CN113108866A - 导波雷达物位计和用于控制导波雷达物位计的方法 - Google Patents

导波雷达物位计和用于控制导波雷达物位计的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及导波雷达物位计和用于控制导波雷达物位计的方法。一种用于确定储罐中容纳的物品的填充物位的导波雷达物位计(1)包括：收发器(17)，其被配置成提供具有可控脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号并且接收由发送信号在物品的表面处的反射产生的反射信号；探头(11)，其连接至收发器并且被配置成向所述表面传播Tx信号并将反射信号返回至收发器，所述探头具有已知长度；以及控制电路(19)，其被配置成基于接收到的反射信号来确定填充物位，其中控制电路还被配置成基于探头的长度来向收发器提供脉冲重复频率。

Description

导波雷达物位计和用于控制导波雷达物位计的方法
技术领域
本发明涉及导波雷达物位计和用于控制导波雷达物位计的方法。特别地，本发明旨在减小导波雷达物位计中的探头端部反射的影响。
背景技术
雷达物位计(RLG)系统广泛用于确定储罐中容纳的物品的填充物位。雷达物位计量通常通过非接触式测量(藉此电磁信号朝向储罐中容纳的物品辐射)执行，或者通过通常称为导波雷达(GWR)的接触式测量执行(藉此电磁信号通过充当波导的探头被导向物品并进入物品)。探头通常布置成从储罐的顶部朝底部垂直延伸。
发送的电磁信号在物品的表面处被反射，并且反射信号被雷达物位计中包括的接收器或收发器接收。基于发送和反射的信号，可以确定距物品表面的距离。更具体地，通常基于电磁信号的发送与电磁信号在储罐中的气氛与容纳在其中的物品之间的界面中的反射的接收之间的时间来确定距物品表面的距离。为了确定物品的实际填充物位，基于上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。
一类RLG系统涉及所谓的脉冲式RLG系统，其基于脉冲的发送与脉冲在物品的表面的反射之间的时间差(飞行时间)来确定到储罐中容纳的物品的表面的距离。
大多数脉冲雷达物位计系统采用提供(极短的)飞行时间的时间扩展(timeexpansion)的时域反射仪(TDR)。这种TDR雷达物位计系统产生具有第一脉冲重复频率Tx的发送脉冲序列和具有第二脉冲重复频率Rx的参考脉冲序列，该第二脉冲重复频率Rx与发送的脉冲重复频率相差已知的频率差Δf。该频率差Δf通常在几Hz或数十Hz的范围内。
发送脉冲序列朝向储罐中容纳的物品的表面发射(非接触式或探头)，并且反射信号被接收并且使用参考脉冲序列进行采样。在测量扫描开始时，发送信号和参考信号被同步以具有相同的相位。由于频率差，在测量扫描期间，发送信号和参考信号之间的相位差将逐渐增大。反射信号的这种逐渐偏移的时间采样将提供反射脉冲的飞行时间的时间扩展版本，从中可以确定到储罐中所容纳的物品的表面的距离。
发送信号通常不仅会在由储罐气氛与物品表面之间的界面所构成的阻抗跃迁处进行反射，而且会在发送信号遇到的若干其他阻抗跃迁处进行反射。特别是对于导波雷达系统，信号在充当波导的探头端部被反射。因此，由于探头端部回波可能会被误认为表面回波，因此探头端部反射可能会干扰测量。
US2002/0026828解决了上述问题，其中在探头的端部布置了一个吸波装置，使得到达探头端部的电磁波只能被有限程度地反射，从而有效减少了虚假回波。
但是，由于反射信号仅被所描述的装置部分地吸收，因此仍然存在残留的反射，在某些应用中和在特定情况下可能会影响物位测量。
因此，对于某些应用，期望进一步减小导波雷达物位计中的探头端部反射的影响。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷和其他缺陷，本发明的目的是提供一种对导波雷达物位计中的探头端部反射的影响的解决方案。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于确定储罐中容纳的物品的填充物位的导波雷达物位计，其包括：收发器，其被配置成提供具有脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号并且接收由发送信号在物品的表面处的反射产生的反射信号；探头，其连接至收发器并且被配置成向所述表面传播Tx信号，并将反射信号返回至收发器，该探头具有已知长度；以及控制电路，其被配置成基于接收到的反射信号来确定填充物位，其中控制电路被配置成基于探头的长度向收发器提供脉冲重复频率。
本发明是基于以下认知：取决于探头长度和脉冲重复频率，在下一个脉冲被发送之前，来自探头端部反射的两次和三次反弹可能没有被抑制。这样的效果是：在下一个储罐信号中测量到来自旧脉冲的两次和三次反弹。所描述类型的雷达物位计系统可以用在非常大的储罐中，例如用于容置液态天然气(liquid natural gas，LNG)的储罐，其中探头可能长达50m或更长。这反而具有以下效果：在使用更长的探头时，可能适用于其他应用的TDR的脉冲重复频率将受到两次和三次探头端部反射形式的干扰。特别是，较长的探头需要较低的脉冲重复频率来避免不期望的相互作用。
在当前上下文中，控制电路被视为对收发器进行控制使得脉冲重复频率由控制电路确定、存储在控制电路中或由控制电路接收，并且随后被提供给形成发送信号的收发器。然而，同样可以在具有不同架构的系统中提供相同的功能，例如在包括收发器和相关控制电路两者的功能的集成模块中提供相同的功能。
因此，通过基于探头的长度来控制脉冲重复频率，可以控制该频率使得探头端部反射不干扰物位测量。从而，除了提高测量质量外，本发明的优点在于：因为可以基于储罐的大小设置脉冲重复频率，所描述的雷达物位计可以用于不同尺寸的储罐中，这在具有固定脉冲重复频率的脉冲雷达物位计系统中是不可能的。简而言之，所描述的系统和方法可以通过具有可控脉冲重复频率来减小长探头中的干扰反弹回波的影响。
例如，可以使用被配置成接收振荡器频率作为输入频率并提供调节后的输出频率的PLL(锁相环)电路来实现具有可控脉冲重复频率的收发器。
根据本发明的一个实施方式，控制电路被配置成设置脉冲重复频率使得两次探头端部反射的行进时间小于Tx信号的周期。两次探头端部反射的行进时间是脉冲从收发器行进到探头端部、再回到收发器、再次到探头端部、再回到收发器所花费的时间。因此，它是探头端部处的两次反射。Tx信号的周期只是脉冲序列的两个连续脉冲之间的时间，即脉冲重复频率的倒数。行进时间还取决于探头周围的材料的介电特性。然而，由于，作为第一近似，可以假定介电常数为已知的，并且具有足够的精度以精确地确定探头端部反射的行进时间并在此后设置脉冲重复频率。
根据本发明的一个实施方式，控制电路被配置成设置脉冲重复频率，使得三次探头端部反射的行进时间小于Tx信号的周期。因此，三次探头端部反射的行进时间是信号行进探头的长度6次所花费的时间。在某些应用中，仅消除两次探头端部反射的影响可能是不够的，而是必须考虑三次探头端部反射。因此，可以通过进一步降低脉冲重复频率来消除三次探头端部反射的影响。
根据本发明的一个实施方式，控制电路还被配置成确定探头的长度并基于所确定的探头的长度来设置脉冲重复频率。例如，如果已知储罐是空的，或者如果已知储罐中的填充物位和介质的介电特性两者，则可以确定探头的长度。但是，也可以由操作员手动设置探头的长度和/或在设置脉冲重复频率时控制电路使用存储的探头长度的值。
根据本发明的一个实施方式，控制电路还被配置成确定探头周围的介质的介电常数，并基于所确定的介电常数来设置脉冲重复频率。由于传播速度取决于探头周围的介质的介电特性，因此，如果已知传播速度，则可以以更高的精确度来设置脉冲重复频率。如果填充物位和探头的长度都已知，则例如可以确定介电常数。探头周围可能还存在几种不同的介质，例如储罐中的物品和储罐气氛，在这种情况下，可以使用储罐的已知或估计的填充物位来估计有效传播速度。
因此，控制电路可以被配置成基于探头周围的介质的特性来确定探头的有效长度，并且基于所确定的有效长度来设置脉冲重复频率，和/或基于该储罐的填充物位来确定探头的有效长度，并根据确定的有效长度来设置脉冲重复频率。
根据本发明的一个实施方式，控制电路还被配置成检测填充物位的变化并基于储罐的当前填充物位来设置脉冲重复频率。由于探头的介电周围环境会随着储罐中填充物位的变化而变化，因此通过根据信号的有效传播速度并考虑探头的全长的介电周围环境来确定探头的有效长度，可以更准确地设置脉冲重复频率。
根据本发明的第二方面，提供了一种使用导波雷达物位计来确定储罐中容纳的物品的填充物位的方法。该方法包括：通过收发器形成具有脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号；接收由发送信号在物品的表面处的反射产生的反射信号，其中发送信号沿着探头传播，所述探头连接至收发器并且被配置成朝向所述表面传播发送信号并将反射信号返回至收发器；其中形成Tx信号包括基于探头的长度来设置脉冲重复频率；以及基于接收到的反射信号来确定填充物位。
本发明的第二方面的效果和特征在很大程度上类似于以上结合本发明的第一方面描述的效果和特征。
当研究所附权利要求书和以下描述时，本发明的另外特征和优点将变得明显。技术人员认识到：在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了以下描述的那些实施方式之外的实施方式。
附图说明
现在将参考示出本发明的示例实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些方面以及其他方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明实施方式的包括导波雷达物位计系统的示例性储罐布置。
图2是图1的雷达物位计系统中包括的测量单元的示意图。
图3是示意性地概述在本发明的实施方式中使用的信号的图。
图4A至图4B示意性地示出了根据本发明的实施方式的雷达物位计的特征；以及
图5是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图。
具体实施方式
在本具体实施方式中，主要参考安装在位于陆地上的储罐中的导波雷达物位计来描述根据本发明的系统和方法的各种实施方式。但是，所描述的系统和方法适用于其他领域，例如海洋应用。此外，主要参考具有探头形式的信号传播装置和无线通信能力的脉冲雷达物位计系统来讨论本发明的各种实施方式。
应当注意的是，这绝不限制本发明的范围，本发明的范围还涵盖具有另外类型的信号引导装置的脉冲雷达物位计系统以及配置用于有线通信(例如使用4-20mA电流环路和/或其他有线通信方式)的脉冲雷达物位计系统。
图1示意性地示出了安装在储罐3处的GWR(导波雷达)类型的示例性雷达物位计系统1，储罐3具有从储罐3的顶部基本垂直延伸的管状安装结构5(通常称为“管嘴”)。
安装导波雷达物位计系统1以测量储罐3中物品7的填充物位。雷达物位计系统1包括测量单元9和传播装置，传播装置在此处为单导体探头11的形式，从测量单元9延伸穿过管状安装结构5、朝向并延伸到储罐3中的物品7中。在图1的示例实施方式中，单导体探头11是线探头，在线探头的端部附接有重物13以保持线笔直和垂直。探头11也可以附接到储罐的底部。但是，该探头同样可以为适用于导波雷达应用的任何其他类型的探头。
通过分析由探头11朝向物品7的表面15引导的发送信号ST和从表面15行进返回的反射信号SR，测量单元9可以确定物品7在储罐3中的填充物位L。应该注意的是，尽管这里讨论了容纳单个物品7的储罐3，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。现在将更详细地参照图2中的示意性框图来描述图1中的雷达物位计。
参照图2中的示意性框图，图1中的示例性雷达物位计系统1的测量单元9包括收发器17、测量控制电路(在此标记为测量控制单元(MCU)19)、无线通信控制单元(WCU)21、通信天线23和例如电池25的储能器。
如图2中示意性示出的，MCU 19控制收发器17生成、发送和接收电磁信号。发送的信号通过馈通传递到探头11，并且接收的信号从探头11通过馈通传递到收发器17。
MCU 19确定储罐3中的物品7的填充物位L，并且从MCU 19经由WCU 21通过通信天线23将指示填充物位的值提供给外部设备，诸如控制中心。雷达物位计系统1可以根据所谓的WirelessHART通信协议(IEC 62591)来进行有利地配置。
尽管示出了测量单元9包括储能器(电池25)并且包括用于允许无线通信的装置(诸如WCU 21和通信天线23)，但是应当理解的是，可以以不同的方式来提供电源和通信，例如通过通信线(例如4-20mA线)。
本地储能器25不必(仅)包括电池，而是可替代地或组合地包括电容器或超级电容器。
此外，测量控制单元(MCU)19可以更一般地称为控制电路19，并且控制电路19可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另外的可编程设备。控制电路还可以或者替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑设备或数字信号处理器。在控制电路包括诸如上述的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器之类的可编程设备的情况下，处理器可以进一步包括控制可编程设备的操作的计算机可执行代码。
控制电路19还被配置成基于探头11的长度来设置脉冲重复频率fTX。形成发送信号的脉冲序列中的连续脉冲之间的时间TTx是脉冲重复频率TTx的倒数，TTx＝1/fTx，如图3所示。
如图4A所示，二次探头端部反射在到达收发器之前行进了探头长度4次。由此，可以将用于二次探头端部反射的行进时间tdouble确定为：
Figure BDA0002891833070000071
这意味着脉冲重复频率被设置为
Figure BDA0002891833070000072
以使二次探头端部反射的行进时间小于Tx信号的周期。此处，lprobe是探头的长度，c0是光速，εr是将探头浸入其中的介质的相对介电常数。通过如上关系式那样设置脉冲重复频率，可以确保来自二次反射的脉冲在发送脉冲序列的下一个脉冲之前到达收发器。因此，二次探头端部反射将不会干扰测量。
如图4B所示，三次探头端部反射在到达收发器之前传播了探头长度6次。由此，可以将用于三次探头端部反射的行进时间ttriple确定为：
Figure BDA0002891833070000073
这意味着脉冲重复频率被设置为：
Figure BDA0002891833070000074
以使三次探头端部反射的行进时间小于Tx信号的周期。
通过如上关系式那样设置脉冲重复频率，可以确保来自三次探头端部反射的脉冲在发送脉冲序列的下一个脉冲之前到达收发器。因此，三次探头端部反射将不会干扰测量。还可以设置脉冲重复频率以避免具有更高倍次(例如4次、5次、6次等)的反射的影响。
脉冲重复频率由此从控制电路19提供给收发器，使得收发器17可以形成具有指定脉冲重复频率的信号。控制电路19可以以许多不同的方式确定脉冲重复频率。针对已知探头长度是固定的应用，脉冲重复频率可以例如在制造或安装期间存储在控制电路中。操作者也可以在雷达物位计1本地或经由雷达物位计1的通信接口21、23远程地将脉冲重复频率提供给控制电路19。脉冲重复频率也可以通过控制电路19自动确定，该确定基于已知的探头长度，或者也可以基于雷达物位计1在测量中已经确定的探头长度，例如在空储罐测量中确定的探头长度。从而，收发器17可以形成具有基于探头的长度的脉冲重复频率的发送信号。
此外，上述计算可以适于通过基于填充物位以及在填充物位之上和之下的探头周围的材料的介电特性确定有效的最终传播速度来考虑储罐的填充物位。
图5是概述根据本发明的实施方式的使用导波雷达物位计确定储罐中容纳的物品的填充物位的方法的一般步骤的流程图，并且将参考图1和图2中描述的系统来描述该方法。该方法包括：通过收发器17形成(500)具有脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号。这里假设收发器17包括用于形成Tx信号的所有必需的电路，并且如上所述，收发器17还可以由测量控制单元(MCU)19(即，由控制电路)控制。
该方法还包括发送(502)发送信号和接收(504)由发送信号在物品的表面处的反射产生的反射信号，其中发送信号沿着连接至收发器17的探头11传播。
根据所描述的方法，形成发送信号包括基于探头的长度来设置脉冲重复频率；以及该方法最后基于所接收到的反射信号来确定(506)填充物位。
在安装雷达物位计时，操作员可以手动设置探头的长度，以便将探头的长度存储在控制电路可访问的雷达物位计的存储单元中。也可以使用雷达物位计的通信接口来远程设置探头长度。此外，该方法可以进一步包括自动确定探头的长度并且基于所确定的探头的长度来设置脉冲重复频率。
由于信号的传播速度取决于探头浸入其中的介质的介电常数，因此所需的脉冲重复频率取决于储罐中材料的介电特性以及储罐的填充物位。因此，该方法可以包括确定储罐中材料的介电特性。
即使已经参照本发明的特定示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变、修改等将变得明显。而且，应当注意的是，可以以各种方式省略、互换或布置系统和方法的各部分，只要该系统和方法仍能够执行本发明的功能。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的各种变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且单数表达“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中记载某些技术手段，这一事实并不表明不能有利地使用这些技术手段的组合。

Claims (15)

1.一种用于确定储罐中容纳的物品的填充物位的导波雷达物位计(1)，包括：
收发器(17)，其被配置成：提供具有可控脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号，并且接收由所述发送信号在所述物品的表面处的反射产生的反射信号；
探头(11)，其连接至所述收发器并且被配置成朝向所述表面传播所述Tx信号，并将所述反射信号返回至所述收发器，所述探头具有已知长度；以及
控制电路(19)，其被配置成基于接收到的所述反射信号来确定所述填充物位，其中，所述控制电路还被配置成基于所述探头的长度来向所述收发器提供脉冲重复频率。
2.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路被配置成：设置所述脉冲重复频率使得两次探头端部反射的行进时间小于所述Tx信号的周期。
3.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路被配置成：设置所述脉冲重复频率使得三次探头端部反射的行进时间小于所述Tx信号的周期。
4.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路还被配置成：确定所述探头的长度并且基于所确定的所述探头的长度来设置所述脉冲重复频率。
5.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路还被配置成：确定所述探头周围的介质的介电常数，并且基于所确定的介电常数来设置所述脉冲重复频率。
6.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路被配置成：基于所述探头周围的介质的特性来确定所述探头的有效长度，并且基于所确定的有效长度来设置所述脉冲重复频率。
7.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路被配置成：基于所述储罐的填充物位来确定所述探头的有效长度，并且基于所确定的有效长度来设置所述脉冲重复频率。
8.根据权利要求1所述的导波雷达物位计，其中，所述控制电路还被配置成：检测填充物位的变化，并且基于所述储罐的当前填充物位来设置所述脉冲重复频率。
9.一种使用导波雷达物位计(1)来确定储罐中容纳的物品的填充物位的方法，所述方法包括：
通过收发器(17)形成(500)具有脉冲重复频率fTx的脉冲序列形式的发送信号Tx信号，发送(502)所述发送信号，并接收(504)由所述发送信号在所述物品的表面处的反射产生的反射信号，其中，所述发送信号沿着探头(11)传播，所述探头(11)连接至所述收发器并且被配置成朝向所述表面传播所述发送信号并将所述反射信号返回至所述收发器；
其中，形成所述发送信号包括：基于所述探头的长度来提供脉冲重复频率；以及
基于接收到的所述反射信号来确定(506)所述填充物位。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
设置所述脉冲重复频率使得两次探头端部反射的行进时间小于所述Tx信号的周期。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：设置所述脉冲重复频率使得三次探头端部反射的行进时间小于所述Tx信号的周期。
12.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定所述探头的长度；以及
基于所确定的所述探头的长度来设置所述脉冲重复频率。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括：
基于所述探头周围的介质的特性来确定所述探头的有效长度；以及
基于所确定的有效长度来设置所述脉冲重复频率。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括：
基于所述储罐的填充物位来确定所述探头的有效长度；以及
基于所确定的有效长度来设置所述脉冲重复频率。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括：
检测所述储罐的填充物位的变化；以及
基于所述储罐的当前填充物位来设置所述脉冲重复频率。
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