专利名称：雷达物位计系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种GWR(导波雷达)类型的雷达物位计系统，其用于确定罐中容纳的产品的填充高度，且特别地涉及接嘴端部反射减少的单导体探头导波雷达系统。
背景技术：
雷达物位计(RLG)系统被广泛用于确定罐中容纳的产品的填充高度。雷达物位计量一般通过不接触测量或接触测量来进行，其中，不接触测量向罐中容纳的产品发射电磁信号，而通常被称为导波雷达(GWR)的接触测量则凭借起波导作用的探头将电磁信号导向并导入产品中。探头一般被布置为从罐顶向罐底垂直延伸。探头也可被布置在与罐的外壁连接并与罐的内部流体连接的测量管即所谓的腔中。 发送的电磁信号在产品的表面处被反射，且反射信号由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。基于发送信号和反射信号可以确定到产品表面的距离。更特别地，一般基于发送电磁信号与收到电磁信号在罐中的大气与罐中所容纳的产品之间的界面上的反射之间的时间来确定到产品表面的距离。为了确定产品的实际填充高度，基于以上提到的时间(所谓的形程时间(time-of-flight))和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。现今市场上的大多数雷达物位计系统是基于发送脉冲与收到脉冲在产品表面的反射之间的时间差来确定到容纳在罐中的产品的表面的距离的所谓的脉冲雷达物位计系统，或是基于发送的调频信号与该调频信号在表面处的反射之间的相差来确定到表面的距离的系统。后一类型的系统一般被称为FMCW(调频连续波)类型。在任何情况下，传播的电磁信号通常不仅在由大气与表面之间的分界构成的阻抗转变处被反射，而且在信号遇到的多个其它阻抗转变处被反射。在GWR系统的情况下，一个这样的阻抗转变通常出现在收发器与探头之间的连接处。一般地，收发器定位在罐外部并经由穿过罐壁(通常为罐顶)的馈通与探头连接。这样的馈通通常由同轴线缆形成，其中，该同轴线缆以探头作为其内部导体、以罐壁或附连到罐的连接件作为其外部导体，并且具有设置在内部导体与外部导体之间的电介质构件。由于既要求内部导体在机械上足够强健、又要求外部导体实用，因此比约50 Q大很多的馈通阻抗很难可行。因此，由于馈通的结构，馈通的阻抗一般与典型的同轴电缆的阻抗相似，即约为50 Q。由于探头的阻抗通常相当高(对于双线探头大约为200 Q至300 Q，对于单线探头大约为300Q至400Q)，所以在馈通结束且探头进入罐时会存在相对较大的阻抗阶跃。如上所述，此阻抗转变部分反射发送的电磁信号，这产生可能比由发送的信号在罐中容纳的产品的表面处反射所产生的表面回波信号强很多的回波信号，尤其在待计量的产品是产生相对弱的回波信号的材料时。产生相对弱的回波信号的产品的示例是液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、油基产品、比如塑料小球或颗粒的固体等。[0011]这又可能导致在产品表面接近罐顶时难于确定填充高度，此外，可能由于在馈通与探头之间的阻抗转变处发生的信号损耗而减小最大可测量距离(最小可测量填充高度)。例如，对于以上描述的情况，随着从馈通的50Q阻抗到单线探头的300Q阻抗的阻抗转变，在来回经过该阻抗转变之后仅有大约25%的发送功率可用于返回收发器。如果阻抗转变从I : 6减少到I : 2，就有80%的功率返回。这些情况之间的最大可测量距离相差可多达10米。雷达物位计系统通常安装在罐顶部的所谓的接嘴(nozzle)上。(接嘴通常可以是如下管，该管焊接到罐上并在其上端装配有法兰以允许附连比如雷达物位计系统或法兰盖(blind flange)的仪器，接嘴的内径通常可以在0. Im到0. 2m之间，接嘴的长度通常大约是 0.5m。)在这样的情况下，探头通常在接嘴的顶部机械连接到罐，并在进入罐本身之前通过接嘴。在接嘴的顶部，探头可以通过穿过罐边界的馈通与雷达物位计系统的收发器电连接。对于单导体探头，有时也称为古搏探头(Goubau-probes)而言，还发现了由探头引导的电磁信号的传播尤其在接嘴相对窄且高时受接嘴的影响。因此，第二阻抗转变出现在接嘴端部处，其中，在由探头和接嘴壁形成的(同轴)传输线的阻抗与探头在罐本身内部的自由空间传播特性之间存在突变。在接嘴端部处的此阻抗转变会以与以上针对从馈通到探头的转变处的阻抗转变所描述的方式相似的方式干扰填充高度测量。另外，(在馈通处和在接嘴端部处的)这两个阻抗转变之间的多次反射可导致另外的回波信号，这些回波信号可干扰在接嘴端部以下相对远处的填充高度测量。根据US6690320，通过如下方法来解决由在接嘴端部处的反射导致的问题，在该方法中，在接嘴内部设置同轴延伸部直到探头伸出接嘴以后为止，使得具有同轴延伸部的探头具有与在收发器和探头之间的馈线相同的阻抗。在此配置下，在接嘴内部实际上没有单导体探头，而单导体探头始于同轴延伸部结束的接嘴下方。因此，将会只存在一个大的阻抗阶跃，但是由于此阻抗阶跃定位在接嘴端部下方，所以无法进行可靠的填充高度测量的罐顶部的区域(所谓的“盲区”(deadzone))将始于接嘴端部处并仍然十分明显。此外，仍将存在明显的信号损耗，这限制了最大可测量距离。
实用新型内容鉴于现有技术的以上提到的和其它的缺点，总体上，本实用新型的目的是提供改进的雷达物位计系统，特别是单导体探头类型的导波雷达物位计系统，该系统适用于探头被安装在罐上时通过接嘴的情况。根据本实用新型，以上和其它目的通过雷达物位计系统来实现，以确定罐中容纳的产品的填充高度，该雷达物位计系统包括收发器，该收发器布置在罐外部用于产生、发送并接收电磁信号；单导体探头，该单导体探头布置在罐内部并经由布置在罐的接嘴的顶部的馈通与收发器电连接，该单导体探头延伸通过接嘴并伸入罐中容纳的产品中，用于将来自收发器的发送信号导向产品的表面并用于向收发器返回由发送信号在表面的反射产生的表面回波信号；阻抗匹配装置，该阻抗匹配装置被提供给探头并沿着探头的一部分延伸；以及处理电路，该处理电路连接到收发器以用于基于表面回波信号来确定填充高度，其中，阻抗匹配装置在垂直于探头的方向上的宽度在接嘴内部随着到馈通的距离的增加以第一变化率变化，而在接嘴下方随着到馈通的距离的增加以负的第二变化率变化，与第一变化率相比，第二变化率更负。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、或者是部分或完全非金属的，可以是开口的、半开口的或封闭的。“收发器”可以是一个能够发送并接收电磁信号的功能单元，或可以是包括独立的发送器单元和接收器单元的系统。单导体探头可以基本上是刚性的或柔性的，并且可以由比如不锈钢的金属、比如PTFE(聚四氟乙烯)的塑料或其组合而制成。接嘴可以是罐的管形延伸部，该管形延伸部在罐本身的顶部上方延伸并在移除接嘴盖子时提供通向罐内的开口。因此，罐内部与罐外部之间的边界包括接嘴的壁和盖子。当雷达物位计系统被布置成使探头通过接嘴时，探头将在罐内在接嘴内部和接嘴下方，然而在接嘴内部，从探头到接嘴的(传导)壁的距离将明显短于探头与接嘴下方的罐壁之间的距离。本实用新型还基于以下认识对接近罐顶的填充高度的确定可以通过在接嘴内局部减小由发送的电磁信号产生的电磁场的径向宽度来改进(这意味着可以减小所谓的盲区)，然后从接嘴内的阻抗逐渐地过渡到在接嘴下方、在罐本身中的探头的阻抗。因此，可以消除接嘴的影响，同时允许确定接近罐顶的填充高度。在根据US6690320的配置下，可以消除多次反射，但是用于指示探头顶部的参考脉冲被从馈通移动到接嘴端部下方的位置，这意味着盲区将恰好在接嘴端部下方开始而不是在馈通处开始。通过根据本实用新型不同实施例的雷达物位计系统，可以消除或至少显著减少在接嘴端部处的反射，并且可以将阻抗匹配装置配置成使得在馈通处获得用于填充高度测量的参考脉冲。而且，由于馈通与接嘴内的探头之间的阻抗差减小，将减少由参考反射引起的信号损耗。这改进了近区填充高度检测(减小了盲区)，而且增加了最大检测距离。为了在接嘴下方实现足够平滑的阻抗转变，阻抗匹配装置可以被有利地布置为沿着接嘴下方的探头延伸，其延伸距离对应于发送信号在中心频率处的波长的至少四分之一，并且沿着此距离具有减小至接近零的径向宽度。通过径向宽度在与发送信号的波长的至少四分之一对应的距离上减小至接近零，可以实现可以对于许多应用而言足够平滑的阻抗转变。为了实现更多的宽频带阻抗匹配，阻抗匹配装置的径向宽度的减小可以有利地发生在沿着接嘴下方的探头的较长距离上，t匕如在与发送信号的波长的至少一半对应的距离上，或在与发送信号的至少波长对应的距离上以提供跨更宽的带宽的阻抗匹配。此外，可以将阻抗匹配装置有利地配置成(与沿着自由空间中的探头的传播相比)减少发送的电磁信号的电磁场在接嘴内部的径向宽度，同时允许电磁场穿透进入阻抗匹配装置与接嘴壁之间的接嘴内部。因此，整个探头，甚至是在接嘴内部的部分，都可被用于确定到产品的表面的距离，即使该表面可能在接嘴内部或非常接近接嘴。这更进一步减小了罐顶部处的盲区。[0034]可以将阻抗匹配装置有利地配置成在馈通处提供阻抗阶跃(明显的非零阻抗转变)。因此，仍可以在罐中尽可能高处获得幅度减小的参考回波脉冲，从而减小盲区并增大最大检测距离。根据本实用新型的雷达物位计系统的一个实施例，阻抗匹配装置在垂直于探头的方向上的宽度的第一变化率可以是零，使得阻抗匹配装置的径向宽度至少沿着接嘴内部的这部分探头是恒定的。或者，只要由发送的电磁信号产生的电磁场的径向宽度经过接嘴端部充分地减小，使得在接嘴端部没有或仅有小的阻抗阶跃，则第一变化率就可以是负的甚至是正的。在接嘴下方，阻抗匹配装置的垂直于探头的宽度可以线性地或非线性地减小。非线性减小可以产生(沿着探头的)较短的阻抗匹配装置，这可能有利。此外，在接嘴下方，阻抗匹配装置的垂直于探头的宽度可以基本上连续地减小，由此可以实现连续的阻抗转变。或者，在接嘴下方，阻抗匹配装置的垂直于探头的宽度可以分步减小。在后一种情况下，每一步可以有利地沿着探头具有基本上与发送信号的中心波长的四分之一对应的长度。而且，阻抗匹配装置可以包括电介质材料，该电介质材料可以有利地是电特性与在馈通中设置的电介质材料相似的电介质材料。此外，阻抗匹配装置可以包括传导构件，该传导构件可以使阻抗匹配装置能够耐高温。通过适当地将其制作成特定尺寸，可以使这样的传导构件在其微波传送特性方面与电介质构件基本上电等效。换句话说，可以将这样的传导构件视为“人工电介质”。使用一个或多个传导构件时，阻抗匹配装置可以例如由金属板形成，并因此使其成本很低，且该阻抗匹配装置可以容易地例如通过夹紧而附接到探头。一个或多个传导构件可以沿着探头在多个点处与探头电接触。为了改进传导构件的电特性(模拟电介质)，金属板可以设置有至少一个切口。例如，可以在传导板内部设置一个或多个切口作为孔眼图案，和/或可以在传导板的外围设置一个或多个切口。传导构件例如可以具有相对于探头对称设置的两个“翼”。或者，传导构件可以具有另外的对称布置的“翼”。这样的传导构件例如可以由多于一片的金属片制造。与仅有两个“翼”的情况相比，具有另外的“翼”可以减小阻抗匹配装置的最大横向宽度。
现在将参照示出本实用新型的当前优选实施例的附图对本实用新型的这些及其它方面进行更详细地描述，附图中图Ia示意性地示出了安装在罐中的示例性雷达物位计系统；图Ib是在图Ia中的雷达物位计系统中所包括的测量电子单元的示意图，其中，包括示意性的馈通；图2a是示例性的现有技术雷达物位计系统中所包括的探头的一部分和馈通的横截面示意图；图2b示意性地示出了针对比如图2a中的没有任何阻抗匹配装置的脉冲雷达物位计系统的示例性回波廓线；图3a是根据本实用新型一 个实施例的雷达物位计系统中所包括的、设置有阻抗匹配装置的探头的一部分和馈通的横截面示意图；图3b示意性地示出了针对比如图3a中的脉冲雷达物位计系统的示例性回波廓线.图4a示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的雷达物位计系统中所包括的阻抗匹配装置和单导体探头；图4b是示意性地示出了针对图4a中的布置的从馈通阻抗到探头阻抗的阻抗转变的图；图5a至图5d示意性地示出了根据本实用新型实施例的雷达物位计系统中所包括的不同的示例性阻抗匹配装置；以及图6是示出了电场的“场直径”与设置在单导体探头上的电介质的厚度的关系曲线的图。
具体实施方式
在本详细说明书中，主要参照利用刚性单线探头的脉冲导波雷达(GWR)物位计系统来讨论根据本实用新型的雷达物位计系统的不同实施例。应当注意的是，这绝不是限制本实用新型的范围，而是可等同地应用于配备有柔性探头的GWR系统等。此外，主要参照通过测量发送脉冲和反射脉冲之间的时间来确定填充高度。然而，对于相关领域的技术人员来说，显然，本实用新型的教导可等同地应用于通过例如调频连续波(FMCW)测量、利用相位信息来确定填充高度的雷达物位计系统。当使用载波上的脉冲调制时，也可以利用相位信息。图Ia示意性地示出了根据本实用新型一个实施例的雷达物位计系统1，该雷达物位计系统I包括测量电子单元2和探头3。雷达物位计系统I安装在罐5的顶部处的接嘴16上，罐5部分地填充有待计量的产品6。探头3在进入罐本身之前通过该接嘴。通过分析由探头3导向产品6的表面7的发送信号St和从表面7传播回来的反射信号Sk，测量电子单元2可以确定参考位置(比如罐顶)与产品6的表面7之间的距离，从而可以推断填充高度。应当注意的是，尽管在本说明书中讨论了容纳单一产品6的罐5，但是可以以相似的方式测量沿着探头到任何材料界面的距离。如图Ib中示意性地示出的，电子单元2包括收发器10和处理单元11 :收发器10用于发送并接收电磁信号；处理单元11连接到收发器10，用于控制收发器以及处理收发器所收到的信号，以确定罐5中的产品6的填充高度。此外，处理单元11通过接口 12可连接到用于模拟和/或数字通信的外部通信线路13。而且，虽然图Ib中未示出，但是雷达物位计系统I通常可连接到外部电源，或可以通过外部通信线路13为其供电。或者，可以将雷达物位计系统I配置为无线通信。图Ib中还示出了提供给探头3的沿着一部分探头3的阻抗匹配装置35。阻抗匹配装置35从馈通15延伸并具有如在图Ib中示意性地示出的在接嘴16内部的第一配置和在接嘴16下方的第二配置。在接嘴16内部，阻抗匹配装置35的目的是减少由发送的电磁信号St产生的电磁场的径向宽度，从而消除或至少明显减小接嘴对发送的(和反射的)电磁信号的传播的影响。因此，只要实现此目的，阻抗匹配装置35在接嘴16内部的确切配置并不是那么重要。在接嘴16下方，阻抗匹配装置35的目的是提供从探头3及阻抗匹配装置35在接嘴内部的阻抗到(裸露的)探头3在罐本身内部的阻抗的平滑的阻抗转变。因此，阻抗匹配装置35的垂直于探头3的宽度在接嘴16下方逐渐减小。图2a是示例性现有技术的雷达物位计系统中所包括的探头的一部分和馈通的横截面示意图。在图2a中，示出了单线探头3安装至具有接嘴16的罐5，其中，接嘴16设置在罐5的顶部上。探头3机械连接到通过螺栓18a至18b附连到接嘴的法兰17。在法兰17中，设置馈通组件19用于通过法兰17将探头3机械连接到罐5以及用于将探头电连接到设置在罐5外部的测量电子设备(图2中未不出)。通过馈通组件19的顶部处的同轴连接器20实现与测量电子设备(更具体而言与测量电子单元2中所包括的收发器10)的连接。如图2a所示的，通过在金属支撑构件25内部、在上电介质构件22与下电介质构件23之间夹紧设置在探头3上的圆柱形凸起21将探头3机械连接到罐5。在下电介质构件23下方设置另外的电介质构件24。因此，由探头3、电介质构件(22、23、24)和金属支撑构件25构成的微波传送线通常具有同轴传送线的电特性，包括大约为50Q的阻抗。在本示例中，探头3在罐5内部、在馈通组件19下方仍延伸穿过将罐大气作为电介质且将接嘴16作为外部导体的同轴布置。然而，与馈通的阻抗相比，此同轴布置的阻抗明显更高，该阻抗取决于探头3与接嘴壁之间的距离，因此在馈通的底部处存在阻抗突变。在探头3离开接嘴16的地方，将会存在探头-接嘴同轴布置的阻抗与探头3在罐本身内部的阻抗之间的第二阻抗突变。这些阻抗转变产生如针对图2b中的脉冲雷达物位计系统所示出的强回波信号。图2b是示意性地示出了使用图2a示出的雷达物位计配置获得的示例性回波廓线30的图。如在图2b中可见，回波廓线30包括第一强负回波信号31和第二强负回波信号32，其中，第一强负回波信号31产生自所发送的电磁信号在如图2a示出的探头3离开馈通组件19的阻抗转变处的反射，第二强负回波信号32产生自所发送的电磁信号在接嘴16的端部的阻抗转变处的反射。回波廓线30还包括产生自馈通与接嘴16的端部之间的多次反射的另外的负回波信号33。另外，回波廓线30包括在距离馈通组件19与探头3之间的阻抗转变处大约2米处的表面回波信号34。如从图2b明显可见，产生自馈通与探头3之间的转变处的反射的回波信号31和产生自接嘴16的端部处的反射的回波信号32这二者均比表面回波信号34强得多，这通常限制了在罐5的顶部附近的区域中对到罐5中的产品6的表面7的距离进行测量的能力。取决于产生自多次反射的回波信号的大小，所谓的盲区可能延伸得更远。已简要描述了不具备用于减少接嘴16的影响的任何手段的已知装置，下面将参照图3a至图3b描述根据本实用新型的雷达物位计系统的一个实施例，其包括在罐5内部提供给探头3的阻抗匹配装置35。图3a是根据本实用新型一个实施例的雷达物位计系统中所包括的、设置有阻抗匹配装置的探头的一部分和馈通的横截面示意图。 图3a中示出的部分雷达物位计系统与图2a示出的雷达物位计系统的不同之处在于阻抗匹配装置35(这里为电介质构件的形式)在罐5内部绕着探头3设置。此电介质套管35可以例如设置为馈通组件19内部的上述电介质构件24的延续部分，或者可以设置为一个或多个独立的电介质构件。例如，阻抗匹配装置35的在接嘴16内部的上部分36a和阻抗匹配装置35的在接嘴16下方的下部分36b可以设置为独立的电介质部件。此外，阻抗匹配装置35不需要设置为如图3a中示意性地示出的电介质套管，而是可以设置为附连到探头3的一个或多个形状合适的电介质板。对于阻抗匹配装置35的上部分36a，重要性质是减少由发送的电磁信号产生的电磁场的径向宽度，以减小接嘴16的传导壁的影响。如一个示意性示例，围绕着直径为6mm的传导探头设置的、厚度大于大约2_的电介质层(该电介质层由PTFE制成)将使得电磁场的辐射宽度充分减少，以下将参照图6对此进行进一步说明。至于阻抗匹配装置35的下部分36b，其目的是实现从探头3在接嘴内部的阻抗到探头在阻抗匹配装置35下方的阻抗的逐渐转变。实现此目的的一个方式是取决于发送的电磁信号的波长和使用的信号处理的类型，沿着探头在大约0. 6m至0. Sm的距离上将上述 电介质层的厚度逐渐减少至O。取决于特殊应用的需求，较短的距离可以使得探头3在接嘴16内部的阻抗与探头3在阻抗匹配装置35下方的阻抗之间的足够良好地匹配。通过阻抗匹配装置的沿着探头3减小的横向宽度，阻抗匹配装置35的下部分36b提供在探头3的在接嘴16内部的阻抗与探头3的在阻抗匹配装置35下方的自由空间中的阻抗之间的宽频带阻抗匹配，这大大减少了接嘴16的端部处的反射。由于在馈通19与探头3之间的界面处获得的回波信号有利地用作参考标记——根据该参考标记可以确定到产品6的表面7的距离，所以可以期望在馈通组件19结束的地方保持相当尖锐而且小的阻抗转变。这可以通过阻抗匹配装置35的适当的设计来实现，例如通过在装置中提供凹槽或使该装置在馈通组件19中与电介质构件24略微间隔开。本领域技术人员将会认识到，阻抗匹配装置35不是必须设置为包围探头3的套管的形式，而是还可以设置为夹紧到探头3的一个或多个电介质板的形式。由于与发送的电磁信号的波长(dm量级的)相比，探头3直径(mm量级的)非常小，所以阻抗匹配装置35的确切形状并不重要，只要在接嘴16内部实现电磁场的径向宽度的充分减小并在接嘴16下方实现平滑的阻抗转变即可。为此，充分的是，阻抗匹配装置35在接嘴16内部的径向宽度大到足以充分减小电磁场的径向宽度，并且阻抗匹配装置35在接嘴16下方的径向宽度在充分长的距离上逐渐减小，该充分长的距离应当优选地至少与发送的电磁信号的波长的四分之一对应。现在讨论图3b，图3b示出了使用图3a的布置获得的示例性回波廓线37，可以看出，(与图2b中的情况相比)阻抗匹配装置35的设置实际上消除了产生自接嘴16的端部处的反射的回波信号32和产生自不同反射的回波。根据图2b与3b之间的对比可见，馈通19与探头3之间的阻抗转变处的信号损耗被大大地减小，这使得表面回波信号34显著变强并增大了雷达物位计系统的范围。下面，将参照图4a至图4b描述沿着探头的示例性阻抗廓线，其中，图4a至图4b示意性地示出了具有阻抗匹配装置35的单导体探头3和从馈通组件19的阻抗Ztl到单线探头3的在自由空间中的阻抗Z1的代表性阻抗转变。图4a示出了经由设置在法兰17中的馈通19连接到罐5的接嘴16的探头3，但是与图3a相比粗略得多。参照图4a，阻抗匹配装置35在馈通19结束处、在y = O处开始，并沿着探头3向着罐5的内部延伸至y = Y1，在该y = Y1处探头3在自由空间中向着容纳在罐5中的产品6延伸。如图4b中示意性地示出的，y < 0处的阻抗与馈通阻抗对应，用Zci表示，而yi处的阻抗与探头阻抗对应，用Z1表示。如在图4b中可见，阻抗在y = 0处突然从馈通阻抗Ztl增加到探头3在接嘴16内部的阻抗zn。从Ztl到(相当小的)阶跃是有意为之的，并被设置成提供参考回波脉冲，该脉冲标记探头顶部。在图4a至图4b中示意性示出的示例性实施例中，阻抗随后近似恒定，直到标记接嘴16的端部的yn。Wyn直到在yi处的阻抗匹配装置35的端部，阻抗逐渐增大到Z10 尽管到目前为止仅参照具有连续变化的径向宽度的不同类型的电介质构件描述了阻抗匹配装置35，但是对于本领域技术人员来说，显然多个其它配置也是可行的并且取决于应用可能是有利的。以下将参照图5a至图5d描述多个示例性配置。图5a示意性地示出了上述具有绕着单线探头3设置的中空圆锥形的电介质构件35的配置。图5b示出了可替代的电介质阻抗匹配装置40，其包括直径朝向探头3的自由端部减小的四个圆柱形节段41a至41d。每个圆柱形节段41a至41d可以有利地具有要由收发器10发送并沿着探头3引导的信号的中心频率的波长的大约四分之一的长度。因此，可以实现宽频带阻抗转变。在提供圆柱形段更多的较长的阻抗匹配装置的情况下，可以实现更大的带宽。对于导波雷达(GWR)类型的脉冲雷达物位计系统，通常可以使用脉冲宽度约为Ins的脉冲。Ins的脉冲一般与约0. IGHz到IGHz的频率范围对应。期望的是，具有大约6到8个四分之一波长节段(相对于中心频率的)的阻抗匹配装置将在整个上述范围上产生良好的阻抗匹配。作为将阻抗匹配装置设置成一个或多个电介质构件的一种替代方案，还可以将阻抗匹配装置设置成一个或多个形状合适的传导构件，比如取决于应用其可以是一种吸引人的替代方案的金属板，由此能够实现真正低成本的阻抗匹配。在图5c中示出了附连到单线探头3的这样的传导阻抗匹配装置44的第一示例性实施例。图5c中的阻抗匹配装置44具有许多切口 45(这里只有一个开口用附图标记指示)，这些切口被设置在装置44上以增大装置44的纵向电感。通过图5c中示意性地示出的配置，可以使金属板阻抗匹配装置44的电行为在相关的频率范围(GHz)内与图5a中的电介质圆锥体35的电行为相似。在图5d中，设置了可替代的导电阻抗匹配装置48，其包括附连到探头3的两个金属板49a至4%，使得形成具有四个“翼”的阻抗匹配装置。因此，与图5c中的阻抗匹配装置44相比，可以实现较小的最大横向尺度，这使得其能够插入通过较窄的罐接嘴。与图5c中的阻抗匹配装置44相似，图5d中的阻抗匹配装置48也设置有切口 45。应当注意的是，图5a至图5d仅示出了根据本实用新型的雷达物位计系统中所包括的阻抗匹配装置的几个代表性的示例性实施例，技术人员可以容易地想到这些实施例的各种变型。[0092]图6中示意性地示出了通过用电介质层包裹金属单导体探头获得的电磁场的径向宽度的减小。图6是示出了电场的“场直径”与设置在单导体探头上的电介质的厚度的关系曲线的图。“场直径”在这里是指其中传送80%的功率的圆柱形的直径。在图6中示出的示例性情况下，探头3 (例如参照图3a或图4a)是6mm的不锈钢金属线，而沿着探头3传送的信号的频率是1GHz。此外，电介质是聚四氟乙烯(PTFE)。图6的目的仅在于图示可以通过向单导体探头提供电介质(或提供被配置为模拟电介质的传导构件)实现的场直径减小的效果。对于由PTFE制成的电介质覆层和6mm的不锈钢探头的示例性情况，从图6可以推断出，大约2mm的电介质厚度(从而得到8mm的总直径)将产生小于0. 2m的场直径。显然，阻抗匹配装置的实际配置可适于该应用。对于本领域技术人员来说，确定阻 抗匹配装置的尺度很简单，例如针对不是PTFE的其它电介质或者针对使用对电介质的电行为进行模拟的一个或多个传导构件来确定阻抗匹配装置的尺度。
权利要求1.一种雷达物位计系统(I)，用于确定容纳在罐(5)中的产品(6)的填充高度，所述雷达物位计系统(I)包括 收发器(10)，所述收发器(10)布置在所述罐外部，用于产生、发送并接收电磁信号； 单导体探头(3)，所述单导体探头(3)布置在所述罐内部并经由布置在所述罐的接嘴(16)的顶部处的馈通(15 ；19)与所述收发器电连接，所述单导体探头(3)延伸通过所述接嘴(16)井伸入容纳在所述罐中的所述产品中，用于将来自所述收发器的发送信号(St)导向所述产品的表面，并用于向所述收发器返回由所述发送信号在所述表面的反射产生的表面回波信号(Sk)； 阻抗匹配装置(35 ；40 ；44 ;48)，所述阻抗匹配装置(35 ；40 ；44 ；48)被提供给所述探头(3)并沿着所述探头的一部分延伸；以及 处理电路(11)，所述处理电路(11)连接到所述收发器(10)，用于基于所述表面回波信 号来确定所述填充高度， 其中，所述阻抗匹配装置(35 ；40 ；44 ；48)在垂直于所述探头(3)的方向上的宽度在所述接嘴(16)内部是恒定的或随着到所述馈通(15 ；19)的距离的增加以第一变化率变化，而在所述接嘴(16)下方、在与所述发送信号(St)的波长的至少四分之ー对应的距离上随着到所述馈通(15;19)的距离的増加以负的第二变化率变化， 与所述第一变化率相比，所述第二变化率更负。
2.根据权利要求I所述的雷达物位计系统(I)，其中，所述阻抗匹配装置(35；40 ；44 ；48)被配置为在所述馈通(15 ；19)与所述探头(3)之间的界面处提供阻抗阶跃。
3.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统(I)，其中，所述阻抗匹配装置(35;40;44 ；48)被配置为减小发送的电磁信号(St)的电磁场在所述接嘴(16)内部的径向宽度，同时允许所述电磁场穿透进入所述阻抗匹配装置与接嘴壁之间的所述接嘴的内部。
4.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统(I)，其中，在所述接嘴(16)下方，所述阻抗匹配装置(35 ；40 ；44 ；48)在垂直于所述探头(3)的所述方向上的所述宽度随着到所述馈通(15;19)的距离的增加而非线性地减小。
5.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统(I)，其中，所述阻抗匹配装置(35；40 ；44 ；48)至少部分地包围所述探头(3)。
6.根据权利要求中I或2所述的雷达物位计系统(1)，其中，在所述接嘴(16)下方，所述阻抗匹配装置(35 ；44 ；48)在垂直于所述探头(3)的所述方向上的所述宽度连续地减小。
7.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统(I)，其中，在所述接嘴(16)下方，所述阻抗匹配装置(40)在垂直于所述探头(3)的所述方向上的所述宽度分步地减小。
8.根据权利要求7所述的雷达物位计系统(I)，其中，每ー步沿着所述探头(3)具有基本上与所述发送信号(St)的在中心频率的波长的四分之ー对应的长度。
9.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统(I)，其中，所述阻抗匹配装置(35；40)包括电介质材料。
10.根据权利要求9所述的雷达物位计系统(I)，其中，所述阻抗匹配装置(35;40)由电介质材料制成。
11.根据权利要求I或2所述的雷达物位计系统，其中，所述阻抗匹配装置(44;48)包括传导构件(44 ；49a至49b)。
12.根据权利要求11所述的雷达物位计系统，其中，所述传导构件(44;49a至49b)被设置成金属板，所述金属板中形成多个切ロ(45)。
专利摘要公开了接嘴端部反射减少的单导体探头导波雷达系统。一种确定罐内产品的高度的雷达物位计系统包括布置在罐外部用于产生、发送并接收电磁信号的收发器；布置在罐内部并经由布置在罐的接嘴的顶部的馈通与收发器电连接的单导体探头，其通过接嘴并伸入产品中，用于将来自收发器的发送信号(ST)导向产品的表面，并向收发器返回该表面反射ST产生的表面回波信号(SR)；提供给探头的沿着探头的一部分延伸的阻抗匹配装置。阻抗匹配装置在垂直于探头的方向上的宽度在接嘴内部是恒定的或随着到馈通的距离的增加以第一变化率变化，而在接嘴下方、在与ST的波长的至少四分之一对应的距离上随着到馈通的距离的增加以负的且比第一变化率更负的第二变化率变化。
文档编号G01F23/284GK202420614SQ201120366419
公开日2012年9月5日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年2月17日
发明者奥洛夫·爱德华松 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司