專利名稱：用于絕緣雷達水平計的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及工業(yè)過程中的水平測量，其中本發(fā)明用于測量工業(yè)應用所使用的儲罐中的產品水平并且其中利用微波水平計進行水平測量。更具體地，本發(fā)明涉及把雷達水平計的電子電路連接到安裝在罐的壁上的天線上。按不同的安裝規(guī)則以及安全考慮調整雷達水平計的布線以及它和地的連接。進入危險區(qū)域(其中儲存易燃化合物)的導體的絕緣是關聯(lián)問題。本發(fā)明的主要目的是使地與罐中適用于保持雷達傳感器的良好功能的物品絕緣的方式。
背景技術：
煉油廠、化工廠等是其中在大范圍內安裝包括大量布線的電氣控制設備例如各種傳感器和顯示器的場所的例子。接地以及絕緣是這種安裝的關鍵概念并且從而存在許多規(guī)則和嚴格物理限制。另外，不同國家中這些規(guī)則可能不同。
“接地”是一個非常暗藏危險的概念，因為和應用到長距離的安裝中相比，或者和相對于與該距離相等的波長對應的頻率(100kHz對應一或幾千米)為“高”的頻率下工作相比，“接地”遠沒有那么容易。必須考慮三個方面(以及功能要求)物理因素大范圍(諸如幾十米到幾千米)上分布的本地接地點會對直流和交流(主要50/60Hz)產生不同的電勢并且這些點之間的電纜可能會對各種電磁場形成好的(但不希望有的)天線。在穩(wěn)態(tài)下，很少遭受超過1伏特的電平，但是即使如此，如果用一條典型電纜連接兩個分離的“接地點”，則可以測出遠大于1mA的電流。對于瞬態(tài)，例如在雷擊情況下可以遭受高得多的電壓(由于四只接地腳之間的瞬變電壓，對于可憐的奶牛常常是致命的)。
安裝規(guī)程這些(根據(jù)法律或公司規(guī)則)規(guī)程在各個國家是不統(tǒng)一的，并且可能對于不同的情況不是最優(yōu)的。對人的保護可能是最重要的目標，而不受干擾地傳輸非常弱的信號可能要求其它裝置。一些情況下在不同的國家對于某種類型的部件要求不同的解決辦法，以遵守當?shù)匾?guī)則并且得到良好的功能。對于和干線連接的電路，通常要求1500V交流的額定電壓(“火”線和地之間1500VAC的測試電壓)，并且在許多情況中規(guī)定“帶電”導體之間的最小距離以及絕緣層的最小厚度。電纜屏網(wǎng)的接地和電路的接地不同，并且也可以進行規(guī)定。
Ex規(guī)程(爆炸安全規(guī)程的縮寫)其具有接地要求并且還要求與位于和典型地是罐的內部的“O區(qū)”對應的區(qū)域中的導體絕緣。在實際情況中Ex規(guī)程常常不是非常清楚地表述的，而是在一些方面可能作為協(xié)調內容出現(xiàn)。在許多情況下把本質上安全的電路對地的絕緣規(guī)定成500V交流額定電壓，而對O區(qū)(罐的內部)的零件的絕緣要更加復雜。典型地，在后一種情況下使用一個可靠的或者三個良好絕緣的構件，并且對這些良好絕緣的構件帶有一些明確或不那么明確的要求。
不同要求下接地的實際實施是，電子設備應良好地對本地的地絕緣，然后若需要，應在不同情況下以不同的適當方式進行連接。對于使用直流或非常低的頻率的部件(電阻式溫度傳感器，機電液面開關等)，直流電概念的“接地”可能是足夠的，但是由于布線上的電容(100nF/km量級)，除了頻率非常低的信號外所有信號會具有很復雜的和地的耦合，其結果并不總是容易預測。
和只在低頻下操作的部件相比，雷達系統(tǒng)情況更加復雜。許多微波(雷達)電路本身是本地接地的，并且為了避免干擾進入(或者逸出)這些電路，需要封閉的金屬外殼。“本地接地”意味著波長的幾分之一，雷達頻率下其量級為1mm，并且對于雷達頻率“封閉”意味著小于波長的幾分之一的洞或槽。另一方面，雷達天線必須安裝在罐的內部?！皩Φ氐牧己帽镜剡B接”、“對地和對罐的內部的良好絕緣”以及“向罐內的良好傳輸”的組合使雷達部件在絕緣的設計上是相當特別的。采用了各種解決辦法，并且有時利用物理上小的電容可以具有良好的微波傳輸性質這一事實。
一種從布線現(xiàn)場看到的實現(xiàn)絕緣的方法是采用交流電源和交流數(shù)據(jù)傳輸，其中可以使用變壓器以對測量儀表提供功率和數(shù)據(jù)通信并且保持良好的直流絕緣。在此情況下，微波電路可以本地接地，或者無論怎么樣，同時保持良好的外部絕緣。在處理工業(yè)中使用的儀器的大多數(shù)情況下，采用基于4-20mA的直流數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其對應的絕緣更加復雜或者可能降低精度。按照它們的自然工作而被封閉于金屬中的傳感器(溫度傳感器，壓力傳感器等等)可以具有電子部件中的所有構件所共用的內部(并且從而良好保持的)電絕緣。
在高頻信號進入罐內的情況下，不那么容易采用本地信號接地。于是高頻側的絕緣是交流的。圖1中示出依據(jù)現(xiàn)有技術的對波導絕緣的實際例子。例如在10GHz下在波導3中利用標準SMA同軸連接器1充當饋送探頭2。該連接器下面的介質墊圈4形成電容器，并且通過錐形槽5加大金屬零件之間的距離以便經得起可施加的測試電壓(例如交流500V或交流1500V)。為了限制VSWR(電壓駐波比)，墊圈4必須薄，并且由于電容有限，該方案對于中或高微波頻率(＞5GHz)最佳。和波長相比墊圈太厚可能產生微波匹配問題，并且尤其在例如25GHz(波長8mm)的頻率下。
在印制電路板(或者對應的陶瓷載體)上，可以設置絕緣的同軸連接器并且通過作為構件的電容器進行絕緣?？梢允褂萌?lián)電容器以滿足對直流絕緣的本質安全要求，同時保持對于低微波范圍內的頻率的微波耦合。
在任何這些情況下，難以實現(xiàn)達到例如0.5mm的介質層規(guī)定厚度的穩(wěn)健絕緣。額定電壓為高電壓的電容器由于尺寸大，因此難以和良好的微波功能組合。

發(fā)明內容
依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種利用微波測量罐中產品的表面的水平的雷達水平計，其包括向該表面發(fā)送微波并接收該表面反射的微波的天線，和通過空心波導對所述天線饋送的測量電路，所述波導包括至少一個天線波導件，其一端可和該天線耦合并且其另一端在與該波導相交的相交處上具有開口，其中該雷達水平計還包括沿與所述天線波導件相交的所述相交處延伸的介質隔板，用于不導電地分離所述天線波導件和所述測量電路，所述介質隔板具有在朝著該天線波導件的方向對著該波導的第一面，并且所述介質隔板具有對著基本上離開所述天線波導件的方向的第二面。該天線波導件的相交處最好被包括在相交面中。
本發(fā)明涉及一種其中波導用于天線饋送的雷達水平計，以及涉及更具體的系統(tǒng)，其中必須利用預定厚度(例如0.5mm)或預定介質強度的介質材料使該波導從某個點開始和諸如測量電路的電子設備和微波電路不導電地絕緣。最好靠近該雷達水平計的測量電路完成該不導電絕緣。
另一種重要的和有益的實施是該介質隔板在波導接合處的位置，以便能為了更換等而取下測量電路。和對應的同軸密封相比，波導接合是穩(wěn)健的，適于現(xiàn)場維修并且更容易和依據(jù)本發(fā)明的絕緣介質隔板配合。
本文使用的術語“波導”指的是用于微波傳輸?shù)幕旧蠄A柱形(最是廣泛意義下的圓柱)的管，其中波導填充空氣或固體介質材料，沿著波導該材料可以是不同的。波導的橫截面可以是不同的，例如圓形、長方形或其它形狀，一個公知的更復雜的橫截面的例子為成脊狀的長方形截面。通常利用術語“空心波導”把所說明的波導和其它波導結構區(qū)別開。
所使用的術語“不導電的”指的是相對于直流電流以及低頻交流電流，至少對于預定的交流額定電壓，使兩個導電材料彼此分離和絕緣。這和電氣安裝(例如對地交流1500V)或Ex規(guī)程(例如對地交流500V)中的規(guī)定測試電壓密切相關。
接合(joint)是波導中的一個實際的和重要的細節(jié)，對于液面測量應用它是一種特殊細節(jié)。在大多數(shù)情況中波導的一部分是罐密封的一部分，在罐中的高壓、腐蝕性或危險性物質等條件下它是要求苛刻的。還必需能在現(xiàn)場條件下更換雷達水平計的電子部件，因而可分離接合是有益的。
依據(jù)本發(fā)明的另一個方面還公開一種用于把可和天線耦合的波導與雷達水平計的測量電路不導電地分離的方法，如上述方法所涉及的，該雷達水平計用于測量罐中產品表面的水平。


圖1示出現(xiàn)有技術應用中對雷達水平計的波導的饋送。
圖2示意示出一個用來確定罐中產品表面的水平的雷達水平測量系統(tǒng)。
圖3示意示出依據(jù)本發(fā)明的一個方面的雷達水平計的波導中的介質隔板。
圖4示出圖3中的部件的另一實施例。
圖5示出圖3中的部件的再一實施例。
圖6示出波導接合處的介質隔板。
圖7示出天線波導件的開口的一些替代實施例。
圖8示出插入在波導接合中的介質隔板的形狀的另一實施例。
圖9示出其中測量電路的外殼壁的一部分充當介質隔板的實施例。
圖10示出其中印制電路板構成介質隔板的實施例。
圖11示出其中接合處在絕緣隔板和天線波導件之間具有的密封的實施例。
圖12示出作為圖4及5對應的實施例的替代方案的實施例。
具體實施例方式
下面在附圖的支持和參照下說明本發(fā)明的一些實施例。
圖2中示出雷達水平計的應用。罐11用于儲存產品12。該產品例如可以是油、精煉產品、化工品和液化氣，或者可以是粉末形式的材料。雷達13附著在罐11的頂部14上。通過罐內部的天線15從該雷達發(fā)射微波束。該發(fā)射的波束從產品的表面16反射并由天線15接收。通過在測量和控制單元中比較和評估發(fā)射波束和反射波束之間的時間搭接(time lap)，以公知的方式執(zhí)行產品表面16的水平的確定?？梢詮奶炀€作為自由輻射波束或者通過和產品連通的波導(未示出)發(fā)射微波。圖2中示出的雷達水平計僅用作為一個例子。
在表示雷達水平計部件20的部分剖面的圖3中示出本發(fā)明的一優(yōu)選實施例。在圖3中，21代表可以和天線耦合的天線波導件。在該實施例中，圍繞測量電路23的外殼(部分示出)與天線波導件21一起形成一個整體，其設置了用于對著并且支持測量電路23的邊緣22，在圖3中用電路板23a表示。機械外殼24常規(guī)地保護測量電路23。為了簡明起見部分地去掉所述外殼24。
通過依據(jù)本發(fā)明的在圖3中作為絕緣板形成的中間介質隔板25，含有該雷達水平計的電子器件的電路板23a附著在天線波導件21的邊緣22上。在電路板23a上設置一個作為端件形成的金屬帽26，以在離開天線的方向上封閉該波導。在電路板23a上安裝微帶27，用來在波導的方向上發(fā)射微波。
圖3是依據(jù)本發(fā)明的一種可能布置。在本實施例中充當墊圈的厚絕緣層25通過粘合劑附著在金屬支承/保護盒(外殼24)上，以形成縱向波導密封，并且印制電路板23a在它的底部(除波導開口之外)具有接地平面，而且作為金屬帽26形成的波導端件附著在它的頂部上。
一種替代實施例利用介質絕緣片25而不是利用墊圈達到電絕緣和縱向密封，以在服務期間進行保護并且阻止通過波導的泄漏。典型地對于雷達水平測量應用中的波導，在沿著該波導的一個或兩個位置上需要密封以便密封罐并且保護或密封電子單元。對密封的第三種要求是在一種Ex保護類型中采用的對爆炸保護的密封。通常在介質隔板和波導之間設置例如利用密封圈的密封，這在附圖之一中示出并且用于介質隔板形成為絕緣片或者構成絕緣墊圈這兩種情況。
在圖4中絕緣片下面的底板具有一個凹槽28以形成穿過絕緣層25的四分之一波長(水平)通道29，從而改進電密封。取決于準確的測量，依據(jù)圖3或4的設計可以是最優(yōu)設計。
圖5中表示的另一種方法帶有位于波導周圍的四分之一波長槽30(也稱為四分之一波長扼流圈)以便組合徑向電密封和縱向機械密封。在圖12的剖面?zhèn)纫晥D中示出用來獲得電密封的另一種方案，其包括位于絕緣片25下面(位于上面也是可能的)的用微波衰減材料做成的壓力密封件(襯墊)55。和圖5相比，圖12的布置具有可以把該襯墊做得很薄(＜＜λ/4)的優(yōu)點。襯墊55可以用能讓它組合微波密封功能和壓力密封功能的材料做成。
盡管為了滿足權威機構的絕緣要求需要厚的介質層，也可以通過在介質隔板的周圍施加一個或兩個四分之一波長槽得到其它特性或者通過在片中添加圖案得到好的電匹配。除非絕緣片非常薄(并且因此可能不適于實現(xiàn)滿足的絕緣要求)，否則可能會在微波傳播中造成非常不希望的失真(反射或VSWR)，但是通過適當設計可以任意地減小這種失真。從其它波導應用已知兩種或更多的協(xié)同失真的可能性。
圖6示出在可分開的接合中應用的本發(fā)明，其中上述的電子單元可以附著在第二波導件31上以及延續(xù)并附著到該天線的天線波導件32上，并且通過所述天線波導件和所述第二波導件之間的絕緣板25提供所述可分開的接合，其中所述厚的密封和絕緣板25既用于徑向電密封又用于縱向機械(氣體，液體等)密封。
密封(絕緣)片25位于兩條為電和(任選的)機械密封設計的波導緣33、34之間。用絕緣材料做成的螺帽35(虛線)可用于機械連接。如果使用另一個絕緣墊圈，可以采用金屬螺帽。以圖4和5中所示的類似方式，可以添加用來改進電氣功能的四分之一波長槽，而且還可以添加一個或更多的密封圈密封(未示出)。
密封(絕緣)片25可以裝配有在波導中造成反射的傳導圖案，這抵消片25造成的反射，從而改進總的電匹配。在改進電匹配方面，這種圖案可以替代四分之一波長槽并允許使用較厚的板。
雷達水平測量中常用的兩種頻率是6GHz和25GHz附近的兩種頻帶。尤其對于該高頻，0.5mm絕緣層的要求意味著由于該絕緣材料中的微波波長例如可以是8mm，因此為了避免微波功能上的干擾，必須圍繞該絕緣層進行很好的設計。
在圖7中示出在天線波導件中執(zhí)行的開口的一些替代實施例。圖7a示出一種開口，其中該開口的平面以不等于90度的角度和波導相交，其可以是用于其中存在于介質隔板下面積累凝結液的風險的情況下的有益實施例。在圖7b中，該天線波導件在端部上具有壁，在所述壁上設置有縫26，以通過該縫饋送微波。和該天線波導件21的其余部分的完整尺寸的面積相比，該縫26形成一部分橫截面積較小的波導。絕緣片25設置成在該端壁的外側上橫越該縫。在該圖的平面視圖中示出沿線A-A的相交面。在此情況中該壁當然也可以相對于波導軸是傾斜的。介質隔板排列成橫越所述壁的外側。
圖8公開一種使介質隔板40象帽狀那樣形成的接合，其中隔板40的二側嵌在波導的縱向緣41和42之內，緣41是天線波導件的一部分而緣42是第二波導件的一部分。在本情況中該帽子的扁平部分沿著上面指出的波導的相交處延伸。
在圖9示出另一實施例，圖中示出圍繞測量電路的外殼43。至少一部分的外殼壁44構成介質隔板，其中該外殼壁44用介質材料做成。包含該測量電路的元器件的電路板45安裝在所述外殼壁44之內。在天線波導件47上設置支承緣46。環(huán)繞支承緣46的天線波導部分設置有四分之一波長扼流圈。
圖10示出本發(fā)明的再一實施例，其中把介質板48形成為面對著天線波導件49的介質隔板。在本例中，該介質板執(zhí)行充當絕緣層以及充當對波導件49的密封的雙重作用。在此實施例中，可以在一塊電路板上實現(xiàn)包含該絕緣隔板的整個測量電路?？梢园炊鄬影鍖崿F(xiàn)該電路板。該電路板當然不帶有貫入該介質隔板的第一側(朝著天線波導件)的導體。圖10中還示出一種說明在天線波導件內部設置對罐50的額外密封的選擇。
在圖9和10還公開又一實施例，其中指出波導端件形成為外殼壁的集成部分。
圖11描述在絕緣片51的兩側具有緣以支持所述片的波導接合的實施例。標號52代表天線波導件的緣而標號53表示第二波導件的緣。該圖中還示出介質隔板51和該天線波導件之間的密封。此例中所述密封是密封圈，即一種可以在前面說明的任何實施例中采用或設置的密封。
圖12中示出對圖5中的四分之一波長扼流圈的替代方案，其中利用位于相應槽56中的用微波吸收材料做成的襯墊55(最好但不是必須為波長的四分之一)替代扼流圈。
權利要求
1.一種利用微波測量罐中產品表面的水平的雷達水平計，包括向該表面?zhèn)魉臀⒉ú⒔邮赵摫砻娣瓷涞奈⒉ǖ奶炀€，通過空心波導對所述天線饋送的測量電路，其特征在于該雷達水平計還包括天線波導件，其一端可和該天線耦合，并且在其另一端上具有在和該波導相交的相交處上的開口，沿著與所述天線波導件的開口相交的所述相交處延伸的介質隔板，用于使所述天線波導件不導電地與所述測量電路分離，所述介質隔板具有在朝著該天線波導件的方向上面對著該波導的第一側，以及所述介質隔板具有面對著基本上離開該天線波導件的方向的第二側。
2.依據(jù)權利要求1的雷達水平計，其中所述測量電路包括用于天線的所述饋送的微波饋送器，并且所述饋送器設置在所述第二側上。
3.依據(jù)權利要求1或2的雷達水平計，其中波導端件安放在該介質隔板的所述第二側上與所述介質隔板相鄰。
4.依據(jù)權利要求2的雷達水平計，其中所述介質隔板包括用固體介質材料做成的片。
5.依據(jù)權利要求4的雷達水平計，其中所述片設置有一個或更多的通孔。
6.依據(jù)權利要求4的雷達水平計，其中由于所述絕緣片覆蓋所述開口的全部面積，所述絕緣片提供電絕緣以及防止材料通過該波導縱向泄漏的保護。
7.依據(jù)權利要求4的雷達水平計，其中所述天線波導件具有用來支持所述絕緣片的緣。
8.依據(jù)權利要求4的雷達水平計，其中容納所述測量電路的外殼具有構成所述絕緣片的外壁。
9.依據(jù)權利要求4的雷達水平計，其中所述第二側上的所述絕緣片由形成用于該測量電路的外殼的一部分的緣來支承。
10.依據(jù)上述任一權利要求所述的雷達水平計，還包括設置在該介質隔板和該天線波導件之間的、用于防止罐內外之間的泄漏的密封部件。
11.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中該介質隔板包括形成測量電路的一部分的印制電路板的介質層。
12.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中該介質隔板具有最小厚度，該最小厚度等于或大于對給定額定電壓提供絕緣所要求的預定值。
13.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中所述預定值為0.5mm。
14.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中，和該介質隔板相鄰，該天線波導件通過它的形狀和尺寸形成四分之一波長密封。
15.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中，和該介質隔板相鄰，該天線波導件設置有至少一個用來減少微波泄漏的四分之一波長扼流圈。
16.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中，和該介質隔板相鄰，該天線波導件設置有用微波吸收材料做成的、位于圍繞該波導件排列的槽(56)內的襯墊(55)。
17.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中所述介質隔板在它的第二側上具有位于波導開口的一部分上方的導電圖案，以改進隔板和波導之間的電匹配。
18.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中該波導設置有其第一端與所述測量電路耦合的第二波導件，所述第二波導件具有可與所述天線波導件的開口耦合的第二端，以形成可分開的接合，該介質隔板設置在該天線波導件和該第二波導件之間，以提供所述不導電隔離。
19.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中所述天線波導件具有沿所述相交處延伸的壁，并且所述開口形成為所述壁中的縫。
20.依據(jù)權利要求1至9中任一權利要求的雷達水平計，其中所述相交處包括在相交面中。
21.依據(jù)權利要求1-20中任一權利要求的雷達水平計，其中，和該介質隔板相鄰，該天線波導件設置有至少一個用微波衰減材料做成的、用于吸收微波能量的微波密封單元。
22.依據(jù)權利要求21或權利要求1-19中任一權利要求的雷達水平計，其中所述至少一個微波密封單元還提供壓力密封。
23.一種用于把和天線耦合的波導與用來測量罐中產品表面的水平的雷達水平計的測量電路不導電地分離的方法，該方法包括步驟通過天線向該表面發(fā)送微波并接收該表面反射的微波，通過空心波導從所述測量電路向所述天線饋送微波，對所述波導設置其一端可和該天線耦合的天線波導件，沿著和該天線波導件的相交線為該天線波導件的另一端設置開口，沿著與所述天線波導件的所述開口相交的所述相交線設置介質隔板，把所述介質隔板設置成具有在朝著該天線波導件的方向上面對著該波導的第一側，以及把所述介質隔板設置成具有面對著基本上離開所述天線波導件的方向的第二側。
24.權利要求23的方法，還包括步驟在所述第二側上設置微波饋送器。
25.權利要求22或23的方法，還包括步驟在所述介質隔板的一側上設置波導端件，所述端件相對著該介質隔板的所述第二側。
26.權利要求23或24的方法，還包括步驟在該介質隔板和該天線波導件之間設置密封裝置，以防止罐的內、外之間的泄漏。
27.上述各方法權利要求中任一權利要求的方法，還包括步驟對該波導設置第二波導件，該第二波導件的第一端和所述測量電路耦合，使所述第二波導件的第二端和所述天線波導件的開口耦合，以形成可分離接合，把所述介質隔板設置在該天線波導件和該第二波導件之間以充當所述不導電分離。
28.權利要求23或27的方法，還包括步驟用所述介質隔板覆蓋該天線波導件的整個開口。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用微波測量罐(11)中產品(12)表面(16)的水平的雷達水平計(13)，其包括對該表面發(fā)送微波并接收該表面反射的微波的天線(15)，通過空心波導對所述天線饋送的測量電路，并且所述波導包括至少一個其一端可和天線(15)耦合、另一端在與該波導相交的相交處上具有開口的天線波導件(21)，其中該雷達水平計還包括沿與所述天線波導件(21)的開口相交的相交處延伸的介質隔板(25)，用于不導電地分離所述天線波導件和測量電路，所述介質隔板(25)具有在朝著該天線波導件(21)的方向上面對著該波導的第一側，并且所述介質隔板(25)具有面對著基本上離開所述天線波導件的方向的第二側。
文檔編號G01S13/00GK1864049SQ200480029031
公開日2006年11月15日 申請日期2004年10月19日 優(yōu)先權日2003年10月20日
發(fā)明者庫特·奧羅夫·埃德沃德森, 馬格努斯·奧爾森, 安德斯·吉斯庫格 申請人:Saab羅斯蒙特儲罐雷達股份公司