CN209416451U - 雷达物位计系统 - Google Patents

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Abstract

一种雷达物位计系统，包括：第一收发器；第二收发器；天线，其被布置成辐射由第一收发器生成的第一发射信号和由第二收发器生成的第二发射信号，并接收第一反射信号和第二反射信号；管状波导，其将发射信号朝向界面引导，并将反射信号引导回天线；多个信号交互结构，其沿管状波导布置在不同物位处，以选择性地与第二发射信号交互以有助于第二反射信号；以及处理电路，其基于第一发射信号和第一反射信号之间的关系确定液相产品和气相产品之间的界面的物位，以及基于第二发射信号和第二反射信号之间的关系确定密度分布。

Description

雷达物位计系统
技术领域
本实用新型涉及用于确定罐中的液相产品与气相产品之间的界面的物位以及液相产品中的密度分布的雷达物位计系统。
背景技术
雷达物位计(RLG)系统广泛用于确定罐中的产品的填充物位。通常借助于非接触式测量或借助于通常被称为导波雷达(GWR)的接触式测量来执行雷达物位计量，其中，借助于非接触式测量时，朝向罐中包含的产品辐射电磁信号，借助于接触式测量时，通过用作波导的探头朝向产品引导电磁信号并且将电磁信号引导到产品中。探头通常被布置成从罐的顶部朝向底部垂直延伸。
电磁发射信号由收发器生成并朝向罐中的产品的表面传播，并且由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号被传播回收发器。
基于发射信号与反射信号之间的关系，可以确定距产品的表面的距离。
在一些应用中，非接触式雷达物位计系统与用于测量包含液化天然气(LNG)的罐中的填充物位的所谓的静管(still-pipe)结合使用。这样的罐可以在陆地上或在船舶上。
取决于LNG罐中的条件，液相产品(主要为甲烷)的密度可能不同。罐中不同物位处的密度也可能不同。因此，对于确定罐中的产品的量，除了体积之外，密度也是重要的参数。
此外，在LNG罐中，已经发生过涉及被称为“翻滚(rollover)”现象的事故。“翻滚”指的是LNG蒸汽的快速释放，其可以由于在储罐或货罐中的LNG的不同密度层的自发混合而发生。翻滚的前提条件是已发生分层，即在罐中存在两个分开的不同密度的LNG层。当然，应尽可能避免LNG蒸汽的排放。
因此，期望提供对LNG罐中的产品的量的改进的确定。特别地，期望改进对罐中液相产品中的密度分布的确定，以及对液相产品与气相产品之间的界面的物位的确定。
实用新型内容
鉴于上述情况，本实用新型的一般目的是提供一种改进的雷达物位计系统，特别是如下雷达物位计系统，其提供对罐中液相产品中的密度分布以及对液相产品和气相产品之间的界面的物位的改进的确定。
根据本实用新型的一个方面，因此提供了一种用于确定罐中液相产品和气相产品之间的界面的物位以及液相产品中的密度分布的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：第一收发器，其用于生成、发射和接收具有第一组信号特性的电磁信号；第二收发器，其用于生成、发射和接收具有与第一组信号特性不同的第二组信号特性的电磁信号；耦接至第一收发器和第二收发器的天线，天线被布置成辐射具有第一组信号特性的电磁第一发射信号和具有第二组信号特性的电磁第二发射信号，并且接收由第一发射信号的反射产生的第一反射信号和由第二发射信号的反射产生的第二反射信号；从罐的顶部朝向罐的底部延伸的管状波导，管状波导被布置和配置成将由天线辐射的第一发射信号和第二发射信号朝向液相产品和气相产品之间的界面引导并引导到液相产品中，并将第一反射信号和第二反射信号引导回天线；沿着管状波导的第一段布置在不同物位处的至少第一多个信号交互结构，第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构被配置成选择性地与第二发射信号交互以有助于第二反射信号；以及连接至第一收发器和第二收发器的处理电路，处理电路被配置成基于第一发射信号和第一反射信号之间的关系来确定液相产品和气相产品之间的界面的物位，并且基于第二发射信号和第二反射信号之间的关系来确定液相产品中的密度分布。
“第一收发器”和“第二收发器”中的每一个可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括单独的发射器单元和接收器单元的系统。
第一收发器和第二收发器可以有利地构成共享相同天线的两个单独且相互独立的测量通道。因此，第一反射信号实际上可以仅包括第一发射信号在第一发射信号所经历的阻抗不连续处的反射，并且第二反射信号实际上可以仅包括第二发射信号在第二发射信号所经历的阻抗不连续处的反射。
在US 7701385中描述了提供这样的相互独立的测量通道的示例性方式，该专利的全部内容通过引用结合于此。
第一发射信号和第二发射信号中的每一个可以有利地是微波信号。例如，每个发射信号可以在微波频率范围内的载波上进行频率和/或幅度调制。
上述第一组信号特性和第二组信号特性可以分别包括第一发射信号和第二发射信号的下述任何特性：可以用于在第一收发器和第二收发器之间分开第一反射信号和第二反射信号，并且提供所需的与信号交互结构的选择性交互。这样的信号特性可以例如包括传播模式和偏振。
合适的天线的示例可以包括喇叭天线、阵列天线、固体介电天线和抛物面天线等。
管状波导可以以所谓的静管的形式设置，静管是从罐的顶部延伸到罐的底部的具有圆形横截面的金属管。微波吸收器可以布置在管状波导的下端下方，以至少减小底部反射信号的幅度。管状波导可以设置有沿其长度分布的开口，以使得液相产品能够在管状波导的内侧和外侧之间移动，从而使得液相产品和气相产品之间的界面的物位能够在管状波导的内侧和管状波导的外侧相同。
第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构被布置和配置成选择性地与第二发射信号交互以有助于第二反射信号，应该被理解为意味着第一多个信号交互结构中的每个交互结构与第二发射信号之间的交互相比于第一多个信号交互结构中的每个交互结构与第一发射信号之间的任何交互要强得多。此外，信号交互结构可以有利地附接至管状波导。
本身众所周知，电磁信号通过介电材料的传播取决于材料的介电常数。特别地，众所周知，信号通过介电材料的传播速度至少近似与材料的相对介电常数的平方根成反比。
本身众所周知，介电材料的密度与材料的介电常数之间存在相关性，并且该相关性由克劳修斯-莫索蒂(clausius-mossotti)方程给出。
因此，可以基于对电磁信号通过材料的传播的估计，直接通过相关性或者间接地通过确定介电常数然后通过介电常数和密度之间的相关性来确定介电材料的密度。
应该注意，处理电路可以设置为一个装置或一起工作的数个装置。
本实用新型基于以下认识：可以使用用于发射和接收具有不同组的信号特性的电磁信号、共享相同天线和管状波导的不同收发器/测量通道来确定液相产品和气相产品之间的界面的物位以及液相产品中的密度分布。本发明人进一步认识到，通过沿管状安装结构在不同物位处设置信号交互结构，可以改进界面物位的确定，其中每个信号交互结构被布置和配置成基本上仅与测量通道中的一个中的信号交互。因此，可以使用与信号交互结构交互的信号来确定密度分布，并且可以使用与信号交互结构不交互或仅相对弱地交互的信号来确定界面的物位。这可以有助于更精确地确定界面的物位，特别是在界面的物位接近信号交互结构中的一个信号交互结构的物位的情况下。
根据实施方式，第一多个信号交互结构可以包括沿着管状波导的第一段相互间隔开的至少三个信号交互结构。原则上，可以基于与布置在液相产品和气相产品之间的界面下方的两个信号交互结构的信号交互来确定液相产品中的密度分布的测量值。通过在罐中最大允许的界面物位下方设置附加的信号交互结构，可以提供更精确的密度分布确定。
根据实施方式，第一组信号特性可以包括第一偏振，并且第二组信号特性可以包括不同于第一偏振的第二偏振。
有利地，第一偏振可以是第一线性偏振，并且第二偏振可以是与第一线性偏振正交的第二线性偏振。
根据实施方式，第一组信号特性可以包括第一传播模式，并且第二组信号特性可以包括不同于第一传播模式的第二传播模式。合适的传播模式的示例可以包括TE11、TM01、TE21和TE31。
根据各种实施方式，第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构可以是反射结构，其被布置和配置成针对第一发射信号呈现第一反射系数并且针对第二发射信号呈现第二反射系数，第一反射系数和第二反射系数之间的比率小于1:2。换句话说，第一反射系数可以小于第二反射系数的一半。有利地，该比率可以小于1:3，甚至更有利地小于1:4。
在第一发射信号和第二发射信号呈现不同线性偏振的实施方式中，反射结构可以例如以销(pin)的形式设置，销可以由金属或介电材料制成或者由导电材料和介电材料的复合材料制成。这样的销可以具有任何横截面。
在第一发射信号和第二发射信号以不同的传播模式传播的实施方式中，反射结构可以例如以布置在管状波导内部的一个或数个环的形式设置。这种类型的反射结构的示例描述于US 7345622中，其通过引用整体并入本文。
当使用反射信号交互结构时，处理电路可以在实施方式中被配置成：基于第二发射信号与第二反射信号之间的关系来确定第一测量值，第一测量值指示第一多个信号交互结构中的第一信号交互结构和第二信号交互结构之间的距离；基于第二发射信号和第二反射信号之间的关系来确定第二测量值，第二测量值指示第一多个信号交互结构中的第三信号交互结构和第四信号交互结构之间的距离；基于第一测量值来确定罐中的第一物位范围的第一平均密度；基于第二测量值来确定罐中的第二物位范围的第二平均密度。上述第二信号交互结构和第三信号交互结构可以是相同的信号交互结构。
可以基于密度和测量的电距离之间的直接的和先前确定的相关性来确定密度(平均密度)。替选地，可以基于介电常数和测量的电距离之间的直接的和先前确定的相关性以及基于介电常数和密度之间的已知关系来确定密度(平均密度)。此外，可以在反射器未浸没在液相产品中时(例如在罐已经清空时)和在反射器浸没在液相产品中时测量两个反射器之间的(电)距离。这些测量值之间的关系足以确定介电常数的变化，这可以用于确定两个反射器之间的物位段中的平均密度。
此外，可能有益的是测量罐中的温度和/或管状波导的横截面尺寸(例如圆形横截面的直径)的变化，并且另外基于这样的测量数据来确定密度分布。
根据各种实施方式，第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构可以是布置和配置成仅能够由第二发射信号激励的谐振器，谐振器的谐振频率指示填充谐振器的液相产品的密度。可以基于针对不同物位、第二反射信号的频谱的估计以识别不同谐振器的谐振频率来确定液相产品中的密度分布。特别地，处理电路可以被配置成基于布置在第一物位处的第一谐振器的谐振频率来确定罐中的第一物位的第一密度；并且基于布置在第二物位处的第二谐振器的谐振频率来确定罐中的第二物位的第二密度。
谐振器可以有利地具有高Q值，例如高于100。
在实施方式中，谐振器可以包括谐振腔，该谐振腔布置成在浸没在液相产品中时包含液相产品。谐振腔的谐振频率将取决于填充谐振腔的液相产品的介电常数并且由此取决于其密度。作为谐振腔的替选，可以使用偶极谐振器。
根据实施方式，管状波导可以包括至少第一多个开口，以选择性地使得由第二发射信号产生的电磁场能够存在于管状波导的在第一多个开口中的每个开口处的外侧上；并且第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构可以布置在管状波导的在第一多个开口中的每个开口处的外侧上，以能够由第二发射信号激励。
根据实施方式，雷达物位计系统还可以包括第二多个信号交互结构，其沿着管状波导的与第一段不同的第二段布置在不同物位处，第二多个信号交互结构中的每个信号交互结构被配置成选择性地与第一发射信号交互以有助于第一反射信号；并且处理电路可以被配置成：对于沿着管状波导的第一段的物位，基于第一发射信号和第一反射信号之间的关系来确定液相产品和气相产品之间的界面的物位，并且基于沿着管状波导的第一段的第二反射信号并基于沿着管状波导的第二段的第一反射信号来确定液相产品中的密度分布；以及对于沿着管状波导的第二段的物位，基于第二发射信号和第二反射信号之间的关系来确定液相产品和气相产品之间的界面的物位，并且基于沿着管状波导的第二段的第一反射信号来确定液相产品中的密度分布。
在这些实施方式中，可以使用更多数量的信号交互结构，而不会过度干扰界面物位的确定。这使得能够更精确地确定液相产品中的密度分布和/或确定更大(更高)的罐中的密度分布。
总之，本实用新型的实施方式因此涉及一种雷达物位计系统，其包括：第一收发器；第二收发器；天线，其布置成辐射由第一收发器生成的第一发射信号和由第二收发器生成的第二发射信号，并接收第一反射信号和第二反射信号；管状波导，其将发射信号朝向界面引导，并将反射信号引导回天线；多个信号交互结构，其沿管状波导布置在不同物位处，以选择性地与第二发射信号交互以有助于第二反射信号；以及处理电路，其基于第一发射信号和第一反射信号之间的关系来确定液相产品和气相产品之间的界面物位，以及基于第二发射信号和第二反射信号之间的关系来确定密度分布。
附图说明
现在将参照附图更详细地描述本实用新型的这些及其他方面，附图示出了本实用新型的示例性实施方式，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罐监测装置；
图2是被包括在图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的部分示意性框图；
图4示意性地示出了由根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统中的收发器发射的发射信号的示例；
图5是示出基于发射信号和反射信号形成的中频信号的图；
图6示意性地示出了信号交互结构的第一示例性配置，其包括反射器形式的沿着管状波导布置在不同物位处的第一多个信号交互结构；
图7A示意性地示出了信号交互结构的第二示例性配置，其包括谐振器形式的沿着管状波导布置在不同物位处的第一多个信号交互结构；
图7B是图7A中的谐振器的示例性配置的示意图；
图8示意性地示出了信号交互结构的第三示例性配置，其包括反射器形式的分别沿着管状波导的第一段和第二段布置在不同物位处的第一多个信号交互结构和第二多个信号交互结构；
图9是示意性地示出使用根据本实用新型的实施方式的雷达物位计的示例性方法的流程图；
图10A是示出基于第一发射信号和第一反射信号的示例性回波曲线的图；
图10B是示出基于第二发射信号和第二反射信号的示例性回波曲线的图；以及
图11是示出分别在第一测量通道和第二测量通道中由示例性反射器形式的信号交互结构引入的测量误差的图。
具体实施方式
在本具体实施方式中，主要参照FMCW型雷达物位计系统来讨论本实用新型的各种实施方式。
应当注意的是，这绝不限制本实用新型的范围，本实用新型的范围还涵盖了使用合适频率范围内的电磁信号的脉冲式雷达物位计系统。
图1示意性地示出了罐监测装置1，其包括根据本实用新型的示例性实施方式的雷达物位计系统3和被示出作为控制室的主机系统5。
雷达物位计系统3与附加的计量装置一起安装在罐7处，一起形成所谓的库存罐计量系统。
可以是LNG罐的罐7包含液相产品9和气相产品11。
雷达物位计系统3被安装以测量液相产品9与液相产品11之间的界面13的物位，以及液相产品9中的密度分布。雷达物位计系统3包括：测量单元15；天线(图1中看不到)；管状波导17；以及至少第一多个信号交互结构(图1中看不到)，其沿着管状波导17的第一段布置在不同物位处。
参照图2中的示意图，雷达物位计系统3包括天线19，天线19此处以阵列天线的形式布置成将电磁信号辐射到管状波导17中。如图2中示意性所示，以测量单元15的物理轮廓中的高级框图的形式，雷达物位计系统3包括：第一收发器21；第二收发器23；包括第一测量处理器25和第二测量处理器26的处理电路；通信接口27；和通信天线29。
如图2中示意性所示，第一测量处理器25控制第一收发器21生成、发射和接收具有第一组信号特性的电磁信号，并且第二测量处理器26控制第二收发器23生成、发射和接收具有第二组信号特性的电磁信号。天线19耦接至第一收发器21和第二收发器23，并且被配置成辐射来自第一收发器21的第一发射信号ST1和返回由第一发射信号的反射产生的第一反射信号SR1，以及辐射来自第二收发器23的第二发射信号ST2和返回由第二发射信号的反射产生的第二反射信号SR2。
第一测量处理器25基于第一发射信号ST1和第一反射信号SR1确定界面13的物位，并且第二测量处理器26基于第二发射信号ST2和第二反射信号SR2确定液相产品中的密度分布。指示界面13的物位的测量值以及指示密度分布的测量值从第一测量处理器25和第二测量处理器26经由通信接口27和通信天线29被提供至外部装置例如控制中心。雷达物位计系统3可以有利地根据所谓的WirelessHART通信协议(IEC 62591)来配置。
使用根据本实用新型的各种实施方式的雷达物位计系统3，可以基于经相位调制的第一发射信号ST1与第一反射信号SR1之间的相位差来确定界面13的物位。可以基于经相位调制的第二发射信号ST2与第二反射信号SR2之间的相位差来确定液相产品9中的密度分布。这种类型的测量方案通常一般被称为FMCW(调频连续波)，其本身是本领域普通技术人员所熟知的。
现在参照图3，示出了包括图2中的第一收发器21和第一测量处理器25的第一测量通道的示例性配置的更详细的框图。应当理解，包括第二收发器23和第二测量处理器26的第二测量通道可以具有大致相同的配置。
第一收发器21此处被示出为包括由阶梯信号发生器(step generator)33驱动的微波源31，阶梯信号发生器33反过来由包括在第一测量处理器25中的定时电路35控制。微波源31经由功率分配器37连接至天线19。功率分配器37被布置成将来自天线19的反射信号连接至混频器39，混频器39还被连接以接收来自微波源31的信号。混频器输出端被连接至低通滤波器41和放大器43。
除了上面所提及的定时电路35之外，第一测量处理器25此处还包括采样器45，采样器45被配置成对由混频器39输出、由低通滤波器41进行低通滤波并被放大器43放大的中频信号SIF1进行接收和采样。采样器45可以例如包括与A/D转换器组合的采样保持电路，或被实现为Σ-Δ(sigma-delta)转换器。采样器45由定时电路35控制以与发射信号ST1同步。第一测量处理器25还包括信号处理器47、存储器49和物位确定器51。
虽然第一收发器21和第二收发器23的元件通常以硬件实现并且形成集成单元(常被称为微波单元)的一部分，但是第一测量处理器25和第二测量处理器26的至少一些部分通常可以通过由嵌入式处理器执行的软件模块进行实施。本实用新型不限于该特定实现，并且可以考虑适用于实现本文中描述的功能的任何实现。
参照图3，定时电路35经由阶梯信号发生器33来控制微波源31以形成发射信号ST1。参照图4，发射信号ST1以多个离散且相互不同的频率fn的时间序列f0至fN的形式提供。如图4中示意性地所示，离散且相互不同的频率f0至fN限定带宽B。在该特定示例中，在频率方面相邻的频率在时间序列中也相邻，但不一定是这种情况。替选地，可以以任意但已知的顺序输出离散且相互不同的频率。
反射信号SR1由发射信号ST1在阻抗不连续处(包括图1所示的界面13)的反射产生。因从雷达物位计系统到不同的阻抗不连续处并且返回的飞行时间(time-of-flight)，反射信号SR1将是发射信号ST1的延迟副本，其中，从不同的阻抗不连续处反射的反射信号SR1的各部分与发射信号ST1相比将呈现出不同的相位差。此外，相位差将随着所发射的离散频率fn的变化而以阶梯方式变化。
通过在混频器39中组合发射信号ST1和反射信号SR1来形成中频信号SIF1。在图5中示意性地示出了中频信号SIF1。
如果已经使用具有连续变化频率的发射信号，则中频信号将是连续信号，该连续信号包括针对与发射信号遇到的不同的阻抗不连续相对应的每个飞行时间的一个频率分量。
由于在该特定示例中，发射信号ST1相反是一系列离散频率fn，所以相位差将以阶梯方式变化，这意味着中频信号SIF1将逐段恒定，其中，恒定部分的持续时间与发射信号ST1的不同频率fn的发射持续时间相同。这在图5中示意性地示出。
已经由图3中的采样器45采样的中频信号SIF1由信号处理器47进行处理，以确定指示来自阻抗不连续处的回波的数据集。首先使用例如FFT(快速傅里叶变换)将图5中的中频信号SIF1从时域变换成频域。在将中频信号SIF1变换至频域之后，将所得到的频谱转换成回波曲线，由物位确定器51使用该回波曲线，以确定液相产品9与气相产品11之间的界面13的物位。
在第二测量通道中，第二测量处理器26可以包括密度分布确定器，而不是上述第一测量通道的物位确定器51。
在第一测量通道中，第一收发器21生成、发射和接收具有第一组信号特性的电磁信号，并且在第二测量通道中，第二收发器23生成、发射和接收具有第二组信号特性的电磁信号。如上面进一步提到的，信号特性可以例如包括偏振状态和/或微波传播模式等。沿着管状波导17布置在不同物位处的信号交互结构被配置成根据由发射信号呈现的那组信号特性选择性地与发射信号交互。
图6示意性地示出了信号交互结构的第一示例性配置，其包括反射器53a至53d形式的沿着管状波导17布置在不同物位处的第一多个信号交互结构。如图6中示意性所示，管状波导17(通常称为静管)包括多个开口55(这些开口中只有一个用附图标记指示，以避免使附图混乱)，以使得界面13的物位在管状波导17的内侧和外侧能够均衡。
在图6中，每个反射器53a至53d以沿“x”方向定向的销的形式设置，如图6中示意性地所示。可以由金属或合适的介电材料制成的销将呈现与沿“y”方向线性偏振的电磁信号相比，对于沿“x”方向线性偏振的电磁信号高得多的反射系数。对于图6中的信号交互结构53a至53d的配置，第一发射信号ST1应该优选地沿“y”方向线性偏振，并且第二发射信号ST2应该优选地沿着“x”方向线性偏振。这意味着第一发射信号ST1将以与反射器53a至53d非常小的交互传播通过管状波导，并且因第一发射信号ST1在液相产品9与气相产品11之间的界面13处的反射而产生具有强的反射信号分量的相对未受干扰的第一反射信号SR1。另一方面，第二发射信号ST2将与反射器53a至53d强烈交互，从而因在反射器53a至53d处的反射而产生强的反射信号分量。省略了如何提供线性偏振的发射信号以及可以如何适当地配置反射器53a至53d的详细描述，因为这本身是雷达物位计量领域的普通技术人员所熟知的。例如，可以参考US 5136299。该文件的全部内容通过引用并入本文。
图7A示意性地示出了信号交互结构的第二示例性配置，其包括谐振器57a至57d形式的沿着管状波导17布置在不同物位处的第一多个信号交互结构。
在图7A中，每个谐振器57a至57d以水平对准的微波谐振器的形式设置，该微波谐振器附接至管状波导17的外侧，并与管状波导17的壁中的相应开口对准。下面将参考图7B更详细地描述示例性微波谐振器配置。
沿“x”方向线性偏振的电磁信号将通过开口呈现一些泄漏，并且泄漏的信号将与微波谐振器57a至57d交互。沿“y”方向线性偏振的电磁信号将不会通过开口泄漏或仅泄漏非常少，因此不受开口和微波谐振器57a至57d的影响。对于图7A中的信号交互结构57a至57d的配置，第一发射信号ST1应该优选地沿“y”方向线性偏振，并且第二发射信号ST2应该优选地沿着“x”方向线性偏振。这意味着第一发射信号ST1将以与微波谐振器57a至57d的非常小的交互传播通过管状波导17，并且因第一发射信号ST1在液相产品9与气相产品11之间的界面13处的反射而产生具有强的反射信号分量的相对未受干扰的第一反射信号SR1。另一方面，第二发射信号ST2将与微波谐振器57a至57d强烈交互，从而对于微波谐振器57a至57d的相应谐振频率，在第二反射信号SR2中产生峰。特定的微波谐振器57a至57d的谐振频率将取决于填充和/或围绕微波谐振器57a至57d的液相产品9的介电常数。基于不同物位处的介电常数，可以确定不同物位处的密度，如US 9410904中更详细地描述的，其通过引用整体并入本文。
参照图7B，水平对准的微波谐振器57包括具有圆的圆柱形形状的壳体61。壳体61具有开口端63和闭合端65。为了进一步简化微波谐振器57中的液相产品9的排出和填充，在壳体61中设置孔67。这些孔67可以有利地相对较小，优选地具有小于4mm的直径。通过谐振器的直径和谐振频率来确定给定应用的合适直径。孔67应足够小，使得它们不影响谐振器的特性，特别地小于谐振频率的波长。此外，微波谐振器57包括内杆69，内杆69固定到闭合端63并在壳体61内从闭合端63朝向开口端65延伸。在US 9410904中描述了图7B中的微波谐振器57的功能、以及其他可行的微波谐振器设计。
图8示意性地示出了信号交互结构的第三示例性配置，其包括反射器形式的分别沿着管状波导17的第一段71和第二段73布置在不同物位处的第一多个信号交互结构和第二多个信号交互结构。
在图8中，每个反射器53a至53h以销的形式设置。第一多个信号交互结构中的每个销53a至53d如图8中示意性所示地沿“x”方向定向，并且由此将呈现与沿“y”方向线性偏振的电磁信号相比，对于沿“x”方向线性偏振的电磁信号高得多的反射系数。第二多个信号交互结构中的每个销53e至53h如图8中示意性所示地沿“y”方向定向，并且由此将呈现与沿“x”方向线性偏振的电磁信号相比，对于沿“y”方向线性偏振的电磁信号高得多的反射系数。
由于在该示例中，第一发射信号ST1沿“y”方向线性偏振，并且第二发射信号ST2沿“x”方向线性偏振，因此第一发射信号ST1实际上将仅与第二多个反射器中的反射器53e至53h交互，并且第二发射信号ST2实际上将仅与第一多个反射器中的反射器53a至53d交互。因此，第一发射信号ST1和第一反射信号SR1可以有利地用于确定当界面13的物位位于管状波导17的第一段71中时界面13的物位，以及用于确定沿着管状波导17的第二段73的密度分布。当界面13的物位位于管状波导17的第一段71中时，如上参照图6所述，基于第二发射信号ST2和第二反射信号SR2确定沿着管状波导17的第一段71(的浸没部分)的密度分布。当界面13的物位位于管状波导17的第二段73中时，第二发射信号ST2和第二反射信号SR2可以有利地用于确定界面13的物位。
图9是示意性地示出了使用根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统的示例性方法的流程图。
在第一步骤S1中，通过包括第一收发器21和第一测量处理器25的第一测量通道发射具有第一组信号特性的电磁第一发射信号ST1。如上所述，第一发射信号ST1可以例如沿图6中的“y”方向呈现线性偏振。
在可以与第一步骤S1同时发生的第二步骤S2中，通过包括第二收发器23和第二测量处理器26的第二测量通道发射具有第二组信号特性的电磁第二发射信号ST2。如上所述，第二发射信号ST2可以例如沿图6中的“x”方向呈现线性偏振。
在第三步骤S3中，通过天线19将第一发射信号ST1和第二发射信号ST2辐射到管状波导17中，管状波导17朝向液相产品9引导第一发射信号ST1和第二发射信号ST2并将第一发射信号ST1和第二发射信号ST2引导到液相产品9中，并且将第一反射信号SR1和第二反射信号SR2引导回第一收发器21和第二收发器23。
在随后的步骤S4中，使用包括第一收发器21和第一测量处理器25的第一测量通道接收第一反射信号SR1，并且在可以与S4同时发生的步骤S5中，使用包括第二收发器23和第二测量处理器26的第二测量通道接收第二反射信号SR2。
在下一步骤S6中，基于第一发射信号ST1和第一反射信号SR1确定液相产品9和气相产品11之间的界面13的物位。
在步骤S7中，基于第二发射信号ST2和第二反射信号SR2确定液相产品中的密度分布。
将参考图10A和图10B中的回波曲线更详细地描述界面13的物位的确定以及液相产品9中的密度分布的确定。
图10A是对于距界面13的两个不同距离的基于第一发射信号ST1和第一反射信号SR1的示例性回波曲线的图，并且图10B是对于距界面13的两个不同距离的基于第二发射信号ST2和第二反射信号SR2的示例性回波曲线的图。用于产生图10A和图10B中的回波曲线的测量的信号交互结构配置基本上对应于图6中的配置，不同之处在于仅安装了反射器销53a至53d中的两个，以简化回波曲线和描述。
图10A中的图包括低界面物位的第一回波曲线75和高界面物位的第二回波曲线77。如上所述，已经使用包括第一收发器21和第一测量处理器25的第一测量通道确定了图10A中的回波曲线。如结合图6所解释的，在“y”方向上线性偏振的第一发射信号ST1基本上不受反射器53a至53d的影响。因此，第一回波曲线75仅包括一个显著峰79，基于该显著峰79可以确定界面13的(相对低的)物位，并且第二回波曲线77仅包括一个显著峰81，基于该显著峰81可以确定界面13的(相对高的)物位。
对于图10A中的图，图10B中的图包括低界面物位的第一回波曲线83和高界面物位的第二回波曲线85。如上进一步所述的，已经使用包括第二收发器23和第二测量处理器26的第二测量通道确定了图10B中的回波曲线。如结合图6所解释的，在“x”方向上线性偏振的第二发射信号ST2被反射器53a至53d相对强地反射。因此，第一回波曲线83包括指示距第一反射器53a的电距离的第一峰87，指示距第二反射器53b的电距离的第二峰89，以及指示界面13的(相对低的)物位的第三峰91。第二回波曲线85包括指示距第一反射器53a的电距离的第一峰93，指示距第二反射器53b的电距离的第二峰95，以及指示界面13的(相对高的)物位的第三峰97。
基于第一回波曲线83的第一峰87和第二峰89，可以针对第一反射器53a和第二反射器53b位于界面13的物位上方的情况确定第一反射器53a和第二反射器53b之间的第一电距离d1。基于第二回波曲线85的第一峰93和第二峰95，可以针对第一反射器53a和第二反射器53b位于界面13的物位下方的情况确定第一反射器53a和第二反射器53b之间的第二电距离d2。
上面提到的第一电距离d1和第二电距离d2与在两种情况下(分别为两个反射器在界面13上方和两个反射器在界面13下方)电磁信号从第一反射器53a行进到第二反射器53b所花费的时间段成比例。如本领域普通技术人员所熟知的，电磁信号从第一反射器53a的物位传播到第二反射器53b的物位的传播速度与第一反射器53a和第二反射器53b之间的材料的(平均)相对介电常数的平方根成反比。基于该知识，对气相产品的相对介电常数的了解，以及两个反射器53a和53b之间的实际距离在两次测量中相同的事实，可以确定罐中的第一反射器53a的物位和第二反射器53b的物位之间的液相产品9的平均相对介电常数(第二回波曲线85)。
知晓该介电常数将使得能够使用克劳修斯-莫索蒂(Clausius-Mosotti)方程(或等效的洛伦兹-洛伦兹(Lorentz-Lorentz)方程)来导出罐中的第一反射器53a和第二反射器53b的物位之间的平均密度。
比率常数κ是表示液体分子的电子偏振率的固有特征常数。在分子保持永久偶极矩的情况下，该特征常数取决于温度。
在典型体积的液化天然气中，表示电子偏振率的特征常数κ根据液体的组分而变化。
典型值可以是κ＝4×10-4m3/kg。该值表明具有介电常数εr＝1.69的液化天然气体积具有接近ρ＝467kg/m3的密度。
替选地，可以基于介电常数和密度之间的经验关系来确定密度，其中还可以考虑诸如温度和/或压力的附加参数以改进密度分布的确定。
在上面的示例中，为了简单起见，仅针对一个物位(范围)确定(平均)密度。为了确定液相产品中的密度分布，应针对至少两个不同物位或物位范围来确定密度。
从图10B中的回波曲线可以清楚地看出，可以使用相同的测量通道来确定液相材料9的密度分布并测量界面13的物位。然而，本发明人已经认识到，与通过本实用新型的实施方式可获得的相比，这样做将导致界面物位的较不可靠和准确的确定。
图11是示出由示例性反射器形式的信号交互结构引入的测量误差的图，并且包括：第一曲线99，其指示对于包括第一收发器21的第一测量通道的作为距界面13的距离的函数的测量误差；以及第二曲线101，其指示对于包括第二收发器23的第二测量通道的作为距界面13的距离的函数的测量误差。
第一曲线99表示在整个测量范围内测量误差相对较小，并且测量误差的变化也相对较小。相反，第二曲线101表示在整个测量范围内测量误差相当大，并且对于对应于沿着管状波导17的反射器53a至53b的位置的距离，在测量误差中呈现出两个不同的峰。
本领域技术人员认识到，本实用新型决不限于上述优选的实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。

Claims (12)

1.一种雷达物位计系统，用于确定罐中的液相产品和气相产品之间的界面的物位以及所述液相产品中的密度分布，其特征在于，所述雷达物位计系统包括：
第一收发器，其用于生成、发射和接收具有第一组信号特性的电磁信号；
第二收发器，其用于生成、发射和接收具有与所述第一组信号特性不同的第二组信号特性的电磁信号；
天线，其耦接至所述第一收发器和所述第二收发器，所述天线被布置成辐射具有所述第一组信号特性的电磁第一发射信号和具有所述第二组信号特性的电磁第二发射信号，并且接收由所述第一发射信号的反射产生的第一反射信号和由所述第二发射信号的反射产生的第二反射信号；
管状波导，其从所述罐的顶部朝向所述罐的底部延伸，所述管状波导被布置和配置成将由所述天线辐射的所述第一发射信号和所述第二发射信号朝向所述液相产品和气相产品之间的界面引导并引导至所述液相产品中，并且将所述第一反射信号和所述第二反射信号引导回所述天线；
至少第一多个信号交互结构，其沿着所述管状波导的第一段布置在不同物位处，所述第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构被配置成选择性地与所述第二发射信号交互以有助于所述第二反射信号；以及
处理电路，其连接至所述第一收发器和所述第二收发器，所述处理电路被配置成基于所述第一发射信号和所述第一反射信号之间的关系来确定所述液相产品和气相产品之间的界面的物位，并且基于所述第二发射信号和所述第二反射信号之间的关系来确定所述液相产品中的密度分布。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述第一多个信号交互结构包括沿着所述管状波导的第一段相互间隔开的至少三个信号交互结构。
3.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述第一组信号特性包括第一偏振，并且所述第二组信号特性包括不同于所述第一偏振的第二偏振。
4.根据权利要求3所述的雷达物位计系统，其中，所述第一偏振是第一线性偏振，并且所述第二偏振是与所述第一线性偏振正交的第二线性偏振。
5.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述第一组信号特性包括第一传播模式，并且所述第二组信号特性包括不同于所述第一传播模式的第二传播模式。
6.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构是反射结构，所述反射结构被布置和配置成针对所述第一发射信号呈现第一反射系数并且针对所述第二发射信号呈现第二反射系数，所述第一反射系数与所述第二反射系数之间的比率小于1:2。
7.根据权利要求6所述的雷达物位计系统，其中，所述处理电路被配置成：
基于所述第二发射信号和所述第二反射信号之间的关系来确定第一测量值，所述第一测量值指示所述第一多个信号交互结构中的第一信号交互结构和第二信号交互结构之间的距离；
基于所述第二发射信号和所述第二反射信号之间的关系来确定第二测量值，所述第二测量值指示所述第一多个信号交互结构中的第三信号交互结构和第四信号交互结构之间的距离；
基于所述第一测量值来确定所述罐中的第一物位范围的第一平均密度；以及
基于所述第二测量值来确定所述罐中的第二物位范围的第二平均密度。
8.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中，所述第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构是谐振器，所述谐振器被布置和配置成仅能够由所述第二发射信号激励，所述谐振器的谐振频率指示填充所述谐振器的液相产品的密度。
9.根据权利要求8所述的雷达物位计系统，其中，所述谐振器包括谐振腔，所述谐振腔被布置成在被浸没在所述液相产品中时容纳所述液相产品。
10.根据权利要求1或2所述的雷达物位计系统，其中：
所述管状波导包括至少第一多个开口，以选择性地使得由所述第二发射信号产生的电磁场能够存在于所述管状波导的在所述第一多个开口中的每个开口处的外侧上；以及
所述第一多个信号交互结构中的每个信号交互结构被布置在所述管状波导的在所述第一多个开口中的每个开口处的外侧上，以能够由所述第二发射信号激励。
11.根据权利要求8所述的雷达物位计系统，其中，所述处理电路被配置成：
基于布置在第一物位处的第一谐振器的谐振频率来确定所述罐中的所述第一物位的第一密度；以及
基于布置在第二物位处的第二谐振器的谐振频率来确定所述罐中的所述第二物位的第二密度。
12.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第二多个信号交互结构，其沿着所述管状波导的与所述第一段不同的第二段布置在不同物位处，所述第二多个信号交互结构中的每个信号交互结构被配置成选择性地与所述第一发射信号交互，以有助于所述第一反射信号；以及
所述处理电路被配置成：
对于沿着所述管状波导的第一段的物位，基于所述第一发射信号和所述第一反射信号之间的关系来确定所述液相产品和气相产品之间的界面的物位，基于所述第二发射信号和所述第二反射信号之间的关系来确定沿着所述管状波导的第一段的所述液相产品中的密度分布，并且基于所述第一发射信号和所述第一反射信号之间的关系来确定沿着所述管状波导的第二段的所述液相产品中的密度分布；以及
对于沿着所述管状波导的第二段的物位，基于所述第二发射信号和所述第二反射信号之间的关系来确定所述液相产品和气相产品之间的界面的物位，并且基于所述第一发射信号和所述第一反射信号之间的关系来确定沿着所述管状波导的第二段的所述液相产品中的密度分布。
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