具体实施方式

尽管本公开的概念易于进行各种修改和备选形式，但是其特定实施例已经通过示例的方式在附图中示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，并非意图将本公开的概念限制于所公开的特定形式，而是相反，意图是涵盖与本公开和附加权利要求一致的所有修改、等同物和备选方案。

与高(或低)能量系统的交互，例如具有高(或低)压力和/或高(或低)温度的系统，可能会带来挑战。例如，高(或低)能量工业过程可能会给安全地和/或准确地与系统组件接口以监控过程带来挑战。此外，与高(或低)能量系统的交互会影响系统本身，例如，存在向/从系统泄漏的不适当风险。在监测高(或低)能量设备和/或过程时，传感器组件可能会穿透到设备中以确定关于操作的信息。

在图1A和图1B所示的说明性实施例中，用于与高(和/或低)能量系统交互的传感器组件12包括耦合器14，用于接纳与仪器头16的连接。仪器头16通过安装到耦合器14的接纳端18而选择性地与耦合器14连接。在说明性实施例中，射频(RF)信号经由在接纳端28处的这种连接以在仪器头16和耦合器14之间传递。备选地，在其它实施例中，仪器头16和耦合器14可以经由同轴电缆被耦合以在仪器头16和耦合器14之间传递RF信号。

与接纳端18相对，耦合器14包括用于连接到高(或低)能量设备的安装端20。该耦合器14适于安装到高(或低)能量系统的设备以将高(或低)能量系统的信息，诸如过程变量，传递至仪器头16以用于监视。此类信息的一个示例是罐中内容物的液位测量。在图1A和图1B的图示实施例中，传感器组件12体现为导波雷达(GWR)液位发送器，但在一些实施例中，其他类型的仪器头可以与耦合器14连接以评估过程条件。在一些实施例中，仪器头16可以被布置为例如经由另一接口(诸如高速公路可寻址远程传感器(HART)配置的接口、基金会现场总线、PROFIBUS、Modbus和/或其他合适类型的接口)，将测量信息的指示通信给外部用户(未示出)。

参考图2，传感器组件12被示为连接到高(或低)能量罐22。作为GWR液位发送器，传感器组件12适于确定罐22内的过程液体的液位(表示为高度h)。GWR液位发送器可以通过使用例如时域反射率(TDR)的飞行时间测量原理进行操作。例如，传感器组件12可以通过探针24发射RF脉冲(p)，探针24在罐22内侧延伸到液体中。液体的表面26反射的脉冲能量(p_r)的一部分反射通过探针24返回到传感器组件12，同时脉冲能量(p_f)的一部分可以穿过进入液体，这取决于液体的电介质常量。在一些应用中(例如，接口测量)，可以存在不止一层并且可以反射不止一个回声信号。在一些实施例中，RF信号可以(例如在调频连续波(FMCW)布置中)被调制。

液体的高度h可以基于光速c，根据从脉冲(p)的传输到脉冲能量(p_r)的一部分的接纳之间所经过的时间(Δt)确定，其中并且液体高度h通常等于罐高度H减去气体高度d，(h＝H-d)。脉冲(p)说明性地体现为短的亚纳秒(sub-ns)电磁信号脉冲。等效时间采样(ETS)原理允许捕获亚纳秒信号并将其重建为较低频率，从而通过低成本的模数转换器实现更轻松的数字化。尽管出于描述的目的将介质描述为液体，但在一些实施例中，被感测的介质可以采用能够将脉冲能量的一部分反射到传感器组件12以确定表面26的高度h的任何状态和/或形式的物质(例如，固体)。在一些实施例中，传感器组件12可以被配置为将高度h确定为两种不同类型和/或状态的介质之间的接口，例如，其中高度h处于水层和在水层上方的油层之间的接口高度处，这被称为接口测量。

参考图3，示出了耦合器14的横截面以图示内部区域。耦合器14包括限定接纳端18和安装端20的主体28。在接纳端18处，主体28包括用于与仪器头16连接以通信RF信号的仪表入口30。通信线路32在仪器入口30和安装端20之间延伸以通信RF信号。所示出的主体28包括用于机械安装在罐22上的法兰34，尽管耦合器14可以通过任何合适的手段被固定到罐22，诸如例如螺纹连接。通信线路32在主体28的安装端20附近与连接器杆36接合，连接杆36包括从主体28突出的连接器端38，用于将RF信号通信到罐22的内部和从罐22的内部通信RF信号。

如图4所示，通信线路32包括用于在仪器入口30处与仪器头16连接的线头40。通信线路32的长度42在线头40和传导尖端44之间延伸。传导尖端44被布置为靠近主体28的安装端20，用于与连接器杆36接合。通信线路32说明性地形成为刚性(或半刚性)硬线同轴电缆，其具有约50欧姆的稳定且恒定的阻抗，适用于高达数个GHz的可靠频率传输(在其他实施例中，预期电缆具有另一阻抗，诸如例如大约75欧姆)。通信线路32体现为矿物绝缘信号传输电缆(MISTC)，用于在仪器头16和高(或低)能量设备(即罐22)之间传输RF信号。在其他实施例中，线头40可以被柔性同轴电缆上的RF连接器取代，该柔性同轴电缆与通信线路32的长度42拼接。

如图5最佳所示，作为同轴线的通信线路32包括体现为中心线的内导体46、体现为关于内导体46布置的中空护套的外导体48、以及体现为中空护套的绝缘体50，该绝缘体50径向布置在内导体46和外导体48之间。内导体46体现为由铜形成并且外导体48体现为由铜形成，尽管在一些实施例中，任一导体可以包括任何合适的导电材料。通信线路32说明性地包括中空外护套52，该中空外护套52包围靠近传导尖端44的内导体46和外导体48。外护套52说明性地由不锈钢316L形成，但是在一些实施例中，可以包括任何合适的材料，包括但不限于，不锈钢316、304、304L、铬镍铁合金和/或其他合金。

通信线路32的传导尖端44用于与连接器杆36连接。通信线路32的端部部分56被装配到导电尖端44的中空耦合套管54中。在耦合器套管54和在重叠端部处的外护套52之间形成密封件55以阻止泄漏。密封件55说明性地体现为关于套管54的圆周延伸的钎焊焊缝，但在一些实施例中，密封件55可以包括任何合适的密封连接方式，诸如例如焊缝。在外护套52的端部56处，外导体48和绝缘体50说明性地终止，而内导体46向外(图5中向下)延伸。

如图5所示，内导体46从外导体48内和端部部分56处的绝缘体50延伸到自由端58。内导体46包括覆盖物60，该覆盖物60沿着从外导体48和绝缘体50延伸出的部分围绕内导体46。覆盖物60说明性地由用于导电的镍合金形成，但是在一些实施例中，覆盖物60可以包括任何合适的导电材料。

终端插头62被布置耦合器套管54内端部部分56处。终端插头62说明性地体现为陶瓷绝缘材料。终端插头62说明性地在接缝63处与耦合器套管54密封，并且在接缝65处与覆盖物60密封，以阻止通过传导尖端44泄漏。接缝63、65体现为钎焊接缝，但是在一些实施例，可以包括任何合适的密封方式(例如，焊接)。终端插头62接纳内导体46以及覆盖物60，该覆盖物60穿过终端插头62中延伸到自由端58，以用于与连接器杆36连接。

现在参考图6，耦合器14的主体28包括用于接纳衬套组件66的安装接纳部64。安装接纳部64包括接受器68，该接受器68被限定在其中用于接纳衬套组件66。衬套组件66被安装到接受器68中，以接合连接器杆36与通信线路32。

衬套组件66说明性地形成为填充接受器68以减少可能导致对测量产生负面影响的阻抗变化(例如，阻抗失配、反射、噪声、假回声)的空闲空间。衬套组件66说明性地包括陶瓷衬套70，该陶瓷衬套70中限定有用于接纳连接器杆36的腔体72。衬套70接纳并且接合连接器杆36，以保持连接器尖端37与通信线路的传导尖端44的接合32。

衬套组件66说明性地包括紧固螺母74和用于将衬套70紧固到接受器68内的适当位置的Belleville保持器76。紧固螺母74说明性地包括外螺纹，该外螺纹被限定在安装接纳部64的侧壁78上，用于与相应内螺纹接合，其限定接受器68的一部分。在说明性实施例中，侧壁78包括用于与罐22螺纹连接的外螺纹80。衬套70被紧固到位置，以通过螺纹将紧固螺母74插入接受器68，以将连接器杆36与传导尖端44接合。

如前所述，衬套70通过将连接器杆36的头部82容纳在腔72中而与连接器杆36接合。腔体72部分地由衬套70的端壁84限定，端壁84推动头部82的底侧86来支撑连接器杆36，以保持与传导尖端44的连接。垫圈88被布置在端壁84和头部82的(底)侧86之间，以密封以防止从设备的泄漏。垫圈88说明性地体现为由石墨形成的扁平环形构件，并且接纳通过其的连接器杆36的主干90。

仍然参考图6，安装接纳部64的接受器68部分地由端壁92限定。端壁92包括在其中的开口93，该开口与安装接纳部64的通路94连接，通信线路32延伸穿过该通路94。垫圈96被布置在端壁92和衬套70的端面98之间。垫圈96说明性地体现为由石墨形成的扁平环形构件并且接纳通过其的连接器杆36的一部分。垫圈88、96一起形成被设置在传导尖端44和安装端20之间的密封部分，以阻止泄漏到罐22/从罐22泄漏。连接杆36延伸穿过密封部分，以与传导尖端44接合。

连接器尖端37包括臂100，该臂延伸穿过开口93以与传导尖端44连接。臂100说明性地形成母连接，用于接纳内导体46的自由端58，该自由端为其中的公连接。通信线路32终止于通路94内，并且连接器尖端37和自由端58之间的连接被设置在通路94内。因此，通信线路32不延伸穿过端壁92。

如前所述，通信线路32延伸穿过通路94。通路94说明性地限定为穿过主体28的基部部分104，安装接纳部64从基部部分104延伸。基部部分104形成为主体28的实心部分，其为靠近安装端20的主体28提供结构完整性。密封件106形成在通信线路32和基部部分104之间。密封件106体现为关于通信线路32的圆周延伸的钎焊焊缝，但在一些实施例中，可以包括任何合适的密封方式(例如，焊接)。密封件106与密封件55一起形成用于阻止从罐22泄漏的另一密封部分。虽然密封件55、106说明性地体现为钎焊焊缝，但是在一些实施例中，密封件55、106可以包括任何合适的密封接头配置，如焊缝。

由垫圈88、96形成的密封部分以及由密封件55、106形成的密封部分，提供了多层阻塞以防止高(或低)能量系统的泄漏。在密封部分之一，例如(垫圈88、96的)初级密封部分发生故障时，来自高(或低)能量系统(例如，罐22)的泄漏可以在第一和第二密封件之间迁移。这种泄漏将改变耦合器14内侧的信号反射，并且这可以通过对仪器头16处的信号进行分析来被检测到。(密封件55、106的)次级密封部分可以减轻超出主体28的泄漏，同时根据基于信号反射变化的其检测结果，可以识别和解决初级密封部分故障。

在一些实施例中，可以排除垫圈88、96的密封部分，而有利于由密封件55、106提供的单个密封部分。在这样的实施例中，衬套组件66完全填充接受器68以避免空闲空间。当密封件55、106的密封部分完好(即未破损)时，可以避免介质(或其他物质(多个))从罐22迁移到耦合器中(例如，从耦合器的底部)，其会影响通过通信线路32的通信信号。如果密封件55、106的密封部分确实失效，在这样的实施例中，介质(或其他物质(多个))从罐22迁移到耦合器14是可能的。如果迁移介质到达通信线路32，它将改变由通信线路32传输的信号，并且这种改变可以被检测到以确定密封件55、106的密封部分已经失效。

如图7所示，示出了传感器组件12的横截面。耦合器14的主体28说明性地限定了在其中的腔体108在接纳端18和安装端20之间。通信线路32延伸穿过仪器入口30和传导尖端44之间的腔体108。腔体108说明性地填充有绝缘材料110，该绝缘材料110围绕通信线路32以抵抗热传递。应用已填充有绝缘材料的单一绝缘体可以避免阻抗失配和/或不希望的反射。

本公开包括用于仪器设备(诸如导波雷达液位发送器)的高/低温度和/或高/低压力密封过程的系统、设备、以及方法。导波雷达(GWR)液位发送器通常用于非常高/低温度和高/低压力的应用(HTHP)。电子电路发送子纳秒(sub-ns)电脉冲，该子纳秒(sub-ns)电脉冲通过过程连接以光的速度沿波导探针发射。当脉冲到达介电不连续性时，部分能量被反射回发射器和在接纳部处被捕获，其计算传输时间和在容器中的介质的相应高度(见图2)。温度和压力的一个示例可以在罐内实现，其可以包括450℃(842°F)和430巴(6527磅/平方英寸)，(尽管可以施加更高和/或更低温度和/或压力)，并且HTHP耦合器(作为过程接口)，需要有效地在电子电路和罐内的波导之间传输RF信号，同时保护外部世界。

在本公开中，可以应用硬线矿物绝缘同轴电缆以允许在非常高/低温度和/或压力下操作，同时以更好的效率传输罐中的RF信号。在HTHP应用中准确可靠地测量储罐液位可能会出现挑战。GWR的耦合器，通常安装在使用螺纹配件或法兰配件的罐上，应该将HTHP过程侧(其中需要物理量的测量)与控制侧(其中电子电路控制设备)分开。本公开的范围内的耦合器集成紧密和牢固的密封件，以阻止处理侧与控制侧之间的泄漏并且防止过程流体从罐中迁移到布线系统(或备选地(例如在低压系统中)从环境中泄漏到系统)。在一些实施例中，可以应用第二密封件(双重密封件)以增加测量系统的安全性。该布置可以提供初级密封失效的指示。

本公开中的耦合器可以包括RF传输线路，允许RF脉冲从电子电路通过耦合器传输，该耦合器可以与罐内的波导探针连接，并且与待测量的介质接触。控制从RF电子电路到耦合器端部的阻抗(通常为50欧姆)可以促进期望操作。阻抗的变化和/或阻抗失配可以产生反射，将噪声和/或假回声添加到回声信号中，这会导致液位测量中的误差。

本公开包括对用于HTHP应用的GWR液位发送器的性能和可靠性的潜在改进。HTHP耦合器可以通过坚固的RF连接器(例如N型)连接到传感器头。远程同轴电缆也可以被用于将耦合器连接到远程传感器头。HTHP耦合器可以包括矿物绝缘信号传输电缆(MISTC)，以将射频信号从耦合器顶部传输到与罐内波导的互连。使用绝缘体(例如SiO₂)的MISTC具有高绝缘电阻。电缆可以形成为耐受极端温度和压力，例如约-273至约600℃(约-460至约1112°F)范围内的温度。因此，尽管本公开内容内的描述可能涉及高能量(例如，高温度和/或压力)，但本公开内容的布置可以同样适用于低能量系统(例如，低温度和/或压力)。

电缆的尖端可以由金属和焊接在电缆的外屏蔽层上的钎焊陶瓷形成。尖端可以形成耦合器的第二密封件的一部分。尖端可以被耦合到插入波导探针内的小杆，该小杆与罐内的介质接触。小杆可以被绝缘材料(通常是用于HTHP的陶瓷)围绕，该小杆位于外导体内。即使阻抗不是完美地为50欧姆，该部分的长度也可以足够小以避免高反射。石墨垫圈(多个)可以应用于初级密封件。如果初级密封件被破坏，部分受罐的压力的气体/蒸汽可以在第一和第二密封件之间迁移。耦合器内部的信号反射会发生变化，并且可以通过对信号的分析来被检测到。

MISTC可以被集成到耦合器主体外壳的一部分中，其在过程侧和电子传感器头之间提供有效的热障。该部分可以填充绝缘材料以提高效率。该MISTC可以由一个内导体(通常为铜)和两个护套形成：一个内护套(外导体)通常为铜，外护套通常为不锈钢(304、3016、3016L)或其他合金，如INCONEL。绝缘体材料(例如MgO、Al₂O₃和SiO₂)可以被布置在内导体和内护套(外导体)之间，并且即使在温度变化大的情况下，也可以提供高绝缘电阻以及沿电缆的恒定阻抗。

通过使用MISTC可以简单地制造耦合器。MISTC外护套可以被钎焊到耦合器的芯体上，并且与尖端配对，该MISTC外护套可以由金属和钎焊陶瓷制成，并且直径非常小因此可以提高HTHP应用的可靠性。尖端可以允许与小杆的简单连接，该小杆与波导探针接触。这种配置可以允许在耦合器的芯部底部处(更靠近与高能量系统设备的连接)结合另一密封件。这个短的部分可以在外导体内侧使用绝缘材料，通常是陶瓷，外导体通常在端部逐渐变细，而在耦合器的端部没有中空(空间)。MISTC和这个没有中空(空间)的短的部分的组合可以帮助避免多次反射。这可以改进靠近罐顶部的测量(即，减少死区)。

本公开内的布置可以允许通过减少用于非常高温度和压力应用的部件的数量而可以更容易地生产更小的HTHP耦合器。本公开内的布置可以减少内部反射，从而允许改进的信号传输、减少回声信号中的噪声、减少死区和/或允许检测第一密封件破损。在一些实施例中，部件可以从耦合器的底部安装，这可以有助于避免螺纹部分的端部处的中空空间，这可以允许更好的阻抗控制。

尽管在附图和前面的描述中已经详细描述了某些说明性实施例，但是这样的说明和描述被认为是示例性的而不是限制性的，应当理解，仅示出和描述了的说明性实施例以及所有改变和修改落入本公开的期望保护的精神内。本公开的多个优点源自本文描述的方法、系统和制品的各种特征。应当注意，本公开的方法、系统和制品的备选实施例可以不包括所描述的所有特征，但仍受益于这些特征的至少一些优点。本领域普通技术人员可以容易地设计他们自己的方法、系统和制品的实施方式，这些方法、系统和制品结合了本公开的一个或多个特征。