确定储罐中产品的填充料位的导波雷达料位计系统和方法
【专利摘要】本发明涉及一种确定储罐中产品的填充料位的导波雷达料位计系统和方法，该方法包括：沿传输线探针朝向储罐中的产品的表面传播第一频率范围内的第一发射电磁信号和不同于第一频率范围的第二频率范围内的第二发射电磁信号；接收第一频率范围内的第一反射电磁信号和第二频率范围内的第二反射电磁信号；以及基于第一反射电磁信号的飞行时间以及第一反射电磁信号与第二反射电磁信号的飞行时间之差来确定填充料位。
【专利说明】确定储罐中产品的填充料位的导波雷达料位计系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种导波雷达料位计系统以及一种确定储罐中的填充料位的方法。
【背景技术】
[0002]雷达料位计系统被广泛使用于测量容纳在储罐中的产品的过程变量，例如填充料位、温度、压力等。雷达料位计量通常借助于非接触式测量或通常被称为导波雷达(GWR)的接触式测量来执行，其中借助于非接触式测量时向容纳在储罐中的产品辐射电磁信号，而借助于接触式测量时通过传输线探针将电磁信号导向产品并导入产品中。传输线探针一般从储罐的顶部到底部竖直布置。随后，电磁信号在产品的表面处反射，由包括在雷达料位计系统中的接收器或收发器来接收反射信号。基于发射信号和反射信号，可以确定距产品表面的距离。
[0003]更具体地，通常基于电磁信号的发射和电磁信号在储罐中的气层与容纳在储罐中的产品之间的界面处的反射的接收之间的时间来确定距产品表面的距离。为了确定产品的实际填充料位，基于上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号沿探针的传播速度来确定从基准位置到该表面的距离。
[0004]传播速度受各种因素影响，例如传输线探针的配置和储罐内部的环境状况。这些环境状况例如包括:容纳在储罐中的产品的表面上方的气层的组分以及当产品的填充料位在储te内部变化时可能粘附在探针上的广品残留物。
[0005]例如，在锅炉应用中，锅炉储罐内部的气层可以是高压蒸汽，在这种情况下，对于不同的工作条件，介电常数的差异可能相当大。
[0006]US 7 525 476公开了如下导波雷达料位计系统:其中在沿着传输线探针的已知位置处设置基准反射器，并且使用一对基准反射器之间的测量距离与已知距离之间的差来补偿由沿传输线探针的传播条件的变化而引起的传播速度的变化。
[0007]尽管允许在储罐内部具有变化的传播特性的应用中进行更准确的填充料位确定，但是基准反射器反射信号的一部分，这意味着:与没有基准反射器的相应导波雷达料位计系统相比，雷达料位计系统的在灵敏度方面存在一定的降低。
【发明内容】
[0008]鉴于上述内容，希望提供一种导波雷达料位计系统:其中，可以在具有变化的传播特性的应用中实现准确的填充料位确定，而无需沿传输线探针设置基准反射器。
[0009]因此，根据本发明的第一方面，提供一种用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的导波雷达料位计系统，该导波雷达料位计系统包括:收发器，其用于生成、发射和接收第一频率范围内和不同于第一频率范围的第二频率范围内的电磁信号；传输线探针，其连接到收发器，并被布置和配置成将来自收发器的发射电磁信号导引通过周围介质并导向储罐内部的产品，并且使由于发射电磁信号被产品表面反射而产生的反射电磁信号返回收发器，传输线探针被配置成以对周围介质的介电常数呈现第一依赖性的第一传播速度来导波第一频率范围内的电磁信号，以及以对周围介质的介电常数呈现第二依赖性的第二传播速度来导波第二频率范围内的电磁信号，其中第二依赖性不同于第一依赖性；以及处理电路，其连接到收发器，用于基于第一频率范围内的第一反射电磁信号、第二频率范围内的第二反射电磁信号以及对周围介质的介电常数的第一依赖性与第二依赖性之间的已知关系来确定填充料位。
[0010]“收发器”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。此外，收发器可以包括在第一频率范围内工作的第一收发器单元以及在第二频率范围内工作的第二收发器单元。
[0011]处理电路可以被配置成控制收发器同时或按照先后顺序来提供第一频率范围内的第一电磁发射信号和第二频率范围内的第二电磁发射信号。例如，可以首先发射第一电磁发射信号并接收其在表面处的反射，之后，可以发射第二电磁发射信号并接收其在表面处的反射。按顺序发射第一电磁发射信号和第二电磁发射信号可以有利地降低导波雷达料位计系统的电流消耗。
[0012]第一依赖性与第二依赖性之间的已知关系例如可以是第一依赖性与第二依赖性之比，或者换言之为第一传播速度与第二传播速度之比对周围介质的介电常数的依赖性。
[0013]储罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，其可以是金属的、或部分或全部为非金属的、开放的、半开放的、或封闭的。
[0014]本发明基于如下认识:传输线探针可以被配置成使得电磁信号与周围介质之间的相互作用或耦合取决于电磁信号的频率。
[0015]本发明人还认识到:电磁信号与周围介质之间的相互作用或耦合越强，则周围介质的介电特性对电磁信号沿传输线探针的传播速度影响将越大。即使当周围介质(例如储罐气层)的介电特性未知的情况下，也可以使用上述见解来实现正确的填充料位确定。
[0016]换言之，给定适当配置的传输线探针，传输线探针周围介质的介电常数的变化对沿传输线探针行进的不同频率范围内的两个电磁信号的影响不同。因此，可以实现不依赖传输线探针周围介质的介电常数的填充料位确定。
[0017]作为结果，即使在探针污染物和/或表面上方存在蒸气导致传播速度不均匀变化的情况下，除了补偿表面上方存在蒸气的影响之外，还可以补偿探针污染物对电磁信号的传播速度的影响。
[0018]因此，即使在储罐中的气层具有未知并且可能不一致的介电常数、以及传输线探针具有粘附在其上的未知量的储罐容纳物的情况下，根据本发明的各个实施方式的导波雷达料位计系统也提供准确的填充料位测量。
[0019]例如，可以根据经验确定每个频率范围的传播速度对周围介质的介电常数的依赖性。取决于传输线探针的实际配置，也可以确定将传播速度表示为周围介质的介电常数的函数的等式。
[0020]为了便于通过针对第一频率范围和第二频率范围提供对周围介质的介电特性的显著不同的依赖性来确定填充料位，第一频率范围可以具有第一中心频率而第二频率范围可以具有第二中心频率，第二中心频率是第一中心频率的至少两倍。换言之，第二频率范围可以是第一频率范围的频率的至少两倍。为了在传输线探针的设计中提供更加显著不同的依赖性和/或允许更大的灵活性，第一频率范围和第二频率范围之间的差异可以更大。例如，第二中心频率可以高于第一中心频率的三倍、五倍和十倍之一。
[0021]对于每个频率范围，带宽可以大约为1GHz。
[0022]有利地，第二中心频率为至少3GHz，例如至少4GHz、5GHz或6GHz。第一频率范围和第二频率范围的合适的中心频率例如可以为0.5GHz和6GHz。对于这样的频率范围，可以实现传播速度依赖性的充分大的差异，并且可以在导波雷达料位计系统中使用标准元件。这允许具有成本效益的GWR系统。
[0023]根据各个实施方式，传输线探针可以包括探针导体以及至少部分地包围探针导体的介电包围结构。
[0024]介电包围结构可以有利地基本上完全包围探针导体的被布置在储罐内部的部分的全部。
[0025]以下将这种类型的传输线探针称为部分外部介电(PED)传输线探针。
[0026]通过有效介电常数ε @来表征沿PED传输线探针的传播速度，有效介电常数ε eff依赖于介电包围结构的介电常数ε int和周围介质(空气、蒸汽、产品蒸气、探针污染物等)的介电常数通过将光速除以的平方根来给出沿传输线探针行进的电磁信号的传播速度。
[0027]PED传输线探针的有效介电常数ε rff根据以下关系依赖于介电包围结构的介电常数eint和周围介质的介电常数Srart: [0028]
【权利要求】
1.一种用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的导波雷达料位计系统，所述导波雷达料位计系统包括: 收发器，其用于生成、发射以及接收第一频率范围内和不同于所述第一频率范围的第二频率范围内的电磁信号； 传输线探针，其连接到所述收发器，并且被布置和配置成导引来自所述收发器的发射电磁信号通过周围介质并导向所述储罐内的所述产品，以及使由所述发射电磁信号被所述产品的表面反射而产生的反射电磁信号返回所述收发器， 所述传输线探针被配置成以对所述周围介质的介电常数呈现第一依赖性的第一传播速度来导引所述第一频率范围内的电磁信号，以及以对所述周围介质的所述介电常数呈现第二依赖性的第二传播速度来导引所述第二频率范围内的电磁信号，其中所述第二依赖性不同于所述第一依赖性；以及 处理电路，其连接到所述收发器，以用于基于所述第一频率范围内的第一反射电磁信号、所述第二频率范围内的第二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与所述第二依赖性之间的已知关系来确定所述填充料位。
2.根据权利要求1所述的导波雷达料位计系统，其中所述第一频率范围具有第一中心频率而所述第二频率范围具有第二中心频率，所述第二中心频率高于所述第一中心频率的两倍、三倍和五倍之一。
3.根据权利要求2所述的导波雷达料位计系统，其中所述第二中心频率高于3GHz、4GHz 和 6GHz 之一。
4.根据权利要求1或2所述的导波雷达料位计系统，其中所述传输线探针包括探针导体和至少部分地包围所述探针导体的介电包围结构。
5.根据权利要求4所述的导波雷达料位计系统，其中所述介电包围结构基本上完全包围所述探针导体的布置在所述储罐内的部分的全部。
6.根据权利要求4所述的导波雷达料位计系统，其中所述介电包围结构在关于所述探针导体的径向方向上的材料厚度为至少5毫米。
7.根据权利要求1或2所述的导波雷达料位计系统，其中所述传输线探针仅具有一个探针导体。
8.根据权利要求7所述的导波雷达料位计系统，其中所述探针导体包括彼此导电接触的至少两条缠绕的导线。
9.根据权利要求1或2所述的导电雷达料位计系统，其中所述收发器包括: 第一子收发器，用于生成、发射以及接收所述第一频率范围内的电磁信号；以及 第二子收发器，用于生成、发射以及接收所述第二频率范围内的电磁信号； 其中所述第一子收发器和所述第二子收发器均连接到所述传输线探针。
10.根据权利要求1或2所述的导波雷达料位计系统，其中所述传输线探针包括由绞合线形成的探针芯和覆盖所述探针芯的聚合物套。
11.根据权利 要求1或2所述的导波雷达料位计系统，其中所述传输线探针包括由金属针形成的探针芯和覆盖所述探针芯的聚合物套。
12.一种用于确定容纳在储罐中的产品的填充料位的方法，包括步骤: 沿传输线探针向所述储罐中的所述产品的表面传播第一频率范围内的第一发射电磁信号和不同于所述第一频率范围的第二频率范围内的第二发射电磁信号； 接收由所述第一发射电磁信号在所述表面处的反射所产生的所述第一频率范围内的第一反射电磁信号以及由所述第二发射电磁信号在所述表面处的反射所产生的所述第二频率范围内的第二反射电磁信号；以及 基于所述第一反射电磁信号的飞行时间以及所述第一反射电磁信号与所述第二反射电磁信号的飞行时间之差来确定所述填充料位。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一频率范围具有第一中心频率而所述第二频率范围具有第二中心频率，所述第二中心频率高于所述第一中心频率的两倍、三倍和五倍之一。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二中心频率高于3GHz、4GHz和6GHz之一。
【文档编号】G01F23/284GK103674172SQ201210477553
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2012年9月26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