用于填充物位测量装置的天线组件的制作方法

本发明涉及用于确定容器中的填充材料或松散材料的填充物位的填充物位测量装置和方法。特别地，本发明涉及用于借助电磁信号来检测填充材料或松散材料的三维表面拓扑的天线组件和测量装置、用于确定填充材料或松散材料的填充物位、体积或质量的相应计算方法、程序元件以及计算机可读介质。

背景技术：

拓扑检测用填充物位测量装置可用于确定容器中的填充材料或松散材料的填充物位，这些装置借助电磁信号对填充材料表面或松散材料表面进行采样，并且还可以利用从采样结果推导出的与填充材料或松散材料的三维表面拓扑相关的信息，以便在假设填充材料下方的表面积为已知的时确定填充材料的体积，或者在密度为已知的时确立质量或可以从质量推导出其它变量。

这种类型的填充物位测量装置包括通过天线支架连接到控制和评估单元的天线组件。天线组件具有多个发射元件和接收元件，在下文中将这些元件统称为“元件”。由发射元件发射的电磁测量信号被填充材料表面反射，并被接收元件获取。在这种情况下，填充物位测量装置被设计成使得能够从各种角度范围来获取反射的测量信号。

例如，当天线组件是平面天线组件时，用于填充物位测量装置的天线组件的一种构造可以具有大约20×20个元件。如果这些元件被设计成使得它们均可以被单独地驱动和读取，则需要高度复杂的硬件和相当复杂的软件。例如，通过单独地驱动和评估例如平面的、二维的天线阵列的元件，能够基于被填充材料表面或松散材料表面反射的测量信号来确定三维表面拓扑，而无需机械地调整天线组件。

技术实现要素：

本发明的目的在于降低填充材料表面的拓扑检测的复杂性。

该目的是通过独立权利要求的主题来实现的。可以在从属权利要求以及以下说明中发现本发明的其它实施例。

为了提高可读性，下面的文本涉及容器中的填充材料的情况。然而，不言而喻，本发明和相关的使用示例也可以涉及松散材料。类似地，填充材料或松散材料并不一定位于容器中。例如，本发明还涉及传送带上的松散材料。在这种情况下，具有天线组件的填充物位测量装置可以安装在传送带上方的某个点处。此外，根据本发明的测量装置可以用于确定移动液体的表面轮廓。

此外，下文中使用的术语“元件”是指天线组件的发射元件和/或接收元件。

本发明的一个方面提出了一种用于物位雷达的天线组件，该物位雷达通过借助电磁信号对表面进行采样来检测填充材料表面的拓扑。根据该方面，天线组件包括被设计成用于发射和/或接收电磁测量信号的多个元件。在这种情况下，相邻元件之间的距离为不等距。

例如，两个相邻元件之间的最小距离可小于或等于所使用的电磁测量信号的波长的一半。

应当理解，借助电磁测量信号对表面的采样是指：通过天线组件的至少一个发射元件发射电磁信号，随后通过接收元件记录被填充材料表面反射的电磁测量信号，并接着通过填充物位测量装置的评估单元评估所获得的测量信号。在这种情况下，天线组件被设计成使得能够借助电磁信号来检测填充材料的整个表面。如果元件以各种角度范围发射测量信号并接收以各种角度范围被反射的测量信号，则可以实现该设计。也可以将天线组件本身安装到天线支架，该天线支架使天线组件能够在填充材料表面上方旋转或平移。

根据本发明的一个实施例，天线组件的以不等距方式布置的元件可以形成一维线性阵列。

根据本发明的另一个实施例，元件布置在二维平面上。二维平面可被划分成多个虚拟行和与虚拟行正交的多个列，相邻的行或相邻的列彼此等距。根据本发明的一个实施例，元件定位在二维托架表面上，使得每个行具有不同数量元件。因此，行内的相邻元件之间的距离不再等距。也可以使一个行和/或一个列中的相邻元件之间的距离为不等距。

根据本发明的另一个实施例，元件布置在二维平面中，使得每个列中的元件的数量不同。相比于在一个行或一个列内的相邻元件之间具有相同间距的传统二维平面天线阵列，本发明可以获得具有以更稀疏方式布置的元件的天线阵列。

根据本发明的另一个实施例，用于发射和接收元件的平面托架元件是旋转对称的。在这种情况下，二维平面可以被划分成多个虚拟带，这些带在平面中具有与旋转对称表面的质心相同的共同质心。这些带布置成使得当一个带围绕共同质心旋转时，该带在平面上映射到另一个带上。在这种情况下，每个带可以具有不同数量的元件。

天线组件的以不等距方式布置的相邻元件之间的距离例如可以对应于电磁传输信号的波长的一半的整数倍。例如，传输信号可以具有79ghz的频率。该频率对应于空气中的约3.8mm的波长。

本发明的另一方面涉及一种包括如上所述和/或如下所述的天线组件的填充物位测量装置。

本发明的另一方面涉及一种用于如上所述和/或如下所述的填充物位测量装置的评估方法。根据该方法，将天线组件的元件划分为由第一元件组成的第一子组和至少一个由第二元件组成的第二子组。在这种情况下，第一组中的元件彼此之间具有第一恒定距离，且第二组中的元件彼此之间具有第二恒定距离。在发射电磁测量信号之后，第一组中的元件和第二组中的元件接收被填充材料表面反射的测量信号。填充物位测量装置的评估单元被设计成使得首先评估由第一组元件检测的回波曲线。为此目的，设定特定的目标角度，以便在该目标角度下对所检测的测量信号进行评估。例如，将数字波束成形方法用于该评估。随后，在相同的目标角度下评估由第二子组元件检测的测量信号。在第二步骤中，评估单元建立包络函数，该包络函数包络在设定的目标角度下形成的回波曲线的最小值。使用所得到的包络函数的最大值(highestmaximum)来确定天线和填充材料表面的拓扑点之间的距离。以此方式，将由目标角度以及与天线单元的距离表征的一个拓扑点指定到填充材料表面上的每个表面点。

可以改变目标角度，使得能够测量填充材料的整个表面。因此，获得了拓扑点的网络，其中，每个拓扑点均由目标角度以及天线组件和填充材料上的对应表面点之间的相关距离组成，而且该网络表征了三维填充材料表面。基于已知的容器底部表面积，例如可以通过数值积分来确定填充材料的体积。如果填充材料的密度是已知的，则也可以确定例如容器中的填充材料的质量。

根据本发明的另一实施例，所述方法包括以下步骤。

首先，借助填充物位测量装置的天线单元的元件或借助天线单元的以不等距离方式布置的多个元件向填充材料表面发射电磁测量信号。在这种情况下，例如，相邻元件之间的最小距离对应于电磁测量信号在空气中的波长的一半。然而，相邻元件之间的最小距离也可以略大于或略小于测量信号在空气中的波长的一半。

通过天线组件的以不等距方式布置的多个元件接收并记录被填充材料的表面反射的测量信号。

发射测量信号，并随后以对应方式记录该测量信号，直到整个填充材料表面或填充材料表面的相关区域已被采样。

为此目的，在发射并接收下一个信号之前，可以对天线组件进行机械调整。这种情况即为例如如下天线的情况，在该天线中，元件一维地且线性地布置，并且主辐射方向可以仅沿一个轴线以电子的方式进行变化。借助这种类型的电子控制，可以对填充材料表面的特定区域(例如窄带)进行采样。然而，在这种情况下，例如，不能检测填充材料表面的沿着以与可被采样的窄带正交的方式布置在填充材料表面中的轴线延伸的区域。通过机械地调整天线组件，即，例如通过旋转或倾斜，可以使一维线性天线组件的主辐射方向逐渐地变化，使得一旦执行了特定数量的步骤，就可以通过天线测量信号来检测整个三维表面拓扑。

当使用具有发射元件和接收元件的二维阵列的天线时，可以不需要以上述方式机械地调整天线组件。

在用于确定填充材料表面的三维表面拓扑的方法的后续步骤中，借助填充物位测量装置的评估单元来评估所接收的回波曲线。在这种情况下，可以使用最小求和法。在该方法中，首先评估由天线组件的接收元件的第一子组在特定目标角度下获得的回波曲线，接收元件的第一子组的特征在于它们彼此之间具有恒定距离。以相同方式来评估由彼此等距的元件的第二子组接收的回波曲线。通过形成包络在固定目标角度下建立的回波曲线的最小值的包络函数，可以建立最终的回波曲线，基于该回波曲线，可以将填充材料和天线之间的距离指定到每个目标角度。因此，获得了用于表征表面点的拓扑点。

然后，连续地使目标角度变化，直到整个填充材料表面被由拓扑点的指示(indication)表征的独立网络覆盖，其中，为确定相应的拓扑点，在这些目标角度下评估回波曲线。

填充物位测量装置的评估单元的接口可被提供已建立的拓扑点。

根据本发明的另一方面，提供了一种程序元件，该程序元件当被在填充物位测量装置的处理器上执行时指示填充物位测量装置进行如上所述和/或如下所述的步骤：在第一步骤中，借助填充物位测量装置的天线单元的一个或多个发射元件向填充材料表面发射电磁测量信号。在随后的步骤中，通过天线组件的以不等距方式布置的多个元件来接收被填充材料的表面反射的测量信号。在下一步骤中，通过评估单元对所接收的信号进行评估。在这个步骤中，将由目标角度以及表面点和天线之间的间距表征的拓扑点指定到表面上的每个点。通过改变目标角度，可以建立拓扑点网络，该网络以足够精确的方式覆盖填充材料的表面。评估单元可以将已建立的拓扑点提供给接口，以供进一步计算。

本发明的另一方面涉及一种计算机可读介质，在该计算机可读介质上存储有上述程序元件。

在下文中，将参照附图来详细地说明本发明的实施例。

附图说明

图1示出了容器中的位于填充材料表面上方的填充物位测量装置的示例。

图2a示出了具有一维地且线性地布置的天线元件的天线的示例。

图2b示出了具有以等距离的方式布置的天线元件的二维天线阵列。

图3a示出了根据本发明的实施例的天线组件的示例，其中，天线元件以不等距的方式布置。

图3b示出了根据本发明的实施例的天线组件的另一示例，其中，相邻元件之间的距离具有多于两个的不同值。

图4示出了根据本发明的实施例的天线组件的另一示例，其中，元件一维地且线性地布置，元件被划分为两个不同的组，一个组中的元件之间的距离是恒定的，且另一组中的元件之间的距离大于所述一个组中的元件之间的距离。

图5是通过借助电磁测量信号对表面进行采样来确定填充材料表面的表面拓扑的评估方法的流程图。

图6示出了根据本发明的实施例的填充物位测量装置，该填充物位测量装置包括天线组件和相关的评估单元。

图7a、7b示出了根据实施例的天线组件的两种不同的操作状态，其中，元件以一维的方式布置在天线上。

图8示出了根据本发明的实施例的以不能旋转的方式安装的天线组件的示例，其中，元件布置在径向对称的托架上。

图9示出了根据本发明的实施例的天线组件的示例，其中，元件布置在平面矩形托架上，且彼此之间均具有不同的间距。

图10示出了被填充材料表面反射的测量信号的回波曲线的示例，其中，这些回波曲线是由接收元件检测的。

附图仅仅为示意性的，且不是按比例绘制。相同的附图标记表示相同或相似的部分。

具体实施方式

图1示出在填充材料表面104上方布置的填充物位测量装置105的示例。填充材料位于容器106中，并且在容器内具有总体积107。典型地(但非必须地)，容器的位于填充材料下方的表面是平坦的。填充物位测量装置105包括天线109，天线109通过天线支架108连接到填充物位测量装置的控制和评估单元111。例如，天线109可以以能够旋转的方式安装。例如，可以通过旋转110来机械地调整天线的主辐射方向。布置在天线109上且用于发射测量信号的天线元件和用于接收被填充材料表面反射的测量信号的接收元件可以分别以各种角度范围101、102、103来发射测量信号或以这些各种角度范围来接收测量信号。

根据天线的设计，天线具有特定的主辐射方向，该特定的主辐射方向最初仅允许对填充材料表面的特定区域进行采样。通过机械调整这种类型的天线的主辐射方向，最终可以对整个填充材料表面进行采样。例如，这对于具有一维地且线性地布置的接收元件和发射元件的天线来说是必要的。

图2a示出了这种类型的具有一维地且线性地布置的元件的布置结构的示例。在抛物线槽201中布置有用于发射和/或接收电磁测量信号的元件202。元件202具有恒定的间距d0。如在图2a中，抛物线槽中的布置结构能够在x方向上聚焦测量信号。通过使用适当的数字波束成形方法相应地评估由元件202接收的测量信号，可以在y方向上聚焦测量信号。因此，当天线以恒定方式定向时，可以对填充材料表面的特定区域进行采样。为了通过利用根据图2a的天线组件来获得三维表面拓扑，例如可以通过机械调整(即通过例如旋转)来改变天线，从而绘制填充材料表面的不同的、连续的区域。天线支架围绕例如由天线支架预先确定的轴线旋转固定角度，且随后发射和接收测量信号，这个过程意味着一旦天线支架总共旋转了例如约360°，就可以对填充材料的整个表面进行采样。

图2b示出了天线组件的示例，其中，不需要为了对整个填充材料表面进行采样而机械地调整天线。天线元件202布置在平面托架203上。相邻元件202在x方向上且在y方向上相对彼此具有恒定的距离d0。平面托架203可被划分为虚拟行204和虚拟列205，这些行和列彼此正交地布置，并且相邻的行或相邻的列彼此等距。因此，通过界定行位置和列位置可以唯一地识别元件202在平面托架203上的位置。为了能够获得填充材料表面的三维表面拓扑，可以各别地驱动和读取每个元件202。

例如，这种类型的二维天线阵列的一种构造可以具有20个辐射元件×20个接收元件。当测量信号频率为79ghz时，空气中的相应波长约为3.8mm，并且因此，平面天线组件在x方向和y方向上的大小为大约4cm的量级。

这种类型的二维天线阵列的硬件复杂度非常高，在这种硬件中，需要单独地驱动和读取大约400个元件202中的每者。在评估由元件202接收的测量信号时需要的软件也非常复杂，因为来自每个独立元件202的信号必须被首先评估，并然后利用来自其余元件的其余信号进行计算。

本发明的目的在于通过天线组件来减少在检测三维表面拓扑时所涉及的硬件复杂性和软件复杂性。

图3a示出了用于在进行物位测量时确定拓扑的另一天线组件。天线组件301包括布置有元件202的抛物线槽，在元件的一维线性定向上，相邻元件彼此之间可具有最小距离d0302或较大的距离d1303。

图3b示出了天线组件306的另一实施例，该实施例再次示出抛物线槽，其中，天线元件202彼此之间可以具有多个不同的间距d0302、d2304、d3305。

图3b中的不同间距的数量是作为示例给出的。特别地，本发明不限于所示的不同间距的数量。

相比于图2a中的天线，图3a和图3b示出了以更稀疏的方式来布置元件202的实施例。这可以减少硬件的复杂性，且随后降低对接收到的测量信号的评估的复杂性。

图4示出了天线组件401的另一实施例。再次地，天线元件202在抛物线槽中布置成一维线性布置结构。在该附图中，将这些元件划分为第一子组m1402和第二子组m2403。在不同情况下，第一子组m1402中的元件相对彼此具有恒定的间距d0302。第二子组m2中的元件相对彼此具有恒定的间距d1303，该间距d1大于第一子组中的元件之间的恒定间距d0。

图4描绘了一个特定元件仅属于一个特定子组(例如，m1)的情况。然而，一般而言，元件可以属于多个子组。

图5中的流程图示出了用于通过例如如图4所示的天线组件来评估测量信号的方法。

该方法开始于步骤501，在步骤501中，记录被填充材料表面反射的测量信号。将由元件202记录的测量信号读入评估单元(步骤502)。在下一步骤中，即，在步骤503中，设定目标角度首先在该目标角度下评估所记录的回波曲线。为此，在子步骤504中，首先评估属于子组m1404的各个元件202的回波曲线。使用数字波束成形方法来进行评估。这些方法包括fft、相移以及求和。在下一子步骤中，即，在步骤505中，以同样的方式来计算由属于第二子组m2(403)的元件记录的回波曲线。如果天线组件的元件被划分为多于两个的子组，则可以针对由剩余子组中的元件记录记录的信号重复该过程。

在图5的评估方法的步骤506中，形成包络，该包络包络或对应于第一子组的回波曲线和第二子组的回波曲线的最小值。使用已知方法，根据最终的回波曲线ec可以计算出至填充材料的距离(步骤507)。因此，可将由设定的目标角度(方位角θ和/或仰角)以及天线与填充材料之间的距离组成的拓扑点指定到填充材料表面上的点。在步骤508中，在评估单元的存储器中存储该拓扑点。

在评估方法的下一步骤中，即在步骤509中，询问是否已处理所有的预先定义的目标角度。若为否，则在步骤510中，定义下一个目标角度，并且根据步骤504到508，针对新的目标角度进行回波曲线评估。

如果在步骤509中确定所有目标角已被处理，则方法在步骤511中结束，从而建立用于表征三维填充材料表面的拓扑点网络，以用于进一步评估。此时，例如可以确定容器中的填充材料的体积。如果填充材料的密度已知，也可以确定从其推导出的变量，例如填充材料的质量等。

图6示出了包括天线601的填充物位测量装置的示例，天线601可以根据上述示例中的任一者来进行设计。天线601通过天线支架108连接到填充物位测量装置605的控制和评估单元602(例如微处理器、dsp、fpga或pc)。填充物位测量装置包括高频单元604，高频单元604将由接收元件记录的高频测量信号转换至低频范围。随后，现在已成为低频信号的该信号在模拟数字单元603中被数字化，并接着被提供给评估单元602。评估单元602通过例如图5所示的评估方法来评估以这种方式提供的信号。然后，将来自该评估的输出变量提供给接口606，该接口例如是4...20ma接口、hart接口、profibus接口、以太网接口、蓝牙接口、wlan接口、wifi接口或usb接口。

图7a和7b示出了根据本发明的一个实施例的天线组件的两种操作状态。图7a和7b均为位于填充材料表面104上方的天线组件的平面图。根据示例天线设计，示出了天线401，其中，在天线401中一维地且线性地布置有元件202，且天线401例如为图6所示的测量装置605的一部分。

元件202以不等距方式布置在天线401上。图7a示出了第一操作状态：在时刻t＝t0处，天线在空间中具有相对于固定方向的固定角度θ0701，该固定方向为图7a中的x轴。在这种构造中，通过天线组件的元件来发射和记录相应的测量信号。如图7b所示，在稍后的时刻t＝t1处，天线组件能够具有相对于固定轴(x轴)的第二角度θ1702，这里，角θ1大于角θ0。通过以相应的方式逐渐改变角度，可以扫描整个填充材料表面104。

图8示出了以不能旋转的方式安装的天线组件的示例。天线元件202定位在旋转对称的平面托架801上。旋转对称表面可被划分为虚拟带802。这些带的质心与旋转对称表面的质心一致。通过围绕一个带的质心来旋转该带，可以将该带映射到另一虚拟带上。在每个虚拟带802中，存在多个元件202，各元件彼此之间不具有恒定间距。最小间距d0302可以对应于所使用的测量信号在空气中的波长的一半。其它的间距d1303大于最小间距d0。图8作为示例示出的以不能旋转的方式安装的天线的特征在于，每个列802包括彼此之间具有不同间距的元件。

图9示出了天线组件的另一实施例。该图示出了平面托架901，平面托架901被划分为彼此之间具有恒定间距的多个虚拟行204，以及彼此之间同样具有恒定间距的多个虚拟列205。根据本发明的一个实施例，每个行204可以包括不同数量的元件202，并且/或者可以包括在相邻元件之间具有不同距离的元件202。在这种情况下，一个行内的相邻元件之间的最小间距被指定为d0302，并且也可以为任何其它数量的间距。例如，图9示出了间距d1303、d2304和d3305。

根据本发明的一个实施例，距离d1、d2、d3可以对应于电磁测量信号的波长的一半的整数倍。

通常，“波长”是当空气为介质时的波长。然而，也可以将天线组件放置在不同的介质中，例如液体。在这种情况下，波长可以是相应介质中的波长。

根据另一实施例，图9中的列205和行204中的元件202的数量部分地不同。

因此，图9示出了平面托架901上的稀疏天线阵列902，相比于元件彼此之间具有恒定间距的相应阵列，在该稀疏天线阵列中，在借助电磁信号进行采样以检测三维表面拓扑时所涉及的硬件和软件能够具有更低的复杂性。

图10a到10c示出了根据图5中的顺序计算的回波曲线ea、eb和ec的示例。

图10a示出了作为以米为单位的距离的函数的回波曲线ea的信号电平1001。除了源处的最大值外，例如在距离源五米处也可看到另一局部最大值。例如，借助数字波束成形，可以根据属于天线401的元件的第一子组m1402的元件202的测量曲线来计算这种回波曲线。例如，这些元件彼此之间精确地具有最小距离d0302，该最小距离可以对应于测量信号波长的一半。

图10b示出了作为以米为单位的函数的回波曲线eb的信号电平1002，借助数字波束成形，可以根据彼此之间具有距离d1>d0的第二子组m2403的元件的测量曲线来计算该回波曲线。在这种情况下，电平不仅在源和距离源五米处具有最大值，而且在这两个最大值之间也可以看到次最大值。在文献中，将如图10b所示的这种类型的次最大值称为“光栅波瓣(gratinglobes)”，并且该次最大值可以归因于以下事实：用于记录来自子组m2403的元件的测量信号的元件之间的间距大于所使用的电磁信号的波长的一半。

图10c示出了根据本发明的一个实施例的由图10a中的回波曲线ea和图10b中的回波曲线eb形成的组合1003。所得到的曲线精确地对应于图10a和10b中的两个回波曲线1001和1002的最小值的包络。该曲线由回波曲线1001的相关最小值和相同距离处的回波曲线1002的相关最小值产生。图10c中的所得到的回波曲线1003不具有任何如同在图10b中的曲线1002中出现的那些次最大值。在图10c的示例曲线中，能够根据大约五米的距离处的最大值来最终确定填充材料表面上的点与天线之间的距离，相比于图10a的曲线1001中的该距离处的最大值，图10c的示例曲线中的最大值被更加明确地界定。

因此，该方法可以准确地检测填充材料表面的拓扑点，而无需多个等距天线元件。如图10c所示，通过形成包络函数1003，能够获得与在特别地使用具有以相等间距d0布置的天线元件的天线时获得的距离信息相同的距离信息。

此外，应该指出的是，术语“包括”和“具有”不排除任何其它元件或步骤，并且“一”或“一个”不排除多个。应当进一步指出，参考上述实施例之一描述的特征和步骤也可以与其它上述实施例的其它特征或步骤组合地使用。权利要求中的附图标记不应被认为具有限制性。