CN112113635A - 填充物位确定方法、雷达物位计系统及其间歇操作方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种填充物位确定方法、雷达物位计系统及其间歇操作方法。所述雷达物位计系统包括：收发器；耦接至收发器的信号传播装置；功率监测电路，用于确定指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；以及处理电路，其耦接至收发器并且耦接至功率监测电路，处理电路被配置成：从功率监测电路获取指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；取决于用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率执行一组测量操作，每个测量操作包括：控制收发器，以生成并且发射电磁发射信号，接收电磁反射信号以及形成指示发射信号与反射信号之间的定时关系的测量信号；以及基于在一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号确定填充物位。

Description

填充物位确定方法、雷达物位计系统及其间歇操作方法
技术领域
本发明涉及一种雷达物位计系统，并且涉及一种使用雷达物位计系统确定罐中产品的填充物位的方法。
背景技术
雷达物位计量通常用于确定罐中产品的填充物位。在一些测量情况下，例如在产品的表面上出现湍流或泡沫的情况下，可能难以正确地确定填充物位。
在雷达物位计系统的功耗不是问题的应用中，可以组合若干测量信号以改善信噪比，从而提供改善的填充物位确定。
在电力供应短缺和/或随时间变化的应用中，迄今为止尚未使用这种测量信号组合，这意味着由此改善的信噪比尚未用于此类应用。
发明内容
鉴于以上内容，本发明的总体目的是提供改善的填充物位确定，特别地针对其中电力供应短缺和/或随时间变化的应用提供改善的填充物位确定。
本发明的各方面基于以下认识：可以估计用于雷达物位计系统的操作的当前可用的功率，以及为了确定填充物位而执行的测量操作的数目可以适应于当前可用功率。由此，可以始终在测量质量与实现完全执行填充物位测量的能力之间实现有益的权衡。
根据本发明的第一方面，提供了一种使用雷达物位计系统确定罐中产品的填充物位的方法，该方法包括：确定指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；基于指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果来确定为了确定填充物位而要执行的测量操作的最大数目；执行一组测量操作，所述一组测量操作包括的测量操作的数目小于或等于测量操作的最大数目，每个测量操作包括：生成并且发射电磁发射信号，将发射信号朝向罐中产品的表面传播，接收由发射信号在产品的表面处的反射产生的电磁反射信号，以及形成指示发射信号与反射信号之间的定时关系的测量信号；以及基于一组测量信号来确定填充物位，所述一组测量信号包括在一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号。
根据本发明的第二方面，提供了一种雷达物位计系统，该雷达物位计系统用于确定罐中产品的填充物位，该雷达物位计系统包括：收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；耦接至收发器的信号传播装置，该信号传播装置用于将电磁发射信号朝向产品的表面传播并且将由发射信号在产品的表面处的反射产生的电磁反射信号返回至收发器；功率监测电路，其用于确定指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；以及处理电路，该处理电路耦接至收发器并且耦接至功率监测电路，并且处理电路被配置成：从功率监测电路获取指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；执行一组测量操作，所述一组测量操作包括的测量操作的数目取决于用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率，每个测量操作包括控制收发器，以生成并且发射电磁发射信号，接收由发射信号在产品的表面处的反射产生的电磁反射信号，以及形成指示发射信号与反射信号之间的定时关系的测量信号；以及基于一组测量信号来确定填充物位，所述一组测量信号包括在一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号。
在这些方面中，在确定填充物位的过程中所涉及的测量操作的数目适应于用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的量。这提供了雷达物位计系统的功耗与测量性能之间的良好的平衡。
罐可以是能够容纳产品的任何容器或器皿，并且可以是金属的，或者部分地或完全地非金属的、开口、半开口或者封闭的。
“收发器”可以是能够发射和接收电磁信号的一个功能单元，或者可以是包括分开的发射器单元和接收器单元的系统。
应当注意的是，处理电路可以被设置为一个设备或者共同工作的若干设备。
根据各种实施方式，雷达物位计系统可以包括本地能量存储器；并且可以通过确定指示当前存储在本地能量存储器中的能量的量的测量结果，来至少部分地确定指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果。
本地能量存储器可以例如包括电池和/或电容器和/或超级电容器等。
可以基于外部供应的功率和所存储的能量来确定当前可用功率。如果当前存储了很多能量，则可以暂时使用比所供应的多的功率。
根据实施方式，雷达物位计系统可以被配置成由双线电流回路供电，并且被配置成通过控制流过双线电流回路的回路电流来提供填充物位的指示。指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果然后可以至少部分地基于所确定的指示双线电流回路两端的电压的测量结果。
在实施方式中，雷达物位计系统可以被配置成生成跨频带中的电磁信号频率的测量扫描形式的发射信号，所述频带具有中心频率和带宽。在这样的实施方式中，测量信号可以是能够通过将发射信号与反射信号进行混合而形成的所谓的中频信号。在一组测量操作包括一个以上的测量操作的情况下，每个测量操作中的发射信号可以是基本相同的，并且因此呈现出具有相同特性(相同中心频率和相同带宽)的测量扫描。
鉴于测量扫描之间的填充物位的变化，可以在频域中有利地执行由不同的测量扫描产生的测量信号的组合，例如求平均值，以使测量信号的组合更具鲁棒性。
为了减少在执行一组测量操作中的测量操作时的时间期间由于表面的移动而导致的测量劣化的风险，收发器可以有利地被配置成生成在连续的测量扫描之间具有短的时间的、短的测量扫描。例如，测量扫描的扫描持续时间可以有利地小于200μs，并且连续的测量扫描之间的时间可以有利地小于50μs。为了实现这一点，可以有利地以所谓的芯片上雷达的形式提供收发器，其中在单个集成电路上实现收发器。
在这样的单个集成电路中，(数字形式的)测量信号可以在单个集成电路中缓冲(本地存储)，并且基于测量信号(例如，若干测量信号的组合)确定填充物位所需的计算可以在已经完成了一组测量操作之后进行。这允许在连续测量操作之间的时间更短，这转而提供了有效的信号组合(例如，求平均值)，即使当产品的表面快速移动时也是如此。
此外，根据各种实施方式的雷达物位计系统可以有利地被配置成用于间歇式操作。在这样的实施方式中，雷达物位计系统可以是在不确定填充物位的非活动状态与确定填充物位的活动状态之间可控制的。雷达物位计系统可以被控制为从非活动状态转换至活动状态。此后，雷达物位计系统可以被控制为检查可用功率，并且执行涉及多个测量操作的填充物位确定，多个测量操作可以由用于雷达物位计系统的操作的当前供应功率所支持。在已经提供了指示填充物位的测量结果之后，雷达物位计系统可以转换回非活动状态。
应当注意的是，本发明的各方面的实施方式和变型大部分是相似的。
总之，本发明因此涉及一种雷达物位计系统，该雷达物位计系统包括：收发器；耦接至收发器的信号传播布置；功率监测电路，其用于确定指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；以及处理电路，该处理电路耦接至收发器并且耦接至功率监测电路，并且处理电路被配置成：从功率监测电路获取指示用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；根据用于雷达物位计系统的操作的当前可用功率执行一组测量操作，每个测量操作包括控制收发器，以生成并且发射电磁发射信号，接收电磁反射信号以及形成指示发射信号与反射信号之间的定时关系的测量信号；以及基于在一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号确定填充物位。
附图说明
现在将参照示出本发明的当前优选实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些方面以及其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了包括根据本发明的实施方式的雷达物位计系统的示例罐布置；
图2是图1中的雷达物位计系统的示意图；
图3是包括在根据本发明的实施方式的雷达物位计系统中的收发器和测量处理器的示意性框图；
图4是示意性地示出了根据本发明的方法的示例实施方式的流程图；
图5是雷达物位计系统的间歇操作的示意图；以及
图6A至图6B示意性地示出了当不同量的功率可用于雷达物位计系统的操作时所执行的一组测量操作的示例。
具体实施方式
在本详细描述中，参考所谓的FMCW型的非接触式雷达物位计系统来讨论根据本发明的雷达物位计系统的示例性实施方式，其中所谓的FMCW型的非接触式雷达物位计系统经由双线电流回路进行通信并且由双线电流回路进行供电。应当注意，这绝不是限制本发明的范围，本发明可同样适用于其他类型的雷达物位计系统，例如导波雷达物位计系统、脉冲雷达物位计系统或由具有有限且变化供应的其他电源(例如太阳能电池等)供电的雷达物位计系统。此外，双线电流回路可以被配置成根据各种通信标准、例如4-20mA、HART、基金会现场总线(Foundation Fieldbus)、现场总线(Profibus)等运行，。
图1示意性地示出了安装在示例罐3中的雷达物位计1。雷达物位计1经由双线电流回路7连接至远程主机/主控器5，该双线电流回路7还用于向雷达物位计1提供电力。罐3容纳产品9，并且当在操作中时，雷达物位计1基于朝向产品9的表面11传播的至少一个电磁发射信号ST和由发射信号在表面11处的反射所产生的至少一个电磁反射信号SR来确定罐3中的产品9的填充物位L。
在确定了填充物位L之后，雷达物位计系统1经由双线电流回路7将指示填充物位L的测量信号SL提供至远程主机/主控器5。下面将参照图2更详细地描述向双线电流回路7提供测量信号SL以及从双线电流回路7向雷达物位计1提供电力。
图2是示意性地示出根据本发明的雷达物位计系统1的示例性实施方式的框图。正如对于本领域中的普通技术人员来说是明显的那样，对图2中的雷达物位计的配置的描述稍微进行了简化。
如图2示意性所示，雷达物位计系统1包括用于确定上面提及的填充物位L的测量电路13和用于向双线电流回路7提供指示填充物位L的测量信号SL(回路电流IL)以及用于从双线电流回路7向测量电路13提供电力的回路接口电路15。
回路接口电路15包括用于连接至相对高的回路电势VL+的第一回路连接器17和用于连接至相对低的回路电势VL-的第二回路连接器19。如图2中可以看出，回路接口电路15还包括可控电流源21。
从第一回路连接器17开始，可控电流源21和测量电路13串联连接，并且当雷达物位计系统1在第一回路连接器17和第二回路连接器19处连接至电流回路7时，可控电流源21和测量电路13形成双线电流回路7的一部分。
雷达物位计系统1的测量电路13包括回路电压监测和转换电路23、表示为微处理器25的处理电路和收发器27。收发器27连接至此处表示为用于发射微波信号和接收微波信号的示意性天线29的信号传播装置。
回路电压监测和转换电路23连接至用于从双线电流回路7接收电力的回路接口电路15。如图2所示，回路电压监测和转换电路23将来自双线电流回路7的电力提供至处理电路25，并且提供至收发器27。另外，回路电压监测和转换电路23将指示回路电压的测量结果VL提供至处理电路25。处理电路25控制收发器27的操作，并且基于朝向表面11发射的微波信号和从表面11反射的微波信号确定罐3中的产品9的填充物位L(参照图1)。此外，处理电路25确定与填充物位L对应的期望回路电流IL，并且将指示这个期望回路电流的信号提供至电流调节器21，如图2中示意性所示。处理电路还从回路电压监测和转换电路23获取上面提及的指示回路电压的测量结果VL，并且确定要进行填充物位确定所基于的测量操作的最大数目。这将在下面进一步更详细地描述。
图3是图2中的雷达物位计系统1的局部且简化的示意性框图。图3中的框图示出了包括图2中的收发器27、天线29和处理电路25的测量通道。
此处，收发器27被示出为包括微波源31、功率分配器33和混合器35。处理电路25被示出为包括定时电路37、采样器39、FFT块41以及处理和控制块43。
如图3中示意性所示，定时电路37耦接至微波源31以控制微波源31生成发射信号ST。微波源31经由功率分配器33连接至天线29，并且因此将发射信号ST提供至天线29。来自天线29的反射信号SR被功率分配器33路由至混合器35，混合器35还被连接成接收来自微波源31的发射信号ST。由微波源31提供的发射信号ST和来自天线29的反射信号SR在混合器35中组合，以形成中频信号SIF。
如图3中示意性所示，中频信号SIF由采样器39进行采样，采样器39可以由定时电路37控制以与发射信号ST同步。经采样的中频信号SIF进一步由FFT块41进行处理。如图3中示意性所示，处理和控制块43例如从图2中的回路电压监测和转换电路23接收用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的指示，并且至少部分地基于该指示来控制雷达物位计系统1的操作。
虽然收发器27的元件通常以硬件实现并且形成集成单元(常被称为微波单元)的一部分，但是处理电路25的至少一些部分通常可以通过由嵌入式处理器执行的软件模块实现。本发明不限于该特定实现，并且可以考虑被发现适用于实现本文中描述的功能的任何实现方式。特别地，收发器27和处理电路25可以有利地被实现为单个部件——所谓的芯片上雷达(Radar-On-A-Chip，ROAC)。这样的配置在本发明的实施方式中可能特别有用，因为ROAC可能能够实现快速的频率扫描以及在连续的频率扫描之间的短的时间。
现在将参照图4中的流程图来描述根据本发明的方法的示例实施方式。在第一步骤100中，雷达物位计系统1从其中不确定填充物位L的非活动状态转换至其中确定填充物位L的活动状态。雷达物位计系统1在非活动状态下比在活动状态下具有更低的功耗，从而导致随时间推移的较低的平均功耗。这通常被称为间歇操作，并且在图5中示意性示出。
暂时转向图5，由附图标记45共同表示的活动时段相对短，并且由测量更新时间Tu间隔开。如技术人员所知的，活动状态与非活动状态之间的转换可以例如由远程主机/主控器5外部控制，或者由雷达物位计系统1内部的定时电路(未示出)外部控制。
当雷达物位计系统已经转换至活动状态时，该方法前进至步骤101，在步骤101中，确定指示用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的测量结果。参照图2和图3，指示用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的测量结果可以例如包括回路电压VL和回路电流IL。如上面进一步描述的，回路电流IL由雷达物位计系统1的处理电路25控制，并且回路电压可以由回路电压监测和转换电路23所测量。在其中雷达物位计系统1包括能量存储电路(例如电容器)的实施方式中，由这种电容器存储的电荷也可以是用于确定指示用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的测量结果的基础。
在下一步骤102中，基于指示用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的测量结果，来确定为了确定填充物位L而要执行的测量操作的数目N。该测量操作的数目N可以对应于雷达物位计系统1鉴于当前可用功率而能够“负担得起”执行的测量操作的数目。在一些实施方式中，雷达物位计系统可以被配置成不是在所有的测量情况下使用所有的可用测量操作，例如，如果已知测量条件是有利的，则可以执行较少的测量操作。在其他实施方式中，雷达物位计系统1可以被配置成总是执行N个测量操作，以便鉴于用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率而始终提供最佳可能的测量质量。
在步骤103(其是测量操作数目n中的第一步骤)中，生成并且发射发射信号ST,n。在步骤104中，接收由发射信号ST,n在罐3中的产品9的表面11处的反射而产生的反射信号SR,n。
在随后的步骤105中，形成指示发射信号ST,n与反射信号SR,n之间的定时关系的测量信号。例如，测量信号可以是通过由图3中的混合器35对发射信号ST,n与反射信号SR,n进行混合而形成的中频信号SIF,n。
在下一步骤106中，确定是否已经执行了一组测量操作中的所有测量操作。如果不是这种情况，则该方法前进至步骤107并增加计数器，并且然后返回至步骤103并开始该组测量操作中的新的测量操作。
相反地，如果在步骤106中确定已经执行了一组测量操作中的所有测量操作(在这种情况下为N个测量操作)，则该方法前进至步骤108，在步骤108中，基于在每一个测量操作中所形成的测量信号形成组合的测量信号SIF。例如，可以通过使用本身已知的求平均值方法对在每个测量操作中所形成的测量信号SIF,n求平均值，来形成组合的测量信号SIF。如本领域的那些普通技术人员所公知的，这种组合(例如，求平均值)可以提供降低了的信噪比。这继而将使得更容易区分来自产品表面的给出相对弱的反射信号的反射。这对于湍流的产品表面或带有泡沫的产品表面亦是如此。如上面进一步提及的，测量信号的组合(例如，求平均值)可以有利地在频域中进行，即在通过图3中的FFT块41处理之后进行。
在随后的步骤109中，基于该组测量信号确定填充物位。例如，可以使用处理电路25的处理和控制块43基于在步骤108中确定的组合的测量信号SIF来有利地确定填充物位L。
最后，在步骤110中，在将指示填充物位的测量结果已经提供至主机5之后，将雷达物位计系统1转换至其非活动状态。
在该方法的实施方式中，填充物位确定可以基于取决于用于雷达物位计系统1的操作的当前可用功率的、不同数目的测量操作(例如，测量频率扫描)。这意味着，鉴于可用功率，能够由雷达物位计实现的测量质量被自适应地最大化。
图6A至图6B示意性地示出了在活动时段45期间执行的两个不同数目的测量操作。
在图6A中，示出了其中存在可用于雷达物位计系统1的操作的相对大的功率的情况。例如，对于回路供电的雷达物位计系统1来说，回路电压VL可以相对高和/或回路电流可以相对高。这意味着当前功率预算允许相对大量的测量操作，如图6A中的FMCW型频率扫描47示意性所示。
在图6B中，示出了其中存在可用于雷达物位计系统1的操作的相对小的功率的情况。例如，对于回路供电的雷达物位计系统1来说，回路电压VL可以相对低和/或回路电流可以相对低。这意味着当前功率预算允许相对少量的测量操作，如图6B中的FMCW型频率扫描47示意性所示。应当注意，图6A至图6B中的每个测量扫描47呈现出相同的中心频率fc和带宽B。
本领域技术人员会意识到，本发明决不限于上面所描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求的范围内可以有许多修改和变型。

Claims (15)

1.一种使用雷达物位计系统确定罐中产品的填充物位的方法，所述方法包括：
确定指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；
基于指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果，确定为了确定所述填充物位而要执行的测量操作的最大数目；
执行一组测量操作，所述一组测量操作包括的测量操作的数目小于或等于所述测量操作的最大数目，每个测量操作包括：
生成并且发射电磁发射信号；
将所述发射信号朝向所述罐中产品的表面传播；
接收由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号；以及
形成指示所述发射信号与所述反射信号之间的定时关系的测量信号；以及
基于一组测量信号来确定所述填充物位，所述一组测量信号包括在所述一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
所述雷达物位计系统包括本地能量存储器；并且
确定指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果的步骤包括：确定指示当前存储在所述本地能量存储器中的能量的量的测量结果。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
所述雷达物位计系统被配置成由双线电流回路供电，并且被配置成通过控制流过所述双线电流回路的回路电流来提供所述填充物位的指示；并且
确定指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果的步骤包括：确定指示所述双线电流回路两端的电压的测量结果。
4.根据权利要求3所述的方法，其中：
所述雷达物位计系统被配置成通过将所述回路电流控制成表现出与所述填充物位对应的预定DC电流分量来提供所述填充物位的指示；并且
指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果还基于所述预定DC电流。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定所述填充物位的步骤包括：对所述一组测量信号求平均值以形成经平均的测量信号；以及基于经平均的测量信号来确定所述填充物位。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述发射信号是跨频带中的电磁信号频率的测量扫描，所述频带具有中心频率和带宽。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，测量信号是通过将所述发射信号与所述反射信号进行混合而形成的中频信号。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述一组测量操作中的测量操作的数目另外还基于先前的填充物位测量。
9.一种间歇地操作雷达物位计系统的方法，所述雷达物位计系统是能够在其中不确定填充物位的非活动状态与其中确定填充物位的活动状态之间控制的，所述方法包括：
控制所述雷达物位计系统从所述非活动状态转换至所述活动状态；
在已经将所述雷达物位计系统转换至所述活动状态之后，控制所述雷达物位计系统执行根据权利要求1或2所述的步骤；以及
控制所述雷达物位计系统从所述活动状态转换至所述非活动状态。
10.一种雷达物位计系统，所述雷达物位计系统用于确定罐中产品的填充物位，所述雷达物位计系统包括：
收发器，其用于生成、发射和接收电磁信号；
耦接至所述收发器的信号传播装置，所述信号传播装置用于将电磁发射信号朝向所述产品的表面传播以及将由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号返回至所述收发器；
功率监测电路，其用于确定指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；以及
处理电路，所述处理电路耦接至所述收发器并且耦接至所述功率监测电路，并且所述处理电路被配置成：
从所述功率监测电路获取指示用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率的测量结果；
执行一组测量操作，所述一组测量操作包括的测量操作的数目取决于用于所述雷达物位计系统的操作的当前可用功率，每个测量操作包括：控制所述收发器，以生成并且发射电磁发射信号，接收由所述发射信号在所述产品的表面处的反射产生的电磁反射信号，以及形成指示所述发射信号与所述反射信号之间的定时关系的测量信号；以及
基于一组测量信号来确定所述填充物位，所述一组测量信号包括在所述一组测量操作中的每个测量操作中形成的测量信号。
11.根据权利要求10所述的雷达物位计系统，其中：
所述雷达物位计系统还包括本地能量存储器；并且
所述功率监测电路被配置成确定指示当前存储在所述本地能量存储器中的能量的量的测量结果。
12.根据权利要求10或11所述的雷达物位计系统，其中，所述雷达物位计系统包括：
第一回路连接器以及第二回路连接器，所述第一回路连接器用于连接至双线电流回路的第一回路电势，所述第二回路连接器用于连接至所述双线电流回路的第二回路电势，电流回路电压是所述第一回路电势与所述第二回路电势之间的绝对差；以及
回路电流控制电路，所述回路电流控制电路能够由所述处理电路控制以取决于所确定的填充物位而将流过所述双线电流回路的回路电流设置为预定值，
其中，由所述处理电路执行的所述一组测量操作中的测量操作的数目取决于所述电流回路电压和所述回路电流。
13.根据权利要求10或11所述的雷达物位计系统，其中，所述收发器包括：
测量扫描生成器，所述测量扫描生成器被配置成生成跨频带中的电磁信号频率的测量扫描的形式的所述发射信号，所述频带具有中心频率和带宽；以及
混合器，所述混合器连接至所述测量扫描生成器并且连接至所述信号传播装置，所述混合器用于在每个测量操作中将所述发射信号和所述反射信号进行混合以形成所述测量信号。
14.根据权利要求13所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描生成器被配置成生成具有小于200μs的扫描持续时间的测量扫描。
15.根据权利要求14所述的雷达物位计系统，其中，所述测量扫描生成器被配置成在连续的测量操作中生成在第一测量扫描的结束与随后的第二测量扫描的开始之间小于50μs的测量扫描。
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