專利名稱：填充物位確定系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雷達物位計系統(tǒng)，該雷達物位計系統(tǒng)使用例如Goubau型單線的波導來確定包含在容器中的產品的填充物位。
背景技術：
雷達物位計(radar level gauge, RLG)系統(tǒng)廣泛用于確定包含在容器(例如儲罐)中的產品的填充物位(filling level).雷達物位計量一般通過向包含在容器中的產品輻射電磁信號的非接觸式測量，或通過像探針那樣的起波導作用的探針將電磁信號引向和引入產品、通常稱為導波雷達(GWR)的接觸式測量來進行。探針一般被設置成從容器的頂部朝容器的底部垂直延伸。探針也可以設置在測量管，即所謂的馬籠頭中，該測量管連接到容器的外壁，并且與容器的內部流體連通。發(fā)射的電磁信號在產品的表面上被反射，并且反射信號被包含在雷達物位計系統(tǒng)中的接收器或收發(fā)器接收。根據發(fā)射信號和反射信號，可以確定到產品表面的距離。更具體地，到產品表面的距離一般根據電磁信號的發(fā)射與它在容器中的氣氛與包含在其中的產品之間的界面上反射的接收之間的時間來確定。為了確定產品的實際填充物位，根據上述時間(所謂的飛行時間)和電磁信號的傳播速度確定從基準位置到表面的距
1 O當前在市場上銷售的大多數(shù)雷達物位計系統(tǒng)是根據脈沖的發(fā)射與它在產品表面上反射的接收之間的時間差確定到包含在容器中的產品的表面的距離的所謂脈沖式雷達物位計系統(tǒng)，或根據發(fā)射調頻信號與它在表面上的反射之間的相差確定到表面的距離的系統(tǒng)。后一種類型的系統(tǒng)一般稱為FMCW(調頻連續(xù)波)型。在任何情況下，傳播的電磁信號通常不僅在由氣氛與表面之間的界面構成的阻抗轉變部分(impedance transition)上被反射，而且在信號遇到的幾個其它阻抗轉變部分上被反射。這樣的阻抗轉變部分可能例如由容器中的固定結構，或者在GWR系統(tǒng)的情況下，隨著產品的填充物位在容器內發(fā)生變化而可能粘附在探針上的產品殘留物造成。因此，存在系統(tǒng)試圖根據錯誤的反射信號確定填充物位的特定風險。當容器內的產品具有與容器中的氣氛相似的信號傳播特性時，情況尤其這樣。這導致小的阻抗轉變，于是導致相對較弱的回波信號。產生相對較弱回波信號的產品的例子是液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、基于油的產品、像塑料小球或顆粒那樣的固體等。除了具有低反射率之外， 這些液體對于雷達波來說是透明的，因此，表面之下的回波也可通過表面看見，并且可能干擾表面回波。典型的雷達物位計量系統(tǒng)可以區(qū)分至少相隔幾分米到半米的回波，并且對于在這樣的距離上具有小衰減(幾dB)的液體，接近的回波可能混合在一起，在表面移動的時候導致測量距離的誤差相當大。降低這種錯誤確定填充物位的風險的一種方式是當容器空著時進行基準填充物位測量。這種基準填充物位測量的典型結果是干擾回波分布，其中代表可能出現(xiàn)在容器中的干擾的回波可見。這種干擾回波分布可以用于修正在正常測量條件下獲得的回波分布。例如，對于脈沖式RLG系統(tǒng)，可以從在正常測量條件下獲得的回波分布中減去至少一部分干擾回波分布。但是，容器中的條件一般以這樣的方式隨時間而變現(xiàn)有干擾發(fā)生移動，和/或像例如在GWR測量的情況下粘附在探針上的像油那樣的材料團的新干擾回波源加入進來。當容器不是空著的時候，這樣的可變條件可以通過在正常測量條件期間確定干擾回波分布而被考慮進來。但是，由于產品表面之上的氣氛中的相對穩(wěn)定傳播特性，所以只能在包含在容器中的產品的表面之上可靠地確定這樣的干擾回波分布。US 6078280公開了一種確定包含在容器中的產品的表面之上的干擾回波分布的方法，牽涉到自動確定定義新獲取回波分布的哪個部分用于更新以前存儲的干擾回波分布的轉變點。根據US 607擬80，這個轉變點是根據表面回波信號確定的。但是，在例如存在接近和強干擾回波的情況的某些條件下，可能難以確定表面回波信號，這可能導致當使用公開在US 6078280中的方法時，表面回波信號被包括在干擾回波分布中，從而可能導致不正確的填充物位確定。

發(fā)明內容
鑒于現(xiàn)有技術的上述及其它缺點，本發(fā)明的一般目的是提供一種改進的雷達物位計系統(tǒng)及方法，尤其是能夠以更高精度確定填充物位的雷達物位計系統(tǒng)及方法。根據本發(fā)明的第一方面，這些及其它目的通過一種使用微波測量容器中產品表面的物位的雷達物位計系統(tǒng)來實現(xiàn)，所述雷達物位計系統(tǒng)包括收發(fā)器，用于生成、發(fā)射和接收在一個頻率范圍內的電磁信號；波導，設置成延伸到包含在容器中的產品中，并且將從所述收發(fā)器發(fā)射的信號引向產品的表面，并且將在所發(fā)射電磁信號遇到的阻抗轉變部分上的反射引起的回波信號(包括在表面上的反射引起的表面回波信號)引回到收發(fā)器；處理電路，與所述收發(fā)器連接和設置成根據所發(fā)射電磁信號與所接收電磁信號之間的關系確定表面的物位；接口，用于提供到系統(tǒng)外部的通信和將電力接收到雷達物位計系統(tǒng)；以及多個基準阻抗轉變部分，被設置在沿著波導的已知位置上并被配置成將所發(fā)射電磁信號的一部分反射回到所述收發(fā)器，其中每個基準阻抗轉變部分具有當表面物位在所述基準阻抗轉變部分之上時對電磁信號的第一反射系數(shù)、和當表面物位在所述基準阻抗轉變部分之下時對電磁信號的第二反射系數(shù)，所述第一反射系數(shù)顯著低于所述第二反射系數(shù)。在本申請的上下文中，所述波導是為引導電磁信號而設計的“探針”?？梢允褂脦追N類型的探針，例如，單線(Goubau型)探針或雙線探針。所述探針可以是基本上剛性的或柔性的，可以由像不銹鋼那樣的金屬、像PTFE那樣的塑料、或兩者的組合制成。Goubau型單線可以定義成由具有有限電導率的材料制成的導線或電線(例如不銹鋼)，或被介電層(PTFE等)覆蓋的具有良好電導率的導線(包銅不銹鋼)。與具有很好的電導率的導線相比，Goubau線可以通過導線中的縱向電流支持傳播信號。電磁場具有幾分米的直徑，并且沿徑向指數(shù)衰減。所述“收發(fā)器”可以是能夠發(fā)射和接收電磁信號的一個功能單元，也可以是包括分立的發(fā)射器和接收器單元的系統(tǒng)。所述容器可以是能夠容納產品的任何儲罐或器皿，可以是金屬的，或部分或全部非金屬的，開口的，半開口的，或封閉的。
每個基準阻抗轉變部分的位置是“已知的”意味著以前已經通過任何適當測量技術(例如在制造期間的機械手段)確定了所述位置。例如，可以根據各基準阻抗轉變部分反射的所接收電磁信號確定所述位置，但在受控條件下，例如在生產雷達物位計系統(tǒng)期間， 或在系統(tǒng)已安裝好但探針是干凈的并且儲罐是空的時候。而且，所述基準阻抗轉變部分可以以通?？梢允谴蠹s1-6米的間隔規(guī)則地或不規(guī)則地隔開。尤其，在探針相對較長的情況下(例如探針長于比方說15-20米)，將基準反射器設置成沿著探針不規(guī)則地隔開以避免多次散射的干擾效應也許是有利的。本發(fā)明基于如下認識，S卩，通過使用沿著探針排列在相應已知位置上的多個基準阻抗轉變部分，可以提高填充物位測量的精度。從一般的視角來看，當使用“基于電線”的雷達物位計系統(tǒng)時，將基準阻抗轉變部分用作提高填充物位測量精度的基準。但是，來自表面之下的基準阻抗轉變部分的回波一般降低填充物位測量的精度。但是，根據本發(fā)明，由于多個基準阻抗轉變部分的每一個當填充物位在基準阻抗轉變部分之上時具有第一反射系數(shù)，而當填充物位在基準阻抗轉變部分之下時具有第二反射系數(shù)，所述第一反射系數(shù)顯著低于所述第二反射系數(shù)，通過它們的設計基本上可以過濾掉它們的回波。也就是說，在一個時間點被設置在表面之下的本發(fā)明基準阻抗轉變部分將 “消失”。因此，基準阻抗轉變部分基本上不會提供表面之下的回波，因此，提高了填充物位測量的精度，即，它們基本上不影響回波信號。相比之下，被浸沒并且對于電磁信號不是“不可見”的現(xiàn)有技術基準阻抗轉變部分可能造成，例如，當表面物位很接近地位于基準阻抗轉變部分之上時，由于基準阻抗轉變部分將產生大的反射，所以可能“遮蔽”表面反射的問題。而且，當表面波動時，浸沒的“可見” 基準阻抗轉變部分將隨產品的表面一起成比例地移動。有利的是，生成和發(fā)射電磁信號可以包括對電磁信號調頻。這是例如對于像FMCW 系統(tǒng)那樣的所謂調頻雷達物位計(RLG)系統(tǒng)，和對于將脈沖調制在載波上的所謂脈沖式雷達物位計系統(tǒng)的情況。在一個優(yōu)選實施例中，所述處理電路可以適用于使用發(fā)射電磁信號在至少一個基準阻抗轉變部分上的反射引起的回波信號確定位于填充物位之上的至少一個基準阻抗轉變部分的位置；根據位于填充物位之上的至少一個基準阻抗轉變部分的確定位置和位于填充物位之上的至少一個基準阻抗轉變部分的已知位置確定傳播速度補償因子；接收發(fā)射電磁信號在第一表面物位上的反射引起的第一回波信號；接收發(fā)射電磁信號在第二表面物位上的反射引起的第二回波信號，所述第二表面物位不同于所述第一表面物位；確定第一回波信號與第二回波信號之間的差值；以及根據所述差值和所述傳播速度補償因子確定填充物位。為了產生差值，所述表面物位在接收兩個回波信號中每一個的時間點之間必須輕微波動。當容器處在海洋環(huán)境下(例如，在船上)時，或在將產品泵入容器中和從容器中泵出的時候，可以實現(xiàn)這樣的波動。于是，通過將所確定的傳播速度補償因子和兩個(例如，相繼的)回波信號之間的差值兩者相結合，可以進一步提高填充物位測量的精度。也就是說，所述傳播速度補償因子將被用于補償電磁信號通過被媒體(例如包含在容器中的空氣、氣體或產品)圍繞的波導的速度，所述媒體也影響電磁信號的速度。
但是，本發(fā)明人更進一步認識到，如果可以過濾掉基準阻抗轉變部分引起的回波， 例如，從在包含在容器中的產品的表面上的反射引起的表面回波信號中減去，可以改進補償。所述過濾通過比較兩個不同的(也許是相繼的)回波信號和確定這些回波信號之間的差值，得出差信號來進行。如上所述，所述差信號可以使用所述傳播速度補償因子來補償， 此后，用于確定包含在容器中的產品的填充物位。例如，表面之上的最低基準回波給出已知距離。這個回波與進一步遠離表面并在表面之上的一個或多個基準回波一起允許確定傳播速度補償因子，后面接著考慮到表面之上的基準回波的消除以及不可見浸沒反射器的功能的表面測量。在一個實施例中，GWR類型的本發(fā)明雷達物位計系統(tǒng)可以具有在約0. I-IGHz附近的傳輸頻率范圍。但是，所述頻率范圍也可以在約0.5-1. 5GHz附近。所述頻率范圍 0. I-IGHz大致對應于使用通常Ins長度的半波脈沖的傳統(tǒng)TDR系統(tǒng)。相對帶寬較大(1 10 的數(shù)量級)。也可以使用一個或更多個完整周期的波分組，這樣，相對帶寬以脈沖長度為代價收縮到1 2或1 3。例如，具有基準反射器形式的每個基準阻抗轉變部分可以實現(xiàn)成能夠反射沿著探針行進的電磁信號的結構，并且可以通過探針外部的結構，探針中的內部結構，或兩者的組合來實現(xiàn)。而且，不同基準阻抗轉變部分可以被提供為相同或不同反射結構。于是，在一個實施例中，多個基準阻抗轉變部分的至少一個可以包括設置成基本上包圍一部分波導的金屬或介電材料的圓筒。但是，也可以替代或另外使用包括附著在波導上的也由金屬或介電材料制成的板的至少一個基準阻抗轉變部分。在本申請的上下文中，如果相鄰基準阻抗轉變部分之間的距離的標準偏差大于雷達物位計系統(tǒng)的可達到距離分辨率的四分之一，所述基準阻抗轉變部分應該理解成被不規(guī)則地隔開。對于脈沖長度為Ins的脈沖式GWR型的示范性雷達物位計系統(tǒng)，距離分辨率是大約150mm，也就是說，為了能夠區(qū)分兩個相鄰回波信號，這些回波信號應該由相隔至少 150mm的阻抗轉變部分上的反射引起。對于這樣的系統(tǒng)，上述標準偏差因此應該至少是 150/4 = 37. 5mm。實際上，所述標準偏差優(yōu)選地應該稍大些，例如高于50mm，尤其對于具有大量(多于大約20個)基準反射器的長探針(長于大約20m)。這將有效地降低來自不同基準阻抗轉變部分的反射之間的共同作用和多次反射的影響，并且使間隔更小和/或基準阻抗轉變部分的數(shù)量更大。因此，多個基準阻抗轉變部分的至少一個可以包括附著在波導上的兩個金屬片 (或相應成形的一個金屬片)，其中這兩個片關于所發(fā)射和所接收電磁信號的頻率范圍分開λ/4的距離。另外或可替代地，多個基準阻抗轉變部分的至少一個可以包括水平附著在波導上并被成形為在容器中的產品的表面之上給出一個共振頻率和在表面之下給出一個較低共振頻率的沖壓板。在這種情況下，所述共振頻率可以設計成當基準阻抗轉變部分在表面之下時避開所使用的頻帶。所述接口可以適用于以固有安全方式(通常借助于電子屏障)接收電力。所述接口可以是雙線接口，設置成既向遠程位置發(fā)送測量數(shù)據又接收系統(tǒng)工作電力。例如，所述接口可以是數(shù)字通信疊加在上面的4-20mA工業(yè)環(huán)路(HART)、Fieldbus inundation總線、或 ftx)fibUS。這樣的環(huán)路廣泛用于對雷達物位計供電?？商娲?，所述接口可以是四線接口。還應該注意，雷達物位計系統(tǒng)的雙線接口可以設置成既向遠程位置發(fā)送測量數(shù)據又接收雷達物位計系統(tǒng)的工作電力。另外，所述雷達物位計系統(tǒng)可以進一步包括電流控制單元，適用于根據測量的物位調節(jié)雙線接口中的電流。根據本發(fā)明的第二方面，上述及其它目的通過借助于雷達物位計系統(tǒng)確定包含在容器中的產品的填充物位的方法來實現(xiàn)，所述雷達物位計系統(tǒng)包括收發(fā)器，用于生成、發(fā)射和接收在一個頻率范圍內的電磁信號；波導，設置成延伸到包含在容器中的產品中，將從所述收發(fā)器發(fā)射的信號引向產品的表面，和將包括在表面上的反射引起的表面回波信號、 在所發(fā)射電磁信號遇到的阻抗轉變部分上的反射引起的回波信號引回到收發(fā)器；處理電路，與所述收發(fā)器連接并設置成根據所發(fā)射電磁信號與所接收電磁信號之間的關系確定表面的物位；接口，用于提供到系統(tǒng)外部的通信和將電力接收到雷達物位計系統(tǒng)；以及多個基準阻抗轉變部分，被設置在沿著波導的已知位置上并被配置成將所發(fā)射電磁信號的一部分反射回所述收發(fā)器，其中每個基準阻抗轉變部分具有當表面物位在所述基準阻抗轉變部分之上時對電磁信號的第一反射系數(shù)、和當表面物位在所述基準阻抗轉變部分之下時對電磁信號的第二反射系數(shù)，所述第一反射系數(shù)顯著低于所述第二反射系數(shù)。優(yōu)選地，所述方法包括如下步驟根據基準阻抗轉變部分反射的所接收電磁信號， 識別位于表面物位之上的一組基準阻抗轉變部分；選擇包含在該組基準阻抗轉變部分中的第一和第二基準阻抗轉變部分；根據所述第一和第二基準阻抗轉變部分之間的已知距離和使用所述第一和第二基準阻抗轉變部分分別反射的所接收電磁信號而確定的其間距離確定傳播速度補償因子；以及根據產品表面反射的接收電磁信號、和所述傳播速度補償因子確定表面的物位。應該注意到，根據本發(fā)明的方法不局限于以任何特定順序執(zhí)行其步驟。如上面結合本發(fā)明的第一方面所述，本發(fā)明的基準阻抗轉變部分和本發(fā)明的步驟可以一起或分別進一步提高填充物位測量的精度。本發(fā)明的這個第二方面的進一步實施例和通過本發(fā)明的這個第二方面達到的效果在很大程度上類似于上面針對本發(fā)明的第一方面所述的那些。本發(fā)明的這個第三方面的各種實施例和通過本發(fā)明的這個第三方面達到的效果在很大程度上類似于上面針對本發(fā)明的第一和第二方面所述的那些。


現(xiàn)在參照示出本發(fā)明當前優(yōu)選實施例的附圖對本發(fā)明的這些及其它方面作更詳細描述，在附圖中圖Ia示意性地例示了安裝在一個示范性儲罐中的根據本發(fā)明一個實施例的雷達物位計系統(tǒng)；圖Ib是包括在圖Ia中的雷達物位計系統(tǒng)中的測量電子單元的示意性例示；圖Ic是包括在圖Ia中的雷達物位計系統(tǒng)中的探針的一部分的示意性剖面圖；圖2a_2f例示了根據本發(fā)明的基準反射器ISR的六個不同實施例；以及圖3是示意性例示根據本發(fā)明的方法的實施例的流程圖。
具體實施方式
在當前的詳細描述中，主要針對利用剛性單線(或Goubau型)探針的脈沖式導波雷達(GWR)物位計系統(tǒng)討論根據本發(fā)明的雷達物位計系統(tǒng)的各種實施例。應該注意到，這決不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明可同樣應用于像雙引線探針、柔性探針等那樣的各種其它類型探針。而且，主要介紹通過測量發(fā)射脈沖與反射脈沖之間的時間的填充物位確定。但是，對于本領域技術人員來說顯而易見，本發(fā)明的教導可同樣應用于通過例如調頻連續(xù)波 (FMCff)測量將相位信息用于確定填充物位的雷達物位計系統(tǒng)。圖Ia示意性地例示了根據本發(fā)明一個實施例的雷達物位計系統(tǒng)1，包括例如測量電子單元2的處理電路、和例如探針3的波導，探針3具有例如基準反射器如-j的多個基準阻抗轉變部分。將雷達物位計系統(tǒng)1設置在部分填充著待計量產品6的例如儲罐5的容器上。通過分析被探針3引向產品6的表面7的發(fā)射信號&、和從表面7傳回來的反射信號&，測量電子單元2可以確定基準位置(例如儲罐頂板)與產品6的表面7之間的距離， 從而可以推算出填充物位。應該注意到，盡管本文討論包括單種產品6的儲罐5，但可以以相似方式測量沿著探針到任何材料界面的距離。如圖Ib所示意性例示，電子單元2包括發(fā)射和接收電磁信號的收發(fā)器10、和處理單元11，處理單元11與收發(fā)器10連接，用于控制收發(fā)器和處理收發(fā)器接收的信號，以確定儲罐5中產品6的填充物位。而且，處理單元11可經由接口 12與用于模擬和/或數(shù)字通信的外部通信線13連接。此外，盡管在圖Ib中未示出，但雷達物位計系統(tǒng)1通?？膳c外部電源連接，或可以通過外部通信線13或通過內部電池、太陽能電池等供電。可替代地，可以將雷達物位計系統(tǒng)1配置成進行無線通信。此外，在一些情況下，可以使用本地讀出。在圖Ic中，示出了包括浸沒部分20和未浸沒部分21的探針3的一段。從圖Ic 中可以看出，探針3的浸沒部分20設置有浸沒基準反射器4f-j，而探針3的未浸沒部分21 設置有一組未浸沒基準反射器如-i。由于儲罐5中的產品6的填充物位的變化，產品6的一層22可能粘附在探針3上。顯然，探針3的從未浸沒在產品6中的部分沒有這樣的層或至少只有一個薄層，而交替浸沒和不浸沒在產品6中的部分可能具有在上面形成的這樣的層22。這種狀況示意性地例示在圖Ic中，其中示出了直到所指水平Ltl都存在的產品6的逐漸變薄的粘附層22。由于這個非均勻污染層22，沿著探針行進的電磁信號將具有取決于沿著探針3的位置的傳播速度Vp(Z)。如果得不到補償，這個取決于位置的傳播速度Vp(Z)可能導致相當大的測量誤差。但是，通過本發(fā)明，將設置在探針3的未浸沒部分21上的基準反射器的已知位置之間的關系用于補償探針3上的層22。也就是說，通過設置如圖Ic所示，相鄰反射結構之間具有適當距離的多個基準反射器如-j，對于給定頻率被每個基準反射器反射的回波信號&取決于相鄰基準反射器之間的電距離。通過確定頻率或延時，可以導出相鄰基準反射器如-j之間的電距離。當知道相鄰基準反射器如-j之間的物理距離時，接著可以確定傳播速度。使用這樣確定的傳播速度，可以高精度地確定包含在儲罐5中的產品6的填充物位。而且，由于浸沒基準反射器 4f-j基本上是“不可見”的，所以浸沒基準反射器4f-j基本上不產生回波信號、，因此，它們不干擾物位測量。于是，基本上只有未浸沒基準反射器如-i將產生回波。取決于包括在雷達物位計系統(tǒng)1中的波導的類型，可以以各種方式提供沿著探針3設置的基準反射器。下面，參考圖加-d描述配有反射結構的幾種示范性探針3。應該注意到，下面所討論的所有反射器基本上都用于單線GWR。但是，相同的原理也可以用在雙線上，其中一般可以使用線之間的支持片。應該注意到，沿著探針3放置的基準反射器的數(shù)量可以是一個，兩個或更多個。對于一個基準反射器，可能只能實現(xiàn)希望水平上的檢驗，而兩個基準反射器還可以提供比例因子檢驗。對于三個基準反射器，還可以獲得高水平(總是可見)檢驗和/或局部校準的功能，或底部上方已知距離處的校準值和比例因子重要的儲罐5的下部中的比例因子檢驗。 基準反射器的定位可以根據儲罐5的使用來選擇。應該注意到，基準反射器本身可能引入誤差(典型的測量基于每次都有誤差的三次測量)，尤其當存在許多基準反射器時。根據本發(fā)明的基準反射器的最典型特征是，當基準反射器在表面7之上或之下時，反射是不同的，相應地可能被定義成不可見浸沒反射器(Invisible Submerged Reflector, ISR)。在未浸沒位置中，基準反射器具有一定可測量反射，但在浸沒位置中，反射小得多，對于好的設計，可以忽略不計。當產品6是對雷達“透明”的某種油類或烴時，這種性質一般說來是有趣的。這種產品6的介電常數(shù)低，可能小于3，下面討論的大多數(shù)設計功能都可以采用較窄的介電常數(shù)間隔，以便具有好的功能。一個示范性實施例可以是用于液態(tài)甲烷的儲罐5。在這樣的情況下，介電常數(shù)較大的液體一般說來對雷達是或多或少不透明的，因此，與它們的設計無關，當在表面之下時，任何反射器都將被隱藏。這種用于不同目的的反射器的例子公開在通過引用全文并入的US 6795015中。但是，在US 6795015中，使用反射器的唯一目的是進行物位計量而沒有任何來自從儲罐的底部反射的微波或當儲罐空著時來自底部反射器的不同反射的干擾。圖加例示了根據本發(fā)明的ISR的第一實施例，即，基準反射器30。該基準反射器包括沿著具有較大直徑的圓柱形形狀的電線附著的金屬片或夾到電線上的板。這個金屬片將降低電線的阻抗，并且，通過使用相當窄頻帶系統(tǒng)(小于一個倍頻程)，和使金屬片的長度L1是波長的一半那么長，當浸沒時，可以具有很低的反射，而當在空氣中(例如，未浸沒)時，具有相對較高的反射。該反射仍然可能低于來自表面回波的反射。該原理可以稱為“ λ /2反射器”，在λ /2屏蔽器的設計中是眾所周知的。在2b中，例示了另一種類型的ISR 31，它包括相隔λ/4地附著在電線上的兩個金屬片(或相應地成形為一片)，當浸沒時其反射相互抵消(其中λ/4條件有效)，但當未浸沒時，具有可測量的反射。在表面之下，反射器使回波分開180°，因此相互抵消。在圖2c中例示了又一種類型的ISR 32，在本實施例中為適當沖壓的板。該板32 可以水平附著在電線上，并且被成形為在表面之上給出一個共振頻率和在表面之下給出一個較低共振頻率。對于具有有限帶寬(例如，小于近似一個倍頻程)的雷達物位計系統(tǒng)1， 可以使共振頻率在表面以下超出所使用的頻帶之外，并且或多或少不可見。如圖2d所示，另一種類型的ISR 33是一片塑料材料，當浸沒時，由于穿孔引起的相同平均，該片塑料材料具有與液體相似的介電常數(shù)(或像對雷達透明的大多數(shù)液體那樣稍大于2)。在表面以下，由于表現(xiàn)為在介電常數(shù)方面沒有或只有很小的階躍的液體的延續(xù)， 所以自然不可見?？梢韵氤鰩追N形狀，像附著在電線上的絕緣片圍繞電線的圓筒。通過這種絕緣片的形狀(例如小孔34、穿孔等)，可以“調整”材料的介電常數(shù)，以便與液體的介電常數(shù)匹配。與由其尺寸與頻率相關的小片(像λ/2長或相隔λ/4那樣)組成的反射器相反，當使用寬帶信號(像用于傳統(tǒng)TDR系統(tǒng)的0. I-IGHz那樣)時，也可以使用這種原理。如圖2e所示，ISR-型35的反射器的又一種原理是或多或少水平漸細板，它附著在Goubau線上或具有也適合像雙線那樣的另一種導線的形狀。該板被成形為包括當反射器沉浸在液體中時將被改變的一個或多個共振。一種可能形狀是漸細的“翼形式”，其中從中心到外端的總長度可以近似為與波長的四分之一相對應的6-8cm。通過它的形狀，可以形成可以使功能適用于更寬頻帶的更多可能共振?！耙怼眱?yōu)選地是金屬的。而且，可以提供平坦的和基本圓形的板用作ISR。在圖2f中例示了一個例子ISR 36。該板可以是例如適當?shù)乃芰喜牧?，或可以像針對例示在圖2d中的ISR 33那樣被小孔 37穿孔。圖2e和2f的水平板具有在垂直方向上很短，使得對很小的物位變化更敏感的優(yōu)點ο如上所述，例示在圖中的反射器可以與Goubau線一起使用，但雙線以及所有類型的波導都可以具有使用ISR原理的反射器。如上所述，現(xiàn)有技術反射器的一般問題是它們可能干擾物位測量，例如，在反射器與要測量的材料的表面接近的情況下。本發(fā)明的ISR，例如，基準反射器30，31，32，33，35至少部分解決了這個問題，因為它們可以被設置成當浸沒時與未浸沒相比具有顯著更低的反射系數(shù)。于是，浸沒反射器基本上是不可見的(例如，基本上不產生任何回波，因此，當與要測量的表面接近時，不會帶來什么問題。但是，來自未浸沒反射器的回波仍然可能存在(如上所述，用于確定傳播速度補償因子)，當與表面接近時會造成問題。這可以通過也可以“消除”來自未浸沒反射器的回波的本發(fā)明方法來解決。還應該注意到，消除來自未浸沒反射器的回波可以與使用ISR的情況分開進行。在一種可能但非限制性的實現(xiàn)中，可以消除未浸沒基準反射器引起的回波，例如， 從在包含在容器中的產品6的表面處的反射引起的表面回波信號中減去，以便進一步提高填充物位測量的精度。這種消除可以例如在早期階段中，例如在處理鏈中的早期已經進行過。例如，裝有存儲較早接收的回波信號(可能是數(shù)字的，但優(yōu)選地使可能的相位內容未受損)的存儲器的信號處理器可以用于隨后接收回波信號的比較和/或相減。在這樣的情況下，如果選擇隨后測量之間的適當時間間隔，以及表面物位只稍微改變，則可以比較和/ 或相減兩個隨后回波信號，從而形成差信號。于是，來自未浸沒反射器的重疊回波可能“消失”?，F(xiàn)在參考圖3中的示意性流程圖以及顯示在圖4中的填充物位、相應表面和基準反射器回波，描述根據本發(fā)明的方法的實施例。在第一步驟301中，由包括在雷達物位計系統(tǒng)1的測量電子單元2中的收發(fā)器10 生成和發(fā)射電磁信號。隨后，在步驟302中，使用配有多個基準反射器如-j的波導3向包含在儲罐5中的產品6的表面7傳播發(fā)射的信號。在下一個步驟303中，由收發(fā)器10接收基準信號和在儲罐5中的產品6的表面7上反射所發(fā)射電磁信號&引起的表面回波信號。 此后，在步驟304中，包括在雷達物位計系統(tǒng)1中的處理電路11使用在至少一個未浸沒基準反射器上反射所發(fā)射電磁信號引起的回波信號(例如，圖4的基準回波41和42)來確定該基準反射器的位置。在步驟305中，處理電路11根據未浸沒基準反射器的所確定位置和該基準反射器的已知位置確定傳播速度補償因子。此后，在步驟306中，處理電路11接收發(fā)射電磁信號在第一表面物位7上的反射引起的第一回波信號43，后面接著步驟307，其中處理電路11接收發(fā)射電磁信號在第二表面物位7'上的反射引起的第二回波信號44，第二表面物位7'不同于第一表面物位7。此后，在步驟308中，處理電路11確定第一回波信號 43與第二回波信號44之間的差回波信號45。最后，在步驟309中，處理電路11根據該差值和傳播速度補償因子確定填充物位。為了產 生差值，表面物位在接收兩個回波信號43和44中每一個的時間點之間必須輕微波動。當容器處在海洋環(huán)境中(例如，在船上)時，或在將產品泵入容器中和從容器中泵出的時候，可以實現(xiàn)這樣的波動。如上所述，傳播速度補償因子將用于補償電磁信號通過波導的速度，諸如包含在容器中的空氣、氣體或產品的媒體圍繞波導，該媒體也將影響電磁信號的速度。而且，可以消除基準阻抗轉變部分，例如，從在包含在容器中的產品的表面上的反射引起的表面回波信號中減去。該消除通過比較兩個不同的(也許是相繼的)回波信號和確定這些回波信號之間的差值，得出差信號來進行。如上所述，該差信號可以使用傳播速度補償因子來補償， 此后，用于確定包含在容器中的產品的填充物位。總之，除了別的方面以外，本發(fā)明涉及使用微波測量容器中的產品的表面物位的雷達物位計系統(tǒng)，其包括設置成延伸到包含在容器中的產品中的波導，其中多個基準阻抗轉變部分被設置在沿著波導的相應已知位置上并被配置成將所發(fā)射電磁信號的一部分反射回到收發(fā)器。優(yōu)選地，每個基準阻抗轉變部分具有當填充物位在基準阻抗轉變部分之上時對電磁信號的第一反射系數(shù)、和當填充物位在基準反射器之下時對電磁信號的第二反射系數(shù)，第一反射系數(shù)顯著低于第二反射系數(shù)。根據這種設計，可以實現(xiàn)更高精度的填充物位確定。盡管上面參考本發(fā)明的特定示范性實施例已經對本發(fā)明作出描述，但許多不同變更、修正等對于本領域技術人員來說是顯而易見的。本領域的普通技術人員在實施要求保護的本發(fā)明時，可以從對附圖、公開文本、和所附權利要求書的研究中了解和獲得所公開實施例的變體。在權利要求書中，詞語“包括” 并不排除其它元件或步驟，以及不定冠詞“一”或“一種”并不排除多個。某些手段被記載在相互不同的從屬權利要求中的僅有事實并不指示不能使用這些手段的組合獲益。
權利要求
1.一種使用微波來測量容器(5)中的產品(6)的表面(7)的物位的雷達物位計系統(tǒng) (1)，包括:收發(fā)器(10)，用于生成、發(fā)射和接收在一個頻率范圍內的電磁信號； 波導(3)，設置成延伸到包含在容器(5)中的所述產品(6)中，并且將從所述收發(fā)器 (10)發(fā)射的信號引向所述產品(6)的表面(7)，并將在所發(fā)射電磁信號遇到的阻抗轉變部分處的反射引起的回波信號引回到所述收發(fā)器(10)，所述回波信號包括在所述表面(7)處的反射引起的表面回波信號；處理電路(11)，與所述收發(fā)器(10)連接并設置成根據所發(fā)射電磁信號與所接收電磁信號之間的關系確定表面(7)的物位；接口(12)，用于提供到所述系統(tǒng)(1)外部的通信和將電力接收到雷達物位計系統(tǒng)(1)；以及多個基準阻抗轉變部分(如-j)，被設置在沿著波導(3)的已知位置上并被配置成將所述發(fā)射電磁信號的一部分反射回所述收發(fā)器(10)，其中每個所述基準阻抗轉變部分Ga-j)具有當表面(7)的物位在所述基準阻抗轉變部分之上時對所述電磁信號的第一反射系數(shù)、和當表面(7)的物位在所述基準阻抗轉變部分Ga-j)之下時對所述電磁信號的第二反射系數(shù)，所述第一反射系數(shù)顯著低于所述第二反射系數(shù)。
2.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述波導C3)是Goubau型單線傳輸線。
3.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述處理電路(11)適用于 使用所述發(fā)射電磁信號在位于表面(7)的物位之上的至少一個基準阻抗轉變部分處的反射引起的回波信號，確定所述至少一個基準阻抗轉變部分的位置；根據在表面(7)的物位之上的所述至少一個基準阻抗轉變部分的所述確定的位置和位于表面(7)的物位之上的所述至少一個基準阻抗轉變部分的已知位置，確定傳播速度補償因子；接收所述發(fā)射電磁信號在表面(7)的第一物位處的反射引起的第一回波信號； 接收所述發(fā)射電磁信號在表面(7)的第二物位處的反射引起的第二回波信號，所述表面(7)的第二物位不同于所述表面(7)的第一物位；確定所述第一回波信號與第二回波信號之間的差值；以及根據所述差值和所述傳播速度補償因子確定所述填充物位。
4.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述頻率范圍約為0.I-IGHz0
5.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述頻率范圍約為0.5-1. 5GHz。
6.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述多個基準阻抗轉變部分 (4a-j)的至少一個包括設置成基本上包圍所述波導(3)的一部分的圓筒(33)。
7.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述多個基準阻抗轉變部分 (4a-j)的至少一個包括附著在所述波導(3)上的板(30，32)。
8.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述多個基準阻抗轉變部分 (4a-j)的至少一個包括附著在所述波導(3)上的兩個金屬片(31)，所述兩個金屬片(31) 與所發(fā)射和所接收電磁信號的頻率范圍有關地分開λ/4的距離。
9.根據權利要求1所述的雷達物位計系統(tǒng)(1)，其中，所述多個基準阻抗轉變部分 (4a-j)的至少一個包括水平附著在所述波導( 上并被成形為在表面(7)的物位之上給出一個共振頻率和在表面(7)的物位之下給出一個較低共振頻率的沖壓板(36)。
10.一種借助于雷達物位計系統(tǒng)(1)確定包含在容器(5)中的產品(6)的填充物位的方法，所述雷達物位計系統(tǒng)(1)包括收發(fā)器(10)，用于生成、發(fā)射和接收在一個頻率范圍內的電磁信號；波導(3)，設置成延伸到包含在容器(5)中的所述產品(6)中，并且將從所述收發(fā)器 (10)發(fā)射的信號引向所述產品(6)的表面(7)，并將在所發(fā)射電磁信號遇到的阻抗轉變部分處的反射引起的回波信號引回到所述收發(fā)器(10)，所述回波信號包括在所述表面(7)處的反射引起的表面(7)回波信號；處理電路(11)，與所述收發(fā)器(10)連接并被設置成根據所發(fā)射電磁信號與所接收電磁信號之間的關系確定表面(7)的物位；接口(12)，用于提供到所述系統(tǒng)(1)外部的通信和將電力接收到雷達物位計系統(tǒng)(1)；以及多個基準阻抗轉變部分(如-j)，被設置在沿著波導(3)的已知位置上并被配置成將所述發(fā)射電磁信號的一部分反射回所述收發(fā)器(10)，其中每個所述基準阻抗轉變部分Ga-j)具有當表面(7)的物位在所述基準阻抗轉變部分之上時對所述電磁信號的第一反射系數(shù)、和當表面(7)的物位在所述基準阻抗轉變部分之下時對所述電磁信號的第二反射系數(shù)，所述第一反射系數(shù)顯著低于所述第二反射系數(shù)，所述方法包括如下步驟根據所述基準阻抗轉變部分Ga-j)反射的所接收電磁信號，識別位于表面(7)的物位之上的一組基準阻抗轉變部分Ga-e)；選擇包括在所述一組基準阻抗轉變部分中的第一和第二基準阻抗轉變部分；根據所述第一和第二基準阻抗轉變部分之間的已知距離和使用所述第一和第二基準阻抗轉變部分分別反射的所接收電磁信號而確定的其間距離來確定傳播速度補償因子；以及根據產品(6)的表面(7)反射的所接收電磁信號、和所述傳播速度補償因子來確定表面(7)的物位。
11.根據權利要求10所述的方法，其中，所述波導(3)是Goubau型單線傳輸線。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，所述多個基準阻抗轉變部分Ga-j)的至少一個包括設置成基本上包圍所述波導(3)的一部分的圓筒(33)。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述多個基準阻抗轉變部分Ga-j)的至少一個包括附著在所述波導C3)上的板(30，32)。
14.根據權利要求10所述的方法，其中，所述多個基準阻抗轉變部分Ga-j)的至少一個包括附著在所述波導(3)上的兩個金屬片(31)，所述兩個金屬片(31)與所發(fā)射和所接收電磁信號的頻率范圍有關地分開λ/4的距離。
15.根據權利要求10所述的方法，其中，所述多個基準阻抗轉變部分Ga-j)的至少一個包括水平附著在所述波導C3)上和并被成形為在表面(7)的物位之上給出一個共振頻率和在表面(7)的物位之下給出一個較低共振頻率的沖壓板(36)。
全文摘要
一種使用微波測量容器(5)中的產品(6)的表面(7)的物位的雷達物位計系統(tǒng)(1)，包括設置成延伸到包含在容器(5)中的產品(6)中的波導(3)，其中多個基準阻抗轉變部分(4a-j)被設置在沿著波導(3)的已知位置上并被配置成將發(fā)射電磁信號的一部分反射回到收發(fā)器(10)。優(yōu)選地，每個所述基準阻抗轉變部分(4a-j)具有當表面(7)的物位在基準阻抗轉變部分之上時對電磁信號的第一反射系數(shù)、和當表面(7)的物位在基準反射器之下時對電磁信號的第二反射系數(shù)，第一反射系數(shù)顯著低于第二反射系數(shù)。根據這種設計，可以實現(xiàn)更高精度的填充物位測量。
文檔編號G01S13/08GK102224398SQ200980147171
公開日2011年10月19日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權日2008年12月19日
發(fā)明者O·愛德沃森 申請人:羅斯蒙特雷達液位股份公司