自診斷型調頻連續波雷達物位計的制作方法

自診斷型調頻連續波雷達物位計的制作方法
【專利摘要】提供了自診斷型FMCW雷達物位計，其包括：收發器；混頻器；信號傳播設備和連接收發器與信號傳播設備的信號傳播路徑；以及濾波裝置和處理電路。濾波裝置提供經濾波的中頻信號。收發器輸出：被配置成使得在經濾波的中頻信號中可檢測來自信號傳播路徑的參考回波的診斷掃描；或被配置成使得在經濾波的中頻信號中參考回波受到抑制并且表面回波可檢測的測量掃描。處理電路被配置成基于參考回波對雷達物位計進行自診斷以及基于表面回波確定距表面的距離。
【專利說明】自診斷型調頻連續波雷達物位計

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及使用診斷掃描來提供調頻連續波(FMCW)雷達物位計的自診斷的自診斷型FMCW雷達物位計。

【背景技術】
[0002]雷達物位計廣泛用于測量容納在罐中的物品的填充物位。雷達物位計量通常通過非接觸式測量或通過通常被稱為導波雷達(GWR)的接觸式測量來執行，其中，非接觸式測量將發射電磁信號朝向容納在罐中的物品輻射而接觸式測量通過用作波導裝置的探針將發射電磁信號朝向物品弓I導并導入物品中。
[0003]通常將雷達物位計分為脈沖式系統或FMCW系統。在FMCW中，將具有變化頻率的信號朝向表面發射，基于發射信號與同時接收的信號之間的頻率(和/或相位)差來確定距離。發射信號被罐中的內容物的表面(或被任何其它阻抗過渡)反射，延遲了特定時間的回波信號被返回至物位計。回波信號與發射信號進行混頻以生成混頻信號，該混頻信號具有與在時間延遲期間發生的發射信號的頻率改變相等的頻率。針對線性掃描，還被稱為中頻(IF)的該頻率差與距反射表面的距離成比例。通常將混頻信號稱為IF信號。IF信號還包括來自天線中的反射的頻率分量和相似的近區回波。由于這些近區回波靠近于收發器發生，所以它們很強，使得難以檢測到表面回波。因此，雷達物位計具有在任何采樣之前對IF信號進行濾波的濾波器，從而抑制與所述表面不相關的頻率分量以獲得好的測量數據。
[0004]在許多情況下，雷達物位計用于如下應用:雷達物位計的故障可能導致危險情形因此雷達物位計必須極度可靠的應用。采用各種措施以確保雷達物位計的可靠性，從而降低危險情形的風險。例如，通過執行自診斷功能，雷達物位計可以進行檢驗以確保其正常工作。執行自診斷的一種方式為測量參考回波，這將檢驗雷達物位計的與生成、引導、濾波、放大、發射和/或接收電磁信號相關的部件，這些部件還被稱之為微波鏈。
[0005]US專利5614911描述了可以檢測問題例如在天線上形成沉積物或其它麻煩例如天線的損壞或損耗的FMCW雷達物位計。所述問題通過在雷達物位計進入實際操作之前首先存儲未受干擾的參考函數即罐頻譜來檢測。在實際操作期間，將測量的回波函數與存儲的未受干擾的回波函數進行比較，分析并評估任何差異以識別形成有沉積物或其它麻煩。相似地，US專利申請2006/0015292為時域反射計(TDR)雷達物位計，其可以檢測物料在天線上的堆積或TDR雷達物位計的電子設備的故障。使用在預定時間間隔上的距表面的距離的恒定測量來識別物料在天線上的堆積或TDR雷達物位計的電子設備的故障，例如天線與電子設備之間的耦接中的短路。然而，由于每個天線的天線回波不同并且它們隨著時間降級和改變，所以天線回波不適合用于診斷功能。
實用新型內容
[0006]關于雷達物位計的以上提及的期望特性，本實用新型的總體目的為使得能夠通過提供參考回波而不向雷達物位計添加部件或成本來檢驗FMCW雷達物位計。
[0007]本實用新型基于如下認識:通過配置距離與FMCW雷達物位計的頻率掃描中的頻率之間的關系，提供適應的頻率掃描，從而不能辨別在從收發器到信號傳播設備的信號傳播路徑中的回波。因此，在傳播路徑中的回波將提供可檢測的參考回波以使得雷達物位計能夠對微波鏈進行自診斷。
[0008]根據本實用新型的第一方面，這些和其它目的通過一種用于測量距容納在罐中的物品的表面的距離的自診斷型FMCW雷達物位計來實現。雷達物位計包括:收發器，所述收發器被設置成生成和發射具有頻率掃描形式的電磁發射信號；以及信號傳播設備和連接信號傳播設備與收發器的信號傳播路徑。信號傳播路徑和信號傳播設備被配置成將電磁發射信號朝向所述表面進行引導并且返回包括來自表面和信號傳播路徑中的阻抗過渡的反射的回波信號。雷達物位計還包括混頻器，所述混頻器連接至收發器并且被配置成將回波信號與電磁發射信號的一部分進行混頻以提供中頻信號。濾波裝置連接至混頻器并被配置成對中頻信號進行濾波以提供經濾波的中頻信號，處理電路連接至濾波裝置并且被配置成處理經濾波的中頻信號。頻率掃描為診斷掃描和測量掃描中之一，其中，診斷掃描被配置成使得在經濾波的中頻信號中可檢測參考回波，所述參考回波指示距阻抗過渡的距離。測量掃描被配置成使得在經濾波的中頻信號中參考回波受到抑制并且在經濾波的中頻信號中可檢測表面回波，所述表面回波指示距所述表面的距離。處理電路被配置成基于參考回波對雷達物位計進行自診斷以及基于表面回波確定距表面的距離。
[0009]診斷掃描被配置成使得經濾波的中頻信號包括來自在從收發器到信號傳播設備的傳播路徑中的阻抗過渡的回波。
[0010]信號傳播路徑應當被解釋為信號傳播設備與包括在收發器中的微波源之間的連接。因此，沿該路徑的阻抗過渡包括由至信號傳播設備如天線的連接所創建的過渡。
[0011]來自傳播路徑的回波比信號傳播設備以下的回波更近，并且將會比來自例如物品的表面的回波強得多。因此，在普通FMCW雷達物位計中，通過濾波裝置對包括低頻的這些強回波進行濾除或抑制。否則，雷達物位計將不能檢測從表面接收的回波，并因此不能確定距表面的距離。本實用新型的至少一個附加優點為參考回波是從傳播路徑提供的并且不管使用的信號傳播設備和其它條件如何總是相同的。另一個附加優點是每個掃描中的輻射功率被充分用于當前目的，測量掃描將測量距表面的距離，而診斷掃描將使得實現診斷功能。因此，本實用新型提供了檢驗FMCW雷達物位計而不添加部件或較多成本的可靠且簡單的方式。
[0012]應當將測量掃描理解為“普通”的FMCW掃描:在該FMCW掃描中通過濾波裝置對來自傳播路徑的回波進行抑制。
[0013]為了對雷達物位計進行自診斷，處理電路還可以包括自診斷塊，所述自診斷塊被配置成將參考回波與存儲的參考回波配置文件(profile)進行比較。應當理解,通過配置診斷掃描，將會檢測到在預計位置即距離處和/或具有預計幅度的參考回波。因此，存儲的參考回波配置文件可以有利地包括關于用于診斷掃描的特定配置的參考回波的預計距離和/或預計幅度的信息。因此，如果參考回波未在預計距離處和/或以預計幅度出現，則處理電路的自診斷塊可以對雷達物位計進行自診斷并確定微波鏈是否以預計方式運行。
[0014]為了使經濾波的中頻信號能夠包括來自傳播路徑的回波，可以對診斷掃描配以比測量掃描短的掃描時間。在各個實施方式中，可以通過對診斷掃描配以比測量掃描大的掃描帶寬來使得實現相同的作用。這兩種配置的組合也是可以的。因此，應當理解，增加頻率掃描中的每時間單位的頻率使得能夠檢測到傳播路徑中的回波。針對一些實施方式，測量掃描的掃描時間可以是診斷掃描的掃描時間的兩倍。針對其它實施方式，測量掃描的掃描時間可以是診斷掃描的掃描時間的四倍。相應地，在本實用新型的其它示例性實施方式中，可以將診斷掃描設置成具有為測量掃描帶寬的兩倍或四倍的診斷掃描帶寬。
[0015]濾波裝置可以被有利地配置成:在測量掃描中抑制與參考回波對應的中頻信號，或者在診斷掃描中放大與距離對應的回波(從而參考回波)。因此，在各個實施方式中，濾波裝置可以包括高通濾波器和低通濾波器。因此，可以將經濾波的中頻信號視作為至少在關于距收發器的距離的幅度上進行了補償。從電磁源輻射的功率根據平方反比定律衰減，在沒有來自濾波裝置的對距離的補償的情況下，來自傳播路徑和天線連接的信號將會比來自表面的回波大一定數量級。另外，低通濾波器可以使得濾波裝置能夠抗混疊，即濾除高頻，例如比處理電路的采樣頻率的一半高的頻率。在存在低通濾波器的實施方式中，在診斷掃描期間，來自表面的反射可以被濾除從而不可測量。
[0016]當研究所附權利要求和以下描述時，本實用新型的另外的特征和優點將變得明顯。本領域的技術人員意識到，可以在不脫離本實用新型的范圍的情況下，將本實用新型的不同特征進行組合以創建下文描述的實施方式之外的實施方式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]現在將參照示出了本實用新型的實施方式的附圖來更詳細地描述本實用新型的這些和其它方面。
[0018]圖1是根據本實用新型的第一實施方式的自診斷型FMCW雷達物位計的圖示。
[0019]圖2是圖1中的測量電子設備的圖示。
[0020]圖3是根據本實用新型的一個實施方式的濾波裝置特性的圖示。
[0021]圖4A至圖4C是根據本實用新型的一個實施方式的罐頻譜的圖示，即快速傅里葉變換后的經濾波的中頻信號的圖示。
[0022]圖5A至圖5C是根據本實用新型的實施方式的測量掃描和診斷掃描的示意圖。
[0023]圖6是示出了使用自診斷雷達物位計的方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0024]在本描述中，主要參照具有用于輻射和捕獲電磁信號的自由傳播天線的雷達物位計來描述本實用新型的實施方式。應當注意，這絕不限制本實用新型的范圍，本實用新型同樣適用于其它信號傳播設備，包括:其它自由傳播天線，例如桿狀天線、貼片天線、固定或可移動的拋物面天線或錐形天線；以及用于導波雷達應用的波導裝置，例如靜止管道(stillpipe)、傳輸線或探針例如單引線探針(包括所謂的索末菲探針(SommerfeId-probe)或高保探針(Goubau-probe))、雙引線探針或同軸探針。
[0025]另外，在以下描述中，主要參照使用步進頻率掃描的FMCW雷達物位計來描述本實用新型的實施方式。應當注意，在任何采樣的FMCW中，例如在使用連續頻率掃描的FMCW中，本實用新型是有利的，或者甚至在使用頻率掃描的其它類型的雷達系統中本實用新型是有利的。
[0026]圖1示意性地示出了根據本實用新型的一個實施方式的雷達物位計1，該雷達物位計I包括測量電子設備單元2和在此為喇叭形天線3的信號傳播設備。雷達物位計I設置在罐5上，罐5部分地填充有待計量的物品6。罐5可以為能夠容納物品的任何容器或器皿，可以為金屬的或部分非金屬或全部非金屬的，可以為敞開、半敞開或封閉的。罐中的物品6可以為液體、液化氣體或甚至固體例如顆粒或塑料小球。FMCW測量方法提供了雷達物位計的相對高的測量靈敏度，使得當罐中存在干擾對象時還能夠具有可靠的測量結果。通過分析由天線3朝向物品6的表面7輻射的發射信號ST以及從表面7傳播回的回波信號SR，測量電子設備單元2可以確定參考位置與物品6的表面7之間的距離，從而可以導出填充物位L。應當注意，盡管在本文中討論包含單一物品6的罐5，但是可以以相似方式測量距罐5中存在的任何物質界面的距離。另外，由天線3朝向表面7輻射的發射信號ST通常包括9GHz至IlGHz的頻譜或24GHz至27GHz的頻譜。在一些情況下，例如當使用波導裝置并執行接觸式測量時，信號通常包括IGHz至3GHz的頻譜。
[0027]如圖1示意性示出的，電子設備單元2包括用于發射和接收電磁信號的收發器10。收發器10經由連接線路9連接至天線3。連接線路9可以為任何合適的信號介質例如同軸電纜或任何電磁波導裝置。單元2還包括處理電路11，處理電路11連接至收發器10用于控制收發器10并處理由收發器10接收的信號以確定罐5中的物品6的填充物位。處理電路11還連接至存儲器12，存儲器12存儲雷達物位計I的操作所需要的任何軟件并且還提供在操作期間使用的RAM。
[0028]處理電路11還經由接口 14可連接至用于模擬和/或數字通信的外部通信線路13。例如，可以通過雙線制接口提供通信接口 14與外部控制站(未示出)之間的通信，該雙線制接口具有向控制站發送測量結果和接收用于物位計I的操作的電力的組合功能。這樣的雙線制接口可以提供基本上恒定的電力，并且可以使用數字協議例如現場總線基金會、HART或過程現場總線將測量結果疊加在電源電壓上。可替代地，根據當前測量結果調節線路中的電流。這樣的接口的示例為4-20mA工業環路，其中根據測量結果將電流在4mA與20mA之間調節。可替代地，雷達物位計I可以使用例如無線HART協議與控制站進行無線通信，并且使用具有電池或其它清潔能量裝置的本地電源(未示出)用于自治性操作。
[0029]在此，接口 14包括電力管理電路，該電力管理電路包括電力存儲裝置15，該電力存儲裝置15用于在微波單元不被激活的時間段期間存儲電力，從而允許當微波單元是激活的時間段期間(即掃描期間)的較高功耗。使用這樣的電力管理，可以實現較低的平均功耗并且仍然允許短時間段的較高功耗。電力存儲裝置15可以包括電容，并且會受約束于空間要求和本質安全要求(當罐I設置在具有爆炸性或易燃性內容物的罐的危險區域中時所施加的)。
[0030]盡管在圖1中被示為不同的框，但是可以將收發器10、處理電路11和接口 14中的若干個設置在同一電路板上或甚至同一集成電路(IC)中。
[0031]現在參照圖2，示出了根據本實用新型的一個實施方式的在圖1中的收發器10和處理電路11的更詳細的框圖。
[0032]在此，收發器10包括微波源21，而微波源21又被形成處理電路11的一部分的定時電路23控制。微波源21經由功率分配器24連接至天線3，并且還連接至混頻器25。功率分配器24被設置成將來自天線的返回信號連接至混頻器25，以使得第一混頻器25將返回信號與來自微波源21的發射信號進行混頻并提供中頻信號。混頻器25連接至濾波裝置26，濾波裝置26對中頻信號進行濾波以提供經濾波的中頻信號。濾波裝置則又連接至放大器27。
[0033]在各個實施方式中，濾波裝置26包括至少兩個高通濾波器和至少一個低通濾波器。圖3示出了使用處于3kHz的第一高通濾波器、處于60kHz的第二高通濾波器以及處于10kHz的低通濾波器的濾波裝置的濾波特性。濾波裝置26的變型當然是可以的，可以根據每個應用來調節頻率。在一些實施方式中，可以使用陷波濾波器以濾除較低的頻率。
[0034]在此，處理電路11除了以上提及的定時電路23之外還包括適于對來自放大器27的信號進行接收和采樣的采樣器31。采樣器可以包括與A/D轉換器結合的采樣保持電路，或者可以被實現為Σ - Λ轉換器。采樣器31還可以額外包括抗混疊濾波器，該抗混疊濾波器被配置成進一步抑制信號的高于采樣器31的采樣頻率的一半的頻率部分。通過定時電路控制采樣器31以與測量信號同步。因此，基于測量信號為測量掃描或診斷掃描，采樣器31將采樣信號發送至物位計算器塊34或自診斷塊35。物位計算器塊34將基于來自采樣器31的采樣信號來確定距離，自診斷塊35將基于接收的來自采樣器31的采樣信號來對微波鏈進行自診斷并從而檢驗雷達物位計I。通常，參與生成、引導、濾波、放大、發射和/或接收電磁微波的部件為被識別為微波鏈的部分。因此，在所示示例性實施方式中，微波鏈包括至少收發器10以及定時電路23和采樣器31。應當注意，自診斷塊35和物位計算器塊34在功能上可以為同一單元。
[0035]盡管收發器10的元件通常實施為硬件并形成通常還被稱為微波單元的集成單元的一部分，但是處理電路11的至少一些部分通常通過由嵌入式處理器執行的軟件模塊來實施。本實用新型并不限于該特定實現，可以想到發現適合實現在本文中描述的功能的任何實施。
[0036]現在將結合在圖4Α至圖4C中的以分貝為單位的幅度與頻率的曲線圖中描繪的測量掃描和診斷掃描的經快速傅里葉變換(FFT)的中頻信號來描述濾波裝置26和圖3中的濾波特性。注意，在圖4Α至圖4C中以虛線40來標記檢測限，其標記了在哪個物位處回波實際可檢測。
[0037]圖4Α中的曲線圖表示在不具有有效的濾波裝置26的情況下的罐頻譜。將參考回波41視作在檢測限以上的第一回波，第二大得多的回波42為由至天線的連接所產生的回波，在下文中稱為天線回波42。最后，小得多的回波43為實際上的表面回波。因此，應當理解，在不具有有效的濾波裝置26的情況下，表面回波43將難以從參考回波41和天線回波42中區分出來。特別應當注意，表面回波43相對更接近在檢測限40以下。另外，為了說明起見，圖4Α中的表面回波43表示在使得將這些回波分開的距離處的表面。在許多情況下，表面回波43將具有表示較小的距離的較低頻率，從而與天線回波42完全不可區分。
[0038]圖4Β中的曲線圖表示測量掃描，與圖4Α相比，濾波裝置26通過第一高通濾波器被配置成抑制作為參考回波41的不需要的近區回波。注意，通過濾波裝置26將參考回波41抑制在檢測限以下。這表示在測量掃描期間將不可能檢測到參考回波41。然而，天線回波42通常足夠強以至在檢測限40以上檢測到。每個天線的天線回波42不同并且可能根據罐的氛圍和/或天線上累積的物料而隨時間降級和改變，因此，來自天線連接的天線回波42不太適合用于診斷功能。濾波裝置26通過第二高通濾波器還有利地補償根據自由波傳播中的距離的功率損耗，該功率損耗也被稱為自由空間路徑損耗，其中，所述功率根據平方反比定律衰減。再次，濾波裝置26通過低通濾波器限制信號的帶寬以降低將會被放大器27放大的噪聲的量。包括在濾波裝置26中的低通濾波器的該帶寬限制功能可以附加地用作抗混疊濾波器并且對比處理電路11的采樣頻率的一半高的頻率進行抑制。濾波裝置的抑制較高頻率的要求通常會取決于采樣器31。可以由處于比采樣頻率快一定數量級的內部時鐘以若干MHz來驅動Σ -Λ轉換器，從而不需要進一步抑制高頻。其它類型的采樣器可以要求用于抗混疊的內置低通濾波器以進一步抑制頻率。在至少一個實施方式中，采樣器31為逐次逼近(SAR) ADC，從而可以過采樣，因此不需要任何額外的對較高頻率的抑制。
[0039]通過從濾波裝置26的抗混疊頻率44開始的灰色顯示區域來指示抗混疊特征。
[0040]圖4C中的曲線圖表示診斷掃描。注意，由于現在將較高頻率包括在參考回波45中，所以由于濾波裝置26不再很大程度地抑制參考回波45，參考回波45將在檢測限以上可檢測。仍然存在天線回波46。由于現在參考回波45可檢測，其還可以用于自診斷功能。然而，注意，在診斷掃描期間，表面回波47將具有較高頻率，并因此可能甚至在濾波裝置的抗混疊頻率44、48以上。因此，可以通過濾波裝置26的低通濾波部件濾除表面回波47。為了理解與前面的附圖的聯系，圖4C的表面回波47保持了原有尺寸。所發生的是與在測量掃描中的參考回波41相似，表面回波47將被抑制在檢測限40以下。因此，如果表面回波47的頻率比濾波裝置26和采樣器31的在指示頻率48處的抗混疊頻率高，則致使在診斷掃描期間不可能測量距表面7的距離L。
[0041]在測量掃描中的表面回波43的經濾波的中頻可以與在診斷掃描中的參考回波45的經濾波的中頻相同。因此，在測量掃描的情況下，經濾波的中頻信號將指示距表面的距離，在診斷掃描中，經濾波的中頻信號將指示距在微波源21與天線3之間出現的參考回波45的距離。
[0042]在圖5A至圖5C中，為示出描繪的頻率與時間的曲線圖，所述曲線圖示出了由微波源21生成并從天線3發送出的頻率掃描。回波的頻率根據以下等式與頻率掃描相關:
? 2.B.h
[0043]/ =-
T*C
[0044]其中，f為接收的中頻信號的頻率，c為當前介質中的光速，h為距回波的距離，T為掃描時間，B為掃描帶寬。因此，較長的距離h將提供具有較高頻率的回波。由于光速和距回波的距離是固定的，本實用新型關注配置帶寬B和/或掃描時間T以執行使得參考回波45能夠在檢測限以上可檢測到的診斷掃描。
[0045]在圖5A中，使用帶寬bWl和掃描時間&示出測量掃描。已經與頻率掃描進行混頻并且經濾波的接收信號將產生與圖4B所示相似的FFT。
[0046]在圖5B中，使用帶寬bWl和比&長的掃描時間丨2示出診斷掃描。已經與頻率掃描進行混頻并且經濾波的接收信號將產生與圖4C所示相似的FFT。
[0047]在圖5C中，使用比帶寬bWl長的帶寬bw2和掃描時間&示出代表性診斷掃描。已經與頻率掃描進行混頻并經濾波的接收信號將產生與圖4C所示相似的FFT。
[0048]圖5B和圖5C中的代表性頻率掃描的組合當然是可以的。現在應當非常明顯，通過增加在以上等式中帶寬與掃描時間之間的比值，參考回波將具有較高的頻率，這使得與普通的測量掃描相比參考回波可檢測。
[0049]現在參照圖6，圖6為示出了用于使用自診斷雷達物位計提供對距物品表面的距離的測量的示例性方法的流程圖。首先，將描述示例性方法的總體步驟SI至S6，然后將詳細闡述步驟S11、S12、S61和S62。
[0050]首先在步驟SI中，定時電路23控制微波源21以輸出具有步進頻率掃描形式的信號。在包括穩頻反饋回路的微波源21中生成步進頻率掃描。在各個實施方式中，穩頻反饋回路可以為鎖相環(PLL)。信號可以通常以合適的步進從較低頻率步進到較高頻率。在一個可替代實施方式中，相反，信號可以從較高頻率步進到較低頻率。例如，頻率掃描可以具有若干GHz (例如0.2GHz至6GHz)的量級的帶寬以及具有25GHz或1GHz的量級的平均頻率。掃描中步進的數目N可以在范圍100至4000中，典型地在范圍200至2000中，并且可以針對30m的期望范圍為約1000。從而每個頻率步進(Λ f)的尺寸通常為MHz的量級。針對電力受限的應用，掃描的持續時間受限并且通常處于Oms至10ms的量級。例如，測量掃描的持續時間可以為約5ms并且具有500個頻率步進(N = 500)，這導致每個步進的持續時間等于10 μ s或約10kHz的更新率。通過微波源21中的穩頻反饋回路的采樣頻率來控制步進的持續時間。因此，頻率步進的持續時間通常是固定的，并且為了提供診斷掃描，對步進的數目和/或掃描的開始和停止頻率進行控制。因此，以相同帶寬提供具有較短的掃描時間的診斷掃描，意味著減少步進的數目但是每個頻率步進(Af)的尺寸將增大。以相似方式，以相同時間量提供具有較大帶寬的診斷掃描，意味著執行相等數目的步進但是每個頻率步進(Λ f)的尺寸將增大。
[0051]其次，在步驟S2中，來自微波源21的信號被沿從微波源21到天線3的傳播路徑進行引導，并且作為天線3朝向表面7的電磁發射信號St發射到罐5中。
[0052]然后，在步驟S3中，從表面7經反射傳播回的返回信號Sk被天線3接收并沿波導裝置9發送至收發器10進而發送至功率分配器24。
[0053]在步驟S4中，將返回信號Sk經由功率分配器24發送至混頻器25并與信號進行混頻以提供中頻信號。中頻信號是分段常數振蕩信號，其具有與距反射表面的距離成比例的頻率，分段常數長度為與信號步進長度相等的長度。典型的頻率為kHz的量級，例如小于10kHz，并且典型地小于50kHz。
[0054]在步驟S5中，通過如下濾波裝置26對來自混頻器25的中頻信號進行濾波:該濾波裝置26被設置成允許特定頻率的中頻信號通過以提供經濾波的中頻。在圖3中可以看到濾波裝置的示例性特性。放大器27然后對經濾波的中頻信號進行放大。
[0055]然后，在步驟S6中，通過處理電路11接收放大后的經濾波的中頻信號，其中，通過采樣器31對其進行采樣和A/D轉換。A/D轉換器30的采樣頻率有利地為足夠接近信號的更新率，以對信號的每個步進采樣一次且僅一次。將由于采樣而產生的采樣矢量供應給自診斷塊35或物位計算器塊34以進行進一步處理。
[0056]定時電路23控制微波源21以生成測量掃描或診斷掃描。在測量掃描期間，方法從步驟SI繼續至步驟S11，其中，生成并輸出如上討論的普通的頻率掃描，圖5A中示出了示例。如果定時電路23控制微波源21以生成診斷掃描，則方法將從步驟SI繼續至S12，其中，在診斷掃描中，診斷掃描的帶寬與掃描時間之間的比值被調節為使得來自從微波源21到天線3的傳播路徑的回波能夠用作參考回波。在圖5B和圖5C中示出了生成的診斷掃描的示例。
[0057]最后，連接至定時電路的采樣器31或者將采樣信號耦接至物位計算器塊34以執行方法的步驟S61。在此，物位計算器塊34基于采樣矢量確定經濾波的中頻信號的頻率，然后基于經濾波的中頻信號的頻率確定距反射表面的距離(后續確定罐中的物品的填充物位)。或者，在診斷掃描的情況下，采樣器31將會將采樣信號耦接至自診斷塊35以執行方法的步驟S62。在此，自診斷塊35將確定雷達物位計是否正常工作。自診斷塊35將測量的參考回波與包括預計距離和/或預計幅度的參考回波的存儲的配置文件進行比較。因此，如果測量的參考回波與存儲的值等以任何方式不同，則自診斷塊35將能夠給確定微波鏈中的部件發生了故障。
[0058]雷達物位計I可以通常按照需要或當操作者認為適當時對微波鏈進行自診斷。例如，雷達物位計I可以至少每小時一次或至少每分鐘一次執行診斷掃描。執行診斷掃描的其它間隔當然也是可以的，例如經常或不那么經常執行診斷掃描。
[0059]盡管附圖可能示出了方法步驟的特定順序，但是步驟的順序可以與所描繪的順序不同。另外，兩個或更多個步驟可以同時或部分同時執行。這樣的變化將取決于所選擇的軟件和硬件以及設計者的選擇。所有這樣的變化都在本公開內容的范圍內。相似地，可以以使用基于規則的邏輯或其它邏輯的標準編程技術來完成軟件實施以完成各個連接步驟、處理步驟、比較步驟和決定步驟。此外，盡管已經參照特定示例性實施方式描述了本實用新型，但是對本領域的技術人員而言許多不同變更、修改等將變得明顯。例如，圖3中所示的濾波裝置特性為一個示例，本領域的技工和技術人員將容易理解還可以設想其它合適的濾波特性。通過研究附圖、本公開內容和所附權利要求，在實踐所要求保護的本實用新型時，技工可以理解并做出對所公開的實施方式的變型。另外，在權利要求中，詞語“包括”不排除其它元件或步驟，單數詞語“一”或“一個”不排除多個。
[0060]本公開內容還可以通過以下方案來實現
[0061]方案1.一種用于測量距容納在罐中的物品的表面的距離的自診斷型FMCW雷達物位計，所述雷達物位計包括:
[0062]收發器，所述收發器被設置成生成和發射具有頻率掃描形式的電磁發射信號；
[0063]信號傳播設備；
[0064]連接所述信號傳播設備與所述收發器的信號傳播路徑；
[0065]其中，所述信號傳播路徑和所述信號傳播設備被配置成將所述電磁發射信號朝向所述表面進行引導并且返回包括來自所述表面和所述信號傳播路徑中的阻抗過渡的反射的回波信號；
[0066]混頻器，所述混頻器連接至所述收發器并且被配置成將所述回波信號與所述電磁發射信號的一部分進行混頻以提供中頻信號；
[0067]濾波裝置，所述濾波裝置連接至所述混頻器并且被配置成對所述中頻信號進行濾波以提供經濾波的中頻信號；以及
[0068]處理電路，所述處理電路連接至所述濾波裝置并且被配置成處理所述經濾波的中頻信號；
[0069]其中，所述頻率掃描為診斷掃描和測量掃描中之一，
[0070]所述診斷掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中可檢測參考回波，所述參考回波指示距所述阻抗過渡的距離，
[0071]所述測量掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中所述參考回波受到抑制并且在所述經濾波的中頻信號中可檢測表面回波，所述表面回波指示距所述表面的距離；以及
[0072]其中，所述處理電路被配置成基于所述參考回波對所述雷達物位計進行自診斷以及基于所述表面回波確定距所述表面的距離。
[0073]方案2.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述處理電路還包括被配置成將所述參考回波與存儲的參考回波配置文件進行比較的自診斷塊，所述存儲的參考回波配置文件包括距所述參考回波的預計距離和/或所述參考回波的預計幅度。
[0074]方案3.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描具有比所述測量掃描短的掃描時間。
[0075]方案4.根據方案3所述的雷達物位計，其中，所述測量掃描時間為所述診斷掃描時間的至少兩倍。
[0076]方案5.根據方案3所述的雷達物位計，其中，所述測量掃描時間為所述診斷掃描時間的至少四倍。
[0077]方案6.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描具有比所述測量掃描大的掃描帶寬。
[0078]方案7.根據方案6所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描帶寬為所述測量掃描帶寬的至少兩倍。
[0079]方案8.根據方案6所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描帶寬為所述測量掃描帶寬的至少四倍。
[0080]方案9.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述頻率掃描僅包括在24GHz至27GHz的范圍中的頻率。
[0081]方案10.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述頻率掃描僅包括在IGHz至3GHz的范圍中的頻率。
[0082]方案11.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述頻率掃描僅包括在9GHz至IlGHz的范圍中的頻率。
[0083]方案12.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述信號傳播設備為拋物面天線、喇叭形天線和貼片天線中之一。
[0084]方案13.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述信號傳播設備為索末菲探針、高保探針、同軸探針、雙引線探針或靜止管道中之一。
[0085]方案14.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描以至少每小時一次來執行。
[0086]方案15.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述診斷掃描以至少每分鐘一次來執行。
[0087]方案16.根據方案I所述的雷達物位計，其中，所述濾波裝置包括至少兩個高通濾波器和至少一個低通濾波器。
[0088]方案17.根據方案16所述的雷達物位計，其中，所述至少兩個高通濾波器中的一個高通濾波器設置在3kHz處，所述至少兩個高通濾波器中的另一高通濾波器設置在60kHz處，所述至少一個低通濾波器中的一個低通濾波器設置在10kHz處。
[0089]方案18.—種用于提供對用于測量距容納在罐中的物品的表面的距離的FMCW雷達物位計的自診斷的方法，所述方法包括:
[0090]生成具有頻率掃描形式的電磁發射信號；
[0091]將所述電磁發射信號經由信號傳播路徑和信號傳播設備朝向所述表面進行引導；
[0092]返回包括來自所述表面和所述信號傳播路徑中的阻抗過渡的反射的回波信號；
[0093]將所述回波信號與所述發射信號進行混頻以提供中頻信號；
[0094]對所述中頻信號進行濾波以提供經濾波的中頻信號，
[0095]其中，所述頻率掃描為診斷掃描和測量掃描中之一，
[0096]所述診斷掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中可檢測參考回波，所述參考回波指示距所述阻抗過渡的距離，
[0097]所述測量掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中所述參考回波受到抑制并且在所述經濾波的中頻信號中可檢測表面回波，所述表面回波指示距所述表面的距離；以及
[0098]處理所述經濾波的中頻信號，以基于所述參考回波對所述雷達物位計進行自診斷以及基于所述表面回波確定距所述表面的距離。
[0099]方案19.根據方案18所述的方法，其中，處理所述經濾波的中頻信號以對所述雷達物位計進行自診斷的步驟包括將所述參考回波與存儲的參考回波配置文件進行比較，所述存儲的參考回波配置文件包括距所述參考回波的預計距離和/或所述參考回波的預計幅度。
[0100]方案20.根據方案18所述的方法，其中，所述診斷掃描具有比所述測量掃描短的掃描時間。
[0101]方案21.根據方案20所述的方法，其中，所述測量掃描時間為所述診斷掃描時間的至少兩倍。
[0102]方案22.根據方案20所述的方法，其中，所述測量掃描時間為所述診斷掃描時間的至少四倍。
[0103]方案23.根據方案18所述的方法，其中，所述診斷掃描具有比所述測量掃描大的掃描帶寬。
[0104]方案24.根據方案23所述的方法，其中，所述診斷掃描帶寬為所述測量掃描帶寬的至少兩倍。
[0105]方案25.根據方案23所述的方法，其中，所述診斷掃描帶寬為所述測量掃描帶寬的至少四倍。
[0106]方案26.根據方案18所述的方法，其中，所述頻率掃描僅包括在24GHz至27GHz的范圍中的頻率。
[0107]方案27.根據方案18所述的方法，其中，所述頻率掃描僅包括在IGHz至3GHz的范圍中的頻率。
[0108]方案28.根據方案18所述的方法，其中，所述頻率掃描僅包括在9GHz至IlGHz的范圍中的頻率。
【權利要求】
1.一種用于測量距容納在罐(5)中的物品(6)的表面(7)的距離的自診斷型FMCW雷達物位計(I)，所述雷達物位計(I)包括: 收發器(10)，所述收發器(10)被設置成生成和發射具有頻率掃描形式的電磁發射信號; 信號傳播設備⑶； 連接所述信號傳播設備(3)與所述收發器(10)的信號傳播路徑； 其中，所述信號傳播路徑和所述信號傳播設備(3)被配置成將所述電磁發射信號朝向所述表面(7)進行引導并且返回包括來自所述表面(7)和所述信號傳播路徑中的阻抗過渡的反射的回波信號； 混頻器(25)，所述混頻器(25)連接至所述收發器(10)并且被配置成將所述回波信號與所述電磁發射信號的一部分進行混頻以提供中頻信號； 濾波裝置(26)，所述濾波裝置(26)連接至所述混頻器(25)并且被配置成對所述中頻信號進行濾波以提供經濾波的中頻信號；以及 處理電路(11)，所述處理電路(11)連接至所述濾波裝置(26)并且被配置成處理所述經濾波的中頻信號； 其特征在于，所述頻率掃描為診斷掃描和測量掃描中之一， 所述診斷掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中可檢測參考回波，所述參考回波指示距所述阻抗過渡的距離， 所述測量掃描被配置成使得在所述經濾波的中頻信號中所述參考回波受到抑制并且在所述經濾波的中頻信號中可檢測表面回波，所述表面回波指示距所述表面(7)的距離，以及 其中，所述處理電路(11)被配置成基于所述參考回波對所述雷達物位計(I)進行自診斷以及基于所述表面回波確定距所述表面(7)的距離。
2.根據權利要求1所述的雷達物位計(1)，其中，所述處理電路(11)還包括被配置成將所述參考回波與存儲的參考回波配置文件進行比較的自診斷塊(35)，所述存儲的參考回波配置文件包括距所述參考回波的預計距離和/或所述參考回波的預計幅度。
3.根據權利要求1所述的雷達物位計(I)，其中，所述信號傳播設備(3)為拋物面天線、喇叭形天線和貼片天線中之一。
4.根據權利要求1所述的雷達物位計(1)，其中，所述信號傳播設備(3)為索末菲探針、高保探針、同軸探針、雙引線探針或靜止管道中之一。
5.根據權利要求1-4中任一項所述的雷達物位計(I)，其中，所述診斷掃描以至少每小時一次來執行。
6.根據權利要求1-4中任一項所述的雷達物位計(I)，其中，所述診斷掃描以至少每分鐘一次來執行。
7.根據權利要求1-4中任一項所述的雷達物位計(I)，其中，所述濾波裝置(26)包括至少兩個高通濾波器和至少一個低通濾波器。
8.根據權利要求7所述的雷達物位計(I)，其中，所述至少兩個高通濾波器中的一個高通濾波器設置在3kHz處，所述至少兩個高通濾波器中的另一高通濾波器設置在60kHz處，所述至少一個低通濾波器中的一個低通濾波器設置在10kHz處。
【文檔編號】G01F23/284GK204115815SQ201420317618
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年6月13日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】米卡埃爾·克列曼 申請人:羅斯蒙特儲罐雷達股份公司