一种微波水位计及水位测定方法

技术领域

本发明涉及微波水位计技术领域，具体涉及一种微波水位计及水位测定方法。

背景技术

在大量用于确定容器中液位的测量方法中，公知的测量方法是通过传播时间测量方法。在该测量方法的情况下，例如通过天线设备传输微波，并且检测在介质表面上反射的回波，其中，测量信号的传播时间是所传播距离的度量。因此，能够通过一般传播时间确定容器中介质的的液位。在该种情况下，回波曲线代表时间的信号的总行程，其中回波曲线的每个测量值都对应于特定距离的表面上反射的回波信号的振幅。传播时间测量方法本质上分为两种确定方法，在时间差方法的情况下，确定宽带信号脉冲对所述传播的路径需要的事件，在频率差方法的情况下，将所传输的调频、高频信号与经过反射的、接收的、调频的、高频信号比较。

在特定的工艺应用情况下，在利用上述的测量方法进行液位的测量时，则存在着诸多问题，由于容器中的液位并不是完全处于静止的玻璃液面，微波信号在液相表面遭遇的阻抗变换部分的反射产生的对应的回波信号的传播方向并不完全确定的，因此其传播时间可能由于传播路径的不同而存在差异，并且容器中盛装的过程流体本身的介电常数的影响，微波信号的回波信号会在阻抗变换的部分消失，虽然现有的微波液位计可以通过模糊算法来优化时间测量的时间差方法和频差方法中的微波信号的相位差，来获得更高精度的测量，但在容器中的液相受到外力作用的影响时，模糊算法将无法准确的计算容器中的精确液位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微波水位计及水位测定方法，以解决现有技术中固定的微波信号投射方向无法精确测量罐体内的过程流体的液相在自身介电常数和表面复杂状态的影响下的液位高度的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

包括微波源总成和主法兰盘，连接在所述微波源总成上的收发天线单元，所述微波源总成和收发天线单元通过调节装置安装在所述主法兰盘上；

其中，所述微波源总成至少产生四个独立微波信号；

所述收发天线单元用于向液相表面发射由微波源总成产生的所述四个独立微波信号以及接收由发送的微波信号在液相表面遭遇的阻抗变换部分的反射产生的对应的回波信号，并由所述微波源总成内置的信号计算模块对四个所述回波信号进行耦合计算，获得液相状态数据；

所述调节装置根据耦合计算结果调节所述微波源总成和所述收发天线单元形成的整体与所述主法兰盘之间的角度变化。

作为本发明的一种优选方案，所述收发天线单元包括连接所述微波源总成的中空波导，以及连接在所述中空波导底部的天线单元，所述天线单元的内部通过隔离结构分隔为实现所述四个独立微波信号发射和接收的信号通道主体；

所述微波源总成包括针对每个信号通道主体的信号控制模块，以及用于连接所述信号控制模块基于所述四个独立微波信号和天线单元接收的反射信号之间的耦合关系来确定液相表面状态。

作为本发明的一种优选方案，其中，所述耦合关系包括利用四个独立微波信号的发射和反射产生的相位差的平均值计算向量相位差和利用四个独立微波信号的耦合获得的微波平面确定液相的状态，形成控制所述调节装置的触发信号。

作为本发明的一种优选方案，所述隔离结构包括横截面呈十字结构的板体，所述板体的顶部沿所述天线单元的轴向延伸至所述中空波导与所述天线单元的连接处，所述板体的中间设置有被所述板体沿轴向等分的锥头中空主体，且所述锥头中空主体的顶部沿所述天线单元的轴向延伸与所述中空波导的端部连接，靠近所述锥头中空主体的所述中空波导的内部套装有电性连接所述锥头中空主体的金属管；

所述锥头中空主体的壁厚处于传输的所述微波信号的波长的一半或处于传输的所述微波信号的波长的整倍数。

作为本发明的一种优选方案，所述主法兰盘上设置有与所述中空波导间隙配合的角度安装孔，且所述中空波导上套装有管体，所述管体上套装有球铰组件，所述球铰组件安装在所述角度安装孔中，位于所述球铰组件顶部的所述管体上设置有副法兰盘，所述调节装置安装在所述主法兰盘和所述副法兰盘之间，所述调节装置通过改变所述副法兰盘与所述主法兰盘分别形成的空间平面之间的角度变化，调节所述天线单元与盛装所述液相的罐体的角度变化。

作为本发明的一种优选方案，所述调节装置包括安装在所述主法兰盘上的隔离底座，所述隔离底座上设置有与四个所述信号传输通道相对应的施力组件；

所述施力组件包括设置在隔离底座上的导向孔，以及套装在所述导向孔中的永磁导杆，所述导向孔的底部设置有向所述永磁导杆施加作用力的电磁组件，且所述电磁组件受所述调节装置的触发信号控制动作，所述副法兰盘上设置有连接环座，且所述连接环座与所述副法兰盘铰接，所述连接环座的与所述永磁导杆的顶部通过碟簧垫圈连接，且所述连接环座与所述导向孔密封配合。

作为本发明的一种优选方案，所述信号控制模块包括电子控制单元、收发器电路和定向耦合器，所述收发器电路将四个独立的微波信号通过所述中空波导输送至所述信号通道主体，再通过定向耦合器进行发射，所述电子控制单元连接有将微波信号发送至所述中空波导内的馈送电路。

作为本发明的一种优选方案，所述锥头中空主体的顶部与所述板体形成锐角，且所述锐角对应于九十度减去布鲁斯特角。

本发明提供了一种微波水位计的水位测定方法，包括：

通过微波源总成产生四个独立微波信号，并通过收发天线单元向待测定的液相表面发射，并接收由发送的微波信号在液相表面遭遇的阻抗变换部分的反射产生的对应的回波信号；

通过信号计算模块对四个所述回波信号进行耦合关系计算，耦合关系包括利用四个独立微波信号的发射和反射产生的相位差的平均值计算向量相位差和利用四个独立微波信号的耦合获得的微波平面确定液相的状态，液相的状态包括液相高度和液相的表面工作状态；

在四个独立的回波信号的相邻两个之间的相位差超过设定值后，信号控制模块形成控制所述调节装置的触发信号，调节天线单元与液相表面的相对角度关系获得理想的测量角度和进行微波水位计的测量状态的复位。

作为本发明的一种优选方案，不同所述信号通道主体中连接的所述收发器电路和馈送电路设置为发送和接收相同的极化、调制和频率，其中信号通道主体发射的微波信号以同步或异步的方式进行发射；

其中，在以异步发射的过程中四个独立微波信号依次进行发射，并且配置成时间差、相位差相同。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

本发明通过多个通道同步或异步投射在液位上的微波信号而产生的回波信号的平均值或中间值，并通过多个同步的微波信号构建测量平面，并通过计算该测量平面的向量相位差的方式来获得向量相位差包含的精确的液位高度，同时能够利用四个独立微波信号的发射和反射产生的相位差的平均值计算向量相位差和利用四个独立微波信号的耦合获得的微波平面确定液相的状态，来了解容器中液位的工作状态，并且在容器中溶液中的液面时刻处于复杂状态的情况下，调节天线单元与液相表面的相对角度关系获得理想的测量角度和进行微波水位计的测量状态的复位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施例提供微波水位计的部分结构示意图；

图2为本发明实施例提供隔离底座与主法兰盘装配的俯视结构示意图；

图3为本发明实施例提供施力组件的结构示意图。

图中的标号分别表示如下：

1-微波源总成；2-收发天线单元；3-调节装置；4-主法兰盘；5-中空波导；6-天线单元；7-隔离结构；8-信号通道主体；9-角度安装孔；10-管体；11-球铰组件；12-副法兰盘；

71-板体；72-锥头中空主体；73-金属管；

31-隔离底座；32-施力组件；33-导向孔；34-永磁导杆；35-电磁组件；36-连接环座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种微波水位计，包括微波源总成1和主法兰盘4，连接在微波源总成1上的收发天线单元2，微波源总成1和收发天线单元2通过调节装置3安装在主法兰盘4上；

其中，微波源总成1至少产生四个独立微波信号，来提供独立的或冗余的液位计量，因此在微波源总成1中四个独立微波信号的发生单元的电流地和电压地以及电气隔离；

收发天线单元2用于向液相表面发射由微波源总成产生的四个独立微波信号以及接收由发送的微波信号在液相表面遭遇的阻抗变换部分的反射产生的对应的回波信号，并由微波源总成1内置的信号计算模块对四个回波信号进行耦合计算，获得液相状态数据；

调节装置3根据耦合计算结果调节微波源总成1和收发天线单元2形成的整体与主法兰盘4之间的角度变化。

收发天线单元2包括连接微波源总成1的中空波导5，以及连接在中空波导5底部的天线单元6，天线单元6的内部通过隔离结构7分隔为实现四个独立微波信号发射和接收的信号通道主体8；

微波源总成1包括针对每个信号通道主体8的信号控制模块，以及用于连接信号控制模块基于四个独立微波信号和天线单元6接收的反射信号之间的耦合关系来确定液相表面状态。

其中，耦合关系包括利用四个独立微波信号的发射和反射产生的相位差的平均值计算向量相位差，其具体的实现方法为：

在利用四个独立的同步发射的微波信号的相位差进行耦合，并利用其耦合关系通过软件模拟四个独立的微波信号到达阻抗变换的液相的表面的理论上液位高度端点，液位高度端点位于液相的表面，并通过四个液位高度端点构建一个检测平面，这四个液位高度端点的平均值和检测平面的向量相位差(即位于这个检测平面的法向量上体现的相位差)表示相位差的理论值和实际值，从而能够更精确的获得处于一个检测平面下的液位高度，提高液位高度检测过程中的精准度。

在具体的应用过程中，例如容器处于较高的位置，在进行液位测量时，容器中的液位始终处于补水和排水的状态，那么容器中的液面会始终处于一个复杂的状态，或者容器的直径较小时，容器中的液相会处于一个小角度的倾斜状态，这样微波信号投射在液相的表面产生的回波信号将无法精确的按照理论的传播路径进行传递，并且可能会出现消失或者形成下一次微波信号测量时的杂波，因此需要在容器中的液位发生相应的变换时，及时的调节天线发射微波的角度，因此需要利用四个独立微波信号的耦合获得的微波平面确定液相的状态，形成控制调节装置3的触发信号。

隔离结构7包括横截面呈十字结构的板体71，板体71的顶部沿天线单元6的轴向延伸至中空波导5与天线单元6的连接处，板体71的中间设置有被板体71沿轴向等分的锥头中空主体72，且锥头中空主体72的顶部沿天线单元6的轴向延伸与中空波导5的端部连接，靠近锥头中空主体72的中空波导5的内部套装有电性连接锥头中空主体72的金属管73。

锥头中空主体72的壁厚处于传输的微波信号的波长的一半或处于传输的微波信号的波长的整倍数，其中微波信号的波长对应带宽吉利的微波信号的平均波长。如果通过界面呈圆形、充满空气的中空导波将微波信号馈送至天线单元6中，微波信号在到达信号传输通道并叠加了定向耦合器时则具现为锥头中空主体72，其目的是拟线性地偏振模式使得微波信号进入锥头中空主体72，并通过天线单元6进行辐射，提高天线单元6的HF带宽和测量动态性。

同时为了使得微波信号2的在锥头中空主体72处产生的谐振信号不收到其他独立信号通道的谐振信号的影响，不干扰回波信号的检测，在信号控制模块中增加用于抑制或衰减谐振信号的减震器。

主法兰盘4上设置有与中空波导5间隙配合的角度安装孔9，且中空波导5上套装有管体10，管体10上套装有球铰组件11，球铰组件11安装在角度安装孔9中，且球铰组件11和角度安装孔9阻尼配合，也就是说球铰组件11在没有外力的作用力或需要很大的外力作用之前均保持调节后的固定连接状态，位于球铰组件11顶部的管体10上设置有副法兰盘12，调节装置3安装在主法兰盘4和副法兰盘12之间，调节装置3通过改变副法兰盘12与主法兰盘4分别形成的空间平面之间的角度变化，调节天线单元6与盛装液相的罐体的角度变化。

其中，中空波导是管状波导，具有90度对称界面，例如基本上呈圆形的界面。

进一步地，在天线单元6的调节过程中，需要精确的控制角度，那么则需要同时控制多个变量的调节，而采用传统的机械调节高度的方式，例如主法兰盘4和副法兰盘12之间通过螺丝连接，并通过扭动螺丝来使得主法兰盘4和副法兰盘12的边缘靠近或远离来达到调节主法兰盘4和副法兰盘12两个平面之间的角度，过程繁琐，而通过自动调节的方式，则需要在每个螺丝或螺杆上施加驱动装置，显然都会造成微波水位计脱离快捷安装和角度控制的需求。

为此，本发明中的调节装置3包括安装在主法兰盘4上的隔离底座31，隔离底座31上设置有与四个信号传输通道相对应的施力组件32；

施力组件32包括设置在隔离底座31上的导向孔33，以及套装在导向孔33中的永磁导杆34，导向孔33的底部设置有向永磁导杆34施加作用力的电磁组件35，且电磁组件35受调节装置3的触发信号控制动作，副法兰盘12上设置有连接环座36，且连接环座36与副法兰盘12铰接，连接环座36的与永磁导杆34的顶部通过碟簧垫圈连接，碟簧垫圈能够进行连接环座36和永磁导杆34之间的作用力传递的缓冲，同时也能够在永磁导杆34不收作用力时，避免将系统内收到的机械振动传递至连接环座36上，造成连接环座36在导向孔33中发生偏移，且连接环座36与导向孔33密封配合。

利用电磁开关原理的永磁导杆34和电磁组件35首先在体积上能够实现微型化，并且通过电磁组件35的电流电压大小，即可控制电磁组件35对永磁导杆34施加的作用力的大小。

信号控制模块包括电子控制单元、收发器电路和定向耦合器，收发器电路将四个独立的微波信号通过中空波导输送至信号通道主体8，再通过定向耦合器进行发射，电子控制单元连接有将微波信号发送至中空波导5内的馈送电路。

锥头中空主体72的顶部与板体形成锐角，且锐角对应于九十度减去布鲁斯特角。

本发明提供了一种根据上述的微波水位计的水位测定方法，包括：

通过微波源总成产生四个独立微波信号，并通过收发天线单元向待测定的液相表面发射，并接收由发送的微波信号在液相表面遭遇的阻抗变换部分的反射产生的对应的回波信号；

通过信号计算模块对四个回波信号进行耦合关系计算，耦合关系包括利用四个独立微波信号的发射和反射产生的相位差的平均值计算向量相位差和利用四个独立微波信号的耦合获得的微波平面确定液相的状态，液相的状态包括液相高度和液相的表面工作状态；

在四个独立的回波信号的相邻两个之间的相位差超过设定值后，信号控制模块形成控制调节装置的触发信号，调节天线单元与液相表面的相对角度关系获得理想的测量角度和进行微波水位计的测量状态的复位。

不同信号通道主体中连接的收发器电路和馈送电路设置为发送和接收相同的极化、调制和频率，其中信号通道主体发射的微波信号以同步或异步的方式进行发射；

其中，在以异步发射的过程中四个独立微波信号依次进行发射，并且配置成时间差、相位差相同。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。