用于确定和/或监测容器中的介质的料位的方法
| 专利类型 | 发明授权 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN201380041281.9 | 申请日 | 2013-07-26 |
| 公开(公告)号 | CN104520682B | 公开(公告)日 | 2018-07-27 |
| 申请人 | 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司; | 申请人类型 | 企业 |
| 发明人 | 阿列克谢·马利诺夫斯基; 斯特凡·格伦弗洛; 迪特马尔·施潘克; 埃德加·施米特; | 第一发明人 | 阿列克谢·马利诺夫斯基 |
| 权利人 | 恩德莱斯和豪瑟尔两合公司 | 权利人类型 | 企业 |
| 当前权利人 | 恩德莱斯和豪瑟尔欧洲两合公司 | 当前权利人类型 | 企业 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份： | 城市 | 当前专利权人所在城市： |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：德国毛尔堡 | 邮编 | 当前专利权人邮编： |
| 主IPC国际分类 | G01F23/28 | 所有IPC国际分类 | G01F23/28 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 12 | 专利文献类型 | B |
| 专利代理机构 | 中原信达知识产权代理有限责任公司 | 专利代理人 | 赵晓祎; 戚传江; |
| 摘要 | 本 发明 涉及一种利用根据行进时间测量方法工作的测量设备来确定和/或监测容器中的介质的料位的方法，其中，测量 信号 向介质发送并接收，其中，由 叠加 发送的测量信号、反射的有用回波信号和干扰回波信号组成的高频总测量信号被用于确定原始回波曲线或数字化包络曲线，其中，原始回波曲线或数字化包络曲线中的有用回波信号和/或干扰回波信号使用理想回波曲线来确定，该理想回波曲线将理想 反射器 的回波信号的振幅表示为离理想反射器的距离的函数，以及其中，料位根据确定的有用回波信号来确定。 | ||
| 权利要求 | 1.一种利用测量设备(1)来确定和/或监测容器(3)中的介质(4)的料位(6)的方法，所述测量设备(1)根据行进时间测量方法来工作， |
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| 说明书全文 | 用于确定和/或监测容器中的介质的料位的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种使用测量设备来确定和/或监测容器中的介质的料位的方法，该测量设备根据行进时间测量方法工作。 背景技术[0003] 用于料位测量设备的行进时间方法利用物理定律，根据该物理定律，行进距离等于行进时间与传播速度的乘积。在这种情况下，料位测量相当于变送器的参照点和填充物质的表面之间的距离的两倍的行进距离。有用回波信号，因此在填充物质的表面上反射的信号及其行进时间较佳地根据所谓的回波曲线确定，该回波曲线以模拟或数字的形式示出作为离变送器的距离的函数的回波信号的振幅。料位值则从变送器的参照点离容器的底部的已知距离与通过测量确定的填充物质的表面离变送器的参照点的距离之间的差中获得。 [0004] 可应用所有已知的方法，该方法能够通过反射测量信号确定相对较短的距离。如果测量信号是微波，则可使用脉冲雷达以及调频连续波雷达(FMCW雷达)。在下文中，将会仅描述脉冲行进时间方法。然而，本发明的方法同样适用于诸如例如FMCW的其它行进时间测量方法。在脉冲测量信号自由发射的情况下的微波测量设备由申请人例如以商标“MICROPILOT”出售。将测量信号沿导电元件引入容器并从容器引出的微波测量设备由申请人以商标“LEVELFLEX”出售。通过超声波信号工作的设备类型由申请人例如以商标“PROSONIC”出售。 [0005] 发送的测量信号由接收的、有用回波信号形成，在给定情况下，总测量信号在实际测量条件下包括另外干扰回波信号。这些干扰回波信号具有不同原因，诸如例如： [0006] -对容器中的安装物体和对容器本身的反射 [0007] -多径传播(回复反射)和多模传播 [0008] -发送波的弥散 [0009] -介质形成的泡沫和堆积 [0010] -填充和排空过程 [0011] -介质的反射特征 [0012] -噪声 [0013] -介质的低介电常数 [0014] -容器中的湿度 [0015] -不稳定的介质表面。 [0017] 在WO03/016835A1中描述了一种评估根据行进时间原理工作的测量设备的测量信号的方法，在这种情况下，当前记录的测量曲线与参照信号数据相比。在参照信号数据与当前记录的测量曲线的相比中，有可从相应干扰和有用信号的时间平移确定的矫正因子，不管料位的有用信号不存在还是可评估，寻找的料位可通过该矫正因子确定。 [0018] 上述申请中披露的用于从测量信号中消除干扰信号的方法和装置都存在它们不能对影响测量信号的容器中的工艺条件变化或对测量设备的测量方法和测量性能变化作出反应的问题。 [0019] DE102007042042A1中描述了一种通过现场设备确定和监测容器中的介质的料位的方法，其中，料位在包络曲线中从发送信号和反射信号中根据行进时间、行进距离确定。干扰回波信号储存在掩蔽曲线中，该掩蔽曲线在第一测量周期从空容器中的测量信号的包络曲线确定，且储存评估曲线用于评估包络曲线，该评估曲线在第一测量周期从包络曲线确定。为了降低对内存的需求并使得曲线可适应测量情况，掩蔽曲线和/或评估曲线可编辑，其中，曲线函数由具有适当可连接功能的减少数量的支撑点形成。 [0020] 专利申请DE102005003152A1中描述了一种检查根据行进时间原理工作的料位测量设备的有序运行的方法。为此，在预定或可选择时间间隔内，测量值曲线在当前料位下确定；有用回波信号根据当前测量值曲线确定。接着，有用回波信号的质量的期望值在至少一个预定料位下根据当前有用回波信号的信号振幅并根据在预定工艺和/或系统相关条件下确定的理想回波曲线确定。在预定料位下确定的有用回波信号的质量的期望值与质量的预定临界值作比较，且当确定的期望值超过质量的临界值时，错误状态被判断。 发明内容[0021] 本发明的目的是提供一种改进的且更准确的用于评估料位测量设备的测量信号的方法。 [0022] 该目的根据本发明的通过利用根据行进时间测量方法来工作的测量设备确定和/或监测容器中的介质的料位的方法得以实现，其中，测量信号被向介质发送且在介质的表面上被反射作为有用回波信号或在干扰元件的表面上被反射作为干扰回波信号并被接收，其中，通过顺序采样从通过叠加发送的测量信号、反射的有用回波信号和干扰回波信号所组成的高频总测量信号中生成低频、中频信号，其中，从中频信号中，确定依赖于行进时间或行进距离的至少一个原始回波曲线或数字化包络曲线，其中，原始回波曲线或数字化包络曲线中的有用回波信号和/或干扰回波信号被根据理想回波曲线来确定，该理想回波曲线将理想反射器的回波信号的振幅表示为离理想反射器的距离的函数，以及其中，料位被基于确定的有用回波信号来确定。 [0023] 利用这种方法，给出选择以对工艺条件的改变和测量设备的计量条件的改变作出反应并由此对容器中的介质的料位的确定和测量进行优化。为此，过程应用如下：测量信号通过发送和接收单元从测量设备发送并在介质的表面上反射作为有用回波信号以及例如在干扰元件上反射作为干扰回波信号。总测量信号从发送的测量信号、有用回波信号和在给定情况下的干扰回波信号的叠加中产生。低频、中频信号通过信号采样电路从总测量信号中生成。基本上，在该顺序采样方法的情况下，测量信号生成并发送，且使用稍微小一点的脉冲重复频率生成的采样信号或采样信号相对于发射的测量信号生成相位调制。低频、中频信号通过将总测量信号和采样频率信号送到混频器生成。低频、中频信号具有与总测量信号相同的曲线，但相对于总测量信号以时间扩展因子延伸，该时间扩展因子等于测量信号的脉冲重复频率与采样信号和测量信号的两个频率的频率差的商。在几兆赫兹的脉冲重复频率、几赫兹的频率差和几千兆赫兹的微波频率的情况下，生成小于100kHz的中频信号的频率。 [0024] 总测量信号到中频的转换具有优点，该优点是，相对较慢且因此成本有效的电子元件可用于信号评估。对于进一步处理的模拟，生成对应于通过对多个总测量信号平均获得的模拟中频信号的模拟原始回波曲线。如果后续方法步骤通过数字值进行，那通过矫正、可选地对模拟中频信号取对数并数字化从模拟中频信号中确定数字化包络曲线，相应地确定包络。评估曲线通过滤波过程从原始回波曲线或数字化包络曲线中确定。评估曲线通过平滑过程生成，该滤波过程总是表示数字化包络曲线--相应地原始回波曲线--的数学滤波函数。例如，平滑通过滤波函数与窗口函数一起使用实现，例如采用某个窗口宽度的滑动平均。然而，这些平滑过程常常具有缺点，该缺点是，由于平均宽度必须通常非常广泛设置以不会得到假象，所以曲线形式变化剧烈且回波信号的信号宽度扩宽。评估曲线特别好地掩蔽干扰回波信号，该干扰信号性质上是统计的并例如从储罐的填充中生成、通过激起介质生成以及由于介质的不稳定表面生成。如果测量情况在容器中--相应地在工艺区中--变化，或例如测量设备的滤波参数改变，那评估曲线必须适用于变化了的条件。由于这些变化--相应地工艺和计量条件的改变--对总测量信号有影响且相应地对包络曲线有影响，其中，例如，包络曲线和有用回波信号--相应地干扰回波信号--的位置或形状变化，这些影响在静态参照曲率上同样必须考虑。 [0026] 本发明的方法的非常有利变型是其中理想曲线通过与理想反射器的比较测量而被确定，并被储存。 [0027] 本发明的方法的另一补充变型提供，理想回波曲线通过算法而被拟合，并且自适应理想回波曲线被生成。 [0028] 本发明的方法的特别有利的进一步发展提供，自适应理想回波曲线被通过算法基于偏移沿对数振幅轴移位。 [0029] 本发明的方法的实施例的较佳形式提供，根据基于最大回波振幅的算法来进行自适应理想回波曲线的移位。 [0030] 本发明的方法的实施例的有利实例提供，根据基于噪声水平的算法来进行自适应理想回波曲线的移位。 [0031] 本发明的方法的实施例的有利替代实例提供，根据基于测量设备的设定参数的算法来进行自适应理想回波曲线的移位。 [0032] 本发明的方法的特别有利的进一步发展提供，自适应理想回波曲线通过基于算法的形状适应来适应变化的测量条件，例如以信号衰减变化的形式。 [0033] 在本发明的方法的另外有利实施例中，提供的是，借助在不同距离--相应地行进时间--的有用回波信号的振幅监测通过算法来进行自适应理想回波曲线的形状适应。 [0034] 本发明的方法的另一补充变型提供，根据基于测量设备的设定参数的算法来进行自适应理想回波曲线的形状适应。 [0035] 本发明的方法的实施例的较佳形式提供，为了诊断测量设备或测量点以及为了获得涉及应用的另外的补充信息，理想回波曲线基本算法被与自适应理想回波曲线作比较。 [0037] 现将会根据附图更详细地解释本发明。为了简化，附图中的相同部件设有相同的附图标记。附图如下所示： [0038] 图1：在具有某些可能干扰影响的容器上的测量设备的测量建立的实施例的实例以及相应的数值包络曲线，相应地原始回波曲线， [0039] 图2：示出通过滑动最小值形成生成的平滑评估曲线的曲线图， [0040] 图3：示出通过滑动平均形成生成的平滑评估曲线的曲线图， [0041] 图4：具有作为评估曲线的理想回波曲线的曲线图，以及 [0042] 图5：具有评估曲线的理想回波曲线的振幅移位的曲线图。 具体实施方式[0043] 图1示出了安装在容器3上的管嘴12中的测量设备1，该测量设备1根据行进时间测量方法确定容器3中的介质4的料位6。例如，搅拌器、冷却管系统和安装在容器壁中的另一测量设备在图中示出为干扰元件7。未在图中明确示出的其它干扰元件7同样可影响测量。对应于容器3中的测量情况的包络曲线HC示出与容器3的高度成比例。所示的包络曲线HC绘制作为行进距离x--相应地行进时间t--的函数的采样、发送和反射的测量信号MS的振幅AMP。容器3中的干扰元件7和介质4的表面5的干扰影响通过参照线直接与包络曲线HC中的相应的有用回波信号NES和相应的干扰回波信号SES相关联，使得人可明白前因后果。发送和接收单元2实施为喇叭天线。然而，可使用其测量设备1根据行进时间测量方法工作的任何已知的发送和接收单元2，诸如例如平面天线、棒状天线、抛物镜面天线、微波导向件、声音传感器以及光学发送和接收元件。现场总线8提供与远程测量设备1或控制站的通信，该现场总线8根据诸如例如基金会现场总线、ProfibusPA的常见通信标准工作并例如用两个导体技术实施。通过单独电源线9给测量设备1供电可发生，以通过现场总线8补充测量设备 1的能量供应。 [0044] 图2示出了根据技术现状具有平滑评估曲线BC的曲线图，该平滑评估曲线BC例如通过滤波法生成，该平滑评估曲线BC通过滑动最小值形成法从包络曲线HC--相应地原始回波曲线RC、滤波最小曲线FMC中生成。评估曲线BC给出参照点用于确定有用回波信号NES和干扰回波信号SES的振幅AMP，从而指定正确措施，以便回波可在不同距离x--相应地行进时间t--的情况下相互比较。回波NES、SES、E的相对振幅AMP参照评估曲线计算并相互比较。在最简单的情况下，具有最大相对振幅REA的最大回波Emax被确定并设成等于填充物质4的表面5--相应地料位6--上的测量信号MS的反射。在该评估中，不仅回波NES、SES、E的绝对振幅AMP的确定而且评估曲线BC的形状都起到决定性的作用。 [0045] 此外，图3中示出有根据技术现状具有平滑评估曲线BC的曲线图，该平滑评估曲线BC例如通过滤波法生成，该平滑评估曲线BC通过滑动平均形成从包络曲线HC--相应地原始回波曲线RC、滤波平均曲线FAC中生成。例如，平滑通过滤波函数与窗口函数一起使用实现，例如采用某个窗口宽度的滑动平均。为此，从在包络曲线HC中的位置开始，在某个窗口宽度内，确定所有测量值且从中计算出平均值。在窗口内的测量值的这个确定的平均值根据测量点--相应地行进时间t--储存，且这个平均形成法在另外测量点--相应地离散行进时间t，在数字化包络曲线HC中进行。接着，滑动平均值评估曲线FAC从根据测量点--相应地行进时间--储存的平均值中确定。 [0046] 通过滑动最小值形成生成的图2的平滑评估曲线FMC和通过滑动平均形成法生成的图3的平滑评估曲线FAC是抽象的数学曲线，它们不考虑诸如测量信号MS沿行进路径x衰减的物理定律。相对于这些平滑评估曲线FMC、FAC具有最大相对振幅REA的回波NES、SES不绝对对应于测量信号MS的最强反射。在某些情况下，有用回波信号NES的确定可出错。发送脉冲的衰减区中的第一回波E1与干扰回波信号SES的比较是特别重要的。例如，在图2和3中，虽然第一回波E1具有更强的反射，但第二回波E2会被选为填充物质4的料位6的有用回波信号NES。 [0047] 图4示出了具有作为评估曲线的理想回波曲线IEC的曲线图，以及图5示出了作为评估曲线的理想回波曲线IEC的振幅移位。理想回波曲线IEC定义为作为从理想反射器IR来回的距离--相应地行进距离x--的函数的来自例如大刨光金属反射器的理想反射器IR的有用回波NES的振幅AMP。因此，理想回波曲线IEC是物理曲线，该物理曲线考虑了有用回波信号NES和干扰回波信号SES与测量信号MS的行进时间t--相应地行进距离x--的相关性并形成了回波信号NES、SES在不同距离x比较的基础。该理想回波曲线IEC形成本发明的评估曲线BC、BC1的基础。 [0048] 通过理想回波曲线IEC与工艺过程中的测量设备1的测量条件的匹配，可获得另外优点。然而，在申请人以商标Micropilot和Prosonic出售的自由发射的料位测量设备1的情况下，评估曲线BC1通过将回波NES、SES与噪声水平N隔离实现又一重要功能。低于评估曲线BC的噪声水平N的噪声峰值不评为有用回波信号NES。图3的滑动平均值评估曲线FAC和图2的滑动最小值评估曲线FMC通过它们的构造和它们的积拟合到该噪声水平N。 [0049] 在第一实施例中，理想回波曲线IEC可根据本发明通过特定算法拟合到噪声水平作为自适应理想回波曲线AIEC。本发明的这种拟合通过理想回波曲线IEC沿以对数表示的振幅轴AMP移位发生。当拟合到噪声水平N时，自适应理想回波曲线AIEC的位置对应于填充物质4的最小反射因子，在这种情况下，料位6可仍然在总测量范围内探测到。以振幅AMP的线性表示的反射因子的相应乘法数学上对应于以对数表示的自适应理想回波曲线AIEC的加法，相应地移位。噪声水平N可通过线性回归或某些其它方法从包络曲线HC或例如没有发送脉冲衰减的包络曲线HC的部分包络曲线HC中确定。参照例如图4中的本发明的自适应理想回波曲线AIEC，其对应于填充物质4的表面5的最强反射的第三回波E3会具有第三回波E3的最高相对振幅REA3。基于这些考虑，该第三回波E3会确定为有用回波信号NES--相应地料位回波信号。 [0050] 在补充或可替代实施例中，相对于理想回波曲线IEC最大的有用回波信号NES的振幅AMP还可用于拟合。在这种情况下，理想回波曲线IEC沿对数振幅轴移位直到自适应理想回波曲线AIEC与最大回波Emax相交。从这个位置开始，自适应理想回波曲线AIEC通过另一预定振幅大小移位以生成第三评估曲线BC3。这种拟合方法对应于将理想回波曲线IEC拟合到填充物质4的当前反射因子。例如，自适应理想回波曲线AIEC与填充物质4的当前反射因子的这种匹配可发生在测量设备1的每个测量周期内或在测量设备1启动时。在这种拟合以后，最大测量范围可确定或核对为离自适应理想回波曲线AIEC与噪声水平N的交点的距离x。如果这个最大测量范围例如小于预定测量范围大小，那测量设备发出警告或报警。这个最大测量范围通知有关最大距离xm，在该最大距离内，仍然可获得填充物质的表面5上的测量信号MS的可评估反射信号。 [0051] 在这里给出的实施例的实例中，使用包络曲线HC的半对数绘制，在这种情况下，振幅AMP轴是对数的且行进时间t是线性的。根据本发明的理想回波曲线IEC的表示和拟合还可基于包络曲线HC的纯线性表示进行，其中，作为以对数表示的加法的包络曲线HC的移位对应于作为以线性表示的乘法的包络曲线HC在振幅上的缩放。 [0052] 自适应理想回波曲线AIEC的拟合还可确定为专用参数的函数，该专用参数诸如例如填充物质--相应地介质4--的介电常数(介电常数影响反射因子)，填充物质4的表面5的状态(填充物质4的表面5的状态影响测量信号MS在填充物质4的表面5上的反射特性)，以及容器3的材料，相应地几何形状(材料和几何形状影响天线增益和信号衰减)。这些应用参数最常通过使用者直接在测量设备1中设定。 [0053] 根据本发明，然而，在测量设备1中还可具有通过测量设备1相应地自动适应以确定理想回波曲线IEC的某些应用参数。如果例如信号衰减在当前应用中不同于在确定理想回波曲线IEC的前面应用中，那理想回波曲线IEC的形状可相应地适应。图4示出了适应自适应理想回波曲线AIEC的形状的实例。例如，在测量设备1安装在探测管中的情况下，测量信号MS的衰减小于在测量信号的自由场发送的情况下、在由于蒸汽存在气相的情况下或在时域反射仪的测量探头上形成填充物质堆积的情况下。自适应理想回波曲线AIEC的这种形状适应可通过由使用者或由测量设备通过监测在不同距离的料位回波的振幅AMP自动地调节测量设备1中的应用参数实现。 [0054] 算法进一步集成在测量设备1中，该算法进行自适应理想回波曲线AIEC的形成和振幅偏移与原始理想回波曲线IEC的比较并从该比较结果获得测量点诊断的有用信息和/或涉及应用的补充信息。通过原始理想回波曲线IEC与自适应理想回波曲线AIEC的这种比较，可探测到在天线或测量探头上的堆积，或评估填充物质4的表面5的状态。 [0055] 在应用的另外情况下，当测量信号MS的激励脉冲地衰减叠加到料位回波上时，可进行特定回波评估。料位6的有用回波信号NES的振幅AMP的高度在衰减区域中，相应地在振荡区域中由于叠加衰减信号而比纯粹由填充物质4的表面5上的反射引起的有用回波信号NES大得多。以线性表示的理想回波曲线IEC在振荡--相应地衰减--附近可适应。以这种表示而不考虑干扰效应，形成振荡的、设备和安装所特定的回波的加成叠加和料位回波可被采用。接着，通过逐渐增加理想回波曲线IEC的大小，设备的振幅AMP和安装所特定的回波、料位6的有用回波信号NES可与发送脉冲的衰减--相应地设备和安装所特定的回波的加成叠加--分离开。通过振荡大小相减形成的差计算第一回波E1的相对回波振幅REA1。 [0056] 附图标记列表 [0057] 1 测量设备 [0058] 2 发送和接收单元，相应地天线 [0059] 3 容器 [0060] 4 介质 [0061] 5 表面 [0062] 6 料位 [0063] 7 干扰元件 [0064] 8 现场总线 [0065] 9 电源线 [0066] IE 理想回波曲线 [0067] AIE 自适应理想回波曲线 [0068] N 噪声水平 [0069] IR 理想反射器 [0070] GS 总测量信号 [0071] MS 测量信号 [0072] NES 有用回波信号 [0073] SES 干扰回波信号 [0074] RC 原始回波曲线 [0075] E 回波 [0076] E1 第一回波 [0077] E2 第二回波 [0078] E3 第三回波 [0079] RAE 相对回波振幅 [0080] RAE1 第一回波的相对回波振幅 [0081] RAE2 第二回波的相对回波振幅 [0082] RAE2 第三回波的相对回波振幅 [0083] Emax 最大回波 [0084] HC 数字化包络曲线 [0085] BC 评估曲线，相应地当前评估曲线 [0086] BC1 第一评估曲线 [0087] BC2 第二评估曲线 [0088] BC3 第三评估曲线 [0089] BC4 第四评估曲线 [0090] BC5 第五评估曲线 [0091] FAC 滑动平均值评估曲线 [0092] FMC 滑动最小值评估曲线 [0093] AMP 振幅、振幅值 [0094] X 行进距离 [0095] t 行进时间 |
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