用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的装置和方法

用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的装置和方法
【专利摘要】用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的装置和方法。装置包括配置成确定最佳脉冲宽度以用于得到与罐（102）中的材料（104）相关的水平测量的至少一个处理设备（310）。至少一个处理设备还配置成产生使导波雷达（GWR）（200）的发射机（330）传输具有最佳脉冲宽度的信号（355）的控制信号。至少一个处理设备还配置成将控制信号发送到发射机（425，430）。至少一个处理设备还可配置成改变最佳脉冲宽度的长度以便减少由GWR检测的假回波、减小GWR的上死区（1020）的尺寸，和/或检测阻抗的变化以识别在GWR中的过程连接器（230）的故障。
【专利说明】
用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的装置和方法
技术领域
[0001] 本公开通常针对雷达系统。更具体地，本公开针对用于调整导波雷达脉冲宽度以 优化测量的装置和方法。
【背景技术】
[0002] 处理设施和其它设施常规地包括用于存储液体材料和其它材料的罐（tank)。例 如，储罐常规地用在油罐区设施和其它存储设施中以存储油或其它材料。作为另一示例，油 轮和其它运输容器常规地包括存储油或其它材料的许多罐。处理设施还包括用于实现工业 过程的罐，例如通过罐的输入接收材料，同时允许材料通过罐的输出离开。
[0003] 时常地，测量在罐中存储的材料的量是必要或合意的，例如以便在接收或释放罐 中的材料的工业过程期间将罐中的材料的水平（level)控制在期望水平处。雷达计量器被 用于测量存储在罐中的材料的量。雷达计量器通常将信号朝着罐中的材料传输并接收反射 离开罐中的材料的信号。
[0004] 不幸的是，雷达测量可被在罐内部的多个反射(例如来自罐的壁、底部、顶部和比 如搅拌器、梯子和热线圈之类的障碍物的反射)影响。在一些情况下，与反射离开不同于罐 中的材料的对象的信号相关的假回波(echo)可干扰离开罐中的材料的信号的实际反射，弓丨 起在水平测量中的不准确性。
[0005] 而且，罐的全容量常常被用于存储和转移，且水平测量通常需要是不断地可靠的， 甚至在材料的水平接近罐的底部或顶部时。这可能难以使用常规雷达计量器来实现。

【发明内容】

[0006] 本公开提供了用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的装置和方法。
[0007]在第一实施例中，非临时计算机可读介质包含计算机程序。计算机程序包括当被 执行时使至少一个处理设备确定最佳脉冲宽度以用于得到与罐中的材料相关的水平测量 的计算机可读程序代码。计算机程序还包括当被执行时使至少一个处理设备产生控制信号 的计算机可读程序代码，该控制信号使导波雷达(GWR)的发射机传输具有最佳脉冲宽度的 信号。计算机程序还包括当被执行时使至少一个处理设备将控制信号发送到发射机的计算 机可读程序代码。
[0008] 在第二实施例中，一种装置包括配置成确定最佳脉冲宽度以用于得到与罐中的材 料相关的水平测量的至少一个处理设备。至少一个处理设备还配置成产生使GWR的发射机 传输具有最佳脉冲宽度的信号的控制信号。至少一个处理设备还配置成将控制信号发送到 发射机。
[0009] 在第三实施例中，一种方法包括确定最佳脉冲宽度，以用于得到与罐中的材料相 关的水平测量。该方法还包括产生使GWR的发射机传输具有最佳脉冲宽度的信号的控制信 号。该方法还包括将控制信号发送到发射机。
[0010] 根据下面的图形、描述和权利要求，其它技术特征对本领域中的技术人员来说可 以是显而易见的。
【附图说明】
[0011] 为了更加完整地理解本公开及其特征，现在参考结合附图进行的下面的描述，其 中： 图1示出根据本公开的用于调整导波雷达脉冲宽度以优化在罐中的材料的测量的示例 系统； 图2A和2B示出根据本公开的示例导波雷达； 图3示出根据本公开的在图2中的导波雷达的部件的示例； 图4示出根据本公开的用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的示例过程； 图5示出根据本公开的在脉冲宽度和导波雷达中的控制电压之间的示例关系； 图6示出根据本公开的表示用来测量罐中的材料的信号的示例波形； 图7A和7B示出根据本公开的双极脉冲的示例时域波形和在导波雷达中使用的双极脉 冲的示例变换； 图8和9示出根据本公开的处理导波雷达中的"振铃"喷嘴效应的示例； 图10和11示出根据本公开的使用导波雷达来减小测量的死区的高度的示例； 图12A和12B示出根据本公开的示例过程连接器；以及 图13示出根据本公开的来自过程连接器内部的反射能量的示例波形。
【具体实施方式】
[0012] 下面讨论的图1到13和在本专利文档中用于描述本发明的原理的各种示例仅作为 例证，且不应以任何方式被解释为限制本发明的范围。本领域中的技术人员将理解，可以用 任何适当的方式和在任何类型的适当布置的设备或系统中实现本发明的原理。
[0013] 图1示出根据本公开的用于调整导波雷达(GWR)脉冲宽度以优化在罐中的材料的 测量的示例系统100。如图1中所示，系统100包括罐102,其表示用于容纳并存储至少一种材 料104的任何适当的结构。罐102可具有任何适当的形状和尺寸。罐102也可形成更大结构的 一部分，例如包含一个或多个罐102或与一个或多个罐102相关的任何固定或可移动结构 (比如可移动油轮、铁路车、或卡车或固定油罐区）。罐102的内部包括在底部处的底板 (fl 〇〇r)106和在顶部处的顶板108。在某些实施例中，罐具有没有顶板的开放顶部。
[0014]罐102可用于存储任何适当的材料104,例如一个或多个燃料、油或其它经处理或 未处理的碳氢化合物。此外，单个材料104可存储在罐102中，或多个材料104可存储在罐102 中。取决于存储在罐102中的（多个)材料104,（多个)材料104有时可以"成层(stratify)"或 形成多个层。在图1中所示的示例中，存在材料104的两个层110a-110b，且界面112在第一层 ll〇a的顶表面与第二层110b的底表面交会之处形成。作为特定的示例，罐102可用于分离油 与水，在这种情况下，界面112表示油的底表面从水分开的地方。此外，空气-材料界面存在 于第二层ll〇b的顶表面114处，且空气-材料界面表示在罐102中的材料104的顶部。
[0015]罐102的顶部116包括提供到罐102的内部的通路的一个或多个开口或端口 118a-118b，且喷嘴120a-120b可耦合到端口 118a-118b。在这个示例中，喷嘴120a与罐102的顶板 108齐平，而喷嘴120b不与顶板108齐平并延伸某个距离到罐102中。导波雷达(GWR)200是基 于雷达的水平发射机。GWR 200可安装到喷嘴120b的顶端122以便保持GWR 200远离材料 104,甚至在罐102是满的时。长度124表示在喷嘴120b的顶端122和喷嘴120b的底端126之间 的距离。喷嘴120b还具有内径128。注意，在这里所示的端口和喷嘴的形式仅仅是示例，并且 端口和喷嘴可具有任何其它适当的配置。
[0016] 系统100还包括控制系统100的总体操作的主控制单元(MCU) 130。例如，Μ⑶130可 从GWR 200接收水平测量，控制进入或离开罐102的材料104的自动加载或卸载，并在材料 104的水平接近罐102的顶部或底部时或当可能的泄漏在罐102中被检测到时产生警报。Μ⑶ 130可被从GWR 200远程地定位，例如离开50-100米。在某些实施例中，系统100不包括Μ⑶ 30,在该情况下，GWR 200可提供直接控制一个或多个致动器(例如阀）的模拟输出。
[0017]在一些实施例中，波导132可用于将信号从GWR 200指引或引导到材料104。波导 132包括用于引导信号的任何适当的结构。
[0018] 在特定的实施例中，GWR 200实现时域反射测量法(TDR)以得到在罐102中的材料 104的水平的测量。例如，GWR 200可产生信号并将信号向下传输到罐102中并接收反射离开 罐102内的内含物的信号。信号可反射离开材料104的顶表面114、在罐102中的材料的不同 层之间的任何界面112、罐102的底板106和罐102内的任何障碍物(例如搅拌器、梯子和热线 圈XGWR 200或Μ⑶130可分析所接收的信号以估计在罐102中的材料104的总高度134和可 能地在罐102中的材料104的不同层的高度136-138。
[0019] 可参考"零参考"点进行水平测量。例如，零参考点可表示罐102的底板106或喷嘴 120b的顶端122。还可相对于已知距离（例如在喷嘴120b的顶端122和罐102的底板106之间 的总距离140)进行水平测量。在某些实施例中，GWR 200或Μ⑶130接收总距离140的值的用 户输入，其用于指示罐的底部，使得水平测量能够相对于底板106被输出。
[0020] MCU 130包括用于控制罐的水准仪的任何适当的结构，例如通过控制影响进入或 离开罐的材料的流动的致动器。例如，Μ⑶130可包括至少一个处理设备130a、至少一个存 储器130b和至少一个接口 130c。每个处理设备130a包括任何适当的处理或计算设备，例如 微处理器、微控制器、数字信号处理器（DSP)、现场可编程门阵列（FPGA)、专用集成电路 (ASIC)或分立逻辑设备。每个存储器130b包括任何适当的存储和取回设备，例如随机存取 存储器(RAM)、闪存或其它只读存储器(ROM)、磁性存储设备、固态存储设备、光学存储设备 或其它存储和取回设备。每个接口 130c包括便于通过连接或网络进行通信的任何适当的结 构，例如有线接口（比如以太网接口）或无线接口（比如射频收发机）或电信号网络（例如 HART或FOUNDATION FIELDBUS网络）。
[0021] 在某些实施例中，只有GWR 200执行功能（例如TDR功能）以测量在罐102中的材料 104的水平。在其它实施例中，取决于实施方式，在GWR 200和系统100的其它电子设备上分 开GWR 200的功能，例如测量在罐中的材料的水平。例如，GWR 200可包括处理电路或分析所 接收的信号并识别水平测量的其它部件，且GWR 200可将那些水平测量传递到MCU 130,以 用于在控制水平中使用。在某些实施例中，GWR 200的处理电路被实现为在执行固件的印刷 电路板组件(PCBA)上的微处理器。作为另一示例，GWR 200可传输并接收信号并将关于信号 的信息提供到MCU 130,其使用该信息来识别水平测量。还可以以任何适当的方式在MCU 130和GWR 200之间划分用于识别水平测量的功能。
[0022] 如下面更详细地描述的，可控制由GWR 200产生的信号的脉冲宽度，以便改善在罐 102中的材料104的水平测量的准确度。可在GWR 200内或在GWR 200外部（例如在Μ⑶130 中）实现用于识别期望脉冲宽度的功能。
[0023] 尽管图1示出用于调整GRW脉冲宽度以优化在灌中的材料的测量的系统100的一个 示例，但是可对图1进行各种改变。例如，图1中所示的功能划分仅用于例证。在图1中的各种 部件可被组合、进一步细分、重新布置或省略，或者可根据特别的需要来添加另外的部件。
[0024] 图2Α和2Β示出根据本公开的示例GWR 200。为了易于解释，图2Α和2Β的GWR 200被 描述为用在图1的系统100中。然而，GWR 200可用在任何其它适当的系统中。
[0025] 如图2Α和2Β中所示，GWR 200包括通信电子设备壳体210、传感器电子设备壳体 220、过程连接器230和探针240。通信电子设备壳体210收容或以其它方式包括接线盒、用于 向本地用户呈现水平测量的显示器、用于与MCU 130通信的通信接口、和用于接收用户输入 参数的用户接口。传感器电子设备壳体220包括功率积累模块（power accumulation module)和传感器电子设备。过程连接器230包括过程密封(process seal)，以用于隔离传 感器电子设备壳体220与在罐102内的环境，同时允许探针240暴露到在罐102内的环境。探 针240将从传感器电子设备壳体220传输的脉冲传送到材料104并将在罐102内部反射的脉 冲传送回到传感器电子设备壳体220。在一些实施例中，探针240包括波导，例如波导132。波 导的示例包括棒、绳、双棒/绳和同轴探针。
[0026] 尽管图2A和2B示出GWR 200的一个示例，但是可对图2A和2B进行各种改变。例如， 在GWR 200内的内部部件可以用任何适当的方式布置在GWR 200的各种区段210-240内。而 且，GWR 200的形状因数仅用于例证。
[0027] 图3示出根据本公开的在图2中的GWR 200的部件的示例。如图3中所示，GWR 200包 括通信电子设备壳体210,其包括将GWR 200连接到显示器、Μ⑶130、或另一用户接口或过 程接口并使得GWR 200能够与其通信的通信接口。通信接口经由局域网、电信号网络(例如 HART或FOUNDATION FIELDBUS网络）、通用串行总线（"USB"）或其它有线连接来支持任何适 当的通信，例如无线数据传输或通信。在通信电子设备壳体210内的接线盒使得GWR 200能 够在周期上操作。也就是说，GWR 200在突发模式(burst mode)的短暂时段内消耗大量功率 并在剩余时间内累积电荷(例如在电容器中）。因此，接线盒用作用于GWR 200的部件的电压 和电流的源。
[0028] 传感器电子设备壳体220的功率积累模块包括向传感器电子设备供应电功率的电 源305。电源305可表示操作功率的任何适当的源，例如电池、电容器组、燃料电池或太阳能 电池。传感器电子设备壳体220的传感器电子设备包括分析器310。分析器310控制GWR 200 的一个或多个功能，包括下面更详细描述的用于调整或改变GWR脉冲宽度以优化测量的操 作。例如，分析器310可包括可编程控制器、用于捕获关于在罐102内接收的反射信号的信息 的数字获取(DAQ)硬件和用于处理信息以识别水平测量的处理硬件(例如微处理器、微控制 器、PCBA、DSP、FPGA、AS IC或分立逻辑）。
[0029] 如下面更详细描述的，分析器310可确定GWR传输到罐102中的信号的最佳脉冲宽 度。分析器310还识别（例如在查找表中）对应于最佳脉冲宽度的控制电压并使用控制电压 来控制GWR 200的其它部件以实现期望脉冲宽度。例如，分析器310可使用存储在存储器中 的参数或由用户通过通信电子设备壳体210输入的参数来确定最佳脉冲宽度。示例参数可 包括喷嘴120b的内径128、罐高度140、喷嘴120b的长度124和用于将GWR 200耦合到罐102的 安装(mounting)的类型。
[0030] 反射离开材料104或罐102中的结构的信号由分析器310分析以识别水平测量。例 如，分析器310可识别并分类在所接收的信号的波形中的峰值，并估计反射离开材料104的 顶表面114、在罐102中的材料的不同层之间的任何界面112、探针的末端、罐102的底板106 和在罐102内的任何障碍物的信号所行进的路径的长度。分析器310还可确定用于各种被反 射信号的飞行时间，其中飞行的时间表示从信号的传输到信号的接收的时间的长度。
[0031] 分析器310可包括DAC 320。替代地，DAC 320从分析器310接收数字信号，将所接收 的信号转换成模拟格式，并将模拟格式化的信号提供到脉冲发生器315。
[0032] GWR 200包括脉冲发生器315和数模转换器(DAC)320。脉冲发生器315被配置成响 应于接收到具有控制电压的控制信号而产生传输到罐102中的信号355-357的脉冲。从脉冲 发生器315输出的信号355-357的脉冲宽度由分析器310提供到脉冲发生器315的电压确定。 所传输的信号355-357可具有相同的或具有不同的脉冲宽度，其穿透到罐102中的不同深 度。脉冲发生器315向发射机330提供模拟信号，以用于通过波导传输到罐102中。注意，脉冲 发生器315或DAC 320可被包括在发射机330内。
[0033]尽管被示为单独的元件，但是发射机330和接收机335可表示单个收发机。发射机 330包括用于提供用于传输的信号的任何（多个)结构。接收机335包括用于得到并处理所接 收的信号的任何(多个)结构。
[0034]接收机335接收已经反射离开材料界面或罐102中的对象的信号360-362。如图3中 所示，由接收机335接收的信号360-362包括反射离开顶表面114处的空气-材料界面的信号 360-362、反射离开界面112的信号361-362、和反射离开罐102的底部106的信号362。
[0035] GWR 200包括一个或多个传感器350,例如将反射信号转换成可由分析器310处理 的电信号的换能器。还可在GWR 200中使用各种其它类型的传感器。在一些实施例中，模数 转换器(ADC)将来自传感器350的模拟信号转换成用于分析器310的数字信号。
[0036] 在一些实施例中，传感器350包括向分析器310通知与分析器310和脉冲发生器315 的电路相关的温度的温度传感器。例如，温度传感器可测量包围分析器310和脉冲发生器 315的电路的空气的温度。作为另一示例，温度传感器可测量电路(例如，ASIC中的半导体） 的温度。GWR 200可配置成在工业标准温度范围（例如-40°C到+85°C)内操作，且具有GWR 200的部件(例如脉冲发生器315)的半导体材料可展示不同操作温度下的变化的性能。作为 特定的示例，脉冲发生器315在不同的温度下操作时可响应于相同的控制电压而产生不同 宽度的脉冲。GWR 200可抵消温度效应以通过根据所测量的温度调整控制电压来实现期望 输出脉冲宽度。因此，GWR 200可调整电压以在工业标准温度范围内的任何操作温度下以期 望脉冲宽度来传输脉冲。在工业标准温度范围内自动维持脉冲一致性是GWR 200的技术优 点。
[0037]尽管图3示出在图2中的GWR 200的部件的示例，但是可对图3进行各种改变。例如， 在GWR 200内的内部部件305-350可以被用任何适当的方式布置在GWR 200的各种区段210-240 内。
[0038]图4示出根据本公开的用于调整导波雷达脉冲宽度以优化测量的示例过程400。为 了易于解释，图4的过程400被描述为在图1的系统100中与图3中所示的部件一起使用。然 而，可在任何其它适当的设备或系统中使用过程400。
[0039] 过程400可用于减少与GWR 200相关的假回波（也被称为假反射）。例如，为了减小 或避免喷嘴效应并减少假回波，过程400包括选择高于阈值的最佳脉冲宽度，例如截止频率 (fcutrff)。过程400也可用于提供其它技术优点，例如： ?减小死区的尺寸； ?检测过程流体到过程连接器230中的泄漏；以及 ?区别浸没在材料104中的对象(例如入口管)与材料104本身。
[0040] 如图4中所示，在步骤405处确定与喷嘴相关的参数。参数可例如包括喷嘴直径128 和喷嘴长度124。在一些实施例中，系统100例如经由Μ⑶130或GWR 200的用户接口从用户接 收这些参数。在其它实施例中，可从存储器得到参数，例如当参数先前被提供到GWR 200时 或当GWR 200被配置成测量在共用共同参数的罐102中的水平时。
[00411在步骤410处确定用于GWR的最佳脉冲宽度。例如，为了减少与喷嘴效应相关的假 回波，系统100可选择对应于大于或等于所计算的截止频率的频率的脉冲宽度，使 得雷达脉冲的能量的大部分出现在比截止频率更低的频率的带宽中。系统100可在线(例如 响应于所得到的参数)或离线（例如通过产生对应于一组喷嘴尺寸的值的表)执行这 个计算。下面的方程（1)表达在以千兆赫(GHz)为单位的f cutclff值和喷嘴尺寸以及探针尺寸 之间的一个示例关系。
[0042]
(1) 在这里，D表示喷嘴120b的直径，d表示探针240或波导132的直径，以及鳥< 表示在探针 240或波导132的内导体和外导体之间的材料的相对介电常数。在方程(1)中的fcutoff值的近 似可被修改以包括用于调整该近似的乘法器(multiplier)。
[0043] 在步骤415处计算或以其它方式确定对应于最佳脉冲宽度的控制电压。例如，系统 100可使用方程或查找表来确定控制电压，其中输入参数是温度和期望脉冲宽度。例如，系 统100可计算使脉冲发生器315输出具有期望脉冲宽度的信号所需的电压。在一些实施例 中，系统使用模型(例如，图5中示出的那些)来确定对应于脉冲宽度的控制电压。注意，脉冲 宽度通常与带宽成反比。
[0044] 在步骤420处进行控制电压是否应被调整以补偿温度的确定。即使当最佳脉冲宽 度已经被确定时，从脉冲发生器315输出的实际脉冲宽度也可由于温度或批量变化(batch variation)而改变。GWR 200可帮助通过将调整应用到控制电压来提供在操作温度的范围 内的更一致的性能。当电压调整是适当的时，在步骤425处使用DAC(例如DAC 320)产生经调 整的控制电压。否则，当电压调整是不适当的时，在步骤430处使用DAC(例如DAC 320)来产 生未调整的控制电压。
[0045] 在步骤435处，在经调整或未调整的水平下将模拟信号提供到脉冲发生器。响应于 接收到的电压水平，脉冲发生器产生并输出在对应的脉冲宽度下的脉冲。在步骤440处识别 罐中的材料的一个或多个水平。可以用任何适当的方式来确定每个水平，例如通过使用TDR 和飞行时间计算。分析器310控制发射机330以输出用于在这个时间期间得到水平测量的一 系列信号。例如，一系列信号可以包括数千或数万个脉冲。在特定的实施例中，GWR 200可每 微秒传输一个脉冲。
[0046] 在步骤445处区分罐中的对象的水平与罐中的材料104的（多个)水平。在罐102中 的示例对象可包括入口管、水平凸缘(f 1 ange )或其它固体结构。对象区分使得GWR 200能够 避免将离开对象的反射解释为离开材料104或其界面的反射。
[0047] 在这个过程期间，分析器310确定在从GWR 200传输的一系列信号中的每个信号的 脉冲宽度，以便执行对象区分。例如，分析器310可指示发射机330输出在多个脉冲宽度下的 信号355-357。分析器310可使用等效时间采样(ETS)技术或其中每个脉冲对应于某个范围 的测量的其它技术。
[0048] GWR 200实现完成ETS的技术。作为特定的示例，GWR 200可通过具有一对脉冲来实 现ETS，每个脉冲由单独的振荡器电路产生。第一脉冲触发脉冲产生。第二脉冲确定脉冲反 射的采样计时。例如，如果第二脉冲后面有在第一脉冲之后的例如1纳秒(即1〇_ 9秒），则采样 距离是c/2*le-9秒=离开15 cm。每个连续的接收脉冲具有表示例如6mm的另外距离的稍 微更长的时间延迟，使得探针用每个连续脉冲在15 cm、15.006 cm、15.012 cm等的距离处 被采样。在不偏离本公开的范围的情况下，可以使用其它技术来实现ETS。
[0049] 尽管图4示出用于调整GWR脉冲宽度以优化测量的过程400的一个示例，但是可以 对图4进行各种改变。例如，虽然被示为一系列步骤，但是在图4中的各种步骤可重叠、并行 地出现、以不同的顺序出现或出现任何数目的次数。
[0050] 图5示出根据本公开的在脉冲宽度和GWR中的控制电压(V)之间的示例关系。特别 地，图5示出脉冲的负波瓣对控制电压(V)的图形表示，其由线505表示。线505可被用于定义 用于识别与期望脉冲宽度相关的控制电压的模型。
[0051] 图6示出根据本公开的表示用于测量罐中的材料的信号的示例波形。如图6中所 示，发射机330将分别与0.25 V、0.5 V、0.75 V和1.0 V的控制电压相关的不同的脉冲宽度 下的信号605-620传输到罐102中。如在这里所示的，所传输的信号的波形取决于脉冲宽度 而改变。
[0052] 图7A和7B示出根据本公开的双极脉冲的示例时域波形700和在导波雷达中使用的 双极脉冲的示例变换705。在图7A中，水平轴表示以纳秒为单位的时间，并且垂直轴表示电 场。在波形700中，每个半脉冲具有等于0.5 ns的宽度，且峰值到峰值时间间隔是1 ns。
[0053] 在图7B中，变换705的双极脉冲-频率频谱在频域中。水平轴表示以千兆赫为单位 的频率，并且垂直轴表示傅立叶系数强度。频谱705示出双极脉冲不具有直流(DC)分量，而3 分贝（dB)频率带宽小于具有0.5 ns的宽度(FWHM)和大约0.85 GHz的3 dB带宽的FFT频谱的 单极高斯脉冲的3分贝（dB)频率带宽。在单极(单极的）高斯脉冲的情况下，峰值到峰值的时 间间隔（At)和带宽（Af)的乘积大于或等于〇.44(Atx Af 2 0.44)。在其它成形的脉 冲的情况下，峰值到峰值时间间隔和带宽之间的关系更复杂。
[0054]图7Α和7Β之间的变换示出波形的FFT产生频谱。峰值到峰值时间间隔（Δ t)的减小 产生带宽的增加。因此，如果所传输的信号的带宽增加到高阶模式的频率范围中，则高阶模 式变得被激发并表现为在反射信号中的"振铃"。在这个示例中，脉冲的能量主要被设置在 带宽0-2GHz之内，如与高于2GHz的频谱的能量的低得多的水平相比的由低于2GHz的频谱的 更高振幅所展示的。因为在这个示例中"振铃"将出现在高于2GHz的频率处，所以截止频率 位于大约2 GHz处。
[0055]图8和9示出根据本公开的处理GWR中的"振铃"喷嘴效应的示例。在这个示例中，假 设GWR 200的接收机设置在六英寸直径喷嘴内，其中所接收的信号响应于单极信号通过同 一喷嘴的传输而产生。在图8中，从GWR 200传输的单极信号具有250 ns脉冲宽度，且波形不 反转。在图9中，从GWR 200传输的单极信号具有750 ns脉冲宽度。
[0056]通过模拟在金属罐中的水平状反射并测量GWR 200系统的响应来得到图8和9中的 波形。在图8中，在空气反射中的探针末端被用作模型反射。这个模型反射类似于水平反射， 只是信号不反转(对于水平反射将是该情况）。也就是说，GWR 200的探针被设置在空罐的空 气中，使得探针的末端被设置成离上参考点122为1.2 m米处，且底板106被设置成实质上 离开大于1.2 m且不影响反射。在图9中，为了模拟金属罐中的水平，完美电导体(PEC)被建 模成离上参考点122为1.2m米。PEC创建非常类似于真实液体水平的反射，除了在振幅中的 差异以外。峰值810具有与询问信号相同的符号，但峰值910(由于表面反射）与询问信号的 相位相反。换句话说，询问峰值和峰值810在向下方向上;然而在图9中，峰值910在向下方向 上且询问脉动在向上方向上。不管反射的符号如何，喷嘴效应的观察到的行为类似于具有 喷嘴尺寸和脉冲宽度的组合的真实系统。因为振铃效应由喷嘴的几何形状结合脉冲宽度来 确定，所以当所接收的信号来自待测量的材料的顶表面114时，可以得到类似的"振铃"结 果，但来自材料的表面的峰值的相位取决于材料的类型。
[0057]如图8中所示，波形805展示"振铃"喷嘴效应，意味着与在罐102中的材料104或结 构不相关的峰值在从250 ns脉冲宽度单极信号的传输到离开探针的末端的它的反射的接 收的时间的长度期间由GWR 200检测。也就是说，250 ns脉冲宽度单极信号通过喷嘴到罐中 的传输产生干扰期望反射的所示的假回波，例如当罐不再是空的时。峰值810表示离开探针 末端的反射(当所接收的信号来自在罐102中的材料的顶表面14时，具有相位变化的峰值被 得到），但干扰峰值可具有与峰值810相同或更大的振幅和计时。在波形805内的"振铃"喷嘴 效应是对应于250 ns脉冲的更高带宽对于六英寸直径喷嘴太高以及脉冲宽度太短的指示 物，且因此高阶模式在这个脉冲持续时间内在那个喷嘴中产生。干扰好的模式的这些寄生 的高阶模式起源于来自图8的寄生振铃效应。
[0058]如图9中所示，与在图8中的波形805相比，波形905在相同的时间间隔内包含大约 四分之一的峰值。可被误解为用于水平测量的峰值表示问题(存在于图8中），其不存在于图 9中。来自波形905的可检测的干扰的缺少是对应于更长的750 ns脉冲宽度的更低带宽适合 于避免在六英寸直径喷嘴中的"振铃"喷嘴效应的指示物。峰值910清楚地表示离开模拟界 面的反射，如为了建模简单的目的由完美电导体(PEC)所模拟的，但当所接收的信号来自罐 102中的实际材料的顶表面114时结果是类似的（峰值910的相位将被改变）。当实现设法准 确地测量罐102中的材料的水平并避免假回波的过程400时，分析器310可确定从GWR 200到 六英寸喷嘴中的传输应具有比250 ns更长的脉冲宽度，例如750ns脉冲宽度。
[0059]图10和11示出根据本公开的使用导波雷达来减小测量的死区的高度的示例。在一 些实施例中，当材料104在离探针(例如探针240)的顶部的最小距离内时，GWR 200不能准确 地检测罐102中的材料的水平。例如，短脉冲传输可与过程连接器230交互作用并产生假回 波。因此，此区被称为上死区。死区的尺寸取决于从GWR 200传输的信号的脉冲宽度而改变。 GWR 200因此可调整传输的脉冲宽度，以便得到接近喷嘴120b的顶端122的材料的水平的测 量。
[0060]图10中的曲线图1000示出对应于在750 ns脉冲宽度下从GWR传输的双极信号的较 大死区。图11中的曲线图1100示出对应于在250 ns脉冲宽度下从GWR传输的双极信号的较 小死区。在每个图中的垂直轴表示由设置在喷嘴内的GWR接收机接收的反射信号的振幅，其 中所接收的信号响应于双极信号通过同一喷嘴到罐中的传输。在每个图中的水平轴表示关 于在喷嘴120b的顶端122处的上参考点的以米(m)为单位的所计算的距离(意味着上参考点 位于曲线图1000和1100中的零米处）。
[0061 ]如图10中所示的，示例波形1005表示由GWR 200接收的信号，其中棒探针通过喷嘴 被设置到包含油酸的水平的罐中。波形1005表示离开油酸水平反射的信号(大约0.7 m远）。 死区线1020表示在750 ns脉冲宽度下对双极传输的最小范围/最大水平测量。垂直虚线 1025指示用于顶表面114水平的峰值位置，而且波形1005中示出界面水平(例如界面112)和 探针水平的末端。注意，在这个示例中，工业油在界面水平之下。
[0062]在图11中，示例波形1105表示由GWR 200接收的信号，其中棒探针通过喷嘴被设置 到包含与图10中的相同的油酸的罐中。死区线1120表示在250 ns脉冲宽度下对双极传输的 最小测量水平。垂直虚线1125指示用于顶表面114水平的峰值位置。
[0063] 如在这里可以看到的，图11中的死区线1120比图10中的死区线1020更接近零米水 平。这指示GWR 200可通过调整到更短的脉冲度传输来得到在探针的顶部附近的准确的水 平测量。
[0064]在图8到11中的示例示出太短的脉冲宽度引起假回波和高阶模式干扰，增加的脉 冲宽度引起扩大的死区，以及太长的脉冲宽度引起不准确性。因此，GWR 200被配置成设置 或改变传输到罐中的信号的脉冲宽度。例如，GWR 200可增加脉冲宽度的长度，以便减少假 回波，减小脉冲宽度的长度，以便减小GWR的上死区的尺寸。相应地，确定最佳脉冲宽度涉及 在分辨率和假反射的程度之间的折衷。
[0065] 尽管图5到11示出各种特性的示例图表，但是这些图表仅用于例证。还可取决于例 如GWR 200的设计和其中GWR 200被使用的环境来使用示出不同特性的其它图表。
[0066]图12A和12B示出根据本公开的示例过程连接器1200。特别地，图12A示出过程连接 器1200的侧面的立体图，且图12B示出过程连接器1200的中心的纵向截面图。过程连接器 1200可与图2中的过程连接器230相同或相似，并可以用与其相同或相似的方式操作。
[0067]当过程连接器1200的主要密封（例如0形环）出故障时，材料(例如来自罐内）可朝 着过程连接器1200的大气出口迀移或迀移到过程连接器1200的次密封(例如玻璃到金属密 封)之下的环形腔或孔隙1205中。在孔隙1205中的材料可改变过程连接器1200的那个区段 的特征阻抗并反射GWR接收机检测到的信号。分析器310可使用从过程连接器1200的孔隙区 段反射的信号作为主要密封已经出故障的诊断指示物。分析器310可使MCU 130产生向用户 指示主要密封已经出故障的警报并安排过程连接器1200的更换或修理。
[0068]这个的示例在图13中被示出，图13示出根据本公开的来自过程连接器内部的反射 能量的示例波形1305-1310。波形1305表示当孔隙1205是空的时来自过程连接器1200内部 的反射能量。波形1310表示当过程流体存在于孔隙1205中时来自过程连接器1200内部的反 射能量。在波形1310的区域中的振幅的增加指示在孔隙1205内的过程流体的存在。在波形 1310的区域中的振幅的增加由包含孔隙120 5的过程连接器1200的区段的特征阻抗的变化 引起。当孔隙1205是空的时，在孔隙1205中的过程流体的存在从基线阻抗改变在过程连接 器1200的那个区段中的阻抗。如上文所提到的，当检测到故障(例如在过程连接器1200中的 泄漏)时，可产生警报或其它适当的指示物。
[0069] 在某些实施例中，GWR 200配置成周期性地测试以确定过程流体是否存在于孔隙 1205中。测试的持续时间是短暂的，且GWR 200在测试之后重新开始得到在罐中的材料中的 测量。例如，GWR 200每天两次周期性地进行测试以通过暂时改变或减小脉冲宽度的长度来 检测在孔隙1205中的过程流体的存在以映射由过程连接器1200引起的多个反射。在测试期 间，脉冲宽度可减小到最小值。GWR 200使用空的孔隙1205的所映射的波形来与在测试期间 接收的波形比较以检测过程连接器1200是否已经填充有流体或由于与过程的交互作用而 已经降级(degrade)。例如，在图11中的死区线1120的左边的负距离区域中的纹波表示在短 脉冲宽度下的顶端122处的GWR凸缘之前的过程连接器1200内的多个信号反射，然而由于较 长的脉冲宽度，纹波从在死区线1020左边的图10的负距离区域消失。
[0070] 尽管图12A和12B示出过程连接器1200的一个示例，但是可对图12A和12B进行各种 改变。例如，具有任何适当的设计的任何其它适当的过程连接器1200可与GWR 200-起使 用。尽管图13示出来自过程连接器内部的反射能量的波形的示例，但是可对图13进行各种 改变。例如，在这里所示的波形仅仅是示例，且取决于(尤其是)过程连接器1200的设计和泄 漏到过程连接器1200中的材料，可以存在其它波形。
[0071] 在一些实施例中，上面所述的各种功能由从计算机可读程序代码形成并被包含在 计算机可读介质中的计算机程序实现或支持。短语"计算机可读程序代码"包括任何类型的 计算机代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。短语"计算机可读介质"包括能够由计算 机访问的任何类型的介质，例如只读存储器(R0M)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光 盘(CD)、数字视频盘(DVD)、或任何其它类型的存储器。"非临时"计算机可读介质排斥传送 临时电或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非临时计算机可读介质包括其中数 据可永久地被存储的介质和其中数据可被存储并稍后被重写的介质，例如可重写光盘或可 擦除存储器设备。
[0072]阐述在整个这个专利文档中使用的某些词和短语的定义可能是有利的。术语"应 用"和"程序"指的是适于在适当的计算机代码(包括源代码、目标代码或可执行代码）中实 现的一个或多个计算机程序、软件部件、指令集合、过程、功能、对象、类、实例、相关数据或 其一部分。术语"包括"和"包含"以及其衍生词意指包括而不是限制。术语"或"是包括的，意 指和/或。短语"与……相关"以及其衍生词可意指包括、被包括在……内、与……互连、包 含、被包含在……内、连接到或与……连接、耦合到或与……耦合、与……可通信、与……协 作、交错、并置、接近于、绑定到或与……绑定、具有、具有……的性质、具有和或与……的关 系等。短语"……中的至少一个"当与项目的列表一起使用时意指一个或多个所列出的项目 的不同组合可被使用，且在列表中的仅仅一个项目可能被需要。例如，"A、B和C中的至少一 个"包括下面的组合中的任何一个:A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。
[0073] 虽然本公开已经描述了某些实施例和通常相关的方法，但是这些实施例和方法的 变更和置换将对本领域中的技术人员来说是显然的。因此，示例实施例的上面描述并不限 定或约束本公开。其它变化、替换和变更也是可能的，而不偏离如由下面的权利要求限定的 本公开的精神和范围。
【主权项】
1. 一种装置，包括： 至少一个处理设备(310)，其配置成： 确定最佳脉冲宽度，以用于得到与罐(102)中的材料(104)相关的水平测量； 产生使导波雷达(GWR)(200)的发射机(330)传输具有最佳脉冲宽度的信号（355)的控 制信号；以及 将控制信号发送到发射机。2. 如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个处理设备还配置成改变最佳脉冲宽度 的长度以便减少由GWR检测的假回波。3. 如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个处理设备还配置成改变最佳脉冲宽度 的长度，以便减小GWR的上死区（1020)的尺寸。4. 如权利要求1所述的装置，其中所述至少一个处理设备还配置成： 暂时改变所述最佳脉冲宽度的长度以便检测在GWR的过程连接器(230 )中的材料的存 在； 接收与所改变的脉冲宽度相关的反射信号；以及 响应于检测到从基线阻抗的阻抗的变化，产生识别过程连接器的故障的指示物。5. 如权利要求1所述的装置，其中至少一个处理设备还配置成： 接收与GWR相关的温度测量； 确定使GWR的发射机传输具有最佳脉冲宽度的信号的控制信号的控制电压； 基于测量的温度来调整控制信号的控制电压；以及 产生具有经调整的控制电压的控制信号。6. 如权利要求1所述的装置，其中最佳脉冲宽度基于至少一个参数，所述至少一个参数 包括下列各项中的至少一个： GWR被安装到的喷嘴（120b )的直径（128 ); GWR的探针(240 )的直径；以及 在探针的内和外导体之间的材料的相对介电常数。7. 如权利要求6所述的装置，其中最佳脉冲宽度与具有最大值的截止频率成反比，所述 最大值基于： 喷嘴的直径， 探针的直径，以及 在探针的内导体和外导体之间的材料的相对介电常数。8. 一种方法，包括： 确定(410)最佳脉冲宽度，以用于得到与罐(102)中的材料(104)相关的水平测量； 产生(415)使导波雷达(GWR)(200)的发射机(330)传输具有最佳脉冲宽度的信号的控 制信号；以及 将控制信号发送(425，430)到发射机。9. 如权利要求8所述的方法，还包括： 改变最佳脉冲宽度的长度以便减少由GWR检测的假回波。10. 如权利要求8所述的方法，还包括： 改变最佳脉冲宽度的长度以便减小GWR的上死区（1020)的尺寸。11. 如权利要求8所述的方法，还包括： 暂时改变最佳脉冲宽度的长度以便检测在GWR的过程连接器(230)中的材料的存在； 接收与所改变的脉冲宽度相关的反射信号；以及 响应于检测到从基线阻抗的阻抗的变化，产生识别过程连接器的故障的指示物。12. 如权利要求8所述的方法，还包括： 接收与GWR相关的温度测量;并且 确定使GWR的发射机传输具有所述最佳脉冲宽度的信号的控制信号的控制电压； 基于所测量的温度来调整控制信号的控制电压；以及 产生具有经调整的控制电压的控制信号。13. 如权利要求8所述的方法，进一步包括： 接收(405)至少一个参数的用户输入，所述至少一个参数包括下列各项中的至少一个： GWR被安装到的喷嘴（120b )的直径（128 ); GWR的探针(240 )的直径；以及 在探针的内导体和外导体之间的材料的相对介电常数；以及 基于至少一个参数确定最佳脉冲宽度。14. 如权利要求13所述的方法，其中最佳脉冲宽度与具有最大值的截止频率成反比，所 述最大值基于： 喷嘴的直径， 探针的直径，以及 在探针的内导体和外导体之间的材料的相对介电常数。15. -种包含计算机程序的非临时计算机可读介质，所述计算机程序包括当被执行时 使至少一个处理设备(310)进行下列各项的计算机可读程序代码： 确定(410)最佳脉冲宽度，以用于得到与罐(102)中的材料(104)相关的水平测量； 产生(415)使导波雷达(GWR)(200)的发射机(330)传输具有最佳脉冲宽度的信号（355) 的控制信号；以及 将控制信号发送(425，430)到发射机。
【文档编号】G01S7/282GK105974373SQ201610139470
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月11日
【发明人】M.K.Y.休斯, I.乔治斯库, C.科比亚努
【申请人】霍尼韦尔国际公司