DE10044888A1

DE10044888A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Positionen der Grenzflächen unterschiedlicher Medien

Info

Publication number: DE10044888A1
Application number: DE2000144888
Authority: DE
Inventors: Josef Fehrenbach; Karl Griesbaum
Original assignee: Vega Grieshaber KG
Current assignee: Vega Grieshaber KG
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-04-04
Also published as: EP1191315A3; EP1191315A2

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Position der Grenzflächen unterschiedlicher Medien mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen, wobei von einem Wellensender eine hinlaufende Welle ausgesandt wird, welche zumindest eine Ausbreitungsgeschwindigkeitskomponente aufweist, welche parallel zu den Grenzflächennormalen der unterschiedlichen Medien ist, die ausgesandte hinlaufende Welle an den jeweiligen Grenzflächen zumindest teilweise reflektiert wird, die jeweiligen Anteile der reflektierten rücklaufenden Wellen von einem Wellenempfänger empfangen werden, die jeweiligen Laufzeiten zwischen Aussendung der hinlaufenden Welle und Empfang der rücklaufenden Wellen bestimmt werden, aus den jeweiligen Laufzeiten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Welle in den unterschiedlichen Medien die jeweiligen Positionen der Grenzflächen bestimmt werden, wobei die jeweiligen Anteile der reflektierten Wellen in den unterschiedlichen Medien (4, 5) verwendet werden. Wichtig ist hierbei die Berücksichtigung der quadratischen Abhängigkeit von epsilon¶r¶ vom Reflexionsfaktor r.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung der Positionen der Grenzflächen unterschiedli cher Medien, insbesondere der Bestimmung der Schichtdicke des obersten zweier sich überlagernder Füllgüter innerhalb eines Behälters, mit Hilfe von elektromagnetischen Wellen gemäß den Merkmalen der Obebegriffe der Ansprüche 1 und 9.

Solche Vorrichtungen und Verfahren sind u. a. aus WO 00/43739 und WO 00/43806 bekannt. Allerdings beschreiben diese Doku mente lediglich eine funktionelle Abhängigkeit der Dielektri zitätskonstanten ε_r vom Reflexionsfaktor, also dem Verhältnis der auf der Leitung rücklaufenden Spannung zur hinlaufenden Spannung. Des weiteren offenbaren beide Dokumente nicht Dämp fungsverluste der Leitung.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrun de, die in den beiden genannten Dokumenten bekannten Verfah ren und Vorrichtungen so weiterzubilden, daß eine exaktere Bestimmung der Grenzflächen beider Medien möglich ist.

Zunächst wird jedoch noch der technologische Hintergrund vor liegender Erfindung beleuchtet.

Zur industriellen Füllstandmessung werden seit geraumer Zeit Messsysteme eingesetzt, die aufgrund der gemessenen Laufzeit von elektromagnetischen Wellen vom oberhalb des Füllguts an der Behälterdecke montierten Sensor zur Füllgutoberfläche und zurück die Distanz zwischen Sensor und Füllgut exakt bestimmen. Aus der Kenntnis der Behälterhöhe kann daraus auf den gesuchten Füllstand im Behälter rückgeschlossen werden. Solche unter dem Oberbegriff Füllstandradar bekannten Senso ren beruhen allesamt auf der Eigenschaft elektromagnetischer Wellen, sich innerhalb eines homogenen nichtleitenden Mediums mit konstanter Geschwindigkeit auszubreiten und an der Grenz fläche unterschiedlicher Medien zumindest teilweise reflek tiert zu werden.

Zur Bestimmung der gesuchten Wellenlaufzeit sind unterschied liche Radarprinzipien bekannt. Die beiden hauptsächlich ange wandten Verfahren sind zum einen Pulsradar und zum anderen FMCW-Radar. Das Pulsradar bedient sich der pulsförmigen Am plitudenmodulation der abzustrahlenden Welle und ermittelt die direkte Zeitdauer zwischen Aussendung und Empfang der Pulse. Das FMCW-Radar bestimmt die Laufzeit auf indirektem Weg über die Aussendung eines frequenzmodulierten Signals und Differenzbildung zwischen gesendeter und empfangener Momen tanfrequenz.

Neben den unterschiedlichen Radarprinzipien werden auch je nach Anwendung verschiedene Frequenzbereiche der elektroma gnetischen Wellen benutzt. So existieren beispielsweise Puls radars mit Trägerfrequenzen im Bereich zwischen 5 und 30 GHz und daneben ebenso solche, die im Basisband als sogenannte Monopulsradars ohne Trägerfrequenz arbeiten.

Außerdem ist eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen be kannt, die elektromagnetische Welle auf die Füllgutoberfläche und zurück zu leiten. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen in den Raum abgestrahlter Welle und durch eine Lei tung geführter Welle. Vertreter der ersten Art besitzen eine Antenne, die die Welle ausreichend fokussiert in Richtung Füllgut abstrahlt und wieder empfängt. Ein solches Sensorsy stem ist beispielsweise in der DE 42 40 492 C2 dargelegt. Radarsensoren, die die elektromagnetische Welle über eine Leitung zum Reflexionsort und zurück führen, werden oft auch als TDR (time domain reflectometrie)-Sensoren bezeichnet. Die Leitung kann dabei jegliche in der Hochfrequenztechnik übli che Form besitzen. Als Beispiele seien hier die Eindrahtlei tung genannt, wie sie in der DE 44 04 745 beschrieben ist, oder der Hohlleiter, wie er in der DE 44 19 462 ausgeführt ist.

Neben den üblichen Füllstand-Radarmessungen, die ausschließ lich die Position der Grenzfläche zwischen Füllgut und dar über befindlichem Gasraum (in üblichen Behältern Luftraum) ermitteln, gibt es Anwendungen, bei denen die Position der Grenzschicht zweier unterschiedlicher Füllgüter bzw. die Schichtdicke der oberen Schicht gefragt ist. Da jede Grenz schicht zweier Medien mit unterschiedlicher Dielektrizitäts konstante ein Radarecho erzeugt, empfängt ein Radarsensor in einem solchen Fall Reflexionen von mehreren Stellen. Neben der üblichen Reflexion von der Grenzfläche Gas-oberstes Füll gut entsteht ein Echo an der Grenzfläche der beiden Füllgü ter. Weitere Echos können unter Umständen von weiteren Grenz flächen von Füllgütern und auch vom (metallischen) Behälter boden folgen. Durch entsprechende Signalauswertung ist es je denfalls möglich, das Echo, das von der Reflexion an der Grenzfläche Gas-oberstes Füllgut und das, welches von der Re flexion an der Grenzfläche zum nächstfolgenden Füllgut resul tiert, eindeutig zu identifizieren. Aus dem zeitlichen Ab stand dieser beiden Echos lässt sich die gesuchte Schichtdic ke des obersten Füllguts bestimmen, falls die Ausbreitungsge schwindigkeit der Welle innerhalb dieses Füllguts bekannt ist. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit v hängt ab von der Dielektrizitätskonstante ε_r und der Permeabilität µ_r des Füllguts. Es gilt folgende Formel zur Berechnung aus der Aus breitungsgeschwindigkeit v₀ im Vakuum:

Da die Füllgüter fast nie eine magnetische Eigenschaft besit zen, ist die Permeabilität bekannt (µ_r = 1) und als einzige Un bekannte bleibt die Dielektrizitätskonstante ε_r. Die Ermitt lung dieser Konstanten gestaltete sich bisher oft sehr schwierig, da von der Seite der Anwender von entsprechenden Füllstandsensoren kaum Kenntnis über diese Materialeigen schaft des Füllguts besteht. Außerdem werden manche Behälter abwechselnd mit verschiedenen Füllgütern befüllt, deren Die lektrizitätskonstante unterschiedlich ist, wodurch immer wie der eine entsprechende Korrektur durch Neueingabe ihres Wer tes notwendig wird. Ein weiteres Problem ergibt sich bisher dadurch, dass die Dielektrizitätskonstante vieler Medien so wohl temperaturabhängig als auch abhängig von der Frequenz der elektromagnetischen Welle ist. Selbst wenn also diese Ma terialkonstante für eine bestimmte Temperatur und einen defi nierten Frequenzbereich, beispielsweise bei einigen Kilo hertz, bekannt ist, kann davon ausgegangen werden, dass bei anderen Füllguttemperaturen und der Anwendung von Sensorfre quenzen im Hoch- und Höchstfrequenzbereich die Messwertbe rechnung basierend auf diesem vorgegebenen Wert der Konstan ten kein exaktes Ergebnis liefert.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die bei Trenn schichtmessungen mit elektromagnetischen Wellen bisher not wendige manuelle Eingabe der Dielektrizitätskonstanten zu vermeiden. Statt dessen wird ein Verfahren und eine nach die sem Verfahren arbeitende Vorrichtung angegeben, nach dem selbständig die aktuellen füllgutabhängigen Parameter be stimmt werden, die zur Schichtdickenbestimmung notwendig sind.

Des weiteren lässt sich diese Erfindung auch dort anwenden, wo ein Radarsensor nach einem Verfahren arbeitet, wie es in der DE 42 33 324 beschrieben ist. Anstatt die Position einer Füllgutoberfläche aus einer unter Umständen bei Füllgütern mit niedriger Dielektrizitätskonstanten relativ schwachen Re flexion direkt zu bestimmen, wird das in solchem Fall meist starke Echo vom Behälterboden lokalisiert. Nach Kenntnis der Dielektrizitätskonstanten und des Bodenabstandes bei leerem Behälter ist die gesuchte Füllhöhe im Behälter leicht erre chenbar.

Während aber der Bodenabstand bei leerem Behälter problemlos vom Sensor gemessen oder aber einmalig eingegeben werden kann, gilt für die Dielektrizitätskonstante gleiches wie eben beschrieben. Durch die vorliegende Erfindung kann auch bei einer Radar-Füllstandmessung nach diesem Verfahren der Boden verfolgung die Eingabe der Dielektrizitätskonstante durch die sensorinterne Bestimmung des notwendigen Rechenfaktors vor teilhaft ersetzt werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es demnach möglich, aus dem Reflexionsfaktor an der Grenzfläche des Füllguts, dessen Dielektrizitätskonstante von Interesse ist, diese zu bestim men. Die Ermittlung des Reflexionsfaktors wiederum kann durch Messung der Echoamplitude und Einbeziehung der Kenntnis über die Wellenausbreitung der elektromagnetischen Welle erfolgen. Der in diesem Zusammenhang entscheidende Parameter der Wel lenausbreitung ist der Wellenwiderstand Z_L. Er ist allgemein definiert als ortsunabhängiger Quotient aus Spannung und Strom in jedem Punkt einer Leitung und lässt sich berechnen mit

wobei k eine wellenausbreitungsabhängige Konstante und µ₀ und ε₀ die magnetische und elektrische Feldkonstante sind. Die Permeabilität µ_r sowie die Dielektrizitätskonstante ε_r be zeichnen die Materialkonstanten des feldführenden Mediums. Der Faktor √µ₀/ε₀ bezeichnet die Freifeldimpedanz Z₀, einer Wellenausbreitung im Vakuum und beträgt 377 Ω.

Für die weiteren Betrachtungen wird davon ausgegangen, dass das wellenführende Medium keine magnetische Komponente be sitzt und deshalb µ_r = 1 ist.

Die Konstante k ist abhängig von der Art der Wellenausbrei tung, d. h. z. B. von der Leitungsform einer geführten elektro magnetischen Welle. Für einen Radarsensor mit einer koaxialen Messsonde z. B. beträgt der Wellenwiderstand

mit D_A = Durchmesser des Außenleiters,
d_I = Durchmesser des Innenleiters.

Weitere Beispiele für Wellenwiderstände gebräuchlicher Mess sonden:

Zweidrahtsonde

mit s = Abstand der Leiter,
d = Durchmesser der Leiter.

Hohlleiter mit Welle im Grundmode

mit c = Konstante,
λ₀ = Wellenlänge in Luft,
λ_c = Grenzwellenlänge des luftgefüllten Hohlleiters.

Bei der Freiraumwellenausbreitung schließlich ist der Wellenwiderstand

Bekannte Form der Wellenausbreitung und gegebenenfalls der Leitungskonstruktion vorausgesetzt gibt es also immer einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Wellenwiderstand Z_L und Dielektrizitätskonstante ε_r des Ausbreitungsmediums. Im All gemeinen kann man davon ausgehen, dass sich der Wellenwider stand umgekehrt proportional zur Quadratwurzel von ε_r ver hält.

Ist das Ausbreitungsmedium ein Gas, so kann man in guter Nä herung die Dielektrizitätskonstante des Gases zu 1 setzen:

Z_Gas = Z_L(ε_r = 1) (Gl. 7)

Für den Fall, dass das Ausbreitungsmedium ein Füllgut mit der Dielektrizitätskonstanten ε_r ist, läßt sich dann dessen Wel lenwiderstand ausdrücken mit:

Der Reflexionsfaktor der Welle an der Grenzfläche ist defi niert als das Verhältnis der Amplituden der elektrischen Feldstärken von rücklaufender Welle zu hinlaufender Welle am Ort der Reflexion. Da es sich um ein Amplitudenverhältnis handelt, wird hier und für die weitere Beschreibung die Am plitude der elektrischen Feldstärke der Welle ersetzt durch ein dazu proportionales Spannungsmaß U.

Der Reflexionsfaktor r läßt sich dann ausdrücken als Quotient aus Spannung U_R, proportional zur Feldstärke der rücklaufen den Welle, und Spannung U_H, proportional zur Feldstärke der hinlaufenden Welle:

Er ist in folgender Weise von den Wellenwiderständen Z₁, Z₂ der beiden Medien einer Grenzfläche abhängig:

Damit lässt sich gleichsetzen:

Durch Umformung folgt daraus:

Auf den Fall der Grenzfläche Gas - Füllgut bezogen lautet diese Gleichung:

Durch Vergleich der beiden Gleichungen 8 und 13 erhält man den Zusammenhang:

bzw. durch Umformen von Gl. 14:

Damit läßt sich der gesuchte DK-Wert ε_r durch Ermittlung der Amplituden von hin- und rücklaufender Welle am Reflexionsort nach Gleichung 15 ermitteln, wenn wie vorausgesetzt der Wel lenwiderstand der Leitung umgekehrt proportional zur Quadrat wurzel der Dielektrizitätskonstanten ε_r des wellenführenden Mediums ist.

Bei Leitungen, bei denen diese Proportionalität nicht be steht, läßt sich der aufgezeigte Lösungsweg genauso anwenden, wenn der Zusammenhang zwischen Änderung der Dielektrizitäts konstanten des Mediums, in dem sich die Welle ausbreitet, und Änderung des entsprechenden Wellenwiderstandes bekannt ist.

Zur Ermittlung der Spannungen von hin- und rücklaufender Wel le am Ort der Reflexion ist folgende Methode zu bevorzugen:
Die Spannung der hinlaufenden Welle kann ermittelt werden aus einer Messung der Echoamplitude einer genau definierten, be kannten Reflexionsstelle. Diese Reflexionsstelle kann inner halb des Sensors liegen, z. B. in einer bekannten Leitungsim pedanzänderung in der Zuleitung zwischen Elektronik und Son de. Sie kann genauso gut ein Teil der Messstrecke innerhalb des Behälters sein, z. B. die Totalreflexion der Welle am me tallischen Behälterboden bei leerem Behälter oder das leer laufende oder kurzgeschlossene Leitungsende der Sonde bei leerem Behälter. Bei konstanter Sendespannung des Sensors ge nügt es, diese Amplitude der hinlaufenden Welle einmalig zu messen (eventuell schon bei werksseitigem Abgleich des Gerä tes) und den Wert dauerhaft zu speichern. Durch Kenntnis der Streckendämpfungen der Wellenausbreitung lässt sich damit die Amplitude der hinlaufenden Welle am Reflexionsort berechnen. Die Amplitude der rücklaufenden Welle am Reflexionsort ergibt sich aus der Ermittlung der Echoamplitude der Reflexionsstel le aus dem momentan aufgenommenen Echoprofil heraus.

Im Folgenden wird beispielhaft anhand der Zeichnungen die Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er mittlung der Grenzflächen zweier Medien gezeigt und die An wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zei gen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermitt lung der Grenzflächen zweier Medien,

Fig. 1a ein beispielhaftes Echoprofil bei leerem Be hälter mit reflektierten Puls vom Sondenende,

Fig. 1b ein beispielhaftes Echoprofil bei befülltem Behälter gemäß Fig. 1 mit reflektierten Pulsen von unterschiedlichen Grenzflächen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (im Beispiel ein Koax- Sensor) zur Ermittlung der Grenzflächen zweier Medien besteht aus einer Elektronik 1 und einer beispielsweise koaxialen Sonde 2, die in einen Behälter 3 eingebaut ist und über ein Verbindungskabel 6 mit der Elektronik 1 verbunden ist. Im Be hälter 3 befinden sich ein oberes Füllgut 4 und ein unteres Füllgut 5, wobei vom Sensor die Schichtdicke h des oberen Füllguts 4 anzuzeigen ist.

Die Elektronik 1 basiert beispielhaft auf einem Mikroprozes sor 11, an dem ein RAM 19, ein ROM 16, ein EEPROM 18 und ein Display 17 angeschlossen ist. Fernerhin ist der Mikroprozes sor 11 mit einem Pulsgenerator 10 verbunden, welcher wiederum an einen Richtkoppler 12 angeschlossen ist. Der Richtkoppler 12 bildet einerseits den Anschluss 8 zum Verbindungskabel 6 und ist andererseits mit einer Samplingschaltung 13 verbun den. Mit dieser Schaltung wird das empfangene Echosignal zeitlich gedehnt nach einem Prinzip, wie es in der DE-A-31 07 444 beschrieben ist. Zum Zwecke der offenbarung wird auf die ses Dokument vollinhaltlich Bezug genommen. Die Verstärkung des zeitgedehnten Echosignals geschieht im Empfangsverstärker 14, der wiederum über einen A/D-Wandler 15 mit dem Mikropro zessor 11 verbunden ist.

Die Bestimmung der Schichtdicke h des oberen Füllguts 4 er folgt wie im Folgenden beschrieben ist:
Dazu generiert die Elektronik 1 im Pulsgenerator 10, ausge löst durch den Mikroprozessor 11, Sendepulse, die über den Richtkoppler 12 und das Verbindungskabel 6 zur Sonde 2 gelei tet werden. Nach Reflexion der Sendepulse an den innerhalb der Sonde 2 bestehenden Wellenwiderstandsänderungen, die den Grenzflächen zwischen Gas und oberem Füllgut 4, oberem Füll gut 4 und unterem Füllgut 5 sowie dem Sondenende 7 entspre chen, werden die Empfangspulse über den Richtkoppler 12 zur Sampling-Schaltung 13 und Empfangsverstärker 14 geführt. Nach dem Sampling und der Verstärkung sowie einer Analog-Digital- Wandlung durch den A/D-Wandler 14 speichert der Mikroprozes sor 11 das abgetastete Echoprofil im RAM 19. Im ROM 16 ist das Programm gespeichert, nach dem der Mikroprozessor einen Messzyklus einleitet, das empfangene Echoprofil abspeichert, auswertet und nach entsprechender Berechnung auf dem Display 17 die Schichtdicke h anzeigt. Im EEPROM 18 sind dazu Infor mationen gespeichert, die die Vorrichtung zur Ermittlung der Grenzflächen zweier Medien betreffen und zur erfindungsgemä ßen Ermittlung des Messergebnisses notwendig sind. Diese In formationen können von der erfindungsgemäßen Vorrichtung im laufenden Betrieb bei Bedarf neu ermittelt und ins EEPROM 18 geschrieben werden. Sie betreffen beispielsweise die Amplitu de der Spannung U_H der hinlaufenden Welle, die Ausbreitungs dämpfung a der Welle, konstruktive Daten der erfindungsgemä ßen Vorrichtung sowie den Zusammenhang zwischen dem Wellenwi derstand Z_L der Sonde und der Dielektrizitätskonstanten (ε_r,Füllgut) des (oberen und unteren) Füllguts.

Bei der herstellerinternen Kalibrierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei leerem Behälter 3 generiert die Elektro nik 1 ein Echoprofil, wie es unter Fig. 1a dargestellt ist.

Das elektrisch leerlaufende Sondenende 7 erzeugt eine Total reflexion der hinlaufenden Welle U_H im Abstand d₀, die der Sondenlänge entspricht. Die im Empfänger gemessene Span nungsamplitude U_H0 dieses Echos stellt ein Maß für die Span nung U_H der hinlaufenden Welle dar, welches wie erwähnt dau erhaft gespeichert wird.

Bei teilweise befülltem Behälter 3 ergibt sich beispielsweise ein Echoprofil, wie es in Fig. 1b dargestellt ist. Anhand dieses Profils können die ersten und zweiten Abstände d₁ und d₂ errechnet werden, die die Positionen der Grenzflächen des oberen Füllguts 4 markieren. Alle Abstände d₀, d₁, d₂ werden zunächst auf der Grundlage der Wellenausbreitung in Vakuum bzw. Gas berechnet, deshalb entspricht die Differenz zwischen dem zweiten Abstand und dem ersten Abstand d₂ - d₁ nicht der gesuchten Schichtdicke h. Durch Messung der Echospannungsam plitude U_R1 der Reflexion an der Grenzfläche Gas - Füllgut schicht 4 lässt sich zusammen mit den übrigen vorliegenden Informationen die Schichtdicke h aus der Differenz der Ab stände d₂ - d₁ auf folgendem Weg berechnen:
Der Spannungsreflexionsfaktor r am ersten Abstand d₁ beträgt

wobei die Spannungsamplitude U_H1 der hinlaufenden Welle der Grenzfläche Gas - oberes Füllgut 4 unter Einbeziehung der Ausbreitungsdämpfung a (angegeben in dB/m) aus dem bekannten Amplitudenmaß U_H0 an der Stelle d₀ berechnet werden kann.

Gemäß Gleichung 15 ist damit nach Kenntnis der Spannungen U_H1 und U_R1 die Dielektrizitätskonstante ε_r des Füllgutes direkt errechenbar gemäß

wobei r den Refelxionsfaktor auf der Leitung und damit das Verhältnis rücklaufender Spannung zu hinlaufender Spannung bezeichnet. Es ist deutlich erkennbar, daß die Dielektrizi tätskonstante ε_r nicht linear, sondern quadratisch von r ab hängt.

Die Berechnung der Schichtdicke h erfolgt gemäß der verrin gerten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Medium 4 nach Gleichung 1 durch folgende Gleichung

bzw. durch Einsetzen von Gleichung 15

Für die Angabe der Spannungen muss deren Polarität beachtet werden. Wird U_H0 nicht über eine Leerlaufmessung, sondern über eine Kurzschlussmessung bestimmt, so muss beachtet wer den, dass ein Kurzschluss die Polarität der reflektierten Spannung invertiert.

Das folgende zahlenmäßige Beispiel, abgeleitet aus Fig. 1a und 1b, soll die Beschreibung der bevorzugten Ausführung von erfindungsgemäßer Vorrichtung und Verfahren nach Fig. 1 ab schließen:
gemessene Werte:
d₀ = 2,00 m; d₁ = 1,20 m; d₂ = 1,50 m;
U_H0 = 750 mV; U_R1 = -150 mV.

Vorbekannte Ausbreitungsdämpfung der Welle auf der Koax- Sonde: a = -0,1 dB/m.

Berechnete Werte nach obenstehenden Gleichungen 17 und 20:
Spannungsamplitude der hinlaufenden Welle an der Grenzfläche Gas - oberes Füllgut 4: U_H1 = 757 mV;
Schichtdicke: h = 0,201 m.

Die Dielektrizitätskonstante des Füllguts 4 beträgt in diesem Fall:
ε_r,Füllgut = 2,233.

Bei sehr geringer Ausbreitungsdämpfung a kann diese auch ver nachlässigt werden und man setzt U_H1 = U_H0.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das ausgeführte Bei spiel beschränkt, sondern lässt sich wie schon erwähnt bei allen denkbaren Formen der Wellenausbreitung anwenden, wenn der Zusammenhang zwischen Dielektrizitätskonstante und Wel lenwiderstand der Ausbreitung bekannt ist. Außerdem muss die Grenzfläche, an der der Reflexionsfaktor r bestimmt wird, nicht zwingend die Grenzfläche Gas - Füllgut 4 sein. Bei vollgefülltem Behälter 3 z. B. kann der Wellenwiderstand der gasgefüllten Sonde 2 auch durch den bekannten Wellenwider stand der Zuleitung 6 ersetzt werden.

Ebenso ist neben der Bestimmung des Maßes der hinlaufenden Welle über eine Totalreflexion am Kurzschluss (z. B. metalli scher Behälterboden) oder Leerlauf (z. B. am offenen Sondenen de 7) auch jede andere Reflexionsstelle innerhalb des Sensors oder entlang der Messstrecke geeignet, deren Reflexionsfaktor r bekannt ist. Die Bestimmung des Maßes der hinlaufenden Wel le kann einmalig innerhalb eines Kalibriervorgangs beim Her steller oder von Zeit zu Zeit während des Betriebes, z. B. bei entleertem Behälter 3, durchgeführt werden.

Das Maß der Amplitude der hinlaufenden Welle muss nicht als absoluter Wert bestimmt werden, sondern wird vorteilhafter weise als relativer Wert angegeben, der nach Reflexion und Durchlauf des reflektierten Pulses durch den Empfänger als Empfangsamplitude durch den A/D-Wandler abgetastet wird. Da die zweite zu verrechnende Spannung, die der rücklaufenden Welle, ebenfalls als relatives Maß nach Durchlauf desselben Empfangsweges zur Verfügung steht, ergibt sich der Vorteil, dass Verstärkungsänderungen im Empfangsweg, die z. B. durch Alterung oder Temperaturänderung möglich sind, sich in keiner Weise negativ auf das Ergebnis auswirken. Denn diese mögli chen Änderungen wirken sich auf das Maß der hinlaufenden wie auch der rücklaufenden Welle genau gleich aus.

Des weiteren muss der Radarsensor nicht nach dem Pulsverfah ren (TDR-Sensor) arbeiten, sondern die Erfindung eignet sich auch für alle anderen Verfahren, die elektromagnetische Wel len zur Entfernungsbestimmung benutzen.

Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bei Bestimmung der obersten Schichtdicke bei sich überlagernden Füllgütern, sondern auch bei der Methode der Radar- Füllstandbestimmung nach der Verfolgung des Bodenechos vor teilhaft verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1

Elektronik

2

Sonde

3

Behälter

4

oberes Füllgut

5

unteres Füllgut

6

Verbindungskabel

7

Sondenende

8

Anschluss

10

Pulsgenerator

11

Mikroprozessor

12

Richtkoppler

13

Sampling-Schaltung

14

Empfangsverstärker

15

AD-Wandler

16

ROM

17

Display

18

EEPROM

19

RAM
ε_o

elektrische Feldkonstante
ε_r

Dielektrizitätskonstante
ε_{r, Füllgut}

Dielektrizitätskonstante des Füllguts
µ_ο

magnetische Feldkonstante
µ_r

Permeabilität
λ_c

Grenzwellenlänge des luftgefüllten Hohlleiters
λ_ο

Wellenlänge in Luft
a Ausbreitungsdämpfung
C Konstante
d Durchmesser der Leiter
d₁

erster Abstand
d₂

zweiter Abstand
D_A

Durchmesser des Außenleiters
D_I

Durchmesser des Innenleiters
d_o

Abstand des Sondenendes
h Schichtdicke des oberen Füllguts
K Konstante
r Spannungsreflexionsfaktor
s Abstand der Leiter
U_H

Spannung der hinlaufenden Welle
U_H0

Echospannungsamplitude der hinlaufenden Wellen bei Reflexion an Sonderende

7

U_H1

Spannungsamplitude der hinlaufenden Welle an Grenzfläche Gas - oberes Füllgut
U_R

Spannung der rücklaufenden Welle
U_R1

Echospannungsamplitude (der rücklaufenden Welle) bei Reflexion an Grenzfläche Gas - oberes Füllgut

4

v Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagneti schen Welle
v_o

Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagneti schen Welle im Vakuum
Z₀

Freifeldimpedanz im Vakuum
Z₁

Wellenwiderstand der vom erstem Medium umgebenen Leitung
Z₂

Wellenwiderstand der vom zweitem Medium umgebenen Leitung
Z_Gas

Wellenwiderstand der von Gas umgebenen Leitung
Z_L

Wellenwiderstand
Z_{L, Füllgut}

Wellenwiderstand der vom Füllgut umgebenen Leitung

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der Position mindestens einer Grenzfläche unterschiedlicher Medien mit Hilfe von elektroma gnetischen Wellen, wobei
von einem Wellensender eine hinlaufende Welle ausgesandt wird, welche zumindest eine Ausbreitungsgeschwindigkeits komponente aufweist, welche parallel zu der oder den Grenzflächennormalen der unterschiedlichen Medien ist,
die ausgesandte hinlaufende Welle an der mindestens einen Grenzfläche zumindest teilweise reflektiert wird,
die jeweiligen Anteile der reflektierten rücklaufenden Wellen von einem Wellenempfänger empfangen werden,
die jeweiligen Laufzeiten zwischen Aussendung der hinlau fenden Welle und Empfang der rücklaufenden Wellen bestimmt werden,
aus den jeweiligen Laufzeiten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen in den unterschiedlichen Medien die Position der minde stens einen Grenzfläche bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass die je weiligen Anteile der reflektierten rücklaufenden Wellen zur Bestimmung der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkei ten (v) in den unterschiedlichen Medien (4, 5) verwendet wer den, wobei die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkei ten (v) der Welle in den unterschiedlichen Medien (4, 5) mit Hilfe der jeweiligen Amplitudenverhältnisse (r) der hinlau fenden Welle (U_H1) zu den rücklaufenden Wellen (U_R1) unter Be rücksichtigung einer quadratischen Abhängigkeit der Dielek trizitätskonstanten ε_r von den jeweiligen Amplitudenverhält nissen (r) (= Reflexionsfaktor) bestimmt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielek trizitätskonstante ε_r von den jeweiligen Amplitudenverhält nissen (r) als von folgender Gleichung
abhängig bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Am plitude (U_H1) der hinlaufenden Welle aus einer Messung einer Echoamplitude (U_H0) an einer genau definierten bekannten Re flexionsstelle ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Am plitude (U_H1) der hinlaufenden Welle fest vorgegeben ist.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckendämpfung (a) in den jeweiligen Medien berücksichtigt wird.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bestimmung der Schichtdicken (h) mindestens zweier sich überlagernder Füllgüter (4, 5) innerhalb eines Behälters (3).

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche beim Pulsradarverfahren.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 beim FMCW-Radarverfahren.

9. Vorrichtung zur Ermittlung der Positionen der Grenzflächen unterschiedlicher Medien (4, 5) mit Hilfe von elektromagneti schen Wellen
mit einem Wellensender zum Aussenden einer hinlaufenden Welle, welche zumindest eine Ausbreitungsgeschwindigkeits komponente aufweist, welche parallel zu den Grenzflächen normalen der unterschiedlichen Medien ist und welche an den jeweiligen Grenzflächen zumindest teilweise reflek tiert wird,
mit einem Wellenempfänger zum Empfangen der jeweiligen An teile der reflektierten rücklaufenden Wellen,
mit einer ersten Auswerteeinheit zur Bestimmung der jewei ligen Laufzeiten zwischen Aussendung der hinlaufenden Wel le und Empfang der reflektierten rücklaufenden Welle,
mit einer zweiten Auswerteeinheit zur Bestimmung der je weiligen Positionen der Grenzflächen aus den jeweiligen Laufzeiten unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit in der Welle in den unter schiedlichen Medien,
dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Auswerteeinheit vorgesehen ist, zur Bestimmung der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (v) in den unterschiedlichen Medien (4, 5) aus den jeweiligen Antei len (U_R1) der reflektierten rücklaufenden Welle, wobei die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (v) der Welle in den unterschiedlichen Medien (4, 5) mit Hilfe der jeweili gen Amplitudenverhältnisse (r) der hinlaufenden Welle (U_H1) zu den rücklaufenden Wellen (U_R1) unter Berücksichtigung ei ner quadratischen Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten ε_r von den jeweiligen Amplitudenverhältnissen (r) (= Refle xionsfaktor) bestimmt werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die drit te Auswerteeinheit (11) derart ausgebildet ist, dass die un terschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten (v) der Welle in den unterschiedlichen Medien (4, 5) mit Hilfe der jeweili gen Amplitudenverhältnisse (r) der hinlaufenden Welle (U_H1) zu den rücklaufenden Wellen (U_R1) bestimmbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine genau definierte bekannte Reflexionsstelle vorgesehen ist, so dass die Amplitude (U_A1) der hinlaufenden Welle aus einer Messung einer Echoamplitude (U_H0) an dieser Reflexionsstelle ermittelbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Re flexionsstelle Bestandteil der Vorrichtung ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Am plitude (U_H1) der hinlaufenden Welle fest vorgebbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude (U_H1) der hinlau fenden Welle werksseitig fest vorgegeben ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Be hälter (3) vorgesehen ist, zur Aufnahme unterschiedlicher sich überlagernder Füllgüter (4, 5) und dass das Sondenende (7) einer Sonde (2), welche Bestandteil des Wellensenders und des Wellenempfängers ist, im Wesentlichen in Richtung auf den Behälterboden ausgerichtet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Son de eine Koax-Sonde (2), eine Ein- oder Zweidrahtsonde oder ein Hohlleiter ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Re flexionsstelle in einer bekannten Leitungsimpedanzänderung in der Zuleitung (6) zur Sonde (2) ist.

18. Vorichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Re flexionsstelle am Behälterboden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Re flexionsstelle das leerlaufende oder kurzgeschlossene Sonde nende (7) ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektronik (1) vorgesehen ist
mit einem Mikroprozessor (11),
mit einem an den Mikroprozessor (11) angeschlossenen RAM (19),
mit einem an den Mikroprozessor (11) angeschlossenen ROM (16),
mit einem an den Mikroprozessor (11) angeschlossenen EEPROM (18),
mit einem an den Mikroprozessor (11) angeschlossenen Display (17),
mit einem an den Mikroprozessor (11) angeschlossenen Pulsgenerator (10),
mit einem an den Pulsgenerator (10) angeschlossenen Richtkoppler (12), welcher einen Anschluss (8) zum Sen den und Empfangen von Wellen aufweist und welcher
mit einem Empfangsverstärker (14) verbunden ist,
mit einem an den Empfangsverstärker (14) angeschlossenen A/D-Wandler (15), welcher mit dem Mikroprozessor (11) verbunden ist.