CN108027272A - 测试基于雷达的填充水平测量装置的功能性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测试基于FMCW的填充状态测量装置的功能性的方法，该装置用于测量位于容器(1)中填充物质(2)的填充状态，本发明还涉及一种适合于执行这种方法的填充水平测量装置。为了测试功能性，产生微波信号(S2)，该信号的频率变化(f’2)不同于在常规测量操作期间所使用的测量信号(S1)的频率变化(f’1)。通过将来源于微波信号(S2)的差分信号(ZF2)的频率(f2)与指定的参考频率(fp)进行比较来确定填充状态测量装置的功能性。因此，填充状态测量装置自主地检测其功能或者是否已经出现了由装置内部干扰信号引起的错误。特别地，本发明在维持现场装置相关的安全标准方面提供了明显的优点。

Description

测试基于雷达的填充水平测量装置的功能性的方法
本发明涉及一种用于检查基于雷达的填充水平测量装置的功能性能力的方法，该装置用于测量位于容器中的填充物质的填充水平，本发明还涉及一种适合于执行这种方法的填充水平测量装置。
用于记录和/或影响过程变量的现场装置频繁用在自动化技术特别是过程自动化技术中。在填充水平测量装置中，用于记录过程变量的是传感器，例如流量测量装置、压力和温度测量装置、pH氧化还原电位测量装置、电导率测量装置等，用于记录对应的过程变量、填充水平、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位和电导率。用于影响过程变量的是致动器，诸如例如阀或泵，通过致动器可改变管道部分中的液体流动或容器中的填充水平。原则上靠近于过程应用并且传递或处理过程相关信息的所有装置都被称为现场装置。就本发明而言，术语现场装置因此也包括远程I/O、无线电适配器以及设置在现场水平的一般电子部件。大量的这种现场装置由Endress+Hauser公司制造和销售。
在填充水平测量装置的情况下，非接触式测量方法是有利的，这是因为它们坚固并且具有低维护特征。进一步的优点是它们能够连续地测量填充水平，因此具有实质上无限高的分辨率。因此，在连续填充水平测量领域中主要采用了基于雷达的测量方法。在这种情况下，建立的测量原理是行进时间测量原理，也被称为脉冲雷达。在这种情况下，朝向填充物质发射雷达信号脉冲，并且测量直至接收到回波信号时的行进时间。
这种测量原理能够使基于脉冲雷达的填充水平测量装置被具体实施，在其电路方面不用费很大力气。然而，这种类型的测量装置的分辨率有限。其一个原因是发射的微波信号脉冲不能无穷短。因此，行进时间的测量精度并因此填充水平的测量精度被降低。
在脉冲雷达领域中使用了最多样化的方案来克服这些限制。许多方案旨在从脉冲中获得附加的相位信息，以便能够更准确地确定行进时间。在WO2013/092099A1中描述了这样一种方法，其中统计学地记录相位信息，以确定脉冲最大值的确切时间点。然而，在这个方向发展的方案需要更复杂的评估电路。这样就丧失了脉冲雷达方法的实际优点，即易于电路实现的机会。
在可以容忍更复杂的电路技术的范围内，对于基于雷达的填充水平测量而言有利的是FMCW方法，其原则上能够实现更高的分辨率。基于FMCW的雷达测距方法涉及连续地发射高频微波信号。在这种情况下，信号的频率位于标准化基频(f0)区域内的固定频率带中。根据标准，使用了6-GHz区域、26-GHz区域和79-GHz区域内的频率带。FMCW方法的特点是发射频率不是恒定的，而是在频率带内周期性地变化。在这种情况下，变化可以是线性的并且具有锯齿形或三角形的形状，或者正弦形状，这取决于应用。
如同脉冲雷达的情况，在基于FMCW的填充水平测量方法的情况下还存在一个特殊的挑战，即因为干扰信号，无法在不怀疑识别的正确性的情况下识别测量信号。因此可能产生了有缺陷的测量值，以此为基础，降低了填充水平测量装置的功能性能力。在这种情况下，一个重要的原因是接收干扰回波信号，干扰回波信号不是出现在填充物质的表面上，而是由发射的信号在诸如安装在容器中的搅拌器或其他物体的干扰体上的反射而引起的。
多年来已经开发了许多用于识别和滤除这些类型的干扰回波信号的技术方法。因此，从WO2012/139852A1中获知一种用于校准基于FMCW的填充水平测量装置的方法，在该方法中，借助于定位在测量装置和填充物质之间的摆动的参考反射镜而产生明确的校准信号。
然而，除了由发射的信号的反射所引起的干扰回波信号之外，还存在着直接影响填充水平测量装置的接收电子装置的其他类型的干扰信号。这样类型的一种干扰信号是外部穿透的电磁干扰辐射。然而，干扰信号的另一个来源可能是填充水平测量装置中的有缺陷的高频分量。结果，当检测到可能有效的接收信号时，导致输出相应的错误的填充水平测量值，这尤其与安全性有关。
目前的安全规范要求填充水平测量装置在出现这种错误的情况下必须认识到它们是功能丧失的。在其他地方中，这种规范被阐述在标准DIN EN 61511/61508中，其中定义了将要维持的“安全完整性水平”(SIL)。
因此，本发明的目的是提供一种方法，利用该方法可以检查基于FMCW的填充水平测量装置的功能性能力。
本发明通过一种用于检查基于雷达的填充水平测量装置的功能性能力的方法来实现该目的，该装置用于测量位于容器中的填充物质的填充水平(L)。在这种情况下，所述方法包括如下的方法步骤：
在测量操作期间，
-借助于第一周期性电信号(s1)产生第一微波信号(S1)，其中所述第一电信号(s1)在基频(F0)区域中具有近似恒定的第一频率变化(f’1)，
-所述第一微波信号(S1)在填充物质的表面方向上被发射，
-接收由所述第一微波信号(S1)的反射产生的第一回波信号(E1)并转换成第一电接收信号(e1)，
-通过将所述第一接收信号(e1)与所述第一电信号(s1)混合来产生第一差分信号(ZF1)
-确定所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)，
-基于所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)确定填充水平(L)，
补充地，为了检查功能性能力，
-借助于第二周期性电信号(S2)产生第二微波信号(S2)，其中所述第二电信号(S2)在基频(f0)区域内具有不同于所述第一频率变化(f’1)的第二大致恒定的频率变化(f’2)，
-所述第二微波信号(S2)在填充物质的表面方向上被发射，
-接收由所述第二微波信号(S2)的反射产生的第二回波信号(E2)并转换成第二电接收信号(e2)，
-通过将所述第二接收信号(e2)与所述第二电信号(s2)混合来产生第二差分信号(ZF2)
-确定所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)，
-检查所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)与参考频率(fp)是否一致，其中参考频率(fp)与所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)相比较具有预定的数值，
-对于其中所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)与所述预定频率(fp)不一致的情况，将所述测量装置分类为功能上丧失能力。
因此，利用该方法检查从功能正常的填充水平测量装置中的第一频率改变(f’1)偏离的第二频率改变(f’2)是否导致第二差分信号(ZF2)的限定的偏移频率(f2)。如果不是这种情况，则处理后的接收信号(e1，e2)不是由回波信号(E1，E2)引起的，并且将做出功能上丧失能力的现场装置的假设。计算作为用于检查的参考频率(fp)的位移是起因于相互不同的频率变化(f’1，f’2)：
对于其中在检查功能性能力中第二差分信号(ZF2)的频率(f2)明确地偏离参考频率(fp)的情况，从中将假设填充水平测量装置是功能上丧失能力的。
实施例的一种有利形式提供了在测量操作期间以预定的间隔执行功能性能力的检查。以这种方式，确保了功能性能力的定期检查，其中间隔长度可根据所需的安全水平来选择。
在该方法的另一种形式中，第一差分信号(ZF1)和/或第二差分信号(ZF2)被模数转换器数字化。以这种方式，可以在数字基础上执行对差分信号(ZF1，ZF2)的简化的进一步处理。
该方法的变体提供了第一电信号(s1)的频率变化(f’1)对应于第二频率变化(f’2)的近似整数倍。这便于计算基于上述公式计算的参考频率。
在该方法的优选实施例中，通过第一差分信号(ZF1)的傅里叶变换来确定第一差分信号(ZF1)的频率(f1)。可以通过可接受程度的效果以电路方式进行傅立叶变换。在这种情况下，原则上可以使用任何形式的傅里叶变换，例如离散傅立叶变换(DFT)。然而，通过快速傅立叶变换(FFT)提供了特别小的计算量。
因此，当通过第二差分信号(ZF2)的傅立叶变换来确定第二差分信号(ZF2)的频率(f2)时也是有利的。
该方法的优选变型提供了通过电信号(s1，s2)的锯齿形激励来产生频率变化(f’1，f’2)。在这种情况下，本发明原则上允许频率变化(f’1，f’2)既可以是正的也可以是负的。类似地，根据本发明的电信号(s1，s2)可以具有偏离彼此的周期性。此外，根据本发明，频率变化(f’1，f’2)中的任何一个可以具有比其他频率变化(f’1，f’2)更大的数值。
作为该方法的后一种变型的替代，可以通过电信号(s1，s2)的三角形激励来产生频率变化(f’1，f’2)。而且，在这种形式的激励的情况下，本发明提供了关于在三角形激励的情况下电信号(s1，s2)是否具有相同周期性的选择，只要激励位于基频f0区域中即可。
此外，本发明通过用于执行在前述权利要求的至少一项中所述的方法的填充水平测量装置来实现该目的。为此目的，所述填充水平测量装置包括如下部件：
-用于产生电信号(s1，s2)的信号产生单元，
-用于发射微波信号(S1，S2)和/或用于接收回波信号(E1，E2)的天线单元，
-用于混合电信号(s1，s2，e1，e2)的混合器，以及
-用于确定填充水平(L)和/或用于检查填充水平测量装置的功能性能力的评估单元。
所叙述的单元可以以不同的变型来实施。在这种情况下，还包括可以在电路的单个部件中实施所提到的多个单元。
实施例的另一种形式提供了所述评估单元包括差分信号(ZF1，ZF2)的频率(f1，f2)能通过的带通滤波器。以这种方式抑制了与填充水平(L)不相关的可能的副频率，从而简化了对差分信号(ZF1，ZF2)的频率(f1，f2)的确定。
相应地，在填充水平测量装置的有利实施例中，所述评估单元包括用于放大差分信号(ZF1，ZF2)的放大器。而且，在相应选择放大系数的情况下，该实施例影响着差分信号(ZF1，ZF2)的频率(f1，f2)的简化确定。
现在将基于附图来解释本发明，如下附图示出：
图1是用于执行本发明的方法的填充水平测量装置，
图2a是电信号s1和s2的锯齿形激励，
图2b是电信号s1和s2的三角形激励，
图3a是在第二差分信号ZF2的频率f2与参考频率fp一致的情况下差分信号ZF1和ZF2的频率谱，和
图3b是在第二差分信号ZF2的频率f2与参考频率fp不一致的情况下差分信号ZF1和ZF2的频率谱。
图1示出了一种填充水平测量装置，其适合于本发明方法的实施例，并且因此能够检查填充水平测量装置的功能性能力。图示的填充水平测量装置是基于通常用于基于FMCW的填充水平测量装置的构造。负责产生微波信号S1和S2的是信号产生单元3。对于FMCW典型地，信号产生单元3产生位于GHz区域中的基频f0区域中并且具有恒定的频率变化f’1，f’2的电信号s1和s2。在测量操作中，信号产生单元3专门地产生具有第一恒定频率变化f’1的第一电信号s1。为了检查填充水平测量装置的功能性能力，代替第一信号s1，产生具有偏离第一频率变化f’1的第二频率变化f’2的第二电信号s2。在这种情况下，它取决于信号产生单元3的控制，以一定间隔进行检查。
信号产生单元3可以是例如包括合适的石英晶体的压控振荡器。根据本发明，信号产生单元3产生具有不同频率变化f’1，f’2的信号s1和s2。在图2a和图2b中示出了信号产生单元3用于产生电信号s1和s2的激励的可能特征形式。
图2a示出了电信号s1和s2的锯齿形激励。如示出的，频率变化f’1，f’2的锯齿形激励一方面是线性的，并且另一方面具有随时间增加的频率。然而，具有随时间降低的频率的锯齿形激励也可用于本发明。在图2a中电信号s1和s2的周期性彼此略微偏离。根据本发明，周期性一致不是必要的。然而有利的是，周期性至少处于相同的数量级。
在图2b中示出了用于电信号s1和s2的一种可能的替代激励形式。在这里，以三角形的频率变化f’1和f’2发生激励。在这种情况下，频率变化f’1或f’2的幅度|f’1|或|f’2|在频率增加的周期部分和频率减小的周期部分中是相等的。同样，图2b中所示的电信号s1和s2的三角形激励不具有完全相等的周期性。然而，如在锯齿形激励的情况下那样，同样在三角形激励的情况下，电信号s1和s2的周期性处于相同的数量级或者甚至相等是有利的。
在图1所示的填充水平测量装置中，借助于电信号s1和s2在天线单元4中产生微波信号S1和S2，其中微波信号S1和S2在位于容器1中的填充物质2的方向上发射。对应于电信号s1和s2，微波信号S1和S2也具有图2a或图2b所示的频率特性。图1示出了天线单元4除产生微波信号S1和S2以外，还接收由微波信号S1和S2在填充物质2的表面上反射而引起的回波信号E1和E2。替代图示，根据本发明还可以存在单独的接收天线。
回波信号E1和E2由天线单元4转换成电接收信号e1和e2。在测量操作中，接收信号e1在混合器5中与发射信号s1混合。类似地，在检查功能性能力的情况下，接收信号e2与发送信号s2混合。
差分信号ZF1和ZF2由接收信号e1或e2与发射信号s1或s2的混合产生，其中差分信号ZF1和ZF2的特定特征频率f1，f2是由发射信号s1或s2的瞬时频率和接收信号e1或e2的瞬时频率的频率差所造成的。
为了确定差分信号ZF1和ZF2的频率f1，f2，填充水平测量装置包括评估单元6。在这种情况下，通过由为此提供的计算单元进行快速傅立叶变换来执行确定。像往常处理这种数据一样，这是基于数字数据进行的。因此，在图1所示的评估单元6的情况下，将快速傅里叶变换置于模数转换器之后。类似地，如同通常在基于FMCW的填充水平测量装置的情况下一样，评估单元6包括信号放大器和带通滤波器，其中差分信号ZF1和ZF2的频率f1和f2能通过该带通滤波器。这样，频率f1，f2在从快速傅里叶变换获得的频率谱中尽可能多地显示出来。根据从差分信号ZF1和ZF2获得的频率谱，可以推导出填充水平测量装置在功能上是否是可行的。
在图3a和3b中示出了在完成快速傅立叶变换之后得到的两个示意性频率谱，其中在图3b所示的频率谱的情况下，填充水平测量装置在功能上是丧失能力的。
在两个图(图3a和3b)中，频率谱既包含在测量操作的情况下获得的差分信号ZF1的频率谱，也包含在检查功能性能力的同时获得的差分信号ZF2的频率谱。每个差分信号ZF1，ZF2都包括与相关的差频f1，f2相关联的表征最大值。在图3a所示的频率谱中，差分信号ZF2的频率f2与参考频率fp一致，而在图3b中则不是这种情况。由此，根据本发明推导出填充水平测量装置在功能上是丧失能力的。
在图1中所示的填充水平测量装置的情况下，由微控制器μC执行基于频率谱对f1和f2的确定以及检查频率f2与参考频率fp是否一致，其中微控制器μC是评估单元6的组件。因此，填充水平测量装置可以对功能性能力进行检查。其结果是，例如可以在填充水平测量装置的显示器上显示装置何时在功能上丧失能力，或者该信息可以被发送到上级单元，从而避免了由有缺陷的填充水平测量值导致的容器1中的安全关键填充水平。
参考符号列表
1 容器
2 填充物质
3 信号产生单元
4 天线单元
5 混合器
6 评估单位
E1，E2 回波信号
e1，e2 接收信号
fp 参考频率
f1，f2 差分信号(ZF1，ZF2)的频率
f’1，f’2 电信号(s1，s2)的频率变化
f0 基频
L 填充水平
S1，S2 微波信号
s1，s2 电信号
ZF1，ZF2 差分信号

Claims (11)

1.一种用于检查基于雷达的填充水平测量装置的功能性能力的方法，所述填充水平测量装置用于测量位于容器(1)中的填充物质(2)的填充水平(L)，其中所述方法包括以下步骤：
在测量操作期间，
-借助于第一周期性电信号(s1)产生第一微波信号(S1)，其中所述第一电信号(s1)在基频(f0)区域中具有近似恒定的第一频率变化(f’1)，
-所述第一微波信号(S1)在所述填充物质(2)的表面方向上被发射，
-接收由所述第一微波信号(S1)的反射产生的第一回波信号(E1)并转换成第一电接收信号(e1)，
-通过将所述第一接收信号(e1)与所述第一电信号(s1)混合来产生第一差分信号(ZF1)，
-确定所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)，
-基于所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)来确定填充水平(L)，补充地，为了检查功能性能力，
-借助于第二周期性电信号(s2)产生第二微波信号(S2)，其中所述第二电信号(s2)在所述基频(f0)区域中具有不同于所述第一频率变化(f’1)的近似恒定的第二频率变化(f’2)，
-所述第二微波信号(S2)在所述填充物质(2)的表面方向上被发射，
-接收由所述第二微波信号(S2)的反射产生的第二回波信号(E2)并转换成第二电接收信号(e2)，
-通过将所述第二接收信号(e2)与所述第二电信号(s2)混合来产生第二差分信号(ZF2)，
-确定所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)，
-检查所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)与参考频率(fp)是否一致，其中所述参考频率(fp)与所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)相比具有预定的数值，
-对于所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)与所述预定的频率(fp)不一致的情况，所述测量装置被分类为功能上丧失能力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，在测量操作期间以预定的间隔执行所述功能性能力的检查。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述第一差分信号(ZF1)和/或所述第二差分信号(ZF2)被模数转换器数字化。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其中，所述第一电信号(s1)的频率变化(f’1)对应于所述第二频率变化(f’2)的近似整数倍。
5.根据权利要求1至4中的至少一项所述的方法，其中，通过所述第一差分信号(ZF1)的傅里叶变换来确定所述第一差分信号(ZF1)的频率(f1)。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其中，通过所述第二差分信号(ZF2)的傅立叶变换来确定所述第二差分信号(ZF2)的频率(f2)。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的方法，其中，通过所述电信号(s1，s2)的锯齿形激励来产生频率变化(f’1，f’2)。
8.根据权利要求1至6中的至少一项所述的方法，其中，通过所述电信号(s1，s2)的三角形激励来产生频率变化(f’1，f’2)。
9.一种用于执行根据前述权利要求中的至少一项所述的方法的填充水平测量装置，包括：
-用于产生电信号(s1，s2)的信号产生单元(3)，
-用于发射微波信号(S1，S2)和/或用于接收回波信号(E1，E2)的天线单元(4)，
-用于将电信号(s1，s2，e1，e2)进行混合的混合器(5)，
-用于确定填充水平(L)和/或用于检查所述填充水平测量装置的功能性能力的评估单元(6)。
10.根据权利要求9所述的填充水平测量装置，其中，所述评估单元(6)包括所述差分信号(ZF1，ZF2)的频率(f1，f2)能通过的带通滤波器。
11.根据至少权利要求9或10所述的填充水平测量装置，其中，所述评估单元(6)包括用于放大所述差分信号(ZF1，ZF2)的放大器。
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