CN105865577A - 用于tdr物位开关的评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种TDR物位开关，其根据能从检测到的测量信号读出的相对于发射脉冲的位置和发射脉冲在耦合位置处以及测量探针端部处的反射的相关振幅来确定测量探针是否被填料包围。因此，能够简单、安全和可靠地形成物位报告。

Description

用于TDR物位开关的评估方法
相关申请参考
本申请要求于2015年2月11日提交的德国专利申请102015202448.2的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
本发明涉及物位的测量。本发明特别地涉及TDR物位开关、用于确定在容器中的填料的物位的方法、程序单元和计算机可读介质。
背景技术
对于某些应用，检测物位是有用的，以例如避免填充有填料的容器的溢出或者排空。特别地，在加工工业的处理槽、储槽、筒仓或者管线中，获得预定的物位高度(物位)将是有利的。为此，使用了也可被称为极限开关、物位检测器或者物位计的物位开关。这种类型的设备可以在广泛范围的液体以及颗粒状或者粉末状的颗粒材料中使用。
根据填料的特性以及独特的处理条件，使用不同的物位开关。例如TDR传感器(TDR：时域反射仪)、振动物位开关以及传感器是已知的，它们根据电容测量原理工作。由物位开关产生的开关命令例如启动或者停止诸如传送带或者泵等填充装置。
由物位开关检测的测量信号根据物位开关的测量探针是否被填料包围而发生变化。测量信号也可以取决于测量探针是否干净或者其上是否存在附着物(污垢)。为了可靠地评估检测的测量信号，经常使用复杂的评估方法。
发明内容
本发明的目的在于可靠和准确地评估由物位开关检测的测量信号。
上述目的是通过独立权利要求的特征实现的。通过从属权利要求和下面的描述来说明本发明的实施例。
本发明的第一方面涉及一种TDR物位开关，所述TDR物位开关包括测量探针和评估单元。测量探针浸入到填料中并且用于检测与测量探针的相对于填料的状态相对应的测量信号。“测量探针的状态”特别地被理解为以下状态：“测量探针被填料(一半或者完全地)覆盖”、“测量探针没有被填料覆盖”以及“测量探针被污染”。
由探针检测的测量信号可以根据测量探针的状态发生改变。
此外，TDR物位开关包括用于评估所检测的测量信号的评估单元。测量探针具有所谓的耦合位置，在该位置处，由TDR物位开关生成的发射脉冲被耦合到测量探针中。最终从发射脉冲产生检测的测量信号，其例如由原始的发射脉冲和发射脉冲在测量探针的处出现阻抗不连续的位置处的反射构成。在这些位置特别地为耦合位置和探针的端部。
评估单元根据在至少两个能够在时间上界定的相对于发射脉冲的参考位置处检测的测量信号的振幅来确定测量探针是否被填料包围。
可替换地或者额外地，评估单元能够根据从所检测的测量信号中读出的回波曲线中的两个位置XR1，XR2(它们是相对于发射脉冲的位置XR0确定的)和两个相应的振幅YE1，YE2来确定发射脉冲在耦合位置处和在测量探针的端部处的反射，并且利用两个振幅来判断测量探针是否被填料包围。
根据本发明的实施例，评估单元也可根据能够从所检测的测量信号中读出的位置(相对于发射脉冲)和发射脉冲在耦合位置处和在测量探针的端部处的反射的相关振幅以及根据在这些反射的区域中的最小值来确定或者判断测量探针是否被污染。
在测量探针被污染的情况下，评估单元不能区分测量探针是否被覆盖，这是因为污垢或者附着物如此强地影响测量信号，即不能被探测到测量探针在填料中的浸入。
对此，需要指出的是，在能够由评估单元根据测量信号产生的所谓的回波曲线中能够读出发射脉冲的反射的上述和下面描述的位置和振幅。在这样的回波曲线中，描绘了测量信号振幅与信号运行时间的关系。信号运行时间对应于各个反射部(耦合位置、测量探针端部、填料表面)的位置。
根据本发明的另一实施例，评估单元根据空容器的情况下的参考测量来确定相对于发射脉冲的位置以及发射脉冲在耦合位置处和在测量探针的端部(或者在探针中的反射部)处的反射的振幅。
根据由参考测量产生的测量信号，能够产生参考回波曲线，利用该参考回波曲线能够对比真实测量的回波曲线。特别地，根据该参考回波曲线能够确定发射脉冲在耦合位置处和测量探针端部处的反射的位置和相应的振幅。对于根据参考回波曲线确定的这些位置(近似)，这些位置即使在实际的回波曲线中也能够对应于耦合位置和测量探针端部(然而，在被覆盖的测量探针的情况下，测量探针端部的方面并不会100％准确，这是因为发射信号脉冲在填充介质中以不同于在容器大气环境中的速度传播)。
根据本发明的另一实施例，TDR物位开关具有内置在物位开关中的位置传感器，该位置传感器用于获得关于物位开关在容器中的安装位置的信息，其中填料处于该容器中，并且该位置传感器用于将所获得的信息传送至评估单元。在此，该评估单元在对测量信号进行评估时考虑由位置传感器获得的信息。
根据本发明的另一实施例，由位置传感器获得的信息包含物位开关相对于填料的朝向以及物位开关在容器中的位置。
根据本发明的另一实施例，获得的关于物位开关的朝向的信息被限制成用于表示物位开关是以垂直向上朝向、垂直向下朝向还是水平的方式安装在容器中。
为了对测量信号进行评估，评估单元接收由位置传感器获得的信息。由此，该评估方法在整体上被简化，这是因为位置传感器能够提供关于安装位置(例如垂直向下朝向、垂直向上朝向、水平)的有价值信息，从而使评估单元能够排除某些情形。
例如，由垂直向上朝向且被填料覆盖一半的测量探针获得的测量信号具有不同于由垂直向下朝向且被填料覆盖一半的测量探针获得的测量信号的另外特点。但是，被覆盖一半且垂直向上朝向的测量探针的测量信号也能够具有与未被覆盖且被污染(也就是具有附着物)的测量探针的测量信号相同的类似特点。
因此，在测量信号的具体特点的情况下，能够单独从这样的信息(即测量探针是否垂直向上或者垂直向下朝向的信息)中推断出测量探针被填料半覆盖或者推断出测量探针被污染。
根据本发明的另一个实施例，位置传感器在物位开关运行时自动地获得关于物位开关在容器中的安装位置的信息。由此能够避免复杂的参数化。
根据本发明的另一方面，提出了一种用于确定容器中的填料的物位的方法，在该方法中，首先将发射脉冲耦合到测量探针的耦合位置处。接下来，检测与测量探针的相对于填料的状态相对应(并且由发射脉冲通过发射脉冲在测量探针的出现阻抗不连续的位置处，尤其是在耦合位置和探针端部处的反射产生)的测量信号。根据能够从所检测的信号读出的或者从参考信号读出的相对于发射脉冲的位置和发射脉冲在耦合位置处和在测量探针的端部处的反射的相关振幅来确定测量探针是否被填料包围。
本发明的另一方面涉及一种程序单元，当程序单元在物位开关的处理器上执行时，程序单元指示物位开关执行上述的和接下来描述的方法步骤。
根据本发明的另一方面给出了一种计算机可读的介质，在该介质上存储由上述的程序单元。
本发明的精髓在于，TDR物位开关可以通过对测量信号(或者由此产生的回波曲线)的分析来推断出以下状态，即“被覆盖”(而且不强的污染)，“未被覆盖”(而且还是不强的污染)以及“被污染”。为了对这些状态进行区分，通过阈值比较，对耦合位置和探针端部的相对于发射脉冲的位置和振幅进行评估。
附图说明
接下来参照附图对本发明的示例性实施方式进行说明。
图1示出根据本发明实施例的内置在容器中的TDR物位开关。
图2示出参考回波曲线。
图3示出根据本发明实施例的方法的流程图。
图4示出参考回波曲线和附加测量曲线。
图5示出参考回波曲线和附加测量曲线。
图6示出参考回波曲线和附加测量曲线。
图7示出根据本发明的实施例的内置在容器中的TDR物位开关。
图8示出参考回波曲线和附加测量曲线。
图9示出根据本发明另一实施例的安装在容器中的TDR物位开关。
图10示出参考回波曲线和附加测量曲线。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的，并且不是按照比例尺的。
在下面的附图说明中，在不同的附图中的使用相同的附图标记，以表示相同的或者类似的部件。但，相同或者类似的部件也可以由不同的附图标记表示。
图1示出了容器102，在容器中螺栓安装有根据本发明实施例的TDR物位开关101。在容器中存在有填料112。TDR物位开关101根据时域反射计(TDR)原理工作。TDR传感器通常由电子单元103和例如具有导电棒或者线缆的形式的所谓的测量探针108构成。
测量探针108的长度例如为几厘米，例如小于4cm，使得发射脉冲在耦合位置和棒端部处的反射彼此干扰或者叠加，由此对回波曲线的评估变得困难。
在此需要指出的是，市场上可获得的测量探针明显更长(≥0.5m)，使得不会存在发射脉冲在耦合位置、棒端部和填充介质之间的反射的干扰，并且回波曲线中的各个极值能被纯净地分离出来并且能被单独地评估。
在电子单元中产生电磁信号，并且电磁信号被耦合到测量探针108上的耦合位置109处。该信号沿着探针导向地传播。沿着测量探针的阻抗不连续导致以下结果：射频发射脉冲信号(在此例如为发射脉冲)的某些部分被反射，并且作为接收信号被电子单元检测到。在电子单元103中，沿着测量探针接收到的反射率被转换成所谓的回波曲线，并且据此执行物位评估。在此和下面描述的方法中，测量探针上的附着物以及容器中的安装件(例如管套)得到考虑。通过考虑附着物以及TDR物位开关在容器中的不同的安装状态，能够根据时域反射计的原理安全和可靠地确定各种介质的物位。
本发明的中心思想在于，该评估方法能够检测物位，能够识别附着物并且为此关注容器管套对物位确定的影响。评估的基础是形成回波曲线，该回波曲线表现出沿着测量探针108的反射率。图1所示的物位开关101根据时域反射计(TDR物位开关)的原理工作。物位开关101从上方安装到容器102中。电子单元103具体地包括发射脉冲单元104、接收单元105、位置传感器106和评估单元107。位置传感器并不是必须的。可替换地，传感器的位置数据也能够根据设备配置由使用者输入。
发射脉冲单元104的功能在于产生高频信号，并且该信号被电耦合到导电棒(测量探针)108。沿测量探针108的阻抗不连续导致发射脉冲信号的某些信号分量被反射回来。
特别在耦合位置109、介质界面111(在图1的示例中，为填料表面)的区域中以及在棒端部110处产生非常强的反射。
反射信号由接收单元105接收并且被转换成回波曲线。电子单元103的另外的组件是位置传感器106，位置传感器能够检测物位开关101的安装位置。在上下文中，安装位置被理解为传感器的朝向(也就是说，测量探针108相对于填料表面形成的角度)。在此，在最简单的情况下，可以存在三个可能的朝向，这些朝向能够由位置传感器探测，这些朝向也就是“水平”、“垂直向下”和“垂直向上”。
在更复杂的实施例中，可以如下设置：位置传感器确定测量探针相对于填料表面的精确角度。在另一实施例中，可以如下设置：位置传感器还要确定容器中的安装位置并且因此可以确定物位开关被安装在容器盖中、容器底部还是容器壁上。
在评估单元107中，根据回波曲线并考虑到确定的安装位置，识别出不同的状态(被覆盖，未被覆盖和被污染)并且相应地输出。
图2示出了参考回波曲线201，该曲线例如在工厂交货时设置至TDR物位开关。垂直轴线表示检测的测量信号的振幅，并且水平轴线表示时间(例如，单位为毫秒)。零点处于两个轴线的交叉点处。
为了评估回波曲线，引入了三个区别性特征。为此，它们包括发射脉冲202(其最小值为P0205)、发射脉冲在耦合位置203处的反射(其最小值为P1206)以及发射脉冲在棒端部204处的反射(其最小值为P2207)。
该评估方法基本上对接收到的耦合位置203处的反射的振幅以及其相对于发射脉冲的相对位置进行评估。另外，在确定物位时，对接收到的棒端部204处的反射的振幅以及其相对于发射脉冲202的相对位置进行考虑。
将根据图3的流程图来描述评估方面的确切的措施。通过该方法输出了以下状态，即“被覆盖”，“未被覆盖”以及“被污染”。
该方法从步骤301开始。在步骤302中，测量图2中的参考回波信号。该步骤例如在工厂中实现，也就是说在供货给顾客之前。在步骤303中，根据参考回波曲线确定发射脉冲的XY坐标系(XR0/YR0)、发射脉冲在耦合位置处的反射(XR1/YR1)和发射脉冲在棒端部处的反射(XR2/YR2)。所有的这些都可以在工厂中实现。
如果物位开关被安装在容器中，则可以在步骤304中测量出回波曲线。该回波曲线例如在步骤305中被滤波，并且在步骤306中位置传感器确定物位开关的安装位置。如果该传感器不再改变其安装位置时，也可以方法中的步骤304中测定回波曲线之前的更早的时候执行步骤306并且然后不必再次执行。传感器位置也能由使用者输入。
然而，优选的是，位置传感器在传感器运行时自动地检测传感器的安装位置，从而进一步降低使用者的负担。
在步骤307中检查安装位置是否是图1中示出的上方的容器盖处的具有向下朝向的测量探针的安装位置。如果是这种情况，则该方法前进到步骤308，在该步骤中确定记录的回波曲线的位置XR1处的振幅YE1。然后(或者之前)在步骤309中确定回波曲线的位置XR2处的振幅YE2。在步骤310中然后确定值YE1是否处于第一阈值SW11和第二阈值SW12之间。如果是这种情况，在步骤311中在两个另外的阈值SW13和SW14之间的区域(也就是回波曲线的某个时间间隔，在该时间间隔中，反射处于耦合位置)中进行最小值搜索。
在此和下面说明的阈值是经验值，其能够通过样品测量来获得。它们的值例如取决于待被测量的介质，但是也特别地取决于探针的类型(长度等)。在第一近似值中，全部待被测量的介质可以使用相同的阈值。但是每个待被测量的介质也可以使用某一组阈值。接下来将说明用于以下介质(即水、蜂蜜和油)的回波曲线。
在SW13和SW14之间的区域中查找到最小值(该最小值由附图标记403表示)之后，确定最小值XEM1的X坐标(时间坐标)是否大于参考曲线中的发射脉冲在耦合位置处的反射的时间坐标XR1，换句话说，最小值是否向右偏移(步骤312)。
如果不是这种情况，则该方法从步骤312前进到步骤313，在步骤313中判断YE2(也就是回波曲线在时间XR2处的振幅)是否大于另外的阈值SW21。
如果是这种情况，则在步骤314中推断出测量探针被覆盖，并且该方法返回至步骤304，在步骤304中能够测量出新的回波曲线。如果不是这种情况，该方法前进到步骤325，在该步骤中实现SW22和SW23之间的区域中的最小值搜索并且然后在步骤326中确定该最小值XEM2是否大于XR2。如果是这种情况，则在步骤314中推断出探针被覆盖。如果不是这种情况，则推断出未被覆盖(步骤327)并且接着是推断另外的回波曲线的步骤304。
然而，如果步骤312获得XEM1大于XR1的结果，则方法前进到步骤315，其中推定测量探针上具有附着物。然后在步骤315中评估该附着物。在接下来的步骤316中判断是否应发出新的测量。如果是这种情况，该方法前进到步骤304，该步骤可以测量新的回波曲线。然而，如果通过回波曲线评估推断出强的污染，则可以阻止新的测量，并且该方法从步骤316前进到步骤317，在该步骤中向使用者发射脉冲探针被强污染的通知。
如果在步骤310中确定YE1并不处于SW11和SW12之间，则该方法前进到步骤328，在该步骤中判断YE1是否大于SW12。如果是这种情况，则推断出探针被覆盖，并且方法进入步骤314。如果不是这种情况，该方法前进到步骤327，在该步骤中推断出探针未被覆盖，并且接下来是接收另外的回波曲线的步骤304。
如果在步骤307中确定探针没有处于上方的安装位置中，则在步骤318中判断探针是否处于侧面的安装位置中。在这种情况下，方法前进到步骤320，并且执行如在上方的安装位置307处一样的评估(也就是执行步骤308、309等)。
否则，在步骤319中确定探针是否处于下方的安装位置中(在容器底部并向上朝向)。在这种情况下，方法前进至步骤321。否则，该方法跳回步骤306，并且通过位置传感器再次确定物位开关的安装位置。
在步骤321中，确定位置XR1处的振幅YE1，并且在步骤322中，确定位置XR2处的振幅YE2。接下来是步骤323，在该步骤中确定YE1是否处于阈值SW11和SW12之间。如果是这种情况，则方法在步骤324中继续执行，在该步骤中确定YE2是否大于SW21。如果是这种情况，则推断出探针被覆盖。如果不是这种情况，则该方法进入到步骤325，在该步骤中实现SW22和SW23之间的区域中的最小值搜索，并且然后在步骤326中确定该最小值XEM2是否大于XR2。如果是这种情况，则在步骤314中推断出探针被覆盖。如果不是这种情况，则推断出没有被覆盖(步骤327)。
相反，如果在步骤323中获得否定结果，即YE1不处于SW11和SW12之间，则该方法如上所述地执行步骤328、接下来314或者327。
图4示出了参考回波曲线411和附加测量曲线412的一部分。在此，坐标原点(如在图2、5、6、8和10中一样)处于两个轴线的交点处。通过在图1所示的测量构造来测量回波曲线412，其中，测量探针108的一半被介质水覆盖。物位开关101会在该测量中输出“被覆盖”状态。
时间阈值SW13和SW14(耦合位置处的反射处于二者之间)由附图标记404、405表示，时间阈值SW22和SW23(棒端部处的反射处于二者之间)由附图标记406、407表示。振幅阈值SW11、SW12和SW21由附图标记408、409和410表示。
参考回波曲线411中的第一低点P1(XR1/YR1)206对应于发射脉冲在耦合位置处的反射的最小振幅和位置(或者信号运行时间)。正上方是由P1'(XR1/YE1)401表示的实际回声曲线412的点。左侧是实际的回声曲线412中的低点P1M(XEM1/YEM1)403。参考回波曲线中的第二低点P2(XR2/YR2)207对应于参考发射脉冲在探针端部处的反射，并且正上方是实际的回声曲线的点P2'(XR2/YE2)402。
图5也示出了参考回波曲线501的一部分。另外，也描绘了另外的回波曲线502。其同样是利用图1中描述的测量构造来测量的，其中探针棒108的一半被蜂蜜覆盖。在该测量情形中，物位传感器101也报告“被覆盖”状态。
图6示出了参考曲线的相同部分，如在图5中一样。此外还示出了实际的回波测量曲线602。其也是通过图1中描述的测量构造来测量的，其中棒108的一半被介质油覆盖。该评估方法也在这种情况下输出“被覆盖”状态。附图标记601示出了实际的回波曲线上的测量点P2M(XEM2/YEM2)。其处于阈值SW21的下方。
上述三个测量情形证明，图3中描述的评估算法能够用于区别极大的介质。可靠的物位探测不仅能够用于较低介电常数的介质(油)也能用于具有较高的介电常数(水)的填料。此外，其是否是导电填料还是非导电介质是完全不重要的。
图7示出了具有TDR物位开关701的另外的测量构造，该开关对应于图1中的物位开关。其具有电子单元702和导电棒703。在该实施例中，物位开关701间接地通过旋拧管套705转配到容器704中。
图8进一步阐述管套705对回波曲线的影响以及相应地对物位确定的影响。一方面，图8列出参考回波曲线801，并且另一方面列出附加的实际测量回波曲线802。根据图7中描述的实施例来测量测量回波曲线802。导电棒703没有与介质接触。在该种情况下，根据图3的评估算法输出“未被覆盖”状态。接下来，通过算法识别安装件，并且在确定物位时加以考虑。
图9示出了另外的测量情形。TDR物位开关901能够从上方安装到容器902中并且不与填料接触。重要的是，导电棒903被很严重地污染。图10示出附着物904对回波曲线的形状的影响。参考回波曲线由1001表示。在这种情况下，根据图3的评估算法输出“被污染”状态。
上述测量情形表明，不管是附作物还是安装件都能通过图3示出的评估算法来识别。此外，该知识被包括在物位确定中并且由此实现了可靠的和安全的物位报告。

Claims (11)

1.一种TDR物位开关(101)，其包括：
测量探针(108)，其浸入到填料中，并且用于检测与所述测量探针的状态相对应的测量信号(412，502，602)；
评估单元(107)，其用于对所检测的所述测量信号进行评估；
其中，所述测量探针具有耦合位置(109)，发射脉冲在所述耦合位置处被耦合到所述测量探针中，然后根据所述发射脉冲产生所检测的所述测量信号；
其中，所述评估单元根据在至少两个能够在时间上界定的相对于所述发射脉冲的参考位置处检测的所述测量信号的振幅来确定所述测量探针是否被所述填料包围。
2.根据权利要求1所述的TDR物位开关(101)，
其中，所述评估单元根据所述测量信号中的在所述参考位置(XR1，XR2)处检测的振幅(YE1，YE2)来确定所述测量探针是否被所述填料包围；
其中，所述参考位置是所述发射脉冲在所述耦合位置处和所述测量探针的端部(110)处的相对于所述发射脉冲的反射位置。
3.根据权利要求1或2所述的TDR物位开关(101)，
其中，所述评估单元(107)根据所述测量信号中的在所述参考位置(XR1，XR2)处检测的振幅(YE1，YE2)以及在反射的区域中的最小值(XEM1，XEM2)来确定所述测量探针是否被污染。
4.根据前述权利要求中任一项所述的TDR物位开关(101)，
其中，所述评估单元(107)通过在空的容器的情况下的参考测量来确定相对于所述发射脉冲的所述位置(XR1，XR2)以及所述发射脉冲在所述耦合位置(109)处和在所述测量探针的端部(110)处的反射的振幅(YR1，YR2)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的TDR物位开关(101)，其还包括：
其中，内置在所述物位开关中的位置传感器(106)，其用于获得关于所述物位开关在容器(102)中的安装位置的信息，并且用于将获得的所述信息传送到所述评估单元(107)，所述填料处于所述容器中；
其中，所述评估单元在对所述测量信号进行评估时考虑由所述位置传感器获得的所述信息。
6.根据权利要求5所述的TDR物位开关(101)，
其中，由所述位置传感器(106)获得的所述信息包含所述物位开关相对于所述填料(112)的朝向以及所述物位开关在所述容器(102)中的位置。
7.根据权利要求5或6所述的TDR物位开关(101)，
其中，所获得的关于所述物位开关的朝向的所述信息被限制成用于表示所述物位开关是以垂直向上朝向、垂直向下朝向还是水平的方式安装在所述容器(102)中。
8.根据权利要求5、6或7所述的TDR物位开关(101)，
其中，所述位置传感器(106)在所述物位开关运行时自动地获得关于所述物位开关在所述容器(102)中的安装位置的信息。
9.一种用于确定容器(102)中的填料(112)的物位的方法，其包括以下步骤：
将发射脉冲耦合到测量探针(108)的耦合位置处；
检测与所述测量探针的状态相对应的测量信号(412，502，602)；
根据所述测量信号中的在参考位置(XR1，XR2)处检测的振幅(YE1，YE2)来确定所述测量探针是否被填料包围；
其中，所述参考位置是所述发射脉冲在所述耦合位置处和在所述测量探针的端部(110)处的相对于所述发射脉冲的反射位置。
10.一种程序单元，当所述程序单元在物位开关(101)的处理器上执行时，所述程序单元指示所述物位开关执行以下步骤：
将发射脉冲耦合到测量探针(108)的耦合位置处；
检测与所述测量探针的状态相对应的测量信号(412，502，602)；
根据所述测量信号中的在参考位置(XR1，XR2)处检测的振幅(YE1，YE2)来确定所述测量探针是否被填料包围；
其中，所述参考位置是所述发射脉冲在所述耦合位置处和在所述测量探针的端部(110)处的相对于所述发射脉冲的反射位置。
11.一种计算机可读介质，其存储有根据权利要求10所述的程序单元。
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