CN104685327A - 料位测量设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种料位测量设备(5,25)，其根据脉冲雷达原理工作，用于测量容器(1)中的填充物质(3,21,32)的料位(L)，包括：发射系统(11)，其具有脉冲生成系统(15)，脉冲生成系统(15)连接到控制单元(13)并且对分别包括至少两次测量的预确定测量周期中的各个测量，对每一测量，产生由预确定的平均频率(f_n)的至少一个微波脉冲，尤其是周期性相继的一系列微波脉冲构成的发射信号(S_n)，其中，至少两次测量的发射信号(S_n)的平均频率(f_n)相互不同；进一步包括天线(9,27)，其连接到发射系统(11)，将发射信号(S_n)发送到容器(1)中，并且接收朝向天线(9,27)在容器(1)中反射的信号部分作为接收信号(R_n)，并且对不同的平均频率(f_n)，具有取决于发射信号(S_n)的平均频率(f_n)的不同空间辐射特性；进一步包括信号处理系统(19)，其连接到发射系统(11)和天线(9,27)，并且接收并且基于对应发射信号(S_n)的微波脉冲的平均频率(f_n)和天线(9,27)的空间辐射特性的平均频率相关性评估接收信号(R_n)。

Description

料位测量设备

技术领域

本发明涉及根据脉冲雷达原理工作的用于测量容器中的填充物质的料位的料位测量设备，并且包括：发射系统，具有连接到控制单元的脉冲生成系统，脉冲生成系统以下述方式实现：对每一测量，产生由预确定中心频率的微波脉冲构成的发射信号；连接到发射系统的天线，该天线将发射信号发送到容器，并且在取决于离料位测量设备的相关反射器的距离的传播时间后，将它们在天线的方向上在容器内反射回的信号部分接收为接收信号；以及连接到发射系统和天线信号的评估接收信号的处理系统。

背景技术

在大量工业分支，特别是加工行业、化学和食品行业中，应用这种根据脉冲雷达原理工作的无接触料位测量设备。

常见的脉冲雷达料位测量设备通常具有发射系统，发射系统具有连接到控制单元的脉冲生成系统，脉冲生成系统以下述方式实现：对每一测量，生成由按预确定脉冲重复率产生并且具有固定的预确定中心频率的微波脉冲构成的发射信号，其对所有测量均是相同的。微波脉冲具有例如固定的预确定中心频率26GHz或78GHz。天线被安装在容器上在待测量的最高料位上方，朝向填充物质，并且将发射信号发送到容器中。接着，在取决于离各个反射器的距离的传播时间后，将在位于容器中的反射器上朝料位测量设备反射回的信号部分接收为接收信号。将接收信号供应到与发射系统和天线相连的信号处理系统。然后，信号处理系统基于接收信号，确定料位。在这种情况下，根据到各个反射器并返回的路径所需的传播时间，通常得出提供接收信号的振幅的测量曲线。从这些测量曲线的最大值的传播时间，然后，基于微波脉冲的传播速度，能由料位测量设备确定离各个反射器的距离。

对料位测量，目前应用大量不同的评估方法。这些方法通常称作回波识别法。使用它们来确定包含在测量曲线中的哪一最大值能归因于填充物质的表面的反射。在这种情况下，例如，将首次出现的最大值或具有最大振幅的最大值确定为归因于的填充物质的表面的反射的各个测量曲线的最大值。从该最大值的传播时间，基于微波脉冲的传播速度，得出填充物质的表面离料位测量设备的距离，然后，基于天线的安装高度，可转换成料位——由此，转换成容器中的填充物质的料位。

这些料位测量设备得出大量不同应用中的可靠测量结果。

然而，对粒状材料的料位测量，通常它们不是最适合的，因为粒状材料通常形成山形或谷形粒状材料锥形，不能通过这些料位测量设备记录其表面轮廓，由此，不能考虑用于料位确定。

在这些应用中，因此，通常应用能绘制填充物质的表面的表面轮廓的目前明显更复杂的测绘雷达测量系统。然而，测绘雷达系统要求由多个空间相邻天线构成的天线系统，多个空间相邻天线经电子控制单元相互连接，并且取决于实施例，基于时间表，用作发射天线、接收天线或发射和接收天线。在这种情况下，通过电子控制激活作为发射或接收天线的不同天线，改变发射和接收信号R的光束路径，使得：基于对于用于归因于填充物质的表面的反射的接收信号的最大值在不同光束路径上测量的信号传播时间以及各自使用的发射和接收天线的位置，能计算填充物质的表面的轮廓。

替代地，能由具有在填充物质上可机械摆动安置的单个天线的料位测量设备绘制料位上表面的空间轮廓。同时，以这种方式，通过逐渐改变天线取向，连续地执行测量，能确定填充物质上表面的表面轮廓。然而，机械摆动的天线很显然制造复杂、机械精密且维护密集。另一替代方案是使用相继操作的多个相互独立的、相邻的料位测量设备，结合它们各自的位置，考虑测量结果，用于确定表面轮廓。

同样地，在指定情况下，在容器内存在横向伸出到发射信号的光束路径中的诸如测量设备或填充喷嘴的安装对象(在此称为干扰)的应用中，使用具有单一、严格安装的天线的常见料位测量设备用会成问题。

因此，当能识别归因于填充物质的表面的测量曲线的最大值时，可靠测量仅是可能的。为此，有必要能将填充物质的表面产生的最大值与由干扰产生的测量曲线的最大值可靠地区分开来。

如果预先已知干扰的位置，那么能例如屏蔽测量曲线中的相关传播时间范围。替代地，当在该区域中出现的测量曲线振幅超出预确定阈值时，能仅考虑这些振幅。然而，在此称为干扰回波屏蔽法的这些方法假设预先，或能以一些其他方式可靠地确定已知干扰的位置。

替代或对此的补充，应用当前所谓的回波跟踪法，在该情况下，在顺序测量中，绘制测量曲线，并且基于这些测量曲线，确定与某些反射器的传播时间，尤其是填充物质的表面、容器底部或干扰相关的测量曲线的最大值的时间发展(time development)。基于该回波跟踪，然后，能产生用于归因于某些反射器的测量曲线的最大值的预期传播时间的预测，其接着被应用于提高可靠性或用于检查在下一测量曲线中真正确立的最大值与各个反射器的关联。然而，在这种情况下，有必要在开始时，在能跟踪它们的时间发展，或预测它们的未来开发前，至少一次预确定或者确定最大值与相关反射器的可靠关联。

发明内容

本发明的目的是提供根据脉冲雷达原工作的机械简单并且鲁棒构成的料位测量设备，该料位测量设备可靠地应用在大量不同应用中，特别是应用在具有粒状材料状填充物质和/或横向伸入到容器中的干扰的应用中。

为实现该目的，本发明涉及一种根据脉冲雷达原理工作的料位测量设备，用于测量容器中的填充物质的料位，包括：

-发射系统，具有连接到控制单元的脉冲生成系统，

--所述脉冲生成系统以下述方式实现：在在每一情况下包括至少两次测量的预确定测量周期中，产生由为特定测量预确定的中心频率的微波脉冲构成的发射信号，其中，所述至少两次测量的发射信号的中心频率相互不同；

-连接到所述发射系统的天线，

--所述天线将所述发射信号发送到容器中，并且接收在取决于与所述料位测量设备的相关反射器的距离的传播时间后，在所述天线的方向上在所述容器中反射回的信号部分作为接收信号，以及

--所述天线对不同的中心频率，具有取决于所述发射信号的中心频率的不同空间辐射特性，以及

-连接到所述发射系统和所述天线的信号处理系统，

--所述信号处理系统接收所述接收信号并且基于相关发射信号的微波脉冲的中心频率并取决于所述天线的空间辐射特性的中心频率相关性评估这些接收信号。

在本发明的第一变形中，所述天线是具有如下辐射特性的天线：包括指向主发射方向并且具有随发射信号的中心频率减小而增加的孔径角的的主波束，尤其是喇叭、棒形或反射器天线。

在本发明的第二变形中，所述天线是空心导体缝隙天线，尤其是具有棒形、矩形空心导体的空心导体缝隙天线，

-具有由所述发射系统馈送的输入，

-与所述输入相对放置的末端被末端短路、被端接有无反射端，或被开路，以及

-具有空心导体壁，所述空心导体壁具有切口，尤其是槽形、槽类或不规则碎片形切口，经所述切口，取决于所述切口的定位和尺寸以及所供应到的发射信号的中心频率，所述天线发送具有对不同中心频率不同的空间辐射特性的发射信号。

在第二变形的实施例中，所述天线包括

聚焦装置，所述聚焦装置用于聚焦从所述天线产生的发射信号，尤其

-向外布置在所述空心导体壁上并且包围所有切口的漏斗形或矩形空心导体段，

-向外布置在所述空心导体壁上的透镜，尤其是电介质透镜或磁透镜，

-向外施加在所述切口上的电介质材料的一个或多个平面层的板，或

-其他矩形空心导体，实现为与所述矩形空心导体相同并且与所述矩形空心导体连接来形成相互平行、直接相邻并且垂直于所述矩形空心导体的纵轴地布置在一起的一组平行地相等振幅和相位输送的矩形空心导体。

在第二变形的另外的实施例中，

-定位和尺寸化所述切口使得：所述天线的辐射特性在通过无反射端接闭合末端的情况下具有主发射波束，以及在短路或开路端的情况下具有关于所述空心导体壁的表面法线对称延伸的两个主发射波束，以及

-所述主发射波束相对于所述空心导体壁的表面法线延伸的角度随所述发射信号的中心频率而改变。

另外，本发明涉及一种通过根据第一变形所述的脉冲雷达原理工作的料位测量设备，测量在容器中具有平表面的填充物质的料位的第一方法，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率的多个发射信号的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率的微波脉冲的发射信号，

--接收其相关接收信号，以及

--基于接收信号，在每一情况下，得出测量曲线，该测量曲线示出作为相关信号传播时间的函数的各个接收信号的振幅，

-对每一测量曲线，确定所述测量曲线的最大值的传播时间和最大振幅，在每一情况下，它们分别归因于位于所述容器中的反射器，尤其是所述填充物质、所述容器底部或横向伸入到所述发射信号的光束路径中的干扰的反射，

-基于所记录的测量曲线的最大值的传播时间，确定归因于同一反射器的包含在不同测量曲线中的那些最大值，

-基于归因于同一反射器的测量曲线的最大值的最大振幅及相关辐射特性，得出与间距有关的信息，通过该间距，在垂直于所述天线的主发射方向延伸的平面中，离所述主发射方向的轴，定位特定反射器，其中，归因于同一反射器的最大值在该反射器的较大间距下，与较低中心频率相比，在较高中心频率下，具有较低最大振幅；并且在较小间距下，与较低中心频率相比，在较高中心频率具有较大最大振幅。

在第一方法的进一步开发中，基于与所述反射器的间距有关的信息，区别归因于横向伸入到所述容器中的干扰的反射的最大值和归因于所述填充物质的表面或所述容器底部的反射的测量曲线的最大值。

在后者进一步开发的进一步开发中，在测量周期中发现的归因于横向伸入到所述容器中的干扰的反射的最大值和归因于所述填充物质的表面或所述容器底部的反射的测量曲线的最大值之间的区别被应用于后续料位的确定中，尤其是在用于屏蔽归因于干扰的反射的各个测量曲线的振幅部分的方法，或在对至少一个反射器，基于从后续执行的测量周期得出的测量曲线，确定归因于各个反射器的反射的最大值的时间发展的方法的执行或检查中。

另外，本发明涉及一种在填充物质形成基本上与主发射方向的轴旋转对称延伸的表面的应用中，通过根据第一变形所述的脉冲雷达原理工作的料位测量设备，测量在容器中的所述填充物质的料位的第二方法，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率的多个发射信号的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率的微波脉冲的发射信号，

--接收其相关接收信号，以及

--基于接收信号，在每一情况下，得出测量曲线，测量曲线示出示出作为相关信号传播时间的函数各个接收信号的振幅，

-根据不同中心频率下的主波束的不同孔径角，在单独测量中，发射信号照射容器中的不同大的同心宽度，以及

-基于同心宽度和传播时间范围中的测量曲线的振幅属性，得出容器中的填充物质的表面的轮廓，在该传播时间范围中，在测量曲线中出现归因于填充物质的反射的最大值。

第二方法的进一步开发包括一种方法，其中，

-所述容器中的填充物质形成粒状材料锥形，其锥形纵轴与所述天线的主发射方向的轴重合，

-基于对通过最高中心频率得出的测量曲线，归因于填充物质的反射的最大值出现的传播时间，确定在锥形尖端的区域中的填充物质的料位，

-形成通过相邻中心频率的发射信号得出的单独测量曲线之间的差，

-对每一差，确定各个差的最大值的传播时间，

-在每一情况下，与差相关的是与主发射方向的轴形成的平均发射角，在该平均发射角，在每一情况下，具有较低中心频率的发射信号被发送到环形区上，该环形区位于通过具有分别较高中心频率的发射信号照射的宽度内并且在通过分别较低中心频率的发射信号照射的宽度外，以及

-基于差的最大值的传播时间和相关发射角，在经各自的相关传播时间和相关的发射角确定的垂直于锥形轴的距锥形轴的距离处，确定所述容器中的填充物质的料位。

另外，本发明涉及一种通过具有末端无反射、包围的矩形空心导体，通过根据第二变形的另外的实施例的脉冲雷达原理工作的料位测量设备，测量在容器中的所述填充物质的料位的第三方法，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率的多个发射信号的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率的微波脉冲的发射信号，

--接收其相关接收信号，以及

--基于接收信号，在每一情况下，得出测量曲线，所述测量曲线示出作为相关信号传播时间的函数的各个接收信号的振幅，

-对每一测量曲线，确定其中包含的归因于填充物质的表面的反射的最大值的传播时间，以及

-基于这些传播时间、相关发射信号的中心频率，和以各自的中心频率形成的主发射波束与表面法线形成的角度，在经传播时间和各自的相关角确定的、垂直于表面法线的离表面法线的间距处，确定所述容器中的填充物质的料位。

另外，本发明涉及一种在天线的发射平面中，填充物质形成基本上与矩形空心导体的表面法线对称的表面的应用中，通过具有末端开路或短路的矩形空心导体的天线，通过根据第二变形的进一步的实施例脉冲雷达原理工作的料位测量设备，测量容器中的填充物质的料位的第四方法，其中，

-在测量周期中，执行利用不同中心频率的多个发射信号的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率的微波脉冲的发射信号，

--接收其相关接收信号，以及

--基于接收信号，在每一情况下，得出测量曲线，该测量曲线示出作为相关信号传播时间的函数的各个接收信号的振幅，

-对每一测量曲线，确定归因于填充物质的表面的反射的其中包含的最大值的传播时间，以及

-基于这些传播时间、相关发射信号的中心频率，和以各自的中心频率形成的主发射波束与表面法线形成角度，在经传播时间和在每一情况下的相关角确定的、垂直于表面法线的离表面法线的间距处，确定所述容器中的填充物质的料位。

另外，本发明包括根据第二、第三或第四方法的进一步开发的方法，在该情况下，基于由料位和出现测量点的各自的相关间距给出的测量点，尤其通过内插、滤波或平滑，得出轮廓，该轮廓示出作为间隔的函数的料位。

在后一方法的进一步开发中，根据间距，对料位的突然弯曲或跳变，检查该轮廓。

在上述方法的优选形式中，使测量曲线的振幅归一化，该归一化考虑到取决于各个发射信号的微波脉冲的中心频率的天线的辐射特性的方向相关性。

此外，本发明涉及一种空心导体缝隙天线，用于发送或用于发送并且接收位于由下限频率和上限频率限定的频谱内的不同中心频率的信号，并且取决于各个发射信号的中心频率，具有对不同的中心频率不同的空间辐射特性，包括：

-矩形空心导体，

--所述矩形空心导体具有输入，经该输入，向所述矩形空心导体馈送待发送的信号，

--所述矩形空心导体的与所述输入相对的末端被末端短路、被端接有无反射端或被开路，以及

--所述矩形空心导体具有空心导体壁，所述空心导体壁具有以与所述空心导体壁的中心相同的间距，在每一情况下，平行于所述矩形空心导体的纵轴延伸的两行中，相继布置的槽形切口，其中，

---就两行中相继的切口的形状和间距而言，两行是相同的，

---在矩形空心导体的纵向中，使两行以偏移量相对于彼此偏移布置，所述偏移量处于以上限频率，在矩形空心导体中形成的波长的约一半大小，

---在每一行中的切口以周期距离周期性地布置，所述周期距离处于以下限频率，在矩形空心导体中形成的约波长大小，以及

---所述切口具有长度，所述长度处于以上限频率，在矩形空心导体中形成的波长的约一半大小，并且显著小于偏移量。

本发明的料位测量设备提供能可靠适用在不同应用的相当宽的频谱中，尤其是在横向伸入到容器中的干扰的应用以及形成粒状材料锥形的填充物质的应用中的优点。由于仅要求单一机械刚性天线，与具有摆动天线的料位测量设备相比，这种天线机械鲁棒并且不太容易故障。此外，与具有多个发射和/或接收天线的测量设备相比，在安装位置要求更少空间，尤其是，为安装天线，仅要求一个容器开口，因此，很显然比用于机械摆动天线并且显然更复杂的测绘雷达系统的容器开口更小。

附图说明

现在，将基于附图，更详细地说明本发明及其优点，附图中示出了两个实施例。在图中，相同的部件具有相同的参考符号。附图表示如下：

图1是具有喇叭天线的料位测量设备的料位测量配置，其中，干扰横向地伸出到容器中；

图2是具有喇叭天线的料位测量设备的料位测量配置，其中，粒状材料锥形位于容器中；

图3a是在归因于填充物质的表面的反射的测量曲线的最大值的传播时间范围中的最大和第二大中心频率的情况下，通过料位测量配置记录的测量曲线；

图3b是在最高中心频率记录的图3a的测量曲线和在第二大中心频率记录的图3a的标准化测量曲线；

图3c是图3b中所示的两个测量曲线的区别；

图4是图2的容器以及通过图2的测量配置产生的填充物质的表面的轮廓的测量点；

图5是具有末端无反射关闭、空心导体的缝隙天线的料位测量设备的料位测量配置，其中，填充物质形成横向伸出到天线的视场中的山形；

图6是空心导体的缝隙天线的矩形空心导体；

图7是具有矩形空心导体并且在其上安装空心导体段的空心导体缝隙天线；

图8是结合介质透镜的空心导体缝隙天线的矩形空心导体；

图9是对预确定频率设计的空心导体缝隙天线的缝隙状切口的尺寸和定位；

图10是为中心频率的频谱设计的空心导体缝隙天线的缝隙状切口的尺寸和定位；以及

图11是具有末端短路的矩形空心导体的图10的空心导体缝隙天线的天线图。

具体实施方式

图1示出了料位测量配置的示意表示。通过根据脉冲雷达原理工作的料位测量设备5，在容器1中测量的是形成平表面的填充物质3的料位L。在应用的所示例子中，通过举例，示出了横向伸出到容器1中的干扰7，例如容器内部物体。

料位测量设备5包括在容器1中的待测量的最高料位上方并且指向填充物质3的单一天线9，经该天线9，在测量操作中，将发射信号S向填充物质3发送，并且接收它们在天线9的方向上在容器1中反射回的信号部分作为接收信号R。

根据本发明，料位测量设备5包括发射系统11，其具有连接到控制单元13的脉冲生成系统15，该脉冲生成系统15以下述方式实现：以在每一情况下，在包括至少两次测量的预确定测量周期中，在测量操作中，产生发射信号S_n。每一发射信号S_n由对特定测量预确定的并且以预确定重复率由脉冲生成系统15产生的中心频率f_n的微波脉冲构成。在这种情况下，通过控制单元13，对于利用在测量中使用的发射信号S_n的微波脉冲的特定测量，预确定中心频率f_n。基本上，当要求时，还能应用非常短的发射信号S_n，尤其是相继仅几个，例如3-8个微波脉冲的发射信号S_n。然而，优选地，为适应在填充物质3和料位测量设备5之间的、计量学上要被记录的最大距离，应用具有显然更大数量的顺序相继的微波脉冲的发射信号S_n。

根据本发明，在每一测量周期中，执行至少两次测量，在各个测量中发送的发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n不同。优选地，在相应的大量测量中，使用显然更大数量，例如从30至50个不同的中心频率f_n。

经发射系统11、相连的发射/接收分离器17，例如与匹配终端结合的、循环器或定向耦合器，将发射信号S_n传输到天线9。天线9将发射信号S_n向容器1中的填充物质3发送，并且在取决于各个反射器与料位测量设备5的距离和微波脉冲的传播速度的传播时间t后，接收它们在位于容器1中的反射器上，尤其是在填充物质的表面上、容器底板上或干扰7上，在天线9的方向上反射回的信号部分。所接收的反射的信号部分的总和在每一情况下，形成经发射/接收分离器或定向耦合器17馈送到信号处理系统19的接收信号R_n，该信号处理系统19考虑取决于相关发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n的天线9的辐射特性，评估接收信号R_n。

根据本发明，天线9具有取决于发射信号的频率f的空间辐射特性。辐射特性表示天线增益的方向相关性。由此，在相等的总发射功率的情况下，在各个空间方向上，发送发射信号S_n时发射的辐射密度取决于各个发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n并且对不同中心频率f_n的发射信号S_n是不同的。

在图1所示的本发明的第一变形中，为此，能应用天线9，其辐射特性对于所有中心频率f_n具有在主发射方向N中辐射的单一显著主波束，并且具有随发射信号S_n的中心频率f_n减小而上升的孔径角。

为此，例如，能应用喇叭天线，诸如已经常用常见料位测量设备中的那些喇叭天线。常见的喇叭天线目前通过固定中心频率和尤其由脉宽的倒数预确定的带宽操作。然而，它们是通常足够的宽带，使得能通过不同于该中心频率的中心频率操作。优选地，在本发明的料位测量设备5中，通过均位于预确定ISM频带内的不同中心频率f_n操作它们。用于该中心频率f_n的优选频率范围尤其是C频带中在从4GHz至8GHz的范围中、X频带中约10GHz大小、E频带中约77GHz大小，或F频带中约123GHz大小的中心频率。其他优选频率范围位于2.4GHz-2.5GHz、5.7GHz-5.8GHz、24GHz-26GHz，以及约61GHz、110GHz或245GHz大小。

替代地，还能应用反射器天线，尤其是抛物面天线。基本上，还可以使用电介质棒形天线。然后，后者在较高中心频率f_n已经具有相对大的孔径角的主波束，使得与其他上述天线类型的情形相比，通过中心频率的小变化可实现的孔径角改变在此变得更小。

同样在常见的脉冲雷达料位测量设备的情况下，本发明的料位测量设备5基于接收信号R_n，得出在每一情况下的测量曲线A_n(t)，其示出根据相关信号传播时间t的各个接收信号R_n的振幅A。

为此，优选地将接收信号R_n叠加在基准信号上，该基准信号由具有与发射信号S_n的微波脉冲相同的脉宽和相同的中心频率f_n的微波脉冲构成，然而，该基准信号通过与生成发射信号S_n的微波脉冲的重复率相差小频率差的重复率定期地生成。该叠加影响顺序进入的、尤其是相同反射脉冲的频闪采样，最终结果是根据传播时间的反射脉冲的振幅曲线的时间扩展映射。本领域公知相应的信号调节、处理和评估方法，因此，不再详细地描述。

为了实现各个测量曲线A_n(t)的振幅值的可比性，使测量曲线An(t)的振幅A经过归一化，该归一化考虑天线7的辐射特性根据各个发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n的方向相关性。以这种方式，在以天线7的相同发射功率的单独测量的情况下，考虑每一立体角发送的不同辐射密度。如果在单独测量的情况下，应用不同发射功率，那么通过测量曲线A_n(t)的对应归一化同样加以考虑。

在以不同中心频率f_n的单独测量的意义上来说，因为信号调节和处理，不同时间扩展因子导致时间扩展振幅曲线，同样，随后自然地考虑它们。这优选地通过后续缩放的单独导数发生，通过后续缩放，单独测量的测量曲线A_n(t)被参考到相同时间尺度。

与通过相同发射信号S执行所有测量的常见脉冲雷达料位测量设备相反，通过本发明的料位测量设备，执行由至少两次测量构成的测量周期，该至少两次测量区别在于所使用的发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n不同。在下文中，使用包括三次测量的测量周期的例子，描述支持本发明的测量原理。然而，优选地，使用更大数量的不同中心频率f_n，例如30-50个不同中心频率f_n，执行测量。

在第一测量中，发射其微波脉冲具有例如26GHz的中心频率的中心频率f₁的第一发射信号S₁。在第二测量中，发射其微波脉冲具有例如25GHz的中心频率的较低中心频率f₂的第二发射信号S₂。在第三测量中，发射其微波脉冲具有更低中心频率f₃，在此为24GHz的中心频率的第三发射信号S₃。

为示例目的，图1相互并排地示出了用于单独测量的天线9的空间辐射特性。辐射特性在每一情况下，包括指向主发射方向N的主波束以及具有随中心频率f_n减小而增加的孔径角α_n。

对三个测量的每一个，基于分别获得的接收信号R₁,R₂,R₃，得出以上述方式归一化和缩放的测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)，根据相关信号传播时间t，示出分别各个接收信号R₁,R₂,R₃的振幅A。

在图1中信号处理系统19的右边的图部分，相互比较地示出由信号处理系统19得出的三个测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)。对n＝1,2,3的每一测量曲线Aⁿ(t)，确定传播时间tⁿ _S,tⁿ _L,tⁿ _B和其中包含的最大值E_S,E_L,E_B的最大振幅Aⁿ _S,Aⁿ _L,Aⁿ _B。每一最大值E_S,E_L,E_B归因于位于容器1中的反射器的反射。在本例子中，在每一情况下，所有三个测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)包含归因于横向伸入到光束路径中的干扰7的反射的最大值E_S、归因于填充物质的表面的反射的最大值E_L，以及归因于容器底部的反射的最大值E_B。

归因于指定反射器的最大值E_S,E_L,E_B约在相同的传播时间t_S≈t¹ _S≈t² _S≈t³ _S,t_L≈t¹ _L≈t² _L≈t³ _L,t_B≈t¹ _B≈t² _B≈t³ _B出现在不同测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)中。因此，基于对单独测量曲线Aⁿ(t)确定的传播时间tⁿ _S,tⁿ _L,tⁿ _B，确定包含在不同测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)中的最大值E_S,E_L,E_B，其归因于同一各自反射器。

基于以不同中心频率f₁,f₂,f₃记录的单独测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)，然后基于归因于同一反射器的测量曲线A¹(t),A²(t),A³(t)的最大值E_S,E_L,E_B的不同最大振幅A¹ _S,A² _S,A³ _S；A¹ _L,A² _L,A³ _L；A¹ _B,A² _B,A³ _B，能得出有关在垂直于天线9的主发射方向N延伸的平面中，特定反射器离主发射方向N的轴有多远的间距x的信息。

该推导建立在以下事实的基础上：归因于同一反射器的不同测量曲线Aⁿ(t)的最大值E_S,E_L,E_B在该反射器离主发射方向N的轴的越大的间距x处，与较低中心频率f_n相比，在较高中心频率f_n下，具有越低的最大值振幅，同时，在小间距x处，与低中心频率相比，在较高中心频率f_n下，具有越大的最大值振幅A。

在本例子中，由于干扰7离主发射方向N的轴相对大的距离x，归因于干扰7的最大值E_S在最高中心频率f₁＝26GHz记录的测量曲线A¹(t)中具有最小最大振幅A¹ _S，而在最低中心频率f₃＝24GHz记录的测量曲线A³(t)中具有最大最大振幅A³ _S。相反，归因于填充物质的表面和容器底部的最大值E_L,E_B由于它们在以各自不同的孔径角α_n由主波束照射的幅度上取平均而在每一情况下的小距离x，在最高中心频率f₁＝26GHz记录的测量曲线A¹(t)中，具有最大最大振幅A¹ _L,A¹ _B，而在最低中心频率f₃＝24GHz记录的测量曲线A³(t)中，具有最小最大振幅A³ _L,A³ _B。

由于天线9的辐射特性的主波束，与信号的频率无关地，形成基本上可旋转对称于主发射方向N的轴，可以由此推导出特定间距x本身，而不是垂直于主发射方向N的轴的平面中的各个反射器的空间位置。由此，在此之前或之后，不能确定图1中的干扰7位于该图的平面的左半部分还是右半部分。

间距x的确定优选地基于以数字形式由信号处理系统19为此确定的归一化最大振幅A¹ _S,A² _S,A³ _S；A¹ _L,A² _L,A³ _L；A¹ _B,A² _B,A³ _B数字地发生。

在对应校准的情况下，除上述有关间距x的定量陈述外，还几乎获得有关间距x的定量数据。

能将有关单独反射器的间距x的、以上述方式获得的信息尤其用来使单独最大值E_S,E_L,E_B安全和可靠地与相应的反射器，在此是干扰7、填充物质的表面和容器底部关联。由于干扰7在料位测量配置中，总是横向地延伸到光束路径中，并且一定不直接在天线9下面(在那种情况下，料位测量是绝不可能的)，基于距离信息，能将归因于填充物质的表面或容器底部的反射的最大值E_L,E_B与归因于干扰7的反射的最大值E_S可靠地区分开来。

该信息可通过信号处理系统19，由料位测量设备5自动地得出，并且使得可用或将来使用。

因此，基于距离信息来识别位于容器1中的干扰7的最大值E_S，确定归因于各个干扰7的最大值A_S发生的传播时间t_S的环境中，测量曲线Aⁿ(t)的属性，并且在下述基于该信息的料位测量的情况下，执行上述干扰回波屏蔽是可能的。

替代或对此补充，现在基于距离信息更可靠的最大值与反射器的可能关联能用于执行上述回波跟踪方法。由此，在回波跟踪方法开始时，料位测量设备在初始测量周期中，自动地产生测量曲线A(t)的单独最大值E与各自的相关反射器的可能关联。此外，基于距离信息更可靠的可能的关联能继续用于校验由回波跟踪方法产生的测量曲线A(t)的单独最大值E与各自的反射器的关联是否仍然正确。

图2示出具有上述基于图1所述的本发明的料位测量设备5的另一料位测量配置。测量配置不同于图1所示之处仅在于不存在干扰7，并且在此将粒状材料提供为在容器1中形成粒状材料锥形23的填充物质21。粒状材料锥形23具有与天线9的主发射方向N的轴重合的圆锥纵轴。

同样在此，根据本发明，执行测量周期，在每一情况下，该测量周期包括通过具有所包含的微波脉冲的不同中心频率f_n的发射信号S_n执行的至少两次测量。在接收评估电路19的右边所示的图部分，通过举例，以对数表示，依次绘制在三个不同中心频率f₁,f₂,f₃记录的测量曲线Aⁿ(t)。其中，优选地在每一测量周期中，以明显更大数量的不同中心频率f_n执行测量。为更好地关注，图2仅示出了测量曲线Aⁿ(t)的传播时间范围，其中，出现归因于填充物质21上的反射的、单独测量曲线Aⁿ(t)的最大值E_L(f₁),E_L(f₂),E_L(f₃)。

由于用在单独测量的不同中心频率f_n及由此产生的所发送的主波束的不同孔径角α_n，发射信号S_n说明同心地延伸到主发射方向N和粒状材料锥形23的纵轴的不同大的圆锥内宽B1、B2和B3。因此，归因于粒状材料锥形内表面的反射的单独测量曲线Aⁿ(t)的最大值E_L(f_n)具有与传播时间范围相对的振幅曲线，无疑依赖于粒状材料形状、中心频率相关性、主波束N的孔径角α_n和天线9的发射功率。

在这种情况下，所有测量使用相同发射功率，因此，随着孔径角α_n增加，透过粒状材料锥形内表面的辐射密度减少。这立即揭示了单独测量曲线Aⁿ(t)的振幅A的绝对值，并且优选地通过单独测量曲线Aⁿ(t)的上述归一化加以考虑。

在所选择的不同中心频率f_n记录的测量曲线Aⁿ(t)的振幅属性中包含的是分别以各自的中心频率f_n示出的同心宽度B1、B2和B3中，有关粒状材料锥形内宽与料位测量设备5的距离的信息。例如，能基于在最高中心频率f₁得出的测量曲线A¹(t)和每一情况下，通过相邻中心频率f_n+1,f_n记录的两个归一化测量曲线Aⁿ⁺¹(t)、Aⁿ(t)之间的差得出该信息。

根据以下公式，形成差Δ_n+1,n：

Δ_n+1,n(t)＝Aⁿ⁺¹(t)-Aⁿ(t)

这种公式给出了在位于由较高中心频率f_n的发射信号S_n照射的宽度B_n外和由第二大中心频率f_n+1的发射信号S_n+1照射的宽度B_n+1内的环形区中，朝料位测量设备反射回的发射信号S_n+1的信号部分的振幅。相应地，差Δ_n+1,n在每一情况下具有归因于填充物质的表面的反射的最大值M_n+1,n。该最大值M_n+1,n发生时的传播时间t_Δn+1,n对应于相关外环区R_n+1,n中的粒状材料锥形内表面与料位测量设备5分开的平均距离d_n+1,n。

为此，例如，图3a示出在归因于填充物质的表面的反射的最大值E_L(f₁),E_L(f₂)的传播时间范围内，以最高中心频率f₁和第二大中心频率f₂记录的测量曲线A₁(t),A₂(t)。

通过最高中心频率f₁执行的测量仅照射锥形尖部的小区域B1。因此，归因于填充物质3的反射的最大值E_L(f₁)具有其最大振幅A¹ _L的传播时间t_尖部对应于锥形尖部与料位测量设备5的距离d₁。由此，基于料位测量设备5在容器1上方的安装高度，直接得出在离主发射方向N的轴，或者与之重合的锥形纵轴的间距x₁＝0时，填充物质21的料位L₁。

在通过第二大中心频率f₂得出的测量曲线的情况下，照射粒状材料锥形23的稍微更大的宽度B2。该稍微更大的宽度B2包括具有锥形尖的宽度B1。两个归一化和缩放的测量曲线A¹(t),A²(t)之间的差Δ₂₁由此包含有关外部和同心地包围宽度B1的宽度B2的外环区域R₂₁的信息。

例如，通过将在每一情况下，以较低中心频率f_n记录的所有测量曲线的对数振幅A乘以以这些测量曲线的最大振幅Aⁿ _L等于通过最高中心频率f₁记录的测量曲线A¹(t)的对应最大振幅A¹ _L的方式预确定的因子k_n，以图3b的方式，执行归一化。图3b以对数表示，示出通过最高中心频率f₁记录的测量曲线A¹(t)和通过第二大中心频率f₂记录的相应归一化测量曲线k₂A²(t)。

图3c示出两个归一化对数测量曲线的差Δ₂₁。在最简单的情况下，确定差值Δ₂₁的最大值M₂₁的传播时间t_Δ21，并且计算同心包围宽度B1的宽度B2的外环区域R₂₁离料位测量设备5的平均距离d₂₁。

以相同的方式，形成所有另外的频率相邻的归一化对数测量曲线Aⁿ(t)的差Δ_n+1,n，并且确定这些差Δ_n+1,n的最大值M_n+1,n的传播时间t_Δn+1,n，以及计算同心包围各个较小宽度B_n的较大宽度B_n+1的外环区域R_n+1,n离料位测量设备5的平均距离d_n+1,n。

基于传输发射信号S_n的主波束的孔径角α_n的频率相关性，能将从主发射方向N的轴测量的平均发射角与每一环形区域R_n+1,n关联，以该角，将相关发射信号S_n从天线发送到环形区域R_n+1,n。基于平均距离d_n+1,n和相关平均发射角然后提出粒状材料锥形23的轮廓。在图4中示意性地示出。例如，能以单独测量点L₁,L_n+1,n的形式示出轮廓，基于各自的发射角基于传播时间t_Δn+1,n得出的距离d_n+1,n以及相对于容器1的天线9的安装高度，根据离锥形轴的各自的水平间距x_n+1,n，测量点反映料位L_n+1,n。

对根据最高中心频率f₁记录的测量点L₁的结果是0的水平间距x₁，以及料位L1对应于料位测量设备5的安装高度与基于传播时间t_尖部确定的距离d₁之间的差。

对基于通过各自的相邻中心频率f_n+1,f_n记录的测量曲线Aⁿ⁺¹(t),Aⁿ(t)的差Δ_n+1,n得出的所有剩余测量点L_n+1,n，在每一情况下，通过相关平均发射角的正弦与从差Δ_n+1,n的最大值M_n+1,n的传播时间t_n+1,n得出的距离d_n+1,n之间的积，给出了水平间距x_n+1,n。

相关料位L_n+1,n等于料位测量设备5的安装高度H与相关平均发射角的余弦和从差Δ_n+1,n的最大值M_n+1,n的传播时间t_n+1,n得出的间距d_n+1,n的乘积之间的差。

已经经由通过料位L_n+1,n以及离主发射方向N的轴的各自的相关间距x_n+1获得的测量点，给出容器1中的粒状材料高度的粗略轮廓。优选地，使所获得的测量点经过另外的调节，尤其是内插、滤波、平滑和/或曲线拟合，以便根据间距(x)，产生反映料位(L(x))的精确轮廓。

优选地，根据间距x，对于存在料位L的扭结或跳变，检查所获得的粗略或连续轮廓。

例如，当干扰横向伸入到容器1中时，突然弯曲或跳变发生，由此，在以较低中心频率f_n执行的测量中，反映各自的发射信号S_n的信号部分。由于粒状材料通常形成连续表面轮廓，突然弯曲或跳变通常是存在干扰的可靠表示。相应地，在这点上，能通过例如位于突然弯曲或跳变区域外的测量点的较高加权的数值方法，尤其是内插、平滑或函数拟合，移除突然弯曲或跳变，执行所获得的轮廓的校正。当随后基于轮廓，将计算位于容器1中的填充物质21的容积时，该校正特别有利。

上述方法完全适合类似地用在以下应用中：代替在此所示的谷形粒状材料锥形，在该应用的情况下形成其纵轴与主发射方向N的轴重合的山形粒状材料锥形。

只要粒状材料锥形的纵轴与主发射方向的轴N重合，料位测量设备5基于以上述方式确定的锥形表面与料位测量设备5的方向相关距离，能自动地检测粒状材料锥形是山形还是谷形。在谷形粒状材料锥形的情况下，距离随与主发射方向N的各个发射方向角的增加而减小，而在山形粒状材料的情况下，则会增加。

此外，它们自然完全适用类似地用在填充物质形成基本上旋转对称地延伸到主发射方向N的轴的表面的其他应用中。

在填充物质不形成基本上旋转对称地延伸到主发射方向N的轴的应用中，优选地是应用根据本发明的第二变形实现的脉冲雷达料位测量设备25，其具有发射上述发射信号S_n的天线27，在每一情况下，该发射信号S_n的空间辐射特性与其中心频率f_n有关并且对不同中心频率f_n不同，主发射波束的空间方位取决于发射信号S_n的中心频率f_n并且对不同中心频率f_n不同。

图5示出具有这种料位测量设备25的料位测量配置。在这种情况下，形成天线27的视场中的山的侧面的填充物质32位于容器1中，天线24下方。

除天线27和由天线27的辐射特性导致的下文详述的差异外，料位测量设备25能具有基本上与图1和2所示的料位测量设备5相同的构造。由此，料位测量设备25包括发射系统11，该发射系统11包括连接到控制单元13的脉冲生成系统15，脉冲生成系统15以下述方式实现：在测量操作中，在包括多次测量的预确定测量周期中，产生对特定测量预确定的中心频率f_n的微波的上述发射信号S_n。在这种情况下，中心频率f_n在此优选地位于结合先前所述的实施例中优选的上述频率范围内。

再次也执行包括至少两次测量的测量周期，在测量中，相关发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n是不同的。发射信号S_n还经连接到发射系统11的发射/接收分离器，或定向耦合器17，传输到天线27，并且它们在天线27的方向上、在容器1中反射回的信号部分经发射/接收分离器，或定向耦合器17供应到接收评估单元19，其在每一情况下基于接收信号R_n得出测量曲线A_n(t)，测量曲线A_n(t)示出根据传播时间t的接收信号R_n的振幅。

在此还为了实现在测量周期的单独测量中得出的测量曲线A_n(t)的可比较性，对测量曲线A_n(t)的振幅进行上述归一化，并且如果要求，则通过后续缩放，将测量曲线A_n(t)参考到同一时间尺度。

天线27优选地是相应实现的空心导体缝隙天线。本领域已知空心导体缝隙天线。根据本发明，使用空心导体缝隙天线，其以下述方式实现，使得具有一个或两个主要主波束的辐射特性，主波束的空间方位取决于各自发送的发射信号S_n的中心频率f_n而定并且对不同中心频率f_n均不同。

在此尤其适合包括如图6所示的棒形矩形空心导体29的空心导体缝隙天线。矩形空心导体29具有经馈电线路31，从发射系统11馈送的输入33。矩形空心导体29的与输入33相对的末端有选择地被末端短路、被开路或被端接有无反射端。

矩形空心导体29包括矩形外部空心导体壁37，其具有槽形、槽类或不规则碎片形状的切口39，经该切口39，天线27发送具有空间输出辐射特性的所供应的发射信号S_n，该空间输出辐射特性取决于切口39的定位和尺寸以及所供应到的发射信号S_n的中心频率f_n。

在容器1上方，以使得到空心导体壁37的外部的表面法线Z在容器1中指向填充物质32的方式，安装天线27。

结构相关的天线27的辐射特性与矩形空心导体29的纵轴平行地，相比于与其垂直具有更强聚焦。平行于矩形空心导体29的纵轴的空间方向指定为X方向，并且垂直延伸的空间方向称为Y方向。

对在空间方向Y中，从天线27向填充物质32发送的发射信号S_n的另外的聚焦，天线27优选地配备有布置在面向容器内部的空心导体壁37的外部的聚焦装置。图7和8示出用于此的各个实施例。在图7所示的实施例中，聚焦装置是包围所有切口39并且具有朝容器1均匀加宽的矩形漏斗的形状的空心导体段41。替代地，还能应用矩形空心导体段。空心导体段41同时在空间方向X中提供聚焦。

替代或补充地，聚焦装置能是仅透镜或布置在空心导体壁37上。图8示出这种实施例，在这种情况下，在矩形空心导体29的上方，提供电介质透镜43。

通过在切口39的外部应用的电介质材料的一个或多个平面层的板，提供可用聚焦装置的另一实施例形式(未示出)。

替代地，还能应用磁透镜，其具有在矩形空心导体29的前方，在指向外的表面法线Z的方向上布置的装置，用于产生影响相应聚焦的磁场。

替代地，聚焦装置还能包括与矩形空心导体29同样实现的其他矩形空心导体，并且与矩形空心导体29相连来形成相对于彼此平行延伸并且垂直于矩形空心导体29的纵轴彼此直接相邻布置的一组平行的、馈送相同振幅和相位的矩形空心导体。

为实现天线27的主波束的中心频率相关方位，在每一情况下，矩形空心导体29优选地配备有在空心导体壁37上，相继布置在平行于矩形空心导体29的纵轴延伸的线上的两行切口39。两行以与空心导体壁37的中心的相同间距Δy延伸。

在作者A.J.Farrall和P.R.Young的文章"Integrated Waveguide SlotAntennas",2004年8月5日,Vol.40,No.16，期刊ELECTRONICSLETTERS中描述了为以固定预确定单一频率操作而设计的这种空心导体缝隙天线的例子。

为说明目的，图9示出了单一预确定发射频率f的设计例子。这种频率f的电磁波在矩形空心导体29'中形成取决于矩形空心导体29'的尺寸和位于其中的介质的波长λ。对两行来说，行与空心导体壁37'的间距ΔY是相等的，并且优选地以使得通过切口39'辐射尽可能多的功率的方式，基于Y方向——由此垂直于矩形空心导体29'的纵轴——中的矩形空心导体29'的分流电导率的位置相关性确定。这同样可以认为在矩形空心导体29'中形成的切口区中的波形成波峰。

在两行的每一行中，以波长λ的间距D，依次周期性地布置单独切口39'，并且在矩形空心导导体39'的纵向中，相对于彼此偏移半波长λ/2的偏移量Δ'布置两行的切口39'。在该情况下，根据端接的类型，与输入端33相对、离矩形空心导体29的开路短路或无反射闭合端35'最近的一行的切口39'与矩形空心导体29'的末端35'相隔一定间距x₀。在开路端35'的情况下，间距x₀量优选地达到一半波长，即x₀＝λ/2。在短路端35'的情况下，间距x₀量优选地达到1/4波长，即，x₀＝λ/4。在末端35'的无反射端接的情况下，能使用任何间隔x₀，因为在这种情况下，在无反射闭合端35'上，不会发生所提供的发射信号S_n的反射。如果该端接不能充分地实现无反射，反射类型取决于端接的构成方式，以及能使长度x₀与这种情形匹配，例如，通过计算或数值模拟。

由于一半波长λ/2的两行偏移量Δ'，另一行的第一切口39'与矩形空心导体29'的末端35'的相应间隔x₁等于间隔x₀与偏移量Δ'的总和。在开路端35'的情况下，间隔x₁由此等于3/4波长3/4λ。所有切口具有相同的长度L'，其为波长的约一半λ/2大小，并且显著小于偏移量Δ'，用于防止在矩形空心导体29'的纵向中的切口39'的重叠。

在图10中示出了用于发送或用于发送和接收不同中心频率的本发明的天线27的切口39的定位和尺寸。基于用于单一频率f的切口的尺寸和定位的上述描述，考虑如由下限频率f_min和上限频率f_max限定的根据本发明应用的中心频率f_n的频谱，获得设计。

同时，本发明的空心导体缝隙天线27具有在矩形空心导体29的纵轴的两侧上平行延伸的相等长度L的两行切口39。

在此还基于以使得通过切口39能尽可能多地辐射的方式，在方向Y——由此垂直于矩形空心导体的纵轴——的分流导电率的位置相关性，确定两行离空心导体壁37的中心的间距ΔY。

两行就其中接连的切口39的形状和间隔而言是相同的，但在矩形空心导体29的纵向中，彼此偏移一偏移量Δ，其处于在矩形空心导体29中，以上限频率f_max形成的波长λ(f_max)的约一半大小，即Δ≈1/2λ(f_max)。如果离与馈电线路31相对的矩形空心导体29的末端35最近的一行的第一切口39以离该末端35的间隔x₀开始，那么离矩形空心导体29的末端最近的另一行的第一切口39以离该末端的间隔x₁开始，其中，x₁等于间距x₀和偏移量Δ的总和。根据末端35的端接的选择，确定间距x₀。优选地，在短路端35，间距x₀处于在下限频率f_min形成的波长λ(f_min)的约1/4大小，即，x₀≈1/4λ(f_min)。在开路端35的情况下，优选地处于在矩形空心导体29中，以下限频率f_min形成的波长λ(f_min)的约1/2大小，即，x₀≈1/2λ(f_min)。在末端35的无反射端接的情况下，间距x₀能与需求一样大。如果端接不能实现足够的无反射，反射类型取决于端接的构成方式并且长度x₀能与之匹配，例如，通过计算或数值模拟。

在每一行中，以下限频率f_min形成的约波长λ(f_min)大小的周期性距离D，切口39周期性地相继，即。

D≈λ(f_min)

切口39的长度L处于在矩形空心导体29中，以上限频率f_max形成的波长λ(f_max)的约一半，并且显著小于偏移量Δ，即。

L≈λ(f_max)/2<Δ

优选地，根据制造公差，对长度L，预确定最大值，在最大值的情况下，除了制造公差，还确保长度L显著小于偏移量Δ。以这种方式，实现纵向中的一行的切口39不会与另一行的各自的后续切口39重叠。

优选地通过基于数值模拟计算执行的优化，优选地还考虑在矩形空心导体39的内部和外部的不同信号传播速度有关的最小相位偏移量，确定用于切口39的长度L、周期距离D、偏移量Δ和与末端35的间隔x₀,x₁的精确值。

在基于上限频率f_max的较短波长λ(f_max)，根据本发明确定偏移量Δ的同时，基于下限频率f_min的较长波长λ(f_max)，根据本发明确定周期距离D。因此，沿相对于彼此位移偏移量Δ的两行的两个切口39的各自的第一个的切口端的无切口空心导体段HL1进一步取决于切口39的长度L，短于在相对于彼此位移偏移量Δ的两行的两个切口39的各自第二个的切口端后的无切口空心导体段HL2。为了示例，在图10中，示出相对于较长空心导体段HL2的交叉影线，较短的空心导体段HL1的交叉影线。

以此，很好地匹配用于其中心频率f_n位于下限频率f_min附近的发射信号S_n的周期距离，而切口39的长度L对此有点太小，并且在纵向中，每一第二切口39位于错误位置中。在末端35的短路或开路端接的情况下，这影响两个主波束，且取向与表面法线Z相差中心频率相关角β_n。在末端35的无反射端接的情况下，仅一个主波束形成，且取向与表面法线Z相差中心频率相关角β_n。

对其中心频率f_n位于上限频率f_max附近的发射信号S_n，相反，很好地匹配偏移量Δ。此外，与相对于彼此位移偏移量Δ的两个切口39中的各自的第二个的切口端相连的较长的无切口空心导体段HL2，以及切口39的长度L超过最佳匹配特定中心频率f_n的大小在矩形空心导体29内的区域中以及在形成辐射波前时，影响相移，使得发生辐射波前聚焦到与表面法线Z平行指向的单一主波束。

在具有无反射闭合端35的矩形空心导体29的天线27的情况下，经切口39，使所供应的发射信号S_n的一部分朝向填充物质33发送。在切口39的上述尺寸和定位的情况下，在这种情况下，根据各个发送的发射信号S_n的微波脉冲的中心频率f_n，天线27具有在由表面法线Z和空间方向Y限定的平面中，以相对于表面法线Z的角度β_n形成的单一主要主波束的辐射特性。

在图5所示的实施例的情况下，应用具有无反射闭合、矩形空心导体29的实施例形式。在此示出单独主波束的方向和角度β_n，以该角度，相对于表面法线Z，例如，形成以不同中心频率f_n的五个顺序执行测量。

在每一情况下，以相关中心频率f_n顺序地执行每一测量的情况下，发送由通过控制单元13，对特定测量预确定的中心频率f_n的微波脉冲构成的发射信号S_n，接收其相关接收信号R_n，并且基于接收信号R_n，得出测量曲线A_n(t)，其根据相关信号传播时间t，示出各个接收信号R_n的振幅A_n(t)。在此，以上述方式，优选地归一化和缩放测量曲线A_n(t)。在图5的接收评估电路19的右侧，示出了具有不同中心频率f_n的顺序得出的测量曲线A_n(t)。在这些测量曲线A_n(t)的每一个中，在每一情况下，确定归因于填充物质的表面的反射的其中包含的标记最大值Eⁿ _L，以及具有所确定的最大振幅的传播时间tⁿ _L。在每一情况下，传播时间tⁿ _L在以各个中心频率f_n形成的天线27的输出辐射特性的主波束的方向上，对应于料位测量设备25与填充物质的表面的距离d_n。

基于这些最大值Eⁿ _L的传播时间tⁿ _L、基于其确定特定传播时间tⁿ _L的相关发射信号S_n的中心频率f_n，以及各个中心频率f_n的主发射波束相对于表面法线Z延伸的角度β_n，能由此直接确定填充物质的表面的轮廓。

与基于图2所述的实施例的例子类似，例如，该轮廓以单独测量点L_n(x_n(β_n,d_n(t_n))的形式表示，其反映基于各个角β_n、基于传播时间t_n得出的间距d_n，以及根据从表面法线Z到天线27的各个水平间距x_n的天线27相对于容器1的位置和安装高度确定的料位L_n。

在此，基于上文结合基于图2和4所述的实施例描述的测量点L_n(x_n(β_n,d_n(t_n))的进一步处理，尤其是通过内插、滤波、平滑和函数拟合，能产生填充物质的表面的连续轮廓，然后可用于另外的评估和/或处理。

图5所示的实施例的形式提供也能应用在先前未知有关填充物质的表面的几何结构的应用中。尤其，当填充物质——诸如在图5所示的实施例中——具有与表面法线Z对称延伸的表面几何结构时也是适用的。

由此，具有末端无反射闭合、矩形空心导体29的本发明的天线27不仅适用在填充物质位于包围容器中的料位测量配置，而且适用在例如在待测量的料位是传送带上，垂直于传送带的行进方向发展的填充高度轮廓的情况下的料位测量配置中。

本发明的料位测量设备25的实施例当然也能用在具有填充物质的平面或旋转对称表面的应用中，例如，诸如图1的应用例子中所示——横向伸入到容器1中的干扰7存在，或其中，容器1中的填充物质——诸如图2的应用例子——形成优选地直接位于天线27的下方的粒状材料锥形23。

替代具有基于图5所述的具有开路端35空心导体缝隙天线，还能使用具有短路或开路端35的空心导体缝隙天线。在这两种情况下，所供应的发射信号S_n的一部分和反射回短路或开路端35的各个发射信号S_n的一部分均通过切口39向填充物质发送。这两个变形之间的唯一区别在于相对于由短路引起的反射，开路端35的反射发生相移。在两种情况下，天线27具有两个主波束的辐射特性，在每一情况下，两个主波束的发射方向以与表面法线Z相同的中心频率相关角β’_n，延伸到表面法线Z的两侧，并且在零角度的中心频率相关角β'＝0°，仅与单一主波束重合。图11示例具有末端短路的矩形空心导体29的天线27的天线图。图11根据用于三个不同中心频率f_n的发射信号S_n的发射方向，示出天线增益G。通过角度β'，给出发射方向，角度β'通过在由表面法线Z和空间方向Y限定的平面中，发射方向通过与空心导体壁37的表面法线Z形成。最高所示中心频率f₁导致从表面法线Z，以0°的角度β'延伸的单一主波束。在由表面法线Z和空间方向Y限定的平面中，第二大中心频率f₂形成以与表面法线Z的约+/-7°的角度β₂'，与表面法线Z对称延伸的两个主波束。在由表面法线Z和空间方向Y限定的平面中，最低所示中心频率f₃形成以与表面法线Z的约+/-15°的角度β₃'，与表面法线Z对称延伸的两个主波束。

由于所产生的主波束的几何结构和对称性，就其应用而言，这种实施例受到限制。这些基本上对应于对参考图1和2所述的实施例成立的限制。

区别仅在于，在图1和2所示的实施例的情况下，主波束与同一主发射方向Z总是旋转对称，而末端开路或短路空心导体缝隙天线在矩形空心导体的表面法线的两侧的平面中对称形成。

附图标记列表

1         容器

3         填充物质

5         料位测量设备

7         干扰

9         天线

11        发射系统

13        控制单元

15        脉冲生成系统

17        发射/接收分离器、定向耦合器

19        信号处理系统

21        填充物质

23        粒状材料锥形

25        料位测量设备

27        天线

29        矩形空心导体

31        馈电线路

32        填充物质

33        输入

35,35'    矩形空心导体的末端

37,37'    空心导体壁

39,39'    槽形切口

41        空心导体段

43        透镜

Claims (16)

1.一种料位测量设备(5,25)，所述料位测量设备(5,25)根据脉冲雷达原理工作，用于测量容器(1)中的填充物质(3,21,32)的料位(L)，包括：

-发射系统(11)，所述发射系统(11)具有连接到控制单元(13)的脉冲生成系统(15)，

--所述脉冲生成系统以下述方式实现：在在每一情况下包括至少两次测量的预确定测量周期中，为每次测量，它产生由为该特定测量预确定的中心频率(f_n)的微波脉冲构成的发射信号(S_n)，其中，所述至少两次测量的发射信号(S_n)的中心频率(f_n)相互不同；

-连接到所述发射系统(11)的天线(9,27)，

--所述天线(9,27)将所述发射信号(S_n)发送到所述容器(1)中，并且接收它们在取决于与所述料位测量设备(5,25)的相关反射器的距离的传播时间(t)后，在所述天线(9,27)的方向上在所述容器(1)中反射回来的信号部分作为接收信号(R_n)，以及

--所述天线(9,27)对不同的中心频率(f_n)，具有取决于所述发射信号(S_n)的中心频率(f_n)的不同空间辐射特性，以及-连接到所述发射系统(11)和所述天线(9,27)的信号处理系统(19)，

--所述信号处理系统(19)接收所述接收信号(R_n)并且基于相关发射信号(S_n)的微波脉冲的中心频率(f_n)和所述天线(9,27)的空间辐射特性的中心频率相关性评估这些接收信号(R_n)。

2.根据权利要求1所述的料位测量设备，其中

所述天线(9)是具有如下辐射特性的天线：包括指向主发射方向(N)并且具有随所述发射信号(S_n)的中心频率(f_n)减小而增加的孔径角(α_n)的主波束，尤其是喇叭形、棒形或反射器天线。

3.根据权利要求1所述的料位测量设备，其中

所述天线(27)是空心导体缝隙天线，尤其是具有棒形矩形空心导体(29)的空心导体缝隙天线，

-所述棒形矩形空心导体(29)具有由所述发射系统(11)馈送的输入(33)，

-所述棒形矩形空心导体(29)的与所述输入(33)相对放置的末端(35)被末端短路、被端接有无反射端，或被开路，以及

-所述棒形矩形空心导体(29)具有空心导体壁(37)，所述空心导体壁(37)具有切口(39)，尤其是槽形、槽类或不规则碎片形切口，经所述切口，取决于所述切口(39)的定位和尺寸以及所供应的发射信号(S_n)的中心频率(f_n)，所述天线(27)发送对不同中心频率(f_n)具有不同的空间辐射特性的发射信号(S_n)。

4.根据权利要求3所述的料位测量设备，其中，所述天线(27)包括

聚焦装置，所述聚焦装置用于聚焦从所述天线(27)产生的所述发射信号(S_n)，特别是

-向外布置在所述空心导体壁(37)上并且包围所有切口(39)的漏斗形或矩形空心导体段(41)，

-向外布置在所述空心导体壁(37)上的透镜，尤其是电介质透镜(43)或磁透镜，

-向外施加在所述切口(39)上的电介质材料的一个或多个平面层的板，或

-其他矩形空心导体，实现为与所述矩形空心导体(29)相同并且与所述矩形空心导体(29)连接来形成相互平行、直接相邻并且垂直于所述矩形空心导体(29)的纵轴地布置在一起的一组平行地、相等振幅和相位馈送的矩形空心导体。

5.根据权利要求3所述的料位测量设备，其中

-定位和尺寸化所述切口(39)使得；所述天线(27)的辐射特性在通过无反射端闭合末端(35)的情况下具有主发射波束，并且在短路或开路端(35)的情况下具有关于所述空心导体壁(37)的表面法线(Z)对称延伸的两个主发射波束，以及

-所述主发射波束相对于所述空心导体壁(37)的表面法线(Z)延伸的角度(β_n)随所述发射信号(S_n)的中心频率(f_n)而改变。

6.一种方法，用于通过如权利要求2所述的根据脉冲雷达原理工作的料位测量设备(5)，测量在容器(1)中形成平表面的填充物质(3)的料位(L)，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率(f_n)的多个发射信号(S_n)的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率(f_n)的微波脉冲的发射信号(S_n)，

--接收其相关接收信号(R_n)，以及

--基于所述接收信号(R_n)，在每一情况下，得出测量曲线(Aⁿ(t))，所述测量曲线(Aⁿ(t))示出作为相关信号传播时间(t)的函数的各个接收信号(R_n)的振幅(A)，

-对每一测量曲线(Aⁿ(t))，确定所述测量曲线(Aⁿ(t))的最大值(E_S,E_L,E_B)的传播时间(tⁿ _S,tⁿ _L,tⁿ _B)和最大振幅(Aⁿ _S,Aⁿ _L,Aⁿ _B)，在每一情况下，它们分别归因于位于所述容器(1)中的反射器，尤其是所述填充物质(3)、所述容器底部或横向伸入到所述发射信号(S_n)的光束路径中的干扰(7)上的反射，

-基于所记录的测量曲线(Aⁿ(t))的最大值(E_S,E_L,E_B)的传播时间(tⁿ _S,tⁿ _L,tⁿ _B)，确定归因于同一反射器的包含在不同测量曲线(Aⁿ(t))中的那些最大值(E_S,E_L,E_B)，

-基于归因于同一反射器的测量曲线(Aⁿ(t))的最大值(E_S,E_L,E_B)的最大振幅(Aⁿ _S,Aⁿ _L,Aⁿ _B)及相关辐射特性，得出与间距(x)有关的信息，特定反射器在垂直于所述天线(9)的主发射方向(N)延伸的平面中离所述主发射方向(N)的轴以所述间距(x)定位，其中，归因于同一反射器的最大值(E_S,E_L,E_B)在该反射器的较大间距(x)下，与较低中心频率相比，在较高中心频率(f_n)下，具有较低最大振幅(Aⁿ _S,Aⁿ _L,Aⁿ _B)；并且在较小间距(x)下，与较低中心频率相比，在较高中心频率(f_n)具有较大最大振幅(Aⁿ _S,Aⁿ _L,Aⁿ _B)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中

基于与所述反射器的间距(x)有关的信息，区别归因于横向伸入到所述容器(1)中的干扰(7)的反射的最大值(E_S)和归因于所述填充物质的表面或所述容器底部的反射的测量曲线(Aⁿ(t))的最大值(E_L,E_B)。

8.根据权利要求7所述的方法，其中

在测量周期中发现的归因于横向伸入到所述容器(1)中的干扰(7)的反射的最大值(E_S)和归因于所述填充物质的表面或所述容器底部的反射的测量曲线(Aⁿ(t))的最大值(E_L,E_B)之间的区别被应用于料位(L)的后续确定中，尤其是在用于屏蔽归因于干扰(7)的反射的各个测量曲线(Aⁿ(t))的振幅部分的方法，或在对至少一个反射器，基于从后续执行的测量周期得出的测量曲线(Aⁿ(t))，确定归因于各个反射器的反射的最大值(E_S,E_L,E_B)的时间发展的方法的执行或检查中。

9.一种方法，用于在填充物质(21)形成基本上关于所述填充物质的主发射方向(N)的轴旋转对称延伸的表面的应用中，通过如权利要求2所述的根据脉冲雷达原理(5)工作的料位测量设备(5)，测量在容器(1)中的所述填充物质(21)的料位(L)，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率(f_n)的多个发射信号(S_n)的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率(f_n)的微波脉冲的发射信号(S_n)，

--接收其相关接收信号(R_n)，以及

--基于所述接收信号(R_n)，在每一情况下，得出测量曲线(Aⁿ(t))，所述测量曲线(Aⁿ(t))示出作为相关信号传播时间(t)的函数的各个接收信号(R_n)的振幅(A)

-由于在不同中心频率(f_n)下主波束的孔径角(α_n)不同，在单独测量中，所述发射信号(S_n)照射容器(1)中的不同大的同心宽度(B_n)，以及

-基于同心宽度(B_n)和传播时间范围中的测量曲线(Aⁿ(t))的振幅属性，得出容器(1)中的填充物质的表面的轮廓，在该传播时间范围中，在测量曲线(Aⁿ(t))中出现归因于所述填充物质(21)的反射的最大值(E_L(f_n))。

10.根据权利要求9所述的方法，其中

-所述容器(1)中的所述填充物质(21)形成粒状材料锥形(23)，其锥形纵轴与所述天线(9)的主发射方向(N)的轴重合，

-基于对通过最高中心频率(f₁)得出的测量曲线(A¹(t))，归因于填充物质(21)的反射的最大值(E_L(f_n))出现的传播时间(t_尖部)，确定在锥形尖端的区域中的填充物质(21)的料位(L₁)，-形成通过相邻中心频率(f_n+1,f_n)的发射信号(S_n+1,S_n)得出的单独测量曲线(Aⁿ⁺¹(t),Aⁿ(t))之间的差(Δ_n+1,n)，

-对每一差(Δ_n+1,n)，确定各个差(Δ_n+1,n)的最大值(M_n+1,n)的传播时间(t_n+1,n)，

-在每一情况下，与所述差(Δ_n+1,n)相关的是与主发射方向(N)的轴形成的平均发射角(θ_n+1,n)，在所述平均发射角(θ_n+1,n)下，在每一情况下，具有较低中心频率(f_n+1)的发射信号(S_n+1)被发送到环形区(R_n+1,n)上，所述环形区(R_n+1,n)位于通过具有分别较高中心频率(f_n)的发射信号(S_n)照射的宽度(B_n)外并且在通过分别较低中心频率(f_n+1)的发射信号(S_n+1)照射的宽度(B_n+1)内，以及

-基于所述差(Δ_n+1,n)的最大值(M_n+1,n)的传播时间(t_n+1,n)和相关发射角(θ_n+1,n)，在经各自的相关传播时间(t_n+1,n)和相关的发射角(θ_n+1,n)确定的垂直于锥形轴的距所述锥形轴的距离(x)，确定所述容器(1)中的填充物质(21)的料位(L_n+1,n)。

11.一种方法，用于通过具有末端无反射、闭合的矩形空心导体(29)的如权利要求5所述的根据脉冲雷达原理(5)工作的料位测量设备，测量在容器(1)中的所述填充物质(32)的料位(L)，包括以下步骤：

-在测量周期中，执行利用不同中心频率(f_n)的多个发射信号(S_n)的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率(f_n)的微波脉冲的发射信号(S_n)，

--接收其相关接收信号(R_n)，以及

--基于所述接收信号(R_n)，在每一情况下，得出测量曲线(Aⁿ(t))，所述测量曲线(Aⁿ(t))示出作为相关信号传播时间(t)的函数的各个接收信号(R_n)的振幅(A)

-对每一测量曲线(Aⁿ(t))，确定其中包含的归因于填充物质的表面的反射的最大值(Eⁿ _L)的传播时间(t_n)，以及

-基于这些传播时间(t_n)、相关发射信号(S_n)的中心频率(f_n)，和以各自的中心频率(f_n)形成的主发射波束与表面法线(Z)形成的角度(β_n)，在经传播时间(t_n)和各自的相关角(β_n)确定的、垂直于表面法线(Z)的离表面法线(Z)的间距(x_n)处，确定所述容器(1)中的填充物质(32)的料位(L_n)。

12.一种方法，用于在天线(27)的发射平面中，填充物质(21)形成基本上关于矩形空心导体(29)的表面法线(Z)对称的表面的应用中，通过具有末端开路或短路的矩形空心导体(29)的天线(27)的如权利要求5所述的根据脉冲雷达原理工作的料位测量设备，测量容器(1)中的填充物质的料位，其中，

-在测量周期中，执行利用不同中心频率(f_n)的多个发射信号(S_n)的多次测量，其中，在每一情况下，

--发送具有对特定测量预确定的中心频率(f_n)的微波脉冲的发射信号(S_n)，

--接收其相关接收信号(R_n)，以及

--基于所述接收信号(R_n)，在每一情况下，得出测量曲线(Aⁿ(t))，所述测量曲线(Aⁿ(t))示出作为相关信号传播时间(t)的函数的各个接收信号(R_n)的振幅(A)，

-对每一测量曲线(Aⁿ(t))，确定归因于所述填充物质的表面的反射的其中包含的最大值(Eⁿ _L)的传播时间(t_n)，以及

-基于这些传播时间(t_n)、相关发射信号(S_n)的中心频率(f_n)，和以各自的中心频率(f_n)形成的主发射波束与表面法线(Z)形成的角度(β'_n)，在经传播时间(t_n)和在每一情况下的相关角(β'_n)确定的、垂直于表面法线(Z)的离表面法线(Z)的间距(x_n)处，确定所述容器(1)中的填充物质(32)的料位(L_n)。

13.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中，基于由料位(L_n+1,n；L_n)和它们出现的各自的相关间距(x_n+1,n,x_n)给出的测量点，特别是通过内插、滤波或平滑，得出轮廓，该轮廓示出作为间隔(x)的函数的料位(L(x))。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，对作为间隔(x)的函数的料位(L(x))的突然弯曲或跳变，检查该轮廓。

15.根据权利要求6、9、11或12所述的方法，其中

使测量曲线(A_n(t))的振幅(A)归一化，所述归一化考虑到取决于各个发射信号(S_n)的微波脉冲的中心频率(f_n)的天线(7,27)的辐射特性的方向相关性。

16.一种空心导体缝隙天线(27)，用于发送或用于发送并且接收位于由下限频率(f_min)和上限频率(f_max)限定的频谱内的不同中心频率(f_n)的信号(S_n)，并且取决于各个发射信号(S_n)的中心频率(f_n)，具有对不同的中心频率(f_n)不同的空间辐射特性，包括：

-矩形空心导体(29)，

--所述矩形空心导体(29)具有输入(33)，经所述输入(33)馈送待发送的信号，

--所述矩形空心导体(29)的与所述输入(33)相对的末端(35)被短路、被端接有无反射端，或被开路，以及

--所述矩形空心导体(29)具有空心导体壁(37)，所述空心导体壁(37)配备有槽形切口(39)，所述槽形切口(39)以与所述空心导体壁(37)的中心相同的间距(Δy)，在每一情况下，平行于所述矩形空心导体(29)的纵轴延伸的两行中相继布置，其中，

---就两行中相继的切口的形状和间距而言，两行是相同的，

---在矩形空心导体(29)的纵向中，使两行以偏移量(Δ)相对于彼此偏移布置，所述偏移量(Δ)处于以上限频率(f_max)，在所述矩形空心导体(29)中形成的波长(λ(f_max))的约一半大小，

---在每一行中的切口(39)以周期距离(D)周期性地布置，所述周期距离(D)处于以下限频率(f_min)，在所述矩形空心导体(29)中形成的约波长(λ(f_min))大小，以及

---所述切口(39)具有长度(L)，所述长度(L)处于以上限频率(f_max)，在所述矩形空心导体(29)中形成的波长(λ(f_max))的约一半大小，并且显著小于所述偏移量(Δ)。