CN105737942B - 基于调频连续波的导波雷达物位计 - Google Patents

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Abstract

一种FMCW型雷达物位计，其被配置成发射电磁发射信号和接收从表面反射的电磁返回信号，该电磁发射信号具有至少1GHz的带宽、小于2.5的相对带宽(最大频率/最小频率)以及小于4GHz的上限频率。该物位计包括：单导体探针，该单导体探针机械地悬挂在罐中并且延伸至罐中的物品中；以及匹配装置，该匹配装置提供电气馈通装置与单导体探针之间的电匹配连接件。根据本发明，使用相对便宜的单导体代替相对昂贵的静止管道作为表面波导(SWG)装置。

Description

基于调频连续波的导波雷达物位计
技术领域
本发明涉及一种FMCW型雷达物位计，其用于确定至罐中的物品的表面的距离。
背景技术
对容纳例如液体、气体或颗粒状物品的罐的雷达物位计量已使用了数十年并且一些不同的技术方案在使用中。针对信号生成和信号处理，被称为FMCW(调频连续波)的方法已被广泛用于特别是测量准确度为关键规范点的情况。在大多数FMCW系统中，具有基本上相等的幅度和线性变化频率的发射信号被发射至罐中，并且通过表面被反射。反射信号被接收并且与发射信号进行混频以形成中频信号，其中中频(IF)与从发射器/接收器到反射点(通常是罐中的物品的表面)的距离对应。用其他类型的调频代替线性扫描也可以。
用于物位计量的FMCW系统通常使用如6GHz、10GHz和25GHz的频率以及1GHz或(主要针对25GHz系统)最高达2GHz至3GHz的频率带宽。还已知使用大约78GHz的系统。从电子器件到天线的内部传输路径被保持干净以具有低反射并且特别地罐密封可能有点困难，因为罐还必须经受高压力、各种化学品等。
可以用若干方式表征测量性能，但是常规使用至少以下四种方式。
准确度，涉及测量如何准确可靠。在通过频率合成器生成频率时，能够获得非常高的准确度和长期稳定性。准确度许可通常被称为“密闭输送许可”并且(取决于国家)可以为针对特定使用的强制法律要求。通常在这样的情况下要求的准确度被指定为大约1mm。注意，在大油罐中1mm的物位差可能对应于成千上万美元的价值。
距离分辨率，或者辨别罐中两个可能接近的雷达回波的能力，对于大多数雷达物位计为150mm至200mm或者略微更高。
更新率，是距下一次测量的时间。对存储罐的物位计量通常不苛刻(物位每分钟可能仅改变数cm或者更少)并且每秒1次测量是通常可接受的最小数字。一些应用可能需要计量系统快得多的响应。
灵敏度，是对多么弱的回波能够被检测到并通过信号处理来处理的测量。最大双向路径损耗是测量灵敏度的常用方式，并且FMCW系统通常应当不具有执行测量的大于90dB至100dB的双向路径损耗。不同情况之间的路径损耗变化可以是明显的。
原则上，距离分辨率容量基本被雷达频率带宽限制，但是对于FMCW系统，该限制还加上信号处理并且存在准确度与其他属性如更新率之间的权衡。FMCW系统需要一些通常数字地完成的滤波操作(对频谱加窗)。滤波窗口的类型和宽度可以出于不同目而被优化，因此RF带宽与分辨率之间的相关性弱于脉冲系统的相关性但仍然存在，并且从而带宽应当通常为至少1GHz。
距离分辨率关于距离通常比所要求的准确度大两个量级的事实(100mm与1mm相比)意味着雷达系统特别是FMCW系统对于外部雷达反射和内部雷达反射敏感。如果传输路径例如包含两个反射物(例如打开的天线和与天线不完全匹配的连接器)，则将存在额外两次经过这两个反射物之间距离的更小的信号。如果例如两个反射物具有电压驻波比(VSWR)为2(每个反射物约-10dB)的失配，则在最坏情况下，内部距离可能发生±10mm的偏差(在距离分辨率内)。如果反射物是内部的并且非常稳定，则这可能不是问题(仔细的校准能够确保)；但是如果不期望的初始10mm偏差可能不时改变，则对于较大反射物和在可变罐环境中的反射而言，期望的mm级准确度显然是危险的。
在大多数FMCW系统中，所有微波分量的合理微波匹配(即VSWR＜1.2至1.5)被证明给出了可行的实际解决方案。然而，在非常准确的FMCW系统中，已知严重失配的点是问题的根源。来自罐中障碍物的反射给出了类似的影响并且通过使用窄波束天线被去除，并且基于FMCW的系统通常使用生成笔形束辐射图案的、垂直向下指向表面的天线。
为了进一步提高准确度，基于FMCW的系统有时与以下形式的波导结构一起使用，该波导结构具有50mm至100mm、从天线喇叭延伸通过整个罐的不锈钢管道的形式。大多数情况下，通常针对10GHz的系统使用2英寸或4英寸的管道。这样的“静止管道”是避免可能干扰罐中的回波的非常有效的方式。显然，包括静止管道增加了成本，但是当在管道周围存在许多干扰对象以及表面有时由于混乱的表面具有非常低的反射时，该管道使得能够进行不受干扰的测量。管道、管道的馈送以及用于断开在罐顶之上的零件(以使得零件能够改变)的可能的阀被制成具有非常良好的电匹配以确保准确度。
发明内容
本发明的目的为提供一种在FMCW型雷达物位计中避免罐中的干扰的更具有成本效益的方式。
根据本发明的第一方面，通过用于确定至罐中的物品的表面的距离的FMCW型雷达物位计来实现该目的和其他目的。该雷达物位计包括收发器电路，该收发器电路被配置成发射电磁发射信号和接收从表面反射的电磁返回信号，该收发器电路包括调频器，该调频器被配置成将发射信号的频率调制为在具有上限频率和下限频率的频率范围内变化，其中上限频率小于4GHz，下限频率至少比所述上限频率小1GHz，并且上限频率与下限频率之比，相对带宽，小于2.5。物位计还包括：混频器，该混频器被配置成将发射信号与返回信号进行混频以提供中频信号；以及处理电路，该处理电路被配置成基于中频信号确定距离。物位计还包括：(可选地密封的)电气馈通装置，该电气馈通装置从收发器电路到罐中；单导体探针，该单导体探针机械地悬挂在罐上部并且延伸至罐中的物品中，该单导体探针电连接至收发器并且适于将电磁发射信号朝向表面引导以及将电磁返回信号引导至收发器电路。当从单导体探针看去，电气馈通装置具有第一输入阻抗，当从电气馈通装置看去，该单导体探针具有第二输入阻抗，并且第二输入阻抗大于第一输入阻抗。物位计还包括匹配装置，该匹配装置在第一输入阻抗与第二阻抗之间，提供电气馈通装置与单导体探针之间的电匹配连接件，匹配连接件的反射系数小于-10dB。
根据本发明的第二方面，通过用于确定至罐中的物品的表面的距离的雷达物位计量方法来实现该目的和其他目的。该方法包括：生成电磁发射信号，该电磁发射信号具有至少1GHz的带宽、小于2.5的相对带宽以及小于4GHz的上限频率；通过电气馈通装置将电磁发射信号馈送至罐中，并且进一步馈送至延伸至罐中的物品中的单导体探针中，电气馈通装置与单导体探针之间的电匹配连接件具有小于-10dB的反射系数；沿单导体探针引导电磁反射信号；通过使电磁发射信号在表面反射来形成电磁返回信号；将电磁返回信号沿单导体探针引导并且使电磁返回信号返回通过电气馈通装置；接收电磁返回信号；将电磁发射信号与电磁返回信号进行混频以提供中频信号；以及基于中频信号确定距离。
根据本发明，用相对便宜的单导体(在此称为探针)代替相对昂贵的静止管道用作表面波导(SWG)装置。这样的单导体探针具有与静止管道完全不同的波导特性并且先前仅被用于使用时域反射法(TDR)的物位计量，其中基带脉冲(DC脉冲)沿探针被发射。已经提出FMCW型系统与探针的组合但是发现工作不令人满意，并且通常接受该类型表面波导装置不适用于基于FMCW的雷达物位计量。
然而，根据本发明，通过仔细选择雷达物位计的工作参数，FMCW型物位计与表面波导装置连同在电气罐馈通装置与单导体探针之间的适当的匹配装置一起可以被成功组合。
“匹配电连接件”在此意在指具有与从第一输入阻抗到第二输入阻抗的直接过渡相比的改进的阻抗匹配的电连接件。如以下将详细讨论的，这样的直接过渡将导致干扰反射。已知FMCW系统的传输路径中的这样的强反射为所述问题的潜在根源。已知该反射也干扰TDR系统但是通常FMCW系统对于这样的干扰更敏感。匹配装置通过减少这样的反射来确保令人满意的检测特性。
“FMCW型”的表达应当被理解为包括下述任何系统：在该系统中调频发射信号与反射的返回信号被混频以形成中频信号，该中频信号又被用于确定至罐中的表面的距离。在传统的FMCW(调频连续波)系统中，发射信号具有恒定的幅度和通常为线性变化频率(频率扫描)的变化频率。在更最近的系统中，频率扫描被实现为有时被称为“步进式”FMCW的一系列离散频率。还提出了其他变型，包括：发射信号包括一系列分离的、每个具有不同频率的恒定频率脉冲(参见例如美国公布申请12/981 995)。
FMCW系统的共同之处在于它们使得能够进行非常准确的频率控制，这在确保在受限带宽上的令人满意的阻抗匹配时显著有利。脉冲TDR系统也具有在特定频带内的发射信号但是频率不像在FMCW系统中在给定范围内变化。更确切地，发射信号将包括取决于准确脉冲形状的频谱，该脉冲形状将不时变化并且其极限并不锐利。
相对低的上限频率降低了电阻损耗(沿探针每米的dB大致增加如频率的功率的2/3)。与现有FMCW系统相比，电力耗用和部件成本也可以被降低。至少1GHz的带宽确保令人满意的距离分辨率。
在根据本发明组合单导体探针与任何基于FMCW的系统时，探针与电气馈通装置的匹配变成关键方面。
电气馈通装置通常具有相对低的阻抗(例如，如果使用商用部件，则同轴馈通装置具有40ohm至75ohm的阻抗)。另一方面，罐中自由空间中的探针的阻抗通常大于250ohm，或者甚至大于350ohm(被定义为传输功率除以沿线缆的电流的平方)。作为示例，在针对相关工作频率的自由空间中的、具有4mm至10mm直径的未涂覆的不锈钢丝探针具有在300ohm至400ohm的范围内的阻抗。
由于这样的阻抗失配，传统的基于TDR的导波雷达(GWR)系统通常在馈电点处具有大约1:7的VSWR(50ohm与350ohm之比)，这意味着由于反射产生的双向损耗为7dB。电气馈通装置与探针之间的阻抗过渡的反射系数通常为大约-2.5dB，这(连同由反射损耗产生的传输损耗一起)使得来自该阻抗过渡的反射比来自油面的正常回波强20dB并且在液化气的情况下甚至强更多。
在脉冲TDR系统中，这样的失配通常用来生成校准脉冲。如果试图匹配，则匹配由于脉冲TDR系统所要求的大的相对带宽(通常为10:1的量级)而存在问题。对于这样的频率，可以使用沿线路的步进阻抗匹配并且仍保持线缆的机械强度。对于1:7的转换比(50ohm与350ohm之比)和5至10的带宽(0.1GHz至1GHz或者略小，如0.2GHz至1GHz)，这样的转换器的长度将超过1m。因此，转换器必须被设计成在其部分地位于液面以下时也能起作用。很大程度上，现有技术匹配方案关注于解决该特定问题，参见例如US 7,636,059。
在根据本发明将FMCW系统与单导体探针组合使用时，不需要这样的校准脉冲，并且确实消极影响近区检测(接近于罐顶的检测)。然而，本发明人已认识到：FMCW型系统还使得能够使用比脉冲TDR系统小得多的相对带宽。小于2.5的相对带宽通过将匹配装置的长度针对同一阻抗步进减小近十倍，提供了该匹配问题的意外缓和。这样受限的相对带宽在使用基带脉冲的系统中不能实现。
根据本发明，匹配装置提供了小于-10dB的反射系数。换言之，反射信号的功率为输入信号的功率的-10dB。这小于通过使用基带脉冲的传统GWR系统的探针馈送的反射的20％。很明显这提高了对接近于罐最上部处的物位准确测量的可能性。
在一些实施例中，匹配装置提供小于-15dB或者甚至小于-20dB的反射系数。借助于这样的匹配，能够确保来自电匹配连接件的反射比由罐中的液面引起的反射弱。
有利地，匹配装置不延伸至罐的正常操作区中，即罐的在其中物品表面可以预期符合正常操作条件(或者预期可能偏离正常操作条件)的区域中。换言之，在正常使用期间，匹配装置将不延伸至容纳在罐中的物品中。这意味着由匹配装置提供的匹配件将在使用期间不受物品的消极影响。甚至更优选地，匹配件的延伸被限制以使得其可以被安装在罐顶中的管嘴中。只要密封完整，物品表面将不超过边界地进入管嘴。作为示例，匹配装置的物理纵向延伸可以小于20cm。
在大多数应用中，探针被电气馈通装置机械地悬挂。可能的机械负荷的通常的规范点为30kN至40kN，因此中心导体必须由非常良好的钢制成并且相当厚(5mm的量级)以经受该力。由于这些机械约束，电气馈通装置从而将具有甚至更低的阻抗，通常大约40ohm或更小。
附图说明
将参照示出了本发明的当前优选实施例的附图更详细地描述本发明。
图1示意性示出了根据本发明的一个实施例的计量系统。
图2更详细地示出了图1中的雷达物位计。
图3示出了罐馈通结构的一种示例。
图4示出了匹配装置的另一示例。
图5示出了罐馈通结构的第二示例。
图6示出了图2中的收发器和处理电路的框图。
图7示出了适于本发明的频率图。
图8示出了作为最大失配的函数的步进阻抗转换器的长度的图。
具体实施方式
图1示意性示出了物位计量系统1，其包括雷达物位计2和被示为控制室的主机系统3。在此雷达物位计2安装在从罐5的顶部基本上竖直延伸的管状安装结构4(通常被称为“管嘴”)上。罐5可以为能够容纳待测量物品的任何容器或器皿。通常管嘴4是罐上的现有零件并且最初并不意在用于特定类型的物位计。因此管嘴4可能具有对此目的而言不理想的特·-性。雷达物位计当然还可以安装在没有任何管嘴的罐上。
安装雷达物位计2以通过检测至物品6的上表面7的距离来测量容纳在罐5中的物品6的填充物位。还可以检测至下界面例如油品与油以下的水之间的界面的距离。雷达物位计2包括测量单元8和具有表面波导形式的传播设备9，该传播设备9从测量单元8朝向物品6延伸通过管嘴4并且延伸至物品6中。在图1的示例性实施例中，表面波导装置是柔性单导体探针9，该柔性单导体探针9具有连接至测量单元8的第一端9a和连接至将探针保持为直的并且竖直的负重10的第二端9b。可替选地，探针可以附接至罐底部。
参照图2，电子单元8包括电连接至探针9的发射器11，以及电连接至收发器11的处理电路12。“收发器”可以是一个能够发射和接收电磁信号的功能单元，或者可以是包括独立的发射器单元和接收器单元的系统。收发器11的元件通常以硬件实现，并且形成通常称为微波单元的集成单元的一部分。处理电路可以包括用硬件实现的模拟处理与通过由嵌入式处理器执行的软件模块实现并体现的数字处理的组合。本发明不限于特定实现，并且可以构思发现适于实现在此描述的功能性的任何实现。
收发器11被配置成生成和发射由探针9朝向物品6的表面7引导的电磁发射信号ST。电磁返回信号SR是由表面7中的反射引起的，并且沿探针9返回以被收发器11接收。
处理电路12被配置成通过分析发射信号ST和返回信号SR来确定参考位置(例如罐顶)与表面7之间的距离。可以根据该距离导出填充物位L。应当注意，尽管在此讨论容纳单一物品6的罐5，但是可以以类似方式测量沿探针9至任何物料界面的距离。
此外，测量单元8包括连接至处理电路12并且被配置成使得能够与主机系统3通信的通信接口13。在图1和图2的示例性实施例中，雷达物位计2与主机系统3之间的通信被表示为无线通信。另外，尽管图2未示出，但是雷达物位计系统1通常可连接至外部电源，或者可以包括内部电源例如电池。内部电源可以是太阳能供电的。
代替无线通信，通信可以例如在基于模拟和/或数字的有线通信信道上发生。例如，通信信道可以是双线制4-20mA回路并且可以通过在双线制4-20mA回路上提供与填充物位对应的特定电流来传送填充物位。也可以使用HART协议通过这样的4-20mA回路来发送数字数据。此外，可以使用纯数字通信协议如Modbus、Profibus或基金会现场总线。在有线通信的情况下，也可以使用相同的线缆为物位计供电。
再次参照图2，收发器11经由罐馈通结构15连接至探针9，罐馈通结构15提供罐顶中的密封电气馈通装置。密封通常是气密压力密封，但是这不是必须的。在一些情况下，密封仅用来防止泄漏。当从探针9看去，电气馈通装置21具有第一输入阻抗Z1，而当从所述电气馈通装置看去，探针9具有第二输入阻抗Z2。如以上提及的，并且以下将进一步解释，由于机械限制和物料限制，所以第一输入阻抗与第二输入阻抗之差大到足以引起干扰反射。由于该原因，在电气馈通装置21与探针9之间连接阻抗匹配装置16，以确保第一输入阻抗与第二输入阻抗之间足够良好的匹配以便减少这样的干扰反射。匹配装置可以表现至少一个中间阻抗Z3，该中间阻抗Z3小于第一输入阻抗且大于第二输入阻抗。
探针9需要安全地固定在罐上部，并且通常通过罐顶或者通过罐馈通结构15悬挂。探针9需要经受相当强的力，并且通常的规范要求可以为30kN或甚至40kN。显然这些强机械力限制了匹配装置16可能实现的范围。
单导体探针9可以由单个完整导体(所谓的高保(Goubau)线)形成，单个完整导体可以被介电涂层覆盖或可以不被介电涂层覆盖。然而，在许多应用中，探针是具有缠绕在一起的多根金属线的不锈钢丝。
探针的选择影响工作频率的选择。在4mm不锈钢丝的情况下，以下表格提供了一些计算数据(在1GHz处，计算基于每平方0.14ohm并且计算数据是在各种源中发现的不锈钢的最坏数据的15％或更高)：
频率GHz 阻抗ohm 每米的双向损耗 针对95％的直径
1 357 0.27dB 1.6m
2 326 0.42dB 1m
4 294 0.66dB 0.6m
10 249 1.23dB 0.32m
25 203 2.38dB 0.18m
在表格中，“阻抗”被定义为传输功率除以电流的平方并且“直径”适用于探针周围的、95％的功率通过其传输的圆柱体。合理的最小要求是物位计可操作最高至40m，并且可以看到4GHz将造成0.66dB×40＝26dB的双向衰减。从而不应当使用高于4GHz的频率。场直径可以针对功率的95％在规定直径内任意选择。如果应当使用比不锈钢更好的导体，则场直径和阻抗将增大并且对于更低频率的情况也是如此。
在罐内部的自由空间中，不锈钢丝探针具有为机械轴封(process seal)21的阻抗的若干倍的阻抗，并且典型值可以为350ohm。另一方面，电气馈通装置21将具有显著更低的阻抗。例如具有6mm外径(介电的)和1mm至2mm内径的塑料填充的同轴线将具有40ohm至70ohm的阻抗。在0.5mm内径的情况下，线的阻抗接近100ohm但是任何适于通过坚固密封的传输线都将需要具有相当低的阻抗，大概低于100ohm。
因此探针9至机械轴封21的连接通常产生在电气馈通装置21的低阻抗与自由空间中的单导体探针9的高阻抗(即探针的自由空间阻抗)之间的阻抗过渡。
如以上提及的，该阻抗过渡部分地反射电磁发射信号ST，产生可能基本上比由发射信号在容纳在罐中的物品表面处反射而产生的表面回波信号强的回波信号。从而由阻抗过渡产生的反射可能干扰表面反射。作为典型示例，该回波的反射系数在-2dB与-3dB之间。
如图2所示，在雷达物位计2安装在管嘴4上的情况下，管嘴4将引起两个阻抗过渡从而两个干扰回波。管嘴的上端中的回波将被减小(并且如果管嘴狭窄则减小更多)，但是在罐中的“自由空间”开始的下端处也存在回波。在管嘴更狭窄时，后一回波将增大。这两个回波中较强的回波(当在各种管嘴和线缆上看)通常在-4dB与-7dB之间。
根据本发明的匹配装置16连接在电气馈通装置21与探针9之间，并且被设置为基本上去除或者至少减少任何阻抗过渡，以使得由一个或多个过渡引起的任何反射变弱。作为示例，匹配电连接件可能导致反射系数小于-10dB，即反射比输入信号弱-10dB。优选地反射系数小于-12dB、小于-15dB或者甚至更优选地小于-20dB。通常来说，期望将阻抗过渡减小至下述程度：由过渡引起的反射比由以下产生相对弱的回波信号的物品引起的反射更弱，例如液化天然气(LNG)、液化石油气(LPG)、油基物品以及固体，例如塑料小球或谷粒等。在这些情况下，可以预期表面回波比输入信号弱大约-18dB，。
在本公开内容的上下文中，匹配装置16涉及设置在电气馈通装置21与罐(或管嘴)内自由空间中的探针9之间的任何元件。在一些实施例中，如以下将讨论的，匹配装置16可以是设置在探针9周围的器件。从而探针9的上部将具有逐渐增大的阻抗直至罐内的单导体探针的“自由空间阻抗”。也可以设想匹配装置为被设置成在探针上端处、接近于电气馈通装置的一组部件。
图3示出了馈通结构15和探针悬挂的示例。电气馈通装置21在此包括具有介电环形套管23的形式的密封元件，该介电环形套管23设置在中心导体24周围以形成通过罐壁22的密封电连接。电气馈通装置21在此也用作探针9的悬挂。为此目的，电气馈通装置21的导体24具有可以附接探针9的探针连接端子25。
如所提及的，由探针施加至该端子25从而施加至对电气馈通装置21的力相当大。因此，中心导体24和环形套管23的尺寸需要相当稳健，并且作为示例，导体24可以具有4mm至8mm的直径。结果是，电气馈通装置21事实上为具有相对低阻抗的同轴连接，通常具有40ohm至50ohm的量级。
包括介电和金属二者的各种匹配装置设计在本领域已知，并且在例如通过引用并入本文中的US7,636,659中讨论。在图3的示例中，匹配装置包括同轴地设置在探针9周围的、中空且呈圆锥形的介电套管17。
在所示示例中，阻抗匹配装置不延伸至管嘴4的底部开口以下。为了便于插入至罐5中，阻抗匹配装置的最大轴向尺寸优选地小于设置在罐5中的通孔的轴向尺寸。
图4示出了有时被称为切比雪夫设计的具有若干步进的匹配装置。在此的转换器包括具有朝向单导体探针9的自由端减小的直径的三个圆柱段18a至18c。每个圆柱段18a至18c可以有利地具有待由收发器11发射的信号的中心频率的波长的大约四分之一的长度。图2和图3中的连续过渡被示为圆锥形的，但是在本领域已知各种非线性过渡可以提供更好的性能。
步进式转换器通常是要求最大失配的最短设计，但是在油位部分地覆盖转换器的情况下连续变化更好。在任何情况下，来自匹配装置的反射系数有利地被设计为适当地低于来自油面的大约-15dB的反射。作为示例，反射系数可以在-20dB与-24dB之间。
将结合图8讨论制作这样的短匹配装置的条件。
图5示出了馈通结构15的另一实施例。在此，探针9通过罐顶机械悬挂，并且不在电气馈通装置21中。信号耦合装置26被设置为使得发射信号与返回信号能够经由电分离耦合而耦合至探针9中。即使认为电气馈通装置21在此不被施加强力，但是电气馈通装置21通常仍将具有比探针低得多的阻抗，最可能远小于100ohm。因此耦合装置26将需要包括阻抗匹配装置，以便减小如上所讨论的失配。在所示示例中，耦合装置26包括三个λ/4段，其中中心段被设置成距探针9较小距离。耦合装置的细节不是本发明的主题，但是在US 2009/0085794公开了合适装置的示例，其通过引用并入本文中。
现在参考图6，其示出了在频率“扫描”具有分段恒定频率(步进式或者交错式频率扫描)的FMCW系统的情况下图2中的收发器11和处理电路12的更详细的框图。应当理解，本发明不限于这样的“步进式”系统，并且相反地本发明还可以用于具有连续调制发射信号的系统中。此外，可以使用调频信号的其他替代作为发射信号以便通过零差混频确定至表面的距离。
收发器11在此包括微波源31，例如由步进发电机32驱动的晶控振荡器，该步进发电机32又通过形成处理电路12的一部分的定时电路33控制。微波源31经由功率分配器34连接至探针9。功率分配器34被设置成将返回信号从天线连接至混频器35，混频器35也被连接以接收来自微波源31的信号。混频器输出连接至低通滤波器36和放大器37。
在一些形式的FMCW系统中，返回信号与发射信号的延迟形式被混频。这样的处理具有一定优势，但是也产生关于附加部件的成本。
除了以上提及的定时电路33之外，处理电路12在此包括适于对信号进行接收和采样的采样器38。采样器可以包括与模拟数字(A/D)转换器或者被实现为sigma-delta(Σ-Δ)转换器的组合的采样保持电路。采样器38由定时电路控制以与测量信号同步。最后，处理电路包括连接至采样器38的物位计算器块39。
发射信号在此具有大于1GHz的带宽以提供：足够的分辨率，使得能够进行有效匹配的小于2.5的相对带宽(最大频率/最小频率)，以及为避免沿单导体探针的过量衰减的小于4GHz的上限频率。合适的频率范围的可能选择为1GHz至2GHz、2GHz至4GHz或者1.2GHz至3GHz。
注意，所述相对带宽与通常仅具有0.15至0.20的相对带宽的现有FMCW系统相比更大。例如，中心频率为10GHz并且带宽为2GHz。基于该原因，用于传统FMCW系统的现有电路将需要以除降低频率之外的更多方式再设计。
图7示出了在被示为41的区域中的上限频率与下限频率的可能组合的结果集合。用于比较，区域42代表典型基带脉冲TDR系统的频率(近似范围0.1GHz至1GHz)，并且区域43代表传统6GHzFMCW系统的频率(中心频率大约6GHz，带宽1GHz至1.5GHz)。
在工作期间，定时电路33控制微波源31输出在此具有步进频率扫描的形式的发射信号。发射信号通常以合适的步进从较低频率步进至较高频率。可替选地，发射信号可以替代地从较高频率步进至较低频率，或者甚至可以以任何顺序进行频率步进。
扫描的步进数目N对于30m的期望范围可以为大约1000。从而每个频率步进的大小(Δf)通常将具有MHz的量级。对于功率受限的应用，扫描的持续时间受限，并且通常具有0ms至100ms的量级。作为示例，扫描的持续时间可以为大约30ms，并且在1000个频率步进的情况下(N＝1000)，这导致每个步进的持续时间为30μs的量级，或者大约30kHz的更新率。其他扫描持续时间当然也可以。
来自微波源的测量信号被发射至罐5中并且被使得沿探针9传播，并且回波信号经由功率分配器34返回至混频器35，在混频器35处回波信号与发射信号被混频。被称为IF(中频)信号的混频信号在被提供给处理电路12之前由滤波器36滤波并且由放大器37放大。IF信号是具有与至反射表面的距离成比例的频率的分段恒定振荡信号，并且分段恒定长度是与测量信号步进长度相等的长度。典型频率具有kHz的量级，例如小于100kHz，并且通常小于15kHz。
放大的IF信号由处理电路12接收，在处理电路12处该信号由采样器38进行采样和A/D转换。A/D转换器的采样频率有利地足够接近测量信号的更新率以对测量信号的每个步进进行一次且仅一次采样。
由采样产生的样本向量被提供给物位计算器块39，该物位计算器块39基于样本向量确定IF信号的频率，并且然后基于IF信号频率确定至反射表面的距离(从而随后罐中物品的填充物位)。
为了说明在将本发明所提出的高阻抗探针与改进的FMCW系统一起使用时关于空间要求的显著改进，参考图8。图8中的图示出了作为具有(负的)dB形式的最大失配的函数的切比雪夫转换器的长度。第一曲线44涉及具有200MHz至1200MHz(1ns DC(直流)脉冲以及至少6:1的相对带宽)的通带的典型TDR系统。转换器的每个段用点表示，因此转换器长度在2段与9段之间变化，在这种情况下每个段为107mm长(等于在200MHz至1200MHz的中心频率处的波长的四分之一)。由该图明显可见，对于相当大的失配函数，要求大约1米或更大的转换器长度，即来自液体的期望回波以下的反射系数可以在-14dB与-18dB之间。
第二曲线45涉及根据本发明的一个实施例的FMCW型系统，其具有1GHz至2GHz的频率范围并且对于具有2、3、4等段的变换器，由于较高频率，所述每个段为50mm。对于FMCW型系统，在大多数应用中在正常工作条件下，三段(参见图4)将给出在油回波以下的反射≈10dB并且对应长度(3×50mm＝150mm总计)将在液面以上。还应当强调，FMCW型发射器的频率通常在所有条件下都将保持在其限值内(在这种情况下为1GHz至2GHz)，因此仅在通带外部的滤波器的发射行为将不会损害功能。对于曲线44和45二者，假设相同的阻抗步进(50ohm至350ohm)，但是最终设计中的实际区别确实显著。由于现有安装管嘴通常比阻抗转换器的规定最大长度(150mm至200mm)长，所以FMCW阻抗过渡的长度将使得FMCW阻抗过渡通过重要的实际限制。
本领域普通技术人员认识到本发明决不受限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。例如，单导体探针在此被公开为由未涂覆的不锈钢丝制成。应当注意，这绝不限制本发明的范围，本发明等同地适用于由其他材料制成并且具有各种涂层的单导体探针、由金属杆制成的刚性探针以及具有不同几何形状和横截面的探针。

Claims (21)

1.一种调频连续波型雷达物位计(2)，用于确定至罐(5)中的物品(6)的表面(7)的距离，所述雷达物位计包括：
收发器电路(11)，所述收发器电路(11)被配置成发射电磁发射信号和接收从所述表面反射的电磁返回信号(SR)，
所述收发器电路包括调频器(31,32)，所述调频器(31,32)被配置成将所述发射信号的频率调制为在具有上限频率和下限频率的频率范围内变化，
混频器(35)，所述混频器(35)被配置成将所述电磁发射信号与所述电磁返回信号进行混频以提供中频(IF)信号，
处理电路(12)，所述处理电路(12)被配置成基于所述中频信号确定所述距离，以及
密封电气馈通装置(21)，所述密封电气馈通装置(21)从所述收发器电路(11)到所述罐中，
其特征在于，
所述上限频率小于4GHz，所述下限频率至少比所述上限频率小1GHz，并且所述上限频率与所述下限频率之比，相对带宽，小于2.5，
以及其特征在于，所述物位计还包括：
单导体探针(9)，所述单导体探针(9)机械地悬挂在所述罐的上部并且延伸至所述罐中的物品中，所述单导体探针电连接至所述收发器并且适于将所述电磁发射信号朝向所述表面(7)引导以及将所述电磁返回信号引导至所述收发器电路(11)，当从所述单导体探针看去，所述电气馈通装置具有第一输入阻抗(Z1)，当从所述电气馈通装置看去，所述单导体探针具有第二输入阻抗(Z2)，所述第二输入阻抗大于所述第一输入阻抗，以及
匹配装置，所述匹配装置在所述第一输入阻抗与所述第二输入阻抗之间，所述匹配装置提供所述电气馈通装置与所述单导体探针之间的电匹配连接件。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置表现至少一个中间阻抗(Z3)，所述至少一个中间阻抗(Z3)小于所述第一输入阻抗并且大于所述第二输入阻抗。
3.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置(16)不延伸至所述罐的正常操作区域中。
4.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置(16)的物理纵向延伸小于20cm。
5.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述电气馈通装置为同轴连接件。
6.根据权利要求1或5所述的雷达物位计，其中，所述单导体探针(9)通过所述电气馈通装置(21)而悬挂。
7.根据权利要求6所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置为同轴地设置在所述单导体探针的上部周围的介电套管。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述单导体探针由未涂覆的耐腐蚀钢丝制成。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于2GHz的下限频率。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于3GHz的上限频率。
11.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于2的相对带宽。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，来自所述电匹配连接件的电磁反射比由所述表面引起的电磁反射弱。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，在所述频率范围内所述匹配连接件的反射系数小于-10dB。
14.根据权利要求13所述的雷达物位计，其中，在所述频率范围内所述匹配连接件的反射系数小于-15dB。
15.一种用于确定至罐中的物品的表面的距离的雷达物位计量方法，包括：
生成电磁发射信号，
将所述发射信号的频率调制为在具有上限频率和下限频率的频率范围内变化，
通过电气馈通装置将所述电磁发射信号馈送至所述罐中，
通过使所述电磁发射信号在所述表面被反射来形成电磁返回信号，
接收所述电磁返回信号，
将所述电磁发射信号与所述电磁返回信号进行混频以提供中频信号，以及
基于所述中频信号确定所述距离，
其特征在于，
所述上限频率小于4GHz，所述下限频率至少比所述上限频率小1GHz，并且所述上限频率与所述下限频率之比，相对带宽，小于2.5，以及其特征在于，所述方法还包括：
将所述电磁发射信号沿悬挂在所述罐中并且延伸至所述罐中的物品中的单导体探针引导，
将所述电磁返回信号沿所述单导体探针引导并且使所述电磁返回信号返回通过所述电气馈通装置，以及
确保从所述单导体探针看去的所述电气馈通装置的第一输入阻抗与从所述电气馈通装置看去的所述单导体探针的第二输入阻抗之间的电匹配连接件，所述第二输入阻抗大于所述第一输入阻抗。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述发射信号具有小于2GHz的下限频率。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述发射信号具有小于3GHz的上限频率。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述发射信号具有小于2的相对带宽。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，来自所述电匹配连接件的电磁反射比由所述表面引起的电磁反射弱。
20.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，在所述频率范围内所述匹配连接件的反射系数小于-10dB。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，在所述频率范围内所述匹配连接件的反射系数小于-15dB。
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