CN106352951A - 多频率雷达料位计及基于其的物料料位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频率雷达料位计及其测量方法，其中多频率雷达料位计包括运算处理器、天线部件以及对应至少两种频率电磁波的电磁波收发器；电磁波收发器，用于通过天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号；运算处理器，用于根据电磁波收发器发送来的所有回波信号得到料位信息。本发明利用不同频率电磁波接触物料时不同的穿透、吸收、反射、衍射等物理差异表现，通过综合计算不同频率电磁波回波信号数据，实现对物料料位的精准测量；显著提升电磁波料位计在大湿度、高粉尘等恶劣、复杂环境下以及物料复杂表面情况下料位测量的准确性和可靠性。

Description

多频率雷达料位计及基于其的物料料位测量方法

技术领域

本发明涉及料位测量领域，特别涉及一种多频率雷达料位计及基于其的物料料位测量方法。

背景技术

电磁波料位计被广泛运用于各种工业领域，是目前主流的料位计形式之一。电磁波料位计利用分析向物料发射的电磁波的时间特性或频率特性，实现对物料料位的测量。通过电磁波发射与接收时间差或者电磁波的多普勒效应，获取料位信息，技术已经日趋成熟。但是，由于很多工业现场与被测量容器内环境恶劣，粉尘、蒸汽以及液体表面的泡沫等复杂环境，以及物料表面的形状复杂，还有就是容器内壁本身、测量空间其他设备存在等因素，使得电磁波料位计实际测量效果差。由于电磁波频率越高，方向越好，所有近年来，电磁波料位计不断通过提升频率实现测量的准确性和可靠性。实际工业现场中，高频电磁波料位计的频率由过去的10多GHz已经发展到当今主流的24GHz和26GHz。同时，由于回波分析手段和设备的提升，对于特定环境下回波分析，通过优化回波信息的筛选条件，也显著提升了电磁波料位的测量的可靠性与准确性。

但是，高频电磁波虽然具有方向好，能量集中的特点，应付物料复杂表面能力强优势，但是其穿透能力差，在实际的工业现场由于测量环境中扬料，粉尘以及泡沫等因素影响，现有的高频电磁波料位计实际使用效果差，误报频繁，甚至无法完成可靠测量，严重影响了电磁波料位计的推广与使用。

低频电磁波料位计由于发射角度大，很难控制在一个小的范围内，通常电磁波发射角度大于15度，电磁波发射后，回波复杂，特别在容器内部电磁波发射方向的垂直方向上距离小的情况，容器本身对电磁波反射复杂。低频电磁波料位计通常被运于于比较开阔的空间内液位的测量。

现有的高频电磁波料位计与低频电磁波料位计在实际测量中，特别在狭窄容器内部和复杂环境下的物位测量的准确差和可靠性差。限制了电磁波料位计的更广泛使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多频率雷达料位计及基于其的物料料位测量方法，以解决现有技术中，电磁波料位计在狭窄容器内部和复杂环境下的物位测量的准确性差和可靠性差的问题。

本发明一方面提供了一种多频率雷达料位计，包括运算处理器、天线部件以及对应至少两种频率电磁波的电磁波收发器；

所述电磁波收发器，用于通过所述天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号；

所述运算处理器，用于根据所述电磁波收发器发送来的所有回波信号进行运算得到料位信息。

优选的，所述电磁波收发器发射的电磁波的频率，有至少一个不小于20GHz且有至少一个不大于10GHz。

优选的，所述电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件，且所有所述电磁波收发部件中至少有两个电磁波收发部件对应同一根天线，不同所述电磁波收发部件对应一种不同频率的电磁波。

优选的，所述多频率雷达料位计还包括切换部件，用于对对应于同一天线的不同所述电磁波收发部件进行切换。

优选的，所述运算处理器与所述切换部件相连，用于控制所述切换部件对所述电磁波收发部件的切换。

优选的，所述电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件，所述天线部件包括与所述电磁波收发部件数量相同的天线，且所述电磁波收发部件与天线一一对应，所述电磁波收发部件对应一种不同频率的电磁波。

优选的，所述天线部件中的天线是喇叭口天线和/或微带平板天线和/或透镜天线。

优选的，所述多频率雷达料位计还包括与所述天线部件中的天线相连的摆动部件，所述摆动部件用于驱动天线改变方向。

本发明另一方面还公开了另一种多频率雷达料位计，包括运算处理器、天线部件以及电磁波收发器，所述多频率雷达料位计具有至少两种工作模式；

在第一种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的所有回波信号进行运算得到料位信息；

在第二种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射一种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的回波信号进行运算得到料位信息。

本发明再一方面还公开了一种上述任一项所述的多频率雷达料位计的物料料位测量方法，所述测量方法包括如下步骤：

S1：所述电磁波收发器通过所述天线部件向物料方向发射某一频率的电磁波，所述电磁波收发器接收所述物料反射回来的对应的电磁波回波信号并将所述电磁波回波信号以电信号形式传输给所述运算处理器；

S2：所述电磁波收发器重复上述步骤S1至少一次，且所有所述频率电磁波中至少两种不同频率的电磁波发射与接收均不少于一次；；

S3：所述运算处理器，根据所有所述电磁波回波信号进行处理运算，得到所述物料的料位。

本发明通过发射不同频率的电磁波至物料，并利用反射回来的多个回波信号计算得到料位信息，相比现有技术，即便在狭窄容器内部和复杂环境下，也能对物位料位进行较为准确和可靠的测量。

进一步的选用高频和低频结合，综合利用高频电磁波的方向性和低频电磁波的高穿透性，通过对高低不同频率回波的综合运算，实现对物料料位的测量；显著提升电磁波料位计在大湿度、高粉尘等恶劣、复杂环境下以及物料复杂表面情况下料位测量的准确性和可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中的电磁波料位计原理示意图；

图2是本发明实施例一中的料位计结构图；

图3是本发明实施例二中的料位计结构图；

图4是本发明实施例三中的料位计结构图；

图5是本发明实施例四中的料位计结构图；；

图6是本发明基于多频率雷达料位计的物料料位测量方法流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

首先对电磁波料位计的工作原理进行简单说明。电磁波料位计在理想的状态下，向物料发射电磁波，理想的回波是：电磁波遇到物料，反射一个电磁波回波信号，被电磁波料位计的电磁波收发部件接收到，之后运算处理器通过计算发射电磁波与接收到回波信号之间的时间差，依据电磁波传播速度和时间再除以2，获得电磁波料位计与物料之间的距离。同样，若依据多普勒效应，就是运算处理器计算发射电磁波的频率，以及回波电磁波频率，获得料电磁波料位计与物料的距离。但是，实际的情况时，很多工业现场特别是容器内部，环境恶劣，充满扬尘或者由于放料，存在扬料现象，以及容器本身的结构，物料堆面的复杂等等，都导致回波信号中不仅仅包含电磁波遇到物料的反射信号，还包括着扬尘，扬料，容器内壁，容器内设备，堆面复杂导致多路径反射等回波信号。在这些复杂的回波信号中，找到准确的料位有效回波难度非常大。现有的做法是，对于回波信号特别是回波生成的电压型信号进行上下阚值的设置，区分回波信号中那些为干扰回波，那些为实际有效回波。这在一定程度上区分掉一部分干扰回波。不同频率的电磁波在遇到物质时，呈现出较大的物理表现。高频电磁波穿透性差，因此容易受到测量空间内较大密度灰尘或者扬尘的干扰，其返回的回波中灰尘等干扰物质的反射的回波信号特征强，但其发射角度小、方向好，能量集中，因此极少有容器反射回的干扰回波或者容器内壁引起的干扰回波特征小。而低频电磁波反射角度大，很难控制在一个小的范围内，因此其返回的回波中极有可能含有容器反射回的干扰回波，而且当物料离电磁波发射点远时，这个干扰回波越大，但是其穿透性好，因此其返回的回波中极少含有灰尘等反射的回波或者此类干扰回波特征小。

分析如图1所示的高频回波和低频回波简图。如图1所示，k1与k2之间的为有效回波，可以看到，高频回波信号中，遇到较大密度扬尘或者扬料时，回波时间点T2中P2回波信号与回波时间点T3中P3回波信号都落在筛选区间，这样就很难区分P2和P3谁是真正的料位回波。同时在低频电磁波回波信号中，由于低频电磁波由于发射角度大，容易受到容器内部的影响，产生如P4的回波信号，与P3一起落在筛选区间内。如果单看高频回波或者低频回波均很难找到真正的料位回波点。

因此，可综合分析此两种回波信号，将两种情况下都有的回波信号并且特征显著的信号，确定为物料返回的有效回波信号。如图1所示，我们会发现在同样时间T3时刻，有同样显著的回波信号。经过逻辑判断，我们可以判断其为真正的料位回波。从而料位计可以准确判断料位。基于上述原理，本发明提供一种多频率雷达料位计，通过发射两种不同频率的电磁波信号至物料，以综合反射回的多个回波信号计算料位。

实施例一

如图2所示，提供了一种多频率雷达料位计，包括运算处理器11、天线部件12以及对应至少两种频率电磁波的电磁波收发器13。

电磁波收发器13，用于通过天线部件12发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号；运算处理器11，用于根据电磁波收发器13发送来的所有回波信号得到料位信息。

本发明中，电磁波收发器13发送的电磁波中至少有一种高频电磁波，一种低频电磁波，以综合两种电磁波的优点，实现最好的效果。

具体实施例中，至少一个电磁波的频率不小于20GHz且有至少一个的电磁波频率不大于10GHz。

实施例二

如图3所示，在该实施例中，电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件21(图3中为2个)，且所有所述电磁波收发部件21中至少有两个电磁波收发部件21对应同一根天线22(图3中天线部件仅包括一根天线)，每个电磁波收发部件对应一种频率的电磁波且每个电磁波收发部件对应的频率彼此不同。运算处理器23用于根据所有所述电磁波收发部件21发送的回波信号计算得到料位信息。

本发明优选实施例中，所有电磁波收发部件21对应同一根天线22，这样所有电磁波的发射角度相同，能够提高料位的准确性。当然，在这一情况下，需要对于天线对应进行工作的电磁波收发部件21进行切换。因此，本发明中，料位计还包括切换部件24，用于对对应于同一天线的不同电磁波收发部件21进行切换。

实施例三

在实施例二中，切换部件可以自行决定是否进行切换以及切换至哪个电磁波收发部件，此时需要在切换部件中预置切换逻辑，以顺利进行切换。

如图4所示，本发明实施例三与实施例二的不同在于，运算处理器31与切换部件34相连，运算处理器31除计算料位外，还用于控制切换部件34对对应同一天线33的电磁波收发部件32进行切换。

这样的好处在于，运算处理器31可根据接收的回波信号对切换部件34进行控制。如当运算处理器31当前没有接收到回波信号或回波信号无效时，可控制切换部件不切换至下一电磁波收发部件32。相对切换部件自行切换的方式，该方式能够结合回波信号的情况进行切换，使得切换更加符合需要。

实施例四

如图5所示，本发明实施例四中，电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件41，天线部件包括与电磁波收发部件41数量相同的天线42，且电磁波收发部件41与天线42一一对应，电磁波收发部件对应一种不同频率的电磁波。运算处理器43用于根据所有电磁波收发部41发送的回波信号计算得到料位信息。

本发明实施例四与实施例二的不同在于，电磁波收发部件41与天线42一一对应，无需进行切换。

本发明中，多频率雷达料位计还可包括与天线部件中的天线相连的摆动部件，摆动部件用于驱动天线改变方向。如在实施例四中，通过摆动部件驱动天线改变方向以使得天线发射角度相同。

本发明，上述天线部件中的天线可以是喇叭口天线和/或微带平板天线和/或透镜天线。

本发明中，所述多频率雷达料位计还可包括输出部件和/或显示部件，所述输出部件与运算处理器相连，用于通过脉冲信号和/或开关信号和/或数据信号和/或无线信号形式将料位信号传输出去，所述显示部件为指示灯、液晶显示器等，可用于对结果或状态进行指示或显示。

本发明对此不做具体限制。

实施例五

本发明实施例五提供了一种多频率雷达料位计，包括运算处理器、天线部件以及电磁波收发器，所述多频率雷达料位计具有至少两种工作模式；

在第一种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的所有回波信号进行运算得到料位信息；

在第二种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射一种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的回波信号进行运算得到料位信息。

比如，当料位计所有部件正常工作时，料位计可工作在第一种工作模式下，当料位计的部分电磁波收发部件故障，只能发送一种频率电磁波时，可使料位计工作在第二种模式下，以根据同一频率反射回的电磁波信号进行运算得到料位。

关于工作模式的切换，可自动进行也可通过手动进行，本发明不做具体限制。

实施例六

如图6所示，本发明还提供了一种基于上述多频率雷达料位计的物料料位测量方法，以发射两种频率的电磁波为例，所述测量方法包括如下步骤：

S11：第一电磁波收发部件向物料测量物料方向发射第一频率电磁波，所述第一电磁波收发部件接收物料反射回来第一频率电磁波回波信号；

S12：第一电磁波收发部件将第一频率电磁波回波信号以电信号形式传输给所述运算处理器；

S13：第二电磁波收发部件向物料测量物料方向发射第二频率电磁波，所述第二电磁波收发部件接收物料反射回来第二频率电磁波回波信号；

S14：所述第二电磁波收发部件将第二频率电磁波回波信号以电信号形式传输给所述运算处理器；

S15：所述运算处理器，综合第一频率电磁波回波信号、第二频率电磁波回波信号，依据预设的数学模型和或逻辑判断，生成物料的料位。

以上为发射两种频率的电磁波的测量方法，当发射两种或两种以上频率的电磁波时，包括如下步骤：

S21：所述电磁波收发器通过所述天线部件向物料方向发射某一频率的电磁波，所述电磁波收发器接收所述物料反射回来的对应的电磁波回波信号并将所述电磁波回波信号以电信号形式传输给所述运算处理器；

S22：所述电磁波收发器重复上述步骤S21至少一次，且每次发射的电磁波的频率不同；

S23：所述运算处理器，根据所有所述电磁波回波信号进行处理运算，得到所述物料的料位。

上述方法实施例可参见装置实施例，具体细节不再重复。

虽然通过实施例描绘了本申请，本领域普通技术人员知道，本申请有许多变形和变化而不脱离本申请的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本申请的精神。

Claims (10)

1.一种多频率雷达料位计，其特征在于，包括运算处理器、天线部件以及对应至少两种频率电磁波的电磁波收发器；

所述电磁波收发器，用于通过所述天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号；

所述运算处理器，用于根据所述电磁波收发器发送来的所有回波信号得到料位信息。

2.根据权利要求1所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述电磁波收发器发射的电磁波的频率，有至少一个不小于20GHz且有至少一个不大于10GHz。

3.根据权利要求1所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件，且所有所述电磁波收发部件中至少有两个电磁波收发部件对应同一根天线，不同所述电磁波收发部件对应一种不同频率的电磁波。

4.根据权利要求3所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述多频率雷达料位计还包括切换部件，用于对对应于同一天线的不同所述电磁波收发部件进行切换。

5.根据权利要求4所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述运算处理器与所述切换部件相连，用于控制所述切换部件对所述电磁波收发部件的切换。

6.根据权利要求1所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述电磁波收发器包括至少两个电磁波收发部件，所述天线部件包括与所述电磁波收发部件数量相同的天线，且所述电磁波收发部件与天线一一对应，所述电磁波收发部件对应一种不同频率的电磁波。

7.根据权利要求1所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述天线部件中的天线是喇叭口天线和/或微带平板天线和/或透镜天线。

8.根据权利要求1所述的多频率雷达料位计，其特征在于，所述多频率雷达料位计还包括与所述天线部件中的天线相连的摆动部件，所述摆动部件用于驱动天线改变方向。

9.一种多频率雷达料位计，其特征在于，包括运算处理器、天线部件以及电磁波收发器，所述多频率雷达料位计具有至少两种工作模式；

在第一种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射至少两种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的所有回波信号进行运算得到料位信息；

在第二种工作模式下，所述电磁波收发器通过所述天线部件发射一种频率的电磁波并接收返回的对应回波信号且所述运算处理器根据所述电磁波收发器发送来的回波信号进行运算得到料位信息。

10.一种基于权利要求1-8中任一项所述的多频率雷达料位计的物料料位测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：

S1：所述电磁波收发器通过所述天线部件向物料方向发射某一频率的电磁波，所述电磁波收发器接收所述物料反射回来的对应的电磁波回波信号并将所述电磁波回波信号以电信号形式传输给所述运算处理器；

S2：所述电磁波收发器重复上述步骤S1至少一次，且所有所述频率电磁波中至少两种不同频率的电磁波发射与接收均不少于一次；

S3：所述运算处理器，根据所有所述电磁波回波信号进行处理运算，得到所述物料的料位。