专利名称：雷达水准仪系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定罐槽中的填充材料的填充水平的雷达水准仪系统，该雷达水准仪系统包括用于向填充材料的表面发射测量信号的发射器；用于接收来自罐槽的回波信号的接收器；和用于基于所述回波信号确定罐槽的填充水平的处理电路。更特别地，本发明涉及被用于具有至少一个反射发射的测量信号的接口结构的罐槽中的雷达水准仪系统。并且，本发明还涉及相应的用于确定罐槽中的填充材料的填充水平的方法。
背景技术：
用于测量诸如液体或诸如颗粒的固体的填充材料的水平的雷达水准测定(RLG)是越来越重要的用于罐槽、容器等中的水准测定的方法。一般的雷达水准测定的过程可被分成三个步骤●搜索在可能的干扰回波中发现正确的表面回波。
●跟踪在各种变化条件下跟随发现的表面回波。
●精度在一般比通常引用的“仪表精度”更加多样化的典型罐槽条件下对精度的要求。
对于雷达水准测定，对于不同的应用条件大大不同。例如，CTS应用(密闭输送系统)中的mm精度需要非常严格的安装条件控制。这种精度现在在海运和精炼设备中是实际可行的，但是，在典型的处理应用中，由于存在大量的干扰回波，因此一般不容易获得。但是，市场上的所有存在的RLG都或多或少地在表面回波一般可通过其长度被分辨的容易的回波位置的假定下被优化。这是从安装条件稍微可控的诸如海运用途的最老的RLG应用和到干扰物体的距离一般如希望的那样大的大炼油罐中的CTS应用的自然发展。在典型的处理罐中，到墙壁的距离小得多，并且扰动的表面是一般的情况。因此，在处理罐中与在例如炼油罐中相比，发现并跟踪正确的表面的任务要困难得多。从该背景可以提出疑问与直接为实际情况开发的逻辑相比，通过大量的或多或少的并存的改进而改善的基于相对容易的条件的回波逻辑的回波发现逻辑是否是充分的。
目前的RLG一般使用FFT波谱中的信息来辨别与要被测量的表面对应的回波。FFT波谱反映在不同的距离上反射的能量。因此，FFT波谱一般是相当不精确的用于辨别例如配置在罐槽中的静态物体、扰动的填充材料表面和移动的搅动结构的手段。并且，当罐槽基本上是空的并且开始被填充时，一般难以辨别填充材料表面。此时，填充材料表面也是相当扰动的。并且，来自罐槽中的静态物体和结构的强烈的回波会干扰测量，并且跟踪功能可很容易被欺骗以锁定错误的回波，或者当接近干扰回波时放开填充材料表面回波。
在现有的RLG系统中，已提出不同的与硬件相关的装置以选择和维持选择正确的表面回波。例如，已使用了减小来自干扰回波的回波的振幅的窄天线波束，诸如限制钢束等。不幸的是，较窄的天线需要较大的天线直径，这种较大的天线直径会与现有的安装孔不相容。因此，在原始信号中出现的干扰回波的数量一般比在典型的处理罐槽中所希望的多。并且，距离等级(range rating)功能常常在软件中被实现。不管系统是FMWC还是脉冲类型，“罐槽波谱”都可被用作用于选择最可能的回波的工具。罐槽波谱是检测的罐槽信号，其中振幅仅与适当的逻辑决定组合使用。并且，常规上需要用于测量振幅和相关阈值的功能以从真实的表面回波中辨别出噪声或不相关的回波。这也主要是软件功能，但为了告诉系统“正常”回波应是什么，需要增幅(amplification)等的特定的校准。多少有些复杂的回波逻辑也可被用于处理已以足够的振幅和足够的与已检验的回波的相似性通过测试的回波。但是，仍存在对于特别是用于具有产生反射信号的干扰结构的罐槽的改进的雷达水准测定的需求。
为了改善这种情况，已提出了各种方案。接收两个极化态的回波(用稍微更复杂的天线/微波模块)并比较接收的信号是一种增加从不对称的干扰回波辨别表面回波的能力的方法。在这点上，参见例如US6759976。回波振幅的时间变化是另一种可与偏振组合并对扰动表面有用的方式。第三种方法是使用更加复杂的天线用于产生几个不同的天线波瓣(lobe)(或绕铅垂线旋转的轻微非垂直的波瓣)，所有的天线波瓣在理想情况下都给出相同的表面回波，但是从一般被非对称定位的干扰结构会发出大大不同的回波。在这点上，参见例如US6759977。这些方法可能是有效的，但不幸的是，它们需要额外的硬件，因此一般制造和安装起来更加昂贵并且更加麻烦。并且，这种系统一般将需要更多的时间和开发资源。
并且，众所周知，例如，根据EP1128169，为了提高RLG系统的分辨率或精度，使用不同的信号。但是，提出这些已知的方法不是为了提出针对上述问题的解决方案。
因此需要可减轻上述问题的改进的RLG系统。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提供用于确定填充材料的填充水平的雷达水准仪系统和方法，该雷达水准仪系统和方法至少部分减轻现有技术的上述问题。
通过根据所附的权利要求的雷达水准仪系统和方法实现该目的。
根据本发明的第一方面，提供一种基于微波信号测定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的方法，该罐槽具有至少一个干扰结构，所述干扰结构具有一个具有反射性能的表面，该方法包括在第一时间向表面发射第一发射信号；基本上在所述第一时间接收包含第一表面回波的第一接收信号；记录与第一表面回波相关的第一发射和接收信号的第一传播性能；在第二时间向表面发射第二发射信号；
基本上在所述第二时间接收包含第二表面回波的第二接收信号；记录与第二表面回波相关的第二发射和接收信号的第二传播性能；其中，第一时间和第二时间在时间上被第一间隔时间分开；计算第一和第二传播性能之间的第一差值；在第三时间向表面发射第三发射信号；基本上在所述第三时间接收包含第三表面回波的第三接收信号；记录与第三表面回波相关的第三发射和接收信号的第三传播性能；在第四时间向表面发射第四发射信号；基本上在所述第四时间接收包含第四表面回波的第四接收信号；记录与第四表面回波相关的第四发射和接收信号的第四传播性能；其中，第三时间和第四时间在时间上被第二间隔时间分开；计算第三和第四传播性能之间的第二差值；比较第一和第二差值；选择所述第一和第二差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值；和基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
确定所述的到填充材料的选择的表面的距离优选基于记录的传播性能中的至少一个。但是，另外，或者作为替代方案，使用例如来自不同的组的发射的和接收的信号的其它传播性能也是可行的。
注意，第一和第三时间可基本上同时发生。在这种情况下，尽管也能够使用具有例如不同的偏振状态的分开的发射信号，但第一发射信号可与第三发射信号相同。并且，第二和第四时间可基本上同时发生，其中，第二发射信号可与第四发射信号相同。但是，各个时间也可以是在时间上分开的。可以任选地在一个或更多个其它的时刻增加测量，从而产生使得能够在例如水平和振幅值由于湍流等波动时获得更可靠的结论的一组测量结果。
第一和第二时间和/或第三和第四时间之间的时间间隔小于最大间隔时间。优选地，所述时间间隔小于一小时，优选小于一分钟，并且最优选小于10秒。
微波信号或雷达水准测定的新方法特别适于具有复杂的罐槽情况的处理应用。与常规的雷达水准仪相比，本发明包括使得即使很小的液面移动也可被用于从由干扰物体导致的不希望的回波辨别表面回波的装置。
值得注意的是，为了辨别已发生的事件和变化，本发明利用基于相同而又在不同时间的测量的差值。以前已知的差值信号，诸如在EP1128169中讨论的差值信号，一般针对不同的测量情况之间的差值，诸如在不同的介质中执行的测量之间的差值，等等。
由于与填充材料表面对应的回波可被更容易和精确地检测，因此本发明的差值分析提供大量的优点。因此，当填充水平穿过罐槽中的反射结构时，本发明可被用作常规的RLG逻辑的补充，以在启动过程中、在留下空罐条件并且罐槽开始被填充的情况下识别表面。差值分析对于辨别来自诸如搅拌器的移动物体的回波和来自诸如挡板(baffle)和波束的静止物体的回波也是有用的。
该方法还包括基于记录的传播性能计算到罐槽中的反射表面的距离的步骤，其中，传播性能之间的差值优选被计算作为所述计算的距离之间的差值。
还优选记录的传播性能包含来自发射的和接收的信号的相位信息和振幅信息中的至少一种。作为替代方案，或者另外，还优选记录的传播性能之间的差值的计算包含记录的传播性能之间的相位差或振幅差中的至少一个的识别。
使用信号中的相位信息被证明是十分有效和精确的。但是，使用振幅信息，尽管不如相位信息那样广泛，但对于大多数情况和应用是完全足够的。振幅在本申请的上下文中一般可被理解为信号强度。
搜索随时间表现出最大变化的回波的方法可替代性以下面的方式被说明，该方式特别适于使用多于两个时刻上的测量的情况。从水平或两个回波的相位的逐渐的时间变化，能够推断这两个回波是否将在以后一致以及它们是否在较早时处于同一水平，这两个推断均从基于两个或更多个时刻的变化的线性外推得到。预测的或过去的一致性的事件被称为截取，并且，在低于两个表面的当前平均水平的截取的情况下，上水平是液面，而平均的当前水平之上的截取指示下水平是液面。
优选地，该方法包括在至少三个在时间上分开的时间上重复发射、检测和计算；其中，到填充材料的表面的距离被确定为在所述不同的时刻之间表现出最大的变化的计算的距离。这种用几个以前的时刻的差值分析使得能够辨别慢和更迅速的移动和变化。并且这将排除表面在两个事件之间刚好移动了λ/2的倍数的可能性，这种可能性会使得甚至移动的回波消失。这里，λ是雷达波的波长，对于5.8GHz频率，λ将为52mm，等等。
由于新方法对识别移动的表面特别有用，并且由于只有移动的表面对于满溢考虑是所关心的，因此该方法对高水平或满溢报警系统特别有用。这种系统可专用于这种单一用途，或者为被加入普通的RLG系统中的功能。高水平或满溢报警功能可包含将确定的到填充材料的距离与至少一个预定阈值水平值相比较。在用作高水平或满溢报警的过程中，传播性能之间的差值的计算优选基于从所述传播性能计算的距离之间的比较。由此，到表面水平的距离被连续监视，并且随时间变化最迅速的表面水平自动被视为填充材料的表面水平。作为替代方案，或者另外，还能够当在预定的近区域内出现表面移动时设定报警。当第一和第二传播性能或第三和第四传播性能之间的差值被识别为在预定的高水平区域内出现时，这种情况可被识别出。为了避免与噪声相关的错误报警，还可以建立要被考虑的差值的阈值。由此，当对所述信号识别的差值较高时，能够将在近区域内出现的信号列为优先。
该方法对于以下两种情况下是有用的如FMCW系统中那样，发射连续信号，并且基于接收的回波信号和基准信号之间的相位差计算距离；发射脉冲信号，并且基于脉冲信号的发射和所述信号的回波的接收之间的时间计算距离。
优选地，在记录传播性能之前、或在使用所述记录的传播性能用于计算差值之前，接收的信号被过滤用于减少与噪声有关的变化。
优选地，对于传播性能的记录，只有初始回波信号被考虑，而二次双反射回波被忽略。
该方法还包括最初假定某些接收的表面回波源自填充材料的表面即第一和第二表面回波或第三和第四表面回波从填充材料的表面被反射的步骤。在这种情况下，如果选择所述第一和第二差值中的最大的一个的步骤将不同的表面回波与填充材料的表面相关联，那么该假定然后优选变为现在选择的表面回波。初始假定还优选被定期测试，并在必要时在有限的时间周期内被校正，所述时间周期小于一小时，优选小于半小时。更优选地所述时间周期小于一分钟，最优选小于10秒。
可以以各种方式将来自假定源自同一反射表面的在时间上分开的接收信号的回波信号相关联，这一点本身是本领域公知的。这种回波信号之间的关联可在接收信号时直接进行，或在随后基于记录的传播性能进行。
根据本发明的另一方面，提供一种用于基于微波信号测定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的方法，该罐槽具有至少一个干扰结构，该方法包括在至少两个在时间上分开的时间将发射信号发射到罐槽中，并随后接收包含表面回波的接收信号；记录与至少两个可区分的反射表面相关的发射和接收信号的传播性能；对于各个可区分的反射表面计算至少两个在时间上分开的时间之间的记录的传播性能的差值；对于至少两个可区分的反射表面比较计算的差值；选择所述差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值；和基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
根据该方面，可以获得与参考第一方面讨论的类似的优点和优选的特征。
根据本发明的另一方面，提供一种用于确定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的雷达水准仪系统，该罐槽具有至少一个干扰结构，该雷达水准仪系统包括用于向填充材料的表面发射测量信号的发射器；用于接收来自罐槽的回波信号的接收器；用于记录与至少两个可区分的反射表面相关的发射和接收信号的传播性能的存储器；和处理电路，该处理电路对于各个可区分的反射表面计算至少两个在时间上分开的时间之间的记录的传播性能的差值，并选择至少两个可区分的反射表面的计算的差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值，并基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
根据该方面，可以获得与参考第一方面讨论的类似的优点和优选特征。
本发明对于罐槽中的水准测定是有用的，所述罐槽具有反射性能的表面的填充材料以及至少一个具有反射性能的表面的干扰结构。特别地，当所述反射表面被分开即基本上不处于同一水平并由此在反射的回波信号中可被单独辨别时，本发明是有用的。辨别表面的可能性可依赖于各种参数，诸如隔开距离、测量设备的水平分辨率、信号强度等中的一个或几个。
根据本发明的另一方面，提供一种用于基于微波信号确定罐槽中的填充材料的填充水平的高水平或满溢情况的方法，该罐槽具有反射性能的表面，该方法包括在第一时间向表面发射第一发射信号；
基本上在所述第一时间接收包含第一表面回波的第一接收信号；记录与第一表面回波相关的第一发射和接收信号的第一传播性能；在第二时间向表面发射第二发射信号；基本上在所述第二时间接收包含第二表面回波的第二接收信号；记录与第二表面回波相关的第二发射和接收信号的第二传播性能；其中，第一时间和第二时间在时间上被第一间隔时间分开；计算第一和第二传播性能之间的第一差值；确定到填充材料的表面的距离；和识别差值是否超过预定的差值水平以及确定的距离是否在预定的高水平区内，如果是，则设定报警。
应当注意，根据该方面的本发明在没有任何干扰结构的罐槽中也是可用和有用的。但是，本领域技术人员可以理解，本发明的该方面利用与、本发明的其它方面相同的基本原理，并且，还应注意，所述其它方面的所有特征都可与本发明的最后讨论的方面一起使用。
根据以及参照以下说明的实施例，本发明的这些和其它方面可被得出并将变得十分明显。
以下，将出于解释性的目的参照附图中示出的本发明的实施例更详细地说明本发明。
图1是其中配置根据实施例的天线器件的容器的示意性侧视截面图；图2是示出图1的雷达水准仪系统的示意性框图；图3是代表用于示例性罐槽情况的不同信号波谱的一些示意图；以及图4示出用于本发明中的可能的信号处理。
具体实施例方式
图1示意地表示其中可有利地加入本发明的雷达水准仪系统1。简言之，图1中的系统包括用于发射和接收雷达信号并且为了确定罐槽中的水平而处理接收信号的电子单元3、配置在罐槽中用于将雷达波发射到罐槽中和接收雷达波的天线4、和用于引导电子单元3和天线4之间信号的雷达波导组件5。同一天线可优选同时用作用于发射输出辐射的发射器和用作用于接收反射回波信号的接收器，但也可能使用分开的天线用于这些功能。本发明的示例性实施例使用提供自由雷达波束的雷达天线，在这种情况下，干扰回波是特别常见的，但是，通过使用用于向和/从罐槽传送发射的雷达波束的波导结构，也能够在导向雷达系统中使用本发明。
在使用中，雷达水准仪2通过罐顶端口沿波导5发射雷达能量并从液面8接收反射的能量以提供罐槽内的液体的水平的指示。雷达水准仪2可通过信号导线等与远程位置(例如控制室)耦合。
系统可使用脉冲或连续发射的辐射。在使用脉冲信号的情况下，信号可以为具有约2ns或更小的长度的DC脉冲，其频率为MHz的量级，平均功率电平在nW或μW的区域中。作为替代方案，脉冲在GHz频率的载波上被调制。如果需要，罐槽具有封口，该封口被配置为允许电磁信号穿过罐槽的壁，同时维持气密密封以防止罐槽内容物逸出罐槽。
在图2所示的一般实施例中，电路20包含信号处理器21、发射器23、接收器28和为处理器21准备接收信号的信号处理电路29。电路还包含连接发射器23和接收器38与向水平要被测量的材料的表面28引导信号的天线4的发射/接收(TR)耦合器25。TR耦合器25可以是定向耦合器、铁淦氧循环器、开关或任何其它常规的部件。电路还至少包含电源电路22和通信电路24，这两者均可为许多类型。
信号处理器21优选是基于微处理器的电路，该电路适于如上所述接收进入的信号，并提供指示材料8的水平的信号或信息作为输出。由信号处理器110实现的其中一些可体现为硬件而其中一些可体现为软件的功能和算法本身是本领域公知的，在本申请中将不作进一步的讨论。
在被表面2反射后，电磁信号被天线12接收，并被转发回收发器10，在该收发器10中它们在由诸如处理器11的处理电路控制的过程中被采样和数字化。处理器具有用于分析信号以确定罐槽中的填充水平即表面2的水平的软件。处理器11优选是基于微处理器的电路，该电路适于如上所述接收进入的信号，并提供指示材料3的水平的信号或信息作为输出。由信号处理器11实现的其中一些可体现为硬件而其中一些可体现为软件的功能和算法本身是本领域公知的，在本申请中将不作进一步的讨论。特别地，本方法优选包含以下本身公知的功能为了识别可能的干扰回波中的表面回波进行搜索和为了在各种变化条件下跟随发现的表面回波进行跟踪。产生反射信号的几个表面可被同时监视，并且处理电路一般被配置同时管理5～10个这种表面回波的监视。
对于存在两个或更多个回波的雷达系统，当回波彼此接近时一般将存在有限的分辨率。两个有点近的回波一般作为两个回波出现，而当它们非常近时，它们将不能被区分开，而是将作为平均距离上的一个单一回波出现，并且，在这两种情况之间，存在精度会很低的过渡区域。该极限由脉冲时间或逆带宽确定，并且对于具有1000MHz的带宽或1ns的脉冲时间的系统为约150mm，并与系统的类型基本上无关。要被讨论的实施例解决这种低精度区域之外的距离上的回波情况。
并且，提供用于当在罐槽中存在几个反射表面的情况下帮助确定接收信号的哪个部分以及哪个计算的距离代表填充水平的表面。该功能优选主要与软件相关，并可在许多情况下在现有的(或合理扩展的)硬件上被实现，并将对FMWC以及对脉冲系统有效。它可以单独使用，但也可与上述的方法或与许多其它方法组合。
在第一实施例中，接收的信号中的相位信息被使用。在该实施例中，提供存储器功能，其中，包含相位信息的原始罐槽信号在适当的时间点上被保存。在典型的系统中，一个“快照(snapshot)”(FMWC系统的扫描(sweep)或脉冲系统的相应的间隔)中的信息是几千字节，因此，几个“快照”的存储与即使普通但也现代的具有其RAM的处理器兼容。在最近的“快照”和一个最旧的快照之间形成差值，并对该差值执行基本上正常的信号处理。假定表面在两个“快照”之间移动一个位(bit)，那么表面回波的不同的相位将最可能产生非零差值，而表面之上的所有回波将均被消除。水平的最佳变化是λ/4(在10GHz为7mm)，该变化对于表面回波将给出相反的相位，但对于表面之上的干扰回波将给出保持的相位。但是，当形成差值时，λ/12(在10GHz为2.5mm)将已恢复最初的振幅。对于几cm每分钟的典型的表面速度，则仅需要较短的时间间隔(5～10秒)，对于具有扰动表面的非常常见的情况，即使表面不稳定移动，相同的情况也将适用。几个不同的“快照”优选被保存，并且保存的间隔在想象上与移动匹配，因此可以进行最佳的比较。采样优选在任何检测(一般应用于当前的脉冲系统中)前完成。对于所述的功能，优选信号被线性处理并且相位被保存。完成这一点的一种标准方式是保存一般被称为I和Q信道的两个90度异相信号。
在许多情况下，如上所述在两个时刻或时间之间进行比较并从差值得出结论是足够的。但是，在许多实际情况下，根据均导致测量的水平或振幅的相当迅速的变化的表面的较小的移动或第三干扰回波，存在测量的水平和振幅两者的变化。这些变化可容易地进行比较以确定不明确的“最大变化”。通过包含多于两个的具有其自身的测量值的时刻，可以通过检查几个不同的时间上的趋势而不只是两个之间的差值，解决这种不明确性。这一点由图4解释，其中，三个不同的情况被示出，每种在两个回波之间进行比较。在图4a中，4个水平(或相位)的系列被放入图中与时刻相对，并且估计的线性趋势由直线指示。在图4a中，上面的回波是具有虚趋势线的干扰回波(例如，罐槽结构)，下面的回波是具有实趋势线的来自变化的液面的回波。两个趋势线之间的截点(只假定恒速)给出两个回波将一致(在将来)或处于同一水平(在过去)的水平。“截取水平”现在接近所述两个回波之间的水平间隔的上端，下面进一步讨论其意义。在图4b中，干扰回波低于表面，并且四个不同时间上的相应的一组测量水平具有稍微不同的外观。现在通过至少部分雷达可透过液体的可变厚度测量干扰回波，并且两个水平将具有变化但是是沿相反的方向。截取水平仍可被限定，但现在低于两个测量水平之间的平均值。这将两者保持在增加和减少的水平，但假定的截取时刻将会不同。在图4c所示的第三情况下，来自罐顶(即两倍的距离)的多重回波以相同的方式与正常的表面回波相比较。在这种情况下，截取点的水平将比两个测量水平高，并且多重回波被揭示。很显然，在非常平稳的信号上，图4a和图4b中的这种简单的趋势分析的结果提供与较大的变化上的评价相同的结果，但是，有了诸如湍流的噪声，趋势分析将提供更安全的结果。截取水平的位置可以以以下的方式被使用-截取水平低于两个测量水平之间的平均值意味着最高的水平是正确的水平。
-截取水平高于平均水平但低于两个中的最高的一个(具有一定的余量)意味着最低的水平应被使用。
-截取水平高于最高的水平指示，由于揭示了多重回波的存在，因此最高的水平应被使用。
在例如软件中，优选提供适当的分散度分析，用于确定在趋势分析中需要包含多少点。本领域技术人员从以上讨论可以很清楚地看出，不管移动的方向如何，结论都是有效的。
在许多应用中，系统必须也能够在非移动表面下测量，从而，罐槽信号可以以常规的方式被使用。但是，这仅在表面既不移动也不扰动时适用，并且，回波的振幅从而比扰动条件中强烈至少10～20dB。因此，标准方法仅在最有利的条件下被使用。作为替代方案，这些方法的组合也是可行的。例如，方法可被连续或并行操作，由此，来自两者的信息可被提取和比较，用于表面的更精确的确定。当没有扰动或移动即将到来时，来自标准方法的结果将被原样使用，并且，当出现移动时，标准方法可被用作校验。并且，该方法允许干扰回波以及它们的相位被存储，因此，即使对于稳定的表面回波也可以从罐槽信号中减去特别强的回波。但是，由于干扰回波是“新鲜的”，因此减去在两个有点近的时间点上记录的两个回波信号更有效，并且淀积物、温度变化等具有相同的影响。
上面讨论的方法可被应用于不同类型的RLG系统，在它们之中有常用的脉冲系统和FMWC系统。对于脉冲系统，可分别发射为几个6GHz周期的1ns长的脉冲的短脉冲。在被表面反射后，脉冲被接收并与具有稍微不同的PRF(诸如与1.00001MHz比较的1.0000MHz)的类似的脉冲群混合，然后，在低通滤波后，接收的脉冲(在相当长的时间上重复)在时间上被“拉长”以更易于处理。混合是线性的，因此，相位、振幅和混合的信号被保持，从而在慢得多的速率(在例子中为10-5)上提供脉冲。该拉长的信号的一个周期(在本例子中为100ms)这里被称为罐槽信号的“快照”。对于FMCW信号，IF信号理想情况下是正弦信号的总和，这些正弦信号之一以保持的相位和振幅以及等于一个扫描的长度(例如，100ms)的长度用于一个回波。现代系统中的信号处理可被假定为包含一个或更多个FFT，并且在该阶段，脉冲系统和FMCW系统之间的信号处理的差值可被认为减少到应用奇数还是偶数数量的FFT。术语“一般的IF信号”被用于脉冲系统、FMCW系统或其它的雷达系统，从而给出来自具有保持的振幅、相位等的可能许多的回波的回波的线性组合。
来自一个或更多个时间点上的一般IF信号的快照优选被存储在希望的系统中的存储器中。有了典型的参数，一个快照通过采取具有8～16位的振幅分辨率的约1000个取样被很好地保存。因此，对于各个快照需要几个千字节或最多十个千字节的存储空间，使得即使现代数字处理器具有有限的存储空间也能够很容易地获得几个快照的存储。在现有的系统中，1000个取样是典型的数量，因此硬件需求与当前的工业RLG标准兼容。
形成来自不同时间点的任何两个快照之间的差值是容易完成的。一个重要的观察是，静态回波(static echo)将在差值中基本上消失，而移动回波一般将对差值有非零贡献。几个不同的快照的存储将排除表面刚好在两个事件之间移动λ/2的倍数从而使得即使移动回波也消失的可能性。需要相当小的移动以使得差值明显非零，并且，水平的例如λ/12变化将给出60度相位差和与原始状态相同的差别快照中的振幅。如果我们假定在处理应被接受前有10dB信号降低，那么即使10GHz系统中的1mm变化也可接受来辨别真实表面。
对于FMCW系统，移动回波的差值信号将显然与原始回波类似，但具有在一般类型的信号处理中将对计算的距离没有任何影响的另一振幅和相位。对于脉冲信号，差值将与假定时间差与脉冲时间(明确(in terms)对应于100mm量级的距离)相比较小非常类似。即使在脉冲中大多数信息也在相位中。对于脉冲的情况，由于来自稍微不同的时间点的两个检测信号非常类似并且将不形成任何可用的差值，因此优选地使用视频检测之前的信号(其中两个脉冲具有不同的相位)。
来自液面之上的任何结构的任何回波将实际上消失，而表面回波将保持具有可通过具有有限的选择的快照而被选择的可能的振幅变化。因此，表面回波将更加干净，并且，更重要的是，即使在存在许多较强的干扰回波的情况下它也将变成最接近的非零回波。
在表面之上的平滑表面罐槽结构的情况下，它们可通过表面中的反射被反射(双反射)，并会作为比表面更远并且当表面移动时以两倍的速率移动的回波出现。使用更复杂的计算，看起来为更多的计算表面的所有回波可根据计算的表面改变其相位。大量的试算将揭示正确的假定。
少数的液体可透过雷达波，并且在这种情况下，低于表面的回波将是可见的，并且当表面移动时它们也看起来在移动。但它们将看起来沿相反的方向和更慢的速度移动。相关类型的关于表面之上的回波的算法将使得能够在进行最终的精确计算之前也能够去除这些回波。
雷达水准仪可具有不同的用途，并且一种关键的用途是用作满溢报警。由于所述的方法使得能够在雷达水准仪的精确的限定的附近检测即使较弱但有些移动的回波，因此它很好地适于这种任务。水准仪附近的回波情形是相当固定的，因此可使得仪器对任何变化敏感，这些变化在罐槽的该部分中最可能由上升的液面导致。
在前面讨论的实施例中，接收信号中的相位信息被用于从非移动表面辨别移动表面，并由此从干扰回波识别来自填充材料的表面的反射信号。但是，也能够出于基本上相同的目的使用没有相位信息的信号。现在将更详尽地讨论这种实施例。
在本实施例中，对于可确定回波特性的各位置中的振幅和在不同时间接收的比较信号形成差值波谱。
时间t上的位置n的振幅差值可被确定为AmplDiff(n)t＝Ampl(n)t-Ampl(n)t-1作为替代方案，差值可被确定为AmplDiff(n)t＝Abs(Ampl(n)t-Ampl(n)t-1)为了避免噪声产生的扰动，振幅差值进一步优选例如以以下的方式被过滤FiltFactor＝90％FiltAmplDiff(n)t＝FiltFactor×FiltAmplDiff(n)t-1+(1-FiltFactor)×AmplDiff(n)t通过来自不同时间的信号之间的比较，差值分析将产生清楚的移动表面的指示，诸如扰动表面、上升或下降的表面或移动的搅拌器。但是，诸如波束、挡板等的静止表面将基本上是不可见的。总体静止的填充材料表面也是如此。
当在罐槽中出现移动时，差值波谱中的信号/噪声比将比在标准“罐槽波谱”中的大。并且，如上所述，在差值波谱中不存在静态回波。因此，即使在平静的条件下，与使用更常规的回波逻辑相比，通过使用新方法，湍流、沸腾的产物或移动的表面实际上也使得更容易确定正确的表面回波。
现在将参照例子更详细地讨论可从差值信号获得(detainable)的信息。在图3a中的图中，示例性的罐槽波谱被示出，其中，y轴以线性标度表示振幅，x轴同样以线性标度表示距离(0.0～9.0m)。在该波谱中，可清楚地看到在3.7m上表示表面的峰值，但是其它的峰值也是可见的，特别是0.5m上的较强的干扰回波。仅从这种信息进行判断，则很难断定其中的哪个峰值代表表面回波。
在图3b中，对于相同的罐槽情况给出差值波谱。在该图中，很容易认出在罐槽中在哪里存在移动。在3.0m之前没有移动，0.5m上的较强的干扰回波因此被辩认。在3.0m开始直到4.0m的s形曲线还限定回波沿哪个方向移动(在这种情况下，表面下降)。
优选地，差值分析利用来自至少两个并优选几个以前的时间并优选具有不同的时间间隔的接收的信号。由此，变得能够检测和辨别诸如缓慢上升或下降的填充水平的缓慢移动和诸如表面上的湍流的更迅速的移动。并且，该扩展的分析使得能够避免两个接收的信号之间的差值刚好与λ/2的倍数对应的情况，这种情况会使得移动回波也消失了。例如，对于在时间t上接收的信号的差值分析可基于例如t-1、t-10和t-100上的测量进行。
上述方法和系统对于满溢应用是特别有用的。在这种满溢应用中，确定的表面水平可与一个或几个阈值以及例如一组以下的三个阈值比较-OFA_LowLimit，它是要被监视的范围的下限；-OFA_HighLimit，它是所述范围的上限；-OFA_AmpThreshold，它是可在该范围内产生报警的振幅的阈值。
适当地选择阈值使得不错过表面回波而同时又尽可能避免由于噪声等的其它反射导致的错误报警无疑是重要的。因此，满溢报警功能以前实际上难以实现，并且对于各单个使用情况具有一般需要的实质性和麻烦的配置。但是，使用上述的能够检测随时间出现的变化和事件的时间差别波谱，可以获得更高的可靠性，这使得满溢报警制造和安装起来更容易。即使当使用以上讨论的差别分析时，也一般需要振幅的阈值。但是，在这种情况下，该阈值可与填充材料、罐槽环境等无关地被设为一般的参数。因此，不管在哪里以及如何安装系统都可使用恒定的阈值。
水准仪系统还可包含由所述报警信号激活的报警器(未示出)。该报警器可例如被配置在系统用控制单元中。报警系统可以是分布式的，由此报警器可被配置在距离水准仪系统某一距离的位置上。作为替代方案，报警信号可被发送到分离的系统，诸如通用控制系统。报警器可被配置为接近测量装置或被配置在远程位置(例如控制室中)。其中，报警信号可通过信号导线等被传送。报警单元可以以几种方式被设计以关于当前的情况向操作者报警。作为一些例子，声信号可被激活，报警灯可开始变亮或闪烁，或一些类型的信令可在控制板上被激活，计算机屏幕或远程单元(电话、微型呼机、收音机等)上的报警器可被激活等。
现在已说明了本发明的特定实施例。但是，对于本领域技术人员来说很显然几种变更方式是可能的。例如，本领域技术人员很容易理解，许多不同的部件可被用于执行水准仪系统和处理电路的各种功能。并且，许多不同类型的阈值和报警参数可被用于以上概述的系统内，系统可使用脉冲或连续发射的测量信号，系统可以是专用的报警系统，可被集成到常规的测量系统中，等等。这些和其它明显的修改必须被视为在由所附的权利要求限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种用于基于微波信号测定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的方法，该罐槽具有至少一个干扰结构，所述干扰结构具有反射性能的表面，该方法包括在第一时间向表面发射第一发射信号；基本上在所述第一时间接收包含第一表面回波的第一接收信号；记录与第一表面回波相关的第一发射和接收信号的第一传播性能；在第二时间向表面发射第二发射信号；基本上在所述第二时间接收包含第二表面回波的第二接收信号；记录与第二表面回波相关的第二发射和接收信号的第二传播性能；其中，第一时间和第二时间在时间上被第一间隔时间分开；计算第一和第二传播性能之间的第一差值；在第三时间向表面发射第三发射信号；基本上在所述第三时间接收包含第三表面回波的第三接收信号；记录与第三表面回波相关的第三发射和接收信号的第三传播性能；在第四时间向表面发射第四发射信号；基本上在所述第四时间接收包含第四表面回波的第四接收信号；记录与第四表面回波相关的第四发射和接收信号的第四传播性能；其中，第三时间和第四时间在时间上被第二间隔时间分开；计算第三和第四传播性能之间的第二差值；比较第一和第二差值；选择所述第一和第二差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值；和基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
2.根据权利要求1的方法，其中，第一和第三时间基本上同时发生。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，第二和第四时间基本上同时发生，并且其中，第二发射信号与第四发射信号相同。
4.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，第一发射信号与第三发射信号相同。
5.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，第二发射信号与第四发射信号相同。
6.根据前面的权利要求中的任一项的方法，还包括基于记录的传播性能计算到罐槽中的反射表面的距离的步骤，并且其中，传播性能之间的差值被计算作为所述计算的距离之间的差值。
7.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，记录的传播性能包含来自发射的和接收的信号的相位信息和振幅信息中的至少一个。
8.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，计算记录的传播性能之间的差值包含识别记录的传播性能之间的相位差或振幅差中的至少一个。
9.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，确定的到填充材料的距离被用于高水平或满溢报警功能。
10.根据权利要求9的方法，其中，高水平或满溢报警功能包含将确定的到填充材料的距离与至少一个预定水平的阈值相比较。
11.根据权利要求9或10的方法，其中，高水平或满溢报警功能包含识别第一和第二传播性能或第三和第四传播性能之间的某一水平之上的差值是否出现在预定的高水平区域内。
12.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，发射连续信号，并且其中，基于接收的回波信号和基准信号之间的相位差计算距离。
13.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，发射脉冲信号被发射，并且其中，基于脉冲信号的发射和所述信号的回波的接收之间的时间计算距离。
14.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，在记录传播性能之前、或在使用所述记录的传播性能用于计算差值之前，接收的信号被过滤用于减少与噪声有关的变化。
15.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，对于传播性能的记录，只有初始回波信号被考虑，而二次双反射回波被忽略。
16.根据前面的权利要求中的任一项的方法，还包括最初假定第一和第二表面回波或第三和第四表面回波从填充材料的表面被反射的步骤，由此，如果选择所述第一和第二差值中的最大的一个的步骤将不同的表面回波与填充材料的表面相关联，那么假定然后变为现在选择的表面回波。
17.根据权利要求16的方法，其中，在使用中，最初假定一直被测试，并在必要时在有限的时间周期内被校正，所述时间周期为小于一小时、小于一分钟和小于10秒中的至少一个。
18.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，具有反射性能的填充材料的表面和具有反射性能的干扰结构的表面被分开为使得源自所述表面的回波信号可被相互区分开。
19.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，第一和第二时间以及第三和第四时间中的至少一种之间的时间间隔小于最大间隔时间，所述最大间隔时间为一小时、一分钟和10秒中的一个。
20.根据前面的权利要求中的任一项的方法，其中，确定所述的到填充材料的选择的表面的距离基于记录的传播性能中的至少一个。
21.一种用于基于微波信号测定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的方法，该罐槽具有至少一个干扰结构，该方法包括在至少两个在时间上分开的时间将发射信号发射到罐槽中，并随后接收包含表面回波的接收信号；记录与至少两个可区分的反射表面相关的发射和接收信号的传播性能；对于各个可区分的反射表面计算至少两个在时间上分开的时间之间的记录的传播性能的差值；对于至少两个可区分的反射表面比较计算的差值；选择所述差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值；和基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
22.根据权利要求21的方法，还包括基于记录的传播性能计算到罐槽中的反射表面的距离的步骤，并且其中，传播性能之间的差值被计算作为所述计算的距离之间的差值。
23.根据权利要求21或22的方法，其中，记录的传播性能包含来自发射的和接收的信号的相位信息和振幅信息中的至少一个。
24.根据权利要求21～23中的任一项的方法，其中，计算记录的传播性能之间的差值包含识别记录的传播性能之间的相位差或振幅差中的至少一个。
25.根据权利要求21～24中的任一项的方法，其中，确定的到填充材料的距离被用于高水平或满溢报警功能。
26.根据权利要求21～25中的任一项的方法，其中，发射连续信号，并且其中，基于接收的回波信号和基准信号之间的相位差计算距离。
27.根据权利要求21～26中的任一项的方法，其中，发射脉冲信号被发射，并且其中，基于脉冲信号的发射和所述信号的回波的接收之间的时间计算距离。
28.根据权利要求21～27中的任一项的方法，其中，在记录传播性能之前、或在使用所述记录的传播性能用于计算差值之前，接收的信号被过滤用于减少与噪声有关的变化。
29.根据权利要求21～28中的任一项的方法，其中，发射和接收在至少三个在时间上分开的时间被重复，其中，基于所述记录的传播性能的趋势值或平均值被用于计算至少两个在时间上分开的时间之间的记录的传播性能的差值。
30.根据权利要求21～29中的任一项的方法，其中，对于传播性能的记录，只有初始回波信号被考虑，而二次双反射回波被忽略。
31.根据权利要求21～30中的任一项的方法，其中，确定所述的到填充材料的选择的表面的距离基于记录的传播性能中的至少一个。
32.一种用于确定到罐槽中的填充材料的填充水平上的具有反射性能的表面的距离的雷达水准仪系统，该罐槽具有至少一个干扰结构，该雷达水准仪系统包括用于向填充材料的表面发射测量信号的发射器；用于接收来自罐槽的回波信号的接收器；用于记录与至少两个可区分的反射表面相关的发射和接收信号的传播性能的存储器；和处理电路，该处理电路对于每个可区分的反射表面计算至少两个在时间上分开的时间之间的记录的传播性能的差值，以及选择至少两个可区分的反射表面的计算的差值中的最大的一个作为与填充材料的表面相关的差值，并基于发射的和接收的信号的传播性能确定所述的到填充材料的选择的表面的距离。
33.根据权利要求32的雷达水准仪系统，其中，存储器适于记录包含来自发射的和接收的信号的相位信息和振幅信息中的至少一个的传播性能。
34.根据权利要求32或33的雷达水准仪系统，其中，处理电路适于基于记录的传播性能之间的相位差或振幅差中的至少一个计算记录的传播性能之间的差值。
35.根据权利要求32～34中的任一项的雷达水准仪系统，其中，它可用作高水平或满溢报警。
36.根据权利要求32～35中的任一项的雷达水准仪系统，其中，发射器适于发射连接信号，并且其中，处理电路适于基于接收的回波信号和基准信号之间的相位差计算距离。
37.根据权利要求32～36中的任一项的雷达水准仪系统，其中，发射器适于发射脉冲信号，并且其中，处理电路适于基于脉冲信号的发射和所述信号的回波的接收之间的时间计算距离。
38.根据权利要求32～37中的任一项的雷达水准仪系统，还包括用于在记录传播性能之前、或在使用所述记录的传播性能用于计算差值之前，过滤接收的信号用于减少与噪声相关的变化的过滤装置。
39.一种用于基于微波信号确定罐槽中的填充材料的填充水平的高水平或满溢情况的方法，该罐槽具有反射性能的表面，该方法包括在第一时间向表面发射第一发射信号；基本上在所述第一时间接收包含第一表面回波的第一接收信号；记录与第一表面回波相关的第一发射和接收信号的第一传播性能；在第二时间向表面发射第二发射信号；基本上在所述第二时间接收包含第二表面回波的第二接收信号；记录与第二表面回波相关的第二发射和接收信号的第二传播性能；其中，第一时间和第二时间在时间上被第一间隔时间分开；计算第一和第二传播性能之间的第一差值；确定到填充材料的表面的距离；和识别差值是否超过预定的差值水平以及确定的距离是否在预定的高水平区内，如果是，则设定报警。
全文摘要
本发明涉及一种用于基于雷达测定填充材料的填充水平的方法和系统，其中，罐槽具有至少一个干扰结构。该方法包括在第一时刻向填充材料的表面发射微波信号；接收被填充材料的表面反射以及被所述至少一个干扰结构反射的微波信号；基于发射的和反射的微波信号的传播时间计算至少两个到罐槽中的反射表面的距离；在第二时刻重复发射、检测和计算，其中所述第一时刻在时间上与所述第二时刻分开。基于几次重复的测量，到填充材料的表面的距离被确定为在所述第一和第二时刻之间表现出最大变化的计算距离。基于该时差分析，能够非常容易和精确地辨别移动表面。该方法在满溢或高水平报警系统中是特别有利的。
文档编号G01S13/08GK101087996SQ200580044527
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月21日 优先权日2004年12月23日
发明者托马斯·温内博格, 奥洛夫·爱德沃森 申请人:罗斯蒙特雷达液位股份公司