CN104280065A - 确定距离和介质的流速 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及确定距离和介质流速。描述了一种用于确定距离和介质的流速的料位测量装置及方法，其包括调频传输信号，该调频传输信号包括上升的频率斜坡和下降的频率斜坡。通过由介质的流速引起的多普勒效应来确定介质的流速。

Description

确定距离和介质的流速
技术领域
本发明涉及确定流体(介质)与传感器之间的距离以及确定介质的流速。具体地，本发明涉及一种测量装置，该测量装置用于通过对由测量装置发射且由介质反射的调频传输信号进行评估来确定距介质的距离和介质的流速。另外，本发明涉及用于确定距介质的距离和介质的流速的方法、程序单元和计算机可读介质。
背景技术
已知用于确定传感器与介质之间的距离和所述介质的流速的测量装置，其包括用于检测距离(测量***1)和用于检测流速(测量***2)的两个不同的测量***。这些测量装置可以用于测量流水的水位。
借助于脉冲雷达来测量距离。相反，通过恒定传输信号(例如连续波(CW)信号)的多普勒评估来确定流速。
发明内容
本发明的一个目的是说明用于确定距介质的距离和介质的流速的替代实施方式。
由独立权利要求的特征来实现该目的。从属权利要求和下面的描述包括本发明的开发。
本发明的第一方面涉及一种测量装置，例如料位测量装置，该测量装置用于通过对由该测量装置发射的且由介质反射的调频传输信号进行评估来确定测量装置距介质的距离和介质的流速。该测量装置包括用于生成具有上升的频率斜坡和下降的频率斜坡的调频传输信号的FMCW(调频连续波)模块。另外，提供了天线布置，该天线布置用于沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号。此外，该测量装置包括处理器单元，其用于通过对由介质反射的且由天线布置接收的传输信号进行评估来确定距介质的距离和介质的流速。
FMCW传输信号具有至少两个频率斜坡，一个是上升的斜坡，另一个是下降的斜坡。当对反射的传输信号进行评估时，这引起距反射器的测量距离的正位移或(对于另一频率斜坡)引起该距离的负位移。因此，这是传输信号的“三角调制”。
在本发明的一种实施方式中，处理器单元被配置成在单个测量周期内确定距介质的距离和该介质的流速。
应当注意的是，在本发明的所有实施方式中，可以假设由同一信号生成器模块生成传输信号，而不管该传输信号是与介质的流向垂直地发射还是与介质的流向倾斜地发射。具体地，还可以假设由同一处理器单元对接收的、反射的传输信号进行评估。可以根据沿第一方向发射的、在填充介质的表面上被反射后的传输信号来确定距离，并且可以根据沿第二方向发射的传输信号来确定介质的流速。
可以由单个测量确定流速和料位测量装置距介质的距离，在该单个测量中沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，并且在这之前，在这之后或同时，沿与介质的流向倾斜的第二方向发射传输信号。
因此，最初沿两个不同的方向发射传输信号，之后对在填充介质的表面上被反射的相应信号进行评估，那些信号使得可以确定流速和距离(即，料位或水平高度)。
除了沿两个不同的方向同时发射传输信号之外，也可以最初沿第一方向发射传输信号，随后沿第二方向发射传输信号(或最初沿第二方向发射传输信号，随后沿第一方向发射传输信号)。
依赖于料位测量装置的实施方式，可以依次或并行确定距离和流速。
还可以假设如下来定义测量周期。通过沿第一方向发射随时间连续的传输信号和评估相应的反射信号来重复测量距离。然后，较少地对与介质的流向倾斜地发射的传输信号进行评估，例如，仅在每第十个或第二十个距离测量之后对其进行评估。这可以表示如果发生了一定数量的距离测量或如果自从上一次确定流速之后已过去一定量的时间(例如一分钟)，同样仅沿第二方向发射传输信号。
然而，也可以沿第二方向更频繁地发射传输信号，并且如果发生了一定数量的料位测量或如果自从上一次确定流速之后已过去一定量的时间(例如一分钟或两分钟)，也可以仅对由天线布置从该方向接收的相应反射信号进行评估(以确定流速)。
因此，可以假设由某个事件触发流速的确定。在该上下文中，如已经描述的，所述事件可以是执行了一定数量的距离测量和/或自从上一次确定流速之后已过去一定量的时间。替代地或另外，触发确定流速的事件也可以由在预定时段内水平高度(即，“距离”)变化为大于预定阈值来构成。换句话说，在该实施方式中，如果距离变化足够快，则触发流速测量。
在本发明的又一实施方式中，天线布置被配置成沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号并且沿不同于第一方向的第二方向发射传输信号。
天线布置可以包括具有两个或更多个主要辐射方向的单天线。例如，天线布置可以是多个平面天线的阵列。
天线布置还可以包括第一天线和第二天线，第一天线被配置成沿第一方向发射传输信号，第二天线被配置成沿第二方向发射传输信号。
可以同时或交替地操作这些天线。换句话说，在第一种情况下，同时沿两个方向发射传输信号，在交替地操作天线的第二种情况下，首先沿第一方向发射传输信号，然后沿第二方向发射传输信号。
发射的传输信号至少部分地在介质的表面上被反射，因此，至少部分地被辐射返回至天线，天线接收反射的、辐射返回的传输信号，并且将所述信号传递至信号处理单元。
在本发明的又一实施方式中，这两个天线通过单个定向耦合器、单个功率分配器或开关连接至FMCW模块。
定向耦合器、功率分配器或开关可以位于在HF模块(FMCW模块)与天线布置之间的HF信号路径中。
在本发明的又一实施方式中，处理器单元被配置成通过对由介质反射的且由天线布置接收的、经历了到频率范围的傅里叶变换后的传输信号的宽度进行评估来确定介质的流速。
如果仅与介质的流向垂直地发射传输信号，则产生由快速傅里叶变换变换的IF信号的加宽，这依赖于流速。
在本发明的又一实施方式中，测量装置被配置为料位雷达。
还可以假设天线布置可以相对于测量装置的容纳区域旋转，设置该区域用于以如下方式将测量装置固定在支架上，该方式使得可以相对于水的流向最佳地定向天线布置，而不需为此定向测量装置本身。
具体地，测量装置可以被配置成连接至4mA至20mA双线线路，通过该线路为测量操作供电，并且可以同时发送与流动电流成比例的测量值。
本发明的又一方面提供用于通过对由测量装置发射的且由介质反射的调频传输信号进行评估来确定测量装置距介质的距离和介质的流速的方法。首先，生成具有上升的频率斜坡和下降的频率斜坡的调频传输信号。然后，沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，并且通过对由介质反射的且由天线布置接收的传输信号进行评估来确定距介质的距离和介质的流速。
原则上，还可以假设没有与介质的流向垂直地发射传输信号而是沿与介质的流向倾斜的方向发射传输信号。如果已知发射角度，则在这种情况下，也可以确定距介质的表面的距离。
本发明的又一方面提供了程序单元，该程序单元当在料位测量装置的处理器单元上执行时使料位测量装置执行上述和下述方法步骤。
本发明的又一方面提供了存储有程序单元的计算机可读介质，该程序单元当在料位测量装置的处理器单元上执行时使料位测量装置执行上述和下述方法步骤。
在下文中，将参照图来描述本发明的实施方式。
附图说明
图1A示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置。
图1B示出了根据本发明的一种实施方式的传输信号的传输瓣。
图2示出了根据本发明的又一实施方式的测量装置。
图3示出了测量信号和接收信号。
图4示出了接收器输出斜坡1和斜坡2处的FFT变换信号。
图5示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置。
图6示出了测量装置的接收器输出处的又一FFT变换信号。
图7示出了测量装置的接收器输出处的又一FFT变换信号。
图8示出了根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
具体实施方式
附图的图是示意性的，而不是按比例绘制的。
在下面的图的描述中，使用相同的附图标记表示相同或相似的元件。然而，也可以由不同的附图标记表示相同或相似的元件。
图1A示出了根据本发明的一种实施方式的测量装置100。测量装置包括处理器单元102，处理器单元102连接至FMCW模块101。单个线路103从FMCW模块101引向天线布置104，例如，该天线布置104为例如天线阵列形式的平面天线。
天线布置104沿与介质105的流向110垂直的方向106发射传输信号。该信号至少部分地在介质105的表面上被反射，并且沿相反方向107被发送返回至天线布置104。
然而，天线布置104也沿方向108发射传输信号，方法108与方向106不同，并且与流向110成例如角度α，角度α在0度与90度之间，例如，在30度与60度之间，例如近似45度。沿方向108发射的传输信号也至少部分地在介质105的表面上被反射，并且再次沿相反方向109被发送返回至天线布置104。
图1B示出了根据本发明的一种实施方式的依赖于辐射方向的、由天线布置发射的传输信号的强度分布。传输信号由天线布置104发射，并且具有由主瓣111表示的主方向108。提供了两个次瓣112，其中之一沿方向106发射。
根据本发明，确定传感器100与介质的表面(即，料位)之间的距离和流速以及可选地介质的流向。当已知通道形状时，如果已知流动床的尺寸，则也可以计算流吞吐量。
测量装置可以是例如FMCW雷达传感器，FMCW雷达传感器包括HF模块101以及一个或两个天线。根据在介质(流体)的表面上被反射之后由天线布置接收的当前传输信号，可以确定传感器距介质的距离和流速或其流向。
由FMCW传感器使用上升的频率斜坡和下降的频率斜坡并且通过对多普勒效应(这由介质的流淌运动引起)进行评估来评估距离和流速。为了测量多普勒效应，有利地，介质的表面具有细浪或波产生。
测量装置可以被配置为双线路传感器(例如，4mA至20mA环路供电)。因此，可以以简单的方式有效地测量水的水位、流速和流向。
可以考虑本发明的核心概念：可以借助于FMCW雷达传感器同时确定距介质的表面的距离以及介质的流速和流向。当已知供介质流动的通道的形状时，也可以计算流吞吐量。
图2示出了测量装置100的实施方式，与图1中的测量装置相比，测量装置100包括两个天线203和204。第一天线203沿与介质105的流向110垂直的方向106发射传输信号，并且通过单线路103和定向耦合器、开关或功率分配器201连接至FMCW模块101。第二天线204与第一天线成角度α，使得沿方向108发射传输信号。第二天线204通过单线路202连接至定向耦合器、功率分配器或开关201，并且通过所述定向耦合器、分配器或开关连接至FMCW模块101。
如果与两个天线或具有两个不同的主要辐射方向的一个天线一起使用FMCW模块，则可以在一个测量周期内对距介质的距离和介质的流速进行评估。
为了确定距离和流速或流向，根据通常已知的FMCW雷达方法需要通过两个频率斜坡。例如，第一斜坡303的频率增大，在频率f1处开始而在频率f2处结束。随后，下降的第二斜坡304在f2处开始而在频率f1处结束(参见图3)。水平轴301表示时间t，竖直轴302表示传输信号的频率f。
被移动到右侧的曲线305、306再现由天线布置所接收的接收信号(即，由介质的表面反射的传输信号)。
在这种情况下生成的信号使用模数转换器从两个斜坡中采样，并且使用快速傅里叶变换(FFT)在微处理器中将该信号变换到频率范围。
这产生了图4中所示的两个谱。
在该上下文中，水平轴401表示传感器与相应反射器之间的距离，竖直轴402表示所接收的信号的幅度。
第一回波407——对应于传感器与介质的表面之间的最短距离——指定距介质的距离d1；根据较远的回波406，可以确定介质的速度和介质的流向。
由距离测量的反射给出了两个斜坡的发送信号与接收信号之间的相同的差异频率。
由沿方向108发射的倾斜入射的信号的反射(参见图1和图2)用于确定流速，并且由于多普勒效应在频率上偏移fDoppler。这在上升的斜坡和下降的斜坡中产生不同的差异频率。如在峰值403、404处可见，它们相差2×fDoppler。相对于实际距离d2向左偏移的一个峰值403由具有上升频率斜坡303的接收信号产生(参见图3)，向右偏移的峰值信号404由具有下降频率斜坡306的接收信号产生。
箭头405表示两个峰值之间的频率差异f，该频率差异f是多普勒偏移的两倍。
三角调制的上升的侧翼和下降的侧翼具有不同的多普勒偏移方向。例如，信号处理仅在传输的频率调制的拐点后的短暂停顿之后发生。这就是已知的三角调制。使用三角调制形状提供了以下可能性：将多普勒频率检测为辐射速度(radial speed)的测量，作为除了距离测量以外的独立测量值。在逼近期间接收频率增大，因此在上升的频率斜坡期间差异频率的值减小。由于与多普勒频率的叠加，在测量三角调制的上升侧翼的逼近时的频率差异较小。在下降侧翼中，频率差异比固定反射器大相同的量。
对于相反流向(换句话说，远离传感器)，接收频率减小，因此在上升频率斜坡期间差异频率增大。同等地，差异频率在下降斜坡中减小。如果频率变化的梯度在三角信号的上升侧翼和下降侧翼中大小相等，则两个测量周期的差异频率的平均值是独立于速度的距离测量。差异频率的和是对象的一半辐射速度的测量。
通过对上升频率斜坡和下降频率斜坡的频移方向的评估，可以额外确定流向。通常，对频率变化的线性具有高的要求。
如果除了用于流速测量的回波以外在用于距离测量的回波407之后的区域中还具有另外的回波，例如，由于多个介质表面或对象的干扰反射引起的另外的回波，则可以根据两个天线辐射方向106、108之间的已知角度α和测量装置距介质的距离来计算用于确定流速的预期距离范围。
可以将该距离上下的范围设置为测量窗口603，在该测量窗口603中根据上升频率斜坡和下降频率斜坡对两个回波进行评估。从而，当确定流速时可以实现相对高的测量可靠性(参见图5和图6)。
在图6中，如先前的图4中，描绘了已经历傅里叶变换的接收信号(反射的传输信号)的幅度602与距离d601的关系。同样在这种情况下，可以看到对应于传感器与介质的表面之间的距离的主峰值604以及来源于倾斜发射的传输信号的两个峰值605、606。这两个峰值在测量窗口603内。
然而，也可以以另一方式确定介质的流速。具体地，如果仅使用具有单个主要辐射方向的一个天线，则也可以以反射信号来直接测量流速。在该上下文中，可以仅在距介质的表面的距离d处考虑回波。
由于天线还经常发射和接收主要辐射方向之外的部分，从而传感器也相对于介质的表面来倾斜地测量，所以在FMCW雷达模块的接收器处也经常出现受多普勒频率影响的信号，所述多普勒频率由于介质的移动而引起。
因此，由FFT变换的IF信号(中频信号)依赖于流速而加宽，如图7的峰值703和704所示。如在图4和图6中，水平轴701表示距离，竖直轴702表示幅度。较窄的峰值703对应于介质的较低的流速，较宽的峰值704对应于介质的较高的流速。
根据该加宽可以确定流速。小的加宽表示低速，大的加宽表示高速。
测量装置可以以如下方式进行相应的校准，该方式使得可以通过测量加宽来足够精确地确定流速。
如果使用两个天线，如图2所示，可以通过上述方法使用天线204来确定流速以及可选地流向。在第二测量序列中，同样使用FMCW方法，可以使用天线203确定料位。
这两个值可以随后由测量装置输出或用于计算流吞吐量。
图8是根据本发明的一种实施方式的方法的流程图。
在步骤801中，生成调频传输信号，该调频传输信号具有上升的频率斜坡和下降的频率斜坡。为了增加精确度，可以连续提供多个这样的频率斜坡。
在步骤802中，然后至少沿与介质的流向垂直的第一方向发射传输信号，或沿另一方向发射传输信号。在步骤803中，由天线布置对在介质的表面上被反射的传输信号进行检测，在步骤804中，处理器单元通过对由介质反射且由天线布置接收的传输信号进行评估来确定传感器距介质的距离和介质的流速。
为了完整性，应当注意的是，“包括(comprising)”和“具有(having)”不排除其他元件或步骤的可能性，并且“一个(an)”或“一个(a)”不排除多个的可能性。还应当注意的是，已经参照上述实施方式之一描述的特征或步骤也可以结合其他上述实施方式的其他特征或步骤来使用。权利要求中的附图标记不应当被视为限制。

Claims (15)

1.一种料位测量装置(100)，用于通过对由所述料位测量装置发射的且由介质反射的调频传输信号进行评估来确定距所述介质的距离和所述介质的流速，所述料位测量装置包括：
调频连续波模块(101)，用于生成所述调频传输信号，所述调频传输信号包括上升的频率斜坡和下降的频率斜坡；
天线布置(203，204)，用于沿与所述介质的流向(110)垂直的第一方向(106)发射所述传输信号；以及
处理器单元(102)，用于通过对由所述介质反射的且由所述天线布置接收的传输信号进行评估来确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
2.根据权利要求1所述的料位测量装置，其中，所述处理器单元(102)被配置成：在单个测量周期内确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
3.根据权利要求1或2所述的料位测量装置，被配置成额外确定所述介质的流向。
4.根据权利要求1或2所述的料位测量装置，被配置成额外确定所述介质的流吞吐量。
5.根据前述权利要求中任一项所述的料位测量装置，其中，所述天线布置(203，204)被配置成：沿与所述介质的流向(110)垂直的第一方向(106)以及沿不同于所述第一方向的第二方向(108)发射所述传输信号。
6.根据权利要求5所述的料位测量装置，其中，所述天线布置(203，204)是具有两个或更多个主要辐射方向的单天线。
7.根据前述权利要求中任一项所述的料位测量装置，其中，所述天线布置包括平面天线阵列。
8.根据权利要求5所述的料位测量装置，其中，所述天线布置(203，204)包括第一天线(203)和第二天线(204)，其中，所述第一天线(203)被配置成沿所述第一方向(106)发射所述传输信号，所述第二天线(204)被配置成沿所述第二方向(108)发射所述传输信号。
9.根据权利要求8所述的料位测量装置，其中，所述两个天线(203，204)两者通过定向耦合器(201)或功率分配器(201)连接至所述调频连续波模块。
10.根据前述权利要求中任一项所述的料位测量装置，其中，所述处理器单元(102)被配置成：通过对由所述介质反射的且由所述天线布置接收的、经历了到频率范围的傅里叶变换后的传输信号的宽度进行评估来确定所述介质的流速。
11.根据前述权利要求中任一项所述的料位测量装置，被配置为料位雷达。
12.根据前述权利要求中任一项所述的料位测量装置，被配置为双线线路传感器。
13.一种用于通过对由料位测量装置发射的且由介质反射的调频传输信号进行评估来确定距所述介质的距离和所述介质的流速的方法，所述方法包括以下步骤：
生成所述调频传输信号，所述调频传输信号包括上升的频率斜坡和下降的频率斜坡；
沿与所述介质的流向(110)垂直的第一方向(106)发射所述传输信号；以及
通过对由所述介质反射的且由所述天线布置接收的传输信号进行评估来确定距所述介质的距离和所述介质的流速。
14.一种程序单元，所述程序单元当在料位测量装置的处理器单元(102)上执行时使所述料位测量装置执行根据权利要求13所述的步骤。
15.一种存储有程序单元的计算机可读介质，所述程序单元当在料位测量装置的处理器单元(102)上执行时使所述料位测量装置执行根据权利要求13所述的步骤。
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