CN111213039B - 用于确定容器中填充材料的填充水平的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过借助于超声波或雷达的填充水平测量设备(1)来安全并精确地查明位于容器(2)中的填充物质(3)的填充水平(L)的方法。根据本发明的方法特征在于，基于反射的接收信号(EHF)产生的评估曲线(A(d))根据测量距离(d)被极大不同地平滑。根据本发明，能够对评估曲线进行特别地滤波。因此，能够有效地抑制噪声成分和干扰回波，而不需要不必要地限制填充水平测量的准确性。

Description

用于确定容器中填充材料的填充水平的方法
技术领域
本发明涉及一种借助基于超声波或雷达的填充水平测量设备来安全准确地查明容器中填充物质的填充水平的方法。
背景技术
在过程自动化技术中，经常应用现场设备，该现场设备用于记录或影响过程变量。应用于记录过程变量的是传感器，其例如，在填充水平测量设备、流量计、压力和温度测量设备、pH-氧化还原电势测量设备、电导率测量设备或类似设备中被使用。这些传感器记录相应的过程变量，诸如填充水平、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电势和电导率。这样的现场设备由Endress+Hauser公司以各种形式进行生产和销售。
对于容器中的填充物质的填充水平测量，优选非接触式测量方法，这是因为它们鲁棒的且维护成本低。在这种情况下，术语“容器”在本发明的范围内还包括非封闭式容器，诸如例如大桶、湖泊或海洋或流动的水体。非接触式测量方法的另一个优点是它们能够几乎连续地测量填充水平。因此，在连续的填充水平测量领域中主要应用基于超声波或雷达的测量方法(在本发明的上下文中，术语“超声(ultrasound)”或“超声波(ultrasonic)”是指处于14kHz至1GHz频率范围内的声波，而术语“雷达”是指频率为0.03GHz至300GHz的信号或电磁波)。
在这种情况下，一种已建立的测量原理是脉冲传播时间测量原理。在这种情况下，在填充物质的方向周期性地发射超声波或微波脉冲，并且测量接收到相应的回波脉冲的传播时间。基于该测量原理，可以用相对简单的电路来实现填充水平测量设备。例如，在未审公开专利申请说明书DE 10 2012 104 858 A1中描述了一种根据脉冲传播时间方法工作的基于雷达的填充水平测量设备。另外，在专利EP 1480021 B1中示出了基于超声波的版本。
在可以容忍更复杂的电路技术方面来说，FMCW(Frequency ModulatedContinuous Wave，“频率调制的连续波”)测量原理为基于雷达的填充水平测量提供了另一种选择。作为示例，在未审公开专利申请说明书t DE 10 2013 108 490 A1中示出了一种基于FMCW的填充水平测量设备的典型构造。
基于FMCW的雷达距离测量方法取决于发射具有调制频率的连续微波信号。在这种情况下，信号的频率位于包含标准化的中心频率的固定频带中。FMCW的特征在于发射频率不是恒定的，而是在定义的频率带内周期性地变化。在这种情况下，根据标准，时间变化率是线性的，并且包括锯齿形或三角形。然而，原则上也可以使用正弦变化。与脉冲传播时间方法相反，在FMCW方法中，基于当前接收的信号与在接收时发送的信号之间的瞬时频率差来确定距离或填充水平。
在这些测量原理(超声波、脉冲雷达和FMCW)中的每种原理的情况下，创建相应的评估曲线，以便基于接收到的信号查明填充水平。在应用超声波的情况下，评估曲线基本上直接对应于所接收信号的时间幅度曲线。在基于脉冲雷达方法的情况下，由于高脉冲频率，相比之下，通过对所接收信号进行欠采样来创建评估曲线。以这种方式，评估曲线形成原始接收的信号的时间扩展版本。在实施FMCW方法的情况下，通过将发射信号与接收信号混合来创建评估曲线。然而，在所有的情况下，评估曲线都将所接收信号的幅度反映为距离的函数。
例如，根据评估曲线来确定填充水平，作为检测结果以及局部最大值的定位位置。为了能够检测出合适的最大值，而对识别的正确性不存在任何疑问，已知借助于合适的滤波方法诸如平均值、最大值或低通滤波对评估曲线进行平滑，以便随后能够基于平滑的评估曲线确定填充水平。在这种情况下，轻微的平滑提供了能够局部地更好解析最大值的优点。这样，可以更精确地确定填充水平。但是，这受限于较强的平滑，较强的平滑降低填充水平测量的误差或干扰敏感性。当要确定填充水平的填充物质具有非常粗糙或者不平坦的填充物质表面使得接收到的信号非常嘈杂时，这尤其是有利的。首先，在诸如颗粒状材料的波浪状的或非液体的填充物质的情况下，观察到这样的情况，其中，当松散的物品形成圆锥形上表面时，正确的填充水平测量在后一种情况下会更加困难。
发明内容
因此，本发明的目的是在困难的测量条件下也确保精确且安全的填充水平测量。
本发明通过一种用于借助相应的填充水平测量设备来查明位于容器中的填充物质的填充水平的方法来实现该目的，其中该方法包括以下方法步骤：
-在填充物质的方向上发射所发射或发送的信号，
-接收取决于测量距离的接收信号，
-至少基于所接收的信号创建评估曲线，
-通过至少一种滤波方法对评估曲线进行平滑，以及
-根据所平滑的评估曲线确定填充水平。
根据本发明，该方法的特征在于，根据测量距离极大不同地对评估曲线进行平滑。因此，在几乎各种应用中，一方面可以安全地确定填充水平L，并且另一方面可以非常精确地确定填充水平L。在这种情况下，可以应用该方法，不仅使得以超声波信号的形式发射所发射的信号，而且使得以雷达信号的形式——尤其是根据FMCW或脉冲传播时间方法的雷达信号形式——发射所发射的信号。
为了平滑评估曲线，可以应用例如低通滤波、尤其是移动的平均值滤波、和/或尤其是移动的最大值滤波作为滤波方法。因此，在本发明的上下文中，术语“滤波”或“平滑”明显地不意味着完全掩盖评估曲线的各个部分。
根据本发明，可以以不同的方式来设置测量距离上的平滑改变：在其中应用平均值滤波和/或最大值滤波作为滤波方法的情况下，平均值滤波和/或最大值滤波可以被设计成例如具有随测量距离变化的窗口宽度。为此，窗口宽度可以随测量距离线性地或非线性地改变，尤其是指数地和/或对数地改变。替代地或补充地，可以在测量距离的至少两个不同部分中以相互不同的宽度将窗口宽度设置为恒定的。在此，窗口宽度被定义为评估曲线的相邻测量点的数量，从每个测量点确定平均值和/或最大值。该定义也可以相应地传递到测量距离的段的长度上，该数量的邻近测量点在该段上延伸。
除了借助于窗口宽度改变测量距离上的平滑的变型之外，还可以在测量距离的至少一个部分中实施不同于邻近部分的滤波方法，以实现在测量距离的各个部分中进行不同的平滑。
与是否在不同的部分中应用不同的滤波方法无关，或者与在不同的滤波方法中针对滤波强度使用了哪种类型(线性的、指数的等等)无关，对于实际目的有利的是将测量距离分为近区域、中间区域和远区域，其中，将在近区域和远区域中的平滑设置为比中间区域低。因为恰好在两个外部区域中，经常出现评估曲线被寄生多回波、容器底板回波或设备内部回波标记的情况。
为了执行根据上述实施例之一的方法，相应的填充水平测量设备至少具有以下部件：
-发射单元(在雷达尤其是频率高于70GHz的情况下，基于半导体的主辐射器；在超声波的情况下，例如具有压电振荡器的相应电路)，发射单元被设计成以超声波或雷达波的形式根据实施的测量原理来发射所发射的信号，
-接收单元，诸如例如喇叭形的天线或谐振器结构，接收单元被实施为接收相应的接收信号，以及
-评估单元(例如，以微控制器或FPGA的形式)，评估单元被设计为：
ο至少基于接收的信号创建评估曲线，
ο根据测量距离对评估曲线进行不同的平滑，以及
ο基于平滑的评估曲线确定填充水平。
附图说明
现在将基于附图来说明本发明，附图为如下所示：
图1是填充水平测量设备的典型布置；
图2是未平滑的评估曲线以及通过最大值滤波平滑后的评估曲线；以及
图3是用于平滑随测量距离变化的评估曲线的不同变体。
具体实施方式
为了提供对本发明的一般理解，图1示出了在容器2上的基于超声波或雷达的填充水平测量设备1的典型布置。填充物质3位于容器2中，其填充水平L将由填充水平测量设备1来确定。就此而言，将填充水平测量设备1放置在容器2上的在容器底板上方已知的安装高度h处。在这种情况下，取决于应用，容器2的高度可以大于100m。与实施的测量原理(超声波、脉冲雷达、FMCW)无关，填充水平测量设备1包括以下部件作为基本功能块：
-发射单元(对于超声波，例如相应操作的压电元件；在70GHz以上的雷达的情况下，例如基于半导体的主辐射器)，发射单元被设计为发射被发送或发射的信号SHF，
-接收单元，其用于接收相应的接收信号EHF，以及
-评估单元，其被设计成基于接收信号EHF创建和平滑评估曲线，并且据此来确定填充水平L。
通常，填充水平测量设备1经由例如“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”总线系统的总线系统连接到例如过程控制系统的上级单元4。以此方式，一方面，可以通信关于填充水平测量设备1的操作状态的信息。也可以传送有关填充水平L的信息，以便在给定的情况下控制进入容器2的流量。
从图1可以清楚地看到，填充水平测量设备1被布置在容器2上，使得它在填充物质3的表面方向上发射基于雷达或超声波的发射信号SHF。在填充物质表面上进行反射之后，填充水平测量设备1接收反射的传播时间t之后的接收信号EHF。在这种情况下，传播时间t取决于测量距离d，即到填充物质表面的距离h-L。
为了查明填充水平L，以评估曲线A(d)的形式记录接收信号EHF。在填充水平测量设备1基于超声波工作的情况下，评估曲线A(d)直接对应于随时间变化的(并因此随测量距离d变化)接收信号EHF的幅度曲线。在脉冲雷达原理的情况下，由于填充水平测量设备1的高脉冲频率，通常通过对接收信号EHF进行欠采样来创建评估曲线A(d)。对于在填充水平测量设备1中实施FMCW方法的情况而言，通过将发射信号SHF与接收信号EHF混合来创建评估曲线。如图2所示，最终结果是，评估曲线A(d)提供了随测量距离变化的接收信号的幅度，与实施的测量原理无关。
图1示意性地示出了填充物质3以具有相应的松散物品锥的松散物品的形式存在。因此，图2所示的相应评估曲线A(d)非常嘈杂。因此，在这些情况下，不可能从未滤波的评估曲线A(d)中足够安全正确地弄清楚评估曲线A(d)的最大幅度，该最大幅度是由发射信号SHF在填充物质表面上反射引起的。出于这个原因，为了确定填充水平L，通常需要对评估曲线A(d)进行基于滤波器的平滑。因此，图2补充地显示了针对每个最大值进行滤波并随后形成平均值的平滑后的评估曲线A(d)。与低通滤波相比，这种方式提供不因此造成幅度的损失或减小的优点。
从图2中可以看出，通过最大值滤波得到曲线，该曲线大致遵循未滤波的评估曲线A(d)的局部最大值。在这种情况下，滤波越多(在这种情况下意味着对最大值进行平均的窗口宽度越大)，被掩盖的小的局部最大值越多。
此外，图2示出了基于平滑后的评估曲线A(d)，填充水平L可以与局部最大值相关联。然而，由于极大地被平滑的最大值，在这种情况下不可能非常高度精确地确定填充水平值L。根据本发明，因此提供了根据测量距离对评估曲线A(d)进行不同的平滑，因此具有不同的滤波强度。为此，如图3所示，存在各种将其付诸实践的可能性。
测量距离相关的平滑的第一可能性是将测量距离分为不同的部分I、II、III，并且在每种情况下，在每个部分I、II、III中设置恒定的滤波强度，其中该滤波强度不同于相邻部分I、II、III的滤波强度。这种潜在类型的实施方式如图3的曲线(a)所示。替代地或补充地，还可以将滤波设置成使得滤波强度至少在部分I、II、III之一中连续改变。在这方面，图3的曲线(b)示出了滤波强度的线性改变。然而，如曲线(c)所示，还可以实施任何其他类型的连续改变，诸如对数的、指数的等。
在图3示出的所有曲线(a，b，c)的情况下，在近区域I和远区域III中的平滑强度(在每种情况下，参考填充水平测量设备1)与测量距离d的中间区域II相比是较低的。该减弱近区域I和远区域III中的平滑度(并因此增强中间区域II的平滑度)的策略特别适合于根据本发明的以安全且仍然精确的方式确定填充水平L。特别是在近区域I和远区域III中，接收信号EHF可能会受到寄生的多回波、容器底板回波或设备内部回波的干扰。
除了改变滤波强度即平滑强度之外，用于实施本发明的另一种变型提供了在测量距离的不同部分I、II、III中使用互不相同的滤波类型。参考图3，这意味着例如评估曲线A(d)在中间区域II中借助于低通滤波进行平滑，而在其他部分I、III中实施最大值滤波。在这种情况下，通过增加窗口宽度来增加最大值或平均值滤波情况下的平滑强度。在低通滤波的情况下，通过低通滤波器的衰减或阻尼因子相应地设置滤波强度。
参考符号列表
1 填充水平测量设备
2 容器
3 填充物质
4 上级单元
A(d) 评估曲线
D 测量距离
EHF 接收信号
F 填充水平
H 安装高度
SHF 发射信号
I、II、III 部分

Claims (9)

1.一种借助于填充水平测量设备(1)来查明位于容器(2)中的填充物质(3)的填充水平(L)的方法，其中，所述方法包括以下方法步骤：
-在所述填充物质(3)的方向上发射发射信号或发送信号(SHF)，
-接收取决于测量距离(d)的接收信号(EHF)，
-至少基于所述接收信号(EHF)创建评估曲线(A(d))，
-借助于低通滤波、平均值滤波、和/或最大值滤波中的至少一种滤波方法对所述评估曲线(A(d))进行平滑，以及
-基于所平滑的评估曲线(A(d))确定所述填充水平(L)，
其特征在于，在所述测量距离(d)的至少一个部分(II)中实施的滤波方法不同于在邻近部分(I、III)中实施的滤波方法。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以超声波信号或雷达信号的方式发射所述发射信号(SHF)。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述雷达信号是根据FMCW或脉冲传播时间方法的雷达信号。
4.根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述平均值滤波是移动平均值滤波、和/或所述最大值滤波是移动最大值滤波。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于其中应用平均值滤波和/或最大值滤波作为滤波方法的情况，平均值滤波器和/或最大值滤波器被设计成具有随着测量距离(d)改变的窗口宽度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述窗口宽度随着所述测量距离(d)线性地或非线性地改变，和/或在所述测量距离(d)的至少两个不同部分(I，II，III)中以相互不同的宽度将所述窗口宽度设置为恒定的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述窗口宽度随着所述测量距离(d)指数地和/或对数地变。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测量距离(d)被分成近区域(I)、中间区域(II)和远区域(III)，其中，与所述中间区域(II)相比，所述近区域(I)和所述远区域(III)中的平滑被设置为较低。
9.一种用于执行根据前述权利要求1-8中的一项所述的方法的填充水平测量设备(1)，包括：
-发射单元，所述发射单元被设计为发射所述发射信号(SHF)，
-接收单元，所述接收单元被实施为接收所述接收信号(EHF)，以及
-评估单元，所述评估单元被设计为：
o至少基于所述接收信号(EHF)创建所述评估曲线(A(d))，
o根据测量距离(d)对所述评估曲线(A(d))进行不同的平滑，以及
o根据所平滑的评估曲线(A(d))来确定所述填充水平(L)。
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