專利名稱：用于估計(jì)基于傳播時(shí)間的測量設(shè)備的測量信號的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用基于傳播時(shí)間的填充度測量設(shè)備來測定容器中介質(zhì)填充度的方法。
這種類型的填充度測量設(shè)備本身已為人所熟知；它們通常安裝在容器中的被稱作“填充物”的介質(zhì)之上。為了測定介質(zhì)的填充度，填充度測量設(shè)備中所生成的高頻信號、超聲信號或光學(xué)信號沿著指定方向射向該介質(zhì)，并且在該介質(zhì)的表面發(fā)生反射。這些反射信號也叫做有用信號，它們被填充度測量設(shè)備所記錄。它們的傳播時(shí)間是通過度量從介質(zhì)的反射表面到測量設(shè)備之間的距離而得到的。結(jié)合容器的幾何學(xué)知識，可以測定容器中的介質(zhì)填充度。
所述的已知種類的填充度測量設(shè)備包括，例如，利用微波測量信號或雷達(dá)測量信號進(jìn)行工作的填充度測量設(shè)備，其中天線能夠?qū)⒗走_(dá)信號自由輻射到介質(zhì)中，并且能夠接收來自介質(zhì)的雷達(dá)信號。其他利用雷達(dá)測量信號的填充度測量設(shè)備有，例如，那些利用伸入填充物中的波導(dǎo)管來傳導(dǎo)雷達(dá)測量信號的設(shè)備。
上述基于傳播時(shí)間原理的填充度測量設(shè)備的一個(gè)主要問題是，填充度測量設(shè)備不僅接收來自填充物表面的信號，而且接收了在容器中所謂的干擾位置處產(chǎn)生的非所要的反射。這些由容器中物體或容器的幾何形狀所造成的干擾信號，將疊加在來自填充物表面的實(shí)際有用信號之上，而且是以有用信號在測量信號的估計(jì)期間不再能夠被識別或被含糊不清地識別的方式。
另一方面，干擾信號提供了大量的信息，據(jù)此可以檢查測量設(shè)備的功能，并且用它可以獲得有關(guān)填充物的額外信息(諸如介電常數(shù)、傳導(dǎo)性、濕度含量、溫度、混合比例、起泡(foam formation)、相位分離等信息)。不過，這種情況目前還沒有發(fā)生。
在DE-A-42 33 324中講述了，例如，具有發(fā)射和接收天線的自由輻射雷達(dá)設(shè)備。在這種情況下，為了測定容器中介質(zhì)的填充度，在只能被模糊識別的填充度信號的表面上使用來自容器底部的信號。不過，這里講述的只用于液體測量的方法假定已經(jīng)準(zhǔn)確知道介電常數(shù)，以及在有些情況下的填充物的磁導(dǎo)性，以便測定未知的填充度。不過，這種信息并不經(jīng)常提供，而且容器中介質(zhì)的物理屬性也會改變?？紤]上述情況，該參考文獻(xiàn)建議使用底部信號的時(shí)間差，以便直接計(jì)算得到填充度，或者，在估計(jì)測量曲線信號時(shí)，對其余信號進(jìn)行加窗并使別出該窗口中的填充度信號。
在EP-A-0 457 801中，提出使用蒸餾管中的干擾位置來校準(zhǔn)利用制導(dǎo)雷達(dá)信號進(jìn)行工作的填充度測量設(shè)備，其中明確需要偏振信號，而且可以由偏振設(shè)備來改變偏振面，從而在干擾位置處的干擾反射強(qiáng)度也可以得到改變。使用偏振設(shè)備不僅價(jià)格高，額外花費(fèi)不菲，而且經(jīng)常不能得到偏振信號，例如在TDR填充度測量設(shè)備使用單線或同軸波導(dǎo)管的情況下。
在WO-A-00/43808中講述了TDR填充度測量設(shè)備，其中介電常數(shù)可以在界面測量情景中進(jìn)行測定。本討論涉及作為填充物的兩個(gè)“產(chǎn)品邊界層”的兩個(gè)反射表面，其中產(chǎn)生的一個(gè)干擾信號甚至能夠由波導(dǎo)管的末端或容器的底部生成得到。該參考文獻(xiàn)的確討論了介質(zhì)的介電常數(shù)的計(jì)算，但是該計(jì)算含有誤差。
另外，過去的帶有制導(dǎo)雷達(dá)測量信號的填充度測量設(shè)備已經(jīng)包括了波導(dǎo)管，波導(dǎo)管的幾何形狀給出了指定的反射位置，以及所知道的干擾位置。不過，目前為止，還沒有對于從上述方向傳遞來的信號進(jìn)行綜合估計(jì)。
因此，例如，美國專利號3,474,337中講述了使用波導(dǎo)制導(dǎo)雷達(dá)信號的填充度測量設(shè)備。這就是所謂的“TDR-系統(tǒng)”(時(shí)域反射計(jì))，其中使用了同軸波導(dǎo)管中的幾何反射位置作為參考位置。不過毫無例外地，在該美國專利中講述和保護(hù)的主題包括至少具有兩個(gè)單獨(dú)的波導(dǎo)管，并且以相對比較一般的術(shù)語進(jìn)行講述。該專利僅從干擾位置的反射揭示了測定填充度或其他特性的可能性為零。干擾信號的估計(jì)僅與來自填充物的反射有關(guān)。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提出一種方法，在該方法中，使用以傳播時(shí)間為工作原理的測量設(shè)備來測定容器中的介質(zhì)填充度的測量信號和信息可以比以前估計(jì)得更為全面，而且不需要知道介質(zhì)的物理屬性知識；在該方法中，當(dāng)在測量信號時(shí)，來自于介質(zhì)表面上的反射器的信號不能被明確測定時(shí)，也能夠明確測定介質(zhì)填充度。
根據(jù)本發(fā)明，這一目標(biāo)是通過一種估計(jì)以傳播時(shí)間為工作原理并用于測量容器中介質(zhì)填充度的填充度測量設(shè)備的測量信號來實(shí)現(xiàn)的。該方法包括如下幾個(gè)步驟(a)獲取參考信號數(shù)據(jù)，作為信號的傳播時(shí)間的函數(shù)；(b)獲取至少一個(gè)由在測量距離上的實(shí)際測量信號組成的測量曲線；(c)將測量曲線，或測量曲線的所選反射信號數(shù)據(jù)，與參考信號數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且在測量信號中查找干擾信號和有用信號；(d)加權(quán)來自干擾信號或有用信號的信息，根據(jù)具體情況來測定填充度。
在本發(fā)明方法的進(jìn)一步優(yōu)化中，參考信號數(shù)據(jù)從至少一個(gè)先前已知的測量曲線中得到，或者從已知的測量設(shè)備和/或容器特定數(shù)據(jù)中測定得到。
在本發(fā)明方法的另一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)化中，使用了參考信號數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是通過估計(jì)空容器中的測量數(shù)據(jù)而得到的。
本發(fā)明方法的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例在參考信號數(shù)據(jù)的選擇中，或者在測量曲線的信號數(shù)據(jù)的選擇中，考慮到了測量曲線的極值。
本發(fā)明方法的另一個(gè)進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例中，以參考曲線的形式提供了參考信號數(shù)據(jù)。
在本發(fā)明方法的進(jìn)一步優(yōu)選實(shí)施例提出，通過相減或相關(guān)操作對參考曲線與測量曲線進(jìn)行比較，其中相減或相關(guān)操作也僅限于部分信號數(shù)據(jù)。
本發(fā)明方法的再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例允許以先前所知道的容器或測量設(shè)備所特有的特性數(shù)據(jù)來區(qū)分干擾信號和有用信號，其中根據(jù)先前已經(jīng)知道的容器裝備，或伸入容器中的測量設(shè)備部件，將測量距離分成各個(gè)區(qū)域。
在本發(fā)明方法的又再一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，根據(jù)給定的信號信息來區(qū)分參考信號和有用信號，其中將幅度、符號、相位關(guān)系、寬度和/或信號數(shù)據(jù)的形式等作為信號信息。
在本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，測量曲線的被選信號數(shù)據(jù)與參考曲線的相應(yīng)信號數(shù)據(jù)相匹配，并且信號數(shù)據(jù)的時(shí)間改變被用于區(qū)分有用信號和干擾信號。
考慮到本發(fā)明方法的其他優(yōu)選實(shí)施例，根據(jù)干擾信號隨時(shí)間的變化與有用信號隨時(shí)間的變化方向相反，將干擾信號從有用信號中區(qū)分出來，并且/或者加權(quán)測定的干擾信號或有用信號，根據(jù)具體情況，來測定作為傳播時(shí)間的函數(shù)的填充度。
本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例在測量曲線中沒有找到有用信號的情況下，根據(jù)測量曲線的至少一個(gè)干擾信號來測定填充度和參考信號數(shù)據(jù)。
本發(fā)明方法的進(jìn)一步優(yōu)化提出，根據(jù)生成干擾信號的測量設(shè)備的裝備或部件的已知位置x(0)，測定用于較早時(shí)刻t(1)處的容器或測量設(shè)備的位置x(0)的位置x(1)處的干擾信號，在同一時(shí)刻t(1)根據(jù)有用信號測定的填充度L(1)，以及在實(shí)際測量曲線中的干擾信號的時(shí)刻t(2)處的改變位置x(2)，尤其是根據(jù)下述公式，來測定出在時(shí)刻t(2)處的未知填充度L(2)。
L(2)=L(1)x(2)-x(0)x(1)-x(0)]]>在本發(fā)明的進(jìn)一步實(shí)施例中，針對填充度信號不確定或者含糊地確定的情況，理想的填充度的測定是以已知其幾何位置的測量曲線的至少兩個(gè)干擾信號的時(shí)間差為基礎(chǔ)的。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例涉及的是填充度已經(jīng)被測定的情況，并且其中已知其在容器中介質(zhì)上的幾何位置的測量曲線的至少兩個(gè)干擾信號時(shí)間差被用于測定在氣態(tài)中傳播速度的校正因子，其中校正因子用于校正測定的填充度。
在本發(fā)明方法的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在測量曲線的區(qū)域中的信號，被用于獲取有關(guān)測量設(shè)備狀況的信息，或者有關(guān)測量設(shè)備能力的信息，其中實(shí)際測量信號的傳播時(shí)間基本上與相應(yīng)的參考信號數(shù)據(jù)的傳播時(shí)間一致。
本發(fā)明方法的其他實(shí)施例中，允許有以傳播時(shí)間為原理的不同填充度測量設(shè)備。
本發(fā)明的基本考慮之一是，如果在測量曲線中可以識別出容器中用于攪拌器或其他裝備的信號，但是沒有填充度信號，則這并不意味著容器是空的，正如先前已知的填充度測量設(shè)備所揭示的，而是意味著容器中介質(zhì)的反射表面必須在攪拌器或容器裝備的下面，具體視情況而定。
本發(fā)明的另一個(gè)基本思想是，在容器中介質(zhì)的介電常數(shù)較小和填充度測量設(shè)備使用雷達(dá)信號的情況下，無法識別出填充度信號，并且在預(yù)定的位置無法識別出來自攪拌器或其他容器的信號，通過上述事實(shí)可以得出，介質(zhì)的填充度必須在容器中的攪拌器或裝備之上，因?yàn)橛山殡姵?shù)效應(yīng)所引起的來自攪拌器或其他容器裝備的測量設(shè)備信號的有效路徑以及返程信號的有效路徑變得更長，并且攪拌器看起來距離更遠(yuǎn)。
另外，本發(fā)明考慮到箱體、在箱體中安裝的攪拌管、旁路或甚至基于雷達(dá)原理的填充度測量設(shè)備的電纜形狀的波導(dǎo)管終端負(fù)重可以產(chǎn)生大量信號，據(jù)此，以及根據(jù)它們在通過測量信號形成的傳播時(shí)間曲線中的位置，可以間接得到填充度。知道兩個(gè)干擾信號分開和造成兩個(gè)信號分開的原因是兩個(gè)反射位置的實(shí)際分開，則可以估計(jì)出以傳播時(shí)間為原理的這種類型的所有填充度估計(jì)設(shè)備中的填充度級別，而不需要知道測量信號的傳播速度。當(dāng)處理雷達(dá)信號時(shí)，由于傳播速度取決于材料參數(shù)，例如介電常數(shù)，因此不需要知道這些材料參數(shù)。
本發(fā)明的另一個(gè)基本考慮是，甚至當(dāng)有用信號以及來自填充物表面的測量信號的回波不能從難以區(qū)分的表示簽名或背景簽名的信號“接收器”中讀取出來，根據(jù)具體情況，不過該“接收器”的模式或簽名為填充度信號所改變，方式是將簽名的實(shí)際模式與已知模式進(jìn)行比較，以便測定未知的填充度。這種問題經(jīng)常發(fā)生在填充度測量設(shè)備附近區(qū)域，在那里，未知的填充度回波信號最有可能無法通過發(fā)射信號的衰減區(qū)分出來。
經(jīng)證明，本發(fā)明方法能夠提高精確度和測量的可靠性，并且除了獲得未知的填充度值以外，還可以獲得有關(guān)填充物和測量設(shè)備狀況的進(jìn)一步信息。
總之，這意味著當(dāng)從測量信號中不能直接讀出填充度信號時(shí)，本發(fā)明允許以有利的方式測定填充度。另外，它允許排除對從不存在填充度信號的測量信號中形成的測量曲線的那些區(qū)域的考慮。本發(fā)明還可以根據(jù)與填充度無關(guān)的信號來形成對測量設(shè)備狀況和/或填充物狀況的判斷。因此，還有可能在知道傳播速度的情況下，根據(jù)單個(gè)的、時(shí)間位移的干擾信號來估計(jì)填充度。在由介電常數(shù)引起的兩個(gè)干擾信號的時(shí)間位移估計(jì)值的幫助下，不知道傳播速度也可以測定填充度。
下面將參考優(yōu)選實(shí)施例以及相關(guān)附圖，更為詳細(xì)地解釋一下本發(fā)明。這些附圖的說明如下

圖1為一個(gè)用于測定容器中介質(zhì)填充度的自由輻射雷達(dá)測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；圖2為容器上使用波導(dǎo)管制導(dǎo)雷達(dá)信號的填充度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖；圖3a和圖3b為在已知在不同時(shí)間的干擾位置情況下，填充度測量設(shè)備的兩個(gè)測量曲線的結(jié)構(gòu)圖；圖4為解釋性圖，圖示了指示的填充度與實(shí)際的填充度進(jìn)行比較時(shí)選擇介電常數(shù)的影響；圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行填充度的測定；圖6為帶有波導(dǎo)管和兩個(gè)反射位置位于它的終端負(fù)重處的填充度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖，其中帶有相應(yīng)的傳播時(shí)間曲線；圖7為帶有波導(dǎo)管和在波導(dǎo)管上另外有一個(gè)反射位置的填充度測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。
圖8為帶有波導(dǎo)管和在波導(dǎo)管上有多個(gè)反射位置的填充度測量設(shè)備的傳播時(shí)間曲線的結(jié)構(gòu)圖9為對應(yīng)于圖8的具有兩個(gè)不同填充度的傳播時(shí)間曲線的結(jié)構(gòu)圖，并且該圖根據(jù)本發(fā)明用于測定復(fù)數(shù)介電常數(shù)。
為了簡化且不至于引起誤解，所提供的同樣的設(shè)備、模塊或設(shè)備部件，或者同樣的填充材料和介質(zhì)具有同樣的附圖標(biāo)記。
圖1通過一個(gè)例子，從結(jié)構(gòu)上示出了基于雷達(dá)信號的填充度測量設(shè)備10的典型裝配，該設(shè)備安裝在容器12上，伸入該容器中。雷達(dá)填充度測量設(shè)備10用于測定容器12中的介質(zhì)16的填充度14，它通過圖示的電纜進(jìn)行工作，例如，與監(jiān)視器(圖中未示出)相連，這只用于原理的說明。為此目的，雷達(dá)填充度測量設(shè)備10通過在結(jié)構(gòu)上示出的喇叭天線來發(fā)射雷達(dá)信號，最優(yōu)情況下為脈沖測量信號，方向?yàn)榈竭_(dá)介質(zhì)16。這些信號在介質(zhì)16的表面18上被發(fā)射。這由圖1中的雙箭頭20所示。反射的測量信號為喇叭天線所接收，并且在雷達(dá)填充度測量設(shè)備10中與發(fā)射的測量信號進(jìn)行比較。從測量信號的發(fā)射到反射信號的接收之間的時(shí)間被記錄下來，以用于將雷達(dá)填充度測量設(shè)備10和介質(zhì)16的表面18分開?？紤]到容器12的幾何形狀，這種分開被轉(zhuǎn)換成所需要的介質(zhì)16填充度。在接收的信號中不能明確識別填充度信號以及從介質(zhì)16的表面18處反射回來的信號的情況下，根據(jù)本發(fā)明方法來測定介質(zhì)16的填充度。
圖1還從結(jié)構(gòu)上示出了填充管22和帶有上部支撐管26和下部支撐管28的旁路管24。上部支撐管26會使從雷達(dá)填充度測量設(shè)備10發(fā)射來的測量信號發(fā)生反射，并且根據(jù)本發(fā)明方法，可以利用這個(gè)干擾信號來測定未知的填充度。
這里，那些不是來自于介質(zhì)反射表面的信號被指定為“干擾信號”。在本發(fā)明方法中，它們在字面的意思上不產(chǎn)生“干擾”，而是實(shí)際上服務(wù)于未知填充度的建立或測定。名稱“干擾信號”來自于現(xiàn)有技術(shù)，在現(xiàn)有技術(shù)中這些信號產(chǎn)生的干擾能夠覆蓋實(shí)際的填充度信號或者不利于它們的明確識別。在缺少明確的填充度信號的情況下，已知的用于測定未知填充度的方法是相當(dāng)無助，并且因此無法進(jìn)行填充度的惟一判定。
如果雷達(dá)填充度測量設(shè)備10安裝在由虛線所表示的容器12中的位置11處，這將導(dǎo)致從填充管22的上部產(chǎn)生干擾信號。還可以在本發(fā)明方法中利用這個(gè)信號來測定未知的填充度。
為了完整性之目的，需要指出的是，如圖1所示的填充度測量設(shè)備也可以是另一個(gè)自由輻射的測量設(shè)備。因此可以想見，例如，可以利用帶有平面天線的填充度雷達(dá)設(shè)備，或者帶有桿狀天線的填充度雷達(dá)設(shè)備，當(dāng)然也可以利用超聲填充度測量設(shè)備。在以傳播時(shí)間為原理的那些填充度測量設(shè)備的情況下也會產(chǎn)生所述的干擾信號，并且這些干擾信號可以與本發(fā)明方法相結(jié)合，以用于在填充度信號不能被明確識別或者根本不能識別的情況下來測定未知的填充度級別。
使用測定未知填充度的方法的填充度測量設(shè)備的另一種結(jié)構(gòu)如圖2所示。這就是所謂的TDR填充度測量設(shè)備30，其中使用了波導(dǎo)管32制導(dǎo)的微波或雷達(dá)信號。測量信號通過波導(dǎo)管32進(jìn)行制導(dǎo)，波導(dǎo)管32伸入到介質(zhì)16中，在介質(zhì)16的表面18上得到反射，并且沿著波導(dǎo)管32傳回TDR填充度測量設(shè)備30。這個(gè)信號移動如圖2中的兩個(gè)箭頭34和35所示。
還是在TDR填充度測量設(shè)備30中，已經(jīng)在圖1中示出，測量信號到介質(zhì)的反射表面18，以及從介質(zhì)的反射表面18折回來到TDR填充度測量設(shè)備30的傳播時(shí)間(因此在TDR填充度測量設(shè)備30和介質(zhì)16之間的距離)被記錄下來，并且因此而測定未知填充度。不過，假定在所接收的測量信號中能夠發(fā)現(xiàn)用于填充度的明確信號。如果情況不是這樣的，則本發(fā)明方法可用于根據(jù)干擾信號和/或根據(jù)單個(gè)信號或信號模式的時(shí)間位移的特別估計(jì)值來測定填充度，視具體情況而定。在TDR填充度測量設(shè)備中的干擾信號可以發(fā)生在波導(dǎo)管32附近的任何可以找到容器裝備的地方。在圖2所示的例子中，它們是梯子36和攪拌器38。
然而，在用于指示容器12中介質(zhì)16的反射表面18的模糊信號的情況下，為了能夠測定介質(zhì)的填充度，根據(jù)圖1和圖2中的例子之一將本發(fā)明方法應(yīng)用于填充度測量設(shè)備，如下所述。
首先，獲得的參考信號數(shù)據(jù)作為信號的傳播時(shí)間的函數(shù)。參考信號數(shù)據(jù)，例如，可以是來自于在一個(gè)較早時(shí)間點(diǎn)上獲得的或者從已知測量設(shè)備和/或容器特定數(shù)據(jù)測定的至少一個(gè)事先已知的測量曲線的參考信號數(shù)據(jù)。在后一種情況中，關(guān)注的是，例如，從梯子36、填充管22、旁路管的橫向管26和28、或攪拌器38所產(chǎn)生的上述信號。另外，依附于波導(dǎo)管32末端的、用于在容器中使波導(dǎo)管拉直的負(fù)重40，會產(chǎn)生顯著的信號，這種信號叫做EOL信號(End-Of-Line信號)。除了這里解釋的終端負(fù)重40以外，波導(dǎo)管32的其他實(shí)施例或其他應(yīng)用和容器能夠使用一種連接，通過這種連接，波導(dǎo)管32被拉伸到容器的底部。這種連接也會產(chǎn)生EOL信號。
最簡單的做法是，通過在空容器12中使用填充度測量設(shè)備執(zhí)行所謂的空測量，來獲取參考位置信號和反射位置信號。通過分析作為參考信號的各種信號并總結(jié)特征，特別是參考信號的幅度和波形，并且將其與到測量設(shè)備的距離的有關(guān)距離信息，和/或因考慮信號在容器中的傳播速度而得到的傳播時(shí)間信息，進(jìn)行匹配。如果將空測量信號融合到傳播時(shí)間曲線中去，我們稱之為容器(以及安裝于容器中的安裝設(shè)備)的“簽名”。
接著，由實(shí)際測量信號組成的測量曲線或測量曲線沿著填充度測量設(shè)備和介質(zhì)表面之間的測量距離所選擇的信號數(shù)據(jù)，經(jīng)與參考信號數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，便在測量信號中獲得和標(biāo)志出干擾信號和有用信號。參照哪一種波形可用于填充度的進(jìn)一步測定，或用于有關(guān)介質(zhì)和填充度測量設(shè)備的功能的進(jìn)一步信息，將干擾信號和有用信號分別進(jìn)行評估和加權(quán)，具體視情況而定。用于本發(fā)明方法的參考信號數(shù)據(jù)或測量曲線的信號數(shù)據(jù)能夠，例如，被選作為測量曲線的極值。
上面已經(jīng)解釋過，參考信號可以被分布于參考曲線波形上，并與實(shí)際測量曲線進(jìn)行比較，或者，當(dāng)僅使用被選的參考信號時(shí)，這些信號與對應(yīng)于測量距離或參考傳播時(shí)間的實(shí)際測量信號進(jìn)行比較。這種比較的目標(biāo)是找到和評估信號在波形和時(shí)間關(guān)系(傳播時(shí)間)，也就是時(shí)間位移的變化，這種比較最好是通過相關(guān)信號數(shù)據(jù)的相關(guān)，或者是通過相減或比較具有參考曲線極值的測量曲線的極值位置來完成。
在區(qū)分來自有用信號的干擾中，特別是那些信號扮演著一種能夠以先前已知的容器特定的或測量設(shè)備特定的特征數(shù)據(jù)，例如，預(yù)先已知的容器裝備或伸入到容器中的測量設(shè)備的部件，為基礎(chǔ)進(jìn)行識別的角色。在這些信號的幫助下，可以將測量距離或表示測量距離的信號分割成特定的區(qū)域，可以查找這些區(qū)域來發(fā)現(xiàn)干擾信號或有用信號，具體視情況而定。優(yōu)點(diǎn)是，在這種評估中，查找的僅是實(shí)際上有意義的區(qū)域，而不需要花費(fèi)時(shí)間和資源來評估沒有意義的信號，或無意義的信號。
優(yōu)選的信號數(shù)據(jù)的幅度、符號、相位關(guān)系、和/或波形被用作為信號信息來評估信號，其中特別是那些隨著時(shí)間變化干擾信號與有用信號進(jìn)行相反變化因而被給予特別注意的區(qū)域。這種區(qū)域有意義，是因?yàn)椋?，在使用雷達(dá)測量填充度和增加填充度中，由于在介質(zhì)中的傳播速度減少，所有位于填充度信號之下的干擾信號都朝下移動，即在與填充度回波相比較相反的方向上。
當(dāng)已知反射位置的干擾信號能夠被準(zhǔn)確識別時(shí)，本發(fā)明方法的測定填充度的一個(gè)實(shí)際例子如下所述。為此目的，將參考信號作為帶有波導(dǎo)管32的TDR填充度測量設(shè)備的例子，圖2、圖3a和圖3b通過舉例子，示出了測量信號的曲線42a、42b，其中圖3a是在時(shí)間t(1)處的測量信號幅度的曲線，它作為到TDR-設(shè)備30的距離x的函數(shù)。在圖3a中的傳播時(shí)間曲線42a的開始處的能夠明確識別的信號44，來自于由TDR填充度測量設(shè)備30中所產(chǎn)生的測量信號和波導(dǎo)管32的耦合。這一信號是強(qiáng)參考信號，被稱為“基準(zhǔn)信號”。在傳播時(shí)間曲線42a末端的另一個(gè)信號46a是來自波導(dǎo)管32末端的EOL信號。在圖3a中所示的時(shí)間t(1)處，填充度信號48能夠被明確識別，它來自于介質(zhì)表面的反射。這種信號在這里作為填充度信號48用于簡化之目的，存在于基準(zhǔn)信號44和EOL信號46a之間。
如果，在稍后一個(gè)時(shí)間點(diǎn)t(2)，在測量曲線42b中無法識別出填充度信號，如圖3b中的那樣，則在時(shí)間t(2)處的容器中介質(zhì)的未知填充度L(2)可以通過使用來自波導(dǎo)管末端的未知反射信號EOL信號46b(參見圖3b)測定得到。將測量曲線42a和42b進(jìn)行比較，明顯可以看到較早測量的EOL信號46a在時(shí)間上相對于EOL信號46b發(fā)生了移動，盡管在實(shí)際上，容器中波導(dǎo)管的長度并沒有變化。以此為基礎(chǔ)，可以按如下步驟測定填充度首先，從測量設(shè)備42a的直接可以識別的填充度信號48，以及EOL信號46a的明顯位移x(1)-x(0)，可以測定常數(shù)B，其中B＝(x(1)-x(0))/L(1)，其中L(1)為參考探測器末端的實(shí)際位置x(0)，從測量曲線42a中的填充度信號48而測定的填充度。在時(shí)間t(2)處，當(dāng)無法直接測定填充度信號時(shí)，填充度L(2)可以從B的先前測定值和探測器終端信號的明顯位移x(2)-x(0)，通過使用公式L(2)＝(x(2)-x(0))/B計(jì)算得到。
在自由衰減、容器中有非磁介質(zhì)作為介質(zhì)的情況下，B=ϵ-1,]]>其中ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。在這里所述的方法中，用于從干擾信號來計(jì)算填充度的已知方法使用介電常數(shù)的知識，而并不需要知道介電常數(shù)的值。而測量設(shè)備進(jìn)行自校，甚至在改變介質(zhì)的情況下，用戶也不必進(jìn)行新的校正。另外，與已知的方法相比，可以取得更高的精度。如果在計(jì)算中使用固定的、預(yù)先選擇的介電常數(shù)值，并且與實(shí)際值不一致，例如，因?yàn)榱Ｗ游镔|(zhì)的濕度含量改變了，則將如圖4中所述，獲得了顯示填充度和實(shí)際填充度之間的不正確關(guān)系。由于介質(zhì)的介電常數(shù)造成測量曲線中在時(shí)間上后于填充度信號到達(dá)的信號具有一個(gè)時(shí)間位移。當(dāng)根據(jù)具體情況，利用介質(zhì)的太大或太小的介電常數(shù)進(jìn)行填充度的測定時(shí)，圖4中的圖形允許對填充度記錄中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行估計(jì)。
圖5解釋了使用另一種方法來測定填充度L。這個(gè)圖是使用傳播時(shí)間原理進(jìn)行填充度測量的設(shè)備的例子，在這種情況下最好是雷達(dá)設(shè)備。在測量曲線中，相對填充度隨著接收信號的位置或隨著傳播時(shí)間而變化的圖形被繪制出來，具體視情況而定。未知填充度L的測定使用的是上面所提供的公式，其中限制線的形成一方面依靠EOL信號50，另一方面依靠填充度信號52。圖形是能夠自我解釋的。
如果無法測量出實(shí)際填充度值，也無法測量出可測量的反射位置的明顯位置，以及EOL信號45a，b或在測量距離中且來自于填充度下面的安裝設(shè)備的反射位置的其他信號，則可以輸出L的最終有效值。還一種可能性是使用最終確定的L值改變率來改變L值，或輸出警告或問題報(bào)告。緊跟著一個(gè)時(shí)延之后，所有這些反應(yīng)都將有選擇地發(fā)生。
上述過程可以用于任何已知的干擾反射。與前面已知的過程相對照的是，本發(fā)明方法中，不需要知道容器中介質(zhì)的實(shí)際介電常數(shù)。與之相反，當(dāng)至少提供一個(gè)已知反射位置而不是介質(zhì)表面的信號即已知的、重要的、干擾信號，以及來自介質(zhì)表面的直接填充度信號時(shí)，填充度測量設(shè)備是自校正的。
本發(fā)明方法允許在測量距離上下兩端的測量值進(jìn)行外插，其中，作為一個(gè)規(guī)則，由于干擾信號的疊加，例如，來自雷達(dá)天線的反射，無法進(jìn)行直接測量。在強(qiáng)干擾信號的情況下，可能來自安裝有測量設(shè)備的容器或管口的自然諧振，總是可以使用直接填充度信號的，當(dāng)直接填充度信號的幅度較大并且因此由于干擾信號的疊加而變得可以檢測得到時(shí)，當(dāng)它存在于兩個(gè)干擾信號之間并且并不突出時(shí)，通過使用具有反射位置的信號的移動對填充度值進(jìn)行內(nèi)插得到。該方法本身單獨(dú)適用于給定的測量情形，而在先前已知的方法中，操作員必須在根據(jù)EOL信號的位移或使用直接填充度回波所作的測量中間進(jìn)行決定。
針對已知至少兩個(gè)信號和反射位置的信號數(shù)據(jù)的情況下，最好是在波導(dǎo)管的下部區(qū)域，本發(fā)明方法可以作如下解釋。為了簡化起見，該方法的解釋根據(jù)的是在波導(dǎo)管的終端負(fù)重40的首尾兩個(gè)反射位置(參見圖2)，并且參考圖6。圖6在原理上與圖2中的帶有波導(dǎo)管32的雷達(dá)填充度測量設(shè)備30的例子一致。這里，所示的波導(dǎo)管32的終端負(fù)重40(參見圖2)的終端位置54和56之間具有事先已知的物理分割。在圖6的下面，通過在空容器中進(jìn)行測量，得到測量信號，并被匯集成測量曲線。基準(zhǔn)信號44(參見圖3a和3b)可以和負(fù)重40的終端位置54和56的反射信號58和60一起被識別出來。由于這是一個(gè)空測量，因此沒有填充度信號。為了簡化起見，忽略了對來自于容器中安裝設(shè)備的其他干擾信號的圖釋。
現(xiàn)在，考慮一種情形，其中將用于空容器的如圖6類型的測量曲線與實(shí)際測量曲線進(jìn)行比較，其中的實(shí)際測量曲線沒有示出可解釋為填充度信號的直接信號。負(fù)重40的終端位置處的反射信號58和60因?yàn)閺囊粋€(gè)測量曲線到另一個(gè)測量曲線之間的時(shí)間差而發(fā)生位移。假設(shè)Δx1為上部反射信號58相對于它在空容器中的位置的位移，這里假設(shè)填充度位于終端位置54之上，并且假設(shè)Δx2為下部反射信號60相對于它在空容器中在時(shí)間上同一點(diǎn)處的位移，其中a為兩個(gè)反射位置54和56之間的物理距離。填充度可以明確地從公式L＝Δx2a/(Δx2-Δx1)中算出。
由于在介電常數(shù)明顯較小的情況下，在波導(dǎo)管32上的介質(zhì)的開始處基本上出現(xiàn)的是整個(gè)容器(參見圖4)，因此，當(dāng)上述公式的分母Δx2-Δx1超過一個(gè)最小值時(shí)，首先表明填充度不為零是很有意義的。僅當(dāng)這時(shí)才能保證在容器中實(shí)際上存在填充物。如果填充度在反射位置54的下面，這種情況能夠?yàn)榭梢院鲆暤奈灰痞1所識別，則最終測定的a/(Δx2-Δx1)的值可用于計(jì)算填充度。該方法適合于具有較小介電常數(shù)和較小衰減的填充物，例如，可以是泡沫塑料。
如果提供了超過兩個(gè)的已知反射位置，則甚至可以獲得更為精確的填充度測定值。然后，在上述公式中總是使用為填充材料所覆蓋的最上層反射位置和最底層反射位置是有意義的，并且在緊下面的反射位置的位移可用于真實(shí)性檢查。
本發(fā)明的上述方法中，使用了多個(gè)反射位置，這種方法可以以帶有波導(dǎo)管的簡單的方式來實(shí)現(xiàn)，其中的波導(dǎo)管上具有多個(gè)有針對性存放的反射位置。所有類型的波導(dǎo)管都適合這種方法，例如，Sommerfeld波導(dǎo)管(單線波導(dǎo)管)、Goubau波導(dǎo)管(帶有介質(zhì)涂敷層的單線波導(dǎo)管)、Lecher線路(雙線波導(dǎo)管)、同軸線纜、微帶導(dǎo)管或帶有任何，例如，矩形或圓形橫截面的空導(dǎo)管。
幾何形狀的局部變化都適合反射位置，例如，金屬或介質(zhì)結(jié)構(gòu)(加厚、變窄或其他不規(guī)則性)的橫截面的改變，在電場不為零的位置處的介電屬性的改變，在磁場不為零的位置處的磁屬性的改變，或者在電流密度不為零的位置處的傳導(dǎo)性的改變。
有利的是，一系列這種反射位置的集合被沿著波導(dǎo)管放置，整個(gè)能量中只有一小部分能量能夠在單個(gè)的反射位置上得到反射。反射位置可以，但是不必須是，等距離的。它們可以相互類似，但是也可以不同。
圖7通過例子示出了置于波導(dǎo)管32中的這樣一個(gè)反射位置，一般認(rèn)為在波導(dǎo)管32上可以放置多個(gè)這樣的位置。在波導(dǎo)管(這里最好是Sommerfeld波導(dǎo)管32，以有線電纜的形式)上以適合的方式保護(hù)著如管套62的反射位置，以便它們能夠經(jīng)受得住來自填充物的機(jī)械負(fù)載。
根據(jù)本發(fā)明方法記錄下來在這些反射位置處的反射以及由測量設(shè)備所接收的信號的反射的改變，即，幅度和傳播時(shí)間的改變，并與在填充物表面或相位邊界(如果存在的話)上的反射一起進(jìn)行評估，具體視情況而定。
圖8示出了帶有多個(gè)特意放置的反射位置的波導(dǎo)管的傳播時(shí)間信號曲線64的一個(gè)例子。這個(gè)例子是再次關(guān)于有線電纜形式的Sommerfeld波導(dǎo)管32，在該波導(dǎo)管上保護(hù)、調(diào)節(jié)、夾住和/或焊接七個(gè)等距離的和類似的金屬厚度，最好以圖7所示的管套62的形式。從單獨(dú)的反射位置上產(chǎn)生的受到脈沖信號激勵(lì)的反射信號，在傳播時(shí)間曲線64上標(biāo)有號碼2-8。形成厚度后，負(fù)的傳輸信號導(dǎo)致基本的負(fù)反射，這可以在從空氣到填充物的轉(zhuǎn)換中，作為規(guī)則從正的填充度信號中區(qū)分出來。另外，反射位置形成后，特殊信號波形上升，該波形例如通過與其他信號進(jìn)行比較產(chǎn)生互相關(guān)進(jìn)行放大?？紤]到傳播時(shí)間曲線64，識別出從上述轉(zhuǎn)換到Sommerfeld波導(dǎo)管32的第一個(gè)反射，對應(yīng)于圖3a和3b的已知基準(zhǔn)信號。第2到第8個(gè)反射來源于七個(gè)厚度62(參見圖7)，而第9個(gè)反射則來至于負(fù)重40的開始處54，第10個(gè)反射來自于負(fù)重40的末端56(參見圖6)。
有了多個(gè)反射位置，測定填充度就可以和部分測定依賴于位置的復(fù)數(shù)介電常數(shù)ε＝ε1+iε2一起進(jìn)行。如圖9所示。這一過程是將空容器的傳播時(shí)間曲線66的干擾信號的位置xi(0)和幅度Ai(0)，與在實(shí)際的傳播時(shí)間曲線68中的這些干擾信號的位置xi(1)和幅度Ai(1)進(jìn)行比較。在那些值不改變的位置，明確沒有填充物。根據(jù)位置的改變，可以部分地決定傳播時(shí)間(由折射指數(shù)n導(dǎo)出)，接著得到介電常數(shù)的實(shí)部ε1。根據(jù)幅度的改變，可以決定衰減常數(shù)α，并且根據(jù)衰減常數(shù)α，得到介電常數(shù)的虛部ε2。那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員都非常知道這種計(jì)算的正式關(guān)系，例如，M.Dressel和G.Gruner的有關(guān)固體電動機(jī)的著作，劍橋大學(xué)出版社(2002)。
介電函數(shù)包含有關(guān)傳播的速度和衰減方面的信息。例如，用于填充度測量的校正因子可以從介質(zhì)上的傳播速度導(dǎo)出。有了校正因子，例如，通過使用蒸餾管的“簽名”，填充物上不同氣體對光速的影響在高精確度雷達(dá)箱體級測量中可以得到補(bǔ)償(指在許多小的幾何干擾，例如，接縫或孔洞中，入射反射線的疊加)，以便獲得更為精確的測量值。不需要用于改變極化方向的昂貴設(shè)備，這些設(shè)備在先前的方法中則是必需的。而且，人們可以考慮到介質(zhì)的屬性，諸如傳導(dǎo)性、濕度含量、溫度、混合度、去混合度、層級化、泡沫形式等屬性，利用傳播速度和/或介質(zhì)的衰減來得出結(jié)論。如果由填充物表面上決定的信號衰減較大，則我們可以認(rèn)為，由于信號的衰減，測量的可靠性降低了。
如圖所示，本發(fā)明方法的不同實(shí)施例能夠(1)在無法獲得填充度的情況下，使用不是由填充度引起的信號來測定測量曲線的區(qū)域，以及測量距離的區(qū)域；(2)使用不是由填充度引起的信號，來測定設(shè)備的狀況或測量能力；以及(3)使用不是由填充度引起的信號，來測定填充物的屬性，例如，諸如復(fù)數(shù)介電常數(shù)、傳導(dǎo)性、濕度含量、溫度、混合狀態(tài)、泡沫形式等屬性。為此目的，本發(fā)明利用干擾信號，干擾信號不是由填充度引起的，例如，它不是產(chǎn)生于容器或箱體本身、旁路管、蒸餾管、波導(dǎo)管，而是產(chǎn)生于作為測量系統(tǒng)或箱體之一部分的另一個(gè)波導(dǎo)管，或者產(chǎn)生于被添加到前述物體上的標(biāo)記。不過，這些不是由填充度引起的反射信號，也能夠產(chǎn)生于填充度測量設(shè)備的耦合。
本發(fā)明也考慮到，這里所提到的信號也可以是幾個(gè)或多個(gè)信號的疊加結(jié)果。
再一個(gè)特別重要的是，當(dāng)使用本發(fā)明方法對測量信號進(jìn)行估計(jì)導(dǎo)致了下述結(jié)果，即通過將實(shí)際測量和在較早的時(shí)間點(diǎn)所執(zhí)行的測量進(jìn)行比較沒有發(fā)現(xiàn)測量曲線中沒有改變的區(qū)域，則該估計(jì)值所指的是容器的過填充狀態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種用于估計(jì)填充度測量設(shè)備的測量信號的方法，該測量設(shè)備以傳播時(shí)間為其工作原理，并用于測量容器(12)中介質(zhì)(16)的填充度(14)，所述方法包括如下步驟a)獲取參考信號數(shù)據(jù)，作為信號的傳播時(shí)間的函數(shù)；b)獲取至少一個(gè)由在測量距離上的實(shí)際測量信號組成的測量曲線；c)將測量曲線，或測量曲線的所選反射信號數(shù)據(jù)，與參考信號數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并且在測量信號中查找干擾信號和有用信號；d)加權(quán)來自干擾信號或有用信號的信息，根據(jù)具體情況來測定填充度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，參考信號數(shù)據(jù)從至少一個(gè)先前已知的測量曲線中得到，或者從已知的測量設(shè)備和/或容器特定數(shù)據(jù)中測定。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，參考信號數(shù)據(jù)是通過估計(jì)空容器中的測量數(shù)據(jù)而得到的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，在參考信號數(shù)據(jù)的選擇中，或者在測量曲線的信號數(shù)據(jù)的選擇中，考慮使用測量曲線的極值。
5.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，以參考曲線的形式提供了參考信號數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，通過相減或相關(guān)操作對參考曲線與測量曲線進(jìn)行比較。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，相減或相關(guān)操作僅限于部分信號數(shù)據(jù)。
8.如前面的權(quán)利要求1至7中之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)先前所知道的容器或測量設(shè)備所特有的特性數(shù)據(jù)來區(qū)分干擾信號和有用信號。
9.如權(quán)利要求1至8中之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)先前已經(jīng)知道的容器裝備，或伸入容器中的測量設(shè)備部件，將測量距離分成各個(gè)區(qū)域，并且根據(jù)具體情況對干擾信號和/或有用信號來搜索這些區(qū)域。
10.如權(quán)利要求1至8中之一所述的方法，其特征在于，根據(jù)給定的信號信息來彼此區(qū)分干擾信號和有用信號。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中將幅度、符號、相位關(guān)系、寬度和/或信號數(shù)據(jù)的形式等作為信號信息。
12.如權(quán)利要求1至8中之一所述的方法，其特征在于，測量曲線的被選信號數(shù)據(jù)與參考曲線的相應(yīng)信號數(shù)據(jù)相匹配，并且信號數(shù)據(jù)的時(shí)間改變被用于區(qū)分有用信號和干擾信號。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，根據(jù)干擾信號隨時(shí)間的變化與有用信號隨時(shí)間的變化方向相反，將干擾信號從有用信號中區(qū)分出來。
14.如權(quán)利要求1至13中之一所述的方法，其特征在于，加權(quán)測定的干擾信號或有用信號，根據(jù)具體情況，來測定作為傳播時(shí)間的函數(shù)的填充度。
15.如權(quán)利要求2至14中之一所述的方法，其特征在于，在測量曲線中沒有找到有用信號的情況下，根據(jù)測量曲線的至少一個(gè)干擾信號和參考信號數(shù)據(jù)來測定填充度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，根據(jù)在較早時(shí)刻處的容器或測量設(shè)備的已知位置測得干擾信號、在同一時(shí)刻測得的有用信號、以及在實(shí)際測量曲線中干擾信號的位移測得未知填充度。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，根據(jù)生成干擾信號的測量設(shè)備的裝備或部件的已知位置x(0)，測定用于較早時(shí)刻t(1)處的容器或測量設(shè)備的位置x(0)的位置x(1)處的干擾信號，在同一時(shí)刻t(1)根據(jù)有用信號測定的填充度L(1)，以及在實(shí)際測量曲線中的干擾信號的時(shí)刻t(2)處的改變位置x(2)，根據(jù)下述公式，來測定出在時(shí)刻t(2)處的未知填充度L(2)L(2)=L(1)x(2)-x(0)x(1)-x(0).]]>
18.如權(quán)利要求2至17中之一所述的方法，其中，針對填充度信號不確定或者含糊地確定的情況，理想的填充度的測定是以已知其幾何位置的測量曲線的至少兩個(gè)干擾信號的時(shí)間差為基礎(chǔ)的。
19.如權(quán)利要求2至17中之一所述的方法，其中，對于填充度已經(jīng)被測定的情況，并且其中已知其在容器中介質(zhì)上的幾何位置的測量曲線的至少兩個(gè)干擾信號時(shí)間差被用于測定在氣態(tài)中傳播速度的校正因子，其中校正因子用于校正測定的填充度。
20.如權(quán)利要求1至19中之一所述的方法，其中，在測量曲線的區(qū)域中的信號被用于獲取有關(guān)測量設(shè)備狀況的信息、或者有關(guān)測量設(shè)備能力的信息，其中在測量曲線中實(shí)際測量信號的傳播時(shí)間與相應(yīng)的參考信號數(shù)據(jù)的傳播時(shí)間完全一致。
21.如權(quán)利要求1至20中之一所述的方法，其中，測量設(shè)備為超聲填充度測量設(shè)備。
22.如權(quán)利要求1至20中之一所述的方法，其中，測量設(shè)備為光學(xué)填充度測量設(shè)備。
23.如權(quán)利要求1至20中之一所述的方法，其中，測量設(shè)備為使用雷達(dá)信號的填充度測量設(shè)備。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，測量設(shè)備為自由輻射雷達(dá)填充度測量設(shè)備。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，測量設(shè)備使用通過波導(dǎo)管制導(dǎo)的雷達(dá)信號。
26.如權(quán)利要求23至25所述的方法，其中，除了填充度以外，復(fù)數(shù)介電常數(shù)也得到測定。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，復(fù)數(shù)介電常數(shù)被部分地測定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種方法，該方法允許在無法通過干擾信號的疊加，例如，通過雷達(dá)信號的反射，來進(jìn)行直接測量的測量范圍的上下兩端對測量值進(jìn)行外插。在有強(qiáng)干擾信號，例如，由容器的自然諧振或測量設(shè)備所安裝的瓶頸處所引起的信號，的情況下，一般可以使用直接的填充度指示器信號，如果它的幅度經(jīng)過與干擾信號進(jìn)行疊加而比較高，因而能夠被檢測到的話。如果直接的填充度指示器信號位于兩個(gè)干擾信號之間，并且不超出這兩個(gè)干擾信號，則填充度指示器的值可以根據(jù)信號距離反射點(diǎn)處的位移，通過插值得到。這一有創(chuàng)意的方法，能夠自動適應(yīng)目前盛行的測量條件，而根據(jù)已知的方法，用戶必須在經(jīng)由EOL信號的位移得到的測量和經(jīng)由直接的填充度指示器回波得到的測量之間進(jìn)行取舍。
文檔編號G01F23/00GK1535374SQ02814907
公開日2004年10月6日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月27日
發(fā)明者羅蘭德·穆勒, 赫伯特·施羅思, 斯特凡·克拉默, 克拉默, 施羅思, 羅蘭德 穆勒 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司