CN103968916A - 分层介质的物位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分层介质的物位测量方法。其中提供了一种测量容器（12）内的物位的方法，所述容器具有第一介质（14）和至少一种在该第一介质上所覆盖的第二介质（16），特别是泡沫层，执行该方法时会发射电磁信号，特别是沿布置在容器（12）内的探针（28）发射电磁信号，并且记录容器（12）内反射的信号的信号曲线（S），其中借助信号曲线（S）确定到第一介质（14）和/或到第二介质（16）的分界面（18、20）的信号渡越时间（t），并由信号渡越时间（t）确定第一介质（14）的物位和/或确定第二介质（16）的物位。在这种情况下，根据自基准位置（t₀）开始积分后所得信号曲线（S）来识别分界面（18、20）。

Description

分层介质的物位测量方法

本发明涉及一种容器内的物位测量的方法，所述容器具有第一介质和至少一种覆于其上的第二介质，特别是泡沫层，如专利权利要求1的前序部分所述，还涉及为此方法构建的传感器。

已知的测量物位的方法是基于，将电磁信号发射到具有待测物位的容器内并对反射后的信号进行分析。可能的是，可像在雷达一样自由辐射信号。由于波的传播不能控制，所以通常优选时域反射计量法（TDR）。该时域反射计量法是以确定电磁信号的渡越时间为基础，以便计算传输线波阻抗的不连续性的距离。不同于雷达的是，电磁波不能辐射到外部，而是沿导体传输。导体被设计成单探针或同轴探针，将其垂直或斜向插入罐中且尽量接近底部，用以覆盖整个测量范围。

在TDR测量时会有很短的电发射脉冲馈入到导体中并在相反端的方向上穿过导体。当脉冲遇到干扰点（其相当于改变这个位置的波阻抗）时，一部分发射能量被反射回传输线的发送端。由发射脉冲的发射与反射的接收之间的渡越时间可准确计算出干扰点的位置。干扰点的一个重要范例就是分界面，它将具有不同物理性质或化学性质的两个空间区域分隔开，如两种介质之间的分界面。

为了能准确地确定接收时间，要对接收信号的曲线进行采样并进行数字估算。在这种情况下，例如要找到信号曲线中的局部极值点并将其时间位置与在分界面上的反射相关联。

困难之处在于，存在多个分界面的情况，例如容器内有多种介质时就是这种情况。在这种情况下，介质可以是水，其积聚在油箱底部。一种重要的情形是在液体表面处形成泡沫。人们经常想要确定此处实际介质的物位。在泡沫的分界面处的反射也可能与该介质的测量脉冲混淆或者甚至与该测量脉冲合并在一起，致使根本得不到有意义的测量结果。因此，专为识别单个反射信号所设计的传统的分析算法不能处理这种测量情况。

因此，就连将传统的分析算法通过多分界面的多回波分辨率进行扩展也会受到实践中经常都不具备的前提条件的阻碍，这种条件就是分离层必须具有一定的距离，以便使分离层中产生的脉冲在回波信号中彼此有足够的间距。更难的是，当介质的各层不均匀的情况。例如介质为泡沫时，其密度和相对介电常数根据未知的、通常为单调的函数上升，从而使得回波信号中产生众多彼此重叠的小脉冲。

一种可能的解决办法可能是，增加发射脉冲的带宽。由此分离由于分界层彼此离的太近而产生的回波脉冲。但与此同时对电子设计（如采样率以及随后的信号采集）的要求也变得更加严格了。为此在10GHz以上的高频率时，单探针中的衰减会由于集肤效应而大大增加，从而使得信噪比可能变得不足。无论如何增加带宽均无法解决以下问题，即将在泡沫和介质上产生的回波区分开来并从而确定，读取的既非泡沫物位又非介质物位，而是介质的假物位，或者最坏的情况就是根本读不出测量值。

另一种解决方法可能是，使用同轴探针来代替单探针。由此能够相对于泡沫改善阻抗，这是因为回波主要是由于同轴管内的场空间中的变化所引起的。通过将同轴管有利地设计成只有小的开口使得有可能减少进入管内的泡沫。但与单探针相比，其应用范围会受到限制，这是因为一部分待测介质可能沉积在同轴管内。这会影响传感器的可用性。从卫生要求方面看，这种使用根本行不通。此外用这种方式就连泡沫的物位也无法确定。

从一开始就通过添加化学药剂或通过使用具有优化工艺参数的设备来减少泡沫的形成这种方法，在大多数的应用过程中无法实现。化学药剂影响工艺介质并且在食品行业不管怎样大多是不可设想的。通过优化工艺参数来缓解这一问题，但恰好在启动时的工作阶段以这种方式不足以抑制泡沫的形成。

EP2365302A1描述了一种方法，以这种方法第一次借助在探针到容器的过渡区域处的过渡脉冲和分界面上的回波来确定到分界面的距离和界面生成介质的相对介电常数，并且二次借助探针末端的工件脉冲来确定。如果这些测量彼此不一致，则推断出存在其他分界面并将该方法迭代地应用到其它分界面上，直到测量出所有的物位。这就需要两个参考脉冲的详细信息，即最初的过渡脉冲和探针末端的工件脉冲的信息。为了使此处足够精确，对电子设备提出了高要求，这会导致相应的制造成本。即使是这样也不能从单探针（与同轴探针不同，其会受到的干扰影响非常多）的过渡脉冲足够准确地推断出发射能量的被传输的比例。另外探针末端的工件脉冲由于在不同介质中传播所以一开始就以完全无法定义的方式延迟和衰减，并因此在许多测量情况下不能作为可靠的参考依据来使用。此外，在物位低时，工件脉冲也可能与测量脉冲重叠，甚至致使参考失真。

DE10051151A1介绍了一种TDR方法，其用以确定第一种液体的上分界面和下分界面位置，第一种液体漂浮在容器的第二种液体上。然而，该对比文件中未能详细解释，要如何识别这两个分界面上对应的回波并对其加以区分。另外这里的估算也以工件脉冲为基础，工件脉冲在DE10051151A1被称之为基准返回脉冲。它具有上述的明显的缺点。

从US6,724,197B2中已知一种物位传感器，借助该传感器可确定两种分层介质中的下层介质的物位。但为此需要的探针形状是特殊且复杂的。

US5,723,979A公开了一种用于测量液体混合物的TDR液位传感器。其中仅描述了一种探针形式。但估算方法（特别是多个分界面分离的确定）并未描述。

在US6,445,192B1中，通过TDR传感器借助信号形状的上升行为可将两分界面上的双脉冲分离。但并没有解释，如何用它来测量位于干扰层以下的介质的物位。

从DE10196640T1中已知一种被改进的雷达液位变送器上的阈值调节，该变送器是通过使用TDR测试方法来测量存储容器内多种填充材料的物位。其中使用了多个分别与特定材料分界面有关的阈值，用以获得不同材料的物位。

在DE10044888A1中根据脉冲雷达的回波曲线的幅度比例来确定重叠的填充物料的介电常数和层厚。

随后公布的DE102012101725借助幅度期望值在TDR物位传感器的信号曲线中确定第一测量脉冲和第二测量脉冲，其产生于待测介质的分界面或其上的干扰层或泡沫层。预期值主要由介质的已知相对介电常数和空容器上的探针末端产生的工件脉冲的基准幅度计算得出。

只要现有技术中有可能将多种分界面分辨出来，那么所有这些方法都是以此为基础，即识别分界面上的脉冲。在薄层上（特别是在泡沫上），泡沫能以极其不同的方式形成且能生成众多进入彼此的脉冲，但各脉冲却无法识别出来。结果会导致较大的测量误差，或者在记录的信号中众多的脉冲融合在一起不可分辨，并因此识别不出测量脉冲，甚至传感器处于错误状态。所以TDR传感器通常不能用来测量泡沫。

因此，本发明的目的在于，改进具有多层的容器内的物位测量。

该目的通过权利要求1所述容器内物位测量的方法（所述容器具有第一介质和至少一种覆于其上的第二介质），以及通过权利要求15所述为此方法所构建的传感器来实现。其中本发明是基于以下构思，即不仅要对容器中所反射的信号在以下位置处，即分界面处的信号曲线进行计算，而且还要对探针的基准位置的信号曲线进行积分。在这种情况下，产生积分后的信号曲线，该信号曲线本身是对应探针位置（积分进行至该探针位置）的函数，或是与探针位置单调有关的时间的函数。可以说在分界面之前反射的信号部分的过程（Historie）也一并考虑在内。

信号曲线优选为接收强度的幅值的离散采样时间序列，其中接收强度是在容器内反射的发射信号（比如微波信号）的接收强度。积分（Aufintegrieren）在这里被理解为构成关于信号曲线直至观察点处的概括性度量。为此在最简单的情况下是将离散的采样值进行加和。这相当于通过阶跃函数求积分的近似值。但更精确的积分法，如梯形法或龙格-库塔（Runge-Kutta）法，也是可行的。

本发明的优点是，使得能够在有其它介质或有像泡沫这样的干扰层时测量到特定介质的表面。这可以通过积分来实现，而完全独立于实际曲线形状，且特别是独立于如何较好地识别信号曲线中的脉冲。信号曲线的各幅值也很少与阈值或类似值进行比较，其中所述阀值或类似值对难以控制的边界条件总是有很强的依赖性。由此测量变得极其稳定并且也能有意义地计算信号曲线，其中信号曲线上几乎见不到脉冲。在这种情况下，待测介质上方的层甚至可能是不均匀的，如某些情况中的泡沫一样，它实质上构成不同厚度泡沫层间的许多分界面。与现有技术相比，本发明使TDR传感器被实际用来测量泡沫成为可能。

基准位置优选探针始端。这不是说一定要选用物理探针始端，例如将探针旋入传感器头部内，而是只需选用所需物位测量范围的始端即可。在信号曲线中，例如能够从脉冲来识别基准位置，在从传感器头部到探针的过渡区域处几乎不可避免地会产生脉冲。但基准位置也可以从传感器的结构特性推导出来或者在出厂时或在操作地进行校准。

优选地，根据信号渡越时间间隔来加和信号渡越时间，其中信号渡越时间间隔通过用直至相应探针位置积分后的信号曲线进行校正来考虑属于相应信号渡越时间间间隔的探针位置上的信号传播延迟。进入第二介质的发射信号由于在其中的相对介电常数比空气大而延迟。这在将渡越时间转换成等效信号路径用以确定到分界面的距离并因此确定物位时应得到补偿。但介电常数通常是未知的，或者在泡沫不均匀的极端情况下时介电常数会随信号曲线的逐个采样点发生变化。因此在此优选改进方式中要执行时间调整。在各个所观测的探针位置起作用的介电常数借助求到那个位置的积分所得的信号曲线来估算，目的在于用这种方式考虑反射到该探针位置的信号部分。

校正优选额外采用取决于容器内特定波传播的环境常数。基本上由容器，主要由其几何形状确定的探针的特定环境也会影响信号曲线。单探针更是如此。为了在估计相对介电常数和时间调整时不被这些所影响，要确定或定义环境常数。时间调整也至少要考虑两种影响量，即积分后的信号曲线和环境常数。

环境常数优选以容器为空时的校准测量来确定，在校准测量时对探针末端产生的工件脉冲区域中的信号曲线进行积分。在探针末端处，反射后各分界面剩余的信号能量被反射。当容器为空时，这实际上就是全部信号，使得出现一个显著的脉冲。该脉冲可以很好地手动或自动识别出来且还位于由探针长度确定的固定时间位置上，因为容器为空时相对介电常数与在空气中不同故没有信号延迟。通过参考工件脉冲，许多与容器和设备相关的因素以及相应的调整步骤和计算都被省略。就现有技术进行讨论时所描述的工件脉冲测量方面的问题在这里并没有提出来，原因在于这是在受到控制的、非常简单的情况下用空的容器进行的测量。尽管工件脉冲可以特别简单且可靠地度量环境常数，但原则上也可以对设备和容器特有的影响进行建模或计量，这些影响用环境常数进行过补偿。还可以设想的是，使用发射脉冲或在传感器头与探针间的分界面处的过渡脉冲来代替工件脉冲。

分界面优选通过比较积分后的信号曲线和阀值来识别。也就是逐步对从与基准位置对应的时刻开始直至更加往后观测的时刻之间的信号曲线进行积分，一直进行到积分后的信号曲线超过阀值为止。最后观测的时刻被视为属于所寻找的分界面位置并将其换算成物位。用这种方式提出了一种非常简单的方法，以便稳定地确定分界面且完全不依赖信号曲线的形状，也就是说特别不依赖于，是否能识别信号曲线中的脉冲。

为进行比较，优选对信号曲线进行二次积分，但该第二次积分要以信号曲线的绝对值或逐点平方为基础而不是以信号曲线自身为基础。即信号曲线也可以取负值。这种情况例如会发生在，当较稠密的泡沫位于较松散的泡沫上方时。另一个例子是同轴探针内有气泡。为了确定信号渡越时间，特别是为了进行时间调整，正确的做法是，考虑这些正负号。信号曲线中的负值部分也对应被反射的发射能。因为阈值测量的是，在各个被观测的探针位置上方由于反射已损失了多少发射能，所以此时这些正负号应被忽略不计。这会出现在取绝对值或平方时，其中后者的结果是关于能量的物理上正确的度量。除绝对值或逐点平方外其它的量也是可能的。

优选用迭代法来识别分界面，该方法按信号曲线采样率给定的步骤从基准位置开始至终止条件为止来对信号曲线进行积分，其中终止条件是看积分到对应步骤后的信号曲线或信号曲线绝对值或信号曲线逐点平方对应的积分是否超过阈值。这种迭代法很容易用进行数字处理的算法来实现。

待确定的信号渡越时间优选开始时置零并逐步骤增加增量，该增量可当作系数进行计算，其分子由环境常数和积分后的信号曲线之和构成，其分母为环境常数和积分后的信号曲线之差构成。因此，用迭代方式进行时间调整以进行补偿，这是因为信号曲线中的时间间隔不直接对应信号传播路径，而由于介质内的相对介电常数不同于在空气中故这里仍然会出现信号延迟。用关于增量的给定的计算结果可估计任意位置的介电常数。同时如上面描述的那样，一方面应考虑由于在该位置上方由于反射已损失的信号部分，其在积分后的信号曲线中求得，另一方面要考虑到具体环境影响对波传播的影响，所述环境影响通过环境常数和特别是对探针末端的工件脉冲的积分来考虑。

阈值优选通过校准测量来确定，在校准测量时容器内只有第一介质，并构成在到达第一介质的分界面处的回波信号区域中的信号曲线的阀值的积分。这是一种简单的方法，用以在受到控制的条件下，也就是说没有第二介质干扰的条件下确定适当阈值。由此确保形成一个显著的、容易识别的待测介质脉冲，然后通过该介质脉冲来对阀值积分进行积分。和之前一样，积分是指对于被观测范围内的信号曲线的概括性度量，对此有贡献的是信号曲线的各值。这种度量例如可通过数值积分来确定，数值积分可以是简单地将信号曲线值加和。

阈值被优选设定为阀值积分的90％至110％，用以识别到第一介质的分界面。从而使阀值几乎或者完全与阀值积分相等。而略有不同是有意义的，其中低于100％的值确保了在噪声影响下事实上也可以超过阈值并由此生成一个测量值，该测量值可能有些低估了分界面的距离。相反100％以上的值则高估了这个距离并从而阻止了错误地读出上层第二介质内的物位值。

阈值也可被优选设定为阀值积分的5％至30％，用以识别到第二介质的分界面。因此所述阈值应接近零点且也只能大得使单纯的噪音不被识别为分界面。从而测量出最上层分界面，也即第二介质的物位特别是泡沫表面。阀值离零越远，越容易将其与噪音区别开来，但也因此越来越高估最上层分界面的距离，从而越来越高估第二介质的物位。

也可以设想的是，既将阀值置于100％附近又将阀值置于零点上方一点点，即有效使用两个阈值。由此测得到第二介质的最上层分界面以及到第一介质的分界面。这样就获得了两个物位从而也获得了第二介质层或泡沫层的层厚度。

优选地，到第二介质的分界面的识别依据是，积分后的信号曲线从分界面起便系统性地偏离零点。一旦积分的信号曲线与零点不同，则有第一个信号反射，因此信号在这个位置进入最上层介质。然而只与零点进行比较，实际上是不够的，因为信号反射也可以由于噪声的影响而出现。但如果在较大的范围上考虑积分后的信号曲线的话，则可以看出，偏离零点是否是系统性的抑或仅仅是由噪声所引起的。这种方法是阈值法的替代法，其中也可两种方法同时使用并使彼此都合理或将结果互相抵消。

信号曲线，积分后的信号曲线和/或阈值优选通过漂移修正值标度。这是温度漂移的一个主要的原因。漂移修正值例如可按如下方式确定，即将探针始端的界面脉冲或发射脉冲本身与先前所了解的基准界面脉冲进行比较。该界面脉冲基本上独立于物位，从而使其变化可归因于漂移。然后假设，这种漂移相同程度地标度了界面脉冲和其余的信号曲线。

信号曲线优选用振幅特性来重新标度。在上部测量范围内出现多次反射，其中从介质表面反射到探针始端的信号部分再次反射到容器内。这可能会重复多次。用这种方式在实际发射脉冲后随即直接有效地发射覆盖发射脉冲的子脉冲，子脉冲会随每发生多次反射而逐渐减弱。结果是导致在上部测量范围内有较高的振幅。可以对此影响进行建模或在各种物位上进行测量，并用这种方式确定与物位有关的振幅特性，该振幅特性包括与物位有关的因多次反射这一因素导致的信号超高。该振幅特性在上部测量范围内大于1，然后在一些物位（在这些物位上时多次反射不再起作用）处重新落到1上，以便在距离较远时因为衰减甚至降到1以下。通过用振幅特性重新标度信号曲线可补偿干扰影响。

下面借助实施例并参考附图来对本发明的其它优点和特点进行详细描述。图中显示：

图1为容器内物位传感器的示意性剖视图；

图2为图1所示物位传感器的传感器头部的示意性方框图；

图3为示例性信号曲线示意图，作为比较的两介质分界面处的测量脉冲被较好地分离开来；

图4上部分以一容器为例子示出了一信号曲线，其具有识别到第一介质的分界面的时刻点标识，所述容器具有液体以及在该液体上覆盖的稠密的泡沫层；中间部分描述了积分后的信号曲线和超过阀值；下部分描述了校正后的渡越时间并与空气中的渡越时间相比较；

图5是按照图4示出的一个容器的示例，该容器具有液体以及在该液体上覆盖的稀疏的泡沫层，该泡沫层的密度不断增加；

图6是按照图4示出的一个容器的示例，该容器具有液体以及在该液体上覆盖的、具有不同于图5中的浓度的稀疏的泡沫层；

图7是按照图4示出的一个容器的示例，其中只有泡沫。

图1示意性地介绍了TDR传感器10，它作为物位传感器放置在具有液体或一般具有介质14的储罐或容器12中。介质14上是第二介质16，例如不同浓度的泡沫，或作为第二介质16的、覆在作为实际介质14的水上的油层。第二介质的相对介电常数或称相对电介质常数εr2与空气和介质14都不同且在第二介质16内随不同高度变化。

介质14构成与第二介质16相对的第一分界表面18或第一分界面，并且第二介质16构成与上方空气相对的第二分界层20。传感器10被设计用于，确定至少到分界表面20、22中的一个的距离并由此从已知安装位置推导出物位，并且需要的话根据容器12的几何形状也可以推导出介质14或第二介质16的量。基本流程与前言部分所描述的和已知的TDR方法一致，但不同之处在于尚待阐述的经过改进的估算上。尽管将传感器10设计成液体的液面传感器是一个非常重要的应用领域，但是传感器10原则上也可以用于其他介质。这方面特别能想到的是粒状物质或颗粒物质。

传感器10具有带控制器26的传感器头24，该控制器优选置于同一印刷电路板上。可选择地，多个用插头连接的电路板或柔性印刷板载体是可以设想的。与控制器24相连的是探针28，它在这里被设计成开放式的单探针并且还具有以下的优点，即其对于在卫生领域中的应用而言能够很容易地清洗。但探针28也可以是同轴探针。

设置在传感器头24中的控制器26及其印刷电路板在图2中以方框图示出。实际的控制和估算单元30通过数字模块来实现，例如通过微处理器、ASIC、FPGA或类似的数字逻辑模块以及几个这种模块的组合来实现。如已在前言部分所描述的那样，测量时发出信号，优选是脉冲通过微波发射器32输送到探针28上，并且测量分界表面18、20处产生的且由微波接收器34所接收到的反射脉冲的渡越时间，用以确定分界表面18、20的距离并由此确定容器12内的物位。微波接收器34的接收信号经放大器36放大后用数字/模拟转换器38将其数字化用于估算。

为了进行说明，图3示出了信号曲线示意图，该信号曲线在分界面18、20处具有被较好地分离开来的测量脉冲40、42。在这种信号曲线中，传统的估算可轻易定位测量脉冲40、42。只有当测量脉冲40、42进入到对方中去时，才会出现困难。迄今为止不可解决的问题是，在当第二介质16本身不均匀且因此生成大量未知数量的相互重叠的脉冲时确定测量脉冲40、42。

信号曲线还包括其它脉冲，即在传感器头24和探针28之间的过渡区域中的探针始端处的界面脉冲44和发射脉冲46本身。继续往右且在未示出的位置还在探针末端产生了工件脉冲，在反射后余留在分界面18、20的发射信号的剩余能量在这里被反射。

在一般情况下，为了在不能再识别测量脉冲40、42时可确定如本发明所述介质14、16的物位，采用下述方法：

信号曲线中的反射振幅是容器12内阻抗变化的量度并因此也是在各分界面18、20处的相对介电常数变化的量度。信号曲线中的脉冲18，20的高度取决于电介质常数的变化和由于上部分已进行的反射而损失的信号能量。每个经过反射的脉冲的形状保持不变，脉冲的不同之处只在于其高度。

因此信号曲线S可被视为脉冲形状s（t）的线性叠加，其具有由于高度a_n而有不同标度和n个脉冲的不同时间位置t_n：

$S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}s(t-t_n)a_n$

脉冲形状s（t）不变也意味着，信号曲线S的积分由用高度标度的脉冲形状s（t）的积分组成：

$\∫a_{n}s(\mathrm{\τ}-t_n)\mathrm{d\τ}=a_n\∫s(\mathrm{\τ}-t_n)\mathrm{d\τ}$

信号曲线S本身及其振幅，从而也对信号曲线的积分I（t）而言，分别是介电常数ε_r的函数。此外这方面适用

$I\left(t\right)=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}S\left(\mathrm{\τ}\right)\mathrm{d\τ}=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}s(\mathrm{\τ}-t_n)a_n\mathrm{d\τ}$

如图3所示，在不同层中，电波的信号传播速度c不同，事实上其取决于介电常数ε_r。而在实践中，空气的ε_r=1时真空光速可能为c₀，在介质14，16内速度延迟了据此，当第一介质14及第二介质16的电介质常数为ε_r1、ε_r2，在信号渡越时间的时间步骤为ΔT时（例如模数转换器38的采样周期）的等效的路径：

-对于空气为：c₀ΔT

-对于第一介质14为：以及

-对于第二介质16为：

这优选应在通过相应的时间调整来估算时加以考虑，因为不这样的话会系统性地高估分界表面18、20的距离。但是这些电介质常数要么由于缺少对介质14、16的了解，要么例如在具有随高度变化的厚度的不均匀泡沫的情况下基本上是事先不可知的。

如果如图3所示情况一样，能确定第一介质14的测量脉冲40的振幅A₁，则可以计算相应的电介质常数ε_r1。在一种方法中，其更详细地阐述了在前言部分所引用的DE102012101725，对此此处只补充性地提到，首先确定探针末端工件脉冲的基准幅度A_end。由此可将容器12的几何形状以及其它信号的变化所造成的影响考虑在内。例如要计算，模拟或在容器12为空时通过反复的校准测量来确定基准幅度A_end。这时适用的是

${\mathrm{\ϵ}}_{r1}=\frac{A_{\mathrm{end}}-A_1}{A_{\mathrm{end}}+A_1}.$

和所有脉冲一样，工件脉冲也满足以下关系式

$\∫A_{\mathrm{end}}{s}_{\mathrm{end}}\left(t\right)\mathrm{dt}=A_{\mathrm{end}}\∫s_{\mathrm{end}}\left(t\right)\mathrm{dt},$

从而使得特别是工件脉冲的基准幅度A_end与其面积成比例。

众多重叠的脉冲是由于第二介质16内的波阻抗从空气的波阻抗到第一介质14的波阻抗连续过渡引起的。如图3所示，单脉冲的估算不再可能，也不像ε_r1一样能够根据A₁和A_end中算出。

但可能的是，估算信号曲线S的积分和相应的工件脉冲的积分或其它积分，所述其它积分在例如容器为空且受到控制的情况下或容器没有第二介质16时被确定为参数。也就是说不能再把信号曲线S分成离散的脉冲，而是只能因介电常数的变化而在每个点提出一个伪反射或真实反射。然后定位信号曲线S中的位置，在信号曲线上该位置处反射的信号能量与在没有第二介质16相比较的情形一样多，则该位置被识别为第一分界平面18。为了正确地确定其距离，最好是在信号渡越时间被转换成路径时将通过第二介质16引起的延迟考虑进去。

这种方法设想了一个简化的假设，但实际测量却表明，尽管简化了却能获得好的测量结果。因为假定的是，所发射的到达第一分界平面18的信号能量，独立于第一分界平面18上方的阻抗变化的曲线。也就是说由于前面的反射造成信号损失的能量相同，无论上部空气层中的电介质常数1以何种方式改变成在第一分界平面18处的ε_r1，即无论例如是直接在第一分界平面18处直接跳转，在第二分界平面20和第一分界平面18之间单调增加如越变越稠密的泡沫一样或者还是以任何其它行为改变。这种针对近似值的鲁棒的测量可以推测出，特别病态的（pathologisch）分布实际上不会发生。

这些一般性的考虑例如可以用具体的算法来阐述。但本发明不应局限在这种算法上，而是要包括以上所述方法的其它实现形式。

在准备时，与DE102012101725类似，在第一步骤中是测量容器12为空时的探针末端的工件脉冲，用以确定TDR传感器10在具体安装时的环境影响。但依据此处介绍的积分法不能确定其幅度，而是构成工件脉冲区域中的信号曲线S的积分I_end，但其中同时存在如上所述比例关系。

在第二个准备步骤中，容器12只用第一介质14填充，并要注意不形成作为第二介质16的泡沫或者已经将这些泡沫消除。在这种受到控制的环境中，要确保在第一分界平面18生成清晰可辨的测量脉冲40或介质脉冲。然后，对测量脉冲积分构成I_Medium。这种测量方法主要是为了补偿第一介质14的电介质常数ε_r1的各种不同的影响，并因此可选择性地用预先规定的或独立测量的电介质常数ε_r1来替代，例如借助已知的脉冲形状s(t)接着计算I_Medium。

实际测量时将信号曲线S从初始值t₀开始，例如根据探针始端或选定的最大可能物位，一直积分到每一个观测时刻t。为此构成积分后的信号曲线该信号曲线是各观测时刻t的函数。

然后通过比较积分后的信号曲线I_S和基准I_Medium来找到分界面18的位置。为此例如要确定的是，I_S(t)＝K·I_Medium适用于哪个时刻t，其中K为标度因子。若K被选为接近1，则t对应于第一分界平面18的位置。相反若K稍微大于零则找到的是第二分界面20的位置。此外，将两者组合则可测量出第二介质17的层厚。

但现在找到的t与信号渡越时间一致，其由空气中的、第二介质16中的信号路径所构成并且还可能由第一介质14中的一些部分所构成。因此，如果等效路径不通过根据不同的波传播速度来调整时间来进行校正的话，则会系统性地低估物位。而如果还额外通过I_end来考虑环境影响的话，则这种时间调整在使用了积分后的信号曲线I_S时是可能的并且会更精确。具体来说，与上面引用的计算规则类似，可借助项进行时间调整。

在实际实施时，信号曲线S是典型的离散取样时间数列S[i]。因此，在一优选实施形式中采取了迭代的估算，以及逐步计算积分后的信号曲线I_S和时间调整。为此所有的值在一开始就都初始化为零，然后从t₀时的测量范围起点开始逐步迭代使之适合后续采样。作为终止条件的是，I_S达到从基准值I_Medium推导出的阀值K·I_Medium。

用伪代码表示的示例性迭代估算如下：

I_S＝0;i＝0;t＝0

WHILE（I_S＜K·I_Medium）

I_S＝I_S+S[i];

$t=t+\frac{I_{\mathrm{end}}+I_S}{I_{\mathrm{end}}-I_S};$

i＝i+1;

END

其中要注意的是，I_end和工件脉冲一样自身是负值。此外用于时间调整的修正值应优选进行测试，看它是否在[0.1......1]区间内，因为如果其不在该区间则不可行。

结果是已根据介质14、16中不同的信号传播速度进行校正的信号渡越时间t，其单位是采样步距。采样率是已知的，从而使得可以直接将其换算成绝对渡越时间并且还可借助真空光速c₀将其换算成距离。有利的是，先算出通过简单的乘法把取样步距中的信号渡越时间换算成距离的常数。

特别是当第二介质16是泡沫时，还会出现一种特殊情况。即可以设想的是，电介质常数不会随距离增加而单调上升，而是也会得到具有相反正负号的阻抗跳跃。这种情况例如发生在当较稀疏的泡沫层上方有较稠密的泡沫层时或有气泡形成时。所造成的结果是具有相反正负号的被反射的脉冲或者信号曲线S中有负值。这会导致I_S暂时降低，尽管信号的穿透深度有所增加。这样的话会高估分界平面18的距离，严重的话甚至无法达到阈值K·I_Medium。在波还没有进入介质14中之前，被反射回的能量近似独立于阻抗变化的各阶段。因此终止条件不以有正负值的信号曲线S为基础而优选以其的绝对值或平方值为基础。为此，要引入第二个积分I_Stop，它是将绝对值加和或以完全类似的方式将平方值或类似的适当的时刻加和。

然后会得出估算的另一优选实施形式，其可以总结为这样的伪代码：

I_S＝0;I_Stop＝0;i＝0;t＝0

WHILE（I_Stop＜K·I_Medium）

I_S＝I_S+S[i];

I_Stop＝I_Stop+|S[i]|;

$t=t+\frac{I_{\mathrm{end}}+I_S}{I_{\mathrm{end}}-I_S};$

i＝i+1;

END

在此伪代码中，以最简单的方式将信号曲线S的值加和来进行积分。本发明也包括其他数值积分方法。类似地，时间调整的特定形式也可以互换。在这种情况下，也优选使用了积分后的信号曲线，因为它考虑到超出每次迭代步骤中所观测的时刻点外由于反射而损失的信号能量。但环境影响也可用不同于通过I_End来考虑工件脉冲这样的方式来进行考虑，特别是通过使用另一脉冲如过渡脉冲44或来自信号曲线S的其他信息。

在准备时，还可用各种不同的方式来校正信号曲线S。因而可以实现重新标度用以补偿漂移，特别是要进行温度补偿，例如将探针末端的过渡脉冲44或发射脉冲46与基准相比，用以估计漂移影响。

另一种补偿方法是，用振幅特性来校正信号曲线。对应于容器上部区域，信号曲线S在短时间超高，因为在探针始端和分界面18、20之间出现多次反射。这种影响可以事先确定并用与位置或时间相关的超高因子来表示，然后再用振幅特性来对其进行补偿。这在DE102012101725中也进行了更详细的描述，此处只补充性地提及。

最后应根据图4至图7用不同泡沫层作为介质16的示例来对本发明进行阐述。

图4在上部分中以容器12的例子示出了一信号曲线S，其具有被识别为到第一介质14的分界面18的时刻点的标识，所述容器12具有作为第一介质14的液体以及在该液体上所覆盖的、作为第二介质16的稠密的泡沫层。

为此首先要注意的是，在第一步中，如以上所述用振幅特性来校正较高的曲线特性，用以补偿由于多次反射造成的开始时信号过高。实际上，以估算为基础的信号曲线S也就是较低曲线，这条曲线上还用灰色突出了作为积分后的信号曲线I_S测量的区域。在垂直线处，即大约第70次采样时识别出第一分界平面18。

图4在中间部分中显示了直至相应采样点的积分后的信号曲线I_S，它是逐步对图4上部分的信号曲线S下面的灰色区域的积分。在对应图4的上部分中的垂直线的位置的大约第70次采样处，积分后的信号曲线I_S超过用细灰线表示的阈值，估算装置由此识别第一分界平面18。在多个实施例中，该阈值位于K·I_Medium处。虚线对应于发射脉冲的总能量并最早在探针末端被超过。

图4在下部分中显示了时间调整。虚线对应于以最大速度c₀在空气中未受干扰的波传播。通过校正因子等效路径传播所需的调整后的时间缓慢增加，如实线所示。符合终止条件的取样值（其在图4中大约是第70次取样值）可将调整后的、直至第一分界平面18的信号渡越时间读取出来并将其换算成物位。

图5非常类似地示出了容器12的另一个示例，该容器具有作为第一介质14的液体以及在该液体上覆盖的作为第二介质16的稀疏泡沫层，该泡沫层的密度不断增加。

在图6的示例中，泡沫层还具有其它的浓度和厚度。

图7示出一种情况，其中容器12中仅泡沫是唯一一种介质14、16。在这里，视可能对应于负物位的K的设置而定要很靠后才能超过阈值，并因此允许得出容器12内没有介质14存在的结论。尽管除了泡沫外只有空容器，但传统的算法仍将识别出明显的第一脉冲或识别出两个子脉冲中的一个，并读取相应的过高的物位。

如果要确定第二介质16的物位，那么可通过选择任意一个零附近的K来实现。可选地，还可以这样来识别第二分界面20，即看积分后的信号曲线IS是不是系统性地偏离零点。这在图4至图7的中间部分可分别看出来。在图4至图7的下部分，调整后的时间在同一时刻开始系统性地偏离未经补偿的时间的过原点的直线。系统性地偏离在这里是指，仅由噪声影响引起的细微偏差不应予以考虑。它例如可借助平滑滤波器来区分。

本发明描述了介质14及其在该介质上所覆盖的一层第二介质16的物位测量。当然，在介质上面没有其它层时，也可以用相同的方法来测量其物位。将该方法推广到非导波，也即推广到无探针28的传感器10如雷达传感器上，原则上也是可能的。

Claims (15)

1.一种测量容器（12）内的物位的方法，所述容器具有第一介质（14）和至少一种在所述第一介质上所覆盖的第二介质（16），特别是泡沫层，执行所述方法时会发射电磁信号，特别是沿布置在所述容器（12）内的探针（28）发射电磁信号，并且记录所述容器（12）内反射的信号的信号曲线（S），其中借助信号曲线（S）确定到所述第一介质（14）和/或到所述第二介质（16）的分界面（18、20）的信号渡越时间（t），并由所述信号渡越时间（t）确定所述第一介质（14）的物位和/或确定所述第二介质（16）的物位，其特征在于，根据自基准位置（t₀）开始积分后所得信号曲线（S）来识别所述分界面（18、20）。

2.如权利要求1所述方法，其中所述基准位置（t₀）为探针始端。

3.如权利要求1或2所述方法，其中根据信号渡越时间间隔来加和所述信号渡越时间（t），所述信号渡越时间间隔通过使用直至相应探针位置的积分后的信号曲线（I_S）进行校正来考虑属于相应信号渡越时间间间隔的探针位置上的信号传播延迟。

4.如权利要求3所述方法，其中所述校正额外地采用取决于所述容器（12）内的特定波传播的环境常数。

5.如权利要求4所述方法，其中所述环境常数是在所述容器（12）为空时的校准测量中确定的，在所述校准测量时形成对在所述探针末端产生的工件脉冲的区域上的所述信号曲线（S）的积分（I_end）。

6.如上述权利要求任一项所述方法，其中通过将积分后的信号曲线（I_S）与阀值（K·I_Medium）进行比较来识别所述分界面（18、20）。

7.如权利要求6所述方法，其中为了进行所述比较，要对所述信号曲线（S）进行二次积分，但第二次积分（I_Stop）要以信号曲线的绝对值（|S|）或逐点平方（S²）为基础而不是以信号曲线（S）自身为基础。

8.如权利要求6所述方法，其中用迭代法来识别所述分界面（18、20），所述方法按通过所述信号曲线（S）的采样率给定的步骤从所述基准位置（t₀）开始直至终止条件为止对所述信号曲线（S）进行积分，所述终止条件是看积分到对应步骤（i）后的信号曲线（I_S）是否超过阈值，或者所述信号曲线（S）的绝对值（|S|）或所述信号曲线（S）的逐点平方（S²）所对应的积分（I_Stop）是否超过阈值。

9.如权利要求8以及权利要求3或权利要求4中任一项所述方法，其中所述信号渡越时间（t）一开始被置零并逐步骤（i）增加增量所述增量可作为系数进行计算，其分子由环境常数（I_end）和积分后的信号曲线（I_S）之和（I_end+I_S）构成，并且其分母为环境常数（I_end）和积分后的信号曲线（I_s）之差（I_end-I_S）构成。

10.如权利要求6至权利要求9所述方法，其中用所述容器（12）内只有第一介质（14）时的校准测量来确定所述阀值（K·I_Medium），并构成到所述第一介质（14）的分界面（18）处的回波信号（40）的区域中的所述信号曲线（S）的阀值积分（I_Medium）。

11.如权利要求10所述方法，其中所述阀值（K·I_Medium）设定为所述阀值积分（I_Medium）的90％至110％，用以识别到所述第一介质（14）的分界面（18），和/或其中将所述阈值（K·I_Medium）设定为所述阀值积分（I_Medium）的5％至30％，用以识别到所述第二介质（16）的分界面（20）。

12.如前述权利要求任一项所述方法，其中到所述第二介质（16）的分界面（20）的识别依据是，积分后的信号曲线（I_S）从所述分界面（20）开始便系统性地偏离零点。

13.如前述权利要求任一项所述方法，其中所述信号曲线（S）、积分后的信号曲线（I_S）和/或所述阈值（K·I_Medium）用漂移修正值来标度。

14.如前述权利要求任一项所述方法，其中所述信号曲线（S）用与物位有关的振幅特性来重新标度。

15.一种传感器，特别是TDR物位传感器，具有发射器（32）和接收器（34）用以发射和接收电磁信号，特别是微波信号，还具有控制器（30），所述传感器被设计用来借助信号的渡越时间来确定在容器（12）内的第一介质（14）和/或第二介质（16）的物位，其特征在于，所述控制器（30）被设计成使用如上述权利要求任一项所述方法来确定物位。