专利名称：填充物位确定系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种雷达物位计系统，该雷达物位计系统使用例如Goubau型单线的波导来确定包含在容器中的产品的填充物位。
背景技术：
雷达物位计(radar level gauge, RLG)系统广泛用于确定包含在容器(例如储罐)中的产品的填充物位(filling level).雷达物位计量一般通过向包含在容器中的产品辐射电磁信号的非接触式测量，或通过像探针那样的起波导作用的探针将电磁信号引向和引入产品、通常称为导波雷达(GWR)的接触式测量来进行。探针一般被设置成从容器的顶部朝容器的底部垂直延伸。探针也可以设置在测量管，即所谓的马笼头中，该测量管连接到容器的外壁，并且与容器的内部流体连通。发射的电磁信号在产品的表面上被反射，并且反射信号被包含在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。根据发射信号和反射信号，可以确定到产品表面的距离。更具体地，到产品表面的距离一般根据电磁信号的发射与它在容器中的气氛与包含在其中的产品之间的界面上反射的接收之间的时间来确定。为了确定产品的实际填充物位，根据上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度确定从基准位置到表面的距
1 O当前在市场上销售的大多数雷达物位计系统是根据脉冲的发射与它在产品表面上反射的接收之间的时间差确定到包含在容器中的产品的表面的距离的所谓脉冲式雷达物位计系统，或根据发射调频信号与它在表面上的反射之间的相差确定到表面的距离的系统。后一种类型的系统一般称为FMCW(调频连续波)型。在任何情况下，传播的电磁信号通常不仅在由气氛与表面之间的界面构成的阻抗转变部分(impedance transition)上被反射，而且在信号遇到的几个其它阻抗转变部分上被反射。这样的阻抗转变部分可能例如由容器中的固定结构，或者在GWR系统的情况下，随着产品的填充物位在容器内发生变化而可能粘附在探针上的产品残留物造成。因此，存在系统试图根据错误的反射信号确定填充物位的特定风险。当容器内的产品具有与容器中的气氛相似的信号传播特性时，情况尤其这样。这导致小的阻抗转变，于是导致相对较弱的回波信号。产生相对较弱回波信号的产品的例子是液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、基于油的产品、像塑料小球或颗粒那样的固体等。除了具有低反射率之外， 这些液体对于雷达波来说是透明的，因此，表面之下的回波也可通过表面看见，并且可能干扰表面回波。典型的雷达物位计量系统可以区分至少相隔几分米到半米的回波，并且对于在这样的距离上具有小衰减(几dB)的液体，接近的回波可能混合在一起，在表面移动的时候导致测量距离的误差相当大。降低这种错误确定填充物位的风险的一种方式是当容器空着时进行基准填充物位测量。这种基准填充物位测量的典型结果是干扰回波分布，其中代表可能出现在容器中的干扰的回波可见。这种干扰回波分布可以用于修正在正常测量条件下获得的回波分布。例如，对于脉冲式RLG系统，可以从在正常测量条件下获得的回波分布中减去至少一部分干扰回波分布。但是，容器中的条件一般以这样的方式随时间而变现有干扰发生移动，和/或像例如在GWR测量的情况下粘附在探针上的像油那样的材料团的新干扰回波源加入进来。当容器不是空着的时候，这样的可变条件可以通过在正常测量条件期间确定干扰回波分布而被考虑进来。但是，由于产品表面之上的气氛中的相对稳定传播特性，所以只能在包含在容器中的产品的表面之上可靠地确定这样的干扰回波分布。US 6078280公开了一种确定包含在容器中的产品的表面之上的干扰回波分布的方法，牵涉到自动确定定义新获取回波分布的哪个部分用于更新以前存储的干扰回波分布的转变点。根据US 607拟80，这个转变点是根据表面回波信号确定的。但是，在例如存在接近和强干扰回波的情况的某些条件下，可能难以确定表面回波信号，这可能导致当使用公开在US 6078280中的方法时，表面回波信号被包括在干扰回波分布中，从而可能导致不正确的填充物位确定。
发明内容
鉴于现有技术的上述及其它缺点，本发明的一般目的是提供一种改进的雷达物位计系统及方法，尤其是能够以更高精度确定填充物位的雷达物位计系统及方法。根据本发明的第一方面，这些及其它目的通过一种使用微波测量容器中产品表面的物位的雷达物位计系统来实现，所述雷达物位计系统包括收发器，用于生成、发射和接收在一个频率范围内的电磁信号；波导，设置成延伸到包含在容器中的产品中，并且将从所述收发器发射的信号引向产品的表面，并且将在所发射电磁信号遇到的阻抗转变部分上的反射引起的回波信号(包括在表面上的反射引起的表面回波信号)引回到收发器；处理电路，与所述收发器连接和设置成根据所发射电磁信号与所接收电磁信号之间的关系确定表面的物位；接口，用于提供到系统外部的通信和将电力接收到雷达物位计系统；以及多个基准阻抗转变部分，被设置在沿着波导的已知位置上并被配置成将所发射电磁信号的一部分反射回到所述收发器，其中每个基准阻抗转变部分具有当表面物位在所述基准阻抗转变部分之上时对电磁信号的第一反射系数、和当表面物位在所述基准阻抗转变部分之下时对电磁信号的第二反射系数，所述第一反射系数显著低于所述第二反射系数。在本申请的上下文中，所述波导是为引导电磁信号而设计的“探针”。可以使用几种类型的探针，例如，单线(Goubau型)探针或双线探针。所述探针可以是基本上刚性的或柔性的，可以由像不锈钢那样的金属、像PTFE那样的塑料、或两者的组合制成。Goubau型单线可以定义成由具有有限电导率的材料制成的导线或电线(例如不锈钢)，或被介电层(PTFE等)覆盖的具有良好电导率的导线(包铜不锈钢)。与具有很好的电导率的导线相比，Goubau线可以通过导线中的纵向电流支持传播信号。电磁场具有几分米的直径，并且沿径向指数衰减。所述“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，也可以是包括分立的发射器和接收器单元的系统。所述容器可以是能够容纳产品的任何储罐或器皿，可以是金属的，或部分或全部非金属的，开口的，半开口的，或封闭的。
每个基准阻抗转变部分的位置是“已知的”意味着以前已经通过任何适当测量技术(例如在制造期间的机械手段)确定了所述位置。例如，可以根据各基准阻抗转变部分反射的所接收电磁信号确定所述位置，但在受控条件下，例如在生产雷达物位计系统期间， 或在系统已安装好但探针是干净的并且储罐是空的时候。而且，所述基准阻抗转变部分可以以通常可以是大约1-6米的间隔规则地或不规则地隔开。尤其，在探针相对较长的情况下(例如探针长于比方说15-20米)，将基准反射器设置成沿着探针不规则地隔开以避免多次散射的干扰效应也许是有利的。本发明基于如下认识，S卩，通过使用沿着探针排列在相应已知位置上的多个基准阻抗转变部分，可以提高填充物位测量的精度。从一般的视角来看，当使用“基于电线”的雷达物位计系统时，将基准阻抗转变部分用作提高填充物位测量精度的基准。但是，来自表面之下的基准阻抗转变部分的回波一般降低填充物位测量的精度。但是，根据本发明，由于多个基准阻抗转变部分的每一个当填充物位在基准阻抗转变部分之上时具有第一反射系数，而当填充物位在基准阻抗转变部分之下时具有第二反射系数，所述第一反射系数显著低于所述第二反射系数，通过它们的设计基本上可以过滤掉它们的回波。也就是说，在一个时间点被设置在表面之下的本发明基准阻抗转变部分将 “消失”。因此，基准阻抗转变部分基本上不会提供表面之下的回波，因此，提高了填充物位测量的精度，即，它们基本上不影响回波信号。相比之下，被浸没并且对于电磁信号不是“不可见”的现有技术基准阻抗转变部分可能造成，例如，当表面物位很接近地位于基准阻抗转变部分之上时，由于基准阻抗转变部分将产生大的反射，所以可能“遮蔽”表面反射的问题。而且，当表面波动时，浸没的“可见” 基准阻抗转变部分将随产品的表面一起成比例地移动。有利的是，生成和发射电磁信号可以包括对电磁信号调频。这是例如对于像FMCW 系统那样的所谓调频雷达物位计(RLG)系统，和对于将脉冲调制在载波上的所谓脉冲式雷达物位计系统的情况。在一个优选实施例中，所述处理电路可以适用于使用发射电磁信号在至少一个基准阻抗转变部分上的反射引起的回波信号确定位于填充物位之上的至少一个基准阻抗转变部分的位置；根据位于填充物位之上的至少一个基准阻抗转变部分的确定位置和位于填充物位之上的至少一个基准阻抗转变部分的已知位置确定传播速度补偿因子；接收发射电磁信号在第一表面物位上的反射引起的第一回波信号；接收发射电磁信号在第二表面物位上的反射引起的第二回波信号，所述第二表面物位不同于所述第一表面物位；确定第一回波信号与第二回波信号之间的差值；以及根据所述差值和所述传播速度补偿因子确定填充物位。为了产生差值，所述表面物位在接收两个回波信号中每一个的时间点之间必须轻微波动。当容器处在海洋环境下(例如，在船上)时，或在将产品泵入容器中和从容器中泵出的时候，可以实现这样的波动。于是，通过将所确定的传播速度补偿因子和两个(例如，相继的)回波信号之间的差值两者相结合，可以进一步提高填充物位测量的精度。也就是说，所述传播速度补偿因子将被用于补偿电磁信号通过被媒体(例如包含在容器中的空气、气体或产品)围绕的波导的速度，所述媒体也影响电磁信号的速度。
但是，本发明人更进一步认识到，如果可以过滤掉基准阻抗转变部分引起的回波， 例如，从在包含在容器中的产品的表面上的反射引起的表面回波信号中减去，可以改进补偿。所述过滤通过比较两个不同的(也许是相继的)回波信号和确定这些回波信号之间的差值，得出差信号来进行。如上所述，所述差信号可以使用所述传播速度补偿因子来补偿， 此后，用于确定包含在容器中的产品的填充物位。例如，表面之上的最低基准回波给出已知距离。这个回波与进一步远离表面并在表面之上的一个或多个基准回波一起允许确定传播速度补偿因子，后面接着考虑到表面之上的基准回波的消除以及不可见浸没反射器的功能的表面测量。在一个实施例中，GWR类型的本发明雷达物位计系统可以具有在约0. I-IGHz附近的传输频率范围。但是，所述频率范围也可以在约0.5-1. 5GHz附近。所述频率范围 0. I-IGHz大致对应于使用通常Ins长度的半波脉冲的传统TDR系统。相对带宽较大(1 10 的数量级)。也可以使用一个或更多个完整周期的波分组，这样，相对带宽以脉冲长度为代价收缩到1 2或1 3。例如，具有基准反射器形式的每个基准阻抗转变部分可以实现成能够反射沿着探针行进的电磁信号的结构，并且可以通过探针外部的结构，探针中的内部结构，或两者的组合来实现。而且，不同基准阻抗转变部分可以被提供为相同或不同反射结构。于是，在一个实施例中，多个基准阻抗转变部分的至少一个可以包括设置成基本上包围一部分波导的金属或介电材料的圆筒。但是，也可以替代或另外使用包括附着在波导上的也由金属或介电材料制成的板的至少一个基准阻抗转变部分。在本申请的上下文中，如果相邻基准阻抗转变部分之间的距离的标准偏差大于雷达物位计系统的可达到距离分辨率的四分之一，所述基准阻抗转变部分应该理解成被不规则地隔开。对于脉冲长度为Ins的脉冲式GWR型的示范性雷达物位计系统，距离分辨率是大约150mm，也就是说，为了能够区分两个相邻回波信号，这些回波信号应该由相隔至少 150mm的阻抗转变部分上的反射引起。对于这样的系统，上述标准偏差因此应该至少是 150/4 = 37. 5mm。实际上，所述标准偏差优选地应该稍大些，例如高于50mm，尤其对于具有大量(多于大约20个)基准反射器的长探针(长于大约20m)。这将有效地降低来自不同基准阻抗转变部分的反射之间的共同作用和多次反射的影响，并且使间隔更小和/或基准阻抗转变部分的数量更大。因此，多个基准阻抗转变部分的至少一个可以包括附着在波导上的两个金属片 (或相应成形的一个金属片)，其中这两个片关于所发射和所接收电磁信号的频率范围分开λ/4的距离。另外或可替代地，多个基准阻抗转变部分的至少一个可以包括水平附着在波导上并被成形为在容器中的产品的表面之上给出一个共振频率和在表面之下给出一个较低共振频率的冲压板。在这种情况下，所述共振频率可以设计成当基准阻抗转变部分在表面之下时避开所使用的频带。所述接口可以适用于以固有安全方式(通常借助于电子屏障)接收电力。所述接口可以是双线接口，设置成既向远程位置发送测量数据又接收系统工作电力。例如，所述接口可以是数字通信叠加在上面的4-20mA工业环路(HART)、Fieldbus inundation总线、或 ftx)fibUS。这样的环路广泛用于对雷达物位计供电。可替代地，所述接口可以是四线接口。还应该注意，雷达物位计系统的双线接口可以设置成既向远程位置发送测量数据又接收雷达物位计系统的工作电力。另外，所述雷达物位计系统可以进一步包括电流控制单元，适用于根据测量的物位调节双线接口中的电流。根据本发明的第二方面，上述及其它目的通过借助于雷达物位计系统确定包含在容器中的产品的填充物位的方法来实现，所述雷达物位计系统包括收发器，用于生成、发射和接收在一个频率范围内的电磁信号；波导，设置成延伸到包含在容器中的产品中，将从所述收发器发射的信号引向产品的表面，和将包括在表面上的反射引起的表面回波信号、 在所发射电磁信号遇到的阻抗转变部分上的反射引起的回波信号引回到收发器；处理电路，与所述收发器连接并设置成根据所发射电磁信号与所接收电磁信号之间的关系确定表面的物位；接口，用于提供到系统外部的通信和将电力接收到雷达物位计系统；以及多个基准阻抗转变部分，被设置在沿着波导的已知位置上并被配置成将所发射电磁信号的一部分反射回所述收发器，其中每个基准阻抗转变部分具有当表面物位在所述基准阻抗转变部分之上时对电磁信号的第一反射系数、和当表面物位在所述基准阻抗转变部分之下时对电磁信号的第二反射系数，所述第一反射系数显著低于所述第二反射系数。优选地，所述方法包括如下步骤根据基准阻抗转变部分反射的所接收电磁信号， 识别位于表面物位之上的一组基准阻抗转变部分；选择包含在该组基准阻抗转变部分中的第一和第二基准阻抗转变部分；根据所述第一和第二基准阻抗转变部分之间的已知距离和使用所述第一和第二基准阻抗转变部分分别反射的所接收电磁信号而确定的其间距离确定传播速度补偿因子；以及根据产品表面反射的接收电磁信号、和所述传播速度补偿因子确定表面的物位。应该注意到，根据本发明的方法不局限于以任何特定顺序执行其步骤。如上面结合本发明的第一方面所述，本发明的基准阻抗转变部分和本发明的步骤可以一起或分别进一步提高填充物位测量的精度。本发明的这个第二方面的进一步实施例和通过本发明的这个第二方面达到的效果在很大程度上类似于上面针对本发明的第一方面所述的那些。本发明的这个第三方面的各种实施例和通过本发明的这个第三方面达到的效果在很大程度上类似于上面针对本发明的第一和第二方面所述的那些。
现在参照示出本发明当前优选实施例的附图对本发明的这些及其它方面作更详细描述，在附图中图Ia示意性地例示了安装在一个示范性储罐中的根据本发明一个实施例的雷达物位计系统；图Ib是包括在图Ia中的雷达物位计系统中的测量电子单元的示意性例示；图Ic是包括在图Ia中的雷达物位计系统中的探针的一部分的示意性剖面图；图2a_2f例示了根据本发明的基准反射器ISR的六个不同实施例；以及图3是示意性例示根据本发明的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
在当前的详细描述中，主要针对利用刚性单线(或Goubau型)探针的脉冲式导波雷达(GWR)物位计系统讨论根据本发明的雷达物位计系统的各种实施例。应该注意到，这决不限制本发明的范围，本发明可同样应用于像双引线探针、柔性探针等那样的各种其它类型探针。而且，主要介绍通过测量发射脉冲与反射脉冲之间的时间的填充物位确定。但是，对于本领域技术人员来说显而易见，本发明的教导可同样应用于通过例如调频连续波 (FMCff)测量将相位信息用于确定填充物位的雷达物位计系统。图Ia示意性地例示了根据本发明一个实施例的雷达物位计系统1，包括例如测量电子单元2的处理电路、和例如探针3的波导，探针3具有例如基准反射器如-j的多个基准阻抗转变部分。将雷达物位计系统1设置在部分填充着待计量产品6的例如储罐5的容器上。通过分析被探针3引向产品6的表面7的发射信号&、和从表面7传回来的反射信号&，测量电子单元2可以确定基准位置(例如储罐顶板)与产品6的表面7之间的距离， 从而可以推算出填充物位。应该注意到，尽管本文讨论包括单种产品6的储罐5，但可以以相似方式测量沿着探针到任何材料界面的距离。如图Ib所示意性例示，电子单元2包括发射和接收电磁信号的收发器10、和处理单元11，处理单元11与收发器10连接，用于控制收发器和处理收发器接收的信号，以确定储罐5中产品6的填充物位。而且，处理单元11可经由接口 12与用于模拟和/或数字通信的外部通信线13连接。此外，尽管在图Ib中未示出，但雷达物位计系统1通常可与外部电源连接，或可以通过外部通信线13或通过内部电池、太阳能电池等供电。可替代地，可以将雷达物位计系统1配置成进行无线通信。此外，在一些情况下，可以使用本地读出。在图Ic中，示出了包括浸没部分20和未浸没部分21的探针3的一段。从图Ic 中可以看出，探针3的浸没部分20设置有浸没基准反射器4f-j，而探针3的未浸没部分21 设置有一组未浸没基准反射器如-i。由于储罐5中的产品6的填充物位的变化，产品6的一层22可能粘附在探针3上。显然，探针3的从未浸没在产品6中的部分没有这样的层或至少只有一个薄层，而交替浸没和不浸没在产品6中的部分可能具有在上面形成的这样的层22。这种状况示意性地例示在图Ic中，其中示出了直到所指水平Ltl都存在的产品6的逐渐变薄的粘附层22。由于这个非均勻污染层22，沿着探针行进的电磁信号将具有取决于沿着探针3的位置的传播速度Vp(Z)。如果得不到补偿，这个取决于位置的传播速度Vp(Z)可能导致相当大的测量误差。但是，通过本发明，将设置在探针3的未浸没部分21上的基准反射器的已知位置之间的关系用于补偿探针3上的层22。也就是说，通过设置如图Ic所示，相邻反射结构之间具有适当距离的多个基准反射器如-j，对于给定频率被每个基准反射器反射的回波信号&取决于相邻基准反射器之间的电距离。通过确定频率或延时，可以导出相邻基准反射器如-j之间的电距离。当知道相邻基准反射器如-j之间的物理距离时，接着可以确定传播速度。使用这样确定的传播速度，可以高精度地确定包含在储罐5中的产品6的填充物位。而且，由于浸没基准反射器 4f-j基本上是“不可见”的，所以浸没基准反射器4f-j基本上不产生回波信号、，因此，它们不干扰物位测量。于是，基本上只有未浸没基准反射器如-i将产生回波。取决于包括在雷达物位计系统1中的波导的类型，可以以各种方式提供沿着探针3设置的基准反射器。下面，参考图加-d描述配有反射结构的几种示范性探针3。应该注意到，下面所讨论的所有反射器基本上都用于单线GWR。但是，相同的原理也可以用在双线上，其中一般可以使用线之间的支持片。应该注意到，沿着探针3放置的基准反射器的数量可以是一个，两个或更多个。对于一个基准反射器，可能只能实现希望水平上的检验，而两个基准反射器还可以提供比例因子检验。对于三个基准反射器，还可以获得高水平(总是可见)检验和/或局部校准的功能，或底部上方已知距离处的校准值和比例因子重要的储罐5的下部中的比例因子检验。 基准反射器的定位可以根据储罐5的使用来选择。应该注意到，基准反射器本身可能引入误差(典型的测量基于每次都有误差的三次测量)，尤其当存在许多基准反射器时。根据本发明的基准反射器的最典型特征是，当基准反射器在表面7之上或之下时，反射是不同的，相应地可能被定义成不可见浸没反射器(Invisible Submerged Reflector, ISR)。在未浸没位置中，基准反射器具有一定可测量反射，但在浸没位置中，反射小得多，对于好的设计，可以忽略不计。当产品6是对雷达“透明”的某种油类或烃时，这种性质一般说来是有趣的。这种产品6的介电常数低，可能小于3，下面讨论的大多数设计功能都可以采用较窄的介电常数间隔，以便具有好的功能。一个示范性实施例可以是用于液态甲烷的储罐5。在这样的情况下，介电常数较大的液体一般说来对雷达是或多或少不透明的，因此，与它们的设计无关，当在表面之下时，任何反射器都将被隐藏。这种用于不同目的的反射器的例子公开在通过引用全文并入的US 6795015中。但是，在US 6795015中，使用反射器的唯一目的是进行物位计量而没有任何来自从储罐的底部反射的微波或当储罐空着时来自底部反射器的不同反射的干扰。图加例示了根据本发明的ISR的第一实施例，即，基准反射器30。该基准反射器包括沿着具有较大直径的圆柱形形状的电线附着的金属片或夹到电线上的板。这个金属片将降低电线的阻抗，并且，通过使用相当窄频带系统(小于一个倍频程)，和使金属片的长度L1是波长的一半那么长，当浸没时，可以具有很低的反射，而当在空气中(例如，未浸没)时，具有相对较高的反射。该反射仍然可能低于来自表面回波的反射。该原理可以称为“ λ /2反射器”，在λ /2屏蔽器的设计中是众所周知的。在2b中，例示了另一种类型的ISR 31，它包括相隔λ/4地附着在电线上的两个金属片(或相应地成形为一片)，当浸没时其反射相互抵消(其中λ/4条件有效)，但当未浸没时，具有可测量的反射。在表面之下，反射器使回波分开180°，因此相互抵消。在图2c中例示了又一种类型的ISR 32，在本实施例中为适当冲压的板。该板32 可以水平附着在电线上，并且被成形为在表面之上给出一个共振频率和在表面之下给出一个较低共振频率。对于具有有限带宽(例如，小于近似一个倍频程)的雷达物位计系统1， 可以使共振频率在表面以下超出所使用的频带之外，并且或多或少不可见。如图2d所示，另一种类型的ISR 33是一片塑料材料，当浸没时，由于穿孔引起的相同平均，该片塑料材料具有与液体相似的介电常数(或像对雷达透明的大多数液体那样稍大于2)。在表面以下，由于表现为在介电常数方面没有或只有很小的阶跃的液体的延续， 所以自然不可见。可以想出几种形状，像附着在电线上的绝缘片围绕电线的圆筒。通过这种绝缘片的形状(例如小孔34、穿孔等)，可以“调整”材料的介电常数，以便与液体的介电常数匹配。与由其尺寸与频率相关的小片(像λ/2长或相隔λ/4那样)组成的反射器相反，当使用宽带信号(像用于传统TDR系统的0. I-IGHz那样)时，也可以使用这种原理。如图2e所示，ISR-型35的反射器的又一种原理是或多或少水平渐细板，它附着在Goubau线上或具有也适合像双线那样的另一种导线的形状。该板被成形为包括当反射器沉浸在液体中时将被改变的一个或多个共振。一种可能形状是渐细的“翼形式”，其中从中心到外端的总长度可以近似为与波长的四分之一相对应的6-8cm。通过它的形状，可以形成可以使功能适用于更宽频带的更多可能共振。“翼”优选地是金属的。而且，可以提供平坦的和基本圆形的板用作ISR。在图2f中例示了一个例子ISR 36。该板可以是例如适当的塑料材料，或可以像针对例示在图2d中的ISR 33那样被小孔 37穿孔。图2e和2f的水平板具有在垂直方向上很短，使得对很小的物位变化更敏感的优点ο如上所述，例示在图中的反射器可以与Goubau线一起使用，但双线以及所有类型的波导都可以具有使用ISR原理的反射器。如上所述，现有技术反射器的一般问题是它们可能干扰物位测量，例如，在反射器与要测量的材料的表面接近的情况下。本发明的ISR，例如，基准反射器30，31，32，33，35至少部分解决了这个问题，因为它们可以被设置成当浸没时与未浸没相比具有显著更低的反射系数。于是，浸没反射器基本上是不可见的(例如，基本上不产生任何回波，因此，当与要测量的表面接近时，不会带来什么问题。但是，来自未浸没反射器的回波仍然可能存在(如上所述，用于确定传播速度补偿因子)，当与表面接近时会造成问题。这可以通过也可以“消除”来自未浸没反射器的回波的本发明方法来解决。还应该注意到，消除来自未浸没反射器的回波可以与使用ISR的情况分开进行。在一种可能但非限制性的实现中，可以消除未浸没基准反射器引起的回波，例如， 从在包含在容器中的产品6的表面处的反射引起的表面回波信号中减去，以便进一步提高填充物位测量的精度。这种消除可以例如在早期阶段中，例如在处理链中的早期已经进行过。例如，装有存储较早接收的回波信号(可能是数字的，但优选地使可能的相位内容未受损)的存储器的信号处理器可以用于随后接收回波信号的比较和/或相减。在这样的情况下，如果选择随后测量之间的适当时间间隔，以及表面物位只稍微改变，则可以比较和/ 或相减两个随后回波信号，从而形成差信号。于是，来自未浸没反射器的重叠回波可能“消失”。现在参考图3中的示意性流程图以及显示在图4中的填充物位、相应表面和基准反射器回波，描述根据本发明的方法的实施例。在第一步骤301中，由包括在雷达物位计系统1的测量电子单元2中的收发器10 生成和发射电磁信号。随后，在步骤302中，使用配有多个基准反射器如-j的波导3向包含在储罐5中的产品6的表面7传播发射的信号。在下一个步骤303中，由收发器10接收基准信号和在储罐5中的产品6的表面7上反射所发射电磁信号&引起的表面回波信号。 此后，在步骤304中，包括在雷达物位计系统1中的处理电路11使用在至少一个未浸没基准反射器上反射所发射电磁信号引起的回波信号(例如，图4的基准回波41和42)来确定该基准反射器的位置。在步骤305中，处理电路11根据未浸没基准反射器的所确定位置和该基准反射器的已知位置确定传播速度补偿因子。此后，在步骤306中，处理电路11接收发射电磁信号在第一表面物位7上的反射引起的第一回波信号43，后面接着步骤307，其中处理电路11接收发射电磁信号在第二表面物位7'上的反射引起的第二回波信号44，第二表面物位7'不同于第一表面物位7。此后，在步骤308中，处理电路11确定第一回波信号 43与第二回波信号44之间的差回波信号45。最后，在步骤309中，处理电路11根据该差值和传播速度补偿因子确定填充物位。为了产 生差值，表面物位在接收两个回波信号43和44中每一个的时间点之间必须轻微波动。当容器处在海洋环境中(例如，在船上)时，或在将产品泵入容器中和从容器中泵出的时候，可以实现这样的波动。如上所述，传播速度补偿因子将用于补偿电磁信号通过波导的速度，诸如包含在容器中的空气、气体或产品的媒体围绕波导，该媒体也将影响电磁信号的速度。而且，可以消除基准阻抗转变部分，例如，从在包含在容器中的产品的表面上的反射引起的表面回波信号中减去。该消除通过比较两个不同的(也许是相继的)回波信号和确定这些回波信号之间的差值，得出差信号来进行。如上所述，该差信号可以使用传播速度补偿因子来补偿， 此后，用于确定包含在容器中的产品的填充物位。总之，除了别的方面以外，本发明涉及使用微波测量容器中的产品的表面物位的雷达物位计系统，其包括设置成延伸到包含在容器中的产品中的波导，其中多个基准阻抗转变部分被设置在沿着波导的相应已知位置上并被配置成将所发射电磁信号的一部分反射回到收发器。优选地，每个基准阻抗转变部分具有当填充物位在基准阻抗转变部分之上时对电磁信号的第一反射系数、和当填充物位在基准反射器之下时对电磁信号的第二反射系数，第一反射系数显著低于第二反射系数。根据这种设计，可以实现更高精度的填充物位确定。尽管上面参考本发明的特定示范性实施例已经对本发明作出描述，但许多不同变更、修正等对于本领域技术人员来说是显而易见的。本领域的普通技术人员在实施要求保护的本发明时，可以从对附图、公开文本、和所附权利要求书的研究中了解和获得所公开实施例的变体。在权利要求书中，词语“包括” 并不排除其它元件或步骤，以及不定冠词“一”或“一种”并不排除多个。某些手段被记载在相互不同的从属权利要求中的仅有事实并不指示不能使用这些手段的组合获益。
权利要求
1.一种使用微波来测量容器(5)中的产品(6)的表面(7)的物位的雷达物位计系统 (1)，包括:收发器(10)，用于生成、发射和接收在一个频率范围内的电磁信号； 波导(3)，设置成延伸到包含在容器(5)中的所述产品(6)中，并且将从所述收发器 (10)发射的信号引向所述产品(6)的表面(7)，并将在所发射电磁信号遇到的阻抗转变部分处的反射引起的回波信号引回到所述收发器(10)，所述回波信号包括在所述表面(7)处的反射引起的表面回波信号；处理电路(11)，与所述收发器(10)连接并设置成根据所发射电磁信号与所接收电磁信号之间的关系确定表面(7)的物位；接口(12)，用于提供到所述系统(1)外部的通信和将电力接收到雷达物位计系统(1)；以及多个基准阻抗转变部分(如-j)，被设置在沿着波导(3)的已知位置上并被配置成将所述发射电磁信号的一部分反射回所述收发器(10)，其中每个所述基准阻抗转变部分Ga-j)具有当表面(7)的物位在所述基准阻抗转变部分之上时对所述电磁信号的第一反射系数、和当表面(7)的物位在所述基准阻抗转变部分Ga-j)之下时对所述电磁信号的第二反射系数，所述第一反射系数显著低于所述第二反射系数。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述波导C3)是Goubau型单线传输线。
3.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述处理电路(11)适用于 使用所述发射电磁信号在位于表面(7)的物位之上的至少一个基准阻抗转变部分处的反射引起的回波信号，确定所述至少一个基准阻抗转变部分的位置；根据在表面(7)的物位之上的所述至少一个基准阻抗转变部分的所述确定的位置和位于表面(7)的物位之上的所述至少一个基准阻抗转变部分的已知位置，确定传播速度补偿因子；接收所述发射电磁信号在表面(7)的第一物位处的反射引起的第一回波信号； 接收所述发射电磁信号在表面(7)的第二物位处的反射引起的第二回波信号，所述表面(7)的第二物位不同于所述表面(7)的第一物位；确定所述第一回波信号与第二回波信号之间的差值；以及根据所述差值和所述传播速度补偿因子确定所述填充物位。
4.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述频率范围约为0.I-IGHz0
5.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述频率范围约为0.5-1. 5GHz。
6.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述多个基准阻抗转变部分 (4a-j)的至少一个包括设置成基本上包围所述波导(3)的一部分的圆筒(33)。
7.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述多个基准阻抗转变部分 (4a-j)的至少一个包括附着在所述波导(3)上的板(30，32)。
8.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述多个基准阻抗转变部分 (4a-j)的至少一个包括附着在所述波导(3)上的两个金属片(31)，所述两个金属片(31) 与所发射和所接收电磁信号的频率范围有关地分开λ/4的距离。
9.根据权利要求1所述的雷达物位计系统(1)，其中，所述多个基准阻抗转变部分 (4a-j)的至少一个包括水平附着在所述波导( 上并被成形为在表面(7)的物位之上给出一个共振频率和在表面(7)的物位之下给出一个较低共振频率的冲压板(36)。
10.一种借助于雷达物位计系统(1)确定包含在容器(5)中的产品(6)的填充物位的方法，所述雷达物位计系统(1)包括收发器(10)，用于生成、发射和接收在一个频率范围内的电磁信号；波导(3)，设置成延伸到包含在容器(5)中的所述产品(6)中，并且将从所述收发器 (10)发射的信号引向所述产品(6)的表面(7)，并将在所发射电磁信号遇到的阻抗转变部分处的反射引起的回波信号引回到所述收发器(10)，所述回波信号包括在所述表面(7)处的反射引起的表面(7)回波信号；处理电路(11)，与所述收发器(10)连接并被设置成根据所发射电磁信号与所接收电磁信号之间的关系确定表面(7)的物位；接口(12)，用于提供到所述系统(1)外部的通信和将电力接收到雷达物位计系统(1)；以及多个基准阻抗转变部分(如-j)，被设置在沿着波导(3)的已知位置上并被配置成将所述发射电磁信号的一部分反射回所述收发器(10)，其中每个所述基准阻抗转变部分Ga-j)具有当表面(7)的物位在所述基准阻抗转变部分之上时对所述电磁信号的第一反射系数、和当表面(7)的物位在所述基准阻抗转变部分之下时对所述电磁信号的第二反射系数，所述第一反射系数显著低于所述第二反射系数，所述方法包括如下步骤根据所述基准阻抗转变部分Ga-j)反射的所接收电磁信号，识别位于表面(7)的物位之上的一组基准阻抗转变部分Ga-e)；选择包括在所述一组基准阻抗转变部分中的第一和第二基准阻抗转变部分；根据所述第一和第二基准阻抗转变部分之间的已知距离和使用所述第一和第二基准阻抗转变部分分别反射的所接收电磁信号而确定的其间距离来确定传播速度补偿因子；以及根据产品(6)的表面(7)反射的所接收电磁信号、和所述传播速度补偿因子来确定表面(7)的物位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述波导(3)是Goubau型单线传输线。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个基准阻抗转变部分Ga-j)的至少一个包括设置成基本上包围所述波导(3)的一部分的圆筒(33)。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个基准阻抗转变部分Ga-j)的至少一个包括附着在所述波导C3)上的板(30，32)。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个基准阻抗转变部分Ga-j)的至少一个包括附着在所述波导(3)上的两个金属片(31)，所述两个金属片(31)与所发射和所接收电磁信号的频率范围有关地分开λ/4的距离。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个基准阻抗转变部分Ga-j)的至少一个包括水平附着在所述波导C3)上和并被成形为在表面(7)的物位之上给出一个共振频率和在表面(7)的物位之下给出一个较低共振频率的冲压板(36)。
全文摘要
一种使用微波测量容器(5)中的产品(6)的表面(7)的物位的雷达物位计系统(1)，包括设置成延伸到包含在容器(5)中的产品(6)中的波导(3)，其中多个基准阻抗转变部分(4a-j)被设置在沿着波导(3)的已知位置上并被配置成将发射电磁信号的一部分反射回到收发器(10)。优选地，每个所述基准阻抗转变部分(4a-j)具有当表面(7)的物位在基准阻抗转变部分之上时对电磁信号的第一反射系数、和当表面(7)的物位在基准反射器之下时对电磁信号的第二反射系数，第一反射系数显著低于第二反射系数。根据这种设计，可以实现更高精度的填充物位测量。
文档编号G01S13/08GK102224398SQ200980147171
公开日2011年10月19日 申请日期2009年12月14日 优先权日2008年12月19日
发明者O·爱德沃森 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司