基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于使用行進時間方法來基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法，其中產(chǎn)生了預(yù)定脈沖寬度(Tp)的激光脈沖，其中在所述填充物質(zhì)的表面方向上以定義的傳輸重復(fù)頻率(fPulse)發(fā)送所述激光脈沖，其中所述激光脈沖的定義的傳輸重復(fù)頻率(fPulse)通過將預(yù)定基頻(f)乘以預(yù)定分頻因子(TF)而獲得，其中接收到在所述填充物質(zhì)的表面上反射之后的激光脈沖，其中以這樣的方式以稍微不同于所述基頻(f)的采樣頻率(fs)對在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進行采樣，使得對于每一激光脈沖多個采樣值被記錄并且在每種情況下存儲為子回波曲線(SEK)，其中所存儲的子回波曲線(SEK)在每個測量循環(huán)之后被組合為總回波曲線(EK)，并且其中，基于所述總回波曲線(EK)來確定所述料位。
【專利說明】基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法和設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于使用行進時間方法來基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法和設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]借助于激光脈沖用于料位測量的已知設(shè)備和方法通過直接地測量在障礙物上反射的發(fā)送激光脈沖的行進時間進行操作。為此，激光脈沖的行進時間借助于用于時間測量的高度準(zhǔn)確的集成電路(即，所謂的時間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC))來測量。集成電路工作的方式與使用起始信號和停止事件的秒表相似。起始信號由發(fā)送電子裝置觸發(fā)。停止事件在超過定義的模擬閾值時由所接收到的信號觸發(fā)。
[0003]基本上，已知系統(tǒng)僅是有有限多目標(biāo)能力的，并且因此，參考可能存在的干擾變量(諸如流、霧以及灰塵)不是非常魯棒的。而且，已知系統(tǒng)不能夠基于信號形式來檢測缺損或無效的接收信號。因為這樣的檢測是不可能的，所以不能夠拒絕無效的信號。
[0004]由于這些局限并且由于在給定情況下可能存在于測量范圍內(nèi)以產(chǎn)生對應(yīng)干擾反射的干擾源，已知的雷達料位測量裝置利用雷達脈沖的總信號曲線的采樣的原理。這些已知裝置將信號曲線記錄為所謂的包絡(luò)曲線或回波曲線，并且出于使用擬合與自適應(yīng)算法和數(shù)字信號處理來確定測量值的目的對這些曲線進行評估。已知方法能夠選擇性檢測和拒絕干擾或出錯信號，使得它們在理想情況下不影響測量。具有包絡(luò)曲線評估的基于激光的料位測量裝置由于在下面所描述的問題而仍然不存在。
[0005]然而在地理數(shù)據(jù)檢測的領(lǐng)域中，使用掃描激光系統(tǒng)，所述掃描激光系統(tǒng)根據(jù)包絡(luò)曲線或通常全波形采樣的原理工作，并且出于附加處理的目的將所記錄的信號形式轉(zhuǎn)發(fā)至計算單元。然而，不同的信號形式在這樣的情況下主要用來確定目前地理物質(zhì)。術(shù)語地理物質(zhì)指代例如樹、水、灌木叢等。在這些系統(tǒng)的情況下，焦點不在確切距離確定上。已知系統(tǒng)是非常昂貴的并且以GHz區(qū)域內(nèi)的采樣頻率工作。已知系統(tǒng)不適合于料位測量，因為它們的更新速率是不足的。
[0006]用于料位測量的采樣系統(tǒng)的問題存在于所需要的測量精確度中和在所需要的測量速度中。為了在l_5ns的脈沖寬度的情況下實現(xiàn)所需要的測量精確度，需要非常高的采樣頻率以及因此快速且非常昂貴的電子組件，這而且還具有高電流消耗。由于高成本、由于高電流消耗并且由于所需精度，在雷達測量技術(shù)中使用了應(yīng)用多個周期性地非常迅速地復(fù)現(xiàn)的傳輸脈沖以便確定包絡(luò)曲線的方法。通過順序采樣方法，非?？焖俚膫鬏斆}沖被變換成擴展時間信號并且于是變換成低頻范圍。能夠利用較慢的并且于是顯著更便宜的組件對擴展時間信號進行數(shù)字化和評估。圖1示出示意性地呈現(xiàn)的通過順序采樣高頻測量信號如何能夠被變換成低頻范圍。低頻范圍內(nèi)的時間擴展信號表示高頻原始測量信號變成低頻范圍的映射。
[0007]在液體介質(zhì)的情況下尤其關(guān)鍵的是料位測量。在這樣的情況下，表面通常是移動的。為了料位的高度準(zhǔn)確的檢測，小于或等于Ims的區(qū)域中的非?？焖俚臏y量值產(chǎn)生是必要的。
[0008]已知的雷達系統(tǒng)對于這樣的應(yīng)用在若干MHz的區(qū)域中使用非常高的傳輸脈沖速率，以便在短時間內(nèi)，能夠?qū)τ诖u估的包絡(luò)曲線記錄足夠的采樣點并且于是為測量值的必要平均提供足夠的時間。
[0009]采樣在這樣的情況下通過傳輸脈沖和采樣脈沖的交叉相關(guān)而發(fā)生，其中，采樣脈沖比傳輸脈沖具有稍微更大的周期長度。交叉相關(guān)積隨后被對于擴展時間信號求積分。能夠利用模擬組件相當(dāng)簡單地實現(xiàn)相關(guān)和積分。時間信號按其擴展的因子優(yōu)選地大于80，OOOo能夠利用簡單手段對擴展時間信號進行數(shù)字化和評估。
[0010]在下文中，將敘述已知現(xiàn)有技術(shù)的缺點:
[0011]用于料位測量的激光測量裝置由于它們?nèi)鄙俣嗄繕?biāo)能力而使用TDC方法僅是有限適合的。具有全波形采樣的現(xiàn)有激光掃描器不滿足對于料位測量技術(shù)來說重要的要求。而且，這些方法由于它們的高采樣速率實現(xiàn)起來非常昂貴。由于快速采樣，這樣的裝置同樣具有超出平均水平的高電流消耗。
[0012]盡管有已知采樣方法中所使用的快速組件，但是所對應(yīng)的基于激光的系統(tǒng)對于料位測量來說太慢。此外，應(yīng)當(dāng)注意，與雷達測量裝置相比，發(fā)射速率在基于激光的系統(tǒng)的情況下顯著地受對于眼睛安全的要求限制。
[0013]在應(yīng)用具有從可見區(qū)域直到近紅外區(qū)域(大約900nm)的現(xiàn)今證實的且價格有利的波長的激光器的情況下，所容許的激光功率和發(fā)射速率與近紅外區(qū)域中的昂貴且很少使用的波長(諸如1060或1500nm)相比是再一次顯著有限的。地理掃描器由于在高激光功率下所需要的快速發(fā)射速率而在大約1500nm處的近紅外區(qū)域中常常還使用非常昂貴的技術(shù)。
[0014]現(xiàn)今的全波形激光系統(tǒng)與所描述的根據(jù)周期性信號的采樣的原理的雷達評估方法類似地工作，其中每個激光脈沖/激光發(fā)射存儲了包絡(luò)曲線的值，或者它們根據(jù)實時采樣的方法工作。時域內(nèi)的實時采樣具有以下要求和優(yōu)點:
[0015]*高測量精確度；
[0016]*每激光脈沖一個完整包絡(luò)曲線的數(shù)字化；
[0017]*對于所需要的測量精確度，3GHz區(qū)域中的非常快速的采樣頻率是必要的；
[0018]*測量速度非常高；最大測量速率對應(yīng)于脈沖速率；
[0019]*存在多目標(biāo)能力。
[0020]實時采樣的示意表示在圖2中被示出。實時采樣的缺點包括:
[0021]*非常昂貴的高速轉(zhuǎn)換器；
[0022]*通過AD轉(zhuǎn)換的非常高的電流消耗。
[0023]在下文中，將考慮用于料位測量的兩個已知的激光評估方法的適合性:
[0024]在第一已知激光評估方法的情況下，對周期性信號進行采樣，其中每激光發(fā)射的一個采樣值被確定。已知的雷達料位測量裝置通過上面描述的傳輸方法而廉價地、相對迅速地且非常確切地實現(xiàn)目的，但是然而在低脈沖功率的情況下取決于方法而需要MHz區(qū)域中的極其高的測量脈沖速率。在激光系統(tǒng)和所需要的激光功率的情況下，這個方法不適用于料位測量。這個方法的類似應(yīng)用在基于激光的系統(tǒng)的低傳輸脈沖速率下對于料位測量來說太慢。
[0025]第一已知基于激光的系統(tǒng)的特性如下:
[0026]*系統(tǒng)是成本有效地可實現(xiàn)的，因為采樣例如僅在kHz區(qū)域中發(fā)生。
[0027]*基于激光的測量系統(tǒng)是慢的，因為它與雷達測量相比由于眼睛安全并且由于每激光脈沖獲得僅一個采樣值而具有顯著有限的發(fā)射速率。因此，該系統(tǒng)不適合于液體的料位測量。
[0028]*即便當(dāng)激光功率在增加發(fā)射速率的情況下降低，該系統(tǒng)也總是仍然太慢。
[0029]*與增加發(fā)射速率關(guān)聯(lián)的更高激光功率僅在昂貴的1500nm技術(shù)情況下是可能的，因為眼睛安全在1500nm的情況下不是問題。
[0030]*在增加發(fā)射速率的情況下，附加地必須考慮激光二極管的可實現(xiàn)的使用壽命?；旧吓懦司哂懈呒す夤β实母甙l(fā)射速率。
[0031]*對應(yīng)的系統(tǒng)由于每包絡(luò)曲線的多個需要的激光脈沖而在能量方面不是理想的。激光脈沖的數(shù)目確定包絡(luò)曲線的分辨率或測量精確度。
[0032]在具有實時掃描的第二基于激光的系統(tǒng)的情況下，應(yīng)該提到以下點:
[0033]*基于激光的系統(tǒng)是非常快速的。
[0034]*對于每個激光脈沖產(chǎn)生一個完整包絡(luò)曲線。這相對于激光能量在能量方面是理想的，因為高激光功率在降低的脈沖速率的情況下是可能的。
[0035]*對需要使用快速RAM存儲器和基于FPGA的評估的評估電子裝置提出了非常高的速度要求。這導(dǎo)致高電流消耗和高成本。
[0036]*非常昂貴的高速千兆采樣ADC的使用是必要的。附加地，高速ADC具有非常高的電流消耗，進而不能夠被用在有爆炸危險的區(qū)域中。
[0037]*由于高成本，實時采樣基于激光的系統(tǒng)對于料位測量的廣泛應(yīng)用來說現(xiàn)今是不具竟?fàn)幮缘摹?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038]本發(fā)明的目的在于提供適合于自動化技術(shù)中的基于激光的料位測量的方法和設(shè)備。
[0039]該目的涉及用于使用行進時間方法來基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法來實現(xiàn)，該方法包括下列的特征:產(chǎn)生了預(yù)定脈沖寬度的激光脈沖；在填充物質(zhì)的表面方向上以定義的傳輸重復(fù)頻率發(fā)送激光脈沖；激光脈沖的定義的傳輸重復(fù)頻率對采樣頻率有定義的依賴性；以采樣頻率的周期的整個編號的數(shù)目是大于或小于傳輸重復(fù)頻率的周期長度的預(yù)定時間間隔的這樣的方式區(qū)分定義的依賴性；該時間間隔被選擇使得它對應(yīng)于期望的采樣分辨率并且小于采樣頻率的周期長度；接收在填充物質(zhì)的表面上反射之后的激光脈沖；以每激光脈沖多個采樣值被記錄并且在每種情況下存儲為子回波曲線的這樣的方式以采樣頻率對在填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進行采樣；所存儲的子回波曲線在測量循環(huán)之后被組合為總回波曲線；并且基于總回波曲線來確定料位。
[0040]優(yōu)選地，本發(fā)明的解決方案被應(yīng)用于液體介質(zhì)的料位確定。特別地，測量值記錄的速度是足夠高的以致料位測量值從在時間間隔期間的測量結(jié)果獲得，在所述時間間隔內(nèi)通常動態(tài)地變化的液體上表面能夠被認(rèn)為實質(zhì)上是靜態(tài)表面。
[0041]本發(fā)明的方法的有利實施例提供了定義的傳輸重復(fù)頻率與采樣頻率之間的定義的依賴性通過從兩個不同的頻率產(chǎn)生組件(例如振蕩器)產(chǎn)生傳輸重復(fù)頻率和采樣頻率而實現(xiàn)，傳輸重復(fù)頻率與采樣頻率之間的恒定差頻經(jīng)由控制電路而設(shè)定，并且傳輸重復(fù)頻率和采樣頻率是從由組件所產(chǎn)生的頻率直接地獲得的，或者傳輸重復(fù)頻率和采樣頻率經(jīng)由由組件所產(chǎn)生的兩個頻率的乘或除間接地獲得。
[0042]在本發(fā)明的方法的替代實施例中，提供了定義的傳輸重復(fù)頻率與采樣頻率之間的預(yù)定依賴性通過經(jīng)由第一頻率產(chǎn)生組件來產(chǎn)生大于傳輸重復(fù)頻率的基頻而實現(xiàn)，傳輸重復(fù)頻率通過乘以預(yù)定分頻因子從基頻獲得，并且采樣頻率經(jīng)由第二頻率產(chǎn)生組件生成。
[0043]在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，分頻因子是l/2n，或2n，其中η = 1，2，3...。分頻因子的這個選擇允許成本有效且簡單的電路布置，因為數(shù)字頻率信號能夠通過對于待穿過的每個門應(yīng)用例如t觸發(fā)器(反轉(zhuǎn)觸發(fā)器)而被除以二，或翻倍。t觸發(fā)器的數(shù)目對應(yīng)于分頻因子的指數(shù)η。因此，例如能夠利用相繼連接的八個t觸發(fā)器來產(chǎn)生按分頻因子28= 1/256減少或按28= 256增加的頻率。
[0044]本發(fā)明的方法能夠被簡明地描述為多子回波曲線采樣。在本方法中，多個周期性激光脈沖對于包絡(luò)曲線的重建是必要的。數(shù)目與用于雷達測量裝置的已知上面描述的評估相比是原來的小例如300的因數(shù)。一般而言，這些方法相差大約兩個數(shù)量級。以這種方式，同樣不可避免地導(dǎo)致較高的測量速度。而且，較高的激光功率由于較慢的激光脈沖速率而是可能的，這意味著能夠滿足料位測量技術(shù)的要求。
[0045]仍然待更詳細地描述的本發(fā)明的方法和本發(fā)明的設(shè)備與常規(guī)基于激光的系統(tǒng)相比由以下特性和優(yōu)點進行區(qū)分:
[0046]*高測量速度(等于或小于Ims)
[0047]*小特定組件成本
[0048]*較小的電流消耗
[0049]*高激光功率
[0050]*共用的成本有效的激光波長的應(yīng)用
[0051]*小激光發(fā)射速率
[0052]*增加的激光器壽命
[0053]*通過包絡(luò)曲線評估(全波形)的多目標(biāo)能力和增加的測量精確度。
[0054]本發(fā)明的方法的有利實施例提供了激光脈沖的基頻和采樣頻率優(yōu)選地位于100-200MHz的頻率范圍內(nèi)。
[0055]本發(fā)明的方法的進一步發(fā)展提供了用于提供料位測量值的時間間隔被選擇使得，一方面，滿足對于用于在液體介質(zhì)的情況下在料位測量技術(shù)中應(yīng)用的基于激光的技術(shù)的測量精確度的要求，并且另一方面，滿足對于基于激光的技術(shù)的用戶的安全要求。
[0056]特別地，提供了在小于Ims的時間間隔內(nèi)提供測量循環(huán)的料位測量值。
[0057]此外，提供了基于基頻和采樣頻率產(chǎn)生了差頻，所述差頻被控制為恒定值。對于差的形成，優(yōu)選地直接地考慮基頻和采樣頻率。
[0058]本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例提供了根據(jù)所期望的分辨率或測量精確度，記錄了多個子回波曲線，其中單獨的子回波曲線的采樣值由于基頻、采樣頻率、差頻以及分頻因子而相對于彼此各自偏移了定義的時間間隔。
[0059]而且，關(guān)于本發(fā)明的方法，提供了當(dāng)因此差頻已完成周期并且基頻和采樣頻率是相位上反向的時，在差頻的循環(huán)之后終止測量循環(huán)。
[0060]現(xiàn)在將基于以下示例圖示本發(fā)明的方法:200MHz的基頻被除以分頻因子(例如214=1/16384)，以產(chǎn)生大約12kHz的頻率。這個值對應(yīng)于激光脈沖速率。
[0061]當(dāng)基頻和采樣頻率是確切地同相時，測量開始-測量循環(huán)啟動。激光以12kHz的激光脈沖速率被計時以發(fā)送激光脈沖。利用200MHz的采樣頻率，每0.75米記錄采樣值。例如，100個值產(chǎn)生第一子包絡(luò)曲線。根據(jù)800Hz的差頻，第二激光脈沖的采樣在激光脈沖上偏移了 5cm;它因此稍后發(fā)生。該采樣產(chǎn)生第二子包絡(luò)曲線。這個過程繼續(xù)。在15次采樣并且子回波曲線各自偏移了 5cm之后，完成兩個采樣點之間的75cm。
[0062]獲得總回波曲線的組合通過將第一子回波曲線的值例如寫入存儲器位置0、15、30、45、...而發(fā)生。第二子包絡(luò)曲線或子回波曲線的值然后被寫入位置1、16、31、46、...。第三子包絡(luò)曲線的值被寫入位置2、17、32、47、...等。在15個子回波曲線之后，存儲器完成并且能夠作為總回波曲線被讀出。
[0063]該目的相對于用于使用行進時間方法來確定容器中的填充物質(zhì)的料位的基于激光的設(shè)備來實現(xiàn)，該設(shè)備包括下列的特征:提供了信號產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生具有預(yù)定脈沖寬度的激光脈沖；提供了發(fā)送單元，其在填充物質(zhì)的表面方向上發(fā)送具有定義的傳輸重復(fù)頻率的激光脈沖，其中激光脈沖的定義的傳輸重復(fù)頻率通過預(yù)定基頻和分頻因子的乘法而獲得，或者其中基頻通過將定義的傳輸重復(fù)頻率乘以預(yù)定因子而獲得；提供了接收單元，其接收在填充物質(zhì)的表面上反射之后的激光脈沖；提供了采樣電路，其以這樣的方式以稍微不同于基頻的采樣頻率對在填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進行采樣，使得每激光脈沖多個采樣值被記錄并且在每種情況下存儲為子回波曲線，并且特別地，而且，提供了評估單元，其將在測量循環(huán)之后所存儲的子回波曲線與總回波曲線組合并且基于總回波曲線來確定容器中的填充物質(zhì)的料位。當(dāng)然，還能夠具體化本發(fā)明的料位測量裝置，使得它能夠執(zhí)行權(quán)利要求1或2中所限定的方法。
[0064]發(fā)送單元優(yōu)選地是脈沖激光二極管、激光驅(qū)動器電路以及用于聚焦激光的光學(xué)透鏡。接收單元優(yōu)選地由光電二極管和用于將從填充物質(zhì)的表面反射的激光聚焦到光電二極管上的會聚透鏡組成。光電二極管單元能夠包括雪崩光電二極管和互阻抗放大器。
[0065]本發(fā)明的設(shè)備的有利實施例提供了采樣電路是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器并且評估單元是微處理器。
[0066]在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，激光脈沖的預(yù)定脈沖寬度位于Ins與1ns之間。當(dāng)然，本發(fā)明不限于這個脈沖寬度范圍。相反地，該脈沖寬度能夠適于特定應(yīng)用。如上面已經(jīng)陳述的，在液體測量的情況下的要求大于在固體測量的情況下的。
[0067]而且，提供了分頻因子優(yōu)選地為l/2n。在這樣的情況下，η能夠假定值為1、2、3、...。原則上，能夠選擇任何分頻因子。對于數(shù)字化，上面提到的分頻因子是非常有利的。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0068]現(xiàn)在將基于附圖更詳細地說明本發(fā)明，附圖的圖示出如下:
[0069]圖1是高頻信號到低頻范圍的已知變換的示意表示，
[0070]圖2是圖示實時掃描的已知功能原理的框圖，
[0071]圖3是圖示本發(fā)明的方法的功能原理的框圖，
[0072]圖4是經(jīng)由本發(fā)明的方法獲得的回波曲線的示意表示，
[0073]a)其中采樣頻率的周期的整個編號的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長度大了預(yù)定時間間隔，
[0074]b)其中采樣頻率的周期的整個編號的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長度小了預(yù)定時間間隔，
[0075]圖5a_e是組合以形成回波曲線的不同子回波曲線的示意表示。
[0076]圖6是圖示基于根據(jù)本發(fā)明所確定的回波曲線測量信號所行進的路徑如何被確定的曲線圖。

【具體實施方式】
[0077]圖1示出了高頻信號到低頻范圍的已知變換的示意表示。為了使用l_5ns的脈沖寬度來實現(xiàn)料位測量技術(shù)中所需要的高測量精確度，需要非常高的采樣頻率并且從而需要快速且非常昂貴的組件，這附加地具有高電流消耗。由于高成本、高電流消耗和所需精度，在雷達測量技術(shù)中利用了為了確定回波曲線應(yīng)用多個周期性地非常迅速復(fù)現(xiàn)的傳輸脈沖的方法。使用順序采樣方法，非?？焖俚男盘柋蛔儞Q成可評估的時間擴展信號。能夠利用較慢的且顯著更便宜的組件隨后對時間擴展信號進行數(shù)字化和評估。圖1中所示的是正弦振蕩的順序采樣。采樣間隔T2稍微大于信號周期Tl。順序采樣導(dǎo)致原始傳輸脈沖的時間擴展映射的輸出。Endress+Hauser的雷達料位測量裝置根據(jù)上面所描述的方法工作。
[0078]圖2示出了圖示在已知基于激光的系統(tǒng)的情況下實時采樣的功能原理的框圖。信號產(chǎn)生單元I產(chǎn)生具有基頻f的信號，所述信號被供應(yīng)給脈沖形成器6和微處理器5。脈沖形成器6從這些信號產(chǎn)生具有預(yù)定脈沖寬度Tp的激光脈沖。激光脈沖由發(fā)送單元2在填充物質(zhì)(圖2中未分別地圖示)的表面方向上發(fā)送。同時，AD轉(zhuǎn)換器4經(jīng)由倍頻器7而啟動。在發(fā)送傳輸脈沖時，關(guān)于起始信號或零參考信號的信息被給予微處理器5。對于從激光脈沖的出現(xiàn)點直到被測對象的確切距離測量，零參考信號的接收與從被測對象反射的信號的接收之間的持續(xù)時間被測量。
[0079]在依賴于距離并且因此依賴于填充物質(zhì)的料位的行進時間之后在接收單元3中接收從填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖。所接收到的激光脈沖被饋送給采樣電路4，這里為相應(yīng)地設(shè)計的快速AD轉(zhuǎn)換器，其對激光脈沖實時地進行采樣。采樣頻率比由信號產(chǎn)生單元I所產(chǎn)生的基頻f大因子m。因此，每激光脈沖記錄了多個單一值。評估單元5(這里為微處理器)基于實時地采樣的激光脈沖來生成回波曲線EK，并且基于該回波曲線EK來確定容器中的填充物質(zhì)的料位。
[0080]圖3示出了圖示本發(fā)明的方法的功能原理的框圖。信號產(chǎn)生單元I產(chǎn)生具有基頻f的信號。具有基頻f的這些信號被供應(yīng)給脈沖形成器6和微處理器5。脈沖形成器6從這些信號產(chǎn)生具有預(yù)定脈沖寬度Tp，或預(yù)定傳輸接收頻率fPulse的激光脈沖。優(yōu)選地，激光脈沖的預(yù)定脈沖寬度Tp位于Ins與1ns之間。以此實現(xiàn)的測量精確度在其表面在運動中的液體填充物質(zhì)的情況下允許料位測量。
[0081]在填充物質(zhì)(同樣地圖3中未分別地圖示)的表面方向上從發(fā)送單元2發(fā)送激光脈沖。同時，微處理器5接收起始信號，以用于開始測量。
[0082]在依賴于距離并且因此依賴于填充物質(zhì)的料位的行進時間之后在接收單元3中接收從填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖。所接收到的激光脈沖被饋送給采樣電路4，這里為AD轉(zhuǎn)換器。激光脈沖的采樣以稍微不同于基頻的采樣頻率發(fā)生。采樣頻率由信號產(chǎn)生單元8(例如振蕩器)產(chǎn)生。采樣頻率與基頻f之間的差頻被控制為恒定大小。上面已經(jīng)給出了數(shù)值示例。當(dāng)因此差頻已通過周期T并且基頻和采樣頻率是相位上反向的時，測量循環(huán)由微處理器5在差頻的循環(huán)之后終止。
[0083]根據(jù)所期望的分辨率或測量精確度，記錄了多個子回波曲線SEKx，其中，單獨的子回波曲線SEKx的采樣值由于基頻、采樣頻率、差頻以及分頻因子TF而相對于彼此各自偏移了定義的時間間隔AU優(yōu)選地，分頻因子TF為l/2n，其中η = 1，2，3...。以這種方式，假定了與微處理器5相關(guān)聯(lián)的存儲器的最佳使用。附加地，簡化了評估。上述信息被圖示在圖4a和圖4b中并且在圖5a_5e中。
[0084]圖4a和圖4b示出了時間順序子回波曲線SEK1、SEK2、SEK3、...的示意表示。從在時間上緊跟的并且相對于彼此偏移了定義的時間間隔的子回波曲線SEK1、SEK2、SEK3、...的回波曲線EK的形成在圖5a-e可見。
[0085]根據(jù)本發(fā)明，激光脈沖的傳輸重復(fù)頻率采樣頻率有定義的依賴性。該定義的依賴性使得采樣頻率的周期的整個編號的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長度大了預(yù)定時間間隔。這個情況在圖4a中被示出。
[0086]圖4b示出采樣頻率的周期的整個編號的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長度小了預(yù)定時間間隔的情況。時間間隔被選擇使得期望的采樣分辨率得以實現(xiàn)，其中時間間隔小于采樣頻率fs的周期長度。
[0087]圖6示出基于根據(jù)本發(fā)明所確定的回波曲線EK測量信號所行進的路徑S-E如何被確定。標(biāo)繪在回波曲線EK上的點對應(yīng)于通過采樣所獲得的信號值。在起始點S附近的較小峰值是由發(fā)送單元2的區(qū)域中的干擾引起的。在端點E附近的較大峰值對應(yīng)于在填充物質(zhì)的表面上反射的信號。在起始信號S與接收到的信號之間的區(qū)域中同樣地存在干擾反射。這些是尤其由環(huán)境影響(諸如灰塵或霧)引起的。
【權(quán)利要求】
1.一種用于使用行進時間方法來基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法， 其中，產(chǎn)生了預(yù)定脈沖寬度(Tp)的激光脈沖， 其中，在所述填充物質(zhì)的表面方向上以定義的傳輸重復(fù)頻率(fMsJ發(fā)送所述激光脈沖， 其中，所述激光脈沖的定義的傳輸重復(fù)頻率(faaJ對采樣頻率(fs)有定義的依賴性，其中，以所述采樣頻率(fs)的周期的整個編號的數(shù)目是大于或小于所述傳輸重復(fù)頻率(fMJ的周期長度的預(yù)定時間間隔(Td)的這樣的方式區(qū)分所述定義的依賴性， 其中，所述時間間隔(Td)被選擇使得它對應(yīng)于期望的采樣分辨率并且小于所述采樣頻率(fs)的周期長度， 其中，接收在所述填充物質(zhì)的表面上反射之后的激光脈沖， 其中，以這樣的方式以采樣頻率(fs)對在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進行采樣，使得對于每一激光脈沖多個采樣值被記錄并且在每種情況下被存儲為子回波曲線(SEK)， 其中，所存儲的子回波曲線(SEK)在測量循環(huán)之后被組合為總回波曲線(EK)，并且 其中，基于所述總回波曲線(EK)來確定所述料位。
2.如權(quán)利要求1所述的方法， 其中，所述定義的傳輸重復(fù)頻率(fPulJ與所述采樣頻率(fs)之間的定義的依賴性通過從兩個不同的頻率產(chǎn)生組件(1，8)產(chǎn)生所述傳輸重復(fù)頻率(?.Μ%)和所述采樣頻率(fs)來實現(xiàn)， 其中，所述傳輸重復(fù)頻率(fMse)與所述采樣頻率(fs)之間的恒定差頻經(jīng)由控制電路(5,8)而設(shè)定，并且 其中，所述傳輸重復(fù)頻率(fMse)與所述采樣頻率(fs)從由所述組件(1，8)所產(chǎn)生的頻率(fPulse，fs)直接地獲得，或者 其中，所述傳輸重復(fù)頻率(fMse)和所述采樣頻率(fs)經(jīng)由乘或除由所述組件(1，8)所產(chǎn)生的兩個頻率(fPulse，fs)間接地獲得。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法， 其中，所述定義的傳輸重復(fù)頻率(fPulse)與所述采樣頻率(fs)之間的預(yù)定依賴性通過經(jīng)由第一頻率產(chǎn)生組件(I)產(chǎn)生大于所述傳輸重復(fù)頻率(fMse)的基頻(f)來實現(xiàn)， 其中，所述傳輸重復(fù)頻率(fPulse)通過乘以預(yù)定分頻因子(TF)從所述基頻(f)獲得，并且 其中，所述采樣頻率(fs)經(jīng)由第二頻率產(chǎn)生組件(8)生成。
4.如權(quán)利要求3所述的方法， 其中，所述分頻因子優(yōu)選地是l/2n(其中η = 1，2，3，…)。
5.如權(quán)利要求1、2、3或4所述的方法， 其中，所述基頻(f)和所述激光脈沖的采樣頻率(fs)優(yōu)選位于100-200MHZ的頻率范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的方法， 其中，用于提供料位測量值的所述時間間隔被選擇使得，一方面，滿足對于用于在料位測量技術(shù)中應(yīng)用的基于激光的技術(shù)的測量精確度的要求，并且另一方面，滿足對于基于激光的技術(shù)的用戶的安全要求。
7.如權(quán)利要求6所述的方法， 其中，以小于Ims的時間間隔提供測量循環(huán)的料位測量值。
8.如前述權(quán)利要求中的一項或多項所述的方法， 其中，基于所述基頻(f)和所述采樣頻率(fs)，產(chǎn)生差頻(fdiff)，所述差頻被控制為恒定值。
9.如權(quán)利要求8所述的方法， 其中，對于差的形成(fdiff= f-fs)直接地考慮所述基頻(f)和所述采樣頻率(fs)。
10.如權(quán)利要求8或9所述的方法， 其中，根據(jù)所期望的分辨率，即測量精確度，記錄了多個子回波曲線(SEKx)，其中，單獨的子回波曲線(SEKx)的采樣值由于所述基頻(f)、所述采樣頻率(fs)、所述差頻(fdiff)以及所述分頻因子(TF)而相對于彼此各自偏移了定義的時間間隔(At)。
11.如權(quán)利要求10所述的方法， 其中，當(dāng)因此所述差頻(fdiff)已完成周期(T)并且所述基頻(f)和所述采樣頻率(fs)是相位上反向的時，在所述差頻(fdiff)的循環(huán)之后終止測量循環(huán)。
12.—種用于使用行進時間方法確定容器中的填充物質(zhì)的料位的基于激光的設(shè)備，包括: 信號產(chǎn)生單元(I)，其產(chǎn)生具有預(yù)定脈沖寬度(Tp)的激光脈沖， 發(fā)送單元(2)，其在所述填充物質(zhì)的表面方向上以定義的傳輸重復(fù)頻率(fMJ發(fā)送所述激光脈沖，其中所述激光脈沖的定義的傳輸重復(fù)頻率(fMse)通過預(yù)定基頻(f)和分頻因子(TF)的乘法而獲得，或者其中基頻通過定義的傳輸重復(fù)頻率(fPulse)和預(yù)定因子的乘法而獲得， 接收單元(3)，其接收在所述填充物質(zhì)的表面上反射之后的激光脈沖， 采樣電路(4)，其以這樣的方式以稍微不同于所述基頻(f)的采樣頻率(fs)對在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進行采樣，使得對于每一激光脈沖多個采樣值被記錄并且在每種情況下被存儲為子回波曲線(SEK)，以及 評估單元(5)，其在測量循環(huán)之后將所存儲的子回波曲線(SEK)組合成總回波曲線(EK)并且基于所述總回波曲線(EK)來確定所述容器中的填充物質(zhì)的料位。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備， 其中，所述采樣電路(4)是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器并且所述評估單元(5)是微處理器。
14.如權(quán)利要求12或13所述的設(shè)備， 其中，所述激光脈沖的預(yù)定脈沖寬度(Tp)優(yōu)選地位于Ins與1ns之間。
15.如權(quán)利要求12至14中的一項或多項所述的設(shè)備， 其中，所述分頻因子(TF)優(yōu)選地為l/2n(其中η = 1,2, 3，...)。
【文檔編號】G01C3/00GK104471358SQ201380036697
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2013年6月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月9日
【發(fā)明者】克里斯蒂安·塞勒, 讓·施萊費爾伯克, 哈特穆特·達姆, 姜明政 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司