CN202393459U - 具有共源共栅的采样开关的雷达料位计系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有共源共栅的采样开关的雷达料位计系统，其包括：用于产生发送信号的电路；用于产生参考信号的电路；传播装置；测量电路，用于基于反射信号和参考信号形成测量信号；以及处理电路，用于基于测量信号确定表示填充料位的值。测量电路包括：采样开关，用于采样一系列测量值，以及保持电容器。采样开关包括以共源共栅配置布置的第一晶体管和第二晶体管。

Description

具有共源共栅的采样开关的雷达料位计系统

技术领域

本实用新型涉及一种包括测量电路的脉冲式雷达料位计系统，该测量电路具有采样开关和保持电容器以基于反射信号和参考信号形成测量信号。

背景技术

雷达料位计(RLG)系统广泛用于确定容纳在罐中的产品的填充料位。雷达料位计量一般借助于非接触式测量或接触式测量来执行，其中，借助于非接触式测量时向容纳在罐中的产品辐射电磁信号，接触式测量通常被称为导波雷达(GWR)，借助于接触式测量时通过用作波导的探针将电磁信号导向到产品并导入到产品中。探针一般布置为从罐的顶部向罐的底部竖直延伸。探针也可以布置在与罐的外壁连接并与罐的内部流体连接的测量管(所谓的室)中。

发送的电磁信号在产品的表面处反射，且反射信号由包括在雷达料位计系统中的接收器或收发器接收。基于发送信号和反射信号可以确定到产品表面的距离。

更具体地，一般基于在发送电磁信号与接收到电磁信号在罐中的大气与罐中所容纳的产品之间的界面上的反射之间的时间来确定到产品表面的距离。为了确定产品的实际填充料位，基于以上提到的时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。

现今市场上的大多数雷达料位计系统是基于在发送脉冲与接收到脉冲在产品表面处的反射之间的时间差来确定到容纳在罐中的产品的表面的距离的所谓的脉冲式雷达料位计系统，或是基于在发送的调频信号与该调频信号在表面处的反射之间的相位差来确定到表面的距离的系统。后一类型的系统一般称为是FMCW(调频连续波)类型。

对于脉冲式雷达料位计系统，时间扩展技术一般用来决定飞行时间。

这样的脉冲式雷达料位计系统通常具有用于产生发送信号的第一振荡器和用于产生参考信号的第二振荡器，其中，该发送信号由用于向容纳在罐内的产品的表面发送的、具有发送脉冲重复频率f_t的脉冲形成，该参考信号由具有与发送脉冲重复频率相差给定的频率差Δf的参考脉冲重复频率f_r的参考脉冲形成。此频率差Δf通常在几Hz或数十Hz的范围内。

在测量扫描开始时，发送信号和参考信号同步以具有相同的相位。在测量扫描期间，由于频率差Δf，发送信号与参考信号之间的相位差将逐渐增加。

在测量扫描期间，将由于发送信号在容纳在罐中的产品的表面处反射而形成的反射信号与参考信号相关联，以基于反射信号与参考信号之间的时间相关来形成测量信号。

这样的时间相关将产生一系列离散的测量值。为了提供基于其可以确定填充料位的基本上连续的测量信号，可以使用所谓的采样和保持电路。采样和保持电路的输出端可以有放大器，该放大器用于在将测量信号提供给基于测量信号确定填充料位的处理电路之前对该测量信号进行放大。

因此，存在包括发送脉冲发生器、传播装置(天线或传输线探针)、以及测量电路在内的测量链。在脉冲式雷达料位计系统中，可实现的测量范围和/或测量精度可能受到测量链中的信号损失的限制。

因此，期望降低测量链中的信号损失，以在脉冲式雷达料位计系统中提供改进的测量范围和/或测量精度。

实用新型内容

鉴于现有技术的以上提到的及其他的缺点，本实用新型的总体目的是提供一种改进的雷达料位计系统和方法，并且特别是提供改进的测量范围和/或测量精度。

根据本实用新型的第一方面，这些及其他目的通过用于确定容纳在罐中的产品的填充料位的雷达料位计系统来实现，该雷达料位计系统包括：第一脉冲发生电路，该第一脉冲发生电路用于产生具有第一脉冲重复频率的第一脉冲串形式的发送信号；第二脉冲发生电路，该第二脉冲发生电路用于产生具有第二脉冲重复频率的第二脉冲串形式的参考信号，第二脉冲重复频率与第一脉冲重复频率相差预定的频率差；传播装置，该传播装置连接到第一脉冲发生电路，并且该传播装置被布置成向罐内部的产品的表面传播发送信号并返回由于发送信号在容纳在罐中的产品的表面处反射而产生的反射信号；测量电路，该测量电路连接到传播装置并连接到第二脉冲发生电路，该测量电路被配置成基于反射信号和参考信号形成测量信号；以及处理电路，该处理电路连接到测量电路，以基于测量信号确定表示填充料位的值，测量电路包括：采样开关，该采样开关用于在采样时刻采样一系列测量值，每个测量值表示反射信号与参考信号的脉冲之间的时间相关；保持电容器，该保持电容器被布置和配置成通过采样开关的激活而被充电并在采样时刻之间保持每个测量值，从而形成测量信号，其中，采样开关包括以共源共栅(cascode)配置布置的第一晶体管和第二晶体管。

罐可以是能够容纳产品的任意容器或器皿，并且罐可以是金属的、或部分地或完全地非金属的、开放的、半开放的、或闭合的。此外，容纳在罐中的产品的填充料位可以通过使用向罐内部的产品传播发送信号的信号传播装置来直接确定、或通过使用放置在位于罐外部的所谓的室的内部的传播装置来间接确定，而该室与罐的内部以室内的料位与罐内部的料位对应的方式流体连接。发送信号为电磁信号。

第一脉冲发生电路和第二脉冲发生电路中的任一个或两个可以设置为压控振荡电路的形式，其中，该压控振荡电路可以包括晶体振荡器。可替代地，第一脉冲发生电路和第二脉冲发生电路中的任一个或两个可以包括由如下电子电路形成的谐振器元件：该电子电路包括具有电感特性的部分和具有电容特性的部分。

应当注意，处理电路中所包括的装置中的任一个或几个可以设置为独立物理部件、单个部件内的独立硬件块、或由一个或几个微处理器执行的软件中的任一个。

在本申请的上下文中，第一晶体管和第二晶体管“以共源共栅配置布置”应当理解为：第一晶体管和第二晶体管串联布置，并且第一晶体管用作共射极(源极)而第二晶体管用作共基极(栅极)。

在测量电路的现有技术配置中，一般使用单个晶体管作为采样开关。在降低现有技术雷达料位计系统中所包括的电子装置的工作电压时，本发明人意外地发现：测量电路中的信号损失问题增加了，并且构成采样开关的晶体管提供远比预期慢的上升时间。

本实用新型基于以下认识：在工作电压降低时采样开关的比预期慢的响应是由构成采样开关的晶体管的输入阻抗的增加引起的。本发明人还认识到：可以通过由以共源共栅配置布置的一对晶体管形成的采样开关来实现显著地降低采样开关的输入阻抗。这减少了采样开关的上升时间，伴随降低了测量电路的信号损失。此外，由于减少了用于低压的上升时间，所以可以使用单个电源电压实现测量电路，这简化了设计、降低了成本并降低了功耗。

换句话说，通过提供以共源共栅配置布置的第一晶体管和第二晶体管，可以显著降低采样开关的输入阻抗，这提高了采样的速度，使得与以单个晶体管形式提供采样开关时相比改进了时间相关。

通过改进时间相关，测量电路中丢失更少的信号，这提供了改进的测量范围和/或测量精度。可替代地，可以以较低功耗保持测量性能。

根据各种实施例，包括在采样开关中的第一晶体管和第二晶体管可以为BJT晶体管(双极结型晶体管)，其中，第一晶体管以共发射极配置连接；第二晶体管以共基极配置连接；第一晶体管的集电极连接到第二晶体管的发射极；并且第一晶体管的基极连接到第二脉冲发生电路。

在这些实施例中，第二晶体管的集电极可以连接到保持电容器的第一端子，并且传播装置可以连接到保持电容器的第二端子。

作为以上提到的BJT晶体管的替代，包括在采样开关中的第一晶体管和第二晶体管可以是FET晶体管(场效应晶体管)。在这样的实施例中，第一晶体管以共源极配置连接；第二晶体管以共栅极配置连接；第一晶体管的漏极连接到第二晶体管的源极；并且第一晶体管的栅极连接到第二脉冲发生电路。

在FET晶体管的情况下，第二晶体管的漏极可以连接到保持电容器的第一端子，并且传播装置可以连接到保持电容器的第二端子。

根据各种实施例，根据本实用新型的雷达料位计系统可以进一步包括布置成对测量信号进行放大的放大器。

根据另一实施例，传播装置可以为传输线探针，该传输线探针被布置成伸向并伸入到容纳在罐中的产品中，以将发送信号导向产品的表面并沿着传输线探针将反射信号导回。

根据另一个实施例，传播装置可以包括天线装置，该天线装置用于向容纳在罐中的产品的表面辐射发送信号并捕捉由于发送信号在容纳在罐中的产品的表面处反射而产生的反射信号。

此外，雷达料位计系统可以有利地配置成通过本地电源供电，其中，本地电源例如包括至少一个电池、风力涡轮机、和/或太阳能电池等。

而且，雷达料位计系统可以进一步包括用于与外部装置进行无线通信的无线电收发器。

附图说明

现在，将参照示出了本实用新型的当前优选实施例的附图，对本实用新型的这些及其他方面进行更详细地描述，其中：

图1示意性地示出了安装在示例性罐中的雷达料位计系统；

图2是在图1中的雷达料位计系统中包括的测量电子单元的示意图；

图3a是示意性地示出了图1中的雷达料位计系统的框图；

图3b是示意性地示出了图3a中的测量电路的框图；

图4是图3b中的测量电路的现有技术实施方式的示意图；以及

图5是包括在根据本实用新型的雷达料位计系统的实施例中的测量电路的示意图。

具体实施方式

在本详细说明中，参照利用刚性单线(或高保(Goubau))探针的脉冲式导波雷达(GWR)料位计系统，主要描述根据本实用新型的雷达料位计系统的各种实施例。应当注意，这绝不是限制本实用新型的范围，而是可等同地应用于具有为现有技术中已知的天线形式的传播装置的非接触式雷达料位计系统和配备有各种其他种类探针的GWR系统，其中，其他种类探针诸如双引线探针、柔性探针等。

图1示意性地示出了雷达料位计系统1，该雷达料位计系统1包括测量电子单元2以及探针3。雷达料位计系统1设置在罐5上，罐5部分地填充有待计量的产品6。通过分析由探针3导向产品6的表面7的发送信号S_T和从表面7行进回来的反射信号S_R，测量电子单元2可以确定参考位置(诸如罐顶)与产品的表面7之间的距离，由此，可以推断填充料位。应当注意的是，虽然在本申请中讨论了容纳单个产品6的罐5，但是可以以相似的方式测量沿着探针到任何材料界面的距离。

如图2示意性地示出的，电子单元2包括收发器10和处理单元11，收发器10用于发送并接收电磁信号，处理单元11连接到收发器10以控制收发器以及处理收发器所接收到的信号，从而确定罐5中的产品6的填充料位。

此外，处理单元11可经由接口12连接到用于模拟和/或数字通信的外部通信线13。而且，虽然图2未示出，但是雷达料位计系统1通常可连接到外部电源，或可以由外部通信线13供电。可替代地，雷达料位计系统1可以由本地供电，并可以将雷达料位计系统1配置为无线地进行通信。

尽管收发器10、处理电路11和接口12在图2中示出为分离的块，但是它们中的几个可以设置在同一电路板上。

此外，在图2中，收发器10示出为与罐5的内部分离并经由穿过设置在罐壁内的馈通15的导体14连接到探针3。应当理解的是，并非必须是上述情况，至少收发器可以设置在罐5的内部。

图3a为示意性地示出了在图1中的雷达料位计系统中包括的功能部件的方框图。示例性的雷达料位计系统1包括发送器分支和接收器分支，其中，该发送器分支用于产生发送信号S_T并向容纳在罐(图3中未示出)中的产品6的表面7发送该发送信号S_T，该接收器分支用于接收并操作由于发送信号S_T在产品6的表面7处反射而产生的反射信号S_R。如图3中所示，发送器分支和接收器分支都连接到定向耦合器19，以将来自发送器分支的信号定向到探针3以及将通过探针3返回的反射信号定向到接收器分支。

发送器分支包括为第一脉冲发生器20形式的第一脉冲发生电路，并且发送器分支包括第二脉冲发生器25和测量电路26。雷达料位计系统1进一步包括定时控制单元27，用于控制通过第一脉冲发生器输出的发送信号与通过第二脉冲发生器25输出的频移参考信号S_REF之间的定时关系。

如图3中示意性地示出的，雷达料位计系统1进一步包括与测量电路26的输出端连接的放大器电路30。

应当注意：图3中示出的雷达料位计系统1已经被简化，根据本实用新型的各种实施例的雷达料位计系统可以包括另外的部件，诸如发送器分支和接收器分支上的高频脉冲发生器，从而可以将每个由调幅脉冲串(train)形成的脉冲用于确定填充料位。

此外，如以上参照图2简要描述的，雷达料位计系统1包括处理电路(图3中未示出)，该处理电路经由放大电路28连接至测量电路26，以确定容纳在罐内的产品6的填充料位。

当图3中的雷达料位计系统1在执行填充料位确定的工作时，在测量电路26中进行反射信号S_R与通过第二脉冲发生器25输出的参考信号S_REF之间的时间相关。参考信号S_REF为在频率上与通过第一脉冲发生器20输出的信号相差预定的频率差Δf的信号。在测量扫描开始时，参考信号S_REF和发送信号S_T同相，然后，确定参考信号“赶上”反射信号S_R之前的时间。根据此时间和频率差Δf，可以确定到表面7的距离。

之前段落中简要地描述的时间扩展技术对于本领域技术人员是公知的，并且广泛用于脉冲式雷达料位计系统中。

由以上提到的时间相关产生的一系列值也连在一起，以在测量电路中形成基本上连续的测量信号。

图3b是在图3a中示出的雷达料位计系统1中包括的测量电路26的示意性框图，如图3b中所示，测量电路26包括采样开关30、保持电容器31以及缓冲放大器32。如图3b中所示，通过采样开关30的激活(activation)，保持电容器31的第一端子33可与地(或另外的参考电压)连接，并且保持电容器31的第二端子34连接到传播装置(图3b中未示出)。

在通过参考信号S_REF确定的采样时刻，采样开关30连接到第二脉冲发生器25并且受控于第二脉冲发生器25而将保持电容器31的第一端子33与地(或另外的参考电压)连接。因此，反射信号S_R将在采样时刻被采样到保持电容器31，并且保持电容器31将在采样时刻之间保持反射信号S_R的值——测量值。如图3b示意性地示出的，将通过缓冲放大器32在测量电路26的输出端处提供所产生的测量信号S_M。应当注意，在采样时刻之间，保持电容器31的第一端子33既不与地(或另外的参考电压)连接也不与参考信号S_REF连接。

由于参考信号S_REF和反射信号S_R的脉冲通常具有非常短的持续时间，诸如1ns左右，所以采样开关30必须很快，以使参考信号S_REF和反射信号S_R适当地相关。因此，在测量电路26的诸如图4示意性地示出的现有技术实现中，选择(标称)快速BJT晶体管40作为采样开关30。然而，如在以上的实用新型内容部分提到的，在较低工作电压下，集电极-基极电容(或密勒(Miller)电容)C_M增加，这导致输入阻抗增加并且切换晶体管40所需要的时间也随之增加。

如也在本申请的实用新型内容部分中说明的，可以通过提供包括以共源共栅配置布置的第一晶体管和第二晶体管在内的采样开关来显著地降低输入阻抗。

根据本实用新型的示例实施例，如图5示意性地示出的，除了切换晶体管50之外，测量电路26还可以包括与为共基极配置的第二BJT晶体管52串联连接的、为共发射极配置的第一BJT晶体管51。以此方式，第一BJT晶体管51的集电极-基极电容C₁和第二BJT晶体管52的集电极-基极电容C₂串联布置，这大大减少了采样开关30的总输入电容/阻抗。这又减少了采样开关30的上升时间，特别是对于低电源电压而言。

应当注意，绝不是通过图5中示意性地示出的示例性电路配置来限制本实用新型。其中所提供的说明意在对本实用新型进行说明，并且本领域技术人员可以在不偏离本实用新型的范围的情况下容易地扩展或简化图5的电路配置。

注意，以上参照几个实施例主要描述了本实用新型。然而，如本领域技术人员容易理解的，除以上公开的实施例之外的其他实施例也可以等同地在如所附专利权利要求所限定的本实用新型的范围内。例如，雷达料位计系统不需要设置有以上参照图3a所描述的定向耦合器，而可以包括用于发送和接收的诸如天线的独立传播装置。

还要注意，在权利要求中，词“包括(comprising)”不排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一个(a)”或“一个(an)”不排除多个。单个设备或其他的单元可以完成权利要求中所列举的几项功能。仅是在相互不同的从属权利要求中列举某些测量的这个事实不表示这些测量的组合不能用于获益。

Claims (11)

1.一种雷达料位计系统，用于确定容纳在罐中的产品的填充料位，所述雷达料位计系统包括：

第一脉冲发生电路，所述第一脉冲发生电路用于产生具有第一脉冲重复频率的第一脉冲串形式的发送信号；

第二脉冲发生电路，所述第二脉冲发生电路用于产生具有第二脉冲重复频率的第二脉冲串形式的参考信号，所述第二脉冲重复频率与所述第一脉冲重复频率相差预定的频率差；

传播装置，所述传播装置连接到所述第一脉冲发生电路，并且所述传播装置被布置成向所述罐内部的所述产品的表面传播所述发送信号并返回由于所述发送信号在容纳在罐中的产品的所述表面处反射而产生的反射信号；

测量电路，所述测量电路连接到所述传播装置并连接到所述第二脉冲发生电路，所述测量电路被配置成基于所述反射信号和所述参考信号形成测量信号；以及

处理电路，所述处理电路连接到所述测量电路，以基于所述测量信号确定表示填充料位的值，

所述测量电路包括：

采样开关，所述采样开关用于在采样时刻采样一系列测量值，每个测量值表示反射信号与参考信号的脉冲之间的时间相关；

保持电容器，所述保持电容器被布置和配置成通过所述采样开关的激活而被充电并在采样时刻之间保持每个测量值，从而形成所述测量信号，

其中，所述采样开关包括以共源共栅配置布置的第一晶体管和第二晶体管。

2.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，其中：

包括在所述采样开关中的所述第一和第二晶体管为双极结型晶体管；

所述第一晶体管以共发射极配置连接；

所述第二晶体管以共基极配置连接；

所述第一晶体管的集电极连接到所述第二晶体管的发射极；并且

所述第一晶体管的基极连接到所述第二脉冲发生电路。

3.根据权利要求2所述的雷达料位计系统，其中，所述第二晶体管的集电极连接到所述保持电容器的第一端子，并且所述传播装置连接到所述保持电容器的第二端子。

4.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，其中：

包括在所述采样开关中的所述第一和第二晶体管是场效应晶体管；

所述第一晶体管以共源极配置连接；

所述第二晶体管以共栅极配置连接；

所述第一晶体管的漏极连接到所述第二晶体管的源极；并且

所述第一晶体管的栅极连接到所述第二脉冲发生电路。

5.根据权利要求4所述的雷达料位计系统，其中，所述第二晶体管的漏极连接到所述保持电容器的第一端子，并且所述传播装置连接到所述保持电容器的第二端子。

6.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，进一步包括被布置成对所述测量信号进行放大的放大器。

7.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，其中，所述传播装置是传输线探针。

8.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，其中，所述传播装置是辐射天线。

9.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，由本地电源供电。

10.根据权利要求9所述的雷达料位计系统，其中，所述本地电源包括至少一个电池。

11.根据权利要求1所述的雷达料位计系统，进一步包括用于与外部装置进行无线通信的无线电收发器。

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