具有动态确定数目的测量的间歇性填充物位确定

摘要

一种使用物位计系统确定容纳在罐中的产品的填充物位的方法，包括步骤：朝向产品表面发射第一信号；接收第一回波信号；基于第一回波信号确定当前回波特性值；以及将当前回波特性值与存储的回波特性值进行比较。如果当前回波特性值与存储的回波特性值之间的差大于预定值，则该方法还包括：朝向表面发射至少第二发射信号；接收至少第二回波信号；以及基于至少第二电磁回波信号确定填充物位。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于使用电磁信号来确定容纳在罐中的产品的填充 物位的物位计系统，尤其涉及一种确定容纳在罐中的产品的填充物位的方 法。

背景技术

物位计系统被广泛用于基于电磁信号到罐中的产品的表面并在该表 面处接着反射返回的飞行时间来确定各种类型的罐中的填充物位。

近年来，对无线物位计系统或具有对能耗的其它限制的物位计系统具 有日益增长的需求，诸如例如可以通过4－20mA电流回路来连接的所谓 的回路供电系统。无线物位计系统可以例如通过电池或太阳能来供电。

针对具有能量供应限制的这种物位计系统，降低平均能耗是有利的， 因为这将例如增加电池供电系统中的电池的寿命。

降低包括物位计系统的各种测量系统的平均能耗的公知方法是间歇 性地操作系统，即在执行测量的活动状态和系统的大部分被关断使得不消 耗或仅消耗非常少的能量的非活动状态（有时称为睡眠状态或待机状态） 之间控制该系统。

例如在US 2008/0278145中描述了无线物位计系统这类间歇性操作。 在根据US 2008/0278145的无线物位计系统中，仲裁逻辑确保测量单元的 活动周期在无线通信不活动时发生。

尽管US 2008/0278145提供了节能的无线物位计系统，但是关于能耗 与测量准确度之间的权衡的最优化还存在进一步改进的空间。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的总体目的是提供一种改进的间歇性填充物位 确定，特别地包括能耗与测量准确度之间的最优化的权衡。

根据本发明的第一方面，从而提供了一种使用物位计系统确定容纳在 罐中的产品的填充物位的方法，该方法包括步骤：朝向产品表面发射第一 电磁发射信号；接收由第一电磁发射信号在至少一个阻抗过渡处遇到的反 射所产生的第一电磁回波信号；基于第一电磁回波信号确定当前回波特性 值；以及将当前回波特性值与存储的回波特性值进行比较，其中该方法还 包括步骤：如果当前回波特性值与存储的回波特性值之间的差大于预定 值，则：朝向所述表面发射至少第二电磁发射信号；接收由第二电磁发射 信号在至少一个阻抗过渡处遇到的反射所产生的至少第二电磁回波信号； 以及基于至少第二电磁回波信号确定填充物位；而如果当前回波特性值与 存储的回波特性值之间的差小于预定值，则：基于指示至少一个先前填充 物位测量的存储的数据确定填充物位。

朝向罐内部的产品表面发射的电磁发射信号可以为脉冲串或基本上 连续的信号。在脉冲串的情况下，脉冲可以是直流（DC）脉冲或调制载 波信号。此外，根据情况，可以使用不同的方法确定电磁信号到达表面并 返回的飞行时间，诸如所谓的TDR（时域反射计）或FMCW（调频连续 波）。

“回波特性”应当被理解为回波信号的指示容纳在罐中的产品的填充 物位的变化的任何属性。因此，回波特性可以是根据其可以推断填充物位 的参数值。然而，不必要能够基于回波特性推断填充物位。例如，即使基 于回波信号确定的回波曲线中的峰与表面回波不直接对应，如果填充物位 变化，则这种峰的位置（关于飞行时间、距离或任何其它单位）和/或振 幅也可能变化。因此，这种峰的位置和/或振幅、和/或回波曲线本身可以 为回波特性。回波曲线有时还被称为波形。回波特性值是由回波特性得到 的值。

本发明基于这样的认识：为了通过交替活动周期和非活动周期来间歇 性操作物位计系统，用于获得足够准确度的填充物位确定所需消耗的能量 的量可能从活动周期到活动周期而不同。本发明人还认识到：可以使用该 见解，通过执行可以被称为“单个（one-shot）测量”的第一简单测量并 基于该第一测量与以高准确度确定的存储的测量之间的差决定如何进行， 来降低平均能耗。

基于第一测量，如果填充物位自从最后的活动周期后出现变化，则可 以执行若干测量（簇（a burst of）测量），并可以例如通过平均对这些测 量的结果进行过滤以获得可靠且准确的填充物位，该填充物位被存储在存 储器中。另一方面，基于第一测量，如果填充物位与最后一次执行测量获 得的填充物位基本上相同，则在当前活动周期内不再需要执行测量，并且 物位计系统可以提供基于存储的先前确定的填充物位或基于存储的先前 确定的填充物位和第一测量二者的填充物位值。在一些实施例中和/或在 一些情况下，可以足以丢弃第一测量而提供所存储的填充物位作为当前填 充物位。在其它实施例中和/或在其它情况下，可以有益地基于在当前活 动周期内执行的第一测量与至少一个存储的测量值的组合来确定新的填 充物位值。

因此，将依据实际测量状况和/或应用来动态决定在每个活动周期内 执行的测量数。例如存在如下的应用：其中填充物位在大多数时间实际上 未变化，因此不需要频繁执行完整且高度准确的填充物位测量。另一方面， 变化会快速发生，因此，这时会需要具有高准确度和可靠性的新的填充物 位测量。对于这种应用和其它应用，本发明的各种实施例提供了结合非常 节能的操作和高准确度。

即使当前回波特性值与存储的回波特性值之间的差小于或等于预定 值，有时也可以例如按照预定义周期周期性地执行具有足够数目测量以例 如通过过滤提供高准确度的填充物位确定的“全”测量循环。

此外，上述存储的回波特性值可以有利地指示最近执行的填充物位确 定。

根据各种实施例，如果当前回波特性值与存储的回波特性值之间的差 大于预定值，则该方法可以包括步骤：执行至少两个填充物位测量，每个 填充物位测量包括：朝向表面发射电磁发射信号；接收作为电磁发射信号 在表面处的反射的电磁表面回波信号；和基于电磁表面回波信号来确定测 量值；以及通过过滤至少两个填充物位测量的测量值来确定填充物位。

至少两个填充物位测量可以被称为“簇”，可以通过过滤由至少两个 测量产生的测量值来实现填充物位的准确测量。如上所述，例如可以通过 不同种的平均来执行“过滤”。可替代地，或以组合方式，过滤可以包括 去除与其它测量值显著不同的测量值。这种不同的测量值可以被称为“离 群值”。

应当注意的是：在填充物位确定中可以包括或可以不包括基于第一电 磁回波信号的测量值。因此，只有至少两个填充物位测量的测量值会被过 滤，或者至少两个填充物位测量的测量值和基于第一电磁回波信号的测量 值会被过滤。

有利地，上述填充物位测量之间的时间可以比先前填充物位测量所基 于的先前电磁发射信号的发射与第一电磁信号的发射之间的时间短。换言 之，簇中的各个测量之间的时间可以有利地比自从最后一个测量事件后经 过的非活动时间短。这将使得能够通过过滤实现期望的噪声消除。

为了实现降低的能耗与高准确度的期望组合，填充物位测量之间的时 间可以小于或等于先前填充物位测量所基于的先前电磁信号的发射与第 一电磁信号的发射之间的时间的百分之一。

在示例性实施例中，簇中的各个测量之间的时间可以小于1秒，而先 前测量与上述第一测量之间的时间即活动周期之间的时间可以在几分钟 的范围内，诸如2分钟或更长。

根据各种实施例，如果当前回波特性值与存储的回波特性值之间的差 大于预定值，则确定填充物位的步骤可以包括过滤基于第一回波信号的第 一测量值和基于第二回波信号的第二测量值；而如果当前回波特性值与存 储的回波特性值之间的差小于或等于预定值，则确定填充物位的步骤可以 包括过滤基于第一回波信号的第一测量值和指示至少一个先前填充物位 测量的至少一个存储的测量值。

以这种方式，可以在下面两种情况下实现通过平均可实现的噪声消 除：自从最后的填充物位确定后在填充物位确定中包括了太多的先前执行 的（在较早的活动周期内执行的）填充物位测量的情况，以及确定了实际 上可以在平均中包括至少一个先前执行的测量的结果的情况。

在后一种情况中，可以使用先前确定的平均值和在当前活动周期内执 行的第一测量来执行平均。该平均可以有利地是加权平均，以考虑使用了 多少个测量来形成先前确定的平均值。

可替代地，可以将若干单独的测量值存储在存储器中，并且可以通过 对由在当前活动周期内执行的第一测量得到的测量值和存储的多个测量 值进行平均来执行平均。

此外，根据本发明的方法还可以有利地包括步骤：在发射第一电磁信 号的步骤之前向物位计系统提供唤醒信号；以及在确定填充物位的步骤之 后向物位计系统提供睡眠信号。

此外，当前回波特性值可以是基于第一回波信号的指示填充物位的参 数值，并且存储的回波特性可以是指示先前确定的填充物位的存储的参数 值。

“指示填充物位的参数值”应当被理解为根据其可以推断出填充物位 的任何参数值。这种参数值包括例如：从罐顶部的基准位置到表面的距离、 电磁信号到达表面并返回的飞行时间、发射信号与接收信号之间的相位差 等。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定容纳在罐中的产品的填 充物位的物位计系统，该物位计系统在活动状态与非活动状态之间可控， 该物位计系统包括：收发器，用于生成、发射并接收电磁信号；传播装置， 连接到收发器，且被布置为朝向罐内部的产品的表面传播发射的电磁信 号，并接收该发射电磁信号在至少一个阻抗过渡处的反射产生的电磁回波 信号；以及处理电路，连接到收发器，该处理电路包括：操作控制电路； 比较电路；填充物位确定电路；以及存储器，其中：当控制物位计系统从 非活动状态到活动状态时：操作控制电路控制收发器朝向该表面发射第一 电磁发射信号，并控制收发器接收由第一电磁发射信号在至少一个阻抗过 渡处遇到的反射产生的第一电磁回波信号；填充物位确定电路基于第一电 磁回波信号确定当前回波特性值；比较电路将当前回波特性值与从存储器 中获取的存储的回波特性值进行比较；如果当前回波特性值与存储的回波 特性值之间的差大于预定值，则：操作控制电路控制收发器朝向该表面发 射至少第二电磁发射信号并控制收发器接收由第二电磁信号在至少一个 阻抗过渡处遇到的反射产生的至少第二电磁回波信号；以及填充物位确定 电路基于至少第二电磁回波信号确定填充物位，而如果当前回波特性值与 存储的回波特性值之间的差小于预定值，则：填充物位确定电路基于指示 至少一个先前填充物位测量的存储的数据来确定填充物位。

传播装置可以是能够传播电磁信号的任何装置，包括传输线探针、波 导以及各种类型的辐射天线，诸如喇叭形天线、抛物面天线、杆状天线、 阵列天线等。

应当注意的是：处理电路可以被实现为包括在物位计系统中的一个或 若干个微处理器。此外，操作控制电路、比较电路和填充物位电路可以被 实现为单独微处理器或实现为在单个微处理器或电路板中的集成功能。

此外，物位计系统还可以有利地包括用于提供操作物位计系统的电能 的本地能量存储。本地能量源可以有利地包括例如电池和/或超级电容器。

此外，雷达物位计系统还可以包括用于与远程系统进行无线通信的无 线通信电路，诸如无线电收发器。

本发明的该第二方面的另外的效果和特征与以上结合本发明的第一 方面所描述的效果和特征基本上相似。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例性实施例的附图来更加详细地描述 本发明的这些方面和其它方面，其中：

图1示意性例示根据本发明实施例被布置为确定罐的填充物位的物位 计系统；

图2示意性例示用于间歇性操作图1中的物位计系统的驱动方案；

图3是图1中的物位计系统的示意性框图；以及

图4是概述根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在本详细描述中，参照用于确定容纳在罐中的产品的填充物位的、具 有诸如喇叭形天线的自由传播天线的雷达物位计系统，来主要讨论根据本 发明的方法和系统的各种实施例。应当指出的是所述实施例决不限制本发 明的保护范围，本发明可以等价地应用于其它信号传播装置，包括其它自 由传播天线，诸如杆状天线、平板（patch）天线、固定或可移动的抛物 面天线或锥形天线，以及波导，诸如静止管、传输线或探针，探针诸如单 线探针（包括所谓的高保（Goubau）探针）、双线探针或同轴探针。

图1示意性例示布置在罐2顶部的物位计系统1，其用于使用微波来 确定容纳在罐2中的产品3的填充物位。因此，以下将物位计系统1称为 雷达物位计系统或RLG（radar level gauge）系统。

雷达物位计系统1包括：测量单元5；传播装置，其在此为用于朝向 容纳在罐2中的产品3的表面7传播微波的喇叭形天线6的形式；以及通 信天线8，用于允许与远程装置进行无线通信。

当测量容纳在罐2中的产品3的填充物位时，雷达物位计系统1通过 天线6朝向产品3的表面7发射电磁发射信号ST，该信号在该表面7被 反射为表面回波信号SR。然后基于表面回波信号SR的飞行时间来确定罐 2顶部的基准位置与产品3的表面7之间的距离。根据该距离和罐2的已 知尺寸，可以推断出填充物位。

请注意：尽管本文中讨论包含单个产品3的罐2，但是可以以相似的 方式来测量到存在于罐2中的任何材料界面的距离。

如在图1中示意性示出的，例示的物位计系统1被配置为使用无线数 据传输与诸如远程控制中心的外部装置进行通信。针对不同的应用，这会 是有利的，因为用于通信的配线经常可能是用于安装物位计系统的成本的 重要部分。经常还可能要求被配置用于无线通信的物位计系统从诸如电池 等的本地能量源接收电力。为了保持物位计系统1的维护成本较低，电池 寿命应当尽可能长，优选地大约为若干年，这意味着重要的是设计物位计 系统1，以在不损害物位计系统1在例如监视罐2中的变化的准确度和能 力方面的性能的情况下，使其具有非常低的平均能耗。这不仅对于无线物 位计系统1很重要，而且对于具有对其电功率/电能供应施加的其它限制 的物位计系统也很重要。这种物位计系统的示例是通过通信线供电的物位 计系统，诸如所谓的双引线雷达物位计，其通过双引线4－20mA电流回 路传输和接收电能。

图2示意性地例示用于处理平均能耗重要的情况的广泛使用的方案。 如图2示意性例示的，填充物位确定事件10a－10c按时间分开，在这些 填充物位确定事件10a－10c之间，物位计系统1为低功率模式，在该模 式下可以断开物位计系统的被用来确定填充物位的部件。该方案经常被称 为间歇性操作，填充物位确定事件之间的时间t_u限定更新频率。

由于对填充物位确定的准确度的需求，可以基于被过滤以去除各种噪 声分量的若干填充物位测量来确定填充物位。然而，为了该降噪方法起作 用，在被用于确定填充物位的各填充物位测量之间不可以存在实际填充物 位的显著差异。在使用间歇性操作时确保上述内容的一种方法是设置足够 高的更新频率，使得在填充物位确定事件10a－10c之间不发生填充物位 的显著变化。然而，这将意味着填充物位确定事件10a－10c经常比实际 需要更加频繁地发生。

根据本发明的各种实施例，这通过如下的方式来减轻：相对于先前的 （有利地为最近的）填充物位确定来估计第一填充物位测量，并且如果第 一填充物位测量指示自从先前的填充物位确定后存在填充物位的显著变 化，则执行一系列另外的填充物位测量。现在将参照图3中的框图和图4 中的流程图来更加详细地描述该创新性方案。

参照作为图1中的测量单元5的框图的图3，在图1中的物位计系统 1的测量单元5包括收发器15、处理电路16、无线通信单元17和电池18， 其中，有利地，无线通信单元17可以遵守WirelessHART（IEC 62591）。 处理电路16包括操作控制电路20、比较电路21、填充物位确定电路22 和存储器23。包括在处理电路16中的这些功能单元可以被实现为：以运 行在微处理器上的软件块的形式的分离的硬件单元，或分离的硬件单元与 运行在微处理器上的软件的组合。

包括在处理电路16中的不同功能单元可以连接到通信总线25，收发 器15和无线通信单元17可以通过合适的数据接口连接到通信总线25。 此外，如在图3中用块箭头所指示的，收发器15、处理电路16和无线通 信单元17均从电池18接收能量。

当物位计系统1在工作时，收发器生成并发射电磁信号S_T且接收表 面回波信号S_R。从收发器15向处理电路16提供可以根据其来确定表面 回波信号的飞行时间的测量信号。

处理电路16确定填充物位、和/或另一个处理参数，并经由无线通信 单元17向远程位置提供该信息。

处理电路16还可以经由无线通信单元17接收各种命令并且可以响应 于这种命令控制收发器15。具体地，处理电路16可以经由无线通信单元 17接收唤醒信号，可以执行填充物位确定，报告所确定的填充物位，然 后返回睡眠状态。

参照图4中的流程图和图3中的框图，现在将描述根据本发明实施例 的示例性方法。

在第一步骤101中，控制物位计系统1从非活动状态到活动状态。实 际上，可以通过无线通信单元17接收唤醒命令，然后，无线通新单元17 向处理电路16提供唤醒信号。响应于唤醒信号，在步骤102中执行初始 填充物位测量。为了执行该初始填充物位测量，操作控制电路20控制收 发器15朝向表面7发射第一电磁发射信号S_T1，并控制收发器15接收作 为第一发射信号S_T1在表面7处的反射的第一表面回波信号S_R1。然后， 填充物位确定电路22确定当前填充物位X₁（或指示填充物位的其它参 数）。

在下一步骤103中，比较电路21从存储器23获取存储的填充物位 X_st并将当前填充物位X₁与存储的填充物位X_st进行比较。如果在步骤103 中确定出当前填充物位X₁与存储的填充物位X_st之间的差大于预定值ε， 则方法进行到步骤104。否则，如果当前填充物位X₁与存储的填充物位 X_st之间的差小于或等于预定值ε，则方法进行到步骤108。

在步骤104中，操作控制电路20控制收发器15朝向表面7发射第二 电磁发射信号S_T2并控制收发器15接收作为第二发射信号S_T2在表面7处 的反射的第二表面回波信号S_R2。然后，填充物位确定电路22确定第二填 充物位测量值X₂（或指示填充物位的其它参数）。如在图4的流程图中所 示出的，该过程可以重复多次直到提供了足够多个测量值X₁，X₂，…， X_n以实现能耗与测量准确度之间的期望权衡为止。这可以依赖于应用领 域和/或罐2中的条件。

在随后的步骤105中，由填充物位确定电路22通过过滤在步骤104 中获得的测量值X₁，X₂，…，X_n（或这些测量值的子集，诸如X₂，…， X_n）来确定新的填充物位X_N。在步骤106中将新的填充物位X_N存储在存 储器23中，以及在步骤107中将物位计系统1返回到其非活动状态。

在步骤103中，如果当前填充物位X₁与存储的填充物位X_st之间的差 被代替地确定为小于或等于预定值ε，则方法行到步骤108。

在步骤108中，由填充物位确定电路22基于先前确定的填充物位X_st和当前测量的瞬时填充物位X₁来确定新的填充物位X_N。例如可以通过加 权平均对瞬时填充物位X₁和先前确定的填充物位X_st进行过滤来确定新的 填充物位X_N。可替代地，可以将新的填充物位X_N赋值为等于先前确定的 填充物位。选择用于确定新的填充物位X_N的这些策略和其它策略中的哪 一个策略，这可以依赖于特定的应用和/或罐2中的填充物位的历史波动。

在完成步骤108之后，如以上描述的，该方法进行到步骤106和步骤 107。

本领域内的技术人员会认识到本发明决不限于上述优选实施例。相 反，在所附权利要求书的范围内可以进行很多修改和变化。