CN108225483B

CN108225483B - 罐布置

Info

Publication number: CN108225483B
Application number: CN201710093072.9A
Authority: CN
Inventors: 奥洛夫·爱德华松
Original assignee: Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2020-12-15
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: US20180183126A1; US10403953B2; CN206609506U; KR20180073478A; CN108225483A

Abstract

一种罐布置，其包括安装在罐中的导波雷达物位计，并且具有延伸穿过通道的单导线传输线探头，所述通道穿过罐中的导电结构。沿着单导线传输线探头的延伸穿过通道的部分，所述布置包括适于减小沿单导线传输线探头传播的电磁信号的传播场的传播场限制结构。利用该设计，传播场的径向延伸可以局部地减小，使得允许信号功率的足够部分通过通道。

Description

罐布置

技术领域

本发明涉及包括导波雷达物位计的罐布置。

背景技术

雷达物位计系统广泛用于测量容纳在罐中的产品的过程变量，例如填充物位、温度、压力等。雷达物位测量通常借助于非接触测量(由此电磁信号朝向容纳在罐中的产品辐射)或者借助于接触测量(通常被称为导波雷达(guided wave radar，GWR)，由此电磁信号沿传输线探头被引导朝向产品并进入产品中)来执行。传输线探头通常从罐的顶部至底部竖直地布置。电磁信号随后在产品的表面处被反射，并且反射的信号由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。基于传送的信号和反射的信号，可以确定至产品表面的距离。

雷达物位计(radar level gauge，RLG)——特别是非接触RLG——的性能可能受到罐中的导电元件或结构的负面影响，可能干扰物位检测，使其不可靠。可以通过提供延伸到罐中的某种波导结构来减少或避免这样的干扰，从而确保发送的信号和反射的信号具有受限制的传播模式。因为信号被或多或少地限制到探头，所以导波RLG通常较少受到来自罐中的结构的干扰的影响。然而，在单导线传输线探头(即，具有仅一个单导体的传输线探头)的情况下，信号的传播场将在围绕探头的某一半径内具有径向延伸。

在一些应用中，罐可以设置有在探头需要通过的RLG的操作范围内具有窄通道(例如，具有1m或更小的直径)的导电结构(例如，中间板)。这样的结构的一个示例是中间板，以在不使用中间板时提供对罐的手动接近。另一个示例是为罐提供机械强度的结构。如果该通道比传播场的径向延伸更窄，则信号的功率将减小。约5％的功率损耗通常足以显著降低GWR的性能。

通常，当罐呈现比单导线传输探头的传播场更窄的通道时，探头被涂覆有例如PTFE以显著减少传播场的径向延伸。然而，该解决方案的缺点是较昂贵的探头以及电阻损耗的增加，电阻损耗的增加导致来自表面的回波较弱。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种用于通过罐中的导电结构中的通道的单导线传输线探头的改进的解决方案。

根据本发明的第一方面，通过一种罐布置来实现该目的，所述罐布置包括：罐，其具有罐顶部和由导电结构包围的通道，通道位于罐顶部下方的位置处并且具有比所述位置处的罐横截面小的通道横截面；以及导波雷达物位计，其安装在罐中用于确定容纳在罐中的产品的填充物位。导波雷达物位计包括：收发器电路，其用于生成和传送操作频率范围内的电磁传送信号以及接收电磁返回信号；单导线传输线探头，其连接至收发器电路并且通过罐入口延伸到罐中，并且被配置成将来自收发器电路的电磁传送信号引导至产品的表面并且返回由于电磁传送信号被表面反射而产生的电磁返回信号；处理电路，其连接至收发器并且被配置成基于电磁传送信号与电磁返回信号之间的关系来确定填充物位。单导线传输线探头包括：连接至罐入口并且从罐入口延伸一段距离至位于通道上方的点的第一部分；完全位于通道下方的第二部分；以及将第一部分和第二部分彼此连接并且延伸穿过通道的第三部分，其中，沿第一部分和第二部分传播的操作频率范围内的电磁信号的传播场具有第一径向延伸。该布置还包括沿单导线传输线探头的第三部分布置的传播场限制结构，所述传播场限制结构适于使沿单导线传输线探头的第三部分传播的操作频率范围内的电磁信号的传播场具有第二径向延伸，其中，第二径向延伸小于第一径向延伸。

根据本发明的第二方面，通过一种用于确定容纳在罐中的产品的填充物位的方法来实现该目的，所述罐包括罐顶部和由导电结构包围的通道，通道位于罐顶部下方的位置处并且具有比所述位置处的罐横截面小的通道横截面，所述方法包括：生成并且传送操作频率范围内的电磁传送信号；沿单导线传输线探头的上部引导电磁传送信号，所述上部连接至罐入口并且从罐入口延伸一段距离至位于通道上方的点，电磁传送信号沿上部的传播场具有第一径向延伸；沿单导线传输线探头的中间部引导电磁传送信号，所述中间部延伸穿过通道；减小沿中间部的传播速度，使得电磁传送信号沿中间部的传播场具有第二径向延伸，其中，第二径向延伸小于第一径向延伸；沿单导线传输线探头的下部引导电磁传送信号，所述下部从通道下方的点延伸至罐中的产品的表面，电磁传送信号沿下部的传播场具有第一径向延伸；返回由于电磁传送信号被表面反射而产生的电磁返回信号；接收电磁返回信号；以及基于电磁传送信号与电磁返回信号之间的关系来确定填充物位。

因此，传播场限制结构用于局部地减小沿探头——沿探头的延伸穿过通道的部分——的传播场的径向延伸，作为示例，所述通道可以具有1m或更小的直径。在物位计的操作范围内，通道位于罐顶部下方。作为示例，通道可以位于罐顶部下方约0.5m或更大处。换言之，物位计能够操作以测量通道上方以及下方的填充物位。传播场限制结构仅影响沿第三部分的传播场，即，探头的传播场在传播场限制结构上方以及下方不受影响。

利用该设计，传播场的径向延伸可以局部地减小，使得允许信号功率的足够部分通过通道。同时，传播场限制结构的任何负面影响(例如来自产品表面的较弱反射)将限于探头的布置有传播场限制结构的第三部分。探头的其他部分将像以前一样操作。

注意，场限制结构本身是已知的，并且最初被描述用于罐馈通与探头之间的阻抗匹配。还发现这样的阻抗匹配结构的场限制效应对于喷嘴是有利的。然而，现有技术示例仅布置在罐的顶部并紧接在罐馈通下方。因为本发明提出了布置在探头的两个“无限制”部分之间的场限制结构，所以本发明与这样的现有技术明显不同。

根据一些实施方式，传播场限制结构适于确保电磁传送信号的功率的至少95％传送通过通道。在大多数应用中，这足以确保满意的性能。

在一些实施方式中，传播场限制结构的轴向延伸小于0.8m或小于0.6m。通过限制传播场限制结构的延伸，可以减少对性能的任何负面影响。

单导线传输线探头的第三部分，即沿布置传播场限制结构的部分，可以在通道上方延伸至少0.25m，并且在通道下方延伸至少0.25m。通过在通道的每侧上延伸一段距离，有效地减少了对信号的任何干扰。

附图说明

现在将参照示出本发明的示例性实施方式的附图更详细地描述本发明的这些和其他方面。

图1是示出了当通过导电结构中的孔时单导线传输线探头的功率损耗的图。

图2是示出了作为传播速度的函数的涂层厚度和95％功率密度直径的图。

图3是根据本发明的实施方式的包括导波雷达物位计的罐布置的示意性截面图。

图4是根据本发明的实施方式的包括罐布置的船的示意性透视图。

图5a和图5b是根据本发明的实施方式的传播场限制结构的两个示例。

图6a至图6c是根据本发明的实施方式的传播场限制结构的另外的示例。

图7是根据本发明的实施方式的罐布置的截面探头的示意图。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参考借助于测量传送的脉冲与反射的脉冲之间的时间的填充物位确定。然而，对相关领域的技术人员明显的是，本发明的教导同样适用于利用相位信息通过例如调频连续波(frequency-modulated continuous wave，FMCW)测量确定填充物位的雷达物位计系统。当使用在载波上调制的脉冲时，也可以利用相位信息。

如上所述，本信息涉及导波雷达物位计，并且更具体地涉及具有单导线波导(也称为传输线探头)的这样的计量器。如果单导线波导和双导线波导两者都没有任何介电材料，则沿单导线波导的波传播比双导线波导上的波传播稍慢。单导线波导是表面波导，并且在导线的外部存在具有在垂直于导线的方向上指数衰减的场。指数衰减的程度取决于导线的材料和其他表面性质。

图1示出了作为围绕探头的半径(r)的函数的功率分布(％)的示例。第一曲线A表示4mm不锈钢裸金属导线(Goubau线)的功率分布，而曲线B是相同的线但设置有0.5mm PTFE涂层。从图中清楚可见，对于经涂覆的探头，95％的功率包含在约0.25m的半径内，而对于裸探头，95％的功率包含在约0.7m的半径内。这意味着如果裸探头延伸穿过导电结构中的1.4米直径的开口，则仅95％的功率将通过。

95％场直径是相关的限制，因为使得95％能够通过的结构(在最坏的情况下是具有导线通过的孔的地板)将可能反射剩余5％的功率的可测量部分。液体表面将反射百分之一到几的功率，所以允许小于95％的功率通过的对象将很可能产生除功率损耗本身之外的一些反射问题。

对电磁场方程的较仔细观察揭示了减小相速度(即，使波传播较慢)的导线的任何修改将减小单导线周围的场。一个简单的示例是薄介电层。

这在图2中示出，图2示出了对于6mm不锈钢导线(与铜相比较差的电导体)相速度(x轴)与PTFE层厚度(y轴，左)之间的关系(曲线C)。图2还示出了相速度与95％功率场直径(y轴，右)(即，其中包含有95％的传送的功率的直径)之间的关系(曲线D)。显然，PTFE层越厚，波传播越慢，并且其中包含有95％的传送的功率的沿导线的圆柱体的直径越大。上图是指1GHz，并且较粗的导线或较高的频率均将使场更窄。

从图2清楚可见，相速度应当在真空自由空间传播中保持约99％以下的速度，以允许通道通过导电结构中的窄开口(直径<1m)。

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的雷达物位计系统1，其包括测量电子单元2和单导线传输线探头3。电子单元2安装在罐5的顶部4上，罐5部分地填充有待测量的产品6。探头电连接至单元2，并且从单元2延伸至罐的底部(或至少延伸至靠近底部的位置)。通过朝向产品6的表面7引导传送的电磁信号S_T并且分析从表面7返回的反射信号S_R，测量电子单元2可以确定参考位置(例如，罐顶板)与产品6的表面7之间的距离，由此可以推导出填充物位。应当注意，尽管本文讨论了包含单个产品6的罐5，但是可以以类似的方式测量沿探头到任何材料界面的距离。

如图3中示意性所示，电子单元2包括：收发器10，其用于传送和接收电磁信号；处理单元11，其连接至收发器10用于控制收发器和处理由收发器接收的信号，以确定罐5中的产品6的填充物位。此外，处理单元11能够经由接口12连接至用于模拟和/或数字通信的外部通信线路13。此外，尽管图3中未示出，但是导波雷达物位计系统1通常能够连接至外部电源，或者可以通过外部通信线路13被供电。可替选地，雷达物位计系统1可以被配置成无线地通信。收发器10进一步连接至罐馈通结构14，提供到罐内部的密封电连接。探头3机械地附接到馈通结构14，并且经由馈通结构电连接至收发器。

如图3示意性所示，罐5包括一个或多个(在所示的示例中为两个)由导电材料制成的内部结构15。通常，但不是必需的，内部结构由金属(例如钢或铝)制成。内部结构15可以是中间板，旨在支承操作者在罐空着时进入罐。结构15还可以被设置成主要为罐提供结构强度。参见图4，这可能在罐位于例如船18的移动船舶上时具有特别相关性。这些结构位于罐5的顶部4下方一定距离处，并且作为示例，上结构15a位于顶部4下方约0.5m处，而第二结构15b位于顶部下方约3m处。

探头3延伸穿过结构15中的通道16。通道(例如，孔)16可以具有小于1m的直径，并且可以小至0.7m或甚至0.6m。当沿未涂覆的单导线探头传播的RLG信号通过导电结构中的这样的小开口时，信号强度将显著衰减。作为示例，对于4mm钢导线探头以及GHz量级的操作频率，当通过直径为1米的圆形开口时，信号将损失其功率的约9％，并且当通过直径为0.5米的圆形开口时，信号将损失其功率的约20％。在许多应用中，几个百分点的功率损失将对RLG的性能有害。此外，损失的功率将至少部分地被结构15反射，造成对测量的干扰。

因此，根据本发明，沿探头的通过通道16的那些部分布置传播场限制结构20。传播场限制结构被配置成使得其降低沿探头的传播速度，由此导致传播场的径向延伸(即传播场从探头径向向外的延伸)的减小。因此，对于每个通道16，传播场将沿探头在通道上方的第一上部分21和沿探头在通道下方的第二下部分22具有第一较宽的延伸，并且沿延伸穿过通道的第三中间部分23具有第二较窄的延伸。

传播场限制结构的长度以及因此第三探头部分的长度应当足够长以避免来自结构15的干扰。同时，所述长度应当尽可能短以便最小化对RLG性能的任何负面影响。在一些应用中，发现0.5m至1m范围内的长度是合适的。传播场限制结构通常围绕通道对称地布置，使得传播场限制结构在通道上方延伸与通道下方相等的长度。

图5a中所示的传播场限制结构20的一个相对简单的实施方式是适当的介电材料例如诸如PTFE的塑料的涂层或套管31。作为示例，在将探头悬挂在罐中之前，可以沿探头3可滑动地布置0.8m长的管，然后当探头被悬挂在罐中时通过适当的紧固装置32(例如，夹具、胶水等)将0.8m长的管固定到探头上合适的位置处。

套管通常具有仅几毫米或更小的厚度，这提供了径向场所需的限制(见上文)。注意，如果套管31相对较厚，例如2毫米或更大，则为了提供与探头3的相邻部分的阻抗匹配，为套管31提供逐渐细化端部会是有利的。通过这样的阻抗匹配，避免或至少最小化来自套管的任何反射。这样的逐渐细化部分优选地具有半波长的纵向延伸，对于典型的操作频率，该半波长对应于几厘米。

图5b示出了另一个示例，在这种情况下，套管31包括两个半圆柱形件33a和33b，两个半圆柱形件33a和33b可连接以便将探头3夹在其间。这些件也是例如塑料的合适的介电材料，并且可以提供螺钉或夹具34以将件33a和33b牢固地压靠在彼此上。如图5b所示，件33a和33b可以在每个端部35中被逐渐细化，从而将结构与探头的其他部分匹配以避免反射。图5b中的套管31的尺寸相对于探头3被放大，但是如上所述，套管的厚度通常为几毫米或更小。套管31的长度通常在0.5m至1m的范围内，而逐渐细化端部为仅几厘米长。

图5b中的两部分场限制结构的优点在于：该结构可以安装在已经悬挂在罐中的探头上。这允许改装场限制结构，从而提高已经存在的系统的性能。

如上所述，通过沿探头的传播速度来确定径向场延伸。图6a至图6c提供了用于降低传播速度的其他设计的一些示例。

在图6a和图6b中，传播场限制结构20包括传输线探头3围绕其纵向轴线的扭绞部分41。图6a示出了两条扭绞导线42的情况，而图6b示出了扭绞带43的情况。沿扭绞部分，传播信号将经历更长的路径，从而导致探头的纵向方向上的传播速度降低。图6c中示出了具有类似效果的另一种选择，其示出了具有适当成形的切口45的带型探头44。所得到的探头形状将使传播场在带44上来回行进，也会导致探头的纵向方向上的传播速度降低。

图7示出了本发明的又一实施方式。类似或相同结构和功能的元件具有与图3中相同的附图标记，并且在此将不进一步描述。在这种情况下，探头3'包括一组分立部分51和52。这样的探头本身是已知的，并且示例包括具有能够彼此完全分离的部分的探头，以及具有可以相对于彼此折叠的部分的所谓的可折叠探头。

在图7的探头中，两个部分52与其他部分51不同，并且形成传播场限制结构20。在图7中的示例中，部分52设置有介电涂层53。涂层的厚度在图7中被夸大，并且通常为仅几毫米或更小。如果厚度为几毫米，则端部优选地如上所述被逐渐细化。

显然，取决于探头部分51和52的长度以及传播场限制结构20所需的长度，若干相邻部分51可以组合以形成传播场限制结构20。例如，在本示例中，若干相邻的PTFE涂覆部分51可以形成传播场限制结构20。

本领域技术人员意识到本发明决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可行的。例如，其他尺寸和材料可以用在单导线探头中。此外，只要实现所描述的效果，传播场限制结构可以具有其他尺寸和形式。

Claims

1.一种罐布置，包括：

罐(5)，其包括罐顶部(4)和由导电结构(15)包围的通道(16)，所述通道位于所述罐顶部下方的位置处并且具有比所述位置处的罐横截面小的通道横截面；

导波雷达物位计(2)，其安装在所述罐中用于确定容纳在所述罐中的产品的填充物位，所述导波雷达物位计包括：

收发器电路(10)，其用于生成和传送操作频率范围内的电磁传送信号以及接收电磁返回信号；

单导线传输线探头(3)，其连接至所述收发器电路并且通过罐入口延伸到所述罐中，并且所述单导线传输线探头被配置成将来自所述收发器电路的所述电磁传送信号引导至所述产品的表面(7)并且返回由于所述电磁传送信号被所述表面反射而产生的电磁返回信号；

处理电路(11)，其连接至所述收发器并且被配置成基于所述电磁传送信号与所述电磁返回信号之间的关系来确定所述填充物位，其特征在于：

所述单导线传输线探头包括：连接至所述罐入口并且从所述罐入口延伸一段距离至位于所述通道上方的点的第一部分(21)；完全位于所述通道下方的第二部分(22)；以及将所述第一部分和所述第二部分彼此连接并且延伸穿过所述通道的第三部分(23)，其中，沿所述第一部分和所述第二部分传播的所述操作频率范围内的电磁信号的传播场具有第一径向延伸；并且

所述布置还包括沿所述单导线传输线探头的所述第三部分布置的传播场限制结构(20)，所述传播场限制结构适于使沿所述单导线传输线探头的所述第三部分传播的所述操作频率范围内的电磁信号的传播场具有第二径向延伸，其中，所述第二径向延伸小于所述第一径向延伸。

2.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构适于确保所述电磁传送信号的功率的至少95％传送通过所述通道。

3.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构(20)的轴向延伸小于0.8m。

4.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构(20)的轴向延伸小于0.6m。

5.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述单导线传输线探头的所述第三部分(23)在所述通道上方延伸至少0.25m并且在所述通道下方延伸至少0.25m。

6.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述通道横截面小于1m宽。

7.根据权利要求1所述的罐布置，其中，所述通道横截面小于0.7m宽。

8.根据前述权利要求中任一项所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构(20)包括围绕所述单导线传输线探头的所述第三部分布置的介电材料的套管(31)。

9.根据权利要求8所述的罐布置，其中，所述套管的厚度小于3毫米。

10.根据权利要求8所述的罐布置，其中，所述套管的厚度小于1毫米。

11.根据权利要求8所述的罐布置，其中，所述套管(31)的端部(35)被逐渐细化以提供与所述单导线传输线探头的所述第一部分和所述第二部分匹配的阻抗。

12.根据权利要求8所述的罐布置，其中，所述套管由能够连接以将所述单导线传输线探头(3)夹在中间的两个件(33a、33b)形成。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构包括附接至所述单导线传输线探头的适当成形的金属带(43；44)。

14.根据权利要求1至7中任一项所述的罐布置，其中，所述传播场限制结构包括所述单导线传输线探头的围绕所述单导线传输线探头的纵向轴线扭绞的部分(41；42)。

15.根据权利要求1至7中任一项所述的罐布置，其中，所述单导线传输线探头包括多个分立部分(51、52)。

16.根据权利要求15所述的罐布置，其中，所述第三部分(23)整体由所述分立部分中之一(52)形成。

17.根据权利要求1至7中任一项所述的罐布置，其中，所述通道(16)位于所述罐顶部下方至少0.5米处。

18.一种用于确定容纳在罐中的产品的填充物位的方法，所述罐包括罐顶部和由导电结构包围的通道，所述通道位于所述罐顶部下方的位置处并且具有比所述位置处的罐横截面小的通道横截面，所述方法包括：

生成并且传送操作频率范围内的电磁传送信号；

返回由于所述电磁传送信号被所述罐中的产品的表面反射而产生的电磁返回信号；

接收所述电磁返回信号；以及

基于所述电磁传送信号与所述电磁返回信号之间的关系来确定所述填充物位；

所述方法的特征在于：

沿单导线传输线探头的上部引导所述电磁传送信号，所述上部连接至罐入口并且从所述罐入口延伸一段距离至位于所述通道上方的点，所述电磁传送信号沿所述上部的传播场具有第一径向延伸；

沿所述单导线传输线探头的中间部引导所述电磁传送信号，所述中间部延伸穿过所述通道；

减小沿所述中间部的传播速度，使得所述电磁传送信号沿所述中间部的传播场具有第二径向延伸，其中，所述第二径向延伸小于所述第一径向延伸；

沿所述单导线传输线探头的下部引导所述电磁传送信号，所述下部从所述通道下方的点延伸至所述产品的所述表面，所述电磁传送信号沿所述下部的传播场具有所述第一径向延伸。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括围绕所述单导线传输线探头的中间部布置介电材料的套管。

20.根据权利要求18或19所述的方法，还包括使所述中间部的阻抗与所述上部和所述下部的阻抗匹配。