用于确定储罐中的产品的填充料位的雷达料位计系统的制作方法

本实用新型涉及一种雷达料位计系统。

背景技术：

雷达料位计(RLG)系统广泛用于确定储罐中的产品的填充料位。通常借助于非接触式测量或借助于通常被称为导波雷达 (GWR)的接触式测量来执行雷达料位计量，其中，借助于非接触式测量时，朝向包含在储罐中的产品辐射电磁信号，借助于接触式测量时，通过用作波导的探针朝向产品导引电磁信号并且将电磁信号导引到产品中。通常，探针被布置成从储罐的顶部向储罐的底部垂直地延伸。

由收发器生成电磁发射信号，并朝向储罐中的产品的表面传播电磁发射信号，并且从发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号被传播回收发器。

基于发射信号与反射信号之间的关系，可以确定距产品的表面的距离。

在一些应用中，非接触式雷达料位计系统用于测量储罐内具有高压和/或高温条件的储罐中的填充料位。在这样的应用中，对例如雷达料位计系统的面向储罐内部的部件有特殊要求。

例如，US 2002/0053238描述了微波信号经由波导从控制单元耦合至天线。为了提供耐温和耐压的密封，US 2002/0053238 公开了沿着焊缝将陶瓷波导填充物焊接至焊铁套筒中。

使用高频非接触式雷达料位计系统的料位计量具有几个优点，例如，安装简单、波束角窄、测量范围更长。然而，将US 2002/0053238中描述的配置修改为高频(例如，>20GHz)将导致非常窄的波导。使用典型的陶瓷波导填充物，连接收发器和天线的波导的直径可以小至3.5mm或更小。

使用这样的小直径的波导馈送天线，材料(例如，产品或冷凝物)堵塞天线的风险增加。此外，例如，窄的陶瓷波导填充物会对处理敏感，使生产成本增加以及/或者使雷达料位计系统的操作和维护更加困难且耗时。

技术实现要素：

鉴于以上，本实用新型的一般目的是提供一种改进的雷达料位计系统，特别是一种用于储罐内具有高温和/或高压的应用的改进的非接触式高频雷达料位计系统。

因此，根据本实用新型，提供了一种用于确定储罐中的产品的填充料位的雷达料位计系统，该雷达料位计系统包括：收发器，其用于生成、发射以及接收具有中心频率的频率范围内的电磁信号；天线，其用于从收发器朝向产品的表面辐射电磁发射信号，以用于朝向收发器返回从电磁发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号；馈通件，其连接收发器和天线；以及耦接至收发器的处理电路，其用于基于发射信号与反射信号之间的关系来确定填充料位，其中，馈通件包括布置在收发器与天线之间的波导，以接收来自收发器的发射信号，并且沿导引方向朝向天线导引发射信号，波导包括布置在沿导引方向延伸的中空导体中的细长插塞，其中，插塞包括非导电套筒构件和金属插塞构件，所述非导电套筒构件密封地接合至中空导体的一部分，并且密封地接合至金属插塞构件。

非导电套筒构件“密封地接合”至中空导体的一部分并且“密封地接合”至金属插塞构件应当被理解为是指非导电套筒构件与中空导体的部分之间的连接以及与金属插塞构件之间的连接是气密的。有利地，该连接可以满足例如国际标准IEC 60079-1的适用标准的要求。

中空导体的所述“部分”可以构成中空导体的一部分，或者整个中空导体。

“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。

应当注意的是，处理电路可以被提供为一个设备或者一起协作的若干设备。

电磁发射信号可以有利地为微波信号。例如，发射信号可以在微波频率范围内的载波上进行频率和/或幅度调制。

天线的示例包括喇叭状天线和抛物线状天线等。

本实用新型基于这样的认识：包括金属插塞构件的复合插塞可以被制造成具有比传统陶瓷插塞大得多的横截面积。例如，横向尺寸(例如，圆形横截面的直径)可以被制造成约三倍大。这降低了堵塞的风险，同时保留了传统插塞的期望特性。

根据实施方式，非导电套筒构件可以被布置成使中空导体与金属插塞构件导电隔离。

有利地，非导电套筒构件可以由陶瓷材料(例如，Al2O3)制成。一种特别合适的陶瓷材料可以是所谓的ZTA(氧化锆增韧氧化铝)。该材料和其他合适的陶瓷材料本身是相关领域的技术人员所公知的。可替选地，非导电套筒构件可以由能够承受特定应用的预期操作条件的任何其他非导电材料(例如，玻璃)制成。然而，从生产的观点来看，陶瓷材料(例如，上述ZTA)是有利的。

此外，根据各种实施方式，非导电套筒构件的内表面可以密封地接合至金属插塞构件；以及，非导电套筒构件的外表面可以密封地接合至中空导体的所述部分。在实施方式中，非导电套筒构件可以以使得非导电套筒构件的外表面密封地接合至金属插塞构件和中空导体的所述部分二者的方式成形。

为了提供期望的横向尺寸(垂直于导引方向)的增加，金属插塞构件在与导引方向垂直的方向上的最大尺寸可以是非导电套筒构件在与导引方向垂直的方向上的最大尺寸的至少一半。

在各种实施方式中，中空导体可以关于与导引方向垂直的平面具有基本上圆形的横截面。在这样的实施方式中，非导电套筒构件可以至少在其一部分中具有外侧圆形的横截面，其由中空导体容纳，以便于非导电套筒构件的外表面与中空导体部分的表面之间的密封接合。在这种情况下，上述最大横向尺寸可以是直径。

根据一个示例，针对发射信号的中心频率为约26GHz，金属插塞构件的最大直径可以为约8mm，而非导电套筒构件(在这种情况下为陶瓷套筒构件)的最大直径可以为约11mm。为了比较，针对发射信号的中心频率为约26GHz，传统纯陶瓷插塞的最大直径可以为约3.5mm。

在实施方式中，非导电套筒构件可以以使得在非导电套筒构件与金属插塞构件之间形成物理或化学结合的方式密封地接合至金属插塞构件。

非导电套筒构件可以有利地通过钎焊接合至金属插塞构件，钎焊本身是接合电介质(例如，陶瓷与金属)的公知方法。

类似地，非导电套筒构件可以有利地通过钎焊接合至中空导体的所述部分。

根据各种实施方式，雷达料位计系统可以包括：第一计量部件和接合至第一计量部件的第二计量部件；以及金属密封构件，该金属密封构件包括：内周部分，其构成中空导体的上述部分；外周部分，其密封地接合至第一计量部件。

在这些实施方式中，可以通过将非导电套筒构件与金属密封构件密封地接合来实现非导电套筒构件与中空导体的所述部分之间的密封接合。然后，可以将金属密封构件密封地接合至第一计量部件。

由于金属密封构件可以制造得比第一计量部件小得多且轻得多，所以可以使用专用设备合理且方便地形成密封组件，以用于在非导电套筒构件与金属密封构件之间形成密封接合。例如，非导电套筒构件与金属密封构件的内周部分可以有利地通过钎焊来密封地接合。在组装雷达料位计系统期间，可以通过有利地通过焊接将金属密封构件的外周部分与第一计量部件密封地接合来将插塞组件密封地接合至第一计量部件。金属密封构件的内周部分和外周部分之间的隔离可以有助于降低来自将插塞组件接合至第一计量部件的过程中的热量使得非导电套筒构件与金属密封构件的内周部分之间先前形成的密封接合损耗的风险。另外，在雷达料位计系统的操作期间，使用单独的金属密封构件而不是将非导电(例如，陶瓷)套筒构件直接钎焊至更庞大的计量部件上使得由于金属部分(通常由不锈钢制成)与陶瓷套筒构件之间的热膨胀系数的差异而在相对敏感的陶瓷套筒构件上引起的应力减小。

应当注意的是，金属密封构件的各种配置可以有利地取决于应用和其他设计考虑，只要在内周部分与外周部分之间存在间隔即可。例如，内周部分和外周部分可以处于同一平面中，或者内周部分和外周部分可以在导引方向上彼此偏移。

通过在引导方向上使内周部分和外周部分彼此偏移，可以有更多的空间可用于将金属密封构件的外周部分密封地接合至第一计量部件，这可以便于根据本实用新型的实施方式的雷达料位计系统的生产。上述热应力的减小也可以被进一步减小。

此外，金属密封构件的内周部分和外周部分中的任一个或两者可以有利地在导引方向上延伸。

第一计量部件和第二计量部件中的一个可以被配置用于将雷达料位计系统附接至储罐。为了降低从储罐泄漏的风险，第一计量部件可以有利地被配置成用于将雷达料位计系统附接至储罐，使得外周部分与第一计量部件之间的接合可以用于在安装雷达料位计系统时方便地密封储罐。

为了方便地提供储罐内部与储罐外部之间的密封，金属密封构件可以有利地通过焊接接合至第一计量部件，所述焊接可以有利地是连续焊接。例如，可以通过激光焊接至少1毫米的深度来形成焊接。

此外，根据各种实施方式，金属插塞构件可包括：第一销部件，其密封地接合至非导电套筒构件；以及第二销部件，其以使得第二销部导电地连接至第一销部件的方式附接至第一销部件。

通过将金属插塞构件设置为两个部分，可以有更多的空间可用于将金属密封构件的外周部分密封地接合至第一计量部件，这可以便于根据本实用新型的实施方式的雷达料位计系统的生产。

细长插塞的金属插塞构件的第一部件可以面向天线，并且细长插塞的金属插塞构件的第二部件可以面向收发器。

发射信号的中心频率可以高于20GHz。

天线可以是喇叭状天线，并且非导电套筒构件和金属插塞构件可以延伸至天线中。

因此，总体来说，本实用新型涉及一种雷达料位计系统，该雷达料位计系统包括：收发器；天线，其用于从收发器朝向产品的表面辐射电磁发射信号，以及用于朝向收发器返回电磁反射信号；馈通件，其连接收发器和天线；以及耦接至收发器的处理电路，其用于基于发射信号与反射信号之间的关系来确定填充料位，其中，馈通件包括布置在收发器与天线之间的波导，以接收来自收发器的发射信号，以及沿导引方向朝向天线导引发射信号，波导包括布置在沿导引方向延伸的中空导体中的细长插塞，其中，该插塞包括非导电套筒构件和金属插塞构件，非导电套筒构件密封地接合至中空导体的一部分，并且密封地接合至金属插塞构件。

附图说明

现在将参照示出本实用新型的当前优选实施方式的附图更详细地描述本实用新型的这些方面和其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括根据本实用新型的示例实施方式的雷达料位计系统的过程监测系统；

图2是示意性地示出图1中的雷达料位计系统的框图；

图3是图1中雷达料位计系统的示意性侧视图；

图4是示意性地示出图3中的雷达料位计系统的馈通件的剖视图；

图5是包括在图4中的馈通件中的密封装置的第一示例配置的示意性剖视图；

图6A至图6C示意性地示出了密封装置的其他示例配置；

图7是示意性地示出制造雷达料位计系统的方法的流程图；以及

图8A至图8B是根据图7的方法的示意图。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照具有无线通信能力的电池供电雷达料位计系统来讨论根据本实用新型的雷达料位计系统的各种实施方式。

应当注意的是，这决不限制本实用新型的范围，例如，本实用新型的范围同样还包括未包括在过程管理系统中的雷达料位计系统或者回路供电或使用专用电力线供电的雷达料位计系统。

图1示意性地示出了包括多个现场设备的过程监测系统1，过程监测系统1包括雷达料位计系统2的示例实施方式和无线地连接至主机系统4的温度感测设备3。雷达料位计系统2包括布置在储罐7外部的测量电子单元10、布置在储罐7内部的天线5 以及连接测量电子单元10和天线5的馈通件15。

雷达料位计系统2和温度传感器3都布置在包含要测量的产品8的储罐上。

为了减少雷达料位计系统2的能量消耗，可以间歇地操作雷达料位计系统的至少部分，并且可以在非活动时段或空闲时段存储能量以在活动时段使用。

例如，在US 7,952,514、US 8,477,064以及US 8,688,279中描述了间歇操作和能量储存的解决方案，这些文件中的每一个的全部内容都通过引用被并入本文。

参照图2，图1中的雷达料位计系统2包括测量单元(MU) 210、无线通信单元(WCU)211以及电池212形式的本地能量存储装置。无线通信单元211可以有利地符合WirelessHART(IEC 62591)。如图2中示意性所示，MU 210包括收发器213和测量处理器220。收发器213可以由测量处理器220控制以用于生成、发射以及接收具有限定了频率带宽(例如，24GHz至27GHz) 的频率的电磁信号。测量处理器220耦接至收发器213以基于发射信号ST和反射信号SR之间的关系来确定储罐7中的填充料位。

如图2中示意性所示，测量单元210包括第一输出214、第二输出215以及第一输入216。第一输出214通过第一专用线连接至无线通信单元211的第一输入217，第二输出215连接至无线通信单元211的第二输入218，并且第一输入216通过第二专用线连接至无线通信单元211的第一输出219。测量单元210的第二输出215和无线通信单元211的第二输入218可以被配置成根据串行或并行通信协议来处理双向数据通信以使得测量单元 210与无线通信单元211之间能够交换数据。在US 8,970,395中更详细地描述了使用不同输入/输出的测量单元210与无线通信单元211之间的通信，该美国专利申请的全部内容通过引用被并入本文。

无线和本地供电的配置的以上示例旨在给本领域的技术人员提供如何实现根据本实用新型的雷达料位计系统的各个方面和实施方式的详细示例。但是，应当注意的是，还存在许多其他方式来为雷达料位计系统供电以及与之对接。这样的其他方式对于本领域的普通技术人员而言是普遍接受的，并且可以在没有过多实验或过度负担的情况下实施。

图3是图1中的雷达料位计系统2的侧视图。参照图3，雷达料位计系统2包括测量和通信单元13、馈通件15、过程连接部17以及天线5。过程连接部17(这里为凸缘)被设置用于将雷达料位计系统附接至储罐7中设置的开口，并且馈通件15使测量和通信单元13中的收发器与天线5连接。如图3中示意性所示，馈通件15被分成由螺母22固定在一起的第一计量部件 16和第二计量部件18。在该特定实施方式中，过程连接部17由包括在第一计量部件16中的凸缘提供。

对于具有高温和高压要求的应用，有时称为HTHP应用，对雷达料位计系统2，特别是对馈通件15有严格的要求。馈通件 15应使得电磁测量信号能够以尽可能小的阻尼和干扰通过，同时在高温(例如，超过300℃)下承受高压(例如，超过100bar)，而不会有泄漏或其他损坏。

图4是主要示出包括在图3中的雷达料位计系统2的实施方式中的馈通件15的局部剖视图。参照图4，馈通件15包括布置在收发器(图4中未示出)与天线5之间的波导19，以接收来自收发器的发射信号并且沿导引方向rg(由图4中的箭头21所指示)朝向天线5导引发射信号。如图4中示意性所示，波导 19包括密封装置24，密封装置24包括布置在沿导引方向rg延伸的中空导体25中的细长插塞23。

图5是包括在图4中的馈通件15中的密封装置24的示意性剖视图，参照图5，中空导体25的上述部分由金属密封构件33 的内周部分31构成，金属密封构件33还包括外周部分35。图4 所示的细长插塞23包括非导电套筒构件27以及包括第一部件 29a和第二部件29b的金属插塞构件29。通过钎焊将在这里以 ZTA(氧化锆增韧氧化铝)制成的陶瓷套筒形式提供的非导电套筒构件27密封地接合至金属密封构件33的内周部分31，并且密封地接合至金属插塞构件29的第一部件29a，从而在馈通件 15中提供耐高温高压的储罐密封。金属插塞构件29的第二部件 29b可以被附接至金属插塞构件29的第一部件29a以与第一部件29a导电接触。如图4中示意性所示，并且如下面将更进一步详细描述的，金属密封构件33的外周部分35通过连续焊接被密封地接合至第一计量部件16。

图6A至图6C示意性地示出了密封装置24的其他示例配置，其可以包括在根据本实用新型的雷达料位计系统2的各种实施方式中。

首先参照图6A，密封装置24与图5中的密封装置配置的主要不同在于：金属密封构件33的外周部分35与内周部分31基本上处于同一平面中，并且金属插塞构件29被提供为单件，而不是可以接合在一起的两个单独件。图6A中的密封装置的配置可以便于将外周部分35焊接至第一计量部件16(或第二计量部件18)。计量部可能需要适应于不同配置的金属密封构件33。

转至图6B，金属密封构件33已经被配置成实现天线5(或天线适配器)的附加功能。金属密封构件的这种配置可以提供用于减少雷达料位计系统2的部件数目，并且因此可以潜在地提供用于生产成本的降低。

在图6C的示例配置中，陶瓷套筒构件27与金属密封构件 33的内周部分31之间的第一密封接合部37以及陶瓷套筒构件 27与第一金属销部29a之间的第二密封接合部39二者都在陶瓷套筒构件27的外表面上。这可以提供更合理的通过例如钎焊形成第一密封接合部37和第二密封接合部39的过程。

尽管现在各种实施方式在其中已经描述了将细长插塞23密封地接合至金属密封构件33，并且金属密封构件33的内周部分 31构成馈通件15中的中空导体25的一部分，但是应当注意的是，可替选地，可以将细长插塞23密封地直接接合至例如第一计量部件16或者第二计量部件18。

下面将参照图7中的流程图和图8A至图8B中的示意图来描述制造馈通件的方法。

在第一步骤S1中，另外参照图8A，提供第一计量部件16。在该示例实施方式中，第一计量部件16包括凸缘形式的过程连接部。第一计量部件16还包括天线5的上部。

在第二步骤S2中，提供第二计量部件18。第二计量部件18 被配置成通过例如图3中所示的螺母22接合至第一计量部件16。第二计量部件18包括用于在收发器(图3中所示的测量和通信单元13)与天线5之间导引微波信号的波导19。在图8A的示例实施方式中，第二计量部件18相对长，以使测量和通信单元13 中的部件远离储罐7内的热量。

在第三步骤S3中，以上面接合图5所描述的示例配置的方式提供部分密封装置24。将第一销部件29a钎焊至陶瓷套筒构件27，继而将陶瓷套筒构件27钎焊至金属密封构件33的内周部分31。

在随后的步骤S4中，将部分密封装置24插入至第一计量部件16中，并且将金属密封构件33的外周部分35焊接至第一计量部件16。这在图8B中通过激光束41示意性地示出。作为焊接操作的结果，形成周向焊接部43。陶瓷套筒构件27与金属密封构件33的内周部分31之间的陶瓷-金属连接以及与第一销部件29a之间的陶瓷-金属连接以及该焊接部43形成馈通件15的气密密封的一部分。

在下一步骤S5中，将第二销部件29b被附接至第一销部件 29a，以实现第一销部件29a与第二销部件29b之间的导电接触。

此后，在步骤S6中，将第一计量部件16与第二计量部件 18接合在一起，最后，在步骤S7中，将测量和通信单元13附接至第二计量部件18的顶部以形成最终的图3中的雷达料位计系统2。

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