物位测量方法和物位测量设备与流程

本发明涉及物位测量方法以及物位测量设备。

背景技术：

在当今的工业生产中，对容器中的填料(例如流体或者颗粒填料)的物位的监控在经常高度自动化的工艺过程中以及较小的仓库存储中基本上有助于成本效率的提高，并在许多应用领域中成为标准措施。在此尤其是利用雷达传感器进行操作的物位测量方法和物位测量设备非常普及，这些物位测量方法和设备测量评估回波曲线并由此推导出物位。在此要注意的是，雷达传感器的定义如其在本公开中所使用的那样并不强制性地限定为纯探测器部件，其当然需要信号输出端或者通信接口。也就是说，本公开的范畴中的雷达传感器也可以包括用于发射雷达信号的主动组件和/或电子控制装置。

在此，在这类测量的基本原理中，信号被发射到容器中，并且例如记录反射的雷达回波的穿行时间分布，由此可以得到填料面至雷达传感器的间隔。这通常通过评估电子器件自动地实现，该评估电子器件根据定义的标准将填料面指定到回波曲线中的结构，并且根据该结构的位置计算出物位。评估电子器件不必强制性地被配置成单独的部件，且也可以被集成在雷达传感器中，尤其是雷达传感器的电子控制装置中。

然而，利用该措施在不能确保通过评估电子器件识别回波曲线中的正确结构时总是出现问题。例如特别在如下情况下明显地出现问题：因为容器的几何形状的原因，雷达传感器布置成使得在装填容器时不能避免填料流侵入到雷达传感器的发射雷达束的发射器的发射区域中或者横穿该区域。这必然导致在回波曲线中产生额外的结构，当该结构与通过真实的填料面引发的回波曲线的结构相比类似地较强或者甚至更强地形成时，该结构会被评估电子器件错误地识别为填料面，这当然会导致极端错误的物位输出。

为了避免这样的问题，由EP 1283412B1公开了一种用于检测填充过程的方法，在该方法中回波曲线通过评估电子器件检验其是否处于预期的范围内并且当不是这种情况时，推断出填充过程的存在。但是由此仅实现了没有填充过程的有意义的测量结果和填充过程中的无意义的测量结果之间的区分。

EP 2824431A1公开了通过多普勒方法来测定流动速度和至流动的介质的间距。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于提供改进的物位测量方法和物位测量设备，其中，回波曲线的评估能够匹配于当前引发的条件-例如正在进行的填充过程，但还包括排空或者搅动器的操作。

本发明的目的是通过具有权利要求1的特征的物位测量方法和具有权利要求10的特征的物位测量设备实现的。从属权利要求的目的在于提供本发明的优选实施例。

根据本发明的利用至少一个雷达传感器和至少一个评估电子器件来测量例如处于容器内部的填料的物位的方法包括如下步骤：接收回波曲线；接收多普勒频谱；通过所述评估电子器件评估所述多普勒频谱；以及在考虑到通过所述评估电子器件对所述多普勒频谱评估的结果的同时，通过所述评估电子器件评估所述回波曲线。本发明是以如下认识为基础的：通过多普勒频谱能够自动地提取关于当前存在的条件的详细信息，利用该信息能够显著地改善通过评估电子器件对回波曲线的评估。

需要注意的是，可以使用不同的雷达技术、雷达信号和调制形式，例如脉冲雷达、FMCW雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、FSK雷达和连续波雷达。

在该方法的一个优选实施例中，在通过评估电子器件评估多普勒频谱时确定填料面是否发生变化，例如，因为容器中的搅动设备正在操作。由于这样的变化随着填料颗粒或者流体组分的运动一同发生，因此包含速度信息的多普勒频谱适于识别出这样的运动。这尤其可以在评估电子器件也能够访问填料的有关信息时加以使用，从而在从回波曲线中确定物位时考虑在流体中操作的搅动器的影响，例如抛物线形表面的形成。

根据该方法的另一个优选实施例，使用包括速度信息的多普勒频谱，确定是否出现填料的流入或者流出。该信息不仅能用于对从可能由填充过程造成错误的回波曲线中获得的物位信息进行鉴定，而且也用于校正从回波曲线中获得的物位信息的可能影响或者通过以此为基础的流入率或者流出率的估测从最后未受影响的物位出发实现对真实的当前物位的估测。

特别地，这被证明是有利的：取决于对多普勒频谱评估的结果，在通过评估电子器件评估回波曲线时动态地调整被使用的平均因子。

特别地，在填充流在填充容器时侵入到雷达传感器的监控区域中(也就是雷达传感器的天线的发射区域中)从而在回波曲线出现了对应于填充流的结构的情况下，可以使用来自多普勒频谱的指示(即存在这样的填充流)来确定对回波曲线中的与填料的物位相对应的结构的识别。例如，当在雷达传感器的监控区域中存在强烈的填充流时，在许多情况下起作用的标准将具有最高振幅的回波曲线的结构与物位相关联，从而导致了错误的结果。通过替换或者利用额外条件来补充该标准，在回波曲线中跳跃性出现的结构被排除在用于物位的可能的候选资格之外。

特别优选地，回波曲线和多普勒频谱被同时接收，因为这两个测量在系统的相同状态下实现。在一些常见的雷达技术和调制形式中强制性地要求以不同的雷达传感器接收回波曲线和多普勒频谱。但是这也当在原则上可能使用唯一的雷达传感器时带来优点。

此外优选地，当流量计被布置在流入口或者流出口中时，流量计的测量值被提供至雷达传感器中的信号评估装置，以作为额外的输入参数。

根据本发明的物位测量设备具有至少一个雷达传感器和至少一个控制和评估电子器件，但是其也能够由多个组件组成。物位测量设备的特征在于，控制和评估电子器件用于执行根据权利要求1至9中任一项所述的方法。尤其由此可以确保控制和评估电子器件的处理器对存储器中存储的用于执行上述方法的程序进行处理，也就是通过相应地控制属于雷达传感器的雷达发射器来执行对回波曲线和多普勒频谱的测量并且将利用雷达传感器的雷达探测器测定的数据作为回波曲线或者多普勒频谱进行分析，其中通过多普勒频谱的分析获得参数，评估电子器件然后在评估回波曲线时使用该参数。

附图说明

接下来根据示例性的图示对本发明进一步说明。图中示出：

图1示出了具有一个雷达传感器的容器，其中填料流入到该容器中。

图2示出了如利用图1所示的布置测定的回波曲线的第一示例。

图3示出了如利用图1所示的布置测定的回波曲线的第二示例。

图4示出了具有两个雷达传感器的容器，其中填料流入到该容器中，

图5示出了具有一个雷达传感器的容器的替代方案，其中填料流入到该容器中，且流量测量设备被布置在供应管道上。

图6a示出了在未被干扰的填料表面的情况下的多普勒频谱。

图6b示出了在填充流处于雷达传感器的监控区域之外的情况下的多普勒频谱。

图6c示出了在填充流进入雷达传感器的监控区域中的情况下的多普勒频谱。

图6d示出了在容器处于排空状态的情况下的多普勒频谱。

具体实施方式

图1示出了雷达传感器1，该雷达传感器1包括未示出的雷达发射器、雷达接收器以及控制和评估电子元件。雷达传感器1被布置在具有供应管道5和排放管道6的容器2上并用于确定填料面4的位置，由此推导出物位。在图示的情况下，通过供应管道5，填料流3流入到容器2中，该填料流进入雷达传感器1的监控区域中。由于填料流3的存在而出现了干扰，该干扰视位置和振幅而不利地影响对填料面4的位置的确定。即使填料流3处于雷达传感器1的由雷达发射器的发射区域定义的监控区域之外的填充状态下，也会不利地影响对位置的确定，例如当填料是液体时，从而填料流3在填料面4上的出现会导致波浪的形成。

图2示出了填充过程中的典型回波曲线7。在测量距离时，曲线的前部区域中的分布回波8由填充流引起。在曲线的后部区域中能够明显识别的单个回波9表示正确的物位回波。在这种情况下，还能够分离回波曲线中的填充流回波和填料回波，这是因为两个回波彼此足够远并且填料回波具有足够大的振幅。然而，在具有例如在图3中看到的轮廓的回波曲线10中出现问题。在此，在振幅上与填料回波12相比，填充流的各种干扰回波11占优势。如果停止填充过程，那么信号评估不能够长时间地停留在正确的填料回波12上。评估电子器件更多地在一些时间之后确定较大的不期望的填充流回波11，并且因此输出错误的物位。

如果填充流的不期望的干扰回波和填料回波彼此足够近，则很小的干扰回波振幅也能改变曲线形状并进而改变填料回波的位置，并导致距离错误。

所描述的根据本发明的用于解决问题的方案的目的在于，通过多普勒测量来探测容器内部的任何动态变化，并进而用于评测对测定的距离测量的信号处理。多普勒测量或者对接收到的雷达信号中的多普勒偏移的评估给出了容器的容纳物的一部分的速度。尤其是，可以从接收到的雷达信号计算出多普勒频谱，该多普勒频谱表示在容器中测量的多普勒频率的分布并进而表示速度。在多普勒频率和速度之间存在有线性关系。

如例如图6a-6d所示，多普勒频谱可识别基本上彼此待区分的场景。

图6a示出了由未被干扰的填料表面4产生的多普勒频谱18。频谱是无结构的，并且仅表示相应的接收器的电子基础噪音；相应地，不需要改变这种情况下的对回波曲线的评估。

如看到的那样，图6b示出了在例如通过图1中的供应管道5在填料的物位线上方开始填充时的多普勒频谱19。然而，不同于图1所示的情形，在此所发射的雷达信号位于填充流之外。因而，不存在干扰回波。这尤其在具有较大的直径的容器的情况中实现。因而，通过在容器中形成波浪，并且在与之相关的不平静的填料表面上探测到与平静的填料表面相比发生变化的多普勒频谱。因此在这种情况下也探测到了填充过程，这作为额外信息以用于对距离测量的信号处理。当然，当干扰性地对平坦的填料面产生影响的搅动器或者容器中的另外设备工作时亦是如此。

图6c示出了如在图1示出的情况下获得的多普勒频谱20，其中图2中示出图1所示情形的相关回波曲线7。在回波曲线中实现了至填料面和填充流的同时距离测量，但通过多普勒评估安全地识别这种情况。快速下降的填料的频谱频率分布明显不同于物位线的相对慢速变化的物位的频率频谱。因此防止了如下情形：决定对如图3所示的回波曲线10中的可能产生的较大的干扰回波11进行回波评估，并因此提供了至填料面的错误距离值。

如所见的那样，图6d示出了在例如通过图1中的排放管道6在填料物位线下方进行填充或者排空使得所发射的用于距离测量的雷达信号没有受到填充流干扰时的多普勒频谱21。在该场景中，认定填料表面在通过管6填充和排空容器时保持平静，即在填料表面上没有产生显著的波浪。因此没有额外的不期望的干扰回波被输出到回波曲线上。多普勒测量在此提供了填料的物位线移动的速度，以作额外信息。由此，例如可以在物位线快速地变化时动态地调节距离测量的平均因子。此外，视物位变化的速度而定，可以在时间上预报容器何时被完全地排空或者填充或达到预定的水平。

对于待测量的场景的物位测量和多普勒评估来说，可以使用不同的雷达技术、雷达信号和调制方式。用于物位测量和/或多普勒评估的一些常规方法例如为脉冲雷达、FMCW雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达、频移键控(FSK：Frequency Shift Keying)雷达和连续波(CW：continous wave)雷达。该列举不应被视为排他性的。许多另外的雷达技术，尤其是混合形式的雷达技术也能够应用到上下文中。

列举的雷达技术和调制形式允许以不同的类型进行物位测量和多普勒评估。例如在一些调制形式和雷达技术的情况下可以执行距离和速度的同时测量或者接收信号的多普勒偏移。另外的调制形式仅允许连续顺序的距离测量和多普勒评估。利用纯连续波雷达例如仅可以执行多普勒评估但是不能进行距离测量。

图4展示了如下场景：雷达传感器13例如仅用于物位测量并且雷达传感器14仅用于速度测量。这些测量在此优选同时地执行。

如在图5中所示，如果物位回波因为靠近填充流的不期望的干扰回波的原因而受到不利影响，也能够通过对例如流量的额外测量来确定至填料面的预期距离。在此，流量计16处于容器的入口17中，并将测定的流量值提供到信号处理装置以作为输入参数。即使在填充期间不能通过雷达传感器15测量出可靠的物位值，但可以通过容器几何形状和已知的入口并利用合适的算法估测出实际的填料高度。

参考标号列表

1 雷达传感器 2 容器 3 填料流

4 填料面 5 供应管道 6 排放管道

7 回波曲线 8 干扰回波 9 填料回波

10 回波曲线 11 干扰回波 12 填料回波

13 雷达传感器 14 雷达传感器 15 雷达传感器

16 流量计 17 入口 18 多普勒频谱

19 多普勒频谱 20 多普勒频谱 21 多普勒频谱