基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法和设备 |
|||||||
| 申请号 | CN201380036697.1 | 申请日 | 2013-06-07 | 公开(公告)号 | CN104471358A | 公开(公告)日 | 2015-03-25 |
| 申请人 | 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司; | 发明人 | 克里斯蒂安·塞勒; 让·施莱费尔伯克; 哈特穆特·达姆; 姜明政; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于使用行进时间方法来基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法，其中产生了预定脉冲宽度(Tp)的激光脉冲，其中在所述填充物质的表面方向上以定义的传输重复 频率 (fPulse)发送所述激光脉冲，其中所述激光脉冲的定义的传输重复频率(fPulse)通过将预定基频(f)乘以预定分频因子(TF)而获得，其中接收到在所述填充物质的表面上反射之后的激光脉冲，其中以这样的方式以稍微不同于所述基频(f)的 采样 频率(fs)对在所述填充物质的表面上反射的激光脉冲进行采样，使得对于每一激光脉冲多个采样值被记录并且在每种情况下存储为子回波曲线(SEK)，其中所存储的子回波曲线(SEK)在每个测量循环之后被组合为总回波曲线(EK)，并且其中，基于所述总回波曲线(EK)来确定所述料位。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于使用行进时间方法来基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法，其中，产生了预定脉冲宽度(Tp)的激光脉冲， |
||||||
| 说明书全文 | 基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法和设备技术领域[0001] 本发明涉及用于使用行进时间方法来基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法和设备。 背景技术[0002] 借助于激光脉冲用于料位测量的已知设备和方法通过直接地测量在障碍物上反射的发送激光脉冲的行进时间进行操作。为此，激光脉冲的行进时间借助于用于时间测量的高度准确的集成电路(即，所谓的时间至数字转换器(TDC))来测量。集成电路工作的方式与使用起始信号和停止事件的秒表相似。起始信号由发送电子装置触发。停止事件在超过定义的模拟阈值时由所接收到的信号触发。 [0003] 基本上，已知系统仅是有有限多目标能力的，并且因此，参考可能存在的干扰变量(诸如流、雾以及灰尘)不是非常鲁棒的。而且，已知系统不能够基于信号形式来检测缺损或无效的接收信号。因为这样的检测是不可能的，所以不能够拒绝无效的信号。 [0004] 由于这些局限并且由于在给定情况下可能存在于测量范围内以产生对应干扰反射的干扰源，已知的雷达料位测量装置利用雷达脉冲的总信号曲线的采样的原理。这些已知装置将信号曲线记录为所谓的包络曲线或回波曲线，并且出于使用拟合与自适应算法和数字信号处理来确定测量值的目的对这些曲线进行评估。已知方法能够选择性检测和拒绝干扰或出错信号，使得它们在理想情况下不影响测量。具有包络曲线评估的基于激光的料位测量装置由于在下面所描述的问题而仍然不存在。 [0005] 然而在地理数据检测的领域中，使用扫描激光系统，所述扫描激光系统根据包络曲线或通常全波形采样的原理工作，并且出于附加处理的目的将所记录的信号形式转发至计算单元。然而，不同的信号形式在这样的情况下主要用来确定目前地理物质。术语地理物质指代例如树、水、灌木丛等。在这些系统的情况下，焦点不在确切距离确定上。已知系统是非常昂贵的并且以GHz区域内的采样频率工作。已知系统不适合于料位测量，因为它们的更新速率是不足的。 [0006] 用于料位测量的采样系统的问题存在于所需要的测量精确度中和在所需要的测量速度中。为了在1-5ns的脉冲宽度的情况下实现所需要的测量精确度，需要非常高的采样频率以及因此快速且非常昂贵的电子组件，这而且还具有高电流消耗。由于高成本、由于高电流消耗并且由于所需精度，在雷达测量技术中使用了应用多个周期性地非常迅速地复现的传输脉冲以便确定包络曲线的方法。通过顺序采样方法，非常快速的传输脉冲被变换成扩展时间信号并且于是变换成低频范围。能够利用较慢的并且于是显著更便宜的组件对扩展时间信号进行数字化和评估。图1示出示意性地呈现的通过顺序采样高频测量信号如何能够被变换成低频范围。低频范围内的时间扩展信号表示高频原始测量信号变成低频范围的映射。 [0007] 在液体介质的情况下尤其关键的是料位测量。在这样的情况下，表面通常是移动的。为了料位的高度准确的检测，小于或等于1ms的区域中的非常快速的测量值产生是必要的。 [0008] 已知的雷达系统对于这样的应用在若干MHz的区域中使用非常高的传输脉冲速率，以便在短时间内，能够对于待评估的包络曲线记录足够的采样点并且于是为测量值的必要平均提供足够的时间。 [0009] 采样在这样的情况下通过传输脉冲和采样脉冲的交叉相关而发生，其中，采样脉冲比传输脉冲具有稍微更大的周期长度。交叉相关积随后被对于扩展时间信号求积分。能够利用模拟组件相当简单地实现相关和积分。时间信号按其扩展的因子优选地大于 80,000。能够利用简单手段对扩展时间信号进行数字化和评估。 [0010] 在下文中，将叙述已知现有技术的缺点： [0011] 用于料位测量的激光测量装置由于它们缺少多目标能力而使用TDC方法仅是有限适合的。具有全波形采样的现有激光扫描器不满足对于料位测量技术来说重要的要求。而且，这些方法由于它们的高采样速率实现起来非常昂贵。由于快速采样，这样的装置同样具有超出平均水平的高电流消耗。 [0012] 尽管有已知采样方法中所使用的快速组件，但是所对应的基于激光的系统对于料位测量来说太慢。此外，应当注意，与雷达测量装置相比，发射速率在基于激光的系统的情况下显著地受对于眼睛安全的要求限制。 [0013] 在应用具有从可见区域直到近红外区域(大约900nm)的现今证实的且价格有利的波长的激光器的情况下，所容许的激光功率和发射速率与近红外区域中的昂贵且很少使用的波长(诸如1060或1500nm)相比是再一次显著有限的。地理扫描器由于在高激光功率下所需要的快速发射速率而在大约1500nm处的近红外区域中常常还使用非常昂贵的技术。 [0014] 现今的全波形激光系统与所描述的根据周期性信号的采样的原理的雷达评估方法类似地工作，其中每个激光脉冲/激光发射存储了包络曲线的值，或者它们根据实时采样的方法工作。时域内的实时采样具有以下要求和优点： [0015] * 高测量精确度； [0016] * 每激光脉冲一个完整包络曲线的数字化； [0017] * 对于所需要的测量精确度，3GHz区域中的非常快速的采样频率是必要的； [0018] * 测量速度非常高；最大测量速率对应于脉冲速率； [0019] * 存在多目标能力。 [0020] 实时采样的示意表示在图2中被示出。实时采样的缺点包括： [0021] * 非常昂贵的高速转换器； [0022] * 通过AD转换的非常高的电流消耗。 [0023] 在下文中，将考虑用于料位测量的两个已知的激光评估方法的适合性： [0024] 在第一已知激光评估方法的情况下，对周期性信号进行采样，其中每激光发射的一个采样值被确定。已知的雷达料位测量装置通过上面描述的传输方法而廉价地、相对迅速地且非常确切地实现目的，但是然而在低脉冲功率的情况下取决于方法而需要MHz区域中的极其高的测量脉冲速率。在激光系统和所需要的激光功率的情况下，这个方法不适用于料位测量。这个方法的类似应用在基于激光的系统的低传输脉冲速率下对于料位测量来说太慢。 [0025] 第一已知基于激光的系统的特性如下： [0026] * 系统是成本有效地可实现的，因为采样例如仅在kHz区域中发生。 [0027] * 基于激光的测量系统是慢的，因为它与雷达测量相比由于眼睛安全并且由于每激光脉冲获得仅一个采样值而具有显著有限的发射速率。因此，该系统不适合于液体的料位测量。 [0028] * 即便当激光功率在增加发射速率的情况下降低，该系统也总是仍然太慢。 [0029] * 与增加发射速率关联的更高激光功率仅在昂贵的1500nm技术情况下是可能的，因为眼睛安全在1500nm的情况下不是问题。 [0032] 在具有实时扫描的第二基于激光的系统的情况下，应该提到以下点： [0033] * 基于激光的系统是非常快速的。 [0034] * 对于每个激光脉冲产生一个完整包络曲线。这相对于激光能量在能量方面是理想的，因为高激光功率在降低的脉冲速率的情况下是可能的。 [0035] * 对需要使用快速RAM存储器和基于FPGA的评估的评估电子装置提出了非常高的速度要求。这导致高电流消耗和高成本。 [0036] * 非常昂贵的高速千兆采样ADC的使用是必要的。附加地，高速ADC具有非常高的电流消耗，进而不能够被用在有爆炸危险的区域中。 [0037] * 由于高成本，实时采样基于激光的系统对于料位测量的广泛应用来说现今是不具竟争性的。 发明内容[0038] 本发明的目的在于提供适合于自动化技术中的基于激光的料位测量的方法和设备。 [0039] 该目的涉及用于使用行进时间方法来基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法来实现，该方法包括下列的特征：产生了预定脉冲宽度的激光脉冲；在填充物质的表面方向上以定义的传输重复频率发送激光脉冲；激光脉冲的定义的传输重复频率对采样频率有定义的依赖性；以采样频率的周期的整个编号的数目是大于或小于传输重复频率的周期长度的预定时间间隔的这样的方式区分定义的依赖性；该时间间隔被选择使得它对应于期望的采样分辨率并且小于采样频率的周期长度；接收在填充物质的表面上反射之后的激光脉冲；以每激光脉冲多个采样值被记录并且在每种情况下存储为子回波曲线的这样的方式以采样频率对在填充物质的表面上反射的激光脉冲进行采样；所存储的子回波曲线在测量循环之后被组合为总回波曲线；并且基于总回波曲线来确定料位。 [0040] 优选地，本发明的解决方案被应用于液体介质的料位确定。特别地，测量值记录的速度是足够高的以致料位测量值从在时间间隔期间的测量结果获得，在所述时间间隔内通常动态地变化的液体上表面能够被认为实质上是静态表面。 [0041] 本发明的方法的有利实施例提供了定义的传输重复频率与采样频率之间的定义的依赖性通过从两个不同的频率产生组件(例如振荡器)产生传输重复频率和采样频率而实现，传输重复频率与采样频率之间的恒定差频经由控制电路而设定，并且传输重复频率和采样频率是从由组件所产生的频率直接地获得的，或者传输重复频率和采样频率经由由组件所产生的两个频率的乘或除间接地获得。 [0042] 在本发明的方法的替代实施例中，提供了定义的传输重复频率与采样频率之间的预定依赖性通过经由第一频率产生组件来产生大于传输重复频率的基频而实现，传输重复频率通过乘以预定分频因子从基频获得，并且采样频率经由第二频率产生组件生成。 [0043] 在本发明的优选实施例中，分频因子是1/2n，或2n，其中n＝1,2,3...。分频因子的这个选择允许成本有效且简单的电路布置，因为数字频率信号能够通过对于待穿过的每个门应用例如t触发器(反转触发器)而被除以二，或翻倍。t触发器的数目对应于分频因8 子的指数n。因此，例如能够利用相继连接的八个t触发器来产生按分频因子2＝1/256 8 减少或按2＝256增加的频率。 [0044] 本发明的方法能够被简明地描述为多子回波曲线采样。在本方法中，多个周期性激光脉冲对于包络曲线的重建是必要的。数目与用于雷达测量装置的已知上面描述的评估相比是原来的小例如300的因数。一般而言，这些方法相差大约两个数量级。以这种方式，同样不可避免地导致较高的测量速度。而且，较高的激光功率由于较慢的激光脉冲速率而是可能的，这意味着能够满足料位测量技术的要求。 [0045] 仍然待更详细地描述的本发明的方法和本发明的设备与常规基于激光的系统相比由以下特性和优点进行区分： [0046] * 高测量速度(等于或小于1ms) [0047] * 小特定组件成本 [0048] * 较小的电流消耗 [0049] * 高激光功率 [0050] * 共用的成本有效的激光波长的应用 [0051] * 小激光发射速率 [0052] * 增加的激光器寿命 [0053] * 通过包络曲线评估(全波形)的多目标能力和增加的测量精确度。 [0054] 本发明的方法的有利实施例提供了激光脉冲的基频和采样频率优选地位于100-200MHz的频率范围内。 [0055] 本发明的方法的进一步发展提供了用于提供料位测量值的时间间隔被选择使得，一方面，满足对于用于在液体介质的情况下在料位测量技术中应用的基于激光的技术的测量精确度的要求，并且另一方面，满足对于基于激光的技术的用户的安全要求。 [0056] 特别地，提供了在小于1ms的时间间隔内提供测量循环的料位测量值。 [0057] 此外，提供了基于基频和采样频率产生了差频，所述差频被控制为恒定值。对于差的形成，优选地直接地考虑基频和采样频率。 [0058] 本发明的方法的优选实施例提供了根据所期望的分辨率或测量精确度，记录了多个子回波曲线，其中单独的子回波曲线的采样值由于基频、采样频率、差频以及分频因子而相对于彼此各自偏移了定义的时间间隔。 [0059] 而且，关于本发明的方法，提供了当因此差频已完成周期并且基频和采样频率是相位上反向的时，在差频的循环之后终止测量循环。 [0060] 现在将基于以下示例图示本发明的方法：200MHz的基频被除以分频因子(例如214＝1/16384)，以产生大约12kHz的频率。这个值对应于激光脉冲速率。 [0061] 当基频和采样频率是确切地同相时，测量开始-测量循环启动。激光以12kHz的激光脉冲速率被计时以发送激光脉冲。利用200MHz的采样频率，每0.75米记录采样值。例如，100个值产生第一子包络曲线。根据800Hz的差频，第二激光脉冲的采样在激光脉冲上偏移了5cm；它因此稍后发生。该采样产生第二子包络曲线。这个过程继续。在15次采样并且子回波曲线各自偏移了5cm之后，完成两个采样点之间的75cm。 [0062] 获得总回波曲线的组合通过将第一子回波曲线的值例如写入存储器位置0、15、30、45、...而发生。第二子包络曲线或子回波曲线的值然后被写入位置1、16、31、46、...。 第三子包络曲线的值被写入位置2、17、32、47、...等。在15个子回波曲线之后，存储器完成并且能够作为总回波曲线被读出。 [0063] 该目的相对于用于使用行进时间方法来确定容器中的填充物质的料位的基于激光的设备来实现，该设备包括下列的特征：提供了信号产生单元，其产生具有预定脉冲宽度的激光脉冲；提供了发送单元，其在填充物质的表面方向上发送具有定义的传输重复频率的激光脉冲，其中激光脉冲的定义的传输重复频率通过预定基频和分频因子的乘法而获得，或者其中基频通过将定义的传输重复频率乘以预定因子而获得；提供了接收单元，其接收在填充物质的表面上反射之后的激光脉冲；提供了采样电路，其以这样的方式以稍微不同于基频的采样频率对在填充物质的表面上反射的激光脉冲进行采样，使得每激光脉冲多个采样值被记录并且在每种情况下存储为子回波曲线，并且特别地，而且，提供了评估单元，其将在测量循环之后所存储的子回波曲线与总回波曲线组合并且基于总回波曲线来确定容器中的填充物质的料位。当然，还能够具体化本发明的料位测量装置，使得它能够执行权利要求1或2中所限定的方法。 [0064] 发送单元优选地是脉冲激光二极管、激光驱动器电路以及用于聚焦激光的光学透镜。接收单元优选地由光电二极管和用于将从填充物质的表面反射的激光聚焦到光电二极管上的会聚透镜组成。光电二极管单元能够包括雪崩光电二极管和互阻抗放大器。 [0065] 本发明的设备的有利实施例提供了采样电路是模拟/数字转换器并且评估单元是微处理器。 [0066] 在本发明的优选形式中，激光脉冲的预定脉冲宽度位于1ns与10ns之间。当然，本发明不限于这个脉冲宽度范围。相反地，该脉冲宽度能够适于特定应用。如上面已经陈述的，在液体测量的情况下的要求大于在固体测量的情况下的。 [0068] 现在将基于附图更详细地说明本发明，附图的图示出如下： [0069] 图1是高频信号到低频范围的已知变换的示意表示， [0070] 图2是图示实时扫描的已知功能原理的框图， [0071] 图3是图示本发明的方法的功能原理的框图， [0072] 图4是经由本发明的方法获得的回波曲线的示意表示， [0073] a)其中采样频率的周期的整个编号的数目比传输重复频率的周期长度大了预定时间间隔， [0074] b)其中采样频率的周期的整个编号的数目比传输重复频率的周期长度小了预定时间间隔， [0075] 图5a-e是组合以形成回波曲线的不同子回波曲线的示意表示。 [0076] 图6是图示基于根据本发明所确定的回波曲线测量信号所行进的路径如何被确定的曲线图。 具体实施方式[0077] 图1示出了高频信号到低频范围的已知变换的示意表示。为了使用1-5ns的脉冲宽度来实现料位测量技术中所需要的高测量精确度，需要非常高的采样频率并且从而需要快速且非常昂贵的组件，这附加地具有高电流消耗。由于高成本、高电流消耗和所需精度，在雷达测量技术中利用了为了确定回波曲线应用多个周期性地非常迅速复现的传输脉冲的方法。使用顺序采样方法，非常快速的信号被变换成可评估的时间扩展信号。能够利用较慢的且显著更便宜的组件随后对时间扩展信号进行数字化和评估。图1中所示的是正弦振荡的顺序采样。采样间隔T2稍微大于信号周期T1。顺序采样导致原始传输脉冲的时间扩展映射的输出。Endress+Hauser的雷达料位测量装置根据上面所描述的方法工作。 [0078] 图2示出了图示在已知基于激光的系统的情况下实时采样的功能原理的框图。信号产生单元1产生具有基频f的信号，所述信号被供应给脉冲形成器6和微处理器5。脉冲形成器6从这些信号产生具有预定脉冲宽度Tp的激光脉冲。激光脉冲由发送单元2在填充物质(图2中未分别地图示)的表面方向上发送。同时，AD转换器4经由倍频器7而启动。在发送传输脉冲时，关于起始信号或零参考信号的信息被给予微处理器5。对于从激光脉冲的出现点直到被测对象的确切距离测量，零参考信号的接收与从被测对象反射的信号的接收之间的持续时间被测量。 [0079] 在依赖于距离并且因此依赖于填充物质的料位的行进时间之后在接收单元3中接收从填充物质的表面上反射的激光脉冲。所接收到的激光脉冲被馈送给采样电路4，这里为相应地设计的快速AD转换器，其对激光脉冲实时地进行采样。采样频率比由信号产生单元1所产生的基频f大因子m。因此，每激光脉冲记录了多个单一值。评估单元5(这里为微处理器)基于实时地采样的激光脉冲来生成回波曲线EK，并且基于该回波曲线EK来确定容器中的填充物质的料位。 [0080] 图3示出了图示本发明的方法的功能原理的框图。信号产生单元1产生具有基频f的信号。具有基频f的这些信号被供应给脉冲形成器6和微处理器5。脉冲形成器6从这些信号产生具有预定脉冲宽度Tp，或预定传输接收频率fPulse的激光脉冲。优选地，激光脉冲的预定脉冲宽度Tp位于1ns与10ns之间。以此实现的测量精确度在其表面在运动中的液体填充物质的情况下允许料位测量。 [0081] 在填充物质(同样地图3中未分别地图示)的表面方向上从发送单元2发送激光脉冲。同时，微处理器5接收起始信号，以用于开始测量。 [0082] 在依赖于距离并且因此依赖于填充物质的料位的行进时间之后在接收单元3中接收从填充物质的表面上反射的激光脉冲。所接收到的激光脉冲被馈送给采样电路4，这里为AD转换器。激光脉冲的采样以稍微不同于基频的采样频率发生。采样频率由信号产生单元8(例如振荡器)产生。采样频率与基频f之间的差频被控制为恒定大小。上面已经给出了数值示例。当因此差频已通过周期T并且基频和采样频率是相位上反向的时，测量循环由微处理器5在差频的循环之后终止。 [0083] 根据所期望的分辨率或测量精确度，记录了多个子回波曲线SEKx，其中，单独的子回波曲线SEKx的采样值由于基频、采样频率、差频以及分频因子TF而相对于彼此各自偏移n了定义的时间间隔Δt。优选地，分频因子TF为1/2，其中n＝1,2,3...。以这种方式，假定了与微处理器5相关联的存储器的最佳使用。附加地，简化了评估。上述信息被图示在图4a和图4b中并且在图5a-5e中。 [0084] 图4a和图4b示出了时间顺序子回波曲线SEK1、SEK2、SEK3、...的示意表示。从在时间上紧跟的并且相对于彼此偏移了定义的时间间隔的子回波曲线SEK1、SEK2、SEK3、...的回波曲线EK的形成在图5a-e可见。 [0085] 根据本发明，激光脉冲的传输重复频率fPulse对采样频率有定义的依赖性。该定义的依赖性使得采样频率的周期的整个编号的数目比传输重复频率fPulse的周期长度大了预定时间间隔。这个情况在图4a中被示出。 [0086] 图4b示出采样频率的周期的整个编号的数目比传输重复频率fPulse的周期长度小了预定时间间隔的情况。时间间隔被选择使得期望的采样分辨率得以实现，其中时间间隔小于采样频率fs的周期长度。 [0087] 图6示出基于根据本发明所确定的回波曲线EK测量信号所行进的路径S-E如何被确定。标绘在回波曲线EK上的点对应于通过采样所获得的信号值。在起始点S附近的较小峰值是由发送单元2的区域中的干扰引起的。在端点E附近的较大峰值对应于在填充物质的表面上反射的信号。在起始信号S与接收到的信号之间的区域中同样地存在干扰反射。这些是尤其由环境影响(诸如灰尘或雾)引起的。 |
||||||
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈