测量容器中液态物质水位的方法和装置

本发明是关于测量储存在容器中的液态物质水位的方法•利用发 封机输出的一种微波信号接通垂直向下穿入容器的管状波导，将管子 和容器连通，这样.波导中物质的表面便随着周围液态物质的水位而 变化•信号被液态物质表面反射，经过波导通向接收机加以利用，经 过电子装置对信号的处理，用以测定容器中物质故水位-本发明也涉 及实现本方案的装置•

雷达可用来测定装在水箱、油箱或类似容器中的液体或液态物质 的水位•如美国4, 0 4 4, 3 5 5号专利中描述的那样•由于 雷达波的速度在空气或其它气体中非常稳定.所以，可以得到炱好的 精确度•由于雷达天线可用非常坚固的材料做成•因此这种水位测量 器能用于温度、化学腐蚀以及机械应力的条件都非常恶劣的环境中-由于雷达夭线可装在箱顶的一个孔内，因此容易安装和进行维修•甚 至更换也很容易.

由于雷达波束在油箱中现有飴支柱、梯子相瞀道等物之间需要一 定的空间，所以直到目前仍限制着它的使用.如果采用直径为;Dft圆 形雷达天线，雷达波束的可用宽度约为A/D孤度.考虑到雷达波束 的漫射边界•未受干扰的区域应是顶角约为2 A/D的锥区•运j|較 长入代表雷达载波的波长•例如波长为3厘米.考虑到从各种实际情 况出发，天线的直径必须限制在一定范围之内.实际上载波的波长有 下限•因为从各方面来看•很高的载波頻率使得雷达发射机和其他部件变得昂贵和要求苛刻.因此雷达波束不能任意变窄•这在一些应用 中很不理想.例如当这种装置用于平稳度和倾斜度在不断变化着油 船时.在实际情况下•可把5°--15°角作为所需的典型空间.这意味 着很多油箱不容许安装用自由空间传输方式的雷达水位测量器*这也 不能用于带有所谓浮顶的水箱或油箱，即带有直接浮在液化物质上顶 板的油箱.

避免上述阪制的一种方法是雷达波束通过一根向下穿过油箱的波 导管导入.按照这种方法测量水位巳经进行了试验(参看美国N O .4 . 3 5 9, 9 0 2专利）.但是要适合于雷达使用波段的标准波导 管飴直径相当小，因此这种方法在实用上有很大限制•这种波导昝包 括矩彤或圆柱形的金属管，管的尺寸只容许单模传播.对于圆形波导 管意味着传播波长应在管子内径的1 • 3 — 1 • 7倍间•对典型的 雷达频率，管子的直径只有几厘米大小.

这一种波导存在下列问题：

当箱中的物质是蜡状原油时，管子被堵塞.

由于利用波导管上的孔确保瞀内外液体的自由流动，但对雷达波 束的传播产生了不能允许的影响•

在具有标准高度的油箱中，管内的腐蚀产生了自上至下的不可允 许的传播衰减•因此•必须用昂贵的材料来制管或用贵金属在管内涂层。

管子的大小和雷达頻率对传播速度有严重的影响•因此要想得到 良好的精确度，上述这些数值必领是恒定的或者精痛地得知-

本发明的出发点在于意识到这些问题，并采用一根坚固的超尺寸 波导来解决.将雷达福射能导入波导，并抑制掉所有不需要故波导模 式.在多数实际情形中•波导可以由水箱或油箱中一根巳有的瞀子组 成，这意味着所用的结构必须能容许管子尺寸能在各种情形下可经受极大的变化。令爱亦需容许适量的锈层和油涂层。

_两种适用情形设计算可以说明采用超尺寸图波导的意义。如果通过做导测量出距离，便可得到大于实际距离L的表观距离LS。其商数可用下列公司表示：

式中入（如上所述）可为3厘米。AC是波导的极限波长（截止波长）。对于基模来说AC为靠子直径的1.71倍。从公式中可以看出。如果入C（即如果管子的直径大于波长入），所得的测量值LS接近于实际距离L。想法。如波长为单模传播。入为入C的75%-100%，则LS比L大得多。若果现在改变载波频率。相反改变入或入C的相反变化成正比。经过推导语化简。此比例常数可为：

对于标准单模传播波导管来说此系数典型值为2/3，测量原油水位时要求测量精确度为10-4，这意味着对于20米距离的测量最大误差为2毫米，对管子直径和工作频率的精度有同样要求。这在实际上不大可能。若采用的管子直径例如为25厘米，波长为2厘米。这个系数就降为5/1000.因此，当直径和频率的精度为百分之一左右时，便可得到10-4的相对精度，这是合理的。

波导管中的衰减决定于管壁的电阻消耗，其计算结果可在有关波导的一些手册中找到。例如马尔库维慈（mareuvicz）：“波导手册”，麦克格罗.希尔（mc oraw hill），1951出版，对于一个直径约为2厘米，工作波长入=3厘米的单模钢波导管来说。长为25米向前及反向的传播衰减的为10分贝（ab），如使用的是不锈钢管，衰减便增加10倍（约为100分贝），这太大了，不能作水位的精确测量。

例如若将同样波长的信号改为导入直径为25厘米的管中，则衰减降低40倍，即使采用光管，其衰减也只有2.5分贝，实际上由于石油在管壁上的沉积。衰减将有所增加。这种在理想情况下较低的衰减。为使用条件的量化提供了足够的欲度。

如众所知。当管子的直径增大时。损耗减小的原因在于波导管中传送同样大小的功率时。在管壁上的厘米电流减小了。因而，基于通原因，在很大的管子的外表面所能溶许存在的数目要比标准直径的波导管子上的大得多。

按照上面提到的手册中指定的系统，认为要采用波导的基模是Hii模，微粒改进粗糙的管壁，孔和类似东西影响的溶限。不管怎样，利用HII模来传播更好一些，这种模式在波导壁上只有很小的电流，因而损耗也比较低，除损耗低外，Hoi模的一个重要特征是在管壁上所有电流沿圆周方向流动，所以出现有的管接头产生的扰动是轻微的。

按照本发明的意图，为了得到在管中精确的距离测量，需要净制掉一切不希望有的传播模式，如非如此，一个正常的会波模波解番为来自不同距离曲多个回波•因为通常不同曲传播模式在螫中有不同的速度•对所需模式• 一个典型的对超额功率的要求可达到2 5分龙• 这对在管子上端的测量装置提出很严的要求•

这小要求，一部分可使不需要模式的发射能量足够低，一部分是 对不需要模式入射功率的灵敏度要求充分低.提出这后一个要求•是 为了避免瞀壁上的孔所产生的不需要模式的功率渗进到接收机.

本发明的目的是提供用雷达精确曲测定装在容器中的液体或其他 液态物质水位的一种方法相装置.本发明特别有助于解决以上讨论的 问题，即把伸进容器的管子作为波导用时出现的问题.对于将该方法 应用于陆地上有所谓浮顶的油箱或水箱.这方面的一十特殊目的在于 提供一种简单安装的雷达装置，不需要对油箱或水箱进行大规模的昂 贵的改造.

按照本发明可达到这个目的，因为本发明使用的方法是：发射机 向垂直向下插入容器并与容器相通的管状波导7馈送一微波信号.波 导中物质的表面1 0随着周围物质的水位变动而变动；该信号经波导 由物质表面反射®来並传输到接收机中，在电子装置信号处理后用以 测定容器中物质的水位：其特征是：微波信号的波长比波导7的直径 小几倍；该微波信号通过实际上仅产生一个旋转对称的、主要的信号 传输模式的模式发生器1 I馈入波导.实现上述方法的装置包括:_ 台通过垂直向下插入于容器並与容器相通的管状波导7愤送波信 号曲发射机I 4.波导中反射微波信号的物质表面随着周围物质的水 位变动而变动;一台接收所反射的微波信号的接收机以及一合利用接 收到的信号测量容器中物质水位的电子装置；其特征在于：发射机 I4和波导7之间装有实际上仅用以产生一小主要的信号传输模式的模式发生器1 1 :直径较信号波长大好几倍的波导.

现参考附图详细说明本发明，附图表明典型的实施方案，其中：

图1 .是一种类型的油箱垂直断面•是本发明提出的一种重要应用.

图2.表示按照本发明的模式发生器和伸进到如图1所示的油箱 中，用做波导的管子上端郁分的垂直断面.

囹3,是由图2装置的一小都件构成的模式滤波器的顶视图.

囹4也是由图2装置的一+部件构成的反射器的底视图.

图5是在图4中沿V—V线的断面视图.

图1说明本发明的应用•是为了对油箱1进行水位的测量•此箱 建于地面2的基底上.箱内能贮存大量石油或其他液态物质3.在贮 存时，一个称为浮顶4用作保护石油或其他液态物质.这样一个油箱 可以非常大，其直径在1 0 0米左右•由于每一毫米高度代表相当大 的体积相很大的经济价值，这就需要确切地测量物质的水位.以便测 定油箱的容量，尽可能做到正确.

在油箱的顶端有一个平台5.此平台通向一个阶梯6,用以测量 水位的管子7的上端固定在平台5上.通过浮顶4的开口8,昝子7 垂直向下伸到箱底，并固定在那里.沿著管子全长钻有相当大的并相 距根近的孔9,以使眢内相管外连通•管中液体的表面1 0能随着周 围液体的水位变化•即眢中液体表面I 0在浮顶4的下边•参看图 2.在现有油箱中一根相似的管子是原有的，装有一个属于机械领域 测量装置用故浮标.所以它的直径通常有2 0 — 30厘米那样曲合适 尺寸.

在用这样曲存储结构改装成雷达测量系统的工作中，如果该装置 能以现有的油箱结构为基础，并能同时继续利用供浮标拥量用的大口 径的管子，这将有很大价值，这里从不将雷达测量系统以自由天线辐

射为基础出发所假设的、对这样尺寸的油箱进行改建将涉及很大的费 用貴并且很难实现。特别是在油箱祀有一个浮顶时•这种改造不是现 实可选的方案.

本发明所设想的对提供一种能装在油箱内•能保持上述特性的测 量系统的解决方案.主要包括将油箱管子7用作波导，并经标号为I 1 的模式发生器向波导馈送微波信号•模式发生器接到管子上。使它只 产生信号的一个主要传输模式.

在所说的例子中，模式发生器包括一根圆柱形波导1 2,利用同 抽导体1 3使波导相发射机(未表示出)相偶合•这个发射机包括在 电子装置内•适当地安装在平台5上面的机箱1 4中.相对于所加信 号的波长.波导管I 2的直径应使它只传输Hi1和E。1模信号• 并且由于对称之故•可以导致仅有E。，模式出现.波导将信号传给 向下指向的原福射器I 5.这里•用天线喇叭做原箱射器，产生例如 为6 0°波辩宽度曲波束及：E。 ,特征的电磁场分布图•

在所说的例子中模式发生器是二次反射器类型，此处包括两个反 射器1 6相I 7,并在辐射方向上将一个搞射器放在另一个之后•首 先提到的反射器1 6可以是平面曲或拋物面反射器，它包括一个介电 外壳，例如用塑料外売.在其一面（最妤在它的上边）如图3所示， 做成许多径向伸展的导体I 8,最好制成印刷的导线图形•导体间_ 相互距离应该很小.使得来自天线喇叭1 5发射的E。1模波被反射_ 基本上就象在一块连续的金属表面上反射一样。

在本例中第二个反射器1 7用金属管1 9支持住，该苷构成了油 箱簪子7的向上延长部分，该反射器应为拋物线彤或类似的形状，使 得来自反射器1 6在发散方向上向上传播的雷达波束第二次反射后变 成平面波，在昝子I 9中垂直向下措向.反射器1 7也可用塑料板

2 0构成.该板的上边•即在喇叭天线1 5»径向外围部位被金属化. 因此平扳20的这部分全郁为金属薄膜21所覆盖f参看图5中的断 面）.在塑料扳2 0的下面•除去相当于喇叭口径的该板中心都分外, 有一个印制导体图形，由螺旋线性导线22组成.它可以有如下面反 射器丨6上福射形导线1 8—样的紧密间距。导线图形加上扳的厚度 f在实际电解质中为0. 2 5人）可使垂直于螺旋线的电场矢量E的 电磁波比平行于螺旋线的电场矢量E的电搏波滞后1 8 0°被反射• 导线的螺旋线形状是这样的•即在螺旋线上每一点的切线与在同一点 上从螺旋线中心所作的半径成乂=4 5°角.因此最后的结果为逊1 模经过向下反射转变成H。,模，那就是说现在的电场可取为圆周方 向.另一方面_辐射中所不需要的模式同时被反射掉，反射器1 7可 相原辐射器1 5做在一起，如在图2中所示•

由模式发生器所产生向下传输的H。1模，将穿过下面ft!反射器 1 6.由于H。1模的电场有上面述及的方向•当信号通过垂直于电 场延伸的导线I 8相支撑导线的外壳时•信兮不会受大的影响•此后 微波信号继续向下通过油箱中的管子7,当它遇到瞀内的液面时被反 射到天线1 5相同轴电缆；1 3.此回波信号由电缆传到电子装置1 4 中妝接牧机，在接收机中以常规方式产生发射命接收信号的混频，据 此，由信号曲渡越时间测定至表面1 0的距离•

在回波信号通过苷子7向上渡越时，由于孔9曲缘故•其部分功 率转变为不同于主模Ha ,的传输模式，它将部分地回到下方的反射 器1 6.然而，在这个反射器上的径向格栅1 8将阻植这些假回波进 一步传到喇叭天线15的内部•因此•从功能这方面来说•此反射器 可作为一个模式摅波器。

本发明不限于以上所表示的和描述的实施方案•还有一种作了变换的实施方案，反射器I 7可由有上述摞旋线图案形状的波纹to金属 面构成•另一种实施方案是以一个障输板代替反射器1 6湘1 7构成 模式发生器•在扳的两面有留4所示那样的螺旋图形•来自该扳上方 的E。|模信号转变成H。，模，从而成为主要模式•为了使来自平 板的辐射波束平行化，可以用一个和昝子7的直径相同的透镜来得 到.

当本发明用于大的油箱或水箱时，由于那里巳有直径为0. 2 — 0. 5米的訾子可作为波导利用，故以上说明或描述结构的測量系统 是很适宜的.较小的昝子可以将常用的1 —1^ ,过渡段•例如 马列埃f Marie )过渡段，与圆锥截面的匹配器相K合用做模式发生 器，但是由于要求模抑制•这样的配合对于许多有兴趣的实际情况变 得很长（几米）.如在“目前波导工艺水平” < 微波杂志.1982。1 2 )中所表示的，利用非圆锥漏斗可得到一定程度的改进•在某些 情形下.如果漏斗可以向下悬挂在昝中，在某些情况下• 一个漏斗与 传力主传输模式的H。1相结合起来•可以提供一个合适的解决方案. 其时，长度只是一个小缺点。并且，由于H。i模的特殊性质，对瞀 道和漏斗之间的匹配方式的要求就变得适中.