RU2327958C2

RU2327958C2 - Device and process of level measurement by radiolocation

Info

Publication number: RU2327958C2
Application number: RU2005118746/28A
Authority: RU
Inventors: Курт Олов ЭДВАРДССОН (SE); Курт Олов ЭДВАРДССОН
Original assignee: Роузмаунт Тэнк Радар Аб
Priority date: 2002-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2008-06-27
Also published as: AU2003279686A1; RU2005118746A; NO337547B1; KR100891694B1; WO2004046663A1; NO20052820L; KR20050059337A; JP4695394B2; JP2006506639A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device for level measurement of fluid situated under a dielectric constant gas with the constant value within given range. The device includes: microwave transmitter emitting given mode into tube through gas in the direction of fluid surface; microwave receiver for the signal reflected off the fluid surface and propagating back through the tube; and signal processing device for calculating fluid level on the base of transmitted and reflected signal propagation speed data. Actually, in order to eliminate impact of dielectric constant of the gas above the fluid on the calculated level value, the transmitter is enabled to transmit microwave signal in a definite frequency range, where group propagation velocity of a microwave signal in the form of given mode is basically independent of dielectric constant within definite value range.

EFFECT: elimination of gas dielectric constant impact on the calculated level value.

42 cl, 12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к радиолокационной (радарной) технологии измерения уровня, а более конкретно к аппаратам и способам для радиолокационного (радарного) измерения уровня жидкости через волновод с высокой точностью, при отсутствии предварительной информации о точном составе газа и/или давлении над поверхностью жидкости.The present invention relates to radar (radar) technology for level measurement, and more particularly to apparatus and methods for radar (radar) measurement of a liquid level through a waveguide with high accuracy, in the absence of preliminary information about the exact composition of the gas and / or pressure above the surface of the liquid.

Уровень техникиState of the art

Устройство для измерения уровня жидкости в контейнере содержит передатчик для передачи микроволнового сигнала в направлении поверхности жидкости, приемник для приема микроволнового сигнала, отраженного от поверхности жидкости, и устройство обработки сигнала для вычисления уровня жидкости в контейнере на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволнового сигнала.A device for measuring the liquid level in a container includes a transmitter for transmitting a microwave signal in the direction of the liquid surface, a receiver for receiving a microwave signal reflected from the liquid surface, and a signal processing device for calculating a liquid level in the container based on the propagation time of the transmitted and reflected microwave signal .

Такие устройства приобретают все большую значимость, особенно для нефтепродуктов, таких как сырая нефть и продукты ее переработки. Под контейнерами здесь понимаются большие резервуары, которые образуют модули для хранения полного объема загрузки танкера, или даже более крупные, обычно наземные цистерны в форме кругового цилиндра с объемом, составляющим десятки или тысячи кубических метров.Such devices are becoming increasingly important, especially for petroleum products such as crude oil and its refined products. Here, containers are understood as large tanks, which form modules for storing the full tanker loading volume, or even larger, usually ground tanks in the form of a circular cylinder with a volume of tens or thousands of cubic meters.

В частности, в одном из радарных устройств для измерения уровня жидкости в контейнере микроволновый сигнал передается, отражается и принимается через стальную вертикальную трубу, смонтированную внутри контейнера, которая работает в качестве волновода для СВЧ-волн. Пример такого измерителя, предложенного автором настоящего изобретения, приведен в патенте США №5136299. Скорость распространения микроволн в волноводе ниже, чем скорость распространения свободной волны, но при расчете уровня жидкости в контейнере на основе данных о времени распространения этот факт может быть учтен либо посредством расчета, основанного на знании размеров волновода, либо посредством процедур калибровки.In particular, in one of the radar devices for measuring the liquid level in a container, a microwave signal is transmitted, reflected and received through a vertical steel pipe mounted inside the container, which acts as a waveguide for microwave waves. An example of such a meter, proposed by the author of the present invention, is shown in US patent No. 5136299. The speed of propagation of microwaves in a waveguide is lower than the speed of propagation of a free wave, but when calculating the liquid level in a container based on data on the propagation time, this fact can be taken into account either by calculation based on the knowledge of the dimensions of the waveguide or by calibration procedures.

Кроме того, газ, находящийся над поверхностью жидкости, уменьшает скорость распространения СВЧ-волн. Это уменьшение скорости можно точно определить, но только если известны состав газа, температура и давление, что вряд ли возможно в рассматриваемом случае.In addition, a gas located above the surface of a liquid reduces the propagation velocity of microwave waves. This decrease in speed can be precisely determined, but only if the gas composition, temperature, and pressure are known, which is hardly possible in the case under consideration.

Когда используются обычные нефтепродукты, то есть такие, которые при обычных температурах находятся в жидком состоянии, газ, который находится в трубе, в типичном случае является воздухом. Номинальная диэлектрическая постоянная воздуха составляет 1,0006 при типичном отклонении ±0,0001. Однако в случае испарения углеводородов содержимое бака вызывает увеличение диэлектрической постоянной сверх указанной диэлектрической постоянной воздуха. Такое увеличение может быть заметным.When conventional petroleum products are used, that is, those which are in a liquid state at ordinary temperatures, the gas that is in the pipe is typically air. The nominal dielectric constant of air is 1,0006 with a typical deviation of ± 0.0001. However, in the case of hydrocarbon evaporation, the contents of the tank cause an increase in the dielectric constant in excess of the specified dielectric constant of the air. Such an increase may be noticeable.

Кроме того, когда требуется измерять уровень в контейнере, содержащем сжиженный газ под давлением, изменение скорости распространения волн становится очень заметным. Среди наиболее употребительных газов самой высокой диэлектрической постоянной обладает пропан, присутствие которого приводит к снижению скорости распространения приблизительно на 1% при давлении 1 МПа (это соответствует ε=1,02). Во многих случаях, например, в системах коммерческого учета в хранилищах нефтепродуктов, столь высокая погрешность неприемлема.In addition, when you want to measure the level in a container containing liquefied gas under pressure, the change in the speed of propagation of waves becomes very noticeable. Among the most common gases, propane has the highest dielectric constant, the presence of which leads to a decrease in the propagation velocity by about 1% at a pressure of 1 MPa (this corresponds to ε = 1.02). In many cases, for example, in commercial metering systems in oil product storages, such a high error is unacceptable.

В подобных ситуациях часто необходима более высокая точность, которую характеризуют как точность при коммерческом учете ("коммерческая точность"). Под "коммерческой точностью" здесь подразумевается точность, достаточная для возможной аттестации системы для использования в целях коммерческого учета, что является формальным требованием во многих коммерческих задачах измерения уровня. В отношении скорости распространения обеспечение коммерческой точности может повлечь за собой требование определения уровня с погрешностью в диапазоне приблизительно 0,005-0,05%. Несмотря на то что требования коммерческого учета довольно сильно варьируют от страны к стране и от организации к организации, очевидно, что вышеприведенный пример не отвечает никаким требованиям в отношении точности коммерческого учета.In such situations, higher accuracy is often required, which is characterized as accuracy in commercial accounting ("commercial accuracy"). By "commercial accuracy" here is meant accuracy sufficient for the possible certification of the system for use in commercial accounting, which is a formal requirement in many commercial level measurement tasks. In terms of propagation speed, ensuring commercial accuracy may entail the requirement to determine the level with an error in the range of about 0.005-0.05%. Despite the fact that the requirements of commercial accounting vary widely from country to country and from organization to organization, it is obvious that the above example does not meet any requirements regarding the accuracy of commercial accounting.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Таким образом, основной задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка радарного устройства и способа измерения уровня жидкости через трубу с большей точностью при отсутствии предварительной информации о точном составе газа и/или давлении над поверхностью жидкости.Thus, the main task solved by the present invention is the development of a radar device and method for measuring the liquid level through the pipe with greater accuracy in the absence of preliminary information on the exact composition of the gas and / or pressure above the surface of the liquid.

Более конкретная задача состоит в создании такого устройства и такого способа, которые обеспечат измерение уровня с погрешностью менее 0,4%, желательно менее 0,1%, а в самом предпочтительном варианте менее 0,01% для случая присутствия над поверхностью жидкости газа или смеси газов, которые имеют любую диэлектрическую постоянную в интервале 1≤ε≤1,03. Данный интервал выбран так, что с определенным запасом включает пропан, бутан, метан и другие распространенные газы.A more specific task is to create such a device and such a method that will provide level measurement with an error of less than 0.4%, preferably less than 0.1%, and in the most preferred embodiment, less than 0.01% for the case of the presence of a gas or mixture above the liquid surface gases that have any dielectric constant in the range 1≤ε≤1,03. This interval is selected so that with a certain margin includes propane, butane, methane and other common gases.

В этой связи частная задача, решаемая изобретением, заключается в создании такого устройства и такого способа, которые способны измерять уровень жидкости с точностью, отвечающей требованиям коммерческого учета.In this regard, a particular problem solved by the invention is to create such a device and such a method that is capable of measuring the liquid level with accuracy that meets the requirements of commercial accounting.

Другая задача состоит в обеспечении такого устройства и способа измерения уровня жидкости через трубу, которые обеспечивают также точное измерение внутреннего размера трубы.Another objective is to provide such a device and method for measuring the liquid level through the pipe, which also provide accurate measurement of the internal size of the pipe.

Еще одной задачей, поставленной перед настоящим изобретением, является обеспечение такого устройства и такого способа измерения уровня жидкости через трубу, которые обеспечивают снижение погрешности за счет определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере, например, поперечного сечения трубы, отклонения поперечного сечения по длине трубы, наличия загрязнений, особенно твердых или жидких углеводородов на внутренних стенках трубы, или присутствия в газе тумана, особенно масляного тумана.Another objective of the present invention is the provision of such a device and such a method of measuring the liquid level through the pipe, which reduce the error by determining one or more properties of the pipe or medium in the container, for example, the cross section of the pipe, the deviation of the cross section along the length pipes, the presence of contaminants, especially solid or liquid hydrocarbons on the inner walls of the pipe, or the presence of fog in the gas, especially oil fog.

Решение этих задач, наряду с другими, достигается устройствами и способами, изложенными в пунктах прилагаемой формулы изобретения.The solution to these problems, among others, is achieved by the devices and methods set forth in the appended claims.

В радарных измерителях уровня используется довольно широкая полоса частот (ширина полосы может составлять 10-15% от центральной частоты) и распространение волн характеризуется групповой скоростью в середине указанной полосы. Автором изобретения было установлено, что путем соответствующего выбора полосы частот и режима распространения передаваемого и принимаемого микроволнового сигнала (СВЧ-сигнапа), а также внутреннего размера трубы можно получить групповую скорость микроволнового сигнала, которая остается фактически постоянной во всем интересующем интервале значений диэлектрической постоянной, желательно между 1 и 1,03. Анализ показывает, что для значений диэлектрической постоянной в интервале 1-1,03 вариация групповой скорости может доходить до ±0,005%, тогда как при помощи традиционного оборудования, например, используя распространение волн в свободном пространстве, можно получить вариацию не менее ±0,75%.Radar level meters use a fairly wide frequency band (the bandwidth can be 10-15% of the center frequency) and wave propagation is characterized by a group velocity in the middle of the specified band. The inventor found that by appropriate selection of the frequency band and the propagation mode of the transmitted and received microwave signal (microwave signal), as well as the internal size of the tube, it is possible to obtain the group velocity of the microwave signal, which remains virtually constant in the entire range of dielectric constant of interest, preferably between 1 and 1.03. The analysis shows that for values of the dielectric constant in the range of 1-1.03, the variation in group velocity can reach ± 0.005%, while using traditional equipment, for example, using wave propagation in free space, a variation of at least ± 0.75 can be obtained %

Желательно, чтобы для определенного выбранного режима и внутреннего размера трубы центральная частота полосы частот микроволнового сигнала составляла около (2/ε)^1/2 от критической частоты в вакууме, где ε - центральное значение диэлектрической постоянной в интересующем интервале значений диэлектрической постоянной, например, 1,015 для вышеуказанного предпочтительного интервала. Таким образом, оптимальная центральная частота будет составлять около 2^1/2 от фактической критической частоты для газа, имеющего диэлектрическую постоянную в середине интересующего интервала значений диэлектрической постоянной.It is desirable that for a certain selected mode and internal tube size, the center frequency of the microwave signal frequency band is about (2 / ε) ^1/2 of the critical frequency in vacuum, where ε is the center value of the dielectric constant in the range of dielectric constant of interest, for example, 1.015 for the above preferred range. Thus, the optimal center frequency will be about 2 ^1/2 of the actual critical frequency for a gas having a dielectric constant in the middle of the range of dielectric constant of interest.

Настоящее изобретение может быть выражено количественно следующим образом: микроволновый сигнал передают в полосе частот, которая включает частоту, отстоящую от оптимальной частоты менее чем на 7%, а предпочтительнее менее чем на 5%, еще предпочтительнее менее чем на 3%, еще предпочтительнее менее чем на 2%, а в самом предпочтительном варианте менее чем на 1%. При этом оптимальную частоту рассчитывают по формулеThe present invention can be expressed quantitatively as follows: a microwave signal is transmitted in a frequency band that includes a frequency which is less than 7% from the optimum frequency, and more preferably less than 5%, even more preferably less than 3%, even more preferably less than by 2%, and in the most preferred embodiment, less than 1%. In this case, the optimal frequency is calculated by the formula

где f_c0 - критическая частота режима распространения в трубе, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из интересующего интервала значений диэлектрической постоянной. Эти частоты более высокие, чем те, которые используются, когда требуется гарантировать одномодовый режим распространения, но гораздо более низкие, чем те, которые обычно используют, когда применяются труба завышенного размера и режим подавления мод, как это описано в патенте США №4641139 и в патенте США №5136299. Таким образом, частота, используемая в настоящем изобретении, по меньшей мере, частично находится за пределами частотного диапазона, используемого в известных конструкциях в отношении как труб, так и технологии измерения уровня.where f _c0 is the critical frequency of the propagation regime in the pipe, and ε is the central value of the dielectric constant from the range of dielectric constant of interest. These frequencies are higher than those used when you want to guarantee a single-mode propagation mode, but much lower than those that are usually used when an oversized pipe and mode suppression mode are used, as described in US Pat. No. 4,641,139 and U.S. Patent No. 5,136,299. Thus, the frequency used in the present invention is at least partially outside the frequency range used in known constructions with respect to both pipes and level measurement technology.

Однако оптимально, чтобы полоса частот имела центральную частоту, которая является оптимальной частотой f_opt или отстоит от оптимальной частоты f_opt менее чем на 1-7%.However, it is optimal that the frequency band has a center frequency that is the optimal frequency f _opt or is less than 1-7% from the optimal frequency f _opt .

Желательно, чтобы для измерения использовалась труба круглого сечения и мода Н₁₁. Выбор частоты, равной приблизительно (2/ε)^1/2 от критической частоты для моды Н₁₁ в вакууме, даст также возможность микроволновому сигналу распространяться в режиме моды E₀₁. Можно измерять эти две моды микроволнового сигнала раздельно друг от друга, и результат измерения моды E₀₁ микроволнового сигнала можно использовать для извлечения информации, касающейся размера трубы, и/или информации, касающейся диэлектрических свойств газа или смеси газов над поверхностью сжиженного газа.It is desirable that a round pipe and the H ₁₁ mode be used for measurement. The choice of a frequency equal to approximately (2 / ε) ^1/2 of the critical frequency for the H ₁₁ mode in vacuum will also allow the microwave signal to propagate in the E ₀₁ mode. These two modes of the microwave signal can be measured separately from each other, and the result of measuring the E ₀₁ mode of the microwave signal can be used to extract information regarding the size of the pipe and / or information regarding the dielectric properties of the gas or gas mixture above the surface of the liquefied gas.

В более общем смысле микроволновый сигнал можно измерять, по меньшей мере, на двух различных модах по отдельности. Такое двухмодовое измерение может быть использовано для извлечения информации, касающейся условий в трубе, например размера трубы, наличия слоев масла на внутренних стенках трубы или атмосферных условий в трубе, например наличия тумана, и для использования этой информации для уменьшения погрешности, вносимой этими условиями в результат измерения уровня.More generally, a microwave signal can be measured in at least two different modes individually. Such a two-mode measurement can be used to extract information regarding the conditions in the pipe, for example, the size of the pipe, the presence of oil layers on the inner walls of the pipe, or atmospheric conditions in the pipe, such as fog, and to use this information to reduce the error introduced by these conditions into the result level measurement.

Основное преимущество настоящего изобретения в том, что высокоточное измерение уровня через трубу может быть осуществлено при отсутствии какой-либо предварительной информации о составе и давлении газа, находящегося над поверхностью, уровень которой измеряется.The main advantage of the present invention is that high-precision level measurement through a pipe can be carried out in the absence of any preliminary information about the composition and pressure of the gas above the surface whose level is measured.

Другое преимущество настоящего изобретения в том, что погрешности, вносимые условиями в трубе, могут быть уменьшены посредством двухмодовых измерений.Another advantage of the present invention is that the errors introduced by the conditions in the pipe can be reduced by means of two-mode measurements.

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что за счет выбора частоты, близкой к оптимальной частоте, установленной выше для диапазона значений диэлектрической постоянной 1-1,03, сводится к минимуму влияние, например, меняющегося количества капель углеводородов внутри трубы и тонких углеводородных слоев различной толщины на внутренних стенках трубы.Another advantage of the present invention is that by choosing a frequency close to the optimum frequency set above for the range of dielectric constant 1-1.03, the effect of, for example, the changing number of hydrocarbon drops inside the pipe and thin hydrocarbon layers is minimized various thicknesses on the inner walls of the pipe.

Прочие особенности изобретения и его преимущества будут понятны из нижеприведенного подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и прилагаемых фиг.1-12, которые приведены только с целью иллюстрации и не ограничивают идею настоящего изобретения.Other features of the invention and its advantages will be apparent from the following detailed description of preferred embodiments of the present invention and the accompanying figures 1-12, which are given only for the purpose of illustration and do not limit the idea of the present invention.

В данном описании применительно к волноводам будут использованы обозначения Н₁₁, E₀₁, H₀₁ и т.п. как параллельная система обозначений, полностью эквивалентная обозначениям ТЕ₁₁, TM₀₁, TE₀₁ и т.п.In this description, with reference to waveguides, the notation H ₁₁ , E ₀₁ , H ₀₁ , etc. will be used. as a parallel notation completely equivalent to TE ₁₁ , TM ₀₁ , TE ₀₁ , etc.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 в перспективной проекции изображает устройство радарного измерения уровня в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.1 is a perspective view showing a radar level measuring device in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

Фиг.2 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при оптимальной частоте.Figure 2 is a graph of the group velocity versus dielectric constant for the H ₁₁ mode of microwave radiation in a waveguide at an optimal frequency.

Фиг.3 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при трех разных частотах, иллюстрирующий принципы настоящего изобретения. При этом одна частота соответствует оптимальной частоте; одна частота существенно ниже, а одна частота существенно выше оптимальной частоты.Figure 3 is a graph of group velocity versus dielectric constant for mode H _{11 of} microwave radiation in a waveguide at three different frequencies, illustrating the principles of the present invention. In this case, one frequency corresponds to the optimal frequency; one frequency is significantly lower, and one frequency is significantly higher than the optimal frequency.

Фиг.4 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при оптимальной частоте для различных диаметров волновода.Figure 4 is a graph of the group velocity versus dielectric constant for the H ₁₁ mode of microwave radiation in the waveguide at the optimal frequency for different waveguide diameters.

Фиг.5 представляет собой график зависимости групповой скорости от волнового числа для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами, имеющими различные диэлектрические постоянные.Figure 5 is a graph of the group velocity versus wave number for the H ₁₁ mode of microwave radiation in a waveguide filled with gases having different dielectric constants.

Фиг.6 представляет собой график зависимости групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами, имеющими различные диэлектрические постоянные.6 is a graph of the group velocity normalized to the group velocity in vacuum versus the wave number for the H ₁₁ mode of microwave radiation in a waveguide filled with gases having different dielectric constants.

Фиг.7а, 7b схематично показывают на боковом разрезе и, соответственно, на виде снизу устройство для питания волновода модами Н₁₁ или E₀₁ по отдельности или одновременно обеими модами с использованием отдельных точек питания.7a, 7b schematically show in a side section and, accordingly, in a bottom view, a device for supplying a waveguide with modes H ₁₁ or E ₀₁ individually or simultaneously by both modes using separate power points.

Фиг.8а схематично показывает на боковом разрезе устройство для питания волновода модами H₀₁ или E₀₁ с отдельными точками питания; а фиг.8b схематично показывает антенное устройство, которое входит в состав устройства фиг.8а.Fig. 8a schematically shows in a side section a device for supplying a waveguide with modes H ₀₁ or E ₀₁ with separate power points; and FIG. 8b schematically shows an antenna device that is included with the device of FIG. 8a.

Фиг.9а схематично показывает на боковом разрезе устройство для питания волновода модами Н₁₁ или H₀₁ с отдельными точками питания; фиг.9b схематично показывает антенное устройство, которое входит в состав устройства по фиг.8а; а фиг.9с схематично показывает цепь связи для питания антенного устройства по фиг.9b.Fig. 9a schematically shows in a side section a device for supplying a waveguide with modes H ₁₁ or H ₀₁ with separate power points; Fig. 9b schematically shows an antenna device that is part of the device of Fig. 8a; and figs schematically shows a communication circuit for powering the antenna device of fig.9b.

Фиг.10-12 представляют собой графики зависимости обратной групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа, соответственно, для мод Н₁₁, E₀₁ и H₀₁ микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами с различными диэлектрическими постоянными и имеющем на своих внутренних стенках диэлектрические слои различной толщины.10-12 are graphs of the dependence of the inverse group velocity normalized to the group velocity in vacuum on the wave number, respectively, for the H ₁₁ , E ₀₁ and H ₀₁ modes of microwave radiation in a waveguide filled with gases with different dielectric constants and having dielectric layers of various thicknesses are internal walls.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Далее, со ссылкой на фиг.1, на которой в перспективной проекции изображено устройство для радарного измерения уровня, будет описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Указанное устройство может представлять собой либо радарное устройство с непрерывным сигналом с частотной модуляцией (НСЧМ), либо импульсное радарное устройство, либо дальномерный радар любого другого типа, но желательно, чтобы это был радар первого из вышеупомянутых типов. Радарное устройство должно обладать способностью передачи микроволнового сигнала на изменяемой частоте, которую можно регулировать.Next, with reference to FIG. 1, which is a perspective view of an apparatus for radar level measurement, a preferred embodiment of the present invention will be described. The specified device can be either a continuous frequency modulated radar (LFM) radar device, a pulsed radar device, or a rangefinder radar of any other type, but it is desirable that this be the first of the above types. The radar device must have the ability to transmit a microwave signal at a variable frequency, which can be adjusted.

На фиг.1 позицией 1 обозначена, по существу, вертикальная труба, жестко смонтированная в контейнере, верхняя граница или крыша которого обозначена как 3. Контейнер содержит жидкость, которая может представлять собой нефтепродукт, например сырую нефть или продукт ее переработки, либо сжиженный газ, который хранится в контейнере при избыточном давлении и/или в охлажденном виде. Пропан и бутан - два типичных газа, которые хранят в жидком виде.1, reference numeral 1 denotes a substantially vertical pipe rigidly mounted in a container, the upper boundary or roof of which is designated as 3. The container contains a liquid, which may be a petroleum product, for example crude oil or a product of its processing, or liquefied gas, which is stored in a container at overpressure and / or refrigerated. Propane and butane are two typical gases that are stored in liquid form.

Желательно, чтобы труба 1 была выполнена из металлического материала, способного работать в качестве волновода для микроволнового излучения; при этом в поперечном сечении труба может иметь произвольную форму. Однако предпочтительными являются круглое, прямоугольное или строго эллиптическое поперечные сечения. На всей своей длине труба не показана; показаны только ее верхний и нижний участки. На трубе, в ее стенке, выполнен ряд относительно небольших отверстий 2, через которые внутренность трубы может сообщаться с жидкостью в контейнере, так что уровень жидкости в трубе поддерживается такой же, как и в контейнере. Было показано, что можно выбрать размер отверстий и их расположение так, что они не будут мешать распространению волн, позволяя при этом достаточно быстро выравниваться уровням жидкости снаружи и внутри трубы.It is desirable that the pipe 1 was made of a metal material capable of operating as a waveguide for microwave radiation; however, in cross section, the pipe may have an arbitrary shape. However, round, rectangular, or strictly elliptical cross sections are preferred. The pipe is not shown along its entire length; only its upper and lower sections are shown. A series of relatively small holes 2 are made on the pipe in its wall, through which the inside of the pipe can communicate with the liquid in the container, so that the liquid level in the pipe is maintained at the same level as in the container. It was shown that it is possible to choose the size of the holes and their location so that they will not interfere with the propagation of the waves, while allowing the liquid levels to be quickly and easily aligned outside and inside the pipe.

В верхней части устройства жестко закреплен блок 4. Блок 4 содержит передатчик (не изображен) для подачи микроволнового сигнала, приемник для приема отраженного микроволнового сигнала и устройство обработки сигнала для определения положения поверхности, от которой отразился микроволновый эхо-сигнал. Передатчик содержит волновод, обозначенный на фиг.1 как 5, который окружен защитной трубой 8. Волновод 5 проходит через конический промежуточный элемент 9 к трубе 1.Block 4 is rigidly fixed in the upper part of the device. Block 4 contains a transmitter (not shown) for supplying a microwave signal, a receiver for receiving a reflected microwave signal, and a signal processing device for determining the position of the surface from which the microwave echo is reflected. The transmitter contains a waveguide, indicated in figure 1 as 5, which is surrounded by a protective tube 8. The waveguide 5 passes through a conical intermediate element 9 to the pipe 1.

Во время работы передатчик генерирует микроволновый сигнал, который подается через волновод 5 и конический промежуточный элемент 9 в трубу 1. Этот микроволновый сигнал распространяется в трубе 1 в сторону поверхности жидкости, уровень которой подлежит измерению, отражается этой поверхностью и распространяется обратно в сторону приемника. Отраженный сигнал проходит через конический промежуточный элемент 9 и волновод 5 и принимается приемником. Устройство обработки сигнала вычисляет уровень жидкости на основе данных о времени прохождения микроволнового сигнала.During operation, the transmitter generates a microwave signal, which is fed through the waveguide 5 and the conical intermediate element 9 into the pipe 1. This microwave signal propagates in the pipe 1 towards the surface of the liquid, the level of which is to be measured, is reflected by this surface and propagates back to the receiver. The reflected signal passes through the conical intermediate element 9 and the waveguide 5 and is received by the receiver. The signal processing device calculates the liquid level based on the travel time of the microwave signal.

В соответствии с настоящим изобретением, передатчик приспособлен к передаче микроволнового сигнала в некоторой полосе частот, которая включает частоту, отстоящую от оптимальной частоты f_opt менее чем на 7%. При этом оптимальная частота вычисляется по следующей формуле:In accordance with the present invention, the transmitter is adapted to transmit a microwave signal in a frequency band that includes a frequency that is less than 7% from the optimum frequency f _opt . In this case, the optimal frequency is calculated by the following formula:

где f_c0 - критическая частота для моды, распространяющейся в трубе 1 в вакууме, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из интересующего интервала значений диэлектрической постоянной, который желательно, хотя и не обязательно, выбрать соответствующим 1-1,03, или центральное значение из какого-то поддиапазона указанного интервала.where f _c0 is the critical frequency for the mode propagating in tube 1 in vacuum, and ε is the central value of the dielectric constant from the range of dielectric constant of interest, which is desirable, although not necessary, to choose 1-1.03, or the central value from some sub-range of the specified interval.

За счет такого выбора частоты вариация групповой скорости микроволн, когда диэлектрическая постоянная газа в трубе 1 над поверхностью жидкости варьирует в интервале от 1 до 1,03, является весьма малой. Благодаря этому можно выполнять точное измерение уровня жидкости, не зная заранее состава газа над поверхностью жидкости и его давления. Желательно, чтобы эта частота отстояла от оптимальной частоты f_opt менее чем на 5%, предпочтительно менее чем на 3%, предпочтительнее менее чем на 2%, наиболее предпочтительно менее чем на 1%. В самом предпочтительном случае эта частота равна оптимальной частоте f_opt. Указанная полоса частот имеет центральную частоту, и при желании можно сделать, чтобы она отстояла от оптимальной частоты менее чем на 7%, 5%, 3%, 2% или 1%.Due to this choice of frequency, the variation in the group velocity of the microwaves, when the dielectric constant of the gas in the pipe 1 above the liquid surface varies in the range from 1 to 1.03, is very small. Due to this, it is possible to perform an accurate measurement of the liquid level without knowing in advance the composition of the gas above the surface of the liquid and its pressure. Preferably, this frequency is less than 5%, preferably less than 3%, more preferably less than 2%, most preferably less than 1%, from the optimum frequency f _opt . In the most preferred case, this frequency is equal to the optimal frequency f _opt . The indicated frequency band has a central frequency, and if desired, it can be made to be less than 7%, 5%, 3%, 2% or 1% from the optimum frequency.

Эти варианты будут давать несколько большую вариацию скорости, чем можно получить, если использовать оптимальную частоту, но все равно разброс будет значительно меньше, чем если бы использовать частоты, применяемые в известных устройствах.These options will give a slightly larger variation in speed than can be obtained if you use the optimal frequency, but still the spread will be much less than if you use the frequencies used in known devices.

Далее приводятся описание теории, на которую опирается изобретение, и вывод оптимальной частоты, определение которой дано выше.The following is a description of the theory on which the invention is based, and the derivation of the optimal frequency, the definition of which is given above.

Распространение волн в любом однородном полом волноводе (т. е. заполненном однородным материалом с диэлектрической постоянной ε) может быть описано изменением фазовой постоянной β, которая показывает изменение фазы в радианах на метр:The wave propagation in any homogeneous hollow waveguide (i.e., filled with a homogeneous material with a dielectric constant ε) can be described by a change in the phase constant β, which shows the phase change in radians per meter:

где к - волновое число (k=2πf/c, где f - частота, а с - скорость света в вакууме), k_c0 - критическое волновое число в вакууме (k_c0=2πf_c0/c, где f_c0 - критическая частота в вакууме), которое представляет собой нижнюю частотную границу распространения излучения в волноводе. Вышеприведенная формула справедлива для любого режима одномодового распространения, независимо от поперечного сечения волновода.where k is the wave number (k = 2πf / c, where f is the frequency and c is the speed of light in vacuum), k _c0 is the critical wave number in vacuum (k _c0 = 2πf _c0 / c, where f _c0 is the critical frequency in vacuum), which is the lower frequency boundary of the propagation of radiation in the waveguide. The above formula is valid for any mode of single-mode propagation, regardless of the cross section of the waveguide.

Критическое волновое число k_c0 связано с геометрией поперечного сечения волновода. Для круглого поперечного сечения с радиусом аThe critical wave number k _c0 is related to the geometry of the cross section of the waveguide. For a circular cross section with radius a

где Х - соответствующий корень функции Бесселя (J₀(x), J₁(x) и т.д.), а 0 в обозначении k_c0 введен, чтобы подчеркнуть, что k_c0 относится к вакууму. Несколько мод низшего порядка в волноводах круглого сечения (диаметр D=2а) приведены ниже, в Таблице 1.where X is the corresponding root of the Bessel function (J ₀ (x), J ₁ (x), etc.), and 0 is introduced in the notation k _c0 to emphasize that k _c0 refers to the vacuum. Several lower-order modes in circular waveguides (diameter D = 2a) are shown below in Table 1.

Для сравнения, критические волновые числа для прямоугольного волновода с поперечным сечением а×b, где а>b, можно записать следующим образом:For comparison, the critical wave numbers for a rectangular waveguide with a cross section a × b, where a> b, can be written as follows:

где n и m - неотрицательные целые числа с альтернативными ограничениями nm>0 (моды Е) или n+m>0 (моды Н).where n and m are non-negative integers with alternative constraints nm> 0 (modes E) or n + m> 0 (modes H).

Возвращаясь к коэффициенту β распространения, следует заметить, что по сравнению с коэффициентом распространения для свободной волны здесь имеет место, по меньшей мере, его слабая нелинейная зависимость от частоты. Распространение сигнала с ограниченной полосой частот традиционно описывается групповой скоростью v_g, которая вычисляется следующим образом:Returning to the propagation coefficient β, it should be noted that, compared with the propagation coefficient for a free wave, at least its weak nonlinear dependence on frequency takes place here. Signal propagation with a limited frequency band is traditionally described by a group velocity v _g , which is calculated as follows:

где с - скорость света в вакууме (299792458 м/с), а частное c/v_g, по меньшей мере, слегка больше 1. Для волновода с очень большой площадью поперечного сечения (приближение к случаю свободного пространства) k_c0 можно пренебречь, и тогда указанное частное превращается просто в корень квадратный из диэлектрической постоянной ε.where c is the speed of light in vacuum (299792458 m / s), and the quotient c / v _g is at least slightly greater than 1. For a waveguide with a very large cross-sectional area (approximation to the case of free space) k _c0 can be neglected, and then the indicated quotient simply turns into the square root of the dielectric constant ε.

Таблица 1
Моды в волноводах круглого сечения. Для каждой моды использованы общепринятые обозначения X, λ_с0/D, где λ_c0 - критическая длина волны в вакууме, а D - диаметр (D=2а).Table 1
Fashion in waveguides of circular cross section. For each mode, the conventional notation X, λ _c0 / D is used, where λ _c0 is the critical wavelength in vacuum and D is the diameter (D = 2a). ОбозначениеDesignation XnmXnm λ_с0/Dλ _c0 / D ПримечаниеNote Н₁₁ или ТЕ₁₁ H ₁₁ or TE ₁₁ 1,841 (1^й максимум J₁)1.841 ( ^1st maximum J ₁ ) 1,7061,706 Мода низшегоLower fashion порядкаof order E₀₁ или TM₀₁ E ₀₁ or TM ₀₁ 2,405 (1^й нуль J₀)2,405 ( ^1st zero J ₀ ) 1,3061,306 H₂₁ ИЛИ ТЕ₂₁ H ₂₁ OR TE ₂₁ 3,054 (1^й максимум J₂)3,054 ( ^1st maximum J ₂ ) 1,0291,029 H₀₁ или TE₀₁ H ₀₁ or TE ₀₁ 3,832 (1^й ненулевой максимум |J₀|)3,832 ( ^1st nonzero maximum | J ₀ |) 0,8200.820 Мода с низкимиFashion with low потерямиlosses Е₁₁ или ТМ₁₁ E ₁₁ or TM ₁₁ 3,832 (2^й нуль J₁)3,832 ( ^2nd zero J ₁ ) 0,8200.820 Х такое же, как в H₀₁ X is the same as in H ₀₁ Н₃₁ или ТЕ₃₁ H ₃₁ or TE ₃₁ 4,201 (1^й максимум J₃)4,201 ( ^1st maximum J ₃ ) 0,7480.748

Более внимательное рассмотрение уравнения (4) показывает, что у него всегда будет иметься минимум, если дать возможность диэлектрической постоянной ε изменяться во всей области положительных значений. Это легко видеть, ибо, если ε сделать слегка больше значения, обращающего знаменатель в нуль, частное c/v_gбудет очень большой величины, и очевидно, что то же самое будет для очень большого значения ε. Этот минимум может появиться при величине ε, имеющей физически нереальное значение, но для любого диаметра 2а волновода найдется такая частота (или волновое число k), где этот минимум возникает для физически возможного значения ε (поскольку k_c0 связан с диаметром 2а согласно уравнению (2)).A closer examination of equation (4) shows that it will always have a minimum if the dielectric constant ε is allowed to vary over the entire range of positive values. This is easy to see, because if ε is made slightly larger than the value that turns the denominator to zero, the quotient c / v _g will be very large, and it is obvious that the same will be for a very large value of ε. This minimum may appear at a value of ε having a physically unrealistic value, but for any waveguide diameter 2a there is a frequency (or wave number k) where this minimum arises for a physically possible value of ε (since k _c0 is associated with a diameter of 2a according to equation (2 )).

Указанный минимум может появиться при величине ε, имеющей физически нереальное значение, но для любого диаметра 2а трубы найдется такая частота (или волновое число k), где этот минимум возникает для физически возможного значения ε. Чтобы найти минимум c/v_g, следует рассмотреть вторую производную:The indicated minimum may appear at a value of ε having a physically unrealistic value, but for any pipe diameter 2a there is such a frequency (or wave number k) where this minimum occurs for a physically possible value of ε. To find the minimum c / v _g , we should consider the second derivative:

Минимум c/v_g достигается, когда эта производная равна нулю. Волновое число, удовлетворяющее этому условию и представляющее собой оптимальное волновое число k_opt, таково:The minimum c / v _{g is} reached when this derivative is equal to zero. The wave number satisfying this condition and representing the optimal wave number k _{opt is} as follows:

Благодаря такому выбору можно ожидать, что небольшие вариации ε (вокруг середины предполагаемого интервала значений ε, который может составлять 1-1,03) приведут к очень небольшим изменениям v_g, численная оценка которых будет приведена далее. Это явление может быть объяснено как результат сочетания действия двух факторов, вносящих свой вклад в v_g: увеличение ε снижает скорость распространения микроволн, но также приводит и к кажущемуся увеличению размера волновода, что, в свою очередь, увеличивает скорость распространения в волноводе. Выражение для производной показывает, что можно заставить эти два противоположно действующих эффекта компенсировать друг друга.Thanks to this choice, it can be expected that small variations of ε (around the middle of the proposed range of ε, which can be 1–1.03) will lead to very small changes in v _g , a numerical estimate of which will be given below. This phenomenon can be explained as a result of a combination of two factors contributing to v _g : an increase in ε decreases the propagation speed of microwaves, but also leads to an apparent increase in the size of the waveguide, which, in turn, increases the propagation velocity in the waveguide. The expression for the derivative shows that it is possible to make these two oppositely acting effects cancel each other out.

Для иллюстрации такого поведения рассмотрим пример волновода, имеющего диаметр 2а=100 мм, при ε, варьирующем в интервале от 1 до 1,03, и соответствующего малым изменениям v_g (т.е. необходимо найти оптимальное волновое число k_opt для ε=1,015). Если используется мода низшего порядка Н₁₁, то из уравнений (2) и (6) получается оптимальное волновое число k_opt, равное 51,5 м^-1. Это оптимальное волновое число соответствует оптимальной частоте f_opt 2,46 ГГц.To illustrate this behavior, we consider an example of a waveguide having a diameter of 2a = 100 mm, with ε varying from 1 to 1.03, and corresponding to small changes in v _g (i.e., it is necessary to find the optimal wave number k _opt for ε = 1.015 ) If a lower order mode H _{11 is used} , then from equations (2) and (6) we obtain the optimal wave number k _opt equal to 51.5 m ^-1 . This optimum wave number corresponds to the optimum frequency f _{opt of} 2.46 GHz.

На фиг.2 показан график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм при оптимальной частоте, составляющей 2,46 ГГц.Figure 2 shows a graph of the dependence of the group velocity normalized to the speed of light in vacuum on the dielectric constant for mode H _{11 of} microwave radiation in a waveguide with a diameter of 100 mm at an optimal frequency of 2.46 GHz.

Скорость изменяется в пределах ±0,005%, когда диэлектрическая постоянная ε изменяется в пределах 1-1,03 (±1,5%), т.е. от случая воздуха (ε=1,0006) до случая пропана (ε=1,03). Вариация скорости снижается в 150 раз и даже более, если изменение величины диэлектрической постоянной ограничить еще более узким интервалом, нежели 1-1,03.The speed varies within ± 0.005% when the dielectric constant ε varies between 1-1.03 (± 1.5%), i.e. from the case of air (ε = 1,0006) to the case of propane (ε = 1,03). The variation in speed is reduced by 150 times or even more if the change in the value of the dielectric constant is limited to an even narrower interval than 1-1.03.

На фиг.3 показан график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм на частоте 2,46 ГГц и, для сравнения, на частотах 10 ГГц и 2 ГГц. Следует иметь в виду, что по отношению к фиг.2 здесь масштаб по вертикальной оси сжат в 200 раз. Кривая для оптимальной частоты выглядит горизонтальной прямой линией, т. е. отсутствует зависимость групповой скорости от ε, в то время как групповые скорости при частотах, соответственно, 2 и 10 ГГц в указанном интервале сильно зависят от ε.Figure 3 shows a graph of the group velocity normalized to the speed of light in vacuum on the dielectric constant for mode H _{11 of} microwave radiation in a waveguide with a diameter of 100 mm at a frequency of 2.46 GHz and, for comparison, at frequencies of 10 GHz and 2 GHz. It should be borne in mind that in relation to figure 2 here the scale along the vertical axis is compressed 200 times. The curve for the optimal frequency looks like a horizontal straight line, i.e. there is no dependence of the group velocity on ε, while group velocities at frequencies of 2 and 10 GHz, respectively, in the indicated interval strongly depend on ε.

Фиг.4 иллюстрирует влияние диаметра волновода на получаемую групповую скорость. Графики показывают зависимость групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм и в волноводах диаметром на 0,005% больше и на 0,005% меньше.Figure 4 illustrates the effect of the diameter of the waveguide on the resulting group velocity. The graphs show the dependence of the group velocity, normalized to the speed of light in vacuum, on the dielectric constant for the H ₁₁ mode of microwave radiation in a waveguide with a diameter of 100 mm and in waveguides with a diameter of 0.005% more and 0.005% less.

Положение максимума групповой скорости не меняется значительным образом при небольшом различии в диаметре. Однако сама групповая скорость сильно зависит от диаметра, и, следовательно, диаметр волновода приходится очень тщательно измерять или калибровать. Более подробно об этом будет сказано ниже. Фиг.5-6 продолжают далее иллюстрировать идею изобретения.The position of the maximum group velocity does not change significantly with a small difference in diameter. However, the group velocity itself is highly dependent on the diameter, and, therefore, the diameter of the waveguide must be very carefully measured or calibrated. This will be discussed in more detail below. 5-6 continue to further illustrate the idea of the invention.

Фиг.5 изображает график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁ в волноводе диаметром 100 мм для различных значений диэлектрической постоянной ε, а именно для ε=1,0006 (воздух) и для ε=1,03 (1,02 соответствует пропану при давлении 10 атмосфер, что считается наихудшим случаем). Можно заметить, что две кривые пересекаются при определенном волновом числе, которое фактически является оптимальным волновым числом k_opt.Figure 5 depicts a graph of the dependence of the group velocity normalized to the speed of light in vacuum on the wave number for mode H ₁₁ in a waveguide with a diameter of 100 mm for various values of the dielectric constant ε, namely for ε = 1,0006 (air) and for ε = 1.03 (1.02 corresponds to propane at a pressure of 10 atmospheres, which is considered the worst case). It can be noted that the two curves intersect at a certain wave number, which is actually the optimal wave number k _opt .

Это наглядно показано на фиг.6, которая изображает графики зависимости групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁ в волноводе диаметром 100 мм для различных значений диэлектрической постоянной ε. Скорость показана для следующих значений ε: 1,03; 1,02; 1,01 и 1,006. Точка пересечения находится при k=51,5 м^-1, что является оптимальным волновым числом, как указывалось выше.This is clearly shown in Fig. 6, which depicts graphs of the dependence of the group velocity normalized to the group velocity in vacuum on the wave number for mode H ₁₁ in a waveguide with a diameter of 100 mm for various values of the dielectric constant ε. The speed is shown for the following values of ε: 1.03; 1.02; 1.01 and 1.006. The intersection point is at k = 51.5 m ^-1 , which is the optimal wave number, as indicated above.

Существует ряд способов калибровки или измерения диаметра волновода, которые необходимо выполнять более тщательно, чем когда используются волновод завышенного размера и режим подавления мод, описанные в патенте США №4641139.There are a number of methods for calibrating or measuring the diameter of the waveguide, which must be performed more carefully than when using an oversized waveguide and mode suppression mode, as described in US Pat. No. 4,641,139.

Один способ заключается в определении эффективного диаметра для одного или нескольких уровней путем калибровки in situ на одной или нескольких известных высотах. На фиг.1 показано, что в нижнюю часть трубы 1 диаметрально, т.е. перпендикулярно продольному направлению, вмонтирован относительно тонкий металлический штырь 7. Этот металлический штырь 7 представляет собой реактивное сопротивление, отражающее известную часть излучаемого микроволнового сигнала, которая принимается приемником блока 4 и обеспечивает калибровку функции измерения посредством электронного блока. Такая калибровка in situ более подробно описана в патенте США №5136299, содержание которого включено в настоящее описание путем ссылки на него. Конечно, такую же калибровку во многих случаях можно и желательно выполнять, пользуясь точным измерением по реальной поверхности жидкости.One method is to determine the effective diameter for one or more levels by in situ calibration at one or more known heights. Figure 1 shows that in the lower part of the pipe 1 diametrically, i.e. perpendicular to the longitudinal direction, a relatively thin metal pin 7 is mounted. This metal pin 7 is a reactance reflecting a known portion of the emitted microwave signal, which is received by the receiver of unit 4 and provides calibration of the measurement function by the electronic unit. Such in situ calibration is described in more detail in US Pat. No. 5,136,299, the contents of which are incorporated herein by reference. Of course, in many cases the same calibration can and is desirable to be performed using accurate measurement over the real surface of the liquid.

Другой способ состоит в том, чтобы посредством фидерного устройства передавать микроволновый сигнал также и на второй моде в трубу 1, через газ к поверхности жидкости, принимать микроволновый сигнал, отраженный от поверхности жидкости и распространяющийся в обратном направлении через трубу на второй моде, и выделять (т.е. распознавать) части принятого микроволнового сигнала различных (первой и второй) мод.Another way is to transmit a microwave signal through the feeder device also in the second mode to the pipe 1, through gas to the surface of the liquid, to receive a microwave signal reflected from the surface of the liquid and propagating in the opposite direction through the pipe to the second mode, and select ( i.e., to recognize) parts of the received microwave signal of different (first and second) modes.

На фиг.7а-b изображен один пример запитывания волновода для двух мод. Труба 1 закрыта крышкой 10, которая загерметизирована уплотнениями 11 и 12. Расположенный ниже уплотнений диполь 13 λ/2 подает в трубу 1 моду Н₁₁, питание диполя осуществляется через два провода 15. Ниже диполя 13 симметрично смонтирован элемент 14, которому придана форма, подходящая для подачи в трубу 1 моды E₀₁. Элемент 14, в свою очередь, запитывается от линии 16. Линии 15 и 16 проходят через герметизирующее уплотнение 12 и подключены к схемам и кабелям (не показаны) измерительного устройства. Две линии 15 подключены к симметрирующему устройству, поэтому они запитываются в противофазе. Тем самым автоматически осуществляется изоляция между линиями 15 и одиночной линией 16, которая запитывается, как коаксиальная линия, при этом часть крышки 10 используется в качестве ее второй части. При соответствующем выборе параметров формы для согласования очевидно, что в своей основе одна и та же схема будет работать как в случае двух мод (Н₁₁ и E₀₁), так и в случае любой одной из этих двух мод. Антенны и возбуждающие элементы 13-16 могут быть выполнены на печатной плате, которая показана штриховой линией 17.On figa-b shows one example of feeding a waveguide for two modes. The pipe 1 is closed by a cap 10, which is sealed with seals 11 and 12. The dipole 13 λ / 2 located below the seals delivers the H ₁₁ mode to the pipe 1, the dipole is fed through two wires 15. Below the dipole 13, an element 14 is symmetrically mounted, which is shaped to fit for feeding into pipe 1 mods E ₀₁ . The element 14, in turn, is fed from line 16. Lines 15 and 16 pass through the sealing seal 12 and are connected to the circuits and cables (not shown) of the measuring device. Two lines 15 are connected to a balancing device, so they are powered in antiphase. This automatically isolates between lines 15 and a single line 16, which is fed as a coaxial line, while part of the cover 10 is used as its second part. With the appropriate choice of form parameters for matching, it is obvious that basically the same scheme will work both in the case of two modes (H ₁₁ and E ₀₁ ), and in the case of any one of these two modes. Antennas and exciting elements 13-16 can be performed on a printed circuit board, which is shown by a dashed line 17.

Таким образом, обеспечивается возможность производить два независимых измерения, и на основе результатов этих измерений можно получить не только значение уровня, но также и диаметр трубы 1, например, эффективный или средний диаметр - см. уравнение (4). Один из способов осуществить это заключается в использовании такого соединения волновода, которое дает две моды, и в использовании того факта, что если моды сильно различаются, то групповые скорости для таких двух мод могут достаточно отличаться друг от друга, чтобы разделить эхо-сигналы во времени для импульсной системы или по частоте для НСЧМ-системы.Thus, it is possible to make two independent measurements, and based on the results of these measurements, you can get not only the level value, but also the pipe diameter 1, for example, effective or average diameter - see equation (4). One way to do this is to use such a waveguide connection that gives two modes, and to use the fact that if the modes are very different, then the group velocities for these two modes can be quite different from each other to separate the echo signals in time for a pulsed system or in frequency for an LFM system.

Приемник блока 4 на фиг.1 можно приспособить для выделения (т. е. распознавания) частей принятого микроволнового сигнала первой и второй мод, основываясь на разном времени поступления этих частей сигнала в приемник. В этом случае устройство питания волновода имеет два соединения (или несколько соединений), выполненных для связи с различными модами. При этом либо высокочастотный переключатель подключает моды последовательно, либо предусматривается двойное число узлов приемника и передатчика, чтобы позволить производить измерение двух (или нескольких) мод.The receiver of block 4 in FIG. 1 can be adapted to isolate (i.e., recognize) parts of the received microwave signal of the first and second modes, based on the different arrival times of these parts of the signal to the receiver. In this case, the waveguide power supply device has two connections (or several connections) made for communication with various modes. In this case, either a high-frequency switch connects the modes in series, or a double number of nodes of the receiver and transmitter is provided to allow measurement of two (or several) modes.

Указанные части микроволнового сигнала могут иметь существенно различное время распространения, что позволяет осуществить их последовательное обнаружение. В противном случае передатчик блока 4 можно приспособить для последовательной передачи первой и второй мод микроволнового сигнала.These parts of the microwave signal can have significantly different propagation times, which allows for their sequential detection. Otherwise, the transmitter of block 4 can be adapted for serial transmission of the first and second modes of the microwave signal.

В качестве альтернативного варианта передатчик блока 4 применяют для передачи микроволнового сигнала посредством спектрально разделенных первой и второй мод. Таким образом, устройство питания волновода выполняет разную функцию для различных частот, давая одну моду в одном частотном интервале, а другую - в другом частотном интервале.Alternatively, the transmitter of block 4 is used to transmit a microwave signal through spectrally separated first and second modes. Thus, the waveguide power supply device performs a different function for different frequencies, giving one mode in one frequency interval and another in a different frequency interval.

Как вариант, устройство обработки сигнала можно приспособить (если диаметр трубы известен) для вычисления диэлектрической постоянной газа, находящегося над уровнем жидкости, на основе принятых и выделенных частей микроволнового сигнала, принимаемого в режиме первой и второй мод.Alternatively, the signal processing device can be adapted (if the pipe diameter is known) to calculate the dielectric constant of the gas above the liquid level, based on the received and extracted parts of the microwave signal received in the first and second mode modes.

На фиг.8а, 8b показан другой вариант питания волновода, который подходит для передачи микроволнового сигнала посредством мод H₀₁ и E₀₁. Труба 1, крышка 10 и уплотнение 11 подобны аналогичным деталям в варианте осуществления, представленном на фиг.7а, 7b. Наиболее важным элементом системы питания является антенное устройство, обычно формируемое посредством печатной платы 20. Печатная плата запитывается от коаксиальной линии 21 (показана только ее наружная часть). Печатная плата 20 несет на себе четыре полуволновых (λ/2) диполя 25, которые питаются синфазно (т.е. соединены параллельно посредством неизображенных радиальных проводников), создавая электрические поля с направлениями, показанными стрелками. Таким образом, указанные диполи могут осуществлять эффективную связь с модой H₀₁, распространяющейся в волноводе. Расстояние от печатной платы 20 до крышки 10 составляет около λ/4. Наружная сторона коаксиальной питающей линии 21, в свою очередь, находится внутри другой коаксиальной линии, имеющей изоляцию 23 и экран 24. Данная коаксиальная линия осуществляет питание для моды E₀₁, генерируемой элементом 24 и элементами рисунка печатной платы 20. Изоляция 23, 22 является герметизирующим уплотнением. Механическое крепление изоляции 22 и 23 не показано.On figa, 8b shows another variant of the supply of the waveguide, which is suitable for transmitting a microwave signal through modes H ₀₁ and E ₀₁ . Pipe 1, cap 10 and seal 11 are similar to similar parts in the embodiment shown in FIGS. 7a, 7b. The most important element of the power supply system is the antenna device, usually formed by the printed circuit board 20. The printed circuit board is fed from the coaxial line 21 (only its outer part is shown). The printed circuit board 20 carries four half-wave (λ / 2) dipoles 25, which are in-phase (i.e. connected in parallel by unimaged radial conductors), creating electric fields with the directions shown by arrows. Thus, these dipoles can effectively communicate with the H ₀₁ mode propagating in the waveguide. The distance from the printed circuit board 20 to the cover 10 is about λ / 4. The outer side of the coaxial supply line 21, in turn, is located inside another coaxial line having an insulation 23 and a shield 24. This coaxial line provides power for mode E ₀₁ generated by the element 24 and the pattern elements of the printed circuit board 20. The insulation 23, 22 is a sealing seal. Mechanical fastening of insulation 22 and 23 is not shown.

На фиг.9а-9с показан вариант построения питания волновода для создания микроволнового сигнала с модами H₀₁ и Н₁₁. Антенный элемент 30, например, в форме печатной платы, содержит четыре диполя 33, которые запитываются четырьмя коаксиальными кабелями 32 через уплотнение 31. Снаружи контейнера эти четыре кабеля питаются через цепь связи, обозначенную на фиг.9с как 34. Данная цепь связи располагается снаружи контейнера, хотя может располагаться и на антенном элементе 30. Цепь 34 связи (питания) состоит из четырех стандартных гибридных цепей, которые могут создавать три различные моды распространения в волноводе. Самый верхний вход создает моду H₀₁ посредством четырех диполей, направленных так, как это показано сплошными стрелками на фиг.9b. Каждый из двух других входов создает моду Н₁₁ с правой круговой поляризацией или с левой круговой поляризацией, причем различные направления поляризации используются для передачи и приема моды Н₁₁.On figa-9c shows a variant of building a waveguide power to create a microwave signal with modes H ₀₁ and H ₁₁ . The antenna element 30, for example, in the form of a printed circuit board, contains four dipoles 33, which are fed by four coaxial cables 32 through the seal 31. Outside the container, these four cables are fed through the communication circuit, indicated in FIG. 9c as 34. This communication circuit is located outside the container , although it can also be located on the antenna element 30. The communication (supply) circuit 34 consists of four standard hybrid circuits that can create three different propagation modes in the waveguide. The uppermost input creates mode H ₀₁ by means of four dipoles directed as shown by the solid arrows in Fig. 9b. Each of the other two inputs creates an H ₁₁ mode with right circular polarization or with left circular polarization, and different polarization directions are used to transmit and receive the H ₁₁ mode.

Каждое из питающих устройств, представленных на фиг.7-9, может содержать воронку (не показана) в трубе 1 для перехода на диаметр трубы 1. Воронка может быть подвешена в трубе 1, как это упомянуто в патенте США №4641139, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки на него.Each of the feeding devices shown in FIGS. 7-9 may comprise a funnel (not shown) in the pipe 1 to transition to the diameter of the pipe 1. The funnel can be suspended in the pipe 1, as mentioned in US Pat. No. 4,641,139, the contents of which are included in the present description by reference to it.

Ниже, в Таблице 2, приведены значения ослабления для некоторых предпочтительных сочетаний центральной частоты и диаметра трубы для четырех мод H₁₁/Е₀₁/Н₀₁/Н₀₂ распространения в волноводе. Значения ослабления для длины трубы, превышающей 25 м (т.е. для длины хода 2×25 м), приведены для упомянутых четырех мод в указанном порядке, в децибелах, и разделены косой чертой.Table 2 below shows the attenuation values for some preferred combinations of center frequency and tube diameter for the four modes of propagation in the waveguide H ₁₁ / E ₀₁ / H ₀₁ / H ₀₂ . The attenuation values for pipe lengths exceeding 25 m (i.e., for a stroke length of 2 × 25 m) are given for the four modes in the indicated order, in decibels, and are separated by a slash.

Следует обратить внимание на то, что значения, приведенные в Таблице 2, лишь иллюстрируют конкретные примеры. В качестве основной моды, распространяющейся в волноводе, теоретически можно использовать любые моды. Различные моды приведены в уравнениях (2) и (3), а также в Таблице 1. Однако представляется, что две из приведенных в Таблице 2 комбинаций обладают особенно предпочтительными свойствами.It should be noted that the values given in Table 2 only illustrate specific examples. Theoretically, any mode can be used as the main mode propagating in a waveguide. The various modes are shown in equations (2) and (3), as well as in Table 1. However, it seems that two of the combinations shown in Table 2 have particularly preferred properties.

Комбинация H ₀₂/E₀₁ в трубе диаметром 100 мм, в которой используется частота около 10 ГГц, полезна, поскольку используются две моды, обладающие вращательной симметрией. При этом вследствие того, что мода Н₀₁ (аналогичная более известной моде Н₀₁) фактически независима от состояния стенок трубы, а мода E₀₁ отстоит далеко от критической частоты, режим распространения подобен режиму распространения в трубе для традиционных радарных измерителей уровня.The combination H ₀₂ / E ₀₁ in a pipe with a diameter of 100 mm, which uses a frequency of about 10 GHz, is useful because two modes with rotational symmetry are used. Moreover, due to the fact that the H ₀₁ mode (similar to the more well-known H ₀₁ mode) is practically independent of the state of the pipe walls, and the E ₀₁ mode is far from the critical frequency, the propagation mode is similar to the propagation mode in a pipe for traditional radar level meters.

Комбинация Н ₁₁/Е₀₁ в трубе диаметром 100 мм, в которой используется частотный диапазон, близкий к 2,5 ГГц (например, диапазон 2,4-2,5 ГГц, отведенный для промышленных, научных и медицинских целей), позволяет использовать более низкую частоту, которая менее чувствительна к механическим особенностям трубы (например, таким как отверстия, места соединения) и которая обеспечивается более дешевой микроволновой аппаратурой.The combination of H ₁₁ / E ₀₁ in a pipe with a diameter of 100 mm, which uses a frequency range close to 2.5 GHz (for example, the range 2.4-2.5 GHz reserved for industrial, scientific and medical purposes), allows you to use more low frequency, which is less sensitive to the mechanical characteristics of the pipe (for example, such as holes, junction points) and which is provided by cheaper microwave equipment.

Наконец, из Таблицы 2 видно, что если применять более короткие трубы (многие сферические резервуары для сжиженного газа имеют высоту всего 10-15 м), то появляется возможность использовать трубы меньшего диаметра и другие моды, не создавая при этом очень большого ослабления (которое пропорционально длине трубы).Finally, Table 2 shows that if shorter pipes are used (many spherical tanks for liquefied gas have a height of only 10-15 m), it becomes possible to use pipes of smaller diameter and other modes without creating very large attenuation (which is proportional pipe length).

Таблица 2table 2

Ослабление в трубах из нержавеющей стали (сопротивление на частоте 10 ГГц составляет 0,5 Ом на квадрат) на длине хода 2×25 м для четырех мод в волноводе H₁₁/E₀₁/H₀₁/H₀₂ для различных вариантов частоты и диаметра трубы. HP означает «нет распространения» (отсечка); НП означает «не применяется», т.е. невозможно распространение ни одной из мод; мода, для которой выполняется условие ослабления в 1,41 раза, подчеркнута; наиболее предпочтительные двухмодовые комбинации показаны путем подчеркивания одной из них - это указывает на ту моду, для которой должно быть выполнено условие ослабления в 1,41 раза. Указанные частоты приведены лишь приблизительно, и их точные значения могут несколько отличаться, чтобы выполнялось условие ослабления в 1,41 раза.Attenuation in stainless steel pipes (resistance at a frequency of 10 GHz is 0.5 Ohms per square) at a travel length of 2 × 25 m for four modes in a waveguide H ₁₁ / E ₀₁ / H ₀₁ / H ₀₂ for various options of frequency and diameter of the pipe . HP means “no spread” (cut-off); NP means “not applicable”, i.e. it is impossible to distribute any of the modes; a mode for which a weakening condition of 1.41 times is fulfilled is emphasized; the most preferred two-mode combinations are shown by underlining one of them - this indicates the mode for which the attenuation condition of 1.41 times should be fulfilled. The indicated frequencies are given only approximately, and their exact values may differ slightly, so that the attenuation condition is met by 1.41 times.

ЧастотаFrequency 2,5 ГГц2.5 GHz 5 ГГц5 GHz 10 ГГц10 GHz Диаметр трубыPipe diameter Ослабление в дБ не менееAttenuation in dB no less than Ослабление в дБ не менееAttenuation in dB no less than Ослабление в дБ не менееAttenuation in dB no less than 100 мм100 mm 7/15/НР/НР7/15 / NR / NR 5/9/6/НР5/9/6 / HP 5/12/2/75/12/2/7 H₁₁/Е₀₁ H ₁₁ / E ₀₁ H₀₁/Е₀₁ H ₀₁ / E ₀₁ H₀₂/E₀₁ H ₀₂ / E ₀₁ 50 мм50 mm НПNP 21/41/НР/НР21/41 / NR / NR 13/26/18/НР13/26/18 / HP H₀₁/Н₁₁ H ₀₁ / H ₁₁ 25 мм25 mm НПNP НПNP (59/115/НР/НР)(59/115 / NR / NR)

В этих примерах предполагается, что для обеих мод используется одна и та же частота, что обычно подразумевает, например, наличие какого-то разделения посредством переключателя или использования раздельных каналов передатчика или приемника. Очевидно, что можно использовать различные частоты, что сделает систему более похожей на два раздельных микроволновых модуля (или на один с широкой перестройкой), подсоединенных к одной трубе, с совместной обработкой частей сигнала. В этом случае для разделения сигналов можно использовать функцию фильтрации и предусмотреть возбудитель мод для формирования различных мод для различных частот. Измеряя микроволновый сигнал на двух модах независимо одна от другой, можно определить свойства трубы и среды в контейнере и компенсировать их. Для получения хороших результатов, моды можно выбирать так, чтобы возмущение микроволнового сигнала на одной моде было значительным, в то время как возмущение микроволнового сигнала на другой моде было очень слабым.In these examples, it is assumed that the same frequency is used for both modes, which usually implies, for example, some kind of separation by means of a switch or the use of separate channels of a transmitter or receiver. Obviously, it is possible to use different frequencies, which will make the system more like two separate microwave modules (or one with wide tuning) connected to one pipe, with joint processing of signal parts. In this case, to separate the signals, you can use the filtering function and provide a mode exciter to form different modes for different frequencies. By measuring the microwave signal in two modes independently of one another, one can determine the properties of the pipe and the medium in the container and compensate for them. To obtain good results, the modes can be chosen so that the perturbation of the microwave signal on one mode is significant, while the perturbation of the microwave signal on the other mode is very weak.

Желательно, чтобы устройство обработки сигнала блока 4 было приспособлено для вычисления на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволновых сигналов для каждой моды уровня жидкости в контейнере и для определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере на основе вычисленных значений уровней жидкости в контейнере.It is desirable that the signal processing unit of block 4 be adapted to calculate, based on the propagation time of the transmitted and reflected microwave signals for each liquid level mode in the container, and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on the calculated values of the liquid levels in the container .

В другом варианте устройство обработки сигнала блока 4 приспосабливают для вычисления ослабления выделенных частей микроволнового сигнала, прием которых осуществляется в виде различных первой и второй мод, и для определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере на основе вычисленного ослабления указанных выделенных частей микроволнового сигнала.In another embodiment, the signal processing device of block 4 is adapted to calculate the attenuation of the selected parts of the microwave signal, which are received in the form of different first and second modes, and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on the calculated attenuation of these selected parts of the microwave signal.

Одно или несколько свойств трубы или среды в контейнере могут представлять собой любой поперечный размер трубы, вариацию поперечного размера вдоль длины трубы, степень соосности трубы, присутствие загрязняющих веществ, особенно твердых или жидких углеводородов на внутренних стенках трубы, и присутствие тумана в газе. Моды с различными свойствами можно использовать для выявления различных параметров.One or more properties of the pipe or medium in the container can be any transverse dimension of the pipe, variation of the transverse dimension along the length of the pipe, degree of alignment of the pipe, the presence of contaminants, especially solid or liquid hydrocarbons on the inner walls of the pipe, and the presence of fog in the gas. Mods with different properties can be used to identify various parameters.

На фиг.10-12 представлены графики зависимости обратной групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа соответственно для мод Н₁₁ (фиг.10), E₀₁ (фиг.11) и H₀₁ (фиг.12) микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами с различными диэлектрическими постоянными ε и имеющем на своих внутренних стенках диэлектрические слои различной толщины t. Диэлектрическая постоянная диэлектрического слоя задана равной 2,5, что является типичным значением для масляного слоя.Figure 10-12 presents graphs of the inverse group velocity normalized to the group velocity in vacuum, on the wave number for the modes H ₁₁ (figure 10), E ₀₁ (figure 11) and H ₀₁ (figure 12) of the microwave radiation in a waveguide filled with gases with different dielectric constants ε and having dielectric layers of various thicknesses t on its internal walls. The dielectric constant of the dielectric layer is set to 2.5, which is a typical value for the oil layer.

Следует обратить внимание, что поведение кривых одинаково для газового заполнения и для диэлектрического слоя (газ с диэлектрической постоянной ε=1,03 дает в грубом приближении такую же кривую, что и слой масла толщиной 1 мм). Для моды Н₁₁ тонкий диэлектрический слой ведет себя подобно газу, однако более толстый слой сдвигает точку пересечения нуля в сторону меньших волновых чисел. Для моды E₀₁ чувствительность к диэлектрическому слою несколько выше, в то время как на моду H₀₁ диэлектрический слой оказывает очень незначительное влияние.It should be noted that the behavior of the curves is the same for gas filling and for the dielectric layer (gas with a dielectric constant ε = 1.03 gives, in a rough approximation, the same curve as a 1 mm thick oil layer). For mode H _{11, a} thin dielectric layer behaves like a gas, but a thicker layer shifts the zero crossing point to lower wave numbers. For the E ₀₁ mode, the sensitivity to the dielectric layer is slightly higher, while the dielectric layer has a very insignificant effect on the H ₀₁ mode.

Таким образом, различие в чувствительности к диэлектрическому слою дает возможность оценивать масляный слой (например, его среднюю толщину или диэлектрическую постоянную) и возможность вводить на него поправку.Thus, the difference in sensitivity to the dielectric layer makes it possible to evaluate the oil layer (for example, its average thickness or dielectric constant) and the ability to introduce a correction to it.

Наконец, установленное в трубе 1 реактивное сопротивление (в виде штыря 7) может быть рассчитано так, чтобы давать существенно более сильное отражение микроволнового сигнала для одной моды, чем для другой моды. Данное реактивное сопротивление можно выполнить в виде короткого металлического штыря, соосного с трубой 1 и поддерживаемого полосой из фторопласта (ПЭТФ) (полосе придается такая форма, чтобы не было отражения моды Н₁₁). Такое устройство может использоваться для получения опорного отраженного сигнала от известной в механической конструкции точки для моды E₀₁ и очень слабого отражения для моды Н₁₁.Finally, the reactance installed in the pipe 1 (in the form of pin 7) can be calculated so as to give a significantly stronger reflection of the microwave signal for one mode than for the other mode. This reactance can be made in the form of a short metal pin coaxial with pipe 1 and supported by a strip of fluoroplastic (PET) (the strip is shaped so that there is no reflection of the H ₁₁ mode). Such a device can be used to obtain a reference reflected signal from a point known in the mechanical structure for mode E ₀₁ and very weak reflection for mode H ₁₁ .

Claims

1. A device for high-precision measurement of the liquid level in a container, above the surface of which there is a gas having a dielectric constant, the value of which lies in a predetermined range of values, containing a transmitter (4, 5, 9) for transmitting a microwave signal in the form of a first mode into a pipe ( 1) through the specified gas in the direction of the surface of the liquid, while the walls of the pipe are provided with holes that provide for the liquid in the container to flow into the pipe and flow out of it in the transverse direction to support Nia single liquid level inside and outside the tube; a receiver (4, 5, 9) for receiving a microwave signal reflected from the surface of the specified liquid and passed through the pipe in the opposite direction; and a signal processing device for calculating the liquid level in the container based on the propagation time of the transmitted and reflected microwave signal, characterized in that the transmitter is configured to transmit a microwave signal in the frequency band within which the group velocity of the microwave signal for the first mode propagating in the pipe is essentially independent of the dielectric constant from the specified predetermined range of values.

2. The device according to claim 1, characterized in that the transmitter is configured to transmit a microwave signal in a frequency band that includes a frequency spaced from the optimum frequency f _{opt by} less than 7%, the optimal frequency being determined by the formula

where f _c0 is the critical frequency of the indicated first mode during its propagation in the pipe in vacuum, and ε is the central value of the dielectric constant from the indicated range of values of the dielectric constant.

3. The device according to claim 2, characterized in that said frequency is less than 5%, preferably less than 3%, more preferably less than 2%, more preferably less than 1%, from the optimum frequency f _opt .

4. The device according to claim 3, characterized in that said frequency is equal to the optimum frequency f _opt .

5. The device according to claim 2, characterized in that in the indicated frequency band there is a central frequency that is less than 7% from the optimal frequency f _opt .

6. The device according to claim 5, characterized in that said center frequency is less than 5%, preferably less than 3%, more preferably less than 2%, most preferably less than 1%, from the optimum frequency f _opt .

7. The device according to claim 1, characterized in that the specified range of values of the dielectric constant is approximately 1-1.03.

8. The device according to claim 1, characterized in that said liquid is a liquefied gas, and said gas is a liquefied gas in gaseous form, wherein the liquefied gas is stored in a container at overpressure.

9. The device according to claim 1, characterized in that the pipe (1) has a rectangular cross section.

10. The device according to claim 1, characterized in that the pipe (1) has a circular cross section.

11. The device according to claim 10, characterized in that the first mode on which the transmitter (4, 5, 9) is configured to transmit a microwave signal to the pipe (1) is any of the following modes: H ₁₁ , H ₀₁ and H ₀₂ .

12. The device according to claim 11, characterized in that the pipe has a diameter of about 100 mm, and the transmitter is configured to transmit a microwave signal in the form of any of the following modes at the indicated frequencies: mode H ₁₁ at a frequency of about 2.5 GHz, mode H ₀₁ at a frequency of about 5 GHz and H ₀₂ modes at a frequency of about 10 GHz.

13. The device according to claim 11, characterized in that the pipe has a diameter of about 50 mm, and the transmitter is configured to transmit a microwave signal in the form of mode H ₀₁ at a frequency of about 10 GHz.

14. The device according to claim 1, characterized in that the transmitter is configured to transmit a microwave signal in the form of a second mode into the pipe (1) through the gas in the direction of the liquid surface, and the receiver (4, 5, 9) is configured to receive a microwave signal reflected from the surface of the liquid and passed through the pipe in the opposite direction in the form of the specified second mode, and to highlight parts of the microwave signal received in the form of different, i.e. first and second, mod.

15. The device according to 14, characterized in that the pipe (1) has a circular cross section, and the second mode is any of the following modes: E ₀₁ or H ₁₁ .

16. The device according to 14, characterized in that the receiver is configured to isolate parts of the microwave signal, received in the form of different, i.e. first and second, mod, based on different times of receipt of these parts in the receiver.

17. The device according to clause 16, wherein the transmitter is configured to transmit a microwave signal in series in the form of a first and second mode.

18. The device according to 14, characterized in that the transmitter is configured to transmit a microwave signal in the form of a first and second mode with spectral separation of the modes.

19. The device according to 14, characterized in that the signal processing device is configured to calculate the dielectric constant of the gas located above the liquid level, based on the received and selected parts of the microwave signal, which is received in the form of different, i.e. first and second, mod.

20. The device according to 14, characterized in that the signal processing device is configured to calculate the size of the pipe in its cross section based on the specified received and selected parts of the microwave signal, which is received in the form of different, i.e. first and second, mod.

21. The device according to claim 20, characterized in that the pipe has a round cross section, and the calculated size in its cross section is the average diameter of the pipe in the propagation section of the microwave signal to the point of reflection from the surface of the liquid.

22. The device according to p. 14, characterized in that the signal processing device is configured to calculate the liquid level in the container based on the propagation time of the specified second mode of the transmitted and reflected microwave signal and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on the calculation of liquid levels in the container, as well as to use the results of determining the specified one or more properties when calculating the specified value of the liquid level in the circuit Nere.

23. The device according to 14, characterized in that the signal processing device is configured to calculate the attenuation of these selected parts of the microwave signal, which are received in the form of different, i.e. the first and second modes, and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on the calculation data of attenuation of the selected parts of the microwave signal, as well as to use the results of determining the specified one or more properties when calculating the specified value of the liquid level in the container.

24. The device according to p. 22, characterized in that the one or more properties of the pipe and the medium in the container are the size of the pipe in its cross section, the size variation in the cross section along the length of the pipe, the measure of the alignment of the pipe, the presence of contaminants on the inner walls of the pipe substances, especially solid or liquid hydrocarbons, or the presence of fog in said gas.

25. The device according to item 22, wherein the reflective reactance is installed in said pipe to obtain a substantially stronger reflection of one of the microwave signal modes compared to the other mode.

26. The device according to claim 1, characterized in that the microwave signal is a continuous signal with frequency modulation (LFMS).

27. The device according to claim 1, characterized in that the microwave signal is a pulsed radar signal.

28. The device according to any one of claims 1 to 27, characterized in that the transmitter is configured to transmit the specified microwave signal in an adjustable frequency band.

29. A method of high-precision measurement of the level of a liquid in a container, above which there is a gas having a dielectric constant, the value of which lies in a predetermined range of values, while a pipe is installed in the container with radial openings that allow liquid in the container to flow into the pipe and flow out from it in the transverse direction to maintain a single liquid level inside and outside the pipe, characterized in that it includes the following operations: determine the first led ichina representing the inner dimension of said pipe; on the basis of the indicated first value, a frequency band is determined within which the group propagation velocity of the microwave signal in the tube in the form of the first mode is essentially independent of the dielectric constant from a certain range of dielectric constant values; set up the transmitter for operation in the indicated frequency band; a microwave signal in the form of a first mode is transmitted into the pipe through the gas in the direction of the liquid surface in the indicated frequency band; receive in the specified frequency band a microwave signal reflected from the surface of the liquid and passed through the pipe in the opposite direction; determining a second value representing the propagation time of the transmitted and reflected microwave signal; and based on the first and second values, the liquid level in the container is calculated.

30. The method according to clause 29, wherein said frequency band includes a frequency spaced from the optimum frequency f _{opt by} less than 7%, and the optimal frequency is determined by the formula

where f _c0 is the critical frequency of the indicated first mode during its propagation in the pipe, and ε is the central value of the dielectric constant from the indicated range of values of the dielectric constant.

31. The method according to p. 30, characterized in that the frequency is separated from the optimal frequency f _{opt by} less than 7%, preferably less than 5%, more preferably less than 3%, more preferably less than 2% and most preferably less than 1%, or the indicated frequency is equal to the optimal frequency f _opt .

32. The method according to p. 30, characterized in that in the indicated frequency band there is a central frequency that is less than 7% from the optimum frequency f _opt , preferably less than 5%, more preferably less than 3%, still more preferably less than 2% and most preferably less than 1%.

33. The method according to p. 30, characterized in that the specified range of values of the dielectric constant is 1-1,03.

34. The method according to clause 29, wherein said liquid is a liquefied gas, and said gas is a liquefied gas in gaseous form, while the liquefied gas is stored in a container at overpressure.

35. The method according to clause 29, wherein the first mode on which the transmitter (4, 5, 9) is adapted to transmit a microwave signal to the pipe (1) is any of the following modes: H ₁₁ H ₀₁ and H ₀₂ .

36. The method according to any one of paragraphs.29-35, characterized in that the microwave signal in the form of a second mode is transmitted to the pipe (1) through the specified gas in the direction of the surface of the liquid; receive a microwave signal reflected from the surface of the liquid and passed through the pipe in the opposite direction in the form of a second mode; and isolate parts of the microwave signal received in the form of different, i.e. first and second, mod.

37. A device for measuring the level of a liquid in a container, above which there is a gas containing a transmitter (4, 5, 9) for transmitting a microwave signal into the pipe through the gas in the direction of the surface of the liquid; a receiver (4, 5, 9) for receiving a microwave signal reflected from the surface of the specified liquid and passed through the pipe in the opposite direction; and a signal processing device for calculating the liquid level in the container based on data on the propagation time of the transmitted and reflected microwave signal, characterized in that the transmitter is configured to transmit the microwave signal in the form of at least two different modes in the frequency band within which said microwave signal may propagate in the tube in the form of said at least two different modes; the receiver is configured to receive the microwave signal in the form of at least two different modes and to extract parts of the microwave signal received in the form of different, i.e. first and second, mod.

38. The device according to clause 37, wherein the signal processing device is configured to calculate the liquid level in the container based on the propagation time of each mode of the transmitted and reflected microwave signal and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on data for calculating the liquid levels in the container, as well as for using the results of determining the specified one or more properties to calculate the specified value of the liquid level in the container.

39. The device according to clause 37, wherein the signal processing device is configured to calculate the attenuation of these selected parts of the microwave signal, which are adopted in the form of various of the specified at least two modes and to determine one or more properties of the pipe or medium in the container based on the calculation data of the attenuation of these selected parts of the microwave signal, as well as to use the results of determining the specified one or more properties to calculate the specified value liquid level in the container.

40. The device according to § 38, characterized in that the one or more properties of the pipe and the medium in the container represent the size of the pipe in its cross section, the size variation in the cross section along the length of the pipe, the measure of the alignment of the pipe, the presence of contaminants substances, especially solid or liquid hydrocarbons, or the presence of fog in said gas.

41. A device according to any one of claims 37-40, characterized in that a reflective reactance is installed in the pipe in order to obtain a substantially stronger reflection of one of the at least two different modes of the microwave signal compared to the other one of at least at least two different mods.

42. A method of measuring the level of a liquid in a container, above which there is a gas, including the steps of transmitting through a gas to the pipe in the direction of the liquid surface of the microwave signal; receiving a microwave signal reflected from the surface of the liquid and passed through the pipe in the opposite direction; computing based on the propagation time of the transmitted and reflected microwave signal, the liquid level in the container, characterized in that said microwave signal is transmitted in the form of at least two different modes in a frequency band that allows the microwave signal to propagate in the pipe in the form of at least two different modes; microwave signal reception is carried out in the form of said at least two different modes; parts of the microwave signal received in the form of at least two of these various modes are isolated.