本實(shí)用新型涉及一種具有單個(gè)振蕩器的脈沖式料位計(jì)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

雷達(dá)料位計(jì)(RLG)系統(tǒng)被廣泛用于確定包含于儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品的填充料位。雷達(dá)料位計(jì)通常通過非接觸式測量裝置或通過接觸式測量裝置來執(zhí)行，在非接觸式測量裝置中，電磁信號朝向包含于儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品輻射，而在通常稱作導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)的接觸式測量裝置中，電磁信號通過充當(dāng)波導(dǎo)的探頭而被引向產(chǎn)品并進(jìn)入產(chǎn)品。探頭通常被布置成從儲(chǔ)罐的頂部向底部垂直延伸。

所發(fā)送的電磁信號在產(chǎn)品的表面被反射，而被反射的信號由包含于雷達(dá)料位計(jì)中的接收器或收發(fā)器接收?；诒话l(fā)送和被反射的信號，可以確定與產(chǎn)品表面的距離。更具體地，與產(chǎn)品表面的距離通?；陔姶判盘柕陌l(fā)送與電磁信號在儲(chǔ)罐的大氣與儲(chǔ)罐中所包含的產(chǎn)品之間的界面上的反射的接收之間的時(shí)間來確定。為了確定產(chǎn)品的實(shí)際填充料位，從參考位置到表面的距離基于上述時(shí)間(所謂的飛行時(shí)間(time-of-flight))和電磁信號的傳播速度來確定。

一種RLG涉及所謂的脈沖式RLG系統(tǒng)，其基于脈沖的發(fā)送與脈沖在產(chǎn)品表面的反射的接收之間的時(shí)間(飛行時(shí)間)差異來確定到包含在儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品表面的距離。

大多數(shù)脈沖式雷達(dá)料位計(jì)系統(tǒng)采用時(shí)域反射儀(TDR)，該時(shí)域反射儀提供(極短的)飛行時(shí)間的時(shí)間擴(kuò)展。這樣的TDR雷達(dá)料位計(jì)系統(tǒng)生成具有第一脈沖重復(fù)頻率Tx的發(fā)送脈沖序列，以及具有第二脈沖重復(fù)頻率Rx的參考脈沖序列，該第二脈沖重復(fù)頻率與所發(fā)送的脈沖重復(fù)頻率的差異為已知的頻率差Δf。這一頻率差Δf通常在幾Hz或幾十Hz的范圍內(nèi)。

向包含在儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品表面(非接觸地或通過探頭)發(fā)射發(fā)送脈沖序列，并且被反射的信號被接收且利用參考脈沖序列被采樣。在測量掃頻開始時(shí)，使發(fā)送信號和參考信號同步以具有相同的相位。由于頻率差異，發(fā)送信號與參考信號之間的相位差將在測量掃頻期間逐漸增加。反射信號的這一漸進(jìn)移動(dòng)時(shí)間采樣(gradually shifting time sampling)將提供反射脈沖的飛行時(shí)間的時(shí)間擴(kuò)展版本，根據(jù)該時(shí)間擴(kuò)展版本可以確定到包含在儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品表面的距離。

顯然，對Tx和Rx信號的頻率控制對于TDR RLG的性能是關(guān)鍵的。目前使用若干技術(shù)來確保這樣的控制。

根據(jù)一種方法，使用兩個(gè)相匹配的振蕩器(晶體)。兩個(gè)晶體要求相當(dāng)長的啟動(dòng)時(shí)間，以使得Δ(delta)頻率穩(wěn)定。

根據(jù)第二種方法，使用一個(gè)振蕩器(晶體)來生成兩個(gè)頻率。一個(gè)頻率是直接根據(jù)振蕩器頻率或振蕩器頻率的整數(shù)倍而生成。第二個(gè)頻率通過逐漸增加第一頻率的相移來生成。然而，這一解決方案需要容易由于溫度變化和老化而在兩個(gè)頻率之間漂移的組件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種使用單個(gè)振蕩器的、具有改進(jìn)的頻率生成的脈沖式雷達(dá)料位計(jì)系統(tǒng)。

根據(jù)本實(shí)用新型的第一方面，通過用于確定包含在儲(chǔ)罐內(nèi)的產(chǎn)品的填充料位的脈沖式雷達(dá)料位計(jì)來達(dá)到所述和其他目的，該脈沖式雷達(dá)料位計(jì)包括：用于生成Tx頻率信號和Rx頻率信號的頻率生成器，其中Tx頻率至少是差值頻率10000倍，該差值頻率被定義為Tx頻率與Rx頻率之差；收發(fā)器，其用于提供具有等于Tx頻率的脈沖重復(fù)頻率的脈沖序列形式的發(fā)送信號，以及接收由發(fā)送信號在產(chǎn)品表面的反射而引起的反射信號；傳播裝置，其連接到收發(fā)器以向表面?zhèn)鞑グl(fā)送信號并且將反射信號返回到收發(fā)器；采樣電路，其連接到收發(fā)器和頻率發(fā)生器，并且被配置成以等于Rx頻率的采樣頻率來對反射信號采樣以提供時(shí)間擴(kuò)展的儲(chǔ)罐信號；和處理電路，其用于基于時(shí)間擴(kuò)展的儲(chǔ)罐信號來確定距離。頻率生成器包括用于提供振蕩器頻率f_osc的單個(gè)振蕩晶體，以及用于根據(jù)振蕩器頻率而生成Tx頻率和Rx頻率的頻率修改電路。頻率修改電路包括被配置成接收振蕩器頻率和遞送Tx頻率的第一路徑，以及被配置成接收振蕩器頻率和遞送Rx頻率的第二路徑，第一路徑和第二路徑中的至少一個(gè)包括PLL(鎖相環(huán))和分頻器，PLL被配置成接收所述振蕩器頻率f_osc作為輸入頻率以及遞送等于振蕩器頻率f_osc的M/N倍的調(diào)整輸出頻率，其中M和N是整數(shù)且M＞N，而分頻器被連接以接收調(diào)整輸出頻率和遞送等于調(diào)整輸出頻率除以整數(shù)因子P的輸出頻率。

通過這一設(shè)計(jì)，PLL與整數(shù)分頻器的結(jié)合被用于基于由單個(gè)振蕩器提供的振蕩器頻率而生成Tx頻率和Rx頻率中的至少一個(gè)。

本實(shí)用新型基于以下實(shí)現(xiàn)：剛剛介紹的PLL的改進(jìn)的準(zhǔn)確度及其(例如通過納入Δ-Σ(delta-sigma)控制而)改進(jìn)的邊帶限制，使得這樣的PLL可以用于提供Hz級的準(zhǔn)確受控的Δ頻率。

應(yīng)注意的是，N可以等于1，以使得PLL提供振蕩器頻率的整數(shù)倍?；蛘?，PLL包括分頻器和相位控制回路，該分頻器以第一整數(shù)因子N＞1而提供了對輸入頻率的頻率劃分，而相位控制回路以第二整數(shù)因子M而提供了對被分頻的輸入頻率的頻率倍增。這樣的PLL稱作M/N PLL或是分?jǐn)?shù)PLL，并且以可以為非整數(shù)的因子M/N而提供了倍增。

在一個(gè)實(shí)施方式中，兩個(gè)路徑均包括PLL。在這一情況下，頻率Tx和Rx二者將均被調(diào)整。

在另一實(shí)施方式中，僅一個(gè)路徑包括PLL，而另一個(gè)路徑僅包括整數(shù)分頻器。

在又一實(shí)施方式中，雷達(dá)料位計(jì)包括用于接收提供給所述雷達(dá)料位計(jì)的電力的供電接口、用于暫時(shí)存儲(chǔ)由供電接口接收的電力的能量儲(chǔ)存裝置、以及被配置成在測量掃頻期間從能量儲(chǔ)存裝置向頻率修改電路供電以及在兩次測量掃頻之間的空閑時(shí)段期間對能量儲(chǔ)存裝置充電的電力管理電路。

使用能量儲(chǔ)存裝置使得能夠使用頻率修改電路，該頻率修改電路需要比由供電接口所提供的電力。這可能在向料位計(jì)提供例如通過雙線控制回路提供的有限電力的情況下是有利的。

在其他實(shí)施方式中，頻率修改電路被配置成通過由雙線接口提供的有限電力來工作，而無需能量儲(chǔ)存裝置。

附圖說明

將參照附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型，附圖展示了本實(shí)用新型的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施方式。

圖1示意性地示出了雷達(dá)料位計(jì)；

圖2示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第一實(shí)施方式的頻率生成器的框圖；

圖3示出了根據(jù)本實(shí)用新型的第二實(shí)施方式的頻率生成器的框圖；

圖4示出了圖2和圖3中的路徑的實(shí)施方式的框圖；

圖5示出了設(shè)有能量儲(chǔ)存裝置和電力管理電路的雷達(dá)料位計(jì)的框圖。

具體實(shí)施方式

圖1示意性地示出了一種脈沖式雷達(dá)料位計(jì)(RLG)1，其被布置成測量到儲(chǔ)罐5中的兩個(gè)(或更多個(gè))材料3、4之間的界面2的距離。通常，第一材料3是存儲(chǔ)在儲(chǔ)罐中的產(chǎn)品，例如諸如汽油這樣的液體，而第二材料4是空氣或者一些其他大氣。在該情況下，RLG使得能夠檢測到儲(chǔ)罐中的容納物3的表面2的距離，以及由此確定填充料位L。

儲(chǔ)罐5設(shè)有將RLG 1固定在相對于儲(chǔ)罐5底部固定的測量位置的緊固結(jié)構(gòu)6。RLG 1包括允許信號被發(fā)送到儲(chǔ)罐中和從儲(chǔ)罐中被發(fā)出的饋通結(jié)構(gòu)7。饋通結(jié)構(gòu)7可以被布置成提供工藝密封，從而能夠承受溫度、壓力和儲(chǔ)罐中所含有的任何化學(xué)成分。

RLG 1包括用于生成連接到收發(fā)器11的Tx頻率信號以及連接到采樣電路12的Rx頻率信號的頻率生成器10。作為示例，合適的Tx和Rx頻率在0.5-10MHz的范圍內(nèi)，通常在1-2MHz。Rx優(yōu)選地大于Tx，然而相反的關(guān)系也是可能的。關(guān)鍵在于Tx和Rx頻率之間的差值，其需要比Tx和Rx頻率小若干數(shù)量級。作為示例，差值頻率以是Hz級的，小于15Hz，然而稍大的差值頻率也可以與本技術(shù)相容。

收發(fā)器11被布置成以脈沖序列的形式生成發(fā)送信號，脈沖序列具有等于Tx頻率的脈沖重復(fù)頻率。脈沖可以是DC脈沖或通過載波頻率來被調(diào)制。載波頻率可以是GHz級的，例如16GHz或25GHz。脈沖的持續(xù)時(shí)間可以是ns(納秒)級的，例如約2ns或更短，以便能夠測量料位計(jì)1與表面2之間的相對短的距離。脈沖可以具有mW(毫瓦)或μW(微瓦)級的平均電力水平。

RLG 1還包括傳播裝置14，其通過饋通結(jié)構(gòu)7連接到收發(fā)器。因此饋通結(jié)構(gòu)7用作收發(fā)器與傳播裝置14之間的接口。傳播裝置14被布置成使得發(fā)送信號ST傳播至表面2，并且返回反射信號SR，該反射信號是由發(fā)射信號在產(chǎn)品3的表面2上的反射引起的。

在示出的示例中，RLG 1是導(dǎo)波雷達(dá)(GWR)，而信號傳播裝置14是從RLG 1向儲(chǔ)罐5底部延伸的探頭。探頭可以例如是同軸線探頭、雙線探頭或單線探頭(也稱作表面波導(dǎo))。沿探頭14發(fā)送的電磁波將被儲(chǔ)罐中的材料之間的任何界面2反射，并且該反射將經(jīng)由饋通裝置7被發(fā)送回收發(fā)器11。

或者，RLG是非接觸式RLG，并且傳播裝置是定向天線，例如喇叭天線，其被布置成發(fā)射發(fā)送波以自由地傳播到儲(chǔ)罐中以及接收通過儲(chǔ)罐中的材料之間的任意界面2被反射的波。

收發(fā)器包括耦合裝置以使得收發(fā)器能夠?qū)l(fā)送信號發(fā)送到傳播裝置，同時(shí)同步地接收來自傳播裝置14的反射信號。耦合裝置可以是定向耦合器、循環(huán)器或者固態(tài)開關(guān)中的某一類。

連接到收發(fā)器11和頻率生成器10的采樣電路12被配置成以等于Rx頻率的采樣頻率來對反射信號采樣，以提供時(shí)間擴(kuò)展的儲(chǔ)罐信號。對該時(shí)間擴(kuò)展的儲(chǔ)罐信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該信號也稱為時(shí)域反射儀(TDR)信號。

RLG還包括處理電路13，其用于基于數(shù)字化TDR信號確定距離。電路13設(shè)有用于分析TDR信號以確定儲(chǔ)罐中的進(jìn)程變量的軟件，該變量通常是表面2的料位L。處理電路可以包括存儲(chǔ)器，其通常包括用于存儲(chǔ)預(yù)編程參數(shù)的ROM(例如，EEPROM)以及用于存儲(chǔ)由微處理器執(zhí)行的附加軟件代碼的RAM。

圖2和圖3示出了圖1中的頻率生成器10的兩個(gè)實(shí)施方式。頻率生成器包括用于提供振蕩器頻率f_osc的單個(gè)振蕩晶體21。振蕩頻率優(yōu)選地在10-100MHz的范圍內(nèi)，通常是50MHz或更低，例如25MHz。該振蕩器頻率f_osc被提供給用于生成上述Tx和Rx頻率的頻率修改電路22。通常(盡管并非必要)，頻率調(diào)節(jié)電路提供對振蕩器頻率f_osc的頻率劃分以使得Tx和Rx頻率小于振蕩器頻率。

如在圖2和圖3中更詳細(xì)地顯示的那樣，頻率修改電路22包括被配置成接收振蕩器頻率以及提供Tx頻率的第一路徑，以及被配置成接收振蕩器頻率以及提供Rx頻率的第二路徑。

在圖2中，第一路徑包括分頻器23，其被配置成接收振蕩器頻率f_osc作為輸入頻率并且遞送等于振蕩器頻率f_osc除以整數(shù)X的第一輸出頻率。第二路徑包括PLL 24，其配置成接收等于振蕩器頻率乘以因子M/N的頻率，其中M和N是整數(shù)且M＞N，以及分頻器25被連接成接收經(jīng)調(diào)整的輸出頻率并且遞送等于經(jīng)調(diào)整的輸出頻率除以整數(shù)因子P的輸出頻率。

在圖2中，Tx頻率未(例如通過鎖相環(huán))被調(diào)節(jié)，但振蕩器頻率通常足夠穩(wěn)定。還應(yīng)注意的是，(如由分頻器25執(zhí)行的)整數(shù)頻率劃分不使鎖相信號惡化。

在圖3中，頻率修改電路22包括兩個(gè)路徑，每個(gè)路徑都包括PLL 26a、26b和分頻器27a、27b。第一路徑被配置成提供以因子M1/N1的頻率倍增，其中M1＞N1，和以整數(shù)因子P1頻率劃分。第二路徑被配置成提供以因子M2/N2的頻率倍增，其中M2＞N2，和以整數(shù)因子P2的頻率劃分。

在這種情況下，兩個(gè)輸出頻率都將是經(jīng)調(diào)整的頻率。取決于對參數(shù)M1、N1、P1、M2、N2、P2的選擇，兩個(gè)輸出頻率還可以是振蕩器頻率的非整數(shù)倍。然而，輸出頻率之一是振蕩器頻率的整數(shù)倍(例如，M2/N2/P2是整數(shù))當(dāng)然也是可行的。

圖4示意性地示出了圖2中的第二路徑(或圖3中的任一路徑)的示例。相位控制回路40包括電壓控制振蕩器(VCO)41以及分頻器42，該分頻器被配置成將來自VCO 41的輸出除以因子M。相位比較器43被連接成接收來自分頻器42的輸出以及參考頻率f_ref。來自相位比較器的輸出通過濾波器44進(jìn)行低通濾波，然后被連接到VCO 41以調(diào)節(jié)頻率。VCO41的這一相位反饋控制將導(dǎo)致其穩(wěn)定在等于參考頻率的M倍的頻率。倍增的頻率M×f_ref將被調(diào)節(jié)，即在相位和頻率中被鎖定。

在相位比較器的上游緊挨著是第二分頻器45，其被配置成將輸入頻率(在本文情況下為振蕩器頻率f_osc)除以因子N。這另一個(gè)分頻器導(dǎo)致等于輸入頻率(f_osc)乘以因子M/N的輸出頻率。分頻器45和PLL 40的組合有時(shí)被稱作M/N PLL。如果N大于M，則輸出頻率將小于輸入頻率。

為了收縮由于周期性改變產(chǎn)生的邊帶，M/N PLL還設(shè)有Δ-Σ調(diào)制器46，其連接到求和裝置47中的反饋路徑。所產(chǎn)生的電路稱作Δ-ΣPLL。

在所說明的示例中，需要生成具有差值頻率的兩個(gè)頻率Tx和Rx，該差值頻率比這兩個(gè)頻率小若干個(gè)數(shù)量級。在某些應(yīng)用中，Tx頻率是差值頻率的10⁶倍。為了實(shí)現(xiàn)PLL中的這種解析度，分頻器需要很大。然而，通常優(yōu)選地避免提供給相位控制回路40的參考頻率過小，因此因子N不能過大。因此，在圖4的電路中設(shè)有在相位控制回路40下游的又一分頻器48。分頻器48被配置成將來自M/N PLL的經(jīng)調(diào)整的頻率除以整數(shù)因子P。

理論上，完全可以去掉分頻器45，并且整個(gè)頻率劃分可以在下游的分頻器48中進(jìn)行。然而，如果目的是具有高解析度，則需要非常大的P，這進(jìn)而要求VCO 41能夠生成非常高的頻率。因此，在適合于本實(shí)用新型的典型實(shí)施方式中，頻率劃分將通過兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)。首先，在布置在控制回路上游的第一分頻器45中利用整數(shù)因子N來實(shí)現(xiàn)，然后在布置在控制回下游的第二分頻器48中利用整數(shù)因子P來實(shí)現(xiàn)。

圖3中的電路可以有利地通過使用單個(gè)IC電路來實(shí)現(xiàn)，單個(gè)IC電路包括晶體振蕩器21、兩個(gè)M/N PLL以及兩個(gè)分頻器。這樣的電路的一個(gè)示例是來自Silicon Labs公司的Si5351A(10-MSOP)電路。在該電路中，跟在PLL后的分頻器是所謂的分?jǐn)?shù)分頻器。然而，為實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的，它們被優(yōu)選地用作整數(shù)分頻器。

或者，頻率修改電路22被安裝在連接到適合的晶體振蕩器的功能性可編程門陣列(FPGA)中。

Si5351A電路中的晶體具有25或27MHz的振蕩頻率，該振蕩頻率與本實(shí)用新型相容。然而，使用Si5351A電路上的FPGA的優(yōu)點(diǎn)在于可以使用具有稍高的振蕩頻率的晶體，例如50MHz。這會(huì)是有利的，但是在許多應(yīng)用中也存在與功耗的折衷。

在使用Si5351A電路的具體示例中，由晶體21遞送的振蕩器頻率f_osc為27MHz，N等于80659，M等于65535以及P等于13。這導(dǎo)致組合因子M/N/P＝0.062499582763905(近似值)。這導(dǎo)致頻率近似地等于1.6874887MHz，其可以被用作Tx頻率。Rx頻率可以通過選擇導(dǎo)致除以16的頻率劃分的因子來被生成，從而使得Rx頻率為1.6875MHz。差值頻率Rx-Tx因而約為11.3Hz。

參照圖5，RLG 1可以設(shè)有供電接口31，其向RLG 1提供有限的電力。例如，RLG 1可以被連接到雙線控制回路32，其可以僅在有限電壓處提供4mA。在這樣的應(yīng)用中，PLL 24、26a、26b的工作可能需要比可從供電接口獲得的電力更多的電力。為了克服這一潛在問題，RLG 1因而可以設(shè)有能量儲(chǔ)存裝置33以及連接到能量儲(chǔ)存裝置33的電力管理電路34。電力管理電路34可以被配置成在測量掃頻期間從能量儲(chǔ)存裝置33向包括頻率生成器10的RLG 1的電子器件供電，同時(shí)在兩次測量掃頻之間的空閑時(shí)段期間對能量儲(chǔ)存裝置充電。通過確?？臻e時(shí)段長于測量掃頻，可以在測量掃頻期間向包括頻率生成器10的RLG 1提供比可通過供電接口獲得的電力更多的電力。

本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識(shí)到本實(shí)用新型決不限于上述優(yōu)選實(shí)施方式。相反，可以在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)許多修改和變化。例如，頻率修改電路可以被指定為也利用可從雙線控制回路獲得的有限電力來工作，從而避免對能量儲(chǔ)存裝置的需要。