調頻連續(xù)波型雷達物位計的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種FMCW型雷達物位計，其用于確定至罐中的物品的表面的距 離。
【背景技術】
[0002] 對容納例如液體、氣體或顆粒狀物品的罐的雷達物位計量已使用了數十年并且一 些不同的技術方案在使用中。針對信號生成和信號處理，被稱為FMCW(調頻連續(xù)波）的方 法已被廣泛用于特別是測量準確度為關鍵規(guī)范點的情況。在大多數FMCW系統(tǒng)中，具有基本 上相等的幅度和線性變化頻率的發(fā)射信號被發(fā)射至罐中，并且通過表面被反射。反射信號 被接收并且與發(fā)射信號進行混頻以形成中頻信號，其中中頻（IF)與從發(fā)射器/接收器到反 射點（通常是罐中的物品的表面）的距離對應。用其他類型的調頻代替線性掃描也可以。
[0003] 用于物位計量的FMCW系統(tǒng)通常使用如6GHz、IOGHz和25GHz的頻率以及IGHz或 (主要針對25GHz系統(tǒng)）最高達2GHz至3GHz的頻率帶寬。還已知使用大約78GHz的系統(tǒng)。 從電子器件到天線的內部傳輸路徑被保持干凈以具有低反射并且特別地罐密封可能有點 困難，因為罐還必須經受高壓力、各種化學品等。
[0004] 可以用若干方式表征測量性能，但是常規(guī)使用至少以下四種方式。
[0005] 準確度,渉及測量如何準確可靠。在通過頻率合成器牛成頻率時，能夠獲得非常高 的準確度和長期穩(wěn)定性。準確度許可通常被稱為"密閉輸送許可"并且（取決于國家）可 以為針對特定使用的強制法律要求。通常在這樣的情況下要求的準確度被指定為大約1mm。 注意，在大油罐中Imm的物位差可能對應于成千上萬美元的價值。
[0006] 距離分辨率，或者辨別罐中兩個可能接近的雷汰回波的能力，對于大多數雷汰物 位計為150mm至200mm或者略微更高。
[0007] 更新率，是距下一次測量的時間。對存儲罐的物位計量通常不苛刻（物位每分鐘 可能僅改變數cm或者更少）并且每秒1次測量是通?？山邮艿淖钚底?。一些應用可能 需要計量系統(tǒng)快得多的響應。
[0008] 靈敏度，是對多么弱的回波能夠被檢測到并通過信號處理來處理的測量。最大 雙向路徑損耗是測量靈敏度的常用方式，并且FMCW系統(tǒng)通常應當不具有執(zhí)行測量的大于 90dB至IOOdB的雙向路徑損耗。不同情況之間的路徑損耗變化可以是明顯的。
[0009] 原則上，距離分辨率容量基本被雷達頻率帶寬限制，但是對于FMCW系統(tǒng)，該限制 還加上信號處理并且存在準確度與其他屬性如更新率之間的權衡。FMCW系統(tǒng)需要一些通 常數字地完成的濾波操作（對頻譜加窗）。濾波窗口的類型和寬度可以出于不同目而被優(yōu) 化，因此RF帶寬與分辨率之間的相關性弱于脈沖系統(tǒng)的相關性但仍然存在，并且從而帶寬 應當通常為至少IGHz。
[0010] 距離分辨率關于距離通常比所要求的準確度大兩個量級的事實（100mm與Imm相 比）意味著雷達系統(tǒng)特別是FMCW系統(tǒng)對于外部雷達反射和內部雷達反射敏感。如果傳輸 路徑例如包含兩個反射物（例如打開的天線和與天線不完全匹配的連接器），則將存在額 外兩次經過這兩個反射物之間距離的更小的信號。如果例如兩個反射物具有電壓駐波比 (VSWR)為2 (每個反射物約-IOdB)的失配，則在最壞情況下，內部距離可能發(fā)生± IOmm的 偏差（在距離分辨率內）。如果反射物是內部的并且非常穩(wěn)定，則這可能不是問題（仔細的 校準能夠確保）；但是如果不期望的初始IOmm偏差可能不時改變，則對于較大反射物和在 可變罐環(huán)境中的反射而言，期望的_級準確度顯然是危險的。
[0011] 在大多數FMCW系統(tǒng)中，所有微波分量的合理微波匹配（即VSWR < 1. 2至1. 5)被 證明給出了可行的實際解決方案。然而，在非常準確的FMCW系統(tǒng)中，已知嚴重失配的點是 問題的根源。來自罐中障礙物的反射給出了類似的影響并且通過使用窄波束天線被去除， 并且基于FMCW的系統(tǒng)通常使用生成筆形束輻射圖案的、垂直向下指向表面的天線。
[0012] 為了進一步提高準確度，基于FMCW的系統(tǒng)有時與以下形式的波導結構一起使用， 該波導結構具有50mm至100mm、從天線喇叭延伸通過整個罐的不銹鋼管道的形式。大多數 情況下，通常針對IOGHz的系統(tǒng)使用2英寸或4英寸的管道。這樣的"靜止管道"是避免可 能干擾罐中的回波的非常有效的方式。顯然，包括靜止管道增加了成本，但是當在管道周圍 存在許多干擾對象以及表面有時由于混亂的表面具有非常低的反射時，該管道使得能夠進 行不受干擾的測量。管道、管道的饋送以及用于斷開在罐頂之上的零件（以使得零件能夠 改變）的可能的閥被制成具有非常良好的電匹配以確保準確度。 【實用新型內容】
[0013] 本實用新型的目的為提供一種在FMCW型雷達物位計中避免罐中的干擾的更具有 成本效益的方式。
[0014] 根據本實用新型的第一方面，通過用于確定至罐中的物品的表面的距離的FMCW 型雷達物位計來實現該目的和其他目的。該雷達物位計包括收發(fā)器電路，該收發(fā)器電路被 配置成發(fā)射電磁發(fā)射信號和接收從表面反射的電磁返回信號，該收發(fā)器電路包括調頻器， 該調頻器被配置成將發(fā)射信號的頻率調制為在具有上限頻率和下限頻率的頻率范圍內變 化，其中上限頻率小于4GHz，下限頻率至少比所述上限頻率小1GHz，并且上限頻率與下限 頻率之比，相對帶寬，小于2. 5。物位計還包括：混頻器，該混頻器被配置成將發(fā)射信號與返 回信號進行混頻以提供中頻信號；以及處理電路，該處理電路被配置成基于中頻信號確定 距離。物位計還包括：（可選地密封的）電氣饋通裝置，該電氣饋通裝置從收發(fā)器電路到罐 中；單導體探針，該單導體探針機械地懸掛在罐上部并且延伸至罐中的物品中，該單導體探 針電連接至收發(fā)器并且適于將電磁發(fā)射信號朝向表面引導以及將電磁返回信號引導至收 發(fā)器電路。當從單導體探針看去，電氣饋通裝置具有第一輸入阻抗，當從電氣饋通裝置看 去，該單導體探針具有第二輸入阻抗，并且第二輸入阻抗大于第一輸入阻抗。物位計還包括 匹配裝置，該匹配裝置在第一輸入阻抗與第二阻抗之間，提供電氣饋通裝置與單導體探針 之間的電匹配連接件，匹配連接件的反射系數小于-10dB。
[0015] 本實用新型可以使用用于確定至罐中的物品的表面的距離的雷達物位計量方法 來實現。該方法包括：生成電磁發(fā)射信號，該電磁發(fā)射信號具有至少IGHz的帶寬、小于2. 5 的相對帶寬以及小于4GHz的上限頻率；通過電氣饋通裝置將電磁發(fā)射信號饋送至罐中，并 且進一步饋送至延伸至罐中的物品中的單導體探針中，電氣饋通裝置與單導體探針之間的 電匹配連接件具有小于-IOdB的反射系數；沿單導體探針引導電磁反射信號；通過使電磁 發(fā)射信號在表面反射來形成電磁返回信號；將電磁返回信號沿單導體探針引導并且使電磁 返回信號返回通過電氣饋通裝置；接收電磁返回信號；將電磁發(fā)射信號與電磁返回信號進 行混頻以提供中頻信號；以及基于中頻信號確定距離。
[0016] 根據本實用新型，用相對便宜的單導體（在此稱為探針）代替相對昂貴的靜止管 道用作表面波導（SWG)裝置。這樣的單導體探針具有與靜止管道完全不同的波導特性并且 先前僅被用于使用時域反射法（TDR)的物位計量，其中基帶脈沖（DC脈沖）沿探針被發(fā)射。 已經提出FMCW型系統(tǒng)與探針的組合但是發(fā)現工作不令人滿意，并且通常接受該類型表面 波導裝置不適用于基于FMCW的雷達物位計量。
[0017] 然而，根據本實用新型，通過仔細選擇雷達物位計的工作參數，FMCW型物位計與表 面波導裝置連同在電氣罐饋通