CN104457910B - 介质边界的位置测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种介质边界位置测量系统，基于电波的传播时间，测量被测定物与传播空间之间的介质边界的位置。具有：结构体；电波收发装置，在传播空间内收发电波；运算装置，执行电波收发装置的动作控制，并基于电波收发装置接收到的电波执行被测定物的位置测量处理，在结构体的传播空间内设有能够检测距电波收发装置的位置的多个电波反射机构，运算装置具有传播时间测量机构，测量从电波收发装置向被测定物发送电波，到电波到达电波反射机构的第1传播时间序列T_k(k＝1，2，…，N)、和到达与被测定物的边界面的第2传播时间T_n；位置测量机构，基于测量的传播时间，测量被测定物与传播空间的介质边界的位置。

Description

介质边界的位置测量系统

技术领域

本发明涉及介质边界位置的测量系统，基于电波的传播速度之差来测量空间与被测定物之间的边界的位置。

背景技术

在使用电波测量被测定物的位置的测量装置中，有各种方式的装置。例如，已知有线性调频(chirp)方式和FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave:调频连续波)雷达方式等。

FMCW雷达方式如图4所示那样，是在预先决定的固定时间(将该时间称为扫描时间(T)。)中，一边扫描频率一边向测定地点发送电波的方式。在此将发送的电波的频率称为扫描频率(F)。

将发送的电波在被测定物上反射并返回为止的往返时间设为t。如图5所示那样，在往返时间t所经过的期间，发送频率仅被扫描F×t/T。混合反射波与接收到反射波的时刻的发送波得到的差拍信号的频率(差拍频率F_B)是发送频率F_T与接收频率F_R之差。

往返时间t通过“t＝(T/F)×F_B”确定。如果已知上述差拍频率F_B，就能够计算电波从发送地点至测定地点往返所需要的时间t。由于电波在自由空间中的传播速度为光速C，所以能够通过“L＝C×t/2＝C×T×F_B/2F”(算式A)算出从发送地点至测定地点的距离L。

关于使用以上说明的FMCW雷达方式的以往例的测量装置进行说明。图6示出了以往的FMCW雷达方式的测定装置的功能模块的例子。在图6中，FMCW雷达方式的测定装置100具有DSP(数字信号处理装置:Digital Signal Processor)101、数字/模拟转换器(DAC)102、VCO(电压控减振荡器)103、结合电路(HYB)104、转换器(transducer)106、混合器(Mixer)107、自动增益控制电路(AGC)108、模拟/数字转换器(ADC)109。包含DAC102和VCO103的部分构成发送系统，从混合器107至ADC109的部分构成接收系统。

在DSP101中内置有存储器111。在存储器111中，存储有决定针对扫描时间T的VCO103的振荡频率的数据。该数据是表示规定对VCO103的施加电压与扫描时间T之间的关系的电压-时间曲线(V-T曲线)的电压-时间表(V-T表)。此外，在存储器111中存储根据上述说明的FMCW雷达方式执行距离的测定处理的程序。

DSP101基于存储在存储器111中的程序读出V-T表。读出的V-T表通过DAC102转换为伴随着时间的经过而连续变化的电压值(模拟信号)。该模拟信号成为VCO103的控制电压。当该控制电压施加在VCO103上时，VCO103振荡的信号的频率(振荡频率)连续地变化。该频率连续地变化的振荡信号经由HYB104后，在作为天线的转换器106中转换成电波。电波从转换器106向测定地点(例如，如果是液位计则是液体的液面)发送。

被测定系统31介于从上述转换器106至测定地点之间。在测定地点反射的电波经由被测定系统31后由上述转换器106接收。所接收的反射波转换为接收信号，经由HYB104向接收系统引导。在接收系统中，在混合器107中混合接收信号与接收到该接收信号的时刻的振荡信号。通过接收信号与发送信号的混合，生成基于接收频率与发送频率之间的差频率而得到的差拍信号。该差拍信号被输入到AGC108。将该差拍信号的频率称为差拍频率F_B。

差拍信号在AGC108中控制为合适的振幅值之后，在ADC109中转换为数字信号，作为振幅值向DSP101输入。在DSP101中，在扫描时间(T)的期间执行从V-T数据的读出获取差拍信号的振幅值的处理。相对于在该扫描时间(T)的期间获取的作为时间轴数据的差拍信号振幅值组，在进行过滤处理除去不需要的噪声成分后，进行FFT(Fast FourierTransform：快速傅里叶变换)处理，提取差拍频率F_B。

存储在存储器111中的程序使用提取出的差拍频率F_B，执行基于上述算式A的计算处理，计算到测定地点的距离L。

以上说明的FMCW雷达方式的测量装置用于储备在液体箱中的液体的液位测定等。在图7中示出该例子。在图7中，在液体箱400a的顶板上设置有测量装置100a。液体箱400a是储备液体401a的箱体。在液体箱400a的上部中，从液体箱400a的顶板朝向液体401a的液面地设置有作为天线的转换器106a。从转换器106a向液体401a发送的电波在液体箱400a内以光速C传播，在液体401a的液面反射后，由转换器106a接收。

如图7所示那样，当向液体箱400a内的空间发送电波时，液体401a的介电常数低时，电波在液面上的反射强度(level)低，液位的测定精度降低。为了消除该现象，如图8所示那样，将测量装置100设置在液体箱400的顶板上，从液体箱400的顶板朝向底面设置圆筒形状的圆形波导管300。向该圆形波导管300内发送来自作为天线的转换器106的电波，用转换器106接收在液体400的液面反射来的反射波。另外，液体401能够进入到圆形波导管300内，使得液体箱400内的液体液位与圆形波导管300内的液体液位一致。

在此关于测量装置100的功能构成进行说明。图6是表示测量装置100的功能构成的例子的框图。测量装置100是FMCW雷达方式的测量装置，在该测量装置100与圆形波导管300的上端之间夹设有转换器106。转换器106作为将从上述测量装置100输出的高频信号转换为电波并向圆形波导管300内发射的发送天线发挥功能，此外，还作为接收在液体401的液面反射的电波的接收天线发挥功能。

测量装置100使用例如10GHz带域的电波。将从上述顶板面至液体401的面的距离设为L，将圆形波导管300的内径设为d。发送频率F_T表示从测量装置100朝向液面向圆形波导管300内发射的电波的频率，接收频率F_R表示上述电波在液面反射并在圆形波导管300内向测量装置100返回的电波的频率。

为了通过测量装置100计算距离L，必须知道发送的电波以及反射波的速度。在图7所示的例子中，已知空间中的电波的传播速度与光速C相同。与此相对，如图8那样，已知在使用圆形波导管300时，若将发送波的波长设为λ₀，在圆形波导管300内的电波的波长λ_gε为“ε_r×(λ₀/(ε_r-(λ₀/(K_mn×d))²)^1/2)”。在此，将圆形波导管300的内径设为d，圆形波导管300内的传播模式的系数设为Kmn，圆形波导管300内(传播路径)的相对介电常数设为ε_r。

通常已知圆形波导管300内的电波传播系数Kmn。由于空气中的相对介电常数为1，因此，如果确定了圆形波导管300的内径d，就能够计算圆形波导管300内的波长λ_gε。基于这些条件，能够根据“(λ₀/λ_g)×C”计算电波的速度v_g。

在从液体箱400内的液体401的液面至顶板面的空间中，充满着液体401的蒸发气体。相对介电常数受到在到达测定地点的传播空间中(液面上方)中滞留的气体的成分、传播空间中的温度以及压力的影响发生变化的情况下，如果求不出相对介电常数，就无法确定圆形波导管300内的波长λ_gε。

如果预先知道液体箱400内的气体的成分和温度以及压力，就能够预先将与之相应的介电常数设定在测量装置10中。由此能够使用正确的电波的速度来计算距离L。但是，滞留气体的成分和测定时的温度、压力等是根据情况变化的，只有正确地测定这些数据，才能基于正确的介电常数进行距离L的计算。

针对上述课题，已知如下液位测量系统：其以圆形波导管内的介电常数收敛于规定的数值范围为前提，即使在液面上方有滞留气体，也能够精度良好地进行液位的测定的液位测量系统(例如，参照专利文献1)。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第4695394号说明书

专利文献1的液位测量系统即使没有与液面上的正确的气体成分的状况和压力相关的信息，只要基于作为前提的相对介电常数的变动范围而得到的测定结果在测定误差的允许范围内，则该测定结果就是有效的。

但是，在专利文献1的液位测量系统中，当介质的边界面(液面)上电磁波的反射率小的情况下，反射波的振幅与噪声相比并不充分大，所以导致了利用不确定的反射波来进行测量的情况。这样一来，无法可靠地测量液面的位置。

发明内容

本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供一种能够不依赖反射波的振幅的大小地、正确地测量介质边界的位置的介质边界位置测量系统。

本发明是一种介质边界的位置测量系统，具有：结构体，其形成向被测定物传播电波的传播空间；电波收发装置，其在所述传播空间内收发电波；运算装置，其执行所述电波收发装置的动作控制，并基于所述电波收发装置接收到的电波执行被测定物的位置测量处理，所述介质边界的位置测量系统的最主要的特征在于，在所述结构体的传播空间内设置有能够检测距所述电波收发装置的位置的多个电波反射机构，所述运算装置具有：传播时间测量机构，测量从所述电波收发装置向所述被测定物发送电波起，到所述电波到达所述电波反射机构的第1传播时间序列T_k(k＝1，2，…，N)、和从所述电波收发装置向所述被测定物发送电波起，到达与所述被测定物的边界面的第2传播时间T_n；位置测量机构，其基于所述测量的传播时间，测量所述被测定物与所述传播空间的介质边界的位置。

发明效果

根据本发明，能够不依赖反射波的振幅的大小地、正确地测量介质边界的位置。

附图说明

图1是表示本发明的介质边界位置测量系统的实施方式的构成图。

图2是将上述介质边界位置测量系统具有的波导管沿横向绘制的概略图。

图3是表示上述介质边界位置测量系统的功能构成框图。

图4是表示基于以往的雷达式液面测量装置的FMCW雷达方式的频率扫描的例子的曲线图。

图5是表示基于FMCW雷达方式的频率扫描的距离测量的原理的图。

图6是表示以往的FMCW雷达方式的测定装置的例子的框图。

图7是表示以往的FMCW雷达方式的测定装置的设置例的图。

图8是表示以往的FMCW雷达方式的测定装置的其他设置例的图。

具体实施方式

以下，关于本发明的介质边界的位置测量系统的实施方式，参照附图进行说明。本发明的实施例如图1所示。图1是表示作为本实施方式的介质边界的位置测量系统的例子的测量系统1的构成图。

如图1所示那样，测量系统1具有电波收发装置10、作为结构体的波导管2、未图示的运算机构。关于运算机构将在后说明。

电波收发装置10设置在储存了作为被测定物的液体31的液体箱3的顶板上。从该电波收发装置10朝向液体箱3的内部设置有波导管2。

在上述结构体的传播空间内，设置有能够检测距上述电波收发装置的位置的多个电波反射机构。

在波导管2的内部空间中设置有作为电波反射机构的多个基准销21。测量系统1能够测量从电波收发装置10至基准销21的距离(从电波收发装置10看到的基准销21的位置)。进而，电波收发装置10能够校正基准销21的实际位置与测量位置之间的误差。基准销21将波导管2内的传播空间分割为适当数量的区间，能够检测距电波收发装置10的位置。基准销21被预先设置为可正确地测量距电波收发装置10的距离。所设置的各基准销21的距电波收发装置10的距离预先存储在未图示的运算机构的存储部中。

在此，关于在测量系统1中的介质边界位置的测量原理进行说明。测量系统1不是测量朝向作为被测定物的液体31照射的微波的反射波的系统。测量系统1测量朝向液体31照射的微波透射液体31的液面后，透射波在被测定物(介质)内的传播速度。通过测量电波的传播速度，能够测量被测定物与传播空间的边界位置(液体31的液位)。测量系统1能够不依赖在介质边界的反射波的振幅的大小地，正确地测量介质边界的位置。

为此，预先将波导管2的内部空间(电波的全部传播空间)分割为适当数量的区间。能够从基准销的位置的测量结果来算出电波在各区间内传播的时间，其中，基准销位于各区间的分界位置处。能够基于算出的各区间的电波传播时间，算出介质边界的位置。

在波导管2中形成的各区间既有包含介质边界的区间，也有仅为液体31的区间。当然，还有仅为空气的区间。

包含介质边界的区间的电波传播时间由该区间内的气体部分(传播空间内)的电波传播速度和液体31部分(被测定物内)的电波传播速度决定。另一方面，在不包含介质边界的区间中，仅由气体中的电波传播速度或液体31中的电波传播速度来确定在该区间中的电波传播时间。即，如果算出电波传播时间，就能够基于气体中的电波传播速度与液体31中的电波传播速度之差，通过运算来测量介质边界的正确的位置。

具体来说，在通过基准销21而分割出区间的传播空间中，使在各区间传播的电波(透射传播波)在基准销21发生反射。测量系统1测量来自各基准销21的反射波。基于该反射波，算出各区间(用各基准销21分隔出的区间)的电波的透射传播速度。

这样，本实施方式的测量系统1从透射传播波所具有的信息(传播速度、传播时间等)算出设置在波导管2内的基准销21的位置。例如，使用在波导管2的作为内部空间的传播区间内的5个位置设置有基准销21的例子，关于基于测量系统1的介质边界的测量方法进行说明。图2是沿横向绘制波导管2的概略图。图2纸面的左侧是电波收发装置10，图2纸面的右侧是液体箱3的底面。即，从电波收发装置10发送的电波在图2中从左向右传播，在基准销21上反射的反射波从右向左传播。

图2所示的波导管2是将内部的传播区间分割为6个区间的例子。另外，各基准销21的位置是已知的。液面位置P_R是介质边界的位置。首先，判断液面位置P_R所属的区间(第1步骤)。接下来，通过计算而算出在该区间内的液面位置P_R(第2步骤)。

·第1步骤

如图2所示那样，通过5根基准销21和液体箱3的底面将电波的传播空间分割为x₁，x₂，…，x₆这6个区间。在各区间中的电波传播时间(T₁，T₂，…，T₆)基于递推公式，通过以下的算式(1)、算式(2)表示。

在算式(1)以及算式(2)中，c(x₁)，c(x₂)，…，c(x₆)为各区间中的区间内平均传播速度。

基于上述的算式(1)以及算式(2)表示各区间内平均速度c(x_n)的算式成为以下的算式(3)以及算式(4)。

作为一个例子，关于6个区间中的某一个区间内存在边界面(液面)的情况进行说明。

在液面存在区间的之前的区间和之后的区间中，区间内平均速度c(x_n)相较于与液面存在区间在前或后相邻的区间，有很大不同。

因此，能够通过以下的算式(5)求出液面存在区间n。另外，在算式(5)中，c(x0)为空气中的传播速度。

在全部的区间中执行以上说明的运算处理。其中e_n最大的区间是液面位置P_R所属的区间。即，通过上述运算进行e_n的判断，由此，能够判断液面位置P_R在P_n-1与P_n之间。

·第2步骤

将从作为基准面的电波收发装置10的天线面到液面位置P_R的距离设为X_R。此外，将到销P_n-1的距离设为X_n-1等。X_R基于以下的算式(6)、算式(7)、算式(8)表示。在此，作为气体中的电波传播速度与液体中的电波传播速度，使用仅为气体区间的电波传播速度和仅为液体31区间的电波传播速度。

X_R＝X_n-1+δ_n·····(6)

另外，液面位置P_R存在于基准销21的区间外时，并且，位于第1基准销P₁上方时，使用以下的算式(9)算出δ₁即可。在上述的算式(6)中使用算出的δ₁，算出到液面位置P_R为止的距离X_R即可。另外，c_G(x₁)使用空气中的电波传播速度即可。

此外，在液面位置P_R存在于基准销21的区间外的情况下，当液面位置P_R位于第5基准销P₅和与第6基准销P₆相当的液体箱3的底面之间时，使用以下算式(10)算出δ₆即可。将算出的δ₆使用上述的算式(6)，算出到液面位置P_R为止的距离X_R即可。另外，c_L(x₆)使用液体31中的电波传播速度即可。

接下来，关于本实施方式的测量系统1的动作进行说明。图3是表示测量系统1的功能构成的框图。图3所示的测量系统1由大致3个部分构成。即，测量系统1具有电波收发装置10、波导管2、运算装置40。

电波收发装置10由于是从以往已知的基于线性调频方式的装置，所以关于电波收发装置10的详细构成省略说明。本实施方式的测量系统1通过对电波收发装置10附加波导管2与运算装置40，能够执行介质边界的测量方法。

从电波收发装置10具有的TRX11发送的电波在波导管2的内部空间传播，在液面位置P_R处反射。反射波在TRX11的接收混合器中被频率变换。然后，经由LPF12，通过频谱估计部13和传播时间运算部14，算出到液面位置P_R为止的电波传播时间。使用该电波传播时间，算出到液面位置P_R为止的距离。另外，在显示部中显示算出的液面位置P_R的距离。

电波收发装置10和运算装置40经由运算装置40具有的第1存储部41连接。另外，也可以不经由第1存储部41，而将在电波收发装置10中算出的上述传播时间通知给组运算部44。

在第1存储部41中，按照时间序列存储在电波收发装置10中算出的传播时间T₁、T₂、T₃，···。

运算装置40具有进行电波收发装置10的动作控制的未图示的控制部与执行被测定物的位置测量处理的运算处理部。

在运算装置40具有的第2存储部42中，预先测量并存储相对于各基准销21的电波传播时间。另外，存储在第2存储部42中的传播时间由波导管2内的传播空间为空气的情况下的传播时间序列T_k ^G(k＝1，…，N)、和以液体充满的情况下的传播时间序列T_k ^L(k＝1，…，N)的序列对构成。将该序列对称为电波传播时间序列。

组运算部44进行如下运算处理：比较存储在第1存储部41中的各传播时间与存储在第2存储部42中的相对于各基准销21的传播时间。通过该组运算部44的运算处理，存储在第1存储部41中的各传播时间被分成2个组。即，分组为基于可能是由基准销21反射的电波的第1传播时间的组(第1传播时间序列T_k)与不属于此的第2传播时间的组(第2传播时间T_n)。

在此，第1传播时间序列数据T_k由传播路径全部由气体填充时的时间序列数据(T_k ^G)和全部由介质填充时的时间序列数据(T_k ^L)构成。该T_k ^G与T_k ^L通过事先进行实验而预先保存在第2存储部42中。

接下来，在第1速度运算部45中，使用不属于通过基准销21反射的电波的传播时间中的第2传播时间的组(T_n)，执行算出电波传播速度的运算处理。即，基于在第2传播时间的组(T_n)中的各传播时间算出电波传播速度。

从与在第1速度运算部45中算出的各传播时间对应的电波传播速度进行逆运算，算出与各传播时间相应的距离。比较该算出的各距离与预先存储在第3存储部43中的到各基准销21的距离，向第2速度运算部46通知与基准销21之间的各区间的距离不相当的区间的速度c_n。

第2速度运算部46基于所通知的距离，执行基于上述算式(7)到算式(10)的运算处理，算出δ_n。

使用该算出的δ_n，在介质边界位置运算部47中，执行基于上述算式(6)的运算处理，算出介质边界位置X_n，将其结果输出到显示器。

像这样，本实施方式的测量系统1使用测量电波到基准销21的第1传播时间序列T_k(k＝1，2，…，N)、和到介质边界面的第2传播时间T_n的传播时间测量机构，能够测量被测定物与上述传播空间的介质边界的位置。

另外，介质边界的存在区间的判断处理也可以不使用上述的算式(5)。在这种情况下，通过存储在第2存储部42中的传播时间(T₁～T₆)，算出通过基准销21形成的区间的传播时间。能够通过使用该算出的区间传播时间和各基准销21之间的距离，算出各区间中的传播速度。在算出的各区间的传播速度中，可以将与相邻区间之差较大的区间确定为介质边界存在的区间n。

另外，在介质边界存在区间的判断中使用的运算处理也可以是使用上述算式(5)的运算处理。

此外，介质边界存在区间的判断通过上述示出的任一个判断处理进行，为了进一步提高介质边界的检测精度，也可以使用反射的振幅信息。

在这种情况下，从图3所示的频谱估计部13对振幅信息附加部48通知与反射波的各频率有关的振幅信息。振幅信息附加部48算出各频率中的振幅信息。向组运算部44通知在振幅信息附加部48中算出的振幅信息组。能够通过采用该振幅信息组，并用于组运算部44中的比较计算处理，提高介质的边界检测精度。

根据以上说明的测量系统1，即使在因被测定对象和/或传播空间的状况等而电波的反射率小、反射波的振幅不稳定的情况下，也能够正确地测量介质的边界。

此外，在上述说明的测量系统1中，作为波导管内的电波反射机构使用了基准销21，但作为反射机构，不限定于特定的形状以及材质，也能够得到相同的效果。

作为第2实施例，在包含第1实施例的介质边界面的区间n的判断中，能够使用原理的算式(5)。此时不需要第2存储部42。

附图标记说明

1：测量系统；2：波导管；10：电波收发装置；40：运算装置。

Claims (1)

1.一种介质边界的位置测量系统，具有：

结构体，其形成向被测定物传播电波的传播空间；

电波收发装置，其在所述传播空间内收发电波；以及

运算装置，其基于所述电波收发装置接收到的电波执行被测定物的位置测量处理，

所述介质边界的位置测量系统的特征在于，

所述结构体在所述传播空间内具有能够检测距所述电波收发装置的位置的多个电波反射体，

所述运算装置具有：

第1存储部，存储由所述电波收发装置算出的与所述电波反射体及所述介质边界对应的所述电波的传播时间；

第2存储部，存储与所述电波反射体各自的位置对应的、预先测量的所述电波的传播时间；

第3存储部，预先存储各个所述电波反射体与所述电波收发装置之间的距离；

组运算部，对存储于所述第1存储部的传播时间与存储于所述第2存储部的传播时间进行比较，将存储于所述第1存储部中的传播时间分成推测为属于存储在所述第2存储部中的传播时间的组的第1传播时间的组、和推测为不属于存储在所述第2存储部中的传播时间的第2传播时间的组；

第1速度运算部，计算出基于所述组运算部的运算处理得到的2个组中、与属于所述第2传播时间的组的传播时间分别对应的电波传播速度；

第2速度运算部，对与在所述第1速度运算部算出的多个电波传播速度对应的距离和存储于所述第3存储部的各距离进行比较，基于与通过所述电波反射体所分割的区间的距离不相当的区间的电波传播速度来算出所述介质边界所存在的区间的电波传播速度；以及

介质边界位置计算部，基于所述第2速度运算部的运算结果算出从所述电波收发装置到所述介质边界的距离。