DE102010027962A1

DE102010027962A1 - Füllstandsmessgerät

Info

Publication number: DE102010027962A1
Application number: DE201010027962
Authority: DE
Inventors: Marc Baret; Winfried Mayer
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Es ist ein einen geringen Energieverbrauch aufweisendes drahtlos kommunizierendes Füllstandsmessgerät beschrieben, mit einer Sende- und Empfangseinrichtung (5), die im Messbetrieb mit einem Sendesignalcode (TXM) codierte Sendesignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale (R) nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfängt, und die im Sendebetrieb mittels eines Spreizcodes (TXK) codierte Kommunikationssignale (KS) sendet, einer an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Sendeschaltung (11) mit einer über eine Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, die im Messbetrieb die Sendesignale (S) und die im Sendebetrieb die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) jeweils in Form einer durch eine Codiervorrichtung (15) festgelegten zeitlichen Abfolge von Mikrowellenpulsen erzeugt, und einer an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Empfangsschaltung (13), die im Messbetrieb Hilfssignale (H) generiert, die identisch zu den Sendesignalen (S) sind, und die gegenüber diesen über ein in der Empfangsschaltung (13) vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied (41), dessen Verzögerungszeit (T) im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, und die die Hilfssignale (H) den Reflexionssignalen (R) überlagert, und die die durch die Überlagerung generierten Messsignale (M) einer Messgerätelektronik (25) zuführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Pulsradar-Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, mit einer Sende- und Empfangseinrichtung, die im Messbetrieb Sendesignale in Richtung des Füllguts zu sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom zu messenden Füllstand abhängigen Laufzeit wieder empfängt und anhand von deren Laufzeit den Füllstand bestimmt, und das im Sendebetrieb Kommunikationssignale sendet.
Derartige berührungslos arbeitende Füllstandsmessgeräte werden in einer Vielzahl von Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der verarbeitenden Industrie, in der Chemie oder in der Lebensmittelindustrie.
Diese Füllstandsmessgeräte weisen regelmäßig eine an ein Hochfrequenzmodul angeschlossene Antenne auf, die im Messbetrieb auf das Füllgut ausgerichtet ist. Das Hochfrequenzmodul dient dazu, die Sendesignale zu erzeugen, und deren von der selben Antenne oder einer separaten daran angeschlossenen Empfangsantenne aufgenommenen an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom zu messenden Füllstand abhängigen Laufzeit zu empfangen und einer Messgerätelektronik zuzuführen, die hieraus den Füllstand bestimmt.
Ein in der Füllstandsmesstechnik gängiges Verfahren ist das Pulsradar-Verfahren, bei dem die Sendesignale mit einer vorgegebenen Wiederholrate erzeugte kurze Mikrowellenpulse einer vorgegebenen Frequenz sind, die gesendet und deren Reflexionssignale nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfangen werden. Die Mikrowellenimpulse weisen in der Regel hohe Frequenzen, z. B. Frequenzen von 26 GHz oder 78 GHz, auf.
Darüber hinaus sind aus der Messtechnik auch Füllstandsmessgeräte bekannt, die nach dem Prinzip des Pseudo Noise Radars arbeiten. Dabei wird das Sendesignal erzeugt, indem ein Trägersignal mittels eines Pseudo-Noise Modulators anhand einer vorgegebenen Rauschcodierung spektral gespreizt wird, und die Reflexionssignale vor deren Auswertung einer korrespondierenden Demodulation unterzogen werden.
Die oben genannten Füllstandsmessgeräte umfassen regelmäßig ein separates an die Messgerätelektronik angeschlossenes Kommunikationsmodul, das dazu dient Daten an einen externen Empfänger zu übertragen. Die Daten umfassen insb. die mit dem Füllstandsmessgerät erzielten Messergebnisse. Externe Empfänger sind übergeordnete Einheiten, wie z. B. zentrale Steuereinheiten, insb. Warten oder Prozessleitsysteme. Vorzugsweise werden hierzu Kommunikationsmodule eingesetzt, die eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Füllstandsmessgerät und der übergeordneten Einheit unterstützen.
Die Kommunikation zwischen Messgeräten und übergeordneten Einheiten erfolgt heute sehr häufig in digitaler Form über eine Datenbusleitung. Bekannte internationale Standards für die Signalübertragung sind Profibus, Foundation Fieldbus oder CAN-Bus.
Um die Installationskosten der Füllstandsmessgeräte möglichst gering zu halten, werden bevorzugt Kommunikationsmodule eingesetzt, die eine drahtlose Datenübertragung ermöglichen. Dabei werden die Daten in einer durch den jeweiligen Standard zur drahtlosen Datenübertragung vorgegebener Weise auf ein vom Kommunikationsmodul generiertes Trägersignal aufmoduliert, und über eine separate Kommunikationsantenne gesendet.
Daneben gibt es Bestrebungen die in den letzten Jahren erfolgte, unter dem Fachbegriff Ultra Wide Band (UWB) bekannte, Öffnung des zulasssungfrei und anwendungsoffen nutzbaren Frequenzbereichs von 1 GHz bis 10 GHz für Systeme mit geringer Sendeleistungsdichte in der Prozessautomatisierung zur Kommunikation zu nutzen. Eine Form der Datenübertragung stellt in diesem Zusammenhang das Impulse Radio dar. Dabei werden Informationen nicht einer bestimmten sinusförmigen Trägerfrequenz aufmoduliert, sondern durch eine definierte Folge kurzer Impulse übertragen.
Für diese Form der drahtlosen Kommunikation werden beispielsweise Frequenzspreizverfahren, wie das Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) eingesetzt. Dabei wird jedes Bit der zu übertragenden Nachricht durch Multiplikation mit einem Spreizcode, insb. einem PN Code, gespreizt und anschließend gesendet. Empfängerseitig erfolgt entsprechend eine Dekodierung anhand des bekannten Spreizcodes.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen es erforderlich oder zumindest wünschenswert ist, Füllstandsmessgeräte mit einem möglichst geringen Energieverbrauch einzusetzen. Ein Beispiel hierfür sind große Industrieanlagen, in denen parallel sehr viele verschiedene Messgeräte mit Energie versorgt werden müssen. Ein weiteres Beispiel sind Anwendungen, bei denen die Energiezufuhr, aus Sicherheitsgründen, insb. aus Gründen des Explosionsschutzes, begrenzt ist.
Besonders vorteilhaft sind Messgeräte, deren Energieverbrauch so gering ist, dass er auch über lange Betriebsdauern durch Batterien bzw. Akkumulatoren abgedeckt werden kann. Batteriebetriebene drahtlos kommunizierende Messgeräte weisen extrem geringe Installationskosten auf, da sie keinerlei leitungsgebundene Anschlüsse an das Kommunikations- und Versorgungsnetz am Messort benötigen.
Drahtlos kommunizierende Pulsradar-Füllstandsmessgeräte benötigen jedoch heute regelmäßig viel Energie, da insb. deren Hochfrequenzmodule und deren Kommunikationsmodule einen hohen Energieverbrauch aufweisen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein drahtlos kommunizierendes Füllstandsmessgerät anzugeben, dass einen geringen Energieverbrauch aufweist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, mit

– einer Sende- und Empfangseinrichtung, – die im Messbetrieb Sendesignale in Richtung des Füllguts sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfängt, und – die im Sendebetrieb mittels eines Spreizcodes codierte Kommunikationssignale sendet,
– einer an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossenen Sendeschaltung mit einer über eine Codierungsvorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, die im Messbetrieb die Sendesignale und die im Sendebetrieb die zu sendenden Kommunikationssignale erzeugt, – wobei die Sendesignale Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung anhand eines vorgegebenen Sendesignalcodes gesteuerten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, – wobei die zu senden Kommunikationssignale Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung gesteuerten, in der Codierungsvorrichtung durch eine Spreizung der zu senden Daten mittels des Spreizcodes festgelegten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, und
– einer an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossenen Empfangsschaltung mit einer über die Codierungsvorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Messbetrieb Hilfssignale generiert, die identisch zu den Sendesignalen sind, und die gegenüber diesen über ein in der Empfangsschaltung vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied, dessen Verzögerungszeit im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, und – die die Hilfssignale den Reflexionssignalen überlagert, und die die durch die Überlagerung generierten Messsignale einer Messgerätelektronik zuführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt.

Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts, bei dem

– die Sende- und Empfangseinrichtung im Empfangsbetrieb mittels eines Spreizcodes codierte Kommunikationssignale empfängt, – wobei die empfangenen Kommunikationssignale Mikrowellenpulse sind, die in einer durch eine Spreizung der zu empfangenden Daten mittels des Spreizcodes festgelegten, zeitlichen Abfolge eintreffen, und
– die Empfangsschaltung im Empfangsbetrieb Decodierungssignale generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung gesteuerte zeitliche Abfolge dem Spreizcode entspricht, die Decodierungssignale den empfangenen Kommunikationssignalen überlagert, und die durch diese Überlagerung generierten Empfangsdatensignale der Messgerätelektronik zuführt.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der Sendesignalcode ein Pseudo Noise Code.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Spreizcodes Pseudo Noise Codes.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das steuerbare Verzögerungsglied der Empfangsschaltung im Empfangsbetrieb eine Verzögerungszeit auf, die eine zeitliche Synchronisierung der Decodierungssignale und der empfangenen Kommunikationssignale bewirkt. Gemäß einer Ausgestaltung der letztgenannten Weiterbildung ist die Verzögerungszeit im Empfangsbetrieb auf einen Wert geregelt, bei dem das Empfangsdatensignal eine maximale Amplitude aufweist.
Weiter umfasst die Erfindung eine Weiterbildung, gemäß der

– ein an die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung angeschlossener Pulswiederhohlfrequenz-Generator vorgesehen ist, der einen Grundtakt für die Erzeugung der Mikrowellenpulse vorgibt, und
– die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung jeweils ein dem Pulswiederhohlfrequenz-Generator nachgeschaltetes über die Codierungsvorrichtung aktivierbares Zeitverzögerungsglied mit einer festen Verzögerungszeit aufweisen, über das die Codierungsvorrichtung die zeitliche Abfolge, mit der die Mikrowellenpulse erzeugt werden, über eine mittels des Zeitverzögerungsgliedes ausgeführte Pulsphasenmodulation des Grundtaktes bewirkt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Sende- und Empfangseinrichtung eine Kommunikationsantenne zum Senden von Kommunikationssignalen und eine Messantenne zum Senden von Sendesignalen und zum Empfangen von deren Reflexionssignalen auf, und es ist ein Umschalter vorgesehen, über den die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung im Messbetrieb an die Messantenne angeschlossen sind, und über den die Sendeschaltung im Sendebetrieb an die Kommunikationsantenne angeschlossen ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung weist die Sende- und Empfangseinrichtung eine Kommunikationsantenne zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen und eine Messantenne zum Senden von Sendesignalen und zum Empfangen von deren Reflexionssignalen auf, und es ist ein Umschalter vorgesehen, über den die Sendeschaltung und die Empfangsschaltung im Messbetrieb an die Messantenne angeschlossen sind, über den die Sendeschaltung im Sendebetrieb an die Kommunikationsantenne angeschlossen ist, und über den die Empfangsschaltung im Empfangsbetrieb an die Kommunikationsantenne angeschlossen ist.
Weiter umfasst die Erfindung ein Variante eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, mit

– einer Sende- und Empfangseinrichtung, – die im Messbetrieb Sendesignale in Richtung des Füllguts sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfängt, – die im Sendebetrieb mittels eines ersten Spreizcodes codierte Kommunikationssignale sendet, und – die im Empfangsbetrieb mittels eines zweiten Spreizcodes codierte Kommunikationssignale empfängt,
– einer an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossenen Sendeschaltung mit einer über eine Codierungsvorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, die die Sendesignale und die zu sendenden Kommunikationssignale erzeugt, – wobei die Sendesignale Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung anhand eines vorgegebenen Sendesignalcodes gesteuerten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, – wobei die zu senden Kommunikationssignale Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung gesteuerten, in der Codierungsvorrichtung durch eine Spreizung der zu senden Daten mittels des ersten Spreizcodes festgelegten, zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden,
– einer ersten an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossenen Empfangsschaltung mit einer über die Codierungsvorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Messbetrieb Hilfssignale generiert, die identisch zu den Sendesignalen sind, und gegenüber diesen über ein in der ersten Empfangsschaltung vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied, dessen Verzögerungszeit im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, – die die Hilfssignale den Reflexionssignalen überlagert, und die die durch die Überlagerung generierten Messsignale einer Messgerätelektronik zuführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt, und
– einer zweiten an die Sende- und Empfangseinrichtung angeschlossenen Empfangsschaltung mit einer über die Codierungsvorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Empfangsbetrieb Decodierungssignale generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode entspricht, – die die Decodierungssignale den empfangenen Kommunikationssignalen überlagert, und die die durch diese Überlagerung generierten Empfangsdatensignale der Messgerätelektronik zuführt.

Gemäß einer Weiterbildung weist das Füllstandsmessgerät

– einen ersten Betriebsmodus auf, in dem das Füllstandsmessgerät im Messbetrieb betrieben wird, in dem es Sendesignale sendet, deren Reflexionssignale empfängt, und anhand der Messsignale die zugehörigen Laufzeiten und/oder den Füllstand bestimmt, und
– einen zweiten Betriebsmodus auf, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale sendet, und
– einen dritten Betriebsmodus aufweist, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale empfängt.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im ersten und im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, indem die zu sendenden Kommunikationssignale zugleich als Sendesignale verwendet werden, und die Hilfssignale identisch zu den zu senden Kommunikationssignalen und gegenüber diesen über das in der ersten Empfangsschaltung vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied, dessen Verzögerungszeit im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind.
Weiter umfasst die Erfindung ein weiteres Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im zweiten und im dritten Betriebsmodus betrieben wird, indem

– die zu sendenden Kommunikationssignale mittels eines ersten Spreizcodes erzeugt werden,
– die zu empfangenden Kommunikationssignale mittels eines von dem ersten Spreizcode verschiedenen zweiten Spreizcodes codierte Signale sind, und
– die Decodierungssignale aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode entspricht.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Füllstandsmessgeräts gemäß der oben angeführten Variante, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im ersten, im zweiten und im dritten Betriebsmodus betrieben wird, indem

– die zu sendenden Kommunikationssignale zugleich als Sendesignale verwendet werden, und die Hilfssignale identisch zu den zu senden Kommunikationssignalen und gegenüber diesen über das in der ersten Empfangsschaltung vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied, dessen Verzögerungszeit im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind,
– die zu sendenden Kommunikationssignale mittels eines ersten Spreizcodes erzeugt werden,
– die zu empfangenden Kommunikationssignale mittels eines von dem ersten Spreizcode verschiedenen zweiten Spreizcodes codierte Signale sind, und
– die Decodierungssignale aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode entspricht.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine Füllstandsmessanordnung und einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts; und
2 zeigt: einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts mit zwei separaten Empfangsschaltungen;
1 zeigt eine Füllstandsmessanordnung und einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Füllstandsmessgeräts zur Messung eines Füllstands eines Füllguts 1 in einem Behälter 3.
Das Füllstandsmessgerät umfasst eine Sende- und Empfangseinrichtung 5, die im Messbetrieb Sendesignale S in Richtung des Füllguts 1 sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale R nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit zu empfängt, und die im Sendebetrieb vom Füllstandsmessgerät erzeugte Kommunikationssignale KS sendet. Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen Füllstandsmessgerät erforderlichenfalls auch eine bidirektionale Kommunikation ermöglicht werden. In dem Fall dient die Sende- und Empfangseinrichtung 5 zusätzlich dazu, in einem Empfangsbetrieb von einem externen hier nicht dargestellten Sender gesendete Kommunikationssignale KR zu empfangen.
Die Sende- und Empfangseinrichtung 5 umfasst hierzu beispielsweise eine Kommunikationsantenne 7 zum Senden und Empfangen der Kommunikationssignale KS, KR und eine separate auf das Füllgut 1 auszurichtende Messantenne 9 zum Senden der Sendesignalen S und zum Empfangen von deren Reflexionssignalen R. Alternativ hierzu könnten natürlich auch jeweils eine Antenne zum Senden und eine Antenne zum Empfangen der Kommunikationssignale KS, KR und/oder eine Antenne zum Senden der Sendesignale S und eine Antenne zum Empfangen der Reflexionssignale R vorgesehen sein.
An die Sende- und Empfangseinrichtung 5 ist ein Hochfrequenzmodul angeschlossen, das eine Sendeschaltung 11 und eine Empfangsschaltung 13 aufweist.
Die Sendeschaltung 11 dient sowohl dazu im Messbetrieb die Sendesignale S zu erzeugen, die dann über die daran angeschlossene Sende- und Empfangseinrichtung 5 gesendet werden, als auch im Sendebetrieb die zu sendenden Kommunikationssignale KS zu erzeugen, die dann über die daran angeschlossene Sende- und Empfangseinrichtung 5 gesendet werden.
Erfindungsgemäß sind die Sendesignale S Mikrowellenpulse, die in einer über eine an die Sendeschaltung 11 angeschlossene Codierungsvorrichtung 15 anhand eines vorgegebenen Sendesignalcodes TXM, z. B. eines Pseudo Noise Codes, gesteuerten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, und die zu sendenden Kommunikationssignale KS sind Mikrowellenpulse, die in einer über die Codierungsvorrichtung 15 gesteuerten, in der Codierungsvorrichtung 15 durch eine Spreizung der zu senden Daten TX-Data mittels eines Spreizcodes TXK, insb. eines Pseudo Noise Codes, festgelegten, zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden.
Die Sendeschaltung 11 weist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen 17, z. B. einen Puls-Oszillator, auf, der ausgelöst durch Triggerimpulse eines diesem zugeführte Triggersignals TS jeweils kurze Mikrowellenpulse einer vorgegebenen Frequenz erzeugt. Dabei können aufgrund der Codierung der Sendesignale S und der zu sendenden Kommunikationssignale KS Frequenzen eingesetzt werden, die deutlich unter den in klassischen in Pulsradar-Füllstandsmessverfahren verwendeten Frequenzen liegen. Vorzugsweise liegt die Frequenz in einem vom Gesetzgeber zulassungsfrei und anwendungsoffen für breitbandige Signale mit geringer Leistungsdichte freigegeben Frequenzbereich von 1 GHz bis 8 GHz. Die Mikrowellenpulse weisen eine Impulsdauer von einigen Nanosekunden auf.
Aufgrund der Codierung, der niedrigen Frequenz und der kurzen Impulsdauer sind sowohl die Sendesignale S als auch die zu sendenden Kommunikationssignale KS breitbrandige Signale mit einer geringen Leistungsdichte.
Das Triggersignal TS wird beispielsweise mittels eines Pulswiederhohlfrequenz-Generators 19 erzeugt, dem in der Sendeschaltung 11 ein über die Codierungsvorrichtung 15 aktivierbares Zeitverzögerungsglied 21 mit einer festen Verzögerungszeit Δt, z. B. einer viertel Periode der Frequenz der Mikrowellenpulse, nachgeschaltet ist. Der Pulswiederhohlfrequenz-Generators 19 erzeugt einen Grundtakt, der entsprechend den Vorgaben der Codierungsvorrichtung 15 mittels des Zeitverzögerungsgliedes 21 moduliert wird. Die zeitliche Abfolge mit der die Mikrowellenpulse erzeugt und gesendet werden, wird über eine mittels des Zeitverzögerungsgliedes 21 ausgeführte Pulsphasenmodulation des Grundtaktes bewirkt. Die Codierungsvorrichtung 15 weist hierzu einen Sendesignalcodegenerator 23 auf, der im Messbetrieb ein dem Sendesignalcode Code TXM entsprechendes und im Sendebetrieb ein den mittels des Spreizcodes TXK gespreizten zu sendenden Daten TX-Data entsprechendes Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 21 generiert.
Die zu sendenden Daten TX-Data werden hierzu von einer Messgerätelektronik 25, insb. einem darin enthaltenen Mikroprozessor μP, in Form eines digitalen Datensignals D_S erzeugt und an einen in der Codierungsvorrichtung 15 integrierten digitalen Modulator 27, z. B. ein XOR Glied, übertragen, in dem es mittels des dem Modulator 27 zugeführten Spreizcodes TXK, insb. einem PN-Code, gespreizt wird. Das gespreizte Datensignal wird dem Sendesignalcodegenerator 23 zugeführt, der hieraus im Sendebetrieb ein dem mit dem Spreizcode TXK gespreizten Datensignal D_S entsprechendes Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 21 generiert.
Zur Erzeugung der Sendesignale S kann der digitale Modulator 27 im Messbetrieb, z. B. über eine zentrale vorzugsweise in dem Mikroprozessor μP integrierte Steuerung, deaktiviert werden, so dass der Sendesignalcode TXM unmittelbar am Sendesignalcodegenerator 23 anliegt, der dann das dem Sendesignalcode TXM entsprechende Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 21 generiert. Alternativ kann über die Messgerätelektronik 25, insb. den Mikroprozessor μP, ein konstantes digitales Signal C erzeugt und an den digitalen Modulator 27 angelegt werden, in dem es mittels des dem Modulator 27 zugeführten Sendesignalcodes TXM gespreizt wird. Da das digitale Signal C konstant ist, entspricht das gespreizte digitale Signal dem Sendesignalcode TXM. Das gespreizte digitale Signal wird dem Sendesignalcodegenerator 23 zugeführt, der hieraus im Messbetrieb das dem Sendesignalcode TXM entsprechende Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 21 generiert.
Der Vorrichtung 17 zur Erzeugung der Mikrowellenpulse ist in der Sendeschaltung 11 ein Verstärker 29 nachgeschaltet, der die erzeugten Sendesignale S bzw. die erzeugten zu sendenden Kommunikationssignale KS verstärkt und an die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 überträgt. Die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 weist eingangsseitig eine Sende- und Empfangsweiche 31 auf, der in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein steuerbarer Umschalter 33 nachgeschaltet ist, über den die über die Sende- und Empfangsweiche 31 im Messbetrieb zugeführten Sendesignale S zur Messantenne 9, und über den die über die Sende- und Empfangsweiche 31 im Sendebetrieb ausgehenden Kommunikationssignale KS zur Kommunikationsantenne 7 übertragen werden.
In umgekehrter Richtung werden im Empfangsbetrieb die von der Kommunikationsantenne 7 empfangenen Kommunikationssignale KR über den entsprechend gesteuerten Umschalter 33 und die Sende- und Empfangsweiche 31 an die Empfangsschaltung 13 übertragen, und die im Messbetrieb von der Messantenne 9 empfangenen Reflexionssignale R über den entsprechend gesteuerten Umschalter 33 und die Sende- und Empfangsweiche 31 an die Empfangsschaltung 13 übertragen.
Die Empfangschaltung 13 weist einen Verstärker 35 auf, der an einen ersten Eingang eines in der Empfangsschaltung 13 angeordneten Mischers 37 angeschlossen ist.
Genau wie die Sendeschaltung 11 weist auch die Empfangsschaltung 13 eine über die Codierungsvorrichtung 15 gesteuerte Vorrichtung 17 zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen auf, die Mikrowellenpulse mit einer durch die Codierungsvorrichtung 15 vorgegebenen zeitlichen Abfolge erzeugt und einem zweiten Eingang des daran angeschlossenen Mischers 37 zuführt.
Die Vorrichtung 17 zur Erzeugung der Mikrowellenpulse ist vorzugsweise identisch zu der in der Sendeschaltung 11 vorgesehenen Vorrichtung 17 und erzeugt ebenfalls ausgelöst durch Triggerimpulse eines diesem zugeführten Triggersignals TR jeweils formgleiche kurze Mikrowellenpulse der gleichen vorgegebenen Frequenz.
Das Triggersignal TR wird auch hier mittels des Pulswiederhohlfrequenz-Generators 19 erzeugt, dem in der daran angeschlossenen Empfangsschaltung 13 ein über die Codierungsvorrichtung 15 aktivierbares Zeitverzögerungsglied 39 mit einer festen Verzögerungszeit Δt, nachgeschaltet ist. Das Zeitverzögerungsglied 39 der Empfangsschaltung 13 ist vorzugsweise identisch zu dem Zeitverzögerungsglied 21 der Sendeschaltung 11 und weist die gleiche feste Verzögerungszeit Δt auf. Auch die in der Empfangsschaltung 13 erzeugte zeitliche Abfolge von Mikrowellenpulse, wird durch die Codierungsvorrichtung 15 über eine mittels des Zeitverzögerungsgliedes 39 ausgeführte Pulsphasenmodulation des Grundtaktes bewirkt. Der Pulswiederhohlfrequenz-Generator 19 liefert permanent, unabhängig vom Betriebsmodus des Füllstandsmessgeräts, sowohl an die Sendeschaltung 11 als auch die Empfangsschaltung 13 den gleichen Grundtakt. Das bietet den Vorteil, dass hierdurch automatisch eine Synchronisierung von Sendeschaltung 11 und Empfangsschaltung 13 besteht und sowohl für die Messung als auch für die Kommunikation nur ein einziger Pulswiederhohlfrequenz-Generator 19 erforderlich ist. Letzteres reduziert sowohl die Bauteilkosten als auch den Energiebedarf des Füllstandsmessgeräts.
Dieser Grundtakt wird auch in der Empfangsschaltung 13 entsprechend den Vorgaben der Codierungsvorrichtung 15 mittels des Zeitverzögerungsgliedes 39 moduliert.
Die Empfangsschaltung 13 generiert im Messbetrieb Hilfssignale H, die identisch zu den Sendesignalen S sind, und gegenüber diesen über ein in der Empfangsschaltung 13 vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied 41, dessen Verzögerungszeit T im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind. Hierzu folgt die Verzögerungszeit T beispielsweise einer Sägezahnfunktion. Das steuerbare Verzögerungsglied 41 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Empfangsschaltung 13 zwischen dem Pulswiederhohlfrequenz-Generator 19 und dem Zeitverzögerungsglied 39 angeordnet. Die Codierungsvorrichtung 15 weist einen Empfangscodegenerator 43 auf, der im Messbetrieb ein einem Empfangscode RXM entsprechendes Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 39 generiert. Damit die Hilfssignale H bis auf die variierende Zeitverzögerung T(t) identisch zu den Sendesignalen S sind, ist der Empfangscode RXM identisch zu dem zur Erzeugung der Sendesignale S verwendeten Sendesignalcode TXM, und die Erzeugung des Steuersignals für das Zeitverzögerungsglied 39 der Empfangsschaltung 13 erfolgt auf die gleiche Weise, wie die Erzeugung des Steuersignals für das Zeitverzögerungsglieds 21 der Sendeschaltung 11. Wird also der digitale Modulator 27 im Messbetrieb deaktiviert, so wird auch hier der Empfangscode RXM unmittelbar an den Empfangscodegenerator 43 angelegt. Wird alternativ sendeseitig ein konstantes digitales Signal C erzeugt und an den digitalen Modulator 27 angelegt, in dem es mittels des dem Modulator 27 zugeführten Sendesignalcodes TXM gespreizt wird, so wird das gleiche konstante Signal C parallel einem weiteren baugleichen digitalen Modulator 45, zugeführt, in dem es mit dem Empfangscode RXM gespreizt wird, und das gespreizte digitale Signal wird dem Empfangscodegenerator 43 zugeführt, der hieraus im Messbetrieb das dem Empfangscode RXM entsprechende Steuersignal für das Zeitverzögerungsglied 39 der Empfangsschaltung 13 generiert.
Die Hilfssignale H werden im Mischer 37 den empfangenen Reflexionssignalen R überlagert. Dabei sind Sendesignal S, Reflexionssignal R und Hilfssignal H jeweils formgleich. Das Reflexionssignal R weist gegenüber dem Sendesignal S eine von der Laufzeit und damit vom Füllstand abhängige Verzögerung auf, und das Hilfssignal H weist gegenüber dem Sendesignal S jeweils eine durch die momentane Zeitverzögerung T des Verzögerungsglieds 41 gegebene Verzögerung auf.
Das Ausgangssignal des Mischers 37 entspricht der Korrelation der an dessen beiden Eingängen zeitgleich anliegenden Signale. Es enthält einen hochfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die im wesentlichen durch die Summe der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist und einen niederfrequenten Anteil, der Frequenzen enthält, die wesentlichen durch die Differenz der an den Eingängen anliegenden Frequenzen gegeben ist. Hieraus wird mittels eines Bandpassfilters 47 der niederfrequente Anteil herausgefiltert und über einen Detektor 49, z. B. einen Gleichrichter, einem Analog/Digital Wandler A/D zugeführt. Das am Ausgang des A/D Wandlers in digitaler Form vorliegende durch die Überlagerung im Mischer 37 gebildete Messsignal M wird der Messgerätelektronik 25 zugeführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt. Hierzu können aus der klassischen Pulsradar-Füllstandsmesstechnik bekannte Verfahren eingesetzt werden. So kann beispielsweise die Signalamplitude des digitalen Messsignals M als Funktion der variablen Verzögerungszeit T des Verzögerungsglieds 41, bei der diese Signalamplitude auftritt, aufgezeichnet und ausgewertet werden. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Korrelation, und damit die Signalamplitude des digitalen Messsignals M maximal ist, wenn die Verzögerungszeit T der Laufzeit entspricht, die die Mikrowellenpulse für den Weg bis zur Füllgutoberfläche und zurück benötigen. Entsprechend wird hieraus die füllstands-abhängige Laufzeit bestimmt. Die Laufzeit ist anhand der Einbauhöhe der Antenne 9, der Abmessungen des Behälters 3 und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Mikrowellen unmittelbar in den Füllstand umrechenbar. Laufzeit und Füllstand sind folglich äquivalente Größen.
Die Werte, die die Verzögerungszeit T im Messbetrieb periodisch durchläuft, sind an die im Messbereich auftretenden Laufzeiten angepasst. Darüber hinaus können im Messbetrieb bei Bedarf einzelne Teilabschnitte des Messbereichs mit einer höheren Messgenauigkeit erfasst werden, indem die Werte die die Verzögerungszeit T periodisch durchläuft, an die in diesem Teilabschnitt auftretenden Laufzeiten angepasst werden. Man spricht hier auch von einem 'Herauszoomen' eines Teilmessbereichs. Der Teilbereich kann beispielsweise anhand eines zuvor in einer den ganzen Messbereich abdeckenden Messung ermittelten Füllstands festgelegt werden. Darüber hinaus kann der gewählte Teilabschnitt fortwährend an die jeweils gemessenen Füllstände angepasst und entsprechend mitgeführt werden. Dieses Verfahren wird auch als Tracking bezeichnet.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät weist den Vorteil auf, dass es aufgrund der Codierung der Sendesignale S extrem unempfindlich gegenüber Störsignalen ist. Störsignale, die über die Messantenne 9 aufgenommen werden, und als Überlagerung zu den Reflexionssignalen R der Empfangsschaltung 13 zugeführt werden, weisen in der Regel keinerlei Korrelation zu dem codierten Hilfssignal H auf. Dementsprechend haben sie praktisch keinen Einfluss auf das Messsignal M.
Das Messergebnis, d. h. die Laufzeit und/oder der Füllstand, kann nun an einen externen Empfänger, z. B. eine dem Füllstandsmessgerät übergeordnete Einheit, wie z. B. eine Warte oder ein Prozessleitsystem, übertragen werden. Die Messgerätelektronik 25 erzeugt hierzu das Messergebnis wiedergebende zu sendende Daten TX-Data, die dann im Sendebetrieb in Kommunikationssignale KS umgesetzt und gesendet werden. Auf diese Weise können natürlich nicht nur die reinen Messergebnisse, sondern auch beliebige in der in der Messgerätelektronik 25 vorliegende weitere Information, wie z. B. Einstellungen, Messparameter u. s. w., kommuniziert werden.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät kann nicht nur Kommunikationssignale KS senden, sondern, falls eine bidirektionale Kommunikation gewünscht ist, auch auf die gleiche Weise codierte Kommunikationssignale KR externer hier nicht dargestellter Sender empfangen. Diese bestehen entsprechend aus einer durch eine Spreizung der vom Füllstandmessgerät zu empfangenden Daten RX-Data mittels eines bekannten Spreizcodes RXK vorgegebenen zeitlichen Abfolge von Mikrowellenpulsen. Dabei sind die Mikrowellenpulse der zu empfangenden Kommunikationssignale KR identisch zu den im Füllstandmessgerät erzeugten Mikrowellenpulsen.
Zum Empfang dieser Kommunikationssignale KR wird die Empfangsschaltung 13 in einem Empfangsmodus betrieben, in dem sie Decodierungssignale DEC generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung 15 gesteuerte zeitliche Abfolge dem Spreizcode RXK entspricht, mit dem die zu empfangenden Kommunikationssignale KR generiert wurden.
Im Empfangsmodus liegen die über die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 empfangenen Kommunikationssignale KR über die Sende- und Empfangsweiche 31 und den Verstärker 35 am ersten Eingang des Mischers 37 an, und werden dort den am zweiten Eingang des Mischers 37 anliegenden Decodierungssignalen DEC zeitlich synchron überlagert.
Das Ausgangssignal des Mischers 37 wird über einen Tiefpass 51, der ausschließlich dessen nierderfrequente Anteile passieren lässt, gefiltert und über einen diesem nachgeschalteten Analog/Digital Wandler A/D digitalisiert, und als digitales Empfangsdatensignal D_R einem digitalen Demodulator 53 zugeführt, der anhand des digitalen Empfangsdatensignals D_R die empfangen Daten RX-Data extrahiert.
Die zeitliche Synchronisierung der Decodierungssignale DEC und der empfangenen Kommunikationssignale KR wird vorzugsweise dadurch bewirkt, dass die Verzögerungszeit T des steuerbaren Verzögerungsgliedes 41 auf einen Wert t_sync eingestellt wird, bei dem eine zeitlich synchrone Überlagerung stattfindet. Dies wird beispielsweise durch einen in der Messgerätelektronik 25 integrierten Regelkreis erzielt, der die Verzögerungszeit T auf den Wert t_sync regelt, bei dem das Empfangsdatensignal D_R eine maximale Amplitude aufweist.
Zur Erhöhung der Sicherheit und der Zuverlässigkeit der Datenübertragung werden vorzugsweise anhand der zu sendenden Daten TX-Data bzw. der zu empfangenden Daten RX-Data Datenpakete generiert, die eine immer gleiche Preambel, einen zu übertragenden Dateninhalt und eine Checksumme aufweisen. Vorzugsweise wird jedes dieser Datenpakete mehrfach übertragen.
Das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät weist den Vorteil auf, dass das für den Messbetrieb ohnehin erforderliche Hochfrequenzmodul zugleich auch für die Kommunikation genutzt wird. Abgesehen von dem ausschließlich im Empfangsbetrieb benötigten Tiefpass 51 und dem diesem nachgeschalteten Analog/Digital Wandler A/D werden für die Kommunikation praktisch keine zusätzlichen Bauteile benötigt. Insb. wird kein separates teure Hochfrequenzbausteine mit hohem Energieverbrauch aufweisendes Kommunikationsmodul benötigt. Die für die Kommunikation erforderliche Ansteuerung und Auswertung wird über entsprechende Software vollständig von ohnehin für den Messbetrieb erforderlichen Komponenten der Messgerätelektronik 25 übernommen.
Die Codierung der Kommunikationssignale KS, KR, und der Sende- und Reflexionssignale S, R bewirkt trotz der geringen Leistungsdichte dieser Signale eine extrem hohe Unterdrückung von Störsignalen. Darüber hinaus sind hierdurch im Messbetrieb größere eindeutige Reichweiten erzielbar als mit klassischen Puls-Radar Füllstandsmessgeräten. Allerdings nimmt die Reichweite mit sinkender Leistungsdichte der Sendesignale S ab.
Das Füllstandsmessgerät weist eine in der Messgerätelektronik 25 integrierte Steuerung 55 auf, über die das Füllstandsmessgerät in die drei oben beschriebenen Betriebsmodi versetzt werden kann. Der erste Betriebsmodus ist der Messbetrieb, in dem das Füllstandsmessgerät Sendesignale S sendet, deren Reflexionssignale R empfängt, und anhand der Messsignale M die zugehörigen Laufzeiten und/oder den Füllstand bestimmt. Den zweiten Betriebsmodus bildet der Sendebetrieb, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale KS sendet. Der dritte Betriebsmodus ist der Empfangsbetrieb, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale KR empfängt, entschlüsselt und einer weiteren Verarbeitung zuführt. Das Füllstandsmessgerät kann derart betrieben werden, dass es sich immer nur in einem der drei Betriebsmodi befindet. Dabei werden in durch die Steuerung 55 vorgegebenen Intervallen entweder ausschließlich Füllstände gemessen, oder ausschließlich Kommunikationssignale KS gesendet, oder ausschließlich Kommunikationssignale KR empfangen.
Während sich das Füllstandsmessgerät ausschließlich im Sendebetrieb befindet, wird die Empfangsschaltung 13 nicht benötigt, und kann zur weiteren Reduktion des Energieverbrauchs des Füllstandsmessgeräts vollständig deaktiviert werden.
Während sich das Füllstandsmessgerät ausschließlich im Empfangsbetrieb befindet, wird die Sendeschaltung 11 nicht benötigt, und kann zur weiteren Reduktion des Energieverbrauchs des Füllstandsmessgeräts vollständig deaktiviert werden.
Alternativ kann das Füllstandsmessgerät zeitgleich im ersten und im zweiten Betriebsmodus betrieben werden. Hierzu werden die zu sendenden Kommunikationssignale KS zugleich als Sendesignale S verwendet. Die Sendeschaltung 11 generiert anhand der digitalen Daten D_S und dem Spreizcode TXK wie bereits beschrieben das zu sendende Kommunikationssignal KS und führt es der Sende- und Empfangsvorrichtung 5 zu, die dieses Signal zeitgleich sowohl als Kommunikationssignal KS über die Kommunikationsantenne 7 als auch als Messsignal S über die Messantenne 9 sendet. Sofern die räumlichen Gegebenheiten am Messort eine Signalübertragung von der Messantenne 9 zu dem externen Empfänger der vom Füllstandsmessgerät gesendeten Kommunikationssignale KS zulassen, könnte hier auch ein und dieselbe Antenne zum Senden der Sendesignale S und der Kommunikationssignale KS eingesetzt werden.
Während des Sendevorgangs erzeugt die Empfangsschaltung 13 zeitgleich Hilfssignale H, die identisch zu den zu senden Kommunikationssignalen KS und gegenüber diesen über das in der Empfangsschaltung 13 vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied 41, dessen Verzögerungszeit T wie im reinen Messbetrieb auch periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind. Hierzu wird der Empfangscodegenerator 45 mit dem gleichen durch die Spreizung der zu sendenden Daten TX-Data mit dem Spreizcode TXK generierten Eingangssignal gespeist, dass parallel dazu auch an dem Sendesignalcodegenerator 23 anliegt.
Gegebenfalls in diesem Doppelbetriebsmodus über die Kommunikationsantenne 7 empfangene Kommunikationssignale KR stellen keine Behinderung der Füllstandsmessung dar. Sie werden im Mischer 37 den zeitlich nicht auf sie abgestimmten für deren Decodierung völlig ungeeigneten Hilfssignalen H überlagert, und verschwinden damit im Untergrundrauschen.
Dieser Doppelbetriebsmodus weist den Vorteil auf, dass zum Senden der Kommunikationssignale KS keine Unterbrechungen des Messbetriebs erforderlich sind. Ein weiterer Vorteil dieses Doppelbetriebsmodus besteht darin, dass der Energieverbrauch hierbei nicht höher ist, als der Energieverbrauch im reinen Messbetrieb.
Eine zeitgleiche Ausführung von Mess- und Empfangsbetrieb ist mit dem in 1 dargestellten Füllstandsmessgerät nicht möglich.
Außerhalb des Messbetriebs ist es jedoch ohne weiteres möglich, das Füllstandsmessgerät zeitgleich im Sendebetrieb und im Empfangsbetrieb zu betreiben. Hierzu werden die zu sendenden Kommunikationssignale KS mittels eines ersten Spreizcodes TRK erzeugt, während die zu empfangenden Kommunikationssignale KR von dem externen Sender mittels eines von dem ersten Spreizcode TRK verschiedenen zweiten Spreizcodes RXK erzeugt werden. Zur Entschlüsselung der zu empfangenden Kommunikationssignale KR werden in diesem Fall in der Empfangsschaltung 13 Decodierungssignale DEC generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung 15 vorgegebene zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode RXK entspricht. Über die unterschiedlichen Spreizcodes TXK, RXK ist ein ausreichender Störabstand zwischen den zu sendenden und den zu empfangenden Kommunikationssignalen KS, KR gegeben. Selbst dann, wenn zu sendende Kommunikationssignale KS in die Empfangsschaltung 13 gelangen, würden sie dort im Mischer 37 den auf einem anderen Spreizcode basierenden Decodierungssignalen DEC überlagert, und damit mangels Korrelation praktisch keinen Einfluss auf das Empfangsdatensignal D_R ausüben.
Es ist möglich das erfindungsgemäße Füllstandsmessgerät derart zu erweitern, dass es auch während des Messbetriebs Kommunikationssignale KR empfangen kann. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in 2 dargestellt. Hierzu ist weist das in 2 darstellte Füllstandsmessgerät eine zusätzliche zweite Empfangsschaltung 13a auf, die parallel zu der ersten – bereits anhand von 1 erläuterten Empfangsschaltung 13 über den Pulswiederhohlfrequenz-Generator 19 gespeist und an die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 angeschlossen ist. Die zweite Empfangschaltung 13a ist identisch zu der ersten Empfangsschaltung 13 und weist dementsprechend ebenfalls die beiden Zeitverzögerungsglieder 39 und 41 auf. Das Zeitverzögerungsglied 39 mit der festen Verzögerungszeit Δt wird auch hier über die Codierungsvorrichtung 15 gesteuert, die hierzu einen weiteren Empfangscodegenerator 57 aufweist.
Genau wie bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die zu sendenden Kommunikationssignale KS und die Sendesignale S auch hier über eine entsprechende Ansteuerung des Zeitverzögerungsglied 21 durch die Codierungsvorrichtung 15 von der Sendesignalschaltung 11 erzeugt und über die Sende- und Empfangsvorrichtung 5 gesendet.
Da hier zwei Empfangsschaltungen 13 und 13a vorgesehen sind, kann die erste Empfangsschaltung 13 für den Messbetrieb eingesetzt werden, während die zweite Empfangsschaltung 13a zeitgleich für den Empfangsbetrieb eingesetzt wird.
Analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel generiert die erste Empfangsschaltung 13 im Messbetrieb auch hier Hilfssignale H, die identisch zu den Sendesignalen S sind, und gegenüber diesen über das in der ersten Empfangsschaltung 13 vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied 41, dessen Verzögerungszeit im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, und überlagert diese den Reflexionssignalen R. Genau wie bei dem in 1 dargestellten Füllstandmessgerät führt die erste Empfangsschaltung 13 die durch die Überlagerung generierten Messsignale M der Messgerätelektronik 25 zu, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt.
Ebenfalls analog zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel generiert die zweite Empfangsschaltung 13a im Empfangsbetrieb die Decodierungssignale DEC, überlagert sie den empfangenen Kommunikationssignalen KR und führt die durch diese Überlagerung generierten Empfangsdatensignale D_R der Messgerätelektronik 25 zu.
Durch die zweite Empfangsschaltung 13a ist dieses Füllstandsmessgerät in der Lage während des Messbetriebs Kommunikationssignale KR zu empfangen.
Sofern die zu sendenden Kommunikationssignale KS auch hier mittels eines ersten Spreizcodes TXK erzeugt werden, und die zu empfangenden Kommunikationssignale KR mittels eines von dem ersten Spreizcode TXK verschiedenen zweiten Spreizcodes RXK erzeugt werden, kann dieses Füllstandsmessgerät sogar zeitgleich im ersten, im zweiten und im dritten Betriebsmodus betrieben wird.
Dabei werden die zu sendenden Kommunikationssignale KS auch hier zugleich als Sendesignale S verwendet. In der ersten Empfangsschaltung 13 werden die zugehörigen Hilfssignale H erzeugt, die identisch den zu senden Kommunikationssignalen KS und gegenüber diesen um die zeitabhängige Verzögerungszeit T zeitlich verzögert sind. Parallel dazu werden in der zweiten Empfangsschaltung 13a Decodierungssignale DEC generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung 15 gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode RXK entspricht.
Die externen Sender, die die vom Füllstandmessgerät zu empfangenden Kommunikationssignale KR aussenden, und die externen Empfänger, die die vom Füllstandsmessgerät gesendeten Kommunikationssignale KS empfangen, weisen beispielsweise einen Aufbau auf, der dem des Füllstandsmessgeräts entspricht. So kann der Sender beispielsweise eine Schaltung aufweisen, in der die zu sendenden Daten einer an eine identisch aufgebaute Sendeschaltung angeschlossenen Codierungsvorrichtung zugeführt werden, die die zusendenden Daten spreizt und durch eine entsprechende Modulation eines von einem Pulswiederhohlfrequenz-Generator gelieferten Grundtakts, eine Erzeugung und Aussendung von Mikrowellenpulsen in der durch den modulierten Grundtakt vorgegebenen zeitliche Abfolge bewirkt.
Entsprechend kann der Empfänger eine über einen Pulswiederhohlfrequenz-Generator mit dem Grundtakt gespeiste an eine Codierungsvorrichtung angeschlossene Empfangsschaltung aufweisen, in der die empfangenen Kommunikationssignale den zugehörigen Decodierungssignalen überlagert werden.
Bezugszeichenliste

1: Füllgut
3: Behälter
5: Sende- und Empfangseinrichtung
7: Kommunikationsantenne
9: Messantenne
11: Sendeschaltung
13: Empfangsschaltung
15: Codierungsvorrichtung
17: Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen
19: Pulswiederhohlfrequenz-Generator
21: Zeitverzögerungsglied
23: Sendesignalcodegenerator
25: Messgerätelektronik
27: digitaler Modulator
29: Verstärker
31: Sende-Empfangsweiche
33: Umschalter
35: Verstärker
37: Mischer
39: Zeitverzögerungsglied
41: steuerbares Verzögerungsglied
43: Empfangscodegenerator
45: digitaler Modulator
47: Bandpassfilter
49: Detektor
51: Tiefpass
53: digitaler Demodulator
55: Steuerung
57: Empfangscodegenerator

Claims

Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts (1) in einem Behälter (3), mit – einer Sende- und Empfangseinrichtung (5), – die im Messbetrieb Sendesignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale (R) nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfängt, und – die im Sendebetrieb mittels eines Spreizcodes (TXK) codierte Kommunikationssignale (KS) sendet, – einer an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Sendeschaltung (11) mit einer über eine Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, die im Messbetrieb die Sendesignale (S) und die im Sendebetrieb die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) erzeugt, – wobei die Sendesignale (S) Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung (15) anhand eines vorgegebenen Sendesignalcodes (TXM) gesteuerten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, – wobei die zu senden Kommunikationssignale (KS) Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten, in der Codierungsvorrichtung (15) durch eine Spreizung der zu senden Daten (TX-Data) mittels des Spreizcodes (TXK) festgelegten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, und – einer an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Empfangsschaltung (13) mit einer über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Messbetrieb Hilfssignale (H) generiert, die identisch zu den Sendesignalen (S) sind, und die gegenüber diesen über ein in der Empfangsschaltung (13) vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied (41), dessen Verzögerungszeit (T) im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, und – die die Hilfssignale (H) den Reflexionssignalen (R) überlagert, und die die durch die Überlagerung generierten Messsignale (M) einer Messgerätelektronik (25) zuführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem – die Sende- und Empfangseinrichtung (5) im Empfangsbetrieb mittels eines Spreizcodes (RXK) codierte Kommunikationssignale (KR) empfängt, – wobei die empfangenen Kommunikationssignale (KR) Mikrowellenpulse sind, die in einer durch eine Spreizung der zu empfangenden Daten (RX-Data) mittels des Spreizcodes (RXK) festgelegten, zeitlichen Abfolge eintreffen, und – die Empfangsschaltung (13) im Empfangsbetrieb Decodierungssignale (DEC) generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerte zeitliche Abfolge dem Spreizcode (RXK) entspricht, die Decodierungssignale (DEC) den empfangenen Kommunikationssignalen (KR) überlagert, und die durch diese Überlagerung generierten Empfangsdatensignale (D_R) der Messgerätelektronik (25) zuführt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem der Sendesignalcode (TXM) ein Pseudo Noise Code ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem die Spreizcodes (TXK, RXK) Pseudo Noise Codes sind.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem das steuerbare Verzögerungsglied (41) der Empfangsschaltung (13) im Empfangsbetrieb eine Verzögerungszeit (T) aufweist, die eine zeitliche Synchronisierung der Decodierungssignale (DEC) und der empfangenen Kommunikationssignale (KR) bewirkt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 5, bei dem die Verzögerungszeit (T) im Empfangsbetrieb auf einen Wert geregelt ist, bei dem das Empfangsdatensignal (D_R) eine maximale Amplitude aufweist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem – ein an die Sendeschaltung (11) und die Empfangsschaltung (13) angeschlossener Pulswiederhohlfrequenz-Generator (19) vorgesehen ist, der einen Grundtakt für die Erzeugung der Mikrowellenpulse vorgibt, und – die Sendeschaltung (11) und die Empfangsschaltung (13) jeweils ein dem Pulswiederhohlfrequenz-Generator (19) nachgeschaltetes über die Codierungsvorrichtung (15) aktivierbares Zeitverzögerungsglied (21, 39) mit einer festen Verzögerungszeit (Δt) aufweisen, über das die Codierungsvorrichtung (15) die zeitliche Abfolge, mit der die Mikrowellenpulse erzeugt werden, über eine mittels des Zeitverzögerungsgliedes (21, 39) ausgeführte Pulsphasenmodulation des Grundtaktes bewirkt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 1, bei dem – die Sende- und Empfangseinrichtung (5) eine Kommunikationsantenne (7) zum Senden von Kommunikationssignalen (KS) und eine Messantenne (9) zum Senden von Sendesignalen (S) und zum Empfangen von deren Reflexionssignalen (R) aufweist, und – ein Umschalter (33) vorgesehen ist, – über den die Sendeschaltung (11) und die Empfangsschaltung (13) im Messbetrieb an die Messantenne (9) angeschlossen sind, und – über den die Sendeschaltung (11) im Sendebetrieb an die Kommunikationsantenne (7) angeschlossen ist.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2, bei dem – die Sende- und Empfangseinrichtung (5) eine Kommunikationsantenne (7) zum Senden und Empfangen von Kommunikationssignalen (KS, KR) und eine Messantenne (9) zum Senden von Sendesignalen (S) und zum Empfangen von deren Reflexionssignalen (R) aufweist, und – ein Umschalter (33) vorgesehen ist, – über den die Sendeschaltung (11) und die Empfangsschaltung (13) im Messbetrieb an die Messantenne (9) angeschlossen sind, – über den die Sendeschaltung (11) im Sendebetrieb an die Kommunikationsantenne (7) angeschlossen ist, und – über den die Empfangsschaltung (13) im Empfangsbetrieb an die Kommunikationsantenne (7) angeschlossen ist.
Füllstandsmessgerät zur Messung eines Füllstands eines Füllguts (1) in einem Behälter (3), mit – einer Sende- und Empfangseinrichtung (5), – die im Messbetrieb Sendesignale (S) in Richtung des Füllguts (1) sendet und deren an der Füllgutoberfläche reflektierten Reflexionssignale (R) nach einer vom Füllstand abhängigen Laufzeit empfängt, – die im Sendebetrieb mittels eines ersten Spreizcodes (TXK) codierte Kommunikationssignale (KS) sendet, und – die im Empfangsbetrieb mittels eines zweiten Spreizcodes (RXK) codierte Kommunikationssignale (KR) empfängt, – einer an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Sendeschaltung (11) mit einer über eine Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, die die Sendesignale (S) und die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) erzeugt, – wobei die Sendesignale (S) Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung (15) anhand eines vorgegebenen Sendesignalcodes (TXM) gesteuerten zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, – wobei die zu senden Kommunikationssignale (KS) Mikrowellenpulse sind, die in einer über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten, in der Codierungsvorrichtung (15) durch eine Spreizung der zu senden Daten (TX-Data) mittels des ersten Spreizcodes (TXK) festgelegten, zeitlichen Abfolge erzeugt und gesendet werden, – einer ersten an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Empfangsschaltung (13) mit einer über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Messbetrieb Hilfssignale (H) generiert, die identisch zu den Sendesignalen (S) sind, und gegenüber diesen über ein in der ersten Empfangsschaltung (13) vorgesehenes steuerbares Verzögerungsglied (41), dessen Verzögerungszeit (T) im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, – die die Hilfssignale (H) den Reflexionssignalen (R) überlagert, und die die durch die Überlagerung generierten Messsignale (M) einer Messgerätelektronik (25) zuführt, die hieraus die Laufzeit und/oder den Füllstand bestimmt, und – einer zweiten an die Sende- und Empfangseinrichtung (5) angeschlossenen Empfangsschaltung (13a) mit einer über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerten Vorrichtung (17) zur Erzeugung von Mikrowellenpulsen, – die im Empfangsbetrieb Decodierungssignale (DEC) generiert, die aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode (RXK) entspricht, – die die Decodierungssignale (DEC) den empfangenen Kommunikationssignalen (KR) überlagert, und die die durch diese Überlagerung generierten Empfangsdatensignale (D_R) der Messgerätelektronik (25) zuführt.
Füllstandsmessgerät nach Anspruch 2 oder 10, das – einen ersten Betriebsmodus aufweist, in dem das Füllstandsmessgerät im Messbetrieb betrieben wird, in dem es Sendesignale (S) sendet, deren Reflexionssignale (R) empfängt, und anhand der Messsignale (M) die zugehörigen Laufzeiten und/oder den Füllstand bestimmt, und – einen zweiten Betriebsmodus aufweist, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale (KS) sendet, und – einen dritten Betriebsmodus aufweist, in dem das Füllstandsmessgerät Kommunikationssignale (KR) empfängt
Verfahren zum Betrieb eines Füllstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im ersten und im zweiten Betriebsmodus betrieben wird, indem die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) zugleich als Sendesignale (S) verwendet werden, und die Hilfssignale (H) identisch zu den zu senden Kommunikationssignalen (KS) und gegenüber diesen über das in der ersten Empfangsschaltung (13) vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied (41), dessen Verzögerungszeit (T) im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind.
Verfahren zum Betrieb eines Füllstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im zweiten und im dritten Betriebsmodus betrieben wird, indem – die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) mittels eines ersten Spreizcodes (TXK) erzeugt werden, – die zu empfangenden Kommunikationssignale (KR) mittels eines von dem ersten Spreizcode (TXK) verschiedenen zweiten Spreizcodes (RXK) codierte Signale sind, und – die Decodierungssignale (DEC) aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode (RXK) entspricht.
Verfahren zum Betrieb eines Füllstandsmessgerät nach Anspruch 10 und 11, bei dem das Füllstandsmessgerät zeitgleich im ersten, im zweiten und im dritten Betriebsmodus betrieben wird, indem – die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) zugleich als Sendesignale (S) verwendet werden, und die Hilfssignale (H) identisch zu den zu senden Kommunikationssignalen (KS) und gegenüber diesen über das in der ersten Empfangsschaltung (13) vorgesehene steuerbare Verzögerungsglied (41), dessen Verzögerungszeit (T) im Messbetrieb periodisch kontinuierlich variiert, zeitlich verzögert sind, – die zu sendenden Kommunikationssignale (KS) mittels eines ersten Spreizcodes (TXK) erzeugt werden, – die zu empfangenden Kommunikationssignale (KR) mittels eines von dem ersten Spreizcode (TXK) verschiedenen zweiten Spreizcodes (RXK) codierte Signale sind, und – die Decodierungssignale (DEC) aus Mikrowellenpulsen bestehen, deren über die Codierungsvorrichtung (15) gesteuerte zeitliche Abfolge dem zweiten Spreizcode (RXK) entspricht.