УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ НА ОСНОВЕ РАДИОЛОКАЦИИ Российский патент 2008 года по МПК G01F23/284 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к радиолокационной (радарной) технологии измерения уровня, а более конкретно к аппаратам и способам для радиолокационного (радарного) измерения уровня жидкости через волновод с высокой точностью, при отсутствии предварительной информации о точном составе газа и/или давлении над поверхностью жидкости.

Уровень техники

Устройство для измерения уровня жидкости в контейнере содержит передатчик для передачи микроволнового сигнала в направлении поверхности жидкости, приемник для приема микроволнового сигнала, отраженного от поверхности жидкости, и устройство обработки сигнала для вычисления уровня жидкости в контейнере на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволнового сигнала.

Такие устройства приобретают все большую значимость, особенно для нефтепродуктов, таких как сырая нефть и продукты ее переработки. Под контейнерами здесь понимаются большие резервуары, которые образуют модули для хранения полного объема загрузки танкера, или даже более крупные, обычно наземные цистерны в форме кругового цилиндра с объемом, составляющим десятки или тысячи кубических метров.

В частности, в одном из радарных устройств для измерения уровня жидкости в контейнере микроволновый сигнал передается, отражается и принимается через стальную вертикальную трубу, смонтированную внутри контейнера, которая работает в качестве волновода для СВЧ-волн. Пример такого измерителя, предложенного автором настоящего изобретения, приведен в патенте США №5136299. Скорость распространения микроволн в волноводе ниже, чем скорость распространения свободной волны, но при расчете уровня жидкости в контейнере на основе данных о времени распространения этот факт может быть учтен либо посредством расчета, основанного на знании размеров волновода, либо посредством процедур калибровки.

Кроме того, газ, находящийся над поверхностью жидкости, уменьшает скорость распространения СВЧ-волн. Это уменьшение скорости можно точно определить, но только если известны состав газа, температура и давление, что вряд ли возможно в рассматриваемом случае.

Когда используются обычные нефтепродукты, то есть такие, которые при обычных температурах находятся в жидком состоянии, газ, который находится в трубе, в типичном случае является воздухом. Номинальная диэлектрическая постоянная воздуха составляет 1,0006 при типичном отклонении ±0,0001. Однако в случае испарения углеводородов содержимое бака вызывает увеличение диэлектрической постоянной сверх указанной диэлектрической постоянной воздуха. Такое увеличение может быть заметным.

Кроме того, когда требуется измерять уровень в контейнере, содержащем сжиженный газ под давлением, изменение скорости распространения волн становится очень заметным. Среди наиболее употребительных газов самой высокой диэлектрической постоянной обладает пропан, присутствие которого приводит к снижению скорости распространения приблизительно на 1% при давлении 1 МПа (это соответствует ε=1,02). Во многих случаях, например, в системах коммерческого учета в хранилищах нефтепродуктов, столь высокая погрешность неприемлема.

В подобных ситуациях часто необходима более высокая точность, которую характеризуют как точность при коммерческом учете ("коммерческая точность"). Под "коммерческой точностью" здесь подразумевается точность, достаточная для возможной аттестации системы для использования в целях коммерческого учета, что является формальным требованием во многих коммерческих задачах измерения уровня. В отношении скорости распространения обеспечение коммерческой точности может повлечь за собой требование определения уровня с погрешностью в диапазоне приблизительно 0,005-0,05%. Несмотря на то что требования коммерческого учета довольно сильно варьируют от страны к стране и от организации к организации, очевидно, что вышеприведенный пример не отвечает никаким требованиям в отношении точности коммерческого учета.

Раскрытие изобретения

Таким образом, основной задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка радарного устройства и способа измерения уровня жидкости через трубу с большей точностью при отсутствии предварительной информации о точном составе газа и/или давлении над поверхностью жидкости.

Более конкретная задача состоит в создании такого устройства и такого способа, которые обеспечат измерение уровня с погрешностью менее 0,4%, желательно менее 0,1%, а в самом предпочтительном варианте менее 0,01% для случая присутствия над поверхностью жидкости газа или смеси газов, которые имеют любую диэлектрическую постоянную в интервале 1≤ε≤1,03. Данный интервал выбран так, что с определенным запасом включает пропан, бутан, метан и другие распространенные газы.

В этой связи частная задача, решаемая изобретением, заключается в создании такого устройства и такого способа, которые способны измерять уровень жидкости с точностью, отвечающей требованиям коммерческого учета.

Другая задача состоит в обеспечении такого устройства и способа измерения уровня жидкости через трубу, которые обеспечивают также точное измерение внутреннего размера трубы.

Еще одной задачей, поставленной перед настоящим изобретением, является обеспечение такого устройства и такого способа измерения уровня жидкости через трубу, которые обеспечивают снижение погрешности за счет определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере, например, поперечного сечения трубы, отклонения поперечного сечения по длине трубы, наличия загрязнений, особенно твердых или жидких углеводородов на внутренних стенках трубы, или присутствия в газе тумана, особенно масляного тумана.

Решение этих задач, наряду с другими, достигается устройствами и способами, изложенными в пунктах прилагаемой формулы изобретения.

В радарных измерителях уровня используется довольно широкая полоса частот (ширина полосы может составлять 10-15% от центральной частоты) и распространение волн характеризуется групповой скоростью в середине указанной полосы. Автором изобретения было установлено, что путем соответствующего выбора полосы частот и режима распространения передаваемого и принимаемого микроволнового сигнала (СВЧ-сигнапа), а также внутреннего размера трубы можно получить групповую скорость микроволнового сигнала, которая остается фактически постоянной во всем интересующем интервале значений диэлектрической постоянной, желательно между 1 и 1,03. Анализ показывает, что для значений диэлектрической постоянной в интервале 1-1,03 вариация групповой скорости может доходить до ±0,005%, тогда как при помощи традиционного оборудования, например, используя распространение волн в свободном пространстве, можно получить вариацию не менее ±0,75%.

Желательно, чтобы для определенного выбранного режима и внутреннего размера трубы центральная частота полосы частот микроволнового сигнала составляла около (2/ε)^1/2 от критической частоты в вакууме, где ε - центральное значение диэлектрической постоянной в интересующем интервале значений диэлектрической постоянной, например, 1,015 для вышеуказанного предпочтительного интервала. Таким образом, оптимальная центральная частота будет составлять около 2^1/2 от фактической критической частоты для газа, имеющего диэлектрическую постоянную в середине интересующего интервала значений диэлектрической постоянной.

Настоящее изобретение может быть выражено количественно следующим образом: микроволновый сигнал передают в полосе частот, которая включает частоту, отстоящую от оптимальной частоты менее чем на 7%, а предпочтительнее менее чем на 5%, еще предпочтительнее менее чем на 3%, еще предпочтительнее менее чем на 2%, а в самом предпочтительном варианте менее чем на 1%. При этом оптимальную частоту рассчитывают по формуле

где f_c0 - критическая частота режима распространения в трубе, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из интересующего интервала значений диэлектрической постоянной. Эти частоты более высокие, чем те, которые используются, когда требуется гарантировать одномодовый режим распространения, но гораздо более низкие, чем те, которые обычно используют, когда применяются труба завышенного размера и режим подавления мод, как это описано в патенте США №4641139 и в патенте США №5136299. Таким образом, частота, используемая в настоящем изобретении, по меньшей мере, частично находится за пределами частотного диапазона, используемого в известных конструкциях в отношении как труб, так и технологии измерения уровня.

Однако оптимально, чтобы полоса частот имела центральную частоту, которая является оптимальной частотой f_opt или отстоит от оптимальной частоты f_opt менее чем на 1-7%.

Желательно, чтобы для измерения использовалась труба круглого сечения и мода Н₁₁. Выбор частоты, равной приблизительно (2/ε)^1/2 от критической частоты для моды Н₁₁ в вакууме, даст также возможность микроволновому сигналу распространяться в режиме моды E₀₁. Можно измерять эти две моды микроволнового сигнала раздельно друг от друга, и результат измерения моды E₀₁ микроволнового сигнала можно использовать для извлечения информации, касающейся размера трубы, и/или информации, касающейся диэлектрических свойств газа или смеси газов над поверхностью сжиженного газа.

В более общем смысле микроволновый сигнал можно измерять, по меньшей мере, на двух различных модах по отдельности. Такое двухмодовое измерение может быть использовано для извлечения информации, касающейся условий в трубе, например размера трубы, наличия слоев масла на внутренних стенках трубы или атмосферных условий в трубе, например наличия тумана, и для использования этой информации для уменьшения погрешности, вносимой этими условиями в результат измерения уровня.

Основное преимущество настоящего изобретения в том, что высокоточное измерение уровня через трубу может быть осуществлено при отсутствии какой-либо предварительной информации о составе и давлении газа, находящегося над поверхностью, уровень которой измеряется.

Другое преимущество настоящего изобретения в том, что погрешности, вносимые условиями в трубе, могут быть уменьшены посредством двухмодовых измерений.

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что за счет выбора частоты, близкой к оптимальной частоте, установленной выше для диапазона значений диэлектрической постоянной 1-1,03, сводится к минимуму влияние, например, меняющегося количества капель углеводородов внутри трубы и тонких углеводородных слоев различной толщины на внутренних стенках трубы.

Прочие особенности изобретения и его преимущества будут понятны из нижеприведенного подробного описания предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и прилагаемых фиг.1-12, которые приведены только с целью иллюстрации и не ограничивают идею настоящего изобретения.

В данном описании применительно к волноводам будут использованы обозначения Н₁₁, E₀₁, H₀₁ и т.п. как параллельная система обозначений, полностью эквивалентная обозначениям ТЕ₁₁, TM₀₁, TE₀₁ и т.п.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 в перспективной проекции изображает устройство радарного измерения уровня в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при оптимальной частоте.

Фиг.3 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при трех разных частотах, иллюстрирующий принципы настоящего изобретения. При этом одна частота соответствует оптимальной частоте; одна частота существенно ниже, а одна частота существенно выше оптимальной частоты.

Фиг.4 представляет собой график зависимости групповой скорости от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе при оптимальной частоте для различных диаметров волновода.

Фиг.5 представляет собой график зависимости групповой скорости от волнового числа для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами, имеющими различные диэлектрические постоянные.

Фиг.6 представляет собой график зависимости групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами, имеющими различные диэлектрические постоянные.

Фиг.7а, 7b схематично показывают на боковом разрезе и, соответственно, на виде снизу устройство для питания волновода модами Н₁₁ или E₀₁ по отдельности или одновременно обеими модами с использованием отдельных точек питания.

Фиг.8а схематично показывает на боковом разрезе устройство для питания волновода модами H₀₁ или E₀₁ с отдельными точками питания; а фиг.8b схематично показывает антенное устройство, которое входит в состав устройства фиг.8а.

Фиг.9а схематично показывает на боковом разрезе устройство для питания волновода модами Н₁₁ или H₀₁ с отдельными точками питания; фиг.9b схематично показывает антенное устройство, которое входит в состав устройства по фиг.8а; а фиг.9с схематично показывает цепь связи для питания антенного устройства по фиг.9b.

Фиг.10-12 представляют собой графики зависимости обратной групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа, соответственно, для мод Н₁₁, E₀₁ и H₀₁ микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами с различными диэлектрическими постоянными и имеющем на своих внутренних стенках диэлектрические слои различной толщины.

Осуществление изобретения

Далее, со ссылкой на фиг.1, на которой в перспективной проекции изображено устройство для радарного измерения уровня, будет описан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения. Указанное устройство может представлять собой либо радарное устройство с непрерывным сигналом с частотной модуляцией (НСЧМ), либо импульсное радарное устройство, либо дальномерный радар любого другого типа, но желательно, чтобы это был радар первого из вышеупомянутых типов. Радарное устройство должно обладать способностью передачи микроволнового сигнала на изменяемой частоте, которую можно регулировать.

На фиг.1 позицией 1 обозначена, по существу, вертикальная труба, жестко смонтированная в контейнере, верхняя граница или крыша которого обозначена как 3. Контейнер содержит жидкость, которая может представлять собой нефтепродукт, например сырую нефть или продукт ее переработки, либо сжиженный газ, который хранится в контейнере при избыточном давлении и/или в охлажденном виде. Пропан и бутан - два типичных газа, которые хранят в жидком виде.

Желательно, чтобы труба 1 была выполнена из металлического материала, способного работать в качестве волновода для микроволнового излучения; при этом в поперечном сечении труба может иметь произвольную форму. Однако предпочтительными являются круглое, прямоугольное или строго эллиптическое поперечные сечения. На всей своей длине труба не показана; показаны только ее верхний и нижний участки. На трубе, в ее стенке, выполнен ряд относительно небольших отверстий 2, через которые внутренность трубы может сообщаться с жидкостью в контейнере, так что уровень жидкости в трубе поддерживается такой же, как и в контейнере. Было показано, что можно выбрать размер отверстий и их расположение так, что они не будут мешать распространению волн, позволяя при этом достаточно быстро выравниваться уровням жидкости снаружи и внутри трубы.

В верхней части устройства жестко закреплен блок 4. Блок 4 содержит передатчик (не изображен) для подачи микроволнового сигнала, приемник для приема отраженного микроволнового сигнала и устройство обработки сигнала для определения положения поверхности, от которой отразился микроволновый эхо-сигнал. Передатчик содержит волновод, обозначенный на фиг.1 как 5, который окружен защитной трубой 8. Волновод 5 проходит через конический промежуточный элемент 9 к трубе 1.

Во время работы передатчик генерирует микроволновый сигнал, который подается через волновод 5 и конический промежуточный элемент 9 в трубу 1. Этот микроволновый сигнал распространяется в трубе 1 в сторону поверхности жидкости, уровень которой подлежит измерению, отражается этой поверхностью и распространяется обратно в сторону приемника. Отраженный сигнал проходит через конический промежуточный элемент 9 и волновод 5 и принимается приемником. Устройство обработки сигнала вычисляет уровень жидкости на основе данных о времени прохождения микроволнового сигнала.

В соответствии с настоящим изобретением, передатчик приспособлен к передаче микроволнового сигнала в некоторой полосе частот, которая включает частоту, отстоящую от оптимальной частоты f_opt менее чем на 7%. При этом оптимальная частота вычисляется по следующей формуле:

где f_c0 - критическая частота для моды, распространяющейся в трубе 1 в вакууме, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из интересующего интервала значений диэлектрической постоянной, который желательно, хотя и не обязательно, выбрать соответствующим 1-1,03, или центральное значение из какого-то поддиапазона указанного интервала.

За счет такого выбора частоты вариация групповой скорости микроволн, когда диэлектрическая постоянная газа в трубе 1 над поверхностью жидкости варьирует в интервале от 1 до 1,03, является весьма малой. Благодаря этому можно выполнять точное измерение уровня жидкости, не зная заранее состава газа над поверхностью жидкости и его давления. Желательно, чтобы эта частота отстояла от оптимальной частоты f_opt менее чем на 5%, предпочтительно менее чем на 3%, предпочтительнее менее чем на 2%, наиболее предпочтительно менее чем на 1%. В самом предпочтительном случае эта частота равна оптимальной частоте f_opt. Указанная полоса частот имеет центральную частоту, и при желании можно сделать, чтобы она отстояла от оптимальной частоты менее чем на 7%, 5%, 3%, 2% или 1%.

Эти варианты будут давать несколько большую вариацию скорости, чем можно получить, если использовать оптимальную частоту, но все равно разброс будет значительно меньше, чем если бы использовать частоты, применяемые в известных устройствах.

Далее приводятся описание теории, на которую опирается изобретение, и вывод оптимальной частоты, определение которой дано выше.

Распространение волн в любом однородном полом волноводе (т. е. заполненном однородным материалом с диэлектрической постоянной ε) может быть описано изменением фазовой постоянной β, которая показывает изменение фазы в радианах на метр:

где к - волновое число (k=2πf/c, где f - частота, а с - скорость света в вакууме), k_c0 - критическое волновое число в вакууме (k_c0=2πf_c0/c, где f_c0 - критическая частота в вакууме), которое представляет собой нижнюю частотную границу распространения излучения в волноводе. Вышеприведенная формула справедлива для любого режима одномодового распространения, независимо от поперечного сечения волновода.

Критическое волновое число k_c0 связано с геометрией поперечного сечения волновода. Для круглого поперечного сечения с радиусом а

где Х - соответствующий корень функции Бесселя (J₀(x), J₁(x) и т.д.), а 0 в обозначении k_c0 введен, чтобы подчеркнуть, что k_c0 относится к вакууму. Несколько мод низшего порядка в волноводах круглого сечения (диаметр D=2а) приведены ниже, в Таблице 1.

Для сравнения, критические волновые числа для прямоугольного волновода с поперечным сечением а×b, где а>b, можно записать следующим образом:

где n и m - неотрицательные целые числа с альтернативными ограничениями nm>0 (моды Е) или n+m>0 (моды Н).

Возвращаясь к коэффициенту β распространения, следует заметить, что по сравнению с коэффициентом распространения для свободной волны здесь имеет место, по меньшей мере, его слабая нелинейная зависимость от частоты. Распространение сигнала с ограниченной полосой частот традиционно описывается групповой скоростью v_g, которая вычисляется следующим образом:

где с - скорость света в вакууме (299792458 м/с), а частное c/v_g, по меньшей мере, слегка больше 1. Для волновода с очень большой площадью поперечного сечения (приближение к случаю свободного пространства) k_c0 можно пренебречь, и тогда указанное частное превращается просто в корень квадратный из диэлектрической постоянной ε.

Таблица 1
Моды в волноводах круглого сечения. Для каждой моды использованы общепринятые обозначения X, λ_с0/D, где λ_c0 - критическая длина волны в вакууме, а D - диаметр (D=2а).ОбозначениеXnmλ_с0/DПримечаниеН₁₁ или ТЕ₁₁1,841 (1^й максимум J₁)1,706Мода низшего   порядкаE₀₁ или TM₀₁2,405 (1^й нуль J₀)1,306 H₂₁ ИЛИ ТЕ₂₁3,054 (1^й максимум J₂)1,029 H₀₁ или TE₀₁3,832 (1^й ненулевой максимум |J₀|)0,820Мода с низкими   потерямиЕ₁₁ или ТМ₁₁3,832 (2^й нуль J₁)0,820Х такое же, как в H₀₁Н₃₁ или ТЕ₃₁4,201 (1^й максимум J₃)0,748 

Более внимательное рассмотрение уравнения (4) показывает, что у него всегда будет иметься минимум, если дать возможность диэлектрической постоянной ε изменяться во всей области положительных значений. Это легко видеть, ибо, если ε сделать слегка больше значения, обращающего знаменатель в нуль, частное c/v_g будет очень большой величины, и очевидно, что то же самое будет для очень большого значения ε. Этот минимум может появиться при величине ε, имеющей физически нереальное значение, но для любого диаметра 2а волновода найдется такая частота (или волновое число k), где этот минимум возникает для физически возможного значения ε (поскольку k_c0 связан с диаметром 2а согласно уравнению (2)).

Указанный минимум может появиться при величине ε, имеющей физически нереальное значение, но для любого диаметра 2а трубы найдется такая частота (или волновое число k), где этот минимум возникает для физически возможного значения ε. Чтобы найти минимум c/v_g, следует рассмотреть вторую производную:

Минимум c/v_g достигается, когда эта производная равна нулю. Волновое число, удовлетворяющее этому условию и представляющее собой оптимальное волновое число k_opt, таково:

Благодаря такому выбору можно ожидать, что небольшие вариации ε (вокруг середины предполагаемого интервала значений ε, который может составлять 1-1,03) приведут к очень небольшим изменениям v_g, численная оценка которых будет приведена далее. Это явление может быть объяснено как результат сочетания действия двух факторов, вносящих свой вклад в v_g: увеличение ε снижает скорость распространения микроволн, но также приводит и к кажущемуся увеличению размера волновода, что, в свою очередь, увеличивает скорость распространения в волноводе. Выражение для производной показывает, что можно заставить эти два противоположно действующих эффекта компенсировать друг друга.

Для иллюстрации такого поведения рассмотрим пример волновода, имеющего диаметр 2а=100 мм, при ε, варьирующем в интервале от 1 до 1,03, и соответствующего малым изменениям v_g (т.е. необходимо найти оптимальное волновое число k_opt для ε=1,015). Если используется мода низшего порядка Н₁₁, то из уравнений (2) и (6) получается оптимальное волновое число k_opt, равное 51,5 м^-1. Это оптимальное волновое число соответствует оптимальной частоте f_opt 2,46 ГГц.

На фиг.2 показан график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм при оптимальной частоте, составляющей 2,46 ГГц.

Скорость изменяется в пределах ±0,005%, когда диэлектрическая постоянная ε изменяется в пределах 1-1,03 (±1,5%), т.е. от случая воздуха (ε=1,0006) до случая пропана (ε=1,03). Вариация скорости снижается в 150 раз и даже более, если изменение величины диэлектрической постоянной ограничить еще более узким интервалом, нежели 1-1,03.

На фиг.3 показан график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм на частоте 2,46 ГГц и, для сравнения, на частотах 10 ГГц и 2 ГГц. Следует иметь в виду, что по отношению к фиг.2 здесь масштаб по вертикальной оси сжат в 200 раз. Кривая для оптимальной частоты выглядит горизонтальной прямой линией, т. е. отсутствует зависимость групповой скорости от ε, в то время как групповые скорости при частотах, соответственно, 2 и 10 ГГц в указанном интервале сильно зависят от ε.

Фиг.4 иллюстрирует влияние диаметра волновода на получаемую групповую скорость. Графики показывают зависимость групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от диэлектрической постоянной для моды Н₁₁ микроволнового излучения в волноводе диаметром 100 мм и в волноводах диаметром на 0,005% больше и на 0,005% меньше.

Положение максимума групповой скорости не меняется значительным образом при небольшом различии в диаметре. Однако сама групповая скорость сильно зависит от диаметра, и, следовательно, диаметр волновода приходится очень тщательно измерять или калибровать. Более подробно об этом будет сказано ниже. Фиг.5-6 продолжают далее иллюстрировать идею изобретения.

Фиг.5 изображает график зависимости групповой скорости, нормированной к скорости света в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁ в волноводе диаметром 100 мм для различных значений диэлектрической постоянной ε, а именно для ε=1,0006 (воздух) и для ε=1,03 (1,02 соответствует пропану при давлении 10 атмосфер, что считается наихудшим случаем). Можно заметить, что две кривые пересекаются при определенном волновом числе, которое фактически является оптимальным волновым числом k_opt.

Это наглядно показано на фиг.6, которая изображает графики зависимости групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа для моды Н₁₁ в волноводе диаметром 100 мм для различных значений диэлектрической постоянной ε. Скорость показана для следующих значений ε: 1,03; 1,02; 1,01 и 1,006. Точка пересечения находится при k=51,5 м^-1, что является оптимальным волновым числом, как указывалось выше.

Существует ряд способов калибровки или измерения диаметра волновода, которые необходимо выполнять более тщательно, чем когда используются волновод завышенного размера и режим подавления мод, описанные в патенте США №4641139.

Один способ заключается в определении эффективного диаметра для одного или нескольких уровней путем калибровки in situ на одной или нескольких известных высотах. На фиг.1 показано, что в нижнюю часть трубы 1 диаметрально, т.е. перпендикулярно продольному направлению, вмонтирован относительно тонкий металлический штырь 7. Этот металлический штырь 7 представляет собой реактивное сопротивление, отражающее известную часть излучаемого микроволнового сигнала, которая принимается приемником блока 4 и обеспечивает калибровку функции измерения посредством электронного блока. Такая калибровка in situ более подробно описана в патенте США №5136299, содержание которого включено в настоящее описание путем ссылки на него. Конечно, такую же калибровку во многих случаях можно и желательно выполнять, пользуясь точным измерением по реальной поверхности жидкости.

Другой способ состоит в том, чтобы посредством фидерного устройства передавать микроволновый сигнал также и на второй моде в трубу 1, через газ к поверхности жидкости, принимать микроволновый сигнал, отраженный от поверхности жидкости и распространяющийся в обратном направлении через трубу на второй моде, и выделять (т.е. распознавать) части принятого микроволнового сигнала различных (первой и второй) мод.

На фиг.7а-b изображен один пример запитывания волновода для двух мод. Труба 1 закрыта крышкой 10, которая загерметизирована уплотнениями 11 и 12. Расположенный ниже уплотнений диполь 13 λ/2 подает в трубу 1 моду Н₁₁, питание диполя осуществляется через два провода 15. Ниже диполя 13 симметрично смонтирован элемент 14, которому придана форма, подходящая для подачи в трубу 1 моды E₀₁. Элемент 14, в свою очередь, запитывается от линии 16. Линии 15 и 16 проходят через герметизирующее уплотнение 12 и подключены к схемам и кабелям (не показаны) измерительного устройства. Две линии 15 подключены к симметрирующему устройству, поэтому они запитываются в противофазе. Тем самым автоматически осуществляется изоляция между линиями 15 и одиночной линией 16, которая запитывается, как коаксиальная линия, при этом часть крышки 10 используется в качестве ее второй части. При соответствующем выборе параметров формы для согласования очевидно, что в своей основе одна и та же схема будет работать как в случае двух мод (Н₁₁ и E₀₁), так и в случае любой одной из этих двух мод. Антенны и возбуждающие элементы 13-16 могут быть выполнены на печатной плате, которая показана штриховой линией 17.

Таким образом, обеспечивается возможность производить два независимых измерения, и на основе результатов этих измерений можно получить не только значение уровня, но также и диаметр трубы 1, например, эффективный или средний диаметр - см. уравнение (4). Один из способов осуществить это заключается в использовании такого соединения волновода, которое дает две моды, и в использовании того факта, что если моды сильно различаются, то групповые скорости для таких двух мод могут достаточно отличаться друг от друга, чтобы разделить эхо-сигналы во времени для импульсной системы или по частоте для НСЧМ-системы.

Приемник блока 4 на фиг.1 можно приспособить для выделения (т. е. распознавания) частей принятого микроволнового сигнала первой и второй мод, основываясь на разном времени поступления этих частей сигнала в приемник. В этом случае устройство питания волновода имеет два соединения (или несколько соединений), выполненных для связи с различными модами. При этом либо высокочастотный переключатель подключает моды последовательно, либо предусматривается двойное число узлов приемника и передатчика, чтобы позволить производить измерение двух (или нескольких) мод.

Указанные части микроволнового сигнала могут иметь существенно различное время распространения, что позволяет осуществить их последовательное обнаружение. В противном случае передатчик блока 4 можно приспособить для последовательной передачи первой и второй мод микроволнового сигнала.

В качестве альтернативного варианта передатчик блока 4 применяют для передачи микроволнового сигнала посредством спектрально разделенных первой и второй мод. Таким образом, устройство питания волновода выполняет разную функцию для различных частот, давая одну моду в одном частотном интервале, а другую - в другом частотном интервале.

Как вариант, устройство обработки сигнала можно приспособить (если диаметр трубы известен) для вычисления диэлектрической постоянной газа, находящегося над уровнем жидкости, на основе принятых и выделенных частей микроволнового сигнала, принимаемого в режиме первой и второй мод.

На фиг.8а, 8b показан другой вариант питания волновода, который подходит для передачи микроволнового сигнала посредством мод H₀₁ и E₀₁. Труба 1, крышка 10 и уплотнение 11 подобны аналогичным деталям в варианте осуществления, представленном на фиг.7а, 7b. Наиболее важным элементом системы питания является антенное устройство, обычно формируемое посредством печатной платы 20. Печатная плата запитывается от коаксиальной линии 21 (показана только ее наружная часть). Печатная плата 20 несет на себе четыре полуволновых (λ/2) диполя 25, которые питаются синфазно (т.е. соединены параллельно посредством неизображенных радиальных проводников), создавая электрические поля с направлениями, показанными стрелками. Таким образом, указанные диполи могут осуществлять эффективную связь с модой H₀₁, распространяющейся в волноводе. Расстояние от печатной платы 20 до крышки 10 составляет около λ/4. Наружная сторона коаксиальной питающей линии 21, в свою очередь, находится внутри другой коаксиальной линии, имеющей изоляцию 23 и экран 24. Данная коаксиальная линия осуществляет питание для моды E₀₁, генерируемой элементом 24 и элементами рисунка печатной платы 20. Изоляция 23, 22 является герметизирующим уплотнением. Механическое крепление изоляции 22 и 23 не показано.

На фиг.9а-9с показан вариант построения питания волновода для создания микроволнового сигнала с модами H₀₁ и Н₁₁. Антенный элемент 30, например, в форме печатной платы, содержит четыре диполя 33, которые запитываются четырьмя коаксиальными кабелями 32 через уплотнение 31. Снаружи контейнера эти четыре кабеля питаются через цепь связи, обозначенную на фиг.9с как 34. Данная цепь связи располагается снаружи контейнера, хотя может располагаться и на антенном элементе 30. Цепь 34 связи (питания) состоит из четырех стандартных гибридных цепей, которые могут создавать три различные моды распространения в волноводе. Самый верхний вход создает моду H₀₁ посредством четырех диполей, направленных так, как это показано сплошными стрелками на фиг.9b. Каждый из двух других входов создает моду Н₁₁ с правой круговой поляризацией или с левой круговой поляризацией, причем различные направления поляризации используются для передачи и приема моды Н₁₁.

Каждое из питающих устройств, представленных на фиг.7-9, может содержать воронку (не показана) в трубе 1 для перехода на диаметр трубы 1. Воронка может быть подвешена в трубе 1, как это упомянуто в патенте США №4641139, содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки на него.

Ниже, в Таблице 2, приведены значения ослабления для некоторых предпочтительных сочетаний центральной частоты и диаметра трубы для четырех мод H₁₁/Е₀₁/Н₀₁/Н₀₂ распространения в волноводе. Значения ослабления для длины трубы, превышающей 25 м (т.е. для длины хода 2×25 м), приведены для упомянутых четырех мод в указанном порядке, в децибелах, и разделены косой чертой.

Следует обратить внимание на то, что значения, приведенные в Таблице 2, лишь иллюстрируют конкретные примеры. В качестве основной моды, распространяющейся в волноводе, теоретически можно использовать любые моды. Различные моды приведены в уравнениях (2) и (3), а также в Таблице 1. Однако представляется, что две из приведенных в Таблице 2 комбинаций обладают особенно предпочтительными свойствами.

Комбинация H₀₂/E₀₁ в трубе диаметром 100 мм, в которой используется частота около 10 ГГц, полезна, поскольку используются две моды, обладающие вращательной симметрией. При этом вследствие того, что мода Н₀₁ (аналогичная более известной моде Н₀₁) фактически независима от состояния стенок трубы, а мода E₀₁ отстоит далеко от критической частоты, режим распространения подобен режиму распространения в трубе для традиционных радарных измерителей уровня.

Комбинация Н₁₁/Е₀₁ в трубе диаметром 100 мм, в которой используется частотный диапазон, близкий к 2,5 ГГц (например, диапазон 2,4-2,5 ГГц, отведенный для промышленных, научных и медицинских целей), позволяет использовать более низкую частоту, которая менее чувствительна к механическим особенностям трубы (например, таким как отверстия, места соединения) и которая обеспечивается более дешевой микроволновой аппаратурой.

Наконец, из Таблицы 2 видно, что если применять более короткие трубы (многие сферические резервуары для сжиженного газа имеют высоту всего 10-15 м), то появляется возможность использовать трубы меньшего диаметра и другие моды, не создавая при этом очень большого ослабления (которое пропорционально длине трубы).

Таблица 2

Ослабление в трубах из нержавеющей стали (сопротивление на частоте 10 ГГц составляет 0,5 Ом на квадрат) на длине хода 2×25 м для четырех мод в волноводе H₁₁/E₀₁/H₀₁/H₀₂ для различных вариантов частоты и диаметра трубы. HP означает «нет распространения» (отсечка); НП означает «не применяется», т.е. невозможно распространение ни одной из мод; мода, для которой выполняется условие ослабления в 1,41 раза, подчеркнута; наиболее предпочтительные двухмодовые комбинации показаны путем подчеркивания одной из них - это указывает на ту моду, для которой должно быть выполнено условие ослабления в 1,41 раза. Указанные частоты приведены лишь приблизительно, и их точные значения могут несколько отличаться, чтобы выполнялось условие ослабления в 1,41 раза.

Частота2,5 ГГц5 ГГц10 ГГцДиаметр трубыОслабление в дБ не менееОслабление в дБ не менееОслабление в дБ не менее100 мм7/15/НР/НР5/9/6/НР5/12/2/7 H₁₁/Е₀₁H₀₁/Е₀₁H₀₂/E₀₁50 ммНП21/41/НР/НР13/26/18/НР   H₀₁/Н₁₁25 ммНПНП(59/115/НР/НР)

В этих примерах предполагается, что для обеих мод используется одна и та же частота, что обычно подразумевает, например, наличие какого-то разделения посредством переключателя или использования раздельных каналов передатчика или приемника. Очевидно, что можно использовать различные частоты, что сделает систему более похожей на два раздельных микроволновых модуля (или на один с широкой перестройкой), подсоединенных к одной трубе, с совместной обработкой частей сигнала. В этом случае для разделения сигналов можно использовать функцию фильтрации и предусмотреть возбудитель мод для формирования различных мод для различных частот. Измеряя микроволновый сигнал на двух модах независимо одна от другой, можно определить свойства трубы и среды в контейнере и компенсировать их. Для получения хороших результатов, моды можно выбирать так, чтобы возмущение микроволнового сигнала на одной моде было значительным, в то время как возмущение микроволнового сигнала на другой моде было очень слабым.

Желательно, чтобы устройство обработки сигнала блока 4 было приспособлено для вычисления на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволновых сигналов для каждой моды уровня жидкости в контейнере и для определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере на основе вычисленных значений уровней жидкости в контейнере.

В другом варианте устройство обработки сигнала блока 4 приспосабливают для вычисления ослабления выделенных частей микроволнового сигнала, прием которых осуществляется в виде различных первой и второй мод, и для определения одного или нескольких свойств трубы или среды в контейнере на основе вычисленного ослабления указанных выделенных частей микроволнового сигнала.

Одно или несколько свойств трубы или среды в контейнере могут представлять собой любой поперечный размер трубы, вариацию поперечного размера вдоль длины трубы, степень соосности трубы, присутствие загрязняющих веществ, особенно твердых или жидких углеводородов на внутренних стенках трубы, и присутствие тумана в газе. Моды с различными свойствами можно использовать для выявления различных параметров.

На фиг.10-12 представлены графики зависимости обратной групповой скорости, нормированной к групповой скорости в вакууме, от волнового числа соответственно для мод Н₁₁ (фиг.10), E₀₁ (фиг.11) и H₀₁ (фиг.12) микроволнового излучения в волноводе, заполненном газами с различными диэлектрическими постоянными ε и имеющем на своих внутренних стенках диэлектрические слои различной толщины t. Диэлектрическая постоянная диэлектрического слоя задана равной 2,5, что является типичным значением для масляного слоя.

Следует обратить внимание, что поведение кривых одинаково для газового заполнения и для диэлектрического слоя (газ с диэлектрической постоянной ε=1,03 дает в грубом приближении такую же кривую, что и слой масла толщиной 1 мм). Для моды Н₁₁ тонкий диэлектрический слой ведет себя подобно газу, однако более толстый слой сдвигает точку пересечения нуля в сторону меньших волновых чисел. Для моды E₀₁ чувствительность к диэлектрическому слою несколько выше, в то время как на моду H₀₁ диэлектрический слой оказывает очень незначительное влияние.

Таким образом, различие в чувствительности к диэлектрическому слою дает возможность оценивать масляный слой (например, его среднюю толщину или диэлектрическую постоянную) и возможность вводить на него поправку.

Наконец, установленное в трубе 1 реактивное сопротивление (в виде штыря 7) может быть рассчитано так, чтобы давать существенно более сильное отражение микроволнового сигнала для одной моды, чем для другой моды. Данное реактивное сопротивление можно выполнить в виде короткого металлического штыря, соосного с трубой 1 и поддерживаемого полосой из фторопласта (ПЭТФ) (полосе придается такая форма, чтобы не было отражения моды Н₁₁). Такое устройство может использоваться для получения опорного отраженного сигнала от известной в механической конструкции точки для моды E₀₁ и очень слабого отражения для моды Н₁₁.

Изобретение относится к радиолокационной технологии и может быть использовано для радиолокационного измерения уровня жидкости. Сущность: устройство для измерения уровня жидкости, над которой находится газ, имеющий диэлектрическую постоянную, значение которой лежит в определенном интервале значений. Устройство содержит: передатчик для передачи микроволнового сигнала в виде определенной моды в трубу, сквозь газ, в направлении поверхности жидкости, приемник для приема микроволнового сигнала, отраженного от поверхности жидкости и распространяющегося сквозь трубу в обратном направлении, и устройство обработки сигнала для вычисления уровня жидкости на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволнового сигнала. Чтобы, по существу, исключить влияние на вычисленное значение уровня диэлектрической постоянной газа, находящегося над жидкостью, передатчик выполнен с возможностью передачи микроволнового сигнала в некоторой полосе частот, при которой групповая скорость распространения в трубе микроволнового сигнала в виде определенной моды, по существу, не зависит от диэлектрической постоянной в определенном интервале ее значений. Технический результат: исключение влияние на вычисленное значение уровня диэлектрической постоянной газа, находящегося над жидкостью. 4 н. и 38 з.п. ф-лы, 12 ил., 2 табл.

1. Устройство для высокоточного измерения уровня жидкости в контейнере, над поверхностью которой присутствует газ, обладающий диэлектрической постоянной, значение которой лежит в заранее определенном интервале значений, содержащее передатчик (4, 5, 9) для передачи микроволнового сигнала в виде первой моды в трубу (1) сквозь указанный газ в направлении поверхности жидкости, при этом стенки трубы снабжены отверстиями, обеспечивающими для жидкости в контейнере возможность втекать в трубу и вытекать из нее в поперечном направлении для поддержания единого уровня жидкости внутри и снаружи трубы; приемник (4, 5, 9) для приема микроволнового сигнала, отраженного от поверхности указанной жидкости и прошедшего через трубу в обратном направлении; и устройство обработки сигнала для вычисления уровня жидкости в контейнере на основе данных о времени распространения переданного и отраженного микроволнового сигнала, отличающееся тем, что передатчик выполнен с возможностью передачи микроволнового сигнала в полосе частот, в пределах которой групповая скорость микроволнового сигнала для первой моды, распространяющейся в трубе, по существу, не зависит от диэлектрической постоянной из указанного заранее определенного интервала значений.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что передатчик выполнен с возможностью передачи микроволнового сигнала в полосе частот, которая включает в себя частоту, отстоящую от оптимальной частоты f_opt менее чем на 7%, причем оптимальная частота определяется по формуле

где f_c0 - критическая частота указанной первой моды при ее распространении в трубе в вакууме, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из указанного интервала значений диэлектрической постоянной.

где f_c0 - критическая частота указанной первой моды при ее распространении в трубе, а ε - центральное значение диэлектрической постоянной из указанного интервала значений диэлектрической постоянной.