單導(dǎo)體探頭雷達(dá)物位計系統(tǒng)以及罐布置的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包括單導(dǎo)體探頭的雷達(dá)物位計系統(tǒng)以及罐布置，該罐布置包括具有管狀安裝結(jié)構(gòu)的罐和附接至該管狀安裝結(jié)構(gòu)的雷達(dá)物位計系統(tǒng)，使得單導(dǎo)體探頭穿過該管狀安裝結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]雷達(dá)物位計(RLG)系統(tǒng)廣泛用于確定罐中容納的物品的填充物位。雷達(dá)物位計量通常借助于非接觸式測量或者借助于通常被稱為導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)的接觸式測量來執(zhí)行，在非接觸式測量中朝向罐中容納的物品輻射電磁信號，在接觸式測量中通過充當(dāng)波導(dǎo)裝置的傳輸線探頭引導(dǎo)電磁信號朝向物品并將其導(dǎo)入物品中。探頭通常被布置成從罐的頂部朝向罐的底部豎直延伸。
[0003]電磁發(fā)射信號由收發(fā)器生成并通過探頭朝向罐中物品的表面進(jìn)行傳播，并且由于在所述表面處對發(fā)射信號的反射而產(chǎn)生的電磁反射信號被反向傳播朝向收發(fā)器。
[0004]可以基于發(fā)射信號和反射信號確定與物品的表面的距離。
[0005]通常，發(fā)射信號不僅在由罐內(nèi)空氣與物品表面之間的界面構(gòu)成的阻抗過渡處反射，而且還在發(fā)射信號遇到的若干個其它阻抗過渡處反射。在GWR系統(tǒng)的情況下，一個這樣的阻抗過渡通常發(fā)生在收發(fā)器與探頭之間的連接處。通常，收發(fā)器位于罐的外部，并且經(jīng)由穿過罐的壁(通常為頂部)的饋孔(feed-through)連接至探頭。
[0006]這樣的饋孔通常由同軸線構(gòu)成，所述同軸線具有作為其內(nèi)部導(dǎo)體的探頭、作為其外部導(dǎo)體的罐壁或附接至罐的連接件以及設(shè)置在內(nèi)部導(dǎo)體與外部導(dǎo)體之間的介電構(gòu)件。
[0007]由于對于在機械上充分強壯的內(nèi)部導(dǎo)體與實際的外部導(dǎo)體直徑的組合需要，遠(yuǎn)高于約50Ω的饋孔阻抗幾乎是不可行的。因此，由于饋孔的結(jié)構(gòu)，饋電裝置的阻抗通常與典型的同軸線纜的阻抗相似，也就是約50 Ω。
[0008]雷達(dá)物位計系統(tǒng)通常安裝在從罐的頂部基本上豎直向上延伸的管狀安裝結(jié)構(gòu)上。這樣的安裝結(jié)構(gòu)(通常被稱為“管嘴”)可以為焊接至罐并且在其上端裝備有法蘭以使得能夠附接儀器(諸如雷達(dá)物位計系統(tǒng)或盲板法蘭)的管道。管狀安裝結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑通?？梢栽?.lm與0.2m之間，并且通常長度可以為大約0.5m。在包括管狀安裝結(jié)構(gòu)(管嘴)的罐布置中，通常在安裝結(jié)構(gòu)的上端處將探頭機械地連接至罐，并且探頭在進(jìn)入罐本身之前穿過安裝結(jié)構(gòu)、通過安裝結(jié)構(gòu)的下端。在安裝結(jié)構(gòu)的上端，可以通過穿過罐邊界的饋孔將探頭電連接至雷達(dá)物位計系統(tǒng)的收發(fā)器。
[0009]對于有時也稱為古搏探頭(Goubau probe)的單導(dǎo)體探頭，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由探頭引導(dǎo)的電磁信號的傳播受到管狀安裝結(jié)構(gòu)影響，尤其在管狀安裝結(jié)構(gòu)相對窄且高的情況下。
[0010]管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的單導(dǎo)體探頭不具有表面波導(dǎo)裝置的特性，而是取決于管狀安裝結(jié)構(gòu)的尺寸實際上如同具有信號傳播特性的同軸傳輸線。特別地，管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳輸線的阻抗可以為150Ω的量級并且可以隨安裝變化。因此，將在饋孔與管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的界面處存在第一阻抗級，并且在管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端處存在第二阻抗級。
[0011]管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端處的相對大的阻抗級(約150 Ω至約370 Ω )可能干擾接近管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端的填充物位的測量。事實上，由于以上提及的阻抗級所產(chǎn)生的不匹配回波可能比來自油表面的回波更強。另外，在饋孔處的阻抗過渡與在管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端處的阻抗過渡之間的多次反射可能導(dǎo)致額外的回波信號，該回波信號可能干擾遠(yuǎn)低于管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端處的填充物位測量。
[0012]根據(jù)US6690320，通過在管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置同軸線纜延伸件直至探頭離開管狀安裝結(jié)構(gòu)之后為止，以使得具有同軸延伸件的探頭與收發(fā)器和探頭之間的饋線具有相同的阻抗(約50Ω)，來解決由管狀安裝結(jié)構(gòu)的端部處的反射所引起的問題。使用這樣的配置，實際上在管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部不存在單導(dǎo)體探頭，而單導(dǎo)體探頭開始于管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端以下同軸延伸件結(jié)束處。結(jié)果，將僅存在一個大的阻抗級，但由于該阻抗級位于管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端以下，所以罐頂部的不能執(zhí)行可靠的填充物位測量的區(qū)域(所謂的死區(qū))將開始于同軸延伸件的端部(在管狀安裝結(jié)構(gòu)以下)，并且將仍然是有意義的。此外，存在因同軸延伸件的端部處的強反射導(dǎo)致的嚴(yán)重的信號損失，這限制了最大可測量距離。一些信號還將找到其直到管狀安裝結(jié)構(gòu)(管嘴)中的路徑，并且進(jìn)一步干擾回波情況。
[0013]為了改進(jìn)上述情況，EP2490040公開了一種包括單導(dǎo)體探頭和被提供給探頭并沿探頭的一部分延伸的阻抗匹配配置的雷達(dá)物位計系統(tǒng)。阻抗匹配布置具有徑向延伸，該徑向延伸可以為恒定的或者隨著管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的第一變化率而改變，并且隨著與具有第二負(fù)變化率的管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端的距離的增加而改變。阻抗匹配布置(介電套管)降低阻抗并且局部減小由于在管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)射的電磁信號所產(chǎn)生的電磁場的徑向延伸，于是提供從管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)的阻抗到罐本身中的探頭的阻抗的阻抗的逐漸改變，該探頭在管狀安裝結(jié)構(gòu)的下端以下。
[0014]盡管根據(jù)EP2490040的方案提供了在確定接近罐頂部的填充物位時的改進(jìn)，并且使得能夠測量管狀安裝結(jié)構(gòu)(管嘴)的至少下部中的填充物位，但是期望提供管嘴中較高填充物位的改進(jìn)的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]鑒于以上內(nèi)容，本發(fā)明的總體目的是提供改進(jìn)的雷達(dá)物位計系統(tǒng)和罐布置，特別是使用延伸穿過罐的頂部處的管狀安裝結(jié)構(gòu)的單導(dǎo)體探頭來提供管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的填充物位的改進(jìn)的測量。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過用于確定罐中的物品的填充物位的雷達(dá)物位計系統(tǒng)來實現(xiàn)這些和其它目的，該罐具有從罐的頂部基本上豎直向上延伸的管狀安裝結(jié)構(gòu)，該雷達(dá)物位計系統(tǒng)包括:收發(fā)器，其布置在所述罐的外部以生成、發(fā)射以及接收電磁信號；單導(dǎo)體探頭，其布置在所述罐的內(nèi)部并且經(jīng)由布置在所述安裝結(jié)構(gòu)的上端處的饋孔電連接至收發(fā)器，所述單導(dǎo)體探頭朝向罐中的物品基本上豎直地延伸穿過所述安裝結(jié)構(gòu)、通過所述安裝結(jié)構(gòu)的下端并進(jìn)入到罐中的物品中，以用于朝向物品的表面引導(dǎo)來自所述收發(fā)器的電磁發(fā)射信號穿過罐的空氣，并且用于朝向所述收發(fā)器返回由于所述發(fā)射信號在所述表面處的反射而產(chǎn)生的電磁表面反射信號；導(dǎo)電屏蔽結(jié)構(gòu)，其與所述單導(dǎo)體探頭徑向間隔開并且在所述安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿所述單導(dǎo)體探頭的頂部部分延伸并通過所述安裝結(jié)構(gòu)的下端；以及處理電路，其連接至所述收發(fā)器以基于所述發(fā)射信號和所述表面反射信號來確定填充物位，其中所述屏蔽結(jié)構(gòu)至少部分地包圍所述單導(dǎo)體探頭的頂部部分并且沿徑向方向敞開以允許物品進(jìn)入，從而使得能夠測量與所述探頭的頂部部分對應(yīng)的填充物位，所述屏蔽結(jié)構(gòu)包括在所述安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿所述單導(dǎo)體探頭延伸的第一部分以及在所述安裝結(jié)構(gòu)的下端以下沿所述單導(dǎo)體探頭延伸的第二部分；其中所述屏蔽結(jié)構(gòu)在與所述單導(dǎo)體探頭的延伸垂直的橫截面中呈現(xiàn)了如下角:在所述第一部分中呈現(xiàn)大于180°的、圍繞所述單導(dǎo)體探頭的總包圍弧角；以及在第二部分中呈現(xiàn)隨著與所述安裝結(jié)構(gòu)的下端的距離增加而減小的、圍繞所述單導(dǎo)體探頭的總包圍弧角。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，通過罐布置來實現(xiàn)以上提及的目的和其它目的，該罐布置包括:罐，其具有從罐的頂部基本上豎直向上延伸的管狀安裝結(jié)構(gòu)，該罐容納待計量的物品；以及雷達(dá)物位計系統(tǒng)，其用于確定罐中容納的物品的填充物位，該雷達(dá)物位計系統(tǒng)包括:收發(fā)器，其布置在罐的外部用于生成、發(fā)射以及接收電磁信號；單導(dǎo)體探頭，其布置在罐的內(nèi)部并且經(jīng)由布置在安裝結(jié)構(gòu)的上端處的饋孔電連接至收發(fā)器，該單導(dǎo)體探頭朝向罐中的物品基本上豎直延伸穿過安裝結(jié)構(gòu)、通過安裝結(jié)構(gòu)的下端并進(jìn)入到罐中的物品中，以用于朝向物品的表面引導(dǎo)來自收發(fā)器的電磁發(fā)射信號穿過罐的空氣，并且用于朝向收發(fā)器返回由于發(fā)射信號在所述表面處的反射而產(chǎn)生的電磁表面反射信號；導(dǎo)電屏蔽結(jié)構(gòu)，其與單導(dǎo)體探頭徑向間隔開并且在安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿單導(dǎo)體探頭的頂部部分延伸并通過安裝結(jié)構(gòu)的下端；以及處理電路，其連接至收發(fā)器以用于基于發(fā)射信號和表面反射信號來確定填充物位，其中屏蔽結(jié)構(gòu)至少部分地包圍單導(dǎo)體探頭的頂部部分并且沿徑向方向敞開以允許物品進(jìn)入，從而使得能夠測量與探頭的頂部部分對應(yīng)的填充物位，屏蔽結(jié)構(gòu)包括在安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿單導(dǎo)體探頭延伸的第一部分以及在安裝結(jié)構(gòu)的下端以下沿單導(dǎo)體探頭延伸的第二部分；其中屏蔽結(jié)構(gòu)在與單導(dǎo)體探頭的延伸垂直的橫截面中呈現(xiàn)如下角:在第一部分中呈現(xiàn)大于180°的、圍繞單導(dǎo)體探頭的總包圍弧角；以及在第二部分中呈現(xiàn)隨著與安裝結(jié)構(gòu)下端的距離增加而減小的、圍繞單導(dǎo)體探頭的總包圍弧角。
[0018]屏蔽結(jié)構(gòu)沿徑向方向敞開以允許物品進(jìn)入，使得物品充分接近單導(dǎo)體探頭，從而即使當(dāng)物品的表面比屏蔽結(jié)構(gòu)的下端高時表面處的阻抗過渡導(dǎo)致可測的回波信號。例如，單導(dǎo)體探頭與屏蔽結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁之間的空間可以為基本上空的，或者可以部分地填充有介電質(zhì)，只要物品可以充分接近單導(dǎo)體探頭即可。
[0019]罐可以為能夠容納物品的任何容器或者器皿。
[0020]“收發(fā)器”可以為能夠發(fā)射和接收電磁信號的一個功能單元，或者可以為包括獨立的發(fā)射器單元和接收器單元的系統(tǒng)。
[0021]單導(dǎo)體探頭可以為基本上剛性或柔性的，并可以由金屬(例如不銹鋼)制成。
[0022]當(dāng)雷達(dá)物位計系統(tǒng)被布置成使得探頭通過罐的管狀安裝結(jié)構(gòu)(管嘴)時，探頭將在管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部的罐內(nèi)以及在管狀安裝結(jié)構(gòu)以下但管狀安裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從探頭到管狀安裝結(jié)構(gòu)的壁(導(dǎo)電)的距離將比探頭與管狀安裝結(jié)構(gòu)的