专利名称：多通道雷达液位计系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过在至少两个分离并且功能独立的通道上发送和接收微 波信号来确定容纳在容器中的填充物质的填充液位的雷达液位计量系统，其中所述通道 的信号可以通过每个通道的可检测特性来分辨，本发明也涉及一种确定该填充液位的相 应方法。
背景技术：
测量填充物质(例如液体或颗粒状固体)的液位的雷达液位计量(radar levelgauging, RLG)是一种用于储罐、容器等中液位计量的越来越重要的方法。许 多不同类型的RLG系统是公知的。这种系统的一个实例公开在由相同申请人申请的 US7106247 中。对于许多应用，例如在用于油轮装载容器的雷达液位计量系统中，需要功能上 独立于液位测量系统的至少一个过满报警器(overfill alarm)。这里的功能上独立意味着一 个系统中的故障不会导致其他系统不运转。这种独立性可以通过确保在不同测量系统中 没有公用电路和电缆、即必须没有电流接触来实现。然而，例如通常不会发生故障的固 定机械结构可以被共享。因此，由于安全限制、环境法律和要求等，经常需要对容器中 的媒质表面液位多次测量，这些测量是彼此完全分离和独立的。用户还可能需要测量值 中的冗余，这可能需要超过一个安装测量系统，可能需要至少两个完全独立的液位计。许多提供两个或更多功能独立通道的这种雷达液位计量系统是公知的。例如， 由相同申请人拥有的US专利6,414,625公开了一种用于测量容器中的填充物质表面液位 的设备和方法，该容器包括超过一个用于获得所述液位的测量值的雷达通道，其中在所 述通道中测量的液位值彼此独立地获得。这是通过使用分布在分离的通道中馈送给相同 天线单元的至少两个微波信号来实现的，由此使用该至少两个微波信号来彼此独立地测 量液位。所述微波信号根据可检测特性来分辨。这种使用多个通道对同一个天线进行馈送的系统的另一个实例公开在也由相同 申请人:申请的W003/025523中。在这个系统中，计量系统包括馈送部件，其具有用于向 和从天线运送波导信号的两个或更多波导构件。使用相同物理天线但别的方面电气独立的独立雷达液位计已经发现以低成本使 用冗余。将多于一个传感器连接到一个天线的方法是一种实现例如具有液位传感器和独 立过满报警器等的系统的低成本方法，并且在用户和权威机构当中获得广泛的接受。然 而，公知的这种类型的系统一般要求复杂的馈送装置，包括复杂的组合器、耦合器等， 因而是相对复杂和昂贵的。而且，这些公知系统也会被相对较大的信号和测量误差损 害。例如，公开在W003/025523中的上述系统使用老的旋转类型接头作为耦合设备 来将传感器连接到天线，并且具有到每个传感器的同轴电缆。这种同轴连接器由于它们 的设计和规格而具有相当高的VSWR(电压驻波比)，其引入难以预测的偏移误差，并且除此之外同轴电缆引入将增加近区误差的内部长度。特别是对于不能使用标准SMA(Sub Miniature版本Α)连接器的频率、通常对于18GHz以上的频率，额外成本也是不能忽略 的并且VSWR更大。因此需要一 种改进的RLG系统，其具有使用相同物理天线的两个或更多独立雷 达液位计。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的雷达液位计量系统，其消除或至少减轻 现有技术的上述问题。根据本发明的第一方面，这个目的是由一种通过在至少两个分离并且功能独立 的通道上发送和接收微波信号来确定容纳在容器中的填充物质的填充液位的雷达液位计 量系统来实现的，其中不同通道的信号可由雷达液位计系统来分辨。对于每个通道，所 述系统包括电子单元，其包括设置在印刷电路板上用于发送和接收可分辨信号的收发器 电路、以及连接到该收发器电路用于基于发送的信号和接收的信号之间的关系确定填充 液位的处理电路；其中每个电子单元与其他电子单元电子地和电流地分离。所述系统还 包括单个天线，其用于向产品表面发射从每个收发器电路发送的微波信号以及用于接收 由发送的微波信号遭遇的阻抗变换部分处的反射产生的回波信号，包括由在表面处的反 射产生的表面回波信号；以及用于在每个收发器电路与所述天线之间引导微波信号的中 空波导；每个电子单元还包括设置在印刷电路板上的馈送电路，所述馈送电路包括伸进 波导以馈送微波信号进入所述波导的至少一个馈送探针。特定通道的收发器电路和馈送电路因此设置在相同印刷电路板上。馈送装置集 中设置在PCB上能够获得比现有技术解决方案更好的性能(绝缘和匹配)，并且相对低成 本以及容易生产。因此，将每个通道的所有重要微波功能收集到一个PCB是一种很划算 的解决方案。而且，本发明能够获得从TX/RX�？榈教煜叩暮芏痰奈⒉肪叮淅缍� 于短距离的良好测量性能是一种重要的属性。术语“分离(separate)”在此应该理解为电子单元3a、3b是彼此电气分开和隔 离的。可选地，电子单元还形成为物理上独立的单元，其被单独地安装到所述系统。“中空”波导指的是一种导电材料包围中空空间的波导，中空空间可能是空的 或者填充有适当的介电材料。中空波导可以是具有适当截面的管，并且在优选实施例中 它具有圆形截面。本发明能够提供两个或更多功能独立的通道。功能独立在此意味着一个通道中 的故障不应该使得另一个通道不能运行，以便液位测量在另一个通道仍然可以进行。这 里，功能独立是通过电流地和电气地分离通道来保证。通道在此处被表征为包括微波发 送器和接收器的所有电子设备，其被需要用来产生、发送、分布和接收微波信号到达微 波波导。在分离通道使用中的微波信号是可以分辨的。这可以通过为不同通道产生具有 例如不同极化、不同调制、不同频率或在时间上分离的微波信号来布置。与此同时，本发明能够针对每个通道实现非常简单、低成本以及可靠的馈送。 尤其是，与使用同轴电缆和旋转类型接头的现有系统相比，获得了更低的VSWR(电压驻 波比)且降低了偏移误差水平，而且本发明的系统可以用于常规上用于RLG的基本上所有频率。因此，本发明的设计提供了一种用于实现通道的功能独立性的低成本且有效的 解决方案。而且，由于雷达系统的精确度取决于没有内部反射的直线信号路径，因此，根 据本发明这个方面的系统还提供提高的精确度。由此，将降低偏移误差和近区误差。电子单元优选地布置成环绕中空波导以及限定中空波导通过其延伸的开口。每 个电子单元可以还包括所述至少一个探针通过其延伸的传导壁部分，并且优选地设置电 子单元使得该壁部分组合来形成环绕所述开口并且形成一段中空波导的边缘。馈送单元 因此成为波导的中间段。
为了示意性目的，下面将参考表示在附图中的实施例更详细地描述本发明。图1是具有根据本发明实施例的雷达液位计量系统的储罐的示意图。图2是在图1的雷达液位计系统中的电子单元的部分切除的透视图。图3a和3b表示根据本发明实施例的两个相同电子单元的方位。图4a和4b表示根据本发明实施例的两个相同电子单元的方位以及半圆环形盘。
具体实施例方式图1示意性地表示安装到储罐2顶部的根据本发明实施例的雷达液位计量系统
Io简要地说，图1的系统是一种通过在至少两个分离并且功能独立的通道上发送 和接收微波信号来确定容纳在储罐2中的填充物质9的填充液位L的示意性雷达液位计量 系统，其中所述通道的信号可以根据每个通道的可检测特性来分辨。填充物质可以是例 如油、提炼产品、化学制品及液化气的产品，或者可以是粉末或颗粒形式的固体物质， 例如谷物、小丸或煤炭。储罐2可以是固定的或者设置在移动运输工具例如油轮上。雷达液位计量系统1包括至少两个电子单元3a、3b，其包括在至少两个不同测 量通道上用于发送和接收雷达信号的收发器电路31、32(参见图2)。该系统还包括用于 基于从填充物质反射的接收信号确定容器的填充液位的处理电路33。并且，该系统还包 括设置在容器内用于发送和接收雷达波进入储罐2的天线4，和在电子单元3a、3b与天线 4之间引导信号的中空波导组件5。中空波导5优选地是管状波导，其具有90度对称截 面，例如基本上圆形的截面。同一天线4被用于两个通道并且既作为发射输出辐射的发 送器也作为接收反射回波信号的接收器。雷达液位计优选地设置在储罐2的外部，并且波导5设置成通过容器壁内的孔6 伸进容器。如果需要，容器具有密封件7，其设置来允许电磁信号穿过容器的壁，同时保 持气密密封，以便阻止容器物质从容器漏出。两个测量通道是功能上独立的，以提供独立的或冗余的液位计量。因此通道中 的电路与其他通道中的处理单元电流隔离，即在DC方面彼此电气隔离。这种系统本身 从由相同申请人申请的上面讨论的文献W003/025523和US6,414,625中已经公知，两者 在此并入参考。由于不同通道共享相同天线4，因此确保一个通道发射的雷达波不被另一个测量通道接收是重要的。为了此目的，来自每个通道的雷达波是彼此可分辨的，例如根据不 同极化、不同调制、不同频率、或适当时间分隔。优选地，不同通道中的微波信号具有 不同的并且基本上正交的极化，例如基本上正交的线性或圆形极化。 在此天线4被表示为喇叭形天线。然而，其他类型的天线也可以被使用，例如 固定或可移动抛物面天线、圆锥形天线、传输线或直线管天线。天线可以由填充波导至 少一部分的介电材料7密封。而且，可以提供波导接头8，以便在保持储罐密封的情况下 能够使电子单元脱离天线或者连接到天线。在使用中，收发器电路31、32沿着波导5通过容器顶部将微波信号发送到天线 4，天线4将其发射到储罐中。微波信号传播进入储罐2，并且由存在于储罐内的阻抗变 换部分反射。具体地，微波由储罐内的物质9的表面10反射。包括任何表面回波的反 射微波由天线接收，并且由波导引导到收发器电路31、32。处理电路基于发送和反射的 信号确定到表面10的距离。接收的信号可以由处理器利用分析信号的软件来处理以确定 填充液位，并且处理器优选地是基于微处理器的电路。由信号处理器执行的、其某些部 分可以由硬件实施而某些部分可以由软件实施的功能和算法本身是本领域公知的，在本 申请中将不再进一步讨论。雷达液位计系统可以经由信号线等连接到远程位置(例如控 制室)。各种雷达原理可以用于该雷达液位计。其中之一是脉冲延迟方法(脉冲雷达方 法)，另一个是调频连续波(FMCW)雷达方法。在FMCW雷达方法中，延迟是通过发送 调频信号并且产生发送的瞬间频率和接收的瞬间频率之间的差值以间接方式确定的。另 一方面，脉冲雷达方法使用短微波脉冲辐射，也称为脉冲突发，其中确定各个单独的脉 冲的发送和接收之间的直接持续时间。该系统可以使用脉冲的或连续发射的辐射。如果 使用脉冲信号，信号可以是具有大约2ns或以下长度、具有MHz级别频率、平均功率级 别在nW或μ W范围的DC脉冲。可替代地，脉冲被调制在GHz频率的载波上。根据本发明的实施例，每个通道具有电子单元3a、3b，并且这些单元是彼此分 离的。在示出的实例中，电子单元3a、3b被形成为物理上分离的单元。电子单元3a、3b更详细地示出在图2中。每个电子单元包括印刷电路板 (PCB) 34，在其上安装有收发器电路31、32。可替代地，例如可以使用具有金属导体的 一块柔性卡或模制塑料部件、有时候称为“3DPCB”，来将包含电路的PCB与波导连 接。收发器电路包括微波产生单元(发送器)31和微波接收单元(接收器)32。发送器 和接收器可以是分离的单元、或者集成的收发器。电路板34和安装在其上的任何电路由一个例如采用导电壳体35和盖41形式的 外壳包围。导电壳体35提供电路的电磁屏蔽，以及物理保护。导电壳体必须与电子单 元中的电路电气隔离。包括馈送探针36的馈送电路进一步安装在电路板34上，并且穿过外壳进入波导 5。根据图2示出的实施例，印刷电路板34延伸通过外壳35，并且探针36是在印刷电路 板本身上的导电图案。为了将探针36与导电壳体35隔离，外壳内的孔可以简单地比探 针36大。可替代地，探针36可以形成有与同轴导线相似的形式的介电套筒37。馈送探 针36伸进波导的部分优选地包括指向波导5中心的基本上直的导电元件。因此，每个电子单元的整个微波电路装置都设置在单个印刷电路板(PCB)上。微波电路装置包括将被设置在波导5内的馈送探针36、微波产生单元31、或将被连接到 微波产生单元的相应微波输入端口、微波接收单元32、或将被连接到微波接收单元的相 应微波输出端口，以及优选地还包括分别在微波产生单元与馈送探针之间、以及在微波 接收单元与馈送探针之间传输和馈送信号的耦接电路(未示出)。—般称为发射单元(TX)的微波产生单元31适用于产生将用于脉冲雷达液位测 量或FMCW的微波信号，这本身是本领域公知的。微波产生单元31可以在PCB上实现。 然而，作为替代，微波输入端口可以设置在PCB上，以连接到外部微波产生单元31。一般称为接收单元(RX)的微波接收单元32适用于接收和处理由天线4辐射以 及由填充物质表面反射的波信号。微波接收单元32可以例如包括实施放大、频率转换、 滤波、解调或信号压缩的电路，这本身是本领域公知的。 每个通道的处理电路33优选地也设置在电子单元3a、3b内。这种情况下，它 可以设置在相同电路板34上、或设置在外壳35内的第二电路板(未示出)上。电子单元3a、3b优选地设置为在基本上与波导5垂直的平面内彼此相邻，并 且设置在中空波导5的相对侧上，以便环绕中空波导并限定中空波导通过其延伸的开口 11。为了这个目的，电子单元3a、3b可以形成有缺口 38，其在组合时形成对应于波导 截面的开口 11，并且馈送探针36可以伸进这些缺口 38。在具有圆形截面的波导的情况 中，电子单元3a、3b优选地具有半圆形缺口 38，其形成圆形开口。如图2所示，每个单 元可以形成圆环盘的一部分。当两个或更多电子单元3a、3b这样组合来形成具有与波导5相同截面的开口 11 时，这些电子单元的内壁39可以起到波导的一个段12的作用。在这种情况下，至少壳 体35的形成内壁的部分必须是导电的。这个波导段12随后可以连接到下波导部分13， 后者连接到天线4。在电子单元3a、3b之上，可以设置盖14来覆盖波导段12，并且提 供波导的密封，从而使波导短路。电子单元3a、3b和盖14可以以螺钉或其他紧固设备 (未示出)固定到下波导13，从而被压在一起形成连续的圆形波导。电子单元3a、3b在设计上可以是基本上相同的，以有利于制造，并可以相对于 彼此和相对于波导按不同方位放置。尤其是，可以确定这些单元的方位以便将探针设置 为彼此正交。如果需要具有正交极化的通道，探针的这种布置将是有利的。根据一个实施例，两个相同电子单元可以被绕着水平轴相对于彼此旋转180 度。优选地，每个单元的探针36设置为在方向A上延伸形成相对于水平轴45度的角度。 在旋转之后，两个探针将被设置为互相正交。如图3a和3b所示，在两个半圆环盘状单 元的情况中，一个单元3a被颠倒翻转在波导的中心C上。根据另一个实施例，相同的两个电子单元可以被绕着垂直轴相对于彼此旋转90 度。在旋转之后，两个探针将再次被设置为彼此正交。如图4a和4b所示，在两个四分 之一圆环盘状单元的情况中，一个单元3a绕着波导的中心C转过90度。在这种情况下， 为了环绕波导，半圆环盘42设置成与两个电子单元相互作用。这个模型可以由金属或塑 料制成，在后者的情况下具有导电内壁43。为了能够获得圆形极化，在每个馈送电路上、即在每个PCB上具有两个或更多 的探针是可能的。由此，通过如上述那样颠倒其中一个PCB，每个馈送电路将以不同的 圆形极化(右手圆形极化、RHCP、以及左手圆形极化、LHCP)进行发送。
在RLG系统偶尔仅用于一个通道的情况中，可以使用一个模型来取代其中一个 PCB,例如给出机械配合的半圆形金属片、以及平滑波导。而且，可以提供多于两个通道。例如，图1中由电子单元形成的环状形状可以 分成三个或更多分离的单元，而不是仅有两个。而且，可以由波导终端器取代盖12。应该认识到，利用一个或更多的附加测量通道可以提供多个不同的测量和报警 替代方案。例如，可以使用一个额外雷达测量通道来实施测量，该测量对于使用第一测 量通道来实施的液位测量是冗余的。如果来自两个测量通道的测量值都在预定容差范围 内，那么可以以很高的概率证实液位测量值是正确的。可替代地，使用额外测量通道可 以获得在最大允许液位报警或过满报警形式的高液位报警。例如，这些通道可以使用来 按照由相同申请人申请的W02004/018978中讨论的方式实现两个或更多独立的液位感测 功能，所述文献在此被并入参考。这些独立液位感测功能可以是例如以下的两个或更多 个1、用于在所有液位 测量的液位计量传感器。2、高液位报警。3、过满控制，例如包括过满报警系统。来自上面讨论的通道的一个或两个的测量信号可以被用来激活一个或多个报警 器。可以用多种方式设计报警单元来向操作者警告当前情况。作为某些实例可以激活 声音信号，报警灯可以开始发光或闪烁或者在电路板上可以激活某种形式的信号发送、 可以激活计算机屏幕或远程单元(电话、寻呼机、无线电等)上的报警。在特定值，液 位的阈值，激活报警单元。为了冗余的目的，从不同通道输出的测量信号(所述信号彼此独立地包括关于 产品表面液位的信息)可以用来确定所述液位的平均值或中间值。本领域的技术人员应该认识到，上述讨论实施例与所公开天线的特定特征的各 种组合是可能的。本发明可以用来实现油轮的装载容器(储罐)的液位测量-报警指示， 但是显然本发明可以用于各种类型液体和容器物质、以及用于需要独立测量通道的任何 类型的系统。现在已经描述了本发明的特定实施例。然而，对于本领域的技术人员来说许多 替代方案是可能的。例如，可以提供多于两个通道，可以使用不同类型的波导和天线 等。这种及其他明显的修改必须被视为落在如附属权利要求限定的本发明范围之内。
权利要求
1.一种雷达液位计量系统(1)，用于通过在至少两个功能独立的通道上发送和接收微 波信号来确定容纳在储罐中的产品(9)的填充液位，其中不同通道的信号可以由该雷达 液位计量系统分辨，所述系统包括针对每个通道的电子单元(3a、3b)，包括设置在印刷电路板(34)上用于发送和接收 可分辨信号的收发器电路(31、32)、以及连接到所述收发器电路(31、32)用于基于发送 的信号和接收的信号之间的关系来确定填充液位的处理电路(33)；每个电子单元(3a)与其他电子单元(3b)电子地和电流地分离；单个天线(4)，用于朝所述产品的表面(10)发射从每个收发器电路发送的微波信号 以及用于接收由发送的微波信号遭遇的阻抗变换部分处的反射产生的回波信号，包括由 所述表面(10)处的反射产生的表面回波信号；用于在每个收发器电路与所述天线之间引导微波信号的中空波导(5)；每个电子单元还包括设置在所述印刷电路板上的馈送电路，所述馈送电路包括伸进 所述波导以便将所述微波信号馈送到所述波导中的至少一个馈送探针(36)。
2.如权利要求1所述的雷达液位计量系统，其中电子单元(3a、3b)被设置成环绕所 述中空波导(5)，并且限定所述中空波导(5)通过其延伸的开口(11)。
3.如权利要求2所述的雷达液位计量系统，其中所述中空波导(5)具有圆形截面，并 且每个电子单元形成限定圆形开口(11)的圆环形盘的一段。
4.如权利要求2所述的雷达液位计量系统，其中每个电子单元(3a、3b)还包括所述 至少一个馈送探针(36)穿过其延伸的导电壁部分(39)，并且其中所述电子单元被设置成 使得壁部分(39)结合来形成环绕所述开口(9)并形成中空波导(5)的一段(12)的边缘。
5.如权利要求4所述的雷达液位计量系统，其中导电壁部分(39)是包围电子单元的 壳体(35、41)的一部分。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中所述电子单元是物 理上彼此分离的，并且具有基本上相同的几何设计。
7.如权利要求6所述的雷达液位计量系统，其中相对于彼此设置第一和第二电子单 元，以便将第一电子单元的探针和第二电子单元的探针定向为使得由所述探针馈送的微 波信号具有在波导内的不同并且基本上正交的极化。
8.如权利要求7所述的雷达液位计量系统，其中所述第一和第二电子单元绕着水平轴 相对于彼此旋转180度。
9.如权利要求8所述的雷达液位计量系统，其中每个电子单元的探针相对于所述水平 轴形成45度的角度。
10.如权利要求7所述的雷达液位计量系统，其中所述第一和第二电子单元绕着垂直 轴相对于彼此旋转90度。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中特定通道的处理电 路(33)设置在所述特定通道的电子单元的印刷电路板(34)上。
12.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中所述天线是连接到 中空波导(5)的喇叭形天线(4)，并且其中所述雷达液位计量系统还包括设置用来密封中 空波导的内部以便与容纳在储罐内的物质隔绝的介电密封元件(7)。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中所述通道的至少一个包括报警单元，该报警单元设置为如果所述通道的处理电路确定填充液位超过预定阈 值液位则产生报警信号，所述阈值液位是高液位报警液位和过满报警液位之一。
14.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中不同通道中的所述 收发器电路(31、32)和馈送电路(36)被设置为发送和接收可以根据极化、调制、频率、 或时间分隔中的至少一个来分辨的微波信号。
15.根据前述权利要求中任意一项所述的雷达液位计量系统，其中每个馈送电路的探 针(36)被定向为使得由所述探针馈送的微波信号具有在波导内的不同并且基本上正交的 极化。
全文摘要
一种用于通过在至少两个功能独立的通道上发送和接收微波信号来确定容纳在储罐中的产品(9)的填充液位的雷达液位计量系统(1)。每个通道具有电子单元(3a、3b)，其具有设置在印刷电路板(34)上的收发器电路(31、32)、以及连接到该收发器电路(31、32)用于基于发送的信号和接收的信号之间的关系确定填充液位的处理电路，并且每个电子单元(3a)与其他电子单元(3b)电子地并且电流地分离。所述系统还包括用于发射微波信号进入所述储罐的单个天线(4)、以及用于在每个收发器电路与所述天线之间引导微波信号的中空波导(5)。每个电子单元还包括设置在印刷电路板上的馈送电路，所述馈送电路包括伸进波导以馈送微波信号进入所述波导的至少一个馈送探针(36)。本发明能够针对每个通道实现很简单、廉价并且可靠的馈送。
文档编号G01S13/08GK102027337SQ200980117813
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月20日 优先权日2008年5月22日
发明者O·爱德沃森 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
