填充水平测量设备中的移动性检测的制作方法

专利名称：填充水平测量设备中的移动性检测的制作方法
技术领域：
本发明涉及填充水平测量。特别地，本发明涉及一种用于检测回声移动性的填充水平测量设备、一种用于检测回声移动性的方法、一种程序元件以及一种计算机可读介质。
背景技术：
在根据FMCW或脉冲时差方法而操作的填充水平传感器，在馈送材料表面方向上发射电磁波或声波。随后，传感器记录由馈送材料和由容器内部反射的回声信号，并且从这些内容推导出相应的填充水平。其它填充水平传感器根据传导的微波的原理而操作。根据现有技术而使用的方法基本上基于在容器为空时由用户执行的杂散回声存储。DE 33 37 690 Al、DE 42 34 300 Al、EP 16 281 19 Al、US 7，284，425B2、WO 2009/003700AUEP 21 482 19 Al 描述了多种方法。其中所描述的方法在存在杂散回声时可能不能充分地完成可靠地识别填充水平回声的任务。在利用传感器的情况下，不能期望填充水平测量设备的用户总是在容器为空时执行杂散回声存储。特别地，在进行提供更换部分的操作的情况下，反复发生测量到容器被材料完全填满的情况。然而，新安装的填充水平传感器用于确保可靠的测量。用于基于相继的接收相位中的连续时间偏移来识别填充水平回声的方法到现在为止已经达到其实际应用的极限。实现具有鲁棒性的算法来检测各个回声的时间偏移是可靠应用该方法的一个要求。用以借助于要事先执行的跟踪来检测位移的已知方法也没有排除对具有鲁棒性的方法的需要。因此，在跟踪方法的应用场景中，反复发生回声被不正确地分配给现有轨迹的情况，这将导致不正确地确定位移信息。

发明内容
希望的是提供一种具有鲁棒性的方法，用于在填充水平测量设备内检测一个或多个回声的特性值随时间的改变。根据独立权利要求的特征，记载了一种用于检测回声移动性的填充水平测量设备、一种用于检测回声移动性的方法、一种程序元件以及一种计算机可读介质。下面例如针对方法而提及的特征也可以实现在填充水平测量设备中，从而同时也是填充水平测量设备的特征。类似地，填充水平测量设备的特征(这些特征在下文中提及)也可以实现为与方法相关的步骤。
根据本发明的第一方面，记载了一种用于检测回声移动性的填充水平测量设备， 该填充水平测量设备包括如下处理器(又称为算术单元)，该处理器用于确定回声曲线的第一回声的第一回声特性，以及用于确定回声曲线的第二回声的第二回声特性。该处理器 (算术单元)被设计用于通过使用第一回声特性(以及如果可行则还通过使用第二回声特性)来计算回声曲线的第二回声的移动性值。在这一配置中，术语“回声曲线”是指绘制出例如由发射/接收信号覆盖的距离相对于其幅度的关系的测量曲线。这一回声曲线可以包括从容器几何形状引起的或者对应于填充水平的多个峰值。在下文中，这些峰值称为回声。术语“回声特性”是指例如回声位置(换言之，填充水平测量设备与回声源之间的空间)。另外，回声特性可以涉及回声宽度、回声信噪比、回声起点、回声终点、回声之下的面积等等。术语“回声的移动性值”是指例如如下回声特性，该特性是通过将另外的回声的至少一个特性考虑在内来确定的。例如，根据本发明，术语“移动性”可以是指与回声位移相关的特性，该特性是通过将至少一个另外的回声的同时发生的位移(或者另外的回声中的某些其它改变)考虑在内来确定的。可以在每次读取之后将不同回声分类，从而使得能够跟踪它们随时间的发展。在这一处理中，提供了对回声移动性值的计算，其中计算单元通过使用(第一回声的)第一回声特性来得到回声曲线的第二回声的移动性值。以这种方式，可以达到如下情形，其中与先前读数相比没有改变或几乎没有改变的回声被分配新的移动性值，该新的移动性值是通过将变化的回声考虑在内来计算的。以这种方式，可以通过减小没有移动的回声的移动性值来“惩罚”这些回声。如果回声都没有改变其特性，则可以认为没有移动性值要被改变。根据本发明的另一方面，提供了一种用于检测回声移动性的方法，其中确定回声曲线的第一回声的第一回声特性。另外，确定回声曲线的第二回声的第二回声特性。在此之后是通过使用第一回声特性来计算回声曲线的第二回声的移动性值。根据本发明的另一方面，提供了一种程序元件(计算机程序)，当在填充水平测量设备的处理器上执行时，该程序元件指示该处理器执行上面和下面描述的步骤。根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有程序元件，当在填充水平测量设备的处理器上执行时，该程序元件指示该处理器执行上面和下面描述的步马聚ο根据本发明的示例性实施例，第一回声特性是在限定的时间间隔期间回声曲线中的第一回声的第一位置偏移。第二回声特性是在同一时间间隔期间回声曲线中的第二回声的第二位置偏移。根据本发明的另一示例性实施例，回声曲线是在第一时间点处测量的，其中为了计算回声曲线的第二回声的移动性值，如果第二回声特性为零或者如果第二回声特性符合前次读取的对应回声曲线，则仅使用第一回声的回声特性。根据本发明的另一示例性实施例，为了计算回声曲线的第二回声的移动性值，如果第二回声特性表明自从在第一时间点之前测量的回声曲线以来，第二回声没有偏移过， 则仅使用第一回声的第一回声特性。
因此，如果第二回声特性为零或常数，则不会重新计算第二回声的移动性值，这是因为排他地使用了其它回声的特性。根据本发明的另一示例性实施例，如果自从前次读取以来第二回声没有移动过、 如果第二回声特性为零或者如果自从前次读取以来第二回声没有改变过，则使用第一回声特性来计算回声曲线的第二回声的移动性值导致该移动性值减少。根据本发明的另一示例性实施例，计算回声曲线的第二回声的移动性值的方式为从第二回声的移动特性减去第一回声特性。该移动特性可以例如是回声曲线的第二回声的先前计算的移动性值。根据本发明的另一示例性实施例，计算单元被设计用于通过使用第二回声特性 (并且如果需要，也可以是第一回声特性)来计算回声曲线的第一回声的移动性值。因此，可以通过使用其它回声的特性来计算单独回声的移动性值。根据本发明的另一示例性实施例，填充水平测量设备是填充水平雷达。因此，接收回声函数(回声曲线)，其中回声函数包括回声读取的至少两个回声。 另外，针对该至少两个回声中的每个确定至少一个特性。在此之后是确定回声曲线的至少一个回声的移动性值，其中在这一处理中，可以使用这一回声的至少一个特性以及另外的回声的至少一个特性。


图1示出了回声信号处理程序的流程图。
图2示出了根据本发明示例性实施例的填充水平测量设备。
图3示出了回声列表。
图4示出了清空容器期间测量周期的重复。
图5示出了轨迹列表。
图6示出了位移分析的结果。
图7示出了采用不正确轨迹的测量周期的重复。
图8示出了采用不正确轨迹的位移分析的结果。
图9示出了根据本发明示例性实施例的用于检测移动性的处理示图。
图10示出了根据本发明示例性实施例的用于更新额外的移动性的处理示图。
图11示出了根据本发明示例性实施例的用于检测移动性的与方法相关的步骤。
图12示出了根据本发明示例性实施例的检测移动性的结果。
图13示出了根据本发明示例性实施例的移动性值的解释。
图中所示的仅为概略并且并非是按比例的。
在以下对各图的描述中，相同的参考符号用于相同或相似的元件。
具体实施例方式本发明涉及一种用于测量任意类型的填充水平的方法。图1示出了商用填充水平测量设备内的回声信号处理的基本序列。框“回声曲线准备” 101包括提供回声曲线所需的所有硬件和软件单元，回声曲线是在容器内的反射关系的图像。优选地借助于针对其中包含的回声而研究的已知方法、在微处理器系统内以数字形式获取回声曲线。为此，框“回声提取” 102内应用的方法特别地包括来自基于阈值的回声提取方法领域或者基于等级的回声提取方法领域中的方法。在执行回声提取方法之后，提供数字回声列表，该回声列表优选地包括与回声曲线中所包含的一个或多个回声的起点、位置和终点相关的细节。为了进一步增加填充水平测量设备的回声信号处理的可靠性，在框“跟踪” 103中将所找到的回声放置在历史内容中。在这一处理中使用的方法源自现有技术。因此，例如， 可以有利地使用基于Mimkres算法的方法。在跟踪时，特别地跟踪在若干单次读数位置之间的梯度，并且所收集的这一信息在存储器中以轨迹的形式表示。额外地以轨迹列表的形式提供所收集的若干回声的历史信息。在所传送的轨迹列表的基础上，在框“位移检测” 104中，执行针对回声特性(例如回声位置)的连续改变的轨迹列表分析。额外地以位移值的形式提供这一分析的结果。在框“关于填充水平的判决” 105中，对当前的回声列表的数据、与单独回声随时间的行进相关的信息以及位移检测的结果进行平衡。在这一处理中，特别重要的是基于回声的历史信息来评估位置随时间的行进，该历史信息是以轨迹的形式获取的。为了进一步提高填充水平测量的准确度，可以通过使用时间密集型计算的方法 (例如插值方法)、借助于可选的框“填充水平回声的精确测量” 106来以高准确度确定所确定的填充水平回声的位置。将所确定的到填充水平的距离提供给外部。该提供可以以模拟形式(4. 20mA接口)或以数字形式(现场总线)来实现。下面，将针对如何识别由填充水平生成的回声(有用回声)来描述一些可选方案。在要由用户手动发起的杂散回声存储内，容器内部的杂散反射209、210可以被传感器获取，并且为了进一步处理可以以合适的形式存储在存储器区域中。例如，在回声曲线的所呈现数目的回声之中，很精确地，如下回声可以被评估为有用回声，该回声随后接收到显示出连续时间偏移的相位。如果多个回声随后接收到显示出连续时间偏移的相位，则在移动的回声中，可以将到传感器的距离最短的回声识别为是有用回声。另外，可以实现一种用于跟踪的系统，在该系统中，对回声进行组合以形成全局回声群组，并且在该系统中，从形成相应轨迹的一部分的回声的本地偏移来计算轨迹的特性。类似地，有可能在随后的测量周期中获取到馈送材料表面的距离，以及借助于微分来计算与传播特性相关的特性。例如，可以基于Kalman滤波来估计轨迹的移动速度。本发明的优点来自于填充水平测量设备内的回声信号处理所经历的特殊边界条件。图2示出了这种设备的示例性实施例。通过天线202，填充水平测量设备201在待测介质206的方向上发射信号203。填充水平测量设备201本身能够根据超声波、雷达、激光或者所传导的微波的原理来确定到介质的距离。因此，无论超声波还是电磁波，都可以视为信号。介质206将冲击波反射回测量设备，在测量设备处该波被接收和处理。同时，所发射的信号还被容器内部(例如容器接入设备204或入口管道20 反射。因此，在填充水平测量设备201中接收到的回声曲线 212不但可以接收到填充水平206引起的有用回声211，还可以接收到被固定安装的干扰位置209，210的回声，在下文中称为“杂散回声”。除了入口管道205之外，馈送材料容器207 还包括出口管道208，其反射在本例中可以忽略。在随后由计算单元220执行的信号处理操作内，以针对回声102的方式检查回声曲线。作为回声提取的结果，生成根据图3的示图的回声列表。除了由容器进入设备204 生成的杂散回声E0，209的特性之外，回声列表可以包括由入口管道205生成的另一杂散回声E1，210以及由介质206生成的填充水平回声E2，211。回声列表的所示特性当然仅表示回声列表的特殊实现。在实际应用中，具有回声的其它特性或改变的特性的回声列表也是常见的。在这一阶段，应当指出，以识别由填充水平生成的回声的为目标来处理回声曲线 212提出了特殊的挑战，这是因为要发现三个幅度几乎相同的回声。下面，参考各图更详细地描述在本发明上下文内都使用的与方法相关的步骤。如果在填充水平测量设备中实现了循环的测量周期，则这导致图4所示的接收到的回声曲线的序列。作为示例，示出了均为以五分钟为时间间隔的六个独立的测量周期。当然，还可以实现例如具有1秒的时间间隔的更快的测量周期。所呈现的场景示出了在馈送材料容器207被清空时的情况。在每个时间点t0，tl， t2，t3，t4和t5处，开始填充水平测量设备201的测量周期。在已经接收到相应的回声曲线400，401，402，403，404，405之后，借助于已知方法针对回声进行检查。为了能够基于所生成的回声列表在多个这种测量周期之间跟踪各个回声，在该方法的进一步过程中，可以使用特殊的算法，该算法在文献中被详细地以术语“跟踪”(tracking)来描述。当然，也可以以其它方式来确定一个或多个回声在跟踪期间的特性(例如位置)。在本例中，在跟踪期间由容器进入设备204引起的回声el，e3，e6，e9和el2通过共同轨迹TO来描述。此外，在跟踪期间由进入管线205引起的回声e4，e7, elO, el3通过相关的轨迹Tl来描述。在跟踪期间由馈送材料O06)引起的在多个测量周期之间的回声通过轨迹T2来描述，这些回声包括回声e0，e2，e5，e8，ell和el4。在执行跟踪算法的过程中，在时间点t0处，轨迹T2被初始化，并且在时间点tl， t2,t3, t4和t5处，其连续地扩展。相应地，在时间点tl处，轨迹TO被初始化，并且在时间点t2，t3，t4和t5处，其连续地扩展。轨迹列表又扩展到时间点t2，在该点处，轨迹Tl被初始化。在时间点t3，t4和t5处也是连续地扩展。在文献中描述了由公共反射位置引起的回声在跟踪过程中以轨迹形式呈现，其也可以有利地应用于其它领域(例如在空中监管)。在完成跟踪103后，以轨迹列表的形式提供每个时间点t0. . . t5处所找到的轨迹。作为示例，图5将轨迹列表示为来自于在时间点t3处的回声曲线的上述序列。应当再次指出，轨迹列表的所示参数代表对底层回声的可能特性的有利选择。当然，还可以跟踪这种轨迹列表内的其它的或改变的特性。图5所示的轨迹列表代表时间点t3处的跟踪算法的结果。当然，在执行跟踪之后， 在时间点t4处，该列表被更新并且扩展，从而使得例如轨迹T2将包括在4. 50m处的新的网格点。基于在相应测量周期中计算的轨迹列表，执行位移分析104，其向包含在轨迹列表中的轨迹提供了位移值。将轨迹的网格点之间的各个位移值连续相加是一种获取该轨迹的位移的显而易见的方法。以下计算规则针对运动B:B(Ti)
_ 丨I位置(网格点k)-位置(网格点k+l)|，如果iV>l
一ν ν Gl)
0，其它其中N表示时间点Ti处的轨迹的网格点数目。图6示出了与图4的示例相关的、借助于微分根据以上示图计算的位移值的结果。 应当指出，根据以上示图确定位移仅代表一种变型。轨迹TO的位移图600说明时间点t0处的位移分析未显示出任何结果。这通过与轨迹图406相比较，变得相当可信，这是因为轨迹TO仅在时间点tl被初始化。在进一步的测量周期期间在时间点tl，t2，t3，t4和t5处根据以上公式计算的位移值保持为常数0， 这精确地对应于涉及轨迹TO的各个位置值的静止性。在与轨迹T1601相关的位移图中示出了时间点t0. . . t5处的与轨迹Tl相关的位移分析104的结果。该图示出了，轨迹Tl开始于时间t2，并且在时间点t3，t4和t5处并未显示出任何位移。这也符合图406中的轨迹Tl的静止性。轨迹图406示出了截然不同的特性，这是因为轨迹T2显示出了明显的位移。根据以上公式通过位移检测106确定的位移值在针对轨迹T2 602的位移图中被示出。尽管在时间点to处的轨迹的初始化期间还不能检测到任何位移，但作为对读数之间的各个位移进行连续求和的结果，与轨迹相关的位移规模连续地增加。位移检测的目的和目标在于提供关于与方法相关的步骤“关于填充水平的判决” 105的附加信息。根据DE 42 343 00 Al，由馈送材料引起的有用回声的特征精确地在于，在具有大于零的位移的回声之中，有用回声精确地是与传感器201位置最近的回声。通过位移检测104计算的特性600，601，602使得可以在采用这一算法时可靠地检测来自时间点tl的填充水平回声211。在完成关联测量周期后，位移检测104明确地计算出轨迹T2具有大于0的运动(602)。与填充水平相关的判决可以参考所示情形而发生，而不需要事先执行的杂散回声存储。就根据即插即用原理的传感器安装(即不需要用户的特殊委派)这一目标而言，位移检测在商用填充水平测量设备中识别正确的填充水平回声的重要作用是非常显然的并且具有增加的重要性。然而，希望的是进一步改善上述方法。其原因如下由于不同馈送材料和/或所测量的产品的不同层、外部影响(诸如电磁波的干扰、 天线上杂质的集结以及其它的影响)造成的连续改变的反射条件，接收到的回声曲线相对于其幅度梯度的稳定性无法实现。在实际应用中，这会导致如下问题，即相同的反射位置 204，205，206的回声在测量周期之间经常经历与其形状和其幅度相关的很大波动。本领域技术人员能够立刻认识到，由于不稳定的回声数据，跟踪103的功能性也会受影响。因此，在实际应用中，反复发生将实际回声不正确地分配给现有跟踪的情况。图7描绘了基于单个不正确分配而发展的情形。容器207的排放的场景基本上对应于图4所示的场景，然而，其中回声e' ^由于额外影响而稍有改变。由于这一改变，在时间点t2处，将另一回声分配给轨迹。现在回声 e' 4被分配给轨迹T5，这导致了初始化新轨迹T6的回声e' 5。图8示出了根据上面所示的方法的位移分析的结果，该方法对应于现有技术。非常显然的是，轨迹T5的位移值保持为常数，其已经在时间点t0，tl和t2处被加至测量周期。因此，确认了轨迹T5在时间点t3，t4和t5期间具有明显的位移。如果出于识别由馈送材料引起的有用回声的目的而使用了根据DE 42 343 00的方法，则从时间点t2往上，回声e' 4，e' 7, e' 1(|以及e' 13被不正确地发布为有用回声，这是因为它们属于显示出明显位移的轨迹(仍)并且与传感器最接近。在这一阶段，应当提及，即使借助于Kalma滤波器或者执行对单一轨迹的位移的单一检查的其它方法，也会发生与目前为止已知的位移检测方法相关联的问题，为解决这一问题，可以进行尝试以仅在每个轨迹的之前的M个网格点上(例如M =5)根据上面的方案计算位移分析。另外，还有可能的是如果近来的位移值都不能实现目前为止达到的位移值的恢复，则借助于平滑函数来使所确定的位移值朝着为0的位移值缩减。然而，这些方法都会在填充水平测量中导致不满意度。在典型的情况下，例如，在生产设备内，设备从周一到周五被充满和清空，从而使得随时间在传感器内收集了对与各个轨迹相关的位移的认识。如果随后在周末没有在设备内进行工作，则由于新位移值，目前为止收集的关于各个轨迹的位移的信息逐渐丢失，而不论设备内的回声条件是否正在发生任何改变。本发明的一个目的可以是提供用于在填充水平测量设备内检测一个或多个回声的特性随时间的改变的具有鲁棒性的方法。例如，改变检测涉及所检查的回声或轨迹的位置，但还可以采用针对其它参数的方法。图9示出了方法104的基本顺序，其在每个测量周期的过程中例如在跟踪函数103 之后被调用。该方法开始于开始状态900。在与方法相关的步骤901中，核查轨迹列表是否包含轨迹。如果轨迹列表为空，则该方法直接结束于结束状态909。与此相反，如果轨迹列表包含至少一个轨迹，则在步骤902中，将该轨迹确定(选择)为此时要检查的轨迹。在步骤903中，例如根据以下公式来确定自从最近一次分析以来已经相加的位移值b(Ti)(当前为b (T1))，这是因为其是第一个轨迹
权利要求
1.一种用于确定回声的移动性的填充水平测量设备，所述填充水平测量设备(200)包括处理器020)，用于确定回声曲线的第一回声的第一回声特性，以及用于确定所述回声曲线的第二回声的第二回声特性；其中所述处理器(220)被进一步设计用于通过使用所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
2.根据权利要求1的填充水平测量设备，其中所述第一回声特性是在限定的时间间隔期间所述回声曲线中的所述第一回声的第一位置偏移；并且其中所述第二回声特性是在同一时间间隔期间所述回声曲线中的所述第二回声的第二位置偏移。
3.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备， 其中所述回声曲线是在第一时间点处测量的；其中，如果所述第二回声特性为零，则仅使用所述第一回声的所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
4.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备， 其中所述回声曲线是在第一时间点处测量的；其中，如果所述第二回声特性表明自从在所述第一时间点之前测量的回声曲线以来， 所述第二回声没有偏移，则仅使用所述第一回声的所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
5.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备，其中如果自从前次获取回声曲线以来所述第二回声没有移动，使用所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值导致移动性值减少。
6.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备，其中计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值的方式为从所述第二回声的目前为止可应用的移动性值减去所述第一回声特性。
7.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备，其中处理器(220)被设计用于通过使用所述第二回声特性来计算所述回声曲线的所述第一回声的移动性值。
8.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备，其中处理器(220)被设计用于通过使用所述第一回声特性、所述第二回声特性以及所述回声曲线的第三回声的第三回声特性来计算所述回声曲线的第三回声的移动性值。
9.根据权利要求1或权利要求2的填充水平测量设备， 被设计为填充水平雷达。
10.一种用于确定回声的移动性的方法，所述方法包括以下步骤 确定回声曲线的第一回声的第一回声特性；确定所述回声曲线的第二回声的第二回声特性；通过使用所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
11.根据权利要求10的方法，其中计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值的方式为从所述第二回声的移动特性减去所述第一回声特性。
12.—种程序元件，当在填充水平测量设备的处理器上执行时，所述程序元件指示所述处理器执行以下步骤确定回声曲线的第一回声的第一回声特性； 确定所述回声曲线的第二回声的第二回声特性；通过使用所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
13.一种计算机可读介质，其上存储有程序元件，当在填充水平测量设备的处理器上执行时，所述程序元件指示所述处理器执行以下步骤确定回声曲线的第一回声的第一回声特性； 确定所述回声曲线的第二回声的第二回声特性；通过使用所述第一回声特性来计算所述回声曲线的所述第二回声的移动性值。
全文摘要
本申请提供了填充水平测量设备中的移动性检测。本发明涉及检测填充水平回声的移动性。确定回声曲线的第一回声的回声特性和回声曲线的第二回声的回声特性。在此之后是通过使用第一回声特性来计算第二回声的移动性值。以这种方式，可以实现如下情形，其中涉及填充水平的回声和由于容器内部而造成的回声的移动性值的差异变得更大。
文档编号G01F23/296GK102192772SQ201110070649
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月16日 优先权日2010年3月17日
发明者卡尔·格里斯鲍姆, 罗兰·韦勒 申请人:Vega格里沙贝两合公司