CN113710994A - 具有改进的对信号干扰的抵抗的脉冲雷达物位计 - Google Patents

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莱夫·尼尔森
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Rosemount Tank Radar AB
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Abstract

一种确定罐中产品的填充物位的方法，包括：针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率：生成并发射呈发射脉冲的脉冲串的形式的电磁发射信号，脉冲串呈现发射脉冲重复频率；朝向罐中的产品的表面传播发射信号；将由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号朝向收发器返回；接收反射信号；确定指示反射信号的信号干扰的度量；根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及基于反射信号中的满足信号干扰标准的至少一个反射信号来确定填充物位。

Description

具有改进的对信号干扰的抵抗的脉冲雷达物位计
技术领域
本发明涉及确定填充物位的方法并且涉及雷达物位计(RLG)系统。
背景技术
在许多应用中(例如，在加工工业中)，脉冲雷达物位计是经济高效且方便的测量罐的填充物位的方式。在普遍使用脉冲雷达物位计系统的环境中，可能存在电磁信号的许多其他源，例如，其他脉冲雷达物位计系统。已经发现，由于来自电磁信号的其他源的干扰，脉冲雷达物位计系统的性能可能降低。因此，将期望提供改进的脉冲雷达物位计，特别是更能抵抗信号干扰的脉冲雷达物位计。
发明内容
鉴于以上，本发明的总体目的是提供改进的脉冲雷达物位计，特别是更能抵抗信号干扰的脉冲雷达物位计。
根据本发明的第一方面，因此提供了一种使用雷达物位计系统来确定罐中产品的填充物位的方法，该雷达物位计系统包括收发器、信号传播装置和处理电路，方法包括下述步骤：针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率执行测量操作，所述测量操作包括：生成并发射发射脉冲的脉冲串的形式的电磁发射信号，脉冲串呈现发射脉冲重复频率；朝向罐中产品的表面传播发射信号；将由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号朝向收发器返回；以及接收反射信号。该方法还包括下述步骤：针对每个测量操作，确定指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量；针对每个测量操作，根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及基于满足信号干扰标准的反射信号中的至少一个反射信号来确定填充物位。
罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且可以是金属的，或者部分地或完全地非金属的、开口、半开口或者封闭的。此外，罐中的产品的填充物位可以通过使用朝向罐内部的产品传播发射信号的信号传播装置来直接确定，或者通过使用设置在所谓的腔室内部的传播装置来间接确定，所谓的腔室位于罐的外部但以使得该腔室中的物位对应于罐内部的物位的方式与罐的内部流体连接。
本发明基于以下认识，处理可能影响脉冲雷达物位计系统的性能的外部信号干扰的一种方便且有效的方式将是使用若干个脉冲重复频率(PRF)来执行测量、对测量结果进行评估并且放弃受干扰的测量。因此，无需监测或评估潜在干扰信号等即可实现稳健的脉冲雷达物位计量。此外，可以通过摒弃不同组的测量来处理具有不同频率的干扰信号。
根据本发明的实施方式，不同脉冲重复频率的序列可以包括至少三个不同的脉冲重复频率。
此外，不同脉冲重复频率可以彼此相差至少5％，有利地至少10％，以增加执行不受干扰的测量操作的可能性。
根据实施方式，每个测量操作可以包括生成具有参考脉冲重复频率的脉冲参考信号。
参考脉冲重复频率可以针对不同的测量操作而不同。
根据实施方式，对于测量操作中的每一个，发射脉冲重复频率与参考脉冲重复频率之间的差异可以基本相同。虽然不是必需的，但这可以简化测量操作并且使包括在雷达物位计系统中的测量电子设备的可用带宽的使用最大化。
此外，每个测量操作可以包括将参考信号和反射信号时间进行时间关联以形成测量信号。
对于脉冲雷达物位计系统，可以使用时间扩展技术来解决飞行时间。
在这样的脉冲雷达物位计系统中，朝向罐中的产品的表面传播具有第一脉冲重复频率的第一脉冲串的形式的发射信号，并且接收由在表面处的反射产生的表面反射信号。
还生成参考信号，该参考信号为具有第二脉冲重复频率的第二脉冲串的形式，第二脉冲重复频率被控制成与第一脉冲重复频率相差给定的频率差。
在测量操作开始时，可以使发射信号和参考信号同步，以使其具有相同的相位。由于脉冲重复频率的不同，在测量操作期间，发射信号与参考信号之间的相位差将逐渐增加。
在测量操作期间，可以将表面反射信号与参考信号进行时间关联，以基于表面反射信号与参考信号之间的时间相关性来形成测量信号。基于该测量信号，可以确定填充物位。根据一个示例，可以通过在由参考脉冲的时序确定的采样时间处对表面反射信号进行采样来实现这种时间相关性。例如，可以使用参考脉冲来触发耦接至信号传播装置并且被配置成对反射信号进行采样的采样电路。
根据本发明的各种实施方式，可以基于在测量操作中形成的测量信号来确定上述的指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量。该测量信号有时可以被称为“回波曲线”。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定罐中产品的填充物位的雷达物位计系统，包括：收发器，该收发器用于生成、发射和接收电磁信号；传播装置，该传播装置耦接至收发器以将电磁发射信号从收发器朝向罐中的产品的表面传播并且返回由发射信号在产品的表面处的反射产生的电磁反射信号；以及处理电路，该处理电路耦接至收发器并且被配置成：控制收发器针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率执行测量操作，所述测量操作包括：生成并发射发射脉冲的脉冲串的形式的发射信号，脉冲串呈现发射脉冲重复频率；以及接收反射信号；针对每个测量操作，确定指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量；针对每个测量操作，根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及基于满足信号干扰标准的反射信号中的至少一个反射信号来确定填充物位。
“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的发射器单元和接收器单元的系统。
应当注意，处理电路系统可以被设置为一个装置或一起工作的若干个装置。
传播装置可以是辐射天线，或者是朝向罐中的产品延伸并且延伸至其中的探头。在其中传播装置为探头的实施方式中，应当理解的是，探头是被设计用于引导电磁信号的波导。探头可以是刚性的或柔性的，并且有利地可以由金属(例如，不锈钢)制成。
根据实施方式，收发器可以包括PLL(锁相回路)电路，该PLL(锁相回路)电路可控制成生成具有发射脉冲重复频率的信号。
本发明的该第二方面的另外的实施方式和变型在很大程度上类似于上面关于本发明的第一方面所描述的那些。
总之，本发明因此涉及一种确定罐中产品的填充物位的方法和系统，该方法包括并且该系统被配置用于：针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率：生成并发射呈发射脉冲的脉冲串的形式的电磁发射信号，脉冲串呈现发射脉冲重复频率；朝向罐中的产品的表面传播发射信号；将由发射信号在表面处的反射产生的电磁反射信号朝向收发器返回；接收反射信号；确定指示反射信号的信号干扰的度量；根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及基于满足信号干扰标准的反射信号中的至少一个反射信号来确定填充物位。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的实施方式的雷达物位计系统的示例性罐装置；
图2是包括在图1中的雷达物位计系统中的测量单元的示意图；
图3是包括在根据本发明的实施方式的雷达物位计系统中的收发器和测量处理器的示意性框图；
图4是示意性地示出了根据本发明的方法的示例实施方式的流程图；
图5示意性地示出了发射信号、反射信号以及参考信号的示例；
图6A至图6B是概念性地示出了信号干扰标准的不同示例的示例性回波曲线；
图7是脉冲重复频率的示例性序列的概念性图，以及
图8是示意性示出了根据本发明的方法的另外的示例实施方式的流程图。
具体实施方式
在本具体实施方式中，主要参照具有探头形式的信号传播装置和无线通信能力的脉冲雷达物位计系统来讨论本发明的各种实施方式。
应当注意的是，这绝不限制本发明的范围，本发明的范围还涵盖具有另外类型的信号传播装置(例如，辐射天线)的脉冲雷达物位计系统以及配置用于有线通信(例如，使用4mA至20mA电流回路和/或其他有线通信方式)的脉冲雷达物位计系统。
图1示意性地示出了安装在罐3处的GWR(导波雷达)类型的示例性雷达物位计系统1，该罐3具有从罐3的顶部基本竖直延伸的管状安装结构5(通常称为“管嘴”)。
安装雷达物位计系统1以测量罐3中的产品7的填充物位。雷达物位计系统1包括测量单元9和传播装置，此处该传播装置为从测量单元9、延伸穿过管状安装结构5、朝向并且延伸至产品7中的单导体探头11的形式。在图1中的示例实施方式中，单导体探头11是导线探头，该导线探头在其末端附接有重物13以保持导线笔直且竖直。
通过分析由探头11朝向产品7的表面15引导的发射信号ST和从表面15返回的反射信号SR，测量单元9可以确定罐3中的产品7的填充物位L。应当注意的是，尽管本文中讨论了容纳单个产品7的罐3，但是可以以类似的方式测量沿探头到任何材料界面的距离。
现在将参照图2中的示意性框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统。
参照图2中的示意框图，图1中的示例性雷达物位计系统1的测量单元9包括收发器17、测量控制单元(MCU)19、无线通信控制单元(WCU)21、通信天线23以及能量存储例如电池25。
如图2中示意性地示出的，MCU 19控制收发器17以生成、发射以及接收电磁信号。发射的信号通过馈通传递至探头11，并且接收的信号从探头11通过馈通传递至收发器17。
MCU 19确定罐3中的产品7的填充物位L，并且从MCU 19经由WCU 21通过通信天线23将指示填充物位的值提供给外部装置，例如，控制中心。雷达物位计系统1可以根据所谓的WirelessHART通信协议(IEC62591)来进行有利地配置。
尽管测量单元9被示出为包括能量存储(电池25)并且包括用于允许无线通信的装置(例如，WCU 21和通信天线23)，但是应当理解的是，可以以不同的方式来提供电源和通信，例如，通过通信线(例如，4mA至20mA线)。
本地能量存储不需要(不仅)包括电池，而是可以替选地或者组合地包括电容器或超级电容器。
现在将参照图3中的示意性框图更详细地描述图1中的雷达物位计系统1。
如图3中示意性地示出的，收发器17包括：用于生成和朝向罐中的产品7的表面15发射发射信号ST的发射器支路27以及用于接收且对由发射信号ST在产品7的表面15处的反射产生的反射信号SR进行操作的接收器支路29。如图3中所示的，发射器支路和接收器支路两者均连接至定向耦合器31，以将来自发射器支路的信号引导至探头11，并且将通过探头11返回的反射信号引导至接收器支路。
收发器17包括脉冲生成电路，此处脉冲生成电路是第一脉冲形成电路33和第二脉冲形成电路35的形式。发射信号ST由第一脉冲形成电路33生成，并且参考信号SREF由第二脉冲形成电路35生成。
发射器支路27包括第一脉冲形成电路33，并且接收器支路29包括第二脉冲形成电路35和测量电路系统37。如本领域本身公知的那样，测量电路系统可以包括时间相关器，例如，被控制以在由参考信号SREF确定的采样时间处对反射信号SR进行采样的采样器。
继续参照图3，处理电路(MCU)19包括时序控制单元39、信号干扰评估单元41和物位确定单元43。时序控制单元39耦接至收发器17以控制第一脉冲形成电路33和第二脉冲形成电路35的操作。信号干扰评估单元41耦接至收发器17以接收由测量电路37提供的测量信号SM。物位确定单元43基于至少来自信号干扰评估单元41的输入确定填充物位并且提供指示填充物位L的值。
现在将参照图4中的流程图来描述根据本发明的方法的实施方式。在步骤100至步骤103的第一序列中，针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率PRFT执行测量操作。在第一步骤100中，由收发器17生成并发射呈现发射脉冲重复频率PRFT的呈发射脉冲的脉冲串的形式的电磁发射信号ST。在下一步骤101中，由信号传播装置11朝向罐3中的产品7的表面15传播发射信号ST。在随后的步骤102中，由信号传播装置15将由发射信号ST在表面15处的反射产生的电磁反射信号SR朝向收发器17返回，并且在步骤103中，收发器17接收反射信号SR。
图5中示意性地示出了发射信号ST的示例和产生的反射信号SR的示例(图5中的图中的顶部的两个信号)。如图5所示的，发射信号ST和反射信号SR具有相同的脉冲重复频率(发射脉冲重复频率PRFT)，但是反射信号SR根据沿探头11行进至产品7的表面15并返回有延迟。
返回至图4中的流程图，在步骤104中，对当前测量操作(测量操作n)期间接收到的反射信号SR的信号干扰进行评估。在信号干扰的评估期间，确定指示反射信号SR的信号干扰的度量，并且根据预定义信号干扰标准对该度量进行评估。预定义信号干扰标准可以是绝对标准，其中如果达到某些预定义值，则认为反射信号SR满足了标准。替选地，预定义信号干扰标准可以是相对标准，其中认为在多个已评估的反射信号中具有最高得分的反射信号SR满足了标准。也可以使用绝对和相对标准的组合。例如，如果一个或若干个反射信号满足绝对标准，则那个或那些反射信号可以被认为满足了预定义信号干扰标准。另一方面，如果评估的反射信号中没有一个满足绝对标准，则可以应用相对标准，使得可以认为“最佳”反射信号满足了预定义信号干扰标准。
此外，可以相对于信号干扰标准直接或间接地对反射信号SR进行评估。在直接评估中，可以直接测量反射信号SR的噪声水平，并且与预定义信号干扰标准进行比较。在间接评估中，可以对基于反射信号SR的另一信号进行评估。在实施方式中，可以对时间扩展的测量信号SM进行有利地评估。
为了形成时间扩展的测量信号SM，可以在每个测量操作中可选地生成参考信号SREF。参考信号SREF是具有脉冲重复频率的脉冲串，该脉冲重复频率被控制成与发射脉冲重复频率PRFT相差了预先确定的频率差Δf。当测量扫描开始时，参考信号SREF和发射信号ST是同相位的，并且然后确定直到参考信号“追上”反射信号SR为止的时间。基于该时间和频率差Δf，可以确定距表面15的距离。在图5中，示例参考信号SR被示意性地示出为从顶部开始的第三个信号。
前面段落中简单地描述的时间扩展技术对本领域技术人员来说是公知的，并且被广泛地用于脉冲雷达物位计系统。
来自图3中的测量电路37的输出可以是整个扫描过程中反射信号SR与参考信号SREF(从而与发射信号ST)之间的时间相关性的表示，并且可以以所谓的回波曲线的形式提供给信号干扰评估单元41。在步骤105中，可以通过评估测量操作的回波曲线来对反射信号SR的信号干扰进行评估。
现在将参照图6A至图6B介绍两个示例信号干扰标准，图6A至图6B示出了基于未受干扰的反射信号和受干扰的反射信号形成的回波曲线之间的关系的两个示例。
首先参照图6A，基于受干扰的反射信号形成的回波曲线(实线)(受干扰的回波曲线)的第一示例与基于未受干扰的反射信号形成的回波曲线(虚线)(未受干扰的回波曲线)被一起示出。在未受干扰的回波曲线中存在强负峰45和强正峰47。强负峰45根据在罐3的外部与内部之间的馈通处的参考阻抗转变处的反射产生，而强正峰47根据罐3中的产品7的表面15处的反射产生。通过将受干扰的回波曲线与未受干扰的回波曲线进行比较，清楚的是，受干扰的回波曲线的峰太窄，使得受干扰的回波曲线的约两个峰拟合在未受干扰的回波曲线的单个峰内。为了区分图6A中所示的信号干扰的类型，因此，信号干扰标准可以包括对回波曲线中峰的脉冲宽度的要求。例如，可以在信号干扰标准中包括预定义的最小脉冲宽度。
然后转向图6B，基于受干扰的反射信号形成的回波曲线(实线)(受干扰的回波曲线)的第二示例与基于未受干扰的反射信号形成的回波曲线(虚线)(未受干扰的回波曲线)被一起示出。与图6A中一样，在未受干扰的回波曲线中存在强负峰45和强正峰47。负峰45根据在罐3的外部与内部之间的馈通处的参考阻抗转变处的反射产生，而正峰47根据罐3中的产品7的表面15处的反射产生。通过将受干扰的回波曲线与未受干扰的回波曲线进行比较，清楚的是，受干扰的回波曲线的至少第一峰45的幅度远低于预期(远低于未受干扰的回波曲线的对应峰的幅度)。取决于影响测量结果的信号干扰，一个或若干个峰可能反而过高。为了区分图6B中所示的信号干扰的类型，因此，信号干扰标准可以包括对回波曲线中测量的脉冲幅度与预期的脉冲幅度之间的关系的要求。例如，可以在信号干扰标准中包括预定义的最小(绝对和/或相对)脉冲幅度。
返回至图4中的流程图，取决于步骤105中执行的评估的结果，该方法在不同路径中进行。如果确定满足信号干扰标准，则该方法继续至步骤106，其中基于满足信号干扰标准的至少一个反射信号SR来确定填充物位L。可以基于发射信号ST与反射信号SR之间的直接相关性或使用(未受干扰的)回波曲线来确定这种填充物位确定，其中可以基于至表面反射峰47的距离以及雷达物位计系统1在罐3处的已知布置来确定填充物位L。
在确定了填充物位L之后，在步骤107中，该方法继续改变发射脉冲重复频率PRFT，并且然后该方法返回至步骤100。如果相反在步骤105中确定不满足信号干扰标准，则在步骤108中，该方法继续改变发射脉冲重复频率PRFT，并且然后该方法返回至步骤100。
可以使用用于改变测量操作之间的发射脉冲重复频率PRFT的各种方案，涉及很少或许多不同的脉冲重复频率、不同的频率步长和不同的持续时间(例如，在扫描的次数方面)。图7中示意性地示出了用于改变发射脉冲重复频率的示例方案，其中可以看出PRFT在三个不同的PRF中循环，其中每个PRF进行一次测量扫描，并且相邻PRF之间的相对差异为约10％。
最后，参照图8中的流程图，将描述根据本发明的方法的其他实施方式。以下描述集中于与上面所描述的实施方式相关的差异。
从图8中可以看出，步骤200至步骤203对应于图4中的步骤100至步骤103。在随后的步骤204中，基于反射信号SR形成并存储回波曲线或类似表示。可以使用例如上面关于图4描述的时间扩展技术来形成回波曲线。此后，在步骤205中改变发射脉冲重复频率PRFT，并且该方法返回至步骤200。然而，该方法还进行至步骤206，以如上所述相对于预定义信号干扰标准来评估存储的回波曲线。最后，在步骤207中，基于满足信号干扰标准的一个或更多个回波曲线来确定填充物位。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上面描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求书的范围内，许多修改和变型是可能的。

Claims (15)

1.一种使用雷达物位计系统来确定罐中产品的填充物位的方法，所述雷达物位计系统包括收发器、信号传播装置和处理电路，所述方法包括下述步骤：
针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率执行测量操作，所述测量操作包括：
生成并发射呈发射脉冲的脉冲串的形式的电磁发射信号，所述脉冲串呈现所述发射脉冲重复频率；
朝向罐中的产品的表面传播所述发射信号；
将由所述发射信号在所述表面处的反射产生的电磁反射信号朝向所述收发器返回；以及
接收所述反射信号；以及
针对每个测量操作，确定指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量；
针对每个测量操作，根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及
基于所述反射信号中的满足所述信号干扰标准的至少一个反射信号来确定所述填充物位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述不同脉冲重复频率的序列包括至少三个不同的脉冲重复频率。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，每个测量操作包括：
生成具有参考脉冲重复频率的脉冲参考信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，参考脉冲重复频率对于不同的测量操作是不同的。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，对于所述测量操作中的每一个测量操作，发射脉冲重复频率与参考脉冲重复频率之间的差基本上相同。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中，每个测量操作包括：
将所述参考信号和所述反射信号进行时间关联以形成测量信号。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，基于在测量操作中形成的测量信号来确定指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括：
不考虑任何不满足所述信号干扰标准的反射信号；以及
基于至少一个剩余的反射信号确定所述填充物位。
9.一种用于确定罐中产品的填充物位的雷达物位计系统，包括：
收发器，所述收发器用于生成、发射和接收电磁信号；
传播装置，所述传播装置耦接至所述收发器，用于将电磁发射信号从所述收发器朝向罐中的产品的表面传播，并且返回由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号；以及
处理电路，所述处理电路耦接至所述收发器并且被配置成：
控制所述收发器针对不同发射脉冲重复频率的序列中的每个发射脉冲重复频率执行测量操作，所述测量操作包括：
生成并发射呈发射脉冲的脉冲串的形式的发射信号，所述脉冲串呈现所述发射脉冲重复频率；以及
接收所述反射信号；
针对每个测量操作，确定指示在测量操作中接收到的反射信号的信号干扰的度量；
针对每个测量操作，根据预定义的信号干扰标准，对指示反射信号的信号干扰的度量进行评估；以及
基于所述反射信号中的满足所述信号干扰标准的至少一个反射信号来确定所述填充物位。
10.根据权利要求9所述的雷达物位计系统，其中，所述处理电路还被配置成控制所述收发器生成具有参考脉冲重复频率的脉冲参考信号，所述参考脉冲重复频率对于不同的测量操作是不同的。
11.根据权利要求10所述的雷达物位计系统，其中，对于所述测量操作中的每一个测量操作，发射脉冲重复频率与参考脉冲重复频率之间的差基本上相同。
12.根据权利要求10或11所述的雷达物位计系统，其中，所述收发器包括信号相关器，所述信号相关器被配置成将所述参考信号和所述反射信号进行时间关联以形成测量信号。
13.根据权利要求12所述的雷达物位计系统，其中，所述处理电路被配置成：基于由包括在所述收发器中的信号相关器形成的测量信号来确定指示所述反射信号的信号干扰的度量。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述处理电路被配置成：
不考虑任何不满足所述信号干扰标准的反射信号；以及
基于至少一个剩余的反射信号确定所述填充物位。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的雷达物位计系统，其中，所述收发器包括PLL，所述PLL能够被控制成生成具有所述发射脉冲重复频率的信号。
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