专利名称：通过多模式传播的具有介电常数补偿的导波雷达物位计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种导波雷达物位计系统以及用于确定容器中的填充水平的方法。
背景技术：
雷达物位计系统广泛用于测量包含在容器中的物品的过程变量，如填充水平、温度、压力等。一般利用非接触测量方法或通常被称为导波雷达(GWR)的接触测量法进行雷达物位测量，其中，非接触测量方法向包含在容器中的物品辐射电磁信号，而接触测量法通过传输线探测器将电磁信号导向该物品并使其进入物品中。传输线探测器一般从容器的顶部到底部垂直布置。随后，该电磁信号在物品表面被反射，并且反射的信号被包含在雷达物 位计系统中的接收器或收发器所接收。基于发送的信号和反射的信号，可以确定到物品表面的距离。更具体来说,一般基于电磁信号的发送和该电磁信号在容器中的空气与容器中包含的物品之间的界面中的反射的接收之间的时间，确定到物品表面的距离。为了确定物品的实际填充水平，基于上述时间(time of flight，也称为传播时间)和该电磁信号沿着探测器的传播速度来确定从基准位置到该表面的距离。该传播速度受各种因素的影响，如传输线探测器的结构和容器内的环境状况。例如，这种环境状况包括该容器中包含的物品表面上方的空气成份以及可能已在容器内物品的填充水平改变时附着到探测器的物品残留。例如，在锅炉应用中，锅炉容器内的空气可以是高压下的蒸汽，在此情况下，对于不同的工作条件，介电常数的差异可能相当大。US 7525476公开了一种导波雷达物位计系统，在该系统中，在沿着传输线探测器的已知位置处设置有基准反射器，并且使用一对基准反射器之间的已知距离与测量出的距离之间的差来补偿由于沿着传输线探测器的传播状况的变化所导致的传播速度的变化。尽管基准反射器允许对于容器内传播属性变化的应用进行更准确的填充水平确定，但是基准反射器反射部分信号，这意味着与不具有基准反射器的相应导波雷达物位计系统相比，该雷达物位计系统的灵敏度有所降低。
发明内容
鉴于上述问题，期望提供一种导波雷达物位计系统，在该系统中，对于传播属性变化的应用可以实现准确的填充水平确定，而不需要沿着传输线探测器设置基准反射器。因此，根据本发明的第一方面，提供一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的导波雷达物位计系统，所述导波雷达物位计系统包括收发器，用于产生、发送和接收电磁信号；传输线探测器，其被布置并配置为至少以第一传播模式和第二传播模式朝向容器内的物品引导从所述收发器发送的电磁信号穿过周围介质，并且以第一传播模式和第二传播模式朝向所述收发器返回由所述物品的表面反射所述电磁信号所产生的反射电磁信号，所述传输线探测器被配置为支持第一传播模式，使得第一传播模式以呈现对周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着所述传输线探测器行进，并且支持第二传播模式，使得第二传播模式以呈现对周围介质的介电常数的不同于第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着所述传输线探测器行进；以及连接到所述收发器的处理电路，所述处理电路用于基于第一传播模 式和第二传播模式下的反射电磁信号以及对周围介质的介电常数的所述第一依赖性和所述第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。“收发器”可以是能够发送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送器单元和接收器单元的系统。第一依赖性和第二依赖性之间的已知关系例如可以为第一依赖性和第二依赖性之间的比率，或者换句话说，第一传播速度和第二传播速度之间的比率对周围介质的介电常数的依赖性。该容器可以是能够容纳物品的任何坛子或器皿，并且可以是金属的、或者部分或全部非金属的、开口的或半开口的或者封闭的。先前已提出了在非接触雷达物位计系统中使用不同的传播模式以实现更高的测量精度。例如，US 6915689和US 7345622描述了如下雷达物位计系统，在该雷达物位计系统中，通过天线发射具有不同传播属性的两个TEM模式，并通过管状波导来传输这两个TEM模式。然而，目前并不认为这对于传输线探测器也是可行的。如今，本发明人令人惊讶地发现确实可以将传输线探测器配置为支持不同的传播模式，使得不同的传播模式不同地受到传输线探测器周围介质的介电常数变化的影响。因而，可以实现独立于传输线探测器周围介质的介电常数的填充水平确定。结果，即使在探测器污染和/或表面上方蒸汽的存在可能导致传播速度的不均匀变化的情况下，除了可以对表面上方蒸汽的存在的影响进行补偿以外，还可以对探测器污染对电磁信号的传播速度的影响进行补偿。因此，即使在容器中的空气具有未知的且可能不均匀的介电常数并且传输线探测器具有附着到其上的未知量的容器容纳物的情况下，根据本发明各个实施例的导波雷达物位计系统也提供准确的填充水平测量。例如,可以通过经验确定不同模式的传播速度对周围介质的介电常数的依赖性。根据传输线探测器的实际结构，还可以确定表示作为周围介质的介电常数的函数的传播速度的等式。不同的传播模式例如可以是横电磁(TEM)模式和/或本文中称为表面波导(SWG)模式的沿着探测器表面传播的模式。对于传输线探测器的不同配置，TEM模式和SWG模式的不同组合可能是有利的。根据本发明的导波雷达物位计系统的各个实施例，传输线探测器可以包括至少两个探测器导体和至少部分封闭其中至少一个探测器导体的介电封闭结构。在US2007/0090992中详细描述了这种传输线探测器的示例，该申请的全部内容通过引用合并于此。该介电封闭结构可以有利地沿着传输线探测器的实质部分延伸，例如沿着布置在容器内的传输线探测器的整个长度延伸。在下文中将这种类型的传输线探测器称为不完全外部介电(Partially ExternalDielectric, PED)传输线探测器。沿着PED传输线探测器的传播速度由依赖于介电封闭结构的介电常数e int和周围介质(空气、水蒸汽、物品蒸汽、探测器污染物等)的介电常数hxt的有效介电常数eeff来表征。电磁信号沿着该传输线探测器行进的传播速度由光速除以hff的平方根给出。PED传输线探测器的有效介电常数e rff按照下面关系式依赖于介电封闭结构的介电常数e int和周围介质的介电常数Erart:
I￡eff ~~, I — a
^ext 艺 int.其中a是0和I之间的数字，其表示与周围介质的耦合程度。当a = I时，为裸 线(并对周围介质有最大影响)，而当a =0时，为充分屏蔽了周围介质的线(例如封闭的同轴线)。由于e rff确定沿着传输线探测器的传播速度，所以传输线探测器可以有利地被配置为使得不同的传播模式具有不同的a值。例如，传输线探测器可以被配置为使得a和e int沿着传输线探测器一致，然而，只要知道Ct和e int的任何变化,就可以确定周围介质的介电常数e ext。通过使用被配置为支持至少两个具有不同的(且已知的)a值的传播模式的传输线探测器，可以确定周围介质的未知介电常数e Mt，这意味着无需事先了解容器中周围介质的介电常数就可以准确确定填充水平。在一些实施例中，可以关于至少两个探测器导体对称地布置介电封闭结构。在这些实施例中，雷达物位计系统可以有利地包括用于将TEM模式和SWG模式馈送至传输线探测器的馈送装置，这是因为这些传播模式随后将呈现对周围介质的介电常数具有不同依赖性(不同a值)的传播速度。在其它实施例中，可以关于至少两个探测器导体非对称地布置介电封闭结构。在这些实施例中，可以支持传播速度对周围介质的介电常数具有不同依赖性的各种不同传播模式。例如，可以支持一个TEM模式和一个SWG模式、两个不同的SWG模式或者甚至两个不同的SWG模式和一个TEM模式。在传输线探测器包括多于两个探测器导体的实施例中，可以支持对周围介质的介电常数具有不同依赖性的两个TEM模式。这提供了更集中在传输线探测器周围的电�。越档屠醋杂诳拷湎咛讲馄鞯娜萜鹘峁沟挠跋�。非对称地布置介电封闭结构的一种方式可以是围绕传输线探测器的一个导体线路布置介电封闭结构，而使传输线探测器的其它导体线路保持裸露(没有介电涂层)或只具有非常薄的介电涂层。通过使用被配置为产生第一传播模式和第二传播模式并将第一传播模式和第二传播模式馈送至传输线探测器的馈送装置，可以将不同的传播模式馈送至传输线探测器。根据各种实施例，馈送装置可以包括用于接收从所述收发器发送的电磁信号的第一输入；用于接收从所述收发器发送的电磁信号的第二输入；以及连接到所述第一输入和所述第二输入以及所述传输线探测器的馈送电路，所述馈送电路被配置为提供产生第一传播模式的、所述第一输入和所述传输线探测器之间的第一连接；以及提供产生第二传播模式的、所述第二输入和所述传输线探测器之间的第二连接。
通过使用这种馈送装置，所反射的电磁信号将通过第一输入以第一传播模式返回到收发器并通过第二输入以第二传播模式返回到收发器。这将允许对第一传播模式和第二传播模式下的反射信号分别进行进一步处理。此外，传输线探测器可以包括至少两个探测器导体，并且可以配置馈送器电路，使得第一连接导致所发送的电磁信号被反相地提供给至少两个探测器导体(电流在至少两个探测器导体中反相地流动)，并且第二连接导致所发送的电磁信号被同相地提供给至少两个探测器导体(电流在至少两个探测器导体中同相地流动)。馈送装置例如可以包括微波混合电路，如所谓的平衡-不平衡变压器(balun)。这种馈送装置例如可以包括混合环或基于线圈的电路，或者本领域技术人员所知的任何其它适当的微波混合电路。基于线圈的馈送装置例如可以通过使用具有初级绕组和次级绕组的 适当变压器来实现。在后一情况中，可以跨接初级绕组提供第一输入，并且可以在基准电压和次级绕组的中点之间提供第二输入。在馈送器电路包括微波电路的实施例中，可以配置微波电路，使得发送的电磁信号从第一输入到探测器导体中的第一个导体和到探测器导体中的第二个导体的传播距离存在第一差，并且发送的电磁信号从第二输入到探测器导体中的第一个导体和到探测器导体中的第二个导体的传播距离存在不同于第一差的第二差。例如，第一差可以约为发送的电磁信号的中心波长的一半，并且第二差可以约为零。对于传输线探测器的某些配置，可以自发地出现不同的传播模式。在此情况下，不需要特定的馈送装置，并且由于不同传播模式之间的传播速度的差所导致的到达时间的差，可以分别检测不同的传播模式。在此情况下，为了能够区分不同的传播模式，如果不同传播模式之间的传播速度差异相对较大则是有利的。实现这种传播速度的大差异的一种方式可以是提供包括第一支撑探测器导体和缠绕第一支撑探测器导体的第二探测器导体的传输线探测器。然而，尤其对于希望还能够在短的测量距离上补偿容器内变化的传播状况的应用来说(例如在锅炉等应用中)，如果导波雷达物位计系统包括被配置为产生第一传播模式和第二传播模式并将第一传播模式和第二传播模式馈送至传输线探测器的馈送装置则是有利的。由于以后可以分别处理不同的传播模式，所以传播速度的差异和/或到表面的距离不需要非常大。根据一个实施例，传输线探测器可以包括一对绝缘线；并且导波雷达物位计系统可以包括馈送装置，该馈送装置用于将发送的电磁信号同相地馈送至这对绝缘线作为SWG模式，并将发送的电磁信号反相地馈送至这对绝缘线作为TEM模式。根据本发明的第二方面，提供一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的方法，该方法包括以下步骤将发送的电磁信号馈送至传输线探测器，使得所述发送的电磁信号以具有第一传播速度的第一传播模式和具有第二传播速度的第二传播模式被所述传输线探测器导向容器中的物品的表面；以所述第一传播模式和所述第二传播模式接收反射的电磁信号，所述反射的电磁信号是由所述发送的电磁信号在容器中的物品的所述表面处的反射所产生的；以及基于所述反射的电磁信号的所述第一传播模式的传播时间以及所述反射的电磁信号的所述第一传播模式与所述第二传播模式的传播时间的差，确定填充水平。本发明第二方面的进一步实施例以及通过其获得的效果与上面针对本发明第一方面所描述的基本类似。
现在，将参考示出本发明示例实施例的附图来更详细地描述本发明的这些方面和其它方面，其中图Ia示意性示出安装在示例性容器中的根据本发明实施例的导波雷达物位计系统；图Ib是包括在图Ia中的导波雷达物位计系统中的测量电子单元的说明图；图2a示意性示出用于产生两个不同传播模式并将这两个不同传播模式馈送至图 la-b中的传输线探测器的馈送装置的第一示例；图2b示意性示出用于产生两个不同传播模式并将这两个不同传播模式馈送至图la-b中的传输线探测器的馈送装置的第二示例；图3是示意性示出作为周围介质的介电常数的函数的、具有不同绝缘因子a的两个不同传播模式的传播速度之间的比率的图；图4a_f示意性示出用于在根据本发明实施例的导波雷达物位计系统中使用的各种传输线探测器；以及图5是示意性示出根据本发明的方法的示例实施例的流程图。
具体实施例方式在本详细描述中，主要参考如下导波雷达(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，该导波雷达(GWR)物位计系统使用具有两个导体线路的不完全外部介电(PED)传输线探测器，这两个导体线路相互平行地从容器顶向包含在该容器中的物品延伸并延伸到该物品中。应该指出，这绝不限制本发明的范围，本发明同样适用于各种其它类型的传输线探测器，例如，具有多于两个导体线路的传输线探测器、具有不相互平行延伸的导体线路的传输线探测器等。例如，第一导体线路可以沿着直线延伸，而第二导体线路可以缠绕第一导体线路。额外的电感降低其中一个模式的速度，而不会像更紧密的电容耦合可能导致的那样降低波速，因此，这种结构使得更容易分离两个回波。此外，主要参考通过测量发送脉冲和反射脉冲之间的时间而进行的填充水平确定。然而，本发明的教导同样适用于例如通过频率调制连续波(FMCW)测量而使用相位信息确定填充水平的雷达物位计系统，这对本领域技术人员来说是显而易见的。当使用载波调制的脉冲时，也可以利用相位信息。图Ia示意性示出根据本发明实施例的雷达物位计系统1，其包括测量电子单元2和传输线探测器3。雷达物位计系统I设置在容器5上，容器5部分填充有要被测量的物品6。通过以第一传播模式Sti和第二传播模式St2将发送的电磁信号导向物品6的表面7,并分析以第一传播模式Ski和第二传播模式Sk2从表面7行进回来的反射信号，测量电子单元2可以确定基准位置(例如容器顶)与物品6的表面7之间的距离，从而即使容器中传输线探测器3周围的介质8的介电常数￡&未知并且/或变化，也可以推导出填充水平。应该指出，尽管在本文中讨论包含单一物品6的容器5，但是可以用类似方式测量沿着该探测器到任何材料界面的距离。如图Ib中示意性示出的，电子单元2包括收发器10和连接到收发器10的处理单元11，其中，收发器10用于发送和接收电磁信号，而处理单元11用于控制收发器并处理收发器接收到的信号以确定容器5中物品6的填充水平。此外，处理单元11可经由接口 12连接到外部通信线13，以进行模拟和/或数字通信。 另外，尽管图Ib中没有示出，但是导波雷达物位计系统I通�？闪拥酵獠康缭矗蛘呖梢酝ü獠客ㄐ畔�13来供电。作为替�。状镂镂患葡低矷可以被配置为进行无线通信。图2a_b示意性示出用于产生两个不同的传播模式并将这两个不同的传播模式馈送至图la-b中的传输线探测器3的馈送装置的两个示例。首先参考图2a，传输线探测器3包括第一探测器导体20a、与第一探测器导体20a基本平行延伸的第二探测器导体20b以及围绕第一探测器导体20a和第二探测器导体20b的封闭介电结构21。如图2a中示意性示出的，导波雷达物位计系统I还包括用于产生第一传播模式Sn和第二传播模式St2并将这两个传播模式馈送至传输线探测器3的馈送装置30。馈送装置30包括具有初级绕组32和次级绕组33的变压器31。次级绕组33连接在第一探测器导体20a和第二探测器导体20b之间。为了允许将发送的电磁信号St馈送至传输线探测器3，馈送装置30还包括跨接初级绕组32的第一输入I1,以及一个端子34连接在次级绕组33的中间而另一个端子35连接到传输线探测器3附近的容器壁5的第二输入I2。在GWR所使用的最普遍的频率范围100-1000MHZ内，这种变压器连接是商业上可用的。通常在该变压器中使用小的铁氧体磁芯。通过将发送的信号St提供给第一输入I1和第二输入I2，产生两个不同的传播模式Sn和ST2，并将这两个传播模式馈送至传输线探测器3。第一输入I1处的信号将被反相地或以相反相位提供给第一探测器导体20a和第二探测器导体20b，并将作为TEM模式Sn沿着传输线探测器3传播。第二输入I2处的信号将被同相地提供给第一探测器导体20a和第二探测器导体20b，并作为SWG模式St2沿着传输线探测器3传播。现在回到图2b，图2b示意性示出馈送装置40，其包括所谓的混合环41。如图2b中所示，该环的各连接彼此分离了与发送的信号的四分之一波长(入/4)相对应的距离。通过确定混合环41的尺寸可以产生并馈送两个不同的传播模式Sn和St2，这是微波电路领域的技术人员所熟知的。再一次地，第一输入I1处的信号将被反相地或以相反相位提供给第一探测器导体20a和第二探测器导体20b，并将作为TEM模式Sn沿着传输线探测器3传播。第二输入I2处的信号将被同相地提供给第一探测器导体20a和第二探测器导体20b，并将作为SWG模式St2沿着传输线探测器3传播。混合环41可以被有利地设置为电路板上的带状线。通过传输线探测器3的适当配置，第一传播模式Sn和第二传播模式St2将具有按照不同的已知关系依赖于周围介质8的介电常数Srart的传播速度。基于其中一个传播模式的传播时间、传播模式的传播时间的差以及传播模式的传播速度与周围介质8的介电常数之间已知的不同关系，可以确定准确的填充水平值，而无需了解(或假定)周围介质8的介电常数e 6Xt。如以上在发明内容部分中提到的，传输线探测器3的有效介电常数e eff按照下面的关系式依赖于介电封闭结构的介电常数e int和周围介质8的介电常数e ext
权利要求
1.一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的导波雷达物位计系统，所述导波雷达物位计系统包括 收发器，用于产生、发送和接收电磁信号； 传输线探测器，其被布置并配置为至少以第一传播模式和第二传播模式朝向所述容器内的所述物品引导从所述收发器发送的电磁信号穿过周围介质，并且以所述第一传播模式和所述第二传播模式朝向所述收发器返回由所述物品的表面对所述电磁信号进行反射所产生的反射电磁信号， 所述传输线探测器被配置为支持所述第一传播模式，使得所述第一传播模式以呈现对所述周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着所述传输线探测器行进，并且支持所述第二传播模式，使得所述第二传播模式以呈现对所述周围介质的介电常数的不同于所述第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着所述传输线探测器行进；以及 连接到所述收发器的处理电路，所述处理电路用于基于所述第一传播模式和所述第二传播模式下的所述反射电磁信号以及对所述周围介质的所述介电常数的所述第一依赖性和所述第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。
2.根据权利要求I所述的导波雷达物位计系统，其中，所述传输线探测器包括至少两个探测器导体和至少部分围绕至少一个所述探测器导体的介电封闭结构。
3.根据权利要求2所述的导波雷达物位计系统，其中，所述介电封闭结构被布置为关于所述至少两个探测器导体对称。
4.根据权利要求2所述的导波雷达物位计系统，其中，所述介电封闭结构被布置为关于所述至少两个探测器导体不对称。
5.根据权利要求I或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一传播模式和所述第二传播模式中的至少一个是表面波导SWG模式。
6.根据权利要求I或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一传播模式和所述第二传播模式中的至少一个是横电磁波TEM模式。
7.根据权利要求I或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，其中，所述传输线探测器包括第一支撑探测器导体和缠绕所述第一支撑探测器导体的第二探测器导体。
8.根据权利要求I或2中的任意一项所述的导波雷达物位计系统，还包括馈送装置，所述馈送装置连接在所述收发器和所述传输线探测器之间，并且被配置为产生所述第一传播模式和所述第二传播模式并将所述第一传播模式和所述第二传播模式馈送至所述传输线探测器。
9.根据权利要求8所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送装置包括 第一输入，用于接收从所述收发器发送的电磁信号； 第二输入，用于接收从所述收发器发送的电磁信号；以及 馈送电路，其被连接到所述第一输入和所述第二输入以及所述传输线探测器， 所述馈送电路被配置为 提供用于产生所述第一传播模式的所述第一输入和所述传输线探测器之间的第一连接；以及 提供用于产生所述第二传播模式的所述第二输入和所述传输线探测器之间的第二连接。
10.根据权利要求9所述的导波雷达物位计系统，其中所述传输线探测器包括至少两个探测器导体，并且以如下方式配置所述馈送电路 所述第一连接使得所发送的电磁信号被反相地提供给所述至少两个探测器导体；以及 所述第二连接使得所发送的电磁信号被同相地提供给所述至少两个探测器导体。
11.根据权利要求9所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送电路包括具有初级绕组和次级绕组的变压器。
12.根据权利要求11所述的导波雷达物位计系统，其中，跨接所述初级绕组提供所述第一输入，并且在基准电压和所述次级绕组的中点之间提供所述第二输入。
13.根据权利要求10所述的导波雷达物位计系统，其中，所述馈送电路包括微波电路，其中，以如下方式配置所述微波电路 所述发送的电磁信号从所述第一输入到所述探测器导体中的第一个探测器导体和到所述探测器导体中的第二个探测器导体的传播距离存在第一差，以及 所述发送的电磁信号从所述第二输入到所述探测器导体中的第一个探测器导体和到所述探测器导体中的第二个探测器导体的传播距离存在不同于所述第一差的第二差。
14.根据权利要求13所述的导波雷达物位计系统，其中，所述第一差约为所述发送的电磁信号的中心波长的一半，并且所述第二差约为零。
15.一种用于确定包含在容器中的物品的填充水平的方法，包括以下步骤 将发送的电磁信号馈送至传输线探测器，使得所述发送的电磁信号被所述传输线探测器以具有第一传播速度的第一传播模式和具有第二传播速度的第二传播模式导向所述容器中的所述物品的表面； 以所述第一传播模式和所述第二传播模式接收反射的电磁信号，所述反射的电磁信号通过在所述容器中的物品的所述表面处反射所述发送的电磁信号而产生；以及 基于所述反射的电磁信号的所述第一传播模式的传播时间以及所述反射的电磁信号的所述第一传播模式与所述第二传播模式的传播时间的差，确定填充水平。
全文摘要
本申请提供了一种通过多模式传播而具有介电常数补偿的导波雷达物位计系统。一种导波雷达物位计系统包括传输线探测器，该传输线探测器被配置为支持第一传播模式，使得第一传播模式以呈现对周围介质的介电常数的第一依赖性的第一传播速度沿着该传输线探测器行进，并且支持第二传播模式，使得第二传播模式以呈现对周围介质的介电常数的不同于第一依赖性的第二依赖性的第二传播速度沿着传输线探测器行进。该导波雷达物位计系统还包括连接到收发器的处理电路，该处理电路用于基于第一传播模式和第二传播模式下的反射电磁信号以及对周围介质的介电常数的第一依赖性和第二依赖性之间的已知关系，确定填充水平。从而可以实现独立于传输线探测器周围的介质的介电常数的填充水平确定。
文档编号G01F23/284GK102829843SQ20111029135
公开日2012年12月19日 申请日期2011年9月20日 优先权日2011年6月14日
发明者奥洛夫·爱德华松, 亚历山大·达尔 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司
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