专利名称：填充水平传感器的回声形状评估的制作方法
技术领域：
本发明涉及填充水平测量。具体而言，本发明涉及一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备、一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法、 一种程序单元和一种计算机可读介质。
背景技术：
为了连续确定例如包含液体或者体材料(bulk material)的容器中的填充水平， 常常使用如下传感器，这些传感器根据传送时间方法来测量电磁波或者声波从传感器到填充材料表面以及返回的传送时间。如果已知传感器相对于容器底部而言的安装位置，则可以根据传感器与填充材料表面之间的距离来直接地计算所求填充高度，该距离借助波传播速度根据信号传送时间来确定。通常借助机电声音变换器主要在IOKHz到IOOKHz的区域中由所谓的超声填充水平传感器以短脉冲的形式生成和发射声波。反射的声音脉冲由相同的声音变换器评估或者由设计成仅用于接收的第二声音变换器接收，并且所述声音脉冲参照发送时间点的传送时间来评估所述声音脉冲。可以在约O. 5GHz与IOOGHz之间这一频率范围中的电磁波通常借助天线由传感器发射并且返回接收。这种传感器通常被称作雷达填充水平传感器。除此之外，已知沿着波导将波从传感器引导到填充材料并返回的设备。波从填充材料表面的反射是基于波在这一位置的传播阻抗的改变。这些设备也称为雷达填充水平传感器或者更常见地称为TDR(时域反射计)传感器。然而，常常难以明确地将填充材料反射与所有其它回声区分开。另外，填充材料的回声形状与对来自平坦均匀表面的反射进行成像常常并不相同。这在根据发现的填充材料表面回声来表述传感器与填充材料之间的明确距离并且据此表述容器中包含的产物数量的离散值时造成问题。这不那么适用于液体容器中的传送时间测量，而在体材料应用中几乎总是产生问题。然而从用户的观点来看，常常对真实填充体积的指示感兴趣。在某些情况下，对体材料的形貌的了解对于用户而言也是有用的。希望实现雷达读数的空间分辨率并且将这一分辨率提高至可以生成反射体(体材料表面或者填充材料表面)的三维图像的程度。
根据DE 102005011686A1已知一种基于雷达原理的用于测量容器中提供的介质的填充水平的方法，其中向多个不同区域发射测量信号并且在多个接收位置接收测量信号的反射成分。以这一方式关于数个空间方向上的限定分辨率单元来确定向填充材料的反射空间。因此所有分辨率单元一起提供介质表面的三维形貌的图像。根据DE 102005011778A1已知一种基于雷达原理的用于测量容器中提供的介质的填充水平的方法，其中以相位敏感方式评估测量信号的反射成分，其中雷达测量信号由各个天线生成以便确定各种空间方向。根据WO 2006/090394已知利用包括数个声音发送器或者声音接收器的阵列以生成填充材料表面的三维图像。用于确定填充材料表面的三维图像的此类方法常常需要与机械器件和/或电子器件有关的相对大的费用以便获得各种分辨率单元中的距离信息。天线的机械移动需要伺服电机、能量和维护。组天线的替代物需要与用于各种接收信号的相位敏感评估的信号处理有关的大量费用和时间。

发明内容
提供用于传送时间填充水平传感器的对填充材料表面的形貌的简化确定可能是希望的。表述了根据独立权利要求的特征所述的一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备；一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法；一种程序单元；以及一种计算机可读介质。在从属权利要求中阐述了本发明的示例实施例。所述示例实施例同样涉及填充水平测量设备、方法、程序单元和计算机可读介质。根据本发明的一个示例实施例，表述了一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备，该填充水平测量设备包括接收器，接收由填充材料表面反射的信号；以及计算单元，基于接收信号的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。换而言之，根据来自体材料的反射的形状，可以导出涉及填充材料表面形状的某些表述。出于这一目的，利用如下传送时间传感器生成的各个回声曲线是适当的，这些传感器包括简单组合的发送和接收天线。另外，包括各种分辨率单元中的更多精细读数的多个回声曲线对于这一点而言也是适合的。具体而言，可以根据各个回声信号曲线的形状来导出形貌信息。就涉及的反射体距离而言测量各个分辨率单元并非问题但是问题在于评估一个或者多个分辨率单元中的回声形状(就涉及到它们的形状而言)并且据此提取关于反射体表面的信息。然后根据提取的此信息，可以关于这时是存在装载圆锥、卸载漏斗还是近似平坦的填充材料表面进行表述。另外，可以根据回声形状来近似地确定填充材料中的装载圆锥的高度或者卸载漏斗的深度。利用已知的容器几何形状，对回声形状的评估也使得可以关于填充体积进行表述并且在填充材料密度已知的情况下也可以关于容器的内含物的质量进行表述。在液体填充材料的情况下，借助回声形状，也可以确定容器在这时的倾角。这对于移动容器或者在输送仓中的应用而言是令人关注的。以这一方式，即使容器倾斜仍然可以计算精确的填充水平，因为在填充水平计算中考虑倾角和容器几何形状。另外，借助对回声形状的评估/分析，可以识别本来会误传测量结果的不正确读数。这样的不正确读数可能例如在输送仓倾斜90°时出现。根据本发明的又一示例实施例，将填充水平测量设备设计为传送时间填充水平传感器。例如，它是超声填充水平传感器或者例如应用脉冲雷达方法的填充水平雷达。根据本发明的又一示例实施例，计算单元被设计成基于接收信号的回声曲线的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。根据本发明的又一示例实施例，填充水平测量设备是基于脉冲雷达方法来进行填充水平测量的填充水平雷达，其中计算单元被设计成基于接收信号的包络来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。根据本发明的又一示例实施例，填充水平测量设备是基于FMCW原理来进行填充水平测量的填充水平雷达，其中计算单元被设计成基于接收信号的幅度分布来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。根据本发明的又一示例实施例，计算单元被设计成基于各个回声曲线的填充材料反射中的回声带的长度来确定容器内的填充材料的装载圆锥的高度或者卸载漏斗的深度。根据本发明的又一示例实施例，计算单元被设计成在利用关于测量设备的附加信息之时确定与填充材料表面的形貌有关的信息。此附加信息可以例如包括关于容器、填充材料和传感器安装位置的细节。根据本发明的又一示例实施例，提供用于存储附加信息的存储器单元，其中此附加信息的至少一些由用户人工输入。根据本发明的又一示例实施例，计算单元被设计成基于在不同时间点接收、但是在其它方面对应的数个回声曲线来确定装载圆锥的高度或者卸载漏斗的深度。根据本发明的又一示例实施例，计算单元被设计成基于填充材料表面的数个回声曲线来确定与填充材料表面的形貌有关的信息，这些回声曲线在不同时间点接收、但是在其它方面对应，其中利用不同传感器参数来生成在每个情况下与回声曲线对应的传输信号。例如，不同传感器参数是发射的传输信号的频率和/或发射的传输信号的极化。回声形状在各种频率的改变使得可以进行关于填充材料表面的形貌的改进的表述。根据本发明的又一示例实施例，利用不同天线来生成与回声曲线对应的传输信号。以这一方式可以进一步增加用于呈现填充材料表面形貌的分辨率。根据本发明的又一示例实施例，表述一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法，在该方法中接收由填充材料表面反射的接收信号并且随后基于接收信号的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。根据本发明的又一示例实施例，表述一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的程序单元，其中当该程序单元在处理器上执行时指示处理器执行上述的处理步骤。根据本发明的又一示例实施例，表述一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的计算机可读介质，程序单元存储于该介质上，当该程序单元在处理器上执行时指示处理器执行上述的处理步骤。根据本发明的又一示例实施例，表述了一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备，该填充水平测量设备包括接收器，接收由填充材料表面反射的接收信号；以及计算单元，基于接收信号的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息； 其中，计算单元基于回声带的形状，确定是否存在填充材料的装载圆锥、卸载漏斗或者不规则表面。根据本发明的又一示例实施例，表述了一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备，该填充水平测量设备包括接收器，接收由填充材料表面反射的接收信号；以及计算单元，基于接收信号的单个包络曲线的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息；其中，填充水平测量设备是基于脉冲雷达方法和超声填充水平传感器来进行填充水平测量的填充水平雷达之一。根据本发明的又一示例实施例，表述了一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法，该方法包括以下步骤接收由填充材料表面反射的接收信号；基于接收信号的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息；其中，计算单元基于回声带的形状，确定是否存在填充材料的装载圆锥、卸载漏斗或者不规则表面。根据本发明的又一示例实施例，表述了一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法，该方法包括以下步骤接收由填充材料表面反射的接收信号；基于接收信号的单个包络曲线的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息；其中，填充水平测量设备是基于脉冲雷达方法和超声填充水平传感器来进行填充水平测量的填充水平雷达之一。下文参照附图描述本发明的示例实施例。


图I示出了利用根据本发明示例实施例的填充水平传感器的测量环境的示意图。图2示出了根据本发明示例实施例的传送时间填充水平传感器的主要设计。图3示出了根据本发明示例实施例的传送时间填充水平传感器的回声曲线。图4a、4b和4c示出了根据本发明示例实施例的脉冲雷达传感器的各种回声曲线。图5a、5b和5c不出了根据本发明不例实施例的在各种时间点的回声曲线。图6a、6b和6c示出了根据本发明示例实施例的测量布置以及在具有不同聚焦天线的各种分辨率单元中的两个回声曲线。图7a、7b、7c和7d示出了根据本发明示例实施例的测量布置、容器内的照射分区以及两个接收信号。图8示出了根据本发明示例实施例的方法的流程图。
具体实施例方式附图中的图示是示意性的并且未按比例绘制。在附图的以下描述中将相同标号用于相同或者相似元件。图I示出了具有根据本发明示例实施例的填充水平传感器的测量环境的示意图。体材料很少形成平面、平坦、光滑表面而代之以主要是或多或少不平坦的表面。容器的填充可能造成装载圆锥。容器的排空常常在体材料中造成体材料中的卸载漏斗。因此，传送时间传感器的所得回声不具有从设置成垂直于波传播方向的平坦表面的反射而知的标准回声形状。取而代之，体产物表面的回声是大量不同反射的结果，且明显地更长并且形状不统一，这正是在本文中使用术语回声带的原因。如果根据这样的回声带导出容器中的限定填充水平，则存在关于哪个“高度线”最好地代表体材料表面的“山形外貌”的问题。例如，填充材料传感器可以按照回声带的开始来定向自身，这可能造成将装载圆锥的峰指示为填充水平。雷达传感器可以应用各种功能原理，其中可以在填充水平测量中具体使用如下两种功能原理即脉冲雷达方法和FMCW方法。脉冲雷达方法生成短的相干微波脉冲即所谓的脉冲串，并且确定在发射与接收脉冲串之间流逝的直接时间段。在范围多达数米的正常测量距离的情况下，待测量的时间段极短，并且出于这一原因，在脉冲雷达传感器的情况下，通过时间变换方法有利地减慢接收的回声信号。上述方法返回与接收的高频传输对应的减慢回声信号，但是接收信号例如通过在 10，000与100，000之间的因子来减慢。例如5. 8GHz的微波脉冲的载波振荡频率变换成在例如58kHz与580kHz之间的减慢回声脉冲的载波振荡频率。由于时间变换而在内部出现的这一信号一般也称为中频信号或者IF信号，其通常在IOkHz与IMHz之间的某处例如在50kHz与200kHz之间。如已经提到的那样，这一 IF信号是已经发送和接收的微波脉冲随时间而进展的减慢图像。就涉及到频率范围和幅度梯度特征而言，脉冲雷达方法的IF信号和超声方法的回声信号很相似，从而用于确定相关回声传送时间并且因此测量距离的对这些信号的进一步处理和评估除了略有差异之外是相同的。例如借助对IF信号或对超声回声信号的双向整流和滤波可以生成包络。这一包络可以解释为随传送时间或者距离而反映的填充材料容器的反射分布。在对应数字化之后，它提供用于确定填充材料反射和所求关联传送时间的基础。根据FMCW原理(FMCW =调频连续波)的方法是第二种重要的雷达方法。它是基于发送其频率以线性方式改变的连续微波信号，该微波信号在传送到反射体以及返回的传送时间之后返回到达传感器。根据发送和接收的信号来形成其频率与所求传送时间直接地成比例的差频信号。为了获得与当存在数个反射体时所有回声的距离和幅度有关的信息， 在时域中形成的差频信号通常进行向频域的变换。在这一过程中FFT(快速傅立叶变换) 是优选方式。该变换获得随频率而反映的幅度分布并且因此同时代表随传送时间或者距离的反射分布。它因此可与脉冲传送时间传感器的包络直接地比较。因此在这一讨论中考虑的所有传送时间填充水平传感器可能具有的共同特征在于，它们形成和评估随距离而反映的反射幅度倾斜的形状的反射分布。然而，也常称为回声函数或者回声曲线的这一反射分布通常不仅包含填充材料的回声而且包含例如容器装置、 壁、容器底部的更多回声或者来自填充材料的多个反射。常常难以明确地区别填充材料反射与所有其它回声。例如，根据反射分布或者回声曲线有可能形成具有数个回声的回声列表及其相互之间的关系相关性；借助跟踪设备可以将历史记录分配给当前回声；并且借助此信息可以关于填充材料表面的回声所处的回声函数位置进行判决。在具有固定天线的雷达传感器情况下，可以限定如下三维分辨率单元，在该单元内不再通过对雷达测量信号的评估来区别各个反射体。可以近似地认为分辨率单元在与波传播方向垂直的限定空间方向上的空间延伸与波长以及反射体距离或者离开分辨率单元的距离成比例并且与这一空间方向上的天线孔径(换句话说有效天线面积)成反比。已知在波传播方向上分辨率单元的深度依赖于所使用的测量带宽。分辨率单元的空间位置由相对于天线的空间角表征。因而，如果已知与天线的距离，则可以通过减少波长、增加天线孔径以及增加测量带宽来实现通过减少分辨率单元的尺寸对空间分辨率的改进。尽管针对最小可能分辨率单元的这一步骤是实现反射物体的空间结构尽可能详细的记录的先决条件，但是它本身尚不充分。此外，可能有必要在数个不同分辨率单元中测量，其结果提供与仅为组合的反射体表面的形貌有关的信息。如果分辨率单元小于照射的反射体，则这用雷达术语称为微波成像。这样成像的质量特征在于分辨率单元与反射体物体尺寸之比。在 Radartechnik(Springer-Verlag, 1989, Jiirgen Detlefsen) 一书(德文)中和在 Radar Handbook 第二版(McGraw-Hi 11,1999, Merrill Skolnik)中，提供了关于微波成像各方面的信息。在这里描述的产生反射体的三维图像中一般雷达技术的方法在原理上也可以适用于填充水平测量技术。为了能够取得数个不同分辨单元中的读数，可以采取多个措施来修改具有固定天线的已知雷达传感器。所有这些措施的目的在于以某一方式或者其它方式变化发送波和/ 或接收波的波传播方向的空间角以便获得各种分辨率单元中的距离信息。在一种情况下这意味着天线机械移动到各种位置以便在各位置测量确定的分辨率单元。在组合的发送和接收天线情况下，位置改变当然同时适用于发送和接收。在分离发送和接收天线的情况下当然也可以分离地改变位置而不是一起改变。例如可以在一个平面中以圆形或者螺旋形式逐行进行从扫描器所知的这种位置改变方式，但是也可以在整个空间内以任何所需方式扩展它。这一方式与雷达技术中已知的SAR(合成孔径雷达)方法密切有关。在这一方法中在适当的信号处理设备中评估以线性方式移动来对准雷达波束以便与移动方向垂直的天线的接收信号，从而移动方向上的分辨率可以理论上增加至所用天线的孔径这一数量级的模糊区域。作为位置改变的替代方式，天线在相同位置在任何轴上的机械旋转也适合于检查不同分辨率单元。取代了机械地移动天线，也可以电子地变化它的发射方向。包括数个单独辐射体的组天线特别地适合于这一点。通过叠加各个接收信号、考虑相位位置、根据相互相移的设置，可以设置整个天线的辐射方向。以一般形式对分布于不同位置的数个天线进行利用的传感器与使用组天线的原理密切有关。通过使用各个发送和接收天线的尽可能多的组合，可以检查大量不同分辨率单元。将它们的结果收集在一起并且进行评估相应地获得反射体表面或多或少的分辨率的
三维图像。根据本发明的示例实施例，借助单个回声曲线、根据填充材料反射的回声带的长度，直接地确定装载圆锥的高度或者卸载漏斗的深度。另外，根据在填充材料表面的回声带内各位置的回声幅度的比较，可以关于是否存在填充材料的装载圆锥、卸载漏斗或者不规则表面进行判决。根据然后可用的此信息，一方面可以确定填充材料体积的良好近似值或者如果填充材料密度已知则也确定填充材料质量的良好近似值，而另一方面可以生成用于填充材料表面例如在处理控制系统中的示意显示的数据。
由于向传送时间传感器提供关于测量环境的附加信息，所以可以改进所述测量结构的可靠性和准确性。这可以例如通过用户对传感器的参数确定或者通过以提供的客户细节为根据的工厂预设置来实现。此附加信息可以例如涉及与容器、填充材料或者传感器的安装位置有关的细节。在本文中，除了其它细节之外还对以下细节感兴趣容器形状；容器尺寸；填充类型和位置；排空类型和位置；填充水平传感器的安装位置；传感器的对准；填充材料的类型、颗粒尺寸和相对介电常数值。在本发明的又一示例实施例中，借助在不同时间点记录、但是在其它方面相同的数个回声曲线来获得附加信息，该信息有助于关于装载圆锥、卸载漏斗、它们的高度和深度以及填充体积的上述表述。作为来自数个回声曲线的附加信息，例如可以确定填充材料的移动和移动方向。填充材料在容器顶部的方向上的移动将表明装载圆锥的填充和增大概率。相反地，在反射体表面从传感器移开的情况下，将认为形成卸载漏斗。获得附加信息的又一选择包括人工地输入关于特定填充状态的细节，这些输入由传感器存储。例如，在一次性的填充和排空循环中，可以在限定时间点进行与填充材料表面的形状和填充体积有关的输入。对于各输入，传感器存储当前回声曲线的回声形状。据此产生已经输入并关联回声曲线或者回声形状的信息的记录。在进一步的填充水平测量过程中，传感器然后可以访问这一数据记录，并且它可以通过比较这时存在的回声曲线与存储的回声曲线来发现匹配最佳的曲线。根据匹配程度，关联信息然后也适用于这时的填充水平情形。在本发明的又一示例实施例中，借助数个回声曲线来进行对填充材料表面的回声形状的评估。在这一布置中利用改变的传感器参数来生成回声曲线。因此例如可设想改变返回接收的发射波的频率。利用相同天线，因此改变反射角并且照射不同分辨率单元。根据在各频率的回声形状改变，与填充材料表面的形貌有关的改进表述是可能的。以上也类似地适用于对数个天线的使用。例如，对两个天线的使用本身暗示相对聚焦的天线和发射角更宽的天线。发射角宽的天线很适合于确定体层的高度，而聚焦天线允许关于是存在装载圆锥还是卸载漏斗的良好判决。可以用这一方式有利地评估具有椭圆照射分区的天线，其中天线的主轴例如旋转 90°。类似地，对于特定应用，将发送波的极化例如旋转90°或者在线性与椭圆或者圆形极化之间交替可能是有利的。因此，根据波相对于该表面的倾斜的撞击的极化方向，波从没有与传播方向成直角延伸的表面的反射可以生成不同波形状。类似地，可以根据波是以线性方式还是以圆形方式极化来生成不同回声形状。因而，以不同极化进行测量并且比较回声形状使得可以获得关于填充材料表面的更多了解。图I示出了用于利用根据本发明的方法的典型应用。安装于容器I的顶区域中并且根据传送时间方法来操作的填充水平测量设备2在待测量的介质3的方向上发射信号。 发射波13由待测量的介质3反射并且根据测量环境也由容器装置4反射、然后在填充水平测量设备2返回接收。填充水平测量设备2本身又包括数个单独部件，这些部件协同代表适合于实施根据本发明的方法的设备。图2示出了可以用来实施根据本发明的方法的传送时间填充水平传感器2的主要设计。由发送设备5生成的超声信号或者高频信号借助声音变换器或者填充水平测量设备2的天线6在待测量的介质3的方向上作为波来发射。在依赖距离的传送时间之后，由介质3反射并且如果适用则由其它设备4反射的波成分在声音变换器或者天线6被返回接收、转换成电信号并且转发到接收和处理单元7。在接收和处理单元7内可以转换信号频率，并且信号随后以已知方式来滤波、如果适用则解调、对数化并且借助模拟到数字转换器来变换成二进制表示。以这一方式获得的数字化接收信号随后存储于评估单元8的易失性存储器9中。 在脉冲传送时间传感器的情况下，这一数字值序列代表随距离的反射幅度、简称为回声曲线。在FMCW雷达传感器的情况下，形式为快速傅立叶变换(FFT)的对扫描值的附加变换是必要的以便获得可比较的回声曲线。评估单元8 (也称为计算单元)分析发送回声曲线并且根据该曲线来确定与待测量的介质3的表面的当前位置和形状有关的信息。为此，评估单元8除了它的易失性存储器9之外还包括用于存储处理规范的非易失性存储器单元10 以及用于实施该方法的处理器单元11。作为分析结果，利用对特定容器数据的了解来最终获得容器的填充水平和/或填充体积和/或填充材料。作为进一步结果，填充材料表面的三维图像是可能的。所有测量结果然后可以直接地呈现于传感器的显示器上和/或可以借助通信连接12而变得可为高级控制设备所用，通信连接12例如为具有叠加数字信号传输的 4-20mA 线。由接收和处理单元7提供的数字化回声曲线是根据本发明的分析的起始点，该分析将由评价单元8实现。图3示出了脉冲雷达传感器在随着根据图I的应用而出现的数字化回声包络的例子。该图以dB为单位将回声幅度302表示为随着以米为单位的与传感器301的距离而反映的对数值。如图3中可见，所示回声曲线具有视觉上不同的回声14。它在约I. 80米的距离处并且由于从填充材料3的表面的反射而产生。近场中的回声图像13包括由发送设备本身、 由高频电子器件部分中的内部反射以及由发射脉冲在图I中所示管线4处的反射所造成的数个反射。利用已知的假回声抑制方法，这种回声由评估单元8识别为假回声并且因此在对关于填充材料表面的信息的评估中没有进一步纳入考虑之中。图4a、4b和4c示出了在用沙填充的容器上安装的脉冲雷达传感器的不同回声曲线。竖轴402也表示幅度，该幅度在这一例子中采用在约20dB与85dB之间的值。横轴401 同样表示以米为单位的与填充材料的距离。图4a中的曲线示出了在约4m的测量距离处填充材料表面的相对短的回声403。 与此相比，图4b和4c的填充材料表面的回声404、405显然更长。根据本发明，然后可以根据回声形状来确定关于填充材料表面的以下信息。每个回声的长度可以直接地表明体位置的高度。关于图4b和4c的回声，表明了最低与最高表面成分之间约I. 5m的高度差。在图4a中，回声长度约为O. 5m。如果考虑当前传感器的平坦表面的理想回声约为O. 3m的宽度，则根据这一回声形状可以推断在图4a 的情况下的填充材料表面仅有少量不平坦区。除了体位置的高度之外，回声形状还允许关于表面的形状是先前填充动作的装载圆锥还是填充材料去除的卸载漏斗得出结论。因此，图4b中的回声带示出了幅度具有在约 7m与9m之间上升的倾向。与此对照，在图4c中回声幅度在回声的开始处于它的最大值并且倾向于随后减少。从回声的开始到结束有增加的幅度一般归因于填充材料表面中的卸载漏斗，而在相反情况下则存在装载圆锥。这可以解释如下就涉及到幅度而言为大的反射成分源于直接地处于天线的主传播方向的轴中的反射体区域。通常安装填充水平传感器使得主传播方向指向容器的中心。与此对照，在容器壁附近的填充材料表面的组成生成更小反射幅度。因而可以推断在回声带内幅度大的成分源自于天线的主要辐射方向、因此通常源自于容器的中心，而幅度小的组成与表面的边缘区域关联。因此针对大的回声组成而读取的回声距离，填充高度在容器的中心，而小反射的回声距离表明在边缘区域中的表面位置。 在图4b中所示例子的情况下，意味着在容器中心的填充材料表面在与传感器相距约8. 5m 处，而边缘区域在仅约7. 2m的距离处。与此对照，根据图4c的回声带，对于容器的中心，可确定约6. 5m的填充材料距离，而对于边缘距离，可确定约Sm的距离。根据此信息，可以针对特定情况构造填充材料表面的粗略图像，该图像在最简单的情况下将容器划分成具有上述距离并且其间具有连续过渡的中心区域和边缘区域。另外，如果填充材料表面的形貌至少粗略地已知，则可以针对填充材料表面由于去除所有不平坦区域而完全地平坦同时容器的内含物保持不变的情况来表明填充水平。当容器几何形状已知时，可以根据这一几何形状以简易方式导出容器中保持的填充材料的体积。在最简单的情况下，这可以进行是因为假设根据容器的横截面积的预定高度/深度h 和底面积的理想装载圆锥或者卸载漏斗。根据底面积乘以高度除以3来计算圆锥的体积。 在装载圆锥的情况下，所求填充水平在根据圆锥顶的距离加上圆锥高度的2/3而计算的距离处。在圆锥形卸载漏斗的情况下，把漏斗的最深位置的距离与漏斗深度的2/3相减。这等效于将高度的1/3与漏斗的最深位置的距离相加。如已经示出的那样，通过比较体材料表面的回声带内最大值的位置与回声开始A 和回声结束E的位置根据回声形状来导出关于是存在漏斗还是圆锥的判决。如果相对于结束最大值更接近开始，则认定装载圆锥；反言之认定漏斗。根据回声带的高度、即回声开始 A与回声结束E之间的距离来导出高度h。通过引入以在O与I之间的数值来表征回声形状的外形因子f，可以表明对从传感器到填充材料表面的代表填充体积的距离值s的简单数学确定s = A + ^*h*(l + /)其中s =传感器与假设的平坦填充材料表面之间的距离；A =传感器与来自填充材料的回声带的开始之间的距离；h =根据回声带的长度、即回声开始与回声结束之间的距离而确定的填充材料表面高度；并且f =与回声带有关的外形因子。外形因子在装载圆锥的情况下具有值I而在卸载漏斗的情况下具有值O。值O. 5表示平坦表面。取代了确定仅有极值O和I并且可能有中间值O. 5的外形因子f，可以有利的将外形因子表述为在O与I之间的连续值。这之所以可以用简易方式实现是因为确定回声带内最大值的位置。为此，例如回声带结束的距离与最大值的距离之差除以回声带的长度h。在装载圆锥的情况下，这获得接近I的值，而在卸载漏斗的情况下这一外形因子的值接近O。确定外形因子的另一种可能性是基于确定回声带的回声曲线的中心。填充材料表面的回声带内的中心的相对位置促成外形因子，因为回声结束与中心的距离值之差除以回声长度h也获得在O与I之间的所需值。用于确定外形因子的第三种方法是基于体材料的回声带内回声曲线之下的面积比较。前一半的面积与整个回声带的面积做比较。这在数学上可以一方面通过形成回声开始与回声中间之间的包络值之和而另一方面通过将回声开始与回声结束之间的值相加来实现。两个求和之比直接地获得外形因子f。图5a至5c示出了与如何根据在传感器参数不变时在各时间点获得的数个回声曲线来导出关于填充材料表面的更多信息的例子。图5c的回声曲线503是在记录图5b的曲线502之后数分钟记录的，而后者又是在记录图5a的曲线501之后数分钟记录的。在这一观测时段中，填充水平的回声从约4. 5m的距离移动到约3. 5m的距离。这一检测的填充材料表面在传感器的方向上的移动允许得出正在填充容器的明确结论。据此又对应于移动的距离可以推断更大或者更小高度的一个或者数个装载圆锥的形成。如果更多环境条件已知，比如填充材料的类型、填充的类型和位置以及容器几何形状，则可以很好地重建填充材料表面的形貌。反言之，当检测到从传感器离开的填充材料移动时当然也可以认定卸载和卸载漏斗的形成。图6a、6b和6c示出了如何根据各种分辨率单元和对回声形状的后续评估来测量回声曲线以便可以关于填充材料表面形状进行表述的例子。类似于图1，图6a示意地示出了容器I，该容器具有填充材料3和从容器顶部测量的传送时间传感器2，其中所述传送时间传感器2的天线6在容器中心的方向上对准。例如通过改变天线参数或者通过变化传输频率，传感器2的发射角可变。虚线20a和20b表明紧密聚焦天线的3dB发射角，而虚线21a和21b表明较小强度聚焦天线的发射角。图6b中的回声曲线归因于更紧密聚焦天线的第一测量过程并且主要地包括来自容器中心的反射22。与此对照，图6c中的回声曲线归因于不那么适当聚焦天线的第二测量过程；它包括来自整个填充材料表面的反射23。因而，根据图6b中的回声曲线可以确定容器中心的填充高度，而根据图6c中的回声曲线可以确定体位置的高度h。这一高度h近似地对应于箭头28的长度。在图7a至7d中示出了相似例子。以与图6的方式不同的方式，在图7a至7d中可以改变天线使得可以设置被布置成相互垂直的两个轴上的两个不同椭圆照射分区。在截面图7b中将容器I内的照射分区表示为椭圆24和25。在根据图7a的体位置，利用根据椭圆24的照射分区的第一测量过程获得图7c所示的相对窄的回声26，而利用照射分区25 的第二测量过程获得具有更宽回声27的根据图7d的回声曲线。根据两个回声形状，然后可以估计体位置的高度和反射平面的空间定向。在第一测量过程中的短回声和第二测量过程中的较长回声的情况下，体位置使得它的平面在与第一测量过程的照射椭圆的长轴近似地对应的轴上倾斜。如果有来自两个测量过程的两个短回声，则可以认定存在很大程度上平坦的表面，而如果有两个更长回声，则将认定存在装载圆锥或者卸载漏斗。图8示出了用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法的流程图，在该方法中在步骤801中接收由填充材料表面反射的接收信号而在步骤802中基于接收信号的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。此外应当指出，“包括”并不排除其它单元或者步骤，而“一个/ 一种”并不排除多个。另外应当指出，参照上述示例实施例之一已经描述的特征或者步骤也可以与上述其它示例实施例的其它特征或者步骤组合使用。权利要求中的标号不应解释为限制。
权利要求
1.一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备，所述填充水平测量设备包括接收器，接收由填充材料表面反射的接收信号；以及计算单元，基于所述接收信号的形状来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息；其中，所述计算单元基于回声带的形状，确定是否存在所述填充材料的装载圆锥、卸载漏斗或者不规则表面。
2.根据权利要求I所述的填充水平测量设备，其中，通过比较所述回声带内的最大值的位置与回声开始A和回声结束E的位置、根据所述回声带的形状来导出关于是存在卸载漏斗还是装载圆锥的判决。
3.根据权利要求I所述的填充水平测量设备，还适于根据所述回声带的形状导出外形因子，根据所述外形因子，根据以下公式来执行对从传感器到所述填充材料表面的代表填充体积的距离值s的确定
4.根据任一前述权利要求所述的填充水平测量设备，其中，所述计算单元(8)还利用关于测量环境的信息来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息。
5.根据权利要求4所述的填充水平测量设备，还包括存储器单元(9，10)，用于在用户人工输入附加信息之后存储所述附加信息。
6.根据任一前述权利要求所述的填充水平测量设备，其中，所述计算单元(8)基于在不同时间点接收、但是在其它方面对应的数个回声曲线来确定装载圆锥的高度或者卸载漏斗的深度。
7.根据任一前述权利要求所述的填充水平测量设备，其中，所述计算单元(8)基于在不同时间点接收、但是在其它方面对应的所述填充材料表面的数个回声曲线来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息；其中，利用不同传感器参数来生成在各个情况下与所述回声曲线对应的传输信号。
8.根据权利要求7所述的填充水平测量设备，其中，所述不同传感器参数是发射的传输信号的频率和发射的传输信号的极化中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的填充水平测量设备，其中，利用不同天线来生成与所述回声曲线对应的传输信号。
10.一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的填充水平测量设备，所述填充水平测量设备包括接收器，接收由填充材料表面反射的接收信号；以及计算单元，基于所述接收信号的单个包络曲线的形状来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息；其中，所述填充水平测量设备是基于脉冲雷达方法和超声填充水平传感器来进行填充水平测量的填充水平雷达之一。
11.一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法，所述方法包括以下步骤接收由填充材料表面反射的接收信号；基于所述接收信号的形状来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息；其中，计算单元基于回声带的形状，确定是否存在所述填充材料的装载圆锥、卸载漏斗或者不规则表面。
12.一种用于确定容器中的填充材料的填充水平的方法，所述方法包括以下步骤接收由填充材料表面反射的接收信号；基于所述接收信号的单个包络曲线的形状来确定与所述填充材料表面的形貌有关的信息；其中，填充水平测量设备是基于脉冲雷达方法和超声填充水平传感器来进行填充水平测量的填充水平雷达之一。
全文摘要
根据本发明的示例实施例，表述一种用于测量容器中的填充材料的填充水平的传送时间填充水平测量设备，在该传送时间填充水平测量设备中基于接收信号的单个回声曲线的形状来确定与填充材料表面的形貌有关的信息。然后可以据此导出填充体积。
文档编号G01B17/06GK102607669SQ201210042498
公开日2012年7月25日 申请日期2009年5月21日 优先权日2008年5月27日
发明者卡尔·格里斯鲍姆, 托马斯·德克, 约瑟夫·费伦巴赫, 罗兰·韦勒 申请人:Vega格里沙贝两合公司