CN102042860B

CN102042860B - 分段信号处理

Info

Publication number: CN102042860B
Application number: CN201010512535.9A
Authority: CN
Inventors: 罗兰·韦勒
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2010-10-09
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-10-09
Also published as: CN102042860A; US20110231118A1; US8380449B2; EP2309235A1

Abstract

本发明提供了一种分段信号处理。根据本发明的典型实施例，说明了一种用于装料高度测量装置的电子模块，该电子模块基于期望扇区评价新获取的数据点，并且，如果该数据点位于期望扇区内，则以该新获取的数据点替换前一数据点。否则，生成新的期望扇区。作为结果，可以以更有效的方式创建回波信号波形的呈现。

Description

分段信号处理

交叉引用

本申请要求2009年10月12日提交的欧洲专利申请EP 09 172 769.3和2009年10月13日提交的美国临时专利申请61/250,958的申请日的优先权，其全部内容通过引用包含于此。

背景技术

本发明涉及装料高度测量领域。本发明尤其涉及一种用于装料高度测量装置的电子模块、包括这类电子模块的装料高度测量装置、装料高度测量中分段信号处理的方法、程序单元以及计算机可读介质。

背景技术

在现今的用于测量装料高度、压力或通过管道的流量的测量方法中，如果需要在后面进行相应的处理，则可以以所谓的跟踪列表的形式存储测量值。

在例如基于所谓的调频连续波(FMCW)原理或脉冲传播时间方法的装料高度测量的情况下，这些跟踪列表对应于测量的回波曲线。在压力测量的情况下，例如，这些跟踪列表可以反映测量的压力在时间上的进展，而在流量测量的情况下，它们可以反映在预定时间点的流速。

这些跟踪列表通常需要相对大量的存储空间。只有具有足够的传输能力，才能将跟踪列表从测量装置传送到外部单元。

US 7284425 B2说明了一种用于装料高度判断的方法，在该方法中，可以在运动表面和静止表面之间进行区分。

WO 2004/010093 A1说明了一种用于判断与后面的回波有关的期望范围的方法，在该方法中，考虑期望范围，即从过去开始的回波数据在时间上的呈现。

DE 4234300 C2说明一种根据脉冲传播时间方法的测量方法。

WO 2009/037000 A3说明了一种用于寻找并提取回波的方法。

发明内容

根据本发明的典型实施例，说明了一种用于装料高度测量装置、用于压力测量装置和/或用于流量测量装置的电子模块，该电子模块可以进行分段信号处理。该电子模块包括存储单元，该存储单元用于存储与由测量装置获取的测量值相对应的数据点的时间序列。此外，设置有运算单元，对所述运算单元编程以用于从存储装置进行各数据点的针对性删除，其中，运算单元还被设计为用于基于在进行针对性删除之后保留在存储装置中的数据点来计算装料高度、压力和/或流量随时间的进展的呈现。在测量装置的每一个新的测量循环之后，判断(例如，通过运算单元)是否以在新的测量循环中生成的新数据点来代替最后存储的数据点。

这样，由于在各种情况下都以新的测量值代替最后存储的测量值，因而可以在一定的情形下保持存储空间要求恒定，在下面将对此进行详细说明。

换言之，计算装料高度随时间的进展，并因此根据小数量的数据点进行重构。装料高度始终仅使用在进行单个数据点的针对性删除之后保留在存储装置中的数据点中的两个数据点来创建以装料高度恒定或具有恒定变化率(一阶导数恒定)的时间间隔为特征的第一直线线段。如果向存储装置添加下一个数据点，则创建从此时起以装料高度的时间变化为特征的新的第二直线线段装料高度。该第二直线线段对应于装料高度的第二变化率，因此如第一直线线段一样，具有另一数学描述(例如，另一个一阶导数)。

根据本发明的另一典型实施例，通过将直线线段或其它曲线线段(例如，多项式函数)连接在一起来呈现装料高度、压力或流量随时间的进展。在该处理中，直线线段或曲线线段在各种情况下以存储在存储装置中的两个数据点为特征。例如，这两个数据点是第一个测量值和最后一个测量值，其中最后一个测量值已对前一测量值进行了替换。

根据本发明的另一典型实施例，每一个数据点都对应于测量的回波。换言之，电子模块是可用于根据FMCW原理或脉冲传播时间方法的装料高度测量的电子模块。

根据本发明的另一典型实施例，数据点的时间序列包括作为跟踪列表存储的一个或数个跟踪。

根据本发明的另一典型实施例，测量装置是根据脉冲传播时间方法或FMCW方法工作的装料高度测量装置，其中，电子模块设计为识别装料高度回波。

根据本发明的另一典型实施例，运算单元设计为计算数据点的时间序列的相应数据点的期望扇区；其中，如果新获取的回波的通过读取而新生成的数据点位于该期望扇区内，则存储该数据点并且同时替换早前的数据点。

例如，在每一个测量循环之后，判断新的数据点(例如，在相应的时间点的测量的装料高度)是否位于相应的期望扇区内。如果是这种情况，则该新数据点替换前一数据点。

应该注意，术语“期望扇区”涉及在装料高度相对于测量时间的图中的以所谓的期望扇区的边界为特征的两个曲线之间的装料高度的区域。这些曲线不必一定是直线而可以具有其它形状，其中，如果当前的趋势不发生任何变化，则该其它形状使得曲线适合于呈现预期的下一装料高度的区域的特征。

根据本发明的另一典型实施例，如果新获取的回波的通过读取而新生成的数据点位于期望区域外部，则存储该数据点。然而，此时不替换早前的数据点。

根据本发明的另一典型实施例，运算单元设计为利用新生成并存储的数据点计算下一期望扇区。

这样，如果呈现为在新测量循环中生成的数据点位于期望扇区外部，则还将该数据点输入到存储装置中(换言之，例如，输入到相应的跟踪列表中)，并且可以生成新的期望扇区。这导致作为结果的测量曲线的趋势改变，并且，如果以直线线段表示该测量曲线，则要添加新的直线线段，该新的直线线段具有与前一直线线段的斜率不同的斜率。

根据本发明的另一典型实施例，说明了一种测量装置，该测量装置可用于例如，装料高度测量、压力测量和/或流量测量，并且包括上下文中所说明的电子模块。

根据本发明的另一典型实施例，说明了一种装料高度测量、压力测量和/或流量测量中的分段信号处理的方法。在装料高度测量的情况下，该方法涉及例如，回波信号处理。在该方法中，存储与由测量装置所获取的测量值相对应的数据点的时间序列。在测量装置的每一个新的测量循环之后，判断是否以在新测量循环中生成的数据点来代替最后存储的数据点(并且，如果要进行替换，则实际地替换该数据点)。此外，基于替换后(即对最后存储的数据点进行针对性删除(或者相反地，进行添加)后)存储在存储装置中的数据点，计算装料高度、压力和/或流量随时间的进展的呈现。

根据本发明的另一典型实施例，计算数据点的时间序列的相应数据点的期望扇区。如果新获取的回波的通过新的读取而新生成的数据点位于期望扇区内，则存储该数据点，并且同时替换早前的数据点。如果新获取的回波的通过新的读取而新生成的数据点位于期望扇区外部，则除现有数据点以外还存储该数据点(因此此时不替换早前的数据点)。

根据本发明的另一典型实施例，说明了一种程序单元，其中，当在测量装置的处理器上执行时，该程序单元指示处理器并因此指示测量装置进行在上下文中所说明的步骤。

根据本发明的另一典型实施例，说明了一种存储程序单元的计算机可读介质，其中，当在测量装置的处理器上执行该程序单元时，该程序单元指示处理器并因此指示测量装置进行在上下文中所说明的步骤。

所说明的典型实施例还涉及电子模块、测量装置、方法、程序单元和计算机可读介质。换言之，还可以作为与处理有关的步骤来实现与该电子模块有关的以示例性方式在上下文中说明的特征，反之亦然。

下面参考附图说明本发明的典型实施例。

附图说明

图1示出回波信号处理中的原理；

图2示出根据本发明典型实施例的装料高度测量装置、压力测量装置和流量测量装置；

图3示出回波列表；

图4示出测量循环的重复；

图5示出跟踪列表中的两个跟踪；

图6示出用于实现根据本发明典型实施例的方法的第一部分的序列；

图7示出根据本发明典型实施例的方法的第二部分的序列；

图8示出根据本发明典型实施例的流程图；

图9示出用于初始化期望扇区的流程图；

图10示出用于更新预期扇区的流程图；以及

图11示出根据本发明典型实施例的方法的结果和第一方法的结果的比较。

具体实施方式

附图中的示例是概略的，并未按照比例。

在下面的对附图的说明中，对相同或类似元件使用相同的附图标记。

本发明涉及用于测量所有类型的装料高度、压力或流量的方法和装置。在根据FMCW方法或脉冲传播时间方法工作的装料高度传感器中，在装料高度表面的方向上发射电磁波或声波。随后，该传感器记录由给送材料和容器内壁反射的回波信号，并且根据该回波信号获得各自的装料高度。

图1示出商用装料高度测量装置内的回波信号处理的基本流程。

块“回波曲线处理”101包括为提供作为容器内的当前反射条件的图像的回波曲线所需的所有硬件单元和软件单元。优选地，对于这里所涉及的任何回波，使用已知方法在微处理器系统内以数字形式获取回波曲线并进行分析。

特别地，块“回波提取”102中的适用于此目地的方法包括根据基于阈值的回波提取领域的方法或基于比例的回波提取方法。在执行回波提取方法之后，提供数字回波列表，该数字回波列表优选包括与回波曲线中所包含的一个或数个回波的开始、位置和结束有关的详情。

为进一步增强装料高度测量装置的回波信号处理的可靠性，将找到的回波置于块“跟踪”103中的历史内容内。该处理中所使用的方法是根据本领域的当前技术状态获得的。例如，可以使用基于曼克莱特(Munkres)算法的方法来进行优化。在跟踪时，尤其通过数次个别读取来跟踪回波位置的进展，并且以跟踪的形式将所收集的信息呈现在存储装置中。使得能够以跟踪列表的形式从外部利用所收集的数个回波的历史信息。

在块“有关装料高度的判断”104中，对比当前回波列表的数据和与各回波随时间的进展有关的信息，以使得能够根据已知方法来识别与装料高度有关的回波。

为进一步提高装料高度测量的精度，可以使用时间密集计算方法，例如插值方法，利用可选块“装料高度回波的精确测量”105来更精确地判断所确定的装料高度回波的位置。使得可以在外部利用与给送材料间的所确定的距离。可以以模拟形式(例如，利用4.20mA的接口)或数字形式(例如，利用现场总线)实现该设置。

本发明的优点源自专用边界条件，其中，在商用装料高度测量装置内，使回波信号处理服从该专用边界条件。图2示出根据本发明典型实施例的，具有电子模块100的装料高度测量装置201的典型应用。还示出具有电子模块100的压力测量装置209和具有电子模块的流量测量装置210。

装料高度测量装置201利用天线202在待测量介质204的方向上发射信号203。装料高度测量装置本身可以根据超声原理、雷达原理、激光原理或引导微波的原理来判断与介质间的距离。

因此，超声波和电磁波这两者均可以考虑作为信号。介质204将撞击波反射回测量装置，在测量装置处接收并处理所述波。此时，还通过容器内壁(例如通过供应管205)反射所发射的信号。装料高度测量装置201中所接收到的回波曲线206因此可能不但包含由装料高度产生的有用回波208，而且还包括由嵌入的固定接口位置207所引起的回波，以下将该回波称为伪回波。

在此后开始的信号处理程序中，对于回波102以有针对性地方式研究回波曲线。

作为回波提取的结果，生成根据图3的图表的回波列表。除由供应管生成的伪回波(E0，207)的特征值以外，回波列表还包含由介质(204)生成的装料高度回波(E1，208)。

当然，该回波列表所呈现的特征仅表示回波列表的特定实现。在实际应用中，通常还使用具有回波的其它特征或变化特征的回波列表。

如果在装料高度测量装置中进行周期性的测量循环，那么这导致如图4所示的一系列接收到的回波曲线。作为例子，示出了三个独立的测量循环411、412、413，其中每个测量循环相隔5分钟。当然，可以代替进行例如，相隔1秒的更加快速的测量循环。

上述情形示出清空容器206期间的状况。为了根据数个这样的测量循环来保持对各个回波的进展的跟踪，使用术语称为“跟踪”的专用算法。在该例子中，利用通用跟踪407(T0)说明由接口位置205引起的回波401(E0)、403(E2)和405(E4)的进展。因此，通过通用跟踪408(T1)来表示由介质204所生成的回波402(E1)、404(E3)和406(E5)的进展。以跟踪形式描述由普通反射位置引起的回波的进展在文献中有所说明，并且这样的描述还有利于应用于其它领域(例如，空气监测)。

垂直轴410以米为单位表示与给送材料表面间的距离或与接口位置间的距离，而水平轴409表示进行各测量循环时的时间。

在完成跟踪103时，以跟踪列表的形式提供所找到的跟踪。图5以示例性方式示出由上述系列回波曲线所产生的跟踪列表。应该再次指出，跟踪列表所呈现的参数表示对潜在回波的可能特征的有利选择。当然，在这类跟踪列表内还可以跟踪附加特征或改变特征。

参考所示的跟踪列表，显而易见，对于每一新进行的测量循环，在已存在的跟踪列表中要插入至少一组新的回波数据。由于在商用装料高度测量装置中，存储空间和运算时间两者都是有限资源，因而对各回波的进展的非压缩表示对装料高度测量装置内的存储装置而言负担相当大。为此，在实际应用中，利用跟踪算法只能监视非常短的时间段。此外，参考图5的表，显然，所使用的方法不大适于装料高度测量过程中的特定要求。例如，尽管由于伪回波501、502、503一般是固定的，因而伪回波的进入几乎不包含任何附加信息，但是如跟踪装料高度回波一样，跟踪伪回波(E0、E2、E4)也需要许多存储位置。

因此除其它目的以外，本发明的目地还在于，在商用装料高度测量装置中，在有限的存储装置资源和计算时间资源的边界条件下实现对回波信号进展的有效且存储装置最优化的呈现。

图11示出该方法的基本理念。当存储装置中的跟踪呈现1101需要与一个或数个跟踪的进展有关的多个独立支持点时，根据本发明的方法试图在存储装置中实现跟踪的显著简化的图像1102。

在该情况下，试图通过将以各自的起点和终点为特征的直线线段连成线，根据数个读取来说明回波的位置的进展。当然，还可以分析线性进展的其它特征值(例如，各个回波的幅值)以基于该分析计算存储装置的有效呈现。

以下结合图8～图10的流程图，参考示例(图6、7)详细说明根据本发明的方法的处理。

在步骤800，在初始化期间，即在将回波的数据第一次添加到跟踪列表的新的跟踪期间，以及在将新回波添加到已存在的跟踪时，与各跟踪相关联地重新启用该方法。在步骤801，检查在输入传送的回波的数据时跟踪是否被重新初始化。如果是这种情况，那么在步骤802，将回波的相关数据直接添加到跟踪列表。

图6示出所说明的步骤的实际实现。在步骤601，进行初始化。在跟踪期间，将两个回波619(E0)(图2中的207或图4中的401)和621(E1)(图2中的208或图4中的402)新输入到跟踪列表602。在该示例中，仅记录跟踪内各回波发生的位置和时间点。

在接下来的测量循环603中，将回波403、620(E2)分配给跟踪T0，并且将回波404、622(E3)分配给跟踪T1。由于跟踪已经被初始化，因而在步骤810，将回波数据直接添加到跟踪列表。现在，扩展的跟踪列表604对于每一个跟踪包括两个记录项。此外，在步骤900，重新初始化期望扇区的边界线605、606、607、608。在步骤902，计算左侧的扇区直线605、607的直线方程。通过当前跟踪线段的起点的位置和最后添加的回波的起点的位置，定义左侧的扇区直线。

在步骤S903，将左侧的扇区直线的直线方程的参数(斜率m、截矩b)存储在传感器的存储装置中。在步骤904，计算右侧的扇区直线606、608的直线方程。跟踪的右侧的扇区直线由当前跟踪线段的起点的位置和最后添加的回波的终点的位置形成。将右侧的扇区直线的参数也存储在存储装置905中。

在触发新的测量循环609之后，回波提取算法102识别两个回波E4(405)和E5(406)，其中，在跟踪程序中，将回波E4分配给跟踪T0，并且将回波E5分配给跟踪T1。

在这一阶段，该方法进入步骤804。参考在步骤900中存储的左侧的扇区直线605的参数，然后可以确定在回波E4(405)和E5(406)发生的时间点时的左侧的扇区边缘位置。在步骤805，检查要新连接的回波405的位置是否小于在相应的时间点时计算出的左侧的扇区边缘位置616。如果是这种情况，则继续步骤810，即开始新的跟踪线段。如果不是这种情况，则在步骤805和807检查回波的位置是否大于在回波发生的时间点时计算出的右侧的扇区边缘位置617。

如果是这种情况，则继续步骤810，即开始新的跟踪线段。

如果新获取的回波的位置在各跟踪的延长扇区的范围内，则在步骤808删除各跟踪的最后一个直线612。在这种情况下，所发生的回波位置进展的线性延长是精确的，并且作为结果，可以实现该开始的跟踪线段想要的压缩后的呈现。在步骤809，将要连接的回波的数据作为新的记录项添加到跟踪列表614、615。在步骤1000，仍需要更新期望扇区的边界直线605、606、607、608。

在此意义上，在步骤1002，参考存储的左侧的扇区直线605的参数，计算在回波E4(405)和E5(406)发生的时间点时的左侧的扇区边缘位置616。如果回波开始的位置610大于在回波时间点时的左侧的扇区直线的位置616，则重新计算左侧的扇区直线的参数，其中，通过当前跟踪线段的起点和最后添加的回波的回波起点来定义该直线。将确定的直线的参数存储在存储装置中。使用回波E5(406)以相同方式更新边界直线607。

在步骤1006，参考存储的右侧的扇区直线606的参数，计算在回波E4(405)和E5(406)发生的时间点时的右侧的扇区边缘位置617。如果回波结束的位置611小于在回波发生的时间点时的右侧的扇区直线的位置617，那么重新计算右侧的扇区直线的参数，其中，通过当前跟踪线段的起点和最后添加的回波的终点来定义该直线。将确定的该直线的参数存储在存储装置中。

使用回波E5(406)以相同方式更新边界直线608。

应该注意，尽管有更多的回波的记录项，但作为结果的跟踪列表618不要求大于前一跟踪列表604所要求的存储空间。

最后，图7示出在不可能对已开始的跟踪线段进行线性延长的情况下的操作的序列。图6的附图标记609，或者图7的附图标记701的条件提供起始位置。作为突发的装料的结果，装料高度回波708(E7)达到5.50m位置处。跟踪T1的线性延长因此变得不可能，图示出这是因为回波E7的位置在延长至时间点10:15的边界直线705、706的边界的外部。

因此，在步骤805，根据图8的方法使得转换到步骤810，这立即导致线段S10在702结束，并且开始具有改变的方向参数且尤其具有新的扇区边界直线709、710的新的线段S11。跟踪列表703和704示出创建了新的跟踪线段。

与以上形成对比，位于由边界线610、611定义的T0扇区内的新的数据点707代替前一数据点620。

该方法使得可以简单表示装料高度测量装置内的跟踪，并且，除通过非常长的跟踪线段来非常有效地表示伪回波以外，在工厂停运的时间段期间(例如，周末)尤其具有优势。在这些时间段期间，由于没有装料活动和排放活动，因而有用回波的静态特征也导致非常有效地呈现出现的回波数据。

所给出方法是基于将跟踪数据转换成用逐条定义的直线来呈现。还可以使用其它函数，例如，高阶多项式，从而以在运算上紧凑的方式来呈现回波的进展。

另外，应该指出，“包括”并非排除其它元件或步骤，并且“一种”或“一个”并非排除多个数量。此外，应该指出，还可以结合上述其它典型实施例的其它特征或步骤来使用参考上述典型实施例中的一个所述的特征或步骤。权利要求书中的附图标记不应被解释为是限定的。

Claims

1.一种用于分段信号处理的装料高度测量装置(201)的电子模块(100)，该电子模块(100)包括：

存储单元，用于存储与由所述测量装置(201、209、210)获取的测量值相对应的数据点的时间序列；

运算单元，所述运算单元被编程以用于从存储单元进行各数据点的针对性删除；

其中，所述运算单元还被设计为用于基于在进行所述针对性删除之后保留在所述存储单元中的数据点来计算装料高度随时间的进展的呈现；

其中，在所述测量装置(201、209、210)的每一个新测量循环之后，判断是否以在所述新测量循环中生成的新数据点来代替最后存储的数据点。

2.根据权利要求1所述的电子模块(100)，其特征在于，

其中，通过将在各种情况下用存储在所述存储单元中的两个数据点表征的直线线段连接在一起来呈现装料高度随时间的进展。

3.根据权利要求1所述的电子模块(100)，其特征在于，

每一个数据点对应于测量的回波。

4.根据权利要求1所述的电子模块(100)，其特征在于，

所述数据点的时间序列包括作为跟踪列表所存储的一个或数个跟踪。

5.根据权利要求4所述的电子模块(100)，其特征在于，

所述测量装置是根据脉冲传播时间方法或调频连续波方法工作的装料高度测量装置(201)；

其中，所述电子模块(100)被设计为识别装料高度回波。

6.根据权利要求1所述的电子模块(100)，其特征在于，

所述运算单元被设计为计算数据点的时间序列的相应数据点(619，620)的期望扇区(610，611)；

其中，如果新获取的回波的通过新测量循环而新生成的数据点(707)位于所述期望扇区内，则存储该数据点并且同时替换早前的数据点(620)。

7.根据权利要求1所述的电子模块(100)，其特征在于，

所述运算单元被设计为计算数据点的时间序列的相应数据点(621、622)的期望扇区(705，706)；

其中，如果新获取的回波的通过新测量循环而新生成的数据点(708)位于所述期望扇区外部，则存储该数据点，但是此时不替换早前的数据点(622)。

8.根据权利要求7所述的电子模块(100)，其特征在于，

所述运算单元被设计为利用新生成并存储的数据点(708)计算另一个期望扇区(709，710)。

9.一种具有根据权利要求1所述的电子模块(100)的用于装料高度测量的测量装置。

10.一种在装料高度测量中的分段信号处理的方法，所述方法包括以下步骤：

将与由测量装置(201，209，210)获取的测量值相对应的数据点的时间序列存储在存储单元中；

其中，在所述测量装置(201、209、210)的每一个新测量循环之后，判断是否以在所述新测量循环中生成的数据点来代替最后存储的数据点；

基于在进行针对性删除之后保留在所述存储单元中的数据点，计算装料高度随时间的进展的呈现。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

计算数据点的时间序列的相应数据点(619，620)的期望扇区(610，611)；

其中，如果新获取的回波的通过读取而新生成的数据点(707)位于所述期望扇区内，则存储该数据点并且同时替换早前的数据点(620)；

其中，如果新获取的回波的通过读取而新生成的数据点(708)位于所述期望扇区外部，则存储该数据点，但是此时不替换早前的数据点。