填充水平测量设备的制作方法

本发明涉及一种基于雷达的填充水平测量设备。

背景技术：

在过程自动化技术中经常使用用于捕获和/或修改过程变量的现场设备。为了检测过程变量，使用了传感器，例如，在填充水平测量设备、流量测量设备、压力和温度测量设备、ph氧化还原电势测量设备、电导率测量设备等中使用的传感器。它们检测相应的过程变量，诸如填充水平、流量、压力、温度、ph值、氧化还原电势或电导率。endress+hauser公司制造并销售各种此类现场设备。

为了测量容器中填充材料的填充水平，已经建立了非接触式测量方法，因为它们坚固且需要最少的维护。在本发明的范围内，术语“容器”还指未封闭的容器，例如水池、湖泊或流动的水体。非接触式测量方法的另一个优点在于能够准连续地测量填充水平的能力。因此，基于雷达的测量方法主要用于连续填充水平测量领域(在本专利申请的上下文中，“雷达”被定义为频率在0.03ghz至300ghz之间的信号或电磁波)。此处，两种常见的测量原理是脉冲传播原理(也称为“脉冲雷达”)和fmcw原理(“频率调制连续波”)。

例如，在未经审查的专利申请de102012104858a1中描述了通过脉冲传播方法操作的填充水平测量设备。对于基于fmcw的填充水平测量设备的典型构造，通过示例的方式参考未审查的专利申请de102013108490a1。基于雷达的填充水平测量非常准确，并且对粗糙或起皱的填充材料表面不敏感。但是，取决于填充材料的类型和容器内部的性质，并非总是可以验证由雷达确定的填充水平值，因为例如在某些情况下，不想要的回波被错误地用于填充水平计算，而不是填充材料表面的回波。这可能导致对填充水平的错误确定，其结果是在某些情况下，加工厂可能发生相应的危险状态。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种更安全的填充水平测量设备。

本发明借助于一种用于确定位于容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备来实现该目的，该设备包括：

-雷达模块，该雷达模块被设计成在填充材料的方向上发射雷达信号，并基于反射的雷达信号确定距填充材料的表面的距离，

-3d相机，该3d相机被设计成基于填充材料的表面的至少一个区域的记录，根据区域内的相应位置，来确定多个距离值，以及

-评估电路，该评估电路被配置为：

○根据距离值计算最大距离值和最小距离值，并且

○若距离小于最大距离值且大于最小距离值，则基于距离确定填充水平。

在本申请的框架内，术语“3d相机”包括任何系统，借助于该系统，可以将最近的对象的各个距离值记录为所选择的图像区域中的相应像素值。因此，例如，为此目的可以使用所谓的tof相机(“飞行时间”)，该tof相机包括相应的基于半导体的传感器(也称为pmd传感器，“光子混合设备”)。但是，例如也可以借助所谓的光场相机或至少两个相互连接的常规数字相机来实现相同的功能。

由于对通过雷达模块借助于3d相机所确定的测量值的冗余或验证，本发明的填充水平测量设备在确定正确的填充水平方面变得更加安全。然而，雷达模块仍可确保高测量精度。雷达模块的测量精度随着雷达信号频率的增加而增加。因此，有利是，将雷达模块设计成以至少75ghz的频率发射雷达信号(无论雷达模块是通过fmcw方法还是通过脉冲传播方法确定距填充材料的表面的距离)。不用说，本发明也可以以较低的频率(例如26ghz)实施。

在错误的情况下，也就是说，如果由雷达模块确定的距离小于最小距离值或大于最大距离值，则可以将评估电路设计成例如使得在这种情况下，它输出第一警告信号。这可以经由现场设备的相应接口传输到控制中心，使得可以在加工厂进行反应，或者由服务技术人员检查填充水平测量设备。

评估电路也可以被设计成，如果最小距离值小于预定义的最大填充水平的相应值，则输出第一警告信号和/或另一警告信号。这对应于至少点状形状超过超出允许的最大填充水平的填充水平。在此有利的是，已经检测到最大填充水平的点状超过，即使雷达模块还没有检测到这种情况(例如由于填充期间的散装材料锥体)。

在填充水平测量设备的另一种设计变型中，评估电路可以被设计成

-通过从最大距离值中减去最小距离值来计算差值，并且

-如果差值超过预定义的最大范围，则输出第一警告信号和/或另一警告信号。

在这种情况下，一旦填充材料表面变得太不均匀或填充材料在容器中的分布太不均匀，就会输出警告信号。例如，如果在倒空容器时残留物粘附在容器的内壁上，或者如果单个散装材料锥体在填充期间太明显，则可能发生这种情况。因此，当信号出现时，可以启动容器的清洁，或者例如借助于搅拌机构来重新分配填充材料。此外，例如，基于所确定的差值，可以计算出填充材料表面的与之对应的两个距离值di，j的位置之间的梯度或倾斜度。可以使用这样的信息，以便例如能够确定可能的散装材料锥体的锥度或角度。

基于3d相机的记录，除了填充水平验证外，还可以取决于设计确定填充材料的其他特性。如果评估电路被设计成例如根据记录的区域的所选择的部分的距离值来确定散射，则可以设想评估电路根据所确定的散射来确定填充材料的表面的粗糙度。如果已知填充材料的类型，则可以例如从中导出颗粒尺寸或类似的变量。

作为散射的替代或补充，还可以可选地确定与3d相机记录的距离值的平均值或中间值的(标准)偏差。因此，除了基于由雷达模块测量的距离来确定填充水平(其基于最大和最小距离值进行验证)以外或者作为其替代，还可以基于中值或平均值来验证由雷达模块测量的距离：如果由雷达模块测量的到填充材料表面的距离低于与3d相机记录的距离值的中值或平均值的预定义(标准)偏差，则将基于距离来确定填充水平。

取决于3d相机的类型，可以将其设计成在3d相机确定距离值的区域中额外生成填充材料的表面的灰度图像。举例来说，这可以有利地在本发明的范围内使用，以便在输出警告信号时同时记录灰度图像。在错误的情况下，工厂操作员或服务技术人员因此能够在容器内搜索潜在的错误原因。在灰度图像中，雷达信号的锥体可以被可视化为例如目标圆或十字。可以由此跟踪填充水平测量设备的当前定向，或者这可以在组装期间帮助填充水平测量设备的定向，例如以便“引导雷达信号经过”任何干扰体。

填充水平测量设备的另一有利的进一步改进提供将评估电路设计成如果沿着轮廓检测到轮廓的两侧上的距离值之间的不连续性则基于区域内的记录来检测轮廓。这对于基于所检测的轮廓确定容器的内部横截面，特别是内部横截面面积将是有用的。但是此外，它也可以是诸如搅拌器的其他对象的轮廓。特别地，当评估电路被设计成检测轮廓的移动和/或位移时，诸如搅拌器的可移动对象可以如此定位。

在3d相机的帮助下，还可以设想设计评估电路，以便确定填充水平测量设备相对于垂直的定向。如果可以基于区域内的记录确定诸如流体填充材料的表面的大致平坦的平面，则这是可能的。因此可以确定平面的法线向量。由于在流体填充材料的情况下，所得平面处于水平，因此所确定的法向向量对应于垂直。这进而使得可以确定填充水平测量设备相对于垂直的定向。这可以有利地用于填充水平测量设备的安装，因为雷达模块的精确垂直对准对其安全操作是有利的。在将填充水平测量设备安装在填充水平测量设备的显示器或外围设备的显示器上时，可以在视觉上指示当前的对准或与垂直的偏离。

类似于根据本发明的填充水平测量设备，本发明所基于的目的通过一种方法来解决，该方法借助于根据前述实施例中的一个实施例的填充水平测量设备，来确定位于容器中的填充材料的填充水平。该方法包括以下方法步骤：

-基于雷达模块在填充材料的方向上发射的反射雷达信号，确定距填充材料的表面的距离，

-基于填充材料的表面的至少一个区域的3d相机的记录来确定多个距离值，

-借助于评估电路根据距离值确定最大距离值和最小距离值，

-如果距离小于最大距离值并且大于最小距离值，则由评估单元基于距离确定填充水平。

附图说明

将参考以下附图更详细地解释本发明。示出如下：

图1：在具有填充材料的容器上的根据本发明的填充水平测量设备的示意图，

图2：从根据本发明的填充水平测量设备的视角看的填充材料的俯视图，以及

图3：取决于不同的测量条件的不同的测量值。

具体实施方式

为了理解本发明，图1示出了根据本发明的填充水平测量设备1在容器2的法兰连接上的布置，如通常习惯用于基于雷达的填充水平测量设备。在容器2中存在其填充水平l要由填充水平测量设备1确定的填充材料3。为此，填充水平测量设备1在填充材料3上方以已知的安装高度h安装在容器2上。在这种情况下，取决于类型，容器2可以大于100m高。

填充水平测量设备1对准并紧固到容器2上，以使其借助于雷达模块11连续、周期性或非周期性地在填充材料3的表面方向上发射雷达信号sr。由于雷达信号sr在填充材料表面处的反射，填充水平测量设备1的雷达模块11在相应的运行时间后接收作为到填充材料表面的距离dr＝h-l的函数的反射雷达信号sr。

通常，填充水平测量设备1经由诸如“profibus”、“hart”或“无线hart”的接口连接至诸如过程控制系统的上级单元4。以这种方式，可以传输填充水平值l，例如以便在必要时控制容器2的流动或排放。但是，也可以传送有关填充水平测量设备1的总体操作状态的其他信息。

如果雷达模块11通过脉冲雷达方法进行操作，则雷达信号sr将是可能周期性发射的雷达脉冲，使得可以直接基于脉冲的发射和所反射的脉冲状雷达信号sr之间的脉冲传播时间来确定距离dr以及因此确定填充水平l。

在fmcw雷达的情况下，雷达信号sr是连续信号，但具有时间定义的调制频率。因此，可以基于当前接收到的雷达信号sr与同时发射的雷达信号sr之间的瞬时频率差来确定传播时间，以及因此确定在实施fmcw方法时的距离dr或填充水平l。利用两种雷达方法，根据现有技术，可能已经在理想条件下(良好反射的填充材料3，平坦的填充材料表面，没有障碍物，例如搅拌器，或雷达信号sr的信号路径中的其他内部零件)以亚微米范围内的精度解决了填充水平l。即使在粗糙或起皱或填充材料表面或多尘大气的情况下，也可能借助于上述雷达方法可靠地测量填充材料表面上某一点处的填充水平l。

然而，当填充材料3的表面不平坦时，借助于上述雷达方法的填充水平l的周期性测量超出了其极限。这可以特别地在填充材料的散装材料3的情况下发生，例如当在容器2的填充期间形成散装锥体时。在将填充材料3泵出时，在填充材料的表面上可能发生凹陷。由于填充水平仅借助于雷达模块11在填充材料3的表面上的某个点周期性地确定的，因此这可能导致对填充水平l的错误解释。例如，即使在容器内部的边缘处仍存在填充材料3，但是在雷达模块11检测到空的容器2时可以停止清空操作。在相反的情况下，当容器2装满时，可能发生即使在填充材料表面上某一位置处已经超过最大填充填充水平lmax，填充操作也不停止，因为这没有被雷达模块11检测到。

因此，根据本发明，图1所示的填充水平测量设备1除了包括用于发射和接收雷达信号sr的雷达模块11之外，还包括3d相机12。类似于雷达模块11，将3d相机12布置和定向成使得可以借助于填充材料3的表面或至少表面的区的3d相机12的记录记录r3d。在这种情况下，如从图2中填充材料表面的俯视图可以看出，记录r3d由多个距离值di，j构成，所述多个距离值di，j是存在于记录区域[m；n]内的相应的像素或位置[i，j]的函数。

原则上，由3d相机额外确定距离值di，j增加填充水平测量设备1的冗余度：可以将距离值di，j与由雷达模块11确定的距离dr进行比较。为此，可以根据3d相机的距离值di，j确定最大距离值dmax和最小距离值dmin。如果距离dr小于最大距离值dmax且大于最小距离值dmin(如图3的部分(a)所示)，则这可以解释为对由雷达模块确定的距离dr的验证。如果验证不成功，即由雷达模块11确定的距离dr小于最小距离值dmin或大于最大距离值dmax(如图3中的部分(b)所示)，填充水平测量设备1可以例如将第一警告信号sf1输出到上级单元4。其原因可能是，例如，雷达模块没有接收到作为来自填充材料表面的回波而产生的雷达信号sr，而是接收到不想要的回波，诸如例如多重反射。

这种类型的验证可以应用于平坦和非平坦的填充材料表面。通常，验证所查明的填充水平l的能力表示填充水平测量设备1的有利特性，因为可能满足关于功能安全性的所要求的规范中的一个规范，例如iec61508标准。在许多应用中，符合相应标准又是允许将填充水平测量设备1用于相应应用的前提条件。

在图1所示的填充水平测量设备1中，提供评估电路13以用于距离dr的验证，并且将距离值di，j与由雷达模块11为此目的确定的距离dr进行比较。在这种情况下，评估电路13例如可以被实现为微控制器，其中可以经由相应的输入从雷达模块11或3d相机中检索距离值di，j和距离dr。在输出侧，评估电路13可以连接到上级单元4，以便例如在验证失败的情况下传输相应的第一警告信号sf1。

在图2所示的填充材料表面的记录r3d中，示出了填充材料表面不是平坦的而是具有散装材料锥体的情况(也参见图1)。以轮廓线的形式示出了散装材料锥体或填充材料表面的轮廓。因此，由3d相机检测到的最小距离dmin位于散装材料锥体的尖端。在图2的替代性解释中，填充材料表面的轮廓线也可以表示凹陷漏斗，使得由3d相机12查明的最大距离dmax表示凹陷的最深点。

即使在平坦的表面上，例如在流体填充材料2的情况下，附加的3d相机12可能产生有利的协同效应：例如，评估电路13可以设计成确定测量水平测量设备1相对于垂直的定向。例如，这可以例如通过数学地定义平面并基于距离值di，j确定记录r3d的[m；n]区域内的其法向向量来计算。因为对于流体填充材料3，所得平面是水平的，所以法向矢量对应于垂直。由于反射雷达信号sr的最佳接收而使雷达模块11的精确垂直对准是有利的，因此首先在所有的安装填充水平测量设备1期间确定相对于垂直的定向是合适的。例如，在将填充水平测量设备1安装在其显示器或外围设备的显示器上时，可以显示垂直的当前定向。

除了对所确定的距离dr的纯粹验证之外，距离值di，j的记录r3d还提供了进一步的协同效应：通过对距离值di，j的进一步分析，可以检测到容器2中其他不规则状态：因此，借助最大距离值dmax和最小距离值dmin之间的差值δd和/或最小距离值dmin和最大距离dmax的绝对位置(相对于容器高度h)，可以是得出的结论是，例如，在容器2的壁上可能存在散装材料锥体、凹陷漏斗或填充材料3的沉积物。在这种情况下，可以生成相应的警告信号sf1，...，sfn，特别是当超过预定义的最大范围δdmax(图3部分(c)中示意性地示出)上的差值δd时。此外，与此相对应的两个距离值di，j的位置之间的填充材料表面的梯度或倾斜度可以例如基于差值δd来计算，以便例如能够确定任何散装材料锥体的锥度。

如果3d相机为此目的而设计，至少在输出警告信号sfn的那些情况下，3d相机可以(在填充水平测量设备1的显示器上，或者例如在外部移动无线电设备的显示器上)另外记录可以被提供用于检查特定情况的填充材料表面的区域[m；n]的灰度图像。

图2没有示出图2中的记录r3d也涵盖容器2的内部横截面。在这种情况下，可以将评估电路13设计成例如基于记录r3d确定内部横截面。在这种情况下，可以这样检测内部横截面，即，记录r3d内的评估电路在记录r3d内搜索相应的轮廓。在这种情况下，定义“轮廓”，因为可以沿着轮廓确定轮廓的两侧之间的对应距离值di，j的预定义的不连续性，即“扭结”或跳跃。

就此而言，在最简单的情况下，可以通过两个距离值di，j的差值超过预定义的值来数学地检测可能由轮廓分开的两个距离值di，j之间的跳跃。与此相反，确定轮廓在其间延伸的两个距离值di，j之间的“扭结”不那么容易：为此，可以使分别相对于轮廓进一步向外的距离值di，j被包括使得计算它们之间的变化或“梯度”。在这种情况下，两个距离值di，j之间的斜率突然变化是指它们之间的轮廓线的走向。为此，可以在评估电路13中实现的相应的分析或数值方法是充分已知的。

如果以此方式确定了容器2的内部横截面，则可以基于此推断出容器2的内部横截面面积。这又可以用于基于所确定的距离值di，j(或者如果填充材料3具有平坦的表面，则基于由雷达模块11确定的距离dr)来计算填充材料3在容器2中实际占据的体积)。这提供的优点是，在体积的计算中，容器2的内部横截面的任何变化也可以考虑高度h。不用说，这种类型的体积计算不仅可以应用于圆形内部横截面的情况，如图2所示。

当评估电路13检测到轮廓时，轮廓不仅可以被分配给容器2的内部横截面。如果在记录r3d内的容器2中存在诸如搅拌器或入口/出口的扰动，则这些扰动也可以表现为记录r3d中的轮廓。在旋转搅拌机的情况下，可以相应地分配移动的轮廓。以此方式，例如，由雷达模块11测量的距离值dr(其与由轮廓所包围的距离值di，j相对应)可以被分类为错误的。

如果评估电路13可以进行轮廓识别，则除了检测干扰和确定容器内部横截面外，还有进一步的可能的应用：当填充水平测量设备1附接到圆形连接时，诸如例如法兰(见图1)，可能检测到的轮廓也可以分配给法兰开口。分配给轮廓的那些距离值di，j可以用来由雷达模块11确定距离dr：在反射后接收到的雷达信号sr(其在脉冲雷达和fmcw方法情况下都与时间有关，以及因此与距离有关)，因此只能在与法兰相对应的距离值di，j以下评估，以便屏蔽从该区域接收到的雷达信号sr的干扰分量。

附图标记列表

1填充水平测量设备

2容器

3填充材料

4上级单元

11雷达模块

123d相机

13评估电路

dr由雷达模块确定的距离

di，j由3d相机确定的距离值

dmax最大距离值

dmin最小距离值

m；n接收区

h安装高度

l填充状态

lmax最大填充水平

sr雷达信号

sf1，sfn通知信号

δd差值

δdmax最大范围