DE3121781A1

DE3121781A1 - Verfahren und vorrichtung zur hoehenstandsmessung eines stroemenden gutes oder materials

Info

Publication number: DE3121781A1
Application number: DE19813121781
Authority: DE
Inventors: Lionel R.F. Hatfield Hertfordshire Thompson; David Turton
Original assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Current assignee: Hawker Siddeley Dynamics Ltd
Priority date: 1980-05-29
Filing date: 1981-05-27
Publication date: 1982-03-25
Also published as: FR2483606B1; GB2077545B; CA1183929A; US4425793A; GB2077545A; FR2483606A1

Description

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Verfahren und Vorrichtung zur Höhenstandsmessung eines strömenden Gutes oder Materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Höhe eines strömenden oder körnigen Materials oder einer dünnflüssigen Aufschlämmung in einem Behälter, und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Vorrichtung zum Messen der in einem senkrechten Vorratsbunker befindlichen Kohlenmenge. Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch für andere Vorrats- oder Lagerhaltungssystem oder bei anderen Materialen verwendet werden, so die beim Meßgerät angewandten Prinzipe ähnlich sind«

Es wurden bereits mancherlei Versuche unternommen, ein verlässliches System zu schaffen, durch das die ÜLohlenstand oder Kohlenmengenhöhe in einem Bunker gemessen werden kann. Hierbei weisen die Bunker unterschiedliche Gestalt und Größe auf. Die hierfür verwendeten Bunker können in drei Kategorien aufgeteilt werden, und zwar einer ersteh in ^echteckform mit 5 Meter Länge mal 5 Breite mal 15 Meter Tiefe, einer zweiten in Kreisform mit 8 Meter Durchmesser und 30 Meter Tiefe und einer dritten in Quadratform mit 10 Meter mal 10 Meter und 30 Meter Tiefe. Zu einer anderen Kategorie gehören Blindoder Stapelschachtbunker mit einem etwa bei 8 bis 9 Meter liegendem Durchmesser und einer möglichen von 50 bis zu 10 Meter gehenden Tiefe.

Es wurden bereits die meisten physikalischen Phänomene auf die eine oder andere Art herangezogen, um einen

Höhenstandmeßwert von der Oberfläche der in einem Bunker lagernden Kohle oder das vorhandere Kohlevolumen zu ermitteln. Alle bisherigen herkömmlich angewandten Verfahren haben sich als ziemlich unbrauchbar erwiesen.

Unsere Untersuchungen haben gezeigt, daß die bekannten Probleme unter Verwendung eines Impulsradarsystems mit hoher Auflösung gelöst werden können.

Nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Hessen der Höhe eines strömenden Materials in einem Behälter oder Bunker geschaffen, bei dem die von einer Mikrowe11quelle oder einem Mikrowellen-Impulsstrahlungsgeber unten auf die Materialoberfläche geworfene' Strahlung und die zurückkeh-. rende Reflexstrahluhg von der Oberfläche verarbeitet wird, um Impulse in der Wellenform zu erfassen, die zeitveränderliche Amplituden wiedergeben, die Informationen von der strömenden Oberfläche anzeigen und um Impulse fester Form zurückzuweisen, die Informationen von festen Teilen des Bunkeraufbaus anzeigen.

Die Erfindung sieht darüber hinaus eine Vorrichtung zur Durchführung des obigen Verfahrens vor. Diese Vorrichtung weist einen Mikrowellen-Impulsstrahlungsgeber, der Impulsstrahlung abgibt und oberhalb von oder am oberen Teil des Behälters oder Bunkers angeordnet werden kann, um die Strahlung auf die Oberfläche des strömenden Materials im Behälter oder Bunker zu werfen, eine Einrichtung zum Empfangen rückkehrender Strahlung, die von der Oberfläche reflektiert werden, und eine Einrichtung zum Erfassen in der rückgeführten Strahlung von Welienformimpulsen, die zeitveränderliche Amplituden zeigen, welche

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Informationen von der strömenden Oberfläche anzeigen, sowie zum Zurückweisen von Impulsen unveränderlicher Form auf, die Informationen von ortsfesten Teilen des Bunkeraufhaus anzeigen.

Das· Gerät nach der Erfindung weist keine Linearisierungsprobleme oder Probleme des Seitenzipfelabstands auf, wobei auch die den FMCW-Systemen innewohnenden Zweideutigkeiten vermieden werden. Hierbei ist·das System·in der Lage mit IS-Leistungspegel zu arbeiten. Es hat sich gezeigt, daß sogar bei einem Impulssystem auch die vom Bunkeraufbau stammenden Reflexionen zu Unklarheiten führen können. Dabei hat man bemerkt, daß eine Einzelcharakteristik, die zur Ausräumung des größten Teils der Unklarheiten genutzt werden kann, die Bewegung der ' Kohle selbst ist. In einem Bunker ist es nämlich nur die Kohle, die sich bewegt. Es gibt die Kohle, die von der Zuführstelle hereinfällt, und es gibt die Bewegungen der Oberfläche des Kohleniveaus im Bunker, wenn der Bunker entweder gefüllt oder geleert wird. Die Erfassung dieser Bewegung vermeidet im wesentlichen fast gänzlich die mit den Hinderungen oder Störungen verbundenen Probleme, die die Verwendung von PMCW-Systemen unpraktisch erscheinen ließen. Hierbei ist das Gerät so beschaffen, daß die erforderliche Auflösung oder Diskriminierung zwischen den beiden Bewegungen der Kohle vorgesehen ist, wobei die auf das Einschütten der Kohle an der Zuführstelle zurückgehenden Signale eliminiert und die von der sich bewegenden Oberfläche stammenden Signale zur Anzeige oder Angabe des Kohlenstandes zurück gehalten werden.

Versuche haben gezeigt, daß ein bedeutsamer Unterschied

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bei den Niederfrequenzkomponenten der Radarinformation bestellt, wobei die auf das Einströmen der Kohle zurückgehende bedeutsam höher liegt als die von der Oberflächenbewegung erzeugte Frequenz. Mit dieser Charakteristik läßt sich die Oberflächeninformation leicht und unmißverständlich erfassen.

Die Erfindung wird anhand der nächstfolgenden Beschreibung einer in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein vereinfachtes Blockdiagramm des Geräts mit den wesentlichen Bestandteilen des Systems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ;

Figur 2 idealisierte Wellenformen, die sich ergeben, wenn das Gerät in Verbindung mit einem Bunker benutzt wird, in dem sich die zu messende Oberfläche bewegt; und

Figur 3 eine skizzenhafte Darstellung eines besonderen Ausführungsbeisp}.els des Geräts* Eg isjti hierbei selbstverständlich, daß diese Figuren nup !Bia~ gramme und nur eine Art der mit der in Zusammenhang, stehenden Anordnung

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Nach der Fig. 1 weist die

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Von der Oberfläche des Bunkers reflektiere/ pijra^upg wird

von einer Trichterempfangsantenne ^gejBamm^ltj μρί| J^p die

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gegeben. Eine kleine Probe des abgestrahlten Signals wird in der Nähe des Meßwertgebers 1 in der Kupplungsleitung 8 aufgefangen und ebenfalls der Mischschaltung 5 zugeführt.

Die Mikrowellenteile können in einem integrierten Schaltkreis 14 zusammengefaßt sein, so daß Kosten und Größe der Anordnung auf ein Mindestmaß gehalten werden.

Der Ausgang von Video-Verstärker 6 ist angeschlossen an die Abstandsauftast und Festhalteschaltung 7, wo der Rückführungsimpuls mit bezug auf die Zeitschaltung 9 mit dem übertragenen Impuls verglichen wird. Das Signal von der Auftast- und Pesthalteschaltung 7 liegt am.Filter 1O₁ wo die ungewünschten Rückinformationen gedämpft wereen. Das die Abstandsinformation enthaltende Signal gelargt über den Niederfrequenzverstärker 11 an die Demodulationsschaltung 12, wo es aufbereitet dem Mikroprozessor '3 zugeführt wird. Es werden auf Signale von der Zeitschaltung 9 dem Mikroprozessor 13 und Signale vom Mikroprozessor •der Zeitschaltung 9 zugeführt. Software wird im Mikroprozessor so genutzt, daß ein passender Suchalgorithmus er- · stellt wird* Der Ausgang vom Mikroprozessor 13 enthält die laufende Abstandsschätzung der Kohlenoberfläche im Bunker und kann als Ausgang an ein Kontrollsystem oder einen Sichtanzeiger verwendet werden.

Die Wellenformen sind in idealisierter Form in Fig. 2 wiedergegeben und zeigen die Hauptmerkmale der Erfindung vom Gesichtspunkt der Signalformen oder -profile. Die Mikrowellenfrequenz-Impulse 201 werden intermittierend von dem Trichterantennensender 3 ausgestrahlt. Das Mischsignal aus der Mischschaltung 5 nimmt die Form der Impulse an, die die Video-Eückführwellenform 202 und

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anzeigt. Es ist ersichtlich, daß das Videosignal 202 von ortsfesten Gegenstanden scharfe Formen annimmt, die zeitinvariant sind, wogegen die Videosignale kO-j von bewegten Radarzielen gegenüber der Zeit, veränderliche Amplituden aufweisen. Die Niederfrequenzkomponente in den Videoinformationen für das bewegliche Zielobjekt ist für- die Art des Objektes kennzeichnend. Die Videoinformationen werden von den Abtastsignalen bei 204 ausgewertet (strobed).

Die Figur 3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung in praktischer Ausgestaltung. Das Gehäuse 301 beinhaltet zwei Mikrowellentrichter 302 und 303. Es können in anderen Ausführungsformen anstelle dieser beiden Horhtrichter auch nur ein einziger Trichter oder eine Schale verwendet werden, der bzw. die für sowohl Sender als auch Empfänger in Verbindung mit einem rückumlaufenden Glied dient.

Den Trichtern zugeordnet sind zwei Wellenleiter 304- und 305» die an die integrierte Mikrowellenschaltung 306 angeschlossen sind. Sämtliche elektronische ilchaltglieder zum Verarbeiten der Signale und zum Erstellen der besonderen Stromleitungen für das Netz sind im Prozessor 307 inkorporiert. Der Gesamtstrombedarf liegt für diese Einheit so, daß er in Anpassung an die Sicherheitsvorschriften ausgelegt sein kann. Dies bedingt im Prinzip, daß die Spannungspegel innerhalb der Einheit niedrig und auch der Stromverbrauch niedrich sind. Darüber "iinaus weist keines der Bauteile Induktivitäten oder Kapitanzen über einem bestimmten Niveau auf, die aus den IS-Technikvorschriften errechenbar sind. Über den Anschluß 308 erfolgt die Stromversorgung zum Eingang aus einer opeisequelle nach IS-Vorschrift. Das Ausgangssignal von der Einheit wird dem Anschluß 309 entnommen. Zusätzlich kann die Orts-

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anzeige 310 des Zieloberflächenabstands auf eine Sichänzeigeeinrichtung gegeben werden, die auf der Oberfläche des Gehäuses 301 angeordnet ist. Die Trichter liegen an den Kanten des Schaltgehäuses, in dem öffnungen für den Austritt bzw. Eintritt der Mikrowellensignale vorgesehen sind. Zur Verhinderung von Staub oder sonstiger Fremdkörper sind die öffnungen mit einer mikrowellendurchläasigen Abdeckung beispielshalber einer Polycarbonatlage 311 versehen.

In einer Ausgestaltung einer im allgemeinen der in den Zeichnungen ähnelnden Anordnung erzeugt das System einen 30 Nanosekundenimpuls (30 χ 10""*" χ Sekunden), was einer Entfernung von 10 Metern entspricht. Hierbei wird die Impulswiederholfolge des Systems so gewählt, daß eine etwaige Entfernung des weitesten Zielabstands von 200 Meter abgedeckt ist.

Es ist eine Einrichtung zur Anzeige des Rückführungssignals vorgesehen, wobei für die Möglichkeit der Wahl jeglichen gewünschten Zeitintervalls ausgehend vom Impulsbeginn Sorge getragen ist. Dieses Zeitintervall kann derart zur Anzeige gebracht werden, daß der Abstand in' Meter umgesetzt wird. In einem typischen Anzeigeverfahren für eine derartige Entfernung wird eine Flüssigkristall-, anzeige genutzt. Die gewählte Entfernung kann auch einen aufgehellten Abschnitt auf dem Anzeigeschirm wiedergeben, wodurch eine Entfernung einer in Betracht kommenden Information sofort angezeigt wird. Im praktischen Betrieb der Vorrichtung hat sich gezeigt, daß sie scharf und genau sowie ohne Zweideutigkeiten bis auf eine Entfernung von 200 Meter arbeitet.

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Ein zusätzliches Merkmal der betriebsfähigen Vorrichtung liegt darin, daß damit ein Signalausgang vom Niederfrequenzverstärker in einen Kopfhörer eingespeist werden kann. Dies ist insbesondere von beträchtlichem Wert bei der Charakterisierung der Eigenheit der Oberfläche, die das Informationssignal erzeugt. Es hat sich in der Praxis erwiesen, daß unterschiedliche sich bewegende Oberflächen unzweideutige Zeichenzüge aufweisen. Beispielshalber weist von der Zuführstelle in den Bunker fallende Kohle viele Hochfrequenz-Schallkomponenten auf, während die rückgeführte Information von der Kohlenoberfläche Komponenten enthält, die ein niederfrequentes Rumpelgeräusch entstehen lassen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wurde zufriedenstellend in· einem 16 und einem 30 Meter Bunker sowohl beim Pullen als auch beim Entleeren geprüft. Auch wurden Bunker mit internen Wendelrutschen und auch solche mit freiem Fall zufriedenstellend gemessen.

Leerseite

Claims

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PATENTANWALTSBÜRO

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. W. MEISSNER (1980) DIPL-ING. P.E. MEISSNER DIPL-ING. H.-J. PRESTING

Zugelassene Vertreter vor dem Europäischen Patentamt Professional Representatives before the European Patent Office

Ihr Zeichen Ihr Schreibart vom Unser· Zeichen HERBERTSTR. 22, 1000 BERLIN 33

Hd-28673 26.05.1981

Hawker Siddeley Dynamics Engineering Limited Hatfield, Hertfordshire AL10 9LP
Großbritannien

Patentansprüche:

Verfahren zum Messen der Höhe eines strömenden Materials in einem Behälter oder Bunker, dadurch gekennzeichnet, daß Impulsstrahlung aus einem Mikrowellen-Impulsstrahlungsgeber auf die Materialoberfläche geworfen wird und die von der Oberfläche reflektierende Rückinformation verarbeitet wird, so daß Impulse in der Wellenform erfaßt werden, die zeitveränderliche Amplituden wiedergibt, die Informationen von der strömenden Oberfläche anzeigen, und daß Impulse unveränderlicher Form zurückgewiesen werden, die Informationen von ortsfesten Teilen des Bunkeraufbaus anzeigen.

TELEX TELEGRAMM: TELEFON; BANKKONTO: POSTSCHfCKKONTO 1-85644 ; INVENTION ■ BERUN BERLINER BANK AQ. P MEISSNER. BLN-W inven d BERLIN 030/8916037 BERUN 31 4047 37-103 030/6813026 3695716000
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahlung oder -information verarbeitet wird, so daß Komponenten niedrigerer Frequenz in der Wellenform, die eine Oberflächenbewegung anzeigt, unterschieden werden'von Komponenten höherer Frequenz, die für von einer Zuführstelle eingeschüttetes Material anzeigend steht, und daß die Komponenten höherer Frequenz eliminiert werden.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Mikrowellen-Impulsstrahlungsgeber (1,2,3), der oberhalb oder am Oberteil eines Behälters oder Bunkers angeordnet werden kann, so daß diese-Strahlung auf die.Oberfläche des strömenden Materials im Behälter oder Bunker geworfen wird, eine Einrichtung (^,5, 6) zum Empfangen der Rückinformation, die von der Oberfläche reflektiert wird, und durch eine Einrichtung zum Erfassen (7-12) von Wellenformimpulsen in der Rückinformation, die zeitveränderliche Ampliden wiedergeben, welche !informationen von der strömenden Oberfläche anzeigen, und· zum Zurückweisein von Impulsen unveränderlicher Form, die Informationen von ortsfesten !Peilen des Bunkeraufbaus anzeigen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3* gekennzeichnet durch eine Einrichtung (13) zum Verarbeiten von Rückinformation, so daß niederfrequente Komponenten von Oberflächenbewegung anzeigender Wellen·«- form unterschieden werden von über eine Zuführstelle eingeschüttetes Gut anzeigenden höherfrequenten Komponenten .und daß die höherfrequenten Komponenten eliminiert werden. ·

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellen-Impulsstrahlungsgeber einen Elektronenstrahl-Laufzeitgenerator (1), einen PIN-Modulator (2) und eine sendende Trichtersendeantenne (3) aufweist.
6.. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4 oder 5, d a durch gekennzeichnet, daß als Empfangseinrichtung eine aus einer Trichterempfangsantenne (4), einer Schwingquarz -Mischschaltung (5) und einem Video-Verstärker bestehende Anordnung verwendet wird. .
7. -Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennze ichnet, daß eine Kupplungsleitung (8) eine kleine Probe des ausgestrahlten Signals in der Nähe des Mikrowellen-Impulsstrahlungsgebers auffängt und sie die Schwingquarz-Mischschaltung (5) zuführt .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder nach den Ansprüchen 6 und 7» dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstandsauftast- und Festhalteschaltung (7)» die den Ausgang des Video-Verstärkers (6) empfängt, ein Filter (10), das den Ausgang des Absfandsauftastsignals und der Festhalteschaltung empfängt und unerwünschte Frequenzen in der Rückführungswellenform dämpft, ein Niederfrequenzverstärker (11) zum Aufnehmen des Filterausgangs und eine Demodulationsschaltung (12) vorgesehen sind, das den Ausgang des Niederfrequenzverstärkers empfängt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichne t durch einen Mikroprozessor (13)» der den

Ausgang der Demodulationsschaltung (12) empfängt, und ein Ausgangssignal liefert, das die Entfernung der Oberfläche des strömenden Materials unterhalb der Antennen verkörpert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Zeitschaltungen, die am Mikroprozessor angeschlossen sind und Ausgangsimpulse an den PIN-Modulator und die Abstandsauftast- und Festhalteschaltung (7) liefert.