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(jìn)時(shí)間方法來(lái)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(duì)在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進(jìn)行采樣，使得對(duì)于每一激光脈沖多個(gè)采樣值被記錄并且在每種情況下存儲(chǔ)為子回波曲線(SEK)，其中所存儲(chǔ)的子回波曲線(SEK)在每個(gè)測(cè)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(lái)確定所述料位。
【專利說(shuō)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(jìn)時(shí)間方法來(lái)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(cè)量的已知設(shè)備和方法通過直接地測(cè)量在障礙物上反射的發(fā)送激光脈沖的行進(jìn)時(shí)間進(jìn)行操作。為此，激光脈沖的行進(jìn)時(shí)間借助于用于時(shí)間測(cè)量的高度準(zhǔn)確的集成電路(即，所謂的時(shí)間至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC))來(lái)測(cè)量。集成電路工作的方式與使用起始信號(hào)和停止事件的秒表相似。起始信號(hào)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(shí)由所接收到的信號(hào)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(hào)形式來(lái)檢測(cè)缺損或無(wú)效的接收信號(hào)。因?yàn)檫@樣的檢測(cè)是不可能的，所以不能夠拒絕無(wú)效的信號(hào)。
[0004]由于這些局限并且由于在給定情況下可能存在于測(cè)量范圍內(nèi)以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)干擾反射的干擾源，已知的雷達(dá)料位測(cè)量裝置利用雷達(dá)脈沖的總信號(hào)曲線的采樣的原理。這些已知裝置將信號(hào)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(hào)處理來(lái)確定測(cè)量值的目的對(duì)這些曲線進(jìn)行評(píng)估。已知方法能夠選擇性檢測(cè)和拒絕干擾或出錯(cuò)信號(hào)，使得它們?cè)诶硐肭闆r下不影響測(cè)量。具有包絡(luò)曲線評(píng)估的基于激光的料位測(cè)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(cè)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(hào)形式轉(zhuǎn)發(fā)至計(jì)算單元。然而，不同的信號(hào)形式在這樣的情況下主要用來(lái)確定目前地理物質(zhì)。術(shù)語(yǔ)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(diǎn)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(cè)量，因?yàn)樗鼈兊母滤俾适遣蛔愕摹?br>
[0006]用于料位測(cè)量的采樣系統(tǒng)的問題存在于所需要的測(cè)量精確度中和在所需要的測(cè)量速度中。為了在l_5ns的脈沖寬度的情況下實(shí)現(xiàn)所需要的測(cè)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(dá)測(cè)量技術(shù)中使用了應(yīng)用多個(gè)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(kuò)展時(shí)間信號(hào)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(duì)擴(kuò)展時(shí)間信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和評(píng)估。圖1示出示意性地呈現(xiàn)的通過順序采樣高頻測(cè)量信號(hào)如何能夠被變換成低頻范圍。低頻范圍內(nèi)的時(shí)間擴(kuò)展信號(hào)表示高頻原始測(cè)量信號(hào)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(cè)量。在這樣的情況下，表面通常是移動(dòng)的。為了料位的高度準(zhǔn)確的檢測(cè)，小于或等于Ims的區(qū)域中的非?？焖俚臏y(cè)量值產(chǎn)生是必要的。
[0008]已知的雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)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(shí)間內(nèi)，能夠?qū)τ诖u(píng)估的包絡(luò)曲線記錄足夠的采樣點(diǎn)并且于是為測(cè)量值的必要平均提供足夠的時(shí)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(zhǎng)度。交叉相關(guān)積隨后被對(duì)于擴(kuò)展時(shí)間信號(hào)求積分。能夠利用模擬組件相當(dāng)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)相關(guān)和積分。時(shí)間信號(hào)按其擴(kuò)展的因子優(yōu)選地大于80，OOOo能夠利用簡(jiǎn)單手段對(duì)擴(kuò)展時(shí)間信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和評(píng)估。
[0010]在下文中，將敘述已知現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn):
[0011]用于料位測(cè)量的激光測(cè)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(duì)于料位測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)重要的要求。而且，這些方法由于它們的高采樣速率實(shí)現(xiàn)起來(lái)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(duì)應(yīng)的基于激光的系統(tǒng)對(duì)于料位測(cè)量來(lái)說(shuō)太慢。此外，應(yīng)當(dāng)注意，與雷達(dá)測(cè)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(duì)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(shí)的且價(jià)格有利的波長(zhǎng)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(zhǎng)(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(hào)的采樣的原理的雷達(dá)評(píng)估方法類似地工作，其中每個(gè)激光脈沖/激光發(fā)射存儲(chǔ)了包絡(luò)曲線的值，或者它們根據(jù)實(shí)時(shí)采樣的方法工作。時(shí)域內(nèi)的實(shí)時(shí)采樣具有以下要求和優(yōu)點(diǎn):
[0015]*高測(cè)量精確度；
[0016]*每激光脈沖一個(gè)完整包絡(luò)曲線的數(shù)字化；
[0017]*對(duì)于所需要的測(cè)量精確度，3GHz區(qū)域中的非?？焖俚牟蓸宇l率是必要的；
[0018]*測(cè)量速度非常高；最大測(cè)量速率對(duì)應(yīng)于脈沖速率；
[0019]*存在多目標(biāo)能力。
[0020]實(shí)時(shí)采樣的示意表示在圖2中被示出。實(shí)時(shí)采樣的缺點(diǎn)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(cè)量的兩個(gè)已知的激光評(píng)估方法的適合性:
[0024]在第一已知激光評(píng)估方法的情況下，對(duì)周期性信號(hào)進(jìn)行采樣，其中每激光發(fā)射的一個(gè)采樣值被確定。已知的雷達(dá)料位測(cè)量裝置通過上面描述的傳輸方法而廉價(jià)地、相對(duì)迅速地且非常確切地實(shí)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(cè)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(gè)方法不適用于料位測(cè)量。這個(gè)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(duì)于料位測(cè)量來(lái)說(shuō)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(shí)現(xiàn)的，因?yàn)椴蓸永鐑H在kHz區(qū)域中發(fā)生。
[0027]*基于激光的測(cè)量系統(tǒng)是慢的，因?yàn)樗c雷達(dá)測(cè)量相比由于眼睛安全并且由于每激光脈沖獲得僅一個(gè)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(cè)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?yàn)檠劬Π踩?500nm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(shí)現(xiàn)的使用壽命。基本上排除了具有高激光功率的高發(fā)射速率。
[0031]*對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)由于每包絡(luò)曲線的多個(gè)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(cè)量精確度。
[0032]在具有實(shí)時(shí)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(diǎn):
[0033]*基于激光的系統(tǒng)是非常快速的。
[0034]*對(duì)于每個(gè)激光脈沖產(chǎn)生一個(gè)完整包絡(luò)曲線。這相對(duì)于激光能量在能量方面是理想的，因?yàn)楦呒す夤β试诮档偷拿}沖速率的情況下是可能的。
[0035]*對(duì)需要使用快速RAM存儲(chǔ)器和基于FPGA的評(píng)估的評(píng)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(jìn)而不能夠被用在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中。
[0037]*由于高成本，實(shí)時(shí)采樣基于激光的系統(tǒng)對(duì)于料位測(cè)量的廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(dòng)化技術(shù)中的基于激光的料位測(cè)量的方法和設(shè)備。
[0039]該目的涉及用于使用行進(jìn)時(shí)間方法來(lái)基于激光確定容器中的填充物質(zhì)的料位的方法來(lái)實(shí)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(duì)采樣頻率有定義的依賴性；以采樣頻率的周期的整個(gè)編號(hào)的數(shù)目是大于或小于傳輸重復(fù)頻率的周期長(zhǎng)度的預(yù)定時(shí)間間隔的這樣的方式區(qū)分定義的依賴性；該時(shí)間間隔被選擇使得它對(duì)應(yīng)于期望的采樣分辨率并且小于采樣頻率的周期長(zhǎng)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(gè)采樣值被記錄并且在每種情況下存儲(chǔ)為子回波曲線的這樣的方式以采樣頻率對(duì)在填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進(jìn)行采樣；所存儲(chǔ)的子回波曲線在測(cè)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(lái)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(cè)量值記錄的速度是足夠高的以致料位測(cè)量值從在時(shí)間間隔期間的測(cè)量結(jié)果獲得，在所述時(shí)間間隔內(nèi)通常動(dòng)態(tài)地變化的液體上表面能夠被認(rèn)為實(shí)質(zhì)上是靜態(tài)表面。
[0041]本發(fā)明的方法的有利實(shí)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(gè)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(shí)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(gè)頻率的乘或除間接地獲得。
[0042]在本發(fā)明的方法的替代實(shí)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(lái)產(chǎn)生大于傳輸重復(fù)頻率的基頻而實(shí)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(shí)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(gè)選擇允許成本有效且簡(jiǎn)單的電路布置，因?yàn)閿?shù)字頻率信號(hào)能夠通過對(duì)于待穿過的每個(gè)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(duì)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(gè)t觸發(fā)器來(lái)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(jiǎn)明地描述為多子回波曲線采樣。在本方法中，多個(gè)周期性激光脈沖對(duì)于包絡(luò)曲線的重建是必要的。數(shù)目與用于雷達(dá)測(cè)量裝置的已知上面描述的評(píng)估相比是原來(lái)的小例如300的因數(shù)。一般而言，這些方法相差大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。以這種方式，同樣不可避免地導(dǎo)致較高的測(cè)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(cè)量技術(shù)的要求。
[0045]仍然待更詳細(xì)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(diǎn)進(jìn)行區(qū)分:
[0046]*高測(cè)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(zhǎng)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(píng)估(全波形)的多目標(biāo)能力和增加的測(cè)量精確度。
[0054]本發(fā)明的方法的有利實(shí)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(jìn)一步發(fā)展提供了用于提供料位測(cè)量值的時(shí)間間隔被選擇使得，一方面，滿足對(duì)于用于在液體介質(zhì)的情況下在料位測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用的基于激光的技術(shù)的測(cè)量精確度的要求，并且另一方面，滿足對(duì)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(shí)間間隔內(nèi)提供測(cè)量循環(huán)的料位測(cè)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(duì)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(shí)施例提供了根據(jù)所期望的分辨率或測(cè)量精確度，記錄了多個(gè)子回波曲線，其中單獨(dú)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(duì)于彼此各自偏移了定義的時(shí)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(shí)，在差頻的循環(huán)之后終止測(cè)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(gè)值對(duì)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(shí)，測(cè)量開始-測(cè)量循環(huán)啟動(dòng)。激光以12kHz的激光脈沖速率被計(jì)時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)采樣點(diǎn)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(chǔ)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(gè)子回波曲線之后，存儲(chǔ)器完成并且能夠作為總回波曲線被讀出。
[0063]該目的相對(duì)于用于使用行進(jìn)時(shí)間方法來(lái)確定容器中的填充物質(zhì)的料位的基于激光的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，該設(shè)備包括下列的特征:提供了信號(hào)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(duì)在填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進(jìn)行采樣，使得每激光脈沖多個(gè)采樣值被記錄并且在每種情況下存儲(chǔ)為子回波曲線，并且特別地，而且，提供了評(píng)估單元，其將在測(cè)量循環(huán)之后所存儲(chǔ)的子回波曲線與總回波曲線組合并且基于總回波曲線來(lái)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(cè)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(dòng)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(huì)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(shí)施例提供了采樣電路是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器并且評(píng)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(gè)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(cè)量的情況下的要求大于在固體測(cè)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(duì)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(shuō)明】
[0068]現(xiàn)在將基于附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明，附圖的圖示出如下:
[0069]圖1是高頻信號(hào)到低頻范圍的已知變換的示意表示，
[0070]圖2是圖示實(shí)時(shí)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(gè)編號(hào)的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長(zhǎng)度大了預(yù)定時(shí)間間隔，
[0074]b)其中采樣頻率的周期的整個(gè)編號(hào)的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長(zhǎng)度小了預(yù)定時(shí)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(cè)量信號(hào)所行進(jìn)的路徑如何被確定的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0077]圖1示出了高頻信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)料位測(cè)量技術(shù)中所需要的高測(cè)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(dá)測(cè)量技術(shù)中利用了為了確定回波曲線應(yīng)用多個(gè)周期性地非常迅速?gòu)?fù)現(xiàn)的傳輸脈沖的方法。使用順序采樣方法，非常快速的信號(hào)被變換成可評(píng)估的時(shí)間擴(kuò)展信號(hào)。能夠利用較慢的且顯著更便宜的組件隨后對(duì)時(shí)間擴(kuò)展信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化和評(píng)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(hào)周期Tl。順序采樣導(dǎo)致原始傳輸脈沖的時(shí)間擴(kuò)展映射的輸出。Endress+Hauser的雷達(dá)料位測(cè)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(shí)時(shí)采樣的功能原理的框圖。信號(hào)產(chǎn)生單元I產(chǎn)生具有基頻f的信號(hào)，所述信號(hào)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(hào)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(shí)，AD轉(zhuǎn)換器4經(jīng)由倍頻器7而啟動(dòng)。在發(fā)送傳輸脈沖時(shí)，關(guān)于起始信號(hào)或零參考信號(hào)的信息被給予微處理器5。對(duì)于從激光脈沖的出現(xiàn)點(diǎn)直到被測(cè)對(duì)象的確切距離測(cè)量，零參考信號(hào)的接收與從被測(cè)對(duì)象反射的信號(hào)的接收之間的持續(xù)時(shí)間被測(cè)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(jìn)時(shí)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(jì)的快速AD轉(zhuǎn)換器，其對(duì)激光脈沖實(shí)時(shí)地進(jìn)行采樣。采樣頻率比由信號(hào)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(gè)單一值。評(píng)估單元5(這里為微處理器)基于實(shí)時(shí)地采樣的激光脈沖來(lái)生成回波曲線EK，并且基于該回波曲線EK來(lái)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(hào)產(chǎn)生單元I產(chǎn)生具有基頻f的信號(hào)。具有基頻f的這些信號(hào)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(hào)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(shí)現(xiàn)的測(cè)量精確度在其表面在運(yùn)動(dòng)中的液體填充物質(zhì)的情況下允許料位測(cè)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(shí)，微處理器5接收起始信號(hào)，以用于開始測(cè)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(jìn)時(shí)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(hào)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(shí)，測(cè)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(cè)量精確度，記錄了多個(gè)子回波曲線SEKx，其中，單獨(dú)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(duì)于彼此各自偏移了定義的時(shí)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(chǔ)器的最佳使用。附加地，簡(jiǎn)化了評(píng)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(shí)間順序子回波曲線SEK1、SEK2、SEK3、...的示意表示。從在時(shí)間上緊跟的并且相對(duì)于彼此偏移了定義的時(shí)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(gè)編號(hào)的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長(zhǎng)度大了預(yù)定時(shí)間間隔。這個(gè)情況在圖4a中被示出。
[0086]圖4b示出采樣頻率的周期的整個(gè)編號(hào)的數(shù)目比傳輸重復(fù)頻率的周期長(zhǎng)度小了預(yù)定時(shí)間間隔的情況。時(shí)間間隔被選擇使得期望的采樣分辨率得以實(shí)現(xiàn)，其中時(shí)間間隔小于采樣頻率fs的周期長(zhǎng)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(cè)量信號(hào)所行進(jìn)的路徑S-E如何被確定。標(biāo)繪在回波曲線EK上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于通過采樣所獲得的信號(hào)值。在起始點(diǎn)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(diǎn)E附近的較大峰值對(duì)應(yīng)于在填充物質(zhì)的表面上反射的信號(hào)。在起始信號(hào)S與接收到的信號(hào)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(jìn)時(shí)間方法來(lái)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(duì)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(gè)編號(hào)的數(shù)目是大于或小于所述傳輸重復(fù)頻率(fMJ的周期長(zhǎng)度的預(yù)定時(shí)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(shí)間間隔(Td)被選擇使得它對(duì)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(zhǎng)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(duì)在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進(jìn)行采樣，使得對(duì)于每一激光脈沖多個(gè)采樣值被記錄并且在每種情況下被存儲(chǔ)為子回波曲線(SEK)， 其中，所存儲(chǔ)的子回波曲線(SEK)在測(cè)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(lái)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(gè)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(lái)實(shí)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(gè)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(lái)實(shí)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(cè)量值的所述時(shí)間間隔被選擇使得，一方面，滿足對(duì)于用于在料位測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用的基于激光的技術(shù)的測(cè)量精確度的要求，并且另一方面，滿足對(duì)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(shí)間間隔提供測(cè)量循環(huán)的料位測(cè)量值。
8.如前述權(quán)利要求中的一項(xiàng)或多項(xiàng)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(duì)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(cè)量精確度，記錄了多個(gè)子回波曲線(SEKx)，其中，單獨(dú)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(duì)于彼此各自偏移了定義的時(shí)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(shí)，在所述差頻(fdiff)的循環(huán)之后終止測(cè)量循環(huán)。
12.—種用于使用行進(jìn)時(shí)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(hào)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(duì)在所述填充物質(zhì)的表面上反射的激光脈沖進(jìn)行采樣，使得對(duì)于每一激光脈沖多個(gè)采樣值被記錄并且在每種情況下被存儲(chǔ)為子回波曲線(SEK)，以及 評(píng)估單元(5)，其在測(cè)量循環(huán)之后將所存儲(chǔ)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(lái)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(píng)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(xiàng)或多項(xiàng)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(hào)】G01C3/00GK104471358SQ201380036697
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)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(fèi)爾伯克, 哈特穆特·達(dá)姆, 姜明政 申請(qǐng)人:恩德萊斯和豪瑟爾兩合公司
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