专利名称：使用带有周期性排列的基准阻抗转变元件的波导结构的雷达液位计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用诸如探针或静止管的波导结构的雷达液位计系统，所述雷达液 位计系统用于确定包含在储罐中的产品的填充液位。
背景技术：
雷达液位计(RLG)系统广泛用于确定包含在储罐中的产品的填充液位。雷达液 位计量一般通过非接触式测量或接触式测量来进行，在非接触式测量中，向包含在储罐 中的产品辐射电磁信号；接触式测量通常被称为导波雷达(GWR)，其通过利用诸如探针 或静止管的波导结构将电磁信号引导到产品中。波导结构一般被安排成从储罐的顶部垂 直延伸到储罐的底部。也可以将波导结构安排在测量管，即所谓的测量室中，该测量管 与储罐的外壁连接，并且与储罐的内部流体连通。发射的电磁信号在产品的表面被反射，并且反射信号被包含在雷达液位计系统 中的接收机或收发机接收。根据发射信号和反射信号，可以确定到产品表面的距离。更具体地说，到产品表面的距离一般根据电磁信号的发射与在储罐中的气氛和 其中包含的产品之间的界面上反射的电磁信号的接收之间的时间来确定。为了确定产品 的实际填充液位，根据上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定基准位 置到表面的距离。当前在市场上销售的大多数雷达液位计系统是根据脉冲的发射与其在产品表面 上的反射的接收之间的时间差来确定到包含在储罐中的产品的表面的距离的所谓脉冲式 雷达液位计系统，或是根据由时间差引起的发射调频信号与其在表面上的反射之间的相 位差来确定到表面的距离的系统。后一种类型的系统一般被称为FMCW(调频连续波) 型的系统。需要知道传播速度以便根据飞行时间来确定填充液位，所述传播速度由各种因 素确定，诸如波导结构的配置和储罐内的环境状况。这种环境状况例如包括包含在储罐 中的产品的表面上方的气氛的成分。对于适用于极高精度(诸如，0.1%或更低)的雷达液位计系统，储罐气氛将影 响传播速度。举例来说，标准空气中的传播速度比真空中慢大约0.03%，而加压烃类气 体具有较大影响，例如，IObar压强下的丙烷具有较大影响(1%)。US 6867729和US 5249463公开了被设计成针对储罐中产品表面上方的气氛中的 变化蒸气浓度进行补偿的不同系统。US 6867729中公开的液位测量系统通常以相对较低增益工作，以确定包含在储 罐中的物料的物料液位，并且周期性地以相对较高增益工作，以确定到在探针的预期感 测区上方沿探针设置的目标标记的距离。所确定的到目标标记的距离被用于针对物料液 位上方的蒸气的特性来补偿所确定的物料液位。US 5249463中公开的测量水位的液位测量系统包含在最大水位上方配有一对隔开的基准非连续体的探针。该基准非连续体之间的测量距离与已知距离之间的差被用于 提供与水位上方的蒸气的介电常数的变化无关的水位测量结果。尽管能够确定储罐气氛中的传播速度，但诸如US 6867729和US5249463中公开 的基准反射体将在它们附近产生某种干扰，影响雷达液位计系统的测量精度。通常，校 准回波太强并且干扰填充液位测量，或太弱并且受表面回波干扰。
发明内容
鉴于现有技术的上述及其它缺点，本发明的一般目的是提供一种改进的雷达液 位计系统及方法，尤其是能够进行更高精度填充液位确定的雷达液位计系统及方法。按照本发明的第一方面，这些及其它目的通过一种用于确定包含在储罐中的产 品的填充液位的雷达液位计系统来实现，所述雷达液位计系统包含收发机，用于生 成、发射和接收一个频率范围内的电磁信号；波导结构，被安排成延伸到包含在储罐中 的产品中，引导来自所述收发机的发射信号朝向产品的表面，并引导由所述发射电磁信 号所遇到的阻抗转变处的反射引起的回波信号回到所述收发机，所述回波信号包括由所 述表面处的反射引起的表面回波信号；沿所述波导结构基本上周期性设置的多个基准阻 抗转变元件，其中，相邻基准阻抗转变元件之间的距离被选择成使得在每个基准阻抗转 变元件处反射所述发射信号而引起的信号组合形成具有在所述频率范围内的频率的基准 信号；以及与所述收发机连接的处理电路，用于根据所述基准信号的频率和相邻基准 阻抗转变元件之间的距离来确定所述电磁信号在储罐内产品表面上方的媒体中的传播速 度，并根据所述表面回波信号和所述传播速度来确定填充液位。按照本发明的第二方面，上述及其它目的通过一种用在雷达液位计系统中的波 导结构来实现，所述波导结构用于将一个频率范围内的发射电磁信号引导朝向并进入到 包含在储罐中的物料中，并沿所述波导结构反向引导由所述电磁信号所遇到的阻抗转变 处的反射引起的回波信号，所述波导结构包含沿所述波导结构基本上周期性设置的多个 基准阻抗转变元件，其中，相邻基准阻抗转变元件之间的距离被选择成使得在每个基准 阻抗转变元件处反射所述发射信号而引起的信号组合形成具有在所述频率范围内的频率 的基准信号，从而能够根据所述基准信号的频率和相邻基准阻抗转变元件之间的距离来 确定所述电磁信号在储罐内的媒体中的传播速度。所述储罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且可以是金属的、部分或 完全非金属的、开口的、半开口的、或封闭的。所述“收发机”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，也可以是包 含分立的发射器和接收机单元的系统。所述波导结构可以是适合引导由所述收发机发射的电磁信号的任何结构。适当 波导结构的例子包括单线探针、双线探针、同轴探针、所谓的静止管等。所述波导结构 可以是大致刚性或柔性的，并且可以由诸如不锈钢的金属、诸如PTFE的塑料、或其组合 制成。本发明基于如下认识通过设置具有多个基本上周期性排列的基准阻抗转变元 件的波导结构，可以实现储罐内待计量产品上方的媒体中的传播速度的良好确定，而几 乎不影响所述雷达液位计系统进行的填充液位确定的精度，其中，每个基准阻抗转变元件导致非常弱的回波信号，但合起来导致仅一个窄频率范围内的强反射信号，这个频率 范围由相邻基准阻抗转变元件之间的距离确定。从而，可以在没有干扰表面回波信号的风险的情况下，获得指示电磁信号在产 品表面上方的媒体，例如，储罐气氛中的传播速度的易确定强基准信号。因此，不必在 弱得难以可靠地确定的基准回波信号与强得干扰填充液位确定的基准回波信号之间进行 现有技术系统的权衡。为了实现这种多个弱回波信号能够针对给定频率组合形成一个强回波信号的效 果，可以将反射结构排列成针对所述频率范围内的所述给定频率，相邻基准阻抗转变元 件之间的距离按照如下关系对应于多个半波长
权利要求
1.一种用在雷达液位计系统(1)中的波导结构(3; 30; 34； 38)，用于引导一个频率 范围内的发射电磁信号(St)朝向并进入到包含在储罐(5)中的物料(6)中，并沿所述波 导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)反向引导由所述发射电磁信号(St)所遇到的阻抗转变处的反射 引起的回波信号，所述波导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)包含沿所述波导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)基本上周期 性设置的多个基准阻抗转变元件(25a-b ； 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)，其中，相邻基准阻抗 转变元件(25a-b ； 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)之间的距离被选择成使得在每个所述基准阻抗 转变元件处反射所述发射信号(St)而引起的信号(sR)组合形成具有在所述频率范围内的 频率的基准信号，从而能够根据所述基准信号的所述频率和相邻基准阻抗转变元件(25a-b; 32a-b ； 36a-b ； 39a-b)之间的所述距离来确定所述发射电磁信号(St)在储罐(5)内的媒体中的传播速度。
2.按照权利要求1所述的波导结构(3;30; 34； 38)，其中，每个基准阻抗转变元件 (25a-b ； 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)被配置成反射其功率相对于所述发射信号(St)的功率低 于_20dB的回波信号(sR)。
3.按照权利要求1或2所述的波导结构(3;30; 34； 38)，其中，对于每个基准阻抗 转变元件(25a-b; 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)，相邻基准阻抗转变元件之间的所述距离小于 1米。
4.按照权利要求1到3的任何一项所述的波导结构(3； 30； 34； 38)，其中，对于所 述多个基准阻抗转变元件，相邻基准阻抗转变元件(25a-b ； 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)之间 的所述距离的标准偏差低于所述距离的平均值的1%。
5.按照权利要求1到4的任何一项所述的波导结构(3;30； 34； 38)，其中，沿所述 波导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)设置至少10个基准阻抗转变元件(25a_b ； 32a_b ； 36a_b ； 39a-b)。
6.按照权利要求1到5的任何一项所述的波导结构(3)，其中，所述波导结构是单线 探针⑶。
7.按照权利要求6所述的波导结构(3)，其中，每个所述基准阻抗转变元件(25a-b) 由附于所述单线探针(3)的反射结构形成。
8.按照权利要求1到5的任何一项所述的波导结构(34)，其中，所述波导结构是具有 内导体(35a)和外导体(35b)的同轴波导(34)。
9.按照权利要求8所述的波导结构(34)，其中，每个所述基准阻抗转变元件(36a-b) 由被安排成隔开所述内导体(35a)和外导体(35b)的间隔结构形成。
10.按照权利要求1到5的任何一项所述的波导结构(30)，其中，所述波导结构是包 含一对导体(31a_b)的双线探针(30)。
11.按照权利要求10所述的波导结构(30)，其中，每个所述基准阻抗转变元件 (32a-b)由用于隔开所述导体(31a-b)的隔离元件形成。
12.按照权利要求1到5的任何一项所述的波导结构(38)，其中，所述波导结构是用 于引导天线所发射的信号的静止管(38)。
13.按照权利要求12所述的波导结构(38)，其中，每个所述基准阻抗转变元件(39a-b)由在所述静止管(38)的壁中形成的至少一个凹部(39a-b)形成。
14.一种用于确定包含在储罐(5)中的产品(6)的填充液位的雷达液位计系统(1)，所 述雷达液位计系统包含收发机(10)，用于生成、发射和接收一个频率范围内的电磁信号； 按照权利要求101到113的任何一项所述的波导结构(3 ； 30； 34； 38)，被安排成延 伸到包含在储罐(5)中的所述产品中，并且将来自所述收发机的发射信号(St)引导朝向 所述产品(6)的表面，并将由所述发射电磁信号(St)所遇到的阻抗转变处的反射引起的 回波信号引导回到所述收发机(10)，所述回波信号包括由所述表面处的反射引起的表面 回波信号；以及与所述收发机(10)相连接的处理电路(11)，用于根据所述基准信号的所述频率和相 邻基准阻抗转变元件(25a-b ； 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)之间的所述距离来确定所述电磁信 号在储罐(5)中的产品(6)的所述表面(7)上方的媒体中的传播速度，并根据所述表面回 波信号和所述传播速度来确定所述填充液位。
15.—种用于确定包含在储罐(5)中的产品(6)的填充液位的方法，所述方法包含 生成和发射(401) —个频率范围内的电磁信号(St)；使发射的电磁信号(St)沿延伸朝向并进入到包含在储罐(5)中的所述产品(6)中的 波导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)传播(402)，所述波导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)包含沿所述波 导结构(3 ； 30 ； 34 ； 38)基本上周期性设置的多个基准阻抗转变元件(25a-b ； 32a_b ； 36a-b ； 39a-b),其中，相邻基准阻抗转变元件之间的距离被选择成使得在每个所述基准 阻抗转变元件(25a-b; 32a-b ； 36a_b ； 39a_b)处反射发射电磁信号(St)而引起的信号 (sR)组合形成具有在所述频率范围内的频率的基准信号；接收(403)由所述发射电磁信号(St)所遇到的阻抗转变处的反射引起的回波信号 (sR)，所述回波信号包含所述基准信号和由产品(6)的所述表面(7)处的反射引起的表面 回波信号；根据所述基准信号的所述频率和相邻基准阻抗转变元件(25a-b; 32a-b ； 36a_b ； 39a-b)之间的所述距离来确定(404)所述电磁信号在储罐(5)内产品(6)的所述表面(7) 上方的媒体中的传播速度；以及根据所述表面回波信号和所述传播速度来确定(405)所述填充液位。
16.按照权利要求15所述的方法，其中，生成和发射电磁信号包含 频率调制所述电磁信号。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其中，频率调制所述电磁信号包含 在第一频率扫描中，以第一扫描速率跨越排除了所述基准信号的频率的第一频率范围(Afm)扫描所述电磁信号的频率；以及在第二频率扫描中，以低于所述第一扫描速率的第二扫描速率跨越包括所述基准信 号的频率的第二频率范围(Δ ；; Afb)扫描所述电磁信号的频率。
18.按照权利要求17所述的方法，其中，所述第二扫描速率低于所述第一扫描速率的 50%。
19.按照权利要求17或18所述的方法，其中，所述第二频率范围(Afa;Afb)小于 所述第一频率范围(Afm)。
20.按照权利要求19所述的方法，其中，所述第二频率范围(Afa;Afb)小于所述第 一频率范围(Afm)的50%。
21.按照权利要求17到20的任何一项所述的方法，进一步包含通过组合所述回波信号和指示所述发射电磁信号(St)的信号来确定中频信号(Sif)； 分析与所述第二频率扫描相对应的中频信号(SIF2 ； Sif3)以确定所述基准信号的频 率；以及分析与所述第一频率扫描相对应的中频信号(Sifi)以确定指示所述填充液位的频移。
22.按照权利要求21所述的方法，其中在时域中分析与所述第二频率扫描相对应的所述中频信号(Sif2 ； Sif3)；并且 在频域中分析与所述第一频率扫描相对应的所述中频信号(Sifi)。
全文摘要
一种用于确定包含在储罐中的产品的填充液位的雷达液位计系统，所述雷达液位计系统包含收发机，用于生成、发射和接收一个频率范围内的电磁信号；波导结构，被安排成延伸到包含在储罐中的产品中，将来自所述收发机的发射信号引导朝向所述产品的表面，并引导由所述发射电磁信号所遇到的阻抗转变处的反射引起的回波信号回到所述收发机，所述回波信号包括由所述表面处的反射引起的表面回波信号；沿所述波导结构基本上周期性设置的多个基准阻抗转变元件，其中，相邻基准阻抗转变元件之间的距离被选择成使得在每个所述基准阻抗转变元件处反射所述发射信号而引起的信号组合形成具有在所述频率范围内的频率的基准信号；以及与所述收发机相连接的处理电路，用于根据所述基准信号的所述频率和相邻基准阻抗转变元件之间的所述距离来确定所述电磁信号在储罐内产品的所述表面上方的媒体中的传播速度，并根据所述表面回波信号和所述传播速度来确定所述填充液位。
文档编号G01F25/00GK102016524SQ200980116643
公开日2011年4月13日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月16日
发明者O·爱德沃森 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司