CN103389143A - 具有mcu 定时电路的雷达物位计 - Google Patents

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Abstract

一种使用电磁信号来确定容器中的产品的填充物位的方法，包括：a)生成具有预定长度的发射信号；b)向产品传播信号；c)接收反射信号；d)确定所接收的信号是否与发射信号在时域中交叠；e)如果检测到交叠则将交叠参数设定为1，否则将交叠参数设定为0；如果交叠参数的状态没有改变且如果没有检测到交叠，则生成具有超过先前长度的长度的信号并且重复步骤b)；以及如果交叠参数的状态没有改变且如果检测到交叠，则生成具有短于先前长度的长度的信号并且重复步骤b)；以及如果交叠参数的状态改变，则基于发射信号的长度来确定填充物位。

Description

具有MCU 定时电路的雷达物位计
技术领域
本发明涉及一种用于使用电磁信号来确定到容纳在容器中的产品的表面的距离的方法及物位计系统。
背景技术
雷达物位计（RLG）系统广泛用于确定容纳在容器中的产品的填充物位。雷达物位计量通常借助于非接触式测量由此向容纳在容器中的产品辐射电磁信号来进行，或者借助于接触式测量（通常被称为导波雷达（GWR））由此通过用作波导的探针将电磁信号引导向并引导到产品中来进行。探针通常设置为从容器的顶部竖直延伸向容器的底部。探针也可以设置在与容器的外壁连接并与容器的内部流体连接的测量管（即所谓的腔室）中。
发射的电磁信号在产品的表面处被反射，且反射信号由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收。基于发射信号和反射信号可以确定到产品的表面的距离。
更具体地，通常基于发射电磁信号与接收到该电磁信号在容器中的大气和容器中所容纳的产品之间的界面上的反射之间的时间来确定到产品表面的距离。为了确定产品的实际填充物位，基于以上提到的时间（所谓的飞行时间）和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。
现今市场上的大多数雷达物位计系统是基于发射脉冲与接收到该脉冲在产品表面处的反射之间的时间差来确定到容纳在容器中的产品的表面的距离的所谓的脉冲式雷达物位计系统，或是基于发射的调频信号与该调频信号在表面处的反射之间的相位差来确定到表面的距离的系统。后一类型的系统通常称为是FMCW（调频连续波）类型的。
对于脉冲式雷达物位计系统，通常使用时间扩展技术来决定飞行时间。
这样的脉冲式雷达物位计系统通常具有用于生成发射信号的第一振荡器和用于生成参考信号的第二振荡器，其中，该发射信号由用于向容纳在容器内的产品的表面发射的具有发射脉冲重复频率的脉冲形成，该参考信号由具有与发射脉冲重复频率不同的参考脉冲重复频率的参考脉冲形成。
在测量扫描开始时，发射信号和参考信号被同步以具有相同的相位。在测量扫描期间，由于频率差，发射信号与参考信号之间的相位差将逐渐增加。
在测量扫描期间，将由发射信号在容纳于容器中的产品的表面处反射而形成的反射信号与参考信号关联，以使得只有在反射脉冲和参考脉冲同时出现时才产生输出信号。从测量扫描开始到由于反射信号和参考信号关联而导致输出信号出现的时间是发射信号与反射信号之间的相位差的量度，该相位差的量度又是反射脉冲的飞行时间的时间扩展量度，可以根据该时间扩展量度来确定到容纳在容器中的产品的表面的距离。
具有两个振荡器的脉冲式雷达物位计系统需要在两个振荡器之间精确地定时以便准确地将发射信号与参考信号关联。因此，振荡器性能是关键的。此外，因为发射信号与参考信号之间的频率差的准确度对脉冲式雷达物位计系统的性能而言是重要的，所以在实际填充物位测量可以开始之前可能需要冗长的校准程序。
发明内容
鉴于现有技术的上述的及其他的缺点，本发明的总体目的是提供一种改进的脉冲式物位计系统和方法，并且特别是提供一种用于确定填充物位的简化且更加鲁棒的脉冲式物位计系统和方法。
根据本发明的第一方面，这些目的及其他目的通过一种用于使用电磁信号来确定容纳在容器中的产品的填充物位的方法来实现，该方法包括下述步骤：
a）生成具有预定长度的发射信号；
b）向容纳在容器中的产品的表面传播发射信号；
c）接收由发射信号在产品的表面处反射而产生的反射信号；
d）确定所接收的反射信号是否与发射信号在时域中交叠；
e）如果检测到交叠则将交叠参数设定为状态1，而如果没有检测到交叠则将交叠参数设定为状态0；如果交叠参数的状态没有改变且如果没有检测到交叠，则生成具有超过第一预定长度的更新的预定长度的发射信号并且重复步骤b）；如果交叠参数的状态没有改变且如果检测到交叠，则生成具有短于第一预定长度的更新的预定长度的发射信号并且重复步骤b）；如果交叠参数的状态改变，则基于发射信号的预定长度来确定容纳在容器中的产品的填充物位。
容器可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且容器可以是金属的、或部分地或完全地非金属的、开放的、半开放的或闭合的。此外，容纳在容器中的产品的填充物位可以通过使用向容器内部的产品传播发射信号的信号传播装置来直接确定，或通过使用放置在下述所谓的腔室内部的传播装置来间接确定，该腔室位于容器的外部但是与容器的内部流体连接以使得腔室内的物位对应于容器内部的物位。发射信号为电磁信号且应该将信号的长度理解为信号的持续时间。此外，信号可以被设置为例如具有任意形状的一个或更多个脉冲、被设置为脉冲序列或者被设置为波形。
本发明基于下述认识：可以通过基于下述发射信号的性质确定到产品的表面的距离，来实现用于确定容器中的产品的填充物位的改进的物位计系统和改进的方法，对于该发射信号，发射信号与由此接收的反射信号之间在时域中发生交叠。通过本发明，提供了用于确定填充物位的简化的方法，这是因为为了确定填充物位不需要对反射信号分析而只需要对反射信号进行检测并且将反射信号与发射信号关联。如果检测到接收的反射信号与发射信号之间的交叠，则可以基于发射信号的已知性质来确定填充物位。
在上述的方法中，应该注意的是，如果在步骤e)中没有确定填充物位，则生成具有更新的预定长度的发射信号并且从步骤b)起重复该方法。优选地，执行方法的迭代直到确定填充物位为止。
在本发明的一个实施方式中，发射信号优选可以是单个发射脉冲。在使用单脉冲形式的发射信号时，当接收的反射脉冲的前沿与发射信号的后沿交叠时，在容器的外部位置处发射信号与反射信号之间在时域中交叠。由此，可以通过下述步骤来确定填充物位：设置具有与容器的高度对应的长度的第一发射信号，并且逐步地减小发射信号的长度直到交叠状态发生改变、即直到没有交叠发生为止，由此基于针对其而确定了交叠状态的改变的发射信号的长度来确定填充物位。当以单脉冲的形式设置发射信号时，发射信号的长度与脉冲的长度相同。
根据本发明的一个实施方式，上述的发射信号的预定长度优选可以基于先前确定的填充物位。通常，测量周期中的第一发射信号可以具有任意选择的长度，该长度优选地被选择以使得该长度与短于或者等于容器的高度的距离对应。或者，发射信号可以被设置为最短的可实现信号。在第一测量信号的反射已经被接收之后，可以确定为了检测表面的位置是否需要增加或者减少信号的长度。因此，通过步进地改变发射信号的长度，可以找到表面的位置。然而，通过替代地基于先前确定的填充物位来选择测量周期中的第一测量信号的长度，在找到表面之前可能会需要测量的较少迭代。因此，与在第一发射信号的长度会是任意选择的情况下相比测量系统变得更加节能并且更快。
在本发明的一个实施方式中，生成发射信号的步骤可以包括下述子步骤：生成具有预定长度的第一脉冲P1；生成具有与第一脉冲P1的长度不同的长度的第二脉冲P2；对第一脉冲P1和第二脉冲P2进行逻辑运算以提供具有与第一脉冲P1和第二脉冲P2之间的长度差相对应的长度的控制脉冲PSW；以及生成具有与控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号。通过发射信号的最小可实现长度来确定最短可测量距离。在某些情况下，例如如果产品的表面接近于容器的顶板，则可能不能够直接提供用于准确确定到表面的距离的充分短的发射信号。因此，可以利用逻辑运算来形成具有与两个脉冲的差对应的长度的中间控制脉冲。然后控制脉冲又可以用于形成发射信号。如果第一脉冲P1和第二脉冲P2同时开始或者同时结束，那么逻辑XOR运算可以用于提供代表脉冲之间长度差的控制脉冲PSW。
根据本发明的一个实施方式，生成发射信号的步骤可以包括下述子步骤：生成具有预定长度的第一脉冲P1；生成相对于第一脉冲P1具有预定的时间延迟的第二脉冲P2；对第一脉冲P1和第二脉冲P2进行逻辑运算以提供具有与第一脉冲和第二脉冲的交叠相对应的长度的控制脉冲PSW；以及生成具有与控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号。以如上所述那样类似的方式，可以使用逻辑运算以形成中间控制脉冲，该中间控制脉冲又用于形成发射信号。在这里，可以使用AND运算来提供代表脉冲P1与脉冲P2之间的交叠的脉冲PSW。此外，第一脉冲P1和第二脉冲P2可以具有相同的长度。为了提供用于确定容器的任何填充物位的表面的位置的发射信号，期望的是以可控制的量来减少和增加发射信号的长度。因此，如果第一脉冲P1和第二脉冲P2具有相同的长度，并且如果预定的时间延迟恒定，假设第一脉冲和第二脉冲两者都增加相同的量，则又控制发射信号的长度的控制脉冲PSW的长度的增加等于第一脉冲和第二脉冲的长度的增加。因此，提供了用于通过改变第一脉冲P1和第二脉冲P2的长度来改变发射信号的长度的简单方式。
还应该注意的是，可以使用不同于上述逻辑运算的其他逻辑运算或者逻辑运算的组合例如OR、NOR、NAND等来生成发射信号和/或中间控制脉冲。
在本发明的一个实施方式中，发射信号最好可以包括两个发射脉冲。在发射信号包括两个或更多个脉冲的情况下，将发射信号的长度定义为从第一脉冲的前沿侧（leading flank）到最后的脉冲的下降沿侧（fallingflank）的时间。
此外，生成发射信号的步骤最好可以包括下述步骤：生成第一发射脉冲T1；生成相对于第一发射脉冲T1具有预定的时间延迟的第二发射脉冲T2。对于包括单脉冲的发射信号，当反射脉冲的前沿与发射脉冲的后沿交叠时检测到交叠。然而，通过使用两个发射脉冲T1和T2形式的发射信号可以提供用于确定填充物位的更加节能的方法，其中，第二发射脉冲T2相对于第一发射脉冲T1具有可控的时间延迟。因此，与对于包括单发射脉冲的发射信号相比可以使两个发射脉冲T1和T2显著地更短。因此，生成发射信号并且确定填充物位需要更少的能量。
在本发明的一个实施方式中，如果对于包括有第一发射脉冲T1和第二发射脉冲T2（该第二发射脉冲T2相对于第一发射脉冲T1具有预定的时间延迟）的发射信号，交叠参数的状态改变，则可以基于预定的时间延迟来确定容纳在容器中的产品的填充物位。如上所述，可以基于因为其而发生交叠状态的改变的发射信号的已知性质来确定填充物位。在这里，用于确定填充物位的已知性质是两个发射脉冲之间的时间延迟。
根据本发明的第二方面，提供一种使用电磁信号来确定容纳在容器中的产品的填充物位的物位计系统，该物位计系统包括：发射信号生成电路，该发射信号生成电路包括用于生成电磁信号的振荡器、用于通过控制振荡器来提供具有预定长度的第一发射信号的微控制器单元MCU；传播装置，该传播装置连接到发射信号生成电路，并且被设置成向容器内部的产品的表面传播第一发射信号并且返回由第一发射信号在容纳在容器中的产品的表面处反射而产生的反射信号；以及信号路由电路，该信号路由电路设置在发射信号生成电路与传播装置之间，该信号路由电路包括：环形器，该环形器连接到传播装置并且被配置成通过第一输出端将第一发射信号耦合到传播装置，该环形器还被配置成接收来自传播装置的反射信号并且将该反射信号耦合到第二输出端；以及混频器，该混频器连接到环形器的第二输出端以接收反射信号，该混频器还连接到MCU并且被配置成如果在混频器处反射信号与第一发射信号在时域中交叠则提供交叠指示给MCU。其中，MCU被配置成：如果接收到交叠指示则将交叠参数设定为状态1，并且如果没有接收到交叠指示则将交叠参数设定为状态0；以及如果交叠参数的状态没有改变且没有接收到交叠指示，则生成长度超过第一发射信号的长度的第二发射信号；以及，如果交叠参数的状态没有改变且接收到交叠指示，则生成长度短于第一发射信号的长度的第二发射信号；以及，如果交叠参数的状态改变，则基于针对其交叠参数的状态改变的发射信号的长度来确定容纳在容器中的产品的填充物位。
传播装置可以是能够传播电磁信号的任何装置，包括传输线探针、波导和各种类型的天线，例如喇叭天线、阵列天线等。
在本上下文中混频器应该被理解为下述频率混频器，该频率混频器具有两个输入端和一个输出端，该输出端配置成只有在两个输入端子上都存在信号时才提供输出信号。因此混频器用作为针对发射信号和反射信号的逻辑AND门，只有当在混频器中发射信号和反射信号在时域中交叠时才提供输出。
环形器应该被看作下述三端口装置，该三端口装置具有用于从发射信号生成电路接收发射信号的输入端子、用于将发射信号提供给传播装置并且用于从传播装置接收反射信号的输入/输出端子、以及用于将反射信号提供给混频器的输出端子。环形器也可以以四端口装置的形式被设置，其各个端口分别用于提供发射信号和接收发射信号。然而，可以使用执行期望的定向信号的功能的任何类型的信号路由装置或者耦合。
MCU是具有至少一个下述输出端的微控制器单元，该至少一个输出端能够进行脉冲宽度调制（PWM）以便提供用于控制振荡器的输出的具有不同长度的脉冲，以使得可以提供具有不同长度的发射信号。MCU还包括用于接收交叠指示信号的输入端。
本发明的第二方面是基于下述认识：可以通过使用对由RF振荡器生成的发射信号的长度进行控制的MCU，来实现用于确定到容器中的产品的距离的改进的物位计系统。将在待测量的产品的表面处的反射产生的接收信号与发射信号在时域中进行比较，如果发生交叠，则接收到的反射信号行进的距离短于信号的长度乘以光速。因此，到表面的距离是脉冲行进的距离的一半，由此，可以基于针对其而检测到交叠的发射信号的长度来确定到表面的距离。在所述系统中，物位计系统的最小可测量距离与MCU可以实现的最小脉冲长度的一半近似地成比例而分辨率与发射信号可以随其增加的最小长度成比例。
除了对于本发明的第一方面所讨论的优势之外，本发明的第二方面的优势还在于与现有技术中已知的需要两个振荡器的雷达物位计系统相比，可以降低测量电路的复杂度。此外，根据本发明的测量系统对定时误差较不敏感，并且与其中将由不同的振荡器生成的信号的相位差或者频率差用于确定距离的系统的相比，振荡器的性能较不关键。而且，因为测量的分辨率基于MCU的性能，并且因为MCU的性能是不断改进的，因此可以通过更换MCU而很容易地对测量系统进行升级。
在测量系统中使用MCU的另外的优势还在于可以通过MCU控制外围部件例如放大器、衰减器和电源，从而使得能够改进性能和/或功率效率，这可能是以其他方式不可能实现的。
在本发明的一个实施方式中，MCU最好可以被配置成在提供发射信号之前的预定时间启动振荡器。
此外，物位计系统可以还包括开关，该开关由MCU控制以将振荡器的输出端在接通状态与关断状态之间进行切换。由于在到达稳定频率且可以提供稳定的RF信号之前，振荡器可能会需要一定的开启时间或者启动时间，因此，由MCU控制的微波开关可以连接到振荡器的输出端，而不是通过控制振荡器的电源来控制振荡器的输出。因此，MCU可以控制振荡器的电源以使得在发射信号要被提供之前振荡器有足够的时间启动。由此，通过在振荡器启动之后足够的时间触发连接到振荡器的输出端的微波开关来提供发射信号，从而使振荡器的固有开启时间较不相关。
根据本发明的一个实施方式，来自混频器的交叠指示最好可以是直流（DC）脉冲。在本测量系统中，由混频器提供的交叠指示信号不必包含任何信息。因此，提供DC脉冲是足够的。进而可以通过幅值检测器来检测DC脉冲，该幅值检测器又将适当格式的交叠指示信号提供给MCU。
在本发明的一个实施方式中，发射信号生成电路还包括下述逻辑电路，该逻辑电路被配置成提供与由MCU的第一输出端和第二输出端提供的第一脉冲P1与第二脉冲P2之间的差相对应的控制脉冲PSW，并且其中，控制脉冲PSW耦合到开关用于控制振荡器的输出端，从而使得通过振荡器提供具有与控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号ST。
因为测量系统的最短可测量距离与发射信号的长度成比例，所以为了能够在容器接近于满的情况下检测填充物位，期望实现尽可能短的发射信号。同时，在MCU中，最小可实现脉冲长度通常基本上比脉冲长度的最小可实现步长要长。因此，可以通过提供如上所述的逻辑电路来增加测量系统的分辨率，以使得发射信号的最小长度等于MCU的最小步长。因此，可以通过取长度相差一个步长的两个脉冲之间的差来提供长度等于脉冲长度的最小可实现步长的发射信号。
根据本发明的一个实施方式，物位计系统还包括设置在信号生成电路与混频器之间用于延迟发射信号的可控延迟电路。可以期望改进物位计测量的分辨率使其超过由通过MCU可实现的最小步长所设定的极限。设置在定向耦合器和混频器之间的可控延迟电路可以相对于在混频器处的反射信号将发射信号延迟下述增量，该增量显著地小于MCU的最小步长。因此，一旦如上所述那样通过MCU控制发射信号的长度来确定填充物位，那么可以通过步进地增加或者减少可控延迟电路的延迟来进行第二迭代测量过程。
根据本发明的一个实施方式，物位计系统可以还包括设置在环形器与混频器之间用于延迟反射信号的可控延迟电路。以如同上述那样类似的方式，可以通过在环形器和混频器之间设置可控延迟电路从而控制反射信号在去混频器途中的延迟，来改进物位计测量的分辨率。
在本发明的一个实施方式中，物位计系统可以还包括设置在MCU与开关之间用于延迟发射信号的至少一部分的可控延迟电路。如对于本发明的第一方面所讨论的那样，可以最好使用包括两个发射脉冲的发射信号。当使用包括两个脉冲的发射信号时，填充物位测量的分辨率被通过MCU可实现的两个脉冲之间的时间延迟的最小步进改变所限制。可以通过在MCU与开关之间设置可控延迟电路来改进这种分辨率，该可控延迟电路可控制以仅延迟包括在发射信号中的两个脉冲之一。延迟电路可以优选地由MCU可控制，以使得例如发射信号的第一脉冲没有被延迟而第二脉冲被延迟了可控的时间段。
根据本发明的一个实施方式，传播装置可以包括用于向所述表面发射所述发射信号的第一传播装置和用于接收所述反射信号的第二传播装置。为了避免在信号生成电路与传播装置之间的界面处的反射到达信号接收电路、即上述系统中的混频器，最好可以将传播装置的发射部分和接收部分分隔开。参照本发明的物位计系统，可以在环形耦合器与传播装置之间的界面处部分地反射发射信号，从而干扰在界面处反射的信号。可以通过除去环形器以使得发射信号从定向耦合器直接传播到第一传播装置以及通过提供直接连接到混频器的输入端的用于接收反射信号的第二传播装置来避免这样的干扰反射。
在本发明的一个实施方式中，物位计系统可以还包括：连接到环形器的第二输出端以接收反射信号的第二混频器；以及设置在定向耦合器与第二混频器之间用于对第一发射信号进行相移并且将经相移的第一发射信号提供到第二混频器的相移电路；第二混频器还连接到MCU并且被配置成如果在混频器处反射信号和经相移的第一发射信号在时域中交叠则提供交叠指示给MCU。在某些情况下，可以使反射信号发生相移以使得发射信号和反射信号相互抵消。从而，即使两个信号在时域中交叠，混频器也可以不提供输出。通过使用两个混频器并且对提供给其中一个混频器的发射信号进行相移，可以避免异相信号的问题，因为如果发射信号和反射信号在时域中交叠则混频器中的至少之一将提供输出信号。相移电路可以提供例如90°的固定相移，或者相移电路可以是可控相移电路。此外，由于相移等于时间延迟，所以为了在确定填充物位的时候对时间延迟进行补偿，MCU必须知道交叠检测是否是延迟信号的结果。因为发射信号的频率和相位延迟的量两者都是已知的，所以可以进行这样的补偿。如同本领域的技术人员容易意识到的那样，也可以通过设置相移电路以使得对提供给第二振荡器的反射信号进行相移来实现如同上述的相同效果。
本发明的该第二方面的另外的效果和特征基本上和以上结合本发明的第一方面所描述的效果和特征类似。
附图说明
现在，将参照示出了本发明的示例性实施方式的附图来对本发明的这些及其他方面进行更详细地描述，在附图中：
图1示意性地示出了安装在示例性容器中的根据本发明的实施方式的物位计系统；
图2是包括在图1中的物位计系统中的测量电子单元的示意图；
图3a和图3b是示意性地示出了图1中的物位计系统的实施方式的框图；
图4a和图4b示意性地示出了根据本发明的实施方式的物位计系统中的脉冲发生；
图5是示意性地概略示出了根据本发明的实施方式的方法的流程图；
图6a和图6b示意性地示出了在根据本发明的实施方式的物位计系统中的发射信号；
图7示意性地示出了在根据本发明的可替选的实施方式的物位计系统中的发射信号。
具体实施方式
在本详细说明中，参照非接触式脉冲式雷达物位计系统，主要论述了根据本发明的物位计系统的各种实施方式，其中，通过使用辐射天线（例如锥形天线、喇叭天线、阵列天线或者贴片天线）形式的传播装置来向容纳在容器中的产品传播电磁信号。
应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明等同地可应用于利用探针形式的传播装置的脉冲式导波雷达（GWR）物位计系统，探针如单线探针（包括所谓的高保（Goubau）探针）、双引线探针、同轴探针等。
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的物位计系统1，该物位计系统1包括测量电子单元2以及辐射天线装置3形式的传播装置。雷达物位计系统1设置在容器5上，容器5部分地填充有待计量的产品6。在图1中所示出的情况中，产品6是液体，例如水或者石油基产品，但是产品同样可以是固体，例如颗粒或者塑料料粒。通过分析由天线装置3向产品6的表面7辐射的发射信号ST和从表面7行进回来的反射信号SR，测量电子单元2可以确定参考位置与产品6的表面7之间的距离，由此，可以推断填充物位。例如参考位置可以是天线装置3的位置。应当注意的是，虽然在本文中讨论了容纳单一产品6的容器5，但是可以以相似的方式测量到容器5中存在的任何材料界面的距离。
如图2中示意性地示出的那样，电子单元2包括收发器10和处理单元11，收发器10用于发射并接收电磁信号，处理单元11连接到收发器10用于控制收发器并且处理由收发器所接收到的信号从而确定容器5中的产品6的填充物位。
此外，处理单元11经由接口12可连接到外部通信线13用于模拟通信和/或数字通信。而且，虽然图2未示出，但是雷达物位计系统1通常可连接到外部电源，或雷达物位计系统1可以通过外部通信线13被供电。或者，雷达物位计系统1可以被本地供电并可以被配置成以无线的方式进行通信。
尽管收发器10、处理电路11和接口12在图2中示出为分离的块，但是它们中的几个可以设置在同一电路板上。
此外，在图2中，收发器10被示出为与容器5的内部分离并且经由导体14连接到天线装置3，该导体14穿过设置在容器壁中的馈通部分15。应当理解的是，其并非必须是上述情况，至少收发器10可以设置在容器5的内部。例如，在如图2中示意性地示出的那样天线装置3以贴片天线的形式设置的情况下，至少收发器10和贴片天线3可以设置在同一电路板上。
图3a为示意性地示出了图1中的物位计系统中所包括的功能部件的方框图。示例性的物位计系统1包括发射信号生成电路300、信号路由电路302和传播装置3。
发射信号生成电路包括：微控制器单元MCU 304、逻辑电路306、RF振荡器308和控制RF振荡器308的输出端的开关310。
在MCU 304接收到要进行物位测量的命令的情况下，MCU 304启动振荡器308以使得在要提供发射信号之前振荡器有时间启动并且达到稳定的频率。接下来，MCU 304向逻辑电路306提供第一脉冲P1和第二脉冲P2，逻辑电路306在本示例中被表示为逻辑AND功能。为了提供具有可控长度的脉冲P1和P2，MCU310设置有使得能够进行脉冲宽度调制的至少两个输出端。由逻辑电路306中的逻辑运算所产生的信号是用于控制与RF振荡器的输出端连接的微波开关310的控制信号PSW。当控制信号PSW为高时，开关310闭合。由此，通过RF振荡器308将长度等于控制信号PSW的长度的发射信号ST提供到信号路由电路302。
信号路由电路302包括：定向耦合器312、环形器314、混频器316和幅值检测器318。发射信号ST由定向耦合器312接收，定向耦合器312将发射信号ST提供给混频器316和环形器314二者。定向耦合器也可以被称作功率分配器。可以使用本领域的技术人员已知的任何类型的定向耦合器或者功率分配器，例如传输线耦合器、波导耦合器、混合耦合器或者分立元件耦合器来实现将发射信号ST耦合到两个输出端的期望效果。
在环形器314中，发射信号ST被提供给传播装置3，在传播装置3中发射信号ST被发射向待测量的产品的表面7。通过传播装置3接收在表面7处或者在产品的中间界面处反射的信号，并且将其提供回环形器314。这里被描述为三端口装置的环形器314被配置成使得连接到传播装置3的端口输出从连接到定向耦合器312的端口所接收的发射信号ST，并且由环形器314的连接到传播装置3的端口接收的反射信号SR被输出到连接到混频器316的端口上。应当注意的是环形器也可以实施为四端口装置。
在混频器316中接收发射信号ST和反射信号SR，并且混频器316被配置成如果两个信号之间在时域中存在交叠则提供输出信号SM。输出信号SM通常可以是DC信号。例如，可以使用双重平衡混频器，该双重平衡混频器在任何一个输入信号都不存在的情况下不提供输出信号。
幅值检测器318连接到混频器316的输出端和MCU 304之间以检测来自混频器的输出信号SM并且将输出信号SM转换成具有可以被MCU304读取的格式的“状态”信号。由幅度检测器318提供的信号代表ST与SR之间交叠的状态，即，如果没有发生交叠，则不提供代表状态“0”的信号，而如果发生交叠，提供代表状态“1”的信号给MCU 304。
图3b示意性地示出了在图1所示的物位计系统的实施方式。图3b的系统的大部分与以上参照图3a描述的系统类似。区别在于在图3b中，相移电路322设置在定向耦合器312和第二混频器320之间。发射信号ST以未被改变的状态提供到第一混频器316，并且ST的相移版本经由相移电路322提供到第二混频器320。由此，即使发射信号和反射信号异相，混频器中之一也将检测时域中的交叠并且提供输出给幅值检测器318。例如相移电路322可以将输入信号的相移大约90°。
以和上文中相对于图3a描述的同样的方式，第二幅值检测器318连接到混频器316的输出端和MCU 304之间以检测来自第二混频器320的输出信号SM2并且将输出信号SM2转换成具有可以被MCU 304读取的格式的“状态2”信号。
因为相移也与时间延迟对应，因此MCU304必须知道交叠检测是来自第一混频器316的非延迟信号输出的结果还是来自第二混频器320的延迟信号输出的结果。因此，每个混频器316、320各自设置有输出端，该输出端又导致从幅值检测器318、324中的每个提供到MCU的两个分离的输入端的状态信号，状态1和状态2。由此，MCU可以根据从哪个幅值检测器接收到交叠检测来确定交叠发生在非延迟信号的情况下还是发生在延迟信号的情况下。因为发射信号的频率以及相移的量是已知的，因此在确定填充物位时如果交叠发生在延迟信号的情况下，则MCU可以对得到的时间延迟进行补偿。图4a和图4b示出用于形成具有期望的长度的控制信号PSW的方法，其中，控制信号PSW的最小长度等于可以由MCU304提供的脉冲长度的最小步长，而由MCU 304提供的脉冲长度的最小步长又与最短可测量距离对应。例如，来自MCU 304的最小脉冲长度lp可以是500ps而脉冲长度的最小步长Δl可以是60ps。由此，当使用基于最小步长的发射信号时，最小可测量距离显著地减小。
在图4a中，从MCU 304的第一输出端提供具有长度lp的第一脉冲P1。由MCU 304的第二输出端提供长度也是lp的第二脉冲P2。在这里，P2在时间上相对于P1延迟了lp–Δl。由此形成具有长度Δl的控制信号PSW，该具有长度Δl的控制信号PSW用于形成具有长度Δl的发射信号ST。
在图4b中，脉冲P1和脉冲P2二者都具有lp+Δl的长度而两个脉冲之间的延迟保持不变，即lp–Δl。因此，形成具有长度2Δl的控制信号PSW。
由此，提供了用于形成这样的发射信号的方法，其具有等于MCU 304的最小可实现步长的整数倍的长度。
应当注意的是，上述方法仅仅是可以如何形成发射信号的一个示例。本领域的技术人员很容易意识到可以通过使用用于实现期望的逻辑功能的其他逻辑元件或者逻辑元件的组合来以其他方式形成发射信号。此外，也可以使用多于两个的脉冲来形成期望的控制信号。
图5是示出了根据本发明的实施方式用于确定填充物位的方法的流程图。
首先，在步骤502中，生成发射信号ST。
在步骤504中，向待测量的产品的表面传播发射信号St，并且在步骤506中，接收所得到的反射信号SR。
接下来，在步骤508中确定在发射信号ST与接收到的反射信号SR之间是否发生交叠。
如果检测到交叠，则在步骤510中将状态参数设定为“1”。如果将状态参数设定为“1”导致状态变化，则可以得出结论：本发射信号具有与到表面的距离对应的长度。因为最先前发射的信号没有导致交叠，所以先前的信号的长度不对应于到表面的距离。因而在步骤512中，可以基于针对其检测到了指示交叠的状态参数的改变的发射信号的长度来确定到表面的距离以及由此确定填充物位。
另一方面，如果没有发生状态改变，则在步骤514中减小发射信号的长度并且方法在步骤502处重新开始。
在步骤508中没有检测到交叠的情况下，在步骤516中将状态参数设定为“0”。遵循如上所述的相似的推理路线，如果将状态参数设定为“0”导致状态改变，则在步骤512中可以确定填充物位。
如果在步骤516中将状态设定为“0”没有导致状态改变，则这意味着发射信号的长度对应于比到表面的距离短的距离。因此，在步骤518中增加发射信号的长度并且测量方法在步骤502处重新开始。
图6a和图6b示意性地示出了对于在混频器316处发生交叠和没有发生交叠的情况下发射信号ST与反射信号SR之间的关系。示出了在混频器316的位置处在时域中的信号。使用和图4中相同的符号，图6a示出具有长度lp的发射信号ST和对应的反射信号SR。在图6a中，发射信号ST和反射信号SR没有在时域中交叠，因此，到表面的距离比对应于发射信号ST的长度要长并且混频器没有提供交叠指示。
在图6b中，ST的长度增加了Δl且示出在混频器316处反射信号SR如何与发射信号ST在时域中交叠，并且来自混频器的指示交叠的输出信号SM被提供，因此可以确定到表面的距离小于对应于最新发射信号ST的距离。
举例来说，假设针对其而发生交叠的发射信号的长度是10ns，在信号以光速行进的情况下，信号行进的对应距离是3m。假定信号行进到表面并且返回，则到表面的距离是1.5m。由于例如定向耦合器与传播装置之间以及传播装置与混频器之间的布线的长度，因此可能需要对测量的距离进行补偿。在其中信号在介电常数与真空的介电常数显著不同的介质中传播的情况下，也会期望对测量的距离进行补偿。这样的补偿最好可以由MCU进行。遵循同样的原因，如上所述的60ps的最小步长提供了大约9mm的物位测量分辨率。
为了进一步改进物位计系统的分辨率，可控的延迟电路可以设置在定向耦合器312和混频器316之间用于使发射信号ST在混频器316处相对于反射信号SR发生延迟，或者可控的延迟电路可以设置在环形器314和混频器316之间用于使反射信号SR在混频器316处相对于发射信号ST发生延迟。因为两种设置的总原则是相同的，所以将只描述其中延迟电路设置在定向耦合器312和混频器316之间的情况。
假设默认条件是延迟电路没有引入延迟，可以如上述那样进行填充物位测量并且基于针对其而检测到交叠状态的改变的信号长度来确定测量的填充物位。通过发射针对其而检测到交叠的最后的（即最长的）信号，并且通过在定向耦合器和混频器之间步进地增加发射信号的延迟，当两个信号在混频器处不再交叠时将检测到交叠状态的新的改变。现在，可以通过取发射信号的长度并且减去针对其而发生交叠状态的改变的延迟来确定填充物位。因为发射信号的长度和延迟两者都由MCU控制并且为MCU所知，因此可以简单地从基于脉冲长度的距离中减去对应于延迟的距离以实现更加准确的测量。
例如可控的延迟电路可以是具有实际长度不同的发射线的印刷电路板（PCB）。由此，可以通过控制下述路径来控制信号的延迟，该路径为发射信号通过延迟电路中的一个或更多个发射线所采用的路径。
在本发明的一个实施方式中，如图7中示意性地示出的那样，发射信号ST可以包括两个发射脉冲T1和T2。因为如图6b中所示出的那样，包括单脉冲的发射信号的交叠发生在反射信号的前沿侧（leading flank）与发射信号的后沿侧（trailing flank）之间，所以可以通过消除发射信号的中间部分而实现更加节能的信号发射方案。因此，对于包括两个分离的发射脉冲T1和T2的发射信号ST，交叠发生在反射信号的T1与发射信号的T2之间，其中，T2以可控的方式相对于T1被延迟。由此，与使用单发射脉冲的情况相比，测量系统的能量消耗可以显著降低。通过改变两个脉冲之间的距离可以测量不同的距离，从而，当如图7中所示的那样由混频器316检测到交叠时，可以通过MCU 304触发读出T1和T2之间的已知时间延迟来确定到表面的距离。使用两个发射信号的另外的优势在于来自天线的反射减少了。
对于包括两个发射脉冲的发射信号也可以使用上述的可控延迟电路。然而，双脉冲发射信号方案开辟了可控延迟电路的可替选设置，也就是在MCU304和开关310之间替代逻辑电路306。通过这样的设置，MCU可以提供两个脉冲P1和P2并且控制延迟电路只对两个脉冲之一进行延迟，以使得形成具有下述时间差的两个发射脉冲T1和T2，该时间差由P1和P2之间的时间延迟以及由来自延迟电路的时间延迟两者所决定。由此可以通过可控延迟电路来实现如上述那样对分辨率的同样改进。
此外，应该意识到用于找到表面的各种搜索算法可以被MCU所使用。这样的搜索算法可以例如包括提供与装满一半的容器对应的第一发射信号，并且如果没有检测到交叠，则下一个发射信号可以与装满1/4的容器对应等。
注意，以上主要参照几个实施方式描述了本发明。然而，如本领域技术人员容易理解的那样，除以上公开的实施方式之外的其他实施方式也同样可以在如所附权利要求所限定的本发明的范围内。
还要注意，在权利要求中，词“包括（comprising）”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一个（a）”或“一个（an）”不排除多个。单个设备或其他的单元可以实现权利要求中所记载的几项的功能。仅是在相互不同的从属权利要求中记载的某些测量的这个情况不表示这些测量的组合不能用于获益。

Claims (18)

1.一种使用电磁信号来确定容纳在容器中的产品的填充物位的方法，所述方法包括以下步骤：
a)生成具有预定长度的发射信号；
b)向容纳在容器中的所述产品的表面传播所述发射信号；
c)接收由所述发射信号在所述产品的所述表面处反射而产生的反射信号；
d)确定接收到的反射信号是否与所述发射信号在时域中交叠；
e)如果检测到交叠则将交叠参数设定为状态1，如果没有检测到交叠则将所述交叠参数设定为状态0；以及
如果所述交叠参数的状态没有改变且如果没有检测到交叠，则生成具有超过所述第一预定长度的更新预定长度的发射信号并且重复步骤b)；以及
如果所述交叠参数的状态没有改变且如果检测到交叠，则生成具有短于所述第一预定长度的更新预定长度的发射信号并且重复步骤b)；以及
如果所述交叠参数的状态改变，则基于所述发射信号的预定长度来确定容纳在容器中的产品的填充物位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发射信号是单个发射脉冲。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤a)中的所述发射信号的所述预定长度基于先前确定的填充物位。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，生成发射信号的步骤包括以下子步骤：
生成具有预定长度的第一脉冲P1；
生成具有与所述第一脉冲P1的长度不同的长度的第二脉冲P2；
对所述第一脉冲P1和所述第二脉冲P2进行逻辑运算以提供具有与所述第一脉冲P1和所述第二脉冲P2之间的长度差相对应的长度的控制脉冲PSW；以及
生成具有与所述控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生成发射信号的步骤包括以下子步骤：
生成具有预定长度的第一脉冲P1；
生成相对于所述第一脉冲P1具有预定的时间延迟的第二脉冲P2；
对所述第一脉冲P1和所述第二脉冲P2进行逻辑运算以提供具有与所述第一脉冲和所述第二脉冲的交叠相对应的长度的控制脉冲PSW；以及
生成具有与所述控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述发射信号包括两个发射脉冲。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述生成发射信号的步骤包括以下步骤：
生成第一发射脉冲T1；
生成相对于所述第一发射脉冲T1具有预定的时间延迟的第二发射脉冲T2。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，如果针对包括有第一发射脉冲T1和相对于所述第一发射脉冲T1具有预定的时间延迟的第二发射脉冲T2的发射信号，所述交叠参数的所述状态改变，则基于所述预定的时间延迟来确定容纳在容器中的产品的填充物位。
9.一种使用电磁信号来确定容纳在容器中的产品的填充物位的物位计系统，所述物位计系统包括：
发射信号生成电路，所述发射信号生成电路包括：
用于生成电磁信号的振荡器；
用于通过控制所述振荡器来提供具有预定长度的第一发射信号的微控制器单元MCU；
传播装置，所述传播装置连接到所述发射信号生成电路，并且设置成向容器内部的所述产品的表面传播所述第一发射信号并返回由所述第一发射信号在容纳在容器中的产品的所述表面处反射而产生的反射信号；以及
信号路由电路，所述信号路由电路设置在所述发射信号生成电路与所述传播装置之间，所述信号路由电路包括：
环形器，所述环形器连接到所述传播装置并且配置成通过第一输出端将所述第一发射信号耦合到所述传播装置，所述环形器还被配置成接收来自所述传播装置的所述反射信号并且将所述反射信号耦合到第二输出端；以及
混频器，所述混频器连接到所述环形器的所述第二输出端用于接收所述反射信号；所述混频器还连接到所述MCU并且配置成如果在所述混频器处所述反射信号与所述第一发射信号在时域中交叠则提供交叠指示给所述MCU；
其中，所述MCU被配置成：如果接收到交叠指示则将交叠参数设定为状态1，并且如果没有接收到交叠指示则将所述交叠参数设定为状态0；以及
如果所述交叠参数的状态没有改变且没有接收到交叠指示，则生成长度超过所述第一发射信号的长度的第二发射信号；以及
如果所述交叠参数的状态没有改变且接收到交叠指示，则生成长度短于所述第一发射信号的长度的第二发射信号；以及
如果所述交叠参数的状态改变，则基于针对其所述交叠参数的所述状态改变的发射信号的长度来确定容纳在容器中的产品的填充物位。
10.根据权利要求9所述的物位计系统，其中，所述MCU被配置成在提供所述发射信号之前的预定时间启动所述振荡器。
11.根据权利要求9所述的物位计系统，还包括开关，该开关由所述MCU控制，用于使所述振荡器的输出端在接通状态与关断状态之间切换。
12.根据权利要求9所述的物位计系统，其中，来自所述混频器的所述交叠指示是直流（DC）脉冲。
13.根据权利要求9所述的物位计系统，其中，所述发射信号生成电路还包括逻辑电路，所述逻辑电路被配置成提供与由所述MCU的第一输出端和第二输出端提供的第一脉冲P1与第二脉冲P2之间的差相对应的控制脉冲PSW，并且其中，所述控制脉冲PSW耦合到所述开关用于控制所述振荡器的输出端，从而通过所述振荡器提供具有与所述控制脉冲PSW的长度相对应的长度的发射信号ST。
14.根据权利要求9所述的物位计系统，还包括可控延迟电路，该可控延迟电路设置在所述发射信号生成电路与所述混频器之间，用于延迟所述发射信号。
15.根据权利要求9所述的物位计系统，还包括可控延迟电路，该可控延迟电路设置在所述环形器与所述混频器之间，用于延迟所述反射信号。
16.根据权利要求9所述的物位计系统，还包括可控延迟电路，该可控延迟电路设置在所述MCU与所述开关之间，用于延迟所述发射信号的至少一部分。
17.根据权利要求9所述的物位计系统，其中，所述传播装置包括用于向所述表面发射所述发射信号的第一传播装置和用于接收所述反射信号的第二传播装置。
18.根据权利要求9所述的物位计系统，还包括：
第二混频器，所述第二混频器连接到所述环形器的所述第二输出端，用于接收所述反射信号；以及
相移电路，所述相移电路设置在所述定向耦合器与所述第二混频器之间，用于对所述第一发射信号进行相移并且将经相移的第一发射信号提供给所述第二混频器；
所述第二混频器还连接到所述MCU，并且配置成如果在所述混频器处所述反射信号与所述经相移的第一发射信号在时域中交叠则提供交叠指示给所述MCU。
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