专利名称：具有底部反射器的雷达料面计系统以及底部反射器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于确定包括在储罐内的物料(product)的填充水平的雷达料面计系统(radar level guage system)。该雷达料面计系统包括布置在储罐的底部的底部反射器。本实用新型还涉及在雷达料面计系统中使用的底部反射器。
背景技术：
雷达料面计(RLG)系统广泛地用于确定储罐中所容纳的物料的填充水平。雷达水平计量通常要么通过非接触测量执行，其中电磁信号朝向储罐中所容纳的物料辐射，要么通过接触测量执行(通常称为导波雷达(GWR))，其中电磁信号通过用作波导的探针被朝向物料引导并进入物料中。所发射的电磁信号在物料的表面处被反射，并且所反射的信号被雷达料面计系统中所包括的接收器或收发器所接收。基于所发射的信号和所接收的信号，可以确定到物料的表面的距离。更特别地，到物料的表面的距离通常基于发射电磁信号和接收储罐中的大气和储罐所容纳的物料之间的界面中电磁信号的反射之间的时间来确定。为了确定物料的实际填充水平，从参考位置到表面的距离基于上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定。目前市场上的大多数雷达料面计系统要么是基于发射脉冲和接收脉冲在物料的表面处的反射之间的时间差来确定到储罐中所容纳的物料的表面的距离的所谓脉冲雷达料面计系统，要么是基于所发射的调频信号和调频信号在表面处的反射之间的相位差来确定到表面的距离的系统。后一类型的系统通常称为FMCW(调频连续波)类型。很多物料，特别是液体，在雷达料面计系统中通常使用的频率范围内至少在某种程度上对电磁信号是透明的，这可能导致当测量低填充水平时，从储罐的底部反射的电磁信号与从物料的表面反射的电磁信号干扰，即，距离分辨能力可能不足以区分从储罐的底部反射的电磁信号与从液体表面反射的电磁信号。EP 1242794披露了一种雷达水平测量设备，其具有位于储罐的底部处的用于微波信号的吸收器。通过该吸收器，储罐的底部的反射可以被显著减少，这允许测量低填充水平。在根据EP 1242794的雷达水平测量设备中，吸收器以尖峰(spike)的连接板的形式设置，其中，尖峰的尖端指向入射微波的方向。这些尖峰由对微波有良好吸收能力的材料制成。虽然根据EP 1242794的吸收器允许测量比先前可能的水平更低的填充水平，但是吸收器从储罐的底部到顶部的延伸将可以测量的最低填充水平限制到约为微波信号的至少一个波长。由于雷达水平测量系统的频率范围通常约为千兆赫的十分之一，所以波长约为几厘米。
实用新型内容鉴于现有技术的上述和其他缺点，本实用新型的一个目的在于提供一种改进的雷达料面计系统，特别是能够准确地测量较低填充水平的雷达料面计系统。根据本实用新型的第一方面，因此提供了一种雷达料面计系统，用于确定储罐中所容纳的物料的填充水平，该雷达料面计系统包括收发器，用于生成、发射和接收电磁信号；传播设备，电连接至收发器并且被布置成朝向储罐中所容纳的物料的表面传播所发射的电磁信号，并且将从所发射的电磁信号遇到的阻抗转变处的反射得到的回波信号返回给收发器，其中，回波信号包括从表面处的反射得到的表面回波信号；处理电路，连接至收发器并且被配置成基于返回的表面回波信号来确定填充水 平；以及底部反射器，被布置在储罐的底部，底部反射器包括多个相位修改结构，每个相位修改结构均被配置成修改所发射的电磁信号的相位并且反射相位修改后的电磁信号，其中，按照不同相位修改结构所反射的相位修改后的电磁信号相互作用以朝向传播设备提供相消干扰的方式来布置多个相位修改结构。储罐可以是能够容纳物料的任何容器或器皿，并且可以是金属的，或者部分或完全是非金属的、开口的、半开口的或者封闭的。所生成、发射和接收的电磁信号通常是微波信号。传播设备可以是能够引导来自收发器的电磁信号并且朝向收发器引导电磁信号的任何设备。传播设备可以被配置成将电磁信号辐射到自由空间中，或者被布置成与被布置成弓I导所辐射的电磁信号的波导结构协作。传播设备的例子包括喇叭形天线、杆状天线、贴片天线和阵列天线。在一些应用中，诸如在所谓的浮顶罐中，传播设备(通常是天线)通常被称为模式转换器或模式发生器。本实用新型基于由储罐的底部处的反射导致的干扰可以被减小同时使用与先前已知的结构相比较薄的结构的实现，从而能够测量比先前可能的更低的填充水平。在EP 1242794中描述的底部吸收器中，需要特定体积的材料来充分地吸收入射微波信号，从而意味着底部吸收器的特定竖直延伸。本发明人现在认识到，减少来自底部反射的干扰的相同效果可以基于不同物理现象(即，反射和干扰)通过使用底部反射器来实现，其中，多个相位修改结构中的每个均接收所发射的电磁信号然后发射所发射的电磁信号的相位修改后的版本。由于反射和干扰的处理不依赖于吸收，所以不需要特定体积的材料，从而可以减小反射结构的厚度。可以通过引入位于储罐的底部处的相位修改结构来实现反射的减少，相位修改结构被设计和布置为实现反射信号在信号传播设备的方向上的相消干扰。从而，由于包括相位修改结构的底部反射器的竖直延伸可以薄到几毫米，因而本实用新型提供测量更低填充水平的可能性。该性质对于在船上(特别是在用于承载液化天然气(LNG)的船上)的储罐中使用的雷达料面计系统特别有用。来自LNG表面的反射相对弱，此外当船被装载和卸载时，对于低填充水平通常也要求高精确度以进行所谓的密闭输送。通过适当地设计各个结构，可以控制从每个结构得到的相位修改的程度。而且，电磁信号的频率范围是设计相位修改结构时所考虑的参数之一，并且相关领域技术人员可以容易地使设计适于期望频率范围。当多个相位修改结构关于所发射的电磁信号并且关于相互来设计和布置，使得所反射的相位修改电磁信号具有不同相位时，发生相消干扰。相位修改后的电磁信号相互作用并且导致相消干扰，以减小期望方向上(朝向传播设备)的信号的幅度。[0016]在多种实施例中，根据本实用新型的雷达料面计系统可以包括基本竖直管，被布置成朝向储罐中所容纳的物料的表面引导所发射的电磁信号，并且引导从表面回来的表面回波信号，基本竖直管具有内径并且被布置成使得基本竖直管的开口端被设置在底部反射器之上并且与底部反射器相距最小距离。在这种实施例中，可以有利地按照与被反射回基本竖直管的外部相比，更少的功率被反射到竖直管的开口端中的方式来布置和配置底部反射器的相位修改结构。例如，相位修改结构然后可以被配置成提供在由基本竖直管的内径限定的锥形体内具有相消干扰的辐射图案并且在底部反射器和基本竖直管的开口端之间提供最小距离。底部反射器可以是基本平坦的结构。而且，底部反射器可以在储罐的底部有利地位于与储罐的底部基本平行的平面中，从而最小化底部反射器的竖直延伸。根据本实用新型的一个实施例，底部反射器被布置在与所述基本竖直管基本垂直的平面中。
根据本实用新型的一个实施例，每个相位修改结构都可以包括第一电浮传导元件，多个第一电浮传导元件在第一元件平面中相互间隔开。在此，第一电浮传导元件中的每个都用作天线，接收所发射的电磁信号并且作为响应，发射相位修改后的电磁信号。电浮元件可以被做得很薄，例如通过从导电薄膜蚀刻它们或者通过沉积方法(诸如，溅射或蒸发)，得到亚毫米厚的元件。电浮元件可以具有多种不同形状。然而，使用矩形加长元件可以便于元件阵列中的多个元件的设计和建模。而且，底部反射器可以有利地包括与第一元件平面平行布置并且与第一元件平面传导性绝缘的传导层。另外，底部反射器可以被布置成使得第一元件平面比传导层更接近于传播设备。换句话说，使得第一元件平面面对传播设备。通过提供作为在距第一电浮元件某一距离处布置的接地平面的传导层，便于底部反射器的设计，这是由于可以使用微波天线设计中所使用的关系和建模方法。这种模型在例如US 6529174中提供，其通过引用结合于此。可替换地，底部反射器所在的储罐的底部由导电材料制成的情况下，储罐的底部可以用作相位修改设备中的传导层。而且，在传导层和第一元件平面之间布置的绝缘材料可以优选地为介电材料。另夕卜，选择具有相对高介电常数的介电材料可以减小绝缘层的厚度，从而减小底部反射器的总厚度。合适绝缘体可以例如在基于聚四氟乙烯(PTFE)的材料中找到。在本实用新型的一个实施例中，相位修改结构中的每个都可以包括第二电浮传导元件，多个第二电浮传导元件相互间隔开并且布置在第二平面中。而且，第二元件平面可以与第一元件平面平行布置并且可以与第一元件平面电绝缘。使元件位于至少两个平面中提供了在元件不直接导电接触的情况下使元件在垂直方向上电磁相互作用的选择。当为了期望反射图案而设计元件和阵列的布局时，元件之间的该相互作用允许较宽范围的选择。在一些情况下，可能希望接收可检测的参考反射信号(从该参考反射信号可以推导距储罐的底部的距离)，以允许当储罐中的物料的水平接近底部时进行检测，和/或允许使用储罐的底部作为参考标记。[0029]为此，底部反射器可以被配置成提供雷达料面计系统能检测的参考反射信号。这可以按照多种方式实现。例如，可以布置相位修改结构，以提供所发射的电磁信号朝向传播设备的被控制部分的反射可替换地或与其结合，底部反射器可以被配置成允许所发射的电磁信号的一部分被储罐的底部直接反射。这可以例如通过按照底部反射器不覆盖储罐的底部的整个表面区域(所发射的电磁信号撞击到其上)的方式配置和/或布置底部反射器来实现。实现这点的一种方式是提供其中形成有的开口的底部反射器，以允许所发射的电磁信号的一部分被储罐的底部直接反射。根据本实用新型的第二方面，提供了在雷达料面计系统中使用的底部反射器，用于确定储罐中所容纳的物料的填充水平，雷达料面计系统包括收发器，用于生成、发射和接收电磁信号；传播设备，电连接至收发器并且被布置成朝向储罐中所容纳的物料的表面传播所发射的电磁信号，并且将从所发射的电磁信号遇到的阻抗转变处的反射得到的回波信号返回给收发器，其中，回波信号包括从表面处的反射得到的表面回波信号；处理电路， 连接至收发器并且被配置成基于表面回波信号来确定填充水平，底部反射器包括多个相位修改结构，每个相位修改结构都被配置成修改所发射的电磁信号的相位并且反射相位修改后的电磁信号，其中，按照不同相位修改结构所反射的相位修改后的电磁信号相互作用以在垂直于底部反射器的方向上提供相消干扰的方式布置多个相位修改结构。而且，多个相位修改结构可以被布置和配置成在多个方向上分布由底部反射器反射的功率。例如，多个相位修改结构可以被布置和配置成提供关于底部反射器的法线基本上旋转对称的反射图案。
现在将参考那些示出本实用新型的当前优选实施例的附图来更详细地描述本实用新型的这些和其他方面，在附图中图I示意性地示出根据本实用新型的实施例的雷达料面计系统；图2a是包括在图I的雷达料面计系统中的测量电子单元的示意图；图2b示意性地示出在低填充水平的情况下针对图I中的雷达料面计系统的储罐的底部处的区域；图3示意性地示出图I中的雷达料面计系统中所包括的底部反射器；以及图4是具有归一化振幅的反射信号的示意图。
具体实施方式
在本详细描述中，根据本实用新型的雷达料面计系统的多种实施例主要参考以下雷达料面计系统来论述，在该雷达料面计系统中，电磁信号通过波导(诸如，布置在储罐内的竖直对准金属管)朝向储罐中所容纳的物料传播。而且，该雷达料面计系统被示出为被提供至基于陆地(land-based)的储罐。应该注意，本实用新型绝不限于该特定实施例，可以同样地应用于未使用这种波导的雷达料面计系统，而是电磁信号使用自由辐射天线(诸如，锥形天线、喇叭形天线、阵列天线、杆状天线或贴片天线)朝向储罐中所容纳的物料传播。而且，本实用新型不限于用于基于陆地的储罐中的雷达料面计系统。相反地，预期根据本实用新型的多种实施例的雷达料面计系统在船上的储罐中非常有用。图I示意性地示出根据本实用新型的实施例的雷达料面计系统1，雷达料面计系统I包括测量电子单元2以及以辐射天线设备3的形式布置在用作波导的竖直对准金属管 7 (这种竖直对准金属管7有时称为所谓的导波管(still pipe))的内部的传播设备。金属管7可以有利地由钢制成。雷达料面计系统I设置在储罐4上，其部分地填充有将被计量的物料5。通过分析由天线设备3朝向物料5的表面6辐射的发射信号、以及从表面6传送回的反射信号，测量电子单元2可以确定参考位置和物料5的表面6之间的距离，由此，可以推导填充水平。应该注意，虽然在此论述容纳单一物料5的储罐4，但是可以以类似方式测量到储罐4中可能存在的任何材料界面的距离。 如图2a中示意性示出的，电子单元2包括收发器10，用于分别发射和接收电磁信号St和Sk ;处理单元11，其连接至收发器10，用于控制收发器和处理由收发器接收的信号，以确定储罐4中的物料5的填充水平。处理单元11可进一步经由接口 12连接至用于模拟和/或数字通信的外部通信线路13。而且，虽然在图2a中未示出，雷达料面计系统I通常可连接至外部电源，或者可以通过外部通信线路13供电。可替换地，雷达料面计系统I可以被本地供电，并且可以被配置成无线通信。虽然在图2a中作为多个独立框示出，但是收发器10、处理单元11和接口 12中的几个可以设置在同一电路板上。此外，在图2a中，收发器10被示出为与储罐4的内部分离，并且经由穿过设置在储罐壁中的馈送通孔(feed through) 15的导体14连接至天线设备3。应该理解,这不是必须的情况，并且至少收发器10可以被设置在储罐4的内部。图2b示意性地示出在低填充水平的情况下，即在储罐4中所容纳的物料5的表面 6接近储罐4的底部20时，用于图I中的雷达料面计系统I的储罐4的底部20处的区域。在图2b中，可以看出，底部反射器30被布置在金属管7的开口端22之下。金属管7具有内径d并且与开口端22成角度，以减少所发射的电磁信号St在金属管7的开口端22处的反射。该金属管可以例如与开口端22成约45°角。如从图2b还可以看出，金属管7的开口端22与底部反射器30相距距离H。距离 H可以有利地被选择以确保金属管7在雷达料面计系统的操作范围中在任何温度下都不撞击底部反射器30。对于一些应用，温度范围可能相当大，导致金属管7的大幅度伸长/收缩。为了允许当储罐4中所容纳的物料5的表面6像图2b中示意性示出的那样低时不干扰填充水平的测量，底部反射器30可以被有利地配置成，朝向金属管7的开口端22比朝向金属管7外部提供更低强度的反射图案。当设计底部反射器30以实现这种反射图案时，应该考虑到金属管7的开口端22的距离H和金属管7的内径d。在图2b中所示的示例性实施例中，底部反射器30然后可以被有利地配置成在由图2b的开启角α限定的锥形体内提供具有相消干扰的辐射图案。该开启角由以下关系近似地给出[0053]
权利要求1.一种雷达料面计系统，用于确定储罐中所容纳的物料的填充水平，所述雷达料面计系统包括 收发器，用于生成、发射和接收电磁信号； 传播设备，电连接至所述收发器，并且被布置成将所发射的电磁信号朝向所述储罐中所容纳的所述物料的表面传播，并将从所发射的电磁信号遇到的阻抗转变处的反射得到的回波信号返回给所述收发器，其中，所述回波信号包括从所述表面处的反射得到的表面回波信号；以及 处理电路，连接至所述收发器，并且被配置成基于所述表面回波信号来确定所述填充水平； 其特征在于，所述雷达料面计系统还包括底部反射器，被布置在所述储罐的底部，所述底部反射器包括多个相位修改结构，每个相位修改结构均被配置成修改所发射的电磁信号的相位并且反射相位修改后的电磁信号， 其中，按照不同相位修改结构所反射的相位修改后的电磁信号相互作用以朝向所述传播设备提供相消干扰的方式来布置所述多个相位修改结构。
2.根据权利要求I所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述雷达料面计系统还包括基本竖直管，被布置成朝向所述储罐中所容纳的所述物料的所述表面引导所发射的电磁信号，并且引导从所述表面返回的所述表面回波信号， 所述基本竖直管具有内径，并且被布置成使得所述基本竖直管的开口端被设置在所述底部反射器之上并且与所述底部反射器相距最小距离。
3.根据权利要求2所述的雷达料面计系统，其特征在于，按照与被反射回所述基本竖直管外部相比，更少的功率被反射回所述基本竖直管的所述开口端的方式来布置和配置所述底部反射器的所述相位修改结构。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器是基本平坦的结构。
5.根据权利要求4所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器被布置在与所述储罐的所述底部基本平行的平面中。
6.根据权利要求3所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器被布置在与所述基本竖直管基本垂直的平面中。
7.根据权利要求4所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述相位修改结构中的每个都包括第一电浮传导元件，所述第一电浮传导元件在第一元件平面中相互间隔开。
8.根据权利要求7所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器进一步包括传导层，与所述第一元件平面平行布置并且与所述第一元件平面传导性绝缘，所述底部反射器被布置成使得所述第一元件平面比所述传导层更接近于所述传播设备。
9.根据权利要求8所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器进一步包括介电材料层，被布置在所述传导层和所述第一元件平面之间。
10.根据权利要求7所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述相位修改结构中的每个都进一步包括第二电浮传导元件，所述第二电浮传导元件在第二元件平面中相互间隔开， 所述第二元件平面与所述第一元件平面平行布置并且与所述第一元件平面传导性绝缘。
11.根据权利要求I至3、6中任一项所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器被配置成提供所述雷达料面计系统能检测的参考反射信号。
12.根据权利要求11所述的雷达料面计系统，其特征在于，所述底部反射器被配置成允许所发射的电磁信号的一部分被所述储罐的所述底部直接反射。
13.根据权利要求12所述的雷达料面计系统，其特征在于，在所述底部反射器中形成有开口，以允许所发射的电磁信号的所述一部分被所述储罐的所述底部直接反射。
14.一种用在雷达料面计系统中的底部反射器，用于确定储罐中所容纳的物料的填充水平，所述雷达料面计系统包括 收发器，用于生成、发射和接收电磁信号； 传播设备，电连接至所述收发器，并且被布置成朝向所述储罐中所容纳的所述物料的表面传播所发射的电磁信号，并且将从所发射的电磁信号遇到的阻抗转变处的反射得到的回波信号返回给所述收发器，其中，所述回波信号包括从所述表面处的反射得到的表面回波信号； 处理电路，连接至所述收发器，并且被配置成基于所述表面回波信号来确定所述填充水平， 其特征在于，所述底部反射器包括多个相位修改结构，每个相位修改结构都被配置成修改所发射的电磁信号的相位并且反射相位修改后的电磁信号， 其中，按照不同相位修改结构所反射的相位修改后的电磁信号相互作用以在垂直于所述底部反射器的方向上提供相消干扰的方式来布置所述多个相位修改结构。
15.根据权利要求14所述的底部反射器，其特征在于，所述多个相位修改结构被布置和配置成在多个方向上分布由所述底部反射器反射的功率。
16.根据权利要求15所述的底部反射器，其特征在于，所述多个相位修改结构被布置和配置成提供关于所述底部反射器的法线基本上旋转对称的反射图案。
专利摘要本实用新型涉及具有底部反射器的雷达料面计系统以及底部反射器。该系统包括收发器，用于生成、发射和接收电磁信号；传播设备，电连接至收发器并布置成向储罐中容纳的物料表面传播所发射的电磁信号，并将从发射的电磁信号遇到的阻抗转变处的反射得到的回波信号返回给收发器，回波信号包括从表面处反射得到的表面回波信号；处理电路，连接至收发器并配置成基于表面回波信号确定填充水平；底部反射器，布置在储罐的底部。底部反射器包括多个相位修改结构，每个均配置成修改发射的电磁信号的相位并反射相位修改后的电磁信号，其中按照不同相位修改结构反射的相位修改后的电磁信号相互作用以向传播设备提供相消干扰的方式布置多个相位修改结构。
文档编号G01S7/02GK202362051SQ20112024761
公开日2012年8月1日 申请日期2011年7月8日 优先权日2010年7月9日
发明者埃里克·赫门多夫 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司