РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР
RADAR LEVEL GAUGE

Область техники
Изобретение относится к радарному измерителю уровня, содержащему трансивер для передачи электромагнитного сигнала и для приема электромагнитного эхо-сигнала, процессорный контур, связанный с трансивером и предназначенный для определения, по отраженному электромагнитному сигналу, уровня продукта (уровня заполнения резервуара), распространяющее устройство, выполненное с возможностью посылать передаваемый электромагнитный сигнал от трансивера в направлении указанного продукта и возвращать в трансивер отраженный электромагнитный сигнал, являющийся отражением указанного передаваемого сигнала от поверхности продукта, и волноводное устройство, связывающее трансивер с распространяющим устройством.
Уровень техники
Радарные измерители уровня (РИУ) эффективно используются для проведения измерений уровня продуктов, таких как технологические жидкости, гранулированные вещества и другие материалы, находящиеся в резервуаре (в танке). В одном варианте радарный измеритель уровня может содержать трансивер для передачи и приема микроволнового излучения, распространяющее устройство, способное посылать это излучение к поверхности продукта и передавать микроволновое излучение, отраженное поверхностью, на трансивер, а также процессорный контур, выполненный с возможностью определять уровень заполнения (уровень продукта в резервуаре), основываясь на соотношении между переданным микроволновым излучением и излучением, принятым трансивером.
Распространяющее устройство может быть направленной антенной, способной излучать свободно распространяющиеся электромагнитные волны в резервуар и принимать отражение этих волн. Соответствующие РИУ иногда именуются бесконтактными. Антенна может быть рассчитана на определенную полосу частот, причем центральные частоты наиболее часто используемых в настоящее время полос частот соответствуют 6 ГГц или 24 ГГц.
В одной известной конструкции волноводное устройство содержит полый волновод, который проходит через стенку резервуара. В волновод помещен диэлектрический компонент-заполнитель (пробка), чтобы предотвратить проникновение содержимого резервуара в волновод. Чтобы получить технологическое уплотнение, гарантирующее, что содержимое резервуара не выйдет за его пределы, вокруг пробки могут быть размещены уплотняющие элементы, например кольцевые уплотнения. Технологическое уплотнение может быть выполнено сохраняющим герметичность под давлением.
В качестве диэлектрического материала компонента-заполнителя выбирается материал, обладающий нужными диэлектрическими свойствами и при этом предпочтительно гидрофобный (водоотталкивающий). Однако подобные материалы, например политетрафторэтилен (ПТФЭ), как правило, являются относительно мягкими и изменяющими свои свойства при повышенных температурах. Как следствие, в условиях изменяющихся температур мягкий диэлектрический компонент-заполнитель, например из ПТФЭ, может сместиться относительно окружающего его волновода, который, как правило, изготавливается из стали. Такое смещение может привести к снижению качества уплотнения, обеспечиваемого уплотняющими элементами, что ухудшит степень герметичности резервуара.
Кроме того, в условиях высоких температур и высокого давления в резервуаре существует также риск того, что мягкий диэлектрический компонент будет вытолкнут из волновода даже через относительно малое отверстие (намного меньшее диаметра диэлектрического компонента).
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы ослабить эти проблемы и создать радарный измеритель уровня с улучшенной герметизацией волновода, проходящего через конструкцию, и снизить риск ухудшения качества передачи сигнала.
Согласно первому аспекту изобретения эта задача решена созданием радарного измерителя уровня, использующего электромагнитные волны для определения уровня продукта в резервуаре. Радарный измеритель уровня согласно изобретению содержит:
трансивер для передачи электромагнитного сигнала и приема электромагнитного эхо-сигнала;
процессорный контур, связанный с трансивером и предназначенный для определения, по электромагнитному эхо-сигналу, уровня продукта;
распространяющее устройство, выполненное с возможностью посылать передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отражение от указанной поверхности в трансивер в качестве электромагнитного эхо-сигнала,
и волноводное устройство, связывающее трансивер с распространяющим устройством.
Волноводное устройство содержит:
полый волновод;
первый диэлектрический компонент-заполнитель волновода, имеющий удлиненную центральную часть, внутренний конец которой введен во внутреннюю часть волновода, а наружный конец введен в наружную часть волновода, и часть в форме чашеобразной втулки, имеющей участок, отходящий радиально наружу от центральной части, и участок, соосный с центральной частью, и образующей, таким образом, чашеобразную поверхность, открытую со стороны, обращенной от резервуара. Второй компонент-заполнитель зафиксирован в волноводе по меньшей мере в направлении от резервуара. При этом второй диэлектрический материал способен выдерживать температуры до 250°С.
Разделение диэлектрического компонента-заполнителя (по меньшей мере) на две части позволяет изготовить его наружную часть из структурно прочного и термостойкого материала, который может быть закреплен в волноводе и благодаря этому удерживать внутреннюю часть в заданном положении, даже если эта (нижняя) часть размягчится под действием повышенных температур. Если значения температуры будут достаточно высокими, чтобы размягчить внутренний компонент-заполнитель, наружный компонент-заполнитель будет предотвращать выталкивание первого компонента-заполнителя из волновода.
Следует отметить, что в дальнейшем описании и формуле изобретения термины "внутренний" и "наружный" используются, чтобы характеризовать положения относительно внутреннего объема резервуара. Конкретно, наружный компонент-заполнитель расположен дальше от внутреннего объема резервуара, чем внутренний компонент-заполнитель.
Чтобы быть зафиксированным в волноводе, наружный компонент-заполнитель должен быть конструктивно прочным и иметь стабильную форму. Термин "выдерживать температуры" в контексте изобретения означает, что наружный компонент-заполнитель не утратит стабильность своей формы и не расплавится, а его химический состав не ухудшится. Таким образом, наружный компонент-заполнитель будет действовать как "пробка" и при повышенных температурах.
Желательно, чтобы второй диэлектрический материал мог выдерживать даже более высокие температуры, например вплоть до 500°С. Наружный компонент-заполнитель целесообразно изготовить из керамического материала, такого как оксид алюминия, из эпоксидной смолы или из стекла.
Внутренний компонент-заполнитель должен быть изготовлен из диэлектрического материала, обладающего желательными электромагнитными свойствами, а также стойкостью к содержимому резервуара, в типичном случае к нефтепродуктам. В дополнение к этим свойствам, внутренний компонент-заполнитель предпочтительно является гидрофобным, т.е. водоотталкивающим. Примерами материалов, обычно используемых в качестве диэлектрических компонентов-заполнителей в радарных измерителях уровня, являются, например, ПТФЭ, перфторалкилоксид (ПФА) и сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена (Fluorinated Ethylene Propylene, FEP) и PTS.
Согласно второму аспекту изобретения задача, поставленная перед изобретением, решена созданием радарного измерителя уровня, использующего электромагнитные волны для определения уровня продукта в резервуаре. Радарный измеритель уровня согласно изобретению содержит:
трансивер для передачи электромагнитного сигнала и приема электромагнитного эхо-сигнала;
процессорный контур, связанный с трансивером и предназначенный для определения, по электромагнитному эхо-сигналу, уровня продукта;
распространяющее устройство, выполненное с возможностью посылать передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отражение от указанной поверхности в трансивер в качестве электромагнитного эхо-сигнала, и
волноводное устройство, связывающее трансивер с распространяющим устройством.
Волноводное устройство содержит:
полый волновод, имеющий внутреннюю часть, образованную первым электропроводным компонентом волновода, и наружную часть, образованную вторым электропроводным компонентом волновода, а также
первый диэлектрический компонент-заполнитель волновода, имеющий удлиненную центральную часть, внутренний конец которой введен во внутреннюю часть волновода, а наружный конец введен в наружную часть волновода, и часть в форме чашеобразной втулки, имеющей участок, отходящий радиально наружу от центральной части, и участок, соосный с центральной частью.
Таким образом, втулка образует чашеобразную поверхность, открытую со стороны, обращенной от резервуара. При этом по меньшей мере часть указанной втулки зажата между первым и вторым компонентами волновода.
При такой конструкции диэлектрического компонента-заполнителя любая утечка воды или содержимого резервуара, которая достигнет этого компонента, будет направляться наружной поверхностью чашеобразной втулки, т.е. может быть выведена из измерителя, чтобы предотвратить ее попадание в электронный контур.
С этой целью волноводное устройство может содержать по меньшей мере один канал, обеспечивающий сообщение по текучей среде между наружной кромкой чашеобразной втулки и пространством снаружи резервуара для выведения жидкости по каналу (каналам) в пространство снаружи резервуара.
Волноводное устройство может дополнительно содержать по меньшей мере один уплотняющий элемент, находящийся в контакте с чашеобразной втулкой и выполненный с возможностью обеспечения технологического уплотнения резервуара. По меньшей мере на тех участках, где уплотняющий элемент (уплотняющие элементы) находится/находятся в контакте с втулкой, стенки втулки предпочтительно имеют толщину, существенно меньшую, чем диаметр указанной центральной части. Это повышает эффективность уплотняющих элементов, поскольку изменения температуры будут оказывать меньшее влияние на тонкие стенки.
В комбинации с первым аспектом изобретения чашеобразная втулка является особенно эффективной. Как показано выше, первый аспект изобретения предусматривает наличие двух отдельных компонентов-заполнителей волновода. В то время как такое решение преодолевает проблемы, связанные с выталкиванием мягкого диэлектрического компонента-заполнителя из волновода, оно создает другую проблему. Если уплотнение волновода несовершенно, любая утечка (например воды или содержимого резервуара) может достичь границы между отдельными диэлектрическими компонентами-заполнителями. Слой, например воды, на этой границе может существенно ухудшить прохождение электромагнитных сигналов через волновод. Чашеобразная втулка согласно второму аспекту изобретения гарантирует, что любая утечка не сможет достичь границы между первым и вторым компонентами-заполнителями.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие варианты изобретения, представляющиеся предпочтительными.
На фиг. 1 схематично изображен радарный измеритель уровня, установленный на резервуар.
На фиг. 2а-2b показан узел ввода в резервуар согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 схематично изображен радарный измеритель уровня (РИУ) 1 согласно варианту изобретения. Установленный на резервуар 2 РИУ 1 способен измерять интересующие переменные, например уровень границы 3 между двумя материалами 4, 5 в резервуаре 2. В типичном варианте первый материал - это находящаяся в резервуаре жидкость 4, например бензин, тогда как второй материал - это воздух или другая атмосфера 5 в резервуаре. В некоторых вариантах резервуар представляет собой большой металлический танк (с диаметром порядка Юм).
Радарный измеритель 1 уровня содержит трансивер 6 (обозначенный также, как Tx/Rx), процессорный контур 7 (μН) и сигнальный/энергетический интерфейс 8 (I/F). Все эти компоненты находятся в корпусе 14. Трансивер 6 электрически связан с соответствующим распространяющим устройством 10, в данном случае с направленной антенной в форме рупорной антенны 11, входящей в резервуар 2. Антенна 11 предназначена для излучения электромагнитных волн, свободно распространяющихся в резервуаре 2, чтобы отразиться от границы между средами, т.е. от поверхности 3 продукта 4 в резервуаре 2.
Частота передаваемого сигнала в типичном варианте находится в гигагерцовом диапазоне, составляя, например, около 6 ГГц или 26 ГГц. Сигнал может быть непрерывным с изменяющейся частотой (т.е. представлять собой непрерывное излучение с частотной модуляцией) или модулированный импульсный сигнал. Допустимы и другие типы передаваемых сигналов.
РИУ 1 дополнительно содержит узел 12 ввода, обеспечивающий канал (предпочтительно остающийся герметичным под давлением) для проведения электромагнитных сигналов через стенку резервуара, т.е. обеспечивающий прохождение передаваемых сигналов и отраженных сигналов между трансивером 6 и антенной 11.
Антенна 11 установлена на узле 12 ввода со стороны, обращенной к внутреннему объему резервуара. С этой целью узел 12 снабжен резьбой 15, а рупорная антенна 110 снабжена ответной резьбой 16 (см. фиг. 2а). На другой стороне узла 12, обращенной от резервуара, установлен корпус 14 РИУ, в котором находятся трансивер 6 и процессорный контур 7. Допустимы различные механические и электрические соединения корпуса 14 и установленных в нем контуров 6, 7, в детальном рассмотрении которых нет необходимости.
Как будет понятно из дальнейшего описания, герметичный узел 12 ввода образует герметичный волноводный канал (волновод) между антенной 11 и связанным с ней контуром. Сигналы от трансивера вводятся в верхний конец волновода посредством соответствующего ввода (не изображен), подсоединенного к трансиверу и выполненного с возможностью передавать электромагнитные сигналы между трансивером и полым волноводом. Далее сигналы могут поступать в антенну и испускаться в резервуар. Отраженные (возвращаемые) сигналы принимаются антенной и поступают в нижний конец волновода, а затем направляются в обратном направлении по вводу в контур трансивера.
Герметичный узел 12 ввода и рупорная антенна 11 более подробно показаны на фиг. 2а-2b. В представленном варианте РИУ рассчитан на рабочую частоту около 26 ГГц. Волноводное устройство 30 содержит полый волновод 20, образованный узлом ввода и выполненный с возможностью передавать электромагнитные сигналы между соответствующим контуром и антенной 11. В данном варианте диаметр волновода 20, который заполнен диэлектрическим материалом, может составлять около 5 мм. Однако точное значение диаметра будет зависеть от диэлектрического материала, заполняющего полый волновод.
Узел 12 ввода содержит присоединяющую деталь 21 для прикрепления к резервуару, изготовленную из металла, в типичном варианте из стали, и рассчитанную на прочное прикрепление к фланцу 13 резервуара (см. фиг. 1). С этой целью в детали 21 могут быть выполнены отверстия 22 под болты или другие крепежные элементы (на фиг.2а не изображены). Альтернативно, эта деталь может быть приварена к фланцу 13 резервуара.
Присоединяющая деталь может быть выполнена цельной. Однако в проиллюстрированном примере деталь 21 содержит фиксируемый крепежный элемент 23, предназначенный для прикрепления к фланцу 13 резервуара, и адаптер 24, предназначенный для ввода в центральное отверстие 25 крепежного элемента 23. Назначение адаптера 24 состоит в том, чтобы один и тот же фиксируемый крепежный элемент можно было использовать совместно с крепежными средствами для различных распространяющих устройств (антенн, волноводных конструкций, зондов на основе передающей линии и др.). Адаптер 24 позиционирован в фиксируемом крепежном элементе 23 посредством выполненного на нем кольцевого выступа 26, который опирается на заплечик 27 в отверстии 25. Альтернативно, отверстие 25 может быть выполнено сужающимся на конус, а адаптеру может быть придана форма, соответствующая профилю отверстия. Адаптер 24 может фиксироваться в отверстии 25 по прессовой посадке или иным способом.
В представленном варианте адаптер 24 позиционирован в нижней (обращенной к резервуару) части 23а фиксируемого крепежного элемента, так что верхняя (обращенная от резервуара) часть 23b крепежного элемента 23 расположена над адаптером 24. Альтернативно, адаптер 24 может быть расположен заподлицо с верхней поверхностью 23с крепежного элемента 23 или даже выступать за поверхность 23с. При этом в проиллюстрированном примере нижняя (обращенная к резервуару) часть 24а адаптера 24 выступает вниз за нижнюю поверхность 23d крепежного элемента 23. Резьба 15 выполнена на боковой поверхности именно этой нижней части 24а.
Присоединяющая деталь 21 служит также первым из компонентов, формирующих волновод. В ней имеется канал 28, который образует внутреннюю часть волновода 20. Нижняя часть 28а этого канала выполнена расходящейся книзу, т.е. ее поперечный размер увеличивается в направлении резервуара, чтобы обеспечить согласование с рупорной антенной 11. Волноводное устройство 30 дополнительно содержит первый компонент-заполнитель 31 волновода, способный предотвращать попадание содержимого резервуара в рупорную антенну 11. Подходящие материалы, такие как ПТФЭ, являются относительно мягкими, особенно при повышенных температурах. У компонента 31 имеются удлиненная центральная часть 32 и часть в форме чашеобразной втулки, отходящая радиально наружу от центральной части 32 и соосная с ней. Таким образом, у данной чашеобразной втулки имеется открытая сторона, обращенная от резервуара. В рассматриваемом варианте втулка по форме близка к ведру: у нее имеется дисковидная часть 33, отходящая радиально от центральной части, и цилиндрическая часть 34, отходящая вверх от периферии дисковидной части 33, т.е. параллельно оси центральной части 32. Таким образом, цилиндрическая часть 34 и центральная часть 32 являются коаксиальными.
На верхней поверхности 33а дисковидной части 33 сформирован кольцевой выступ 35, предназначенный функционировать как четвертьволновой дроссель, предотвращающий утечки электромагнитной энергии из волновода. Такая электромагнитная ловушка может быть реализована и другими средствами, например подбором соответствующего радиального расстояния между центральной частью 32 и цилиндрической частью 34.
Центральная часть 32 имеет сужающийся нижний конец 32а, который выступает в расширяющуюся часть 28а канала 28. Верхний конец 32b центральной части 32 также выполнен слегка сужающимся, при этом в его торце выполнено углубление 36 для приема второго диэлектрического компонента-заполнителя, в данном варианте в виде штифта 37.
Штифт изготовлен из структурно прочного и термостойкого материала. Штифт должен выдерживать температуры по меньшей мере до 250°С, предпочтительно до 500°С. Примерами подходящих материалов являются смола, стекло и оксид алюминия.
Штифт 37 удерживается в нужном положении посредством промежуточного металлического элемента 38, рассчитанного на введение внутрь чашеобразной втулки и имеющего полость 39 для приема верхнего конца 32b центральной части 32. Металлический элемент 38 снабжен отверстием 40, через которое проходит штифт 37. Таким образом, это отверстие образует короткую секцию волновода 20. На металлический элемент 38 помещен дополнительный диэлектрический компонент-заполнитель 41 волновода, имеющий на своем нижнем конце углубление 42, рассчитанное на прием штифта 37.
Штифт 37 удерживается в требуемом положении, чтобы обеспечить его фиксацию относительно резервуара по меньшей мере в осевом направлении. В частности, штифт 37 может не быть жестко закрепленным, но упираться в опорную поверхность на металлическом элементе 38, расположенную над штифтом 37. Альтернативно, штифт 37 крепится к металлическому элементу 38. Так, если штифт 37 изготовлен из оксида алюминия, он может быть припаян к элементу 38.
Штифт 37 предотвращает выталкивание относительно мягкого диэлектрического компонента-заполнителя 31 волновода из канала 28 под действием давления внутри резервуара, особенно в условиях повышенных температур. С такой конструкцией герметичный ввод, рассчитанный для 26 ГГц с заполнителем волновода, ближайшим к антенне, выполненным из ПТФЭ, может выдерживать давления вплоть до 4 МПа при температурах до 250°С.
Узел 12 ввода дополнительно содержит металлический крепежный компонент 43, который, чтобы сформировать наружную часть волновода 20, снабжен отверстием 46, выполненным с возможностью охватывать второй компонент-заполнитель 41 волновода. Крепежный компонент 43 выполнен с возможностью его присоединения к присоединяющей детали 21. В результате волноводное устройство 30, содержащее компоненты-заполнители 31 и 41 волновода, а также штифт 37 и металлический элемент 38, оказывается зажатым между присоединяющей деталью 21 и крепежным компонентом 43. В проиллюстрированном варианте крепежный компонент 43 снабжен наружной резьбой 44, соответствующей внутренней резьбе 45 на верхней части 23b фиксируемого крепежного элемента 23. Это позволяет установить (завинчиванием) крепежный компонент 43 в требуемое положение.
Следует отметить, что металлический элемент 38 и крепежный компонент 43 могут быть объединены в единый компонент, образующий наружную часть волновода.
Герметичный ввод содержит также технологическое уплотнение, т.е. уплотнение, предотвращающее выход из резервуара находящегося в нем газа, который потенциально содержит продукт в газообразной форме. Данное уплотнение может, например, состоять из уплотняющих элементов, входящих в состав волноводного устройства.
В условиях повышенных температур потенциальные изменения диаметра компонента-заполнителя из ПТФЭ создают трудности в обеспечении герметизации. В связи с этим компонент-заполнитель содержит описанную выше чашеобразную втулку, а также уплотняющий элемент, такой как кольцевое уплотнение 48а, помещенный между внутренней поверхностью цилиндрической части 34 и крепежным компонентом 43. Толщина материала цилиндрической части 34 выбрана намного меньшей, чем диаметр компонента-заполнителя 31. Тем самым обеспечивается уменьшение потенциального теплового расширения. Между верхним заплечиком 27 крепежного элемента 23 и периферийной областью дисковидной части 33 помещен дополнительный уплотняющий элемент, в данном варианте плоское кольцо 48b. При этом толщина дисковидной части 33 выбрана существенно меньшей диаметра компонента 31. Как пример, толщина материала на участках чашеобразной втулки, которые находятся в контакте с уплотняющими элементами 48а, 48b, составляет менее 5 мм, предпочтительно около 2 мм.
Наружная кромка 34а чашеобразной втулки (т.е. ее цилиндрической части 34) находится на небольшом расстоянии ниже резьбовой части 45, причем в присоединяющей детали 21 и/или в крепежном компоненте 43 выполнены один или более каналов 47, чтобы обеспечить сообщение по текучей среде между наружной кромкой 34а втулки и пространством снаружи резервуара. В результате любая утечка или конденсация, прошедшая через уплотняющий элемент 48b, будет направляться наружной поверхностью чашеобразной втулки и выводиться из узла ввода по каналам 47. Тем самым предотвращается проникание материала утечки или конденсации в уплотняющий элемент 48а.
Специалисту будет понятно, что изобретение ни в коем случае не ограничено его описанными предпочтительными вариантами. Напротив, в пределах объема прилагаемых пунктов формулы возможны многие модификации и вариации. Например, компонент в форме втулки может не иметь плоской и цилиндрической частей, а выполняться в виде чашки с криволинейной стенкой. Ему можно также придать форму воронки, например, имеющей коническую поверхность с основанием, обращенным от резервуара.