脉冲雷达物位计系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及使用脉冲式测量的雷达物位计系统领域。特别地，本实用新型涉及雷达物位计系统内的电力管理。
【背景技术】
[0002]雷达物位计(radar level gauge，RLG)系统广泛用于确定容纳在罐中的物品的填充物位。雷达物位计量通常借助于非接触式测量或借助于通常还被称为导波雷达(GWR)的接触式测量来执行，在非接触式测量的情况下朝向容纳在罐中的物品辐射电磁信号，在接触式测量的情况下由用作波导装置的探针将电磁信号朝向物品进行引导并导入物品中。通常将探针设置成从罐的顶部朝向罐的底部竖直延伸。探针还可以设置在测量管道一一所谓的腔中，所述腔连接至罐的外壁并与罐的内部流体连接。
[0003]发射的电磁信号在物品的表面处反射，由包括在雷达物位计系统中的接收器或收发器接收反射信号。可以基于发射信号和反射信号来确定至物品的表面的距离。
[0004]更特别地，通常基于电磁信号的发射与电磁信号在罐的空气与容纳在罐中的物品之间的界面处的反射的接收之间的时间来确定至物品的表面的距离。为了确定物品的实际填充物位，基于上述时间(所谓的飞行时间)和电磁信号的传播速度来确定从参考位置到表面的距离。
[0005]现在市场上的大多数雷达物位计系统是:所谓的脉冲雷达物位计系统，该脉冲雷达物位计系统基于脉冲的发射与脉冲在物品的表面处的反射的接收之间的时间差来确定至容纳在罐中的物品的表面的距离；或者如下系统，该系统基于发射的调频信号与其在表面处的反射之间的频率差来确定至表面的距离。后一类型的系统通常被称为FMCW(调频连续波)型。
[0006]针对脉冲雷达物位计系统，通常使用时间扩展技术解决飞行时间。
[0007]这样的脉冲雷达物位计系统可以具有:第一振荡器，其用于以发射脉冲重复频率ft生成由脉冲形成的发射信号用于朝向容纳在罐中的物品的表面发射；以及第二振荡器，其用于以参考脉冲重复频率fMf生成由参考脉冲形成的参考信号，该参考脉冲重复频率fMf与发射脉冲重复频率相差给定频率差Λ fo该频率差Λ f通常在数Hz或数十Hz的范围中。
[0008]在测量扫描开始时，通常使发射信号与参考信号同步以具有同一相位。由于频率差Λ f，在测量扫描期间发射信号与参考信号之间的相位差将逐渐增加。在测量扫描期间，使参考信号与由于发射信号在容纳在罐中的物品的表面处反射而产生的反射信号相关联，使得仅在在同一时间发生反射脉冲和参考脉冲时产生输出信号。从测量扫描的启动到由于反射信号与参考信号的关联而产生的输出信号的发生之间的时间是发射信号与反射信号之间的相位差的度量，该相位差又是反射脉冲的飞行时间的时间扩展度量，可以根据该飞行时间确定至容纳在罐中的物品的表面的距离。
[0009]发射信号与参考信号的上述同步需要在可接受参数内的调节。W001/02819描述了一种用于建立发射时钟和采样时钟并使发射时钟与采样时钟同步的频率调节器。控制器向时钟源反馈控制输出，使用该反馈以稳定第一时钟频率与第二时钟频率之间的第一频率分离，使得雷达物位计电路生成根据频率分离进行稳定并且校正的物位输出。
[0010]然而，当前的雷达物位计系统仍然是高耗电的并且难以满足关于电力使用和能量存储的安全要求。另外，在雷达物位计量领域的最近的发展要求更独立的功能性以及能够在较远的现场和远程现场进行操作的系统，在该较远的现场和远程现场处电力限制可能更严格，例如系统不能通过电网供电。因此，需要使雷达物位计使用的电力最小化，以及进一步提供一种能够独立操作并且通过以更低的总能量成本提供更多测量来在现场或现场外提供更大量的功能性的雷达物位计。更进一步，需要满足由于固有危险例如在存储罐中的高度易燃的物料等而限制允许被存储的能量的量的以上提及的安全规定。
【实用新型内容】
[0011]因此，本实用新型的目的是提供更节能的脉冲雷达物位计。
[0012]本实用新型基于如下认识:通过处理使用脉冲式测量的雷达物位计中的电力管理的新方式来实现优点。当启动雷达物位计时，将电力仅发送至包括频率生成电路、频率调节器和频率分离评估电路的系统的一部分。当第一时钟源与第二时钟源之间的频率分离正确时，将电力发送至系统的剩余部分以发射雷达信号并生成物位输出。因此，在物位测量时仅为系统的用于雷达发射和信号处理的部分供电是可能的。
[0013]根据本实用新型，这些和其它目的通过用于测量至容纳在罐中的物料的表面的距离的脉冲雷达物位计系统来实现，该脉冲雷达物位计系统包括:频率生成电路，该频率生成电路适于生成第一时钟频率和第二时钟频率；以及频率调节器，该频率调节器被配置成朝向频率分离设定点来控制第一时钟频率与第二时钟频率之间的频率分离。该系统还包括频率分离评估电路，该频率分离评估电路被设置成在频率分离在预定频率范围内时生成上电信号。另外，该系统包括雷达物位计电路，该雷达物位计电路被配置成:基于第一时钟频率、以发射脉冲重复频率来生成脉冲序列形式的发射信号；基于第二时钟频率、以参考脉冲重复频率来生成脉冲序列形式的参考信号；朝向表面发射该发射信号；接收由发射信号在表面处反射而引起的返回信号；以及基于返回信号与参考信号之间的关系提供物位输出。该系统还包括电力管理电路，该电力管理电路被配置成在不存在上电信号时不为雷达物位计电路提供用以提供物位输出的电力，以及在存在上电信号时为雷达物位计电路供电以提供物位输出。
[0014]因此，本实用新型通过在这样的在频率分离不能使得雷达物位计提供适当的物位测量时的时间期间不为雷达物位计电路提供电力以及操作雷达物位计电路，来使得雷达物位计系统节省电力。在本实用新型的上下文中，表达“不提供电力”应当被理解为不为雷达物位计电路提供电力或为雷达物位计电路提供不足以能够执行测量和/或提供物位输出的电力。因此，当频率分离稳定的同时可以实现显著的电力节省。
[0015]换言之，本质上存在雷达物位计系统的至少两种不同的操作模式:一种准备模式，在该准备模式下不启用物位测量，即不存在雷达发射；以及一种激活模式，在该激活模式下启用物位测量，即执行雷达发射和物位采样以测量至容纳在罐中的物料的表面的距离。在本实用新型中，设置雷达物位计系统使得在准备模式下为尽可能少的部件和功能元件供电，即在准备阶段仅对于实现第一时钟频和第二时钟频率的正确并准确的定时而言必要的那些部件被激活并供电。
[0016]本实用新型的另一个优点是将不需要对由于不稳定或不正确的频率分离的物位测量进行校正而进行信号处置和处理消耗的能量，或至少最小化所述能量。
[0017]应当指出，频率分离通常具有Hz的量级，例如约4Hz。使用传统的反馈调节器，调节频率将具有相同的量级，这因此通常花费数秒以确保稳定的频率分离。测量周期通常短得多，具有ms的量级，因此将存在不提供物位测量直至频率分离适当地稳定为止的许多测量周期。利用本实用新型，可以节省用于那些测量的电力，从而提供了具有多个固有优点的更节能的雷达物位计系统。
[0018]即使在采用更具时效性的频率调节的情况下，由本实用新型提供的电力节省也是重要的。
[0019]本实用新型的优点在可用电力不足的情形下尤其重要，例如不具有与远程电源的任何连接并且将本地能量存储装置(例如电池)作为提供电力的唯一装置的雷达物位计系统。为了降低物位计系统的维护成本，电池寿命应当尽可能长，优选地具有数年的量级或甚至长达10年。这意味着设计具有很低的平均能耗但不影响物位计系统的性能例如监视罐中的变化的准确度和能力的物位计系统是重要的。换言之，与这种处置电力管理的方式相关的一个优点是降低的能耗，这又使得电池供电的雷达物位计系统能够操作更长的时间段而不使电池耗尽。
[0020]评估频率分离的简单方式是直接检测频率分离。例如，可以将频率分离评估电路配置成将检测到的频率分离与预定阈值进行比较以确定所述频率分离的良好定时。在本文中，术语“频率分离的良好定时”指频率分离关于时间是足够稳定的和/或频率分离足够小。当确定了频率分离的良好定时时，频率分离评估电路将生成上电信号以激活系统的更多部分。
[0021]评估频率分离的另一种方式是检测频率调节器的状况。例如，在频率分离稳定时可以使用表示当前频率分离与预定频率分离之间的差的误差信号来评估。
[0022]频率分离评估电路和电力管理电路可以包括在与所述雷达物位计电路分离的单个低电力电路中。因此，将用于频率稳定阶段所需的电路和部件与在测量阶段期间使用的电路和部件有效分开。低电力电路因此可以为独立的低电力FPGA方案或小的微控制单元。这样的单