本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的雷達(dá)測(cè)量裝置以及一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、雷達(dá)測(cè)量裝置在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且例如在過(guò)程和化學(xué)工業(yè)中用于監(jiān)測(cè)容器中的填充物位。

2、在這種情況下，顯然現(xiàn)在還需要提供一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的雷達(dá)測(cè)量裝置；特別地需要提供一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的精確且高效的雷達(dá)測(cè)量裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、在閱讀以下說(shuō)明時(shí)將提到的或者本領(lǐng)域技術(shù)人員可認(rèn)識(shí)到的這些和其它目的由獨(dú)立權(quán)利要求來(lái)實(shí)現(xiàn)。從屬權(quán)利要求以特別有利的方式進(jìn)一步發(fā)展了本發(fā)明的中心思想。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的雷達(dá)測(cè)量裝置，其包括：主輻射器，其用于發(fā)射和接收雷達(dá)信號(hào)；天線(xiàn)單元，其用于發(fā)射和接收雷達(dá)信號(hào)；濾波器單元，其用于對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行濾波，其中，濾波器單元設(shè)置在主輻射器和天線(xiàn)單元之間。

3、術(shù)語(yǔ)“主輻射器”在此應(yīng)被廣泛地理解，并且是指被配置為輻射電磁波(優(yōu)選為雷達(dá)信號(hào))且/或接收反射的雷達(dá)信號(hào)的結(jié)構(gòu)元件，該電磁波由電路(優(yōu)選為ghz范圍內(nèi)的高頻電路)生成。主輻射器可以被設(shè)計(jì)為一件或多個(gè)部件。主輻射器可以至少部分地布置在用于生成雷達(dá)信號(hào)并用于處理反射的雷達(dá)信號(hào)的高頻電路上。

4、術(shù)語(yǔ)“雷達(dá)測(cè)量裝置”在此應(yīng)被廣泛地理解，并且優(yōu)選地是指用于檢測(cè)填充物位和/或距離的測(cè)量裝置，其中，該測(cè)量裝置根據(jù)雷達(dá)信號(hào)的傳播時(shí)間測(cè)量原理來(lái)確定填充物位或距離。雷達(dá)測(cè)量裝置例如用在容器中檢測(cè)填充物位和/或距離。在此，通過(guò)考慮雷達(dá)測(cè)量裝置的位置以及在發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)和接收的雷達(dá)信號(hào)(即，由例如容器中的散裝材料的表面反射的雷達(dá)信號(hào))之間測(cè)量的傳播時(shí)間來(lái)確定容器中待測(cè)量的填充物位?？梢允褂貌煌姆椒▉?lái)確定傳播時(shí)間，例如脈沖雷達(dá)或調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。替代地，雷達(dá)測(cè)量裝置也可被稱(chēng)為雷達(dá)物位測(cè)量裝置。

5、術(shù)語(yǔ)“天線(xiàn)單元”在此應(yīng)被廣泛地理解，并且是指被配置為發(fā)送和接收雷達(dá)信號(hào)的結(jié)構(gòu)元件。天線(xiàn)單元可以被設(shè)計(jì)為喇叭天線(xiàn)。天線(xiàn)單元可以被設(shè)計(jì)為介電透鏡。天線(xiàn)單元優(yōu)選地向表面發(fā)送雷達(dá)信號(hào)并接收由表面反射的雷達(dá)信號(hào)。

6、術(shù)語(yǔ)“濾波器單元”在此應(yīng)被廣泛地理解，并且是指被配置為對(duì)信號(hào)(優(yōu)選為雷達(dá)信號(hào))的低于截止頻率、高于截止頻率或兩個(gè)截止頻率之間的頻率進(jìn)行濾波的結(jié)構(gòu)無(wú)源元件。濾波器單元可被設(shè)計(jì)為一個(gè)部件或多個(gè)部件。濾波器單元優(yōu)選地具有高通特性。濾波器單元可以具有低通特性。濾波器單元可以具有帶通特性。濾波器單元優(yōu)選地阻止由高頻電路生成的雷達(dá)信號(hào)的各個(gè)模。例如，高頻電路最初生成基本信號(hào)(例如40ghz)。乘法器將其與整數(shù)相乘，以得到期望的頻率或相關(guān)模(例如240ghz)?，F(xiàn)在，濾波器單元優(yōu)選地過(guò)濾40ghz下的基模以及也出現(xiàn)的80ghz、120ghz、160ghz、200ghz下的相應(yīng)高階模，使得只有240ghz頻率下的期望模可以通過(guò)濾波器單元。優(yōu)選地，濾波器單元還過(guò)濾較高的不期望的?；蝾l率(例如280ghz和320ghz)。濾波器單元還可以有利地指定雷達(dá)信號(hào)的極化。

7、本發(fā)明基于以下認(rèn)知：在工作頻率高于100ghz的雷達(dá)測(cè)量裝置中，雷達(dá)信號(hào)直接從高頻電路饋入波導(dǎo)(例如介電波導(dǎo))中。然而，在工作頻率低于100ghz時(shí)，雷達(dá)信號(hào)通常首先通過(guò)印刷電路板，并然后再饋入波導(dǎo)中。從印刷電路板(即載板)到波導(dǎo)的過(guò)渡部被設(shè)計(jì)成使得在波導(dǎo)中設(shè)定期望的模/頻率并且濾除不需要的模/頻率(即干擾信號(hào))。本發(fā)明通過(guò)集成在雷達(dá)測(cè)量裝置中的濾波器單元解決了這個(gè)問(wèn)題，因此即使在高于100ghz的工作頻率下也能夠過(guò)濾干擾頻率。這對(duì)于物位測(cè)量和/或距離測(cè)量的測(cè)量質(zhì)量和精度具有有利的影響。

8、用于過(guò)程工業(yè)和自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)代雷達(dá)測(cè)量裝置目前正在逐步開(kāi)放100ghz以上的頻率范圍。由于新頻率規(guī)定的出現(xiàn)、不斷改進(jìn)的半導(dǎo)體工藝以及更精確的制造方法，可以開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售高達(dá)250ghz的基于雷達(dá)的物位測(cè)量裝置。較高頻率范圍的優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用相同的天線(xiàn)尺寸實(shí)現(xiàn)更窄的孔徑角。安裝在集裝箱內(nèi)的攪拌器或加熱線(xiàn)圈經(jīng)常在雷達(dá)信號(hào)中產(chǎn)生干擾反射，但是隨著天線(xiàn)孔徑角變小，干擾反射也會(huì)變小甚至消失。

9、從監(jiān)管角度來(lái)看，在更高的頻率范圍內(nèi)允許更寬的信號(hào)帶寬，這意味著可以在兩個(gè)相鄰雷達(dá)目標(biāo)之間更好地選擇。與當(dāng)今成熟的80ghz技術(shù)相比，這對(duì)雷達(dá)測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)人員提出了新的挑戰(zhàn)。

10、一個(gè)示例是中空導(dǎo)體(hohlleiter)，其主要用于80ghz傳感器，以將雷達(dá)信號(hào)從雷達(dá)模塊傳輸?shù)教炀€(xiàn)。在這種情況下主要被設(shè)計(jì)為圓形中空導(dǎo)體的中空導(dǎo)體在該頻率范圍內(nèi)具有2.5和3.0mm之間的直徑，并且可以使用深孔鉆孔工藝相對(duì)便宜地且以足夠的長(zhǎng)度制造。中空導(dǎo)體的長(zhǎng)度對(duì)于要監(jiān)控的過(guò)程與傳感器電子器件之間的溫度解耦至關(guān)重要。傳感器電子器件的溫度不得超過(guò)85℃，而過(guò)程溫度可能高達(dá)450℃?？梢允褂瞄L(zhǎng)的中空導(dǎo)體來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度解耦。

11、隨著頻率增加，中空導(dǎo)體直徑變得越來(lái)越小，原因在于基模的截止頻率取決于中空導(dǎo)體直徑。對(duì)于250ghz雷達(dá)信號(hào)，中空導(dǎo)體直徑僅為0.87mm。對(duì)于如此小的直徑，與80ghz的中空導(dǎo)體直徑相比，制造相同長(zhǎng)度的中空導(dǎo)體要復(fù)雜得多。矩形中空導(dǎo)體對(duì)于雷達(dá)物位測(cè)量裝置來(lái)說(shuō)相當(dāng)不尋常，原因在于它們的制造更加復(fù)雜。

12、截止頻率是允許傳播中空導(dǎo)體的基模的最低頻率。如果信號(hào)頻率低于截止頻率，則不會(huì)發(fā)生信號(hào)傳輸，原因在于電磁波無(wú)法傳播。在這種情況下，波在中空導(dǎo)體的輸入端處被反射。因此，中空導(dǎo)體表現(xiàn)出高通行為。

13、高于基模的模也具有截止頻率，但是這些截止頻率高于基模的截止頻率。對(duì)于雷達(dá)物位測(cè)量裝置總是有利的是，以使中空導(dǎo)體在基模中操作的方式操作中空導(dǎo)體。高階模在中空導(dǎo)體中的傳播速度與基模不同，這可能導(dǎo)致不正確的測(cè)量。

14、矩形中空導(dǎo)體與圓形中空導(dǎo)體的另一區(qū)別在于，在矩形中空導(dǎo)體中，電磁波的極化是預(yù)先確定的。電場(chǎng)矢量平行于中空導(dǎo)體的短邊。另一方面，在圓形中空導(dǎo)體中，極化是任意的，并且取決于將波耦合到波導(dǎo)中的方式。根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型，這可能存在優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

15、中空導(dǎo)體需要考慮的另一點(diǎn)是孔內(nèi)的表面粗糙度。隨著頻率的增加，表面粗糙度對(duì)雷達(dá)信號(hào)在通過(guò)中空導(dǎo)體時(shí)所經(jīng)歷的信號(hào)衰減的影響越來(lái)越大。在相同的表面粗糙度下，中空導(dǎo)體的衰減例如可以在80ghz時(shí)為0.1db/cm，并且在250ghz時(shí)為1db/cm。由于這些原因，中空導(dǎo)體優(yōu)選地在較高頻率下逐漸被介電波導(dǎo)所取代。介電波導(dǎo)由主要具有低相對(duì)介電常數(shù)εr和低損耗因子tan(δ)的塑料組成。塑料的示例包括hdpe、pvdf、fep和pfa。截面可以具有各種幾何形狀，其中，圓形和矩形幾何形狀是最常見(jiàn)的。除了例如信號(hào)衰減低等優(yōu)點(diǎn)之外，介電波導(dǎo)也存在缺點(diǎn)。

16、在介電波導(dǎo)中，一部分電磁場(chǎng)在波導(dǎo)內(nèi)部傳播，并且另一部分電磁場(chǎng)在波導(dǎo)外部傳播。由此，介電波導(dǎo)容易受到波導(dǎo)附近的干擾回波的影響。分布在波導(dǎo)內(nèi)部的場(chǎng)的量以及分布在波導(dǎo)外部的場(chǎng)的量取決于波導(dǎo)的幾何形狀、雷達(dá)信號(hào)的頻率和所使用的塑料。介電波導(dǎo)不具有中空導(dǎo)體意義上的截止頻率。

17、同樣，與矩形中空導(dǎo)體相比，矩形介電波導(dǎo)不具有任何極化濾波特性。根據(jù)場(chǎng)的耦合方式，場(chǎng)以這種方式傳輸。

18、低于100ghz的傳感器和高于100ghz的傳感器之間的另一個(gè)基本區(qū)別在于，以高于100ghz生成的雷達(dá)信號(hào)從信號(hào)生成半導(dǎo)體直接饋入波導(dǎo)中。對(duì)于低于100ghz的雷達(dá)裝置，雷達(dá)信號(hào)通常首先通過(guò)具有至少一層高頻印刷電路板材料的印刷電路板進(jìn)行引導(dǎo)，并然后饋入中空導(dǎo)體或同軸導(dǎo)體。在這種情況下，從印刷電路板到中空導(dǎo)體或同軸導(dǎo)體的過(guò)渡部被設(shè)計(jì)為使得在波導(dǎo)中設(shè)定期望的模，并且濾除由高頻模塊產(chǎn)生的所有干擾信號(hào)頻率。

19、例如，在高頻模塊中經(jīng)常使用乘法器，這些乘法器將基波振蕩與整數(shù)因子相乘以得到更高的頻率。例如，如果需要240ghz的信號(hào)，則高頻模塊中的電路302首先產(chǎn)生例如60ghz的基波振蕩，并然后將其與因子4相乘。這種電路相對(duì)容易制造。這樣做的缺點(diǎn)是，除了期望的240ghz振蕩之外，還會(huì)出現(xiàn)60ghz及其整數(shù)倍(即120ghz、180ghz、300ghz...)附近的信號(hào)。必須抑制這些干擾信號(hào)，以符合現(xiàn)有和未來(lái)的無(wú)線(xiàn)電標(biāo)準(zhǔn)。另一示例是80ghz傳感器。在此，例如，以40ghz生成基波。所生成的信號(hào)經(jīng)由接合線(xiàn)204從半導(dǎo)體向下饋送至印刷電路板，并引導(dǎo)至從印刷電路板到中空導(dǎo)體的過(guò)渡部。過(guò)渡部和隨后的中空導(dǎo)體濾除40ghz的基波，使得不再輻射該振蕩。

20、使用高于100ghz的頻率的雷達(dá)物位測(cè)量裝置通常將信號(hào)直接耦合到介電波導(dǎo)中，而無(wú)需額外的承載基板。為此，在高頻電路所在的半導(dǎo)體材料上還存在輻射器元件，該輻射器元件可以與耦合元件和諧振器元件的布置結(jié)合以形成主輻射器。這種主輻射器可以用于在介電波導(dǎo)中的耦合或者用于對(duì)介電透鏡的照射。通常通過(guò)粘合層將半導(dǎo)體材料粘合到承載印刷電路板上。

21、優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)信號(hào)不再需要通過(guò)印刷電路板引導(dǎo)到通往中空導(dǎo)體/介電波導(dǎo)的過(guò)渡部時(shí)，信號(hào)會(huì)經(jīng)歷盡可能最低的信號(hào)衰減。然而，當(dāng)將這種直接耦合與介電波導(dǎo)結(jié)合時(shí)，不存在由于中空導(dǎo)體過(guò)渡部或中空導(dǎo)體而產(chǎn)生的隱含濾波器效應(yīng)。

22、在優(yōu)選實(shí)施例中，濾波器單元包括中空導(dǎo)體。中空導(dǎo)體可以由金屬制成。中空導(dǎo)體可以是圓形中空導(dǎo)體。中空導(dǎo)體可以是矩形中空導(dǎo)體。中空導(dǎo)體可以由涂有金屬的塑料制成。根據(jù)中空導(dǎo)體的輪廓、矩形的尺寸或孔的直徑(即中空導(dǎo)體直徑)來(lái)有利地設(shè)定濾波器特性。

23、在優(yōu)選實(shí)施例中，濾波器單元包括圓形中空導(dǎo)體。圓形中空導(dǎo)體具有中空導(dǎo)體直徑(即通孔)。隨著頻率增加，中空導(dǎo)體直徑變得越來(lái)越小，原因在于基模的截止頻率取決于波導(dǎo)直徑。截止頻率是允許傳播中空導(dǎo)體的基模的最小頻率。如果信號(hào)頻率低于截止頻率，則不會(huì)發(fā)生信號(hào)傳輸，原因在于電磁波無(wú)法傳播。在這種情況下，波在中空導(dǎo)體的輸入端處被反射。因此，中空導(dǎo)體表現(xiàn)出高通行為。圓形中空導(dǎo)體可以有利地濾除不需要的模。

24、在優(yōu)選實(shí)施例中，濾波器單元包括矩形中空導(dǎo)體。矩形中空導(dǎo)體具有矩形中空導(dǎo)體截面(即連續(xù)凹腔)。矩形中空導(dǎo)體與圓形中空導(dǎo)體的另一區(qū)別在于，在矩形中空導(dǎo)體中，電磁波的極化是預(yù)先確定的。電場(chǎng)矢量平行于矩形中空導(dǎo)體的短邊。另一方面，在圓形中空導(dǎo)體中，極化是任意的，并且取決于將波耦合到圓形中空導(dǎo)體中的方式。根據(jù)應(yīng)用類(lèi)型，這可能存在優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。矩形中空導(dǎo)體可以有利地濾除不需要的模。矩形中空導(dǎo)體可以有利地指定極化方向。這可以確保發(fā)射的信號(hào)恰好具有一個(gè)極化方向。這可以有利地確保傳輸質(zhì)量。這可以有利地方便安裝雷達(dá)測(cè)量裝置，原因在于技術(shù)人員總是知道如何安裝該裝置。

25、在優(yōu)選實(shí)施例中，濾波器單元包括至少一個(gè)用于設(shè)定低通特性的諧振器元件。諧振器元件優(yōu)選為介電諧振器元件。諧振器元件產(chǎn)生低通濾波器特性，即只有低于截止頻率的頻率才能通過(guò)濾波器單元。通過(guò)與中空導(dǎo)體結(jié)合，有利地創(chuàng)建帶通濾波器。這會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。

26、在優(yōu)選實(shí)施例中，濾波器單元包括至少一個(gè)用于設(shè)定低通特性的孔隙(blende)。該孔徑產(chǎn)生低通濾波器特性，這意味著只有低于截止頻率的頻率才能通過(guò)濾波器單元。通過(guò)與波導(dǎo)結(jié)合，有利地創(chuàng)建帶通濾波器。這會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生積極影響。

27、在優(yōu)選實(shí)施例中，天線(xiàn)單元包括介電透鏡。術(shù)語(yǔ)“介電透鏡”在此應(yīng)被廣泛地理解，并且優(yōu)選地是指兩側(cè)彎曲并且由介電材料制成的透鏡，其接收從主輻射器間接或直接發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)并且以定向方式發(fā)送它們，或者接收反射的雷達(dá)信號(hào)并以定向的方式將它們直接或間接發(fā)送到主輻射器。介電透鏡可以影響雷達(dá)信號(hào)的形狀或方向。介電透鏡優(yōu)選具有球面形狀。根據(jù)半徑或曲率，由介電透鏡發(fā)出的輻射(即雷達(dá)信號(hào))存在聚焦距離。介電透鏡優(yōu)選地包括無(wú)損介電材料。

28、在優(yōu)選實(shí)施例中，天線(xiàn)單元包括喇叭天線(xiàn)。術(shù)語(yǔ)“喇叭天線(xiàn)”應(yīng)被廣泛地理解，并且是指用于發(fā)送和接收由中空導(dǎo)體饋送的雷達(dá)信號(hào)的漏斗形天線(xiàn)。

29、在優(yōu)選實(shí)施例中，雷達(dá)測(cè)量裝置還包括至少一個(gè)用于引導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)的介電波導(dǎo)元件。介電波導(dǎo)可以由塑料制成。其示例包括hdpe、pvdf、fep和pfa。介電波導(dǎo)的截面可以具有任何幾何形狀。優(yōu)選地，介電波導(dǎo)具有圓形截面或矩形截面。塑料優(yōu)選具有較低的相對(duì)介電常數(shù)和低的損耗因子。這對(duì)主輻射器和天線(xiàn)之間的信號(hào)衰減(即低的不良信號(hào)衰減)具有總體積極的影響。這還在過(guò)程和傳感器電子器件之間建立了電隔離。介電波導(dǎo)元件有利地適合于承載高頻雷達(dá)信號(hào)，原因在于與波導(dǎo)相比，它導(dǎo)致低衰減。

30、在優(yōu)選實(shí)施例中，介電波導(dǎo)元件布置在主輻射器和濾波器單元之間。主輻射器和濾波器單元之間的雷達(dá)信號(hào)有利地經(jīng)由介電波導(dǎo)元件在兩個(gè)方向上被引導(dǎo)。

31、在優(yōu)選實(shí)施例中，介電波導(dǎo)元件配置在濾波器單元與天線(xiàn)裝置之間。濾波器單元和天線(xiàn)裝置之間的雷達(dá)信號(hào)有利地經(jīng)由介電波導(dǎo)元件在兩個(gè)方向上被引導(dǎo)。

32、在優(yōu)選實(shí)施例中，雷達(dá)測(cè)量裝置被配置為以高于100ghz的頻率進(jìn)行測(cè)量。

33、本發(fā)明的另一方面包括一種用于檢測(cè)填充物位和/或距離的系統(tǒng)，其包括至少一個(gè)上面更詳細(xì)說(shuō)明的雷達(dá)測(cè)量裝置以及用于儲(chǔ)存材料的容器。

34、在優(yōu)選實(shí)施例中，容器包括攪拌器。

35、在優(yōu)選實(shí)施例中，容器包括加熱線(xiàn)圈。