KR20170061139A - Fmcw 기반의 유도파 레이더 레벨 게이지 - Google Patents

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Abstract

탱크(5)내 제품(6)의 표면(7)까지의 거리를 판단하기 위한 FMCW 타입의 레이더 레벨 게이지(2)는 전자기 송신신호를 방출하고 표면(7)으로부터 반사된 전자기 복귀신호를 수신하는 송수신기(11)를 포함하고, 전자기 송신신호는 적어도 1GHz의 대역폭을 가지며, 상대 대역폭(최대 주파수/최소 주파수)은 2.5 미만이며, 상한 주파수가 4GHz 미만이다. 게이지(2)는 기계적으로 현가되고 탱크(5)내 제품(6)으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브(9), 및 전기 피드스루(21)와 단일 도체 프로브(9) 간에 전기적 매칭 연결을 제공하는 매칭수단을 포함한다. 본원에서는, 종래기술의 상대적으로 고가의 스틸-파이프가 표면웨이브가이드(SWG)로서 작용하는 상대적으로 저렴한 단일 도체프로브(9)로 대체된다.

Description

FMCW 기반의 유도파 레이더 레벨 게이지{FMCW BASED GUIDED WAVE RADAR LEVEL GAUGE}
본 발명은 탱크내 제품의 표면까지 거리를 판단하기 위한 FMCW 타입의 레이더 레벨 게이지에 관한 것이다.
가령, 액체, 가스, 또는 과립 제품을 담은 탱크내 레이더 레벨 게이징이 수십년 동안 사용되어 왔고 몇몇 다른 기술적 방안들이 사용중에 있다. 특히 측정 정확도가 중요한 사양 조항인 경우에 신호생성 및 신호처리를 위해 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)라고 하는 상기 방법이 광범위하게 사용되고 있다. 대부분의 FMCW 시스템에서, 실질적으로 진폭이 같고 주파수가 선형적으로 변하는 송신신호가 탱크에서 방출되고 표면에 반사된다. 반사신호는 수신되고 방출신호와 믹스되어 중간 주파수신호를 형성하며, 상기 중간주파수(IF)는 송수신기/수신기에서 반사지점(일반적으로 탱크내 제품의 표면)까지 거리에 해당한다. 선형 스윕 대신에 다른 타입의 주파수 변조도 또한 가능하다.
레벨 게이징을 위한 FMCW 시스템은 일반적으로 6, 10 및 25GHz와 같은 주파수와 (주로 25GHz 시스템에 대해) 1GHz 또는 2-3GHz 까지의 주파수 대역폭을 이용한다. 약 78GHz를 이용하는 시스템도 또한 공지되어 있다. 전자장치로부터 안테나까지 내부 송신경로는 저반사로 깨끗이 유지되고 특히 고압, 다양한 케미컬 등을 또한 견뎌야하므로 탱크 밀봉이 약간 어려울 수 있다.
측정성능은 여러 방식들로 특징될 수 있으나 적어도 하기의 4가지가 통상적인 기초로 사용된다:
정확도는 측정이 얼마나 정확하고 신뢰할 수 있는지에 대한 것이다. 주파수가 주파수 합성기에 의해 생성되면 매우 높은 정확도와 장기간 안정성이 획득될 수 있다. 정확도 승인을 종종 "법적 상거래 승인"이라 하며 (국가에 따라) 소정 사용을 위한 의무적인 법적 요건일 수 있다. 일반적으로 이런 경우에 필요한 정확도는 약 1mm로 지정된다. 대형 오일탱크에서 1mm 레벨 차이는 수천 US달러 가치에 해당할 수 있음에 유의하라.
거리 분해능 또는 탱크에서 2개의 가능한 가까운 레이더 에코들 간에 식별능력은 대부분의 레이더 레벨 게이지에 대해 150-200mm이거나 이보다 약간 더 크다.
업데이트 속도는 다음 측정을 위한 시간이다. 저장탱크에서 레벨 게이징은 일반적으로 매우 지나치게 요구되지 않고(레벨은 분당 수 cm 이하로 변할 수 있음) 초당 1회 측정이 통상적으로 허용가능한 최소 회수이다. 몇몇 애플리케이션은 게이징 시스템에 의해 훨씬 더 빠른 응답을 필요로 할 수 있다.
감도는 에코가 어떻게 감지되고 신호 프로세싱에 의해 처리될 수 있는지의 척도이다. 최대 양방향 경로손실이 감도 측정에 통상적인 방식이며 FMCW 시스템은 일반적으로 측정을 수행하기 위해 양방향 경로손실이 90-100dB 보다 크지 않아야 한다. 다른 경우들 간에 경로손실 변화가 상당할 수 있다.
원리적으로, 거리 분해능력은 기본적으로 레이더 주파수 대역폭에 의해 제한되나, FMCW 시스템에 대해 제한은 또한 신호 프로세싱에 결부되고 업데이트 속도와 같은 다른 속성들로 정확도가 상쇄된다. FMCW 시스템은 일반적으로 디지털적으로 행해지는 몇몇 필터링 동작들(스펙트럼의 윈도잉(windowing))을 필요로 한다. 필터 윈도우의 타입과 폭은 RF 대역폭과 분해능 간의 상관관계가 펄스 시스템보다 더 약하나 여전히 있도록 다른 목적들에 대해 최적화될 수 있으며, 따라서, 대역폭은 통상적으로 적어도 1GHz여야 한다.
거리 분해능이 통상적을 필요한 정확도보다 거리 면에서 더 큰 백배(1mm에 비해 100mm)인 것은 레이더 시스템, 특히 FMCW 시스템이 외부 및 내부 레이더 반사에 민감한 것을 의미한다. 가령 송신경로가 (안테나 개구 및 안테나에 완벽하게 매치되지 않은 커넥터와 같은) 2개의 반사들을 포함하면, 이들 2개의 반사들 간에 거리를 2번의 초과회수로 지나는 신호는 더 작아질 것이다. 가령, 반사들 모두가 2(각각 ~-10dB 반사)의 전압 정재파(VSWR, Voltage Standing Wave Ratio)의 미스매치를 가지면, ±10mm의 편차가 최악의 경우 (거리 분해능 내에서) 내부 거리를 발생할 수 있다. 반사가 내부이고 매우 안정적이면, 이는 문제가 아닐 수 있으나(조심스러운 조정이 보장될 수 있음) 더 큰 반사들과 가변하는 탱크환경에서 반사에 대해, 바람직하지 못하고 초기에 10mm 편차가 시간마다 바뀔 수 있다면, 소정의 mm 정확도는 명백히 위험하다.
대부분의 FMCW 시스템에서, 모든 마이크로파 성분들의 합리적인 마이크로파 매치(즉, VSWR<1.2-1.5)가 실행가능한 실제 방안을 제시하는 것으로 입증되었다. 그러나, 매우 정확한 FMCW 시스템에서, 강한 미스매치 지점들은 문제의 근원인 것으로 알려져 있다. 탱크내 장애물들로부터 반사는 영향을 적게 주고 협소한 빔 안테나를 이용해 제거되며, FMCW 기반의 시스템들은 일반적으로 표면을 향해 수직 하방으로 지향된 펜슬빔 복사패턴을 형성하는 안테나를 이용한다.
정확도를 더 높이기 위해, FMCW 기반의 시스템들은 때때로 전체 탱크를 통해 안테나 혼으로부터 뻗어 나온 50-100mm 스테인레스 스틸 파이프 형태의 도파관 구조로 사용된다. 보다 일반적으로, 2인치 또는 4인치 파이프가 10GHz 시스템에 사용된다. 이런 "스틸-파이프"는 가능하게는 탱크내 에코를 교란시키는 것을 방지하는 매우 효율적인 방식이다. 명백히 스틸-파이프를 포함하므로 비용이 높으나, 파이프는 파이프 주위로 많은 교란 물체들이 있을 경우에 그리고 동요하는 표면으로 인해 표면에 때때로 매우 반사가 낮을 경우에 방해없이 측정을 가능하게 한다. 파이프, 파이프의 피딩 및 가능하게는 (부분들의 변경을 가능하게 하도록)탱크 지붕 위의 부분들을 단절시키는 밸브는 정확도를 보장하기 위해 매우 양호한 전기적 매치로 구성된다.
본 발명의 목적은 FMCW 타입의 레디어 레벨 게이지에서 탱크내 교란을 방지하기 위한 더 비용효과적인 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 태양에 따르면, 이 목적 및 다른 목적들은 전자기 송신신호를 송신하고 표면으로부터 반사된 전자기 복귀신호를 수신하도록 구성된 송수신기 회로; 중간주파수를 제공하기 위해 상기 전자기 송신신호와 상기 전자기 복귀신호를 믹스하도록 구성된 믹서기; 상기 중간주파수 신호를 기반으로 거리를 판단하도록 구성된 처리회로; 및 상기 송수신기 회로로부터 탱크까지 밀봉된 전기 피드스루를 포함하고, 상기 송수신기 회로는 상한 주파수와 하한 주파수를 갖는 주파수 범위 내에서 변하도록 상기 송신신호의 주파수를 변조하도록 구성된 주파수 변조기를 포함하는, 탱크내 제품의 표면까지의 거리를 판단하기 위한 FMCW 타입의 레이더 레벨 게이지로서, 상기 상한 주파수는 4GHz 미만이고, 상기 하한 주파수는 상기 상한 주파수보다 더 작은 적어도 1GHz이며, 상기 상한 주파수와 상기 하한 주파수의 비율(상대 대역폭)은 2.5 미만이다. 상기 게이지는 중간주파수 신호를 제공하기 위해 상기 전자기 송신신호와 상기 전자기 복귀신호를 믹스하도록 구성된 믹서기, 및 중간주파수 신호를 기초로 거리를 판단하도록 구성된 처리회로를 더 포함한다. 상기 게이지는 또한 송수신기 회로로부터 탱크까지 (선택적으로 밀봉된) 전기 피드스루, 상기 탱크의 상단에 기계적으로 현가되고 탱크내 제품으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브를 포함하고, 상기 단일 도체 프로브는 상기 송수신기에 전기연결되고 상기 표면을 향해 상기 전자기 송신신호를 가이드하며 상기 전자기 복귀신호를 상기 송수신기 회로로 가이드하도록 형성된다. 전기 피드스루는 단일 도체 프로브로부터 알 수 있듯이 제 1 입력 임피던스를 갖고, 상기 단일 도체 프로브는 상기 전기 피드스루로부터 알 수 있듯이 제 1 입력 임피던스를 가지며, 제 2 입력 임피던스는 상기 제 1 입력 임피던스보다 더 크다. 상기 게이지는 전기 피드스루와 단일 도체 프로브 간에 전기적으로 매치된 연결을 제공하는 제 1 및 제 2 입력 임피던스 간에 매칭수단을 더 포함하며, 매칭 연결의 반사계수는 -10dB 미만이다.
본 발명의 제 2 태양에 따르면, 이들 및 다른 목적들은 전자기 송신신호를 생성하는 단계; 전기 피드스루를 통해 전자기 송신신호를 탱크로, 그리고 또한 탱크내 제품으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브에 공급하는 단계; 단일 도체 프로브를 따라 전자기 송신신호를 가이드하는 단계; 전자기 송신신호가 표면에서 반사되게 함으로써 전자기 복귀신호를 형성하는 단계; 단일 도체 프로브르 따라 그리고 전기 피드스루를 통해 되돌아 오게 전기 복귀신호를 가이드하는 단계; 전기 복귀신호를 수신하는 단계; 중간주파수 신호를 제공하기 위해 상기 전자기 송신신호와 상기 전자기 복귀신호를 믹스하는 단계; 및 상기 중간주파수 신호를 기반으로 거리를 판단하는 단계를 포함하고, 상기 전자기 송신신호는 적어도 1GHz의 대역폭을 가지며, 상대 대역폭은 2.5 미만이고, 상한 주파수는 4GHz 미만이며, 전기 피드스루와 단일 도체 프로브 간에 전기적 매칭연결은 -10dB 미만의 반사계수를 갖는, 탱크내 제품의 표면까지 거리를 판단하기 위한 레이더 레벨 게이징 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 상대적으로 고가의 스틸-파이프가 표면 웨이브가이드(SWB)로서 작용하는 상대적으로 저렴한 단일 도체(본 명세서에서 이하 프로브라고 함)로 대체된다. 이런 단일 도체 프로브는 스틸 파이프와는 매우 다른 웨이브가이딩 속성들을 가지며 이전에는 TDR(Time Domain Reflectometry)을 이용한 레이더 게이징에만 사용되어 왔고, 프로브를 따라 기저대역 펄스(DC 펄스)가 전송된다. FMCW 타입의 시스템과 프로브의 조합이 제안되었으나, 작동이 만족스럽지 못함을 알았고, 이런 타입의 표면파 가이드는 FMCW 기반의 레이더 레벨 게이징에 적합하지 않는 것으로 일반적으로 받아들여 졌다.
그러나, 본 발명에 따르면, 전기 탱크 피드스루와 단일 도체 프로브 간에 적절한 매칭수단과 함께 레이더 레벨 게이지에 대한 동작 파리미터들의 주의깊은 선택에 의해 FMCW 타입의 시스템과 표면 웨이브가이드의 성공적인 조합이 가능해진다.
"매칭 전기연결"은 본 명세서에서 제 1 입력 임피던스에서 제 2 입력 임피던스까지 직접 전이에 비해 향상된 임피던스 매칭을 갖는 전기연결을 의미한다. 하기에 상세히 언급되는 바와 같이, 이런 직접 전이는 반사를 교란시킬 것이다. FMCW 시스템의 전송경로에서 이런 강한 반사는 문제들의 발생가능한 원인인 것으로 알려져 있다. 이 반사는 역시 TDR 시스템을 교란시키는 것으로 알려져 있으나 일반적으로 FMCW 시스템은 이런 교란에 더 민감하다. 매칭수단은 이런 반사들을 감소시킴으로써 만족스런 감지 성능을 보장한다.
"FMCW 타입"이라는 표현은 탱크 내 표면까지의 거리를 판단하는데 사용되는 중간주파수신호를 형성하기 위해 주파수 변조된 송신신호가 반사된 복귀신호와 믹스되는 임의의 시스템을 포함하는 것으로 이해해야 한다. 종래 FMCW(주파수 변조 연속파) 시스템에서, 송신신호는 일정한 진폭과 가변 주파수, 즉 종종 선형으로 변하는 주파수(주파수 스윕)를 갖는다. 대부분의 최근 시스템에서, 주파수 스윕은 때때로 "스텝식" FMCW라고 하는 일련의 이산 주파수들로 구현된다. 또한 각각 주파수가 다른 일련의 별도의 일정한 주파수 펄스들을 포함한 송신신호를 포함해 다른 변형들도 제안된다(미국 특허출원공개공보 12/981 995 참조).
FMCW 시스템은 통상적으로 매우 정확한 주파수 제어를 허용한다는 것인데, 이는 제한된 대역폭을 통해 만족스러운 임피던스 매칭을 보장할 경우 상당히 이점적이다. 펄스식 TDR 시스템도 또한 소정 주파수 대역 내에서 송신신호를 가지나 주파수는 FMCW 시스템에서와 같이 수정 범위에 걸쳐 변하지 않는다. 오히려, 송신신호는 시간마다 변하며 한계가 선명하지 않는 정확한 펄스 형태에 따른 주파수 스펙트럼을 포함할 것이다.
상대적으로 낮은 상한 주파수는 저항손실을 감소시킨다.(프로브를 따라 미터당 dB이 대략 주파수의 2/3 전력과 같이 증가된다). 전력 드레인과 부품 비용도 또한 본 FMCW 시스템에 비해 감소될 수 있다. 적어도 1GHz 대역폭은 만족스러운 거리 분해능을 보장한다.
본 발명에 따라 임의의 FMCW 기반의 시스템과 단일 도체 프로브를 조합할 경우, 프로브와 전기 피드스루의 매칭이 중요한 측면이 된다.
전기 피드스루는 일반적으로 상대적으로 낮은 임피던스를 갖는다(가령, 상업용 부품들이 사용되는 경우 동축 피드스루는 40-75옴의 임피던스를 갖는다). 다른 한편으로, 탱크내 자유공간에서 (전송된 전력을 와이어를 따르는 전류의 제곱으로 나눈 것으로 정의된) 프로브의 임피던스는 일반적으로 250옴보다 큰, 또는 심지어 350옴보다 크다. 예로서, 직경이 4-10mm인 비코팅식 스테인레스 스틸 와이어 프로브는 관련된 동작 주파수들의 자유공간에서 300-400 옴 범위에 있는 임피던스를 갖는다.
이런 임피던스 미스매치로 인해, 종래 TDR 기반의 가이드웨이브 레이더(GWR) 시스템은 일반적으로 7dB의 반사로 인해 양방향 손실을 의미하는 급전점에서 약 1:7(50-350옴)의 VSWR을 갖는다. (반사손실로 인한 송신손실과 함께) 오일 표면으로부터 정상 에코보다 더 강하고 심지어 액체가스의 경우에 더 크게 약 20dB의 이 임피던스 전이로 인해 반사를 이루는 전기 피드스루와 프로브 간에 임피던스 전이의 반사계수는 종종 약 -2.5dB이다.
펄스식 TDR 시스템에서, 이 미스매치는 통상적으로 캘리브레이션 펄스를 생성하는데 사용된다. 미스매칭이 시도되었다면, 펄스식 TDR 시스템이 요구하는 (일반적으로 10:1의 크기의) 큰 상대 대역폭으로 인해 문제가 된다. 이런 주파수들에 대해, 라인을 따른 스텝식 임피던스 매칭이 사용될 수 있고 와이어의 기계적 강도를 여전히 유지할 수 있다. 1:7(50-350옴)의 변환비 및 5-10(0.1에서 1GHz 또는 0.2-1GHz와 같이 약간 적게)의 대역폭에 대해, 이런 트랜스포머의 길이는 1m가 넘게 된다. 결과적으로, 액체면 아래에 부분적으로 있을 때에도 기능하도록 설계되어야 한다. 대체로, 종래기술의 미스매칭 방안들은 이 특정 문제를 해결하는데 초점을 두었다. 예컨대, US 7,636,059를 참조하라.
본 발명에 따른 단일 도체 프로브와 결부해 FMCW 시스템을 이용할 경우, 이런 캘리브레인션 펄스가 전혀 필요없고 실제로 근거리 감지에 (탱크 지붕 가까이에 감지)에 악영향을 끼칠 것이다. 그러나, 본 발명자가 인식한 바와 같이, FMCW 타입의 시스템은 또한 펄스식 TDR 시스템보다 훨씬 더 작은 상대 대역폭의 사용을 허용한다. 2.5 미만의 상대 대역폭은 동일한 임피던스 스텝에 대해서가 아니라 매칭수단의 길이를 거의 10배로 줄임으로써 이 매칭문제의 예상치못한 이완을 제공한다. 이런 제한된 상대 대역폭은 기저대역 펄스들을 이용하는 시스템에서 달성될 수 없다.
본 발명에 따르면, 매칭수단은 -10dB 미만의 반사계수를 제공한다. 즉, 반사된 신호의 전력은 유입신호의 -10dB이다. 이는 기저대역 펄스를 이용한 종래 GWR 시스템의 프로브 피딩에 의한 반사의 20% 미만이다. 명백히 이는 탱크의 바로 상단에 가까운 레벨들에서 정확히 측정할 확률을 향상시킨다.
몇몇 실시예에서, 매칭수단은 -15dB 미만 또는 심지어 -20dB 미만의 반사계수를 제공한다. 이런 매칭에 의해, 전기적 매칭연결로부터 반사는 탱크내 액체표면에 의해 야기된 반사보다 더 약한 것이 보장될 수 있다.
이점적으로, 매칭수단은 탱크의 정상동작영역, 즉, 제품의 표면이 정상동작 조건 동안 있을 것으로 예상될 수 있는 탱크의 영역(또는 정상동작조건들로부터 가능한 예상 편차들)으로 뻗어 있지 않다. 다시 말하면, 정상사용 동안 매칭수단은 탱크에 담겨진 제품으로 확장되지 않는다. 이는 매칭수단에 의해 제공된 매칭이 사용 동안 제품에 의해 악영향을 받지 않는 것을 말한다. 심지어 더 바람직하게는, 탱크의 지붕에 있는 노즐에 핏팅될 수 있도록 매칭의 확장이 제한된다. 밀봉이 영향받지 않는 한, 제품표면은 가장자리보다 더 많이 노즐에 들어가지 않는다. 일예로, 매칭수단의 물리적 길이방향 확장부는 20cm 미만일 수 있다.
대부분의 애플리케이션에서, 프로브는 전기 피드스루에 의해 기계적으로 현가된다. 가능한 기계적 하중에 대한 대표적인 사양 조항은 30-40kN이므로, 중앙 도체는 매우 양호한 스틸로 제조되어야 하면 힘을 견디기 위해 오히려 (5mm 크기로) 두꺼워야 한다. 이들 기계적 구속조건들로 인해, 전기 피드스루는 일반적으로 약 40옴 이하의 심지어 더 낮은 임피던스를 갖게 된다.
본 발명의 내용에 포함됨.
본 발명의 현재 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면을 참조로 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가이딩 시스템을 개략 도시한 것이다.
도 2는 도 1에서의 레이더 레벨 게이지를 더 상세히 도시한 것이다.
도 3은 구조물을 통한 탱크 피드의 일예를 도시한 것이다.
도 4는 매칭수단의 다른 예를 도시한 것이다.
도 5는 구조물을 통한 탱크 피드의 제 2 예를 도시한 것이다.
도 6은 도 2에서 트랜시버 및 처리회로의 블록도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 적합한 주파수 다이어그램을 도시한 것이다.
도 8은 최대 미스매치의 함수로서 스텝식 임피더슨 트랜스포머의 길이의 다이어그램을 도시한 것이다.
도 1은 레이더 레벨 게이지(2)를 포함한 레벨 게이징 시스템(1), 및 통제실로 도시된 호스트 시스템(3)을 개략 도시한 것이다. 레이더 레벨 게이지(2)는 본 명세서에서 탱크(5)의 지붕으로부터 실질적으로 수직으로 뻗어 있는 관형 마운팅 구조물(4)(종종 "노즐"이라 함)에 실장된다. 탱크(5)는 피측정 제품을 담을 수 있는 임의의 컨테이너 또는 선박일 수 있다. 일반적으로 노즐(4)은 탱크 상에 있는 기존 부분이고 초기에는 특정 타입의 레벨 게이지용으로 의도되어 있지 않다. 따라서, 본 목적에 이상적이지 않은 속성들을 가질 수 있다. 레이더 레벨 게이지는 물론 또한 임의의 노즐 없이 탱크 상에 실장될 수 있다.
레이더 레벨 게이지(2)는 제품(6)의 상부면(7)까지의 거리를 감지함으로써 탱크(5)에 담겨진 제품(6)의 충진수위를 측정하도록 설치되어 있다. 또한 오일제품과 오일제품 아래 물 사이의 경계면과 같이 더 낮은 경계면까지의 거리도 감지될 수 있다. 레이더 레벨 게이지(2)는 측정유닛(8)과 상기 측정유닛(8)으로부터 노즐(4)을 통해 제품(6)을 향해 그리고 제품 안으로 뻗어 있는 표면파 가이드(9) 형태의 전파장치를 포함한다. 도 1의 예시적인 실시예에서, 표면파 가이드는 측정유닛(8)에 연결된 제 1 단부(9a) 및 프로브를 직선 및 수직으로 유지하기 위해 추(10)에 연결된 제 2 단부(9b)를 갖는 가요성 단일 도체 프로브(9)이다. 대안으로, 프로브는 탱크의 바닥에 부착될 수 있다.
도 2를 참조하면, 전자유닛(8)은 프로브(9)에 전기연결된 송신기(11), 및 송수신기(11)에 전기연결된 처리회로(12)를 포함한다. "송수신기"는 전자기 신호를 송수신할 수 있는 하나의 기능유닛일 수 있으나, 별개의 송신기 및 수신기 유닛을 포함한 시스템일 수 있다. 송수신기(11)의 요소들은 일반적으로 하드웨어로 구현되며 통상적으로 마이크로파 유닛이라고 하는 통합유닛의 일부를 형성한다. 처리회로는 하드웨어로 구현된 아날로그 처리 모듈 및 임베디드 프로세스에 의해 실행되는 소프트웨어로 구현된 디지털 처리 모듈의 조합을 포함할 수 있다. 본 발명은 특정한 구현에 국한되지 않으며 본 명세서에 기술된 기능을 구현하는데 적합한 것으로 발견된 임의의 수단도 고려될 수 있다.
송수신기(11)는 제품(6)의 표면(7)을 향해 프로브(9)에 의해 가이드되는 전자기 송신신호(ST)를 발생하여 보내도록 구성된다. 표면(7)에서 반사에 의해 전자기 복귀신호(SR)가 초래되고 프로브(9)를 따라 송수신기(11)에 의해 수신되도록 돌아온다.
처리회로(12)는 송신신호(ST)와 복귀신호(SR)를 분석함으로써 (탱크 천장과 같은) 기준위치와 표면(7) 간에 거리를 판단하도록 구성된다. 이 거리로부터, 충진수위(L)가 추정될 수 있다. 단일 제품(6)을 담은 탱크(5)가 본 명세서에 언급되어 있으나, 프로브(9)를 따라 임의의 재료 경계면까지의 거리도 동일한 방식으로 측정될 수 있음에 주목해야 한다.
더욱이, 측정유닛(8)은 처리회로(12)에 연결되고 호스트 시스템(3)과 통신하도록 구성된 통신 인터페이스(13)를 포함한다. 도 1 및 도 2의 예시적인 실시예에서, 레이더 레벨 게이지(2)와 호스트 시스템(3) 간의 통신은 무선통신인 것으로 나타나 있다. 더욱이, 도 2에 도시되지 않았으나, 레이더 레벨 게이지 시스템(1)은 일반적으로 외부전원에 연결될 수 있거나, 배터리와 같은 내부전원을 포함할 수 있다. 내부전원은 태양열로 전력공급받을 수 있다.
무선통신 대신, 통신은, 가령, 아날로그 및/또는 디지털 유선기반 통신채널을 통해 발생할 수 있다. 예컨대, 통신채널은 투와이어 4-20mA 루프일 수 있고 충진수위는 투와이어 4-20mA 루프에 충진수위에 해당하는 소정 전류를 제공함으로써 통신될 수 있다. 디지털 데이터는 또한 HART 프로토콜을 이용해 이런 투와이어 4-20mA 루프를 가로질러 보내질 수 있다. 더욱이, Modbus, Profibus 또는 Foundation Fieldbus과 같은 순수한 디지털 통신 프로토콜들이 사용될 수 있다. 유선통신의 경우, 동일한 유선들도 또한 게이지에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, 송수신기(11)는 탱크 지붕에 밀봉된 전기장 피드스루를 제공하는 탱크 피드스루 구조물(15)을 통해 프로브(9)에 연결된다. 밀봉은 대개 기밀식 압력 밀봉이나, 반드시 그럴 필요가 없다. 몇몇 경우, 밀봉은 단지 누수를 방지하기 위한 것이다. 전자기 피드스루(21)는 프로브(9)로부터 보이는 바와 같이 제 1 입력 임피던스(Z1)를 가지나, 프로브(9)는 상기 전기 피드스루로부터 보이는 바와 같이 제 2 입력 임피던스(Z2)를 갖는다. 상술한 바와 같이, 그리고 하기에 더 설명된 바와 같이, 기계적 및 재료적 제한의 결과로서, 제 1 및 제 2 입력 임피던스 간의 차이는 요동하는 반사를 야기하기에 충분히 크다. 이런 이유로, 이런 요동하는 반사를 줄이기 위해 제 1 및 제 2 입력 임피던스 간에 충분히 양호한 매칭을 보장하도록 임피던스 매칭수단(16)이 전기 피드스루(21)와 프로브(9) 간에 연결된다. 매칭수단은 제 1 입력 임피던스보다 작고 제 2 입력 임피던스보다 큰 적어도 하나의 중간 임피던스(Z3)를 나타낼 수 있다.
프로브(9)는 탱크의 상단에 단단히 고정되는 게 필요하고, 일반적으로 탱크의 지붕 또는 탱크 피드스루 구조물(15)에 의해 현가된다. 오히려 센 힘들을 견디는게 필요하며 일반적인 사양 요건은 30kN 또는 심지어 40kN일 수 있다. 명백히, 이들 센 기계적 힘들은 매칭수단(16)의 가능한 구현 범위를 제한한다.
단일 도체 프로브(9)는 유전체 코팅으로 피복될 수 있거나 피복될 수 없는 단일 일체형 도체(소위 Goubau 라인)로 형성될 수 잇다. 그러나, 많은 애플리케이션에서, 프로브는 복수의 금속 스레드들이 함께 꼬인 스테인레스 스틸 와이어이다.
프로브의 선택은 동작 주파수들의 선택에 영향을 줄 수 있다. 4mm 스테인레스 스틸 와이어의 경우, 아래의 표는 (1GHz에서 계산은 면적당 0.14옴을 기초로 하며 다양한 소스에서 발견된 스테인레스 스틸에 대한 최악의 데이터보다 15% 이상인) 몇가지 계산 데이터를 제공한다:
주파수 GHz 임피던스 저항 미터당 양방향 손실 95%에 대한 직경
1 357 0.27 dB 1.6 m
2 326 0.42 dB 1 m
4 294 0.66 dB 0.6 m
10 249 1.23 dB 0.32 m
25 203 2.38 dB 0.18 m
상기 표에서, "임피던스"는 전송된 전력을 전류 제곱으로 나눈 것으로 정의되고 "직경"은 전력의 95%가 전송되는 프로브 주위의 실린더에 적용된다. 합당한 최소요건은 게이지가 40m까지 동작하며 4GHz로 0.66 dB×40 = 26 dB의 양방향 감쇠가 발생됨을 알 수 있다. 따라서, 4GHz보다 더 높은 주파수들은 가능하게는 사용되지 않아야 한다. 필드직경은 상술한 직경 내에서 전력의 95%로서 임의로 선택된다. 스테인레스 스틸보다 더 나은 도체가 사용되어야 하는 경우, 필드직경 및 임피던스는 증가할 것이고 저주파수의 경우에도 동일하다.
탱크내 자유공간에서, 스테인레스 스틸 와이어 프로브는 임피던스가 프로세스 씰(21)보다 몇 배 더 크고, 일반적인 값은 350옴일 수 있다. 다른 한편으로, 전기 피드스루(21)는 상당히 더 낮은 임피던스를 가질 것이다. 예컨대, (유전체의) 6mm 외직경 및 1-2mm 내직경을 갖는 플라스틱 충진 동축라인은 40-70옴 임피던스를 가질 것이다. 0.5mm의 내직경으로, 상기 동축라인의 임피던스는 100옴에 접근하나 고르지 않은 씰을 통과하는데 적합한 임의의 전송라인은 반드시 가능하게는 100옴 미만의 오히려 낮은 임피던스를 가질 것이다.
따라서, 프로브(9)를 프로세스 씰(21)에 연결함으로써 전기 피드스루(21)와 자유공간에서 단일 도체 프로브(9)의 고임피던스(즉, 프로브의 자유공간 임피던스) 간에 임피던스 전이가 발생된다.
상술한 바와 같이, 이 임피던스 전이는 탱크에 담긴 제품의 표면에서 송신신호의 반사로 인해 발생한 표면 에코신호보다 실질적으로 더 강할 수 있는 에코신호를 초래하며 전자기 송신신호(ST)를 부분적으로 반사한다. 따라서, 임피던스 전이에 의해 야기된 반사는 표면 반사와 간섭될 수 있다. 일반적인 예로, 이 에코의 반사계수는 -2 내지 -3dB이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 레이더 레벨 게이지(2)가 노즐(4)에 실장되는 경우, 노즐(4)은 2개의 임피던스 전이를 야기할 것이며 따라서 2개의 교란 에코들이 발생한다. 노즐의 상단에서의 에코는 감소될 (및 노즐이 협소하다면 더 감소될) 것이나 탱크내 "자유공간"이 시작되는 하단에서 에코가 있게 될 것이다. 하단에서의 에코는 노즐이 더 협소해질 경우 증가될 것이다. (다양한 노즐 및 와이어를 통해 알 수 있는 바와 같이) 이들 2개의 에코들 중 더 센 에코는 일반적으로 -4 내지 -7dB 사이가 된다.
본 발명에 따른 매칭수단(16)이 전기 피드스루(21)와 프로브(9) 간에 연결되고, 실질적으로 임의의 임피던스 전이를 없애거나 적어도 줄이도록 설비되어 전이(들)에 의해 야기된 임의의 반사가 더 약해지게 된다. 예로서, 매치된 전기연결로 반사계수는 -10dB 미만이 될 수 있다. 즉, 반사가 유입신호보다 -10dB 더 약해진다. 바람직하기로, 반사계수는 -12dB 미만, -15dB 미만 또는 심지어 더 바람직하게는 -20dB 미만이다. 일반적으로, 전이에 의해 야기된 반사는 LNG(Liquid Natural Gas), LPG(Liquid Petroleum Gas), 오일기반의 제품들 및 플라스틱 펠렛 또는 곡물과 같은 고체와 같이 상대적으로 약한 에코신호들을 산출하는 제품들에 의해 야기된 반사보다 더 약한 정도로 임피던스 전이를 줄이는 것이 바람직하다. 이들의 경우, 표면에코는 유입신호보다 약 -18dB 더 약한 것으로 예상될 수 있다.
본 출원과 관련해, 매칭수단(16)은 전기 피드스루(21)와 탱크내부의 자유공간에서 프로브(9)(또는 노즐) 간에 제공된 임의의 요소들에 관한 것이다. 하기에 언급된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 매칭수단(16)은 프로브(9) 주위에 설비된 장치일 수 있다. 프로브(9)의 상부는 탱크 내부에서 단일 도체 프로브의 "자유공간 임피던스"까지 점차적으로 임피던스가 증가될 것이다. 매칭수단을 프로브의 상단에서, 전기 피드스루 가까이 설비된 부품 세트로서 고려할 수 있다.
피드스루 구조물(15)과 프로브 현가의 일예가 도 3에 도시되어 있다. 전기 피드스루(21)는 탱크 벽(22)을 통해 밀봉된 전기연결을 형성하기 위해 본 명세서에서 중앙 도체(24) 주위에 설비된 유전체 환형 슬리브(23) 형태의 씰링요소를 포함한다. 본 명세서에서 전기 피드스루(21)는 또한 프로브(9)에 대한 현가장치로서 역할한다. 이를 위해, 전기 피드스루(21)의 도체(24)는 프로브(9)가 부착될 수 있는 프로브 연결단자(25)를 갖는다.
상술한 바와 같이, 이 단자(25)에서 그리고 이에 따라 전기 피드스루(21)에 프로브가 가한 힘이 상당하다. 그러므로, 중앙 도체(24)와 환형 슬리브(23)의 치수들이 더 건장한 게 필요하며, 오히려 일예로 도체(24)는 4-8mm 직경을 가질 수 있다. 그 결과, 전기 피드스루(21)는 사실상 일반적으로 40-50옴 크기의 상대적으로 저임피던스로 동축연결이다.
유전체 및 금속 모두를 포함한 다양한 매칭수단 디자인들이 해당기술분야에 공지되어 있고 가령 본 명세서에 참조로 합체된 US 7,636,659에 언급되어 있다. 도 3의 예에서, 매칭수단은 프로브(9) 주위에 동축으로 제공된 중공의 원추형 유전체 슬리브(17)를 포함한다.
도시된 예에서, 임피던스 매칭수단은 노즐(4)의 하단 개구 아래로 확장되지 않다. 탱크(5)로 삽입을 용이하기 하기 위해, 임피던스 매칭수단의 최대 축방향 치수는 바람직하게는 탱크(5)에 제공된 관통구의 축방향 치수보다 더 작다.
도 4는 때때로 체비세프(Tchebyscheff) 디자인이라고 하는 다수의 단계들을 가진 매칭수단들을 도시한 것이다. 여기서 트랜스포머는 직경이 단일 도체 프로브(9)의 자유단부를 향해 감소되는 3개의 실린더형 세그먼트들(18a-c)을 포함한다. 각 실린더형 세그먼트(18a-d)는 이점적으로 송수신기(11)에 의해 송신되는 신호의 중앙 주파수 파장의 약 1/4 길이를 가질 수 있다. 도 2 및 도 3에서 연속 전이는 원추형으로 도시되어 있으나 해당기술분야에 공지된 바와 같이 다양한 비선형 전이들이 더 나은 성능을 제공할 수 있다.
스텝식 트랜스포머는 일반적으로 요구되는 최대 미스매치에 대해 최단 디자인이나, 오일 수위가 부분적으로 트랜스포머를 가리는 경우에 연속 변화가 더 양호하다. 여하튼, 매칭수단으로부터 반사계수는 약 -15dB인 오일 표면으로부터 아래쪽으로 더 잘 반사 되게 이점적으로 설계된다. 일예로, 반사계수는 -20dB 내지 -24dB일 수 있다.
도 8과 연계해 이런 짧은 매칭수단을 하기 위한 조건들을 설명한다.
피드스루 구조물(15)의 또 다른 실시예가 도 5에 도시도어 있다. 여기서, 프로브(9)는 전기 피드스루(21)에서가 아니라 탱크의 지붕에 기계적으로 현가된다. 송신신호 및 복귀신호가 갈바닉적으로 별개의 커플링을 통해 프로브(9)에 결합되게 할 수 있도록 신호결합수단(26)이 제공된다. 전기 피드스루(21)는 본 명세서에서 강한 힘들에 노출되지 않으나, 일반적으로 프로브보다 훨씬 더 낮은, 아마도 100 옴 훨씬 미만의, 임피던스를 여전히 갖는다. 따라서, 커플링수단(26)은 상술한 바와 같이 미스매치를 줄이기 위해 임피더스 매칭수단을 포함하는 것이 필요하다. 도시된 예에서, 커플링수단(26)은 3개의 λ/4 세그먼트들을 포함하고, 중앙 세그먼트는 프로브(9)에서 더 짧은 거리에 설비된다. 커플링수단의 세부내용은 본 발명의 주제가 아니며, 적절한 수단의 예들은 본 명세서에 참조로 합체되어 있는 US 2009/0085794에 개시되어 있다.
도 6을 참조하면, 도 2의 송수신기(11)와 처리회로(12)의 더 세부적인 블록도를 도시한 것으로, FMCW 시스템의 경우, 주파수 "스윕"은 정확한 상수 주파수(스텝식 또는 스태거(stagger)식 주파수 스윕)을 갖는다. 본 발명은 이런 "스텝식" 시스템들에 국한되지 않고 반대로 연속적으로 변조된 송신신호들을 갖는 시스템에 또한 사용될 수 있음을 알아야 한다. 또한 호모다인 믹싱에 의해 표면까지의 거리를 결정하기 위해 다른 많은 주파수변조신호들의 대안들이 송신신호로서 사용될 수 있다.
송수신기(11)는 본 명세서에서 스텝 발생기(32)에 의해 구동되고 차례로 처리회로(12)의 일부를 이루는 타이밍회로(33)에 의해 제어되는 수정제어발진기와 같은 마이크로파 소스(31)를 포함한다. 마이크로파 소스(31)는 전력분배기(34)를 통해 프로브(9)에 연결된다. 전력분배기(34)는 안테나에서 믹서(35)로 복귀신호를 연결하도록 설비되고, 또한 마이크로파 소스(31)로부터 신호를 수신하도록 연결된다. 믹서 출력은 저역통과필터(36) 및 증폭기(37)에 연결된다.
FMCW 시스템의 몇몇 버전의 경우, 복귀신호는 송신신호의 지연버전과 믹스된다. 이런 처리는 몇가지 이점들이 있으나 부품 추가 면에서 비용이 또한 든다.
처리회로(12)는 본 명세서에서, 상술한 타이밍회로(33) 이외에, 신호를 수신하고 샘플화하기 위한 샘플러(38)를 포함한다. 샘플러는 A/D 컨버터와 결합해 샘플앤홀드회로를 포함할 수 있거나, 시그마-델타 컨버터로 구현될 수 있다. 샘플러(38)는 측정신호로 동기화되도록 타이밍 회로에 의해 제어된다. 마지막으로, 처리회로는 샘플러(38)에 연결된 레벨계산기블록(39)를 포함한다.
송신신호는 본 명세서에서 단일 도체 프로브를 따라 과도한 감쇠를 방지하기 위해 충분한 분해능, 유효 매칭을 가능하게 하기 위해 2.5 미만의 상대 대역폭(최대 주파수/최소 주파수), 및 4GHz 미만의 주파수 상한을 제공하도록 1GHz 보다 큰 대역폭을 갖는다. 가능한 한 적절한 주파수 범위에 대한 선택은 1-2GHz, 2-4GHz, 또는 1.2-3GHz이다.
상대 대역폭은 일반적으로 0.15-0.20 상대 대역폭, 예컨대, 10GHz의 중앙 주파수와 2GHz의 대역폭만 갖는 기존의 FMCW 시스템에 비해 커질 것이 주목된다. 이런 이유로, 종래 FMCW 시스템에 사용되는 기존 회로는 주파수를 줄이는 더 많은 방법들로 재설계되는 게 필요할 수 있다.
도 7은 참조부호(41)를 갖는 영역에서 상한 및 하한 주파수의 가능한 조합들의 최종발생 세트를 도시한 것이다. 비교를 위해, 영역(42)은 일반적인 기저대역 펄스 TDR 시스템에서의 주파수들(약 0.1-1GHz 범위)을 나타내고, 영역(43)은 종래 6GHz FMCW 시스템에서의 주파수들(약 6GHz, 1-1.5GHz 대역폭을 갖는 중앙 주파수)을 나타낸다.
동작 동안, 타이밍회로(33)는 본 명세서에서 스텝식 주파수 스윕 형태의 송신신호를 출력하도록 마이크로파 소스(31)를 제어한다. 송신신호는 통상적으로 적절한 단계들에서 저주파수에서 고주파수로 스텝식이다. 대안으로, 송신신호는 고주파수에서 저주파수로 스텝식일 수 있거나, 주파수 스텝들은 심지어 임의의 순서로 취해질 수 있다.
스텝들의 개수(N)는 30m의 소정 범위에 대해 약 1000개일 수 있다. 따라서, 각 주파수 스텝(Δf)의 크기는 일반적으로 MHz 크기가 된다. 전력제한 애플리케이션에 대해, 스윕 기간은 제한되며 일반적으로 0-100ms 크기이다. 예로서, 스윕 기간은 약 30ms이고 1000개의 주파수 스텝들(N=1000)로 될 수 있으며, 이로써 각 스텝에 대한 기간은 30㎲ 크기가 되거나 약 30kHz의 업데이트 속도가 된다. 또한 다른 스윕 기간들도 물론 가능하다.
마이크로파 소스로부터 측정신호가 탱크(5)로 방출되고 프로브(9)를 따라 전파하도록 허용되며 에코신호는 전력분배기(34)를 통해 송신신호와 믹서되는 믹서기(35)로 복귀된다. IF-신호라고 하는 믹스신호는 필터(36)에 의해 여과되고 증폭기(37)에 의해 증폭된 다음 처리회로(12)에 제공된다. IF 신호는 구간별 상수 발진신호이며 주파수는 반사면까지의 거리예 비례하고, 구간별 상수길이는 측정신호 스텝 길이와 같은 길이이다. 일반적인 주파수는 kHz 크기, 가령, 100kHz 미만이며, 대표적으로는 15kHz 미만이다.
증폭된 IF 신호가 처리회로(12)에 의해 수신되고, 샘플러(38)에 의해 샘플화되고 A/D 변환된다. A/D 컨버터의 샘플링 주파수는 오직 단 한번만 측정신호의 각 스템을 샘플화기 위해 측정신호의 업데이트 속도에 상당히 가깝다.
샘플링으로 인해 발생한 샘플 벡터는 IF 신호 주파수를 결정하는 레벨계산기블록(39)에 제공되고, 상기 블록은 샘플 벡터를 기반으로 한 IF 신호 주파수를 판단하고 IF신호 주파수를 기반으로 한 반사면까지의 거리(및 연이어 탱크내 제품의 충진수위)를 판단한다.
변경된 FMCW 시스템과 함께 고임피던스 프로브를 이용할 경우 공간요건에서 주목할만한 향상을 예시하기 위해, 본 발명에 제안된 바와 같이, 도 8을 참조로 한다. 도 8의 도면은 (음의) dB 단위로 최대 미스매치 함수로서 체비세프 트랜스포머의 길이를 도시한 것이다. 제 1 곡선(44)은 200-1200 MHz 대역필터(1ns DC 펄스들과 적어도 6:1 상대 대역폭)를 갖는 전형적인 TDR 시스템에 관한 것이다. 트랜스포머의 각 섹션은 트랜스포머 길이가, 각각 이 경우 길이가 (200-1200 MHz의 중앙 주파수에서 파장의 1/4과 같이) 107mm인 2 섹션 내지 9 섹션 사이에서 변하도록 점으로 표시되어 있다. 도면에서 명백한 바와 같이, 적정한 미스매치 함수, 즉, -14dB 내지 -18dB일 수 있는 액체로부터 예상된 에코 미만의 반사계수에 대해 약 1미터 이상의 트랜스포머 길이가 요구된다.
제 2 곡선(45)은 1-2GHz의 주파수 범위를 갖고 고주파수로 인해 각각 50mm인 2, 3, 4 등의 섹션들을 갖는 트랜스포머들에 대한 본 발명의 일실시예에 따른 FMCW 타입의 시스템에 관한 것이다. FMCW 타입의 시스템에 대해, 이미 3개의 섹션들(도 4 참조)은 오일 에코 아래에서 ∼10dB의 반사를 제공하며 해당 길이(총 3×50mm=150mm)는 대부분의 애플리케이션에서 정상동작 조건 하에서 액체면 위에 있다. FMCW 송신기의 주파수들은 일반적으로 통과대역 밖으로 필터 전송 거동이 상기 함수를 손상시키지 않도록 모든 조건 하에서 한계(이 경우 1-2GHz) 내에 유지됨이 또한 강조되어야 한다. 곡선(44 및 45) 모두에 대해, 동일한 임피던스 스텝(50-350옴)이 추정되나, 최종 설계에서 실질적인 차이가 확실히 크다. FMCW 임피던스 전이 길이는 기존의 마운팅 노즐이 일반적으로 임피던스 트랜스포머의 상술한 최대길이(150-200mm)보다 더 길기 때문에 중요한 실질적 제한을 허용할 것이다.
당업자는 본 발명이 결코 상술한 바람직한 실시예에 국한되지 않음을 안다. 반대로, 많은 변형 및 변경들이 특허청구범위 내에 가능하다. 예컨대, 단일 도체 프로브는 비코팅식 스테인레스 스틸 와이어로 제조된 것으로 본 명세서에 개시되어 있다. 이는 결코 본 발명의 범위를 제한하지 않는 것에 유의해야 하며, 본 발명은 다른 재료들로 그리고 다양한 코팅들과 함께 제조된 단일 도체 프로브들, 금속 막대로 제조된 강체 프로브들, 및 다른 기하학적 형태와 횡단면을 가진 프로브들에도 동일하게 적용될 수 있다.

Claims (19)

  1. 전자기 송신신호(ST)를 송신하고 상기 표면으로부터 반사된 전자기 복귀신호(SR)를 수신하도록 구성된 송수신기 회로(11);
    중간주파수(IF)를 제공하기 위해 상기 전자기 송신신호와 상기 전자기 복귀신호를 믹스하도록 구성된 믹서기(35);
    상기 중간주파수 신호를 기반으로 거리를 판단하도록 구성된 처리회로(12); 및
    상기 송수신기 회로(11)로부터 탱크까지 밀봉된 전기 피드스루(21)를 포함하고,
    상기 송수신기 회로는 상한 주파수와 하한 주파수를 갖는 주파수 범위 내에서 변하도록 상기 송신신호의 주파수를 변조하도록 구성된 주파수 변조기(31,32)를 포함하는, 탱크(5)내 제품(6)의 표면(7)까지의 거리를 판단하기 위한 FMCW 타입의 레이더 레벨 게이지(2)로서,
    상기 상한 주파수는 4GHz 미만이고, 상기 하한 주파수는 상기 상한 주파수보다 더 작은 적어도 1GHz이며, 상기 상한 주파수와 상기 하한 주파수의 비율(상대 대역폭)은 2.5 미만이고,
    상기 레벨 게이지는:
    상기 탱크의 상단에 기계적으로 현가되고 탱크내 제품으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브(9); 및
    제 1 및 제 2 입력 임피던스 간에 매칭수단을 더 포함하고,
    상기 단일 도체 프로브는 상기 송수신기에 전기연결되고 상기 표면(7)을 향해 상기 전자기 송신신호를 가이드하며 상기 전자기 복귀신호를 상기 송수신기 회로(11)로 가이드하도록 형성되고,
    전기 피드스루는 단일 도체 프로브로부터 알 수 있듯이 제 1 입력 임피던스(Z1)를 갖고, 상기 단일 도체 프로브는 상기 전기 피드스루로부터 알 수 있듯이 상기 제 1 입력 임피던스보다 더 큰 제 2 입력 임피던스(Z2)를 가지며,
    상기 매칭수단은 상기 전기 피드스루와 상기 단일 도체 프로브 간에 전기적으로 매치된 연결을 제공하는 것을 특징으로 하는 레이더 레벨 게이지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매칭수단은 상기 제 1 임피던스보다 작고 상기 제 2 임피던스보다 큰 적어도 하나의 중간 임피던스(Z3)를 나타내는 레이더 레벨 게이지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 매칭수단(16)은 상기 탱크의 정상동작 영역으로 뻗어 있지 않은 레이더 레벨 게이지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매칭수단(16)의 물리적 길이방향 확장부는 20cm 미만인 레이더 레벨 게이지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기 피드스루는 동축연결부인 레이더 레벨 게이지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 도체 프로브(9)는 상기 전기 피드스루(21)에 의해 현가되는 레이더 레벨 게이지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 매칭수단은 단일 도체 프로브의 상부 주위로 동축으로 제공된 유전체 슬리브인 레이더 레벨 게이지.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 도체 프로브는 비코팅식 부식방지 스틸 와이어로 제조되는 레이더 레벨 게이지.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신신호는 2GHz 미만의 하한 주파수를 갖는 레이더 레벨 게이지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신신호는 3GHz 미만의 상한 주파수를 갖는 레이더 레벨 게이지.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신신호는 2 미만의 상대 대역폭을 갖는 레이더 레벨 게이지.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적으로 매치된 연결로 인한 전자기 반사는 표면에 의해 야기된 전자기 반사보다 더 약한 레이더 레벨 게이지.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매치된 연결의 반사계수는 상기 주파수 범위 내에서 -10dB 미만, 바람직하게는 -15dB 미만인 레이더 레벨 게이지.
  14. 전자기 송신신호를 생성하는 단계;
    상한 주파수와 하한 주파수를 갖는 주파수 범위 내에서 변하도록 상기 송신신호의 주파수를 변조시키는 단계;
    전기 피드스루를 통해 전자기 송신신호를 탱크로 공급하는 단계;
    상기 전자기 송신신호가 표면에서 반사되게 함으로써 전자기 복귀신호를 형성하는 단계;
    전자기 복귀신호를 수신하는 단계;
    중간주파수 신호를 제공하기 위해 상기 전자기 송신신호와 상기 전자기 복귀신호를 믹스하는 단계; 및
    상기 중간주파수 신호를 기반으로 거리를 판단하는 단계를 포함하는, 탱크내 제품의 표면까지 거리를 판단하기 위한 레이더 레벨 게이징 방법으로서,
    상기 상한 주파수는 4GHz 미만이고, 상기 하한 주파수는 상기 상한 주파수보다 더 작은 적어도 1GHz이며, 상기 상한 주파수와 상기 하한 주파수의 비율(상대 대역폭)은 2.5 미만이고,
    상기 방법은:
    상기 탱크에 현가되고 탱크내 제품으로 뻗어 있는 단일 도체 프로브를 따라 상기 전자기 송신신호를 가이드하는 단계;
    상기 단일 도체 프로브를 따르고 상기 전기 피드스루를 통해 되돌아 오는 상기 전자기 복귀신호를 가이드하는 단계; 및
    단일 도체 프로브로부터 알 수 있듯이 상기 전기 피드스루의 제 1 입력 임피던스와 상기 전기 피드스루로부터 알 수 있듯이 상기 제 1 입력 임피던스보다 더 큰 상기 단일 도체 프로브의 제 2 입력 임피던스 간에 전기적 매칭연결을 보장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이더 레벨 게이징 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 송신신호는 2GHz 미만의 하한 주파수를 갖는 레이더 레벨 게이징 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 송신신호는 3GHz 미만의 상한 주파수를 갖는 레이더 레벨 게이징 방법.
  17. 제 14 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신신호는 2 미만의 상대 대역폭을 갖는 레이더 레벨 게이징 방법.
  18. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기적 매칭연결로 인한 전자기 반사는 표면에 의해 야기된 전자기 반사보다 더 약한 레이더 레벨 게이징 방법.
  19. 제 14 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매칭연결의 반사계수는 상기 주파수 범위 내에서 -10dB 미만, 바람직하게는 -15dB 미만인 레이더 레벨 게이징 방법.
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