DE102015100555A1

DE102015100555A1 - Füllstandmessgerät

Info

Publication number: DE102015100555A1
Application number: DE102015100555.7A
Authority: DE
Inventors: Christian Seiler; Patrick Deuber
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-01-15
Filing date: 2015-01-15
Publication date: 2016-07-21
Also published as: CN107209251A; US10267666B2; US20170370761A1; EP3245537B1; WO2016113052A1; EP3245537A1; CN107209251B

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messgerät (1) zur Messung des Füllstands (11) eines Materials in einem Behälter (12) nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Gerät Komponenten (2–9) umfasst, die zum Erzeugen, Übertragen und Empfangen eines Messsignals (S) sowie zur Umwandlung des besagten Messsignals (S) in ein analoges Zwischenfrequenzsignal (S_IF) mit einer erwarteten Signalfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs dienen, wobei das besagte Zwischenfrequenzsignal (S_IF) Informationen bezüglich des Füllstands (11) des Materials im Behälter (12) umfasst, und wobei ein Analog-Digitalwandler (16) bereitgestellt wird, der dazu dient, das Zwischenfrequenzsignal (S_IF) anschließend abzutasten, wobei besagter Analog-Digitalwandler (16) eine Abtastfrequenz (fs) einsetzt, die niedriger als die erwartete Signalfrequenz des Zwischenfrequenzsignals (S_IF) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Füllstandmessgerät zur Messung des Füllstands eines Materials in einem Behälter nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Gerät Komponenten umfasst, die zum Erzeugen, Übertragen und Empfangen eines Messsignals sowie zur Umwandlung des besagten Messsignals in ein analoges Zwischenfrequenzsignal mit einer erwarteten Signalfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs dienen, wobei das besagte Zwischenfrequenzsignal Informationen bezüglich des Füllstands des Materials im Behälter umfasst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf Füllstandmessgeräte, die Ultraschall- und/oder elektromagnetische Messsignale verwenden, wie es z. B. bei Radar-Messgeräten der Fall ist. Solche Füllstandmessgeräte werden von der Endress + Hauser Firmengruppe z. B. unter den Markennamen Prosonic, Micropilot und Levelflex angeboten. Ein Füllstandmessgerät im Sinne der vorliegenden Erfindung ist nicht dahingehend zu verstehen, dass es sich dabei ausschließlich um eine Einheit von untrennbaren Hardware-Komponenten handelt; vielmehr kann es sich auch um ein System aus räumlich getrennten Einheiten handeln. Das Messgerät kann einen Transducer und einen Transmitter (Messumformer) umfassen, wobei der Transducer dazu dient, eine Prozessvariable – wie z. B. den Füllstand eines Materials in einem Tank – in ein elektrisches Signal zu konvertieren, und der Transmitter dazu dient, dieses elektrische Signal abzufragen und zu verarbeiten, um einen Wert für die Prozessvariable zu erzeugen, der der zu messenden physischen Situation entspricht. Der Transmitter kann je nach Fall auch dazu dienen, den so bestimmten Prozesswert zur weiteren Verwendung zu übertragen und/oder zu speichern. Der Transducer umfasst im Allgemeinen einen Mikroprozessor oder einen Mikrocontroller und verschiedene andere elektrische und elektronische Schaltkreise. Der Transducer und der Transmitter können in einem einzelnen einheitlichen Gerät zusammen untergebracht oder räumlich getrennt angeordnet werden. Bei einer räumlichen Trennung wird ein Kommunikationsmittel – so z. B. ein kabelgebundenes oder ein drahtloses Kommunikationsmittel – bereitgestellt. Es lässt sich nicht immer strikt zwischen Transmitter und Transducer unterscheiden, da der Transducer in einigen Fällen dazu dient, ein Messsignal vorab zu verarbeiten und manchmal sogar einen Mikroprozessor umfasst. Es gibt zahlreiche Varianten von Ultraschall- und Radarmessgeräten, was Messgenauigkeit, Zuverlässigkeit und Kosten anbelangt. Diese Aspekte eines Füllstandmessgerätes werden zumindest teilweise durch die Qualität und/oder die Eigenschaften der bei der Konstruktion des Gerätes verwendeten Komponenten bestimmt. Auf dem heutigen Markt nutzen Füllstandmessgeräte im Allgemeinen Schmalband-Bandpassfilter, um Rauschkomponenten außerhalb des Frequenzbereichs des Zwischenfrequenzsignals herauszufiltern, sowie Analog-Digitalwandler mit einer hohen Abtastrate, um das Zwischenfrequenzsignal abzutasten. Eine hohe Abtastrate im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine Abtastrate, die mindestens das Doppelte der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals beträgt, aber auch wesentlich höher sein kann. Das Zwischenfrequenzsignal ist im Fall eines Ultraschallmessgerätes als die Frequenz einer Signalausgabe durch einen Ultraschallwandler im Ultraschallmessgerät zu verstehen. Eine Anwendung von Schmalband-Bandpassfiltern für Ultraschallfüllstandmessgeräte wird z. B. in der deutschen Patentschrift DE00102009026885A1 beschrieben, worin der Kompromiss zwischen Bandbreite und Rauschsignal bei Auswahl und Einsatz von Bandpassfiltern beschrieben wird. Das analoge Zwischenfrequenzsignal eines Ultraschall- oder Radarfüllstandmessgerätes umfasst im Allgemeinen eine Signalfrequenz zwischen 0 kHz und 200 kHz und insbesondere zwischen 10 kHz und 100 kHz.
Hochgeschwindigkeits-Analog-Digitalwandler und Schmalband-Bandpassfilter sowie Komponenten wie z. B. logarithmische Messverstärker sind im Allgemeinen teuer und haben einen hohen Energieverbrauch. In der deutschen Patentschrift DE 10 2006 006 572 A1 wird vorgeschlagen, dass eine Abtastung und Digitalisierung eines Zwischenfrequenzsignals im Prinzip möglich ist, wobei die Anforderungen des Abtasttheorems nach Nyquist und Shannon nicht erfüllt werden, um Energie zu sparen und den Speicher- und Rechenzeitbedarf eines Füllstandmessgerätes zu verringern. Dies kann so implementiert werden, dass der Zeitunterschied zwischen den abgetasteten Digitalwerten – wobei diese Werte abwechselnd einer von zwei Gruppen zugeordnet werden – größer ist als der reziproke Wert des Zweifachen der Zwischenfrequenz. Die Anforderungen des Abtasttheorems nach Nyquist und Shannon werden nicht länger erfüllt, da diese digitale Sortierung der abgetasteten Werte erfordert, dass die Abtastrate mindestens dem Zweifachen des abzutastenden Frequenzsignals entspricht.
Ziel der Erfindung ist es, ein Füllstandmessgerät vorzustellen, das präzise und zuverlässige Messungen vornimmt, während gleichzeitig unnötige Kosten und ein unnötiger Energiebedarf vermieden werden.
Das Ziel der Erfindung wird erreicht durch ein Füllstandmessgerät zur Messung des Füllstands eines Materials in einem Behälter nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Gerät Komponenten umfasst, die zum Erzeugen, Übertragen und Empfangen eines Messsignals sowie zur Umwandlung des besagten Messsignals in ein analoges Zwischenfrequenzsignal mit einer erwarteten Signalfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs dienen, wobei das besagte Zwischenfrequenzsignal Informationen bezüglich des Füllstands des Materials im Behälter umfasst, und wobei ein Analog-Digitalwandler bereitgestellt wird, der dazu dient, das Zwischenfrequenzsignal anschließend abzutasten, wobei besagter Analog-Digitalwandler eine Abtastfrequenz einsetzt, die niedriger als die erwartete Signalfrequenz des Zwischenfrequenzsignals ist. Die Komponenten für Erzeugung, Übertragung und Empfang eines Messsignals können bei einem Ultraschallgerät z. B. einen Ultraschallwandler und eine Timer-Elektronik oder bei einem Radarfüllstandmessgerät z. B. Hochfrequenzoszillatoren, Antennenelemente, Signaltrenner und -mischer umfassen. Die Abtastrate des Analog-Digitalwandlers kann wesentlich geringer sein als die Abtastrate der Analog-Digitalwandler, die konventionell eingesetzt wurden. Der Analog-Digitalwandler kann somit sowohl kostengünstig als auch energieeffizient sein.
Die Unterabtastung erlaubt die Digitalisierung eines Zwischensignals, das periodisch über einen vorgegebenen Zeitraum auftritt, wobei es sich um eine Anforderung handelt, die das Zwischensignal eines Füllstandmessgerätes in der Regel erfüllt, da die Änderungsrate des Füllstands im Behälter im Vergleich zu der Rate, in der die Messzyklen eines Füllstandmessgerätes ausgeführt werden, in der Regel vernachlässigbar ist. Bei einer Unterabtastung des Zwischensignals wird eine frequenzverschobene Kopie oder ein frequenzverschobenes Abbild des Zwischenfrequenzsignals erzeugt. Dieses Abbild wird von der ursprünglichen Frequenz um die Abtastfrequenz nach unten verschoben. So hat z. B. das Abbild eines 60-kHz-Zwischenfrequenzsignals, des bei 50 kHz abgetastet wird, eine Frequenz von 10 kHz. Der Analog-Digitalwandler ist daher so ausgestaltet, dass er eine Abtastfrequenz umfasst, die im Hinblick auf eine erwartete Frequenz des analogen Zwischenfrequenzsignals vorgegeben ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Analog-Digitalwandler in einen Mikroprozessor des Messgerätes integriert. Durch den Einsatz eines in einen Mikroprozessor integrierten Analog-Digitalwandlers steht – im Vergleich zu konventionellen Methoden – ein relativ kostengünstiges Mittel zur Abtastung der Zwischenfrequenz zur Verfügung. Traditionell wurde der Einsatz eines in einen Mikroprozessor integrierten Analog-Digitalwandlers – z. B. ein 16-Bit-Wandler mit einer Abtastfrequenz von 50 kHz – vermieden, weil mit solchen Wandlern nur niedrige Abtastraten möglich sind. Durch die Kombination eines solchen Analog-Digitalwandlers mit einem Unterabtastverfahren kann diese Beschränkung jedoch aufgehoben werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfundenen Messgerätes wird eine Bandpassfilter bereitgestellt, der dazu dient, nur den vorgegebenen Frequenzbereich passieren zu lassen und alle Frequenzen herauszufiltern, die über der Messsignalfrequenz des Messsignals liegen. Insbesondere ist der Bandpassfilter so ausgestaltet, dass er den gesamten vorgegebenen Frequenzbereich passieren lässt. Ein Bandpassfilter mit diesen Eigenschaften kann ein Breitband-Bandpassfilter sein. Vom Mischer ausgegebene hochfrequente Oberwellen werden dadurch herausgefiltert, während gleichzeitig das gesamte Zwischenfrequenzsignal passieren kann. Ein Breitbandfilter dieser Art hat gegenüber einem üblicherweise eingesetzten Schmalband-Bandpassfilter den Vorteil, dass er während der Herstellung nicht auf die erwartete Frequenz des Zwischenfrequenzsignals abgestimmt zu werden braucht. Dadurch verringern sich Zeitaufwand und Komplexität bei der Konstruktion von Füllstandmessgeräten; zudem sind keine speziellen Autotuning-Funktionen und/oder aktiven Filterkomponenten erforderlich. Der Bandpassfilter wird so ausgewählt, dass besagter Bandpassfilter einen Frequenzbereich passieren lässt, der das Zwischenfrequenzsignal umfasst – und zwar unabhängig von der Signalform, die das Zwischenfrequenzsignal annimmt und ohne dass eine manuelle und/oder präzise Anpassung und/oder Abstimmung (Tuning) des Bandpassfilters erforderlich ist.
In einer Weiterentwicklung der vorteilhaften Ausgestaltung ist besagter Bandpassfilter so ausgestaltet, dass er einen Frequenzbereich passieren lässt, der dem besagten vorgegebenen Frequenzbereich entspricht, wobei dieser Frequenzbereich kleiner ist als die Hälfte der Abtastfrequenz des besagten Analog-Digitalwandlers. Unerwünschte Aliasing-Effekte können so vom digitalisierten Zwischenfrequenzsignal ausgeschlossen werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei dem Messgerät um ein Pulsradar-Füllstandmessgerät, wobei ein lokaler Oszillator ein lokales Oszillatorsignal im Messgerät erzeugt und ein Mischer bereitgestellt wird, der dazu dient, ein empfangenes Messsignal, das eine Abfolge von elektromagnetischen Impulsen umfasst, mit dem lokalen Oszillatorsignal zu mischen und das analoge Zwischenfrequenzsignal auszugeben. In einem Pulsradar-Messgerät können die Pulsfolgefrequenz des Messsignals und das lokale Oszillatorsignal vorgegeben werden, sodass die Zwischenfrequenz eine Frequenz in einem vorgegebenen Frequenzbereich umfasst. Dies ermöglicht den Einsatz eines Analog-Digitalwandlers, der eine feste Abtastfrequenz für die Unterabtastung nutzt.
In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes gibt der Analog-Digitalwandler in den Fällen, in denen die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals der erwarteten Frequenz entspricht, ein digitales Zwischenfrequenzsignal mit einer Frequenz aus, die im Hinblick auf die Frequenz des analogen Zwischenfrequenzsignals nach unten verschoben wird, wobei der Umfang der besagten Frequenzverschiebung im Wesentlichen der Abtastfrequenz des Analog-Digitalwandlers entspricht. Vorteilhafterweise kann das Abbild, das von dem Zwischenfrequenzsignal in der digitalen Domäne erstellt wird, von einer so genannten dritten Nyquist-Zone zu einer so genannten ersten Nyquist-Zone verschoben werden, wobei die Nyquist-Zonen als Frequenzbereiche definiert sind, von denen jeder eine Bandbreite hat, die der Hälfte der Abtastfrequenz des Analog-Digitalwandlers entspricht.
In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes wird ein regelbarer Messverstärker bereitgestellt, wobei besagter regelbarer Messverstärker zwischen besagtem Bandpassfilter und besagtem Analog-Digitalwandler angeschlossen wird.
In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes wird ein zweiter Bandpassfilter zwischen besagtem regelbarem Messverstärker und besagtem Analog-Digitalwandler angeschlossen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfundenen Messgerätes ist besagter Analog-Digitalwandler direkt an dem besagten zweiten Bandpassfilter angeschlossen. Eine Messfolge von Elementen, die einen Mischer, einen ersten Bandpassfilter, einen regelbaren Messverstärker und einen zweiten Bandpassfilter umfasst, führt in Kombination mit einem Analog-Digitalwandler mit einer niedrigen Abtastrate zu einer bedeutenden Reduzierung des Strombedarfs eines Messzyklus. Diese Reduzierung des Strombedarfs ermöglicht es, eine höhere Anzahl von Messungen zu den gleichen Energiekosten vorzunehmen und erlaubt so, durch die Anwendung von Mittelungsverfahren einen hohen Grad an Genauigkeit zu niedrigeren Kosten zu erreichen.
In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes umfasst der Mikroprozessor eine Komponentengruppe, die dazu dient, ein Signaldämpfungsverfahren auf das digitale Zwischenfrequenzsignal anzuwenden.
In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes umfasst der Mikroprozessor eine Komponentengruppe, die dazu dient, das digitale Zwischenfrequenzsignal zu quadrieren, einen Tiefpassfilter darauf anzuwenden und eine Quadratwurzelfunktion vorzunehmen. In einer Weiterentwicklung des erfundenen Messgerätes umfasst der Mikroprozessor eine Komponentengruppe, die dazu dient, das digitale Messsignal vorwärts und rückwärts zu filtern. Auf diese Weise kann eine Zeitverzögerung aufgrund der Filterung ausgeglichen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden genauer beschrieben, wobei auf folgende Abbildungen verwiesen wird. Sie zeigen:
: Blockdarstellung der Komponenten eines Pulsradar-Füllstandmessgerätes
, b: Grafische Darstellung der Überabtastung und Unterabtastung für die Analog-Digital-Umwandlung eines Zwischenfrequenzsignals
: Blockdarstellung, die die einzelnen Schritte der analogen und digitalen Signalverarbeitung veranschaulicht
enthält eine Blockdarstellung der Komponenten eines Pulsradar-Füllstandmessgerätes 1. Es sind zwei Pulsfolgefrequenzgeneratoren (Pulsfolgefrequenz – Pulse Repetition Frequency, im Folgenden als ”prf-” abgekürzt) 2, 3 dargestellt. Die Generatoren können z. B. als Quarzoszillatoren ausgestaltet sein. Die prf-Generatoren 2, 3 in einem Pulsradarmessgerät oszillieren im Allgemeinen im Megahertz-Bereich und weisen leicht unterschiedliche Frequenzen auf. Die prf-Generatoren 2, 3 sind jeweils an einen Pulsgenerator 4, 5 angeschlossen, der Impulse mit vorgegebenen Impulsbreiten entsprechend den von den prf-Generatoren 2, 3 empfangenen Eingangssignalen ausgibt. Die Impulsbreiten werden von den Pulsgeneratoren 4, 5 selbst bestimmt und sind entweder festgelegt oder können über ein analoges Konfigurationssignal geändert werden. Die Pulsfolgefrequenz wird von den prf-Generatoren 2, 3 bestimmt.
Ein erster Pulsgenerator 4 ist an einen Übertragungsoszillator 6 angeschlossen, der dazu dient, ein Hochfrequenzsignal auf jeden Impuls zu modulieren und ein Hochfrequenz-Wellenpaket auszugeben. Diese Hochfrequenz-Wellenpakete S, die auch als Messsignal S bezeichnet werden können, werden in einen Koppler 8 eingespeist, der die Wellenpakete S an eine Übertragungs-/Empfangseinheit 10 weiterleitet. Bei der Übertragungs-/Empfangseinheit 10 kann es sich z. B. um eine Antenne oder einen Wellenleiter handeln, der dazu dient, die Impulse an eine Materialtrennschicht 11 in einem Behälter 12 weiterzuleiten. An der Materialtrennschicht 11 erkennen die Wellenpakete S – unabhängig davon, ob die Wellenpakete S weitergeleitet oder einfach von einer Antenne übertragen werden – eine Widerstandsänderung, und ein Teil von jedem Wellenpaket S wird an die Übertragungs-/Empfangseinheit 10 zurückreflektiert. Der reflektierte Teil der Wellenpakete, d. h. der reflektierte Teil des Messsignals S, wird von der Übertragungs-/Empfangseinheit 10 in den Koppler 8 eingespeist. Der Koppler 8 leitet dann das Messsignal S an einen Mischer 9 weiter.
Im Mischer 9 wird das Messsignal S mit dem so genannten lokalen Oszillatorsignal S_LO gemischt, das die von einem lokalen Oszillator 7 erzeugten gepulsten Hochfrequenz-Wellenpakete enthält. Der lokale Oszillator 7 erzeugt dieses lokale Oszillatorsignal S_LO entsprechend der Ausgabe des zweiten Pulsgenerators 5. Bei der Ausgabe von Mischer 9 handelt es sich um das analoge Zwischenfrequenzsignal S_IF. Allgemein gesagt, gibt der Mischer 9 zusätzlich zu dem Zwischenfrequenzsignal S_IF, das hier von Interesse ist, hochfrequente Oberwellen aus. Diese hochfrequenten Oberwellen werden von einem nachfolgend angeordneten Bandpassfilter 13 herausgefiltert. Bei dem Bandpassfilter 13 handelt es sich um einen Breitband-Bandpassfilter, der das gesamte Zwischenfrequenzsignal S_IF, das hier von Interesse ist, passieren lässt. Das Zwischenfrequenzsignal S_IF weist eine erwartete Frequenz auf, die zum großen Teil durch den Frequenzunterschied zwischen den beiden prf-Generatoren 2, 3 bestimmt wird. Allerdings können durch Komponententoleranzen und/oder z. B. Temperaturauswirkungen Abweichungen von der erwarteten Frequenz auftreten. Der Bandpassfilter 13 ist daher so ausgestaltet, dass er ein vorgegebenes Frequenzband passieren lässt, wobei besagtes vorgegebenes Frequenzband ausreichend weit ausgelegt ist, um alle wahrscheinlichen und/oder möglichen Frequenzabweichungen in der Frequenz des Zwischenfrequenzsignals S_IF abzudecken. Der Bereich der möglichen Frequenzabweichungen kann z. B. anhand der von den Komponentenlieferanten bereitgestellten Komponententoleranzen bestimmt werden. Konventionell handelt es sich bei einem Bandpassfilter in dieser Position in einem Pulsradarmessgerät um einen Schmalbandfilter, der während der Herstellung auf die tatsächliche Frequenz des Zwischenfrequenzsignals S_IF ”abgestimmt” wird. Das durch den Bandpassfilter gefilterte Zwischenfrequenzsignal S_IF wird dann in einen regelbaren Messverstärker 14 eingespeist. Der regelbare Messverstärker 14 kann das Signal z. B. um 0 bis 20 dB verstärken. Dadurch wird sichergestellt, dass der Analog-Digitalwandler 16 die Abtastung kontinuierlich mit einer optimalen Signalstärke vornimmt, um die Genauigkeit des Abtastvorgangs zu maximieren. Insbesondere wird die Signalstärke des Zwischenfrequenzsignals S_IF auf einen Wert zwischen z. B. 16 mVpp und 1,8 Vpp eingestellt, um das Signal über den Rauschbereich des Analog-Digitalwandlers 16 hinaus zu verschieben und so den Einfluss des Rauschens auf die Abtastgenauigkeit zu minimieren.
Das Zwischenfrequenzsignal S_IF wird dann ein zweites Mal durch einen nachfolgend angeschlossenen zweiten Bandpassfilter 15 gefiltert. Der zweite Bandpassfilter 15 dient dazu, den Frequenzbereich des abzutastenden Signals in Vorbereitung auf die Unterabtastung zu begrenzen. Insbesondere diese zweite Bandpassfilterung begrenzt den Störpegel der verschiedenen anderen Komponenten auf der Empfangsseite und stellt sicher, dass die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals S_IF innerhalb der dritten Nyquist-Zone liegt, wie im Zusammenhang mit den und noch erläutert wird. Bei dem zweiten Bandpassfilter 15 kann es sich z. B. um einen Filter 4. Ordnung handeln. Durch die in dieser Ausgestaltung vorgestellten Komponenten ist – im Gegensatz zum typischen Aufbau konventioneller Radarfüllstandmessgeräte – kein Logarithmierer mehr erforderlich, um das Signal für die Analog-Digitalwandlung aufzubereiten. Das wiederum führt zu einer weiteren Reduzierung der für einen Messzyklus erforderlichen Energie und zu einer Verringerung der Herstellungskosten für Messgerät 1.
Der Analog-Digitalwandler 16 ist ein konventioneller A/D-Wandler der Art, wie sie typischerweise in einen Mikroprozessor 17 integriert ist. Ein Beispiel für diese Art von Wandler ist ein einfacher 16-Bit-Wandler mit einer Abtastfrequenz von 50 kHz. Nach dem zweiten Bandpassfilter 14 kann ein typisches Zwischenfrequenzsignal S_IF eine Mittenfrequenz von rund 60 kHz und eine Bandbreite von 2 oder 3 kHz umfassen. Gemäß dem Abtasttheorem nach Nyquist und Shannon für die Umwandlung von Analogsignalen in die digitale Domäne muss das Analogsignal mit einer Abtastfrequenz abgetastet werden, die mindestens das Zweifache der Frequenz des Analogsignals selbst beträgt. Nur dann kann die im Signal enthaltene Information vollständig extrahiert werden,
ohne dass eine Unbestimmtheit verursacht wird. Die durch die Unterabtastung des analogen Zwischenfrequenzsignals S_IF hervorgerufene Unbestimmtheit schließt das Auftreten von frequenzverschobenen Kopien des abgetasteten Signals S_IF ein.
ist eine grafische Darstellung einer Überabtastung für die Analog-Digitalwandlung eines Zwischenfrequenzsignals S_IF. In werden die ersten beiden Nyquist-Zonen N1, N2 entlang einer Frequenzachse gezeigt. Die erste Zone N1 ist schattiert dargestellt, um die Nyquist-Zielzone anzuzeigen, die sich aus der Abtastung mit der Abtastfrequenz f_s ergibt. Das Zwischenfrequenzsignal S_IF liegt in einem Frequenzband, das die gestrichelte Linie 18 umgibt. Die Abtastfrequenz f_s erfüllt hier die Anforderungen des Abtasttheorems nach Nyquist und Shannon. Das heißt, die Abtastfrequenz f_s beträgt mindestens das Zweifache der Frequenz des analogen Zwischenfrequenzsignals S_IF. Dadurch bleibt das digitale Zwischenfrequenzsignal S_IF, das sich aus der Abtastung ergibt, in der ersten Nyquist-Zone N1, und es wird keine Unbestimmtheit verursacht.
ist eine grafische Darstellung einer Unterabtastung für die Analog-Digitalwandlung eines Zwischenfrequenzsignals S_IF. Hier liegt das Zwischenfrequenzsignal S_IF erneut in einem Frequenzband, das die gestrichelte Linie 18 umgibt. Da die Abtastfrequenz f_s jedoch sehr viel niedriger ist, liegt das Zwischenfrequenzsignal S_IF in der dritten Nyquist-Zone N3. Wenn der Analog-Digitalwandler 16 das Analogsignal S_IF abtastet, erscheint ein Abbild des Zwischenfrequenzsignals S_IF in der ersten Nyquist-Zone N1, wie durch den Pfeil 19 angezeigt wird. Die Unbestimmtheit, die durch die Bildung von Abbildern oder Kopien des Zwischenfrequenzsignals S_IF hervorgerufen wird, kann durch digitale Verarbeitungstechniken, wie sie im Zusammenhang mit beschrieben werden, eliminiert werden. Insbesondere kann eine Filterung mit einem digitalen Tiefpassfilter vorgenommen werden, wodurch höherfrequente Kopien des Zwischenfrequenzsignals S_IF entfernt werden.
enthält eine Blockdarstellung, die die einzelnen Schritte der analogen und digitalen Signalverarbeitung veranschaulicht. Auf der analogen Seite empfängt der zuvor bereits beschriebene zweite Bandpassfilter 15 das Zwischenfrequenzsignal S_IF und speist es in den Mikroprozessor 17 ein. Der Mikroprozessor 17 umfasst einen standardmäßigen Analog-Digitalwandler 16, der dazu dient, das Zwischenfrequenzsignal S_IF abzutasten. Der Analog-Digitalwandler 16 gibt ein digitales Zwischenfrequenzsignal an einen digitalen Verarbeitungsblock 24 aus. Der digitale Verarbeitungsblock 24 umfasst eine Komponentengruppe 20, die dazu dient, zuerst das Zwischenfrequenzsignal S_IF zu quadrieren, und so das gesamte Signal S_IF in einen positiven Amplitudenbereich zu verschieben. Eine zweite Komponentengruppe 21 dient dazu, die Signalstärke des quadrierten Zwischenfrequenzsignals S_IF zu verdoppeln. Anschließend kann auf das Signal S_IF eine Tiefpassfilterung 22 angewendet und danach die Quadratwurzel 23 ermittelt werden. Diese digitalen Verarbeitungsschritte führen zur Generierung einer Hüllkurve, die dann ausgewertet werden kann, um die Laufzeit des Messsignals S und/oder die Distanz von der Übertragungs-/Empfangseinheit 10 zur Materialtrennschicht 11 zu bestimmen. Um den Rechenzeitbedarf dieser digitalen Verarbeitungstechniken zu verringern, kann zusätzlich eine Signaldämpfung vorgenommen werden, bevor die Tiefpassfilterung 22 durchgeführt wird. Da die Tiefpassfilterung 22 zu einer unerwünschten Verzögerung im Zwischenfrequenzsignal S_IF führen kann, kann außerdem eine Komponentengruppe bereitgestellt werden, die dazu dient, das Signal S_IF vorwärts und rückwärts zu filtern und so diese Verzögerung zu eliminieren.
Bezugszeichenliste

1: Füllstandmessgerät
2: Erster prf-Generator
3: Zweiter prf-Generator
4: Erster Pulsgenerator
5: Zweiter Pulsgenerator
6: Übertragungsoszillator
7: Lokaler Oszillator
8: Koppler
9: Mischer
10: Übertragungs-/Empfangseinheit
11: Materialtrennschicht
12: Behälter
13: Erster Bandpassfilter
14: Regelbarer Messverstärker
15: Zweiter Bandpassfilter
16: Analog-Digitalwandler
17: Mikroprozessor
18: Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals
19: Pfeil, der die Frequenzverschiebung der Unterabtastung anzeigt
20: Quadrierer
21: Messverstärker
22: Digitaler Tiefpassfilter
23: Quadratwurzel
24: Digitaler Verarbeitungsblock
S: Messsignal
S_IF: Zwischenfrequenzsignal
N1, N2, N3, N4: Nyquist-Zonen
f_s: Abtastfrequenz

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

DE 00102009026885 A1 [0002]
DE 102006006572 A1 [0003]

Claims

Messgerät (1) zur Messung eines Füllstands (11) eines Materials in einem Behälter (12) nach dem Laufzeitprinzip, wobei das Gerät Komponenten (2–9) umfasst, die zum Erzeugen, Übertragen und Empfangen eines Messsignals (S) sowie zur Umwandlung des besagten Messsignals (S) in ein analoges Zwischenfrequenzsignal (S_IF) mit einer erwarteten Signalfrequenz innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereichs dienen, wobei das besagte Zwischenfrequenzsignal (S_IF) Informationen bezüglich des Füllstands (11) des Materials im Behälter (12) enthält, wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Analog-Digitalwandler (16) bereitgestellt wird, der dazu dient, das Zwischenfrequenzsignal (S_IF) anschließend abzutasten, wobei besagter Analog-Digitalwandler (16) eine Abtastfrequenz (f_s) verwendet, die niedriger als die erwartete Signalfrequenz des Zwischenfrequenzsignals (S_IF) ist.
Messgerät (1) gemäß Anspruch 1 und dadurch gekennzeichnet, dass besagter Analog-Digitalwandler (16) in einen Mikroprozessor (17) des Messgerätes (1) integriert ist.
Messgerät (1) gemäß Anspruch 1 oder 2 und dadurch gekennzeichnet, dass ein Bandpassfilter (13) bereitgestellt wird, der dazu dient, den vorgegebenen Frequenzbereich passieren zu lassen und Frequenzen, die über der Messsignalfrequenz des Messsignals (s) liegen, herauszufiltern.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass besagter Bandpassfilter (13) so ausgestaltet ist, dass er einen Frequenzbereich, der besagtem vorgegebenem Frequenzbereich entspricht, passieren lässt, wobei der Frequenzbereich weniger als die Hälfte der Abtastfrequenz (f_s) des besagten Analog-Digitalwandlers (16) beträgt.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Messgerät (1) um ein Pulsradar-Füllstandmessgerät (1) handelt, sowie dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Oszillator (7) ein lokales Oszillatorsignal (S_LO) im Messgerät (1) erzeugt, und dadurch gekennzeichnet, dass ein Mischer (9) bereitgestellt wird, der dazu dient, ein empfangenes Messsignal (S), das eine Abfolge von elektromagnetischen Impulsen umfasst, mit dem lokalen Oszillatorsignal (S_LO) zu mischen und das analoge Zwischenfrequenzsignal (S_IF) auszugeben.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass – falls die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals (S_IF) der besagten erwarteten Frequenz entspricht – der Analog-Digitalwandler (16) ein digitales Zwischenfrequenzsignal (S_IF) mit einer Frequenz ausgibt, die im Hinblick auf die Frequenz des analogen Zwischenfrequenzsignals (S_IF) nach unten verschoben wird, sowie dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der besagten Frequenzverschiebung im Wesentlichen der Abtastfrequenz (f_s) des Analog-Digitalwandlers (16) entspricht.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass ein regelbarer Messverstärker (14) bereitgestellt wird, wobei besagter regelbarer Messverstärker (14) zwischen dem besagten Bandpassfilter (13) und dem besagten Analog-Digitalwandler (16) angeschlossen ist.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Bandpassfilter (15) zwischen dem besagten regelbaren Messverstärker (14) und dem besagten Analog-Digitalwandler (16) angeschlossen ist.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Analog-Digitalwandler (16) direkt an besagten zweiten Bandpassfilter (15) angeschlossen ist.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (17) eine Komponentengruppe (24) umfasst, die dazu dient, eine Signaldämpfung auf das digitale Zwischenfrequenzsignal (S_IF) anzuwenden.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (17) eine Komponentengruppe (24) umfasst, die dazu dient, das digitale Zwischenfrequenzsignal (S_IF) zu quadrieren (20), einer Tiefpassfilterung (22) zu unterziehen und eine Quadratwurzelfunktion (23) vorzunehmen.
Messgerät (1) gemäß mindestens einem der voranstehenden Ansprüche und dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (17) eine Komponentengruppe (24) umfasst, die dazu dient, das digitale Zwischenfrequenzsignal (S_IF) vorwärts und rückwärts zu Filtern.