专利名称：利用微波工作的料位测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照渡越时间原理(Laufzeitprinzip)工作的料位测量仪，用于测量容器内填料的料位，该料位测量仪在测量工作时借助于天线来发射微波，并且在取决于所要测量的料位的渡越时间之后重新接收所述微波在填料表面上反射的回波，并且结合其渡越时间来确定料位。
背景技术：
这种无接触式工作的测量仪在大量工业部门中，例如在加工业、化学或者食品工业中使用。典型的方式是，将料位测量仪安装在填料的上方并且使其天线对准填料。为了确定渡越时间，可以应用借助于反射的微波来测量较短距离的所有公知的方法。最熟悉的例子是脉冲雷达和调频连续波雷达(FMCW雷达)。
在脉冲雷达的情况下，周期性地发射短的微波发射脉冲(下面称为波包)，这些波包由填料表面反射并且在取决于间距的渡越时间之后重新被接收。结合所接收的信号推导出回波函数，该回波函数将所接收的信号振幅作为时间的函数给出。该回波函数的每个值都相应于以与天线相距确定的间距的方式反射的回波的振幅。在FMCW方法的情况下，连续地发射例如按照锯齿形函数周期性地线性地调频过的微波信号。因此，所接收的回波信号的频率与在接收时间点上的发射信号的瞬间频率相比具有频差，该频差取决于微波信号及其回波信号的渡越时间。发射信号与接收信号之间的频差因此相应于反射面与天线的间距，该频差可以通过混合两个信号并且对混频信号的傅里叶频谱进行评估来获得。此外，通过傅里叶变换所获得的频谱的谱线振幅相应于回波振幅。因此，该傅里叶频谱在这种情况下是回波函数。从回波函数中确定至少一个有效回波，其相应于发射信号在填料表面上的反射。 在微波的传播速度已知的情况下，由有效回波的渡越时间直接得出微波在其从测量仪到填料表面和返回的行程上所经过的行程距离。结合料位测量仪在容器之上的安装高度，可以由此直接计算出所寻找的料位。目前的料位测量仪一般具有针对预先给定的频率或者预先给定的很窄的频带而设计的天线。但是，存在大量如下的应用，在这些应用中具有优点的是，利用明显不同的频率来实施料位测量。为了可以实现这一点，为此一般使用两个分开的、各针对一个频率或一个预先给定的频带而设计的料位测量仪，或者使用至少两个分开的、各针对一个频率或一个预先给定的频带而设计的天线。在现代化的工业设备中，一般在单个容器内实施大量不同的测量。为此，将大量不同的测量仪安设在相应容器的上面、旁边或者里面。但是，为此仅存在有限数量的相应容器口和/或者安装装置。与此相应，通常不能或者不希望将两个或多个料位测量仪或者两个或多个天线设置在唯一的容器上用于料位测量。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种利用微波按照渡越时间原理工作的料位测量仪，利用该测量仪，可以借助唯一的天线在两种明显不同的频率下实施测量。为此，本发明是一种利用微波按照渡越时间原理工作的料位测量仪，用于测量容器内填料的料位，该料位测量仪具有-收发装置，
一用于产生高频微波信号和具有明显更低频率的低频微波信号，一用于同时或者相继地将该微波信号朝向填料地发射到容器内，以及-用于接收微波信号在容器内反射回到收发装置的回波信号，一该收发装置具有唯一的天线，—该天线具有内部呈漏斗形的喇叭和两个相互连接的、与喇叭连接的空心导线段，—该天线具有同轴导线接线端，该同轴导线接线端连接在与喇叭直接相邻的空心导线段上，通过该同轴导线接线端向天线供给低频微波信号，并且通过该同轴导线接线端来接收所属的低频回波信号，以及一该天线具有空心导线接线端，该空心导线接线端与两个空心导线段中的布置在与喇叭相邻的空心导线段的远离喇叭的侧上的那个空心导线段连接，并且通过该空心导线接线端向天线供给高频微波信号，并且通过该空心导线接线端来接收所属的高频回波信号。依据一种优选的构造方式，-设有同轴导线接线端的空心导线段具有与低频微波信号内所包含的频率相适应的直径，以及-设有空心导线接线端的空心导线段具有与高频微波信号内所包含的频率相适应的直径。依据一种改进方式，-同轴导线接线端具有伸入到空心导线段内的耦合器(Einkopplimg)，-耦合器与两个空心导线段之间的过渡部之间沿两个空心导线段的共同纵轴线的间距处于低频微波信号在其中频情况下的基谐模波长的四分之一的数量级上，以及-耦合器具有如下长度，该长度处于自由空间内低频微波信号在其中频情况下基谐模波长的四分之一的数量级上。依据一种改进方式，在两个空心导线段之间布置有过渡元件。依据一种优选的构造方式，过渡元件具有如下直径，即在该直径的情况下，该过渡元件针对高频微波信号的基谐模的特性阻抗(Feldwellenimpedanz)等于两个空心导线段针对高频微波信号的基谐模的特性阻抗乘积的平方根。依据另一种构造方式，过渡元件具有如下长度，即该长度处于高频微波信号在其中频情况下的基谐模波长的四分之一的数量级上。依据一种改进方式，同轴导线接线端具有伸入到空心导线段内的耦合器，该耦合器垂直于高频微波信号的基谐模的极化(Polarisation)地分布。
依据另一种改进方式，过渡元件构成为穿通引导部(DurchfUhrimg)，尤其构成为玻璃穿通引导部。依据一种改进方式，设有空心导线接线端的空心导线段具有如下截止频率 (Cutoff Frequenz)，该截止频率大于低频微波信号内所包含的频率。依据另一种改进方式，料位测量仪-具有唯一的微波发生器，该微波发生器产生输出信号，由该输出信号在单独的、 连接在微波发生器之后的电路模块内生成两个微波信号，并且将两个微波信号输送给天线，以及_具有唯一的信号处理装置，—将结合高频回波信号推导出的第一测量信号和结合低频回波信号推导出的第二测量信号分开地输送给该信号处理装置，以及-该信号处理装置结合两个测量信号来确定料位。依据另一种改进方式，-每个电路模块都具有倍频器、收发转接器(Sende-Empfangsweiche)和混频器，-每个倍频器都与微波发生器连接，并且都用于由微波发生器的输出信号通过使频率乘以整数的、特定于模块的倍增因数而生成各自的微波信号，-每个倍频器都经由收发转接器与天线连接并且与其并行地与各自的混频器的第一输入端连接，-天线经由各自的收发转接器与各自的混频器的第二输入端连接，以及-在每个混频器之后都连接有滤波器，该滤波器用于从通过将存在于各自的混频器的第一输入端上的微波信号和存在于各自的混频器的第二输入端上的回波信号混合而产生的混频信号中滤出测量信号，该测量信号的频率相应于各自的微波信号和所属的回波信号的频率的差。依据一种改进方式，在天线的光路(Strahlengang)内置入至少一个透镜或者至少一个反射镜。此外，本发明包括一种用于利用依据本发明的料位测量仪来测量容器内均质填料的方法，其中，-结合高频回波信号和低频回波信号推导出各一个回波函数，所述回波信号将各自的回波振幅作为取决于所属信号渡越时间的变量给出，-针对每个回波函数，确定各自的回波函数源于填料表面上的反射的最大值，-结合两个最大值的位置来检验两个最大值是否源于同一填料表面上的反射， 以及-如果两个最大值是源于同一填料表面上的反射，那么结合具有较大振幅的那个回波函数的最大值的位置来确定料位。同样，本发明包括一种用于利用依据本发明的料位测量仪来测量容器内易于形成层的填料的方法，其中，-结合高频回波信号和低频回波信号推导 出各一个回波函数，所述回波信号将各自的回波函数作为取决于所属信号渡越时间的变量给出，-确定每个回波函数源于填料表面上的反射的绝对最大值，
-结合两个绝对最大值的位置来确定它们是否源于两个微波信号在容器内的一个并且是同一填料表面上的反射，或者利用高频微波信号推导出的回波函数的绝对最大值是否源于具有较小密度的上填料层的填料表面上的反射，以及利用低频微波信号推导出的回波函数的绝对最大值是否源于具有较大密度的下填料层的填料表面上的反射。此外，本发明包括最后提到的方法的改进方式，其中，-如果结合两个绝对最大值的位置已确定两个绝对最大值是源于两个微波信号在容器内的一个并且是同一个填料表面上的反射，那么结合具有较大振幅的最大值的位置来确定料位，-如果已确定利用高频微波信号推导出的回波函数的绝对最大值是源于上填料层的填料表面上的反射，那么结合利用高频微波信号推导出的回波函数的绝对最大值的位置来确定上填料层的填料表面的位置。因此，利用依据本发明的料位测量仪可以实现的是，利用仅具有唯一天线的料位测量仪在明显不同的频率下实施测量。这一点尤其在容器上仅设置有少量用于固定天线或测量仪的装置的应用中具有优点。依据本发明的测量仪的另一优点在于，由于其模块式的结构可以成本非常低廉地制造该测量仪。对昂贵的部件如天线、微波发生器和信号处理装置仅设置一次。不同的频率通过与此相比成本非常低廉的、在双重实施方式中设置的电路模块来产生。
现结合其中示出有实施例的附图对本发明及其优点进行详细说明；相同的部件在附图中设有相同的附图标记。图1示出布置在容器上的依据本发明的料位测量仪的原理草图；图2示出图1的料位测量仪的天线；图3示出在图1的测量情况中利用高频微波信号推导出的回波函数；图4示出在图1的测量情况中利用低频微波信号推导出的回波函数；图5示出一种应用，其中依据本发明的料位测量仪布置在容器上，下填料层处于该容器内，在下填料层的上面构成有更小密度的上填料层；图6示出在图5所示的测量情况中利用高频微波信号推导出的回波函数的例子；图7示出在图5所示的测量情况中利用低频微波信号推导出的回波函数的例子；图8示出天线光路内置入透镜的实施方式；以及图9示出天线光路内置入反射镜的实施方式。
具体实施方式
图1示出布置在填料3上方的容器1上的依据本发明的按照渡越时间原理工作的料位测量仪，填料3处于容器1内。图1所示的测量仪是FMCW雷达料位测量仪。但本发明也能够以类似方式在脉冲雷达料位测量仪中使用。测量仪具有优选模块式地构造的收发装置5和与其连接的信号处理装置7。收发装置5用于产生两个具有明显不同频率fm、fn的微波信号SM、Sn，用于同时或者相继地将该微波信号3 、5,朝向填料3地发射到容器1内，以及用于接收不同的微波信号SM、Sn在容器1内反射回到收发装置5的回波信号Em、En。为此，收发装置5优选具有唯一的微波发生器9，该微波发生器产生输出信号S，由该输出信号生成两个微波信号SM、Sn。在FMCW雷达料位测量仪的所示出的实施例中，这是带有后联的滤波器13的FMCW斜波发生器11，该FMCW斜波发生器提供周期性地线性地例如按照锯齿形函数调频过的输出信号S。输出信号S的频率f处于预先给定的向上和向下很窄范围的频带内并且时间上围绕频带的预先给定的中频F变化。在脉冲雷达料位测量仪中，在FMCW斜波发生器11的位置上出现的是脉冲发生器。 输出信号S在这种情况下是预先给定频率f的短周期地发出的微波脉冲。此外，收发装置5针对微波信号SM、Sn中的每个微波信号都具有各一个自己的电路模块M、N和与所有电路模块M、N连接的唯一天线15。每个电路模块M、N包括各一个倍频器17、19、各一个收发转接器21和各一个混频器23。通过微波发生器9彼此并行地向倍频器17、19供给该微波发生器的输出信号S，并使其中所含有的频率f以特定于模块的整数倍增因数m、n倍增。它们生成各一个微波信号SM、SN，其频率是输出信号S的频率的特定于模块的整数倍m、η。每个电路模块Μ、N具有不同的倍增因数m、η。与此相应地，不同模块Μ、 N内生成的单个微波信号SM、Sn具有彼此明显不同的频率fm、fn。带有具有较高倍增因数m 的倍频器17的电路模块M与此相应地从输出信号S中产生具有较高频率fm的、下面称为高频微波信号Sm的微波信号SM。带有具有较低倍增因数η的倍频器19的电路模块N从输出信号S中产生具有较低频率fn的、下面称为低频微波信号Sn的微波信号SN。依据本发明，不同微波信号SM、SN的频率&、4彼此明显不同。在具有两个不同微波信号SM、Sn的所示实施例中，高频微波信号Sm的中频F例如为78GHz，而低频微波信号Sn 的中频F则为26GHz。为此，在中频F为13GHz的输出信号S的情况下，在电路模块M内使用倍增因数m = 6的倍频器17，而在电路模块N内使用倍增因数η = 2的倍频器19。按照这种方式产生的不同微波信号SM、Sn在各自的电路模块Μ、N内被并行地输送到各自的收发转接器21和各自的混频器23的第一输入端。收发转接器21向天线15供给各自的微波信号Sm或SN。天线15将微波信号SM、SjA向填料3的方向发射到容器1内，并且接收该微波信号在容器1内朝向天线15方向地反射的回波信号Em、En。 然后，将由天线15接收的回波信号Em、En再输送到电路模块M、N的各个收发转接器21并且从各个收发转接器输送到各自的混频器23的第二输入端。存在于混频器23第二输入端上的回波信号Em或EnW瞬间频率，与在接收时间点上与其并行地存在于混频器23 第一输入端上的微波信号Sm或Sn的瞬间频率相比，具有频差Δ fm、Δ fn，所述频差取决于微波从收发装置5到容器1内和返回行程所需的渡越时间。因此，各自的微波信号Sm或Sn与所属的回波信号Em或En之间的频差Δ fm、Δ fn相应于反射面与收发装置5的间距，所述频差通过将它们混合并且对混频信号Hm、Hn的傅里叶频谱进行评估来获得。此外，通过傅里叶变换所获得的频谱的谱线振幅A(Afm) ；A(Afn)相应于回波振幅。混频器23通过将各自存在于其第一输入端上的微波信号SM、SN和存在于第二输入端上的所属的回波信号Em或En相乘产生混频信号Hm、Hn,所述混频信号的频率相应于各自的微波信号SM、Sn和所属的回波信号Em或En的频率的总和以及差。在混频器23之后连接有各一个滤波器25，所述各一个滤波器从各自的混频信号Hm、Hn中滤出其频率相应于各自的微波信号SM、Sn和所属的回波信号Em或En的频率的差Δ fm、Δ fn的分量，并将其作为测量信号Mm、Mn来 提供。单个测量信号Mm、Mn被输送到连接在各自滤波器25之的模数转换器 A/D，该模数转换器A/D将各自的测量信号Mm、Mn数字化并以数字形式输送到信号处理装置 7。依据本发明，仅设置有唯一的信号处理装置7，将两个测量信号Mm、Mn彼此分开地输送到该信号处理装置，并且该信号处理装置彼此分开地对两个测量信号Mm、Mn进行评估。 优选地，针对每个测量信号Mm、Mn都推导出回波函数，该回波函数将测量信号傅里叶变换的振幅A(Afm)、A(Afn)作为取决于所属的信号渡越时间的变量，例如像频差Afm、Afn的函数给出。频差Δf相应于渡越时间并因此相应于反射面与收发装置5的间距。这三个变量等价并且可以结合输出信号S中所使用的调频、倍增因数m、n、微波的传播速度和天线15在容器1之上的安装高度来相互换算。此外，回波函数的振幅A(Afm)、A(Afn)相应于所属的回波振幅。不同的微波信号SM、Sn可以同时或者时间上彼此错开地发射到容器1中。为了同时发射不同的微波信号SM、SN，输出信号S如上所述地同时并行地输送到单个电路模块Μ、Ν， 这些电路模块彼此并行地产生微波信号SM、Sn，然后将这些微波信号同时输送到天线15并由该天线来发射。时间上错开地发射不同的微波信号SM、Sn例如通过相应受控制的、置入到微波发生器9与天线15之间存在的单个信号路径中的门电路27来实现。图1示出一种方案，其中在每个电路模块Μ、N前面都置入门电路27。在各自的门电路27开启期间，输出信号S 存在于相应的电路模块Μ、N上，电路模块由此产生各自的发射信号SM、Sn，然后发射信号直接通过天线15被发射。如果门电路27关闭，那么所属的信号路径被中断。各自的电路模块Μ、N在此期间不产生微波信号SM、SN。相应地，天线15在每个时间点上始终仅发射处于开启的门电路27后面的电路模块M、N的微波信号SM、Sn。两个微波信号5 、51<通过天线15来发射。图2详细示出天线15。依据本发明，天线15具有空心导线接线端29和同轴导线接线端31。通过空心导线接线端29向天线15供给高频微波信号Sm并接收所属的高频回波信号Em。为此，天线15通过空心导线接线端29 与电路模块M的收发转接器21连接。通过同轴导线接线端31向天线15供给低频微波信号Sn并接收所属的低频回波信号En。为此，天线15通过同轴导线接线端31与电路模块N 的收发转接器21连接。在图2中详细示出的天线15是喇叭形天线，该喇叭形天线带有在发射方向上扩开的、内部呈漏斗形的喇叭33和两个与其连接的空心导线段35、37。空心导线段35、37和喇叭33彼此同轴地沿天线15的纵轴线前后依次布置。与喇叭33直接相邻的空心导线段35是空心圆柱形的并且具有如下内径，该内径优选等于漏斗形喇叭33的与其相邻的末端的内径。与此相对地，布置在该空心导线段35 的远离喇叭33的侧上的第二空心导线段37具有较小的内径。优选地，两个空心导线段35、 37通过过渡段39相互连接，该过渡段的内径大于与其在远离喇叭33的侧上相邻的空心导线段37的内径而小于与其在面向喇叭33的侧上相邻的空心导线段35的内径。过渡元件 39用于使两个空心导线段35、37之间的过渡部上的阻抗匹配并由此减少由于两个空心导线段35、37的阻抗不同而出现的损耗功率。空心导线段35、37和过渡元件39的准确的尺寸确定例如通过三维场模拟计算来进行。在此，优选以在各自微波信号SM、Sn的中频的情况下构成的基谐模Hll为基础，并且将天线15针对该基谐模Hll的发射功率最大化。为 了降低损耗功率，过渡元件39优选具有如下直径，即在该直径的情况下，过渡元件39针对高频微波信号Sm的基谐模的特性阻抗等于两个空心导线段35、37针对高频微波信号Sm的基谐模的特性阻抗乘积的平方根。在此，阻抗在这里也优选结合在微波信号SM、 Sn的各自的中频的情况下出现的基谐模来确定。优选地，过渡元件39具有如下长度，即该长度处于高频微波信号Sm在其中频情况下的基谐模波长的四分之一的数量级上。此外，过渡元件39可以充当过程密封装置，方法是该过渡元件构成为密封的穿通引导部，尤其是玻璃穿通引导部。空心导线接线端29直接通入空心导线段37中，该空心导线段37具有如下直径，该直径与高频微波信号Sm内所包含的频率fm相适应。这种适应在这里优选也结合高频微波信号Sm在其中频情况下的基谐模来进行。优选地，空心导线段 37具有如下截止频率，该截止频率大于低频微波信号Sn内所包含的频率fn，由此，使低频微波信号Sn及其相应同样低频的回波信号EN不能在该空心导线段37内传播。空心导线段37 因此像滤波器那样起作用，通过该空心导线段37，即使在同时发射两个微波信号SM、Sn时， 仍确保仅高频回波信号Em通过空心导线接线端29被输送到所属的电路模块M。同轴导线接线端31与直接与喇叭33相邻的空心导线段35连接，并且具有在侧向上导入到空心导线段35中的、棒状的耦合器41，该耦合器垂直于空心导线段35的纵轴线地分布。优选地，耦合器41以如下方式取向，即，使该耦合器以垂直于高频微波信号Sm的在该高频微波信号Sm的中频的情况下所利用的基谐模的电场的极化的方式分布。由此，使高频微波信号Sm的传播的由耦合器41所引起的干扰最小化。为了使低频微波信号Sn低损耗地耦合接入，耦合器41优选具有如下长度，该长度处于自由空间内低频微波信号Sn在其中频情况下的波长的四分之一的数量级上。耦合器41 到空心导线段35中的安装高度优选以如下方式来选择，即，使耦合器41与两个空心导线段 35、37之间的过渡部之间沿空心导线段35、37的共同纵轴线的间距处于低频微波信号5,在其中频情况下的基谐模波长的四分之一的数量级上。因此，在基谐模内构成的电磁场的最大值处于耦合器41的区域内，而最小值处于两个空心导线段35、37之间的过渡部区域内。空心导线段35具有如下直径，该直径与低频微波信号Sn内所包含的频率fn相适应。因为高频微波信号Sm的频率fm及其回波信号Em是该频率fn的多倍，所以两个微波信号SM、Sn及其回波信号Em、En可以在该空心导线段35内传播。因此，在同时发射两个微波信号SM、SN时，原则上两个所属的回波信号EM、EN可以通过同轴导线接线端31来接收。为了仅将低频回波信EN输送到电路模块N，可以在同轴导线接线端31与电路模块N之间置入相应的、在这里未示出的滤波器。但是，这一点在对于专业人员来说理所当然地取决于频率地选择电路模块N内本来就存在的部件时不是必需的。 如果无论是收发转接器21还是所属的混频器23均是针对较低的频率fn而设计的，那么该信号分支内不希望出现的高频回波信号Em的较高频率fm本来就不会在该信号分支内传播， 从而产生的混频信号Hn和从中推导出的测量信号Mn绝对没有源于高频回波信号Em的分量。因此，可供信号处理装置7使用的是两个彼此独立地利用不同频率4、4接收的测量信号Mm、Mn,结合这些测量信号来确定料位。
料位测量仪，像各种其他料位测量仪那样，也适用于对均质的填料3进行传统的料位测量(如图1所示)。在此，从每个测量信号Mm、Mn中按照上述方式推导出所属的回波函数A ( Δ fm)、A ( Δ fn)。图3示出在这种测量情况中利用高频微波信号Sm推导出的回波函数A(Afm)的例子，而图4示出利用低频微波信号5,推导出的回波函数A(Afn)。假设各自的回波函数的最大值Amax ( Δ fM)、Amax ( Δ fN)可能源于所属微波信号Sm或Sn在填料表面上的反射，那么结合如下各自的频差八fM、Δ fN来确定料位，在所述各自 的频差AfM、AfN的情况下存在各自的回波函数的最大值Α_(Δ ·Μ)、Α_(Δ ·Ν)。在此，最大值上存在的频差AfM、 Δ fN相应于到填料表面和返回的信号渡越时间，并因此相应于填料表面与收发装置5的间距，然后从该间距中结合天线15的安装高度计算出料位。因为这里存在两个测量结果，所以像在其他冗余系统中那样，也可以通过比较两个在不同频率fm、fn下测得的料位来进行合理性检查。依据本发明，结合两个最大值的位置来检查两个在各自的最大值上存在的频差AfM、Δ fN是否与相同的信号渡越时间并因此与容器1内反射的表面到天线15的相同的间距相应。如果是这种情况，那么由此得出 两个微波信号SM、Sn在容器1内的相同的填料表面上发生反射。均质填料3的测量假设 (Messhypothese)由此得到证实。所属回波函数A(Afm)、A(Afn)的由在填料表面上的反射引起的最大值 Afflax ( Δ fM) ,Afflax ( Δ fN)的振幅Amax决定性地取决于填料3的反射系数。反射系数是特定于填料的并且取决于频率。反射系数越大，最大值的振幅Amax就越大，并且最大值的位置也就越准确，并且由此可以确定料位。如果对最大值的位置的上述检验得出的结果是，它们源于一个并且是同一个填料表面上的反射，那么料位优选结合具有较大振幅(在所示实施例中为 Afflax ( Δ fM))的那个最大值来确定。这种方法可以特别具有优点地在如下应用中使用，即在这些应用中，可以是未知的填料3处于容器1内，或者例如在容器1内进行的生产过程的背景下容器1内可以依次出现不同的填料3。在此，结合两个回波函数A(Afm)、A(Afn)来检验最大值的位置，来确定两个回波函数A ( Δ fm)、A ( Δ fn)中的哪一个回波函数具有源于在填料表面上的反射而具有较大振幅Amax的最大值，并且结合该回波函数A(Afm)、A( Afn)来确定料位。该方法可以通过相应的、在信号处理装置7内实现的软件全自动地实施。由此，料位测量仪自动识别 在两个频率fm、fn中的哪一个频率的情况下，当前处于容器1内的填料3具有较高的反射系数。由此，即使在填料3变换的情况下，也可以实现可靠和准确的料位测量。依据本发明的料位测量仪可以特别具有优点地使用的其他应用领域是易于形成层的填料3。“形成层”是指在容器1内构成下填料层45，在该填料层上沉积的是密度较低的另一填料层47。这种测量情况在图5中示出。对此，典型的例子是在液态填料层上构成的泡沫层。此外，存在大量如下的应用， 在这些应用中，填料3含有不同密度的两种介质。在这里，上填料层47中的、比重较低的那种介质沉积在比重较高的介质上。这样构成两个彼此完全分离的层。两个填料层45、47之间的边界被称为分离层。分离层例如出现在石油化学中，其中这些分离层例如通过水和碳氢化合物(例如油)形成。另一个例子是食品工业，其中分离层例如在油脂分离器内构成。在此，充分利用如下物理事实，S卩，材料的传输特性和反射特性的频率依赖性取决于其密度。这种依赖性导致具有较低密度的上填料层47针对低频微波信号Sn的反射系数明显低于同一填料层45针对高频微波信号Sm的反射系数。相应地，大部分低频微波信号Sn穿过上填料层47然后才在处于其下面的填料层45的表面上反射。与此相应，仅有非常小部分的高频微波信号Sm穿过上填料层47，该非常小部分的高频微波信号Sm然后在处于其下面的填料层45的表面上反射。高频微波信号Sm的主要部分在上填料层47的表面上就已经反射。 图6示出在图5所示的测量情况中利用高频微波信号Sm推导出的回波函数 A(Afm)的例子。该回波函数具有明显的、源于上填料层47表面上的反射的第一最大值Ml 和随后的、源于下填料层45上的反射的、弱得多的第二最大值M2。图7示出在图5所示的测量情况中利用低频微波信号Sn推导出的回波函数 A(Afn)的例子。该回波函数具有很弱的、源于上填料层47上的反射的第一最大值Μ和随后的、源于下填料层45上的反射的、具有明显更大振幅Amax(AfN2)的第二最大值N2。根据两个填料层45、47的材料和密度，在极端情况下甚至可能是如下情况两个回波函数A ( Δ fm)、A ( Δ fn)各自较弱的最大值M2、Nl甚至根本不能再被识别。依据本发明，优选的是，分别测定两个回波函数的绝对最大值Amax(AfM1)、 Afflax ( Δ fN2)并且确定所属的频差Δ ·Μ1、AfN2。如果容器1内仅存在另外的均质填料3的一个填料表面，无论是低频还是高频微波信号SM、Sn均在该填料表面上反射，那么两个回波函数A ( Δ fm)、A ( Δ fn)绝对最大值的频差除了通过两个不同倍增因数m、η的比例给出的系数之外都一致。在这种情况下存在图1、3和4所示的测量情况，并且该填料3的料位优选结合具有较大振幅(在这里是Amax(AfM))的那个最大值的频差AfM、AfN来确定。如果两个回波函数A(Afm)、A( Afn)绝对最大值Μ1、Ν2的频差AfM1、AfN2不是除了通过两个不同倍增因数m、η的比例给出的系数之外都一致，那么在容器1内存在图5所示的情况。因此，利用高频微波信号Sm接收的回波函数A(Afm)的绝对最大值Ml相应于在上填料层47上的反射，而利用低频微波信号3,接收的回波函数Α( △ fn)的绝对最大值相应于在下填料层45上的反射。在这种情况下，结合利用高频微波信号Sm接收的回波函数A(Afm)最大值Ml的频差Δ fM1来确定上填料层47表面的位置。如果微波在上填料层47内的传播速度已知，那么附加地结合利用低频微波信号3,接收的回波函数A(Afn)绝对最大值N2的频差AfN2和上填料层47表面的先前测定的位置来确定下填料层45表面的位置。如果含有两种介质的填料3处于容器1内的话，该传播速度一般已知。在这里，使用者知道哪种介质形成上填料层 47并且可以事先测量或者查阅所属的传播速度。如果微波在上填料层47内的传播速度未知，那么可以结合利用低频微波信号Sn 接收的回波函数A(Afn)绝对最大值Ν2的频差Δ fN2和上填料层47表面的先前测定的位置来确定针对下填料层45表面位置的近似值，方法是针对未知的传播速度使用估计值。因此，在形成泡沫的情况下，下填料层45表面的位置能够以如下假设来确定，即，微波在上填料层47内的传播速度近似等于空气中已知的传播速度。在直到现在所介绍的应用中，天线15分别直接作为发射器和接收器来使用。但是，天线15当然也可以作为透镜天线或者反射镜天线的组成部分来使用。在第一种情况下，在天线15的附近区域内，将透镜49置入光路内。这一点在图8 中示出。透镜49例如可以用于通过使入射到其上的微波信号SM、SN相应地取决于频率地成束(BUndelimg)来调整如下张角，即以所述张角来发射相应的微波信号SM、SN。通过天线15 发射微波信号SM、Sn所成的张角取决于频率。该张角越大，天线15的口径与微波的波长的比例越小。代替单个的透镜49，在这里当然也可以使用由多个透镜组合而成的、更为复杂的透镜系统。 通过相应的透镜选择，例如可以实现的是，使单个张角彼此相称，从而将两个微波信号SM、Sn以相同的张角发射到容器1内。在第二种情况下，在天线15的光路内置入反射镜51，该反射镜将由对准反射镜51 的天线15发射的微波信号SM、Sn对准或转向所希望的方向，并将其回波信号Em、En反射回到天线15。这种情况在图9中示出。附图标记列表1 容器3 填料5 收发装置7 信号处理装置9 微波发生器11 FMCW斜波发生器13 滤波器15 天线17 倍频器19 倍频器21 收发转接器23 混频器25 滤波器27 门电路29 空心导线接线端31 同轴导线接线端33 喇口Λ35 空心导线段37 空心导线段39 过渡元件41 耦合器43 同轴导线45 上填料层47 下填料层49 透镜51 反射镜
权利要求
1.利用微波按照渡越时间原理工作的料位测量仪，用于测量容器(1)内填料(3)的料位，所述料位测量仪具有-收发装置(5)，一用于产生高频微波信号(Sm)和具有明显更低频率(fn)的低频微波信号( , 一用于同时或者相继地将这些微波信号(、、、)朝向所述填料C3)地发射到所述容器 (1)内，以及ν用于接收所述微波信号(、、Sn)在所述容器(1)内反射回到所述收发装置(5)的回波信号(Em> En)，一所述收发装置具有唯一的天线(15)，—所述天线具有内部呈漏斗形的喇叭(33)和两个相互连接的且与所述喇叭(33)相接的空心导线段(35、37)，—所述天线具有同轴导线接线端(31)，所述同轴导线接线端连接在与所述喇叭(33) 直接相邻的空心导线段(35)上，通过所述同轴导线接线端向所述天线(15)供给所述低频微波信号(Sn)，并且通过所述同轴导线接线端来接收所属的低频回波信号ΦΝ)，以及-所述天线具有空心导线接线端09)，所述空心导线接线端与两个所述空心导线段中的布置在与所述喇叭(33)相邻的空心导线段(35)的远离所述喇叭(33)的侧上的那个空心导线段(37)连接，并且通过所述空心导线接线端向所述天线(15)供给所述高频微波信号(Sm)，并且通过所述空心导线接线端来接收所属的高频回波信号(Em)。
2.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，-设有所述同轴导线接线端(31)的空心导线段(35)具有与所述低频微波信号(Sn)内所包含的频率(fn)相适应的直径，以及-设有所述空心导线接线端09)的空心导线段(37)具有与所述高频微波信号(Sm)内所包含的频率(fm)相适应的直径。
3.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，-所述同轴导线接线端(32)具有伸入到所述空心导线段(35)内的耦合器01)， -所述耦合器Gl)与在所述两个空心导线段(35、37)之间的过渡部之间沿所述两个空心导线段(35、37)的共同纵轴线的间距处于所述低频微波信号(Sn)在其中频情况下的基谐模的波长的四分之一的数量级上，以及-所述耦合器Gl)的长度处于自由空间内所述低频微波信号(Sn)在其中频情况下的基谐模的波长的四分之一的数量级上。
4.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，在所述两个空心导线段(35、37)之间布置有过渡元件(39)。
5.按权利要求4所述的料位测量仪，其中，所述过渡元件(39)具有一直径，在所述直径的情况下，所述过渡元件(39)针对所述高频微波信号(Sm)的特性阻抗等于所述两个空心导线段(35、37)针对所述高频微波信号(Sm) 的基谐模的特性阻抗的乘积的平方根。
6.按权利要求4所述的料位测量仪，其中，所述过渡元件(39)的长度处于所述高频微波信号(Sm)在其中频情况下的基谐模的波长的四分之一的数量级上。
7.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，所述同轴导线接线端(32)具有伸入到所述空心导线段(35)内的耦合器(41)，所述耦合器垂直于所述高频微波信号(Sm)的基谐模的极化地分布。
8.按权利要求4所述的料位测量仪，其中，所述过渡元件(39)构成为穿通引导部，尤其构成为玻璃穿通引导部。
9.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，设有所述空心导线接线端09)的空心导线段(37)的截止频率大于所述低频微波信号 (Sn)内所包含的频率(fn)。
10.按权利要求1所述的料位测量仪，所述料位测量仪-具有唯一的微波发生器(9)，所述微波发生器产生输出信号(S)，在连接在所述微波发生器(9)之后的单独的电路模块(M、N)内由所述输出信号生成所述两个微波信号(、、 Sn)，并且将所述两个微波信号输送给所述天线(1 ，以及-具有唯一的信号处理装置(7)，一基于所述高频回波信号(Em)推导出的第一测量信号(Mm)和基于所述低频回波信号 (En)推导出的第二测量信号(Mn)被分开地输送给所述信号处理装置，以及一所述信号处理装置基于所述两个测量信号(Mm、Mn)来确定所述料位。
11.按权利要求10所述的料位测量仪，其中，-每个电路模块(M、N)都具有倍频器(17、19)、收发转接器和混频器03)，-每个倍频器(17、19)都与所述微波发生器(9)连接，并且都用于通过将频率乘以倍增因数(m、n)而由所述微波发生器(9)的输出信号⑶生成各自的微波信号(SMjN)，其中所述倍增因数为整数且是特定于模块的，-每个倍频器(17、19)都经由所述收发转接器与所述天线(15)连接并且与其并行地与各自的所述混频器的第一输入端连接，-所述天线(1 经由各自的所述收发转接器与各自的所述混频器的第二输入端连接，以及-在每个所述混频器(2 之后都连接有滤波器(25)，所述滤波器用于从通过将存在于各自的混频器的第一输入端上的微波信号(、、、)和存在于各自的混频器的第二输入端上的回波信号ΦΜ、En)混合而产生的混频信号(Hm、Hn)中滤出测量信号(Mm、Mn)， 所述测量信号的频率(Δ ；、Afn)相应于各自的所述微波信号(SM、Sn)和所属的所述回波信号ΦΜ、&)的频率的差。
12.按权利要求1所述的料位测量仪，其中，在所述天线(15)的光路内置入至少一个透镜G9)或者至少一个反射镜(51)。
13.用于利用按权利要求1至12之一所述的料位测量仪来测量容器(1)内的均质填料 (3)的方法，其中，-基于所述高频回波信号和所述低频回波信号(Em、En)推导出各一个回波函数 (A(Afm)、A(Afn)),所述回波函数作为取决于所属信号渡越时间⑴的变量的函数给出各自的回波振幅(A)，-针对每个回波函数(A(Afm)、A(Afn)),确定各自的回波函数(A(Afm)^A(Afn))源于在填料表面上的反射的最大值，-基于两个所述最大值的位置来检验两个所述最大值是否源于在同一填料表面上的反射，以及-如果两个所述最大值是源于在同一填料表面上的反射，那么基于具有较大振幅 (Afflax ( Δ fM))的那个回波函数(A(Afm))的所述最大值的位置来确定所述料位。
14.用于利用按权利要求1至12之一所述的料位测量仪来测量容器(1)内易于形成层的填料(3)的料位的方法，其中，-基于所述高频回波信号和所述低频回波信号(Em、En)推导出各一个回波函数 (A(Afm)^A(Afn)),所述回波函数作为取决于所属信号渡越时间的变量的函数给出各自的回波振幅，-确定每个回波函数(A(Afm)、A(Afn))源于在填料表面上的反射的绝对最大值(Μ。N2),-基于两个所述绝对最大值(MpN2)的位置来确定它们是否源于两个所述微波信号 (SM,Sn)在所述容器(1)内的一个并且是同一填料表面上的反射，或者利用所述高频微波信号( 推导出的所述回波函数(A(Afm))的所述绝对最大值(M1)是否源于在具有较小密度的上填料层G7)的填料表面上的反射，以及利用所述低频微波信号(Sn)推导出的所述回波函数(A(Afn))的所述绝对最大值汎)是否源于在具有较大密度的下填料层G5)的填料表面上的反射。
15.按权利要求14所述的方法，其中，-如果基于两个所述绝对最大值的位置确定了两个所述绝对最大值是源于两个所述微波信号(、、SN)在所述容器(1)内的一个并且是同一个填料表面上的反射，那么基于具有较大振幅(Amax(Δ ))的所述最大值的位置来确定所述料位，-如果确定了利用所述高频微波信号(Sm)推导出的所述回波函数(A(Afm))的所述绝对最大值(M1)是源于在所述上填料层G7)的填料表面上的反射，那么基于利用所述高频微波信号(Sm)推导出的所述回波函数(A(Afm))的所述绝对最大值(M1)的位置来确定所述上填料层G7)的所述填料表面的位置。
全文摘要
本发明描述的是一种利用微波按照渡越时间原理工作的料位测量仪，用于测量容器(1)内填料(3)的料位，利用该料位测量仪，可以借助唯一的天线(15)在两种明显不同的频率(fm、fn)下实施测量，该料位测量仪具有收发装置(5)，用于产生高频微波信号(SM)和具有明显更低频率(fn)的低频微波信号(SN)，用于同时或者相继地将该微波信号(SM、SN)朝向填料(3)地发射到容器(1)内，以及用于接收微波信号(SM、SN)在容器(1)内反射回到收发装置(5)的回波信号(EM、EN)，该收发装置具有唯一的天线(15)，该天线具有内部呈漏斗形的喇叭(33)和两个相互连接的与喇叭(33)连接的空心导线段(35、37)，该天线具有同轴导线接线端(31)，该同轴导线接线端连接在与喇叭(33)直接相邻的空心导线段(35)上，通过该同轴导线接线端向天线(15)供给低频微波信号(SN)，并且通过该同轴导线接线端来接收所属的低频回波信号(EN)，以及该天线具有空心导线接线端(29)，该空心导线接线端与两个空心导线段(37)中的布置在与喇叭(33)相邻的空心导线段(35)的远离喇叭(33)的侧上的那个空心导线段连接，并且通过该空心导线接线端向天线(15)供给高频微波信号(SM)，并且通过该空心导线接线端来接收所属的高频回波信号(EM)。
文档编号H01Q13/00GK102159924SQ200980137182
公开日2011年8月17日 申请日期2009年8月19日 优先权日2008年9月23日
发明者温弗里德·迈尔 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司