两模式雷达液位计系统的制作方法

专利名称：两模式雷达液位计系统的制作方法
技术领域：
本发明总地来说涉及基于雷达的液位计量(level gauging)，更 具体地说，本发明涉及用于通过波导以高精度对装填物(filling material)、特别是液体的液位进行基于雷达的液位计量而不需要预 先知道装填物表面之上的确切的气体成分和/或压力的系统和方法。
背景技术：
用于测量容器中的液体或者其他装填物的液位的雷达液位计系 统是公知的，这样一种系统通常包括用于向液体表面发送微波信号的 发射机，用于接收从液体表面反射的微波信号的接收机，以及用于根 据被发射和被反射的微波信号的传播时间来计算容器内的液体的液位 的信号处理装置。这种设备变得越来越重要，特别是对于诸如原油及 其制品的石化产品。这里的容器意味着构成储罐的总装填量的 一部分 的容器，或者甚至更大的通常圆柱形的基于陆地的、具有数十或者数 千立方米容量的储罐。
实现雷达液位计量系统的高精度的一个因素是雷达波的速度通 常为大家熟知或者等于光在真空中的速度(299 792 458m/s )除以气体 的介电常数(对于标准大气来说为1.0006)的平方根。然而，对于一 些应用，介电常数是不能充分精确地了解以获得所需高精度的。
在一种特定类型的用于计量容器内液体液位的基于雷达的设备 中，微波信号通过波导(例如安装在容器内的垂直钢管，其作为微波 在去往和来自液体表面的路径上的波导)被发送、反射并且接收。然 而，这种系统中的问题是液体表面之上的气体降低了微波的速度。只 有当气体组分、温度与压力都已知时，这种速度降低才可以被精确地 估计，但是通常不知道所述气体组分、温度和压力。在US6915689中由相同申请人提出了对上述问题的解决方案。此 文献具体说明了管道测量的方法，其中气体的介电常数对作为测量值 的距离的影响可以忽略或者非常小。相对于通常的雷达方法(其中所 用大气中的波长已知并且能够作为标准使用)，所述方法典型地用于 LPG测量，其中要求CTS精度并且其中介电常数可在1.00-1.02的范 围内变化(空气到加压丙烷)。CTS (Custody Transfer Safety,安全 密闭输送)被理解为具有很高精度、例如20m距离时士2mm的系统， 其由主管机关证明以便允许官方或者商业测量使用。如US6915689所 述，不充分知晓的介电常数的问题可以被解决，但是其代价是，精确 测量将取决于管道直径而非雷达波的速度。钢管的直径具有足够的稳 定性(包含温度校正)来作为标准使用，但是直径的初始确定可能带 来一个问题，包括所述直径可能沿着管道轻微地改变(例如+/-0.5%) 的事实。管道通常具有25m的长度，由6m的部分焊接在一起。因此 直径的精确估计是困难的。
当使用普通石化产品，即那种在常温下流动的产品时，管中的气 体典型地是空气。空气的标称介电常数是1.0006，具有+-0.0001的典 型偏差。然而在碳氩化合物等蒸发的情况下储罐的内容物将增加介电 常数、超过空气的介电常数。这种增加会是显著的。进一步，当计量 包含超压下的液化气体的容器中的液位时，速度的改变是非常显著的。 在常见的碳氢化合物气体中丙坑具有最高介电常数，使得在10bar压 力下速度降低大约1% (相应于￡=1.02)。这种大的差异在诸如密闭 输送(CTS)应用的许多应用中是不可接受的。因此经常需要如密闭 输送精度所定义的更高精度。术语密闭输送(CTS)精度意味着一种 足够得到密闭输送的批准的精度，其是许多液位计量商业使用中的正 式要求。就传播速度而言，密闭输送精度意味着液位确定的精度大约 在0.005-0.05%范围内。
US6915689进一步公开了使用两种不同传播模式以便更精确地 估计管道直径并且相应采取校正动作。不同模式以不同速率传播，这 使得当存在若干模式时很难测量。因此，在雷达液位计量中通常避免若干同时模式。然而在US6915689中，考虑使用若干模式来提供对环 境条件尤其是管道直径的估计。
然而，此文献教导的方案的问题是它在发射机中要求相当复杂的 馈送系统以提供不同模式的微波信号，这增加了系统复杂性、成本以 及使用困难。
因此需要一种更简单和/或更经济、但仍然对测量结果提供至少 同样的准确度和可靠性的方案。

发明内容
因此本发明的一个目的是克服或者至少减轻上述问题。该目的通 过根据所附权利要求的雷达液位计系统和方法来实现。
根据本发明的第一方面，提供一种用于计量容器中的装填物的液 位的雷达液位计系统，包括向装填物表面延伸的波导；用于在波导 中发送笫一传播模式的微波信号的发射机；用于接收从所述装填物表 面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机；以及用于根 据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及连接波导 和发射机的转换(transition)元件，其中所述转换元件设置为允许一 部分发送微波信号流入第二传播模式；其中第一和第二传播模式处于 容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同模式传播的频带之 内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收 所述微波信号。
发明的雷达液位计系统提供一种简单方案，通过使用两种波导模 式以两种方法测量距离来计算当前使用的管道部分的精确平均直径。 两模式测量本身从US6915689已知，该文献通过引用合并于此。因此， 本发明提供一种具有与先前已知系统基本上相同能力和性能的雷达液 位计系统，但是具有显著简化的馈送装置，从而可获得一种更简单并 且更成本有效的系统。
借助于本发明，可以获得一种成本有效和可靠的用于高精度计量 容器中的液体的液位的装置。该装置对于下述环境是特别有用的，其中在将被测量的液位之上存在具有在预定介电常数范围内的介电常数 的气体。该液体例如由压缩气体构成，所述气体由气态的压缩气体组 成，其中压缩气体在超压下存储在容器中。
波导例如是一种向将被测量的液体表面延伸的管，其中管壁上设 置有多个孔，以便容器中的液体可以横向流入和流出所述管来保持管 内外液体的一致液位。该波导可以具有任何类型的截面，但是优选地
长方形或者圆形截面。该管直径优选地在25-150mm范围内，最优选 地在50-100mm范围。
管道直径和工作频率优选地被选择，以便波导中第一和第二传播 模式的微波信号的群速度至少在预定的介电常数范围之内基本上与介 电常数无关，
该接收机可以以多种方式辨别以第 一和第二传播模式中的不同 模式接收的微波信号的部分，但是例如根据不同传播模式的反射微波 信号在接收机的不同到达时间。
该微波信号可以是调频连续波信号(FMCW )或者脉沖雷达信号。
本发明对计量容器中液体的液位特别有用，在液位之上存在气 体，其中波导通过气体向液体表面延伸。
优选地，第一模式是Hm模式，而第二模式是H。2模式。在此情 况中，波导优选地具有不允许H。3模式通过的尺寸。微波信号频率例 如可以在5-25GHz的范围内。
转换元件优选地被设置为使20-80%的微波功率流入到第二传播 模式，并且最优选地为40-60%。
转换元件可以有利地被形成基本上圆锥形。为了获得对笫二传播 模式的恰当流入，转换元件在轴向上的长度优选地相当短，例如小于 0.25m。优选地，转换元件在轴向上的长度在0.05-0.10m范围内。现 有技术中，相当长的圆锥被用来避免激发一个以上的传播模式，但是 这里使用一个以上模式的激发。
处理电路优选地被设置为从每个传播模式中的反射微波信号估 计'所述波导或者所述容器中的环境的一个或多个属性，以及使用所述一个或多个属性的所述估计来计算所述容器中所述装填物的校正的液 位。处理电路可以被设置为单一单元，或者被设置为包括若干单元的 分布形式，其可能被设置为彼此分离。所述波导或者所述容器中的环 境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述波导的长度 的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内壁上杂质特 别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存在。
一些实施例中，处理电路根据以第一和第二传播模式中的不同模 式接收的微波信号的接收和辨别部分计算波导的截面尺寸。优选地， 该波导具有圃形截面，并且计算出的截面尺寸是在沿着微波信号在从 液体表面反射之前传播的距离上波导的平均直径。
然而，可替换地，该处理电路为两个传播模式中的每一个确定距 装填物表面的距离，导致两个并列的测量值序列。这两个测量序列然 后可以用于产生综合值，例如平均值，其与管或者管道直径无关，并 且不受沿着管/管道直径变化的影响。
为了保证最高精度，期望在管道中具有一个或者两个机械固定的 反射，并且通常所述两个固定反射可对应于"空储罐，，以及"满储罐"之
上的已知位置的状态。"空储罐"反射优选地如US6795015所述完成， 该文献通过引用合并于此，其中反射器被浸没时几乎不可见，但是当 液体表面低于反射器时该反射器很清楚。"满储罐"反射器优选地被设 置来反射仅仅一个模式。
反射电抗可被设置在波导中，以给出至少两个不同传播模式中的 一个比至少两个不同传播模式中的另一个实质上更强的微波信号反 射。
根据本发明的另一方面，提供一种用于计量容器中装填物的液位 的方法，包括步骤通过波导向装填物表面发送第一传播模式的微波 信号；接收从所述装填物表面反射并且通过所述波导传播回来的微波 信号；以及根据反射微波信号确定容器的填充液位，其中所发送的 微波信号的一部分被允许流入第二传播模式，第一和第二模式二者均 处于容许所述微波信号在所述波导中传播的频带内；以及所述微波信号以所述两个不同传播模式被接收。
根据本发明的这个方面，可获得与上文关于本发明第一方面所讨 论的内容相似的优点和变化。
本发明的这些及其他方面将从参考在下文中所述的实施例变得清晰。


为了说明的目的，将参考在附图中示出的实施例来更详细地描述 本发明。
图l是容器的示意剖面侧视图，其中设置了根据本发明实施例的
雷达液位计系统；
图2示意地以透视图更详细地示出图l的用于基于雷达的液位计 量的设备。
图3是图1的雷达液位计系统的剖面侧视图； 图4是底部反射器的典型实施例； 图5示出满储罐反射器的一些具体实施例；以及 图6是用于一些典型储罐状态的储罐频谱。
具体实施例方式
图1和2示意地示出4艮据本发明实施例的雷达液位计(radar level gauge, RLG)系统1。系统可以是调频连续波(FMCW) RLG系统 或者脉冲RLG系统或者任何其它类型的测距雷达，但是优选地是前 者。RLG系统具有以可以调节的可变频率发送微波信号的能力.
RLG系统包括波导1，采用基本上垂直的管或者固定安装在容器 2中的管的形式，该管的上端限制或者顶部由3表示.容器包含液体3， 其可以是石油产品，诸如原油或其制品，或者在超压和/或被冷却的情 况下存储在容器中的压缩气体。丙烷和丁烷是两种典型的以液体形式 存储的气体。
波导1优选地由能够作为对微波的波导的金属材料制成并且可以具有任意的截面形状。然而，圆的、长方形或者超级椭圆的截面是优 选的。没有示出该管的整个长度，而是仅仅示出了其上端和下端部分。
该管在其壁上装备有多个相对小的开口 6，其使得从容器到管内部的 液体的流通成为可能，以便管中的液体的液位与容器内的相同。孔的 大小和位置被选择以便它们不干扰波的传播但是仍然允许内部和外部 液位充分快速地均衡。
单元7被固定安装在其上。该单元7包括用于馈送微波信号的发 射机，未明确示出，用于接收反射微波信号的接收机以及用于确定反 射微波信号的反射位置的信号处理装置。
发射机包括发射机波导，在图1中由5表示，其由保护管8环绕。 波导5经由转换元件9、例如圆锥中间段一直到波导l。
转换元件9被设置来提供发射机波导5和储罐之中的波导1之间 的转换以及波导连接。然而，转换元件另外还被设置用来允许一部分 发送的微波信号从发射机所提供的第 一传播模式中流出并且进入第二 传播模式。由此，二种模式通过波导同时被发送。优选地，发射机提 供Hm，其在转换元件中流入Ho2模式。然而，转换元件优选地适合于 防止H。3和更高阶模式，或者至少仅仅引发较少量的模式。
该转换元件优选地设置为在两种传播模式中提供基本上相同的 微波功率的量。
第一和笫二模式优选地被选捧为处于一个频段内，在此频段上，
波导中笫 一和第二传播模式中的微波信号的波群速度至少在预定介电 常数范围内基本上与介电常数无关。优选实施例中，频率和直径被选 择来使得介电常数对H。2模式具有可忽略的影响，而对相同频率的Hcu 模式更有影响。雷达液位计使用相当宽的带宽(该宽度可以是中心频 率的10-15%)并且该传播由该频带中间的波群速度表征。这里，发 送和接收的微波信号的频率范围和传播模式，和管的内部尺寸优选地 被选择来获得一种微波信号波群速度，其在感兴趣的介电常数值范围 中、优选地在1.00和1.03之间基本上恒定。这种选择本身已经从 US6915689中知晓，其通过引用合并于此。该转换优选地以管状部件实现，在轴向方向上内部截面面积逐渐
增加，其从发射机波导5的内部截面面积增加为波导1的内部截面面 积。进一步，转换元件优选地是旋转对称的。最优选地，该转换元件 基本上形成圆锥形。为了获得恰当的第二模式流入，转换元件在轴向 上的长度优选地是相当短的，例如少于0.25m。优选地，转换元件在 轴向上的长度在0.05-0.10m的范围内。
操作过程中，发射机产生第一模式的微波信号，其通过发射机波 导和圆锥转换元件9馈送，由此发生对第二模式的流入并且进入波导 1。微波信号在波导1的管中向被测量的表面传播，由表面反射并且向 接收机返回传播。反射信号通过圃锥转换元件9和波导5,并且由接 收机接收。接收机可以以多种方式辨别以第 一和第二传播模式中的不 同模式接收的微波信号的部分，例如根据对不同传播模式的反射微波 信号在接收机的不同到达时间。然后信号处理设备根据微波信号的往 返时间计算液体的液位。另外，处理电路可被设置成根据每个传播模
式的反射微波信号估计波导或者容器内的环境的一个或多个属性，并 使用该一个或多个属性的估计来计算容器中的装填物的校正的液位， 例如作为沿着微波信号在从液体表面反射之前传播的距离上波导的平 均直径的波导截面尺寸。
为了校准， 一个或者几个零反射的反射器IO可以被使用，其优 选地适合于仅为一个模式而不为另一模式提供反射，如为Hcu而不为 Ho2提供反射。这种反射器可以在波导1的不同高度设置。另外，当 储罐空的时候，为了校准可以将反射器设置在储罐的底部。优选地， 使用下面的和上面的反射器，其中上面的是可看到的并且可以用于功 能控制，而下面的可以被用于开始校准以及空储罐测试。上部反射器 优选地被设置成为两种模式提供不同反射，尽管不是绝对必要的。底 部反射器优选地被设置来在两种模式中提供相同的反射量。然而，当 没有被液体覆盖时，与被覆盖时相比，底部反射器优选地被设置或提 供实质上更强的反射。这种反射器本身从US6795015已知，其通过引 用合并于此。因此，这种两反射器结构对基本上所有校准需求是足够的，从而不需要位于其他液位的其他反射器。
图3是图1的雷达液位计系统的示意图，来说明沿着管道的相关 特征。电子单元7在波导5生成输出，其在模式产生器等等中被转换 到Hm模式，其中H(n是最高传播模式或者其中H。2不能传播。在所述 波导中或者其上方，可以设置密封31，其优选地用于高压，如果储罐 将用于加压的气体。还可以为安全原因提供球阀32,并且例如如果必 须改变密封时可以使用它。提供对波导1的管道直径的转换的转换元 件9被设置在球阀下方，并且可以典型地由恰当长度的直圆锥体组成。 加压储罐地典型地是球体形状的并且该最高液位——在容量上低于完 全装满的储罐几个百分点一不是很靠近于储罐的顶部。在该空间中， 为了校准可以将反射器10b定位于比实际顶端略微高些。该反射器在 优选实施例中被设置来以与典型液体表面大致相同的方式反射H01 ， 但是以低得多的程度反射H。2，甚至根本不反射。波导1优选地接近 于垂直地穿过储罐，并且略微地穿孔，如每米2个孔并且每个孔具有 10mm的直径。管道在储罐底部21上方几厘米或者几分米处结束来允 许最差情况下的热运动。底部反射器10a可以固定在底部上，其优选 地被设置来当反射器被浸没时提供很小的反射，而当液位暴露反射器 时提供可与液体表面的反射相比的反射。
图4示出对两个使用的模式具有显著不同反射的高液位反射器 10b的一些具体实施例。顶端反射器可以以若干方式并且优选地以反 射Hm而不反射H。2的方式被制造。对于H(n/Ho2,反射器可具有由径 向金属支杆附着在管道上的薄金属环等等的形状。该环位于H。2具有
零周向场因此H。2反射很小而H(h具有强反射的半径位置，其可以由
薄几何形状被降低到适当的级别。如果被制作得充分薄，则金属径向 附件对Hm/H()2模式没有影响。
在第一典型实施例中，如图4a所示，反射器10b包括在波导1 中由径向支杆102支撑的水平环101。径向支杆不会影响H(u或者H02 的场模式并且选择其数量和位置以获得良好的机械稳定性。如果环直 径是管道直径的55% (或者54.62% )则环的位置是，其中H02的圆周向电场是零从而H。2完全不受所示结构影响(即没有来自HC2的反射)。 反射器的几何形状使得在管道接头处的安装为优选的方法。
另一种实现顶端反射器的方法如图4b中所示。在此实施例中， 反射器10b'包括薄的钢条103，其可以被临时弯曲来通过管道1中的 孔104被插入。因此几何形状与功能类似于图4a中所述实施例，但是 插入反射器的方法可以为通过孔安装，即不考虑接头等等。
考虑到关于H(n和H。2的功能实现环的另一方法在图4c中示出。 在此实施例中，反射器10b"包括一种环，其被分解为金属环内沿圆周 取向的多个半波偶极105。所有半波反射器105可以附着在围绕管道 并且通过波导管1中的孔104被插入的支撑件(未示出)上，如图4b 的实施例中。当lOGHz的频率被使用时，该半波反射器可以例如长 15mm，并且可以由薄金属板或者指状物形成。优选地，半波反射器 被制造成至少有点柔性，由此可以插入波导管中的更小的孔中。注意， 4个半波反射器的实施例仅仅是个例子，其他数目的半波反射器，诸 如2、 3或者6同样是可行的。
图5是反射器10a的例子，其可用作上述系统中的底部反射器。 这种底部反射器本身从US6795015中已知，所述文献通过引用合并于 此。
图5的典型实施例中，反射器适于被设置得低于波导管或者在其 末端，并且略微地高于并且附着在底部。该反射器包括附着于径向支 持物111的多个金属环110。该环将作为Hm和H。2波导模式的周向电 场的金属表面，当液体低于反射器时其不考虑低于环的底部可能的不 规则结构被反射。然而环之间的距离匹配于液体的介电常数并且当环 被浸没时波导由环形成，并且通过使得环为半波长高，反射器将作为 对所用频率的波长透明的軍。
图6示出了图3的雷达液位计系统中可接收的三个典型储罐频 谱。在第一储罐频谱A中，示出了储罐中中等液位的情形。在此情况 中，储罐频镨典型包括相应于上端反射器10b的接收回波信号Al,相 应于液体表面上Hm模式反射的接收回波信号A2，以及相应于液体表面上H。2模式反射的接收回波信号A3。在第二储罐频i脊B中，示出了 储罐中低液位的情形。在此情况中，储罐频镨典型包括相应于上端反 射器10B的接收回波信号B1，在与Al大致相同的位置，相应于液体 表面上H(n模式的接收回波信号B2,比A2略微低些，以及相应于液 体表面上H。2模式反射的接收回波信号B3，明显比A3更低。在第三 储罐频谦C中，示出了基本上空的储罐的情形。在此情况中，储罐频 镨典型包括相应于上端反射器10b的接收回波信号Cl，与Al和Bl 处于相同水平，相应于底部反射器10a的H(n模式反射的接收回波信 号C4，以及相应于底部反射器10a的Ho2模式反射的接收回波信号 C5。
本发明背后的理论以及两模式测量的应用性现在将简要地被讨 论。以下论述集中于FMCW，因为管道中CTS精度至今在管道脉冲 系统中难以获得，但是通过本讨论的略微修改，同样适用于脉冲系统。 由直线扫描以及普通液体表面建立的典型的IF (中频)信号具有相当 恒定幅度的几乎恒定的频率。恒定频率(与距离成正比)可被称作扫 描期间的线性增长的相位，并且典型的信号处理器执行相位增长与直 线的最小平方匹配。当测量通过管道而非自由空间完成时，相位在扫 描期间将具有略微非线性的偏差，并且该偏差可以以公式说明
其中
k-波数(-重新调节频率)其用于大约lOGHz、 16%的扫描在 103-227 m"的范围内变化 L-管道的长度 d-管道直径
e-大气的介电常数，范围从空气的1.0006到压缩丙烷的1.02, X是适合的Bessel根，其对于Hn是1.841，对H(n是3.832并且
对于H。2是7.016。
从等式(1)可知，相位具有对频率的略微非线性相关并且非线
性度可以由抛物线匹配估计而不是线性的。该非线性度可以表示为弧高度并且为在管道中传播而以高精度算出，其在此情况中接近于截止。 该弧高度可用于计算管道直径作为沿着管道测量片段的平均值。
该"原始距离，1*被估算为导数
<formula>formula see original document page 16</formula>(2)
并且该估算典型地由最小平方法完成，并且在管道1^的情况中 由接近于l的因数f调整。在实际中，以下更简单的估算可用于给出
L*，如
<formula>formula see original document page 16</formula>(3)
其中k1和k2是扫描的终点。
从(1)和(2)，对于变化的s测量距离的偏差可以被估算为
<formula>formula see original document page 16</formula>
当上面的括号为零时气体无关(gas independence)的条件满足， 其还可以用^^式表示为相应于中心频率的k:
<formula>formula see original document page 16</formula> (5)
管道直径作为参考长度加入计算以便直径的百万分率(ppm)精 度必须比所需ppm距离精度更好。因此任何直径测量是无用的(在 ppm-尺度中)并且仅仅旋转对称模式(H。n和E。n)可用于避免从理想 圃形偏离的任何影响。为此目的，两种同时波导模式，优选地H^和 H02，可被用于获得两个L*,其间的差异是视为实际路径上的平均值 的管道直径的精确量度。
如果由H(u和Ho2测量的原始距离(从等式(2))表示为lT和 L02，则可以看出我们形成了 一种相应于自由空间的"平均"<formula>formula see original document page 16</formula>:
<formula>formula see original document page 16</formula>(6)
LFS不取决于直径变化(或者局部或者公共的)而是单独取决于 介电常数。来自等式(2)的！^一方面取决于直径而非介电常数。从 空储罐校准记录值LFS，"以及弧高度开始，我们可以计算通过储罐 测量部分的直径曲线。所述直径曲线将是随时间恒定的(除了可预测的温度变化)并且随后被用来获得整个储罐的CTS精度。
另外，两模式测量将其他环境变化考虑在内，诸如温度变化和所 用钢材的热膨胀，以及非均匀管道直径的影响。该管道可以由6m部 分制造，其可以具有+/-0.5%精度的直径。Hu或者其它极化模式优选 地没有使用，因为Hu将具有极化相关速度，并且需要基本上理想的 圃形管道。
波导管优选地在可用标准中选择并且允许在可用范围内的频率 的4吏用。例如可以使用一种具有52.5mm标称内径的2"SCH 40。将 ￡=1.01作为平均介电常数，中心频率优选地选择为大约9781MHz。这 能被用于30-40m。替换地，可以使用一种3.5"SCH IO管道，其具有 95.5mm内径的并且借助于大约9843MHz的中心频率来满足(5)的 气体无关条件。
管道直径可能在段与段(典型地6m长)之间变化百分之一的十 分之几，因此在最差偏差的情况下厘米范围内的偏离不是不可能。两 模式传播的使用是一种稳定方法并且优选地Hm和Hfl2同时被使用。 两种传播模式都是旋转对称的，因而对与机械圓的普通偏差(即<1% ) 不敏感并且可以在相同模转换器结构中产生。
用H。2调节到等式(5 )的测量比相同频率和直径的通过的测 量给出长30%的原始距离。在本发明的简化方法中，这些模式同时被 允许，这些同时模式借助于转换元件、例如比常规设计短的多的圆锥 转换被获得。
至少对大于约2-3m的距离，该两模式将作为两个很好分离的回 波，其可没有彼此干扰地被测量。同时建立两个模式(Ho2和H。J的 模式转换器可以被使用并且最直接的方法是使用圆锥转换2"到4", 其才艮据常规设计是太短的。保持旋转对称，将通过短圆锥体产生H0n 模式并且适当的直径将限制所产生的模式为H(n和H。2。另一种方式是 使用结合旋转对称机械干扰的Hcu转换器。
对于小距离的限制在大多数实际情形中不是一种严格的限制。例 如在标准尺寸的球体中，球体的98%容量出现在其直径的11/12或者在24m球体中低于顶端2m。未使用的液位间隔中的精度降低通常是 可接受的。
作为本发明实施例的一个实际例子，假设大约10GHz的频率。 在此情况中2"40管道可用作到达气体无关条件并且以H(u模式馈送微 波信号的发射机波导。作为管波导，至少对于更深的储罐(40-50m), 一种更厚的管道，例如3.5，，SCH10可以被使用。然后从2"SCH40到 3.5"SCH 10的圆锥转换可以作为转换元件被使用。为了获得对第二传 播模式的恰当流入， 一种比按标准获得的明显更短的圃锥体被使用， 结果是微波功率的已知部分(例如50/50)流入Ho2中。在此情况中， 代替大约0.5m的标准长度(依据精确形状)， 一种50-100mm直圆锥 体可用于提供所需的模式混合。低于圃锥体的管道直径不会允许H03 经过并且旋转对称不会产生Hd/H。2之外的其他模式。因此，通过适当 短的圆锥体，所需模式混合将出现。
本发明的具体实施例现在已经被说明。然而， 一些替换是可能的， 如本领域技术人员所显而易见的。例如，许多不同組件可以用于执行 液位计系统和处理电路的不同功能，对本领域技术人员将很清楚。进 一步地，第一模式和第二模式的信号功率之间的关系也可以变化。这 种及其他明显的改进必须被认为在本发明的范围之内，由所附权利要 求定义。
权利要求
1. 一种用于计量容器中的装填物的液位的雷达液位计系统，包括向所述装填物的表面延伸的波导；用于在波导中发送第一传播模式的微波信号的发射机；用于接收从所述装填物的表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机；以及用于根据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及连接波导和发射机的转换元件，其中所述转换元件设置为允许一部分发送的微波信号流入第二传播模式；其中所述第一和第二传播模式处于容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同传播模式传播的频带之内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收所述微波信号。
2. 如权利要求1的雷达液位计系统，用于计量容器中的液体的 液位，在所述液位之上存在气体，其中该波导通过所述气体向所述液 体的表面延伸。
3. 如权利要求1或2的雷达液位计系统，其中第一传播模式是 Hm模式，而第二传播模式是H。2模式。
4. 如权利要求1-3中任何一项的雷达液位计系统，其中所述波导具有不允许H。3模式通过的尺寸。
5. 如权利要求1-4中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换 元件被设置为使微波功率的20-80%流入第二传播模式。
6. 如权利要求1-5中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换 元件被设置为使微波功率的40-60%流入第二传播模式。
7. 如权利要求1-6中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换 元件基本上被形成为圓锥形。
8. 如权利要求1-7中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换元件在轴向上的长度小于0.25m。
9. 如权利要求1-8中任何一项的雷达液位计系统，其中所述转换 元件在轴向上的长度在0.05-0.10m范围内。
10. 如权利要求1-9中任何一项的雷达液位计系统，其中所述处 理电路被设置为根据每个传播模式中的反射微波信号估计所述波导或 者所述容器中的环境的一个或多个属性，并且使用所述一个或多个属 性的所述估计来计算所述容器中所述装填物的校正的液位。
11. 如权利要求10的雷达液位计系统，其中所述波导或者所述 容器中的环境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述 波导的长度的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内 壁上杂质特别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存 在。
12. 如权利要求1-11中任何一项的雷达液位计系统，其中将反射 电抗设置在所述波导中，以便在所述至少两种不同传播模式中的一种 模式中比在所述至少两种不同传播模式中的另一种模式中给出实质上 更强的微波信号反射。
13. —种计量容器中的装填物的液位的方法，包括步骤 通过波导向所述装填物的表面发送第一传播模式的微波信号； 接收从所述装填物的表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号；以及根据所述反射微波信号确定容器的填充液位，其中 所述发送的微波信号的一部分被允许流入第二传播模式，第一和第二模式二者均处于容许在所述波导中传播所述微波信号的频带内；以及所述微波信号以所述两种不同传播模式被接收。
14. 如权利要求13的方法，用于测量容器中的液体的液位，在 该液位之上存在气体，其中该波导通过所述气体向所述液体的表面延 伸。
15. 如权利要求13或14的方法，其中第一传播模式是H(n模式，而第二传播模式是H。2模式。
16. 如权利要求15的方法，其中流入H。3模式被禁止。
17. 如权利要求13-16中任何一项的方法，其中所述微波功率的 20-80%流入第二传播模式。
18. 如权利要求17的方法，其中所述微波功率的40-60%流入第 二传播模式。
19. 如权利要求13-18中任何一项的方法，其中流入第二传播模 式发生在基本上形成为圃锥形的转换元件之中。
20. 如权利要求13-19中任何一项的方法，其中所述转换元件在 轴向上的长度小于0.25m。
21. 如权利要求13-20中任何一项的方法，其中每种传播模式的 反射微波信号用于估计波导或者所述容器中的环境的一个或多个属 性，并且使用所述一个或多个属性的所述估计来计算所述容器中所述 装填物的校正的液位。
22. 如权利要求21的方法，其中所述波导或者所述容器中的环 境的一个或多个属性包括所述波导的截面尺寸、沿着所述波导的长度 的截面尺寸的变化、所述波导的同心度测量、所述波导内壁上杂质特 别是固体或者液体碳氢化合物的存在、或者储罐中雾的存在。
23. 如权利要求13-22中任何一项的雷达液位计系统，其中反射 电抗设置在所述波导中，以便在所述至少两种不同传播模式中的一种 模式中比在所述至少两种不同传播模式中的另一种模式中给出实质上 更强的微波信号反射。
全文摘要
本发明公开了一种用于计量容器中装填物液位的雷达液位计系统。该系统包括向装填物表面延伸的波导；用于在波导中发送第一传播模式的微波信号的发射机；以及用于接收从所述装填物表面反射并且通过所述波导传播回来的微波信号的接收机。进一步，它包括用于根据所述反射微波信号确定容器的填充液位的处理电路；以及连接波导和发射机的转换元件，其中所述转换元件设置为允许一部分发送微波信号流入第二传播模式。其中第一和第二传播模式处于容许所述微波信号在所述波导中以所述两种不同传播模式传播的频带内，并且其中所述接收机被设置为以所述至少两种不同传播模式接收所述微波信号。
文档编号G01F23/284GK101287972SQ200680038044
公开日2008年10月15日 申请日期2006年10月13日 优先权日2005年10月14日
发明者奥洛夫·爱德沃森 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司