CN104280066A - 确定介质的物位和流速 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于通过对由填充物位测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估来确定该测量装置距介质的距离和介质的流速的填充物位测量装置、方法、程序单元以及计算机可读介质。该测量装置包括用于沿两个不同的方向发射传输信号的天线装置。可以使用传输信号的多普勒偏移来确定介质的流速。

Description

确定介质的物位和流速
技术领域
本发明涉及测量流动的流体的流速和物位。具体地，本发明涉及填充物位测量装置(该填充物位测量装置用于通过对由填充物位测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估来确定距介质的距离和介质的流速)、涉及用于确定距介质的距离和介质的流速的方法、涉及程序单元以及涉及计算机可读介质。
背景技术
已知用于测量传感器与介质的表面(换句话说“填充物位”或物位)之间的距离和所述介质的流速的测量装置包括用于检测距离(测量系统1)和用于检测流速(测量系统2)的两个不同的测量系统。
借助于脉冲雷达来测量距离。相对地，通过使用对恒定传输信号(也已知作为CW信号，CW表示连续波)进行多普勒评估的不同的系统来确定流速。在这种情况下，两个装置都被容纳在共享的壳体中。
发明内容
本发明的一个目的是详细说明传感器与介质的表面之间的距离和介质的流速的选择性确定。
由所附权利要求的特征来实现该目的。根据所附权利要求和下面的描述得到本发明的研发。
本发明的第一方面涉及一种距离测量装置例如填充物位测量装置，该距离测量装置用于通过对由该测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估，来确定物位测量装置距介质的距离和介质的流速。这因此是使用传播的电磁波或声波的无接触测量。
该测量装置包括生成要发射的传输信号的信号生成器模块。还提供了天线装置，并且天线装置被配置成沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号并且沿不同于第一方向的第二方向发射传输信号。例如，第二方向可以与介质的流向从而与介质的表面成角度α，角度α在0度与90度之间，例如，在30度与60度之间，例如近似45度。
此外，测量装置包括用于通过对由介质反射且由天线装置接收的传输信号进行评估来确定距介质的距离和介质的流速的处理器单元。
可以以各种方式沿两个方向发射传输信号。例如，可以假设：沿第一方向发射一部分传输信号，同时沿第二方向发射第二部分传输信号。还可以假设：最初沿第一方向发射全部传输信号，随后沿第二方向完全发射传输信号。如下面更详细地描述的，这可以借助于测量处理中的切换处理来发生。
在本发明的一种实施方式中，天线装置可以是具有两个或更多个辐射方向的单天线。天线装置可以是平面天线或个体天线的阵列，这可以以如下方式来形成，该方式使得具有两个(或更多个)发射传输信号的主要辐射方向。
还可以假设天线装置可以相对于测量装置的壳体区域旋转，设置该区域用于以如下方式将测量装置固定在支架上：该方式使得可以相对于流体的流向最佳地定向天线装置，而不需为该目的定向测量装置本身。
在本发明的又一实施方式中，天线装置包括第一天线和第二天线，第一天线被配置成沿第一方向发射传输信号，第二天线被配置成沿第二方向发射传输信号。
在本发明的又一实施方式中，这两个天线都经由单个定向耦合器、单个开或关单个功率分离器连接至信号生成器模块。
在本发明的又一实施方式中，信号生成器模块是高频模块例如FMCW(调频连续波)模块。传输信号的至少第一部分是调频连续波信号(FMCW)。
可以假设FMCW模块能够以如下方式改变其信号生成模式：该方式使得除了生成FMCW传输信号以外还能够生成相同形状的CW传输信号。
在这种情况下，由此传输信号包括第二部分，第二部分为连续波信号(CW)，填充物位测量装置被配置成仅沿第一方向发射传输信号的第一部分以及仅沿第二方向发射传输信号的第二部分(CW)。
在本发明的又一实施方式中，FMCW模块被配置成生成调频传输信号，该调频传输信号具有上升的频率斜坡和下降的频率斜坡。因此，可以同时测量距离和速度。这种类型的三角调制的上升的侧翼和下降的侧翼具有沿不同方向的多普勒偏移。例如，仅在发送的频率调制的拐点后的短暂停顿之后进行信号处理。
使用三角调制形状提供检测多普勒频率作为辐射速度的测量(作为除了距离测量以外的独立测量值)的可能性。在接近期间接收频率增大，因此在上升的频率斜坡期间差异频率的值减小。由于与多普勒频率的叠加，当测量三角调制的上升的侧翼的接近时的频率差异较小，而在下降的侧翼中，频率差异比固定反射器大了相同量。对于相反流向(换句话说，远离传感器)，接收频率减小，因此在上升的频率斜坡期间差异频率增大。同等地，差异频率在下降的斜坡中减小。如果频率变化的梯度在三角信号的上升的侧翼和下降的侧翼中大小相等，则两个测量周期的差异频率的平均值是独立于速度的距离测量。差异频率的和是对象的一半辐射速度的测量。
通过对关于上升的频率斜坡和下降的频率斜坡的频移的方向的评估，可以额外地确定流向。
通常，具有对频率变化的线性的高要求。
在本发明的又一实施方式中，处理器单元被配置成在单个测量周期内确定距介质的距离和该介质的流速。
应当注意的是，在本发明的所有实施方式中，可以假设不管与介质的流向垂直地发射传输信号和/或与介质的流向倾斜地发射传输信号都由同一信号生成器模块生成传输信号。具体地，还可以假设由同一处理器单元对接收的传输信号、反射的传输信号进行评估。可以根据沿第一方向发射的、在填充介质的表面上被反射后的传输信号来确定距离，并且可以根据沿第二方向发射的传输信号来确定介质的流速。
可以通过单个测量确定流速和填充物位测量装置距介质的距离，在该单个测量中沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，并且在这之前，这在之后或同时，沿与介质的流向倾斜的第二方向发射传输信号。
因此，最初沿两个不同的方向发射传输信号，之后对在填充介质的表面上被反射的相应信号进行评估，这些信号使得可以确定流速和距离(即，填充物位或物位)。
除了沿两个不同的方向同时发射传输信号之外，也可以最初沿第一方向发射传输信号，随后沿第二方向发射传输信号(或最初沿第二方向发射传输信号，随后沿第一方向发射传输信号)。
依赖于填充物位测量装置的实施方式，可以依次或并行确定距离和流速。
还可以假设如下来定义测量周期。通过沿第一方向发射的随时间连续的传输信号和被评估的相应反射信号来重复测量距离。然后，较少地对与介质的流速倾斜地发射的传输信号进行评估，例如，仅在距离的每个第十个或第二十个测量之后对其进行评估。这可以表示如果发生了一定数量的距离测量或如果自从最后一次确定流速一定量的时间已过去(例如一分钟)，则也仅沿第二方向发射传输信号。
然而，也可以更频繁地沿第二方向发射传输信号，并且如果发生了一定数量的填充物位测量或如果自从最后一次确定流速一定量的时间已过去(例如一分钟或两分钟)，则也可以仅对由天线装置从该方向接收的相应反射信号进行评估(以确定流速)。
因此，可以假设由某个事件触发确定流速。在该上下文中，如已经描述的，所述事件可以是执行一定数量的距离测量和/或自从最后一次确定流速过去一定量的时间。可替代地或另外，触发确定流速的事件也可以由在预定时段内物位改变的比预定阈值更大(即，“距离”)构成。换句话说，在该实施方式中，如果距离变化足够快，则触发测量流速。
在本发明的又一实施方式中，测量装置为填充物位雷达或另一填充物位测量装置。
本发明的又一方面提供了一种用于通过对由测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估来确定填充物位测量装置距介质的距离和介质的流速的方法。该方法包括以下步骤：生成传输信号；沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，并且沿不同于第一方向的第二方向发射传输信号；通过对由介质反射且由天线装置接收的传输信号进行评估，来确定距介质的距离和介质的流速。
本发明的又一方面提供了程序单元，当在填充物位测量装置的处理器单元上执行该程序单元时，该程序单元使填充物位测量装置执行上述和下述方法步骤。
本发明的又一方面提供了存储有程序单元的计算机可读介质，当在填充物位测量装置的处理器单元上执行该程序单元时，该程序单元使填充物位测量装置执行上述和下述方法步骤。
具体地，测量装置可以被配置成连接至4mA至20mA双线线路，通过该线路为测量操作供电，并且可以同时发送与流动的电流成比例的测量值。
在下文中，将参照图来描述本发明的实施方式，在附图中相同的附图标记表示相同或相似的元件。然而，也可以由不同的附图标记表示相同或相似的元件。
附图说明
图1示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置；
图2示出了根据本发明的又一实施方式的测量装置；
图3示出了根据本发明的一种实施方式的测量信号和接收信号；
图4示出了接收器输出斜坡1和斜坡2处的FFT变换信号；
图5示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置；
图6示出了测量装置的接收器输出处的又一FFT变换信号；
图7示出了测量装置的接收器输出处的又一FFT变换信号；以及
图8示出了根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
附图的图是示意性的，而不是按比例绘制的。
图1示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置100。例如，测量装置是例如填充物位雷达形式的距离测量装置。
在单个测量系统(例如FMCW雷达系统)中，将作为流体的介质的流速的测量与距传感器100的距离的测量进行组合。测量装置包括两个天线(参见图2)或单天线，以如下方式使天线的辐射特性进行适应：该方式使得传输信号的第一部分(换句话说，一束传输信号)可以用于距离测量，而第二部分(第二束传输信号)可以用于流速测量(参见图1)。
如果使用两个天线，则可以借助于开关交替地测量距离或介质的流速。
如果两个天线经由定向耦合器或功率分离器一起连接至传输信号生成器模块(例如，HF模块)，则因为实际上沿两个方向同时发射传输信号，所以可以同时进行两种测量。
这导致用于测量距介质的表面的距离并且用于同时测量介质的流速以及流向(可选地)的简单安装。如果已知流体的流动床的几何形状，则也可以使用该类型的测量装置确定流动吞吐量(flow throughput)。
测量装置100包括处理器单元105，处理器单元105连接至HF模块101(传输信号生成器单元)。HF模块通过单个线路110连接至平面天线102。平面天线102位于壳体111上，并且假设天线能够与HF模块相反地旋转。
天线102发射传输信号112、113，相对地大部分的传输信号沿与流体106的流速107倾斜的方向104被定向。该倾斜发射的信号部分的至少一部分由流动的液体的表面反射，并且沿方向108被返回至天线102。天线102随后接收传输信号的该反射信号部分。
如果流体106的表面具有波形成或涟漪，则对于测量流速来说是有利的。
同时，第二(例如较小的)信号部分113沿方向103垂直于流体106的流速107被发射，在流体的表面上被反射，并且沿相反方向109辐射返回至天线。随后，天线102接收所反射的传输信号的该信号部分。
随后，根据接收到的、所反射的传输信号部分，生成回波曲线，根据回波曲线，生成距离d1和距离d2，距离d1是传感器100与流体106之间的最短距离，而距离d2是倾斜发射的传输信号在流体表面上被反射之前沿方向104覆盖的路径长度。
通过对垂直于流体的表面反射的传输信号的该信号部分进行评估来计算距离d1，并且通过对相对于流向107倾斜发射的信号部分的多普勒评估来确定流速。
天线的主要辐射方向可以用于测量流速，同时使用副瓣来检测距离。
也可以假设：天线包括用于辐射的两个焦点，换句话说，两个主要辐射方向。例如，如图1所示，这可以使用沿两个定义的方向辐射的贴片天线阵列来实现。由于期望较好的反射属性(作为与介质的表面垂直的辐射方向103的取向的结果)，因此在这种情况下距离测量的方向性将变得较小。
在测量周期中可以进行评估。第一回波(对应于传感器与流体表面之间的最短距离)给出距离；根据较远的回波，可以确定速度和流向。
图2示出了根据本发明的又一实施方式的测量装置。与图1的实施方式相比，提供了两个天线201和202，并且每个通过它们自己的线路连接至定向耦合器、功率分离器或开关203，定向耦合器、功率分离器或开关203将两个天线连接至HF模块101。
从而提供了用于两个测量(距离和流速)的FMCW模块，FMCW模块通过开关、功率分离器或定向耦合器耦接至用于距离测量的相应天线和用于流速的另一天线。在每种情况下，使用开关来选择两个天线之一用于测量。
以这种方式，距离和流速的交替测量是可以的。两种测量方法之间的切换在天线与HF模块之间的HF信号路径上发生。
如上所述，在任何情况下如图2中示意性示出的，HF模块也可以通过定向耦合器或功率分离器203连接至两个天线。在这种情况下，最优天线用于两种测量中的每种测量。天线201与流向107垂直地发射传输信号，这由传输瓣204表示。相对于第一天线201倾斜地布置的第二天线202沿倾斜的方向104发射传输信号，这由传输瓣205表示。
通过使用两个分离的天线，可以实现两个接收信号的较大的幅度。如在其他实施方式中那样进行评估。
为了确定距离和流速或流向，可以根据通常已知的FMCW雷达方法假设两个频率斜坡经过。水平轴301表示时间t，竖直轴302表示频率f。
例如，第一斜坡频率增大，在频率f1处开始而在频率f2处结束。随后，下降的第二斜坡在f2处开始而在频率f1处结束(参见图3)。第一斜坡由附图标记303表示，第二斜坡由附图标记304表示。
被移动到右侧的曲线305、306再现由天线装置接收到的接收信号(由填充材料表面反射的传输信号)。
使用模数转换器对由填充材料表面反射的传输信号进行采样，并且在微处理器中使用快速傅里叶变换(FFT)将该信号变换到频率范围。
这产生了两个谱，在图4中示出了这两个谱。
在该背景中，水平轴401表示传感器与相应反射器之间的距离，竖直轴402表示所接收到的信号的幅度。
位置d1(最短距离)处的第一回波407指定距介质的距离d1；根据位于位置406附近较远的回波，可以检测介质的速度和介质的流向。
通过距离测量的反映对于两个斜坡给出发送信号与接收信号之间的相同的差异频率。
通过沿方向104发射的倾斜入射的信号的反映(参见图1和图2)用于确定流速并且作为多普勒效应的结果频率偏移fdoppler。这造成上升的斜坡和下降的斜坡中的不同的差异频率。如在峰403、404处可见，它们相差2×fDoppler。相对于时间距离d2偏移到左侧的一个峰403由接收到的上升的频率斜坡303的信号产生(参见图3)，偏移到右侧的峰信号404由接收到的下降的频率斜坡306的信号产生。
箭头405表示两个峰之间的频率差异Δf，该频率差异Δf是多普勒偏移的两倍。
三角调制的上升的侧翼和下降的侧翼具有不同的多普勒偏移方向。例如，仅在发送的频率调制的拐点后的短暂停顿之后进行信号处理。这就是已知的三角调制。使用三角调制形状提供检测多普勒频率作为辐射速度的测量(作为除了距离测量以外的独立测量值)的可能性。在接近(approach)期间接收频率增大，因此在上升的频率斜坡期间差异频率的值减小。由于与多普勒频率的叠加，所以当测量三角调制的上升的侧翼的接近时的频率差异较小。在下降的侧翼中，频率差异比固定反射器大相同量。如果频率变化的梯度在三角信号的上升的侧翼和下降的侧翼中大小相等，则两个测量周期的差异频率的平均值是独立于速度的距离测量。差异频率的和是对象的一半辐射速度的测量。通常，存在对频率变化的线性的高要求。
可以根据两个天线辐射方向103、104之间的已知角度α和距介质的距离来额外计算用于检测速度的预期距离。因此，在模糊的回波关系的情况下，可以产生测量窗口603，从而可以实现较高的测量可靠性(参见图5和图6)。
在图6中，如先前的图4中，相对于已经历傅里叶变换的接收信号(反射的传输信号)的幅度602来描绘距离d601。也在这种情况下，可以看到对应于传感器与介质表面之间的距离的主峰604以及来源于倾斜发射的传输信号的两个峰605、606。这两个峰在测量窗口603内。
然而，也可以以另一方式确定介质的流速。具体地，如果仅使用具有主要辐射方向的一个天线，则也可以以反射信号直接测量流速。在该背景中，可以仅在距介质的表面的距离d处考虑回波。
由于天线也经常发射和接收主要辐射方向之外的部分，从而传感器也倾斜地相对于介质的表面来测量，所以在FMCW雷达模块的接收器处也经常出现由于介质的移动受多普勒频率影响的信号。
因此，由FFT变换后的IF信号(中频信号)具有依赖于流速的加宽，如图7的峰703和704所示。如在图4和图6中，水平轴701表示距离，竖直轴702表示幅度。较窄的峰703对应于介质的较低的流速，较宽的峰704对应于介质的较高的流速。
根据该加宽可以确定流速。小的加宽表示低速，大的加宽表示高速。
测量装置可以以如下方式具有相应的刻度：可以通过测量加宽足够精确地确定流速的方式。
如果使用两个天线，如图2所示，也可以通过上述方法使用天线204来确定流速以及流向(可选地)。在第二测量序列中，同样使用FMCW方法，可以使用天线203确定填充物位。
这两个值可以随后被输出或用于计算流动吞吐量。
图8是根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。在步骤801中，由信号生成器模块生成传输信号。在步骤802中，由天线装置沿例如与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，以及沿不同于第一方向的第二方向发射传输信号。在步骤803中，由天线装置接收反射的传输信号，在步骤804中，通过对由介质反射且由天线装置接收到的传输信号进行评估来确定传感器距介质的距离和介质的流速。
为了完整性，应当注意的是，“包括(comprising)”和“具有(having)”不排除其他元件或步骤的可能性，并且“一个(an)”或“一个(a)”不排除多个的可能性。还应当注意的是，已经参照上述实施方式之一描述的特征或步骤也可以结合其他上述实施方式的其他特征或步骤来使用。权利要求中的附图标记不应当被视为限制。

Claims (15)

1.一种填充物位测量装置(100)，用于通过对由所述填充物位测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估，来确定距所述介质的距离和所述介质的流速，所述填充物位测量装置包括：
信号生成器模块(101)，用于生成所述传输信号；
天线装置(102，201，202)，用于沿与所述介质的流向垂直的第一方向(103)以及沿不同于所述第一方向的第二方向(104)发射所述传输信号；以及
处理器单元(105)，用于通过对由所述介质反射且由所述天线装置接收的所述传输信号进行评估，来确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
2.根据权利要求1所述的填充物位测量装置，其中，所述天线装置是具有两个或更多个辐射方向的单天线(102)。
3.根据权利要求1所述的填充物位测量装置，
其中，所述天线装置包括第一天线(201)和第二天线(202)；以及
其中，所述第一天线被配置成沿所述第一方向(103)发射所述传输信号，所述第二天线被配置成沿所述第二方向(104)发射所述传输信号。
4.根据权利要求3所述的填充物位测量装置，其中，所述两个天线(201，202)都经由定向耦合器(203)、开关(203)或功率分离器(203)连接至所述信号生成器模块(101)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，其中，所述信号生成器模块(101)是FMCW模块，并且所述传输信号的至少第一部分是调频连续波信号FMCW。
6.根据权利要求5所述的填充物位测量装置，
其中，所述传输信号具有第二部分，所述第二部分是连续波信号CW；
其中，所述填充物位测量装置被配置成仅沿所述第一方向发射所述传输信号的第一部分以及仅沿所述第二方向发射所述传输信号的第二部分。
7.根据权利要求5所述的填充物位测量装置，其中，所述FMCW模块(101)被配置成生成调频传输信号，所述调频传输信号具有上升的频率斜坡和下降的频率斜坡。
8.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，其中，所述处理器单元(105)被配置成在单个测量周期内确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
9.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，被配置为填充物位雷达。
10.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，被配置为双线线路传感器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，被配置成额外确定所述介质的流向。
12.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，其中，所述天线装置包括平面天线阵列。
13.一种用于通过对由测量装置发射且由介质反射的传输信号进行评估来确定距所述介质的距离和所述介质的流速的方法，所述方法包括以下步骤：
生成所述传输信号；
沿与所述介质的流向垂直的第一方向(103)以及沿不同于所述第一方向的第二方向(104)发射所述传输信号；以及
通过对由所述介质反射且由天线装置接收的所述传输信号进行评估，来确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
14.一种程序单元，当在填充物位测量装置的处理器单元(105)上执行所述程序单元时，所述程序单元使所述填充物位测量装置执行根据权利要求13所述的步骤。
15.一种存储有程序单元的计算机可读介质，当在填充物位测量装置的处理器单元(105)上执行所述程序单元时，所述程序单元使所述填充物位测量装置执行根据权利要求13所述的步骤。
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