KR100826161B1 - 수위측정 계측시스템의 안테나 신호공급기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 둘 이상의 초단파 신호를 하나의 동일한 안테나 유닛에 공급하기 위한 수위측정계측시스템에 관한 것이다. 초단파 신호들은 검출가능한 특징에 의해 서로로부터 구별가능하다. 초단파 신호들은 서로로부터 기능적으로 독립된 채널들을 통해 배분된다. 계측시스템은 적어도 두 개의 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)을 가지는 신호공급수단(6)을 포함하며, 여기서 상기 도파관 부재들 각각은 초단파 신호를 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로 전송하기 위한 신호 전송선을 거쳐서 상기 초단파 신호들 중 하나를 수신한다. 계측시스템은 또한 각 도파관 부재(6a, 6b, 6c)에 공통인 도파관 출력부(7) 하나를 도파관 부재 상호접속점에 가진다.

수위계측, 레이다, 합파기, 안테나, 초단파

Description

수위측정 계측시스템의 안테나 신호공급기{ANTENNA FEEDER IN A LEVEL MEASURING GAUGING SYSTEM}

본 발명은 레이다 수위계측시스템(radar level gauging system)에서 여러 초단파 채널들(microwave channels)로부터의 초단파 신호를 하나의 안테나 유닛에 공급하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 신호공급을 달성하기 위한 방법을 설명한다.

레이다 수위계측기(radar level gauge)에 의해 탱크 내에 저장된 매체(medium) 표면의 수위(水位)를 측정하는 것이 당해 기술분야에서 알려져 있다. 이러한 장치는 미국특허 제4,665,403호에 개시되어 있다. 탱크 내의 매체의 수위를 측정할 때에는, 수위가 안전규정을 충족시키도록 관리되어야 한다는 요건이 있다. 따라서, 예를 들어, 과충전(過充塡) 경보기가 한 개 또는 독립적으로 두 개 장착되어야 한다. 더욱이 사용자로서는 여분의 측정값을 원할 수도 있는데, 이는 둘 이상의 측정시스템의 설치를 필요로 할 것이며, 따라서 적어도 두 개의 완전한 독립적인 수위계측기를 필요로 할 것이다.

국제특허공개공보 PCT/SE00/01291(D1)은 탱크 내의 매체 표면의 수위를 측정하는 장치 및 방법을 개시하는데, 여기서는 둘 이상의 레이다 채널이 상기 수위의 측정값을 얻는데 사용되며, 상기 채널들에서 측정된 수위 값들은 서로 독립적으로 얻어진다. 이는 동일한 안테나 유닛에 신호를 공급하는 별개의 채널에 분배된 적어도 두 개의 초단파 신호의 사용에 의해 달성되며, 이로써 적어도 두 개의 신호가 서로 독립적으로 수위를 측정하는데 사용된다. 상기 초단파 신호들은 검출가능한 특징에 의해 구별된다.

안전과 환경에 관한 법 및 요건들을 충족시키기 위한 안전규정 때문에, 탱크 내의 매체의 표면 수위의 측정 각각은 서로로부터 완전히 분리되어야 할 필요가 있다. 측정결과가 신뢰성 있는(fail-safe) 것으로 간주될 수 있도록 하기 위해서는 둘 이상의 독립적인 측정기기를 사용할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 신뢰성 있는 시스템이 상기 D1에 개시되고 본 발명에 따라 변형된 레이다 수위계측기의 사용에 의해 달성될 수 있음을 보여주는 것이다.

본 발명의 일 형태는 장치 독립항의 특징들을 구비한 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 형태는 방법 독립항에 따른 방법을 제공하는 것이다.

청구범위에 기재된 장치 및 방법의 사용에 의해, 별개의 레이다 측정 채널들이 기능적으로 독립하여 독립적인 또는 여분의 수위 계측을 제공하도록 구성하는 것이 가능할 것이다. 신호공급수단을 마련함으로써 기능적 독립성을 달성하기 위한 비용면에서 효과적인 방법이 제공된다.

청구범위에 기재된 장치 및 방법의 사용에 의해, 별개의 레이다 측정 채널들 에 분배된 초단파 신호들이 서로로부터 갈바니 전기적으로(galvanically) 절연되도록 구성하는 것 또한 가능할 것이다. 도파관(wave guide)들은 전기전도성이 있다. 따라서, 일반적으로, 둘 이상의 초단파 신호들이 도파관으로 연결되는 동축선(coaxial line)에 분배되는 때에는, 상기 도파관은 상기 동축선들(케이블들)의 외부 전도체들을 단락시킬 것이며, 이로써 특정의 제1 초단파 신호를 분배하는 채널은 제2 초단파 신호를 분배하는 다른 채널로부터 완전하게 갈바니 전기적으로 독립되고 분리되지 않는다. 여기서 채널이란, 초단파 송수신기를 포함하여, 상기 초단파 도파관까지 전달되는 상기 제1 또는 제2 초단파 신호를 생성, 송신, 분배 및 수신하는데 필요한 모든 전자장치로 간주된다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 초단파 신호들은 구별가능한 것들이다. 이러한 특성은 서로 다른 채널용의 초단파 신호들을, 예를 들어 서로 다른 극성(polarization), 변조, 주파수, 또는 발생 횟수를 갖도록 생성함으로써 구비될 것이다.

동일한 안테나 하드웨어(hardware)를 사용하면서 서로 다른 초단파 채널들로부터 비롯되는 둘 이상의 초단파 신호들을 사용함에 있어서 중요한 과제는, 전기신호, 즉 본 발명의 경우, 동축 케이블과 같은 일종의 전송선에 의해 상기 구성요소에 배분되는 초단파 신호들을 수신할 수 있는, 본 명세서에서 합파기(combiner)라고 불리는 적합한 구성요소를 찾아내는 것과, 이러한 신호들을 안테나 수단으로 연결되는 도파관수단에 배분하기 위한 초단파로 변환하는 것이다. 청구범위에 정의된 바와 같은 장치 및 방법의 사용에 의해 이러한 과제가 실현된다. 상술한 장치에 의해, 서로 다른 케이블로부터 들어오는 초단파 신호들을 수신하고, 전기 신호 들을 파형으로 변형시키고, 또한 별개의 초단파 신호들을 전달하는 채널들을 서로로부터 갈바니 전기적으로 절연되도록 유지하는 것이 가능하다.

본 발명의 실시예에 의해 얻어지는 중요한 목적은 탱크 내 매체 표면의 수위의 완전한 제어에 필요한 모든 측정들에 대해 단지 하나의 레이다 계기장치만을 이용할 수 있을 것이란 점이다. 레이다 계기는, 초단파 신호들을 합파기에 배분하고 초단파들을 하나뿐인 안테나 하드웨어에 전달하는, 둘 이상의 초단파 채널들을 구비할 수 있다. 채널들은 갈바니 전기적으로 독립적이고 또한 서로로부터 갈바니 전기적으로 분리되도록 만들어질 수 있으므로, 따라서 신뢰성 있는(fail-safe) 측정에 관한 당국의 다양한 요구조건들을 충족시킬 수 있을 것이며, 이는 또한 여분의 측정장치들이 불필요한 것이 되고 별도로 설치되는 과충전 경보기들이 필요하지 않음을 의미한다. 두 가지 이상의 안테나 기능에 대하여 기본적으로 동일한 안테나 하드웨어를 사용함으로써, 탱크 천장에는 적어도 수위 측정 목적을 위한 단지 하나의 개구부만이 필요하며, 그럼에도 불구하고 둘 이상의 채널에서 독립적인 측정 기능을 갖는다. 둘 이상의 안테나 기능을 포함하는 하나의 하드웨어를 사용하는 것은 셋 이상의 채널들의 사용에 의한 수위 측정의 가능성을 제한하는 것이 아니며, 이는 안테나 하드웨어는 기계장치이고, 모든 실제적인 이유로부터, 신뢰성 있는 것이기 때문이다. 예를 들어 탱크 내의 매체에 의한 안테나 표면의 오염에 의한 안테나 기능의 저하는 상기 계기에 의해 검출되고 경보 상태를 초래할 것이다.

갈바니 전기적이라는 용어는 일반적으로 해석되는 바와 같이 사용되며, 서로 로부터 갈바니 전기적으로 절연된 두 물체는 직류 조건에서 분리되어 있음을 나타낸다.

도 1은 세 개의 레이다 채널과 안테나에 신호를 공급하기 위한 합파기를 가지는 초단파 수위측정계기를 나타낸다.

도 2는 공간상으로 분리되어 있는 하나의 레이다 채널 및 합파기의 전자장치와 하우징(housing)의 바닥부분을 나타낸다.

도 3은 청구범위에 정의된 바와 같은 장치의 일례로서 사용하기 위한 합파기를 나타낸다.

도 4는 도 3의 합파기를 다른 각도에서 본 사시도를 나타낸다.

첨부도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예를 아래에서 상세히 설명한다.

완성된 레이다 수위측정계측기(1)의 하우징(2)이 도 1a에 도시되어 있다. 상기 하우징은 금속 합금, 플라스틱 또는 기타 하우징용으로 적합한 재료로 만들어질 수 있다. 계측기의 레이다 채널들의 송신기들에 의해 발생된 초단파들은 도파관 출력(3)을 통해 출력된다. 도 1b에는 하우징의 상부가 제거되어 하우징 하부(2b)만이 보이게 하였다. 하우징의 내부에는 서로의 위에 장착된 세 개의 별개의 레이다 수위측정채널들(4a, 4b, 4c)을 위한 전자회로판이 본 실시예에서와 같이 도시되어 있다. 이 회로들은 각 레이다 채널 회로판(4a, 4b, 4c) 사이 및 최하부 회로판(4a)과 하우징(2) 사이에 끼워진 전기절연 시트(sheet)(5)에 의해 서로로 부터 전기적으로 분리되고 절연되어 있다. 절연시트는 생략할 수 있다. 하우징 하부(2b) 내에는, 합파기(6)가 도시되어 있다. 합파기(6)는 하우징의 바닥에 위치되어 레이다 채널들(4a, 4b, 4c)로부터의 초단파 신호들을 수신하고 또한 초단파 신호들을 안테나 신호공급 도파관(7)을 통해 파형으로서 출력하며, 이로써 안테나(도시되지 않음)에 신호가 공급된다. 이는 도 2에 도시되어 있다. 혼 안테나(horn antenna)와 같은 안테나용 체결수단(8)이 또한 도시되어 있다. 도면에 도시된 합파기는 알려진 절연특성을 갖는 소위 턴스타일 접속점(turnstile junction)이며(에이. 에프. 하웨이(A. F. Harwey)의 "초단파공학(Microwave Engineering)"(아카데믹 프레스 1966), 특히 119 내지 120쪽 참조), 도시된 실시예의 합파기(6)는 세 개의 별개의 레이다 채널들용으로 세 개의 접속부를 가진다. 접속부들은 동축 커넥터(coaxial connector)(10a, 10b, 10c)로 도시되어 있다. 각 커넥터는 도파관 부재(6a, 6b, 6c) 위에 설치되어 있으며, 각 도파관 부재는 한쪽에 개구부를 가지며 이 한쪽에서 서로 결합되어, 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)이 공통 출력부를 갖도록 되어 있는데, 본 실시예의 경우 상기 공통 출력부는 안테나 신호공급 도파관(7)에 의해 형성된다. 각 도파관 부재 채널의 반대쪽은 폐쇄되어 있다. 합파기는 하우징(2) 바닥에 있는 평평하게 설계된 면(11)위에 장착되도록 되어 있으며, 이로써 상기 평평한 면(11)은 각 도파관 부재 채널의 전방 벽을 형성한다. 도파관 부재들의 내부는 도 4에 도시되어 있다. 본 실시예에서는 모두 직사각형 단면을 갖는 네 개의 도파관 부재들(6a, 6b, 6c, 6d)이 도시되어 있고, 네 도파관들이 모두 공통된 공간을 향하여 개방되어 있으며, 그 중앙에는 도파관 부재들(6a, 6b, 6c, 6d)간의 임피던스 정합용이며 또한 원하는 절연특성을 달성하기 위한 것인 원추부(12)가 배치되어 있다. 상술한 실시예에서와 같이, 네 번째 도파관 부재(6d)는 사용되지 않는다. 네 번째 도파관 부재(6d)는 초단파 흡수 재질로 된 적절한 형상의 도파관 종결부(9)로 채워진다. 도 4에서는, 도파관 부재들이 합파기(6)의 분해가능 부분(dismantable part)에 세 개의 벽을 가짐을 알 수 있다. 직사각형 도파관의 네 번째 벽은 합파기(6)가 평평한 면(11)에 장착되고 고정될 때 추가되게 된다.

초단파 신호들은 도 3에 도시된 것과 같은 프로브(probe)들에 의해 합파기(6)에 공급된다. 프로브는 동축 커넥터(6a)로 구성되며, 각 채널에는 이러한 커넥터가 구비된다. 상기 커넥터는 레이다 채널들 중 하나로부터의 초단파 신호를 전송하여 커넥터(10a)의 중앙 케이블신호부에 의해 도파관 부재(6a)에서 상기 신호를 합파기(6) 내로 유입시키는데, 이때 중앙 케이블신호부는 개구부(13)를 통해 도파관 부재(6a) 내로 들어가며, 이로써 초단파가 도파관(6a) 내부에서 파형으로 변형된다. 커넥터(10a)에 신호를 공급하는 동축 케이블은 소위 신호접지로 사용되는 실드(shield)가 마련되어 있으므로, 본 발명의 형태에 따라 상기 신호접지와 합파기6)의 주물 사이에는 전기절연이 제공된다. 이 전기절연은 전기절연 와셔(washer)(14)의 사용에 의해 이루어진다. 와셔(14)는 운모(mica)로 만들어진다. 커넥터(10a)가 주물로부터 전기적으로 절연되고 따라서 주물에 직접 체결될 수는 없으므로, 커넥터는 클램프장치(15)에 의해 위치에 고정된다. 이 클램프장치는 플라스틱과 같은 전기절연재료로 만들어진다. 클램프는 나사, 리벳 따위와 같은 체결장치(16)에 의해 합파기(6)에 고정된다. 클램프(15)는 커넥터의 소켓을 껴 안고 있으며, 이로써 커넥터는 위치에 단단히 고정된다.

다른 레이다 채널 초단파 신호들을 합파기(6)에 접속하는 것도 상술한 바와 동등한 방식으로 수행된다.

당업자라면 추정할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 부분들은 다른 방식으로 만들어지고도 여전히 동일한 기능을 수행할 수 있다. 상술한 종류의 합파기는 유사한 기능, 특히 초단파 채널들 중 일부 사이의 절연특성을 갖는 다른 여하한 초단파 혼합 부품에 의해서도 대체될 수 있다. 동축 케이블은 인쇄공면도파관(printed coplanar waveguide)과 같은 다른 표준적인 초단파 전송선으로 만들어질 수 있다. 갈바니 전기적 절연을 적용하기 위한 상응하는 대체적인 방법들도 존재한다.

Claims (19)

1. 수위측정 계측시스템에서, 서로로부터 기능적으로 독립적인 채널들을 통해 각기 분배되는 적어도 두 개의 구별가능한 초단파 신호들을 하나의 동일한 안테나 유닛에 공급하기 위한 장치로서,

   초단파 신호를 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로 전송하기 위한 초단파 전송선을 통하여 상기 초단파 신호들 중 하나를 수신하는 적어도 두 개의 도파관 부재들(6a, 6b, 6c);

   상기 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)에 공통인 하나의 도파관 출력부(7); 및

   상기 도파관 부재들(6a, 6b, 6c) 중 적어도 둘 사이의 초단파 신호 절연을 갖는 신호 공급 수단(6)을 포함하며,

   상기 도파관 출력부(7)는 상기 도파관 출력부(7)로부터의 상기 구별가능한 초단파들을 상기 안테나 유닛에 공급하기 위하여 도파관 부재 상호접속점에 위치되고,

   상기 초단파 전송선 중 적어도 하나는 그 각각의 도파관 부재로부터 갈바니 전기적으로 절연됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 도파관 부재들과 상기 도파관 출력부는 상기 초단파 신호 절연에 의해 상기 채널들의 기능적 독립성을 제공하도록 구성됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초단파 전송선 각각이 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)로부터 갈바니 전기적으로 절연됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 채널들의 초단파 신호들이 각 채널에 대한 신호의 서로 다른 극성(polarization)에 의해 구별가능함을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 채널들의 초단파 신호들이 각 채널에 대한 신호의 서로 다른 변조(modulation)에 의해 구별가능함을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 채널들의 초단파 신호들이 각 채널에 대한 신호의 서로 다른 주파수에 의해 구별가능함을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 서로 다른 채널들의 초단파 신호들이 서로 다른 시간에 전송되고 수신되는 각 채널에 대한 신호에 의해 구별가능함을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 두 개의 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)이 서로에 대해 직교하도록 배치됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 출력부(7)가 도파관 부재들(6a, 6b, 6c)에 대해 직교하도록 배치됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관 부재들과 상기 도파관 출력부가 상기 채널들의 기능적 독립성을 제공하도록 배치된 턴스타일 접합(turnstile junction)에 의해 구성됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 출력부(7)는 안테나 유닛에 직접 결합되는 도파관으로 형성됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초단파 신호들이 동축선들에 의해 신호공급수단(6)에 공급되고 동축 커넥터들(10a, 10b, 10c)에 의해 도파관 부재들에 접속됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신호공급수단(6)에 초단파 신호들을 분배하는 상기 초단파 전송선들은 갈바니 전기적 절연 와셔(14)에 의해 각각의 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로부터 갈바니 전기적으로 절연됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
15. 제14항에 있어서, 와셔(14)는 운모(mica) 와셔임을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
16. 제13항에 있어서, 커넥터들이 비도전성 클램프(15)들에 의해 위치에 고정됨을 특징으로 하는 안테나 유닛 신호공급장치.
17. 수위측정 계측시스템에서, 분리된 채널들에 분배된 적어도 두 개의 구별가능한 초단파 신호들을 동일한 안테나 하드웨어에 공급하기 위한 방법으로서,

    각 초단파 신호용의 도파관 부재(6a, 6b, 6c)를 구비하는 단계;

    각 초단파 신호를 상기 초단파 신호와 연계된 초단파 전송선에 의해 연계된 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로 전송하는 단계;

    상기 초단파 전송선의 모든 부분을 상기 연계된 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로부터 갈바니 전기적으로 절연시키는 단계; 및

    각 도파관 부재(6a, 6b, 6c)로부터의 신호를 모든 도파관 부재에 공통인 출력부(7)를 통하여 안테나 하드웨어에 전송하는 단계를 포함하는 안테나 하드웨어 신호공급방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 채널들을 서로로부터 갈바니 전기적으로 절연시키는 단계를 더 포함하는 안테나 하드웨어 신호공급방법.
19. 삭제

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