具有纵向开口双导体探头的雷达物位计系统的制作方法

本实用新型涉及一种具有双导体探头的导波雷达物位计系统。

背景技术：

雷达物位计(RLG)系统广泛用于确定储罐中的填充物位。电磁发射信号由收发器生成，并且被朝向储罐中的产品表面传送，而由于发射信号在该表面处的反射而得到的电磁反射信号被收发器接收。

基于发射信号和反射信号，可以确定到产品表面的距离。

目前市场上的大多数雷达物位计系统都是以下系统：所谓的脉冲雷达物位计系统，其基于脉冲的发送与脉冲在产品表面处的反射的接收之间的时间差来确定到储罐中的产品表面的距离；或者基于发射的调频信号与其在所述表面处的反射之间的频率差来确定到所述表面的距离的系统。后一类型的系统通常被称为FMCW(调频连续波)型。

通常借助非接触测量或借助接触测量来执行雷达物位计量，在非接触测量中，朝向储罐中的产品辐射电磁信号，而在通常被称为导波雷达(GWR)的接触测量中，通过用作波导的探头朝向产品引导电磁信号并且将电磁信号引导到产品中。探头通常被布置成从储罐的顶部向底部垂直延伸。

对于导波雷达物位计系统，例如，根据储罐中的产品的特性或储罐中的环境，可以使用不同种类的探头。

例如，在探头被布置成靠近储罐壁和/或储罐内的干扰对象的储罐中，期望的是，使用电场的径向延伸相对较小的双导体探头(例如,具有信号导体和屏蔽导体的同轴探头)。在这样的探头中，在信号导体与屏蔽导体之间通常存在空的空间，并且提供间隔件以用于保持信号导体与屏蔽导体之间的稳定的位置关系。此外，屏蔽导体通常设置有孔，以允许产品进入和离开信号导体与屏蔽导体之间的空间。

虽然对于各种应用是有利的，但同轴探头通常并不特别适用于一些产品，例如，不能自由流过屏蔽导体中的孔的粘滞液体或可能使信号导体与屏蔽导体之间的空间堵塞和/或被填满的粘稠液体。

此外，布置用于保持信号导体与屏蔽导体之间的位置关系的间隔件很繁琐或至少很耗时。

因此，期望的是，提供一种具有改进的双导体探头、特别是允许与更宽范围的产品一起使用和/或有助于间隔件的布置的双导体探头的导波雷达物位计系统。

技术实现要素：

鉴于上文，本实用新型的总体目的是提供一种具有改进的双导体探头(特别是允许与更宽范围的产品一起使用和/或有助于间隔件的布置的双导体探头)的导波雷达物位计系统。

根据本实用新型，因此提供了一种用于确定储罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；细长的双导体探头，其具有连接至收发器的信号导体以及通过开放的空间与信号导体间隔开的刚性屏蔽导体，双导体探头从上部探头端延伸到下部探头端，以用于将来自收发器的电磁发射信号沿双导体探头朝向储罐中的产品引导并引导到储罐中的产品中，并且用于使由于发射信号在产品的表面处的反射而得到的电磁表面回波信号朝向收发器返回；以及处理电路，其用于基于发射信号和表面回波信号来确定填充物位，其中，屏蔽导体呈现出沿双导体探头的至少一部分在与双导体探头垂直的平面的横截面中开口的横截面轮廓；并且其中，双导体探头还包括多个间隔件装置，所述多个间隔件装置被布置在沿双导体探头的间隔开的间隔件区域中，所述多个间隔件装置中的每个间隔件装置都包括至少第一间隔件构件，该第一间隔件构件附接至刚性屏蔽导体并被布置在信号导体与刚性屏蔽导体之间，以用于防止信号导体与屏蔽导体之间的接触。

储罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿。

“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分立的发射器单元和接收器单元的系统。

信号导体可以是基本上刚性的或柔性的，并且可以由金属(例如，不锈钢)制成。

屏蔽导体可以由金属(例如，不锈钢)制成。为了在高要求的应用中的鲁棒性，屏蔽导体的金属厚度可以为至少0.5mm，优选地为至少1.0mm。

此外，屏蔽导体的横截面轮廓可以是圆形或多边形。

本实用新型基于以下认识：在许多应用中，具有开口的横截面轮廓的刚性屏蔽导体可以在提供更少的堵塞和/或简化的探头清洁以及有助于安装间隔件的同时提供足够的屏蔽，以允许其靠近储罐壁地安装或靠近储罐中的其他潜在干扰结构地安装。这进而使得在以前屏蔽探头的使用并非优选或甚至不合适的情况下能够使用根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统。

有利地，双导体探头的、其中屏蔽导体呈现出上述开口的横截面的部分可以沿上部探头端与下部探头端之间的距离的至少一半延伸。因此，可以有助于双导体探头的清洁以及间隔件的安装。

此外，屏蔽导体的最大横向尺寸可以小于5cm，以有助于通过储罐壁中的现有开口将双导体探头插入。

根据本实用新型的各种实施方式，屏蔽导体可以在每个间隔件区域中至少包括第一间隔件保持结构，第一间隔件保持结构被配置成与第一间隔件构件配合，以在间隔件区域中将第一间隔件构件附接至屏蔽导体。

通过提供被包括在屏蔽导体中的间隔件保持结构，有助于将间隔件构件附接至屏蔽导体，这进而为双导体探头的组装提供了便利，从而在安装雷达物位计系统时节省了宝贵的时间。

在实施方式中，第一间隔件保持结构可以包括凹部，并且第一间隔件构件可以被凹部接收。例如，第一间隔件构件可以包括被屏蔽导体中的凹部接收的突起部。

可替选地或组合地，第一间隔件保持结构可以包括突起部，并且第一间隔件构件可以包括接收屏蔽导体中的突起部的凹部。

在屏蔽导体或第一间隔件构件中的任一个中的上述凹部可以是盲孔或贯穿孔。

在被包括在间隔件保持结构中的凹部为贯穿孔的情况下，第一间隔件构件可以被配置成从屏蔽导体的外部插入到由屏蔽导体限定的空间中。然后，第一间隔件构件和/或间隔件保持结构可以被配置成允许相对于间隔件保持结构(例如，通过第一间隔件构件的旋转)锁定第一间隔件构件。

可替选地，第一间隔件构件可以从由屏蔽导体限定的空间内部插入到被包括在屏蔽导体的间隔件保持结构中的凹部中。然后，屏蔽导体可以设置成具有缝隙，以允许第一间隔件构件旋转到位，和/或屏蔽导体可以弹性形变以允许第一间隔件构件的插入。在后一种情况下，可以允许屏蔽导体在插入第一间隔件构件以使第一间隔件构件保持到位之后弹回来。

通过本实用新型的实施方式能够实现的间隔配置在可能需要潜在的电干扰间隔件构件材料的应用中是特别有利的，或者至少是优选的。例如，HTHP(高温高压)应用可能受益于陶瓷间隔件，当使用常规间隔配置时，陶瓷间隔件可能导致相对较强的反射(潜在地过强的反射)。在本实用新型的实施方式中，间隔件构件(例如，陶瓷间隔件构件)可以附接至间隔件保持结构，使得在信号导体与间隔件构件之间具有非常小的接触区域的情况下信号导体被保持到位。这可以使来自沿双导体探头的间隔件装置的反射有效地减少。

根据实施方式，此外，多个间隔件装置中的每个都可以包括与第一间隔件构件不同的第二间隔件构件，该第二间隔件构件附接至刚性屏蔽导体，并且布置在信号导体与刚性屏蔽导体之间，以用于与第一间隔件构件配合地防止信号导体与屏蔽导体之间的接触。

有利地，屏蔽导体可以在每个间隔件区域中包括第一间隔件保持结构和第二间隔件保持结构，第一间隔件保持结构被配置成与第一间隔件构件配合，以在间隔件区域中将第一间隔件构件附接至屏蔽导体，并且第二间隔件保持结构被配置成与第二间隔件构件配合以在间隔件区域中将第二间隔件构件附接至屏蔽导体。

第一间隔件保持结构和第二间隔件保持结构可以被配置成以使信号导体相对于屏蔽导体的径向移动受到限制的方式相对于信号导体分别保持第一间隔件构件和第二间隔件构件。为此，第一间隔件保持结构和第二间隔件保持结构可以被配置成沿双导体探头分别在第一位置处和第二位置处分别保持第一间隔件构件和第二间隔件构件，使得第一间隔件构件和第二间隔件构件沿双导体探头纵向地间隔开。在实施方式中，屏蔽导体还可以有利地在间隔件区域中包括第三间隔件保持结构，以进一步限制信号导体相对于屏蔽导体的径向移动。

此外，在实施方式中，信号导体可以被布置在第一间隔件构件与第二间隔件构件之间。

在实施方式中，第一间隔件保持结构可以包括凹部，并且第一间隔件构件可以被凹部接收；并且第二间隔件保持结构可以包括凹部，并且第二间隔件构件可以被凹部接收。

可替选地或组合地，第一间隔件保持结构可以包括突起部，并且第一间隔件构件可以包括接收突起部的凹部；并且第二间隔件保持结构可以包括突起部，并且第二间隔件构件可以包括接收突起部的凹部。

为了提供电屏蔽、原位清洁能力和间隔件布置的容易性的有利组合，屏蔽导体可以沿双导体探头的一部分以围绕信号导体的大于180°且小于330°的包围弧角来包围信号导体。

此外，根据实施方式，屏蔽导体的开口的横截面轮廓可以沿双导体探头的一部分基本一致，以减少沿双导体探头的电性能变化。

总之，本实用新型因此涉及一种雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：收发器；细长的双导体探头，其具有连接至收发器的信号导体以及通过开放的空间与信号导体间隔开的刚性屏蔽导体，双导体探头从上部探头端延伸到下部探头端；以及处理电路，其用于基于发射信号和表面回波信号来确定填充物位。屏蔽导体呈现出沿双导体探头的至少一部分在与双导体探头垂直的平面的横截面中开口的横截面轮廓。双导体探头还包括多个间隔件装置。每个间隔件装置都包括至少第一间隔件构件，该第一间隔件构件附接至刚性屏蔽导体并且被布置在信号导体与刚性屏蔽导体之间，以用于防止信号导体与屏蔽导体之间的接触。

附图说明

现在将参照示出本实用新型的示例实施方式的附图更详细地描述本实用新型的这些方面以及其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统的示例性储罐布置；

图2是被包括在图1的雷达物位计系统中的测量单元的示意图；

图3是根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统的示意性框图；

图4示意性地示出了由根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统中的收发器发射的发射信号的示例；

图5是示出由发射信号产生的中频信号的图；

图6A示意性地示出了被包括在图1的雷达物位计系统中的双导体探头的第一示例配置；

图6B是图6A中的双导体探头的间隔件区域的放大图；

图6C是图6B中的间隔件区域的俯视图；

图7A示意性地示出了间隔件保持结构的第一配置；

图7B示意性地示出了间隔件保持结构的第二配置；

图8A至图8C是根据不同的实施方式的双导体探头的示意性剖视图；

图9是示意性地示出示例方法的流程图；

图10示意性地示出了间隔件构件布置的第一示例；以及

图11示意性地示出了间隔件构件布置的第二个示例。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照FMCW型雷达物位计系统来讨论本实用新型的各种实施方式。

应当注意的是，这并不意味着限制本实用新型的范围，本实用新型的范围还涵盖了脉冲雷达物位计系统。

图1示意性地示出了包括根据本实用新型的示例实施方式的雷达物位计系统2和被示出作为控制室的主机系统10的物位测量系统1。

GWR(导波雷达)型的雷达物位计系统2安装在具有从储罐4的顶部大致垂直延伸的管状安装结构13(通常称为“喷嘴”)的储罐4上。

安装雷达物位计系统2以测量储罐4中的产品3的填充物位。雷达物位计系统2包括测量单元6和从测量单元6通过管状安装结构13朝向产品3延伸并且延伸到产品3中的探头7的形式的传播设备。在图1的示例实施方式中，探头7是纵向开口的双导体探头。下面将更详细地描述探头7的配置。

通过对由探头7朝向产品3的表面11引导的发射信号S_T以及从表面11返回的反射信号S_R进行分析，测量单元6可以确定储罐4中的产品3的填充物位。应当注意的是，虽然在本文中讨论了包含单一的产品3的储罐4，但可以以类似的方式来测量沿探头到任何材料界面的距离。

现在将参照图2中的示意性框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统。

使用根据本实用新型的各种实施方式的雷达物位计系统，基于相位调制的发射信号与表面反射信号之间的相位差来确定飞行时间(time-of-flight)。该类型的测量方案通常被称为FMCW(调频连续波)。

参照图2中的示意框图，图1中的雷达物位计系统2的测量单元6包括收发器17、测量控制单元(MCU)19、无线通信控制单元(WCU)21、通信天线23以及能量存储装置(例如，电池25)。

如图2中示意性示出的，MCU 19控制收发器17，以生成、发射以及接收电磁信号。发射的信号传递到探头7，并且接收到的信号从探头7传递到收发器17。

MCU 19基于发射信号S_T与反射信号S_R之间的相位差来确定储罐4中的产品3的填充物位。通过通信天线23经由WCU 21从MCU 19将填充物位提供给外部设备(例如，控制中心)。雷达物位计系统2可以有利地根据所谓的WirelessHART通信协议(IEC 62591)来配置。

虽然测量单元6被示出为包括能量存储装置25并且包括用于允许无线通信的设备(例如，WCU 21和通信天线23)，但应当理解的是，可以以不同的方式、例如通过通信线路(例如，4mA至20mA线路)来提供电力供应和通信。

本地能源存储装置不一定仅包括电池，而是可替选地或组合地包括电容器或超级电容器。

现在将参照图3中的示意框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统2。

现在参照图3，示出了图2中的收发器17和MCU 19的更详细的框图。

收发器17在此处包括由阶梯信号发生器28驱动的微波源27，而阶梯信号发生器28进而由构成MCU 19的一部分的定时电路29控制。微波源27经由功率分配器31连接至探头7。功率分配器31被布置成将来自探头7的返回信号连接到混频器33，混频器33还被连接以接收来自微波源27的信号。混频器输出被连接到低通滤波器35和放大器37。

除了上面所提及的定时电路29之外，处理电路19在此处还包括：采样器39，其被配置成对由混频器33输出、由低通滤波器35进行低通滤波并被放大器37放大的中频信号S_IF进行接收和采样。例如，采样器39可以包括与A/D转换器组合的采样和保持电路，或被实现为Σ-Δ(sigma-delta)转换器。采样器39由定时电路控制，以与发射信号S_T同步。MCU 19还包括信号处理器41、存储器43和物位确定器47。

尽管收发器17的元件通常被实现成硬件，并且形成通常被称为微波单元的集成单元的一部分，但是MCU 19的至少一些部分通常可以通过由嵌入式处理器执行的软件模块来实现。本实用新型不限于该特定实现，并且可以考虑适用于实现本文中描述的功能的任何实现。

参照图3，定时电路29经由阶梯信号发生器28来控制微波源27以形成发射信号S_T。参照图4，发射信号S_T以多个离散且相互不同的频率f_n的时间序列f₀至f_N的形式提供。如图4中示意性地所示的，离散且相互不同的频率f₀至f_N限定带宽B。在该特定示例中，在频率上相邻的频率在时间序列中也是相邻的，但这并非必然情况。可替选地，可以按照任意但已知的顺序输出离散且相互不同的频率。

反射信号S_R是由于发射信号S_T在阻抗不连续(包括图1所示的表面11)处的反射得到的。归因于从雷达物位计系统到不同的阻抗不连续处并且返回的飞行时间，反射信号S_R将是发射信号S_T的延迟副本，其中，反射信号S_R的从不同的阻抗不连续处反射的部分与发射信号S_T相比将呈现出不同的相位差。此外，相位差将随着发射的离散频率f_n的变化而逐步改变。

通过在混频器33中组合发射信号S_T和反射信号S_R来形成中频信号S_IF。在图5中示意性地示出中频信号S_IF。

如果已经使用具有连续变化频率的发射信号，则中频信号将是连续信号，该连续信号包括针对与由发射信号遇到的不同的阻抗不连续处相对应的每个飞行时间的一个频率分量。

由于发射信号S_T替代地为一系列离散频率f_n，所以相位差将逐步变化，这意味着中频信号S_IF逐段恒定，其中，恒定部分的持续时间与发射信号S_T的不同频率f_n的传输持续时间相同。这在图5中示意性地示出。

已经由图3中的采样器39采样的中频信号S_IF由信号处理器41处理，以确定指示候选表面回波(surface echo candidates)的数据集。例如，首先使用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)将图5中的中频信号S_IF从时域变换成频域。在将中频信号S_IF变换成到频域之后，将所得到的频谱转换成回波曲线，由物位确定器47使用该回波曲线，以确定储罐4中的产品3的填充物位。

现在将参照图6A来描述被包括在图1中的雷达物位计系统2中的双导体探头7的第一示例配置。如图6A示意性所示的，双导体探头7包括信号导体49和屏蔽导体51。如图6A所示，屏蔽导体51具有沿双导体探头7的一部分延伸的纵向开口53。双导体探头7还包括被布置在沿双导体探头7间隔开的间隔件区域57a至57c中的多个间隔件装置55a至55c。下面将参照图6B和图6C更详细地描述这些间隔件装置55a至55c的示例。

现在参照作为双导体探头7的第一间隔件区域57a的放大图的图6B，间隔件装置55a包括第一间隔件构件、第二间隔件构件和第三间隔件构件，第一间隔件构件、第二间隔件构件和第三间隔件构件在此处为第一陶瓷销59a、第二陶瓷销59b和第三陶瓷销59c的形式，并且屏蔽导体51包括第一间隔件保持结构、第二间隔件保持结构和第三间隔件保持结构，第一间隔件保持结构、第二间隔件保持结构和第三间隔件保持结构在此处是屏蔽导体51中的第一组孔61a、第二组孔61b和第三组孔61c的形式(在图6B和图6C中，在每组孔中仅一个孔被附图标记指示，以避免附图混乱)。

还参照作为第一间隔件区域57a的俯视图的图6C，第一间隔件构件59a、第二间隔件构件59b和第三间隔件构件59c中的每一个都包括头部63、体部65和末端67。在图6C中，每个间隔件构件的这些部分仅针对第二间隔件构件59b使用附图标记来指示，以避免附图混乱。如图6C中示意性示出的，间隔件构件59b的末端67包括径向突起部69。为了将间隔件构件59b附接至屏蔽导体51(限制间隔件构件59b相对于屏蔽导体的移动)，孔61b可以被配置成仅允许包括末端67的径向突起部69的间隔件构件59b以一个旋转状态穿过孔61b，从而允许间隔件构件59b通过围绕其纵向轴线旋转而被锁定到位。当然，第一间隔件构件59a和第三间隔件构件59c的情况也同样如此。

如图6B和图6C清楚地所示的，间隔件保持结构61a至61c因此与其相应的间隔件构件59a至59c配合，以在间隔件区域57a中将间隔件构件59a至59c附接至屏蔽导体51，以防止信号导体49与屏蔽导体51之间的接触。此外，间隔件装置55a至55c因此被配置成在间隔件构件59a至59c与信号导体之间仅存在最小的接触。

明显地，间隔件构件59a至59c和间隔件保持结构61a至61c可以具有与图6A至图6C中所示的配置不同的配置。根据在图7A中示意性地示出的第一示例，间隔件保持结构61a至61c可以是成组的盲孔71，并且间隔件构件59a至59c的末端67可以包括轴向突起部73，轴向突起部73被配置成与间隔件保持结构61a至61c的盲孔71相配合。当然，间隔件构件59a至59c的轴向突起部73同样也可以与贯穿孔(例如图6A至图6C所示的贯穿孔)很好地配合。根据图7B中示意性地示出的第二示例，间隔件保持结构61a至61c可以是成组的突起部75，并且间隔件构件59a至59c的末端67可以包括轴向凹部77，轴向凹部77被配置成接收间隔件保持结构61a至61c的突起部75。自然地，间隔件构件59a至59c的轴向凹部77不必是圆锥形的，而同样也可以是具有圆形横截面的盲孔或(轴向地贯穿整个间隔件构件59a的)贯穿孔。

现在已经说明了间隔件构件59a至59c和间隔件保持结构61a至61c的一些不同的可行的配置，还应该指出的是，屏蔽导体51可以具有各种不同的横截面轮廓，只要横截面轮廓沿双导体探头7的至少一部分开口。

首先参照与图6A至图6C中的探头配置对应的图8A，示出了屏蔽导体51以围绕信号导体49的包围弧角θ来包围信号导体49。在图8A中，屏蔽导体51具有大致圆形的横截面。

在图8B中，屏蔽导体51具有矩形的三边的外形，并且在图8C中，屏蔽导体51具有矩形的两边的外形。

现在将参照图9中的流程图并额外参照所示的其他附图来描述示例方法。

在第一步骤100中，提供细长的屏蔽导体51。如上面参照图6A进一步描述的那样，屏蔽导体呈现出沿屏蔽导体51的至少一部分的细长的开口53。

在步骤102中，提供细长的信号导体49。信号导体49至少部分地被屏蔽导体51包围。

在步骤104中，提供至少一个间隔件装置55a至55c，并且在步骤106中，在信号导体49与屏蔽导体51之间布置至少一个间隔件装置，以防止信号导体49与屏蔽导体51之间的接触。

在最后步骤108中，将至少一个间隔件装置55a至55c附接至屏蔽导体51。

首先参照图10，如上文参照图6A至图6C所提及的，布置至少一个间隔件装置55a至55c的步骤106和将至少一个间隔件装置55a至55c附接至屏蔽导体51的步骤108可以包括：通过屏蔽导体51中的贯穿孔61a轴向地插入至少一个间隔件构件59a；然后在完全插入时旋转间隔件构件59a，从而借助间隔件构件59a的末端67处的径向突起部69轴向地锁定间隔件构件59a。

现在转到图11，具有第一突起部79的第一间隔件构件59a通过屏蔽导体51中的纵向开口53被插入到由屏蔽导体51限定的空间81中，并且第一突起部被屏蔽导体51中的第一凹部61a(例如，贯穿孔)接收，以限定第一间隔件构件59a在由屏蔽导体51限定的空间81内的位置。应当注意的是，可以在将信号导体49布置在由屏蔽导体51限定的空间81中之前或之后布置第一间隔件构件59a。

此后，第二间隔件构件59b被插入到由屏蔽导体51限定的空间81中，其中，第二间隔件构件59b的第一轴向突起部73a首先被开口61b中的第一开口(图11中的左侧开口)接收。最终，通过以下步骤使第二间隔件构件59b被锁定到位：如图11中示意性地示出的那样使屏蔽导体51弹性形变，将第二间隔件构件59b枢转到位，使得第二轴向突起部73b可以被开口61b中的第二开口(图11中的右侧开口)接收，并且使得屏蔽导体51能够弹回，以致两个开口61b接收第二间隔件构件59b的第一轴向突起部73a和第二轴向突起部73b。

本领域技术人员认识到的是，本实用新型决不限于上述优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变形是可行的。