JP2017506746A - 容器に充填した材料表面トポロジーの決定 - Google Patents

Abstract

容器（３０８）における充填材料表面（３０７）のトポロジーを決定するため、アンテナ機器（３０５）、受信手段（３０４）および制御ユニット（３１２）を備える、充填レベル測定装置を開示する。アンテナ機器の放射角度（３１５）および充填材料表面（３０７）に対するアンテナ機器（３０５）の空間位置は、制御ユニット（３１２）を使用して設定することができる。充填レベル測定装置（３０１）の合成放射方向は、アンテナ機器（３０５）の位置を制御することにより、また、アンテナ機器（３０５）の放射および／または受信角度（３１５）を制御することによって変更することができる。【選択図】図３

Description

本発明は、充填レベル測定装置に関し、また、表面トポロジーを決定することによる容器内充填レベルの決定に関する。本発明は、さらに、物体モニタリングまたは質量流（マスフロー）記録の分野にも使用できる。本発明はさらに、充填している材料表面（充填材料表面）トポロジーを決定する方法に関する。

充填材料表面トポロジーを記録することは、有利にも、とくにバルク材を測定するときに有効であり、閉じた容器の内側または外側における刻々と変化する安息角および除去ホッパーの、結果として生ずる合成的（リザルタント）角度を測定するのに有効である。表面トポロジーを記録することは、流動液体における充填レベルまたは体積を決定するのにも使用することができる。この流動液体は、例えば、撹拌機を使用するときに発生し、また、非自明的様態で液体表面に生じたフローパターン（トルネード）から発生する。表面トポロジーの決定によれば、付加的変数、例えば、充填材料の粘性または撹拌度に関する結論を、必要であれば撹拌機の速度を考慮して導くことができる。

表面を非接触でスキャンする方法は、例えば、この表面に向かって放射された信号がこの表面で反射する原理と、反射した信号の伝搬時間および／または信号強度を評価することとに基づくものであり得る。充填材料表面トポロジーを十分に正確に記録するために、充填材料表面の特定領域に向けて幾つかの測定を実行する必要があり、このことは、場合によってはこのような測定装置または測定方法の複雑さおよびコストを増加させる。

本発明の目的は、充填材料表面トポロジーを決定するのに必要な時間を短縮する点にあると考えることができる。他の目的は、このタイプの充填レベル測定装置の複雑さおよびコストを減少させる点にあると考えることができる。

この目的は、特許請求の範囲における独立請求項の要旨によって達成される。本発明の他の実施形態は、従属請求項および以下の説明の双方において見ることができる。

本発明の一態様は、容器内の充填材料表面トポロジーを決定するための充填レベル測定装置を提案する。充填レベル測定装置は、電磁信号を放射するおよび／またはこの信号のエコーを受信するためのアンテナ機器を備える。さらに、充填レベル測定装置は、受信手段および制御ユニットを備え、アンテナ機器は、受信手段に固定し、また電子的に、アンテナ機器の縦（長手）方向軸線に対するアンテナ機器の放射及び／又は受信角度を１個または複数個セットすることができる。受信手段は、充填材料表面に対するアンテナ機器の位置をセットするように設計する。制御ユニットは、アンテナ機器に電磁信号を供給する、および／または、アンテナ機器からこの信号のエコーを受信できるように設計する。制御ユニットは、さらに、容器に対する充填レベル測定装置の合成的放射および／または受信方向を変更するよう設計し、アンテナ機器の空間位置およびアンテナ機器の放射および／または受信角度を制御できるようにする。

言い換えれば、充填レベル測定装置の合成的放射および／または受信方向は、例えば、アンテナ機器の放射および／または受信方向を電子的に変化させること、およびアンテナ装置を空間内で機械的に移動させることの組み合わせによってセットする。

これに関連して、充填レベル測定装置のアンテナの放射および／または受信方向は、アナログ形式で、例えば、適切な位相シフター回路またはアナログスイッチと併せてアンテナアレイを使用することによって、またデジタル形式で、例えば、デジタル化した受信曲線またはエコー信号に基づく数値計算と併せてアンテナアレイを使用することによって、電子的に変更できる点を指摘しておきたい。

アンテナ機器の機械的位置決めをアンテナ装置の放射および／または受信角度の電子的セットに組み合わせることによって、エコー信号またはエコー曲線を記録するのに必要な測定時間は、純機械的な解決法と比較して短縮でき、また同時に、電子的構造、例えば、高周波回路等の複雑さは、純電子的枢動による解決法と比較して容認可能なコスト限界内を維持でき、利点であると考えられる。言い換えれば、本発明は、アンテナ構成の位置を機械的に変更する利点とアンテナ構成の受信角度（および／または随意的に放射角度）を電子的に変更する利点を組み合わせ、この組み合わせは、例えば、デジタルビーム形成またはアナログ位相シフターを使用することによって行うことができ、この場合、おそらくパッチアンテナを使用すると有利であり得る。その結果、部品の複雑さは減少するとともに、同時に達成可能な最大測定速度を改善できる。

この場合、アンテナ機器の位置は、例えば、３次元空間におけるアンテナ機器の空間位置であり、例えば、容器の内部空間で、充填材料表面の上方とすることができる。これにはまた、アンテナ機器自体の回転軸線周りの回転、または並進運動さえの可能性もある。

充填材料表面トポロジーは、バルク材の表面、または容器に対してバルク材を堆積しているまたは取り出していることの結果によるバルク材表面のコースまたは形状を意味することを理解されたい。この種類の表面は、例えば、コンベヤベルト上のバルク材、または流動液体の不規則形状表面に発生し得る。放射した電磁信号は、例えば、Ｃバンド、ＫバンドまたはＷバンド（例えば６ＧＨｚ、２４ＧＨｚ、７９ＧＨｚ）におけるレーダー信号とすることができ、これら信号は、充填材料表面が反射し、また次いで充填レベル測定装置が受信するのに適している。トポロジーは、例えば、飛行時間またはＦＭＣＷ法に基づいて決定できる。さらに、上述の方法を超音波測定技術と組み合わせることができる。

アンテナ機器は、例えばパッチエンテナとすることができ、このパッチエンテナは、複数の個別の小さな複合放射体（パッチ）を組み合わせる。これらパッチは、例えば、共通のキャリア上に、またはプリント回路板の金属層として配列する。

アンテナ機器の放射および／または受信角度は、アンテナ機器の縦方向延在範囲（エクステント）に対してアンテナ機器の主放射方向がなす角度であると理解されたい。したがって、放射および／または受信角度は、空間内におけるアンテナ機器の位置を機械的に移動または変化させることなく変更できる。放射角度は、例えば、位相シフトと組み合わせてオーバーレイ効果（建設的および相殺的干渉）を使用して電子的にセットすることができる。信号を受信するとき、受信方向は、デジタルビーム形成する既知のアルゴリズムによるアレイアンテナの個別受信チャネルの相対的位相シフトによって変更することができる。

受信手段は、例えば、容器の壁にアンテナ機器を移動可能に連結できる可動マウントとすることができ、これにより、容器に対するアンテナ機器の規定した位置を確定できるようになる。一つの実施例において、受信手段は垂直ロッドとし、この垂直ロッドは、縦方向軸線の周りに回転できるよう備え付け、またアンテナ機器は充填材料表面に向けて指向する前記垂直ロッドの端部に取り付ける。受信手段は、例えば、回転軸線の周りにアンテナ機器を回転させることによって、アンテナ機器を機械的に移動させるのを補助する。

アンテナの放射および／または受信角度は、好ましくはアンテナ機器の機械的移動の移動方向に対応しない方向に変更すべき場合がある。理想的には、２つの方向軸線は、互いに直交する。この場合、表面は、例えば、Ｘ方向およびＹ方向における充填レベル測定装置の合成的放射および／または受信方向に対する２次元的合成変化により記録できる。

本発明の実施形態によれば、制御ユニットは、アンテナ機器の機械的な位置をセットし、またアンテナ機器の放射および／または受信角度をセットすることによって、その結果として生ずる充填レベル測定装置の特定合成放射および／または受信方向をセットするように設計する。言い換えれば、目標決めしてアンテナ機器の放射および／または受信角度を電子的にセットし、また空間内でアンテナ機器を機械的に位置決めすることによって、充填レベル測定装置の特定の合成放射および／または受信方向をセットでき、またひいては、規定した部分表面を確定することができる。例えば、特定の位置／放射および／または受信角度の組み合わせは、規定した部分表面をスキャンするために保存することができる。

本発明の実施形態によれば、複数の放射および／または受信角度は、アナログシフターおよび／またはアナログスイッチを使用することによって電子的にセットする。

本発明の実施形態によれば、複数の放射および／または受信角度は、デジタルビーム形成方法を使用することによって電子的にセットする。

本発明の実施形態によれば、受信手段は、アンテナ機器を移動するためのアクチュエータを有し、制御ユニットはこのアクチュエータを制御するように設計する。

アンテナ機器または受信手段を、目標決めして移動し、アンテナ機器の特定位置をセットすることが可能であるという点は利点であると考えられる。この場合、アクチュエータは受信手段上の異なるポイントに配置することができる。このことは、さらに、一実施例において、受信手段自体（アクチュエータがない状態の）は移動しないが、アンテナ機器はアクチュエータに直接取り付けることができることを意味する。

一実施形態によれば、受信手段は、回転軸線の周りにアンテナ機器を回転させるよう設計し、またアクチュエータは受信手段を回転させるモータとする。この有利な実施形態において、比較的少ない空間を必要とするアンテナ機器は、容器内の大きな領域を記録することができる。

本発明の一つの実施形態によれば、アンテナ機器は、細長い形状を有する１次元アレイアンテナとする。

一実施形態によれば、アンテナ機器の縦方向延在範囲は、回転軸線に対して斜めに配置し、この配置は、アンテナ機器の縦方向延在範囲と回転軸線との間の角度が９０°ではないように行う。この斜め配置は、充填レベル測定装置から一層離れている充填材料表面の表面領域を、特に、アンテナ構成の回転移動と組み合わせたデジタルビーム形成によって効果的に記録できるという点で有利である。

本発明の一つの実施形態によれば、アンテナ機器の縦方向延在範囲と回転軸線との間の角度は４５°より大きいものとする。このことは、この角度範囲において、充填材料表面のトポロジーを、異なる充填レベルであっても、極めて効果的に記録できるという点で有利である。

本発明の一つの実施形態によれば、制御ユニットおよび受信手段は、角度を変更できるように設計する。このことは、例えば、受信手段に対してアンテナ機器を移動する、または特定角度をセットする追加アクチュエータによって行うことができる。これによって、異なる充填レベルおよびトポロジーをよりよく解明できるため、測定結果をより正確なものにする。

本発明の一つの実施形態によれば、制御ユニットは、デジタルビーム形成によってアンテナ機器の放射および／または受信角度をセットするよう設計する。この場合、異なる高周波信号を電子的に変更することおよび放射／受信波をオーバーレイすることによって、アンテナ機器の結果として生ずる合成的放射および／または受信方向に影響を与えることができる。代替的に、または付加的に、この変化は、既知の方法にしたがって予め処理した中間周波数域に低周波信号を形成することができる。例えば、電子的に互いに結合した複数の個別放射体またはアンテナ素子を使用することができる。デジタルビーム形成は、アンテナ機器の放射角度および／または受信角度をアンテナ機器の機械的移動なしに変更できる点で有利であると考えられる。

本発明の一つの実施形態によれば、アンテナ機器は、１次元アレイアンテナとし、細長い形状を有する。このようなアンテナ機器の１つの利点は、比較的簡単な構造であり、必要な電子コンポーネントに関して経済的に実行可能な量のエネルギーで済ませられる点である。細長い形状によれば、方向、例えば、ＸまたはＹ方向における次元は、アンテナの放射および／または受信角度を変更することによって有利に記録することを可能にする。それらと組み合わせた機械的な移動は、この実施例において、表面をサンプリングするために各場合において他の次元を記録することができる。

本発明の一つの実施形態によれば、アンテナ機器は、合焦を改善するために、放物線状トラフ、誘電体円柱レンズおよび／または拡大パッチ若しくはアンテナ素子を有する。その結果、アンテナ機器の合焦特性は有利に改善され、例えば、充填材料表面の特定の部分表面を他の部分表面からより正確に区別できるようになる。より良い合焦によれば、部分表面のサイズを減少することができ、したがって、充填材料表面のトポロジーを決定するとき、より高い解像度および／または測定精度を得ることができる。

本発明の一つの実施形態によれば、充填レベル測定装置は、さらに、アンテナ機器が受信したエコー信号に基づいて充填材料表面のトポロジーを計算するよう設計した評価ユニットを備える。この評価ユニットはメモリユニットを設けたプロセッサを有し、このプロセッサは、例えば、適切なソフトウェアとともに、取得した複数のエコー信号から、充填材料表面の合成的トポロジーを計算する。充填レベル測定装置が予め処理した情報をその後の用途に利用可能にする点は有利であると考えられる。さらに、このことによれば、充填材料表面のトポロジーの計算に関連して評価ユニットを最適化することができる。

本発明の一つの実施形態によれば、充填レベル測定装置は、容器に対するアンテナ機器の空間位置を検出し、また制御ユニットにアンテナ機器に関連する空間位置情報を供給するように設計した位置センサを備える。アンテナ機器に関連するこのような空間位置情報は、各場合において測定した充填材料表面の部分的表面の位置を決定するのに重要である。例えば、このタイプの位置センサは、例えばドライブシャフトの角度位置を確定するアクチュエータに配置することができる。

本発明の他の態様によれば、トポロジーを記録するための充填レベル測定装置を提供し、充填レベル測定装置は、２導体結合を介してのみエネルギーを吸収する必要があり、２導体結合は、通信するため、とくに、少なくとも１つのトポロジー測定値またはそこから導出した測定値（例えば、容器内質量）を出力するよう設計する。さらに、充填レベル測定装置は、上述しまた後述する特徴のうち１つ、幾つか、またはすべてを備えることができる。

本発明の一態様は、容器内における充填材料表面のトポロジーを決定する方法を提案する。この方法は、以下のステップ、すなわち、放射的充填レベル測定装置を準備するステップと、制御ユニットによりアンテナ機器の第１位置をセットするステップと、および、制御ユニットによりアンテナ機器の第１放射角度をセットするステップとを有する。この場合、受信手段の位置およびアンテナ機器の放射角度は、充填レベル測定装置の結果として生ずる合成的放射方向が充填材料表面の第１部分表面に指向するようセットする。追加ステップにおいて、第１電磁信号を制御ユニットおよびアンテナ機器により充填材料表面に向けて放射し、第１電磁信号の第１エコー信号をアンテナ機器および制御ユニットにより受信するステップと、並びに、受信手段およびアンテナ機器の第２位置を制御ユニットによりセットする、および／またはアンンテナ機器の第２放射角度をセットするステップと、を有する。この場合において、充填レベル測定装置の結果として生ずる合成的放射方向は、充填材料表面の第２部分表面に指向する。追加ステップにおいて、第２電磁信号を、制御ユニットおよびアンテナ機器により充填材料表面の第２部分表面に向けて放射し、第２電磁信号の第２エコー信号を、アンテナ機器および制御ユニットにより受信するステップを有する。

本発明の一態様は、容器内における充填材料表面のトロポロジーを決定する方法を提案する。この方法は、以下のステップ、すなわち、放射的充填レベル測定装置を準備するステップと、制御ユニットによりアンテナ機器の第１位置をセットするステップと、アンテナ機器の複数の放射および／または受信角度をセットするステップと、及び制御ユニットにより複数のエコー信号を決定するステップと、を有する。追加ステップにおいて、アンテナ機器の第２位置を制御ユニットによりセットするステップと、アンテナ機器の複数の放射および／または受信角度をセットするステップと、及び複数の追加エコー信号を制御ユニットにより決定するステップと、を有する。

本発明の一実施形態において、この方法は、評価ユニットによりアンテナ機器が受信したエコー信号に基づいて充填材料表面のトポロジーを計算する追加ステップを有する。

本発明の一態様は、流動液体の粘性を決定するための充填レベル測定装置の使用方法を提案する。

本発明の他の態様は、コンベヤベルト上のバルク材の質量流（マスフロー）を確定する充填レベル測定装置の使用方法を提案する。

本発明の一態様は、媒体の質量または体積を決定する充填レベル測定装置の使用方法を提供する。

トポロジーが既知で容器データがユーザーによって入力されている場合、体積は充填レベル測定装置において簡単に計算できる。媒体の濃度がわかっていれば、質量も体積から充填レベル測定装置によって確定できる。

本発明の実施形態を、添付図面につき詳細に説明する。

バルク材容器における充填レベル測定装置の、放射方向を機械的にセットする実施例示す。 バルク材の容器における充填レベル測定装置の、放射方向を電子的にセットする実施例示す。 容器における充填材料表面のトポロジーを決定するため、放射および／または受信方向を機械的および電子的の双方でセットする本発明の実施形態による充填レベル測定装置を示す。 本発明の実施形態による１次元のアレイアンテナの実施例を示す。 拡大パッチを有する、本発明の実施形態による１次元のアレイアンテナの実施例を示す。 本発明の実施形態による、誘電体円柱レンズを有する１次元のアレイアンテナの実施例を示す。 主リフレクタとしての放物線トラフ、および双曲線状対向リフレクタを有する、本発明の実施形態による１次元のアレイアンテナの実施例を示す。 コンベヤベルト上のバルク材の質量流（マスフロー）を決定するための、本発明の実施形態による充填レベル測定装置の実施例を示す。 本発明の実施形態による容器内における充填材料表面のトポロジーを決定する方法を例として示す。

図面は、単に概略図であり、また縮尺どおりではない。同一参照符号は類似又は同一部分を記述する。

図１は、充填レベル測定装置１０１の実施例を示し、この充填レベル測定装置１０１は充填材料表面１０３の上方に取り付ける。充填材料表面１０３は、例えば、容器１０４内におけるバルク材とすることができ、その結果、充填材料表面１０３の不規則な構造または形状を形成する。充填レベル測定装置１０１は、充填材料表面１０３に向けて信号１０２を放射することによって、容器１０４内における反射挙動の画像を取得する。充填レベル測定装置１０１または充填レベル測定装置１０１の少なくとも１つのアンテナ機器１０５は、相応的に構成した機械的調整機器１０６により充填レベル測定装置１０１の放射および／または受信方向を変更し、これにより容器内における媒体の充填材料表面１０３全体を、測定サイクル内で測定できるようにする。この目的のために、例えば、装置はＸ方向１０８およびＹ方向１０９に枢動できる。充填レベル測定装置１０１は、Ｘ方向１０８およびＹ方向１０９において記録された複数のエコー信号またはエコー曲線から、充填材料表面１０３のトポロジーを決定する。これは、例えば、特定の位置の関数としての充填材料表面１０３の垂直方向輪郭（プロファイル）であり、例えば、デカルト座標ＸおよびＹにより明確に規定することができる。

図２は、充填レベル測定装置２０１の放射方向を変更するための他の可能性を示す。図１における充填レベル測定装置１０１とは対照的に、充填レベル測定装置２０１は、複数のアンテナ素子２０２を有し、これらアンテナ素子２０２は、単一のアンテナ機器２０３の一部として形成する、または、複数の別個のアンテナ素子２０２として分布することさえできる。容器１０４の充填材料表面２０４のトポロジーを決定するために、充填レベル測定装置２０１は、目標決めして個々のアンテナ素子２０２の作動信号を電子的に変化させることによって（例えば、アナログ位相シフターを使用して個別作業信号の位相位置を変化させることによって、または、アナログスイッチにより目標に適うよう個々の作動信号を切り替えることによって）、および／または、個々のアンテナ素子２０２が記録したエコー信号またはエコー曲線をデジタル的に計算する（デジタルビーム形成する）ことによって、主な放射方向２０５，２０６，２０７のいずれかに変更することができる。例えば、このタイプの構成は、アンテナアレイとして設計することができ、また主な放射および／または受信方向２０５、２０６、２０７は例えば、デジタルビーム形成によって変更することができる。

図３は、本発明による充填レベル測定装置３０１の実施例を示す。充填レベル測定装置３０１は、アクチュエータ３１３、プロセッサ結合部３０３、受信手段３０４（この場合において回転可能シャフト）、およびアンテナ機器３０５を備える。プロセッサ結合部３０３は、機械的に充填レベル測定装置３０１を容器に固定するのに使用することができる。アクチュエータ３１３は、アンテナ機器３０５を移動するよう設計する。図示の実施例において、アクチュエータ３１３はモータとし、このモータは、アンテナ機器３０５と一緒にシャフトを回転させる。制御ユニット３１２は、アクチュエータ３１３を制御して、アンテナ機器３０５に高周波信号を供給し、またアンテナ機器３０５から前記信号を受信する。アンテナ機器３０５は、制御ユニット３１２が発生した信号３０６を充填材料表面３０７に向けて放射する。制御ユニット３１２は、さらに、アンテナ機器３０５の位置を制御するよう設計する。さらに、制御ユニット３１２は、放射および／若しくは受信角度３１５、またはアンテナ機器３０５の主な放射および／若しくは受信方向を電子的にセットするよう設計し、充填レベル測定装置３０１の結果として生ずる合成的な放射および／または受信方向をセットできるようにする。一実施例において、高周波信号はアンテナ機器３０５内または上で、例えばアンテナ機器３０５のハウジング内部で発生する。他の実施例において、高周波信号をアクチュエータ３１３の空間領域において発生する。

アンテナ機器３０５は、受信手段３０４の駆動シャフトにより回転可能に備え付け、また受信手段３０４に対して９０°ではない角度α（３１６）をなす。一実施例において、角度α＝４５°とする。このことは、有利にも、容器３０８の広い部分から信号を記録することを可能にする。例えば、デジタルビーム形成により、アンテナ機器３０５の主な放射および／または受信方向の＋／-４５°の角度範囲にセットする場合、アンテナ機器３０５の回転と組み合わせてバルク材を含む半空間全体を測定することができる。しかし、デジタルビーム形成中の曖昧さを避けるため、および／または例えば、測定の解像度を改良するために、４５°未満またはそれより大きい角度も可能である。さらに、主放射方向を電子的に変更するとき、および極めて大きな偏向角度（３１５）の場合において、合成的なアンテナローブの幅が顕著に大きくなるという問題が発生する。このタイプのシステムを使用すると、原則として主な放射および／または受信方向を垂直線に対して９０°に至るまで電子的に変更することは不可能である。両方の問題は、９０°ではない駆動シャフトに対する角度α（３１６）にアンテナ器具３０５を指向させることによって避けることができる。

複数のアンテナ素子２０２（例えば図２を参照）は、アンテナ機器３０５の縦方向延在範囲に沿って設けることができる。各アンテナ素子２０２は、異なる角度方向からのエコー信号を処理することができる。アンテナ素子２０２が受信した各信号を使用して、デジタルビーム形成用の既知のアルゴリズムで、予め定めた角度範囲内にアンテナ機器３０５の受信角度３１５を変更することができる。アンテナ機器３０５の放射および／または受信角度３１５は、例えば、高周波信号の放射および受信に関連して主な放射方向を描き出す。

一実施例において、アンテナ機器３０５の縦方向範囲に対する垂直線の放射角度に対する＋／-４５°の受信角度範囲（３１５）は、実施する回転３１０を考慮するとき、充填材料表面３０７全体を短時間内で計測学的に記録するよう選択する。言い換えれば、この構成は、有利にも、放射方向の機械的変更（３１０）の利点を充填レベル測定装置３０１の合成的放射／受信方向３０９の電子的変更の利点に組み合わせる。言い換えれば、主な受信方向を電子的に変更することによって形成されるラインスキャナ（＋／-４５°の記録角度を有する）を、機械的回転にリンクさせる。このようにして、改善した測定速度または短い測定時間を達成することができる。例えば、充填材料表面３０７のトポロジーを決定するためのこのような測定サイクルは、２秒未満とすることができる。この場合、低回転速度および大いに簡素化された電子機器システムを有する機械的に簡単な構造、例えば、アンテナ機器３０５の１次元的構造からの結果としての構造が、有利となり得る。

以下の考察は本発明の基礎をなす。すなわち、充填材料表面３０７のトポロジーを十分正確に記録するため、数回の測定を行い、各測定が記録すべき充填材料表面３０７の異なる部分表面を記録し、それら部分表面から、全体的として、収集した充填材料表面３０７全体に関する十分正確な情報を収集することができる。それぞれの部分表面のサイズは、それぞれの幾何学的な表面構造、寸法および形状に基づいて選択し、充填材料表面３０７における差異が十分正確に記録できるようにすべきである。言い換えれば、トポロジーの正確さは、記録または測定すべき部分表面が可能な限り小さいものであるとき、増大することができる。他方、このことは、多数の部分表面、およびひいては多数の個別測定が正確さを高める上で必要となることを意味する。これは、例えば個々の部分表面の順次的測定において起こり得るため、部分的には極めて長い測定時間、例えば１〜数分の範囲にわたる時間がかかることになり得る。既知の充填レベル測定装置は、充填材料表面３０７を記録するために、電子工学および／または機械工学の観点で高い技術的複雑さを、しばしば長い測定時間と一緒に有することがよくある。とくに機械的構造において、容認可能な測定時間を得るために構成体の高速移動を必要とし、このことは高い機械的負荷および早期の磨耗を招くおそれがある。前述の欠点は、第１次元における機械的移動を第２次元における主な放射および／または受信方向に対する電子的変更に組み合わせることによって回避する。

図４は、アンテナ機器４００の実施例を示し、このアンテナ機器４００は、一次元アンテナアレイ４０１として設計し、またｍ個の個別アンテナ素子４０２から成る。アンテナ素子４０１は、一致する設計を有するプリント回路板パッチまたは適切な導波路端または任意な他の既知放射機器によって形成することができる。一実施例において、アンテナアレイ４０１の中央に配列したアンテナ素子４０２は、可能な限り大きな角度範囲で充填材料表面３０７に向けて高周波エネルギーを均一に放射するのに使用することができる。充填材料表面３０７によって反射した信号は、各アンテナ要素４０２が受信し、また随意的に評価ユニット（図示せず）に別個に転送することができる。この場合、評価ユニットは、ｍ個の各アンテナ素子で対応する測定装置が受信したエコー曲線を別個に記録することができる。デジタルビーム形成アルゴリズムを使用すると、評価ユニットは放射／受信角度３０９またはアンテナ機器の主放射／受信方向３０５を変更することができ、特にアンテナ機器３０５の垂直線に対する＋／-４５°の角度方向で、前記信号またはエコー曲線を組み合わせることによって変更することができる。したがって、一次元アンテナアレイ４０１は、典型的な２次元アレイ２０３（図２参照）を１次元に減少することによって別個の送信チャネルおよび／または受信チャネルを得るためのコンポーネントの複雑さを減少することができる。代表的には一次元アレイ行を得るのにｍ＜＝２０個の素子で十分である。

１次元アレイアンテナ４０１は、デジタルビーム形成用のダウンストリームアルゴリズムを使用することによって、合成的アンテナ特性曲線のＹ（Ａ）方向４０３における極めて効果的な合焦を達成することができる。回転３１０（図３参照）と組み合わせて、Ｘ（Ａ）方向４０４における合焦が回転の半径方向に生ずる。測定の正確さは、例えば、ダウンストリーム信号処理によって改善することもでき、アンテナ機器３０５の回転によるドップラーシフトを評価する。このタイプのアルゴリズムは、例えば、ＳＡＲ（合成開口レーダー）およびＲＯＳＡＲ（回転アンテナに基づくローター合成開口レーダー）の原理を採用することができ、その結果として、Ｘ（Ａ）方向４０４における受信特性曲線の合焦に導く。

図５は、アンテナ機器５００の他の実施例を示し、個別アンテナ素子５０３はＸ（Ａ）方向４０４に拡張する。言い換えれば、元々の１次元アンテナアレイ４０１を、追加パッチまたは追加アンテナ素子５０１によってＸ（Ａ）軸方向４０４に拡張する。関連する電子作動システムの複雑さを低く保つため、追加パッチまたはアンテナ素子５０１は、そこまでに使用したアンテナ素子４０２から規定した間隔をあけて配列し、また金属接続細条によりアンテナ素子４０２に堅固に接続する。言い換えれば、複数の相互接続したパッチは、単独の送信もしくは受信素子またはアンテナ素子４０２として作用するが、Ｘ（Ａ）方向４０４の改善した合焦特性を有する。

図６は、誘電体円柱レンズ６０２を有する１次元アンテナ機器４０１の実施例を示す。この構成は、Ｘ（Ａ）方向４０４に沿って信号を合焦させる他の実施形態を示す。円柱レンズ６０２は、放射／受信方向におけるアンテナ機器４０１上に配設し、アンテナ素子４０２によって放射した信号６０４が円柱レンズ６０２を通過して伝搬し、円柱レンズ６０２の境界面で屈折し、湾曲したレンズ表面を経て円柱レンズ６０２から出射するようにする。Ｘ（Ａ）方向４０４における高周波放射は、湾曲した境界面の結果として効果的に合焦する。信号を受信するとき、信号は逆シーケンスでレンズを通過する。

図７は、アンテナ構成７００の他の有利な実施形態を示す。この構成は、やはりＸ（Ａ）方向４０４における信号の合焦を改善する。この目的のために、放物線状トラフ７０２を、相応的に装備および位置決めした対向リフレクタ７０１と組み合わせて使用し、アンテナ機器４０１によって放射した信号７０３を合焦する。この場合において、信号はまず対向リフレクタ７０１（例えば双曲線状トラフ）によって反射し、その後に放物線状トラフ７０２の表面によって再度反射する。これによって、Ｘ（Ａ）軸４０４の方向における信号を効果的に合焦できる。

図８は、コンベヤベルト８０１上を移動するバルク材８０２の質量流（マスフロー）を決定するため、本発明による充填レベル測定装置３０１の使用法例として示す。この目的のために、充填レベル測定装置３０１がバルク材８０２の表面８０３のトポロジーを決定する。バルク材の体積および／または質量に関する情報は、評価ユニット（図示せず）によりトポロジー情報から取得できる。この場合、アンテナは機械的に調整／回転しない条件とすることができる。この場合、アンテナはラインスキャナとして使用する。

図９は、例えば容器内における、充填材料表面のトポロジーを決定するための方法の実施例を示す。この方法において、放射的充填レベル測定装置を、まずステップ９０１において準備する。ステップ９０２において、アンテナユニットを、回転軸線、例えば垂直回転軸線の周りに、連続的または段階的に回転させる。ステップ９０３において、アンテナ機器の放射角度を制御ユニットによってセットして、受信手段の位置およびアンテナ機器の放射角度は、充填レベル測定装置の合成的放射方向が充填材料表面の部分表面に向かうようセットする。ステップ９０４において、電磁気信号を、制御ユニットおよびアンテナ機器によって充填材料表面に向けて放射する。ステップ９０５において、電磁気信号のエコー信号をアンテナ機器の個別の素子および制御ユニットによって受信する。この場合、各素子に関連するエコー曲線を生ずる。

ステップ９０６において、測定すべき角度範囲におけるアンテナユニットの様々な主受信方向からのエコー曲線を、デジタルビーム形成により、既知のデジタルビーム形成を使用して個別の受信素子における先に生じたエコー曲線から計算する。このステップは、Ｙ（Ａ）方向（４０３）の主受信方向における変化に対応する。

その後、この方法は、ステップ９０２、ステップ９０３、９０４および９０５に戻り、これに続いてデジタルビーム形成９０６による測定すべき角度範囲にわたる繰り返しのデジタルスキャンを行う。

その後、ステップ９０２〜９０６を必要な回数だけ実行し、最終的に完全データセット（回転ごとのアンテナの縦方向軸線に沿う複数回のデジタルスキャン）が記録されるまで行う。

最後に、ステップ９０７において、充填材料表面のトポロジーは、アンテナ機器が受信し、またデジタルビーム形成によって計算したエコー信号に基づいて、評価ユニットによって計算する。言い換えれば、この方法の概念は、充填材料表面の部分表面を順次にサンプリングする、および取得したエコー信号に基づく充填材料表面のトポロジー決定するものと見なすことができる。この目的のために、アンテナ機器の位置を機械的にセットし、アンテナ機器の放射／受信角度を電子的にセットし、各場合の結果として充填レベル測定装置の合成的放射および／または受信方向がセットされる。

「備える／有する／よりなる／含む（comprising）」は、他の要素またはステップの可能性を排除するものではなく、「a」「an」または「one」は複数である可能性を排除しないことを追加で指摘しておきたい。さらに、上述の実施形態のうち一実施形態につき説明した特徴又はステップは、他の上述した実施形態における他の特徴またはステップと組み合わせて使用できることに留意されたい。特許請求の範囲における請求項の参照符号は限定的効果を有さないとみなすべきである。

Claims (17)

1. 充填材料表面（３０７）のトポロジーを決定する充填レベル測定装置（３０１）であって、
   電磁信号（３０６）を放射および／または受信するアンテナ機器（３０５）と、
   受信手段（３０４）と、
   制御ユニット（３１２）と、
   を備え、
   前記アンテナ機器（３０５）は前記受信手段（３０４）に固定し、
   前記アンテナ機器（３０５）の複数の放射および／または受信角度は電子的にセットできるものとし、
   前記受信手段（３０４）は前記充填材料表面（３０７）に対してアンテナ機器（３０５）の位置を機械的にセットするよう設計し、
   前記アンテナ機器（３０５）の補助で、制御ユニット（３１２）は、前記アンテナ機器（３０５）の位置をセットすること、および前記アンテナ機器（３０５）の放射および／または受信角度（３１５）を電子的にセットすることによって、前記充填材料表面（３０７）の異なる領域から複数のエコー信号を記録するよう設計したものとする、充填レベル測定装置。
2. 請求項１記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   前記制御ユニット（３１２）は、前記充填材料表面（３０７）の特定領域からの電磁信号を記録するため、前記充填材料表面（３０７）に対する前記アンテナ機器（３０５）の予め定めた位置、並びに前記アンテナ機器（３０５）の所定放射および／または受信角度（３１５）の双方をセットするよう設計したものとする、充填レベル測定装置。
3. 請求項１又は２記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   複数の放射および／または受信角度（３１５）は、アナログ位相シフターおよび／またはアナログスイッチを使用して電子的にセットする、充填レベル測定装置。
4. 請求項１〜３のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   複数の放射および／または受信角度は、デジタルビーム形成方法を使用して電子的にセットする、充填レベル測定装置。
5. 請求項１〜４のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   前記受信手段（３０４）は、前記アンテナ機器（３０５）を移動するアクチュエータ（３１３）を有し、
   前記制御ユニット（３１２）は前記アクチュエータ（３１３）を制御するよう設計したものとする、充填レベル測定装置。
6. 請求項５記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   前記受信手段（３０４）は、回転軸線の周りに前記アンテナ機器（３０５）を回転するよう設計し、
   前記アクチュエータ（３１３）は前記受信手段（３０４）を回転するモータとする、充填レベル測定装置。
7. 請求項１〜６のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   前記アンテナ機器（３０５）は、１次元アレイアンテナ（４０１）を有し、また細長い形状とする、充填レベル測定装置。
8. 請求項７記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   前記アンテナ機器（３０５）の縦方向延在範囲は、回転軸線に対して斜めに配設し、この斜め配設は、前記アンテナ機器（３０５）の縦方向延在範囲と前記回転軸線との間の角度（３１６）が９０°ではないように行う、充填レベル測定装置。
9. 請求項８記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
   ア前記ンテナ機器（３０５）の縦方向延在範囲は、回転軸線に対して斜めに配設し、この斜め配設は、前記アンテナ機器（３０５）の縦方向延在範囲と前記回転軸線との間の角度（３１６）が４５°より大きいものとなるように行う、充填レベル測定装置。
10. 請求項１〜９のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
    前記アンテナ機器（３０５）は、放物線トラフ（７０２）、集束を改善するために誘電体円柱レンズ（６０２）および／または拡大パッチ（５０１）を有する、充填レベル測定装置。
11. 請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
    前記充填レベル測定装置（３０１）は、さらに、前記アンテナ機器（３０５）が受信したエコー信号に基づいて、前記充填材料表面（３０７）のトポロジーを計算するよう設計した評価ユニットを備える、充填レベル測定装置。
12. 請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（３０１）において、
    前記充填レベル測定装置（３０１）は、前記充填材料表面（３０７）に対する前記アンテナ機器（３０５）の空間位置を検出し、また、これに対応して前記アンテナ機器（３０５）に関する空間位置情報を前記制御ユニット（３１２）に供給するよう設計した位置センサを備える、充填レベル測定装置。
13. 請求項１〜１２のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置（２０１）において、さらに、
    前記充填レベル測定装置を２線式ラインに接続するための電源および通信インターフェイスを備え、これにより充填レベル測定装置に対して測定操作に必要な電力を供給でき、また測定データを遠隔制御ユニットに送信できるようにする、充填レベル測定装置。
14. 充填材料表面のトポロジーを決定する方法であって、
    請求項１〜１３のいずれか一項による充填レベル測定装置を準備するステップ（９０１）と、
    前記制御ユニットにより受信手段およびアンテナ機器の第１位置をセットするステップ（９０２）と、
    前記制御ユニットにより複数の放射および／または受信角度を電子的にセットすることによって複数のエコー曲線を記録するステップと、
    前記制御ユニットにより受信手段およびアンテナ機器の第２位置をセットするステップ（９０２）と、
    前記制御ユニットにより複数の放射および／または受信角度を電子的にセットすることによって複数のエコー曲線を記録するステップと、
    を有する、方法。
15. 請求項１４記載の方法において、さらに、
    評価ユニットにより、前記アンテナ機器が受信したエコー信号を使用して充填材料表面のトポロジーを計算するステップ（９０９）を有する、方法。
16. 流動液体の粘性を決定するのに使用する請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置の使用方法。
17. 媒体の質量または体積を決定するのに使用する、請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の充填レベル測定装置の使用方法。

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