本發(fā)明涉及物位測(cè)量方法以及物位測(cè)量設(shè)備。

背景技術(shù)：

在當(dāng)今的工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)容器中的填料(例如流體或者顆粒填料)的物位的監(jiān)控在經(jīng)常高度自動(dòng)化的工藝過(guò)程中以及較小的倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)中基本上有助于成本效率的提高，并在許多應(yīng)用領(lǐng)域中成為標(biāo)準(zhǔn)措施。在此尤其是利用雷達(dá)傳感器進(jìn)行操作的物位測(cè)量方法和物位測(cè)量設(shè)備非常普及，這些物位測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)量評(píng)估回波曲線并由此推導(dǎo)出物位。在此要注意的是，雷達(dá)傳感器的定義如其在本公開中所使用的那樣并不強(qiáng)制性地限定為純探測(cè)器部件，其當(dāng)然需要信號(hào)輸出端或者通信接口。也就是說(shuō)，本公開的范疇中的雷達(dá)傳感器也可以包括用于發(fā)射雷達(dá)信號(hào)的主動(dòng)組件和/或電子控制裝置。

在此，在這類測(cè)量的基本原理中，信號(hào)被發(fā)射到容器中，并且例如記錄反射的雷達(dá)回波的穿行時(shí)間分布，由此可以得到填料面至雷達(dá)傳感器的間隔。這通常通過(guò)評(píng)估電子器件自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)，該評(píng)估電子器件根據(jù)定義的標(biāo)準(zhǔn)將填料面指定到回波曲線中的結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)該結(jié)構(gòu)的位置計(jì)算出物位。評(píng)估電子器件不必強(qiáng)制性地被配置成單獨(dú)的部件，且也可以被集成在雷達(dá)傳感器中，尤其是雷達(dá)傳感器的電子控制裝置中。

然而，利用該措施在不能確保通過(guò)評(píng)估電子器件識(shí)別回波曲線中的正確結(jié)構(gòu)時(shí)總是出現(xiàn)問(wèn)題。例如特別在如下情況下明顯地出現(xiàn)問(wèn)題：因?yàn)槿萜鞯膸缀涡螤畹脑颍走_(dá)傳感器布置成使得在裝填容器時(shí)不能避免填料流侵入到雷達(dá)傳感器的發(fā)射雷達(dá)束的發(fā)射器的發(fā)射區(qū)域中或者橫穿該區(qū)域。這必然導(dǎo)致在回波曲線中產(chǎn)生額外的結(jié)構(gòu)，當(dāng)該結(jié)構(gòu)與通過(guò)真實(shí)的填料面引發(fā)的回波曲線的結(jié)構(gòu)相比類似地較強(qiáng)或者甚至更強(qiáng)地形成時(shí)，該結(jié)構(gòu)會(huì)被評(píng)估電子器件錯(cuò)誤地識(shí)別為填料面，這當(dāng)然會(huì)導(dǎo)致極端錯(cuò)誤的物位輸出。

為了避免這樣的問(wèn)題，由EP 1283412B1公開了一種用于檢測(cè)填充過(guò)程的方法，在該方法中回波曲線通過(guò)評(píng)估電子器件檢驗(yàn)其是否處于預(yù)期的范圍內(nèi)并且當(dāng)不是這種情況時(shí)，推斷出填充過(guò)程的存在。但是由此僅實(shí)現(xiàn)了沒(méi)有填充過(guò)程的有意義的測(cè)量結(jié)果和填充過(guò)程中的無(wú)意義的測(cè)量結(jié)果之間的區(qū)分。

EP 2824431A1公開了通過(guò)多普勒方法來(lái)測(cè)定流動(dòng)速度和至流動(dòng)的介質(zhì)的間距。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于提供改進(jìn)的物位測(cè)量方法和物位測(cè)量設(shè)備，其中，回波曲線的評(píng)估能夠匹配于當(dāng)前引發(fā)的條件-例如正在進(jìn)行的填充過(guò)程，但還包括排空或者攪動(dòng)器的操作。

本發(fā)明的目的是通過(guò)具有權(quán)利要求1的特征的物位測(cè)量方法和具有權(quán)利要求10的特征的物位測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求的目的在于提供本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明的利用至少一個(gè)雷達(dá)傳感器和至少一個(gè)評(píng)估電子器件來(lái)測(cè)量例如處于容器內(nèi)部的填料的物位的方法包括如下步驟：接收回波曲線；接收多普勒頻譜；通過(guò)所述評(píng)估電子器件評(píng)估所述多普勒頻譜；以及在考慮到通過(guò)所述評(píng)估電子器件對(duì)所述多普勒頻譜評(píng)估的結(jié)果的同時(shí)，通過(guò)所述評(píng)估電子器件評(píng)估所述回波曲線。本發(fā)明是以如下認(rèn)識(shí)為基礎(chǔ)的：通過(guò)多普勒頻譜能夠自動(dòng)地提取關(guān)于當(dāng)前存在的條件的詳細(xì)信息，利用該信息能夠顯著地改善通過(guò)評(píng)估電子器件對(duì)回波曲線的評(píng)估。

需要注意的是，可以使用不同的雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制形式，例如脈沖雷達(dá)、FMCW雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、FSK雷達(dá)和連續(xù)波雷達(dá)。

在該方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在通過(guò)評(píng)估電子器件評(píng)估多普勒頻譜時(shí)確定填料面是否發(fā)生變化，例如，因?yàn)槿萜髦械臄噭?dòng)設(shè)備正在操作。由于這樣的變化隨著填料顆?；蛘吡黧w組分的運(yùn)動(dòng)一同發(fā)生，因此包含速度信息的多普勒頻譜適于識(shí)別出這樣的運(yùn)動(dòng)。這尤其可以在評(píng)估電子器件也能夠訪問(wèn)填料的有關(guān)信息時(shí)加以使用，從而在從回波曲線中確定物位時(shí)考慮在流體中操作的攪動(dòng)器的影響，例如拋物線形表面的形成。

根據(jù)該方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，使用包括速度信息的多普勒頻譜，確定是否出現(xiàn)填料的流入或者流出。該信息不僅能用于對(duì)從可能由填充過(guò)程造成錯(cuò)誤的回波曲線中獲得的物位信息進(jìn)行鑒定，而且也用于校正從回波曲線中獲得的物位信息的可能影響或者通過(guò)以此為基礎(chǔ)的流入率或者流出率的估測(cè)從最后未受影響的物位出發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)的當(dāng)前物位的估測(cè)。

特別地，這被證明是有利的：取決于對(duì)多普勒頻譜評(píng)估的結(jié)果，在通過(guò)評(píng)估電子器件評(píng)估回波曲線時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)整被使用的平均因子。

特別地，在填充流在填充容器時(shí)侵入到雷達(dá)傳感器的監(jiān)控區(qū)域中(也就是雷達(dá)傳感器的天線的發(fā)射區(qū)域中)從而在回波曲線出現(xiàn)了對(duì)應(yīng)于填充流的結(jié)構(gòu)的情況下，可以使用來(lái)自多普勒頻譜的指示(即存在這樣的填充流)來(lái)確定對(duì)回波曲線中的與填料的物位相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)的識(shí)別。例如，當(dāng)在雷達(dá)傳感器的監(jiān)控區(qū)域中存在強(qiáng)烈的填充流時(shí)，在許多情況下起作用的標(biāo)準(zhǔn)將具有最高振幅的回波曲線的結(jié)構(gòu)與物位相關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致了錯(cuò)誤的結(jié)果。通過(guò)替換或者利用額外條件來(lái)補(bǔ)充該標(biāo)準(zhǔn)，在回波曲線中跳躍性出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)被排除在用于物位的可能的候選資格之外。

特別優(yōu)選地，回波曲線和多普勒頻譜被同時(shí)接收，因?yàn)檫@兩個(gè)測(cè)量在系統(tǒng)的相同狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)。在一些常見的雷達(dá)技術(shù)和調(diào)制形式中強(qiáng)制性地要求以不同的雷達(dá)傳感器接收回波曲線和多普勒頻譜。但是這也當(dāng)在原則上可能使用唯一的雷達(dá)傳感器時(shí)帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)。

此外優(yōu)選地，當(dāng)流量計(jì)被布置在流入口或者流出口中時(shí)，流量計(jì)的測(cè)量值被提供至雷達(dá)傳感器中的信號(hào)評(píng)估裝置，以作為額外的輸入?yún)?shù)。

根據(jù)本發(fā)明的物位測(cè)量設(shè)備具有至少一個(gè)雷達(dá)傳感器和至少一個(gè)控制和評(píng)估電子器件，但是其也能夠由多個(gè)組件組成。物位測(cè)量設(shè)備的特征在于，控制和評(píng)估電子器件用于執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法。尤其由此可以確?？刂坪驮u(píng)估電子器件的處理器對(duì)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的用于執(zhí)行上述方法的程序進(jìn)行處理，也就是通過(guò)相應(yīng)地控制屬于雷達(dá)傳感器的雷達(dá)發(fā)射器來(lái)執(zhí)行對(duì)回波曲線和多普勒頻譜的測(cè)量并且將利用雷達(dá)傳感器的雷達(dá)探測(cè)器測(cè)定的數(shù)據(jù)作為回波曲線或者多普勒頻譜進(jìn)行分析，其中通過(guò)多普勒頻譜的分析獲得參數(shù)，評(píng)估電子器件然后在評(píng)估回波曲線時(shí)使用該參數(shù)。

附圖說(shuō)明

接下來(lái)根據(jù)示例性的圖示對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。圖中示出：

圖1示出了具有一個(gè)雷達(dá)傳感器的容器，其中填料流入到該容器中。

圖2示出了如利用圖1所示的布置測(cè)定的回波曲線的第一示例。

圖3示出了如利用圖1所示的布置測(cè)定的回波曲線的第二示例。

圖4示出了具有兩個(gè)雷達(dá)傳感器的容器，其中填料流入到該容器中，

圖5示出了具有一個(gè)雷達(dá)傳感器的容器的替代方案，其中填料流入到該容器中，且流量測(cè)量設(shè)備被布置在供應(yīng)管道上。

圖6a示出了在未被干擾的填料表面的情況下的多普勒頻譜。

圖6b示出了在填充流處于雷達(dá)傳感器的監(jiān)控區(qū)域之外的情況下的多普勒頻譜。

圖6c示出了在填充流進(jìn)入雷達(dá)傳感器的監(jiān)控區(qū)域中的情況下的多普勒頻譜。

圖6d示出了在容器處于排空狀態(tài)的情況下的多普勒頻譜。

具體實(shí)施方式

圖1示出了雷達(dá)傳感器1，該雷達(dá)傳感器1包括未示出的雷達(dá)發(fā)射器、雷達(dá)接收器以及控制和評(píng)估電子元件。雷達(dá)傳感器1被布置在具有供應(yīng)管道5和排放管道6的容器2上并用于確定填料面4的位置，由此推導(dǎo)出物位。在圖示的情況下，通過(guò)供應(yīng)管道5，填料流3流入到容器2中，該填料流進(jìn)入雷達(dá)傳感器1的監(jiān)控區(qū)域中。由于填料流3的存在而出現(xiàn)了干擾，該干擾視位置和振幅而不利地影響對(duì)填料面4的位置的確定。即使填料流3處于雷達(dá)傳感器1的由雷達(dá)發(fā)射器的發(fā)射區(qū)域定義的監(jiān)控區(qū)域之外的填充狀態(tài)下，也會(huì)不利地影響對(duì)位置的確定，例如當(dāng)填料是液體時(shí)，從而填料流3在填料面4上的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致波浪的形成。

圖2示出了填充過(guò)程中的典型回波曲線7。在測(cè)量距離時(shí)，曲線的前部區(qū)域中的分布回波8由填充流引起。在曲線的后部區(qū)域中能夠明顯識(shí)別的單個(gè)回波9表示正確的物位回波。在這種情況下，還能夠分離回波曲線中的填充流回波和填料回波，這是因?yàn)閮蓚€(gè)回波彼此足夠遠(yuǎn)并且填料回波具有足夠大的振幅。然而，在具有例如在圖3中看到的輪廓的回波曲線10中出現(xiàn)問(wèn)題。在此，在振幅上與填料回波12相比，填充流的各種干擾回波11占優(yōu)勢(shì)。如果停止填充過(guò)程，那么信號(hào)評(píng)估不能夠長(zhǎng)時(shí)間地停留在正確的填料回波12上。評(píng)估電子器件更多地在一些時(shí)間之后確定較大的不期望的填充流回波11，并且因此輸出錯(cuò)誤的物位。

如果填充流的不期望的干擾回波和填料回波彼此足夠近，則很小的干擾回波振幅也能改變曲線形狀并進(jìn)而改變填料回波的位置，并導(dǎo)致距離錯(cuò)誤。

所描述的根據(jù)本發(fā)明的用于解決問(wèn)題的方案的目的在于，通過(guò)多普勒測(cè)量來(lái)探測(cè)容器內(nèi)部的任何動(dòng)態(tài)變化，并進(jìn)而用于評(píng)測(cè)對(duì)測(cè)定的距離測(cè)量的信號(hào)處理。多普勒測(cè)量或者對(duì)接收到的雷達(dá)信號(hào)中的多普勒偏移的評(píng)估給出了容器的容納物的一部分的速度。尤其是，可以從接收到的雷達(dá)信號(hào)計(jì)算出多普勒頻譜，該多普勒頻譜表示在容器中測(cè)量的多普勒頻率的分布并進(jìn)而表示速度。在多普勒頻率和速度之間存在有線性關(guān)系。

如例如圖6a-6d所示，多普勒頻譜可識(shí)別基本上彼此待區(qū)分的場(chǎng)景。

圖6a示出了由未被干擾的填料表面4產(chǎn)生的多普勒頻譜18。頻譜是無(wú)結(jié)構(gòu)的，并且僅表示相應(yīng)的接收器的電子基礎(chǔ)噪音；相應(yīng)地，不需要改變這種情況下的對(duì)回波曲線的評(píng)估。

如看到的那樣，圖6b示出了在例如通過(guò)圖1中的供應(yīng)管道5在填料的物位線上方開始填充時(shí)的多普勒頻譜19。然而，不同于圖1所示的情形，在此所發(fā)射的雷達(dá)信號(hào)位于填充流之外。因而，不存在干擾回波。這尤其在具有較大的直徑的容器的情況中實(shí)現(xiàn)。因而，通過(guò)在容器中形成波浪，并且在與之相關(guān)的不平靜的填料表面上探測(cè)到與平靜的填料表面相比發(fā)生變化的多普勒頻譜。因此在這種情況下也探測(cè)到了填充過(guò)程，這作為額外信息以用于對(duì)距離測(cè)量的信號(hào)處理。當(dāng)然，當(dāng)干擾性地對(duì)平坦的填料面產(chǎn)生影響的攪動(dòng)器或者容器中的另外設(shè)備工作時(shí)亦是如此。

圖6c示出了如在圖1示出的情況下獲得的多普勒頻譜20，其中圖2中示出圖1所示情形的相關(guān)回波曲線7。在回波曲線中實(shí)現(xiàn)了至填料面和填充流的同時(shí)距離測(cè)量，但通過(guò)多普勒評(píng)估安全地識(shí)別這種情況?？焖傧陆档奶盍系念l譜頻率分布明顯不同于物位線的相對(duì)慢速變化的物位的頻率頻譜。因此防止了如下情形：決定對(duì)如圖3所示的回波曲線10中的可能產(chǎn)生的較大的干擾回波11進(jìn)行回波評(píng)估，并因此提供了至填料面的錯(cuò)誤距離值。

如所見的那樣，圖6d示出了在例如通過(guò)圖1中的排放管道6在填料物位線下方進(jìn)行填充或者排空使得所發(fā)射的用于距離測(cè)量的雷達(dá)信號(hào)沒(méi)有受到填充流干擾時(shí)的多普勒頻譜21。在該場(chǎng)景中，認(rèn)定填料表面在通過(guò)管6填充和排空容器時(shí)保持平靜，即在填料表面上沒(méi)有產(chǎn)生顯著的波浪。因此沒(méi)有額外的不期望的干擾回波被輸出到回波曲線上。多普勒測(cè)量在此提供了填料的物位線移動(dòng)的速度，以作額外信息。由此，例如可以在物位線快速地變化時(shí)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)距離測(cè)量的平均因子。此外，視物位變化的速度而定，可以在時(shí)間上預(yù)報(bào)容器何時(shí)被完全地排空或者填充或達(dá)到預(yù)定的水平。

對(duì)于待測(cè)量的場(chǎng)景的物位測(cè)量和多普勒評(píng)估來(lái)說(shuō)，可以使用不同的雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)信號(hào)和調(diào)制方式。用于物位測(cè)量和/或多普勒評(píng)估的一些常規(guī)方法例如為脈沖雷達(dá)、FMCW雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)、脈沖壓縮雷達(dá)、頻移鍵控(FSK：Frequency Shift Keying)雷達(dá)和連續(xù)波(CW：continous wave)雷達(dá)。該列舉不應(yīng)被視為排他性的。許多另外的雷達(dá)技術(shù)，尤其是混合形式的雷達(dá)技術(shù)也能夠應(yīng)用到上下文中。

列舉的雷達(dá)技術(shù)和調(diào)制形式允許以不同的類型進(jìn)行物位測(cè)量和多普勒評(píng)估。例如在一些調(diào)制形式和雷達(dá)技術(shù)的情況下可以執(zhí)行距離和速度的同時(shí)測(cè)量或者接收信號(hào)的多普勒偏移。另外的調(diào)制形式僅允許連續(xù)順序的距離測(cè)量和多普勒評(píng)估。利用純連續(xù)波雷達(dá)例如僅可以執(zhí)行多普勒評(píng)估但是不能進(jìn)行距離測(cè)量。

圖4展示了如下場(chǎng)景：雷達(dá)傳感器13例如僅用于物位測(cè)量并且雷達(dá)傳感器14僅用于速度測(cè)量。這些測(cè)量在此優(yōu)選同時(shí)地執(zhí)行。

如在圖5中所示，如果物位回波因?yàn)榭拷畛淞鞯牟黄谕母蓴_回波的原因而受到不利影響，也能夠通過(guò)對(duì)例如流量的額外測(cè)量來(lái)確定至填料面的預(yù)期距離。在此，流量計(jì)16處于容器的入口17中，并將測(cè)定的流量值提供到信號(hào)處理裝置以作為輸入?yún)?shù)。即使在填充期間不能通過(guò)雷達(dá)傳感器15測(cè)量出可靠的物位值，但可以通過(guò)容器幾何形狀和已知的入口并利用合適的算法估測(cè)出實(shí)際的填料高度。

參考標(biāo)號(hào)列表

1 雷達(dá)傳感器 2 容器 3 填料流

4 填料面 5 供應(yīng)管道 6 排放管道

7 回波曲線 8 干擾回波 9 填料回波

10 回波曲線 11 干擾回波 12 填料回波

13 雷達(dá)傳感器 14 雷達(dá)傳感器 15 雷達(dá)傳感器

16 流量計(jì) 17 入口 18 多普勒頻譜

19 多普勒頻譜 20 多普勒頻譜 21 多普勒頻譜