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用于測定水分含量的物位測量儀.pdf

摘要
申請專利號:

CN201480031516.0

申請日:

2014.06.03

公開號:

CN105283739A

公開日:

2016.01.27

當前法律狀態:

實審

有效性:

審中

法律詳情: 實質審查的生效IPC(主分類):G01F 23/284申請日:20140603|||公開
IPC分類號: G01F23/284; G01N22/04 主分類號: G01F23/284
申請人: VEGA格里沙貝兩合公司
發明人: 卡爾·格里斯鮑姆; 約瑟夫·費倫巴赫; 羅蘭·韋勒
地址: 德國沃爾法赫
優先權: 202013102514.3 2013.06.11 DE
專利代理機構: 北京信慧永光知識產權代理有限責任公司11290 代理人: 曹正建; 陳桂香
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201480031516.0

授權公告號:

|||

法律狀態公告日:

2016.05.11|||2016.01.27

法律狀態類型:

實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及物位測量。對回波曲線進行分析,并且根據該回波曲線來測定存儲材料的物位和水分含量。物位測量儀以節能方式工作使得通過4...20mA兩線式導體回路就足可以向所述儀器供電,該兩線式導體回路也用于傳輸至少一些測量值。

權利要求書

1.一種用于測定存儲材料的物位的物位測量儀,其包括:
射頻單元(101、502),其用于產生測量信號(102、512);
信號處理單元(106、504),其用于根據所述測量信號的回波曲線(406、
507)來測定所述存儲材料的物位;及
溫度測量裝置(706、707),其用于測量溫度值以便測定溫度;
其中,所述物位測量儀被額外地設計成根據所述回波曲線來測定所
述存儲材料的水分含量,并且
其中,所述物位測量儀被設計成使用所測量的溫度值來改善所述水
分含量的測定準確性。
2.根據權利要求1所述的物位測量儀,其還包括:
兩線式接口(109、506),
其中,所述物位測量儀被設計成經由所述兩線式接口被供電并經由
所述兩線式接口輸出從由所測量的物位和所測量的水分含量值組成的群
組中選擇的至少一個測量值。
3.根據權利要求1或2所述的物位測量儀,
其中,所述測量信號為FMCW信號。
4.根據權利要求1或2所述的物位測量儀,
其中,所述測量信號為電磁脈沖。
5.根據前述權利要求中任一項所述的物位測量儀,其還包括:
數據接口(410),
其中,所述物位測量儀被設計成經由所述兩線式接口被供電并經由
所述兩線式接口輸出從由所測量的物位和所測量的水分含量值組成的群
組中選擇的第一測量值;并且
其中,所述物位測量儀被設計成經由所述數據接口輸出從由所測量
的物位和所測量的水分含量值組成的群組中選擇的第二測量值。
6.根據前述權利要求中任一項所述的物位測量儀,其被設計為將空
間自由輻射電磁波用作所述測量信號的測量儀。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的物位測量儀,其被設計為將受
引導微波用作所述測量信號的測量儀。
8.根據權利要求7所述的物位測量儀,其包括:
波導設備(202、601、602),其包括沿著所述波導設備的縱向延伸方
向彼此間隔開的多個反射器(603),
其中,所述物位測量儀被設計成根據所述回波曲線并沿著所述波導
設備來測定水分分布。
9.一種用于測定存儲材料的物位的方法,其包括如下步驟:
產生測量信號(102、512);
根據所述測量信號的回波曲線(406、507)來測定所述存儲材料的物
位;
測量溫度值以便測定溫度;及
根據所述回波曲線,使用所述溫度值來測定所述存儲材料的水分含
量。
10.根據權利要求9所述的方法,其還包括如下步驟:
經由4...20mA兩線式接口向用于執行所述方法的儀器供電。
11.根據權利要求9或10所述的方法,其還包括如下步驟:
經由所述兩線式接口輸出從由所測量的物位和所測量的水分含量值
組成的群組中選擇的至少一個測量值。
12.一種程序,當在處理器上執行上,所述程序命令所述處理器執
行如下步驟:
根據測量信號的回波曲線(406、507)來測定存儲材料的物位;及
根據所述回波曲線,使用溫度值來測定所述存儲材料的水分含量。
13.一種存儲有程序的機器可讀介質,當在處理器上執行時,所述
程序命令所述處理器執行如下步驟:
根據測量信號的回波曲線(406、507)來測定存儲材料的物位;及
根據所述回波曲線,使用溫度值來測定所述存儲材料的水分含量。

說明書

用于測定水分含量的物位測量儀

技術領域

本發明涉及物位測量(levelmeasurement)。具體地,本發明涉及用于
測定存儲材料的物位的物位測量儀,且還涉及程序和機器可讀介質。

背景技術

目前市場上存在多種用于檢測容器中的物位或庫存物位的傳感器。
使用受引導雷達波或空間自由輻射雷達波來檢測物位的傳感器尤其重
要。

這些物位測量儀可按照脈沖通行時間(pulsetransit-time)技術的原理
工作。在這種情況下,電磁脈沖朝向存儲材料的表面通行。接著,物位
測量儀接收測量信號的在存儲材料的表面處以及適用的其它反射器處被
反射的信號分量,由此產生回波曲線,可以分析該回波曲線以測定物位。

同樣已知的是按照調頻連續波(FrequencyModulatedContinuous
Wave,FMCW)原理工作的物位測量儀。這些物位測量儀也可以使用受引
導信號或空間自由輻射信號。

特別對于糧食加工行業的使用者,而且也對于碎石/混凝土行業的使
用者,測量儀額外地需要連續檢測存儲在容器中的材料的水分或庫存的
水分(水分含量)。

如果想要對存儲在容器中的材料或庫存(存儲材料)的水分含量進行
測量,那么,例如如圖3所示,針對此目的可以使用水分儀。

水分儀使用直接測時技術來測定測量信號沿著位于存儲材料中的測
量探針的通行時間。測量信號沿著存儲材料中的測量探針傳播的相對短
的時間段可能導致不準確測量。可以通過多個測量的取平均來提高測量
準確度,但這將大大增加水分儀的功耗。這樣,該功耗對于兩線式裝置
來說過高。

發明內容

本發明的目的在于限定一種用于測定材料的水分含量的測量儀,該
儀器具有低功耗。

本發明的另一個目的在于限定一種用于測定材料的水分含量的測量
儀,該儀器更準確地提供存儲材料的水分含量的測量值。

該目的由獨立權利要求的特征實現。本發明的改進存在于從屬權利
要求和以下說明中。

根據本發明的第一方面,一種用于測定存儲材料的物位的物位測量
儀被限定為包括射頻單元和信號處理單元。射頻單元用于產生測量信號,
隨后測量信號通過空間自由輻射或借助引導器件而朝向存儲材料表面發
射。

接著,測量信號在存儲材料表面處或在一個或多個額外反射器(諸如
容器基部、探針端部或其它間斷部等)處完全地或部分地反射。反射的測
量信號接著饋送至物位測量儀的信號處理單元,該信號處理單元根據所
述信號來獲得回波曲線,并接著根據該回波曲線測定物位。

此外,物位測量儀能夠另外根據該回波曲線來測定存儲材料的水分
含量或至少水分含量的特征值(即,與水分含量相關聯的值)。

與已知方法和裝置相比,這可以節約電能,這是因為可以從單次測
量中對物位和水分含量均進行測定。

雖然沒有使用額外探針進行直接通行時間測量,但是對在測定物位
的過程中已經執行的測量進行分析。

根據本發明的一個實施例,一種用于測定存儲材料的物位的物位測
量儀被限定成根據回波曲線中的兩個回波的兩個幅值并根據相同回波曲
線中的兩個回波的間隔來測定當前物位的測量值以及存儲材料的水分含
量的測量值。使用幅值和間隔信息可以準確地提供介質的水分含量。特
別有利地,將信息處理成使得物位的測量值和水分含量的測量值均可以
以非常正確的方式測定和提供,該方式帶來低電路成本和/或電力成本。

根據本發明的一個實施例,物位測量儀被設計成連接至兩線式導體
回路,例如,4…20mA兩線式導體回路。為此目的,物位測量儀包括兩
線式接口,例如4…20mA兩線式接口。可以經由該兩線式導體回路提供
儀器操作所需的電力。兩線式導體回路可以用于向外部位置傳送與物位
和/或水分含量相關聯的測量值的全部或子集。

可選地或額外地,可進行如下設置:一些測量值(例如水分含量測量
值或物位測量值)可以經由第二數據接口傳送,例如,該第二數據接口可
以是第二兩線式接口的形式或可以作為數據總線接口。

根據本發明的另一個實施例,測量信號為FMCW信號。換言之,物
位測量儀是按照FMCW原理工作并發射作為測量信號的調頻連續波的測
量儀。

根據本發明的另一個實施例,測量信號為電磁脈沖。在這種情況下,
物位測量儀是按照脈沖通行時間技術的原理操作的雷達物位指示器。

根據本發明的另一個實施例,物位測量儀包括兩線式接口,其中,
物位測量儀被設計成經由兩線式接口被供電并經由兩線式接口從物位測
量儀輸出所有測量值。

根據本發明的另一個實施例,除兩線式接口之外,物位測量儀還包
括額外數據接口,其中,物位測量儀被設計成經由兩線式接口被供電并
經由兩線式接口輸出從由所測量的物位和所測量的水分含量值組成的群
組中選擇的第一測量值,并且物位測量儀被設計成經由數據接口輸出從
由所測量的物位和所測量的水分含量值組成的群組中選擇的第二測量
值。

例如,數據接口可以是第二兩線式接口或者數據總線接口。

根據本發明的另一個實施例,測量儀設被計成將空間自由輻射電磁
波用作測量信號。

根據本發明的另一個實施例,物位測量儀被設計成將受引導電磁波
用作測量信號的測量儀。在這種情況下,物位測量儀具有至少部分地延
伸至存儲材料(至少如果物位適當的高時)的測量探針(波導設備)。

根據本發明的另一個實施例,物位測量儀具有波導設備,波導設備
包括沿著波導設備的縱向延伸方向彼此間隔開的多個反射器。在這種情
況下,物位測量儀被設計成基于回波曲線來測定水分分布,該分布沿著
波導設備的縱向延伸。為了建立水分分布,需要沿著波導設備布置各種
反射器,這是因為這種反射器會反射一些測量信號,且接著可以在所記
錄的回波曲線中檢測這些反射。

這樣,本發明的一個方面涉及一種用于對容器中的材料或庫存的物
位和水分含量的進行組合測量的現場裝置,僅經由一個導體來實現供電
和測量值輸出。

具體地,可以根據脈沖電磁波的反射并利用順序采樣技術測定反射
波分量的幅值和時間來測量兩個特征值(物位和水分含量)。

也可以進行如下設置:經由僅兩個導體對來實現供電和測量值輸出,
一個導體對是用于向現場裝置供電并輸出一個測量值的4…20mA導體回
路,另一個導體對是用于輸出另一個測量值的4…20mA導體回路(無源)。

針對兩個測量(物位和水分含量)均使用相同的測量信號,使得與僅用
于兩個測量中的一者的已知傳感器相比,功耗的增加可忽略不計。這說
明兩線式裝置適用于組合傳感器。

根據脈沖電磁波的反射并通過利用順序采樣技術測定反射波分量的
幅值和時間來測量兩個特征值的優點在于可以使用相同的測量信號。

此外,限定了一種用于測定存儲材料的物位的方法,其中,產生測
量信號,根據測量信號的回波曲線測定物位,并根據該相同回波曲線測
定存儲材料的水分含量。

根據本發明的另一個實施例,經由兩線式導體回路(例如,4...20mA
電流回路)將電力提供至用于執行該方法的儀器。

也可以經由該兩線式導體回路輸出測量值。正如上文已經描述,可
以進行如下設置:經由另一個接口輸出一些測量值。

兩線式導體回路可以規定現場裝置(例如,物位測量儀、水分儀等)
的安裝布置,其中,僅經由單個導體對向裝置提供所需的電力,并且經
由該導體對同時輸出至少一個測量值。

兩線式接口可以為現場裝置(例如,物位測量儀、水分儀等)的接口,
經由該接口裝置可以在兩線式導體回路內進行操作。兩線式接口可以選
自如下標準接口的群組:4...20mA電流回路、具有HART的4...20mA電
流回路、Profibus、PA以及基金會現場總線(FoundationFieldbus)。

兩線式裝置可以是具有至少一個兩線式接口的現場裝置(例如,物位
測量儀、水分儀等)。

根據本發明的另一個方面,限定了一種程序,當在處理器上執行時,
該成像命令處理器進行上文和下文說明的步驟。

根據本發明的另一個方面,限定了一種存儲程序的機器可讀介質,
當在處理器上執行該程序時,該程序命令處理器進行上文和下文說明的
步驟。

應當指出,上文和下文說明的物位測量儀可以被設計成執行這里和
下文說明的所有方法步驟。

程序可以為存儲于測量儀的處理器上的一段軟件的一部分。在這種
情況下,該處理器依然為本發明的主題。本發明還涉及通過更新使現有
程序能夠使用本發明的程序。

下面將參照附圖對本發明的實施例進行說明。

附圖說明

圖1示出了物位測量雷達儀。

圖2示出了按照受受引導微波的原理操作的物位測量儀。

圖3示出了水分儀。

圖4示出了根據本發明的一個實施例的物位測量儀。

圖5示出了根據本發明的另一個實施例的物位測量儀。

圖6示出了根據本發明的另一個實施例的物位測量儀。

圖7示出了據本發明的其它實施例的三個物位測量儀。

圖8示出了方法的流程圖。

具體實施方式

附圖中的描繪是示意性的并且不是按比例的。

在附圖的以下說明中,在不同的附圖使用相同的附圖標記的情況下,
這些附圖標記表示相同或相似元件。然而,也可以使用不同的附圖標記
表示相同或相似元件。

圖1示出了根據現有技術的雷達物位測量儀105。雷達物位測量儀使
用射頻單元101來產生射頻測量信號102,并經由合適的天線103將該信
號向存儲材料表面104發射。信號102在該表面處被反射并在相關的通
行時間之后返回至物位測量儀105,其中,該信號被射頻單元101以已知
的方式處理,并且被傳送至分析單元106。分析單元基于通行時間計算至
存儲材料104的距離。

由4…20mA電流回路109供電的物位測量儀105特別具有重要商業
價值。在這種情況下,物位測量儀105包括合適的電源107,電源107
具體地包括能量存儲單元和能量控制單元,并且以合適的方式控制傳感
器中的其它部件,以保證穩定的測量操作。可以經由4…20mA接口106
以模擬形式向外提供由傳感器測量的物位值。

例如,也能夠通過使用HART、Profibus、FF或Modbus來提供數字
形式的測量值。

此外,還能夠使用受引導微波來測量物位。圖2示出了相應的儀器。
與向空間自由輻射的雷達儀105不同的是,基于受引導微波原理的儀器
包括合適的波導202,該波導將測量信號203引導至存儲材料表面并又將
其引導回測量儀201。以與雷達儀105類似的方式對測量值進行測量。同
樣地,該儀器可以經由4…20mA接口或數字現場總線向外部提供測定的
測量值。

另一方面,可以使用專用水分儀來測定待測量的介質108的水分含
量。圖3示出了這種測量儀。測量儀301可以包括探針單元303,該探針
單元包括一個或多個獨立探針306。使用受引導微波來測量信號沿完全位
于介質中的探針的通行時間,并且該通行時間被傳送至測量轉換器單元
302,其中測量轉換器單元302為探針單元303提供控制并供電。

測量轉換器單元302根據信號沿探針306的通行時間來計算相對介
電常數εR',通過考慮必須提前設定的介質特性,可以將該介電常數轉換
為水分值F。為達到良好的近似,這里可以將比例特性假定為:

F=c·εR′

其中,c是取決于介質(以及可能地,溫度)的常量,并且對于所存儲
介質來說是提前已知的。

可以在合適的數字接口304(例如,RS-232)處向外部提供所計算的水
分值。

此外,水分儀302通常包括另一接口305,該接口向傳感器單元301
供電。

這些傳感器不旨在用于同時測量物位和水分含量。另外,水分儀利
用直接測時技術來測量沿測量探針306的通行時間,這種測量由于非常
短的時間周期而會導致較大的測量誤差。雖然通過對多個測量進行平均
可以提高準確性,但這反過來又大大增加了水分儀301的功耗,并因此
妨礙了作為4..20mA兩線式裝置的實施。

圖4示出了物位測量儀的第一實施例,該物位測量儀在連接至
4…20mA兩線式導體回路的兩線式測量儀中組合了對物位和水分含量的
測量。

測量儀401具有射頻單元101、信號處理單元106和改進的電源單元
402。此外,測量儀401還具有水分計算單元403。

測量儀401向待測量的介質108發送射頻信號102。微波能量的一部
分在介質108的表面104處被反射,并且在適當的通行時間之后返回至
測量儀401。

微波能量404的另一部分穿透介質108并且直至到達介質的下限405
時才被反射。該下限通常由容器基部提供。射頻單元101處理所接收的
信號,并且可以使用已知技術來提供數字或模擬形式的回波曲線406。除
了由天線內部的直接反射(immediatereflection)引起的天線回波407之
外,回波曲線還包含源自表面104處的反射的物位回波408,并還包含由
容器基部405處的反射引起的基部回波409。

基于回波曲線406,信號處理單元106可以使用已知方法來計算至存
儲材料表面的距離d。所計算的距離可以在4…20mA接口109處以模擬
形式提供。可選地或額外地,該值可以經由數字接口提供。

在計算至存儲材料表面的距離d之后,水分計算單元403使用回波
曲線406和至存儲材料表面的距離d來計算介質108的水分含量。為此
目的,可將材料特征值預設為水分計算單元403中的參數。這里應注意,
水分計算單元403可設置成信號處理單元的一部分或設置成單獨的部件。

可以使用各種方法來計算材料水分含量F自身。一個選擇是分析存
儲材料回波408的幅值AL,當材料特征值已知時,可以基于該幅值推導
水分含量。為了達到良好的近似,下式成立:

F = c · ( A E - A L A E + A L ) 2 ]]>

其中,c是取決于介質(且可能地,溫度)的常量,并且是提前已知的,
AE是由物位測量儀發射的信號的最大幅值,AL是存儲材料回波的幅值。

另一個選擇是分析微波信號102在材料108中的衰減,可根據存儲
材料回波408的幅值并根據基部回波409的幅值來計算該衰減。可通過
使用具體材料特征值以已知的方式從衰減中推導出介質的水分含量。

衰減系數α如下限定:

α = 2 π λ 0 · ϵ R 2 · 1 + ( ϵ R ϵ R ) 2 - 1 ]]>

其中,

λ0為用于測量的信號的波長,

εR'為復相對介電常數的實部,

εR”為復相對介電常數的虛部。

可以通過使用以下方程式根據測量來計算介質中的衰減DM:

D M = A B ( A H - A L 2 A H ) 2 ]]>

其中,

AB為基部回波的幅值,

AH為由物位測量儀發射的信號的最大幅值,

AL為存儲材料回波的幅值。

可以使用已知的至容器基部的距離dB以及至存儲材料的當前距離d
來計算衰減系數α,該計算使用下式:

α = D M d B - d ]]>

考慮到對于相對介電常數的虛部來說已知材料特定的或可忽略不計
的小的特性值,相對介電常數的實部可以通過轉換來確定,并可以用于
直接推導介質的水分含量。可以具體地使用數值逼近技術在儀器中轉換
并求解這些非線性關系。

在第三變形例中,也可通過使用容器高度dB412和材料相關特征值
并根據基部回波409與存儲材料回波408的間隔量ΔDM411來計算水分。

相位系數β定義如下:

β = 2 π λ 0 · ϵ R 2 · 1 + ( ϵ R ϵ R ) 2 - 1 ]]>

其中,

λ0為用于測量的信號的波長,

εR'為復相對介電常數的實部,

εR”為復相對介電常數的虛部。

基于存儲材料回波和基部回波之間的間隔量ΔDM(411)的增加,可以
根據測量來評估介質中的相位轉動(phaserotation)。下式成立:

ΔD M d B - d = ϵ R 2 · 1 + ( ϵ R ϵ R ) 2 + 1 ]]>

其中,

dB為從測量儀到容器基部的物理距離,

d為從測量儀到存儲材料表面的物理距離。

考慮到對于相對介電常數的虛部來說已知材料特定的或可忽略不計
的小的特性值,相對介電常數的實部可以通過轉化來確定,并可以用于
直接推導介質的水分含量。具體地使用數值逼近技術可以在儀器中轉換
并求解這些非線性關系。

也能夠組合上面提到的方法中的至少兩者。例如,特別有利地,在
單次測量中,對介質內信號的衰減和表現為間隔量ΔDM的增加的相位轉
動均進行評估,并且接著通過使用數值技術并根據上述方程式對相對介
電常數的實部和虛部的準確值進行計算。由此,能夠更準確地測量材料
中的水分。

所計算的水分值可以傳送至通信單元402,該通信單元將所述值向外
提供。為此目的,傳感器可以具有第二模擬4…20mA接口410。然而,
也能夠在現有接口109處提供模擬和/或數字形式的特征值。

在這點應當注意,在本發明的內容中,水分含量或水分值或水分物
位可以是選自包括水分重量含量、水分質量百分比、干物質量百分比、
水分體積含量以及水分體積百分比的測量值群組中的至少一個值。

改進的電源單元402確保實際測量數據采集步驟穩定。與單純用于
物位測量的現有儀器相比,僅需要提供最小量的額外電力,這是因為,
如在傳統的物位測量儀中,射頻單元101中的回波曲線采集的實際耗能
處理必須在每個測量周期均進行一次。可以結合現有處理器中軟件算法
形式的信號處理106來在單元403中計算水分特征值,并且僅需要最小
量的額外電力。

測量儀的特定特征也可以體現為:可以借助順序采樣技術以特定節
能方式在射頻單元101中獲取回波曲線。與諸如可在純粹的水分儀中使
用的那些技術等直接測時技術相比,這帶來了顯著的節能,使得組合傳
感器可以被設計成兩線式測量儀。順序采樣技術的其它優點也包括增大
的動態響應,這允許檢測非常小的回波,并且允許更高的測量速率。

圖5示出了測量設備的另一個實施例。測量儀501按照受引導微波
的原理工作,并且沿著波導設備202向待測量的介質108傳送射頻測量
信號。波導設備可以借助線纜、桿、同軸導體或多個桿或線纜的布置實
施為電絕緣或非絕緣形式。在使用電纜的設計的情況下,也能夠沿著待
測量的路徑通過拉緊重物204來固定波導設備。此外,也可以存在至容
器基部205的錨定處(未示出)。

測量儀501可以由射頻單元502(其也存在于其它物位測量儀中)、信
號處理單元504和至更高級別控制器的接口506構成,該接口通常實施
為4…20mA接口。另外,測量儀501具有水分計算單元503和電源及通
信單元505。

也可以設置溫度測量裝置520。例如,溫度測量裝置520(在下文中
也稱為溫度傳感器)可以位于拉緊重物204中或其上。可選地或額外地,
如圖7所示,溫度測量裝置706、707可以布置在測量儀501內部。

可以通過使用出廠測量的特征值并考慮到探針202的長度L,將在
傳感器內部測量的溫度轉換為介質108的溫度的估計,例如,該長度可
以為出廠規定的長度。特別有利地,溫度測量可以緊靠在測量儀501中
探針202的出口點。該結構性設計允許使用金屬探針202的熱導率來間
接地測量介質108的溫度。在有關的測量周期中在探針202內部建立恒
定的熱流。根據從介質到測量儀的距離(相當于當前物位值)和金屬的熱導
率并結合在探測出口處測量的溫度變化,可以直接推導出介質的溫度。

當考慮到探針202至傳感器501的連接的冷卻效果時,獲得進一步
的改進。如果將此連接視為冷卻體,則可在出廠時提前確定其冷卻能力。
如果通過位于傳感器的外壁501上的第二溫度傳感器(這里未示出)對當
前環境溫度進行測量,則在計算時可以考慮通過冷卻體耗散的熱量的任
何有效變化。通過測量實際存在于最終冷卻體上的溫差,能夠對熱流進
行計算,同樣,考慮到熱導率,可以根據熱流計算來直接地推導介質的
溫度(傅里葉定律)。

溫度測量裝置測量溫度值,以可用于改善水分含量的測定準確性。

基于由物位測量儀獲取的回波曲線,所測量的溫度值可以顯著改善
水分值的測定。

例如,當生產儀器時,可以將作為溫度函數的用于校正所存儲產品
的水分含量的規則硬編碼至物位測量儀中,使得在測量儀的操作期間,
可以直接存取相關的溫度補償曲線。

可選地或額外地,可以在測量儀或拉緊重物上設置用于外部溫度傳
感器(例如PT100)的接口。

溫度傳感器可以被設計成經由布置在(例如,電纜形式的)波導202
中的數據傳輸和電源線組件將所獲取的數據傳送至測量儀的電子器件
502-505。

可以進行如下設置:測量儀可以通過分析回波曲線的不同段來測定
測量探針的包括拉緊重物202、204在內的兩個以上區域中的水分含量。
這樣,可以測定兩級或多級階梯函數形式的水分曲線。

例如,可以將回波曲線的如下區域用作第一水分測量區域,該區域
歸屬于位于存儲材料中的測量探針的區域521。可以將回波曲線的如下區
域用作第二水分測量區域,該區域歸屬于拉緊重物204或另一個參照體
的長度522。

對于進行非接觸測量的物位測量儀,也可以以類似的方式測定水分
曲線。立管中的孔或制作于容器中的參考測量點可以用作能夠在回波曲
線中被識別的反射器。

測量儀501首先檢測回波曲線507,其中回波曲線再現沿波導202
的反射條件。最初,回波曲線507包含來自波導202的連接點處的回波
508以及由存儲材料表面104產生的存儲材料回波509。在本示例中,波
導設備202具有拉緊重物204,該拉緊重物由回波曲線中的兩個回波510、
511來描繪,第一回波識別拉緊重物的起始端,且第二回波識別拉緊重物
的末尾端。

測量儀501中的測量周期可以以與上述雷達儀401中相同的方式進
行。也可以使用相同的技術和方法來實際測定材料水分含量。

另外,還存在用于測定材料108的水分含量的額外選擇。

理論上,根據材料性質(相對介電常數、粒度、致密性)并根據材料的
水分含量,微波信號512、102在介質108中的傳播速度降低。就測量而
言,可以在回波曲線中通過介質內的兩個反射點之間的間隔來識別該速
度降低,其中,該間隔在回波曲線中變大。在圖5示出的示例中,拉緊
重物204的上端部和下端部之間的物理距離ΔdS513在回波曲線507(ΔDS,
514)中顯著變大。

根據所測量的這兩個回波的間隔的增加,能夠使用提前已知的相關
反射點的物理間隔lS來推導介質的當前相對介電常數,當相關材料特征
值是已知的時,可以將該相對介電常數直接轉換為水分值。

下式成立:

ΔD S l S = ϵ R 2 · 1 + ( ϵ R ϵ R ) 2 - 1 ]]>

其中,

ΔDS為回波曲線中拉緊重物的兩個回波的間隔,

lS為拉緊重物的物理長度。

考慮到對于相對介電常數的虛部來說已知材料特定的或可忽略不計
的小的特性值,相對介電常數的實部可以通過轉化來確定,并可以用于
根據已經披露的關系來直接推導介質的水分含量。

測量儀501的特定特征也可體現為:可以借助順序采樣技術以特定
節能方式在射頻單元502中獲取回波曲線。與諸如可以在純粹的水分儀
中使用的那些技術等直接測時技術相比,這帶來了顯著的節能,使得組
合傳感器可以被設計成兩線式測量儀。順序采樣技術的其它優點也包括
增大的動態響應,這允許檢測非常小的回波,并且允許更高的測量速率。

由于存儲材料距離的范圍為幾厘米至數米,并且電磁波即使在介質
中的傳播速度也接近于光速,因此射頻信號通行時間的范圍為幾納秒。
為了能夠非常準確地測量這些信號,合適的方法是將所接收的電信號的
電壓曲線的幅值擴大幾級,該幅值表示沿電磁波的傳播方向的反射條件。

這可以通過如下順序采樣技術來完成:對所傳播/接收的信號在時間
上等距間隔地進行周期取樣。如果采樣時間相對于傳輸時間連續地偏移,
在組合時,獨立樣品重建了原始信號的圖像,盡管是時間擴展圖像。采
樣時間相對于傳輸時間的所限定的偏移對于獲得均勻常量、無差錯時間
擴展是很重要的。該技術的結果為回波曲線(406、507),該回波曲線有利
地在幾毫秒的時間段內進行采樣,并存儲在處理器的存儲器中。

到目前為止所提出的測量儀的實施例能夠測定平均水分值,同樣也
可以使用其它測量儀來測定平均水分值。

圖6示出了根據本發明的實施例的測量設備的另一個實施例。與測
量儀501不同的是,測量儀600可以具有包括至少兩個線路601、602的
波導設備。也能夠將其它探針用作波導設備,例如,桿探針、同軸探針
或包括線纜的探針。

兩個線路可以通過規則排列間隔件603以限定距離彼此定位。間隔
件可以有任意絕緣材料形式。例如,可以使用具有高機械強度的塑料材
料。

如在以上提到的示例中,測量儀以已知方式獲取回波曲線611。獨立
間隔件均單獨地反射一些微波能量,這些微波能量由回波曲線中的相應
地規則排列中的回波607表示。

回波曲線中的各個回波的間隔k1、k2等(直到實際的存儲材料回波
617)對應于提前已知的間隔件603的物理存在間隔。在存儲材料物位下
方,即,在距離大于至存儲材料表面的距離處,微波經歷傳播速度降低,
這特別取決于微波穿過的段中的介質的水分含量。被存儲材料108覆蓋
的間隔件603、604、605、606之間的物理恒定間隔k在回波曲線中由不
同的測量距離Ku、Kv、Kw608、609、610描繪。

水分計算單元616可根據這些距離(它們被描繪為具有增加的長度)
的各者來測定在距測量儀的相應距離處的材料的各個水分值F(d)(612、
613、614)。用于評估獨立間隔Ki的步驟對應于上述用于分析來自拉緊
重物的兩個回波的步驟。那里所述的方程式也模擬地適用于探針上兩個
相鄰布置的間斷的情況。在各個情況下所計算的水分值F可以指定到有
關間隔件之間的中心處的距離。

也可以使用差值技術根據所計算的特征值612、613、614來測定容
器中介質的完整水分分布615,并且可以以模擬和/或數字形式提供至傳
感器的接口506。

也可以通過沿著同軸導體或空心導體間隔地設置間斷將該原理應用
至單體導體、同軸導體或空心導體。

通過考慮到介質的溫度可進一步改善使用電磁波對介質的水分含量
的測定。

圖7示出了相應的實施例。為此目的,測量儀701包括安裝在傳感
器中并連接至水分計算單元704的溫度傳感器706。在傳感器中測量的溫
度值提供容器中介質104的實際溫度的第一近似值,并且基于由傳感器
獲取的回波曲線406可以顯著改善水分值的測定。

不同媒介的相對介電常數的與溫度相關的變化是預先已知的,并且
可以根據微波測量技術的相應的標準參考來獲得該變化。在制造期間,
這些相關性可以被硬編碼至儀器中,使得在操作期間可以直接存取溫度
補償曲線。

測量儀701可以設計為雷達物位指示器,其可以測定三維或至少兩
維水分分布。為此,雷達物位指示器掃描存儲材料(塊狀固體)的表面,并
由此獲取一系列回波曲線,回波曲線各者對應于雷達物位指示器天線的
不同主發射方向。根據各回波曲線,能夠在所存儲產品的具體區域(其中
貫穿各個主發射方向)中測定存儲產品的水分含量。因此,基于以這種方
法測定的不同水分含量可以獲得水分分布,即,所存儲產品的2D或3D
水分分布。

當使用如用于另一個設備702中的非接觸式溫度測量單元707時會
得到進一步的改善。例如,作為紅外測溫儀生產的溫度測量單元707以
非接觸方式測定待測量介質的表面709處的溫度,并將該溫度傳送至水
分計算單元704,該水分計算單元現在可以甚至更準確地計算介質104
的水分含量。

當使用受引導微波時,對介質104的溫度進行的直接接觸測量存在
其它選擇。為此目的,設備703使用安裝在波導設備710的整個長度上
的一個或多個溫度傳感器708(它們可以是圖5的測量設備202或圖6的
測量設備601-606),例如,這些傳感器經由總線系統相互連接,水分計
算單元705可以經由總線系統直接讀取介質104內的溫度或多個溫度,
并且可以使用讀取的溫度非常準確地計算介質的水分含量。圖7示出了
圖5的測量設備的演化。當然,如已經提到,其也可以用來進一步改進
根據圖6的測量設備。

例如,在相應的電纜710的制造期間或在連接相應的拉緊重物204
時,獨立溫度傳感器可以直接安裝在波導設備710中。具體地,溫度測
量裝置可以直接地連接在拉緊重物204中或其上。也能夠放置以與波導
設備202、710平行的方式布置的溫度測量裝置,該溫度測量裝置允許對
介質104的至少一個溫度進行測量。

圖8示出了方法的流程圖。在步驟801中,產生測量信號。在步驟
802中,接著基于測量信號的回波曲線測定物位。在步驟803中,基于回
波曲線測定存儲產品的水分含量,該步驟可以在步驟802之前、之后進
行或與步驟802同時進行。在實施該方法期間,經由兩線式接口(例如
4…20mA)向測量儀供電。在步驟804中,經由兩線式接口輸出選自所測
量的物位和所測量的水分含量值組中的至少一個測量值。

此外,應當注意,術語“包括”或“具有”不排除任何其它元件或
布置,并且“一”或“一個”不排除多個。也應當指出,參照一個以上
實施例進行說明的特征或步驟而言可以與上述其它實施例的其它特征或
步驟組合使用。權利要求中的附圖標記不應當被視為具有限制作用。

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