用于通过发射到液体表面的雷达信号和从液体表面反射的雷达信号确定在指定测量范围内的液体水平L的方法和装置

摘要

本发明涉及用于通过发射到液体表面的雷达信号和从液体表面反射的雷达信号确定在指定测量范围内的液体水平L的方法，包括步骤i)在时序中发射雷达信号到液体表面；ii)在时序中接收从液体表面反射的雷达信号；iii)部分基于发射的雷达信号和反射的雷达信号确定水平L。本发明还涉及用于确定在指定测量范围内液体水平L的装置，至少包括设置在液体上方用于发射雷达信号到液体并且接收从液体表面反射的雷达信号的雷达天线，以及用于基于发射的雷达信号和反射的雷达信号确定液体水平L的部件。

说明书

详细说明

本发明涉及用于通过发射到液体表面的雷达信号和从液体表面反射的雷达信号确定在指定测量范围内的液体水平(level)L的方法，包括步骤：

i)在时序中发射雷达信号到液体表面；

ii)在时序中接收从液体表面反射的雷达信号；

iii)部分基于发射的雷达信号和反射的雷达信号确定水平L。

本发明还涉及用于确定在指定测量范围内的液体水平L的装置，至少包括设置在液体上方用于发射雷达信号到液体并且接收从液体表面反射的雷达信号的雷达天线，以及用于基于发射的雷达信号和反射的雷达信号确定液体水平L的部件。

雷达(无线电探测与测程)广泛用于无接触距离测量。众所周知的原理是时差方法。根据该方法，雷达天线发射雷达信号，其落在对象(例如液体表面)上。该对象在接收反射的雷达信号/波的雷达天线的方向上反射回所发射的雷达信号/波中的部分。

尽管对发射的雷达信号和反射的雷达信号使用独立的雷达天线是可能的，使用同一个的雷达天线用于发射以及用于接收是通常的做法。雷达系统测量发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的时间差Δt。如果发射的雷达信号的速度是已知的，到液体表面的距离可以使用适合的测量部件采用简单的方式确定。

如在介绍中提及的使用上文测量原理的装置频繁用于在加工工业或在炼油厂中通过雷达信号准确确定储罐中的液体(例如水或油)水平。使用的雷达信号一般是脉冲雷达信号。

在工业中频繁使用的另一个测量方法基于确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的差频。

更另一个更加准确的方法基于发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的相位差，其中通过雷达波传播的波长全部数量(包裹系数(wrapping factor)k)也是已知的(在根据参考值校准后)。当使用该计算方法时，在两个连续的测量之间超过四分之一波长的波动的情况下，水平不再能够唯一地确定，使得不再能够获得可靠的测量结果。由于关于测量的相位差的该不可靠性和不确定性，在强烈或快速液体水平波动的情况下确定实际液体水平的明确并且可靠的值是不可能的。

根据本发明的方法的目的是消除上文的缺点和引入更加准确的测量原理，其中考虑液体水平中前述未预见的波动。

根据本发明，该方法对此进一步的特征在于步骤：

iv)基于两个不同的计算方法同时实施步骤iii)，其中

第一计算方法生成具有第一误差Δr₁的水平L的测量值L1而第二计算方法生成具有第二误差Δr₂的水平L的测量值L2，并且其中

第一计算方法比第二计算方法对系统偏差更敏感，而第二计算方法比第一计算方法对液体水平L中的强烈波动更敏感，以及

v)在时序中分析液体水平L中的波动，以及

vi)取决于如在步骤v)中确定的液体水平L中的波动使用或利用第一或第二计算方法用于确定水平L。

这样，在液体表面非所希望的变形的情况下切换到显出不同的不准确度的测量方法是随时可能的，从而预防当采用以前使用的测量技术时获得不正确的测量值的风险。通过切换到不同的测量方法，可以确保如安装在储罐中的测量系统的总准确度以便获得更大或更小准确度的水平测量。

更具体地，根据本发明的方法特征在于，第一计算方法确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的时间差Δt并且基于其而计算水平L的测量值L1。在另一个实施例中，第一计算方法确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的差频Δf并且基于其而计算水平L的测量值L1，而在更另一个实施例中第一计算方法确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的一系列相位差并且随后基于其而计算水平L的测量值L1。

上文的测量方法在实践中是令人满意的，但它们对例如由反射引起的储罐中雷达信号的干扰敏感。

根据本发明，该方法进一步特征在于，第二计算方法确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的相位差以及通过雷达波传播的波长λ的全部数量(其是包裹系数k)，并且基于其而计算水平L的测量值L2。

该方法的功能实施例进一步特征在于，为了确定在步骤vi)中将使用第一还是第二计算方法，步骤v)包括子步骤：

v-1)计算连续测量之间的相位差Δψ以及

v-2)比较所述计算的相位差Δψ与预定的最大允许值Δψ_max。

在该情况下，特别应用的是如果Δψ_m＞Δψ_max，使用第一计算方法用于确定水平L，并且如果Δψ_m＜Δψ_max，使用第二计算方法用于确定水平L，而第二计算方法的测量结果相对于第一计算方法被再校准，以用于具有第二误差Δr₂的测量值L2的唯一计算。

此方式的测量方法和测量装置可以设置为期望的，使得做出切换到另一个显出取决于液体表面的变形的较高或相反较低的不准确度的测量方法。因此，在储罐中测量装置的性能可以设置为期望的用于确定具有高或低的不准确度的液体水平。

根据本发明的方法的另一个特殊实施例，特征在于，在步骤i)-vi)之前，用第一和第二计算方法生成的测量值L1和L2之间的最大和最小差别在至少部分测量范围之内对水平L的每个值进行确定，而没有液体水平的任何强烈波动，并且存储在表中。

在该情况下至少所述部分测量范围可分为适当选择的大小的一个或多个子范围。

更加具体地，根据本发明，为了实现第二计算方法的测量结果相对于第一校准方法的正确再校准，必须通过第一计算方法对于至少一个子范围生成连续的测量值L1，并且包裹系数k的唯一值必须基于存储在表中的测量值L1和L2之间的关联的最小和最大差值来确定。

当测量方法或测量装置必须从一个显出高不准确度的测量系统切换回到显出较低不准确度的第二测量系统时，这些步骤为了确定的目的而实施。这样，校准点可以对测量范围内的水平L的每个值有效地确定，基于该校准点，测量方法可以推断在从一个测量系统到另一个测量系统的切换的情况下水平测量如何继续。

根据本发明用于确定指定测量范围内液体水平L的装置包括至少一个设置在液体上方用于发射雷达信号到液体并且接收从液体表面反射的雷达信号的雷达天线，以及用于基于发射的雷达信号和反射的雷达信号确定液体水平L的部件。根据本发明，所述确定部件设置用于同时实施两个不同的计算方法用于生成具有第一误差Δr₁的测量值L1和具有第二误差Δr₂的测量值L2，并且用于在时序中分析液体水平L中的波动，以及取决于如在步骤v)中确定的液体水平L中的波动使用或利用第一或第二计算方法用于确定水平L。

更具体地，为了实施第一计算方法的确定部件设置用于确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的时间差Δt和基于其而计算水平L的测量值L1。

在根据本发明的装置的另一个实施例中，为了实施第一计算方法的确定部件此外设置用于确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的差频Δf并且基于其而计算水平L的测量值L1。

在根据本发明的装置的另一个实施例中，为了实施第一计算方法的确定部件可在另一方面设置用于确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的一系列相位差并且基于其而计算水平L的测量值L1。

上文的测量方法在实践中是令人满意的，但它们对例如由反射引起的储罐中雷达信号的干扰敏感。

根据本发明，为了实施第二计算方法的确定部件此外可设置用于确定发射的雷达信号和接收的雷达信号之间的相位差以及通过雷达波传播的波长λ的全部数量(其是包裹系数k)，并且基于其而计算水平L的测量值L2，其中为了确定必须使用第一或第二计算方法，确定部件设置用于计算连续测量之间的相位差Δψ并且比较所述计算的相位差Δψ_m与预定的最大允许值Δψ_max。

根据本发明的方法和装置现在将参照图更加详细地说明。

如在前面已经说明的，本发明涉及用于采用可靠和高度准确的方式确定液体水平的方法。该方法使用雷达信号用于确定存储在例如储罐中的产品的水平，其中在罐内存在的所有种类的障碍物或部件不干扰测量方法。

用于水平测量的众所周知的原理是使用脉冲雷达信号。图1示意地示出用于根据该已知的测量原理确定罐中液体水平的装置。装置10设置在罐1的上部中，罐1用壁1a、顶1b和底1c建立。罐1的高度由字母H指示。

罐1包含液体2量，并且液体表面3的高度由字母L指示。

装置10具有至少一个雷达天线12，其提供有发射表面11用于在液体表面3的方向上发射雷达信号4a。雷达信号4a部分从液体表面3反射并且反射的雷达信号4b进而由雷达天线12截获。当然使用独立的天线用于发射雷达信号到液体表面和独立的接收器用于截获反射的雷达信号也是可能的。

根据现有技术的装置10还包括用于基于发射的雷达信号4a和反射的雷达信号4b确定液体水平3(L)的部件13，其中测量系统基于发射的信号脉冲和接收的信号脉冲之间的时间差Δt的确定。因为雷达信号的速度是已知的，到测量对象或在该情况下到液体表面的距离可以基于：

L＝H-h＝1/2.v.Δt                           (1)

确定。其中

H＝罐的高度[m]

L＝雷达天线和液体表面之间的距离[m]

h＝液体表面的高度[m]

v＝雷达波通过介质的传播速度[m/sec]

Δt＝发射的雷达信号和反射的雷达信号之间的时间差[sec]

基于脉冲雷达信号的水平测量的缺点是发射的雷达信号和反射的雷达信号之间的时间测量的准确度必须非常高。不准确的时间测量将不可避免地导致不准确的水平测量。，基于脉冲雷达信号的测量取决于雷达信号的脉冲形状并且可能地还取决于脉冲幅度以及其他。除此之外，来自除液体表面之外的对象的雷达信号的反射干扰该方法。

更广泛的(同样众所周知的)方法使用调频(调频连续波雷达)，其中雷达信号的频率随时间改变。在形状上信号可例如是三角形的，如在图2中示出的。由于由天线和目标表面之间要覆盖的距离引起的时间延迟的结果，在发射的雷达信号4a和反射的雷达信号4b之间存在频差f_beat。所述频率f_beat构成确定水平距离L的基础。

FMCW技术不具有脉冲雷达测量的缺点，但它具有许多其他影响重大的缺点。首先，对频率扫描的斜率的稳定性(其必须是高度恒定的)提出大量要求。第二点，难以维持扫描形状的高线性，从而频带的中频是不清楚的。第三点，计算拍频的确切中心的方法对由障碍物引起的反射(在图1中的4’处指示)的干扰非常敏感，障碍物例如罐混合装置(在图1中的5处指示并且提供有搅拌元件5a)、罐底(1c)、罐壁(1a)、梯子、热交换器等等，从而这可导致在几个厘米范围中的误差。

也就是说，FCMW技术对所谓的系统偏差是非常敏感的但对液体水平L中的强烈波动较不敏感。

已经开发了备选的同样众所周知的称为步进频率连续波(SF-CW)的测量技术。SF-CW雷达方法以填充频带的离散频率发射并且接收一系列正弦信号。确定发射的信号和接收的雷达信号之间的相位差该值形成确定水平距离L的基础。

该实际相位差不能直接通过雷达仪器测量，部分上是由于相位无区别2π。测量的相位差表示为相位信号测量并且表示为正弦信号，等于或在该情况下，k是整数。因为确切值k是不知道的，测量将也是不准确的。系数k是所谓的“包裹”系数并且导致“包裹相位”中的相位无区别。

在主要在频带宽度8-12.5Ghz(X带)中工作的基于雷达的水平测量装置中，10Ghz的频率对应于在真空中等于30mm的波长λ。如果包裹系数k无意地变化1，这对应于15mm的距离变化，但水平测量不再是准确的。因此包裹系数k对于水平距离L的准确测量具有较大的重要性。

SF-CW雷达方法通过以许多不同的频率测量相位差消除相位模糊。这致使SF-CW技术对于液体水平L中的强烈波动较不敏感，但同时它导致对系统偏差增加的敏感度，如参考FMCW技术描述的。

然而根据本发明的方法利用模糊相位测量并且试图暂时地或永久地抵消由强烈的水平波动引起的误差。然而，通过显出低不准确度的测量方法实施储罐中的水平测量是可取的。尽管准确的基于相位的方法(其的敏感测量范围导致准确的水平测量)用于该目的，但在液体表面变形的情况下测量结果可更易于在指定的测量范围外发生，使得失去了测量方法的参考点(相位测量的包裹系数k)。

在相位测量期间存在测量在水平波动的影响下将跳过一个完整波长的风险，其在10Ghz频率的情况下对应于离环大约15mm的距离。这样的测量误差在计划准确的测量方法中是不合意的，因为它影响其的性能。所有这在图3和4中示出，其中图3示出在正常环境下水平测量的相位差的分布。当在储罐中的液体表面仅变形到较小程度，从而液体形成对于发射的雷达信号足够平的反射表面，使得通过相位测量在反射的雷达信号中探测到明显的信号峰。

在图3的图中的单个窄峰指出几乎没有任何液体表面的变形并且因此表示正常工作条件(在储罐中)。使用相位测量方法，从而采用非常可靠和准确的方式(具有正确的包裹系数k和小误差Δr)确定储罐中的液体水平是可能的。

在另一方面，图4示出当液体表面由于波动变形时的相位差。从而变形的液体表面不形成对于发射的信号大致上水平的反射表面。当储罐被部分清空或填充时所述变形可例如由快速上升或下降的液体水平构成。当使用准确相位测量方法时这样的较大波动使得不可能确定具有足够的准确度的实际液体水平L。

将理解，在快速波动液体水平的情况下累积误差可变得非常大(特别是如果不能再明确确定包裹系数k的话)。

由于所述波动，测量结果将容易达到在测量范围外的值，由此失去了测量信号和实际液体水平之间的联系。在图4中所述波动导致具有更大分布的峰(写着：宽峰)，使得在储罐中液体水平L的实际高度不能明确确定。

根据本发明的测量方法和测量装置通过在某些情况下切换到另一个测量方法(显出另一个比通常使用的准确相位测量方法较高不准确度)利用液体水平中探测到的波动。根据该方法，水平测量L通过同时使用两个不同的计算方法实施，其中第一计算方法生成具有第一误差Δr₁的水平L的测量值L1而第二计算方法生成具有第二误差Δr₂的水平L的测量值L2。如上文已经说明的第一计算方法比第二计算方法对系统偏差更敏感，而第二计算方法比第一计算方法对液体水平L中的较大波动更敏感。

根据本发明，此外在时序中分析液体水平L中的波动，其中取决于探测到的液体水平L中的波动，测量系统决定将利用第一还是第二计算方法用于确定水平L。也就是说，当探测到液体水平中显著的波动时，测量方法将暂时采用比在正常环境下更高的不准确度来工作。

在测量将要在正常环境下指定的测量范围外发生的时刻，例如由于如在例如雷暴等扰动状态下或当液体正被快速抽入或抽出储罐时发生的较大水平波动，该方法以及因此同样测量装置切换到根据测量方法L1的更传统的水平测量，并且通过所述测量方法获得的液体水平测量的所有结果将显出更大的(写着：更差的)测量不准确度。

为此，计算连续测量之间的相位差Δψ并且与预定的最大允许相位差值Δψ_max比较。如果Δψ_m＞Δψ_max，例如由于较大的水平波动，将使用第一计算方法(显出较高的不准确度Δr₁)用于确定水平L。

在测量方法或测量装置已经切换到显出较高不准确度的测量系统(例如频率测量)的时刻，液体表面的变形根据本发明进一步监测。在所述波动在指定测量范围内再次发生的时刻，测量系统和测量装置将根据本发明切换到之前使用的显出较低不准确度Δr₂的测量方法。

也就是说，同样在那个时间点采用测量方法或装置的较不准确测量模式，将计算连续测量之间的相位差Δψ并且与预定的最大允许相位差值Δψ_max比较。如果发现Δψ_m＜Δψ_max，例如因为液体水平中的较大水平波动不再发生(因为由于抽运操作和其类似的引起的罐中液体中的扰动不再发生并且液体已经稳定)，第一测量方法将回复到更准确的测量模式并且使用显出较低不准确度Δr₂的第二计算方法用于确定水平L。

然而，因为包裹系数k的确切值由于之前探测到的波动不再是已知的，当切换到第二更准确的计算方法时液体水平L2的正确的、更准确的确定不能直接和明确地获得。这使得有必要相对于用于具有第一误差Δr₁的测量值L2的唯一计算的第一计算方法再校准第二计算方法的测量结果用于更准确测量值L2的唯一计算。

为此，利用所谓的对照表，该表将在根据本发明的测量方法或测量装置的使用期间确定，该对照表的例子在图5中示出。

当测量装置在考虑的储罐中第一次投入工作时所述对照表自动地绘制，其通过用液体缓慢填充储罐或通过缓慢地清空它完成。

在任一情况下，通过第一和第二计算方法生成的测量值L1和L2之间的最大和最小差别在大致上整个测量范围(其可分为例如5cm的子范围或子段)或其的部分之中对水平L的每个值确定并且存储在表中。在整个测量范围(例如从底到正好在储罐的上边缘下面，参见图1)之中对每个水平L的所述最小和最大差别测量L1和L2形成误差容限包络(error margin envelope)，其沿图5的横轴延伸。

至少所述部分测量范围可分为适当选择的大小的一个或多个子范围，例如5cm。在10Ghz的雷达信号的情况下，例如5cm的子范围对于截获许多波长λ是足够大的，对于限制表的尺寸是足够大的并且对于排除其他缓慢变化的系统误差模式(例如产生于由雷达信号在储罐中的反射引起的干扰)是足够小的。

为了实现计算方法L2相对于计算方法L1的正确的再校准，包裹系数k的唯一值基于存储在对照表中的最小和最大差值确定。如果不能确定明确值，通过第一计算方法生成对于至少一个子范围的连续测量值L2以便实现第二计算方法L2相对于第一计算方法L1的测量结果的正确的再校准。

随后，在完成整个测量范围后，存储在表中的测量值L1和L2之间的关联的最小和最大差值可以读出并且包裹系数k的唯一值可以基于其确定。基于导出的包裹系数k，实际液体水平L可以通过准确测量方法L2导出。

在图5的对照表中，针对准确的并且针对较不准确的测量方法，水平高度已经从底到天线确定，其中测量范围细分为5cm的段。较不准确测量方法和准确相位测量之间的最小和最大差别已经对每个段确定。

当根据本发明的测量通过根据本发明的测量装置实施时，考虑较不准确测量L1对多普勒效应(对于其必须做出校正)是敏感的事实是可能的。