CN104048731A - 高温高压雷达物位计 - Google Patents

Abstract

本公开涉及高温高压雷达物位计，根据本发明的一种雷达物位计包括收发器、处理电路、信号传播装置以及将收发器与信号传播装置相连接的波导装置。该波导装置包括：中空波导；由第一电介质材料制成的第一填充构件，其中，第一填充构件设置在中空波导的内侧；以及由第二电介质材料制成的第二填充构件，其中，第二填充构件设置在中空波导的内部且相对于容器在第一填充构件的外侧。第二填充构件至少在远离容器的方向上固定在波导中，并且第二填充构件配置成承受高达250摄氏度的温度。因此，在温度高到足以软化内侧填充构件的状态期间，外侧填充构件将因此用于防止第一填充构件被推挤出波导。

Description

高温高压雷达物位计

技术领域

本发明涉及一种雷达物位计，该雷达物位计具有：收发器，其用于发射电磁发射信号和接收电磁回波信号；处理电路，其连接至收发器，用于基于电磁回波信号来确定填充物位；信号传播装置，其适于将电磁发射信号引向产品的表面并且返回来自该表面的反射信号作为电磁回波信号；以及波导装置，其用于将收发器与信号传播装置相连接。

背景技术

雷达物位计（RLG，radar level gauge）适合用于对容纳在容器中的产品诸如工艺流体、粒状化合物和其他材料的物位进行测量。这种雷达物位计的示例可以包括：收发器，其用于发射和接收微波；信号传播装置，其设置成将微波引向表面并且将该表面所反射的微波返回至收发器；以及处理电路，其适于基于收发器所发射和所接收的微波之间的关系来确定填充物位。

信号传播装置可以是定向天线，该定向天线适于将自由传播电磁波发射进容器中并且接收这些波的反射波。这种RLG有时称为非接触式RLG。天线可以适于特定的频带，并且目前使用最多的频带具有大约6GHz（千兆赫）或24GHz的中心频率。

在一种常规设计中，波导装置包括穿过容器壁延伸的中空波导，该波导填充有电介质填充构件（塞子）以防止容器的内容物进入波导。诸如O形环等的密封元件围绕该塞子进行设置，以提供确保容器的内容物不释放进外部环境中的密封处理。该密封处理可以是压力密闭。

在填充构件中的电介质材料选用具有合适的电介质性能并且优选地还是疏水性，即排斥水的电介质材料。然而，这种材料例如PTFE（聚四氟乙烯）通常还是相对较软的，并且受升高的温度的影响。在温度变化的状态下，诸如PTFE填充构件的较软电介质填充构件会因此相对于通常由钢制成的环绕波导移动。这种移动会使密封元件所提供的密封劣化，导致容器密封不完全。

此外，在容器中的高温高压（HTHP，high temperature and highpressure）状态期间，还存在下述风险，较软电介质构件还将穿过相对较小的开口（即，比电介质构件的直径小得多的开口）被推挤出波导。

发明内容

本发明的目的是减轻这些问题，提供一种改善馈通结构的密封并且降低了信号发射劣化的风险的雷达物位计。

根据本发明的第一方面，该目的通过一种雷达物位计来实现，该雷达物位计通过使用电磁波以确定在容器中的产品的填充物位，该雷达物位计包括：收发器，其用于发射电磁发射信号并且接收电磁回波信号；处理电路，其连接至收发器，用于基于电磁回波信号来确定填充物位；信号传播装置，其适于将电磁发射信号引向产品的表面并且返回来自该表面的反射信号作为电磁回波信号；以及波导装置，其将收发器与信号传播装置相连接。波导装置包括：中空波导；由第一电介质材料制成的第一填充构件，其中，第一填充构件设置在中空波导的内侧；以及由第二电介质材料制成的第二填充构件，其中，第二填充构件设置在中空波导的内、相对于容器在第一填充构件的外侧，其中，第二填充构件至少在远离容器的方向上固定在波导中。而且，第二电介质材料配置成承受高达250摄氏度的温度。

通过将电介质填充构件分成（至少）两个部分，外侧部分可以由结构牢固并且耐高温的材料制成并且可以紧固在波导中，并且因此还在下方部分通过升高的温度而软化时，使内侧部分保持在适当位置。因此，在温度高到足以使内侧填充构件软化的状态期间，外侧填充构件将因此用于防止第一填充构件被推挤出波导。

应当注意的是，在下列公开和权利要求中，表达“内”和“外”用于指示相对于容器内部的相对位置。因此，外侧填充构件定位成比内侧填充构件更加远离容器内部。

为了固定在波导中，外侧填充构件需要结构上牢固并且形状稳定。表述“承受温度”是指外侧填充构件将不放松其形状稳定性，在化学上也不会熔化或劣化。简而言之，外侧填充构件在升高的温度下还将充当“塞子”。

第二电介质材料优选地能够承受甚至更高的温度，例如高达500摄氏度的温度。外侧填充构件可以适当地由诸如氧化铝的陶瓷材料、环氧树脂、或玻璃制成。

内侧填充构件由具有合适的电磁性能以及对容器中的内容物特别是石油产品具有抵抗性的电介质材料制成。除了这些性能之外，内侧填充构件优选地为疏水性的，即排斥水。通常用作雷达物位计中的电介质填充构件的材料的示例包括PTFE（聚四氟乙烯）、PFA（全氟烷氧基树脂）、FEP（聚全氟乙丙烯）和PTS（热固性酚醛树脂）。

根据本发明的第二方面，该目的通过一种雷达物位计来实现，该雷达物位计通过使用电磁波以确定在容器中的产品的填充物位，该雷达物位计包括:收发器，其用于发射电磁发射信号并且接收电磁回波信号；处理电路，其连接至收发器，用于基于电磁回波信号来确定填充物位；信号传播装置，其适于将电磁发射信号引向产品的表面并且返回来自该表面的反射信号作为电磁回波信号；以及波导装置，其将收发器与信号传播装置相连接。波导装置包括：中空波导，其包括由第一导电波导形成构件所形成的内侧部分和由第二导电波导形成构件所形成的外侧部分；第一电介质波导填充构件，其具有内侧端容纳在波导内侧部分中并且外侧端容纳在波导外侧部分中的细长的中央部分；以及杯状套筒部分，该杯状套筒部分从中央部分径向地向外延伸并且沿着中央部分轴向地延伸，该套筒因此形成了开口背对容器的杯状形状，套筒部分的至少一部分夹在第一波导形成构件与第二波导形成构件之间。

根据这种设计的电介质填充构件，到达电介质构件的水或容器内容物的任何泄漏物将通过杯状套筒的外侧来导引并且能够排出计量器的外部，以防止这些泄漏物到达电路。

出于该目的，波导装置可以包括提供了在杯状套筒的外缘至容器的外部之间的流体接触的至少一个通路，并且通过通路到达容器的外部。

波导装置还可以包括至少一个密封元件，该至少一个密封元件与杯状套筒接触并且适于提供所述容器的密封处理。那么至少在密封元件与套筒接触的位置中套筒优选地具有明显小于中央部分的直径的材料厚度。由于薄壁将较少受到变化温度的影响，因此这改善了密封元件的密封功能。

与本发明的第一方面相结合，杯状套筒是特别有利的。如上文所讨论的，本发明的第一方面提供了两个分离的波导填充构件。虽然这种解决方案处理了软化的电介质填充构件被推挤出波导的问题，但这种解决方案引入了另一问题。如果波导的密封不完全，则任何泄漏物（例如，水或容器内容物）可以到达分离的电介质填充构件之间的接触表面。在这种界面上的一层例如水会明显损坏电磁信号穿过波导的传输。本发明的第二方面的杯状套筒将确保防止任何泄漏物到达第一填充构件与第二填充构件之间的界面。

附图说明

将参考示出了本发明的当前优选实施例的附图对本发明进行更详细地描述。

图1是安装在容器上的雷达物位计的示意性视图。

图2a至图2b示出了根据本发明的实施例的容器馈通结构。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的实施例的雷达物位计（RLG）1的示意图。该RLG1安装在容器2上，并且设置成对工艺变量诸如在容器2中的两种材料4和5之间的界面3的物位L进行测量。典型地，第一材料为储存在容器中的液体4，例如汽油，而第二材料为在容器中的空气或其他气体5。在一些应用中，容器是非常大的金属容器（直径大约为10米）。

雷达物位计1包括全部封装在壳体14中的收发器电路6、处理电路7、以及信号和电源接口8。收发器电路6电连接至合适的信号传播装置10，在此，喇叭状天线11形式的定向天线延伸进容器2中。天线11设置成充当适配器，该适配器将自由传播电磁波发射进容器2中，以通过界面，此处即容器2中的产品4的表面3来反射。

发射信号通常在GHz的范围中，例如大约6GHz或26GHz。该发射信号可以是频率变化的连续信号（调频连续波，FMCW），或者该发射信号可以是经调制的脉冲。其他类型的发射信号也是可能的。

RLG1还包括容器馈通结构12，该容器馈通结构12适于对穿过容器壁的电磁信号提供较佳压力密封通道，从而允许在收发器电路6与天线10之间传输发射信号和返回信号。

天线10安装至容器馈通结构12的面向容器的内部的这一侧上。出于该目的，结构12设置有螺纹15，并且喇叭状天线11设置有相应的螺纹16（参见图2a）。在结构12的面向容器的外部的另一侧上，安装RLG的壳体14，该壳体14容纳收发器6和处理电路7。壳体14与其电路6、7的各种机械连接和电气连接是可能的，并且在此不进行详细讨论。

如根据下面的描述将变得明显的是，馈通结构12形成了在天线11与该电路之间的密封波导通道。来自收发器的信号通过合适的馈送器（未示出）馈送至波导的上端，该馈送器连接至收发器并且适于耦接收发器与中空波导之间的电磁信号。然后允许信号传播进天线中并且发射进容器中。经反射的返回信号通过天线来接收并且馈送进波导的下端中，并且之后通过馈送器来耦接回收发器电路。

在图2a和图2b中更详细地示出了馈通结构12和喇叭状天线11。在这种特定情况中，RLG设计成用于大约26GHz的工作频率。波导装置30包括中空波导20，该中空波导20通过容器馈通结构来限定并且设置成在电路与天线11之间导引电磁信号。波导20在此填充有电介质材料，并且可以具有大约5mm（毫米）的直径，但精确的直径将取决于填充中空波导的电介质材料。

馈通结构12包括由通常为钢的金属材料制成的容器连接件21，该容器连接件21适于牢固地安装至容器凸缘13（参见图1）。出于该目的，容器连接件21可以具有用于螺栓或其他紧固件（未示出）的孔22。可选地，该容器连接件21可以适于焊接至容器凸缘13。

容器连接件能够形成为一个整体。然而，在图示的情况下，容器连接件21包括：固定的容器连接件23，其适于固定至容器凸缘13；以及容器连接适配器24，其设置成安装进固定的容器连接件23的中央开口25中。适配器24的目的是允许使用一个共用的固定容器连接件以用于安装适合于不同信号传播装置（天线、波导结构、发射线路探针等）的各种耦接装置。适配器24通过固定的容器连接件23来悬置，在此通过适配器24的靠着开口25中的环形抵接部27搁置的环形突出部26来悬置。可选地，开口25可以是锥形的，并且适配器具有相匹配的形状。适配器24可以压配或以另外的方式固定在开口25中。

在图示的情况下，适配器24悬置在固定的容器连接件的下方（面向内部）部分23a中，使得容器连接件23的上方（面向外部）部分23b在适配器24的上方延伸。适配器24可以可选地与容器连接件结构的上表面23c平齐，或甚至在表面23c上方延伸。另外，在图示的示例中，适配器86的下方（面向内部）部分24a延伸出容器连接件23的底部表面23d。在该下方部分24a的外周表面上形成螺纹15。

容器连接件21充当第一波导形成构件，并且具有形成波导20的内侧部分的通路28。该通路的下方部分28a向外呈锥形，即，越靠近容器的内部，该下方部分28a变得越宽，以提供与喇叭状天线11的匹配。波导装置30还包括第一波导填充元件31，该第一波导填充元件31设置成防止容器内容物进入喇叭状天线11。诸如PTFE（聚四氟乙烯）的合适材料尤其在升高的温度下是相对软的。构件31具有细长的中央部分32和杯状套筒部分，该杯状套筒部分从中央部分32径向地向外延伸并且沿着中央部分32轴向地延伸。因此，套筒形成了开口背对容器的杯状形状。在图示的情况下，套筒几乎像桶一样地成形，并且具有从中央部分径向地向外延伸的盘形部分33和从盘形部分33的外周沿着中央部分32的轴线向上延伸的圆筒形部分34。在此，圆筒形部分34和中央部分32是同轴的。

在盘形部分33的上表面33a上还形成有环形突出部35，形成该环形突出部35以充当四分之一波长扼流圈，防止电磁能量从波导泄漏。这种电磁陷波电路可以通过其他方式来获得，例如，通过在中央部分32和圆筒形部分34之间的径向距离的合适尺寸来获得。

中央部分32具有延伸至通路28的锥形部分28a中的锥形下端32a。中央部分32的上端32b也略呈锥形，并且在其端部中具有凹陷部36，该凹陷部36用于容纳在此呈销37的形状的第二电介质填充构件。

销由结构上牢固并且耐高温的材料制成。销应当承受至少高达250摄氏度的温度，并且优选地承受高达500摄氏度的温度。合适的材料的示例为树脂、玻璃和氧化铝。

销37通过中间金属元件38保持在适当位置，该中间金属元件38适于安装在桶状部的内部中并且具有内侧空间39，形成该内侧空间39以容纳中央部分32的上端32b。金属元件38具有开口40，销37穿过该开口延伸，该开口因此形成了波导20的短节（short section）。在金属元件38上设置有另外的波导电介质填充元件41，并且该波导电介质填充元件41在其下端中具有适于容纳销37的凹陷部42。

销37保持在适当位置以便能够至少在远离容器的轴向方向上进行固定。例如，销37可以不进行附接，而是抵靠在销37上方的金属元件38中的抵接部。可选地，销37附接至金属元件38。例如，如果销37由氧化铝制成，则该销37可以钎焊至元件38。

销37用于防止特别是在升高的温度状态期间相对较软的电介质波导填充元件31被容器内的压力推挤出通路28。通过该设计，最靠近天线的、针对26GHz来设计且具有PTFE的波导填充的馈通结构能够在高达250摄氏度的温度下承受高达40巴（bar）的压力。

容器馈通结构12还包括具有孔46的金属紧固构件43，该金属紧固构件43适于围绕第二波导填充元件41以形成波导20的外部。紧固构件43设置成安装至容器连接件21，使得包括波导填充元件31和41、销37和金属元件38的耦接装置30夹在容器连接件21与紧固构件43之间。在图示的情况下，紧固构件43具有与在固定的容器连接件23的上方部分23b的内侧上的螺纹45相对应的外螺纹44，使得紧固构件43能够牢固地螺接在适当位置。

应当注意的是，金属元件38和紧固构件43可以集成在一个外侧波导形成构件中。

馈通结构还包括密封处理，即，防止潜在地包括呈气体形式的产品的容器气体离开容器的密封。例如，这可以通过包括在耦接装置中的多个密封元件来实现。

在升高的温度的状态期间，在PTFE填充构件的直径上的潜在变化使得密封变得困难。出于该目的，填充构件具有上文描述的杯形套筒，并且在圆筒形部分34的内侧与紧固构件43之间设置有诸如O形环48a的密封元件。部分34的材料厚度比构件31的直径小得多，因此引起更小的潜在热膨胀。在容器连接件23的上方环形抵接部27与盘状部分33的外周部之间设置有另外的密封元件，在此为平坦的环48b。而且，盘状部分33具有明显小于构件31的直径的材料厚度。例如，在杯状套筒的与密封元件48a和48b接触的位置处的材料厚度小于5mm，并且更优选地为大约2mm。

杯状套筒（在此为圆筒形部分34的杯状套筒）的外缘34a位于螺纹部分45下方很近的距离处，并且在容器连接件21和/或紧固构件43中形成一个或若干个通路47，从而提供了在外缘34a与容器的外部之间的流体连接。因此，已经穿过密封元件48b的任何泄漏物或冷凝物将通过杯状套筒的外表面来导引并且将通过通路47排出容器馈通结构。因此防止了这种泄漏物或冷凝物透过密封元件48a。

本领域的普通技术人员可以认识到，本发明绝不限于上文描述的优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可能做出许多修改和变化。例如，套筒部分不一定具有平坦部分和圆筒形部分，而是可以具有圆杯形状。该套筒部分还可以是例如底部面向容器的外部的包括锥形表面的漏斗形状。

Claims (15)

1.一种雷达物位计，所述雷达物位计通过使用电磁波以确定容器中的产品的填充物位，所述雷达物位计包括：

收发器，所述收发器用于发射电磁发射信号和接收电磁回波信号；

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来确定所述填充物位；

信号传播装置，所述信号传播装置适于将所述电磁发射信号引向所述产品的表面并且返回来自所述表面的反射信号作为所述电磁回波信号；以及

波导装置，所述波导装置将所述收发器与所述信号传播装置相连接，所述波导装置包括：

中空波导，所述中空波导包括由第一导电波导形成构件所形成的内侧部分和由第二导电波导形成构件所形成的外侧部分；以及

第一电介质波导填充构件，所述第一电介质波导填充构件具有内侧端容纳在所述波导内侧部分中并且外侧端容纳在所述波导外侧部分中的细长的中央部分；以及杯状套筒部分，所述杯状套筒部分从所述中央部分径向地向外延伸并且沿着所述中央部分轴向地延伸，所述套筒因此形成开口背对所述容器的杯状形状，所述套筒部分的至少一部分夹在所述第一波导形成构件与所述第二波导形成构件之间。

2.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述波导装置还包括至少一个通路，所述至少一个通路提供了在所述杯状套筒的外缘至所述容器的外部之间的流体接触。

3.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述波导装置还包括至少一个密封元件，所述至少一个密封元件与所述杯状套筒接触并且适于提供所述容器的密封处理，其中，所述套筒的壁至少在所述至少一个密封元件与所述套筒接触的位置中具有明显小于所述中央部分的直径的材料厚度。

4.根据权利要求3所述的雷达物位计，其中，所述材料厚度小于5毫米。

5.根据权利要求3所述的雷达物位计，其中，所述波导装置包括位于所述第一填充构件与所述第一波导形成构件之间的第一密封元件。

6.根据权利要求3所述的雷达物位计，其中，所述波导装置还包括位于所述第一填充构件与所述第二波导形成构件之间的第二密封元件。

7.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述套筒包括：基本上呈圆筒形的壁部分，所述基本上呈圆筒形的壁部分同轴地围绕所述中央部分；以及平坦的盘部分，所述平坦的盘部分桥接所述中央部分与所述壁部分之间的距离。

8.根据权利要求7所述的雷达物位计，其中，所述盘部分基本上在与所述中空波导的纵向轴线垂直的平面中延伸。

9.根据权利要求8所述的雷达物位计，其中，所述盘部分的表面设置有与所述纵向轴线同心的至少一个环形突出部，形成所述环形突出部以充当四分之一波长扼流圈，以防止电磁能量从所述波导泄漏。

10.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述第一填充构件由第一电介质材料制成，并且其中，所述波导装置还包括由第二电介质材料制成的第二填充构件，其中，所述第二填充构件设置在所述波导外侧部分中，以便能够至少在远离所述容器的方向上固定在所述波导中，并且其中，所述第二电介质材料配置成承受高达250摄氏度的温度。

11.根据权利要求10所述的雷达物位计，其中，所述第二电介质材料配置成承受高达500摄氏度的温度。

12.根据权利要求10所述的雷达物位计，其中，所述第二电介质材料从陶瓷、环氧树脂、玻璃和氧化铝的组中选择。

13.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述第一电介质填充构件由从PTFE、PFA、FEP和PTS的组中选择的材料制成。

14.根据权利要求1所述的雷达物位计，还包括设置成固定至所述容器的容器连接件，所述容器连接件形成所述波导的至少一部分。

15.根据权利要求14所述的雷达物位计，其中，所述传播装置包括安装至所述容器连接件的定向天线。