DE112006002691T5

DE112006002691T5 - Zwei-Moden-Radarfüllstandsmesssystem

Info

Publication number: DE112006002691T5
Application number: DE112006002691T
Authority: DE
Inventors: Olov Edvardsson
Original assignee: Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2006-10-13
Publication date: 2008-09-04
Anticipated expiration: 2026-10-14
Also published as: US7345622B2; DE112006002691B4; WO2007043950A3; CN101287972A; KR20080043886A; WO2007043950A2; JP2009511901A; US20070085729A1

Abstract

Radarfüllstandsmesssystem zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter, umfassend:
einen Wellenleiter, der sich zu der Oberfläche des besagten Füllmaterials erstreckt;
einen Sender zum Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus in dem Wellenleiter;
einen Empfänger zum Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des besagten Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den besagten Wellenleiter ausbreitet; und
eine Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des besagten reflektierten Mikrowellensignals; und
ein Übergangselement, das den Hohlleiter und den Sender verbindet, wobei das besagte Übergangselement so konfiguriert ist, dass sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann;
wobei sich der besagte erste Ausbreitungsmodus und der besagte zweite Ausbreitungsmodus innerhalb eines Frequenzbands befinden, das die Ausbreitung des besagten Mikrowellensignals in den beiden besagten verschiedenen Ausbreitungsmodi in dem besagten Wellenleiter zulässt, und wobei der besagte Empfänger so angeordnet ist, dass er das...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die radarbasierte Füllstandsmessung, und im Besonderen betrifft die Erfindung Systeme und Verfahren für die radarbasierte Füllstandsmessung des Füllstands eines Füllmaterials und insbesondere einer Flüssigkeit mithilfe eines Wellenleiters (Hohlleiters) mit hoher Genauigkeit ohne vorherige Kenntnis der genauen Gaszusammensetzung und/oder des Drucks oberhalb der Oberfläche des Füllmaterials.
Technischer Hintergrund
Radarfüllstandsmesssysteme zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit oder anderer Füllmaterialien in einem Behälter sind wohlbekannt, und ein solches System umfasst im Allgemeinen einen Sender, um ein Mikrowellensignal zur Oberfläche der Flüssigkeit zu senden, einen Empfänger, um das Mikrowellensignal, das von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiert wird, zu empfangen, und eine Signalverarbeitungsvorrichtung, um den Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter aus der Ausbreitungszeit des gesendeten und reflektierten Mikrowellensignals zu berechnen. Eine solche Vorrichtung hat im Laufe der Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen, insbesondere für Erdölprodukte wie Rohöl und daraus hergestellte Produkte. Unter „Behältern" werden hier große Behälter verstanden, die Teile des Gesamtladevolumens eines Tankers bilden, oder noch größere, gewöhnlich kreiszylindrische Tanks an Land mit einem Volumen von Zehntausenden von Kubikmetern.
Ein Faktor, der eine hohe Genauigkeit für ein Radarfüllstandsmesssystem ermöglicht, ist, dass die Geschwindigkeit der Radarwellen in der Regel wohlbekannt ist oder der Geschwindigkeit von Licht in Vakuum (299 792 458 m/s), dividiert durch die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante des Gases (nahe 1,0006 für normale Luft), entspricht. Für einige Anwendungen jedoch ist die Dielektrizitätskonstante nicht in ausreichender Genauigkeit bekannt, um eine gewünschte hohe Genauigkeit zu erhalten.
Bei einer bestimmten Art von radarbasierter Vorrichtung zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter wird das Mikrowellensignal durch einen Wellenleiter, z. B. eine in dem Behälter angebrachte vertikale Stahlröhre, die als Wellenleiter für die Mikrowellen auf ihrem Weg zur und von der Flüssigkeitsoberfläche fungiert, gesendet, reflektiert und empfangen. Allerdings besteht ein Problem in solchen Systemen darin, dass das Gas oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit die Geschwindigkeit der Mikrowellen verringert. Diese Geschwindigkeitsverringerung kann genau geschätzt werden, jedoch nur, wenn Gaszusammensetzung, -temperatur und -druck bekannt sind, was normalerweise nicht der Fall ist.
Eine Lösung für das oben erörterte Problem wird im US-Patent 6 915 689 von demselben Anmelder vorgestellt. Dieses Dokument beschreibt u. a. ein Verfahren zur Rohrmessung, wobei die Dielektrizitätskonstante des Gases einen unwesentlichen oder sehr geringen Einfluss auf die als Messwert betrachtete Entfernung hat. Das Verfahren ist normalerweise für LPG-Messungen gedacht, bei denen CTS-Genauigkeit erforderlich ist und die Dielektrizitätskonstante im Bereich 1,00–1,02 (Luft bis zu komprimiertem Propan) variieren kann, im Gegensatz zu üblichen Radarverfahren, bei denen die Wellenlänge in der verwendeten Atmosphäre bekannt ist und als Standard verwendet werden kann. Unter „CTS" (Custody Transfer Safety) werden Systeme mit sehr hoher Genauigkeit, z. B. ±2 mm über eine Entfernung von 20 m, verstanden, die beispielsweise von einer behördlichen Stelle für den Einsatz bei offiziellen oder kommerziellen Messungen zertifiziert wurden. Wie im US-Patent 6 915 689 beschrieben wird, kann das Problem mit der unzureichend bekannten Dielektrizitätskonstante zwar gelöst werden, jedoch zu dem Preis, dass die genaue Messung vom Durchmesser des Rohrs anstatt von der Geschwindigkeit der Radarwellen abhängt. Der Durchmesser des Stahlrohrs besitzt genügend Stabilität (einschl. einer Temperaturkorrektur), um als Standard verwendet zu werden, allerdings könnte die Anfangsbestimmung des Durchmessers ein Problem darstellen, einschließlich der Tatsache, dass der Durchmesser entlang des Rohrs leicht variieren kann (z. B. +/–0,5%). Das Rohr besitzt in der Regel eine Länge von 25 m, die in Abschnitten von 6 m, die zusammengeschweißt sind, bereitgestellt wird. Infolgedessen ist eine genaue Schätzung des Durchmessers schwierig.
Bei Verwendung normaler Erdölprodukte, d. h. von Produkten, die bei üblichen Temperaturen flüssig sind, ist das Gas in der Röhre für gewöhnlich Luft. Die nominale Dielektrizitätskonstante in Luft ist 1,0006 mit einer normalen Schwankung von +/–0,0001. Bei Verflüchtigung von Kohlenwasserstoffen usw. würde der Tankinhalt jedoch zu einer Erhöhung der Dielektrizitätskonstante führen, die dann über der Dielektrizitätskonstante von Luft liegen würde. Eine solche Erhöhung kann merklich sein. Ferner ist beim Messen des Füllstands in einem Behälter, der ein verflüssigtes Gas enthält, das unter Überdruck steht, die Änderung der Geschwindigkeit in hohem Maße feststellbar. Unter den üblichen Kohlenwasserstoffgasen besitzt Propan den höchsten Wert für die Dielektrizitätskonstante, der bei einem Druck von 10 bar (entspricht ε = 1,02) eine Verringerung der Geschwindigkeit um etwa 1 bewirkt. Eine solch große Abweichung ist in vielen Anwendungen, z. B. in Anwendungen des eichpflichtigen Verkehrs (CTS), nicht akzeptabel. Somit wird häufig eine höhere Genauigkeit, definiert als die Genauigkeit für den eichpflichtigen Verkehr, benötigt. Unter dem Ausdruck „Genauigkeit für den eichpflichtigen Verkehr” (CTS-Genauigkeit) wird in dem vorliegenden Dokument eine Genauigkeit verstanden, die für mögliche Genehmigung für den eichpflichtigen Verkehr ausreichend ist, was bei vielen kommerziellen Anwendungen der Füllstandsmessung eine offizielle Anforderung darstellt. Hinsichtlich der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann die Genauigkeit für den eichpflichtigen Verkehr bei der Bestimmung des Füllstands eine Genauigkeit implizieren, die im Bereich von ungefähr 0,005–0,05 liegt.
Das US-Patent 6 915 689 offenbart ferner die Verwendung von zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi, um den Rohrdurchmesser genauer zu schätzen und dementsprechend korrigierende Maßnahmen vorzunehmen. Verschiedene Modi bewirken eine Ausbreitung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, was die Durchführung von Messungen bei Vorhandensein mehrerer Modi erschwert. Aus diesem Grund werden in der Regel mehrere gleichzeitige Modi bei der Radarfüllstandsmessung vermieden. Im US-Patent 6 915 689 jedoch wird die Verwendung von mehreren Modi in Erwägung gezogen, um Schätzungen über Umgebungsbedingungen und insbesondere den Rohrdurchmesser zu liefern.
Allerdings besteht bei der Lösung nach der Lehre dieses Dokuments ein Problem darin, dass ein ziemlich kompliziertes Zuführsystem in dem Sender erforderlich ist, um die verschiedenen Modi der Mikrowellensignale bereitzustellen, wodurch sich Systemkomplexität, Kosten und Schwierigkeitsgrad des Gebrauchs erhöhen.
Es besteht daher eine Notwendigkeit für eine einfachere und/oder kostengünstigere Lösung, die dennoch mindestens etwa denselben Grad an Genauigkeit und Zuverlässigkeit in Bezug auf die Messergebnisse bietet.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die vorstehend erörterten Probleme zu lösen oder zumindest abzuschwächen. Dieses Ziel wird mithilfe eines Radarfüllstandsmesssystems und -verfahrens nach den angehängten Ansprüchen erreicht.
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Radarfüllstandsmesssystem zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter bereitgestellt, das umfasst:
einen Wellenleiter, der sich zu der Oberfläche des Füllmaterials erstreckt;
einen Sender zum Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus in dem Wellenleiter;
einen Empfänger zum Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den Wellenleiter ausbreitet; und
eine Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des reflektierten Mikrowellensignals; und
ein Übergangselement, das den Hohlleiter und den Sender verbindet, wobei das Übergangselement so konfiguriert ist, dass sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann;
wobei sich der erste und der zweite Ausbreitungsmodus innerhalb eines Frequenbands befinden, das die Ausbreitung des Mikrowellensignals in den beiden verschiedenen Modi in dem Wellenleiter zulässt, und wobei der Empfänger so angeordnet ist, dass er das Mikrowellensignal in den mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi empfängt.
Das erfinderische Radarfüllstandsmesssystem bietet eine einfache Lösung für die Berechnung eines genauen durchschnittlichen Durchmessers über den Teil des Rohrs, der zurzeit verwendet wird, indem die Entfernung auf zwei Arten unter Verwendung von zwei Hohlleitermodi gemessen wird. Die Zwei-Moden-Messung ist per se aus dem US-Patent 6 915 689 bekannt, welches Dokument hiermit durch Bezug nahme inhaltlich einbezogen wird. Somit stellt die vorliegende Erfindung ein Radarfüllstandsmesssystem mit im Wesentlichen derselben Kapazität und Leistung wie in dem bereits bekannten System bereit, jedoch mit einer erheblich vereinfachten Zuführeinrichtung, wodurch ein einfacheres und kostengünstigeres System erreichbar ist.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung kann eine kostengünstige und zuverlässige Vorrichtung erreicht werden, um den Füllstand einer Flüssigkeit in einem Behälter mit hoher Genauigkeit zu messen. Die Vorrichtung ist insbesondere hilfreich in Umgebungen, in denen oberhalb der zu messenden Flüssigkeitsoberfläche ein Gas vorhanden ist, dessen Dielektrizitätskonstante innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt. Die Flüssigkeit kann z. B. aus einem verdichteten Gas bestehen, und das Gas kann kondensiertes Gas in gasförmigem Zustand sein, das unter Überdruck in dem Behälter gelagert ist.
Der Wellenleiter ist z. B. eine Röhre, die sich zur Oberfläche einer zu messenden Flüssigkeit erstreckt, wobei die Wände der Röhre mit einer Reihe von Löchern versehen sind, so dass die Flüssigkeit in dem Behälter seitlich in die Röhre und aus der Röhre fließen kann, um einen einheitlichen Füllstand der Flüssigkeit innerhalb und außerhalb der Röhre aufrechtzuerhalten. Der Wellenleiter kann jede beliebige Art von Querschnitt besitzen, sollte jedoch vorzugsweise einen rechteckigen oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Der Röhrendurchmesser liegt vorzugsweise im Bereich 25–150 mm und am meisten bevorzugt im Bereich 50–100 mm.
Rohrdurchmesser und Betriebsfrequenz sind vorzugsweise so gewählt, dass die Gruppengeschwindigkeiten von Mikrowellensignalen im ersten und im zweiten Ausbreitungsmodus in dem Wellenleiter im Wesentlichen unabhängig von der Dielektrizitätskonstante sind, zumindest innerhalb eines vorbestimmten Bereichs für die Dielektrizitätskonstante.
Der Empfänger kann auf verschiedene Arten Abschnitte des Mikrowellensignals unterscheiden, die in den verschiedenen ersten und zweiten Ausbreitungsmodi empfangen werden, z. B. jedoch anhand der unterschiedlichen Ankunftszeiten am Empfänger für die reflektierten Mikrowellensignale der verschiedenen Ausbreitungsmodi.
Das Mikrowellensignal kann ein frequenzmoduliertes Dauerstrichsignal (FMCW) oder ein gepulstes Radarsignal sein.
Die Erfindung ist insbesondere nützlich für das Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, über welchem Füllstand ein Gas vorhanden ist, wobei sich der Hohlleiter durch das Gas zur Oberfläche der Flüssigkeit erstreckt.
Vorzugsweise ist der erste Modus ein H₀₁-Modus und der zweiten Modus ein H₀₂-Modus. In diesem Fall ist die Größe des Wellenleiters vorzugsweise so bemessen, dass das Passieren eines H₀₃-Modus nicht möglich ist. Die Mikrowellensignalfrequenz kann z. B. im Bereich 5–25 GHz liegen.
Das Übergangselement ist vorzugsweise so konfiguriert, dass es 20–80% der Mikrowellenleistung zum zweiten Ausbreitungsmodus durchlässt, und am meisten bevorzugt so konfiguriert, dass 40–60% passieren können.
Das Übergangselement kann vorteilhafterweise im Wesentlichen als Kegel gebildet sein. Um eine geeignete Fortsetzung in den zweiten Ausbreitungsmodus zu erhalten, ist die Länge des Übergangselements in axialer Richtung vorzugsweise ziemlich kurz und beträgt z. B. weniger als 0,25 m. Vorzugsweise liegt die Länge des Übergangselements in axialer Richtung im Bereich 0,05–0,10 m. Nach dem Stand der Technik wurden ziemlich lange Kegel verwendet, um Erregung oder mehr als einen Ausbreitungsmodus zu verhindern, hier jedoch wird die Erregung von mehr als einem Modus verwendet.
Der Verarbeitungsschaltkreis ist vorzugsweise angeordnet, um aus dem reflektierten Mikrowellensignal in jedem Ausbreitungsmodus eine oder mehrere Eigenschaften des Hohlleiters oder der Umgebung in dem Behälter zu schätzen und um die Schätzung der einen oder mehreren Eigenschaften zur Berechnung eines berichtigten Füllstands des Füllmaterials in dem Behälter zu verwenden. Die Verarbeitungsschaltung kann als eine einzige Einheit angeordnet sein oder in verteilter Form, die mehrere Einheiten umfasst, die möglicherweise getrennt voneinander angeordnet sind. Die eine oder mehreren Eigenschaften des Wellenleiters oder der Umgebung in dem Behälter können z. B. eine Querschnittsgröße des Wellenleiters, eine Veränderung der Querschnittsgröße entlang der Länge des Wellenleiters, ein Konzentrizitätsmaß des Wellenleiters, das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere von festen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, an den Innenwänden des Wellenleiters oder das Vorhandensein von Nebel in dem Tank umfassen.
In einer Reihe von Ausführungsformen berechnet die Verarbeitungsschaltung eine Querschnittsgröße des Wellenleiters anhand der empfangenen und unterschiedenen Abschnitte des Mikrowellensignals, die in den verschiedenen ersten und zweiten Ausbreitungsmodi empfangen wurden. Vorzugsweise besitzt der Wellenleiter einen kreisförmigen Querschnitt, und die berechnete Querschnittsgröße ist der durchschnittliche Durchmesser des Wellenleiters entlang der Entfernung, über die sich das Mikrowellensignal ausbreitet, bevor es von der Oberfläche des Flüssigkeit reflektiert wird.
Alternativ bestimmt der Verarbeitungsschaltkreis jedoch die Entfernung zur Füllmaterialoberfläche für jeden der beiden Ausbreitungsmodi, was zu zwei parallelen Messwertreihen führt. Diese beiden Messreihen können anschließend verwendet werden, um einen addierten Wert, z. B. einen Durchschnittswert, zu erzeugen, der unabhängig vom Röhren- oder Rohrdurchmesser ist und der nicht von Durchmesserschwankungen entlang der Röhre bzw. des Rohrs beeinflusst wird.
Zur Sicherstellung höchster Genauigkeit ist es wünschenswert, eine oder zwei mechanisch feste Reflexionen in dem Rohr zu haben, und normalerweise können die beiden besagten festen Reflexionen den Zuständen „leerer Tank" und einer bekannten Position über „voller Tank" entsprechen. Die Reflexion „leerer Tank" ist vorzugsweise so ausgeführt wie im US-Patent 6 795 015 beschrieben, welches Dokument hiermit durch Bezugnahme inhaltlich einbezogen wird, wobei der Reflektor fast unsichtbar ist, während er untergetaucht ist, aber deutlich sichtbar ist, wenn sich die Flüssigkeitsoberfläche unterhalb des Reflektors befindet. Der Reflektor „voller Tank" ist vorzugsweise angeordnet, um nur einen der Modi zu reflektieren.
In dem Wellenleiter kann ein reflektierender Blindwiderstand angeordnet werden, um einen wesentlich stärkeren Reflex des Mikrowellensignals in einem der mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi zu liefern als in einem anderen der mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi.
Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:
Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus durch einen Wellenleiter zu der Oberfläche des Füllmaterials;
Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den Wellenleiter ausbreitet; und
Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des reflektierten Mikrowellensignals, wobei:
sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann, wobei sich sowohl der erste Modus als auch der zweite Modus innerhalb eines Frequenzbands befinden, das die Ausbreitung des Mikrowellensignals in dem Wellenleiter zulässt; und
das Mikrowellensignal in den beiden verschiedenen Ausbreitungsmodi empfangen wird.
Entsprechend diesem Aspekt der Erfindung können Vorteile und Variationen erhalten werden, die analog zu und ähnlich den in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung vorstehend erörterten Vorteilen und Variationen sind.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden offenkundig aus den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen und erschließen sich unter Bezugnahme auf diese Ausführungsformen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zum Zwecke der Veranschaulichung wird die Erfindung im Folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Querschnittsseitenansicht eines Behälters ist, in dem ein Radarfüllstandsmesssystem nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;
2 die Vorrichtung für radarbasierte Füllstandsmessung von 1 in einer perspektivischen Ansicht in größerer Detaildarstellung schematisch zeigt;
3 eine schematische Querschnittsseitenansicht des Radarfüllstandsmesssystems von 1 ist;
4 eine beispielhafte Ausführungsform eines unteren Reflektors ist;
5 einige beispielhafte Ausführungsformen eines Reflektors für vollen Tank darstellt; und
6 ein schematisches Tankspektrum für einige typische Tankzustände ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführugnsformen
Die 1 und 2 zeigen in schematischer Darstellung ein Radarfüllstandsmess(RLG)-System 1 nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das System kann ein frequenzmoduliertes Dauerstrich(FMCW)-RLG-System oder ein gepulstes RLG-System oder irgendeine andere Art von Entfernungsmessradar sein, vorzugsweise jedoch das vorher genannte. Das RLG-System kann eine Funktion zum Senden eines Mikrowellensignals mit variabler Frequenz, die einstellbar ist, besitzen.
Das RLG-System umfasst einen Hohlleiter 1 in Form einer im Wesentlichen vertikalen Röhre oder einer Röhre, die fest in einem Behälter 2, dessen obere Begrenzung oder Dach mit der Bezugsziffer 3 bezeichnet ist, montiert ist. Der Behälter enthält eine Flüssigkeit 3, die ein Erdölprodukt, z. B. Rohöl oder ein daraus hergestelltes Produkt, oder ein verdichtetes Gas sein kann, und die in dem Behälter bei Überdruck und/oder gekühlt gelagert wird. Propan und Butan sind zwei typische Gase, die als Flüssigkeiten gelagert werden.
Der Hohlleiter 1 ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet, damit er in der Lage ist, als Hohlleiter für Mikrowellen zu fungieren, und kann eine beliebige Querschnittsform besitzen. Allerdings wird ein kreisförmiger, rechteckiger oder superelliptischer Querschnitt bevorzugt. Die Röhre ist nicht in ihrer gesamten Länge abgebildet, sondern nur in ihren oberen und unteren Abschnitten. Die Röhre ist mit einer Reihe von relativ kleinen Öffnungen 6 in ihrer Wand versehen, was die Verbindung der Flüssigkeit aus dem Behälter mit dem Innern der Röhre möglich macht, so dass der Füllstand der Flüssigkeit in der Röhre mit dem Füllstand in dem Behälter identisch ist. Die Größe und die Positionen der Löcher sind so gewählt, dass sie die Wellenausbreitung nicht stören, sondern immer noch zulassen, dass sich der innere und der äußere Flüssigkeitsfüllstand schnell genug ausgleichen.
Eine Einheit 7 ist fest darauf montiert. Diese Einheit 7 umfasst einen Sender, der nicht explizit dargestellt ist, zum Zuführen eines Mikrowellensignals, einen Empfänger zum Empfangen des reflektierten Mikrowellensignals und eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Bestimmen der Reflexionsposition des reflektierten Mikrowellensignals.
Der Sender umfasst einen Senderhohlleiter, der in 1 mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet ist, der von einer Schutzröhre 8 umgeben ist. Der Hohlleiter 5 geht mittels eines Übergangselements 9, z. B. eines konischen Mittelstücks, in den Hohlleiter 1 über.
Das Übergangselement 9 ist so angeordnet, dass es sowohl einen Übergang als auch eine Hohlleiterverbindung zwischen dem Senderhohlleiter 5 und dem Hohlleiter 1 in dem Tank bereitstellt. Allerdings ist das Übergangselement zusätzlich so konfiguriert, dass es zulässt, dass sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals aus einem ersten Ausbreitungsmodus, der von dem Sender bereitgestellt wird, und in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzt. Dabei werden zwei Modi gleichzeitig durch den Hohlleiter gesendet. Vorzugsweise stellt der Sender einen H₀₁ bereit, der sich in den H₀₂-Modus in dem Übergangselement fortsetzt. Das Übergangselement ist jedoch vorzugsweise so angepasst, dass es H₀₃ und Modi höherer Ordnung unterdrückt oder zumindest nur relativ geringe Mengen solcher Modi induziert.
Das Übergangselement ist vorzugsweise so angeordnet, dass es im Wesentlichen denselben Grad an Mikrowellenleistung in beiden Ausbreitungsmodi liefert.
Der erste und der zweite Modus werden vorzugsweise innerhalb eines Frequenzbands gewählt, bei dem die Gruppengeschwindigkeiten von Mikrowellensignalen in dem ersten und dem zweiten Ausbreitungsmodus in dem Hohlleiter im Wesentlichen unabhängig von der dielektrischen Konstante sind, zumindest innerhalb eines vorher festgelegten Bereichs für die dielektrische Konstante. In der bevorzugten Ausführungsform sind Frequenz und Durchmesser so gewählt, dass die dielektrische Konstante nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf den H₀₂-Modus hat, während der H₀₁-Modus bei derselben Frequenz stärker beeinflusst wird.
Radarfüllstandsmesssysteme verwenden eine ziemlich breite Bandbreite (die Breite kann 10–15% der Mittenfrequenz betragen), und die Ausbreitung ist durch die Gruppengeschwindigkeit in der Mitte dieses Bands gekennzeichnet. Hier sind ein Frequenzband und eine Modusausbreitung der gesendeten und empfangenen Mikrowellensignale und das Innenmaß der Röhre vorzugsweise so gewählt, um eine Gruppengeschwindigkeit des Mikrowellensignals zu erhalten, die ziemlich konstant über einen interessierenden Bereich von Werten für die dielektrische Konstante, vorzugsweise zwischen 1,00 und 1,03, ist. Eine solche Auswahl ist per se bereits aus dem US-Patent 6 915 689 bekannt, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
Der Übergang wird vorzugsweise als röhrenförmiger Teil realisiert mit einer in axialer Richtung allmählich zunehmenden inneren Querschnittsfläche, die sich von der inneren Querschnittsfläche des Senderhohlleiters 5 zur inneren Querschnittsfläche des Röhrenhohlleiters 1 vergrößert. Ferner ist das Übergangselement vorzugsweise rotierend symmetrisch. Am meisten bevorzugt ist das Übergangselement im Wesentlichen als Kegel gebildet. Um eine geeignete Fortsetzung in den zweiten Modus zu erhalten, ist die Länge des Übergangselements in axialer Richtung vorzugsweise ziemlich kurz und beträgt z. B. weniger als 0,25 m. Vorzugsweise liegt die Länge des Übergangselements in axialer Richtung im Bereich 0,05–0,10 m.
Im Betrieb erzeugt der Sender ein Mikrowellensignal eines ersten Modus, das durch den Senderhohlleiter 5 und das konische Übergangselement 9 zugeführt wird, wobei eine Fortsetzung in einen zweiten Modus stattfindet, und in den Hohlleiter 1. Das Mikrowellensignal breitet sich in der Röhre des Hohlleiters 1 zu der zu messenden Oberfläche aus, wird von der Oberfläche reflektiert und breitet sich zurück zu dem Empfänger aus. Das reflektierte Signal durchläuft das konische Übergangselement 9 und den Hohlleiter 5 und wird von dem Empfänger empfangen. Der Empfänger kann auf verschiedene Arten Abschnitte des Mikrowellensignals unterscheiden, die in den verschiedenen ersten und zweiten Ausbreitungsmodi empfangen werden, z. B. anhand der unterschiedlichen Ankunftszeiten am Empfänger für die reflektierten Mikrowellensignale der verschiedenen Ausbreitungsmodi. Die Signalverarbeitungsvorrichtung berechnet dann den Füllstand der Flüssigkeit aus der Umlaufzeit des Mikrowellensignals. Darüber hinaus kann der Verarbeitungsschaltkreis angeordnet werden, um aus dem reflektierten Mikrowellensignal in jedem Ausbreitungsmodus eine oder mehrere Eigenschaften des Hohlleiters oder der Umgebung in dem Behälter zu schätzen und um die Schätzung der einen oder der mehreren Eigenschaften zur Berechnung eines berichtigten Füllstands des Füllmaterials in dem Behälter zu verwenden, z. B. eine Querschnittsgröße des Hohlleiters als durchschnittlichen Durchmesser des Hohlleiters entlang der Entfernung, in der sich das Mikrowellensignal ausbreitet, bevor es von der Oberfläche des Flüssigkeit reflektiert wird.
Für die Kalibrierung können ein oder mehrere Null-Reflexionsreflektoren 10 verwendet werden, die vorzugsweise so angepasst sind, dass sie Reflexionen nur für einen der Modi und nicht für den anderen Modus liefern, z. B. für H₀₁ und nicht für H₀₂. Solche Reflektoren können in verschiedenen Höhen in dem Hohlleiter 1 angeordnet werden. Darüber hinaus kann ein Reflektor am Boden des Tanks zur Kalibrierung, wenn der Tank leer ist, angeordnet werden. Vorzugsweise werden ein unterer und ein oberer Reflektor verwendet, wobei der obere Reflektor sichtbar ist und zur Funktionskontrolle verwendet werden kann, und der untere Reflektor zur Anfangskalibrierung und zur Leertank-Prüfung verwendet werden kann. Der obere Reflektor ist vorzugsweise so angeordnet, dass er unterschiedliche Reflexionen für die beiden Modi liefert, auch wenn dies nicht absolut notwendig ist. Der untere Reflektor ist vorzugsweise so angeordnet, dass er denselben Grad an Reflexion in beiden Modi liefert. Allerdings ist der untere Reflektor vorzugsweise so angeordnet, dass er eine wesentlich stärkere Reflexion liefert, wenn er nicht von einer Flüssigkeit bedeckt ist, als wenn er bedeckt ist. Solche Reflektoren sind per se bereits aus dem US-Patent 6 795 015 bekannt, das hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird. Somit ist eine solche Zwei-Reflektor-Konfiguration völlig ausreichend für im Wesentlichen alle Kalibrierungsanforderungen, und infolgedessen wären dadurch keine anderen Reflektoren an anderen Füllständen erforderlich.
3 ist eine schematische Übersicht des Radarfüllstandsmesssystems von 1 zur Veranschaulichung der interessierenden Funktionen entlang des Rohrs. Die elektronische Einheit 7 erzeugt eine Ausgabe in dem Hohlleiter 5, die in einen H₀₁-Modus in einem Modusgenerator o. ä. konvertiert wird, in dem H₀₁ der höchste Ausbreitungsmodus ist oder in dem sich H₀₂ nicht ausbreiten kann. In dem besagten Hohlleiter oder darüber kann eine Dichtung 31 vorgesehen werden, die vorzugsweise für Hochdruck ausgelegt ist, wenn der Tank für Druckgas verwendet werden soll. Aus Sicherheitsgründen kann auch ein Kugelventil 32 vorgesehen werden, und es kann beispielsweise verwendet werden, wenn die Dichtung ausgewechselt werden muss. Das Übergangselement 9, das den Übergang zum Rohrdurchmesser des Hohlleiters 1 bereitstellt, ist unterhalb des Kugelventils angeordnet und kann in der Regel aus einem geraden Kegel mit geeigneter Länge gebildet sein. Ein Drucktank besitzt normalerweise eine Kugelform, und somit befindet sich der höchste Flüssigkeitsfüllstand – einige Volumenprozent unter einem komplett vollen Tank – nicht sehr dicht am oberen Ende des Tanks. In diesem Bereich kann ein Reflektor 10b zur Kalibrierung etwas oberhalb des möglichen höchsten Füllstands angebracht werden. Dieser Reflektor ist in einer bevorzugten Ausführungsform so angeordnet, dass er H₀₁ auf ungefähr dieselbe Weise reflektiert wie die typische Flüssigkeitsoberfläche, jedoch H₀₂ in einem wesentlich geringeren Maße oder sogar überhaupt nicht. Der Hohlleiter 1 erstreckt sich vorzugsweise nahezu vertikal durch den Tank und ist leicht perforiert, z. B. durch 2 Löcher pro Meter mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm. Das Rohr endet einige Zentimeter oder einige Dezimeter über dem Tankboden 21, um Bewegungen selbst bei den ungünstigsten thermischen Bedingungen zu erlauben. Ein unterer Reflektor 10a kann am Boden befestigt werden, der vorzugsweise so angeordnet ist, dass er eine sehr geringe Reflexion liefert, wenn der Reflektor untergetaucht ist, und eine Reflexion, die mit der Reflexion der Flüssigkeitsoberfläche vergleichbar ist, wenn der Flüssigkeitsfüllstand den Reflektor nicht bedeckt.
4 zeigt einige beispielhafte Ausführungsformen der Reflektoren 10b für hohen Füllstand mit einer erheblich unterschiedlichen Reflexion für die beiden verwendeten Modi. Der obere Reflektor kann auf mehrere Arten realisiert werden und vorzugsweise auf eine Art, die H₀₁, aber nicht H₀₂ reflektiert. Für H₀₁/H₀₂ kann der Reflektor die Form eines dünnen Metallrings o. ä. besitzen, der durch radiale Metallstifte an dem Rohr angebracht ist. Der Ring befindet sich an einem Radius, an dem H₀₂ ein umlaufendes Null-Feld besitzt, und folglich ist die H₀₂-Reflexion klein, während H₀₁ eine starke Reflexion besitzt, die durch eine dünne Geometrie auf ein geeignetes Niveau verringert werden kann. Die metallische radiale Anbringungen hat keinen Einfluss auf die Modi H₀₁/H₀₂, wenn sie dünn genug ist.
In einer ersten beispielhaften Ausführungsform, die in 4a dargestellt ist, umfasst der Reflektor 10b einen horizontalen Ring 101 in dem Hohlleiter 1, der von radialen Stiften 102 getragen wird. Die radialen Stifte. beeinflussen den Feldverlauf von H₀₁ oder H₀₂ nicht und sind hinsichtlich ihrer Zahl und Position für gute mechanische Stabilität ausgewählt. Wenn der Durchmesser des Rings 55 des Rohrdurchmessers (oder 54,62%) beträgt, ist die Position des Rings an der Stelle, an der das umlaufende elektrische Feld von H₀₂ Null beträgt, und infolgedessen wird H₀₂ überhaupt nicht von der abgebildeten Struktur beeinflusst (d. h. keine Reflexion von H₀₂). Die Geometrie des Reflektors bildet eine Befestigung in einer Verbindungsstelle des Rohrs mit dem bevorzugten Verfahren.
Eine andere Möglichkeit für die Implementierung des oberen Reflektors ist in 4b dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Reflektor 10b' ein dünnes Stahlband 103, das vorübergehend gebogen werden kann, um durch ein Loch 104 in dem Rohr 1 eingeführt zu werden. Die Geometrie und die Funktion sind somit ähnlich denen der Ausführungsform, die in Bezug auf 4a erörtert wurde, der Reflektor kann jedoch durch das Verfahren des Einführens mithilfe von Löchern angebracht werden, d. h. ohne Rücksicht auf Verbindungsstellen o. ä.
Noch eine andere Möglichkeit für die Implementierung des Rings hinsichtlich der Funktion in Bezug auf H₀₁ und H₀₂ ist in 4c dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst der Reflektor 10b'' einen Ring, der in eine Reihe von Halbwellendipolen 105 aufgeteilt ist, die umlaufend in dem Metallring gerichtet sind. Alle Halbwellenreflektoren 105 können an einer Halterung (nicht abgebildet) um das Rohr angebracht und wie in der beispielhaften Ausführungsform von 4b durch Löcher 104 in dem Hohlleiterrohr 1 eingeführt werden. Die Halbwellenreflektoren können z. B. 15 mm lang sein, wenn eine Frequenz von 10 GHz verwendet wird, und aus dünnen Metallblechen oder -fingern gebildet sein. Vorzugsweise sind die Halbwellenreflektoren mindestens etwas flexibel ausgeführt, wodurch das Einführen in kleinere Löcher in dem Hohlleiterrohr möglich gemacht wird. Es ist zu beachten, dass die Ausführungsform mit 4 Halbwellenreflektoren nur ein Beispiel ist und dass eine andere Anzahl von Halbwellenreflektoren, z. B. 2, 3 oder 6, ebenso möglich ist.
5 ist ein Beispiel für einen Reflektor 10a, der als unterer Reflektor in dem vorstehend erörterten System verwendet werden kann. Solche unteren Reflektoren sind per se bereits aus dem US-Patent 6 795 015 bekannt, welches Dokument hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
In der beispielshaften Ausführungsform von 5 ist der Reflektor geeignet, um unterhalb oder am Ende des Hohlleiterrohrs und etwas über dem Boden angeordnet und am Boden angebracht zu werden. Der Reflektor umfasst eine Reihe von Metallringen 110, die an radialen Stützen 111 angebracht sind. Die Ringe fungieren als metallische Oberfläche für das umlaufende elektrische Feld der Hohlleitermodi H₀₁ und H₀₂, die infolgedessen ungeachtet der möglicherweise unregelmäßigen Struktur des Bodens unterhalb der Ringe reflektiert werden, wenn sich die Flüssigkeit unterhalb des Reflektors befindet. Der Abstand zwischen den Ringen ist jedoch an die dielektrische Konstante der Flüssigkeit angepasst, und wenn die Ringe untergetaucht sind, werden Hohlleiter aus den Ringen gebildet, und indem die Ringe eine halbe Wellenlänge hoch gemacht werden, fungiert der Reflektor als Radom, das transparent für Wellen der verwendeten Frequenz ist.
6 zeigt drei beispielhafte Tankspektren, die in dem Radarfüllstandsmesssystem von 3 empfangen werden können. In einem ersten Tankspektrum A ist die Situation bei einem mittleren Flüssigkeitsfüllstand in dem Tank dargestellt. In diesem Fall umfasst das Tankspektrum normalerweise ein empfangenes Echosignal A1 entsprechend dem oberen Reflektor 10b, ein empfangenes Echosignal A2 entsprechend der Reflexion des H₀₁-Modus an der Flüssigkeitsoberfläche und ein empfangenes Echosignal A3 entsprechend der Reflexion des H₀₂-Modus an der Flüssigkeitsoberfläche. In einem zweiten Tankspektrum B ist die Situation bei einem niedrigen Flüssigkeitsfüllstand in dem Tank dargestellt. In diesem Fall umfasst das Tankspektrum normalerweise ein empfangenes Echosignal B1 entsprechend dem oberen Reflektor 10b, an ungefähr derselben Position wie A1, ein empfangenes Echosignal B2 entsprechend der Reflexion des H₀₁-Modus an der Flüssigkeitsoberfläche, etwas unterhalb von A2, und ein empfangenes Echosignal B3 entsprechend der Reflexion des H₀₂-Modus an der Flüssigkeitsoberfläche, erheblich tiefer als A3. In einem dritten Tankspektrum C ist die Situation bei einem im Wesentlichen leeren Tank dargestellt. In diesem Fall umfasst das Tankspektrum normalerweise ein empfangenes Echosignal C1 entsprechend dem oberen Reflektor 10b, auf demselben Niveau wie A1 und B1, ein empfangenes Echosignal C4 entsprechend der Reflexion des H₀₁-Modus an dem unteren Reflektor 10a und ein empfangenes Echosignal C5 entsprechend der Reflexion des H₀₂-Modus an dem unteren Reflektor 10a.
Die Theorie hinter der vorliegenden Erfindung und die Anwendbarkeit der Zwei-Modus-Messung werden nun kurz erörtert. Die folgende Erörterung konzentriert sich auf FMCW, da CTS-Genauigkeit in Rohren bislang schwer in einem gepulsten System mit Rohren zu erreichen war, aber durch geringfügige Änderungen dieser Erörterung ist sie ebenso auf gepulste Systeme anwendbar. Das typische IF(Intermediate Frequency[Zwischenfrequenz])-Signal, das von einem linearen Durchlauf und einer normalen Flüssigkeitsoberfläche erzeugt wird, besitzt eine fast konstante Frequenz mit einer ziemlich konstanten Amplitude. Die konstante Frequenz (proportional zur Entfernung) kann beschrieben werden als eine Phase mit linearem Wachstum während des Durchlaufs, und eine typische Signalverarbeitungsvorrichtung führt nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate (Least Square Matching) eine Anpassung des Phasenwachstums an eine gerade Linie durch. Wenn die Messung durch ein Rohr anstatt im freien Raum erfolgt, weist die Phase eine leicht nicht-lineare Abweichung während des Durchlaufs auf, und diese Abweichung kann mit der folgenden Formel dargestellt werden: φ(k) = 2L√k²ε – (2X/d)² (1)wobei:
k = Wellenzahl (= reskalierte Frequenz), die für einen Durchlauf von 16% rund 10 GHz über den Bereich 193–227 m^–1 variiert
L = Länge des Rohrs
d = Durchmesser des Rohrs
ε = dielektrische Konstante der Atmosphäre, die von 1,0006 für Luft bis 1,02 für unter Druck stehendes Propan reicht
X ist die anwendbare Sessel-Funktion, die 1,841 für H₁₁, 3,832 für H₀₁ und 7,016 für H₀₂ beträgt.
Wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, weist die Phase eine leicht nicht-lineare Abhängigkeit von der Frequenz auf, und der Grad der Nicht-Linearität kann besser mittels einer parabolischen Kurvenanpassung als mittels einer linearen Kurvenanpassung geschätzt werden. Der Grad der Nicht-Linearität kann als Bogenhöhe ausgedrückt und mit guter Genauigkeit für die Ausbreitung in einem Rohr so dicht an der Trennung wie in diesem Fall berechnet werden. Die Bogenhöhe kann für die Berechnung des Rohrdurchmessers als Durchschnittswert entlang des gemessenen Rohrstücks verwendet werden.
Die „Rohdistanz" L* wird als Ableitung ermittelt:
und die rechnerische Bestimmung erfolgt in der Regel nach dem Verfahren der kleinsten Quadrate und wird im Falle eines Rohrs L* mit einem Faktor f nahe 1 berichtigt. In der Praxis kann die folgende einfachere Schätzung angewendet werden mit L* als:
wobei k₁ und k₂ die Endpunkte des Durchlaufs sind.
Aus (1) und (2) kann die Veränderung der gemessenen Entfernung mit variierendem ε geschätzt werden als:
Wenn die obere Klammer Null ergibt, sind die Bedingungen für Gasunabhängigkeit erfüllt, die auch in einer Formel als k entsprechend der Mittenfrequenz ausgedrückt werden kann: 0,5kd√ε = √2X (5)
Der Rohrdurchmesser geht in die Berechnungen ein, indem er die Längenreferenz liefert, so dass die Genauigkeit in ppm des Durchmessers besser sein muss als die gewünschte Entfernungsgenauigkeit in ppm. Folglich ist jede Durchmessermessung nutzlos (in einer ppm-Skala), und es können nur rotierend symmetrische Modi (H_0n und E_0n) verwendet werden, um den Einfluss von Abweichungen von der idealen Kreisform zu verhindern. Zu diesem Zweck können die beiden gleichzeitigen Hohlleitermodi, vorzugsweise H₀₁ und H₀₂, verwendet werden, um zwei L* zu erhalten, wobei die Differenz zwischen ihnen ein genaues Maß des Rohrdurchmessers ist, betrachtet als Durchschnittswert über den tatsächlichen Weg.
Wenn die Rohdistanz (aus der Gleichung (2)), die durch H₀₁ und H₀₂ gemessen wurde, als L⁰¹ und L⁰² bezeichnet wird, kann gezeigt werden, dass wir einen „Durchschnittswert" L^FS entsprechend dem freien Raum bilden können:
L^FS ist nicht abhängig von Durchmesserveränderungen (weder lokaler noch allgemeiner Art), sondern ausschließlich von der dielektrischen Konstante. L* gemäß der Gleichung (2) ist andererseits abhängig vom Durchmesser, jedoch nicht von der dielektrischen Konstante. Beginnend mit den erfassten Werten für L^FS, L* und die Bogenhöhe bei der Kalibrierung mit leerem Tank können wir ein Durchmesserprofil über den gemessenen Teil des Tanks berechnen. Besagtes Durchmesserprofil ist über die Zeit konstant (mit Ausnahme von vorhersagbaren Temperaturänderungen) und kann später verwendet werden, um CTS-Genauigkeit über den gesamten Tank zu erreichen.
Darüber hinaus berücksichtigt die Zwei-Modus-Messung weitere Umgebungsveränderungen wie Temperaturschwankungen und Wärmeausdehnung des verwendeten Stahls sowie den Einfluss eines möglicherweise nicht-einheitlichen Rohrdurchmessers. Das Rohr kann aus Stücken von 6 m gebildet sein, die eine Durchmessergenauigkeit von +/–0,5 besitzen. H₁₁ oder andere polarisierte Modi werden vorzugsweise nicht verwendet, da H₁₁ eine polarisierungsabhängige Geschwindigkeit besitzt und im Wesentlichen perfekt kreisförmige Rohre erfordert.
Das Hohlleiterrohr wird vorzugsweise aus erhältlichen Standards ausgewählt und erlaubt die Verwendung einer Frequenz innerhalb des nutzbaren Bereichs. So kann beispielsweise ein 2'' SCH 40 mit einem nominalen Innendurchmesser von 52,5 mm Verwendung finden.
Mit ε = 1,01 als durchschnittliche dielektrische Konstante wird die Mittenfrequenz vorzugsweise als ungefähr 9.781 MHz gewählt. Dies kann für 30–40 m verwendet werden. Alternativ könnte ein Rohr 3,5'' SCH 10 mit einem Innendurchmesser von 95,5 mm und unter Verwendung einer Mittenfrequenz von ungefähr 9.843 MHz verwendet werden, um die gasunabhängige Bedingung von (5) zu erfüllen.
Der Rohrdurchmesser variiert vermutlich um einige Zehntel Prozent von Stück zu Stück (in der Regel 6 m lang), so dass bei Schwankungen im ungünstigsten Fall Abweichungen im Zentimeterbereich nicht unwahrscheinlich sind. Die Verwendung von zwei Ausbreitungsmodi ist ein stabiles Verfahren, und vorzugsweise werden H₀₁ und H₀₂ gleichzeitig verwendet. Beide Ausbreitungsmodi sind rotierend symmetrisch und somit unempfindlich gegenüber normalen Abweichungen (d. h. < 1%) von der mechanischen Kreisförmigkeit und können in derselben Moduskonverterstruktur erzeugt werden.
Die Messung mit H₀₂, abgestimmt auf die Gleichung (5), ergibt eine um 30% längere Rohdistanz als eine Messung mit H₀₁ bei derselben Frequenz und demselben Durchmesser. In dem vereinfachten Verfahren dieser Erfindung sind diese Modi gleichzeitig erlaubt. Diese gleichzeitigen Modi werden mithilfe eines Übergangselements, z. B. eines konischen Übergangs, erreicht, das wesentlich kürzer als bei herkömmlichen Konstruktionen ist.
Zumindest für Entfernungen, die größer als etwa 2–3 m sind, fungieren die beiden Modi als zwei gut getrennte Echos, die gemessen werden können, ohne sich gegenseitig zu stören. Es kann ein Moduskonverter verwendet werden, der zwei Modi gleichzeitig (H₀₂ und H₀₁) erzeugt, und das unkomplizierteste Verfahren besteht darin, einfach einen konischen Übergang mit 2'' bis 4'' zu verwenden, was nach herkömmlicher Konstruktion zu kurz ist. Unter Beibehaltung der rotierenden Symmetrie werden von dem kurzen Kegel nur H_0n-Modi erzeugt, und ein geeigneter Durchmesser beschränkt die erzeugten Modi auf H₀₁ und H₀₂. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen H₀₁-Konverter in Kombination mit einer rotierend symmetrischen mechanischen Störung zu verwenden.
Die Beschränkung für kleine Entfernungen stellt in den meisten praktischen Situationen keine ernsthafte Einschränkung dar. So erfolgt beispielsweise in Kugeln mit normaler Größe das Volumen von 98% einer Kugel bei 11/12 ihres Durchmessers oder 2 m unterhalb des oberen Endes in einer Kugel von 24 m. Eine verschlechterte Genauigkeit bei Füllstandsabständen, die nicht verwendet werden, ist normalerweise akzeptabel.
Als praktisches Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Frequenz von etwa 10 GHz angenommen werden. In diesem Fall kann ein Rohr 2'' 40 als Senderhohlleiter verwendet werden, um die gasunabhängige Bedingung zu erreichen und um das Mikrowellensignal im H₀₁-Modus zuzuführen. Als Röhrenhohlleiter kann, zumindest für tiefere Tanks (40–50 m), ein dickeres Rohr, z. B. 3,5'' SCH 10, verwendet werden. Dann kann ein konischer Üebrgang von 2'' SCH 40 bis 3,5'' SCH 10 als Übergangselement verwendet werden. Um eine geeignete Fortsetzung in den zweiten Ausbreitungsmodus zu erhalten, wird ein erheblich kürzerer Kegel, als standardmäßig erreicht wird, verwendet mit dem Ergebnis, dass sich ein bekannter Teil der Mikrowellenleistung (z. B. 50/50) in H₀₂ fortsetzt. In diesem Fall kann anstelle einer Standardlänge von ungefähr 0,5 m (abhängig von der genauen Form) ein gerader Kegel von 50–100 mm verwendet werden, um die gewünschte Modusmischung bereitzustellen. Der Rohrdurchmesser unterhalb des Kegels lässt das Passieren von H₀₃ nicht zu, und die rotierende Symmetrie erzeugt keine anderen Modi als H₀₁/H₀₂. Somit erfolgt durch einen geeigneten kurzen Kegel die gewünschte Modusmischung.
Es wurden nun spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Allerdings sind mehrere Alternativen möglich, wie dies für einen Fachmann offensichtlich wäre. Zum Beispiel können viele unterschiedliche Komponenten verwendet werden, um die verschiedenen Funktionen des Füllstandsmesssystems und des Verarbeitungsschaltkreises auszuführen, wie dies ohne Weiteres für einen Fachmann offensichtlich wäre. Ferner kann die Beziehung zwischen der Signalleistung des ersten Modus und des zweiten Modus variiert werden. Diese und andere nahe liegenden Änderungen sind als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie diese von den angehängten Ansprüchen definiert wird, zu betrachten.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird ein Radarfüllstandsmesssystem zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter offenbart. Das System umfasst einen Wellenleiter (Hohlleiter), der sich zur Oberfläche des besagten Füllmaterials erstreckt, einen Sender zum Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus in dem Wellenleiter und einen Empfänger zum Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den Wellenleiter ausbreitet. Ferner umfasst es eine Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des reflektierten Mikrowellensignals und ein Übergangselement, das den Wellenleiter und den Sender verbindet, wobei das Übergangselement so konfiguriert ist, dass sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann. Der erste und der zweite Ausbreitungsmodus befinden sich innerhalb eines Frequenbands, das die Ausbreitung des besagten Mikrowellensignals in den beiden verschiedenen Ausbreitungsmodi in dem Hohlleiter zulässt, wobei der Empfänger so angeordnet ist, dass er das Mikrowellensignal in den mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi empfängt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6915689 [0005, 0005, 0007, 0007, 0012, 0045]
- US 6795015 [0025, 0048, 0054]

Claims

Radarfüllstandsmesssystem zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter, umfassend: einen Wellenleiter, der sich zu der Oberfläche des besagten Füllmaterials erstreckt; einen Sender zum Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus in dem Wellenleiter; einen Empfänger zum Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des besagten Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den besagten Wellenleiter ausbreitet; und eine Verarbeitungsschaltung zum Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des besagten reflektierten Mikrowellensignals; und ein Übergangselement, das den Hohlleiter und den Sender verbindet, wobei das besagte Übergangselement so konfiguriert ist, dass sich ein Teil des gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann; wobei sich der besagte erste Ausbreitungsmodus und der besagte zweite Ausbreitungsmodus innerhalb eines Frequenzbands befinden, das die Ausbreitung des besagten Mikrowellensignals in den beiden besagten verschiedenen Ausbreitungsmodi in dem besagten Wellenleiter zulässt, und wobei der besagte Empfänger so angeordnet ist, dass er das besagte Mikrowellensignal in den besagten mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi empfängt.
Radarfüllstandsmesssystem nach Anspruch 1 zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, über welchem Füllstand ein Gas vorhanden ist, wobei sich der Wellenleiter durch das besagte Gas zur Oberfläche der besagten Flüssigkeit erstreckt.
Radarfüllstandsmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Ausbreitungsmodus ein H₀₁-Modus und der zweite Ausbreitungsmodus ein H₀₂-Modus ist.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Wellenleiter eine Größe besitzt, die das Passieren eines H₀₃-Modus nicht erlaubt.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Übergangselement so konfiguriert ist, dass es 20–80% der Mikrowellenleistung in den zweiten Ausbreitungsmodus durchlässt.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–5, wobei das Übergangselement so konfiguriert ist, dass es 40–60% der Mikrowellenleistung in den zweiten Ausbreitungsmodus durchlässt.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Übergangselement im Wesentlichen kegelförmig gebildet ist.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Länge des Übergangselements in axialer Richtung weniger als 0,25 m beträgt.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Länge des Übergangselements in axialer Richtung im Bereich 0,05–0,10 m liegt.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–9, wobei die besagte Verarbeitungsschaltung angeordnet ist, um aus dem reflektierten Mikrowellensignal in jedem Ausbreitungsmodus eine oder mehrere Eigenschaften des Wellenleiters oder der Umgebung in dem besagten Behälter zu schätzen und um diese Schätzung der besagten einen oder mehreren Eigenschaften zur Berechnung eines berichtigten Füllstands des besagten Füllmaterials in dem besagten Behälter zu verwenden.
Radarfüllstandsmesssystem nach Anspruch 10, wobei die besagten eine oder mehreren Eigenschaften des Wellenleiters oder der Umgebung in dem besagten Behälter eine Querschnittsgröße des besagten Wellenleiters, eine Schwankung der Querschnittsgröße entlang der Länge des besagten Wellenleiters, ein Konzentrizitätsmaß des besagten Wellenleiters, das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere von festen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, an den Innenwänden des besagten Wellenleiters oder das Vorhandensein von Nebel in dem Tank umfassen.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 1–11, wobei ein reflektierender Blindwiderstand in dem besagten Wellenleiter angeordnet ist, um einen wesentlich stärkeren Reflex des Mikrowellensignals in einem der besagten mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi als in einem anderen der besagten mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodus zu liefern.
Verfahren zum Messen des Füllstands eines Füllmaterials in einem Behälter, das die folgenden Schritte umfasst: Senden eines Mikrowellensignals eines ersten Ausbreitungsmodus durch einen Wellenleiter zu der Oberfläche des besagten Füllmaterials; Empfangen des Mikrowellensignals, das von der Oberfläche des besagten Füllmaterials reflektiert wird und sich zurück durch den besagten Wellenleiter ausbreitet; und Bestimmen des Füllstands des Behälters anhand des bsagten reflektierten Mikrowellensignals, wobei: sich ein Teil des besagten gesendeten Mikrowellensignals in einen zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen kann, wobei sowohl der erste Modus als auch der zweite Modus innerhalb eines Frequenzbands liegen, das die Ausbreitung des besagten Mikrowellensignals in dem besagten Wellenleiter zulässt; und das besagte Mikrowellensignal in den besagten beiden verschiedenen Ausbreitungsmodi empfangen wird.
Verfahren nach Anspruch 13 zum Messen des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, über welchem Füllstand ein Gas vorhanden ist, wobei sich der Wellenleiter durch das besagte Gas zur Oberfläche der besagten Flüssigkeit erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der erste Ausbreitungsmodus ein H₀₁-Modus und der zweite Ausbreitungsmodus ein H₀₂-Modus ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Fortsetzung in einen H₀₃-Modus verhindert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–16, wobei sich 20–80% der Mikrowellenleistung in den zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei sich 40–60% der Mikrowellenleistung in den zweiten Ausbreitungsmodus fortsetzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–18, wobei die Fortsetzung in den zweiten Ausbreitungsmodus innerhalb eines Übergangselements erfolgt, das im Wesentlichen kegelförmig gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–19, wobei die Länge des Übergangselements in axialer Richtung weniger als 0,25 m beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13–20, wobei das reflektierte Mikrowellensignal in jedem Ausbreitungsmodus zur Schätzung einer oder mehrerer Eigenschaften des Wellenleiters oder der Umgebung in dem besagten Behälter verwendet wird, und um diese Schätzung der besagten einen oder mehreren Eigenschaften zur Berechnung eines berichtigten Füllstands des besagten Füllmaterials in dem besagten Behälter zu verwenden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die besagten eine oder mehreren Eigenschaften des Wellenleiters oder der Umgebung in dem besagten Behälter eine Querschnittsgröße des besagten Wellenleiters, eine Schwankung der Querschnittsgröße entlang der Länge des besagten Wellenleiters, ein Konzentrizitätsmaß des besagten Wellenleiters, das Vorhandensein von Verunreinigungen, insbesondere von festen oder flüssigen Kohlenwasserstoffen, an den Innenwänden des besagten Wellenleiters oder das Vorhandensein von Nebel in dem Tank umfassen.
Radarfüllstandsmesssystem nach einem der Ansprüche 13–22, wobei ein reflektierender Blindwiderstand in dem besagten Wellenleiter angeordnet ist, um einen wesentlich stärkeren Reflex des Mikrowellensignals in einem der besagten mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodi als in einem anderen der besagten mindestens zwei verschiedenen Ausbreitungsmodus zu liefern.