CN109579945A - 用于确定过程变量的雷达物位计和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于确定储罐中的产品的过程变量的雷达物位计和方法。该雷达物位计具有处理电路，该处理电路被配置成处理储罐信号，以及当不能识别到表面回波时，进入等待状态。等待状态包括：a)将储罐信号存储在存储器中；b)获得等待状态储罐信号；c)将等待状态储罐信号与所存储的储罐信号进行比较以确定储罐信号差度量；d)重复步骤b)和c)，直到储罐信号差度量大于预定义阈值；e)处理等待状态储罐信号以识别表面回波；以及f)当在等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，设置警报。通过在进入等待状态时存储储罐信号，因此可以延迟警报，直到储罐信号偏离该存储的储罐信号。

Description

用于确定过程变量的雷达物位计和方法

技术领域

本发明涉及用于确定诸如储罐中的产品的填充物位的过程变量的方法和雷达物位计。

背景技术

雷达物位计(RLG)适用于对诸如筒仓(silo)的储罐中容纳的产品(诸如工艺流体、颗粒状化合物和其他材料)的过程变量(例如，填充物位)进行测量。

这样的雷达物位计的示例可以包括用于发射和接收微波的收发器电路、被布置成朝向表面引导微波并将由表面反射的微波返回至收发器的信号传播装置、以及适于基于由收发器发射和接收的微波之间的关系来确定填充物位的处理电路。信号传播装置可以例如是定向天线或者传输线探针。

存在用于执行雷达物位计的不同原理，包括调频连续波(FMCW)和时域反射法(TDR)。基于FMCW的RLG将发射具有逐渐变化的频率的雷达扫描(radar sweep)，并且将所接收到的信号与原始信号混合(零差混合)以形成频域储罐信号。基于TDR的RLG将发射非常短的脉冲(量级为ns)的脉冲序列，并且在采样和保持电路中利用原始信号对所接收到的信号进行采样，从而形成时域储罐信号。

在这两种情况下，储罐信号将包括指示来自储罐的回波的一组峰值，并且这些峰值之一与来自表面的回波相对应。

该处理被配置成识别并且通常还跟踪相关的回波，以便将表面回波与诸如来自储罐中的结构的反射、双回波(double bounce)等其他回波区分开。然后，可以使用表面回波来确定距表面的距离，并因此确定填充物位。

然而，在某些情况下，可能无法区分储罐信号中的表面回波。在液体的情况下，不可检测的回波可能由例如表面上的湍流或者位于天线下面或探针周围的泡沫块引起，以致于回波不够强。在例如谷物或颗粒状物的固体的情况下，不可检测的回波可能由偏离水平面以致于天线无法接收回波的表面引起。在该情况下(固体)，该问题还可能持续较长时间段，这是由于表面的倾斜将不会改变，直到有东西干扰储罐中的产品。在某些情况下，这不会发生，直到储罐被填充或清空。在极端情况下，表面可能会持续几小时或者几天不可检测。

基本上，不可检测的表面表示应该通过例如警报传达的故障状况。然而，对于许多应用，至少在较短时间段内表面不可检测是相当正常的，并且每次都发出警报会是不方便的。处理暂时不可检测的表面的常规方法是让雷达物位计进入“等待状态”预定时间段。如果在该时间内表面回波再次出现，则不需要警报，并且可以恢复物位计量。然而，如果在预定时间结束时表面回波没有重新出现，则将设置警报。

该方法的缺点是物位计在等待状态期间是“盲”的，并且无法确定表面是否移动。因此，为了保持高安全水平，时间段不能被设置得太长，并且通常被设置为几分钟。

发明内容

本发明的目的是减缓上述问题，并且在保持安全水平的情况下允许不可检测表面的时间段较长。

根据本发明的第一方面，该目的和其他目的通过一种用于确定储罐中的产品的过程变量的雷达物位计来实现，该雷达物位计包括：收发器电路，其被配置成通过将电磁发射信号与由电磁发射信号在储罐中的反射引起的电磁返回信号组合来获得储罐信号，该储罐信号包括表示来自储罐的内部的回波的多个峰值；以及处理电路，其被配置成处理储罐信号以识别表面回波，当能够识别到表面回波时，基于该表面回波来确定过程变量，以及当在储罐信号中不能识别到表面回波时，进入等待状态。等待状态包括：

a)将储罐信号存储在存储器中，

b)获得等待状态储罐信号，

c)将等待状态储罐信号与所存储的储罐信号进行比较以确定储罐信号差度量(measure)，

d)重复步骤b)和c)，直到储罐信号差度量大于预定义阈值为止，

e)处理等待状态储罐信号以识别表面回波，以及

f)当在等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，设置警报。

根据本发明的第二方面，该目的和其他目的通过一种用于确定储罐中的产品的过程变量的方法来实现，该方法包括：通过将电磁发射信号与由电磁发射信号在储罐中的反射引起的电磁返回信号组合来获得储罐信号，该储罐信号包括表示来自储罐的内部的回波的多个峰值；处理储罐信号以识别表面回波，当能够识别到表面回波时，基于该表面回波来确定过程变量，以及当在储罐信号中不能识别到表面回波时，进入等待状态。该等待状态包括：

a)将储罐信号存储在存储器中，

b)获得等待状态储罐信号，

c)将等待状态储罐信号与所存储的储罐信号进行比较以确定储罐信号差度量，

d)重复步骤b)和c)，直到储罐信号差度量大于预定义阈值为止，

e)处理等待状态储罐信号以识别表面回波，以及

f)当在等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，设置警报。

本发明基于这样的认识：即使当不能区分表面回波时，通常可以简单地通过确定储罐信号尚未改变来确定表面没有移动。通过当进入等待状态时存储储罐信号，因此可以延迟警报，直到储罐信号偏离该存储的储罐信号。

在实际实现时，本发明的实施方式可以显著地延长实际需要警报之前的时间。例如，在固体产品(例如，谷物)的情况下，非水平表面可能阻碍可靠的表面回波检测数小时、数天甚至数周。如果储罐信号在该时间段期间保持不变，则可以安全地假设表面没有移动，并因此可以避免警报。

在一些实施方式中，在与所存储的储罐信号进行比较之后是更常规的超时时间段。换句话说，当已确定储罐信号已经改变(并因此可以不再假设表面没有移动)时，雷达物位计可以在预定的时间段内重复地获得新的储罐信号并且尝试找到表面回波。如上所述，类似于常规的等待状态，该额外的超时是基于即使在开始移动之后表面也不能立即达到临界水平的事实。如果可以相对快地找到表面回波，则不需要警报。

再次参照具有非水平表面的固体产品，当开始清空或填充操作时，储罐信号将立即改变，但是在表面足够水平以提供可检测的表面回波之前可能需要几秒钟。

储罐信号可以是频域信号或时域信号，并且雷达物位计可以装配有定向天线(非接触式雷达)或传输线探针(导波雷达)。

附图说明

将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图更详细地描述本发明。

图1a和图1b示意性地示出了适用于实现本发明的两种类型的雷达物位计。

图2是示出根据本发明的方法的实施方式的流程图。

具体实施方式

图1a至图1b示出了可以应用本发明的雷达物位计(RLG)1的两个示例。RLG 1安装在储罐2上，并且被布置成确定与距储罐2中容纳的两个材料4、5之间的界面3的距离相关的过程变量。通常，第一材料是存储在储罐中的产品4，而第二材料是储罐中的空气或其他大气5。在所示的情况下，产品4是颗粒状化合物，并且界面仅是产品4的表面3。

雷达物位计1包括连接至处理电路7的收发器电路6。

收发器电路6可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分离的发射器单元和接收器单元的系统。收发器电路6的元件通常以硬件来实现，并且形成通常称为微波单元的集成单元的一部分。为了简单起见，在以下的描述中将收发器电路称为“收发器”。

处理单元7可以包括以硬件实现的模拟处理与通过存储在存储器中并由嵌入式处理器执行的软件模块实现的数字处理的组合。本发明不限于特定实现，并且可以设想被认为适合于实现本文描述的功能的任何实施方式。

收发器6电连接至适合的信号传播装置10，该信号传播装置10被布置成使得电磁信号能够朝向产品4的表面3传播，并且从储罐返回电磁信号的反射。收发器6被配置成生成并发射由信号传播装置朝向产品4的表面3传播的电磁发射信号S_T。电磁返回信号S_R由在表面3的反射引起，并且由信号传播装置10返回并馈送回到收发器6。

处理电路7被配置成通过分析发射信号S_T和返回信号S_R来确定在储罐的顶部的参考位置与表面3之间的距离。该处理通常包括生成储罐信号或“回波曲线”，其包括表示来自所述储罐的内部的回波的多个峰值。峰值之一表示来自表面3的回波。

RLG 1还包括接口8，该接口8用于在RLG的外部传送测量值并且可选地用于RLG的电力供给。例如，接口8可以是双线控制回路，例如4mA至20mA回路。接口8还可以包括串行数据总线，从而允许使用数字通信协议进行通信。可用的数字协议的示例包括HART、Modbus、Profibus和基金会现场总线(Foundation Fieldbus)。接口8还可以是采用例如无线HART的无线接口。

在图1a中，信号传播装置10是自由传播的定向天线11，并且RLG1被称为非接触式雷达(NCR)物位计。有时将天线耦接至形式为管(被称作“静止管”)的波导结构，以便减少干涉并确保平静的表面。

在图1b中，信号传播装置10是探针12，即，延伸到储罐的容纳物中的传输线。在该情况下，发射信号和回波信号将沿着探针传播，直到它们由于表面3引起的阻抗不连续性而反射。具有探针的RLG有时被称为导波雷达(GWR)物位计。可以使用几种类型的探针，例如单线(Goubau型)探针、同轴探针和双线探针。探针可以是基本上刚性的或柔性的，并且它们可以由诸如不锈钢的金属、诸如PTFE的塑料或其组合制成。

NRC物位计中的发射信号(诸如，图1a中所示的发射信号)通常在GHz范围内，例如大约6GHz或26GHz，其中，带宽为1GHz或几GHz。尽管还可以使用高频信号，但是GWR中的发射信号(诸如，图1b中所示的发射信号)通常是DC脉冲序列。

根据一个测量原理，发射信号是具有变化的频率的连续信号(调频连续波，FMCW)。基于FMCW的RLG将发射具有逐渐变化的频率的雷达扫描，并且将所接收到的信号与原始信号混合(零差混合)以形成频域储罐信号。该原理主要用于NCR物位计，但是也提出了将其应用于GWR。

根据另一测量原理，发射信号是持续时间以ns为量级以及重复频率以MHz为量级的不同脉冲的序列。在被称为时域反射法(TDR)的处理中，在采样和保持电路中利用原始脉冲序列对返回信号进行采样，从而形成时域储罐信号。时域反射法通常用于GWR物位计，在该情况下，脉冲可以是DC脉冲。该原理还可以用于NCR物位计，在该情况下，需要对脉冲进行频率调制以允许利用定向天线的发射。

发射信号还可以是FMCW与脉冲信号的某种组合。例如，提出了被称为多频脉冲波(MFPW)的原理。

在频域储罐信号的情况下，信号的幅度被表示为频率的函数，其中，频率与距参考位置的距离相关。在时域储罐信号的情况下，信号的幅度被表示为时间的函数，其中，时间与距参考位置的距离相关。基于所确定的距表面3的距离(通常称为空距(ullage))和储罐5的已知尺寸，处理电路6可以推导诸如储罐的填充物位L的过程变量。

在图1a至图1b所示的示例中，产品4是诸如颗粒状化合物的固体，并且表面3是非水平的。因此，可能难以在储罐信号中识别来自表面的回波。在图1a中，被表面3反射的信号能量13没有被引导朝向天线11，并且与该反射相对应的储罐信号的峰值因此变弱。在图1b中，表面回波不会在探针12的所有侧同时出现，从而导致储罐信号的峰值在时间上更加延长，因此可能更难检测。同样对于流体产品，对于天线应用和探针应用二者而言，可能存在暂时不可检测表面回波的原因，诸如表面上的泡沫或湍流。

出于安全的原因，当不可检测表面回波时，应该发出警报。然而，在许多情况下，表面回波将在表面显著地移动之前重新出现，因此，大多数雷达物位计在预定义时间段期间进入“等待状态”。只有在该时间内表面回波没有重新出现，才会发出警报。在该等待状态期间，通常物位计继续输出最近确定的测量值。

在图2的流程图中示出了根据本发明的实施方式的等待状态。流程图的第一步涉及正常测量循环，并且包括在步骤S1中执行测量以获得储罐信号、在步骤S2中检测表面回波、以及在步骤S3中输出例如填充物位的测量结果。

如上所述，根据信号传播装置的类型(例如，NCR或GWR)和检测原理的类型(例如，FMWC或TDR)，步骤S1中的测量的细节以及如何获得储罐信号可以是不同的。此外，所得到的储罐信号可以具有不同特性，并且可以例如是频域信号或时域信号的形式。在成功的检测中，储罐信号将包括与表面反射相关联的峰值，并且该峰值将用于识别距表面的距离。

然而，如果在步骤S2中在储罐信号中不能识别到任何表面回波，则处理将继续至等待状态。在等待状态期间，步骤S3可以继续有效，即，物位计可以继续输出最近确定的测量结果。通过将储罐信号存储在存储器中，在步骤S4中等待状态开始。然后，在步骤S5中，以与步骤S1中的方式相同的方式执行进一步的测量，以便获得被称为“等待状态储罐信号”的另一储罐信号。在步骤S6中，将等待状态储罐信号与在步骤S4中存储的储罐信号进行比较以提供差度量。

差度量可以基于储罐信号的幅度(或能量)的变化。这样的差度量可以通过简单减法以及逐个样本比较以确定一个样本或多个样本之差是否超过阈值来获得。如果在比较中使用几个样本，则优选地使用减法的绝对值。可选地，可以在整个距离范围内或者在所选择的距离范围内对差分信号(即，从等待状态储罐信号中减去所存储的储罐信号的结果)进行积分。例如，考虑在最近检测到的表面回波附近出现的变化会是足够的。也可以对差分信号或者直接分别对所存储的储罐信号和等待状态储罐信号使用频谱分析和能量谱分析。

差度量还可以基于储罐信号的形状，更具体地，基于可检测的峰值(局部最大值)的位置。例如，如果存储的储罐信号(其中不能检测到表面回波)具有一组可识别的峰值，那么对等待状态储罐信号中的这些峰值的位置进行比较可能是足够的。

如果在步骤6中的比较表明差度量小于预定义阈值，则这表示从储罐接收到的返回信号基本上没有改变，因此可以假设表面3没有移动。在这些情况下，该处理返回至步骤S5，以执行又一测量以获得另外的等待状态储罐信号。只要等待状态储罐信号不偏离所存储的储罐信号，就可以继续重复步骤S5和S6，这可以是相当长时间，例如大约几天、几周或者更长的时间。

另一方面，如果步骤S6中的比较表明差度量超过阈值，则这表示在储罐中发生了某些变化，并且不能安全地假设表面3没有变化。在这些情况下，在步骤S7中分析等待状态储罐信号以便检测表面回波。如果检测到表面回波，则该处理返回至正常测量循环的步骤S3，并且输出测量结果。

如果在步骤S7中不能检测到表面回波，则可以确定表面很可能已经移动，但是物位计无法提供新的测量。在该情况下，该处理可以继续至步骤S8以发出警报。原则上，可以在步骤S7之后立即发出警报。然而，出于与以上针对常规的等待状态所讨论的原因类似的原因，首先等待预定时间以查看回波信号是否重新出现可能是有用的。在该情况下，该处理可以包括步骤S9以检查超时时间段是否已到期。如果超时时间段尚未到期，则该处理将继续至步骤S10以获得又一储罐信号，并且重复步骤S7和S9，直到超时时间段到期为止。如果在步骤S9中在超时时间段到期之前不能检测到表面回波，则该处理将继续至步骤S8并发出警报。超时时间段的适当持续时间将取决于应用，并且可以是大约几分钟。

在步骤S9中的超时时间段类似于上述的常规等待状态处理中的超时时间段。然而，与常规等待状态处理相反，直到在步骤S6中检测到表面的变化才触发超时时间段。

本领域的技术人员意识到，本发明绝不限于上述优选实施方式。相反地，在所附权利要求的范围内可以进行许多修改和变型。例如，植入如图2中的流程图所反映的方法的细节可以不同。特别地，在图2中几个地方出现的获得储罐信号的步骤实际上可以通过一个单一子例程来执行，从而稍微改变处理流程。

Claims (16)

1.一种用于确定储罐(2)中的产品的过程变量的雷达物位计(1)，所述雷达物位计包括：

收发器电路(6)，其被配置成通过将电磁发射信号与由所述电磁发射信号在所述储罐中的反射引起的电磁返回信号组合来获得储罐信号，所述储罐信号包括表示来自所述储罐的内部的回波的多个峰值；以及

处理电路(7)，其被配置成：

处理所述储罐信号以识别表面回波，

当能够识别到表面回波时，基于所述表面回波来确定所述过程变量，以及

当在所述储罐信号中不能识别到表面回波时，进入等待状态，所述等待状态包括：

a)将所述储罐信号存储在存储器中(S4)，

b)获得等待状态储罐信号(S5)，

c)将所述等待状态储罐信号与所存储的储罐信号进行比较以确定储罐信号差度量(S6)，

d)重复步骤b)和c)，直到所述储罐信号差度量大于预定义阈值为止，

e)处理所述等待状态储罐信号以识别表面回波(S7)，以及

f)当在所述等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，设置警报(S8)。

2.根据权利要求1所述的雷达物位计，其中，当在所述等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，所述处理电路(7)被进一步配置成重复获得另外的等待状态储罐信号(S10)，并且处理所述另外的等待状态储罐信号以识别表面回波(S7)，直到预定义时间段到期为止。

3.根据权利要求1或2所述的雷达物位计，还包括连接至所述收发器电路的定向天线(11)，所述定向天线安装在所述储罐(2)的顶部以朝向所述产品的表面发射所述电磁发射信号并且接收所述电磁返回信号。

4.根据权利要求1或2所述的雷达物位计，还包括连接至所述收发器电路的传输线探针(12)，所述传输线探针悬挂在所述储罐中并且延伸超过所述产品的表面，以朝向所述表面引导所述电磁发射信号并将所述电磁返回信号引导回到所述收发器电路。

5.根据权利要求1或2所述的雷达物位计，其中，所述储罐信号是频域信号。

6.根据权利要求5所述的雷达物位计，其中，所述电磁发射信号是调频连续波FMCW。

7.根据权利要求1或2所述的雷达物位计，其中，所述电磁发射信号是不同脉冲的序列，并且所述储罐信号是时域信号。

8.根据权利要求7所述的雷达物位计，其中，所述脉冲是频率调制的。

9.一种用于确定储罐中的产品的过程变量的方法，所述方法包括以下步骤：

通过将电磁发射信号与由所述电磁发射信号在所述储罐中的反射引起的电磁返回信号组合来获得储罐信号，所述储罐信号包括表示来自所述储罐的内部的回波的多个峰值；

处理所述储罐信号以识别表面回波；

当能够识别到表面回波时，基于所述表面回波来确定所述过程变量；以及

当在所述储罐信号中不能识别到表面回波时，进入等待状态，所述等待状态包括：

a)将所述储罐信号存储在存储器中(S4)，

b)获得等待状态储罐信号(S5)，

c)将所述等待状态储罐信号与所存储的储罐信号进行比较以确定储罐信号差度量(S6)，

d)重复步骤b)和c)，直到所述储罐信号差度量大于预定义阈值为止，

e)处理所述等待状态储罐信号以识别表面回波(S7)，以及

f)当在所述等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，设置警报(S8)。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括：当在所述等待状态储罐信号中不能识别到表面回波时，重复获得(S10)另外的等待状态储罐信号，并且处理所述另外的等待状态储罐信号以识别表面回波(S7)，直到预定义时间段到期为止。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，通过安装在所述储罐的顶部的定向天线(11)将所述电磁发射信号从所述收发器电路发射到所述储罐中，并且其中，通过所述定向天线接收所述电磁返回信号。

12.根据权利要求9或10所述的方法，其中，通过悬挂在所述储罐中并且延伸超过所述产品的表面的传输线探针(12)将所述电磁发射信号从所述收发器电路引导到所述储罐中，并且其中，通过所述传输线探针将所述电磁返回信号引导回到所述收发器电路。

13.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述储罐信号是频域信号。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电磁发射信号是调频连续波FMCW。

15.根据权利要求9或10所述的方法，其中，所述电磁发射信号是不同脉冲的序列，并且所述储罐信号是时域信号。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述脉冲是频率调制的。