CN104205487A - 用于液位计量与其它应用中的雷达的改进的天线保护 - Google Patents

Abstract

一种液位计（106），其包括构造为朝向罐（102）中的材料（104）发送无线信号以及接收从罐中的材料反射的无线信号的至少一个天线（216）。液位计还包括：具有外部部分（204、304）的壳体（108、202、302、402）、在外部部分内的凸起边缘（208、308）、在外部部分与边缘之间延伸的成角度部分（206、306）、以及在边缘内的凹面部分（210、310）。凹面部分在壳体内形成凹坑。至少一个天线构造为通过壳体的凹面部分发送与接收无线信号。

Description

用于液位计量与其它应用中的雷达的改进的天线保护

技术领域

本公开大体上涉及雷达***。更具体地说，本公开涉及用于在液位计量（level gauging）与其它应用中的雷达的改进的天线保护。

背景技术

处理设施与其它设施惯常地包括用于存储液体材料与其它材料的罐。例如，存储罐惯常地用于罐区设施以及其它存储设施中以存储油或其它材料。作为另一个实例，油轮与其它运输船惯常地包括存储油或其它材料的大量罐。

经常有必要或者期望测量存储在罐中的材料量。例如在将材料加载到罐中或者将材料从罐卸载的过程中这可以是有用的。作为特定的实例，“密闭输送”与“油的称重与测量”通常要求来自安装在罐的顶部上的液位计量装置高度准确的测量。在大型存储罐中，液位读数中的一毫米的误差能够对应于几立方米的体积误差。这能够导致一方或多方当事人几千美元的损失。

雷达计是过去几十年使用的一种类型的非接触液位计。雷达计典型地朝向罐中的材料发送无线信号并且接收从罐中的材料反射的无线信号。不幸的是，雷达测量量能够受到罐内部的多重反射的影响，诸如来自罐的壁、底部、顶部、以及像如搅拌器、梯状物和热盘管（heat coil）的障碍物的反射。此外，罐的全部容量都通常用于存储与输送。为此原因，即使当材料的液位接近罐的底部或顶部时，液位测量也典型地需要是恒定可靠的，这通过传统雷达计能够是难以实现的。

解决这些问题的一种途径是利用具有较小天线的窄的雷达射束。较小的天线能够通常适配到罐的不同喷嘴中，从而去除了与在罐中形成大的“人孔”相关的成本。此外，更窄射束能够避免来自罐中的其它物体的反射。因此，已经提出了具有超宽带宽的毫米波雷达。然而，罐中的材料能够是侵犯性的（例如，高腐蚀性），并且罐内部的压力能够高于大气压力。因此，诸如毫米波雷达的敏感性液位计量设备的牢靠保护对于实现高性能与低成本能够是非常重要的。

发明内容

本公开提供了用于在液位计量与其它应用中的雷达的改进的天线保护。

在第一实施方式中，液位计包括至少一个天线，其构造为朝向罐中的材料发送无线信号以及接收从罐中的材料反射的无线信号。液位计还包括壳体，该壳体具有外部部分、在外部部分内的凸起边缘、在外部部分与边缘之间延伸的成角度部分、以及边缘内的凹面部分。凹面部分在壳体内形成凹坑。至少一个天线构造为通过壳体的凹面部分发送和接收无线信号。

在第二实施方式中，一种装置，包括构造为保护一个或更多个无线部件的壳体。壳体包括外部部分、在外部部分内的凸起边缘、在外部部分与边缘之间延伸的成角度部分、以及边缘内的凹面部分。凹面部分在壳体内形成凹坑并且对于由一个或更多个无线部件使用的无线信号基本是可穿透的。

在第三实施方式中，一种方法，包括：通过壳体朝向罐中的材料发送无线信号，并且通过壳体接收从罐中的材料反射的无线信号。壳体包括外部部分、在外部部分内的凸起边缘、在外部部分与边缘之间延伸的成角度部分、以及边缘内的凹面部分。凹面部分在壳体内形成凹坑并且对于无线信号基本是可穿透的。

通过下面的附图、描述、与权利要求，其它技术特征对于本领域中的技术人员来说可以是容易明白的。

附图说明

为了更加全面地理解本公开及其特征，结合附图来参照下面的描述，在附图中：

图1A和图1B示出了根据本公开的实例罐液位测量***；

图2A至图4示出了在根据本公开的液位计量***中具有改进的天线保护的实例液位计；以及

图5示出了根据本公开的用于液位计量的实例方法。

具体实施方式

下面讨论的图1至图5以及在本专利文献中用于描述本发明的原理的各个实施方式仅仅是描述的方式，并且不应以任何方式解释为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解的是，本发明的原理可以在任何类型的适当布置的设备或***中实施。

图1A和图1B示出了根据本公开的实例罐液位测量***。如图1A中示出的，***100结合能够存储一种或更多种材料104的罐102使用。罐102通常表示用于接收与存储至少一种液体或其它材料的任何适当结构。罐102能够例如表示油存储罐或用于存储其他液体或其它材料的罐。罐102还能够具有任何适当的形状与尺寸。此外，罐102能够形成更大结构的一部分。更大结构能够表示含有一个或更多个罐102或者与其相关的任何固定或可移动结构，诸如移动油轮、轨道车或卡车或固定罐区。

***100在罐102的顶部上包括液位计106。液位计106被用于测量罐102中的材料104的液位。例如，液位计106中的天线朝向材料104发送无线信号并且接收来自材料104的反射信号。然后液位计106能够分析此信号以确定罐102中材料104的液位。液位计106包括任何适当的结构，用于产生朝向罐中的材料无线发送的信号并且从罐中的材料接收反射信号。

在一些实施方式中，液位计106支持在从约30GHz延伸到约300GHz的超宽带（UWB）“毫米波”（MMW）范围中使用无线信号。通过MMW频率操作，液位计天线能够小型化，诸如适配到罐102的顶部中的小喷嘴中。喷嘴能够方便接近罐102。具有窄射束宽度的UWB液位计106能够解决上面讨论的各个问题，诸如由来自罐的壁、底部、顶部、以及像如搅拌器、梯状物和热盘管的障碍物的反射造成的干扰。此外，即使当材料104的液位接近罐102的底部或顶部时，此类型的液位计106也能够是恒定可靠的。此外，即使存在来自罐102中多个紧密隔开物体的干扰，这种类型的液位计106也能够是准确的。

如图1A中所示，液位计106包括保护液位计106的天线与其它部件远离罐102内的环境的盖108。在恶劣环境条件下，传统***不能在不显著地降低雷达性能的情况下容易地保护MMW天线透镜的前部。如下面更加详细地描述的，液位计106包括大体上描述为具有“火山锥”形状的保护性盖108。除了其它方面，此保护性盖108提供了对抗罐102中的化学液体与蒸汽的稳固性，提供了对抗凝结在天线表面上的水的机构，并且提供了可靠的高性能。如此，该保护性盖108能够在不显著地干涉这些设备的操作的情况下与UWB液位计或者在MMW范围内操作的其它设备一起使用。

图1B示出了使用具有保护性盖108的液位计106的另一个实例***150。在此实例中，液位计106安装在于罐102上方延伸的主干152上。主干152提供了到罐102内部的入口，同时使液位计106保持在罐102的顶部上方位置处。作为特定实例，能够在运输船上使用主干152以使液位计106保持在船的甲板上方，以帮助使水避开液位计106，并且避免与罐内部的材料直接接触。

尽管图1A和图1B示出了罐液位测量***100和150的实例，但是可以对图1A和图1B进行多种改变。例如，每个***都能够包括任何数量的罐、液位计以及其它部件。另外，在每个附图中示出的功能性分割仅仅是描述性的。在每一附图中的各个部件都能够被省略、结合或者进一步再分割，并且能够根据特定需要增加附加部件。作为特定实例，描述为通过液位计106执行的信号处理功能能够通过液位计106外部并且联接到液位计106的处理***执行。此外，图1A和图1B示出了其中能够使用液位计106的实例方式。然而，能够以其它方式使用液位计106。

图2A至图4示出了在根据本公开的液位计量***中具有改进的天线保护的实例液位计。图2A和图2B示出了具有改进的天线保护的液位计200的一个可能的实施方案。特别地，图2A示出了液位计200的仰视图，并且图2B示出了通过图2A中的液位计200的中心的液位计200的横截面视图。液位计200能够例如形成图1A和图1B的***100、150中的液位计106的至少一部分。

如图2A和图2B中所示，液位计200包括下壳体202。下壳体202帮助封装液位计200的内部部件，从而使内部部件与罐102内的环境分离。在此实例中，下壳体202包括外部环形区域204，其在这里在顶部上与在底部上大体上是平坦的。然而，应该注意的是，外部环形区域204的顶部表面与底部表面能够具有其它形状。例如，外部环形区域204的顶部能够成形为与罐102的内表面一致，并且外部环形区域204的底部能够具有任何其它期望的形状。这里外部环形区域204包括允许下壳体202抵靠另一个结构螺接或者以其他方式固定的各个开口205。作为特定实例，下壳体202能够抵靠罐102的顶部、上壳体、或者其它结构固定，以形成对罐102的内容物的气密密封。

下壳体202还包括从外部环形区域204延伸到凸起环形边缘208的成角度的环形区域206。在此实例中成角度的环形区域206具有大体上直的侧面，并且凸起的环形边缘208是圆角的。当然，成角度的环形区域206的侧面无需是直的，并且凸起的环形边缘208能够具有任何其它适当的形状。

此外，下壳体202包括中心区域210。中心区域210是凹面的并且朝向液位计200的内部部件向内成弧形。因此，环形边缘208相对于外部环形区域204与中心区域210是凸起的。中心区域210对于由液位计200使用的无线信号是可穿透或基本是可穿透的，以确定罐中材料的液位。壳体202的剩余部分对于无线信号能够是基本上或完全地反射性或吸收性的。

在此实例中液位计200被称为呈现“火山锥”结构。这是因为壳体202的外表面从外部环形区域204延伸到凸起的环形边缘208，之后回落到凹面中心区域210形式的“凹坑”中。

环形区域204-208由一种或更多种金属或者诸如不锈钢的能够经受罐102内部的环境的其它材料形成。此外，凹面的中心区域210是由诸如聚四氟乙烯（PTFE）层的能够在不显著地干扰液位计200的操作的情况下经受罐102内部的环境的聚合物或其它材料形成。在特定实施方式中，PTFE层能够是约82mm宽并且约9mm-9.5mm厚具有约60mm-61mm的曲率半径。PTFE材料对于多种不同的化学腐蚀基本是惰性的。

由于中心区域210是凹面的，因此凝结在中心区域210上的基本上全部水或其它液体都远离中心区域210朝向边缘208流动。因此，液位计200能够有效地解决凝结效应。此外，凹面中心区域210能够密封到壳体202的其它部分，以对着罐102的内容物形成能够经受罐102内的升高的压力的气密密封。作为特定实例，上述的PTFE层能够经受至少几巴的压力，诸如约三巴（正常大体压力的三倍）。应该注意的是，凹面中心区域210能够以任何适当方式连接到壳体202的其它部分，诸如通过环形结构211，其利用螺栓或其它机构来固定凹面中心区域210并且将凹面中心区域210推入到壳体202的其它部分中。此外，凹面中心区域210对由液位计200使用的无线信号能够具有很小的影响（如果有一些影响的话）。例如，PTFE层能够最多对UWB MMW雷达的准确性仅具有微小影响。

在此实例中液位计200还包括控制单元212、收发器214、天线216、以及天线透镜218。液位计200朝向罐102中的材料104发送无线信号并且接收从罐102中的材料104反射的无线信号。然后分析此信号以确定材料液位。在此实例中，收发器214经由天线216产生用于无线发送的信号，并且收发器214处理通过天线216无线地接收的信号。天线216发送与接收无线信号。天线透镜218使发送到更窄射束宽度的无线信号聚焦。控制单元212控制无线信号的发送并且分析这些信号以确定材料液位。

控制单元212包括用于控制无线信号的发送的任何适当结构以便识别罐中的材料液位并且可能地分析信号以识别在罐中的材料液位。收发器214包括用于发送与接收无线信号的任何适当结构，诸如UWB MMW收发器。应该注意的是，尽管显示为单个单元，但是收发器214还能够包括发送器与单独的接收器。天线216包括用于发送与接收无线信号的任何适当结构，诸如射频（RF）天线。应该注意的是，尽管示出了单个天线216，但是也能够使用诸如发送天线与接收天线的多个天线。天线透镜218包括用于聚焦无线信号的任何适当结构。

图3示出了液位计的实例下壳体302。如图3中所示，下壳体302包括外部环形区域304、成角度的环形区域306、以及凸起的环形边缘308。环形区域304-308能够由至少一种金属或其它材料形成。下壳体302还包括能够由PTFE或其它材料形成的凹面中心区域310。如能够在这里看到的，凹面中心区域310密封到凸起的环形边缘308，这能够帮助防止罐102内部的材料达到液位计的敏感的内部部件。

图4示出了具有下壳体402与上壳体404两者的实例液位计400。下壳体402与上述壳体202、302类似。上壳体404覆盖诸如控制单元、收发器、天线、与天线透镜的液位计400的内部部件406。上壳体404由此提供了对液位计400的内部部件406的保护，诸如保护远离罐102外部的周围环境。

尽管图2A至图4示出了在液位计量***中具有改进的天线保护的液位计的实例，但是可以对图2A至图4进行各种改变。例如，如图2A至图4中所示，由于其成角度的环形区域的侧面朝向由其凹面中心区域形成的凹坑向上地成角度，因此下壳体202、302、402具有“火山锥”形状。然而，应该注意的是，短语“火山锥”不要求壳体的成角度的侧面将形成完美锥形而是为了存在壳体凹面中心区域。尽管示出为圆形环，但是如需要或期望的在每个壳体中的各个环形区域能够具有任何适当的圆形或非圆形形状。类似地，尽管示出为圆盘，但是在每个壳体中的各个凹面中心区域能够如所需要或期望地具有任何适当的圆形或非圆形形状。此外，在图2A至图4中示出的部件中的每个都能够具有任何适当的大小与尺寸。

图5示出了根据本公开的用于液位计量的实例方法500。如图5中所示，在步骤502处液位计的起作用部件安装在罐上，在步骤504处上壳体安装在起作用部件上，并且在步骤506处下壳体安装在起作用部件下。例如，起作用部件能够包括液位计的控制单元、收发器、天线以及天线透镜。在特定实施方式中，至少天线的尺寸设计为适配在罐的顶部中的小喷嘴内。安装上壳体与下壳体能够包括将壳体固定在罐的顶部或主干的相对侧面上并且可能地相互固定。应该注意的是此三个步骤能够单独地或者共同地发生（以任何顺序或组合）。

在步骤508处产生无线信号并且窄射束被发送通过下壳体。例如，这能够包括收发器214，所述收发器产生能够通过天线216转换成无线信号的电信号。这还能够包括将无线信号聚焦成窄射束的天线透镜218。应该注意的是，能够使用诸如在UWB MMW范围内的信号的任何适当的无线信号。在步骤510处从罐中的材料反射的无线信号通过下壳体被接收。例如，这能够包括当接收反射信号时收发器214接收与处理由天线216产生的电信号。在步骤512处信号被分析以确定罐中材料的液位。这里能够使用任何适当的分析操作，诸如飞行时间计算。

在操作液位计的过程中，在步骤514处液位计的起作用部件受到壳体的保护而远离罐环境。这能够包括例如防止存储在罐内部的材料与起作用部件接触的一个或两个壳体。

应该注意的是，由于使用窄射束，因此这能够有助于减少或消除由来自罐壁、底部、顶部以及像如搅拌器、梯状物与热盘管的障碍物的反射造成的干扰。此外，液位计能够提供可靠的操作，不管材料液位接近罐顶部还是底部。此外，下壳体能够保护液位计的其它部件远离腐蚀性或其它材料，减少或消除凝结问题，并且经受罐内部升高的压力。

尽管图5示出了用于液位计量的方法500的一个实例，但是能够对图5进行各种改变。例如，尽管示出为一系列步骤，但是在图5中的各个步骤能够重叠、平行发生、以不同顺序发生、或者发生多次。

可能有利地阐述贯穿本专利文献使用的一些词语与短语的定义。术语“发送”、“接收”以及“通信”及其衍生词囊括直接与间接通信。术语“包括”和“包含”及其衍生词意指包括但不限制。术语“或者”是包括性的，意指和/或。短语“与……相关”及其衍生词可以表示包括、包括在内、相互连接、包含、包含在内、连接到或与……连接、联接到或与……联接、与……通信、与……配合、交错、并列、接近到、结合到或与……结合、具有、具有……的特性、具有与或同……的关系等。短语“……中的至少一个”当用于项目列表时意指可以使用列出的项目中的一个或更多个的不同组合，并且可以仅需要此列表中的一个项目。例如，“A、B和C中的至少一个”包括下面组合中的任一个：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A和B和C。

尽管本公开描述了一些实施方式与大体上相关的方法，但是这些实施方式与方法的替代方式与变化组合对于本领域技术人员将是明显的。因此，上面实例实施方式的描述不限定或限制本公开。在不偏离如通过所附权利要求限定的本公开的精神与范围的情形况下，其它改变、替换以及替代也是可能的。

Claims (15)

1.一种液位计（106），包括：

至少一个天线（216），其构造为朝向罐（102）中的材料（104）发送无线信号以及接收从所述罐中的材料反射的无线信号；以及

壳体（108、202、302、402），其包括：

　外部部分（204、304）；

　在所述外部部分内的凸起边缘（208、308）；

　在所述外部部分与所述边缘之间延伸的成角度部分（206、306）；以及

　在所述边缘内的凹面部分（210、310），所述凹面部分在所述壳体内形成凹坑；

其中，所述至少一个天线构造为通过所述壳体的所述凹面部分发送和接收无线信号。

2.根据权利要求1所述的液位计，其中：

所述外部部分包括外部环形区域；

所述成角度部分包括在所述外部环形区域内的成角度环形区域；并且

所述边缘包括环形边缘。

3.根据权利要求2所述的液位计，其中：

所述环形区域包括圆环区域；并且

所述凹面部分包括圆盘。

4.根据权利要求1所述的液位计，其中，所述壳体构造为使得凝结在所述凹面部分上的液体基本朝向所述边缘流动并且离开所述凹面部分。

5.根据权利要求1所述的液位计，其中，所述壳体的所述凹面部分对于被发送与被接收的无线信号基本是可穿透的。

6.根据权利要求1所述的液位计，还包括：

天线透镜（218），其位于所述至少一个天线与所述壳体的所述凹面部分之间，所述天线透镜构造为对被发送的无线信号聚焦。

7.根据权利要求1所述的液位计，还包括：

收发器（214），其构造为产生用于由所述至少一个天线无线传送的电信号，并且处理从所述至少一个天线接收的电信号。

8.根据权利要求1所述的液位计，还包括：

控制单元（212），其构造为识别在所述罐中的所述材料的液位。

9.一种装置，包括：

壳体（108、202、302、402），其构造为保护一个或更多个无线部件，所述壳体包括：

　外部部分（204、304）；

　在所述外部部分内的凸起边缘（208、308）；

　在所述外部部分与所述边缘之间延伸的成角度部分（206、306）；以及

　在所述边缘内的凹面部分（210、310），所述凹面部分在所述壳体内形成凹坑；

其中，所述凹面部分对于由所述一个或更多个无线部件使用的无线信号基本是可穿透的。

10.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述外部部分包括外部环形区域；

所述成角度部分包括在所述外部环形区域内的成角度环形区域；并且

所述边缘包括环形边缘。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，所述壳体构造为使得凝结在所述凹面部分上的液体基本朝向所述边缘流动并且离开所述凹面部分。

12.根据权利要求9所述的装置，其中：

所述外部部分、所述成角度部分以及边缘包括至少一种金属；并且

所述凹面部分包括聚四氟乙烯。

13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述凹面部分抵靠所述边缘而密封。

14.一种方法，包括：

通过壳体（108、202、302、402）朝向罐（102）中的材料（104）发送（508）无线信号；并且

通过所述壳体接收（510）从所述罐中的材料反射的无线信号；

其中，所述壳体包括：

　外部部分（204、304）；

　在所述外部部分内的凸起边缘（208、308）；

　在所述外部部分与所述边缘之间延伸的成角度部分（206、306）；以及

　在所述边缘内的凹面部分（210、310），所述凹面部分在所述壳体内形成凹坑，所述凹面部分对于所述无线信号基本是可穿透的。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

利用所述无线信号确定（512）所述罐中的材料的液位。