導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種用于確定容納在罐中的物品的填充物位的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：罐，其具有內(nèi)壁、頂部和底部；收發(fā)器，其用于發(fā)射電磁發(fā)射信號(hào)并接收在物品的表面處反射的反射電磁信號(hào)；表面波導(dǎo)，其包括單導(dǎo)體傳輸線探針，表面波導(dǎo)連接至收發(fā)器、被布置成豎直延伸到罐中并且被配置成朝向表面導(dǎo)引電磁發(fā)射信號(hào)并將反射電磁信號(hào)導(dǎo)引回到收發(fā)器；處理電路，其連接至收發(fā)器并被配置成基于所接收的反射電磁信號(hào)確定填充物位；以及多個(gè)保持元件，其被布置成位于關(guān)于罐的內(nèi)部的固定位置中并沿探針間隔開(kāi)，其中，保持元件中的每個(gè)限定探針，并且被配置成允許探針相對(duì)于該保持元件在豎直方向上移動(dòng)以及限制探針相對(duì)于該保持元件在水平方向上移動(dòng)。
【專利說(shuō)明】導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種使用電磁波來(lái)確定距容納在罐中的物品的表面的距離的物位計(jì)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]微波物位計(jì)或雷達(dá)物位計(jì)(RLG)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于確定容納在罐中的物品的填充物位。雷達(dá)物位計(jì)量可以例如通過(guò)非接觸測(cè)量來(lái)執(zhí)行，從而朝向容納在罐中的物品輻射電磁信號(hào)。
[0003]所發(fā)射的電磁信號(hào)在物品的表面處被反射，并且通過(guò)包括在雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)中的接收器或收發(fā)器來(lái)接收反射信號(hào)?？梢曰诎l(fā)射信號(hào)和反射信號(hào)來(lái)確定距物品的表面的距離。例如可以基于接收到的反射信號(hào)的飛行時(shí)間(time of flight)來(lái)確定距離。
[0004]在用于液態(tài)石油物品的填充物位監(jiān)測(cè)和密閉輸送控制的海洋應(yīng)用中使用雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)。例如，主要包括甲烷和乙烷的天然氣通常在被布置成保持低于該物品的沸點(diǎn)的溫度的大冷卻罐中以液體形式在低溫下進(jìn)行運(yùn)輸。也被稱為液化石油氣(LPG)的重?zé)N(例如丁烷和丙烷)可以在被配置成經(jīng)受得住通常施加于液化LPG的高壓的基本上呈球形的壓力罐中以液體形式進(jìn)行運(yùn)輸。
[0005]由于液化天然器(LNG)和LPG的相對(duì)低的反射率，由自由輻射天線發(fā)射的信號(hào)可能導(dǎo)致太小而無(wú)法檢測(cè)的反射信號(hào)。這可能會(huì)例如在從收發(fā)器到物品的距離太大的情況下或在物品的表面被干擾使得信號(hào)當(dāng)在表面處反射時(shí)被分散(scatter)的情況下發(fā)生。
[0006]為了在大罐中以及在困難的測(cè)量條件下同樣便利雷達(dá)物位計(jì)測(cè)量，已知使用所謂的靜止管道(still pipe)，其中在大罐處，天線與表面之間的距離可能相當(dāng)大，典型地為數(shù)十米的量級(jí)。
[0007]例如W02007/049966公開(kāi)了在用于測(cè)量LNG的物位的雷達(dá)物位計(jì)中使用靜止管道。該靜止管道與罐中的物品流體連通，并且可以通過(guò)確定在靜止管道內(nèi)的物品的物位來(lái)確定填充物位。通過(guò)在靜止管道內(nèi)發(fā)射信號(hào)，所發(fā)射的電磁信號(hào)的能量在管內(nèi)集中至表面的一小部分。因此，降低了信號(hào)功率的損失，并且便利了在更長(zhǎng)距離上以及更困難的測(cè)量條件下的測(cè)量。
[0008]另外，在海洋應(yīng)用中，大浪狀態(tài)會(huì)引起罐中的液體的移動(dòng)，而這又導(dǎo)致對(duì)位于罐中的結(jié)構(gòu)施加相當(dāng)大的機(jī)械力。因此，布置在罐中的靜止管道需要能夠經(jīng)受得住相當(dāng)大的力的支承結(jié)構(gòu)。
[0009]此外，靜止管道需要大量材料，這使得靜止管道昂貴，并且將靜止管道安裝在大罐中可能比較復(fù)雜。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的以上提及的缺點(diǎn)和其他缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的總體目的是提供一種改進(jìn)的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，并且特別地提供一種用于罐中的流體的填充物位確定的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)。
[0011]根據(jù)本實(shí)用新型的第一方面，這些目的和其他目的通過(guò)用于確定容納在罐中的物品的填充物位的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，所述物位計(jì)系統(tǒng)包括:罐，具有內(nèi)壁、頂部和底部；收發(fā)器，用于發(fā)射電磁發(fā)射信號(hào)以及接收在所述物品的表面處反射的反射電磁信號(hào)；表面波導(dǎo)，包括單導(dǎo)體傳輸線探針，所述表面波導(dǎo)連接至收發(fā)器、被布置成豎直延伸到罐中并且被配置成朝向所述表面導(dǎo)引電磁發(fā)射信號(hào)并將反射電磁信號(hào)導(dǎo)引回到收發(fā)器；處理電路，連接至收發(fā)器并且被配置成基于所接收的反射電磁信號(hào)確定填充物位；以及多個(gè)保持元件，被布置成位于關(guān)于罐的內(nèi)部的固定位置中并沿所述探針間隔開(kāi)，其中，每個(gè)保持元件限定所述探針，并被配置成允許所述探針相對(duì)于保持元件在豎直方向上移動(dòng)以及限制所述探針相對(duì)于保持元件在水平方向上移動(dòng)。
[0012]“收發(fā)器”可以是能夠發(fā)射和接收電磁信號(hào)的一種功能單元，或者可以是包括獨(dú)立的發(fā)射器單元和接收器單元的系統(tǒng)。
[0013]罐可以是能夠容納物品的任何容器或器皿，并且可以是金屬的或者部分或完全非金屬的。
[0014]本實(shí)用新型基于如下理解:通過(guò)使用機(jī)械保持元件來(lái)使探針對(duì)準(zhǔn)，可以將使用線針(wire probe)的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)有利地用于確定罐中的流體物品的填充物位，并且特別地用于確定海船上的罐中的液化天然氣(LNG)或石油天然氣(LPG)的填充物位。在不同類型的罐(3米至10米高，基本上無(wú)液體的移動(dòng))中，線(wire)可以從罐頂部延伸至底部而不需要支承。在有時(shí)具有大的液體移動(dòng)的LNG船上的深罐(MO米)中，線必須機(jī)械支承在若干個(gè)點(diǎn)上。
[0015]相應(yīng)地，本實(shí)用新型基于對(duì)附接至支撐結(jié)構(gòu)并沿探針的長(zhǎng)度間隔開(kāi)的多個(gè)機(jī)械保持元件的使用。將探針布置成被保持元件所限定，使得允許探針在豎直方向上的移動(dòng)而限制在水平方向上的移動(dòng)。因此，如果線針遭受例如來(lái)自罐內(nèi)的液體移動(dòng)的具有水平力分量的外部機(jī)械力，則該力被沿探針的長(zhǎng)度而分布的保持元件中的一個(gè)或更多個(gè)所承受，從而降低了機(jī)械力變得如此之大以至于線針損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
[0016]由于LNG和LPG典型地在低溫下以液體形式進(jìn)行運(yùn)輸，例如甲烷典型地在其大約-162°C的沸點(diǎn)下進(jìn)行運(yùn)輸，所以空罐和填充罐之間的溫差可以高達(dá)200°C。因此，對(duì)于具有數(shù)十米的量級(jí)的長(zhǎng)度的探針，當(dāng)罐被填充和被倒空時(shí)可能產(chǎn)生相當(dāng)大的熱膨脹和熱收縮。例如，在45米高的罐中，可能產(chǎn)生探針的5cm至1cm的熱膨脹。因此，必須允許探針關(guān)于保持元件的特定量的豎直移動(dòng)。另外，可能會(huì)期望能夠簡(jiǎn)單地改變探針，而這一點(diǎn)在保持元件沒(méi)有被機(jī)械地附接至探針時(shí)是可能的。
[0017]本實(shí)用新型的另外的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)不使用靜止管道而大幅度降低了雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)中使用的材料量。
[0018]此外，使用具有單導(dǎo)體傳輸線探針的導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)系統(tǒng)代替包括靜止管道的自由輻射系統(tǒng)使得能夠使用不同的信號(hào)傳送方案，諸如例如調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)系統(tǒng)。
[0019]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，多個(gè)保持元件中的至少一個(gè)可以有利地附接至與探針基本上平行延伸的支承結(jié)構(gòu)。根據(jù)本實(shí)用新型的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)中的支承結(jié)構(gòu)不須經(jīng)受與靜止管道的支承結(jié)構(gòu)等量的力，從而使得能夠降低使用的材料量或者以其他方式簡(jiǎn)化支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
[0020]另外，這樣的支承結(jié)構(gòu)可以例如為附接至罐的頂部并且從罐的頂部基本上豎直延伸的支承塔。用于容置物品(例如LNG或LPG)的罐通常與連接至罐的頂部的支承塔在一起。在這樣的情況下，支承塔可以容納用于監(jiān)測(cè)罐的狀態(tài)的各種傳感器。如果存在這樣的支承塔，則有利的是將保持元件直接附接至該塔，使得不需要另外的支承結(jié)構(gòu)。
[0021]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，保持元件可以有利地包括電絕緣材料。為了避免探針在與保持元件物理接觸時(shí)電氣短路，保持元件有利地為電流絕緣的，或至少與可以安裝保持元件的導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)電流絕緣。
[0022]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，探針可以有利地為柔性線針。例如在容置液體物品(例如LNG)的大罐中使用GWR系統(tǒng)的柔性線針。另外，使用柔性線針允許保持元件的不同有利配置，而這些配置在使用剛性探針的情況下可能是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。此外，柔性線針可以更容易地經(jīng)受得住作用在探針上的力?？梢岳缫詫?shí)芯線或絞線的形式來(lái)提供柔性線針，并且探針可以由金屬(例如不銹鋼)制成。
[0023]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，每個(gè)保持元件可以有利地包括關(guān)于探針而豎直間隔開(kāi)的至少第一電絕緣接觸部分和第二電絕緣接觸部分，其中每個(gè)接觸部分被配置成在沿探針的接觸位置處與探針接觸，并且其中，相鄰接觸位置之間的距離約等于發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一。由于期望將探針保持在關(guān)于保持元件的基本上固定的水平位置中以使得探針可以作用于保持元件的力被維持在最小，所以保持元件可以被布置為使得保持元件的部分與探針接觸。因此，電絕緣接觸部分被布置成從不同方向接觸探針，使得防止探針移動(dòng)。然而，與探針接觸的對(duì)象、甚至是絕緣對(duì)象也將會(huì)導(dǎo)致沿探針傳播的信號(hào)的特定反射。源自保持元件的反射可能使得更難以識(shí)別表面回波(即來(lái)自罐中的物品的表面的回波)，而需要該回波來(lái)用于確定罐中的填充物位。在最壞情況的場(chǎng)景下，當(dāng)要確定罐中的物品的填充物位時(shí)，這樣的干擾回波(spur1us echo)可引起錯(cuò)誤讀數(shù)。因此，為了保持良好的測(cè)量精度，保持元件必須被設(shè)計(jì)成不干擾填充物位測(cè)量，即，來(lái)自保持元件的回波必須比來(lái)自罐中的物品的液面的回波弱得多。
[0024]然而，通過(guò)將第一電絕緣部分與第二電絕緣部分布置成彼此相距與沿探針傳播的信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一相對(duì)應(yīng)的豎直距離，來(lái)自第一接觸部分和第二接觸部分的回波將被疊加，并且通過(guò)負(fù)干涉(negative interference)或相消干涉(destructiveinterference)而被有效地抑制。在本文中相消干涉是指下述現(xiàn)象:兩個(gè)周期波(一個(gè)發(fā)生了相移)被疊加，以使得形成具有比原始信號(hào)中的每個(gè)信號(hào)低的幅度的所產(chǎn)生的信號(hào)。
[0025]相應(yīng)地，通過(guò)保持元件的接觸部分的上述布置，可以降低來(lái)自保持元件的所產(chǎn)生的回波信號(hào)的幅度。信號(hào)的波長(zhǎng)例如基于信號(hào)的中心頻率來(lái)確定。
[0026]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)保持元件可以有利地包括:第一接觸部分，被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第一反射信號(hào)；第二接觸部分，被布置在第一接觸部分之下，并被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第二反射信號(hào)；以及第三接觸部分，被布置在第二接觸部分之下，并被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第三反射信號(hào)；其中，這些接觸部分被進(jìn)一步配置為使得第一反射信號(hào)和第三反射信號(hào)中的每個(gè)的幅度約為第二反射信號(hào)的幅度的一半。通過(guò)配置這些接觸部分使得幅度根據(jù)不同的接觸部分而不同，可以使用三個(gè)接觸部分來(lái)實(shí)現(xiàn)由保持元件反射而產(chǎn)生的回波信號(hào)的甚至進(jìn)一步降低。該原理與以上結(jié)合包括兩個(gè)接觸部分的保持元件所描述的是相同的，不同之處在于三個(gè)不同信號(hào)被疊加以實(shí)現(xiàn)相消干涉。使用三個(gè)接觸部分實(shí)現(xiàn)三個(gè)回波信號(hào)的附加優(yōu)點(diǎn)是增加了衰減(damping)的帶寬。因此，由于用于物位計(jì)量的信號(hào)通常具有特定帶寬，所以優(yōu)化包括兩個(gè)接觸部分的保持元件以獲得中心頻率處的衰減將不可避免地導(dǎo)致信號(hào)的中心頻率以外的部分將較少衰減。因此，通過(guò)使用包括三個(gè)接觸部分的保持元件，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的與中心頻率偏離的部分的更有效衰減。
[0027]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，第一接觸部分被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第一反射信號(hào)；第二接觸部分被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第二反射信號(hào)；保持元件還包括:第三接觸部分，被布置在第二接觸部分之下約等于發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一的距離處，并被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第三反射信號(hào)；第四接觸部分，被布置在第三接觸部分之下約等于發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一的距離處，并被配置成對(duì)發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第四反射信號(hào)；其中，這些接觸部分被配置使得:第一反射信號(hào)的幅度等于第四反射信號(hào)的幅度，第二反射信號(hào)的幅度等于第三反射信號(hào)的幅度，并且第一反射信號(hào)和第四反射信號(hào)的幅度約為第二反射信號(hào)和第三反射信號(hào)的幅度的三分之一。以與上述方式相同的方式，使用四個(gè)接觸部分進(jìn)一步改進(jìn)了衰減的帶寬。然而，自然地存在回波信號(hào)的衰減與信號(hào)的整體衰減之間的權(quán)衡。使用越多的接觸部分，則信號(hào)的整體衰減就變得越大。因此，針對(duì)特定應(yīng)用的保持元件的配置優(yōu)選地基于如下因素來(lái)確定:例如總發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度、待計(jì)量的物品的反射特性、以及接收器中的信號(hào)處理電路的靈敏度。
[0028]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，保持元件可以有利地包括多個(gè)銷，這些銷在豎直方向上間隔開(kāi)，并被布置為使得在水平面上的投影中每個(gè)銷與至少一個(gè)其他銷交疊。由上可見(jiàn)，在這樣的配置中的兩個(gè)銷將會(huì)由此形成V-形或X-形。
[0029]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，保持元件的每個(gè)銷可以有利地被陶瓷殼包圍。如稍早所討論的，在特定應(yīng)用中期望保持元件的電絕緣特性。通過(guò)使用用于每個(gè)銷或用于保持元件的陶瓷殼或者任意形狀的電絕緣接觸部分，提供了電絕緣的并且具有機(jī)械復(fù)原性的絕緣體。特別地，在探針例如由于熱膨脹和熱收縮而靠著保持元件的接觸部分規(guī)則地滑動(dòng)的應(yīng)用中，期望接觸部分的絕緣體不容易被磨損。因此，陶瓷殼還由于其對(duì)磨損能夠復(fù)原而提供了有利的機(jī)械特性。
[0030]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，柔性材料有利地布置在銷或其他類型的保持元件與陶瓷殼之間。柔性材料有助于減小作用在作為整體的保持元件、并且從而作用在支承結(jié)構(gòu)上的力，這是因?yàn)樘结樋勺饔迷诒３衷系牧Φ囊徊糠直蝗嵝圆糠炙惺懿⑽铡Ｈ嵝圆糠挚梢詾楣腆w柔性材料(例如橡膠、塑料等)，或者柔性部分可以為彈簧布置。
[0031]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例，保持元件的第一部分相對(duì)于保持元件的第二部分在豎直方向上有利地間隔開(kāi)，以在第一部分與第二部分之間形成開(kāi)口，使得探針能夠被橫向插入穿過(guò)開(kāi)口而進(jìn)入到由保持元件限定的區(qū)域中。因此，提供了這樣的保持元件:其允許穿過(guò)保持元件的不同部分的開(kāi)口來(lái)容易地安裝柔性探針。
[0032]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，保持元件可以被提供為螺旋形式，這是用于限制探針的水平移動(dòng)同時(shí)允許柔性探針容易安裝的簡(jiǎn)單構(gòu)造。
[0033]在本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，保持元件可以有利地包括固定附接至探針的電絕緣夾持部分和附接至支承結(jié)構(gòu)的柔性部分，其中，柔性部分至少在與該探針的豎直延伸平行的方向上為柔性的。
[0034]根據(jù)本實(shí)用新型的各個(gè)實(shí)施例的保持元件可以例如附接至罐的側(cè)壁。因此，不需要用于實(shí)現(xiàn)限制探針?biāo)揭苿?dòng)的期望功能的附加支承結(jié)構(gòu)。
[0035]在本實(shí)用新型的各個(gè)實(shí)施例中，探針可以附接至該罐的底部。在這樣的實(shí)施例中，探針和/或附接必須被配置成允許探針的熱膨脹/收縮。
[0036]可替代地，探針可以包括附接至探針的端部的底部負(fù)重，以用于穩(wěn)定探針。
[0037]當(dāng)研究所附權(quán)利要求和以下描述時(shí)，本實(shí)用新型的另外的特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識(shí)到，本實(shí)用新型的不同特征可以進(jìn)行組合，以在不脫離本實(shí)用新型的范圍的情況下得到除了以下描述的實(shí)施例之外的實(shí)施例。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0038]現(xiàn)在將參照示出了本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例的附圖來(lái)更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型的這些方面和其他方面，在附圖中:
[0039]圖1示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的系統(tǒng)；
[0040]圖2是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)的一部分的示意圖；
[0041]圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的保持元件的示意圖；
[0042]圖4A至圖4E示出了根據(jù)本實(shí)用新型的各個(gè)實(shí)施例的保持元件；
[0043]圖5A至圖5B是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的保持元件的示意圖；
[0044]圖6A至圖6B是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的保持元件的示意圖；
[0045]圖7是示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的各個(gè)實(shí)施例的保持元件的反射特性的曲線圖；以及
[0046]圖8示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的系統(tǒng)。

【具體實(shí)施方式】
[0047]在本詳細(xì)描述中，主要參照包括單導(dǎo)體傳輸線探針的導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)物位計(jì)系統(tǒng)來(lái)討論根據(jù)本實(shí)用新型的系統(tǒng)的各個(gè)實(shí)施例，其中該單導(dǎo)體傳輸線探針用于朝向容納在罐中的物品的表面導(dǎo)引電磁信號(hào)。經(jīng)典的GWR系統(tǒng)使用TDR原理，其中Ins脈沖的序列占用約0.1GHz至IGHz的頻譜范圍。還可以使用采用載波的脈沖式系統(tǒng)或者FMCW系統(tǒng)，其中該載波例如使用如IGHz至2GHz的頻率范圍。根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的系統(tǒng)將改進(jìn)所有情況下的情形，但是針對(duì)較寬的頻率范圍較難獲得整個(gè)頻帶上的良好匹配。
[0048]圖1示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)和罐102。在此罐102被表示為通常在海洋應(yīng)用中用于存儲(chǔ)和運(yùn)輸液化天然氣的類型的、基本上呈球形的罐102。實(shí)踐中，圖1所示的類型的若干個(gè)罐可被布置在海洋運(yùn)輸船上。因此，大浪狀態(tài)將引起罐102中的物品104的移動(dòng)，這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致對(duì)支承塔106以及對(duì)探針108都施加相當(dāng)大的力。雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)的電子裝置如框110所示通常布置在罐的外部。圖1還示出了探針108可以如何被布置成穿過(guò)機(jī)械附接至支承塔的多個(gè)保持元件112，以使得探針108在豎直方向上自由移動(dòng)在水平方向上的移動(dòng)受到限制。因此，由保持元件112承受在水平方向上作用在探針108上的力。而且，取決于相鄰保持元件之間的距離，可以控制探針本身承受的力。因此，通過(guò)減小保持元件之間的距離，探針108承受更小的力。
[0049]探針的另外示例為具有兩個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)體(例如平行傳輸線或同軸線)的傳輸線探針。針對(duì)使用IGHZ以下(具有300mm以上的波長(zhǎng))的信號(hào)的實(shí)際物位計(jì)量應(yīng)用，通常使用直徑為3mm至20mm的傳輸線。探針的其他示例包括表面波導(dǎo)(SWG)，例如單線傳輸線(高保(Goubau)探針)或具有或不具有介質(zhì)膜的管。表面波導(dǎo)與波長(zhǎng)相比可以很薄；針對(duì)IGHz以下的使用，4_至8mm是常見(jiàn)的SWG直徑。探針可以由金屬(例如不銹鋼)、塑料(例如PTFE)或其組合制成。
[0050]以下將給出示例，以示出與不使用保持元件的情況相比，使用線針和保持元件的效果。實(shí)踐中，必須針對(duì)要使用探針和系統(tǒng)的具體應(yīng)用和條件來(lái)執(zhí)行仔細(xì)的強(qiáng)度計(jì)算，以下內(nèi)容應(yīng)當(dāng)被視作非限制性示例。
[0051]在與圓柱體軸(中心軸)垂直的方向上作用于形成具有特定速度的流動(dòng)液體，的該圓柱體上的力可以被確定為F = Acp v2/2，其中，P為流體的密度(針對(duì)石油物品約為800kg/m3), c為在假設(shè)流為線性的情況下等于0.6的形式常量(form constant)。A是從側(cè)部觀察的探針的面積，即針對(duì)具有6mm直徑和45m長(zhǎng)度L的探針，A等于0.27m2。假設(shè)在整個(gè)探針上流體流的最大速度為6m/s，則作用在探針上的水平力T將為T(mén) = 2.3kN。速度僅是基于如下假設(shè)的估計(jì):在船的可以約為7s至8s的一個(gè)“搖擺周期”內(nèi)流體可以從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。速度在局部可以更高，但是另一方面，不預(yù)期速度在探針的全部延伸中相等?；诓讳P鋼的特性，探針可以經(jīng)受的拉伸力約為200N/mm2。針對(duì)具有6mm的直徑的探針，最大可允許拉伸力S于是將為6kN。探針因此將會(huì)在均勻施加的力的情況下呈現(xiàn)拋物線的形式。在此假設(shè)探針機(jī)械附接在罐的頂部和底部，探針附接的端部將隨著可被確定為tan ( α )= 0.5T/S的角度α而向外彎曲。對(duì)于以上給出的數(shù)字，α于是變成11°，并且根據(jù)拋物線形狀，探針的最大位移d可以確定為0.25Ltan(a) = 2m。顯然不期望2m的位移。使用保持元件的形式的支承物，位移顯著降低。使用相鄰支承物之間的距離為4.5m的10個(gè)支承物，替代地位移將為20mm，這是完全可接受的。作用在每個(gè)保持元件上的力于是將變成約230N，這是合理的，并且也是使得能夠設(shè)計(jì)合適的保持元件的力。
[0052]圖2示意性地示出了根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其包括電子單元202和探針108。雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)200被安裝在罐102的頂部的管嘴206上。探針108在進(jìn)入罐本身之前穿過(guò)噴嘴。通過(guò)分析由探針108朝向物品104的表面114導(dǎo)引的發(fā)射信號(hào)St和從表面114行進(jìn)返回的反射信號(hào)SK，測(cè)量電子單元200可以確定參考位置(例如罐頂210)與物品104的表面114之間的距離，從而可以推導(dǎo)出填充物位。應(yīng)當(dāng)注意，盡管在本文中討論容納單一物品104的罐102，但是可以以相似方式測(cè)量沿探針距任何材料界面的距離。
[0053]如圖2中示意性示出的，電子單元202包括用于發(fā)射和接收電磁信號(hào)的收發(fā)器204以及處理單元208，其中處理單元208連接至收發(fā)器204，以用于控制收發(fā)器并且處理由收發(fā)器接收的信號(hào)以確定罐102中的物品104的填充物位。處理單元208還經(jīng)由接口 212可連接至用于模擬和/或數(shù)字通信的外部通信線路210。此外，盡管在圖2中未示出，但是雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)通?？蛇B接至外部電源，或者可以通過(guò)外部通信線路210供電。可替代地，雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)可以被配置成進(jìn)行無(wú)線通信。
[0054]圖3示意性地示出了螺旋形式的保持元件302的示例實(shí)施例。使用螺旋狀保持元件302的優(yōu)點(diǎn)是探針108可以從側(cè)部插入到保持元件302中，這可以簡(jiǎn)化探針的安裝。
[0055]圖4A至圖4D示出了保持元件的替選實(shí)施例。在圖4A中，保持元件402被提供為兩個(gè)弧形或半圓性部分403a和403b的形式，部分403a和403b —起作用以限定探針108使得探針108的水平移動(dòng)受到限制。圖4B示出了保持元件404包括被布置成三角形形狀并且在豎直方向上相互間隔開(kāi)的三個(gè)銷或桿405a-405c。
[0056]在一些應(yīng)用中，可能期望確保探針108關(guān)于保持元件根本不移動(dòng)。例如，沿探針傳播的信號(hào)的傳播特性通常在探針與保持元件接觸的每個(gè)點(diǎn)處將會(huì)是不同的，并且保持元件對(duì)傳播信號(hào)的影響還可取決于探針與保持元件之間的距離。因此，在精度非常重要以及表面回波弱(例如當(dāng)測(cè)量表面可能洶涌的罐中的LNG時(shí)情況就可能是這樣的)的應(yīng)用中，可能期望降低由保持元件產(chǎn)生的干擾回波信號(hào)的變化。解決上述問(wèn)題的一種方式為提供如下保持元件:這些保持元件被布置并配置為使得由保持元件產(chǎn)生的回波信號(hào)的屬性是已知的。這可以通過(guò)以下述方式來(lái)設(shè)置保持元件來(lái)實(shí)現(xiàn):探針已經(jīng)在沿探針的已知位置處與保持元件接觸。這樣的布置將還要求探針或保持元件為電絕緣的?？梢酝ㄟ^(guò)將探針包圍在絕緣材料(例如PTFE)中使探針為電絕緣的。然而，PTFE相對(duì)柔軟，因此對(duì)當(dāng)探針在豎直方向上移動(dòng)并與保持元件摩擦?xí)r可能出現(xiàn)的機(jī)械磨損是敏感的。優(yōu)先選擇可以為使用例如陶瓷絕緣材料的材料對(duì)保持元件的與探針接觸的部分進(jìn)行包圍，該材料具有良好的電絕緣性并且對(duì)機(jī)械磨損可復(fù)原。非常耐用的陶瓷附件例如由于電力線路而眾所周知。
[0057]在使用被布置成與探針接觸的保持元件的示例中，探針的直徑優(yōu)選地是恒定的以便利探針關(guān)于保持元件的豎直移動(dòng)。
[0058]圖4C示意性地示出了與圖4A的保持元件相似的保持元件406,但是其中銷403a-403b被布置成與探針108接觸，從而形成被良好限定的接觸部分。為了降低從保持元件所產(chǎn)生的回波信號(hào)，將接觸部分之間的距離選擇成等于沿探針傳播的發(fā)射信號(hào)的中心頻率的波長(zhǎng)的四分之一即入。/4。因此，來(lái)自第一接觸部分403a的反射信號(hào)和來(lái)自第二接觸部分403b的反射信號(hào)被移了 λ。/2，從而在所產(chǎn)生的疊加回波信號(hào)中產(chǎn)生了相消干涉。優(yōu)選地，來(lái)自第一接觸部分403a的反射信號(hào)的幅度等于來(lái)自第二接觸部分403b的反射信號(hào)的幅度。
[0059]在圖4D中，示出了包括三個(gè)接觸銷412a_412c的保持元件410。同樣,在此,相鄰接觸部分之間的距離為入。/4。然而，為了實(shí)現(xiàn)所產(chǎn)生的回波信號(hào)的有效降低、即有效的相消干涉，必須控制來(lái)自各個(gè)接觸部分中的每個(gè)的反射信號(hào)的幅度。當(dāng)使用三個(gè)接觸部分時(shí)，來(lái)自第一接觸部分412a和第三接觸部分412c的反射信號(hào)的幅度約為來(lái)自第二接觸部分412b的反射信號(hào)的幅度的一半。
[0060]如圖4E所示，當(dāng)使用包括四個(gè)接觸銷416a_416d的保持元件414時(shí),配置這些接觸部分，使得第一反射信號(hào)的幅度等于第四反射信號(hào)的幅度，第二反射信號(hào)的幅度等于第三反射信號(hào)的幅度，并且第一反射信號(hào)和第四反射信號(hào)的幅度約為上述第二反射信號(hào)和第三反射信號(hào)的幅度的三分之一。
[0061]上述構(gòu)思當(dāng)然可以擴(kuò)展至使用五個(gè)或更多個(gè)接觸部分。然而，存在所使用的接觸部分的數(shù)量與發(fā)射信號(hào)的總體能量損失之間的權(quán)衡。因此，通?；谥T如發(fā)射信號(hào)的幅度和精確檢測(cè)表面回波所需要的分辨率的參數(shù)來(lái)確定保持元件的精確配置。
[0062]另外，對(duì)于反射信號(hào)的產(chǎn)生，并不需要探針與接觸銷之間的直接機(jī)械接觸。例如，保持元件的一部分或銷可被布置在距探針已知距離處并且仍對(duì)沿探針傳播的信號(hào)的一部分進(jìn)行反射。因此，保持元件的接觸部分與非接觸部分之間的各種組合是可以的。例如，可以使用如圖4D所示的包括三個(gè)接觸部分的保持元件，以用于與被布置在探針附近的兩個(gè)非接觸部分一起將探針保持在固定位置，使得提供期望幅度的反射信號(hào)。
[0063]例如，假設(shè)發(fā)射信號(hào)的中心頻率為1GHZ，相鄰接觸部分之間的距離即入。/4為7.5cm。針對(duì)更高的頻率(諸如例如10GHZ以上)，相鄰部分之間所需要的距離可能會(huì)太小而至少在本申請(qǐng)中是不實(shí)際的。針對(duì)GWR系統(tǒng)，若干GHz以下的頻率通常最適合將電阻損耗維持在足夠低。
[0064]圖5A示出了包括由陶瓷殼506包圍以提供電絕緣的金屬棒504的保持元件的銷502的示例實(shí)施例。當(dāng)使用銷502作為接觸銷時(shí)，可以通過(guò)控制陶瓷殼506的厚度來(lái)控制由銷502反射的信號(hào)的幅度，其中越厚的絕緣體導(dǎo)致幅度越低的反射信號(hào)。金屬芯及陶瓷殼或涂層的上述配置可以自然地用于任何幾何形狀的保持元件。
[0065]圖5B示意性地示出了如下的保持元件的銷508的示例實(shí)施例:其包括中心金屬棒504、由被布置成圍繞中心棒504的柔性材料制成的中間部分510、以及外部電絕緣殼或涂層506。柔性中間部分510可以用作減震器，例如以避免振動(dòng)從支承結(jié)構(gòu)106傳遞至探針108。柔性材料可以例如為PTTE、橡膠或提供期望的機(jī)械緩震特性的任何相似材料。
[0066]圖6A示出了具有波形結(jié)構(gòu)或可以被視作“平展的”螺旋的形式的保持元件602。所示的接觸元件602被布置成在四個(gè)不同位置處與探針108接觸。
[0067]圖6B示意性地示出了包括柔性部分606和固定附接至探針的電絕緣夾持部分608的保持元件604。柔性部分606在此被示出為彈簧，用于允許探針豎直移動(dòng)同時(shí)限制探針108水平移動(dòng)。因此由柔性元件的配置確定了探針的被允許的移動(dòng)。另外，夾持部分的與探針108接觸的部分通常是絕緣的。引起來(lái)自保持元件604的反射信號(hào)的導(dǎo)電部分可以集成在每個(gè)夾持部分608中。實(shí)現(xiàn)所產(chǎn)生的反射回波信號(hào)的期望屬性的另一種選擇是將間隔開(kāi)入。/4的若干個(gè)導(dǎo)電反射部分集成在夾持部分608內(nèi)。
[0068]圖7示意性地示出了作為頻率的函數(shù)的、從保持元件反射的所產(chǎn)生的回波信號(hào)的屬性。4對(duì)應(yīng)于所產(chǎn)生的回波信號(hào)的幅度，而f。是沿探針傳播的發(fā)射信號(hào)的中心頻率。曲線702對(duì)應(yīng)于來(lái)自具有兩個(gè)接觸部分的保持元件的所產(chǎn)生的回波信號(hào)，而曲線704是來(lái)自具有三個(gè)接觸部分的保持元件的。線706表示幅度閾值，反射信號(hào)優(yōu)選保持在該幅度閾值之下。
[0069]由圖7可見(jiàn)，對(duì)于包括更多個(gè)接觸部分的保持元件，回波信號(hào)在閾值706以下的部分的帶寬是更寬的。
[0070]圖8示出了被布置在不具有支承結(jié)構(gòu)的罐804中的雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)802。替代地，保持元件806被布置在罐的側(cè)壁上。
[0071]盡管已經(jīng)參照本實(shí)用新型的特定示例性實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但是對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言許多不同的改變、修改等將會(huì)是明顯的。例如，保持元件的各種配置和幾何形狀是可以的。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本系統(tǒng)的部件可以以各種方式被省略、交換或布置，而物位計(jì)系統(tǒng)仍能夠執(zhí)行本實(shí)用新型的功能。
[0072]此外，通過(guò)研究附圖、本公開(kāi)內(nèi)容和所附權(quán)利要求，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求保護(hù)的實(shí)用新型時(shí)理解并做出所公開(kāi)的實(shí)施例的變型。在權(quán)利要求中，詞語(yǔ)“包括”并不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一”或“一個(gè)”并不排除復(fù)數(shù)。僅在彼此不同的從屬權(quán)利要求中列舉特定措施的事實(shí)并不表示這些措施的組合不能被有利地使用。
【權(quán)利要求】
1.一種導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，用于確定容納在罐中的物品的填充物位，所述物位計(jì)系統(tǒng)包括: 罐(102)，其具有內(nèi)壁、頂部和底部； 收發(fā)器(204)，其用于發(fā)射電磁發(fā)射信號(hào)并接收在所述物品的表面處反射的反射電磁信號(hào); 表面波導(dǎo)(108)，其包括單導(dǎo)體傳輸線探針，所述表面波導(dǎo)連接至所述收發(fā)器、被布置成豎直延伸到所述罐中并且被配置成朝向所述表面導(dǎo)引所述電磁發(fā)射信號(hào)并將所述反射電磁信號(hào)導(dǎo)引回到所述收發(fā)器； 處理電路(208)，其連接至所述收發(fā)器并被配置成基于所接收的反射電磁信號(hào)確定所述填充物位；以及 多個(gè)保持元件(112、302、402、404、406、410、414、602、604、806)，其被布置成位于關(guān)于所述罐的內(nèi)部的固定位置中并沿所述探針間隔開(kāi)， 其中，所述保持元件中的每個(gè)限定所述探針，并且被配置成允許所述探針相對(duì)于該保持元件在豎直方向上移動(dòng)以及限制所述探針相對(duì)于該保持元件在水平方向上移動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述多個(gè)保持元件中的至少一個(gè)被附接至與所述探針基本上平行地延伸的支承結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述支承結(jié)構(gòu)為附接至所述罐的所述頂部并從所述罐的所述頂部基本上豎直地延伸的支承塔(106)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述保持元件包括電絕緣材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述探針為柔性線針。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，每個(gè)保持元件包括關(guān)于所述探針豎直間隔開(kāi)的至少第一電絕緣接觸部分和第二電絕緣接觸部分，其中，每個(gè)接觸部分被配置成在沿所述探針的接觸位置處與所述探針接觸，并且其中，相鄰接觸位置之間的距離約等于所述發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，每個(gè)接觸部分被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成反射信號(hào)，使得由多個(gè)反射信號(hào)的疊加而產(chǎn)生的累積反射信號(hào)具有比所述反射信號(hào)中的每個(gè)低的幅度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中: 所述第一電絕緣接觸部分被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第一反射信號(hào)； 所述第二電絕緣接觸部分被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第二反射信號(hào)； 所述保持元件還包括:第三接觸部分，其被布置在所述第二電絕緣接觸部分之下約等于所述發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一的距離處，并被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第三反射信號(hào)； 其中，所述接觸部分被進(jìn)一步配置使得所述第一反射信號(hào)和所述第三反射信號(hào)中的每個(gè)的幅度約為所述第二反射信號(hào)的幅度的一半。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中: 所述第一電絕緣接觸部分被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第一反射信號(hào)； 所述第二電絕緣接觸部分被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第二反射信號(hào)； 所述保持元件還包括:第三接觸部分，其被布置在所述第二電絕緣接觸部分之下約等于所述發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一的距離處，并被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第三反射信號(hào)； 第四接觸部分，其被布置在所述第三接觸部分之下約等于所述發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)的四分之一的距離處，并被配置成對(duì)所述發(fā)射信號(hào)的一部分進(jìn)行反射以形成第四反射信號(hào)； 其中，所述第三接觸部分和所述第四接觸部分被配置使得:所述第一反射信號(hào)的幅度等于所述第四反射信號(hào)的幅度，所述第二反射信號(hào)的幅度等于所述第三反射信號(hào)的幅度，并且所述第一反射信號(hào)和所述第四反射信號(hào)的所述幅度約等于所述第二反射信號(hào)和所述第三反射信號(hào)的所述幅度的三分之一。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述保持元件(414)包括多個(gè)銷(416a_416d),所述多個(gè)銷(416a_416d)在豎直方向上間隔開(kāi)并被布置為使得在水平面上的投影中每個(gè)銷與至少一個(gè)其他銷交疊。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述銷中的每個(gè)(504)被陶瓷殼(506)包圍。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，柔性材料(510)被布置在該銷與所述陶瓷殼之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述保持元件的第一部分相對(duì)于所述保持元件的第二部分在豎直方向上間隔開(kāi)以在所述第一部分與所述第二部分之間形成開(kāi)口，使得所述探針能夠被橫向插入穿過(guò)所述開(kāi)口而進(jìn)入到由所述保持元件限定的區(qū)域中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述保持元件具有螺旋形式。
15.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述保持元件(604)包括固定附接至所述探針的電絕緣夾持部分￠08)以及附接至所述支承結(jié)構(gòu)的柔性部分，其中，所述柔性部分至少在與所述探針的豎直延伸平行的方向上為柔性的。
16.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述支承結(jié)構(gòu)為所述罐的內(nèi)壁。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述探針附接至所述罐的底部。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)系統(tǒng)，其中，所述探針包括附接至所述探針的端部的底部負(fù)重。
【文檔編號(hào)】G01F23/284GK204101129SQ201420134661
【公開(kāi)日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】奧洛夫·愛(ài)德華松 申請(qǐng)人:羅斯蒙特儲(chǔ)罐雷達(dá)股份公司