阅读说明：本技术 检测基于fmcw的液位测量装置的潜在故障状态的方法 (Method for detecting a latent fault state of an FMCW-based level measuring device ) 是由 曼纽尔·绍特迈斯特 卢卡斯·施沃雷尔 温弗里德·迈尔 于 2019-01-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于检测基于FMCW的液位测量设备(1)的故障状态的方法。为此,通过测量信号(s<Sub>IF</Sub>)与参考信号(s<Sub>ref</Sub>)的相关——尤其是互相关——来确定相关系数(K)。当相关系数(K)低于预定最小值(K<Sub>min</Sub>)时,相应地检测到故障状态。以这种方式,可以以安全的程度监控液位测量设备(1)的运行,从而允许将液位测量设备(1)也应用于需要极其可靠的测量装置和测量数据的过程工厂和测量环境中。(The invention relates to a method for detecting a fault state of an FMCW-based level measuring device (1). For this purpose, by measuring the signal(s) IF ) And a reference signal(s) ref ) To determine a correlation coefficient (K), in particular a cross-correlation. When the correlation coefficient (K) is lower than a predetermined minimum value (K) min ) The fault condition is detected accordingly. In this way, the operation of the level measuring device (1) can be monitored to a safe extent, thereby allowing the level measuring device (1) to be used also for measuring devices and measuring data which require extreme reliabilityIn process plants and measurement environments.)

检测基于FMCW的液位测量装置的潜在故障状态的方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测基于FMCW的液位测量设备的可能故障状态的方法，并且涉及一种适于执行这种方法的液位测量设备。

背景技术

在自动化技术中，特别是在过程自动化技术中，经常应用现场设备，这些现场设备用于记录和/或影响过程变量。为了记录过程变量，应用传感器，其例如在液位测量设备、流量计，压力和温度测量设备、pH氧化还原电位测量设备、电导率测量设备等中使用。这些传感器记录对应过程变量，诸如液位、流量、压力、温度、pH值，氧化还原电位和电导率。这些大量现场设备由Endress+Hauser公司生产和销售。

对于容器中填充物的液位测量，非接触式测量方法已被证明是有效的，因为它们鲁棒且需要低维护(在本发明范围内被视为的“容器”也是敞口容器，诸如，例如大桶、湖泊，海洋或流动的水体)。非接触式测量方法的另一个优点是它们几乎连续地由此以很高的分辨率测量液位的能力。因此，为此主要应用基于雷达的测量方法。在这种情况下，已确立的测量原理是FMCW测量原理(其中FMCW代表“Frequency Modulated Continuous Wave：调频连续波”)。在这种情况下，将发射连续的雷达信号，并将在填充物表面上反射的响应信号与即时发射的雷达信号的频率进行比较。在这种情况下，雷达信号的频率位于标准化中心频率(f₀)区域内的固定频带中。根据标准，此处使用6GHz频段、26GHz频段或79GHz频段中的频段。FMCW方法的特征在于，发射频率不是恒定的，而是在一个频带内周期性地变化。在这种情况下，变化可以是线性的并且具有锯齿形或三角形的形状。然而，取决于应用，也可以使用非正弦形状的变化。

在基于FMCW的液位测量方法的情况下，一个特殊的挑战是要能够从叠加的干扰部分中区分出接收到的响应信号或从中得出的测量信号，而不必怀疑识别的正确性。在这种情况下，理想情况下的响应信号应仅通过雷达信号在填充物表面上的反射来产生。但是，由于对应错误源的干扰影响，可能会生成有缺陷的响应信号。在这种情况下，一个根本原因是接收到干扰信号，这些干扰信号是由于雷达信号在诸如搅拌器或安装在容器中的其他物体的干扰物体上的反射而引起的。但是，也可能出现装置内部干扰信号，在这种情况下，误差源例如是液位测量设备的天线单元中的反馈。

为了能够校正响应信号，在基于FMCW的液位测量的情况中，存在许多用于过滤干扰信号的技术手段。因此，从WO 2012/139852 A1中已知一种用于校准基于FMCW的液位测量设备的方法，在该方法中，在正常测量操作期间，可以借助于振荡参考反射器生成唯一的参考测量信号，该参考反射器位于测量设备和填充物之间。

在德国专利申请DE 10 2008 050 117 A1中描述了一种用于校正液位测量设备的内部干扰信号的方法。此处描述的方法基于在尽可能吸收的测试环境中测量参考测量信号，然后基于参考信号创建校正曲线。借助于这种方法，确实可以在给定的情况下对干扰信号进行补偿，但是液位测量设备的老化或结垢也会随时间改变干扰信号或测量信号。因此，当观察到补偿值的变化时，有兴趣在进行中的操作中执行校正并得出存在故障状态的结论。在以高要求的可靠性应用于关键过程工厂中的液位测量设备的情况下精确地检测这种故障状态是必要的。例如，在IEC/EN 61508标准中，针对功能安全性(也称为“安全完整性等级，SIL”)描述了这种用途的所需要求。

因此，本发明的目的是提供一种方法，利用该方法可以可靠地检测基于FMCW的液位测量设备的故障状态。

发明内容

本发明通过一种用于检测用于测量位于容器中的填充物的液位的基于FMCW的液位测量设备的故障状态的方法来实现该目的，该方法包括以下方法步骤：

-发射雷达信号，

-接收响应信号，

-至少基于响应信号创建测量信号，

-借助于测量信号与参考信号的相关来确定相关系数，以及

-当相关系数低于预定的最小值时，检测故障状态。

在这种情况下，在本发明的范围内将故障状态定义为液位测量设备的状态——在该情况下，不能保证液位测量设备确定正确的液位。

因此，本发明的方法可以高度确定地确定液位测量设备的可能故障状态。以此方式，液位测量设备也可以在需要极其可靠的测量装置和测量数据的过程工厂和测量环境中使用。

有利地，为了计算相关系数，借助于互相关来计算相关系数，尤其是使用通常的互相关公式来计算：

原则上，在本发明的上下文中用作参考信号的是任何测量信号，其表示容器中或另一参考环境中的液位测量的定义的参考情况。因此，各种选项可用于实现参考信号。一方面，参考信号可以基于理论上得出的理想回波曲线。基于此，例如，可以使用具有已知距离和无限范围的理想反射平面。可替代地，参考信号可以基于参考测量，该参考测量在存在先前已知的参考测量条件的情况下由液位测量设备在容器中执行。容器中的参考测量条件可以是例如主要的或低于的最小液位。在这种情况下，干净的容器内部的存在可以表示附加的参考测量条件。

用于创建参考信号的另一种可能的参考测量条件包括在测试环境——诸如，例如，吸收室，其中，雷达信号被完全吸收，因此不会产生响应信号——中记录参考信号，在这种参考测量条件的情况下，仅对液位测量设备的内部故障源进行映射。

此外，本发明的方法可以以一种形式进一步发展，使得基于相关系数及其在进行中的液位测量期间的变化，创建相关系数的时间相关函数。因此，对于相关系数尚未低于预定最小值的情况，可以基于相关系数的时间相关函数来计算直到低于该最小值为止的剩余工作时间。因此，这种进一步的发展使用下述想法：即，通过确定至少两个或更多个液位测量的相关系数的时间发展来近似计算剩余工作时间，以便估计何时将可能低于最小值并且从而进入液位测量设备的故障状态。为此的前提是，当前时间点的相关系数尚未低于最小值。

因此，借助于本发明的这种进一步发展，可以基于“预测性维护”的原理来预测故障状态。在这种情况下，可以借助于回归——最简单的情况是线性回归——来创建相关系数的时间相关函数。通常，在本发明的意义上，合适的回归类型(即，指数、对数、多项式、滑动平均值形成等)的选择不限于任何特定的回归类型，而是取决于相关系数的各个时间行为。为了执行回归和/或为了确定合适的回归类型，相应地，例如，可以应用最小二乘法。

类似于本发明的方法，本发明的目的通过用于执行上述变体中至少一个的方法的液位测量设备来实现。为此，这样的液位测量设备包括：

-用于产生基于雷达的信号的信号产生电路，

-用于发射雷达信号的发射天线，

-用于接收响应信号的接收天线，

-用于借助于将雷达信号(S_HF)与响应信号进行混合来产生测量信号的混合器，以及

-评估单元，用于

o基于测量信号确定液位，

o基于测量信号和参考信号确定相关系数，以及

o当相关系数低于预定的最小值时，检测故障状态。

在这种情况下，评估单元被有利地设计为：为了确定液位，其对测量信号执行傅立叶变换，尤其是快速傅立叶变换，因为与其他类型的计算相比，这需要更少的工作量。

附图说明

现在将基于附图更详细地解释本发明，其附图如下所示：

图1是基于FMCW的液位测量设备在容器上的典型布置，

图2是用于执行本发明方法的基于FMCW的液位测量设备的典型电路结构，以及

图3是用于确定相关系数的示意图。

具体实施方式

首先，为了理解本发明的方法，图1示出了安装在容器2上并根据FMCW测量原理工作的液位测量设备1的典型布置。填充物3位于容器2中，其液位L待由液位测量设备1确定。为此，液位测量设备1以从容器2的底部测量的先前已知的安装高度h在填充物3在上方安装容器2上，在这种情况下，根据应用，容器2的高度可以大于100m。

液位测量设备1以如下方式布置在容器2上：使得其在填充物3的表面方向上发射、发送典型用于FMCW的雷达信号S_HF。在填充物表面上(或者，不希望地，在诸如例如伸入容器中的进口21的干扰物体上)反射雷达信号S_HF之后，液位测量设备1接收对应响应信号E_HF。在这种情况下，作为FMCW的特性，瞬时发射的雷达信号S_HF和响应信号E_HF之间的频率差取决于到填充物表面的距离d＝h-L。因此，根据测得的频率差，可以确定液位L。

通常，液位测量设备1经由总线系统——例如“PROFIBUS”，“HART”或“无线HART”总线系统——连接到上级单元4，例如过程控制系统。以此方式，一方面，可以传送关于液位测量设备1的可能的故障状态的信息。还可以发射关于液位L的信息，以便在给定情况下，控制流入容器2的流体21和/或从容器2流出的流体22。

图2示出了用于基于FMCW的液位测量设备1的合适的电路结构，利用该电路结构可以实施本发明的用于检测可能的故障状态的方法。为了产生适合于FMCW测量方法的高频信号s_HF，液位测量设备1包括：例如，基于PLL(“锁相环”，即，其频率由反馈控制的高频振荡器，例如，基于电压控制的振荡器)的信号产生电路11。在这种情况下，设定高频信号s_HF的大小以使其具有微波区域内的频率(根据标准，在6GHz、26GHz或79GHz或甚至在100GHz以上的频率)。在这种情况下，该频率不是恒定的，而是在预定的频率差内周期性变化：在79GHz的情况下，该频率差可以例如达到2GHz，从而使78GHz80GHz之间的频带被通过。在FMCW方法的情况下，通常的是，周期性变化是高频信号s_HF的频率的锯齿状变化。在频率差内可以使用任何其他形状，例如频率的正弦变化。

在这种情况下，诸如典型地在FMCW方法的情况下，(锯齿状)变化的重复可以处于扩展到100MHz的某个数量的数量级。在这种情况下，高频信号s_HF的频率差优选地被设定为尽可能大，因为通过增加带宽，可以提高液位测量的分辨率。因此，通常，高频信号s_HF的更高频率有利于分辨率，因为在更高频率处可以实现更大的频率差。

在其产生之后，高频信号s_HF经由信号分配器12(并且在给定的情况下，通过发射放大器13a)被馈送到发射天线14。在那里，电子高频信号s_HF被转换成实际的雷达信号S_HF并且被对应地辐射。在这种情况下，发射天线的设计取决于雷达信号S_HF的频率。在6GHz和26GHz之间的频率情况下，通常会应用喇叭天线。尤其是在从79GHz开始的更高频率的情况下，天线通常是放置在芯片上的平面天线，例如分形，贴片或曲折状天线，至少液位测量设备1的HF组件(11、12、13a/b、14、15、16)位于其上。

在测量操作中，通过雷达信号S_HF在填充物3的表面上(和/或在容器2中的诸如例如伸入到容器2中的进口21的干扰物体上；参见图1)的反射来产生响应信号E_HF。在利用液位测量设备1进行校准或参考测量的情况下，响应信号E_HF是由预定的参考条件下的雷达信号S_HF的反射产生的，例如，由以已知距离d布置在测量路径中的参考物体进行的反射。另一个参考条件可以通过容器2中的确切已知的液位L来定义(例如，通过已知的最小液位L_min来定义，例如由于对应地布置的排放口22，其不能再降低，再次参见图1)。此外，参考条件也可以是尽可能无反射的测量环境(例如，液位测量设备所指向的吸收室)。在这种情况下，最佳地，根本不存在响应信号E_HF。然后将在参考条件下获得的响应信号E_HF存储为参考信号s_ref。除了通过在参考条件下进行测量来创建参考信号s_ref之外，参考信号s_ref还可基于理论上得出的理想回波曲线。

在液位测量设备1的接收天线15处，接收到响应信号E_HF并将其转换为电信号(在给定的情况下，继而可以通过接收放大器13b对其进行放大)。然后借助于接收器混合器16将其与瞬时高频信号s_HF混合，其中，为此，使用信号分配器12借用由信号产生电路11产生的高频信号s_HF。以这种方式，生成典型用于FMCW方法的测量信号s_IF(也称为中频或IF信号)。在没有干扰影响的情况下，其频率f_peak仅取决于距离d，因此使得可以测量液位L。与雷达信号S_HF和响应信号E_HF的频率相反，由于在通过混合器16的响应信号E_HF和雷达信号S_HF之间形成的差，所以测量信号s_IF的频率f_peak是恒定的(只要液位L不变)。

代替发射天线14和接收天线15作为单独的单元，使用合适的发射/接收分离器或定向耦合器自然也可以可替代地允许实现组合的发射/接收天线。在高达约26GHz的低频情况下，类似于两个单独天线的应用，其可以再次被设计为喇叭天线，或者在更高的频率下被设计为平面天线。

为了确定其频率f_peak(或者，当在给定情况下雷达信号也在干扰物体上反射时，多个频率f_peak)，通常通过数字化单元17对测量信号s_IF进行模/数转换。然后，数字化的测量信号s_IF可以进行(快速)傅立叶变换，因此可以转换成易于评估的频谱。基于频谱的最大值，可以确定频率f_peak，从而可以确定距离d和液位L。在图2所示的实施例的示例的情况下，为此设置了对应评估单元18。当评估单元18例如是微控制器、FPGA等形式时，上述数字化单元17可以是评估单元18的整体功能块。

在借助于数字化单元17执行傅里叶变换之前，测量信号s_IF在图3a和图3b中示出为时间的函数。在这种情况下，与图3a示出的测量信号s_IF相比，图3b中示出的测量信号s_IF用于以后的液位测量。从图3a和图3b的比较中，很明显，测量信号s_IF的信号质量，诸如关于例如幅度A或频率分辨率，可以随着测量次数的增加而下降。其原因可以包括例如在发射天线14和/或接收天线15上以包含填充物3的粉尘的形式逐渐积聚。此外，液位测量设备1的内部故障源，例如混合器17的失谐，可能导致这种行为。

另外，在图3a和图3b中测量的测量信号s_IF之间的质量下降相对于这两个图中示出的参考信号s_ref是明显的。在这种情况下，参考信号s_ref可以是例如在定义的参考条件下记录的存储的测量信号s_IF。图3a/3b所示的参考信号在液位测量设备1启动时获得，此时容器内部是干净的并且是空的，即，容器2最多具有上升到预定最小液位L_min的填充物3。

本发明基于以下观察：由于干扰影响引起的测量信号s_IF的变化非常直接地影响测量信号s_IF和早前存储的参考信号s_ref之间的相关系数K。这可以从图3c中看出，其中相关系数K示出为增加的液位测量次数N的函数。这表明当测量信号s_IF的信号质量由于增加的干扰影响而减小时，相关系数K随着增加的液位测量的次数N而减弱。

因此，可以通过定义相关系数K的最小值K_min来检测液位测量设备1的故障状态或有缺陷的液位测量的存在。在这种情况下，最小值K_min表示阈值，在此阈值之下，不再可能进行可靠的液位测量，即，存在液位测量设备1的故障状态。

当借助于互相关确定相关系数K时，可以基于以下公式进行计算

在这种情况下，A_ZF,i和A_ref,i是测量信号s_IF和参考信号s_ref的对应相等的相位和归一化的幅度值(比较图3a和3b)。为了正确地确定相关系数K，必须不存在测量信号s_IF和参考信号s_ref相对于彼此的相移这尤其在图3a中示出。否则，如公式中所示，必须对此进行对应地校正以计算相关系数。

从上述公式还可以看出，相关系数K的值决定性地取决于测量信号s_IF和参考信号s_ref的幅度A。因此，关于最小值K_min，本身不可能定义一个固定值——在该固定值以下液位测量设备1将被分级为不再起作用。然而，从图3c可以得出，最小值K_min可以例如被定义为第一次测量(N＝1，例如，其中参考信号s_ref也被确定的测量)的相关系数K的函数，因此，例如，k_min＝1/10*K_N＝1。另外，最小值K_min的合理定义例如还可以经由液位测量设备的对应老化测试来确定。

如果在液位测量设备1的正在进行的操作中，低于了相关系数K的最小值K_min，则这由为此设计的液位测量设备1的逻辑门19(参见图2)检测到。为此，例如，基于上述公式，在逻辑门19中计算出测量信号s_IF和参考信号s_ref之间的相关系数K。为了计算相关系数K，逻辑门19使用来自混合器16的测量信号s_IF。例如，从评估单元18(参见图2)获得参考信号s_ref。在这种情况下，逻辑门19也可以被设计为评估单元18的组成部分。继而，可以根据对应干扰消息将可能低于最小值K_min或故障状态的存在发射到上级单元4。

此外，图3c中示出了本发明的方法的另一种发展。这里的想法是基于至少两个液位测量的相关系数K来近似计算剩余工作时间t_r，直到低于相关系数K的最小值K_min，即，达到液位测量设备1的故障状态。为此，必须基于确定到当前时间点的相关系数K，创建以对应数学函数K(t)的形式的相关系数K的时间展开。仅当当前液位测量的时间点的相关系数K尚未低于最小值K_min时，这种计算才自然地有意义。相关系数K的时间相关函数K(t)的创建和/或剩余工作时间t_r的计算继而可以由评估单元18来完成(比较图2)。

图3c中所示的时间相关函数K(t)基于借助于滑动平均值对变化的相关系数K的回归。通常，从发明的意义上选择合适的回归类型(即，也包括指数、对数等)不限于任何特殊的回归类型，而是取决于相关系数K的特定行为(例如，为了找到合适的回归类型和/或为了执行实际回归，可以应用最小二乘法)。

在创建相关系数K的时间相关函数K(t)之后，使用该函数，从最后一次液位测量的时间点的测量信号s_IF的相关系数K开始，近似计算可能的剩余工作时间t_r，直到相关系数K低于最小值K_min为止。因此，借助于本发明的这种进一步发展，可以根据“预测性维护”的原理来预测故障状态。

参考字符列表

1 液位测量设备

2 容器

3 填充物

4 上级单元

11 信号产生电路

12 信号分配器

13a,b 放大器

14 发射天线

15 接收天线

16 混合器

17 数字化电路

18 评估单元

19 逻辑门

21 流入

22 流出

A 幅度

A_ref,i 参考信号的幅度

A_ZF,i 测量信号的幅度

d 距离

E_HF 响应信号

f 频率

f_peak 中间信号的频率

h 液位测量设备的安装高度

i 测量/参考信号的各个测量值的索引

K 相关系数

K(t) 时间相关的相关系数函数

K_min 最小值

L 液位

L_min 最小液位

N 测量次数

n 每个测量/参考信号的测量值数量

S_HF 雷达信号

s_HF 高频信号

s_ref 参考信号

s_IF 测量信号

t_r 剩余工作时间

参考信号的相移