CN85103379A - 测量容器中液态物质水位的方法和装置 - Google Patents

Abstract

利用发射机馈送一微波信号，通过垂直向下插入容器的管状波导(7)，使波导管中物质的上表面位置(10)随着周围物质的深度变动，以此来测量装在一个容器中流动物质水位的方法。此信号自表面反射回来，通过波导并传到所用的接收机，在一个电子装置中经信号处理后，用以测定容器中的物质水位。微波信号通过模式发生器(11)馈送入波导，其波长小于波导(7)的直径。模式发生器实际上产生一个主要的信号传输模式。

Description

本发明是关于测量储存在容器中的液态物质水位的方法，利用发射机输出的一种微波信号接通一垂直向下穿入于容器的管状波导上，管子和容器连通，这样波导中物质的表面便随着周围液态物质的水位而变化，信号被液态物质表面反射，经过波导通向一接收机加以利用，经过电子装置的信号处理后，用以测定容器中物质的水位。本发明也涉及实现本方案的装置。

雷达可用来测量装在水箱、油箱或类似容器中的液体或液态物质的水位，如美国No.4，044，355号专利中描述的那样。由于雷达波的速度在空气或其他气体中非常稳定，所以，可以得到良好的精确度。由于雷达天线可用非常坚固的材料做成，因此这种水位测量器能用于温度、化学腐蚀以及机械应力的条件都非常恶劣的环境中。由于雷达天线可装在箱顶的一个孔内，因此容易安装，进行维修，甚至更换也很容易。

由于雷达束需要装在箱里的支柱上，梯形过渡器和管子等物之间有一定的距离，所以直到目前仍限制着它的使用。如果采用直径为D的园形雷达天线，雷达束的可用宽度约为λ/D弧度。考虑到雷达束的漫射边界，未受干扰的区域应是顶角约为2λ/D的锥区。这里波长λ代表雷达载波的波长，例如波长为3厘米。考虑到从各种实际情况出发，天线的直径必须限制在一定范围之内，实际上载波的波长限制在3厘米以下。因为从各方面来看，很高的载波频率使得雷达发射机和其他部件变得昂贵和关键。因此雷达束不能任意变窄。这在一些应用中很不理想，例如当这种装置用于平稳度和倾斜度在不断变化着的油船时。在实际情形下，可把5°-15°角作为所需的典型空间。这意味着很多油箱不容许按装用自由空间传输方式的雷达深度测量器。这也不能用于带有所谓浮顶的水箱或油箱，即带有直接浮在液化物质上顶板的油箱。

避免上述限制的一种方法是将雷达波通过一根向下穿过油箱的波导管导入。按照这种方法测量深度已经进行了试验（参看美国No.4，359，908专利），但是要适合于雷达使用波度的标准波导管的直径相当小，因此这种方法在实用上有很大限制。这种波导管包括矩形或圆柱形的金属管，管的尺寸只容许单模传播。对于园形波导管意味着传播波长应在管子内径的1.3-1.7倍间，对典型的雷达频率说来，管子的直径只有几厘米大小。

这一种波导存在下列问题：

当箱中的物质是蜡状原油时，管子被堵塞。

由于利用波导管上的孔确保管内外液体的自由流动，但对雷达波传播产生了不能允许的影响。

在具有标准高度的油箱中，管内的腐蚀产生了自上至下的不可允许的传播衰减。因此，必须用昂贵的材料来制管或用贵金属在管内涂层。

管子的大小和雷达频率对传播速度有严重的影响，因此要想得到良好的精确度，上述这些数值必须是恒定的或者精确地知道。

本发明的出发点在于意识到这些问题，可通过采用一根坚固的超尺寸波导来解决。将雷达辐射入波导，并抑制掉所有不需要的波导模式。在多数实际情形中，波导可以为由水箱或油箱中一根已有的管子所组成。这意味着所用的结构必须能容许管子尺寸能在各种情形下经受极大的变化，另外亦需容许适量的锈层和油涂层。

两种实用情形的计算可以说明采用超尺寸园波导的意义。如果通过波导测量出距离，便可得到大于实际距离L的表观距离Ls，其商数可用下列公式表示：

$\mathrm{Ls=}\frac{L}{\mathrm{1-(}\frac{\lambda }{{\lambda }_C}{)}^2}$

式中λ（如上所述）可为3厘米。λc是波导的极限波长（截止波长）。对于基模来说λc为管子直径的1.71倍。从公式中可以看出，如果λc大于λ（即如果管子的直径大于波长λ），所得的测量值Ls接近于实际距离L。相反，如波导为单模传播，λ为λc的75%-100%，则Ls比L大得很多。如果现在改变载波频率，相应改变λ，则商Ls/L将变化，如此变化较小，则Ls/L的相应变化与λ或λc的相应变化成正比，经过推导与化简，此比例常数可为：

$\frac{{\mathrm{(\lambda /\lambda }}_C{)}^2}{\mathrm{〔1-(}\frac{\lambda }{{\lambda }_C}{)}^3{〕}^{\mathrm{3/2}}}$

对于标准单模传播波导管来说此系数典型为2/3。测量原油深度时要求测量精度约为10^-4，这意味着对于20米距离的最大误差为2毫米。对管子直径和工作频率的精度有同样要求，这在实际上不大可能。若采用的管子直径例如为25厘米，波长为3厘米，这个系数就降为5/1000，因此，当直径和频率的精度为百分之一左右时，便可得到10^-4的相对精度，这是合理的。

波导管中的衰减决定于管壁的电阻损耗，其计算结果可在有关波导的一些手册中找到。例如马尔库维兹（Marcuvicz）：“波导手册”，麦克格罗·希尔（MacGrawHill），1951出版。对于一个直径约为2厘米，工作波长λ＝3厘米的单模铜波导管来说，长为25米向前及返回的传播衰减约为10分贝（dB），如使用的是不锈钢管，衰减便增加10倍（约为100分贝），这太大了，不能作深度的精确测量。

例如若将同样波长的信号改为导入直径为25厘米的管中，则衰减降低40倍，即使采用钢管，其衰减也只有2.5分贝。实际上由于石油在管壁上的沉积，衰减将有所增加，但是这种在理想低衰减的情形下，对于恶化运用留有足够余地。

如众所知，当管子的直径增大时，损耗减小的原因在于当波导管中传送同样大小的功率时，在管壁上的表面电流减小了。因而，基于相同原因，在很大的管子的外表面所能容许存在孔的数目要比标准直径的波导管上的大得多。

在先前的理论中，认为要采用波导的基模;这样，按照指定的系统就是H₁₁模。为了改进粗糙的管壁、孔和类似东西影响的容限，不管怎样，利用H₀₁模来传播要更好一些。这种模式在波导壁上只有很小的电流。因而损耗也比较低。除损耗低外，H₀₁模的一个重要特征是在典壁上的所有电流流向边缘方向，所以在管子接头处的电流分布不是重要的。

按照本发明的意图，为了得到在管中精确的距离测量，需要抑制掉一切不希望有的传播模式。若非如此，一个正常的

波将被解释为来自不同距离的多个

波。，因为通常不同的传播模式在管中有不同的速度。为了使所需模式达到25分贝，对于功率要求就会过大。这对在管子上端的测量装置提出很大的要求。

这个要求就是使不需要的模式部分发射能量足够低，并对不需要模式λ射功率的灵敏度要求充分低。后一要求必须做到避免有功率到达接收机。这种功率是由于管壁上有孔扩展布形成不需要的模式而产生的。

本发明的目的是提供用雷达精确测定装在容器中的液体或其他液态物质水位的一种方法和装置。本发明特别有助于解决以上讨论的问题，即把伸进容器的管子作为波导用时出现的问题。为了应用在陆地上的油箱或水箱，包括所谓浮顶式的，在这方面的问题作为一个特殊的目的，提供了一种简单按装的雷达装置，不需要很多化费或对油箱或水箱的模型有较大的改变。

按照本发明可达到这个目的，因为这种方法和装置具有如下面的权利要求中所述的一些特征。

现参考附图详细说明本发明，附图表明典型的实施方案，其中：

图1，是一种类型的油箱垂直断面，对本发明提出的一种重要应用。

图2，表示按照本发明的模式发生器的垂直断面，管子上端部分用作波导，伸进到如图1所示的油箱中。

图3，是模式滤波器的顶视图，包括图2装置的一部分。

图4是反射器的底视图，包括图2装置的一部分。

图5是在图4中沿V-V线的断面视图。

图1说明本发明的应用，是为了对油箱1进行深度的测量。此箱建于地面2的基底上，箱内能贮存大量石油或其他液态物质3。在贮存时，一个称为浮顶4用作保护石油或其他液态物质。这样一个油箱可以非常大，其直径在100米左右。由于每一毫米高度代表相当大的体积和很大的经济价值，这就需要确切地测量物质的深度，以便测定油箱的容量，尽可能做到正确。

在油箱的顶端有一个平台5，此平台通向一个阶梯6，用以测量水位的管子7的上端固定在平台5上，通过浮顶4的开口8，管子7的垂直向下伸到箱底，并固定在那里，沿着管子全长钻有相当大的并相距很近的孔9，以致管内和管外连通。管中液体的表面10能随着周围液体的深度变化，即管中液体表面10在浮顶4的下边，参看图2，在现有油箱中一根相似的管子是原有的，装有一个属于机械领域测量装置用的浮标，所以它的直径通常以20-30厘米大小为量好。

将这样一种贮存结构改装成雷达测量系统，这意味着有大的价值。这种按装能根据已有的油箱结构为基础，可以继续利用这根作浮标测量用的大管子。这里建议从改建这样大小的油箱模型观点出发，以无线辐射为基础改变雷达测量系统，这将涉及很多费用，同时也很难进行，尤其是若油箱有浮顶，这种变换不一定是实际上选择的。

本发明试图解决的是提供一种测量系统，这个系统可装在油箱中，以致它能保持和以前一样的性能。以上主要包括利用油箱的管子7作为波导，并通过它馈送由一般以11标示的模式发生器产生的一种微波信号。将发生器加在管子上，并使它只能产生一种主要的传播模式信号。

在所说的例子中，模式发生器包括一根同轴波导12，利用同轴导体13使波导和发射机（未表示出）相偶合，这个发射机包括在电子装置内，适当地按装在平台5上面的机箱14中。波导管12的直径应为相对于所用信号的波长只能传输H₁₁和F₀₁模，旦由于对称之故，可以导致仅有F₀₁模式出现。波导向下直接通向首发辐射器15，它可作为角形天线产生一个天线波束，例如为60°波瓣宽度的波束及F₀₁特征的映象电场，以致其电场成辐射方向。

在所说的例子中模式发生器是二次反射器类型，它由二个反射器16和17组成，并在辐射方向上将一个辐射器放在另一个之后。首先要说明的是此辐射器可以是平面型的或抛物线形的，包括一个介电外壳，例如用塑料外壳，在其一面（最好在它的上边）如图3所示，做成许多径向伸展的导体18，最好用印刷电路板制成。导体间的相互距离应该很小，使得F₀₁模式波由角形天线15发出后面被反射，主要是使其正如同在一个连续的金属表面上一样。

在本例中第二个反射器用金属管19支持住，该管构成了油箱管子7的向上延长部分，该反射器应为抛物线形或类似的形状，以致在反射器16的相反方向上向上传播的雷达束将经第二次反射变成平行的平面，并导入垂直向下的管子19中。反射器17也可包括一个塑料板20，该板的上边，也就是在角形天线15径向的外园部位，是金属化了的。因此平板20的这部分全部为金属薄膜21所覆盖（参看图5中的断面）。在塑料板20的下面，除去相当于角形天线直径的中心部分外，有一个印制导体图形，由螺旋线形导线22组成。它和下面反射器16的辐射形导线18可以相距很近。导线图形加上板的厚度（在实际电解质中约为0.25λ）可使垂直于螺旋线的电场矢量E的电磁波比平行于螺旋线的电场矢量E的电磁波滞后180°被反射。导线的螺旋线形状是这样的，即在螺旋线上每一点的切线与在同一点上从螺旋线中心所作的半径成α＝45°角。因此最后的结果为E₀₁模经过向下反射转变成H₀₁模，那就是说现在的电场可取为边缘方向。另一方面，辐射中所不需要的模式同时被反射掉了。反射器17可和初始辐射器15做在一起，如在图2中所示。

由模式发生器所产生的H₀₁模向下传播，通过下面的反射器16，由于H₀₁模的磁场处于以上所述的方向，而导线18和支持它的外壳则从垂直方向伸入磁场。因此当信号通过导线时，没有受到严重的影响。此后微波信号继续向下通过油箱中的管子7，当它遇到管内的液面时被反射到天线15和同轴电缆13。此回波信号由电缆传到电子装置14中的接收机，在接收机中以常规方式产生混合发送和接收信号，据此，由信号的渡越时间测定至表面10的距离。

在回波信号通过管子7向上渡越时，由于孔9的缘故，其部分功率转变为不同于主模H₀₁的传输模式，它将部分地回到下方的反射器16。然而，在这个反射器上的格棚18，将抑制这些从远处传回来的假回波达到天线15的内部。因此，从功能这方面来说，此反射器可作为一个模式滤波器。

本发明不限于以上所表示的和描述的实施方案。还有一种作了变换的实施方案，反射器17可用以上所述螺旋形波纹式的金属化表面构成。另一种实施方案是以一个传输板代替反射器16和17构成模式发生器，在板的两面有图4所示那样的螺旋图形，来自该板上方的F₀₁模信号转变成H₀₁模，从而成为主要模式。为了使来自平板的辐射束平行化，也可以用一个和管子7的直径相同的透镜来得到。

当本发明用于大的油箱或水箱时，由于那里已有直径为0.2-0.5米的管子可作为波导利用，故以上说明或描述结构的测量系统是很适宜的。较小的管子可以用常规的H₀₁-H₁₁转变，例如马列埃（Marie）转变。但是由于在很多实际情形中这种连接变得很长（很多米），因此，需要注意模式抑制。如在“目前波导工艺水平”（微波杂志，1982.12）中所表示的，利用非园锥漏斗可得到一定程度的改进。在某些情形下，一个漏斗可以实际解决与H₀₁模相结合，作为主要传播模式，使漏斗能垂在管子中。因而长度问题是一个小的缺点，同时由于

H₀₁模的特殊性能，在管子和漏斗之间匹配形式的要求可以减轻。

Claims (10)

1、测量装在一个容器(1)中液态物质水位的方法是利用发射机馈送一微波信号，通过垂直向下插入容器的管状波导(7)，该波导与容器相通，使波导中物质的表面(10)随着周围物质的深度变动，该信号自物质表面反射回来，通过波导并传输到接收机中，在一个电子装置中信号经处理后，用以测定容器中物质的深度；其特征是：微波信号的波长比波导(7)的直径小几倍。该微波信号通过模式发生器(11)馈入波导，模式发生器实际上仅产生一个主要的信号传输模式。

2、按照权利要求1的方法，其特征是由模式发生器（11）发生一个旋转对称的传输模式。

3、测量容器（1）中液态物质深度的装置包括一台发射机（14），用来馈送一通过管状波导（7）的微波信号，该管状波导垂直向下插入于容器，并和容器相连通，因此波导管中的物质表面随着周围物质的深度变动，由此表面反射的微波信号为一个接收机所接收，一个电子装置利用接收到的信号测定容器中的物质深度，其特征是在发射机（14）和波导（7）之间的模式发生器（11）实际上仅用以产生一个主要的信号传输模式，而波导的直径较信号的波长大好几倍。

4、根据权利要求3的装置，其中信号的主要模式是H₀₁模，波导（7）为园截面。其特征是模式发生器（11）包括一个与发射机相连接的首发射器（15），可将微波信号转变为F₀₁模信号，模式变换器（17）把上述转变了的信号变换为H₀₁模信号，并将其馈送入波导（7）。

5、根据权利要求4的装置，其特征是模式变换器（17）是向下的直接反射器（17），用以将反射信号变成平行的平面形式。

6、根据权利要求5的装置，其特征是向下的直接反射器（17）;为抛物线形的，并包括一介质板（20），该板的上面是导电的，而下面有一个包括螺旋形弯曲引线（22）的导体图形。

7、根据权利要求6的装置，其特征是上述向下的直接反射器（17）有一个中心，正位于上述波导（7）的轴线上，在螺旋形弯曲导线（22）上的每一点所作的切线与自中心至该点所作的半径之间成近似于45°的角。

8、根据权利要求3-7中的任何装置，其特征是在接收机和波导部分之间配置一个滤波器（16），并位于其底部的上面，该滤波器（16）用以滤除由于波导的原因，例如波导上的孔所产生的不需要的模式。

9、根据权利要求4-8中的任何装置，其特征是该滤波器（16）包括向上的直接反射器，位于波导（7）和首发辐射器（15）之间，用以将上述F₀₁模微波信号反射到向下的直接反射器（17），以此方式把反射器（17）反射的微波信号转变为H₀₁模的信号，并能无影响地通过向上的直接反射器。

10、根据权利要求9的装置，其特征是向上直接反射器16有一个中心，正位于上述的波导的轴线上，并有一个由导体组成的引线图形（18），并从上述中心辐射式的伸展。