KR20050090466A - 레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기 - Google Patents

레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기 Download PDF

Info

Publication number
KR20050090466A
KR20050090466A KR1020057014010A KR20057014010A KR20050090466A KR 20050090466 A KR20050090466 A KR 20050090466A KR 1020057014010 A KR1020057014010 A KR 1020057014010A KR 20057014010 A KR20057014010 A KR 20057014010A KR 20050090466 A KR20050090466 A KR 20050090466A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reflector
microwave signal
bottom reflector
liquid
tank
Prior art date
Application number
KR1020057014010A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100724682B1 (ko
Inventor
쿠르트 올로프 에드바르드손
Original Assignee
사브 로즈마운트 탱크 레이더 에이비
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US10/353,836 external-priority patent/US6795015B2/en
Priority claimed from SE0300222A external-priority patent/SE0300222D0/xx
Application filed by 사브 로즈마운트 탱크 레이더 에이비 filed Critical 사브 로즈마운트 탱크 레이더 에이비
Publication of KR20050090466A publication Critical patent/KR20050090466A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100724682B1 publication Critical patent/KR100724682B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/22—Reflecting surfaces; Equivalent structures functioning also as polarisation filter
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0013—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective
    • H01Q15/0026—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices working as frequency-selective reflecting surfaces, e.g. FSS, dichroic plates, surfaces being partly transmissive and reflective said selective devices having a stacked geometry or having multiple layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/006—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces
    • H01Q15/008—Selective devices having photonic band gap materials or materials of which the material properties are frequency dependent, e.g. perforated substrates, high-impedance surfaces said selective devices having Sievenpipers' mushroom elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

탱크의 꼭대기로부터 액체의 표면을 향한 마이크로파 신호의 전송, 상기 액체의 표면에 대하여 반사된 마이크로파 신호의 수신, 그리고 상기 전송 및 수신된 마이크로파 신호의 전파 시간으로부터 상기 탱크 내 저장된 액체의 수위를 계산하는 방법에 의하여 상기 탱크(12) 내에 저장된 액체의 수위(71)를 측정하는 레이더에 기초한 수위 측정기(11)를 위한 바닥 반사기(15)에 있어서, 상기 바닥 반사기(15)는 상기 탱크의 바닥에 가깝도록 설치되고, 상기 액체의 수위가 반사 구조보다 높은 경우 상기 마이크로파 신호의 제1 반사계수 및 상기 액체의 수위가 반사 구조보다 낮은 경우 상기 마이크로파 신호의 제2 반사계수를 가지고, 상기 제1 반사계수가 상기 제2 반사계수보다 낮은 반사 구조(23~24; 25; 23, 26; 27; 29; 32; 33; 32, 35; 36; 37; 41, 42; 43,44; 51~52; 55~56; 61,72)로 이루어진 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.

Description

레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기{Bottom reflector for a radar-based level gauge}
본 발명은 일반적으로 수위 측정에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기에 관한 것이다.
레이더에 기초한 방법들은 다양한 탱크에서 수위 측정을 위하여 몇 년 전부터 널리 사용되었다. 그러한 수위 측정에서 탱크의 꼭대기로부터 탱크에 저장된 액체 표면까지의 거리는 액체 표면을 향하여 마이크로파를 전송, 액체 표면으로부터 반사된 마이크로파를 수신, 그리고 전송 및 반사된 마이크로파의 전파 시간으로부터 탱크 내의 액체의 수위를 계산하는 방법에 의하여 측정되었다.
레이더에 기초한 수위 측정의 본질적인 한계는 많은 액체들이 마이크로파가 사용되기 위하여 적어도 어느 정도 투명해야 하며, 낮은 액체 수위를 측정할 때 탱크의 바닥으로부터 반사된 마이크로파와 액체 표면으로부터 반사된 마이크로파가 간섭을 일으킬 수도 있다는 것이다. 즉, 이러한 거리 결정 방법은 액체 표면으로부터 반사된 마이크로파로부터 탱크 바닥으로부터 반사된 마이크로파를 구별해 내기에는 불충분할 수 있다는 것이다. 따라서 탱크 바닥으로부터 마이크로파는 낮은 액체 수위에서의 측정을 방해하는 경향이 있다. 이 형태의 레이더 수위 측정에 의하면 이러한 문제는 수십 센티미터 아래의 수위에서 발생할 수 있다. 이것은 평평한 바닥을 가지고 거의 투명하지 않은 석유 물질과 같은 액체들을 포함하는 탱크에서 특히 일반적인 문제이다.
몇몇 탱크에서는 바닥이 경사져 있을 수 있다. 이러한 탱크들에서 레이더 반향을 방해하는 전형적인 문제들은 없다. 그러나 한편 탱크가 비어있는 경우 레이더 빔이 수위 측정의 수신기로부터 편향됨으로써 탱크의 바닥으로부터 반사된 마이크로파가 수신되지 않는다. 만약 탱크가 비어있다면, 그러한 상태를 확인하기 위하여 바닥으로부터 상당히 강한 레이더 반향을 가지는 것이 바람직하다. 다른 경우 평평한 바닥에도 불구하고 모호한 레이더 반향을 발생시키거나 레이더 반향을 전혀 발생시키지 않도록 하는 알려지지 않는 침전물 층이 탱크의 바닥에 존재할 수 있다
빈 탱크에서 바닥 레이더 반향이 수신되지 않는 문제는 탱크 바닥에 용접된 간단한 반사 구조를 가지는 것에 의해 해결될 수 있다. 그러나 그러한 반사 구조는 탱크 내 액체가 적어도 일부 마이크로파를 통과시킨다면, 반사 구조 약간 위의 액체 수위에서 간섭을 일으킬 것이다.
도 1은 본 발명의 일반적인 원리에 따른 바닥 반사기를 포함하는 레이더에 기초한 수위 측정기의 개략적인 측면도이다.
도 2a~e는 본 발명의 첫 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기들의 평면도(도 2a~b), 측단면도(도 2c~e)이다.
도 2f는 본 발명의 첫 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기에 의한 전송 및 반사된 마이크로파 신호의 크기와 주파수의 상관관계를 나타낸 개략도이다.
도 3a~e는 본 발명의 두 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기의 개략적인 측면도(도 3a), 사시도(도 3b), 평면도(3c~e)이다.
도 3f는 본 발명의 두 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기에 의하여 전송 및 반사된 마이크로파 신호의 크기와 주파수의 상관관계를 나타낸 개략도이다.
도 4a~b는 본 발명의 세 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기의 개략적인 사시도(도 4a) 및 측면도(도 4b)이다.
도 4c는 본 발명의 세 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기에 의한 전송 및 반사된 마이크로파 신호의 크기와 주파수의 상관관계를 나타낸 개략도이다.
도 5a~c는 본 발명의 네 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기의 개략적인 평면도(도 5a) 및 측단면도(도 5b)이다.
도 6은 본 발명의 다섯 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기의 개략적인 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 여섯 번째 바람직한 실시예 그룹에 따른 바닥 반사기의 개력적인 사시도이다.
본 발명의 일 목적은 탱크 내 액체의 수위를 측정하기 위한 레이더에 기초한 수위 측정을 위한 바닥 반사기를 제공하기 위한 것으로, 낮은 액체 수위에서 수우 측정을 위하여 측정기를 사용하는 경우 탱크의 바닥으로부터 반사되는 마이크로파로부터의 간섭을 감소시킨 뿐만 아니라, 탱크가 비어 있는 경우에도 충분한 마이크로파의 반사를 제공할 수 있는 바닥 반사기를 제공하기 위한 것이다.
이러한 관점에서 본 발명의 구체적인 목적은 수위가 파이프를 통하여 측정되거나 그렇지 않은 경우에 사용되기에 적합한 바닥 반사기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 레이더에 기초한 수위 측정이 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 장치, 파동 레이더 장치, 또는 어떤 다른 형태의 거리 측정 레이더에 관계없이 사용되기에 적합한 바닥 반사기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단하고, 신뢰성이 높고, 효율적이고, 정확하고, 정밀하고, 설치 및 측정이 용이한, 낮은 가격의 바닥 반사기를 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적은 첨부된 특허 청구항에서 청구된 바닥 반사기에 의해 달성된다.
발명자는 탱크가 비어 있거나 단지 매우 낮은 수위의 액체만이 탱크에 존재할 경우 마이크로파 신호의 반사를 위하여 탱크 내 미리 결정된 높이에서 탑재될 수 있는, 바람직하게는 탱크의 바닥에 근접한, 바닥 반사기를 제공하는 것에 의하여, 그리고 액체의 수위가 반사 구조보다 높은 경우 마이크로파 신호의 제1 반사계수와 액체의 수위가 반사 구조보다 낮은 경우 마이크로파 신호의 제2 반사계수로 구성되고, 상기 제1 반사계수가 상기 제2 반사계수보다 충분히 작은 경우에 상술한 목적들이 달성될 수 있다는 것을 발견했다.
바람직하게는, 상기 액체는 예를 들면, 원유, 액체 석유 가스(LPG), 액체 천연 가스(LNG), 다른 액체 탄화수소, 또는 적어도 일부 마이크로파를 통과시키는 액체와 같은 기름 물질이다. 상기 물질은 전형적으로 1.6~3 범위의 유전율을 가지고 있고, 이에 반하여 수위 위의 대기는 그것의 성분 및 압력에 의하여 전형적으로 1~1.03 범위의 유전율을 가진다.
좀 더 바람직하게는, 액체의 수위가 상기 반사 구조보다 높은 경우 상기 반사 구조로부터 반사된 마이크로파 신호가 액체의 수위로부터 반사된 마이크로파 신호에 비하여 약하고, 더 바람직하게는 매우 약하다.
액체의 수위가 상기 반사구조보다 낮은 경우 상기 반사구조로부터 반사된 마이크로파 신호는 바람직하게는 액체 수위로부터 반사된 마이크로파 신호와 비슷하거나 약간 강하다.
다양한 반사 구조들이 액체와 그 위 대기의 유전율의 차이에 근거한 적절한 기능성을 얻기 위하여 사용될 수 있다. 이러한 반사 구조들은 본 발명의 상세한 설명한 설명에서 구체적으로 설명되고 바람직한 실시예들-차단 격자, 쌍극자와 같은 공진 구조, 유전체 반사기, 편파 회전 구조, 전송 및 반사된 마이크로파 신호를 안내하기 위한 작은 간격 구부릴 수 있는 마이크로파 안내 구조 및 마이크로파의 자유 공간 전파가 사용되는 경우 특히 적용가능한 구조-이 서로 다른 그룹들로 그룹화될 수 있다.
상기 편파 회전 구조 그룹에 관하여는 수위 안내에 사용되는 마이크로파 신호가 특정한 편파 상태를 가진다는 것과 제1 및 제2 반사계수가 그 특정한 편파 상태에서 주어지는 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 액체 내 반사에서 선형적으로 편파된 마이크로파 신호의 편파 회전의 효과는 그것의 특정 편파 상태에서 마이크로파 신호의 반사계수를 감소시키는 것과 동일하다.
본 발명의 주요 장점은 수위 측정이 탱크의 바닥으로부터 반사된 마이크로파로부터의 어떤 간섭없이 수행될 수 있다는 것이다. 탱크가 비어 있는 경우 또는 거의 비어 있는 경우 즉, 바닥 반사기의 반사 구조가 측정될 액체의 수위 위로 노출된 경우, 바닥 반사기로부터 별개의 반사가 획득되고, 이것은 빈 탱크나 낮은 액체 수위의 지표이다.
상기 레이더에 기초한 수위 측정기는 본 발명의 목적을 위하여 큰 컨테이너 뿐 아니라 예를 들면, 반응기, 원심 분리기, 믹서, 파종기, 그레이더, 열처리 용광로 및 식품 화학, 조제 화학, 생화학, 유전 화학, 석유 화학에서 사용되는 비슷한 장치들과 같은 프로세싱 장치를 포함하는 탱크들 내 수위를 측정하기 위하여 사용된다.
본 발명의 다른 특징 및 그것의 장점은 여기서 후술할 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명 및 첨부된 도 1~7로부터 명백해질 것이며, 이것은 단지 설명을 위한 수단으로 주어진 것일 뿐 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
레이더에 기초한 수위 측정을 위한 장치를 측면에서 개략적으로 도시한 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 상기 장치는 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이더 장치, 파동 레이더 장치 또는 어떤 다른 형태의 거리 측정 레이더일 수 있다.
많은 주파수들이 레이더 수위 측정을 위하여 사용될 수 있지만 5.8, 10 및 25㎓에 가까운 대역이 널리 사용된다. 거품이나 오염이 빈번하게 발생하는 탱크에서 상기 주파수 중 가장 낮은 주파수에서 마이크로파 신호가 그러한 오염에 가장 덜 민감하기 때문에 이 주파수가 가장 일반적으로 사용된다.
도 1에서 11로 나타낸 레이더에 기초한 수위 측정기는 측정될 수위의 액체로 채워진 탱크 또는 컨테이너(12) 지붕의 개구부 위에 설치된다. 바람직하게는 상기 액체는 예를 들면, 원유, 액체 석유 가스(LPG), 액체 천연 가스(LNG), 다른 액체 탄화수소 또는 적어도 일부 마이크로파를 투과시키는 액체와 같은 기름 물질이다. 그러한 물질은 전형적으로 1.6~3 범위의 유전율을 가지는 반면, 수위 위의 대기는 그것의 가스 성분과 압력에 의존하여 전형적으로 1~1.03 범위의 유전율을 가진다.
레이더에 기초한 수위 측정기(11)는 탱크(12) 내 액체의 표면을 향하여 마이크로파 신호를 전송하고, 탱크(12) 내 액체 표면에 대하여 반사된 마이크로파 신호를 수신한다. 게다가, 레이더에 기초한 수위 측정기(11)는 전송 및 반사된 마이크로파 신호의 전파 시간으로부터 탱크(12) 내에 액체 수의를 계산하기 위한 신호 처리 장치(도시되지 않음)를 구비하거나 그것과 연결되어 있다. 전형적으로, 주로 수직파이프(13)가 전송 및 반사된 마이크로파 신호를 안내하기 위하여 제공된다. 이 파이프(13)은 지지부(14)에 의하여 탱크(12)에 부착되고, 가능한 밀도 층에 관계없이 같은 액체 수위를 획득하기 위하여 그것의 내부 및 외부에 관통된다. 그러나, 수위 측정기는 자유 공간 전파 모드에서 동작할 수 있으며, 이 경우 상기 파이프(13)는 불필요할 수 있다.
바닥 반사기(15)는 탱크(12) 내에 액체가 존재하지 않을 경우 마이크로파 신호의 반사를 위하여 탱크(12)의 바닥 근처에 제공된다. 만약 도 1의 13과 같은 파이프가 전파 안내를 위하여 사용된다면, 바닥 반사기(15)는 전형적으로 파이프의 하단부에 설치된다. 선택적으로, 바닥 반사기는 탱크의 바닥에 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면, 바닥 반사기(15)는 액체 수위가 반사 구조보다 높은 경우 마이크로파 신호를 위한 제1 반사계수 및 액체 수위가 반사 구조보다 낮은 경우 마이크로파 신호를 위한 제2 반사계수를 가지고, 제1 반사계수가 제2 반사계수에 비하여 충분히 낮은 반사 구조(도 1에 도시되지 않음)로 구성된다.
그러한 설비에 의하여 바닥으로부터 반사된 마이크로파의 간섭 없이 적절한 동작이 보장될 수 있다. 이것을 탱크(12) 내에 낮은 액체 수위를 측정하는 경우 특히 중요하다. 액체의 수위가 바닥 반사기(15)의 반사 구조 아래로 떨어진 경우 낮은 수위가 지시되는 것에 의하여 상당히 강한 반사가 획득된다.
제1 및 제2 반사계수는 편리하게는 소위 편파 내(in-polarization) 반사계수라는 것을 주지하여야 한다. 편파 내 반사계수는 특정 편파 상태에서 입사 마이크로파 신호(즉, 그것의 크기)와 바닥 반사기의 표면에서의 반사에 의한 마이크로파 신호(즉, 그것의 크기)의 비율로 의미되며, 특정 편파 상태는 유체 표면에서의 반사에 따르 마이크로파 신호의 편파에 의하여 주어진다. 따라서, 입사 마이크로파 신호의 직선편파가 주어지면, 유체 표면에 의하여 반사될 때 선형적으로 편파된 마이크로파 신호는 그것의 편파 상태가 변하지 않기 때문에 특정 편파는 직선편파 상태이다. 왼손 순환 편파된 입사 마이크로파 신호가 주어지면, 마이크로파 신호가 유체의 표면에 의하여 반사됨에 따라 전기장의 회전은 반대로 되기 때문에 특정 편파는 오른손 순환 편파이다.
바람직하게는, 액체의 수위가 상기 반사 구조보다 높은 경우, 상기 반사 구조로부터 반사된 마이크로파 신호가 액체의 수위로부터 반사된 마이크로파 신호에 비하여 약하며, 더 바람직하게는 매우 약하다. 액체의 수위가 상기 반사구조보다 낮은 경우, 상기 반사구조로부터 반사된 마이크로파 신호는 바람직하게는 액체 수위로부터 반사된 마이크로파 신호와 비슷하거나 약간 강하다. 너무 강한 반사는 피해야 한다.
바람직하게는, 제1 반사계수는 0.2보다 낮고, 더 바람직하게는 0.1보다 낮으며, 좀 더 바람직하게는 0.05보다 낮다. 제2 반사계수는 바람직하게는 0.1보다 높고, 더 바람직하게는 0.2보다 높다. 더하여, 제2 반사계수는 바람직하게는 0.5보다 낮으며, 더 바람직하게는 0.4보다 낮고, 가장 바람직하게는 0.3보다 낮다.
대부분의 경우, 기울어진 판, 원뿔형의 표면, 레이더 흡수 물질 조각 등의 구조(16)에 의하여 탱크(12)의 바닥으로부터 반사에 따른 반사 마이크로파 신호는 편향되거나 흡수되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명에 따른 바닥 반사기의 다양한 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
바람직한 실시예
도 2a~e는 도파관 차단 주파수 이론에 근거한 다양한 바닥 반사기를 도시하고 있다. 각각의 바닥 반사기는 격자 구조가 액체의 수위보다 위에 있는 경우 마이크로파 신호가 전송되는 것을 방지하고, 대신 마이크로파 신호가 반사되게 하기 위하여 λ/2(여기서 λ는 마이크로파 신호의 진공 파장이다)보다 약간 작은 격자 간격을 가진 격자 구조이다. 액체 수위가 격자 구조보다 높아짐에 따라 액체의 더 높은 유전 상수 때문에 마이크로파 신호의 파장은 감소한다. 따라서 격자는 마이크로파 신호에 대하여 더 넓은 것처럼 보이고 마이크로파 신호는 격자 구조를 통과할 수 있다.
도 2a에서는 파이프(13) 내부에 배치된 격자 구조로 이루어진 바닥 반사기가 도시된다. 이 경우 파이프(13)는 화살표(22)에 의하여 지시되는 것처럼 마이크로파가 H11 모드로 주로 전기장의 방향을 따라 전파하는 것을 지지하기 위하여 배치된다. 격자 구조는 액체 수위가 격자 구조 아래에 있는 경우 전파를 차단하기 위하여 λ/2보다 조금 작은 간격을 가진 다수개의 도전성 있는 금속 리본(23)으로 구성된다.
예를 들면 10㎓에서 그 간격은 14㎜일 수 있고 그 리본(23)은 28㎜의 높이를 가질 수 있으며, 이것은 리본에 의해 형성된 도파관에서 λm/2의 거리에 대응하며, 여기서 λm은 파이프(13)에서 액체 내(즉, 액체 수위가 격자 구조보다 아래 있는 경우) 마이크로파 신호의 파장이다. λm/2의 리본 높이는 표준 레이더 레이돔(radome)처럼 정해진 주파수 대역 내에서의 반사 없이 전파되도록 한다. λm은 파이프(13) 내의 지역 파장으로 사용될 수 있고 본 상세한 설명의 서로 다른 문맥에서 서로 다른 것으로 인식될 수 있다.
금속 또는 다소의 유전물질로 만들어진 지지부(24)는 격자 구조를 지지하기 위하여 사용된다. 도 2a는 직선 리본으로 된 격자 구조를 도시하고 있으나, 도파관 모드 H11의 전기장 형태에 적합하도록 구부러질 수도 있다. 게다가, 격자 구조는 다른 도파관 전파 모드에 적합하도록 변형될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 본 발명의 바닥 반사기는 그물 격자 구조로 이루어질 수 있다. 또 다른 변경은 전송 및 반사를 감소시키고 사용 대역폭을 확장할 수 있도록 리본의 일부를 감쇠 물질로 구성되게 할 수 있다는 것이다.
다른 실시예에 있어서, 도 2b에 도시된 것처럼, 파이프(13) 내에 동심원상으로 배열된 다수의 원형 도전 스트립(strip)을 포함하는 격자 구조는 H01 전파 모드에 상응하는 동작을 획득하기 위하여 사용된다. H01 도파관 모드의 전기장 방향(22)은 완전히 둘러싸여 있으며, 다수의 중심이 같이 짧은 원통형 파이프들이나 링들(25)이 상기 전기장 방향(22)에 평행하도록 배열된다. 10㎓의 예를 참고하면, H01 모드의 원통형 도파관 형태에 따라 변경된 링들 사이의 간격은 약 14㎜이고 그 높이는 약 28㎜이다. 실제 구현에서는 유전 물질이나 금속물질의 지지소자(미도시)가 포함된다. H11 및 H01 경우와 비슷하게 다른 도파관 모드의 구조도 가능하다.
예를 들면, E01 모드에서 마이크로파 신호를 위하여 리본은 방사상으로 배열될 수 있다.
도 2c에는 측단면도로 바닥 반사기의 일부가 되시되어 있다. 상기 실시예는 도 2a의 실시예와 유사하다-직선 리본(23)이 표시된다. 그러나, 상기 실시예는 리본(23)과 평행한 수평으로 배열된 핀(26)으로 구성되는 반사 방지 구조가 더 제공된다. 상기 핀(26)은 리본의 상측 및 하측에 그것으로부터 약 λ/4 정도에 위치된다. 레이더 레이돔에 대응되는 설명과 유사하게 주파수 및 액체 유전 상수의 사용 범위를 증가시키는 유사한 기능을 획득하기 위한 다수의 선택이 있으며, 이것은 당업자에게 자명한 사항이다.
탱크 바닥에서의 반사가 파이프(13)에 다시 결합될 수 있다는 것과 액체 표면으로부터의 반사를 간섭하는 것을 방지하기 위하여 -만약 탱크 바닥이 평평하거나 평평한 것에 가깝다면- 액체에 잠긴 경우 바닥 반사기의 투명도에 따라 측정되어야할 측정치들이 반대 방향으로 나타날 수 있다. 다양한 대안(代案)들이 가능하다: 바닥 반사기를 통하여 전송되는 마이크로파는 편향되거나 흡수될 수 있다.
도 2d에는 파이프에서 바닥 반사기(15) 아래 설치된 45°금속 반사기(27)가 도시된다. 상기 반사기는 지지 구조(28)의 수단에 의하여 파이프(13)나 탱크(도시되지 않음)의 바닥에 부착된다.
탱크의 형태에 의존하여 비슷한 편향 반사기(이하 편향기라고 함)가 본 발명의 모든 바닥 반사기 실시예들과 함께 사용될 수 있다. 그 각은 45°와 매우 다를 수 있고, 매우 다른 형태의 방해물들이 레이더 파가 다시 파이프(13)로 들어오는 것을 방지하도록 그것을 흩어지게 하기 위하여 사용될 수 있다.
바닥이나 파이프에 부착되는 원뿔 부품이 다른 유용한 편향기의 실시예이다. 그러한 부품은 도 1에서 참조 번호 16에 의하여 표시된다.
도 2e에는 바닥에서의 낮은 반사를 위하여 파이프(13) 내의 바닥 반사기(15)아래 탱크 바닥에 배열된, 예를 들어 테프론(PTFE)으로 채워진 탄소 계열 물질과 같은, 감쇠 물질의 적절한 형태의 소자(29)가 도시된다. 상기 소자(29)는 설명을 위하여 대시(-)선에 의하여 도시되고 있으나 실제 형태는 도시된 것과 같은 박스형과는 매우 다를 수 있다. 예를 들면, 상기 소자는 표준 무반향 흡수장치와 같은 형태일 수 있다.
도 2e는 파이프(13) 내에 설치된 바닥 반사기(15)를 도시하고 있으나, 상기 바닥 반사기는 대안으로 편향 또는 흡수 소자(29)와 일체화될 수 있다. 상기 바닥 반사기 설계는 파이프(13)의 하부로부터보다 오히려 탱크의 바닥으로부터 실질적인 반사를 줄 것이다. 여기에 설명된 바닥 반사기의 일부는 매우 작고(하나 또는 두 개의 λ/2 쌍극 안테나), 분명하게 아주 간단하고 직접적이다.
도 2f는 건조 및 잠긴 상태에서, 즉 액체의 수위가 바닥 반사기의 반사 구조보다 낮은 경우와 높은 경우, 다른 주파수와 다른 유전 상수(1.7 및 2.5)의 액체에 따른 반사를 보여주는 반사도이다. 또한 그 전송은 건조 상태에서 도시된다.
실선은 상기 격자가 공기 중에 있는 경우 차단 상태 때문에 거의 전반사를 보여주고 대시(dash)선 및 점선은 λ/2 격자를 통과하여 대응되는 전송을 보여준다. 상기 점선은 유전 상수 값의 사용 범위 내에서 가장 낮은 유전 상수에서의 작은 반사를 보여주고 대시선은 가장 높은 유전 상수에 대응되는 반사를 보여준다. 범위 중간의 유전상수에서 반사는 더 낮다. 게다가, 9.5~10.5㎓의 높은 주파수 범위보다 위에서 반사는 완전히 일정하다.
도 3a~3e는 공진 구조 이론에 기초한 다양한 바닥 반사기를 도시한다. 각 바닥 반사기는 예를 들면 탱크가 비어있는 경우 반사를 구별하기 위하여 건조 상태에서 공진되도록 튜닝된 복수의 2극 안테나를 포함하는 공진 구조로 이루어진다. 공진 구조가 액체에 잠김에 따라 2극 안테나는 공진에서 이탈하고 반사는 상당히 감소한다.
도 3a에는 2층으로 적층된 2극 안테나(32)로 이루어진 바닥 반사기가 도시된다. 상기 두 2극 안테나(32)는 둘러싼 매개물의 유전 상수가 1에 가까운 경우(즉, 공기나 가스인 경우) 최대 반사가 일어나도록 튜닝된다. 반면 그들 사이의 수직 거리는 2.1의 유전 상수를 가진 전형적인 액체에서 파장의 사분의 일(λm/4)에 가깝도록 선택된다. 이러한 설계의 제한은 도 3f의 도표에서 도시된 것처럼 레이더 파(31)의 바람직한 반사 상태를 제공할 것이다. 2극 안테나(32)는 금속 또는 유전물질로 이루어진 수직 지지핀(33)에 부착된다. 만약 수직 지지핀(33)이 금속이라면 완성된 구조(32, 33)는 (도 3a에서 표시된 것처럼) 동일한 조각 판에 찍혀 나올 수 있다. 상기 구조(32, 33)는 바닥 위 또는 바닥과 접한 소정의 지지대(34)에 부착된다. 상기 2극 안테나 길이는 전형적으로 10㎓에서 14~15㎜보다 약간 짧다.
도 3b에는 편파 독립 기능을 달성하기 위한 이중 교차 2극 안테나(32, 35) 소자를 포함하는 바닥 반사기가 도시된다. 도 3a에 표시된 2극 안테나(32) 외에 같은 길이의 두 개의 교차 2극 안테나(35)가 제공된다. 상기 교차 2극 안테나는 바람직하게는 연결되지 않으며 도 3b는 유전체 핀(33)에 설치된 것을 나타낸다.
도 3c를 참조하면, 도 3a 또는 도 3b의 실시예와 같은 반사 구조는 파이프(13)의 중간에 설치된다. H11 모드에서 공진 반사기는 도파관 파이프(32)의 중간에 설치될 수 있다. 만약 편파가 잘 알려져 있다면 단-편파 모델(32)이 사용될 수 있으며, 선택적 2극 안테나(35)는 편파와 독립된 반사기를 만들기 위하여 부가될 수 있다.
다수의 도파관 모드에서 횡단 전기장은 중간 부분에서 낮다. 이러한 경우는 도 3a에 도시된 것과 같은 전형적인 다수의 공진 구조의 사용에 의하여 극복될 수 있다. 도 3d에는 파이프(13)에서 그러한 실시예가 도시된다. 마이크로파 신호의 모드 전기장 패턴에 따라 위치한 두 개 내지 네 개의 공진 구조에 따라, 모드 특정 반사가 달성될 수 있다. 도 3d의 실시예는 특별히 H01 전파 모드에서 마이크로파 신호를 사용하는데 적합하다.
H01 모드에서 공진 구조를 획득하는 다른 방법은 도 3e에 배치된 것과 같이 파이프(13)의 중간에 링(37)을 위치시키는 것이다. 상기 링(37)은 건조 상태에서 원주가 한 파장(또는 파장의 정수배) 길이인 경우에 공진한다. 이러한 공진은 젖은 상태 아래서 변경된다. 두 개 또는 그 이상의 링이 도 3a~b에서의 2극 안테나처럼 적층될 수 있다. H01 모드를 가진 파이프 중간의 작은 전기장 때문에, 반사는 도 3d에 도시된 실시예에 의해 획득되는 것보다 훨씬 작으며, 이것은 소정의 몇몇 액체 가스들과 같이 낮은 반사를 가진 액체에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
이 실시예는 또한 H01가 아닌 다른 모드에서 마이크로파의 전파에도 유용하다. H11모드에서의 마이크로파에서, 이러한 링의 형태는 예를 들어 반사 편파과 독립적이게 만들 수 있고 선택적으로 교차 2극 안테나 형태로 사용될 수 있다.
도 3f는 전형적인 액체(이 경우 ε=2.1)에 잠겼을 때 λm/4에 대응되는 거리에 수직 적층된 두 개의 2극 안테나로 구성된 2극 안테나 구조의 반사를 보여준다. 상기 2극 안테나의 길이는 2극 안테나가 건조한 경우(즉, λ/2보다 약간 짧을 때) 거의 최대 반사에 대응한다. 전형적인 대역에서 잠긴 상태에서의 반사는 적어도 공기중(또는 가스로 둘러싸인 경우)에서보다 20dB 약해진다. 이러한 형태는 (건조 조건 아래) 가장 강한 반사와 비교되며, 금속 표면에서의 반사는 전형적으로 10~20dB이다. 잠김 조건 아래서 반사의 감소는 2극 안테나의 비동조 및 수직 공간이 두 개의 2극 안테나를 서로 상쇄하도록 하는 것의 결과이다. 따라서, 이 2극 안테나 조합은 건조 상태에서 오일 표면과 유사한 반사를 제공하고 잠긴 상태에서는 상당히 낮은 반사를 제공한다. 뿐만 아니라 두 개의 2극 안테나는 잠긴 상태에서 레이더 반향의 좀더 넓은 대역 억제를 위하여 적층될 수 있고, 2극 안테나 외의 다른 공진 구조가 사용될 수 있다.
도 4a~b는 유전체 레이더 레이돔과 관계된 이론에 근거한 다양한 바닥 반사기를 도시한다.
도 4a를 참조하면 유전체 판(41)이 도시되고, 상기 판(41)은 다수의 홀(42)을, (전형적인 레이돔과 대조적으로) 바람직하게는 관통 홀을 갖는다. 상기 판(41) 및 상기 판의 부피와 비교한 상기 홀의 부피는 반사를 최소화하기 위하여 상기 판(41)이 액체 표면 아래에 있는 경우 λm/2의 유효 두께를 갖도록 선택된다. 여기서 λm은 상기 판의 홀이 액체로 채워진 경우 유전체에서 마이크로파 신호의 파장을 의미한다. 건조 상태에서 상기 판(41)의 유효 유전상수는 변경되고 마이크로파 신호에 의하여 실험된 그것의 유효 두께도 변경된다. 따라서, 더 이상 반파장 상태가 유지될 수 없음에 따라 반사는 증가된다.
유사한 불균일 행동을 달성하기 위한 또 다른 적절한 배치는 수평 배치된 유전체 막대나 핀으로 만들어진 판이다.
여전히 평면에 의존한 다른 반사 구조로, 그것의 하측면에 작은 유전체 소자(44)가 설치된 두꺼운 판(43)이 도 4b에 도시되어 있다. 상기 평평한 상측은 전통적인 기계적인 수단에 의한 정확한 기준 측정을 용이하게 한다.
도 4c는 기준 주파수 범위에서 부분적으로 유전체 판이 형성된 경우, 즉, 도 4a에 도시된 판의 반사 도표이다. 이 예에서 상기 유전체 판은 50%가 관통된 PTFE 판이다. 즉, 부피의 절반은 PTFE이고 절반은 비어있는 것이다. 건조 상태에서 평균 유전 상수는 PTFE 와 공기(가스)의 유전 상수의 평균이고 잠긴 상태에서 평균 유전 상수는 PTFE와 액체의 유전 상수의 평균이다. 잠긴 상태에서는 반사가 상당히 감소한 밴드의 중간에서 그 두께가 λm/2에 매우 가까우나 건조 상태에서는 소정의 반사가 기대되는데 이는 유효 전기적 두께가 λm/2에서 상당히 벗어남에 의하여 달성된다.
도 4a~c를 참조하여 설명된 모든 경우에 있어서, 액체로 채워지는 빈 공간의 정확한 형태는 특별히 중요하지는 않다. 당업자에게 자명한 바와 같이, 유전 물질의 일부는 (PTFE로 이루어진 탄소계열과 같은) 반사와 전송을 모두 약화시키는 감쇠 물질로 이루어질 수 있다.
도 5a~c는 편파 튜닝 이론에 기초한 다양한 바닥 반사기를 도시한다.
도 5a~b에는 안테나 공학에서 트위스트(twist) 반사기로 알려진 반사기가 도시된다. 여기에 참조된 본문 인용은 안테나 설계 안내서 제1판 및 제2판, 에이.더블유.루지 외 저, 피터 페레그리너스 사, 1986, 페이지 184~185와 안테나 공학 안내서 제 3판, 알.씨. 존슨 저, 맥그로우-힐 사, 1993, 페이지 17~28 -17~29이다.
트위스트 구조(51)는 다수 개의 직선의 평행한 골(52)과 도체 물질로 이루어져 있다. 바람직하게는 그것은 다수 개의 골을 주조할 수 있는 금속판이다. 상기 골은 액체가 반사기(51)의 골(52) 위에 있는 경우 약 λm/4의 높이와 λm/4~λm/2의 간격을 가질 수 있다. 반사기(51)는 파이프(13)의 하단부에 위치할 수 있고, 이러한 배치에서 얇은 골(52)은 H11 도파관 서 전파하는 입사 마이크로파 신호의 평균 전기장(53)으로부터 45°방향으로 있다.
트위스트 기능을 이해하기 위하여 입사 전기장은 전기장 선(53)에 대하여 -45° 및 +45°방향의 두 전기장의 중첩으로 이해될 수 있다. 이들 전기장 중 하나는 골(52)과 평행하고 골(52) 꼭대기로부터 반사될 것이며, 다른 편파는 골에 의하여 거의 영향을 받지 않으나, 골(52) 사이에 노출됨에 따라 반사 구조로부터 반사될 것이다. λm/4의 골(52) 높이 때문에 2×90°=180°의 상대적인 위상변화가 유도될 것이며, 결과적으로 입사 마이크로파의 전기장(53)에 대하여 반사 마이크로파의 전기장(54)은 90° 비틀릴 것이다. 이러한 행동은 안테나 공학에서 표준 트위스트 반사기의 기능과 유사하다. 그러나, 미세한 차이는 골 사이 공간을 채운 물질의 유전 상수가 그것이 액체인지 공기 또는 가스인지에 따라 달라진다는 것이다. 일단 탱크가 비어있다면 트위스트 기능은 오직 부분적으로만 발생하고 반사기(51)로부터 반사를 얻는 것이 가능해 질 것이다.
본 실시예의 중요한 특징은 반사기가 매우 얇다는 것이고, 탱크의 바닥과 매우 가깝게 배치되어 바닥에 근접하여 수행되는 수위 측정을 가능하게 할 것이라는 점이다.
좀 더 복잡한 구조가 다른 주파수 및 다른 유전 상수의 액체에서 더 넓은 허용 범위를 가능하게 할 것임은 당업자에게 자명한 사항이다.
상술한 실시예의 수위 측정에서 사용된 마이크로파 신호가 특정 편파 상태를 가지고 있다는 것과 앞서 설명되고 후술할 특허청구범위에 개시된 것과 같이 제1 및 제2 반사계수가 상기 특정 편파 상태에서 주어진다는 것 또한 당업자에게 자명한 사항이다. 따라서 액체 내 반사에서 선형적으로 편파된 마이크로파 신호의 편파의 회전 효과는 그것의 특정 편파 상태에서 마이크로파 신호의 반사계수를 감소시키는 것과 같다.
편파 회전 이론은 도 5c에 도시된 바와 같이 반사 마이크로파의 전파 모드를 다른 것으로 변화시키는데 유용하다. 상기 트위스트 구조는 나선 구조에 의하여 구현될 수 있으며, 이것은 반사 마이크로파의 전파 모드를 H01로부터 E01로 변화시키고 케이.오.에드버슨(K.O.Edvarsson)에 의하여 출원된 미국특허 제4,641,139에 개시되어 있다.
유사한 기능이 전도성 물질 또는 감쇠 물질로 만들어진 판(56) 위에 다수개의 적절하게 위치된 안테나(56)에 의하여 달성될 수 있다. 이러한 배열은 도 3d에 도시된 배열과 유사하나, 여기에는 판(56)이 존재하고 더 많고 다른 방향의 안테나들(55)이 있다. 게다가, 도 5c에서 상기 안테나들(55)은 단층이며 적층되지 않는다.
상기 안테나는 바닥 판(55)의 반사와 유사한 반사를 발생시키나 다른 편파와 위상을 발생시키는 주파수 감지 표면을 형성한다. 만약 입사 마이크로파가 파이프(13) 내에서 H01 모드로 전파된다면, 반사기가 액체에 잠기고 적절하게 설계되었다면, 반사 마이크로파는 E01 모드로 주로 전파될 것이다. 알려진 주파수 감지 표면과는 대조적으로 이것은 반사기가 건조 상태에 있는 경우 비동조되고, 많은 양의 반사 마이크로파가 H01 모드로 전파될 것이다.
따라서, 도 5c의 반사기의 적절한 설계는 반사기가 액체에 잠긴 경우 입사 도파관 모드에서 매우 적은 반사를, 그리고 반사기가 공기 중 또는 가스 중에 있는 경우 입사 도파관 모드에서 상당히 강한 반사를 제공한다.
바닥 판의 물질에 의존하여, 입사 도파관 모드에서 반사는 매우 강할 수도 있고, 즉 완전 반사(만약 판(55)가 금속이라면), 또는 오일 표면으로부터의 반사와 유사할 수 있다(만약 판(55)가 적절한 감쇠 물질이라면). 당업자에게 자명한 바와 같이 감쇠 물질은 건조 상태에서 반사를 조절할 수 있는 임의의 편파 튜닝 구조에 포함될 수 있다.
도 6은 파이프의 단면을 점차 감소시키는 이론에 기초한 바닥 반사기를 도시한다. 파이프(13) 아래 탱크 바닥으로부터 레이더 반향을 감소시키거나 제거하기 위하여 파이프 직경을 점점 작게 하고, 레이더 파를 파이프(13)로부터 멀어지게 하기 위하여 작은 공간에서 구부러질 수 있는 장치가 사용된다. 일 실시예에서, 탱크의 바닥(60)에 근접하여 설치되기에 적합한 물질(즉, 강철)만이 사용되고, 깔때기 모양을 바탕으로 단-모드 도파관의 지름에 가깝게 지름을 감소시킨다. 그러한 도파관(62)은 마이크로파를 도파관부(64)를 통하여 멀어지게 하기 위하여 바닥(60) 위에 가까운 곳에 90°구부러짐을 가지고 용이하게 제공될 수 있다.
상기 도파관부(64)는 도파관이 잘 알려진 특성의 액체(탄화수소 범위를 포함)로 채워진 경우 만큼 낮은 반사를 발생하도록 용이하게 설계될 수 있다. 탱크 바닥(60) 및 파이프(13)의 끝단으로부터의 거리는 매우 짧게 형성될 수 있다. 깔때기(61) 및 도파관은 탱크 바닥(60) 또는 파이프(13)에 부착될 수 있다.
만약 도파관(62)이 그것이 액체에 잠긴 경우 일 모드로의 전파를 제한하기 위하여 좁다면, 상기 전파는 건조 상태에서 차단될 것이고 빈 탱크는 깔때기(61) 바닥에서 반사를 가지게 된다.
선택적으로 깔때기(61)는 원뿔형의 도전성 또는 저항성 구조로 그것의 꼭대기가 파이프 내에서 위를 행하도록, 바람직하게는 적어도 하나의 파이프 직경이 파이프의 하단에 있도록(도시되지 않음) 탱크의 바닥에 설치된다. 파이프의 하단과 원뿔형 구조의 겉면 사이에 형성된 공간은 원뿔형 구조 위의 파이프로부터 파이프와 원뿔형 구조물에 의해 형성된 동축 도파관까지 부드러운 변화를 얻는 것이 필요하다. 마이크로파는 파이프의 하단 밖으로 전파됨에 따라 파이프로부터 멀어지게 편향된다. 형성된 동축 도파관에는 감쇠 물질이 제공될 수 있다. 적절한 공진 구조(예를 들면, 동축 도파관에서 반파장 슬롯과 같은)에 의하여 바닥 반사기는 액체에 잠긴 경우에는 매우 작은 반사를 가지고, 건조 상태에서는 매우 강한 반사를 가지고 형성될 수 있다.
마지막으로, 도 7은 마이크로파의 자유 공간 전파가 사용되는 경우, 즉 마이크로파를 안내하기 위한 파이프가 없는 경우 적용가능한 바닥 반사기를 도시한다. 레이더 수위 측정기(11)는 액체 표면(71)으로부터 반사를 수신할 수 있도록 수직에 가까운 안테나 빔(76)의 주 방향(77)을 가지고 탱크(12)의 꼭대기에 설치된다. 상기 점선(76)은 안테나 빔의 폭을 가리킨다. 액체 표면(71)이 바닥(75)에 가까운 경우 간섭 문제가 일반적이며, 만약 물이 거의 바닥(75)에 가깝다면 유사한 문제가 발생한다. 물 수위는 초기에 인식할 수 없고, 바닥보다 더 강한 레이더 반향이 발생할 수 있다.
본 발명이 이 경우에 적용될 때, 바닥 반사기(72)는 지지소자(73) 위에 바닥에 가깝게 설치된다. 상기 바닥 반사기(72)는 도 2a와 유사할 수 있으나, 훨씬 더 커야 한다. π×[제곱루트(hλ)]2/4에 근접한 영역에서 반사가 발생함에 따라, 바닥 반사기는 적어도 활동 반사 영역의 주요부분을 포함하는 영역을 가져야 한다. 여기서 h는 수위 측정기(11)부터 바닥 반사기(72)까지의 거리이다. 게다가, 바닥 반사기(72)가 도 2a와 같은 구조를 가지는 경우 그곳엔 물이나 침전물 축적되지 않는 장점이 있다.
본 발명의 구체적인 실시예에서 바닥 반사기(72)는 더 작은 크기를 가질 수 있다. 만약 바닥 반사기(72)를 통한 전송의 위상 변화를 제어할 수 있다면 결과적으로 바닥 반사기(72)를 통과하는 바닥 또는 물 반사의 일부가 바닥 반사기(72) 밖의 반사의 일부를 상쇄할 것이다. 이러한 설비에 의하여 바닥 반사기로부터의 반사뿐 아니라 바닥 또는 물 표면으로부터의 반사도 작아질 것이다. 지지핀(73)은 예상되는 수위를 고려하여 가능한 낮아야 한다.
도 2~5를 참조하여 설명한 것과 같은 바닥 반사 이론이 파이프에 의한 안내 없이 마이크로파를 전송 및 수신하기 위해 배열된 바닥 반사기에도 유용하다는 것은 당업자에게 자명한 사항이다.

Claims (39)

  1. 탱크의 꼭대기로부터 액체의 표면을 향한 마이크로파 신호의 전송, 상기 액체의 표면에서 반사된 마이크로파 신호의 수신, 그리고 상기 전송 및 수신된 마이크로파 신호의 전파 시간으로부터 상기 탱크 내 저장된 액체의 수위를 계산에 의하여 상기 탱크(12) 내에 저장된 액체의 수위(71)를 측정하는 레이더에 기초한 수위 측정기(11)를 위한 바닥 반사기(15)에 있어서,
    상기 바닥 반사기(15)는 상기 탱크 내의 특정 높이에 액체가 존재하지 않는 경우 마이크로파 신호의 반사를 위하여 상기 탱크 내에 상기 특정 높이에 설치될 수 있으며,
    상기 바닥 반사기(15)는 상기 액체의 수위가 반사 구조보다 높은 경우 상기 마이크로파 신호의 제1 반사계수 및 상기 액체의 수위가 반사 구조보다 낮은 경우 상기 마이크로파 신호의 제2 반사계수를 가지고, 상기 제1 반사계수가 상기 제2 반사계수보다 낮은 반사 구조(23~24; 25; 23, 26; 27; 29; 32; 33; 32, 35; 36; 37; 41, 42; 43,44; 51~52; 55~56; 61,72)로 이루어진 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로파 신호의 반사 구조에 의한 제1 반사계수가 상기 마이크로파 신호의 액체에 의한 제2 반사계수보다 작은 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 마이크로파 신호의 반사 구조에 의한 제2 반사계수가 상기 마이크로파 신호의 액체에 의한 제1 반사계수와 같거나 큰 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 1.6~3 범위의 유전상수를 가지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 원유, 액체 석유 가스(LPG), 액체 천연 가스(LNG), 다른 액체 탄화수소류, 또는 적어도 일부 마이크로파를 통과시키는 액체로 구성된 그룹의 액체인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 특정 편파 상태를 가지고, 상기 제1 및 제2 반사계수는 상기 특정 편파 상태에서 마이크로파 신호에 주어지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 소정 주파수 범위 안에 있는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 반사계수는 0.2보다 낮고, 바람직하게는 0.1보다 낮으며, 좀 더 바람직하게는 0.05보다 낮은 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반사계수는 0.1보다 높고, 바람직하게는 0.2보다 높은 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 반사계수는 0.5보다 낮고, 바람직하게는 0.4보다 낮으며, 좀 더 바람직하게는 0.3보다 낮은 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조는 수동 수위 측정에 사용하기 위하여 수동으로 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수위 측정기는 전송 및 반사되는 마이크로파 신호를 안내하기 위한 실질적으로 수직인 관(13)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 바닥 반사기(15)는 상기 실질적으로 수직인 관(13)의 하단부에 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 특정 편파 모드를 가지고, 상기 제1 및 제2 반사계수는 상기 특정 편파 모드에서 마이크로파 신호에 주어지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조는 차단 격자(23~24; 25; 26; 27; 29)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 H11 모드로 전파되며, 상기 차단 격자는 상기 마이크로파 신호의 전기장과 평행하게 배치된 다수의 평형 스트립(23)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  17. 제15항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 H01 모드로 전파되며, 상기 차단 격자는 상기 마이크로파 신호의 전기장과 평행하게 배치된 다수의 동축 원형 스트립(25)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조 아래 배치된 다른 반사 구조(27)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  19. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조 아래 배치된 흡수 구조(29)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  20. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조는 공진 구조이며, 상기 공진 구조는 2극 안테나(32, 33, 32, 35, 36, 37)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 공진 구조는 적층된 2극 안테나(32)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 반사 구조는 이중 교차 2극 안테나(32, 35)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 H11 모드로 전파되고, 상기 공진 구조는 상기 실질적으로 수직인 관(13)의 중심축에 배치된 단일 2극 안테나 소자(32,35)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  24. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 H01 모드로 전파되고, 상기 공진 구조는 상기 실질적으로 수직인 관(13) 내에 중심축으로부터 이격되어 둘러싸도록 배치된 다수 개의 2극 안테나 소자(36)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  25. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마이크로파 신호는 H01 모드로 전파되고, 상기 공진 구조는 상기 실질적으로 수직인 관(13)의 중심축과 일치하는 대칭축을 가진 링(37)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  26. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조는 유전체 반사기(41, 42; 43, 44)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  27. 제26항에 있어서, 상기 유전체 반사기는 관통된 판(41, 42)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  28. 제26항에 있어서, 상기 유전체 반사기는 아래쪽을 향한 작은 유전체 소자들(44)이 형성된 수평으로 배열된 판(43)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  29. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 구조는 편파 튜닝 구조(51~52; 55~56)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 편파 튜닝 구조는 골(52)을 포함하는 트위스트 반사기 구조(51)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  31. 제29항에 있어서, 상기 편파 튜닝 구조는 반사기(55) 및 다수 개의 다른 지향의 안테나(56)를 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  32. 제12항에 있어서, 상기 반사 구조는 상기 실질적으로 수직인 관(13) 내에 배치되고 상기 전송 및 수신되는 마이크로파 신호가 상기 실질적으로 수직인 관(13)의 내부에서 멀어지도록 안내되는 마이크로파 안내 구조인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  33. 제32항에 있어서, 상기 마이크로파 안내 구조는 깔때기(61)인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  34. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수위 측정기는 마이크로파 신호의 자유 공간 전파를 위하여 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  35. 제34항에 있어서, 상기 반사 구조는 안테나, 유전체 반사기 또는 편파 튜닝 구조를 포함하는 공진 구조, 차단 격자인 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  36. 제34항 또는 제35항에 있어서, 상기 반사 구조(72)는 적어도 상기 레이더에 기초한 수위 측정기 아래서 π×[제곱루트(hλ)]2/4의 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  37. 제34항 또는 제35항에 있어서, 상기 바닥 반사기(72)의 영역은 바닥 반사기의 높이에서 상기 마이크로파 신호의 영역보다 작으며; 액체의 수위가 상기 바닥 반사기보다 높은 경우 바닥 반사기(72)를 통하여 전송되는 마이크로파 신호의 위상 변화를 제어하여 상기 바닥 반사기(72) 외부의 탱크 바닥으로부터 반사된 마이크로파 신호의 일부와 상기 바닥 반사기(72)를 통과한 후 탱크의 바닥으로부터 반사된 마이크로파 신호의 일부가 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  38. 제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바닥 반사기는 상기 탱크의 바닥에 가깝게 설치되는 것을 특징으로 하는 바닥 반사기.
  39. 제1항 내지 제38항 중 어느 한 항의 바닥 반사기(15)로 이루어진 레이더에 기초한 수위 측정기(11) 시스템.
KR1020057014010A 2003-01-29 2004-01-28 레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기 KR100724682B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SE0300222-7 2003-01-29
US10/353,836 2003-01-29
US10/353,836 US6795015B2 (en) 2003-01-29 2003-01-29 Bottom reflector for a radar-based level gauge
SE0300222A SE0300222D0 (sv) 2003-01-29 2003-01-29 Bottom reflector for a radar-based level gauge

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050090466A true KR20050090466A (ko) 2005-09-13
KR100724682B1 KR100724682B1 (ko) 2007-06-04

Family

ID=32829156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020057014010A KR100724682B1 (ko) 2003-01-29 2004-01-28 레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP4130459B2 (ko)
KR (1) KR100724682B1 (ko)
WO (1) WO2004068081A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100891572B1 (ko) * 2005-10-28 2009-04-03 콩스버그 마리타임 에이에스 레벨 게이지
KR20090129356A (ko) * 2008-06-12 2009-12-16 헬라 카게아아 휙크 운트 콤파니 컨테이너 내의 유체 충진 레벨을 탐지하기 위한 장치
KR20170061139A (ko) * 2014-10-10 2017-06-02 로즈마운트 탱크 레이더 에이비 Fmcw 기반의 유도파 레이더 레벨 게이지
KR20190024887A (ko) * 2016-07-07 2019-03-08 로즈마운트 탱크 레이더 에이비 단일 전파 모드 피드-스루를 갖는 레이더 레벨 게이지 시스템

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10344259A1 (de) * 2003-09-23 2005-05-12 Endress & Hauser Gmbh & Co Kg Anordnung zur Füllstandmessung in einem mit einem Peilrohr ausgestatteten Tank
NO331262B1 (no) * 2010-04-12 2011-11-14 Kongsberg Maritime As Metode og apparat for å måle tettheten til en væske
US8350752B2 (en) * 2010-07-09 2013-01-08 Rosemount Tank Radar Ab Radar level gauge system with bottom reflector and bottom reflector
EP2796902B1 (en) * 2013-04-23 2017-06-14 Spinner GmbH Millimeter Wave Scanning Imaging System
EP3014254B1 (en) * 2013-06-28 2022-10-12 Sensors & Software Inc. System and method for measurement of material property using variable reflector
CN103398756A (zh) * 2013-08-13 2013-11-20 中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司 一种乳化炸药生产中储罐液位的实时在线检测装置
JP5932746B2 (ja) * 2013-09-25 2016-06-08 ムサシノ機器株式会社 媒質境界の位置計測システム
JP6822388B2 (ja) * 2017-12-12 2021-01-27 日本製鉄株式会社 レベル計測装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1477470A (fr) * 1965-12-15 1967-04-21 Commissariat Energie Atomique Dispositif à ultra-sons pour la mesure de la position du niveau d'un liquide
US4805453A (en) * 1982-10-14 1989-02-21 Gilbarco, Inc. Tank sonic gauging system and methods
US4847623A (en) * 1986-02-19 1989-07-11 Idea, Inc. Radar tank gauge
DE19723978C2 (de) * 1997-06-06 1999-03-25 Endress Hauser Gmbh Co Verfahren zur Messung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter nach dem Radarprinzip
SE9903855L (sv) * 1999-10-21 2000-09-18 Saab Marine Electronics Anordning vid nivåmätning i tankar

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100891572B1 (ko) * 2005-10-28 2009-04-03 콩스버그 마리타임 에이에스 레벨 게이지
KR20090129356A (ko) * 2008-06-12 2009-12-16 헬라 카게아아 휙크 운트 콤파니 컨테이너 내의 유체 충진 레벨을 탐지하기 위한 장치
KR20170061139A (ko) * 2014-10-10 2017-06-02 로즈마운트 탱크 레이더 에이비 Fmcw 기반의 유도파 레이더 레벨 게이지
KR20190024887A (ko) * 2016-07-07 2019-03-08 로즈마운트 탱크 레이더 에이비 단일 전파 모드 피드-스루를 갖는 레이더 레벨 게이지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
JP4130459B2 (ja) 2008-08-06
JP2006515068A (ja) 2006-05-18
KR100724682B1 (ko) 2007-06-04
WO2004068081A1 (en) 2004-08-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6795015B2 (en) Bottom reflector for a radar-based level gauge
KR100724682B1 (ko) 레이더에 기초한 수위 측정기용 바닥 반사기
US8350752B2 (en) Radar level gauge system with bottom reflector and bottom reflector
US7532155B2 (en) Radar level gauging system
US5614831A (en) Method and apparatus for level gauging using radar in floating roof tanks
US5101163A (en) Oil/water measurement
KR930010470B1 (ko) 용기내의 유체 재료 레벨측정을 위한 방법 및 장치
US5793216A (en) Multiphase flowmeter
AU5038590A (en) Device at a radar level gauge
EP0495819B1 (en) Improvements to oil/water measurement
WO2004005959A1 (en) Level gauging system
US8149180B2 (en) Antenna with resonator having a filtering coating and system including such antenna
US20090256737A1 (en) Radar level gauge system with multi band patch antenna array arrangement
EP0530038A1 (en) Serrated electromagnetic absorber
US20010015649A1 (en) Microwave leakage field sensor for measuring moisture and/or density
RU2327958C2 (ru) Устройство и способ измерения уровня на основе радиолокации
EP3814729B1 (en) Radar level gauge with h01-mode wave transducer
CN100367010C (zh) 基于雷达的液面高度测量的设备和方法
Xue et al. Patch-fed planar dielectric slab waveguide Luneburg lens
US10801873B2 (en) System and method for determining level and density distribution
RU2265259C1 (ru) Поляризационный селектор
Edvardsson et al. Radar level gauge with H 01-mode wave transducer
RU2117368C1 (ru) Антенна для георадара
Mayhan Effects of random phase errors at K a band resulting from a composite material radome
SU1539617A1 (ru) Устройство дл измерени диаметра металлического провода

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130509

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140514

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150512

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160512

Year of fee payment: 10