基于调频连续波的导波雷达物位计制造技术

一种FMCW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。根据本发明专利技术，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种FMCW型雷达物位计，其用于确定至罐中的物品的表面的距离。
技术介绍
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。用于物位计量的FMCW系统通常使用如6GHz、10GHz和25GHz的频率以及1GHz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。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。准确度，涉及测量如何准确可靠。在通过频率合成器生成频率时，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1mm的物位差可能对应于成千上万美元的价值。距离分辨率，或者辨别罐中两个可能接近的雷达回波的能力，对于大多数雷达物位计为150mm至200mm或者略微更高。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。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100dB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。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1GHz。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1mm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-10dB)的失配，则在最坏情况下，内部距离可能发生±10mm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10mm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mm级准确度显然是危险的。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。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10GHz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。
技术实现思路
本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，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。根据本专利技术的第二方面，通过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目的和其他目的。该方法包括：生成电磁发射信号，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-10dB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；接收电磁返回信本文档来自技高网...

【技术保护点】
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(SR)，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(Z1)，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。...

【技术特征摘要】
2014.10.10 US 14/511,4591.一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(SR)，
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1
GHz，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(Z1)，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

\t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。
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：奥洛夫·爱德华松，
申请(专利权)人：罗斯蒙特储罐雷达股份公司，
类型：发明
国别省市：瑞典;SE