(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液面の上方に所定の誘電率範囲内の誘電率を有するガスが存在するコンテナ内の液体の液位を測定する装置にして、
該コンテナ内に配置される管壁を有する管（１）にして、該管壁には複数の穴（２）が設けられ、該穴（２）を通して前記液体が流通して、該管（２）内外の前記液体の液位を等しく維持するようにした管（１）と、
第１の伝播モードでマイクロ波信号を前記管（１）内で前記ガスを通して前記液面の方向に送信するための送信機（４、５、９）と、
前記液面で反射して前記管（１）を通して戻り伝播するマイクロ波信号を受信するための受信機（４、５、９）と、
前記送信され、反射されたマイクロ波信号の伝播時間から前記コンテナ内の前記液体の液位を計算するための信号処理デバイスと
を備えた、コンテナ内の液体の液位を測定するための装置において、
前記送信機（４、５、９）は、前記第１の伝播モードのマイクロ波信号の群速度が前記所定の誘電率範囲内の前記誘電率にわずかにしか依存しないような周波数帯域で前記マイクロ波信号を前記管（１）内に送信するようにされ、前記周波数帯域が、最適な周波数ｆｏｐｔから７％未満だけ偏移した周波数を含み、前記最適な周波数は、
【数１】
0004695394.tif 000011
で示され、ただしｆｃ０は前記管内での前記第１伝播モードの遮断周波数であり、εは前記誘電率範囲の中心の誘電率である、液体の液位を測定する装置。
【請求項２】
前記周波数は前記最適周波数ｆｏｐｔから５％未満、より好適には３％未満、さらに好適には２％未満、また最も好適には１％未満だけ偏移する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記周波数帯域は前記最適周波数ｆｏｐｔから７％未満だけ偏移した中心周波数を有する請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記所定の誘電率範囲は、１から１．０３である請求項１から３までのいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記液体は凝縮ガスからなり、前記ガスは気相の前記凝縮ガスからなり、この凝縮ガスは過圧をかけて前記コンテナ内に貯蔵される請求項１から４までのいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記送信機（４、５、９）が前記管（１）内でマイクロ波信号を送信するようにされた前記第１伝播モードはＨ１１、Ｈ０１、及びＨ０２のいずれかである請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記送信機は前記マイクロ波信号を前記管（１）内で第２の伝播モードで前記ガスを通して前記液面の方向に送信するようにされ、
前記受信機（４、５、９）は前記第２の伝播モードで前記液体の前記表面で反射した前記マイクロ波信号を受信し、前記管を通して再伝播し、かつ前記第１及び第２の伝播モードの別の一方で受信された前記マイクロ波信号の部分を区別するようにされた請求項１から６までのいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記管（１）は円形の断面を有し、前記第２伝播モードはＥ０１又はＨ１１のいずれかである請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記受信機は前記部分の前記受信機への異なる到達時間に基づいて前記第１及び第２伝播モードの別の一方で受信された前記マイクロ波信号の部分を区別するようにされた請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１０】
前記送信機は前記マイクロ波信号を前記第１及び第２伝播モードでスペクトル分離されて送信するようにされた請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１１】
前記信号処理デバイスは前記第１及び第２伝播モードの別の一方で受信された前記マイクロ波信号の前記受信され、区別された部分に基づいて、前記液位の上の前記ガスの前記誘電率を計算するようにされた請求項７から１０までのいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記信号処理デバイスは前記第１及び第２伝播モードの別の一方で受信された前記マイクロ波信号の前記受信され、区別された部分に基づいて、前記管の断面の寸法を計算するようにされた請求項７から１０までのいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記信号処理デバイスは前記第２伝播モードでの前記送信され、反射されたマイクロ波信号の伝播時間から前記コンテナ内の前記液体の液位を計算するようにされ、
前記信号処理デバイスは、前記コンテナ内の前記液体の液位に基づいて、前記管、又は前記コンテナ内の環境の１つ又は複数の特性を評価し、好適には前記コンテナ内での前記液体の修正された液位を計算するために前記１つ又は複数の特性の前記評価を利用するようにされた請求項７から１２までのいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記信号処理デバイスは、前記第１及び第２伝播モードの別の一方で受信された前記マイクロ波信号の前記区別された部分の減衰を計算するようにされ、
前記信号処理デバイスは、前記マイクロ波信号の前記区別された部分の前記計算された減衰に基づいて、前記管、又はコンテナ内の環境の１つ又は複数の特性を評価し、好適には前記コンテナ内での前記液体の修正された液位を計算するために前記１つ又は複数の特性の前記評価を利用するようにされた請求項７から１１までのいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記マイクロ波信号は周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）信号である請求項１から１４までのいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
前記マイクロ波信号はパルス・レーダ信号である請求項１から１５までのいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
コンテナ内の液体の液位を測定する方法にして、該コンテナ内の該液体の液面上方には所定の誘電率範囲内の誘電率を有するガスが存在し、また該コンテナ内には、管壁を有する管が設けられ、該管壁には複数の穴が設けられ、該穴を通して前記液体が流通して、該管の内側と外側の前記液体の液位を同一レベルに保持するようにされている、コンテナ内の液体の液位を測定するための方法であって、
前記管の内部寸法を表す第１の数量を決定する工程と、
前記第１の数量に基づいて、前記管内での第１の伝播モードのマイクロ波信号の群速度が前記所定の誘電率範囲内にある前記誘電率にわずかにしか依存しないような周波数帯域で、該周波数帯域は、最適な周波数ｆｏｐｔから７％未満だけ偏移した周波数を含み、前記最適な周波数は、
【数２】
0004695394.tif 000012
で計算され、ただしｆｃ０は前記管内での前記第１伝播モードの遮断周波数であり、εは前記誘電率範囲の中心の誘電率である  周波数帯域を決定する工程と、
前記周波数帯域で動作するように送信機を同調させる工程と、
前記管内でマイクロ波信号を前記第１の伝播モードで前記ガスを通して前記周波数帯域内で前記液体の前記表面の方向に送信する工程と、
前記液体の前記表面で反射して前記管を通して戻り伝播してくるマイクロ波信号を前記周波数帯域内で受信する工程と、
前記送信され、反射されたマイクロ波信号の伝播時間を表す第２の数量を決定する工程と、
前記第１及び第２の数量に基づいて前記コンテナ内の前記液位を計算する工程と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記周波数は前記最適周波数ｆｏｐｔから７％未満、より好適には５％未満、さらに好適には３％未満、よりいっそう好適には２％未満、また最も好適には１％未満だけ偏移し、又は前記周波数は前記最適周波数ｆｏｐｔと同一である請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記周波数帯域は前記最適周波数ｆｏｐｔから７％未満、好適には５％未満、より好適には３％未満、さらに好適には２％未満、また最も好適には１％未満だけ偏移する中心周波数を有する請求項１７又は１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記所定の誘電率範囲は、１から１．０３である請求項１７から１９までのいずれかに記載の方法。
【請求項２１】
前記液体は凝縮ガスからなり、前記ガスは気相の前記凝縮ガスからなり、この凝縮ガスは過圧をかけて前記コンテナ内に貯蔵される請求項１７から２０までのいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
前記送信機（４、５、９）が前記管（１）内で前記マイクロ波信号を送信するように適合された前記第１伝播モードはＨ１１、Ｈ０１、及びＨ０２のいずれかである請求項１７から２１までのいずれかに記載の方法。
【請求項２３】
前記マイクロ波信号は前記管（１）内で第２の伝播モードで前記ガスを通して前記液面の方向に送信され、
前記液体の前記表面で反射され、前記第２伝播モードで前記管内を再伝播する前記マイクロ波信号が受信され、
前記第１及び第２の伝播モードの別の一方で受信される前記マイクロ波信号の部分が区別される請求項１７から２２までのいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にレーダを利用した液位測定に関し、より詳細には、本発明は液面上の正確なガス成分及び／又は圧力の事前知識なしに導波管を介してレーダを利用した高精度の液位測定を行うための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンテナ内の液位測定のためのデバイスはマイクロ波信号を液面方向に送信するための送信機と、液面で反射するマイクロ波信号を受信するための受信機と、送信され、反射されたマイクロ波信号の伝播時間からコンテナ内の液位を計算するための信号処理デバイスとを備えている。
【０００３】
このようなデバイスは特に原油及びそれから製造された生成物のような石油製品向けにますます重要になってきている。ここでコンテナとはタンカーの全積載容積の一部をなす大型コンテナ、又はさらに大型の何十立方又は何千立方メーターの容量の、通常は円筒形の地上タンクを意味している。
【０００４】
コンテナ内の液位を測定するためのレーダを利用した１つの特定の種類のデバイスの場合、マイクロ波信号はマイクロ波用の導波管として機能する、コンテナ内に実装された垂直のスチール管を通して送信、反射、及び受信される。このような管を利用した液位測定の実施例はＥｄｖａｒｄｓｓｏｎに付与された米国特許第５，１３６，２９９号に開示されている。導波管内でのマイクロ波の速度は自由波伝播の場合よりも低いが、伝播時間からコンテナ内の液位を計算する際は、導波管の寸法の知識に基づく計算、又は校正手順のいずれかによってこのことを考慮できる。
【０００５】
さらに、液面上のガスによってマイクロ波の速度が低下する。この減速は正確に評価できるが、それはガスの成分、温度及び圧力が判明している場合だけであり、そのようなことは稀である。
【０００６】
通常の、すなわち常温で流動性がある石油製品が使用される場合、管内のガスは典型的には空気である。空気中の定格誘電率は典型的に±０．０００１の変動を伴う１．０００６である。しかし、炭化水素などの蒸気である場合は、タンクの内容の誘電率は空気の場合よりも高まるであろう。このような上昇は顕著であることがある。
【０００７】
さらに、過圧下の液化したガスを容れたコンテナ内の液位を測定する場合、速度変化は極めて顕著である。一般的なガスのうち、プロパンは最高の誘電率を有し、１０バールの圧力下で約１％の減速が生ずる（ε＝１．０２に対応）。このような大幅な食い違いは保管配送の用途のような多くの用途では受け入れられない。
【０００８】
したがって保管配送の精度として定義される、より高い精度が必要であることが多い。ここで保管配送の精度という表現は液位測定の多くの営業用の利用での公式な要求基準である保管配送向けの認可が可能であるのに充分な精度を意味する。伝播速度の観点から、保管配送の精度は約０．００５から０．０５％の範囲の液位判定精度を意味する。しかし、保管配送の要求基準は国によって、また組織によって極めて大きく変動するが、上記の例は明らかにどの保管配送精度にも適合しない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって本発明の主要な目的は、液面上の正確なガス成分及び／又は圧力の事前知識がなくても管を介してレーダを利用した高精度の液位測定を行うための装置及び方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の特定の目的は、誘電率がどこでも１≦ε≦１．０３の幅にある液面上のガス又はガス混合物の場合に０．４％より、好適には０．１％より、また最も好適には０．０１％より良い測定液位の精度をもたらす上記の装置及び上記の方法を提供することにある。この幅はある誤差範囲を伴ってプロパン、ブタン、メタン及びその他の一般的なガスを含むように選択される。
【００１１】
この点に関連して、本発明の特定の目的は、保管配送精度で液位を測定可能な上記の装置及び上記の方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の別の目的は、管の内部寸法の正確な測定をも行う管を通して液位を測定する上記の装置及び上記の方法を提供することにある。
【００１３】
本発明のさらに別の目的は、例えば管の断面寸法、管の長さに沿った断面寸法の変化、管の同心性の程度、管の内壁での不純物、特に固体又は液体炭化水素の存在、又は前記ガス中でのミスト、特にオイル・ミストの存在のような管、又はコンテナ内の環境の１つ又は複数の特性を評価することによってエラーを低減する、管を通して液位を測定する上記の装置及び上記の方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的は特に添付の特許請求の範囲で特許請求されている装置及び方法によって達成される。
【００１５】
レーダ液位計はかなり広い帯域幅（幅は中心周波数の１０から１５％でよい）を利用し、伝播の特性はこの帯域の中心の群速度で示される。発明者は送受信されるマイクロ波信号の周波数帯域及び伝播モード、及び管の内部寸法の適正な選択によって、好適には１と１．０３の間である、関心対象である誘電率の範囲にわたって全く一定である、マイクロ波信号の群速度を得ることが可能であることを発見した。分析によれば、１から１．０３である誘電率の幅にわたって、群速度はわずか±０．００５％しか変動せず、一方、例えば自由空間伝播を利用する従来の装置では±０．７５％の変動が生じるであろう。
【００１６】
マイクロ波信号の周波数帯域の中心周波数は好適には、選択されたモード及び管の内部寸法における真空中の遮断周波数の約（２／ε）１／２倍、又はそれに近い周波数であり、ただしεは関心対象である誘電率の範囲の中心周波数の値、例えば上記の好適な範囲では約１．０１５である。このように、関心対象である誘電率範囲の中間の誘電率を有するガスの場合、最適な中心周波数は実際の遮断周波数の約２１／２倍となる。
【００１７】
最適周波数ｆｏｐｔから７％未満、好適には５％未満、より好適には３％未満、さらに好適には２％未満、またさらに好適には１％未満だけ偏移する周波数を含む周波数帯域でマイクロ波信号が送信されるので、本発明を定量的に規定できる。ただし、最適周波数は下記のように計算される。
【００１８】
【数１】
0004695394.tif 000002
ただし、ｆｃ０は前記管内での前記第１伝播モードの遮断周波数であり、εは関心対象の誘電率範囲の中心の誘電率である。これらの周波数は単一モードの伝播が保証されなければならない場合に用いられる周波数よりも高いが、双方ともＥｄｖａｒｄｓｓｏｎに付与された米国特許第４，６４１，１３９号及び米国特許第５，１３６，２９９号に記載されているように、過大サイズの管及びモード抑制が適用されている場合に典型的に用いられる周波数よりもずっと低い。したがって、本発明で用いられている周波数は少なくとも部分的に、管と液位測定の双方に関して先行技術で使用されている周波数範囲の外にある。
【００１９】
しかし最も有利であるのは、周波数帯域は最適周波数ｆｏｐｔであるか、又は最適周波数ｆｏｐｔから１から７％未満だけ偏移した中心周波数を有する。
【００２０】
好適には、測定用に円形の管及びモードＨ１１が用いられる。真空中でモードＨ１１の場合の遮断周波数の約（２／ε）１／２倍の周波数を選択することによってもマイクロ波信号をＥ０１モードで伝播可能である。マイクロ波信号はこれらの２つのモードで互いに別個に測定されることができ、Ｅ０１モードのマイクロ波信号の測定は管の寸法に関する情報、及び／又は液化ガスの表面上のガス又はガス混合物の誘電特性に関する情報を推測するために利用できる。
【００２１】
より一般的には、マイクロ波信号を互いに別個の少なくとも２つの異なるモードで測定できる。このような二重モードの測定は、例えば管の寸法、又は内壁での油層の存在又はミストの存在のような管の大気条件のような管の状態に関する情報を推測し、またこの情報を利用して、管の状態によって誘発される測定される液位のエラーを低減するために利用できる。
【００２２】
本発明の主な利点は、測定される表面の上に存在するガスの成分及び圧力の事前知識がなくとも管を通した高精度の液位測定を行うことができることである。
【００２３】
本発明の別の利点は、管の状態により誘発されるエラーを二重モードの測定によって低減できることである。
【００２４】
本発明のさらに別の利点は、１から１．０３の誘電率範囲向けに上記のように最適周波数に近い周波数を選択することによって、管内の炭化水素滴の量の変動、及び管の内壁上の薄い炭化水素層の厚みの変化による影響が最小限に抑えられることである。
【実施例】
【００２５】
本発明のその他の特徴、及びその利点は以下に記載される本発明の好適な実施例の詳細な説明、及び説明目的のためだけに示され、したがって本発明を限定するものではない添付図面、図１から図１３から明らかにされる。
【００２６】
下記の説明で、導波管の呼称Ｈ１１、Ｅ０１、Ｈ０１などは呼称ＴＥ１１、ＴＭ０１、ＴＥ０１などと対応し、完全に同様のシステムであるものとして用いられる。
【００２７】
レーダを利用した液位測定用の装置を斜視図で概略的に示した図１を参照して、本発明の好適な実施例を説明する。この装置は周波数変調連続波（ＦＭＣＷ）レーダ装置、又はパルス・レーダ装置又はその他の種類の距離測定レーダ装置でよいが、前者のほうが望ましい。レーダ装置は調整可能な可変周波数でマイクロ波信号を送信できる能力を有していてもよい。
【００２８】
図１では、１はほぼ垂直な管、又はコンテナに固定的に取付けられた管を示しており、その上限、すなわち屋根は３で示されている。コンテナは原油又はそれから製造された生成物のような石油製品であることがある液体、又は過圧下で、及び／又は冷却されてコンテナ内に保管されている凝縮ガスを収容している。プロパンとブタンは液体として保管される２つの典型的なガスである。
【００２９】
管１は好適にはマイクロ波用の導波管として機能できる金属材料製であり、任意の断面形状を有するものでよい。しかし、円形、方形、又はスーパー楕円の断面であることが好ましい。管は全長が示されておらず、上部と下部だけが示されている。管の壁には比較的小さいいくつもの開口２が設けられ、それによって液体がコンテナから管の内部に連通できるので、管内とコンテナ内の液位は同じになる。波の伝播を妨害せず、しかも内部と外部の液位を充分に迅速に均等にできるように穴のサイズ及び位置を選択可能であることが判明している。
【００３０】
管にはユニット４が固定的に取付けられている。このユニット４はマイクロ波信号を送信するための送信機（明示せず）と、反射されたマイクロ波信号を受信するための受信機と、反射されたマイクロ波信号の反射部分を判定するための信号処理デバイスとを含んでいる。
【００３１】
送信機は図１に５で示されている導波管を備え、これは防護管８で囲まれている。導波管５は円錐形の中間部材９を経て管１まで通っている。
【００３２】
動作時には、送信機はマイクロ波信号を発生し、これは導波管５と円錐形の中間部材９とを経て管１内に送られる。マイクロ波信号は管１内で液位測定される表面の方向に伝播し、表面によって反射され、受信機の方向に再伝播する。反射された信号は円錐形の中間部材９と導波管５とを通過し、受信機によって受信される。信号処理デバイスはマイクロ波信号の往復時間から液位を計算する。
【００３３】
本発明によれば、送信機は最適な周波数ｆｏｐｔから７％未満だけ偏移した周波数を含む周波数帯域でマイクロ波信号を送信するように適合され、最適な周波数は、
【００３４】
【数２】
0004695394.tif 000003
で計算され、ただしｆｃ０は管１内での真空中での伝播モードの遮断周波数であり、εはそれに限定されるものではないが好適には１から１．０３、又はそのサブ範囲に設定された関心対象の誘電率範囲の中心の誘電率である。
【００３５】
周波数をそのように選択することによって、液面の上の管１内のガスの誘電率が１から１．０３に変化した場合のマイクロ波信号の群速度の変化は極めてわずかであり、液面上の成分及び圧力の知識がなくても高精度の液位測定を行うことができる。
【００３６】
好適には、周波数は最適周波数ｆｏｐｔから５％未満、より好適には３％未満、さらに好適には２％未満、またいっそう好適には１％未満だけ偏移し、さらに好適には周波数は最適周波数ｆｏｐｔと同一である。任意選択で、周波数帯域は最適周波数ｆｏｐｔから７％、５％、３％、２％、又は１％未満だけ偏移した中心周波数を有する。
【００３７】
これらの数値は最適周波数を用いて得られるよりもわずかに大きい速度変化をもたらすが、それでも変化は従来技術のデバイスで使用される周波数を用いた場合に得られるよりも大幅に小さい。
【００３８】
本発明の背後にある理論、及び上記の最適周波数からの偏移を説明する。
【００３９】
任意の均質な（すなわち誘電率εを有する単一材料で満たされた）中空導波管内での伝播は１メーター単位の半径の位相変化を生ずる位相定数βの変化によって説明できる。
【００４０】
【数３】
0004695394.tif 000004
ただし、ｋは波数（ｋ＝２πｆ／ｃ、ただしｆは周波数、ｃは真空中の光速である）、またｋｃ０は真空中の遮断周波数の数（ｋ＝２πｆｃ０／ｃ、ただしｆｃ０は真空中の遮断周波数）であり、これは導波管内での伝播の下限値である。上記の公式は導波管の断面に関わりなくどの単一の伝播モードにも当てはまる。
【００４１】
遮断波ｋｃ０は導波管の断面形状に関連する。半径ａを有する円形の断面の場合は、下記のようになる。
ｋｃ０＝Ｘ／ａ                        （式２）
ただし、Ｘはベッセル関数での適用可能な根であり（Ｊ０（ｘ）、Ｊ１（ｘ）など）、ｋｃ０が真空に適用されることを強調するためにｋｃ０内の０が挿入される。円形の導波管（直径Ｄ＝２ａ）内のいくつかの最低モードが下記の表１にリストされている。
【００４２】
比較のため、ａのｂ倍（ただしａ＞ｂ）の断面サイズを有する方形の導波管内の遮断波の数を下記のように表すことができる。
【００４３】
【数４】
0004695394.tif 000005
ただし、ｎ及びｍは別の制約ｎｍ＞０（Ｅモード）又はｎ＋ｍ＞０（Ｈモード）を伴う非負整数である。
【００４４】
ここで伝播定数βに戻ると、これは自由伝播波の伝播定数と比較して少なくともわずかに非線形周波数に依存することに留意されたい。従来は、帯域制限された信号の伝播は下記のように計算される群速度ｖｇとして表される。
【００４５】
【数５】
0004695394.tif 000006
ただし、ｃは真空内での光速（２９９７９２４５８ｍ／秒）であり、係数ｃ／ｖｇは１よりも少なくともわずかに大きい。（自由空間の場合に近づく）断面積が極めて大きい導波管の場合、Ｋｃ０は無視してもよく、そこで係数は単に誘電率εの平方根である。
【００４６】
表１．円形導波管内のモード。各伝播モードについて共通の表記、Ｘ、λｃ０／Ｄ（ただしλｃ０は真空中の遮断波長であり、Ｄは直径、Ｄ＝２ａ）が付与される。
【００４７】
【表１】
0004695394.tif 000007
【００４８】
式４をより厳密に吟味すると、これは誘電率εが全ての正の値にわたって変化できる場合は常に最小値を有することが明らかになる。これは、εが分母ゼロをなす値よりもわずかに大きい場合は、ｃ／ｖｇの値は極めて大きく、明らかにεが極めて大きい場合と同様であることが容易に分かる。この最小値はεが物理的に非現実的な値である場合に現れるが、導波管の直径が２ａである場合は常に、可能性があるεの値についてこの最小値が生ずる周波数（又は波の数ｋ）を推奨できる（何故ならば、Ｋｃ０は式２に基づいて直径２ａに関連するからである）。
【００４９】
この最小値はεが物理的に非現実的な値を有する場合に現れるが、管の直径が２ａである場合は常に、可能性があるεの値についてこの最小値が生ずる周波数（又は波の数ｋ）を推奨できる。ｃ／ｖｇの最小値を見出すために、下記に従って第２の導関数が形成される。
【００５０】
【数６】
0004695394.tif 000008
【００５１】
ｃ／ｖｇの最小値は、この導関数がゼロである場合に得られる。したがってこのような条件を満たす、最適な波数ｋｏｐｔと呼ばれる波数は下記となる。
【００５２】
【数７】
0004695394.tif 000009
【００５３】
この選択によって、（１から１．０３であってよい想定されたεの中心の周囲で）εをわずかに変更すれば、下記の数値評価が定量化するｖｇの極めてわずかな変化が得られるものと予期できる。この現象はｖｇの一因となる２つの因数の組合せとして説明でき、εが増大するとマイクロ波の速度が低下するが、それによって導波管がさらに大きく見えるようにもなり、その結果、導波管の伝播速度が高まる。導関数の数式は、これらの２つの相反する作用は互いに相殺されるようにできることを示している。
【００５４】
特性を説明するため、直径が２ａ＝１００ｍｍで、εの幅が、ｖｇのわずかな変化が得られる１から１．０３の範囲にある導波管の場合が与えられる。すなわち、最適な波数ｋｏｐｔはε＝１．０１５の場合に見出される。最低伝播モードＨ１１が利用される場合は、式２及び６を用いて最適波数ｋｏｐｔ５１．５ｍ−１が得られる。この最適波数は２．４６ＧＨｚである最適周波数ｆｏｐｔに対応する。
【００５５】
図２は最適周波数、すなわち２．４６ＧＨｚで１００ｍｍの導波管内でのＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての真空中での光速に対して正規化された群速度のグラフを示している。
【００５６】
誘電率εが１から１．０３（±１．５％）にわたって変化し、又はプロパン（ε＝１．０３）に対して空気（ε＝１．０００６）を含んでいる場合、速度変化は±０．００５％である。誘電率の値の幅が１から１．０３よりも狭い幅に限定されると、速度変化の改善は１５０倍及びそれ以上である。
【００５７】
図３は比較のために２．４６ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、及び２ＧＨｚの場合の１００ｍｍの導波管内でのＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての真空中での光速に対して正規化された群速度のグラフを示している。垂直の縮尺は図２の２００倍に拡大されていることに留意されたい。最適周波数における曲線は水平の直線に見える。すなわち、群速度へのεの依存性はなく、一方、２ＧＨｚ及び１０ＧＨｚでのそれぞれの群速度は図示した幅ではεに大きく依存する。
【００５８】
図３は得られる群速度に対する導波管の直径の影響を示している。グラフは直径が１００ｍｍの導波管、直径が０．００５％だけ大きい導波管、及び直径が０．００５％だけ小さい導波管内でのＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての真空中での光速に対して正規化された群速度のグラフを示している。
【００５９】
群速度の最大値の位置は、直径がわずかに異なる場合には顕著には変化しない。しかし、群速度は直径に大きく依存し、したがって導波管の直径は極めて綿密に測定又は校正される必要がある。この点に関しては後にさらに説明する。しかし、まず本発明の概念が図５から６にさらに示されている。
【００６０】
図５は誘電率εの値が異なる場合の、すなわちε＝１．０００６（空気）及びε＝１．０３の場合の（１．０２は最悪の場合と思われる１０ａｔｍの圧力下のプロパンに対応する）１００ｍｍの導波管内でのＨ１１モードの波数の関数としての真空中での光速に対して正規化された群速度のグラフを示している。２つの曲線は、実際には最適な波数ｋｏｐｔである特定の波数で交差することに留意されたい。
【００６１】
誘電率εの値が異なる場合の１００ｍｍの導波管内でのＨ１１モードの波数の関数としての真空中での光速に対して正規化された群速度のグラフを示す図６には、このことが明確に示されている。速度は下記の場合、すなわちε＝１．０３、１．０２、１．０１及び１．０００６の場合について示されている。交差点は前述のように最適な波数であるｋ＝５１．５ｍ−１に見出される。
【００６２】
Ｅｄｖａｒｄｓｓｏｎに付与された米国特許第４，６４１，１３９号に開示されている過大サイズの導波管及びモード抑制を利用する場合よりも綿密に実行されなければならない導波管の直径の校正及び測定にはいくつかの方法を利用できる。
【００６３】
１つの方法は１つ又はいくつかの判明している高さに対する現場校正によって１つ又はいくつかの液位についての有効直径を判定することである。図１では管１の長手方向に対して径方向に垂直の管１の下部に比較的薄い金属ピン１０が実装されている。この金属ピン１０は、ユニット４内の受信機によって受信される放射マイクロ波信号の規定の反射を誘発し、電子ユニットを介して液位測定機能の校正を行うリアクタンスからなっている。このような現場校正はさらに、参照として本明細書に組み込まれているＥｄｖａｒｄｓｓｏｎに付与された米国特許第５，１３６，２９９号に開示されている。勿論、実際の液面の正確な測定を利用して同じ校正を多数回行うことが好適である。
【００６４】
別の方法は、液面で反射したマイクロ波信号を第２伝播モードで受信し、管を通して再伝播し、かつ第１及び第２伝播モードの別の一方で受信されたマイクロ波信号の部分を区別するために、供給デバイスを利用してマイクロ波信号を第２伝播モードでも管１内でガスを通して液面の方向に送信することである。
【００６５】
図７ａから７ｂは２つのモードでの導波管供給の一例を示している。管１はシーリング１１及び１２によって封止されたカバー１０によって閉じられている。シーリングの下では、λ／２ダイポール１３が管１内にＨ１１モードを供給し、そして次に、これは２本のワイヤ１５を介して供給される。ダイポール１３の下には、管１にＥ０１モードを供給するのに適した形状が与えられた部材１４が対称に実装されている。部材１４には次に線１６によって供給される。線１５、１６は圧力シーリング１２を通り、測定装置の回線及びケーブル（図示せず）に接続されている。２本の線１５はバランに送られるので、それらは反対の位相で送られ、したがって線１５と、他の部品としてカバー１０の一部と同軸線のように送られる単一線１６とが自動的に絶縁される。整合などのための適切な形状によって、基本的に同じアウトラインが２つのモード（Ｈ１１及びＥ０１）の双方、並びにこれらの２つのモードのいずれか一方向けに動作することは明確である。アンテナ及び供給線１３から１６は点線１７で示されたプリント基板上に形成することができる。
【００６６】
このように、独立した２つの測定を行うことができ、液位だけではなく例えば有効直径又は平均直径のような管１の直径も測定から推測できる。式４を参照されたい。これを達成する方法の１つは２つのモードを付与する導波管接続を使用し、モードが極めて異なる場合、２つのモードでの群速度は、パルス式システムの場合は時間における反響を、またＦＭＣＷシステムの場合は周波数における反響を分離するのに充分に異なっていてもよいという事実を利用することである。
【００６７】
図１のユニット４の受信機は受信機への到達時間が異なる部分に基づいて第１及び第２の伝播モードの別の一方で受信されたマイクロ波信号の部分を区別するようにできる。その時点で供給する導波管は別のモードを結合するようにされた２つ（又はそれ以上）の接続線を有しており、ＲＦスイッチがモードを順次接続するか、２つ（又はそれ以上の）モードの測定が可能になるように受信機又は送信機チェーンの一部が２重にされる。
【００６８】
マイクロ波信号の部分は順次に検出できるように極めて異なる伝播時間を有することができる。そうではない場合は、ユニット４の送信機がマイクロ波信号を第１と第２の伝播モードで順次送信するようにしてもよい。
【００６９】
或いは、ユニット４の送信機がスペクトル分離された第１と第２の伝播モードでマイクロ波信号を送信するように適合される。このように、導波管の供給は一方のモードでは一方の周波数幅を、また他方のモードでは他方の周波数幅を付与する異なる周波数用の異なる機能を有する。
【００７０】
或いは（直径が判明していれば）信号処理デバイスが第１及び第２の伝播モードの別の一方で受信されたマイクロ波信号の、受信され、区別された部分に基づいて、液位上のガスの誘電率を計算するようにしてもよい。
【００７１】
図８ａから８ｂはＨ０１及びＥ０１モードでマイクロ波信号を供給するのに適した別の導波管供給を示している。管１、カバー１０及びシーリング１１は図８の実施例と同様である。典型的にはプリント基板２０によって形成されるアンテナ・デバイスは供給の極めて重要な部品である。プリント基板は同軸線によって供給され、その外側が２１に示されている。プリント基板２０は４つのλ／２ダイポール２５を載架しており、これらには（図示していない径方向ワイヤによって並列に効率的に結合されて）同相で供給されて、矢印で示すような電界方向を付与し、したがってダイポールはＨ０１導波管伝播モードに効率的に結合されることが可能である。プリント基板２０からカバー１０までの距離は約λ／４である。供給同軸線２１の外側は絶縁体２３とシールド２４とを有する別の同軸線の内側でもある。この同軸線は部材２４及びプリント基板２０上のパターンの一部によって生成されるＥ０１モードを供給する。絶縁体２３、２２は圧力シーリングである。２２及び２３の機械的取付け具は図示されていない。
【００７２】
図９ａから９ｃはモードＨ０１及びＨ１１でマイクロ波信号を生成するための導波管供給のさらに別の構成方法を示している。例えばプリント基板の形状のアンテナ素子３０は、シーリング３１を経て４本の同軸ケーブル３２によって供給される４つのダイポール３３を有する。コンテナの外側では、４本のケーブルには図９ｃで３４によって示されている結合ネットワークを介して供給され、このネットワークはコンテナ外部に位置しているか、場合によってはアンテナ素子３０上に位置している。供給ネットワークは異なる３つの導波管モードを生成可能な４つの標準型ハイブリッド回路３４から構成されている。最上部の入力は４つのダイポールが実線の矢印（図９ｂを参照）のように向けられたＨ０１モードを付与する。他の２つの入力は、Ｈ１１モードの送受信用に利用される右向きの円偏光及び左向きの円偏光で供給されるＨ１１モードを付与する。
【００７３】
図７から９に示されているような各供給デバイスは管１の直径に適応するように管１内にファンネル（図示せず）を備えていてもよい。ファンネルは参照として本明細書に組み込まれている米国特許第４，６４１，１３９号に記載されているように管１内に垂下させることができる。
【００７４】
下記の表２には４つの導波管モードＨ１１／Ｅ０１／Ｈ０１／Ｈ０２用の中心周波数と管の直径のある好適な組合せでの減衰が示されている。２５ｍの管（すなわち２×２５ｍの送信）での減衰がこれらの４つのモードについて所定の順序で、またスラッシュで分離されてｄＢ単位で示されている。
【００７５】
表２の数値は異なる実施例を特定するだけであることに留意されたい。理論上は主要伝播モードとしてどのモードを用いてもよい。異なるモードが式２及び３、及び表１に示されている。しかし、表２の組合せのうちの２つが特に好適な特性を有するように思われる。
【００７６】
約１０ＧＨｚの周波数を利用した１００ｍｍの管内でのＨ０２／Ｅ０１の組合せは、２つの回転対称モードが利用され、Ｈ０２モードが（よりよく知られているＨ０１モードと同様に）管の壁の状態には全く依存せず、またＥ０１がその遮断から遠く、ひいては管を通した従来のレーダ液位測定と同類の伝播を有するので有用である。
【００７７】
（例えば２．４から２．５ＧＨｚのＩＳＭ帯域内の）２．５ＧＨｚに近い周波数範囲を利用した１００ｍｍの管内でのＨ１１／Ｅ０１の組合せは、管の穴、継ぎ手などのような機械的細部に影響されにくく、またマイクロ波のハードウェアのコストがそれほど高くない低周波数を利用する方法である。
【００７８】
最後に、下記の表ではより短い管（多くのＬＰＧ球の高さはせいぜい１０から１５ｍである）を使用することで、（管の長さに比例する）過大な減衰を伴わずにより小型の管及び他のモードを利用することが可能になる。
【００７９】
表２．周波数と管の直径の選択が異なる、４つの導波管モードＨ１１／Ｅ０１／Ｈ０１／Ｈ０２での２×２５ｍのステンレス・スチール管（１０ＧＨｚで０．５Ω／平方）での減衰。ＮＰは伝播なし（遮断）を示す。ＮＡはどのモードも伝播不能であることを示し、１．４１−条件が満たされているモードにはアンダーラインが付され、最も好適である公算がある２つのモードの組合せはそれらの一方にアンダーラインが付され、そのモードが１．４１−条件を満たすことを示す。示された周波数は単に表示目的であるに過ぎず、１．４１−条件を満たすにはやや異なっている必要がある。
【００８０】
【表２】
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【００８１】
これらの実施例では、双方のモードで同じ周波数が利用されるものと想定されており、これは典型的にはスイッチ、別個の送信機又は受信機チャネルなどによる分離を意味している。明らかに、異なる周波数を利用して、同じ管に接続され、共通の信号処理部品を有する２つの別個のマイクロ波ユニット（又は広範囲に同調可能なユニット）にシステムを近づけることができる。その場合は、信号を分離するためにフィルタリング機能を利用することができ、モード発生器が異なる周波数には異なるモードを生成するようにできる。
【００８２】
マイクロ波信号を互いに独立した２つの伝播モードで測定することによって、管又はコンテナ内の環境の特性を検出し、補償することが可能である。良好な結果を得るため、１つのモードでのマイクロ波信号が激しく妨害される一方、他のモードでのマイクロ波信号は極めてわずかしか妨害されないようにモードを選択できる。
【００８３】
ユニット４の信号処理デバイスは好適には、各伝播モードで送信され、反射されるマイクロ波信号の伝播時間から、コンテナ内の液位を計算し、計算されたコンテナ内の液位に基づいて管又はコンテナ内の環境の１つ又は複数の特性を評価するようにさる。
【００８４】
或いは、ユニット４の信号処理デバイスは第１及び第２の伝播モードの別の一方で受信されたマイクロ波信号の区別された部分の減衰を計算し、マイクロ波信号の区別された部分の計算された減衰に基づいて管又はコンテナ内の環境の１つ又は複数の特性を評価するように適合される。
【００８５】
管又はコンテナ内の環境の１つ又は複数の特性には管の断面寸法、管の長さに沿った断面寸法の変化、管の同心性の程度、管の内壁での不純物、特に固体又は液体炭化水素の存在、又はガス中でのミストの存在が含まれる。異なるパラメータを明らかにするために異なる特性を有するモードを利用することができる。
【００８６】
図１０から１２は異なる誘電率εを有し、内壁上に異なる厚さｔの誘電層を有する、ガスを充填した導波管内のマイクロ波放射のモードＨ１１（図１０）、Ｅ０１（図１１）、及びＨ０１（図１２）のそれぞれについての波数の関数として真空中の群速度に正規化された、反転された群速度の概略的なグラフである。誘電層の誘電率は油層の場合の典型的な値である２．５に設定されている。
【００８７】
ガス充填と誘電層の場合の挙動は同様であることに留意されたい（ε＝１．０３のガスは厚さ１ｍｍの油層とほぼ同じ曲線を描く）。モードＨ１１の場合は、薄い誘電層の挙動はガスと極めて類似しているが、より厚い層はゼロ交差をより少ない波数の方向に移す。モードＥ０１の場合は、誘電層による影響され易さはやや強く、一方、モードＨ０１の場合は、誘電層は極めてわずかな影響力しか有していない。
【００８８】
このように、誘電層による影響力の差によって油層（例えば平均厚さ又は誘電率）を評価し、これを修正することが可能になる。
【００８９】
最後に、管１内に配置された反射性リアクタンス１０は、１つの伝播モードでは他の伝播モードよりもマイクロ波信号の反射が大幅に強くなるように設計されてもよい。反射性リアクタンス１０は（Ｈ１１の場合に非反射となる形状である）ＰＴＦＥ条片によって管１０内に同軸に支持された短い金属ピンとして実施されてもよい。これはＥ０１モードでは機械的に判明している位置で基準反射を生ずるが、Ｈ１１モードでは極めて弱い反射しか生じないようにするために利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の好適な実施例によるレーダを使用した液位測定デバイスの概略的な斜視図である。
【図２】最適な周波数での導波管内のＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての群速度の概略グラフである。
【図３】本発明の原理を示す、３つの異なる周波数、すなわち１つは最適周波数、１つはそれよりも大幅に低い周波数、また１つはそれよりも大幅に高い周波数での導波管内のＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての群速度の概略グラフである。
【図４】導波管の異なる直径での、最適な周波数での導波管内のＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の誘電率の関数としての群速度の概略グラフである。
【図５】異なる誘電率を有するガスを充填した導波管内のＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の波数の関数としての群速度の概略グラフである。
【図６】異なる誘電率を有するガスを充填した導波管内のＨ１１モードのマイクロ波放射の場合の波数の関数としての真空中での群速度に正規化された群速度の概略グラフである。
【図７ａ】モードＨ１１又はＥ０１の別個の導波管供給、又は別個の供給ポイントを利用した双方の導波管供給用のデバイスの概略的な断面側面図である。
【図７ｂ】モードＨ１１又はＥ０１の別個の導波管供給、又は別個の供給ポイントを利用した双方の導波管供給用のデバイスの概略的な断面底面図である。
【図８ａ】別個の供給ポイントを有するモードＨ０１又はＥ０１の導波管供給用のデバイスの概略的な断面側面図である。
【図８ｂ】図８ａのデバイス内に備えられているアンテナ・デバイスの概略図である。
【図９ａ】別個の供給ポイントを有するモードＨ１１及びＨ０１の導波管供給用のデバイスの概略的な断面側面図である。
【図９ｂ】図８ａのデバイス内に備えられているアンテナ・デバイスの概略図である。
【図９ｃ】図９ｂのアンテナ・デバイスに供給するための結合ネットワークの概略図である。
【図１０】異なる誘電率を有し、内壁上に厚さが異なる誘電層を有する、ガスを充填した導波管内でのマイクロ波放射のＨ１１モードでの波数の関数としての、真空中での群速度に正規化された反転群速度の概略図である。
【図１１】異なる誘電率を有し、内壁上に厚さが異なる誘電層を有する、ガスを充填した導波管内でのマイクロ波放射のＥ０１モードでの波数の関数としての、真空中での群速度に正規化された反転群速度の概略図である。
【図１２】異なる誘電率を有し、内壁上に厚さが異なる誘電層を有する、ガスを充填した導波管内でのマイクロ波放射のＨ０１モードでの波数の関数としての、真空中での群速度に正規化された反転群速度の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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