专利名称：利用双线雷达传感器确定料位的方法和双线雷达传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用具有间歇工作的电路组件的双线雷达传感器(two-wire radar sensor)确定传感器与物料反射表面之间的距离从而得出容器内料位(level of material)的方法。此外，本发明还涉及执行这种方法的双线雷达传感器。
适用本发明的双线雷达传感器是安装有一个保证供电和数据通信的双线控制回路(two-wire control loop)的雷达传感器。此外，这种确定雷达传感器与物料反射表面之间距离的创造性方法用的是脉冲雷达技术。对于这种测量来说，所用的雷达传感器具有一个发射单元，它产生一系列高频脉冲，以预置的重复频率(脉冲重复频率，PRF)通过天线向容纳在例如一个容器内的需测量的物料发射。这些信号从需测量的物料的表面反射，通过同一个或另一个天线接收后在一个接收单元内得到处理。为此，接收单元包括一个采样电路，用来将高频的接收信号变换成一个低频的信号。利用这些低频的接收信号，可以确定脉冲的往返时间，从而可以计算出到物料的距离或料位。
背景技术：
为了连续测定充在容器内的液体或块状物料的料位，所用的大多数传感器基于雷达技术，测量微波从传感器到需测量的物料表面再返回的往返时间。处在大约1至100GHz的频率范围内的微波通过天线发射。微波在所充物料的表面反射，再由天线接收。此外，在现有技术中已知有一些设备用波导将微波从传感器导向需测量的物料表面。微波在物料表面的反射是由于在这点上微波传播阻抗改变而引起的。
为了确定微波的往返时间，已知有各种不同的雷达技术。最常用的方法是基于脉冲雷达技术和基于调频连续波(FMCW)雷达技术。在采用调频连续波雷达技术时，往返时间间接地通过发射一个调频信号和形成发射与接收的瞬时频率之差确定。然而，脉冲雷达技术是用一些所谓突发脉冲的短促微波脉冲直接确定从发射出到接收到脉冲之间的时间间隔。从这个时间间隔可以得出传感器到物料表面之间的距离，从而得出料位。
从与DE 31 07 444 C2和US 4,521,778 A等同的GB 2 094 091 A中可以看到一种在一个发射机内产生两个只有脉冲重复频率稍有不同的高稳定脉冲串的高分辨相干脉冲雷达系统。这两个脉冲串变换成微波脉冲串，一个脉冲串处理成发射脉冲，而另一个脉冲串处理成一些用于时间扩展处理的扫描脉冲。扫描脉冲与接收到的回波脉冲在一个混频器内混频后形成一个中频信号，使回波脉冲在时间上得到扩展。接收信号的带宽因此在中频级得到减小。这种方法也称为顺序采样(sequential sampling)或等效时间采样(equivalent time sampling，ETS)。
在DE 298 15 069 U1中揭示了一种与采用受引导微波高度测量传感器配合的进行等效时间采样的采样电路。这种采样电路包括两个振荡器，一个振荡器它的频率控制成使得所测得的频率差与目标值相应。
从与US 2002/0133303 A1同等的DE 101 06 681 A1中可以看到一种确定充在一个容器内的物料的料位的设备，这种设备的发射单元产生的高频信号，以预定的脉冲重复频率朝所充填的物料表面发射。信号由所充填的物料表面反射后由接收单元接收。一个延迟电路按照预定的变换因子将高频信号/反射信号变换成低频信号，由一个估计单元根据信号的延迟时间确定容器内物料的料位。这个延迟电路包括一个发射振荡器，一个采样振荡器，一个数字采样电路，以及一个闭环/开环控制单元。
在US 6,680 690 B1中揭示了一种具有一个双线过程控制回路的测量储物罐内物料表面的料位的雷达料位计。它包括一个与双线过程控制回路耦合的输出电路，用来在回路内设置与物料料位相应的回路电流的期望值；一个与双线过程控制回路耦合的供电电路，用来从回路接收功率，从而是一个微波源的电源；一个微波接收机；一个测量电路；以及一个输出电路。它还包括一个变换器，用来通过将来自回路的第一电流馈给供电电路将来自回路的功率传送给所述供电电路；一个包括在所述输出电路内的电流产生器，用来在回路内与所述第一电流并行产生一个使所述回路电流保持在一个与所述物料料位相应的值的第二电流；以及一个检测电路，用来确定所述第二电流的值，而且具有一个指示所述第二电流的值的输出。
最后，US 5,672,975揭示了一种用于测量储物罐内物料料位的过程应用的双线料位发射机。其中，有一个与双线过程控制回路耦合的输出电路，用来通过回路发送与物料料位有关的信息。
在测量和控制技术中广泛采用的标准是所谓的双线控制回路。概括地说，这是指为设备供电和数据通信(例如输出所测得的值)是通过同一对电线进行的。通常的标准是4-20mA双线标准以及其他各种标准，按照这些标准，设备的数据通信通过将经数字调制的信号加到这对电线上进行。然而，一些双线控制回路在为现场所用的测量设备提供足够的能量上受到了限制。
从US 6,014,100中可以看到一种双线雷达传感器，它的功耗至少在测量周期的一个阶段超过上面提到的值，而在测量周期的其他阶段，它的功耗处在这个极限以下。通过缓存在低功耗阶段的能量而在高功耗阶段提供所存储的能量，从而可以进行双线操作。
测量周期是指确定料位的两个相继测量结果之间的时间间隔。测量周期按照上面提到的现有技术可以再分成几个功耗不同的阶段在发送和接收微波脉冲、由采样过程将微波脉冲扩展和表示为测量范围内的回波轮廓(echo profile)的第一测量阶段，功耗为最大。第二阶段的特征为功耗最小，这是通过将发射/接收电路断开和将分析单元保持在节能的待用状态来达到的。在回波分析单元选择和分析呈现为回波轮廓形式的回波的第三阶段，功耗也明显地低于最大值。第二和第三阶段可以交换次序，也可以相互交错。
在功耗低的第二和第三阶段期间将电能缓存在例如电容器内使得在第一阶段期间功耗可以明显高于由双线控制回路设定的极限。在雷达料位传感器领域内最近的发展是力图使电子电路因此也就使整个设备小型化。另一方面，还希望信号灵敏度可以得到改善，以便即使在条件不适宜或测量距离大的情况下也能精确和可靠地检测容器内块状物料的反射。
可以通过在提高传输性能、延长发射脉冲的时间间隔、用低噪声放大器放大微波接收信号和/或增大扩展因子的情况下进行测量来获得较高的信号灵敏度。然而，对于这样一种得到改善的传感器的双线控制操作来说，问题是在测量的第一阶段期间功耗将显著上升。此外，由于回波轮廓扩展的增大和可能的测量范围增宽，在第一阶段内执行一次完整测量的时间间隔也将增大。虽然通过延长第二阶段来保证平均功耗不超过双线控制设定的极限从而可在第一测量阶段内提供较高的功率，但这需要存储较大的能量，因此与小型化有矛盾。可以将缩短第一测量阶段的方案除外，因为按照现有技术必需产生一个从闭路基准回波到需测量的最大距离的整个测量范围内的完整回波轮廓。如果需要测量范围大、扩展因子大，就需要比较长的时间间隔，在这个时间间隔期间必需没有任何间断地提供高的功率。
发明内容
本发明的一些实现可以包括以下一个或多个特色功能。按照本发明的一个方面，提供了一种用一个脉冲测量过程确定一个雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法。雷达传感器由一个也允许数据通信的双线控制回路和一个内部能量存储器提供能量。这个脉冲测量过程包括至少两个阶段，在第一阶段内产生一个回波轮廓，而在第二阶段内对回波轮廓进行分析，计算出距离。第一阶段，即测量阶段，至少中断一次，以通过双线控制回路对能量存储器再充电。
按照本发明的另一个方面，第一阶段包括至少两个分阶段，其中分别产生与分阶段相应的各个部分回波轮廓。在第一阶段期间需要比双线控制回路独自能提供的(例如4-20mA)大的电流。回波轮廓包括基准信号和回波信号，其中使用了一个定时器，以将所采样的采样信号的信号值存储在定时器读数所给定的各个存储单元内。
通过将传感器功耗最大的第一测量阶段再分为至少两个较短的分阶段，就能也用较小的能量存储器满足传感器在任何时间的功耗要求，因此允许进行双线控制操作。由于与整个第一阶段相比，一个分阶段的时间间隔较短，因此在这个分阶段内能量存储器的放电不那么严重。以后的特征为低功耗的第二以至第三阶段能对能量存储器进行再充电。现有技术中存在的不能中断测量的第一阶段的问题通过在每个分阶段开始时再产生恒定的基准回波来解决。
按照本发明的一个方面，为了产生部分回波轮廓，激活一个发射/接收单元，而在第一阶段中断时去活，其中中断的时刻选择成使能量存储器还没有完全放电，而中断的持续时间选择成使能量存储器可以充分充电到能再激活发射/接收单元。在中断期间，发射/接收单元处于待用模式。
如上面所提到的，按照本发明的另一个方面，在每个部分回波轮廓前，产生和存储一个基准脉冲，以定义一个对这些部分回波轮廓一致的时间基准点。本发明的另一个方面保证与每个部分回波轮廓同时产生和存储一个差分信号(differential signal)，用来定义一个对这些部分回波轮廓一致的时间基准点。按照本发明的另一个方面，将至少两个部分回波轮廓用它们各自的一致的时间基准点合并成一个总回波轮廓。按照本发明的又一个方面，传感器的总测量范围再分成至少两个部分测量范围，分别与各自的部分回波轮廓相应，其中第一阶段再分成两个分阶段，而每个分阶段与半个测量范围相应。
用作一致的时间基准点的基准回波通常可以从传感器的发射脉冲的前端得出，可以将在天线处反射或从天线耦合的部分发射脉冲用作基准回波。因此，它始终出现在需测量的物料的回波之前。在一种简单的情况下，可以将第一测量阶段分成为使第一分阶段包括基准回波以及到物料的距离例如从0m到20m的测量范围的回波的回波轮廓。这个回波轮廓应予以缓存。
在第二分阶段期间，首先产生和存储基准回波的回波轮廓；这个回波轮廓也应予以缓存。然后，中止对测量范围为20m以内的检测。在从20m(减去交叠区域)到例如40m的测量范围内，重新激活检测，以产生和存储第二部分回波轮廓。
按照本发明的一个方面，两个相邻的部分回波轮廓部分交叠，其中对交叠部分通过对各部分回波轮廓在交叠部分内的相重测量值取平均进行分析，即最终将两个所存储的包括从0到20m和从20m到40m两个范围的部分回波轮廓合并成在时间上对齐，使两个基准回波重合。所得到的总测量范围的回波轮廓含有为第一或第二部分轮廓(取决于测量范围)所存储的值和在两个部分轮廓在交叠区域内它们的平均值。
按照本发明的另一个方面，与每个部分回波轮廓同时产生和存储一个差分信号，以定义一个对这些部分回波轮廓一致的时间基准点。然后，根据通过将分别产生发射信号和采样信号的振荡器的信号混频而产生的差分信号合并这些部分回波轮廓。于是，就不需要再用基准回波信号来合并部分回波轮廓。合并部分回波轮廓的所有其他步骤与前面结合用基准回波信号作为一致的时间基准点所说明的方法相应。
本发明的另一个方面是定时器周期的持续时间与测量范围相应，容器内的料位根据所确定的距离计算。
本发明的又一个方面是提供了一种用一个脉冲测量过程确定距离的雷达传感器，这种雷达传感器配置有一个为雷达传感器提供能量的具有一个双线控制回路和一个内部能量存储器的供电单元，这种雷达传感器还包括一个发射/接收电路、一个频率控制单元和一个微控制器，其中微控制器控制能量存储器在脉冲测量过程的通过激活/去活发射/接收电路产生回波轮廓的第一阶段期间的电压，而第一阶段再分成至少两个分阶段。
按照本发明的另一个方面，雷达传感器的能量存储器是一个电容器或储能器，而双线控制回路提供在4-20mA范围内的电流。
在本发明的又一个方面，提供了一种用一个脉冲测量过程确定一个双线雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，这个脉冲测量过程包括至少两个阶段，第一阶段为产生一个回波轮廓的测量阶段，而第二阶段为根据从测量阶段取得的数据计算需确定的距离的分析阶段，其中第一阶段包括下列步骤激活一个发射/接收电路；通过产生一个基准脉冲来产生和存储一个时间基准点；产生和存储回波轮廓的在第一阶段的与传感器的第一测量范围相应的第一部分轮廓；对发射/接收电路去活直到能量存储器得到至少部分再充电；激活发射/接收电路；通过产生基准脉冲来产生和存储时间基准点；产生和存储回波轮廓的与传感器的第二部分测量范围相应的第二部分轮廓；对发射/接收电路去活直到传感器的能量存储器得到至少部分再充电。
在本发明的另一个方面，这种方法的第二阶段包括下列步骤将两个部分回波轮廓用各自的时间基准点合并成一个覆盖整个测量范围的总回波轮廓；用一个微控制器按基准脉冲评估回波的往返时间，计算传感器与物料反射表面之间的距离。
在本发明的另一个方面，所述部分回波轮廓在相互邻接的区域交叠，从而对交叠部分内彼此对应的测量值进行平均。
在本发明的又一个方面，提供了一种用一个脉冲测量过程确定一个双线雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，这个脉冲测量过程包括至少两个阶段，第一个阶段为产生一个回波轮廓的测量阶段，而第二阶段为根据从测量阶段取得的数据计算需确定的距离的分析阶段，其中第一个阶段包括下列步骤激活发射/接收电路；用一个微控制器产生、验证和存储一个差分信号，这个差分信号的频率对应于一个产生发射脉冲的振荡器与一个产生采样脉冲的振荡器的频率之差；产生和存储一个基准脉冲和一个第一部分回波轮廓，与传感器的一个第一部分测量范围相应；对发射/接收电路去活直到为发射/接收电路提供能量的能量存储器得到至少部分再充电；用控制器验证差分信号；产生和存储一个与传感器的一个第二部分测量范围相应的第二部分回波轮廓。
在本发明的又一个方面，这种方法的第二阶段包括下列步骤将各个部分回波轮廓用各自的差分信号合并成一个覆盖整个测量范围的总回波轮廓；用微控制器按基准脉冲确定回波的往返时间，计算传感器与物料反射表面之间的距离。
本发明的方法的另一个方面是这些部分回波轮廓在相互邻接的区域交叠，从而对交叠部分内的彼此对应的测量值进行平均。用差分信号的一个沿作为一个相应部分回波轮廓开始的基准点。
按照本发明的再一个方面，提供了一种用一个脉冲测量过程确定一个雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，这个雷达传感器由一个也允许数据通信的双线控制回路和一个内部能量存储器提供能量，其中所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，在第一阶段内产生一个回波轮廓，而在第二阶段内对回波轮廓进行分析，根据测量取得的数据计算需确定的距离；第一阶段至少中断一次，以对能量存储器再充电；第一阶段包括至少两个较短的产生各自的部分回波轮廓的分阶段；在第一阶段期间需要比双线控制回路能提供的更多的能量；以及与每个部分回波轮廓一起产生一个一致的时间基准点。
按照本发明的另一个方面，包括一个基准脉冲的第一部分回波轮廓受到第一放大，而包括需测量的物料表面反射脉冲的第二部分回波轮廓受到第二放大，其中第二增益大于第一增益。
本发明的又一个方面是提供了一种用一个脉冲测量过程确定距离的雷达传感器，这种雷达传感器配置有一个为雷达传感器提供能量的具有一个双线控制回路和一个内部能量存储器的供电单元，这种雷达传感器还包括一个微控制器，这个微控制器控制能量存储器在脉冲测量过程的一个通过激活/去活发射/接收电路来产生回波轮廓和至少中断一次以对能量存储器再充电的第一个阶段期间的电压。能量存储器可以是一个电容器或储能器，而双线控制回路提供在4-20mA范围内的电流。
雷达传感器包括混频装置，连接成将频率控制单元内的一个产生发射脉冲的第一振荡器的输出与频率控制单元内的一个产生采样脉冲的第二振荡器的输出进行混频，以产生一个差分信号。
下面将结合附图举例说明本发明的一些典型实施例，在这些附图中图1为用来对一个容器内的物料进行料位检测的双线雷达传感器的方框图；图2为图1所示传感器的回波轮廓和差分频率信号的时序图；图3为按照现有技术进行工作的图1所示传感器内各信号的时序图；图4为按照本发明的方法进行工作的图1所示传感器内各信号的时序图；图5为说明将图4的两个部分回波轮廓合并成一个总回波轮廓的时序图；图6为按照本发明的方法进行工作的图1所示传感器内各个信号的时序图；图7为说明将图6所示的两个部分回波轮廓合并成一个总回波轮廓的时序图；以及图8为说明在合并经不同增益放大的局部回波轮廓时按照图6所示的操作应用本发明的方法的时序图。
具体实施例方式
图1示出了基本上在现有技术中已知的确定容器内料位的雷达传感器的方框图。有一个稳定的振荡器1，例如石英振荡器，产生发射时钟脉冲，通过一个斜坡陡峭脉冲形成器2触发一个微波脉冲产生器3，产生发射脉冲。经带通滤波器4的滤波和放大器5的放大后，发射脉冲由定向耦合器6引导至天线7。接收到反射的发射脉冲后，接收脉冲由天线7通过定向耦合器6耦合给放大器8(低噪声放大器)。
可调振荡器9，例如也是石英振荡器，产生采样时钟脉冲，通过脉冲形成器10触发一个微波脉冲产生器11。这些微波采样脉冲通过带通滤波器12引导至混频器13的一个输入端。混频器13的另一个输入端上加有经放大的接收信号。通过已知的采样过程，在混频器13的输出端上产生一个IF回波轮廓，它是接收信号的得到扩展的拷贝。由于定向耦合器的隔离并非理想，微波脉冲产生器产生的发射脉冲部分直接耦合给放大器8，因此耦合给接收支路而不是天线。
这部分发射信号，实际上是泄漏引起的，可以用作所谓的基准脉冲，标记距离零点。振荡器1和9应有一个微小的恒定频率偏移，以保证用采样信号对接收信号进行顺序采样。为此，在混频器14内从两个振荡信号中产生一个差分信号15。这个频率确切的与两个振荡器1和9的频率差相应的差分信号送至微控制器16的模拟和数字输入/输出接口17。
接口17可以包括输入/输出端口、A/D变换器和D/A变换器。微控制器16通过接口启用，确定差分信号15的频率，例如使差分信号的沿启动微控制器的一个内部定时器和在这个周期过去后停止内部定时器。微控制器将这个周期的持续时间与一个先前确定的设定值相比较，通过接口输出一个从设定值与测得值之差得出的频率调谐信号18。这个频率调谐信号18使振荡器的频率偏移成使设定值与测得的差频之差尽可能小。
为了完全起见，要提到的是，振荡器1和9通常都可以是用调制器19调制的，以抑制例如外部干扰信号和往返时间大于发射时钟脉冲的持续时间的回波信号。混频器13产生的经扩展的回波轮廓经IF放大器20放大后送至接收机21。怎样构成这样一个接收机21是熟悉该技术的人员众所周知的，因此，在这里不再详细说明。应该指出的只是，接收机21可以包括放大器、滤波器、对数计算装置和轮廓检波器。接收机的输出信号37，例如作为回波轮廓的一个对数化轮廓信号提供的，由A/D变换器22数字化后通过接口17发送给微控制器16，由微控制器16存储在存储器23内。在测量周期的第一阶段内完整地存储在存储器内的数字化回波轮廓由微控制器在下一阶段内分析。
这意味着微控制器识别在回波轮廓内的各个回波，对它们进行相互评估，以最终识别由于在需测量的物料的表面反射而产生的回波本身，再对它的往返时间进行测量。测量往返时间要参照上面所提到的基准脉冲。从此得出的回波往返时间的值可以用来计算传感器与需测量的物料表面之间的距离，或用事先已知的容器高度计算出容器内的料位。
这信息可以通过接口17在显示器24上显示和/或可以分别通过数字接口25或模拟接口26、26′输出。双线线路27不只是发送有关料位的信息，而且还以已知的方式向传感器提供能量。信息的模拟输出例如基于已知的4...20mA电流信号的标准。由数字接口调制的数字信息不仅提供料位信息，而且还可以用来在传感器与监控室或初级过程控制单元(未示出)之间进行双向通信。
通过双线控制线27为传感器提供的能量在供电单元28内由DC/DC变换器29作为受控输出电压30、31、32提供给传感器的各个组件。以便在功耗大的阶段提供足够的功率，在功耗低的阶段将能量存储在一个能量存储器32内。能量存储器32可以是一个电容器，从而所存储的能量与容量和充电电压的平方成正比。能量存储器在功耗大的阶段期间不能完全放电，否则DC/DC变换器的输入电压会下降为零。要提取的实际能量取决于充电电压的最终值与使DC/DC变换器29仍然可以保持对它的输出电压的控制的电压之差。
这两个电压值之差越大，可提取的能量越多(呈平方关系)。因此，能量存储器应配置在DC/DC变换器的输入端而不是它的输出端。变换器能控制在输入端上大范围的电压改变，而使在它的输出端上由于能量存储器放电而引起的电压改变仅在可容许的小范围内，从而使得到所提供的能量的组件可以在它们的给定电压范围内进行工作。
为高功耗的耗电负载配置了在某些阶段期间中断供电的电路以节约能量。在图1中，这例示为开关33，它能中断通过馈线31对组成发射/接收电路34的组件的供电。这由控制线35控制，而控制线35又受微控制器16通过它的接口17的控制。另一种可能(未示出)是，为了节约能量可以通过馈线30内的一个开关对频率控制单元36去活。然而，这个组件可以用非常节能的方式构成，因此如果不被中断的话可以进行更为可靠的对频率差的控制，所以它应该连续工作而没有任何间断。微控制器及其外围的电路单元可以由控制器本身切换成节能的待用模式，这就是为什么在馈线32内不需要开关的原因。
在图2中，信号37的行程用来例示在接收机21的输出端可以看到的对数化回波轮廓。它始终包括如上面所说明的基准脉冲38和容器内物料的反射，可能还有一些可能是容器内干扰反射的回波39至42。在过去一段由发射时钟和扩展因子预定的限制传感器的最大测量范围的时间后，这个回波轮廓重复出现。通过确定从基准脉冲38开始的回波往返时间，就可以确定传感器与有关反射表面之间的距离。显然，如果没有基准脉冲38，就只能确定反射39至42之间的相互距离，而不是它们至传感器的距离。由于往返时间是相对基准脉冲测量的，因此在现有技术中始终需要产生和存储在一个测量周期内从基准脉冲开始到最大测量距离结束的完整回波轮廓而没有任何间断。
与产生回波轮廓37同时，由混频器14产生持续时间与回波轮廓37相同的差分信号15。熟悉该技术的人员众所周知的是，将混频装置设计成使差分信号具有陡峭的沿43和44。这两个沿之一，即沿43，通常出现在基准脉冲之前，表示重合，即两个振荡器1和9的相位一致。第二沿44的时间位置取决于混频器14的工作模式。
图3示出了在雷达传感器内从t1开始到t5结束重复的一个测量周期内出现的各个信号。曲线A示出了开关33的开关对发射/接收单元34供电的控制信号35。在t1到t2的第一阶段内，接通供电，产生、检测和存储包括基准脉冲38和回波39至42的回波轮廓37。曲线B例示了所关联的差分信号15。曲线D示出了可以将微控制器及其外围切换到待用模式的微控制器的内部信号。在第一阶段期间，微控制器不处在待用模式。曲线E示出了能量存储器32(即电容器32)的充电电压。在测量周期开始时，充电电压处在最大值Umax。在第一阶段期间，传感器的功耗高度增大，电容器连续放电直到它到达电压Umin。
这是为什么在t2到t3之间有一段间断，在这段间断期间使微控制器16和发射/接收单元34去活或处在待用模式。这样，电容器32上的电压就重新上升。在一定的时刻t3，第三阶段开始，微控制器16重新激活，对回波轮廓进行分析，确定料位值。然而，在t4，可以开始另一个阶段，在这个阶段内，微控制器处在待用模式，从而使电容器能重新达到它的最大充电电压Umax。代替所示的顺序，阶段2和3也可以在时序上交换或者相互交错。然而，按照流行的现有技术，第一阶段由于上面所提到的原因而不能中断。这导致电压由于电容器32的存储容量有限、发射/接收单元34的功耗高和由于扩展因子大而造成的t1到t2之间的持续时间长而降低到一个使DC/DC变换器不再能保持它的输出电压的值。因此，按照这种现有技术，传感器的双线操作是不可能的。
图4按相同的顺序示出了与图3相同的信号，然而在它们时序上按照本发明作了修改。这里，第一阶段再分成两个或更多个分阶段，由一些间断中断。第一分阶段在测量周期开始时刻t1′开始，持续到t2′。在这段时间期间，发射/接收单元34和微控制器16激活。与图3相比，这段时间减小了一半。部分回波轮廓45含有具有基准脉冲38和两个回波39和40的半个测量范围。电容器32上的电压从开始的最高电压Umax下降到值Umin′。然而，Umin′明显高于图3中所示的值Umin。此后这段间断一直延续到t3′，第二分阶段开始，延续到t6′结束。在t4′到t5′之间再次中断。在t3′到t4′这段时间内，发射/接收单元34激活，从而产生和存储基准脉冲38。此后，单元34去活以再节约能量，直到大约为回波轮廓内测量范围的一半的t5′。从这个时刻t5′直到t6′，产生和存储表示后半个测量范围的部分回波轮廓46。因此，电容器32上的电压重新下降到Umin′。在t6′到t7′之间，另一个间断中断了这个周期，在这段时间内微控制器16执行回波分析。
在图5中，例示了按照以上所说明的方式产生的部分回波轮廓45、46。这两个部分回波轮廓都含有基准脉冲38。此外，部分回波轮廓45包括从测量范围开始处开始的半个测量范围内的回波信号。部分回波轮廓46含有另半个测量范围内的回波信号。也可以采用两个部分回波轮廓在测量范围的中间有一定交叠，而对出现在重叠区内的相重值进行平均。
由于部分轮廓45、46各有一个呈现为基准脉冲38的不模糊的时间基准点，因此可以估计往返时间和确定反射体相对传感器位置的距离。两个部分轮廓可以合并成一个总回波轮廓，如图5所示。为此，将检测到的各个部分回波轮廓的所有的点相对基准脉冲38按共同的时序对齐。在部分回波轮廓的表示相同的测量距离的点所在的交叠部分，例如可以用这些点的平均值。然后，可以用已知方式对因此确定的总回波轮廓进行分析。
在图6中，信号的行程基本上与图4中所示的相应，但在时刻t3′到t4′之间不激活发射/接收单元34，因此没有基准脉冲38产生。为了能按共同的时间基准将两个部分轮廓合并成一个总回波轮廓，利用了与每个部分轮廓同时产生的差分信号15。
这种情况示于图7，图中示出了两个部分回波轮廓和在时序上所关联的差分信号15。差分信号15的沿431表示具有基准脉冲和回波39和40的第一部分轮廓的开始。沿432表示包括回波41和42的第二部分轮廓的开始。通过按时序引用沿431和432后的部分回波轮廓内检测到的所有的点和建立一个共同次序，就可以得出作为两个部分回波轮廓的组合的总回波轮廓，如图7中最下面的所示。
微控制器在一个完整的测量周期中可以例如执行以下这些步骤来确定料位微控制器16启动测量周期，通过它的接口17激活发射/接收单元34(t1′，图6)和验证差分信号15的输入。在微控制器16检测到上升沿431的情况下，它启动一个内部定时器，在每个增量驱使A/D变换器对回波轮廓37执行A/D变换和将采样值存储在由定时计数器读数预先确定的存储单元内。在预定的最大测量范围为例如80m和在变换时定时器周期与反射体距离每改变1cm相应的情况下，定时器会数到一个值，例如4100，因此检测和存储在距离41m内的回波轮廓的值。为了简化起见，存储单元可以具有与定时器值相应的地址1至4100。
然后，控制器16启动第二阶段，对发送/控制单元34去活。在这个阶段，控制器也处在待用模式，能量再次存储在电容器32上，对它再充电。在t3′存储了足以启动一个新的发射和接收阶段的能量的情况下，微控制器16不再保持在待用模式，将验证差分信号15，检测是否存在上升沿432。出现这个沿时重新启动定时器，开始以与以上相同的周期进行计数。在定时器值为4000时，控制器16激活发射/接收单元34，启动A/D变换，将回波轮廓值分别存储在与定时器值相应的存储单元内。由于存储单元4000至4100已经含有数字采样值，将这些值与在第二分阶段检测到的值平均后，将所得到的平均值作为新的值存储在相应存储单元内。
在计数值达到表示最大测量距离80m的8000时，发射/接收阶段终止(时刻t6′)，在又一个中断期间再存储能量，能量存储器32得到再充电。此后，微处理器可以用存储单元1至8000内的在80m测量距离上的完整回波轮廓进行分析。可以确定需测量的物料的回波相对基准脉冲的时距，从而计算出传感器与物料之间的距离。如果容器高度已知就可以计算出容器内的料位。于是这个测量周期结束，在再存储了足够的能量时，启动一个新的测量周期。
业已看到，沿43很适合按正确的时序合并两个或更多个部分回波轮廓。
本发明的方法还可以用于进行大动态范围的处理和在接收通路内使用不同增益的料位检测雷达传感器。因此，对于相同的测量距离产生具有不同回波振幅的不同回波轮廓。由于基准脉冲大多具有较大的振幅而来自容器的回波比较小，因此应用本发明的方法激活发射/接收单元34但在基准脉冲出现时只存储非常短的一段时间的基准脉冲就足够了，从而节约了能量。
图8例示了这样的一个程序。在第一分阶段，控制信号35使得产生和存储回波轮廓的包括基准脉冲的一个很短的部分。如在图7中的那样，沿431用作时间基准点。在由沿432触发的第二分阶段，产生和存储总回波轮廓和只是它的一个部分。增益改变成使最小的回波也是可见的。然而，基准脉冲因此受到过度放大，振幅饱和而失真，因此不再适合作为基准点。通过将部分轮廓根据它们的基准点431和432合并在一起，就可以得出包括得到过度放大的基准脉冲和得到充分放大的来自容器的回波的总回波轮廓，而不需要用两个增益设置来取得两个完整的回波轮廓。
以下权利要求书所给出的专利保护范围涵盖了其他一些实施方式。
权利要求
1.一种用一个脉冲测量过程确定一个雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，所述雷达传感器由一个也允许数据通信的双线控制回路(27)和一个内部能量存储器(32)提供能量，由此所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，在第一阶段产生一个回波轮廓，而在第二阶段对回波轮廓进行分析，计算出距离；所述第一阶段至少中断一次，以通过双线控制回路(27)对能量存储器(32)再充电。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述第一阶段包括至少两个分阶段，分别产生与分阶段相应的各个部分回波轮廓(45，46)。
3.按照权利要求1所述的方法，其中在所述第一阶段期间需要比双线控制回路(27)能提供的大的功率。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述双线控制回路(27)提供4-20mA的电流。
5.按照权利要求1或2所述的方法，其中在产生每个部分回波轮廓(45，46)前，产生和存储一个基准脉冲(38)，以定义一个对这些部分回波轮廓(45，46)一致的时间基准点。
6.按照权利要求1或2所述的方法，其中与每个部分回波轮廓(45，46)同时产生和存储一个差分信号(431，432)，以定义一个对这些部分回波轮廓(45，46)一致的时间基准点。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其中所述至少两个部分回波轮廓(45 46)用它们各自的一致时间基准点组合成一个总回波轮廓。
8.按照以上权利要求之一所述的方法，其中所述传感器的总测量范围再分成至少两个部分测量范围，分别与各自的部分回波轮廓相应。
9.按照以上权利要求之一所述的方法，其中所述第一阶段再分成两个分阶段，每个分阶段与半个测量范围相应。
10.按照以上权利要求之一所述的方法，其中为了产生部分回波轮廓(45，46)，激活所述传感器的一个发射/接收单元(34)，而在第一阶段中断时去活；中断的时刻被选择成使能量存储器(32)没有完全放电；而中断的持续时间选择成使能量存储器(32)得到足以能再激活发射/接收单元(34)的充分充电。
11.按照权利要求10所述的方法，其中所述发射/接收单元(34)在中断期间处在待用模式。
12.按照以上权利要求之一所述的方法，其中两个相邻的部分回波轮廓(45，46)部分交叠；对于交叠部分通过对各部分回波轮廓(45，46)在交叠部分内的相重测量值取平均进行分析。
13.按照以上权利要求之一所述的方法，其中对回波轮廓的分析由一个微控制器(16)执行。
14.按照以上权利要求之一所述的方法，其中所述回波轮廓包括基准信号(38)和回波信号(39，40，41，42)；利用一个定时器，所采样的回波轮廓(38，39，40，41，42)的信号值存储在由定时器读数给定的各个存储单元内。
15.按照以上权利要求之一所述的方法，其中在一个容器内的料位根据所确定的距离计算。
16.一种用一个脉冲测量过程确定一个双线雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，第一阶段为产生一个回波轮廓的测量阶段，而第二阶段为根据从测量阶段取得的数据计算需确定的距离的分析阶段，所述第一阶段包括下列步骤激活一个发射/接收电路(34)；通过产生一个基准脉冲(38)来产生和存储一个时间基准点；产生和存储回波轮廓的在第一阶段的与传感器的第一测量范围相应的第一部分轮廓(45)；对发射/接收电路(34)去活直到能量存储器(32)得到至少部分再充电；激活发射/接收电路(34)；通过产生的基准脉冲(38)来产生和存储时间基准点；产生和存储回波轮廓的与传感器的第二部分测量范围相应的第二部分轮廓(46)；对发射/接收电路(34)去活直到传感器的能量存储器(32)得到至少部分再充电。
17.按照权利要求16所述的方法，其中所述第二阶段包括下列步骤将两个部分回波轮廓(45，46)利用各自的时间基准点(38)组合成一个覆盖整个测量范围的总回波轮廓；利用一个微控制器(16)按基准脉冲(38)评估回波的往返时间，计算传感器与物料反射表面之间的距离。
18.按照权利要求16或17所述的方法，其中所述部分回波轮廓(45，46)在相互邻接的区域交叠；对交叠部分内彼此对应的各测量值进行平均。
19.一种用一个脉冲测量过程确定一个双线雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，第一阶段为产生一个回波轮廓的测量阶段，而第二阶段为根据从测量阶段取得的数据计算需确定的距离的分析阶段，所述第一阶段包括下列步骤激活发射/接收电路(34)；用一个微控制器(16)产生、验证和存储一个差分信号(431)，所述差分信号(431)的频率对应于一个产生发射脉冲的振荡器(1)和一个产生采样脉冲的振荡器(9)的频率之差；产生和存储一个基准脉冲和一个第一部分回波轮廓(45)，与传感器的一个第一部分测量范围对应；对发射/接收电路(34)去活直到为发射/接收电路(34)提供能量的能量存储器(32)得到至少部分再充电；用控制器(16)验证差分信号(432)；产生和存储一个与传感器的一个第二部分测量范围相对应的第二部分回波轮廓(46)。
20.按照权利要求19所述的方法，其中所述第二阶段包括下列步骤将各个部分回波轮廓(44，45)利用各自的差分信号(431，432)组合成一个覆盖整个测量范围的总回波轮廓；用微控制器(16)按基准脉冲(38)确定回波的往返时间，计算传感器与物料反射表面之间的距离。
21.按照权利要求19或20所述的方法，其中所述部分回波轮廓(44，45)在相互邻接的区域交叠；对交叠部分内的彼此对应的测量值进行平均。
22.按照权利要求19-21中的一个权利要求所述的方法，其中所述差分信号(431，432)具有一个上升沿，用作一个相应部分回波轮廓(44，45)开始的基准点。
23.一种利用一个脉冲测量过程确定距离的雷达传感器，所述雷达传感器配置有一个为雷达传感器提供能量的具有一个双线控制回路(27)和一个内部能量存储器(32)的供电单元(28)，所述雷达传感器还包括一个微控制器(16)，所述微控制器(16)控制能量存储器(32)在脉冲测量过程的一个第一阶段期间的电压，在该第一阶段中，通过激活/去活发射/接收电路(34)和至少中断一次以对能量存储器(32)再充电来产生回波轮廓。
24.按照权利要求23所述的雷达传感器，其中所述能量存储器(32)是一个电容器或储能器；以及双线控制回路(27)提供在4-20mA范围内的电流。
25.按照权利要求23或24所述的雷达传感器，所述雷达传感器还包括混频装置(14)，连接成将频率控制单元(36)内的一个产生发射脉冲的第一振荡器(1)的输出与频率控制单元(36)内一个产生采样脉冲的第二振荡器(9)的输出进行混频，以产生一个差分信号。
26.一种用一个脉冲测量过程确定一个雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，所述雷达传感器由一个也允许数据通信的双线控制回路(27)和一个内部能量存储器(32)提供能量，所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，在第一阶段产生一个回波轮廓，而在第二阶段对回波轮廓进行分析，根据测量取得的数据计算需确定的距离；所述第一阶段至少中断一次，以对能量存储器(32)再充电；所述第一阶段包括至少两个较短的产生各自的部分回波轮廓(44，45)的分阶段；在第一阶段期间需要比双线控制回路(27)能提供的大的功率；以及对于每个部分回波轮廓产生一个一致的时间基准点。
27.按照权利要求26所述的方法，其中受到第一放大的第一部分回波轮廓包括一个基准脉冲，而受到第二放大的第二部分回波轮廓包括需测量的物料表面反射脉冲；所述第二增益大于所述第一增益。
全文摘要
本发明提出了一种用一个脉冲测量过程确定一个雷达传感器与一个物料反射表面之间的距离的方法，所述雷达传感器由一个也允许数据通信的双线控制回路(27)和一个内部能量存储器(32)提供能量，其中所述脉冲测量过程包括至少两个阶段，在第一阶段产生一个回波轮廓，而在第二阶段对回波轮廓进行分析，计算出所述距离；所述第一阶段至少中断一次，以通过双线控制回路(27)对能量存储器(32)再充电。此外，本发明还提出了一种用一个脉冲测量过程确定距离的雷达传感器，所述雷达传感器配置有一个为雷达传感器提供能量的具有一个双线控制回路(27)和一个内部能量存储器(32)的供电单元(28)，所述雷达传感器还包括一个微控制器(16)，所述微控制器(16)控制能量存储器(32)在脉冲测量过程的一个通过激活/去活发射/接收电路(34)来产生回波轮廓和至少中断一次以对能量存储器(32)再充电的第一阶段期间的电压。
文档编号G01S13/08GK1654930SQ20051000914
公开日2005年8月17日 申请日期2005年2月3日 优先权日2004年2月4日
发明者卡尔·格利斯巴姆, 温弗雷德·劳尔, 约瑟夫·费伦巴赫 申请人:Vega格里沙贝两合公司