DE102011089152A1

DE102011089152A1 - Verfahren und Messgerät zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102011089152A1
Application number: DE201110089152
Authority: DE
Inventors: Markus Vogel; Alexey Malinovskiy; Stefan Gorenflo; Dietmar Spanke
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2013-06-20
Also published as: WO2013092100A1

Abstract

Es ist ein kostengünstig und energieeffizient ausführbares Verfahren zur Abstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip sowie ein Abstandsmessgerät zur Ausführung dieses Verfahrens beschrieben, bei dem periodisch Signalpulse vorgegebener Frequenz (fs) in Richtung eines im zu messenden Abstand (D) befindlichen Reflektors (9) gesendet, und deren vom Reflektor (9) zurück reflektierten Signalanteile (R) nach einer von deren zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit (t) als Empfangssignal (E) empfangen werden, Nulldurchgänge eines anhand des Empfangssignals (E) abgeleiteten, die Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals (E) als Funktion der Laufzeit (t) wiedergebenden Hilfssignals (ZF, H) bestimmt werden, Zeitdauern (Ti) zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt werden, ein Zeitfenster (F) vorgegebener Länge schrittweise über den Laufzeitbereichs verschoben wird, und für jede Position des Zeitfensters (F) eine Häufigkeit (#) bestimmt wird, mit der in dem Zeitfenster (F) in der jeweiligen Position Zeitdauern (Ti) auftreten, deren Länge einer Hälfte der der Frequenz (fs) der Signalpulse entsprechenden Periodendauer entspricht, eine Häufigkeitsverteilung (#(tM)) der Häufigkeiten (#) als Funktion von den Positionen des Zeitfensters (F) zugeordneten Laufzeiten (tM) bestimmt wird, ein auf eine Reflektion der Sendesignale (S) am Reflektor (9) zurück zu führendes Maximum (ML) der Häufigkeitsverteilung (#(t)) ermittelt wird, anhand des Maximums (ML) eine Laufzeit (tL) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) bestimmt wird, und anhand einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse und der Laufzeit (tL) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) der Abstand (D) zum Reflektor (9) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messgerät zur Abstandsmessung, insb. zur Füllstandmessung, nach dem Laufzeitprinzip, bei dem mittels einer Sende- und Empfangseinrichtung aus mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz erzeugten Signalpulsen vorgegebener Frequenz bestehende Sendesignale in Richtung eines im zu messenden Abstand befindlichen Reflektors gesendet, deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile nach einer von deren zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignal empfangen werden, anhand des Empfangssignal ein Hilfssignal abgeleitet wird, das eine im Empfangssignal enthaltene Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals als Funktion von der zugehörigen Laufzeit über einen vorgegebenen Laufzeitbereich wiedergibt, anhand des Hilfssignals die Laufzeit des auf die Reflektion des Sendesignal am Reflektor zurück zu führenden Signalanteils bestimmt wird, und anhand dieser Laufzeit und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse der Abstand zum Reflektor bestimmt wird.
Derartige nach dem Laufzeitprinzip arbeitende Abstandsmessgeräte werden in weiten Bereichen der industriellen Messtechnik zur Abstandsmessung eingesetzt. Dort werden sie insb. zur Messung von Füllständen von in Behältern befindlichen Füllgütern eingesetzt. Dabei wird ein Abstand zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung eines entsprechenden oberhalb des Behälters montierten Füllstandsmessgeräts und der reflektierenden Füllgutoberfläche gemessen, aus dem sich dann anhand der Einbauhöhe der Sende- und Empfangseinrichtung über dem Behälter unmittelbar der gesuchte Füllstand im Behälter ergibt.
Eine in der industriellen Messtechnik eingesetzte Messgerätgruppe dieser Art bilden mit Mikrowellen nach dem Pulsradar-Verfahren arbeitende Füllstandsmessgeräte. Letztere werden beispielsweise von der Anmelderin unter dem Produktnamen Micropilot vertrieben. Beim Pulsradar-Verfahren werden periodisch mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz, z. B. einer Wiederholfrequenz in der Größenordnung von 1 bis 2 MHz, kurze Mikrowellenpulse mit Signalfrequenzen im Gigahertzbereich mittels einer Sende- und Empfangsvorrichtung in Richtung eines in dem zu messenden Abstand befindlichen Reflektors gesendet, und deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile nach einem vom Abstand des zugehörigen Reflektors von der Sende und Empfangseinrichtung abhängigen Laufzeit empfangen. Dabei wird regelmäßig anhand des Empfangssignals ein Hilfssignal abgleitet, dass die im Empfangssignal enthaltene Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals als Funktion der zugehörigen Laufzeit wiedergibt.
Aufgrund der hohen Signalfrequenzen und der in der Regel sehr kurzen aufzulösenden Laufzeiten bzw. Laufzeitunterschiede, wird hierzu ein häufig als Zwischenfrequenzsignal bezeichnetes Hilfssignal generiert, das ein zeitgedehntes Abbild des Empfangssignals ist. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise in der EP 1 324 067 A2 beschrieben. Wie dort ebenfalls beschrieben, wird das Hilfssignal üblicher Weise nachfolgend gleichgerichtet und über einen Tiefpassfilter und einen Analog-Digitalwandler einer Auswerteeinheit zugeführt. Da die Amplitude der Empfangssignale mit dem Quadrat der zurückgelegten Wegstrecke abnimmt, kann das Empfangssignal stark unterschiedliche Amplituden aufweisen. Um diese einer besseren messtechnischen Erfassung zugänglich zu machen, wird das Hilfssignal vorzugsweise zusätzlich logarithmiert. Die Messung der Laufzeit des an dem in dem zu messenden Abstand befindlichen Reflektor reflektierten Signalanteils erfolgt nun, indem eine häufig als Hüllkurve bezeichnete Einhüllende des gleichgerichteten und logarithmierten Hilfssignals durch Filterung erzeugt und zur anschließenden Signalverarbeitung digitalisiert wird. Die Hüllkurve gibt den Verlauf der Amplitude des zeitgedehnten Empfangssignals als Funktion der Laufzeit wieder. Auf eine Reflektion an einem in einem zu messenden Abstand von der Sende- und Empfangseinrichtung befindlichen Reflektor zurück zuführende Signalanteile des Empfangssignals bewirken in der Hüllkurve ein Maximum bei der für den Weg zum zugehörigen Reflektor und zurück benötigten Laufzeit. Entsprechend ergibt sich aus der Laufzeit des Maximums der Hüllkurve und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der verwendeten Signale unmittelbar der gesuchte Abstand.
Darüber hinaus ist in der EP 1324 067 A2 beschrieben, die Messgenauigkeit dieser Messgeräte zu verbessern, indem zusätzlich zu der anhand der Hüllkurve gemessenen Laufzeit eine Phasendifferenz zwischen dem Sende- und dem Empfangssignal gemessen und zur Korrektur der anhand der Hüllkurve bestimmten Laufzeit des Maximums verwendet wird.
Dabei wird die Phaseninformation parallel zu der Ableitung der Hüllkurve anhand des logarithmierten Zwischenfrequenzsignals abgeleitet. Hierzu wird das logarithmierte Zwischenfrequenzsignal über eine Differenzierstufe zwei mal nach der Laufzeit differenziert. Am Ausgang der Differenzierstufe steht damit ein Ausgangssignal zur Verfügung, das ausgeprägte Peaks an den den Nulldurchgängen des Zwischenfrequenzsignals entsprechenden Laufzeiten aufweist. Hierüber können die Laufzeiten der Nulldurchgänge und damit die Phasenlage des Empfangssignals bestimmt werden, ohne dass eine Digitalisierung des Ausgangssignals erforderlich ist, indem die Peak-Amplituden beispielsweise mit Hilfe eines Schmitt-Triggers vereinheitlicht und die zugerhörigen Laufzeiten mit Hilfe eines Timers erfasst werden.
Eine weitere in der industriellen Messtechnik eingesetzte Messgerätgruppe dieser Art bilden mit Ultraschall nach dem Pulslaufzeit-Verfahren arbeitende Füllstandsmessgeräte. Letztere werden beispielsweise von der Anmelderin unter dem Produktnamen Prosonic vertrieben.
Auch hier werden mittels einer entsprechenden Sende- und Empfangseinrichtung mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz kurze Ultraschallpulse vorgegebener Frequenz und Dauer mittels eines Ultraschallwandlers gesendet und deren zur Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile nach einer von der zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit empfangen. Die Frequenzen der Ultraschallpulse liegen hier in der Regel im Bereich von 1 kHz bis 200 kHz, so dass eine Zeitdehnung des über den Ultraschallwandler empfangenen Empfangssignals nicht erforderlich ist. Typischer Weise wird hier ein Hilfssignal abgeleitet, das dem verstärkten Empfangssignal entspricht. Abgesehen von diesem in der niedrigeren Signalfrequenz begründeten Unterschied erfolgt die weitere Signalverarbeitung prinzipiell auf die gleiche Weise, wie bei einem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät. D. h. auch hier wird das Hilfssignal mittels eines Analog-Digital Wandlers digitalisiert, gegebenenfalls logarithmiert, und es wird eine Hüllkurve abgeleitet, die den Verlauf der Amplituden des Empfangssignals als Funktion der zugehörigen für den Weg von der Sende- und Empfangseinheit zum jeweiligen Reflektor und zurück benötigten Laufzeit wiedergibt. Anhand der Hüllkurve wird auch hier wieder, das auf die Reflektion des im zu messenden Abstand befindlichen Reflektors zurückzuführende Maximum der Hüllkurve bestimmt, und anhand von dessen Laufzeit der gesuchte Abstand berechnet.
Abstandsmessgeräte dieser Art weisen den Nachteil auf, dass für die Aufbereitung der Hüllkurve und deren Digitalisierung ein hoher Bauteilaufwand erforderlich ist, der sich sowohl auf die Produktionskosten derartiger Abstandsmessgerät als auch auf deren Energieverbrauch nachteilig auswirkt. Dabei liegt der Hauptbeitrag sowohl bezüglich der Kosten als auch bezüglich des Energieverbrauchs bei dem in der Regel erforderlichen Logarithmierer und dem für die Erzeugung der Hüllkurve zwingend erforderlichen hochwertigen Analog-Digital Wandler.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und ein Messgerät zur Ausführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem eine kostengünstige und energieeffizientere Abstandsmessung ausführbar ist.
Hierzu umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Abstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip, bei dem

– mittels einer Sende- und Empfangseinrichtung aus mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz erzeugten Signalpulsen vorgegebener Frequenz bestehende Sendesignale in Richtung eines im zu messenden Abstand von der Sende- und Empfangseinrichtung befindlichen Reflektors gesendet, und deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung zurück reflektierten Signalanteile nach einer von deren zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit als Empfangssignal empfangen werden,
– ein eine im Empfangssignal enthaltene Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals als Funktion der zugehörigen Laufzeit über einen vorgegebenen Laufzeitbereich wiedergebendes Hilfssignal abgeleitet wird,
– Laufzeiten, bei denen das Hilfssignals Nulldurchgänge aufweist, bestimmt werden,
– Zeitdauern zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt werden,
– ein Zeitfenster vorgegebener Länge schrittweise über den gesamten Laufzeitbereichs verschoben wird,
– für jede Position des Zeitfensters eine Häufigkeit bestimmt wird, mit der in dem Zeitfenster Zeitdauern auftreten, deren Länge einer Hälfte der der Frequenz der Signalpulse entsprechenden Periodendauer entspricht,
– eine Häufigkeitsverteilung der Häufigkeiten als Funktion von den Positionen des Zeitfensters zugeordneten Laufzeiten bestimmt wird,
– ein auf eine Reflektion der Sendesignale am Reflektor zurück zu führendes Maximum der Häufigkeitsverteilung ermittelt wird,
– anhand des Maximums eine Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile bestimmt wird, und
– anhand einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse und der Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile der Abstand zum Reflektor bestimmt wird.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung

– wird der Laufzeitbereich in diskrete Segmente gleicher Segmentlänge unterteilt,
– ist die Länge des Zeitfensters gleich einem vorgegebenen Vielfachen der Segmentlänge, und.
– wird das Zeitfenster bei der schrittweisen Verschiebung in jedem Schritt um eine Segmentlänge verschoben.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung

– wird der Laufzeitbereich anhand der Laufzeiten der Nulldurchgänge der Hilfsfunktion, zwischen denen die Zeitdauern liegen, in Segmente unterschiedlicher Länge unterteilt, und
– das Zeitfenster wird in jeder Position derart vorgegeben, dass es eine vorgegebene Anzahl aufeinander folgender Zeitdauern umfasst.

Gemäß einer Ausgestaltung der ersten oder der zweiten Ausgestaltung wird den einzelnen Positionen des Zeitfensters jeweils diejenige Laufzeit zugeordnet, über der sich in der jeweiligen Position eine Fenstermitte des Zeitfensters befindet.
Gemäß einer Weiterbildung

– wird die aufgezeichnete Häufigkeitsverteilung mittels eines Filters, insb. eines Filters mit endlicher Impulsantwort (Finite Impulse Response(FIR)-Filter) gefiltert, und
– das auf die Reflektion am Reflektor zurückzuführende Maximum und die Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile wird anhand der gefilterten Häufigkeitsverteilung bestimmt.

Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens

– wird anhand von in aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen eine Filterung oder eine Mittelung bezüglich einander entsprechender Häufigkeitswerte der in den aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen vorgenommen, und
– es werden das auf die Reflektion am Reflektor zurückzuführende Maximum und die Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile anhand der gefilterten oder gemittelten Häufigkeitsverteilung bestimmt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung

– sind die Sendesignale periodisch mit der Wiederholfrequenz gesendete Mikrowellenpulse, und
– das Hilfssignal ist ein zeitgedehntes Abbild des Empfangssignals.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung sind die Sendesignale periodisch mit der Wiederholfrequenz gesendete Ultraschallpulse.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Abstandsmessverfahren mit höherer Messgenauigkeit, bei dem

– anhand der mittels der Häufigkeitsverteilung ermittelten Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile oder dem mittels der Häufigkeitsverteilung ermittelten gemessenen Abstand ein beschränkter Laufzeitbereich bestimmt wird, in dem auf die Reflektion am Reflektor zurückzuführende Signalanteile des Empfangssignals oder des Hilfssignals liegen, und
– die Ausführung des genaueren Abstandsmessverfahrens auf den beschränkten Laufzeitbereich begrenzt wird.

Weiter umfasst die Erfindung ein Abstandsmessgerät zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit

– einer Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden der Sendesignale und zum Empfang der Empfangssignale,
– einer Eingangsschaltung zur Ableitung des Hilfssignals, und
– einer Mess- und Auswerteinheit,
– die die Laufzeiten von Nulldurchgängen des Hilfssignals bestimmt,
– die Zeitdauern zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt, und
– die Häufigkeiten bestimmt, mit denen innerhalb des schrittweise über den gesamten Laufzeitbereichs verschobenen Zeitfensters Zeitdauern auftreten, deren Länge einer Hälfte der der Frequenz der Signalpulse entsprechenden Periodendauer entspricht,
– die anhand der Häufigkeiten eine Häufigkeitsverteilung der Häufigkeiten als Funktion von den jeweiligen Positionen des Zeitfensters zugeordneten Laufzeiten bestimmt,
– die das auf die Reflektion der Sendesignale am Reflektor zurück zu führende Maximum der Häufigkeitsverteilung bestimmt,
– die anhand des Maximums eine Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile bestimmt, und
– die anhand einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse und der Laufzeit der am Reflektor reflektierten Signalanteile den Abstand zum Reflektor bestimmt.

Gemäß einer Weiterbildung des Abstandsmessgeräts umfasst die Mess- und Auswerteinheit

– einen Gleichrichter zur Gleichrichtung des Hilfssignals,
– eine an den Gleichrichter angeschlossene Differenzierstufe zur Bestimmung einer zweiten Ableitung des gleichgerichteten Hilfssignals nach der Laufzeit,
– eine an die Differenzierstufe angeschlossene Messeinrichtung zur Erfassung von in einem Ausgangssignal der Differenzierstufe auftretenden Peaks und deren Laufzeiten, und
– eine der Messeinrichtung nach geschaltete intelligente elektronische Einheit, insb. einen Mikrocontroller.

Gemäß einer Ausgestaltung des Abstandsmessgeräts umfasst die Messeinrichtung einen komplexen programmierbaren Logikbaustein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung

– ist der zu messende Abstand ein Abstand zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung und einer Oberfläche eines Füllguts in einem Behälter, und
– das Abstandsmessgerät bestimmt anhand des gemessenen Abstands und einer Einbauhöhe der Sende- und Empfangseinrichtung oberhalb des Behälters einen Füllstand des Füllguts im Behälter.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Abstandsmessung ausschließlich auf einer Auswertung der im Empfangssignal enthaltenen Frequenzen basiert, und die Frequenzinformation auf kostengünstige und energieeffiziente Weise anhand der Nulldurchgänge des Hilfssignals gewonnen wird.
Im Unterschied zu herkömmlichen Abstandsmessgeräten dieser Art, wird hierfür weder ein Logarithmier noch ein Analog-Digital Wandler benötigt. Abgesehen von der einfachen Zeiterfassung der Nulldurchgänge des Hilfssignals werden darüber hinaus keine weiteren Bauteile benötigt, die nicht ohnehin in Abstandsmessgeräten dieser Art vorhanden sind.
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 schematische Darstellung einer Füllstandsmessanordnung mit einem Pulsradar-Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Messschaltung;
2 zeigt: ein mit dem Füllstandsmessgerät von 1 abgeleitetes gleichgerichtetes Hilfssignal;
3 zeigt: ein Ausgangssignal der Differenzierstufe von 1 in einem in 2 markierten Laufzeitbereich;
4 zeigt: eine Häufigkeitsverteilung der Häufigkeiten mit denen im Hilfssignal einer Referenzperiodendauer entsprechende Zeitdauern zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen auftreten; und
5 zeigt: eine schematische Darstellung einer Füllstandsmessanordnung mit einem Ultraschall-Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Messschaltung.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abstandsmessung sowie ein zugehöriges Abstandsmessgerät zur Ausführung dieses Verfahrens ist nachfolgend zunächst am Beispiel einer Füllstandsmessanordnung mit einem Pulsradar Füllstandsmessgerät beschrieben.
1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer Füllstandsmessanordnung zur Messung eines Füllstands L eines in einem Behälter 1 befindlichen Füllguts 3 mit einem Pulsradar-Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteinheit 5.
Das Abstandsmessgerät umfasst eine Sende- und Empfangsvorrichtung 7, mit der es im Messbetrieb Sendesignale S in Richtung eines im zu messenden Abstand D befindlichen Reflektors 9, hier der Füllgutoberfläche, sendet. Die Sendesignale S bestehen aus mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz f_r generierten Signalpulsen vorgegebener Frequenz f_S und Dauer.
Die Sende- und Empfangsvorrichtung 7 umfasst einen Sendesignal-Generator 11, der mit der vorgegebenen Wiederholfrequenz f_r Mikrowellenpulse der vorgegebenen Frequenz f_s generiert und über einen Richtkoppler 13 einer oberhalb des Reflektors 9 montierten Antenne 15 zuführt, die das vom Sendesignal-Generator 11 bereitgestellte Sendesignal S in Richtung des Reflektors 9 sendet.
Der Sendesignal-Generator 11 umfasst beispielsweise einen mit der Wiederholfrequenz f_r schwingenden Oszillator 17, dem ein Pulsgenerator 19 nachgeschaltet ist. Der Pulsgenerator 19 erzeugt anhand des Oszillatorsignal ein Steuersignal aus kurzen aufeinander folgenden Rechteckpulsen mit dem eine Mikrowellenquelle 21 angesteuert wird. Die Mikrowellenquelle 21 ist beispielsweise eine Gunn Diode. Sie kann entweder wie hier dargestellt über das hierzu als Triggersignal verwendete Steuersignal entsprechend ein- und ausgeschaltet werden, oder permanent Mikrowellen der vorgegebenen Frequenz f_s erzeugen, die dann einer Torschaltung zugeführt werden, die abhängig vom Steuersignal öffnet oder sperrt.
Im Behälter 1 in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung 7 zurück reflektierte Signalanteile R des Sendesignals S werden von dieser nach einer von deren zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit t über die Antenne 15 als Empfangssignal E empfangen.
In der Sende- und Empfangseinrichtung 7 wird anhand des Empfangssignals E ein Hilfssignal ZF abgeleitet, das eine im Empfangssignal E enthaltende Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals E als Funktion der zugehörigen Laufzeit t über einen vorgegebenen Laufzeitbereich wiedergibt. Der Laufzeitbereich beginnt in jedem Messzyklus mit einer Startzeit t₀, bei der der erste Mikrowellenpuls des Sendesignals S gesendet wird. Die Gesamtdauer des Laufzeitbereichs ist nach oben durch die der Wiederholfrequenz f_r entsprechende Wiederholungsperiodendauer 1/f_r begrenzt und kann zusätzlich durch Vorgabe eines maximalen zu messenden Abstands D begrenzt werden.
Das Hilfssignal ZF ist genau wie beim eingangs beschriebenen Stand der Technik auch hier vorzugsweise ein zeitgedehntes Abbild des Empfangssignals E. Das Hilfssignal ZF wird mittels einer Eingangsschaltung erzeugt, in der das Empfangssignal E über den Richtkoppler 13 einem Mischer 23 zugeführt und dort einem geeigneten Referenzsignal K überlagert wird.
Zur Erzielung der gewünschten Zeitdehnung wird als Referenzsignal K ein aus Mikrowellenpulsen bestehendes Signal verwendet, das bezüglich Frequenz und Pulsdauer der Mikrowellenpulse identisch zum Sendesignal S ist, bei dem die Mikrowellenpulse jedoch mit einer Wiederholfrequenz f_r' erzeugt werden, die geringfügig kleiner als die Wiederholfrequenz f_r der gesendeten Mikrowellenpulse ist. Das Referenzsignal K wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels eines Referenzsignal-Generators 25 erzeugt, der abgesehen von der geringeren Wiederholfrequenz f_r' identisch zu dem Sendesignal-Generator 11 ist.
Dem Mischer 23 ist ein Tiefpassfilter 27 nachgeschaltet, der die gewünschten aufgrund der Zeitdehnung entsprechend niedrigeren Frequenzen des zeitgedehnten Empfangssignals E herausfiltert, und für die höheren Frequenzen des Empfangssignals E undurchlässig ist.
Am Ausgang des Tiefpassfilters 27 steht damit das Hilfssignal ZF zur Verfügung, das gegenüber dem Empfangssignal E um einen Zeitdehnungsfaktor α zeitlich gedehnt ist, der gleich einem Quotienten aus der Sende-Wiederholfrequenz f_r und einer Frequenzdifferenz Δf zwischen der Wiederholfrequenz f_r des Sendesignals S und der Wiederholfrequenz f_r' des Referenzsignals K ist:
Das Hilfssignal ZF wird der erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteeinheit 5 zugeführt, wo es eingangsseitig mittels eines Gleichrichters 29 gleichgerichtet wird. 2 zeigt ein zur Erleichterung des Verständnisses stark vereinfachtes Beispiel eines mit der Messanordnung von 1 abgeleiteten gleichgerichteten Hilfssignals |ZF|. Es weist zwei markante Abbilder A1, A2 von Sendesignalanteilen auf.
Das erste Abbild A1 ist auf ein Übersprechen des Sendesignals S in der Sende- und Empfangseinrichtung 7 zurückzuführen, über das ein Signalanteil des Sendsignals S unmittelbar über den Mischer 23 zur Mess- und Auswerteinheit 5 übertragen wird.
Das zweite Abbild A2 entspricht dem am Reflektor 9 reflektierten und nach einer vom Abstand D abhängigen Laufzeit t_L von der Sende- und Empfangseinrichtung 7 empfangenen Signalanteil R des Sendesignals S. Unter idealen Bedingungen würde das Hilfssignal ZF zwischen den beiden Abbildern A1, A2 eine Amplitude von Null aufweisen. Tatsächlich weist das Hilfssignal ZF aber auch in nachfolgend als Rauschbereich B bezeichneten außerhalb der beiden Abbilder A1, A2 liegenden Bereichen eine von Null verschiedene, zeitlich variierende Amplitude auf, die im Wesentlichen durch Rauschen bedingt ist.
Während die im Hilfssignal ZF im Bereich der Abbildungen A1, A2 enthaltenen Frequenzen im Wesentlichen der um den Zeitdehnungsfakor reduzierten Frequenz f_s der gesendeten Mikrowellenpulse entsprechen, sind die im Rauschbereich B auftretenden Frequenzen aufgrund der stochastischen Natur des Rauschens zufällig verteilt.
Diese Tatsache wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet, um – allein anhand der im Hilfssignal ZF als Funktion der Laufzeit t vorliegenden Frequenzinformationen – die für die Abstandsmessung zu bestimmende Laufzeit t_L des auf die Reflektion am Reflektor 9 zurückzuführenden Abbilds A2 zu bestimmen.
Da den Amplituden des Empfangssignals E und entsprechend auch des Hilfssignals ZF in dem erfindungsgemäßen Verfahren keine besondere messtechnische Bedeutung zukommt, ist hier im Unterschied zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren keine Logarithmierung des Hilfssignals ZF erforderlich.
Um aus dem Hilfssignal ZF die benötigte auf die Laufzeit t bezogene Frequenzinformation ableiten zu können, werden erfindungsgemäß zunächst die Nulldurchgänge des Hilfssignals ZF als Funktion von deren Laufzeit t bestimmt. Dabei kann beispielsweise der eingangs erwähnte in der EP 1324 067 A2 beschriebene Schaltungsaufbau verwendet werden.
Das gleichgerichtete Hilfssignal |ZF| weist bei den Laufzeiten t_i, bei denen die Nulldurchgänge des Hilfssignals ZF liegen, jeweils ein Minimum auf. Zur Bestimmung der Laufzeiten t_i dieser Minima wird das gleichgerichtete Hilfssignal |ZF| einer – beispielsweise durch einen Bandpass realisierten – Differenzierstufe 31 zugeführt, die eine zweimalige Differenzierung des gleichgerichteten Hilfssignals |ZF| nach der Laufzeit t bewirkt. Am Ausgang der Differenzierstufe 31 steht damit ein Ausgangssignal P(t) zur Verfügung, dass die zweimalige Ableitung |ZF|'' des gleichgerichteten Hilfssignals |ZF| nach der Laufzeit t gemäß:
als Funktion der Laufzeit t wiedergibt.
Entsprechend weist das Ausgangssignal P der Differenzierstufe 31 bei allen Laufzeiten t, bei denen das Hilfssignals ZF einen Nulldurchgang aufweist, einen ausgeprägten Peak P_i auf.
Dieses Ausgangssignal P wird nun einer Messeinrichtung 33 zugeführt, die die Peaks P_i im Ausgangssignal P erkennt und die zugehörigen Laufzeiten t_i bestimmt. Die Messeinrichtung 33 kann im einfachsten Fall beispielsweise einen an eine Zeitmesseinrichtung angebundenen Komparator aufweisen, der immer dann eine Zeitaufzeichnung auslöst, wenn das eingehende Ausgangssignal P einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
Die Zeitaufzeichnung kann mittels einer internen Uhr erfolgen, die die Zeiten, bei denen die Peaks P_i auftreten, zunächst absolut, d. h. ohne Bezug zur Laufzeit t misst. Die Zuordnung dieser gemessenen Zeiten zu den tatsächlichen Laufzeiten t kann dann nachträglich vorgenommen werden, indem anhand der nachfolgend beschriebenen Auswertung des Hilfssignals ZF die Startzeit t₀ in Relation zu der von der Uhr gemessenen Zeit als Offset bestimmt und die Zeitskala insgesamt entsprechend dem eingestellten Zeitdehnungsfaktor α umgerechnet wird. Alternativ kann der Bezug zwischen der Startzeit t₀ und der Zeit der internen Uhr über eine Steuerleitung von der Sende- und Empfangseinrichtung 7 zur Messeinrichtung 33 übertragen werden. Dies geschieht beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Steuerung, die der Messeinrichtung 33 den Start des jeweiligen Messzyklusses, während dem das aus periodisch gesendeten Mikrowellenpulsen bestehende Sendesignal S gesendet und durch stroboskopische Abtastung des zugehörigen Empfangssignals E mit dem entsprechenden Referenzsignal K das vorliegende Hilfssignal ZF abgeleitet wurde, gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer schaltungsbedingten Verzögerungszeit, anzeigt.
Die von der Messeinrichtung 33 bestimmten Laufzeiten t, bei denen die Nulldurchgänge der Hilfsfunktion ZF auftreten, werden zur weiteren Verarbeitung einer intelligenten elektronischen Einheit 35, z. B. einem Mikrocontroller, zugeführt.
In der elektronischen Einheit 35 werden nachfolgend die Zeitdauern T_i von allen zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen des Hilfssignals ZF liegenden Zeitintervallen bestimmt, und unter Bezug zu der jeweiligen Laufzeit t_i, bei der sie auftreten abgespeichert. Jedes Zeitintervall entspricht damit dem zeitlichen Abstand zweier benachbarter Peaks P_i, P_i+1, im Ausgangssignal P.
3 zeigt zur Veranschaulichung einen Ausschnitt des Ausgangssignals P(t) der Differenzierstufe 31, in dem in 2 mit C markierten Laufzeitbereich. In diesem Laufzeitbereich C liegt im Hilfssignal ZF ein Übergang vom Rauschbereich B in den Bereich des zweiten Abbildes A2 vor.
Wie rechts in 3 anhand eines Beispiels dargestellt, sind die Zeitdauern T_i jeweils gleich der Differenz t_i+1 – t_i der Laufzeiten t_i+1, t_i bei denen die entsprechenden beiden benachbarten Peaks P_i, P_i+1 im Ausgangssignal P detektiert wurden. Jeder Zeitdauer T_i wird die Laufzeit t_i zugeordnet, bei der sie auftritt. In dem gezeigten Beispiel ist der Zeitdauer T_i die Laufzeit t_i des früher detektierten Peaks P_i zugeordnet. Alternativ könnte den Zeitdauern T_i die Laufzeit t_i+1 des jeweils zugehörigen später detektierten Peaks P_i+1 oder auch ein Mittelwert der Laufzeiten t_i, t_i+1 der beiden zugehörigen Peaks P_i, P_i+1, zugeordnet werden.
Wie aus 3 ersichtlich sind die Zeitdauern T_i im Laufzeitbereich des Abbildes A2 relativ konstant, während die Zeitdauern T_i im Rauschbereich stark variieren. Ursache hierfür ist, dass auf eine Reflektion der gesendeten Mikrowellenpulse vorgegebener Frequenz f_s zurückgehenden Signalanteile im Empfangssignal E im wesentlichen die gleiche Frequenz f_s aufweisen wie die gesendeten Mikrowellenpulse. Dementsprechend bilden sie im gleichgerichteten Hilfssignal |ZF| Signalanteile mit einer Frequenz, die gleich dem Doppelten der um den Zeitdehnungsfakor reduzierten Frequenz f_s der gesendeten Mikrowellenpulse ist. Entsprechend ist die nachfolgend als Referenzperiodendauer T_R bezeichnete Periodendauer dieser Signalanteile im gleichgerichteten Hilfssignal |ZF| durch die Hälfte des Kehrwerts der um den Zeitdehnungsfaktor α reduzierten Frequenz f_s der gesendeten Mikrowellenpulse gegeben:
Demgegenüber zeichnen sich Rauschsignale durch ein breiteres Frequenzspektrum aus, dass sich in stark variierenden Zeitdauern T_i im Rauschbereich wieder spiegelt.
Für die nachfolgende Auswertung wird der von der Hilfsfunktion ZF überdeckte Laufzeitbereich insgesamt in diskrete Segmente gleicher Segmentlänge unterteilt, und ein Zeitfenster F definiert, dessen Länge gleich einem vorgegebenen Vielfachen der Segmentlänge ist. Das Zeitfenster F wird beginnend bei der Startzeit t₀ schrittweise über den gesamten Laufzeitbereich verschoben. Dabei wird es in jedem Schritt um eine Segmentlänge versetzt. Jeder der dabei von dem Zeitfenster F eingenommenen Positionen entlang der Laufzeitachse t wird eine der eingenommenen Position entsprechende Laufzeit t zugeordnet. Zur Veranschaulichung ist in 3 das Zeitfenster F in einer vollständig im Bereich der Abbildung A2 liegenden Beispielposition dargestellt. Die Segmentierung der Laufzeitachse ist in 3 ebenfalls durch kurze vertikale Striche angedeutet. Jeder Position des Zeitfensters F ist vorzugsweise jeweils diejenige Laufzeit t := t_M zugeordnet, über der sich eine Fenstermitte des Zeitfensters F in der jeweiligen Position befindet.
Alternativ kann der Laufzeitbereich anhand der Laufzeiten t_i der Nulldurchgänge der Hilfsfunktion ZF, zwischen denen die Zeitdauern T_i auftreten, in Segmente unterschiedlicher Länge unterteilt werden. In dem Fall wird das Zeitfenster dadurch definiert, das es jeweils eine vorgegebene Anzahl n aufeinander folgender Zeitdauern T_j bis T_j+n umfasst. Auch hier wird das Zeitfenster in jedem Schritt um ein Segment verschoben, und der jeweiligen Position des jeweiligen Zeitfensters vorzugsweise diejenige Laufzeit t := t_M zugeordnet, über der sich jeweils die Fenstermitte befindet.
Für jede Position, die das Zeitfenster F beim Verschieben entlang der Laufzeitachse t einnimmt, wird jeweils eine Häufigkeit # bestimmt, mit der in dem vom Zeitfenster F in der jeweiligen Position überdeckten Laufzeitbereich Zeitdauern T_i auftreten, deren Länge im Bereich der Referenzperiodendauer T_R liegt. Hierzu wird ein vorzugsweise sehr enger Toleranzbereich +/–ΔT um die Referenzperiodendauer T_R vorgegeben. Entsprechend werden bei der Häufigkeitsbestimmung alle innerhalb des Zeitfensters F in der jeweiligen Position auftretenden Zeitdauern T_i berücksichtigt, die innerhalb des Toleranzbereichs T_R +/– ΔT um die Referenzperiodendauer T_R liegen. Anhand der auf diese Weise bestimmten Häufigkeiten # wird eine in 4 dargestellte Häufigkeitsverteilung #(t) abgeleitet, die die Häufigkeiten # als Funktion der den jeweiligen Positionen des Zeitfensters F zugeordneten Laufzeiten t := t_M bestimmt.
Um Streuungen der Häufigkeitswerte von in unmittelbar aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen #(t) auszugleichen, werden die auf die oben beschriebene Weise abgeleiteten Häufigkeitsverteilungen #(t) vorzugsweise gefiltert.
Hierzu kann zum einen jede einzelne in einem Messzyklus aufgezeichnete Häufigkeitsverteilungen #(t) für sich genommen gefiltert werden. Dazu eignet sich zum Beispiel eine Tiefpassfilterung der Häufigkeitswerte der Häufigkeitsverteilung #(t). Die Filterung der Häufigkeitswerte kann beispielsweise mittels eines Filters mit endlicher Impulsantwort (Finite Impulse Response(FIR)-Filter) erster Ordnung ausgeführt werden, und bewirkt insgesamt eine Glättung der Häufigkeitsverteilung #(t).
Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine Filterung bezüglich einander entsprechender Häufigkeitswerte von in aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen #(t) vorgenommen werden. Auch hierfür eignet sich ein Tiefpassfilter, insb. ein FIR-Filter. Auch diese Filterung bewirkt insgesamt eine Glättung der gefilterten Häufigkeitsverteilungen #(t). Darüber hinaus kann eine Mittelung über in aufeinander folgenden Messzyklen abgeleitete, vorzugsweise gefilterte, Häufigkeitsverteilungen #(t) ausgeführt werden.
Die beschriebene Ableitung der Häufigkeitsverteilung #(t) kann bei entsprechender Programmierung ohne weiteres von der elektronischen Einheit 35 ausgeführt werden.
Alternativ kann die Bestimmung der Zeitdauern T_i(t_i) in Abhängigkeit von der zugeordneten Laufzeit t_i durch eine entsprechend ausgelegte Schaltung in Hardware erfolgen und hieraus über ein entsprechendes digitales Filter die Häufigkeitsverteilung #(t) als Funktion der Laufzeit t generiert werden.
Eine weitere Alternative besteht darin, die Bestimmungen der Zeitdauern T_i(t_i) und der Häufigkeitsverteilung #(t) als Funktion der Laufzeit t insgesamt mittels eines komplexen programmierbaren Logikbausteins (CPLD) auszuführen, dem hierzu das Ausgangssignal P der Differenzierstufe 31 zugeführt wird. In dem Fall umfasst die Messeinrichtung 33 lediglich den Logikbaustein (CPLD).
Aufgrund der oben beschriebenen für die im Hilfssignal ZF enthaltenen Frequenzen maßgeblichen Faktoren stimmt der zeitliche Verlauf der Häufigkeitsverteilung #(t) qualitativ mit dem Verlauf der eingangs beschriebenen im Stand der Technik verwendeten Hüllkurve überein.
D. h. auf eine Reflektion des Sendesignals S an dem im zu messenden Abstand D von der Sende- und Empfangseinrichtung 7 befindlichen Reflektor 9 zurückzuführende Signalanteile im Empfangsignal E bewirken ein ausgeprägtes Maximum M2 in der Häufigkeitsverteilung #(t) im Bereich der für den Weg zum Reflektor 9 und zurück benötigten Laufzeit t_L. Dementsprechend wird der gesuchte Abstand D gemessen, indem das auf eine Reflektion des Sendesignals S an dem im zu messenden Abstand D von der Sende- und Empfangseinrichtung 7 befindlichen Reflektor 9 zurückzuführende Maximum M_L der Häufigkeitsverteilung #(t) ermittelt, und anhand des Maximums M_L die Laufzeit t_L der auf die Reflektion am Reflektor 9 zurückzuführenden Signalanteile bestimmt wird. Die Ermittlung des Maximums M_L und die Bestimmung von dessen Laufzeit t_L erfolgt vorzugsweise anhand der auf die oben beschriebene Weise gefilterten und/oder über mehrere Messzyklen hinweg gefilterten oder gemittelten Häufigkeitsverteilung. Der gesuchte Abstand D ergibt sich dann unmittelbar aus der für den Weg benötigten Laufzeit t_L und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale.
Für die Identifizierung des Maximums M_L und die Bestimmung der zugehörigen Laufzeit t_L der am Reflektor 9 reflektierten Signalanteile können ohne weiteres für die Auswertung von Hüllkurven bekannte Verfahren eingesetzt werden. Dabei kann die Laufzeit t_L der auf die Reflektion am Reflektor 9 zurückzuführenden Signalanteile als diejenige Laufzeit t bestimmt werden, bei der das Maximum M_L seinen Maximalwert aufweist. Da die Position des Maximalwerts vergleichsweise breiter Maxima nur mit einer gewissen Messunsicherheit bestimmt werden kann, kann alternativ auch zunächst eine Schwellwert-Laufzeit t_S bestimmt werden, bei der – wie hier dargestellt – eine ansteigende oder eine abfallende Flanke des Maximum M_L einen vorgegebenen Schwellwert #_S über- bzw. unterschreitet, und hieraus anhand von Zusatzinformationen zur Form des Maximum M_L die Laufzeit t_L der auf die Reflektion am Reflektor 9 zurückzuführenden Signalanteile bestimmt werden.
Während das Hilfssignal ZF für die Erzeugung der den Verlauf der Amplitude des zeitgedehnten Empfangssignals E als Funktion der Laufzeit t wiedergebenden Hüllkurve gleichgerichtet, logarithmiert, gefiltert und digitalisiert wird, ist für die Erzeugung der Häufigkeitsverteilung #(t) weder eine Logarithmierung noch eine Digitalisierung des Hilfssignals ZF erforderlich. Damit werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber diesem Stand der Technik zwei teure Bauteile mit hohem Energieverbrauch eingespart.
Dementsprechend sind die Abstandsmessgeräte zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich kostengünstiger und energieeffizienter.
Das erfindungsgemäße Abstandsmessverfahren ist völlig analog auch in mit Ultraschall nach dem Laufzeitprinzip arbeitenden Abstandsmessgeräten, insb. auch in mit Ultraschall arbeitenden Füllstandsmessgeräten, einsetzbar. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Füllstandsmessanordnung mit einem Ultraschall-Füllstandsmessgerät mit einer erfindungsgemäßen Mess- und Auswerteinheit 5.
Auch hier ist eine oberhalb des mit dem Füllgut 3 befüllten Behälters 1 angeordnete Sende- und Empfangseinrichtung 7' vorgesehen mittels der aus mit einer vorgegebenen Wiederholrate f_r gesendeten kurzen Ultraschallpulsen vorgegebener Frequenz f_s und Dauer bestehende Sendesignale S in Richtung des Füllguts 3 gesendet und deren an der Füllgutoberfläche 9 reflektierten Signalanteile R nach einer von der zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit t empfangen werden. Hierzu umfasst die Sende- und Empfangseinrichtung 7' einen Sendesignal-Generator 37, der ein dem Sendesignal S entsprechendes elektrisches Wechselspannungssignal U_S erzeugt, das einem hier als Sende- und als Empfangswandler eingesetzten Ultraschallwandler 39 zugeführt wird. Kernstück des Ultraschallwandler 39 ist vorzugsweise ein piezoelektrisches Element, das das über eine Elektrode 41 daran anliegende Wechselspannungssignal U_S in ein Ultraschallsignal umwandelt und als Sendesignal S aussendet. Umgekehrt werden vom Ultraschallwandler 39 empfangene Ultraschallsignale, hier die an der Füllgutoberfläche reflektierten Signalanteile R, vom Ultraschallwandler 39 in ein entsprechendes Wechselspannungssignal U_E umgewandelt, das dann am Ultraschallwandler 39 über eine entsprechende Anschlussleitung abgegriffen wird, und als elektrisches Empfangssignal E zur Verfügung steht. Die weitere Verarbeitung und Auswertung des Empfangssignals E erfolgt auf die oben beschriebene Weise, wobei jedoch aufgrund der deutlich niedrigeren Frequenzen f_r der Ultraschallimpulse eine Zeitdehung des Empfangsignals E nicht erforderlich ist. Entsprechend wird das Empfangssignal E hier lediglich einem Verstärker 43 zugeführt, der hieraus ein Hilfssignal H generiert, das dem verstärkten Empfangssignal E entspricht. Das Hilfssignal H wird dann der oben bereits in Verbindung mit dem mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmessgerät beschriebenen Mess- und Auswerteinheit 5 zugeführt, die dann anhand des Hilfssignals H auf die oben beschriebene Weise die Häufigkeitsverteilung #(t) bestimmt und hieraus wie oben bereits am Beispiel des mit Pulsradar-Füllstandsmessgeräts beschrieben den gesuchten Abstand D ermittelt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind auf kostengünstige und energieeffiziente Weise für die meisten Anwendungen durchaus ausreichende Messgenauigkeiten erzielbar. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Mikrowellen-Füllstandsmessgerät mit einer Frequenz f_S der Signalpulse im Gigahertzbereich beispielsweise Messgenauigkeiten für die Abstandsmessung im Bereich von +/–10 mm erzielt werden.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren auch in Abstandsmessverfahren mit höherer Messgenauigkeit verwendet werden. Dabei ist die zur Ausführung genauerer Verfahren erforderliche Signalaufbereitung und Signalverarbeitung in der Regel umso aufwendiger und komplexer, je höher die zu erzielende Messgenauigkeit ist.
Ein Beispiel für genauere Abstandsmessverfahren sind solche, bei denen eine Phasendifferenz zwischen Sende- und Empfangssignal bestimmt, und zur genaueren Bestimmung der Laufzeit des auf die Reflektion am Reflektor 9 zurückzuführenden Signalanteils verwendet werden. Beispiele hierfür sind in der DE 44 07 369 A1 und der WO 02/065066 A1 beschrieben.
In Verbindung mit Abstandsmessverfahren mit höherer Messgenauigkeit kann das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet werden, den Laufzeitbereich, über den das genauere Abstandsmessverfahren ausgeführt werden muss, drastisch einzuschränken.
Hierzu wird anhand der anhand des Maximums M_L der Häufigkeitsverteilung #(t) ermittelten Laufzeit t_L der auf die Reflektion des Sendesignal S am Reflektor 9 zurück zu führenden Signalanteile oder anhand des gemessenen Abstands D der Laufzeitbereich vorgegeben, in dem die auf die Reflektion am Reflektor (9) zurückzuführende Signalanteile des Empfangssignals (E) oder des Hilfssignals ZF, H liegen.
Der Laufzeitbereich wird vorzugsweise symmetrisch zu der anhand des Maximums M_L der Häufigkeitsverteilung #(t) ermittelten Laufzeit t_L der auf die Reflektion des Sendesignal S am Reflektor 9 zurück zu führenden Signalanteile angeordnet. Zusätzlich wird die Breite des Laufzeitbereichs in Abhängigkeit von der maßgeblich durch die Pulsdauer der Signalpulse bedingten Breite der auf die Reflektion am Reflektor zurück zu führenden Abbilder A2 in der Hilfsfunktion ZF, H vorgegeben.
Nachfolgend wird die Aufführung des genaueren Abstandsmessverfahrens auf diesen eng begrenzten Laufzeitbereich begrenzt. D. h., dass dessen in der Regel sehr aufwendige Signalaufbereitung und Auswertung ausschließlich in dem begrenzten Laufzeitbereich ausgeführt werden muss. Damit kann auch bei genaueren Abstandsmessverfahren Verarbeitungszeit und Energie eingespart werden.
Bezugszeichenliste

1: Behälter
3: Füllgut
5: Mess- und Auswerteeinheit
7: Sende- und Empfangsvorrichtung
9: Reflektor
11: Sendesignal-Generator
13: Richtkoppler
15: Antenne
17: Oszillator
19: Pulsgenerator
21: Mikrowellenquelle
23: Mischer
25: Referenzsignal-Generator
27: Tiefpassfilter
29: Gleichrichter
31: Differenzierstufe
33: Messeinrichtung
35: intelligente elektronische Einheit
37: Sendesignal-Generator
39: Ultraschallwandler
41: Elektrode
43: Verstärker

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1324067 A2 [0004, 0005, 0049]
DE 4407369 A1 [0078]
WO 02/065066 A1 [0078]

Claims

Verfahren zur Abstandsmessung nach dem Laufzeitprinzip, bei dem – mittels einer Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') aus mit einer vorgegebenen Wiederholfrequenz (f_r) erzeugten Signalpulsen vorgegebener Frequenz (f_s) bestehende Sendesignale (S) in Richtung eines im zu messenden Abstand (D) von der Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') befindlichen Reflektors (9) gesendet, und deren in Richtung der Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') zurück reflektierten Signalanteile (R) nach einer von deren zurückgelegten Wegstrecke abhängigen Laufzeit (t) als Empfangssignal (E) empfangen werden, – ein eine im Empfangssignal (E) enthaltene Amplituden- und Phaseninformation des Empfangssignals (E) als Funktion der zugehörigen Laufzeit (t) über einen vorgegebenen Laufzeitbereich wiedergebendes Hilfssignal (ZF, H) abgeleitet wird, – Laufzeiten (t_i), bei denen das Hilfssignals (ZF, H) Nulldurchgänge aufweist, bestimmt werden, – Zeitdauern (T_i) zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt werden, – ein Zeitfenster (F) vorgegebener Länge schrittweise über den gesamten Laufzeitbereichs verschoben wird, – für jede Position des Zeitfensters (F) eine Häufigkeit (#) bestimmt wird, mit der in dem Zeitfenster (F) Zeitdauern (T_i) auftreten, deren Länge einer Hälfte der der Frequenz (f_s) der Signalpulse entsprechenden Periodendauer entspricht, – eine Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) der Häufigkeiten (#) als Funktion von den Positionen des Zeitfensters (F) zugeordneten Laufzeiten (t_M) bestimmt wird, – ein auf eine Reflektion der Sendesignale (S) am Reflektor (9) zurück zu führendes Maximum (M_L) der Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) ermittelt wird, – anhand des Maximums (M_L) eine Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) bestimmt wird, und – anhand einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse und der Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) der Abstand (D) zum Reflektor (9) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – der Laufzeitbereich in diskrete Segmente gleicher Segmentlänge unterteilt wird, – die Länge des Zeitfensters gleich einem vorgegebenen Vielfachen der Segmentlänge ist, und. – das Zeitfenster bei der schrittweisen Verschiebung in jedem Schritt um eine Segmentlänge verschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – der Laufzeitbereich anhand der Laufzeiten (t_i) der Nulldurchgänge der Hilfsfunktion (ZF, H), zwischen denen die Zeitdauern (T_i) liegen, in Segmente unterschiedlicher Länge unterteilt wird, und – das Zeitfenster in jeder Position derart vorgegeben wird, dass es eine vorgegebene Anzahl (n) aufeinander folgender Zeitdauern (T_j, ..., T_j+n) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem den einzelnen Positionen des Zeitfensters (F) jeweils diejenige Laufzeit (t_M) zugeordnet wird, über der sich in der jeweiligen Position eine Fenstermitte des Zeitfensters (F) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die aufgezeichnete Häufigkeitsverteilung (#(t)) mittels eines Filters, insb. eines Filters mit endlicher Impulsantwort (Finite Impulse Response(FIR)-Filter) gefiltert wird, und – das auf die Reflektion am Reflektor (9) zurückzuführende Maximum (M_L) und die Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) anhand der gefilterten Häufigkeitsverteilung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – anhand von in aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen (#(t)) eine Filterung oder eine Mittelung bezüglich einander entsprechender Häufigkeitswerte der in den aufeinander folgenden Messzyklen aufgezeichneten Häufigkeitsverteilungen (#(t)) vorgenommen wird, und – das auf die Reflektion am Reflektor (9) zurückzuführende Maximum (M_L) und die Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) anhand der gefilterten oder gemittelten Häufigkeitsverteilung (#(t)) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem – die Sendesignale (S) periodisch mit der Wiederholfrequenz gesendete Mikrowellenpulse sind, und – das Hilfssignal (ZF) ein zeitgedehntes Abbild des Empfangssignals (E) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sendesignale (S) periodisch mit der Wiederholfrequenz gesendete Ultraschallpulse sind.
Verfahren zur Verwendung des Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in einem Abstandsmessverfahren mit höherer Messgenauigkeit, bei dem – anhand der mittels der Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) ermittelten Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) oder dem mittels der Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) ermittelten gemessenen Abstand (D) ein beschränkter Laufzeitbereich bestimmt wird, in dem auf die Reflektion am Reflektor (9) zurückzuführende Signalanteile des Empfangssignals (E) oder des Hilfssignals (ZF, H) liegen, und – die Ausführung des genaueren Abstandsmessverfahrens auf den beschränkten Laufzeitbereich begrenzt wird.
Abstandsmessgerät zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit – einer Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') zum Senden der Sendesignale (S) und zum Empfang der Empfangssignale (E), – einer Eingangsschaltung zur Ableitung des Hilfssignals (ZF, H), und – einer Mess- und Auswerteinheit (5), – die die Laufzeiten (t_i) von Nulldurchgängen des Hilfssignals (ZF, H) bestimmt, – die Zeitdauern (T_i) zwischen aufeinander folgenden Nulldurchgängen bestimmt, und – die Häufigkeiten (#) bestimmt, mit denen innerhalb des schrittweise über den gesamten Laufzeitbereichs verschobenen Zeitfensters (F) Zeitdauern (T_i) auftreten, deren Länge einer Hälfte der der Frequenz (f_s) der Signalpulse entsprechenden Periodendauer entspricht, – die anhand der Häufigkeiten (#) eine Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) der Häufigkeiten (#) als Funktion von den jeweiligen Positionen des Zeitfensters (F) zugeordneten Laufzeiten (t_M) bestimmt, – die das auf die Reflektion der Sendesignale (S) am Reflektor (9) zurück zu führende Maximum (M_L) der Häufigkeitsverteilung (#(t_M)) bestimmt, – die anhand des Maximums (M_L) eine Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) bestimmt, und – die anhand einer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signalpulse und der Laufzeit (t_L) der am Reflektor (9) reflektierten Signalanteile (R) den Abstand (D) zum Reflektor (9) bestimmt.
Abstandsmessgerät nach Anspruch 10, bei dem die Mess- und Auswerteinheit (5), – einen Gleichrichter (29) zur Gleichrichtung des Hilfssignals (ZF, H), – eine an den Gleichrichter (29) angeschlossene Differenzierstufe (31) zur Bestimmung einer zweiten Ableitung des gleichgerichteten Hilfssignals (|ZF|, |H|) nach der Laufzeit (t), – eine an die Differenzierstufe (31) angeschlossene Messeinrichtung (33) zur Erfassung von in einem Ausgangssignal (P) der Differenzierstufe (31) auftretenden Peaks (P_i) und deren Laufzeiten (t_i), und – eine der Messeinrichtung (33) nach geschaltete intelligente elektronische Einheit (35), insb. einen Mikrocontroller, umfasst.
Abstandsmessgerät nach Anspruch 11, bei dem die Messeinrichtung (33) einen komplexen programmierbaren Logikbaustein (CPLD) umfasst.
Abstandsmessgerät nach einem der Ansprüche 10 bis 12, – bei dem der zu messende Abstand (D) ein Abstand zwischen der Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') und einer Oberfläche eines Füllguts (3) in einem Behälter (1) ist, und – das anhand des gemessenen Abstands (D) und einer Einbauhöhe der Sende- und Empfangseinrichtung (7, 7') oberhalb des Behälters (1) einen Füllstand (L) des Füllguts (3) im Behälter (1) bestimmt.