專利名稱：用于基于雷達(dá)的水平儀的底部反射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及水平測量，尤其涉及用于基于雷達(dá)的水平儀的底部反射器。
背景技術(shù)：
若干年來基于雷達(dá)的方法被廣泛地用于各種容器中的水平測量。在這種水平測量中，通過朝向液體的表面發(fā)送微波，接收由液體的表面反射的微波，由發(fā)射的和反射的微波傳播的時間計(jì)算容器中液體的水平，測量從容器的頂部到在容器中存儲的液體的表面的距離。
基于雷達(dá)的水平測量的固有的限制是，許多液體至少在某種程度上對于使用的微波是透明的，當(dāng)測量低的液體水平時，這可能引起從容器的底部反射的微波干擾從液體的表面反射的微波，即距離分辨率可能不足以區(qū)別從容器的底部反射的微波和從液體的表面反射的微波。因而，在低的液體水平時，從容器底部反射的微波可能干擾測量。根據(jù)雷達(dá)水平儀的類型，在十分之幾米以下便可能產(chǎn)生這個問題。在具有平底的含有至少是輕微透明的液體例如石油產(chǎn)品的容器中，這是一個普遍的問題。在一些容器中，底部可能是傾斜的。在這種容器中，一般沒有干擾雷達(dá)回波的問題，但是在另一方面，當(dāng)容器是空的時，因?yàn)槔走_(dá)束偏離水平儀的接收器而收不到從容器的底部反射的微波。如果容器是空的，便需要具有來自底部的相當(dāng)強(qiáng)的雷達(dá)回波，以便建立這種條件。在其它情況下，在容器的底部可能具有未知的泥漿層，甚至使平的底部產(chǎn)生含糊的雷達(dá)回波或者根本沒有雷達(dá)回波。
在空的容器中收不到底部雷達(dá)回波的問題可以通過在容器底部焊接一個簡單的反射結(jié)構(gòu)來解決。不過，只要容器中的液體對于微波至少部分地透明，在液體水平略高于反射結(jié)構(gòu)時，所述反射結(jié)構(gòu)將引起干擾。

發(fā)明內(nèi)容
因而本發(fā)明的主要目的在于提供一種底部反射器，用于旨在用于測量容器中的液體水平的基于雷達(dá)的水平儀，當(dāng)在低的液體水平下使用該水平儀進(jìn)行水平測量時，所述底部反射器減少來自容器的底部反射的微波的干擾，而當(dāng)容器是空的時，仍然提供微波的滿意的反射。
在這個方面中，本發(fā)明的一個特別的目的在于提供一種這樣的底部反射器，不管是否通過管子測量水平，這種底部反射器都適用。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種這樣的底部反射器，不管基于雷達(dá)的水平儀是頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)設(shè)備、脈沖雷達(dá)設(shè)備或者任何其它類型的測距雷達(dá)，這種底部反射器都適用。
本發(fā)明還有一個目的在于提供一種這樣的底部反射器，其簡單、可靠、高效、精確、精密、容易制造和安裝并且成本低。
其中這些目的是通過所附的權(quán)利要求中提出的底部反射器實(shí)現(xiàn)的。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過提供一種底部反射器，其可以安裝在容器中的預(yù)定的高度，最好靠近容器的底部，用于在容器中沒有或者只有非常低的水平的液體時反射微波信號，并且包括一種反射結(jié)構(gòu)，其當(dāng)液體的水平在所述反射結(jié)構(gòu)以上時，對于微波信號具有第一反射系數(shù)，而當(dāng)液體水平在所述反射結(jié)構(gòu)以下時，對于微波信號具有第二反射系數(shù)，其中所述第一反射系數(shù)大大低于所述第二反射系數(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)上述目的。
優(yōu)選地，所述液體是油產(chǎn)品，例如原油，液體的石油氣(LGP)，液體的天然氣(LNG)，其它液體碳?xì)浠衔铮蛘咭话愣詫τ谖⒉ㄖ辽俨糠值赝该鞯囊后w。這種產(chǎn)品一般具有在1.6-3的范圍內(nèi)的介電常數(shù)，而液面以上的氣體一般具有1-1.03范圍內(nèi)的介電常數(shù)，視其含量和壓力而定。
優(yōu)選地，當(dāng)液體的水平在反射結(jié)構(gòu)以上時，從反射結(jié)構(gòu)反射的微波信號比由液體表面反射的微波信號較弱，最好是弱得多。當(dāng)液體水平在反射結(jié)構(gòu)以下時，由反射結(jié)構(gòu)反射的微波信號最好是可以和由液面反射的微波信號相比或者略強(qiáng)。
根據(jù)液體的介電常數(shù)和其上方的大氣的介電常數(shù)的差值，可以使用各種反射結(jié)構(gòu)來獲得所需的功能。這些反射結(jié)構(gòu)在本說明中被詳細(xì)說明了，并且可被分成由一些優(yōu)選實(shí)施例構(gòu)成的不同的類切斷柵格，諧振結(jié)構(gòu)-例如偶極子、介電反射器、極化轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，可以在一個小的距離內(nèi)彎曲的用于引導(dǎo)發(fā)射的和反射的微波信號的微波引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以及尤其當(dāng)使用微波的自由空間傳播時可以應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。
關(guān)于極化轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)類，應(yīng)當(dāng)理解，在水平測量中使用的微波信號具有特定的極化狀態(tài)，并且第一和第二反射系數(shù)是對于所述特定的極化狀態(tài)給出的。因而，在液體中反射時轉(zhuǎn)動線性極化的微波信號的極化的效果等效于在微波信號的特定的極化狀態(tài)下減少對于所述微波信號的反射系數(shù)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于，可以在沒有來自容器底部反射的微波的任何干擾的情況下進(jìn)行水平測量。當(dāng)容器是空的或者接近空的時，即當(dāng)?shù)撞糠瓷淦鞯姆瓷浣Y(jié)構(gòu)被升高到被測量的液體的液面以上時，獲得來自底部反射器的明顯的反射，這表示容器是空的或者具有低的液體水平。
基于雷達(dá)的水平儀用于測量容器中的水平，對于本發(fā)明，所述容器不僅包括大的容器，也包括處理設(shè)備，例如反應(yīng)器、離心分離機(jī)、混和器、料斗、分類機(jī)或熱處理爐以及類似的裝置，它們用于食品工業(yè)、藥品工業(yè)、生化、基因化學(xué)和石化工業(yè)中。
由下面給出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明和附圖1-7可以清楚地看出本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，這些都是以說明的方式給出的，因而對于本發(fā)明不是限制性的。


圖1以側(cè)視圖示意地表示按照本發(fā)明的一般原理的包括底部反射器的基于雷達(dá)的水平儀；圖2a-e以頂視圖(2a-b)和橫截面?zhèn)纫晥D(2c-e)示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第一優(yōu)選的特定類的底部反射器；圖2f是作為頻率的函數(shù)的由按照本發(fā)明的實(shí)施例的第一優(yōu)選的特定類的底部反射器反射和發(fā)射的微波信號的幅值的示意圖；圖3a-e以側(cè)視圖(3a)、透視圖(3b)和頂視圖(3c-e)示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第二優(yōu)選的特定類的底部反射器；圖3f是作為頻率的函數(shù)的由按照本發(fā)明的實(shí)施例的第二優(yōu)選的特定類的底部反射器反射和發(fā)射的微波信號的幅值的示意圖；圖4a-b以透視圖(4a)和側(cè)視圖(4b)示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第三優(yōu)選的特定類的底部反射器；圖4c是作為頻率的函數(shù)的由按照本發(fā)明的實(shí)施例的第三優(yōu)選的特定類的底部反射器反射和發(fā)射的微波信號的幅值的示意圖；圖5a-c以頂視圖(5a，5c)和橫截面?zhèn)纫晥D(5b)示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第四優(yōu)選的特定類的底部反射器；圖6以橫截面?zhèn)纫晥D示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第五優(yōu)選的特定類的底部反射器；以及圖7以透視圖示意地表示按照本發(fā)明的實(shí)施例的第六優(yōu)選的特定類的底部反射器。
具體實(shí)施例方式
參見圖1說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，該圖以側(cè)視圖示意地表示用于基于雷達(dá)的水平測量的設(shè)備。所述設(shè)備可以是頻率調(diào)制的連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)設(shè)備、脈沖雷達(dá)設(shè)備或任何其它類型的測距雷達(dá)。
許多頻率可用于雷達(dá)水平測量，但是一直廣泛地使用5.8，10和25GHz附近的頻帶。在經(jīng)常具有泡沫和污物的容器中，所述頻率中的最低的頻率是最通用的，這是因?yàn)樵谶@個頻率上的微波信號對這種劣化不敏感。
基于雷達(dá)的水平儀，在圖1中用11表示，被安裝在充有液體的箱體或容器12的頂部開口的上方，用于對所述液體的水平進(jìn)行測量。優(yōu)選地，所述液體是油產(chǎn)品，例如原油，液化石油氣(LPG)，或者液體天然氣(LNG)。這些產(chǎn)品一般具有在1.6-3范圍內(nèi)的介電常數(shù)，而容器12中液面以上的大氣一般具有1-1.03范圍內(nèi)的介電常數(shù)，依氣體的含量和壓力而定。
基于雷達(dá)的水平儀朝向容器12內(nèi)的液體的表面發(fā)送微波信號，并接收由容器12中的液體的表面反射的微波信號。此外，基于雷達(dá)的水平儀包括信號處理裝置(未示出)，或者和信號處理裝置(未示出)相連，用于由發(fā)射的和反射的微波信號的傳播時間計(jì)算容器內(nèi)的液體的水平。一般地說，提供基本上垂直的管子13用于引導(dǎo)發(fā)射的和反射的微波信號。管子13借助于支撐件14和容器相連，并被打孔，以便在其內(nèi)部和外部獲得相同的液體水平，而不管可能的密度分層。不過，這種水平儀可以用自由空間傳播方式操作，此時可以取消管子13。
在容器12的底部附近提供底部反射器15，用于當(dāng)容器中沒有液體時反射微波信號。如果使用管子作為波導(dǎo)，例如圖1中的管子13，則底部反射器15一般被安裝在管子的下端部。或者，底部反射器被安裝在容器的底部。
按照本發(fā)明，底部反射器15包括一種反射結(jié)構(gòu)(圖1中未清楚地示出)，當(dāng)液面處于反射結(jié)構(gòu)的上方時，其對于微波信號具有第一反射系數(shù)，而當(dāng)液面處于反射結(jié)構(gòu)的下方時，其對于微波信號具有第二反射系數(shù)，其中第一反射系數(shù)遠(yuǎn)低于第二反射系數(shù)。
這樣，便可以保證正確的操作而不受從底部反射的微波的干擾。當(dāng)測量容器12中的低的液體水平時，這是尤其重要的。當(dāng)液體水平下降到底部反射器15的反射結(jié)構(gòu)以下時，便獲得相當(dāng)強(qiáng)的反射，借以表示低的水平。
應(yīng)當(dāng)注意，第一和第二反射系數(shù)被有利地稱為偏振狀態(tài)下(in-polarization)的反射系數(shù)。偏振狀態(tài)下的反射系數(shù)指的是在底部反射器的表面反射的特定的偏振狀態(tài)下的微波信號(即其幅值)和入射的微波信號(即其幅值)的比，其中的特定的偏振狀態(tài)由在液體的表面反射的微波信號的偏振給出。因而，給定入射的微波信號的線性偏振，所述特定的偏振便是那個線性偏振狀態(tài)，這是因?yàn)榫€性偏振的微波信號當(dāng)被流體的表面反射時不改變其偏振狀態(tài)。給定左手圓形偏振的入射微波信號，特定的偏振狀態(tài)是右手圓形偏振，因?yàn)楫?dāng)微波信號由液體的表面反射時電場的旋轉(zhuǎn)被反向。
有利的是，當(dāng)液體水平在反射結(jié)構(gòu)以上時，由反射結(jié)構(gòu)反射的微波信號比由液體表面反射的微波信號較弱，最好是弱得多。當(dāng)液體水平在反射結(jié)構(gòu)以下時，由反射結(jié)構(gòu)反射的微波信號最好是可以和由液面反射的微波信號相比的，或者略微強(qiáng)一些。應(yīng)當(dāng)避免太強(qiáng)的反射。
優(yōu)選地，第一反射系數(shù)小于0.2，更優(yōu)選地小于0.1，最優(yōu)選地小于0.05。第二反射系數(shù)優(yōu)選地大于0.1，更優(yōu)選地大于0.2，此外，第二反射系數(shù)優(yōu)選地小于0.5，更優(yōu)選地小于0.4，最優(yōu)選地小于0.3。
在大多數(shù)情況下，最好是由結(jié)構(gòu)16偏轉(zhuǎn)或吸收由容器的底部反射的反射微波信號，結(jié)構(gòu)16可以是一個傾斜的板，一個錐形的表面，一種雷達(dá)吸收材料等。
在下面的部分中，詳細(xì)說明本發(fā)明的底部反射器的不同的特定實(shí)施例。
特定的優(yōu)選實(shí)施例圖2a-e表示基于波導(dǎo)截止頻率的原理的不同的底部反射器。每個底部反射器包括柵格結(jié)構(gòu)，具有略小于λ/2的柵格間隔，其中λ是微波信號的真空波長，用于阻止當(dāng)柵格結(jié)構(gòu)位于液面以上時透過微波信號，而改為反射微波信號。當(dāng)液面上升到柵格結(jié)構(gòu)以上時，由于液體的較高的介電常數(shù)，微波信號的波長被減少。因而，柵格對于微波信號顯得較寬，因而微波信號可以通過柵格結(jié)構(gòu)。
在圖2a中示出了一種包括設(shè)置在管子13內(nèi)的柵格結(jié)構(gòu)的底部反射器。在這種情況下管子13被設(shè)置用于支持以H11模進(jìn)行的微波傳播，其中電場的方向基本上和箭頭22所示的相同。這種柵格結(jié)構(gòu)由多個導(dǎo)電的最好是金屬的帶23構(gòu)成，具有略小于λ/2的間隔，使得當(dāng)液面低于柵格結(jié)構(gòu)時切斷微波信號的傳播。
例如在10GHz下，所述間隔可以是14mm，帶23可以具有28mm的高度，這樣，其在由帶形成的波導(dǎo)中相應(yīng)于λm/2的距離，其中λm是在管子13的液體中(即當(dāng)液面在柵格結(jié)構(gòu)以下時)微波信號的波長。λm/2的帶高使得在某個頻帶內(nèi)的傳播不發(fā)生反射，如同標(biāo)準(zhǔn)的天線屏蔽器一樣。結(jié)果λm在管子13中被用作本地波長，應(yīng)當(dāng)理解，因而在本說明的不同的上下文中，λm是不同的。
由金屬或某些介電材料制成的支撐件24用于支撐柵格結(jié)構(gòu)。圖2a表示具有直的帶的柵格結(jié)構(gòu)，不過它們可以是彎曲的，以便適合于波導(dǎo)模H11的電場的圖案。此外，這種柵格結(jié)構(gòu)可以被修改，以便和其它的波導(dǎo)傳播模式相匹配。
在一個實(shí)施例中，本發(fā)明的底部反射器具有網(wǎng)孔柵格結(jié)構(gòu)。另一種改型是，帶的部分可以由衰減材料制成，其可以減少反射和透射并增加有用帶寬。
在另一個實(shí)施例中，如圖2b所示，使用包括被同心地設(shè)置在管子13中的多個圓形導(dǎo)電帶的柵格結(jié)構(gòu)，以便獲得用于H01傳播模式的相應(yīng)的操作。H01波導(dǎo)模的電場線22是完整的圓周，因而和電場線平行地設(shè)置多個同心的短的圓柱管子或圓環(huán)25。例如對于10GHz，圓環(huán)之間的距離大約是14mm，不過可以按照H01模的圓柱形波導(dǎo)圖案進(jìn)行修改，高度大約是28mm。在實(shí)際的實(shí)施中，還包括絕緣材料或金屬材料制成的支撐件(未示出)。和H11以及H01的情況類似，用于其它波導(dǎo)模的結(jié)構(gòu)也是可能的。
例如，對于E01模的微波信號，這些帶應(yīng)當(dāng)沿徑向排列。
在圖2c中，以橫截面?zhèn)纫晥D示出了底部反射器的一部分。這個實(shí)施例和圖2a的實(shí)施例類似-其中示出了直的帶23。不過，這個實(shí)施例還具有防反射結(jié)構(gòu)，其包括水平設(shè)置的和帶23平行的針26。針26位于帶的上下方，距離帶大約λ/4。和雷達(dá)天線屏蔽器的相應(yīng)的細(xì)節(jié)類似，具有許多替代方案用于獲得類似的功能，使得增加頻率的可用范圍和液體介電常數(shù)的可用范圍，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員是容易理解的。
因?yàn)楫?dāng)?shù)撞糠瓷淦鞅唤胍后w中時，沿相反的方向也具有透明性，如果容器的底部是平的或者接近平的，則應(yīng)當(dāng)采取措施，以便避免在容器底部的反射也被耦合回到管子13中，因而干擾液體表面的反射。不同的替代方案都是可能的通過底部反射器透射的微波可以被偏轉(zhuǎn)或吸收。
在圖2d中示出了一種安裝在管子13中的底部反射器15的下方的45度的金屬反射器27。這個反射器借助于支撐結(jié)構(gòu)28連附到管子13上，或者連附到容器的底部(未示出)。
根據(jù)容器的形狀，可以和本發(fā)明的所有的底部反射器一道使用類似的偏轉(zhuǎn)反射器(這里稱為偏轉(zhuǎn)器)。其角度可以和45度非常不同，并且可以使用非常不同的形狀的障礙物，用于散開雷達(dá)波，以便阻止其再次進(jìn)入管子13。
和底部或和管子相連的錐形部件是另一種可用的偏轉(zhuǎn)器的實(shí)施例。這個部件在圖1中用標(biāo)號16表示。
在圖2e中示出了一種由衰減材料制成的合適形狀的部件29，例如碳填充的PTFE，被設(shè)置在管子13中的底部反射器15下方的容器的底部，以便在底部獲得低的反射。部件29由虛線示出，表示實(shí)際的形狀可以和所示的盒形的非常不同。例如，該部件的形狀使得其可以作為標(biāo)準(zhǔn)的消聲吸收器。
雖然圖2e表示安裝在管子13中的底部反射器15，但是底部反射器另外可以和偏轉(zhuǎn)部件或吸收部件29制成一個整體。這種底部反射器設(shè)計(jì)將給出由容器底部的真實(shí)的反射，而不是由管子13的下部進(jìn)行的反射。此處所述的一些底部反射器是十分小的(一個或兩個λ/2偶極子)，顯然可以簡單而直接地實(shí)現(xiàn)這種一體化。
圖2f是表示對于不同的頻率和對于液體的不同的介電常數(shù)(1.7和2.5)，在干燥和浸入狀態(tài)下，即當(dāng)液面分別處于底部反射器的反射結(jié)構(gòu)的上下方時的反射的反射曲線。此外，示出了在干燥狀態(tài)下的透射。
實(shí)線表示由于當(dāng)柵格在空氣中時的截止條件而產(chǎn)生的近乎全反射，虛線/點(diǎn)劃線表示通過λ/2柵格的相應(yīng)的透射。點(diǎn)劃線表示在最低的介電常數(shù)下的小的反射，虛線表示在使用的介電常數(shù)范圍內(nèi)的最高的介電常數(shù)下的相應(yīng)的反射。在這個范圍的中部的介電常數(shù)下，反射較低。此外，在一個相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)即9.5-10.5GHz，反射是相當(dāng)恒定的。
圖3a-e表示基于諧振結(jié)構(gòu)的原理的各種底部反射器。每個底部反射器包括包括一種諧振結(jié)構(gòu)，例如包括在干的條件下被調(diào)諧為諧振的許多偶極子，使得當(dāng)容器是空的時產(chǎn)生顯著的反射。當(dāng)諧振結(jié)構(gòu)被浸在液體中時，偶極子被調(diào)諧為失諧，因而反射被大大減小。
在圖3a中，示出了包括兩個疊置的偶極子32的底部反射器。當(dāng)兩個偶極子之間的垂直距離被選擇接近于在介電常數(shù)為2.1的一般液體中的四分之一波長(λm/4)的時候，當(dāng)兩個偶極子32被調(diào)諧使得當(dāng)周圍介質(zhì)的介電常數(shù)非常接近于1時(即空氣或氣體)，產(chǎn)生大約最大的反射。這些設(shè)計(jì)約束將給出雷達(dá)波31的所需的反射條件，如圖3f所示。偶極子32連附于垂直支撐銷33，其可以由金屬或絕緣材料制成。如果垂直支撐銷33由金屬制成，則整個結(jié)構(gòu)32，33可以由同一個板沖壓而成(如圖3a所示)。結(jié)構(gòu)32，33被連附于某個支撐34上或者被連附于底部的上方。偶極子的長度在10GHz下一般略低于14-15mm。
在圖3b中，示出了一種底部反射器，其包括具有雙重的交叉的偶極子32，35的元件，以實(shí)現(xiàn)偏振獨(dú)立功能。除去圖3a所示的偶極子32之外，還提供有兩個交叉的相同長度的偶極子35。交叉的偶極子最好不相互連接，圖2c表示在絕緣銷33上的安裝。
在圖3c中，和圖3a或3b的實(shí)施例類似的一種反射結(jié)構(gòu)被安裝在管子13的中部。對于H11模，諧振反射器可被安裝在波導(dǎo)管13的中部。如果偏振是已知的，則可以使用單個的偏振模型32，或者附加選擇的偶極子35，從而制成獨(dú)立于偏振的反射器。
對于許多波導(dǎo)模，在中部橫向電場低。這種情況可以通過使用多個諧振結(jié)構(gòu)被覆蓋，一般使用如圖3a所示的諧振結(jié)構(gòu)。在圖3d中，示出了在管子13中的這種實(shí)施例。利用按照微波信號的模的場圖案設(shè)置的2-4個諧振結(jié)構(gòu)，可以獲得一種模式特定的反射。圖3d的實(shí)施例尤其適用于以H01傳播模式傳播的微波信號。
獲得用于H01模的諧振結(jié)構(gòu)的另一種方式是在管子13的中部設(shè)置一個環(huán)37，如圖3e所示的結(jié)構(gòu)。環(huán)37當(dāng)其在干的條件下其圓周是一個波長時(或波長的整數(shù)倍)具有諧振。這種諧振在濕條件下被改變。兩個或多個環(huán)可被疊置在一起，如圖3a-b的偶極子那樣。由于傳播H01模的管子13的中部的小的電場，反射將比由圖3d所示的實(shí)施例獲得的反射低得多，這對于具有低反射的液體例如某些液體氣體可能是有利的。
這個實(shí)施例也可以應(yīng)用于不以H01模傳播的微波。對于H11模的微波，環(huán)形例如將使得反射是偏振獨(dú)立的，因而可用作交叉的偶極子圖3f表示一種偶極子結(jié)構(gòu)的反射，所述偶極子結(jié)構(gòu)由兩個偶極子構(gòu)成，它們以相應(yīng)于λm/4的距離垂直疊置，被浸在一種典型的液體(在這種情況下介電常數(shù)ε＝2.1)中。偶極子的長度大約相當(dāng)于當(dāng)偶極子是干的(即當(dāng)它們略短于λ/2時)時的最大反射。對于一種典型的帶寬，在浸入條件下的反射比在空氣(或周圍氣體)中的反射至少弱20dB。該圖應(yīng)當(dāng)和最強(qiáng)的反射(在干的條件下)比較，其一般比金屬表面的反射低10-20dB。在浸入條件下反射的減少是由于偶極子的失諧和垂直空間使兩個偶極子互相抵消的結(jié)果。因而，這個偶極子組合在干的條件下產(chǎn)生類似于油表面的反射，而在浸入條件下給出相當(dāng)?shù)偷姆瓷??？梢辕B置兩個以上的偶極子，以便在浸入條件下產(chǎn)生雷達(dá)回波的更寬的寬帶抑制，可以使用偶極子之外的其它的諧振結(jié)構(gòu)。
圖4a-b表示基于和絕緣的雷達(dá)天線屏蔽器有關(guān)的原理的不同的底部反射器。
在圖4a中，示出了電介質(zhì)板41，板41具有多個孔42，最好是通孔(和一般的天線屏蔽器相反)。板41的厚度和與板的體積相比的孔的體積被這樣選擇，使得板41在處于液體表面的下方時，獲得λm/2的反射厚度，其中λm是在具有充有液體的孔的電介質(zhì)中微波信號的波長，以便把反射減到最小。在干的條件下，板41的有效的介電常數(shù)被改變，因而由微波信號經(jīng)歷的厚度被改變。因而，當(dāng)半波長條件不再滿足時，反射增加。
實(shí)現(xiàn)類似的不均一的行為的另一種合適的幾何結(jié)構(gòu)是一種由水平排列的絕緣棒或銷構(gòu)成的板。
圖4b示出了另一種反射結(jié)構(gòu)，其基于平而相當(dāng)薄的在其底面上裝配有小的電介質(zhì)元件44的板43。平的上側(cè)使得能夠利用傳統(tǒng)的機(jī)械裝置容易地進(jìn)行精確的參考測量。
圖4c是部分填充的電介質(zhì)板即圖4a所示的板在一個典型的頻率范圍內(nèi)的反射曲線。在這個例子中的電介質(zhì)板是打孔率為50％的PTFE板，一半的體積是PTFE，一半是空的。在干的條件下，平均介電常數(shù)是PTFE和空氣(氣體)的介電常數(shù)的平均值，在浸入條件下，平均介電常數(shù)是PTFE和液體的介電常數(shù)的平均值。在浸入條件下，在帶的中部厚度非常接近λm/2，因而大大減少反射，但是在干的條件下，希望具有某個反射，這是通過使有效的電氣厚度顯著地偏離λm/2來實(shí)現(xiàn)的。
在參照圖4a-c討論的所有這些情況下，要被充滿液體的孔隙的精確的形狀不是非常重要的。因?yàn)楸绢I(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地看出，介電材料的部分可以由衰減材料(例如碳加載的PTFE)構(gòu)成，其使得反射和透射較低。
圖5a-c說明基于偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的原理的不同的底部反射器。
圖5a-b表示一種在天線工程中被稱為扭轉(zhuǎn)反射器的反射器，見“The handbook of antenna design，Volumes 1 and 2，editorsA.W.Rudge et al.，Peter Peregrinus Ltd，1986，pages 184-185”，以及“Antenna Engineering Handbook，Third edition，editor R.C.Johnson，Mcgraw-Hill，Inc.，1993，pages 17-28-17-29”，這些章節(jié)被包括在此作為參考。
扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)51包括由導(dǎo)電材料制成的多個直的和平行的隆脊52。最好是，其是一個金屬板，其可以被鑄造而成，從而獲得多個隆脊。當(dāng)液體在反射器51的隆脊52的上方時，隆脊大約λm/4高，并具有λm/4-λm/2的間距。反射器51可以設(shè)置在管子13的下端部，在這種結(jié)構(gòu)中薄的隆脊52和以H11波導(dǎo)模傳播的進(jìn)入的微波信號的平均電場53成45度。
為了理解扭轉(zhuǎn)功能，可以把進(jìn)入的電場看作是與場線53相比的方向?yàn)?45度和+45度的兩個場的疊加。這些場中的一個和隆脊52平行，并被隆脊52的頂部反射，而其它的偏振將幾乎不受隆脊52的影響，但是將受到暴露在隆脊52之間的反射器結(jié)構(gòu)的反射。由于隆脊52的高度是λm/4，將引入2×90＝180度的相移，這又使反射的微波的電場54相對于進(jìn)入的微波的電場53扭轉(zhuǎn)90度。這個行為類似于在天線工程中標(biāo)準(zhǔn)的扭轉(zhuǎn)反射器的功能。不過，明顯的差別是，填充隆脊之間的空間的材料的介電常數(shù)根據(jù)其是液體或空氣/氣體而不同。一旦容器是空的，則扭轉(zhuǎn)功能將只是局部的，并且能夠獲得來自反射器51的反射。
本實(shí)施例的一個重要的特征在于，反射器是非常薄的，因而可以設(shè)置在非?？拷萜鞯牡撞?，使得能夠進(jìn)行接近底部的水平測量。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)將使得能夠允許較寬范圍的液體的不同的介電常數(shù)和不同的頻率。
應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步理解，在上面說明的實(shí)施例中用于水平測量的微波信號具有特定的偏振狀態(tài)，并且對于所述特定的偏振狀態(tài)，給定如上所述的和記載在所附權(quán)利要求中的第一、第二反射系數(shù)。因而，在液體中反射時使線性偏振的微波信號的偏振轉(zhuǎn)動的效果相當(dāng)于減少在微波信號的特定的偏振狀態(tài)下的反射系數(shù)。
偏振轉(zhuǎn)動的原理還可應(yīng)用于把反射的微波的傳播模式改變?yōu)榱硪环N模式，如圖5c所示。扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)可以由螺旋結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，其把反射的微波的傳播模式從H01改變?yōu)镋01，如授予K.O.Edvardsson的美國專利4641139所述，該專利的內(nèi)容被包括在此作為參考。借助于在由導(dǎo)電材料或衰減材料制成的板56上多個合適設(shè)置的偶極子55可以獲得類似的功能。這種結(jié)構(gòu)和圖3d所示的結(jié)構(gòu)具有類似性，不過其中具有板56，并且具有更多的不同指向的偶極子55。此外，在圖5c中的偶極子55是單個的和不被疊置的。
這些偶極子形成一個頻率敏感的表面，給出可以和底部板55相比的但是具有不同的偏振和相位的反射。如果入射的微波在管子13中以H01模傳播，當(dāng)反射器被浸在液體中并被合適的設(shè)計(jì)時，則反射的微波將主要以E01模傳播。和已知的頻率敏感表面對照，當(dāng)反射器處于干條件時，這個將被失諧，大量的反射的微波將以H01模傳播。
因而，圖5c的反射器的合適的設(shè)計(jì)用于當(dāng)反射器被浸入液體中時保證在進(jìn)入波導(dǎo)模中的非常小的反射，而當(dāng)反射器在空氣或氣體中時用于保證在進(jìn)入的波導(dǎo)模下的相當(dāng)強(qiáng)的反射。
根據(jù)底部板的材料，在進(jìn)入波導(dǎo)模中的反射可以是非常強(qiáng)的，即幾乎是全反射，(如果板55是金屬的)或者可以是和來自油表面的反射相比的(如果板55是由合適的衰減材料制成的)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地看出，衰減材料可以被包括在偏振旋轉(zhuǎn)的任何一個實(shí)施例中，以便調(diào)節(jié)在干條件下的反射。
圖6表示基于局部減小管子的橫截面積的原理的底部反射器。為了減小或者消除來自管子13的下方的容器底部的雷達(dá)回波，可以使用一種裝置，其使管子的直徑改變?yōu)橐粋€較小的直徑，其可以在一個小的空間內(nèi)彎曲，以便引導(dǎo)雷達(dá)波離開管子13。一個實(shí)施例基于漏斗61，其只使用適合于靠近容器的底部60安裝的材料，其向下把直徑減少為接近于單方式波導(dǎo)的直徑。這種波導(dǎo)62可以容易地提供有靠近底部60上方的彎曲部分63，以便引導(dǎo)微波通過波導(dǎo)部分64離開。
波導(dǎo)部分64可以被容易地設(shè)計(jì)，使得在波導(dǎo)被充滿熟知的性能的液體時(包括一定范圍內(nèi)的碳?xì)浠衔?，給出一個低的反射?？梢允沟秒x開容器底部60和管子13的端部的距離非常短。漏斗61和波導(dǎo)可被連附于容器底部60上，或者連附于管子13上。
如果波導(dǎo)62是窄的以便當(dāng)波導(dǎo)62被浸在液體中時把傳播限制為一種模式，則在干條件下的傳播將被切斷，因而空的容器將具有在漏斗61的底部的反射。
漏斗61的一種代替方案是在容器的底部安裝一種錐形的傳導(dǎo)的或抵抗的結(jié)構(gòu)，使其頂部在管子內(nèi)基本上指向上方，最好離開管子的底端至少一個管子的直徑(未示出)。需要在管子的底端和錐形結(jié)構(gòu)的包絡(luò)表面之間的某個空間，以便獲得從錐形結(jié)構(gòu)上方的管子向由所述管子和所述錐形結(jié)構(gòu)一道形成的同軸波導(dǎo)的平滑過渡。當(dāng)微波被傳播到管子的底端之外時，它們將被偏轉(zhuǎn)而離開管子。在這樣形成的同軸波導(dǎo)中，可以提供衰減材料。利用一種合適的諧振結(jié)構(gòu)(例如在同軸波導(dǎo)中的半波長槽)，可以獲得一種底部反射器，其在被浸在液體中時，具有非常小的反射，而在干條件下則具有強(qiáng)得多的反射。
最后，圖7表示當(dāng)使用微波的自由空間傳播即當(dāng)沒有用于引導(dǎo)微波的管子時的一種可以應(yīng)用的底部反射器。雷達(dá)水平儀11被安裝在容器12的頂部，具有天線束76的主方向77，其接近于垂直，以便能夠接收來自液面71的反射。當(dāng)液體表面71接近底部時，如果水74剛剛超過底部75，則發(fā)生作為一般的且類似的問題的干擾問題。開始時不知道水面的確切位置，并且其可以給出比底部75較強(qiáng)的雷達(dá)回波。
當(dāng)本發(fā)明應(yīng)用于這種情況時，底部反射器72被安裝在支撐件73上，靠近底部。底部反射器72可以和圖2a的類似，不過其必須大得多。一個π*[平方根(hλ)]2/4的大致面積在反射時是有效的，其中h是從水平儀11到底部反射器72的距離，因此底部反射器應(yīng)當(dāng)具有至少覆蓋有效反射面積的主要部分的面積。此外，當(dāng)?shù)撞糠瓷淦?2具有類似于圖2a所示的結(jié)構(gòu)時，其將不會積聚任何的水或者泥漿，這是有利的。
在本發(fā)明的一個特定的實(shí)施例中，底部反射器72可以具有較小的尺寸。如果通過底部反射器72透射的相移被控制，使得通過底部反射器72的底部反射或水反射的部分將抵消來到底部反射器72的外部的反射的部分。這樣，使得不僅來自底部反射器72的反射是低的，而且來自底部或者來自水表面的反射也是低的。支撐銷73應(yīng)當(dāng)相對于期望的水的水平盡可能低。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，參照圖2-5所述的底部反射器的原理也可以應(yīng)用于被設(shè)置用于不被任何管子引導(dǎo)的微波的發(fā)送和接收的水平儀。
權(quán)利要求
1.一種用于基于雷達(dá)的水平儀(11)的底部反射器(15)，所述水平儀借助于從容器的頂部朝向液體的表面發(fā)射微波信號、接收由液體表面反射的微波信號、并由發(fā)射的和反射的微波信號的傳播時間計(jì)算在容器中存儲的液體的水平，來測量在容器(12)中存儲的液體的水平(71)，所述底部反射器(15)可被安裝在所述容器中的預(yù)定的高度，用于在容器中的所述預(yù)定高度沒有液體時反射微波信號，其特征在于，所述底部反射器(15)包括反射結(jié)構(gòu)(23-24；25；23，26；27；29；32，33；32，35；36；37；41，42；43，44；51-52；55-56；61；72)，當(dāng)液體的水平在反射結(jié)構(gòu)以上時，所述反射結(jié)構(gòu)具有對于所述微波信號的第一反射系數(shù)，當(dāng)液體水平在反射結(jié)構(gòu)以下時，具有對于所述微波信號的第二反射系數(shù)，其中所述第一反射系數(shù)遠(yuǎn)小于所述第二反射系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)對于所述微波信號的第一反射系數(shù)比所述液體的表面對于所述微波信號的反射系數(shù)低，最好是低得多。
3.如權(quán)利要求1或2所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)對于所述微波信號的所述第二反射系數(shù)和所述液體的表面對于所述微波信號的反射系數(shù)的大小近似相同，或者略高于所述液體表面對于所述微波信號的反射系數(shù)。
4.如權(quán)利要求1-3中任何一個所述的底部反射器，其中所述液體具有在1.6-3范圍內(nèi)的介電常數(shù)。
5.如權(quán)利要求1-4中任何一個所述的底部反射器，其中所述液體是在包括原油、液體石油氣(LPG)、液體天然氣(LNG)、其它的碳?xì)浠衔镆后w和對于所述微波信號至少部分透明的液體的組中的一種液體。
6.如權(quán)利要求1-5中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號具有特定的偏振狀態(tài)；所述對于微波信號的第一和第二反射系數(shù)是在所述特定的偏振狀態(tài)下給出的。
7.如權(quán)利要求1-6中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號處于一個特定的頻率范圍內(nèi)。
8.如權(quán)利要求1-5中任何一個所述的底部反射器，其中所述第一反射系數(shù)小于0.2，優(yōu)選地小于0.1，更優(yōu)選地小于0.05。
9.如權(quán)利要求1-8中任何一個所述的底部反射器，其中所述第二反射系數(shù)大于0.1，優(yōu)選地大于0.2。
10.如權(quán)利要求1-7中任何一個所述的底部反射器，其中所述第二反射系數(shù)小于0.5，優(yōu)選地小于0.4，更優(yōu)選地小于0.3。
11.如權(quán)利要求1-10中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)適用于借助于人工浸掛的手動水平測量。
12.如權(quán)利要求1-11中任何一個所述的底部反射器，其中所述水平儀包括一個基本上垂直的管子(13)，在其中引導(dǎo)發(fā)射的和反射的微波信號。
13.如權(quán)利要求12所述的底部反射器，其中所述底部反射器(15)可被安裝在所述基本上垂直的管子(13)的下端部。
14.如權(quán)利要求12或13中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號具有特定的傳播模式；所述對于微波信號的第一和第二反射系數(shù)是在所述特定的傳播模式下給出的。
15.如權(quán)利要求12-14中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是切斷柵格(23-24；25；23，26；27；29)。
16.如權(quán)利要求15所述的底部反射器，其中所述微波信號以H11模傳播，所述切斷柵格包括多個和所述微波信號的電場實(shí)質(zhì)上平行地設(shè)置的實(shí)質(zhì)上平行的帶(23)。
17.如權(quán)利要求15所述的底部反射器，其中所述微波信號以H01模傳播，所述切斷柵格包括和所述微波信號的電場平行地設(shè)置的多個同心設(shè)置的環(huán)形帶(25)。
18.如權(quán)利要求1-17中任何一個所述的底部反射器，還包括設(shè)置在所述反射結(jié)構(gòu)的下方的偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(27)。
19.如權(quán)利要求1-17中任何一個所述的底部反射器，還包括設(shè)置在所述反射結(jié)構(gòu)的下方的吸收結(jié)構(gòu)(29)。
20.如權(quán)利要求12-14中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是一種諧振結(jié)構(gòu)，最好包括偶極子(32，33；32，35；36；37)。
21.如權(quán)利要求20所述的底部反射器，其中所述諧振結(jié)構(gòu)包括疊置的偶極子(32)。
22.如權(quán)利要求20或21所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)包括雙交叉的偶極子(32，35)。
23.如權(quán)利要求20-22中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號以H11模傳播，所述諧振結(jié)構(gòu)包括設(shè)置在所述基本上垂直的管子(13)的中心軸線上的單個偶極子元件(32，35)。
24.如權(quán)利要求20-22中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號以H01模傳播，所述諧振結(jié)構(gòu)包括在所述基本上垂直的管子(13)內(nèi)與中心軸線隔開地沿周向設(shè)置的多個偶極子元件(36)。
25.如權(quán)利要求20-22中任何一個所述的底部反射器，其中所述微波信號以H01模傳播，所述諧振結(jié)構(gòu)包括一個環(huán)(37)，其具有和所述基本上垂直的管子(13)的中心軸線一致的對稱軸線。
26.如權(quán)利要求12-14中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是一種電介質(zhì)反射器(41，42；43，44)。
27.如權(quán)利要求26所述的底部反射器，其中所述電介質(zhì)反射器是具有多個孔的板(41，42)。
28.如權(quán)利要求26所述的底部反射器，其中所述電介質(zhì)反射器包括具有面向下方的小的電介質(zhì)部件(44)的實(shí)質(zhì)上水平設(shè)置的板(43)。
29.如權(quán)利要求12-14中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是一種偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)(51-52；55-56)。
30.如權(quán)利要求29所述的底部反射器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是一種包括隆脊(52)的扭轉(zhuǎn)反射器結(jié)構(gòu)(51)。
31.如權(quán)利要求29所述的底部反射器，其中所述偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)包括反射器(55)和多個不同取向的偶極子(56)。
32.如權(quán)利要求12-14中任何一個所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是一種微波引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被設(shè)置在所述基本上垂直的管子(13)內(nèi)，并通過所述反射結(jié)構(gòu)發(fā)射的和反射的微波信號被引導(dǎo)離開所述基本上垂直的管子(13)的內(nèi)部。
33.如權(quán)利要求32所述的底部反射器，其中所述微波引導(dǎo)結(jié)構(gòu)是漏斗(61)。
34.如權(quán)利要求1-11中任何一個所述的底部反射器，其中所述水平儀適宜微波信號的自由空間傳播。
35.如權(quán)利要求34所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)是一種切斷柵格，一種諧振結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地包括偶極子，一種電介質(zhì)反射器，或一種偏振旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。
36.如權(quán)利要求34或35所述的底部反射器，其中所述反射結(jié)構(gòu)(72)覆蓋一個面積，所述面積至少是在所述基于雷達(dá)的水平儀下方的面積為π*[平方根(hλ)]2/4的基本部分，其中h是從所述基于雷達(dá)的水平儀到所述底部反射器的距離，λ是所述微波信號的波長。
37.如權(quán)利要求34或35所述的底部反射器，其中所述底部反射器(72)的面積小于在底部反射器的高度上所述微波信號的面積；并且當(dāng)液體的水平在所述底部反射器上方時，通過底部反射器(72)透射的微波信號的相移被這樣控制使得在底部反射器(72)的外面由容器的底部反射的微波信號的部分和已經(jīng)通過所述底部反射器(72)之后由容器的底部反射的微波信號的部分相互抵消。
38.如權(quán)利要求1-36中任何一個所述的底部反射器，其中所述底部反射器可被安裝在靠近所述容器的底部附近。
39.一種包括如權(quán)利要求1-38中任何一個所述的底部反射器(15)的基于雷達(dá)的水平儀(11)系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于基于雷達(dá)的水平儀(11)的底部反射器(15)，所述水平儀借助于從容器的頂部朝向液體的表面發(fā)射微波信號、接收由液體表面反射的微波信號、并由發(fā)射的和反射的微波信號的傳播時間計(jì)算在容器中存儲的液體的水平，來測量在容器(12)中存儲的液體的水平(71)，所述底部反射器(15)可被安裝在所述容器中的預(yù)定的高度，用于在容器中的所述預(yù)定高度沒有液體時反射微波信號，其特征在于，所述底部反射器(15)包括反射結(jié)構(gòu)(23－24；25；23，26；27；29；32，33；32，35；36；37；41，42；43，44；51－52；55－56；61；72)，當(dāng)液體的水平在反射結(jié)構(gòu)以上時，所述反射結(jié)構(gòu)具有對于所述微波信號的第一反射系數(shù)，當(dāng)液體水平在反射結(jié)構(gòu)以下時，具有對于所述微波信號的第二反射系數(shù)，其中所述第一反射系數(shù)遠(yuǎn)小于所述第二反射系數(shù)。
文檔編號H01Q15/22GK1745290SQ200480003107
公開日2006年3月8日 申請日期2004年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月29日
發(fā)明者庫爾特·O·愛德華松 申請人:Saab羅斯蒙特儲罐雷達(dá)股份公司