CN101253395B

CN101253395B - 用于处理雷达液位计系统中的罐槽信号的方法和系统

Info

Publication number: CN101253395B
Application number: CN2006800321059A
Authority: CN
Inventors: L·O·拉森; M·奥德; K·维赫姆森; J·维斯特玲
Original assignee: Saab Rosemount Tank Radar AB
Current assignee: Rosemount Tank Radar AB
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2026-08-31
Also published as: KR20080039468A; WO2007027140A8; CN101253395A; JP2009506341A; DE112006002310B4; US20070046528A1; US7355548B2; KR100991160B1; JP4809896B2; DE112006002310T5; WO2007027140A1

Abstract

本发明涉及雷达液位计系统中的罐槽信号的处理。提供用于处理由雷达液位计系统产生的反射的微波信号的方法和系统，所述雷达液位计系统被配置为向罐槽中的材料发射微波并接收所述微波信号的反射作为罐槽信号。罐槽信号通过多个过程被处理，每个过程适于确定罐槽的特定区域中的过程变量，每个特定区域与预定传播距离范围对应。接收的罐槽信号的这种多重处理具有每个处理可被优化到罐槽的该特定区域的优点。具体而言，与罐槽的特定区域有关的过程仅需要处理罐槽信号的一部分。

Description

用于处理雷达液位计系统中的罐槽信号的方法和系统

技术领域

本发明涉及雷达液位计(RLG)系统。在这些系统中，微波被发射到罐槽中并且反射的罐槽信号被接收。基于该反射信号的信号处理，可确定诸如罐槽中的容纳物的水平的过程变量。

背景技术

这些RLG系统一般包含信号发生器、用于将信号发射到罐槽中的装置和用于接收反射的罐槽信号的接收器。接收的信号可例如是时域反射测量(TDR)信号或诸如调频连续波(FMCW)信号的频域信号。接收的信号一般至少包含由罐槽中的不同材料之间的界面所引起的表面反射(回声)，该界面一般但未必是液面。一般地，接收的信号还包含例如由罐槽的底部和壁或信号发生器和波导之间的过渡部分所引起的各种干扰反射。

为了提高测量结果的精度，可采用接收信号的信号处理以针对这些干扰反射对接收的信号进行补偿。但是，信号处理一般在整个罐槽中按照普通精度而被优化，未必在罐槽的所有区域中是最佳的。因此，为了提供关于罐槽的特定区域中的条件的信息，除了RLG系统以外，有时在罐槽中配置附加的传感器。

特别重要的一个这种区域是近区，即与微波进入罐槽的入口接近的区域。在RLG中，当在根据所使用的微波信号的类型可处于0～2米的范围中的该近区中出现表面反射时，测量过程可变得复杂或者甚至变得不可能。这些问题是由限制分辨率的有限的带宽以及由信号传送介质和罐槽中的发射器/接收器之间的过渡部分所引起的干扰反射引起的。RLG系统可具有特定的信号处理以处理这些问题。

同时，出于安全的原因，具有关于罐槽中的容纳物的表面是否以及在什么时候接收罐槽的顶部的安全指示(即一些类型的过满感测系统)是十分重要的。因此，上述的附加的传感器的一个例子是被配置在罐槽的顶部并适于检测液面在什么时候超过某个水平的过满传感器。虽然一般的测量处理可能也适于在罐槽的顶部(称为近区)提供精确的测量，但在许多国家中当局机关需要这种冗余的(redundant)传感器系统。

发明内容

本发明的目的是，在不需要附加的传感器的情况下提供关于罐槽的特定区域中的条件的信息。

通过提供用于处理罐槽信号的雷达液位测定方法和系统实现该目的和其它目的，所述罐槽信号包含每个与测量循环对应的连续的罐槽信号部分，其中，接收的罐槽信号的每个部分在多个过程中被处理，每个过程适于确定罐槽的特定区域中的过程变量，每个特定区域与单独的预定传播距离范围对应。

其中，术语“测量循环”用于表示确定测量结果的循环过程。这些循环的长度不必相等，并且，在不同的循环之间传送的信号的内容也可能不同。在脉冲RLG中，测量循环与一个脉冲的传送对应，而在FMCW RLG中，测量循环与频率的一次扫描对应。由于罐槽信号的每个部分与一个测量循环对应，因此将对来自每个测量循环的信息执行多个过程中的每一个。

一个区域可以是最接近进入罐槽中的信号入口的区域(称为近区)，而另一区域可以是最远离进入罐槽中的信号入口的区域。在方向垂直的罐槽中，与不同的传播距离范围对应的区域将与罐槽的例如顶部区域和底部区域的多个垂直层有关。

接收的罐槽信号的这种多重处理具有每个过程可被优化到罐槽的该特定区域的优点。具体而言，与罐槽的特定区域有关的过程仅需要处理罐槽信号的有限的内容。在时域反射测量信号的情况下，过程仅需要处理有限的时间范围，并且，在频域罐槽信号的情况下，过程仅需要处理有限的频率范围。由此简化处理，并且可使得这种区域限制过程更加强健。

应当注意，多个区域可能重叠，使得罐槽的一部分可能被几个区域覆盖。由此将在几个过程中处理与该区域有关的罐槽信号。例如，这种情况是：如果为了获得测量结果一个过程基本上处理整个罐槽，并且为了提供这些特定区域的更强健的测量结果，其它的过程仅处理较小的子区域。

这种区域限制的过程可包含从罐槽信号减去补偿信号，该补偿信号包含关于关注的区域的背景信息，该背景信息也被称为“标记(signature)”。可以通过使用在离开关注的区域某一距离的位置上出现表面反射的罐槽信号并然后减去罐槽信号的与关注的区域有关的部分而形成这种补偿信号。

在脉冲时域系统中，可通过选择信号的时间范围来减去罐槽信号的相关部分。

在诸如FMCW系统的频域系统中，可以通过低通或带通过滤当在关注的区域内没有出现表面反射时接收的罐槽信号而形成补偿信号。

对于罐槽的底部区域，可以通过在表面反射接近底部时从测量循环挽回罐槽信号而形成补偿信号。

在任何情况下，可以通过根据下式将补偿信号CS_n(t)与在前的补偿信号CS_n-1(t)组合而形成更新的补偿信号CS_n ^＊(t)：

CS_n ^＊(t)＝aCS_n(t)+(1-a)CS_n-1(t)

其中，a是0～1之间的权重因子。

区域限制过程的一个例子可以是适于提供过满检测系统的近区过程(特别适于近区)。本发明的实施例基于这样一种认识，即，虽然常常需要冗余的过满感测系统，但是，只要施加适当的信号处理，事实上RLG系统本身就能够提供这种感测。通过在单独的测量过程中施加这种信号处理，冗余的过满感测系统被设置在RLG系统内，由此消除对于单独传感器的需要。

近区过程可限于处理源自罐槽的近区的信号内容，并因此不必处理来自罐槽的其它区域的干扰。这使得处理更耐用，以达到满足过满感测系统的需要的程度。

根据一个实施例，近区过程可包含：对于接收的罐槽信号的每个部分，从接收的罐槽信号减去基于罐槽的近区标记的补偿信号CSn(t)；检测近区中的具有大于预定阈值的幅值的峰；监视是否在预定数量的测量循环中出现峰；并基于所述峰识别表面反射。

其中，补偿信号包含关于罐槽的近区的信息，并被称为近区标记。

附图说明

将参照示出目前优选的实施例的附图更详细地说明本发明的这些和其它方面。

图1示意地表示根据本发明的实施例的雷达液位计系统。

图2表示根据本发明的实施例的信号处理的框图。

图3表示图2中的两个过程的流程图。

图4表示图3中的检测器步骤的流程图。

图5表示检测器步骤的替代实施例的状态模型。

具体实施方式

图1表示实现了本发明的雷达液位计(RLG)10的示意性框图。液位计10被配置为执行罐槽中的过程变量的测量，该过程变量诸如是罐槽5中的两种(或更多种)材料3、4之间的界面2的水平。一般地，第一材料3是存储在罐槽中的容纳物，例如是诸如汽油的液体，而第二材料4是空气或一些其它的气氛。在这种情况下，RLG将使得能够检测罐槽中的容纳物的表面的水平。注意，不同的罐槽容纳物具有不同的阻抗，并且电磁波将仅通过罐槽中的一些材料传播。因此，一般仅测量第一液面的水平，或者，如果第一液体是足够透明的那么测量第二液面的水平。

RLG 10包含微波控制器11、微波发射器/接收器12和将发射器/接收器12连接到控制器11上的信号传送介质13。控制器11可包含传送器14、接收器15、循环器16和管理这些部件所需要的任何控制电路17。并且，控制器11可包含用于将罐槽信号(即从罐槽接收的信号)数字化的A/D转换器18。

发射器/接收器12可如图1所示的那样包含罐槽的顶部的自由辐射天线19，或者，替代性地，发射器/接收器12可包含用作波导的钢管或伸入罐槽中的传送探针(例如，同轴探针、单探针或双探针)。

信号传送介质13可以是导线或电缆，但也可以包含一些更复杂的波导。在罐槽5内的容纳物具有爆炸性或另外具有危险性的情况下，信号传送介质13可包含穿过罐槽壁的气密密封。控制器11还可以用适当的端子直接与发射器/接收器12连接，或者，发射器/接收器12可被配置在与控制器11相同的电路板上，在这种情况下，信号传送介质可以只是电路板上的迹线。

雷达液位计10还包含用于与微波控制器11通信并用于基于传送和接收的微波之间的关系确定测量结果的处理电路20。控制器11通过数据总线21与处理电路20连接，并适于根据来自处理电路20的控制数据产生微波信号。

在使用中，处理电路20控制微波控制器11以产生和传送要被发射器/接收器12发射到罐槽5中的测量信号。该信号可例如是脉冲信号(脉冲液位测定)或具有在一定的范围上改变的频率的连续信号(调频连续波，FMCW)。微波发射器12用作适配器，从而使得在控制器11中产生的信号能够作为可被材料3的表面反射的微波传播到罐槽5中。

罐槽信号(即发射的信号及其回声)或发射和反射的信号的混合被发射器/接收器12接收，并被传送给微波控制器11，在该微波控制器11中，它被接收器15接收并通过转换器18被A/D转换。数字化信号然后通过总线21被提供给处理电路20，并且，处理电路20基于发射和接收的波之间的关系确定测量结果。

根据本发明的该实施例，处理电路被配置为在多个过程中处理接收的罐槽信号，每个过程适于确定罐槽的特定区域中的过程变量。在图2中示出这一点。应当注意，如图2所示的那样，各过程不需要是并行的。相反，只要它们使用相同的输入(罐槽信号部分)就可以依次执行它们。在图2中示出三个不同的过程31、32和33，每个过程适于确定图1中的罐槽5的特定区域51、52和53中的过程变量。在评价模块34中评价来自该三个单独的过程的结果。

在示出的情况下，一个过程32基本上与常规的测量过程对应，并且意图在于提供在整个罐槽中有效的诸如罐槽水平的测量结果。过程31由此处理整个罐槽信号，并处理可在罐槽中出现的各种类型的干扰。

其它的两个过程32、33适于提供诸如有限的区域中的罐槽水平的测量结果，这里该有限区域分别是近区52和底部区域53。由于这些过程意图仅在于在某些情况下提供有效的结果，因此可使得它们更强健，并可替代当局机关有时需要的附加传感器系统。

根据优选的实施例，过程之一32是近区过程，意图在于用作过满检测过程。这种过程的目的是，安全地检测罐槽顶部附近的过满区域中的任何表面回声以避免过满情况。如果在过满区域中检测到表面回声，那么来自过满保护系统的输出将被评价模块34接收，并可触发报警，从而导致与罐槽连接的抽吸系统的停机。并且，由于近区过程32被视为在罐槽的该区域中更强健，因此评价模块可适于使来自过满检测过程32的输出支配来自正常测量过程31的输出。在理想的情况下，正常过程31将检测与过满检测过程32相同的表面回声，但存在正常过程已被来自罐槽的干扰扰乱并产生错误结果的危险。

在表示过程31和32的例子的示意性框图中，在图3中更详细地示出根据本发明的实施例的过满检测过程。应当注意，该实施例与调频连续波(FMCW)系统有关。但是，可以在只有轻微修改的脉冲系统中实现类似的系统。

从图3可以清楚地看出，过程32被配置为处理与过程31相同的输入信号(罐槽信号)，并且也包含许多相同的步骤。具体而言，过程31包含用于调整罐槽信号的增益的过程步骤S1、用于傅立叶变换罐槽信号并提供罐槽信号频谱的步骤S2、用于定位频谱中的任何峰的步骤S3、用于确定到罐槽入口的距离和幅值的步骤S4、用于跟踪表面回声的步骤S5、和用于识别回声的步骤S6。另一方面，近区过程32包含过程步骤S7～S11，其中的步骤S8～S10基本上与过程31的步骤S32～S4对应。

在步骤S7中，从罐槽信号减去补偿。该补偿信号包含来自近区的背景信息，并可由完全在近区外面建立表面反射的较早的罐槽信号导出。其中，由于罐槽信号是FMCW信号，因此可通过低通过滤罐槽信号产生这种近区标记。低通过滤具有三种目的：首先，从信号消除表面反射，第二，允许对补偿信号进行采样，第三，避免具有不稳定相位的高频容纳物。

在步骤S8中，正如过程31中的步骤S2那样，对罐槽信号进行傅立叶变换以产生频谱，并且，在步骤S9中，通过简单地找到局部最大值(大于其邻近位值(bin)的位值)对峰进行定位。在步骤S10中确定在下面的步骤S11中使用的该峰的幅值和位置。

在步骤S11中，确定该峰是否代表过满区域内的表面回声，并且，如果是，那么产生输出。

步骤S11优选被设计为避免不必要的报警，因为这会导致不希望有的成本。在简单的情况下，步骤S11通过计数器监视过满区域中的峰的出现。在图4中示出了这一点。首先，在步骤S12中，验证该峰在过满区域内。在步骤S13中，然后验证该峰的幅值比预定的阈值大。如果检测到有效的峰，那么在步骤S14中将增加计数器，但优选只增加到特定的极限。如果没有检测到有效的峰，那么在S15中将减少计数器。因此，对于在过满区域中检测到有效的峰的每个测量，增加计数器，并且，对于没有检测到峰的每个循环，减少计数器。在步骤S16中，检测计数器是否超过预定的阈值，并且，如果情况如此，那么该有效的峰被视为过满区域中的表面回声，并且，在步骤7中产生输出。为了使得该过程更强健，可以通过提供输出直到计数器降到小于第一阈值的第二阈值以下而引入滞后作用。

作为状态模型在图5中示出可在步骤S11中实现的更复杂的过程。根据该过程，在紧挨着过满区域外面限定预先区域，并且，除了用于在过满区域中对峰检测进行计数的计数器，还存在用于在预先区域中对峰检测进行计数的预先计数器。状态61～65被标为无峰、预先区域、进入区域、内部区域和离开区域。

当两个计数器均等于零时到达无峰状态61。一旦在预先区域内检测到具有足够的幅值的峰，就到达预先区域状态。另一方面，如果在过满区域中检测到具有足够的幅值的峰，那么到达进入区域状态。

在预先区域状态62中，运行与图4中的过程类似的过程。对于在预先区域中检测到有效的峰的每个测量循环增加预先计数器，并对于没有检测到峰的每个循环减小。在预先计数器超过预定阈值的周期中，过满检测的步骤S11将产生输出，从而指示预先区域中的表面回声。如果预先计数器到达零，那么程序控制返回无峰状态61。如果是在过满区域中检测到峰，那么程序控制前进到进入区域状态63。

在进入区域状态63中，也运行与图4类似的过程。对于在过满区域中检测到有效的峰的每个测量循环增加计数器，并对于没有检测到峰的每个循环减小计数器。如果计数器到达零，那么，程序控制在预先计数器大于零的情况下返回预先区域状态62，或者在预先计数器也为零的情况下返回无峰状态61。如果计数器超过预定的阈值，那么程序控制前进到内部区域状态64。该阈值可以与预先区域状态62中的阈值不同。

当在内部区域状态64中时，过满检测过程32的步骤S11将产生输出，从而指示检测的峰的当前位置。只要在过满区域中检测到峰，程序控制就将保留在内部区域状态64中，并且，计数器将被增加到可能等于进入区域状态63中的阈值的预定水平。一旦没有在过满区域中检测到具有足够的幅值的峰，程序控制就将前进到离开区域状态65。

当在离开区域状态65中时，过满检测过程32的步骤S11将产生输出，从而指示最后检测的峰的位置。对于在过满区域中没有峰的每个循环，将减少计数器，并且，当低于预定的阈值时，程序控制将返回进入区域状态63，并且将不产生输出。该阈值优选小于进入区域状态63中的阈值，由此产生滞后效果。如果在计数器降至该阈值以下之前在过满区域中检测到新的峰，那么程序控制将返回到内部区域状态64并重新输出峰的当前位置。

当作为上述的过满检测过程实现近区过程32时，调节可能需要保证过程不失败，并且可为此实现各种检查。一种这种检查是扫描失败检查，如果太多的测量循环例如由于线性误差或罐槽信号削波而失败，那么该扫描失败检查发出报警。可以通过使计数器对每个失败的测量循环进行计数并确定失败循环数和总循环数之间的比值来实现扫描失败检查。如果该比值超过给定阈值，那么发出报警。

虽然主要参照FMCW系统进行了说明，但应理解，本发明可以有利地应用于任何RLG系统。具体而言，上述的过满检测过程32可适于脉冲时域系统。这种过程将不需要罐槽信号的傅立叶变换，并且将识别时域而不是频域中的峰。近区标记也将不是低通过滤的罐槽信号，而是从罐槽信号选择的时间范围。但过程32的总体结构将保持完好。

并且，应当注意，过程的数量不限于图2所示的三个。相反，所述的过满检测系统的实现仅需要两个过程，并且实现多于三个过程可能是有利的。

Claims

1.一种用于处理反射的微波信号的方法，所述反射的微波信号用于确定罐槽(5)中的容纳物的至少一个过程变量，其中，所述反射信号已由雷达液位计系统(10)产生，该雷达液位计系统(10)被配置为在连续的测量循环中向罐槽(5)中的材料(3)传送微波，并接收所述微波信号的反射作为罐槽信号，所述罐槽信号包含每个与测量循环对应的连续的罐槽信号部分，所述方法的特征在于，

在多个过程(31、32、33)中处理接收的罐槽信号的每个部分，每个过程适于确定罐槽的特定区域(51、52、53)中的过程变量，每个特定区域与单独的预定传播距离范围对应；

其中，所述过程中的至少一个包含从罐槽信号减去补偿信号(S7)，所述补偿信号包含关于特定区域的背景信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，并行执行所述过程。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，接收的罐槽信号是频域罐槽信号，并且其中，通过傅立叶变换所述罐槽信号来确定频谱(S2)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，通过低通过滤当在特定区域内没有出现表面反射时接收的罐槽信号而形成补偿信号CS_n(t)。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过根据下式将所述补偿信号CS_n(t)与在前的补偿信号CS_n-1(t)组合而形成更新的补偿信号CS_n ^＊(t)：

CS_n ^＊(t)＝aCS_n(t)+(1-a)CS_n-1(t)

其中，a是0～1之间的权重因子。

6.根据权利要求1、2、4、5中任意一项所述的方法，其中，所述过程中的至少一个是适于检测罐槽的近区中的表面反射的近区检测过程。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述近区检测过程包括：

对于接收的罐槽信号的每个部分，从所述接收的罐槽信号减去基于罐槽的近区标记的补偿信号CS_n(t)，并检测近区中的具有大于预定阈值的幅值的峰的任何存在(S13)；

监视其中出现峰的测量循环的数量(S14、S15)；以及

基于所述峰识别表面反射。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述监视的步骤包含对于检测到峰的每个测量循环递增计数器(S14)，并且对于没有检测到峰的每个测量循环将所述计数器递减(S15)。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，在通过傅立叶变换所述减法结果确定的频谱中检测所述峰(S8)。

10.根据权利要求1、2、4、5中任意一项所述的方法，其中，所述罐槽信号是时域反射测量(TDR)信号。

11.一种用于确定罐槽中的容纳物的过程变量的雷达液位计系统(10)，包括：

用于产生微波信号的微波传送器(14)；

用于将所述微波信号引导到罐槽中并允许其向罐槽中的容纳物传播的装置(12、13)；

用于接收来自罐槽的所述微波信号的反射作为罐槽信号的微波接收器(15)，所述罐槽信号包含每个与测量循环对应的连续的罐槽信号部分；和

被配置为基于所述罐槽信号的每个部分确定所述过程变量的处理电路(20)，

所述处理电路适于对所述罐槽信号的每个部分执行多个过程，每个过程适于确定罐槽的特定区域中的过程变量，每个特定区域与单独的预定传播距离范围对应；

其中，所述过程中的至少一个包含用于从罐槽信号减去补偿信号的装置，所述补偿信号包含关于特定区域的背景信息。

12.根据权利要求11所述的雷达液位计，其中，所述微波信号是频域信号。

13.根据权利要求11所述的雷达液位计，其中，所述罐槽信号是时域反射测量(TDR)信号。

14.根据权利要求11所述的雷达液位计，其中，所述信号引导和传播装置包含被配置在罐槽内的自由辐射天线(19)。

15.根据权利要求11所述的雷达液位计，其中，所述信号引导和传播装置包含伸入罐槽中的探针。

16.根据权利要求11所述的雷达液位计，其中，所述过程中的至少一个是适于检测罐槽的近区中的表面反射的近区检测过程。

17.根据权利要求16所述的雷达液位计，其中，所述近区检测过程包含：

用于从所述接收的罐槽信号减去基于罐槽的近区标记的补偿信号CS_n(t)的装置；

用于检测近区中的具有大于预定的阈值的幅值的峰的任何存在的装置；

用于监视其中出现峰的测量循环的数量的装置；和

用于基于所述峰识别表面反射的装置。

18.根据权利要求17所述的雷达液位计，其中，所述监视装置包含被配置为对于检测到峰的每个测量循环而被递增并且对于没有检测到峰的每个测量循环而被递减的计数器。

19.根据权利要求17所述的雷达液位计，其中，所述峰检测装置被配置为通过傅立叶变换来自所述减法装置的结果而形成频谱。