适于与料箱凸缘13牢固地配合（见图1）。为此，固定的料箱连接件可以具有用于螺钉或者其它紧固件（未示出）的孔24。可替代地，固定的料箱连接件可以适于焊接至料箱凸缘。

固定的料箱连接件23还具有开口25，在开口25中设置有基本上圆筒形的料箱连接转接器26。转接器26在此借助转接器26的环形突出27a、27b而由料箱连接件23悬置，环形突出27a、27b置靠开口25中的环形抵接部28a、28b。用一个环形抵接部可以是足够的。可替代地，开口可以是圆锥形渐缩的，那么，转接器具有匹配的形状。固定的料箱连接件23和连接器26形成整体结构。可选地，转接器26压配合在开口25中或者以其它方式固定在开口25中。

料箱连接件23和转接器26形成整体结构，整体结构具有从料箱2的内部延伸至外部的开口29。在所示出的情况下，转接器26悬置在固定的料箱连接件的下（面向内）部23a中，使得开口29的上（面向外）部由延伸到转接器26上方的料箱连接件23的开口25的上部25b形成。可替代地，转接器26可以与料箱连接结构的上表面23c齐平，或者甚至延伸到表面23c上方。在所示示例中，转接器26的底表面26a与料箱连接件23的底表面23d齐平。

在开口29中设置有耦合装置30，耦合装置30适于提供电路6与探针22a-22d之间的电磁耦合。耦合装置30在此包括电介质套筒31，电介质套筒31通常由相对较软的电介质材料例如聚四氟乙烯（PTFE）制成。套筒31由转接器26悬置并且限定延伸通过转接器26的通道32。在该通道32中设置有诸如铜之类的导电材料的传输构件34。

传输构件34具有外端34a和内端34b，外端34a设置有用于连接至收发器电路6的端子35，内端34b适于与探针22a-22d连接。在所示情况中，传输构件34是具有突出腰部（girdle）36的基本上圆柱形元件，突出腰部36置靠通道32的上端中的环形抵接部37，由此悬置传输构件34，使得内端34b延伸到转接器26的端部下方。端子35在此由用于接收插针39的孔38形成，插针39优选地由铜或者类似材料制成。

耦合装置还包括电介质盖40，电介质盖40设置在套筒31的顶部上以形成包围传输构件34的电介质外壳。盖40具有中央开口41，插针39延伸通过中央开口41。

应当指出，腰部36和环形抵接部37不能过于突出，因为这会导致对传输构件34所发送的微波信号的干扰。因此，在当传输构件34受到显著的负载和/或料箱馈通结构21（并且由此套筒31）的温度升高的情况下，传输构件34可以被迫使滑动通过抵接部37。因此，在所示的情况下，套筒31包括外部件31a和内部件31b，外部件31a设置成置靠转接器26，内部件31b设置在外部件33a的内部并且形成通道32的上部。这允许内部件31b由结构上较高强度的电介质材料例如陶瓷制成，从而为传输构件34提供坚固的抵接部37，与例如PTFE相比，抵接部37较软并且较不易受升高的温度影响。如果内部件31a和外部件31b的材料是匹配的，那么内部件31b所置靠的抵接部33可以制得足够大而不会引起任何干扰。

图2b中的料箱馈通结构21还包括金属紧固构件43，金属紧固构件43设置成固定至料箱连接件23，使得耦合装置30夹在金属紧固构件43与料箱连接件23之间。在所示的情况下，紧固件43是具有外螺纹44的钢帽。料箱连接件23的上部的内侧具有相对应的螺纹45，使得帽43可以牢固地螺合就位。钢帽43具有中央开口46，插针39延伸通过中央开口46。

耦合装置30可以设置成提供过程密封，即防止潜在包括产品的料箱气氛以气态形式离开料箱的密封。例如，这可以通过多个密封元件——例如包含在耦合装置中的O型环48a-48c——来实现。在所示示例中，两个O型环48a设置在套筒31与料箱连接件23之间，而两个O型环48b设置在电介质套筒31与传输构件34之间。

图3a-图3b示出在此适于连接至同轴探针52的料箱馈通结构51的另一示例。同轴探针52包括由中空结构54a包围的中央导体53，中空结构54a可选地具有开口以允许料箱中的容纳物自由地穿过该结构。探针52可以根据应用而具有不同直径，并且左侧示出了具有更大直径的中空结构54b，也称为静管（still pipe）。中央导体可以是与图2a中示出的探针类似的单线探针。单线53可以是8mm探针，而13mm探针可以更适于中空结构54b。

图3a-图3b中的料箱馈通结构的大部分部件极其类似于图2a-图2b中的对应元件，并且已经由相同附图标记表示。对这些部件将不作进一步描述。

正如图2和图3中所示的，料箱连接转接器56由料箱连接件23悬置。与图2a-图2b中的料箱连接转接器26相比，图3a-图3b中的料箱连接转接器56在其轴向方向上——即在垂直于料箱壁的方向上——具有更大延伸。

参照图3a，图3a示出了处于组装状态的料箱馈通结构51，因此，转接器56的下部56a延伸到料箱连接件23的底表面23d下方。该下部56a的外表面设置有螺纹57。同轴探针52的中空结构54a、54b具有相对应的内螺纹55，使得结构53可以附接至料箱馈通结构51。

图4至图5示出了适于连接至诸如天线喇叭之类的定向天线的料箱馈通结构的示例。因此，料箱馈通结构限定波导器，波导器从天线喇叭延伸通过料箱壁并且延伸到料箱馈通结构的上部。电路6通过适当的馈给装置——例如馈给探针（未示出）——连接至波导器的上部。

图4a-图4b中的馈通结构61和天线喇叭62设计用于约6GHz的工作频率。中空波导器60由料箱馈通结构限定并且通常填充有电介质材料。在所示的情况下，对于PTFE的填充构件，中空波导器60具有25mm量级的直径。

主要参照图4b，馈通结构61包括在此与图2和图3中的料箱连接件23相同的固定的料箱连接件23。基本上圆筒形料箱连接转接器66配合在开口65中。正如图2和图3中所示的，转接器66由料箱连接件23悬置，使得料箱连接件23和转接器66形成整体的结构。

在所示的情况下，转接器66悬置在固定的料箱连接件23的下（料箱侧）部23a中，使得料箱连接件23的上（外侧）部23b延伸到转接器66上方。可替代地，转接器66可以与料箱连接结构的上表面23c齐平，或者甚至延伸到表面23c上方。另外，在所示的示例中，转接器66的下（料箱侧）部66a延伸超过料箱连接件23的底表面23d。螺纹67在此形成在下部66a的外围表面上，并且天线喇叭62具有相对应的螺纹68以使得能够将天线喇叭容易地安装至料箱连接转接器。

转接器66具有通道69，通道69形成波导器60的下部。在通道69中设置有耦合装置，耦合装置在此为电介质波导填充元件71的形式，并且通常由相对较软的电介质材料例如PTFE制成。构件71呈基本上圆柱形的形状，带有渐缩端部71a和71b并且具有呈较大直径的腰部72。腰部72置靠转接器66的上凸缘66b。腰部还具有围绕其外围表面的两个环形槽73，两个环形槽73适于接收密封元件，例如O型环74。渐缩下端部71b延伸超过转接器66的下部66a并且延伸到天线喇叭62中。

大致圆筒形金属紧固构件75配合在填充元件71的顶部上，金属紧固构件75具有内部通道76，内部通道76形成波导器60的上部。通道69和76的直径在此相同，但是可以可选地不同以提供适当的匹配。由此，填充元件71夹在转接器66与紧固构件75之间，填充元件71、转接器66以及紧固构件75一起形成中空波导器60。

图5a-图5b中的馈通结构81和天线喇叭82设计用于约26GHz的工作频率。中空波导器80由料箱馈通结构限定并且通常填充有电介质材料。在所示的情况下，对于PTFE的填充构件，中空波导器80具有大约5-6mm的直径。

主要参照图5b，馈通结构81包括与图2和图3中的料箱连接件23相同的固定的料箱连接件23。基本上圆筒形的料箱连接转接器86配合在开口85中。正如图2和3所示的，转接器86由料箱连接件23悬置，但是在这种情况下，其仅由下抵接部28a悬置。

在所示的情况下，转接器86悬置在固定的料箱连接件的下（面向内）部23a中，使得料箱连接件23的上（面向外）部23b延伸到转接器86上方。可替代地，转接器86可以与料箱连接结构的上表面23c齐平，或者甚至延伸到表面23c上方。另外，在所示的示例中，转接器86的下（面向内）部86a延伸超过料箱连接件23的底表面23d。螺纹87在此形成在下部86a的外围表面上，并且天线喇叭82具有相对应的螺纹88以使得能够将天线喇叭82更容易地安装至料箱连接转接器81。

转接器86具有通道89，通道89形成波导器80的下部。通道的底部89a是向外呈锥形的，即越靠近料箱的内部变得越宽，从而提供与天线喇叭82的匹配。在通道89中设置有耦合装置90，耦合装置90在此包括电介质波导填充元件91，电介质波导填充元件91通常由相对较软的电介质材料例如PTFE制成。构件91具有第一长形中央部分92、从该中央部分延伸出来的第二盘形部分93以及从该盘形部分的外围向上延伸的第三圆筒形部分94。由此，第二部分和第三部分形成桶的形状。在盘形部分93的上表面93a上还形成有环形突起95，环形突起95意在用作四分之一波长扼流圈。

中央部分92具有渐缩的下端部92a，渐缩的下端部92a延伸到通道89的锥形部分89a中。中央部分92的上端部92b还是略微渐缩的，并且在中央部分92的上端部92b的端部处具有凹口96，结构上强的电介质材料——例如树脂、玻璃或者铝氧化物——的针97配合在凹口96中。

针97由中间金属元件98保持就位，中间金属元件98适于配合在所述桶的内部中并且具有内部空间99，内部空间99形成以接收中央部分92的上端部92b。金属元件98具有开口100，针97延伸通过开口100。第二波导电介质填充元件101设置在金属元件98上，并且在第二波导电介质填充元件101的下端部中具有适于接收针的凹口102。

针97由金属元件98保持就位用于防止相对较软的电介质波导填充元件被料箱内的压力推出通道89，特别是在升高温度的状态过程中。通过这种设计，设计用于26GHz、具有PTFE的波导填充件的馈通结构81可以在高达200摄氏度的温度下经受高达40bar的压力。

料箱馈通结构81还包括金属紧固构件103，金属紧固构件103设置成固定至料箱连接件23，使得包括波导填充元件91和101、以及针97和金属构件98的耦合装置90夹在料箱连接件23与紧固构件103之间。在所示的情况下，紧固构件103具有外螺纹104，外螺纹104与在料箱连接件23的上部23b的内侧上的螺纹105相对应，使得紧固构件103可以牢固地螺合就位。紧固构件103还具有通道106，通道106适于围绕第二波导填充元件101以形成波导器80的上部。

馈通结构还可以包括过程密封，即防止潜在地包括产品的料箱气氛以气体形式离开料箱的密封。例如，这可以由包括在耦合装置中的多个密封元件来实现。在该实施方式中，正如在图4a-图4b中的实施方式中的情况，密封元件不围绕填充构件91设置。原因在于，图5a-图5b中的实施方式意在用于升高的温度。在这种状态下，PTFE填充构件的直径的潜在变化使得很难密封。为此，填充构件具有上文描述的桶形，并且诸如O型环108a之类的密封元件设置在圆筒形部分94的内侧与紧固构件103之间。部分94的材料厚度非常小，由此导致较小的潜在热膨胀。在此为平环108b的另一密封元件设置在料箱连接件23的上环形抵接部28b与盘形部分93的外围部分之间。

应当指出，在所有上述实施方式中的料箱连接件23是相同的（或者至少非常类似）。这清楚地说明了本发明的优势，其中，相同的料箱连接可以设置有不同的耦合装置并且连接至不同类型的信号传播装置（即，探针、天线喇叭等）。在图6中示出不同的料箱连接件23’、23’’、23’’’的三个示例。

本领域的普通技术人员应认识到，本发明并不局限于上文描述的优选实施方式。相反，可以在随附权利要求的范围内作出很多改型和变型。例如，信号传播装置可以是对馈通结构的转接器作出适当改变的另一类型。

Claims (11)

1.一种使用电磁波以确定料箱中的产品的填充料位的雷达料位计，所述雷达料位计包括：

收发器，所述收发器用于发送电磁发送信号以及接收电磁回波信号，

处理电路，所述处理电路连接至所述收发器，用于基于所述电磁回波信号确定所述填充料位，

信号传播装置，所述信号传播装置用于向所述产品的表面引导所述电磁发送信号以及从所述表面返回反射作为所述电磁回波信号；以及

料箱馈通结构，所述料箱馈通结构包括：

-固定的料箱连接件，所述固定的料箱连接件设置成固定至所述料箱，所述固定的料箱连接件具有通孔，所述通孔具有抵接表面，

-导电的料箱连接转接器，所述料箱连接转接器以与所述抵接表面抵接的方式设置在所述通孔中，

-耦合装置，所述耦合装置设置在所述通孔中并且置靠所述料箱连接转接器，所述耦合装置通过所述馈通结构提供所述收发器与所述信号传播装置之间的电磁耦合，以及

紧固构件，所述紧固构件附接至所述固定的料箱连接件，由此将所述耦合装置夹在所述料箱连接转接器与所述紧固构件之间，

其中，所述信号传播装置是定向天线，并且所述料箱连接转接器形成中空波导器的一部分，所述中空波导器将所述收发器与所述定向天线连接。

2.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述馈通结构构造成使得当所述雷达料位计安装至所述料箱的顶部时，所述抵接表面面向所述料箱的外部并且所述紧固构件附接至所述固定的料箱连接件的上部。

3.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述固定的料箱连接件和所述料箱连接转接器由相同材料制成，使得所述固定的料箱连接件和所述料箱连接转接器形成整体的料箱连接。

4.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述固定的料箱连接件形成所述中空波导器的一部分。

5.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述耦合装置包括设置在所述中空波导器中的电介质填充构件。

6.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述定向天线安装至所述料箱连接转接器。

7.根据权利要求1所述的雷达料位计，其中，所述耦合装置还包括至少一个密封构件，以形成所述料箱的过程密封。

8.一种用于将雷达料位计的料箱馈通结构安装在料箱的顶部中的凸缘中的方法，所述方法包括如下步骤：

将固定的料箱连接件固定在所述凸缘中，所述固定的料箱连接件具有通孔，所述通孔具有抵接表面，

将导电的料箱连接转接器以与所述抵接表面抵接的方式插入所述通孔中，

将耦合装置设置在所述通孔中，以及

将紧固构件附接至所述固定的料箱连接件，由此将所述耦合装置夹在所述料箱连接转接器与所述紧固构件之间，

从而使得导电的所述料箱连接转接器提供收发器与安装至所述料箱馈通结构的信号传播装置之间的电磁耦合，

其中，所述信号传播装置是天线，并且所述料箱连接转接器形成中空波导器的一部分，所述中空波导器将所述收发器与所述天线连接。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括将所述天线连接至所述料箱连接转接器。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述天线是定向天线。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括将所述定向天线安装至所述料箱连接转接器。