具有探針保持元件的導(dǎo)波雷達(dá)物位計量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用電磁波來確定距容納在罐中的物品的表面的距離的物位計系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]微波物位計或雷達(dá)物位計(RLG)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于確定容納在罐中的物品的填充物位。雷達(dá)物位計量可以例如通過非接觸測量來執(zhí)行，從而朝向容納在罐中的物品輻射電磁信號。
[0003]所發(fā)射的電磁信號在物品的表面處被反射，并且通過包括在雷達(dá)物位計系統(tǒng)中的接收器或收發(fā)器來接收反射信號?？梢曰诎l(fā)射信號和反射信號來確定距物品的表面的距離。例如可以基于接收到的反射信號的飛行時間(time of flight)來確定距離。
[0004]在用于液態(tài)石油物品的填充物位監(jiān)測和密閉輸送控制的海洋應(yīng)用中使用雷達(dá)物位計系統(tǒng)。例如，主要包括甲烷和乙烷的天然氣通常在被布置成保持低于該物品的沸點的溫度的大冷卻罐中以液體形式在低溫下進(jìn)行運輸。也被稱為液化石油氣(LPG)的重?zé)N(例如丁烷和丙烷)可以在被配置成經(jīng)受得住通常施加于液化LPG的高壓的基本上呈球形的壓力罐中以液體形式進(jìn)行運輸。
[0005]由于液化天然器(LNG)和LPG的相對低的反射率，由自由輻射天線發(fā)射的信號可能導(dǎo)致太小而無法檢測的反射信號。這可能會例如在從收發(fā)器到物品的距離太大的情況下或在物品的表面被干擾使得信號當(dāng)在表面處反射時被分散(scatter)的情況下發(fā)生。
[0006]為了在大罐中以及在困難的測量條件下同樣便利雷達(dá)物位計測量，已知使用所謂的靜止管道(still pipe)，其中在大罐處，天線與表面之間的距離可能相當(dāng)大，典型地為數(shù)十米的量級。
[0007]例如W02007/049966公開了在用于測量LNG的物位的雷達(dá)物位計中使用靜止管道。該靜止管道與罐中的物品流體連通，并且可以通過確定在靜止管道內(nèi)的物品的物位來確定填充物位。通過在靜止管道內(nèi)發(fā)射信號，所發(fā)射的電磁信號的能量在管內(nèi)集中至表面的一小部分。因此，降低了信號功率的損失，并且便利了在更長距離上以及更困難的測量條件下的測量。
[0008]另外，在海洋應(yīng)用中，大浪狀態(tài)會引起罐中的液體的移動，而這又導(dǎo)致對位于罐中的結(jié)構(gòu)施加相當(dāng)大的機(jī)械力。因此，布置在罐中的靜止管道需要能夠經(jīng)受得住相當(dāng)大的力的支承結(jié)構(gòu)。
[0009]此外，靜止管道需要大量材料，這使得靜止管道昂貴，并且將靜止管道安裝在大罐中可能比較復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的以上提及的缺點和其他缺點，本發(fā)明的總體目的是提供一種改進(jìn)的導(dǎo)波雷達(dá)物位計系統(tǒng)，并且特別地提供一種用于罐中的流體的填充物位確定的導(dǎo)波雷達(dá)物位計系統(tǒng)。
[0011 ] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，這些目的和其他目的通過用于確定容納在罐中的物品的填充物位的導(dǎo)波雷達(dá)物位計系統(tǒng)來實現(xiàn)，所述物位計系統(tǒng)包括:罐，具有內(nèi)壁、頂部和底部；收發(fā)器，用于發(fā)射電磁發(fā)射信號以及接收在所述物品的表面處反射的反射電磁信號；表面波導(dǎo)，包括單導(dǎo)體傳輸線探針，所述表面波導(dǎo)連接至收發(fā)器、被布置成豎直延伸到罐中并且被配置成朝向所述表面導(dǎo)引電磁發(fā)射信號并將反射電磁信號導(dǎo)引回到收發(fā)器；處理電路，連接至收發(fā)器并且被配置成基于所接收的反射電磁信號確定填充物位；以及多個保持元件，被布置成位于關(guān)于罐的內(nèi)部的固定位置中并沿所述探針間隔開，其中，每個保持元件限定所述探針，并被配置成允許所述探針相對于保持元件在豎直方向上移動以及限制所述探針相對于保持元件在水平方向上移動。
[0012]“收發(fā)器”可以是能夠發(fā)射和接收電磁信號的一種功能單元，或者可以是包括獨立的發(fā)射器單元和接收器單元的系統(tǒng)。
[0013]罐可以是能夠容納物品的任何容器或器皿，并且可以是金屬的或者部分或完全非金屬的。
[0014]本發(fā)明基于如下理解:通過使用機(jī)械保持元件來使探針對準(zhǔn)，可以將使用線針(wire probe)的導(dǎo)波雷達(dá)物位計系統(tǒng)有利地用于確定罐中的流體物品的填充物位，并且特別地用于確定海船上的罐中的液化天然氣(LNG)或石油天然氣(LPG)的填充物位。在不同類型的罐(3米至10米高，基本上無液體的移動)中，線(wire)可以從罐頂部延伸至底部而不需要支承。在有時具有大的液體移動的LNG船上的深罐(MO米)中，線必須機(jī)械支承在若干個點上。
[0015]相應(yīng)地，本發(fā)明基于對附接至支撐結(jié)構(gòu)并沿探針的長度間隔開的多個機(jī)械保持元件的使用。將探針布置成被保持元件所限定，使得允許探針在豎直方向上的移動而限制在水平方向上的移動。因此，如果線針遭受例如來自罐內(nèi)的液體移動的具有水平力分量的外部機(jī)械力，則該力被沿探針的長度而分布的保持元件中的一個或更多個所承受，從而降低了機(jī)械力變得如此之大以至于線針損壞的風(fēng)險。
[0016]由于LNG和LPG典型地在低溫下以液體形式進(jìn)行運輸，例如甲烷典型地在其大約-162°C的沸點下進(jìn)行運輸，所以空罐和填充罐之間的溫差可以高達(dá)200°C。因此，對于具有數(shù)十米的量級的長度的探針，當(dāng)罐被填充和被倒空時可能產(chǎn)生相當(dāng)大的熱膨脹和熱收縮。例如，在45米高的罐中，可能產(chǎn)生探針的5cm至1cm的熱膨脹。因此，必須允許探針關(guān)于保持元件的特定量的豎直移動。另外，可能會期望能夠簡單地改變探針，而這一點在保持元件沒有被機(jī)械地附接至探針時是可能的。
[0017]本發(fā)明的另外的優(yōu)點是通過不使用靜止管道而大幅度降低了雷達(dá)物位計系統(tǒng)中使用的材料量。
[0018]此外，使用具有單導(dǎo)體傳輸線探針的導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)系統(tǒng)代替包括靜止管道的自由輻射系統(tǒng)使得能夠使用不同的信號傳送方案，諸如例如調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)系統(tǒng)。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，多個保持元件中的至少一個可以有利地附接至與探針基本上平行延伸的支承結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的雷達(dá)物位計系統(tǒng)中的支承結(jié)構(gòu)不須經(jīng)受與靜止管道的支承結(jié)構(gòu)等量的力，從而使得能夠降低使用的材料量或者以其他方式簡化支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
[0020]另外，這樣的支承結(jié)構(gòu)可以例如為附接至罐的頂部并且從罐的頂部基本上豎直延伸的支承塔。用于容置物品(例如LNG或LPG)的罐通常與連接至罐的頂部的支承塔在一起。在這樣的情況下，支承塔可以容納用于監(jiān)測罐的狀態(tài)的各種傳感器。如果存在這樣的支承塔，則有利的是將保持元件直接附接至該塔，使得不需要另外的支承結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，保持元件可以有利地包括電絕緣材料。為了避免探針在與保持元件物理接觸時電氣短路，保持元件有利地為電流絕緣的，或至少與可以安裝保持元件的導(dǎo)電支承結(jié)構(gòu)電流絕緣。
[0022]在本發(fā)明的一個實施例中，探針可以有利地為柔性線針。例如在容置液體物品(例如LNG)的大罐中使用GWR系統(tǒng)的柔性線針。另外，使用柔性線針允許保持元件的不同有利配置，而這些配置在使用剛性探針的情況下可能是無法實現(xiàn)的。此外，柔性線針可以更容易地經(jīng)受得住作用在探針上的力?？梢岳缫詫嵭揪€或絞線的形式來提供柔性線針，并且探針可以由金屬(例如不銹鋼)制成。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每個保持元件可以有利地包括關(guān)于探針而豎直間隔開的至少第一電絕緣接觸部分和第二電絕緣接觸部分，其中每個接觸部分被配置成在沿探針的接觸位置處與探針接觸，并且其中，相鄰接觸位置之間的距離約等于發(fā)射信號的波長的四分之一。由于期望將探針保持在關(guān)于保持元件的基本上固定的水平位置中以使得探針可以作用于保持元件的力被維持在最小，所以保持元件可以被布置為使得保持元件的部分與探針接觸。因此，電絕緣接觸部分被布置成從不同方向接觸探針，使得防止探針移動。然而，與探針接觸的對象、甚至是絕緣對象也將會導(dǎo)致沿探針傳播的信號的特定反射。源自保持元件的反射可能使得更難以識別表面回波(即來自罐中的物品的表面的回波)，而需要該回波來用于確定罐中的填充物位。在最壞情況的場景下，當(dāng)要確定罐中的物品的填充物位時，這樣的干擾回波(spur1us echo)可引起錯誤讀數(shù)。因此，為了保持良好的測量精度，保持元件必須被設(shè)計成不干擾填充物位測量，即，來自保持元件的回波必須比來自罐中的物品的液面的回波弱得多。
[0024]然而，通過將第一電絕緣部分與第二電絕緣部分布置成彼此相距與沿探針傳播的信號的波長的四分之一相對應(yīng)的豎直距離，來自第一接觸部分和第二接觸部分的回波將被疊加，并且通過負(fù)干涉(negative interference)或相消干涉(destructiveinterference)而被有效地抑制。在本文中相消干涉是指下述現(xiàn)象:兩個周期波(一個發(fā)生了相移)被疊加，以使得形成具有比原始信號中的每個信號低的幅度的所產(chǎn)生的信號。
[0025]相應(yīng)地，通過保持元件的接觸部分的上述布置，可以降低來自保持元件的所產(chǎn)生的回波信號的幅度。信號的波長例如基于信號的中心頻率來確定。