调频连续波型雷达物位计的制作方法

专利名称:调频连续波型雷达物位计的制作方法
【专利摘要】一种调频连续波型雷达物位计，其被配置成发射电磁发射信号和接收从表面反射的电磁返回信号，该电磁发射信号具有至少1GHz的带宽、小于2.5的相对带宽(最大频率/最小频率)以及小于4GHz的上限频率。该物位计包括：单导体探针，该单导体探针机械地悬挂在罐中并且延伸至罐中的物品中；以及匹配装置，该匹配装置提供电气馈通装置与单导体探针之间的电匹配连接件。根据本实用新型，使用相对便宜的单导体代替相对昂贵的静止管道作为表面波导(SWG)装置。
【专利说明】调频连续波型雷达物位计

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种FMCW型雷达物位计，其用于确定至罐中的物品的表面的距 离。

【背景技术】
[0002] 对容纳例如液体、气体或颗粒状物品的罐的雷达物位计量已使用了数十年并且一 些不同的技术方案在使用中。针对信号生成和信号处理，被称为FMCW(调频连续波）的方 法已被广泛用于特别是测量准确度为关键规范点的情况。在大多数FMCW系统中，具有基本 上相等的幅度和线性变化频率的发射信号被发射至罐中，并且通过表面被反射。反射信号 被接收并且与发射信号进行混频以形成中频信号，其中中频（IF)与从发射器/接收器到反 射点（通常是罐中的物品的表面）的距离对应。用其他类型的调频代替线性扫描也可以。
[0003] 用于物位计量的FMCW系统通常使用如6GHz、IOGHz和25GHz的频率以及IGHz或 (主要针对25GHz系统）最高达2GHz至3GHz的频率带宽。还已知使用大约78GHz的系统。 从电子器件到天线的内部传输路径被保持干净以具有低反射并且特别地罐密封可能有点 困难，因为罐还必须经受高压力、各种化学品等。
[0004] 可以用若干方式表征测量性能，但是常规使用至少以下四种方式。
[0005] 准确度,渉及测量如何准确可靠。在通过频率合成器牛成频率时，能够获得非常高 的准确度和长期稳定性。准确度许可通常被称为"密闭输送许可"并且（取决于国家）可 以为针对特定使用的强制法律要求。通常在这样的情况下要求的准确度被指定为大约1mm。 注意，在大油罐中Imm的物位差可能对应于成千上万美元的价值。
[0006] 距离分辨率，或者辨别罐中两个可能接近的雷汰回波的能力，对于大多数雷汰物 位计为150mm至200mm或者略微更高。
[0007] 更新率，是距下一次测量的时间。对存储罐的物位计量通常不苛刻（物位每分钟 可能仅改变数cm或者更少）并且每秒1次测量是通常可接受的最小数字。一些应用可能 需要计量系统快得多的响应。
[0008] 灵敏度，是对多么弱的回波能够被检测到并通过信号处理来处理的测量。最大 双向路径损耗是测量灵敏度的常用方式，并且FMCW系统通常应当不具有执行测量的大于 90dB至IOOdB的双向路径损耗。不同情况之间的路径损耗变化可以是明显的。
[0009] 原则上，距离分辨率容量基本被雷达频率带宽限制，但是对于FMCW系统，该限制 还加上信号处理并且存在准确度与其他属性如更新率之间的权衡。FMCW系统需要一些通 常数字地完成的滤波操作（对频谱加窗）。滤波窗口的类型和宽度可以出于不同目而被优 化，因此RF带宽与分辨率之间的相关性弱于脉冲系统的相关性但仍然存在，并且从而带宽 应当通常为至少IGHz。
[0010] 距离分辨率关于距离通常比所要求的准确度大两个量级的事实（100mm与Imm相 比）意味着雷达系统特别是FMCW系统对于外部雷达反射和内部雷达反射敏感。如果传输 路径例如包含两个反射物（例如打开的天线和与天线不完全匹配的连接器），则将存在额 外两次经过这两个反射物之间距离的更小的信号。如果例如两个反射物具有电压驻波比 (VSWR)为2 (每个反射物约-IOdB)的失配，则在最坏情况下，内部距离可能发生± IOmm的 偏差（在距离分辨率内）。如果反射物是内部的并且非常稳定，则这可能不是问题（仔细的 校准能够确保）；但是如果不期望的初始IOmm偏差可能不时改变，则对于较大反射物和在 可变罐环境中的反射而言，期望的_级准确度显然是危险的。
[0011] 在大多数FMCW系统中，所有微波分量的合理微波匹配（即VSWR < 1. 2至1. 5)被 证明给出了可行的实际解决方案。然而，在非常准确的FMCW系统中，已知严重失配的点是 问题的根源。来自罐中障碍物的反射给出了类似的影响并且通过使用窄波束天线被去除， 并且基于FMCW的系统通常使用生成笔形束辐射图案的、垂直向下指向表面的天线。
[0012] 为了进一步提高准确度，基于FMCW的系统有时与以下形式的波导结构一起使用， 该波导结构具有50mm至100mm、从天线喇叭延伸通过整个罐的不锈钢管道的形式。大多数 情况下，通常针对IOGHz的系统使用2英寸或4英寸的管道。这样的"静止管道"是避免可 能干扰罐中的回波的非常有效的方式。显然，包括静止管道增加了成本，但是当在管道周围 存在许多干扰对象以及表面有时由于混乱的表面具有非常低的反射时，该管道使得能够进 行不受干扰的测量。管道、管道的馈送以及用于断开在罐顶之上的零件（以使得零件能够 改变）的可能的阀被制成具有非常良好的电匹配以确保准确度。 实用新型内容
[0013] 本实用新型的目的为提供一种在FMCW型雷达物位计中避免罐中的干扰的更具有 成本效益的方式。
[0014] 根据本实用新型的第一方面，通过用于确定至罐中的物品的表面的距离的FMCW 型雷达物位计来实现该目的和其他目的。该雷达物位计包括收发器电路，该收发器电路被 配置成发射电磁发射信号和接收从表面反射的电磁返回信号，该收发器电路包括调频器， 该调频器被配置成将发射信号的频率调制为在具有上限频率和下限频率的频率范围内变 化，其中上限频率小于4GHz，下限频率至少比所述上限频率小1GHz，并且上限频率与下限 频率之比，相对带宽，小于2. 5。物位计还包括：混频器，该混频器被配置成将发射信号与返 回信号进行混频以提供中频信号；以及处理电路，该处理电路被配置成基于中频信号确定 距离。物位计还包括：（可选地密封的）电气馈通装置，该电气馈通装置从收发器电路到罐 中；单导体探针，该单导体探针机械地悬挂在罐上部并且延伸至罐中的物品中，该单导体探 针电连接至收发器并且适于将电磁发射信号朝向表面引导以及将电磁返回信号引导至收 发器电路。当从单导体探针看去，电气馈通装置具有第一输入阻抗，当从电气馈通装置看 去，该单导体探针具有第二输入阻抗，并且第二输入阻抗大于第一输入阻抗。物位计还包括 匹配装置，该匹配装置在第一输入阻抗与第二阻抗之间，提供电气馈通装置与单导体探针 之间的电匹配连接件，匹配连接件的反射系数小于-10dB。
[0015] 本实用新型可以使用用于确定至罐中的物品的表面的距离的雷达物位计量方法 来实现。该方法包括：生成电磁发射信号，该电磁发射信号具有至少IGHz的带宽、小于2. 5 的相对带宽以及小于4GHz的上限频率；通过电气馈通装置将电磁发射信号馈送至罐中，并 且进一步馈送至延伸至罐中的物品中的单导体探针中，电气馈通装置与单导体探针之间的 电匹配连接件具有小于-IOdB的反射系数；沿单导体探针引导电磁反射信号；通过使电磁 发射信号在表面反射来形成电磁返回信号；将电磁返回信号沿单导体探针引导并且使电磁 返回信号返回通过电气馈通装置；接收电磁返回信号；将电磁发射信号与电磁返回信号进 行混频以提供中频信号；以及基于中频信号确定距离。
[0016] 根据本实用新型，用相对便宜的单导体（在此称为探针）代替相对昂贵的静止管 道用作表面波导（SWG)装置。这样的单导体探针具有与静止管道完全不同的波导特性并且 先前仅被用于使用时域反射法（TDR)的物位计量，其中基带脉冲（DC脉冲）沿探针被发射。 已经提出FMCW型系统与探针的组合但是发现工作不令人满意，并且通常接受该类型表面 波导装置不适用于基于FMCW的雷达物位计量。
[0017] 然而，根据本实用新型，通过仔细选择雷达物位计的工作参数，FMCW型物位计与表 面波导装置连同在电气罐馈通装置与单导体探针之间的适当的匹配装置一起可以被成功 组合。
[0018] "匹配电连接件"在此意在指具有与从第一输入阻抗到第二输入阻抗的直接过渡 相比的改进的阻抗匹配的电连接件。如以下将详细讨论的，这样的直接过渡将导致干扰反 射。已知FMCW系统的传输路径中的这样的强反射为所述问题的潜在根源。已知该反射也 干扰TDR系统但是通常FMCW系统对于这样的干扰更敏感。匹配装置通过减少这样的反射 来确保令人满意的检测特性。
[0019] "FMCW型"的表达应当被理解为包括下述任何系统：在该系统中调频发射信号与反 射的返回信号被混频以形成中频信号，该中频信号又被用于确定至罐中的表面的距离。在 传统的FMCW(调频连续波）系统中，发射信号具有恒定的幅度和通常为线性变化频率（频 率扫描）的变化频率。在更最近的系统中，频率扫描被实现为有时被称为"步进式"FMCW的 一系列离散频率。还提出了其他变型，包括：发射信号包括一系列分离的、每个具有不同频 率的恒定频率脉冲（参见例如美国公布申请12/981 995)。
[0020] FMCW系统的共同之处在于它们使得能够进行非常准确的频率控制，这在确保在受 限带宽上的令人满意的阻抗匹配时显著有利。脉冲TDR系统也具有在特定频带内的发射信 号但是频率不像在FMCW系统中在给定范围内变化。更确切地，发射信号将包括取决于准确 脉冲形状的频谱，该脉冲形状将不时变化并且其极限并不锐利。
[0021] 相对低的上限频率降低了电阻损耗（沿探针每米的dB大致增加如频率的功率的 2/3)。与现有FMCW系统相比，电力耗用和部件成本也可以被降低。至少IGHz的带宽确保 令人满意的距离分辨率。
[0022] 在根据本实用新型组合单导体探针与任何基于FMCW的系统时，探针与电气馈通 装置的匹配变成关键方面。
[0023] 电气馈通装置通常具有相对低的阻抗（例如，如果使用商用部件，则同轴馈通 装置具有40ohm至75ohm的阻抗）。另一方面，罐中自由空间中的探针的阻抗通常大于 250ohm，或者甚至大于350ohm(被定义为传输功率除以沿线缆的电流的平方）。作为示例， 在针对相关工作频率的自由空间中的、具有4_至IOmm直径的未涂覆的不锈钢丝探针具有 在300ohm至400ohm的范围内的阻抗。
[0024] 由于这样的阻抗失配，传统的基于TDR的导波雷达（GWR)系统通常在馈电点处具 有大约1:7的VSWR(50ohm与350ohm之比），这意味着由于反射产生的双向损耗为7dB。电 气馈通装置与探针之间的阻抗过渡的反射系数通常为大约-2. 5dB，这（连同由反射损耗产 生的传输损耗一起）使得来自该阻抗过渡的反射比来自油面的正常回波强20dB并且在液 化气的情况下甚至强更多。
[0025] 在脉冲TDR系统中，这样的失配通常用来生成校准脉冲。如果试图匹配，则匹配 由于脉冲TDR系统所要求的大的相对带宽（通常为10:1的量级）而存在问题。对于这样 的频率，可以使用沿线路的步进阻抗匹配并且仍保持线缆的机械强度。对于1:7的转换比 (50ohm与350ohm之比）和5至10的带宽（0. IGHz至IGHz或者略小，如0.2GHz至IGHz)，这 样的转换器的长度将超过lm。因此，转换器必须被设计成在其部分地位于液面以下时也能 起作用。很大程度上，现有技术匹配方案关注于解决该特定问题，参见例如US 7, 636, 059。
[0026] 在根据本实用新型将FMCW系统与单导体探针组合使用时，不需要这样的校准脉 冲，并且确实消极影响近区检测（接近于罐顶的检测）。然而，本发明人已认识到：FMCW型 系统还使得能够使用比脉冲TDR系统小得多的相对带宽。小于2. 5的相对带宽通过将匹配 装置的长度针对同一阻抗步进减小近十倍，提供了该匹配问题的意外缓和。这样受限的相 对带宽在使用基带脉冲的系统中不能实现。
[0027] 在一些实施例中，匹配装置提供了小于-IOdB的反射系数。换言之，反射信号的功 率为输入信号的功率的-10dB。这小于通过使用基带脉冲的传统GWR系统的探针馈送的反 射的20%。很明显这提高了对接近于罐最上部处的物位准确测量的可能性。
[0028] 在一些实施例中，匹配装置提供小于-15dB或者甚至小于_20dB的反射系数。借 助于这样的匹配，能够确保来自电匹配连接件的反射比由罐中的液面引起的反射弱。
[0029] 有利地，匹配装置不延伸至罐的正常操作区中，即罐的在其中物品表面可以预期 符合正常操作条件（或者预期可能偏离正常操作条件）的区域中。换言之，在正常使用期 间，匹配装置将不延伸至容纳在罐中的物品中。这意味着由匹配装置提供的匹配件将在使 用期间不受物品的消极影响。甚至更优选地，匹配件的延伸被限制以使得其可以被安装在 罐顶中的管嘴中。只要密封完整，物品表面将不超过边界地进入管嘴。作为示例，匹配装置 的物理纵向延伸可以小于20cm。
[0030] 在大多数应用中，探针被电气馈通装置机械地悬挂。可能的机械负荷的通常的规 范点为30kN至40kN，因此中心导体必须由非常良好的钢制成并且相当厚（5mm的量级）以 经受该力。由于这些机械约束，电气馈通装置从而将具有甚至更低的阻抗，通常大约40ohm 或更小。

【附图说明】

[0031] 将参照示出了本实用新型的当前优选实施例的附图更详细地描述本实用新型。
[0032] 图1示意性示出了根据本实用新型的一个实施例的计量系统。
[0033] 图2更详细地示出了图1中的雷达物位计。
[0034] 图3示出了罐馈通结构的一种示例。
[0035] 图4示出了匹配装置的另一示例。
[0036] 图5示出了罐馈通结构的第二示例。
[0037] 图6示出了图2中的收发器和处理电路的框图。
[0038] 图7示出了适于本实用新型的频率图。
[0039] 图8示出了作为最大失配的函数的步进阻抗转换器的长度的图。

【具体实施方式】
[0040] 图1示意性示出了物位计量系统1，其包括雷达物位计2和被示为控制室的主机系 统3。在此雷达物位计2安装在从罐5的顶部基本上坚直延伸的管状安装结构4 (通常被称 为"管嘴"）上。罐5可以为能够容纳待测量物品的任何容器或器皿。通常管嘴4是罐上的 现有零件并且最初并不意在用于特定类型的物位计。因此管嘴4可能具有对此目的而言不 理想的特?-性。雷达物位计当然还可以安装在没有任何管嘴的罐上。
[0041] 安装雷达物位计2以通过检测至物品6的上表面7的距离来测量容纳在罐5中的 物品6的填充物位。还可以检测至下界面例如油品与油以下的水之间的界面的距离。雷达 物位计2包括测量单元8和具有表面波导形式的传播设备9,该传播设备9从测量单元8朝 向物品6延伸通过管嘴4并且延伸至物品6中。在图1的示例性实施例中，表面波导装置 是柔性单导体探针9,该柔性单导体探针9具有连接至测量单元8的第一端9a和连接至将 探针保持为直的并且坚直的负重10的第二端％。可替选地，探针可以附接至罐底部。
[0042] 参照图2,电子单元8包括电连接至探针9的发射器11，以及电连接至收发器11的 处理电路12。"收发器"可以是一个能够发射和接收电磁信号的功能单元，或者可以是包括 独立的发射器单元和接收器单元的系统。收发器11的元件通常以硬件实现，并且形成通常 称为微波单元的集成单元的一部分。处理电路可以包括用硬件实现的模拟处理与通过由嵌 入式处理器执行的软件模块实现并体现的数字处理的组合。本实用新型不限于特定实现， 并且可以构思发现适于实现在此描述的功能性的任何实现。
[0043] 收发器11被配置成生成和发射由探针9朝向物品6的表面7引导的电磁发射信 号St。电磁返回信号&是由表面7中的反射引起的，并且沿探针9返回以被收发器11接 收。
[0044] 处理电路12被配置成通过分析发射信号St和返回信号S ,来确定参考位置（例如 罐顶）与表面7之间的距离。可以根据该距离导出填充物位L。应当注意，尽管在此讨论容 纳单一物品6的罐5,但是可以以类似方式测量沿探针9至任何物料界面的距离。
[0045] 此外，测量单元8包括连接至处理电路12并且被配置成使得能够与主机系统3通 信的通信接口 13。在图1和图2的示例性实施例中，雷达物位计2与主机系统3之间的通 信被表示为无线通信。另外，尽管图2未示出，但是雷达物位计系统1通常可连接至外部电 源，或者可以包括内部电源例如电池。内部电源可以是太阳能供电的。
[0046] 代替无线通信，通信可以例如在基于模拟和/或数字的有线通信信道上发生。例 如，通信信道可以是双线制4-20mA回路并且可以通过在双线制4-20mA回路上提供与填充 物位对应的特定电流来传送填充物位。也可以使用HART协议通过这样的4-20mA回路来发 送数字数据。此外，可以使用纯数字通信协议如Modbus、Profibus或基金会现场总线。在 有线通信的情况下，也可以使用相同的线缆为物位计供电。
[0047] 再次参照图2,收发器11经由罐馈通结构15连接至探针9,罐馈通结构15提供罐 顶中的密封电气馈通装置。密封通常是气密压力密封，但是这不是必须的。在一些情况下， 密封仅用来防止泄漏。当从探针9看去，电气馈通装置21具有第一输入阻抗Z 1，而当从所 述电气馈通装置看去，探针9具有第二输入阻抗Z2。如以上提及的，并且以下将进一步解 释，由于机械限制和物料限制，所以第一输入阻抗与第二输入阻抗之差大到足以引起干扰 反射。由于该原因，在电气馈通装置21与探针9之间连接阻抗匹配装置16,以确保第一输 入阻抗与第二输入阻抗之间足够良好的匹配以便减少这样的干扰反射。匹配装置可以表现 至少一个中间阻抗Z3，该中间阻抗Z 3小于第一输入阻抗且大于第二输入阻抗。
[0048] 探针9需要安全地固定在罐上部，并且通常通过罐顶或者通过罐馈通结构15悬 挂。探针9需要经受相当强的力，并且通常的规范要求可以为30kN或甚至40kN。显然这些 强机械力限制了匹配装置16可能实现的范围。
[0049] 单导体探针9可以由单个完整导体（所谓的高保（Goubau)线）形成，单个完整导 体可以被介电涂层覆盖或可以不被介电涂层覆盖。然而，在许多应用中，探针是具有缠绕在 一起的多根金属线的不锈钢丝。
[0050] 探针的选择影响工作频率的选择。在4mm不锈钢丝的情况下，以下表格提供了一 些计算数据（在IGHz处，计算基于每平方0. Hohm并且计算数据是在各种源中发现的不锈 钢的最坏数据的15%或更高）：
[0051]

【权利要求】
1. 一种调频连续波型雷达物位计（2)，用于确定至罐（5)中的物品（6)的表面（7)的 距离，所述雷达物位计包括： 收发器电路（11)，所述收发器电路（11)被配置成发射电磁发射信号和接收从所述表 面反射的电磁返回信号（Sk)， 所述收发器电路包括调频器（31，32)，所述调频器（31，32)被配置成将所述发射信号 的频率调制为在具有上限频率和下限频率的频率范围内变化， 混频器（35)，所述混频器（35)被配置成将所述电磁发射信号与所述电磁返回信号进 行混频以提供中频（IF)信号， 处理电路（12)，所述处理电路（12)被配置成基于所述中频信号确定所述距离，以及 密封电气馈通装置（21)，所述密封电气馈通装置（21)从所述收发器电路（11)到所述 罐中， 其特征在于， 所述上限频率小于4GHz，所述下限频率至少比所述上限频率小1GHz，并且所述上限频 率与所述下限频率之比，相对带宽，小于2. 5， 以及其特征在于，所述物位计还包括： 单导体探针（9)，所述单导体探针（9)机械地悬挂在所述罐的上部并且延伸至所述罐 中的物品中，所述单导体探针电连接至所述收发器并且适于将所述电磁发射信号朝向所述 表面（7)引导以及将所述电磁返回信号引导至所述收发器电路（11)，当从所述单导体探针 看去，所述电气馈通装置具有第一输入阻抗（Zl)，当从所述电气馈通装置看去，所述单导体 探针具有第二输入阻抗（Z2)，所述第二输入阻抗大于所述第一输入阻抗，以及 匹配装置，所述匹配装置在所述第一输入阻抗与所述第二阻抗之间，所述匹配装置提 供所述电气馈通装置与所述单导体探针之间的电匹配连接件。2. 根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置表现至少一个中间阻抗 (Z3)，所述至少一个中间阻抗（Z3)小于所述第一输入阻抗并且大于所述第二输入阻抗。3. 根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置（16)不延伸至所述罐的正 常操作区域中。4. 根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置（16)的物理纵向延伸小于 20cm〇5. 根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，所述电气馈通装置为同轴连接件。6. 根据权利要求1或5所述的雷达物位计，其中，所述单导体探针（9)通过所述电气馈 通装置（21)而悬挂。7. 根据权利要求6所述的雷达物位计，其中，所述匹配装置为同轴地设置在所述单导 体探针的上部周围的介电套管。8. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述单导体探针由未涂覆的 耐腐蚀钢丝制成。9. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于 2GHz的下限频率。10. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于 3GHz的上限频率。11. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，所述发射信号具有小于2 的相对带宽。12. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，来自所述电匹配连接件的 电磁反射比由所述表面引起的电磁反射弱。13. 根据权利要求1至5中任一项所述的雷达物位计，其中，在所述频率范围内所述匹 配连接件的反射系数小于-10dB。14. 根据权利要求13所述的雷达物位计，其中，在所述频率范围内所述匹配连接件的 反射系数小于-15dB。
【文档编号】G01F23-284GK204269191SQ201420775787
【发明者】奥洛夫·爱德华松 [申请人]罗斯蒙特储罐雷达股份公司