CN110220570A - 一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计 - Google Patents

Abstract

本申请属于雷达测距技术领域，具体涉及一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计，包括壳体以及设在壳体内的：导波管型天线；温度变送器，与导波管型天线平行且固定连接；收发单元，用于通过环形器与导波管型天线连接，以收发无线电波信号；处理单元，用于处理得到雷达液位数据以及温度数据；电源模块，为温度变送器、收发单元以及处理单元供电；显示模块，用于对雷达液位数据以及温度数据进行显示。本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，既可以保证液位测量精度，去除油罐障碍物，同时兼顾测量温度的功能，具有两者兼顾，免去油罐开孔，集成度高、成本低、可靠性高的的优点。

Description

一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计

技术领域

本申请属于雷达测距技术领域，特别涉及一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计。

背景技术

雷达液位计，是物联网示范工程之一，该项目主要任务是：通过对部队油料油库信息的智能感知、互连互通和信息综合，实现部队油库智能化管理，有效提高部队的综合保障水平。

油库储油罐感知层由温度、压力、流量、液位等信息传感器组成，雷达液位计是储油罐油量的非接触式测量装置，采用发射—反射—接收的工作模式探测液位高度，具有安全可靠、精度高、寿命长、适应各种工作环境的特点，广泛应用于石化、仓储行业，是储油罐的核心传感器。

雷达液位计采用线性调频连续波(FMCW)雷达体制，通过对发射信号和回波信号相参接收，形成与距离成比例关系的差频信号，采用信号处理和高精度频谱估计等技术手段来实现液位的高精度测量；通过现场总线实现与上位机的交联和系统集成。

现在的雷达液位计，多为喇叭形雷达液位计，非接触测量，当下面有多重干扰或者障碍物时候，使得雷达液位计容易误判，精度也往往影响也较大，此外喇叭形天线的雷达液位计也很难测量油罐油水分离区域，而导波管型雷达液位计能够满足这些需求，导波管型雷达液位计由于电磁波在管子里传输，可以有效地去除障碍物的影响，并能测量油罐罐底的水含量(即油水分离层)，对于低介电常数的轻质油(如汽油)也能有效测量，也会规避油蒸汽对雷达液位计的影响。

为此，需要一种新型的雷达液位计，以克服上述缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计。

本申请公开了一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计，包括：

壳体；

导波管型天线，所述导波管型天线设置在所述壳体的底部；

温度变送器，所述温度变送器设置在所述壳体的底部，与所述导波管型天线平行且固定连接；

收发单元，所述收发单元设置在所述壳体内部，用于通过环形器与所述导波管型天线连接，以收发无线电波信号；

处理单元，所述处理单元设置在所述壳体内部，用于根据所述收发单元传输的回波信号解析得到雷达液位数据，还用于所述温度变送器传输的温度信号解析得到温度数据；

电源模块，所述电源模块为所述温度变送器、收发单元以及处理单元供电；

显示模块，所述显示模块与所述处理单元连接，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示。

根据本申请的至少一个实施方式，所述导波管型天线为收发共用型天线，且在所述导波管型天线的导波管管壁上沿轴向开孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述导波管型天线的底部设置金属反射板，在所述金属反射板上电场为零的位置处设置有通孔。

根据本申请的至少一个实施方式，所述金属反射板的底部设置重锤。

根据本申请的至少一个实施方式，所述导波管型天线的带宽为2GHz。

根据本申请的至少一个实施方式，所述导波管型天线的波段为K波段，频率为24～26GHz。

根据本申请的至少一个实施方式，所述收发单元中通过数字直接频率合成技术产生调频连续波信号。

根据本申请的至少一个实施方式，所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，还包括：

安装座，所述安装座用于将所述导波管型雷达液位计固定安装在待测储液罐顶部的测量孔位置处，其中，所述导波管型天线穿过所述安装座伸入到所述待测储液罐内。

根据本申请的至少一个实施方式，所述处理单元包括：

FFT检测模块，用于对接收到的回波信号进行FFT检测；

频谱估计模块，用于通过M-Rife算法对所述FFT检测模块数据检测过后的回波信号进行频谱分析。

根据本申请的至少一个实施方式，所述显示模块包括：

第一显示模块，所述第一显示模块固定设置在所述壳体上，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示；和/或

第二显示模块，所述第二显示模块设置在所述待测储液罐底部，通过导线与所述处理单元连接，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，既可以保证液位测量精度，去除油罐障碍物，同时兼顾测量温度的功能，具有两者兼顾，免去油罐开孔，集成度高、成本低、可靠性高的的优点。

附图说明

图1是本申请集成温度变送器的导波管型雷达液位计的结构示意图；

图2是本申请集成温度变送器的导波管型雷达液位计的运用示意图；

图3是本申请给出的是本安型雷达液位计应用场景及配置图；

图4是本申请给出的是隔爆型雷达液位计应用场景及配置图；

图5是本申请集成温度变送器的导波管型雷达液位计中的温度变送器原理框图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

下面结合附图1-图5对本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计进一步详细说明。

本申请公开了一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计，采用线性调频连续波(FMCW)雷达体制，该雷达液位计为油库储油罐感知层最重要的传感器，在上位机控制下，液位计通过发射电磁波并对回波信号进行接收处理获得油料液位数据，通过现场总线把液位数据传输给上位机进行信息综合处理。

具体地，如图1-图3所示，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计可以包括壳体1、导波管型天线2、温度变送器3、收发单元、处理单元、电源模块以及显示模块等装置。

其中，壳体1可以根据需要设置成多种适合的形状。

导波管型天线2固定设置在壳体1的底部。考虑到该导波管天线主要用于浮顶储油罐内，罐内液面可能出现搅动。因此采用导波管天线安装导波管的形式，以消除液面搅动对测距精度的影响，这时的导波管天线中电磁波信号不再是辐射传播，而只是一个信号通道中的能量传播，且将此时的导波管天线称之为圆锥导波管形过渡段；通常圆锥导波管形过渡段采用主模传播模式。具体地，导波管天线主要由带状线环行器、同轴电缆、矩形波导、矩TE10-圆TE01模式转换结构、隔离轴、圆锥喇叭形过渡段以及管壁开孔的导波管级联组成。更具体地，导波管型天线2为收/发共用型天线，导波管型天线2采用圆锥导波管，且在导波管管壁上沿轴向开孔，从而解决浮顶罐内储液搅动造成的问题。

当发射信号时，电磁波信号经由环形器的发射端至同轴电缆、矩形波导、矩TE10-圆TE01模式转换结构、隔离轴、圆锥喇叭形过渡段及导波管向前方传播；液面反射回来的电磁波信号经由导波管、圆锥喇叭形过渡段、隔离轴、矩TE10-圆TE01模式转换结构、同轴电缆至带状线环行器的接收端。矩TE10-圆TE01模式转换结构则是将矩形波导的TE10激励转换圆波导TE01高次模圆电波。矩TE10-圆TE01模式转换结构的TE01波输出端之后设计隔离轴，用于隔离微波传输电路与储油罐的空气环境，同时提供距离参考面。导波管主要针对浮顶罐、液面有搅动的情况使用，导波管管壁开孔则是为了维持管内液面与储液罐内液面齐平以保证准确的测试精度。

温度变送器3设置在壳体1的底部，与导波管型天线2平行且固定连接。其中，如图5所示，温度变送器3的采用热电阻测温传感器测量温度，其主要处理步骤如下：

步骤一、信号调理模块采集热电阻的微弱电压信号，对微弱信号进行放大、滤波和电平偏移处理；

步骤二、信号再送到高精度多通道模数转换芯片(ADC)完成模拟信号到数字信号的转换；

步骤三、嵌入式处理ARM芯片采集ADC的数字信号并进行处理，转换成对应的温度信号，并通过RS485接口将各路热电阻对应的温度信号送到控制模块(控制板)。

收发单元设置在壳体1内部，用于通过环形器与导波管型天线2连接，以收发无线电波信号。进一步地，优选收发单元中通过数字直接频率合成技术(DDS)产生调频连续波(FMCW)信号。

处理单元设置在壳体1内部，用于根据收发单元传输的回波信号解析得到雷达液位数据，还用于温度变送器3传输的温度信号解析得到温度数据。进一步地优选处理单元还可以包括FFT检测模块以及频谱估计模块；FFT检测模块用于对接收到的回波信号进行FFT检测；频谱估计模块用于通过M-Rife算法对FFT检测模块数据检测过后的回波信号进行频谱分析。

具体地，上述收发单元的频综器产生Ku波段的FMCW信号并上变频到K波段，形成mW级的K波段信号，进一步优选其频率为24～26GHz；K波段信号经环行器至天线单元向外辐射，回波信号由天线单元接收经环行器送到接收模块，接收模块对回波信号进行谐波混频、带通滤波、放大后，输出包含距离信息的差频信号，经A/D采样形成数字信号，处理单元接收收发单元的差频数字信号进行FFT处理、杂波抑制、目标检测、频谱估计等处理后，得到高精度的液位数据，通过现场总线送到上位机。

其中，K波段雷达与其它波段的雷达相比，在同等安装和开孔条件下，K波段天线具有较小的波束角和较大的增益，雷达微波能量更集中，干扰回波小；在同等波束角要求的情况下，K波段天线具有体积小重量轻的优点，可减小开孔尺寸，易于雷达的安装使用；针对高精度计量级测量的需求，K波段电路更易实现宽带信号形成和处理，以提高测量精度。因此，在本申请中采用K波段是比较合适的选择，符合雷达液位计发展的趋势。

进一步地，采用FMCW雷达体制，FMCW雷达通过对发射FMCW信号和接收回波信号相参接收形成的差频信号来检测液位的距离，通过差频接收使宽带信号转换成频率较低的窄带信号，更易于数字化，通过FFT处理、频谱估计和杂波抑制等数字信号处理方法，更易于实现高精度测量和杂波抑制，以满足本项目高精度测量的要求。

电源模块电源模块为温度变送器3、收发单元以及处理单元供电。

显示模块与所述处理单元连接，用于对雷达液位数据以及温度数据进行显示。进一步地，优选显示模块可以包括第一显示模块11和/或第二显示模块；其中，第一显示模块11固定设置在壳体1上，用于对雷达液位数据以及温度数据进行显示；第二显示模块固定设置在待测储液罐5底部或控制室内，通过导线与处理单元连接，同样能够对雷达液位数据以及温度数据进行显示。

其中，上述收发单元、电源模块、处理单元、显示模块安装在机壳内形成液位计主机。

综上所述，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，通过对发射信号和回波信号相参接收，形成与距离成比例关系的差频信号，采用信号处理和高精度频谱估计等技术手段来实现液位的高精度测量，通过现场总线实现与上位机的交联和系统集成。

本申请在油罐需要液位测量需求雷达液位计测量液位、减少油罐干扰、测量油罐油水分离层、测量低介电系数轻质油(规避油汽的影响)和测量温度需求情况下，提出了一种集成温度变送器的导波管型K波段高精度FMCW雷达液位计，测量范围为0～25m，测量精度1mm，隔爆等级：Ex ia IIA T3(0级场所，本安型)，Ex d IIB T6(1级或2级场所，隔爆型)，为高精度FMCW雷达液位计的推广奠定基础。

进一步，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，通过RS485/Modbus或Profibus现场总线连接到控制系统中，液位计输出信号以可以现场总线方式传送至分控室。

针对GB3836.4-2010中表A.1对不同电压下的短路电流的规定，如果用24V直接供电只能得到2W左右的功率，不能满足液位计功耗要求，而在15V时允许2.19A的短路电流，本安设备能得到8W左右的功率，可以满足本产品功耗的要求。在本申请的方案设计中，可以通过在罐旁加装具有本安电源的二次表，由本安电源变换输出较低的电压，为液位计输送较大的功率，解决了功耗与本安要求的矛盾，本安应用场景如图3所示。

鉴于本产品还要满足隔爆型的要求，在二次表中取消本安电源，直接连接24V电源线。与本质安全型相同，可在二次表中加装与温度和压力等传感器交联的模拟量接口、现场总线接口等，其应用场景及配置如图4所示。

进一步地，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计中，导波管型天线2的底部还可以设置金属反射板，在金属反射板上电场为零的位置处设置有通孔，从而能够在浮顶储液罐内测距过程中，增大其反射系数。进一步地，优选在金属反射板的底部设置重锤，以使得导波管尽量垂直于水平面。

进一步地，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计还可以包括安装座4；进一步地优选安装座4为法兰盘，安装座4用于将导波管型雷达液位计固定安装在待测储液罐5顶部的测量孔位置处，其中，导波管型天线2穿过安装座4伸入到待测储液罐5内。

综上所述，本申请的集成温度变送器的导波管型雷达液位计至少包括如下优点：

1)创新地提出了导波管型雷达液位计集成温度传感器的发明方案，具有提高稳定性和可靠性，集成度高、轻小型化、降低成本、避免油罐专门为油罐安装温度变送器油罐开孔的麻烦；

2)可以直接测量油罐液位的高度，避开了传统雷达液位计需要测量空高，间接测量液位带来的误差；

3)可以测量油罐底部油水分离层，测量油罐底水的含量；

4)可以测量低介电常数的轻质油，规避了轻质油蒸汽对喇叭形天线雷达液位计的测位的干扰；

5)高精度测量总体设计技术

本申请中1mm的精度是关键指标，具体通以下几点实现：

采用K波段FMCW雷达体制，实现2GHz大带宽信号，为确保了高精度1mm的系统指标奠定了基础，同时，K波段液位计还具有体积小重量轻的优点；

通过采用DDS技术和温补晶振使FMCW信号具有高的线性度和频率稳定度，以保证信号测量精度；

采用低功耗电路设计，使液位计具有较低的功耗，通过估算，其功耗只有国外同类一半左右。

6)本安型FMCW雷达液位计设计

高精度FMCW雷达液位计由于电路相对复杂，功耗稍大，由于本安型限能作用，24V直接供电不能满足液位计功率需求，在本方案设计中，我们通过在罐旁二次表中加装本安电源的方法，由本安电源变换输出较低的电压，为液位计输送较大的功率，解决了功耗与本安要求的矛盾，该雷达液位计功耗可以<5w；

7)重量轻，雷达液位计(不含天线)重量可以小于7.5kg；

8)环境适应性好，采用了防霉菌、湿热、盐雾设计，防护性能：IP65，温度范围：-40～+65℃。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，包括：

壳体(1)；

导波管型天线(2)，所述导波管型天线(2)设置在所述壳体(1)的底部；

温度变送器(3)，所述温度变送器设置在所述壳体(1)的底部，与所述导波管型天线(2)平行且固定连接；

收发单元，所述收发单元设置在所述壳体(1)内部，用于通过环形器与所述导波管型天线(2)连接，以收发无线电波信号；

处理单元，所述处理单元设置在所述壳体(1)内部，用于根据所述收发单元传输的回波信号解析得到雷达液位数据，还用于所述温度变送器(3)传输的温度信号解析得到温度数据；

电源模块，所述电源模块为所述温度变送器(3)、收发单元以及处理单元供电；

显示模块，所述显示模块与所述处理单元连接，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示。

2.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述导波管型天线(2)为收发共用型天线，且在所述导波管型天线(2)的导波管管壁上沿轴向开孔。

3.根据权利要求2所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述导波管型天线(2)的底部设置金属反射板，在所述金属反射板上电场为零的位置处设置有通孔。

4.根据权利要求3所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述金属反射板的底部设置重锤。

5.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述导波管型天线(2)的带宽为2GHz。

6.根据权利要求5所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述导波管型天线(2)的波段为K波段，频率为24～26GHz。

7.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述收发单元中通过数字直接频率合成技术产生调频连续波信号。

8.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，还包括：

安装座(4)，所述安装座(4)用于将所述导波管型雷达液位计固定安装在待测储液罐(5)顶部的测量孔位置处，其中，所述导波管型天线(2)穿过所述安装座(4)伸入到所述待测储液罐(5)内。

9.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述处理单元包括：

FFT检测模块，用于对接收到的回波信号进行FFT检测；

频谱估计模块，用于通过M-Rife算法对所述FFT检测模块数据检测过后的回波信号进行频谱分析。

10.根据权利要求1所述的集成温度变送器的导波管型雷达液位计，其特征在于，所述显示模块包括：

第一显示模块(11)，所述第一显示模块固定设置在所述壳体(1)上，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示；和/或

第二显示模块，所述第二显示模块设置在待测储液罐(5)底部，通过导线与所述处理单元连接，用于对所述雷达液位数据以及温度数据进行显示。