用于识别微波路径中的物体的微波栅和方法
【专利摘要】本发明涉及用于识别微波路径中的物体的微波栅和方法。其中提出了一种微波栅（10），该微波栅具有带有微波发射机和第一天线（16a）的、用于发射微波信号的第一微波单元（14a）和带有微波接收机和第二天线（16b）的、用于接收微波信号的第二微波单元（14b）以及评估单元，所述评估单元被设计为，根据所接收的微波信号识别物体（17）是否位于所述第一微波单元（14a）和所述第二微波单元（14b）之间的微波路径（12）上。在这种情况下，所述第一微波单元（14a）和所述第二微波单元（14b）分别具有高频收发器，以便发射和接收微波信号，并且所述高频收发器是用于无线通信的集成数字模块的一部分。
【专利说明】用于识别微波路径中的物体的微波栅和方法
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1或12的前序部分的、用于在微波路径中识别物体的微波栅(Mikrowellenschranke)和方法。
[0002]光栅经常被用于无接触地识别物体。但是光谱不适用于所有应用，例如在具有强污染的环境中。所以有一些应用领域，其中微波栅是更合适之选。微波不仅穿透不透明的小颗粒，而且至少穿透非金属物体的薄层并且因此甚至使得对封闭容器内的监视成为可能。微波栅原则上如光栅一样工作:微波信号在待监视区域一侧被发射并且在相对的一侧被重新接收。如果在所述微波路径中出现物体，则被接收的微波信号会改变，因此物体的存在能被识别。
[0003]一种关于微波栅的特定应用是容器中介质(如液体或散装物料)的水平检测。待识别物体此处是从一定物位或水平达到微波路径的介质并且因此使微波信号衰减。这样特别是临界物位溢出或空闲被监视，因此所述物位的调节能及时进行。对于水平查明，已知很多其他可选方案，例如音叉传感器、雷达传感器、基于超声波的系统或电容性的系统。对此，微波栅显示出关于相对干扰影响(例如温度、压力、灰尘或噪音)的鲁棒性的优点。
[0004]传统的微波栅(例如从DE33 02 731A1已知的微波栅)被分成发射单元和接收单元。这首先意味着，微波栅包括不可互换的两个不同单元。此外，必须在许多方面确保发射单元和接收单元之间的关联，尤其当更多个微波栅被并排工作时更是如此。因此选择具有小辐射波瓣的天线设计，以便实现所关联的相对设置的微波栅单元的方向性。这种天线能采用大的、在安装时产生干扰的尺寸，并且同时必需相当准确的单元安装和定向。
[0005]此外，在发射单元以及接收单元中的参数(例如载波频率、调制频率或偏振方向)必须被同样地调节，从而使得所属的单元互相识别并且尽可能小地被其他微波栅的陌生单元影响。这种调节只能根据对微波的工作方式准确的理解来实施，并且对于相应的技术人员本身而言调试所需的时间成本所有提高。用于确保唯一的关联的所谓的限制也影响了单元的布置可能性，例如用于避免关联不当，所述单元彼此应有足够的间隔。因为在传统的发射单元和接收单元之间不存在更高的信息技术耦合，干扰影响(例如下降的发射机功率或多路径传播)难以控制。
[0006]因此本发明的任务是，给出一种具有简化构造的微波栅和被改进的测量方法。
[0007]该任务通过根据权利要求1或12的用于识别在微波路径中的物体的微波栅和方法来解决。对此本发明以此基本思想为出发点，即扩展出微波路径的两个微波单元不分成发射机和接收机，而是将两个微波单元设计成相互间以同样方式既作为发射机又作为接收机。这也使得用于协调、检查和用于数据交换的双向通信可能。因此，将集成的模块使用作为用于发射和接收的收发器，所述集成的模块特别是数字模块或混合信号模块，其不是被设计或制造用于微波栅，而是用于无线通信例如在RFID区域中或用于本地网络。这种模块提供丰富的功能，其虽然不被认为用于微波栅，但是能被很有利地利用。
[0008]本发明具有以下优点，即同类的微波单元代替专用的发射机和接收机在各处安装。因此简化了制造、操纵和存储。集成的高频收发器是格外成本合算的和可商业获得的，这样低的制造成本、短的开发周期以及无较大涉及微波栅的开发活动使无线通信技术中的自动连接的持续改进成为可能。因为用于便携式设备优化的收发器模块的格外低的功率消耗，微波栅也够用于低供电的应用，例如两线制HART连接，或若有可能甚至可使用电池。
[0009]此外，无线通信被设计用于在受干扰影响和弱信号下的使用。由此，微波栅受益于对薄物体的高测量灵敏度、较少的通过介质的延伸和待检测物体的小的电容系数。对微波单元的定向和位置的要求，与传统微波栅相比明显更少。因为确定信号的识别和专用配合也是无线通信的通常任务之一，从而使得所述模块已带来相应的解决办法，以便在恶化条件下发现和关联正确的微波信号。因此，多个微波栅的相互影响似乎被自动考虑和排除。最后，能够通过相应的改变的双向通信来关注相对于漂移(包括温度波动和发射信号的老化引起的性能劣化)的被提高的稳定性。
[0010]高频收发器优选地被设计用2.4GHz -1SM -频带(Industrial, Scientific andMedical Band)。ISM频带能无需批准地被使用，就是说预期在世界范围无限制地无线电设备核准。同时在ISM带中运行的设备是耐干扰的，因为必须预期在任何时候在所述带中存在其他发射器。而关于这一问题，用于无线通信的模块能自行处理。
[0011]为此，评估单元优选地被设计为，通过微波信号的强度评级来识别位于微波路径上的物体。物体依赖于其在微波路径方向上的尺寸和依赖于其介电属性，改变微波信号的衰减。用于无线通信的模块提供这些信息作为RSSI (Received Signal StrenghtIndicator，接收信号强度指标)，但是也以关于连接品质的品质因子形式来处理，例如LQI(Link Quality Indikator,链接品质指标)。因此,此处还将通常用来对通信连接的品质和稳定性进行评估的评估装置用于推断在微波路径上的物体的新功能。
[0012]评估单元优选地被设计用于学习模式，其中空闲微波路径和/或具有已知物体的微波路径的强度值被确定和存储。因此调整后的参考值可使用，以便在运行中识别新的物体或微波路径中的改变。从所学习到的强度值，开关阈值也能立刻被确定，其中所述强度值的存储随后能以开关阈值的形式实现。
[0013]评估单元优选地被设计用于测试模式，其中无微波被发射。在一个微波单元的发射器被禁用时进行检查，即相对设置的微波单元是否测出相应的所期望的强度下降。对此，高频收发器或其所属电子设备的故障能被识别。
[0014]所述模块优选地在电子卡(Elektronikkarte)上与评估单元集成。这使能够实现特别简单的和紧凑的微波栅构造。额外的电子设备(例如用于控制接口的I/O模块)，同样能被安置在相同的电子卡上。
[0015]第一天线和/或第二天线优选地具有不具方向性的辐射。不具方向性此处也包括相对宽的天线波瓣，所述天线波瓣例如虽然被限于有效范围增加并且可对相对设置的微波单元粗略定向，然而所述天线波瓣明显超过传统天线。无方向性的辐射意味着，因此在这种情况下不一定是全向辐射，而是所述天线波瓣也能击中未关联的微波单元。
[0016]优选地，在模块中实现共存策略，借助所述共存策略，微波信号和微波单元互相被唯一关联。在无线通信时必需的明确的设备识别在任何情况下都被设置在相应的模块中并且在此被使用，以便也无天线波瓣定向和限制地识别所属的微波单元。为提供互相让道的相应的通信信道，微波信号的属性被多样化，例如通过频率变化、编码调制或分频(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum,跳步财广谱，DSSS, Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频)。因此多个微波单元能并行发射并且可选地被成对地关联或成组地关联。共存策略内的参数例如根据序列号或设备号导出微波单元的唯一标识。
[0017]优选地，设置至少一个另外的微波单元，所述微波单元与第一微波单元和/或第二微波单元扩展出至少一个另外的微波路径，用于识别所述微波路径中的物体。这种多个微波单元的布置在无数情况下是可能的。这是有可能实现的，其原因在于单个微波单元能既发射又接收并且不仅朝一个对面的微波单元定向发射，而且以更宽的天线波瓣达到在不同位置的微波单元。作为例子，在监视区域的一侧一个微波单元被安装并且在对面的多个微波单元被互相有间隔地安装。因此得出一种微波格栅。这种格栅自然也能被多个微波单元对来产生。然而，这种经典的格栅相对待监视的数量需要双倍数量的微波单元，而在以上所述的本发明的有利实施例中单独的额外的微波单元就足够了。
[0018]优选地，微波单元中的至少一个具有用于从微波栅和/或向微波栅传输数据的接口。这些接口例如通过I/o链接或其他通信协议请求。特别优选地，至少一个微波单元不具有自己的接口，而是通过微波路径和另一微波单元的接口交换数据。在此，具有在微波单元之间的双向连接的微波路径被用作空中接口或无线I/o链接桥。这种被绑定的微波单元不必再用有线数据线连接。在前面的章节中所述的具有一个微波单元情况下，在所述微波单元上因此满足监视区域另一侧的一个或多个微波单元有线连接单独的微波单元，以便能响应全部的微波单元。
[0019]在优选改进方案中，用于确定容器中介质的填充高度的物位传感器或水平监视器具有至少一个根据本发明的微波栅。如已提到的，待识别的物体也能是容器中的介质，例如液体或散装物料。微波栅按照其安装高度识别被监视的水平是否被超过或未被超过。通过跟踪水平被超过的时间上的历史，代替所接收微波强度的、数值的阈值评估，并且不同安装高度的多个微波单元信号的联合处理装置对此能被封闭在一个物位上的一定限度内也在微波单元离散的安装高度之间。
[0020]根据本发明的方法能以类似方式被改进并且显示类似的优点。这种有利的特征被示范性地说明，但并不限于与独立权利要求相关的从属权利要求。
[0021]在下文中，本发明的进一步的特征和优点示例性地借助实施例并参照附图被详细说明。在附图中示出的是:
[0022]图1为微波栅的截面示意图；
[0023]图2为按照图1的微波栅的微波单元的框图；
[0024]图3是为了监视物位或水平而在容器上安装的按照图1的微波栅的安装截面图；以及
[0025]图4是为了监视物位或水平而在容器上安装的、具有额外微波单元的微波栅的另一实施例的安装截面图。
[0026]图1示出微波栅10的截面示意图。在微波路径12上的微波信号被具有天线16a的第一微波单元14a发射并且被具有第二天线16b的第二微波单元14b接收，反之亦然。如果微波路径12上的微波信号穿透物体17，则所述微波信号根据物体17的宽度和介电属性衰减。对此能识别出的是，微波路径12是否空闲或物体17是否位于此处。
[0027]图2以框图示出微波单元14。在这种情况下，两个微波单元14a_b结构相同，从而使得图2可选地作为第一微波单元14a或第二微波单元14b的示图能被理解。集成的高频收发器18被连接到天线16，以便发射或接收微波信号。高频收发器18是数字模块20的一部分，或用于无线双向通信的混合信号模块的一部分，例如无线/手持设备领域中的可商业购买到的低成本模块。
[0028]数字模块20在电子卡26上与评估单元和控制单元22以及I/O模块24集成在一起。通过I/O模块24，接口 28能借助I/O链接或任意其他连接来请求，以便参数化微波单元14或输出数据。可选地，通过控制元件和显示器实现所述参数化和/或数据输出。
[0029]微波栅10 —般能被用于物体17的存在识别装置。在一优选实施例中，微波栅10被用于物位或水平监视，如在图3中在具有内装介质32 (例如液体或如图所示的散装物料)的容器30的截面图所示，并且示出了在容器壁上所安装的微波栅10。在下文中将说明微波栅10的单个特征以及其在这个水平监视例子中的测量方法，当物体17和介质32在微波信号上的互相影响符合时，所述微波栅大部分在一般的存在识别装置上传输。
[0030]为了进行水平检测，微波单元14a_b的高频收发器18产生微波信号，该微波信号被在对面设置的微波单元14b_a接收。为有利于消耗较少的能量并且仍然实现高的有效距离，所述频率应被选择为尽可能低。对此有利的是，2.4GHz的ISM频带能被使用，能被用于各种集成解决方案，从而使得提供合适的数字模块20。
[0031]2.4GHz与传统系统相比，对于较大的天线而言要求较低的频率。乍一看会因此得出天线设计的缺点，但是该缺点通过此处所建议的信号处理和对天线特性较少的要求得到了补偿。天线16a_b对此未被优化将发射和接收的特性尽可能小而窄地形成，而是通过以任何方式允许更宽的辐射波瓣来实现。因此安装被简化，因为微波单元14a_b不再像现有技术一样必须被互相相应地精确定向。
[0032]评估单元22产生通过微波路径12中的介质32触发的开关信号。借助该开关信号，微波栅输出关于是否达到所监视的水平的信息。对此，信号衰减被评估，其前提是形成通过数字模块提供的品质特征码。可能的大小是按照IEEE802.15.4的所谓的RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收信号强度指标)或 LQI (Link QualityIndicator，连接品质指标)。因此优选地，强度不被直接评估，而是使用在数字模块20中被以任何方式提供的对容易可比的品质特征码的预处理来实现。根据关于在微波单元14a-b之间的通信信道属性的信息，随后能够导出开关信号。
[0033]在本发明的一有利实施例中，不仅开关信号而且关于容器30范围内的物位的连续的测量信号被导出，在所述容器中有微波信号传播。在这里，不仅直接的微波路径12发挥作用，而且多径传播也起作用，所述多径传播甚至能有益于所述应用情况的连续的物位测量。例如在以散装物料作为介质32，所述散装物料在堆积时形成圆锥形山状，通过物位的持续改变，出现微波信号的持续改变的衰减。
[0034]使用数字模块20的一大优点是，已用于共存策略的解决办法被集成用于无线通信，例如跳频扩谱(FHSS)、脉冲序列编码或直接序列扩频(DSSS)，以便例如实现在此基础上的CSMA/CA作为IS0/0SI模型的第2层协议。因此，能使用由数字模块20提供的用于通信连接的协议，以便进行微波单元14a-b之间唯一的关联。因此，非常多的微波栅10或微波单元14a-b并行工作，而它们互相不影响其测量任务。
[0035]开关阈值的参数化通过衰减的预先给定来实现。对此，例如在微波单元之间的微波连接的品质特征码在容器30中无介质32时，或在介质32与微波路径12具有足够的距离时被确定。在此基础上，从所期望的系统灵敏度导出开关阈值，其中灵敏度和所需测量时间之间有物理条件上的相互依赖关系。
[0036]两个微波单元14a_b相互至少在相同硬件范围内被构造，其满足作为发射机和接收机的两个角色。因此，开关信息等待两个微波单元14a-b的接口 28处理。仅一个微波单元14a-b具有接口 28时是足够的，因为微波单元14a-b能通过微波连接互相通信。参数例如测量数据，就是说例如灵敏度、阈值、动作延迟或开关状态能通过微波单元14a_b之间的空中接口被交换。原则上，微波栅10也能被用作任意其他数据的通信连接。如果例如微波单元14a-b借助I/O链接或其他协议被集成入更高级别的系统，从而使得所述微波连接能被用于I/O链接桥或根据所述更高级别的系统组件之间另一协议的桥。
[0037]为借助微波栅10和对此适合的控制器来实现安全系统，能设置额外的、未示出的开关输入端(例如根据IEC61131)，各微波单元14a-b的发送功能可通过所述开关输入端关闭。因此，能够实现用于确保无缺陷的功能性的系统测试。为测试目的的暂时停用应不依赖于正常的信息处理来保持，例如通过独立的硬件电路，所述硬件电路中断或短接高频信号。因为通信连接中断，所以对于其余的空闲传播路径而言，上级控制器确定开关信号的改变并且能这样检查所述系统。
[0038]为获取在多个位置上的物体17或为监视介质32的更多个水平，能够将多个微波栅10互相并行地布置。如在上文中多次讨论的，数字模块20的共存策略对此负责，从而在这种情况下维持不同微波单元14的关联。
[0039]而对于微波栅10的并行多级布置而言，还包括具有较少的设备成本的选择。因为不同于根据现有技术的发射机和接收机的严格成对关联，微波单元14由于其双向发射和接收功能也能扩展出更多个微波路径。
[0040]图4示出具有多个作为介质32的多个水平的水平监视器的微波单元14a_e的微波栅10的实施例。在这种情况下，在容器30 —侧上优选地将仅仅一个单独的微波单元14a安装在最高的待监视物位上，并且在另一侧上安装多个(在该例子中是四个)微波单元14b_e。多个微波单元14b_e的安装高度相应于待监视的物位，其中由于斜直的微波路径12a-d能得出在安装高度和待监视的物位之间的偏差，则所述偏差随后被考虑用于实际的安装高度。由于宽的、在极端的情况下几乎全向的辐射，在一侧上单个的微波单元14a的微波信号被另一侧上所有的微波单元14b_e接收，反之亦然。在这种情况下，多个微波单元14b-e被参数化，从而使得其被关联于单个的微波单元14a。与多个并行安装的微波栅相t匕，微波单元14的数量被显著减少，从而使得不仅由此减少了微波单元14而且减少了安装成本、法兰和类似物。
[0041]在这个实施例中特别有益的是，只有单个的微波单元14a具有接口 28，并且多个微波单元14b_e通过微波路径12a_d和单个的微波单元14a通信。因此，全部的信息汇聚到单个的微波单元14a并且能在该处输入和提取。在通信系统中用于结合微波单元14b_e的布线成本因此减少。
【权利要求】
1.一种微波栅(10)，其具有用于发射微波信号的带有微波发射机和第一天线(16a)的第一微波单元(14a)和用于接收所述微波信号的带有微波接收机和第二天线(16b)的第二微波单元(14b)以及评估单元(22)，所述评估单元被设计为，根据所接收的微波信号识别物体(17、32)是否位于在所述第一微波单元(14a)和所述第二微波单元(14b)之间的微波路径(12)上， 其特征在于， 所述第一微波单元(14a)和所述第二微波单元(14b)分别具有高频收发器(18)，以便发射和接收微波信号，并且所述高频收发器(18)是用于无线通信的至少一个集成模块(20)的一部分。
2.如权利要求1所述的微波栅(10)，其中所述高频收发器(18)被设计用于2.4GHz -1SM-频带。
3.如权利要求1或2所述的微波栅(10)，其中所述评估单元(22)被设计为，通过所述微波信号的强度评估来识别位于所述微波路径(12)上的物体(17、32)，特别是通过RSSI的评估或关于连接品质的品质因子来评估。
4.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中所述评估单元(22)被设计用于学习模式，其中关于空闲的微波路径(12)的强度值和/或关于具有已知物体(17、32)的微波路径(12)的强度值被确定和存储，并且因此特别是导出至少一个开关阈值。
5.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中所述评估单元(22)被设计用于其中没有微 波被发送的测试模式。
6.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中所述模块(20)在电子卡(26)上与所述评估单元(22)集成。
7.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中所述第一天线(16a)和/或所述第二天线(16b)具有无定向的福射。
8.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中在所述模块(20)中实现共存策略，借助所述共存策略，微波信号和微波单元(14)互相被唯一关联，特别是频率变化或分频。
9.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中设置至少一个另外的微波单元(14c_e)，所述至少一个另外的微波单元与所述第一微波单元(14a)和/或所述第二微波单元(14b)扩展出至少一个另外的微波路径(12b-d)，用于识别所述微波路径(12b-d)中的物体(17、32)。
10.如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)，其中至少一个微波单元(14a-e)具有用于从所述微波栅(10)传出和/或向所述微波栅(10)传入数据的接口(28)，其中特别地，至少一个微波单元(14a_e)不具有自己的接口(28)，而是通过所述微波路径(12a_d)和另一微波单元(14a_e)的所述接口(28)交换数据。
11.一种物位传感器或水平监视器，其具有至少一个如前述权利要求中任一项所述的微波栅(10)并用于确定容器(30)中介质(32)的填充高度。
12.一种通过在第一微波单元(14a)和第二微波单元(14b)之间传输微波信号来识别微波路径(12)中物体的方法， 其特征在于，所述微波信号借助高频收发器(18)从所述第一微波单元(14a)到所述第二微波单元(14b)并且反之从所述第二微波单元(14b)到所述第一微波单元(14a)双向地发射和接收，并且在用于无线 通信的集成模块(20)中并且基于在用于所述无线通信的集成模块(20)中实现的方法来实现所述高频收发器(18)的高频处理。
【文档编号】H04B1/38GK103973328SQ201410035630
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2013年1月28日
【发明者】托马斯·韦伯 申请人:西克股份公司