CN107076598A - 雷达料位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量容器(8)中材料(9)的料位(10)的基于雷达的料位测量装置(1)，包括电子单元(2)，其中，所述电子单元(2)用于生成发送信号，其中，所述电子单元(2)用于处理接收的信号，所述接收的信号包含所述发送信号的反射的部分，所述反射的部分是从待测量其距离的所述材料(9)的表面(10)反射的，其中，所述电子单元包括信号发生器(3)以生成频率调制的发送信号，其中，所述电子单元(2)包括处理器以用于使用在所述接收的信号中包含的相位信息来处理所述接收的信号，并且其中所述雷达装置(1)包括布置在所述容器(8)内的共轴波导探头(7)，其中所述共轴波导探头(7)用于引导所述发送信号(TX)和所述接收的信号(RX)。

Description

雷达料位测量装置

本发明涉及一种用于测量容器内材料料位的雷达装置，包括电子单元，其中所述电子单元用于生成发送信号，其中所述电子单元用于处理接收的信号，所述接收的信号包含发送信号的反射的部分，所述反射的部分从待测量其距离的材料的表面处反射。

许多测量容器内或者罐内材料料位的应用要求以极高的准确度和/或精度确定料位。例如，在制药或者食品和饮料工业，需要精确地确定用于反应流程的液体的准确数量。例如，在油气工业中(其中货币交易基于要转手的材料的精确量)也要求准确确定容器内材料的数量。

用于确定容器内材料料位的许多方法中的一个是通过使用基于雷达的测量装置。基于雷达的测量装置有多种形式，但一般可以分为两组。这两组经常被称为“自由发射”装置和“导波”装置。

本发明意义上的测量装置不被理解为受限于硬件组件的整体集合，而是也可以为空间上色散单元的系统。可以将测量装置视为包含变换器和发送器，其中变换器用于将过程变量(例如罐内材料的料位)转换为电信号，并且其中发送器用于采样和处理该电信号以产生针对与要测量的物理状态对应的过程变量的值。如情况可能需要的，发送器还可以用于发送和/或保存确定的过程变量以备后续使用。变换器通常包括微处理器或微控制器和多种其他电气和电子电路。变换器和发送器可以集中在单个单元化装置内，或者它们可以在空间上分离。在它们空间上分离的情况下，提供某一类通讯工具(例如线缆或者无线通讯工具)。因为一些情况下变换器用于预处理测量信号，并且有时甚至包含微处理器，发送器和变换器之间的差别并不总是严格适用。

导波雷达测量装置用于测量其中将发送的微波能量集中在波导周围有利的应用中容器内的料位。由此可以避免信号损失，并且可以降低能量要求。用于导波雷达装置的发送信号通常包含电磁脉冲。以固定时间间隔重复产生这些脉冲。脉冲之间的时间可以在纳秒范围内。产生之后，这些脉冲被耦合到波导上并且沿着波导在要测量的材料的方向上被引导，波导例如为线缆或杆。材料界面处，介电常数会发生突然的改变——这个改变与材料的介电常数和雷达装置和材料之间的传输介质的介电常数之间的差值成正比，传输介质通常为气体的，并且具体地通常为空气。由于阻抗的改变，在该材料界面处，发送的能量的一部分被反射。每个脉冲的该反射的部分此后被沿着波导引导回到雷达装置并且被采样。

有各种采样该脉冲信号的方法。通常，使用其中反射脉冲与第二脉冲信号混合的方法，第二脉冲信号在测量装置中生成。以与第一脉冲信号稍不同的重复率产生该第二脉冲信号，从而引起频闪效应，允许接收到的脉冲信号在时域被拉伸。可以随后使用模数转换器采样该“拉伸的”信号，其中转换器需要具有低于通常必要的采样频率以在纳秒时间范围内采样脉冲。可以基于飞行时间方法执行料位测量。基本上，脉冲的传输和接收之间的时间延迟对应雷达测量装置和材料之间的距离。

材料界面处介电常数改变的大小在确定每个脉冲的反射的部分的信号强度上起到了关键的作用。这些信号强度随着介电常数变化的大小的减小而减小。在待测材料具有较小的介电常数的料位测量应用中，发送的信号强度的相应增加是必要的以确保信号的反射部分保持可以检测到。然而，为了增加发送的信号的强度，必须增加所生成的脉冲的宽度。这具有不利的影响，降低了要执行的料位测量的分辨率。导波雷达测量装置的料位测量值分辨率和/或精度取决于所生成和发射的脉冲的锐度。

美国专利公开号US2013/0231877 A1公开了一种用于评估例如沿布置在容器内的共轴探头发送的电磁信号的反射测量脉冲的方法。方法涉及将期望值应用于接收的脉冲以在容器内具有分界层的情况下，确定哪个脉冲对应料位。还公开了所公开的方法可以用于FMCW过程中的中频频谱上，而不是用于时间范围内的信号幅值上，以由此测量与至少一个界面层叠置的材料的料位。通过可靠地确定哪个脉冲对应材料的料位，增加了测量准确度，并且通过考虑界面层对电磁信号的飞行时间的影响，增加了测量的精确度。

本发明的基本目的在于提供一种导波雷达测量装置，其能够不依赖信号强度要求而执行准确和精确的测量。

使用用于测量容器内材料料位的基于雷达的料位测量装置来实现本发明的目的，所述料位测量装置包括电子单元，其中所述电子单元用于生成发送信号，其中所述电子单元用于处理接收的信号，所述接收的信号包括发送信号的反射的部分，所述反射的部分从待测量其距离的材料的表面处反射，其中电子单元包括信号发生器，以生成频率调制的发送信号，其中电子单元包括处理器，以使用包含在接收的信号内的相位信息处理接收的信号，并且其中雷达装置包含共轴波导探头，其中所述共轴波导探头用于引导发送信号和接收的信号。将US 2013/0231877 A1的方法一般地公开为适用于FMCW过程内的中频信号，但是可以沿着共轴波导探头发送频率调制的信号的公开。另外，也没有可以使用由共轴波导探头引导的接收的信号的相位信息来增加料位测量的准确度和精度的启示。

使用频率调制的发送信号允许使用频率调制的连续波(FMCW)雷达信号处理方法，其中测量的准确度和精确度基本与发送信号的强度无关。FMCW雷达与共轴波导探头结合特别有利，因为由于共轴波导探头可以发送TEM模式，完全避免了通常与用于料位测量应用的FMCW雷达技术的应用伴随的色散效应。另外，使用包含在反射信号内的相位信息允许确定容器内的料位到实际料位的+/-0.5mm。这比之前的可能要好10倍。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例中，处理器计算作为材料的表面的距离的函数的接收的信号的期望相位响应。可以基于存储在电子单元的存储器内的信息(例如电子单元的各种组件的时间延迟因子，生成的发送信号的波长，频率调制的发送信号的频率改变率等)来计算期望相位响应。然而，还可以在定标流程中确定期望的相位响应，其中控制容器内的材料的表面的距离，并且在不同的距离处观察相位响应。通常，可以由处理器基于两个定标测量值计算整个距离测量范围的期望相位响应。通过避免通常会劣化FMCW雷达系统的色散效应而使计算期望相位响应变得简单得多。实际上，可以使用较少的步骤执行计算，其有利地增加了电子单元的处理速度和/或降低了电子单元的处理能力要求可以使用更简单更便宜的处理器。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例的进一步开发中，处理器在接收的信号频率峰值处确定接收的信号的相位，其中所述频率峰值对应所述距离，并且处理器将所述确定的相位与在所述距离处的期望的相位响应进行比较。

该比较的结果可以用于修正料位测量装置的距离测量值。通过使用共轴波导探头避免色散效应，也降低了与接收的信号的相位的确定相关联的计算复杂度。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例中，所述共轴波导探头的波阻抗对应所述电子单元的输出阻抗。

在基于雷达的料位测量的有益实施例的进一步开发中，通过调整共轴波导探头外部导体的内径来调整所述波阻抗。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例中，处理器通过在采样频率之间和/或附近散布附加频率点确定所述频率峰值在中频信号的频谱中的位置，通过由电子单元的模数转换器采样的中频信号的快速傅里叶变换获得所述采样频率，其中所述采样频率包括大于预定幅值阈值的各自的频谱幅值。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例的进一步开发中，处理器在所述采样频率和所述附加频率点执行离散傅里叶变换。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例的替选的进一步开发中，处理器在所述采样频率和所述附加频率点处应用广义goetzel算法。

在基于雷达的料位测量装置的有益实施例的进一步开发中，处理器通过在频率峰值处的所述附加频率点或所述采样频率应用广义goetzel算法确定频率峰值的相位，其中所述频率点或采样频率包括比任何邻近频率点或采样频率更大的频谱幅值。

在如下附图的帮助下现在对本发明进行更详细的说明。它们示出：

图1：导波雷达测量装置的示意图；

图2a、2b：包含相位信息和作为距离的函数的回声信号幅值的中频信号的图形化显示；

图3：作为距离的函数的测量误差的图形化显示；

图1示出导波雷达测量装置1的示意图。示出电子单元2，其包括第一功能块3，其中生成线性增加的电压信号。该信号用于作为第二功能块4的输入，其中高频振荡器基于输入信号生成线性增加的频率调制的发送信号TX。该发送信号TX被输出到第一分频器5。发送信号TX此后通过高频线缆6的方式被耦合到共轴波导探头7上。示出共轴波导探头7延伸到部分填充材料9的容器8内部。共轴波导探头7以TEM模式将发送信号TX承载到材料界面10，其中发送信号TX的至少部分被反射为接收的信号RX。然后接收的信号RX通过高频线缆6被引导向上回到共轴波导探头7上，并且通过第二分频器11馈送到混频器12。混频器12中，接收的信号RX与持续生成的发送信号TX混合。通过第一分频器5馈送到混频器12的发送信号的部分被称为本地振荡器信号LO。由于频率调制的信号TX、RX的传输和接收之间的时间延迟ΔT，接收的信号RX和本地振荡器信号LO之间具有频率差Δf，与沿共轴波导探头7的传输和接收的信号TX、RX之间的总传播时间ΔT对应。混频器12的输出是包含该频率差Δf的信号，其被称为中频信号IF。可以随后采用模数转换器A/D采样中频信号IF，并且其结果为数字中频信号IF。

共轴波导探头7的波阻抗和电子单元2的输出阻抗相匹配以将信号耦合到共轴波导探头7的效率最大化。通过共轴波导探头7的空间尺寸(例如内部导体的直径d和外部导体的直径D)确定共轴波导探头7的波阻抗。对于大约6GHz的频率调制的发送信号TX，可以使用其中内部导体直径d大约为8mm、并且其中外部导体的内径D大约为18mm的共轴波导探头7，所述外部导体厚度大约为2mm。

图2a示出包含可以用于增加料位测量的准确度和/或精度的相位信息的中频信号IF。可以通过多种方法从中频信号IF中提取该相位信息，例如在专利公开DE4407369A1中公开的，其中借助接收的脉冲的正交解调以及后续的低通滤波来确定相位。通过对来自低通滤波和正交解调的结果的0°-输出信号和90°-输出信号的商进行反正切，从所述正交解调确定期望相位。

图2b示出作为距离的函数的回声信号的幅值的图形显示。使用“x”指示期望信号的回声峰值X。回声信号对应于由在基于FMCW的雷达测量装置1中的模数转换器A/D采样的中频信号IF。

在还没有公开的由恩德莱斯和豪瑟尔两合公司(Endress+Hauser GmbH+Co.KG)在2013年5月16日提交的德国专利申请DE 102013105019.0中，以及在2014年4月22日提交的相应的PCT申请PCT/EP2014/058090中，公开了一种用于执行中频信号IF的频率分量的频谱分析的方法。该引用的申请的公开，特别是结合图3到6的公开内容，通过引用作为本专利申请公开的一部分被清楚的并入其中。

例如，雷达发送信号TX的频率可以在4GHz到100GHz的范围内。由于调制的频率变化例如可以为几GHz。例如，其中调制频率的时间时段可以在0.1ms和5ms之间。给出这些具体指标作为典型幅值的说明，且并不旨在限制本发明。

可以采用多种不同的方法处理图2a中示出的中频信号IF以确定容器8内的材料9的表面10的距离。例如，可以通过获得采样中频信号IF的幅值平均值去掉信号的直流部分。此后可以从中频信号中减去该平均值。然后可以执行窗操作，其中已经去掉直流部分的中频信号的采样值被加权以避免当观测窗被限制的时候会发生的某些效应。

可以此后执行回声信号的快速傅里叶变换FFT以获得真实的值化时间离散频谱，如图2b所示，其包括针对中频信号IF中包括的每个频率分量的频率峰值X。例如，可以通过将快速傅里叶变换FFT的结果与预定的阈值比较以确定频谱中足够强烈到跨过阈值地表达了哪些频率，来执行对这些频率峰值X在频谱中的位置的近似确定。

可以采用一种用于在频谱中添加靠近这些频率峰值的多个附加点的差值方法，以执行频率峰值X位置的更精确的确定。可以使用离散傅里叶变换DFT，或可以应用广义goetzel算法，来确定这些附加点的频谱幅值。从而在大约局部频率峰值X范围内的分辨率增加了。广义goetzel算法具有附加的优点，频谱内多个附加点的相应相位也被确定了。广义goetzel算法的描述可以在2012年2012：56的关于Advances in Signal Processing的期刊EURASIP中找到，作者Sysel和Rajmic，文章为“Goertzel algorithm generalized tonon-integer multiples of fundamental frequency”。对广义Goertzel算法的描述通过引用在此全部并入本发明申请。

在更早引用的德国申请DE 102013105019中描述了用于在频谱中添加更多频率点并且确定在这些频率处的频谱幅值以找到频谱内频率峰值X的准确位置的算法。

此后可以确定在频率峰值X的相位。由于频谱对应于待由测量装置1测量的距离范围，可以将在频率峰值处的相位与回声信号在与频率峰值X对应的距离处的期望频率响应比较。此后可以使用期望相位和确定的相位之间的差值来修正该距离确定。该方法允许对距离的很精确的确定。

在图3中，示出作为距离的函数的测量误差的图形显示，其中，误差为所确定的距离和与容器内材料的料位对应的实际受控距离之间的差值。正如能看出的，使用FMCW雷达方法与共轴波导探头结合的惊人效应允许以小于大约+/-0.5mm的误差确定料位。这表示基于传统的时域反射计共轴波导探头的引导的雷达测量装置的测量准确度改善了1000％。

参考编号列表：

1 导波雷达测量装置

2 电子单元

3 第一功能块

4 第二功能块

5 分频器

6 高频线缆

7 共轴波导探头

8 容器

9 材料

10 材料界面

11 第二分频器

12 混频器

TX 发送信号

RX 接收的信号

LO 本地振荡器信号

IF 中频信号

ΔT 时间延迟

Δf 频率差

A/D 模数转换器

X 期望信号的频率回声峰值

Claims (9)

1.一种用于测量容器(8)中材料(9)的料位(10)的基于雷达的料位测量装置(1)，包括电子单元(2)，

其中，所述电子单元(2)用于生成发送信号发送信号，

其中，所述电子单元(2)用于处理接收的信号，

所述接收的信号包含所述发送信号的反射的部分，

所述反射的部分是从待测量其距离的所述材料(9)的表面(10)反射的，

其特征在于，所述电子单元包括信号发生器(3)以生成频率调制的发送信号，

在于，所述电子单元(2)包括处理器，用于使用所述接收的信号中包含的相位信息来处理所述接收的信号，并且在于，所述雷达装置(1)包括共轴波导探头(7)，

其中，所述共轴波导探头(7)用于引导所述发送信号(TX)和所述接收的信号(RX)。

2.根据权利要求1所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器计算作为所述材料(9)的所述表面(10)的所述距离的函数的所述接收的信号(RX)的期望相位响应。

3.根据权利要求1或2所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器确定所述接收的信号(RX)在所述接收的信号(RX)的频率峰值(X)处的相位，其中所述频率峰值(X)对应所述距离，并且在于，所述处理器将所述确定的相位与所述距离处的所述期望相位响应进行比较。

4.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述共轴波导探头(7)的波阻抗对应所述电子单元(2)的输出阻抗。

5.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，通过调整所述共轴波导探头(7)的外部导体的内径(R)，调整所述波阻抗。

6.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器通过在采样频率之间和/或附近散布附加频率点，来确定中频信号(IF)的频谱内的频率峰值(X)的位置，所述采样频率是对由所述电子单元(2)的模数转换器(A/D)采样的中频信号(IF)进行快速傅里叶变换而获得的，其中，所述采样频率包括大于预定幅值阈值的各自的频谱幅值。

7.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器在所述采样频率和附加频率点执行离散傅里叶变换。

8.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器在所述采样频率和附加频率点应用广义goetzel算法。

9.根据前述权利要求的至少一项所述的基于雷达的料位测量装置(1)，其特征在于，所述处理器通过在附加频率点或在频率峰值(X)的采样频率应用广义goetzel算法，确定所述频率峰值(X)的相位，其中，所述频率点或采样频率包含大于任何邻近频率点或采样频率的频谱幅值。