DE10009406C2 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Füllstandsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Füllstandsmessung ei­ ner Flüssigkeit in einem Behälter gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 5.

Bei der Füllstandsmessung werden die auf mechanischen Prinzipien beruhenden Füllstandsmesser in zunehmendem Maße von berührungslos arbeitenden Füll­ standsmessern abgelöst.

Die bekannten berührungslos arbeitenden Füllstandsmesser bedienen sich alle eines Senders und eines Empfängers, wobei der Sender Schwingungswellen aus­ sendet, die der Empfänger nach Reflexion an der Flüssigkeitsoberfläche nach­ weist. Aus der ermittelten Laufzeit oder Phasendifferenz des Signals wird dann auf die zurückgelegte Weglänge und die sich daraus ergebende Füllstandshöhe umgerechnet.

Bei den meisten Verfahren zur berührungslosen Füllstandsmessung sind sowohl Sender als auch Empfänger im Abstand oberhalb des maximalen Flüssigkeits­ spiegels angeordnet. Der Sender sendet ein Signal in Richtung auf die Flüssig­ keitsoberfläche aus. An der Flüssigkeitsoberfläche wird das Signal wenigstens teilweise reflektiert und gelangt auf diese Weise zurück zum Empfänger, der das einlaufende Signal nachweist. Aus der Laufzeit oder der Phasenverschiebung des einlaufenden Signales läßt sich in Folge seiner bekannten Ausbreitungsgeschwin­ digkeit die durchlaufene Wegstrecke ermitteln und daraus der Füllstand als Ort der Reflexion errechnen. Unter einem Signal sollen im Sinne der Erfindung alle Wellen bezeichnet sein, die sich in einem definierten Medium mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit ausbreiten. Bei der berührungslosen Füllstandsmes­ sung werden insbesondere elektromagnetische Wellen und Schallwellen einge­ setzt. Als elektromagnetische Wellen werden Mikrowellen und insbesondere Licht verwendet.

Bei allen diesen berührungslos arbeitenden Verfahren ergibt sich das Problem, daß die Erkennung des Musters im Empfangssignal schwierig ist, so daß die Er­ gebnisse der Füllstandsmessung nicht zuverlässig sind. Die Gründe dafür können je nach physikalischer Natur des Sendesignals sehr unterschiedlich sein. Elek­ tromagnetische Messungen sind deshalb schwierig, weil sich die Oberfläche der Flüssigkeit bewegt, so daß eine sehr diffuse Reflexion stattfindet. Bei Messungen mit Ultraschall ergibt die starke Dämpfungswirkung des sich oberhalb des Flüs­ sigkeitsspiegels befindlichen Gasvolumens insbesondere bei CO₂-haltigen Flüs­ sigkeiten ein niedriges Signal/Rauschverhältnis. Weiterhin hat man Reflexionen zu berücksichtigen, die nicht an der Flüssigkeitsoberfläche stattfinden, sondern z. B. am Behälterboden.

Es ist aus der EP 0591816 A2 ein Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit unter Verwendung von Mikrowellen nach dem Radarprinzip bekannt, bei dem aus dem reflektierten Bodensignal, und nicht aus dem am Flüssigkeits­ spiegel reflektierten Signal, die Füllstandshöhe ermittelt wird. Die Ermittlung erfolgt rechnerisch aus der Laufzeit des Bodensignals, dem tatsächlichen Boden­ abstand, der Dielektrizitätszahl und der Permeabilitätszahl der Flüssigkeit. Das Verfahren ist demzufolge nur auf Flüssigkeiten mit exakt bestimmter Dielektri­ zitäts- und Permeabilitätszahl anzuwenden. Das Bodensignal wird aber ebenfalls nur schwer vom Rauschen zu trennen sein, so daß das Verfahren die Qualität der Messung nicht wesentlich verbessert.

Aus der EP 0296583 A2 ist ein Füllstandsmessgerät bekannt, das mit einem Ul­ traschallwandler ausgestattet ist, der aufgrund empfangener Echosignale elektri­ sche Signale erzeugt, die über eine Filtervorrichtung einer Empfängerschaltung zugeführt werden. Die Filtervorrichtung muß zum optimalen Wegfiltern von Stö­ rungen schmalbandig sein, und zudem in ihrer Mittenfrequenz der Arbeitsfre­ quenz des Senders entsprechen, wobei letztere sich abhängig von den Umge­ bungsbedingungen ändern kann. Der Ausgleich dieser Variation wird dadurch erreicht, daß eine Mehrzahl parallel geschalteter, phasenselektiver Gleichrichter vorgesehen ist, deren Ausgänge an einen der Empfängerschaltung vorgeschalteten Maximum-Selektor angeschlossen sind. Es wird zur weiteren Auswertung der Gleichrichter mit dem größten Nutzsignal ausgewählt. Auch bei dieser Erfindung wird ein schlechtes Signal/Rausch-Verhältnis zu unzuverlässigen Füllstandsmes­ sungen führen.

Aus der DE 43 27 333 A1 ist ein Verfahren zur Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter nach dem Radarprinzip bekannt, bei dem die Zu­ verlässigkeit des Meßverfahrens dadurch verbessert wird, daß in einem gemesse­ nen Spektrum auftretende und vom Füllstand der Flüssigkeit unabhängige Störsi­ gnale mit Hilfe der gemessenen Intensität eines ersten Störsignals korrigiert wer­ den. Dieses Verfahren kann aber nur dann zum Erfolg führen, wenn die Störsignale alle ein ähnliches Intensitätsmuster aufweisen, was aber nicht dem Regel­ fall entsprechen wird. Darum ist auch dieses Verfahren nicht geeignet, die mit dem schlechten Signal/Rausch-Verhältnis verbundene Meßproblematik zu über­ winden.

Die Erfindung hat es sich deswegen zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mit dem bzw. mit der trotz schlechten Signal/Rausch-Verhältnisses und Mehrfachreflexionen zu­ verlässige Füllstandsmessungen ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 aus.

Im Kern der Erfindung geht es darum, das im Empfangssignal enthaltene Muster des Sendesignals nachzuweisen, das sich nach Reflexion an der Flüssigkeitsober­ fläche ergibt. Da dieses, abgesehen von Übertragungsstörungen, die gleiche Form wie das ursprünglich gesendete Muster aufweist, kann seine Form im empfan­ genden Signal erkannt werden, indem eine an sich im Stand der Technik bekannte Methode der Signalverarbeitung genutzt wird, die unter der Bezeichnung Korre­ lation bekannt ist. Korrelation versteht man als ein Maß für die Ähnlichkeit zwei­ er Signale.

Ein spezielles Beispiel für eine Korrelationsmethode findet sich in der DE 42 02 677 C1. Dort ist eine nicht gattungsgemäße Vorrichtung zur Überprüfung einer Übertragungsstrecke gezeigt, bei der ein Testsignal überragen wird, dessen anschließende Erfassung im empfangenden Signalstrom durch den Vergleich mit der gesendeten Form nachgewiesen wird. Eine Synchronisierung mit dem Testsignalgeber erfolgt dort - nach dem ausdrücklichen Zweck dieser Methode - nicht, eine Laufzeitbestimmung ist deshalb nicht möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auf vielfältige Weise ausführen. Es kann insbesondere auch in einem Rechner und dessen Arbeitsspeicher ausgeführt werden. Mit einer Hardware-Lösung dagegen lassen sich sehr hohe Arbeitsge­ schwindigkeiten erhalten.

Weiterhin ist das Verfahren unabhängig von der physikalischen Natur des Sende­ signals einsetzbar, solange das Signal ein erkennbares Muster aufweist, dessen Form Korrelation ermöglicht. Je nach Art des Signals sind Sender und Empfänger entsprechend auszuwählen. Gegebenenfalls können Sender und Empfänger auch als Baueinheit realisiert sein.

Prinzipiell kann das Sendesignal mit einem beliebigen Muster versehen werden, es kann insbesondere frequenz- oder impulsmoduliert ausgebildet sein. Entschei­ dend ist allein die Erkennbarkeit eines Musters im Vergleich zu eventuell vor­ handenen Störsignalen oder Rauschen. Der Begriff des Musters ist insofern sehr weit zu verstehen.

Die Reflexion des vom Sender abgestrahlten Sendesignals findet nicht nur an der Flüssigkeitsoberfläche statt, sondern auch am Boden des Behälters. Das an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal wird den Empfänger eher erreichen, als das am Boden reflektierte Signal. Es muß aber vor einer zweiten Füllstandsmes­ sung abgewartet werden, bis auch das Bodensignal den Detektor erreicht hat, um eine Verwechslung des Bodensignals mit dem Oberflächenreflexsignal der nach­ folgenden Füllstandsmessung zu vermeiden. Diese Bedingung stellt eine untere Grenze für den zeitlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Füll­ standmessungen dar. Es wird deshalb in Anspruch 1 vorgesehen, das Muster des Sendesignals bei zeitlich aufeinanderfolgenden Füllstandsmessungen unter­ schiedlich auszubilden. Dies kann z. B. durch eine zufällige Wahl des Musters erfolgen, oder durch die Vorgabe einer festen Abarbeitungsreihenfolge einer Zahl von vorgegebenen und gespeicherten Mustern.

Der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Füllstandsmessungen kann dadurch deutlich verringert werden, da ein am Boden reflektiertes Signal einer ersten Füllstandsmessung und ein von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiertes Signal einer zweiten Füllstandsmessung aufgrund der dazwischen erfolgten Än­ derung des Musters nicht verwechselt werden können. Es versteht sich, daß die gespeicherte Folge von Vergleichswerten bei einer Änderung des Musters des Signales dem neuen Muster vor dem Vergleich durch Korrelation entsprechend anzupassen ist.

Es ist nach Anspruch 2 bzw. 6 insbesondere vorteilhaft, daß das Muster des Sen­ designals ein Rechteckimpuls ist, dessen charakteristische Größe im wesentlichen die Impulslänge darstellt. Der Vorteil dieses einfachen Musters besteht darin, daß die Höhe des Signals als Informationsträger nicht benötigt wird, so daß das Emp­ fangssignal ohne Verfälschung des enthaltenen Informationsgehaltes normiert werden kann. Das normierte Empfangssignal läßt sich dann in einfacher Weise in ein Bitmuster umsetzen, das in ebenso einfacher Weise mit einem Vergleichsbit­ muster verglichen werden kann. Der ermöglichte bitweise Vergleich hat den Vorteil, daß für den Vergleich nur eine geringe Rechenleistung notwendig ist. Die technischen Vorkehrungen zum Normieren des Empfangssignals, zum Um­ setzen desselben in ein Bitmuster und zum bitweisen Vergleich des Bitmusters mit einem vorgegebenen Bitmuster sind dem Fachmann wohlbekannt.

Gerade bei Mustern mit einer einfachen Form, wie im Falle eines Rechteckim­ pulses, ist besonders darauf zu achten, daß die Abtastrate des A/D-Wandlers ausreichend hoch ist. Damit ist gemeint, daß z. B. der Rechteckimpuls, um bei die­ sem Beispiel zu bleiben, von einer ausreichenden Anzahl an gewandelten Emp­ fangswerten bzw. insbesondere Bits dargestellt wird. Es sind befriedigende Er­ gebnisse zu erwarten, wenn der Rechteckimpuls in z. B. vier Bits dargestellt ist. Generell ist festzuhalten, daß mit einer Erhöhung der Abtastrate die Wahrschein­ lichkeit einer zufälligen Übereinstimmung zwischen den Vergleichswerten und den Empfangswerten abnimmt.

Die Erkennbarkeit des Musters des Sendesignales läßt sich dadurch verbessern, daß eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen das Muster bildet, wie es mit Vorteil in Anspruch 3 bzw. 7 vorgeschlagen wird. Auch diese Impulsfolge kann nach einer Normierung in ein Bitmuster umgewandelt werden, dessen Information aus der Länge der Rechteckimpulse und der Länge der Pausen zwischen den Impul­ sen gebildet wird. Der Vorteil der Verwendung einer Impulsfolge besteht darin, daß zufällige Übereinstimmungen zwischen Vergleichs- und Empfangswerten unwahrscheinlicher werden.

Es ist weiterhin gemäß Anspruch 4 bzw. 9 von Vorteil, daß ein Referenzsignal durch Reflexion des vom Sender abgestrahlten Sendesignals an einer Reflexions­ stelle mit definiertem Abstand zu Sender und Empfänger erzeugt und zur Ermitt­ lung eines Korrekturwertes ausgewertet wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals hängt von den Umgebungsbedingungen ab, insbesondere von der Temperatur und von den Druckbedingungen beim Befüllen des Behälters. Diese Änderungen lassen sich berücksichtigen, indem das Sendesignal eine bekannte Strecke durchläuft, diese Laufzeit bestimmt und die Lauf bzw. Ausbreitungsge­ schwindigkeit daraus errechnet wird. Die bekannte Strecke wird durch das Aus­ bilden einer Reflexionsstelle erzeugt, wobei der Abstand der Reflexionsstelle von Sender und Empfänger bekannt ist. Der Empfänger empfängt deshalb zuerst das durch Reflexion an der Reflexionsstelle gebildete Reflexionssignal und erst danach das an der Flüssigkeitsoberfläche reflektierte Signal. Aus einer ersten fest­ gestellten Übereinstimmung des Musters des Empfangssignals mit der bekannten Form des Musters des Sendesignals kann somit eine Ausbreitungsgeschwindig­ keit des Signales festgestellt werden, auf dessen Grundlage eine zweite festge­ stellte Übereinstimmung des Musters des Empfangssignals mit der bekannten Form des Musters des Sendesignals in eine durchlaufene Weglänge umgerechnet werden kann, aus der der Füllstand ermittelbar ist.

Bezogen auf die Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durch­ führbar ist, ist es nach Anspruch 8 vorteilhaft, daß Sender und Empfänger im Rückgasweg des Füllorgans angeordnet sind, über das der Behälter mit Flüssig­ keit beaufschlagbar ist. Über den Rückgasweg ist ein freier Weg zur Flüssigkeit im Behälter gewährleistet, so daß bei einer Anordnung des Senders und des Emp­ fängers im Rückgasweg kein zusätzlicher Zugang ausgebildet werden muß.

In vorteilhafter Weise ist gemäß Anspruch 10 die Reflexionsstelle als Ver jüngung des Rückgasweges ausgebildet. Es wird insbesondere vorgeschlagen, diese Ver­ jüngung am unteren Ende des Rückgasweges auszubilden.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindungen lassen sich der nachfol­ genden Beschreibung entnehmen, in der anhand von Zeichnungen Ausführungs­ beispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein Füllorgan mit erfindungsgemäßer Vor­ richtung,

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer teilweise mit Flüssigkeit befüllten Flasche mit verschiedenen Reflexionsstellen,

Fig. 2b das prinzipielle Aussehen eines aus der Lage der Reflexions­ stellen gemäß Fig. 2a resultierenden Empfangssignals,

Fig. 3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ermittlungsein­ heit,

Fig. 4a eine schematische Darstellung des Abtast- und Wandelvor­ ganges des Empfangssignals,

Fig. 4b eine schematische Darstellung der im Wandlertakt durchge­ führten Korrelation anhand exemplarischer Bitmuster und

Fig. 5a, b, c Beispiele für Muster des Sendesignals.

Anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles soll ein erfindungs­ gemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit 16 in einem Behälter 3 erklärt werden. Ein Füllorgan 1 ist mit einem Füllgutzulauf 8 und einem Rückgaszulauf 9 an ei­ ner nicht gezeigten Füllmaschine vorgesehen, die dem üblichen Stand der Tech­ nik entsprechen kann.

Das Füllorgan 1 weist eine Füllgutkammer 19 auf, in der sich das flüssige Füllgut 7 befindet. Weiterhin weist das Füllorgan 1 ein druckfest abgedichtetes, höhen­ bewegliches Rückgaselement 18 auf, dessen unterer Teil sich bis in die Füllgut­ kammer 19 erstreckt. Die Druckabdichtung erfolgt über eine Schiebedichtung 14, die oberhalb der Füllgutkammer 19 angeordnet ist. Im Inneren des Rückgasele­ mentes 18 ist ein Rückgasweg 15 als langgestreckter, zylindrischer Kanal ausge­ bildet, durch den beim Befüllen des Behälters 3 mit dem Füllgut 7 das Gas ein- und ausströmen kann, wobei der Behälter 3 von einer nicht dargestellten Anpreß­ vorrichtung gegen eine Behälterdichtung 5 am Füllorgan 1 angepreßt wird.

Am oberen Ende des Rückgasweges 15 sind ein Sender 11 und ein Empfänger 12 angebracht, die über Signalleitungen 17a, 17b mit einer Ermittlungseinheit 2 ver­ bunden sind. Die Ermittlungseinheit 2 steuert den Sender 11, indem sie Steuersi­ gnale über die Signalleitung 17a an den Sender 11 schickt, und wertet die vom Empfänger 12 ermittelten Signale zur Bestimmung einer Laufzeit des vom Sender 11 abgestrahlten Signals aus, wobei das Empfangssignal über die Signalleitung 17b übertragen wird. Das vom Sender 11 in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche 4 abgestrahlte Signal durchläuft den Rückgasweg 15, ein erster Anteil des Signals wird an einer Verjüngung 13, die am unteren Ende des Rückgasweges 15 ausge­ bildet ist, reflektiert; ein zweiter Teil des Signals gelangt zur Flüssigkeitsoberflä­ che 4, und wird dort teilweise reflektiert. Das reflektierte Signal gelangt ebenfalls durch den Rückgasweg 15 zum Empfänger 12, das Empfangssignal gelangt über die Signalleitung 17b in die Ermittlungseinheit 2.

Da der Höhenabstand h zwischen Verjüngung 13 und Sender 11 bzw. Empfänger 12 bekannt ist, kann aus der Laufzeit des ersten reflektierten Signals die Aus­ breitungsgeschwingdigkeit des Signals bestimmt werden, aus der dann der Lauf­ weg des von der Flüssigkeitsoberfläche 4 reflektierten Signals errechnet werden kann. Wenn die Flüssigkeitsoberfläche 4 den maximalen Füllstand 4a erreicht, der in diesem Fall dem Sollfüllstand entspricht, steuert die Ermittlungseinheit 2 über die Signalleitung 17c ein Ventil 10 im Rückgaszulauf 9 derart an, daß dieses in den geschlossenen Zustand übergeht. Der Zufluß des Füllgutes 7 wird eben­ falls unterbrochen, indem das beweglich abgedichtete Rückgaselement 18 nach unten verschoben wird, bis der Dichtungsring 6 auf der unteren Wandung der Füllgutkammer 19 aufliegt.

Der Behälter 3 wird um aus seinem angepreßten Zustand an der Dichtungen 5 gelöst und weitertransportiert, z. B. zu einer Verschließmaschine. Zur Vorberei­ tung eines neuen Füllvorganges wird ein neuer Behälter 3 an die Dichtungen 5 angepreßt. Durch Öffnen des Ventils 10 im Rückgaszulauf 9 wird der Behälter 3 vorgespannt. Durch Hochfahren des Rückgaselementes 18 erfolgt dann der er­ neute Zulauf des Füllgutes 7.

Das bisher beschriebene Füllorgan entspricht soweit noch den gattungsbildenden bekannten Vorrichtungen.

Fig. 2a verdeutlicht, daß die Reflexion des vom Sender 11 in Richtung auf die Flüssigkeitsoberfläche 4 abgestrahlten Sendesignales an mehreren Stellen statt­ findet. Eine erste Reflexion findet an einer Verjüngung 13 des Rückgasweges 15 statt, sie ist mit α bezeichnet. Eine zweite Reflexion β findet an der Flüssigkeits­ oberfläche 4 statt, wobei nicht nur in der kürzesten, lotrechten Verbindung zum Sender 11 das Signal reflektiert wird, sondern auch an den Randbereichen der Flüssigkeitsoberfläche (β'). Ein dritter Teil des Signales durchläuft die gesamte Flüssigkeit 16 im Behälter 3 und wild am Boden 3' des Behälters 3 reflektiert (γ). Teilbild 2b zeigt in schematisierter Form das am Empfänger 12 einlaufende Si­ gnal. Das reflektierte Signal α wird vor Signal β, den Signalen β' und dem Signal γ den Empfänger erreichen. Aus ihm kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signales ermittelt werden, wie sie bei den herrschen Temperatur- und Druckbe­ dingungen vorliegt, da der Höhenabstand h bekannt ist und die Laufzeit ermittelt wird. Mit dieser Ausbreitungsgeschwindigkeit kann der Laufweg des zweiten einlaufenden reflektierten Signales β errechnet werden, wenn die Laufzeit diese Signales gemessen wird.

Im folgenden wird erläutert, wie das Einlaufen des reflektierten Signales nach­ gewiesen wird. Dazu ist in der Ermittlungseinheit 2 wie in Fig. 3 schematisch gezeigt, ein A/D-Wandler 21 angeordnet, der über die Signalleitung 17b mit dem Empfangssignal des Empfängers 12 beschickt wird. Der A/D-Wandler 21 tastet dieses Empfangssignal mit einer hohen Rate ab und wandelt es in digitale Werte. Die gewandelten Werte werden über eine Signalleitung 25 in ein Schieberegister 22 eingespeist, wobei das Schieberegister die Schieberegisterplätze 1 bis n auf­ weist.

Die Ermittlungseinheit 2 umfaßt weiterhin einen Speicher 24, in dem auf den Speicherplätzen 1 bis m Vergleichswerte abgelegt sind, wobei die Vergleichs­ werte die Form des Musters des Sendesignales darstellen. Der Speicher 24 kann dauerhaft speichernd oder überschreibbar ausgebildet sein. Der Vergleich der Vergleichswerte im Speicher 24 mit den im Schieberegister 22 im Wandlertakt sukzessive verschobenen Empfangswerten erfolgt in einer Korrelationseinheit 23, die ebenfalls Plätze 1 bis m aufweist. Dazu sind sowohl das Schieberegister 22 als auch die Korrelationseinheit 23 über die Taktleitung 26 mit dem A/D- Wandler 21 verbunden, so daß beide im Wandlertakt getaktet werden. Die Kor­ relationseinheit ist über Signalleitungen 27 platzweise mit dem Schieberegister 22 verbunden, und ebenso über Signalleitungen 28 mit dem Speicher 24. Über diese Signalleitungen 27, 28 werden die zu vergleichenden Empfangswerte und Ver­ gleichswerte eingelesen und im Takt des A/D-Wandlers 21 in der Korrelations­ einheit 23 z. B. durch binäre Multiplikation verglichen. Das Ergebnis dieses Ver­ gleichs stellt den Korrelationswert dar. Dieser Wert wird über eine Signalleitung 29 im Wandlertakt einer Auswerteeinheit 30 zugeführt, in der der Empfangszeit­ punkt ermittelt wird, da der maximale Korrelationswert einem Taktzeitpunkt zu­ geordnet werden kann, und dieser Taktzeitpunkt maximaler Korrelation dem Empfangszeitpunkt entspricht.

In den Fig. 4a und 4b ist zum besseren Verständnis der zeitliche Ablauf des Abtastens und Wandeins anhand eines Beispieles dargestellt.

Fig. 4a zeigt, wie der A/D-Wandler 21 das Empfangssignal E taktweise zu den Taktzeitpunkten a, a + 1, . . ., a + 4 abtastet und der Abtastwert in das Schieberegister 22 in Form der Abtastwerte f(a), . . ., f(a + 4) in den Speicherplätzen 1 bis n des Schieberegisters 22 eingespeist wird.

Fig. 4b verdeutlicht die Funktion der Korrelationseinheit 23 anhand des Bei­ spiels eines Empfangssignals der Form 1|1|1|1. Im Schiebetakt des A/D-Wandlers 21 durchläuft die Folge an Empfangswerten das Schieberegister 22. Die auf den benachbarten Plätzen h, i, j und k befindlichen Werte werden in der Korrelati­ onseinheit 23 mit den im Speicher 24 gespeicherten Weile 1|1|1|1 verglichen. Bei jedem neuen Takt wird das zu identifizierende Muster 1|1|1|1, das in den Emp­ fangswerten enthalten ist, sukzessive innerhalb des Schieberegisters 22 verscho­ ben, bis es beim Takt a + 3 die Speicherplätze h, i, j und k besetzt, woraufhin die Korrelation einen maximalen Korrelationswert von 4 ergibt, der danach beim Weiterschieben wieder abnimmt. Das Vorliegen des maximalen Korrelations­ wertes kann z. B. durch Vergleich mit einem Vorgabewert ermittelt werden.

In Fig. 5 sind bevorzugte Beispiele von Mustern des Sendesignales abgebildet. Teilbild 5a zeigt einen typischen Rechteckimpuls mit einer definieren zeitlichen Länge, Teilbild 5b zeigt eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen, bestehend aus einem kurzen, einem langen und einem weiteren kurzen Rechteckimpuls und Teilbild 5c zeigt zwei aufeinanderfolgende Impulsfolgen von Rechteckimpulsen mit unterschiedlichem Muster. Die erste Impulsfolge besteht aus einem kurzen, einem langen und dann wieder einem kurzen Impuls, die zweite aus zunächst drei kurzen Impulsen, gefolgt von einem langen Impuls.

Die bisher an Hand der Fig. 3 und 4 beschriebenen Korrelation verwendet einen sehr einfachen Korrelationsalgorithmus, bei dem die einzelnen Plätze im Wandler 21 und Speicher 24 multipliziert und anschließend addiert werden. Diese Methode ist nur zur Erkennung einfacher, zusammenhängender Impulse, wie in Fig. 5a dargestellt, geeignet, da nur Weile ungleich Null zur Korrelation bei­ tragen. Es können jedoch auch kompliziertere Korrelationsalgorithmen verwendet werden, um die Form komplizierterer Muster zu vergleichen, die auch Lücken, also Null-Werte enthalten, wie in den Fig. 5b und 5c dargestellt.

Durch den Korrelationsvergleich zwischen dem gespeicherten Muster und dem empfangenden, durch Störungen und Rauschen verzerrten Muster, läßt sich das Muster auch bei starken Störungen und bei sehr niedrigem Signal/Rauschabstand wiedererkennen. Bei Verwendung komplizierter Muster wie z. B. gemäß Fig. 5c ergibt sich bei geeignet hoher Abtastrate eine sehr präzise Korrelation, mit der die individuelle Musterform genau erkannt werden kann.

Werden von Messung zu Messung unterschiedliche Musterformen verwendet, z. B. durch Variation des in Fig. 5c dargestellten Musters, dann läßt sich sicher­ stellen, daß das erwartete Muster erkannt wird, es kann also wenn man Fig. 2 betrachtet, bei schnell hintereinander kommenden Mustern sichergestellt werden, daß die erste Reflexion β von einem anderen, nach längerer Laufzeit vom Boden (Reflexion γ) kommenden Muster unterschieden wird, welches noch vom vorhe­ rigen Meßvorgang stammt. Es kann dadurch die Meßrate sehr hoch gewählt wer­ den, so daß der bei schnellem Füllen eines Behälters der rasch ansteigende Flüs­ sigkeitsspiegel mit rasch aufeinanderfolgenden Messungen sehr präzise verfolgt werden kann.

In der Beschreibung zu den Fig. 4b und 5 sind Muster in der Form von Rechteckimpulsen betrachtet, die die Möglichkeit der Normierung bei der Kor­ relation bieten und somit die Möglichkeit einer Verringerung des Rechenaufwan­ des. Es kann jedoch auch mit amplitudenmodulierten Mustern, z. B. in Form von Sinuswellen gearbeitet werden. Bei solchen Mustern muß der A/D-Wandler die bei jedem Wandlertakt empfangene Signalstärke als Wert wiedergeben. Auch das im Speicher 24 gespeicherte Originalmuster muß Weite entsprechender Amplitu­ de enthalten. Bei der Korrelation müssen jeweils die Amplitudenwerte auf Ähn­ lichkeit verglichen werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur berührungslosen Füllstandsmessung einer Flüssigkeit (16) in einem Behälter (3), bei dem ein im Abstand oberhalb des maximalen Flüssigkeitsspiegels (4a) angeordneter Sender (11) ein ein erkennbares Muster enthaltendes Sendesignal in Richtung der Flüssigkeitsoberfläche (4) abstrahlt, und bei dem ein ebenfalls im Abstand oberhalb des maxima­ len Flüssigkeitsspiegels (4a) angeordneter Empfänger (12) ein Empfangs­ signal ermittelt, das u. a. das an der Flüssigkeitsoberfläche (4) reflektierte Sendesignal enthält, wobei die Laufzeit des Signals vom Sender (11) bis zum Empfänger (12) ermittelt wird, aus der die durchlaufene Wegstrecke und daraus die Füllstandshöhe errechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das erkennbare Muster bei zeitlich aufeinanderfolgenden Füllstandsmes­ sungen variiert wird,
• - das vom Empfänger (12) ermittelte Empfangssignal von einem A/D- Wandler (21) mit einer hohen Rate abgetastet und gewandelt wird, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Abtast- und Wandelvorgängen deut­ lich kleiner als die Impulslänge bzw. die halbe Periode des Musters des Sendesignals ist,
• - der A/D-Wandler (21) die gewandelten Empfangswerte im Wandlertakt sukzessive in ein Schieberegister (22) einspeist, so daß in diesem eine Fol­ ge von Empfangswerten gebildet wird, die die Form des Empfangssignals wiedergibt,
• - die in das Schieberegister (22) eingespeiste Folge im Wandlertakt mit ei­ ner gespeicherten Folge an Vergleichswerten mittels Korrelation vergli­ chen wird, so daß eine Folge von Korrelationswerten erzeugt wird, wobei die Folge der Vergleichswerte zumindest weitgehend die Form des Mu­ sters des vom Sender (11) abgestrahlten Sendesignals wiedergibt,
• - aus der Folge von Korrelationswerten der Zeitpunkt der maximalen Kor­ relation als Empfangszeitpunkt bestimmt wird, mit dem die Laufzeit des Signals vom Sender (11) bis zum Empfänger (12) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender (11) ein Sendesignal mit einem Rechteckimpuls als Muster abgestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Sender (11) ein Sendesignal mit einer Impulsfolge von Rechteckimpulsen als Mu­ ster abgestrahlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenz­ signal durch Reflexion des vom Sender (11) abgestrahlten Sendesignals an einer Reflexionsstelle (13) mit definiertem Abstand (h) zu Sender (11) und Empfänger (12) erzeugt und zur Ermittlung eines Korrekturwertes ausge­ wertet wird.

5. Vorrichtung zur berührungslosen Füllstandsmessung einer Flüssigkeit (16) in einem Behälter (3), bei der im Abstand oberhalb des maximalen Flüs­ sigkeitsspiegels (4a) ein Sender (11) angeordnet ist, mit dem ein Sendesi­ gnal mit einem erkennbaren Muster in Richtung des Flüssigkeitsspiegels (4) abstrahlbar ist, bei der weiterhin ein Empfänger (12) ebenfalls im Ab­ stand oberhalb des maximalen Flüssigkeitsspiegels (4a) angeordnet ist, mit dem ein Empfangssignal ermittelbar ist, das u. a. das an der Flüssigkeits­ oberfläche (4) reflektiere Sendesignal enthält, mit einer Ermittlungseinheit (2) zur Ermittlung der Laufzeit des Signals vom Sender (11) bis zum Emp­ fanger (12) und zur Berechnung der durchlaufenen Wegstrecke und daraus des Füllstandes, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Sender (11) zum Senden unterschiedlicher Muster bei zeitlich auf­ einanderfolgenden Füllstandsmessungen ausgebildet ist.
• - die Ermittlungseinheit (2) einen A/D-Wandler (21) aufweist, der derart ausgebildet ist, daß er eingangsseitig mit dem vom Empfänger (12) ermit­ telten Empfangssignal beschickbar ist und mit ihm das Empfangssignal mit einer hohen Rate abtast- und wandelbar ist, wobei der zeitliche Abstand zwischen zwei Abtast- und Wandelvorgängen deutlich kleiner als die Im­ pulslänge bzw. die halbe Periode des Musters des Sendesignals ist.
• - die Ermittlungseinheit (2) weiterhin ein Schieberegister (22) aufweist, in das die mittels des A/D-Wandlers (21) gewandelten Empfangswerte im Wandlertakt sukzessive einspeisbar sind, so daß eine Folge von Emp­ fangswerten erzeugbar ist, die die Form des Empfangssignals wiedergibt, und
• - die Ermittlungseinheit (2) eine Korrelationseinheit (23) aufweist, in der die in das Schieberegister (22) eingespeiste Folge an Empfangswerten im Wandlertakt mit einer in einem Speicher (24) gespeicherten Folge an Ver­ gleichswerten mittels Korrelation vergleichbar ist, so daß eine Folge von Korrelationswerten erzeugbar ist, wobei die Folge der Vergleichswerte zumindest weitgehend der Form des Musters des vom Sender (11) abge­ strahlten Sendesignals entspricht, und in der aus der Folge von Korrelati­ onswerten der Zeitpunkt der maximalen Korrelation als Empfangszeit­ punkt bestimmbar ist, aus dem die Laufzeit des Signals vom Sender (11) bis zum Empfänger (12) ermittelbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster ein Rechteckimpuls ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster eine Impulsfolge von Rechteckimpulsen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (11) und Empfänger (12) im Rückgasweg (15) eines Füllorgans (1) angeordnet sind, über das der Behälter (3) mit Flüssigkeit beaufschlagbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in bekann­ tem Abstand (h) unterhalb des Senders (11) und des Empfängers (12) und im Abstand oberhalb des maximalen Flüssigkeitsspiegels (4a) eine Refle­ xionsstelle (13) angeordnet ist, mit der ein Referenzsignal durch Reflexion des vom Sender (11) abgestrahlten Sendesignals erzeugbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Refle­ xionsstelle (13) als Verjüngung des Rückgasweges (15), insbesondere als Verjüngung am unteren Ende des Rückgasweges (15) ausgebildet ist.