CN105157789B - 一种高精度测量的雷达物位计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度测量的雷达物位计。包括，本振、可调本振、混频器、分频器、方波整形器、发射调制器、定向耦合器、射频前端、导波天线、模数转换器、微处理器、同步控制器和显示装置；应用模拟电路通过采用重复多周期完成高速信号向低速转换的过程，即把高频的、快速的重复信号转换成低频的、慢速的信号；利用反馈控制，严格控制本振和可调本振的频率差，同步控制器保证等效时间采样的精度，进而保证高精度物位测量。

Description

一种高精度测量的雷达物位计

技术领域

本发明涉及工业测量领域，具体地说是一种高精度测量的雷达物位计。

背景技术

雷达物位计利用回波测量原理来测量物位，发射电磁波传播到不同相对介电常数的物料表面时会产生反射，并被天线所接收，通过在时域或频域处理接收回波计算天线与物料表面的距离。由于电磁波具有不受介质密度、介质粘度、介质蒸气的影响的优点，被广泛的应用于电力、石化、冶金、化工等领域，是近年来发展最快的一种物位测量技术。

时域处理的导波雷达物位计为了保证测距精度，需要实现高速信号采样。高速信号对数据采样和信号处理都提出了很大的挑战。电磁波传输速率高，发射脉冲与接收脉冲时间间隔属于纳秒量级，难以确认，导致测量精度损失。

发明内容

针对现有技术的上述不足之处，本发明提出一种高精度测量的雷达物位计。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种高精度测量的雷达物位计，包括：

等效时间采样模拟电路部分，在微处理器的控制下，通过重复多次采样将高频高速的回波信号转换为低频低速的等效回波信号；

发射调制器，按照方波信号P_1r触发产生发射脉冲信号S_t，并将发射脉冲信号S_t传输给定向耦合器；

定向耦合器，将发射脉冲信号S_t传输给射频前端，并将射频前端返回的回波信号S_r传输给等效时间采样模拟电路部分；

射频前端，将发射脉冲信号S_t传输给导波天线，并将导波天线传输的回波信号S_r传输给定向耦合器；

导波天线，用于将射频前端传输的发射脉冲信号S_t沿导波杆进行传输，遇到阻碍物进行反射，得到回波信号S_r，将回波信号S_r传输给射频前端；

模数转换器，将等效时间采样模拟信号S_rm进行离散数字化采样，将采样数据S_rm(n)传输给微处理器；

微处理器，按照采样数据S_rm(n)进行处理计算，将计算的结果传输给显示装置；

显示装置，将微处理器计算的测量显示装置出来。

所述等效时间采样模拟电路部分包括：

本振，产生频率为f₁的基准时钟T₁，将基准时钟T₁传输给第一混频器和第一方波整形器；

可调本振，通过微处理器的反馈调节产生频率为f₂的时钟T₂，将时钟T₂传输给第一混频器和第二方波整形器；

第一混频器，将基准时钟T₁和时钟T₂进行混频，得到频率为Δf₁₂的信号S_Δf12，并将该信号S_Δf12传输给第三分频器；

第三分频器，将第一混频器传输的信号S_Δf12进行K分频，并将分频后的信号S_Δfr传输给微处理器；

第一方波整形器，按照本振传输的基准时钟T₁产生方波信号P₁，并将方波信号P₁传输给第一分频器；

第二方波整形器，按照可调本振传输的时钟T₂产生方波信号P₂，并将方波信号P₂传输给第二分频器；

第一分频器，将方波信号P₁进行K分频，并将分频后的方波信号P_1r传输给发射调制器；

第二分频器，将方波信号P₂进行K分频，并将分频后的方波信号P_2r传输给第二混频器；

第二混频器，将回波信号S_r与方波信号P_2r进行混频，得到等效时间采样模拟信号S_rm，并将等效时间采样模拟信号S_rm传输给模数转换器；

同步控制器，将微处理器传输的控制信号传输给第一分频器和第二分频器，实现方波信号P_1r和方波信号P_2r的定时同步。

所述微处理器监测第三分频器传输的信号S_Δfr的频率，当信号S_Δfr的频率不等于Δf₁₂/K时，对可调本振进行配置使时钟T₂保持在频率f₂。

所述微处理器通过按照等效时间采样的完整周期将控制信号传输给同步控制器，用于第一分频器和第二分频器的同步。

所述微处理器按照采样数据S_rm(n)进行处理计算，具体为：微处理器将实际测量过程中的采样数据S_rm(n)与存储的空罐初始状态下参照信号SR(n)进行对比，提取罐顶到分界面的传输时间T_s，根据传输时间T_s计算液位高度：

R＝cT_s/2

其中，R为液位高度，c为电磁波传播速度。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过模拟电路通过采用重复多周期完成高速信号向低速转换的过程，即把高频的、快速的重复信号转换成低频的、慢速的信号；

2.本发明利用反馈控制，严格控制本振和可调本振的频率差；

3.本发明利用同步控制器保证等效时间采样的精度，进而保证高精度物位测量。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2(a)示出了雷达物位计存储的空罐初始状态下参照信号；

图2(b)示出了雷达物位计实际测量过程中的采样数据。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的系统框图。本发明应用模拟电路通过采用重复多周期完成高速信号向低速转换的过程，即把高频的、快速的重复信号转换成低频的、慢速的信号；利用反馈控制，严格控制本振和可调本振的频率差，同步控制器保证等效时间采样的精度，进而保证高精度物位测量。将实际测量过程中的采样数据与存储的空罐初始状态下参照信号进行对比，提取灌顶到分界面的传输时间，根据传输时间计算液位高度；

本振1，产生频率为f₁的基准时钟T₁，将基准时钟T₁传输给第一混频器3和第一方波整形器5；

可调本振2，通过反馈调节产生频率为f₂的时钟T₂，将时钟T₂传输给第一混频器3和第二方波整形器6；

第一混频器3，将本振1传输的频率f₁的基准时钟T₁和可调本振2传输的频率为f₂的时钟T₂进行混频，得到频率Δf₁₂的信号S_Δf12，并将该信号S_Δf12传输给第三分频器4；

第三分频器4，将第一混频器3传输的频率Δf₁₂信号S_Δf12进行K分频，并将分频后的信号S_Δfr传输给微处理器14；

第一方波整形器5，按照本振1传输的频率f₁的基准时钟T₁产生方波信号P₁，并将方波信号P₁传输给第一分频器7；

第二方波整形器6，按照可调本振2传输的频率f₂的基准时钟T₂产生方波信号P₂，并将方波信号P₂传输给第二分频器8；

第一分频器7，将方波信号P₁进行K分频，并将分频后的方波信号P_1r传输给发射调制器9；

第二分频器8，将方波信号P₂进行K分频，并将分频后的方波信号P_2r传输给第二混频器13；

发射调制器9，按照方波信号P_1r触发产生发射脉冲信号S_t，并将发射脉冲信号S_t传输给定向耦合器10；

定向耦合器10，将发射调制器9传输的发射脉冲信号S_t传输给射频前端11，并将射频前端11返回的回波信号S_r传输给第二混频器13；

射频前端11，将定向耦合器10传输的发射脉冲信号S_t传输给导波天线12，并将导波天线12传输的回波信号S_r传输给定向耦合器10；

导波天线12，射频前端11传输的发射脉冲信号S_t沿导波杆进行传输，遇到分界面和罐壁等进行反射，得到回波信号S_r，将回波信号S_r传输给射频前端11；

第二混频器13，将定向耦合器10传输的回波信号S_r与第二分频器8分频后的方波信号P_2r进行混频，得到等效时间采样模拟信号S_rm，并将等效时间采样模拟信号S_rm传输给模数转换器14；

模数转换器14，将第二混频器13传输的等效时间采样模拟信号S_rm进行离散数字化采样，将采样数据S_rm(n)传输给微处理器；

微处理器15，按照处理模数转换器14传输采样数据S_rm(n)进行处理计算，将计算的测量结果传输给显示装置17，微处理器15监测分频器4传输的信号S_Δfr，将监测结果传输给可调本振2反馈调节本振频率，微处理器15通过按照等效时间采样的完整周期将控制信号传输给同步控制器16；

同步控制器16，将微处理器15传输控制信号传输给第二分频器7和第二分频器8，实现方波信号P_1r和方波信号P_2r的定时同步；

显示装置16，将微处理器15计算的测量显示装置出来；

其中，可调本振2根据微处理器15监测第三分频器4传输的信号S_Δfr进行反馈调节，保证本振1传输的频率f₁的基准时钟T₁和可调本振2传输的频率为f₂的时钟T₂进行混频得到信号S_Δf12频率为Δf₁₂；

第三分频器4、第一分频器7和第二分频器8保持相同的分频倍数K；

本振1、可调本振2、第一混频器3、第三分频器4、第一方波整形器5、第二方波整形器6、第一分频器7、第二分频器8、第二混频器13和同步控制器16构成等效时间采样模拟电路部分，采用重复多次采样完成高速信号向低速转换的过程，即把高频的、快速的重复信号转换成低频的、慢速的信号，模数转换器14对等效时间采样模拟信号S_rm进行离散数字化采样；

如图2所示，雷达物位计存储的空罐初始状态下参照信号和雷达物位计实际测量过程中的采样数据

如图2(a)所示，存储的空罐初始状态下参照信号SR(n)，回波信号时，信号在一个低水平,有三个尖峰，代表意义分别为P11指示的是灌顶的反射，P12是导波杆上的反射，P13是传输线最终在导波杆末端上的反射，

如图2(b)所示，实际测量过程中的采样数据S_rm(n)，其中P21、P22、P23和SR(n)是一样的，但是P24反映了分界面反射，其中P21和P24对应的时间代表灌顶到分界面的传输时间T_s，根据传输时间T_s计算液位高度。

Claims (4)

1.一种高精度测量的雷达物位计，其特征在于，包括：

等效时间采样模拟电路部分，在微处理器(15)的控制下，通过重复多次采样将高频高速的回波信号转换为低频低速的等效回波信号；

发射调制器(9)，按照方波信号P_1r触发产生发射脉冲信号S_t，并将发射脉冲信号S_t传输给定向耦合器(10)；

定向耦合器(10)，将发射脉冲信号S_t传输给射频前端(11)，并将射频前端(11)返回的回波信号S_r传输给等效时间采样模拟电路部分；

射频前端(11)，将发射脉冲信号S_t传输给导波天线(12)，并将导波天线(12)传输的回波信号S_r传输给定向耦合器(10)；

导波天线(12)，用于将射频前端(11)传输的发射脉冲信号S_t沿导波杆进行传输，遇到阻碍物进行反射，得到回波信号S_r，将回波信号S_r传输给射频前端(11)；

模数转换器(14)，将等效时间采样模拟信号S_rm进行离散数字化采样，将采样数据S_rm(n)传输给微处理器(15)；

微处理器(15)，按照采样数据S_rm(n)进行处理计算，将计算的结果传输给显示装置(17)；

显示装置(17)，将微处理器(15)计算的测量显示装置出来；

所述等效时间采样模拟电路部分包括：

本振(1)，产生频率为f₁的基准时钟T₁，将基准时钟T₁传输给第一混频器(3)和第一方波整形器(5)；

可调本振(2)，通过微处理器(15)的反馈调节产生频率为f₂的时钟T₂，将时钟T₂传输给第一混频器(3)和第二方波整形器(6)；

第一混频器(3)，将基准时钟T₁和时钟T₂进行混频，得到频率为Δf₁₂的信号S_Δf12，并将该信号S_Δf12传输给第三分频器(4)；

第三分频器(4)，将第一混频器(3)传输的信号S_Δf12进行K分频，并将分频后的信号S_Δfr传输给微处理器(14)；

第一方波整形器(5)，按照本振(1)传输的基准时钟T₁产生方波信号P₁，并将方波信号P₁传输给第一分频器(7)；

第二方波整形器(6)，按照可调本振(2)传输的时钟T₂产生方波信号P₂，并将方波信号P₂传输给第二分频器(8)；

第一分频器(7)，将方波信号P₁进行K分频，并将分频后的方波信号P_1r传输给发射调制器(9)；

第二分频器(8)，将方波信号P₂进行K分频，并将分频后的方波信号P_2r传输给第二混频器(13)；

第二混频器(13)，将回波信号S_r与方波信号P_2r进行混频，得到等效时间采样模拟信号S_rm，并将等效时间采样模拟信号S_rm传输给模数转换器(14)；

同步控制器(16)，将微处理器(15)传输的控制信号传输给第一分频器(7)和第二分频器(8)，实现方波信号P_1r和方波信号P_2r的定时同步。

2.根据权利要求1所述的一种高精度测量的雷达物位计，其特征在于：所述微处理器(15)监测第三分频器(4)传输的信号S_Δfr的频率，当信号S_Δfr的频率不等于Δf₁₂/K时，对可调本振(2)进行配置使时钟T₂保持在频率f₂。

3.根据权利要求1所述的一种高精度测量的雷达物位计，其特征在于：所述微处理器(15)通过按照等效时间采样的完整周期将控制信号传输给同步控制器(16)，用于第一分频器(7)和第二分频器(8)的同步。

4.根据权利要求1所述的一种高精度测量的雷达物位计，其特征在于：所述微处理器(15)按照采样数据S_rm(n)进行处理计算，具体为：微处理器(15)将实际测量过程中的采样数据S_rm(n)与存储的空罐初始状态下参照信号SR(n)进行对比，提取罐底到分界面的传输时间T_s，根据传输时间T_s计算液位高度：

R＝cT_s/2

其中，R为液位高度，c为电磁波传播速度。