CN108431557B - 用于确定位于容器中的填充物质的料位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于确定在容器(1)中的填充材料(2)的料位(L)的方法。基于脉冲传播时间方法的此方法通过超程回波可以被检测的事实加以区别。为此目的，该方法包括两个子方法，其中在每种情况下，在连续的测量循环中以不同的重复率(fR1，fR2)在填充材料(2)表面的方向上发射微波脉冲(S1，S2)。在每个子方法中，确定每种情况下的传播时间(t1，t2)。在这种情况下，假定第一传播时间(t1)和第二传播时间(t2)大致对应，基于第一传播时间(t1)和/或基于第二传播时间(t2)来确定料位(L)。否则，假定基础的回波脉冲(E1，E2)是超程回波。借助于根据本发明的方法，因此可以确保在基于脉冲雷达的料位测量中不确定作为超程回波结果的不正确的料位值。

Description

用于确定位于容器中的填充物质的料位的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定位于容器中的填充物质的料位的方法以及适合于执行该方法的料位测量装置。
背景技术
用于记录和/或影响过程变量的现场装置频繁应用于自动化技术特别是过程自动化技术中。用于记录过程变量的是传感器，传感器被集成到例如料位测量装置、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、电导率测量装置等中，用于记录对应的过程变量、料位、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和容器中的料位。原则上靠近于过程被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。
为了测量料位，非接触式测量方法是优选的，这是因为它们坚固并且需要少的维护。进一步的优点是无级测量的能力。为此，根据脉冲传播时间原理工作的基于雷达的特殊测量方法已经变得很普遍。在这些也称为脉冲雷达的测量方法的情况下，以预定的重复率向填充物质周期性地发送短微波脉冲，例如，重复率在1到10MHz的数量级，并且中心频率在千兆赫范围内。在基于脉冲雷达的料位测量装置，诸如例如在Endress+Hauser公司的FMR20系列的情况下，这发生在大约7MHz的重复率下。向填充物质发射的微波脉冲在填充物质的表面上反射。反射的回波脉冲随后在取决于料位的传播时间之后被接收回来。料位根据传播时间来确定。
在这种测量方法中，一种潜在的误差来源为不是接收了填充物质表面上反射的回波脉冲并且为了确定料位而将其考虑在内，而是错误地接收了干扰回波。这种干扰回波可通过微波脉冲在干扰体或容器内表面上的反射而引起。但是，部分干扰回波可通过在空箱情况下进行参考测量并利用该参考数据来调和后续的测量值加以识别并且被从进一步的处理中排除。在公开WO 2011/076478 A2中描述了这种方法。
然而，不能通过这样的参考测量可靠地检测并非直接由静态干扰体引起的干扰回波。尤其是在所谓的超程回波的情况下，情况确实如此。这种回波由于在容器内多次反射而产生超长的传播时间，使得由于在MHz区域中具有相对较高的脉冲重复率，它们仅在发射下一个微波脉冲之后才被接收到。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种可以识别超程回波的方法。
本发明通过用于确定位于容器中的填充物质的料位的方法来实现该目的。该方法基于脉冲传播时间方法，包括如下的方法部分：
在第一方法部分中，在一个接一个的测量循环中具有第一重复率，
-将具有第一中心频率的第一微波脉冲在填充物质表面的方向上发射，
-在发射第一微波脉冲之后，接收至少一个第一回波脉冲。
在这种情况下，确定在发射第一微波脉冲和接收至少一个第一回波脉冲之间的第一传播时间。
在第二方法部分中，在一个接一个的测量循环中具有第二重复率，
-将具有第二中心频率的第二微波脉冲在填充物质表面的方向上发射，
-在发射第二微波脉冲之后，接收至少一个第二回波脉冲，
其中确定在发射第二微波脉冲和接收至少一个第二回波脉冲之间的第二传播时间。
针对第一传播时间和第二传播时间大致一致的情况，随后基于第一传播时间和/或基于第二传播时间来确定料位。否则，假定这样的回波脉冲是超程回波。借助于本发明的方法，因此可以确保在基于脉冲雷达的料位测量的情况下，不确定作为超程回波结果的错误的料位值。
在该方法的进一步发展中，至少在第一方法部分的一个测量循环中，以预定延迟发射第一微波脉冲，该预定延迟近似对应于第一中心频率两倍的倒数，和/或至少在第二方法部分的一个测量循环中，以预定延迟发射第二微波脉冲，该预定延迟近似对应于第二中心频率两倍的倒数。视情况而定，该延迟对应于第一或第二中心频率的一半波长。延迟单个微波脉冲的优点在于，作为在测量循环上对微波脉冲进行平均的结果，实现了对超程回波的信号强度的衰减。在这种情况下，不会降低来自微波脉冲S1，S2在填充物质2的表面上反射的回波脉冲E1，E2的信号强度。这种进一步发展提供了不仅仅通过发现不同的第一和第二传播时间来检测超程回波的机会。补充地，在连续使用这种进一步发展的情况下，也可以通过这样的事实来识别超程回波，即作为将测量循环上的微波脉冲进行平均的结果，相应回波脉冲的信号强度被顺序地减小或增加，这要视情况而定。
在该进一步发展的优选变形中，对于其中在第一方法部分和/或第二方法部分的多个测量循环中延迟发射微波脉冲的情况，随机地控制延迟发射第一微波脉冲和/或第二微波脉冲的测量循环。这样，超程回波E1，E2的信号强度可以减小到20dB。
在本发明的范围内，一方面，同时执行第一方法部分和第二方法部分是可能的。然而，有利地，交替地执行第一方法部分和第二方法部分。在这种情况下，可以根据需要自由地设定两个方法部分之间的交替率以及时间比。
此外，本发明的目的通过用于执行如上所述的方法的至少一个变形的料位测量装置来实现。为此，该料位测量装置包括：
-脉冲产生单元，用于产生第一微波脉冲和/或第二微波脉冲，
-发射/接收单元，用于发射第一微波脉冲和/或第二微波脉冲，以及用于接收至少一个第一回波脉冲和/或至少一个第二回波脉冲，以及
-评估单元，用于基于第一传播时间和/或基于第二传播时间来确定料位，和/或用于控制脉冲产生单元。
料位测量装置的部件通常是现有技术中已知的。因此，也可以通过相应地扩展已有的料位测量装置中的软件来实施本发明的方法。
本发明的料位测量装置的进一步发展提供了脉冲产生单元包括用于延迟第一微波脉冲和/或第二微波脉冲的发射的延迟单元。借助于这种延迟单元，诸如已经结合本发明的方法所描述的，可以实现超程回波的信号强度的衰减。因此，通过延迟单元的顺序应用可以补充地检测超程回波，这同样基于了以下事实，即按照情况而定，相应回波脉冲的信号强度顺序地减小或增加。
附图说明
现在将基于附图来解释本发明，附图示出了如下内容：
图1a，1b是根据时间的发射的微波脉冲和由此得到的接收的回波脉冲的两个示意图，
图2是用于执行本发明的方法的料位测量装置的第一实施例，以及
图3是用于执行本发明的方法的料位测量装置的第二实施例。
具体实施方式
图1a和1b示出了本发明的用于确定容器1中的填充物质2的料位L的方法的功能原理。该方法通过如此地识别超程回波加以区别。该方法的基本特征是以至少两种不同的重复率fR1，fR2发射微波脉冲S1，S2。就此而言，图1a和1b示出了根据时间的发射微波脉冲S1，S2以及相关的接收回波脉冲E1，E2，其中将信号强度[S1，S2，E1，E2]绘制在纵坐标上。
在图1a和1b中考虑了两种不同的情况。在第一种情况下，回波脉冲E1，E2是超程回波(如虚线所示)。在第二种情况下，回波脉冲E1，E2是诸如根据微波脉冲S1，S2在填充物质2表面上的反射来确定料位L所需的填充物质回波(如实线所示)。
在图1a中，微波脉冲S1以第一重复率fR1发射。第一传播时间t1可以与每个回波脉冲E1相关联。与此相反，在图1b中，微波脉冲S2以较慢的第二重复率fR2发射。同样在这种情况下，第二传播时间t2可以与回波脉冲E2相关联。通过比较图1a和1b可以看出，在由微波脉冲S2在填充物质2的表面上反射所导致的回波脉冲E2的情况下，第二传播时间t2与第一传播时间t1相比没有变化。在超程回波的情况下，其行为是不同的：第二传播时间t2小于第一传播时间t1。该效果归因于这样的事实，即参考最后一个微波脉冲S1，S2的下一个微波脉冲而言，超程回波的传播时间to保持恒定，但这并非是参考最后一个微波脉冲S1，S2而言的。
根据本发明，因此通过将第一传播时间t1和第二传播时间t2进行相互比较来检测回波脉冲E1，E2是否是超程回波。当第一传播时间t1和第二传播时间t2不一致时，则回波是超程回波。否则，可以从对比中假定不涉及超程回波，从而基于相等的传播时间t1，t2来确定料位L。
图2示出了用于执行本发明的方法的料位测量装置的一种非常简单的实施例。该装置包括用于产生微波脉冲S1，S2的脉冲产生单元3。如从现有技术中已知的，为此使用的是第一脉冲发生器31和第一高频振荡器33，其在GHz区域中具有预定的中心频率fm。为了能够以不同的重复率fR1，fR2发射微波脉冲S1，S2，脉冲产生单元3包括分频器32。利用分频器对脉冲发生器31的预定重复率fR以两个不同的重复率fR1，fR2依次交替地得以设置的方式进行可变分频。在该实施例的情况下，由同一脉冲产生单元3产生两个方法部分的微波脉冲S1，S2。因此，仅可能交替地执行本发明方法的第一方法部分和第二方法部分。
然而，在本发明的范围内，可以使用任何用于产生具有不同重复率fR1，fR2的微波脉冲S1，S2的其他方法。这可以例如通过作为所示出的脉冲产生单元3的补充的另一个脉冲产生单元来实现。在这种情况下，选项将是实现具有互不相同的中心频率fM1，fM2的两个高频振荡器。在这种情况下，选项将是同时执行本发明方法的第一方法部分和第二方法部分。
在图2示出的料位测量装置的情况下，一个发射/接收单元4用于发射并接收微波脉冲S1，S2和回波脉冲E1，E2两者。为此，发射/接收单元4包括发射/接收分离器、双工器或定向耦合器41以及天线42。代替一个天线42，另一种选项是使用多个天线进行单独的发送和接收。在这种情况下，将不再需要发射/接收分离器、双工器或定向耦合器41。
用于基于传播时间t1，t2来确定料位L的是评估单元5。评估单元包括用于回波脉冲E1，E2的A/D转换以及用于计算传播时间t1，t2的微控制器51。
图2仅显示了信号路径。出于清楚的原因，未示出例如用于通过微控制器51来操作第一脉冲发生器31和/或第一分频器32的控制路径。
图3示出了图2所示的料位测量装置的进一步发展。在图3所示的料位测量装置的情况下，根据现有技术发生回波脉冲E1，E2的采样及与其关联的时间扩展，以便于根据得到的中频信号IF来确定传播时间t1，t2。在混频器56中通过类似于微波脉冲S1，S2由参考脉冲发生器52、第二分频器53和第二高频振荡器54产生的采样信号进行采样。在这种情况下，执行本发明的方法所必需的是第一分频器32和第二分频器53具有相同的因子。
此外，图3示出的料位测量装置还包括两个延迟单元34，55。它们用于延迟各个微波脉冲S1，S2或采样信号的发射，视情况而定，延迟了半个波长(以高频振荡器33，54的中心频率fM为参考)。在这种情况下，有利地随机控制微波脉冲S1，S2和采样信号是否被延迟。通过这种附加措施，超程回波E1，E2的信号强度可以减小到20dB，未发生由微波脉冲S1，S2在填充物质2的表面上反射引起的回波脉冲E1，E2的信号强度减少。同样在该措施的情况下，两个延迟单元34，55必须和谐地操作。这就意味着要么两个延迟单元34，55瞬时延迟微波脉冲S1，S2的发射，要么两者都不被延迟。作为图3所示实施例的替代，选项将是将延迟单元34，55布置在分频器32，53和高频振荡器33，54之间。
这种用于降低超程回波E1，E2的信号强度的措施也可应用在图2所示的料位测量装置的实施例的情况中。在这种情况下，额外的努力将局限于在脉冲产生单元3中仅有单个延迟单元。
附图标记列表
1 容器
2 填充物质
3 脉冲产生单元
4 发射/接收单元
5 评估单元
31 第一脉冲发生器
32 第一分频器
33 第一高频振荡器
34 第一延迟单元
41 发射/接收分离器，双工器或定向耦合器
42 天线
51 微控制器
52 参考脉冲发生器
53 第二分频器
54 第二高频振荡器
55 第二延迟单元
56 混频器
E1，E2 回波脉冲
fM1，fM2 中心频率
fR1，fR2 重复率
L 料位
S1，S2 微波脉冲
to，t1，t2 传播时间

Claims (7)

1.一种用于确定位于容器(1)中的填充物质(2)的料位(L)的方法，包括如下的方法部分：
在一个接一个的测量循环中具有第一重复率(fR1)的第一方法部分中，
-在所述填充物质(2)表面的方向上发射具有第一中心频率(fM1)的第一微波脉冲(S1)，
-在发射所述第一微波脉冲(S1)之后，接收至少一个第一回波脉冲(E1)，
其中，确定所述第一微波脉冲(S1)的发射与所述至少一个第一回波脉冲(E1)的接收之间的第一传播时间(t1)；并且
在一个接一个的测量循环中具有第二重复率(fR2)的第二方法部分中，其中所述第二重复率(fR2)慢于所述第一重复率(fR1)，
-在所述填充物质(2)表面的方向上发射具有第二中心频率(fM2)的第二微波脉冲(S2)，
-在发射所述第二微波脉冲(S2)之后，接收至少一个第二回波脉冲(E2)，
其中，确定所述第二微波脉冲(S2)的发射与所述至少一个第二回波脉冲(E2)的接收之间的第二传播时间(t2)，
其中，将所述第一传播时间(t1)和所述第二传播时间(t2)进行相互比较，并且
其中，在所述第一传播时间(t1)和所述第二传播时间(t2)大致一致的情况下，基于所述第一传播时间(t1)和/或基于所述第二传播时间(t2)来确定所述料位(L)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，至少在所述第一方法部分的一个测量循环中，以预定延迟发射所述第一微波脉冲(S1)，所述预定延迟近似对应于所述第一中心频率(fM1)两倍的倒数，和/或
其中，至少在所述第二方法部分的一个测量循环中，以预定延迟发射所述第二微波脉冲(S2)，所述预定延迟近似对应于所述第二中心频率(fM2)两倍的倒数。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于其中在所述第一方法部分和/或所述第二方法部分的多个测量循环中延迟发射所述微波脉冲(S1，S2)的情况，随机地控制所述第一微波脉冲(S1)和/或第二微波脉冲(S2)被延迟发射的测量循环。
4.根据权利要求1，2或3所述的方法，其中同时执行所述第一方法部分和所述第二方法部分。
5.根据权利要求1至3中的一项所述的方法，其中交替地执行所述第一方法部分和所述第二方法部分。
6.一种用于执行根据权利要求1至5中的至少一项所述的方法的料位测量装置，包括：
-脉冲产生单元(3)，所述脉冲产生单元(3)用于产生所述第一微波脉冲(S1)和/或所述第二微波脉冲(S2)，
-发射/接收单元(4)，所述发射/接收单元(4)用于发射所述第一微波脉冲(S1)和/或所述第二微波脉冲(S2)，以及用于接收所述至少一个第一回波脉冲(E1)和/或所述至少一个第二回波脉冲(E2)，以及
-评估单元(5)，所述评估单元(5)用于基于第一传播时间(t1)和/或基于第二传播时间(t2)来确定料位(L)。
7.根据权利要求6所述的料位测量装置，其中，所述脉冲产生单元(3)包括用于延迟所述第一微波脉冲(S1)和/或所述第二微波脉冲(S2)的发射的延迟单元(34)。
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