介質邊界的位置測量系統的製作方法

2023-10-05 13:33:49 5

介質邊界的位置測量系統的製作方法
【專利摘要】本發明一種介質邊界位置測量系統，基於電波的傳播時間，測量被測定物與傳播空間之間的介質邊界的位置。具有：結構體；電波收發裝置，在傳播空間內收發電波；運算裝置，執行電波收發裝置的動作控制，並基於電波收發裝置接收到的電波執行被測定物的位置測量處理，在結構體的傳播空間內設有能夠檢測距電波收發裝置的位置的多個電波反射機構，運算裝置具有傳播時間測量機構，測量從電波收發裝置向被測定物發送電波，到電波到達電波反射機構的第1傳播時間序列Tk(k＝1，2，…，N)、和到達與被測定物的邊界面的第2傳播時間Tn；位置測量機構，基於測量的傳播時間，測量被測定物與傳播空間的介質邊界的位置。
【專利說明】介質邊界的位置測量系統

【技術領域】
[0001] 本發明涉及介質邊界位置的測量系統，基於電波的傳播速度之差來測量空間與被 測定物之間的邊界的位置。

【背景技術】
[0002] 在使用電波測量被測定物的位置的測量裝置中，有各種方式的裝置。例如，已知有 線性調頻（chirp)方式和FMCW(FrequencyModulatedContinuousWave:調頻連續波）雷 達方式等。
[0003] FMCW雷達方式如圖4所示那樣，是在預先決定的固定時間（將該時間稱為掃描時 間（T)。）中，一邊掃描頻率一邊向測定地點發送電波的方式。在此將發送的電波的頻率稱 為掃描頻率（F)。
[0004] 將發送的電波在被測定物上反射並返回為止的往返時間設為t。如圖5所示那樣， 在往返時間t所經過的期間，發送頻率僅被掃描FXt/T。混合反射波與接收到反射波的時 刻的發送波得到的差拍信號的頻率（差拍頻率Fb)是發送頻率Ft與接收頻率Fk之差。
[0005] 往返時間t通過"t= (T/F)XFb"確定。如果已知上述差拍頻率Fb，就能夠計算 電波從發送地點至測定地點往返所需要的時間t。由於電波在自由空間中的傳播速度為光 速C，所以能夠通過"L=CXt/2 =CXTXFB/2F"（算式A)算出從發送地點至測定地點的 距離L。
[0006] 關於使用以上說明的FMCW雷達方式的以往例的測量裝置進行說明。圖6示出了 以往的FMCW雷達方式的測定裝置的功能模塊的例子。在圖6中，FMCW雷達方式的測定裝 置100具有DSP(數位訊號處理裝置：DigitalSignalProcessor)101、數字/模擬轉換器 (DAC) 102、VC0(電壓控減振蕩器）103、結合電路（HYB) 104、轉換器（transducer) 106、混合 器（Mixer) 107、自動增益控制電路（AGC) 108、模擬/數字轉換器（ADC) 109。包含DAC102和 VC0103的部分構成發送系統，從混合器107至ADC109的部分構成接收系統。
[0007] 在DSP101中內置有存儲器111。在存儲器111中，存儲有決定針對掃描時間T的 VC0103的振蕩頻率的數據。該數據是表示規定對VC0103的施加電壓與掃描時間T之間的 關係的電壓-時間曲線（V-T曲線）的電壓-時間表（V-T表）。此外，在存儲器111中存儲 根據上述說明的FMCW雷達方式執行距離的測定處理的程序。
[0008] DSP101基於存儲在存儲器111中的程序讀出V-T表。讀出的V-T表通過DAC102 轉換為伴隨著時間的經過而連續變化的電壓值（模擬信號）。該模擬信號成為VC0103的控 制電壓。當該控制電壓施加在VC0103上時，VC0103振蕩的信號的頻率（振蕩頻率）連續 地變化。該頻率連續地變化的振蕩信號經由HYB104後，在作為天線的轉換器106中轉換成 電波。電波從轉換器106向測定地點（例如，如果是液位計則是液體的液面）發送。
[0009] 被測定系統31介於從上述轉換器106至測定地點之間。在測定地點反射的電波經 由被測定系統31後由上述轉換器106接收。所接收的反射波轉換為接收信號，經由HYB104 向接收系統引導。在接收系統中，在混合器107中混合接收信號與接收到該接收信號的時 刻的振蕩信號。通過接收信號與發送信號的混合，生成基於接收頻率與發送頻率之間的差 頻率而得到的差拍信號。該差拍信號被輸入到AGC108。將該差拍信號的頻率稱為差拍頻率 Fb。
[0010] 差拍信號在AGC108中控制為合適的振幅值之後，在ADC109中轉換為數位訊號， 作為振幅值向DSPlOl輸入。在DSPlOl中，在掃描時間（T)的期間執行從V-T數據的讀出 獲取差拍信號的振幅值的處理。相對於在該掃描時間（T)的期間獲取的作為時間軸數據 的差拍信號振幅值組，在進行過濾處理除去不需要的噪聲成分後，進行FFT(FastFourier Transform:快速傅立葉變換）處理，提取差拍頻率Fb。
[0011] 存儲在存儲器111中的程序使用提取出的差拍頻率Fb，執行基於上述算式A的計 算處理，計算到測定地點的距離L。
[0012] 以上說明的FMCW雷達方式的測量裝置用於儲備在液體箱中的液體的液位測定 等。在圖7中示出該例子。在圖7中，在液體箱400a的頂板上設置有測量裝置100a。液體 箱400a是儲備液體401a的箱體。在液體箱400a的上部中，從液體箱400a的頂板朝向液 體401a的液面地設置有作為天線的轉換器106a。從轉換器106a向液體401a發送的電波 在液體箱400a內以光速C傳播，在液體401a的液面反射後，由轉換器106a接收。
[0013] 如圖7所示那樣，當向液體箱400a內的空間發送電波時，液體401a的介電常數低 時，電波在液面上的反射強度（level)低，液位的測定精度降低。為了消除該現象，如圖8 所示那樣，將測量裝置100設置在液體箱400的頂板上，從液體箱400的頂板朝向底面設置 圓筒形狀的圓形波導管300。向該圓形波導管300內發送來自作為天線的轉換器106的電 波，用轉換器106接收在液體400的液面反射來的反射波。另外，液體401能夠進入到圓形 波導管300內，使得液體箱400內的液體液位與圓形波導管300內的液體液位一致。
[0014] 在此關於測量裝置100的功能構成進行說明。圖6是表示測量裝置100的功能構 成的例子的框圖。測量裝置100是FMCW雷達方式的測量裝置，在該測量裝置100與圓形波 導管300的上端之間夾設有轉換器106。轉換器106作為將從上述測量裝置100輸出的高 頻信號轉換為電波並向圓形波導管300內發射的發送天線發揮功能，此外，還作為接收在 液體401的液面反射的電波的接收天線發揮功能。
[0015] 測量裝置100使用例如IOGHz帶域的電波。將從上述頂板面至液體401的面的距 離設為L，將圓形波導管300的內徑設為d。發送頻率Ft表示從測量裝置100朝向液面向 圓形波導管300內發射的電波的頻率，接收頻率Fk表示上述電波在液面反射並在圓形波導 管300內向測量裝置100返回的電波的頻率。
[0016] 為了通過測量裝置100計算距離L，必須知道發送的電波以及反射波的速度。在 圖7所示的例子中，已知空間中的電波的傳播速度與光速C相同。與此相對，如圖8那樣， 已知在使用圓形波導管300時，若將發送波的波長設為λ^，在圓形波導管300內的電波的 波長λ8Ε為"LXU^erUVOUXd))2)"2)"。在此，將圓形波導管300的內徑設為 d，圓形波導管300內的傳播模式的係數設為Kmn，圓形波導管300內（傳播路徑）的相對介 電常數設為εp
[0017] 通常已知圓形波導管300內的電波傳播係數Kmn。由於空氣中的相對介電常數為 1，因此，如果確定了圓形波導管300的內徑d，就能夠計算圓形波導管300內的波長λgE。 基於這些條件，能夠根據"（λVλg)XC"計算電波的速度vg。
[0018] 在從液體箱400內的液體401的液面至頂板面的空間中，充滿著液體401的蒸發 氣體。相對介電常數受到在到達測定地點的傳播空間中（液面上方）中滯留的氣體的成 分、傳播空間中的溫度以及壓力的影響發生變化的情況下，如果求不出相對介電常數，就無 法確定圓形波導管300內的波長λgE。
[0019] 如果預先知道液體箱400內的氣體的成分和溫度以及壓力，就能夠預先將與之相 應的介電常數設定在測量裝置10中。由此能夠使用正確的電波的速度來計算距離L。但是， 滯留氣體的成分和測定時的溫度、壓力等是根據情況變化的，只有正確地測定這些數據，才 能基於正確的介電常數進行距離L的計算。
[0020] 針對上述課題，已知如下液位測量系統：其以圓形波導管內的介電常數收斂於規 定的數值範圍為前提，即使在液面上方有滯留氣體，也能夠精度良好地進行液位的測定的 液位測量系統（例如，參照專利文獻1)。
[0021] 先行技術文獻
[0022] 專利文獻
[0023] 專利文獻1:日本專利第4695394號說明書
[0024] 專利文獻1的液位測量系統即使沒有與液面上的正確的氣體成分的狀況和壓力 相關的信息，只要基於作為前提的相對介電常數的變動範圍而得到的測定結果在測定誤 差的允許範圍內，則該測定結果就是有效的。
[0025] 但是，在專利文獻1的液位測量系統中，當介質的邊界面（液面）上電磁波的反射 率小的情況下，反射波的振幅與噪聲相比並不充分大，所以導致了利用不確定的反射波來 進行測量的情況。這樣一來，無法可靠地測量液面的位置。


【發明內容】

[0026] 本發明是鑑於上述課題而完成的，其目的在於，提供一種能夠不依賴反射波的振 幅的大小地、正確地測量介質邊界的位置的介質邊界位置測量系統。
[0027] 本發明是一種介質邊界的位置測量系統，具有：結構體，其形成向被測定物傳播電 波的傳播空間；電波收發裝置，其在所述傳播空間內收發電波；運算裝置，其執行所述電波 收發裝置的動作控制，並基於所述電波收發裝置接收到的電波執行被測定物的位置測量處 理，所述介質邊界的位置測量系統的最主要的特徵在於，在所述結構體的傳播空間內設置 有能夠檢測距所述電波收發裝置的位置的多個電波反射機構，所述運算裝置具有：傳播時 間測量機構，測量從所述電波收發裝置向所述被測定物發送電波起，到所述電波到達所述 電波反射機構的第1傳播時間序列Tk(k= 1，2,…，唚、和從所述電波收發裝置向所述被測 定物發送電波起，到達與所述被測定物的邊界面的第2傳播時間Tn;位置測量機構，其基於 所述測量的傳播時間，測量所述被測定物與所述傳播空間的介質邊界的位置。
[0028] 發明效果
[0029] 根據本發明，能夠不依賴反射波的振幅的大小地、正確地測量介質邊界的位置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是表示本發明的介質邊界位置測量系統的實施方式的構成圖。
[0031] 圖2是將上述介質邊界位置測量系統具有的波導管沿橫向繪製的概略圖。
[0032] 圖3是表示上述介質邊界位置測量系統的功能構成框圖。
[0033] 圖4是表示基於以往的雷達式液面測量裝置的FMCW雷達方式的頻率掃描的例子 的曲線圖。
[0034] 圖5是表不基於FMCW雷達方式的頻率掃描的距離測量的原理的圖。
[0035] 圖6是表示以往的FMCW雷達方式的測定裝置的例子的框圖。
[0036] 圖7是表示以往的FMCW雷達方式的測定裝置的設置例的圖。
[0037] 圖8是表示以往的FMCW雷達方式的測定裝置的其他設置例的圖。

【具體實施方式】
[0038] 以下，關於本發明的介質邊界的位置測量系統的實施方式，參照附圖進行說明。本 發明的實施例如圖1所示。圖1是表示作為本實施方式的介質邊界的位置測量系統的例子 的測量系統1的構成圖。
[0039] 如圖1所示那樣，測量系統1具有電波收發裝置10、作為結構體的波導管2、未圖 示的運算機構。關於運算機構將在後說明。
[0040] 電波收發裝置10設置在儲存了作為被測定物的液體31的液體箱3的頂板上。從 該電波收發裝置10朝向液體箱3的內部設置有波導管2。
[0041] 在上述結構體的傳播空間內，設置有能夠檢測距上述電波收發裝置的位置的多個 電波反射機構。
[0042] 在波導管2的內部空間中設置有作為電波反射機構的多個基準銷21。測量系統 1能夠測量從電波收發裝置10至基準銷21的距離（從電波收發裝置10看到的基準銷21 的位置）。進而，電波收發裝置10能夠校正基準銷21的實際位置與測量位置之間的誤差。 基準銷21將波導管2內的傳播空間分割為適當數量的區間，能夠檢測距電波收發裝置10 的位置。基準銷21被預先設置為可正確地測量距電波收發裝置10的距離。所設置的各基 準銷21的距電波收發裝置10的距離預先存儲在未圖示的運算機構的存儲部中。
[0043] 在此，關於在測量系統1中的介質邊界位置的測量原理進行說明。測量系統1不 是測量朝向作為被測定物的液體31照射的微波的反射波的系統。測量系統1測量朝向液 體31照射的微波透射液體31的液面後，透射波在被測定物（介質）內的傳播速度。通過 測量電波的傳播速度，能夠測量被測定物與傳播空間的邊界位置（液體31的液位）。測量 系統1能夠不依賴在介質邊界的反射波的振幅的大小地，正確地測量介質邊界的位置。
[0044] 為此，預先將波導管2的內部空間（電波的全部傳播空間）分割為適當數量的區 間。能夠從基準銷的位置的測量結果來算出電波在各區間內傳播的時間，其中，基準銷位於 各區間的分界位置處。能夠基於算出的各區間的電波傳播時間，算出介質邊界的位置。
[0045] 在波導管2中形成的各區間既有包含介質邊界的區間，也有僅為液體31的區間。 當然，還有僅為空氣的區間。
[0046] 包含介質邊界的區間的電波傳播時間由該區間內的氣體部分（傳播空間內）的電 波傳播速度和液體31部分（被測定物內）的電波傳播速度決定。另一方面，在不包含介質 邊界的區間中，僅由氣體中的電波傳播速度或液體31中的電波傳播速度來確定在該區間 中的電波傳播時間。即，如果算出電波傳播時間，就能夠基於氣體中的電波傳播速度與液體 31中的電波傳播速度之差，通過運算來測量介質邊界的正確的位置。
[0047]具體來說，在通過基準銷21而分割出區間的傳播空間中，使在各區間傳播的電波 (透射傳播波）在基準銷21發生反射。測量系統1測量來自各基準銷21的反射波。基於 該反射波，算出各區間（用各基準銷21分隔出的區間）的電波的透射傳播速度。
[0048] 這樣，本實施方式的測量系統1從透射傳播波所具有的信息（傳播速度、傳播時間 等）算出設置在波導管2內的基準銷21的位置。例如，使用在波導管2的作為內部空間的 傳播區間內的5個位置設置有基準銷21的例子，關於基於測量系統1的介質邊界的測量方 法進行說明。圖2是沿橫向繪製波導管2的概略圖。圖2紙面的左側是電波收發裝置10， 圖2紙面的右側是液體箱3的底面。即，從電波收發裝置10發送的電波在圖2中從左向右 傳播，在基準銷21上反射的反射波從右向左傳播。
[0049] 圖2所示的波導管2是將內部的傳播區間分割為6個區間的例子。另外，各基準 銷21的位置是已知的。液面位置Pk是介質邊界的位置。首先，判斷液面位置匕所屬的區 間（第1步驟）。接下來，通過計算而算出在該區間內的液面位置Pk(第2步驟）。
[0050] 籲第1步驟
[0051] 如圖2所示那樣，通過5根基準銷21和液體箱3的底面將電波的傳播空間分割為 X1, X2,…，X6這6個區間。在各區間中的電波傳播時間（T1,T2,…，T6)基於遞推公式,通 過以下的算式（1)、算式⑵表示。
[0052] 在算式⑴以及算式（2)中，C(X1),C(X2), "^c(X6)為各區間中的區間內平均傳 播速度。

【權利要求】
1. 一種介質邊界的位置測量系統，具有： 結構體，其形成向被測定物傳播電波的傳播空間； 電波收發裝置，其在所述傳播空間內收發電波；以及 運算裝置，其執行所述電波收發裝置的動作控制，並基於所述電波收發裝置接收到的 電波執行被測定物的位置測量處理， 所述介質邊界的位置測量系統的特徵在於， 在所述結構體的傳播空間內設置有能夠檢測距所述電波收發裝置的位置的多個電波 反射構件， 所述運算裝置具有： 傳播時間測量機構，測量從所述電波收發裝置向所述被測定物發送電波起，到所述電 波到達所述電波反射機構的第1傳播時間序列Tk(k = 1，2,…，N)、和從所述電波收發裝置 向所述被測定物發送電波起，到達與所述被測定物的邊界面的第2傳播時間Tn ; 位置測量機構，其基於所述測量的傳播時間，測量所述被測定物與所述傳播空間的介 質邊界的位置。
【文檔編號】G01F23/284GK104457910SQ201410488488
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月22日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】瀧澤由美, 深澤敦司, 阿部正治 申請人:姆薩西諾機器株式會社, 深澤敦司