间歇表面测量的制作方法

专利名称：间歇表面测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种料位计系统，该料位计系统使用电磁波以确定到装在罐中的产品 的表面的距离。
背景技术：
诸如雷达料位计的现场装置适合用于测量诸如工艺流体、粒子料以及其它材料的 产品的高度(level)。这样的雷达料位计的示例可以包括微波单元，用于向表面发射微波 以及接收表面反射的微波；处理电路，被布置成与微波单元通信，以及基于发射的微波和接 收的微波之间的关系而确定高度。
近年来，对于对功耗具有其它限制的无线测量装置或系统(诸如，例如，通过 4-20mA的电流回路连接的、所谓的回路供电系统)的需求不断增加。无线测量装置可以例 如由电池或太阳能来供电。对于这样的装置，有利的是提高能效，例如以便增加电池的寿 命。因此，需要具有提高的功率效率的新型测量装置，以便对传统雷达料位计进行改进。
带来功耗减小的一种途径是减少测量时间，即使得测量更快速。然而，与通常用于 雷达料位计的连续测量方案相结合的较短测量时间将提供大量的测量结果。大量的结果不 一定会带来测量精度或可靠性的提高。此外，处理和存储所生成的增加的数据量更加困难， 特别是在给定对能耗的限制的情况下。因此，雷达料位计系统的间歇运行是对于提高能效 的有吸引力的替选，其中在该间歇运行中，系统仅以给定的时间间隔执行测量。
然而，也存在与间歇测量相关联的问题。例如，系统可以被配置为以规则的间隔唤 醒并且执行测量，并且如果要测量的产品的表面特性随时间变化，则测量可能会提供不可 靠的结果。此外，下一次测量可能也是不可靠的，等等，这会导致可靠测量与不稳定高度读 数之间的较长时段。
因此，需要一种用于间歇地测量罐中的产品的料位的改进料位计系统和方法。发明内容
鉴于上述内容，本发明的总体目的是提供一种改进的方法和装置，其用于可靠地 确定装在罐中的产品的料位，从而提供提高的可靠性和能效。特别地，本发明的一个目的是 至少针对一些测量条件为间歇料位计系统提供减少的活动时间。
根据本发明的第一方面，该目的和其它目的通过确定装在罐中的产品的料位的方 法来实现，该方法包括如下步骤a)向产品的表面的目标区域发射电磁探测信号；b)接收 作为电磁探测信号在表面处的反射的反射探测信号；c)确定表示反射探测信号的幅度的 参数值；如果参数值表示大于预定阈值的幅度，则d)向表面的目标区域发射电磁测量信 号；e)接收作为电磁测量信号在表面处的反射的返回信号；以及f)基于电磁测量信号与返 回信号之间的时间关系，确定料位。
本发明基于如下实现有利的是在执行测量循环之前，确立使得测量很可能会成 功的测量条件。在使用向表面发射电磁信号以及由在产品表面处的反射得到的反射信号的测量系统中，发射信号的充足部分应该被反射并且由接收器接收，以实现反射信号的分析， 从而确立到表面的距离。
在产品表面具有时变散射体的性质的测量条件下，诸如对于湍动表面，反射信号 的信号强度会与表面的时间变化相对应地随时间而变化。在相对慢的测量中，其中，测量时 间显著长于时变表面的周期，反射信号将是表示表面的时间平均值的时间平均信号。在该 上下文中，表面的周期与表面的特定点处的表面高度随时间的变化有关。因此，在测量显著 慢于表面的周期性时间变化的情况下，与表面的周期相关地执行测量的实际时间不会影响 测量结果。
在测量时间可以等于或小于时变表面的周期的快速测量系统中，相反成立。如果 在反射信号具有相对低的幅度时开始测量循环，则测量可能会失败或者测量结果会不可 靠，从而由于可能需要重复测量直至成功地执行测量为止而导致不必要的能耗。然而，通过 发射可以显著短于测量信号的初始信号、探测信号以确立是否反射了信号的充足部分，可 以确定测量条件是否是有利的。从而，更可能的是，仅在很可能导致成功测量的条件下开始 和执行测量，从而由于减少了失败测量的数量而导致能效提高。
另外，在测量时间显著短于表面周期的料位计系统中，从确定反射探测信号的幅 度大于预定阈值到测量完成的时间足以使表面被认为在测量持续时间期间是准静态的。
因此，当在周期性时变表面上进行测量时，根据本发明的实施例的料位计系统尤 其有用，其中，在该周期性时变表面中，时变表面的周期至少等于或长于测量持续时间。因 而，系统的活动时间与表面的时间变化的周期有关，其中系统的活动时间被定义为从发射 第一探测脉冲到测量完成的时间。特别地，假设表面条件为使得可能在时变表面的周期期 间的某点进行测量，活动时间短于或等于时变表面的周期。湍动表面的典型周期可以为大 约 IOms0
因此，有利的是，在用于间歇测量的系统中特别是在测量时变表面时，使用根据本 发明的方法，以便降低能耗。
在该上下文中，时变表面可以例如是如下湍动表面其中湍动源可以是导致罐中 的产品运动的沸腾、搅拌或其它效果。
在一些情形下，产品的表面会随机变化。然而，在随机变化的表面的情况下，同样 有利的是使用根据本发明的实施例的方法来确定料位，这是因为如果确定测量开始时的条 件为使得发射信号的充足部分被反射，则更可能可以执行成功的测量。
在该上下文中，术语“探测信号”应该被理解为用于确定测量条件是否有利的任意 信号。探测信号例如可以是具有预定形状和幅度的单个脉冲。
测量信号可以是任意类型的电磁信号，诸如连续周期信号、脉冲列、离散脉冲或本 领域技术人员已知的任意其它信号形式。此外，测量可以有利地基于渡越时间原理，其中， 可以根据例如反射信号的幅度、相位、相移或频率内容而直接地或间接地获得时间。
表示反射探测信号的幅度的参数值可以是反射探测信号的实际幅度。通过将反射 探测信号的幅度与预定阈值进行比较，可以确定反射信号的幅度是否为使得可以成功执行 测量。然而，表示探测信号的幅度的参数值可以是与信号的幅度有关的任意特征，诸如绝对 幅度或相对幅度、能含量、相位、形状或者可以直接或间接地与信号的幅度相关的任意其它 参数。
根据本发明的一个实施例，如果在步骤c)中确定的所述参数值表示小于或等于预定阈值的幅度，则方法返回到步骤a)。由此，可以重复地发射探测信号，直至接收到表示测量条件有利的反射探测信号为止。或者，为了避免探测信号的无限发射，这可能是在表面特性为使得信号的充足部分未被反射的条件下的情况，可以对要发送的探测信号的数量存在限制或者存在预设超时限制，在该预设超时限制之后，中断深测信号的发射，并且系统返回到被动模式。
在一个实施例中，用于执行步骤d)至f)所需的时间不会超过100 μ S。在许多情形下，有利的是测量花费尽可能少的时间。从能效的角度来看，期望减少测量时间，从而减少系统的活动时间。此外，快速测量增大了如下概率在与探测信号被反射时相同的表面条件下执行整个测量。
根据本发明的一个实施例，测量信号被形成为不同载波脉冲的脉冲列，其中每个载波脉冲具有大于I微秒的持续时间。
在本发明的该实施例中，步骤f)可以包括如下步骤fl)确定与所发射的每个相应不同脉冲相关地接收的每个不同脉冲的实际相位特性；f2)基于初始估计的距离，确定与所发射的每个相应不同脉冲相关地接收的每个不同脉冲的预期相位特性；以及f3)将实际相位特性与预期相位特性进行关联，以提供距离的更新估计。
此外，初始估计的距离可以通过初始距离测量来获得。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定装在罐中的产品的料位的料位计系统，该料位计系统可工作在探测状态和测量状态，并且包括雷达模块，用于生成、发射和接收电磁信号；传播装置，连接到雷达模块并且被布置成向罐内的产品传播发射电磁信号，以及接收由于发射电磁信号在装在罐中的产品的表面处的反射而得到的反射电磁信号；以及处理电路，连接到雷达模块，该处理电路包括操作控制电路；比较电路；以及料位确定电路，其中当料位计系统工作在探测状态时操作控制电路控制雷达模块发射探测信号；比较电路将表示接收反射探测信号的幅度的参数值与表示幅度阈值的预定参数值进行比较; 并且如果所述幅度大于所述幅度阈值，则操作控制电路控制料位计系统转换到所述测量状态，以及当雷达料位计系统工作在 测量状态时操作控制电路控制雷达模块发射电磁测量信号；并且料位确定电路基于发射电磁测量信号与所接收的发射电磁测量信号的反射之间的时间关系，确定料位。
传播装置可以是能够传播电磁信号的任意装置，包括传输线探针、波导以及各种类型的辐射天线，诸如喇叭天线、阵列天线等。
应注意，处理电路可以被实现为一个或若干个包括在料位计系统中的微处理器。 此外，操作控制电路、比较电路以及料位确定电路可以被实现为单独的微处理器或者实现为单个微处理器或电路板中的集成功能。
根据本发明的一个实施例，当料位计系统工作在探测状态时如果幅度小于或等于预定值，则操作控制电路可以控制料位计系统保持在探测状态。
在本发明的一个实施例中，料位计系统还可以包括实时采样器，其中，当雷达料位计系统工作在测量状态时实时采样器实时地对所接收的发射电磁测量信号的反射进行采样，并且将采样反射信号提供给料位确定电路；并且料位确定电路基于发射电磁测量信号与采样反射信号之间的时间关系，确定料位。
本发明的该第二方面的另外的效果和特征与以上结合本发明的第一方面描述的 那些效果和特征非常类似。


现在将参照示出本发明的示例性实施例的附图更详细地描述本发明的这些和其 它方面，其中
图1示意性地示出了在时变表面处反射的发射电磁信号；
图2是根据本发明的实施例的雷达料位计系统的示意图示；
图3是图2所示的雷达模块的框图4示出了图3所示的雷达模块的发射器部和接收器部的示例性实施例；以及
图5是概述根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
在该详细描述中，主要参考具有诸如喇叭天线的自由传播天线的雷达料位计系统 来讨论根据本发明的方法和系统的各个实施例，该雷达料位计系统用于确定装在罐中的产 品的料位。应注意，这决不是限制本发明的范围，本发明同样适用于其它信号传播装置，其 它信号传播装置包括其它自由传播天线(诸如棒状天线、平板天线、固定或可移动抛物面 天线或锥形天线)和波导，诸如蒸馏管(still pipe)、传输线或探针，诸如单线探针(包括 所谓的古博(Goubau)探针)、双线探针或同轴探针。
图1a示意性地示出了料位计系统中的发射和接收天线1，用于向产品的表面3发 射电磁信号2。当信号2到达表面3时，信号的至少一部分被反射4。图1a所示的是如下情 况其中，表面具有使得反射信号在不直接朝向接收天线I的方向上被反射的特性。因而， 与发射信号相比，到达天线的反射信号的幅度减小。这也在图1a的图中由表示发射信号2 的脉冲5和反射脉冲6示出，反射脉冲6表示反射信号4的由天线接收的部分。图1b示意 性地示出了如下情况其中，表面7的特性为使得发射信号2主要垂直于表面7被反射，从 而使得大部分反射信号8到达接收天线I。如图1b中的图所示，到达天线的反射信号10的 幅度显著大于图1a所示的反射信号6。因而，图1b中的接收信号10的幅度可以被视为测 量条件更有利的指示，这是因为与图1a中的接收信号6相比，发射信号5的较大部分被反 射并且由接收天线I接收。应注意，图1所示的信号和脉冲仅是示例性的示意表示，以便示 出信号反射如何受时变表面的影响。
图2示意性地示出了根据本发明的实施例的、用于确定包括在罐24中的产品22 的料位的雷达料位计系统20。雷达料位计系统20包括雷达模块26、传播装置28以及处理 电路44，处理电路44包括操作控制电路30、比较电路32、料位确定电路34以及雷达模块 26。尽管这里被示出为分开的块，但是处理电路44同样也可以设置在同一电路板上或者实 现在同一微处理器中。
通过分析由天线28向产品22的表面38的目标区域36发射的测量信号ST、以及 从表面38传回的反射信号Sk，料位确定单元34可以确定参考位置与产品22的表面38之 间的距离，由此可以推出料位。应注意，尽管此处讨论了装单一产品22的罐24，但是可以以 类似方式来测量到存在于罐24中的任何材料界面的距离。料位通过通信天线40被传送到远程位置。在操作中，雷达模块26生成电磁测量信号St并接收反射信号SK。以下将更详细地描述的雷达模块26将数据提供到处理电路44，根据该数据可以确定料位。
处理电路44确定料位和/或其他处理参数，并且经由无线通信单元34将该信息提供到远程位置，无线通信单元34可以有利地遵照无线HART(IEC 62591)。
处理电路44还可以经由无线通信单元34接收各种命令，并且可以响应于这样的命令而控制雷达模块。特别地，处理电路44可以经由无线通信单元34接收唤醒信号、执行测量操作、报告所确定的料位然后返回到休眠。这种间歇操作是用于实现长时间的自主操作而无需用户干预的重要因素。雷达模块26、处理电路44以及无线通信单元34都由来自诸如电池42的本地电源的电力来供电。
图3示出了图2中的雷达模块26的更详细的框图。雷达模块26包括集成在单个芯片上的发射器部和接收器部。单个芯片设计可以通过在单个硅片或者多个硅片上集成来实现，该多个硅片集成在单个可安装部件中。
发射器部包括脉冲发生器50，脉冲发生器50被布置成生成并发射具有期望频率和脉冲形状的脉冲。脉冲发生器50经由输出端51连接到信号传播装置28。脉冲发生器 50的重复频率由例如从处理电路44接收的外部时钟信号52来控制。作为示例，脉冲的中心频率可以是3. 4GHz，并且重复频率可以在1-1OOMHz的范围中，例如为90MHz。每个脉冲的持续时间可以为纳秒量级。接收器部包括连接到放大器54的输入端53，放大器54被布置成对在输入端53处接收的信号进行放大。接收器部还包括实时采样器55，实时采样器 55被布置成对所接收的信号实时采样。在雷达料位计的背景中，实时采样指示皮秒量级的分辨率。采样器55经由延时单元56连接到脉冲发生器50，并且被布置在脉冲发生器50发出测量脉冲的时刻之后经过预设延迟τ，开始对接收信号的采样。
根据一个实施例，采样器55可以被布置成根据在由Hjortland等人的 ^Thresholded samplers for UffB impulse radar”中描述的“扫描阈值米样”原理工作，该文章通过引用而合并于此。根据该方法，将接收信号与阈值进行比较，并且通过反相器级阵列对无时钟信号的输出进行采样。现在将参照图4描述用于扫描阈值采样的雷达模块26 的发射器部和接收器部的示例性配置，其中图4更详细地示出了图3的实时采样器55。
如在图4中可以看出，实时采样器55包括由多个串联布置的采样延迟元件 61a-61c构成的采样延迟线60。在延迟元件61a_61c之间，采样延迟线60连接到一系列D 触发器62a-62d。D触发器62a-62d还在D输入处经由阈值电路63连接到输入端53。D触发器62a-62d中的每个的输出连接到相应计数器64a-64d。
通过沿采样延迟线60的传播延迟，D触发器62a_62d将在不同的时刻由延迟的测量脉冲触发，该延迟的测量脉冲源自脉冲发生器并且沿采样延迟线60行进。因此，D触发器62a-62d的D输入处的信号将在不同的时刻被米样,其中连续样本之间的时间、即米样周期与延迟兀件61a_61c的信号传播延迟相对应。
在扫描阈值米样中，将输入信号(在该情况下为反射信号Sk)与阈值电路63中的阈值进行比较。如果/当输入信号Sk高于阈值时，来自阈值电路63的输出为“高”，并且当输入信号Sk低于阈值时,输出为“低”。如果在D触发器62a-62d处米样时的输出为“高”, 则“ I ”将从该D触发器62a-62d提供到计数器。换言之，将提供二进制序列。
重复进行采样若干次，同时逐渐增加(扫描)阈值，从而得到多个二进制序列。对 这些二进制序列进行组合以产生数字采样信号，该数字采样信号具有与采样重复次数加一 对应的分辨率(在信号幅度方面)。
采样延迟线60可以例如包括128个采样延迟元件，每个采样延迟元件由一个(或 若干个)反相器级构成。在该情况下，将形成128位的二进制序列。如果仅执行一次采样， 则分辨率(用信号幅度表示)将为2 (高或低)。如果执行了 511次采样，则分辨率将为512 或29。采样器可以可选地被布置成获取重复的样本序列并且对结果求平均，以便减小噪声 的影响。
有效采样速率(用时间表示的分辨率)将与单个采样延迟元件的传播延迟成反 比。作为示例，如果采样延迟元件之一(一个反相器级)的传播延迟为大约30ps，则采样速 率将接近35GS/s。当电磁波以O. 3mm/ps的速度在真空中行进时，如果测量单向延迟则采样 器的空间分辨率将为大约9mm，而如果测量双向延迟，则为大约4. 5mm。
在申请12/981995中描述了基于频率调制脉冲波(FMPW)的替选测量方法，其全部 内容通过引用而合并于此。
现在将参照图2所示的罐中的雷达料位计系统的示意图示和图5所示的流程图来 描述根据本发明的实施例的示例性方法，其中图5概述了该方法的一般步骤。
在图5的第一步骤501中，向产品22的表面38的目标区域36发射探测信号。探 测信号可以是具有预定形状和幅度的单个脉冲。接下来，在步骤502中，探测信号在表面38 处被反射，并且接收反射信号的向接收天线传播的部分。在步骤503中，确定表示接收信号 的幅度的参数值。例如，参数值可以是脉冲的实际幅度。在步骤504中，执行接收脉冲的幅 度或者任何等同特性(诸如能量、形状或相位)与预定阈值的比较。如果接收脉冲的幅度 高于阈值，则确定表面条件为使得发射脉冲的充足部分被反射，以便成功地执行确定表面 位置从而确定罐的料位的测量。另一方面，如果反射信号的幅度等于或低于阈值，则方法返 回到步骤501，并且发射新的探测信号。因而，可以推迟测量，直至表面特性为使得测量很可 能成功为止。然而，如果接连的探测信号未能提供满足阈值要求的反射信号，则可以在预定 数量的发射信号之后或在预定超时时间段之后，中断探测信号的发射。或者，即使不满足阈 值条件，也可以在多个发射探测信号之后或在给定时间之后执行测量。
在步骤505中，向产品的表面的上述目标区域36发射测量信号。期望的是，测量 信号在与探测信号被反射的目标区域相同的目标区域处被反射，以使得表面特性针对这两 个信号是可比较的。如果测量时间以及接收探测信号与初始化测量之间的时间关于表面变 化为短，则这是可能的。在步骤506中，接收反射的测量信号，并且最终在步骤507中，基于 到表面的距离确定料位。
本领域技术人员认识到，本发明绝不限于上述优选实施例。相反，可以在所附权利 要求的范围内进行许多修改和变化。例如，探测信号可以以许多不同的方式来配置，但是仍 坚持本发明的总体构思。此外，料位确定可以利用任意现有的或未来的适当确定方案。这 样的确定方案应该优选地相对较快并且具有高能效。
权利要求
1.一种确定装在罐(24)中的产品(22)的料位的方法，所述方法包括以下步骤a)向所述产品的表面(38)的目标区域(36)发射电磁探测信号；b)接收作为所述电磁探测信号在所述表面处的反射的反射探测信号；c)确定表示所述反射探测信号的幅度的参数值；如果所述参数值表示大于预定阈值的幅度，则d)向所述表面的所述目标区域(36)发射电磁测量信号；e)接收作为所述电磁测量信号在所述表面处的反射的返回信号；以及f)基于所述电磁测量信号与所述返回信号之间的时间关系确定所述料位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，如果在步骤c)中确定的所述参数值表示小于或等于所述预定阈值的幅度，则所述方法返回到步骤a)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，执行步骤d)至f)所需的时间不超过100 μ S。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述测量信号被形成为不同载波脉冲的脉冲列，其中每个载波脉冲具有大于I微秒的持续时间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中步骤f)包括以下步骤fl)确定与所发射的每个相应不同脉冲相关地接收的每个不同脉冲的实际相位特性；f2)基于初始估计的距离，确定与所发射的每个相应不同脉冲相关地接收的每个不同脉冲的预期相位特性；以及f3)将所述实际相位特性与所述预期相位特性进行关联，以提供所述距离的更新估计。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述初始估计的距离通过初始距离测量来获得。
7.一种用于确定装在罐(24)中的产品(22)的料位的料位计系统(20)，所述料位计系统能够工作在探测状态和测量状态，并且包括雷达模块(26)，用于生成、发射以及接收电磁信号；传播装置(28)，连接到所述雷达模块，并且被布置成向所述罐内的所述产品传播发射电磁信号，以及接收由于所述发射电磁信号在装在所述罐中的所述产品的表面处的反射而得到的反射电磁信号；以及处理电路(44)，连接到所述雷达模块，所述处理电路包括操作控制电路(30)；比较电路(32);以及料位确定电路(34)，其中当所述料位计系统工作在所述探测状态时所述操作控制电路(30)控制所述雷达模块(26)发射探测信号；所述比较电路(32)将表示所接收的反射探测信号的幅度的参数值与表示幅度阈值的预定参数值进行比较；并且如果所述幅度大于所述幅度阈值，则所述操作控制电路(30)控制所述料位计系统转换到所述测量状态；以及当所述雷达料位计系统工作在所述测量状态时所述操作控制电路(30)控制所述雷达模块发射电磁测量信号；并且所述料位确定电路(34)基于所述发射电磁测量信号与所接收的所述发射电磁测量信号的反射之间的时间关系，确定所述料位。
8.根据权利要求7所述的料位计系统，其中，当所述料位计系统工作在所述探测状态时如果所述幅度小于或等于所述预定阈值，则所述操作控制电路控制所述料位计系统保持在所述探测状态。
9.根据权利要求7或8所述的料位计系统，还包括实时采样器(55)，其中当所述雷达料位计系统工作在所述测量状态时所述实时采样器对所述所接收的所述发射电磁测量信号的反射实时地进行采样，并且将采样反射信号提供给所述料位确定电路；以及所述料位确定电路基于所述发射电磁测量信号与所述采样反射信号之间的时间关系，确定所述料位。
全文摘要
本发明公开了一种确定装在罐中的产品的料位的方法以及料位计系统，所述方法包括以下步骤a)向产品的表面的目标区域发射电磁探测信号；b)接收作为电磁探测信号在表面处的反射的反射探测信号；c)确定表示反射探测信号的幅度的参数值；如果参数值表示大于预定阈值的幅度，则d)向表面的目标区域发射电磁测量信号；e)接收作为电磁测量信号在表面处的反射的返回信号；以及f)基于电磁测量信号与返回信号之间的时间关系，确定料位。
文档编号G01F23/284GK103017865SQ20111035167
公开日2013年4月3日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年9月21日
发明者法比安·文格尔 申请人:罗斯蒙特储罐雷达股份公司