專利名稱：用于確定介質(zhì)特征和容器特征的設(shè)備及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物位測量。特別地，本發(fā)明涉及一種用于確定物料的物位位置和/或兩種物料之間的界面的位置以在測量任何類型的物位時確定介質(zhì)特征和容器特征的物位測量設(shè)備，并且還涉及相應(yīng)的方法、程序元件以及計算機可讀介質(zhì)。
背景技術(shù)：
在根據(jù)調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)或脈沖渡越時間法(transit time)的物位傳感器中，電磁波或聲波朝向物料表面方向發(fā)射。在此之后，傳感器記錄由物料反射的、由構(gòu)建在容器中的對象反射的以及由容器本身反射的回波信號，并據(jù)此得到容置在容器內(nèi)的至少一種物料的表面的位置。關(guān)于聲波或光波的使用，由物位測量設(shè)備產(chǎn)生的信號通常朝向待測物料的表面方向自由地傳播。在使用雷達波來測量物料表面的設(shè)備中，會既考慮朝向待測介質(zhì)方向的自由傳播又考慮在將雷達波從物位測量設(shè)備導(dǎo)向介質(zhì)的波導(dǎo)裝置內(nèi)部的傳播。在根據(jù)導(dǎo)向微波原理進行操作的設(shè)備中，高頻信號沿著波導(dǎo)裝置導(dǎo)向介質(zhì)。在待測的介質(zhì)表面或物位處，一些到達的信號被反射并在相應(yīng)的渡越時間之后返回到物位測量設(shè)備。未被反射的信號分量進入介質(zhì)并在介質(zhì)中對應(yīng)于介質(zhì)的物理特性朝向容器底部方向繼續(xù)傳播。這些信號還在容器的底部被反射，并在通過介質(zhì)和覆蓋氣氛之后返回到物位測量設(shè)備。物位測量設(shè)備接收從不同的位置反射的信號，并根據(jù)這些信號根據(jù)已知的方法確定到物料的距離。能夠在外部獲得所確定的到物料的距離。這樣的設(shè)置可以以模擬形式(4. 20mA接口)或數(shù)字形式(現(xiàn)場總線)實施。所有的這些方法都具有一個共同特點在從物位測量設(shè)備到物料表面的通路上，用于進行測量的信號通常會位于另外的介質(zhì)(以下稱為覆蓋介質(zhì))的影響區(qū)域中。該覆蓋介質(zhì)位于物位測量設(shè)備與待測介質(zhì)表面之間，并且通常表現(xiàn)液體或氣態(tài)氣氛。在主要的大多數(shù)應(yīng)用中，在待測介質(zhì)上方有空氣。因為電磁波在空氣中的傳播與在真空中的傳播相差甚微，所以不需要對由物料、構(gòu)建在容器內(nèi)的對象以及容器本身所反射的穿過空氣回到物位測量設(shè)備的反射信號進行任何特殊修正。然而，在化工行業(yè)的工藝容器中，許多類型的化學(xué)氣體和氣體混合物會作為覆蓋介質(zhì)存在。與在真空或空氣中的傳播相比，電磁波的傳播特性會根據(jù)取決于這些氣體或氣體混合物的物理特性而發(fā)生改變。確定介質(zhì)特征和容器特征的已知嘗試通常有顯著的缺點。

發(fā)明內(nèi)容
期望的是具有用于一種用于確定介質(zhì)特征和容器特征的健壯性方法和設(shè)備。此夕卜，期望的是具有一種用于在進行界面測量時自動地確定參數(shù)的方法和設(shè)備。所提出的是用于確定物位位置和/或例如容置在容器內(nèi)的兩種物料之間的界面的位置的物位測量設(shè)備；以及根據(jù)獨立權(quán)利要求的特征的方法、程序元件和計算機可讀介質(zhì)。在從屬權(quán)利要求以及下面的描述中陳述了本發(fā)明的展開。應(yīng)當(dāng)指出的是，下文中，關(guān)于物位測量設(shè)備，還可以將上述特征實施為方法中的方法相關(guān)步驟，反之亦然。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提出了一種用于確定例如容置在容器內(nèi)的物料的物位位置和/或兩種物料之間的界面的位置的物位測量設(shè)備。物位測量設(shè)備包括回波曲線獲取設(shè)備，用于獲取至少一條或若干條回波曲線；回波識別設(shè)備，用于評估所述至少一條回波曲線；多重回波檢測設(shè)備，用于評估所述至少一條回波曲線；多重回波檢測設(shè)備，用于將來自于物料表面和/或來自于容器的容器底部的多次反射的一個或若干個回波分類為多重回 波(multiple echo);以及具有“自學(xué)”能力并且出于該原因也被稱為“自學(xué)”的設(shè)備，所述設(shè)備被設(shè)計成使用由多重回波檢測設(shè)備分類的多重回波來自動地確定容器的圓頂通道的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，物位測量設(shè)備可以包括位置確定設(shè)備?；夭ㄗR別設(shè)備可以被設(shè)計成識別回波曲線中的若干個回波，多重回波檢測設(shè)備被設(shè)計成將所述若干個回波中的至少兩個回波分類為多重回波。此外，位置確定設(shè)備可以被設(shè)計成確定所述至少兩個多重回波的位置，自學(xué)設(shè)備被設(shè)計成使用所述至少兩個多重回波的位置來確定圓頂通道的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，自學(xué)設(shè)備可以被設(shè)計成使用所述至少兩個多重回波的階數(shù)來確定圓頂通道的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，回波識別設(shè)備可以被設(shè)計成識別回波曲線中的若干個回波，并且多重回波檢測設(shè)備可以被設(shè)計成將兩個或更多個回波分類為多重回波。此外，物位測量設(shè)備可以包括速度確定設(shè)備，所述速度確定設(shè)備用于確定被分類為多重回波的回波的第一多重回波的第一速度矢量以及用于確定所分類的多重回波的第二多重回波的第二速度矢量。自學(xué)設(shè)備被設(shè)計成確定所確定的速度矢量中的至少兩個速度矢量的交點以確定圓頂通道的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提出了一種用于確定容器內(nèi)的物料的物位位置和/或容器內(nèi)的兩種物料之間的界面的位置的方法。獲取至少一條回波曲線，隨后對所述回波曲線進行評估。此外，將來自于物料的物料表面和/或來自于容器的容器底部的多次反射的至少一個回波分類為多重回波。此外，使用由多重回波檢測設(shè)備分類的多重回波來自動地確定容器的圓頂通道的長度。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提出了一種程序元件，當(dāng)在物位測量設(shè)備的處理器上執(zhí)行所述程序元件時，所述程序元件指示處理器執(zhí)行上文和/或下文描述的步驟。此外，提出了一種用于存儲程序元件的計算機可讀介質(zhì)，當(dāng)在物位測量設(shè)備的處理器上執(zhí)行所述程序元件時，所述程序元件指示處理器執(zhí)行上文和/或下文描述的步驟。
程序元件(稱為“計算機程序元件”)可以形成存儲在物位測量設(shè)備的處理器上的軟件的一部分。在這種布置中，處理器也可以是本發(fā)明的主題。此外，本發(fā)明的該方面包括從一開始就使用本發(fā)明的計算機程序元件以及通過更新使得現(xiàn)有程序使用本發(fā)明的計算機程序元件。應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“物料回波”等同于物料反射的零階多重回波。此外，應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“底部回波”等同于底部反射的零階多重回波。


圖I示出了根據(jù)渡越時間方法進行操作的物位測量設(shè)備。圖2示出了根據(jù)渡越時間方法來確定物位的方法相關(guān)步驟。圖3示出了其中容器盆不直的情況。 圖4示出了使用多重回波的物位測量示例。圖5示出了在圓頂通道中的物位測量示例。圖6示出了無容器蓋的物位測量示例。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的物位測量設(shè)備。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的物位測量設(shè)備的測量周期。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于確定圓頂通道的長度的方法。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于確定容器高度的方法。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的用于界面測量的物位測量設(shè)備。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在與界面具有恒定距離的情況下的界面測量。圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在與物料表面具有恒定距離的情況下的界面測量。圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的在上方介質(zhì)具有恒定厚度的情況下的界面測量。
具體實施例方式圖中的圖示是概略的而非按比例的。如果在附圖的以下描述中在不同的附圖中使用了相同的附圖標(biāo)記，則它們表示相同或相似的元件。然而，也可以以不同的附圖標(biāo)記來表示相同或相似的元件。應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“物料回波”等同于物料反射的零階多重回波。此外，應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“底部回波”等同于容器底部反射的零階多重回波。下面的解釋集中于考慮常見的容器中的單種待測介質(zhì)或物料的應(yīng)用情況。下文所描述的技術(shù)教導(dǎo)可以轉(zhuǎn)換到容器中的兩個或若干個不同的介質(zhì)或物料的應(yīng)用情況。在界面測量的上下文中，特別地，物料表面位置還可以是兩種不同介質(zhì)或物料之間的界面的位置，該位置等同于在容器內(nèi)的用于界面測量的所述兩種物料或介質(zhì)中下部的物料或介質(zhì)的物料表面位置。在用于物位測量的設(shè)備中，可以使用能夠確定容器內(nèi)的物料表面位置的各種方法。
圖I示出了用于物位測量的布置。容器100容置填充高度達到dB-c^的液體106。液體上方的空間107包含例如空氣。在當(dāng)前示例中，液體由作為覆蓋介質(zhì)的空氣覆蓋。借助于高頻設(shè)備102，物位測量設(shè)備101產(chǎn)生電磁脈沖103并將電磁脈沖103耦合到合適的天線104中，由此，該脈沖以幾乎光速朝向待測物料表面105的方向傳播。在覆蓋介質(zhì)內(nèi)的精確速度由下式產(chǎn)生
%其中，Cci表示在真空中的光速，e ^表示覆蓋介質(zhì)的介電常數(shù)值，y L表示覆蓋介質(zhì)的滲透率值。物料表面105反射一部分輸入信號能量，由此，被反射的信號分量傳播回物位測 量設(shè)備101。未被反射的信號分量進入液體106，并在液體106中以大大降低的速度朝向容器底部的方向傳播。電磁波103在液體106內(nèi)的速度cM由液體106的材料特性決定。cM = .1其中，Ctl表示在真空中的光速，e M表示液體的介電常數(shù)值，Um表示液體的滲透率值。在容器109的底部108，剩余的信號分量也被反射并在相應(yīng)的渡越時間之后返回到物位測量設(shè)備101。在物位測量設(shè)備中，借助于高頻設(shè)備102來處理輸入信號，并且優(yōu)選地將輸入信號轉(zhuǎn)換到較低頻率的中頻范圍。借助于模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元110，由高頻設(shè)備102提供的模擬回波曲線被數(shù)字化并使得可用于評估設(shè)備111。上述用于提供數(shù)字化回波曲線的部件——換句話說尤其是高頻設(shè)備102和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元110——可以例如定義回波曲線獲取設(shè)備。評估設(shè)備111分析數(shù)字化的回波曲線，并且基于包含在其中的回波、根據(jù)已知的方法來確定由來自于物料表面105的反射生成的回波。此外，評估設(shè)備確定到該回波的精確電氣距離。此外，對所確定的到回波的電氣距離進行修正，以使得補償覆蓋介質(zhì)107對電磁波傳播的影響。將以此方式將計算的到物料的補償距離傳送給輸出設(shè)備112，該輸出設(shè)備112還根據(jù)用戶要求并例如借助于線性化、偏移修正、到填充高度dB-dL的轉(zhuǎn)換進一步對所確定的值進行處理。處理后的測量值在外部通信接口 113處提供給外部。關(guān)于這點，可以使用任何既定的接口，特別是4. . . 20mA的電流接口、工業(yè)現(xiàn)場總線(如HART、Profibus、FF)或計算機接口(如 RS232、RS485、USB、以太網(wǎng)、FireWire)。圖2再次詳細地示出了在回波信號處理的情況下可以應(yīng)用到評估設(shè)備111中以補償各種介質(zhì)的影響的重要步驟。首先，曲線圖201示出了由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換單元110所獲取的隨著時間的回波曲線204?；夭ㄇ€首先包含在天線內(nèi)反射的發(fā)射脈沖分量205。短時間之后，在時間點\處獲取第一回波206，該第一回波206由來自于容器內(nèi)的邊界表面105或介質(zhì)106的表面105的信號分量反射引起。另一個回波207來源于物料回波206的第一多重回波，它在時間點
處獲取。在進入介質(zhì)106的信號分量穿過物料106之后，信號分量從容器底部108反射并生成回波曲線204內(nèi)的另一個回波208。該底部回波208在時間點tB處獲取。此外，可以在時間點處獲取底部回波的多重回波209。在第一處理步驟中，將時間相關(guān)曲線201轉(zhuǎn)化為距離相關(guān)曲線202。在該轉(zhuǎn)化期間，假設(shè)所獲取的曲線專門根據(jù)真空傳播而形成。曲線圖201的坐標(biāo)通過乘以與真空中的光速而轉(zhuǎn)換為距離軸。此外，通過施加偏移實現(xiàn)如下情況使得由天線104引起的回波205獲得0米的距離值。此外，距離值被乘以因數(shù)0. 5，以補償?shù)轿锪媳砻娌⒎祷氐碾p路徑。第二曲線圖202示出了作為電氣距離D的函數(shù)的回波曲線。該電氣距離對應(yīng)于由真空中的電磁波在預(yù)定的時間段內(nèi)所覆蓋的距離的一半。該電氣距離不考慮任何介質(zhì)影響，而這些影響會導(dǎo)致電磁波傳播的減速。因此，曲線202表示未補償?shù)幕夭ㄇ€，而該未補償?shù)幕夭ㄇ€與位置有關(guān)。在本文中，電氣距離一直以大寫字母D表示，而能夠直接基于容器測量的物理距尚以小與字母d表不。此外，可以對回波曲線210進行完全補償。第三曲線圖203示出了完全補償?shù)幕夭ㄇ€211。為了獲得隨物理距離變化的回波曲線圖，在當(dāng)前情況下，需要考慮覆蓋介質(zhì)107在位置0與隊(曲線202)之間的區(qū)域中的影響。需要根據(jù)如下相互關(guān)系將橫坐標(biāo)在0與 ^之間的電氣距離值轉(zhuǎn)換為物理距離值
權(quán)利要求
1.一種用于確定容器內(nèi)的物料的物位位置和/或兩種物料之間的界面的位置的物位測量設(shè)備，所述物位測量設(shè)備朝向物料表面的方向發(fā)射電磁波或聲波，所述物位測量設(shè)備(701)包括 回波曲線獲取設(shè)備(104)，用于獲取至少一條回波曲線； 回波識別設(shè)備(7021)，用于評估所述至少一條回波曲線；以及多重回波檢測設(shè)備(7024)，用于將來自于物料表面和/或來自于容器底部的多次反射的至少一個回波分類為多重回波； 其中，所述物位測量設(shè)備還包括自學(xué)設(shè)備(7027)，所述自學(xué)設(shè)備(7027)被設(shè)計成使用由所述多重回波檢測設(shè)備分類的所述多重回波來自動地確定布置在所述容器的頂部區(qū)域中的圓頂?shù)膱A頂通道的長度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的物位測量設(shè)備，還包括 位置確定設(shè)備(7023)； 其中，所述回波識別設(shè)備(7021)被設(shè)計成識別所述回波曲線中的若干個回波； 其中，所述多重回波檢測設(shè)備(7024)被設(shè)計成將所述若干個回波中的至少兩個回波分類為多重回波； 其中，所述位置確定設(shè)備被設(shè)計成確定所述至少兩個多重回波的位置；以及其中，所述自學(xué)設(shè)備被設(shè)計成使用所述至少兩個多重回波的所述位置來確定所述圓頂通道的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的物位測量設(shè)備， 其中，所述自學(xué)設(shè)備被設(shè)計成使用所述至少兩個多重回波的階數(shù)來確定所述圓頂通道的長度。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的物位測量設(shè)備， 其中，所述回波識別設(shè)備(7021)被設(shè)計成用于在所述回波曲線中識別若干個回波；其中，所述多重回波檢測設(shè)備(7024)被設(shè)計成將所述若干個回波中的兩個回波分類為多重回波； 所述物位測量設(shè)備還包括 速度確定設(shè)備(7023)，用于確定所述至少兩個多重回波的至少兩個速度矢量； 其中，所述自學(xué)設(shè)備被設(shè)計成確定所述至少兩個多重回波的至少兩個速度矢量的交點以確定所述圓頂通道的長度。
5.一種用于確定物料的物位位置和/或兩種物料之間的界面的位置的方法，所述方法包括如下步驟 朝向物料表面的方向發(fā)射電磁波或聲波； 獲取至少一條回波曲線； 評估所述至少一條回波曲線；以及 將來自于物料表面和/或來自于容器的容器底部的多次反射的至少一個回波分類為多重回波； 其中，使用由多重回波檢測設(shè)備分類的所述多重回波來自動地確定布置在所述容器的頂部區(qū)域中的圓頂?shù)膱A頂通道的長度。
6.一種程序元件，所述程序元件當(dāng)在物位測量設(shè)備的處理器上執(zhí)行時指示所述處理器執(zhí)行如下步驟 朝向物料表面的方向發(fā)射電磁波或聲波； 獲取至少一條回波曲線； 評估所述至少一條回波曲線；以及 將來自于物料表面和/或來自于容器的容器底部的多次反射的至少一個回波分類為多重回波； 其中，使用由多重回波檢測設(shè)備分類的所述多重回波來自動地確定布置在所述容器的頂部區(qū)域中的圓頂?shù)膱A頂通道的長度。
7.一種用于存儲程序元件的計算機可讀介質(zhì)，所述程序元件當(dāng)在物位測量設(shè)備的處理器上執(zhí)行時指示所述處理器執(zhí)行如下步驟 朝向物料表面的方向發(fā)射電磁波或聲波； 獲取至少一條回波曲線； 評估所述至少一條回波曲線；以及 將來自于物料表面和/或來自于容器的容器底部的多次反射的至少一個回波分類為多重回波； 其中，使用由所述多重回波檢測設(shè)備分類的所述多重回波來自動地確定布置在所述容器的頂部區(qū)域中的圓頂?shù)膱A頂通道的長度。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的示例性實施方式，提出了一種物位測量設(shè)備，該物位測量設(shè)備包括自學(xué)設(shè)備，所述自學(xué)設(shè)備能夠自動地確定容器的圓頂通道的長度。為此，自學(xué)設(shè)備使用由多重回波檢測設(shè)備分類的多重回波。以此方式，可以改進物位測量的結(jié)果。
文檔編號G01F23/284GK102798439SQ20121017243
公開日2012年11月28日 申請日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者卡爾·格里斯鮑姆, 羅蘭·韋勒 申請人:Vega格里沙貝兩合公司