监控方法和用于使按照雷达原理工作的料位测量系统运行的方法和相应的料位测量系统

摘要

描述和示出一种用于检验测量仪装置(1)的方法，其中，测量仪装置(1)包括测量仪(2)，所述测量仪以确定测量参量为出发点生成可从分接位置(3)作为分接信号分接的输出信号。本发明所基于的任务是，说明一种用于监控测量仪装置的方法，所述方法表示在不中断测量或测量值参送的情况下的流线检验。在所述方法中该任务是借此解决的，即以这样的方式影响测量仪(2)，使得测量仪(2)生成测试信号作为输出信号，和以这样的方式影响输出信号和/或与此相关的信号，使得分接信号是可预先给定的调节信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于监控作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪的方法，其中，在测量介质的料位期间通过一组可预先给定的测量参数调制由料位测量仪要发射的雷达信号的频率，和其中，从至少一个在测量料位期间接收的接收信号中确定料位的测量值。此外，本发明还涉及一种用于使作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪运行的方法，其中，在测量介质的料位期间通过一组可预先给定的测量参数调制由料位测量仪要发射的雷达信号的频率，和其中从至少一个在测量料位期间接收的接收信号中确定料位的测量值。此外，本发明还涉及作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪。 

背景技术

在工业测量技术中，经常使用雷达料位测量仪用于确定诸如箱或贮仓的容器内的例如液体、散料或还有泥浆的介质的料位。通过测量仪实施的渡越时间法在物理规律性基础上建立，使得例如电磁信号的渡越路段等于渡越时间与传播速度的乘积。如果是测量容器中的介质(例如液体或散料)的料位，渡越路段相当于辐射并再次接收电磁信号的天线与介质表面之间的2倍距离。有效回波信号——即，在介质表面处反射的信号——及其渡越时间借助所谓的回波函数或数字化包络线确定。包络线把回波信号的振幅代表为“天线-介质表面”的距离的函数。料位可以从在天线到容器底部的已知距离和通过测量确定的介质表面到天线的距离之间的差来计算。发射和接收的电磁信号大多是微波辐射。 

特殊的雷达料位测量法是FMCW雷达法(FMCW＝Frequency Modulated Continuous Wave，调频连续波)。为了测量，连续地发射微波信号，其中，利用一定的调制参数组调制信号的频率。典型的是，这以连续的斜坡作为调制的变化曲线的形式实现，其调制位移-即最小与最大频率之间的差-和调制持续时间-即其中经历调制位移的时间区间可以被预先给定。通过信号传播期间的延迟时间，发射频率在接收反射信号时已经变化，从而从差频率中得出反射表面 的距离并从而得出料位。在现有技术中，例如，为此使用以混合而已知的过程，通过所述过程在连续调谐或调制要辐射的雷达信号的持续时间期间生成具有明显低频率的信号。为了继续处理，大多使用离散傅里叶变换。 

在DE 10 2009 057 191A1中描述，通过不同的调频参数可以在不同的距离范围中实现测量精度。从DE 10 2009 001 265A1中可以得知，可以优化调制参数组为使得它们更可能适用于实际的测量或更可能适用于对雷达传感器的模糊不清进行识别。 

上述料位测量仪应用于例如化学工业，水和废水业务管理，制药工业，食品领域，能量产生以及油和燃气工业。尤其是对于安全临界的应用，为所使用的测量仪力求功能安全(划入安全完整性级别SIL1-4)。从所力求的安全级别中得出旨在安全的构造原则，其中应该遵守所述构造原则，以便使测量仪失灵的风险最小化。已知的方法在于测量仪的冗余的或多样的扩展方案。这意味着，双重或多重地设计组件或组件来自不同的制造商或组件是不同的类型。随两种变体而分别出现提高的成本。在冗余的扩展方案中，组件的空间需求升高或必须设置适当地操控冗余的组件或者分析其信号的单元。此外，用于测量的时间可能提高，因为测量结果的比较或故障的识别被执行。对于在安全方面评判测量仪而言重要的参量是安全失效分数(SFF)，其说明无危险的故障占总计可能的故障多大份额。在此，无危险的故障是虽然对安全是重要的但是或者被识别或者使发射器转入安全状态的故障。如果故障通过测量仪自身的自动监控被识别，则是大大有利的。 

发明内容

因此，本发明所基于的任务是提出一种用于监控作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪的方法，一种用于使作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪运行的方法和作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪，其能够实现尽可能简单的自监控。 

按照本发明的用于监控作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪的方法，其中之前导出的和指出的任务得以解决，首先和基本上通过下述步骤来表征：在测试阶段期间，通过至少一组可预先给定的测试参数对要发射的雷达信号的频率进行调制。从至少一个在测试阶段期间接收的测试接收信号中确定测试测量值和鉴于监控，至少对该测试测量值进行分析。在正常的测量期间，按照FMCW方法通过一组可预先给定的测量参数(可预先给定的测量参数集(Satz))对要 发射的雷达信号进行调制。但是，在测试阶段期间通过至少一组可预先给定的测试参数进行调制，所述测试参数尤其是在至少一个参数方面与该组测量参数不同。然后，在监控方面，对从利用该组测试参数进行的测量中得出的测试测量值进行分析。 

在一个有利的扩展方案中规定，在测试阶段期间，通过不同组的可预先给定的测试参数对要发射的雷达信号的频率进行调制，其中，至少一组测试参数与该组测量参数不同。此外，对于至少两组测试参数，分别接收至少一个所属的测试接收信号，和从至少两个测试接收信号中分别确定配属的测试测量值。然后，鉴于监控，对至少两个测试测量值进行分析。在测试阶段期间，通过不同组的测试参数进行多个、也即至少两个测量。尤其是一组测试参数与该组测量参数不同。通过不同的参数组可以接收不同的反射雷达信号，从所述雷达信号中又确定不同的测试测量值。然后，为了监控，可以继续处理至少两个测试测量值。在一个扩展方案中，在测试阶段期间，通过至少一组基本上与该组测量参数相同的测试参数对要发射的雷达信号的频率进行调制。在一个可替代的扩展方案中上述的第二组测试参数也与该组测量参数不同。 

一个有利的扩展方案致力于一个测试测量值或多个测试测量值的分析。在此，为了鉴于监控而分析，使至少一个测试测量值与至少一个配属于测试阶段的料位实际测量值有关。尤其是，确定至少一个测试测量值与配属于测试阶段的实际测量值之间的差。作为可能性，在该扩展方案之后是下述扩展方案，即，在测试阶段期间或之前或之后确定至少一个配属于测试阶段的料位实际测量值。通过例如-如上所述-利用与在正常测量时的该组测量参数相同的该组测试参数进行测试测量或作为测试阶段的一部分的测量，在测试阶段之前或之后或在一个扩展方案中在测试阶段自身期间确定配属的料位实际测量值，即当前的测量值(只要不存在使不能进行真实测量的故障)。如果是为了分析而形成测试测量值与配属的料位实际测量值之间的差，则根据调制参数出现不同的值。 

在一个与前述的扩展方案相关联的扩展方案中规定，为了鉴于监控而分析至少一个测试测量值，确定测试测量值与配属于测试阶段的料位实际测量值的至少一个相关性。然后把所确定的相关性与为料位测量仪保存的相关性进行比较。在该扩展方案中确定：所测量的测试测量值与预先给定的料位实际测量值有哪种相关性。例如，如之前所述，确定在预先给定的实际测量值与测试测量值之 间的差。将从中得出的关联性与保存的额定关联性进行比较并且出现的比较结果用于监控测量仪。如果发生例如相关性之间的偏差超出预先给定的尺度，则可以把这一点解释为在测量仪内存在故障。 

在另一个扩展方案中继续前述的扩展方案。在此规定，为了鉴于监控而分析分别配属给另一组测试参数的至少两个测试测量值，确定测试测量值与配属于测试阶段的料位实际测量值的相关性的至少一个序列和将所确定的相关性的序列与为料位测量仪保存的序列进行比较。可代替地或补充地，该扩展方案在于，为了鉴于监控而分析至少两个测试测量值，确定测试测量值彼此间的相关性的至少一个序列和将所确定的相关性的序列与为料位测量仪保存的序列进行比较。在该扩展方案中，把在分别测试测量值与配属于测试阶段的实际测量值之间的关联性的序列图案或测试值彼此间的关联性与分别保存的序列进行比较和为了监控进行分析。在该扩展方案中确定，测试测量值如何根据不同的调制参数变化。然后，为了监控，把与实际测量值或测试测量值彼此间的关联性的序列的图案(Muster)与保存的数据进行比较。 

在本发明的另一教导中，之前导出的和指出的任务在开头所述的用于使作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪运行的方法方面通过至少下述步骤的序列来解决： 

在初始化阶段期间，通过至少一组可预先给定的初始化参数对由料位测量仪要发射的雷达信号的频率进行调制。从至少一个在初始化阶段期间接收的初始化接收信号中确定初始化测量值。然后确定，例如计算，初始化测量值与初始化值的相关性。最后，至少把所确定的相关性作为标准相关性保存，也即例如，存储在数据存储器内。 

初始化值在一个变体中是配属于初始化阶段的料位实际测量值，其中确定在利用该组初始化参数进行调制时所得出的初始化测量值与所说初始化值的相关性。实际测量值-如在上述监控方法中那样-优选是相当于当前在初始化阶段期间存在的介质料位的测量值。 

在另一个扩展方案中，为了相应地构成很多不同的测量值，在初始化阶段期间使用多组调制参数。其它值于是分别是其它初始化测量值。与此相应地，在该扩展方案中确定初始化测量值彼此间的相关性并作为标准相关性存储。 

因此，初始化阶段与监控方法的上述扩展方案类似地来构成。在初始化阶段 之后的测试阶段中使用例如上面讨论的、用于监控的方法的扩展方案。这样的初始阶段可以例如在新的测量仪实际上开始运转之前进行。 

一个扩展方案尤其规定，在测试阶段期间通过至少一组可预先给定的测试参数对要发射的雷达信号的频率进行调制，其中，至少一组测试参数基本上与该组初始化参数相同。从至少一个在测试阶段期间接收的测试接收信号中确定测试测量值，和确定测试测量值与另一值的至少一个相关性。然后把在测试阶段期间确定的相关性与标准相关性进行比较，和可以在该比较的基础上推断测量仪的状态，即推断其无故障性或有故障性。另一值-如之前在初始化阶段时所述的-是配属于测试阶段的料位实际测量值或者另一值在一序列不同组的调制参数时分别从其它测试测量值得出。在一个扩展方案中，这些组测试参数在此与这些组初始化参数相同。这允许相关性的简单比较。尤其是在使用多组调制参数时，在初始化期间确定并存放相应料位测量仪的相关性的图案和在测试阶段期间与分别获得的相关性进行比较。这两种之前所述的用于确定“另一值”的变体在此也可以相互组合。 

此外，在本发明的另一教导中，之前导出的和指出的任务在开头所述的作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪方面通过以下方式解决，即所述测量仪按照用于运行的方法的上述扩展方案之一运行和/或按照用于监控的方法的上述扩展方案之一被监控。在此，对雷达信号的频率进行调制所利用的参数(这些于是分别形成所述组测量参数、测试参数或初始化参数)包括尤其是调制的形式(例如斜坡式)，持续时间调制，频率位移调制或在离散的或逐步的或连续的调制之间的选择。 

附图说明

具体而言，有多种可能性来构成和改进按照本发明的用于监控作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪的方法，按照本发明的用于使作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪运行的方法和按照本发明的作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪。此外，一方面参考布置在权利要求1和权利要求8之后的权利要求和权利要求10，另一方面参考结合附图对实施例的以下描述。在附图中： 

图1示出在具有按照本发明的料位测量仪的在容器情况下测量装置的基本上根据框图说明功能有效关联性的示意图， 

图2示出雷达信号的频率的调制和从中得出的配属的测量值的序列和 

图3示出用于使FMCW雷达料位测量仪运行的本发明方法的流程的示范性流程图。 

具体实施方式

在图1中示出具有按照本发明的料位测量仪的用于测量容器内的介质料位的测量装置。在图2中示意性示出雷达信号频率的调制的变化曲线和所属的距离值。图3示出料位测量仪的按照本发明运行的步骤的可能流程。 

图1以框图示出测量仪1，所述测量仪作为FMCW雷达测量仪运行和用于确定容器3内的介质2的料位。例如，介质2是液体，所述液体位于作为容器3的箱内。测量仪1具有电子单元4——在这里示范性地具有示意性显示单元，该电子单元生成要向介质2的表面方向辐射的雷达信号和分析当在介质处反射之后又被接收的雷达信号——在该图示中通过箭头示出。此外，存在天线5用于辐射出和接收雷达信号。电子单元4尤其是以这样的方式构成，即它调制要辐射的雷达信号的频率。在电子单元4内设置数据存储器6，其中在初始化阶段期间要确定的、测试测量值与配属于测试阶段的料位实际测量值的相关性和测试测量值彼此间的相关性和/或相关性的相应的序列作为图案被存放在该数据存储器内。 

在图2中，上面的图形示出要发射的雷达信号的频率的调制的流程。示出了分别具有三个不同组的调制参数(曾用虚线，然后用实线和最后用虚线-点划线表示)的两个群。分别中间的调制分布图(Profil)(实线)是通过该组测量参数形成的。这意味着，通过该调制得出至介质的距离的给定的实际测量值a。调制位移(Modulationshub)、即在其上进行调制的频率范围，在前面的分布图时(虚线)比在该组测量参数的情况下大和在随后的分布图时(虚线点划线)比在该组测量参数的情况下小。斜坡形状和调制在其内发生的持续时间分别在各组调制参数情况下相同。同样，应该分别生成线性的和连续的频率上升。下面的图形示出介质的料位d(＝箱高度-距离a)，所述料位从在这里总共6个测量的测量值得出。具有与测量最佳地匹配的该组调制参数的中间值分别得出值a。前面的或后面的测试参数组导致距离过大(+Δa)或距离过小(-Δa)。从测试测量值彼此间的或与实际测量值的联系中可以得知配属于相应组的调制参数的相关性的图案，其中，所述测试测量值根据调制参数组有意地描述料位的“错误的”测量值，所述实际测量值在这里在测试阶段期间获得并且因此也是测试测 量值。如果从一个测试阶段得出另一图案或另—相关性，则得出：测量仪内某物必然发生了变化，或因此而存在故障。 

对于在按照图2的实施例中所处理的FMCW料位测量仪，其中沿着斜坡线性地调制所发射的雷达信号的频率，众所周知适用的是在天线5至介质2的表面的距离a，调制位移Δf，调制持续时间T和所测量的在发射信号与接收信号之间的差频率f_m之间的以下关联性，其中，c是雷达信号的传播速度： 

$a=f_m·\frac{c}{2}·\frac{T}{\mathrm{\Delta f}}.$

一组调制参数-和从而一组测量参数和测试参数-在这里因此具有调制位移Δf和调制持续时间T。在图2所示的测试中，仅调制位移Δf作为测试参数被使用并且被改变。因此调制位移Δf在测试运行中以物理方式被改变-发射的雷达信号实际上经历较大的或较小的频率位移-，但是根据之前所说明的方程在计算中参数保持不变，使得出现位移+-Δa。 

在图3中示出按照本发明的用于使作为FMCW雷达仪工作的料位测量仪运行的方法的示范性流程。 

在步骤101中，在初始化阶段期间确定，当通过至少一组调制参数对发射的雷达信号进行调制时，从接收的雷达信号中得出哪些介质料位值。例如，如果使用3个组，则可以接收3个不同的信号，从中又可以确定三个不同的值。由此，从三个已知的参数组中得出3个介质料位值。如果如在图2的示例中那样测试参数组与测量参数组相同，则确定的值等于当前给定的介质料位。可代替地，可以把会从正常的测量中得出的或者在初始化阶段之前所确定的值输入到测量仪中。然后，可以从这3个值中确定与当前的、即真实的实际测量值的关系或者可以确定这些值彼此间的关系，例如，第一值与第二值和第二值与第三值的关系并适当地存放。这些值彼此间的或与真正存在的料位值的关系是用于监控或监督料位测量仪的额定关系或额定相关性。 

在步骤102中，在已装入的料位测量仪情况下通过(在这里所述的示例中)3组参数调制要发射的雷达信号，和从3个接收的信号中确定3个测试测量值。这针对以下情况：测试参数组与初始化参数组相同和例如这些组的序列也相同。所述组或序列的不同扩展方案也处于本发明的范围内，但是必要时可能提供分析耗费。 

在步骤103中，把3个测试测量值与配属于检验(就是说，在这里例如在测试阶段期间确定的)料位实际测量值的相关性的序列与在初始化阶段期间保存的序列进行比较，从中确定检验结果。 

基于检验结果，(由于所确定的相关性序列与保存的图案的偏差)在步骤104中出现故障报告或在步骤105中进行一个测量或可预先给定地对料位进行很多测量。在这里所示的示例中，在步骤105之后是利用步骤102的监控。在所示的示例中，按照本发明的监控方法包括步骤102和103或104和105作为可能的监控序列。在此，所示的流程只是按照本发明的用于监控的方法或用于使料位测量仪运行的方法的示例。例如，因此在每个测量后都可以发生至少一个测试阶段。