雷达物位计系统的制作方法

本实用新型涉及雷达物位计系统。

背景技术：

雷达物位计广泛用于对储罐中的产品的填充物位进行测量。通常，通过朝向储罐中的产品传播电磁发射信号并接收由发射信号在产品表面处的反射而产生的电磁表面反射信号来执行雷达物位测定。

发射的电磁信号可以朝向储罐中的产品辐射，或者可以通过传输线探针朝向产品引导并引导到产品中。后者通常被称为导波雷达(gwr)。

基于发射信号和表面反射信号，可以确定距产品的表面的距离。可以根据该距离推断出填充物位。

雷达物位计通常被分类为脉冲系统或fmcw系统。在脉冲系统中，朝向产品的表面发射脉冲，并且基于脉冲到表面并返回至雷达物位计的飞行时间来确定距表面的距离。在fmcw系统中，朝向表面发射具有时变频率的信号，并且基于发射信号与同时接收到的信号之间的频率(和/或相位)差来确定该距离。也存在所谓的脉冲fmcw系统。

在某些情况下，雷达物位计用于雷达物位计的故障可能导致危险状况的应用。

例如，具有防溢功能的雷达物位计必须非常可靠。

采取各种措施以确保雷达物位计的可靠性，尤其是具有防溢功能的雷达物位计的可靠性，从而降低诸如溢出的危险状况的风险。例如，雷达物位计和其他重要设备可以被设计成满足由国际标准iec/en61508定义的特定的安全完整性级别(sil)。根据该标准，安全相关系统可以满足从sil1至sil4的不同安全完整性级别的要求，其中sil4代表最高安全完整性级别，以及sil1代表最低安全完整性级别。

系统的sil评级与按需故障概率有关，而按需故障概率又是故障率与验证测试之间的时间的函数。为了保持一定的sil等级，因此需要以根据sil等级指定的规则间隔执行验证测试。例如，可能需要每年执行验证测试。

验证测试通常由sil评级系统的制造商指定，并且系统的用户有责任正确地进行验证测试。

最真实的验证测试是将储罐填充至其高物位警报界线，这将触发高物位警报(这是安全仪表功能sif)，然后证明它起作用。然而，该过程通常非常不切实际，并且还可能与安全风险有关。验证测试的另一方式是在储罐中在高物位警报界线处添加参考反射器。然后，雷达物位计可以使用从参考反射器产生的回波作为参考并对其进行测量，以证明如果实际产品物位处于储罐中的相同位置，则警报将按预期工作。这将产生足够的验证测试覆盖率，以在sif任务时间内正常保持sil等级。该方法在us9325077中进行了描述。

使用参考反射器执行验证测试是不错的解决方案，避免了实际上将储罐填充至高物位警报界线的缺点。然而，在某些情况下，可能不期望或难以安装参考反射器套件作为改进安装。

技术实现要素：

鉴于上述情况，因此期望提供一种替选的验证测试方法，该验证测试方法可以更容易地实现，尤其是在改进的情况下。

本实用新型基于以下认识：通过将验证测试回波信息添加至由雷达物位计系统形成的测量信号，可以实现可靠的验证测试，其不需要提供通常不期望的高达高物位警报界线的产品并且不需要在储罐内安装额外的硬件。换句话说，在雷达物位计系统的测量链中添加合成的验证测试物位表示，诸如信号。本实用新型的实施方式允许对雷达物位计系统的、除了可能的信号传播装置(天线或探针)和收发器的部分之外的所有部分进行验证测试。由于验证测试回波信息被添加至测量表示而不是替换测量表示，因此可以基于修改后的测量表示、通过定期确定储罐中的产品的填充物位来验证信号传播装置和收发器的大部分功能。

对于雷达物位计系统中的模拟输出接口，填充物位可以作为4ma与20ma之间的电流进行传送。高物位警报界线可以与该范围内的电流对应。替选地，可以在雷达物位计处设置高物位警报界线，雷达物位计然后可以被配置成用例如21.75ma的警报电流(4ma至20ma的范围外的电流)传达溢出状况。

在许多现场应用中，提供了数字通信链路。这将提供针对当前操作条件传达若干指示的可能性。例如，警报和确定的填充物位可以彼此独立地被传送。

根据本实用新型的一方面，提供了一种用于确定储罐中的产品的填充物位的雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：用于产生、发射和接收电磁信号的收发器；信号传播装置，其连接至收发器，并且被布置成朝向储罐中的产品传播来自收发器的电磁发射信号，并将由电磁发射信号在产品的表面处的反射产生的电磁反射信号返回至收发器；以及测量表示形成电路，其用于基于电磁发射信号和电磁反射信号形成测量表示，该测量表示包括指示产品的填充物位的表面回波信息；验证测试回波信息添加电路，其用于将指示预定义的验证测试物位的验证测试回波信息添加至测量表示，从而产生修改后的测量表示；以及物位确定电路，其耦接至收发器并且被配置成基于修改后的测量表示来确定验证测试物位。

储罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且可以是金属的或者部分金属的或完全非金属的，开口的、半开口的或者封闭的。

“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分离的发射器单元和接收器单元的系统。

测量表示形成电路、验证测试回波信息添加电路和物位确定电路中的一个或多个可以作为分离的设备或作为单个设备被提供，并且可以通过硬件、软件或其组合来实现。

信号传播装置可以是能够传播电磁发射信号的任何装置。例如，信号传播装置可以包括天线或传输线探针。

在各种实施方式中，可以在填充物位测量状态与验证测试状态之间对雷达物位计系统进行控制。在验证测试状态下，物位确定电路可以被配置成：基于修改后的测量表示来确定验证测试物位；并且提供指示验证测试物位的信号，以允许基于验证测试物位确定验证测试结果。

在填充物位测量状态下，物位确定电路可以被配置成：基于测量表示确定储罐中的产品的填充物位；以及提供指示填充物位的信号。

此外，有利地，根据本实用新型的多种实施方式的雷达物位计可以包括在填充物位测量系统中，填充物位测量系统还包括接收来自雷达物位计的测量信号的主机系统。

附图说明

现在将参考示出本实用新型的当前优选实施方式的附图来更详细地描述本实用新型的这些和其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了包括根据本实用新型实施方式的雷达物位计系统和主机系统的填充物位测量系统；

图2是图1中的雷达物位计系统的放大视图；

图3a是根据本实用新型的第一示例实施方式的雷达物位计系统的部分示意性框图；

图3b是根据本实用新型的第二示例实施方式的雷达物位计系统的部分示意性框图；

图4是示意性地示出了示例方法的流程图；

图5是示出雷达物位计系统的填充物位测量状态的示例性回波曲线的图；以及

图6是示出雷达物位计系统的验证测试状态的示例性回波曲线的图。

具体实施方式

在本详细描述中，参考具有辐射天线的fmcw(调频连续波)类型的雷达物位计系统来主要讨论根据本实用新型的各方面的雷达物位计系统和方法的各种实施方式。应当注意，这并未限制本实用新型的范围，本实用新型的范围由所附的各组权利要求来限定，并且同样良好地例如包括脉冲型雷达物位计系统或具有其他信号传播装置的雷达物位计系统，其他信号传播装置包括例如其他类型的辐射天线或各种探针。

图1示意性地示出了物位测量系统1，其包括根据本实用新型的示例实施方式的雷达物位计系统2和被示为控制室的主机系统10。

安装有雷达物位计系统2以对储罐4中容纳的产品3的填充物位进行测量。雷达物位计系统2包括测量单元6和信号传播装置，这里，信号传播装置为抛物面天线7的形式。在图1中示出了验证测试物位lpt，其可以对应于或者高于物位测量系统1的高物位警报界线。

在图1中还可以看出，储罐4可以配备有附加的雷达物位计系统15，雷达物位计系统15可以用于确定储罐4中的产品3的填充物位ls。如果雷达物位计系统2包括两个分开的测量通道，则也可以使用所谓的二合一解决方案，从而有效地使两个雷达物位计共享同一天线7。

另外，储罐4被示为包括检查口(inspectionhatch)16，该检查口16允许进入储罐4的内部以使得能够例如把手浸入以人工地确定填充物位ls。

图1中的雷达物位计系统2被配置成允许填充物位测量系统1的操作者对雷达物位计2本身以及对作为整体的填充物位测量系统1执行可靠的验证测试。

如图2中示意性地示出，雷达物位计系统2的测量单元6包括收发器17、处理电路19、通信接口21和通信天线23。

收发器17被配置成产生、发射和接收电磁信号，处理电路19连接至收发器17并且被配置成基于作为电磁发射信号st在产品3的表面11处的反射的、接收到的电磁反射信号sr来确定产品3的填充物位ls，以及通信接口21耦接至处理电路19并且被配置成允许与主机系统10通信。在图2的示例实施方式中，雷达物位计2与主机系统10之间的通信被表示为无线通信。替选地，通信可以例如通过模拟和/或数字有线通信信道发生。例如，通信通道可以是双线4-20ma回路，并且填充物位可以通过在双线4-20ma回路上提供对应于填充物位的特定电流来传达。也可以使用hart协议来在这样的4-20ma回路上发送数字数据。此外，可以使用诸如modbus或者基金会现场总线(foundationfieldbus)的纯数字通信协议。

图3a是根据本实用新型的第一示例实施方式的雷达物位计系统的部分示意性框图。参照图3a，该框图示出了包括图2中的收发器17和测量处理器19的测量通道。

收发器17在此处被示为包括由阶梯信号发生器27驱动的微波源25，阶梯信号发生器27又由测量处理器19中包括的定时电路29控制。微波源25经由功率分配器31连接至天线7。功率分配器31被布置成将来自天线7的反射信号连接至混频器33，混频器33也被连接以接收来自微波源25的信号。混频器的输出连接至低通滤波器35和放大器37。

除了上述定时电路29之外，此处的测量处理器19还包括采样器39，采样器39被配置成接收混频器33输出的、经低通滤波器35低通滤波的且经放大器37放大的测量信号sm(这种测量信号通常被称为中频信号)并且对其进行采样。测量信号sm是基于发射信号st和反射信号sr来形成的，并且包括指示储罐4中的产品3的填充物位ls的表面回波信息(发射信号与反射信号之间的频率差)。

采样器39可以例如包括与a/d转换器结合的采样保持电路，或者被实现为σ-δ(sigma-delta)转换器。采样器39可以由定时电路29控制以与发射信号st同步。在图3a所示的实施方式中，测量处理器19还包括验证测试回波信息添加电路40、信号处理器41、存储器43和物位确定器45。

虽然收发器17的元件典型地用硬件来实现，并且构成通常被称为微波单元的集成单元的一部分，但是测量处理器19的至少一些部分通常可以通过嵌入式处理器执行的软件模块来实现。本实用新型不限于该特定实现，并且可以预期被发现适合实现本文描述的功能的任何实现方式。

参照图3a，定时电路29经由阶梯信号发生器27控制微波源25以形成发射信号st。发射信号st可以以多个离散且彼此不同的频率的时间序列的形式来提供。

反射信号sr由发射信号st在阻抗不连续处(包括图1中所示的表面11)的反射产生。由于从雷达物位计系统到不同的阻抗不连续处并返回的飞行时间，反射信号sr是发射信号st的延迟副本，其中，反射信号sr的从不同的阻抗不连续处反射的部分与发射信号st相比将呈现出不同的相位差。此外，相位差将随着发射的离散频率的变化而逐步地变化。

通过在混频器33中将发射信号st与反射信号sr进行组合来形成上述测量信号sm(或中频信号)。

如果已使用具有连续变化的频率的发射信号，则测量信号sm会是连续信号，该连续信号包括针对与由发射信号遇到的不同的阻抗不连续处对应的每个飞行时间的一个频率分量。

由于在该特定示例中发射信号st替代地是一系列离散频率，所以相位差将逐步地变化，这意味着测量信号sm将是分段恒定的，其中恒定部分的持续时间与发射信号st的不同频率的发射持续时间相同。

测量信号sm由采样器39采样，并被提供给信号处理器41。验证测试回波信息添加电路40向信号处理器提供指示预定义的验证测试物位lpt的验证测试回波信息，其中，验证测试回波信息被添加至测量表示(测量信号sm的采样值)以形成修改后的测量表示。在雷达物位计系统2是fmcw类型的该示例实施方式中，所添加的验证测试回波信息可以仅仅是表示具有与验证测试物位lpt对应的单一频率的正弦波的数字值。

然后，信号处理器41对这样修改后的测量表示进行处理，以便确定指示来自阻抗不连续处的回波以及所添加的在验证测试物位lpt处的“合成”回波的数据集。使用例如fft(快速傅立叶变换)来将修改后的测量表示从时域变换到频域。在修改后的测量表示变换到频域之后，将得到的频谱变换成回波曲线，该回波曲线可以由物位确定器45用来确定验证测试物位lpt以及储罐4中的产品3的填充物位ls。

图3b是根据本实用新型的第二示例实施方式的雷达物位计系统的部分示意性框图。

图3b中所示的第二示例实施方式与上面结合图3a描述的第一示例实施方式的不同之处主要在于，在测量链中较早地添加了验证测试信息。特别地，如图3b中示意性地示出，收发器17包括以可控振荡器为形式的验证测试回波信息添加电路47，其是可控的以将验证测试回波信息信号添加至测量表示(混频器33输出的测量信号sm)。验证测试回波信息信号可以是单频正弦波，该单频正弦波具有被选择以指示预定义的验证测试物位lpt的频率。期望提供具有包括在上述所选频率附近的频率的有限带宽的信号，以使得由验证测试回波信息信号的引入产生的合成回波看起来真实。可以以任何适当的方式，例如使用微波混合电路(诸如，所谓的平衡-不平衡变换器(balun))或本领域技术人员已知的任何其他适合的微波混合电路，将验证测试回波信息信号添加至测量信号sm。

可以如上面参照图3a所述的那样执行对修改后的测量表示sm'的后续处理。

现在将参照图4中的流程图对用于操作根据本实用新型的实施方式的雷达物位计系统的示例方法进行描述。

在第一步骤100中，雷达物位计系统2接收指示雷达物位计系统2的期望状态的状态信号。可以例如从主机系统/控制室10接收状态信号，或者可以通过操作例如可以被设置在雷达物位计系统2的测量单元6上的按钮等物理开关来将状态信号提供给雷达物位计系统2。

在随后的步骤101中，评估状态信号，并且如果状态信号指示雷达物位计系统2应该处于其填充物位测量状态，则该方法进行至步骤102，在步骤102中，收发器如上面进一步描述的那样发射发射信号st。在步骤103中，收发器接收反射信号sr，并且在步骤104中，形成测量表示sm。在步骤105中，基于测量表示sm，处理电路19确定填充物位ls。如上面参照图3a和图3b所述，可以处理测量表示以形成回波曲线，诸如图5的图示中的示例回波曲线49。在图5的图示中，反射信号的信号强度的表示被示为距天线7的距离的函数。由发射信号st在储罐4中的产品3的表面11处的反射产生的表面回波51是图5中的最高正峰值。基于对表面回波51的识别和天线7相对于储罐4的底部的位置的先验知识，可以确定填充物位ls。在步骤106中，将确定的填充物位ls经由接口21和天线23提供给例如主机系统10。此后，方法返回到步骤100。

如果相反地在步骤101中确定状态信号指示雷达物位计系统2应该处于其验证测试状态，则该方法进行至步骤107，在步骤107中收发器如上面进一步描述的那样发射发射信号st。在步骤108中，收发器接收反射信号sr，并且在步骤109中，形成测量表示sm。在随后的步骤110中，将指示预定义的验证测试物位lpt的验证测试回波信息spt添加至测量表示sm，以形成修改后的测量表示sm'。上面已经参照图3a和图3b描述了将这样的验证测试回波信息spt添加至测量表示sm以形成修改后的测量表示sm'的两种示例性方式。

为了使由验证测试回波信息spt产生的合成回波更加真实，验证测试回波信息可以在测量周期之间略微变化，以留下表面物位在预定义的验证测试物位lpt附近缓慢移动的印象。该可选过程可以便于随后将验证测试回波识别为表面回波。

此外，在步骤110中添加至测量表示sm的验证测试信息spt可以适应储罐4中的测量状况，以提供更真实的验证测试。例如，可以基于先前获取的关于储罐4中的产品3的信息(诸如，产品3的介电常数)来确定验证测试信息spt。此外，或者作为替选，可以基于测量表示sm来确定验证测试信息spt。例如，表面回波的幅度和/或其他特性可以用于确定合成验证测试回波的适当幅度和/或其他特性。

然后，在步骤111中，处理修改后的测量表示sm'，以确定验证测试物位lpt。如上面参照图3a和图3b所述，可以处理修改后的测量表示sm'以形成回波曲线，例如图6的图示中的示例回波曲线53。在图6的图示中，反射信号的信号强度的表示被示为距天线7的距离的函数，包括由验证测试回波信息添加电路提供的示例性合成验证测试回波。在该说明性示例中，由发射信号st在储罐4中的产品3的表面11处的反射产生的表面回波55是图5中的最高正峰值，并且合成验证测试回波57是从储罐4的顶部开始计数的第一个清晰的正峰值。

应当注意，可以确定验证测试信息spt以实现不同的修改后的测量表示sm'。例如，可以确定验证测试信息spt以增加物位确定器45确定合成验证测试回波指示产品3的填充物位以及提供指示验证测试物位lpt的填充物位信号的可能性。为此，可以确定验证测试信息spt，以产生幅度高于预定阈值的合成验证测试回波，或者产生具有回波曲线53中的最高幅度的回波。此外，可以确定验证测试信息spt以实现合成验证测试回波57随时间的缓慢移动，如上面进一步描述的那样。如何确定验证测试信息以增加物位确定器45确定合成验证测试回波57指示填充物位的可能性，通常将取决于用于选择哪个表面回波候选表示在填充物位测量状态下的实际表面回波的算法。基于本文的描述，技术人员将能够适当地确定验证测试信息spt。

作为如上所描述的对合成验证测试回波57进行调整的替选或补充，在验证测试状态下，雷达物位计系统2可以被临时配置成在预定义的验证测试物位lpt附近的预定义范围内搜索表面回波。

根据另一替选方案，可以临时改变用于选择哪个表面回波候选表示实际表面回波的标准。在雷达物位计系统2被控制为处于验证测试状态的情况下，表面回波识别标准可以例如是：高于预定义阈值的第一正峰值被指定为表面回波，而与任何回波跟踪等无关。

例如，结果可以在步骤112中被提供给主机系统/控制室10，并且可以以指示所确定的物位的信号的形式提供，或者在雷达物位计系统2本身将测量的物位识别为处于或高于高物位警报界线的实施方式中作为警报信号提供。此后，该方法返回至步骤100。如果雷达物位计系统2可以正确地检测和测量在预定义的验证测试物位lpt处的合成验证测试回波57，则验证测试成功，并且可以终止该验证测试。如果雷达物位计系统2无法检测到以及/或者未正确地测量合成验证测试回波57，则验证测试可能已经失败，并且可能需要采取进一步的动作。例如，这样的进一步的动作可以是例如重新进行验证测试、然后可能执行包括使表面达到高物位警报界线的完整的验证测试。

出于说明性目的，图6指示第一示例性噪声水平59和第二示例性噪声水平61。对于第一噪声水平59，可以检测验证测试回波57，并且可以确定验证测试成功。然而，对于第二噪声水平61，雷达物位计系统2可能无法检测到验证测试回波57，这意味着验证测试将失败。

为了使验证测试尽可能真实，可以评估表面回波55，并且被添加至测量表示的验证测试信息可以适于表面回波信号的至少一个特性。例如，检测到的表面回波55的幅度可以用于确定验证测试回波57的期望幅度。一旦确定了验证测试回波57的期望幅度，就可以调整验证测试信息以实现该幅度。替选地或组合地，可以基于储罐中产品的其他特性(诸如，产品的介电常数和/或(预期的)扰动的发生等)来调整验证测试信息。

在权利要求书中，词语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一个”(“a”或“an”)并不排除多个。在彼此不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。