KR102140727B1 - 충전 수위 및 토폴로지의 판단 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 복수개의 라디에이터 요소들의 어레이를 포괄하고 회전 가능하게 장착된 안테나 유닛을 포함하는, 수위 표시기를 위한 안테나 장치에 관한 것이다. 라디에이터 요소들은 안테나 유닛의 회전축과 함께 각도(α)를 형성하는 평면상에 배치되며, 상기 각도(α)는 90 도와 상이하다. 이것은 측정 각도가 증가될 수 있게 한다.

Description

충전 수위 및 토폴로지의 판단{DETERMINING A FILL LEVEL AND TOPOLOGY}
본 발명은 충전 물질 표면의 토폴로지 및 충전 수위의 판단에 관한 것이다. 본 발명은 특히 충전 수위 측정 장치의 안테나 장치, 상기 유형의 안테나 장치를 포함하는 충전 수위 측정 장치, 움직이는 액체의 점도를 판단하기 위한 상기 유형의 안테나 장치의 이용, 콘베이어 벨트상의 벌크 물질의 질량 유동을 판단하기 위한 상기 유형의 안테나 장치의 이용 및, 충전 물질 표면의 토폴로지를 판단하기 위한 방법에 관한 것이다.
대상물 모니터링 분야에서 사용되는 충전 수위 측정 장치 또는 다른 측정 장치들은 전자기파 또는 초음파를 조사하고, 상기 전자기파 또는 초음파는 충전 물질 표면 또는 대응하는 대상물에 의하여 적어도 부분적으로 반사된다. 적어도 부분적으로 반사된 송신 신호는 측정 장치의 안테나 유닛에 의해 픽업(pick-up)되어서 상기 안테나 유닛에 연결된 전자 시스템에 의해 평가된다.
표면을 스캐닝함으로써, 대상물(들) 또는 충전 물질 표면의 토폴로지(topology)를 판단할 수 있다. 충전 수위 측정 분야에서, "토폴로지"는 충전 물질의 표면 형상을 의미하는 것으로 이해되어야 하다. "토포그래피(topography)"라는 용어도 이와 관련하여 이용될 수 있다.
토폴로지 판단을 위한 그러한 측정 장치들은 종종 제조 및 작동이 복잡하다.
본 발명의 목적은 기술적인 노력을 절감시킬 수 있는, 충전 물질의 토폴로지를 판단하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 독립 청구항의 특징들에 의하여 달성된다. 본 발명의 특징들은 종속 청구항 및 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 제 1 양상은 충전 수위 측정 장치의 안테나 장치에 관한 것이다. 안테나 장치는 안테나 유닛 및 구동 유닛을 포함한다. 안테나 유닛은 충전 물질의 충전 물질 표면을 향하여 측정 신호를 조사하고 충전 물질 표면에 의하여 반사된 측정 신호를 수신하도록 설계된다. 구동 유닛은 안테나 유닛을 회전축 둘레로 회전시키도록 설계된다. 안테나 유닛은 측정 신호를 조사하고 수신하도록 설계된 어레이를 포함하고, 상기 어레이는 평면에 배치된 복수개의 라디에이터 요소를 포함하고, 상기 평면은 구동 유닛의 회전축과 함께, 90 가 아닌 각도(α)를 형성한다.
예를 들어, 각도(α)는 30 도 내지 60 도 사이이고, 예를 들어 45 도이다. 이것은 안테나의 측정 범위를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 만약 안테나 장치가 충전 물질을 담은 콘테이너 안에 또는 콘테이너상에 설치되면, 회전축은 수직의 회전축일 수 있다. 라디에이터 요소는 예를 들어 실질적으로 2 차원의, 평탄한 패치(patch)들이다.
그러나 모든 요소들은 상이한 디자인을 가진 라디에이터들의 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 어레이는 라디에이터 요소들의 단일 열(row)을 가진 1 차원 어레이(unidimensional array)이다. 열은 안테나 유닛의 길이 방향으로 연장된다. 안테나 유닛은 길이 방향으로 신장(伸長)되며, 따라서 횡방향 보다는 길이 방향에서 더 크게 연장된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 어레이는 서로 평행하게 배치된 복수개의 열(row) 및, 상기 열(row)들에 직각으로 배치된 복수개의 행(column)을 가진 2 차원 어레이이고, 상기 행들은 각각 개별적인 라디에이터 요소(radiator element)로 이루어진다. 어레이의 열들은 안테나 유닛의 길이 방향으로 연장되고, 어레이의 행들은 안테나 유닛의 횡방향으로 연장된다. 어레이의 각각의 행의 라디에이터 요소들은 도전되게 상호 연결될 수 있다.
결과적으로, 측정 신호들은 유전성 렌즈(dielectric lens) 또는 포물선형 통(parabolic trough)이 사용될 때와 유사한 방식으로 1 차원에서 부분적으로 초점이 맞춰질 수 있다. 따라서 횡방향으로 하드-와이어(hard-wired) 연결된 2 차원 어레이는 측정 신호의 초점을 횡방향으로 맞춘다.
물론, 측정 신호를 부분적으로 초점 맞추기 위한 추가적인 장치들이 이용될 수 있다. 더욱이, 횡방향에서의 부분적인 포커싱(foussing)을 위하여 이러한 유형의 몇개의 구성체를 조합할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나 장치는 신장된 포커싱 구성체를 포함하며 이것은 안테나 유닛에 의해 조사된 측정 신호의 초점을 맞추도록 설계된다.
신장된 포커싱 구성체는 길이 방향을 가지며, 이것은 어레이의 길이 방향(다음에서 YA 방향으로 지칭됨)으로 연장된다. 상기 포커싱 구성체는 또한 횡방향을 가지며, 이것은 어레이의 횡방향(다음에서 XA 방향으로 지칭됨)으로 연장된다. 신장된 포커싱 구성체의 길이 방향은 그것의 횡방향 보다 더 클 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 포커싱 구성체는 유전체 실린더형 렌즈를 포함하며, 그것의 길이 방향 축은 안테나 유닛의 길이 방향과 평행하다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 포커싱 구성체는 주 반사기로서의 포물선형 통 및, 카운터 반사기(counter reflector)를 가지며, 카운터 반사기는 예를 들어 쌍곡선형 통(hyperbolic trough)으로서 포물선형 통으로부터 간격을 두어 배치되고, 카운터 반사기를 향하여 측정 신호를 조사하기 위한 어레이는 쌍곡선형 통의 표면상에 배치되거나 또는 쌍곡선형 통의 표면에 인접하게 배치된다.
신장된 포커싱 구성체(focussing arrangement)를 사용함으로써, 어레이에 의해 조사된 측정 신호를 1 차원에서 초점 맞출 수 있으며, 특히 안테나 구성체의 횡방향에서 초점 맞출 수 있다. 따라서, 포커싱 구성체는 횡방향에서의 초점 맞춤을 보조한다. 포커싱 구성체가 어레이의 길이 방향에서 측정 신호의 초점 맞춤을 보조하지 않도록 제공될 수 있다. 디지털 비임 형상화(digital beam shaping)가 이러한 목적을 위하여 제공된다.
특히 어레이가 1 차원 어레이로서 설계되었을 때, 그것의 하나의 열(row)은 안테나 유닛의 길이 방향으로 연장되고 따라서 포커싱 구성체의 길이 방향으로 연장된다.
포커싱 구성체의 포커싱 특성은 횡방향에서의 측정 신호의 포커싱을 향상시키는데 매우 유리하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나 장치는 측정 신호를 발생시키기 위한 고주파수 유닛을 포함하고, 고주파수 유닛은 안테나 유닛에 통합된다.
고주파수 유닛은 예를 들어 대략 75 내지 85 GHz 사이의 주파수 범위에서 고주파수 신호를 발생시키고 프로세싱하도록 설계될 수 있다. 고주파수 유닛은 구동 유닛에 통합될 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 안테나 장치는 전자 평가 시스템(electronic evaluation system)을 포함하고, 이것은 안테나 유닛이 구동 유닛에 의해 회전될 때 안테나 유닛과 함께 회전한다.
예를 들어, 전자 평가 시스템은 안테나 유닛의 후방에 위치되고, 즉, 충전 물질로부터 이탈되게 향하는 측에 위치된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전자 평가 시스템은 안테나 유닛에 통합되거나 또는 구동 유닛에 통합된다.
본 발명의 다른 양상은 위에 설명되고 다음에 설명될 안테나 장치를 포함하는 충전 수위 측정 장치를 제공한다. 이것은 예를 들어 충전 수위 레이더(fill level radar)이다.
본 발명의 다른 양상은 토폴로지를 기록하기 위한 충전 수위 측정 장치를 제공하며, 충전 수위 측정 장치는 그것에 필요한 에너지를 전적으로 듀얼 콘덕터(dual conductor) 연결을 통해 획득하고, 상기 듀얼 콘덕터 연결은 통신을 위하여 설계되며, 특히 적어도 하나의 토폴로지 측정 값 또는 그로부터 도출된 측정 값(예를 들어, 콘테이너 안의 질량)을 조사(emitting)하도록 설계된다. 충전 수위 측정 장치는 예를 들어 충전 수위 측정 장치를 2 와이어 라인(wire line)에 연결하기 위한 통신 인터페이스 및 에너지-공급 인터페이스를 포함하며, 상기 인터페이스를 통하여 충전 수위 측정 장치에는 측정 작동을 위해 필요한 에너지가 공급될 수 있고 또한 상기 인터페이스를 통해 측정 데이터가 원격의 제어 유닛으로 송신될 수 있다.
본 발명의 다른 양상은 움직이는 액체의 점도를 판단하기 위하여 위에 설명되고 다음에 설명될 안테나 장치의 이용을 제공한다.
본 발명의 다른 양상은 콘베이어 벨트상에서 벌크 물질의 질량 유량을 판단하기 위하여 위에 설명되고 다음에 설명될 안테나 장치의 이용을 제공한다.
본 발명의 다른 양상은 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면의 토폴로지를 판단하기 위한 방법을 제공한다. 안테나 유닛은 처음에 예를 들어 충전 물질의 방향으로 지향된 회전축 둘레에서 회전된다. 측정 신호는 동시에 안테나 유닛에 의해 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면을 향하여 조사된다. 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면에 의해 반사된 측정 신호는 다음에 안테나 유닛에 의해 수신되고, 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면의 토폴로지는 수신된 측정 신호로부터 계산된다. 안테나 유닛은 평면에 배치된 복수개의 라디에이터 요소들로 이루어진 어레이(array)를 포함하고, 상기 평면은 안테나 유닛의 회전축과 함께 90 도와 같지 않은 각도(α)를 형성한다.
어레이는 예를 들어 1 차원 어레이로서, 즉, 복수개의 라디에이터 요소들의 선형이고 직렬적인 구성이다. 2 차원 어레이도 제공될 수 있는데, 각각의 행(column)에 있는 라디에이터 요소들은 예를 들어 도전되게 상호 연결된다.
다음에서, 본 발명의 실시예들은 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1 은 충전 물질 표면의 토폴로지를 기록하기 위한 측정 장치를 도시한다.
도 2 는 충전 물질 표면의 토폴로지를 기록하기 위한 다른 측정 장치를 도시한다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 장치를 포함하는 측정 장치를 도시한다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 안테나 유닛을 도시한다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 유닛을 도시한다.
도 6 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 유닛을 도시한다.
도 7 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나 유닛을 도시한다.
도 8 은 콘베이어 벨트상의 벌크 물질의 질량 유량을 판단하도록 이용되는 본 발명의 실시예에 따른 측정 장치를 도시한다.
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도면에 도시된 것은 개략적인 것이며 축척대로 도시된 것은 아니다.
도면에 대한 다음의 설명에서 동일한 참조 번호가 상이한 도면에서 이용되는 경우에, 그것은 동일하거나 또는 유사한 요소들을 나타낸다. 그러나, 동일하거나 또는 유사한 요소들이 상이한 참조 번호로 표시될 수도 있다.
본 발명은 충전 수위 측정 장치의 분야에 적용되지만, 대상물 모니터링 또는 질량 유량 기록의 분야에서 적용될 수 있고 의도될 수 있다. 충전 물질 표면의 토폴로지를 기록하는 것은 특히 벌크 물질의 측정에 유리하게 적용 가능하고, 그리고폐쇄된 콘테이너 내부 또는 외부에 있는 안치 호퍼(repose hopper) 및/또는 제거 호퍼(removal hopper)의 결과적인 각도에 유리하게 적용 가능하다. 그러나, 움직이는 액체의 토폴로지를 기록할 수도 있다. 이러한 사례는 적지 않게 발생되며, 예를 들어 교반기를 사용할 때 그에 의해 발생된 액체 표면상의 유동 패턴(토네이도(tornado))으로 발생되고, 예를 들어 충전 물질의 혼합 또는 점도와 같은 추가적인 관심 변수(interesting variable)들에 결론이 (필요하다면 교반기의 속도를 감안함으로써) 도출될 수 있게 한다.
도 1 은 충전 수위 장치(101)를 도시하며, 이것은 충전 수위 표면(103)을 향하여 신호(102)를 조사함으로써 콘테이너(104) 안에 있는 반사 특성들의 이미지를 기록한다. 충전 수위 측정 장치 또는 장치의 적어도 송신 및/또는 수신 유닛(105)은 대응하는 디자인을 가진 기계적 조절 수단(106)에 의해 송신 및/또는 수신 유닛(105)의 주 방사 방향(107)을 변화시킬 수 있어서, 콘테이너 안의 매체의 전체 표면(103)이 측정 사이클의 일부로서 측정될 수 있다. 이러한 목적을 위하여, 예를 들어, 장치는 X 방향(108) 및 Y 방향(109) 양쪽에서 피봇될 수 있다.
충전 수위 측정 장치는 X 방향 및 Y 방향에서 기록된 복수개의 에코 커브(echo curve)들로부터 토폴로지를 판단하며, 즉, 특정 위치의 함수로서 충전 물질 표면(103)의 높이 프로파일을 판단하며, 이것은 예를 들어 카테시안 좌표(cartesian coordinate) X 및 Y 에 의해 명확하게 정의될 수 있다.
측정 장치의 주 방사 방향을 변화시키는 다른 가능성은 도 2 에 도시되어 있다. 도 1 의 구성과는 대조적으로, 측정 장치(201)는 복수개의 송신 및/또는 수신 요소(202)들을 포함하는데, 이것은 단일 안테나(203) 안에 구현될 수 있거나 또는 복수개의 분리된 안테나상에 분포될 수 있다. 이러한 유형의 안테나 장치는 안테나 어레이로서 지칭될 수 있고 디지털 비임 형상화(digital beam shaping)를 위하여 이용될 수 있다.
충전 수위 장치(201)는 목표 방식(targeted manner)으로 개별 요소(202)들의 작동 신호를 변화시킴으로써, 그리고/또는 개별 요소들에 의해 기록된 에코 커브들을 디지털로 계산함으로써, 충전 물질 표면(204)의 토폴로지를 판단하기 위하여 주 방사 방향(205,206,207)을 변화시킨다.
도 1 에 따른 순수하게 기계적인 해법에서, X 및 Y 방향에서의 기계적인 편향을 수행하려면 매우 복잡한 기계적 구조(106)가 필요하다. 이러한 종류의 시스템들은 X 및 Y 방향에서 높은 측방향 해상도(resolution)를 달성하기 위하여, 많은 측정 지점들(예를 들어, 측정 사이클 당(當) 30 초보다 큰, 1 ms 측정 시간을 각각 가지는, 예를 들어 90 x 360 측정)을 가진다.
더욱이, 이러한 종류의 시스템들은 느린 측정 사이클 시간을 달성하는데 필요한 높은 회전 속도 때문에 고도의 기계적 마모를 가진다.
도 2 에 따라서 주 방사 방향(main radiation direction)을 변화시키기 위한 순수하게 전자적인 해법에서, n x m 의 개별적인 송신 및/또는 수신 채널들이 분리되게 구현될 필요가 있다. 파라미터 n 및 m 은 특정 차원에서 개별적인 조사 요소(emit element, 202)들의 수를 지칭한다. 전자 구성 요소들의 결과적인 복잡성은 그러한 장치들의 비싼 제조 비용에 이르게 될 수 있어서, 그것의 사용은 몇가지 적용예에서 경제적으로 실행될 수 없게 된다.
더욱이, 주 방사 방향을 전자적으로 변화시킬 때 그리고 매우 큰 편향 각도(예를 들어, 수직에 대하여 45°보다 큰 각도)의 경우에, 결과적인 안테나 로브(antenna lobe)의 폭이 현저하게 증가된다는 문제점이 있다. 수직에 대한 최대 90°까지 범위의 편향은 원칙적으로 이러한 종류의 시스템을 이용하여 달성될 수 없다.
본 발명의 기본적인 개념은 상기 설명된 방법 및 장치들의 특정의 유리한 구성 요소들을 조합하는 것을 포함한다. 도 3 은 본 발명의 제 1 실시예를 도시한다. 측정 장치(301)는 구동 유닛(302), 프로세스 커플링(process coupling, 303), 구동 샤프트(304) 및 적어도 하나의 안테나 유닛(305)을 포함한다.
도 3 의 실시예에서, 충전 수위 측정 장치의 전체적인 상부 영역(302)은 구동 유닛(302)으로서 표시되어 있다. 전자 평가 시스템(313)은 구동 유닛내에 통합되고 안테나 어레이에 연결됨으로써, 안테나 어레이에 의해 수신된 측정 신호는 전자 평가 시스템(313)으로 송신될 수 있다. 참조 번호(312)는 에너지를 공급하고 데이터를 교환하는데 이용될 수 있는 연결 케이블을 나타낸다.
전자 평가 시스템에 더하여, 충전 수위 측정 장치의 다른 전자 시스템은 구동 유닛(302)내에 통합될 수도 있다.
대안으로서, 구동 유닛(302), 구동 샤프트(304) 및 안테나 유닛(305)은 충전 수위 측정 장치의 실제 주 동체에 연결된 모듈 유닛(modular unit)을 형성할 수 있다.
안테나 유닛(305)은 고주파수 유닛(314)에 의해 발생된 신호(306)를 측정되어야 하는 충전 물질 표면(307)을 향하여 조사한다. 이러한 경우에, 고주파수 유닛(314)은 안테나 하우징(305) 내부에 통합될 수 있다. 대안으로서, 고주파수 유닛은 구동 유닛(302)의 영역내에 제공될 수도 있다. 도 3 의 실시예에서, 고주파수 유닛은 안테나 유닛(305)의 후방에 배치된다.
안테나 유닛(305)은 구동 샤프트(304)에 의해 회전 가능하게 장착되고, 그에 대하여 90°가 아닌 각도(α)를 형성한다. 45°의 각도가 특히 유리한 것으로 증명되었는데, 상기 각도에서는 콘테이너(308)의 큰 부분으로부터의 신호가 기록될 수 있다.
만약 ±45°의 각도 범위가 디지털 비임 형상화(digital beam shaping)에 의해 기록된다면, 안테나의 회전과 조합되어, 벌크 물질을 포함하는 완전한 절반의 공간을 측정할 수 있다. 그러나, 예를 들어 디지털 비임 형상화에서 모호성(ambiguities)을 회피하기 위하거나 또는 해상도를 향상시키기 위하여 45°보다 작은 각도도 가능하다.
복수개의 송신 및/또는 수신 요소들이 안테나(305)의 연장(YA 방향)을 따라서 제공된다. 이들 요소들 각각은 연장(YA)을 따라서 넓은 각도 범위(예를 들어, 안테나의 주 방향 둘레의 ±45°의 범위)로부터 신호를 프로세싱할 수 있는 반면에, 연장(XA)을 따라서 개별적인 요소들이 명확한 송신/수신 특성을 가질 수도 있다. 요소들에 의해 개별적으로 수신된 신호들은 디지털 비임 형상화를 위한 공지된 알고리듬과 함께, 미리 결정된 각도 범위에서 안테나 유닛(305)의 주 방사/수신 방향(309)을 변화시키도록 이용될 수 있다. 만약 수직의 주 방사 방향(309)에 대한 ±45°의 각도 범위가 이러한 경우에서 선택된다면, 회전(310)이 발생되는 것을 고려할 때, 콘테이너(308) 안의 충전 매체(311)의 표면(307)의 각각의 지점은 측정에 의해 기록될 수 있다.
유리하게는 주 방사 방향(이러한 경우: 회전)을 기계적으로 변화시키는 장점을 전자 스캐닝(electronic scanning)의 장점과 유리하게 조합시키는 구성이 이루어진다. 이러한 방식으로, 기계적으로 간단한 구성(느린 회전 속도, 통상적으로 대략 60 min-1) 및, (예를 들어, 안테나 어레이의 1 차원 구조에 의하여) 크게 단순화된 전자 시스템의 복잡성과 함께, 매우 빠른 측정 속도(예를 들어 10 초 미만)가 달성될 수 있다. 1 차원 어레이의 열(row)을 달성하는데 m < = 20 개 요소들의 수가 통상적으로 충분하다.
도 4 내지 도 7 은 안테나 유닛의 가능한 실시예들이다.
도 4 는 안테나 유닛(305)의 가능한 실시예에 대한 상세도를 도시한다. 안테나는 예를 들어 m 의 개별적인 요소들을 가진 1 차원 안테나 어레이(401)로 이루어질 수 있다. 개별적인 요소들은 대응하는 디자인을 가진 인쇄 회로 기판 패치(printed circuit board patch)에 의하여, 또는 적절한 웨이브가이드(waveguide) 또는 그 어떤 다른 공지의 조사 수단에 의하여 구현될 수 있다.
제 1 실시예에서, 중심 개별 요소(402)는 가능한 한 큰 각도 범위에서 충전 물질 표면(307)을 향하여 고주파수 에너지를 균일하게 조사하도록 이용될 수 있다. 충전 물질 표면에 의하여 반사된 신호는 안테나 어레이(401)의 요소들 각각에 의해 수신되고, 예를 들어, 구동 유닛 안에 하우징된 디지털 평가 유닛으로 분리되어 공급된다. 디지털 비임 형상화 알고리듬을 이용하여, 평가 유닛은 상기 신호들을 조합함으로써, 특히 안테나 유닛의 수직(309)에 대하여 ±45°의 각도에서 조합함으로써, 안테나의 주 방사 방향 및/또는 주 수신 방향을 변화시킬 수 있다.
동시에, 분리된 송신 및/또는 수신 채널을 구현하는데 필요한 노력은 2 차원 어레이 구성(203)을 단일 차원(401)으로 편리하게 감소시킴으로써 현저하게 줄어들 수 있다는 것이 이와 같은 점에서 명백해질 것이다.
통상적인 어레이 구성(203)은 각각의 개별적인 어레이 요소에 대하여 통상적으로 복잡한 전자 평가 시스템을 포함한다. 따라서 구현을 위한 노력은 이러한 유형의 n x m 개의 병렬 회로로부터, m 개의 수신 요소들에 대응하는 m 개의 개별 회로들로 감소된다.
1 차원 어레이 안테나(402)는 디지털 비임 형상화를 위한 차후의 신호 프로세싱 단계들을 이용함으로써 YA 방향(403)에서 결과적인 안테나 특성의 매우 효과적인 포커싱(focussing)을 달성할 수 있다. 그것은 안테나 어레이의 주 축/길이 방향 축에 평행한 방향이다. 회전(310)과 조합되어 정확하게 반경 방향으로 작용하는, XA 연장의 방향(404)(이러한 경우에, 안테나 어레이의 평면에서, 안테나 어레이의 주 축/길이 방향 축에 직각인 방향)에서의 포커싱은 특정 용도에서 불충분할 수 있다.
이러한 거동을 더 향상시키는데 몇가지 접근 방식이 유리하다. 한편으로, 도 4 에 따른 안테나를 이용함으로써 실시예를 유지할 수 있다. 만약, 차후의 신호 프로세싱 동안, 안테나의 회전으로부터 초래되는 도플러 쉬프트(Doppler shift)가 특정 어레이 요소들에 의해 기록된 측정 신호들에서 평가된다면, 횡방향(반경 방향(XA 연장))에서의 결과적인 포커싱은 상당히 향상될 수 있다. 이러한 경우에 이용되는 알고리듬은 SAR(synthetic aperture radar) 및 ROSAR (회전 안테나에 기초하는, rotor synthetic aperture)의 원리를 이용할 수 있다.
다른 가능성은 XA 축의 방향에서 안테나 구조의 기계적인 연장의 확장으로 패치 안테나(patch antenna)의 사용을 포함한다. 도 5 는 해당하는 예를 도시한다. 원래 1 차원의 안테나 어레이(401)는 추가적인 패치(501)에 의하여 XA 축(404)의 방향으로 확대된다. 관련된 전자 작동 시스템의 복잡성을 일정하게 유지하기 위하여, 추가적인 패치들은 이제까지 사용된 패치(402)들로부터 정해진 간격에 장착되고, 금속 연결 스트립(metal connecting strip, 502)에 의해 그에 단단하게 연결된다. 공지의 2 차원 안테나 어레이(203)와 대조적으로, 추가적인 고주파수 평가 회로에 대한 추가적인 구성 요소를 필요로 하지 않으면서, 원래 1 차원 어레이의 연장이 단단한 금속 연결 스트립(502)에 의해 확장된다.
더욱이, 유전체 실린더형 렌즈를 이용하여 XA 방향을 따라서 포커싱이 이루어질 수 있다. 도 6 은 지금까지 설명된 1 차원 안테나 어레이(401)를 도시하며, 이것은 그 위에 설명된 실린더형 렌즈(601)를 포함한다.
도 6 에 도시된 실린더형 렌즈는 베이스(603)를 포함하고, 라디에이터 요소(radiator element, 401)가 베이스에 부착된다. 실린더형 외피(shell)의 만곡된 표면(602)은 그 위에 걸쳐진다. 예를 들어, 1 차원 어레이(401)는 실린더형 렌즈의 초점에 배치된다.
특히 유리한 다른 실시예는 1 차원 카세그래인(Cassegrain) 안테나 구성과 관련된 주 반사기(main reflector)로서 포물형 통(parabolic trough)의 사용을 제공한다. 도 7 은 해당하는 예를 도시한다. 해당하는 디자인 및 포물형 통(702)을 가진 카운터 반사기(counter reflector, 702)(예를 들어, 쌍곡선형 통)와 관련하여, 1 차원 안테나 어레이(401)는 XA 축(404)의 방향에서 고도로 포커싱됨으로써, 본 발명에 따른 측정 장치(301)와 관련하여 도시된 구성의 사용을 특히 유리하게 한다.
도 7 의 실시예에서, 1 차원 안테나 어레이(401)는 포물형 통(702)의 만곡된, 반사 표면상에 위치되어, 예를 들어 쌍곡선형 통(hyperbolic trough)인 카운터 반사기(701)를 향하여 방사한다. 조사된 측정 신호(703)는 처음에 카운터 반사기에 의하여 포물형 통(702)의 만곡된 표면을 향하여 반사되고, 다음에 포물형 통(702)의 만곡된 표면으로부터 충전 물질 표면을 향하여 포커싱이 이루어진다.
더욱이, 이러한 경우에 XA 방향에서의 포커싱을 위하여 설명되지 않은 포커싱 장치들을 사용할 수 있고 그것들을 기계적 회전과 조합할 수 있다.
도 8 은 콘베이어 벨트(801)를 도시하고, 벌크 물질(802)은 콘베이어 벨트상에서 이송된다. 벌크 물질은 고르지 않은 표면(803)을 형성하고, 그것은 측정 장치(301)에 의해 측정될 수 있다. 측정 장치(301)는 예를 들어 충전 수위 측정 장치로서, 예를 들어 충전 수위 레이더 장치이며, 이것은 벌크 물질 표면의 토폴로지에 더하여, 충전 물질의 충전 수위를 계산할 수도 있고 출력할 수 있다.
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 흐름도를 도시한다. 단계(901)에서, 안테나 유닛은 예를 들어 수직 회전축인 회전축 둘레에서 회전되는데, 연속적으로 또는 단계적으로 회전한다. 단계(902)에서, 안테나 유닛은 YA 방향으로 넓은 측정 신호를 충전 물질 표면을 향하여 조사한다. 단계(903)에서, 충전 물질 표면에 의해 반사된 측정 신호는 안테나 유닛의 개별적인 요소들에 의해 수신된다. 단계(904)에서, 에코 커브(echo curve)는 디지털 비임 형상화를 위한 공지의 알고리듬을 이용함으로써 디지털 비임 형상화에 의하여 측정되어야 하는 각도 범위에서 안테나 유닛의 다양한 주 수신 방향으로부터 계산된다.
다음에 방법은 단계(902)로 복귀하고, 단계(903)가 이어지고, 전자 비임 스티어링(electronic beam steering)에 의하여 YA 방향에서 측정되어야 하는 각도 범위에 걸쳐 반복된 디지털 스캐닝이 이어진다 (단계 904). 이제 완전한 데이터 세트(회전 당(當) 몇개의 측정 지점들)가 기록될 때까지 단계(902-904)들이 필요에 따라 빈번히 수행될 수 있다.
마지막으로, 단계(905)에서 충전 물질 표면의 토폴로지 및/또는 충전 수위는 단계(901)에서 스캐닝된 각도 범위에서 디지털 비임 형상화에 의하여 안테나 유닛에 의해 획득된 측정 신호로부터 계산된다.
따라서 본 발명은 회전에 의해 충전 매체의 표면에 걸쳐 안내되는 선을 따라서 레이더 신호를 포커싱하는 방법 및 장치를 제공한다. 콘테이너 안의 매체의 토폴로지는 상기 포커싱 프로세스로부터 기록된 에코 커브들로부터 확인될 수 있다. 특히, 에코 커브들이 디지털 비임 형상화에 의하여 제 1 축을 따라서 계산되거나 또는 기록될 수 있게 하는, 실질적으로 1 차원적으로 조사되는 안테나 어레이는 제 2 축 둘레의 기계적 회전과 조합됨으로써, 2 차원의 필드(field)로부터 에코 커브를 기록할 수 있다. 이들 2 개의 축들은 통상적으로 서로 직각이다.
따라서 본 발명은 상기 구성을 1 차원 안테나 어레이와 조합함으로써 회전 안테나 구성에서의 기계적인 긴장 및 기계적인 노력을 감소시키고, 이것은 해법의 비용 효과에 더하여 에코 커브를 기록하기 위한 시간의 길이를 최적화시킬 수 있다.
"포함하는" 및 "가지는"의 표현은 다른 요소들 또는 단계들의 가능성을 배제하지 않으며, "하나" 또는 정관사는 복수의 가능성을 배제하지 않는다는 점이 주목되어야 한다. 또한 상기 실시예들중 하나를 참조하여 설명되었던 단계들 또는 특징들은 상기 설명된 다른 실시예들의 다른 특징들 또는 단계들과 조합되어 이용될 수 있다는 점도 주목되어야 한다. 청구항에서의 참조 번호들은 제한적인 것으로 처리되지 않아야 한다.
101. 충전 수위 측정 장치 102. 신호
103. 충전 물질 표면 104. 콘테이너
106. 안테나 유닛 107. 주 방사 방향

Claims (15)

  1. 충전 수위 측정 장치(301)의 안테나 장치로서, 상기 안테나 장치는:
    충전 물질 표면을 향하여 측정 신호를 조사하고 충전 물질 표면에 의해 반사된 측정 신호를 수신하기 위한 안테나 유닛(305);
    안테나 유닛을 회전축(311) 둘레에서 회전시키는 구동 유닛(302); 및,
    측정 신호를 발생시키기 위한 고주파수 유닛으로서, 상기 고주파수 유닛은 안테나 유닛(305)에 통합되는, 고주파수 유닛;을 포함하고,
    안테나 유닛은 어레이(array)를 포함하고, 안테나 유닛이 회전할 때 측정 신호를 조사하고 상기 측정 신호를 수신하도록 설계되고;
    상기 어레이는 평면에 배치된 복수개의 라디에이터 요소(radiator element, 401)들을 포함하고, 상기 평면은 회전축과 함께 90°와 상이(相異)한 각도(α)를 형성하는, 안테나 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각도(α)는 45°인, 안테나 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    어레이는 라디에이터 요소(401)들의 단일 열(single row)을 가진 1 차원 어레이이고, 라디에이터 요소들의 하나의 열(row)은 안테나 유닛(305)의 길이 방향으로 연장되는, 안테나 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    어레이는, 서로 평행하게 배치된 복수개의 열(row) 및, 상기 열들에 대하여 직각으로 배치된 라디에이터 요소(401)들의 복수개의 행(column)을 가진 2 차원 어레이이고,
    상기 열들은 안테나 유닛(305)의 길이 방향으로 연장되고, 상기 행들은 안테나 유닛(305)의 횡방향으로 연장되고,
    어레이의 각각의 칼럼의 라디에이터 요소들은 도전(導電)되게 상호 연결되는, 안테나 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    안테나 유닛(305)에 의해 조사 또는 수신된 측정 신호의 초점을 맞추도록 설계된, 신장(伸長)된 포커싱 구성체(focussing arrangement, 601,701,702)를 더 포함하는, 안테나 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    포커싱 구성체(601,701,702)는 유전체 실린더형 렌즈(dielectric cylindrical lens, 601)를 포함하고, 상기 유전체 실린더형 렌즈의 길이 방향 축은 안테나 유닛(305)의 길이 방향과 평행한, 안테나 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    포커싱 구성체(601,701,702)는 주 반사기(main reflector)로서의 포물선형 통(parabolic trough, 702) 및, 상기 포물선형 통으로부터 이격되어 배치된 카운터 반사기(701)를 포함하고,
    카운터 반사기(counter reflector)를 향하여 측정 신호를 조사하기 위한 어레이는 포물선형 통의 표면상에 배치되거나 또는 포물선형 통의 표면에 인접하여 배치되는, 안테나 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전자 평가 시스템을 더 포함하고, 안테나 유닛이 구동 유닛(302)에 의해 회전될 때 상기 전자 평가 시스템은 안테나 유닛(305)과 함께 회전하는, 안테나 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    전자 평가 시스템은 안테나 유닛(305) 또는 구동 유닛(302)에 통합되는, 안테나 장치.
  10. 충전 물질 표면의 토폴로지 판단을 위한 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 안테나 장치를 포함하는 충전 수위 측정 장치(301).
  11. 움직이는 액체의 점도를 판단하도록 구성된, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 안테나 장치.
  12. 콘베이어 벨트상의 벌크 물질의 질량 유량을 판단하도록 구성된, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 안테나 장치.
  13. 충전 물질 또는 벌크 물질(bulk material)의 표면(103)의 토폴로지(topology)를 판단하는 방법으로서, 상기 방법은:
    회전축(311) 둘레로 안테나 유닛(305)을 회전시키는 단계;
    안테나 유닛에 의해 동시에 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면을 향하여 측정 신호를 조사하거나 또는 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면으로부터 측정 신호를 수신하는 단계;
    충전 물질 또는 벌크 물질의 표면에 의해 반사된 측정 신호를 수신하는 단계; 및,
    수신된 측정 신호로부터 표면의 토폴로지를 계산하는 단계;를 포함하고,
    안테나 유닛은 평면에 배치된 복수개의 라디에이터 요소(radiator element, 401)로 구성된 어레이를 포함하고, 상기 평면은 회전축과 함께 90 도와 상이한 각도(α)를 형성하고,
    안테나 유닛은 측정 신호를 발생시키기 위한 고주파수 유닛을 포함하고, 상기 고주파수 유닛은 안테나 유닛(305)에 통합되는, 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면 토폴로지 판단 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    안테나 유닛(305)에 의해 조사 또는 수신된 측정 신호의 초점을 신장(伸長)된 포커싱 구성체(601,701,702)에 의하여 맞추는 단계;를 더 포함하는, 충전 물질 또는 벌크 물질의 표면 토폴로지 판단 방법.
  15. 삭제
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