用于确定容器中的介质的密度的系统和方法技术方案

公开了一种用于确定容器中的非导电介质的密度的系统和方法，其中，介质的介电常数与密度之间的关系是已知的。该系统包括收发器和波导，波导朝向介质延伸并且延伸进入介质中。该系统还包括沿着波导设置的第一微波谐振器。第一微波谐振器具有谐振频率，并且被布置成反射沿着波导引导的信号的在频域内的一部分，该谐振频率根据已知关系而取决于谐振器周围的介质的介电常数。该系统还包括处理电路，该处理电路连接到收发器，并且被配置成基于接收反射信号而确定谐振频率并基于谐振频率而确定第一微波谐振器的位置处的介质的密度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于使用电磁波来确定容器(tank)中的介质的密度的系统和方法。
技术介绍
雷达物位计广泛用于测量容器中所包含的产品的过程变量，诸如填充物位(filling level)、温度、压力等。雷达物位测量一般借助于非接触测量来执行，由此电磁信号朝向容器中所包含的产品辐射，或者借助于通常称为导波雷达(GWR)的接触测量来执行，由此电磁信号由用作波导的探针引导朝向产品。该探针一般从容器的顶部到底部垂直布置。电磁信号随后在产品的表面处被反射，并且所反射的信号由雷达物位计系统中包括的接收器或收发器来接收。基于所发送的信号和所反射的信号，可以确定距产品的表面的距离。在许多应用中，还期望能够测量容器中的产品的密度以便进一步改进密闭输送(custody transfer)期间的准确度。由于在密闭输送期间所输送的量大，小测量误差将引起大的经济成本。另一期望是调查密度的可能垂直分层。在用于液化气(LNG、LPG等)的容器中，这样的分层可能产生不稳定的状况。需要在不同高度的大量密度测量来提供该信息。W02006084263公开了一种用于感测、监测和评估用在流体系统中的流体的特性的系统。具体地，机械谐振器布置在流体系统内的多个位置处。可以根据外部信号来主动地激励机械谐振器，并且来自谐振器的响应可以用于确定例如其中设置了谐振器的产品的密度。机械谐振器被规定为在kHz至MHz的范围内进行谐振，并且被配置为以谐振频率振动以确定流体系统中的特性的音叉。然而，机械谐振器对污染非常敏感，即，如果污染物附着于音叉型谐振器，则谐振器的谐振频率可能由于谐振器的附加质量而改变，这进而会导致流体的特性的错误确定。因此，期望提供一种用于确定保持在容器中的产品的特性的改进系统。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术的一般目的是提供一种用于确定容器中的产品的密度的改进系统和方法。另一目的是还利用该改进系统测量填充物位，从而提供一种用于测量至少两个过程变量的系统。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于确定容器中的非导电介质的密度的系统，其中，介质的介电常数与密度之间的关系是已知的。该系统包括:收发器，被配置成生成、发送和接收包括预定频率范围内的频率的微波电磁信号；以及波导，连接到收发器并朝向介质延伸且延伸到该介质中，并且被布置成朝向容器内的介质引导发送电磁信号且将该发送电磁信号引导到容器内的介质中，以及返回由发送电磁信号的反射得到的电磁信号。该系统还包括第一微波谐振器，该第一微波谐振器具有谐振频率并且被配置成反射与围绕谐振频率的第一带宽对应的频率，第一带宽比频率范围小并且在该频率范围内，并且该谐振频率根据已知关系而取决于谐振器周围的介质的介电常数。第一微波谐振器布置在沿着波导的位置处，并且被配置成当沿着波导引导电磁信号时反射与第一带宽对应的电磁信号的在频域内的部分。存在处理电路，该处理电路连接到收发器并且被配置成基于已由第一微波谐振器反射的接收信号的反射部分而确定谐振频率，该处理电路还被配置成基于谐振频率而确定第一微波谐振器的位置处的介质的密度。“收发器”可以是能够生成、发送和接收微波电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的发送器单元和接收器单元的系统。收发器能够生成并发送可在谐振器的谐振频率是预期的预定频率范围内步进或扫过的微波电磁信号。在本申请的上下文中，波导被设计用于引导电磁信号。可使用多种类型的波导，例如，单线(古博(Goubau)型或索莫菲尔德(Sommerfeld)型)探针和双线探针。探针可基本上是刚性的或柔性的，并且它们可由诸如不锈钢的金属、诸如PTFE的塑料或者其组合制成。容器可以是能够包含产品的任意忙存器(container)或器皿(vessel),并且可以是金属的或者部分或全部是非金属的、是开放的、半开放的或者封闭的。对于包含LNG (液化天然气，例如，甲烷)或LPG (液化石油气，例如，丙烷、丁烷等)的容器中的一些应用，由于在一些情况下LNG在_163°C下被运输或者在LPG的情况下外壳承受诸如15bar至20bar的高压，因此容器具有良好的温度绝缘。微波谐振器应被理解为位于沿着波导的任意位置处，以使得当信号通过谐振器的位置时沿着探针传播的信号的一部分被反射。微波谐振器具有谐振频率，该谐振频率具有第一带宽，该第一带宽比频率范围小并且在该频率范围内。由于第一带宽比频率范围小并且在该频率范围内，应理解，第一带宽包括频率的一部分，即，在频率范围内的一系列频率。谐振频率根据已知关系而取决于微波谐振器周围的介质的介电常数应被理解为，由于设计(即，形状和形式)、测试和/或先前计算，因此微波谐振器被配置成在已知的介电常数下呈现已知的谐振频率。该已知的谐振频率可以是介电常数的函数，即，存在连续已知关系，或者已知足够数量的离散数据点以使得所有谐振频率可适合于根据周围介质的介电常数的值的相应数据点。因而，通过确定谐振频率，可以确定介电常数。对于许多情况，如果谐振频率随介电常数增加而减小，例如，根据周围介质的介电常数的平方根倒数而变化的谐振频率，则这是有利的。通过布置成当由波导引导信号时反射与第一带宽对应的在频域内的信号的部分，应理解，微波谐振器耦合到波导并且沿着波导通过谐振器的发送信号将激励该谐振器。微波谐振器与波导之间的耦合弱以便使得第一带宽(即，谐振器的带宽)小，并且同时使得微波谐振器能够反射第一带宽内的信号的部分。可以激励微波谐振器的第一带宽可以被估计为fo/Q，fo是谐振频率并且Q是包括与波导的耦合的微波谐振器的Q值。低电阻损耗和与波导的弱耦合将提供高Q值，例如，1000或更高。如果信号包括远离取决于微波谐振器周围的介质的介电常数的实际谐振频率的一个或多个频率，则该信号将仅引起微波谐振器的小激励，并且当通过微波谐振器时微波谐振器将对沿着波导引导的信号有可忽略的影响。包括较接近微波谐振器的谐振频率的频率的信号(诸如包括第一带宽内的一个或多个频率的信号)将引起较大激励，并因而将对通过微波谐振器的信号有较高影响。谐振器的较大激励将使得从信号“取得”更多功率，并且信号的一部分因此将因微波谐振器中的损耗而被吸收。剩余的未被吸收的信号将被划分成两个部分，即朝向收发器被引导回去的反射部分和沿着波导继续的发送部分。信号的发送部分可由于阻抗转变而被进一步反射远离收发器，并且该反射的部分将在谐振器留下一些功率之后第二次返回到收发器。微波谐振器优选地被设计为具有高Q值，S卩，谐振频率与一半功率带宽之间的关系。来自这样的微波谐振器的反射包括在窄频带(例如，第一带宽)内，并因而容易地与由阻抗转变(诸如保持在容器中的产品的表面，这样的表面反射宽频带的信号)得到的反射区分开。优选地，高Q值要求微波谐振器的一些或全部零件由良好导体制成或者镀有诸如金的导电材料。此外，例如液体的周围介质优选地具有低介电损耗(诸如tan δ〈0.001)以提供窄带谐振。到达收发器的信号的反射部分将包括第一带宽的频率，从而指示谐振频率。因此，与浸入非导电介质中的微波谐振器相比，容器中的介质的表面之上的微波谐振器具有不同的反射谐振频率。可以假设，特定材料的介电常数具有与材料密度的已知关系，因此可以通过确定介电常数来得出密度。此外，通过适当地设计微波谐振器，可以在理论上确定本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定容器（102）中的非导电介质（104）的密度的系统（100），其中，所述介质的介电常数与密度之间的关系是已知的，所述系统包括：收发器（204），被配置成生成、发送和接收包括预定频率范围内的频率的微波电磁信号；波导（108），连接到所述收发器（204）并且朝向所述介质延伸且延伸到所述介质中，所述波导被布置成朝向所述容器（102）内的所述介质引导发送电磁信号且将所述发送电磁信号引导到所述介质中，并且返回由所述发送电磁信号的反射得到的电磁信号；其特征在于，所述系统还包括：第一微波谐振器（112），具有谐振频率并且被配置成反射与围绕所述谐振频率的第一带宽对应的频率，所述第一带宽小于所述频率范围并且在所述频率范围内，所述谐振频率根据已知关系而取决于所述谐振器（112）周围的介质的介电常数；其中，所述第一微波谐振器（112）布置在沿着所述波导（108）的位置处，并且被配置成当沿着所述波导引导所述电磁信号时反射与所述第一带宽对应的电磁信号的在频域内的部分；以及处理电路（208），连接到所述收发器（204）并且被配置成：基于已由所述第一微波谐振器（112）反射的接收信号的反射部分而确定所述谐振频率，所述处理电路进一步被配置成：基于所述谐振频率而确定所述第一微波谐振器（112）的位置处的所述介质的密度。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：奥洛夫·爱德华松，
申请(专利权)人：罗斯蒙特储罐雷达股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE