CN104280082A - 水中的通用测量数据获取 - Google Patents

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Abstract

本发明一般地涉及水中的通用测量数据获取。本发明公开了用于确定距介质的距离以及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。为了确定物位和介质的流速，交替地发射FMCW传输信号和CW传输信号。利用多普勒效应，可以根据反射的CW信号确定介质的流速。根据反射的FMCW信号确定物位。

Description

水中的通用测量数据获取
相关申请的引用
本申请要求2013年7月8日提交的德国专利申请No.102013213345.6的提交日的权益，其公开内容通过引用合并于此。
技术领域
本发明涉及水中的测量数据获取。具体地，本发明涉及填充物位测量装置，其用于通过对由该填充物位测量装置发射并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，本发明还涉及方法、程序单元以及计算机可读介质。
背景技术
当对水进行监视时，存在各种重要的物理测量值。这些数据可以用于统计评估，并用作规划结构措施的基础、用于洪水警报的基础、或在废水领域用于分摊废水处理的成本的基础。
在很多情况下，使用尽可能紧凑的传感器用于获取各种测量数据是有利的。目前，已知测量系统使用来自各种传感器的数据，该数据在分离的评估系统中被采集和评估。
当测量水位时，雷达技术变得越来越普遍，这是因为相比于诸如超声的其他测量原理，其不受环境影响或仅较小程度上受影响，环境影响诸如温度、风或雨。
发明内容
本发明的一个目的是详细说明水位和水的流速的交替确定。
由独立权利要求的特征来实现该目的。由从属权利要求和下面的描述可对本发明进行发展。
根据本发明的第一实施方式，详细说明一种自由辐射测量装置，该自由辐射测量装置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介质的距离并确定介质的流速，然后可以根据距介质的距离确定介质的物位。测量装置包括信号生成器模块、天线布置和处理器单元。
信号生成器模块用于生成传输信号，该传输信号在第一时间间隔期间具有幅度调制或频率调制，而在第二时间间隔期间不具有这样的调制。
例如，传输信号可以在第一时间间隔期间以调频连续波(FMCW)的形式发射。可替代地，传输信号可以在所述第一时间间隔期间以测量脉冲的形式发射。在第二时间间隔期间，可以将信号发射为连续波(CW)信号。
为了发射传输信号，提供了能够至少沿与介质的流向倾斜的第一方向发射信号的天线布置。
处理器单元用于通过对由介质反射且由天线布置接收的传输信号进行评估来确定距介质的距离并确定介质的流速，能够根据距介质的距离计算介质的物位。
在本发明的一种实施方式中，天线布置被配置成沿与介质的流向垂直的第二方向发射传输信号。换句话说，可以沿两个不同的方向发射传输信号。
在本发明的又一实施方式中，天线布置是具有两个或更多个辐射方向的单个天线，例如贴片天线或天线阵列。
在本发明的又一实施方式中，天线布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。
这两个天线可以例如通过定向耦合器、切换器或功率分配器连接至信号生成器模块。
还可以将天线布置设置成可相对于测量装置的容纳区域旋转，设置该区域用于以如下方式将测量装置固定在支架上，该方式使得可以总是相对于水的流向最佳地定向天线布置，而不需为此目的定向测量装置本身的主体。
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模块，其在第一时间间隔期间生成FMCW信号形式的频率调制传输信号，而在第二时间间隔期间生成CW信号形式的未调制传输信号。
因此，交替地生成FMCW信号或CW信号。
在本发明的又一实施方式中，填充物位测量装置被配置成：在第一时间间隔期间仅沿第一方向发射传输信号，而在第二时间间隔期间仅沿第二方向发射传输信号。
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，可以设置为，无论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，都由相同的信号生成器模块生成传输信号。特别地，还可以设置由相同的处理器单元对所接收的反射传输信号进行评估。可以根据沿第一方向发射的传输信号在其已在填充介质的表面上被反射后来确定距离，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。
可以由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，那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，可以依次或并行地确定距离和流速。
还可以设置成对测量周期进行如下限定。通过沿第一方向发射的、在时间上连续的传输信号和被评估的相应反射信号，反复测量距离。然而，较不频繁地对与介质的流速倾斜地发射的传输信号进行评估，例如，仅在对距离的每第十个或第二十个测量之后对其进行评估。这可以表示如果已发生了一定数量的距离测量，或如果从最后一次确定流速已过去一定量的时间(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，并且如果已发生了一定数量的填充物位测量，或如果从最后一次确定流速已过去一定量的时间(例如一分钟或两分钟)，则也可以仅对由天线布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，可以设置由某个事件触发对流速的确定。在该情境下，如已经描述的，所述事件可以是已执行的一定数量的距离测量和/或自从最后一次确定流速过去的一定量的时间。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上物位(即，“距离”)的变化大于预定阈值构成。换句话说，在该实施方式中，如果距离变化足够快，则触发对流速的测量。
在本发明的又一实施方式中，填充物位测量装置被配置为填充物位雷达。特别地，该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电流成比例的测量值。也可以通过双线线路进行通信。
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距介质的距离和介质的流速的方法。最初，生成传输信号，该传输信号在第一时间间隔期间具有幅度调制或频率调制，而在第二时间间隔期间不具有调制。随后，沿与介质的流向倾斜的第一方向发射传输信号。可以进一步设置沿基本上垂直于介质的流向的第二方向发射传输信号。随后，通过对由介质反射且由天线布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。
因此，可以通过评估多普勒效应来确定距离(由传输信号的频率调制)和水的速度。
本发明的又一方面提供了程序单元，该程序单元当在测量装置的处理器单元上执行时，使测量装置执行上述和下述步骤。
本发明的又一方面详细说明其上存储程序单元的计算机可读介质，该程序单元当在测量装置的处理器上执行时，使测量装置执行上述和下述步骤。
在下文中，将参照附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又一实施方式的测量装置；以及
图4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
附图中的图是示意性的，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。该测量装置是距离测量装置，例如是填充物位雷达的形式。
在单个测量系统(例如FMCW雷达系统)中，将为流体的介质的流速的测量与距传感器100的距离的测量组合。测量装置包括两个天线或单个天线。图1中的测量装置100被配置成沿与介质104的流向107倾斜的方向103发射第一传输信号。此外，测量装置100的天线布置被配置成沿与介质104的流向107垂直的方向102发射另一部分传输信号。
然后，传输信号至少部分地在介质的表面上被反射。由于介质的表面可具有小的细浪或波形，所以考虑多普勒效应，可以根据倾斜发射的、在介质的表面上被反射的且由天线布置101接收的传输信号来确定介质的流速。在由介质的表面反射且由天线布置101接收之后，沿方向102发射的传输信号可以用于测量距离。
如果在天线布置101中使用两个分离的天线，则可以借助于切换器交替地测量距离和介质的流速。
另外，天线布置101可以是具有多个主辐射方向102、103的单个天线。
这导致了用于测量距介质的表面的距离并用于同时(或随后)测量介质的流速以及可选地测量介质的流向的简单安装。如果已知液体的流动床的几何形状，则也可以使用这种类型的测量装置确定流量。
测量装置100包括处理器单元106，处理器单元106连接至HF模块105(传输信号生成器单元)。HF模块通过信号线连接至天线布置101。天线布置101可位于壳体上，并且可设置为天线布置能够与HF模块相反地旋转。
因此，天线布置101发射传输信号，相对而言大部分的传输信号沿与流体104的流速107倾斜的方向103被定向。该倾斜发射的信号部分的至少一部分由流动流体的表面反射，并且沿方向103返回至天线布置。天线布置随后接收传输信号的该反射信号部分。
在该测量之后(或在该测量之前)，潜在的第二小部分的信号沿方向102垂直于流体104的流速107被发射，在流体的表面上被反射，并且沿相反方向辐射返回至天线。随后，天线接收所反射的传输信号的该信号部分。
随后，根据所接收的反射传输信号部分，生成回波曲线，根据回波曲线，计算距流体的表面的距离，并且确定流速(通过相对于流向倾斜发射的信号部分的多普勒评估)。
当使用FMCW雷达方法用于测量距离时，为了检测例如流水的速度，也可以使用相同的微波系统105生成CW信号。
当测量距离时，可以借助于调频连续波信号(FMCW信号)确定发送信号和接收信号之间的差频。该差频与距水的表面的距离成比例。通过使用FFT分析(FFT：快速傅里叶变换)对反射信号的详细评估，可以确定各种反射。
可以借助于连续波信号(CW信号)来确定对象的速度。在这种情况下，微波信号在移动的对象上起作用。通过与传输信号相比，该移动导致反射信号的多普勒频移。差频直接与速度成比例。在这种情况下，尤其感兴趣的是，相同的电子系统可以用于距离测量和速度测量，在速度测量过程中传输信号的未调制是必要的。
在垂直布置中，用于速度测量的稍微倾斜布置的第二天线系统是实用的(参见图1)。
如果倾斜地布置传感器以用于测量(参见图2)，则为了检测距离和速度，仅需要沿单个方向发射的一个天线系统。在任何情况下，在距离测量中可能出现不精确。在这种情况下，沿与水的流向107倾斜的相同方向发射FMCW信号和CW信号二者。
额外的传感器的集成：在一些应用中，需要额外的测量值。因此，例如，环境温度可以是感兴趣的。可以将温度传感器集成在测量装置中。在本发明的一些实施方式中，为了检测风速、臭氧等级等，还提供额外的传感器的连接。
存储测量值和数据传输：为使分离的数据存储装置不是必要的，相应的存储装置可以集成在测量装置中。借助于GSM模块或借助于现有的数字数据传输系统，可以循环间隔将所采集的数据传输至中心站。
本发明的应用领域为测量河水位，在回水的情况下也测量用于废水、冷却水等的通道网络中的流量，以及使用流动信息测量海岸和海上的潮汐。
具体地，可以提供单个电子系统既用于微波技术又用于测量水的水位和流速的额外信号处理。
图3示出了根据本发明的又一实施方式的测量装置100。与图2的实施方式相比，提供了两个天线201、202，并且每个天线均通过它们自己的信号线连接至定向耦合器、功率分配器或切换器203，定向耦合器、功率分配器或切换器203将这两个天线连接至HF模块105。
因此，提供了用于两种测量(距离和流速)的FMCW模块，并且FMCW模块通过切换器、功率分配器或定向耦合器耦接至用于距离测量的一个天线和用于流速的另一天线。在每种情况下，可使用切换器选择两个天线中之一用于测量。
以这种方式，距离和流速的交替测量是可以的。在两种测量方法之间的切换在天线与HF模块105之间的HF信号路径上发生。
如上所述，如图3中示意性示出的，HF模块也可以通过定向耦合器或功率分配器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103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更大幅度。在其他实施方式中进行评估。
图4是根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
在步骤402中，信号生成器模块生成传输信号，该传输信号在步骤402中与水的流向倾斜地发射，更具体为CW信号形式的传输信号。在步骤403中，随后，与水的流向垂直地发射传输信号，更具体地，是调频信号(FMCW)形式的传输信号。在步骤404中，对由天线布置接收的反射信号进行评估，由此计算介质的流速和物位。
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 (14)

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(105)，用于生成传输信号，所述传输信号在第一时间间隔期间具有幅度调制或频率调制，而在第二时间间隔期间不具有调制；
天线布置(101)，用于沿与所述介质的流向(107)相倾斜的第一方向(103)发射所述传输信号；以及
处理器单元(106)，用于通过对由所述介质反射且由所述天线布置接收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。
2.根据权利要求1所述的填充物位测量装置，其中，所述天线布置(101)被配置成沿与所述介质的所述流向(107)垂直的第二方向(102)发射传输信号。
3.根据权利要求1或2所述的填充物位测量装置，其中，所述天线布置(101)是具有两个或更多个辐射方向的单个天线。
4.根据权利要求1或2所述的填充物位测量装置，
其中，所述天线布置(101)包括第一天线和第二天线；以及
其中，所述第一天线被配置成沿所述第一方向(103)发射传输信号，所述第二天线被配置成沿所述第二方向(102)发射传输信号。
5.根据权利要求4所述的填充物位测量装置，其中，所述两个天线均通过定向耦合器、切换器或功率分配器连接至所述信号生成器模块(105)。
6.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，所述天线布置包括平面天线阵列。
7.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(105)是FMCW模块，所述FMCW模块在所述第一时间间隔期间生成FMCW信号形式的调频传输信号，而在所述第二时间间隔期间生成CW信号形式的未调制传输信号。
8.根据权利要求7所述的填充物位测量装置，其中，所述填充物位测量装置(100)被配置成在所述第一时间间隔期间仅沿所述第一方向发送传输信号，而在所述第二时间间隔期间仅沿所述第二方向发送传输信号。
9.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(106)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。
10.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，其被配置为填充物位雷达。
11.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置，其被配置为双线线路传感器。
12.一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：
生成传输信号，所述传输信号在第一时间间隔期间具有幅度调制或频率调制，而在第二时间间隔期间不具有调制；
沿与所述介质的流向(107)相倾斜的第一方向(103)发射所述传输信号；以及
通过对由所述介质反射且由天线布置接收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。
13.一种程序单元，所述程序单元当在填充物位测量装置的处理器单元(106)上执行时，使所述填充物位测量装置执行根据权利要求12所述的步骤。
14.一种存储有程序单元的计算机可读介质，所述程序单元当在填充物位测量装置的处理器单元(106)上执行时，使所述填充物位测量装置执行根据权利要求12所述的步骤。
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