CN113892014A - 用于液位测量的专家控制系统以及方法 - Google Patents

Abstract

在至少一个说明性实施例中，导波雷达(GWR)液位传输器可以包括波导探头(将被定位在包含介质的箱中)、测量电路以及计算设备。测量电路可以沿着波导探头传输一系列脉冲以及测量一系列反射波形。计算设备可以实施专家控制系统以确定箱中的介质的液位，其中专家控制系统包括(i)包含先验知识的知识库以及(ii)推理引擎，其用以应用来自知识库的逻辑规则来评估被包含在一系列反射波形中的信息，以确定箱中的介质的液位。先验知识可以包括GWR液位传输器的系统模型、与通常液位测量应用相关联的行为、和/或由GWR液位传输器的用户提供的系统参数。

Description

用于液位测量的专家控制系统以及方法

相关申请的交叉引用

本专利申请要求在2019年4月1日公开的美国专利申请号16/371,129的权益，其全部内容通过引用被并入本文。

技术领域

本公开涉及液位测量技术领域。更具体地，本公开涉及使用专家控制系统以及方法的液位测量技术领域。

背景技术

导波雷达(GWR)技术用于工业应用中的液位测量。导波雷达沿着波导传输脉冲以及响应于传输的脉冲而接收反射波形。箱中的介质液位基于反射波形中的回波而被计算。反射波形由多个变量影响，这些变量包括介质的介电常数、搅动、乳化以及动态液位率。影响反射波形的大量变量极大增加了分析反射波形的复杂性。液位测量的可靠性可能是关键的以避免在工业应用中的严重事件，特别是在危险的以及易爆炸的环境中。

发明内容

根据本发明公开的方面，导波雷达(GWR)液位传输器可以包括：波导探头，该波导探头将被定位在包含介质的箱中；测量电路，用以沿着波导探头传输一系列脉冲并且测量一系列反射波形，一系列反射波形中的每个反射波形由一系列脉冲中的一个脉冲沿着波导探头的传输导致；以及计算设备，用以实施专家控制系统来确定箱中的介质的液位。专家控制系统可以包括(i)包含先验知识的知识库以及(ii)推理引擎，推理引擎用以应用来自知识库的逻辑规则来评估被包含在一系列反射波形中的信息以确定箱中的介质的液位。先验知识可以包括(i)GWR液位传输器的系统模型以及(ii)与通常液位测量应用相关联的行为。

在一些实施例中，GWR液位传输器的系统模型的先验知识可以包括以下一项或多项：由测量电路传输的一系列脉冲的特性、GWR液位传输器的信号传递函数的特性、以及与GWR信号传输器相关联的补偿和校正。

在一些实施例中，与通常液位测量应用相关联的行为的先验知识可以包括以下一项或多项：传输线理论信息、时域反射测量信息、与通常液位测量环境相关联的特性、一系列反射波形中的回波的可能来源、以及由可能来源中的每个可能来源生成的回波的通常特性。

在一些实施例中，先验知识可以进一步包括由GWR液位传输器的用户提供的系统参数。由GWR液位传输器的用户提供的系统参数可以包括以下一项或多项：波导探头的类型、波导探头的长度、波导探头的端部类型、设置在波导探头上的气相补偿标记的位置、喷嘴长度、介质的介电常数、与介质类型相关联的介电常数的类别、介质的界面特性、介质的填充率(a filling rate)、介质的排出率(a draining rate)、阻挡距离、箱的类型、远程电子装置的存在、以及针对介质的过程条件。

在一些实施例中，专家控制系统可以包括回波检测电路，回波检测电路用以检测在一系列反射波形中的每个反射波形中存在的多个回波，并且针对每个反射波形生成回波列表，每个回波列表标识在对应反射波形中存在的多个回波以及多个回波中的每个回波的一个或多个特性。被包括在回波列表中的多个回波中的每个回波的一个或多个特性包括回波的幅度以及回波在对应反射波形内的位置。

在一些实施例中，专家控制系统可以包括回波跟踪电路，回波跟踪电路用以实施状态估计器滤波器以跟踪由回波检测电路生成的连续的回波列表中存在的多个反复发生回波以及生成轨迹列表，该轨迹列表标识多个反复发生回波以及多个反复发生回波中的每个反复发生回波的一个或多个特性。

在一些实施例中，专家控制系统可以包括回波分类电路，回波分类电路用以评估轨迹列表中的多个反复发生回波中的每个反复发生回波属于多个回波类别中的每个回波类别的概率，并且生成被标记轨迹列表，被标记轨迹列表基于所评估的概率将多个反复发生回波中的每个反复发生回波与多个回波类别中的一个回波类别相关联。多个回波类别可以包括以下两项或多项：表示箱中的介质的表面的回波、表示波导探头的端部的回波、表示波导探头与测量电路之间的物理接口的回波、表示喷嘴的回波、表示沿着波导探头被定位在已知距离处的气相补偿标记的回波、表示噪声的回波、表示GWR液位传输器的硬件的回波、以及前述回波类别中的任何回波类别的反弹回波。

在一些实施例中，专家控制系统可以包括判定电路，判定电路用以从被标记轨迹列表中选择多个反复发生回波中的一个反复发生回波并且基于所选择的回波来计算箱中的介质的液位，其中所选择的回波表示箱中的介质的表面和波导探头的端部中的一者。

在一些实施例中，GWR液位传输器的测量电路和计算设备可以使用少于20mW的功率进行操作。

根据本公开的方面，操作导波雷达(GWR)液位传输器的方法可以包括：沿着定位在包含介质的箱中的波导探头传输一系列脉冲；测量一系列反射波形，一系列反射波形中的每个反射波形由一系列脉冲中的一个脉冲沿着波导探头的传输导致；并且使用专家控制系统评估被包含在一系列反射波形中的信息，以确定箱中介质的液位。专家控制系统可以包括(i)包含先验知识的知识库以及(ii)推理引擎，推理引擎用以应用来自知识库的逻辑规则来评估被包含在一系列反射波形中的信息以确定箱中的介质的液位。先验知识可以包括(i)GWR液位传输器的系统模型以及(ii)与通常液位测量应用相关联的行为。

在一些实施例中，先验知识可以进一步包括由用户提供的系统参数。

在一些实施例中，使用专家控制系统评估信息可以包括：检测在一系列反射波形中的每个反射波形中存在的多个回波，并且针对每个反射波形生成回波列表，每个回波列表标识在对应反射波形中存在的多个回波以及多个回波中的每个回波的一个或多个特性。被包括在回波列表中的多个回波中的每个回波的一个或多个特性包括回波的幅度以及回波在对应反射波形中的位置。

在一些实施例中，使用专家控制系统评估信息可以进一步包括：实施状态估计器滤波器，以跟踪在由回波检测电路生成的连续的回波列表中存在的多个反复发生回波，并且生成轨迹列表，轨迹列表标识多个反复发生回波以及多个反复发生回波中的每个反复发生回波的一个或多个特性。

在一些实施例中，使用专家控制系统评估信息可以包括：评估轨迹列表中的多个反复发生回波中的每个反复发生回波属于多个回波类别中的每个回波类别的概率，并且生成被标记轨迹列表，被标记轨迹列表基于所评估的概率将多个反复发生回波中的每个反复发生回波与多个回波类别中的一个回波类别相关联。多个回波类别包括以下两项或多项：表示箱中的介质的表面的回波、表示波导探头的端部的回波、表示波导探头与测量电路之间的物理接口的回波、表示喷嘴的回波、表示沿着波导探头被定位在已知距离处的气相补偿标记的回波、表示噪声的回波、表示GWR液位传输器的硬件的回波、以及前述回波类别中的任何回波类别的反弹回波。

在一些实施例中，使用专家控制系统评估信息可以包括：从被标记轨迹列表中选择多个反复发生回波中的一个反复发生回波，并且基于所选择的回波计算箱中的介质的液位，其中所选择的回波表示箱中的介质的表面和波导探头的端部中的一者。

本公开的这些特征和其他特征将从以下说明性实施例的描述中变得更加明显。

附图说明

在本公开中描述的概念在附图中通过示例并且不通过限制的方式被阐述。出于说明的简明以及清晰，图中所示的元件不必按比例绘制。例如，为了清晰，一些元件相对于其他元件的尺寸可以被扩大。进一步，在认为适当的情况下，参考标记可以在图中被重复以指示对应元件或相似元件。详细描述特别参考附图，其中：

图1A是可以使用当前公开的专家控制系统和方法的示例性导波雷达(GWR)液位传输器的立体视图；

图1B是图1A的示例性GWR液位传输器的部分分解的立体视图；

图2是被安装到箱上的图1A和图1B的示例性GWR液位传输器的立体视图，示出了GWR液位传输器与通过箱延伸的波导探头进行通信，以允许GWR液位传输器通过沿着波导探头传达的短脉冲引起能量从介质的表面反射返回到GWR液位传输器来检测箱内的介质的液位；

图3是图1至图2的示例性GWR液位传输器的所选择的组件以及波导探头的简化框图；

图4是图1至图3的GWR液位传输器的示例性环境的简化框图；

图5和图6一起示出了可以由图1至图4中的GWR液位传输器实施的、用于液位测量的专家控制方法的一个说明性实施例的简化流程图。

图7是示出了可以由图1至图4的GWR液位传输器的专家控制系统的推理引擎使用以产生准确和可靠的液位测量的先验知识的来源(包括用户输入、系统模型和特性、液位测量知识以及输入信号)的简化框图；以及

图8是与图1至图4以及图7的GWR液位传输器相关联的信息的示例性显示。

具体实施方式

虽然本公开的概念容许做出各种修改以及可替换的形式，其具体的实施例已经通过图中示例而被示出，以及将在本文中详细描述。然而应当理解，不意图将本公开的概念限制为所公开的特定形式，而是相反，意图是覆盖与本公开以及附加权利要求一致的所有修改、等同物以及替代方案。

说明书中涉及的“一个实施例”、“实施例”、“说明性实施例”等指示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个实施例可以或可以不必包括特定特征、结构或特性。此外，这些短语不一定指代同一实施例。进一步，当结合实施例描述特定特征、结构或特性时，认为结合其它实施例实施此类特征、结构或特性在所属领域的技术人员的知识范围内，无论是否明确描述。

在一些情况下，所公开的实施例可以以硬件、固件、软件或其任意组合来实施。所公开的实施例还可以被实施为由瞬态或非瞬态计算机可读存储介质携带或存储在瞬态或非瞬态计算机可读存储介质上的指令，该指令可以由一个或多个处理器读取和执行。计算机可读性存储介质可以体现为用于以计算机设备可读的形式存储或传输信息的任何存储设备、机制或其它物理结构(例如，易失性或非易失性存储器、媒体盘或其它媒体设备)。

在附图中，一些结构或方法特征可以以特定布置和/或顺序示出。然而，应当理解，可以不需要这样的特定布置和/或顺序。相反，在一些实施例中，这些特征可以按照与说明性附图中所示不同的方式和/或顺序布置。另外，在特定附图中包括结构或方法特征并不意图暗示这种特征在所有实施例中是需要的，以及在一些实施例中，可以不包括这种特征或者可以将这种特征与其他特征组合。

导波雷达(GWR)液位传输器沿着附接的导波探头传输一系列脉冲，该导波探头被定位在包含可变介质液位的箱内。GWR液位传输器获取与传输脉冲相对应的反射波形，评估每个反射波形内的回波，以及确定到介质表面的距离(或在一些实施例中，到各种介质的表面的距离)。GWR液位传输器通过使用先验知识增加其测量的稳定性。在一些实施例中，先验知识包括传感器系统的特性的知识、液位测量知识、用户提供信息、以及先前由传感器记录的波形的历史。GWR液位传输器使用先验知识来标识在当前接收的波形或帧中的所有回波。回波之一被标识为介质表面，以及该回波的距离被计算以确定介质的表面液位。可替代地，在其他实施例中，多个回波被标识为对应于各种介质的表面，以及与这些回波中的每个回波相关联的距离被计算以确定各种介质的液位。

在图1A以及图1B中示出的说明性实施例中，GWR液位传输器102示例性地包括耦合器104，耦合器104接纳与仪器头106的连接。仪器头106通过安装到耦合器104的接收端108选择性地与耦合器104连接以传输射频(RF)脉冲。在仪器头106与耦合器104之间的RF信号连接也可以由同轴线缆(未示出)完成。与接收端108相对，耦合器104包括安装端110，以用于连接到包含可变介质液位的箱。耦合器104适于安装到箱以与仪器头106一起传输和接收RF脉冲以用于监控。关于可以与本公开的GWR液位传输器一起使用的耦合器的说明性实施例的附加细节可以在2019年4月1日提交的美国专利申请号16/371,119中找到，其全部内容通过引用被并入本文。可以理解的是，任何合适的耦合器104可以与根据本公开的GWR液位传输器102一起使用。

参考图2，GWR液位传输器102被示出连接到箱112。GWR液位传输器102示例性地适于确定箱112内部的过程介质的液位，其被指示为高度h。GWR液位传输器可以通过应用例如使用时域反射率(TDR)的飞行时间测量原理来操作。例如，GWR液位传输器102可以通过探头114传输RF脉冲(p)，探头114在箱112内部延伸到介质中。介质的表面116通过探头114反射脉冲能量中的一部分脉冲能量(p_r)回到GWR液位传输器102，而一部分脉冲能量(p_f)可以穿过进入液体，这取决于其介电常数。(可以理解，图2中示出的介电常数(ε)是说明性以及非限制性的)。在一些应用中，多于一个的层可以存在并且可以反射多于一个的回波返回信号。在一些实施例中，RF信号可以例如以调频连续波(FMCW)布置而被调制。

介质的高度h可以根据在脉冲(p)的传输与脉冲能量中的一部分脉冲能量(p_r)的接收之间的经过时间(Δt)、基于光速c来确定，其中

以及介质高度h通常等于箱高度H减去气体高度d(h＝H-d)。脉冲(p)说明性地被实施为短的、亚纳秒(sub-ns)电磁信号脉冲。等效时间采样(ETS)原理允许将亚纳秒信号捕获和重构为较低频率以允许利用低成本的模数转换器更容易地数字化。尽管针对描述目的而被描述为液体，在一些实施例中，被感测的介质可以采用能够反射一部分脉冲能量到GWR液位传输器102以用于确定表面116的高度h的任何状态和/或形式的物质(例如，固体)。在一些实施例中，GWR液位传输器102可以被配置为确定高度h作为在两个不同类型和/或状态的介质之间的界面，例如，其中高度h是在水层和顶部的油层之间的界面高度，被称作界面测量。

在任何情况下，介质高度h的准确确定需要对脉冲能量中的一部分脉冲能量(p_r)的适当标识，这一部分脉冲能量(p_r)是从介质表面从存在于反射波形中的多个其他回波中返回的。本公开涉及专家控制系统，该专家控制系统可以可靠地标识在反射波形中存在的每个回波的来源，以允许更准确确定介质液位。

现在参考图3，用于在波形中标识回波并确定到介质表面的距离的GWR液位传输器300包括微控制器单元(MCU)302、通信电路306、以及测量电路308。可以理解的是，GWR液位传输器300可以包括出于清晰的目的而在图3中省略的附加部件和/或电路。关于可以与本公开的GWR液位传输器一起使用的电路的说明性实施例的其他细节可以在2019年4月1日提交的美国专利申请号16/371,126中找到，其全部内容通过引用被并入本文。可以设想的是，用于执行本文中描述的测量的任何适当的电路可以与根据本公开的GWR液位传输器102一起使用。

在使用中，GWR液位传输器300可以使用测量电路308生成脉冲。来自测量电路308的脉冲可以沿着波导探头312以预定脉冲重复频率发射，并且当脉冲到达电介质间断(例如在箱中的介质表面)时被反射。反射波形由测量电路308处理。处理后的模拟信号由MCU302的模数转换器(ADC)316获取，以产生数字信号，该数字信号将被用于确定沿着波导探头312的电介质间断的距离。这种反射波形的一个说明性示例在图8中示出。

在说明性实施例中，MCU302经由I/O子系统304通信地耦合到GWR液位传输器300的其他组件，I/O子系统304可以被体现为电路和/或组件以促进与MCU302、测量电路308以及GWR液位传输器300的其他组件的输入/输出操作。例如，I/O子系统304可以被体现为、或以其他方式包括存储器控制器中心、输入/输出控制中心，集成传感器中心、固件设备、通信链路(例如，点到点链路、总线链路、电线、线缆、光导、印刷电路板迹线，等等)和/或促进输入/输出操作的其他组件和子系统。在一些实施例中，I/O子系统304可以形成片上系统(SoC)的一部分，并且与处理器314、存储器318和MCU302的其它组件中的一个或多个一起并入MCU302中。在一些实施例中，MCU302的组件可以有利地被包括在单个集成电路中。在一些实施例中，获取并处理数据所需的功率可以低于20mW、低于10mW或甚至低于5mW。

如图3所示，MCU302可以被体现为用于执行本文中描述的功能的任何类型的计算设备。如图3所示，示例性MCU302包括至少一个或多个处理器314、模数转换器(ADC)316、以及存储器318。MCU302可以包括其他或附加组件，诸如在其他实施例中通常在移动和/或静态计算机中发现的那些组件(例如，各种传感器以及输入/输出设备)。处理器314可以被体现为能够执行本文所描述的功能的任何类型的处理器。在一些实施例中，处理器314可以被体现为、包括或耦合到现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、可重构硬件或硬件电路、或其它专用硬件以便于执行本文描述的功能。

模数转换器(ADC)316可以被体现为能够将从测量电路308接收到的模拟信号转换到数字信号的任何电路、设备或它们的集合。

存储器318可以被体现为任何类型的易失性(例如，动态随机访问存储器(DRAM)等)或非易失性存储器、或者能够执行本文描述的功能的数据存储装置。易失性存储器可以是需要功率以维持由介质存储的数据的状态的存储介质。易失性存储器的非限制性示例可以包括各种类型的随机访问存储器(RAM)，诸如动态随机访问存储器(DRAM)或静态随机访问存储器(SRAM)。

MCU302的通信电路306可以被体现为任何通信电路、设备或它们的集合。通信电路306可以被配置为使用任何一种或多种通信技术以及相关联的协议(例如，高速可寻址远程换能器(HART)、基础现场总线、PROFIBUS、Modbus、以太网、

WiMAX等)来实现这种通信。

测量电路308可以被体现为能够生成将被施加到波导探头312的RF信号以及测量从波导探头312得到的RF信号的任何电路、设备或它们的集合。在一些实施例中，测量电路308可以包括多个组件，诸如包括多个振荡器的定时电路、用于比较振荡器信号的重合电路、脉冲发生器、以及混频和滤波电路，类似于在2019年4月1日提交的美国专利申请号16/371,126中描述的那些组件，在此未示出或进一步描述以免模糊本公开。

现在参考图4，在使用中，导波雷达液位传输器300以及MCU302建立环境400。示例性环境400包括导波控制器402、测量电路404、回波检测电路406、跟踪电路408、标识电路410、气相补偿电路412、验证电路414、以及历史数据库416。环境400的各个模块可以被体现为硬件、固件、软件、或它们的组合。例如，各个模块、逻辑、以及环境400的其它组件可以形成处理器312或MCU302的其他硬件组件的一部分、或以其他方式由处理器312或MCU302的其他硬件组件建立。

波导控制器402被配置为传输一系列电脉冲以及接收反射波形。为此，波导控制器402沿着波导探头312传输电脉冲。波导控制器402可以使用测量电路308生成频率信号。信号可以沿着波导探头312以预定脉冲重复频率发射。进一步，波导控制器402响应于传输电脉冲而在波导探头312处接收反射波形。

测量电路404被配置为分析接收波形。为此，测量电路404对反射波形执行预启动分析(a pre-launch analysis)。在一些实施例中，测量电路404可以标识反射波形的第一峰值。第一峰值的特性继而可以与值的预期范围进行比较。如果特性在值的预期范围内，则第一峰值可以标记为PCB连接。如果特性没有在值的预期范围内，则用户可以被通知可能存在连接丢失。

在一些实施例中，测量电路404接下来可以标识反射波形的第二峰值和第三峰值。第二峰值和第三峰值的特性可以继而与值的一个或多个预期范围进行比较。如果特性在值的(多个)预期范围内，则第二峰值和第三峰值可以分别被标记为负传输线回波和正传输线回波。如果特性不在值的(多个)预期范围内，则用户可以被通知出错。传输线回波可以被用作自测试，因为传输线是在GWR液位传输器102的内部，因此其行为独立于GWR液位传输器102所处的应用。

在一些实施例中，测量电路404接下来可以标识反射波形的第四峰值。测量电路404可以确定第四峰值是线缆连接回波。如果第四峰值是线缆连接回波，则测量电路404可以将第四峰值的特性与预期值进行比较以确定回波是否表示耦合器连接或连接错误丢失。如果第四峰值不是线缆连接回波，则第四峰值被标记为内部耦合器连接。第四峰值的特性继而与预期值相比较以确定错误是否已经发生。在一些实施例中，错误可以是内部耦合器错误或破坏密封错误。

在一些实施例中，测量电路404接下来可以标识反射波形的第五峰值。第五峰值的特性继而可以与值的预期范围进行比较。如果特性在值的预期范围内，则第五峰值可以被标记为启动探头。如果特性不在值的预期范围内，则用户被通知可能存在未连接的探头。

测量电路404包括回波检测电路406。回波检测电路406被配置为在反射波形中检测或标识回波。为此，回波检测电路406可以针对反射波形应用滤波器。在一些实施例中，Savitzky-Golay滤波器被应用于反射波形。回波检测电路406继而可以使用零交叉方法执行所有回波的初步检测或标识。在一些实施例中，回波检测电路406可以通过将它们的斜率与预定阈值比较来检测回波。斜率阈值可以与斜率的一阶和/或二阶导数相关。在一些实施例中，回波检测电路406可以确定针对滤波后的反射波形的基线。在一些实施例中，回波检测电路406可以将回波宽度确定为针对每个检测到的回波的回波高度的给定百分比。在一些实施例中，回波检测电路406将忽略不需要的回波。回波检测电路406继而将基于标识的回波生成回波列表。

测量电路404进一步被配置为针对回波列表中的每个回波计算距离测量结果。在一些实施例中，测量电路404可以基于RF波的已知特性以及定时参数针对回波列表中的每个回波确定距离测量结果。在一些实施例中，测量电路404可以基于历史数据针对回波列表中的每个回波确定距离测量结果。在一些实施例中，测量电路404可以通过将回波列表中的每个回波与已知距离进行比较来确定回波列表中的每个回波的距离测量结果。测量电路404可以进一步被配置为通过已知因子来调整回波列表中的每个回波的距离。在一些实施例中，测量电路404可以基于来自至少一个查找表中的一个或多个值来施加校正。在一些实施例中，测量电路404可以对每个回波的距离施加气相补偿(GPC)校正因子。GPC因子可以基于沿着波导探头在已知距离处的已知位置处的分类后的回波的特性。在一些实施例中，测量电路404可以基于温度应用校正。

跟踪电路408被配置为将回波列表中的每个回波与回波轨迹相关联。为此，跟踪电路408从历史数据库416中检索回波轨迹列表。回波轨迹列表可以被称为状态估计器滤波器。在回波轨迹列表中的每个回波轨迹代表先前已经被标识的特定回波的历史。回波轨迹包含该回波的历史及其在先前的帧或先前接收的波形上的特性。回波轨迹列表或状态估计器滤波器跟踪跨服务器反射波形的数字表示而被标识的多个回波，该服务器反射波形由几个脉冲沿着波导探头的传输导致。跟踪电路408可以基于历史轨迹数据针对回波轨迹列表上的每个回波轨迹预测在当前接收波形上的当前回波位置和幅度。在一些实施例中，跟踪电路408可以基于在先前帧中的回波轨迹特性来预测当前回波轨迹特性。在一些实施例中，跟踪电路408可以基于先前回波轨迹特性以及在先前帧上的回波轨迹特性的变化率，预测当前回波轨迹特性。

跟踪电路408继而将回波列表中的每个回波与来自回波轨迹列表中的回波轨迹相关联。在一些实施例中，跟踪电路408可以基于预测的回波轨迹位置将接收波形的回波列表与回波轨迹列表相关联。在一些实施例中，跟踪电路408可以基于每个回波的测量结果与回波轨迹中的回波的测量结果的比较，将接收波形的回波列表与回波轨迹列表相关联。一旦每个回波已经与回波列表中的回波轨迹相关联，回波就被添加到对应的回波轨迹中。如果新的回波在不具有新的对应轨迹的回波列表中，则跟踪电路408可以在轨迹列表中创建新的轨迹。在一些实施例中，跟踪电路408可以基于当前回波列表在历史数据库416中更新回波轨迹列表。

标识电路410被配置为标识或分类在回波轨迹列表中的每个回波轨迹。为此，标识电路410可以针对回波轨迹列表中的每个回波轨迹计算标签或分类的概率。可能被使用的标签包括箱中介质的至少一个表面液位(或多个表面液位)、波导探头的端部、波导探头与测量电路之间的物理接口、以及位于沿着波导探头的已知的距离处的气相补偿标记(用作参考点以计算并补偿影响脉冲速度的空气、蒸汽等的影响)。在一些实施例中，标识电路410可以基于历史数据计算每个轨迹的标签的概率。在一些实施例中，标识电路410可以基于用户输入数据或GWR液位传输器的知识来计算每个回波的标签的概率。

标识电路410进一步向每个回波轨迹分配标签或分类。在一些实施例中，标识电路410可以基于概率分配标签或对轨迹列表中的每个回波轨迹分类。在一些实施例中，标识电路410可以基于回波轨迹的特性来分配标签。在一些实施例中，标识电路410可以基于历史数据分配标签。在一些实施例中，标识电路410可以基于对多个回波中的每个回波的一个或多个特性的逻辑规则集合来向每个回波轨迹分配标签以确定回波的来源。使用这些因子中的任何或所有因子，标识电路410可以首先分配标签(或多个标签)到最容易标识的(多个)回波。该知识可以继而被用以更新用于剩余回波的可能分类以增加它们的标识中的准确性。针对回波中的每个回波，这个过程可以被迭代执行。在一些实施例中，标识电路410可以分配标签到未知的轨迹(例如，噪声回波)作为“伪回波”以防止这种波形在未来被标识为介质表面。每当液位接近伪回波的位置时，标识电路410也可以使用这种知识来执行液位回波以及伪回波的动态合并。这种合成允许标识电路410维持良好的准确性并且在合并期间避免损失轨迹。

标识电路410进一步确定到介质的表面的距离。标识电路410向回波轨迹中的一个回波轨迹预先分配去往表面介质的距离的标签。与该回波轨迹相关的对应距离是到介质表面的距离。如果没有一个轨迹被分配介质的表面液位的标签，则标识电路410可以使用被分配到波导探头的标签端的轨迹，来表示介质的表面液位。在一些实施例中，标识电路410可以基于RF波的已知特性以及定时参数针对回波轨迹确定距离测量结果。在一些实施例中，标识电路410可以基于历史数据针对回波轨迹确定距离测量。在一些实施例中，标识电路410可以通过将回波列表中的每个回波与已知的距离相比较，确定回波轨迹的距离测量结果。

气相补偿电路412可以被配置为维持气相补偿器。气相补偿器对应于沿着波导具有已知距离的回波轨迹。气相补偿器可以用于针对每个标识的回波调整距离测量结果。气相补偿电路412可以基于标记为GPC参考标记的回波轨迹来更新当前的气相补偿因子。

验证电路414被配置为验证回波轨迹的标记。在一些实施例中，验证电路414可以通过将回波轨迹的特性与预期阈值进行比较来验证标签。验证电路414可以进一步对接收波形应用滤波器。在一些实施例中，滤波器可以是中值滤波器或阻尼滤波器。

历史数据库416被配置为维持回波轨迹列表。回波轨迹列表可以被称为状态估计器滤波器。在回波轨迹列表中每个回波轨迹代表先前已经被标识的特定回波的历史。回波轨迹包括该回波的历史及其在先前帧或先前接收波形上的特性。回波轨迹列表或状态估计器滤波器跟踪跨服务器反射波形的数字表示被标识的多个回波，该服务器反射波形由多个脉冲沿着波导探头的传输导致。

现在参考图5和图6，在使用中，GWR液位传输器300可以执行方法500以用于确定在箱中的介质的液位。方法以框502开始，在框502中，GWR液位传输器300沿着波导探头312传输电信号脉冲。GWR液位传输器300可以使用测量电路308生成频率信号。来自测量电路308的信号可以沿着波导探头312以预定脉冲重复频率发射。

在框504中，GWR液位传输器300确定反射信号是否响应于传输电信号脉冲已经在波导探头312处被接收。如果在框504中GWR液位传输器300确定反射信号没有被接收，方法500循环回到框502以发送新的电子信号脉冲。然而，如果在框306中GWR液位传输器300确定反射信号已经被接收，方法300前进到框506.

在框506中，MCU302的模数转换器314将接收的反射波形转换为反射波形的数字表示。MCU302从波导探头312通过I/O电路370以及I/O子系统320接收反射信号或反射波形。MCU302使用它的ADC转换器314以将接收波形处理为数字表示。

在框508中，MCU302分析反射波形的数字表示，以检测反射波形内的每个回波。MCU302在框510中执行预启动分析，作为回波检测处理的一部分。

在框510中，MCU302在反射波形上执行预启动分析。在一些实施例中，MCU302可以标识反射波形的第一峰值。第一峰值的特性可以继而与值的预期范围相比较。如果特性在值的预期范围内，则第一峰值可以被标记为PCB连接。如果特性不在值的预期范围内，则可以通知用户可能存在连接丢失。在一些实施例中，MCU302可以接下来标识反射波形的第二峰值和第三峰值。第二峰值和第三峰值的特性可以继而与值的一个或多个预期范围比较。如果特性在值的(多个)预期范围内，则第二峰值和第三峰值可以分别被标记为负向传输线回波以及正向传输线回波。如果特性不在值的(多个)预期范围内，则可以通知用户错误。在一些实施例中，MCU302接下来可以标识反射波形的第四峰值。MCU302可以确定第四峰值是线缆连接回波。如果第四峰值是线缆连接回波，则测量电路404可以将第四峰值的特性与预期值相比较，以确定回波是否表示耦合器连接或连接错误丢失。如果第四峰值不是线缆连接回波，则第四峰值被标记为内部耦合器连接。第四峰值的特性继而与预期值相比较以确定错误是否已经发生。在一些实施例中，错误可以是内部耦合器错误或破坏密封错误。在一些实施例中，MCU302接下来可以标识反射波形的第五峰值。第五峰值的特性可以继而与值的预期范围比较，如果特性在值的预期范围内，则第五峰值可以被标记为启动探头。如果特性不在值的预期范围内，则用户可以被通知可能存在未连接的探头。

在预启动分析后，MCU302继续检测回波的过程。MCU302可以向反射波形施加滤波器。在一些实施例中，对反射波形应用Savitzky-Golay滤波器。MCU302可以继而使用零交叉方法执行所有回波的初步检测或标识。在一些实施例中，回波可以通过将其斜率与预定阈值相比较而被检测。斜率阈值可以与斜率的一阶和/或二阶导数相关。在一些实施例中，MCU302可以确定用于滤波后的反射波形的基线。在一些实施例中，MCU302可以将回波宽度确定为针对每个检测到的回波的回波高度的给定百分比。在一些实施例中，MCU302将忽略不需要的回波。MCU302继而将基于被标识的回波生成回波列表。

在框512中，MCU302针对回波列表中的每个回波确定距离测量结果。在一些实施例中，MCU302可以基于RF波的已知特性以及定时参数针对回波列表中的每个回波确定距离测量结果。在一些实施例中，MCU302可以基于历史数据针对回波列表中的每个回波确定距离测量结果。在一些实施例中，MCU302可以通过将回波列表中的每个回波与已知距离进行比较，来确定回波列表中的每个回波的距离测量结果。

在框514中，MCU302通过已知因子调整回波列表中的每个回波的距离。在一些实施例中，MCU302可以基于来自至少一个查找表的一个或多个值应用校正。在一些实施例中，MCU302可以对每个回波的距离应用气相补偿(GPC)校正因子。GPC因子可以基于沿着波导探头在已知距离处的已知位置处的分类的回波的特性。在一些实施例中，MCU302可以基于温度应用校正。

在框516中，MCU302从历史数据库中检索回波轨迹列表。回波轨迹列表可以称为状态估计器滤波器。在回波轨迹列表中的每个回波轨迹表示先前标识过的特定回波的历史。回波轨迹包含该回波的历史以及该回波在先前帧或先前接收波形上的特性。回波轨迹列表或状态估计器滤波器跟踪跨服务器反射波形的数字表示而被标识的多个回波，该服务器反射波形由多个脉冲沿着波导探头的传输导致。

在框518中，MCU302基于历史轨迹数据针对回波轨迹列表上的每个回波轨迹，预测在当前接收波形上的当前回波位置和幅度。在一些实施例中，MCU302可以基于在先前帧中的回波轨迹特性来预测当前回波轨迹特性。在一些实施例中，MCU302可以基于先前回波轨迹特性以及回波轨迹特性在先前帧上的变化率，来预测当前回波轨迹特性。

在框520中，MCU302将回波列表中的每个回波与来自回波轨迹列表中的回波轨迹相关联。在一些实施例中，MCU302可以基于预测的回波轨迹位置将接收波形的回波列表与回波轨迹列表相关联。在一些实施例中，MCU302可以基于每个回波的测量结果与回波轨迹中的回波的测量结果的比较，将接收波形的回波列表与回波轨迹列表相关联。一旦每个回波已经与轨迹列表中的回波轨迹相关联，回波被添加到对应的回波轨迹中。如果新的回波在不具有新的对应轨迹的回波列表中，则MCU302可以在轨迹列表中创建新的轨迹。在一些实施例中，MCU302可以基于当前的回波列表更新历史数据库416中的回波轨迹列表。

在框522中，MCU302针对回波轨迹列表中的每个回波轨迹计算标签或分类的概率。可能被使用的标签至少包括箱中的介质的表面液位、波导探头的端部、波导探头与测量电路之间的物理接口、以及位于沿着波导探头的已知距离处的气相补偿标记。在一些实施例中，MCU302可以基于历史数据计算每个轨迹的标签的概率。在一些实施例中，MCU302可以基于用户输入数据或GWR液位传输器的知识来计算每个回波的标签的概率。

在框524中，MCU302向回波轨迹中的每个回波轨迹分配标签或分类。在一些实施例中，MCU302可以基于概率分配标签或对轨迹列表中的每个回波轨迹分类。在一些实施例中，MCU302可以基于回波轨迹的特性分配标签。在一些实施例中，MCU302可以基于历史数据分配标签。在一些实施例中，MCU302可以基于对多个回波中的每个回波的一个或多个特性的逻辑规则集合将标签分配到每个回波轨迹，以确定回波的来源。

在框526中，MCU302确定到介质表面的距离。在框524中，MCU302先前将到表面介质的距离的标签分配给回波轨迹中的一个回波轨迹。与该回波轨迹相关的对应距离是到介质表面的距离。如果没有轨迹被分配介质的表面液位的标签，则MCU302可以使用被分配了波导探头的标签端的轨迹，以表示介质的表面液位。在一些实施例中，MCU302可以基于RF波的已知特性以及定时参数针对回波轨迹确定距离测量结果。在一些实施例中，MCU302可以基于历史数据针对回波轨迹确定距离测量结果。在一些实施例中，MCU302可以通过将回波列表中的每个回波与已知距离进行比较，确定回波轨迹的距离测量结果。

在框528中，MCU302可以更新当前的气相补偿因子。MCU302可以基于标签为GPC参考标记的回波轨迹，更新当前的气相补偿因子。

在框530中，MCU302针对回波轨迹中的每个回波轨迹验证标签。在一些实施例中，MCU302可以通过将回波轨迹的特性与预期阈值比较来验证标签。

在框532中，MCU302应用滤波器到接收波形。在一些实施例中，滤波器可以是中值滤波器或阻尼滤波器。在框532后，MCU302返回到方法500的开始。

现在参照图7，GWR液位传输器300的MCU302实施专家控制系统，该专家控制系统作为简化的框图示出。如图7的左手侧所示，专家控制系统包括知识库，该知识库包括多个先验知识的来源，诸如用户输入、系统模型以及特性、液位测量知识以及输入信号。这种先验知识由专家控制系统的接口引擎使用以应用逻辑规则集合到由GWR液位传输器测量的反射波形，以产生准确和可靠的液位测量。

虽然已经在附图和前面的描述中详细描述了某些说明性实施例，但是这样的图示和描述应当被认为是示例性的而非限制性的，应当理解，仅示出和描述了说明性实施例，并且期望保护落入本公开的精神内的所有改变和修改。本公开的多个优点源于本文所述的方法、系统以及制品的各种特征。应注意，本公开的方法、系统以及制品的备选的实施例可以不包括所描述的所有特征，但仍受益于此类特征的至少一些优点。本领域普通技术人员可以容易地设计出结合本公开的一个或多个特征的方法、系统以及制品的他们自己的实现方式。

Claims (24)

1.一种导波雷达(GWR)液位传输器，包括：

波导探头，将被定位在包含介质的箱中；

测量电路，用以沿着所述波导探头传输一系列脉冲并且测量一系列反射波形，所述一系列反射波形中的每个反射波形由所述一系列脉冲中的一个脉冲沿着所述波导探头的传输导致；以及

计算设备，用以实施专家控制系统，以确定所述箱中的所述介质的液位，其中所述专家控制系统包括：(i)包含先验知识的知识库；以及(ii)推理引擎，所述推理引擎用以应用来自所述知识库的逻辑规则来评估被包含在所述一系列反射波形中的信息，以确定所述箱中的介质的液位，以及其中所述先验知识包括：(i)GWR液位传输器的系统模型；以及(ii)与通常液位测量应用相关联的行为。

2.根据权利要求1所述的GWR液位传输器，其中所述GWR液位传输器的所述系统模型的先验知识包括以下一项或多项：由所述测量电路传输的所述一系列脉冲的特性、所述GWR液位传输器的信号传递函数的特性、以及与所述GWR液位传输器相关联的补偿和校正。

3.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中与通常液位测量应用相关联的所述行为的先验知识包括以下一项或多项：传输线理论信息、时域反射测量信息、与通常液位测量环境相关联的特性、所述一系列反射波形中的回波的可能来源、以及由所述可能来源中的每个可能来源生成的回波的通常特性。

4.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中所述先验知识还包括由所述GWR液位传输器的用户提供的系统参数。

5.根据权利要求4所述的GWR液位传输器，其中由所述GWR液位传输器的用户提供的所述系统参数包括以下一项或多项：所述波导探头的类型、所述波导探头的长度、所述波导探头的端部类型、设置在所述波导探头上的气相补偿标记的位置、喷嘴长度、所述介质的介电常数、与所述介质的类型相关联的介电常数的类别、所述介质的界面特性、所述介质的填充率、所述介质的排出率、阻挡距离、所述箱的类型、远程电子装置的存在、以及针对所述介质的过程条件。

6.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中所述专家控制系统包括回波检测电路，所述回波检测电路用以检测在所述一系列反射波形中的每个反射波形中存在的多个回波，并针对每个反射波形生成回波列表，每个回波列表标识在对应反射波形中存在的所述多个回波、以及所述多个回波中的每个回波的一个或多个特性。

7.根据权利要求6所述的GWR液位传输器，其中被包括在所述回波列表中的所述多个回波中的每个回波的所述一个或多个特性包括所述回波的幅度以及所述回波在对应反射波形内的位置。

8.根据权利要求6或7所述的GWR液位传输器，其中所述专家控制系统包括回波跟踪电路，所述回波跟踪电路用以实施状态估计器滤波器，以跟踪由所述回波检测电路生成的连续回波列表中存在的多个反复发生回波，并生成轨迹列表，所述轨迹列表标识所述多个反复发生回波和所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波的一个或多个特性。

9.根据权利要求8所述的GWR液位传输器，其中所述专家控制系统包括回波分类电路，所述回波分类电路用以评估所述轨迹列表中的所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波属于多个回波类别中的每个回波类别的概率，并基于所评估的概率生成将所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波与所述多个回波类别中的一个回波类别相关联的被标记轨迹列表。

10.根据权利要求9所述的GWR液位传输器，其中所述多个回波类别包括以下两项或多项：表示所述箱中的介质的表面的回波、表示所述波导探头的端部的回波、表示所述波导探头与所述测量电路之间的物理接口的回波、表示喷嘴的回波、表示沿着所述波导探头定位在已知距离处的气相补偿标记的回波、表示噪声的回波、表示所述GWR液位传输器的硬件的回波、以及前述回波类别中的任何类别的反弹回波。

11.根据权利要求9或10所述的GWR液位传输器，其中所述专家控制系统包括判定电路，所述判定电路用以从所述被标记轨迹列表中选择所述多个反复发生回波中的一个反复发生回波，并基于所选择的回波计算所述箱中的介质的液位，其中所选择的回波表示所述箱中的所述介质的表面和所述波导探头的端部中的一者。

12.根据前述权利要求中任一项所述的GWR液位传输器，其中所述测量电路和所述计算设备使用小于20mW的功率进行操作。

13.一种操作导波雷达(GWR)液位传输器的方法，所述方法包括：

沿着定位在包含介质的箱中的波导探头传输一系列脉冲；

测量一系列反射波形，所述一系列反射波形中的每个反射波形由所述一系列脉冲中的一个脉冲沿所述波导探头的传输导致；以及

使用专家控制系统评估被包含在所述一系列反射波形中的信息，以确定所述箱中的介质的液位，其中所述专家控制系统包括(i)包含先验知识的知识库和(ii)推理引擎，所述推理引擎用以应用来自所述知识库的逻辑规则，并且其中所述先验知识包括(i)所述GWR液位传输器的系统模型以及(ii)与通常液位测量应用相关联的行为。

14.根据权利要求13所述的方法，其中使用所述专家控制系统评估所述信息包括：

检测在所述一系列反射波形中的每个反射波形中存在的多个回波；以及

针对每个反射波形生成回波列表，每个回波列表标识对应反射波形中存在的所述多个回波、以及所述多个回波中的每个回波的一个或多个特性。

15.根据权利要求14所述的方法，其中被包括在所述回波列表中的所述多个回波中的每个回波的所述一个或多个特性包括所述回波的幅度以及所述回波在所述对应反射波形内的位置。

16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中使用所述专家控制系统评估所述信息进一步包括：

实施状态估计器滤波器以跟踪在由所述回波检测电路生成的连续回波列表中存在的多个反复发生回波；以及

生成轨迹列表，所述轨迹列表标识所述多个反复发生回波和所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波的一个或多个特性。

17.根据权利要求16所述的方法，其中使用所述专家控制系统评估所述信息进一步包括：

评估所述轨迹列表中的所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波属于多个回波类别中的每个回波类别的概率；以及

基于所评估的概率生成将所述多个反复发生回波中的每个反复发生回波与所述多个回波类别中的一个回波类别相关联的被标记轨迹列表。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述多个回波类别包括以下两项或多项：表示所述箱中的所述介质的表面的回波、表示所述波导探头的端部的回波、表示所述波导探头与所述测量电路之间的物理接口的回波、表示喷嘴的回波、表示沿所述波导探头定位在已知距离处的气相补偿标记的回波、表示噪声的回波、表示所述GWR液位传输器的硬件的回波、以及前述回波类别中的任何回波类别的反弹回波。

19.权利要求17或18所述的方法，其中使用所述专家控制系统评估所述信息进一步包括：

从所述被标记轨迹列表中选择所述多个反复发生回波中的一个反复发生回波；以及

基于所选择的回波计算所述箱中的介质的液位，其中所选择的回波表示所述箱中的所述介质的表面和所述波导探头的端部中的一者。

20.根据权利要求13至19中任一项所述的方法，其中所述GWR液位传输器的所述系统模型的所述先验知识包括以下一项或多项：由所述测量电路传输的所述一系列脉冲的特性、所述GWR液位传输器的信号传递函数的特性、以及与所述GWR液位传输器相关联的补偿和校正。

21.根据权利要求13至20中任一项所述的方法，其中与通常液位测量应用相关联的所述行为的所述先验知识包括以下一项或多项：传输线理论信息、时域反射测量信息、与通常液位测量环境相关联的特性、所述一系列反射波形中的回波的可能来源、以及由所述可能来源中的每个可能来源生成的回波的通常特性。

22.根据权利要求13至21中任一项所述的方法，其中所述先验知识还包括由所述GWR液位传输器的用户提供的系统参数。

23.根据权利要求22所述的方法，其中由所述GWR液位传输器的用户提供的所述系统参数包括以下一项或多项：所述波导探头的类型、所述波导探头的长度、所述波导探头的端部类型、设置在所述波导探头上的气相补偿标记的位置、喷嘴长度、所述介质的介电常数、与所述介质的类型相关联的介电常数的类别、所述介质的界面特性、所述介质的填充率、所述介质的排出率、阻挡距离、所述箱的类型、远程电子装置的存在、以及针对所述介质的过程条件。

24.根据权利要求13至23中任一项所述的方法，其中所述GWR液位传输器使用小于20mW的功率执行所要求的步骤。

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