CN114761767A - 料位测量设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于雷达的料位测量设备(1)，其例如根据FMCW原理或脉冲飞行时间原理工作。根据本发明，料位测量设备(1)包括温度传感器(115)。因此，可以根据测量的温度来控制确定料位(L)的测量速率(rm)，使得至少在定义的极限温度(Tg)之上，测量速率(rm)随着温度的进一步升高而降低。此外，如果测量的温度超过预定义的最高温度(Tmax)，尤其是150℃，则可以完全停止测量。料位测量设备(1)中热量的产生被测量速率(rm)的降低所抵消。由此，测量速率(rm)相对于环境温度被自适应地调整，使得即使在清洁过程的情况下可能出现的升高的环境温度下，料位测量设备(1)仍保持至少有条件地适合于使用。

Description

料位测量设备
技术领域
本发明涉及一种适合于高温应用的料位测量设备。
背景技术
在自动化技术中，特别是对于过程自动化，经常使用现场设备，其用于检测各种被测变量。待确定的被测变量例如可以是加工厂中介质的料位、流量、压力、温度、pH值、氧化还原电位、电导率或介电值。为了检测对应的测量值，现场设备分别包括合适的传感器或基于合适的测量原理。Endress+Hauser集团公司生产和销售各种此类现场设备。
为了测量容器中填充材料的料位，基于雷达的测量方法已经建立起来，因为它们坚固并且需要最少的维护。在本发明的范围内，术语“容器”也被理解为表示未封闭的容器，例如盆地、湖泊或流动的水体。基于雷达的测量方法的关键优势在于能够准连续地测量料位。在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指频率在0.03GHz和300GHz之间的雷达信号。通常执行料位测量或距离测量的典型频带是2GHz、26GHz、79GHz或120GHz。在此的两种常见的测量原理是脉冲飞行时间原理(也称为“脉冲雷达”)和FMCW原理(“调频连续波”)。例如，在公开的专利申请DE 10 2012 104 858 A1中描述了根据脉冲飞行时间方法工作的料位测量设备。对于基于FMCW的料位测量设备的典型构造，例如参考公开的专利申请DE 10 2013108 490 A1。
在这两种测量原理的情况下，以定义的测量速率循环地测量料位或到填充材料的距离。例如，在“Radar Level Detection,Peter Devine,2000”中更详细地描述了FMCW和脉冲雷达的测量原理。
料位测量设备通常用于其中以外部温度或室温为主的过程环境中。然而，特别是在卫生敏感的加工厂中，例如在食品工业中，通常在对应的过程容器中在超过130℃的温度下执行临时清洁循环，该温度接近于基于半导体的电路的约150℃的结温。出于这个原因，对应的半导体电路且因此料位测量设备在高于该温度时不能正常工作。由于产生的低温储备，因此至少在清洁循环期间和之后不能使用料位测量设备。
发明内容
因此，本发明基于提供一种也可以在升高的环境温度下使用的料位测量设备的目的。
本发明通过一种基于雷达的料位测量设备来实现该目的，该设备用于测量位于容器中的填充材料的料位。出于这个目的，料位测量设备至少包括：
-信号发生单元，被设计用于产生对应于可调节的测量速率的高频电信号，
-天线装置，通过该天线装置，高频信号可以作为雷达信号在填充材料的方向上被发射，并且可以在填充材料表面反射后作为对应的接收信号被接收，
-评估单元，被设计用于至少根据接收信号以可调节的测量速率周期性地重新确定料位，
-温度传感器，被设计用于测量在信号发生单元和/或在评估单元处的温度。
根据本发明，信号发生单元和评估单元被设计为根据测量温度控制测量速率，使得测量速率随着温度升高(至少高于定义的极限温度，例如100℃)而降低，尤其是线性或逐步降低。因此，尽管它们接近清洁过程，但主要在信号发生单元和评估单元中显著升温的组件，例如任何放大器，仅升温至有限程度。结果，可以灵活地防止料位测量设备的组件达到结温。因此，通过根据本发明的控制，即使在任何清洁循环(如果合适的话)期间，也可以以对应低的测量速率使用料位测量设备。
关于料位测量设备，在本发明范围内的术语“单元”原则上被理解为是指为相应的预期目的适当地设计的任何电子电路。因此，根据需要，它可以是用于生成或处理对应模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是数字电路，例如与程序交互的微控制器或存储介质。在这种情况下，程序被设计为执行对应的方法步骤或应用相应单元的必要计算操作。在此上下文中，本发明意义上的料位测量设备的各种电子单元也可以潜在地访问共同的物理存储器或通过相同的物理数字电路来操作。
可以通过下述方式来开发根据本发明的料位测量设备：设计信号发生单元和评估单元，以在测量温度超过预定最大值，特别是150℃的结温时完全停止料位测量。如果信号发生单元或评估单元被设计为ASIC的单片组件，这尤其是有利的。如果信号发生单元包括用于放大高频信号的传输放大器，那么也可能将温度传感器直接布置在传输放大器上，因为这样的放大器实际上是升温最多的，因此代表了最热的位置，至少在基于ASIC的设计的情况下。此外，传输放大器通常相对于料位测量设备的大多数其他组件靠近天线布置，因此非常接近任何清洁循环。
在本发明的范围内，可以根据脉冲飞行时间方法和根据FMCW方法两者设计料位测量设备：在脉冲飞行时间方法的情况下，信号发生单元被设计为使得根据脉冲飞行时间方法产生高频电信号。评估单元被对应地设计用于根据脉冲飞行时间方法基于采样的接收信号确定料位。
在实施FMCW方法时，信号发生单元应被对应设计为根据FMCW方法产生高频电信号，或评估单元应被设计为使得通过混合高频信号和接收信号根据FMCW方法确定料位。
对应于根据本发明的料位测量设备，还通过一种用于操作根据前述实施例变形之一的测量设备的方法来实现本发明所基于的目的。因此，该方法至少包括以下方法步骤：
-产生对应于可变测量速率的高频电信号，
-向物体方向发射高频信号作为雷达信号，
-接收在物体上反射后反射的雷达信号作为电接收信号，
-以可调节的测量速率至少根据接收信号循环地重新确定距离，
-测量在信号发生单元和/或在评估单元处的温度。
在这种情况下，根据所测量的温度控制测量速率，使得至少在限定的极限温度之上，测量速率随着温度升高而减小。
附图说明
参考以下附图更详细地解释本发明。示出了以下部分：
图1：基于雷达的料位测量设备在容器上的典型布置，
图2：基于FMCW雷达的料位测量设备的电路图，
图3：根据脉冲飞行时间方法工作的料位测量设备的电路图，以及
图4：根据本发明的在料位测量设备中根据温度对于测量速率的控制。
具体实施方式
为了基本理解根据本发明的距离测量，图1示出了容器3上的自由辐射的、基于雷达的料位测量设备1的典型布置。容器3中是填充材料2，其料位L由料位测量设备1确定。出于这个目的，料位测量设备1安装在容器3上高于最大允许料位L。根据应用领域，容器3的高度h可以在仅30cm到125m之间。
通常，料位测量设备1通过诸如“以太网”、“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”的总线系统连接到诸如过程控制系统或去中心化的数据库的上位单元4。一方面，因此可以传递关于料位测量设备1的运行状态的信息。另一方面，也可以通过总线系统传输关于料位L的信息，以便控制容器3中可能存在的任何流入或流出。
由于图1中所示的料位测量设备1被设计为自由辐射的雷达测量设备，所以它包括对应的发射/接收天线12。如所指出的，天线12例如可以被设计为喇叭天线。不管设计如何，发射/接收天线12被定向为使得根据FMCW原理或脉冲飞行时间原理在填充材料3的方向上发射对应的雷达信号SHF。
雷达信号SHF在填充材料3的表面处被反射，并且在对应的信号飞行时间之后，对应地被发射/接收天线12接收为电接收信号eHF。雷达信号SHF、EHF的信号飞行时间取决于料位测量设备1距填充材料表面的距离d＝h-L。
与所示的实施例变形相比，也可以使用两个单独的天线来单独发送和接收雷达信号SHF、EHF，而不是单个发射/接收天线12。另一种选择包括使用向容器底部延伸的导电的探针，例如波导或同轴电缆。该实施例变形被称为TDR(“时域反射仪”)。
根据FMCW方法操作的料位测量设备1的基本电路设计如图2所示：为了生成雷达信号SHF，测量设备1包括信号发生单元11，其生成对应的高频电信号sHF并将其提供给天线12。高频信号sHF的频率定义了雷达信号SHF在微波范围内的频率。因此，高频信号发生单元11、12必须被设计为产生具有FMCW中所要求的频率的斜坡形改变的高频电信号sHF。
如图2所示，为了产生高频信号sHF，信号发生单元11包括高频振荡器112，其由斜坡发生单元111控制。控制根据相位控制(称为“锁相环，PLL”)进行。因此一方面，高频振荡器112的频率被稳定。另一方面，由此设定高频信号sHF的斜坡形频率改变。
通过根据FMCW原理的斜坡形频率改变，高频信号sHF的频率在预定频带Δf内以恒定的改变率以周期性地重复的方式增加。单个频率斜坡的周期性可能在几百毫秒的范围内。单个斜坡的持续时间可以在100μs和100ms之间的范围内。要考虑到法规要求设置频带Δf的位置，出于这个原因，优选将大约6GHz、26GHz、79GHz或120GHz频率的频带实现为频带Δf。根据频带Δf的位置，带宽尤其位于0.5GHz和10GHz之间。
实际上，在FMCW的情况下，高频信号sHF并不是连续产生的。相反，在定义数量的连续频率斜坡之后，斜坡形的改变被中断定义的暂停时间。在FMCW的情况下，由该数量的连续频率斜坡或由它们各自的斜坡持续时间和随后的暂停时间得出基于FMCW的料位测量设备1周期性地重新确定料位L的对应测量速率rm。实际上，这种情况下的循环持续时间在0.3Hz和30Hz之间。
为了发射，信号发生单元11中的高频电信号sHF通过信号分配器116、传输放大器113和发射/接收开关114被提供给天线12。由填充材料表面反射的传入的雷达信号EHF由发射/接收天线12转换回纯电接收信号eHF。随后，在任何接收放大(图2中未示出)之后，接收信号eHF在评估单元13中通过混合器131被与要发射的高频信号sHF混合。出于这个目的，高频信号sHF从信号发生单元11的信号分配器116分出。这产生在FMCW方法中典型的评估信号IF，且形成用于确定距离d或料位L的基础。在这种情况下，根据FMCW原理的评估信号IF的频率与相距料位表面的距离d成比例。
为了确定评估信号IF的频率，计算单元134的模拟/数字转换器将评估单元13中的评估信号IF数字化。计算单元134因此可以使数字化的评估信号经受(快速)傅立叶变换，或简称FFT。对应FFT谱的全局最大值的频率理想地对应于相距填充材料表面的距离d。
图3示出了根据脉冲飞行时间方法工作的料位测量设备1的电路图：为了产生脉冲形高频信号SHF，图3所示的料位测量设备1的电路还包括信号发生单元11。在脉冲飞行时间方法的情况下，信号发生单元11被设计为使得它以定义的时钟速率fc产生高频电脉冲sHF。出于这个目的，所示示例性实施例中的信号发生单元11包括第一脉冲发生器111，其致动第一高频振荡器112。
通过高频振荡器112的振荡频率确定微波脉冲SHF、EHF的频率。在最简单的情况下，高频振荡器112可以被设计为振荡晶体。也可以使用VCO(“压控振荡器”)。在这种情况下，由脉冲发生器111通过对应的直流电压信号来致动高频振荡器112。脉冲发生器111由此定义了各个微波脉冲SHF的脉冲持续时间和发射微波脉冲SHF的时钟速率fc。作为标准，基于半导体的数字谐振电路被用作高频振荡器112。在实践中，各个微波脉冲sHF被激发的时钟速率fc在100KHz和1MHz之间。由此由高频振荡器112产生的高频脉冲sHF类似于FMCW方法通过传输放大器113和发射/接收开关114被提供给天线12，使得它们对应地作为微波脉冲SHF被发射。
因为也通过天线121接收反射的微波脉冲EHF，所以发射/接收开关114将对应的接收信号EHF提供给在料位测量设备1的评估单元中的混合器131。与所示的实施例变形相比，也可以使用朝向容器底部延伸的导电探针(例如波导或同轴电缆)来代替天线12。与图2所示的电路相比，在称为术语TDR(“时域反射计”)的该实施例变形的实现中，不需要高频振荡器111、133。
借助混合器131，执行脉冲飞行时间方法的接收信号eHF特性的欠采样。出于这个目的，接收信号eHF通过混合器131与电采样脉冲s'HF混合。在这种情况下，产生采样脉冲s'HF的采样率f'c相差定义的相对偏差Φ，其为远小于所产生的高频脉冲sHF的时钟速率fc的千分之0.1。
采样脉冲sHF在评估单元13中类似于信号发生单元13由第二脉冲发生器133生成，第二脉冲发生器133致动第二高频振荡器134。因此，对应于高频脉冲sHF，采样脉冲s'HF的频率由第二高频振荡器134定义。在这种情况下，两个高频振荡器112、134的频率实际上被设置为相同。在这种情况下，第二脉冲发生器134进而控制产生采样脉冲s'HF的采样率f'c。
通过混合器131将接收信号eHF与电采样脉冲s'HF混合产生评估信号IF，该评估信号IF对于脉冲飞行时间方法是典型的并且以时间扩展的方式表示接收信号eHF。时间扩展因子与时钟速率fc和采样率f'c之间的偏差Φ成比例。因此，在脉冲飞行时间方法的情况下，根据下式，测量速率rm定义为时钟速率fc除以偏差Φ，
Figure BDA0003676245330000081
时间扩展的优势在于，与纯接收信号eHF相比，由于时间扩展，从技术角度可以更容易地评估评估信号IF：此原因是由于微波脉冲SHF、EHF以光速传播的高速，所以接收信号eHF具有在纳秒范围内的对应地短的时间尺度t。时间扩展导致评估信号ZF具有在毫秒范围内的时间尺度。
借助时间扩展的评估信号IF，计算单元132在对应的模数转换之后，随后通过确定评估信号IF中与距离d相对应的信号最大值再次确定料位L。
图2所示的基于FMCW的实施例变形和图3所示的料位测量设备1的基于脉冲飞行时间的变形两者分别在它们的信号发生单元11中包括传输放大器113。关于信号发生单元11和评估单元13的其他组件，该组件实际上在测量模式期间升温最多。在大量应用中，这并不重要，因为通常仅在室外温度或室温下使用料位测量设备1。结果，传输放大器113中产生的热量可以被充分消散，使得温度保持远低于150℃的临界结温。然而，如果在至少暂时超过100℃占主导的使用地点使用料位测量设备1，例如在食品生产期间的清洁过程中，则变得至关重要。
根据本发明，图2和3中描述的料位测量设备1的两个实施例变形因此包括安装在信号发生单元11中的传输放大器113上的温度传感器115，因此可以测量那里的温度。这使得可以配置料位测量设备1的信号发生单元11和评估单元13，使得测量速率rm自适应地被调节到由温度传感器115测量的温度。这参考图4作为示例被示出：
根据其中的曲线图，料位测量设备1在低于例如100℃的在温度传感器115处的定义的极限温度Tg下，以也在正常情况下测得的恒定或未减小的测量速率rm测量料位L。然而，在极限温度Tg之上，料位测量设备1随着温度升高而线性地降低测量速率rm。与线性降低相比，与所示图示相比，逐步降低也是可以想象的。这主要抵消了传输放大器113的热量的产生。因此，尽管环境温度高(例如由容器2中的清洁步骤引起)，但随着每℃的测量速率rm的对应降低，料位测量设备1中的温度不超过例如150℃的临界最高温度Tmax。如果温度传感器115仍然检测到超过临界最高温度Tmax，则在这种情况下，例如在对应设计的情况下可以自动关闭料位测量设备1。这一方面确保了料位测量设备1不会测量任何错误的料位值L，且另一方面不会遭受无法修复的损坏。
不言而喻，根据本发明的测量速率rm的控制也可以用于不根据脉冲飞行时间或FMCW方法工作的料位测量设备1。同样，根据本发明的方法也可以一般地用于基于雷达的距离测量。
附图标记列表
1 料位测量设备
2 物体/填充材料
3 容器
4 上位单元
11 信号发生单元
12 天线装置
13 评估单元
111 斜坡发生单元或脉冲发生器
112 高频振荡器
113 放大器
114 发射/接收开关
115 温度传感器
116 信号分配器
131 混合器
132 微控制器
133 脉冲发生器
134 第二高频振荡器
d 距离
EHF,eHF 接收到的雷达信号或接收信号
fc 时钟速率
f’c 采样率
h 安装高度或测量范围
IF 评估信号
L 料位
rm 测量速率
SHF、sHF 雷达信号或高频信号
s'HF 采样信号
Φ 时钟速率与采样率之间的相对偏差

Claims (8)

1.一种用于测量位于容器(2)中的填充材料(3)的料位的基于雷达的料位测量设备，包括：
-信号发生单元(11)，所述信号发生单元被设计用于根据可调节的测量速率(rm)生成高频电信号(sHF)，
-天线装置(12)，通过所述天线装置，所述高频信号(sHF)能够作为雷达信号(SHF)在所述填充材料(3)的方向上被发射并且能够在所述填充材料(3)的表面上反射后作为对应的接收信号(eHF)被接收，
-评估单元(13)，所述评估单元被设计用于以所述可调节的测量速率(rm)至少基于所述接收信号(eHF)周期性地重新确定所述料位(L)，
-温度传感器(115)，所述温度传感器被设计用于测量在所述信号发生单元(11)和/或在所述评估单元(13)处的温度，
其中，所述信号发生单元(11)和所述评估单元(13)被设计为根据所测量的温度控制所述测量速率(rm)，使得至少在定义的极限温度(Tg)之上，所述测量速率(rm)随着所述温度升高而降低。
2.根据权利要求1所述的料位测量设备，其中，所述信号发生单元(11)和所述评估单元(13)根据所测量的温度控制所述测量速率(rm)，使得随着所述温度升高，高于所述极限温度(Tg)的测量速率(rm)线性或逐步降低。
3.根据前述权利要求中的一项所述的料位测量设备，其中，所述信号发生单元(11)和所述评估单元(13)被设计为如果所测量的温度超过预定的最高温度(Tmax)，尤其是150℃，则停止料位测量。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的料位测量设备，其中，至少所述信号发生单元(11)被设计为ASIC的单片组件。
5.根据权利要求4所述的料位测量设备，其中，所述信号发生单元(11)包括用于放大所述高频信号(sHF)的传输放大器(113)，并且其中，所述温度传感器(115)被设置在所述传输放大器上。
6.根据前述权利要求中的一项所述的料位测量设备，其中，所述信号发生单元(11)被设计为根据所述脉冲飞行时间方法产生所述高频电信号(sHF)，并且其中，所述评估单元(13)被设计为根据所述脉冲飞行时间方法使用所采样的接收信号(eHF)确定所述料位(L)。
7.根据权利要求1至5所述的料位测量设备，其中，所述信号发生单元(11)被设计为根据FMCW方法产生所述高频电信号(sHF)，并且其中，所述评估单元(13)被设计为根据所述FMCW方法通过混合所述高频信号(sHF)和所述接收信号(eHF)来确定所述料位(L)。
8.一种通过根据权利要求1至7中的一项所述的料位测量设备(1)对位于容器(2)中的填充材料(3)的料位(L)进行基于雷达的测量的方法，包括以下方法步骤：
-生成对应于可变测量速率(rm)的高频电信号(sHF)，
-向物体(2)方向发射所述高频信号(sHF)作为雷达信号(SHF)，
-接收在所述物体(2)上反射后反射的雷达信号(EHF)作为电接收信号(eHF)，
-以可调节的测量速率(rm)至少基于所述接收信号(eHF)周期性地重新确定距离(d)，
-测量在所述信号发生单元(11)和/或在所述评估单元(13)处的温度，
其中，根据所测量的温度控制所述测量速率(rm)，使得至少在定义的极限温度(Tg)之上，所述测量速率(rm)随着所述温度升高而降低。
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