CN107991673A - 用于确定填充材料表面的拓扑的填充物位测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种用于确定填充材料表面(107)的拓扑的填充物位测量装置(100)，填充物位测量装置(100)具有天线阵列(130)，天线阵列具有至少三个均用于发射雷达信号并用于接收在填充材料表面(107)上被反射的信号的天线装置(132、134、136)。此外，填充物位测量装置还具有控制单元(101)，其中，天线阵列(130)包括至少三个天线表面(133、135、137)，天线表面的表面法向矢量彼此交叉地布置，其中，天线装置(132、134、136)设置在相应的天线表面(133、135、137)上，使得能够利用每个天线装置检测不同的空间角度区域(138、140、142)。此处，天线装置(132、134、136)均被配置成基于反射的信号产生测量信号，且其中，控制单元(101)被配置成进一步处理天线装置的测量信号并且/或者将测量信号组合成公共测量信号。
Description
技术领域
一般而言，本发明涉及填充物位测量。特别地，本发明涉及用于确定填充材料表面的拓扑的填充物位测量装置、用于确定填充材料表面的拓扑的方法、用于填充物位测量装置的程序元件以及具有所述程序元件的计算机可读介质。
背景技术
填充材料表面的拓扑的检测尤其可以有利地用于测量散装材料以及在密封容器内部或外部经常出现的散料锥形堆和斗形堆。即使在流动液体的情况下，表面拓扑的检测也能够适用于确定填充物位和/或体积。这种移动的液体在例如在使用搅拌装置以及从搅拌装置产生的液体表面上的流动图像时出现(所谓的漩涡)。必要时在考虑搅拌装置的速度的情况下，表面拓扑的确定可以推导出其它的变量，例如粘度或填充材料的混合。
用于表面的无接触式扫描的方法可以例如以如下的原理为基础：在表面的方向上发射的信号在表面上被反射，并且评估反射信号的传播时间和/或信号强度。为了以足够的精度检测填充材料表面的拓扑，可能需要在填充材料表面的某些区域的方向上执行多个测量，由此可增加这种测量装置或测量方法的复杂性以及成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种紧凑的、稳健的、可靠的、低维护需求的、低磨损的和低成本的用于确定填充材料表面的拓扑的填充物位测量装置。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的其它实施例可以从从属权利要求和以下描述中获得。
本发明的一个方面涉及一种用于确定、获取和/或测量填充材料表面的拓扑的填充物位测量装置。例如，填充材料表面可以是例如容器中或者开放的散装材料保持器上的散装材料表面和/或液体填充材料的表面。填充物位测量装置包括具有至少三个天线装置的天线阵列，每个天线装置被配置为用于发射雷达信号并接收在填充材料表面上被反射的信号。进一步地，填充物位测量装置还具有用于控制天线阵列和/或天线阵列中的天线装置的控制单元。控制单元还可以是用于评估和/或处理天线装置的测量信号的电气控制电路、调整电路、评估电路和/或评估单元。天线阵列具有至少三个天线表面，这些天线表面的表面法向矢量和/或表面法线彼此交叉地布置，天线装置布置在每个天线表面上，使得可以通过每个天线装置确定和/或记录不同的空间角度范围。天线装置均被配置为基于从填充材料表面反射的信号产生与反射信号相关的测量信号。例如，每个天线装置可以确定与填充材料表面和/或填充材料表面的部分区域的距离，所述距离是在所检测的角度范围内的填充材料的填充高度的测量值。此外，控制单元被配置为进一步处理天线装置的测量信号和/或将它们组合成公共测量信号。特别地，控制单元可以被配置为通过组合天线装置的测量信号的至少一部分来确定填充材料表面的拓扑。
在本申请的上下文中，天线阵列可以指的是雷达天线。在本申请的上下文中，天线装置可以被理解为独立工作的天线单元，例如，部分雷达天线和/或部分雷达组，它们均布置在天线阵列的天线表面上，使得通过每个天线装置可以测量填充材料表面的部分区域。由天线装置检测的部分区域至少可以部分地重叠。为了使每个天线装置能够检测填充材料表面的部分区域，天线装置布置在彼此倾斜和/或交叉地布置的天线表面上。天线表面可以例如分别表示天线阵列的部分侧表面。天线表面的表面法向矢量可具有彼此交叉、正交和/或非平行地布置、排列和/或延伸。此外，表面法向矢量可以彼此为交叉的。换句话说，天线表面和布置在其上的天线装置可以相对地朝向彼此地和/或彼此相对地倾斜。通过这种天线表面的布置以及布置在其上的天线装置可以有利地确保每个天线装置可以检测不同的以及其它的空间角度范围内，并且进而检测填充材料表面的不同区域。有利地，可以提供紧凑的、稳健的、可靠的、低维护需求的、低磨损的和低成本的填充物位测量装置，该填充物位测量装置能够检测填充物位测量装置下方的半空间(即大约π和/或180°的总空间角度)，而不必移动填充物位测量装置的部件，例如旋转和/或偏转。
根据本发明的实施例，利用天线装置可检测的空间角度范围通过模拟和/或数字波束成形来改变和/或可以改变。换句话说，利用天线装置可检测的角度范围可以通过电子束偏转或者数字和/或模拟波束成形方法来改变，即可以使用每个天线装置执行模拟和/或数字波束成形。每个天线装置的主波束方向和/或主接收方向可以通过模拟和/或数字波束成形相对于天线表面的相关表面法向矢量来改变，使得可以在不同的角方向上并因而在不同角区域内检测反射率。整体地，可以以这种方式有利地增加填充物位测量装置所检测的空间角度范围。总之，可通过根据本发明的天线阵列和控制装置来提供如下的一种填充物位测量装置，该填充物位测量装置基于由天线装置接收的信号并通过使用数字和/或模拟波束成形方法在位于填充物位测量装置下方的半空间中实现准确的测量。
本发明特别可以基于如下所述的思想和认知来考虑。用于确定散装材料表面的拓扑的传统的基于天线的填充物位测量装置和/或评估方法可以通过模拟和/或数字波束成形而不机械地调整天线的主波束方向来检测不同角度方向上的反射率。然而，仅能够在相对于天线的安装方向的约60°的有限角度范围内可靠地且足够精确地确定天线下方的散装材料表面的拓扑。通过本发明和根据本发明的具有至少三个相互倾斜的天线装置的天线阵列，可以在高达+/-90°的角度范围内测量散装材料表面的拓扑。由此，能够在几乎被填充材料完全填充的容器中进行测量。此外，天线表面和/或天线装置可以被设计为基本平坦和/或平面的，由此实现了低成本的填充物位测量装置。
根据本发明的一个实施例，每个天线装置的主波束方向与天线表面的相关表面法向矢量之间的偏转角度在+/-45°的范围内。在这种情况下，可以设定天线装置的主波束方向和布置有该天线装置的天线表面的表面法向矢量之间的偏转角度。通过上述的与天线装置的最大可检测角度范围相应的偏转角度范围可以确保在填充物位测量装置下方的半空间中高精度地完全获得、确定和/或测量填充材料的拓扑。
根据本发明的一个实施例，天线装置均具有用于发送雷达信号的至少一个发射元件和用于接收反射信号的至少两个接收元件。可替代地，天线装置均具有用于发送雷达信号的至少两个发射元件和用于接收反射信号的至少一个接收元件。因此，发射元件和接收元件通常可以指填充物位测量装置的天线元件。例如，天线元件可以被设计为中空导体元件、贴片元件、喇叭天线元件、介电天线元件和/或杆元件。在此，天线元件可以被设计为用于发送和接收，也就是说，发射元件和接收元件可以被设计为具有相同的结构。发射元件和接收元件也可以被不同地设计。
通常，通过在每个天线表面上，特别是在倒置的天线阵列(例如，倒置的棱锥和/或倒置的截头棱锥的形式)上安装至少一个发射元件和至少两个接收元件或安装至少两个发射元件和至少一个接收元件，可以结合模拟和/或数字波束成形方法提供用于检测拓扑的紧凑的、稳健的、可靠的、低成本的和精确的填充物位测量装置。
根据本发明的实施例，天线装置的发射元件和接收元件以平面的方式布置在相关的天线表面上。例如，发射元件和接收元件可以在天线表面上在一个或多个行和/或列中布置成阵列。可替代地或者可附加地，每个天线装置的直接相邻的发射元件和/或接收元件以小于或等于雷达信号的波长的一半的距离彼此间隔开。换句话说，在天线装置上彼此直接相邻地布置的发射元件和/或接收元件可以具有小于或等于雷达信号的波长的一半的间隔。例如雷达信号的中心频率可以为79GHz，这对应于约3.8mm的波长，从而使两个直接相邻的发射元件和/或接收元件之间的最大距离可为约1.9mm。通过这样的间隔，可以有利地避免从栅瓣，并且可以实现天线装置的更好的聚焦。
根据本发明的一个实施例，天线装置的发射元件和接收元件在相关的天线表面上的以T形方式布置。换句话说，发射元件和/或接收元件可以以T形几何形状分布和/或布置在至少一个天线表面上，特别是每个天线表面上。例如，T形的水平支腿只能具有发射元件，而垂直支腿只能具有接收元件，反之亦然。通常，在一个或多个天线表面上，发射元件可以布置在第一排中，并且接收元件布置在第二排中。相邻的发射元件也可以关于彼此相对于第一排的中间、中心和/或中心线偏移地布置。类似地，相邻的接收元件可以关于彼此相对于第一排的中间、中心和/或中心线偏移地布置。第一排可以以交叉于第二排的方式延伸和/或以交叉于第二排的方式伸展和/或以交叉于第二排的方式布置。特别地，第一排可以基本上与第二排正交，从而形成T形。通过发射元件和/或接收元件的适当复用(特别是时分复用)并且通过对由每个接收元件接收的反射信号的适当评估，可以以这种方式识别出与虚拟阵列的矩形阵列相对应的回波曲线集合。而且，通过该方法，可以有利地减少发射元件和/或接收元件的数量，并进而减少填充物位测量装置的制造成本。
根据本发明的实施例，天线阵列相对于控制单元的位置是固定的。例如，天线装置可以静态地和/或固定地连接到控制单元。通过这种方式，例如与可旋转和/或可偏转的天线阵列相比，可以以有利地减少和/或避免机械移动部件的磨损。
根据本发明的一个实施例，天线装置分别接连地，分别在不同的频带中并且/或者使用码分复用方式被操作和/或激活。这可以例如通过控制装置来触发、控制和/或调节。以这种方式，可以确保各个天线装置的雷达信号彼此不相互影响并且可以彼此区分。在码分复用方法中，例如，雷达信号与各个天线装置的各个代码叠加，从而借助于代码再次将反射信号分配给各个天线装置。
根据本发明的一个实施例，三个天线表面形成天线阵列的棱锥或截头棱锥的侧表面。换句话说，天线阵列可以是棱锥形、具有截头棱锥的形式和/或具有棱锥结构。棱锥形天线装置的尖端可以大致沿着填充材料表面的方向排列。因此，可以确保的是，利用天线阵列可以检测具有至少π的空间角度的半空间。替代地或可附加地，天线表面至少部分地彼此连接。例如，天线表面的边和/或边缘可以彼此连接，从而形成棱锥结构。
根据本发明的实施例，天线阵列具有多于三个的天线装置和多于三个的天线表面，其中，天线装置布置在每个天线表面上。通过这种方式，可以通过增加检测方向来提高填充材料表面的拓扑的确定精度。
根据本发明的实施例，天线序列具有顶表面，在顶表面上布置有另外的天线装置。例如，顶表面可以形成截头棱锥的尖端。例如，喇叭天线和/或另外的天线装置可以布置在截头棱锥上，由此能够以固定的间隔执行用于有效性检查的填充物位测量。
根据本发明的实施例，控制单元被配置成用于基于天线装置的测量信号的至少一部分来确定和/或计算填充材料表面的拓扑、填充材料的密度值、填充材料的质量、填充材料的体积和/或填充材料的粘度。可以例如基于公共测量信号或最终的测量值来确定这些变量。也可以通过处理天线装置的各个测量信号来获得这些变量。为了计算上述变量，也可以考虑作为填充材料的特性的其它变量，例如填充材料的介电常数或晶粒尺寸。
本发明的另一个方面涉及一种利用填充物位测量装置确定填充材料表面的拓扑的方法，填充物位测量装置包括控制单元和具有至少三个分别布置在天线表面上的天线装置的天线阵列，其中，天线表面的表面法向矢量彼此交叉地布置。该方法包括以下步骤：
-将雷达信号发射到每个天线装置；
-使用每个天线装置接收在填充材料表面上被反射的信号；
-通过每个天线装置产生与反射信号相关的测量信号；并且
-通过控制单元将天线装置的测量信号组合成公共的测量信号。
如上和如下所述的填充物位测量装置的特征和元件可以是如上和如下所述的方法的特征和步骤，反之亦然。
本发明的另一方面涉及一种程序元件，该程序元件当在填充物位测量装置的控制单元上被执行时指示填充物位测量装置执行如上和如下所述的方法的步骤。
本发明的另一方面涉及一种计算机可读介质，在计算机可读介质上存储有程序元件，程序元件当在填充物位测量装置的控制单元上被执行时指示填充物位测量装置执行如上和如下所述的方法的步骤。
在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。
附图说明
图1A和1B均示出了根据实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图2示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图3A示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图3B示出了图3A的填充物位测量装置的天线装置。
图3C和3D均示出了图3B的天线装置的虚拟图像。
图4示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图5示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图6示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图7示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置的平面图。
图8示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置。
图9示出了用于说明用于确定填充材料表面的拓扑的方法的步骤的流程图。
图10示出了用于说明用于确定填充材料表面的拓扑的方法的步骤的流程图。
附图中的图示仅仅是示意性的，且不是按照真实比例绘制的。可以使用相同的附图标记来表示相同、等同或相似的元件。
具体实施方式
图1A示出了根据实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100。填充物位测量装置包括具有电气控制电路102的控制单元101以及天线装置104。图1A中的填充物物测量装置用作所谓的旋转式线扫描器，其中天线装置104通过天线支架106连接和/或耦合到控制单元101。特别地，这种填充物物测量装置100用于容器105中的散装材料或开放的材料堆的测量，其中可以确定散装材料108的表面107的轮廓和/或填充材料108的填充材料表面107的拓扑。
天线装置104可以配备有一个或多个发射元件和/或接收元件，这些元件可以允许主波束方向和/或主接收方向110、112、114在可预定角度值116中的改变。因而，可以从不同的主波束方向和/或主接收方向110、112、114检测回波信号和/或回波曲线。通过天线支架106(天线支架似乎可以界定出轴线106)的额外旋转118，因此可以测量填充材料108的填充材料表面107的每个点。用于电子和机械波束偏转的该组合装置的优点在于，在电子波束偏转的情况下，必须设定通常+/-45°的最大角度116，以便能够整个容器105的直至完全填充的状态。
然而，由于所使用的机械部件(例如可旋转的天线支架106)，图1所示的填充物位测量装置100必须是耐磨损的且昂贵的。
图1B示出了根据实施例的另一拓扑检测用填充物位测量装置100。除非另有说明，否则图1B所示的填充物位测量装置100具有与图1A所示的填充物位测量装置100相同的元件和特征。
图1B所示的填充物位测量装置100在天线装置104上具有发射元件120和/或接收元件122的二维阵列。用于测量填充材料表面107所需的波束偏转在这里完全以电子方式通过模拟和/或数字波束偏转方法实现。主波束方向和/或主接收方向110、112、114通过电子方式改变，即不存在填充物位测量装置100的部件的机械运动。然而，这种结构的缺点在于，相对于天线装置104的天线表面126的法线124或法线矢量124的波束偏转可能仅在+/-60°的范围内以足够的精度实现。因此很难实现对几乎完全填充的容器105的散装材料位置和/或填充材料表面107的测量。
图2示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100。除非另有说明，否则图2的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图2的填充物位测量装置100具有天线阵列130，天线阵列130通过紧固装置106和/或天线支架106机械地且刚性地连接到控制单元101。通过这种结构，可以有效地降低填充物位测量装置100的部件磨损。此外，天线阵列130具有至少三个天线装置132、134、136。天线装置132、134、136均被配置为用于发射雷达信号并且接收在材料表面107上被反射的信号。天线装置132、134、136可以均表示天线阵列130的部分天线和/或部分雷达组132、134、136。
天线阵列130还具有至少三个天线表面133、135、137，在每个天线表面上分别布置有天线装置132、134、136中的一个。在图2中所示的实施例中，天线阵列130的形状为棱锥形，其中天线表面133、135、137中的每一者彼此连接并形成棱锥形天线阵列130的表面区域。类似地，天线阵列130具有棱锥形，棱锥形的尖端面对填充材料表面107。天线表面133、135、137的表面法向矢量彼此交叉地布置，从而利用每个天线装置132、134、136检测与每个天线装置132、134、136的主波束和/或主接收方向相对应的不同的空间角度范围138，为了清楚起见，图2仅示出了由天线装置134检测的空间角度范围138。
每个天线装置132、134、136可以通过模拟和/或数字波束成形来实现在预定的角度范围138、140、142中的波束偏转。换句话说，借助于模拟和/或数字波束成形方法，利用天线装置134检测的空间角度范围138可以相对于区域140、142而改变。这同样适用于天线装置132、136(未示出)。
为此目的，每个天线装置132、134、136具有至少两个或多个发射元件144和/或接收元件146。发射元件144和/或接收元件146以平面的方式和/或均匀的方式分布在天线表面133、135、137上。例如，发射元件144和/或接收元件146在天线表面133、135、137布置成行和列。两个相邻发射元件144和/或接收元件146之间的距离小于或等于雷达信号的波长的一半。由于由天线阵列130的棱锥结构和/或棱锥形状有利地产生的天线装置132、134、136的角位置，不需要通过模拟和/或数字波束成形来设定大的偏转角。可以将偏转角定义为天线装置132、134、136的主接收方向和/或主波束方向相对于相关的天线表面133、135、137的法线和/或法线矢量的角度。将要设定的偏转角的典型值在+/-45°的范围内，这可以通过模拟和/或数字波束偏转方法来实现，而相对于所设定的天线的半宽度没有太大的损失。由于每个天线装置132、134、136在+/-45°的范围内的偏转角的设定仅可以检测填充材料表面107的一部分和/或部分区域，所以仅在组合由天线装置132、134确定的测量信号时才能获得填充材料表面107的完整表面轮廓和/或完整拓扑。例如，每个天线装置132、134、136被配置成用于确定与填充材料表面107的距离值，并且控制单元101可以被配置为用于组合各个距离值。可替换地或附加地，天线装置132、134、136均可产生与反射信号相关联的测量信号，并且各天线装置132、134、136的测量信号可以直接通过控制单元101进行组合或者被进一步处理以用于确定各个距离值。
总之，根据本发明，填充物位测量装置100具有由多个独立的具有天线装置132、134、136的形式的部分雷达组132、134、136组成的雷达或天线阵列130。整个雷达天线130可以大致为棱锥形或截头棱锥形(Pyramidenstumpf)，其中部分雷达组132、134、136可以布置在棱锥形的每个部分侧表面或天线表面133、135、137上，并且通过部分雷达组132、134、136来执行模拟和/或数字波束成形。
作为天线阵列130的上述的将各个天线表面133、135、137彼此直接连接的棱锥形构造的替代，各个天线面133、135、137也可以彼此间隔开，并且例如布置和/或固定在支撑结构上。例如，各个天线表面可以彼此连接和/或通过刚性的或可移动和/或弹性的元件相互连接和/或耦合。支撑结构也可以被设计成例如通过机械调节可以改变天线表面133、135、137的定向。可以通过在容器中的组装期间的机械调节来减小天线装置的直径。由此，天线可以穿过小直径管嘴。由此可以允许在具有小管嘴的容器中使用填充物位测量装置。
还可以单独关闭各个天线装置132、134、136。这种情况在例如天线装置132、134、136中的一者布置成直接紧邻容器105的容器壁且只能接收被从容器壁反射的信号时是必需的。
图3A示出了根据本发明的实施例的拓扑测量用填充物位测量装置100。图3B示出了图3A的填充物位测量装置100的天线装置134。图3C和3D均示出了图3B的天线装置134的虚拟图像134和/或最终的虚拟阵列。除非另有说明，否则图3A至3D的填充物位测量装置100具有与上面附图中描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图3A中的填充物位测量装置100的棱锥形天线阵列130的天线表面133、135、137没有以平面的方式布置发射元件144A-D和/或接收元件146A-C，而是以“T”的形式布置。通过这种布置，可以在不降低测量精度的情况下降低填充物位测量装置100的复杂性。
在图3B中，详细示出了用于天线装置134的天线表面135上的发射元件144a-d和接收元件146a-c的T形阵列。天线阵列130的其余天线装置132、136和/或其它天线表面135、137进行类似地设计。发射元件144a-144d布置成行，并形成“T”的水平支腿，其中，通过填充物位测量装置100的控制单元101以时分的方式先后激活、控制和/或操作发射元件144a-144d。接收元件146a-146c布置成列，并形成“T”的垂直支腿，从而通过接收元件146a-146c能够接收在散装材料表面107上被反射的信号。通过对由控制单元101和/或天线装置134的电子元件获得的回波信号的适当评估，可以识别回波曲线的集合，该集合精确地匹配于通过与如图3C所示的天线设备134相关的虚拟天线设备134a获得的集合。换句话说，可以在T形的发射元件144a-144d和接收元件146a-146c的情况下通过时间复用和合适的评估，可以获得与图3C所示的发射元件144和接收元件146的矩形虚拟阵列134a相同的测量结果。因为该虚拟阵列134a的元件144、146在X方向和在Y方向上间隔开的间隔150、152小于或等于雷达信号的波长的一半，所以可以基于这些数据执行明确的数字和/或模拟波束成形，而不会因光栅波瓣的出现而降低测量精度。
图3D示出了借助于虚拟生成的阵列134a的数字波束成形步骤。通过使用数字波束成形方法，原则上，只能设定有限的偏转角156。方位角以及仰角方向的典型值的范围为-60°至+60°。然而，由于天线表面135已经相对于填充物位测量装置100的安装方向倾斜(参见图2和图3A)，所以该角度范围足以测量散装材料表面107的部分区域107a，而不管容器105的填充程度如何，特别是当容器105几乎完全被填充时。
图4示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100。除非另有说明，否则图4的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图4示出了从下方观察的天线阵列130的另一可能实施例。天线装置130具有三侧面的棱锥结构，该结构具有三个天线表面133、135、137，每个天线表面容纳填充物位测量装置100的天线装置132、134、136。
图5示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100。除非另有说明，否则图5的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图5示出从下方观察的天线阵列130的另一可能实施例。天线阵列130具有四个天线表面133a-133d和四个天线装置134a-134d。
图6示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用填充物位测量装置100。除非另有说明，否则图6的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图6示出从下方观察的天线阵列130的另一可能实施例。天线阵列130具有五个天线表面133a-133e和五个天线装置134a-134e。原则上，可以提供任何数量的天线装置和天线表面，但是天线阵列130的复杂性随着其数量的增加而增加。
图7示出了根据本发明的实施例的拓扑测量的填充物位测量装置100的平面图。除非另有说明，否则图7的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图7示出了容器105的平面图并且示出了在使用多个天线装置132时的操作过程。类似于图6，图7所示的填充物位测量装置100总共具有五个天线表面133以及五个天线装置132或者部分天线132。每个天线装置132或部分天线132被填充物位测量装置100和/或控制单元101先后地激活，以便防止测量的相互干扰。或者，可以想到的是，各个天线装置132使用频分复用和/或码分复用雷达方法来避免同时传输期间的相互干扰。天线装置132的拓扑测量可以例如获得被分配给容器105中的散装材料108的区域107a的表面的测量值。由于由天线装置132测量的区域107a在空间上是有限的，所以仅需要主波束和/或主接收方向138、140、142相对于天线装置132的表面法线的相对小的变化。以这种方式确保进行高质量的测量。
图8示出了根据本发明的实施例的拓扑检测用物位测量装置100。除非另有说明，否则图8的填充物位测量装置100具有与前面的附图描述的填充物位测量装置100相同的特征和元件。
图8所示的填充物位测量装置100可以被认为是组合的填充物位和拓扑测量装置。填充物位测量装置具有棱锥形天线阵列130，其中天线阵列的基体被设计为截头棱锥，在基体的天线表面133和/或侧表面133上设置有波束成形所需的发射和/或接收元件144、146。在棱锥主体的面向填充材料108的顶表面160上可以设置和/或安装用于提高测量精度的另一天线162，例如喇叭天线162，以用于以预定的时间间隔执行传统的填充物位测量并且由此通过有效性检验和/或有效性检查来证明填充物位测量装置100的正常功能，例如在安全苛求系统中。使顶表面160配备有另外的天线装置132也是可行的。其也可以取消附加的天线的安装，并且根据上面概述的原则，使用具有与棱锥主体类似的基体的天线阵列130以用于纯粹的拓扑测量。在这种情况下，将引起天线尺寸的减小，这特别在小容器105中是有利的。
图9示出了用于说明通过填充物位测量装置测量填充材料表面的拓扑的方法步骤的流程图，其中，填充物位测量装置具有控制单元101和具有至少三个布置在天线表面133上的天线设备132的天线阵列130，其中，天线表面133的表面法向矢量133a彼此交叉地布置。
在第一步骤S1中，利用三个天线装置132中的每者来发送雷达信号。特别地，雷达信号可以以彼此间和/或前后间的时间偏移来传输。在另一步骤S2中，利用每个天线装置132接收在填充材料表面107上反射的信号。在步骤S3中，通过每个天线装置132产生与反射信号相关的测量信号。在第四步骤S4中，通过控制单元101来组合天线装置132的测量信号，以形成公共测量信号。
图10示出了用于说明用于确定填充材料表面的拓扑的方法的步骤的流程图。图10示出了根据本发明的填充物位测量装置100的操作过程。
该方法从起始状态S0开始。首先，在步骤S1中，激活天线装置130的第一部分天线132和/或天线装置132。在步骤S2中，通过使用天线装置132，根据已知的方法(例如模拟波束成形、数字波束成形和/或虚拟阵列形成)在散装材料108的表面107的第一部分区域中确定拓扑。将所确定的拓扑存储在填充物位测量装置100的存储器中。在步骤S3中，激活第二部分天线134和/或天线装置134，并且在步骤S4中，根据上述方案确定散装材料表面107的第二部分区域中的拓扑。也将特征值存储在存储器中。在步骤S5中，激活第三部分天线136和/或天线装置136，并且在步骤S6中，将由此确定的拓扑存储在存储器中。如果存在另外的部分天线和/或天线装置，则其也在步骤S7中激活该部分天线和/或天线装置，并且在步骤S8中，确定位于这些天线装置下方的散装材料表面107的部分拓扑确定并将其存储在存储器中。一旦所有天线装置通过运行，则在步骤S9中，确定容器105中的散装材料108的整体拓扑。在步骤S10中，通过控制单元101获得表面107的轮廓和/或从该轮廓推导出的值，例如填充物位、质量、体积和/或散装材料位置，并且作为组合的测量信号和/或测量值而被提供。例如，可以在步骤S10中将测量值发送和/或传送到控制站。该方法最终在步骤S11中结束。
另外，应该指出，“完全”并不排除其它要素或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。还应当指出，参考上述实施例之一描述的特征或步骤也可以与上述其它实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不被认为具有限制性。
交叉引用参考
本申请要求于2016年10月17日提交的欧洲专利申请第16194083.8号的优先权，在此将该申请的全部内容以引用的方式合并到本文中。
Claims (15)
1.一种用于确定填充材料表面(107)的拓扑的填充物位测量装置(100)，其具有：
具有至少三个天线装置(132、134、136)的天线阵列(130)，所述天线装置均被配置成用于发射雷达信号并接收在所述填充材料表面(107)上被反射的信号；和
控制单元(101)，
其中，所述天线阵列(103)具有至少三个天线表面(133、135、137)，所述天线表面的表面法向矢量彼此交叉地布置，
其中，所述天线装置(132、134、136)分别布置在所述天线表面(133、135、137)上，使得能够利用每个所述天线装置检测不同的空间角度区域(138、140、142)，
其中，每个所述天线装置(132、134、136)被配置成基于所述被反射的信号产生测量信号，并且
其中，所述控制单元(101)被配置成进一步处理所述天线装置的所述测量信号并且/或者将所述测量信号组合成公共测量信号。
2.根据权利要求1所述的填充物位测量装置(100)，
其中，利用所述天线装置(132、134、136)能够检测的所述空间角度区域(138、140、142)能够通过模拟和/或数字波束成形进行改变。
3.根据权利要求1或2所述的填充物位测量装置(100)，
其中，每个所述天线装置(132、134、136)的主波束方向(138)与所述天线表面(133、135、137)的相关的表面法向矢量之间的偏转角度处于+/-45°的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线装置(132、134、136)均具有至少一个用于发射所述雷达信号的发射元件(144)和至少两个用于接收所述被反射的信号的接收元件(146)，或者
其中，所述天线装置(132、134、136)均具有至少两个用于发射所述雷达信号的所述发射元件(144)和至少一个用于接收所述被反射的信号的所述接收元件(146)。
5.根据权利要求4所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线装置(132、134、136)的所述发射元件(144)和所述接收元件(146)以平面的方式布置在相关的所述天线表面(133、135、137)上，并且/或者
其中，每个所述天线装置(132、134、136)的直接相邻的所述发射元件(144)和/或所述接收元件(146)以小于或等于所述雷达信号的波长的一半的间距彼此间隔开。
6.根据权利要求4或5所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线装置(132、134、136)的所述发射元件(144)和所述接收元件(146)T形地布置在相关的所述天线表面(133、135、137)上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线阵列(130)的位置相对于所述控制元件(101)是固定的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线装置(132、134、136)分别接连地操作，分别在不同的频带内操作，并且/或者使用码分复用方法操作。
9.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述三个天线表面(133、135、137)形成所述天线阵列(130)的棱锥或者截头棱锥的侧表面，并且/或者
其中，所述天线表面(133、135、137)至少部分地彼此连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线阵列(130)具有多于三个的所述天线装置(132a-132e)和多于三个的所述天线表面(133a-133e)，其中，所述天线装置(132a-132e)分别布置在所述天线表面(133a-133e)上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线阵列(130)具有顶表面(160)，在所述顶表面上布置有另外的天线装置(162)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述控制单元(101)被配置为基于所述天线装置(132、134、136)的所述测量信号的至少一部分来确定所述填充材料表面(107)的拓扑、填充材料(108)的密度值、所述填充材料(108)的质量、所述填充材料(108)的体积和/或所述填充材料(108)的粘度。
13.一种用于利用填充物位测量装置(100)测量填充材料表面(107)的拓扑的方法，所述填充物位测量装置具有控制单元(101)和天线阵列(130)，所述天线阵列具有分别布置在天线表面(133、135、137)上的至少三个天线装置(132、134、136)，其中，所述天线表面(133、135、137)的表面法向矢量彼此交叉地布置，所述方法包括以下步骤：
-利用每个所述天线装置(132、134、136)发射雷达信号；
-利用每个所述天线装置(132、134、136)接收在所述填充材料表面(107)上被反射的信号；
-通过每个所述天线装置(132、134、136)产生与所述被反射的信号相关的测量信号；和
-通过所述控制单元(101)将所述天线装置(132、134、136)的所述测量信号组合成公共测量信号。
14.一种程序单元，所述程序单元当在填充物位测量装置(100)的控制单元(101)上被执行时指示所述填充物位测量装置(100)执行根据权利要求13所述的方法的步骤。
15.一种计算机可读介质，在所述计算机可读介质上存储有根据权利要求14所述的程序单元。
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