料位和拓扑的确定的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于料位测量装置的天线设备，所述天线设备包括天线单元，所述天线单元是以可旋转的方式安装的且包括由多个辐射器元件构成的阵列。所述多个辐射器元件布置在与所述天线单元的旋转轴构成不等于90度的角度α的平面中。由此，能够增加测量范围。
【专利说明】
料位和拓扑的确定
技术领域
[0001]本发明涉及料位(fill level)和填充材料(filling material)表面的拓扑 (topology)的确定。特别地，本发明涉及用于料位测量装置的天线设备、包括该类型的天线设备的料位测量装置、该类型的天线设备的用于确定移动液体的黏性的用途、该类型的天线设备的用于确定传送带上的散装材料的质量流速(mass flow rate)的用途以及用于确定填充材料表面的拓扑的方法。【背景技术】
[0002]在对象监测领域中使用的料位测量装置或其它测量装置发射至少部分地被填充材料表面或相应的对象反射的电磁波或声波。接着，测量装置的天线单元可以获得被至少部分地反射的传输信号，并且通过与所述天线单元连接的电子系统来评估传输信号。
[0003]通过扫描表面，能够分别确定填充材料表面或(多个)对象的拓扑。在料位测量领域中，“拓扑”应被理解为填充材料的表面的形状。在上下文中，也可以使用术语“构形 (topography)’’。
[0004]通常，这种用于确定拓扑的测量装置在生产和操作的方面是复杂的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种能够减少技术性努力的用于确定填充材料表面的拓扑的装置和方法。
[0006]上述目的通过独立权利要求的特征来实现。从属权利要求以及以下说明提供本发明的延伸实施。
[0007]本发明的第一方面涉及一种用于料位测量装置的天线设备。天线设备包括天线单元和驱动单元。天线单元用于朝向填充材料表面或填充材料发射测量信号并接收被填充材料表面反射的测量信号。驱动单元用于使天线单元围绕旋转轴旋转。天线单元包括用于发射或接收测量信号的阵列，该阵列包括多个辐射器元件，所述多个辐射器元件布置在与驱动单元的旋转轴构成不等于90度的角度a的平面中。
[0008] 例如，所述角度a处于30度和60度之间，且例如为45度。
[0009]由此，能够增加天线的测量范围。如果天线设备安装在包含填充材料的容器中或容器上，则旋转轴可以例如是垂直旋转轴。
[0010]例如，辐射器元件是基本上二维的平面贴片。[〇〇11]然而，所有的元件也可以设置成具有不同配置的辐射器形式。
[0012]根据本发明的实施例，阵列是具有单独一个行的辐射器元件的一维阵列。该行在天线单元的纵向方向上延伸。天线单元在其纵向方向上是细长形的，因而其纵向延伸大于横向延伸。
[0013]根据本发明的另一实施例，阵列是具有彼此平行布置的多个行和以垂直于行的方式布置的多个列的二维阵列，每个列由多个单独的辐射器元件构成。阵列的多个行在天线单元的纵向方向上延伸，且阵列的多个列在天线单元的横向方向上延伸。阵列的每个列的辐射器元件能够导通地互连。
[0014]于是，以类似于在使用电介质透镜或抛物面形槽时的方式，部分地使测量信号在一个维度上聚焦。因而，在横向方向上硬接线的二维阵列使测量信号在横向方向上聚焦。
[0015]当然，可以使用用于使测量信号部分地聚焦的额外装置。此外，可以组合多个这种类型的用于横向方向上的部分聚焦的结构。
[0016]根据本发明的另一实施例，天线设备包括细长形聚焦结构，所述聚焦结构用于使由天线单元发射的测量信号聚焦。
[0017]细长形聚焦结构具有在阵列的纵向方向(以下将其称为Ya方向)上延伸的纵向方向。聚焦结构同样具有在阵列的横向方向(以下将其称为Xa方向)上延伸的横向方向。细长形聚焦结构的纵向延伸可大于其横向延伸。
[0018]根据本发明的实施例，聚焦结构包括电介质圆柱形透镜，所述电介质圆柱形透镜的纵轴平行于天线单元的纵向方向。根据本发明的另一个实施例，聚焦结构包括作为主反射器的抛物面形槽及以与抛物面形槽间隔开的方式布置的逆向反射器(例如，双曲面形槽)，用于朝向逆向反射器发射测量信号的阵列布置在抛物面形槽的表面上或者布置成接近抛物面形槽的表面。
[0019]通过使用细长形聚焦结构，能够使由阵列发射的测量信号在一个维度(具体为天线结构的横向方向)上聚焦。因此，聚焦结构有助于使测量信号在横向方向上聚焦。可以提供如下方案:聚焦结构并不辅助测量信号在阵列的纵向方向上的聚焦。为此，设置有数字波束成形。
[0020]特别是在阵列被配置成一维阵列时，一维阵列的一个行在天线单元的纵向方向上延伸，且因此在聚焦结构的纵向方向上延伸。
[0021]聚焦结构的聚焦性能非常有利地用于改进测量信号在横向方向上的聚焦。
[0022]根据本发明的另一个实施例，天线设备包括用于生成测量信号的高频单元，所述高频单元被集成在天线单元中。高频单元可用于在约75至85GHz的频率范围中产生并处理高频信号。高频单元也可被集成在驱动单元中。
[0023]根据本发明的另一个实施例，天线设备包括电子评估系统，电子评估系统在天线单元通过驱动单元进行旋转时与天线单元一起旋转。
[0024]例如，电子评估系统位于天线单元的背面，即位于背对填充材料的侧上。
[0025]根据本发明的另一个实施例，电子评估系统被集成在天线单元中，或者被集成在驱动单元中。
[0026]本发明的另一个方面提供了一种包括如上和如下所述的天线设备的料位测量装置。其例如是料位雷达。
[0027]本发明的另一个方面提供了一种用于记录拓扑的料位测量装置，所述料位测量装置专有地经由双导体连接来获取其所需的能量，且所述双导体连接被配置成用于通信，特别地用于发射拓扑测量值或根据拓扑测量值获得的测量值(例如，容器中的质量)。料位测量装置例如包括能量供应接口以及用于将料位测量装置连接到双线线路的通信接口，由此能够向料位测量装置供应测量操作所需的能量以及将测量信号传送到远程控制单元。
[0028]本发明的另一个方面提供了一种如上和如下所述的天线设备的用于确定移动液体的黏性的用途。
[0029]本发明的另一个方面提供了一种如上和如下所述的天线设备的用于确定传送带上的散装材料的质量流速的用途。
[0030]本发明的另一个方面提供了一种用于确定填充材料或散装材料的表面的拓扑的方法。例如，首先使天线单元围绕指向填充材料方向的旋转轴旋转。同时，通过天线单元朝向填充材料或散装材料的表面发射测量信号。接着，通过天线单元接收被填充材料或散装材料的表面反射的测量信号，并且根据所接收的测量信号来计算填充材料或散装材料的表面的拓扑。天线单元包括由多个辐射器元件组成的阵列，所述多个辐射器元件布置在与天线单元的旋转轴构成不等于90度的角度a的平面中。
[0031]例如，阵列是一维阵列，即多个辐射器元件的线性的串联结构。也可以提供二维阵列，所述二维阵列的每个列中的辐射器元件导通地互连。
[0032]下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。【附图说明】
[0033]图1示出用于记录填充材料表面的拓扑的测量装置。
[0034]图2示出用于记录填充材料表面的拓扑的另一测量装置。
[0035]图3示出根据本发明的实施例的包括天线设备的测量装置。[〇〇36]图4示出根据本发明的实施例的天线单元。
[0037]图5示出根据本发明的另一实施例的天线单元。[〇〇38]图6示出根据本发明的另一实施例的天线单元。[〇〇39]图7示出根据本发明的另一实施例的天线单元。
[0040]图8示出根据本发明的实施例的用于确定传送带上的散装材料的质量流速的测量装置。[0041 ]图9示出根据本发明的实施例的方法的流程图。【具体实施方式】
[0042]附图中的图示是示意性的且不是等比例的。
[0043]在附图的以下说明中，当在不同附图中使用相同参考标记时，这些参考标记表示相同或相似元件。然而，也可以使用不同参考标记来表示相同或类似元件。
[0044]本发明适用于料位测量装置领域，但也能够适用于且期望用于对象监测或质量流速记录领域。对填充材料表面的拓扑的记录可以特别有利地适于测量散装材料以及测量封闭容器内部或外部的最终的静止角和/或移除料斗。然而，其也能够记录移动液体的拓扑。 拓扑例如在使用搅拌器并由此在液体表面上产生流动图案(漩涡(tornado))时以值得关注的方式出现，且还可以通过该拓扑(必要时考虑搅拌器的速度)推导出其它的感兴趣变量， 例如，填充材料的粘度或混合度。
[0045]图1示出料位测量装置101，该料位测量装置通过向填充材料表面103发射信号102 来记录容器104中的反射特性的图像。料位测量装置或该装置的至少发送和/或接收单元 105能够通过具有相应配置的机械调节装置106来改变发送和/或接收单元105的主辐射方向107,从而可以测量容器中的介质的整个表面103,以作为测量周期的一部分。为此，例如，可以使该装置在X方向108和Y方向109这两个方向上枢转。
[0046]料位测量装置根据在X方向和Y方向上记录的多个回波曲线来确定拓扑，即确定填充材料表面103的高度轮廓曲线，以作为特定位置的函数，例如，该特定位置可以由笛卡尔坐标X和Y明确地定义。
[0047]图2示出可以改变测量装置的主辐射方向的另一方案。与图1的结构相反，测量装置201包括多个发送和/或接收元件202,这些发送和/或接收元件可以实施在单个天线203 内，或可以分布在多个不同天线上。这种类型的天线设备可以被称为天线阵列，并且可以用于数字波束成形(digital beam shaping)。[〇〇48]通过有针对性地改变多个独立元件202的驱动信号，并且/或者通过数字地计算由这些独立元件记录的回波曲线，料位测量装置201改变主辐射方向205，206，207，以确定填充材料表面204的拓扑。
[0049]在根据图1的纯机械解决方案中，需要非常复杂的机械结构106来执行X和Y方向上的机械偏转。这种类型的系统对许多测量点(例如，90 X 360测量点，各点具有lms的测量时间，即，每个测量周期超过30秒)进行记录，以在X和Y方向上实现高的横向分辨率。
[0050]而且，这种类型的系统具有由于为实现低的测量周期次数而需要的高的旋转速度，并因而具有高的机械磨损。
[0051]在根据图2的用于改变主辐射方向的纯电子解决方案中，需要分别实施nXm个独立发送和/或接收信道。参数n和m是指在特定维度上的独立发射元件202的数量。电子组件的最终复杂性导致这类装置的高生产成本，从而使它们在多种应用中的使用在经济方面变得不可行。
[0052]另外，当以电子方式改变主辐射方向时，在非常大的偏转角度(例如，相对于垂线大于45°)的情况下，存在的问题在于最终的天线波瓣的宽度显著地增加。在原理上，使用这种类型的系统无法实现在相对于垂线的高达90°的范围内的偏转。
[0053]本发明的基本概念包括将上述方法和装置的特定有利的构成要素进行组合。图3 示出本发明的第一实施例。测量装置301包括驱动单元302、处理连接部(process coupling) 303、驱动轴304和至少一个天线单元305。[〇〇54]在图3的实施例中，料位测量装置的整个上部区域302被表示为驱动单元302。电子评估系统313集成在驱动单元中，并连接至天线阵列，使得可以将由天线阵列接收的测量信号传输至电子评估系统313。参考标记312表示可用于供应能量和交换数据的连接线缆。
[0055]除电子评估系统之外，料位测量装置的其它电子系统也可以集成在驱动单元302 中。[〇〇56] 替代地，驱动单元302、驱动轴304和天线单元305可形成与料位测量装置的实际主体连接的模块化单元。[〇〇57]天线单元305朝向待测量的填充材料表面307发射由高频单元314产生的信号306。 在这种情况下，高频单元314可集成在天线305的壳体内部。替代地，高频单元也可设置在驱动单元302的区域中。在图3的实施例中，高频单元布置在天线单元305的后部。[〇〇58]天线单元305通过驱动轴304以可旋转的方式安装，并与驱动轴构成不等于90°的角度a。已经证明了允许对来自容器308的大部分的信号进行记录的45°角度是特别有利的。 [〇〇59]如果通过数字波束成形来记录±45°的角度范围，则因此能够结合天线的旋转来测量包含散装材料的整个半空间。然而，也能够采用〈45°角度，以避免例如数字波束成形中的含混性，或者提尚分辨率。
[0060]沿着天线305(Ya方向)设置有多个发送和/或接收元件。这些元件中的每者能够处理来自沿延伸Ya的大角度范围(例如，天线的主方向周围的±45°的范围)的信号，而沿延伸 Xa的多个独立元件也可具有清晰的发送/接收特性。可以将由这些元件独立地接收的信号与已知的数字波束成形算法一起使用，以在预定角度范围内改变天线单元305的主辐射/接收方向309。如果在这种情况下选择相对于垂直主辐射方向309的± 45°的角度范围，则在考虑到同时发生的旋转310时，可通过测量来记录容器308中的填充介质311的表面307的每个点。
[0061]该结构有利地组合了机械地(在这种情况下为旋转)改变主辐射方向的优点与电子扫描的优点。这样，可以实现非常快速的测量速率(例如小于10秒)，同时可以实现简单的机械结构(低转速，通常为约eOmirT1)和(例如由于天线阵列的一维结构)极大地简化的电子系统复杂性。数量为m〈 = 20的元件通常足以实现一维阵列行。[〇〇62]图4-7示出天线单元的可能实施例。[〇〇63]图4示出天线单元305的可能实施例的细节。例如，天线可包括具有m个独立元件的一维天线阵列401。这些独立元件可由具有相应配置的印刷电路板贴片来实施，或者由合适的波导端(waveguide end)或任何其它已知的发射装置来实施。
[0064]在第一实施例中，中心独立元件402可用于在尽可能大的角度范围内朝向填充材料表面307均匀地发射高频能量。由填充材料表面反射的信号被天线阵列401的每个元件接收，并分别地被馈送到例如被容纳在驱动单元中的数字评估单元。使用数字波束成形算法， 评估单元能够通过组合这些信号(特别地，相对于天线单元的垂直方向309成±45°的角度内的信号)来改变天线的主辐射方向和/或主接收方向。
[0065]同时，在此方面变得明显的是，通过将传统的二维阵列结构203降低成单个维度 401，能够显著地减小用于实施不同的发送和/或接收信道所需的努力。[〇〇66]传统的阵列结构203包括用于每个独立阵列元件的通常复杂的电子评估系统电路。因此，上述实施所需的努力从nXm个这种类型的并联电路降低为仅与m个接收元件对应的m个独立电路。[〇〇67] 一维阵列天线402可通过使用用于数字波束成形的后续信号处理步骤来实现所得天线特性在Ya延伸403的方向上的非常有效的聚焦。该方向是与天线阵列的主轴/纵轴平行的方向。在Xa延伸404的方向上(在这种情况下，在天线阵列的平面中，该方向与天线阵列的主轴/纵轴垂直)的聚焦(其以与旋转310相结合的方式在径向上精确地发挥作用)对于某些用途来说可能是不充分的。
[0068]对于这种性能的进一步改进，存在几种有利的方法。在一方面，能够保留根据图4 的使用天线的实施例。如果在后续信号处理期间在由特定阵列元件记录的测量信号中评估由天线的旋转引起的多普勒频移，则可以显著地改善横向方向(径向方向(Xa延伸))上的聚焦。在这种情况下使用的算法可以使用SAR(合成孔径雷达)原理和R0SAR(基于旋转天线的旋转式合成孔径雷达)原理。
[0069]另一个可能方案包括在天线结构在Xa轴的方向上的机械延伸的扩展中使用贴片天线。图5示出相应的示例。通过额外贴片501在Xa轴404的方向上加宽原始一维天线阵列401。为了使相关的电子驱动系统的复杂性保持不变，将额外贴片以与目前使用的贴片402 间隔有定义间隔的方式进行安装，并且通过金属连接条502将它们刚性地连接至贴片。
[0070]与已知的二维天线阵列203相反，原始一维阵列的延伸通过刚性金属连接条502而加宽，而不需要用于额外高频评估电路的额外部件。
[0071]另外，还能够通过使用电介质圆柱形透镜沿XA方向进行聚焦。图6示出至此说明的一维天线阵列401，该一维天线阵列包括安装至其上方的圆柱形透镜601。[〇〇72]图6示出的圆柱形透镜包括基底603,辐射器元件401安装至该基底。圆柱形外壳的弯曲表面602跨越在基底上方。例如，一维阵列401布置在圆柱形透镜的焦点处。
[0073]特别有利的另一个实施例将抛物面形槽作为主反射器与一维卡塞格伦 (Cassegrain)天线结构结合地使用。图7示出了对应的示例。通过结合具有相应设计的逆向反射器701(例如双曲面形槽)和抛物面形槽702, 一维天线阵列401沿Xa轴404的方向高度地聚焦，从而使所示的结构与根据本发明的测量装置301的结合使用是特别有利的。[〇〇74]在图7的实施例中，一维天线阵列401位于抛物面形槽702的弯曲反射表面上，并朝向逆向反射器701 (例如，双曲面形槽)辐射。所发射的测量信号703首先被逆向反射器朝向抛物面形槽702的弯曲表面反射，并然后被抛物面形槽702的弯曲表面朝向填充材料表面聚焦。[〇〇75]另外，也能够使用未在此说明的聚焦装置来在Xa方向上进行聚焦，并将这些聚焦装置与机械旋转组合。[〇〇76]图8示出在其上运输散装材料802的传送带801。散装材料形成不均匀表面803,可以使用测量装置301来测量该不均匀表面。例如，测量装置301可以是料位测量装置(例如， 料位雷达装置)，除计算散装材料表面的构形之外，测量装置还可计算并输出填充材料的料位。
[0077]图9示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。在步骤901中，使天线单元连续地或分阶段地围绕旋转轴(例如垂直旋转轴)旋转。在步骤902中，天线单元朝向填充材料表面发射测量信号，所述测量信号在Ya方向上是宽的。在步骤903中，通过天线单元的多个独立元件接收被填充材料表面反射的测量信号。在步骤904中，通过使用已知的数字波束成形算法的数字波束成形根据天线单元在待测量的角度范围内的各种主接收方向来计算回波曲线。
[0078]然后，方法返回步骤902以及其后的步骤903,且随后通过电子波束操控在Ya方向上的待测量的角度范围上反复地进行数字扫描(步骤904)。现在，可以根据需要的次数执行步骤902-904,直至记录了完整的数据集合(每转多个测量点)。[〇〇79]最后，在步骤905中，通过在步骤901中扫描的角度范围内的数字波束成形，根据由天线单元获得的测量信号来计算填充材料表面的拓扑和/或料位。
[0080]因此，本发明提供了一种线性地聚集通过旋转而在填充介质整个表面被引导的雷达信号的装置和方法。可以根据由所述聚焦处理记录的回波曲线来确定容器内的介质的拓扑。特别地，可以提供如下方案:大体上一维地发射的一维阵列(其允许通过数字波束成形沿第一轴记录回波曲线)与围绕第二轴的旋转进行组合，从而能够根据二维场记录或计算回波曲线。这两个轴通常彼此垂直。
[0081]因此，通过组合所述结构和一维天线阵列，本发明降低了机械工作量和旋转天线结构上的机械应力，且除了该解决方案的成本效益外，这还可以优化用于记录回波曲线的时间的长度。
[0082]应该指出的是，“包括”和“具有”不排除其它元件或步骤的可能性，而“一”和“一个”并不排除多个的可能性。还应当指出的是，参照上述实施例之一说明的特征或步骤也能够与其它上述实施例的其它特征或步骤组合地使用。权利要求中的参考标记不应被解释为具有限制性。
【主权项】
1.一种用于料位测量装置(301)的天线设备，所述天线设备包括:天线单元(305)，其用于朝向填充材料表面发射测量信号，并用于接收被所述填充材料 表面反射的所述测量信号；驱动单元(302)，其用于使所述天线单元围绕旋转轴(311)旋转，其中，所述天线单元包括阵列，所述阵列用于发射并接收所述测量信号，其中，所述阵列包括多个辐射器元件(401)，所述多个辐射器元件布置在与所述旋转轴 构成不等于90度的角度a的平面中。2.根据权利要求1所述的天线设备，其中，所述角度a为45度。3.根据前述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述阵列是具有单独一行的所述辐射器元件(401)的一维阵列，所述一行在所述 天线单元(305)的纵向方向上延伸。4.如前述权利要求中任一项所述的天线设备，其中，所述阵列是具有彼此平行布置的多行和以垂直于所述行的方式布置的多列的所 述辐射元件(401)的二维阵列，其中，所述行在所述天线单元(305)的纵向方向上延伸，且所述列在所述天线单元 (305)的横向方向上延伸，其中，所述阵列的每列的所述辐射器元件导通地互连。5.如前述权利要求中任一项所述的天线设备，其还包括:细长形聚焦结构(601，701，702)，其用于使由所述天线单元(305)发射和/或接收的所 述测量信号聚焦。6.如权利要求5所述的天线设备，其中，所述聚焦结构(601，701，702)包括电介质圆柱形透镜(601)，所述电介质圆柱形 透镜的纵轴平行于所述天线单元(305)的纵向方向。7.根据权利要求5所述的天线设备，其中，所述聚焦结构(601，701，702)包括作为主反射器的抛物面形槽(702)以及以与所 述抛物面形槽间隔开的方式布置的逆向反射器(701)，其中，用于朝向所述逆向反射器发射所述测量信号的所述阵列布置在所述抛物面形槽 的表面上或者布置成接近所述抛物面形槽的表面。8.根据前述权利要求中任一项所述的天线设备，其还包括:高频单元，其用于生成所述测量信号，其中，所述高频单元被集成在所述天线单元 (3〇5)中。9.根据前述权利要求中任一项所述的天线设备，其还包括:电子评估系统，其在所述天线单元(305)通过所述驱动单元(302)进行旋转时与所述天线单元一起旋转。10.根据权利要求9所述的天线设备，其中，所述电子评估系统被集成在所述天线单元(305)中或所述驱动单元(302)中。11.一种料位测量装置(301)，其包括根据权利要求1-10中任一项所述的天线设备。12.—种根据权利要求1-10中任一项所述的天线设备的用于确定移动液体的黏性的用途。13.—种根据权利要求1-10中任一项所述的天线设备的用于确定传送带上的散装材料 的质量流速的用途。14.一种用于确定填充材料或散装材料的表面(103)的拓扑的方法，所述方法包括以下步骤:使天线单元(305)围绕旋转轴(311)旋转；通过所述天线单元朝向所述填充材料或散装材料的所述表面发射测量信号和/或从所 述填充材料或散装材料的所述表面接收所述测量信号；接收由所述填充材料或散装材料的所述表面反射的测量信号；根据所接收的所述测量信号来计算所述表面的拓扑，其中，所述天线单元包括由多个辐射器元件(401)组成的阵列，所述多个辐射器元件布 置在与所述旋转轴构成不等于90度的角度a的平面中。15.根据权利要求14所述的方法，其还包括以下步骤:通过细长形聚焦结构(601，701，702)使由所述天线单元(305)发射和/或接收的所述测量信号聚焦。
【文档编号】H01Q1/22GK105980818SQ201480074907
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年2月11日
【发明人】罗兰·韦勒, 莱温·迪特尔勒
【申请人】Vega格里沙贝两合公司