用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的裝置和方法
【專利摘要】用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的裝置和方法。裝置包括配置成確定最佳脈沖寬度以用于得到與罐（102）中的材料（104）相關的水平測量的至少一個處理設備（310）。至少一個處理設備還配置成產(chǎn)生使導波雷達（GWR）（200）的發(fā)射機（330）傳輸具有最佳脈沖寬度的信號（355）的控制信號。至少一個處理設備還配置成將控制信號發(fā)送到發(fā)射機（425，430）。至少一個處理設備還可配置成改變最佳脈沖寬度的長度以便減少由GWR檢測的假回波、減小GWR的上死區(qū)（1020）的尺寸，和/或檢測阻抗的變化以識別在GWR中的過程連接器（230）的故障。
【專利說明】
用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的裝置和方法
技術領域
[0001] 本公開通常針對雷達系統(tǒng)。更具體地，本公開針對用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以 優(yōu)化測量的裝置和方法。
【背景技術】
[0002] 處理設施和其它設施常規(guī)地包括用于存儲液體材料和其它材料的罐（tank)。例 如，儲罐常規(guī)地用在油罐區(qū)設施和其它存儲設施中以存儲油或其它材料。作為另一示例，油 輪和其它運輸容器常規(guī)地包括存儲油或其它材料的許多罐。處理設施還包括用于實現(xiàn)工業(yè) 過程的罐，例如通過罐的輸入接收材料，同時允許材料通過罐的輸出離開。
[0003] 時常地，測量在罐中存儲的材料的量是必要或合意的，例如以便在接收或釋放罐 中的材料的工業(yè)過程期間將罐中的材料的水平（level)控制在期望水平處。雷達計量器被 用于測量存儲在罐中的材料的量。雷達計量器通常將信號朝著罐中的材料傳輸并接收反射 離開罐中的材料的信號。
[0004] 不幸的是，雷達測量可被在罐內(nèi)部的多個反射(例如來自罐的壁、底部、頂部和比 如攪拌器、梯子和熱線圈之類的障礙物的反射)影響。在一些情況下，與反射離開不同于罐 中的材料的對象的信號相關的假回波(echo)可干擾離開罐中的材料的信號的實際反射，弓丨 起在水平測量中的不準確性。
[0005] 而且，罐的全容量常常被用于存儲和轉(zhuǎn)移，且水平測量通常需要是不斷地可靠的， 甚至在材料的水平接近罐的底部或頂部時。這可能難以使用常規(guī)雷達計量器來實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本公開提供了用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的裝置和方法。
[0007]在第一實施例中，非臨時計算機可讀介質(zhì)包含計算機程序。計算機程序包括當被 執(zhí)行時使至少一個處理設備確定最佳脈沖寬度以用于得到與罐中的材料相關的水平測量 的計算機可讀程序代碼。計算機程序還包括當被執(zhí)行時使至少一個處理設備產(chǎn)生控制信號 的計算機可讀程序代碼，該控制信號使導波雷達(GWR)的發(fā)射機傳輸具有最佳脈沖寬度的 信號。計算機程序還包括當被執(zhí)行時使至少一個處理設備將控制信號發(fā)送到發(fā)射機的計算 機可讀程序代碼。
[0008] 在第二實施例中，一種裝置包括配置成確定最佳脈沖寬度以用于得到與罐中的材 料相關的水平測量的至少一個處理設備。至少一個處理設備還配置成產(chǎn)生使GWR的發(fā)射機 傳輸具有最佳脈沖寬度的信號的控制信號。至少一個處理設備還配置成將控制信號發(fā)送到 發(fā)射機。
[0009] 在第三實施例中，一種方法包括確定最佳脈沖寬度，以用于得到與罐中的材料相 關的水平測量。該方法還包括產(chǎn)生使GWR的發(fā)射機傳輸具有最佳脈沖寬度的信號的控制信 號。該方法還包括將控制信號發(fā)送到發(fā)射機。
[0010] 根據(jù)下面的圖形、描述和權利要求，其它技術特征對本領域中的技術人員來說可 以是顯而易見的。
【附圖說明】
[0011] 為了更加完整地理解本公開及其特征，現(xiàn)在參考結合附圖進行的下面的描述，其 中： 圖1示出根據(jù)本公開的用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化在罐中的材料的測量的示例 系統(tǒng)； 圖2A和2B示出根據(jù)本公開的示例導波雷達； 圖3示出根據(jù)本公開的在圖2中的導波雷達的部件的示例； 圖4示出根據(jù)本公開的用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的示例過程； 圖5示出根據(jù)本公開的在脈沖寬度和導波雷達中的控制電壓之間的示例關系； 圖6示出根據(jù)本公開的表示用來測量罐中的材料的信號的示例波形； 圖7A和7B示出根據(jù)本公開的雙極脈沖的示例時域波形和在導波雷達中使用的雙極脈 沖的示例變換； 圖8和9示出根據(jù)本公開的處理導波雷達中的"振鈴"噴嘴效應的示例； 圖10和11示出根據(jù)本公開的使用導波雷達來減小測量的死區(qū)的高度的示例； 圖12A和12B示出根據(jù)本公開的示例過程連接器；以及 圖13示出根據(jù)本公開的來自過程連接器內(nèi)部的反射能量的示例波形。
【具體實施方式】
[0012] 下面討論的圖1到13和在本專利文檔中用于描述本發(fā)明的原理的各種示例僅作為 例證，且不應以任何方式被解釋為限制本發(fā)明的范圍。本領域中的技術人員將理解，可以用 任何適當?shù)姆绞胶驮谌魏晤愋偷倪m當布置的設備或系統(tǒng)中實現(xiàn)本發(fā)明的原理。
[0013] 圖1示出根據(jù)本公開的用于調(diào)整導波雷達(GWR)脈沖寬度以優(yōu)化在罐中的材料的 測量的示例系統(tǒng)100。如圖1中所示，系統(tǒng)100包括罐102,其表示用于容納并存儲至少一種材 料104的任何適當?shù)慕Y構。罐102可具有任何適當?shù)男螤詈统叽?。?02也可形成更大結構的 一部分，例如包含一個或多個罐102或與一個或多個罐102相關的任何固定或可移動結構 (比如可移動油輪、鐵路車、或卡車或固定油罐區(qū)）。罐102的內(nèi)部包括在底部處的底板 (fl 〇〇r)106和在頂部處的頂板108。在某些實施例中，罐具有沒有頂板的開放頂部。
[0014]罐102可用于存儲任何適當?shù)牟牧?04,例如一個或多個燃料、油或其它經(jīng)處理或 未處理的碳氫化合物。此外，單個材料104可存儲在罐102中，或多個材料104可存儲在罐102 中。取決于存儲在罐102中的（多個)材料104,（多個)材料104有時可以"成層(stratify)"或 形成多個層。在圖1中所示的示例中，存在材料104的兩個層110a-110b，且界面112在第一層 ll〇a的頂表面與第二層110b的底表面交會之處形成。作為特定的示例，罐102可用于分離油 與水，在這種情況下，界面112表示油的底表面從水分開的地方。此外，空氣-材料界面存在 于第二層ll〇b的頂表面114處，且空氣-材料界面表示在罐102中的材料104的頂部。
[0015]罐102的頂部116包括提供到罐102的內(nèi)部的通路的一個或多個開口或端口 118a-118b，且噴嘴120a-120b可耦合到端口 118a-118b。在這個示例中，噴嘴120a與罐102的頂板 108齊平，而噴嘴120b不與頂板108齊平并延伸某個距離到罐102中。導波雷達(GWR)200是基 于雷達的水平發(fā)射機。GWR 200可安裝到噴嘴120b的頂端122以便保持GWR 200遠離材料 104,甚至在罐102是滿的時。長度124表示在噴嘴120b的頂端122和噴嘴120b的底端126之間 的距離。噴嘴120b還具有內(nèi)徑128。注意，在這里所示的端口和噴嘴的形式僅僅是示例，并且 端口和噴嘴可具有任何其它適當?shù)呐渲谩?br>[0016] 系統(tǒng)100還包括控制系統(tǒng)100的總體操作的主控制單元(MCU) 130。例如，Μ⑶130可 從GWR 200接收水平測量，控制進入或離開罐102的材料104的自動加載或卸載，并在材料 104的水平接近罐102的頂部或底部時或當可能的泄漏在罐102中被檢測到時產(chǎn)生警報。Μ⑶ 130可被從GWR 200遠程地定位，例如離開50-100米。在某些實施例中，系統(tǒng)100不包括Μ⑶ 30,在該情況下，GWR 200可提供直接控制一個或多個致動器(例如閥）的模擬輸出。
[0017]在一些實施例中，波導132可用于將信號從GWR 200指引或引導到材料104。波導 132包括用于引導信號的任何適當?shù)慕Y構。
[0018] 在特定的實施例中，GWR 200實現(xiàn)時域反射測量法(TDR)以得到在罐102中的材料 104的水平的測量。例如，GWR 200可產(chǎn)生信號并將信號向下傳輸?shù)焦?02中并接收反射離開 罐102內(nèi)的內(nèi)含物的信號。信號可反射離開材料104的頂表面114、在罐102中的材料的不同 層之間的任何界面112、罐102的底板106和罐102內(nèi)的任何障礙物(例如攪拌器、梯子和熱線 圈XGWR 200或Μ⑶130可分析所接收的信號以估計在罐102中的材料104的總高度134和可 能地在罐102中的材料104的不同層的高度136-138。
[0019] 可參考"零參考"點進行水平測量。例如，零參考點可表示罐102的底板106或噴嘴 120b的頂端122。還可相對于已知距離（例如在噴嘴120b的頂端122和罐102的底板106之間 的總距離140)進行水平測量。在某些實施例中，GWR 200或Μ⑶130接收總距離140的值的用 戶輸入，其用于指示罐的底部，使得水平測量能夠相對于底板106被輸出。
[0020] MCU 130包括用于控制罐的水準儀的任何適當?shù)慕Y構，例如通過控制影響進入或 離開罐的材料的流動的致動器。例如，Μ⑶130可包括至少一個處理設備130a、至少一個存 儲器130b和至少一個接口 130c。每個處理設備130a包括任何適當?shù)奶幚砘蛴嬎阍O備，例如 微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器（DSP)、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)、專用集成電路 (ASIC)或分立邏輯設備。每個存儲器130b包括任何適當?shù)拇鎯腿』卦O備，例如隨機存取 存儲器(RAM)、閃存或其它只讀存儲器(ROM)、磁性存儲設備、固態(tài)存儲設備、光學存儲設備 或其它存儲和取回設備。每個接口 130c包括便于通過連接或網(wǎng)絡進行通信的任何適當?shù)慕Y 構，例如有線接口（比如以太網(wǎng)接口）或無線接口（比如射頻收發(fā)機）或電信號網(wǎng)絡（例如 HART或FOUNDATION FIELDBUS網(wǎng)絡）。
[0021] 在某些實施例中，只有GWR 200執(zhí)行功能（例如TDR功能）以測量在罐102中的材料 104的水平。在其它實施例中，取決于實施方式，在GWR 200和系統(tǒng)100的其它電子設備上分 開GWR 200的功能，例如測量在罐中的材料的水平。例如，GWR 200可包括處理電路或分析所 接收的信號并識別水平測量的其它部件，且GWR 200可將那些水平測量傳遞到MCU 130,以 用于在控制水平中使用。在某些實施例中，GWR 200的處理電路被實現(xiàn)為在執(zhí)行固件的印刷 電路板組件(PCBA)上的微處理器。作為另一示例，GWR 200可傳輸并接收信號并將關于信號 的信息提供到MCU 130,其使用該信息來識別水平測量。還可以以任何適當?shù)姆绞皆贛CU 130和GWR 200之間劃分用于識別水平測量的功能。
[0022] 如下面更詳細地描述的，可控制由GWR 200產(chǎn)生的信號的脈沖寬度，以便改善在罐 102中的材料104的水平測量的準確度?？稍贕WR 200內(nèi)或在GWR 200外部（例如在Μ⑶130 中）實現(xiàn)用于識別期望脈沖寬度的功能。
[0023] 盡管圖1示出用于調(diào)整GRW脈沖寬度以優(yōu)化在灌中的材料的測量的系統(tǒng)100的一個 示例，但是可對圖1進行各種改變。例如，圖1中所示的功能劃分僅用于例證。在圖1中的各種 部件可被組合、進一步細分、重新布置或省略，或者可根據(jù)特別的需要來添加另外的部件。
[0024] 圖2Α和2Β示出根據(jù)本公開的示例GWR 200。為了易于解釋，圖2Α和2Β的GWR 200被 描述為用在圖1的系統(tǒng)100中。然而，GWR 200可用在任何其它適當?shù)南到y(tǒng)中。
[0025] 如圖2Α和2Β中所示，GWR 200包括通信電子設備殼體210、傳感器電子設備殼體 220、過程連接器230和探針240。通信電子設備殼體210收容或以其它方式包括接線盒、用于 向本地用戶呈現(xiàn)水平測量的顯示器、用于與MCU 130通信的通信接口、和用于接收用戶輸入 參數(shù)的用戶接口。傳感器電子設備殼體220包括功率積累模塊（power accumulation module)和傳感器電子設備。過程連接器230包括過程密封(process seal)，以用于隔離傳 感器電子設備殼體220與在罐102內(nèi)的環(huán)境，同時允許探針240暴露到在罐102內(nèi)的環(huán)境。探 針240將從傳感器電子設備殼體220傳輸?shù)拿}沖傳送到材料104并將在罐102內(nèi)部反射的脈 沖傳送回到傳感器電子設備殼體220。在一些實施例中，探針240包括波導，例如波導132。波 導的示例包括棒、繩、雙棒/繩和同軸探針。
[0026] 盡管圖2A和2B示出GWR 200的一個示例，但是可對圖2A和2B進行各種改變。例如， 在GWR 200內(nèi)的內(nèi)部部件可以用任何適當?shù)姆绞讲贾迷贕WR 200的各種區(qū)段210-240內(nèi)。而 且，GWR 200的形狀因數(shù)僅用于例證。
[0027] 圖3示出根據(jù)本公開的在圖2中的GWR 200的部件的示例。如圖3中所示，GWR 200包 括通信電子設備殼體210,其包括將GWR 200連接到顯示器、Μ⑶130、或另一用戶接口或過 程接口并使得GWR 200能夠與其通信的通信接口。通信接口經(jīng)由局域網(wǎng)、電信號網(wǎng)絡(例如 HART或FOUNDATION FIELDBUS網(wǎng)絡）、通用串行總線（"USB"）或其它有線連接來支持任何適 當?shù)耐ㄐ牛鐭o線數(shù)據(jù)傳輸或通信。在通信電子設備殼體210內(nèi)的接線盒使得GWR 200能 夠在周期上操作。也就是說，GWR 200在突發(fā)模式(burst mode)的短暫時段內(nèi)消耗大量功率 并在剩余時間內(nèi)累積電荷(例如在電容器中）。因此，接線盒用作用于GWR 200的部件的電壓 和電流的源。
[0028] 傳感器電子設備殼體220的功率積累模塊包括向傳感器電子設備供應電功率的電 源305。電源305可表示操作功率的任何適當?shù)脑?，例如電池、電容器組、燃料電池或太陽能 電池。傳感器電子設備殼體220的傳感器電子設備包括分析器310。分析器310控制GWR 200 的一個或多個功能，包括下面更詳細描述的用于調(diào)整或改變GWR脈沖寬度以優(yōu)化測量的操 作。例如，分析器310可包括可編程控制器、用于捕獲關于在罐102內(nèi)接收的反射信號的信息 的數(shù)字獲取(DAQ)硬件和用于處理信息以識別水平測量的處理硬件(例如微處理器、微控制 器、PCBA、DSP、FPGA、AS IC或分立邏輯）。
[0029] 如下面更詳細描述的，分析器310可確定GWR傳輸?shù)焦?02中的信號的最佳脈沖寬 度。分析器310還識別（例如在查找表中）對應于最佳脈沖寬度的控制電壓并使用控制電壓 來控制GWR 200的其它部件以實現(xiàn)期望脈沖寬度。例如，分析器310可使用存儲在存儲器中 的參數(shù)或由用戶通過通信電子設備殼體210輸入的參數(shù)來確定最佳脈沖寬度。示例參數(shù)可 包括噴嘴120b的內(nèi)徑128、罐高度140、噴嘴120b的長度124和用于將GWR 200耦合到罐102的 安裝(mounting)的類型。
[0030] 反射離開材料104或罐102中的結構的信號由分析器310分析以識別水平測量。例 如，分析器310可識別并分類在所接收的信號的波形中的峰值，并估計反射離開材料104的 頂表面114、在罐102中的材料的不同層之間的任何界面112、探針的末端、罐102的底板106 和在罐102內(nèi)的任何障礙物的信號所行進的路徑的長度。分析器310還可確定用于各種被反 射信號的飛行時間，其中飛行的時間表示從信號的傳輸?shù)叫盘柕慕邮盏臅r間的長度。
[0031] 分析器310可包括DAC 320。替代地，DAC 320從分析器310接收數(shù)字信號，將所接收 的信號轉(zhuǎn)換成模擬格式，并將模擬格式化的信號提供到脈沖發(fā)生器315。
[0032] GWR 200包括脈沖發(fā)生器315和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)320。脈沖發(fā)生器315被配置成響 應于接收到具有控制電壓的控制信號而產(chǎn)生傳輸?shù)焦?02中的信號355-357的脈沖。從脈沖 發(fā)生器315輸出的信號355-357的脈沖寬度由分析器310提供到脈沖發(fā)生器315的電壓確定。 所傳輸?shù)男盘?55-357可具有相同的或具有不同的脈沖寬度，其穿透到罐102中的不同深 度。脈沖發(fā)生器315向發(fā)射機330提供模擬信號，以用于通過波導傳輸?shù)焦?02中。注意，脈沖 發(fā)生器315或DAC 320可被包括在發(fā)射機330內(nèi)。
[0033]盡管被示為單獨的元件，但是發(fā)射機330和接收機335可表示單個收發(fā)機。發(fā)射機 330包括用于提供用于傳輸?shù)男盘柕娜魏危ǘ鄠€)結構。接收機335包括用于得到并處理所接 收的信號的任何(多個)結構。
[0034]接收機335接收已經(jīng)反射離開材料界面或罐102中的對象的信號360-362。如圖3中 所示，由接收機335接收的信號360-362包括反射離開頂表面114處的空氣-材料界面的信號 360-362、反射離開界面112的信號361-362、和反射離開罐102的底部106的信號362。
[0035] GWR 200包括一個或多個傳感器350,例如將反射信號轉(zhuǎn)換成可由分析器310處理 的電信號的換能器。還可在GWR 200中使用各種其它類型的傳感器。在一些實施例中，模數(shù) 轉(zhuǎn)換器(ADC)將來自傳感器350的模擬信號轉(zhuǎn)換成用于分析器310的數(shù)字信號。
[0036] 在一些實施例中，傳感器350包括向分析器310通知與分析器310和脈沖發(fā)生器315 的電路相關的溫度的溫度傳感器。例如，溫度傳感器可測量包圍分析器310和脈沖發(fā)生器 315的電路的空氣的溫度。作為另一示例，溫度傳感器可測量電路(例如，ASIC中的半導體） 的溫度。GWR 200可配置成在工業(yè)標準溫度范圍（例如-40°C到+85°C)內(nèi)操作，且具有GWR 200的部件(例如脈沖發(fā)生器315)的半導體材料可展示不同操作溫度下的變化的性能。作為 特定的示例，脈沖發(fā)生器315在不同的溫度下操作時可響應于相同的控制電壓而產(chǎn)生不同 寬度的脈沖。GWR 200可抵消溫度效應以通過根據(jù)所測量的溫度調(diào)整控制電壓來實現(xiàn)期望 輸出脈沖寬度。因此，GWR 200可調(diào)整電壓以在工業(yè)標準溫度范圍內(nèi)的任何操作溫度下以期 望脈沖寬度來傳輸脈沖。在工業(yè)標準溫度范圍內(nèi)自動維持脈沖一致性是GWR 200的技術優(yōu) 點。
[0037]盡管圖3示出在圖2中的GWR 200的部件的示例，但是可對圖3進行各種改變。例如， 在GWR 200內(nèi)的內(nèi)部部件305-350可以被用任何適當?shù)姆绞讲贾迷贕WR 200的各種區(qū)段210-240 內(nèi)。
[0038]圖4示出根據(jù)本公開的用于調(diào)整導波雷達脈沖寬度以優(yōu)化測量的示例過程400。為 了易于解釋，圖4的過程400被描述為在圖1的系統(tǒng)100中與圖3中所示的部件一起使用。然 而，可在任何其它適當?shù)脑O備或系統(tǒng)中使用過程400。
[0039] 過程400可用于減少與GWR 200相關的假回波（也被稱為假反射）。例如，為了減小 或避免噴嘴效應并減少假回波，過程400包括選擇高于閾值的最佳脈沖寬度，例如截止頻率 (fcutrff)。過程400也可用于提供其它技術優(yōu)點，例如： ?減小死區(qū)的尺寸； ?檢測過程流體到過程連接器230中的泄漏；以及 ?區(qū)別浸沒在材料104中的對象(例如入口管)與材料104本身。
[0040] 如圖4中所示，在步驟405處確定與噴嘴相關的參數(shù)。參數(shù)可例如包括噴嘴直徑128 和噴嘴長度124。在一些實施例中，系統(tǒng)100例如經(jīng)由Μ⑶130或GWR 200的用戶接口從用戶接 收這些參數(shù)。在其它實施例中，可從存儲器得到參數(shù)，例如當參數(shù)先前被提供到GWR 200時 或當GWR 200被配置成測量在共用共同參數(shù)的罐102中的水平時。
[00411在步驟410處確定用于GWR的最佳脈沖寬度。例如，為了減少與噴嘴效應相關的假 回波，系統(tǒng)100可選擇對應于大于或等于所計算的截止頻率的頻率的脈沖寬度，使 得雷達脈沖的能量的大部分出現(xiàn)在比截止頻率更低的頻率的帶寬中。系統(tǒng)100可在線(例如 響應于所得到的參數(shù))或離線（例如通過產(chǎn)生對應于一組噴嘴尺寸的值的表)執(zhí)行這 個計算。下面的方程（1)表達在以千兆赫(GHz)為單位的f cutclff值和噴嘴尺寸以及探針尺寸 之間的一個示例關系。
[0042]
(1) 在這里，D表示噴嘴120b的直徑，d表示探針240或波導132的直徑，以及鳥< 表示在探針 240或波導132的內(nèi)導體和外導體之間的材料的相對介電常數(shù)。在方程(1)中的fcutoff值的近 似可被修改以包括用于調(diào)整該近似的乘法器(multiplier)。
[0043] 在步驟415處計算或以其它方式確定對應于最佳脈沖寬度的控制電壓。例如，系統(tǒng) 100可使用方程或查找表來確定控制電壓，其中輸入?yún)?shù)是溫度和期望脈沖寬度。例如，系 統(tǒng)100可計算使脈沖發(fā)生器315輸出具有期望脈沖寬度的信號所需的電壓。在一些實施例 中，系統(tǒng)使用模型(例如，圖5中示出的那些)來確定對應于脈沖寬度的控制電壓。注意，脈沖 寬度通常與帶寬成反比。
[0044] 在步驟420處進行控制電壓是否應被調(diào)整以補償溫度的確定。即使當最佳脈沖寬 度已經(jīng)被確定時，從脈沖發(fā)生器315輸出的實際脈沖寬度也可由于溫度或批量變化(batch variation)而改變。GWR 200可幫助通過將調(diào)整應用到控制電壓來提供在操作溫度的范圍 內(nèi)的更一致的性能。當電壓調(diào)整是適當?shù)臅r，在步驟425處使用DAC(例如DAC 320)產(chǎn)生經(jīng)調(diào) 整的控制電壓。否則，當電壓調(diào)整是不適當?shù)臅r，在步驟430處使用DAC(例如DAC 320)來產(chǎn) 生未調(diào)整的控制電壓。
[0045] 在步驟435處，在經(jīng)調(diào)整或未調(diào)整的水平下將模擬信號提供到脈沖發(fā)生器。響應于 接收到的電壓水平，脈沖發(fā)生器產(chǎn)生并輸出在對應的脈沖寬度下的脈沖。在步驟440處識別 罐中的材料的一個或多個水平?？梢杂萌魏芜m當?shù)姆绞絹泶_定每個水平，例如通過使用TDR 和飛行時間計算。分析器310控制發(fā)射機330以輸出用于在這個時間期間得到水平測量的一 系列信號。例如，一系列信號可以包括數(shù)千或數(shù)萬個脈沖。在特定的實施例中，GWR 200可每 微秒傳輸一個脈沖。
[0046] 在步驟445處區(qū)分罐中的對象的水平與罐中的材料104的（多個)水平。在罐102中 的示例對象可包括入口管、水平凸緣(f 1 ange )或其它固體結構。對象區(qū)分使得GWR 200能夠 避免將離開對象的反射解釋為離開材料104或其界面的反射。
[0047] 在這個過程期間，分析器310確定在從GWR 200傳輸?shù)囊幌盗行盘栔械拿總€信號的 脈沖寬度，以便執(zhí)行對象區(qū)分。例如，分析器310可指示發(fā)射機330輸出在多個脈沖寬度下的 信號355-357。分析器310可使用等效時間采樣(ETS)技術或其中每個脈沖對應于某個范圍 的測量的其它技術。
[0048] GWR 200實現(xiàn)完成ETS的技術。作為特定的示例，GWR 200可通過具有一對脈沖來實 現(xiàn)ETS，每個脈沖由單獨的振蕩器電路產(chǎn)生。第一脈沖觸發(fā)脈沖產(chǎn)生。第二脈沖確定脈沖反 射的采樣計時。例如，如果第二脈沖后面有在第一脈沖之后的例如1納秒(即1〇_ 9秒），則采樣 距離是c/2*le-9秒=離開15 cm。每個連續(xù)的接收脈沖具有表示例如6mm的另外距離的稍 微更長的時間延遲，使得探針用每個連續(xù)脈沖在15 cm、15.006 cm、15.012 cm等的距離處 被采樣。在不偏離本公開的范圍的情況下，可以使用其它技術來實現(xiàn)ETS。
[0049] 盡管圖4示出用于調(diào)整GWR脈沖寬度以優(yōu)化測量的過程400的一個示例，但是可以 對圖4進行各種改變。例如，雖然被示為一系列步驟，但是在圖4中的各種步驟可重疊、并行 地出現(xiàn)、以不同的順序出現(xiàn)或出現(xiàn)任何數(shù)目的次數(shù)。
[0050] 圖5示出根據(jù)本公開的在脈沖寬度和GWR中的控制電壓(V)之間的示例關系。特別 地，圖5示出脈沖的負波瓣對控制電壓(V)的圖形表示，其由線505表示。線505可被用于定義 用于識別與期望脈沖寬度相關的控制電壓的模型。
[0051] 圖6示出根據(jù)本公開的表示用于測量罐中的材料的信號的示例波形。如圖6中所 示，發(fā)射機330將分別與0.25 V、0.5 V、0.75 V和1.0 V的控制電壓相關的不同的脈沖寬度 下的信號605-620傳輸?shù)焦?02中。如在這里所示的，所傳輸?shù)男盘柕牟ㄐ稳Q于脈沖寬度 而改變。
[0052] 圖7A和7B示出根據(jù)本公開的雙極脈沖的示例時域波形700和在導波雷達中使用的 雙極脈沖的示例變換705。在圖7A中，水平軸表示以納秒為單位的時間，并且垂直軸表示電 場。在波形700中，每個半脈沖具有等于0.5 ns的寬度，且峰值到峰值時間間隔是1 ns。
[0053] 在圖7B中，變換705的雙極脈沖-頻率頻譜在頻域中。水平軸表示以千兆赫為單位 的頻率，并且垂直軸表示傅立葉系數(shù)強度。頻譜705示出雙極脈沖不具有直流(DC)分量，而3 分貝（dB)頻率帶寬小于具有0.5 ns的寬度(FWHM)和大約0.85 GHz的3 dB帶寬的FFT頻譜的 單極高斯脈沖的3分貝（dB)頻率帶寬。在單極(單極的）高斯脈沖的情況下，峰值到峰值的時 間間隔（At)和帶寬（Af)的乘積大于或等于〇.44(Atx Af 2 0.44)。在其它成形的脈 沖的情況下，峰值到峰值時間間隔和帶寬之間的關系更復雜。
[0054]圖7Α和7Β之間的變換示出波形的FFT產(chǎn)生頻譜。峰值到峰值時間間隔（Δ t)的減小 產(chǎn)生帶寬的增加。因此，如果所傳輸?shù)男盘柕膸捲黾拥礁唠A模式的頻率范圍中，則高階模 式變得被激發(fā)并表現(xiàn)為在反射信號中的"振鈴"。在這個示例中，脈沖的能量主要被設置在 帶寬0-2GHz之內(nèi)，如與高于2GHz的頻譜的能量的低得多的水平相比的由低于2GHz的頻譜的 更高振幅所展示的。因為在這個示例中"振鈴"將出現(xiàn)在高于2GHz的頻率處，所以截止頻率 位于大約2 GHz處。
[0055]圖8和9示出根據(jù)本公開的處理GWR中的"振鈴"噴嘴效應的示例。在這個示例中，假 設GWR 200的接收機設置在六英寸直徑噴嘴內(nèi)，其中所接收的信號響應于單極信號通過同 一噴嘴的傳輸而產(chǎn)生。在圖8中，從GWR 200傳輸?shù)膯螛O信號具有250 ns脈沖寬度，且波形不 反轉(zhuǎn)。在圖9中，從GWR 200傳輸?shù)膯螛O信號具有750 ns脈沖寬度。
[0056]通過模擬在金屬罐中的水平狀反射并測量GWR 200系統(tǒng)的響應來得到圖8和9中的 波形。在圖8中，在空氣反射中的探針末端被用作模型反射。這個模型反射類似于水平反射， 只是信號不反轉(zhuǎn)(對于水平反射將是該情況）。也就是說，GWR 200的探針被設置在空罐的空 氣中，使得探針的末端被設置成離上參考點122為1.2 m米處，且底板106被設置成實質(zhì)上 離開大于1.2 m且不影響反射。在圖9中，為了模擬金屬罐中的水平，完美電導體(PEC)被建 模成離上參考點122為1.2m米。PEC創(chuàng)建非常類似于真實液體水平的反射，除了在振幅中的 差異以外。峰值810具有與詢問信號相同的符號，但峰值910(由于表面反射）與詢問信號的 相位相反。換句話說，詢問峰值和峰值810在向下方向上;然而在圖9中，峰值910在向下方向 上且詢問脈動在向上方向上。不管反射的符號如何，噴嘴效應的觀察到的行為類似于具有 噴嘴尺寸和脈沖寬度的組合的真實系統(tǒng)。因為振鈴效應由噴嘴的幾何形狀結合脈沖寬度來 確定，所以當所接收的信號來自待測量的材料的頂表面114時，可以得到類似的"振鈴"結 果，但來自材料的表面的峰值的相位取決于材料的類型。
[0057]如圖8中所示，波形805展示"振鈴"噴嘴效應，意味著與在罐102中的材料104或結 構不相關的峰值在從250 ns脈沖寬度單極信號的傳輸?shù)诫x開探針的末端的它的反射的接 收的時間的長度期間由GWR 200檢測。也就是說，250 ns脈沖寬度單極信號通過噴嘴到罐中 的傳輸產(chǎn)生干擾期望反射的所示的假回波，例如當罐不再是空的時。峰值810表示離開探針 末端的反射(當所接收的信號來自在罐102中的材料的頂表面14時，具有相位變化的峰值被 得到），但干擾峰值可具有與峰值810相同或更大的振幅和計時。在波形805內(nèi)的"振鈴"噴嘴 效應是對應于250 ns脈沖的更高帶寬對于六英寸直徑噴嘴太高以及脈沖寬度太短的指示 物，且因此高階模式在這個脈沖持續(xù)時間內(nèi)在那個噴嘴中產(chǎn)生。干擾好的模式的這些寄生 的高階模式起源于來自圖8的寄生振鈴效應。
[0058]如圖9中所示，與在圖8中的波形805相比，波形905在相同的時間間隔內(nèi)包含大約 四分之一的峰值?？杀徽`解為用于水平測量的峰值表示問題(存在于圖8中），其不存在于圖 9中。來自波形905的可檢測的干擾的缺少是對應于更長的750 ns脈沖寬度的更低帶寬適合 于避免在六英寸直徑噴嘴中的"振鈴"噴嘴效應的指示物。峰值910清楚地表示離開模擬界 面的反射，如為了建模簡單的目的由完美電導體(PEC)所模擬的，但當所接收的信號來自罐 102中的實際材料的頂表面114時結果是類似的（峰值910的相位將被改變）。當實現(xiàn)設法準 確地測量罐102中的材料的水平并避免假回波的過程400時，分析器310可確定從GWR 200到 六英寸噴嘴中的傳輸應具有比250 ns更長的脈沖寬度，例如750ns脈沖寬度。
[0059]圖10和11示出根據(jù)本公開的使用導波雷達來減小測量的死區(qū)的高度的示例。在一 些實施例中，當材料104在離探針(例如探針240)的頂部的最小距離內(nèi)時，GWR 200不能準確 地檢測罐102中的材料的水平。例如，短脈沖傳輸可與過程連接器230交互作用并產(chǎn)生假回 波。因此，此區(qū)被稱為上死區(qū)。死區(qū)的尺寸取決于從GWR 200傳輸?shù)男盘柕拿}沖寬度而改變。 GWR 200因此可調(diào)整傳輸?shù)拿}沖寬度，以便得到接近噴嘴120b的頂端122的材料的水平的測 量。
[0060]圖10中的曲線圖1000示出對應于在750 ns脈沖寬度下從GWR傳輸?shù)碾p極信號的較 大死區(qū)。圖11中的曲線圖1100示出對應于在250 ns脈沖寬度下從GWR傳輸?shù)碾p極信號的較 小死區(qū)。在每個圖中的垂直軸表示由設置在噴嘴內(nèi)的GWR接收機接收的反射信號的振幅，其 中所接收的信號響應于雙極信號通過同一噴嘴到罐中的傳輸。在每個圖中的水平軸表示關 于在噴嘴120b的頂端122處的上參考點的以米(m)為單位的所計算的距離(意味著上參考點 位于曲線圖1000和1100中的零米處）。
[0061 ]如圖10中所示的，示例波形1005表示由GWR 200接收的信號，其中棒探針通過噴嘴 被設置到包含油酸的水平的罐中。波形1005表示離開油酸水平反射的信號(大約0.7 m遠）。 死區(qū)線1020表示在750 ns脈沖寬度下對雙極傳輸?shù)淖钚》秶?最大水平測量。垂直虛線 1025指示用于頂表面114水平的峰值位置，而且波形1005中示出界面水平(例如界面112)和 探針水平的末端。注意，在這個示例中，工業(yè)油在界面水平之下。
[0062]在圖11中，示例波形1105表示由GWR 200接收的信號，其中棒探針通過噴嘴被設置 到包含與圖10中的相同的油酸的罐中。死區(qū)線1120表示在250 ns脈沖寬度下對雙極傳輸?shù)?最小測量水平。垂直虛線1125指示用于頂表面114水平的峰值位置。
[0063] 如在這里可以看到的，圖11中的死區(qū)線1120比圖10中的死區(qū)線1020更接近零米水 平。這指示GWR 200可通過調(diào)整到更短的脈沖度傳輸來得到在探針的頂部附近的準確的水 平測量。
[0064]在圖8到11中的示例示出太短的脈沖寬度引起假回波和高階模式干擾，增加的脈 沖寬度引起擴大的死區(qū)，以及太長的脈沖寬度引起不準確性。因此，GWR 200被配置成設置 或改變傳輸?shù)焦拗械男盘柕拿}沖寬度。例如，GWR 200可增加脈沖寬度的長度，以便減少假 回波，減小脈沖寬度的長度，以便減小GWR的上死區(qū)的尺寸。相應地，確定最佳脈沖寬度涉及 在分辨率和假反射的程度之間的折衷。
[0065] 盡管圖5到11示出各種特性的示例圖表，但是這些圖表僅用于例證。還可取決于例 如GWR 200的設計和其中GWR 200被使用的環(huán)境來使用示出不同特性的其它圖表。
[0066]圖12A和12B示出根據(jù)本公開的示例過程連接器1200。特別地，圖12A示出過程連接 器1200的側(cè)面的立體圖，且圖12B示出過程連接器1200的中心的縱向截面圖。過程連接器 1200可與圖2中的過程連接器230相同或相似，并可以用與其相同或相似的方式操作。
[0067]當過程連接器1200的主要密封（例如0形環(huán)）出故障時，材料(例如來自罐內(nèi)）可朝 著過程連接器1200的大氣出口迀移或迀移到過程連接器1200的次密封(例如玻璃到金屬密 封)之下的環(huán)形腔或孔隙1205中。在孔隙1205中的材料可改變過程連接器1200的那個區(qū)段 的特征阻抗并反射GWR接收機檢測到的信號。分析器310可使用從過程連接器1200的孔隙區(qū) 段反射的信號作為主要密封已經(jīng)出故障的診斷指示物。分析器310可使MCU 130產(chǎn)生向用戶 指示主要密封已經(jīng)出故障的警報并安排過程連接器1200的更換或修理。
[0068]這個的示例在圖13中被示出，圖13示出根據(jù)本公開的來自過程連接器內(nèi)部的反射 能量的示例波形1305-1310。波形1305表示當孔隙1205是空的時來自過程連接器1200內(nèi)部 的反射能量。波形1310表示當過程流體存在于孔隙1205中時來自過程連接器1200內(nèi)部的反 射能量。在波形1310的區(qū)域中的振幅的增加指示在孔隙1205內(nèi)的過程流體的存在。在波形 1310的區(qū)域中的振幅的增加由包含孔隙120 5的過程連接器1200的區(qū)段的特征阻抗的變化 引起。當孔隙1205是空的時，在孔隙1205中的過程流體的存在從基線阻抗改變在過程連接 器1200的那個區(qū)段中的阻抗。如上文所提到的，當檢測到故障(例如在過程連接器1200中的 泄漏)時，可產(chǎn)生警報或其它適當?shù)闹甘疚铩?br>[0069] 在某些實施例中，GWR 200配置成周期性地測試以確定過程流體是否存在于孔隙 1205中。測試的持續(xù)時間是短暫的，且GWR 200在測試之后重新開始得到在罐中的材料中的 測量。例如，GWR 200每天兩次周期性地進行測試以通過暫時改變或減小脈沖寬度的長度來 檢測在孔隙1205中的過程流體的存在以映射由過程連接器1200引起的多個反射。在測試期 間，脈沖寬度可減小到最小值。GWR 200使用空的孔隙1205的所映射的波形來與在測試期間 接收的波形比較以檢測過程連接器1200是否已經(jīng)填充有流體或由于與過程的交互作用而 已經(jīng)降級(degrade)。例如，在圖11中的死區(qū)線1120的左邊的負距離區(qū)域中的紋波表示在短 脈沖寬度下的頂端122處的GWR凸緣之前的過程連接器1200內(nèi)的多個信號反射，然而由于較 長的脈沖寬度，紋波從在死區(qū)線1020左邊的圖10的負距離區(qū)域消失。
[0070] 盡管圖12A和12B示出過程連接器1200的一個示例，但是可對圖12A和12B進行各種 改變。例如，具有任何適當?shù)脑O計的任何其它適當?shù)倪^程連接器1200可與GWR 200-起使 用。盡管圖13示出來自過程連接器內(nèi)部的反射能量的波形的示例，但是可對圖13進行各種 改變。例如，在這里所示的波形僅僅是示例，且取決于(尤其是)過程連接器1200的設計和泄 漏到過程連接器1200中的材料，可以存在其它波形。
[0071] 在一些實施例中，上面所述的各種功能由從計算機可讀程序代碼形成并被包含在 計算機可讀介質(zhì)中的計算機程序?qū)崿F(xiàn)或支持。短語"計算機可讀程序代碼"包括任何類型的 計算機代碼，包括源代碼、目標代碼和可執(zhí)行代碼。短語"計算機可讀介質(zhì)"包括能夠由計算 機訪問的任何類型的介質(zhì)，例如只讀存儲器(R0M)、隨機存取存儲器(RAM)、硬盤驅(qū)動器、光 盤(CD)、數(shù)字視頻盤(DVD)、或任何其它類型的存儲器。"非臨時"計算機可讀介質(zhì)排斥傳送 臨時電或其它信號的有線、無線、光學或其它通信鏈路。非臨時計算機可讀介質(zhì)包括其中數(shù) 據(jù)可永久地被存儲的介質(zhì)和其中數(shù)據(jù)可被存儲并稍后被重寫的介質(zhì)，例如可重寫光盤或可 擦除存儲器設備。
[0072]闡述在整個這個專利文檔中使用的某些詞和短語的定義可能是有利的。術語"應 用"和"程序"指的是適于在適當?shù)挠嬎銠C代碼(包括源代碼、目標代碼或可執(zhí)行代碼）中實 現(xiàn)的一個或多個計算機程序、軟件部件、指令集合、過程、功能、對象、類、實例、相關數(shù)據(jù)或 其一部分。術語"包括"和"包含"以及其衍生詞意指包括而不是限制。術語"或"是包括的，意 指和/或。短語"與……相關"以及其衍生詞可意指包括、被包括在……內(nèi)、與……互連、包 含、被包含在……內(nèi)、連接到或與……連接、耦合到或與……耦合、與……可通信、與……協(xié) 作、交錯、并置、接近于、綁定到或與……綁定、具有、具有……的性質(zhì)、具有和或與……的關 系等。短語"……中的至少一個"當與項目的列表一起使用時意指一個或多個所列出的項目 的不同組合可被使用，且在列表中的僅僅一個項目可能被需要。例如，"A、B和C中的至少一 個"包括下面的組合中的任何一個:A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A和B和C。
[0073] 雖然本公開已經(jīng)描述了某些實施例和通常相關的方法，但是這些實施例和方法的 變更和置換將對本領域中的技術人員來說是顯然的。因此，示例實施例的上面描述并不限 定或約束本公開。其它變化、替換和變更也是可能的，而不偏離如由下面的權利要求限定的 本公開的精神和范圍。
【主權項】
1. 一種裝置，包括： 至少一個處理設備(310)，其配置成： 確定最佳脈沖寬度，以用于得到與罐(102)中的材料(104)相關的水平測量； 產(chǎn)生使導波雷達(GWR)(200)的發(fā)射機(330)傳輸具有最佳脈沖寬度的信號（355)的控 制信號；以及 將控制信號發(fā)送到發(fā)射機。2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個處理設備還配置成改變最佳脈沖寬度 的長度以便減少由GWR檢測的假回波。3. 如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個處理設備還配置成改變最佳脈沖寬度 的長度，以便減小GWR的上死區(qū)（1020)的尺寸。4. 如權利要求1所述的裝置，其中所述至少一個處理設備還配置成： 暫時改變所述最佳脈沖寬度的長度以便檢測在GWR的過程連接器(230 )中的材料的存 在； 接收與所改變的脈沖寬度相關的反射信號；以及 響應于檢測到從基線阻抗的阻抗的變化，產(chǎn)生識別過程連接器的故障的指示物。5. 如權利要求1所述的裝置，其中至少一個處理設備還配置成： 接收與GWR相關的溫度測量； 確定使GWR的發(fā)射機傳輸具有最佳脈沖寬度的信號的控制信號的控制電壓； 基于測量的溫度來調(diào)整控制信號的控制電壓；以及 產(chǎn)生具有經(jīng)調(diào)整的控制電壓的控制信號。6. 如權利要求1所述的裝置，其中最佳脈沖寬度基于至少一個參數(shù)，所述至少一個參數(shù) 包括下列各項中的至少一個： GWR被安裝到的噴嘴（120b )的直徑（128 ); GWR的探針(240 )的直徑；以及 在探針的內(nèi)和外導體之間的材料的相對介電常數(shù)。7. 如權利要求6所述的裝置，其中最佳脈沖寬度與具有最大值的截止頻率成反比，所述 最大值基于： 噴嘴的直徑， 探針的直徑，以及 在探針的內(nèi)導體和外導體之間的材料的相對介電常數(shù)。8. 一種方法，包括： 確定(410)最佳脈沖寬度，以用于得到與罐(102)中的材料(104)相關的水平測量； 產(chǎn)生(415)使導波雷達(GWR)(200)的發(fā)射機(330)傳輸具有最佳脈沖寬度的信號的控 制信號；以及 將控制信號發(fā)送(425，430)到發(fā)射機。9. 如權利要求8所述的方法，還包括： 改變最佳脈沖寬度的長度以便減少由GWR檢測的假回波。10. 如權利要求8所述的方法，還包括： 改變最佳脈沖寬度的長度以便減小GWR的上死區(qū)（1020)的尺寸。11. 如權利要求8所述的方法，還包括： 暫時改變最佳脈沖寬度的長度以便檢測在GWR的過程連接器(230)中的材料的存在； 接收與所改變的脈沖寬度相關的反射信號；以及 響應于檢測到從基線阻抗的阻抗的變化，產(chǎn)生識別過程連接器的故障的指示物。12. 如權利要求8所述的方法，還包括： 接收與GWR相關的溫度測量;并且 確定使GWR的發(fā)射機傳輸具有所述最佳脈沖寬度的信號的控制信號的控制電壓； 基于所測量的溫度來調(diào)整控制信號的控制電壓；以及 產(chǎn)生具有經(jīng)調(diào)整的控制電壓的控制信號。13. 如權利要求8所述的方法，進一步包括： 接收(405)至少一個參數(shù)的用戶輸入，所述至少一個參數(shù)包括下列各項中的至少一個： GWR被安裝到的噴嘴（120b )的直徑（128 ); GWR的探針(240 )的直徑；以及 在探針的內(nèi)導體和外導體之間的材料的相對介電常數(shù)；以及 基于至少一個參數(shù)確定最佳脈沖寬度。14. 如權利要求13所述的方法，其中最佳脈沖寬度與具有最大值的截止頻率成反比，所 述最大值基于： 噴嘴的直徑， 探針的直徑，以及 在探針的內(nèi)導體和外導體之間的材料的相對介電常數(shù)。15. -種包含計算機程序的非臨時計算機可讀介質(zhì)，所述計算機程序包括當被執(zhí)行時 使至少一個處理設備(310)進行下列各項的計算機可讀程序代碼： 確定(410)最佳脈沖寬度，以用于得到與罐(102)中的材料(104)相關的水平測量； 產(chǎn)生(415)使導波雷達(GWR)(200)的發(fā)射機(330)傳輸具有最佳脈沖寬度的信號（355) 的控制信號；以及 將控制信號發(fā)送(425，430)到發(fā)射機。
【文檔編號】G01S7/282GK105974373SQ201610139470
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月11日
【發(fā)明人】M.K.Y.休斯, I.喬治斯庫, C.科比亞努
【申請人】霍尼韋爾國際公司