本实用新型涉及雷达料位计，该雷达料位计具有波导结构，带有电介质填充构件，该填充构件包括微波吸收元件。本实用新型还涉及用于制造这样的电介质填充构件的方法。
背景技术：
雷达料位计(RLG)适用于测量包含在储罐中的物品(例如工艺流体、粒状化合物和其他材料)的填充料位。
这样的雷达料位计的示例可以包括：收发器电路系统，用于发射和接收微波；信号传播装置，其被布置成朝向表面引导微波并且将被表面反射的微波返回到收发器；以及处理电路系统，其适于基于由收发器发射和接收的微波之间的关系来确定填充料位。
信号传播装置可以包括例如一个或若干个中空波导的波导结构以及定向天线，适于将自由传播的电磁波发射到储罐中并且接收这些波的反射。这样的RLG有时被称为非接触式RLG。天线可以适于特定频段。当前最常使用的频段具有大约6GHz或24GHz的中心频率，然而也可以考虑更高的频段。
在一个常规设计中，波导结构包括中空波导，该中空波导延伸通过储罐壁并且将定向天线连接至收发器电路系统。电介质填充构件有时被布置在天线和/或波导的腔中，以保护波导和/或天线不受来自储罐气氛的热和化学影响。电介质填充构件应能透射微波，耐化学腐蚀，优选地是疏水的(防水)，并且还需要耐受储罐内存在的温度和压力。被称为高压、高温(HPHT)应用的一些应用呈现特别具有挑战性的条件。通常用于这样的填充构件的一种材料是PTFE，也被称为
通常将诸如O形环等的一个或若干个密封元件布置在形成在插塞(plug)中的(一个或更多个)槽中，以提供确保储罐的内容物不会释放到外部环境中的工艺密封件。工艺密封件可以是压力密闭的。O形环或可能的其他类型的环形构件还可以具有将填充构件机械地固定在腔中的功能。
这样的电介质填充构件具有几个挑战。一个潜在的问题是例如PTFE的合适的材料具有大的热膨胀系数，并且在温度升高时将会膨胀。这可能在填充构件中引起应力、变形和疲劳，并且最终导致断裂。该问题的解决方案是使填充构件稍微小于天线腔，以便留出用于热膨胀的空间。为了避免在填充构件与天线内侧之间形成的间隙对微波信号产生干扰，可以围绕填充构件布置微波吸收材料的套筒(sleeve)。例如在US 7,864,104中公开了这种方案，其中，使用粘附膜将衰减箔固定至电介质填充体。
另一挑战是填充构件可能引起微波信号的谐振。为了消除或至少减小这样的谐振，已知将微波吸收销嵌入填充构件中。销可以由金属或制成，并且应当完全隐藏在填充构件材料中，以免受储罐气氛的影响。例如，已知将销插入从填充构件的外表面延伸的孔中，然后将PTFE插塞胶合在孔中以密封孔。
在不引入诸如粘附膜或胶的附加界面的情况下，可能难以通过可靠的方式制造由例如PTFE制成的电介质填充体与一个或若干个微波吸收元件的组合。
一个具体的挑战是诸如PTFE的一些聚合物在熔化时不是液体。这意味着这样的材料无法注射成型，并且也不能通过熔化而被焊接或以其他方式接合。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种将电介质填充构件与一个或若干个微波吸收元件组合的改进方式。
根据本实用新型的第一方面，通过用于使用电磁测量信号来确定储罐中的物品的过程变量的雷达料位计来实现这个和其他目的，该雷达料位计包括：信号传播装置，信号传播装置被适配为朝向物品引导微波发射信号，并且返回微波发射信号的来自物品表面的反射，信号传播装置包括波导结构和形成在波导结构内的腔；以及电介质填充构件，该电介质填充构件至少部分地布置在腔内。电介质填充构件包括：主体，其由聚合物材料形成；至少一个微波吸收元件，其由改性聚合物材料形成，该改性聚合物材料在雷达料位计的操作频率处提供至少1dB/厘米的微波衰减，该改性聚合物材料是通过使用填充材料对聚合物材料进行改性而获得的，其中，通过烧结使至少一个微波吸收元件与主体一体地形成。
本实用新型基于两个重要的认识。首先，微波吸收元件可以由改性聚合物材料、即混合有适当的填充材料的聚合物材料形成。这样的改性聚合物材料在本领域中是已知的，并且通常通过将粉末材料混合到聚合物树脂(例如粉末)中获得。其次，发明人已经认识到，可以通过烧结使由改性聚合物制成的这种微波吸收元件集成到主体中。
如本文所用，表述“烧结”是指通过将两个元件彼此压靠并且在不熔化的情况下对两个元件进行加热来使两个元件集成的工艺。已知的是，也可以烧结诸如PTFE的不具有任何液相的聚合物材料，尽管该工艺困难且耗时。此外，例如改性PTFE的改性聚合物材料的烧结本身是已知的。然而，本实用新型基于以下认识：可以通过使用烧结来将由不同聚合物材料制成的不同部件集成，在要被布置在雷达料位计的喇叭天线中的电介质填充构件的特定领域中实现若干优点。
更具体地，通过将聚合物材料(例如PTFE)的主体与由改性聚合物(例如改性PTFE)制成的一个或若干个微波吸收元件烧结在一起，实现了非常可靠的集成。烧结还消除了对粘合剂的需要，并且在没有附加界面的情况下固定(一个或更多个)微波吸收元件。
电介质填充构件由具有适当电磁性质的电介质材料制成，以免干扰RLG的操作。此外，材料应当是疏水的，即防水，并且对储罐中的内容物(通常是石油物品)具有耐化学腐蚀性。已发现含氟聚合物具有合适的性质，并且常规地用作雷达料位计中的电介质填充构件的材料的示例包括PTFE(聚四氟乙烯)、PFA(全氟烷氧基链烷烃)和FEP(氟化乙烯丙烯)。这些材料具有优异的耐化学腐蚀性，并且还具有卫生FDA批准，即它们也可用于高度卫生的过程，例如用于食品工业中。在这些材料中，PTFE是唯一一种可以承受高温(在150摄氏度以上)的材料，并且因此通常是优选。
注意，聚合物材料(例如PTFE)不一定是完全纯的(所谓的“纯净”等级)，而是也可以与少量其他材料混合以提供最合适的机械性质。
填充材料被选择成提供期望的微波衰减(例如至少1dB/厘米)，并且示例包括诸如金属的导电材料和诸如铁氧体的磁性材料。填充材料的量需要足以提供期望的微波衰减，但必须足够小以允许改性材料的烧结。作为示例，按重量计算，填充材料的量大于0.5％或大于1％，并且小于15％或小于10％。
在一些实施方式中，波导结构包括喇叭天线，该喇叭天线具有波导部和喇叭部，并且在波导部和喇叭部内形成腔。在该情况下，主体可以具有填充波导部的大致圆柱形部分，填充喇叭部的大致圆锥形部分以及延伸超过喇叭部的开口的凸端部。主体还可以包括环形凸缘，以用于在雷达料位计的储罐连接件和要安装雷达料位计的储罐凸缘之间提供密封。
然而，根据本实用新型的电介质填充构件也可以有利地仅用于填充中空波导的腔。具有电介质填充构件的这种中空波导可以连接至定向天线或连接至一些其他类型的信号传播装置。
(一个或更多个)微波吸收元件可以用于减小其中布置有电介质构件的波导结构中的微波信号的谐振。如果这样的微波吸收器被定位在工艺密封件的内侧，则会因此遭受储罐气氛的影响，有利的是将(一个或更多个)微波吸收元件嵌入主体中。这样的嵌入式微波吸收器的一个示例是如下销：该销被布置在填充构件中，以便被定位成靠近天线的开口并且与天线的中心轴线对准。这样的嵌入式微波吸收器之前已由或甚至金属制成，并且被密封在胶合在适当位置的聚合物插塞的后面。
根据本实用新型的实施方式，这样的销可以由改性聚合物制成并且可以通过以下处理嵌入主体中：在主体中形成从凸端部的外表面延伸的孔；将销压入孔中；形成聚合物材料的插塞，该插塞具有用于紧密装配在孔中的形状；将插塞压入所述孔中以覆盖销，使得当主体和销烧结在一起时，销完全隐藏在主体中。
采用这种方法，主体的表面将基本上完好无损，并且不存在任何胶合界面。销和周围的聚合物之间也不会存在任何界面，因为它们已经完全集成。微波吸收销的性能可以因此得以优化。
(一个或更多个)微波吸收元件还可以用于避免来自填充体的外侧与例如天线喇叭的波导结构的内侧之间的间隙的干扰。例如，如上所讨论的，已知围绕填充构件的圆锥形部分布置衰减箔并且使用粘合剂来固定该衰减箔。
根据本实用新型的实施方式，这样的圆锥形套筒可以由改性聚合物制成，将套筒推到填充构件的圆锥形部分的外侧上。然后可以通过烧结使套筒与主体集成。通过该方法，不再存在吸收套筒从电介质填充构件脱落的风险。
由于(一个或更多个)微波吸收元件的相对较高的微波损耗，(一个或更多个)微波吸收元件对于传输通过喇叭天线的微波信号将是“不可见”的。该事实可以有利地用于“隐藏”电介质填充元件的如下特征，否则这样的特征可能引起微波信号劣化。例如，围绕填充构件的外围延伸的用于容纳诸如O形环的密封元件的槽可能干扰和衰减传输通过喇叭天线的微波信号。
根据本实用新型的又一实施方式，至少一个微波吸收元件被形成为具有用于容纳密封元件的槽的环形元件，该环形元件被推到主体上。然后，可以通过烧结使环形元件与主体集成。当环形元件集成到主体中时，改性聚合物的环形元件中的槽将具有与形成在聚合物材料的主体中的槽的功能相同的功能。然而，环形元件和槽对于传播通过天线的微波信号将是“不可见”的，从而减少了任何干扰和衰减。
附图说明
将参照附图更详细地描述本实用新型，在附图中示出了本实用新型的当前优选实施方式。
图1a是根据本实用新型的实施方式的安装在储罐上的雷达料位计的示意图。
图1b是图1a中的雷达料位计的一些部分的示意性框图。
图2a、图2b和图2c是根据本实用新型的实施方式的电介质填充构件的三个不同示例的透视的且局部剖开的分解视图。
图3a、图3b、图3c分别是图2a、图2b和图2c中的填充构件的平面剖视图。
图4是示出由根据本实用新型的实施方式的雷达料位计执行的处理的流程图。
具体实施方式
图1a和图1b示意性地示出了根据本实用新型的实施方式的雷达料位计(RLG)1。RLG1被安装在储罐2上，并且被布置成对诸如储罐2中的两种材料之间的界面的料位L的过程变量进行测量。通常，第一种材料是储存在储罐中的物品4，例如，诸如汽油的液体或诸如粒状化合物的固体，第二种材料是储罐中的空气或其他气氛5，而界面是物品4的表面3。在一些应用中，储罐是很大的金属储罐(直径处于10米的量级)。
雷达料位计1包括在图1b中非常示意性地示出的收发器电路系统6、处理电路系统7和接口8。RLG电路系统(即，收发器电路系统6、处理电路系统7和信号/电力电路系统8)被布置在测量单元(MU)10中，测量单元10被安装到由金属材料(通常为钢)制成的储罐连接件12，储罐连接件12适于牢固地装配(例如栓接或焊接)到储罐凸缘13。储罐连接件12适于提供用于使电磁信号通过储罐的壁的通道(优选地为压力密封的)，该通道将收发器电路系统6与信号传播装置连接，此处信号传播装置是由储罐连接件12形成的呈天线喇叭形式的定向天线11。天线11被布置成充当适配器，其将自由传播的电磁波发射到储罐2中以被界面反射，此处该界面为储罐2中的物品4的表面3。具有定向天线的RLG通常被称为非接触式雷达(NCR)料位计。
天线11包括波导部15和喇叭部16。诸如探针(未示出)的耦合装置被布置成将来自收发器的发射信号耦合到波导部中。然后，发射信号被允许传播到喇叭部并且接着被发射到储罐中。相反，返回信号将由天线喇叭部接收，并且被允许传播通过波导部并且通过耦合装置耦合回到收发器。
微波透射电介质填充构件20至少部分地布置在由波导部15和喇叭部16形成的腔19内。填充构件20用于保护天线喇叭不受储罐气氛5的热和化学影响。填充构件20优选地由诸如含氟聚合物的耐化学腐蚀且防水的材料制成。在本示例中，聚合物材料是由于其耐温性而被选择的PTFE
此处填充构件20具有：圆柱形部分22，适于装配在波导部15中；以及圆锥形部分23，适于装配在喇叭部16中。圆锥形部分的基部24(即，面向储罐内部的表面)可以具有凸的形状，以便以有利的方式使出射波的雷达波束成形。
为了密封天线腔19以使其免受储罐气氛的影响，填充构件20可以设置有环形凸缘25，凸缘25从凸基部24与圆锥形部分23相接处突出。凸缘25夹在储罐连接件12与储罐凸缘13之间。
填充构件20还可以设置有围绕圆锥形部分23的外围延伸的槽。槽适于容纳诸如O形环的密封元件27。O形环还可以用于将填充构件20机械地固定在腔19中。
收发器电路系统6被配置成生成并发射电磁(微波)发射信号ST以及接收电磁(微波)返回信号SR。发射信号ST通过信号传播装置朝向物品4的表面3传播，在该情况下信号传播装置是天线11。电磁返回信号SR由在表面3处的反射引起，并且通过信号传播装置(天线11)返回并且馈送回到收发器电路系统6。收发器电路系统6可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括单独的发射器单元和接收器单元的系统。收发器电路系统6的元件通常以硬件来实现，并且形成通常被称为微波单元的集成单元的部分。为了简单起见，在下面的描述中将收发器电路系统称为“收发器”。
处理电路系统7可以包括以硬件实现的模拟处理以及由存储在存储器中的并由嵌入式处理器执行的软件模块实现的数字处理的组合。本实用新型不限于特定实现，并且可以考虑被发现适于实现本文所描述的功能的任何实现方式。
处理电路系统7被配置成通过分析发射信号ST和返回信号SR，来确定在储罐的顶部处的参考位置(例如，储罐的外侧与内侧之间的通道)与表面3之间的距离。处理通常包括生成储罐信号或“回波曲线”，其包括表示来自所述储罐内部的回波的多个峰。其中的一个峰表示来自表面3的回波。基于所确定的距表面3的距离(通常被称为空距(ullage))和储罐5的已知尺寸，可以推算出诸如储罐的填充料位L的过程变量。
接口8被配置成允许将测量值传送到RLG外部，并且可选地用于RLG的供电。例如，接口8可以是双线控制回路9，例如4mA-20mA回路。接口8也可以包括串行数据总线，以允许使用数字通信协议进行通信。可用数字协议的示例包括HART、Modbus、过程现场总线(Profibus)和基金会现场总线(Foundation Fieldbus)。接口8也可以是采用例如无线HART的无线接口，在这种情况下，RLG设置有某种内部能量存储装置，例如电池17，其可以由太阳能供电。
此处发射信号是具有大于1GHz的操作频率范围的高频信号。通常，操作频率范围以6GHz或26GHz为中心，带宽为1GHz或几GHz。
根据一种测量原理，发射信号是具有变化的频率的连续信号(频率调制的连续波，FMCW)。基于FMCW的RLG将发射具有逐渐变化的频率的雷达扫描，并且将接收到的信号与原始信号进行混合(零差混合)以形成频域储罐信号。
根据另一测量原理，发射信号是具有ns量级的持续时间和MHz量级的重复频率的不同脉冲的序列。在被称为时域反射法(TDR)的处理中，在采样和保持电路中使用原始脉冲序列对返回信号进行采样，由此形成时域储罐信号。当在NCR料位计中使用时域反射法时，需要对脉冲进行频率调制以允许使用定向天线来进行发射。
发射信号也可以是FMCW和脉冲信号的某种组合。例如，已经提出了被称为多频率脉冲波(MFPW)的原理。
在频域储罐信号的情况下，储罐信号的幅度被表示为频率的函数，其中，频率与距参考位置的距离有关。在时域储罐信号的情况下，储罐信号的幅度被表示为时间的函数，其中，时间与距参考位置的距离有关。
返回到波导填充构件20，在图2a、图2b、图2c、图3a、图3b和图3c中示出了根据本实用新型的各种实施方式的三个不同示例，并且这些示例分别被标记为120、220和320。
在所有这三个示例中，填充构件120、220、320已经设置有微波吸收元件130、230、330。在此，“微波吸收”是指在雷达料位计的操作频率处的至少1dB/厘米的微波衰减。在实际示例中，衰减可以显著更强，例如3dB/厘米或更大。这与主体形成对比，主体通常被特别地设计成在操作频率处具有尽可能小的微波衰减。
参照图4，通过以下处理来制造电介质填充构件120、220、320。
首先，在步骤S1中，形成具有合适性质的聚合物材料(此处为PTFE)的主体121、221、321。可以认为聚合物材料是纯的或者基本上是纯的，但是聚合物材料也可以包括一定比例的非聚合物材料，例如玻璃，以提供合适的机械性质。
当使用PTFE时，通常通过首先借助于压缩成型形成具有适当的基本形状的坯件(blank)，并且然后将该坯件加工成其最终形状来形成主体。PTFE的压缩成型包括将PTFE树脂(粉末)填充到相对简单形状的模具腔中，然后使用液压对模具进行压缩。如上所述，为了提供合适的机械性质，PTFE树脂可以混合有少量颗粒，例如玻璃颗粒。压缩成型的细节以及其他成型工艺是本领域中已知的。允许成型的(以及可能加工的)坯件放置多达几天，以使陷在成型的坯件中的任何空气逸出。
在步骤S2中，通过将聚合物树脂(在此为PTFE树脂)与通常为粉末形式的填充材料混合来获得改性聚合物材料，当然步骤S2可以在步骤S1之前很久进行。选择填充材料，使得改性聚合物材料与基本上纯的聚合物材料相比提供增加的微波损耗，即，微波吸收更强。填充材料可以是导电的，例如碳或金属。可替选地，填充材料可以是磁性材料，例如铁氧体。当然，一些材料既导电又具有磁性。此外，可以使用几种不同的填充材料来获得适当的微波吸收性质。填充材料的比例将取决于填充材料和期望的性质。最重要的是，该比例必须足够大以获得所需微波衰减，并且足够小以能够进行烧结。作为示例，按重量计算，填充材料的比例可以在1％-5％的范围内。
在步骤S3中，形成改性聚合物材料(此处为改性PTFE)的微波吸收元件130、230、330。可以使用与用于形成主体的技术类似的技术(例如压缩成型和适当加工)来形成元件130、230、330。也可以通过烧结来形成元件130、230、330。
在步骤S4中，通过将元件130、230、330布置成与主体121、221、321加压接触来施加压力，并且在步骤S5中施加热量以使得微波吸收元件130、230、330与主体烧结在一起。如上所述，烧结在此处是指在不熔化的情况下进行集成。虽然，施加压力和温度的步骤在此处被示出为单独的步骤，应注意，在步骤S5中也可以继续施加压力，使得同时施加压力和温度以通过烧结实现集成。烧结循环，即温度和持续时间的序列，可以长达10小时或更长，甚至高达或超过50小时，这取决于元件130、230、330的大小。
在元件130、230、330已经与主体烧结在一起之后，在步骤S6中可能需要额外的加工以使电介质填充构件120、220、320呈现其最终形状。
在图2a和图3a中，电介质填充构件120设置有大致圆柱形销130的形式的微波吸收元件。可替选地，销130可以略微逐渐变细。
此处，步骤S4涉及在主体121中形成用于容纳销130的孔131。孔的直径稍小于销130的直径，使得销130必须被推入孔131中并且将受到来自孔壁的径向压力。然后，也将由与主体121的聚合物材料相同的聚合物材料制成并且直径与销130的直径相同的插塞132压入孔131中。沿轴向推动销130和插塞132，使得还沿轴向施加压力。因此，在所有方向上对销施压。
此处，步骤S5涉及使主体121、销130和插塞132经受热量，达到引起在不熔化的情况下进行集成的程度，这也称为烧结。在此过程中，改性聚合物的销130被烧结到周围的聚合物，并且插塞132也被烧结到主体120的其余部分。
优选地，销130和主体121的集成在填充构件120通过适当的加工被赋予其最终形式之前完成。在加工之后，销130将在凸表面124下方嵌入填充构件120中并且与填充构件120的中心轴线A对准。
转至图2b和图3b，电介质填充构件220在此处设置有锥形套筒230形式的微波吸收元件。
此处，主体220的圆锥形部分223在步骤S1中形成有用于容纳锥形套筒230的环形凹槽或凹陷231。凹槽231的直径稍大于套筒230的内径，使得在步骤S4中套筒230可以被压入凹槽中，并且将受到向外的径向压力。当套筒230已经被压入就位时，凹槽的上脊232(即较小直径的脊)将与套筒230的上缘233接合，并且因此用于将套筒230保持在适当的位置。
此处，步骤S5涉及使主体121和套筒230经受热量，达到引起在不熔化的情况下进行集成的程度，这也称为烧结。在此过程中，改性聚合物的套筒230被烧结到聚合物的主体221。
最后转至图2c和图3c，电介质填充构件320在此处设置有呈环形元件330的形式的微波吸收元件，环形元件330沿其外围形成有槽326，该槽326适于容纳密封元件327(在此处是O形环)。当填充构件320被布置在喇叭天线中时，O形环将在喇叭的内侧和电介质构件之间提供密封。
主体321在此处形成有紧邻径向凸缘325的用于容纳环形元件330的大致圆柱形部分331。部分331的直径稍大于环形元件330的内径，使得在步骤S4中，元件330可以被压到圆柱形部分331上并且将受到向外的径向压力。
此处，步骤S5涉及使主体321和环形元件330经受热量，达到引起在不熔化的情况下进行集成的程度，这也称为烧结。在此过程中，改性聚合物的套筒330被烧结到聚合物的主体321。
注意，环形槽形成元件330可以具有其他尺寸，并且适于烧结到主体的其他部分。例如，更靠近圆锥形部分的顶部或甚至沿着圆柱形部分提供用于装配密封元件的环形槽可能是有益的。由于元件330的微波吸收特性，通过该过程形成的槽对于传播通过波导结构的腔的微波将基本上是不可见的。
注意，填充构件120、220和320可以单独实现，以向雷达料位计提供显著且完全不同的优点。然而，还应注意，填充构件120、220和320的特征可以任何可能的方式组合。例如，填充构件可以设置有根据图2a的吸收销和根据图2b吸收套筒两者，等等。
本领域技术人员会认识到，本实用新型决不限于上述优选实施方式。与此相反，在所附权利要求的范围内许多修改和变型是可能的。例如，电介质填充构件的形状和比例可以根据天线腔的形状和比例而不同。特别地，喇叭部可以更小，引起相对较长的波导部，这影响填充构件的形状。此外，如上所述，本实用新型也可以在不具有任何天线喇叭的雷达料位计中实现。