料位和拓撲的確定的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于料位測量裝置的天線設備，所述天線設備包括天線單元，所述天線單元是以可旋轉的方式安裝的且包括由多個輻射器元件構成的陣列。所述多個輻射器元件布置在與所述天線單元的旋轉軸構成不等于90度的角度α的平面中。由此，能夠增加測量范圍。
【專利說明】
料位和拓撲的確定
技術領域
[0001]本發明涉及料位(fill level)和填充材料(filling material)表面的拓撲 (topology)的確定。特別地，本發明涉及用于料位測量裝置的天線設備、包括該類型的天線設備的料位測量裝置、該類型的天線設備的用于確定移動液體的黏性的用途、該類型的天線設備的用于確定傳送帶上的散裝材料的質量流速(mass flow rate)的用途以及用于確定填充材料表面的拓撲的方法。【背景技術】
[0002]在對象監測領域中使用的料位測量裝置或其它測量裝置發射至少部分地被填充材料表面或相應的對象反射的電磁波或聲波。接著，測量裝置的天線單元可以獲得被至少部分地反射的傳輸信號，并且通過與所述天線單元連接的電子系統來評估傳輸信號。
[0003]通過掃描表面，能夠分別確定填充材料表面或(多個)對象的拓撲。在料位測量領域中，“拓撲”應被理解為填充材料的表面的形狀。在上下文中，也可以使用術語“構形 (topography)’’。
[0004]通常，這種用于確定拓撲的測量裝置在生產和操作的方面是復雜的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種能夠減少技術性努力的用于確定填充材料表面的拓撲的裝置和方法。
[0006]上述目的通過獨立權利要求的特征來實現。從屬權利要求以及以下說明提供本發明的延伸實施。
[0007]本發明的第一方面涉及一種用于料位測量裝置的天線設備。天線設備包括天線單元和驅動單元。天線單元用于朝向填充材料表面或填充材料發射測量信號并接收被填充材料表面反射的測量信號。驅動單元用于使天線單元圍繞旋轉軸旋轉。天線單元包括用于發射或接收測量信號的陣列，該陣列包括多個輻射器元件，所述多個輻射器元件布置在與驅動單元的旋轉軸構成不等于90度的角度a的平面中。
[0008] 例如，所述角度a處于30度和60度之間，且例如為45度。
[0009]由此，能夠增加天線的測量范圍。如果天線設備安裝在包含填充材料的容器中或容器上，則旋轉軸可以例如是垂直旋轉軸。
[0010]例如，輻射器元件是基本上二維的平面貼片。[〇〇11]然而，所有的元件也可以設置成具有不同配置的輻射器形式。
[0012]根據本發明的實施例，陣列是具有單獨一個行的輻射器元件的一維陣列。該行在天線單元的縱向方向上延伸。天線單元在其縱向方向上是細長形的，因而其縱向延伸大于橫向延伸。
[0013]根據本發明的另一實施例，陣列是具有彼此平行布置的多個行和以垂直于行的方式布置的多個列的二維陣列，每個列由多個單獨的輻射器元件構成。陣列的多個行在天線單元的縱向方向上延伸，且陣列的多個列在天線單元的橫向方向上延伸。陣列的每個列的輻射器元件能夠導通地互連。
[0014]于是，以類似于在使用電介質透鏡或拋物面形槽時的方式，部分地使測量信號在一個維度上聚焦。因而，在橫向方向上硬接線的二維陣列使測量信號在橫向方向上聚焦。
[0015]當然，可以使用用于使測量信號部分地聚焦的額外裝置。此外，可以組合多個這種類型的用于橫向方向上的部分聚焦的結構。
[0016]根據本發明的另一實施例，天線設備包括細長形聚焦結構，所述聚焦結構用于使由天線單元發射的測量信號聚焦。
[0017]細長形聚焦結構具有在陣列的縱向方向(以下將其稱為Ya方向)上延伸的縱向方向。聚焦結構同樣具有在陣列的橫向方向(以下將其稱為Xa方向)上延伸的橫向方向。細長形聚焦結構的縱向延伸可大于其橫向延伸。
[0018]根據本發明的實施例，聚焦結構包括電介質圓柱形透鏡，所述電介質圓柱形透鏡的縱軸平行于天線單元的縱向方向。根據本發明的另一個實施例，聚焦結構包括作為主反射器的拋物面形槽及以與拋物面形槽間隔開的方式布置的逆向反射器(例如，雙曲面形槽)，用于朝向逆向反射器發射測量信號的陣列布置在拋物面形槽的表面上或者布置成接近拋物面形槽的表面。
[0019]通過使用細長形聚焦結構，能夠使由陣列發射的測量信號在一個維度(具體為天線結構的橫向方向)上聚焦。因此，聚焦結構有助于使測量信號在橫向方向上聚焦。可以提供如下方案:聚焦結構并不輔助測量信號在陣列的縱向方向上的聚焦。為此，設置有數字波束成形。
[0020]特別是在陣列被配置成一維陣列時，一維陣列的一個行在天線單元的縱向方向上延伸，且因此在聚焦結構的縱向方向上延伸。
[0021]聚焦結構的聚焦性能非常有利地用于改進測量信號在橫向方向上的聚焦。
[0022]根據本發明的另一個實施例，天線設備包括用于生成測量信號的高頻單元，所述高頻單元被集成在天線單元中。高頻單元可用于在約75至85GHz的頻率范圍中產生并處理高頻信號。高頻單元也可被集成在驅動單元中。
[0023]根據本發明的另一個實施例，天線設備包括電子評估系統，電子評估系統在天線單元通過驅動單元進行旋轉時與天線單元一起旋轉。
[0024]例如，電子評估系統位于天線單元的背面，即位于背對填充材料的側上。
[0025]根據本發明的另一個實施例，電子評估系統被集成在天線單元中，或者被集成在驅動單元中。
[0026]本發明的另一個方面提供了一種包括如上和如下所述的天線設備的料位測量裝置。其例如是料位雷達。
[0027]本發明的另一個方面提供了一種用于記錄拓撲的料位測量裝置，所述料位測量裝置專有地經由雙導體連接來獲取其所需的能量，且所述雙導體連接被配置成用于通信，特別地用于發射拓撲測量值或根據拓撲測量值獲得的測量值(例如，容器中的質量)。料位測量裝置例如包括能量供應接口以及用于將料位測量裝置連接到雙線線路的通信接口，由此能夠向料位測量裝置供應測量操作所需的能量以及將測量信號傳送到遠程控制單元。
[0028]本發明的另一個方面提供了一種如上和如下所述的天線設備的用于確定移動液體的黏性的用途。
[0029]本發明的另一個方面提供了一種如上和如下所述的天線設備的用于確定傳送帶上的散裝材料的質量流速的用途。
[0030]本發明的另一個方面提供了一種用于確定填充材料或散裝材料的表面的拓撲的方法。例如，首先使天線單元圍繞指向填充材料方向的旋轉軸旋轉。同時，通過天線單元朝向填充材料或散裝材料的表面發射測量信號。接著，通過天線單元接收被填充材料或散裝材料的表面反射的測量信號，并且根據所接收的測量信號來計算填充材料或散裝材料的表面的拓撲。天線單元包括由多個輻射器元件組成的陣列，所述多個輻射器元件布置在與天線單元的旋轉軸構成不等于90度的角度a的平面中。
[0031]例如，陣列是一維陣列，即多個輻射器元件的線性的串聯結構。也可以提供二維陣列，所述二維陣列的每個列中的輻射器元件導通地互連。
[0032]下面將參照附圖對本發明的實施例進行說明。【附圖說明】
[0033]圖1示出用于記錄填充材料表面的拓撲的測量裝置。
[0034]圖2示出用于記錄填充材料表面的拓撲的另一測量裝置。
[0035]圖3示出根據本發明的實施例的包括天線設備的測量裝置。[〇〇36]圖4示出根據本發明的實施例的天線單元。
[0037]圖5示出根據本發明的另一實施例的天線單元。[〇〇38]圖6示出根據本發明的另一實施例的天線單元。[〇〇39]圖7示出根據本發明的另一實施例的天線單元。
[0040]圖8示出根據本發明的實施例的用于確定傳送帶上的散裝材料的質量流速的測量裝置。[0041 ]圖9示出根據本發明的實施例的方法的流程圖。【具體實施方式】
[0042]附圖中的圖示是示意性的且不是等比例的。
[0043]在附圖的以下說明中，當在不同附圖中使用相同參考標記時，這些參考標記表示相同或相似元件。然而，也可以使用不同參考標記來表示相同或類似元件。
[0044]本發明適用于料位測量裝置領域，但也能夠適用于且期望用于對象監測或質量流速記錄領域。對填充材料表面的拓撲的記錄可以特別有利地適于測量散裝材料以及測量封閉容器內部或外部的最終的靜止角和/或移除料斗。然而，其也能夠記錄移動液體的拓撲。 拓撲例如在使用攪拌器并由此在液體表面上產生流動圖案(漩渦(tornado))時以值得關注的方式出現，且還可以通過該拓撲(必要時考慮攪拌器的速度)推導出其它的感興趣變量， 例如，填充材料的粘度或混合度。
[0045]圖1示出料位測量裝置101，該料位測量裝置通過向填充材料表面103發射信號102 來記錄容器104中的反射特性的圖像。料位測量裝置或該裝置的至少發送和/或接收單元 105能夠通過具有相應配置的機械調節裝置106來改變發送和/或接收單元105的主輻射方向107,從而可以測量容器中的介質的整個表面103,以作為測量周期的一部分。為此，例如，可以使該裝置在X方向108和Y方向109這兩個方向上樞轉。
[0046]料位測量裝置根據在X方向和Y方向上記錄的多個回波曲線來確定拓撲，即確定填充材料表面103的高度輪廓曲線，以作為特定位置的函數，例如，該特定位置可以由笛卡爾坐標X和Y明確地定義。
[0047]圖2示出可以改變測量裝置的主輻射方向的另一方案。與圖1的結構相反，測量裝置201包括多個發送和/或接收元件202,這些發送和/或接收元件可以實施在單個天線203 內，或可以分布在多個不同天線上。這種類型的天線設備可以被稱為天線陣列，并且可以用于數字波束成形(digital beam shaping)。[〇〇48]通過有針對性地改變多個獨立元件202的驅動信號，并且/或者通過數字地計算由這些獨立元件記錄的回波曲線，料位測量裝置201改變主輻射方向205，206，207，以確定填充材料表面204的拓撲。
[0049]在根據圖1的純機械解決方案中，需要非常復雜的機械結構106來執行X和Y方向上的機械偏轉。這種類型的系統對許多測量點(例如，90 X 360測量點，各點具有lms的測量時間，即，每個測量周期超過30秒)進行記錄，以在X和Y方向上實現高的橫向分辨率。
[0050]而且，這種類型的系統具有由于為實現低的測量周期次數而需要的高的旋轉速度，并因而具有高的機械磨損。
[0051]在根據圖2的用于改變主輻射方向的純電子解決方案中，需要分別實施nXm個獨立發送和/或接收信道。參數n和m是指在特定維度上的獨立發射元件202的數量。電子組件的最終復雜性導致這類裝置的高生產成本，從而使它們在多種應用中的使用在經濟方面變得不可行。
[0052]另外，當以電子方式改變主輻射方向時，在非常大的偏轉角度(例如，相對于垂線大于45°)的情況下，存在的問題在于最終的天線波瓣的寬度顯著地增加。在原理上，使用這種類型的系統無法實現在相對于垂線的高達90°的范圍內的偏轉。
[0053]本發明的基本概念包括將上述方法和裝置的特定有利的構成要素進行組合。圖3 示出本發明的第一實施例。測量裝置301包括驅動單元302、處理連接部(process coupling) 303、驅動軸304和至少一個天線單元305。[〇〇54]在圖3的實施例中，料位測量裝置的整個上部區域302被表示為驅動單元302。電子評估系統313集成在驅動單元中，并連接至天線陣列，使得可以將由天線陣列接收的測量信號傳輸至電子評估系統313。參考標記312表示可用于供應能量和交換數據的連接線纜。
[0055]除電子評估系統之外，料位測量裝置的其它電子系統也可以集成在驅動單元302 中。[〇〇56] 替代地，驅動單元302、驅動軸304和天線單元305可形成與料位測量裝置的實際主體連接的模塊化單元。[〇〇57]天線單元305朝向待測量的填充材料表面307發射由高頻單元314產生的信號306。 在這種情況下，高頻單元314可集成在天線305的殼體內部。替代地，高頻單元也可設置在驅動單元302的區域中。在圖3的實施例中，高頻單元布置在天線單元305的后部。[〇〇58]天線單元305通過驅動軸304以可旋轉的方式安裝，并與驅動軸構成不等于90°的角度a。已經證明了允許對來自容器308的大部分的信號進行記錄的45°角度是特別有利的。 [〇〇59]如果通過數字波束成形來記錄±45°的角度范圍，則因此能夠結合天線的旋轉來測量包含散裝材料的整個半空間。然而，也能夠采用〈45°角度，以避免例如數字波束成形中的含混性，或者提尚分辨率。
[0060]沿著天線305(Ya方向)設置有多個發送和/或接收元件。這些元件中的每者能夠處理來自沿延伸Ya的大角度范圍(例如，天線的主方向周圍的±45°的范圍)的信號，而沿延伸 Xa的多個獨立元件也可具有清晰的發送/接收特性。可以將由這些元件獨立地接收的信號與已知的數字波束成形算法一起使用，以在預定角度范圍內改變天線單元305的主輻射/接收方向309。如果在這種情況下選擇相對于垂直主輻射方向309的± 45°的角度范圍，則在考慮到同時發生的旋轉310時，可通過測量來記錄容器308中的填充介質311的表面307的每個點。
[0061]該結構有利地組合了機械地(在這種情況下為旋轉)改變主輻射方向的優點與電子掃描的優點。這樣，可以實現非常快速的測量速率(例如小于10秒)，同時可以實現簡單的機械結構(低轉速，通常為約eOmirT1)和(例如由于天線陣列的一維結構)極大地簡化的電子系統復雜性。數量為m〈 = 20的元件通常足以實現一維陣列行。[〇〇62]圖4-7示出天線單元的可能實施例。[〇〇63]圖4示出天線單元305的可能實施例的細節。例如，天線可包括具有m個獨立元件的一維天線陣列401。這些獨立元件可由具有相應配置的印刷電路板貼片來實施，或者由合適的波導端(waveguide end)或任何其它已知的發射裝置來實施。
[0064]在第一實施例中，中心獨立元件402可用于在盡可能大的角度范圍內朝向填充材料表面307均勻地發射高頻能量。由填充材料表面反射的信號被天線陣列401的每個元件接收，并分別地被饋送到例如被容納在驅動單元中的數字評估單元。使用數字波束成形算法， 評估單元能夠通過組合這些信號(特別地，相對于天線單元的垂直方向309成±45°的角度內的信號)來改變天線的主輻射方向和/或主接收方向。
[0065]同時，在此方面變得明顯的是，通過將傳統的二維陣列結構203降低成單個維度 401，能夠顯著地減小用于實施不同的發送和/或接收信道所需的努力。[〇〇66]傳統的陣列結構203包括用于每個獨立陣列元件的通常復雜的電子評估系統電路。因此，上述實施所需的努力從nXm個這種類型的并聯電路降低為僅與m個接收元件對應的m個獨立電路。[〇〇67] 一維陣列天線402可通過使用用于數字波束成形的后續信號處理步驟來實現所得天線特性在Ya延伸403的方向上的非常有效的聚焦。該方向是與天線陣列的主軸/縱軸平行的方向。在Xa延伸404的方向上(在這種情況下，在天線陣列的平面中，該方向與天線陣列的主軸/縱軸垂直)的聚焦(其以與旋轉310相結合的方式在徑向上精確地發揮作用)對于某些用途來說可能是不充分的。
[0068]對于這種性能的進一步改進，存在幾種有利的方法。在一方面，能夠保留根據圖4 的使用天線的實施例。如果在后續信號處理期間在由特定陣列元件記錄的測量信號中評估由天線的旋轉引起的多普勒頻移，則可以顯著地改善橫向方向(徑向方向(Xa延伸))上的聚焦。在這種情況下使用的算法可以使用SAR(合成孔徑雷達)原理和R0SAR(基于旋轉天線的旋轉式合成孔徑雷達)原理。
[0069]另一個可能方案包括在天線結構在Xa軸的方向上的機械延伸的擴展中使用貼片天線。圖5示出相應的示例。通過額外貼片501在Xa軸404的方向上加寬原始一維天線陣列401。為了使相關的電子驅動系統的復雜性保持不變，將額外貼片以與目前使用的貼片402 間隔有定義間隔的方式進行安裝，并且通過金屬連接條502將它們剛性地連接至貼片。
[0070]與已知的二維天線陣列203相反，原始一維陣列的延伸通過剛性金屬連接條502而加寬，而不需要用于額外高頻評估電路的額外部件。
[0071]另外，還能夠通過使用電介質圓柱形透鏡沿XA方向進行聚焦。圖6示出至此說明的一維天線陣列401，該一維天線陣列包括安裝至其上方的圓柱形透鏡601。[〇〇72]圖6示出的圓柱形透鏡包括基底603,輻射器元件401安裝至該基底。圓柱形外殼的彎曲表面602跨越在基底上方。例如，一維陣列401布置在圓柱形透鏡的焦點處。
[0073]特別有利的另一個實施例將拋物面形槽作為主反射器與一維卡塞格倫 (Cassegrain)天線結構結合地使用。圖7示出了對應的示例。通過結合具有相應設計的逆向反射器701(例如雙曲面形槽)和拋物面形槽702, 一維天線陣列401沿Xa軸404的方向高度地聚焦，從而使所示的結構與根據本發明的測量裝置301的結合使用是特別有利的。[〇〇74]在圖7的實施例中，一維天線陣列401位于拋物面形槽702的彎曲反射表面上，并朝向逆向反射器701 (例如，雙曲面形槽)輻射。所發射的測量信號703首先被逆向反射器朝向拋物面形槽702的彎曲表面反射，并然后被拋物面形槽702的彎曲表面朝向填充材料表面聚焦。[〇〇75]另外，也能夠使用未在此說明的聚焦裝置來在Xa方向上進行聚焦，并將這些聚焦裝置與機械旋轉組合。[〇〇76]圖8示出在其上運輸散裝材料802的傳送帶801。散裝材料形成不均勻表面803,可以使用測量裝置301來測量該不均勻表面。例如，測量裝置301可以是料位測量裝置(例如， 料位雷達裝置)，除計算散裝材料表面的構形之外，測量裝置還可計算并輸出填充材料的料位。
[0077]圖9示出了根據本發明的實施例的方法的流程圖。在步驟901中，使天線單元連續地或分階段地圍繞旋轉軸(例如垂直旋轉軸)旋轉。在步驟902中，天線單元朝向填充材料表面發射測量信號，所述測量信號在Ya方向上是寬的。在步驟903中，通過天線單元的多個獨立元件接收被填充材料表面反射的測量信號。在步驟904中，通過使用已知的數字波束成形算法的數字波束成形根據天線單元在待測量的角度范圍內的各種主接收方向來計算回波曲線。
[0078]然后，方法返回步驟902以及其后的步驟903,且隨后通過電子波束操控在Ya方向上的待測量的角度范圍上反復地進行數字掃描(步驟904)。現在，可以根據需要的次數執行步驟902-904,直至記錄了完整的數據集合(每轉多個測量點)。[〇〇79]最后，在步驟905中，通過在步驟901中掃描的角度范圍內的數字波束成形，根據由天線單元獲得的測量信號來計算填充材料表面的拓撲和/或料位。
[0080]因此，本發明提供了一種線性地聚集通過旋轉而在填充介質整個表面被引導的雷達信號的裝置和方法。可以根據由所述聚焦處理記錄的回波曲線來確定容器內的介質的拓撲。特別地，可以提供如下方案:大體上一維地發射的一維陣列(其允許通過數字波束成形沿第一軸記錄回波曲線)與圍繞第二軸的旋轉進行組合，從而能夠根據二維場記錄或計算回波曲線。這兩個軸通常彼此垂直。
[0081]因此，通過組合所述結構和一維天線陣列，本發明降低了機械工作量和旋轉天線結構上的機械應力，且除了該解決方案的成本效益外，這還可以優化用于記錄回波曲線的時間的長度。
[0082]應該指出的是，“包括”和“具有”不排除其它元件或步驟的可能性，而“一”和“一個”并不排除多個的可能性。還應當指出的是，參照上述實施例之一說明的特征或步驟也能夠與其它上述實施例的其它特征或步驟組合地使用。權利要求中的參考標記不應被解釋為具有限制性。
【主權項】
1.一種用于料位測量裝置(301)的天線設備，所述天線設備包括:天線單元(305)，其用于朝向填充材料表面發射測量信號，并用于接收被所述填充材料 表面反射的所述測量信號；驅動單元(302)，其用于使所述天線單元圍繞旋轉軸(311)旋轉，其中，所述天線單元包括陣列，所述陣列用于發射并接收所述測量信號，其中，所述陣列包括多個輻射器元件(401)，所述多個輻射器元件布置在與所述旋轉軸 構成不等于90度的角度a的平面中。2.根據權利要求1所述的天線設備，其中，所述角度a為45度。3.根據前述權利要求中任一項所述的天線設備，其中，所述陣列是具有單獨一行的所述輻射器元件(401)的一維陣列，所述一行在所述 天線單元(305)的縱向方向上延伸。4.如前述權利要求中任一項所述的天線設備，其中，所述陣列是具有彼此平行布置的多行和以垂直于所述行的方式布置的多列的所 述輻射元件(401)的二維陣列，其中，所述行在所述天線單元(305)的縱向方向上延伸，且所述列在所述天線單元 (305)的橫向方向上延伸，其中，所述陣列的每列的所述輻射器元件導通地互連。5.如前述權利要求中任一項所述的天線設備，其還包括:細長形聚焦結構(601，701，702)，其用于使由所述天線單元(305)發射和/或接收的所 述測量信號聚焦。6.如權利要求5所述的天線設備，其中，所述聚焦結構(601，701，702)包括電介質圓柱形透鏡(601)，所述電介質圓柱形 透鏡的縱軸平行于所述天線單元(305)的縱向方向。7.根據權利要求5所述的天線設備，其中，所述聚焦結構(601，701，702)包括作為主反射器的拋物面形槽(702)以及以與所 述拋物面形槽間隔開的方式布置的逆向反射器(701)，其中，用于朝向所述逆向反射器發射所述測量信號的所述陣列布置在所述拋物面形槽 的表面上或者布置成接近所述拋物面形槽的表面。8.根據前述權利要求中任一項所述的天線設備，其還包括:高頻單元，其用于生成所述測量信號，其中，所述高頻單元被集成在所述天線單元 (3〇5)中。9.根據前述權利要求中任一項所述的天線設備，其還包括:電子評估系統，其在所述天線單元(305)通過所述驅動單元(302)進行旋轉時與所述天線單元一起旋轉。10.根據權利要求9所述的天線設備，其中，所述電子評估系統被集成在所述天線單元(305)中或所述驅動單元(302)中。11.一種料位測量裝置(301)，其包括根據權利要求1-10中任一項所述的天線設備。12.—種根據權利要求1-10中任一項所述的天線設備的用于確定移動液體的黏性的用途。13.—種根據權利要求1-10中任一項所述的天線設備的用于確定傳送帶上的散裝材料 的質量流速的用途。14.一種用于確定填充材料或散裝材料的表面(103)的拓撲的方法，所述方法包括以下步驟:使天線單元(305)圍繞旋轉軸(311)旋轉；通過所述天線單元朝向所述填充材料或散裝材料的所述表面發射測量信號和/或從所 述填充材料或散裝材料的所述表面接收所述測量信號；接收由所述填充材料或散裝材料的所述表面反射的測量信號；根據所接收的所述測量信號來計算所述表面的拓撲，其中，所述天線單元包括由多個輻射器元件(401)組成的陣列，所述多個輻射器元件布 置在與所述旋轉軸構成不等于90度的角度a的平面中。15.根據權利要求14所述的方法，其還包括以下步驟:通過細長形聚焦結構(601，701，702)使由所述天線單元(305)發射和/或接收的所述測量信號聚焦。
【文檔編號】H01Q1/22GK105980818SQ201480074907
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年2月11日
【發明人】羅蘭·韋勒, 萊溫·迪特爾勒
【申請人】Vega格里沙貝兩合公司