CN207908009U - 用于界面测量的雷达物位计系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种雷达物位计系统，其用于通过如下步骤来确定容纳分层物质组合物的储罐中的至少第一界面的第一界面物位：生成并发射电磁发射信号；引导发射信号至少部分地穿过分层物质组合物；返回由发射信号的反射引起的电磁反射信号；接收反射信号；基于反射信号与发射信号之间的定时关系以及反射信号来确定呈现作为传播参数的函数的回波信号强度的回波信号，该传播参数指示沿着探针的位置；以及基于第一传播参数值以及第一偏移来确定第一界面物位，该第一传播参数值指示回波信号达到预定的第一阈值信号强度的第一阈值位置，第一偏移指示距第一阈值位置的第一偏移距离。

Description

用于界面测量的雷达物位计系统
技术领域
本实用新型涉及用于确定容纳分层物质组合物(stratified substancecomposition)的储罐中的至少第一界面的第一界面物位的雷达物位计系统。
背景技术
雷达物位计系统广泛用于测量储罐中的填充物位。通常借助于非接触式测量或通常称为导波雷达(GWR)的接触式测量来执行雷达物位计量，其中，在非接触式测量中，朝向储罐中容纳的产品辐射电磁信号，而在接触式测量中，通过探针朝向产品引导电磁信号并将电磁信号引导到产品中。探针大致垂直地布置在储罐中。电磁信号在产品的表面上被反射，并且所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。基于发射信号和反射信号，可以确定距产品的表面的距离。
更具体地，通常基于在发射电磁信号与接收电磁信号在储罐中的大气和储罐中容纳的产品之间的界面的反射之间的时间来确定距产品的表面的距离。为了确定产品的实际填充物位，基于上述时间(所谓的飞行时间(time-of-flight))以及电磁信号沿着探针的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。
在某些情况下，储罐可以容纳物质之间的多个界面在不同物位的分层物质组合物。当两个界面紧挨在一起时，当前可用的GWR系统可能无法可靠地确定两个界面的物位。
例如，如果在储罐中油层浮在水上，则当前可用的GWR系统可能需要油层具有给定的最小厚度以能够可靠地确定油表面的物位(储罐大气与油之间的界面的物位)。
期望提供改进的、实现对于具有较薄物质层的分层物质组合物的填充物位确定的雷达物位计系统。
实用新型内容
鉴于上述情况，期望提供改进的对分层物质组合物中的至少第一界面物位的确定，具体地，实现对于具有较薄物质层的分层物质组合物的填充物位确定。
因此，根据本实用新型的第一方面，提供了一种雷达物位计系统，其用于安装在容纳有至少包括第一物质、第二物质和第三物质的分层物质组合物的储罐处，用于至少确定第一物质与第二物质之间的第一界面的第一界面物位，其中，包括第一物质具有第一密度，第二物质具有大于第一密度的第二密度，第三物质具有大于第二密度的第三密度，雷达物位计系统包括：收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；探针，其被布置成从耦接至收发器的第一探针端穿过分层物质组合物大致垂直地延伸到第二探针端，该探针被配置成引导电磁发射信号从收发器至少部分地穿过分层物质组合物，并且返回由电磁发射信号在第一物质与第二物质之间的第一界面处以及在第二物质与第三物质之间的第二界面处的反射引起的电磁反射信号；连接至收发器的回波信号形成电路，其用于基于电磁反射信号与电磁发射信号之间的定时关系以及电磁反射信号来形成回波信号，该回波信号呈现作为传播参数的函数的回波信号强度，该传播参数指示沿着探针的位置；以及连接至回波信号形成电路的物位确定电路，其用于基于第一传播参数值和第一偏移来确定第一界面物位，其中，该第一传播参数值指示回波信号达到预定的第一阈值信号强度的、沿着探针的第一阈值位置，该第一偏移指示从第一阈值位置沿着探针朝向第二探针端的第一偏移距离。
“物质”并不限于任何特定的物相(material phase)，因此，可以包括固体、液体和气体。物质的某些示例可以是多种石油产品、水、淤泥或沙子等。
具体地，第一物质可以是气体储罐大气，第二物质可以是诸如油的第一液体，以及第三物质可以是诸如水的第二液体。
“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的收发器单元和接收器单元的系统。
储罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且可以是金属的，或者部分地或完全地是非金属的，是开口的、半开口的或封闭的。
探针应该被理解为是被设计用于引导电磁信号的波导。探针可以是刚性的或柔性的，并且有利地可以由诸如不锈钢的金属制成。
传播参数可以是指示沿着探针的位置的任何参数。例如，传播参数可以是反射信号的飞行时间、距在第一探针端处的参考位置的距离以及储罐中的物位等中的任一个。
本实用新型基于如下认识：在第一界面和第二界面彼此靠近的情况下，回波信号可能无法呈现指示在第一界面处的反射的第一局部极值以及指示在第二界面处的反射的第二局部极值。本实用新型的发明人进一步认识到，可以基于回波信号强度达到预定的第一阈值的沿着探针的位置以及从该位置朝向第二探针端的第一偏移距离来确定第一界面的第一界面物位，并且这种方法需要更小的、第一界面的物位与第二界面的物位之间的最小差以能够至少确定第一界面物位。
当第一局部极值位置沿着探针与第一阈值位置的间隔大于比上述的第一偏移距离更大的预定的第二距离时，可以基于第一局部极值位置来确定第二界面的第二界面物位。
当第一局部极值位置沿着探针与第一阈值位置的间隔小于比上述的第二距离更短的预定的第三距离时，可以基于第一局部极值位置来确定第一界面物位。
此外，根据实施方式，电磁发射信号可以包括具有第一脉冲重复频率的第一脉冲序列。
有利地，第一脉冲序列中的脉冲可以为所谓的DC脉冲。
根据各种实施方式，收发器可以包括：发射信号生成电路，其用于生成形式为具有第一脉冲重复频率的第一脉冲序列的发射信号；以及参考信号生成电路，其用于生成形式为具有第二脉冲重复频率的第二脉冲序列的电磁参考信号，该第二脉冲重复频率被控制为与第一脉冲重复频率不同且具有频率差；并且回波信号形成电路可以被配置成基于电磁反射信号、电磁参考信号和频率差来形成回波信号。
附图说明
现在将参照示出本实用新型的示例实施方式的附图更详细地描述本实用新型的这些方面以及其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了包括根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统的示例性储罐布置；
图2是包括在图1的雷达物位计系统中的测量单元的示意图；
图3是根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统中包括的收发器的示意性框图；
图4是示意性地示出第一示例方法的流程图；
图5A示意性地示出了发射信号、表面反射信号和参考信号的示例；
图5B是图5A中的发射信号和参考信号的一部分的部分放大图。
图6A至6B针对第一界面和第二界面彼此靠近的第一示例情况而示意性地示出了因图5A中的表面反射信号和参考信号的时间相关性产生的回波信号。
图7是示意性地示出的第二示例方法的流程图；以及
图8A至图8B针对第一界面和第二界面彼此远离的第二示例情况而示意性地示出了因图5A中的表面反射信号和参考信号的时间相关性产生的回波信号。
具体实施方式
图1示意性地示出了包括根据本实用新型的示例实施方式的雷达物位计系统2的物位测量系统1、以及被示为控制室的主机系统10。
为GWR(导波雷达)类型的雷达物位计系统2被布置在储罐4处，储罐4具有从储罐4的顶部大致垂直地延伸的管状安装结构13(通常称为“喷嘴”)。
在本示例性测量情况中，储罐4容纳包括第一物质12、第二物质14和第三物质16的分层物质组合物。在该具体示例中，第一物质12可以是空气或蒸汽，第二物质14可以是油，以及第三物质16可以是水。由于在分层物质组合物中的物质的密度不同(并且由于这些物质基本上不混溶的事实)，在第一物质12与第二物质14之间存在第一界面20，并且在第二物质14与第三物质16之间存在第二界面22。
雷达物位计系统2被安装以测量第一界面20的物位和第二界面22的物位。雷达物位计系统2包括被布置在储罐4外部的测量电子单元6以及探针7，该探针7从耦接至测量电子单元6的第一探针端9穿过管状安装结构13朝向分层物质组合物延伸且在分层物质组合物中延伸至在储罐的底部处的第二探针端11。
在操作中，发射电磁发射信号ST并且通过探针7引导该电磁发射信号至少部分地穿过分层物质组合物。通过探针7返回电磁反射信号SR。基于反射信号与发射信号之间的定时关系和反射信号，测量单元6可以至少确定第一界面20的第一界面物位。现在将参照图2中的示意性框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统。
参照图2中的示意性框图，图1中的雷达物位计系统2的测量单元6包括收发器17、测量控制单元(MCU)19、无线通信控制单元(WCU)21、通信天线23、诸如电池25的能量存储装置以及在储罐4的外部与内部之间的馈送通孔(feed-through)15。
如图2中示意性所示，MCU 19控制收发器17，以生成、发射和接收电磁信号。所发射的信号通过馈送通孔15传递到探针7，并且接收到的信号从探针7通过馈送通孔15传递到收发器17。
MCU 19可以确定第一界面物位和第二界面物位，并且通过WCU 21、经由通信天线23从MCU 19将指示第一界面物位和第二界面物位的值提供给诸如控制中心的外部装置。有利地，可以根据所谓的WirelessHART通信协议(IEC 62591)来配置雷达物位计系统2。
虽然测量单元6被示为包括能量存储装置25并且包括用于允许无线通信的装置(例如，WCU 21和通信天线23)，但是应当理解，可以以不同方式(诸如通过通信线路(例如，4mA至20mA线路)提供电力供应和通信。
本地能量存储装置没有(仅)包括电池，而是可替选地或组合地，包括电容器或超级电容器。
现在将参照图3中的示意性框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统2。
现在参照图3，示出了图2中的收发器17的更详细框图。
如图3所示意性地示出，收发器17包括用于生成并发射发射信号ST的发射器分支以及用于接收反射信号SR并对其进行操作的接收器分支。如图3所示，发射器分支和接收器分支二者均连接到定向耦合器27，以将信号从发射器分支引导至探针7，并且将通过探针7返回的反射信号引导至接收器分支。
如图3所示意性地示出，收发器17包括本文中为第一脉冲形成电路29的形式的脉冲生成电路、第二脉冲形成电路31以及用于控制第一脉冲形成电路29输出的发射信号与第二脉冲形成电路31输出的频移参考信号SREF之间的定时关系的定时控制单元35。
发射器分支包括第一脉冲形成电路29，而接收器分支包括第二脉冲形成电路31和测量电路33。
如图3中示意性所示，测量电路33包括本文中为混频器37的形式的时间相关器、采样保持电路39以及放大器电路41。在本实用新型的实施方式中，测量电路33还可以包括积分器43。
另外，如以上参照图2简明地描述的那样，雷达物位计系统1包括连接至测量电路33的处理电路19，该处理电路19用于确定第一界面20的第一界面物位和第二界面22的第二界面物位。
当图3中的雷达物位计系统1在工作中以执行填充物位确定时，在混频器37中执行反射信号SR和第二脉冲形成电路31输出的参考信号SREF之间的时间相关性。参考信号SREF是具有脉冲重复频率的脉冲序列，该脉冲重复频率被控制为与发射信号ST的脉冲重复频率相差预定的频率差Δf，当测量扫描开始时，参考信号SREF和发射信号ST同相，然后，确定指示参考信号与反射信号SR之间的时间相关性的参数值以与频率差Δf一起形成回波信号。基于对回波信号的分析，如下面将进一步描述的那样，可以确定第一界面物位和第二界面物位。
在前述段落中简明地描述的时间扩展技术对于本领域的技术人员来说是公知的，并且被广泛用于脉冲雷达物位计系统中。
从以上讨论中显而易见，来自混频器37的输出是一系列值，其中，每个值均代表参考信号SREF的脉冲与反射信号SR之间的时间相关性。将这一系列值中的值结合在一起，以使用采样保持电路39来形成连续信号。
在这种情况下，应注意的是，采样保持电路39仅仅是能够在给定时间内保持电压电平的装置的说明性示例，并且如本领域的技术人员所公知的那样，存在可以提供期望功能的多种其他装置。
在图3的示例性实施方式中，从采样保持电路39输出的时间相关信号(相关信号SC)被提供给积分器以形成测量信号SM，测量信号SM由低噪声放大器LNA41放大。基于测量信号SM和频率差Δf，回波信号形成电路38可以形成上述回波信号。根据本实用新型的实施方式，物位确定电路40可以确定第一界面填充物位和第二界面填充物位。
现在将参照图4中的示意性流程图且进一步参照所示的其他附图来描述的第一方法。
在步骤401中，收发器17生成发射信号ST作为发射脉冲的脉冲序列并发射该发射信号ST。
在与步骤401同时发生的步骤402中，生成参考信号SREF作为参考脉冲的脉冲序列。
在步骤403中，探针7引导发射信号ST至少部分地穿过储罐4中的分层物质组合物。
在步骤404中，探针7返回由发射信号ST在第一界面20和第二界面22处的反射引起的反射信号SR，并且收发器17接收反射信号SR。
为了进一步说明上述步骤401至404，现在参照图5A至5B。
图5A是示意性地示出根据本实用新型的示例实施方式的发射信号ST、反射信号SR和参考信号SREF的相对定时的简化时序图。
如图5A中示意性所示，定时控制单元35将由发射脉冲45形成的发射信号ST和由参考脉冲47形成的参考信号SREF控制为在测量扫描开始时同相。由于在该具体示例中发射信号ST和参考信号SREF在新的测量扫描开始时必须是同相的，因此完整的测量扫描通常可以由频率差Δf限定。此外，如图5A示意性所示，这里的反射信号SR包括由发射脉冲45在第一界面20处的反射产生的第一组反射脉冲46以及由发射脉冲45在第二界面22处的反射产生的第二组反射脉冲48。第一组反射脉冲46和第二组反射脉冲48中的每一组均具有与发射信号ST相同的脉冲重复频率，但是以与指示分别距第一界面20和第二界面22的距离的飞行时间相对应的时间落后于发射信号ST。
参考信号SREF最初与发射信号同相，但是由于其脉冲重复频率较低，其会“离开”发射信号ST，并且“赶上”表面反射信号SR。
当发射信号ST与参考信号SREF之间的时变相位差对应于反射信号SR的反射脉冲的飞行时间时，将存在参考信号SREF的脉冲与表面反射信号SR的脉冲之间的时间相关性。该时间相关性产生了时间扩展的相关信号SC，SC继而可以被转换成测量信号SM。
在图5B中以示意性放大图提供了发射脉冲45和参考脉冲47的示例波形。
返回到图4中的流程图，在步骤405中，回波信号形成电路38基于反射信号与发射信号之间的定时关系以及反射信号来确定回波信号。例如，有利地，可以基于上述的时间扩展的测量信号SM和频率差Δf来确定回波信号。
针对示例性测量情况，将参照图6A至6B描述回波信号的第一示例。
图6A示意性地示出了呈现作为指示沿着探针7的位置的传播参数的函数的回波信号强度(或振幅)的回波信号49。在这种情况下，所选的传播参数是相对于在第一探针端9处的参考位置而沿着探针的位置Z。图6B是指示在储罐4中的分层物质组合物中的第一界面20和第二界面22处的反射的回波信号49的一部分的放大视图。
如图6A所示意性地示出，回波信号49指示由发射信号ST在第一探针端9处的参考阻抗转变(诸如馈送通孔15)处的反射引起的参考回波51以及由发射信号ST在储罐4中的第一界面20和第二界面22处的反射引起的物质界面回波53。
如图6A至6B中所示意性地示出，物质界面回波53是仅呈现单个局部极值(最大值)的宽且不对称的回波峰，以致于基于常规的峰值检测而无法区分第一界面20和第二界面22。
返回到图4中的流程图，在本实用新型的该实施方式中，替代地，使用下面描述的过程来确定第一界面20的物位。
在步骤406中，确定回波信号49到达预定的第一阈值信号强度TH1的沿着探针的第一阈值位置ZTH1。
随后，在步骤407中，基于第一阈值位置ZTH1和从第一阈值位置ZTH1沿着探针7朝向第二探针端11的预定的第一偏移距离ΔZ1来确定第一界面物位。
仅基于发射信号ST在第一界面20处的预期反射的模型、以及/或者先前的测试测量来确定预定的第一偏移距离ΔZ1。可以基于探针7的已知传播特性以及储罐4中的第一物质12和第二物质14的介电常数来计算在第一界面20处的反射的回波脉冲波形。
针对第一物质12是空气、第二物质14是油以及探针7是示例性单导体(Goubau)探针的情况，可以仅通过一般的曲线形状表达式来对来自第一界面20处的反射的回波脉冲55的形状进行近似：
f(x)=SummitAmplitude·(1-Qx2)，
其中，SummitAmplitude是回波脉冲55的峰值，Q≈95。
这意味着可以根据下面的关系式确定所求的第一偏移距离ΔZ1：
第一界面20相对于参考阻抗转变(例如，馈送通孔15)的沿着探针7的位置则变成：
Z1＝ZTH1+ΔZ1
可以基于位置Z1(沿着探针7距参考阻抗转变的距离)以及参考阻抗转变(例如，馈送通孔15)的已知位置来确定第一界面20的物位。
在步骤408中，识别物质界面回波53的局部极值57，并且确定该局部极值57(或峰值)的沿着探针7的位置Z2。
由于第一局部极值57的位置Z2沿着探针与第一阈值位置ZTH1的间隔大于比第一偏移距离ΔZ1更大的预定的第二距离，因此在步骤409中，基于位置Z2(沿着探针7距参考阻抗转变的距离)以及参考阻抗转变(例如，馈送通孔15)的已知位置来确定第二界面22的第二界面物位。
现在将参照图7中的示意性流程图且进一步参照所示出的其他附图来描述的第二方法。在该第二示例实施方式中，第一界面20和第二界面22充分间隔开，以产生分离的且可独立区分的回波峰。参照图8A至8B，回波信号59包括由发射信号ST在第一界面20处的反射引起的第一界面回波61以及由发射信号ST在第二界面22处的反射引起的第二界面回波63。在图8A至8B所示的情况下，可以使用常规的峰值检测来确定第一界面20的物位和第二界面22的物位。然而，至少对于某些情况，预期本实用新型的实施方式可以提供改善的测量结果。例如，可以提高测量精度。
第二实施方式的步骤701至707对应于以上参照图4中的流程图描述的第一实施方式的步骤401至407。
在步骤708中，确定回波信号59达到预定的第二阈值信号强度TH2的沿着探针的第二阈值位置ZTH2。
随后，在步骤709中，基于第二阈值位置ZTH2和从第二阈值位置ZTH2沿着探针7朝向第二探针端11的预定的第二偏移距离ΔZ2来确定第二界面物位。
如以上针对第一界面20的物位的确定所述的那样，仅基于发射信号ST在第二界面22处的预期反射的模型以及/或者先前的测试测量来确定预定的第二偏移距离ΔZ2。可以基于探针7的已知传播特性以及储罐4中的第二物质14和第三物质16的介电常数来计算在第二界面22处的反射的回波脉冲形状65。对于本领域的普通技术人员而言，基于她/他的知识和以上针对第一偏移距离ΔZ1的确定而进一步提供的示例来确定这样的模型将是直接的。
第二界面22相对于参考阻抗转变(诸如馈送通孔15)的沿着探针7的位置则变成：
Z2＝ZTH2+ΔZ2
可以基于位置Z2(沿着探针7距参考阻抗转变的距离)以及参考阻抗转变(诸如馈送通孔15)的已知位置来确定第二界面22的物位。
本领域的技术人员认识到，本实用新型绝不限于上述优选实施方式。例如，其他探针配置和分层物质组合物中的其他物质可以导致对阈值信号强度的不同选择以及对偏移距离的不同估计。

Claims (6)

1.一种雷达物位计系统，用于安装在容纳有至少包括第一物质、第二物质和第三物质的分层物质组合物的储罐处，用于确定所述第一物质与所述第二物质之间的第一界面的第一界面物位和所述第二物质与所述第三物质之间的第二界面的第二界面物位，其中，所述第一物质具有第一密度，第二物质具有大于所述第一密度的第二密度，所述第三物质具有大于所述第二密度的第三密度，所述雷达物位计系统包括：
收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；
探针，其被布置成从耦接至所述收发器的第一探针端穿过所述分层物质组合物大致垂直地延伸到第二探针端，所述探针被配置成引导电磁发射信号从所述收发器至少部分地穿过所述分层物质组合物，并且返回由所述电磁发射信号在所述第一物质与所述第二物质之间的所述第一界面处以及在所述第二物质与所述第三物质之间的第二界面处的反射引起的电磁反射信号；
连接至所述收发器的回波信号形成电路，其用于基于所述电磁反射信号与所述电磁发射信号之间的定时关系以及所述电磁反射信号来形成回波信号，所述回波信号呈现作为传播参数的函数的回波信号强度，所述传播参数指示沿着所述探针的位置；以及
连接至所述回波信号形成电路的物位确定电路，其用于基于第一传播参数值和第一偏移来确定所述第一界面物位，其中，所述第一传播参数值指示所述回波信号达到预定的第一阈值信号强度的、沿着所述探针的第一阈值位置，所述第一偏移指示从所述第一阈值位置沿着所述探针朝向所述第二探针端的第一偏移距离，
其中，所述物位确定电路被进一步配置成：
识别指示所述回波信号呈现第一局部极值的、沿着所述探针朝向所述第二探针端与所述第一阈值位置间隔开的第一局部极值位置的第一局部极值参数值；以及
当所述第一局部极值位置沿着所述探针与所述第一阈值位置的间隔大于比所述第一偏移距离更大的预定的第二距离时，基于所述第一局部极值位置来确定所述第二界面的所述第二界面物位。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述物位确定电路被进一步配置成：当所述第一局部极值位置沿着所述探针与所述第一阈值位置的间隔小于比所述第二距离更短的预定的第三距离时，基于所述第一局部极值位置来确定所述第一界面物位。
3.根据权利要求2所述的雷达物位计系统，其中，所述物位确定电路被进一步配置成：
识别指示所述回波信号呈现第二局部极值的、沿着所述探针朝向所述第二探针端与所述第一局部极值位置间隔开的第二局部极值位置的第二局部极值参数值；以及
基于所述第二局部极值位置确定所述第二界面物位。
4.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中：
所述雷达物位计系统还包括温度指示电路，所述温度指示电路用于指示表示所述储罐中的当前温度的温度参数值；以及
所述物位确定电路被进一步配置成基于所述温度参数值来确定所述第一偏移。
5.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中：
所述收发器包括：
发射信号生成电路，其用于生成形式为具有第一脉冲重复频率的第一脉冲序列的所述发射信号；以及
参考信号生成电路，其用于生成形式为具有第二脉冲重复频率的第二脉冲序列的电磁参考信号，所述第二脉冲重复频率被控制为与所述第一脉冲重复频率不同且具有频率差；并且
所述回波信号形成电路被配置成基于所述电磁反射信号、所述电磁参考信号和所述频率差来形成所述回波信号。
6.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述探针是单导体探针。
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