Устройство измерения уровня заполнения для определения топологии поверхности заполняемого материала
DEVICE FOR MEASURING THE FILLING LEVEL TO DETERMINE THE SURFACE TOPOLOGY OF THE FILLED MATERIAL

ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет Европейской патентной заявки № 16 194 083.8, поданной 17 октября 2016, которая в полном объеме включена в настоящий документ посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится, в общем, к измерению уровня заполнения. В частности, изобретение относится к устройству измерения уровня заполнения для определения топологии поверхности заполняемого материала, способу определения топологии поверхности заполняемого материала, программному элементу для устройства измерения уровня заполнения, а также считываемому компьютером носителю с таким программным элементом.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Определение топологии поверхности заполняемого материала может предпочтительно применяться, в частности, при измерении сыпучих материалов и часто возникающих при этом насыпных конусов и выпускных воронок внутри и снаружи замкнутых резервуаров. Также в случае подвижных жидкостей, определение топологии поверхности может применяться для определения уровней заполнения и/или объемов. Подобные подвижные жидкости возникают, например, при использовании мешалок и создаваемых вследствие этого картинах течения на поверхности жидкости (так называемых завихрений). Определение топологии поверхности может позволять делать выводы относительно других параметров, таких как вязкость или перемешивание заполняемого материала, в случае необходимости, с учетом скорости мешалки.
Способы бесконтактного зондирования поверхности могут, например, основываться на принципе, согласно которому излученный в направлении поверхности сигнал, отражается от нее, и оценивается время прохождения и/или уровень отраженного сигнала. Для того чтобы определить топологию поверхности заполняемого материала с достаточной точностью, может оказаться необходимым выполнить множество измерений в направлении определенных участков поверхности заполняемого материала, что может приводить к повышению сложности, а также увеличению затрат для таких устройств измерения устройств или способов измерения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения может усматриваться в том, чтобы обеспечить компактное, прочное, надежное, не требующее трудоемкого обслуживания, износостойкое и экономичное устройство измерения уровня заполнения для определения топологии поверхности заполняемого материала.
Эта задача решается предметом независимых пунктов формулы изобретения. Другие формы выполнения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы и последующего описания.
Один аспект изобретения касается устройства измерения уровня заполнения для определения, установления и/или измерения топологии поверхности заполняемого материала. Поверхность заполняемого материала может обозначать, например, поверхность насыпного материала и/или жидкого заполняемого материала, например, в резервуаре или на открытом отвале насыпного материала. Устройство измерения уровня заполнения содержит антенный узел с по меньшей мере тремя антенными устройствами, которые, соответственно, выполнены с возможностью передачи радиолокационного сигнала и приема сигнала, отраженного от поверхности заполняемого материала. Кроме того, устройство измерения уровня заполнения содержит блок управления для управления антенным узлом и/или антенными устройствами антенного узла. Блок управления может также обозначать электрический контур управления (схему управления), схему регулирования, схему оценки и/или блок оценки для оценки и/или обработки измеренных сигналов антенного узла. Антенный узел содержит по меньшей мере три антенные плоскости, у которых векторы нормали к плоскостям и/или нормали к плоскостям расположены под углом друг к другу, причем на каждой антенной плоскости расположено одно антенное устройство, так что с помощью каждого антенного устройства регистрируется и/или может регистрироваться различная область пространственных углов. Антенные устройства, соответственно, выполнены так, чтобы на основе сигнала, отраженного от поверхности заполняемого материала, вырабатывать измеренный сигнал, который коррелирован с отраженным сигналом. Например, каждое из антенных устройств может определять расстояние до поверхности заполняемого материала и/или частичной области поверхности заполняемого материала, причем расстояние является мерой для высоты заполнения заполняемого материала в регистрируемом угловом диапазоне. Блок управления выполнен таким образом, чтобы измеренные сигналы антенных устройств дополнительно обрабатывать и/или комбинировать в общий измеренный сигнал. В частности, блок управления может быть выполнен таким образом, чтобы посредством комбинирования по меньшей мере части измеренных сигналов антенных устройств определять топологию поверхности заполняемого материала.
Антенный узел в контексте настоящей заявки может обозначать радиолокационную антенну. Антенные устройства в контексте настоящей заявки могут пониматься как независимо работающие антенные блоки, например, частичные радиолокационные антенны и/или частичные радиолокационные группы, которые, соответственно, таким образом размещены на антенных плоскостях антенного узла, что с помощью каждого антенного устройства может регистрироваться частичная область поверхности заполняемого материала. Зарегистрированные антенными устройствами частичные области могут при этом по меньшей мере частично перекрываться. Для того чтобы каждое антенное устройство могло регистрировать частичную область поверхности заполняемого материала, антенные устройства размещены на расположенных наклонно и/или поперечно друг другу антенных плоскостях. Антенные плоскости могут, например, обозначать, соответственно, часть боковой поверхности антенного узла. Вектора нормалей к плоскостям антенных плоскостей могут при этом быть расположены, ориентированы или могут проходить поперечно, ортогонально и/или непараллельно друг к другу. Также вектора нормалей к плоскостям могут проходить, скрещиваясь друг с другом. Иными словами, антенные плоскости и расположенные на них антенные устройства могут быть наклонены друг к другу и/или друг от друга. За счет этого расположения антенных плоскостей, а также размещенных на них антенных устройств, предпочтительным образом может обеспечиваться то, что каждое из антенных устройств может регистрировать отличающийся или другой пространственный угловой диапазон и, таким образом, отличающуюся частичную область поверхности заполняемого материала. Тем самым предпочтительным образом можно обеспечить компактное, прочное, надежное, не требующее трудоемкого обслуживания, износостойкое и экономичное устройство измерения уровня заполнения устройство измерения уровня заполнения, с помощью которого может регистрироваться полупространство под устройством измерения уровня заполнения, т.е. полный пространственный угол примерно равный π и/или 180°, не требуя перемещения, например, вращения и/или качания компонентов устройства измерения уровня заполнения.
Согласно форме выполнения изобретения, регистрируемые антенными устройствами пространственные угловые диапазоны могут, соответственно, варьироваться и/или изменяться посредством аналогового или цифрового формирования луча (диаграммы направленности). Иными словами, регистрируемые антенными устройствами пространственные угловые диапазоны могут изменяться посредством электронного отклонения луча или способа цифрового и/или аналогового формирования луча, т.е. с помощью каждого антенного устройства может выполняться аналоговое и/или цифровое формирование луча. Посредством аналогового и/или цифрового формирования луча, направления основного луча и/или направления основного приема каждого антенного устройства могут изменяться относительно соответствующих векторов нормалей к плоскостям антенных плоскостей, так что могут регистрироваться условия отражения в различных угловых направлениях и, тем самым, различные угловые диапазоны. В целом, регистрируемый устройством измерения уровня заполнения пространственный угловой диапазон предпочтительным образом может увеличиваться. В итоге, посредством соответствующего изобретению антенного узла и устройства управления может быть обеспечено устройство измерения уровня заполнения, которое на основе принятых антенными устройствами сигналов, а также посредством применения способа цифрового и/или аналогового формирования луча, обеспечивает возможность точного обмера полупространства, находящегося под устройством измерения уровня заполнения.
Изобретение может рассматриваться как основанное на описанных ниже идеях и знаниях. Обычные основанные на применении антенн устройства измерения уровня заполнения и/или способы оценки для определения топологии поверхности насыпного материала без механической регулировки направления основного луча антенны могут позволять регистрировать условия отражения в различных угловых направлениях посредством аналогового и/или цифрового формирования луча. Однако топология поверхности насыпного материала ниже антенны может определяться надежно и с достаточной точностью только в ограниченном угловом диапазоне около 60° относительно установочного направления антенны. Посредством предложенного изобретения и соответствующего изобретению антенного узла с по меньшей мере тремя наклоненными относительно друг друга антенными устройствами предпочтительным образом возможно измерение топологии поверхности насыпного материала вплоть до угла +-90°. Тем самым, возможны измерения также в резервуарах, которые почти полностью заполнены заполняемым материалом. Кроме того, антенные плоскости и/или антенные устройства могут выполняться по существу плоскими и/или планарными, за счет чего достигается экономичная реализация устройства измерения уровня заполнения.
Согласно форме выполнения изобретения, угол отклонения между направлением основного луча каждого антенного устройства и соответствующим вектором нормали к плоскости антенной плоскости лежит в диапазоне +/-45°. Угол отклонения может при этом измеряться между направлением основного луча антенного устройства и вектором нормали к плоскости той антенной плоскости, на которой размещено это антенное устройство. За счет вышеуказанного диапазона угла отклонения, который может обозначать максимально регистрируемый угловой диапазон антенного устройства, может обеспечиваться то, что топология заполняемого материала с высокой точностью может устанавливаться, определяться и/или измеряться полностью в полупространстве ниже устройства измерения уровня заполнения.
Согласно форме выполнения изобретения, антенные устройства содержат, соответственно, по меньшей мере один передающий элемент для передачи радиолокационного сигнала и по меньшей мере два приемных элемента для приема отраженного сигнала. В качестве альтернативы, антенные устройства содержат, соответственно, по меньшей мере два передающих элемента для передачи радиолокационного сигнала и по меньшей мере один приемный элемент для приема отраженного сигнала. При этом передающие элементы и приемные элементы могут в общем обозначать антенные элементы устройства измерения уровня заполнения. Например, антенные элементы могут быть выполнены как волноводные элементы, как патч-элементы, как рупорные антенные элементы, как диэлектрические антенные элементы и/или как стержневые элементы. При этом антенные элементы могут быть выполнены с возможностью передачи и приема, т.е. передающие элементы и приемные элементы могут быть выполнены конструктивно подобными. Также передающие элементы и приемные элементы могут быть выполнены по-разному.
В общем, посредством монтажа по меньшей мере одного передающего элемента и по меньшей мере двух приемных элементов или посредством монтажа по меньшей мере двух передающих элементов и меньшей мере одного приемного элемента на каждой из антенных плоскостей, в частности, стоящего вершиной вниз антенного узла, например, в форме стоящей вершиной вниз пирамиды и/или стоящей вершиной вниз усеченной пирамиды, во взаимосвязи со способом аналогового и/или цифрового формирования луча может быть обеспечено компактное, прочное, надежное, экономичное и точное устройство измерения уровня заполнения для определения топологии.
Согласно форме выполнения изобретения, передающие элементы и приемные элементы антенных устройств распределены по плоскости на соответствующих антенных плоскостях. Например, передающие элементы и приемные элементы могут быть размещены в форме антенной решетки в одном или нескольких рядах и/или столбцах на антенных плоскостях. В качестве альтернативы или дополнительно, непосредственно соседние передающие элементы и/или приемные элементы каждого антенного устройства разнесены друг от друга на расстояние, которое меньше или равно половине длины волны радиолокационного сигнала. Иными словами, расположенные непосредственно смежно друг с другом на антенном устройстве передающие элементы и/или приемные элементы могут быть разнесены друг от друга на расстояние, которое меньше или равно половине длины волны радиолокационного сигнала. Центральная частота радиолокационного сигнала может составлять, например, 79 ГГц, что соответствует длине волны примерно 3,8 мм, так что максимальное расстояние между двумя непосредственно смежными передающими элементами и/или приемными элементами может составлять примерно 1,9 мм. Посредством подобного разнесения предпочтительным образом можно избежать побочных лепестков решетки, и может достигаться лучшая фокусировка антенных устройств.
Согласно форме выполнения изобретения, передающие элементы и приемные элементы антенных устройств размещены T-образно на соответствующих антенных плоскостях. Иными словами, передающие элементы и/или приемные элементы могут быть распределены и/или расположены в T-образной геометрии на по меньшей мере одной из антенных плоскостей, в частности, на каждой из антенных плоскостей. Например, горизонтальная сторона T-формы содержит только передающие элементы, а вертикальная сторона - только приемные элементы, или наоборот. В общем, на одной или нескольких антенных плоскостях, передающие элементы могут располагаться в первом ряду, а приемные элементы - во втором ряду. Смежные передающие элементы могут также располагаться со смещением друг к другу относительно середины, центра и/или средней линии первого ряда. Также смежные приемные элементы могут располагаться со смещением друг к другу относительно середины, центра и/или средней линии первого ряда. При этом первый ряд может быть расположен поперечно к второму ряду и/или проходить поперечно к второму ряду и/или располагаться поперечно к второму ряду. В частности, первый ряд может проходить по существу ортогонально к второму ряду и тем самым образовывать T-форму. Путем соответствующего мультиплексирования, особенно временного мультиплексирования, передающих элементов и/или приемных элементов, а также путем соответствующей оценки отраженных сигналов, принятых каждым приемным элементом, таким способом можно идентифицировать совокупность эхо-кривых, которые соответствуют прямоугольной компоновке виртуальной антенной решетки. Кроме того, с помощью этого способа предпочтительным образом можно сократить число передающих элементов и/или приемных элементов и, тем самым, затраты на изготовление устройства измерения уровня заполнения.
Согласно форме выполнения изобретения, положение антенного узла относительно блока управления является фиксированным. Например, антенный узел может быть статически и/или неподвижно соединен с блоком управления. Тем самым, предпочтительным образом, например, по сравнению с вращающимися и/или качающимися антенными узлами, сокращается и/или предотвращается износ механически подвижных компонентов.
Согласно форме выполнения изобретения, антенные устройства приводятся в действие и/или активируются, соответственно, во времени последовательно друг за другом, соответственно, в различных частотных полосах и/или с применением способа кодового мультиплексирования. Это может, например, запускаться, управляться и/или регулироваться с помощью устройства управления. Таким образом может гарантироваться то, что радиолокационные сигналы отдельных антенных устройств не оказывают взаимного влияния друг на друга и могут быть отличимыми друг от друга. При способе кодового мультиплексирования, например, на радиолокационный сигнал накладывается код, индивидуальный для соответствующего антенного устройства, так что отраженные сигналы с помощью кода вновь могут быть соотнесены с отдельными антенными устройствами.
Согласно форме выполнения изобретения, три антенные плоскости образуют боковые поверхности пирамиды или усеченной пирамиды антенного узла. Иными словами, антенный узел может быть выполнен в форме пирамиды, в форме усеченной пирамиды и/или иметь структуру пирамиды. Вершина пирамидального антенного узла может быть ориентирована примерно в направлении поверхности заполняемого материала. Тем самым может гарантироваться, что полупространство с пространственным углом, равным по меньшей мере π, может регистрироваться с помощью антенного узла. В качестве альтернативы или дополнительно, антенные плоскости по меньшей мере частично соединены друг с другом. Например, кромки и/или края антенных плоскостей могут быть соединены друг с другом и, тем самым, образовывать пирамидальную структуру.
Согласно форме выполнения изобретения, антенный узел содержит более трех антенных устройств и более трех антенных плоскостей, причем на каждой из антенных плоскостей размещено, соответственно, антенное устройство. Благодаря этому может повышаться точность определения топологии поверхности заполняемого материала за счет увеличения числа регистрируемых направлений.
Согласно форме выполнения изобретения, антенный узел имеет покрывающую плоскость, на которой размещено дополнительное антенное устройство. Например, покрывающая плоскость может образовывать вершину усеченной пирамиды. Например, на усеченной пирамиде может быть расположена рупорная антенна и/или другое антенное устройство, с помощью которого с регулярными интервалами может выполняться измерение уровня заполнения для контроля достоверности.
Согласно форме выполнения изобретения, блок управления выполнен так, чтобы, на основе по меньшей мере части измеренных сигналов антенных устройств определять и/или вычислять топологию поверхности заполняемого материала, значение плотности заполняемого материала, массу заполняемого материала, объем заполняемого материала и/или вязкость заполняемого материала. Подобные параметры могут определяться, например, на основе общего измеренного сигнала или получаемого на его основе измеренного значения. Также такие параметры могут быть получены путем обработки отдельных измеренных сигналов антенных устройств. Для вычисления вышеуказанных параметров могут также учитываться другие характерные для заполняемого материала параметры, например, диэлектрическая проницаемость или зернистость заполняемого материала.
Другой аспект изобретения касается способа определения топологии поверхности заполняемого материала с помощью устройства измерения уровня заполнения, которое содержит блок управления и антенный узел с по меньшей мере тремя размещенными, соответственно, на антенной плоскости антенными устройствами, причем вектора нормалей к плоскостям антенных плоскостей ориентированы поперечно друг к другу. Способ содержит следующие этапы:
- передача радиолокационного сигнала посредством каждого из антенных устройств;
- прием отраженного от поверхности заполняемого материала сигнала посредством каждого из антенных устройств;
- формирование коррелированного с отраженным сигналом измеренного сигнала посредством каждого из антенных устройств и
- комбинирование измеренных сигналов антенных устройств в общий измеренный сигнал посредством блока управления.
Признаки и элементы устройства измерения уровня заполнения, как описано выше и в дальнейшем, могут быть признаками и этапами способа, как описано выше и в дальнейшем, и наоборот.
Другой аспект изобретения касается программного элемента, который, когда он выполняется в блоке управления устройства измерения уровня заполнения, предписывает устройству измерения уровня заполнения выполнять этапы способа, как описано выше и в дальнейшем.
Другой аспект изобретения касается считываемого компьютером носителя, на котором сохранен программный элемент, который, когда он выполняется в блоке управления устройства измерения уровня заполнения, предписывает устройству измерения уровня заполнения выполнять этапы способа, как описано выше и в дальнейшем.
Ниже подробно описаны примеры осуществления изобретения со ссылкой на приложенные чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1A и 1B показывают, соответственно, устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примерам выполнения.
Фиг. 2 показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 3A показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 3B показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 3C и 3D показывают, соответственно, виртуальное отображение антенных устройств согласно фиг. 3B.
Фиг. 4 показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 5 показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 6 показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 7 показывает вид сверху устройства измерения уровня заполнения, определяющего топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 8 показывает устройство измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения.
Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности операций для иллюстрации этапов способа определения топологии поверхности заполняемого материала.
Фиг. 10 показывает блок-схему последовательности операций для иллюстрации этапов способа определения топологии поверхности заполняемого материала.
Представления на чертежах являются схематичными и выполнены не в масштабе. Одинаковые, одинаково действующие или подобные элементы могут быть снабжены одинаковыми ссылочными позициями.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ВЫПОЛНЕНИЯ
Фиг. 1A показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения. Устройство измерения уровня заполнения содержит блок 101 управления с электрической управляющей переключающей схемой 102, а также антенное устройство 104. Устройство измерения уровня заполнения согласно фиг. 1A выполнено как так называемое поворотное устройство построчного сканирования, причем антенное устройство 104 через антенный держатель 106 соединено и/или связано с блоком 101 управления. Подобные устройства 100 измерения уровня заполнения используются, в частности, при измерениях насыпного материала в резервуаре 105 или на открытом отвале, причем может определяться профиль поверхности 107 насыпного материала 108 и/или топология поверхности 107 заполняемого материала для заполняемого материала 108.
Антенное устройство 104 может быть оснащено одним или несколькими передающими элементами и/или приемными элементами, что обеспечивает возможность изменения направления основного луча и/или направления 110, 112, 114 основного приема в заданных угловых значениях 116. Тем самым могут регистрироваться эхо-сигналы и/или эхо-кривые из различных направлений основного луча и/или направлений 110, 112, 114 основного приема. Посредством дополнительного поворота 118 антенного держателя 106, который может устанавливать ось 106, можно, тем самым, измерять каждую точку поверхности 107 заполняемого материала для заполняемого материала 108. Предпочтительным в этом комбинированном устройстве для электронного и механического отклонения луча является то, что в случае электронного отклонения луча должен устанавливаться только максимальный угол 116, равный обычно +-45°, чтобы иметь возможность обмерять весь резервуар 105, вплоть до состояния полного заполнения.
Однако ввиду применяемых механических компонентов, как, например, поворотного антенного держателя 106, показанное на фиг. 1 устройство 100 измерения уровня заполнения имеет тенденцию к износу и является дорогостоящим.
Фиг. 1B показывает другое устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения. Если не описано иначе, показанное на фиг. 1B устройство 100 измерения уровня заполнения содержит те же самые элементы и признаки, что и показанное на фиг. 1A устройство 100 измерения уровня заполнения.
Показанное на фиг. 1B устройство 100 измерения уровня заполнения содержит двумерную компоновку передающих элементов 120 и/или приемных элементов 122 на антенном устройстве 104. Необходимые для замера поверхности 107 заполняемого материала отклонения луча здесь реализуются исключительно электронным путем с помощью способа аналогового и/или цифрового отклонения луча. При этом направление основного луча и/или направления 110, 112, 114 основного приема изменяются электронным путем, т.е. без механического перемещения компонентов устройства 100 измерения уровня заполнения. Недостатком в этой конструкции может быть, однако, то, что отклонение луча по отношению к нормали 124 или вектору 124 нормали антенной плоскости 126 антенного устройства 104 может осуществляться с достаточной точностью только в диапазоне +-60°. Поэтому обмер слоя насыпного материала и/или поверхности 107 заполняемого материала в почти полностью заполненном резервуаре 105 возможен лишь с трудом.
Фиг. 2 показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, показанное на фиг. 2 устройство 100 измерения уровня заполнения содержит те же самые признаки и элементы, что и показанные на предыдущих фигурах устройства 100 измерения уровня заполнения.
Устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 2 содержит антенный узел 130, который механически неподвижно через устройство 106 крепления и/или антенный держатель 106 соединен с блоком 101 управления. Посредством этой конструкции можно эффективно сократить износ компонентов устройства 100 измерения уровня заполнения. Кроме того, антенный узел 130 содержит по меньшей мере три антенных устройства 132, 134, 136. Антенные устройства 132, 134, 136 выполнены, соответственно, с возможностью передачи радиолокационного сигнала и с возможностью приема сигнала, отраженного от поверхности 107 заполняемого материала. При этом антенные устройства 132, 134, 136 могут обозначать, соответственно, частичную антенну и/или частичную радиолокационную группу 132, 134, 136 антенного узла 130.
Антенный узел 130 содержит, кроме того, по меньшей мере три антенные плоскости 133, 135, 137, на которых размещено, соответственно, одно из антенных устройств 132, 134, 136. В показанном на фиг. 2 примере выполнения, антенный узел 130 выполнен в форме пирамиды, причем каждые из антенных плоскостей 133, 135, 137 соединены друг с другом и образуют боковые поверхности пирамидального антенного узла 130. Таким образом, антенный узел 130 имеет форму пирамиды, вершина которой обращена к поверхности 107 заполняемого материала. При этом вектора нормалей к плоскостям антенных плоскостей 133, 135, 137 ориентированы поперечно друг другу, так что с помощью каждого из антенных устройств 132, 134, 136 может регистрироваться различный пространственный угловой диапазон 138 соответственно направлению основного луча и/или направлению основного приема каждого антенного устройства 132, 134, 136. Для наглядности, на фиг. 2 изображен только регистрируемый антенным устройством 134 пространственный угловой диапазон 138.
Каждое из антенных устройств 132, 134, 136 может с помощью аналогового и/или цифрового формирования луча реализовывать отклонение луча в заданном угловом диапазоне 138, 140, 142. Иными словами, посредством способа аналогового и/или цифрового формирования луча регистрируемый антенным устройством 134 пространственный угловой диапазон 138 может варьироваться до диапазонов 140, 142. То же самое справедливо для антенных устройств 132, 136 (не показано).
Для этого каждое из антенных устройств 132, 134, 136 содержит по меньшей мере два или множество передающих элементов 144 и/или приемных антенн 146. При этом передающие элементы 144 и/или приемные элементы 146 распределены по плоскости и/или регулярным образом на антенных плоскостях 133, 135, 137. Например, передающие элементы 144 и/или приемные элементы 146 размещены в рядах и столбцах на антенных плоскостях 133, 135, 137. При этом расстояние между двумя соседними передающими элементами 144 и/или приемными элементами 146 меньше или равно половине длины волны радиолокационного сигнала. Ввиду получающегося предпочтительным образом, вследствие пирамидальной структуры и/или пирамидальной формы антенного узла 130, углового положения антенных устройств 132, 134, 136, можно отказаться от установки больших углов отклонения посредством аналогового и/или цифрового формирования луча. Угол отклонения мог бы определяться как угол направления основного луча и/или направления основного приема антенного устройства 132, 134, 136 по отношению к нормали и/или вектору нормали соответствующей антенной плоскости 133, 135, 137. Типовые значения для реально устанавливаемого угла отклонения лежат в диапазоне +-45°, что достижимо способами аналогового и/или цифрового отклонения луча без слишком большого ущерба для устанавливающейся ширины на уровне 0,5 диаграммы направленности антенны. Так как каждое из антенных устройств 132, 134, 136 при установке углов отклонения в диапазоне +-45° может регистрировать только часть и/или частичную область поверхности 107 заполняемого материала, полный профиль поверхности и/или полная топология поверхности 107 заполняемого материала получается только посредством комбинации измеренных сигналов, определенных антенными устройствами 132, 134, 136. Например, каждое из антенных устройств 132, 134, 136 может быть выполнено так, чтобы определять значение расстояния до поверхности 107 заполняемого материала, и блок 101 управления может быть выполнен так, чтобы комбинировать отдельные значения расстояния. В качестве альтернативы или дополнительно, антенные устройства 132, 134, 136 формируют измеренный сигнал, коррелированный с отраженными сигналами, и измеренные сигналы отдельных антенных устройств 132, 134, 136 могут с помощью блока 101 управления либо непосредственно комбинироваться, либо дополнительно обрабатываться для определения отдельных значений расстояния.
Таким образом, в соответствии с изобретением предусмотрено, что устройство 100 измерения уровня заполнения содержит радиолокатор или антенный узел 130, состоящий из нескольких одиночных частичных радиолокационных групп 132, 134, 136 в форме антенных устройств 132, 134, 136. Полная радиолокационная антенна 130 может представлять собой, например, пирамиду или усеченную пирамиду, причем на каждой частичной боковой поверхности или антенной плоскости 133, 135, 137 пирамиды может размещаться частичная радиолокационная группа 132, 134, 136, и причем с помощью каждой частичной радиолокационной группы 132, 134, 136 может осуществляться аналоговое и/или цифровое формирование луча.
В качестве альтернативы вышеописанному выполнению в форме пирамиды антенного узла 130, в котором отдельные антенные плоскости 133, 135, 137 непосредственно соединены между собой, отдельные антенные плоскости 133, 135, 137 также могут находиться на расстоянии друг от друга и, например, размещаться и/или закрепляться на удерживающей структуре и/или опорной структуре. Например, отдельные антенные плоскости могут быть соединены и/или связаны между собой посредством неподвижных или подвижных и/или упругих элементов. Также удерживающая структура может быть выполнена таким образом, что ориентация антенных плоскостей 133, 135, 137 может изменяться, например, посредством механической регулировки. Может быть предусмотрено, что диаметр антенного устройства может быть уменьшен посредством механической регулировки во время монтажа в резервуаре. За счет этого может обеспечиваться возможность того, что антенна также может быть проведена через штуцер с малым диаметром. Это обеспечивает возможность использования устройства измерения уровня заполнения в резервуарах с малыми штуцерами.
Кроме того, может быть предусмотрено, что антенные устройства 132, 134, 136 могут деактивироваться, соответственно, по отдельности. Это может, например, потребоваться, если одно из антенных устройств 132, 134, 136 размещено в непосредственной близости от стенки резервуара 105 и, таким образом, может принимать только отраженные от стенки резервуара сигналы.
Фиг. 3A показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Фиг. 3B показывает антенное устройство 134 устройства 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 3A. Фиг. 3C и 3D показывают, соответственно, виртуальное отображение 134 и/или получающуюся в результате виртуальную антенную решетку на антенном устройстве 134 согласно фиг. 3B. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 3A-3D содержит те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Антенные плоскости 133, 135, 137 пирамидального антенного узла 130 устройства 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 3A имеют передающие элементы 144a-d и/или приемные элементы 146a-c, не распределенные по плоскости, а расположенные в форме ʺTʺ. За счет такого расположения можно снизить сложность устройства 100 измерения уровня заполнения без ущерба для точности измерения.
На фиг. 3B детально показано T-образное расположение передающих элементов 144a-d и приемных элементов 146a-c на антенной плоскости 135 для антенного устройства 134. Остальные антенные устройства 132, 136 и/или остальные антенные плоскости 135, 137 антенного узла 130 выполнены аналогичным образом. Передающие элементы 144a-144d расположены в один ряд и образуют горизонтальную сторону ʺТʺ, причем передающие элементы 144a-144d активируются, управляются и/или приводятся в действие блоком управления 101 устройства 100 измерения уровня заполнения последовательно друг за другом в режиме временного мультиплексирования. Приемные элементы 146a-146c расположены в одном столбце и образуют вертикальную сторону ʺTʺ, причем с помощью приемных элементов 146a-146c могут приниматься сигналы, отраженные от поверхности 107 насыпного материала. За счет соответствующей оценки принятых эхо-сигналов, выполняемой блоком 101 управления и/или электроникой антенного устройства 134, может быть идентифицирована совокупность эхо-кривых, которая точно соответствует совокупности, которая может быть определена виртуальным антенным устройством 134а, соответствующим антенному устройству 134, как показано на фиг. 3C. Иными словами, посредством временного мультиплексирования и соответствующей оценки, с расположенными Т-образно передающими элементами 144a-144d и приемными элементами 146a-146c может быть реализован тот же результат измерения, что и с показанной на фиг. 3C прямоугольной виртуальной антенной решеткой 134a из передающих элементов 144 и приемных элементов 146. Так как элементы 144, 146 этой виртуальной антенной решетки 134a как в X-направлении, так и в Y-направлении разнесены на расстояние 150, 152, которое меньше или равно половине длины волны применяемого радиолокационного сигнала, может выполняться однозначное цифровое и/или аналоговое формирование луча на основе этих данных, без ухудшения точности измерения из-за возникающих лепестков решетки.
Фиг. 3D поясняет этап цифрового формирования луча на основе виртуально сформированной антенной решетки 134a. При применении способа цифрового формирования луча, в принципе, может устанавливаться только ограниченный угол отклонения 156. Типичные значения достигают здесь от -60° до +60° как в направлении по азимуту, так и в направлении по углу места. Однако так как антенная плоскость 135 по отношению к установочной ориентации устройства 100 измерения уровня заполнения (см. фиг. 2 и 3A) уже наклонена, этот угловой диапазон мог бы быть достаточным, чтобы обмерять частичную область 107a поверхности 107 насыпного материала, а именно, независимо от степени заполнения резервуара 105 и особенно также при почти полностью заполненном резервуаре 105.
Фиг. 4 показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 4 имеет те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Фиг. 4 показывает другую возможную форму выполнения антенного узла 130 при рассмотрении снизу. Антенный узел 130 имеет трехстороннюю пирамидальную структуру с тремя антенными плоскостями 133, 135, 137, каждая из которых вмещает соответствующее антенное устройство 132, 134, 136 устройства 100 измерения уровня заполнения.
Фиг. 5 показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 5 имеет те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Фиг. 5 показывает другую возможную форму выполнения антенного узла 130 при рассмотрении снизу. Антенный узел 130 имеет четыре антенных плоскости 133a-133d и четыре антенных устройства 134a-134d.
Фиг. 6 показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 6 имеет те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Фиг. 6 показывает другую возможную форму выполнения антенного узла 130 при рассмотрении снизу. Антенный узел 130 имеет пять антенных плоскостей 133a-133e и пять антенных устройств 134a-134e. В принципе, может предусматриваться любое число антенных устройств и антенных плоскостей, однако при увеличении их числа сложность антенного узла 130 возрастает.
Фиг. 7 вид сверху устройства 100 измерения уровня заполнения, определяющего топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 7 имеет те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Фиг. 7 показывает вид на резервуар 105 в перспективе сверху и поясняет принцип работы при применении множества антенных устройств 132. Показанное на фиг. 7 устройство 100 измерения уровня заполнения имеет всего пять антенных плоскостей 133 и пять антенных устройств 132, аналогично фиг. 6. Каждое из этих антенных устройств 132 или частичных антенн 132 активируется устройством 100 измерения уровня заполнения и/или блоком 101 управления последовательно друг за другом, чтобы предотвратить их взаимное влияние на измерение. В качестве альтернативы, возможно, что соответствующие антенные устройства 132 во избежание взаимного влияния при одновременной передаче применяют радиолокационные способы частотного и/или кодового мультиплексирования. Определяющее топологию измерение с помощью антенных устройств 132 приводит, например, к получению измеренных значений, которые могут быть соотнесены с поверхностью на участке 107a насыпного материала 108 в резервуаре 105. Так как измеряемый антенным устройством 132 участок 107a пространственно ограничен, необходимо только относительно малое изменение направления основного луча или направления 138, 140, 142 основного приема по отношению к нормали к плоскости антенного устройства 132. Таким образом, гарантируется высокое качество точность измерения.
Фиг. 8 показывает устройство 100 измерения уровня заполнения, определяющее топологию, согласно примеру выполнения изобретения. Если не описано иначе, устройство 100 измерения уровня заполнения согласно фиг. 8 имеет те же самые признаки и элементы, что и устройства 100 измерения уровня заполнения, описанные со ссылками на предыдущие фигуры.
Показанное на фиг. 8 устройство 100 измерения уровня заполнения может рассматриваться как комбинированное устройство измерения уровня заполнения и определения топологии. Устройство измерения уровня заполнения имеет выполненный в форме пирамиды антенный узел 130, причем основной корпус выполнен как усеченная пирамида, на антенных плоскостях 133 и/или боковых поверхностях 133 которой размещены необходимые для формирования луча передающие и/или приемные элементы 144, 146. На обращенной к заполняемому материалу 108 покрывающей поверхности 160 усеченной пирамиды для повышения надежности измерения может быть размещена и/или смонтирована дополнительная антенна 162, например, рупорная антенна 162, которая с заданными временными интервалами применяется для того, чтобы выполнять традиционное измерение уровня заполнения и, таким образом, с учетом достоверности и/или проверки достоверности подтверждать надлежащее функционирование устройства 100 измерения уровня заполнения, например, в критичных с точки зрения безопасности установках. Также можно оснастить покрывающую поверхность 160 дополнительным антенным устройством 132. Также можно отказаться от размещения дополнительной антенны, и применять антенный узел 130 с основным корпусом в форме усеченной пирамиды только для измерения топологии согласно вышеописанным принципам. В этом случае достигается снижение габаритов антенны, что может быть предпочтительно особенно в небольших резервуарах 105.
Фиг. 9 показывает блок-схему последовательности операций для иллюстрации этапов способа определения топологии поверхности заполняемого материала с помощью устройства 100 измерения уровня заполнения, которое содержит блок 101 управления и антенный узел 130 с по меньшей мере тремя расположенными, соответственно, на антенной плоскости 133 антенными устройствами 132, причем вектора нормалей к плоскостям антенных плоскостей 133 ориентированы поперечно друг другу.
На первом этапе S1 радиолокационный сигнал передается каждым из трех антенных устройств 132. В частности, радиолокационные сигналы могут передаваться с временным сдвигом относительно друг друга и/или последовательно друг за другом. На следующем этапе S2, сигналы, отраженные от поверхности 107 заполняемого материала, принимаются каждым из антенных устройств 132. На этапе S3, измеренный сигнал, коррелированный с отраженным сигналом, формируется каждым из антенных устройств 132. На четвертом этапе S4, измеренные сигналы комбинируются антенными устройствами 132 в общий измеренный сигнал посредством блока 101 управления.
Фиг. 10 показывает блок-схему последовательности операций для иллюстрации этапов способа определения топологии поверхности заполняемого материала. Фиг. 10 поясняет на примере процесс работы соответствующего изобретению устройства 100 измерения уровня заполнения.
Способ начинается в состоянии запуска S0. Сначала, на этапе S1, активируется первая частичная антенна 132 и/или антенное устройство 132 антенного узла 130. На этапе S2, с применением этого антенного устройства 132 согласно известному способу, такому как аналоговое формирование луча, цифровое формирование луча и/или формирование виртуальной антенной решетки, определяется топология на первом частичном участке поверхности 107 насыпного материала 108. Определенная топология сохраняется в памяти устройства 100 измерения уровня заполнения. На этапе S3 активируется вторая частичная антенна 134 и/или антенное устройство 134, и по вышеописанной схеме определяется топология на втором частичном участке поверхности 107 насыпного материала на этапе S4. Параметры также сохраняются в памяти. На этапе S5 активируется третья частичная антенна 136 и/или антенное устройство 136, и определенная с его помощью на этапе S6 топология сохраняется в памяти. Если имеются дополнительные частичные антенны и/или антенные устройства, то они также активируются на этапе S7, и находящиеся под этими антенными устройствами топологии поверхности 107 насыпного материала определяются на этапе S8 и сохраняются в памяти. После того как все антенные устройства пройдены, на этапе S9 определяется результирующая полная топология насыпного материала 108 в резервуаре 105. Профиль поверхности 107 и/или полученные на его основе значения, такие как уровень заполнения, масса, объем и/или положение насыпного материала, определяются на этапе S10 блоком 101 управления и предоставляются как комбинированный измеренный сигнал и/или как измеренное значение, например, передаются к вышестоящему устройству управления на этапе S10. Например, измеренное значение на этапе S10 может передаваться и/или сообщаться на управляющую станцию. Способ завершается на этапе S11.
В дополнение следует отметить, что выражение ʺвключающий в себяʺ не исключает другие элементы или этапы, а формы единственного числа не исключают множественного числа. Кроме того, следует отметить, что признаки или этапы, которые были описаны со ссылкой на одни из приведенных выше примеров выполнения, могут применяться также в комбинации с другими признаками и этапами других из вышеописанных примеров выполнения. Ссылочные позиции в пунктах формулы изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения.