专利名称：用于绝缘雷达水平计的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业过程中的水平测量，其中本发明用于测量工业应用所使用的储罐中的产品水平并且其中利用微波水平计进行水平测量。更具体地，本发明涉及把雷达水平计的电子电路连接到安装在罐的壁上的天线上。按不同的安装规则以及安全考虑调整雷达水平计的布线以及它和地的连接。进入危险区域(其中储存易燃化合物)的导体的绝缘是关联问题。本发明的主要目的是使地与罐中适用于保持雷达传感器的良好功能的物品绝缘的方式。
背景技术：
炼油厂、化工厂等是其中在大范围内安装包括大量布线的电气控制设备例如各种传感器和显示器的场所的例子。接地以及绝缘是这种安装的关键概念并且从而存在许多规则和严格物理限制。另外，不同国家中这些规则可能不同。
“接地”是一个非常暗藏危险的概念，因为和应用到长距离的安装中相比，或者和相对于与该距离相等的波长对应的频率(100kHz对应一或几千米)为“高”的频率下工作相比，“接地”远没有那么容易。必须考虑三个方面(以及功能要求)物理因素大范围(诸如几十米到几千米)上分布的本地接地点会对直流和交流(主要50/60Hz)产生不同的电势并且这些点之间的电缆可能会对各种电磁场形成好的(但不希望有的)天线。在稳态下，很少遭受超过1伏特的电平，但是即使如此，如果用一条典型电缆连接两个分离的“接地点”，则可以测出远大于1mA的电流。对于瞬态，例如在雷击情况下可以遭受高得多的电压(由于四只接地脚之间的瞬变电压，对于可怜的奶牛常常是致命的)。
安装规程这些(根据法律或公司规则)规程在各个国家是不统一的，并且可能对于不同的情况不是最优的。对人的保护可能是最重要的目标，而不受干扰地传输非常弱的信号可能要求其它装置。一些情况下在不同的国家对于某种类型的部件要求不同的解决办法，以遵守当地规则并且得到良好的功能。对于和干线连接的电路，通常要求1500V交流的额定电压(“火”线和地之间1500VAC的测试电压)，并且在许多情况中规定“带电”导体之间的最小距离以及绝缘层的最小厚度。电缆屏网的接地和电路的接地不同，并且也可以进行规定。
Ex规程(爆炸安全规程的缩写)其具有接地要求并且还要求与位于和典型地是罐的内部的“O区”对应的区域中的导体绝缘。在实际情况中Ex规程常常不是非常清楚地表述的，而是在一些方面可能作为协调内容出现。在许多情况下把本质上安全的电路对地的绝缘规定成500V交流额定电压，而对O区(罐的内部)的零件的绝缘要更加复杂。典型地，在后一种情况下使用一个可靠的或者三个良好绝缘的构件，并且对这些良好绝缘的构件带有一些明确或不那么明确的要求。
不同要求下接地的实际实施是，电子设备应良好地对本地的地绝缘，然后若需要，应在不同情况下以不同的适当方式进行连接。对于使用直流或非常低的频率的部件(电阻式温度传感器，机电液面开关等)，直流电概念的“接地”可能是足够的，但是由于布线上的电容(100nF/km量级)，除了频率非常低的信号外所有信号会具有很复杂的和地的耦合，其结果并不总是容易预测。
和只在低频下操作的部件相比，雷达系统情况更加复杂。许多微波(雷达)电路本身是本地接地的，并且为了避免干扰进入(或者逸出)这些电路，需要封闭的金属外壳。“本地接地”意味着波长的几分之一，雷达频率下其量级为1mm，并且对于雷达频率“封闭”意味着小于波长的几分之一的洞或槽。另一方面，雷达天线必须安装在罐的内部。“对地的良好本地连接”、“对地和对罐的内部的良好绝缘”以及“向罐内的良好传输”的组合使雷达部件在绝缘的设计上是相当特别的。采用了各种解决办法，并且有时利用物理上小的电容可以具有良好的微波传输性质这一事实。
一种从布线现场看到的实现绝缘的方法是采用交流电源和交流数据传输，其中可以使用变压器以对测量仪表提供功率和数据通信并且保持良好的直流绝缘。在此情况下，微波电路可以本地接地，或者无论怎么样，同时保持良好的外部绝缘。在处理工业中使用的仪器的大多数情况下，采用基于4-20mA的直流数据传输系统，其对应的绝缘更加复杂或者可能降低精度。按照它们的自然工作而被封闭于金属中的传感器(温度传感器，压力传感器等等)可以具有电子部件中的所有构件所共用的内部(并且从而良好保持的)电绝缘。
在高频信号进入罐内的情况下，不那么容易采用本地信号接地。于是高频侧的绝缘是交流的。图1中示出依据现有技术的对波导绝缘的实际例子。例如在10GHz下在波导3中利用标准SMA同轴连接器1充当馈送探头2。该连接器下面的介质垫圈4形成电容器，并且通过锥形槽5加大金属零件之间的距离以便经得起可施加的测试电压(例如交流500V或交流1500V)。为了限制VSWR(电压驻波比)，垫圈4必须薄，并且由于电容有限，该方案对于中或高微波频率(＞5GHz)最佳。和波长相比垫圈太厚可能产生微波匹配问题，并且尤其在例如25GHz(波长8mm)的频率下。
在印制电路板(或者对应的陶瓷载体)上，可以设置绝缘的同轴连接器并且通过作为构件的电容器进行绝缘。可以使用三联电容器以满足对直流绝缘的本质安全要求，同时保持对于低微波范围内的频率的微波耦合。
在任何这些情况下，难以实现达到例如0.5mm的介质层规定厚度的稳健绝缘。额定电压为高电压的电容器由于尺寸大，因此难以和良好的微波功能组合。
发明内容
依据本发明的一个方面，提供一种利用微波测量罐中产品的表面的水平的雷达水平计，其包括向该表面发送微波并接收该表面反射的微波的天线，和通过空心波导对所述天线馈送的测量电路，所述波导包括至少一个天线波导件，其一端可和该天线耦合并且其另一端在与该波导相交的相交处上具有开口，其中该雷达水平计还包括沿与所述天线波导件相交的所述相交处延伸的介质隔板，用于不导电地分离所述天线波导件和所述测量电路，所述介质隔板具有在朝着该天线波导件的方向对着该波导的第一面，并且所述介质隔板具有对着基本上离开所述天线波导件的方向的第二面。该天线波导件的相交处最好被包括在相交面中。
本发明涉及一种其中波导用于天线馈送的雷达水平计，以及涉及更具体的系统，其中必须利用预定厚度(例如0.5mm)或预定介质强度的介质材料使该波导从某个点开始和诸如测量电路的电子设备和微波电路不导电地绝缘。最好靠近该雷达水平计的测量电路完成该不导电绝缘。
另一种重要的和有益的实施是该介质隔板在波导接合处的位置，以便能为了更换等而取下测量电路。和对应的同轴密封相比，波导接合是稳健的，适于现场维修并且更容易和依据本发明的绝缘介质隔板配合。
本文使用的术语“波导”指的是用于微波传输的基本上圆柱形(最是广泛意义下的圆柱)的管，其中波导填充空气或固体介质材料，沿着波导该材料可以是不同的。波导的横截面可以是不同的，例如圆形、长方形或其它形状，一个公知的更复杂的横截面的例子为成脊状的长方形截面。通常利用术语“空心波导”把所说明的波导和其它波导结构区别开。
所使用的术语“不导电的”指的是相对于直流电流以及低频交流电流，至少对于预定的交流额定电压，使两个导电材料彼此分离和绝缘。这和电气安装(例如对地交流1500V)或Ex规程(例如对地交流500V)中的规定测试电压密切相关。
接合(joint)是波导中的一个实际的和重要的细节，对于液面测量应用它是一种特殊细节。在大多数情况中波导的一部分是罐密封的一部分，在罐中的高压、腐蚀性或危险性物质等条件下它是要求苛刻的。还必需能在现场条件下更换雷达水平计的电子部件，因而可分离接合是有益的。
依据本发明的另一个方面还公开一种用于把可和天线耦合的波导与雷达水平计的测量电路不导电地分离的方法，如上述方法所涉及的，该雷达水平计用于测量罐中产品表面的水平。
图1示出现有技术应用中对雷达水平计的波导的馈送。
图2示意示出一个用来确定罐中产品表面的水平的雷达水平测量系统。
图3示意示出依据本发明的一个方面的雷达水平计的波导中的介质隔板。
图4示出图3中的部件的另一实施例。
图5示出图3中的部件的再一实施例。
图6示出波导接合处的介质隔板。
图7示出天线波导件的开口的一些替代实施例。
图8示出插入在波导接合中的介质隔板的形状的另一实施例。
图9示出其中测量电路的外壳壁的一部分充当介质隔板的实施例。
图10示出其中印制电路板构成介质隔板的实施例。
图11示出其中接合处在绝缘隔板和天线波导件之间具有的密封的实施例。
图12示出作为图4及5对应的实施例的替代方案的实施例。
具体实施例方式
下面在附图的支持和参照下说明本发明的一些实施例。
图2中示出雷达水平计的应用。罐11用于储存产品12。该产品例如可以是油、精炼产品、化工品和液化气，或者可以是粉末形式的材料。雷达13附着在罐11的顶部14上。通过罐内部的天线15从该雷达发射微波束。该发射的波束从产品的表面16反射并由天线15接收。通过在测量和控制单元中比较和评估发射波束和反射波束之间的时间搭接(time lap)，以公知的方式执行产品表面16的水平的确定。可以从天线作为自由辐射波束或者通过和产品连通的波导(未示出)发射微波。图2中示出的雷达水平计仅用作为一个例子。
在表示雷达水平计部件20的部分剖面的图3中示出本发明的一优选实施例。在图3中，21代表可以和天线耦合的天线波导件。在该实施例中，围绕测量电路23的外壳(部分示出)与天线波导件21一起形成一个整体，其设置了用于对着并且支持测量电路23的边缘22，在图3中用电路板23a表示。机械外壳24常规地保护测量电路23。为了简明起见部分地去掉所述外壳24。
通过依据本发明的在图3中作为绝缘板形成的中间介质隔板25，含有该雷达水平计的电子器件的电路板23a附着在天线波导件21的边缘22上。在电路板23a上设置一个作为端件形成的金属帽26，以在离开天线的方向上封闭该波导。在电路板23a上安装微带27，用来在波导的方向上发射微波。
图3是依据本发明的一种可能布置。在本实施例中充当垫圈的厚绝缘层25通过粘合剂附着在金属支承/保护盒(外壳24)上，以形成纵向波导密封，并且印制电路板23a在它的底部(除波导开口之外)具有接地平面，而且作为金属帽26形成的波导端件附着在它的顶部上。
一种替代实施例利用介质绝缘片25而不是利用垫圈达到电绝缘和纵向密封，以在服务期间进行保护并且阻止通过波导的泄漏。典型地对于雷达水平测量应用中的波导，在沿着该波导的一个或两个位置上需要密封以便密封罐并且保护或密封电子单元。对密封的第三种要求是在一种Ex保护类型中采用的对爆炸保护的密封。通常在介质隔板和波导之间设置例如利用密封圈的密封，这在附图之一中示出并且用于介质隔板形成为绝缘片或者构成绝缘垫圈这两种情况。
在图4中绝缘片下面的底板具有一个凹槽28以形成穿过绝缘层25的四分之一波长(水平)通道29，从而改进电密封。取决于准确的测量，依据图3或4的设计可以是最优设计。
图5中表示的另一种方法带有位于波导周围的四分之一波长槽30(也称为四分之一波长扼流圈)以便组合径向电密封和纵向机械密封。在图12的剖面侧视图中示出用来获得电密封的另一种方案，其包括位于绝缘片25下面(位于上面也是可能的)的用微波衰减材料做成的压力密封件(衬垫)55。和图5相比，图12的布置具有可以把该衬垫做得很薄(＜＜λ/4)的优点。衬垫55可以用能让它组合微波密封功能和压力密封功能的材料做成。
尽管为了满足权威机构的绝缘要求需要厚的介质层，也可以通过在介质隔板的周围施加一个或两个四分之一波长槽得到其它特性或者通过在片中添加图案得到好的电匹配。除非绝缘片非常薄(并且因此可能不适于实现满足的绝缘要求)，否则可能会在微波传播中造成非常不希望的失真(反射或VSWR)，但是通过适当设计可以任意地减小这种失真。从其它波导应用已知两种或更多的协同失真的可能性。
图6示出在可分开的接合中应用的本发明，其中上述的电子单元可以附着在第二波导件31上以及延续并附着到该天线的天线波导件32上，并且通过所述天线波导件和所述第二波导件之间的绝缘板25提供所述可分开的接合，其中所述厚的密封和绝缘板25既用于径向电密封又用于纵向机械(气体，液体等)密封。
密封(绝缘)片25位于两条为电和(任选的)机械密封设计的波导缘33、34之间。用绝缘材料做成的螺帽35(虚线)可用于机械连接。如果使用另一个绝缘垫圈，可以采用金属螺帽。以图4和5中所示的类似方式，可以添加用来改进电气功能的四分之一波长槽，而且还可以添加一个或更多的密封圈密封(未示出)。
密封(绝缘)片25可以装配有在波导中造成反射的传导图案，这抵消片25造成的反射，从而改进总的电匹配。在改进电匹配方面，这种图案可以替代四分之一波长槽并允许使用较厚的板。
雷达水平测量中常用的两种频率是6GHz和25GHz附近的两种频带。尤其对于该高频，0.5mm绝缘层的要求意味着由于该绝缘材料中的微波波长例如可以是8mm，因此为了避免微波功能上的干扰，必须围绕该绝缘层进行很好的设计。
在图7中示出在天线波导件中执行的开口的一些替代实施例。图7a示出一种开口，其中该开口的平面以不等于90度的角度和波导相交，其可以是用于其中存在于介质隔板下面积累凝结液的风险的情况下的有益实施例。在图7b中，该天线波导件在端部上具有壁，在所述壁上设置有缝26，以通过该缝馈送微波。和该天线波导件21的其余部分的完整尺寸的面积相比，该缝26形成一部分横截面积较小的波导。绝缘片25设置成在该端壁的外侧上横越该缝。在该图的平面视图中示出沿线A-A的相交面。在此情况中该壁当然也可以相对于波导轴是倾斜的。介质隔板排列成横越所述壁的外侧。
图8公开一种使介质隔板40象帽状那样形成的接合，其中隔板40的二侧嵌在波导的纵向缘41和42之内，缘41是天线波导件的一部分而缘42是第二波导件的一部分。在本情况中该帽子的扁平部分沿着上面指出的波导的相交处延伸。
在图9示出另一实施例，图中示出围绕测量电路的外壳43。至少一部分的外壳壁44构成介质隔板，其中该外壳壁44用介质材料做成。包含该测量电路的元器件的电路板45安装在所述外壳壁44之内。在天线波导件47上设置支承缘46。环绕支承缘46的天线波导部分设置有四分之一波长扼流圈。
图10示出本发明的再一实施例，其中把介质板48形成为面对着天线波导件49的介质隔板。在本例中，该介质板执行充当绝缘层以及充当对波导件49的密封的双重作用。在此实施例中，可以在一块电路板上实现包含该绝缘隔板的整个测量电路。可以按多层板实现该电路板。该电路板当然不带有贯入该介质隔板的第一侧(朝着天线波导件)的导体。图10中还示出一种说明在天线波导件内部设置对罐50的额外密封的选择。
在图9和10还公开又一实施例，其中指出波导端件形成为外壳壁的集成部分。
图11描述在绝缘片51的两侧具有缘以支持所述片的波导接合的实施例。标号52代表天线波导件的缘而标号53表示第二波导件的缘。该图中还示出介质隔板51和该天线波导件之间的密封。此例中所述密封是密封圈，即一种可以在前面说明的任何实施例中采用或设置的密封。
图12中示出对图5中的四分之一波长扼流圈的替代方案，其中利用位于相应槽56中的用微波吸收材料做成的衬垫55(最好但不是必须为波长的四分之一)替代扼流圈。
权利要求
1.一种利用微波测量罐中产品表面的水平的雷达水平计，包括向该表面传送微波并接收该表面反射的微波的天线，通过空心波导对所述天线馈送的测量电路，其特征在于该雷达水平计还包括天线波导件，其一端可和该天线耦合，并且在其另一端上具有在和该波导相交的相交处上的开口，沿着与所述天线波导件的开口相交的所述相交处延伸的介质隔板，用于使所述天线波导件不导电地与所述测量电路分离，所述介质隔板具有在朝着该天线波导件的方向上面对着该波导的第一侧，以及所述介质隔板具有面对着基本上离开该天线波导件的方向的第二侧。
2.依据权利要求1的雷达水平计，其中所述测量电路包括用于天线的所述馈送的微波馈送器，并且所述馈送器设置在所述第二侧上。
3.依据权利要求1或2的雷达水平计，其中波导端件安放在该介质隔板的所述第二侧上与所述介质隔板相邻。
4.依据权利要求2的雷达水平计，其中所述介质隔板包括用固体介质材料做成的片。
5.依据权利要求4的雷达水平计，其中所述片设置有一个或更多的通孔。
6.依据权利要求4的雷达水平计，其中由于所述绝缘片覆盖所述开口的全部面积，所述绝缘片提供电绝缘以及防止材料通过该波导纵向泄漏的保护。
7.依据权利要求4的雷达水平计，其中所述天线波导件具有用来支持所述绝缘片的缘。
8.依据权利要求4的雷达水平计，其中容纳所述测量电路的外壳具有构成所述绝缘片的外壁。
9.依据权利要求4的雷达水平计，其中所述第二侧上的所述绝缘片由形成用于该测量电路的外壳的一部分的缘来支承。
10.依据上述任一权利要求所述的雷达水平计，还包括设置在该介质隔板和该天线波导件之间的、用于防止罐内外之间的泄漏的密封部件。
11.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中该介质隔板包括形成测量电路的一部分的印制电路板的介质层。
12.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中该介质隔板具有最小厚度，该最小厚度等于或大于对给定额定电压提供绝缘所要求的预定值。
13.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中所述预定值为0.5mm。
14.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中，和该介质隔板相邻，该天线波导件通过它的形状和尺寸形成四分之一波长密封。
15.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中，和该介质隔板相邻，该天线波导件设置有至少一个用来减少微波泄漏的四分之一波长扼流圈。
16.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中，和该介质隔板相邻，该天线波导件设置有用微波吸收材料做成的、位于围绕该波导件排列的槽(56)内的衬垫(55)。
17.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中所述介质隔板在它的第二侧上具有位于波导开口的一部分上方的导电图案，以改进隔板和波导之间的电匹配。
18.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中该波导设置有其第一端与所述测量电路耦合的第二波导件，所述第二波导件具有可与所述天线波导件的开口耦合的第二端，以形成可分开的接合，该介质隔板设置在该天线波导件和该第二波导件之间，以提供所述不导电隔离。
19.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中所述天线波导件具有沿所述相交处延伸的壁，并且所述开口形成为所述壁中的缝。
20.依据权利要求1至9中任一权利要求的雷达水平计，其中所述相交处包括在相交面中。
21.依据权利要求1-20中任一权利要求的雷达水平计，其中，和该介质隔板相邻，该天线波导件设置有至少一个用微波衰减材料做成的、用于吸收微波能量的微波密封单元。
22.依据权利要求21或权利要求1-19中任一权利要求的雷达水平计，其中所述至少一个微波密封单元还提供压力密封。
23.一种用于把和天线耦合的波导与用来测量罐中产品表面的水平的雷达水平计的测量电路不导电地分离的方法，该方法包括步骤通过天线向该表面发送微波并接收该表面反射的微波，通过空心波导从所述测量电路向所述天线馈送微波，对所述波导设置其一端可和该天线耦合的天线波导件，沿着和该天线波导件的相交线为该天线波导件的另一端设置开口，沿着与所述天线波导件的所述开口相交的所述相交线设置介质隔板，把所述介质隔板设置成具有在朝着该天线波导件的方向上面对着该波导的第一侧，以及把所述介质隔板设置成具有面对着基本上离开所述天线波导件的方向的第二侧。
24.权利要求23的方法，还包括步骤在所述第二侧上设置微波馈送器。
25.权利要求22或23的方法，还包括步骤在所述介质隔板的一侧上设置波导端件，所述端件相对着该介质隔板的所述第二侧。
26.权利要求23或24的方法，还包括步骤在该介质隔板和该天线波导件之间设置密封装置，以防止罐的内、外之间的泄漏。
27.上述各方法权利要求中任一权利要求的方法，还包括步骤对该波导设置第二波导件，该第二波导件的第一端和所述测量电路耦合，使所述第二波导件的第二端和所述天线波导件的开口耦合，以形成可分离接合，把所述介质隔板设置在该天线波导件和该第二波导件之间以充当所述不导电分离。
28.权利要求23或27的方法，还包括步骤用所述介质隔板覆盖该天线波导件的整个开口。
全文摘要
本发明提供一种利用微波测量罐(11)中产品(12)表面(16)的水平的雷达水平计(13)，其包括对该表面发送微波并接收该表面反射的微波的天线(15)，通过空心波导对所述天线馈送的测量电路，并且所述波导包括至少一个其一端可和天线(15)耦合、另一端在与该波导相交的相交处上具有开口的天线波导件(21)，其中该雷达水平计还包括沿与所述天线波导件(21)的开口相交的相交处延伸的介质隔板(25)，用于不导电地分离所述天线波导件和测量电路，所述介质隔板(25)具有在朝着该天线波导件(21)的方向上面对着该波导的第一侧，并且所述介质隔板(25)具有面对着基本上离开所述天线波导件的方向的第二侧。
文档编号G01S13/00GK1864049SQ200480029031
公开日2006年11月15日 申请日期2004年10月19日 优先权日2003年10月20日
发明者库特·奥罗夫·埃德沃德森, 马格努斯·奥尔森, 安德斯·吉斯库格 申请人:Saab罗斯蒙特储罐雷达股份公司