用于确定介质填充水平的方法以及用于确定介质填充水平的装置

摘要

描述且示出了用于根据雷达原理来确定介质（1）的填充水平的方法。本发明的任务在于，说明一种用于确定填充水平的方法，其具有高度精确性和可靠性。如下方法解决了该任务：其中为了确定填充水平而由发送装置（6）辐射电磁信号并且接收电磁信号。在此，确定所述发送装置（6）相对于地球万有引力场的倾斜度并且根据所确定的倾斜度确定用于确定填充水平的评估值。此外，本发明涉及一种用于确定介质（1）的填充水平的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及用于根据雷达原理来确定介质填充水平的方法。此外，本发明涉及用于根据雷达原理来确定介质填充水平的装置。

背景技术

在工业测量技术中，应用雷达填充水平测量设备，以便确定诸如箱或者筒仓等容器内部或者自由空间内例如液体、块状材料或者淤泥沉积（Schl?mmen）等介质的填充水平。在此，所述容器可以至少部分地闭合或者至少部分地开放，并且至少部分地由金属、塑料、陶瓷或者其它材料或者材料组合制成。在测量时实施的行进时间方法（Laufzeitverfahren）基于如下：电磁信号的行进距离等于行进时间与传播速度的乘积。

为了进行测量，电磁信号-尤其是微波信号-在朝向介质表面的方向上辐射并且在反射之后作为所谓的回波信号被接收。作为发送装置用于发送这些信号的天线通常还是接收装置。为了对所接收信号进行分析，大多数情况下确定数字包络曲线，所述数字包络曲线作为“天线至介质表面”的距离的函数来表示回波信号振幅。于是由天线至容器底部的已知距离与通过所述测量确定的介质表面至天线的距离之间的差得到填充水平。

在此，微波信号或者自由辐射，或者沿着线缆或者杆被引导。

为了确定填充水平，重要的是，天线和/或发送装置相对于介质表面如何定向。在大多数情况下，进行发送或者发送/接收装置在介质上方的直立安装。因此电磁信号通常垂直于介质表面辐射。

由于容器内特殊的装配情形或者例如由于存在作为干扰元件的装配件，因而，有可能必须将天线倾斜地装配。

对于这些情况，文献DE10 2004 041 857 A1和WO 2012/089438 A1描述了对倾斜传感器的使用，以便获得天线相应倾斜的角度。从三角函数关系出发于是得出天线与介质表面之间的距离。

本发明的任务在于，说明一种用于确定填充水平的方法和装置，其具有高度精确性和可靠性。

其中解决了上文所推导出并且显示出的任务的根据本发明的方法至少包括下列步骤：为了测量在一种实施方案中-示例性而非限制可实用性地还利用以其它方式设计的发送装置-作为介电天线的发送装置而辐射至少一个电磁信号。为了进行该测量而接收至少一个电磁信号。在此，在一种实施方案中，接收装置与发送装置重合，使得总体得到发送/接收装置。此外，至少确定发送装置相对于地球万有引力场的倾斜度一次。于是，至少根据所确定的倾斜度来确定至少一个用于确定填充水平的评估值。在一种实施方案中，在开始进行这些测量之前、即，在辐射电磁信号并且因而也在接收这种信号之前确定该倾斜度。

根据实施方案和/或根据应用情况，该评估值允许关于所给出的测量情形、例如在安全性关键的问题方面得出结论。在其他或补充的实施方案中，该评估值用于提高鉴于填充水平对所接收信号进行分析的精确度。

因此，基于对倾斜度的至少一次测量，根据相应的特殊问题，获得评估值形式的额外信息，其有助于改进所述分析和/或所述测量情形。

在一种方法实施方案中规定：在所确定的倾斜度位于预先规定的倾斜度范围之外的情况下，将评估值设置为故障状态。在一种实施方案中，鉴于发送装置倾斜度测量的精确度和/或鉴于发送装置倾斜度调节的精确性的可能性由容差范围得出倾斜范围，允许为该倾斜度所确定的值位于所述倾斜范围内。

在另一实施方案中，对于倾斜度预先规定固定值来作为倾斜度范围。在一种实施方案中，尤其是预先规定在发送装置相对于介质表面垂直定向时存在的值来作为倾斜度范围。

如果所确定倾斜度位于该倾斜度范围之外和/或所述倾斜度-必要时根据能预先规定的容差值（其必要时也能够设置为等于0）- 与能预先规定的值有偏差，则这导致故障状态和/或借助于所确定的倾斜度来识别出存在发送装置的错误和/或不允许的取向形式的故障状态。

在一种实施方案中，该故障状态尤其导致对填充水平的测量被抑制和/或禁止。在补充的实施方案或者替换的实施方案中，进行错误信令-例如以故障符号的闪光形式或者以故障音（Fehlerton）或者故障音序列的形式。

在另一实施方案中规定如下方法步骤：至少根据所确定的倾斜度并且根据关于容器的数据来确定信号走向数据。

在此，在一种变型方案中，对信号走向数据的确定存在于根据所存放的公式或者基于所存放的算法进行的计算中。除了关于容器的数据、尤其是涉及容器的几何形状、还有容器对于电磁信号的反射性能或吸收性能的数据之外，必要时还将另外的数据用于所述计算。

所确定的信号走向数据描述了至少一个电磁信号在容器内部空间中的传播。因此，所述电磁信号的至少一个轨迹通过所述信号走向数据来描述。

基于所确定的信号走向数据以及关于容器的数据-尤其是根据关于容器中开口（例如窗或者孔洞）的数据-来确定辐射量度（Abstrahlungsmass）。该辐射量度在此描述至少一个电磁信号在容器内部空间之外传播的分量。

因此，在一种实施方案中确定电磁信号如何在容器内部空间内部传播。对信号在容器内部空间中的反射进行的分析也属于此，其中必要时还要关注容器中的装配件。利用容器的所存放数据来对该信号走向数据进行调整于是允许对辐射量度进行确定，所述辐射量度描述了电磁信号的哪个分量在容器之外走向并且因而到达容器周围的外界。如果例如电磁辐射辐射到容器壁上使得所反射的辐射击中该壁中的窗上，则所反射的辐射离开容器的内部空间，这在辐射量度方面减小。

在一种实施方案中，在确定信号走向数据时，除了所确定的倾斜度以及关于容器的数据之外，还求助于（rueckgegriffen）关于容器内部空间中的至少一个对象的数据。关于所述至少一个对象的数据尤其是几何形状、位置且必要时还是鉴于与电磁信号的相互作用的材料特性。

在容器中的对象或者作为容器一部分的对象例如是搅拌器、装填物、额外的测量装置、开口、窗、孔洞、爬铁（Steigeisen）等等。

为了计算电磁信号在容器内部空间中的走向，在该实施方案中，还考虑代表性（gegenst?ndlich）元件或者间隙（有可能还关于边缘处的效应等）的影响，其本身能够导致反射或者信号衰减。

在此，在一种实施方案中，为了确定信号走向数据而关注电磁信号在容器中的反射以及多次反射-即，尤其在其内壁处或者在孔洞处等等-和/或在容器内部空间中至少一个对象处。根据现有的计算能力，对信号走向数据的计算或多或少执行起来都是昂贵和/或复杂的，以便得到关于电磁信号的轨迹的也或多或少精确和/或详细的数据。

在一种实施方案中，尤其由所述信号走向数据来确定电磁信号的哪个分量在容器内部空间之外走向和/或离开内部空间，而无论所述分量是通过直接的信号传播还是由于反射引起的。尤其在安全性关键的应用中，可能重要的是确保没有信号离开容器或者只有在能预先规定的边界值之内（bis zu）的信号离开容器。

替换地或补充地，监视发送装置和/或发送和/接收装置是否在首次投入运行时错误地-即，例如未辐射到内部空间中或者未完全辐射到内部空间中和/或未在介质和/或其表面上直立地布置-安装。

在此，在上述实施方案之一中，错误的安装尤其是发送装置的取向未相对于介质表面具有直立和/或垂直或者竖直的辐射。

如果关于发送装置的正确取向的确定-如上文进一步所述那样-已经借助于所确定的倾斜度获得，则能够尤其省却先前所描述的对信号路径的计算和确定。

在一种实施方案中，在辐射量度超出能预先规定的边界值的情况下，识别出故障状态。此外，在识别出故障状态的情况下，触发至少一个故障信令。

在一种实施方案中，用于故障状态的边界值在此具有值0，使得信号从内部空间的每次离开都识别为故障状态。

在一种实施方案中，边界值根据信号走向数据的精确度以及所使用的计算精确度来预先规定。

在此，故障状态-根据应用-尤其还是如下情况：发送装置未正确地相对于介质布置、即，未相对于介质直立地布置。

在一种实施方案中，故障信令存在于：对填充水平的确定被中断和/或被拒绝。在一种实施方案中，根据雷达原理用于实施填充水平测量的现场设备在存在故障的情况下、即信号离开容器内部空间的情况下拒绝其服务。因此，在该实施方案中，当由现场设备的天线的倾斜角、由关于容器以及必要时关于至少一个对象的数据、以及由这些计算得出电磁信号的至少一部分-要么直接要么由于至少一次反射引起-离开内部空间，不可能进行测量。在此优点在于，为此，对于电磁信号本身的测量不是必需的，而仅仅对倾斜度的测量是必需的。因此不能够达到电磁信号离开容器，这是因为这在填充水平测量之前就已经被阻止。

在一种替换的或者补充的实施方案中，故障信令在于显示故障信号。因此，尤其对于不关键的应用，并非测量本身被阻止或者中断，而是显示存在故障。对故障信号的显示例如对于在投入运行时或者在安装在测量地点时现场设备的天线的取向是重要的。

在另一实施方案中，评估值遇到（erfaehren）另一含义-与上文所述对电磁信号在容器中的引导进行的评估相反和/或用于对其进行补充。

在能够与先前实施方案组合或者单独实现的一种实施方案中，在第一时间点以及在第二时间点确定发送装置相对于地球万有引力场的倾斜度。基于在第一时间点所确定的倾斜度以及在第二时间点所确定的倾斜度，来确定介质表面相对于容器的定向。

如果容器运动或者例如倾转，则因此介质表面的位置也发生变化。在此，在一种实施方案中，假设发送装置、即其天线的定向在此保持不变。为了对由于容器的运动而引起的、天线与介质表面之间改变的设定做出反应，推断出在第二时间点的倾斜度由容器的倾斜度得出并且介质跟随着该运动。在此，该介质尤其是能流动的或者能倾注的并且不是刚性的。

基于这两个所测量的倾斜度，于是推断出介质表面的定向，其方式是例如通过几何关系来进行相应的换算（Umrechnung）。因此，由这两个倾斜角度换算出由于容器的运动在重力的作用下介质在两个测量时间点在容器的内部空间中以不同方式来分布。

由于介质表面尤其要用于反射电磁信号，所以首先确定、尤其是计算该表面的定向。

在一种实施方案中，至少根据在第二时间点以及在第一时间点所确定的倾斜度、根据所确定的表面定向以及根据关于至少所述容器以及关于容器内部空间中至少一个对象的数据来确定、尤其是计算上文所讨论的信号走向数据。在此，尤其是考虑介质表面相对于容器和/或相对于容器中至少一个对象的所改变定向对容器中电磁信号走向的影响。

在一种实施方案中，对倾斜度的至少两次测量用于如下目标：识别出发送装置是否运动、例如是否倾转。因而，在第一时间点所确定的倾斜度与在第二时间点所确定的倾斜度之间存在偏差的情况下，产生故障信号。如果因此例如容器不可能经历运动，则仅能够将发送装置的倾斜度的改变归因于发送装置运动了，这在该实施方案中引起故障信号。

在另一实施方案中，发送装置的倾斜度至少改变一次，使得进行采用至少两个不同倾斜度并且因而采用发送装置的不同取向的测量。在每次设定发送装置时，确定发送装置的所设定倾斜度。采用发送装置的不同倾斜度进行的测量于是结合所确定的倾斜度综合成为关于介质和/或特别是关于介质表面的总信息。通过发送装置的倾斜度的改变，尤其是能够扫描介质表面。通过对倾斜度的确定，在此，能够例如省却用于设定发送装置的倾斜度、即用于倾转的高精确度驱动。

如果在描述中引用发送装置，则尤其还能够是用于发送和接收电磁信号的发送/接收装置。发送装置和/或发送/接收装置尤其是用于雷达信号的天线。

根据另一教导，本发明涉及用于根据雷达原理来确定介质填充水平的装置，所述装置具有至少一个辐射至少一个电磁信号的发送装置、至少一个用于确定发送装置相对于地球万有引力场的倾斜度的倾斜度传感器以及至少一个用于确定所确定的发送装置的倾斜度是否位于能预先规定的倾斜度范围之内的计算装置。

根据该教导，该任务通过如下装置来解决：所述装置拥有发送装置和倾斜度传感器。在此，在一种实施方案中，倾斜度传感器是该装置的、用于确定填充水平的固定组成部分并且在一种替换的实施方案中仅暂时与本来的测量装置连接和/或耦合。根据应用情况，也能够加入或者丢弃该倾斜度传感器和/或其功能性。

该装置的特征在于，通过倾斜度传感器来确定发送装置的定向并且计算装置由所确定的倾斜度值来确定发送装置的倾斜度是否位于能预先规定的-并且因而被定义为通过的-倾斜度范围之内。还确定：发送装置的倾斜度是否位于所允许的范围之内。在此，在一种实施方案中，计算装置是该装置的集成组成部分并且在一种替换实施方案中暂时与所述装置连接并且必要时通过数据连接-例如现场总线-与该装置耦合。

在一种实施方案中，该倾斜度传感器和/或计算装置能够暂时与该装置连接。该实施方案例如对于如下情况是有利的：在投入运行时要控制所述装置相对于测量环境的安装。通过该实施方案，在没有本来和/或固定安装的倾斜度传感器的情况下也能够将测量装置扩展到根据本发明的装置。

在此，所述装置还允许实现上述方法步骤。在此，该计算装置补充性地执行以上步骤或者替换性地执行以上方法步骤。

在一种实施方案中，如此设计计算装置，使得所述计算装置在所确定的发送装置的倾斜度位于倾斜度范围之外的情况下显示故障状态。

在关于方法的上述实施方式中，已经描述了用于对故障状态进行显示和/或发信令的示例。

在一种实施方案中，尤其是该计算装置中断和/或禁止所述装置用于确定填充水平的测量运行。替换地或补充地，该计算装置请求确认码，以便尽管发送装置的取向错误仍然允许进行所述测量。在一种实施方案中，计算装置以可视方式在显示单元和/或显示器上显示该故障状态。替换地或补充地，以声音方式、例如以Ping的形式输出故障信号。

然而，为了得到最佳的安全性，额外地和/或替换地，在发送装置的倾斜度位于所允许范围之外的情况下中断和/或禁止该测量。

在以下的实施方案中，能预先规定的倾斜度范围主要限于一个值和/或一个倾斜角度。在一种实施方案中，限于一个倾斜角度与由倾斜度传感器的测量精确度和/或由发送装置取向的精确度得出的容差宽度的类型相关联。因而，在后一个实施方案中检查所确定的倾斜度在相应确定的和/或预先规定的容差范围内是否与预先规定的倾斜度值一致。

因而，在一种实施方案中规定：所述倾斜度范围相应于发送装置的电磁信号的朝着介质表面的方向基本上直立的辐射和/或所述发送装置相对于介质表面基本上直立的取向。即，在该实施方案中，该倾斜度范围宁愿成为一个倾斜度值，在补充的实施方案中，所述的容差范围位于所述倾斜度值周围。

按照规范ETSI EN 302 729“Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters (ERM); Short Range Devices (SRD); Level Probing Radar(LRP) equipment operating in the frequency ranges 6 GHz to 8,5 GHz, 24.05 GHz to 26,5 GHz, 57 GHz to 64 GHz, 75 GHz to 85 GHz,”要求发送装置在介质上方的直立取向，以便避免由于倾转、即未正确定向的天线而在自由空间测量时引起不希望的辐射效应。

因而，在根据本发明的装置中，通过倾斜度传感器来确定该发送装置的倾斜度并且尤其在不同的时间点对倾斜度进行的测量方面结合上面的实施方案在一个实施方案中甚至持续地监视发送装置的倾斜度。在取向有错误的情况下，根据一种实施方案的测量装置尤其被关闭。

因而，根据本发明的装置允许如下安全性：仅在发送装置的取向符合标准时测量才是可能的。

所讨论的根据本发明的装置的特殊性和实施方案也允许相应地应用于上文所描述的根据本发明的方法和/或在那里实施。

详细来说，现在存在多种可能性来设计以及扩展根据本发明的方法和根据本发明的装置。为此，一方面参考在权利要求1和8之后的专利权利要求，另一方面参考下面结合附图对实施例的描述。在附图中，

图1 示出所述方法和所述装置的第一应用情形的示意图，

图2 示出第二应用情形在第一时间点的示意图，

图3 示出图2的第二应用情形在第二时间点。

在图1中示意性示出了如下应用情形：其中介质1的填充水平要通过在容器4的内部空间3中在其表面2处对雷达信号的反射来确定。

为了进行填充水平测量而使用测量设备5，所述测量设备5具有用于电磁信号的喇叭式天线形式的发送/接收装置6。

为了确定发送/接收装置6相对于地球万有引力场的倾斜度，在此设置倾斜度传感器7，所述倾斜度传感器7根据实施方案仅暂时与测量设备5连接或者持续地与测量设备5连接。此处，提供持久的连接，使得倾斜度传感器7尤其也与测量设备5中的计算装置8相联系。

倾斜度传感器7确定发送/接收装置6的倾斜度并且因而允许计算装置8确定由发送/接收装置6辐射的电磁信号在容器4的内部空间3内部的走向的信号走向数据。为此在计算装置8中存放关于容器4的数据以及在此尤其还有关于对象9以及关于作为容器4的一部分的窗10的数据。这些数据在此涉及几何形状和/或地点/位置和/或在与电磁信号的相互作用方面的材料性质。

基于所确定的信号走向数据，例如得出：由于对象9处的反射引起的电磁信号至少部分地穿过窗10外出（在此通过信号的示意性图示来表明）。因而，还得出大于0的辐射量度。这意味着，电磁信号未完全留在内部空间3内，而是离开容器4。

因而，在所示实施方案中规定：测量设备5拒绝对填充水平的测量并且尤其是不发射电磁信号。因而，在第一次填充水平测量之前就已能够避免雷达信号离开内部空间3。

作为根据本发明方法的一部分所确定的评估值在所示出的情形下描述容器4相对于电磁信号的隔离并且因而允许阻止进行导致这种信号也到达外部空间的测量。因而，在安全性关键的应用中，该评估值用于测量的安全性和/或容器4周围区段的安全性。

发送装置6未直立地布置在介质1的表面2上方。因而，如果该测量装置设计为使得计算装置8对于如下方面监视发送装置6的倾斜度：该倾斜度只位于预先规定的范围之内和/或尤其是只相应于直立的取向，则该计算装置8在所示出的取向下优选引起填充水平测量的禁止。

在图2和3中示出了在不同的第二时间点的另一测量情形。

图2的容器4位于船舶11中，所述船舶由船坞13内部的水12包围。船舶11中容器4的介质1的表面2在船舶11处于直立位置时具有相对于容器4的第一定向并且在此尤其是基本上平行于容器4的底部。

在容器4中存在三个对象9作为装配件。其中有两个对象作为上升辅助件（Steighilfen）被固定在容器壁上并且另一对象9在线缆上伸入容器4的内部空间3中。

倾斜度传感器7在所示出的第一时间点确定发送/接收装置6相对于地球万有引力场的倾斜度。在此例如如在图1的示例中那样，借助该倾斜角以及关于容器4和/或对象9的数据首先确定信号走向数据以及辐射量度。

在图3中说明对于所示应用而言重要的评估值。

在图3中，船舶11存在于远海上并且由于波浪而容易倾斜。

由于重力的作用，固定地安装在船舶11中的容器4内的介质1也跟随船舶11的倾转。为了在该状态下也借助于在介质1的表面2处反射的电磁信号正确地确定介质1的填充水平，通过倾斜度传感器7在所示出的第二时间点重新测量发送/接收装置6的倾斜度。

由于发送/接收装置6本身固定地布置，即发送/接收装置6相对于容器4的定向不改变，所以在第二时间点测量的倾斜角度产生于容器4和/或船舶11相对于地球万有引力场的倾转。

因而，第二倾斜角度能够用于确定并且尤其是计算介质1的表面2相对于容器4的定向。在该计算时，同样动用关于容器4以及必要时关于对象9的所存放数据和/或已知数据。

由于通过容器4的倾斜也能够改变对象9在容器4的内部空间3中的位置（参见在线缆上的对象9），所以在这些条件下、即在第二时间点也可能需要重新计算信号走向数据。