本實用新型涉及包括導(dǎo)波雷達物位計的罐布置。

背景技術(shù)：

雷達物位計系統(tǒng)廣泛用于測量容納在罐中的產(chǎn)品的過程變量，例如填充物位、溫度、壓力等。雷達物位測量通常借助于非接觸測量(由此電磁信號朝向容納在罐中的產(chǎn)品輻射)或者借助于接觸測量(通常被稱為導(dǎo)波雷達(guided wave radar，GWR)，由此電磁信號沿傳輸線探頭被引導(dǎo)朝向產(chǎn)品并進入產(chǎn)品中)來執(zhí)行。傳輸線探頭通常從罐的頂部至底部豎直地布置。電磁信號隨后在產(chǎn)品的表面處被反射，并且反射的信號由包括在雷達物位計系統(tǒng)中的接收器或收發(fā)器接收。基于傳送的信號和反射的信號，可以確定至產(chǎn)品表面的距離。

雷達物位計(radar level gauge，RLG)——特別是非接觸RLG——的性能可能受到罐中的導(dǎo)電元件或結(jié)構(gòu)的負面影響，可能干擾物位檢測，使其不可靠?？梢酝ㄟ^提供延伸到罐中的某種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來減少或避免這樣的干擾，從而確保發(fā)送的信號和反射的信號具有受限制的傳播模式。因為信號被或多或少地限制到探頭，所以導(dǎo)波RLG通常較少受到來自罐中的結(jié)構(gòu)的干擾的影響。然而，在單導(dǎo)線傳輸線探頭(即，具有僅一個單導(dǎo)體的傳輸線探頭)的情況下，信號的傳播場將在圍繞探頭的某一半徑內(nèi)具有徑向延伸。

在一些應(yīng)用中，罐可以設(shè)置有在探頭需要通過的RLG的操作范圍內(nèi)具有窄通道(例如，具有1m或更小的直徑)的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)(例如，中間板)。這樣的結(jié)構(gòu)的一個示例是中間板，以在不使用中間板時提供對罐的手動接近。另一個示例是為罐提供機械強度的結(jié)構(gòu)。如果該通道比傳播場的徑向延伸更窄，則信號的功率將減小。約5％的功率損耗通常足以顯著降低GWR的性能。

通常，當(dāng)罐呈現(xiàn)比單導(dǎo)線傳輸探頭的傳播場更窄的通道時，探頭被涂覆有例如PTFE以顯著減少傳播場的徑向延伸。然而，該解決方案的缺點是較昂貴的探頭以及電阻損耗的增加，電阻損耗的增加導(dǎo)致來自表面的回波較弱。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的一個目的是提供一種用于通過罐中的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的通道的單導(dǎo)線傳輸線探頭的改進的解決方案。

根據(jù)本實用新型的第一方面，通過一種罐布置來實現(xiàn)該目的，所述罐布置包括：罐，其具有罐頂部和由導(dǎo)電結(jié)構(gòu)包圍的通道，通道位于罐頂部下方的位置處并且具有比所述位置處的罐橫截面小的通道橫截面；以及導(dǎo)波雷達物位計，其安裝在罐中用于確定容納在罐中的產(chǎn)品的填充物位。導(dǎo)波雷達物位計包括：收發(fā)器電路，其用于生成和傳送操作頻率范圍內(nèi)的電磁傳送信號以及接收電磁返回信號；單導(dǎo)線傳輸線探頭，其連接至收發(fā)器電路并且通過罐入口延伸到罐中，并且被配置成將來自收發(fā)器電路的電磁傳送信號引導(dǎo)至產(chǎn)品的表面并且返回由于電磁傳送信號被表面反射而產(chǎn)生的電磁返回信號；處理電路，其連接至收發(fā)器并且被配置成基于電磁傳送信號與電磁返回信號之間的關(guān)系來確定填充物位。單導(dǎo)線傳輸線探頭包括：連接至罐入口并且從罐入口延伸一段距離至位于通道上方的點的第一部分；完全位于通道下方的第二部分；以及將第一部分和第二部分彼此連接并且延伸穿過通道的第三部分，其中，沿第一部分和第二部分傳播的操作頻率范圍內(nèi)的電磁信號的傳播場具有第一徑向延伸。該布置還包括沿單導(dǎo)線傳輸線探頭的第三部分布置的傳播場限制結(jié)構(gòu)，所述傳播場限制結(jié)構(gòu)適于使沿單導(dǎo)線傳輸線探頭的第三部分傳播的操作頻率范圍內(nèi)的電磁信號的傳播場具有第二徑向延伸，其中，第二徑向延伸小于第一徑向延伸。

因此，傳播場限制結(jié)構(gòu)用于局部地減小沿探頭——沿探頭的延伸穿過通道的部分——的傳播場的徑向延伸，作為示例，所述通道可以具有1m或更小的直徑。在物位計的操作范圍內(nèi)，通道位于罐頂部下方。作為示例，通道可以位于罐頂部下方約0.5m或更大處。換言之，物位計能夠操作以測量通道上方以及下方的填充物位。傳播場限制結(jié)構(gòu)僅影響沿第三部分的傳播場，即，探頭的傳播場在傳播場限制結(jié)構(gòu)上方以及下方不受影響。

利用該設(shè)計，傳播場的徑向延伸可以局部地減小，使得允許信號功率的足夠部分通過通道。同時，傳播場限制結(jié)構(gòu)的任何負面影響(例如來自產(chǎn)品表面的較弱反射)將限于探頭的布置有傳播場限制結(jié)構(gòu)的第三部分。探頭的其他部分將像以前一樣操作。

注意，場限制結(jié)構(gòu)本身是已知的，并且最初被描述用于罐饋通與探頭之間的阻抗匹配。還發(fā)現(xiàn)這樣的阻抗匹配結(jié)構(gòu)的場限制效應(yīng)對于噴嘴是有利的。然而，現(xiàn)有技術(shù)示例僅布置在罐的頂部并緊接在罐饋通下方。因為本實用新型提出了布置在探頭的兩個“無限制”部分之間的場限制結(jié)構(gòu)，所以本實用新型與這樣的現(xiàn)有技術(shù)明顯不同。

根據(jù)一些實施方式，傳播場限制結(jié)構(gòu)適于確保電磁傳送信號的功率的至少95％傳送通過通道。在大多數(shù)應(yīng)用中，這足以確保滿意的性能。

在一些實施方式中，傳播場限制結(jié)構(gòu)的軸向延伸小于0.8m或小于0.6m。通過限制傳播場限制結(jié)構(gòu)的延伸，可以減少對性能的任何負面影響。

單導(dǎo)線傳輸線探頭的第三部分，即沿布置傳播場限制結(jié)構(gòu)的部分，可以在通道上方延伸至少0.25m，并且在通道下方延伸至少0.25m。通過在通道的每側(cè)上延伸一段距離，有效地減少了對信號的任何干擾。

附圖說明

現(xiàn)在將參照示出本實用新型的示例性實施方式的附圖更詳細地描述本實用新型的這些和其他方面。

圖1是示出了當(dāng)通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的孔時單導(dǎo)線傳輸線探頭的功率損耗的圖。

圖2是示出了作為傳播速度的函數(shù)的涂層厚度和95％功率密度直徑的圖。

圖3是根據(jù)本實用新型的實施方式的包括導(dǎo)波雷達物位計的罐布置的示意性截面圖。

圖4是根據(jù)本實用新型的實施方式的包括罐布置的船的示意性透視圖。

圖5a和圖5b是根據(jù)本實用新型的實施方式的傳播場限制結(jié)構(gòu)的兩個示例。

圖6a至圖6c是根據(jù)本實用新型的實施方式的傳播場限制結(jié)構(gòu)的另外的示例。

圖7是根據(jù)本實用新型的實施方式的罐布置的截面探頭的示意圖。

具體實施方式

在本詳細描述中，主要參考借助于測量傳送的脈沖與反射的脈沖之間的時間的填充物位確定。然而，對相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員明顯的是，本實用新型的教導(dǎo)同樣適用于利用相位信息通過例如調(diào)頻連續(xù)波(frequency-modulated continuous wave，F(xiàn)MCW)測量確定填充物位的雷達物位計系統(tǒng)。當(dāng)使用在載波上調(diào)制的脈沖時，也可以利用相位信息。

如上所述，本信息涉及導(dǎo)波雷達物位計，并且更具體地涉及具有單導(dǎo)線波導(dǎo)(也稱為傳輸線探頭)的這樣的計量器。如果單導(dǎo)線波導(dǎo)和雙導(dǎo)線波導(dǎo)兩者都沒有任何介電材料，則沿單導(dǎo)線波導(dǎo)的波傳播比雙導(dǎo)線波導(dǎo)上的波傳播稍慢。單導(dǎo)線波導(dǎo)是表面波導(dǎo)，并且在導(dǎo)線的外部存在具有在垂直于導(dǎo)線的方向上指數(shù)衰減的場。指數(shù)衰減的程度取決于導(dǎo)線的材料和其他表面性質(zhì)。

圖1示出了作為圍繞探頭的半徑(r)的函數(shù)的功率分布(％)的示例。第一曲線A表示4mm不銹鋼裸金屬導(dǎo)線(Goubau線)的功率分布，而曲線B是相同的線但設(shè)置有0.5mm PTFE涂層。從圖中清楚可見，對于經(jīng)涂覆的探頭，95％的功率包含在約0.25m的半徑內(nèi)，而對于裸探頭，95％的功率包含在約0.7m的半徑內(nèi)。這意味著如果裸探頭延伸穿過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的1.4米直徑的開口，則僅95％的功率將通過。

95％場直徑是相關(guān)的限制，因為使得95％能夠通過的結(jié)構(gòu)(在最壞的情況下是具有導(dǎo)線通過的孔的地板)將可能反射剩余5％的功率的可測量部分。液體表面將反射百分之一到幾的功率，所以允許小于95％的功率通過的對象將很可能產(chǎn)生除功率損耗本身之外的一些反射問題。

對電磁場方程的較仔細觀察揭示了減小相速度(即，使波傳播較慢)的導(dǎo)線的任何修改將減小單導(dǎo)線周圍的場。一個簡單的示例是薄介電層。

這在圖2中示出，圖2示出了對于6mm不銹鋼導(dǎo)線(與銅相比較差的電導(dǎo)體)相速度(x軸)與PTFE層厚度(y軸，左)之間的關(guān)系(曲線C)。圖2還示出了相速度與95％功率場直徑(y軸，右)(即，其中包含有95％的傳送的功率的直徑)之間的關(guān)系(曲線D)。顯然，PTFE層越厚，波傳播越慢，并且其中包含有95％的傳送的功率的沿導(dǎo)線的圓柱體的直徑越大。上圖是指1GHz，并且較粗的導(dǎo)線或較高的頻率均將使場更窄。

從圖2清楚可見，相速度應(yīng)當(dāng)在真空自由空間傳播中保持約99％以下的速度，以允許通道通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的窄開口(直徑<1m)。

圖3示意性地示出了根據(jù)本實用新型的實施方式的雷達物位計系統(tǒng)1，其包括測量電子單元2和單導(dǎo)線傳輸線探頭3。電子單元2安裝在罐5的頂部4上，罐5部分地填充有待測量的產(chǎn)品6。探頭電連接至單元2，并且從單元2延伸至罐的底部(或至少延伸至靠近底部的位置)。通過朝向產(chǎn)品6的表面7引導(dǎo)傳送的電磁信號S_T并且分析從表面7返回的反射信號S_R，測量電子單元2可以確定參考位置(例如，罐頂板)與產(chǎn)品6的表面7之間的距離，由此可以推導(dǎo)出填充物位。應(yīng)當(dāng)注意，盡管本文討論了包含單個產(chǎn)品6的罐5，但是可以以類似的方式測量沿探頭到任何材料界面的距離。

如圖3中示意性所示，電子單元2包括：收發(fā)器10，其用于傳送和接收電磁信號；處理單元11，其連接至收發(fā)器10用于控制收發(fā)器和處理由收發(fā)器接收的信號，以確定罐5中的產(chǎn)品6的填充物位。此外，處理單元11能夠經(jīng)由接口12連接至用于模擬和/或數(shù)字通信的外部通信線路13。此外，盡管圖3中未示出，但是導(dǎo)波雷達物位計系統(tǒng)1通常能夠連接至外部電源，或者可以通過外部通信線路13被供電?？商孢x地，雷達物位計系統(tǒng)1可以被配置成無線地通信。收發(fā)器10進一步連接至罐饋通結(jié)構(gòu)14，提供到罐內(nèi)部的密封電連接。探頭3機械地附接到饋通結(jié)構(gòu)14，并且經(jīng)由饋通結(jié)構(gòu)電連接至收發(fā)器。

如圖3示意性所示，罐5包括一個或多個(在所示的示例中為兩個)由導(dǎo)電材料制成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)15。通常，但不是必需的，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由金屬(例如鋼或鋁)制成。內(nèi)部結(jié)構(gòu)15可以是中間板，旨在支承操作者在罐空著時進入罐。結(jié)構(gòu)15還可以被設(shè)置成主要為罐提供結(jié)構(gòu)強度。參見圖4，這可能在罐位于例如船18的移動船舶上時具有特別相關(guān)性。這些結(jié)構(gòu)位于罐5的頂部4下方一定距離處，并且作為示例，上結(jié)構(gòu)15a位于頂部4下方約0.5m處，而第二結(jié)構(gòu)15b位于頂部下方約3m處。

探頭3延伸穿過結(jié)構(gòu)15中的通道16。通道(例如，孔)16可以具有小于1m的直徑，并且可以小至0.7m或甚至0.6m。當(dāng)沿未涂覆的單導(dǎo)線探頭傳播的RLG信號通過導(dǎo)電結(jié)構(gòu)中的這樣的小開口時，信號強度將顯著衰減。作為示例，對于4mm鋼導(dǎo)線探頭以及GHz量級的操作頻率，當(dāng)通過直徑為1米的圓形開口時，信號將損失其功率的約9％，并且當(dāng)通過直徑為0.5米的圓形開口時，信號將損失其功率的約20％。在許多應(yīng)用中，幾個百分點的功率損失將對RLG的性能有害。此外，損失的功率將至少部分地被結(jié)構(gòu)15反射，造成對測量的干擾。

因此，根據(jù)本實用新型，沿探頭的通過通道16的那些部分布置傳播場限制結(jié)構(gòu)20。傳播場限制結(jié)構(gòu)被配置成使得其降低沿探頭的傳播速度，由此導(dǎo)致傳播場的徑向延伸(即傳播場從探頭徑向向外的延伸)的減小。因此，對于每個通道16，傳播場將沿探頭在通道上方的第一上部分21和沿探頭在通道下方的第二下部分22具有第一較寬的延伸，并且沿延伸穿過通道的第三中間部分23具有第二較窄的延伸。

傳播場限制結(jié)構(gòu)的長度以及因此第三探頭部分的長度應(yīng)當(dāng)足夠長以避免來自結(jié)構(gòu)15的干擾。同時，所述長度應(yīng)當(dāng)盡可能短以便最小化對RLG性能的任何負面影響。在一些應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)0.5m至1m范圍內(nèi)的長度是合適的。傳播場限制結(jié)構(gòu)通常圍繞通道對稱地布置，使得傳播場限制結(jié)構(gòu)在通道上方延伸與通道下方相等的長度。

圖5a中所示的傳播場限制結(jié)構(gòu)20的一個相對簡單的實施方式是適當(dāng)?shù)慕殡姴牧侠缰T如PTFE的塑料的涂層或套管31。作為示例，在將探頭懸掛在罐中之前，可以沿探頭3可滑動地布置0.8m長的管，然后當(dāng)探頭被懸掛在罐中時通過適當(dāng)?shù)木o固裝置32(例如，夾具、膠水等)將0.8m長的管固定到探頭上合適的位置處。

套管通常具有僅幾毫米或更小的厚度，這提供了徑向場所需的限制(見上文)。注意，如果套管31相對較厚，例如2毫米或更大，則為了提供與探頭3的相鄰部分的阻抗匹配，為套管31提供逐漸細化端部會是有利的。通過這樣的阻抗匹配，避免或至少最小化來自套管的任何反射。這樣的逐漸細化部分優(yōu)選地具有半波長的縱向延伸，對于典型的操作頻率，該半波長對應(yīng)于幾厘米。

圖5b示出了另一個示例，在這種情況下，套管31包括兩個半圓柱形件33a和33b，兩個半圓柱形件33a和33b可連接以便將探頭3夾在其間。這些件也是例如塑料的合適的介電材料，并且可以提供螺釘或夾具34以將件33a和33b牢固地壓靠在彼此上。如圖5b所示，件33a和33b可以在每個端部35中被逐漸細化，從而將結(jié)構(gòu)與探頭的其他部分匹配以避免反射。圖5b中的套管31的尺寸相對于探頭3被放大，但是如上所述，套管的厚度通常為幾毫米或更小。套管31的長度通常在0.5m至1m的范圍內(nèi)，而逐漸細化端部為僅幾厘米長。

圖5b中的兩部分場限制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于：該結(jié)構(gòu)可以安裝在已經(jīng)懸掛在罐中的探頭上。這允許改裝場限制結(jié)構(gòu)，從而提高已經(jīng)存在的系統(tǒng)的性能。

如上所述，通過沿探頭的傳播速度來確定徑向場延伸。圖6a至圖6c提供了用于降低傳播速度的其他設(shè)計的一些示例。

在圖6a和圖6b中，傳播場限制結(jié)構(gòu)20包括傳輸線探頭3圍繞其縱向軸線的扭絞部分41。圖6a示出了兩條扭絞導(dǎo)線42的情況，而圖6b示出了扭絞帶43的情況。沿扭絞部分，傳播信號將經(jīng)歷更長的路徑，從而導(dǎo)致探頭的縱向方向上的傳播速度降低。圖6c中示出了具有類似效果的另一種選擇，其示出了具有適當(dāng)成形的切口45的帶型探頭44。所得到的探頭形狀將使傳播場在帶44上來回行進，也會導(dǎo)致探頭的縱向方向上的傳播速度降低。

圖7示出了本實用新型的又一實施方式。類似或相同結(jié)構(gòu)和功能的元件具有與圖3中相同的附圖標(biāo)記，并且在此將不進一步描述。在這種情況下，探頭3'包括一組分立部分51和52。這樣的探頭本身是已知的，并且示例包括具有能夠彼此完全分離的部分的探頭，以及具有可以相對于彼此折疊的部分的所謂的可折疊探頭。

在圖7的探頭中，兩個部分52與其他部分51不同，并且形成傳播場限制結(jié)構(gòu)20。在圖7中的示例中，部分52設(shè)置有介電涂層53。涂層的厚度在圖7中被夸大，并且通常為僅幾毫米或更小。如果厚度為幾毫米，則端部優(yōu)選地如上所述被逐漸細化。

顯然，取決于探頭部分51和52的長度以及傳播場限制結(jié)構(gòu)20所需的長度，若干相鄰部分51可以組合以形成傳播場限制結(jié)構(gòu)20。例如，在本示例中，若干相鄰的PTFE涂覆部分51可以形成傳播場限制結(jié)構(gòu)20。

本領(lǐng)域技術(shù)人員意識到本實用新型決不限于上述優(yōu)選實施方式。相反，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，許多修改和變化是可行的。例如，其他尺寸和材料可以用在單導(dǎo)線探頭中。此外，只要實現(xiàn)所描述的效果，傳播場限制結(jié)構(gòu)可以具有其他尺寸和形式。