CN206002170U - 具有增强的定时控制的调频连续波雷达物位计 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种具有增强的定时控制的调频连续波雷达物位计。该雷达物位计系统能够在测量状态与信号处理状态之间被控制。在测量状态下，第一定时信号生成电路被启用，微波信号源生成与来自第一定时信号生成电路的第一定时信号有关的具有时变频率的发送信号，采样器在与第一定时信号有关的采样时刻对混合器信号进行采样。在信号处理状态下，第一定时信号生成电路被禁用，信号处理器使用来自第二定时信号生成电路的第二定时信号基于混合器信号的采样值来确定填充物位。

Description

具有增强的定时控制的调频连续波雷达物位计
技术领域
本实用新型涉及雷达物位计系统。
背景技术
由于在20世纪70年代和20世纪80年代雷达物位计作为商品被开发，因此，调频连续波(FMCW)已经成为用于高精度应用的主要的测量原理。FMCW测量包括：向罐中发送扫过几GHz数量级的频率范围的信号。例如，信号可以在9GHz至10.5GHz、25GHz至27GHz或者77GHz至80GHz的范围内。所发送的信号被罐中的物品的表面反射并且已延迟了一定时间的表面回波信号被返回至测量仪器。表面回波信号与所发送的信号进行混合以生成混合器信号，该混合器信号具有与在时间延迟期间已经发生的所发送的信号的频率变化相等的频率。如果使用线性扫描，则也被称为中间频率(IF)的该差频与距反射表面的距离成比例。通常将混合器信号称为IF信号。
最近，FMCW原理已经被改进，而且如今通常涉及不发送连续扫描而发送具有实际上幅度恒定的步进频率的信号。当所发送的信号和所接收的信号被混合时，每个频率步进将提供恒定的一条分段常量IF信号，从而提供IF信号的一个“样本”。为了清楚地确定分段常量IF信号的频率，将要求频率的数量N大于采样定理所规定的数量。然后，以与常规FMCW系统中的方式类似的方式使用IF信号的频率来确定距反射表面的距离。典型值可以为在被分成1000至1500个步进的30米距离中200至300个IF周期。
还应当注意，可以对通过连续频率扫描产生的连续IF信号进行采样以允许进行数字处理。
虽然常规FMCW系统(连续以及步进)精确度很高，但是相对耗电，这使得它们不太适合能源有限的应用。这样的应用的示例包括由双线式接口如4mA至20mA回路提供动力的现场设备以及由内部电源提供动力的无线设备。
实用新型内容
鉴于以上，本实用新型的总体目标是：提供更节能的使用FMCW测量原理的填充物位确定。
因此，根据本实用新型，提供了一种用于确定罐中的物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，其能够被控制以生成具有时变频率的电磁发送信号；传播装置，其连接至微波信号源，并且该传播装置被布置成朝罐中的物品的表面传播电磁发送信号并且传播由从表面返回的、发送信号在表面处的反射而引起的电磁表面回波信号；混合器，其连接至微波信号源和传播装置，并且该混合器被配置成使发送信号与表面回波信号混合以形成混合器信号；采样电路，其连接至混合器，所述采样电路用于对混合器信号进行采样以提供混合器信号的采样值；第一定时信号生成电路，其连接至微波信号源和采样电路，第一定时信号生成电路用于向微波信号源和采样电路提供第一定时信号；信号处理电路，用于基于混合器信号的采样值来确定填充物位；第二定时信号生成电路，其连接至信号处理电路，第二定时信号生成电路用于向信号处理电路提供第二定时信号；以及测量控制电路，用于在第一定时信号生成电路被启用的测量状态与第一定时信号生成电路被禁用的信号处理状态之间对雷达物位计系统进行控制，其中，在测量状态下，测量控制电路：控制微波信号源以生成与来自第一定时信号生成电路的第一定时信号有关的具有时变频率的发送信号；以及控制采样电路以在与来自第一定时信号生成电路的第一定时信号有关的采样时刻对混合器信号进行采样；以及在信号处理状态下，测量控制电路：控制信号处理电路以使用来自第二定时信号生成电路的第二定时信号基于所述混合器信号的采样值来确定填充物位。
应当注意，信号传播装置可以是任何适当的辐射天线或传输线探头。天线的示例包括喇叭式天线、棒状天线、阵列天线和抛物面天线等。传输线探头的示例包括单线探头(Goubau探头)、双线探头和同轴探头等。
本实用新型基于以下认知：FMCW类型的传统雷达物位计系统能耗相对高的重要原因是由于对高精确度且温度稳定的定时的需求。为了提供此高精确度且温度稳定的定时，可以采用高性能定时电路如所谓的温度补偿晶体振荡器(TCXO)。然而，TCXO具有相对高的功耗如以mW的数量级。本实用新型人现在已经意识到：高精确度且温度稳定的定时仅是填充物位确定过程的一部分所必需的，而对填充物位确定过程的其余部分而言，定时的稳定性和精确度远不那么重要。
通过提供至少两个不同的定时信号生成电路并且分别在定时临界测量操作期间与信号处理期间启用这些定时信号生成电路中的不同的定时信号生成电路，可以提供能耗显著下降的雷达物位计系统。这又使得能够实现或者至少便于FMCW类型雷达物位计系统在本地通电或回路供电应用中的使用。
具体地，可以仅为了发送信号的生成以及对混合器信号进行采样而启用相对精确且稳定的第一定时信号生成电路，而不太精确且温度不太稳定的第二定时信号生成电路可以用于对混合器信号的采样值的进一步处理。
因此，根据实施例，与第二定时信号生成电路相比，第一定时信号生成电路可以温度上更稳定。换言之，第一定时信号生成电路可以被配置成提供呈现由给定的非零温度变化引起的第一频率变化的所述第一定时信号；第二定时信号生成电路可以被配置成提供呈现由给定的温度变化引起的第二频率变化的第二定时信号，其中，第一频率变化小于第二频率变化。
此外，与第二定时信号生成电路相比，第一定时信号生成电路可以呈现较小的相位噪声。
第一定时信号生成电路的示例最大额定相位噪声(@1KHz载波偏移)可以为-110dBc/Hz或更小，而第二定时信号生成电路的示例最大额定相位噪声(@1KHz载波偏移)可以为-80dBc/Hz或更大。
为了提供期望的高精确度且温度稳定的第一定时信号，第一定时信号生成电路可以有利地包括晶体振荡器、优选地温度补偿晶体振荡器(TCXO)。各种适当的TCXO广泛地可获得并且为本领域普通技术人员所熟知。
根据本实用新型的雷达物位计系统的各种实施例，第二定时信号生成电路可以有利地为RC振荡器(电阻电容振荡器)。虽然不如TCXO那样精确且温度稳定，但是适当的RC振荡器的能耗要低的多。对于同一振荡器频率范围，RC振荡器的能耗可以小于TCXO的能耗的十分之一。
为了提高性能并且降低成本，信号处理电路和第二定时信号生成电路可以设置在同一集成电路中，该集成电路可以被称为测量控制单元或“MCU”。换言之，第二定时信号生成电路可以由集成电路中的内置振荡器(内部时钟)组成。
根据实施例，MCU可以另外地包括采样电路，该采样电路可以有利地对来自混合器的混合器信号(IF信号)进行采样和AD转换。此外，MCU可以另外地至少部分地包括测量控制电路。
此外，第一定时信号生成电路可以设置在上面提到的集成电路(MCU)外部。有利地，可以以至少一个分立定时电路如至少一个TCXO的形式设置第一定时信号生成电路。
根据本实用新型的实施例，雷达物位计系统还可以包括连接在能源与第一定时信号生成电路之间的切换电路。能源可以是本地的或远程的。
此外，测量控制电路可以被配置成：通过控制切换电路以使第一定时信号生成电路与能源连接来启用第一定时信号生成电路；以及通过控制切换电路以使第一定时信号生成电路与能源断开来禁用第一定时信号生成电路。
在实施例中，测量控制电路可以另外地将MCU配置成：当第一定时信号生成电路已经被启用时，基于外部的第一定时信号生成电路进行操作；测量控制电路还可以将MCU配置成：在禁用第一定时信号生成电路之前，基于内部的第二定时信号生成电路进行操作。
此外，物位计系统还可以有利地包括本地能量存储器，该本地能量存储器用于为所述物位计系统的操作提供电能。本地能量存储器可以例如包括电池和/或超级电容器。
此外，物位计系统还可以包括无线通信电路如无线电收发器，用于与远程系统进行无线通信。
总之，本实用新型因此涉及能够在测量状态与信号处理状态之间被控制的雷达物位计系统。在测量状态下，第一定时信号生成电路被启用，微波信号源生成与来自第一定时信号生成电路的第一定时信号有关的具有时变频率的发送信号，采样器在与第一定时信号有关的采样时刻对混合器信号进行采样。在信号处理状态下，第一定时信号生成电路被禁用，信号处理器使用来自第二定时信号生成电路的第二定时信号基于混合器信号的采样值来确定填充物位。
附图说明
现在将参照示出了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方面和其他方面，其中：
图1示意性示出了关于根据本实用新型的被布置成确定罐中的物品的填充物位的雷达物位计系统的实施例的示例性罐；
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；以及
图4是概述使用根据本实用新型的雷达物位计的方法的实施例的流程图。
具体实施方式
图1示意性示出了包括测量单元2以及在此以喇叭式天线3的形式所示的信号传播装置的雷达物位计系统1。然而，应当注意，信号传播装置同样地可以是另外类型的辐射天线或传输线探头。雷达物位计系统1被布置在罐5的顶部上用于确定罐5中的物品6的填充物位。
当测量罐5中的物品6的填充物位时，雷达物位计系统1通过喇叭式天线3朝物品6的表面7发送电磁发送信号ST，其中，信号被反射成电磁表面回波信号SR。然后，基于电磁表面回波信号SR的传播时间(从雷达物位计系统1至表面7以及从表面7返回至雷达物位计系统1)来确定距物品6的表面7的距离。根据传播时间能够确定一般称为不足量(ullage)的距表面的距离。可以基于该距离(不足量)以及已知的罐5的尺寸来推断填充物位。
使用根据本实用新型的各种实施例的雷达物位计系统，基于频率调制发送信号与表面反射信号之间的频率差来确定传播时间。这种类型的测量方案通常被称为FMCW(调频连续波)。
参照图2中的示意性框图，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、能量存储器如电池14以及罐的通孔15。
如图2示意性所示的，MCU 11控制收发器10以生成、发送和接收电磁信号。所发送的信号经过罐的通孔15传递至喇叭式天线3(在图2中未示出)，并且所接收的信号从喇叭式天线3经过罐的通孔15传递至收发器10。
如上面参照图1简略描述的，MCU 11基于发送信号ST与表面回波信号SR之间的相位差来确定罐5中的物品6的填充物位。填充物位通过通信天线13经由WCU 12从MCU 11被提供至外部装置如控制中心。可以根据所谓的无线HART通信协议(IEC 62591)有利地配置雷达物位计系统1。
虽然测量单元2被示出为包括能量存储器14并且包括用于允许无线通信的装置(如WCU 12和通信天线13)，但是应当理解，可以以不同的方式如通过通信线路(例如4mA线路至20mA线路)设置电源和通信。
本地能量存储器不必仅包括电池，而是替选地或者组合地，可以包括电容器或超级电容器。
现在参照图3，图3示出了根据本实用新型的实施例的图1中的收发器10和MCU 11的更详细地框图。
如图3示意性所示的，收发器10在此包括微波信号源20、功率分配器28和混合器30。发送信号发生器20包括在此以PLL(锁相环路)22的形式的频率可控信号发生器、倍频电路如倍频器24以及低噪音放大器(LNA)26。微波信号源20的输出端通过功率分配器28连接至天线3和混合器30。此外，天线3通过功率分配器28连接至混合器30。
MCU 11在此包括以测量控制器32的形式的测量控制电路、以采样器34的形式的采样电路、内部时钟电路36以及以信号处理器38的形式的信号处理电路。采样器34可以例如包括与A/D转换器结合的采样和保持电路，或者被实现为∑-Δ转换器。
另外，图3中的雷达物位计系统1包括：以电池14的形式的本地能源、在此以TCXO40的形式的外部定时电路以及耦接在电池14与TCXO 40之间的切换电路42。
如由图3的框箭头示意性所示的，用于雷达物位计系统1的操作的能量从电池14经由切换电路42被提供至收发器10、MCU 11和TCXO 40。此外，如图3示意性所示的，通过线箭头，MCU 11的测量控制器32被连接至如图3所示的各种电路以对由雷达物位计系统1执行的测量操作进行控制。具体地，测量控制器32对微波信号源20、采样器34、内部时钟电路36、信号处理器38和外部定时电路40的操作进行控制。
此外，采样器34被连接至混合器30以对由混合器30输出的混合器信号SIF进行采样并且向信号处理器38提供数字形式的混合器信号SIF的采样值，虽然在图3中并未显式地示出，但是信号处理器38可以有利地包括存储器。
为了达到高测量性能，微波信号源20的精确且稳定的定时控制以及由采样器34执行的采样与发送信号ST的生成的同步是必需的。然而，如上面进一步说明的，为了达到高测量性能所需的精确且温度稳定的定时可能需要比能够由合理的电容或测量回路如所谓的4mA至20mA测量回路的本地能量存储器可持续地提供的能量更多的能量。
为了提供与相对低的能量消耗(相当于平均功率消耗)结合的所期望的高测量性能，测量控制器32被配置成在测量状态与信号处理状态之间对雷达物位计系统1进控制。
当将雷达物位计系统1转变至测量状态时，测量控制器32通过控制切换器42使得TCXO 40能够将TCXO 40与电池14连接。此后，对其而言精确且温度稳定的定时很重要的测量操作将如下面进一步参照图4中的流程图更详细地描述的那样来执行。
当将雷达物位计系统1从测量状态转变至信号处理状态时，测量控制器32通过控制切换器42以将TCXO 40与电池14断开来禁用TCXO 40。此后，信号处理器38使用来自内部时钟电路36的定时信号对在测量状态下所采样的数字IF信号值进行处理以确定填充物位。下面还将进一步参照图4中的流程图更详细地描述上述过程以及从测量状态至信号处理状态的转变。
虽然收发器10的元件通常以硬件来实现并且形成一般称为微波单元的集成单元的一部分，但是MCU 11的至少一部分通常可以通过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，并且可以考虑被发现适合于实现本文中描述的功能性的任何实现。
已经描述了图1中的雷达物位计系统1的图3中所示的结构配置，现在将参照图4来描述根据本实用新型的示例实施例的使用雷达物位计系统的方法。关于实现所述方法的雷达物位计系统1的结构，还参照图3中的框图。
在第一步骤100中，MCU 11的测量控制器32通过控制切换器42使得TCXO 40能够使TCXO与电池14连接。因此，TCXO 40提供具有稳定且精确的频率的第一定时信号。应当注意，这仅是可以如何启用或激活适当的定时电路的一个示例。设计启用定时电路的若干其他方法也在本领域普通技术人员力所能及的范围内。
当TCXO 40已经由电池14供电并且输出稳定的定时信号时，在步骤101中，测量控制器32控制MCU 11以使用来自TCXO 40的定时信号而不是使用来自内部时钟电路36的定时信号进行操作。当该转换或时钟切换被完成时，来自TCXO的精确且温度稳定的定时信号而不是来自内部时钟电路36的定时信号被用于MCU 11的定时。
因此，当TCXO 40已经被启用并且从内部时钟电路36至外部TCXO 40的切换已经完成时，测量控制器32激活收发器10并且在步骤102中控制微波源20以生成与来自TCXO 40的定时信号有关的具有时变频率的发送信号ST。在图3的示例性实施例中，来自TCXO 40的第一定时信号为PLL 22提供稳定且精确的参考，在由PLL 22输出的信号与由TCXO 40提供的第一定时信号有关时，测量控制器32控制PLL以改变由PLL 22输出的信号的频率。在图3中的示例微波源配置下，在步骤103中，在由天线3朝罐中的物品的表面传播之前，由PLL输出的信号由倍频器24进行倍频并且由LNA26进行放大。
在随后的步骤104中，由罐中的物品的表面处的发送信号ST的反射而引起的表面回波信号SR通过天线传播回至收发器10，在步骤105中，在混合器30中对发送信号ST和表面回波信号SR进行混合以提供IF信号SIF。
在步骤106中，MCU 11的采样器34对IF信号SIF进行采样(以及A/D转换)。采样器34在与由TCXO 40提供的第一定时信号有关的采样时刻对IF信号SIF进行采样，使得采样器34中的采样时刻与由微波信号源20生成的发送信号ST的频移同步。通过采样操作所得到的数字采样值可以存储在可以包括在信号处理器38中的存储器中。
现在已经执行了测量操作的定时关键部分，是测量控制器32将雷达物位计系统1从测量状态转变至信号处理状态的时候了。因此，在步骤107中，测量控制器32控制MCU以使用来自内部时钟电路36的第二定时信号而不是使用来自外部TCXO 40的第一定时信号进行操作。当该时钟切换操作已经被完成时，在步骤108中，测量控制器32通过控制切换器42以使TCXO 40与电池14断开来禁用TCXO 40。这将明显导致由TCXO 40引起的能耗的结束。
最后，在步骤109中，信号处理器38基于存储在存储器中的IF信号SIF的采样值来确定填充物位。由于对所存储的采样值的处理不是定时的关键，因此，可以以精确度和稳定度较低的内部时钟电路36来执行对所存储的采样值的处理。
本领域的技术人员应当意识到本实用新型绝不限于上面描述的优选实施例。相反，许多修改和变型可能在所附权利要求书的范围内。

Claims (14)

1.一种用于确定罐中的物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，其能够被控制以生成具有时变频率的电磁发送信号；
传播装置，其连接至所述微波信号源，并且所述传播装置被布置成：朝所述罐中的所述物品的表面传播所述电磁发送信号，并且传播由从所述表面返回的、所述发送信号在所述表面处的反射而引起的电磁表面回波信号；
混合器，其连接至所述微波信号源和所述传播装置，并且所述混合器被配置成使所述发送信号与所述表面回波信号混合以形成混合器信号；
采样电路，其连接至所述混合器，所述采样电路用于对所述混合器信号进行采样以提供所述混合器信号的采样值；
第一定时信号生成电路，其连接至所述微波信号源和所述采样电路，所述第一定时信号生成电路用于向所述微波信号源和所述采样电路提供第一定时器信号；
信号处理电路，用于基于所述混合器信号的所述采样值来确定所述填充物位；
第二定时信号生成电路，其连接至所述信号处理电路，所述第二定时信号生成电路用于向所述信号处理电路提供第二定时信号；以及
测量控制电路，用于在所述第一定时信号生成电路被启用的测量状态与所述第一定时信号生成电路被禁用的信号处理状态之间对所述雷达物位计系统进行控制，其中：
在所述测量状态下，所述测量控制电路：
控制所述微波信号源以生成与来自所述第一定时信号生成电路的所述第一定时信号有关的具有所述时变频率的所述发送信号；以及
控制所述采样电路以在与来自所述第一定时信号生成电路的所述第一定时信号有关的采样时刻对所述混合器信号进行采样；以及在所述信号处理状态下，所述测量控制电路：
控制所述信号处理电路以使用来自所述第二定时信号生成电路的所述第二定时信号基于所述混合器信号的所述采样值来确定所述填充物位。
2.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述测量控制电路被连接至所述第一定时信号生成电路，所述测量控制电路用于启用及禁用所述第一定时信号生成电路。
3.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，与所述第二定时信号生成电路相比，所述第一定时信号生成电路呈现较小的相位噪声。
4.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述第一定时信号生成电路包括晶体振荡器。
5.根据权利要求4所述的雷达物位计系统，其中，所述第一定时信号生成电路包括温度补偿晶体振荡器。
6.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述第二定时信号生成电路为电阻电容振荡器。
7.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，所述信号处理电路和所述第二定时信号生成电路被设置在同一集成电路中。
8.根据权利要求7所述的雷达物位计系统，其中，所述采样电路包括在所述集成电路中。
9.根据权利要求7所述的雷达物位计系统，所述第一定时信号生成电路被设置在所述集成电路外部。
10.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，还包括连接在能源与所述第一定时信号生成电路之间的切换电路。
11.根据权利要求10所述的雷达物位计系统，其中，所述测量控制电路被配置成：
通过控制所述切换电路以使所述第一定时信号生成电路与所述能源连接来启用所述第一定时信号生成电路；以及
通过控制所述切换电路以使所述第一定时信号生成电路与所述能源断开来禁用所述第一定时信号生成电路。
12.根据权利要求1所述的雷达物位计系统，其中，在所述测量状态下，所述测量控制电路控制所述微波信号源以呈现不同频率的序列的微波信号的形式生成所述发送信号。
13.根据权利要求12所述的雷达物位计系统，其中，在所述测量状态下，所述测量控制电路控制所述微波信号源以呈现具有单调可变频率的至少一个频率扫描的微波信号的形式生成所述发送信号。
14.根据权利要求13所述的雷达物位计系统，其中，所述至少一个频率扫描包括多个频率步进。
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