KR20160074526A

KR20160074526A - 주파수 변조형 레이더 레벨 게이지

Info

Publication number: KR20160074526A
Application number: KR1020167011956A
Authority: KR
Inventors: 앤더스 저스코그
Original assignee: 로즈마운트 탱크 레이더 에이비
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2016-06-28
Also published as: CN104568056B; RU2016115266A; CN203893913U; EP3060889A1; US9234784B2; KR102331740B1; CN104568056A; WO2015059260A1; EP3060889B1; US20150116142A1; RU2678211C2; RU2016115266A3

Abstract

탱크 내 제품의 표면까지의 거리의 측정을 위한 레이더 레벨 게이지 및 방법이 개시된다. 레이더 레벨 게이지는 전자기 신호를 송신하고 수신하도록 구성되는 송수신기 회로를 포함하며, 송수신기 회로는 주파수 스윕의 형태로 전자기 송신 신호를 생성하도록 구성되는 주파수 안정화 피드백 루프를 포함한다. 주파수 안정화 피드백 루프는 오실레이션을 생성하도록 구성되며, 주파수 스윕의 정현파 변조를 형성한다. 레이더 레벨 게이지는 조정된 중간 주파수 신호를 제공하도록 정현파 변조의 주파수의 정수배의 신호와 중간 주파수 신호를 혼합하도록 구성된 제2 믹서 및 조정된 중간 주파수 신호에 기반하여 거리를 결정하도록 구성된 처리 회로를 더 포함한다. 정현파 변조를 포함하는 주파수 스윕을 제공함으로써, 개선된 민감도가 레이더 레벨 게이지 및 방법에 의해 달성된다.

Description

주파수 변조형 레이더 레벨 게이지{FREQUENCY MODULATED RADAR LEVEL GAUGING}

본 발명은 전자기파를 사용하여 탱크 내 제품의 표면까지의 거리를 결정하는 레이더 레벨 게이지 및 방법에 관한 것이다.

레이더 레벨 게이지는 1970년대 및 1980년대에 상업적 제품으로 개발되었기 때문에, 주파수 변조형 연속파(FMCW)는 높은 정확성의 적용을 위한 주도적인 측정 원리였다. FMCW 측정은 대략 수 GHz의 주파수 범위에서 스윕(swept)되는 신호를 탱크로 전송하는 것을 포함한다. 예컨대, 신호는 9 내지 11GHz 또는 24 내지 27GHz의 범위 내일 수 있다. 전송된 신호는 탱크 내 내용물의 표면에 의해 (또는 임의의 다른 임피던스 변이에 의해) 반사되며, 임의의 신호 동안 지연되었던 반향 신호(echo signal)가 게이지로 반환된다. 반향 신호는 시간 지연 동안 발생한 전송된 신호의 주파수 변화와 동일한 주파수를 가지는 혼합 신호(mixer signal)를 생성하도록 전송된 신호와 혼합된다. 선형 스윕으로 인해, 중간 주파수(IF)라고도 하는 이런 주파수 차이는 반사하는 표면과의 거리에 비례한다. 혼합 신호는 흔히 IF 신호라고 한다.

더 최근에는 FMCW 원리가 향상되었고, 요즘은 통상 연속 스윕이 아니라 실제로 일정한 진폭을 가진 스텝 주파수(stepped frequency)의 신호를 전송하는 것을 포함한다. 전송되고 수신된 신호들이 혼합될 때, 각 주파수 스텝은 구간적으로 일정한 IF 신호의 하나의 일정 구간을 제공하며, 따라서 IF 신호의 하나의 "샘플"을 제공할 것이다. 구간적으로 일정한 IF 신호의 주파수를 결정하기 위해, 샘플링 이론에 의해 규정되는 수보다 더 큰 주파수의 수 N이 필요하다. 이후, 반사하는 표면과의 거리는 종래의 FMCW 시스템과 유사한 방식으로 IF 신호의 주파수를 사용하여 결정된다. 통상, 값들은 1000 내지 1500 스텝으로 나눠지는 30m의 거리에서 200 내지 300 IF 주기일 수 있다. 또한, 연속 주파수 스윕의 결과인 연속 IF 신호도 디지털 처리를 가능하게 하기 위해 샘플링될 수 있음을 알 수 있다.

매우 정확하지만, 종래의 (연속형 뿐 아니라 스텝형) FMCW 시스템은 상대적으로 전력 소모가 크며, 전력이 제한되는 적용에는 적합성이 떨어진다. 이런 적용의 예는 가령 4 내지 20mA 루프와 같이 2선식 인터페이스에 의해 전력이 공급되는 현장 장치(field devices) 및 내부 전원(예컨대, 배터리 또는 태양전지)에 의해 전력이 공급되는 무선 장치를 포함한다.

종래의 FMCW 시스템에 상대적으로 높은 전력이 요구되는 이유 중 하나는 전송된 전자기파와 수신된 전자기파 사이의 분리가 필요하기 때문이다. 또한, 분리(isolation)는 예컨대 추가 변조를 주파수 스윕에 추가함으로써 개선될 수 있어서 감도(sensitivity)가 증가할 수 있다. 그러나, 이런 변조는 일반적으로 추가 컴포넌트, 즉 추가 오실레이터 및 가산기(adder)를 필요로 하며, 따라서 장치의 복잡성 및 전력 소모가 증가할 것이다. 따라서, 장치의 복잡성을 증가시키지 않고 전력 소모를 줄이면서 감도를 향상시키는 것이 바람직하다.

레이더 레벨 게이지의 상술한 소기의 특성에 대하여, 본 발명의 일반적인 목적은 감도를 향상시켜서 레이더 레벨 게이지의 성능을 향상시키고, 낮은 방출 전력을 가능하게 하여 레이더 레벨 게이지의 에너지 수요를 줄이는 것이다.

본 발명은 레이더 레벨 게이지에 포함되는 전자 컴포넌트를 구성하여 흔히 바람직하지 않은 효과를 제공함으로써, 이런 바람직하지 않은 효과가 실제로 추가 변조를 제공하며, 이로써 레이더 레벨 게이지의 감도를 증가시킬 수 있는 구현을 기초로 한다.

본 발명의 제1 태양에 따르면, 이런 목적 및 다른 목적은 탱크 내 제품의 표면과의 거리를 측정하기 위한 레이더 레벨 게이지에 의해 달성되며, 레이더 레벨 게이지는 전자기 송신 신호를 전송하고 상기 표면으로부터 반사된 전자기 반송 신호를 수신하도록 구성되는 송수신기 회로를 포함하며, 송수신기 회로는 주파수 스윕(frequency sweep)의 형태로 전자기 송신 신호를 생성하도록 구성되는 주파수 안정화 피드백 루프를 포함하고, 제1 믹서는 제1 중간 주파수 신호를 제공하기 위해 송신 신호와 반송 신호를 혼합하도록 구성되며, 신호 전파 장치는 표면으로 상기 송신 신호를 가이드하고 송수신기 회로로 반송 신호를 가이드하도록 구성된다. 주파수 안정화 피드백 루프는 의도적으로 오실레이션을 생성하도록 구성되어 주파수 스윕의 변조를 형성한다. 레이더 레벨 게이지는 제2 중간 주파수 신호를 제공하기 위해 정현파 변조의 주파수의 정수배인 주파수를 가진 신호와 상기 제1 중간 주파수 신호를 혼합하도록 구성되는 제2 믹서 및 제2 중간 주파수 신호에 기반하여 거리를 결정하도록 구성되는 처리 회로를 더 포함한다.

본 발명의 제2 태양에 따르면, 목적은 또한 탱크에 보관된 제품의 표면과의 거리를 검출하기 위한 방법에 의해 달성된다. 방법은 오실레이션을 의도적으로 생성하도록 구성된 주파수 안정화 피드백 루프에서 주파수 스윕을 생성하여 주파수 스윕의 변조를 형성하는 단계, 상기 주파수 스윕을 포함하는 전자기 송신 신호를 표면으로 전송하고 표면에서 반사되고 주파수 스윕을 포함하는 전자기 반송 신호를 수신하는 단계, 제1 중간 주파수 신호를 제공하도록 반송 신호를 송신 신호와 혼합하는 단계, 제2 중간 주파수 신호를 제공하도록 제1 중간 주파수 신호와 변조의 주파수의 정수배를 혼합하는 단계 및 제2 중간 주파수 신호에 기반하여 거리를 결정하는 단계를 포함한다.

피드백 루프에서 오실레이션에 의해 형성되는 변조는 컴포넌트의 추가 없이, 따라서 레이더 레벨 게이지의 복잡성 없이, 감도를 향상시킬 수 있다. 향상된 감도는 정상보다 더 높은 주파수로 중간 주파수 신호를 제공하여 달성된다. 본 발명에 따른 중간 주파수 신호는 정현파 변조의 주파수와 그 주파수의 고조파(즉, 정현파 변조 주파수의 정수배) 및 보통의 중간 주파수를 포함할 것이다. 중간 신호의 주파수가 더 높으면 전자부품, 도파관으로부터의 누설을 억제할 수 있고, 또한 신호 전파 장치 근처의 물체에 의해 야기되는 간섭 영향을 줄일 수 있다. 증가한 감도는 10 내지 20dB 정도일 수 있다.

정현파 변조의 주파수의 정수배를 제1 중간 주파수 신호를 혼합하는 제2 믹싱이 일반 FMCW 레이더 레벨 게이지에서 중간 주파수 신호와 비교가능한 주파수를 가지는 제2의 조정된 중간 주파수 신호를 제공함을 이해해야 한다.

본 발명은 주파수 안정화 피드백 루프의 놀랄만한 새로운 용도에 기반한다. 종래에는 이런 피드백 루프가 주파수 스윕을 통해 스텝할 때 주파수의 매끄럽고 구별되는 변화를 보장하는데 사용된다. 따라서, 임의의 오실레이팅 동작이 가능한 한 억제된다. 그러나, 본 발명에 따르면, 주파수 안정화 피드백 루프는 새로운 주파수를 조정하기 전에 오실레이션을 야기하도록 의도적으로 구성된다. 이런 오실레이션의 지속시간이 각 주파수 스텝의 스텝 타임(step time) 또는 체류 시간(dwell time)과 비교가능함을 보장함으로써, 이런 오실레이션은 주파수의 기본 정현파 변조를 제공하는데 사용될 수 있다. 따라서, 주파수 안정화 피드백 루프는 "주파수 오실레이션 피드백 루프"라고 일컬어질 수 있다.

주파수 안정화 피드백 루프는 일반적인 경우 가능한 한 선형적이고 오실레이션을 포함하지 않도록, 즉 주파수가 증가할 때 구별되는 스텝핑을 가지도록 주파수 스텝핑(frequency stepping)을 설정하는데 사용될 제어 파라미터를 포함한다. 주파수 안정화 피드백 루프 대역폭은 변조의 크기(즉, 주파수 범위)에 영향을 줄 것이며, 이는 대역폭이 더 클수록 일반적으로 소기의 주파수 스텝핑의 외부에서 더 큰 정현파 변조가 가능할 것임을 의미한다. 게다가, 대역폭은 또한 제어 루프의 속도, 즉 주파수 안정화 피드백 루프가 주파수에서 "고정(lock)"을 달성하기 전의 시간을 정의하며, 허용 대역폭이 더 작을수록 주파수 안정화 피드백 루프가 고정을 달성하기 전의 시간이 증가할 것이며, 역으로 허용 대역폭이 더 클수록 주파수 안정화 피드백 루프가 고정을 달성하기 전의 시간이 감소할 것이다. 주파수 안정화 피드백 루프가 입출력 신호를 샘플링하는 주파수는 추가의 정현파 변조의 주파수를 결정할 것이다.

샘플링 주파수와 루프 대역폭 사이의 관계는 10 이하이거나, 심지어 5 이하일 수 있다. 이는 샘플링 주파수를 10MHz 미만으로 또는 심지어 5MHz 미만으로 설정하여 달성될 수 있다. 일 예로, 피드백 루프의 샘플링 주파수는 단지 2MHz이다. 또 다른 예에서, 피드백 루프의 샘플링 주파수는 단지 250kHz이다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 주파수 스윕의 각 주파수 스텝에 대한 스텝 타임이나 스템 체류 시간과 오실레이션의 지속시간 사이의 관계는 변조가 기본적으로 주파수 스윕에서 연속적이도록 선택된다. 이로써, 주파수 스윕의 모든 부분에서 높은 감도가 가능하다.

게다가, 스텝 체류 시간, 따라서 스텝핑 주파수를 조정함으로써, 비교 주파수보다 낮은 변조 주파수는 비교 주파수와 스텝핑 주파수의 지수(quotient)를 유리수로 설정하여 생성될 수 있다. 비교 주파수와 스텝핑 주파수의 지수가 정수라면, 정현파 변조에 대한 변조 주파수는 비교 주파수와 동일해질 것이다. 비교 주파수와 스텝핑 주파수의 지수를 분수로 설정함으로써, 변조는 분수와 동일한 주파수로 그 변조를 반복할 것이다. 예컨대, 비교 주파수와 스텝핑 주파수의 지수가 6과 2/5인 6.4라면, 변조 패턴은 비교 주파수의 1/5인 주파수로 그 변조를 반복할 것이다. 상술한 수들은 단지 예들임을 유의해야 하며, 원칙적으로 임의의 변조 주파수는 본 발명의 범위 내에서 생성될 수 있다.

본 발명의 추가 특징 및 이점은 첨부된 청구항들 및 하기의 설명을 검토할 때 명백해질 것이다. 당업자는 본 발명의 범위에서 벗어남이 없이 본 발명의 다른 특징이 하기의 설명된 내용 이외에 실시예들을 생성하도록 결합될 수 있음을 인식한다.

본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.

본 발명의 이런 태양 및 다른 태양은 본 발명의 한 실시예를 나타내는 첨부도면을 참조로 이제 더 상세히 기술될 것이다.
도 1은 주파수 스윕의 개략도이다.
도 2는 본 발명을 구현하는데 적합한 레이더 레벨 게이지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 도 2의 레이더 레벨 게이지 내 송수신기 및 처리 회로부의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 도 2의 레이더 레벨 게이지의 송수신기 및 처리 회로부의 대안의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 6은 도 2의 송수신기의 위상 주파수 안정화 루프를 포함하는 마이크로파원의 개략도이다.

본 명세서에서, 본 발명의 실시예들은 전자기 신호를 방사하고 캡처하기 위한 자유 전파 안테나(free propgating antenna)를 가지는 레이더 레벨 게이지를 참조로 주로 기술된다. 이는 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 가령 로드 안테나(rod antenna), 패치 안테나(patch antenna), 고정형이나 이동형 파라볼릭 안테나 또는 원추형 안테나와 같은 다른 자유 전파 안테나 및 가령 스틸 파이프(still pipe), 전송선, 또는 (소위 Goubau 프로브를 포함하는) 단선 프로브, 쌍선(twin-line) 프로브 또는 동축 프로브와 같은 프로브와 같은 도파선을 포함하는, 다른 신호 전파 장치에 동일하게 적용가능함을 유의해야 한다.

게다가, 하기의 설명에서, 본 발명의 실시예들은 스텝 주파수 스윕(stepped frequency sweep)을 사용하는 FMCW 레이더 레벨 게이지를 참조로 주로 기술된다. 본 발명이 가령 연속 주파수 스윕을 사용하는 FMCW 또는 주파수 스윕을 사용하는 다른 타입의 레이더 시스템과 같이 임의의 샘플링된 FMCW에서 이점적임은 알려져 있다.

본 발명은 주파수가 시간에 대해 도시되는 주파수 스윕의 도표(100)를 개략적으로 도시하는 도 1을 살펴보면 가장 용이하게 이해될 수 있다. 실선(101)은 이상적인 스텝 주파수 스윕(101)을 도시하는데, 이때 주파수 스윕은 선형이고 주파수의 각 스텝핑은 더 높은 주파수에 대해 구별되는 스텝으로 도시된다. 파선(102)은 주파수 피드백 안정화 루프의 부적절한 설정으로 인해 생길 수 있는 오실레이션을 도시한다. 오실레이션은 해결하기 전에 에러(error)로 등록된 후 주파수 피드백 안정화 루프가 주파수를 점차 증가시키게 할 수 있을 것이기 때문에, 파선(102)에 의해 도시된 오실레이션은 각 주파수 스텝에서의 시간을 연장할 수 있다. 따라서, 시간 및 에너지는 각 주파수 스텝에서의 시간이 가능한 한 짧아지게 하기 위해 파선(102)에 의해 도시된 오실레이션을 최소화하는데 흔히 사용된다. 도 1의 점선(103)은 본 발명에 따른 오실레이션, 즉 추가의 정현파 변조(103)를 도시한다. 정현파 변조(103)를 제공하는 오실레이션은 주파수 피드백 안정화 루프를 시스템적으로 구성하여 달성된다. 정현파 변조(103)의 진폭 및 그 주파수는 단지 도 1의 개략도임에 유의하자. 하기에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 주파수 스텝의 일반적인 크기는 대략 수 MHz이다. 정현파 변조(103)의 진폭은 통상 대략 수 MHz이고, 정현파 변조의 주파수는 통상 200 내지 400kHz 이하이다.

도 2는 측정 전자 유닛(2) 및 신호 전파 장치, 여기서는 혼 안테나(horn antenna)(3)를 포함하는, 본 발명의 한 실시예에 따른 레이더 레벨 게이지(1)를 개략적으로 도시한다. 레이더 레벨 게이지(1)는 측정될 제품(6)으로 일부 채워진 탱크(5)에 제공된다. 탱크 내 제품(6)은 액체, 액화 가스 또는 심지어 곡물 또는 플라스틱 펠릿과 같은 고체일 수 있다. FMCW 측정 방법은 레이더 레벨 게이지에게 상대적으로 높은 측정 감도를 제공하며, 탱크 내 객체 간의 간섭이 존재할 때도 신뢰할 만한 측정 결과를 가능하게 한다. 안테나(3)에 의해 제품(6)의 표면(7)으로 방사되는 전송 신호(S_T) 및 표면(7)에서 반사되는 반향 신호(S_R)를 분석함으로써, 측정 전자 유닛(2)은 기준 위치와 제품(6)의 표면(7) 사이의 거리를 결정할 수 있고, 이로써 충진 레벨(L)이 추론될 수 있다. 하나의 제품(6)을 포함하는 탱크(5)가 본 명세서에서 논의되지만, 탱크(5)에 있는 임의의 물질 계면과의 거리가 유사한 방식으로 측정될 수 있음을 알아야 한다. 게다가, 안테나(3)에 의해 표면(7)으로 방사되는 전송 신호(S_T)는 흔히 9 내지 11GHz의 주파수 스펙트럼 또는 24 내지 27GHz의 주파수 스펙트럼을 포함한다.

도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전자 유닛(2)은 전자기 신호를 전송하고 수신하기 위한 송수신기(10)를 포함하며, 여기서 송수신기는 도파관(9)을 통해 안테나(3)와 연결된다. 안테나(3)는 선택적으로 송수신기 회로부에 직접 연결되거나, 가령 동축 케이블과 같은 적절한 신호 매체를 통해 연결될 수 있음을 알 수 있다. 전자 유닛(2)은 탱크(5) 내 제품(6)의 충진 레벨을 결정하도록 송수신기의 제어 및 송수신기에 의해 수신되는 신호의 처리를 위해 송수신기(10)에 연결되는 처리 회로부(11)를 더 포함한다. 또한, 처리 회로부(11)는 레이더 레벨 게이지(1)의 동작에 필요한 임의의 소프트웨어를 저장하고 또한 동작 중 사용되는 RAM을 제공하는 메모리(12)에 연결된다.

처리 회로부(11)는 인터페이스(14)를 통해 아날로그 및/또는 디지털 통신용 외부 통신선(13)과 연결될 수 있다. 예로서, 통신 인터페이스(14)와 외부 제어국(미도시) 사이의 통신은, 측정 결과를 제어국으로 전송하고 게이지(1)의 동작용 전력을 수신하는 결합된 기능을 가지는, 2선식 인터페이스에 의해 제공될 수 있다. 이런 2선식 인터페이스는 거의 일정한 전력을 제공할 수 있고, 측정 결과는 가령 Fieldbus Foundation 또는 HART와 같은 디지털 프로토콜을 사용하여 전력 전압에 중첩될 수 있다. 대안으로, 선 내 전류는 효과적인 측정 결과에 따라 조정된다. 이런 인터페이스의 예는 4 내지 20mA 산업 루프이며, 이때 전류는 특정 결과에 따라 4 내지 20mA 사이로 조정된다. 대안으로, 레이더 레벨 게이지(1)는 예컨대 무선 HART 프로토콜을 사용하여 제어국과 무선으로 통신할 수 있고, 배터리 또는 자율 동작용 에너지를 모으는 다른 수단을 가진 로컬 전원(미도시)을 사용할 수 있다.

본 명세서에서 인터페이스(14)는 마이크로파 유닛이 비활성인 구간 동안 전력을 저장함으로써 마이크로파가 활성인 구간 동안(즉, 스윕 동안) 더 높은 전력 소비를 가능하게 하기 위한 전력 저장소(15)를 포함하는 전력 관리 회로부를 포함한다. 이런 전력 관리로, 낮은 평균 전력 소비가 달성될 수 있는 한편, 단기간의 더 높은 전력 소비를 여전히 가능하게 할 수 있다. 전력 저장소(15)는 정전용량(capacitance)을 포함할 수 있고, 공간 요건뿐 아니라 (게이지(1)가 폭발성 또는 가연성 내용물을 가진 탱크의 위험 지역에 배열되는 경우 적용되는) 고유 안전 요건에 의해 제한될 수 있다.

도 2의 별도의 블록들로 도시되지만, 송수신기(10), 처리 회로부(11) 및 인터페이스(14)의 몇몇은 동일한 회로 기판 또는 심지어 동일한 회로에 제공될 수 있다.

이제 도 3을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 도 2의 송수신기(10) 및 처리 회로부(11)의 더 상세한 블록도가 도시된다.

본 명세서에서 송수신기(10)는 결국 처리 회로부(11)의 일부를 형성하는 타이밍 회로부(23)에 의해 제어되는 마이크로파원(21)을 포함한다. 마이크로파원(21)은 전력 분배기(24)를 통해 안테나(3) 및 제1 믹서(25)와 연결된다. 전력 분배기(24)는, 제1 믹서(25)가 마이크로파원(21)으로부터의 전송된 신호를 반송 신호와 혼합할 수 있게 해주고 중간 주파수 신호를 제공하기 위해, 안테나로부터 제1 믹서(25)로 반송 신호를 연결하도록 배열된다. 제1 믹서(25)는 대역 통과 필터(26)와 연결되고, 결국 제2 믹서(35)와 연결된다. 또한, 제2 믹서(35)는 정현파 변조의 주파수의 정수배를 표현하는 신호를 수신하고 중간 주파수 신호를 마이크로파원(21)로부터의 신호와 혼합하여 조정된 중간 주파수 신호를 제공하기 위해 마이크로파원(21)과 연결된다. 제2 믹서(35)는 또한 증폭기(27)와 연결된다.

본 명세서에서 처리 회로부(11)는 상술한 타이밍 회로부(23) 이외에 증폭기(27)로부터 신호를 수신하고 샘플링하도록 형성되는 샘플러(31)를 포함한다. 샘플러는 A/D 변환기와 결합한 샘플-앤드-홀드 회로(sample-and-hold circuit)를 포함할 수 있거나, 시그마-델타 변환기(sigma-delta converter)로 구현될 수 있다. 샘플러(31)는 측정 신호와 동기화되는 타이밍 회로에 의해 제어된다. 마지막으로, 처리 회로부는 샘플러(31)와 연결되는 레벨 계산기 블록(34)을 포함한다.

송수신기(10)의 구성요소가 통상 하드웨어로 구현되고 흔히 마이크로파원이라 하는 통합형 유닛의 일부를 형성하지만, 처리 회로부(11)의 적어도 몇몇 부분은 통상 임베디드 처리기에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈에 의해 구현된다. 본 발명은 이런 특정 구현으로 제한되지 않으며, 본 명세서에 기술된 기능을 구현하는데 적합한 임의의 구현이 고려될 수 있다.

이제 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신기(10) 및 처리 회로부(11)의 더 상세한 블록도가 도시된다. 도 4의 송수신기는 대역 통과 필터(26) 이후의 신호 경로까지는 도 3에 도시된 실시예와 유사하다. 도 4의 대역 통과 필터(26)는 증폭기(27)와 직접 연결된다.

본 명세서에서 처리 회로부(11)는 마이크로파원(21)으로부터 정현파 변조의 주파수를 표현하는 신호를 수신하도록 구성되는 제1 샘플러(28) 및 증폭기(27)로부터 중간 주파수 신호를 수신하도록 구성되는 제2 샘플러(29)를 포함한다. 또한, 제1 샘플러(28) 및 제2 샘플러(29)는 측정 신호와의 샘플링을 동기화하기 위해 타이밍 회로부(23)로부터 타이밍 신호를 수신하도록 구성된다. 상술한 바와 같이, 샘플러는 A/D 변환기와 결합한 샘플-앤드-홀드 회로를 포함할 수 있거나, 시그마-델타 변환기로 구현될 수 있다. 제1 샘플러(28)와 제2 샘플러(29)로부터 샘플링된 신호는 조정된 중간 주파수 신호를 제공하도록 구성되는 제2 믹서(35)로 공급된다. 제2 믹서(35)는 저역 통과 필터(30)와 연결되며, 결국 거리를 결정하도록 구성되는 레벨 계산기 블록(34)과 연결된다.

도 3에 도시된 실시예의 각각의 배치와 비교하여 처리 회로부(11)에 통합되는 도 4의 몇몇의 컴포넌트가 부분적으로 또는 전체적으로 소프트웨어 모듈이나 블록으로서 구현됨을 이해해야 한다. 예컨대, 현재 정현파 변조의 주파수를 표현하는 샘플링된 신호를 제1 샘플러(28)로부터 수신하고 중간 주파수 신호를 표현하는 제2 신호를 제2 샘플러(29)로부터 수신하고 있는 제2 믹서(35)가 이제 이들 신호를 디지털적으로 혼합할 수 있다. 따라서, 공지된 신호 처리 알고리즘을 통해 신호를 더 증폭하거나 필터링할 가능성이 제공된다. 게다가, 처리 회로부로부터의 충분한 게산 전력으로, 제2 샘플러(29)에서 증폭기(27)로부터 신호를 샘플링하고 가령 고속 푸리에 변환이나 유사한 방식들과 같은 신호 처리 알고리즘으로 정현파 변조의 주파수를 계산함으로써 조정된 중간 주파수 신호를 제공하기에 충분할 수 있다.

도 5는 흐름도를 통해 본 발명의 한 실시예에 따라 제품의 표면과의 거리의 측정을 제공하는 방법을 도시한다. 먼저, 이 방법의 단계들 S1 내지 S6이 기술될 것이며, 이후 단계들 S11 및 S12가 도 6과 함께 기술될 것이다.

먼저, 단계 S1에서, 타이밍 회로부(23)는 스텝 주파수 스윕의 형태로 측정 신호를 출력하도록 마이크로파원(21)을 제어한다. 주파수 안정화 피드백 루프를 포함하는 스텝 주파수 스윕이 마이크로파원(21)에서 생성된다. 측정 신호는 적절한 단계들에서 저주파수로부터 고주파수로 흔히 스텝핑될 수 있다. 그 대신, 대안의 실시예로, 측정 신호는 고주파수에서 저주파수로 스텝핑될 수 있거나, 주파수 스텝은 심지어 임의의 순서로 이루어질 수 있다. 예로서, 주파수 스윕은 대략 수 GHz(예컨대, 0.2 내지 6GHz)의 대역폭 및 대략 25GHz 또는 10GHz의 평균 주파수를 가질 수 있다. 스윕 내 이런 스템의 수 N은 100 내지 4000의 범위, 통상적으로 200 내지 2000에 있을 수 있고, 30m의 소기의 범위에 대해 대략 1000일 수 있다. 따라서, 각 주파수 스텝의 크기(Δf)는 통상 대략 수 MHz일 것이다. 전력이 제한되는 적용에서, 스윕의 지속시간은 제한되며, 통상 대략 0 내지 100ms이다. 예로서, 스윕의 지속시간은 대략 30ms일 수 있고, 1000개의 주파수 스텝(N=1000)으로 스윕의 지속시간의 결과는 각 스텝에 대한 지속시간이 대략 30μs 또는 대략 30kHz의 업데이트 속도이다. 주파수 피드백 안정화 루프는 스텝 주파수 스윕의 정현파 변조를 형성하는 오실레이션을 생성하도록 구성된다.

두번째로, 단계 S2에서, 마이크로파원(21)로부터의 측정 신호는 표면(7)을 향하여 안테나(3)에 의해 전자기 송신 신호(S_T)로서 탱크(5)로 방출된다.

이후, 단계 S3에서, 반사된 후 표면(7)에서 되돌아가는 반송 신호(S_R)가 안테나(3)에 의해 수신되고 도파관(9)을 따라 송수신기(10), 따라서 전력 분배기(24)로 송신된다. 단계 S4에서, 반송 신호(S_R)는 전력 분배기(24)를 통해 제1 믹서(25)로 송신되며 중간 주파수 신호를 제공하도록 측정 신호와 혼합된다. 흔히, 중간 주파수 신호는 반사 표면과의 거리에 비례하는 주파수를 가진 일정한 구간을 가진 오실레이팅 신호이며, 일정한 구간의 길이는 측정 신호 스텝 길이와 동일하다. 일반 주파수는 예컨대 100kHz 미만과 같이 대략 수 kHz이며, 통상 15kHz 미만이다. 그러나, 본 발명에 따른 중간 주파수 신호는 정현파 변조 주파수의 배수 및 중간 신호에 비례하는 고주파수를 가지며, 이로써 중간 주파수 신호를 복조하는 제2 믹싱 단계가 필요하다. 정현파 변조 주파수의 정수배는 포함된 Bessel 함수의 결과로서 정현파 변조 주파수의 고조파들로서 생성된다. 전자기 송신 신호(S_T)로 전송되는 에너지는 이들 고조파로 분할되지만 감도의 증가는 분할되는 송신 에너지를 보상하고도 남을 것임을 알아야 한다.

따라서, 단계 S5에서, 정현파 변조 주파수의 정수배 중 적어도 하나에 해당하는 임의의 주파수의 중간 주파수 신호를 허용하도록 설정된 대역 통과 필터(26)를 통과한 후, 제1 믹서(25)로부터의 중간 주파수 신호는 조정된 중간 주파수를 제공하도록 제2 믹서(35)에 의해 정현파 변조의 주파수의 정수배와 혼합된다. 따라서, 대역 통과 필터(27)에 대해 구성된 동일한 주파수에 대응하는 정수배가 바람직하게는 조정된 중간 주파수 신호를 복조하고 제공하기 위해 사용된다. 이런 조정된 중간 주파수 신호는 반사 표면과의 거리에 비례하는 주파수를 포함하고, 예컨대 100kHz 미만과 같이 대략 수 kHz이며, 보통 15kHz 미만이다.

대안으로서, 제2 믹서(35)는 소프트웨어로서 처리 회로부에 구현될 수 있는데, 이때 반송 신호(S_R)는 제1 믹서(25)에서 측정 신호와 혼합되며, 중간 주파수 신호는 처리 회로부에서 조정된 중간 주파수 신호를 제공하도록 제2 믹서(35)에서 혼합되기 전에 처리 회로부(11)에서 샘플링된다. 게다가, 제2 믹서(35)가 소프트웨어로서 구현된다면, 마이크로파원(21)에서 제2 믹서(35)로의 정현파 변조의 주파수는 필요하지 않을 수 있다. 제2 믹서(35)를 소프트웨어로 제공함으로써, 처리 회로부(11)에서 이용가능한 미사용 처리 능력이 조정된 중간 신호로의 중간 신호의 복조를 제공하는데 사용될 수 있고, 타이밍 회로부(23)로부터의 타이밍 신호의 처리 회로부(11)에 고유하게 알려진 정보는 추가 컴포넌트를 시스템에 추가하지 않고 중간 주파수 신호를 복조하기 위해 사용될 수 있다.

이후, 단계 S6에서, 증폭되는 조정된 중간 주파수 신호는 처리 회로부(11)에 의해 수신되며, 이때 신호는 샘플링되고 샘플러(31)에 의해 A/D 변환된다. A/D 변환기(30)의 샘플링 주파수는 이점적으로 한번 그리고 단 한번 측정 신호의 각 스텝을 샘플링하기 위해 측정 신호의 업데이트 속도에 충분히 근접한다.

샘플링의 결과로 인한 샘플 벡터는, 샘플 벡터에 기반하여 조정된 중간 주파수 신호의 주파수를 결정한 후 조정된 중간 주파수 신호의 주파수에 기반하여 반사 표면과의 거리(그리고 이후 탱크 내 제품의 충진 레벨)을 결정하는, 레벨 계산기 블록(34)으로 공급된다.

도 6에서, 마이크로파원(21)이 더 상세히 도시된다. 마이크로파원(21)은 위상 주파수 검출기(36), 루프 필터(37), 전압 제어형 오실레이터(38), 피드백 주파수 분배기(39) 및 주파수 분배기(45)를 포함한다. 마이크로파원(21)은 사용시 타이밍 주파수를 포함하는 신호(40)를 타이밍 회로로부터 수신할 수 있다. 타이밍 주파수는 위상 주파수 검출기(36)에 의해 검출되기 전에 주파수 분배기(45)에 의해 분배될 수 있다. 위상 주파수 검출기는 주파수 분배기(45)로부터 신호(40)의 주파수를 검출하고 피드백 주파수 분배기(39)에 의해 분배되는 전압 제어형 오실레이터(38)에 의해 생성된 신호와 비교할 수 있고, 주파수 분배기(45)로부터의 신호(40)의 위상과 피드백 주파수 분배기(39)로부터의 신호 사이의 차에 비례하는 에러 신호(error signal)를 생성할 수 있다. 이후, 에러 신호는 루프 필터(37)에서 필터링되고 출력 주파수를 포함하는 출력 신호(41)를 생성하는 전압 제어형 오실레이터(38)를 구동하는데 사용된다. 출력 신호(41)는 주파수 분배기(39)를 통해 위상 주파수 검출기(36)로 반환될 수 있고, 이로써 네거티브 피드백 루프(negative feedback loop)를 생성하며, 따라서 출력 신호(41) 주파수가 이동하면, 에러 신호는 증가하고 정확한 값을 향해 다시 구동한다. 피드백 루프(36, 37, 38 및 39)를 통해, 마이크로파원(21)으로부터의 출력 신호(41)는 타이밍 회로(23)로부터의 입력 신호(40)로 "고정(locked)"된다. 출력 주파수는 흔히 입력 신호 주파수와 동일하지 않다고 알려져 있다. 주파수 분배기(39)는 정수 N 또는 분수 값으로 출력 신호를 분할할 수 있고, 따라서 출력 주파수는 마이크로파원(21)으로부터의 출력 신호(41)로서 스텝 주파수 스윕을 제공하도록 입력 신호(40)의 정수배(또는 분수 분할에 의한 임의의 유리수)로 스텝핑될 수 있다.

따라서, 도 6에 도시된 주파수 안정화 피드백 루프에 대해 설정될 수 있는 파라미터들이 또한 존재한다. 하나의 파라미터는 루프 필터(37) 대역폭을 설정하는 것으로 이해되어야 하는 피드백 루프 대역폭(42)이다. 주파수 안정화 피드백 루프에 대한 또 다른 파라미터는 타이밍 회로(23)로부터의 입력 신호(40)의 주파수인 비교 주파수이다. 비교 주파수는 위상 주파수 검출기(36)의 샘플링 주파수를 결정할 것이다. 도 6에서, 타이밍 회로(23)로부터의 입력 신호(40)의 주파수를 분할할 수 있는 주파수 분배기(45)가 도시되며, 따라서 주파수 분배기 신호(46)에 의한 정수 또는 분수 분할을 제어함으로써 비교 주파수가 제어된다. 게다가, 루프 필터(37)의 위상 마진(phase margin)(43)은 피드백 루프의 안정성을 결정하도록 설정될 수 있다. 마이크로파원(21)에서도 또한 설정되는 다른 파라미터는 스텝 체류 시간(44) 즉, 주파수 분배기의 정수배가 증가하기 전의 시간이며, 따라서 출력 신호(41)의 스텝핑이 달성된다.

피드백 루프 대역폭(42)은 위상 주파수 검출기(36)에 의해 생성된 에러 신호의 크기를 제어할 것이며, 결과로서, 허용된 오류 신호가 더 커질수록(즉, 대역폭이 더 커질수록) 출력 신호(41) 주파수가 의도된 주파수로 정착할 수 있기 전의 시간이 더 적어지는 사실로 인해 제어 루프의 속도를 제어할 것이다. 흔히, 높은 샘플링 주파수는 스텝 주파수 스윕의 스텝핑이 구분되고 오실레이션이 가능한 짧아지도록 보장해야 한다. 그러나, 구분되고 매끄러운 주파수의 스텝핑이 원하는 것보다 더 늦게 위상 주파수 검출기(36)가 샘플링하도록, 주파수 분배기(45)를 제어하여 비교 주파수를 낮게 설정하거나 타이밍 회로(23)로부터의 입력 신호 주파수를 설정하여, 오실레이션은 주파수 스윕에서 발생할 것이다. 이런 오실레이션은 위상 주파수 이산 샘플링 효과(phase frequency discrete sampling effects)로 이해될 수 있다. 게다가, 상술한 비교 주파수가 피드백 루프 대역폭(42)보다 10배 낮다면, 상대적으로 낮은 샘플링 주파수와 함께 의도된 주파수로 출력 신호(41) 주파수가 정착하는데 필요한 더 많은 시간은 오실레이션, 즉 위상 주파수 이산 샘플링 효과를 생성할 것이다.

스텝 체류 시간(44)은 주파수 분배기(39)가 정수 N 내지 N+1(또는 임의의 분수 값)을 증가시키기 전에 스텝 주파수 스윕 내 각 스텝에서 소비한 시간이며, 이는 주파수 안정화 피드백 루프가 스텝 주파수 스윕 내 다음 스텝의 "고정"을 획득하려고 함을 의미한다. 스텝 체류 시간을 설정함으로써, 연속적인 오실레이션은 연속적인 주파수 스윕의 정현파 변조를 형성하기 위해 제공될 수 있다. 게다가, 위상 마진(43)은 위상 주파수 이산 샘플링 효과를 생성하거나 주파수 안정화 피드백 루프 대역폭 및 비교 주파수와 조합하여 위상 주파수 이산 샘플링 효과를 생성하도록 설정될 수 있다.

다시 도 5를 이제 참조하면, 단계 S11은 새로운 주파수에 정착할 때 오실레이션을 야기하기 위해 피드백 루프 대역폭(42), 비교 주파수 또는 위상 마진(43) 중 적어도 하나를 설정하는 것을 포함한다.

예로서, 비교 주파수는 2MHz로 설정되고, 루프 대역폭(42)은 200kHz로 설정된다. 위상 마진은 35 내지 70도, 예컨대 50도로 설정된다. 또한, 다른 값들은 적절할 수 있지만, 비교 주파수(즉, 루프의 샘플링 주파수)가 대역폭보다 너무 크지 않는 것이 일반적으로 중요하다. 종래의 주파수 안정화 피드백 루프에서, 그 관계는 대략 100일 수 있다. 따라서, 그 관계는 일반적으로 인수 10을 넘으면 안 되거나 심지어 그 미만이어야 한다. 일부의 실시예에 따르면, 대략 200kHz 범위의 비교 주파수가 사용된다.

두번째로, 단계 S12는 연속적 오실레이션 및 그에 따른 연속 정현파 변조를 제공하도록 스텝 체류 시간(44)을 설정하는 것을 포함한다. 게다가, 상술한 바와 같이, 비교 주파수와 함께 스텝 체류 시간(44)은 원칙적으로 임의의 주파수에서 정현파 변조를 생성하기 위해 정현파 변조의 주파수를 제어하는데 사용될 수 있다.

따라서, 단계 S11 및 S12는 단지 하나의 레이더 레벨 게이지가 설치되거나 필요할 때마다 가령 한 달에 한번 또는 필요하다면 심지어 모든 주파수 스윕 전에 수행될 수 있다.

도 6의 주파수 안정화 피드백 루프는 위상 고정 루프(phase locked loop)(PLL)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 통합될 수 있다. 위상 고정 루프는 가령 아날로그 또는 디지털과 같은 많은 포맷으로 정수 또는 분수 주파수 분배기(45)와 함께 상업상 이용가능하다. 게다가, 상용 PLL은 전하 펌프(charge pump) 및/또는 주파수 분배기(45)를 포함할 수 있다. 비교 주파수 분배기는 피드백 루프에 들어가기 전에 입력 신호의 비교 주파수를 분할하여 비교 주파수의 용이한 제어를 가능하게 할 것이다. 게다가, 오실레이션의 주파수, 즉 변조 주파수는 이점적으로 마이크로파원(21)과 제2 믹서(35)를 연결하는데 사용될 수 있는 상용 PPL의 출력 핀에서 흔히 이용가능하다.

비록 도면들은 특정 순서의 방법 단계들을 도시하지만, 단계의 순서는 도시된 것과 다를 수 있다. 또한, 2 이상의 단계는 동시에 또는 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 이런 변형은 선택된 소프트웨어와 하드웨어 및 설계자 선택에 따라 다를 것이다. 모든 이런 변형은 본 명세서의 범위 내에 있다. 마찬가지로, 소프트웨어 구현은 다양한 연결 단계, 처리 단계, 비교 단계 및 결정 단계를 달성하는 규칙 기반 로직 및 다른 로직을 가진 표준 프로그래밍 기법으로 달성될 수 있다. 추가로, 비록 본 발명은 본 발명의 특정한 예시화된 실시예들을 참조로 기술되었지만, 많은 다른 대체물, 변경물 등이 당업자에게 명백해질 것이다. 개시된 실시예에 대한 변형은 도면, 명세서 및 첨부된 청구항들을 통해 청구된 발명을 실행하는데 당업자에 의해 이해되고 달성될 수 있다. 게다가, 청구범위에서, "포함하다"라는 용어는 다른 구성요소들 또는 단계들을 배제하지 않으며, 부정관사 "하나의 또는 한(a or an)"이라는 용어는 복수의 의미를 배제하지 않는다.

Claims

탱크(5) 내 제품(6)의 표면(7)까지의 거리를 결정하기 위한 레이더 레벨 게이지(1)로서,
상기 레이더 레벨 게이지는:
전자기 송신 신호(S_T)를 전송하고 상기 표면으로부터 반사된 전자기 반송 신호(S_R)를 수신하도록 구성되는 송수신기 회로(10);
상기 표면으로 상기 송신 신호를 가이드하고 상기 송수신기 회로로 상기 반송 신호를 가이드하도록 구성되는 신호 전파 장치(3); 및
제1 중간 주파수 신호를 제공하기 위해 상기 송신 신호와 상기 반송 신호를 혼합하도록 구성되는 제1 믹서(25)를 포함하며,
상기 송수신기 회로는 주파수 스윕(frequency sweep)의 형태로 상기 전자기 송신 신호를 생성하도록 구성되는 주파수 안정화 피드백 루프(21)를 포함하고,
상기 주파수 안정화 피드백 루프는 의도적으로 오실레이션(103)을 생성하도록 구성되어 상기 주파수 스윕의 변조를 야기하며,
상기 레이더 레벨 게이지는:
제2 중간 주파수 신호를 제공하기 위해 상기 변조의 주파수의 정수배인 주파수를 가진 신호와 상기 제1 중간 주파수 신호를 혼합하도록 구성되는 제2 믹서(35); 및
상기 제2 중간 주파수 신호에 기반하여 상기 거리를 결정하도록 구성되는 처리 회로(11)를 더 포함하는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항에 있어서,
상기 주파수 안정화 피드백 루프(21)는 루프 대역폭(42) 및 샘플링 주파수를 가지며, 상기 오실레이션은 상기 루프 대역폭과 상기 샘플링 주파수 중 적어도 하나를 설정하여 발생하는 레이더 레벨 게이지.
제 2 항에 있어서,
상기 주파수 안정화 피드백 루프는 위상 주파수 검출기(36)를 포함하며,
상기 샘플링 주파수는 상기 위상 주파수 검출기의 비교 주파수인 레이더 레벨 게이지.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 샘플링 주파수와 상기 루프 대역폭 사이의 관계는 10 이하이며, 바람직하게는 5 이하인 레이더 레벨 게이지.
제 4 항에 있어서,
상기 샘플링 주파수는 10MHz 미만이며, 바람직하게는 5MHz 미만인 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 스윕 내 각각의 주파수에 대한 스텝 타임(step time)과 상기 오실레이션의 지속시간 사이의 관계는 기본적으로 상기 변조가 상기 주파수 스윕에서 연속적이도록 하는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 안정화 피드백 루프는 위상 동기 루프(PLL)에 의해 구현되는 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조는 기본적으로 정현파 변조인 레이더 레벨 게이지.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 스윕은 9GHz에서 11GHz까지 또는 25GHz에서 27GHz까지로 이어지는 레이더 레벨 게이지.
탱크(5) 내 보유되는 제품(6)의 표면(7)까지의 거리를 검출하는 방법으로서,
상기 방법은:
주파수 스윕을 포함하는 전자기 송신 신호를 상기 표면으로 송신하는 단계(S2);
상기 표면에서 반사되고 상기 주파수 스윕을 포함하는 전자기 반송 신호를 수신하는 단계(S3); 및
제1 중간 주파수 신호를 제공하도록 상기 송신 신호와 상기 반송 신호를 혼합하는 단계(S4)를 포함하며,
상기 방법은:
오실레이션을 생성함으로써 상기 주파수 스윕의 변조를 야기시키도록 의도적으로 구성되는 주파수 안정화 피드백 루프에서 상기 주파수 스윕을 생성하는 단계(S1);
제2 중간 주파수 신호를 제공하도록 상기 변조의 주파수의 정수배를 가진 신호와 상기 제1 중간 주파수 신호를 혼합하는 단계(S5); 및
상기 제2 중간 주파수 신호에 기반하여 상기 거리를 결정하는 단계(S6)를 더 포함하는, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 10 항에 있어서,
상기 주파수 안정화 피드백 루프는 루프 대역폭 및 샘플링 주파수를 가지며,
상기 주파수 스윕을 생성하는 단계는 상기 루프 대역폭과 상기 샘플링 주파수 중 적어도 하나를 설정하는 단계(S11)를 더 포함하는, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 샘플링 주파수와 상기 루프 대역폭 사이의 관계는 10 이하이며, 바람직하게는 5 이하인, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 샘플링 주파수는 10MHz 미만이며, 바람직하게는 5MHz 미만인, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 스윕 내 각각의 주파수에 대한 스텝 타임(step time)과 상기 오실레이션의 지속시간 사이의 관계는 기본적으로 상기 변조가 상기 주파수 스윕에서 연속적이도록 하는, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 10 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 변조는 기본적으로 정현파 변조인, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.
제 10 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 스윕은 9GHz에서 11GHz까지 또는 25GHz에서 27GHz까지로 이어지는, 탱크 내 보유되는 제품의 표면까지의 거리를 검출하는 방법.