CN202614331U - 使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计 - Google Patents

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Abstract

一种使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计(1)，其中测量信号包括第一频率扫描和第二频率扫描，并且混频器(25)被布置为使测量信号与回波信号混频以基于第一频率扫描形成第一IF信号，并且基于第二频率扫描形成第二IF信号。处理电路(11)采样电路适于对第一IF信号和第二IF信号采样，以形成包括来自每个料箱信号的样本的组合样本向量，并且基于组合样本向量确定距离。通过组合来自两次(或更多次)不同扫描的样本，样本数目和带宽均可以增加，因而维持范围L。然而，由于样本获得自两次分立的扫描，因此各次扫描的扫描时间不需要增加，并且可以维持平均功耗。

Description

使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计
技术领域
本实用新型涉及一种频率调制连续波(FMCW)类型的雷达料位计，具体地，涉及使用电磁波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计和料位计量方法。 
背景技术
从在1970年代和1980年代中开发雷达料位计量作为商业产品开始，频率调制连续波(FMCW)已成为用于高精度应用的主要测量原理。FMCW测量包括将在几个GHz的频率范围上扫描的信号传送到料箱中。例如，信号范围可以是25至27GHz或者9至10.5GHz。传送信号被料箱中的内容物的表面(或者通过任何其他阻抗转变)反射，并且已被延迟特定时间的回波信号返回到料位计。回波信号与传送信号混频以生成混频信号，其具有等于在时间延迟期间发生的传送信号的频率改变的频率。如果使用线性扫描，则该差频(其还被称为中频(IF))与到反射表面的距离成比例。混频信号常常被称为IF信号。 
最近，FMCW原理已被改进，并且现今典型地牵涉不传送连续扫描而是传送具有几乎恒定幅度的具有阶跃频率的信号。当传送信号和接收信号混频时，每个频率阶将提供分段恒定IF信号的一个恒定段，因而提供IF信号的一个“样本”。为了确定分段恒定IF信号的频率，将需要许多个频率，其数目N大于采样定理规定的数目。随后按与传统的FMCW系统相似的方式使用IF信号的频率确定到反射表面的距离。典型值可以是分为1000至1500个阶的30m距离处的200至300个IF时段。 
注意，还可以对从连续频率扫描得到的连续IF信号采样以便于允许数字处理。 
尽管传统的FMCW系统(连续的以及阶跃的)是高度准确的，但是其功耗相对高，使得它们不太适合其中功率有限的应用。这些应用的示例包括由诸如4至20mA回路的双线接口供电的现场设备，以及由内部电源(例如电池组或太阳能电池)供电的无线设备。 
主要的功率消耗者是微波模块，其由于对频率精度的要求而需要相对高的功率以在每次扫描期间生成并且发射微波能量。可以使用扫描之间的适当的装置来存储功率，从而可以使用较低的平均功率在扫描期间对微波模块供电。然而，由于空间限制和原有安全度(IS)要求，这种功率存储容量严重受限。因此，至关紧要的是限制微波模块的活跃时段，即限制扫描的时长。此外，有必要限制采样率，以便于减少模拟信号处理和A/D转换中的功耗。最后，出于性能观点，有利的是具有宽的带宽，提供高的分辨率(即高精度)。 
对于任何采样FMCW系统(连续扫描或者阶跃)，最大测量距离(范围)L被确定为L＝Nc/4B，其中N是样本的数目，c是光速，并且B是扫描带宽。在阶跃频率扫描的情况下，N将典型地对应于所使用的不同频率的数目。扫描时间T是T＝N/fs，其中fs是A/D转换的采样率。在阶跃频率扫描的情况下，fs将典型地也是扫描的阶跃速率。 
根据这些简单的关系，清楚的是，增加的带宽B将导致减少的范围L，除非样本N的数目增加。然而，由于出于A/D转换的观点采样频率固定在合理的值，因此任何样本数目的增加将不可避免地导致增加的扫描时间。 
因而对于给定的范围，存在一方面的精度(带宽)和另一方面的功耗(扫描时间)之间的权衡。在具有连续扫描以及具有阶跃频率扫描的情况下，该权衡存在于任何采样FMCW系统中。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于解决上文提到的权衡，并且对于给定的检测范围提供在不增加扫描时间的情况下增加带宽的方法。 
根据本实用新型的一个方面，该目的通过一种使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计实现，其包括：微波源，被布置为生成包括第一频率扫描和第二频率扫描的测量信号；信号传播设备，与微波源连接并且适于将测量信号发射到料箱中，并且接收从表面反射的回波信号；功率存储部，用于为微波源供电，该功率存储部在扫描之间充电；混频器，与微波源和信号传播设备连接，并且被布置为使测量信号与回波信号混频以基于第一频率扫描形成第一IF信号，并且基于第二频率扫描形成第二IF信号；采样电路，被连接为从混频器接收料箱信号并且适于对第一IF信 号和第二IF信号采样并且形成包括来自每个料箱信号的样本的组合样本向量；以及处理电路，与采样电路连接并且适于基于组合样本向量确定距离。 
根据本实用新型的另一方面，该目的通过一种使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计实现，其包括：微波源，被布置为生成包括第一频率扫描和第二频率扫描的测量信号；信号传播设备，与微波源连接并且适于允许将测量信号传播到料箱中，并且接收从表面反射的回波信号；功率存储部，用于为微波源供电，功率存储部在扫描之间充电；混频器，与微波源和信号传播设备连接，并且被布置为使测量信号与回波信号混频以基于第一频率扫描形成第一中频IF信号，并且基于第二频率扫描形成第二中频IF信号；处理电路，被连接为从混频器接收料箱信号并且适于对第一IF信号和第二IF信号采样，以形成包括来自每个料箱信号的样本的组合样本向量，并且基于组合样本向量确定距离。 
根据本实用新型的另一方面，该目的通过一种用于确定到料箱中的产品表面的距离的方法实现，其包括如下步骤：生成包括第一频率扫描和第二频率扫描的测量信号，将测量信号发射到料箱中，接收从表面反射的回波信号，使测量信号与回波信号混频以基于第一频率扫描形成第一IF信号，并且基于第二频率扫描形成第二IF信号，对第一IF信号和第二IF信号采样，形成包括来自第一和第二料箱信号的样本的组合样本向量，以及基于组合样本向量确定距离。 
通过组合来自两次(或更多次)不同扫描的样本，样本数目和带宽两者均可以增加，因而维持范围L。然而，由于样本获得自两次分立的扫描，因此各次扫描的扫描时间不需要增加，并且可以维持平均功耗。 
换言之，对于给定范围和采样频率，通过组合两次(或更多次)连续的扫描，可以在不需要较长的扫描时间的情况下获得较大的带宽。因而单个测量周期在两次(或更多次)扫描时间期间展开，并且因此可以将功耗维持在低水平。 
当然，如果被视为有利的，可以在更多次单独的扫描(诸如三次或更多次扫描)之间划分测量周期。然而，在增加的带宽和延长测量周期之间存在权衡。较长的测量周期需要较稳定的测量情形，并且可能变得较易受紊乱和噪声的影响。 
本实用新型可以有利地用在具有阶跃频率扫描的FMCW系统中，即 其中每次发射的扫描包括离散频率集合，从而所生成的IF信号是分段恒定的。 
根据一个实施例，测量信号包括第三频率扫描。 
根据一个实施例，处理电路适于通过使来自最近获取的IF信号的样本与次最近获取的IF信号的样本组合，在每次频率扫描之后更新组合样本向量。换言之，对于每次扫描，获得更新的组合样本向量，并且可以确定更新的距离度量。因而来自每次扫描的IF信号将被使用两次；首先与紧接之前获得的IF信号组合，并且随后与紧接之后获得的IF信号组合。关于该处理的优点在于，可以在每次扫描之后获得更新的度量，即如传统的阶跃FMCW中那样频繁地获得更新的度量。 
根据一个实施例，处理电路包括采样电路，采样电路包括采样和保持电路以及∑-Δ转换器中的一个。 
根据一个实施例，第一频率集合包括f0，f0+2Δf，f0+4Δf，...，f0+2(N-1)Δf，而第二频率集合包括f0+Δf，f0+3Δf，...，f0+(2N-1)Δf，其中Δf是频率阶。因而每个集合包括N个频率，其均导致分段恒定IF信号的一个恒定段。 
根据一个实施例，每次频率扫描具有范围为0.2至3GHz的带宽。 
根据一个实施例，IF信号具有范围为0至15kHz的频率。 
根据一个实施例，每次频率扫描具有范围为0至100ms的时长。 
根据一个实施例，每个集合中的频率的数目N的范围是100至2000。 
根据一个实施例，集合中的两个相邻频率之间的差是MHz级的。 
附图说明
将参照附图更详细地描述本实用新型，附图示出了本实用新型的当前优选实施例。 
图1是适合实现本实用新型的料位计的示意性剖视图。 
图2是根据本实用新型的实施例的、图1中的料位计中的收发器和处理电路的示意性框图。 
图3示出了图2中的电路中出现的各种信号。 
图4是根据本实用新型的实施例的方法的流程图。 
具体实施方式
在这里的描述中，主要参照具有用于辐射和捕获电磁信号的自由传播天线的雷达料位计系统描述本实用新型的优选实施例。应当理解，这决非限制本实用新型的范围，本实用新型同样可应用于其他信号传播设备，包括其他自由传播天线，诸如棒天线、贴片天线、固定或可移动抛物面天线或锥形天线，以及波导，诸如静管(still pipe)、传送线路或探针，诸如单线探针(包括所谓的Goubau探针)、双线探针或同轴探针。 
此外，在下面的描述中，主要参照使用阶跃频率扫描的FMCW雷达料位计描述本实用新型的实施例。注意，本实用新型在任何采样FMCW系统中是有利的，当频率扫描连续时也是这样。 
图1示意性地图示了根据本实用新型的一个实施例的雷达料位计系统1，其包括测量电子单元2和信号传播设备(这里是喇叭天线3)。雷达料位计系统1被设置在料箱5上，料箱5部分地填充有待计量的产品6。料箱中的产品6可以是液体、液化气甚或诸如谷物或塑料颗粒的固体。FMCW测量方法提供了雷达料位计系统的相对高的测量灵敏度，实现了可靠的测量结果，当在料箱中存在干扰物体时也是这样。通过分析天线3朝向产品6的表面7辐射的传送信号ST，以及从表面7行进返回的回波信号SR，测量电子单元2可以确定基准位置和产品6的表面7之间的距离，从而可以推导填充料位L。应当注意，尽管这里讨论包含单个产品6的料箱5，但是可以以相似的方式测量到料箱5中存在任何材料界面的距离。 
如图1中示意性图示的，电子单元2包括用于传送和接收电磁信号的收发器10，其在这里经由波导9与天线3连接。注意，天线3可选地可以直接连接到收发器电路，或者经由诸如同轴线缆的适当的信号介质连接。单元2进一步包括处理电路11，其与收发器10连接用于接收器的控制以及收发器接收到的信号的处理，以确定料箱5中的产品6的填充料位。处理电路11还连接到存储器12，存储料位计1的操作所需的任何软件，并且还提供在操作期间使用的RAM(随机存取存储器)。 
处理电路11进一步可连接到外部通信线路13，用于经由接口14进行模拟和/或数字通信。作为示例，通信接口14和外部控制站(未示出)之间的通信可以由双线接口提供，其具有将测量结果传送到控制站以及接 收用于料位计1的操作的功率的组合功能。该双线接口可以提供或多或少恒定的功率，并且可以使用诸如Fieldbus Foundation(现场总线基金会)或HART(可寻址远程传感器高速通道)的数字协议将测量结果叠加在供电电压上。可替选地，根据主要的测量结果调节线路中的电流。该接口的示例是4至20mA工业回路，其中根据测量结果，在4和20mA之间调节电流。可替选地，料位计可以使用例如无线HART协议与控制站无线通信，并且使用具有电池的本地电源(未示出)或者采集能量用于自动操作的其他装置。 
接口14包括功率管理电路，该功率管理电路包括用于在微波单元不活跃的时段期间存储功率，从而在微波单元活跃的时段期间(即在扫描期间)实现较高的功耗的功率存储部15。通过这种功率管理，可以实现较低的平均功耗，同时仍允许短时段的较高功耗。功率存储部15可以包括电容，并且可能受空间要求以及原有安全度要求的限制(当料位计1被布置在具有爆炸性或易燃内容物的料箱的危险区域中时应用)。 
尽管在图1中被示出为分立模块，但是收发器10、处理电路11和接口14中的若干个可以设置在同一电路板上，甚或设置在同一电路中。 
现在参照图2，示出了根据本实用新型的实施例的图1中的收发器10和处理电路11的更详细的框图。 
这里的收发器10包括由阶跃信号生成器22驱动的微波源21，接着由形成处理电路11的一部分的定时电路23控制。微波源21经由功分器24连接到天线3。功分器24被布置为将来自天线的返回信号连接到混频器25，混频器25也被连接为接收来自微波源21的信号。混频器输出连接到低通滤波器26和放大器27。 
除了上文提到的定时电路23之外，这里的处理电路11包括适于接收信号并对其采样的采样器31。该采样器可以包括与A/D(模拟/数字)转换器组合的采样和保持电路，或者被实现为∑-Δ转换器。采样器31由定时电路控制以与测量信号同步。该处理电路进一步包括用于存储来自采样器31的样本向量的存储器32，以及与存储器32和采样器31连接的样本向量组合器33。最后，该处理电路包括与组合器33连接的料位计算器模块34。 
尽管收发器10的元件典型地在硬件中实现，并且形成通常被称为微波单元的集成单元的一部分，但是处理电路的至少一些部分典型地由嵌入 式处理器执行的软件模块实施。本实用新型不限于该特定实现方案，并且可以考虑被发现适合实现这里描述的功能的任何实现方案。 
在操作期间，定时电路23控制微波源21以输出具有阶跃频率扫描的形式的测量信号。测量信号通常可以以合适的阶从较低频率向较高频率阶跃。作为示例，频率扫描可以具有几个GHz(例如0.2至6GHz)的带宽，以及25GHz或10GHz的平均频率。扫描中的该阶数N的范围可以是100至4000，典型地200至2000，并且对于30m的期望范围可以约为1000。因而每个频率阶(Δf)的尺寸将典型地是MHz级的。对于功率有限的应用，扫描时长有限，并且典型地是0至100ms。作为示例，扫描时长可以约为30ms，并且对于1000个频率阶(N＝1000)，这导致了每个阶的30μs的时长，或者约30kHz的更新速率。 
来自微波源的测量信号由天线3发射到料箱5中，并且回波信号经由功分器24返回到混频器25，在混频器25中回波信号与测量信号混频。被称为IF信号的混频信号在被提供给处理电路11之前由滤波器26进行滤波并且由放大器27放大。该IF信号是分段恒定振荡信号，其频率与到反射表面的距离成比例。典型频率是kHz级，例如小于100kHz并且典型地小于15kHz。 
经放大的IF信号由处理电路11接收，其中采样器31对该信号采样并且进行A/D转换。A/D转换器30的采样频率有利地充分接近测量信号的更新速率，以便于对测量信号的每个阶采样一次且仅一次。 
从采样得到的样本向量被存储在存储器32中。接下来，组合器33组合在连续扫描期间获取的两个或更多个样本向量。组合样本向量被提供给料位计算器模块34，其基于该组合样本向量确定IF信号的频率，并且随后基于IF信号频率确定到反射表面的距离(并且随后确定料箱中的产品的填充料位)。 
图3图示了在本实用新型的示例性实施例中出现的各种信号。在该情况中，两个连续扫描被组合以生成组合样本向量。 
图3a图示了来自两次连续扫描的测量信号。第一扫描开始于频率f0，并且包括尺寸为2Δf的N-1个阶。第二扫描开始于频率f0+Δf，并且也包括尺寸为2Δf的N-1个阶。因而两次扫描彼此交织，并且两次扫描的组合包括2N个频率，提供IF信号的2N个样本。 
图3b图示了从两个测量信号得到的IF信号的一个时段。IF信号也 是分段恒定信号，并且此两者均以与到反射表面的距离成比例的频率周期性地变化。示例性样本点由信号中的十字标出。样本点典型地位于每个恒定时段的末端处，以便于允许稳定任何瞬时行为。 
图3c图示了组合样本向量(点)，可以根据其确定IF信号频率。组合样本向量包括来自图3b中的两个获取的IF信号采样中的每一个的所有样本。 
注意，可以考虑图3中图示的信号的若干个替选方案。首先，所组合的扫描的次数可以大于2。此外，扫描不需要如图3中的那样交织。另一种可能是使第一扫描开始于f0并且包括尺寸为Δf的N个阶，并且使第二扫描开始于f0+NΔf并且也包括尺寸为Δf的N个阶。这些扫描的组合将再次导致频率范围上的2N个样本。 
从图3清楚的是，通过组合两次扫描，组合样本向量多达样本的两倍(改进的分辨率)，同时维持了带宽和扫描时长。功率存储部15可以在每次扫描之间重新充电，导致了料位计的更高效的功率管理。 
图4图示了如何实现本实用新型的实施例的流程图。 
首先，在步骤S1中，执行第一类型的扫描(例如根据图3a)，并且将得到的样本向量存储在存储器中。随后，在步骤S2中，将该样本向量与先前获取(即来自前一次扫描)的样本向量组合，并且在步骤S3中基于组合样本向量确定填充料位。 
随后，在步骤S4中，执行第二类型的扫描(例如根据图3b)，并且将得到的样本向量存储在存储器中。随后，在步骤S5中，将该样本向量与步骤S1中存储的样本向量组合，并且在步骤S6中基于组合样本向量确定填充料位。 
根据该方法，可以在每次扫描之后确定更新的测量值，尽管其仅部分地基于新信息。来自每次扫描的样本可以被使用两次，首先与先前获取的样本向量组合，并且随后与随后获取的样本向量组合。 
可选地，可以仅基于最近的扫描，即步骤S1和S2之间和步骤S4和S5之间，确定分立的填充料位。这种中间测量可以实现步骤S3和S6中获得的测量的验证。注意，这种测量将仅基于半数的样本，并且将仅在样本数目相对于IF信号的频率足够高的情况下是可靠的，如所提到的，IF信号的频率与检测距离成比例。在其中组合向量中的样本数目适于给定范围L的情形中，中间测量对于短于L/2的检测距离将是可靠的。 
本领域的技术人员认识到，本实用新型绝非限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多修改和变化是可能的。例如，所组合的扫描的次数可以大于二。此外，两次或更多次扫描之间的完整扫描的划分不限于上文给出的示例，但是更复杂的交织可能是有利的。 

Claims (11)

1.一种使用微波确定到料箱中的产品表面的距离的料位计，其包括：
微波源，被布置为生成包括第一频率扫描和第二频率扫描的测量信号；
信号传播设备，与所述微波源连接并且适于允许将所述测量信号传播到所述料箱中，并且接收从所述表面反射的回波信号；
功率存储部，用于为所述微波源供电，所述功率存储部在扫描之间充电；
混频器，与所述微波源和所述信号传播设备连接，并且被布置为使所述测量信号与所述回波信号混频以基于所述第一频率扫描形成第一中频IF信号，并且基于所述第二频率扫描形成第二中频IF信号；
处理电路，被连接为从所述混频器接收所述料箱信号并且适于对所述第一IF信号和所述第二IF信号采样，以形成包括来自每个料箱信号的样本的组合样本向量，并且基于所述组合样本向量确定所述距离。
2.根据权利要求1所述的料位计，其中每次频率扫描包括离散频率集合，由此每个IF信号是分段恒定的。
3.根据权利要求1所述的料位计，其中所述测量信号包括第三频率扫描。
4.根据权利要求1所述的料位计，其中所述处理电路适于通过使来自最近获取的IF信号的样本与次最近获取的IF信号的样本组合，在每次频率扫描之后更新所述组合样本向量。
5.根据权利要求1所述的料位计，其中所述处理电路包括采样电路，所述采样电路包括采样和保持电路以及∑-Δ转换器中的一个。
6.根据权利要求1所述的料位计，其中所述第一频率集合包括f0，f0+2Δf，f0+4Δf，...，f0+2(N-1)Δf，而所述第二频率集合包括f0+Δf，f0+3Δf，...，f0+(2N-1)Δf。
7.根据权利要求1所述的料位计，其中每次频率扫描具有范围为0.2至3GHz的带宽。
8.根据权利要求1所述的料位计，其中IF信号具有范围为0至15kHz的频率。
9.根据权利要求1所述的料位计，其中每次频率扫描具有范围为0至100ms的时长。
10.根据权利要求2所述的料位计，其中每个集合中的频率的数目N的范围是100至2000。
11.根据权利要求2所述的料位计，其中集合中的两个相邻频率之间的差是MHz级的。
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