CN105408729A - 使用传播时间测量法确定和监控容器中的介质的料位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及借助现场装置使用传播时间测量法确定和监控容器中的介质的料位的方法，其中，朝向介质发射发射信号并且接收反射信号，其中，所接收的反射信号被获取为取决于传播时间或传播距离的回波函数或包络曲线中的回波信号，其中，借助回波搜索算法，在回波函数中或在包络曲线中确定至少一个有用回波，其中，借助至少一个滤波器利用滤波参数对回波函数或包络曲线进行预处理，其中，在回波函数中或包络曲线中的有用回波的位置处至少预先确定具有第一宽度的第一滤波范围，并且在回波函数中或包络曲线中形成至少三个滤波范围。

Description

使用传播时间测量法确定和监控容器中的介质的料位的方法
技术领域
本发明涉及一种使用传播时间测量法确定和监控容器中的介质的料位的方法。
背景技术
用于确定和监控容器中的料位的这种方法通常应用于自动和过程控制技术的测量装置中。这种料位测量装置由申请人例如以商标Prosonic、Levelflex和Micropilot生产和销售。这些设备使用传播时间测量法工作并用于确定和/或监控容器中的介质料位。这些料位测量装置通过发射/接收元件沿填充物表面的方向发射在微波或超声波范围内的周期性发射信号并在距离相关的传播时间之后接收反射回波信号。用微波工作的普通料位测量装置可以基本上分成两类：第一类，在第一类情况下，微波通过天线向填充物发射、在填充物表面上反射并接着在距离相关的传播时间之后接收回来；以及第二类，在第二类情况下，微波沿波导向填充物发射、在填充物表面上由于阻抗跳跃存在于此而反射并且反射波沿波导引导回来。
通常，表示回波振幅的回波函数从所接收的回波信号形成为传播时间的函数，其中，回波函数的每个值与在离发射元件一定间距处反射的回波的振幅对应。
在这个回波函数中，有用回波被确定，其与发射信号在填充物表面上的反射对应。在发射信号的传播速度已知的情况下，填充物表面与发射元件之间的距离直接从有用回波的传播时间获得。
为了简化回波曲线估测，没有使用脉冲序列的接收的、原始信号，而是反而确定包络线、所谓的包络曲线。例如通过对脉冲序列的原始信号整流并接着借助低通滤波器滤波来获得包络曲线。
有用来确定包络曲线中的有用回波的大量不同方法。这些方法可以基本上分成两组，使用静态回波搜索算法的静态检测法以及使用动态回波搜索算法的动态检测法。
在使用静态回波搜索算法的第一种方法中，静态回波搜索算法用于选择具有比剩余回波更大的振幅的回波作为有用回波。因此，包络曲线中具有最大振幅的回波被指定为有用回波。
在使用静态回波搜索算法的第二种方法中，静态回波搜索算法假设有用回波是在发射脉冲之后发生在包络曲线中的第一回波。因此，包络曲线中的第一回波被选择为有用回波。
两种方法可以例如通过定义所谓的第一回波因子彼此组合成一种静态回波搜索算法。第一回波因子是预定因子，通过该预定因子，回波必须超过某个振幅，以被识别为有用回波。可替代地，可以定义传播时间相关的回波阈值，回波必须超过该回波阈值以被识别为有用回波。
在第三种方法中，料位测量装置一次告知当前料位。料位测量装置可以根据特定料位识别相关回波作为有用回波并且例如通过适当动态回波搜索算法跟踪该有用回波。这种方法被称为回波跟踪。在这种情况下，例如，在每个测量周期中，回波信号或回波函数的最大值被确定并且根据对在先前测量周期中确定的料位以及料位的特定用途最大期望变化率的了解，确定有用回波。然后由所确定的当前有用回波的传播时间获得新料位。
第四种方法在DE10260962A1中描述。这里，根据储存在存储器中的较早数据确定有用回波。在这种情况下，回波函数从所接收的回波信号导出，其将回波信号的振幅表达为回波信号传播时间的函数。回波函数储存在表格中，其中，每列用来容纳一个回波函数。回波函数以对应于与相应回波函数关联的料位的顺序储存在列中。在运行中，根据当前发射信号的回波函数借助表格来确定有用回波和相关料位。
第五种方法在DE10360710A1中描述，在第五种方法的情况下，发射信号周期性向填充物发射，其回波信号被记录并转换成回波函数，回波函数的至少一个回波特性被确定，并且根据至少一个先前测量的回波特性导出在当前测量的情况下所期望的回波特性的预测。当前测量的回波特性在考虑预测下确定，并且根据回波特性确定当前料位。这种方法在最广泛意义上接近回波跟踪。
DE102004052110A1描述了第六种方法，其通过包络曲线中的回波的回波估测和分类来提高有用回波检测。
该上述方法在大量应用中工作没有问题。然而，当对于来自料位的回波的识别的正确性有一些怀疑时，问题出现。
在第一种方法的情况下，例如，当安装的对象存在于容器中并且所安装的对象反射发射信号好于填充物表面时，测量问题出现。
在根据第三种方法的回波跟踪的情况下，当在运行期间有用回波在干扰回波上行进并且随后干扰信号被跟踪为错误的有用信号时，测量问题出现。此外，当在打开时先前有用回波信号不再与实际情况一致或先前有用回波信号未知时，问题出现。
总之，在根据传播时间测量原理运行来确定料位的料位测量装置的情况下，原始包络曲线被记录并且从在填充物表面上以及在诸如例如管、搅拌桨叶、填充物的填充流、沉积物等的干扰安装物品上的反射产生的回波被确定。为了简化和提高估测，原始包络曲线被预处理，由此可以实现所存在的最大值的减小和测量的减轻。滤波方法或统计方法用于回波函数或包络曲线的这种预处理。
当在不同测量情况下需要滤波器的不同行为时，滤波方法的应用是有问题的。如果随机干扰回波出现，则为了抑制该随机干扰回波，强滤波是必须的。
然而，在快速变化的料位的情况下，这种强滤波导致其中虚拟伪回波(所谓的“反常回波”)产生的显著问题。只能很难地抑制这些伪回波，并且这些伪回波被估测软件解读为可能的料位回波。由于这种伪回波被错误地解读为料位回波，在料位确定中可能出现误差。
如果另一回波(例如干扰回波)被错误地分类为容器中的填充物的料位回波，即，作为有用回波，则有会输出错误料位的危险。根据应用，这可能导致容器装料过满、泵的空转或可能与相当大危险关联的其它事件。
发明内容
本发明的目的是提供一种确定借助传播时间测量法确定的测量信号中的有用回波信号的改进的可靠的方法。
本发明的该目的通过使用传播时间测量法借助现场装置确定并监控容器中的介质料位的方法实现，其中，朝向介质发射发射信号并接收反射信号，其中，取决于传播时间或传播距离，所接收的反射信号作为回波信号被记录在回波函数或包络曲线中，其中，借助回波搜索算法，在回波函数中或包络曲线中确定至少一个有用回波，其中，借助至少一个滤波器利用滤波参数对回波函数或包络曲线进行预处理，其中，在有用回波在回波函数中或包络曲线中的有用回波信号的位置处至少预先确定具有第一宽度的第一滤波范围，并且在回波函数中或包络曲线中形成至少三个滤波范围。
优选地，在第一滤波范围中、在第二滤波范围中和/或在第三滤波范围中通过滤波器利用不同滤波参数对回波函数或包络曲线进行滤波。
在本发明的方法的有利实施例中，分别在第一滤波范围中、在第二滤波范围中和/或在第三滤波范围中和/或在某些区域中通过滤波器对回波函数或包络曲线滤波。
在本发明的方法的具体实施例中，借助非对称低通滤波器对回波函数或包络曲线滤波。
替代地或补充地，提出的是，在先前测量周期中储存的回波函数或包络曲线与当前回波函数或包络曲线进行平均。
特别地，滤波范围被预先确定成具有关于回波函数或包络曲线的位置对称的宽度。
在本发明的方法的替代实施例中，滤波范围被预定成具非对称地围绕回波函数或包络曲线的位置的宽度。
在本发明的方法的补充实施例中，至少滤波范围(即其宽度)被自适应地调整以适应回波函数中或包络曲线中的有用回波信号的变化的位置。
在本发明的方法的附加实施例中，滤波参数被自适应地匹配回波函数中或包络曲线中的有用回波信号的变化的位置。
本发明的方法的有利实施例提出：不同的滤波参数和/或至少第一滤波范围的宽度由现场装置的操作员或维护人员预先确定。
本发明的方法的优选实施例提出：在伪回波或随机干扰回波出现的情况下，不同滤波参数和/或至少第一滤波范围的宽度由自适应算法自动调整。
使用传播时间测量法确定和监控容器中的介质料位的本发明的方法的优点包括：
-显著提高了在困难的应用和测量状况的情况下的测量确定性，因而提高测量装置的可用性，
-料位的估测显著地稳定或者被提高，以及
-使用不同的滤波范围的更灵活的估测是可能的。
附图说明
本发明主题的其它细节、特征和优点将从以下描述和关联附图中变得显而易见，附图中，示出了本发明的实施例的优选示例。在附图所示的本发明的实施例的示例中，为了更好总览并且为了简化，其构造上和/或其功能上一致的元件设有相同的附图标记。附图的各图如下所示：
图1是使用的用于确定料位的本发明的方法的的测量装置的实施例的示例，连通对应的回波函数，
图2是具有将相同的滤波参数集应用于总测量范围的滤波器的回波函数或包络曲线，
图3是具有不同滤波范围的回波函数族或包络曲线族，其中，滤波器将相同的滤波参数集应用于所有滤波范围，
图4是具有不同滤波范围的回波函数族或包络曲线族，其中，滤波器在滤波范围中应用不同的滤波参数集，以及
图5是具有将不同滤波参数集应用于总测量范围的滤波器的回波函数或包络曲线。
图1示出了安装在容器5上的喷嘴上的测量装置1，测量装置1根据传播时间测量法工作来确定介质7的料位F。测量装置1包括自由辐射到过程空间中的发射/接收元件6以及测量发射器9。测量发射器9包括：至少一个发射/接收单元3，该至少一个发射/接收单元3用来产生并接收测量信号；控制/估测单元4，该控制/估测单元4用于测量信号的信号处理并且用来控制测量装置1；以及，此外，通信单元2，该通信单元2经由总线系统提供通信以及测量装置1的能量供应。集成在控制/估测单元4中的是例如用于预处理回波函数10或包络曲线11的滤波器12以及用于估测回波函数10或包络曲线11并用于确定有用回波信号15的回波搜索算法13。此外，能在控制/估测单元4中集成的存储元件，测量参数、滤波参数FP、回波参数、测量因子、滤波加权因子和回波因子储存在该存储元件中。发射/接收元件6在该示例中实施为喇叭形天线。然而，发射/接收元件6可具有任何已知的天线形式，诸如例如杆状天线或平面天线的形式。例如呈高频发射或发射信号S的形式的测量信号在发射/接收单元3中产生，并经由发射/接收元件6沿介质7的方向以预定辐射特性辐射。在取决于传播距离x的传播时间t中，在介质7表面8上反射的发射信号S通过发射/接收元件6和发射/接收单元3接收回来作为反射信号R。接着，控制/估测单元2借助回波搜索算法13从反射信号R确定回波函数10或原始包络曲线，其将反射信号R的回波信号14的振幅表示为传播距离x或对应的传播时间t的函数。通过模拟回波函数10或回波曲线10的模拟/数字转换产生数字化包络曲线11。在此之后，仅使用术语回波函数，其中该术语同样蕴含术语回波曲线10、包络函数或包络曲线11。
映射容器5中的测量情况的回波函数10示出为发射信号S的传播距离x。为了更好理解，基准线与回波函数10中的对应回波信号18相关联，使得能够容易理解原因和结果。在回波函数10的起始区域中，将会看到衰减行为或所谓的振铃，该衰减行为可能因多次反射或因发射接收元件6中或喷嘴中的堆积形成物而产生。本发明的方法不仅可在诸如图1明确所示的自由辐射微波测量装置1中执行，而且可在诸如例如TDR测量装置或超声波测量装置的其它传播时间测量系统中执行。
在技术现状中，有用来确定所确定的回波函数10或数字包络曲线11中有用回波信号15在的精确位置x1的不同方法。回波函数10中的料位F的精确确定决定在给定测量条件下用这种回波测量原理可以获得什么样的精确度。
从回波函数10或包络曲线11确定料位的一般有效方法在图2中示出。图2示出了用将相同滤波参数集应用于总测量范围的滤波器预处理的回波函数10和包络曲线11。容器5中的测量信号的所需传播时间t或在给定情况下传播路程x标绘在横坐标上，而纵坐标包含回波函数10或包络曲线11的振幅值Amp。有用回波信号15通过根据前言所述的方法的回波搜索算法13确定。为此，最常见地，基线B用作基准线。
基线B的确定例如借助静态回波搜索算法，例如呈从相应回波函数10或在启动时在空容器5中确定的回波函数10的滑动平均值形成的形式的数学滤波函数。基线B用来确定回波函数10或包络曲线11中的有用回波信号15。因此，基线B用作回波函数10或包络曲线11中的有用回波信号15的回波搜索算法13的基准线或中止准则。因此，能够借助基线B识别回波函数10中的有用回波信号15。位于基线B以上的信号部分被静态回波搜索算法13识别为有用回波信号15。
为了使能通过回波搜索算法13稳定估测，回波函数10或包络曲线11被预处理。由于该预处理，可以实现所出现的干扰回波信号18的减少和通过回波搜索算法13稳定总测量。为此，应用非对称统计方法或非对称滤波方法，其中，对在不同测量周期中确定的至少两个回波函数10或包络曲线11进行平均。以这样的方式，可以抑制随机回波信号RE。另外，回波振幅A、Amax中的微动可以通过非对称统计方法或非对称滤波方法消除。
回波函数10或包络曲线11包含由于在整个总测量范围上通过滤波器12非常强的“通用”滤波而出现的某些干扰回波信号18。当需要不同滤波行为时，非对称统计的应用是有问题的。如果随机回波干扰信号RE出现，则强作用的统计或滤波是必须的，以便抑制这些随机回波信号RE。反之，这种强作用的滤波或统计在容器5中的介质7的快速变化料位F的情况下因虚拟伪回波AE、所谓的“反常回波”而引起显著测量问题。由于这些伪回波信号AE，回波搜索算法13可能错误地将这种伪回波信号AE识别为有用回波信号15并因此确定料位F的错误测量值。基本上，只要容器5中的介质7的料位F快速移动，强作用的滤波或统计就是不合需要的。图2示出了伪回波AE，伪回波AE可在有用回波15的快速位置变化dx的情况下因料位F从9000mm至6700mm的快速变化而出现。这些伪回波AE由统计方法或滤波方法中的时间延迟而产生。
根据本发明，应用范围相关的滤波方法或统计方法来预处理回波函数10或包络曲线11。为此，诸如图3所示，回波函数10或包络曲线11被分成至少三个滤波范围FR1、FR2、FR3。因此，具有第一窗宽w1的第一滤波范围FR1被指定在先前测量周期中确定的有用回波信号15的位置x1处。从在有用回波信号15的位置x1周围的第一滤波范围FR1的这种指定，具有第二窗宽w2的第二滤波范围FR2朝向发射信号S和具有第三窗宽w3的第三滤波范围FR3间接邻接。图3示出了在其上被平均的不同测量周期的回波函数10或包络曲线11的曲线族。不同干扰回波信号18被示出成随机回波信号RE。第二滤波范围FR2被对称或非对称地形成为具有在自先前测量周期的有用回波信号15的位置x1的附近的第二宽度w2。第二滤波范围FR2的第二宽度w2自适应地调整以适应回波函数10中或包络曲线11中的有用回波信号的变化的位置。此外，在伪回波AE或随机干扰回波RE出现的情况下，不同滤波参数FP和/或至少滤波范围FR1的宽度w1可以通过匹配算法自动匹配，使得滤波方法或统计方法自动调整并且是神经系统的或自学习的。滤波参数FP可以自适应匹配于回波函数10中或包络曲线11中的有用回波信号15的变化的位置x1。为此，可以在控制/估测单元2的存储单元中储存对应的滤波参数集FP，该对应的滤波参数集FP根据诸如例如有用回波信号15的位置x1的对应准则加载。替代地或补充地，不同滤波参数FP和/或至少滤波范围FR1的宽度w1可以由现场装置1的操作员或维护人员预先确定。
由于测量范围分成回波函数10或包络曲线11的至少三个滤波范围的这种三部分区，不同滤波参数FP或滤波准则可以应用于各个滤波范围FR1、FR2、FR3。三个滤波范围FR1、FR2、FR3中的这种不同滤波或取平均值在图4中示出。图4和5中明显的是，通过这些滤波范围FR1、FR2、FR3中的这种不同滤波或统计，第二滤波范围FR2中的随机干扰回波的抑制借助强滤波实现，而第三滤波范围FR3中的伪回波信号AE的防止借助弱滤波实现。由于回波函数10或包络曲线11的分成滤波范围FR1、FR2、FR3以及向回波函数10或包络曲线11的不同段提供不同滤波参数FP或统计参数的与其关联的机会，能够确定移动的料位而没有伪回波AE形成。尽管实际上可以借助强滤波抑制的随机产生干扰信号RE，有用回波信号15的回波振幅Amax的短期凹窝也可以通过非对称统计方法或滤波方法消除。
在本发明的包络曲线统计中，回波函数10或包络曲线11在随后测量周期中进行逐点时间平均。这种取平均值通过滤波器12利用指数加权因子进行。以这样的方式，正负信号分布被不同加权。根据最后测量的包络曲线11的值是大于还是小于当前包络曲线11的对应值，使用不同的加权参数。这种方法被称为“非对称包络曲线统计法”或非对称滤波方法。取平均值例如通过低通滤波器12利用对应滤波参数FP执行。由于这种取平均值或滤波，实现回波的数量的减少和信噪比的提高。此外，消除回波振幅A的波动。平均结果储存在控制/估测单元2中的存储器中作为参数。在这些非对称包络曲线统计的情况下，对于由滤波器进行的平均计算，作为时间的函数上升和下降的回波曲线值11被不同加权，使得对于每个包络曲线点11，存在合适加权因子。这些加权因子可以储存在控制/估测单元2中的存储器中。为包络曲线11的下降值选择较小加权因子允许回波振幅A保持高位，并且消除回波振幅A中的波动。
图5示出了具有将不同滤波参数集FP应用于总测量范围或滤波范围FR1、FR2、FR3的滤波器的回波函数10或包络曲线11。图5还示出了由容器5中的料位F的对应变化引起的有用回波信号16的快速位置变化dx，但是，因为回波函数10或包络曲线11的较弱滤波，所以防止伪回波AE在第一滤波范围中出现。如果一个人比较图2和图5的回波函数10或包络曲线11，则本发明的范围相关的滤波或借助非对称滤波方法或借助非对称统计方法的取平均值的优点是显而易见的。通过本发明的方法防止随机回波信号RE和伪回波AE的干扰回波信号18。
附图标记列表
1现场装置、测量装置
2控制/估测单元
3发射/接收单元
4通信单元
5容器
6发射/接收元件
7介质
8界面、表面
9测量发射器
10回波函数、回波曲线
11包络函数、包络曲线
12滤波器
13回波搜索算法
14回波信号
15有用回波信号
16最大回波信号
17第一回波信号
18干扰回波信号
FP滤波参数
FR1第一滤波范围
FR2第二滤波范围
FR3第三滤波范围
w1第一宽度
w2第二宽度
w3第三宽度
Amp振幅值
A振幅
Amax最大振幅
dA振幅变化
S发射信号
R反射信号
K干扰信号
AE伪回波、反常回波
RE随机干扰回波
x路径、传播距离
x1位置
dx位置变化
t时间、传播时间
F料位
B基线

Claims (11)

1.一种借助现场装置(1)使用传播时间测量法确定和监控容器(5)中的介质(7)的料位(F)的方法，
-其中，朝向所述介质(7)发射发射信号(S)并且接收反射信号(R)，
-其中，所接收的反射信号(R)被记录为取决于传播时间(t)或传播距离(x)的回波函数(10)或包络曲线(11)中的回波信号(14)，
-其中，借助回波搜索算法(13)，在所述回波函数(10)中或所述包络曲线(11)中确定至少一个有用回波信号(15)，
-其中，借助至少一个滤波器(12)利用滤波参数(FP)对所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)进行预处理，
-其中，在所述回波函数(10)中或所述包络曲线(11)中的所述有用信号(15)的位置(x1)处至少预先确定具有第一宽度(w1)的第一滤波范围(FR1)，并且在所述回波函数(10)中或所述包络曲线(11)中形成至少三个滤波范围(FR1、FR2、FR3)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，通过所述滤波器(12)利用不同的滤波参数(FP)在所述第一滤波范围(FR1)中、在所述第二滤波范围(FR2)中和/或在所述第三滤波范围(FR3)中对所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)进行滤波。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，通过所述滤波器(12)单独地在所述第一滤波范围(FR1)中、在所述第二滤波范围(FR2)中和/或在所述第三滤波范围(FR3)中和/或在某些区域中对所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)进行滤波。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，
其中，借助非对称低通滤波器(12)对所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)进行滤波。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，将在先前测量周期中储存的回波函数(10)或包络曲线(11)与当前的回波函数(10)或包络曲线(11)进行平均。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述滤波范围(FR1)被预先确定成具有关于所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)的所述位置(x1)对称的宽度(w1)。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述滤波范围(FR1)被预先确定成具有关于所述回波函数(10)或所述包络曲线(11)的所述位置(x1)非对称的宽度(w1)。
8.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，至少所述滤波范围(FR1)，即其宽度(w1)被自适应性地调整以适应所述回波函数(10)中或所述包络曲线(11)中的所述有用回波信号(15)的变化的位置(x1)。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述滤波参数(FP)被自适应地匹配于所述回波函数(10)中或所述包络曲线(11)中的所述有用回波信号(15)的变化的位置(x1)。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，所述不同滤波参数(FP)和/或至少所述滤波范围(FR1)的宽度(w1)由所述现场设备(1)的操作员或维护人员预先确定。
11.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，
其中，在出现伪回波(AE)或随机干扰回波(RE)的情况下，通过自适应算法自动调整所述不同滤波参数(FP)和/或至少所述滤波范围(FR1)的宽度(w1)。
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