用于雷達物位指示器的雷達波束偏轉單元的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于雷達物位指示器的雷達波束偏轉單元，該雷達波束偏轉單元用于控制從雷達物位指示器發射的傳輸信號的主發射方向的偏轉，雷達波束偏轉單元包括：第一波束偏轉元件，第一波束偏轉元件用于偏轉傳輸信號的主發射方向；和第一驅動器，第一驅動器用于使第一波束偏轉元件繞第一旋轉軸線旋轉，使得傳輸信號的在經過第一波束偏轉元件之后的主發射方向沿閉合路徑行進。本發明還涉及一種包括雷達波束偏轉單元的測量儀器、一種該測量儀器確定位于傳送帶上的散裝固體的體積流量的用途、一種該測量儀器確定散裝固體的質量的用途以及一種用于確定散裝固體的拓撲結構的方法。
【專利說明】用于雷達物位指示器的雷達波束偏轉單元
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年8月14日提交的歐洲專利申請N0.EP 13 180 386.8的申請日的優先權，該申請的全部公開內容在此通過參引的方式并入本文。
【技術領域】
[0003]本發明涉及物位測量。特別地，本發明涉及用于雷達物位指示器的雷達波束偏轉單元，涉及包括雷達波束偏轉單元的測量儀器，涉及此測量儀器確定散裝固體的體積流量的用途，涉及此測量儀器確定散裝固體的質量的用途，并且涉及用于確定散裝固體的拓撲結構的方法。
【背景技術】
[0004]存儲在容器中的、位于傳送帶上的或者放置在廢品堆上的散裝固體通常具有不規貝U、不均勻的表面。特別地，散裝固體可以形成為圓錐體或者可以形成萃取漏斗形。
[0005]在這種情形下，物位指示器在確定物位時常常是不準確的，特別是在物位指示器只測量距離散裝材料的表面上的單個點的距離時，亦是如此。為了能夠更準確地確定物位，有利的是，使用關于散裝材料的表面拓撲結構的信息。
[0006]可以通過改變天線的主波束方向來使用雷達物位指示器檢測散裝材料的表面拓撲結構。通過連續改變主波束方向，可以從不同的角度方向或者從不同的位置來測量介質的表面。所檢測到的回波曲線可以用于測量儀器或者用于合適的分析單元以確定表面拓撲結構。
[0007]可以通過使天線轉動或移位來以機械的形式進行主波束方向的必要的改變。也可以提供從不同的空間方向檢測回波曲線的天線陣列。
[0008]DE 101 06 176 Al描述了具有可調節檢測器頭的物位指示器。
[0009]DE 689 10 784 T2描述了具有電控偏轉系統的天線。
【發明內容】
[0010]本發明的目的是能夠使用替代措施來確定散裝材料的拓撲結構。
[0011]本發明的第一方面限定了用于雷達物位指示器的雷達波束偏轉單元，該單元設計成控制從雷達物位指示器發射的傳輸信號的主發射方向的偏轉。雷達波束偏轉單元包括用于偏轉傳輸信號的主發射方向的至少一個第一波束偏轉元件。例如，該元件是棱鏡。此外，設置有第一驅動器，第一驅動器設計成使第一波束偏轉元件繞第一旋轉軸線旋轉，使得第一波束偏轉元件的旋轉使傳輸信號在經過第一波束偏轉元件之后主發射方向沿閉合路徑行進。例如，該閉合路徑是圓形路徑。
[0012]換言之,主發射方向描述了傳輸信號的主要方向。在偏轉之后，波束，即傳輸信號例如指向散裝材料的表面，所述表面可能是不均勻的。當離開發射源時，雷達波束的主發射方向指向雷達波束偏轉元件。當經過雷達波束偏轉元件時，主發射方向指向散裝材料的表面。通過將傳輸信號的主發射方向定向和/或偏轉到散裝材料的表面上，可以獲得關于散裝材料的拓撲結構的信息。
[0013]可以通過連續地移動雷達波束偏轉元件來連續地調適和/或改變傳輸信號的主發射方向。因此，可以例如通過驅動器來移動雷達波束，使得可以沿在所述表面上沒有中斷的閉合線或閉合路徑行進。換言之，可以在散裝材料的表面上連續地移動或引導轟擊點，該轟擊點形容了具有明顯的主發射方向的激光波束所終結的在散裝材料的表面上的點。在這種方式下，可以實現在散裝材料的表面上的閉合路徑，在所述表面上沿所述閉合路徑引導雷達波束。
[0014]根據本發明的一個實施方式，除了第一波束偏轉元件之外，還設置有用于偏轉傳輸信號的主發射方向的第二波束偏轉元件。第二波束偏轉元件也可以是棱鏡。
[0015]術語“棱鏡”應當被理解為是指下述本體:該本體對傳輸信號至少部分地透過，該本體具有彼此成一定角度的兩個表面，并且傳輸信號在從雷達物位指示器到散裝材料的途中必須經過該本體。因此，在傳輸信號通過波束偏轉元件的途中，信號至少由這兩個表面折射一次，使得主發射方向改變。
[0016]如果現在第一波束偏轉元件或第二波束偏轉元件通過所述元件的驅動器而繞其主軸線旋轉，則因此傳輸信號在經過波束偏轉元件之后主發射方向描述了閉合路徑。
[0017]設置有第二驅動器，以用于使第二波束偏轉元件旋轉。因此，可以激活兩個驅動器，由此，兩個棱鏡沿相同的方向或沿相反的方向旋轉。
[0018]例如，第一棱鏡的旋轉軸線和第二棱鏡的旋轉軸線重合。通過對兩個棱鏡的面相對于彼此適當地定向和對旋轉的速度和方向適當地調節，傳輸信號的主發射方向可以沿螺旋路徑或例如花形路徑移動。
[0019]根據本發明的另一實施方式，可以設置有第三驅動器，以便使兩個棱鏡繞垂直于第一旋轉軸線和第二旋轉軸線的第三旋轉軸線旋轉。
[0020]根據本發明的另一實施方式，第一波束偏轉元件具有包括一個角度的第一光學表面和第二光學表面，該角度以對于棱鏡而言已知的方式限定傳輸信號的主發射方向的偏轉。
[0021]特別地，第一驅動器和第二驅動器可以設計為機械耦接驅動器組件。可以設置有合適的齒輪機構，該齒輪機構設定第一棱鏡的旋轉頻率相對于第二棱鏡的旋轉頻率的比率。
[0022]根據本發明的另一實施方式，第一波束偏轉元件的旋轉頻率相對于第二波束偏轉元件的旋轉頻率的比率是可調節的。可以通過預定義波束偏轉元件的不同的旋轉頻率來進行該調節。例如，通過例如將兩個驅動器機械耦接在一起來使這兩個驅動器適應于使波束偏轉元件以預定義的旋轉頻率移動。可以使用于第一驅動器和第二驅動器的齒輪適應成使得第一波束偏轉元件的旋轉頻率能夠相對于第二波束偏轉元件的旋轉頻率可調節。在這種方式下，可以在散裝材料的表面上沿具有具體圖案的閉合路徑行進或者掃描該閉合路徑。因此，雷達波束可以連續地掃描散裝材料的表面，以便在閉合路徑上實現螺旋槳形掃描圖案或花形掃描圖案。
[0023]根據本發明的另一實施方式，波束偏轉元件包括至少檢測元件的相對位置的編碼器。
[0024]特別地，也可以確定波束偏轉元件的絕對位置。
[0025]本發明的另一方面限定了包括如上面和下面所描述的雷達波束偏轉單元的測量儀器。
[0026]例如，測量儀器可以是脈沖雷達儀器、FMCff測量儀器(FMCW =調頻連續波)、超聲測量儀器或激光測量儀器。
[0027]例如，棱鏡可以由聚四氟乙烯(Teflon)或聚乙烯(PE)制成。然而，也可以是具有不同折射率的材料。棱鏡也可以由具有負折射率的被稱為超材料的材料制成。在這種情況下，憑借超材料的合適的設計，除了棱鏡形狀以外的幾何結構也可以用于波束偏轉單元的實施方式。
[0028]根據本發明的另一實施方式，測量儀器包括用于將雷達波束偏轉單元附接至測量儀器的附接機構。
[0029]此處應當提及的是，例如，如果測量儀器不是雷達物位指示器而是超聲測量儀器，則將波束偏轉單元設計成不用于偏轉雷達波束而用于傳輸和偏轉超聲信號。如果輻射源是激光，則明顯地將棱鏡設計成偏轉激光。
[0030]特別地，(雷達)波束偏轉單元可以附接至測量儀器的殼體和/或測量儀器的天線，從而減少調節所涉及的時間量和精力。
[0031]特別地，測量儀器可以設計成確定散裝固體的拓撲結構。通過旋轉棱鏡來用傳輸信號掃描散裝固體的表面來實現此目的。
[0032]本發明的另一方面限定了如上面和下面所描述的測量儀器確定位于傳送帶上的散裝固體的體積流量的用途。
[0033]本發明的另一方面限定了如上面和下面所描述的測量儀器確定散裝固體的質量的用途。在不同情況下使用關于拓撲結構的信息來確定體積流量和質量。
[0034]本發明的另一方面限定了用于確定散裝固體的拓撲結構的方法，在該方法中，首先，來自物位指示器的傳輸信號沿天線陣列的主發射方向進行傳輸。例如，物位指示器是雷達物位指示器、激光測量儀器或超聲測量儀器。然后，第一棱鏡繞第一旋轉軸線旋轉使得傳輸信號在經過棱鏡之后主發射方向沿閉合路徑行進。此外，第二棱鏡可以沿與第一棱鏡相同的旋轉方向或者沿與第一棱鏡相反的旋轉方向繞相同旋轉軸線旋轉。旋轉速度可以不同，使得傳輸信號在經過兩個棱鏡之后主發射方向沿可以是閉合的諸如螺旋形路徑或花形路徑之類的復雜路徑行進。
[0035]傳輸信號在散裝固體的表面進行反射，并且反射信號再次經過棱鏡并且然后由物位指示器進行檢測。然后可以通過分析所檢測到的反射傳輸信號來計算散裝固體的拓撲結構。
[0036]下面參考附圖描述本發明的實施方式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1A示出了物位測量裝置。
[0038]圖1B示出了另一物位測量裝置。
[0039]圖1C示出了另一物位測量裝置。
[0040]圖1D示出了根據本發明的實施方式的物位測量裝置。
[0041]圖2示出了根據本發明的另一實施方式的物位測量裝置。
[0042]圖3A示出了根據本發明的另一實施方式的物位測量裝置。
[0043]圖3B和圖3C示出了根據本發明的另一實施方式的物位測量裝置。
[0044]圖4示出了傳輸信號能夠掃描的可能的掃描區域。
[0045]圖5A至圖5F示出了各種軌跡或路徑，傳輸信號的主發射方向在經過棱鏡之后可以沿所述各種軌跡或路徑移動。
[0046]圖6示出了根據本發明的實施方式的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0047]附圖中的描繪是示意性的并且不是按比例繪制的。
[0048]在下面的附圖描述中，在不同的附圖中所使用的相同的附圖標記表示相同或類似的元件。然而，也可以由不同的附圖標記表示相同或類似的元件。
[0049]本發明特別用于物位指示器領域，雖然也可以在目標監測或質量流量測量領域中使用本發明。本發明的核心方面可以被認為是，以可以檢測表面的拓撲結構的方式擴寬了僅確定距散裝材料表面上的單個點的距離的物位測量方法。這特別是在散裝固體應用中可以實現更好的測量結果，而不論什么器件將在另外的計算步驟中用于分析拓撲結構數據。
[0050]存在為實現傳輸信號的主發射方向的變化的機械解決方案、光學解決方案和電學解決方案，所述變化是確定拓撲結構所必需的。
[0051]例如，如圖1A中所示，可以使用能夠作為整個單元行進的行進天線或物位指示器來實現機械解決方案。然而，在現有容器中加裝此測量裝置通常不能通過現有的容器開口，并且需要等于測量區域的用于天線的較大行進距離。
[0052]就例如呈喇叭天線或拋物面天線102的形式的雷達系統而言，例如是雷達物位指示器、超聲測量儀器或激光測量儀器的測量儀器101包括傳輸信號發射設備。傳輸信號103朝向散裝材料表面111進行發射并且在此處至少部分被反射。
[0053]例如可以是散裝固體的散裝材料105通常位于容器104中或者位于傳送帶上。然后，由測量儀器借助于天線102檢測從散裝固體105的散裝固體表面111反射的傳輸信號并對該傳輸信號進行分析。
[0054]在圖1A中的示例中，測量儀器101可以沿水平導引件106移動，使得可以至少在一個維度上掃描散裝固體表面。
[0055]如圖1B中所示，用于掃描散裝材料表面的另一選擇是以機械的方式樞轉以其他方式固定在適當位置的天線。然而，在這種情況下，電力供給和信號傳輸所需要的天線線纜上的機械應力因需要天線快速旋轉而會遇到問題。
[0056]可以通過將波束產生與主波束方向的機械偏轉分離來避免此問題，這可以例如由固定的天線和合適的樞轉鏡110來實現。圖1C中示出了此示例。鏡的橫向布置使得不能具有緊湊構型并且對于安裝來說，不可能配合通過測量例如僅為六英寸的容器開口。
[0057]例如，可以使用貼片陣列天線來實現純電動波束偏轉系統。然而，這與昂貴且復雜的電路相關聯。此外，例如，在這種情況下可以實現的波束質量(重點包括旁瓣)遠差于使用卡塞格倫天線(Cassegrain antenna)能夠實現的波束質量。
[0058]根據本發明的一個方面，在保留緊湊設計的同時將波束生成與主波束方向的機械偏轉分尚。
[0059]圖1D和圖2示出了本發明的兩個實施方式。這些實施方式涉及用于物位指示器101 (例如，雷達物位指示器)的裝置，用于物位指示器101的裝置具有天線(A) 102以及位于天線102的主波束方向201上的例如呈棱鏡形式的至少一個波束偏轉元件(P1) 107、108。
[0060]棱鏡在兩個折射面204、205之間具有角度α:并且由諸如PTFE(聚四氟乙烯)之類的至少一種材料(M1)制成。通過使用具有與M1不同的性能的其他材料來進行例如表面處理，可以影響其他性能例如波束偏轉元件的反射性能和傳輸性能或者色像差。
[0061]合適的驅動器可以用于使波束偏轉元件P1沿主波束方向相對于天線102傾斜，并且因此根據波束偏轉元件中的不同長度的光學路徑將其主波束方向偏轉到圓錐體的表面上。此時，圓錐角取決于棱鏡角Q115
[0062]圖4示出了可以通過此器件實現的掃描區域。圖4中可以看出的是，方位角Ψ可以是O度至360度。例如，取決于選擇制成棱鏡的材料和\和α2，螺旋角Θ可以等于O度至50度。
[0063]棱鏡107、108可以位于安置在測量儀器101的殼體及其天線102之上的共用殼體109中。由此，波束偏轉單元100可以直接附接至測量儀器101的殼體和/或其天線102。特別地，測量儀器101的殼體設計成與波束偏轉單元100的殼體109集成為一體。
[0064]圖2示出了天線設計為拋物面天線102的實施方式。附圖標記201指示傳輸信號在剛剛離開天線之后的主發射方向。該主發射方向位于第一棱鏡的主軸線203上。如果傳輸信號入射到第一棱鏡107的第一光學表面204上,則該傳輸信號被折射成偏離第一棱鏡107的主軸線203。然后該傳輸信號入射到棱鏡的第二光學表面205上并且再次被折射成偏離棱鏡的主軸線203 (參見波束方向202)。
[0065]棱鏡107可以通過例如可以是力矩馬達的驅動單元206來繞主軸線203旋轉。與圖1D中所示出的類似，圖3Α示出了兩個棱鏡107、108的布置。第一棱鏡107的光學表面204——該表面面向天線102——與兩個棱鏡的旋轉軸線203成不等于90度的角度a i，使得傳輸信號在其經過第一表面204時折射成偏離光學軸線203。另一方面,第一棱鏡的第二、后表面205定向成與旋轉軸線203垂直,如第二棱鏡108的第一表面306 —樣,該第一表面306與此第二、后表面相對。因此總之，當傳輸信號從第一棱鏡行進到第二棱鏡中時，特別是在兩個棱鏡之間的距離足夠小時，傳輸信號的主發射方向不改變。
[0066]第二棱鏡108的后第二光學表面307與兩個棱鏡的主軸線203成角度α 2，使得在傳輸信號離開第二棱鏡時，主發射方向再次發生變化。
[0067]兩個棱鏡可以具有能夠以彼此獨立的方式進行控制和操作的不同的驅動器206、301。然而，第二棱鏡也可以例如通過齒輪機構耦接至第一棱鏡的驅動器，從而預先固定兩個棱鏡的旋轉頻率的比率。
[0068]此外，可以設置有第三驅動單元303，其使兩個棱鏡能夠繞垂直于主軸線203的軸線302旋轉(參見箭頭309)。在這種情況下，可以生成非徑向對稱的掃描圖案。
[0069]例如，使兩個棱鏡繞主軸線203旋轉造成經過兩個棱鏡之后的主發射方向202沿圓形路徑308移動。在兩個棱鏡沿同一方向以相同旋轉頻率旋轉時，情況也是如此。
[0070]然而，兩個棱鏡也可以沿彼此相反的方向和/或以不同頻率旋轉。圖3Β和圖3C中示出了棱鏡以及所產生的波束偏轉的兩個極限位置的示例。
[0071]在圖3B中示出的情況——在該情況中，第一棱鏡的第一表面204與第二棱鏡的第二表面307之間的角度是α片α 2并且不等于O度——下，傳輸信號經歷了沿方向202偏離主軸線203的最大折射。
[0072]另一方面，在圖3C中示出的情況下，第一棱鏡的頂面204和第二棱鏡的頂面307彼此平行布置。兩個另外的面205、306同樣彼此平行布置，這在圖1D、圖3Α和圖3Β中的實施方式中也是如此。
[0073]這導致傳輸信號的在通過兩個棱鏡之后的方向202相對于兩個棱鏡的主軸線203平行行進但形成偏移。
[0074]可以通過與第二個這種棱鏡(P2)組合來獲得另一偏轉自由度(參見圖3Α)。圖3Β示出了最大可能的偏轉。在這種情況下，兩個波束偏轉元件具有相同的取向，也就是說，兩個波束偏轉元件相對彼此旋轉經過了 O度。如果兩個波束偏轉元件彼此面對(參見圖3C)，那么這簡單地導致天線A的主波束方向的不具有角偏轉的平行波束偏移。
[0075]例如，可以通過可以借助于行星齒輪機構實現的兩個棱鏡的耦合旋轉來實現螺旋掃描。此處通過齒輪機構的傳動比來設定精確的掃描形式。當面向天線的棱鏡P1旋轉Hl1次時，棱鏡P2進行m2次旋轉。這給出齒輪機構的傳動比m = 1?/!?。
[0076]如圖5A和圖5B中的極坐標圖中所示，小有理數比產生螺旋掃描圖案。在這種情況下，按照方位角Ψ (也被稱為偏航角)繪制波束的從主波束方向偏轉的螺旋角?。整數比產生螺旋槳形掃描圖(參見圖5C和圖OT)，反之，接近I的有理數比產生花形掃描圖案(參見圖5E和圖5F) ο
[0077]然而，此外，也可以提供任何其他傳動比或者甚至兩個波束偏轉元件的分離式移動。花形掃描圖案在此處可以是有利的，因為花形圖案用測量點相對均勻地覆蓋了研究中的表面。
[0078]圖6示出了根據本發明的實施方式的方法的流程圖。
[0079]在步驟601中，由測量儀器將傳輸信號朝向散裝材料表面傳送。在步驟602中，傳輸信號經過至少一個棱鏡，該至少一個棱鏡繞其主軸線旋轉使得傳輸信號的主發射方向周期地偏轉。然后，傳輸信號被散裝材料表面反射，在其返回至物位指示器的途中再次經過至少一個棱鏡。在步驟603中，由物位指示器檢測并分析所反射的傳輸信號，以便在步驟604中根據所反射的傳輸信號確定散裝材料表面的拓撲結構。
[0080]此外，應當提及的是，術語“包括”和“具有”不排除任何其他元件或步驟，并且“一(a)”或“一個(an)”不排除大于一個。還應當指出的是，已參考上面的實施方式中的一個實施方式描述的特征或步驟也可以用于與上面描述的其他實施方式的其他特征或步驟進行組合。權利要求中的附圖標記不應被視為具有限制作用。
【權利要求】
1.一種用于雷達物位指示器(101)的雷達波束偏轉單元(100)，所述雷達波束偏轉單元(100)用于控制從所述雷達物位指示器發射的傳輸信號的主發射方向的偏轉，所述雷達波束偏轉單元(100)包括: 第一波束偏轉兀件(107),所述第一波束偏轉兀件(107)用于偏轉所述傳輸信號的所述主發射方向； 第一驅動器(206),所述第一驅動器(206)用于使所述第一波束偏轉兀件繞第一旋轉軸線旋轉，使得所述傳輸信號在經過所述第一波束偏轉元件之后所述主發射方向沿閉合路徑行進。
2.根據權利要求1所述的雷達波束偏轉單元(100)，還包括: 第二波束偏轉元件(108)，所述第二波束偏轉元件(108)用于偏轉所述傳輸信號的所述主發射方向； 第二驅動器(301)，所述第二驅動器(301)用于使所述第二波束偏轉元件繞第二旋轉軸線旋轉，使得所述傳輸信號在經過所述第二波束偏轉元件之后所述主發射方向沿閉合路徑行進。
3.根據權利要求2所述的雷達波束偏轉單元(100)， 其中，所述第一波束偏轉元件(107)的旋轉軸線與所述第二波束偏轉元件(108)的旋轉軸線重合。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的雷達波束偏轉單元(100)，還包括: 第三驅動器(303)，所述第三驅動器(303)用于使所述第一波束偏轉元件(107)和/或所述第二波束偏轉元件(108)繞與所述第一旋轉軸線和所述第二旋轉軸線垂直的第三旋轉軸線旋轉。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的雷達波束偏轉單元(100)， 其中，所述第一波束偏轉兀件(107)具有第一光學表面(204)和第二光學表面(205),所述第一光學表面(204)和所述第二光學表面(205)包括限定所述主發射方向的偏轉的角度。
6.根據權利要求2至5中的任一項所述的雷達波束偏轉單元(100)， 其中，所述第一驅動器(206)和所述第二驅動器(301)設計為機械耦接驅動器。
7.根據權利要求2所述的雷達波束偏轉單元(100)， 其中，所述第一波束偏轉元件(107)的旋轉頻率相對于所述第二波束偏轉元件的旋轉頻率的比率是可調節的。
8.一種測量儀器(101)，包括根據權利要求1至7中的任一項所述的雷達波束偏轉單元(100)。
9.根據權利要求8所述的測量儀器(101)，包括: 附接機構(109)，所述附接機構(109)用于將所述雷達波束偏轉單元(100)附接至所述測量儀器。
10.根據權利要求8或9所述的測量儀器(101)， 其中，所述測量儀器實施為脈沖雷達儀器或調頻連續波測量儀器。
11.根據權利要求8至10中的任一項所述的測量儀器(101)，所述測量儀器(101)用于確定散裝固體的拓撲結構。
12.一種根據權利要求8至11中的任一項所述的測量儀器確定位于傳送帶上的散裝固體的體積流量的用途。
13.根據權利要求8至12中的任一項所述的測量儀器確定散裝固體的質量的用途。
14.一種用于確定散裝固體的拓撲結構的方法，包括下述步驟: 從雷達物位指示器沿天線陣列的主發射方向發送傳輸信號； 偏轉所述傳輸信號的主發射方向； 使第一波束偏轉元件繞第一旋轉軸旋轉，使得所述傳輸信號在經過所述波束偏轉元件之后所述主發射方向沿閉合路徑行進； 通過對散裝固體表面處反射的所述傳輸信號進行分析來確定所述散裝固體的拓撲結構。
【文檔編號】G01S7/02GK104374446SQ201410400160
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年8月14日 優先權日:2013年8月14日
【發明者】萊溫·迪特勒 申請人:Vega格里沙貝兩合公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
