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CN107078400A - 利用均匀线扫描的填充材料表面拓扑确定 - Google Patents

利用均匀线扫描的填充材料表面拓扑确定 Download PDF

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CN107078400A CN201480082288.XA CN201480082288A CN107078400A CN 107078400 A CN107078400 A CN 107078400A CN 201480082288 A CN201480082288 A CN 201480082288A CN 107078400 A CN107078400 A CN 107078400A
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罗兰·韦勒
卡尔·格里斯鲍姆
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Vega Grieshaber KG
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Abstract

用于确定填充材料表面(101)的拓扑的填充物位测量装置(100)包括天线设备(102)和可旋转支座，天线设备包括辐射元件(202)的阵列，可旋转支座用于使天线装置围绕平行于阵列的轴线(131)旋转。以这种方式，可相对于填充材料表面电子地且机械地调节天线设备的多个发射角，而不会出现局部过扫描。

Description

利用均匀线扫描的填充材料表面拓扑确定
技术领域
本发明涉及填充物位测量装置以及填充材料表面拓扑的确定。本发明还涉及用于对象监测或质量流确定的测量装置。另外，本发明涉及用于确定填充材料表面的拓扑的方法以及填充物位测量装置的用于确定移动液体的黏度及确定介质的质量或体积的用途。
背景技术
特别当在密封容器内部或外部测量散装材料和最终的倾注锥(Schüttkegeln)或移除堆(Abzugstrichtern)时，对填充材料表面的拓扑的记录是有利的。还可以记录移动液体的拓扑。例如，拓扑在使用搅拌器并在液体表面上出现相关的流动时发生变化，由此可以产生所谓的漩涡。通过拓扑能够得出关于有关额外的感兴趣变量的结论，这些变量例如是填充介质的粘度或混合。这里，可以考虑到搅拌器的速度。
用于非接触地扫描表面的方法可以例如基于以下原理：朝向表面发射的信号被该表面反射，并评估被反射的信号的传播时间或信号强度。为了足够准确地记录填充材料表面的拓扑，可能需要在填充材料表面的特定区域的方向上进行多次测量，由此增加了这种测量设备或测量方法的复杂性和成本。
为了扫描填充材料表面，可以使用能够扫描填充材料表面的可操控测量设备或电子束控制器。
发明内容
为解决以上问题，本发明提出了尽可能有效地确定填充材料表面的拓扑。
该问题由独立权利要求的主题解决。在从属权利要求和以下说明中可以获得本发明的其它实施例。
本发明的第一方面涉及一种被构造成确定填充材料表面的拓扑的填充物位测量装置。填充物位测量装置包括天线设备和用于使天线设备围绕垂直于天线的主发射方向的(第一)轴线旋转的可旋转支座。天线设备包括例如具有贴片的形式的辐射元件的阵列，辐射元件被设计成在填充材料表面的方向上发射并/或接收电磁测量信号。通过可旋转支座可天线设备围绕(旋转)轴线旋转，且旋转轴线可以例如平行于阵列(或与阵列成不等于90度的角度)，并且旋转轴线例如处于阵列的平面中。在任何情况下，旋转轴线均不是垂直的。
填充物位测量装置被设计成使得可以相对于填充材料表面电子地且机械地设定天线设备的多个发射角和/或接收角。
因此，可以通过机械地使天线设备移动且电子地(例如通过数字波束成形)改变天线发射方向来改变发射信号的发射方向。
使装置的可旋转支座和发射角和/或接收角的电子设定彼此协调，使得天线设备尽可能均匀地例如逐行地扫描填充材料表面(或在散装材料的情况下，散装材料表面)。以这种方式，可以完全减少或防止过度扫描散装材料表面上的特定区域，这意味着可以更快地检测拓扑。
由于天线设备围绕不垂直于布置有辐射元件的天线设备的平面且同时也不垂直于填充材料表面的轴线旋转，因此散装材料表面的逐行扫描可以与电子束控制组合地进行，而不会出现扫描线相交，这是因为这些扫描线彼此平行。
在本文中，应当注意，天线设备的发射角和/或接收角可以以模拟的方式电子地设定，例如使用天线阵列并结合合适的移相器电路或模拟开关，并且可以以数字的形式电子地设定，例如利用天线阵列并结合对数字化的接收曲线或回波信号的数字计算。
根据本发明的实施例，阵列是在纵向方向上延伸的一维阵列，轴线平行于阵列的纵向方向。
根据本发明的另一实施例，利用数字波束成形(digitale Strahlumformung(Digital Beam Forming))处理来电子地设定发射角和/或接收角。
根据本发明的另一实施例，填充物位测量装置包括用于使天线设备围绕不与第一轴线平行的(第二)轴线旋转的附加可旋转支座。例如，附加轴线是垂直轴线。
因此，天线设备具有两个旋转自由度。
根据本发明的另一实施例，当填充物位测量装置装配或安装在容器上时，天线设备在其纵向延伸的方向上相对于水平方向倾斜，以便检测填充材料表面(或散装材料表面)的拓扑。这里，纵向延伸在布置有辐射元件的平面中延伸。
换言之，天线设备的纵向方向与水平方向之间的角度不等于零度。
根据本发明的另一实施例，填充物位测量装置包括用于将填充物位测量装置连接至线路(特别是双线线路或四线线路)的电源和通信接口，通过该接口可以向填充物位测量装置提供测量操作所需的电力，并且通过该接口可将测量的数据发送至远程控制单元。
天线设备可以是贴片天线，例如贴片天线将多个单独、小型、组合的辐射器(被称为贴片)组合起来。这些贴片可以例如布置在共同的支撑件上或布置在具有金属层的形式的印刷电路板上。
天线设备的发射角和/或接收角可以被理解为天线设备的当前主发射方向相对于天线设备的纵向延伸的角度。因此，可以在没有机械地移动或改变天线设备在空间上的位置的情况下改变发射角和/或接收角。例如可以通过叠加效应(相长干涉和相消干涉)与相移相结合来电子地设定发射角。对于接收来说，可以借助已知的数字波束成形算法通过阵列天线的各个接收信道相对于彼此的相移来改变接收方向。
根据本发明的另一方面，详述了一种用于确定填充材料表面的拓扑的方法，其中，首先设置填充物位测量装置。在随后的步骤中，电子地且机械地设定填充物位测量装置的天线设备的第一发射角，天线设备包括用于发射和/或接收电磁发射/接收信号的辐射元件阵列。然后在第一发射角处检测回波曲线，随后使天线设备围绕与平行于阵列的轴线旋转。然后在第二发射角处检测另一回波曲线。
以这种方式检测的多个回波曲线提供了计算填充材料/散装材料表面的拓扑所需的数据。
根据本发明的另一方面，详述了上文及下文中描述的填充物位测量装置的用于确定移动液体的用途。
根据本发明的另一方面，详述了上文及下文中描述的填充物位测量装置的用于确定介质的质量或体积的用途。
根据本发明的另一方面，详述了上文及下文中描述的填充物位测量装置的用于对象监测的用途。
在下文中，将参照附图来详细说明本发明的实施例。
附图说明
图1A示出根据本发明的实施例的安装在容器中的填充物位测量装置。
图1B示出能够通过使天线设备围绕垂直(第二)轴线旋转且借助电子束控制而实现的扫描图案。
图2示出一维阵列天线的示例。
图3A示出根据本发明的另一实施例的位于容器内的填充物位测量装置。
图3B示出能够通过使天线围绕与天线的阵列平行的轴线旋转而实现的扫描图案。
图4A示出根据本发明的实施例的包括作为主反射器的抛物线槽和以双曲线的方式形成的反向反射器的一维阵列天线。
图4B是图4A的天线的侧视图。
图5A示出根据本发明的实施例的天线设备。
图5B示出在使天线设备围绕(第一)轴线旋转之后图5A的天线设备。
图6示出根据本发明的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
附图中的视图是示意性的而不是按比例的。当相同的附图标记被用于各个附图时，它们表示相同或相应的元件。然而，相同或相应的元件也可以由不同的附图标记标示。
图1示出用于确定填充材料或散装材料110的表面101的拓扑的填充物位测量装置100。填充物位测量装置100安装在容器111上，并且包括可以借助可旋转支座而围绕轴线121旋转的天线设备102。轴线121平行于天线设备102的纵向延伸。围绕轴线121的旋转方向由箭头120表示。
天线设备102例如被设计为(一维或二维)阵列天线，并且具有通常垂直于阵列平面的主发射方向104。可以通过电子束控制来设定发射方向104，尤其是形成在发射方向104和旋转轴线121之间的角度β117。
天线设备发射电磁发射信号112，电磁发射信号112被填充材料表面101反射并被辐射回天线设备102。天线设备接收被辐射回来的信号，并且与天线设备连接的高频和电子单元基于该信号形成回波曲线。
填充物位测量装置包括附加的可旋转支座103，天线设备102借助可旋转支座连接至填充物位测量装置的主体116，并且天线设备102借助该可旋转支座能够围绕由箭头118表示的垂直轴线旋转。
垂直轴线的方向由附图标记123表示，且水平方向由附图标记122表示。
通过填充物位测量装置，能够执行用于检测填充材料表面101的拓扑的快速且相对成本有效的方法，这是因为填充物位测量装置100的主发射方向104不是纯机械地或纯电子地改变，而是按照机械和电子组合的方式进行方向变化。例如，使用了能够围绕垂直(第二)旋转轴线并且还围绕(第一)旋转轴线121机械地偏转的电子线扫描器(天线设备102)。
根据图2，线扫描器102包括收发器单元201，收发器单元可以由m(m＝2、3、4等)个发射和/或接收天线元件(也称为辐射元件或贴片)202组成，这些发射和/或接收天线元件彼此并排地布置成线。在这种情况下，y轴线203沿天线设备的纵向延伸延伸，并且x轴线204在天线设备的平面内以与y轴线垂直的方式延伸。
通过电子地处理来自收发器单元的各个信号，可以数字地改变该条线的天线特性，使得主接收方向可在一个维度上偏转。例如，线在y方向上具有3度的窄天线孔径角。对于本领域技术人员来说，用于波束控制的适当方法是已知的，并且在技术文献中以关键词“天线阵列”和“数字波束成形”详细说明了这些方法。
一维天线201可以通过使用针对数字波束成形的后续算法来实现Y延伸203的方向上所得的天线特性的非常有效的聚焦。
用于定位线扫描器的旋转轴线在垂直方向上延伸，即以与容器盖106的表面法线平行的方式延伸(参见图1A)。线扫描器以与容器盖成角度107(例如45度)的方式安装在可旋转轴线103上，线扫描器可以通过机械旋转和电子束成形在容器109的剖面中扫描填充材料表面101的线108(参见图1B)。除了圆形剖面之外，容器还可以具有多边形剖面或者具有可以为任何其它形状的剖面。
通过利用该角度位置，实现了根据图1B的扫描图案。然而，这种图案的缺点在于，扫描密度取决于距中心的距离。扫描密度在中心处最高，但扫描点的密度朝向边缘减小。
图3A示出以可用作线扫描器的方式布置的天线设备102。这里，各个天线元件可以具有各种形式。例如，天线设备可以被构造为由喇叭辐射器、贴片天线或平面引向反射天线(Yagi antenna)形成的阵列。
除垂直旋转轴线103之外或作为其替代，如图1所示，设置了以与天线组件102的平面平行的方式布置的旋转轴线121。以这种方式，可以实现不同的扫描图案，例如图3B示出的图案，或图1B和图3B的扫描图案的组合。
通过组合机械偏转和电子束偏转，可以以成本有效和时间优化的方式来检测拓扑。通过以可旋转的方式安装的不与容器盖的表面法线平行但优选地垂直于该平面法线(参见图3A)或如在图1A的实施例中相对于该表面法线倾斜的轴线121，可以防止不均匀分布的点扫描。例如，该轴线以与阵列天线的纵向延伸203平行的方式延伸(参见图2)。
这里，如图3B所示，天线线可以通过顺时针和逆时针移动来扫描图案。在这种情况下，在y方向上进行线扫描器的机械偏转，且在x方向上进行电子偏转。因此，各个扫描线301不再具有任何交叉点，由此可在容器的剖面302中获得具有平行线的扫描图案，并且这会使拓扑检测的扫描时间更短。
另一种可能方案使天线设备102围绕轴线121连续地旋转。恒定和均匀的旋转的优点在于使偏转部件上的载荷更低。
图4A和图4B示出天线设备102的另一个实施例，其中，天线设备的线扫描器包括作为主反射器的抛物线槽401和作为反向反射器的双曲线轨道402。各个天线元件202例如由喇叭天线、贴片天线或平面引向反射天线形成。抛物线槽改善了x方向204上的天线特性的焦点，并且这会使所扫描的拓扑的局部分辨率更高。
在这种情况下，发射信号403通过天线元件202在反向反射器402的方向上发送，被反向反射器反射，并接着被抛物线槽401的表面再次反射。
抛物线槽401也可以被设计为没有反向反射器402，在这种情况下，如图5A和5B的箭头501所示，发射元件202布置在抛物线槽的焦点处，并且抛物线槽围绕发射元件旋转。在该实施例中，内表面以抛物线的方式形成，并且在槽401的投影区域的区域中涂覆有金属。然而，外侧剖面可以是圆形的。有利地，偏转部件不包含电气部件，这意味着可以减少易于受到磨损的滑动触点的数量。
为了防止灰尘和沉积物堆积，可以使用具有圆柱形辊的形式的天线罩502，天线罩围绕相应的天线元件并且连接至机械旋转部件。可以例如设置具有板或刷的形式的一片机械装置503，以用于从天线罩去除沉积的堆积物。天线罩可被所发射和接收的高频能量504穿透。
天线设备102借助于两个悬挂装置505、506紧固至填充物位测量装置的壳体。这两个悬挂装置不必平行。
图5B示出图5A中的天线设备，其中，抛物线槽逆时针旋转大约20度。
图6是根据本发明的实施例的方法的流程图。在步骤601中，设置被紧固至容器的填充物位测量装置。在步骤602中，电子地且机械地设定填充物位测量装置的天线设备的第一发射角，并然后在步骤603中，在第一发射角处检测回波曲线。在步骤604中，接着使天线设备围绕与该天线设备的阵列平行的轴线旋转。在步骤605中，在第二发射角处检测另一回波曲线。可以基于在不同发射角处记录的这种类型的回波曲线来确定填充材料表面的拓扑。
额外地，应当指出的是，“包括”并不排除其他元件或步骤的可能性，“一”、“一个”或“一者”也不排除多个的可能性。还应当注意，已经参考上述实施例中的一个实施例说明的特征或步骤也可以与上述实施例中的其它实施例的其它特征或步骤组合使用。权利要求中的附图标记不应被认为具有限制作用。

Claims (12)

1.一种用于确定填充材料表面(101)的拓扑的填充物位测量装置(100)，其包括：
天线设备(102)，其包括被构造成发射并/或接收电磁信号的辐射元件(202)的阵列；
第一可旋转支座，其被构造成使所述天线设备(102)围绕非垂直轴线(121)旋转；
其中，所述填充物位测量装置被构造成电子地且机械地设定所述天线设备(102)的相对于所述填充材料表面(101)的多个发射角和/或接收角。
2.根据权利要求1所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述非垂直轴线(121)平行于所述阵列。
3.根据权利要求1或2所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述阵列是沿纵向方向(203)延伸的一维阵列，并且
其中，所述轴线(121)平行于所述纵向方向。
4.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述填充物位测量装置被构造成使用数字波束成形处理来进行所述发射角和/或接收角的电子设定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述填充物位测量装置被构造成使用模拟移相器和/或模拟开关来进行多个发射角和/或接收角的电子设定。
6.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，其还包括：
附加可旋转支座，其被构造成使所述天线设备(102)围绕不平行于所述阵列的轴线(103)旋转。
7.根据权利要求6所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述附加轴线(103)是垂直轴线。
8.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，
其中，所述天线设备(102)沿其纵向延伸相对于水平方向(122)倾斜，并因此所述天线设备(102)的纵向方向(203)与所述水平方向(122)之间的角度(107)不等于0°。
9.根据前述权利要求中任一项所述的填充物位测量装置(100)，其还包括：
电源和通信接口，其被构造成将所述填充物位测量装置连接至双线线路，通过所述电源和通信接口向所述填充物位测量装置提供测量操作所需的电力，并且通过所述电源和通信接口将测量的数据发送至远程控制单元。
10.一种用于确定填充材料表面的拓扑的方法，所述方法包括：
步骤(601)：设置填充物位测量装置；
步骤(602)：电子地且机械地设定所述填充物位测量装置的天线设备的第一发射角，所述天线设备包括被构造成发射并/或接收电磁信号的辐射元件(202)的阵列；
步骤(603)：在所述第一发射角处检测回波曲线；
步骤(604)：使所述天线设备围绕非垂直轴线(121)旋转，所述非垂直轴线例如平行于所述阵列；以及
步骤(605)：在第二发射角处检测另一回波曲线。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的填充物位测量装置(100)的用于确定移动液体的黏度的用途。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的填充物位测量装置(100)的用于确定介质的质量或体积的用途。
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