專利名稱：料位計(jì)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及料位計(jì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)并且涉及具有校準(zhǔn)能力的料位計(jì)系統(tǒng)。
技術(shù)背景 距離測(cè)量裝置，或者測(cè)距裝置，基于如下原理朝向表面或物體傳送電磁信號(hào)，并且接收反射信號(hào)。隨后可以基于信號(hào)去往表面或物體并且返回的飛行時(shí)間來確定距離。這種確定可以使用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理來執(zhí)行。理想地，接收信號(hào)將被簡(jiǎn)單地采樣以便檢測(cè)回波峰值。然而，由于電磁波以光速傳播，因此回波峰值將典型地具有僅約幾個(gè)納秒的時(shí)長(zhǎng)。傳統(tǒng)的采樣器不夠快，不能以足夠的分辨率捕獲這樣的快脈沖以高精度地檢測(cè)距離。例如在料位計(jì)量領(lǐng)域中對(duì)該問題的解決方案是已知的。在使用電磁脈沖的料位計(jì)(這里被稱為雷達(dá)料位計(jì)RLG，即便所使用的頻率不一定在傳統(tǒng)的雷達(dá)范圍內(nèi))，料位計(jì)傳送包括具有兆赫茲范圍內(nèi)的重復(fù)頻率的納秒脈沖的脈沖序列。反射的脈沖序列與傳送信號(hào)混合，以便提供時(shí)間擴(kuò)展脈沖響應(yīng)。盡管提供了令人滿意的結(jié)果，但是該處理需要復(fù)雜的和相對(duì)昂貴的設(shè)計(jì)。因此已努力提供足夠短的時(shí)間尺度上的實(shí)時(shí)采樣以允許對(duì)單個(gè)脈沖或者盡可能少的脈沖采樣以匹配信號(hào)的范圍(例如，32個(gè)脈沖用于5位分辨率)。作為一個(gè)替選方案，已經(jīng)提出使用集成在一個(gè)硅芯片上的收發(fā)器模塊。該模塊可以允許利用傳送信號(hào)和接收信號(hào)之間的已知的時(shí)間關(guān)系，對(duì)具有ns或更小的時(shí)長(zhǎng)的脈沖實(shí)時(shí)采樣。根據(jù)這種單芯片收發(fā)器模塊的一個(gè)操作原理，將接收脈沖與閾值電平比較并且通過大量的(例如128個(gè))連續(xù)的采樣器對(duì)接收脈沖采樣，使得采樣覆蓋典型地比脈沖自身長(zhǎng)的時(shí)間窗口，其中連續(xù)的采樣器開始于給定時(shí)間點(diǎn)(頻閃采樣)并且結(jié)束于另一時(shí)間點(diǎn)。通過重復(fù)采樣若干次，在逐漸增加(掃描)閾值的同時(shí)，可以恢復(fù)接收信號(hào)的幅度。這被稱為“掃描閾值米樣”并且在Hjortland等人的論文“Thresholded samplers for UffBimpulse radar”中描述?；谠撛淼睦走_(dá)芯片的示例在商業(yè)上可獲得自挪威的Novelda公司。關(guān)于使用一系列片上元件對(duì)信號(hào)實(shí)時(shí)采樣的潛在問題是缺乏溫度穩(wěn)定的時(shí)鐘參考。盡管可以例如利用參考回波來建立采樣的起點(diǎn)，但是采樣的實(shí)際時(shí)長(zhǎng)將取決于芯片上的延遲元件。例如，收發(fā)器模塊可能呈現(xiàn)大的溫度漂移，因?yàn)樾酒械乃醒舆t元件具有顯著的溫度依賴性。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量中，已觀察到每10°C約4cm的未經(jīng)補(bǔ)償?shù)臏囟绕?。該問題對(duì)于雷達(dá)料位計(jì)量實(shí)施形式是特別相關(guān)的。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的總體目的在于克服或者至少減輕實(shí)時(shí)采樣收發(fā)器模塊的上述問題。根據(jù)本實(shí)用新型的第一方面，提供了一種料位計(jì)系統(tǒng)，用于使用電磁信號(hào)確定料箱中的產(chǎn)品的填充料位，該料位計(jì)系統(tǒng)包括信號(hào)傳播裝置，用于將脈沖測(cè)量信號(hào)傳送到料箱中，并且接收來自料箱的反射信號(hào)；收發(fā)器模塊，具有用于向信號(hào)傳播裝置提供脈沖測(cè)量信號(hào)的脈沖生成器，以及用于利用相繼樣本之間的采樣時(shí)段對(duì)反射信號(hào)采樣以提供采樣反射信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣器；處理電路，連接成從收發(fā)器模塊接收采樣反射信號(hào)并且被配置為基于采樣反射信號(hào)和采樣時(shí)段確定填充料位；以及無線通信裝置，連接到處理電路，用于經(jīng)由無線通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程位置提供指示填充料位的無線通信信號(hào)，無線通信裝置被配置為經(jīng)由無線通信網(wǎng)絡(luò)接收定時(shí)信號(hào)并且基于定時(shí)信號(hào)提供定時(shí)信息，其中該料位計(jì)系統(tǒng)進(jìn)一步包括校準(zhǔn)電路，該校準(zhǔn)電路被布置為接收基于定時(shí)信息的時(shí)間戳記信號(hào)，并且被配置為登記第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信 號(hào)之間的采樣時(shí)段的數(shù)目，并且其中處理電路被進(jìn)一步配置為基于第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的時(shí)間以及由校準(zhǔn)電路登記的采樣時(shí)段的數(shù)目，來估計(jì)實(shí)時(shí)采樣器的采樣時(shí)段。料箱可以是能夠盛放產(chǎn)品的任何容器或器皿，并且可以是金屬的，或者部分地或完全地非金屬的，開放的，半開放的或者封閉的。此外，可以使用朝向料箱內(nèi)部的產(chǎn)品傳播傳送信號(hào)的信號(hào)傳播裝置來直接地確定料箱中盛放的產(chǎn)品的填充料位，或者可以使用設(shè)置在所謂的腔室內(nèi)部的傳播裝置來間接地確定料箱中盛放的產(chǎn)品的填充料位，其中該腔室位于料箱外部，但是以使得腔室中的料位與料箱內(nèi)部的料位對(duì)應(yīng)的方式與料箱內(nèi)部流體連通?！靶盘?hào)傳播裝置”可以是能夠傳播電磁信號(hào)的任何裝置，包括傳送線探針、波導(dǎo)以及諸如喇叭天線、陣列天線等的各種類型的天線。應(yīng)當(dāng)注意，處理電路可以被實(shí)現(xiàn)為料位計(jì)系統(tǒng)中包括的一個(gè)或若干個(gè)微處理器。例如，處理電路可以包括用于控制收發(fā)器模塊并且執(zhí)行確定填充料位所需的操作的一個(gè)處理器以及用于處置料位計(jì)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程位置之間的無線通信的一個(gè)處理器。遠(yuǎn)程位置可以是例如處理控制機(jī)構(gòu)處的主機(jī)系統(tǒng)。這里的實(shí)時(shí)采樣器指的是能夠以足以進(jìn)行準(zhǔn)確的時(shí)間確定的分辨率對(duì)電磁脈沖采樣的采樣器。在典型的距離測(cè)量應(yīng)用中，基于電磁脈沖的反射，這指示納秒級(jí)或更小的樣本時(shí)間。作為不例，米樣時(shí)段可以小于100皮秒,或者小于50皮秒。在一個(gè)實(shí)施例中，米樣時(shí)段約為30皮秒。時(shí)間戳記信號(hào)可以直接對(duì)應(yīng)于無線通信裝置提供的定時(shí)信息?？商孢x地，無線通信裝置提供的定時(shí)信息可以用于確定料位計(jì)系統(tǒng)中包括的振蕩器(諸如系統(tǒng)時(shí)鐘)的頻率的瞬間準(zhǔn)確值。于是時(shí)間戳記信號(hào)可以由來自系統(tǒng)時(shí)鐘的信號(hào)觸發(fā)(或者是來自系統(tǒng)時(shí)鐘的信號(hào))并且可以隔開系統(tǒng)時(shí)鐘(或者其他振蕩器)的給定數(shù)目的時(shí)鐘周期。本實(shí)用新型基于如下實(shí)現(xiàn)方案，如果基于無線通信網(wǎng)絡(luò)定時(shí)同步生成了時(shí)間戳記信號(hào)，并且登記了時(shí)間戳記信號(hào)之間的采樣時(shí)段的數(shù)目，則無線通信網(wǎng)絡(luò)中的定時(shí)同步可以用于校準(zhǔn)料位計(jì)系統(tǒng)。根據(jù)準(zhǔn)確時(shí)間和采樣時(shí)段的數(shù)目，可以容易地估計(jì)(平均)采樣時(shí)段。使用該估計(jì)的采樣時(shí)段，以及來自料箱的采樣反射信號(hào)，可以在不需要料位計(jì)系統(tǒng)中的非常準(zhǔn)確的和穩(wěn)定的時(shí)鐘參考的情況下高度準(zhǔn)確地確定填充料位。因此，本實(shí)用新型的各種實(shí)施例提供了 在不需要料位計(jì)系統(tǒng)中的溫度穩(wěn)定的和高度準(zhǔn)確的時(shí)鐘參考的情況下，高度準(zhǔn)確地確定料箱中的填充料位。因此，料位計(jì)系統(tǒng)的功耗可以保持充分低，以提供料位計(jì)系統(tǒng)的長(zhǎng)時(shí)間的操作，同時(shí)維持期望的測(cè)量精度(_級(jí))。在電池供電的料位計(jì)系統(tǒng)的情況下，應(yīng)可能在單電池組上提供超過5年的填充料位的準(zhǔn)確確定?？梢詮臒o線通信裝置向校準(zhǔn)電路提供時(shí)間戳記信號(hào)?？商孢x地，可以從無線通信裝置向處理電路提供定時(shí)信息，并且處理電路可以基于定時(shí)信息向校準(zhǔn)電路提供時(shí)間戳記信號(hào)。實(shí)時(shí)采樣器可以包括具有多個(gè)采樣延遲元件的采樣延遲線，每個(gè)采樣延遲元件的延遲與采樣時(shí)段對(duì)應(yīng)。在該實(shí)時(shí)采樣器中，將被采樣的輸入信號(hào)(在該情況下是反射信號(hào))被同時(shí)提供給多個(gè)寄存器，并且根據(jù)采樣觸發(fā)信號(hào)穿過采樣 延遲線的前進(jìn)在不同的時(shí)間對(duì)輸入信號(hào)值采樣。連續(xù)的采樣事件之間的時(shí)間，即采樣時(shí)段，與采樣延遲元件的信號(hào)傳播延遲對(duì)應(yīng)。不同的采樣延遲元件可以有利地由相同的電路元件制成，從而采樣延遲元件的信號(hào)傳播延遲和溫度依賴性等將基本上相同。在適當(dāng)設(shè)計(jì)的采樣延遲線中，可以將采樣時(shí)段取為采樣延遲線中的采樣延遲元件的平均信號(hào)傳播延遲。由于采樣時(shí)段可能比第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的時(shí)間短得多(幾千倍)，因此校準(zhǔn)電路可以被配置為使校準(zhǔn)信號(hào)在第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的校準(zhǔn)時(shí)段中通過包括多個(gè)校準(zhǔn)延遲元件的校準(zhǔn)延遲線循環(huán)，并且登記信號(hào)在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目。校準(zhǔn)延遲元件應(yīng)使得可以基于在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目來至少大致地得到平均采樣時(shí)段。為此，校準(zhǔn)延遲元件應(yīng)呈現(xiàn)具有基本上與采樣延遲元件相同的溫度依賴性的信號(hào)傳播延遲。因此校準(zhǔn)延遲元件可以有利地由與采樣延遲元件相同的類型的電路元件形成。因此，如果每個(gè)采樣延遲元件是在給定工藝中實(shí)現(xiàn)的反相器，則每個(gè)校準(zhǔn)延遲元件可以有利地是在基本上相同的工藝中實(shí)現(xiàn)的反相器(或者若干個(gè)反相器)。[0021 ] 在各種實(shí)施例中，至少一些采樣延遲元件可以被用作校準(zhǔn)延遲元件，從而校準(zhǔn)延遲線由至少一部分采樣延遲線形成。例如，整個(gè)采樣延遲線可以被用作校準(zhǔn)延遲線。在其中校準(zhǔn)延遲元件與采樣延遲元件不同，但是校準(zhǔn)延遲元件和采樣延遲元件的信號(hào)傳播延遲之間的關(guān)系已知的情況下，可以以校準(zhǔn)延遲元件的平均信號(hào)傳播延遲為單位間接地登記采樣時(shí)段的數(shù)目。當(dāng)校準(zhǔn)延遲元件與采樣延遲元件相同時(shí)(諸如當(dāng)采樣延遲元件被用作校準(zhǔn)延遲元件時(shí))，不同地，可以以采樣延遲元件的平均信號(hào)傳播延遲為單位直接地登記采樣時(shí)段的數(shù)目。在各種實(shí)施例中，校準(zhǔn)電路可以包括用于對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過校準(zhǔn)延遲線的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。這將給出校準(zhǔn)信號(hào)在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目的指示。根據(jù)校準(zhǔn)時(shí)段相對(duì)于校準(zhǔn)延遲元件的信號(hào)傳播延遲的長(zhǎng)度，可以根據(jù)校準(zhǔn)信號(hào)穿過校準(zhǔn)延遲線的次數(shù)(=計(jì)數(shù)器登記的值)以充分的精度推導(dǎo)平均采樣時(shí)段。這是否可能還取決于校準(zhǔn)延遲線中的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目。如果校準(zhǔn)延遲線短(幾個(gè)校準(zhǔn)延遲元件)，則因未考慮校準(zhǔn)信號(hào)在最終循環(huán)中穿過/未穿過的校準(zhǔn)延遲元件而引入的誤差將顯然小于校準(zhǔn)延遲線長(zhǎng)的情況下的誤差。校準(zhǔn)電路可以進(jìn)一步包括多個(gè)寄存器，每個(gè)寄存器連接到校準(zhǔn)延遲元件之間的校準(zhǔn)延遲線，并且被布置為由第二時(shí)間戳記信號(hào)觸發(fā)。通過讀取寄存器，可以確定校準(zhǔn)信號(hào)在最終循環(huán)中通過校準(zhǔn)延遲線傳播了多遠(yuǎn)。于是可以使用如下關(guān)系確定在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件的總數(shù)M = NxCNT VALUE+n,[0028]其中M是穿過的校準(zhǔn)延遲元件的總數(shù),N是校準(zhǔn)延遲線中的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目，CNT VALUE是指示校準(zhǔn)信號(hào)已通過校準(zhǔn)延遲線循環(huán)的次數(shù)的計(jì)數(shù)器值，n是校準(zhǔn)時(shí)段結(jié)束時(shí)的激活寄存器的數(shù)目。如上文所述，由無線通信裝置提供的定時(shí)信息可以用于確定諸如料位計(jì)系統(tǒng)的系統(tǒng)時(shí)鐘的內(nèi)部振蕩器的瞬間準(zhǔn)確頻率。作為對(duì)通過校準(zhǔn)延遲線等的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的替選方案，來自內(nèi)部振蕩器的信號(hào)可以作為輸入信號(hào)提供給實(shí)時(shí)采樣器。由于內(nèi)部振蕩器的瞬間準(zhǔn)確頻率已知，因此可以通過使采樣信號(hào)與已知的輸入信號(hào)相關(guān)來確定采樣時(shí)段。在本申請(qǐng)人的未審美國(guó)申請(qǐng)第12/833，187號(hào)中描述了用于基于具有已知的(并且準(zhǔn)確的)頻率的輸入信號(hào)來校準(zhǔn)雷達(dá)料位計(jì)系統(tǒng)的方法，該申請(qǐng)的整體內(nèi)容通過引用合并于此。根據(jù)各種實(shí)施例，無線通信裝置可以被配置為根據(jù)TDMA(時(shí)分多址)方案進(jìn)行通 信。例如，無線通信裝置可以遵循WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)(IEC62591)。此外，料位計(jì)系統(tǒng)可以有利地被配置為由本地電源供電，該本地電源可以例如包括電池、超級(jí)電容器、風(fēng)力渦輪機(jī)和/或太陽能電池等。因此，料位計(jì)系統(tǒng)可以有利地包括用于提供用于料位計(jì)系統(tǒng)的操作的能量的本地能量?jī)?chǔ)存裝置。本地能量?jī)?chǔ)存裝置可以是能夠存儲(chǔ)能量的任何裝置，諸如例如，一個(gè)或若干個(gè)電池、一個(gè)或若干個(gè)電容器等。根據(jù)本實(shí)用新型的第二方面，提供了一種校準(zhǔn)使用電磁信號(hào)確定料箱中的產(chǎn)品的填充料位的料位計(jì)系統(tǒng)的方法，該料位計(jì)系統(tǒng)包括用于利用相繼樣本之間的采樣時(shí)段來對(duì)反射信號(hào)采樣的實(shí)時(shí)采樣器，該方法包括如下步驟從無線通信網(wǎng)絡(luò)接收定時(shí)信號(hào)；基于定時(shí)信號(hào)生成時(shí)間戳記信號(hào)；登記第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的采樣時(shí)段的數(shù)目；以及基于登記的采樣時(shí)段的數(shù)目以及第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的時(shí)間來確定采樣時(shí)段。根據(jù)該方法的一個(gè)實(shí)施例，實(shí)時(shí)采樣器可以包括具有多個(gè)采樣延遲元件的采樣延遲線，每個(gè)采樣延遲元件的延遲與采樣時(shí)段對(duì)應(yīng)，并且登記采樣時(shí)段的數(shù)目的步驟可以包括如下步驟使校準(zhǔn)信號(hào)在第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的校準(zhǔn)時(shí)段中通過包括多個(gè)校準(zhǔn)延遲元件的校準(zhǔn)延遲線循環(huán)；對(duì)校準(zhǔn)信號(hào)在校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過校準(zhǔn)延遲線的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及登記校準(zhǔn)信號(hào)在其最后一次通過校準(zhǔn)延遲線行進(jìn)中已穿過哪些校準(zhǔn)延遲元件。本實(shí)用新型的另外的實(shí)施例以及通過本實(shí)用新型的該第二方面獲得的效果與上文針對(duì)本實(shí)用新型的第一方面描述的實(shí)施例和效果極為相似。通過根據(jù)本實(shí)用新型的料位計(jì)系統(tǒng)和方法的各種實(shí)施例，可以相繼地或并行地執(zhí)行料位測(cè)量和校準(zhǔn)。在后者的情況下，并且在其中允許校準(zhǔn)信號(hào)穿過采樣延遲線的實(shí)施例中，兩個(gè)輸入信號(hào)(脈沖反射和校準(zhǔn)信號(hào))可以通過幅度或頻率彼此隔開。注意，本實(shí)用新型涉及權(quán)利要求中記載的特征的所有可能的組合。

現(xiàn)將參照示出了本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例的附圖更詳細(xì)地描述本實(shí)用新型的這些和其他方面，其中[0040]圖I示意性地圖示安裝在示例性料箱中的根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的料位計(jì)系統(tǒng)；圖2是圖I中的料位計(jì)系統(tǒng)的示意性框圖；圖3是圖2中的料位計(jì)系統(tǒng)中包括的收發(fā)器模塊的示意性框圖；圖4圖示了圖3中的收發(fā)器模塊的傳送器和接收器部分的示例性實(shí)施例；圖5圖示了還包括校準(zhǔn)電路的圖3中的收發(fā)器模塊的示例性實(shí)施例；以及圖6是示意性地圖示根據(jù)本實(shí)用新型的方法的實(shí)施例的流程圖。
具體實(shí)施方式
這里將參照所謂的GWR(引導(dǎo)波雷達(dá))類型的料位計(jì)裝置描述本實(shí)用新型，其中通 過傳送線探針在料位計(jì)的測(cè)量單元和待計(jì)量的產(chǎn)品之間來回引導(dǎo)電磁信號(hào)。然而，這決不應(yīng)視為對(duì)本實(shí)用新型的限制，本實(shí)用新型也可以有利地用于非接觸料位計(jì)系統(tǒng)，其中使用輻射天線朝向料箱中的產(chǎn)品輻射電磁波。圖I示意性地圖示根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例的料位計(jì)系統(tǒng)1，其包括測(cè)量電子單元2以及具有傳送線探針3的形式的信號(hào)傳播裝置。雷達(dá)料位計(jì)系統(tǒng)I被設(shè)置在料箱5上，料箱5部分地填充有待計(jì)量的產(chǎn)品6。通過分析由傳送線探針3朝向產(chǎn)品6的表面7引導(dǎo)的測(cè)量信號(hào)ST，以及從表面7返回的反射信號(hào)SK，測(cè)量電子單元2可以確定參考位置和產(chǎn)品6的表面7之間的距離，由此可以推導(dǎo)填充料位。應(yīng)當(dāng)注意，盡管這里討論盛放單種產(chǎn)品6的料箱5，但是可以以相似的方式測(cè)量距料箱5中存在任何材料界面的距離。填充料位通過通信天線8被傳遞到遠(yuǎn)程位置。傳送線探針3可以是同軸探針、剛性的或柔性的雙探針、或者剛性的或柔性的單探針。(雙或單)柔性探針還被稱為絲(wire)探針，而(雙或單)剛性探針還被稱為棒(rod)探針。特別地，在柔性探針的情況下，探針的下端可以附著在料箱的底部，或者附著到確保探針的末端保持在料箱的底部的配重。如圖2中示意性圖示的，料位計(jì)系統(tǒng)I包括收發(fā)器模塊10、在這里具有微處理器11的形式的處理電路、無線通信裝置12和電池組13。在操作中，收發(fā)器模塊10生成脈沖電磁測(cè)量信號(hào)St并且接收反射信號(hào)SK。將在下文更詳細(xì)描述的收發(fā)器模塊10向微處理器11提供可以根據(jù)其確定填充料位的數(shù)據(jù)。微處理器11確定填充料位，和/或另一處理參數(shù)，并且經(jīng)由無線通信裝置12將該信息提供給遠(yuǎn)程位置，無線通信裝置12可以有利地符合WirelessHART (IEC 62591)。該微處理器還可以經(jīng)由無線通信裝置12接收各種命令并且可以響應(yīng)于這些命令來控制或校準(zhǔn)收發(fā)器模塊。特別地，微處理器可以經(jīng)由無線通信裝置12接收喚醒信號(hào)，執(zhí)行測(cè)量操作(其可以包括校準(zhǔn)操作)，報(bào)告確定的填充料位并且隨后返回休眠。這種間歇的操作是用于實(shí)現(xiàn)沒有用戶干預(yù)的長(zhǎng)時(shí)間的自動(dòng)操作的重要因素。從諸如電池13和/或電容器等的本地能量?jī)?chǔ)存裝置向所有的收發(fā)器模塊10、微處理器11和無線通信裝置12提供能量。料位計(jì)系統(tǒng)I可以額外地包括一個(gè)或若干個(gè)能量收獲裝置，諸如太陽能電池、風(fēng)力渦輪機(jī)、壓電致動(dòng)器等。圖3示出了圖I中的收發(fā)器模塊的更詳細(xì)的框圖。這里的收發(fā)器模塊10包括集成在單個(gè)芯片上的傳送器部分、接收器部分和校準(zhǔn)部分。單芯片設(shè)計(jì)可以通過在單個(gè)硅管芯上或者在集成在單個(gè)可安裝部件中的多個(gè)硅管芯上進(jìn)行集成來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)當(dāng)注意，校準(zhǔn)電路不一定需要是收發(fā)器模塊10的一部分，而是可以被設(shè)置為分離的部件。傳送器部分包括被布置為生成并且傳送具有期望的頻率和脈沖形狀的脈沖的脈沖生成器20。脈沖生成器20經(jīng)由輸出端子21連接到信號(hào)傳播裝置3。脈沖生成器的重復(fù)頻率由例如從微處理器11接收到的外部時(shí)鐘信號(hào)22監(jiān)管。作為示例，脈沖的中心頻率可以是3. 4GHz，并且重復(fù)頻率可以在I至IOOMHz的范圍內(nèi)，例如90MHz。每個(gè)脈沖的時(shí)長(zhǎng)可以為納秒級(jí)。接收器部分包括連接到放大器24的輸入端子23，放大器24被布置為放大在輸入端子23處接收到的信號(hào)。接收器部分進(jìn)一步包括被布置為實(shí)時(shí)地對(duì)接收信號(hào)采樣的實(shí)時(shí)采樣器25。在雷達(dá)料位計(jì)量的背景下，實(shí)時(shí)采樣指示皮秒級(jí)的分辨率。采樣器25經(jīng)由時(shí)間延遲單元26連接到脈沖生成器20，并且被布置為在脈沖生成器20發(fā)射測(cè)量脈沖的時(shí)間之 后的預(yù)設(shè)延遲T處開始接收信號(hào)的采樣。圖3中的收發(fā)器模塊10進(jìn)一步包括用于使用時(shí)間戳記信號(hào)(由圖3中的“開始/停止”指示)校準(zhǔn)實(shí)時(shí)采樣器25的校準(zhǔn)電路27，基于經(jīng)由無線通信裝置12 (參見圖2)從無線通信網(wǎng)絡(luò)獲得的定時(shí)信息已形成這些時(shí)間戳記信號(hào)。下文將參照?qǐng)D5更詳細(xì)地描述校準(zhǔn)電路27的一個(gè)示例性實(shí)施例。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，采樣器25可以被布置為根據(jù)Hjortland等人的“Thresholdedsamplers for UffB impulse radar”中描述的“掃描閾值米樣”原理操作,該文獻(xiàn)通過引用合并于此。根據(jù)該方法，將接收信號(hào)與閾值比較，并且由反相器級(jí)的陣列對(duì)無時(shí)鐘輸出采樣?，F(xiàn)將參照?qǐng)D4描述用于掃描閾值采樣的收發(fā)器模塊10的傳送器和接收器部分的示例性配置，圖4更詳細(xì)地示出了圖3的實(shí)時(shí)采樣器25。如圖4中所見，實(shí)時(shí)采樣器25包括由串聯(lián)布置的多個(gè)采樣延遲元件31a至31c形成的采樣延遲線30。在延遲元件31a至31c之間，采樣延遲線30連接到一系列數(shù)字寄存器，這些數(shù)字寄存器在這里被設(shè)置為D觸發(fā)器32a至32d的形式。D觸發(fā)器32a至32d還在D輸入處經(jīng)由閾值電路33連接到輸入端子23。每個(gè)D觸發(fā)器32a至32d的輸出連接到各自的計(jì)數(shù)器34a至34d。通過沿采樣延遲線30的傳播延遲，D觸發(fā)器32a至32d將在不同的時(shí)間由延遲的測(cè)量脈沖觸發(fā)，該測(cè)量脈沖源自脈沖生成器并且沿采樣延遲線30行進(jìn)。因此，D觸發(fā)器32a至32d的D輸入處的信號(hào)將在不同的時(shí)間被米樣,相繼樣本之間的時(shí)間，即米樣時(shí)段,對(duì)應(yīng)于延遲元件31a至31c的信號(hào)傳播延遲。在掃描閾值米樣中，在閾值電路34將輸入信號(hào)(在該情況下是反射信號(hào)Sk)與閾值比較。如果/當(dāng)輸入信號(hào)Sk高于閾值時(shí)，來自閾值電路34的輸出是“高”，而當(dāng)輸入信號(hào)Se低于閾值時(shí)，輸出是“低”。如果當(dāng)在D觸發(fā)器32a至32d處采樣時(shí)輸出是“高”，則從該D觸發(fā)器32a至32d將“I”提供給計(jì)數(shù)器。換言之，將提供二進(jìn)制序列。重復(fù)采樣若干次，同時(shí)逐漸地增加(掃描)閾值，由此導(dǎo)致多個(gè)二進(jìn)制序列。這些二進(jìn)制序列被組合以產(chǎn)生數(shù)字采樣信號(hào)，該數(shù)字采樣信號(hào)具有與采樣重復(fù)次數(shù)加I對(duì)應(yīng)的分辨率(在信號(hào)幅度方面)。采樣延遲線30可以例如，包括128個(gè)采樣延遲元件，每個(gè)采樣延遲元件由一個(gè)(或若干個(gè))反相器級(jí)形成。在該情況下，將形成128位的二進(jìn)制序列。如果僅執(zhí)行一次采樣，則分辨率(在信號(hào)幅度方面)將是2 (高或低)o如果執(zhí)行511次采樣，則分辨率將是512，或29。采樣器可以可選地被布置為獲取重復(fù)的樣本序列并且對(duì)結(jié)果取平均，以便于減少哚聲的影響。有效采樣率(在時(shí)間方面的分辨率)將與單個(gè)采樣延遲元件的傳播延遲成反比。作為示例，如果一個(gè)采樣延遲元件(諸如例如一個(gè)反相器級(jí))的傳播延遲約為30ps,則采樣率將接近35GS/s。由于電磁波在真空中以0. 3mm/ps的速度行進(jìn)，因此如果測(cè)量單向延遲，則采樣器的空間分辨率將約為9mm，或者如果測(cè)量雙向延遲，則采樣器的空間分辨率將約為
4.5mm。每個(gè)CMOS反相器級(jí)的延遲將取決于許多因素，包括工藝(相對(duì)于制造的CMOS芯片的額定設(shè)計(jì)延遲的隨機(jī)和系統(tǒng)偏差)、供電電壓和溫度。在上述示例中，一個(gè)反相器級(jí)的延遲將因此不是恒定的，而是可以在給定范圍內(nèi)變化。如根據(jù)以上解釋而清楚的，重要的是能夠準(zhǔn)確地確定采樣延遲元件31a至31c的實(shí)際信號(hào)傳播延遲(或者至少實(shí)際平均信號(hào)傳播延遲)。由于采樣延遲元件的信號(hào)傳播延遲將典型地隨溫度等變化，因此在其中期望高精度的填充料位確定的應(yīng)用中僅進(jìn)行生產(chǎn)期間或者安裝時(shí)的初始校準(zhǔn)不可能是充分的。現(xiàn)將參照?qǐng)D5描述圖3中的校準(zhǔn)電路27的示例性實(shí)施形式。圖5圖示了圖3中的收發(fā)器模塊10的實(shí)施例，其包括上文參照?qǐng)D4描述的掃描閾值采樣架構(gòu)和校準(zhǔn)電路。該校準(zhǔn)電路包括校準(zhǔn)延遲線(在該實(shí)施例中校準(zhǔn)延遲線與采樣延遲線30相同)、校準(zhǔn)回路35、復(fù)用器36和計(jì)數(shù)器37。此外，該校準(zhǔn)電路包括一組數(shù)字寄存器，諸如D觸發(fā)器38a至38d，其D輸入連接到采樣延遲元件31a至31c之間的采樣延遲線30。計(jì)數(shù)器37將對(duì)通過復(fù)用器36引入到回路35中的第一時(shí)間戳記信號(hào)ST1穿過校準(zhǔn)延遲線(采樣延遲線30)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并且D觸發(fā)器38a至38d將登記當(dāng)?shù)诙r(shí)間戳記信號(hào)ST2觸發(fā)D觸發(fā)器38a至38d時(shí)的第一時(shí)間戳記信號(hào)ST1的位置。由此，可以根據(jù)計(jì)數(shù)器37提供的值以及D觸發(fā)器38a至38d的輸出上的數(shù)據(jù)來確定信號(hào)在校準(zhǔn)時(shí)段(ST1和ST2之間的時(shí)間)期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件(在該實(shí)施例中與采樣延遲元件31a至31c相同)的總數(shù)。這將在下文參照?qǐng)D6中的流程圖進(jìn)一步描述。首先參照?qǐng)D6和圖2，在步驟SI中通過無線通信裝置12從無線通信網(wǎng)絡(luò)接收定時(shí)信號(hào)。在無線通信網(wǎng)絡(luò)上的通信遵循WirelessHART標(biāo)準(zhǔn)的情況下，網(wǎng)絡(luò)管理器有規(guī)律地以IOppm的定時(shí)精度發(fā)出用于全網(wǎng)同步的定時(shí)分組(DLPDU)。在下一步驟S2中，微處理器11從無線通信裝置12讀出基于定時(shí)信號(hào)的定時(shí)信息。可以從無線通信裝置12準(zhǔn)確地訪問該定時(shí)信息并且將其讀入到微處理器11中。例如，無線通信裝置12可以是DUST Networks公司的無線灰塵(wirelessmote) SMARTMESH IA-510 M2510(http://www. dustnetworks. com/products/SmartMeshffirelessHART/M2510)。通過激活TME引腳可以從該無線通信裝置12讀出網(wǎng)絡(luò)時(shí)間分組?；趦蓚€(gè)這樣的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間分組(NTP)(諸如兩個(gè)相繼的NTP)中的信息，可以確定微處理器11的時(shí)鐘的瞬間準(zhǔn)確的周期時(shí)間/頻率。通過該知識(shí)，可以基于微處理器時(shí)鐘生成具有高度準(zhǔn)確的間隔的時(shí)間戳記信號(hào)。[0075]在步驟S3中生成第一時(shí)間戳記信號(hào)ST1并且將其注入到校準(zhǔn)延遲回路35。在步驟S4中對(duì)穿過校準(zhǔn)延遲回路35的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間之后，該時(shí)間可以有利地充分長(zhǎng)于校準(zhǔn)延遲線的總延遲，在步驟S5中生成第二時(shí)間戳記信號(hào)ST2并且將其用于觸發(fā)D觸發(fā)器(或者其他觸發(fā)器元件)38a至38d以在第二時(shí)間戳記信號(hào)ST2的時(shí)間處“凍結(jié)”第一時(shí)間戳記信號(hào)ST1的前進(jìn)。隨后，在步驟S6中，由微處理器11讀出計(jì)數(shù)器37和寄存器38a至38d的狀態(tài)，并且在步驟S7中，通過使校準(zhǔn)時(shí)段除以第一時(shí)間戳記信號(hào)ST1穿過延遲元件的次數(shù)來確定平均采樣時(shí)段。作為上述過程的替選方案，瞬間準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)(或者基于時(shí)鐘信號(hào)生成的另一適當(dāng)?shù)男盘?hào))可以作為輸入信號(hào)被提供給實(shí)時(shí)采樣器，并且可以基于已知的時(shí)鐘頻率分析采樣信號(hào)以確定采樣時(shí)段。在本申請(qǐng)人的未審美國(guó)申請(qǐng)第12/833，187號(hào)中描述了該方法。 注意，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不偏離所附權(quán)利要求限定的本實(shí)用新型的概念的情況下，可以進(jìn)行上述實(shí)施例的若干種修改。例如，除了這里說明的部件之外或者作為其替換，電路設(shè)計(jì)可以包括多種不同的部件。此外，可以使用具有與采樣延遲元件相似的性質(zhì)的分立的校準(zhǔn)延遲元件，并且可以基于這些校準(zhǔn)延遲元件得出關(guān)于采樣時(shí)段的結(jié)論。
權(quán)利要求1.一種料位計(jì)系統(tǒng)(I)，用于使用電磁信號(hào)確定料箱(5)中的產(chǎn)品(6)的填充料位，所述料位計(jì)系統(tǒng)包括 信號(hào)傳播裝置(3)，用于將脈沖測(cè)量信號(hào)(St)傳送到料箱中，并且接收來自料箱的反射信號(hào)(Sk)； 收發(fā)器模塊(10)，具有用于向信號(hào)傳播裝置提供所述脈沖測(cè)量信號(hào)的脈沖生成器(20)，以及用于利用相繼樣本之間的采樣時(shí)段(T)對(duì)所述反射信號(hào)采樣以提供采樣反射信號(hào)的實(shí)時(shí)米樣器(25)； 處理電路(11)，連接成從收發(fā)器模塊(10)接收所述采樣反射信號(hào)并且被配置為基于所述采樣反射信號(hào)和所述采樣時(shí)段確定所述填充料位；以及 無線通信裝置(12)，連接到所述處理電路，用于經(jīng)由無線通信網(wǎng)絡(luò)向遠(yuǎn)程位置提供指示所述填充料位的無線通信信號(hào)，所述無線通信裝置被配置為經(jīng)由所述無線通信網(wǎng)絡(luò)接收定時(shí)信號(hào)并且基于所述定時(shí)信號(hào)提供定時(shí)信息， 其中所述料位計(jì)系統(tǒng)(I)進(jìn)一步包括校準(zhǔn)電路(27)，所述校準(zhǔn)電路(27)被布置為接收基于所述定時(shí)信息的時(shí)間戳記信號(hào)，并且被配置為登記第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的采樣時(shí)段的數(shù)目，以及 其中所述處理電路(11)被進(jìn)一步配置為基于第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的時(shí)間以及由所述校準(zhǔn)電路(27)登記的所述的采樣時(shí)段的數(shù)目，來估計(jì)所述實(shí)時(shí)采樣器(25)的所述米樣時(shí)段。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，進(jìn)一步包括用于提供用于所述料位計(jì)系統(tǒng)的操作的能量的本地能量?jī)?chǔ)存裝置(13)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述實(shí)時(shí)采樣器(25)包括具有多個(gè)采樣延遲元件(31a至31c)的采樣延遲線,每個(gè)所述采樣延遲元件的延遲(T)與所述采樣時(shí)段對(duì)應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)電路(27)被配置為使校準(zhǔn)信號(hào)在所述第一時(shí)間戳記信號(hào)和所述第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的校準(zhǔn)時(shí)段中通過包括多個(gè)校準(zhǔn)延遲元件(31a至31c)的校準(zhǔn)延遲線循環(huán)，并且登記所述信號(hào)在所述校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過的校準(zhǔn)延遲元件的數(shù)目。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)延遲線由至少一部分所述采樣延遲線形成，使得所述采樣延遲元件(31a至31c)被用作所述校準(zhǔn)延遲元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)電路(27)包括用于對(duì)所述校準(zhǔn)信號(hào)在所述校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過所述校準(zhǔn)延遲線的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器(37)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)電路(27)包括用于對(duì)所述校準(zhǔn)信號(hào)在所述校準(zhǔn)時(shí)段期間穿過所述校準(zhǔn)延遲線的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器(37)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)電路(27)進(jìn)一步包括多個(gè)寄存器(38a至38d)，每個(gè)寄存器連接到校準(zhǔn)延遲元件(31a至31c)之間的校準(zhǔn)延遲線，并且被布置為由所述第二時(shí)間戳記信號(hào)觸發(fā)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述校準(zhǔn)電路(27)進(jìn)一步包括多個(gè)寄存器(38a至38d)，每個(gè)寄存器連接到校準(zhǔn)延遲元件(31a至31c)之間的校準(zhǔn)延遲線，并且被布置為由所述第二時(shí)間戳記信號(hào)觸發(fā)。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述第一時(shí)間戳記信號(hào)被用作所述校準(zhǔn)信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要求5所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述第一時(shí)間戳記信號(hào)被用作所述校準(zhǔn)信號(hào)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述實(shí)時(shí)采樣器(25)的采樣時(shí)段(T )小于100皮秒。
13.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述脈沖生成器(20)和所述實(shí)時(shí)采樣器(25)在單個(gè)集成電路部件上形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的料位計(jì)系統(tǒng)(1)，其中校準(zhǔn)電路(27)在所述單個(gè)集成電路部件上形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的料位計(jì)系統(tǒng)(I)，其中所述無線通信裝置(12)被配置為根據(jù)TDMA方案進(jìn)行通信。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種料位計(jì)系統(tǒng)，用于使用電磁信號(hào)確定料箱中的產(chǎn)品的填充料位，該料位計(jì)系統(tǒng)包括信號(hào)傳播裝置，收發(fā)器模塊，處理電路，以及無線通信裝置，其中該料位計(jì)系統(tǒng)進(jìn)一步包括校準(zhǔn)電路，其被布置為接收基于定時(shí)信息的時(shí)間戳記信號(hào)，并且被配置為登記第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的采樣時(shí)段的數(shù)目，并且其中處理電路被進(jìn)一步配置為基于第一時(shí)間戳記信號(hào)和第二時(shí)間戳記信號(hào)之間的時(shí)間以及由校準(zhǔn)電路登記的采樣時(shí)段的數(shù)目，來估計(jì)實(shí)時(shí)采樣器的采樣時(shí)段。本實(shí)用新型的各種實(shí)施例提供了在不需要料位計(jì)系統(tǒng)中的溫度穩(wěn)定的和高度準(zhǔn)確的時(shí)鐘參考的情況下，高度準(zhǔn)確地確定料箱中的填充料位。這在維持精度的同時(shí)提供了減少的功耗。
文檔編號(hào)G01F23/284GK202485754SQ20112046584
公開日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月21日
發(fā)明者倫納特·哈格, 法比安·文格爾, 馬茨·努德隆德 申請(qǐng)人:羅斯蒙特儲(chǔ)罐雷達(dá)股份公司