(57)【要約】  容器内に注入された材料の液位を測定するためのレーダ液位計システムが開示される。システムは、注入された材料の表面に向かって延びる導波管と、導波管内に第１の伝搬モードのマイクロ波信号を送信するための送信器と、注入された材料の表面で反射され導波管を通して逆方向に伝搬するマイクロ波信号を受信するための受信器とを備える。さらに、反射されたマイクロ波信号に基づいて容器の充填レベルを決定するための処理回路と、導波管及び送信器を接続する遷移部材であって、送信されたマイクロ波信号の一部が第２の伝搬モードへ漏洩することを可能にするように構成された遷移部材とを備える。第１及び第２の伝搬モードは、導波管内での２つの異なる伝搬モードのマイクロ波信号の伝搬を許容する周波数帯域の範囲にあり、受信器は、少なくとも２つの異なる伝搬モードのマイクロ波信号を受信するように配置される。
2009511901.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に注入された材料の液位を測定するためのレーダ液位計システムにおいて、
前記注入された材料の表面に向かって延びる導波管と、
前記導波管内に第１の伝搬モードのマイクロ波信号を送信するための送信器と、
前記注入された材料の表面で反射され、前記導波管を通って逆方向に伝搬するマイクロ波信号を受信するための受信器と、
前記反射されたマイクロ波信号に基づいて前記容器の充填高さを決定するための処理回路と、
前記導波管と前記送信器を接続する遷移部材であって、前記送信されたマイクロ波信号の一部を第２の伝搬モードへ漏洩させるように構成された遷移部材と
を備え、
前記第１及び第２の伝搬モードが、前記導波管内での前記２つの異なる伝搬モードの前記マイクロ波信号の伝搬を許容する周波数帯域の範囲にあり、
前記受信器が、前記少なくとも２つの異なる伝搬モードの前記マイクロ波信号を受信するように配置される、レーダ液位計システム。
【請求項２】
容器内の液位よりも上方にガスが存在する容器内の液位を測定するために、前記導波管が前記ガスを通って前記液体の表面に向かって延びる請求項１に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項３】
前記第１の伝搬モードがＨ０１モードであり、前記第２の伝搬モードがＨ０２モードである請求項１又は請求項２に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項４】
前記導波管がＨ０３モードの通過を許容しない寸法を有する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項５】
前記遷移部材が、前記マイクロ波の出力の２０〜８０％を前記第２の伝搬モードへ漏洩させるように構成される請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項６】
前記遷移部材が、前記マイクロ波の出力の４０〜６０％を前記第２の伝搬モードへ漏洩させるように構成される請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項７】
前記遷移部材が、本質的に円錐体として形成される請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項８】
前記遷移部材の軸線方向の長さが０．２５ｍ未満である請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項９】
前記遷移部材の軸線方向の長さが０．０５〜０．１０ｍの範囲である請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項１０】
前記処理回路が、前記反射された各伝搬モードのマイクロ波信号から、前記導波管又は前記容器内の環境の１つ又は複数の特性を推定し、前記１つ又は複数の特性の前記推定を用いて、前記容器内の前記注入された材料の修正された液位を計算するように配置される請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項１１】
前記導波管又は前記容器内の環境の前記１つ又は複数の特性が、前記導波管の断面寸法、前記導波管の長さに沿った断面寸法の変化、前記導波管の同心度の程度、前記導波管の内壁における不純物の存在、特に固体又は液体の炭化水素の存在、或いはタンク内のミストの存在を含む請求項１０に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項１２】
前記少なくとも２つの異なる伝搬モードの１つについて、前記少なくとも２つの異なる伝搬モードの他のものよりも実質的に強い前記マイクロ波信号の反射を与えるために、前記導波管内に反射用のリアクタンスが配置される請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【請求項１３】
容器内の注入された材料の液位を測定するための方法において、
第１の伝搬モードのマイクロ波信号を、導波管を通して前記注入された材料の表面に向かって送信する段階と、
前記注入された材料の表面で反射され、前記導波管を通して逆方向に伝搬するマイクロ波を受信する段階と、
前記反射されたマイクロ波信号に基づいて前記容器の充填液位を決定する段階とを含み、
前記送信されたマイクロ波信号の一部を第２の伝搬モードへ漏洩させ、
前記第１及び第２のモードの両方が、前記導波管での前記マイクロ波信号の伝搬を許容する周波数帯域の範囲にあり、
前記マイクロ波信号が、前記２つの異なる伝搬モードで受信される、液位測定方法。
【請求項１４】
容器内の液位よりも上方にガスが存在する容器内の液位を測定するために、前記導波管が前記ガスを通って前記液体の表面に向かって延びる請求項１３に記載された液位測定方法。
【請求項１５】
前記第１の伝搬モードがＨ０１モードであり、前記第２の伝搬モードがＨ０２モードである請求項１３又は請求項１４に記載された液位測定方法。
【請求項１６】
Ｈ０３モードのへの漏洩が妨げられる請求項１５に記載された液位測定方法。
【請求項１７】
前記マイクロ波の出力の２０〜８０％が、前記第２の伝搬モードへ漏洩する請求項１３から請求項１６までのいずれか１項に記載された液位測定方法。
【請求項１８】
前記マイクロ波の出力の４０〜６０％が、前記第２の伝搬モードへ漏洩する請求項１７に記載された液位測定方法。
【請求項１９】
前記第２の伝搬モードへの漏洩が、本質的に円錐体として形成される遷移部材内で行われる請求項１３から請求項１８までのいずれか１項に記載された液位測定方法。
【請求項２０】
前記遷移部材の軸線方向の長さが０．２５ｍ未満である請求項１３から請求項１９までのいずれか１項に記載された液位測定方法。
【請求項２１】
前記反射された各伝搬モードのマイクロ波信号が、前記導波管又は前記容器内の環境の１つ又は複数の特性を推定し、前記１つ又は複数の特性の前記推定を用いて、前記容器内の前記注入された材料の修正された液位を計算するために使用される請求項１３から請求項２０までのいずれか１項に記載された液位測定方法。
【請求項２２】
前記導波管又は前記容器内の環境の前記１つ又は複数の特性が、前記導波管の断面寸法、前記導波管の長さに沿った断面寸法の変化、前記導波管の同心度の程度、前記導波管の内壁における不純物の存在、特に固体又は液体の炭化水素の存在、或いはタンク内のミストの存在を含む請求項２１に記載された液位測定方法。
【請求項２３】
前記少なくとも２つの異なる伝搬モードの１つについて、前記少なくとも２つの異なる伝搬モードの他のものより実質的に強い前記マイクロ波信号の反射を与えるために、前記導波管内に反射用のリアクタンスが配置される請求項１３から請求項２２までのいずれか１項に記載されたレーダ液位計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い意味でレーダによる液位測定に関するものである。より具体的には、本発明は、注入された材料の表面よりも上方のガスの正確な組成及び／又は圧力が予め分からなくても、導波管により、高い精度で注入された材料、特に液体の高さについてレーダによる高さ測定を行うためのシステム及び方法に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
容器内の液体又は他の注入された材料の高さを測定するためのレーダ液位計システムがよく知られている。そうしたシステムは一般に、液体の表面に向かってマイクロ波信号を送信するための送信器、液体の表面で反射されたマイクロ波信号を受信するための受信器、並びに送信され反射されたマイクロ波信号の伝搬時間から容器内の液体の高さを計算するための信号処理装置を備えている。そうした装置は、特に原油及びそれから製造された製品などの石油製品にとってますます重要になってきている。ここで容器とは、タンカーの総積載量の一部をなす大型容器、或いはさらに大型の数十又は数千立方メートルの体積を有する、通常は円筒形の地上タンクを意味している。
【０００３】
レーダ液位計システムにおいて高い精度が可能である１つの要因は、レーダ波の速度が一般によく知られていることであり、すなわち、それは真空中の光速（２９９７９２４５８ｍ／秒）をガスの誘電率（通常の空気では１．０００６に近い）の平方根で割ったものに等しい。しかし用途によっては、所望の高い精度を得るのに十分な精度の誘電率が分からないことがある。
【０００４】
容器内の液体の高さを測定するための、ある特定の種類のレーダによる装置では、マイクロ波信号は、液体の表面へ向かうマイクロ波、及び液体の表面からのマイクロ波のための導波管として働く、容器内に取り付けられた垂直な鋼管などの導波管を通して、送信、反射及び受信がなされる。しかし、そうしたシステムにおける問題は、液体の表面よりも上方のガスがマイクロ波を減速させることである。この速度の低下量は正確に推定することができるが、それはガスの組成、温度及び圧力が分かっている場合のみであり、一般的にはそのような場合はない。
【０００５】
先に論じた問題に対する解決策が、同出願人による米国特許第６９１５６８９号（特許文献１）に記載されている。この文献は、特に、測定値として認識される距離に対して、ガスの誘電率が無視できる又はきわめて小さい影響しか及ぼさない場合のパイプの測定方法を記載している。その方法は一般に、ＣＴＳの精度が必要とされ、且つ誘電率が１．００〜１．０２（空気〜加圧プロパン）の範囲で変化する可能性のあるＬＰＧの測定のためのものであり、使用される雰囲気での波長が周知であり、それを基準として用いることができる通常のレーダ式の方法とは異なる。ＣＴＳ（保管輸送の安全性（Ｃｕｓｔｏｄｙ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｓａｆｅｔｙ））とは、例えば公的機関によって、公式又は商用の測定での使用を可能にするために認定された、２０ｍの距離に対して±２ｍｍなど、きわめて高い精度を有するシステムと理解される。米国特許第６９１５６８９号に記載されるように、正確な測定がレーダ波の速度ではなくパイプの直径に依存するようになるという犠牲を払った上で、誘電率が十分に分からないことに伴う問題を解決することができる。鋼管の直径は基準として用いるのに十分な安定性（温度補正を含む）を有しているが、直径の最初の決定は、パイプに沿って直径がわずかに（例えば＋／−０．５％）異なっている可能性があることを含めて、問題を呈する虞がある。パイプは通常、６ｍのものが互いに溶接されたものであれば、２５ｍの長さを有する。したがって、直径を正確に推定することは困難である。
【０００６】
通常の石油製品、すなわち通常の温度では流体である製品を用いる場合、チューブ内のガスは一般に空気である。空気の公称誘電率は１．０００６であるが、通常は＋−０．０００１の変動を伴う。しかし炭化水素などが蒸発する場合、タンクの内容物は誘電率を増大させ、空気の誘電率よりも高くなる。そうした増大が顕著になることもある。さらに、過圧下で液化ガスを収容している容器内の液位を測定する場合には、速度の変化はきわめて顕著である。一般的な炭化水素ガスの中では、プロパンが最も高い誘電率を有し、（ε＝１．０２に対応する）１０バールの圧力において約１％の減速を生じさせる。保管輸送（ＣＴＳ）の用途など多くの用途では、そのような大きな差異は許容されない。したがって、保管輸送の精度として定められる、より高い精度がしばしば必要となる。本明細書における保管輸送（ＣＴＳ）の精度という表現は、液位測定の多くの商業的用途における正式な要件である、保管輸送に対して認可することができる十分な精度を意味している。伝搬速度に関しては、保管輸送の精度は約０．００５〜０．０５％の範囲の液位決定の精度を必要とすることがある。
【０００７】
米国特許第６９１５６８９号はさらに、パイプの直径をより正確に推定し、それに応じて修正処置をとるために、２つの異なる伝搬モードを使用することを開示している。異なるモードは異なる速度で伝搬するため、複数のモードが存在すると測定が困難になる。したがって、レーダ液位測定では通常、同時に存在する複数のモードは回避される。しかし米国特許第６９１５６８９号では、環境条件、特にパイプの直径に基づいて推定を行うために、複数のモードの使用が検討されている。
【特許文献１】米国特許第６９１５６８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、この文献によって教示された解決策に伴う問題は、異なるモードのマイクロ波信号を与えるために、送信器にかなり複雑な供給システムが必要となり、それによってシステムの複雑性、コスト及び使用の難しさが増すことである。
【０００９】
したがって、測定結果について、少なくともほぼ同じ程度の精度及び信頼性を依然として提供する、より単純且つ／又はより経済的な解決策が求められている。
【００１０】
したがって本発明の目的は、先に論じた問題を克服すること、又は少なくとも軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、添付の特許請求の範囲によるレーダ液位計システム及び方法によって実現される。
本発明の第１の観点によれば、容器内に注入された材料の液位を測定するためのレーダ液位計システムであって、
注入された材料の表面に向かって延びる導波管と、
導波管内に第１の伝搬モードのマイクロ波信号を送信するための送信器と、
注入された材料の表面により反射され、導波管を反対方向に伝搬するマイクロ波信号を受信するための受信器と、
反射されたマイクロ波信号に基づいて容器の充填高さを決定するための処理回路と、
導波管と送信器を接続する遷移部材であって、送信されたマイクロ波信号の一部が第２の伝搬モードへ漏洩することを可能にするように構成された遷移部材とを備え、
第１及び第２の伝搬モードが、導波管内での２つの異なるモードのマイクロ波信号の伝搬を許容する周波数帯域の範囲にあり、受信器が、少なくとも２つの異なる伝搬モードのマイクロ波信号を受信するように配置されるレーダ液位計システムが提供される。
【００１２】
本発明のレーダ液位計システムは、２つの導波管モードを用いて２通りの方法で距離を測定することにより、現在使用しているパイプの部分の正確な平均直径を計算するための単純な解決策を提供する。２モード式の測定自体は米国特許第６９１５６８９号によって知られており、この文献を参照によって本明細書に援用する。したがって本発明は、これまでに周知のシステムと本質的に同じ能力及び性能を備えているが、かなり簡易化された供給手段を有するレーダ液位計システムを提供し、それによってより単純且つより経済的なシステムを得ることができる。
【００１３】
本発明を用いて、容器内の液体の高さを高精度で測定するための経済的で信頼性のある装置を得ることができる。その装置は、測定する液体の表面よりも上方に、所定範囲の誘電率を有するガスが存在する環境において特に有用である。液体は、例えば凝縮ガスからなり、またガスは気相の凝縮ガスからなることができ、その凝縮ガスが過圧状態で容器に貯蔵される。
【００１４】
導波管は、例えば測定する液体の表面に向かって延びるチューブであり、容器内の液体が横方向にチューブの内外へ流れ、チューブの内側及び外側の液体を単一の高さに維持するように、チューブの壁はいくつかの孔を備えている。導波管は任意のタイプの断面を有することが可能であるが、長方形又は円形の断面が好ましい。チューブの直径は、好ましくは２５〜１５０ｍｍの範囲、最も好ましくは５０〜１００ｍｍの範囲にある。
【００１５】
パイプの直径及び作動周波数は、導波管内の第１及び第２の伝搬モードのマイクロ波信号の群速度が、少なくとも所定の誘電率の範囲内では本質的に誘電率と無関係になるように選択されることが好ましい。
【００１６】
受信器は、第１及び第２の伝搬モードのうちの異なるモードとして受信されたマイクロ波信号の各部分を、例えば反射されたマイクロ波信号の伝搬モードが異なれば受信器への到達時間が異なることに基づく方法など、様々な方法で区別することができる。
【００１７】
マイクロ波信号は、周波数変調持続波信号（ＦＭＣＷ）又はパルス式のレーダ信号とすることができる。
【００１８】
本発明は、その高さよりも上方にガスが存在する容器内の液体の高さを測定するのに特に有用であり、導波管はガスを通って液体の表面に向かって延びる。
【００１９】
第１のモードがＨ０１モードであり、第２のモードがＨ０２モードであることが好ましい。この場合、導波管がＨ０３モードの通過を許容しない寸法を有することが好ましい。マイクロ波信号の周波数は、例えば５〜２５ＧＨｚの範囲とすることができる。
【００２０】
遷移部材は、マイクロ波の出力の好ましくは２０〜８０％、最も好ましくは４０〜６０％を第２の伝搬モードへ漏洩させるように構成される。
【００２１】
遷移部材は有利には、本質的に円錐体として形成することができる。第２の伝搬モードへの適切な漏洩を得るためには、遷移部材の軸線方向の長さをかなり短くすることが好ましく、例えば０．２５ｍ未満とする。遷移部材の軸線方向の長さは、０．０５〜０．１０ｍの範囲であることが好ましい。従来技術では、かなり長い円錐体を用いて励振又は２つ以上の伝搬モードを回避していたが、ここでは２つ以上のモードの励振が用いられる。
【００２２】
処理回路は、反射された各伝搬モードのマイクロ波信号から、導波管又は容器内の環境の１つ又は複数の特性を推定し、その１つ又は複数の特性の推定を用いて、容器内の注入された材料の修正された液位を計算するように配置されることが好ましい。処理回路は、単一のユニットとして配置することも、相互に隔てられて配置されることもある複数のユニットを含む、分散させた形で配置することもできる。導波管又は容器内の環境の１つ又は複数の特性は、例えば導波管の断面寸法、導波管の長さに沿った断面寸法の変化、導波管の同心度の程度、導波管の内壁における不純物の存在、特に固体又は液体の炭化水素の存在、或いはタンク内のミストの存在を含むことができる。
【００２３】
一連の具体例では、処理回路は、第１及び第２の伝搬モードのうちの異なるモードとして受信されたマイクロ波信号の受信及び識別された部分に基づいて、導波管の断面寸法を計算する。好ましくは、導波管は円形の断面を有し、計算された断面寸法は、マイクロ波信号が液体の表面で反射される前に伝搬した行程に沿った導波管の平均直径である。
【００２４】
しかし別法としては、処理回路が２つの伝搬モードのそれぞれについて、注入された材料の表面までの距離を決定し、２つの同等な系列の測定値を得るようにする。次いで、これら２つの測定の系列を用いて平均値などの集計的な値を生成することができるが、それはチューブ又はパイプの直径とは無関係であり、またチューブ／パイプに沿った直径の変化による影響を受けない。
【００２５】
最高の精度を確保するためには、パイプ内に機械的に固定された１つ又は２つの反射体を有することが望ましく、通常、この２つの固定された反射体は、「空のタンク」の状態、及び「満杯のタンク」よりも上方の周知の位置の状態に対応することができる。「空のタンク」の反射体は、米国特許第６７９５０１５号に記載されたように実施されることが好ましく、この文献を参照によって本明細書に援用するが、その場合、液面下にある間、反射器はほとんど見えず、液体の表面が反射器よりも下にあるときにははっきりと認識することができる。「満杯のタンク」の反射器は、複数のモードの１つだけを反射するように配置されることが好ましい。
【００２６】
少なくとも２つの異なる伝搬モードの１つについて、少なくとも２つの異なる伝搬モードの他のモードよりも実質的に強いマイクロ波信号の反射を与えるために、導波管内に反射用のリアクタンスを配置することができる。
【００２７】
本発明の他の観点によれば、容器内に注入された材料の液位を測定するための方法であって、
第１の伝搬モードのマイクロ波信号を、導波管を通して、注入された材料の表面に向かって送信する段階と、
注入された材料の表面で反射され導波管を通して反対方向に伝搬するマイクロ波信号を受信する段階と、
反射されたマイクロ波信号に基づいて容器の充填液位を決定する段階と
を含み、
送信されたマイクロ波信号の一部を第２の伝搬モードへ漏洩させることを可能にし、第１及び第２のモードの両方が、導波管でのマイクロ波信号の伝搬を許容する周波数帯域の範囲にあり、
マイクロ波信号が、２つの異なる伝搬モードで受信される方法が提供される。
【００２８】
本発明のこの観点によれば、本発明の第１の観点に関連して先に論じたものと類似及び同様の利点、並びに変形を得ることができる。
【００２９】
本発明のこれらの態様及び他の態様は、以下に記載する実施例から明らかになり、またそれらを参照することによって導き出されるであろう。
【実施例】
【００３０】
例示の目的で、本発明は、添付の図面に示された本発明の実施例を参照して、以下でより詳細に説明される。
【００３１】
図１及び図２は、本発明の一実施例によるレーダ式液位計（ＲＬＧ）システム１を概略的に示している。システムは、周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）のＲＬＧシステム又はパルス式ＲＬＧシステム、或いは他の任意のタイプの距離測定用レーダとすることができるが、前者であることが好ましい。ＲＬＧシステムは、調整可能な可変周波数でマイクロ波信号を送信する能力を有することができる。
【００３２】
ＲＬＧシステムは、実質的に鉛直なチューブ、或いはその上限又は天井が３で示された容器２の中にしっかりと取り付けられたチューブの形態の導波管１を備えている。容器は液体３を収容し、液体は原油又はそれから製造された製品などの石油製品、或いは過圧及び／又は冷却された状態で容器の中に貯蔵された凝縮ガスとすることができる。プロパン及びブタンは、液体として貯蔵される典型的な２種類のガスである。
【００３３】
導波管１は、マイクロ波用の導波管として用いることが可能な金属材料からなることが好ましく、任意の断面形状を有することができる。ただし、円形、長方形又は超楕円の断面が好ましい。チューブはその全長ではなく、その上側部分及び下側部分のみが示されている。チューブは、その壁に比較的小さい多数の孔６を備え、容器からの流体をチューブの内側に連通させることを可能にしており、その結果、チューブ内の液体の高さが容器内と同じになる。孔のサイズ及び位置は、波の伝搬を妨げず、内側及び外側の液体の高さを十分迅速に均等にすることができるように選択される。
【００３４】
その上には、ユニット７がしっかりと取り付けられる。このユニット７は、明示的に示されていないが、マイクロ波信号を送るための送信器、反射されたマイクロ波信号を受信するための受信器、及び反射されたマイクロ波信号の反射位置を決定するための信号処理装置を備えている。
【００３５】
送信器は、図１に５で示され、保護チューブ８によって囲まれた送信器の導波管を備えている。導波管５は、円錐形の中間部などの遷移部材９を介して導波管１まで通じている。
【００３６】
遷移部材９は、送信器の導波管５とタンク内の導波管１との間の遷移、及び導波管の接続の両方を提供するように配置される。しかし、さらに遷移部材は、送信されたマイクロ波信号の一部を、送信器によって与えられた第１の伝搬モードから第２の伝搬モードへ漏洩することができるように構成される。これによって、２つのモードが導波管を通って同時に送信される。送信器がＨ０１を与え、それが遷移部材内でＨ０２モードへ漏洩することが好ましい。しかしながら遷移部材は、Ｈ０３及びより高次のモードを抑える、或いは少なくともそうしたモードを比較的少量しか誘導しないように適合されることが好ましい。
【００３７】
遷移部材は、両方の伝搬モードについて本質的に同量のマイクロ波の出力を与えるように配置されることが好ましい。
【００３８】
第１及び第２のモードは、少なくとも所定の誘電率の範囲内では、導波管内の第１及び第２の伝搬モードのマイクロ波信号の群速度が、本質的に誘電率と無関係になる周波数帯域の範囲内になるように選択されることが好ましい。好ましい実施例では、周波数及び直径は、Ｈ０２モードに対しては誘電率が無視できる程度の影響しか及ぼさないが、Ｈ０１モードは同じ周波数でより大きい影響を受けるように選択される。レーダ液位計はかなり広い帯域幅を使用し（その幅を中心周波数の１０〜１５％とすることができる）、伝搬は帯域の中央での群速度によって特徴付けられる。この場合、送受信されるマイクロ波信号、並びにチューブの内側の寸法の周波数帯域及びモード伝搬は、興味深い誘電率値の範囲、好ましくは１．００〜１．０３の間の範囲にわたり、完全に一定のマイクロ波信号の群速度が得られるように選択されることが好ましい。そうした選択自体は、参照によって本明細書に援用する米国特許第６９１５６８９号によって既に知られている。
【００３９】
遷移部は、軸線方向に内側の断面積が徐々に増大する管状部として実現されることが好ましく、その断面積は、送信器の導波管５の内側の断面積からチューブの導波管１の内側の断面積まで増大する。さらに、遷移部材は回転対称であることが好ましい。最も好ましくは、遷移部材は本質的に円錐形に形成される。第２のモードへの適切な漏洩を得るためには、遷移部材の軸線方向の長さをかなり短くすることが好ましく、例えば０．２５ｍ未満とされる。遷移部材の軸線方向の長さは、０．０５〜０．１０ｍの範囲であることが好ましい。
【００４０】
動作時には、送信器は第１のモードのマイクロ波信号を発生させ、それは、送信器の導波管５、及び第２のモードへの漏洩を生じさせる円錐形の遷移部材９を通して導波管１へ送り込まれる。測定すべき表面に向かって導波管１のチューブの中を伝搬するマイクロ波信号は、その表面によって反射され、逆方向に受信器の方へ伝搬する。反射された信号は、円錐形の遷移部材９及び導波管５を通過し、受信器によって受信される。受信器は、第１及び第２の伝搬モードのうちの異なるモードとして受信されたマイクロ波信号の各部分を、反射されたマイクロ波信号の伝搬モードが異なれば受信器への到達時間が異なることに基づく方法など、様々な方法で区別することができる。次いで信号処理装置は、マイクロ波信号の往復時間から液体の高さを計算する。さらに処理回路は、反射された各伝搬モードのマイクロ波信号から、マイクロ波信号が液体の表面で反射される前に伝搬した行程に沿った導波管の平均径としての導波管の断面寸法など、導波管又は容器内の環境の１つ又は複数の特性を推定し、その１つ又は複数の特性の推定を用いて、容器内の注入された材料の修正された高さを計算するように配置することができる。
【００４１】
較正用に、１つ又は複数のゼロ反射の反射器１０を用いることが可能である。それは、Ｈ０１に対しては反射を与えるが、Ｈ０２に対しては反射を与えないなど、複数のモードのうちの１つのモードに対してのみ反射を与え、その他には反射を与えないように適合されることが好ましい。そうした反射器を、導波管１内の様々な高さに配置することができる。さらに、タンクが空のときの較正用に、反射器をタンクの底部に配置することができる。下部及び上部の反射器を用いることが好ましく、その場合、上部のものは見ることができ、機能制御に用いることが可能であり、下部のものは始動時の較正及び空のタンクの試験に用いることが可能である。上部の反射器は、２つのモードに対して異なる反射を与えるように配置されることが好ましいが、それが絶対に必要であるわけではない。底部の反射器は、両方のモードで同量の反射を与えるように配置されることが好ましい。しかし底部の反射器は、液体で覆われていないときに、覆われている場合よりも本質的に強い反射を与えるように配置されることが好ましい。そうした反射器自体は、参照によって本明細書に援用する米国特許第６７９５０１５号によって既に知られている。したがって、そのような２つの反射器の構成は、本質的にすべての較正の要求を十分に満足させるものであり、結果として、それによって他の高さに他の反射器は不要になる。
【００４２】
図３は、図１のレーダ液位計システムについて興味深い機能を示すための、パイプに沿った概観図である。電子ユニット７は導波管５の中に出力を発生させ、モード発生器などでＨ０１モードに変換される。そこではＨ０１が最高の伝搬モードになるか、或いはＨ０２は伝搬することができない。前記導波管の中又は上方に、シール３１を設けることが可能である。タンクが加圧ガスに用いられる場合、シール３１は高圧用に製造されることが好ましい。安全上の理由のために、ボール弁３２を設けることも可能であり、例えばシールを交換しなければならない場合、それを用いることができる。導波管１のパイプの直径までの遷移を与える遷移部材９は、ボール弁の下に配置され、一般に適切な長さを有するまっすぐな円錐体により製造することができる。加圧されるタンクは一般に球形であり、この最高の液体の高さ（タンクが完全に満たされた状態よりも体積が数％小さい）は、タンクの頂部にそれほど近くならない。その空間内の実際の最高液位よりも少しに上に、較正用の反射器１０ｂを配置することができる。この反射器は、好ましい実施例では、通常の液体の表面とほとんど同じようにＨ０１を反射するが、Ｈ０２を反射する程度はずっと低くなるか、或いはＨ０２を全く反射しないように配置される。導波管１は、タンクを通ってほぼ鉛直に延びていることが好ましく、例えば１メートルあたり２つの、それぞれが１０ｍｍの直径を有する孔などによって、少し孔が開けられている。最悪の場合の熱移動を可能にするために、パイプはタンクの底部２１より数ｃｍ又は数ｄｍ上で終わっている。底部の反射器１０ａは底部に固定することが可能であり、反射器が液面下にあるときはごくわずかな反射を与え、反射器が露出する液体の高さになると、液体の表面と同等の反射を与えるように配置されることが好ましい。
【００４３】
図４は、使用される２つのモードに対して著しく異なる反射作用を有する、高位置の反射器１０ｂのいくつかの例示的な実施例を示している。上部の反射器はいくつかの方法で製造できるが、Ｈ０１は反射し、Ｈ０２は反射しないようにすることが好ましい。Ｈ０１／Ｈ０２に対して、反射器は、放射状の金属製のピンによってパイプに取り付けられた薄い金属リングなどの形を有することができる。リングは、Ｈ０２の円周方向の場がゼロである半径方向の位置に配置され、したがってＨ０２の反射は小さい。他方、Ｈ０１は強い反射を有するが、薄い形状によって適切な強度まで低減させることが可能である。放射状の金属製付属物は、十分薄く製造されていればＨ０１／Ｈ０２モードには影響を及ぼさない。
【００４４】
図４ａに示すように第１の例示的な実施例では、反射器１０ｂは、導波管１の中に放射状のピン１０２によって支持された水平なリング１０１を備えている。放射状のピンが、Ｈ０１又はＨ０２の場のパターンに影響を及ぼすことはなく、またその数及び位置は、適切な機械的安定性が得られるように選択される。リングの直径がパイプの直径の５５％（又は５４．６２％）であれば、リングの位置はＨ０２の円周方向の電場がゼロになるところになり、結果として、Ｈ０２は図示した構造による影響を全く受けない（すなわち、Ｈ０２からの反射がない）。その反射器の形状では、パイプの接合部に取り付けることが好ましい方法になる。
【００４５】
上部の反射器を提供する他の方法を図４ｂに示す。この実施例では、反射器１０ｂ’は、孔１０４を通して管１に挿入するために一時的に曲げることができる、薄い鋼のリボン１０３を備えている。したがって、形状及び機能は図４ａについて論じた実施例と類似しているが、挿入する方法によって、孔を通して、すなわち接合部などに関係なく反射器を取り付けることが可能になる。
【００４６】
リングを提供するさらに他の方法を、Ｈ０１及びＨ０２に関する機能の観点から図４ｃに示す。この実施例では、反射器１０ｂ’’は、金属製のリングの中に円周方向に方向付けされたいくつかの半波長ダイポール１０５に分割されたリングを備えている。半波長反射器１０５はすべて、図４ｂの例示的な実施例と同様に、パイプのまわりの支持体（図示せず）に取り付けられ、孔１０４を通して導波管のパイプ１に挿入することができる。半波長反射器は、例えば１０ＧＨｚの周波数を用いるときには１５ｍｍの長さとすることができ、薄い金属板又は指状のもので形成することが可能である。半波長反射器は、少なくともある程度の可撓性を有するように製造されることが好ましく、それによって、導波管のパイプのより小さい孔へ挿入することが可能になる。４つの半波長反射器を有するその実施例は例示的なものにすぎず、２、３又は６つなど他の数の半波長反射器も同様に実施可能であることに留意されたい。
【００４７】
図５は、先に論じたシステムにおいて底部の反射器として使用することができる、反射器１０ａの実施例を示している。そうした底部の反射器自体は、参照によって本明細書に援用する米国特許第６７９５０１５号によって既に知られている。
【００４８】
図５の例示的な実施例では、反射器は、導波管のパイプよりも下又はその端部、及び底部の少し上に配置され、底部に取り付けられるのに適している。反射器は、放射状の支持体１１１に取り付けられたいくつかの金属リング１１０を備えている。リングは、Ｈ０１及びＨ０２の導波管モードの円周方向の電場に対する金属面として現れ、結果として各導波管モードは、液体が反射器よりも下にあるとき、リングよりも下のおそらくは不規則な底部の構造に関係なく反射される。しかし、リング間の距離は液体の誘電率に合わせられ、リングが液面下にあるときにはリングにより導波管は形成され、リングを波長の半分の高さに製造することによって、反射器は使用される周波数の波に対して透過的なレードームとして働く。
【００４９】
図６は、図３のレーダ液位計システムで受け取ることができる、３つの例示的なタンクのスペクトルを示している。第１のタンクのスペクトルＡでは、タンク内の中位の液体の高さに関する状況が示される。この場合、タンクのスペクトルは一般に、上部の反射器１０ｂに対応する受信エコー信号Ａ１、液体の表面でのＨ０１モードの反射に対応する受信エコー信号Ａ２、及び液体の表面でのＨ０２モードの反射に対応する受信エコー信号Ａ３を含む。第２のタンクのスペクトルＢでは、タンク内の低い液体の高さに関する状況が示される。この場合、タンクのスペクトルは一般に、Ａ１とほぼ同じ位置に、上部の反射器１０ｂに対応する受信エコー信号Ｂ１、Ａ２よりも少し下に、液体の表面でのＨ０１モードの反射に対応する受信エコー信号Ｂ２、並びにＡ３よりもかなり下に、液体の表面でのＨ０２モードの反射に対応する受信エコー信号Ｂ３を含む。第３のタンクのスペクトルＣでは、本質的に空のタンクに関する状況が示される。この場合、タンクのスペクトルは一般に、Ａ１及びＢ１と同じ高さに、上部の反射器１０ｂに対応する受信エコー信号Ｃ１、底部の反射器１０ａでのＨ０１モードの反射に対応する受信エコー信号Ｃ４、及び底部の反射器１０ａでのＨ０２モードの反射に対応する受信エコー信号Ｃ５を含む。
【００５０】
次に、本発明の背景となる理論、及び２モード式の測定の適用について簡単に論じる。これまではパイプにおけるＣＴＳの精度を、パイプを有するパルス式システムで得ることは困難であったため、以下の議論ではＦＭＣＷに焦点を合わせているが、この議論を少し修正することによって、パルス式システムにも同様に適用することができる。線形掃引及び通常の液体の表面によって生成された典型的なＩＦ（中間周波数）信号は、完全に一定の振幅と共にほぼ一定の周波数を有する。（距離に比例する）一定の周波数は、掃引中に線形成長を伴う位相として記述することが可能であり、典型的な信号処理装置は、位相の成長を直線に最小二乗法によりマッチングさせる。測定が自由な空間においてではなくパイプを通して行われると、位相は掃引中にわずかに非線形の変化を有するようになり、この変化を下式によって示すことができる。
【００５１】
【数１】
2009511901.tif 000003
ここで、
ｋ：１０ＧＨｚ付近での１６％の掃引に対して、１９３〜２２７ｍ−１の範囲にわたって変化する波数（＝リスケールされた周波数）
Ｌ：パイプの長さ
ｄ：パイプの直径
ε：空気の１．０００６から、加圧されたプロパンの１．０２までの範囲にある雰囲気の誘電率
Ｘ：Ｈ１１では１．８４１、Ｈ０１では３．８３２、Ｈ０２では７．０１６である適用可能なベッセル関数の根である。
【００５２】
式（１）によって理解されるように、位相は周波数についてわずかな非線形依存性を有し、非線形の程度は、線形ではなく放物曲線近似によって推定することができる。非線形の程度は弧の高さとして表され、この場合と同様にカットオフに近いパイプ内の伝搬の場合には、適切な精度で計算することができる。弧の高さを用いて、パイプの直径を、パイプの測定された部分に沿った平均値として計算することができる。「未加工距離（ｒａｗ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）」Ｌ＊は導関数として下式のように求められ、
【数２】
2009511901.tif 000004
計算は一般に最小二乗法を用いて行い、パイプの場合、Ｌ＊は１に近い係数ｆによって調整される。実際的な条件では、以下のより簡単な計算を用いてＬ＊を得ることができる。
【００５３】
【数３】
2009511901.tif 000005
ここで、ｋ１及びｋ２は掃引の終点である。
【００５４】
（１）及び（２）から、変化するεを伴う測定距離の変化を、次のように求めることができる。
【００５５】
【数４】
2009511901.tif 000006
上側の括弧がゼロのときには、ガスの独立性に関する条件が満たされ、それを中心周波数に対応するｋとして表すこともできる。
【００５６】
【数５】
2009511901.tif 000007
【００５７】
パイプの直径は長さの基準とすることによって計算に組み込まれる。したがって、直径のｐｐｍ単位の精度は、所望される距離のｐｐｍ単位の精度よりも高くなければならない。したがって、（ｐｐｍスケールの）直径の測定は無用であり、回転対称モード（Ｈ０ｎ及びＥ０ｎ）のみを用いて、理想的な円形からのずれの影響を回避することができる。このために、同時に存在する２つの導波管モード、好ましくはＨ０１及びＨ０２を用いて、２つのＬ＊を得ることが可能であり、それらの間の差が、実際の経路全体の平均として理解されるパイプの直径の正確な寸法になる。
【００５８】
Ｈ０１及びＨ０２によって測定された（式（２）からの）未加工距離がＬ０１及びＬ０２で表される場合、自由空間に対応する「平均の」ＬＦＳを生成することが可能であることを、下式のように示すことができる。
【００５９】
【数６】
2009511901.tif 000008
【００６０】
ＬＦＳは（局所的にも一般的にも）直径の変化に依存せず、誘電率のみに依存する。一方、式（２）からのＬ＊は直径に依存するが、誘電率には依存しない。空のタンクの較正について記録された値ＬＦＳ、Ｌ＊、及び弧の高さから始めて、タンクの測定された部分全体の直径の分布を計算することができる。前記直径の分布は、（予測される温度変化がなければ）時間について一定となり、その後、それを用いてタンク全体に対してＣＴＳの精度を得ることができる。
【００６１】
さらに２モード式の測定は、使用される鋼の温度変化及び熱膨張、並びにおそらくは不均一なパイプの直径の影響など、他の環境変化を考慮する。パイプは、＋／−０．５％の直径の精度を有する可能性がある、６ｍの製品から製造することができる。Ｈ１１は分極に依存する速度を有し、また本質的に完全に円形のパイプを必要とするため、Ｈ１１又は他の分極モードを使用しないことが好ましい。
【００６２】
導波管のパイプは、入手可能な標準規格品の中から選択されることが好ましく、使用に適した範囲の周波数の利用を可能にする。例えば、５２．５ｍｍの呼び内径を有する５０．８ｍｍ（２インチ）のＳＣＨ４０を用いることができる。平均の誘電率としてε＝１．０１を使用すると、中心周波数は約９７８１ＭＨｚとして選択されることが好ましい。これは、３０〜４０ｍの場合に使用することができる。或いは、９５．５ｍｍの内径を有する８８．９ｍｍ（３．５インチ）のＳＣＨ１０のパイプを使用することも可能であり、（５）のガスの独立条件を満たすために、約９８４３ＭＨｚの中心周波数が用いられる。
【００６３】
パイプの直径は、（一般的には長さ６ｍの）製品間で数十分の１パーセント異なる可能性があり、したがって差異が最大の場合には、ｃｍ範囲のずれになる可能性もある。２つの伝搬モードの使用が安定的な方法であり、Ｈ０１及び、Ｈ０２を同時に使用することが好ましい。どちらの伝搬モードも回転対称であり、したがって機械的な循環性からの定常偏差に鈍感であり（すなわち＜１％）、同じモード変換器の構造で生成することができる。
【００６４】
式（５）に適合させたＨ０２を用いた測定は、同じ周波数及び直径でのＨ０１による測定値よりも３０％長い未加工距離を与える。本発明の簡易化された方法では、これらのモードは同時に許容される。同時に存在するこれらのモードは、通常の設計によるものよりもずっと短い円錐形の遷移部などの遷移部材の手段によって得られる。
【００６５】
少なくとも約２〜３ｍよりも長い距離では、２つのモードは、互いに妨げることなく測定可能な、十分に分離された２つのエコーとして現れる。同時に存在する２つのモード（Ｈ０２及びＨ０１）を生成するモード変換器を使用することが可能であり、最も簡単な方法は、通常の設計では短すぎる５０．８ｍｍ〜１０１．６ｍｍ（２インチ〜４インチ）の円錐形の遷移部を使用するだけである。回転対称を保つと、短い円錐によってＨ０ｎモードのみが生成され、適切な直径によって生成されるモードがＨ０１及びＨ０２に制限される。他の方法は、回転対称の機械的な妨害作用と組み合わせてＨ０１変換器を用いることである。
【００６６】
短い距離に関する制限は、ほとんどの実際的な状況で厳しい制限にはならない。例えば通常の大きさの球では、球の９８％の体積は、その直径の１１／１２のところ、すなわち２４ｍの球では頂部よりも２ｍ下に存在する。使用されない高さ区間での精度低下は、一般に許容される。
【００６７】
本発明の実施例の実際的な例として、約１０ＧＨｚの周波数を想定することができる。この場合、ガスの独立条件を満たし、Ｈ０１モードのマイクロ波信号を供給するために、送信器の導波管として５０．８ｍｍ（２インチ）の４０のパイプを用いることができる。少なくともより深いタンク（４０〜５０ｍ）には、チューブの導波管として８８．９ｍｍ（３．５インチ）のＳＣＨ１０など、より厚いパイプを用いることができる。その場合、遷移部材として、５０．８ｍｍ（２インチ）のＳＣＨ４０から８８．９ｍｍ（３．５インチ）のＳＣＨ１０までの円錐形の遷移部を用いることができる。第２の伝搬モードへの適切な漏洩を得るためには、標準によって得られるものよりもかなり短い円錐を使用する。その結果、マイクロ波の出力の周知の部分（５０／５０など）がＨ０２へ漏洩する。この場合、（厳密な形状に応じた）約０．５ｍの標準的な長さではなく、５０〜１００ｍｍのまっすぐな円錐を用いて、所望のモードの混合を与えることができる。円錐よりも小さいパイプの直径は、Ｈ０３の通過を許容せず、また回転対称によってＨ０１／Ｈ０２以外のモードは生成されない。したがって、適切な短い円錐を用いるだけで、所望のモードの混合が生じる。
【００６８】
これまで本発明の特定の実施例について記述してきた。しかし当業者には明らかであるように、いくつかの代替が実施可能である。例えば当業者には容易に明らかであるように、液位計システム及び処理回路の様々な機能を実施するために、多くの様々な構成部材を用いることができる。さらに、第１のモードの信号出力と第２のモードとの間の関係を変更することも可能である。そうした変更及び他の自明な変更は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内であるとみなさなければならない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施例によるレーダ液位計システムが内部に配置された容器の概略的な側面断面図。
【図２】図１のレーダ・ベースの液位測定用装置をさらに詳しく、斜視図として概略的に示す図。
【図３】図１のレーダ液位計システムの概略的な側面断面図。
【図４ａ】底部の反射器の例示的な実施例を示す図。
【図４ｂ】底部の反射器の例示的な実施例を示す図。
【図４ｃ】底部の反射器の例示的な実施例を示す図。
【図５】注入されたタンクの反射器について、いくつかの実施例を示す図。
【図６】いくつかの典型的なタンクの状態に対する概略的なタンクのスペクトルを示す図。
【図１】
2009511901.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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