料位测量期间的基于事件的状态检测

技术领域

本发明涉及一种用于通过基于雷达的料位测量装置来检测基于事件的状态的方法，并且还涉及一种用于执行所述方法的料位测量装置。

背景技术

在过程自动化技术中，通常使用用于捕获或修改过程变量的现场设备。为此，现场设备的功能在每种情况下基于合适的测量原理，以便捕获相对应的过程变量，诸如料位、流率、压力、温度、pH值、氧化还原电位或电导率。各种各样这样的现场设备由Endress+Hauser公司制造和分售。

为了测量容器中填料的料位，已经建立了基于雷达的测量方法，因为它们具有鲁棒性并且需要最少的维护。在本发明的范围内，术语“容器”也指未封闭的容器，诸如盆地、湖泊或流动的水体。基于雷达的测量方法的关键优势在于其准连续测量料位的能力。在本专利申请的上下文中，术语“雷达”是指具有0.03GHz和300GHz之间的频率的信号或电磁波。在其中执行料位测量的典型频带是2GHz、6GHz、26GHz或78GHz。

在基于雷达的料位测量的情况下，脉冲飞行时间原理是所确立的测量原理。在此，脉冲形微波信号在填料的方向上循环发射，并且测量直到接收到相对应的脉冲形接收信号的飞行时间。基于这种测量原理，可以以相对较低的电路复杂性来实现料位测量装置。例如，在未审专利申请DE 10 2012 104 858 A1中描述了根据飞行时间方法操作的基于雷达的料位测量装置。

如果可以接受更复杂的电路技术，则FMCW(调频连续波)是用于基于雷达的料位测量的可能测量原理。对于基于FMCW的料位测量装置的典型构造，作为示例，参考未审专利申请DE 10 2013 108 490 A1。

基于FMCW雷达的距离测量方法中的测量原理基于连续地但以调制频率发射微波信号。在此，微波信号的频率位于标准中心频率范围中的限定频带内。在此，FMCW的特性是传输频率不是恒定的，而是在限定频带内周期性变化。随着时间的变化在这种情况下作为标准是线性的，并且具有锯齿或三角形形状。然而，原则上也可以使用正弦变化。与脉冲飞行时间方法相比，在实施FMCW方法时的距离或料位基于当前的接收信号和刚刚发射的微波信号之间的瞬时频率差来确定。

除了其中通过天线发射或接收微波信号的自由辐射雷达测量之外，导向雷达的变形也独立于脉冲飞行时间方法或FMCW而存在。在这种情况下，微波信号通过被下降到容器中的导电探头(例如，同轴电缆或金属棒)进行引导。在填料表面的位置处，接收信号在探头中生成，并沿探头朝向料位测量装置反射。基于雷达的料位测量的这种变形也被称为术语TDR(时域反射法)。这种变形是有利的，因为由于所引导的信号辐射，操作料位测量装置需要较少的功率。

对于前述测量原理(脉冲飞行时间和FMCW；独立于所引导的或自由发射)中的每一个，记录相对应的分析曲线，以根据接收信号确定料位。在基于脉冲雷达的方法的情况下，由于高脉冲频率，通过对所反射的接收信号进行欠采样来生成分析曲线。因此，分析曲线以时间扩展的方式表示实际反射的接收信号。当实施FMCW方法时，通过将刚刚传输的微波信号与所反射的接收信号混合来生成分析曲线。不管测量原理如何，分析曲线反映了根据测量距离的所反射的接收信号的幅值。

通过检测和局部指定相对应的局部最大值，从分析曲线确定料位。在理想情况下，除了由填料表面生成的最大值外，没有另外的最大值。由于容器内部的另外的反射表面，除了料位最大值之外，实际上在分析曲线中还会出现另外的相对应的最大值。然而，只有由填料表面生成的最大值与料位测量相关。因此，如果可能的话，分析曲线中的另外的信息将被过滤掉，以便使料位测量更加可靠。

取决于过程工厂，可能有利的是在料位测量的过程期间检测另外的事件(诸如容器中形成的泡沫或沉积物)，以便可能地能够消解这些事件。因此，本发明的目的是提供一种料位测量装置，利用该装置结合料位测量不仅可以检测料位，还可以检测另外的属性或状态。

发明内容

本发明通过一种用于借助于基于雷达的料位测量装置来检测基于事件的状态的方法来实现该目的，该料位测量装置用于测量位于容器中的填料的料位。该方法包括在连续测量循环中重复的以下方法步骤：

-在填料的方向上发射微波信号，

-在容器内部反射微波信号后接收接收信号，

-至少基于接收信号生成分析曲线，该分析曲线以这样的方式生成，即接收信号的信号强度根据测量距离被再现，

-在测量区域或测量区域的至少一个规定子区域内检测分析曲线的指定特性值。

根据本发明，在进行的测量循环中，确定特性值的变化和/或离差。在此，如果变化或离差超过规定阈值，则检测到基于事件的状态。

在本发明的上下文中，基于事件的状态与料位测量的过程期间的特定状态的出现相关联。这可以是例如搅拌机构的搅拌、容器中泡沫或沉积物的形成。当由料位测量装置检测到这种基于事件的状态时，这个信息因此可以被传输到过程系统控制器，例如，以便基于此输出相对应的控制命令，诸如关闭加热器或关闭搅拌机构。

然而，根据本发明的基于事件的状态也可能是料位测量装置本身中故障的出现。根据基于事件的状态的类型，这种状态的出现因此也可以与由料位测量装置检测的料位值不准确或不可靠的事实相关联。其原因可以是例如被沉积物影响的料位测量装置1的天线。即使存在这种状态，也可以再次将其传输到更高级单元，以便例如输出相对应的警告。

因此，根据本发明的解决方案提供了这样的优点，即容器中各种事件的出现可以以自动方式通信传送到系统控制器，而无需附加的测量仪器。因此，可以提高整个过程工厂的操作可靠性。

根据其检测分析曲线的特性值可以在本发明的范围内以各种方式定义。一方面，分析曲线下的面积可以被检测为至少在测量区域的子区域中的特性值。在这样的定义的情况下，例如，可以确定从这个子区域反射的接收信号的功率。在与天线相邻的子区域中随着测量循环增加的面积或功率方面增加超过为此目的定义的阈值可以被解释为例如沉积物在天线上的堆积。更远的子区域中的功率方面降低到相对应的阈值以下可能由泡沫形成导致。

作为对面积的替代性方案或补充，幅值(特别是局部最大值)可以被检测作为分析曲线中的特性值。假设待观察的子区域处于与搅拌机构相同的高度，大于规定阈值的幅值方面的变化可以被解释为例如旋转搅拌机构。

用于定义特性值的第三种可能性在于将测量区域的至少一个子区域中的局部最大值的数量检测为特性值。例如，根据填料的类型，超过关于最大值的数量的阈值可以被解释为破坏性物体的出现，诸如容器的内壁上的沉积物。

类似于根据本发明的方法，本发明所基于的目的也通过一种基于雷达的料位测量装置来实现，该装置适于执行根据前述实施例变形中的至少一个的方法。因此，它包括以下部件：

-信号生成单元，该信号生成单元被设计成在连续的测量循环中分别在填料的方向上发射微波信号，

-接收单元，该接收单元被设计成在容器内部反射微波信号之后接收接收信号，

-评估单元，该评估单元被设计成

ο至少基于接收信号，在每个测量循环生成表示根据测量距离的接收信号的信号强度的分析曲线，

ο在测量区域的至少一个定义的子区域内检测分析曲线的规定特性值，

ο在进行的测量循环中确定特性值的变化和/或离差，

ο如果变化或离差超过规定阈值，则检测到基于事件的状态，

ο至少在变化或离差不超过规定阈值的情况下，通过分析曲线确定料位。

在本发明的上下文中，术语“单元”被理解为原则上是指被设计成适合其预期目的的任何电子电路。因此，根据需要，它可以是用于生成或处理相对应的模拟信号的模拟电路。然而，它也可以是(基于半导体的)数字电路，诸如FPGA或与程序交互的存储介质。在这种情况下，该程序被设计成执行相对应的方法步骤或应用所讨论的单元的必要计算操作。在这种情况下，在本发明的意义上，料位测量装置的各种电子单元也可以潜在地访问公共物理存储器或者通过相同的物理数字电路来操作。

在料位测量装置的另外的实施例中，评估单元可以优选地被设计成使得如果超过或低于阈值，则特定事件状态的出现被输出，特别地以图形的方式或作为电信号输出。例如，相对应的电信号可以通过合适的总线系统传输到系统控制器。

根据基于事件的状态的定义，还可以设计料位测量装置，使得如果变化或离差超过或低于规定阈值，则不根据当前分析曲线确定新的料位值。

此外，如果用于检测特性值的子区域可以在料位测量装置处手动配置，则是有利的。因此，料位测量装置可以适于特定容器或特定填料。例如，如果天线由于含有灰尘的填料或由于潮湿的填料而易于堆积沉积物，则可以手动将子区域放置在邻近天线的测量区域的位置。如果搅拌机构存在于容器的中心或测量区域的中心，则其中要确定特性值的子区域可以被放置在测量区域中的这个位置处。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。以下示出的是：

图1：雷达料位测量装置的布置，

图2：料位测量装置的电路技术结构，以及

图3：根据本发明的分析曲线。

具体实施方式

为了理解本发明，图1示出了容器2上的基于自由辐射雷达的料位测量装置1的典型布置。在容器2中的是填料3，其料位L由料位测量装置1确定。为此，料位测量装置1安装在容器2上、在最大允许料位L之上。根据应用的领域，料位测量装置1在容器底部上方的安装高度h可以大于100m。

通常，料位测量装置1通过总线系统(诸如“以太网”、“PROFIBUS”、“HART”或“无线HART”)连接到更高级单元4，诸如过程控制系统或分散式数据库。一方面，关于料位测量装置1的操作状态的信息因此可以被通信传送。另一方面，也可以传输关于料位L的信息，以便控制可能存在于容器2处的任何入流和/或出流。

由于图1中示出的料位测量装置1被设计为自由辐射雷达，所以其包括相对应的天线。如所指示的那样，例如，天线可以被设计为例如喇叭天线。特别是在雷达频率在100GHz以上的情况下，天线也可以被实现为平面天线。不管设计如何，天线以这样的方式定向，即在填料3的方向上发射相对应的微波信号S

微波信号S

在料位测量期间，填料3经常经历化学反应、研磨过程或搅拌过程。与图1中示出的图示相反，填料3因此可以具有发泡填料表面。由于高温或多尘的大气，沉积物也形成在容器内壁上或天线上。因此，料位测量的过程中的这种状态可能导致确定不准确或不正确的料位值L。因此，为了操作过程工厂，有利的是，能够识别各个状态，以便在最简单的情况下，通过停止入流或通过关闭加热系统来例如在不希望的泡沫形成的情况下停止化学反应。

根据本发明，取决于事件，这种状态可以借助于由料位测量装置1生成的分析曲线ZF

在脉冲飞行时间方法的情况下，通过对脉冲的接收信号E

在FMCW和脉冲飞行时间方法两者的情况下，分析曲线ZF

在图2中，示意性地示出了在第一测量循环1和还有随后的测量循环n中记录的两条分析曲线ZF

根据本发明，对于基于事件的状态的检测，使用这样的效果，即，随着进行的测量循环n，分析曲线ZF

除了面积f

作为面积f

另一方面，如果超过相对应的阈值，则在第一子区域s

根据本发明，不仅可以使用可能的特性值中的变化，而且可以使用其在过去测量循环n上的离差σ来检测基于事件的状态。这通过示例基于图3中的料位最大值的幅值A

取决于选择的离差σ的阈值有多高，如果超过离差σ，则泡沫形成可以再次被指定为基于事件的状态。不言而喻，除了幅值A

如果料位测量装置1检测到可能的基于事件的状态中的一个，则它可以一方面利用这一点来声明根据分析曲线ZF

另一方面，如果检测到基于事件的状态，则料位测量装置1可以将其传输到更高级单元4。如果合适的话，这使得可能对基于事件的状态做出反应，例如通过关闭过程工厂中的泵或加热系统。为此，料位测量装置1必须被设计成在基于事件的状态的情况下通过合适的总线协议输出相对应的电信号。当然，如果料位测量装置1具有显示器或其他(光)指示器，其也可以以图形的方式显示基于事件的状态。

附图标记列表

1 料位测量装置

2 容器

3 填料

4 更高级单元

A 幅值

d 测量距离

E

f

h 安装高度或测量区域

L 料位

n 测量循环

S

s

ZF

σ 离差