JP2011521227A - 周期的に配置された参照インピーダンス遷移を有する導波路構造を使用するレーダレベル計システム - Google Patents

Abstract

タンク内に入っている製品の充填レベルを決定するレーダレベル計システムであって、前記レーダレベル計システムは周波数範囲内の電磁信号を発生、送信および受信するトランシーバと、タンク内に入っている前記製品中へ延びて前記トランシーバからの送信信号を前記製品の表面へ向けて導き、前記表面における反射により生じる表面エコー信号を含む、送信電磁信号が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号を前記トランシーバへ導き戻すようにされた導波路構造と、前記導波路構造に沿って実質的に周期的に設けられた複数の参照インピーダンス遷移であって、隣接する参照インピーダンス遷移間の距離は前記各参照インピーダンス遷移における前記送信信号の反射により生じる信号が結合して前記周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出される複数の参照インピーダンス遷移と、前記参照信号の前記周波数および隣接する参照インピーダンス遷移間の前記距離に基づいて製品の前記表面より上のタンク内側の媒体内での前記電磁信号の伝播速度を決定し、さらに、前記表面エコー信号および前記伝播速度に基づいて前記充填レベルを決定する前記トランシーバに接続された処理回路と、を含んでいる。

Description

（発明の技術分野）
本発明はタンク内に入っている製品の充填レベルを決定するための、プローブやスチルパイプ（ｓｔｉｌｌ ｐｉｐｅ）等の、導波路構造を使用するレーダレベル計システムに関する。

（技術的背景）
レーダレベル計（ＲＬＧ）システムはタンク内に入っている製品の充填レベルを決定するために広く使用されている。一般的に、レーダレベル計測はタンク内に入っている製品に向けて電磁信号が放射される非接触測定により実施されるか、あるいは、プローブやスチルパイプ等の導波路構造により製品に向けて製品中に電磁信号が導かれる、しばしばガイド・ウェーブ・レーダ（ＧＷＲ）と呼ばれる接触測定により実施される。一般的に、導波路構造はタンクの頂部から底部へ向かって垂直方向に延びるように配置される。導波路構造はタンクの外壁に接続されタンク内側と流体接続されている測定チューブ、いわゆるチャンバ、内に配置されることもある。

送信された電磁信号は製品表面において反射され、反射信号はレーダレベル計システム内に含まれる受信機または送信機により受信される。送信および受信信号に基づいて、製品表面までの距離を決定することができる。

より詳細には、製品表面までの距離は、一般的に、電磁信号の送信およびタンク内の雰囲気とその中に入れられた製品との界面におけるその反射の受信との間の時間に基づいて決定される。製品の実際の充填レベルを決定するために、前記した時間（いわゆる、飛行時間：ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）と電磁信号の伝播速度に基づいて基準位置から表面までの距離が決定される。

今日、市場の、多くのレーダレベル計システムはタンク内に入っている製品の表面までの距離をパルスの送信と製品表面におけるその反射の受信との間の時間差に基づいて決定するいわゆるパルス・レーダレベル計システムであるか、あるいは、表面までの距離を時間差により生じる送信された周波数変調信号と表面におけるその反射との間の位相差に基づいて決定するシステムである。一般的に、後者のタイプのシステムはＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）タイプと呼ばれる。

飛行時間に基づいて充填レベルを決定するのに必要な情報である伝播速度は、導波路構造の構成およびタンク内側の環境条件等のさまざまな要因により決定される。このような環境条件には、たとえば、タンク内に入っている製品の表面より上の雰囲気の組成が含まれる。

非常に高精度（たとえば、０．１％以下）に適合されたレーダレベル計システムに対して、タンク雰囲気は伝播速度に影響を及ぼす。例として、通常の空気中の伝播速度は真空中よりも０．０３％程度遅く、影響が高い（１％）一例として加圧炭化水素ガスは１０バールにおいてプロパンに対してより高い影響を持つ。

特許文献１および特許文献２はタンク内の製品の表面より上の雰囲気内で変動する蒸気濃度を補償するように設計された異なるシステムを開示している。
特許文献１内に開示されたレベル測定システムは通常比較的低利得で作動してタンク内に入っている材料の材料レベルを決定し、また比較的高利得で周期的に作動してプローブの予想感知領域より上のプローブに沿って設けられたターゲット・マーカまでの距離を決定する。ターゲット・マーカまでの決定された距離は、材料レベルよりも上の蒸気の性質に対して、決定された材料レベルを補償するのに使用される。

特許文献２に開示されている水位を測定するためのレベル測定システムは、最大水位よりも上に一対の間隔を置いて配置された参照不連続部（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｉｅｓ）が設けられたプローブを含んでいる。参照不連続部間の測定距離と既知の距離との差は、その上の蒸気の比誘電率の変化に依存しない、水位の測定値を提供するのに使用される。

米国特許第６８６７７２９号 米国特許第５２４９４６３号

タンク雰囲気内での伝播速度を決定することはできるが、特許文献１および特許文献２に開示されているような参照反射器（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）はそれらの周辺にある妨害を生じて、レーダレベル計システムの測定精度へ影響を及ぼす。典型的に、校正エコーは強すぎて充填レベル測定を妨げるか、あるいは、弱過ぎて表面エコーにより妨げられる。

（発明の概要）
従来技術の前記した欠点および他の欠点の観点から、本発明の一般的な目的は改良されたレーダレベル計システムおよび方法、特に、より高精度の充填レベル決定が可能なレーダレベル計システムおよび方法を提供することである。

本発明の第１の側面に従って、これらの目的および他の目的はタンク内に入っている製品の充填レベルを決定するためのレーダレベル計システムにより達成され、レーダレベル計システムは周波数範囲内の電磁信号を発生し、送信しかつ受信するトランシーバと、タンク内に入っている製品中へ延びてトランシーバからの送信信号を製品表面へ向けて導き、かつ、表面における反射により生じる表面エコー信号を含む、送信された電磁信号が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号をトランシーバへ導き戻すようにされた導波路構造と、導波路構造に沿って実質的に周期的に設けられ、隣接する参照インピーダンス間距離は各参照インピーダンス遷移（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）における送信信号の反射により生じる信号が結合して周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出される複数の参照インピーダンス遷移と、トランシーバに接続され参照信号の周波数および隣接する参照インピーダンス遷移間の距離に基づいて製品の表面より上でタンク内側の媒体内での電磁信号の伝播速度を決定し、かつ表面エコー信号および伝播速度に基づいて充填レベルを決定する処理回路と、を含んでいる。

本発明の第二の側面に従って、前記した目的および他の目的は、タンク内に含まれる材料へ向けてその材料の中に周波数範囲内の送信された電磁信号を導き、さらに、電磁信号が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号を導波路構造に沿って導き戻すレーダレベル計システム内で使用する導波路構造により達成され、導波路構造は導波路構造に沿って実質的に周期的に設けられ、隣接する参照インピーダンス遷移間の距離は各参照インピーダンス遷移における送信信号の反射により生じる信号が結合して周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出される複数の参照インピーダンス遷移を含み、参照信号の周波数および隣接する参照インピーダンス遷移間の距離に基づいてタンク内側の媒体内での電磁信号の伝播速度を決定することができる。

タンクは製品を入れることができる任意の容器（コンテナまたはベッセル）とすることができ、金属、部分的または完全に非金属、開放型、半開放型、または閉鎖型とすることができる。

「トランシーバ」は電磁信号を送受信することができる機能的ユニットとすることができる、あるいは、別々の送信機および受信機ユニットを含むシステムとすることができる。

導波路構造はトランシーバにより送信される電磁信号を導くのに適した任意の構造とすることができる。適切な導波路構造の例は単線プローブ、２線プローブ、同軸プローブ、いわゆるスチルパイプ等を含んでいる。導波路構造は本質的に剛性または可撓性とすることができ、ステンレス鋼等の金属製、ＰＴＦＥ等のプラスチック製、またはそれらの組合せとすることができる。

本発明は、各々が非常に弱いエコー信号を生じるが、一緒に、狭い周波数範囲内にだけ強い反射信号を生じる複数の実質的に周期的に配置された参照インピーダンス遷移を有する導波路構造を設けることにより、レーダレベル計システムにより実施される充填レベル決定の精度に殆ど影響を及ぼすことなく被計測製品より上のタンク内側の媒体内での伝播速度の良好な決定を達成することができ、この周波数範囲は隣接する参照インピーダンス遷移間の距離により決定されるという理解に基づいている。

これにより、製品の表面より上の媒体、たとえば、タンク雰囲気内での電磁信号の伝播速度を示す強くて、容易に決定される参照信号を、表面エコー信号を妨げる危険を冒すことなく達成することができる。したがって、確実に決定するには弱過ぎる参照エコー信号と強すぎて充填レベル決定を妨げる参照エコー信号間の従来技術システムのトレードオフを行う必要がない。

複数の弱いエコー信号を結合して定められた周波数に対する強いエコー信号を形成することができるこの効果を達成するために、下記の関係に従った周波数範囲内の定められた周波数に対する半波長数に対応する隣接参照インピーダンス遷移間距離を有する反射構造を配置することができる。

ここに、ｄは隣接する反射構造間の距離でありλは、参照信号の周波数に対応する、その中を電磁信号が伝搬する媒体内での波長である。

この状況では、参照インピーダンス遷移が設けられた導波路構造は一般的なマイクロ波文献から知られている「周期的構造」または「電磁バンド・ギャップ構造」タイプとみなされることに注意しなければならない。

一般的に、電磁バンド・ギャップ（ＥＢＧ）構造は、周期的に厚い部分を有する単線路等の、その長さに沿って機械的周期性を有する任意タイプの伝送路である（このケースでは隣接する参照インピーダンス遷移間の距離である、周期長は１つの基本的パラメータである）。このような一般的ＥＢＧ構造は、たとえば、ロバート・コリンによるテキストブック“Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ ２００１）”において言及されている。周期的構造（またはＥＢＧ構造）として作られた伝送路に対して典型的なことは、物理的周期性が周波数の関数として電磁波の伝送の周期的挙動へ移し変えられることである。低周波数において（機械的周期の長さは使用周波数に対応する波長に比べて短い）伝送路は連続線路（平均厚さ等を有する）として挙動するが、周期が波長に匹敵するもしくはそれよりも大きい周波数では、伝送路はインタリービング通過域および阻止域等の非常に特徴的な挙動を有する。周期的構造の特定の詳細に関係なく、いかなる場合でも通過域および阻止域の周波数に対する送信／反射特性間には抜本的な違いがある。線路および周りの条件（特に、伝播速度）に関する情報を得るために本発明のさまざまな側面において使用されるのはこの違いである。本発明を実現するのに適した周期的構造に対しては、周期的な同一の参照インピーダンス遷移を有する伝送路／導波路構造が望ましく、単一のこのような参照インピーダンス遷移からの反射はふつうは非常に小さく、総反射が非常に大きい間は検出不能なことさえあるが、特定の周波数帯域内でしか生じない。線路に沿った電気的損失（特に、導波路構造がステンレス鋼等の不良導体で作られる場合に任意の導波路構造に対して存在する）により、阻止域は完全な阻止域ではなく非常に狭い周波数帯域にわたって強い反射等の奇妙な挙動を有する周波数帯域である。

充填レベル決定が参照インピーダンス遷移において反射から生じるエコー信号に妨げられないことを保証するために、各参照インピーダンス遷移は送信信号の電力に関して−２０ｄＢよりも低い電力を有するエコー信号を反射するように構成することができる。送信信号の電力に関して−３０から−５０ｄＢ低い反射を行うように各参照インピーダンス遷移を構成することにより、さらに有利な結果を達成することができる。

各参照インピーダンス遷移により少量の送信電力しか反射されず、さらに、電力の損失は表面エコー信号を決定するのに通常使用される周波数範囲の外側となるように選出できる小さな周波数範囲に制限されるため、長い導波路構造（深いタンク）に対してさえも、レーダレベル計システムの範囲を満足なレベルに維持することができる。電力の損失が生ずべき周波数範囲は隣接する参照インピーダンス遷移間の距離を選出することにより選出することができる。

ある種の導波路構造、特に、ステンレス鋼等の不良導体で作られたプローブに対して、導波路構造に沿った「正規の」導波による電力損失は有用な結果を得るために隣接する参照インピーダンス遷移間の距離を制限する。たとえば、隣接する参照インピーダンス遷移間の距離は１メートルよりも短くすることができ、それにより明確な参照信号（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｇｎａｌ）を達成することができる。

参照信号を区別し易くして伝播速度決定の精度を高めるために、参照信号は比較的狭いピークまたはパルスであることが有利である。これは、複数の参照インピーダンス遷移に対して、隣接する参照インピーダンス遷移間の間隔の標準偏差が隣接する参照インピーダンス遷移間距離の平均の１パーセント以下であるように参照インピーダンス遷移を配置することにより少なくとも部分的に達成することができる。

原則として、導波路構造に沿って設けられる参照インピーダンス遷移の数を増加すると参照信号の品質が改善されて、伝播速度の決定の品質が改善される。このために、導波路構造に沿って少なくとも１０の参照インピーダンス遷移を設ければ少なくとも満足な精度で伝播速度を決定できると予期される。また、参照インピーダンス遷移の数を増加すると伝播速度の決定はさらに改善されることが予期される。

一つの実施例では、導波路構造は単線プローブとすることができる。各参照インピーダンス遷移は単線プローブに取り付けられた反射構造により形成することができる。このような反射構造は、たとえば、プローブに取り付けられる導電性または誘電体円筒シェルとして形成することができる。あるいは、参照インピーダンス遷移はプローブ内に適切な凹部を形成して実現することができる。

もう一つの実施例では、導波路構造は内部導体および外部導体を有する同軸導波路とすることができる。この場合、各反射構造は前記内部および外部導体を間隔を置いて配置する離間配置構造により有利に形成することができる。

このような離間配置構造はプラスチック材料またはセラミック等の誘電体により有利に作ることができる。さまざまなこのように適切な構造が現在同軸導波路の内部および外部導体を間隔を置いて配置するのに使用されている。

さらに別の実施例では、導波路構造は一対の導体からなる二線プローブとすることができる。この場合、各参照インピーダンス遷移は導体を間隔を置いて配置するためのスペーサ・エレメントにより有利に形成することができる。

さらにもう一つの実施例では、導波路構造はスチルパイプとすることができ、各参照インピーダンス遷移はスチルパイプの壁内の少なくとも一つの凹部により有利に形成することができる。このような凹部は、たとえば、止まり穴または貫通穴とすることができる。

さらに、本発明のさまざまな実施例に従ってレーダレベル計システム内に含まれるトランシーバは周波数範囲にわたって経時的に変動する周波数の実質的に連続的な信号を送信するようにできる。このようなレーダレベル計システムは一般的にＦＭＣＷシステムと呼ばれる。周波数は応用に応じて連続的にまたは段階的に変化することに注意しなければならない。

このようなシステムでは、参照信号が周波数範囲の末端に近い周波数を有するように参照インピーダンス遷移を有利に配置することができる。たとえば、参照信号は周波数範囲の、たとえば、８０％に対応する中央範囲の外側とすることができる。これにより、参照信号を区別する能力を改善することができる。

もう一つの実施例では、本発明のさまざまな実施例に従ったレーダレベル計システム内に含まれるトランシーバは電磁パルスを送信するように適合させることができる。パルスはいわゆるＤＣパルスとすることができ、あるいは周波数範囲内で搬送波上に変調することができる。

パルス・レーダレベル計システム内で充填レベルが決定される時、反射エコー信号は典型的に時間領域で評価される。しかしながら、周波数領域内で評価を加えることにより参照信号の周波数、したがって、伝播速度を決定することができる。非常に弱い周期的エコーを含む時間領域信号から、フーリエ変換等により参照信号（参照インピーダンス遷移からのエコー信号の和）の周波数に対する周波数領域内の強力なスパイクが明らかにされる。

本発明の第三の側面に従って、前記目的および他の目的はタンク内に入っている製品の充填レベルを決定する方法により達成され、この方法は、周波数範囲内で電磁信号を発生して送信するステップと、送信された電磁信号をタンク内に入っている製品に向かってその中へ延びる導波路構造に沿って伝播させるステップであって、導波路構造はそれに沿って実質的に周期的に設けられた複数の参照インピーダンス遷移を含み、隣接する参照インピーダンス遷移間の距離は送信された電磁信号の各参照インピーダンス遷移における反射により生じる信号が結合して周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出されているステップと、参照信号および製品表面における反射により生じる表面エコー信号を含む、送信された電磁信号が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号を受信するステップと、参照信号の周波数および隣接する参照インピーダンス遷移間の距離に基づいて、製品の表面より上でタンク内側の媒体内での電磁信号の伝播速度を決定するステップと、表面エコー信号および伝播速度に基づいて充填レベルを決定するステップと、を含んでいる。

電磁信号の発生および送信は電磁信号の周波数変調を含むことが有利である。これは、たとえば、ＦＭＣＷシステム等のいわゆる周波数変調レーダレベル計（ＲＬＧ）システム、およびパルスが搬送波上に変調されるいわゆるパルス・レーダレベル計システムの場合である。

周波数変調ＲＬＧシステムの場合、電磁信号を周波数変調するステップは、第１の周波数掃引において、電磁信号の周波数を参照信号の周波数を除く第１の周波数範囲にわたって第１の掃引速度で掃引するステップと、第２の周波数掃引において、電磁信号の周波数を参照信号の周波数を含む第２の周波数範囲にわたって第１の掃引速度よりも低い第２の掃引速度で掃引するステップと、を含んでいる。

参照信号の正確な周波数は典型的に未知であるが、一般的には隣接する参照インピーダンス遷移間の既知の距離およびタンク内側で製品よりも上の媒体の電気的特性のおおよその知識に基づいて、参照信号の周波数を含む狭い周波数範囲を決定することができる。

この狭い周波数範囲、第２の周波数範囲、を低掃引速度で掃引して参照信号の周波数、したがって、伝播速度をも正確に決定することができる。

たとえば、第２の掃引速度は第１の掃引速度の５０％よりも低くすることができる。

前記したように、第２の周波数範囲は第１の周波数範囲よりも小さくする、たとえば、第１の周波数範囲の５０％よりも小さく、さらには１０％よりも小さくするのが有利である。

これについて、第１の周波数範囲は典型的に送信（および受信）信号の中心周波数の１０％程度であることを言及しなければならない。

そのうえ、周波数変調ＲＬＧシステムに対する方法は、さらに、エコー信号を送信された電磁信号を示す信号と結合して中間周波数信号を決定するステップと、第２の周波数掃引に対応する中間周波数信号を解析して参照信号の周波数を決定するステップと、第１の周波数掃引に対応する中間周波数信号を解析して充填レベルを示す周波数偏移を決定するステップと、を含むことができる。

さらに、第２の周波数掃引に対応する中間周波数信号を時間領域内で解析することができ、第１の周波数掃引に対応する中間周波数信号を周波数領域内で解析できることが有利である。

中間周波数信号は時々ビート信号とも呼ばれる。

本発明のこの側面に従った方法に関連するさらなる特徴および効果は、本発明の第１および第２の側面に対して前記したものと大部分類似している。

典型的なタンク内に設置される本発明の実施例に従ったレーダレベル計システムを略示する図である。 図１ａのレーダレベル計システム内に含まれる測定電子機器ユニットの略図である。 図１ａのレーダレベル計システム内に含まれるプローブの一部の略断面図である。 図１ａのレーダレベル計の実施例の中のトランシーバにより送信される典型的な周波数変調信号を略示する図である。 図２ａの信号を送信信号の反射により生じる受信信号と混合して生じる典型的な中間信号を略示する図である。 反射構造を有する異なる典型的な導波路構造を略示する図である。 反射構造を有する異なる典型的な導波路構造を略示する図である。 反射構造を有する異なる典型的な導波路構造を略示する図である。 反射構造を有する異なる典型的な導波路構造を略示する図である。 本発明に従った方法の実施例を略示するフロー図である。

（本発明の好ましい実施例の詳細な説明）
次に、本発明の好ましい実施例を示す添付図を参照して、本発明のこれらの側面および他の側面について詳細に説明する。詳細な説明において、本発明に従ったレーダレベル計システムのさまざまな実施例が、主として単線プローブを利用するＦＭＣＷ（周波数変調連続波）タイプのガイド・ウェーブ・レーダ（ＧＷＲ）レベル計システムを参照して検討される。これは本発明の範囲を決して限定せず、本発明は二線プローブ、同軸プローブ、スチルパイプ、等のさまざまな他種の導波路構造を含むレーダレベル計システムにも同等に応用できることに注意しなければならない。さらに、本発明はＦＭＣＷタイプのレーダレベル計システムに限定されず、パルス・レーダレベル計システムでも同等に実現可能であり、そこでは受信エコー・パルスを解析して参照信号の周波数、したがって、中に入っている製品の表面より上のタンク内側の媒体内での伝播速度を決定することができる。

図１ａは本発明の実施例に従ったレーダレベル計システム１を略示しており、それは測定電極ユニット２、およびプローブ３を含んでいる。レーダレベル計システム１はタンク５上に設けられ、それは計測される製品６で一部充填されている。プローブ３により製品６の表面７に向かって導かれる送信信号Ｓ_Ｔ、および表面７から進行し戻る反射信号Ｓ_Ｒを解析することにより、測定電極ユニット２は基準位置（タンク天井等の）と製品６の表面７間の距離を決定することができる。ここでは単一製品６が入っているタンク５について検討するが、プローブに沿った任意の材料界面までの距離を同様の方法で決定できることに注意しなければならない。

図１ｂに略示するように、電極ユニット２は電磁信号を送受信するトランシーバ１０、処理装置１１を含み、それはトランシーバ１０に接続されてトランシーバを制御し、さらにトランシーバにより受信された信号を処理してタンク５内の製品６の充填レベルを決定する。処理装置１１は、さらに、外部通信回線１３に接続してインターフェイス１２を介したアナログおよび／またはデジタル通信を行うことができる。さらに、図１ｂには示されていないが、レーダレベル計システム１は典型的に外部電源に接続することができ、あるいは外部通信回線１３を介して給電することができる。あるいは、レーダレベル計システム１はワイヤレス通信を行うように構成することができる。

図１ｃに表面より下の部分２０および表面より上の部分２１を含むプローブ３のセグメントが示されている。図１ｃに示すように、反射構造２５ａ−ｂ（図面を判り易くするために２つだけの反射構造が参照番号で示されている）の形の複数の参照インピーダンス遷移がプローブ３に沿って実質的に周期的に設けられている。図１ｃに略示されているように、各反射構造２５ａ−ｂは送信信号Ｓ_Ｔの電力のごく一部、恐らく−３０から−６０ｄＢの電力を有するエコー信号Ｓ_Ｒを反射する。多数の反射構造を、図１ｃに示すように、隣接する反射構造間に適切な距離を有して配置することにより、各反射構造により反射されたエコー信号Ｓ_Ｒが結合して隣接する反射構造間の電気的距離によって決まる定められた周波数に対する明確に区別できるエコー信号Ｓ_Ｒとなる。周波数を決定することにより、隣接する反射構造２５ａ−ｂ間の電気的距離を推論することができる。隣接する反射構造２５ａ−ｂ間の物理的距離が判れば、伝播速度を決定することができる。このように決定された伝播速度を使用して、タンク５内に入っている製品６の充填レベルを高い精度で決定することができる。

実質的に周期的に設けられた参照インピーダンス遷移を有する導波路構造により構成される提案された周期的構造を例示するために、たとえば、我々は０．５−１ＧＨｚの周波数範囲内で表面導波路（単線プローブ）として使用される６ｍｍステンレス鋼線３を考えることができる。線３に３００ｍｍ毎に金属円筒シェル２５ａ−ｂを取り付けることにより、我々は５００ＭＨｚ毎に特別な周期構造挙動を得る。入力インピーダンス（約３００Ω）が整合すれば、半波長が３００ｍｍである５００ＭＨｚ毎に狭帯域反射が生じる。各円筒シェル２５ａ−ｂの壁厚が１ｍｍであれば、単線プローブ３のインピーダンスは各円筒シェルにおいて約１．５％局所的に減少する。５−１０ｍｍ（または２０−３０ｍｍまで）の円筒シェル長が与えられると、全円筒シェル２５ａ−ｂからの結合された反射により生じる参照信号の電力は送信信号Ｓ_Ｔの電力よりもおよそ１０−２０ｄＢ低くなり、それは炭化水素液の表面からの反射と同じ範囲内であるが、全周波数範囲の０．１０−０．２％の周波数帯域内でしかない。単一円筒シェル２５ａ−ｂからの反射Ｓ_Ｒは送信信号Ｓ_Ｔの電力のおよそ−５０から−６０ｄＢであり、システムの感度に応じて、このような弱い反射は測定できたりできなかったりする。

次に、タンク５内側の伝播速度ｖ_ｐｒｏｐを決定するレーダレベル計システム１の実施例の動作を図２ａ−ｂを参照してＦＭＣＷシステムについて説明する。

図２ａは、図１ｃに関して前記したように、参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂが設けられた単線プローブ３の形の周期的構造を含むＦＭＣＷ型レーダレベル計システム内のトランシーバ１０により送信される典型的な周波数変調信号を略示している。タンク５内に入っている製品６の充填レベルを決定できるようにするために、トランシーバ１０は測定周波数範囲Δｆｍにわたって送信信号の周波数を掃引する。図２ａには、３つのこのような周波数掃引周期ｔ_ｓ１、ｔ_ｓ２およびｔ_ｓ３が示されている。

これらの周波数掃引周期の第１ｔ_ｓ１および第２ｔ_ｓ２間で、測定周波数範囲Δｆｍ外の比較的狭い周波数帯域Δｆ_ａおよびΔｆ_ｂをカバーする緩やかな周波数掃引が行われる。

この典型的なレーダレベル計システムにおいて、隣接する参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂ間の距離は、より低い周波数帯域Δｆ_ａ内の周波数およびより高い周波数帯域Δｆ_ｂ内の周波数に対して干渉ピークが生じるように選出されている。

ＦＭＣＷ型のレーダレベル計システムにおいて、受信電磁信号は送信電磁信号（のコピー）と混合されて中間周波数信号（時々ビート信号と呼ばれる）を生じる。図２ｂに略示されているこの中間信号Ｓ_ＩＦは、次に、タンク６内に入っている製品６の充填レベルを決定するのに使用される。

図２ｂを見れば、中間周波数信号Ｓ_ＩＦは本質的に正弦波部分Ｓ_ＩＦ１、低周波数ピークＳ_ＩＦ２および高周波数ピークＳ_ＩＦ３を含むことが判る。周波数領域内の本質的に正弦波部分を調べる（たとえば、図２ｂの時間領域信号にＦＦＴを適用する）ことにより、送信信号Ｓ_Ｔと表面エコー信号間の周波数偏移を得ることができ、それからタンク５内の製品６の表面７までの電気的距離を推論することができる。

さらに、どの周波数ｆ_１およびｆ_２に、それぞれ、低および高周波数ピークＳ_ＩＦ２およびＳ_ＩＦ３があるかを決定することにより、タンク雰囲気内の伝播速度ｖ_ｐｒｏｐは下記の関係を使用して決定することができ、

ここに、ｖ_ｐｒｏｐはタンク５内の製品６の表面７より上の媒体内での電磁信号の伝播速度であり、
ｄ_{ｐｈｙｓｉｃａｌ}は隣接する参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂ間の物理的距離であり、
ｆ_１は参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂにおいて反射したエコー信号間で干渉が生じる第１の波長に対応する周波数であり、
ｆ_２は参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂにおいて反射したエコー信号間で干渉が生じる第２の波長に対応する周波数である。

導波路構造に沿って配置される反射構造はレーダレベル計システム１内に含まれる導波路構造のタイプに応じてさまざまな形で提供することができる。

以下に、反射構造が設けられたいくつかの典型的な導波路構造を図３ａ−ｄを参照して説明する。

図３ａはパイプ部分２５ａ−ｂの形の参照インピーダンス遷移が設けられる単線プローブ３の一部を再度略示している。

図３ｂは第１のプローブ導体３１ａおよび第２のプローブ導体３１ｂを含む２線プローブ３０の一部を略示している。２線プローブ３０には第１のプローブ導体３１ａおよび第２のプローブ導体３１ｂを間隔をおいて配置する離間配置構造３２ａ−ｂの形の参照インピーダンス遷移が設けられる。

図３ｃは内部導体３５ａおよび外部導体３５ｂを含む同軸プローブ３４の一部を略示している。同軸プローブ３４には内部導体３５ａおよび外部導体３５ｂを間隔をおいて配置する離間配置構造３６ａ−ｂの形の参照インピーダンス遷移が設けられる。

最後に、図３ｄは凹部３９ａ−ｂの形の参照インピーダンス遷移が設けられるスチルパイプ３８の一部を略示している。

図４の略フロー図を参照して、次に、本発明に従った方法の実施例について説明する。

第１のステップ４０１において、レーダレベル計システム１の測定電子装置ユニット２内に含まれるトランシーバ１０により電磁信号が発生され送信される。続いて、ステップ４０２において、送信信号は周期的参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂが設けられた導波路構造３を使用してタンク５内に入っている製品６の表面７に向かって伝播される。前記したように、参照インピーダンス遷移２５ａ−ｂ間の距離は、各参照インピーダンス遷移からの非常に弱いエコー信号が結合して狭い周波数範囲内の検出可能な参照信号を形成するように選ばれている。次のステップ４０３において、参照信号およびタンク５内の製品６の表面７における送信電磁信号Ｓ_Ｔの反射により生じる表面エコー信号がトランシーバ１０により受信される。その後、ステップ４０４において、レーダレベル計システム１内に含まれる処理回路１１が参照信号の周波数を使用して製品の表面より上の媒体（たとえば、タンク雰囲気）内での伝播速度ｖ_ｐｒｏｐを決定し、ステップ４０５において、処理回路１１は表面エコー信号およびステップ４０４において決定された伝播速度ｖ_ｐｒｏｐに基づいてタンク５内の製品６の充填レベルを最終的に決定する。

当業者ならば、本発明は決して前記した好ましい実施例に限定されないことが判る。たとえば、レーダレベル計システムはパルス・システムとすることができ、また例示されたＦＭＣＷシステムの掃引は異なる構成とすることができる。さらに、参照インピーダンス遷移は必ずしも外部構造の形で提供される必要はなく、材料界面または凹部の凹み等の内部構造として提供することができる。

Claims (22)

1. 周波数範囲内の送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）をタンク（５）内に含まれる材料（６）へ向けてその中へ導き、前記送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号を導波路構造（３、３０、３４、３８）に沿って導き戻すレーダレベル計システム（１）内で使用する前記導波路構造（３、３０、３４、３８）であって、
   前記導波路構造（３、３０、３４、３８）は前記導波路構造（３、３０、３４、３８）に沿って実質的に周期的に設けられた複数の参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）を含み、隣接する参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）間の距離は前記各参照インピーダンス遷移における送信信号（Ｓ_Ｔ）の反射により生じる信号（Ｓ_Ｒ）が結合して前記周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出され、
   それにより、前記タンク（５）内側の媒体内での前記送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）の伝播速度を前記参照信号の前記周波数および隣接する参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）間の前記距離に基づいて決定することができる導波路構造。
2. 請求項１記載の導波路構造（３、３０、３４、３８）であって、各参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）は前記送信信号（Ｓ_Ｔ）の電力に関して−２０ｄＢ低い電力を有するエコー信号（Ｓ_Ｒ）を反射するように構成される導波路構造。
3. 請求項１または２記載の導波路構造（３、３０、３４、３８）であって、各参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）に対して、隣接する参照インピーダンス遷移間の前記距離は１ｍよりも小さい導波路構造。
4. 請求項１−３のいずれか一項記載の導波路構造（３、３０、３４、３８）であって、前記複数の参照インピーダンス遷移に対して、隣接する参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）間の前記距離の標準偏差は前記距離の平均の１％以下である導波路構造。
5. 請求項１−４のいずれか一項記載の導波路構造（３、３０、３４、３８）であって、前記導波路構造（３、３０、３４、３８）に沿って少なくとも１０の参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）が設けられている導波路構造。
6. 請求項１−５のいずれか一項記載の導波路構造（３）であって、前記導波路構造は単線プローブ（３）である導波構造。
7. 請求項６記載の導波路構造（３）であって、前記各参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ）は前記単線プローブ（３）に取り付けられた反射構造により形成される導波路構造。
8. 請求項１−５のいずれか一項記載の導波路構造（３４）であって、前記導波路構造は内部導体（３５ａ）および外部導体（３５ｂ）を有する同軸導波路（３４）である導波路構造。
9. 請求項８記載の導波路構造（３４）であって、前記各参照インピーダンス遷移（３６ａ−ｂ）は前記内部導体（３５ａ）および外部導体（３５ｂ）を間隔を置いて配置するようにされた離間配置構造により形成される導波路構造。
10. 請求項１−５のいずれか一項記載の導波路構造（３０）であって、前記導波路構造は一対の導体（３１ａ−ｂ）を含む２線プローブ（３０）である導波路構造。
11. 請求項１０記載の導波路構造（３０）であって、前記各参照インピーダンス遷移（３２ａ−ｂ）は前記導体（３１ａ−ｂ）を間隔をおいて配置するスペーサ・エレメントにより形成される導波路構造。
12. 請求項１−５のいずれか一項記載の導波路構造（３８）であって、前記導波路構造はアンテナから放射された信号を導くスチルパイプ（３８）である導波路構造。
13. 請求項１２記載の導波路構造（３８）であって、前記各参照インピーダンス遷移（３９ａ−ｂ）は前記スチルパイプ（３８）の壁内に形成された少なくとも１つの凹部（３９ａ−ｂ）により形成される導波路構造。
14. タンク（５）内に入っている製品（６）の充填レベルを決定するためのレーダレベル計システム（１）であって、前記レーダレベル計システムは、
    周波数範囲内の電磁信号を発生、送信および受信するトランシーバ（１０）と、
    前記タンク（５）内に入っている前記製品中へ延びて前記トランシーバからの送信信号（Ｓ_Ｔ）を前記製品（６）の表面へ向けて導き、さらに、前記表面における反射により生じる表面エコー信号を含む、前記送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号を前記トランシーバ（１０）へ導き戻すようにされた請求項１１−１３のいずれか一項記載の導波路構造（３、３０、３４、３８）と、
    前記参照信号の前記周波数および隣接する参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）間の前記距離に基づいて前記製品（６）の前記表面（７）より上の前記タンク（５）内側の媒体内での前記電磁信号の伝播速度を決定し、さらに、前記表面エコー信号および前記伝播速度に基づいて前記充填レベルを決定する前記トランシーバ（１０）に接続された処理回路（１１）と、
    を含むレーダレベル計システム。
15. タンク（５）内に入っている製品（６）の充填レベルを決定する方法であって、前記方法は、
    周波数範囲内の電磁信号（Ｓ_Ｔ）を発生して送信するステップ（４０１）と、
    送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）を前記タンク（５）内に入っている前記製品（６）へ向けてその中へ延びる導波路構造（３、３０、３４、３８）に沿って伝播させるステップ（４０２）であって、前記導波路構造（３、３０、３４、３８）は前記導波路構造（３、３０、３４、３８）に沿って実質的に周期的に設けられた複数の参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）を含み、隣接する参照インピーダンス遷移間の距離は前記各参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）における送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）の反射により生じる信号（Ｓ_Ｒ）が結合して前記周波数範囲内の周波数を有する参照信号を形成するように選出されるステップ（４０２）と、
    前記参照信号および前記製品（６）の前記表面（７）における反射により生じる表面エコー信号を含む、前記送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）が遭遇するインピーダンス遷移における反射により生じるエコー信号（Ｓ_Ｒ）を受信するステップ（４０３）と、
    前記参照信号の前記周波数および隣接する参照インピーダンス遷移（２５ａ−ｂ，３２ａ−ｂ，３６ａ−ｂ，３９ａ−ｂ）間の前記距離に基づいて前記製品（６）の前記表面（７）より上の前記タンク（５）内側の媒体内での前記電磁信号の伝播速度を決定するステップ（４０４）と、
    前記表面エコー信号および前記伝播速度に基づいて前記充填レベルを決定するステップ（４０５）と、
    を含む方法。
16. 請求項１５記載の方法であって、電磁信号を発生して送信するステップは、
    前記電磁信号を周波数変調するステップを含む方法。
17. 請求項１５または１６記載の方法であって、前記電磁信号を周波数変調するステップは、
    第１の周波数掃引において、前記電磁信号の周波数を、前記参照信号の前記周波数を除く、第１の周波数範囲（Δｆ_ｍ）にわたって第１の掃引速度で掃引するステップと、
    第２の周波数掃引において、前記電磁信号の周波数を、前記参照信号の前記周波数を含む、第２の周波数範囲（Δｆ_ａ、Δｆ_ｂ）にわたって前記第１の掃引速度よりも低い第２の掃引速度で掃引するステップと、
    を含む方法。
18. 請求項１７記載の方法であって、前記第２の掃引速度は前記第１の掃引速度の５０％よりも低い方法。
19. 請求項１７または１８記載の方法であって、前記第２の周波数範囲（Δｆ_ａ、Δｆ_ｂ）は前記第１の周波数範囲（Δｆ_ｍ）よりも小さい方法。
20. 請求項１９記載の方法であって、前記第２の周波数範囲（Δｆ_ａ、Δｆ_ｂ）は前記第１の周波数範囲（Δｆ_ｍ）の５０％よりも小さい方法。
21. 請求項１７−２０のいずれか一項記載の方法であって、さらに、
    前記エコー信号および前記送信電磁信号（Ｓ_Ｔ）を示す信号を結合して中間周波数信号（Ｓ_ＩＦ）を決定するステップと、
    前記第２の周波数掃引に対応する中間周波数信号（Ｓ_ＩＦ２、Ｓ_ＩＦ３）を解析して前記参照信号の前記周波数を決定するステップと、
    前記第１の周波数掃引に対応する中間周波数信号（Ｓ_ＩＦ１）を解析して前記充填レベルを示す周波数偏移を決定するステップと、
    を含む方法。
22. 請求項２１記載の方法であって、
    前記第２の周波数掃引に対応する前記中間周波数信号（Ｓ_ＩＦ２、Ｓ_ＩＦ３）は時間領域内で解析され、
    前記第１の周波数掃引に対応する前記中間周波数信号（Ｓ_ＩＦ１）は周波数領域内で解析される方法。

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