CN203672448U - 雷达物位计系统 - Google Patents

Abstract

一种用于确定填充物位的雷达物位计系统，包括：微波信号源，其能够控制以生成第一发送信号和第二发送信号；传播装置，其连接到微波信号源；混合器，其连接到微波信号源；以及处理电路，其连接到微波信号源和混合器。该处理电路包括：微波信号源控制器；信号处理器；比较器；以及确定器，该确定器被配置成基于来自表面回波候选的第一集合和表面回波候选的第二集合的表面回波候选的子集，确定填充物位。

Description

雷达物位计系统

技术领域

本实用新型涉及一种雷达物位计系统。 

背景技术

随着二十世纪七十年代和八十年代雷达物位计被开发为商品，调频连续波（FMCW）已成为高准确度应用的主要测量原理。FMCW测量包括向罐体发送在大约几GHz的频率范围内扫描的信号。例如，信号可以在24GHz-27GHz或者或9GHz-10.5GHz的范围内。所发送的信号被罐体中的内含物的表面（或通过任意其他阻抗转变）反射，并且延迟了一定时间的回波信号返回至该物位计。回波信号与所发送的信号混合以生成混合信号，该混合信号的频率等于在时间延迟期间发生的所发送的信号的频率变化。如果使用线性扫描，则也称为中频（IF）的该差频与距反射面的距离成比例。混合信号经常被称为IF信号。 

近来，改进了FMCW原理，并且现今，FMCW原理通常涉及不发送连续扫描信号、而是发送具有步进频率与几乎恒定的振幅的信号。当所发送的信号和所接收的信号被混合时，每个频率步阶将提供逐段恒定IF信号中的一个恒定段。 

然后，以如传统FMCW系统中一样类似的方式，使用IF信号的频率来确定距反射面的距离。典型值可以是以1000-1500步阶划分的30m距离处200-300个IF时段。 

应注意，也可对由连续频率扫描产生的连续IF信号进行采样以允许数字处理。 

虽然高度准确，但是传统FMCW系统（连续的以及步进的）相对功耗大，从而使得它们不太适合功率受限的应用。这样的应用的示例包括通过诸如4-20mA环路的双线接口供电的现场装置、以及由内部电源（例如，电池或太阳能电池）供电的无线装置。 

主要电力消耗装置是微波模块，其由于对频率准确度的要求，要求相 对高的功率以在每次扫描期间生成并发出微波能量。在各次扫描之间，可以使用合适的装置来储存电力，使得较低的平均电力可以用来在扫描持续期间对微波模块供电。然而，由于空间限制和内在安全（IS）要求，这样的电力储存容量是被严格限制的。因此，关键是限制微波模块的活动时段、即限制扫描的持续时间。此外，期望限制采样率，以便降低模拟信号处理和A/D转换的功耗。最后，从性能角度，具有宽带宽以使得提供更鲁棒的测量是有利的。 

在使用离散且相互不同的频率的时间序列作为发送信号的雷达物位计系统中，可以通过减少发送信号中的频率的数量来减小微波模块的活动时间。 

然而，减少保持的带宽上的频率的数量会导致IF信号失真，这又会引入可能被误认为表面回波的假回波。 

因此，通过减少发送信号中的频率的数量来降低雷达物位计系统的功耗会导致填充物位确定的可靠性降低。 

实用新型内容

鉴于以上，本实用新型的一般目的是通过使用离散且相互不同的频率的时间序列作为发送信号的雷达物位计系统来提供改进的填充物位确定，具体地提供在填充物位确定的功耗和可靠性之间的更有利的折衷。 

根据本实用新型，提供了一种用于确定罐体中的制品的填充物位的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：微波信号源，其能够控制以生成第一发送信号和第二发送信号；传播装置，其连接到微波信号源，该传播装置被布置成向罐体中的制品的表面传播第一发送信号和第二发送信号并从表面传播回第一反射信号和第二反射信号，该第一反射信号是由第一发送信号在第一发送信号遇到的阻抗不连续处的反射产生的，该第二反射信号是由第二发送信号在第二发送信号遇到的阻抗不连续处的反射产生的；混合器，其连接到微波信号源和传播装置，该混合器将第一发送信号和第一反射信号混合以形成第一中频信号，并且将第二发送信号和第二反射信号混合以形成第二中频信号；以及处理电路，其连接到微波信号源和混合器，该处理电路包括：微波信号源控制器，其控制微波信号源以生成第一发送信号和第二发送信号，其中第一发送信号包括限定第一发送信号的第一带宽的、第一数量的离散且相互不同的频率的时间序列，第一发送 信号展现第一带宽与第一数量之间的第一比率，第二发送信号包括限定第二发送信号的第二带宽的、第二数量的离散且相互不同的频率的时间序列，第二发送信号展现第二带宽与第二数量之间的第二比率，其中第二比率不同于第一比率；信号处理器，其基于从混合器接收的第一中频信号，确定表示表面回波候选的第一集合的第一数据集合，并且基于从混合器接收的第二中频信号，确定表示表面回波候选的第二集合的第二数据集合；比较器，其对第一数据集合和第二数据集合进行比较，以从表面回波候选的第一集合和表面回波候选的第二集合识别指示发送信号在罐体中相同物位的阻抗不连续处的反射的表面回波候选的子集；以及确定器，其基于来自表面回波候选的第一集合和表面回波候选的第二集合的表面回波候选的子集，确定填充物位。 

应该注意，信号传播装置可以是任意适合的辐射天线或传输线探针（probe）。天线的示例包括喇叭天线、杆状天线、阵列天线以及抛物线天线等。传输线探头的示例包括单线探针（Goubau探针）、双线探针、以及同轴探针等。 

还应该注意，处理电路可被设置为一个装置或者一起工作的若干装置。 

根据实施例，信号处理器还可以包括变换电路，其将所述第一中频信号变换为第一频谱，并且将所述第二中频信号变换为第二频谱。 

根据实施例，变换电路还可以进一步将所述第一频谱变换为第一回波表示，所述第一回波表示指示距表面回波候选的第一集合中的每个表面回波候选的距离，并且将所述第二频谱变换为第二回波表示，所述第二回波表示指示距所述表面回波候选的第二集合中的每个所述表面回波候选的距离。 

此外，物位计系统有利地还可包括本地能量储存装置，其用于为所述物位计系统的操作提供电能。本地能量储存装置可例如包括电池、电容器和/或超级电容器。 

另外，物位计系统还可包括用于与远程系统无线通信的无线通信电路，诸如无线电收发器。 

本实用新型基于如下实现：可以从使用具有不同频率步阶的两个（或更多个）发送信号的填充物位确定中识别以及忽视由中频信号的失真产生的“假回波”。虽然这两个发送信号可导致中频信号的失真，但是失真将不同，这产生了指示罐体中的不同物位的“假回波”。另一方面，对于这两个 发送信号，真回波将导致指示罐体中的相同物位。 

由于第二发送信号的目的是识别“假回波”而不是提供具有高精度的非常独特的表面回波，因此与第一发送信号相比，较少的不同频率可用于第二发送信号，这意味着与使用足够数量的不同频率来将中频信号的失真降低到不存在有害的“假回波”的水平相比，可以实现功耗的降低。 

依据根据本实用新型的方法的各个实施例，第一数量的离散且相互不同的频率中的相邻频率之间的频差是第一带宽与第一数量之间的第一比率的整数倍；并且第二数量的离散且相互不同的频率中的相邻频率之间的频差是第二带宽与第二数量之间的第二比率的整数倍。 

第一发送信号和第二发送信号中的任一个或两者的离散且相互不同的频率可以在时间序列中按从最低到最高（或从最高到最低）的顺序被设置。因此，第一发送信号和/或第二发送信号将是所谓的步进频率扫描。 

可替选地，离散且相互不同的频率可以在时间序列中按任意顺序被设置。只要频率的顺序对于发送信号是已知的，则可基于使用发送信号形成的中频信号来确定表示表面回波候选的集合的数据集合。 

在根据本实用新型的方法的各个实施例中，所述第一发送信号中的每个离散且相互不同的频率可在第一持续时间内被发送；并且所述第二发送信号中的每个离散且相互不同的频率可在第二持续时间内被发送。这简化了发送信号的生成和中频信号的采样。 

有利地，第一持续时间可等于第二持续时间，由此可以进一步简化发送信号的生成和中频信号的采样。 

根据各个实施例，例如使用FFT（快速傅里叶变换）或任意其他合适的变换方案，可将第一中频信号和第二中频信号中的每个中频信号从时域变换到频域，以形成第一频谱和第二频谱。 

此外，第一频谱和第二频谱有利地可分别变换到距离域，以利于距基于第一发送信号和第二发送信号而获得的表面回波候选的距离的比较。 

这里，距阻抗不连续处（诸如，罐体中的制品的表面）、或罐体中的阻抗不连续处的“物位”的“距离”应该理解为等于例如发送信号从罐体顶部的参考位置到阻抗不连续处并返回的飞行时间。 

附图说明

现在将参照示出本实用新型的示例性实施例的附图，更详细地描述本实用新型的这些和其他方面，在附图中： 

图1示意性地示出了具有被布置成确定罐体中的制品的填充物位的、根据本实用新型的雷达物位计系统的实施例的示例性罐体； 

图2是在图1中的雷达物位计系统中包括的测量单元的示意性图示； 

图3是根据本实用新型的实施例的雷达物位计系统的示意性框图； 

图4是概述一种方法的流程图； 

图5示意性地示出了根据本实用新型的实施例的发送信号序列的示例； 

图6a-6c是示出由第一发送信号产生的中频信号以及中频信号的变换的图； 

图7a-7c是示出由第一发送信号产生的中频信号和中频信号的变换的图；其示意性地示出了基于发送信号和表面回波信号而形成的示例性测量信号；以及 

图8是示出根据其确定填充物位的组合回波曲线的图。 

具体实施方式

图1示意性地示出了雷达物位计系统1，其包括测量单元2和这里以喇叭天线3的形式示出的信号传播装置。雷达物位计系统1布置在罐体5的顶部以确定罐体5中的制品6的填充物位。 

当测量罐体5中的制品6的填充物位时，雷达物位计系统1通过喇叭天线3向制品6的表面7发送电磁发送信号S_T。发送信号S_T将被其遇到的阻抗不连续处（包括制品6的表面7）反射。因此，喇叭天线3将接收包括在罐体5中存在的不同的阻抗不连续处的反射的反射信号S_R。如以下将进一步描述的，反射信号S_R的处理将提供表面回波候选的集合。在该集合当中，一个表面回波候选可被指定为表面回波。 

然后，基于表面回波信号的飞行时间（从雷达物位计系统1到表面7并返回），确定距制品6的表面7的距离。根据飞行时间，可以确定通常称为缺量的距表面的距离。基于该距离（缺量）和罐体5的已知维度，可以推断填充物位。 

除制品6的表面7之外的阻抗不连续处的示例例如可包括内部结构，诸如图1中所示的加热线圈8。发送信号S_T还可首先被表面7反射、然后由罐体5的顶盖9反射、并且在它由喇叭天线3接收之前最后再由表面7反射。 

使用根据本实用新型的各个实施例的雷达物位计系统，基于调相发送信号与表面反射信号之间的相位差来确定飞行时间。通常，该类测量方案一般被称为FMCW（调频连续波）。 

参照图2中的示意框图，图1中的雷达物位计系统1的测量单元2包括收发器10、测量控制单元（MCU）11、无线通信控制单元（WCU）12、通信天线13、诸如电池的能量储存装置14以及罐体馈通部（feed-through）15。 

如在图2中示意性地示出的那样，MCU11控制收发器11以生成、发送以及接收电磁信号。所发送的信号通过罐体馈通部15到达喇叭天线3（在图2中未示出），并且所接收的信号从喇叭天线3通过罐体馈通部15到达收发器10。 

如以上参照图1简要地描述的那样，MCU11基于发送信号S_T和反射信号S_R之间的相位差，确定罐体5中的制品6的填充物位。填充物位从MCU11经由WCU12、通过通信天线13被提供至诸如控制中心的外部装置。可有利地根据所谓的WirelessHART通信协议（IEC62591）配置雷达物位计系统1。 

虽然测量单元2被示为包括能量储存装置14并包括用于允许无线通信的装置（诸如，WCU12和通信天线13），但是应该理解，可以以不同方式（诸如，通过通信线路（例如4-20mA线路））提供电力供给和通信。 

本地能量储存装置不必仅包括电池，而是可替选地或组合地包括电容器或超级电容器。 

现在将参照图3中的示意框图来更详细地描述图1中的雷达物位计系统1。 

现在参照图3，示出了根据本实用新型的实施例的、图2中的收发器10和MCU11的更详细的框图。 

这里，收发器10包括由步阶发生器22驱动的微波源21，步阶发生器22又由构成MCU11的一部分的定时电路23控制。微波源21经由功率分配器24连接到天线3。功率分配器24被布置成将来自天线的返回信 号连接到混合器25，混合器25还被连接以接收来自微波源21的信号。混合器输出连接到低通滤波器26和放大器27。 

这里，除了以上提到的定时电路23外，处理电路11还包括：采样器31，其被配置成对由混合器25输出、由低通滤波器26低通滤波且由放大器27放大的中频信号S_IF进行接收和采样。采样器31可包括与A/D转换器组合的采样和保持电路，或者被实现为sigma-delta转换器。采样器31由定时电路控制以与发送信号S_T同步。MCU11还包括信号处理器32、存储器33、比较器34、以及物位确定器35。 

虽然收发器10的元件通常以硬件实现，并且构成通常称为微波单元的集成单元的一部分，但是MCU11的至少一些部分可通常由嵌入式处理器执行的软件模块来实现。本实用新型不限于该特定实现，并且可设想适合实现这里描述的功能的任何实施方式。 

已经描述了图3中示出的、图1中的雷达物位计系统1的结构配置，现在将参照图4描述一种方法。还将参照关于实现该方法的雷达物位计系统1的结构的、图3中的框图，并且在描述该方法期间在适当时将参照图5、图6a-6c、图7a-7c以及图8中的图。 

首先返回图4，在第一步骤101中发送第一发送信号S_T1。参照图3，定时电路23经由步阶发生器22控制微波源21。参照图5，以第一数量（N）的离散且相互不同的频率f_n的时间序列f₀-f_N的形式提供第一发送信号S_T1。如图5示意性所示，离散且相互不同的频率f₀-f_N限定第一带宽B₁。此外，第一发送信号S_T1展现第一带宽B₁与第一频率数量N之间的第一比率Δf₁。如在第一发送信号S_T1的放大部分中所示，第一比率Δf₁是就频率而言相邻的任意两个离散且相互不同的频率之间的频差。在该特定示例中，就频率而言相邻的频率还在时间序列中相邻，但这不一定是这种情况。可替选地，离散且相互不同的频率可按任意但已知的顺序输出。在图5中，第一发送信号S_T1的每个离散频率的持续时间被标记为t₁。在本实用新型的实施例中，发送第一发送信号S_T1的每个离散频率f_n的持续时间t₁可以是约10μs，第一带宽可以是约1.5GHz，并且离散且相互不同的频率的数量N可以是约300。这意味着，就频率而言相邻的离散频率之间的频差Δf₁（第一比率）可以是约5MHz，并且总扫描时间可以是约3ms。这与在现有技术的雷达物位计系统中使用的扫描相比是显著更快的扫描，这显然节省了功率。然而，相对大的频差Δf₁会导致中频信号S_IF1的失真。这将在以下更详细地描述。 

返回图4中的流程图，方法继续到接收第一反射信号S_R1的下一步骤102。第一反射信号S_R1由第一发送信号S_T1在阻抗不连续（诸如图1中所示的表面7和加热线圈8）处的反射产生。由于从雷达物位计系统到不同的阻抗不连续处并返回的飞行时间，第一反射信号S_R1将是第一发送信号S_T1的延迟副本，其中从不同的阻抗不连续处反射的反射信号S_R1的部分与第一发送信号S_T1相比，将展现不同相位差。此外，相位差将随着发送离散频率f_n的改变而以步阶改变。 

在随后的步骤103中，通过在混合器25中对第一发送信号S_T1和第一反射信号S_R1进行合成来形成第一中频信号S_IF1。在图6a中示意性地示出了第一中频信号S_IF1。 

如果使用了具有连续变化的频率的发送信号，则中频信号会成为连续信号，该连续信号包括针对与发送信号遇到的不同的阻抗不连续处相对应的每个飞行时间的一个频率分量。 

由于第一发送信号S_T1替代地是离散频率f_n的序列，因此相位差将以步阶变化，这意味着第一中频信号S_IF1将以与第一发送信号S_T1的不同频率f_n的传输的持续时间t₁相同的恒定部分的持续时间逐段恒定。这在图6a中示意性地示出。 

如果第一中频信号S_IF1失真，则对于第一中频信号S_IF1的低频分量（对应于短测量距离），这不存在问题，但是不可能从第一中频信号S_IF1正确地获得较高频谱分量（对应于较大测量距离）。这又导致在第一中频信号S_IF1中明显存在不对应于真回波（而对应于由第一发送信号S_T1的量化引起的“假回波”）的频率。 

返回图4中的流程图，下一步骤104确定并存储第一回波曲线。在该步骤中，信号处理器32对已经图3中的采样器31采样的第一中频信号S_IF1进行处理，以确定表示表面回波候选的第一集合的第一数据集合。在该实施例中，首先使用例如FFT（快速傅里叶变换）将图6a中的第一中频信号S_IF1从时域变换到频域。FFT操作的结果是图6b中的频谱，其中各峰值40a-40e对应于第一中频信号S_IF1中的频率分量。 

在第一中频信号S_IF1变换到频域之后，所得到的频谱变换为第一回波曲线（在图6c中示出），其中回波被表示为不同距离d₁₁-d₁₅处的峰值42a-42e。 

当然，以上引用的第一数据集合不必是如这里示出的回波曲线，而可 以是指示表面回波候选42a-42e的位置的任意表示，诸如，例如表格或其它等效表示。 

第一数据集合存储在存储器33中。 

在基于第一发送信号S_T1的传输而确定并存储了第一数据集合之后，通过步骤105-108、使用第二发送信号S_T2来重复该过程。由于这些步骤与以上针对第一发送信号S_T1描述的步骤101-104相同，因此将不详细描述它们。替代地，描述将集中于第二发送信号S_T2与第一发送信号S_T1之间的差别、以及在对第二中频信号S_IF2进行变换时所获得的结果之间的差别。 

如可以从图5中看出，第二发送信号S_T2与第一发送信号S_T1不同。具体地，就频率而言相邻的任意两个离散且相互不同的频率f_m之间的第二频差Δf₂与针对第一发送信号S_T1的第一频差Δf₁不同。 

以第二数量（M）的离散且相互不同的频率f_m的时间序列f₀-f_M的形式提供第二发送信号S_T2。如在图5中示意性地所示，离散且相互不同的频率f₀-f_M限定第二带宽B₂，其在这里等于第一带宽B₁。在图5中，第二发送信号S_T2中的每个离散频率的持续时间被标记为t₂。在该特定示例中，第二发送信号S_T2的不同频率的传输的持续时间与第一发送信号S_T1的不同频率的传输的持续时间相同。 

如可以从图5中看出，第二发送信号S_T2的总持续时间或扫描时间显著短于第一发送信号S_T1的总持续时间或扫描时间。 

参照图7a-7c，将第二发送信号S_T2和第二反射信号S_R2混合产生了在图7a中示意性地示出的第二中频信号S_IF2。 

第二中频信号S_IF2的变换产生了具有如图7b所示的频率分量43a-43e的图7b中的频谱。 

在第二中频信号S_IF2变换到频域之后，所得到的频谱变换为第二回波曲线（在图7c中示出），其中回波被示为不同距离d₂₁-d₂₅处的峰值44a-44e。第二数据集合（第二回波曲线）存储在存储器33中。 

现在确定并存储了第一数据集合和第二数据集合，方法继续到步骤109，在步骤109中，对第一回波曲线和第二回波曲线进行比较。这在图8中被示意性地示出，其中，以相同距离比例将图6c和图7c中的回波曲线描绘在同一图中。 

在随后的步骤110中，识别“真”回波，即与罐体5中的阻抗不连续处的反射相对应的回波。如图8所示，“真”回波在距离d₁₂（=d₂₂）和d₁₄（=d₂₄）处。剩余的回波是由第一中频信号S_IF1和第二中频信号S_IF2的失真产生的“假”回波。 

最后，通过将“真”回波之一指定为表面回波并且取至该回波的距离，确定填充物位。例如，可选择具有高于阈值的振幅的第一回波，在该情况下，第一“真”回波在距离d₁₂（=d₂₁）处。然而，如本领域技术人员所公知的，存在用于将一个表面回波候选指定为表面回波的许多其他方案和方法。 

本领域的技术人员会认识到，本实用新型绝不限于上述优选实施例。相反，在所附权利要求的范围内，许多变型和变更是可能的。 

Claims (3)

1.一种用于确定罐体中的制品的填充物位的雷达物位计系统，所述雷达物位计系统包括： 

微波信号源，能够控制以生成第一发送信号和第二发送信号； 

传播装置，其连接到所述微波信号源，所述传播装置被布置成向所述罐体中的所述制品的表面传播所述第一发送信号和所述第二发送信号并从所述表面传播回第一反射信号和第二反射信号，所述第一反射信号是由所述第一发送信号在所述第一发送信号遇到的阻抗不连续处的反射产生的，所述第二反射信号是由所述第二发送信号在所述第二发送信号遇到的阻抗不连续处的反射产生的； 

混合器，其连接到所述微波信号源和所述传播装置，所述混合器将所述第一发送信号和所述第一反射信号混合以形成第一中频信号，并且将所述第二发送信号和所述第二反射信号混合以形成第二中频信号；以及 

处理电路，其连接到所述微波信号源和所述混合器，所述处理电路包括： 

微波信号源控制器，其控制所述微波信号源以生成： 

所述第一发送信号，其包括限定所述第一发送信号的第一带宽的、第一数量的离散且相互不同的频率的时间序列，所述第一发送信号展现所述第一带宽与所述第一数量之间的第一比率；以及 

所述第二发送信号，其包括限定所述第二发送信号的第二带宽的、第二数量的离散且相互不同的频率的时间序列，所述第二发送信号展现所述第二带宽与所述第二数量之间的第二比率，所述第二比率不同于所述第一比率； 

信号处理器，其基于从所述混合器接收的所述第一中频信号，确定表示表面回波候选的第一集合的第一数据集合；以及基于从所述混合器接收的所述第二中频信号，确定表示表面回波候选的第二集合的第二数据集合； 

比较器，其对所述第一数据集合和所述第二数据集合进行比较，以从所述表面回波候选的第一集合和所述表面回波候选的第二集合识别指示所述发送信号在所述罐体中相同物位的阻抗不连续处的反射的表面回波候选的子集；以及 

确定器，其基于来自所述表面回波候选的第一集合和所述表面回波候选的第二集合的所述表面回波候选的子集，确定所述填充物位。 

2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中所述信号处理器还包括： 

变换电路，其将所述第一中频信号变换为第一频谱，并且将所述第二中频信号变换为第二频谱。 

3.根据权利要求2所述的雷达物位计系统，其中所述变换电路进一步将所述第一频谱变换为第一回波表示，所述第一回波表示指示距所述表面回波候选的第一集合中的每个所述表面回波候选的距离，并且将所述第二频谱变换为第二回波表示，所述第二回波表示指示距所述表面回波候选的第二集合中的每个所述表面回波候选的距离。 

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