CN107209251A - 填充水平测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于基于飞行时间原理来测量容器(12)中的材料的填充水平(11)的测量装置(1)，其包括用于生成、发射和接收测量信号(S)，并且还用于将所述测量信号(S)转换成模拟中频信号(SIF)的部件(2‑9)，所述中频信号(SIF)具有在预定频率范围内的期望信号频率，包括与容器(12)中的材料的填充水平(11)相对应的信息，其中提供模数转换器(16)，所述模数转换器(16)用于随后对所述中频信号(SIF)进行采样，所述模数转换器(16)采用小于中频信号(SIF)的期望信号频率的采样频率(fs)。

Description

填充水平测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于基于飞行时间原理测量容器中的材料的填充水平的填充水平测量装置，其包括用于生成、发射和接收测量信号，并且还用于将所述测量信号转换成模拟中频信号的部件，所述中频信号具有在预定频率范围内的期望信号频率，包括与容器中的材料的填充水平相对应的信息。
本发明特别涉及采用超声波和/或电磁测量信号的、诸如基于雷达的测量装置的填充水平装置。这种填充水平测量装置例如由Endress+Hauser联合公司在Prosonic、Micropilot和Levelflex商标下提供。在本发明意义上的填充水平测量装置不应理解为限于硬件部件的单一集合，而是也可以是空间分离单元的系统。测量装置可以被视为包括传感器和发射器，其中传感器用于将诸如罐中的材料的填充水平的过程变量转换成电信号，并且其中发射器用于采样和处理该电信号，以便产生对应于待测量的物理状况的过程变量的值。根据情况，发射机可以进一步用于发射和/或保存所确定的过程值以供进一步使用。传感器通常包括微处理器和/或微控制器以及各种其它电气和电子电路。传感器和发射器可以集中在单个单一装置中，或者它们可以在空间上分离。在传感器和发射器空间分离的情况下，提供诸如电缆或无线通信手段之类的某种通信手段。发射机和传感器之间的区别并不总是被严格地应用，因为传感器在某些情况下用于对测量信号进行预处理，有时甚至包括微处理器。
背景技术
基于超声波和雷达的测量装置在测量精度、可靠性和成本方面都有广泛的应用。填充水平测量装置的这些方面至少部分地由在装置的构造中使用的部件的质量和/或特性决定。在今天的市场中，填充水平测量装置通常采用窄带宽带通滤波器来滤除中频信号频率范围之外的噪声分量，以及用于采用具有高采样率的、对中频信号进行采样的模数转换器。在本发明意义上的高采样率是至少是中频信号频率的两倍但也可以高得多的采样率。在超声波测量装置的情况下的中频信号应理解为超声波测量装置中的超声波转换器输出的信号的频率。在例如德国专利公开DE00102009026885A1中描述了用于超声波填充水平装置的窄带宽带通滤波器的应用，其中描述了在带通滤波器的选择和应用中的带宽和噪声之间的权衡。基于超声波或雷达的填充水平测量装置的模拟中频信号通常包括在0kHz和200kHz之间，特别是在10kHz和100kHz之间的信号频率。
高速模数转换器和窄带宽带通滤波器以及诸如对数放大器的部件通常是昂贵的并且具有高能量需求。在德国专利公开DE102006006572A1中，原则上，建议可以进行中频信号的采样和数字化，其中，为了节省能量以及减少填充水平测量装置的存储以及计算要求，不满足Nyquist-Shannon(奈奎斯特-香农)采样定理的要求。这可以被实现为使得在采样数字值之间的时间差(所述值被交替地分配给两个组之一)大于中频频率的两倍的倒数。奈奎斯特-香农采样定理的必要条件要求采样率是待采样的信号的频率的至少两倍，而由于采样值的这种数字排序致使不再满足奈奎斯特-香农采样定理的必要条件。
发明内容
本发明的目的是提出一种在避免不必要的成本和能量需求的同时进行精确和可靠的测量的填充水平测量装置。
本发明的目的是通过一种用于基于飞行时间原理来测量容器中的材料的填充水平的测量装置来实现的，所述测量装置包括用于生成、发射和接收测量信号，并进一步用于将所述测量信号转换成模拟中频信号的部件，所述中频信号具有在预定频率范围内的期望信号频率，包括与容器中的材料的填充水平相对应的信息，其中提供模数转换器，其用于随后对中频信号进行采样，所述模数转换器采用小于中频信号的期望信号频率的采样频率。用于生成、发射和接收测量信号的部件可以包括例如超声波装置中的超声波转换器和定时器电子装置，或者对于基于雷达的填充水平测量装置，包括诸如高频振荡器、天线元件、信号分配器和混频器的部件。模数转换器可以具有比常规使用的模数转换器的采样率低得多的采样率。因此，模数转换器既节省成本，又节能。
欠采样(undersampling)允许对在预定时间段内为周期性的中间信号进行数字化，这是填充水平测量装置的中间信号通常满足的要求，因为容器中的填充水平的变化率与填充水平测量装置的测量循环的进行速率相比，通常可以忽略不计。当中间频率被欠采样时，产生中频信号的频移副本或图像。该图像从实际频率向下移位采样频率。例如，以50kHz采样的60kHz中频信号的图像将具有10kHz的频率。因此，模数转换器被实现为使得其包括相对于模拟中频信号的期望频率预定的采样频率。
在有利的实施例中，模数转换器集成在测量装置的微处理器中。与传统技术相比，应用集成在微处理器中的模数转换器提供了相对便宜的对中频采样的方式。传统上，由于这种转换器只能采用低采样率的事实，所以已经避免了使用集成到微处理器中的模数转换器，例如具有50kHz采样频率的16位转换器。然而，通过将这样的模数转换器与欠采样方法组合，可以消除该限制。
在本发明的测量装置的有利实施例中，提供了带通滤波器，其用于使预定频率范围通过和过滤大于测量信号的测量信号频率的频率。特别地，带通滤波器被实现为使整个预定频率范围通过。具有这些特征的带通滤波器可以是宽带带通滤波器。由混频器输出的高频谐波由此被滤除，同时使整个中频信号通过。与常规使用的窄带带通滤波器相比这种宽带滤波器包括以下优点：其在生产期间不需要被调谐到中频信号的期望频率。这减少了构造填充水平测量装置所需的时间和复杂性，并且进一步消除了对专用自动调谐特征和/或有源滤波部件的需要。选择带通滤波器，使得所述带通滤波器独立于中频信号所采用的信号形式，并且在不需要手动和/或精确的调整和/或调谐带通滤波器的情况下，使包含中频信号的频率范围通过。
在有利的实施例的进一步发展中，所述带通滤波器被实现为使对应于所述预定频率范围的频率范围通过，其中所述频率范围小于所述模数转换器的采样频率的一半。因此，可以从数字化的中频信号中排除不期望的混叠效应。
在本发明的一个实施例中，测量装置是基于脉冲雷达的填充水平测量装置，其中本地振荡器在测量装置中产生本地振荡器信号，并且提供混频器，其用于将接收到的包括电磁脉冲序列的测量信号与本地振荡器信号混频，并输出模拟中频信号。在脉冲雷达装置中，测量信号和本地振荡器信号的脉冲重复频率可以是预先确定的，使得中频包括预定频率范围内的频率。这使得能够使用采用固定采样频率进行欠采样的模数转换器。
在本发明的测量装置的进一步发展中，在中频信号的频率对应于所述期望频率的情况下，模数转换器输出具有相对于模拟中频信号频率向下移位的频率的数字中频信号，并且所述频移的幅度基本上对应于模数转换器的采样频率。有利地，在数字域中由中频信号形成的图像可以从所谓的第三奈奎斯特区移位到所谓的第一奈奎斯特区，其中奈奎斯特区(nyquist zone)被定义为各自具有对应于模数转换器采样频率的一半的带宽的频率范围。
在本发明的测量装置的进一步发展中，提供了可变放大器，所述可变放大器连接在所述带通滤波器和所述模数转换器之间。
在本发明的测量装置的进一步发展中，第二带通滤波器连接在所述可变放大器和所述模数转换器之间。
在本发明的测量装置的优选实施例中，所述模数转换器直接连接到所述第二带通滤波器。包括混频器、第一带通滤波器、可变放大器和第二带通滤波器的元件的测量序列与具有低采样率的模数转换器一起导致显著降低测量周期中的功率需求。这种功率降低使得可以以相同的能量成本进行更多的测量，从而通过采用平均技术，以较低的货币成本实现高水准的准确性。
在本发明的测量装置的进一步发展中，微处理器包括用于对数字中频信号执行抽取(decimation)处理的部件组。
在本发明的测量装置的进一步发展中，微处理器包括用于对数字中频信号进行平方、低通滤波和执行平方根功能的部件组。
在本发明的测量装置的进一步发展中，微处理器包括用于对数字测量信号进行前向-反向滤波(forward-backward filter)的部件组。以这种方式，可以考虑由于滤波引起的时间延迟。
附图说明
接下来将参考以下附图更详细地描述本发明。附图示出了：
图1：示出脉冲雷达填充水平测量装置的部件的方框图；
图2a、b：用于中频信号的模数转换的过采样和欠采样方法的图形表示；
图3：示出模拟和数字信号处理步骤的框图。
具体实施方式
图1示出了示出脉冲雷达填充水平测量装置1的部件的框图。示出了两个脉冲重复频率(以下称为“prf”)发生器2、3。发生器可以被实现为例如晶体振荡器。脉冲雷达装置中的prf发生器2、3通常在兆赫兹范围内振荡，并且包括略微不同的频率。prf发生器2、3各自连接到脉冲发生器4、5，脉冲发生器4、5根据从prf发生器2、3接收的输入信号输出具有预定脉冲宽度的脉冲。脉冲宽度由脉冲发生器4，5本身确定，并且是固定的或可以通过模拟配置信号来改变。脉冲的重复频率由prf发生器2、3确定。
第一脉冲发生器4连接到发射振荡器6，发射振荡器6用于将高频信号调制到每个脉冲上，输出高频波包。也可以表征为测量信号S的高频波包S被馈送到耦合器8，耦合器8将波包S传递到发射/接收单元10。发射/接收单元10可以例如是天线，但是也可以是用于将脉冲引导到容器12内的材料界面11的波导。在材料界面11处，无论波包S是被引导还是由天线简单地发射，波包S遇到阻抗变化，并且每个波包S的一部分被反射回发射/接收单元10。波包的反射部分，即测量信号S的反射部分由发射/接收单元馈送到耦合器8。然后耦合器8将测量信号S传递到混频器9。
在混频器9中，测量信号S与所谓的本地振荡器信号SLO混频，所述本地振荡器信号SLO包括由本地振荡器7产生的脉冲高频波包。本地振荡器7根据第二脉冲发生器5的输出产生该本地振荡器信号SLO。混频器9的输出是模拟中频信号SIF。一般来说，除了感兴趣的中频信号SIF之外，混频器9还输出高频谐波。这些高频谐波随后由连接的带通滤波器13滤除。带通滤波器13是宽带带通，使得感兴趣的整个中频信号SIF通过。中频信号SIF包括期望频率，该期望频率大部分由两个prf发生器2、3之间的频率差确定。然而，由于例如部件公差和/或温度效应，可能会发生相对于期望频率的偏差。因此，带通滤波器13被实现为使预定频带通过，所述预定频带扩展到足以覆盖中频信号SIF的频率中的所有可能的频率变化。例如，可能的频率变化的范围可以由部件供应商给出的部件公差来确定。通常，在脉冲雷达装置中该位置的带通滤波器是在生产期间被“调谐”到中频信号SIF的实际频率的窄带滤波器。
然后将带通滤波的中频信号SIF馈送到可变放大器14。例如，可变放大器14可以放大0和20dB之间的信号。这确保模数转换器16以最佳信号强度连续采样，以最大化采样过程的精度。具体地，例如，将中频信号SIF的信号强度设置在16mVpp和1.8Vpp之间，以将信号移动到模数转换器16本身的噪声范围之上，从而使噪声对采样精度的影响最小化。
然后通过随后连接的第二带通滤波器15第二次对中频信号SIF进行带通滤波。第二带通滤波器15用于限制待采样的信号的频率范围，以准备欠采样。该第二带通滤波特别限制了各种其它接收侧部件的噪声贡献，并且确保中频信号SIF的频率在第三奈奎斯特区内，如结合图2a、b所解释的。例如，第二带通滤波器15可以是4阶滤波器。在该实施例中呈现的一系列部件消除了为了准备用于模数转换的信号而提供如在常规的填充水平雷达装置中典型的对数器的必要。这进一步降低了测量周期所需的功率消耗以及测量装置1的生产成本。
模数转换器16是通常包括在微处理器17上的常规模数转换器。这种类型的转换器的一个示例是在50kHz下进行采样的简单的16位转换器。在第二带通滤波器14之后，典型的中频信号SIF可以包括大约60kHz的中心频率和2或3kHz的带宽。根据用于将模拟信号转换为数字域的奈奎斯特-香农采样定理，必须以至少为模拟信号本身频率的两倍的采样频率对模拟信号进行采样。只有此时才能够完全提取在信号中包含的信息而不引入任何不确定性。通过对模拟中频信号SIF进行欠采样引入的不确定性涉及采样信号SIF的频移副本的出现。
图2a示出了用于中频信号SIF的模数转换的过采样方法的图形表示。在图2a中，沿着频率轴显示前两个奈奎斯特区N1、N2。第一区N1被遮蔽以指示以采样频率fs采样产生的目的奈奎斯特区。中频信号SIF位于虚线18周围的频带中。这里的采样频率fs满足奈奎斯特-香农采样定理的要求。也就是说，采样频率fs至少是模拟中频信号SIF的频率的两倍。结果，由采样得到的数字中频信号SIF保持在第一奈奎斯特区N1中，并且未引入不确定性。
在图2b中，示出了用于中频信号SIF的模数转换的欠采样方法的图形表示。这里，中频信号SIF再次被包含在围绕虚线18的频带中。然而，由于采样频率fs低得多，所以中频信号SIF处于第三奈奎斯特区N3中。当模数转换器16对模拟信号SIF进行采样时，如箭头19所示，中频信号SIF的图像出现在第一奈奎斯特区N1中。可以通过如结合图3描述的数字处理技术消除通过形成中间频率信号SIF的图像或副本而引入的不确定性。特别地，可以执行数字低通滤波，这消除了中频信号SIF的任何较高频率的副本。
图3示出了示出模拟和数字信号处理步骤的框图。在模拟侧，先前描述的第二带通滤波器15接收中频信号SIF并将其馈送到微处理器17。微处理器17包括用于对中频信号SIF进行采样的标准模数转换器16。模数转换器16将数字中频信号输出到数字处理块24。数字处理块24包括首先使中频信号SIF平方的部件组20，从而使整个信号SIF进入正的振幅范围。然后，第二部件组21用于使平方后的中频信号SIF的信号强度加倍。随后，信号SIF可以被低通滤波22，然后可以进行平方根23。这些数字处理步骤导致产生包络线，然后可以对该包络线进行评估，以确定测量信号S的飞行时间和/或从发射/接收单元10到材料界面11的距离。为了减少这些数字处理技术的计算要求，在执行数字低通滤波22之前可以另外执行信号抽取。此外，由于低通滤波22可能导致对中频信号SIF的不期望的延迟，所以可以提供用于对信号SIF进行前向-后向滤波的部件组，从而消除该延迟。
参考字符列表
1 填充水平测量装置
2 第一prf发生器
3 第二prf发生器
4 第一脉冲发生器
5 第二脉冲发生器
6 发射振荡器
7 本地振荡器
8 耦合器
9 混频器
10 发射/接收单元
11 材料界面
12 容器
13 第一带通滤波器
14 可变放大器
15 第二带通滤波器
16 模数转换器
17 微处理器
18 中频信号的中心频率
19 显示欠采样频移的箭头
20 平方器
21 放大器
22 数字低通滤波器
23 平方根
24 数字处理块
S 测量信号
SIF 中频信号
N1、N2、N3、N4 奈奎斯特区
fs 采样频率

Claims (12)

1.一种用于基于飞行时间原理测量容器(12)中的材料的填充水平(11)的测量装置(1)，包括用于生成、发射和接收测量信号(S)，并进一步用于将所述测量信号(S)转换成模拟中频信号(SIF)的部件(2-9)，所述中频信号(SIF)具有在预定频率范围内的期望信号频率，包括与容器(12)中的材料的填充水平(11)相对应的信息，
其特征在于
提供了模数转换器(16)，所述模数转换器(16)用于随后对所述中频信号(SIF)进行采样，所述模数转换器(16)采用小于所述中频信号(SIF)的期望信号频率的采样频率(fs)。
2.根据权利要求1所述的测量装置(1)
其特征在于，所述模数转换器(16)集成在所述测量装置(1)的微处理器(17)中。
3.根据权利要求1或2所述的测量装置(1)
其特征在于，提供带通滤波器(13)，所述带通滤波器(13)用于使所述预定频率范围通过并过滤大于所述测量信号(S)的测量信号频率的频率。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)
其特征在于，所述带通滤波器(13)被实现为使对应于所述预定频率范围的频率范围通过，其中所述频率范围小于所述模数转换器(16)的采样频率(fs)的一半。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，所述测量装置(1)是基于脉冲雷达的填充水平测量装置(1)，其中本地振荡器(7)在所述测量装置(1)中产生本地振荡器信号(SLO)，并且提供混频器(9)，所述混频器(9)用于将接收到的包括电磁脉冲序列的测量信号(S)与所述本地振荡器信号(SLO)混频，并且输出模拟中频信号(SIF)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，在所述中频信号(SIF)的频率对应于所述期望频率的情况下，所述模数转换器(16)输出具有相对于所述模拟中频信号(SIF)的频率向下频移的频率的数字中频信号(SIF)，并且所述频移的大小基本上对应于所述模数转换器(16)的采样频率(fs)。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，提供可变放大器(14)，所述可变放大器(14)连接在所述带通滤波器(13)和所述模数转换器(16)之间。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，第二带通滤波器(15)连接在所述可变放大器(14)和所述模数转换器(16)之间。
9.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，所述模数转换器(16)直接连接到所述第二带通滤波器(15)。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，所述微处理器(17)包括用于对所述数字中频信号(SIF)执行抽取处理的部件组(24)。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，所述微处理器(17)包括用于对所述数字中频信号(SIF)进行平方(20)、低通滤波(22)并且执行平方根功能(23)的部件组(24)。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的测量装置(1)，其特征在于，微处理器(17)包括用于对所述数字中频信号(SIF)进行前向-反向滤波的部件组(24)。
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