CN113906273A - 用于导波雷达液位传输器的定时控制电路 - Google Patents

用于导波雷达液位传输器的定时控制电路 Download PDF

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Abstract

在至少一个说明性实施例中，导波雷达(GWR)液位传输器可以包括：定时电路，包括第一振荡器电路和第二振荡器电路；重合电路，被配置为生成指示由第一振荡器电路和第二振荡器电路的第一频率和第二频率之间的差创建的相移的重合信号；以及微控制器，被配置为(i)基于振荡器信号中的至少一个信号以及重合信号来确定拉伸因子，(ii)当拉伸因子在第一范围之内时，使用拉伸因子来计算到介质表面的距离，以及(iii)当拉伸因子在第二范围之外时，调整第一振荡器电路和第二振荡器电路中的至少一个振荡器电路以调整第一频率与第二频率之间的差。

Description

用于导波雷达液位传输器的定时控制电路
相关申请的交叉引用
本申请案要求于2019年4月1日申请的第16/371,126号美国专利申请的权益，所述申请的全部公开内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开总体上涉及导波雷达液位传输器，并且更具体地，涉及用于此类液位传输器的定时控制电路。
背景技术
导波雷达液位传输器通常使用基于沿着波导探头以光速传输的子纳秒电脉冲的时域反射测量技术。当脉冲到达电介质间断(discontinuities)时，能量的一部分被反射回传输器并在接收器处被捕获，接收器计算罐或其他容器中的介质的渡越时间和对应的高度或距离。基于发送传输信号与接收反射信号之间的时间来计算液位测量。
发明内容
根据本公开的一个方面，导波雷达(GWR)液位传输器可以包括定时电路，该定时电路包括第一振荡器电路和第二振荡器电路。第一振荡器电路可以被配置为产生具有第一频率的第一信号，第一信号将沿着波导探头朝向介质表面传输，并且第二振荡器可以被配置为产生具有第二频率的第二信号。GWR液位传输器还可以包括重合电路，被配置为产生指示由第一频率和第二频率之间的差创建的相移的重合信号。GWR液位传输器还可以包括微控制器，该微控制器被配置为(i)基于第一信号和第二信号中的至少一个信号以及重合信号来确定拉伸因子，(ii)响应于确定拉伸因子在第一范围之内，使用拉伸因子来计算介质表面与波导探头的近端之间的距离，以及(iii)响应于确定拉伸因子在第二范围之外，调整第一振荡器电路和第二振荡器电路中的至少一个振荡器电路以调整第一频率和第二频率之间的差。
在一些实施例中，第一范围可以大于第二范围。
在一些实施例中，GWR液位传输器还可以包括混频和滤波电路，该混频和滤波电路被配置为通过将第二信号与响应于第一信号沿着波导探头被传输而从波导探头接收的反射信号混频来产生经时间变换的信号。微控制器可以被配置为通过将拉伸因子应用于时间变换信号来计算介质表面与波导探头的近端之间的距离。混频和滤波电路可以被配置为对第二信号与反射信号混频的产物进行带通滤波以产生经时间变换的信号。GWR液位传输器还可以包括模/数转换器，其被配置为将经时间变换的信号转换成数字信号以供呈现给微控制器。
在一些实施例中，确定拉伸因子可以包括确定在重合信号的一个周期期间由第一振荡器电路和第二振荡器电路中的一个振荡器电路产生的脉冲的数量。
在一些实施例中，GWR液位传输器还可以包括脉冲发生器电路，该脉冲发生器电路被配置为选择性地将第一信号传输到波导探头。
在一些实施例中，微控制器还可以被配置为：当第一振荡器电路和第二振荡器电路中的仅一个振荡器电路的调整不足以使拉伸因子在第二范围内时，调整第一振荡器电路和第二振荡器电路两者。
在一些实施例中，GWR液位传输器还可以包括压控振荡器，压控振荡器能够由微控制器操作以响应于确定拉伸因数在第二范围之外而调整以下项中的至少一项：(i)第一振荡器电路，以改变第一频率及(ii)第二振荡器电路，以改变第二频率。
在一些实施例中，微控制器可以包括单个集成电路，该单个集成电路被配置成确定拉伸因子，确定拉伸因子是否在第一范围和第二范围内，计算介质表面和波导探头的近端之间的距离，并且调整第一振荡器电路和第二振荡器电路中的至少一项以调整第一频率与第二频率之间的差。
根据本公开的另一方面，一种方法可以包括：产生具有第一频率的第一振荡器信号；产生具有第二频率的第二振荡器信号；比较第一振荡器信号和第二振荡器信号以产生指示由第一频率与第二频率之间的差创建的相移的重合信号；沿着波导探头朝向介质表面传输第一振荡器信号；响应于第一振荡器信号沿波导探头传输，从波导探头接收反射信号；基于第一振荡器信号和第二振荡器信号中的至少一个振荡器信号以及重合信号来确定拉伸因子；当拉伸因子在第一范围之内时，使用拉伸因子来计算介质表面与波导探头的近端之间的距离；以及当拉伸因子在第二范围之外时，利用处理器调整第一振荡器信号和第二振荡器信号中的至少一个振荡器信号，以调整第一频率和第二频率之间的差。这些步骤中的任一个或全部可以由处理器或微控制器执行。
在一些实施例中，第一范围可以大于第二范围。
在一些实施例中，该方法还可以包括：将反射信号与第二振荡器信号混频以产生经时间变换的信号。计算介质表面与波导探头的近端之间的距离可以包括：将拉伸因子应用于时间变换信号。将反射信号与第二振荡器信号混频的产物可以进行带通滤波以产生经时间变换的信号。所述方法还可以包括将所述经时间变换的信号转换成数字信号以供呈现给所述处理器。
在一些实施例中，确定拉伸因子可以包括：在重合信号的一个周期期间确定第一振荡器信号和第二振荡器信号中的一个振荡器信号中的脉冲的数量。
在一些实施例中，沿着波导探头传输第一振荡器信号可以包括：激活脉冲发生器电路。
在一些实施例中，该方法可以包括当第一振荡器信号和第二振荡器信号中的仅一个振荡器信号的调整不足以使拉伸因子在第二范围内时，调整第一振荡器信号和第二振荡器信号两者。
在一些实施例中，调整第一振荡器信号以及第二振荡器信号中的至少一项以调整第一频率和第二频率之间的差可以包括：使用压控振荡器来调整第一振荡器信号的第一频率。
在一些实施例中，调整第一振荡器信号以及第二振荡器信号中的至少一项以调整第一频率与第二频率之间的差包括：使用压控振荡器来调整第二振荡器信号的第二频率。
通过以下对说明性实施例的描述，本公开的这些和其它特征将变得更加显而易见。
附图说明
在附图中通过示例而非限制的方式示出了本公开中描述的概念。为了说明的简单和清楚，图中所示的元件不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大。此外，在认为适当的情况下，在附图中重复附图标记以指示对应或类似的元件。详细描述具体地参考附图，在附图中：
图1是包括定时电路的导波雷达(GWR)液位传输器的至少一个实施例的简化框图；
图2是图1的GWR液位传输器的至少一个实施例的简化信号流程图；
图3是控制图1和图2的GWR液位传输器的定时电路的方法的至少一个实施例的简化信号流程图；以及
图4是利用图1和图2的GWR液位传输器执行液位测量的方法的至少一个实施例的简化信号流程图。
具体实施方式
虽然本公开的概念易于进行各种修改和备选形式，但是其特定实施例已在附图中以举例的方式示出并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，不存在将本公开的概念限于所公开的特定形式的意图，而是相反，意图是覆盖与本公开和所附权利要求一致的所有修改、等同物和备选方案。
说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但是每个实施例可能包括或可能不一定包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合无论是否明确描述的其它实施例来实现这样的特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内。
在一些情况下，所公开的实施例可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实现。所揭示的实施例还可以实施为由暂态或非暂态计算机可读存储介质携载或存储在暂态或非暂态计算机可读存储介质上的指令，指令可以由一或多个处理器读取和执行。计算机可读存储介质可以体现为用于以计算设备(例如，易失性或非易失性存储器、媒体盘或其他媒体设备)可读的形式存储或传输信息的任何存储设备、机构或其他物理结构。
在附图中，一些结构或方法特征可以以特定布置和/或排序示出。然而，应当理解，可能不需要这样的具体布置和/或排序。相反，在一些实施例中，这些特征可以以与说明性附图中所示的方式和/或顺序不同的方式和/或顺序布置。另外，在特定附图中包括结构或方法特征并不意味着暗示这样的特征在所有实施例中都是必需的，并且在一些实施例中，这样的特征可能不被包括或者可以与其他特征组合。
现在参考图1和图2，示例性导波雷达(GWR)液位传输器100除其他部件之外包括微控制器单元(MCU)110和定时电路130。在使用中，GWR液位传输器100可以使用定时电路130来生成频率信号，定时电路130包括两个振荡器：传输器振荡器132和本地振荡器134。传输器振荡器132和本地振荡器134可以使用具有兆赫兹(MHz)范围内的频率的、非常低的功率或低抖动的电路。在说明性实施例中，传输器振荡器132具有设定频率，而本地振荡器134具有接近传输器振荡器132的频率的可调整频率。可以设想，在其他实施例中，本地振荡器134可以具有设置频率，而传输器振荡器132具有接近本地振荡器134的频率的可调整频率。在其他实施例中，传输器振荡器132和本地振荡器134都可以具有可调整频率以允许更宽范围的频率控制。例如，在这样的实施例中，如果本地振荡器134的调整达到其限制，则可以调整传输器振荡器132以用于进一步补偿。因此，虽然下面的讨论通常将涉及对本地振荡器134的频率的调整，但是应当理解，这些概念同样适用于对传输器振荡器132的频率的调整。
GWR液位传输器100还包括输入/输出(I/O)电路170，输入/输出(I/O)电路170可以包括传输器振荡器脉冲器210和本地振荡器脉冲器212，其可以各自被激活(例如，由MCU110激活)以选择性地分别将来自传输器振荡器132和本地振荡器134的信号传输到其他系统部件。例如，使用传输器振荡器脉冲器210，来自传输器振荡器132的信号可以沿着波导探头180以预定的脉冲重复频率发射，并且当脉冲到达电介质间断(例如，罐中的介质的表面)时被反射。反射信号与来自本机振荡器脉冲器212的信号混频，并且由GWR液位传输器100的混频和滤波电路160带通滤波。所得的经时间变换的信号由MCU 110的模/数转换器(ADC)114获取以产生数字信号以用于确定电介质间断到波导探头180的近端(即，波导探头180的耦合到GWR液位传输器100的I/O电路170的端部)的距离。
GWR液位传输器100被配置为利用反馈控制环路来允许对本地振荡器134(和/或在一些实施例中，传输器振荡器132)的调整，以针对来自时间变化和/或环境的任何扰动(例如，温度、振动的变化)，在传输器振荡器频率与本地振荡器频率之间维持稳定的差分频率(Δf)范围。在说明性实施例中，GWR液位传输器100被配置为限制本地振荡器频率的调整的数量，因为连续频率调整增加了时间变换中的噪声并且影响距离测量的精度。为此，两个振荡器132、134的输出信号被传输到重合电路140(例如，触发器电路)以生成重合信号。在说明性实施例中，每当两个振荡器在相位上相等或相反时，重合信号切换，其中相移由传输器振荡器频率与本地振荡器频率之间的频率差(Δf)产生。应当理解，在本公开中，该频率差有时也被称为“差分频率”。因此，重合信号的频率等于传输器振荡器频率与本地振荡器频率之间的差分频率(Δf＝fTX-fLO)。应当理解，该差分频率(Δf)有时将是正的，有时是负的。
MCU 110在重合信号的一个循环期间测量传输器振荡器频率的脉冲的数量，以确定拉伸因子。在说明性实施例中，传输器振荡器频率除以差分频率(fTO/Δf)被用作拉伸因子。在其他实施例中，本地振荡器频率除以差分频率(fLO/Δf)可以用作拉伸因子。代替调整本地振荡器频率以达到并维持用于时间测量补偿(时间变换)的特定设定点，说明性实施例的GWR液位传输器100仅在测量的拉伸因子超过预定工作范围的情况下调整本地振荡器频率(和/或在一些实施例中，调整传输器振荡器132)。通过允许本地振荡器频率的更宽漂移，频率调整的数量减小，这减少了在频率调整期间引入的时间变换中的噪声。应当理解，通过使用测量的拉伸因子而不是恒定的拉伸因子，可以增加时间测量补偿的精度，从而提高距离测量的精度。
在说明性实施例中，MCU 110经由I/O子系统120通信地耦合到GWR液位传输器100的其它部件，I/O子系统120可以体现为用于促进与MCU 110、定时电路130、重合电路140、压控振荡器(VCO)150、混频/滤波电路160和GWR液位传输器100的其它部件的输入/输出操作的电路装置和/或部件。例如，I/O子系统120可以体现为或以其他方式包括存储器控制器集线器、输入/输出控制集线器、集成传感器集线器、固件设备、通信链路(例如，点对点链路、总线链路、导线、电缆、光导、印刷电路板迹线等)，和/或其他部件和子系统以促进输入/输出操作。在一些实施例中，I/O子系统120可以形成片上系统(SoC)的一部分，并且与处理器112、存储器116和其他部件一起并入MCU 110中。
如图1所示，MCU 110包括处理器112、模数转换器(ADC)114、存储器116和/或计数器118。处理器112可以体现为能够执行本文描述的功能的任何类型的处理器。例如，处理器112可以体现为多核处理器、微控制器或其他处理器或处理/控制电路。在一些实施例中，处理器112可以体现为、包括或耦合到现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可重新配置的硬件或硬件电路装置、或促进本文描述的功能的执行的其它专用硬件。有利地，本公开的功能，包括频率调整和信号获取和处理，可以由单个MCU 110控制和执行。
模数转换器(ADC)114可以体现为能够将从混频/滤波电路160接收的模拟信号转换为数字信号的任何电路、设备或其集合。
存储器116可以体现为任何类型的易失性(例如，动态随机存取存储器(DRAM)等)或非易失性存储器或能够执行本文所述功能的数据存储装置。易失性存储器可以是需要电力来维持由介质存储的数据的状态的存储介质。易失性存储器的非限制性示例可以包括各种类型的随机存取存储器(RAM)，诸如动态随机存取存储器(DRAM)或静态随机存取存储器(SRAM)。
计数器118可以体现为能够在重合信号的一个循环期间测量传输器振荡器132的脉冲的数量以确定拉伸因子的任何电路、设备或其集合。应当理解，在一些实施例中，计数器118可以在重合信号的一个循环期间测量本地振荡器134的脉冲的数量，以确定拉伸因子。
定时电路130可以体现为能够生成频率信号的任何电路、设备或其集合。如上所述，定时电路130包括两个振荡器：传输器振荡器132和本地振荡器134。在说明性实施例中，定时电路130被配置为以预定频率设置传输器振荡器132并且调整本地振荡器134的频率以保持在传输器振荡器频率的工作范围内。定时电路130被配置成由MCU110控制以调整本地振荡器频率。然而，在其他实施例中，定时电路130可以备选地或附加地被配置为调整传输器振荡器132的频率。在这样的实施例中，定时电路130被配置成由MCU 110控制以调整传输器振荡器频率。
重合电路140可以体现为当重合电路140在时间窗内接收来自传输器振荡器132和本地振荡器134信号时能够生成重合信号的任何电路、设备或其集合。在说明性实施例中，重合电路140被配置为每当传输器振荡器132和本地振荡器134在相位上相等或相位相反时切换重合信号。换句话说，重合信号的频率等于传输器振荡器频率与本地振荡器频率之间的差分频率。例如，重合电路140可以体现为触发器电路，当两个振荡器132、134在相位或相反相位上相等时，触发器电路切换重合的循环。如下面进一步讨论的，重合循环用于确定拉伸因子。
压控振荡器(VCO)150可以体现为能够控制本地振荡器134的频率以调整本地振荡器频率的任何电路、设备或其集合。在传输器振荡器132的频率可调整的实施例中，VCO可以额外地或备选地控制传输器振荡器频率的调整(如图2中的虚线所建议)。在一些实施例中，VCO 150可以使用变容二极管。VCO 150由MCU 110控制，并且被配置为将本地振荡器频率设置为接近传输器振荡器频率。在一些实施例中，MCU 100可以使用数模转换器(未示出)来控制VCO150。应当理解，与传输器振荡器频率相比，差分频率(Δf)通常将相当小。例如，传输器振荡器频率可以在1MHz到4MHz的范围内，而差分频率可以在5Hz到40Hz的范围内。这样，本地振荡器频率被配置为被设置为接近传输器振荡器频率。
混频/滤波电路160可以体现为能够将来自本地振荡器134的信号与来自波导探头180的反射信号混频以产生待由ADC114数字化并由MCU 110处理的反射信号的经时间变换(更低频率)版本的任何电路、设备或其集合。
现在参考图2，示出GWR液位传输器100的简化信号流程图。在说明性实施例中，通过由反馈控制回路调整本地振荡器频率来控制两个不同振荡器之间的差分频率(Δf)。(如上所述，在其它实施例中，传输器振荡器频率可以备选地或额外地由反馈控制回路调整。)GWR液位传输器100利用等效时间采样(ETS)方法进行液位测量。来自传输器振荡器132的脉冲经由传输器振荡器脉冲器210使用MHz范围中的频率沿着波导探头180传输，并且反射信号经由本地振荡器脉冲器212与来自本地振荡器134的脉冲混频，具有与来自传输器振荡器132的脉冲相同或稍微不同的频率。在混频/滤波电路160的输出处使用带通滤波器，产生反射信号的经时间变换的版本并将其提供给MCU 110的ADC114。ETS方法允许以拉伸因子来拉伸时间尺度。在说明性实施例中，拉伸因子反映传输器振荡器频率/差分频率(fTO/Δf)。然而，在其他实施例中，拉伸因子可以反映本地振荡器频率/差分频率(fLO/Δf)。应当理解，ETS方法允许捕获子ns脉冲信号并且在低得多的时基处重构信号，这对于ADC114更容易以更低的采样率数字化。
另外，重合电路140接收传输器振荡器信号(来自132)和本地振荡器信号(来自134)以生成重合信号。如上所述，每当两个振荡器在相位上相等或相位相反时，重合信号切换。该重合信号被传输到MCU 110，在那里它被读取为数字信号。
如上文所论述，计数器118被配置为在重合信号的一个周期期间对来自传输器振荡器132(或在一些实施例中，来自本机振荡器134)的脉冲的数目进行计数。使用重合信号的上升沿开始计数器，并且同时，由ADC 114获取混频/滤波电路160的输出信号。在重合信号的下一个上升沿，计数器中的脉冲累加的值被存储在寄存器中并且表示最后一次采集的拉伸因子。该测量的拉伸因子值用于确定最后信号采集的时间变换并且优化时间测量。可以设想，在各种实施例中，可以在采集之前、采集之后或通过对采集之前和之后的值进行平均来获得拉伸因子的值。
MCU 110周期性地检查拉伸因子以确定其是否在一个或多个工作范围内。具体地，MCU 110将确定拉伸因子是否在将提供可接受的测量精度的范围内。如果是，则MCU 110将使用该拉伸因子来补偿所获取的测量并且计算介质表面沿着波导证明180的距离。如果不是(即，当拉伸因子过大或太小)，则将丢弃所获取的测量值并且不将其用于液位确定。另外，MCU 110将确定拉伸因子是否在指示需要调整振荡器132、134之间的差分频率(Δf)的范围之外。如果是，则MCU 110将调整振荡器132、134中的一项或两项以调整(减小或增加)差分频率(Δf)以使其在工作范围内。如果不是(即，当拉伸因子指示振荡器频率的可接受的差时)，则将不执行调整。
MCU 110在评估用于测量和用于振荡器控制的拉伸因子时使用的范围可以相同或不同。在说明性实施例中，当确定是否可以将拉伸因子用于测量时，MCU 110利用比由MCU110确定是否需要频率调整而使用的工作范围更大的工作范围。换句话说，在说明性实施例中，MCU 110可以从此评估达到三个结果：(1)在拉伸因子在两个工作范围内的情况下，MCU110将其应用于测量并且不对振荡器132、134进行调整，(2)在拉伸因子在测量工作范围内但不在控制工作范围内的情况下，MCU 110将其应用于测量并且实施对振荡器132、134中的一项或两项的频率的调整以调整差分频率(Δf)，以及(3)在拉伸因子在两个工作范围之外的情况下，MCU 110将丢弃受影响的测量并且实施对振荡器132、134中的一项或两项的频率的调整以调整差分频率(Δf)。下面进一步讨论这些操作。
应当理解，允许差分频率(Δf)在工作范围内浮动用于减少反馈干预的数量并提高系统的稳定性。振荡器132、134的频率的漂移通常非常慢并且恒定地改变，并且如果测量的拉伸因子在工作范围内，则可能不需要调整。因此，代替以特定的拉伸因子和紧密的反馈控制环为目标，工作范围允许差分频率(Δf)的更缓慢的漂移变化，并且使用测量的拉伸因子来补偿经时间变换的测量信号。
当拉伸因子在控制工作范围之外时，MCU 110控制VCO 150以调整本地振荡器134(和/或传输器振荡器132)的频率以调整差分频率(Δf)。取决于情况(例如，差分频率是否低于或高于控制工作范围)，该调整可以是差分频率(Δf)的增加或减小。在重合信号的第二周期期间进行对差分频率(Δf)的调整，并且在该循环期间不进行对测量信号的获取。这允许由调整引起的本地振荡器134的频率的变化在下一个信号采集之前稳定。因此，说明性GWR液位传输器100通过使用与特定测量相关联的实际测量的拉伸因子来提供距离测量的更好的准确度，并且限制频率调整的数量以降低频移上的噪声。
现在参考图3，在使用中，GWR液位传输器100可以执行用于控制本地振荡器134(和/或在一些实施例中，传输振荡器132)以将差分频率(Δf)维持在工作范围内的方法300。应了解，图3的简化流程图本质上是说明性的，并且GWR液位传输器100可执行类似于、但不同于用于将差分频率(Δf)维持在工作范围内的方法300的其它方法。例如，在一些实施例中，可以重新安排图3中所示的步骤的顺序，和/或该方法可以包括与所示出的步骤相比额外的步骤或不同的步骤。
方法300开始于框302，其中传输振荡器132产生传输振荡器信号并且本机振荡器134产生本机振荡器信号。如上文所论述，传输振荡器信号及本机振荡器信号中的一项可以具有设定频率，而另一项具有可调整频率，或传输振荡器信号和本机振荡器信号两者可以具有由MCU 110(例如，经由VCO 150)控制的可调整频率。在说明性实施例中，传输振荡器信号具有设定频率，而本地振荡器信号具有可调整频率。在GWR液位传输器100的操作期间连续地执行框302(即，传输振荡器132连续地产生传输振荡器信号，并且本地振荡器134在操作期间连续地产生本地振荡器信号)。
在框304中，由重合电路140比较传输振荡器信号和本地振荡器信号以产生指示由传输与本地振荡器信号的频率之间的差产生的相移的重合信号。举例来说，在框304中，每当两个振荡器132、134在相位上相等或相反时，触发器电路140可以切换，其中相移由传输器振荡器频率与本机振荡器频率之间的频率差(Δf)产生。类似于框302，在GWR液位传输器100的操作期间连续地执行框304(即，重合电路140在操作期间连续地产生重合信号)。
在框306中，MCU 110基于在框304中产生的重合信号以及在框302中产生的振荡器信号中的至少一个信号来确定拉伸因子。框306可以在GWR液位传输器100的操作期间周期性地执行(例如，在重合信号的每个周期期间一次)。如上所述，在一些实施例中，框306可以涉及在重合信号的一个周期期间对从传输器振荡器132接收的脉冲的数量进行计数。备选地，框306可以涉及在重合信号的一个周期期间对从本地振荡器134接收的脉冲的数量进行计数。
方法300然后行进到框308，其中MCU 110评估在框306中确定的拉伸因子是否在适合于液位测量的工作范围内(或外部)。如果MCU 110在框308中确定拉伸因子在该测量工作范围之外，则不进行液位测量，并且方法300直接行进到框312，在框312中，调整振荡器132、134中的一个或两个(下面将进一步讨论)。相反，如果MCU110在框308中确定拉伸因子在测量工作范围内，则可以采取液位测量(参见图4)，并且方法300行进到框310。作为说明性示例，在拉伸因子的期望值为200,000的情况下，框308可以涉及MCU 110检查在框306中确定的拉伸因子的实际值是否在195,000和205,000之间。当然，应当理解，这些数字仅仅是一个示例，并且可以使用许多其他值。
当方法300行进到框310时，MCU接着评估在框306中确定的拉伸因子是否在用于定时电路控制的工作范围之外(或在其内)。如果MCU 110在框310中确定拉伸因子在该控制工作范围之外，则可以进行液位测量(参见图4)，并且方法300行进到框312，其中调整振荡器132、134中的一项或两项(下面进一步讨论)。相反，如果MCU 110在框310中确定拉伸因子在控制工作范围内，则可以进行液位测量(参见图4)，但不执行振荡器调整，并且方法300返回到框306。作为说明性示例，在拉伸因子的期望值为200,000的情况下，框310可以涉及MCU110检查在框306中确定的拉伸因子的实际值是否在199,000和201,000之间。当然，应当理解，这些数字仅仅是一个示例，并且可以使用许多其他值。
基于框308和/或框310中的确定，如果方法300行进到框312，则MCU 110将调整振荡器132、134中的一项或两项的频率以调整系统的差分频率。在框312中，MCU 110可以使VCO 150将控制信号提供到本机振荡器134(在一些实施例中，和/或传输器振荡器134)以调整振荡器信号的频率以便维持控制工作范围内的差分频率。在框312中的此调整之后(或在框310之后，如果确定不需要调整)，那么方法300返回到框306，在其中确定下一拉伸因子。
现在参考图4，在使用中，GWR液位传输器100还可以执行用于执行液位测量的方法400。应当理解，图4的简化流程图在本质上是说明性的，并且GWR液位传输器100可以执行类似于、但不同于用于维持执行液位测量的方法400的其它方法。例如，在一些实施例中，可以重新排列图4中所示的步骤的顺序，和/或该方法可以包括与所示出的步骤相比附加的步骤或不同的步骤。
方法400开始于框402，其类似于方法300的框308(或甚至与框308重叠)。在框402中，MCU 110评估在框306中确定的拉伸因子是否在适合于液位测量的工作范围内(或之外)。如果MCU 110在框402中确定拉伸因子在该测量工作范围之外，则不采取液位测量，并且方法400等待确定下一个拉伸因子(然后在框402中被评估)。相反，如果MCU 110在框402中确定拉伸因子在测量工作范围内，则方法400行进到框404。
在框404中，MCU 110激活传输振荡器脉冲器210，这使来自传输振荡器132的传输振荡器信号沿波导探头180传输。在其它实施例中，传输振荡器脉冲器210可以在GWR液位传输器100的操作期间保持活动，并且可以从方法400省略框404。如上所述，当传输振荡器信号遇到介电间断(例如，与波导探头180接触的介质的表面)时，将生成反射信号作为响应。
然后，方法400行进到框406，其中GWR液位传输器100从波导探头180接收反射信号(经由I/O电路170)。一旦已接收到反射信号，MCU 110便可在框408中停用传输振荡器脉冲器210以从波导探头180移除传输振荡器信号。在其它实施例中，传输振荡器脉冲器210可以在GWR液位传输器100的操作期间保持活动，并且可以从方法400省略框408。
方法400接下来行进到框410，其中在框406中接收的反射信号与来自本地振荡器134的本地振荡器信号混频以产生经时间变换的信号。框410可以涉及使用带通滤波器对混频产物进行滤波以产生经时间变换的信号。
方法400以方框412结束，其中MCU 110计算与波导探头180接触的介质表面和波导探头180的近端(即，耦合到GWR液位传输器100的端部)之间的距离。框412涉及MCU 110应用拉伸因子以补偿经时间变换的信号。用于这种补偿的拉伸因子可以是在采集之前获得的拉伸因子(即，在框402中评估的拉伸因子)、在采集之后获得的拉伸因子、在采集之前和之后获得的拉伸因子的平均值、或其他值。
虽然已经在附图和前面的描述中详细地示出和描述了本公开，但是这样的图示和描述应当被认为是示例性的而不是限制性的，应当理解的是，仅示出和描述了说明性实施例，并且期望保护落入本公开的精神内的所有改变和修改。
存在由本文所述的方法、设备和系统的各种特征引起的本发明的多个优点。应当注意的是，本公开的方法、装置和系统的备选实施例可以不包括所描述的所有特征，而仍然受益于这些特征的至少一些优点。本领域普通技术人员可以容易地设计他们自己的方法、装置和系统的实施方式，其结合了本发明的一个或多个特征，并且落入由所附权利要求限定的本公开的精神和范围内。

Claims (20)

1.一种导波雷达(GWR)液位传输器，包括：
定时电路，包括第一振荡器电路和第二振荡器电路，其中所述第一振荡器电路被配置为产生具有第一频率的第一信号，所述第一信号将沿着波导探头朝向介质表面传输，并且其中所述第二振荡器被配置为产生具有第二频率的第二信号；
重合电路，被配置为产生指示由所述第一频率与所述第二频率之间的差创建的相移的重合信号；以及
微控制器，被配置为：
基于所述第一信号和所述第二信号中的至少一个信号以及所述重合信号来确定拉伸因子；
响应于确定所述拉伸因子在第一范围之内，使用所述拉伸因子来计算在所述介质表面与所述波导探头的近端之间的距离；以及
响应于确定所述拉伸因子在第二范围之外，调整所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路中的至少一个振荡器电路，以调整所述第一频率与所述第二频率之间的差。
2.根据权利要求1所述的GWR液位传输器，其中所述第一范围大于所述第二范围。
3.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，还包括混频和滤波电路，所述混频和滤波电路被配置为通过将所述第二信号与响应于所述第一信号沿着所述波导探头被传输而从所述波导探头接收的反射信号混频，来产生经时间变换的信号，其中所述微控制器被配置为通过将所述拉伸因子应用于所述经时间变换的信号，来计算所述介质表面与所述波导探头的所述近端之间的所述距离。
4.根据权利要求3所述的GWR液位传输器，其中所述混频和滤波电路被配置为对所述第二信号与所述反射信号混频的产物进行带通滤波，以产生所述经时间变换的信号。
5.根据权利要求3或权利要求4所述的GWR液位传输器，还包括模数转换器，所述模数转换器被配置为将所述经时间变换的信号转换成数字信号，以供呈现给所述微控制器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中确定所述拉伸因子包括：确定在所述重合信号的一个周期期间由所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路中的一个振荡器电路产生的脉冲的数量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，还包括脉冲发生器电路，所述脉冲发生器电路被配置为选择性地将所述第一信号传输到所述波导探头。
8.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中所述微控制器被配置为：当所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路中的仅一个振荡器电路的调整不足以使所述拉伸因子在所述第二范围内时，调整所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路两者。
9.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，还包括压控振荡器，所述压控振荡器能够由所述微控制器操作以响应于确定所述拉伸因子在所述第二范围之外而调整以下项中的至少一项：(i)所述第一振荡器电路，以改变所述第一频率，以及(ii)所述第二振荡器电路，以改变所述第二频率。
10.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中所述微控制器包括单个集成电路，所述单个集成电路被配置成确定所述拉伸因子，确定所述拉伸因子是否在所述第一范围和所述第二范围内，计算所述介质表面与所述波导探头的所述近端之间的所述距离，并且调整所述第一振荡器电路和所述第二振荡器电路中的至少一项，以调整所述第一频率与所述第二频率之间的所述差。
11.一种方法，包括：
产生具有第一频率的第一振荡器信号；
产生具有第二频率的第二振荡器信号；
比较所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号以产生指示由所述第一频率与所述第二频率之间的差产生的相移的重合信号；
沿着波导探头朝向介质表面传输所述第一振荡器信号；
响应于所述第一振荡器信号沿所述波导探头传输，从所述波导探头接收反射信号；
利用处理器基于所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号中的至少一个信号以及所述重合信号来确定拉伸因子；
当所述拉伸因子在第一范围之内时，利用所述处理器使用所述拉伸因子来计算所述介质表面与所述波导探头的近端之间的距离；以及
当所述拉伸因子在第二范围之外时，利用所述处理器调整所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号中的至少一个振荡器信号，以调整所述第一频率与所述第二频率之间的差。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述第一范围大于所述第二范围。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，还包括：将所述反射信号与所述第二振荡器信号混频以产生经时间变换的信号，其中计算所述介质表面与所述波导探头的所述近端之间的所述距离包括：将所述拉伸因子应用于所述经时间变换的信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中将所述反射信号与所述第二振荡器信号混频的产物进行带通滤波，以产生所述经时间变换的信号。
15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，还包括：将所述经时间变换的信号转换成数字信号以供呈现给所述处理器。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的方法，其中确定所述拉伸因子包括：在所述重合信号的一个周期期间确定所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号中的一个振荡器信号中的脉冲的数量。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的方法，其中沿所述波导探头传输所述第一振荡器信号包括：激活脉冲发生器电路。
18.根据权利要求11-17中任一项所述的方法，包括：当所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号中的仅一个振荡器信号的调整不足以使所述拉伸因子在所述第二范围内时，调整所述第一振荡器信号和所述第二振荡器信号两者。
19.根据权利要求11-18中任一项所述的方法，其中调整所述第一振荡器信号以及所述第二振荡器信号中的至少一项以调整所述第一频率与所述第二频率之间的差包括：使用压控振荡器来调整所述第一振荡器信号的所述第一频率。
20.根据权利要求11-19中任一项所述的方法，其中调整所述第一振荡器信号以及所述第二振荡器信号中的至少一项以调整所述第一频率与所述第二频率之间的差包括：使用压控振荡器来调整所述第二振荡器信号的所述第二频率。
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