用于確定容器中的介質(zhì)的密度的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開了一種用于確定容器中的非導電介質(zhì)的密度的系統(tǒng)，其中，介質(zhì)的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系是已知的。該系統(tǒng)包括收發(fā)器和波導，波導朝向介質(zhì)延伸并且延伸進入介質(zhì)中。該系統(tǒng)還包括沿著波導設(shè)置的第一微波諧振器。第一微波諧振器具有諧振頻率，并且被布置成反射沿著波導引導的信號的在頻域內(nèi)的一部分，該諧振頻率根據(jù)已知關(guān)系而取決于諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)。該系統(tǒng)還包括處理電路，該處理電路連接到收發(fā)器，并且被配置成基于接收反射信號而確定諧振頻率并基于諧振頻率而確定第一微波諧振器的位置處的介質(zhì)的密度。
【專利說明】用于確定容器中的介質(zhì)的密度的系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種用于使用電磁波來確定容器(tank)中的介質(zhì)的密度的系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]雷達物位計廣泛用于測量容器中所包含的產(chǎn)品的過程變量，諸如填充物位(filling level)、溫度、壓力等。雷達物位測量一般借助于非接觸測量來執(zhí)行，由此電磁信號朝向容器中所包含的產(chǎn)品輻射，或者借助于通常稱為導波雷達(GWR)的接觸測量來執(zhí)行，由此電磁信號由用作波導的探針引導朝向產(chǎn)品。該探針一般從容器的頂部到底部垂直布置。電磁信號隨后在產(chǎn)品的表面處被反射，并且所反射的信號由雷達物位計系統(tǒng)中包括的接收器或收發(fā)器來接收?；谒l(fā)送的信號和所反射的信號，可以確定距產(chǎn)品的表面的距離。
[0003]在許多應用中，還期望能夠測量容器中的產(chǎn)品的密度以便進一步改進密閉輸送(custody transfer)期間的準確度。由于在密閉輸送期間所輸送的量大，小測量誤差將引起大的經(jīng)濟成本。另一期望是調(diào)查密度的可能垂直分層。在用于液化氣(LNG、LPG等)的容器中，這樣的分層可能產(chǎn)生不穩(wěn)定的狀況。需要在不同高度的大量密度測量來提供該信息。
[0004]W02006084263公開了一種用于感測、監(jiān)測和評估用在流體系統(tǒng)中的流體的特性的系統(tǒng)。具體地，機械諧振器布置在流體系統(tǒng)內(nèi)的多個位置處?？梢愿鶕?jù)外部信號來主動地激勵機械諧振器，并且來自諧振器的響應可以用于確定例如其中設(shè)置了諧振器的產(chǎn)品的密度。機械諧振器被規(guī)定為在kHz至MHz的范圍內(nèi)進行諧振，并且被配置為以諧振頻率振動以確定流體系統(tǒng)中的特性的音叉。
[0005]然而，機械諧振器對污染非常敏感，即，如果污染物附著于音叉型諧振器，則諧振器的諧振頻率可能由于諧振器的附加質(zhì)量而改變，這進而會導致流體的特性的錯誤確定。因此，期望提供一種用于確定保持在容器中的產(chǎn)品的特性的改進系統(tǒng)。
實用新型內(nèi)容
[0006]鑒于上述，本實用新型的一般目的是提供一種用于確定容器中的產(chǎn)品的密度的改進系統(tǒng)。另一目的是還利用該改進系統(tǒng)測量填充物位，從而提供一種用于測量至少兩個過程變量的系統(tǒng)。
[0007]根據(jù)本實用新型，提供了一種用于確定容器中的非導電介質(zhì)的密度的系統(tǒng)，其中，介質(zhì)的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系是已知的。該系統(tǒng)包括:收發(fā)器，生成、發(fā)送和接收包括預定頻率范圍內(nèi)的頻率的微波電磁信號；以及波導，連接到收發(fā)器并朝向介質(zhì)延伸且延伸到該介質(zhì)中，并且被布置成朝向容器內(nèi)的介質(zhì)引導發(fā)送電磁信號且將該發(fā)送電磁信號引導到容器內(nèi)的介質(zhì)中，以及返回由發(fā)送電磁信號的反射得到的電磁信號。該系統(tǒng)還包括第一微波諧振器，該第一微波諧振器具有諧振頻率并且反射與圍繞諧振頻率的第一帶寬對應的頻率，第一帶寬比頻率范圍小并且在該頻率范圍內(nèi)，并且該諧振頻率根據(jù)已知關(guān)系而取決于諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)。第一微波諧振器布置在沿著波導的位置處，并且當沿著波導引導電磁信號時反射與第一帶寬對應的電磁信號的在頻域內(nèi)的部分。存在處理電路，該處理電路連接到收發(fā)器并且基于已由第一微波諧振器反射的接收信號的反射部分而確定諧振頻率，該處理電路還基于諧振頻率而確定第一微波諧振器的位置處的介質(zhì)的密度。
[0008]“收發(fā)器”可以是能夠生成、發(fā)送和接收微波電磁信號的一個功能單元，或者可以是包括分開的發(fā)送器單元和接收器單元的系統(tǒng)。收發(fā)器能夠生成并發(fā)送可在諧振器的諧振頻率是預期的預定頻率范圍內(nèi)步進或掃過的微波電磁信號。
[0009]在本申請的上下文中，波導被設(shè)計用于引導電磁信號?？墒褂枚喾N類型的波導，例如，單線(古博(Goubau)型或索莫菲爾德(Sommerfeld)型)探針和雙線探針。探針可基本上是剛性的或柔性的，并且它們可由諸如不銹鋼的金屬、諸如PTFE的塑料或者其組合制成。
[0010]容器可以是能夠包含產(chǎn)品的任意忙存器(container)或器皿(vessel),并且可以是金屬的或者部分或全部是非金屬的、是開放的、半開放的或者封閉的。對于包含LNG (液化天然氣，例如，甲烷)或LPG (液化石油氣，例如，丙烷、丁烷等)的容器中的一些應用，由于在一些情況下LNG在-163°C下被運輸或者在LPG的情況下外殼承受諸如15bar至20bar的高壓，因此容器具有良好的溫度絕緣。
[0011]微波諧振器應被理解為位于沿著波導的任意位置處，以使得當信號通過諧振器的位置時沿著探針傳播的信號的一部分被反射。微波諧振器具有諧振頻率，該諧振頻率具有第一帶寬，該第一帶寬比頻率范圍小并且在該頻率范圍內(nèi)。由于第一帶寬比頻率范圍小并且在該頻率范圍內(nèi)，應理解，第一帶寬包括頻率的一部分，即，在頻率范圍內(nèi)的一系列頻率。諧振頻率根據(jù)已知關(guān)系而取決于微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)應被理解為，由于設(shè)計(即，形狀和形式)、測試和/或先前計算，因此微波諧振器被配置成在已知的介電常數(shù)下呈現(xiàn)已知的諧振頻率。該已知的諧振頻率可以是介電常數(shù)的函數(shù)，即，存在連續(xù)已知關(guān)系，或者已知足夠數(shù)量的離散數(shù)據(jù)點以使得所有諧振頻率可適合于根據(jù)周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的值的相應數(shù)據(jù)點。因而，通過確定諧振頻率，可以確定介電常數(shù)。對于許多情況，如果諧振頻率隨介電常數(shù)增加而減小，例如，根據(jù)周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的平方根倒數(shù)而變化的諧振頻率，則這是有利的。
[0012]通過布置成當由波導引導信號時反射與第一帶寬對應的在頻域內(nèi)的信號的部分，應理解，微波諧振器耦合到波導并且沿著波導通過諧振器的發(fā)送信號將激勵該諧振器。微波諧振器與波導之間的耦合弱以便使得第一帶寬(即，諧振器的帶寬)小，并且同時使得微波諧振器能夠反射第一帶寬內(nèi)的信號的部分?？梢约钗⒉ㄖC振器的第一帶寬可以被估計為fo/Q，fo是諧振頻率并且Q是包括與波導的耦合的微波諧振器的Q值。低電阻損耗和與波導的弱耦合將提供高Q值，例如，1000或更高。如果信號包括遠離取決于微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)的實際諧振頻率的一個或多個頻率，則該信號將僅引起微波諧振器的小激勵，并且當通過微波諧振器時微波諧振器將對沿著波導引導的信號有可忽略的影響。包括較接近微波諧振器的諧振頻率的頻率的信號(諸如包括第一帶寬內(nèi)的一個或多個頻率的信號)將引起較大激勵，并因而將對通過微波諧振器的信號有較高影響。諧振器的較大激勵將使得從信號“取得”更多功率，并且信號的一部分因此將因微波諧振器中的損耗而被吸收。剩余的未被吸收的信號將被劃分成兩個部分，即朝向收發(fā)器被引導回去的反射部分和沿著波導繼續(xù)的發(fā)送部分。信號的發(fā)送部分可由于阻抗轉(zhuǎn)變而被進一步反射遠離收發(fā)器，并且該反射的部分將在諧振器留下一些功率之后第二次返回到收發(fā)器。
[0013]微波諧振器優(yōu)選地被設(shè)計為具有高Q值，S卩，諧振頻率與一半功率帶寬之間的關(guān)系。來自這樣的微波諧振器的反射包括在窄頻帶(例如，第一帶寬)內(nèi)，并因而容易地與由阻抗轉(zhuǎn)變(諸如保持在容器中的產(chǎn)品的表面，這樣的表面反射寬頻帶的信號)得到的反射區(qū)分開。優(yōu)選地，高Q值要求微波諧振器的一些或全部零件由良好導體制成或者鍍有諸如金的導電材料。此外，例如液體的周圍介質(zhì)優(yōu)選地具有低介電損耗(諸如tan δ〈0.001)以提供窄帶諧振。
[0014]到達收發(fā)器的信號的反射部分將包括第一帶寬的頻率，從而指示諧振頻率。因此，與浸入非導電介質(zhì)中的微波諧振器相比，容器中的介質(zhì)的表面之上的微波諧振器具有不同的反射諧振頻率。
[0015]可以假設(shè)，特定材料的介電常數(shù)具有與材料密度的已知關(guān)系，因此可以通過確定介電常數(shù)來得出密度。此外，通過適當?shù)卦O(shè)計微波諧振器，可以在理論上確定諧振頻率和與該微波諧振器接觸的材料的介電常數(shù)之間的關(guān)系，從而提供諧振頻率與密度之間的已知關(guān)系。因此，提供了通過確定微波諧振器的諧振頻率來測量密度的可能性。例如與機械諧振器相比的優(yōu)點在于不存在移動零件，這將使得根據(jù)本實用新型的系統(tǒng)更穩(wěn)健并且可能減輕對于維護的需要。
[0016]處理電路連接到收發(fā)器并且基于包括微波諧振器的諧振頻率的指示的接收反射電磁信號而確定微波諧振器的諧振頻率，該指示通常是接收電磁信號的反射部分。此外，處理電路基于微波諧振器的諧振頻率與非導電介質(zhì)的介電常數(shù)之間的已知關(guān)系而確定微波諧振器的位置處的介質(zhì)的密度?？梢岳缭谙嚓P(guān)溫度間隔內(nèi)在理論上估計材料的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系，或者可根據(jù)經(jīng)驗學習而得知該關(guān)系。
[0017]存在大量本實用新型的典型應用，其中，運輸非導電介質(zhì)，例如，LNG (在低溫下儲存的甲烷或乙烷)或LPG (通常在壓力下儲存的丙烷、丁烷等)，但是也可以測量具有低介電損耗的其它碳氫化合物或液體。
[0018]因此，本實用新型基于如下實現(xiàn):可以通過使用微波諧振器來確定系統(tǒng)中的產(chǎn)品的密度，該微波諧振器被配置成使得該微波諧振器具有取決于微波諧振器所浸入的介質(zhì)的密度的諧振頻率。諧振頻率將取決于微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)，并且要利用本實用新型測量的非導電介質(zhì)的介電常數(shù)取決于密度。因而，可以準確地確定產(chǎn)品的密度。
[0019]根據(jù)本實用新型的一個實施例，頻率范圍比所述第一帶寬至少大兩倍。為了有利于區(qū)分由來自微波諧振器的第一帶寬中包括的頻率的反射得到的窄帶反射與沿著波導的其它反射，頻率范圍優(yōu)選地較大，并且比第一帶寬至少大兩倍。頻率范圍也可比第一帶寬大兩倍，諸如大一個量級或者甚至大兩個或三個量級，以進一步區(qū)分反射部分。
[0020]根據(jù)本實用新型的另一實施例，第一帶寬可為大約IMHz或更小。大約IMHz或更小的量級的帶寬將提供具有強反射的窄帶反射。較小的帶寬(例如，0.5MHz或更小)還可有利于確定諧振頻率。然而，較小的帶寬還將需要較高的Q值用于微波諧振器。因此，期望較小的帶寬，但是還將需要具有較高Q值的微波諧振器。
[0021]根據(jù)本實用新型的另一實施例，介質(zhì)可以是低粘度液體。低粘度液體將容易地圍繞微波諧振器流動、包圍和填充微波諧振器，并因而影響密度測量。
[0022]根據(jù)本實用新型的一個實施例，微波諧振器可在包圍微波諧振器的介質(zhì)的較低介電常數(shù)下具有較高諧振頻率。通過將微波諧振器配置為在較低介電常數(shù)下呈現(xiàn)較高諧振頻率，實際的意圖和目的是，由于容器大氣具有接近I的介電常數(shù)，因此保證了當諧振器為空(即，由容器大氣填充)時表現(xiàn)出最高諧振頻率。
[0023]根據(jù)本實用新型的一個實施例，微波諧振器可布置在距波導的一定距離處以使得當?shù)竭_諧振器的位置時沿著波導傳播的信號的一部分被反射。沿著波導傳播的電磁信號將具有徑向擴展，該徑向擴展具有取決于信號的強度和頻率的范圍。信號的徑向擴展意味著，當對象在徑向擴展的范圍內(nèi)時信號將遇到干擾。因此，通過將微波諧振器布置在一定距離處，可減小微波諧振器引起的干擾，同時信號的徑向擴展將允許激勵微波諧振器并且在距波導的一定距離處反射信號的一部分。因此，微波諧振器可以電容性地耦合到波導，或者作為替選，微波諧振器可以電感性地耦合到波導。通過將微波諧振器電容性地或電感性地耦合到波導，不需要物理接觸來使得微波諧振器能夠反射沿波導行進的電磁信號的部分。因此，需要數(shù)量減少的部件，此外，將不存在來自例如連接波導和微波諧振器的配線的干擾。
[0024]根據(jù)本實用新型的一個實施例，系統(tǒng)還包括支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)布置在波導附近并且基本上平行于波導延伸，其中，微波諧振器布置在該支撐結(jié)構(gòu)上。將微波諧振器布置在支撐結(jié)構(gòu)上允許微波諧振器與波導機械地解耦，從而當為系統(tǒng)選擇或設(shè)計波導時不會增加任何額外的考慮。
[0025]根據(jù)本實用新型的另一實施例，系統(tǒng)還可包括多個保持元件，這多個保持元件關(guān)于容器的內(nèi)部布置在固定位置處并且沿著波導間隔開，其中，多個保持元件中的每一個均被布置成維持波導與微波諧振器之間的預定最小距離。通過保持微波諧振器與波導之間的預定最小距離，在它們之間不會發(fā)生接觸，因此不會發(fā)生損壞或相互作用。此外，該距離將確定波導與微波諧振器之間的電容性耦合的強度。因此，預定最小距離可被設(shè)置為確定強電容性耦合，同時最小化由微波諧振器引起的干擾。因此，所述多個保持元件中的至少一個可附接到支撐結(jié)構(gòu)。
[0026]例如，用于低溫甲烷(LNG)的容器一般在其中間具有垂直“塔”，其中附接了泵、物位測量系統(tǒng)、用于溫度和壓力的傳感器等。塔與容器一樣高(30m至45m)，因此是非常高且穩(wěn)定的構(gòu)造。在大浪期間，容器內(nèi)的移動液體對塔和其上的所有零件呈現(xiàn)非常大的力。波導可沿著這樣的塔安裝。根據(jù)如何構(gòu)造波導，沿著波導可能需要諸如上述保持元件的附件以便使其穩(wěn)定并保證波導不會破裂。本實用新型使用的微波諧振器然后可利用與波導的某種電耦合而附接到塔(優(yōu)選地靠近波導的附接點)。替選地，微波諧振器被設(shè)計為可以由波導本身支撐的相當細的裝置。
[0027]根據(jù)本實用新型的一個實施例，微波諧振器可包括管狀殼體，該管狀殼體具有開放端、封閉端和固定附接到封閉端的內(nèi)桿(inner rod)。內(nèi)桿沿著殼體的中心軸從封閉端朝向開放端延伸。此外，內(nèi)桿可具有25mm至40mm的范圍內(nèi)的長度。此外，管狀殼體可比內(nèi)桿長，使得內(nèi)桿不會從管狀殼體的開放端延伸出來。管狀殼體可以是圓筒狀的，并且管狀殼體可具有1mm至20mm的范圍內(nèi)的內(nèi)徑。給定尺寸將導致諧振器在填充有電介質(zhì)時具有大約在2GHz至2.5GHz的范圍內(nèi)的諧振頻率。微波諧振器可基本上水平排列，或者微波諧振器可基本上垂直排列而使得開放端布置成指向向下方向。根據(jù)本實用新型的各個實施例，微波諧振器可包括管狀殼體中直徑小于4_的孔。孔將允許周圍液體更快地進入和離開，從而填充微波諧振器。由于這樣小的孔(即，小于波長的十分之一)將對測量具有非常小的可忽略影響，因此孔的小尺寸將使得它們能夠執(zhí)行該功能而不會干擾測量。
[0028]根據(jù)本實用新型的另一實施例，系統(tǒng)還可包括填充物位確定電路，該填充物位確定電路基于發(fā)送信號與在容器中的介質(zhì)的表面處反射的接收反射電磁信號之間的飛行時間(time-of-flight)而確定容器中的介質(zhì)的填充物位。用于測量密度的系統(tǒng)還可有利地用于檢測并確定容器中的介質(zhì)的填充物位，從而提供了用于測量密度和填充物位兩者的系統(tǒng)。與必須使用兩個分開的系統(tǒng)相比，提供組合測量系統(tǒng)可降低成本。此外，與對于兩個分開的測量系統(tǒng)相比，將減小進入容器的通道數(shù)量，從而減輕了關(guān)于長時間且麻煩的安裝處理的客戶關(guān)注并且降低了容器的復雜度。
[0029]根據(jù)本實用新型的一個實施例，系統(tǒng)還可包括第二微波諧振器，該第二微波諧振器具有第二諧振頻率并且反射與圍繞第二諧振頻率的第二帶寬對應的頻率。第二帶寬小于頻率范圍并且在頻率范圍內(nèi)，第二諧振頻率與第一微波諧振器的諧振頻率分離，并且根據(jù)已知關(guān)系而取決于第二微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)。第二微波諧振器布置在沿著波導偏離第一微波諧振器的位置處，并且當沿著波導引導電磁信號時反射與第二帶寬對應的頻域內(nèi)的部分。處理電路還基于已由第二微波諧振器反射的接收信號的反射部分而確定第二諧振頻率，并且基于第二諧振頻率而確定第二微波諧振器的位置處的介質(zhì)的密度。對于保持在容器中的一些產(chǎn)品，可發(fā)生形成具有不同密度的產(chǎn)品層的分層，這在密閉輸送期間可能降低準確度，或者甚至當分層的層的位置發(fā)生快速改變時帶來風險。因此，沿著波導的若干個位置處的密度的測量提供了增加的準確度和更安全的系統(tǒng)。
[0030]根據(jù)本實用新型的另一實施例，第一微波諧振器可在具有已知介電常數(shù)范圍的產(chǎn)品中具有第一諧振頻率范圍，并且第二微波諧振器在具有已知介電常數(shù)范圍的產(chǎn)品中具有第二諧振頻率范圍。第一諧振頻率范圍與第二諧振頻率范圍不重疊。
[0031]已知介電常數(shù)范圍可以是例如已知在特定情形下發(fā)生的對于容器中的介質(zhì)的不同密度的介電常數(shù)的范圍。根據(jù)諧振頻率范圍，應理解，由于所述微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)變化，因此第一諧振頻率和第二諧振頻率在該頻率范圍內(nèi)是變化的。因此，將第一諧振頻率范圍與第二諧振頻率范圍分離以使得它們不重疊將確保每個諧振頻率(即，第一諧振頻率和第二諧振頻率)是可檢測的并且不會彼此干擾。由于彼此不干擾，應理解，信號的反射部分在實際上屬于第二微波諧振器時不可能被誤解為屬于第一微波諧振器，并且反之亦然。
[0032]因此，如果系統(tǒng)包括多于兩個諧振器，則所有諧振器被配置有不同的諧振頻率以使得能夠清楚地區(qū)分這些諧振頻率，并且當這些諧振器填充有非導電介質(zhì)時，諧振將在已知頻帶內(nèi)，例如，2GHz至3GHz。當微波諧振器為空時，它們可具有較高的諧振。例如，當微波諧振器在介質(zhì)的表面之上并且填充有容器大氣時,諧振頻率可高大約40%。根據(jù)系統(tǒng)的應用，這些“空”諧振頻率可能可測量或者可能不可測量，例如，在安全關(guān)注非常重要的應用中，非浸入狀態(tài)的驗證或信息可用于確保填充物位低于特定微波諧振器。如果同一系統(tǒng)正用于物位測量，即，填充物位確定，則可使用較低頻帶(例如，IGHz至2GHz)來進行物位測量，并且根據(jù)該分離，在物位測量與密度測量之間不會發(fā)生干擾。
[0033]根據(jù)本實用新型的各個實施例，發(fā)送電磁信號的頻率可在IGHz至3GHz的范圍內(nèi)。提供在與微波諧振器反射信號的頻率范圍的帶寬相比相對大的頻率范圍內(nèi)擴展的電磁信號允許容易地檢測反射頻率，這是由于這些反射頻率容易地被區(qū)分為電磁信號的反射部分。因此，與電磁信號的頻譜的剩余部分相比，反射頻率是容易檢測的。此外，與信號的頻率范圍的子范圍對應的部分可用于確定密度，并且另一部分可用于如上所述那樣確定填充物位。
[0034]根據(jù)本實用新型的一個實施例，非導電介質(zhì)可以是液化石油氣(LPG)或液化天然氣(LNG)。LPG和LNG均是在海運容器中運輸?shù)姆菍щ娊橘|(zhì)，其中，用于密閉輸送操作的填充物位以及因此還有密度測量是用于確定密閉輸送的準確度的重要考慮。
[0035]在學習所附權(quán)利要求和以下描述時，本實用新型的另外的特征和優(yōu)點將變得明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員認識到，在不背離本實用新型的范圍的情況下，本實用新型的不同特征可被組合以得到與以下描述的實施例不同的實施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]現(xiàn)在將參照示出本實用新型的實施例的附圖而更詳細地描述本實用新型的這個和其它方面。
[0037]圖1是根據(jù)本實用新型的實施例的系統(tǒng)的示意圖；
[0038]圖2是包括在圖1的系統(tǒng)中的測量電子單元的詳細視圖；
[0039]圖3A至圖3E是適合于實現(xiàn)本實用新型的微波諧振器的實施例的示意圖；
[0040]圖4是適合于實現(xiàn)本實用新型的實施例的系統(tǒng)的示意圖；
[0041]圖5A示意性地示出了來自兩個微波諧振器的反射；
[0042]圖5B示意性地示出了來自微波諧振器的反射；
[0043]圖6A示意性地示出了根據(jù)本實用新型的各個實施例的接收反射電磁信號；
[0044]圖6B示出了密度、介電常數(shù)與諧振頻率之間的已知關(guān)系的示例；
[0045]圖7是概述用于確定密度和填充物位的方法的一般步驟的流程圖；以及
[0046]圖8A至圖8D是關(guān)于波導與微波諧振器之間的附接或布置的實施例的示意圖。

【具體實施方式】
[0047]在本描述中，主要參照具有作為單線波導(諸如索莫菲爾德探針或古博探針)的波導的系統(tǒng)描述了本實用新型的實施例。單線波導通常具有4_至6_的直徑并且由不銹鋼制成。然而，可結(jié)合本實用新型使用任何波導，諸如蒸餾管(still pipe)、傳輸線、雙線探針或同軸探針。此外，在以下描述中，主要參照能夠確定密度和填充物位的系統(tǒng)來描述本實用新型的實施例。此外，注意，可根據(jù)雷達物位測量的不同原理(即，如使用步進式或至少采樣的FMCW的調(diào)頻連續(xù)波掃描(FMCW)或者時域反射計掃描(TDR))生成從電子單元發(fā)送的電磁信號。
[0048]圖1示意性地示出了根據(jù)本實用新型的實施例的用于確定容器102中的非導電介質(zhì)的密度的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括連接到波導108的測量電子單元110。系統(tǒng)100設(shè)置在容器102上，容器102部分填充有要測量的產(chǎn)品104，產(chǎn)品104是非導電介質(zhì)。通過分析由波導108朝向產(chǎn)品104的表面114引導的發(fā)送信號St和從表面114傳回的反射信號Sk,測量電子單元110通?？梢源_定參考位置(諸如容器頂)與產(chǎn)品104的表面114之間的距離，由此可以推出填充物位。應注意，盡管在這里討論了包含單個產(chǎn)品104的容器102，但是可以以類似方式測量沿著波導距任何材料界面的距離。例如，F(xiàn)MCW測量將提供雷達物位計的相對高的測量靈敏度，從而當在容器中存在干擾對象時也能夠得到可靠測量結(jié)果。此外，由波導108朝向表面114引導的發(fā)送信號ST通常具有在IGHz至3GHz之間的2GHz的帶寬，其中，例如IGHz至2GHz可用于物位測量，并且2GHz至3GHz可用于密度測量。對于少量的微波諧振器，范圍可減小到例如IGHz至2.3GHz。然而，可以使用全部帶寬同時用于兩種測量。
[0049]系統(tǒng)100還包括在支撐結(jié)構(gòu)106上沿著波導108布置的微波諧振器112，支撐結(jié)構(gòu)106布置在波導108附近并且基本上平行于波導108延伸。微波諧振器112具有與微波諧振器112周圍的介質(zhì)(在該情況下為容器102中的產(chǎn)品104)的介電常數(shù)具有已知關(guān)系的諧振頻率。對于微波諧振器112周圍的介質(zhì)，應理解，微波諧振器112浸入介質(zhì)中，并且介質(zhì)因而還填充微波諧振器112的內(nèi)部。沿著波導108行進的信號將具有取決于信號的強度和頻率的徑向延伸。因此，微波諧振器112布置在距波導108的一定距離處，并且例如電容性地或電感性地耦合到波導108，以便能夠反射信號的與微波諧振器112的諧振頻率對應的部分。微波諧振器112將以相應的諧振頻率諧振并且反射沿著波導108行進的電磁信號的在頻域內(nèi)的部分。電磁信號的反射部分將由測量電子單元110來檢測，從而指示微波諧振器112的諧振頻率。通過得知諧振頻率與介電常數(shù)之間的關(guān)系，可根據(jù)諧振頻率確定介電常數(shù)。因此，通過得知介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系，測量電子單元110確定微波諧振器112的位置處的密度。稍后進一步描述和討論這些已知關(guān)系。發(fā)送信號St可用于將物位測量與密度測量進行結(jié)合，或者發(fā)送信號可交替用于密度測量和物位測量以便分別有效地測量它們。同樣地，包括在提供信號并且確定密度和/或物位的測量電子單元110中的硬件對于兩種測量而言可以是相同或分開的單元。如之前所述，密度測量和物位測量也可在頻率上分開，即，在不同的頻率范圍內(nèi)執(zhí)行測量。
[0050]如圖2所示，測量電子單元110包括被配置成生成、發(fā)送和接收微波范圍內(nèi)的電磁信號的收發(fā)器204，收發(fā)器204經(jīng)由連接線206連接到波導108。注意，波導108可選地直接連接到收發(fā)器204，或者經(jīng)由諸如同軸電纜的適當信號連接而連接。測量電子單元110還包括處理電路208，處理電路208連接到收發(fā)器204以控制收發(fā)器204以及處理收發(fā)器204接收的信號，從而確定例如微波諧振器112的位置處的密度和/或容器102中的產(chǎn)品104的填充物位。處理電路208還連接到存儲器214，存儲器214存儲系統(tǒng)100的操作所需的任何軟件并且還提供在操作期間使用的RAM。
[0051]處理電路208還可連接到外部通信線路210以經(jīng)由接口 212進行模擬和/或數(shù)字通信。作為示例，通信接口 212與外部控制站(未示出)之間的通信可以由雙線接口來提供，該雙線接口具有將測量結(jié)果發(fā)送到控制站以及接收用于系統(tǒng)100的操作的電力的組合功能。這樣的雙線接口可提供大致恒定的電力，并且可以使用諸如Fieldbus Foundat1n、HART或Profibus的數(shù)字協(xié)議來將測量結(jié)果疊加在電力電壓上。替選地，根據(jù)主要測量結(jié)果來調(diào)節(jié)線路中的電流。這樣的接口的示例是4mA至20mA的工業(yè)環(huán)(industrial loop),其中，根據(jù)測量結(jié)果而在4mA與20mA之間調(diào)節(jié)電流。替選地，系統(tǒng)100可使用例如無線HART協(xié)議與控制站進行無線通信，并且使用具有電池的本地電源(未示出)或提取(scavenge )能量的裝置來進行自主操作。
[0052]這里，接口 212包括電力管理電路，該電力管理電路包括用于在微波單元停用的時段期間儲存電力的電力儲存裝置(未示出)，從而使得在收發(fā)器204啟用的時段期間(SP，在測量期間)的功耗較高。利用這樣的電力管理，可實現(xiàn)低的平均功耗，同時仍允許較高功耗的短時段。電力儲存裝置(未示出)可包括電容器，并且可能受空間要求以及固有安全要求(當系統(tǒng)100布置在具有爆炸性或可燃性物品的容器的危險區(qū)域中時應用)限制。
[0053]盡管在圖2中被示為分開的塊，但是收發(fā)器204、處理電路208、存儲器和接口 212中的若干個可設(shè)置在同一電路板上或者甚至在同一電路中。
[0054]盡管收發(fā)器204的元件通常以硬件來實現(xiàn)并且構(gòu)成通常稱為微波電路的集成單元的一部分，但是處理電路208的至少一些部分通常由軟件模塊來實現(xiàn)，這些軟件模塊由嵌入式處理器來執(zhí)行。本實用新型不限于該特定實現(xiàn)，并且可想到被發(fā)現(xiàn)適合于實現(xiàn)這里描述的功能的任何實施方式。
[0055]現(xiàn)在參照圖3A至圖3E，示出了適合于用在本實用新型中的微波諧振器300、310、320、340、360的五個實施例。應注意，微波諧振器300、310、320、340、360僅表示非窮舉數(shù)量的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員基于所示的示例可以想到適合于本實用新型的其它實施例或所示實施例的變型。
[0056]在圖3A中，示出了水平排列的微波諧振器300，微波諧振器300具有縱向軸延伸，優(yōu)選地具有朝向開口的小傾斜以使得材料(液體)不留在微波諧振器300中。圖3A中的微波諧振器300包括具有管狀形狀(即，圓筒形狀)的殼體302，存在管狀殼體的開放端308和封閉端306。為了進一步易于微波諧振器300中的液體的排放和填充，孔309設(shè)置在殼體302上，孔309較小，優(yōu)選地具有小于4mm的直徑。適合于給定應用的直徑是根據(jù)諧振器的直徑和諧振頻率來確定的?？讘摮浞中∫允沟闷洳粫绊懼C振器的特性，并且應小于諧振頻率的波長。此外，微波諧振器300包括內(nèi)桿304，內(nèi)桿304固定于封閉端306并且在管狀殼體302內(nèi)從封閉端306朝向開放端308延伸。在使用中，內(nèi)桿304將用作接收天線，因此內(nèi)桿304的長度以及包圍和填充微波諧振器300、310的介質(zhì)的介電常數(shù)確定微波諧振器300,310的諧振頻率。開放端308將具有在頻率范圍內(nèi)分布的能量的微波范圍內(nèi)的電磁信號電容性地耦合到內(nèi)桿304。殼體302將比內(nèi)桿304延伸得更遠，從而確保內(nèi)桿304是基本上非福射的，即，其不構(gòu)成福射天線。內(nèi)桿304的一種適合長度是15mm至40mm,于是,殼體302具有長出1mm的典型長度。越短的內(nèi)桿304提供越聞的諧振頻率,而越長的內(nèi)桿304提供越低的諧振頻率。此外，殼體302的直徑將確定帶寬多大，即，微波諧振器300、310可反射沿著波導行進的電磁信號的相當大的部分的范圍圍繞諧振頻率延伸多遠。殼體302的1mm至25mm的典型內(nèi)徑將對應于圍繞諧振頻率的大約IMHz的帶寬，越小的直徑將提供越小的帶寬，并且反之亦然。內(nèi)桿304的直徑將為殼體302的內(nèi)徑的大約30%至40%，并且對于以上給定的范圍，直徑因此將為大約5mm。注意，微波諧振器302的開放端308將包括諧振頻率和圍繞諧振頻率的帶寬中的頻率的來自波導108的信號電容性地耦合到微波諧振器。因此，在典型情況下，微波諧振器302將在使得開放端308朝向波導108的情況下、在與波導108相距5mm至1mm的距離處定向，因而微波諧振器302與內(nèi)桿304之間的非導電介質(zhì)將用作電容元件(即，電容器)。因此，該電容的大小將根據(jù)諧振器302與波導108之間的距離和諧振器302與波導108之間的非導電介質(zhì)的介電常數(shù)兩者來確定。所得到的適當電容可以是大約0.0lpF至lpF。
[0057]圖3B示出了根據(jù)上述原理的微波諧振器310的另一實施例。微波諧振器310包括具有管狀形狀的殼體312，與之前的實施例相比，殼體312具有作為非閉合環(huán)的環(huán)形形狀。殼體312還包括封閉端316和開放端318。此外，微波諧振器310包括內(nèi)桿314，內(nèi)桿314固定于封閉端316并且在管狀殼體312內(nèi)從封閉端316朝向開放端318延伸。微波諧振器310的功能基本上與上述微波諧振器300相同，S卩，與頻率的對應關(guān)系相同。差別在于形成非閉合環(huán)的環(huán)形形狀，從而實現(xiàn)了微波諧振器310的替選位置、定位或布置。
[0058]圖3C示出了微波諧振器320的實施例，其與諧振器300和310的不同之處在于電感性地耦合到波導108。微波諧振器320是垂直布置的并且具有殼體328，殼體328具有管狀形狀(即，圓筒形狀)，存在位于下端的管狀殼體的開放端和位于開放端的上方的封閉端326。為了進一步易于微波諧振器320中的液體的排放和填充，孔332設(shè)置在殼體328上?？?32相對小，優(yōu)選地具有小于4mm的直徑。小直徑將允許孔對測量具有可忽略的影響，同時對微波諧振器320的排放和填充是有益的。此外，諧振器320包括內(nèi)桿324，內(nèi)桿324固定于封閉端326并且在管狀殼體328內(nèi)從封閉端326朝向開放端延伸。在使用中，內(nèi)桿324將用作接收天線，并且微波諧振器320的部件的尺寸和功能與上述微波諧振器300、310的功能類似。微波諧振器320的主要差別在于通過在殼體328的側(cè)壁中設(shè)置開口(這里為縫隙330的形式)來實現(xiàn)的電感性耦合。因此，通過在波導108附近垂直地布置微波諧振器320，包括諧振頻率或圍繞諧振頻率的帶寬內(nèi)的頻率的信號可與波導108電感性地耦合，波導108與內(nèi)桿324平行。因此，盡管諧振頻率和帶寬取決于對于電容性耦合的微波諧振器300,310相同的因素，但是電感性耦合的強度將主要取決于縫隙330 (B卩，內(nèi)桿324可通過其與波導108電磁耦合的窗)的大小和內(nèi)桿324與波導108之間的距離?？p隙330的大小可例如通過增加縫隙330圍繞圓周延伸的距離或者高度(例如，縫隙330沿著垂直縱軸所開口的距離)來控制。
[0059]圖3D示出了這里為圓筒形貯存器340的形式的微波諧振器。該貯存器包括存在開口(這里為縫隙344的形式)的端板342。為了使得貯存器344所浸入的介質(zhì)填充貯存器，貯存器340還包括孔346?？?46具有與先前討論的孔309類似的尺寸和功能，例如，孔346有助于貯存器340的排放和填充，并且其比貯存器340的諧振頻率的波長小得多?？p隙344將使得貯存器340能夠在縫隙344面向波導108的情況下布置在距波導108的一定距離處，并且將沿著波導引導的信號電感性地耦合到貯存器340。為了提供大約2GHz的諧振頻率，貯存器340將大約至少8cm長并且還具有大約至少8cm的直徑。具有大約13cm的長度和直徑的貯存器340將例如為TEOll模式提供高Q值。
[0060]圖3E示出了微波諧振器，這里為矩形貯存器360的形式。該貯存器包括存在開口(這里為縫隙364的形式)的端板362。以與對于貯存器340相同的方式，對于尺寸和功能，貯存器360也包括孔366。在使用中，縫隙364將在一定距離處面向波導108，并且將沿著波導引導的信號電感性地耦合到貯存器360中。為了提供大約2GHz的諧振頻率，可以使得忙存器360大約至少4cm長、7cm寬且7cm高。沿著穿過端板的軸定義長度。然而,還可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它類型的電磁諧振器。
[0061]圖4示出了本實用新型的另一實施例，其中，測量電子單元110安裝在容器102的頂部。該容器包含具有表面114的產(chǎn)品104，可執(zhí)行測量以例如提供密度和/或填充物位，并由此為操作者或所有者提供容器102內(nèi)的產(chǎn)品104的量的信息。系統(tǒng)400包括波導108，圖4所示的波導108還包括波導端元件402。波導108優(yōu)選地延伸測量期望的填充物位所需的距離以進入容器中。因此，波導108可延伸并且機械連接到(B卩，附接到)容器102的底部以得到機械穩(wěn)定性和始終測量到容器102的底部的填充物位的能力。替選地，例如，如探針端元件402所示的，波導108不是牢固地附接到底部，并且探針端元件402可替代地是用于穩(wěn)定探針108的重物。
[0062]系統(tǒng)400還包括支撐結(jié)構(gòu)106。在支撐結(jié)構(gòu)上，沿著波導108在不同高度布置了三個微波諧振器404、406、408。第一微波諧振器404位于距測量電子單兀110最遠之處,第二微波諧振器406位于第一微波諧振器與第三微波諧振器408之間，第三微波諧振器408位于距測量電子單元110最近之處。此外，在圖4中，第一微波諧振器404和第二微波諧振器406位于表面114以下，而第三微波諧振器408位于表面114之上。支撐結(jié)構(gòu)106還包括保持元件410，保持元件410用于確保波導108和微波諧振器404、406、408相隔至少預定距離和根據(jù)保持元件的設(shè)計確定的最大距離。圖4所示的三個微波諧振器404、406、408中的每一個均具有在對于容器中的要測量的產(chǎn)品104或環(huán)境的任何預期介電常數(shù)下與任何其它微波諧振器的諧振頻率不重疊的諧振頻率范圍。
[0063]在圖5A中，示出了包括水平軸上的頻率和垂直軸上的幅度的示意繪圖的曲線圖。例如在圖3A和圖3C中所描述的兩個微波諧振器的示例響應被示為所指示的峰值502、503、504、508、509、510。峰值502、503、504、508、509、510具有高斯分布，以指示存在圍繞大約IMHz或更小的諧振頻率的范圍(即，帶寬)，在該范圍內(nèi)，微波諧振器反射包括帶寬內(nèi)的頻率的電磁信號的部分。
[0064]此外，在與微波諧振器周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)的預期值對應的典型操作條件下兩個微波諧振器的諧振頻率的范圍由范圍506和512來表示。因此，與范圍506內(nèi)的峰值504對應的第一諧振器的最高頻率通常將在微波諧振器正好浸入要測量的產(chǎn)品的表面114之下時實現(xiàn)。第一諧振器的最低頻率將對應于范圍506內(nèi)的峰值502，并且通常會在容器102是滿的并且諧振器在容器102的底部位于具有最高壓力且因而具有最高介質(zhì)密度的點處的情況下實現(xiàn)。相同原理適用于第二諧振器的在峰值508處的最低頻率和在峰值510處的最高頻率，這兩個峰值均在范圍512內(nèi)。
[0065]如果諧振器位于產(chǎn)品的表面114之上，則其將具有比范圍506、512高并且在范圍506、512之外的諧振頻率。為了對此進行說明，第一諧振器將在表面之上由介電常數(shù)接近I的容器大氣包圍，并且將具有由峰值503表示的高諧振頻率。當浸入介質(zhì)中時，諧振頻率將相應地具有范圍506內(nèi)的諧振頻率。箭頭507表示峰值503與范圍506之間的距離。根據(jù)相同原理，第二微波諧振器將在表面之上，具有與峰值509對應的諧振頻率，第二微波諧振器一旦浸入介質(zhì)中峰值509就將減小到范圍512內(nèi)。箭頭513表示峰值509與范圍512之間的距離。
[0066]注意，諧振頻率范圍506、512分開，并因而在要測量的產(chǎn)品的任何預期介電常數(shù)(即，密度)下不重疊。因此，密度在每個微波諧振器的位置處將是可測量的，此外，微波諧振器不相互干擾。由于不相互干擾，應理解，信號的反射部分不可能在實際上屬于第二微波諧振器時被誤解為屬于第一微波諧振器，并且反之亦然。
[0067]為了進一步闡明該原理，圖5B基本上示出了如下情形:例如，當正填充空的容器時，表面114從微波諧振器之下上升到微波諧振器之上。首先，示例性微波諧振器在表面114之上并且因而填充有介電常數(shù)接近I的容器大氣，從而呈現(xiàn)出由峰值515示出的諧振頻率。然后，表面114隨著以產(chǎn)品104填充容器而上升。其次，在填充期間的特定時間點，表面114將到達微波諧振器之上并且微波諧振器將浸入產(chǎn)品中。微波諧振器的諧振頻率然后將下移到由指示關(guān)于產(chǎn)品的最低諧振頻率520和最高諧振頻率522的邊界表示的諧振頻率范圍內(nèi)。用于本實用新型的典型產(chǎn)品(諸如LNG和LPG)—般將在較高的密度下具有較高的介電常數(shù)。較高的密度通常將在容器中壓力較高的向下較遠處發(fā)現(xiàn)。然而，可能發(fā)生如之前所述分層。因此，隨著填充動作繼續(xù)，諧振頻率從諧振頻率范圍內(nèi)的由峰值516表示的高值朝向由峰值514表示的較低諧振頻率變化。距離518示出了與密度改變對應的諧振頻率偏移。注意，峰值514不對應于諧振頻率范圍內(nèi)的最低可能諧振頻率。因此，容器的進一步填充或加壓可進一步減小諧振頻率。
[0068]作為示例，浸入的諧振器可具有2.1GHz至2.7GHz內(nèi)的諧振頻率，其中，每個諧振器具有0.04GHz的諧振頻率范圍，并且微波諧振器的諧振頻率范圍彼此間隔開0.05GHz至
0.1GHz0以上將提供當在表面之上時(即，由容器大氣填充時)具有高于3GHz的諧振頻率的微波諧振器。因此，可在IGHz至2GHz執(zhí)行填充物位測量，可在2GHz至3GHz執(zhí)行容器中的產(chǎn)品的密度測量，并且系統(tǒng)還可通過發(fā)送高于3GHz的信號來確定微波諧振器是否為空。因此，密度測量和填充物位測量可分開進行。然而，還可以減小微波諧振器的諧振頻率以在IGHz至2GHz下測量密度。
[0069]在圖6A中，示出了包括頻率范圍的接收電磁信號的強度與頻率的示意繪圖，該頻率范圍包括對于給定配置的所有可能諧振頻率。注意，諧振頻率f；處的反射對應于微波諧振器以諧振頻率和帶寬(即，圍繞諧振頻率的范圍)反射信號的一部分。因此，由于微波諧振器將反射該信號的一部分，因此可以在諧振頻率處以及在諧振頻率附近看到信號強度的峰值。
[0070]圖6B示意性地示出了第一曲線圖600以及還有第二曲線圖610，第一曲線圖600示出了微波諧振器的諧振頻率與介電常數(shù)的關(guān)系曲線，第二曲線圖610示出了非導電介質(zhì)的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系。如第一繪圖600所示，根據(jù)微波諧振器的構(gòu)造、設(shè)計和/或理論計算而得知諧振頻率與介電常數(shù)之間的關(guān)系，因此，第一諧振頻率根據(jù)諧振頻率與介電常數(shù)之間的已知關(guān)系而對應于第一介電常數(shù)S1，并且第二諧振頻率ω_2將對應于第二介電常數(shù)ε2。此外，第一介電常數(shù)于是將根據(jù)第二繪圖610所示的介電常數(shù)與密度的已知關(guān)系而對應于介質(zhì)的第一密度P1，并且第二介電常數(shù)將對應于介質(zhì)的第二密度P20介質(zhì)的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系可通過函數(shù)來描述，或者可已知為通過經(jīng)驗學習得到的查找表中的離散值，在任意情況下，通過圖6Β中的所述聯(lián)系來理解從確定諧振頻率到確定密度的轉(zhuǎn)變。應注意，繪圖中所繪制的曲線僅用于說明目的，在這里大部分被示出為線性的。然而，介電常數(shù)與諧振頻率之間的關(guān)系可對于不同的材料而不同，諸如諧振頻率與介電常數(shù)的平方根成反比。因此，一般原理適用于任何關(guān)系，并且不限于所示出的關(guān)系。為了提供示例，諧振頻率將隨圖3Α所示的微波諧振器的介電常數(shù)的平方根的倒數(shù)而變化。因此，假設(shè)介質(zhì)的介電常數(shù)為2，與微波諧振器在表面之上時相比，微波諧振器的諧振頻率在浸入介質(zhì)中時將相差大約30%。
[0071]在圖7中，示出了用于確定密度的方法的一般步驟的流程圖。首先，在步驟SI中，在收發(fā)器204中生成微波范圍內(nèi)的電磁信號，所生成的信號具有在頻率范圍內(nèi)分布的能量。所生成的信號還包括微波諧振器112或者系統(tǒng)中包括的諧振器404、406、408的諧振頻率。
[0072]其次，在步驟S2中，將電磁信號沿著波導108從所述收發(fā)器204朝向容器102中保持的產(chǎn)品的表面114發(fā)送。在步驟S3中，收發(fā)器204接收由微波諧振器112對發(fā)送電磁信號的反射而得到的電磁信號。
[0073]然后，在步驟S4中，連接到收發(fā)器204的處理電路208檢測已由至少一個微波諧振器112反射的接收電磁信號的一部分。信號的反射部分對應于作為在反射時刻微波諧振器112的諧振頻率的頻率。
[0074]在步驟S5中，基于指示微波諧振器112的諧振頻率(其從而指示周圍介質(zhì)的介電常數(shù))的反射部分，確定在表面114在微波諧振器112之上的情況下介質(zhì)(即，產(chǎn)品)在微波諧振器112的位置處的密度。密度的確定基于產(chǎn)品的介電常數(shù)與密度之間的已知關(guān)系。
[0075]然后，可選地，在步驟S6中，可根據(jù)通常的飛行時間技術(shù)(諸如FMCW或TDR)來確定容器中保持的產(chǎn)品的填充物位，在這里沒有進一步詳述這些飛行時間技術(shù)，但是這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。
[0076]該方法還可例如包括:將接收電磁信號的反射部分與在微波諧振器112的特定條件下已知的諧振頻率相關(guān)聯(lián)，以驗證信號的反射部分是微波諧振器112的反射結(jié)果。在特定條件下已知的諧振頻率可例如是當容器為空并且由常見容器大氣填充時在安裝系統(tǒng)之后進行的測量，容器大氣于是將包圍微波諧振器112。因此，提供了由介電常數(shù)非常接近I(在標準溫度和壓力(STP)下空氣的介電常數(shù)是1.0006，并且在STP下例如甲烷的介電常數(shù)是1.0008)的介質(zhì)包圍的微波諧振器112的諧振頻率的測量，并且該測量可用于將信號的反射部分與系統(tǒng)400、100中包括的每個微波諧振器112相關(guān)聯(lián)。此外，還可在安裝系統(tǒng)之后直接對從微波諧振器112到波導108的預定距離進行調(diào)諧。然后，將生成信號并沿著波導發(fā)送該信號，并且根據(jù)之前所述的關(guān)聯(lián)而檢測諧振頻率，然而，反射量將取決于微波諧振器112到波導108的距離，因而，布置得距波導108過遠的微波諧振器將不能反射足夠的信號，而布置得距波導108較近的微波諧振器112將反射足夠部分的信號。然而，布置得距波導108過近的微波諧振器112將吸收過多的信號，并且圍繞諧振頻率的帶寬也將變大。因此，對于布置得距波導108過近的微波諧振器112，隨著帶寬越大，與來自阻抗變換(諸如容器中的介質(zhì)的表面)的反射相比，變得更難以區(qū)分來自微波諧振器112的反射以及難以根據(jù)微波諧振器112反射的信號的接收部分而確定諧振頻率。因此，通過在安裝之后執(zhí)行測試，可對波導108與微波諧振器112之間的預定距離進行調(diào)諧以便對系統(tǒng)進行優(yōu)化。應注意，適當距離將取決于大量因素(諸如，所使用的波導的類型和大小、產(chǎn)品、信號的強度以及更多)，因而，距離的手動調(diào)諧可以是一種對系統(tǒng)進行調(diào)諧的簡單方式。
[0077]現(xiàn)在參照圖8A至8D，示出了如何在波導108附近附接或布置微波諧振器的示例
[0078]在圖8A中，電容性耦合的諧振器802緊鄰波導108布置。存在支撐結(jié)構(gòu)，這里示為一般金屬架子(metal scaffolding)806。在架子806上,存在由大約Imm至2mm厚的兩個PTFE板構(gòu)成的兩個保持元件804。諧振器802保持在兩個板804之間，以便將其布置在距波導的預定距離處。預定距離可以是例如1mm或更小，以在諧振器802的開放端與波導108之間提供適當?shù)碾娙菪择詈稀?br> [0079]在圖8B中，與圖8A相反，存在布置在距波導的距離812處的電感性耦合諧振器810。沿著波導108引導的信號通過縫隙將電感性地耦合到如上所述的諧振器810的內(nèi)桿。距離812和縫隙的大小將確定耦合的強度，當諧振器810布置在一定距離處時，1mm或更小或者甚至低至5mm或更小的距離可以是適當?shù)?。盡管沒有明確示出，但是架子和PTFE板可例如用于保持諧振器810與波導108之間的距離812。
[0080]對于其縱軸與波導平行的電感性耦合的諧振器810，還存在如圖SC所示的直接將其附接到波導的可能性?？墒褂脢A持元件(這里示為帶820)。帶可由金屬或塑料或者結(jié)合LPG或LNG所使用的能夠承受低溫的任何其它適當材料制成。然后，可使得縫隙大小更小以便在內(nèi)桿將更靠近波導108時調(diào)諧耦合強度。如圖SC中直接附接到波導108的諧振器810可弓I起不必要的寬帶反射(例如，全頻率的反射)。因此，在圖8D中，存在如圖8C中所布置的微波諧振器810，然而，該布置現(xiàn)在還包括大小為階梯式或斜坡式(這里示為錐體830)。優(yōu)選地由金屬制成的錐體830將減少通過將諧振器810直接附接到波導108而引起的寬帶反射。寬帶反射的減少是由于如下原因?qū)е碌?波導108的表觀厚度的斜坡式或階梯式取代厚度的突然增加而引起小的阻抗變換，厚度的突然增加將引起阻抗突然增加并因而引起沿著波導108引導的信號的寬帶反射。
[0081]盡管附圖可能示出了方法步驟的特定順序，但是步驟的順序可與所描繪的順序不同。此外，可同時地或部分同時地執(zhí)行兩個或更多個步驟。這樣的變型將取決于所選擇的軟件和硬件以及設(shè)計者選擇。所有這樣的變型都在本公開的范圍內(nèi)。同樣地，可以利用具有基于規(guī)則的邏輯和其它邏輯的標準編程技術(shù)來完成軟件實現(xiàn)，以完成各種連接步驟、處理步驟、比較步驟和判定步驟。另外，盡管已參照本實用新型的具體示例性實施例描述了本實用新型，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，許多不同的變更、修改等將變得明顯。例如，圖3D和圖3E所示的諧振器沒有被示為附接或布置在探針附近。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解，還可根據(jù)所給出的示例來布置這些諧振器以沿著波導布置微波諧振器。根據(jù)附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求的學習，本領(lǐng)域技術(shù)人員在實踐要求保護的實用新型時可以理解和實現(xiàn)所公開的實施例的變型。此外，在所附權(quán)利要求中，術(shù)語“包括”沒有排除其它要素或步驟，并且不定冠詞“一個”(“a”或“an”)不排除多個。
【權(quán)利要求】
1.一種用于確定容器(102)中的非導電介質(zhì)(104)的密度的系統(tǒng)(100)，其中，所述介質(zhì)的介電常數(shù)與密度之間的關(guān)系是已知的，所述系統(tǒng)包括: 收發(fā)器(204)，生成、發(fā)送和接收包括預定頻率范圍內(nèi)的頻率的微波電磁信號； 波導(108)，連接到所述收發(fā)器(204)并且朝向所述介質(zhì)延伸且延伸到所述介質(zhì)中，所述波導被布置成朝向所述容器(102)內(nèi)的所述介質(zhì)引導發(fā)送電磁信號且將所述發(fā)送電磁信號引導到所述介質(zhì)中，并且返回由所述發(fā)送電磁信號的反射得到的電磁信號； 其特征在于，所述系統(tǒng)還包括: 第一微波諧振器(112)，具有諧振頻率并且反射與圍繞所述諧振頻率的第一帶寬對應的頻率，所述第一帶寬小于所述頻率范圍并且在所述頻率范圍內(nèi)，所述諧振頻率根據(jù)已知關(guān)系而取決于所述諧振器(112)周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)； 其中，所述第一微波諧振器(112)布置在沿著所述波導(108)的位置處，并且當沿著所述波導引導所述電磁信號時反射與所述第一帶寬對應的電磁信號的在頻域內(nèi)的部分；以及 處理電路(208)，連接到所述收發(fā)器(204)并且基于已由所述第一微波諧振器(112)反射的接收信號的反射部分而確定所述諧振頻率， 所述處理電路進一步基于所述諧振頻率而確定所述第一微波諧振器(112)的位置處的所述介質(zhì)的密度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述頻率范圍比所述第一帶寬至少大兩倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述第一帶寬是IMHz或更小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述介質(zhì)是低粘度液體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器在所述微波諧振器周圍的所述介質(zhì)的較低介電常數(shù)下具有較高諧振頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器(112)布置在距所述波導(108)的一定距離處以使得沿著所述波導(108)傳播的所述信號的一部分當?shù)竭_所述諧振器(112)的位置時被反射。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器(112)電容性地耦合到所述波導(108)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器(112)電感性地耦合到所述波導(108)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，還包括: 支撐結(jié)構(gòu)(106)，布置在所述波導附近并且基本上平行于所述波導延伸，其中，所述微波諧振器布置在所述支撐結(jié)構(gòu)上。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)(400)，還包括多個保持元件(410)，所述多個保持元件(410)關(guān)于所述容器的內(nèi)部布置在固定位置處并且沿著所述波導間隔開，其中，所述多個保持元件(410)中的每一個均被布置成維持所述波導(108)與所述微波諧振器(404、406、408)之間的預定最小距離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)(400)，其中，所述多個保持元件(410)中的至少一個附接到所述支撐結(jié)構(gòu)(106)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器包括:管狀殼體，具有開放端、封閉端和固定附接到所述封閉端的內(nèi)桿，并且沿著所述殼體的中心軸從所述封閉端朝向所述開放端延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述內(nèi)桿具有15mm至40mm的范圍內(nèi)的長度。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述管狀殼體比所述內(nèi)桿長，以使得所述內(nèi)桿不會從所述管狀殼體的所述開放端延伸出來。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述管狀殼體具有1mm至25mm的范圍內(nèi)的內(nèi)徑。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器(112)基本上水平排列。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述微波諧振器(112)基本上垂直排列而使得所述開放端指向向下方向布置。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，還包括:填充物位確定電路，基于所述發(fā)送信號與在所述容器中的所述介質(zhì)的表面處反射的接收反射電磁信號之間的飛行時間而確定所述容器中的產(chǎn)品的填充物位。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(400)，還包括: 第二微波諧振器(406、408)，具有第二諧振頻率并且反射與圍繞所述第二諧振頻率的第二帶寬對應的頻率，所述第二帶寬比所述頻率范圍小并且在所述頻率范圍內(nèi)，所述第二諧振頻率與所述第一微波諧振器(404)的諧振頻率分離，并且根據(jù)已知關(guān)系而取決于所述第二微波諧振器(406、408)周圍的介質(zhì)的介電常數(shù)； 其中，所述第二微波諧振器(406、408)布置在沿著所述波導(108)偏離所述第一微波諧振器(404)的位置，并且當沿著所述波導引導所述電磁信號時反射與所述第二帶寬對應的電磁信號的在頻域內(nèi)的部分；以及 所述處理電路進一步基于已由所述第二微波諧振器(406、408)反射的接收信號的反射部分而確定所述第二諧振頻率，并且基于所述第二諧振頻率而確定所述第二微波諧振器(406、408)的位置處的所述介質(zhì)的密度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)(400)，其中，所述第一微波諧振器在具有已知介電常數(shù)范圍的產(chǎn)品中具有第一諧振頻率范圍；并且所述第二微波諧振器在具有所述已知介電常數(shù)范圍的所述產(chǎn)品中具有第二諧振頻率范圍；其中，所述第一諧振頻率范圍與所述第二諧振頻率范圍不重置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述發(fā)送電磁信號的頻率在IGHz至3GHz的范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(100)，其中，所述非導電介質(zhì)是液化石油氣或液化天然氣。
【文檔編號】G01N9/24GK203981532SQ201420134616
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】奧洛夫·愛德華松 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司