脉冲式雷达料位计的制作方法

本实用新型涉及一种具有单个振荡器的脉冲式料位计系统。

背景技术：

雷达料位计(RLG)系统被广泛用于确定包含于储罐中的产品的填充料位。雷达料位计通常通过非接触式测量装置或通过接触式测量装置来执行，在非接触式测量装置中，电磁信号朝向包含于储罐中的产品辐射，而在通常称作导波雷达(GWR)的接触式测量装置中，电磁信号通过充当波导的探头而被引向产品并进入产品。探头通常被布置成从储罐的顶部向底部垂直延伸。

所发送的电磁信号在产品的表面被反射，而被反射的信号由包含于雷达料位计中的接收器或收发器接收。基于被发送和被反射的信号，可以确定与产品表面的距离。更具体地，与产品表面的距离通常基于电磁信号的发送与电磁信号在储罐的大气与储罐中所包含的产品之间的界面上的反射的接收之间的时间来确定。为了确定产品的实际填充料位，从参考位置到表面的距离基于上述时间(所谓的飞行时间(time-of-flight))和电磁信号的传播速度来确定。

一种RLG涉及所谓的脉冲式RLG系统，其基于脉冲的发送与脉冲在产品表面的反射的接收之间的时间(飞行时间)差异来确定到包含在储罐中的产品表面的距离。

大多数脉冲式雷达料位计系统采用时域反射仪(TDR)，该时域反射仪提供(极短的)飞行时间的时间扩展。这样的TDR雷达料位计系统生成具有第一脉冲重复频率Tx的发送脉冲序列，以及具有第二脉冲重复频率Rx的参考脉冲序列，该第二脉冲重复频率与所发送的脉冲重复频率的差异为已知的频率差Δf。这一频率差Δf通常在几Hz或几十Hz的范围内。

向包含在储罐中的产品表面(非接触地或通过探头)发射发送脉冲序列，并且被反射的信号被接收且利用参考脉冲序列被采样。在测量扫频开始时，使发送信号和参考信号同步以具有相同的相位。由于频率差异，发送信号与参考信号之间的相位差将在测量扫频期间逐渐增加。反射信号的这一渐进移动时间采样(gradually shifting time sampling)将提供反射脉冲的飞行时间的时间扩展版本，根据该时间扩展版本可以确定到包含在储罐中的产品表面的距离。

显然，对Tx和Rx信号的频率控制对于TDR RLG的性能是关键的。目前使用若干技术来确保这样的控制。

根据一种方法，使用两个相匹配的振荡器(晶体)。两个晶体要求相当长的启动时间，以使得Δ(delta)频率稳定。

根据第二种方法，使用一个振荡器(晶体)来生成两个频率。一个频率是直接根据振荡器频率或振荡器频率的整数倍而生成。第二个频率通过逐渐增加第一频率的相移来生成。然而，这一解决方案需要容易由于温度变化和老化而在两个频率之间漂移的组件。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种使用单个振荡器的、具有改进的频率生成的脉冲式雷达料位计系统。

根据本实用新型的第一方面，通过用于确定包含在储罐内的产品的填充料位的脉冲式雷达料位计来达到所述和其他目的，该脉冲式雷达料位计包括：用于生成Tx频率信号和Rx频率信号的频率生成器，其中Tx频率至少是差值频率10000倍，该差值频率被定义为Tx频率与Rx频率之差；收发器，其用于提供具有等于Tx频率的脉冲重复频率的脉冲序列形式的发送信号，以及接收由发送信号在产品表面的反射而引起的反射信号；传播装置，其连接到收发器以向表面传播发送信号并且将反射信号返回到收发器；采样电路，其连接到收发器和频率发生器，并且被配置成以等于Rx频率的采样频率来对反射信号采样以提供时间扩展的储罐信号；和处理电路，其用于基于时间扩展的储罐信号来确定距离。频率生成器包括用于提供振荡器频率f_osc的单个振荡晶体，以及用于根据振荡器频率而生成Tx频率和Rx频率的频率修改电路。频率修改电路包括被配置成接收振荡器频率和递送Tx频率的第一路径，以及被配置成接收振荡器频率和递送Rx频率的第二路径，第一路径和第二路径中的至少一个包括PLL(锁相环)和分频器，PLL被配置成接收所述振荡器频率f_osc作为输入频率以及递送等于振荡器频率f_osc的M/N倍的调整输出频率，其中M和N是整数且M＞N，而分频器被连接以接收调整输出频率和递送等于调整输出频率除以整数因子P的输出频率。

通过这一设计，PLL与整数分频器的结合被用于基于由单个振荡器提供的振荡器频率而生成Tx频率和Rx频率中的至少一个。

本实用新型基于以下实现：刚刚介绍的PLL的改进的准确度及其(例如通过纳入Δ-Σ(delta-sigma)控制而)改进的边带限制，使得这样的PLL可以用于提供Hz级的准确受控的Δ频率。

应注意的是，N可以等于1，以使得PLL提供振荡器频率的整数倍。或者，PLL包括分频器和相位控制回路，该分频器以第一整数因子N＞1而提供了对输入频率的频率划分，而相位控制回路以第二整数因子M而提供了对被分频的输入频率的频率倍增。这样的PLL称作M/N PLL或是分数PLL，并且以可以为非整数的因子M/N而提供了倍增。

在一个实施方式中，两个路径均包括PLL。在这一情况下，频率Tx和Rx二者将均被调整。

在另一实施方式中，仅一个路径包括PLL，而另一个路径仅包括整数分频器。

在又一实施方式中，雷达料位计包括用于接收提供给所述雷达料位计的电力的供电接口、用于暂时存储由供电接口接收的电力的能量储存装置、以及被配置成在测量扫频期间从能量储存装置向频率修改电路供电以及在两次测量扫频之间的空闲时段期间对能量储存装置充电的电力管理电路。

使用能量储存装置使得能够使用频率修改电路，该频率修改电路需要比由供电接口所提供的电力。这可能在向料位计提供例如通过双线控制回路提供的有限电力的情况下是有利的。

在其他实施方式中，频率修改电路被配置成通过由双线接口提供的有限电力来工作，而无需能量储存装置。

附图说明

将参照附图更详细地描述本实用新型，附图展示了本实用新型的当前优选实施方式。

图1示意性地示出了雷达料位计；

图2示出了根据本实用新型的第一实施方式的频率生成器的框图；

图3示出了根据本实用新型的第二实施方式的频率生成器的框图；

图4示出了图2和图3中的路径的实施方式的框图；

图5示出了设有能量储存装置和电力管理电路的雷达料位计的框图。

具体实施方式

图1示意性地示出了一种脉冲式雷达料位计(RLG)1，其被布置成测量到储罐5中的两个(或更多个)材料3、4之间的界面2的距离。通常，第一材料3是存储在储罐中的产品，例如诸如汽油这样的液体，而第二材料4是空气或者一些其他大气。在该情况下，RLG使得能够检测到储罐中的容纳物3的表面2的距离，以及由此确定填充料位L。

储罐5设有将RLG 1固定在相对于储罐5底部固定的测量位置的紧固结构6。RLG 1包括允许信号被发送到储罐中和从储罐中被发出的馈通结构7。馈通结构7可以被布置成提供工艺密封，从而能够承受温度、压力和储罐中所含有的任何化学成分。

RLG 1包括用于生成连接到收发器11的Tx频率信号以及连接到采样电路12的Rx频率信号的频率生成器10。作为示例，合适的Tx和Rx频率在0.5-10MHz的范围内，通常在1-2MHz。Rx优选地大于Tx，然而相反的关系也是可能的。关键在于Tx和Rx频率之间的差值，其需要比Tx和Rx频率小若干数量级。作为示例，差值频率以是Hz级的，小于15Hz，然而稍大的差值频率也可以与本技术相容。

收发器11被布置成以脉冲序列的形式生成发送信号，脉冲序列具有等于Tx频率的脉冲重复频率。脉冲可以是DC脉冲或通过载波频率来被调制。载波频率可以是GHz级的，例如16GHz或25GHz。脉冲的持续时间可以是ns(纳秒)级的，例如约2ns或更短，以便能够测量料位计1与表面2之间的相对短的距离。脉冲可以具有mW(毫瓦)或μW(微瓦)级的平均电力水平。

RLG 1还包括传播装置14，其通过馈通结构7连接到收发器。因此馈通结构7用作收发器与传播装置14之间的接口。传播装置14被布置成使得发送信号ST传播至表面2，并且返回反射信号SR，该反射信号是由发射信号在产品3的表面2上的反射引起的。

在示出的示例中，RLG 1是导波雷达(GWR)，而信号传播装置14是从RLG 1向储罐5底部延伸的探头。探头可以例如是同轴线探头、双线探头或单线探头(也称作表面波导)。沿探头14发送的电磁波将被储罐中的材料之间的任何界面2反射，并且该反射将经由馈通装置7被发送回收发器11。

或者，RLG是非接触式RLG，并且传播装置是定向天线，例如喇叭天线，其被布置成发射发送波以自由地传播到储罐中以及接收通过储罐中的材料之间的任意界面2被反射的波。

收发器包括耦合装置以使得收发器能够将发送信号发送到传播装置，同时同步地接收来自传播装置14的反射信号。耦合装置可以是定向耦合器、循环器或者固态开关中的某一类。

连接到收发器11和频率生成器10的采样电路12被配置成以等于Rx频率的采样频率来对反射信号采样，以提供时间扩展的储罐信号。对该时间扩展的储罐信号进行A/D转换，该信号也称为时域反射仪(TDR)信号。

RLG还包括处理电路13，其用于基于数字化TDR信号确定距离。电路13设有用于分析TDR信号以确定储罐中的进程变量的软件，该变量通常是表面2的料位L。处理电路可以包括存储器，其通常包括用于存储预编程参数的ROM(例如，EEPROM)以及用于存储由微处理器执行的附加软件代码的RAM。

图2和图3示出了图1中的频率生成器10的两个实施方式。频率生成器包括用于提供振荡器频率f_osc的单个振荡晶体21。振荡频率优选地在10-100MHz的范围内，通常是50MHz或更低，例如25MHz。该振荡器频率f_osc被提供给用于生成上述Tx和Rx频率的频率修改电路22。通常(尽管并非必要)，频率调节电路提供对振荡器频率f_osc的频率划分以使得Tx和Rx频率小于振荡器频率。

如在图2和图3中更详细地显示的那样，频率修改电路22包括被配置成接收振荡器频率以及提供Tx频率的第一路径，以及被配置成接收振荡器频率以及提供Rx频率的第二路径。

在图2中，第一路径包括分频器23，其被配置成接收振荡器频率f_osc作为输入频率并且递送等于振荡器频率f_osc除以整数X的第一输出频率。第二路径包括PLL 24，其配置成接收等于振荡器频率乘以因子M/N的频率，其中M和N是整数且M＞N，以及分频器25被连接成接收经调整的输出频率并且递送等于经调整的输出频率除以整数因子P的输出频率。

在图2中，Tx频率未(例如通过锁相环)被调节，但振荡器频率通常足够稳定。还应注意的是，(如由分频器25执行的)整数频率划分不使锁相信号恶化。

在图3中，频率修改电路22包括两个路径，每个路径都包括PLL 26a、26b和分频器27a、27b。第一路径被配置成提供以因子M1/N1的频率倍增，其中M1＞N1，和以整数因子P1频率划分。第二路径被配置成提供以因子M2/N2的频率倍增，其中M2＞N2，和以整数因子P2的频率划分。

在这种情况下，两个输出频率都将是经调整的频率。取决于对参数M1、N1、P1、M2、N2、P2的选择，两个输出频率还可以是振荡器频率的非整数倍。然而，输出频率之一是振荡器频率的整数倍(例如，M2/N2/P2是整数)当然也是可行的。

图4示意性地示出了图2中的第二路径(或图3中的任一路径)的示例。相位控制回路40包括电压控制振荡器(VCO)41以及分频器42，该分频器被配置成将来自VCO 41的输出除以因子M。相位比较器43被连接成接收来自分频器42的输出以及参考频率f_ref。来自相位比较器的输出通过滤波器44进行低通滤波，然后被连接到VCO 41以调节频率。VCO41的这一相位反馈控制将导致其稳定在等于参考频率的M倍的频率。倍增的频率M×f_ref将被调节，即在相位和频率中被锁定。

在相位比较器的上游紧挨着是第二分频器45，其被配置成将输入频率(在本文情况下为振荡器频率f_osc)除以因子N。这另一个分频器导致等于输入频率(f_osc)乘以因子M/N的输出频率。分频器45和PLL 40的组合有时被称作M/N PLL。如果N大于M，则输出频率将小于输入频率。

为了收缩由于周期性改变产生的边带，M/N PLL还设有Δ-Σ调制器46，其连接到求和装置47中的反馈路径。所产生的电路称作Δ-ΣPLL。

在所说明的示例中，需要生成具有差值频率的两个频率Tx和Rx，该差值频率比这两个频率小若干个数量级。在某些应用中，Tx频率是差值频率的10⁶倍。为了实现PLL中的这种解析度，分频器需要很大。然而，通常优选地避免提供给相位控制回路40的参考频率过小，因此因子N不能过大。因此，在图4的电路中设有在相位控制回路40下游的又一分频器48。分频器48被配置成将来自M/N PLL的经调整的频率除以整数因子P。

理论上，完全可以去掉分频器45，并且整个频率划分可以在下游的分频器48中进行。然而，如果目的是具有高解析度，则需要非常大的P，这进而要求VCO 41能够生成非常高的频率。因此，在适合于本实用新型的典型实施方式中，频率划分将通过两个步骤来实现。首先，在布置在控制回路上游的第一分频器45中利用整数因子N来实现，然后在布置在控制回下游的第二分频器48中利用整数因子P来实现。

图3中的电路可以有利地通过使用单个IC电路来实现，单个IC电路包括晶体振荡器21、两个M/N PLL以及两个分频器。这样的电路的一个示例是来自Silicon Labs公司的Si5351A(10-MSOP)电路。在该电路中，跟在PLL后的分频器是所谓的分数分频器。然而，为实现本实用新型的目的，它们被优选地用作整数分频器。

或者，频率修改电路22被安装在连接到适合的晶体振荡器的功能性可编程门阵列(FPGA)中。

Si5351A电路中的晶体具有25或27MHz的振荡频率，该振荡频率与本实用新型相容。然而，使用Si5351A电路上的FPGA的优点在于可以使用具有稍高的振荡频率的晶体，例如50MHz。这会是有利的，但是在许多应用中也存在与功耗的折衷。

在使用Si5351A电路的具体示例中，由晶体21递送的振荡器频率f_osc为27MHz，N等于80659，M等于65535以及P等于13。这导致组合因子M/N/P＝0.062499582763905(近似值)。这导致频率近似地等于1.6874887MHz，其可以被用作Tx频率。Rx频率可以通过选择导致除以16的频率划分的因子来被生成，从而使得Rx频率为1.6875MHz。差值频率Rx-Tx因而约为11.3Hz。

参照图5，RLG 1可以设有供电接口31，其向RLG 1提供有限的电力。例如，RLG 1可以被连接到双线控制回路32，其可以仅在有限电压处提供4mA。在这样的应用中，PLL 24、26a、26b的工作可能需要比可从供电接口获得的电力更多的电力。为了克服这一潜在问题，RLG 1因而可以设有能量储存装置33以及连接到能量储存装置33的电力管理电路34。电力管理电路34可以被配置成在测量扫频期间从能量储存装置33向包括频率生成器10的RLG 1的电子器件供电，同时在两次测量扫频之间的空闲时段期间对能量储存装置充电。通过确保空闲时段长于测量扫频，可以在测量扫频期间向包括频率生成器10的RLG 1提供比可通过供电接口获得的电力更多的电力。

本领域技术人员认识到本实用新型决不限于上述优选实施方式。相反，可以在所附权利要求的范围内实现许多修改和变化。例如，频率修改电路可以被指定为也利用可从双线控制回路获得的有限电力来工作，从而避免对能量储存装置的需要。