具有改进散热的雷达物位计系统的制作方法

1.本发明涉及用于确定罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统。


背景技术：

2.雷达物位计(rlg)系统广泛用于确定罐中包含的产品的填充物位。在雷达物位计系统中，由收发器生成电磁发射信号并将电磁发射信号朝向罐中的产品的表面传播，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至收发器。
3.基于发射信号与反射信号之间的关系可以确定距产品表面的距离。
4.在用于雷达物位计系统的一些应用中，罐内的温度可能(至少有时)非常高，例如，200℃或更高。通常，包含在雷达物位计系统中的测量电子设备不能承受这样的温度，并且需要采取措施以保持测量电子设备的温度足够低。
5.解决这个问题的一种方法是在罐(凸缘和天线)与测量壳体之间布置由导热性差的材料制成的适配器。在us 5851083中描述了这种解决方案。
6.然而，当前的趋势是朝着更高的测量频率发展。具有较高测量频率(例如，79ghz或更高)的雷达物位计系统比具有较低测量频率的雷达物位计系统更紧凑，并且可能不方便布置us 5851083中描述的那种适配器。
7.de 10 2016 124 982中描述了另一种方法，其中壳体颈部由具有高导热性的材料制成，并且测量电子设备布置在壳体颈部内部。为防止壳体颈部向测量电子设备传递热量，壳体颈部的内表面覆盖有热绝缘体，并且测量电子设备与天线之间的波导被分为上部和下部。在上部与下部之间，设置热绝缘材料。
8.期望提供可以更容易组装并且可以制作得更紧凑的改进的雷达物位计系统，特别是耐热雷达物位计系统。


技术实现要素：

9.鉴于以上所述，本发明的总体目标是提供一种改进的耐热雷达物位计系统。
10.根据本发明的第一方面，因此提供了一种用于确定罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统，包括：收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；天线，其用于将电磁发射信号从收发器朝向产品的表面辐射，并且用于朝向收发器返回由电磁发射信号在表面处的反射而产生的电磁反射信号；中空波导，其用于将发射信号沿信号传播方向从中空波导的面向收发器的第一端朝向中空波导的面向天线的第二端引导；壳体，其至少包围收发器和中空波导，该壳体包括布置在沿信号传播方向距中空波导的第二端第一距离处的散热结构；在中空波导与散热结构之间的第一热连接；以及第二热连接，其在沿信号传播方向距中空波导的第二端第二距离处布置在中空波导与壳体之间，第二距离比第一距离短，第一热连接和第二热连接被设定尺寸和布置成使得从中空波导的第二端通过第一热连接到散热结构的第一热传导路径的热阻低于从中空波导的第二端通过第二热连接到壳体的第二热传导路径的热阻。
11.散热结构可以是任何能够有效传导和散热的结构。因此，散热结构可以有利地由具有相对高导热率的合适金属(例如，铝或铜)制成。然而，根据雷达物位计系统的尺寸和结构，其他材料可能也适用。例如，散热结构可以由具有较低导热率的金属(例如，不锈钢)制成。此外，散热结构可以是单独的部件，或者是雷达物位计系统的壳体的整体部分。
12.应当理解的是，第一热传导路径是从中空波导的第二端通过第一热连接到散热结构的所有可能的热传导路径中具有最低热阻的热传导路径。以同样的方式，第二热传导路径是从中空波导的第二端通过第二热连接到壳体的所有可能热传导路径中具有最低热阻的热传导路径。
[0013]“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的发射器单元和接收器单元的系统。
[0014]
应当注意的是，处理电路可以被提供为一个设备或一起工作的数个设备。
[0015]
有利地，电磁发射信号可以是微波信号。例如，发射信号可以有在微波频率范围内的载波上调制的频率和/或幅度。
[0016]
电磁发射信号的示例中心频率可以是至少60ghz。例如，中心频率可以是约80ghz。
[0017]
本发明基于以下认识：将发射信号从收发器(测量电子设备)引导至天线的中空波导是从罐的内部到收发器的热传递中的关键结构部件。基于这种见解，本发明人已经意识到，通过在波导的第二(通常为下)端处限制热量从罐向波导的流动并且促进热量从波导的第二(通常为下)端向更靠近波导的第一(通常为上)端的散热结构的流动可以减少通过中空波导到收发器的热传输。
[0018]
模拟表明，这些措施可以显着降低收发器处的温度，即使是在罐内温度非常高的情况下。例如，这样的高温可能与用于卫生应用的罐(包括雷达物位计系统的天线)的清洁有关。
[0019]
根据实施方式，第一热传导路径的热阻可以比第二热传导路径的热阻的一半小。
[0020]
有利地，距中空波导的第二端的第一距离可以是至少50mm。对于壳体是金属的实施方式，情况可能尤其如此。在距罐这样的距离处，壳体和/或散热结构的温度可以足够低，以用于从中空波导的第二端到散热结构的有效热传导。
[0021]
根据各种实施方式，雷达物位计系统还可以包括热传导结构，该热传导结构在距第二端第一距离处布置在中空波导与壳体之间以，至少部分地形成第一热连接。
[0022]
热传导结构可以与中空波导一体成型，或者热传导结构可以是单独的部件。热传导结构可以由具有较高导热率的材料(例如，合适的金属)制成。替选地，热传导结构可以由具有较高导热率的非金属材料制成。
[0023]
在根据本发明的雷达物位计系统的实施方式中，不同位置之间的温度梯度可能相当大，至少部分是由于根据本发明的实施方式的雷达物位计系统的热传导特性造成的。此外，雷达物位计系统的不同部分可以由具有不同热膨胀系数的不同材料制成。为了防止从收发器到天线的信号路径中的不希望的中断，可以沿传播方向朝向中空波导地对热传导结构用弹簧加载。
[0024]
在实施方式中，雷达物位计系统还可以包括热绝缘结构，该热绝缘结构布置在中空波导与壳体之间、距第二端第二距离处，以至少部分地形成第二热连接。通过提供这样的热绝缘结构，可以增加第二热传导路径的热阻。
[0025]
该热绝缘结构可以有利地由介电材料制成，并且可以用于提供附加的电隔离的功能。
[0026]
根据实施方式，天线可以包括介电天线体，该介电天线体具有用于从中空波导的第二端接收发射信号的发射信号接收表面。
[0027]
介电天线体可以由任何合适的介电材料制成。这种合适的介电材料的一个示例可以是ptfe(聚四氟乙烯)。如雷达物位计领域的普通技术人员将意识到的，根据应用，存在可以优选地用于天线体的许多其他合适的介电材料。
[0028]
介电天线体的一部分可以布置在中空波导的第二端与壳体之间，以至少部分地形成第二热连接。
[0029]
在实施方式中，介电天线体可以被布置成将中空波导的第二端与壳体隔开至少0.5mm的介电天线体材料。
[0030]
介电天线体可以具有凹槽，并且中空波导的第二端可以至少部分地布置在凹槽中。
[0031]
中空波导的面向发射信号接收表面的第二端可以有利地与介电天线体的发射信号接收表面直接邻接。这样，介电天线体可以协同地实现将中空波导相对于介电天线体进行精确定位的双重功能，并且提供中空波导的第二端与壳体之间的热绝缘。
[0032]
此外，根据各种实施方式，中空波导可以包括位于中空波导的第二端处的扩口部。该扩口部可以作为喇叭状物，以提供中空波导与天线之间的渐变的阻抗过渡。
[0033]
总之，本发明因此涉及包括以下的雷达物位计系统；收发器；天线；中空波导，其用于将发射信号从面向收发器的第一端朝向面向天线的第二端引导；壳体，其包括布置在距第二端第一距离处的散热结构；在中空波导与散热结构之间的第一热连接；以及第二热连接，其在距第二端第二距离处布置在中空波导与壳体之间，第二距离比第一距离短。第一热连接和第二热连接被设定尺寸和布置成使得从中空波导的第二端通过第一热连接到散热结构的第一热传导路径的热阻低于从中空波导的第二端通过第二热连接到壳体的第二热传导路径的热阻。
附图说明
[0034]
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
[0035]
图1示意性地示出了包括根据本发明的示例实施方式的雷达物位计系统的过程监测系统；
[0036]
图2是示意性地示出图1中的雷达物位计系统的框图；
[0037]
图3是图1中的雷达物位计系统的第一实施方式的示意性局部剖视图；以及
[0038]
图4是图1中的雷达物位计系统的第二实施方式的示意性局部剖视图。
具体实施方式
[0039]
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物位计系统来讨论根据本发明的雷达物位计系统的各种实施方式。
[0040]
应当注意的是，这决不限制本发明的范围，例如，本发明的范围同样还包括未包括
在过程管理系统中的雷达物位计系统或者回路供电或使用专用电力线供电的雷达物位计系统。
[0041]
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，这些现场设备包括示例实施方式的雷达物位计系统2以及无线连接至主机系统4的温度感测设备3。雷达物位计系统2包括布置在罐7外部的测量电子单元10、至少部分地布置在罐7内部的天线装置5以及使测量电子单元10与天线装置5连接的馈通件20。
[0042]
雷达物位计系统2和温度传感器3均被布置在含有待计量的产品8的罐上。
[0043]
为了减少雷达物位计系统2的能量消耗，可以间歇地操作雷达物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进行使用。
[0044]
例如，在us 7,952,514、us 8,477,064以及us 12/603,048中描述了间歇操作和能量存储的解决方案，这些文件中的每一个的全部内容通过引用被并入本文。
[0045]
参照图2，图1中的雷达物位计系统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器。无线通信单元211可以有利地符合wirelesshart(iec 62591)。如图2示意性示出的，mu 210包括收发器213和测量处理器220。收发器213可由测量处理器220控制以生成、发射和接收具有定义频率带宽的频率的电磁信号。测量处理器220耦接至收发器213以基于发射信号s
t
与反射信号s
r
之间的关系来确定罐7中的物位。
[0046]
如图2示意性示出的，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通过第一专用细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通过第二专用细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以及无线通信单元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允许测量单元210与无线通信单元211之间的数据交换。在美国专利申请第13/537513号中更详细地描述了在测量单元210与无线通信单元211之间使用不同输入/输出的通信，该美国专利申请的全部内容通过引用被并入本文。
[0047]
无线和本地供电的配置的以上示例旨在给技术人员提供如何可以实现根据本发明的雷达物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物位计系统供电以及与之接口。这些其他方式对本领域的普通技术人员而言是可以广泛使用的，并且这些其他方式可以在无需过多试验或过重负担的情况下实现。
[0048]
图3是图1中的雷达物位计系统2的第一实施方式的部分剖视图。参照图3，雷达物位计系统2包括测量单元210和天线装置5，该测量单元210包括收发器213和测量处理器220。上述无线通信单元211和电池212未在图3中示出。
[0049]
参照图3，在该第一实施方式中，天线装置5包括介电天线体21、天线壳体23和用于将介电天线体21牢固地保持在天线壳体23内部的适当位置的保持器25。如图3中可以看出，介电天线体21具有发射信号接收表面27和面向罐内部的凸面发射信号发射表面29。
[0050]
图3中的雷达物位计系统2还包括中空波导31，中空波导31具有面向包括在测量单元210中的收发器的第一端33以及面向天线装置5的第二端35。中空波导31沿由在图3中的中空波导31内部的箭头所指示的信号传播方向r引导由收发器生成的发射信号s
t
。
[0051]
壳体37至少包围测量单元210和中空波导31。壳体37包括布置在沿平行于信号传
播方向r的方向距中空波导31的第二端35第一距离h1处的散热结构。例如,取决于天线壳体23与散热结构之间的壳体37的散热要求和热传导特性，散热结构可以是壳体37的一部分39或者单独的结构，例如，图3中用虚线示意性示出的冷却凸缘41。例如，如果壳体由金属(例如，不锈钢)制成，则散热结构的期望功能可以通过壳体的一部分39实现，以及例如，如果壳体由塑料制成，则可以提供单独的金属散热结构41。
[0052]
雷达物位计系统2包括中空波导31与散热结构39之间的第一热连接。图3中的雷达物位计系统2，热连接至少部分地通过热传导结构43形成。在图3中的雷达物位计系统2中，热传导结构43被设置成大致圆形的金属片的形式，该热传导结构43与中空波导31的外表面45直接接触，并且与距中空波导31的第二端35第一距离h1处的散热结构(例如，壳体37的内表面47)直接接触。如图3示意性示出的，可以通过弹簧49将热传导结构43推向中空波导31，以防止沿信号传播路径，在例如中空波导31的第二端35与介电天线体21的信号接收表面27之间形成气隙。
[0053]
此外，雷达物位计系统2包括第二热连接，该第二热连接在距中空波导31的第二端35第二距离h2处布置在中空波导31与壳体37之间。如图2中可以看出，第二距离h2比上述第一距离h1短。
[0054]
在图3的雷达物位计系统2中，对上述第一热连接和第二热连接设定尺寸并进行布置，使得从中空波导31的第二端35到散热结构39(41)的第一热传导路径51(利用穿过中空波导31和热传导结构43的虚线示意性示出)的热阻r1低于从中空波导31的第二端35通过第二热连接到壳体37的第二热传导路径53(利用图3中实线示意性示出)的热阻r2。
[0055]
如以上在发明内容部分中进一步提到的，第一热传导路径51是从中空波导31的第二端35通过第一热连接到散热结构39(41)的热传导路径，其具有最低热阻r1，并且第二热传导路径53是从中空波导31的第二端35通过第二热连接到壳体37的热传导路径，其具有最低热阻r2。
[0056]
在图3的实施方式中，第一热传导路径51从中空波导31的第二端35到距中空波导的第二端35的上述第一距离h1处的散热结构39(41)基本上全程穿过金属或具有高导热率的其他材料。对于图3中的雷达物位计系统2的配置，第一热传导路径51的热阻r1通常可以为约8k/w。
[0057]
第二热传导路径53穿过布置在中空波导31的第二端35与壳体37之间的热绝缘结构。在图3中的雷达物位计系统2的第一实施方式中，热绝缘结构由介电天线体21的壁部55构成，壁部55执行限定中空波导31相对于介电天线体21的对准的附加的功能。对第二热传导路径53的热阻r2的主要贡献由介电天线体21的壁部55提供，因为第二热传导路径53的其余部分穿过金属。对于图3中的雷达物位计系统2的配置，第二热传导路径53的热阻r2通常可以为约33k/w。
[0058]
由于相对高的热阻r2的第二热传导路径53相对靠近罐而相对低的热阻r1的第一热传导路径51距罐相对远，因此来自罐的热量被有效地排出到散热结构39(41)。因此，即使当罐中的温度非常高例如约200℃时，测量单元210中的热敏电子设备的温度也可以保持在较低水平，例如，低于80℃。
[0059]
图4是图1中的雷达物位计系统2的第二实施方式的局部剖视图。从图3和图4的比较明显看出，第二实施方式与第一实施方式的主要区别在于天线装置5的结构。
[0060]
参照图4，在该第二实施方式中，天线装置5包括金属喇叭天线57，该金属喇叭天线57具有从上方插入其中的介电插头59。介电插头59的上部为“桶”形以防止泄漏，并且具有限定中空波导31相对于喇叭天线57的对准的壁部55。
[0061]
图4中的雷达物位计系统2的第二实施方式中的第一热传导路径51和第二热传导路径53与上述针对图3中的雷达物位计系统2的第一实施方式描述的对应热传导路径类似。
[0062]
本领域技术人员认识到，本发明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，许多修改和变型是可行的。