分層介質(zhì)的物位測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種分層介質(zhì)的物位測量方法。其中提供了一種測量容器（12）內(nèi)的物位的方法，所述容器具有第一介質(zhì)（14）和至少一種在該第一介質(zhì)上所覆蓋的第二介質(zhì)（16），特別是泡沫層，執(zhí)行該方法時會發(fā)射電磁信號，特別是沿布置在容器（12）內(nèi)的探針（28）發(fā)射電磁信號，并且記錄容器（12）內(nèi)反射的信號的信號曲線（S），其中借助信號曲線（S）確定到第一介質(zhì)（14）和/或到第二介質(zhì)（16）的分界面（18、20）的信號渡越時間（t），并由信號渡越時間（t）確定第一介質(zhì)（14）的物位和/或確定第二介質(zhì)（16）的物位。在這種情況下，根據(jù)自基準(zhǔn)位置（t0）開始積分后所得信號曲線（S）來識別分界面（18、20）。
【專利說明】分層介質(zhì)的物位測量方法
[0001]本發(fā)明涉及一種容器內(nèi)的物位測量的方法，所述容器具有第一介質(zhì)和至少一種覆于其上的第二介質(zhì)，特別是泡沫層，如專利權(quán)利要求1的前序部分所述，還涉及為此方法構(gòu)建的傳感器。
[0002]已知的測量物位的方法是基于，將電磁信號發(fā)射到具有待測物位的容器內(nèi)并對反射后的信號進(jìn)行分析?？赡艿氖牵上裨诶走_(dá)一樣自由輻射信號。由于波的傳播不能控制，所以通常優(yōu)選時域反射計量法(TDR)。該時域反射計量法是以確定電磁信號的渡越時間為基礎(chǔ)，以便計算傳輸線波阻抗的不連續(xù)性的距離。不同于雷達(dá)的是，電磁波不能輻射到外部，而是沿導(dǎo)體傳輸。導(dǎo)體被設(shè)計成單探針或同軸探針，將其垂直或斜向插入罐中且盡量接近底部，用以覆蓋整個測量范圍。
[0003]在TDR測量時會有很短的電發(fā)射脈沖饋入到導(dǎo)體中并在相反端的方向上穿過導(dǎo)體。當(dāng)脈沖遇到干擾點(其相當(dāng)于改變這個位置的波阻抗)時，一部分發(fā)射能量被反射回傳輸線的發(fā)送端。由發(fā)射脈沖的發(fā)射與反射的接收之間的渡越時間可準(zhǔn)確計算出干擾點的位置。干擾點的一個重要范例就是分界面，它將具有不同物理性質(zhì)或化學(xué)性質(zhì)的兩個空間區(qū)域分隔開，如兩種介質(zhì)之間的分界面。
[0004]為了能準(zhǔn)確地確定接收時間，要對接收信號的曲線進(jìn)行采樣并進(jìn)行數(shù)字估算。在這種情況下，例如要找到信號曲線中的局部極值點并將其時間位置與在分界面上的反射相關(guān)聯(lián)。
[0005]困難之處在于，存在多個分界面的情況，例如容器內(nèi)有多種介質(zhì)時就是這種情況。在這種情況下，介質(zhì)可以是水，其積聚在油箱底部。一種重要的情形是在液體表面處形成泡沫。人們經(jīng)常想要確定此處實際介質(zhì)的物位。在泡沫的分界面處的反射也可能與該介質(zhì)的測量脈沖混淆或者甚至與該測量脈沖合并在一起，致使根本得不到有意義的測量結(jié)果。因此，專為識別單個反射信號所設(shè)計的傳統(tǒng)的分析算法不能處理這種測量情況。
[0006]因此，就連將傳統(tǒng)的分析算法通過多分界面的多回波分辨率進(jìn)行擴(kuò)展也會受到實踐中經(jīng)常都不具備的前提條件的阻礙，這種條件就是分離層必須具有一定的距離，以便使分離層中產(chǎn)生的脈沖在回波信號中彼此有足夠的間距。更難的是，當(dāng)介質(zhì)的各層不均勻的情況。例如介質(zhì)為泡沫時，其密度和相對介電常數(shù)根據(jù)未知的、通常為單調(diào)的函數(shù)上升，從而使得回波信號中產(chǎn)生眾多彼此重疊的小脈沖。
[0007]—種可能的解決辦法可能是，增加發(fā)射脈沖的帶寬。由此分離由于分界層彼此離的太近而產(chǎn)生的回波脈沖。但與此同時對電子設(shè)計(如采樣率以及隨后的信號采集)的要求也變得更加嚴(yán)格了。為此在IOGHz以上的高頻率時，單探針中的衰減會由于集膚效應(yīng)而大大增加，從而使得信噪比可能變得不足。無論如何增加帶寬均無法解決以下問題，即將在泡沫和介質(zhì)上產(chǎn)生的回波區(qū)分開來并從而確定，讀取的既非泡沫物位又非介質(zhì)物位，而是介質(zhì)的假物位，或者最壞的情況就是根本讀不出測量值。
[0008]另一種解決方法可能是，使用同軸探針來代替單探針。由此能夠相對于泡沫改善阻抗，這是因為回波主要是由于同軸管內(nèi)的場空間中的變化所引起的。通過將同軸管有利地設(shè)計成只有小的開口使得有可能減少進(jìn)入管內(nèi)的泡沫。但與單探針相比，其應(yīng)用范圍會受到限制，這是因為一部分待測介質(zhì)可能沉積在同軸管內(nèi)。這會影響傳感器的可用性。從衛(wèi)生要求方面看，這種使用根本行不通。此外用這種方式就連泡沫的物位也無法確定。
[0009]從一開始就通過添加化學(xué)藥劑或通過使用具有優(yōu)化工藝參數(shù)的設(shè)備來減少泡沫的形成這種方法，在大多數(shù)的應(yīng)用過程中無法實現(xiàn)。化學(xué)藥劑影響工藝介質(zhì)并且在食品行業(yè)不管怎樣大多是不可設(shè)想的。通過優(yōu)化工藝參數(shù)來緩解這一問題，但恰好在啟動時的工作階段以這種方式不足以抑制泡沫的形成。
[0010]EP2365302A1描述了一種方法，以這種方法第一次借助在探針到容器的過渡區(qū)域處的過渡脈沖和分界面上的回波來確定到分界面的距離和界面生成介質(zhì)的相對介電常數(shù)，并且二次借助探針末端的工件脈沖來確定。如果這些測量彼此不一致，則推斷出存在其他分界面并將該方法迭代地應(yīng)用到其它分界面上，直到測量出所有的物位。這就需要兩個參考脈沖的詳細(xì)信息，即最初的過渡脈沖和探針末端的工件脈沖的信息。為了使此處足夠精確，對電子設(shè)備提出了高要求，這會導(dǎo)致相應(yīng)的制造成本。即使是這樣也不能從單探針(與同軸探針不同，其會受到的干擾影響非常多)的過渡脈沖足夠準(zhǔn)確地推斷出發(fā)射能量的被傳輸?shù)谋壤?。另外探針末端的工件脈沖由于在不同介質(zhì)中傳播所以一開始就以完全無法定義的方式延遲和衰減，并因此在許多測量情況下不能作為可靠的參考依據(jù)來使用。此外，在物位低時，工件脈沖也可能與測量脈沖重疊，甚至致使參考失真。
[0011]DE10051151A1介紹了一種TDR方法，其用以確定第一種液體的上分界面和下分界面位置，第一種液體漂浮在容器的第二種液體上。然而，該對比文件中未能詳細(xì)解釋，要如何識別這兩個分界面上對應(yīng)的回波并對其加以區(qū)分。另外這里的估算也以工件脈沖為基礎(chǔ)，工件脈沖在DE10051151A1被稱之為基準(zhǔn)返回脈沖。它具有上述的明顯的缺點。
[0012]從US6，724，197B2中已知一種物位傳感器，借助該傳感器可確定兩種分層介質(zhì)中的下層介質(zhì)的物位。但為此需要的探針形狀是特殊且復(fù)雜的。
[0013]US5, 723，979A公開了一種用于測量液體混合物的TDR液位傳感器。其中僅描述了一種探針形式。但估算方法(特別是多個分界面分離的確定)并未描述。
[0014]在US6，445，192B1中，通過TDR傳感器借助信號形狀的上升行為可將兩分界面上的雙脈沖分離。但并沒有解釋，如何用它來測量位于干擾層以下的介質(zhì)的物位。
[0015]從DE10196640T1中已知一種被改進(jìn)的雷達(dá)液位變送器上的閾值調(diào)節(jié)，該變送器是通過使用TDR測試方法來測量存儲容器內(nèi)多種填充材料的物位。其中使用了多個分別與特定材料分界面有關(guān)的閾值，用以獲得不同材料的物位。
[0016]在DE10044888A1中根據(jù)脈沖雷達(dá)的回波曲線的幅度比例來確定重疊的填充物料的介電常數(shù)和層厚。
[0017]隨后公布的DE102012101725借助幅度期望值在TDR物位傳感器的信號曲線中確定第一測量脈沖和第二測量脈沖，其產(chǎn)生于待測介質(zhì)的分界面或其上的干擾層或泡沫層。預(yù)期值主要由介質(zhì)的已知相對介電常數(shù)和空容器上的探針末端產(chǎn)生的工件脈沖的基準(zhǔn)幅度計算得出。
[0018]只要現(xiàn)有技術(shù)中有可能將多種分界面分辨出來，那么所有這些方法都是以此為基礎(chǔ)，即識別分界面上的脈沖。在薄層上(特別是在泡沫上)，泡沫能以極其不同的方式形成且能生成眾多進(jìn)入彼此的脈沖，但各脈沖卻無法識別出來。結(jié)果會導(dǎo)致較大的測量誤差，或者在記錄的信號中眾多的脈沖融合在一起不可分辨，并因此識別不出測量脈沖，甚至傳感器處于錯誤狀態(tài)。所以TDR傳感器通常不能用來測量泡沫。
[0019]因此，本發(fā)明的目的在于，改進(jìn)具有多層的容器內(nèi)的物位測量。
[0020]該目的通過權(quán)利要求1所述容器內(nèi)物位測量的方法(所述容器具有第一介質(zhì)和至少一種覆于其上的第二介質(zhì))，以及通過權(quán)利要求15所述為此方法所構(gòu)建的傳感器來實現(xiàn)。其中本發(fā)明是基于以下構(gòu)思，即不僅要對容器中所反射的信號在以下位置處，即分界面處的信號曲線進(jìn)行計算，而且還要對探針的基準(zhǔn)位置的信號曲線進(jìn)行積分。在這種情況下，產(chǎn)生積分后的信號曲線，該信號曲線本身是對應(yīng)探針位置(積分進(jìn)行至該探針位置)的函數(shù)，或是與探針位置單調(diào)有關(guān)的時間的函數(shù)。可以說在分界面之前反射的信號部分的過程(Historie)也一并考慮在內(nèi)。
[0021]信號曲線優(yōu)選為接收強度的幅值的離散采樣時間序列，其中接收強度是在容器內(nèi)反射的發(fā)射信號(比如微波信號)的接收強度。積分(Aufintegrieren)在這里被理解為構(gòu)成關(guān)于信號曲線直至觀察點處的概括性度量。為此在最簡單的情況下是將離散的采樣值進(jìn)行加和。這相當(dāng)于通過階躍函數(shù)求積分的近似值。但更精確的積分法，如梯形法或龍格-庫塔(Runge-Kutta)法，也是可行的。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點是，使得能夠在有其它介質(zhì)或有像泡沫這樣的干擾層時測量到特定介質(zhì)的表面。這可以通過積分來實現(xiàn)，而完全獨立于實際曲線形狀，且特別是獨立于如何較好地識別信號曲線中的脈沖。信號曲線的各幅值也很少與閾值或類似值進(jìn)行比較，其中所述閥值或類似值對難以控制的邊界條件總是有很強的依賴性。由此測量變得極其穩(wěn)定并且也能有意義地計算信號曲線，其中信號曲線上幾乎見不到脈沖。在這種情況下，待測介質(zhì)上方的層甚至可能是不均勻的，如某些情況中的泡沫一樣，它實質(zhì)上構(gòu)成不同厚度泡沫層間的許多分界面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明使TDR傳感器被實際用來測量泡沫成為可能。
[0023]基準(zhǔn)位置優(yōu)選探針始端。這不是說一定要選用物理探針始端，例如將探針旋入傳感器頭部內(nèi)，而是只需選用所需物位測量范圍的始端即可。在信號曲線中，例如能夠從脈沖來識別基準(zhǔn)位置，在從傳感器頭部到探針的過渡區(qū)域處幾乎不可避免地會產(chǎn)生脈沖。但基準(zhǔn)位置也可以從傳感器的結(jié)構(gòu)特性推導(dǎo)出來或者在出廠時或在操作地進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0024]優(yōu)選地，根據(jù)信號渡越時間間隔來加和信號渡越時間，其中信號渡越時間間隔通過用直至相應(yīng)探針位置積分后的信號曲線進(jìn)行校正來考慮屬于相應(yīng)信號渡越時間間間隔的探針位置上的信號傳播延遲。進(jìn)入第二介質(zhì)的發(fā)射信號由于在其中的相對介電常數(shù)比空氣大而延遲。這在將渡越時間轉(zhuǎn)換成等效信號路徑用以確定到分界面的距離并因此確定物位時應(yīng)得到補償。但介電常數(shù)通常是未知的，或者在泡沫不均勻的極端情況下時介電常數(shù)會隨信號曲線的逐個采樣點發(fā)生變化。因此在此優(yōu)選改進(jìn)方式中要執(zhí)行時間調(diào)整。在各個所觀測的探針位置起作用的介電常數(shù)借助求到那個位置的積分所得的信號曲線來估算，目的在于用這種方式考慮反射到該探針位置的信號部分。
[0025]校正優(yōu)選額外采用取決于容器內(nèi)特定波傳播的環(huán)境常數(shù)。基本上由容器，主要由其幾何形狀確定的探針的特定環(huán)境也會影響信號曲線。單探針更是如此。為了在估計相對介電常數(shù)和時間調(diào)整時不被這些所影響，要確定或定義環(huán)境常數(shù)。時間調(diào)整也至少要考慮兩種影響量，即積分后的信號曲線和環(huán)境常數(shù)。
[0026]環(huán)境常數(shù)優(yōu)選以容器為空時的校準(zhǔn)測量來確定，在校準(zhǔn)測量時對探針末端產(chǎn)生的工件脈沖區(qū)域中的信號曲線進(jìn)行積分。在探針末端處，反射后各分界面剩余的信號能量被反射。當(dāng)容器為空時，這實際上就是全部信號，使得出現(xiàn)一個顯著的脈沖。該脈沖可以很好地手動或自動識別出來且還位于由探針長度確定的固定時間位置上，因為容器為空時相對介電常數(shù)與在空氣中不同故沒有信號延遲。通過參考工件脈沖，許多與容器和設(shè)備相關(guān)的因素以及相應(yīng)的調(diào)整步驟和計算都被省略。就現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行討論時所描述的工件脈沖測量方面的問題在這里并沒有提出來，原因在于這是在受到控制的、非常簡單的情況下用空的容器進(jìn)行的測量。盡管工件脈沖可以特別簡單且可靠地度量環(huán)境常數(shù)，但原則上也可以對設(shè)備和容器特有的影響進(jìn)行建模或計量，這些影響用環(huán)境常數(shù)進(jìn)行過補償。還可以設(shè)想的是，使用發(fā)射脈沖或在傳感器頭與探針間的分界面處的過渡脈沖來代替工件脈沖。
[0027]分界面優(yōu)選通過比較積分后的信號曲線和閥值來識別。也就是逐步對從與基準(zhǔn)位置對應(yīng)的時刻開始直至更加往后觀測的時刻之間的信號曲線進(jìn)行積分，一直進(jìn)行到積分后的信號曲線超過閥值為止。最后觀測的時刻被視為屬于所尋找的分界面位置并將其換算成物位。用這種方式提出了一種非常簡單的方法，以便穩(wěn)定地確定分界面且完全不依賴信號曲線的形狀，也就是說特別不依賴于，是否能識別信號曲線中的脈沖。
[0028]為進(jìn)行比較，優(yōu)選對信號曲線進(jìn)行二次積分，但該第二次積分要以信號曲線的絕對值或逐點平方為基礎(chǔ)而不是以信號曲線自身為基礎(chǔ)。即信號曲線也可以取負(fù)值。這種情況例如會發(fā)生在，當(dāng)較稠密的泡沫位于較松散的泡沫上方時。另一個例子是同軸探針內(nèi)有氣泡。為了確定信號渡越時間，特別是為了進(jìn)行時間調(diào)整，正確的做法是，考慮這些正負(fù)號。信號曲線中的負(fù)值部分也對應(yīng)被反射的發(fā)射能。因為閾值測量的是，在各個被觀測的探針位置上方由于反射已損失了多少發(fā)射能，所以此時這些正負(fù)號應(yīng)被忽略不計。這會出現(xiàn)在取絕對值或平方時，其中后者的結(jié)果是關(guān)于能量的物理上正確的度量。除絕對值或逐點平方外其它的量也是可能的。
[0029]優(yōu)選用迭代法來識別分界面，該方法按信號曲線采樣率給定的步驟從基準(zhǔn)位置開始至終止條件為止來對信號曲線進(jìn)行積分，其中終止條件是看積分到對應(yīng)步驟后的信號曲線或信號曲線絕對值或信號曲線逐點平方對應(yīng)的積分是否超過閾值。這種迭代法很容易用進(jìn)行數(shù)字處理的算法來實現(xiàn)。
[0030]待確定的信號渡越時間優(yōu)選開始時置零并逐步驟增加增量，該增量可當(dāng)作系數(shù)進(jìn)行計算，其分子由環(huán)境常數(shù)和積分后的信號曲線之和構(gòu)成，其分母為環(huán)境常數(shù)和積分后的信號曲線之差構(gòu)成。因此，用迭代方式進(jìn)行時間調(diào)整以進(jìn)行補償，這是因為信號曲線中的時間間隔不直接對應(yīng)信號傳播路徑，而由于介質(zhì)內(nèi)的相對介電常數(shù)不同于在空氣中故這里仍然會出現(xiàn)信號延遲。用關(guān)于增量的給定的計算結(jié)果可估計任意位置的介電常數(shù)。同時如上面描述的那樣，一方面應(yīng)考慮由于在該位置上方由于反射已損失的信號部分，其在積分后的信號曲線中求得，另一方面要考慮到具體環(huán)境影響對波傳播的影響，所述環(huán)境影響通過環(huán)境常數(shù)和特別是對探針末端的工件脈沖的積分來考慮。
[0031]閾值優(yōu)選通過校準(zhǔn)測量來確定，在校準(zhǔn)測量時容器內(nèi)只有第一介質(zhì)，并構(gòu)成在到達(dá)第一介質(zhì)的分界面處的回波信號區(qū)域中的信號曲線的閥值的積分。這是一種簡單的方法，用以在受到控制的條件下，也就是說沒有第二介質(zhì)干擾的條件下確定適當(dāng)閾值。由此確保形成一個顯著的、容易識別的待測介質(zhì)脈沖，然后通過該介質(zhì)脈沖來對閥值積分進(jìn)行積分。和之前一樣，積分是指對于被觀測范圍內(nèi)的信號曲線的概括性度量，對此有貢獻(xiàn)的是信號曲線的各值。這種度量例如可通過數(shù)值積分來確定，數(shù)值積分可以是簡單地將信號曲線值加和。
[0032]閾值被優(yōu)選設(shè)定為閥值積分的90%至110%，用以識別到第一介質(zhì)的分界面。從而使閥值幾乎或者完全與閥值積分相等。而略有不同是有意義的，其中低于100%的值確保了在噪聲影響下事實上也可以超過閾值并由此生成一個測量值，該測量值可能有些低估了分界面的距離。相反100%以上的值則高估了這個距離并從而阻止了錯誤地讀出上層第二介質(zhì)內(nèi)的物位值。
[0033]閾值也可被優(yōu)選設(shè)定為閥值積分的5%至30%，用以識別到第二介質(zhì)的分界面。因此所述閾值應(yīng)接近零點且也只能大得使單純的噪音不被識別為分界面。從而測量出最上層分界面，也即第二介質(zhì)的物位特別是泡沫表面。閥值離零越遠(yuǎn)，越容易將其與噪音區(qū)別開來，但也因此越來越高估最上層分界面的距離，從而越來越高估第二介質(zhì)的物位。
[0034]也可以設(shè)想的是，既將閥值置于100%附近又將閥值置于零點上方一點點，即有效使用兩個閾值。由此測得到第二介質(zhì)的最上層分界面以及到第一介質(zhì)的分界面。這樣就獲得了兩個物位從而也獲得了第二介質(zhì)層或泡沫層的層厚度。
[0035]優(yōu)選地，到第二介質(zhì)的分界面的識別依據(jù)是，積分后的信號曲線從分界面起便系統(tǒng)性地偏離零點。一旦積分的信號曲線與零點不同，則有第一個信號反射，因此信號在這個位置進(jìn)入最上層介質(zhì)。然而只與零點進(jìn)行比較，實際上是不夠的，因為信號反射也可以由于噪聲的影響而出現(xiàn)。但如果在較大的范圍上考慮積分后的信號曲線的話，則可以看出，偏離零點是否是系統(tǒng)性的抑或僅僅是由噪聲所引起的。這種方法是閾值法的替代法，其中也可兩種方法同時使用并使彼此都合理或?qū)⒔Y(jié)果互相抵消。
[0036]信號曲線，積分后的信號曲線和/或閾值優(yōu)選通過漂移修正值標(biāo)度。這是溫度漂移的一個主要的原因。漂移修正值例如可按如下方式確定，即將探針始端的界面脈沖或發(fā)射脈沖本身與先前所了解的基準(zhǔn)界面脈沖進(jìn)行比較。該界面脈沖基本上獨立于物位，從而使其變化可歸因于漂移。然后假設(shè)，這種漂移相同程度地標(biāo)度了界面脈沖和其余的信號曲線。
[0037]信號曲線優(yōu)選用振幅特性來重新標(biāo)度。在上部測量范圍內(nèi)出現(xiàn)多次反射，其中從介質(zhì)表面反射到探針始端的信號部分再次反射到容器內(nèi)。這可能會重復(fù)多次。用這種方式在實際發(fā)射脈沖后隨即直接有效地發(fā)射覆蓋發(fā)射脈沖的子脈沖，子脈沖會隨每發(fā)生多次反射而逐漸減弱。結(jié)果是導(dǎo)致在上部測量范圍內(nèi)有較高的振幅?？梢詫Υ擞绊戇M(jìn)行建?；蛟诟鞣N物位上進(jìn)行測量，并用這種方式確定與物位有關(guān)的振幅特性，該振幅特性包括與物位有關(guān)的因多次反射這一因素導(dǎo)致的信號超高。該振幅特性在上部測量范圍內(nèi)大于1，然后在一些物位(在這些物位上時多次反射不再起作用)處重新落到I上，以便在距離較遠(yuǎn)時因為衰減甚至降到I以下。通過用振幅特性重新標(biāo)度信號曲線可補償干擾影響。
[0038]下面借助實施例并參考附圖來對本發(fā)明的其它優(yōu)點和特點進(jìn)行詳細(xì)描述。圖中顯示:
[0039]圖1為容器內(nèi)物位傳感器的示意性剖視圖；
[0040]圖2為圖1所示物位傳感器的傳感器頭部的示意性方框圖；
[0041]圖3為示例性信號曲線示意圖，作為比較的兩介質(zhì)分界面處的測量脈沖被較好地分離開來；
[0042]圖4上部分以一容器為例子示出了一信號曲線，其具有識別到第一介質(zhì)的分界面的時刻點標(biāo)識，所述容器具有液體以及在該液體上覆蓋的稠密的泡沫層；中間部分描述了積分后的信號曲線和超過閥值；下部分描述了校正后的渡越時間并與空氣中的渡越時間相比較；
[0043]圖5是按照圖4示出的一個容器的示例，該容器具有液體以及在該液體上覆蓋的稀疏的泡沫層，該泡沫層的密度不斷增加；
[0044]圖6是按照圖4示出的一個容器的示例，該容器具有液體以及在該液體上覆蓋的、具有不同于圖5中的濃度的稀疏的泡沫層；
[0045]圖7是按照圖4示出的一個容器的示例，其中只有泡沫。
[0046]圖1示意性地介紹了 TDR傳感器10，它作為物位傳感器放置在具有液體或一般具有介質(zhì)14的儲罐或容器12中。介質(zhì)14上是第二介質(zhì)16，例如不同濃度的泡沫，或作為第二介質(zhì)16的、覆在作為實際介質(zhì)14的水上的油層。第二介質(zhì)的相對介電常數(shù)或稱相對電介質(zhì)常數(shù)ε r2與空氣和介質(zhì)14都不同且在第二介質(zhì)16內(nèi)隨不同高度變化。
[0047]介質(zhì)14構(gòu)成與第二介質(zhì)16相對的第一分界表面18或第一分界面，并且第二介質(zhì)16構(gòu)成與上方空氣相對的第二分界層20。傳感器10被設(shè)計用于，確定至少到分界表面20,22中的一個的距離并由此從已知安裝位置推導(dǎo)出物位，并且需要的話根據(jù)容器12的幾何形狀也可以推導(dǎo)出介質(zhì)14或第二介質(zhì)16的量?；玖鞒膛c前言部分所描述的和已知的TDR方法一致，但不同之處在于尚待闡述的經(jīng)過改進(jìn)的估算上。盡管將傳感器10設(shè)計成液體的液面?zhèn)鞲衅魇且粋€非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，但是傳感器10原則上也可以用于其他介質(zhì)。這方面特別能想到的是粒狀物質(zhì)或顆粒物質(zhì)。
[0048]傳感器10具有帶控制器26的傳感器頭24，該控制器優(yōu)選置于同一印刷電路板上。可選擇地，多個用插頭連接的電路板或柔性印刷板載體是可以設(shè)想的。與控制器24相連的是探針28，它在這里被設(shè)計成開放式的單探針并且還具有以下的優(yōu)點，即其對于在衛(wèi)生領(lǐng)域中的應(yīng)用而言能夠很容易地清洗。但探針28也可以是同軸探針。
[0049]設(shè)置在傳感器頭24中的控制器26及其印刷電路板在圖2中以方框圖示出。實際的控制和估算單元30通過數(shù)字模塊來實現(xiàn)，例如通過微處理器、ASIC、FPGA或類似的數(shù)字邏輯模塊以及幾個這種模塊的組合來實現(xiàn)。如已在前言部分所描述的那樣，測量時發(fā)出信號，優(yōu)選是脈沖通過微波發(fā)射器32輸送到探針28上，并且測量分界表面18、20處產(chǎn)生的且由微波接收器34所接收到的反射脈沖的渡越時間，用以確定分界表面18、20的距離并由此確定容器12內(nèi)的物位。微波接收器34的接收信號經(jīng)放大器36放大后用數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器38將其數(shù)字化用于估算。
[0050]為了進(jìn)行說明，圖3示出了信號曲線示意圖，該信號曲線在分界面18、20處具有被較好地分離開來的測量脈沖40、42。在這種信號曲線中，傳統(tǒng)的估算可輕易定位測量脈沖40、42。只有當(dāng)測量脈沖40、42進(jìn)入到對方中去時，才會出現(xiàn)困難。迄今為止不可解決的問題是，在當(dāng)?shù)诙橘|(zhì)16本身不均勻且因此生成大量未知數(shù)量的相互重疊的脈沖時確定測量脈沖40、42。
[0051]信號曲線還包括其它脈沖，即在傳感器頭24和探針28之間的過渡區(qū)域中的探針始端處的界面脈沖44和發(fā)射脈沖46本身。繼續(xù)往右且在未示出的位置還在探針末端產(chǎn)生了工件脈沖，在反射后余留在分界面18、20的發(fā)射信號的剩余能量在這里被反射。
[0052]在一般情況下，為了在不能再識別測量脈沖40、42時可確定如本發(fā)明所述介質(zhì)14、16的物位，采用下述方法:
[0053]信號曲線中的反射振幅是容器12內(nèi)阻抗變化的量度并因此也是在各分界面18、20處的相對介電常數(shù)變化的量度。信號曲線中的脈沖18，20的高度取決于電介質(zhì)常數(shù)的變化和由于上部分已進(jìn)行的反射而損失的信號能量。每個經(jīng)過反射的脈沖的形狀保持不變，脈沖的不同之處只在于其高度。
[0054]因此信號曲線S可被視為脈沖形狀s (t)的線性疊加，其具有由于高度an而有不同標(biāo)度和η個脈沖的不同時間位置tn:
[0055]
【權(quán)利要求】
1.一種測量容器(12)內(nèi)的物位的方法，所述容器具有第一介質(zhì)(14)和至少一種在所述第一介質(zhì)上所覆蓋的第二介質(zhì)(16)，特別是泡沫層，執(zhí)行所述方法時會發(fā)射電磁信號，特別是沿布置在所述容器(12)內(nèi)的探針(28)發(fā)射電磁信號，并且記錄所述容器(12)內(nèi)反射的信號的信號曲線(S)，其中借助信號曲線(S)確定到所述第一介質(zhì)(14)和/或到所述第二介質(zhì)(16)的分界面(18、20)的信號渡越時間(t)，并由所述信號渡越時間(t)確定所述第一介質(zhì)(14)的物位和/或確定所述第二介質(zhì)(16)的物位，其特征在于，根據(jù)自基準(zhǔn)位置Utl)開始積分后所得信號曲線(S)來識別所述分界面(18、20)。
2.如權(quán)利要求1所述方法，其中所述基準(zhǔn)位置Utl)為探針始端。
3.如權(quán)利要求1或2所述方法，其中根據(jù)信號渡越時間間隔來加和所述信號渡越時間(t)，所述信號渡越時間間隔通過使用直至相應(yīng)探針位置的積分后的信號曲線(Is)進(jìn)行校正來考慮屬于相應(yīng)信號渡越時間間間隔的探針位置上的信號傳播延遲。
4.如權(quán)利要求3所述方法，其中所述校正額外地采用取決于所述容器(12)內(nèi)的特定波傳播的環(huán)境常數(shù)。
5.如權(quán)利要求4所述方法，其中所述環(huán)境常數(shù)是在所述容器(12)為空時的校準(zhǔn)測量中確定的，在 所述校準(zhǔn)測量時形成對在所述探針末端產(chǎn)生的工件脈沖的區(qū)域上的所述信號曲線(S)的積分(Iend)ο
6.如上述權(quán)利要求任一項所述方法，其中通過將積分后的信號曲線(Is)與閥值(K.IMedium)進(jìn)行比較來識別所述分界面(18、20)。
7.如權(quán)利要求6所述方法，其中為了進(jìn)行所述比較，要對所述信號曲線(S)進(jìn)行二次積分，但第二次積分(Isttjp)要以信號曲線的絕對值(|s|)或逐點平方(S2)為基礎(chǔ)而不是以信號曲線(S)自身為基礎(chǔ)。
8.如權(quán)利要求6所述方法，其中用迭代法來識別所述分界面(18、20)，所述方法按通過所述信號曲線(S)的采樣率給定的步驟從所述基準(zhǔn)位置Utl)開始直至終止條件為止對所述信號曲線(S)進(jìn)行積分，所述終止條件是看積分到對應(yīng)步驟(i)后的信號曲線(Is)是否超過閾值，或者所述信號曲線(S)的絕對值(I s I)或所述信號曲線(s)的逐點平方(S2)所對應(yīng)的積分(Istop)是否超過閾值。
9.如權(quán)利要求8以及權(quán)利要求3或權(quán)利要求4中任一項所述方法，其中所述信號渡越時間(t) 一開始被置零并逐步驟(i)增加增量(\end +_\8'),所述增量可作為系數(shù)進(jìn)行計算，


丄end 』S其分子由環(huán)境常數(shù)(Imd)和積分后的信號曲線(Is)之和(Iend+Is)構(gòu)成，并且其分母為環(huán)境常數(shù)(Imd)和積分后的信號曲線(Is)之差(Imd-1s)構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求6至權(quán)利要求9所述方法，其中用所述容器(12)內(nèi)只有第一介質(zhì)(14)時的校準(zhǔn)測量來確定所述閥值(K.Isfediim),并構(gòu)成到所述第一介質(zhì)(14)的分界面(18)處的回波信號(40)的區(qū)域中的所述信號曲線(S)的閥值積分(Isfedium)15
11.如權(quán)利要求10所述方法，其中所述閥值(K.Isfedium)設(shè)定為所述閥值積分(Isfedium)的90%至110%，用以識別到所述第一介質(zhì)(14)的分界面(18)，和/或其中將所述閾值(K.Isfedium)設(shè)定為所述閥值積分(Isfedimi)的5%至30%，用以識別到所述第二介質(zhì)(16)的分界面(20)。
12.如前述權(quán)利要求任一項所述方法，其中到所述第二介質(zhì)(16)的分界面(20)的識別依據(jù)是，積分后的信號曲線(Is)從所述分界面(20)開始便系統(tǒng)性地偏離零點。
13.如前述權(quán)利要求任一項所述方法，其中所述信號曲線(S)、積分后的信號曲線(Is)和/或所述閾值(K.Isfedium)用漂移修正值來標(biāo)度。
14.如前述權(quán)利要求任一項所述方法，其中所述信號曲線(S)用與物位有關(guān)的振幅特性來重新標(biāo)度。
15.一種傳感器，特別是TDR物位傳感器，具有發(fā)射器(32)和接收器(34)用以發(fā)射和接收電磁信號，特別是微波信號，還具有控制器(30)，所述傳感器被設(shè)計用來借助信號的渡越時間來確定在容器(12)內(nèi)的第一介質(zhì)(14)和/或第二介質(zhì)(16)的物位，其特征在于，所述控制器(30) 被設(shè)計成使用如上述權(quán)利要求任一項所述方法來確定物位。
【文檔編號】G01F23/284GK103968916SQ201410031100
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月25日
【發(fā)明者】托馬斯·韋伯, 斯特凡·施魏格爾 申請人:西克股份公司