专利名称：通过多模式传播的具有介电常数补偿的导波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导波雷达物位计系统以及用于确定容器中的填充水平的方法。
背景技术：
雷达物位计系统广泛用于测量包含在容器中的物品的过程变量，如填充水平、温度、压力等。一般利用非接触测量方法或通常被称为导波雷达(GWR)的接触测量法进行雷达物位测量，其中，非接触测量方法向包含在容器中的物品辐射电磁信号，而接触测量法通过传输线探测器将电磁信号导向该物品并使其进入物品中。传输线探测器一般从容器的顶部到底部垂直布置。随后，该电磁信号在物品表面被反射，并且反射的信号被包含在雷达物位计系统中的接收器或收发器所接收。基于发送的信号和反射的信号，可以确定到物品表面的距离。更具体来说，一般基于电磁信号的发送和该电磁信号在容器中的空气与容器中包含的物品之间的界面中的反射的接收之间的时间，确定到物品表面的距离。为了确定物品的实际填充水平，基于上述时间(time of flight，也称为传播时间)和该电磁信号沿着探测器的传播速度来确定从基准位置到该表面的距离。该传播速度受各种因素的影响，如传输线探测器的结构和容器内的环境状况。例如，这种环境状况包括该容器中包含的物品表面上方的空气成份以及可能已在容器内物品的填充水平改变时附着到探测器的物品残留。例如，在锅炉应用中，锅炉容器内的空气可以是高压下的蒸汽，在此情况下，对于不同的工作条件，介电常数的差异可能相当大。US 7525476公开了一种导波雷达物位计系统，在该系统中，在沿着传输线探测器的已知位置处设置有基准反射器，并且使用一对基准反射器之间的已知距离与测量出的距离之间的差来补偿由于沿着传输线探测器的传播状况的变化所导致的传播速度的变化。尽管基准反射器允许对于容器内传播属性变化的应用进行更准确的填充水平确定，但是基准反射器反射部分信号，这意味着与不具有基准反射器的相应导波雷达物位计系统相比，该雷达物位计系统的灵敏度有所降低。
实用新型内容鉴于上述问题，期望提供一种导波雷达物位计系统，在该系统中，对于传播属性变化的应用可以实现准确的填充水平确定，而不需要沿着传输线探测器设置基准反射器。因此，根据本实用新型的第一方面，提供一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的导波雷达物位计系统，所述导波雷达物位计系统包括收发器，用于产生、发送和接收电磁信号；传输线探测器，其被布置并配置为至少以第一传播模式和第二传播模式朝向容器内的物品引导从所述收发器发送的电磁信号穿过周围介质，并且以第一传播模式和第二传播模式朝向所述收发器返回由所述物品的表面反射所述电磁信号所产生的反射电磁信号，所述传输线探测器被配置为支持第一传播模式，使得第一传播模式以呈现对周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着所述传输线探测器行进，并且支持第二传播模式，使得第二传播模式以呈现对周围介质的介电常数的不同于第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着所述传输线探测器行进；以及连接到所述收发器的处理电路，所述处理电路用于基于第一传播模式和第二传播模式下的反射电磁信号以及对周围介质的介电常数的所述第一依赖性和所述第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。“收发器”可以是能够发送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送器单元和接收器单元的系统。第一依赖性和第二依赖性之间的已知关系例如可以为第一依赖性和第二依赖性之间的比率，或者换句话说，第一传播速度和第二传播速度之间的比率对周围介质的介电常数的依赖性。该容器可以是能够容纳物品的任何坛子或器皿，并且可以是金属的、或者部分或全部非金属的、开口的或半开口的或者封闭的。先前已提出了在非接触雷达物位计系统中使用不同的传播模式以实现更高的测量精度。例如，US 6915689和US 7345622描述了如下雷达物位计系统，在该雷达物位计系统中，通过天线发射具有不同传播属性的两个TEM模式，并通过管状波导来传输这两个TEM 模式。然而，目前并不认为这对于传输线探测器也是可行的。如今，本发明人令人惊讶地发现确实可以将传输线探测器配置为支持不同的传播模式，使得不同的传播模式不同地受到传输线探测器周围介质的介电常数变化的影响。因而，可以实现独立于传输线探测器周围介质的介电常数的填充水平确定。结果，即使在探测器污染和/或表面上方蒸汽的存在可能导致传播速度的不均勻变化的情况下，除了可以对表面上方蒸汽的存在的影响进行补偿以外，还可以对探测器污染对电磁信号的传播速度的影响进行补偿。因此，即使在容器中的空气具有未知的且可能不均勻的介电常数并且传输线探测器具有附着到其上的未知量的容器容纳物的情况下，根据本实用新型各个实施例的导波雷达物位计系统也提供准确的填充水平测量。例如，可以通过经验确定不同模式的传播速度对周围介质的介电常数的依赖性。 根据传输线探测器的实际结构，还可以确定表示作为周围介质的介电常数的函数的传播速度的等式。不同的传播模式例如可以是横电磁(TEM)模式和/或本文中称为表面波导(SWG) 模式的沿着探测器表面传播的模式。对于传输线探测器的不同配置，TEM模式和SWG模式的不同组合可能是有利的。根据本实用新型的导波雷达物位计系统的各个实施例，传输线探测器可以包括至少两个探测器导体和至少部分封闭其中至少一个探测器导体的介电封闭结构。在US 2007/0090992中详细描述了这种传输线探测器的示例，该申请的全部内容通过引用合并于此。该介电封闭结构可以有利地沿着传输线探测器的实质部分延伸，例如沿着布置在容器内的传输线探测器的整个长度延伸。
5[0021]在下文中将这种类型的传输线探测器称为不完全外部介电(Partially External Dielectric, PED)传输线探测器。沿着PED传输线探测器的传播速度由依赖于介电封闭结构的介电常数ε int和周围介质(空气、水蒸汽、物品蒸汽、探测器污染物等)的介电常数^xt的有效介电常数Beff 来表征。电磁信号沿着该传输线探测器行进的传播速度由光速除以的平方根给出。PED传输线探测器的有效介电常数ε rff按照下面关系式依赖于介电封闭结构的介电常数￡int和周围介质的介电常数
权利要求1.一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的导波雷达物位计系统，所述导波雷达物位计系统包括收发器，用于产生、发送和接收电磁信号；传输线探测器，其被布置并配置为至少以第一传播模式和第二传播模式朝向所述容器内的所述物品引导从所述收发器发送的电磁信号穿过周围介质，并且以所述第一传播模式和所述第二传播模式朝向所述收发器返回由所述物品的表面对所述电磁信号进行反射所产生的反射电磁信号，所述传输线探测器被配置为支持所述第一传播模式，使得所述第一传播模式以呈现对所述周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着所述传输线探测器行进，并且支持所述第二传播模式，使得所述第二传播模式以呈现对所述周围介质的介电常数的不同于所述第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着所述传输线探测器行进；以及连接到所述收发器的处理电路，所述处理电路用于基于所述第一传播模式和所述第二传播模式下的所述反射电磁信号以及对所述周围介质的所述介电常数的所述第一依赖性和所述第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。
2.根据权利要求1所述的导波雷达物位计系统，其中，所述传输线探测器包括至少两个探测器导体和至少部分围绕至少一个所述探测器导体的介电封闭结构。
3.根据权利要求2所述的导波雷达物位计系统，其中，所述介电封闭结构被布置为关于所述至少两个探测器导体对称。
4.根据权利要求2所述的导波雷达物位计系统，其中，所述介电封闭结构被布置为关于所述至少两个探测器导体不对称。
5.根据权利要求1或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一传播模式和所述第二传播模式中的至少一个是表面波导SWG模式。
6.根据权利要求1或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一传播模式和所述第二传播模式中的至少一个是横电磁波TEM模式。
7.根据权利要求1或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述传输线探测器包括第一支撑探测器导体和缠绕所述第一支撑探测器导体的第二探测器导体。
8.根据权利要求1或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，还包括馈送装置，所述馈送装置连接在所述收发器和所述传输线探测器之间，并且被配置为产生所述第一传播模式和所述第二传播模式并将所述第一传播模式和所述第二传播模式馈送至所述传输线探测器。
9.根据权利要求8所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送装置包括第一输入，用于接收从所述收发器发送的电磁信号；第二输入，用于接收从所述收发器发送的电磁信号；以及馈送电路，其被连接到所述第一输入和所述第二输入以及所述传输线探测器，所述馈送电路被配置为提供用于产生所述第一传播模式的所述第一输入和所述传输线探测器之间的第一连接；以及提供用于产生所述第二传播模式的所述第二输入和所述传输线探测器之间的第二连接。
10.根据权利要求9所述的导波雷达物位计系统，其中所述传输线探测器包括至少两个探测器导体，并且以如下方式配置所述馈送电路所述第一连接使得所发送的电磁信号被反相地提供给所述至少两个探测器导体；以及所述第二连接使得所发送的电磁信号被同相地提供给所述至少两个探测器导体。
11.根据权利要求9所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器。
12.根据权利要求11所述的导波雷达物位计系统，其中，跨接所述初级绕组提供所述第一输入，并且在基准电压和所述次级绕组的中点之间提供所述第二输入。
13.根据权利要求10所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送电路包括微波电路， 其中，以如下方式配置所述微波电路所述发送的电磁信号从所述第一输入到所述探测器导体中的第一个探测器导体和到所述探测器导体中的第二个探测器导体的传播距离存在第一差，以及所述发送的电磁信号从所述第二输入到所述探测器导体中的第一个探测器导体和到所述探测器导体中的第二个探测器导体的传播距离存在不同于所述第一差的第二差。
14.根据权利要求13所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一差约为所述发送的电磁信号的中心波长的一半，并且所述第二差约为零。 专利摘要本实用新型提供了一种通过多模式传播而具有介电常数补偿的导波雷达物位计系统。一种导波雷达物位计系统包括传输线探测器，该传输线探测器被配置为支持第一传播模式，使得第一传播模式以呈现对周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着该传输线探测器行进，并且支持第二传播模式，使得第二传播模式以呈现对周围介质的介电常数的不同于第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着传输线探测器行进。该导波雷达物位计系统还包括连接到收发器的处理电路，该处理电路用于基于第一传播模式和第二传播模式下的反射电磁信号以及对周围介质的介电常数的第一依赖性和第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。从而可以实现独立于传输线探测器周围的介质的介电常数的填充水平确定。
文档编号G01F23/284GK202267511SQ20112036637
公开日2012年6月6日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年6月14日
发明者亚历山大·达尔, 奥洛夫·爱德华松 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司