[发明专利]接嘴端部反射减少的单导体探头导波雷达系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种GWR(导波雷达)类型的雷达物位计系统，其用于确定罐中容纳的产品的填充高度。

背景技术

雷达物位计(RLG)系统被广泛用于确定罐中容纳的产品的填充高度。雷达物位计量一般通过不接触测量或接触测量来进行，其中，不接触测量向罐中容纳的产品发射电磁信号，而通常被称为导波雷达(GWR)的接触测量则凭借起波导作用的探头将电磁信号导向并导入产品中。探头一般被布置为从罐顶向罐底垂直延伸。探头也可被布置在与罐的外壁连接并与罐的内部流体连接的测量管即所谓的腔中。

发送的电磁信号在产品的表面处被反射，且反射信号由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。基于发送信号和反射信号可以确定到产品表面的距离。

更特别地，一般基于发送电磁信号与收到电磁信号在罐中的大气与罐中所容纳的产品之间的界面上的反射之间的时间来确定到产品表面的距离。为了确定产品的实际填充高度，基于以上提到的时间(所谓的形程时间(time-of-flight))和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。

现今市场上的大多数雷达物位计系统是基于发送脉冲与收到脉冲在产品表面的反射之间的时间差来确定到容纳在罐中的产品的表面的距离的所谓的脉冲雷达物位计系统，或是基于发送的调频信号与该调频信号在表面处的反射之间的相差来确定到表面的距离的系统。后一类型的系统一般被称为FMCW(调频连续波)类型。

在任何情况下，传播的电磁信号通常不仅在由大气与表面之间的分界构成的阻抗转变处被反射，而且在信号遇到的多个其它阻抗转变处被反射。在GWR系统的情况下，一个这样的阻抗转变通常出现在收发器与探头之间的连接处。一般地，收发器定位在罐外部并经由穿过罐壁(通常为罐顶)的馈通与探头连接。

这样的馈通通常由同轴线缆形成，其中，该同轴线缆以探头作为其内部导体、以罐壁或附连到罐的连接件作为其外部导体，并且具有设置在内部导体与外部导体之间的电介质构件。

由于既要求内部导体在机械上足够强健、又要求外部导体实用，因此比约50Ω大很多的馈通阻抗很难可行。因此，由于馈通的结构，馈通的阻抗一般与典型的同轴电缆的阻抗相似，即约为50Ω。

由于探头的阻抗通常相当高(对于双线探头大约为200Ω至300Ω，对于单线探头大约为300Ω至400Ω)，所以在馈通结束且探头进入罐时会存在相对较大的阻抗阶跃。

如上所述，此阻抗转变部分反射发送的电磁信号，这产生可能比由发送的信号在罐中容纳的产品的表面处反射所产生的表面回波信号强很多的回波信号，尤其在待计量的产品是产生相对弱的回波信号的材料时。产生相对弱的回波信号的产品的示例是液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、油基产品、比如塑料小球或颗粒的固体等。

这又可能导致在产品表面接近罐顶时难于确定填充高度，此外，可能由于在馈通与探头之间的阻抗转变处发生的信号损耗而减小最大可测量距离(最小可测量填充高度)。

例如，对于以上描述的情况，随着从馈通的50Ω阻抗到单线探头的300Ω阻抗的阻抗转变，在来回经过该阻抗转变之后仅有大约25％的发送功率可用于返回收发器。如果阻抗转变从1∶6减少到1∶2，就有80％的功率返回。这些情况之间的最大可测量距离相差可多达10米。

雷达物位计系统通常安装在罐顶部的所谓的接嘴(nozzle)上。(接嘴通常可以是如下管，该管焊接到罐上并在其上端装配有法兰以允许附连比如雷达物位计系统或法兰盖(blind flange)的仪器，接嘴的内径通常可以在0.1m到0.2m之间，接嘴的长度通常大约是0.5m。)在这样的情况下，探头通常在接嘴的顶部机械连接到罐，并在进入罐本身之前通过接嘴。在接嘴的顶部，探头可以通过穿过罐边界的馈通与雷达物位计系统的收发器电连接。

对于单导体探头，有时也称为古搏探头(Goubau-probes)而言，还发现了由探头引导的电磁信号的传播尤其在接嘴相对窄且高时受接嘴的影响。

因此，第二阻抗转变出现在接嘴端部处，其中，在由探头和接嘴壁形成的(同轴)传输线的阻抗与探头在罐本身内部的自由空间传播特性之间存在突变。

在接嘴端部处的此阻抗转变会以与以上针对从馈通到探头的转变处的阻抗转变所描述的方式相似的方式干扰填充高度测量。另外，(在馈通处和在接嘴端部处的)这两个阻抗转变之间的多次反射可导致另外的回波信号，这些回波信号可干扰在接嘴端部以下相对远处的填充高度测量。