[发明专利]基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于使用行进时间方法来基于激光确定容器中的填充物质的料位的方法和设备。

背景技术

借助于激光脉冲用于料位测量的已知设备和方法通过直接地测量在障碍物上反射的发送激光脉冲的行进时间进行操作。为此，激光脉冲的行进时间借助于用于时间测量的高度准确的集成电路(即，所谓的时间至数字转换器(TDC))来测量。集成电路工作的方式与使用起始信号和停止事件的秒表相似。起始信号由发送电子装置触发。停止事件在超过定义的模拟阈值时由所接收到的信号触发。

基本上，已知系统仅是有有限多目标能力的，并且因此，参考可能存在的干扰变量(诸如流、雾以及灰尘)不是非常鲁棒的。而且，已知系统不能够基于信号形式来检测缺损或无效的接收信号。因为这样的检测是不可能的，所以不能够拒绝无效的信号。

由于这些局限并且由于在给定情况下可能存在于测量范围内以产生对应干扰反射的干扰源，已知的雷达料位测量装置利用雷达脉冲的总信号曲线的采样的原理。这些已知装置将信号曲线记录为所谓的包络曲线或回波曲线，并且出于使用拟合与自适应算法和数字信号处理来确定测量值的目的对这些曲线进行评估。已知方法能够选择性检测和拒绝干扰或出错信号，使得它们在理想情况下不影响测量。具有包络曲线评估的基于激光的料位测量装置由于在下面所描述的问题而仍然不存在。

然而在地理数据检测的领域中，使用扫描激光系统，所述扫描激光系统根据包络曲线或通常全波形采样的原理工作，并且出于附加处理的目的将所记录的信号形式转发至计算单元。然而，不同的信号形式在这样的情况下主要用来确定目前地理物质。术语地理物质指代例如树、水、灌木丛等。在这些系统的情况下，焦点不在确切距离确定上。已知系统是非常昂贵的并且以GHz区域内的采样频率工作。已知系统不适合于料位测量，因为它们的更新速率是不足的。

用于料位测量的采样系统的问题存在于所需要的测量精确度中和在所需要的测量速度中。为了在1-5ns的脉冲宽度的情况下实现所需要的测量精确度，需要非常高的采样频率以及因此快速且非常昂贵的电子组件，这而且还具有高电流消耗。由于高成本、由于高电流消耗并且由于所需精度，在雷达测量技术中使用了应用多个周期性地非常迅速地复现的传输脉冲以便确定包络曲线的方法。通过顺序采样方法，非常快速的传输脉冲被变换成扩展时间信号并且于是变换成低频范围。能够利用较慢的并且于是显著更便宜的组件对扩展时间信号进行数字化和评估。图1示出示意性地呈现的通过顺序采样高频测量信号如何能够被变换成低频范围。低频范围内的时间扩展信号表示高频原始测量信号变成低频范围的映射。

在液体介质的情况下尤其关键的是料位测量。在这样的情况下，表面通常是移动的。为了料位的高度准确的检测，小于或等于1ms的区域中的非常快速的测量值产生是必要的。

已知的雷达系统对于这样的应用在若干MHz的区域中使用非常高的传输脉冲速率，以便在短时间内，能够对于待评估的包络曲线记录足够的采样点并且于是为测量值的必要平均提供足够的时间。

采样在这样的情况下通过传输脉冲和采样脉冲的交叉相关而发生，其中，采样脉冲比传输脉冲具有稍微更大的周期长度。交叉相关积随后被对于扩展时间信号求积分。能够利用模拟组件相当简单地实现相关和积分。时间信号按其扩展的因子优选地大于80,000。能够利用简单手段对扩展时间信号进行数字化和评估。

在下文中，将叙述已知现有技术的缺点：

用于料位测量的激光测量装置由于它们缺少多目标能力而使用TDC方法仅是有限适合的。具有全波形采样的现有激光扫描器不满足对于料位测量技术来说重要的要求。而且，这些方法由于它们的高采样速率实现起来非常昂贵。由于快速采样，这样的装置同样具有超出平均水平的高电流消耗。

尽管有已知采样方法中所使用的快速组件，但是所对应的基于激光的系统对于料位测量来说太慢。此外，应当注意，与雷达测量装置相比，发射速率在基于激光的系统的情况下显著地受对于眼睛安全的要求限制。

在应用具有从可见区域直到近红外区域(大约900nm)的现今证实的且价格有利的波长的激光器的情况下，所容许的激光功率和发射速率与近红外区域中的昂贵且很少使用的波长(诸如1060或1500nm)相比是再一次显著有限的。地理扫描器由于在高激光功率下所需要的快速发射速率而在大约1500nm处的近红外区域中常常还使用非常昂贵的技术。