多通道雷達物位計的製作方法

2023-09-17 12:56:50 2

專利名稱：多通道雷達物位計的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷達物位計，該雷達物位計使用通過導波探頭引導至罐中的電磁波來確定至該罐中的物品表面的距離。
背景技術：
用於測量諸如液體或如同顆粒那樣的固體的填充材料的物位的雷達物位計(RLG)逐漸成為罐、容器等的物位測量的重要方法。先前已知多種不同類型的RLG系統。本申請人的專利US7106247公開了這類系統的例子。由於安全限制、環境定律和需求等，經常需要對容器內的介質的表面物位進行多次測量，其中，這些測量彼此完全分開並且在功能上彼此獨立。例如，在用於罐車的負載容器的雷達物位測量系統中，需要在功能上獨立於物位測量系統的至少一個警報功能(例如，溢出警報)。這裡，功能獨立性表示一個系統的故障不會導致其它系統不運作。這種獨立性可以通過確保不存在公共電路和布線來實現，即確保不同的測量系統之間必須不存在任何電接觸。實現此的一個方式是僅安裝至少兩個完全獨立的物位計。然而，為了節約成本，(按照技術要求和規章要求)可以允許共用通常不可能故障的固定機械結構。先前已知幾種這類提供兩個以上功能上獨立的通道的雷達物位測量系統。例如，轉讓至同一受讓人的專利US 6，414，625公開了用於測量包含一個以上的雷達通道的容器內填充材料的表面物位的設備和方法。使用同一物理天線但電獨立的獨立雷達物位計已發現了低成本的冗餘使用。用以將一個以上的傳感器連接至一個天線的方法是實現例如具有物位傳感器和獨立溢出警報等的系統的非常符合成本效益的方式，並且在用戶和權力機構之間已被廣泛接受。然而，在一些應用中，使用天線來提供自由傳播信號的雷達物位計不適當，並且使用波導結構來引導這些波。基於傳播機制，現有技術已知三種不同類型的波導結構。第一類型的波導為中空型(例如，適當橫截面的管)，並且在波導的橫截面為波長的一半以上的意義上為「厚」，這很可能因電介質填充而減少。這種波導中的電磁場通常具有沿著傳播方向的至少一個場分量。當用於雷達物位應用時，這種類型的波導被稱為「蒸餾管(still pipe)」，並且必須進行鑿孔以使得內部物位與外部相同。第二類型的波導結構是具有兩個以上的導體(conductor)的傳輸線路，諸如雙線或同軸線。傳輸線波導的直徑比所傳輸的波的直徑小得多，並且一個典型特徵是電磁場為橫向或TEM型(橫向電磁場)。對於使用(波長為300mm以上的)IGHz以下的信號的實際物位測量應用，通常使用直徑為3 20mm的輸送線。過小的直徑將增加電阻損耗並且可能導致材料堵塞和機械強度的問題。最後，第三類型的波導結構是表面波導(SWG)，諸如具有或不具有介電塗層的單線傳輸線或管。與波長(4 8mm是IGHz以下使用的公共SWG直徑)相比較，表面波導可以非常薄，但這些表面波導沿著傳播方向還具有場並且在SWG外部也具有場。與傳輸線探頭相對比，由於布線外側存在場，因此需要更多的自由空間。在單金屬連線的情況下，諸如不鏽鋼的不良電導體是適當的。單連線(single wire)探頭非常實用，並且針對物位測量的使用是魯棒性好。因而，第二類型和第三類型的波導結構的直徑都比所傳輸的波的波長小得多。在雷達物位測量應用中，這類波導通常被稱為「探頭」，並且檢測原理有時被稱為導波雷達(GffR)。最常見的類型使用無載波的短脈衝(約Ins)，並且佔據大致O. I IGHz的頻率範圍。

實用新型內容本實用新型的目的是提供一種使用傳輸線探頭的多通道物位計。由以下的物位計來實現本實用新型的該目的和其它目的該物位計用於檢測與至罐中的容納物的表面的距離有關的處理變量，所述物位計包括第一電路裝置和第二電路裝置，其中，所述第一電路裝置包括用於生成、發送和接收第一電磁信號的第一收發器電路，以及連接至所述第一收發器電路的第一處理電路，所述第一處理電路用於確定第一處理變量，所述第二電路裝置包括用於生成、發送和接收第二電磁信號的第二收發器電路，以及連接至所述第二收發器電路的第二處理電路，所述第二處理電路用於確定第二處理變量，其中，所述第一電路裝置和所述第二電路裝置在功能上獨立。所述物位計還包括連接至所述第一電路裝置和所述第二電路裝置的一個傳輸線探頭，所述傳輸線探頭延伸至所述罐中的容納物內，並被配置為將所述第一電磁信號和所述第二電磁信號引導朝向所述容納物並使所述第一電磁信號和所述第二電磁信號進入所述容納物中，並且將所反射的信號引導回至第一電路裝置和第二電路裝置，其中，所述傳輸線探頭被配置為允許第一傳輸模式和第二傳輸模式的傳播，以及饋送裝置，其被連接為接收所述第一電磁信號並以第一傳播模式將所述第一電磁信號耦合至所述傳輸線探頭內，並且被連接為接收所述第二電磁信號並以第二傳播模式將所述第二電磁信號耦合至所述傳輸線探頭內。本實用新型基於以下的實現在大多情況下，傳輸線探頭可被設計成允許兩個以上的傳輸模式，並且可以通過功能上獨立的通道來使用這些模式。根據該設計，兩個電路裝置經由饋送裝置連接至一個傳輸線探頭，確保信號以不同的傳播模式耦合至探頭。這使得這些電路裝置能夠在與不同的電路裝置相關聯的信號之間進行區分，由此有效地提供兩個測量通道。使用不同的模式在通道之間提供了隔離，從而確保這些通道之間的洩漏少或無洩漏。結果，無需將第一電磁信號和第二電磁信號彼此區分開。事實上，根據優選實施例，第一電子單元和第二電子單元被設計成傳輸相同的電磁信號，即頻率和振幅行為相同的信號。優選地，第一電子單元和第二電子單元被配置為生成、發送和接收相同的電磁信號。因此，電路裝置可能在功能上相同，並且最優選地，多個樣本來自同一製造工藝。這使得系統可以高效地進行製造。兩個基本上相同的單元僅連接至饋送裝置，饋送裝置連接至傳輸線探頭。探頭可以是雙線探頭，並且在這種情況下，饋送裝置可被配置為將第一信號作為TEM模式在這些線之間進行饋送，並且利用這些線中的至少一個將第二信號作為SWG模式來饋送。優選地，TEM模式信號相對於SWG模式信號成反相。[0019]可選地，探頭可以是具有中央引線和鑿孔的護罩的同軸線，鑿孔的護罩允許信號在其外表面上傳播。在這種情況下，饋送裝置可被配置為沿著中央引線傳輸第一信號(TEM模式)，並且沿著護罩的外表面傳輸第二信號(SWG模式)。可以採用許多其它類型的傳輸線，並且通過使用三個(或更多個)導體，可以創建TEM類型的兩種(或，比導體的數量少一個)獨立的傳播模式。可選地，該物位計還包括功率分割元件，該功率間隔元件被配置成連接至傳輸線探頭，以在具有相同傳播模式的信號之間提供隔離。

將參考示出本實用新型的當前優選實施例的附圖來更詳細地說明本實用新型。圖I示意性示出配備有根據本實用新型實施例的導波雷達物位計的罐。圖2更詳細地示意性示出圖I的物位計。圖3a和3b示意性示出連接至雙線探頭的圖2的饋送裝置的兩個示例。圖4示出根據本實用新型實施例的同軸線探頭的連接。圖4a示出圖4中同軸線的間隔元件。圖5示出根據至本實用新型實施例的三連線探頭的連接。圖5a示出圖5的探頭的間隔元件。
具體實施方式
在本詳細說明中，參考使用脈衝信號的雷達物位計系統以及通過測量發射脈衝和反射脈衝之間的時間的填充物位確定來主要論述根據本實用新型的雷達物位計系統的各種實施例。然而，對於本領域的技術人員顯而易見，本實用新型的教導等同地適用於利用用於通過例如頻率調製連續波(FMWC)測量來確定填充物位的相位信息的雷達物位計系統。當使用載波調製的脈衝時，還可以利用相位信息。圖I示意性示出根據本實用新型實施例的雷達物位計系統1，其中，雷達物位計系統I包括至少兩個測量電子單元2a、2b，這兩個測量電子單元2a、2b各自包括具有收發器電路和處理電路的電路裝置。電子單元2a、2b各自經由以下將更詳細地進行說明的饋送裝置4連接至公共探頭3。雷達物位計系統I設置在部分填充有要測量的物品6的罐5上。通過對由探頭3朝向物品6的表面7引導的發射信號Sn和St2以及從表面7返回的反射信號Sei和Sk2進行分析，測量電子單元2可以確定基準位置(諸如罐頂)與物品6的表面7之間的距離，由此可以得出填充物位和其它處理變量。應當注意，儘管這裡論述了包含單一物品6的罐5，但可以以類似的方式測量沿著探頭至任何材料界面的距離。如圖2示意性示出地，各電子單元2a、2b包括收發器電路10，用於發送和接收電磁信號；處理電路11，其連接至收發器10，以對該收發器進行控制並且處理該收發器所接收到的信號以確定罐5中物品6的填充物位。此外，處理電路11可經由接口 12連接至外部通信線路13，以進行模擬和/或數字通信。此外，儘管圖I沒有示出，但雷達物位計系統I通常可連接至外部電源，或者可以利用外部通信線路13進行供電。可選地，該物位計可以使用例如無線HART協議進行無線通信，並且使用利用電池的本地電源(未示出)或其它方式的提取能源以進行自主操作。可選地，電子單元2a、2b被配置為生成、發送和接收相同的電磁信號。圖3a 3b不意性不出用於創建橫向電場(TEM)模式和表面波導(SWG)模式並將其饋送到傳輸線探頭3內的兩個示例。在這些例子中，傳輸線探頭3包括第一探頭導體20a、與第一探頭導體20a大致平行地延伸的第二探頭導體20b以及圍繞第一探頭導體20a和第二探頭導體20b的封閉介電結構21。首先參考圖3a，導波雷達物位計系統I還包括饋送裝置30，其中，饋送裝置30用於創建第一傳播模式Sn信號和第二傳播模式St2信號並將其饋送至傳輸線探頭3。饋送裝置30包括具有一次繞組32和二次繞組33的變壓器31。二次繞組33連接在第一探頭導體20a和第二探頭導體20b之間。為了允許將發送來的電磁信號Sn和St2饋送至傳輸線探頭3，饋送裝置30還包括橫跨一次繞組32的第一輸入I1和第二輸入12，其中，第二輸入I2的一個端子34連接至二次繞組33的中間，並且另一端子連接至傳輸線探頭3附近的罐壁5。在GWR所使用的最常見頻率範圍100 1000MHz內，這種變壓器連接在商 業上是可用的。該變壓器中通常使用小的鐵氧體磁芯。通過將發送來的信號Sn提供至第一輸入I1並且將第二信號St2提供至第二輸入I2，創建兩個不同的傳播模式並且將其饋送至傳輸線探頭3。第一信號Sn被反相地或相反相位地提供至第一探頭導體20a和第二探頭導體20b，並且以TEM模式沿著傳輸線探頭3傳播。第二信號St2被同相地提供至第一探頭導體20a和第二探頭導體20b，並且以SWG模式沿著傳輸線探頭3傳播。現在參考圖3b，示意性示出饋送裝置40，其中，饋送裝置40包括所謂的混合環41。如圖3b所示，該環的連接彼此分離與發送信號的四分之一波長(λ/4)相對應的距離。如微波電路領域的技術人員眾所周知的，為了創建和饋送兩個不同的傳播模式而提供了混合環41的尺寸。有利地，混合環41可以設置為電路板上的帶狀線。可以利用同軸線纜或其它類型的傳輸線來獲得相同的功能。再次，第一信號Sn被反相地或相反相位地提供至第一探頭導體20a和第二探頭導體20b，並且以TEM模式沿著傳輸線探頭3傳播。第二信號St2被同相地提供至第一探頭導體20a和第二探頭導體20b，並且以SWG模式沿著傳輸線探頭3傳播。圖4示出用於創建TEM模式和表面波導(SWG)模式並將其饋送到傳輸線探頭中的饋送裝置的另一示例。在該例子中，探頭是同軸線22，其中，同軸線22具有中心線23和外金屬管24。該金屬管的外表面塗覆有介電塗層25。管24和塗層25鑿孔有開口 26，以允許罐中的容納物進入管，從而影響中心線23的信號。中心線23通過以適當距離配置的介電間隔27與管24的內壁分離。利用適當的密封裝置(未示出)使同軸線22的上端相對於外部密封。這裡，饋送裝置50僅被配置為使兩個單元2a和2b分離，並且包括漏鬥51，其中，漏鬥51配置有繞同軸線22安裝的窄頸部52並且其寬開口朝下面向罐內。該頸部經由介電塗層25與管24隔開。來自單元2a的第一電磁信號耦合在中央引線23和管24之間從而以TEM模式傳播。來自單元2b的第二電磁信號連接在漏鬥51和管24之間從而以SWG模式傳播。優選地，該漏鬥接地。鑿孔的同軸線還可以成形為如同內側支撐有中心導體的U形金屬護罩那樣的一些等同形狀，並且外側能夠支持SWG模式。[0041]圖5示意性示出用於創建兩個不同的TEM模式並且將其饋送到具有三個導體的傳輸線探頭3內的饋送裝置60的示例。饋送裝置60可以大致與圖3a或3b的饋送裝置相對應，以提供同相或反相的兩個信號。在圖5的例子中，探頭包括接地的中央導體27a以及兩個信號導體27b和27c。三個導體27a 27c可以以僅安裝在罐頂和罐底的方式自由懸掛在罐內，然後優選通過以適當距離配置的介電間隔28固定為彼此分離一定距離。三導體傳輸線將接地的一個導體和機械支撐物組合，其中，有可能通過同相和反相饋送將兩個模式分離。饋送裝置60被配置為從電路裝置2a接收第一電磁信號，並且將該第一電磁信號以第一同相TEM模式稱合至導體27a和27b之間，並且從電路裝置2b接收第二電磁信號並且將該第二電磁信號以第二反相TEM模式稱合在導體27a和27c之間。在三導體系統中形成兩個獨立模式的另一方式是以下的三相系統在該系統中，三個導體大致對稱，並且被饋送相位0°、120°和240° (第一模式)以及0°、240°和120° (第二模式)。通常，探頭可以執行比其具有的導體少一個的TEM模式。對於三TEM模式，將需要四個導體，等等。本領域的技術人員將意識到本實用新型決不局限於上述優選實施例。相反，在所附權利要求書的範圍內，許多變形和變化都是可以的。
權利要求1.一種物位計(I)，用於檢測與至罐(5)中的容納物的表面的距離有關的處理變量，所述物位計包括 第一電路裝置(2a)，其包括用於生成、發送和接收第一電磁信號的第一收發器電路，以及連接至所述第一收發器電路的第一處理電路，所述第一處理電路用於確定第一處理變量， 第二電路裝置(2b)，其包括用於生成、發送和接收第二電磁信號的第二收發器電路，以及連接至所述第二收發器電路的第二處理電路，所述第二處理電路用於確定第二處理變量， 所述第一電路裝置和所述第二電路裝置在功能上獨立， 連接至所述第一電路裝置和所述第二電路裝置的一個傳輸線探頭(3)，所述傳輸線探頭延伸至所述罐的容納物中，並且被配置為將所述第一電磁信號和所述第二電磁信號朝向所述容納物引導並使所述第一電磁信號和所述第二電磁信號進入所述容納物中，並且將所反射的信號引導回至第一電路裝置和第二電路裝置，其中，所述傳輸線探頭被配置為允許第一傳輸模式和第二傳輸模式的傳播， 饋送裝置(4)，其被連接為接收所述第一電磁信號並以第一傳播模式將所述第一電磁信號耦合至所述傳輸線探頭內，並且被連接為接收所述第二電磁信號並以第二傳播模式將所述第二電磁信號耦合至所述傳輸線探頭內。
2.根據權利要求I所述的物位計，其中所述傳輸線探頭是雙線探頭，並且其中所述饋送裝置被配置為在線(20a、20b)之間饋送TEM模式信號，並且利用所述線中的至少之一來饋送SWG模式信號。
3.根據權利要求2所述的物位計，其中所述TEM模式信號相對於所述SWG模式信號反相。
4.根據權利要求I所述的物位計，其中所述傳輸線探頭是具有中央引線(23)和鑿孔的護罩(24)的同軸線(22)，所述鑿孔的護罩(24)允許在其外表面上進行信號傳播，並且其中所述饋送裝置被配置為沿著所述中央引線饋送TEM模式信號，並且沿著所述護罩的外表面饋送SWG模式信號。
5.根據權利要求I所述的物位計，其中所述傳輸線探頭包括至少三條導線(27a、27b、27c)，由此允許至少兩個TEM模式沿著所述探頭傳播。
6.根據權利要求5所述的物位計，其中所述饋送裝置被配置為同相地和反相地饋送兩個TEM模式。
7.根據權利要求5所述的物位計，其中所述饋送裝置被配置為對稱地饋送三條導線，其中，相位O。>120°和240°提供第一 TEM模式，並且相位0°、240°和120°提供第二TEM模式。
8.根據權利要求I所述的物位計，其中所述物位計還包括功率分割元件，所述功率間隔元件被配置成連接至所述傳輸線探頭，以在具有相同傳播模式的信號之間提供隔離。
9.根據權利要求I所述的物位計，其中所述第一電路裝置(2a)和所述第二電路裝置(2b)被配置為生成、發送和接收相同的電磁信號。
專利摘要本實用新型提供一種物位計。所述物位計用於檢測與至罐中容納物的表面的距離有關的處理變量，其包括在功能上獨立的包含收發器電路和處理電路的第一電路裝置和第二電路裝置。所述物位計還包括連接至這些電路裝置的傳輸線探頭，其中，所述傳輸線探頭延伸至罐中的容納物內，並且被配置成允許第一傳輸模式和第二傳輸模式的傳播；以及饋送裝置，其被連接為以在第一傳播模式和第二傳播模式將電磁信號耦合至探頭內。
文檔編號G01F23/284GK202814494SQ20112036164
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月20日 優先權日2011年7月7日
發明者奧洛夫·愛德華松 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司