填料表面的拓?fù)涞臏y定的制作方法
【專利摘要】一種用于測定容器(308)中的填料表面(307)的拓?fù)涞牧衔粶y量裝置(301)包括：天線裝置(305)、容納裝置(304)和控制單元(312)。控制單元(312)能夠調(diào)節(jié)天線裝置(305)的發(fā)射角(315)和天線裝置(305)的相對于填充材料表面(307)的空間位置?？刂茊卧?312)能夠通過控制天線裝置(305)的位置并通過控制天線裝置(305)的發(fā)射和/或接收角來改變料位測量裝置(301)的最終發(fā)射方向。
【專利說明】
填料表面的拓?fù)涞臏y定
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及料位測量裝置以及通過表面拓?fù)錅y定對容器中的料位的測定。本發(fā)明還可應(yīng)用于對象監(jiān)測或質(zhì)量流量(mass flow)檢測的領(lǐng)域。本發(fā)明還涉及用于測定填料表面的拓?fù)涞姆椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002]特定地，在對封閉容器的內(nèi)部及外部的散裝物料以及經(jīng)常出現(xiàn)的靜止角及去除斗進(jìn)行測量時(shí)，一種有利的方案就是對填料表面的拓?fù)溥M(jìn)行檢測。即使對于運(yùn)動液體，也可以通過表面拓?fù)錂z測來測定料位或體積。例如在采用攪拌裝置并由此在液體表面上產(chǎn)生流動圖案(所謂的“漩渦(tornados)”)時(shí)，以值得關(guān)注的方式引起此類運(yùn)動液體。通過測定表面拓?fù)淝以诒匾獣r(shí)將攪拌裝置的速度考慮在內(nèi)，能夠推斷出填料的其它變量，例如黏度或混入畔I=I /又 O
[0003]用于以非接觸的方式掃描表面的方法例如可基于以下原理:在表面上反射朝向該表面發(fā)射的信號，并評估被反射的信號的傳輸時(shí)間和/或信號強(qiáng)度。為了以足夠的精度檢測填料表面的拓?fù)洌赡苄枰盍媳砻娴哪承﹨^(qū)域?qū)嵤┒啻螠y量，因此增大此類測量裝置或測量方法的復(fù)雜度及成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于減小測定填料表面的拓?fù)渌璧臅r(shí)間。本發(fā)明的另一目的在于降低此類料位測量裝置的復(fù)雜度及成本。
[0005]上述目的是通過獨(dú)立權(quán)利要求的主題實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的其它實(shí)施例可以參照從屬權(quán)利要求以及下面的說明。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出一種用于測定容器中的填料表面的拓?fù)涞牧衔粶y量裝置。料位測量裝置包括用于發(fā)射電磁信號和/或接收這些信號的回波的天線裝置。而且，料位測量裝置還包括容納裝置及控制單元，其中天線裝置被緊固在容納裝置上，且天線裝置的相對于天線裝置的縱軸的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射角和/或接收角能被以電子的方式調(diào)節(jié)。容納裝置用于調(diào)節(jié)天線裝置的相對于填料表面的位置?？刂茊卧糜谙蛱炀€裝置提供電磁信號并且/或者從天線裝置接收這些信號的回波?？刂茊卧€用于改變料位測量裝置的相對于容器的最終發(fā)射方向和/或接收方向，以便控制天線裝置的空間位置以及天線裝置的發(fā)射角和/或接收角。
[0007]換言之，通過將以電子的方式改變天線裝置的發(fā)射方向和/或接收方向的過程與在空間上以機(jī)械的方式使天線裝置運(yùn)動的過程相結(jié)合來調(diào)節(jié)料位測量裝置的最終發(fā)射方向和/或接收方向。
[0008]在此需要指出的是，既可采用模擬形式(例如將天線陣列與合適的移相電路或模擬開關(guān)結(jié)合地使用)也可采用數(shù)字形式(例如將天線陣列與基于數(shù)字化接收的曲線或回波信號的數(shù)字計(jì)算結(jié)合地使用)來以電子的方式改變料位測量裝置的天線的發(fā)射方向和/或接收方向。
[0009]上述方案之優(yōu)點(diǎn)在于，通過將以機(jī)械的方式定位天線裝置的過程與以電子的方式調(diào)節(jié)天線裝置的發(fā)射角和/或接收角的過程相結(jié)合，與純粹的機(jī)械式解決方案相比，能夠減小用于檢測回波信號或回波曲線的測量時(shí)間并降低電子結(jié)構(gòu)(例如高頻電路)的復(fù)雜度，且同時(shí)與純粹的電子回轉(zhuǎn)式解決方案相比，能夠?qū)⒊杀颈３衷诳山邮艿南拗祪?nèi)。換言之，本發(fā)明將以機(jī)械的方式改變天線結(jié)構(gòu)的位置的過程的優(yōu)點(diǎn)與以電子的方式改變天線結(jié)構(gòu)的接收角(和/或旋轉(zhuǎn)角，必要情形下)的過程的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，例如通過數(shù)字波束成形或通過結(jié)合地使用模擬移相器與天線陣列(在此情況下可有利地使用貼片天線)。于是，能夠減小部件復(fù)雜度并提高可實(shí)現(xiàn)的最大測量速率。
[0010]在此情況下，天線裝置的位置例如可以是天線裝置在三維空間中(例如在容器內(nèi)部在填料表面上方)的空間位置。此方案還包括圍繞自身旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)或者甚至平移運(yùn)動。
[0011]可將填料表面的拓?fù)淅斫鉃樯⒀b物料的表面或散裝物料的表面的由于散裝物料在容器中堆積/從容器排出而產(chǎn)生的散裝物料的表面的分布或形狀。此類表面例如也可以是位于傳送帶上的散裝物料或運(yùn)動液體的不規(guī)則表面。所發(fā)射的電磁信號例如可以是C波段、K波段或W波段(例如6Ghz、24Ghz、79Ghz)中的雷達(dá)信號，它們適于被填料表面反射并隨后被料位測量裝置接收。例如可以基于已知的脈波傳輸時(shí)間法或FMCW法來測定拓?fù)?。也可將上述兩種方法與已知的超音波測量技術(shù)相結(jié)合。
[0012]天線裝置例如可以是將多個(gè)獨(dú)立的、較小的且彼此組合的發(fā)射器(所謂“貼片”)組合在一起而形成的貼片天線。這些貼片例如可布置在共同的載體上或作為印刷電路板的金屬層進(jìn)行布置。
[0013]可將天線裝置的發(fā)射角和/或接收角理解為天線裝置的主發(fā)射方向相對于天線裝置的縱向延伸的角度。因此，無需機(jī)械運(yùn)動或在空間中改變天線裝置的位置就能改變發(fā)射角和/或接收角。例如可通過重迭效應(yīng)(相長干涉和相消干涉)以及移相的組合來以電子的方式調(diào)節(jié)發(fā)射角。在接收信號時(shí)，可通過已知的數(shù)字波束成形(Digital Beam Forming)算法使陣列天線的各接收信道相對彼此移相來改變接收方向。
[0014]容納裝置例如可以是可移動的保持裝置，并以可移動的方式將天線裝置連接到容器的壁部，從而實(shí)現(xiàn)天線裝置的相對容器的預(yù)定位置。在一個(gè)示例中，容納裝置是垂直桿，所述垂直桿被以可圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的方式支承，且在所述垂直桿的朝向填料表面的端部上設(shè)置有天線裝置。容納裝置例如可通過使天線裝置圍繞旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)來輔助地使天線裝置機(jī)械地運(yùn)動。
[0015]優(yōu)選地，在不與天線裝置的機(jī)械運(yùn)動的運(yùn)動方向?qū)?yīng)的方向上改變天線的發(fā)射角和/或接收角。理想地，這兩個(gè)方向軸彼此垂直。由此，例如通過在X方向及Y方向上二維地改變料位測量裝置的最終發(fā)射方向和/或接收方向來檢測表面。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制單元用于通過調(diào)節(jié)天線裝置的機(jī)械位置并通過調(diào)節(jié)天線裝置的發(fā)射角和/或接收角來調(diào)節(jié)料位測量裝置的特定的發(fā)射方向和/或接收方向。換言之，可通過以電子的方式有針對性地調(diào)節(jié)天線裝置的發(fā)射角和/或接收角并通過在空間內(nèi)以機(jī)械的方式定位天線裝置來調(diào)節(jié)料位測量裝置的特定的發(fā)射方向和/或接收方向，從而對預(yù)定的子表面進(jìn)行檢測。例如，可將特定的位置與發(fā)射角和/或接收角的組合進(jìn)行保存，以便掃描預(yù)定的子表面。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過采用模擬移相器和/或模擬開關(guān)來以電子的方式調(diào)節(jié)多個(gè)發(fā)射角和/或接收角。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過采用數(shù)字波束成形法來以電子的方式調(diào)節(jié)多個(gè)發(fā)射角和/或接收角。
[0019]根據(jù)實(shí)施例，容納裝置包括用于使天線裝置運(yùn)動的驅(qū)動器，且控制單元用于控制驅(qū)動器。此方案之優(yōu)點(diǎn)在于，有針對性地使天線裝置或容納裝置運(yùn)動，以便調(diào)節(jié)天線裝置的特定位置。在此情況下，驅(qū)動器可布置在容納裝置的不同位置上。在一個(gè)示例中，這還意味著容納裝置本身(無驅(qū)動器)并不運(yùn)動，但天線裝置可直接設(shè)置在驅(qū)動器上。
[0020]根據(jù)實(shí)施例，容納裝置用于使天線裝置圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，并且驅(qū)動器是用于使容納裝置旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)。在此有利的實(shí)施例中，空間需求相對較小的天線裝置能夠檢測容器中的較大區(qū)域。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，天線裝置是一維陣列天線且具有細(xì)長形狀。
[0022]根據(jù)實(shí)施例，天線裝置的縱向延伸相對于旋轉(zhuǎn)軸傾斜地布置，使得天線裝置的縱向延伸與旋轉(zhuǎn)軸之間的角度不等于90°。此種傾斜布置方案的優(yōu)點(diǎn)在于，特別是在與天線結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動相結(jié)合的情況下，通過數(shù)字波束成形也能夠?qū)μ盍媳砻娴纳踔吝h(yuǎn)離料位測量裝置的表面區(qū)域進(jìn)行良好的檢測。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，天線裝置的縱向延伸與旋轉(zhuǎn)軸之間的角度大于45度。此方案之優(yōu)點(diǎn)在于，即便在料位差異很大的情況下，在此角度范圍內(nèi)也能非常有效地檢測拓?fù)洹?br>[0024]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制單元及容納裝置用于改變角度。例如，這可以可通過另一驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)，該另一驅(qū)動器使天線裝置相對于容納裝置運(yùn)動或設(shè)置特定角度。由此，能夠獲得更精確的測量結(jié)果，這是因?yàn)槟芨玫貙⒉煌牧衔患巴負(fù)淇紤]在內(nèi)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，控制單元用于通過數(shù)字波束成形來調(diào)節(jié)天線裝置的發(fā)射角和/或接收角。在此情況下，可通過以電子的方式改變不同的高頻信號并使所發(fā)射/接收的波進(jìn)行重迭來控制天線裝置的最終發(fā)射方向和/或接收方向。作為替代或附加方案，也可在中頻范圍內(nèi)改變按照已知的方法經(jīng)過預(yù)處理的低頻信號。例如可采用多個(gè)彼此電子耦合的獨(dú)立發(fā)射器或天線元件。數(shù)字波束成形的優(yōu)點(diǎn)在于，無需天線裝置的機(jī)械運(yùn)動就能夠改變天線裝置的發(fā)射角和/或接收角。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，天線裝置為一維陣列天線且具有細(xì)長形狀。此種天線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)形式相對簡單，就經(jīng)濟(jì)性而言在必要的電子構(gòu)件方面的花費(fèi)較為合理。例如，通過細(xì)長形狀，通過改變天線的發(fā)射角和/或接收角能夠有利地檢測一個(gè)方向(例如X方向或Y方向)上的維度。在本示例中，與此結(jié)合的機(jī)械運(yùn)動可檢測另一維度，以便掃描表面。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，為改善聚焦，天線裝置具有拋物面形槽、電介質(zhì)圓柱形透鏡和/或者拓寬貼片或天線元件。由此，能夠有利地改善天線裝置的聚焦特性，例如以便更為精確地將填料表面的特定子表面與其它子表面區(qū)分開來。更佳的聚焦有助于減小這些子表面的大小，從而在測定填料表面的拓?fù)鋾r(shí)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和/或測量精度。
[0028]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，料位測量裝置還包括評估單元，以用于基于由天線裝置接收的回波信號來計(jì)算填料表面的拓?fù)?。評估單元例如可以是包含存儲器單元的處理器，評估單元通過以與合適的的軟件相結(jié)合的方式根據(jù)獲得的這些回波信號來計(jì)算填料表面的最終的拓?fù)?。此方案的?yōu)點(diǎn)在于，料位測量裝置將已被預(yù)處理的信息提供給后續(xù)應(yīng)用。此夕卜，此方案有助于在填料表面的拓?fù)涞挠?jì)算方面將評估單元優(yōu)化。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，料位測量裝置包括位置傳感器，以用于檢測天線裝置的相對于容器的空間位置，并用于將與天線裝置相關(guān)的相應(yīng)空間位置信息提供給控制單元。在測定填料表面的子表面的位置時(shí)，天線裝置的此類位置信息較為重要。所述位置傳感器例如可布置在驅(qū)動器中，且例如測定驅(qū)動軸的角位置。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于檢測拓?fù)涞牧衔粶y量裝置，其中，料位測量裝置僅通過雙線線路來獲取檢測所需的能量，且雙線線路適用于通信，特別是用于將至少拓?fù)錅y量值或由此導(dǎo)出的測量值(例如容器中的質(zhì)量)輸出。此外，料位測量裝置具有上下文所述的特征中的一個(gè)、多個(gè)或所有特征。
[0031]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出一種對容器中的填料表面的拓?fù)溥M(jìn)行測定的方法。所述方法包括以下步驟:提供放射式料位測量裝置，通過控制單元來調(diào)節(jié)天線裝置的第一位置，并通過控制單元調(diào)節(jié)天線裝置的第一發(fā)射角。在此，對容納裝置的位置及天線裝置的發(fā)射角進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得料位測量裝置的最終發(fā)射方向朝向該填料表面的第一子表面。在隨后的步驟中，通過控制單元及天線裝置朝填料表面發(fā)射第一電磁信號，通過天線裝置及控制單元接收第一電磁信號的第一回波信號，通過控制單元調(diào)節(jié)容納裝置的第二位置及天線裝置的位置，以及/或者，調(diào)節(jié)天線裝置的第二發(fā)射角。在此，料位測量裝置的最終發(fā)射方向朝向填料表面的第二子表面。在隨后的步驟中，通過該控制單元及天線裝置朝填料表面的第二子表面發(fā)射第二電磁信號，并通過天線裝置及控制單元接收第二電磁信號的第二回波信號。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出一種對容器中的填料表面的拓?fù)溥M(jìn)行測定的方法。所述方法包括以下步驟:提供放射式料位測量裝置，通過控制單元來調(diào)節(jié)天線裝置的第一位置，通過控制單元來調(diào)節(jié)天線裝置的多個(gè)發(fā)射角和/或接收角，以及通過控制單元來測定多個(gè)回波信號。在隨后的步驟中，通過控制單元來調(diào)節(jié)天線裝置的第二位置，調(diào)節(jié)天線裝置的多個(gè)發(fā)射角和/或接收角，以及通過控制單元測定多個(gè)其它回波信號。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述方法還包括以下步驟:通過評估單元基于由天線裝置接收的回波信號來計(jì)算填料表面的拓?fù)洹?br>[0034]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了料位測量裝置的一種用于測定運(yùn)動液體的黏度的用途。
[0035]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提出了料位測量裝置的一種用于測定位于傳送帶上的散裝物料的質(zhì)量流量的用途。
[0036]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出了料位測量裝置的一種用于測定介質(zhì)的質(zhì)量或體積的用途。
[0037]在拓?fù)涫且阎那矣脩粢演斎肴萜鲾?shù)據(jù)的情況下，可簡單地利用料位測量裝置計(jì)算出體積。在介質(zhì)的密度是已知的情況下，料位測量裝置也可以根據(jù)體積計(jì)算出質(zhì)量。
[0038]在下文中，將參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施例。
【附圖說明】
[0039]圖1示出位于散裝物料容器中的料位測量裝置的示例，其中對發(fā)射方向進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)；
[0040]圖2示出位于散裝物料容器中的料位測量裝置的示例，其中對發(fā)射方向進(jìn)行電子調(diào)節(jié)；
[0041]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于對容器中的填料表面的拓?fù)溥M(jìn)行測定的料位測量裝置，其中以將機(jī)械與電子相結(jié)合的方式對發(fā)射方向和/或接收方向進(jìn)行調(diào)節(jié)；
[0042]圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的一維陣列天線的示例；
[0043]圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含拓寬貼片的一維陣列天線的示例；
[0044]圖6示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含電介質(zhì)圓柱形透鏡的一維陣列天線的示例；
[0045]圖7示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包含作為主反射器的拋物面形槽和雙曲面形逆向反射器的一維陣列天線的示例；
[0046]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于測定位于傳送帶上的散裝物料的質(zhì)量流量(mass flow)的料位測量裝置;及
[0047]圖9示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于測定容器中的填料表面的拓?fù)涞姆椒ā?br>[0048]附圖僅是示意性的且并非等比例的。使用相同的附圖標(biāo)記來表示相似或相同的組件。
【具體實(shí)施方式】
[0049 ]圖1示出安裝在填料表面1 3上方的料位測量裝置1I的示例。填料表面1 3例如可以是容器104中的散裝物料，從而形成填料表面103的不規(guī)則結(jié)構(gòu)或形狀。料位測量裝置101通過朝填料表面103發(fā)射信號102來檢測容器104中的反射特性的圖像。料位測量裝置101或料位測量裝置101中的至少天線裝置105能夠通過具有相應(yīng)配置的機(jī)械調(diào)節(jié)裝置106來改變料位測量裝置101的發(fā)射方向和/或接收方向107，從而能夠在測量周期內(nèi)測量容器中的介質(zhì)的整個(gè)填料表面103。為此，該裝置例如既能沿X方向108又能沿Y方向109樞轉(zhuǎn)。料位測量裝置101根據(jù)在X方向108及Y方向109上檢測的多個(gè)回波信號或回波曲線來測定填料表面103的拓?fù)?。拓?fù)淅缈梢允翘盍媳砻?03的高度輪廓曲線，以作為特定位置的函數(shù)，例如，該特定位置可以由笛卡爾坐標(biāo)X和Y明確地定義。
[0050]圖2示出用于改變料位測量裝置201的發(fā)射方向的另一可能方案。與圖1所示的料位測量裝置101相反，料位測量裝置201具有多個(gè)天線元件202，這些天線元件可實(shí)施為單個(gè)天線裝置203的一部分或者分布在多個(gè)不同的天線元件202上。為測定容器104中的填料表面204的拓?fù)?，例如可以有針對性地通過以電子的方式改變(例如通過模擬移相器改變多個(gè)獨(dú)立驅(qū)動信號的相位，或有針對性地通過模擬開關(guān)切斷多個(gè)獨(dú)立驅(qū)動信號)獨(dú)立天線元件202的驅(qū)動信號并且/或者通過對由獨(dú)立天線元件202檢測的回波信號或回波曲線進(jìn)行數(shù)字計(jì)算(數(shù)字波束成形(Digital Beam Forming))來改變主發(fā)射方向205、206、207。此類結(jié)構(gòu)例如可實(shí)施為天線陣列，且例如可通過數(shù)字波束成形來改變主發(fā)射方向和/或主接收方向205、206、207。
[0051]圖3示出根據(jù)本發(fā)明的料位測量裝置301的示例。料位測量裝置301具有驅(qū)動器313、過程連接部303、容納裝置304(在此，可旋轉(zhuǎn)軸)及天線裝置305。過程連接部303可用于將料位測量裝置301以機(jī)械的方式緊固在容器上。驅(qū)動器313用于使天線裝置305運(yùn)動。在此示例中，驅(qū)動器313是使其軸與天線裝置305—起旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)?？刂茊卧?12用于控制驅(qū)動器313，以向天線裝置305提供高頻信號并從天線裝置接收所述高頻信號。天線裝置305將由控制單元312產(chǎn)生的信號306朝填料表面307發(fā)射?？刂茊卧?12還用于控制天線裝置305的位置?？刂茊卧?12還用于以電子的方式調(diào)節(jié)天線裝置305的發(fā)射角和/或接收角315或者主發(fā)射方向和/或主接收方向，從而調(diào)節(jié)料位測量裝置301的最終發(fā)射方向和/或接收方向。在一個(gè)示例中，在天線裝置305中或上(例如在天線裝置305的殼體的內(nèi)部)產(chǎn)生高頻信號。在另一示例中，在驅(qū)動器313的空間區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高頻信號。
[0052]天線裝置305安裝成可通過容納裝置304的驅(qū)動軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并與驅(qū)動軸構(gòu)成不等于90°的角度α(316)。在一個(gè)示例中，角度α = 45°。由此能夠有利地對來自容器308的寬廣部分的信號進(jìn)行檢測。例如，如果通過數(shù)字波束成形將天線裝置305的主發(fā)射方向和/或接收方向的角度范圍調(diào)節(jié)為+/-45°，則能夠以與天線裝置305的旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的方式對包含散裝物料的整個(gè)半空間進(jìn)行測量。但也可采用小于或大于45°的角度，以避免數(shù)字波束成形過程中的含混性和/或提高測量分辨率。此外，在以電子的方式改變主發(fā)射方向時(shí)且在偏轉(zhuǎn)角
(315)極大的情況下會出現(xiàn)以下問題:所得到的天線波瓣的寬度顯著地增大。在原理上無法通過此類系統(tǒng)來以電子的方式改變與垂線構(gòu)成高達(dá)90°的主發(fā)射方向和/或接收方向。這兩種問題均能夠通過以下方式避免:將天線裝置305定向成與驅(qū)動軸構(gòu)成不等于90°的角度α
(316)0
[0053]沿天線裝置305的縱向延伸可設(shè)置有多個(gè)天線元件202(例如參照圖2)。每個(gè)天線元件202能夠處理來自不同角方向的回波信號?？赏ㄟ^已知的數(shù)字波束成形算法使用由天線元件202接收的信號來在預(yù)定角度范圍內(nèi)改變天線裝置305的接收角315。例如，天線裝置305的發(fā)射角和/或接收角315可描述發(fā)射和/或接收高頻信號時(shí)的主發(fā)射方向。
[0054]在一個(gè)示例中，選擇的與相對于天線裝置305的縱向延伸的垂直發(fā)射角構(gòu)成的接收角范圍(315)為+/-45°，從而在同時(shí)考慮旋轉(zhuǎn)310時(shí)在短時(shí)間內(nèi)對整個(gè)填料表面307進(jìn)行計(jì)量式檢測。換言之，該結(jié)構(gòu)有利地結(jié)合了發(fā)射方向的機(jī)械式改變(310)的優(yōu)點(diǎn)和料位測量裝置301的最終發(fā)射方向/接收方向309的電子式改變的優(yōu)點(diǎn)。換言之，將由主接收方向的電子式改變實(shí)現(xiàn)的線性掃描器(檢測角為+/-45°)與機(jī)械旋轉(zhuǎn)相結(jié)合。以此方式，能夠提高測量速率并減小測量時(shí)間。例如，這種用于測定填料表面307的拓?fù)涞臏y量周期小于兩秒。在此情況下，可有利地實(shí)現(xiàn)(例如由天線裝置305的一維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的)轉(zhuǎn)速較小的簡單機(jī)械構(gòu)造以及大幅簡化的電子裝置。
[0055]本發(fā)明基于以下考慮:為了足夠精確地檢測填料表面307的拓?fù)?，可能需要?shí)施多個(gè)測量，每個(gè)測量用于對待檢測的填料表面307的不同子表面進(jìn)行檢測，根據(jù)作為整體的這些子表面能夠收集關(guān)于整個(gè)填料表面307的足夠精確的信息。應(yīng)當(dāng)根據(jù)相應(yīng)的幾何表面結(jié)構(gòu)、尺寸及形狀來選擇相應(yīng)子表面的大小，以便能夠足夠精確地檢測填料表面307中的差異。換言之，在待檢測及待測量的子表面盡可能小時(shí)，能夠提高拓?fù)涞木?。另一方面，上述方案會?dǎo)致隨著精度的提高而需要較大數(shù)量的子表面及獨(dú)立測量。例如，由于可依序?qū)Κ?dú)立子表面進(jìn)行測量，因此會導(dǎo)致例如為一至數(shù)分鐘的極長的測量時(shí)間。為檢測填料表面307，就電子裝置和/或機(jī)械裝置而言，已知的料位測量裝置通常具有較高的復(fù)雜度，而且測量時(shí)間通常較長。特定地，就機(jī)械構(gòu)造而言，為實(shí)現(xiàn)可接受的測量時(shí)間，結(jié)構(gòu)需要具備較高的運(yùn)動速度，從而可能會導(dǎo)致較高的機(jī)械負(fù)荷及早期磨損。通過將第一維度中的機(jī)械運(yùn)動與第二維度中的對主發(fā)射方向和/或接收方向的電子式改變相結(jié)合來避免上述缺點(diǎn)。
[0056]圖4示出天線裝置400的示例，該天線裝置被配置為一維天線陣列401并由m個(gè)獨(dú)立天線元件402構(gòu)成。天線元件401可實(shí)施為具有相應(yīng)配置的印刷電路板貼片或者合適的波導(dǎo)端(waveguide end)或其它已知的發(fā)射裝置。在一個(gè)示例中，可利用布置在天線陣列401的中心處的天線元件402在盡可能大的角度范圍內(nèi)將均勻的高頻能量朝填料表面307發(fā)射。被填料表面307反射的信號由每個(gè)天線元件402接收，且在必要時(shí)這些信號被單獨(dú)地發(fā)送到(未示出的)評估單元。在此情況下，評估單元能夠通過多個(gè)相應(yīng)的裝置單獨(dú)地檢測由m個(gè)天線元件中的每個(gè)天線元件接收的回波曲線。隨后，在采用數(shù)字波束成形算法的情況下，評估單元能夠通過結(jié)合所述信號或回波曲線來特別是以與天線裝置305的垂線構(gòu)成+/-45°角度的方式改變天線裝置305的發(fā)射角/接收角309或主發(fā)射方向/主接收方向。一維天線陣列401能夠通過將通常為二維的陣列203(參照圖2)削減至單個(gè)維度來降低用于實(shí)現(xiàn)不同發(fā)射信道和/或接收信道的部件復(fù)雜度。數(shù)目m〈 = 20個(gè)部件通常足以實(shí)現(xiàn)一維陣列行。
[0057]一維天線401可通過用于數(shù)字波束成形的后續(xù)算法來實(shí)現(xiàn)最終的天線特性曲線在Y(A)延伸方向403上的非常有效的聚焦。在X(A)延伸方向404上的聚焦以與旋轉(zhuǎn)310(參照圖3)相結(jié)合的方式在旋轉(zhuǎn)的徑向方向上發(fā)揮作用。例如，可通過后續(xù)信號處理進(jìn)一步改善測量的精度，其中，對由天線裝置305的旋轉(zhuǎn)引起的多普勒進(jìn)行評估。此類算法例如可使用SAR(合成孔徑雷達(dá))原理及ROSAR(基于旋轉(zhuǎn)式天線的旋轉(zhuǎn)式合成孔徑雷達(dá))原理，并由此導(dǎo)致接收特性曲線在X(A)延伸方向404上的聚焦。
[0058]圖5示出天線裝置500的另一示例，其中，在X(A)方向404上拓寬獨(dú)立天線元件503。換言之，通過額外的貼片或額外的天線元件501在X(A)軸方向404上拓寬原始的一維天線陣列401。為將相關(guān)的電子驅(qū)動裝置的復(fù)雜度保持為低，以與目前采用的天線元件402間隔有預(yù)定的距離的方式對這些額外的貼片或天線元件501進(jìn)行布置，并通過金屬連接線502將它們與目前采用的天線元件固定連接。換言之，多個(gè)連接的貼片如同單個(gè)發(fā)射或接收元件或者天線元件402—樣發(fā)揮作用，但改善了在X(A)方向404上的聚焦特性。
[0059]圖6示出包含電介質(zhì)圓柱形透鏡602的一維天線裝置401的一種示例。此結(jié)構(gòu)示出用于使信號在X(A)延伸方向404上聚焦的另一實(shí)施例。圓柱形透鏡602沿發(fā)射/接收方向布置在天線裝置401上，使得由天線元件402發(fā)射的信號604通過圓柱形透鏡602傳播，在圓柱形透鏡602的界面上被折射并通過彎曲透鏡面離開圓柱形透鏡602。通過彎曲界面可實(shí)現(xiàn)高頻輻射在X(A)方向404上的有效聚焦。在接收信號時(shí)，信號以相反的順序穿過透鏡。
[0060]圖7示出天線結(jié)構(gòu)700的另一有利實(shí)施例。此結(jié)構(gòu)也能改善信號在X(A)方向404上的聚焦。為此，可將拋物面形槽702與被相應(yīng)配置和定位的逆向反射器701相結(jié)合來使由天線裝置401發(fā)射的信號703聚焦。在此情況下，信號首先被逆向反射器701(例如雙曲面形槽)反射，并接著再次被拋物面形槽702的表面反射。由此能夠?qū)崿F(xiàn)信號在X(A)軸方向404上的有效聚焦。
[0061]圖8示出根據(jù)本發(fā)明的料位測量裝置301的一種用于測定位于傳送帶801上的運(yùn)動散裝物料802的質(zhì)量流量的示例性用途。為此，使用料位測量裝置301來測定散裝物料802的表面803的拓?fù)洹８鶕?jù)拓?fù)湫畔?，可通過(未示出的)評估單元來獲取散裝物料的體積和/或質(zhì)量的有關(guān)信息。在此情況下，可不對天線進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)/旋轉(zhuǎn)。在此情況下，將天線用作線性掃描器。
[0062]圖9示出一種用于測定例如容器中的填料表面的拓?fù)涞姆椒ǖ氖纠Ｔ谒龇椒ㄖ?，在步驟901中，首先提供放射式料位測量裝置。在步驟902中，使天線單元圍繞旋轉(zhuǎn)軸(例如垂直旋轉(zhuǎn)軸)連續(xù)地或分段地旋轉(zhuǎn)。隨后，在步驟903中，通過控制單元來調(diào)節(jié)天線裝置的發(fā)射角，其中對用于容納裝置的位置及天線裝置的發(fā)射角進(jìn)行調(diào)節(jié)使得料位測量裝置的最終發(fā)射方向指向填料表面的子表面。在步驟904中，通過控制單元及天線裝置朝填料表面發(fā)射電磁信號。在步驟905中，通過天線裝置的多個(gè)單獨(dú)元件及控制單元來接收電磁信號的回波信號。在此情況下，產(chǎn)生了與每個(gè)單獨(dú)元件相關(guān)聯(lián)的回波曲線。
[0063]在步驟906中，通過數(shù)字波束成形，根據(jù)這些單獨(dú)接收元件的先前產(chǎn)生的回波曲線在待測量的角度范圍內(nèi)借助已知的數(shù)字波束成形算法來計(jì)算來自天線單元的各種主接收方向的回波曲線。該步驟對應(yīng)于沿Y(A)延伸403的主接收方向上的改變。
[0064]然后，該方法返回至步驟902及其后的步驟903、904和905，并隨后在步驟906中通過數(shù)字波束成形在待測量的角度范圍內(nèi)進(jìn)行重復(fù)的數(shù)字掃描。
[0065]可根據(jù)需要多次執(zhí)行步驟902至906，直至記錄完整的數(shù)據(jù)集合(在每轉(zhuǎn)的情況下沿天線的縱軸的多次數(shù)字掃描)。
[0066]最后，在步驟907中，基于由天線裝置接收并通過數(shù)字波束成形計(jì)算的回波信號，通過評估單元來計(jì)算填料表面的拓?fù)?。換言之，所述方法的概念可以是:依序?qū)μ盍媳砻娴淖颖砻孢M(jìn)行掃描，并基于所獲得的回波信號來測定填料表面的拓?fù)?。為此，對天線裝置的位置進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)，并對天線裝置的發(fā)射角和/或接收角進(jìn)行電子調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)料位測量裝置的最終發(fā)射方向和/或接收方向。
[0067]應(yīng)該指出的是，“包括”和“具有”不排除其它元件或步驟的可能性，而“一”和“一個(gè)”并不排除多個(gè)的可能性。還應(yīng)當(dāng)指出的是，參照上述實(shí)施例之一說明的特征或步驟也能夠與其它上述實(shí)施例的其它特征或步驟組合地使用。權(quán)利要求中的參考標(biāo)記不應(yīng)被解釋為具有限制性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于測定填料表面(307)的拓?fù)涞牧衔粶y量裝置(301)，其包括: 天線裝置(305)，其用于發(fā)射和/或接收電磁信號(306); 容納裝置(304); 控制單元(312)， 其中，所述天線裝置(305)被緊固在所述容納裝置(304)上， 其中，所述天線裝置(305)的多個(gè)發(fā)射角和/或接收角(315)能夠被以電子的方式調(diào)節(jié)， 其中，所述容納裝置(304)用于以機(jī)械的方式調(diào)節(jié)所述天線裝置(305)的相對于所述填料表面(307)的位置， 其中，在所述天線裝置(305)的輔助下，所述控制單元(312)用于通過調(diào)節(jié)所述天線裝置(305)的位置并通過以電子的方式調(diào)節(jié)所述天線裝置(305)的發(fā)射角和/或接收角(315)來檢測來自所述填料表面(307)的不同區(qū)域的多個(gè)回波信號。2.如權(quán)利要求1所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述控制單元(312)用于調(diào)節(jié)所述天線裝置(305)的相對于所述填料表面(307)的預(yù)定位置以及所述天線裝置(305)的特定發(fā)射角/接收角(315)，以便檢測來自所述填料表面(307)的特定區(qū)域的電磁信號。3.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，以電子的方式對多個(gè)發(fā)射角和/或接收角(315)的調(diào)節(jié)是通過使用模擬移相器和/或模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)的。4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，以電子的方式對多個(gè)發(fā)射角和/或接收角(315)的調(diào)節(jié)是通過使用數(shù)字波束成形方法實(shí)現(xiàn)的。5.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述容納裝置(304)包括用于使所述天線裝置(305)運(yùn)動的驅(qū)動器(313)，且 其中，所述控制單元(312)用于控制所述驅(qū)動器(313)。6.如權(quán)利要求5所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述容納裝置(304)用于使所述天線裝置(305)圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，且 其中，所述驅(qū)動器(313)是用于使所述容納裝置(304)旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)。7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述天線裝置(305)是一維陣列天線(401)且具有細(xì)長形狀。8.如權(quán)利要求7所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述天線裝置(305)的縱向延伸相對于所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜地布置，使得所述天線裝置(305)的縱向延伸與所述旋轉(zhuǎn)軸之間的角度(316)不等于90°。9.如權(quán)利要求8所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述天線裝置(305)的縱向延伸相對于所述旋轉(zhuǎn)軸傾斜地布置，使得所述天線裝置(305)的縱向延伸與所述旋轉(zhuǎn)軸之間的角度(316)大于45°。10.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述天線裝置(305)包括拋物面形槽(702)、電介質(zhì)圓柱形透鏡(602)和/或拓寬貼片(501)，以用于改善聚集。11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述料位測量裝置(301)還包括評估單元，所述評估單元用于基于由所述天線裝置(305)接收的所述回波信號來計(jì)算填料表面(307)的拓?fù)洹?2.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)， 其中，所述料位測量裝置(301)包括位置傳感器，所述位置傳感器用于檢測所述天線裝置(305)的相對于所述填料表面(307)的空間位置并用于向所述控制單元(312)提供與所述天線裝置(305)相關(guān)的相應(yīng)空間位置信息。13.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(201)，其還包括: 供電和通信接口，其用于將所述料位測量裝置連接至雙線線路，所述雙線線路能夠用于向所述料位測量裝置供應(yīng)測量操作所需的能量，并能夠用于將測量數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程控制單元。14.一種用于測定填料表面的拓?fù)涞姆椒?，所述方法包括以下步驟: 提供如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置的步驟(901); 通過所述控制單元來調(diào)節(jié)容納裝置和所述天線裝置的第一位置的步驟(902); 通過所述控制單元以電子的方式調(diào)節(jié)多個(gè)發(fā)射角和/或接收角來測定多個(gè)回波曲線的步驟； 通過所述控制單元調(diào)節(jié)容納裝置和所述天線裝置的第二位置的步驟(902); 通過所述控制單元以電子的方式調(diào)節(jié)多個(gè)發(fā)射角和/或接收角來測定多個(gè)回波曲線的步驟。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其還包括以下步驟: 通過評估單元使用由所述天線裝置接收的回波信號來計(jì)算填料表面的拓?fù)涞牟襟E(909)ο16.—種如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)的用于測定運(yùn)動液體的黏度的用途。17.—種如權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的料位測量裝置(301)的用于測定介質(zhì)的質(zhì)量或體積的用途。
【文檔編號】G01S13/88GK105980817SQ201480074905
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年2月11日
【發(fā)明人】羅蘭·韋勒, 萊溫·迪特爾勒
【申請人】Vega格里沙貝兩合公司