低功率雷达物位计系统技术方案

本发明专利技术涉及一种雷达物位计系统，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备；微波信号源；微波信号源控制器；混频器，其被配置成合并来自所述微波信号源的发射信号与来自表面的反射信号以形成中频信号；以及处理电路系统，其耦接至混频器，并且被配置成基于中频信号来确定填充物位。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种雷达物位计系统，以及用于确定罐中物品的填充物位的方法。
技术介绍
由于雷达物位计量在20世纪70年代和80年代被商业化，因而调频连续波（FMCW) 计量已经成为高精度应用的主要测量原理。FMCW型填充物位测量包括将在约几GHz的频率 范围上扫描的信号发射至罐中。例如，该信号可以在24-27GHZ或9-10. 5GHz的范围内。发 射信号被罐中物品的表面（或被任何其它阻抗过渡）反射，并且延迟了一定时间的回波信 号被返回至物位计。回波信号与发射信号在混频器中被合并以生成合并信号，该合并信号 具有与时间延迟期间发射信号所发生的频率变化相等的频率。如果使用线性扫描，则也被 称为中频（IF)的该频率与距反射表面的距离成比例。来自混频器的合并信号通常被称为 中频信号或IF信号。 最近，改进了FMCW原理，其当前通常涉及不发射连续频率扫描而是发射具有步进 频率且实际上恒定幅度的信号一步进频率扫描。当将发射信号与接收信号混合时，每个频 率步进将提供一个恒定段的分段恒定的IF信号。对分段恒定IF信号进行采样，并且例如 使用FFT将采样信号转换为频面以识别IF信号的频率分量。然后，可以将频率分量转变为 例如具有回波曲线或相似物形式的距离。 尽管传统的（连续的及步进的）FMCW系统非常精确，但其相对耗电大，这使其不太 适合电力（和/或能量）有限的应用。这样的应用的示例包括通过双线接口（例如4-20mA 回路）供电的现场设备以及通过内部能源（例如电池或太阳能单元电池）供电的无线设 备。 针对具有有限的可用能量和/或电力的应用，物位测量系统的成本和尺寸通常也 是关键参数。例如，在过程工业中可能发现这样的应用。 为了使得这样的应用受益于FMCW型雷达物位计量的高性能，期望提供更紧凑和 具有成本效益的FMCW型雷达物位计系统，其还能够以合理的更新频率通过有限的可用电 力/能量来操作。
技术实现思路
鉴于上述内容，本专利技术的总体目的是提供一种改进的雷达物位计系统，该系统使 得能够针对能量和/或电力供应严格有限的应用进行精确的填充物位确定。本专利技术的实施 方式的另一个目的是以比当前可用的FMCW型雷达物位计系统更低的成本来实现此。 根据本专利技术的第一方面，因而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，所述雷达物位计系统包括：信号传播设备，其被设置成朝向物品的表面传播电 磁发射信号，以及返回由于电磁发射信号在所述表面处的反射而生成的电磁反射信号；微 波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制用以生成所述电磁发射信号；微波信 号源控制器，其耦接至所述微波信号源，并且被配置成控制微波信号源以生成如下测量扫 描形式的发射信号，所述测量扫描包括用于限定发射信号的带宽的离散并且彼此不同的频 率步进的时间序列；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成 合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；采样器，其耦接至所述混频器，并且被 配置成在所述测量扫描期间以多个采样次数对所述中频信号进行采样；以及处理电路系 统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定填充物位，其中，所述微波 信号源控制器和所述采样器能够彼此独立地控制，使得测量扫描中所包括的每个频率步进 的持续时间能够与所述采样次数中的连续采样次数之间的采样时间间隔不同。 根据基于本专利技术的第一方面的雷达物位计系统的各个实施方式，可以独立地控制 测量扫描与采样间隔的形成以针对不同应用的测量性能与电力/能量消耗的最佳组合定 制雷达物位计系统的操作。 例如，可以有利地控制微波信号源控制器与采样器，使得测量扫描的每个频率步 进的持续时间基本上短于采样时间间隔。 这可以降低由于大频率步进而导致中频信号失真的风险，从而提高了测量的可靠 性和/或精度（特别是针对长测量距离）。 根据各个实施方式，至少所述微波信号源和所述混频器可以被包括在集成式微波 电路中。 在本申请的上下文中，集成式微波电路应当被理解成是指以微波频率（例如约 300MHz至约300GHz)操作的单片（单芯片）型集成电路（1C)设备。 集成式微波电路通常被称为MMIC(单片型微波集成电路）。 可以使用SiGe或诸如GaAs或InP的III-V族化合物半导体来制造丽1C。 集成式微波电路可以有利地与一个或若干个其它集成电路一起包括在多芯片模 块中以向（由单个电子部件封装限定的）单个电子部件提供更多的功能。 使用集成式微波电路有助于显著降低根据本专利技术的各个实施方式的雷达物位计 系统的成本。 首先，发现降低当前可用的FMCW型雷达物位计系统的成本的关键因素是减小 FMCW型雷达物位计系统的机械组件的尺寸，这是因为这些机械组件通常是由诸如优质不锈 钢的高品质材料精确制造的。另一个重要因素是产品收得率（productionyield)，特别是 微波信号源（和混频器）的产品收得率。 其次，本专利技术人发现：可以通过提供具有单个集成型微波电路（MMIC)形式的至少 微波信号源和混频器来实现尺寸的减小和产品收得率的增加二者。从而，可以通过单个部 件或若干个部件来代替大量分立部件。 然而，当前可用的包括微波信号源的集成式微波电路通常旨在用于相位噪声应当 很低的通信应用或能量/电力供应不是问题的汽车应用。因此，将出现集成式微波电路不 适合能量/电力匮乏的期望应用。 由于针对罐的雷达物位计量涉及相对短的距离，因而对相位噪声的要求并不像对 更宽范围的其它雷达应用那样严格。另外，对相位噪声的要求的降低使得微波信号源能够 被设计为消耗更少的电力。因此，配置微波信号源以呈现偏离发射信号的载波频率大于或 等于-70dBc/HZ@100kHZ的相位噪声使得能够降低电力消耗，并且仍然针对雷达物位计系 统的测量范围提供足够的测量性能。 因此，本专利技术人惊人地发现：使用包括至少微波信号源和混频器的集成式微波 电路使得能够显著降低雷达物位计系统的能量/电力消耗并且保持例如相对于更新率 的足够性能，其中所述微波信号源被配置成呈现偏离发射信号的载波频率的大于或等 于-70dBc/Hz@100kHz的相位噪声。例如，可以每秒一次执行填充物位测量。 因此，所有以上提及的创新性见解都协同有助于使用紧凑且具有成本效益的雷达 物位计系统来提供高精度的FMCW型雷达物位计量，所述雷达物位计系统仍然可以通过使 用双线通信接口或本地能源来供电。 有利地，可以将微波电路系统（circuitry)和测量电子部件安装在同一电路板 上，这有利于生产并降低成本。 根据各个实施方式，混频器可以提供为任意能够实现如下操作的电路系统的形 式：将发射信号与反射信号进行合并，使得形成表示发射信号与反射信号之间的相位差的 中频信号。 简单且紧凑的混频器的一个示例为所谓的单二极管漏极混频器（singlediode leakymixer)〇 在各个实施方式中，电磁发射信号可以具有基本上恒定的幅度。发射信号的功率 可以在-50dBm至+5dBm范围内，典型地为OdBm，即lmW。 试验和理论计算显示约10ms的扫描持续时间应当足够短以实现当前被视作最具 有挑战性的应用的双线电流回路系统的能量/电力消耗标准。 在雷达物位计系统的各个实施方式中，微波信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：信号传播设备，其被设置成朝向所述物品的表面传播电磁发射信号，以及返回由于所述电磁发射信号在所述表面处的反射而生成的电磁反射信号；微波信号源，其耦接至所述信号传播设备并且能够控制用以生成所述电磁发射信号；微波信号源控制器，其耦接至所述微波信号源，并且被配置成控制所述微波信号源以生成如下测量扫描形式的所述发射信号，所述测量扫描包括用于限定所述发射信号的带宽的离散并且彼此不同的频率步进的时间序列；混频器，其耦接至所述微波信号源和所述信号传播设备，并且被配置成合并所述发射信号与所述反射信号以形成中频信号；采样器，其耦接至所述混频器，并且被配置成在所述测量扫描期间以多个采样次数对所述中频信号进行采样；以及处理电路系统，其耦接至所述混频器并且被配置成基于所述中频信号来确定所述填充物位，其中，所述微波信号源控制器和所述采样器能够彼此独立地控制，使得所述测量扫描中所包括的每个频率步进的持续时间能够与所述采样次数中的连续采样次数之间的采样时间间隔不同。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：安德斯·伊尔斯科格，米卡埃尔·克列曼，拉尔斯·奥韦·拉尔森，
申请(专利权)人：罗斯蒙特储罐雷达股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE