用于测量罐体中散装产品体积的雷达料位计的制作方法

本发明涉及对罐体(tank，容器)中散装产品(bulkproduct，自由流动产品)体积的监控和测量，并且可用于化工、矿业、建筑行业和在使用装有散装材料的罐体的企业处使用。

背景技术：

专利ru2575185c2(公布于2014年1月27日)公开了一种用于测量罐体中散装材料的料位(level)的方法和用于实施该方法的雷达料位计(radarlevelgauge，无线电位置料位指示器)。雷达料位计的天线包括印制微带天线，印制微带天线对罐体内部的辐射图(radiationpattern，辐射方向图)进行电扫描。天线被固定在所需的位置，相对于该位置，辐射图通过不同组辐射元件所激发的探测信号的相位转向(phasesteering)来控制。这种控制天线图案的方法的缺点是：随着辐射图相对于布置辐射单元的平面的法向的偏离角增大，天线增益降低。当多种不利因素重合时，例如需要以大偏离角的辐射图(低高度大直径的罐体)进行作业，以及使用诸如水泥或干谷物等低反射率的产品，这种现象可能导致所反射的信号完全消失。

与本发明最相关的现有技术是一种非接触式雷达料位计，该非接触式雷达料位计包括带有单独的收发天线的料位传感器，基于安装在连接凸缘上的机械传动与其定向装置结合(例如，参见于2013年10月17日公布的us2013/0269414a1)。

雷达料位计的传感器和定向装置一起安装在罐体顶部。通过将定向装置的凸缘螺栓连接在罐体管道的配合凸缘上来安装传感器。因此，定向装置的凸缘与管道凸缘刚性连接。雷达料位计的独立收发天线被容置在罐体内部中，并通过定向装置联接到传感器。利用定向装置的机械传动来远程改变罐体内天线的角度。由于罐体内的散装块体(bulkmass)表面的特定形状，需要在天线的不同倾斜角度下进行测量。散装材料的实际料位在表面上的不同点处(特别是在装载点与卸载点处)会有很大的差别。因此，为了提高罐体内产品体积测量的精确度，要在表面上的不同点处进行料位测量。

在装有散装产品的罐体中进行测量时，改变罐体内部的天线倾斜角度的机械方法遇到了重大问题。在装有散装产品的罐体中具有高的含尘量的条件下，机械传动的存在大大降低了定向装置的可靠性以及将天线设置到所需位置的精确度。

与液体产品相比，用雷达法在散装材料的表面进行的测量具有其自身的特性。这与散装产品的表面不平坦且在某些情况下可能具有不规则结构有关，因此，天线发射的信号没有镜面反射，有时信号可能部分或完全丢失。在这种情况下，天线位置的变化会有助于有用信号的出现。还应注意的是，在多尘环境中工作的机械传动单元需要定期维护，从而增加了整个雷达料位计的运行费用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于测量罐体中散装产品的体积的雷达料位计，该雷达料位计会在不需要操作人员于操作期间进行维护的情况下，确保对罐体中产品的体积进行具有更高可靠性和精确度的测量。

该目的是通过一种雷达料位计实现的，该雷达料位计包括料位传感器、主天线、微波模块、软件模块、接口转换器和控制单元，并且还包括：至少两根带微波模块的补充天线(supplementaryantenna，附加天线)；两个开关(换向器)，其在结构上与主天线和微波模块连接成多通道收发模块(trm)，该多通道收发模块具有连接至料位传感器的信号输出和连接至控制单元的输入的监控输出，多通道trm的控制输入和通道号选择输入连接到控制单元的相应输出。

优选地，多通道收发模块(trm)包括五根天线、五个微波模块和两个开关。

优选地，所有天线都封装在多通道trm外壳中，以及天线的辐射侧朝向所研究的表面。

优选地，这些补充天线与trm的中心等距并且在圆周上以相同的距离间隔开。

优选地，所有天线形成一组微带辐射器，并且在每个微带辐射器下方都安装有聚焦透镜。

优选地，补充天线相对于罐体壁以一定的固定角度安装，并且设置在中心的主天线的辐射图的位置与罐体壁平行地指向(direct)。

优选地，微波模块以与聚焦透镜相隔固定距离地设置在聚焦透镜的上方。

优选地，微波模块和聚焦透镜形成一体化结构。

优选地，微波模块以印刷电路板的形式制造，其包含模块的电路和一组微带辐射器，微带辐射器与聚焦透镜一起形成天线。

优选地，开关被容置在五通道trm的外壳中，并安装在单独的印刷电路板上。

多通道trm能够在不使用机械装置的情况下，根据指定的算法来快速改变正在研究的体积内雷达料位计的辐射图位置，从而提供一些优点，诸如：在操作期间不需要操作人员进行维护的情况下，因提高了对罐体中散装材料的体积测量的可靠性和精确度而提升了仪器的性能。

附图说明

参考附图在优选实施例的描述中进一步说明本发明，在附图中：

图1是所示实施例中具有五个通道的多通道trm的雷达料位计的结构图；

图2是具有五个通道的多通道trm的外部侧视图；

图3是具有五个通道的多通道trm的外部仰视图；

图4是在其中装有料位传感器的罐体的外部视图。

具体实施方式

用于测量罐体中散装产品体积的雷达料位计包括：料位传感器1(图1)、联接到传感器1的软件模块2、连接到软件模块2的输出的接口转换器3。多通道收发模块(trm)4和控制单元5连接到料位传感器1。

多通道trm4包括：五个微波模块6-1、6-2、6-3、6-4、6-5、五根天线7-1、7-2、7-3、7-4、7-5以及两个开关8和9，每根天线连接到对应的微波模块6。每个微波模块6包括由层状微波材料制成的印刷电路板。一组微带辐射器设置在印刷电路板面向聚焦透镜10(图2)的外侧，并与聚焦透镜10一起形成天线7。两个开关8和9设置在容置于多通道trm4中的印刷电路板11上。

多通道trm4以开放侧圆筒(open-sidecylinder)12的形式封装在金属外壳中，该金属外壳具有由透放射线的(radio-transparent)材料制成的圆形板形式的保护屏13。补充天线设置在与trm4的中心相距为距离r(图3)处，并且以90°角在圆周上以相同距离隔开，并且另外地相对于罐体壁以角度α(图4)隔开。

角度α确定了4根补充天线7-2、7-3、7-4、7-5相对于罐体14壁的辐射图位置，角度α是根据特定罐体的几何数据计算出的。

雷达料位计的工作方式如下。

安装在罐体14顶部的料位传感器1与控制单元5和多通道trm4协同，产生由五根天线7-1、7-2、7-3、7-4、7-5中的一个以散装材料15的表面的方向交替发射的探测信号。从散装材料15的表面反射的信号返回到料位传感器1。探测信号的频率在指定的时间段内以线性方式变化。探测信号是连续波(fmcw)信号的频率调制。在微波模块6-1、6-2、6-3、6-4、6-5的混频器(mixer)中的一个中，探测信号和反射信号的相互作用产生距离信号d，该距离信号的频率携带关于到散装材料15表面的距离的信息，并且取决于探测信号的频率偏差、持续时间和传播速度。混频器是微波模块的标准单元。

使用fmcw(连续波的频率调制)信号确定距离的方法不是本发明的主题，它在许多原始资料中被详细描述，例如由artechhouse出版，d.k.巴顿(d.k.barton)和s.a.莱昂诺夫(s.a.leonov)撰写的《雷达技术百科全书》(国际标准书号(isbn)0-89006-893-3)的电子版中第11页、332页，以及申请人的网站www.limaco.ru。

在料位传感器1中对距离信号d进行适当的处理之后，将计算出的距离值发送到软件模块2，在软件模块2中，基于输入的容器(reservoir)14的物理参数来确定散装材料15的体积。计算出的散装材料15的体积v经由接口转换器3传输到计算机、控制器等，以进行进一步的处理和渲染(rendering)。接口转换器3被设计成将从雷达料位计处接收数据的设备的标准接口，例如usb、rs-232，与料位传感器1的rs-485接口联接。例如，接口转换器3可以是moxa(www.moxa.com)制造的uport1150i转换器。

通过交替打开五个通道之一来改变多通道trm4的辐射图的位置：微波模块6-1、6-2、6-3、6-4、6-5-天线7-1、7-2、7-3、7-4、7-5。通过从控制单元5发送到开关8和9的适当命令来选择通道号。开关8用于选择所需通道的距离信号d，开关9用于选择对应的监控通道，以向控制单元5提供信号，该信号的频率与特定微波模块6的探测信号p的当前频率成比例相关。监控电路16、控制电路17和数据交换总线18被设计为产生频率线性变化的探测信号p。通过控制电路19控制在每个通道中产生的探测信号p的频率，该控制电路将控制单元5同时连接到所有微波模块6-1、6-2、6-3、6-4、6-5。

多通道trm4的上述结构确定了天线7-2、7-3、7-4、7-5在罐体14内部的辐射图的角位置的固定数目(等于5)。主(中央)天线7-1的辐射图与罐体14的壁平行。其它四根补充天线7-2、7-3、7-4、7-5的辐射图以固定角度α指向，该固定角度的值由罐体14的几何尺寸和形状确定，例如直径、罐体的圆柱部分到圆锥的过渡线的坐标(图4)。

与传统的单通道方法相比，基于在五个不同点的料位测量确定散装材料体积的算法确保了更可靠的数据。使用约130ghz的工作频率可以设计出具有天线7的窄辐射图的小尺寸收发模块4。鉴于此，并且由于没有任何机械的可移动部件，即使在多尘条件下也能精确可靠地测量罐体中散装产品的体积。

通过计算和实验得出以下结论：将补充天线的数量增加到四根以上将使料位计的硬件复杂化，增加其尺寸和成本，但对其技术特征没有任何重大影响，即，不会提高实现的技术效果。另一方面，减少补充天线的数量显著地降低了对罐体中散装产品体积的测量的可靠性，即，在实现的技术效果/雷达料位计成本比率方面，一根主天线配置四根补充天线的实施例是最优的。

工业实用性

本发明中用于测量罐体内散装产品的体积的雷达料位计，可用于化工、矿业、建筑行业和在使用装有散装材料的罐体的企业处使用。对料位计的测试已经证实了其优于现有料位计的效率和优点。