EP1261847A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines füllguts in einem behälter - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des füllstandes eines füllguts in einem behälter

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EP1261847A1
EP1261847A1 EP01915245A EP01915245A EP1261847A1 EP 1261847 A1 EP1261847 A1 EP 1261847A1 EP 01915245 A EP01915245 A EP 01915245A EP 01915245 A EP01915245 A EP 01915245A EP 1261847 A1 EP1261847 A1 EP 1261847A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pulse
sequence
pulses
pulse sequence
binary
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01915245A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Lalla
Bernhard Michalski
Herbert Schroth
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1261847A1 publication Critical patent/EP1261847A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/103—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves particularities of the measurement of the distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the filling level of a filling material in a container.
  • Non-contact measuring systems are increasingly being used to detect the level of liquids or bulk materials in containers.
  • Microwaves, ultrasound waves, electromagnetic pulses, light pulses, or - in particularly critical applications - radioactive rays are used as measuring radiation.
  • TDR sensors are increasingly used here, in which short electromagnetic high-frequency pulses or continuous microwaves on a conductive, elongated element, for. B. a rod or a cable probe, coupled and inserted into the container in which the contents are stored by means of the conductive element.
  • TDR is the abbreviation for Time Domain Reflectometry.
  • this measurement method takes advantage of the effect that two different media, e.g. B. air and oil or air and water, due to the sudden change (discontinuity) of the dielectric constant of both media, a part of the guided electromagnetic pulses or the guided microwaves reflected and passed back via the conductive element into a receiving device.
  • the reflected portion of the electromagnetic pulses or microwaves is the greater, the different the dielectric numbers of the two media are.
  • Sensors with guided high-frequency signals are distinguished from sensors that radiate high-frequency pulses or waves freely (free-field microwave systems (FMR) or 'real radar systems') by significantly lower damping.
  • FMR free-field microwave systems
  • the reason for this is that the power flow takes place very specifically along the rod or cable probe or the conductive element.
  • the sensors with guided high-frequency signals in the close range have a higher measurement quality than free-radiating sensors.
  • sensors with guided high-frequency signals is the high level of safety and reliability of the corresponding level measurement. This is due to the fact that the measurement with guided transmission signals is more independent of the product properties of the filling material
  • Container construction e.g. materials, geometry
  • other operating conditions e.g. dust, build-up
  • a fill level measuring device is known from US Pat. No. 5,233,352, in which two pulse generators generate two binary pulse sequences.
  • the second pulse sequence is delayed in time compared to the first pulse sequence, the time delay being variable and being dimensioned such that the time delay due to the running time of the first pulse sequence is equal to the set time delay between the two pulse sequences.
  • the correct time delay is determined by means of autocorrelation of the two pulse sequences.
  • a disadvantage of the known solution is the fact that high-frequency pulse trains must be used to operate the known measuring device. This is the only way to achieve a sufficiently high measuring accuracy.
  • the invention has for its object to propose a method and a device for level measurement, which can be implemented inexpensively and which are also characterized by increased measurement accuracy.
  • the object is achieved by the following method steps: transmit signals in the form of a first binary-weighted sequence of transmit pulses (-> first binary pulse sequence) are emitted with a predetermined pulse repetition duration ⁇ R and a predetermined sequence length L in the direction of the surface of the medium; hereinafter the
  • the fill level of the filling material in the container is determined on the basis of the sampling values.
  • a major advantage of the method according to the invention - as well as the device according to the invention - compared to the solutions known to date is that echo signals with a transit time greater than the reciprocal of the pulse repetition frequency (-> pulse repetition duration) and less than the sequence length L of the transmission pulse sequence do not enter the Measurement result and therefore not included in the calculation of the level. It is therefore no longer necessary to wait after the transmission of a transmission pulse until the corresponding echo signal has completely subsided. As a result, the pulse repetition frequency can be increased and thus the measuring speed can be increased. In other words: By having a large number of measured values within a defined one
  • the signal-to-noise ratio and thus the quality of the level measurement can be improved. If one looks at the matter from the point of view that the pulse repetition frequency is already sufficiently high, one benefits from the fact that the measurement result is free of intrinsic disturbances which are caused by stray echo signals (overreach).
  • the sample values are averaged or integrated. If the transmission pulse last transmitted was not suppressed in accordance with the binary pulse sequence, the sampling values are integrated; however, is the last broadcast
  • Transmission pulse has been suppressed according to the binary sequence, the inverted sample integrated.
  • the integration is advantageously carried out over the simple sequence length L of the binary transmission pulse sequence.
  • the binary-weighted transmission pulse sequence is preferably controlled by means of a feedback shift register.
  • the sensor is preferably a sensor that works with electromagnetic pulses.
  • the invention is not limited to electromagnetic pulses, it can also work with other signals (ultrasound, microwave or light pulses).
  • the transmitter unit is an arrangement in which the transmitter pulses are introduced into the medium along a conductive element. As such, this arrangement is best known from the prior art.
  • the scanning circuit provides the superimposition of only those components of the echo signals that originate from an actually transmitted and not from a suppressed transmission pulse.
  • An advantageous development of the device according to the invention provides an integrator which carries out averaging or integration of the sample values.
  • the first binary-weighted pulse sequence is a pseudo-random sequence.
  • the first binary-weighted pulse sequence is preferably generated by means of a feedback shift register.
  • the signal generation unit has a pulse frequency generator, a first sequence control and a pulse shaper, the pulse frequency generator generating a continuous pulse sequence with the pulse repetition duration ⁇ R , the first sequence control using the pulse sequence a periodic binary-weighted pulse sequence with the sequence length L is generated and the pulse shaper generates steep-flanked transmission pulses from the pulses of the binary-weighted pulse sequence.
  • the time delay circuit is fed with the pulse sequence generated by the pulse frequency generator and that the time delay circuit generates a pulse sequence delayed by the time delay r s from the pulse sequence.
  • a second sequence control which generates a sequence of scanning pulses with the pulse repetition duration ⁇ r and which the delay circuit in adjusted equidistant steps.
  • the second sequential control system preferably adjusts the time delay circuit in equidistant steps of the delay time ⁇ s .
  • the second sequence control resets the integrator after integration of the reflected scanning pulses, the integration preferably being carried out over the sequence length L or its multiples.
  • Fig. 4 a schematic representation of a third embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the device according to the invention.
  • a pulse frequency generator (7) generates a continuous sequence of pulses which, according to an advantageous further development of the invention, have a predetermined pulse repetition frequency or pulse repetition duration ⁇ R. It is possible to generate a binary weighting of the pulse train using a feedback shift register. Such a shift register is described, for example, in the book 'Kryptologie' by Patrick Horster, pages 56-59, Bl Verlag 1985. The separate representation of the shift register in FIG. 1 has been omitted.
  • the pulses are rectangular pulses, and the invention is in no way limited to this special pulse shape.
  • the pulse repetition time ⁇ R is chosen so that even when the maximum running distance is ensured that a subsequent transmit pulse is only sent when the previous transmit pulse has returned as an echo signal.
  • the frequency of the pulses is on the order of a few 100 kHz to approx. 10 MHz.
  • the first sequence control circuit (8) is clocked with the first pulse sequence.
  • the sequence control circuit (8) generates a periodic, binary-weighted pulse sequence from the continuous pulse sequence by masking out certain pulses from the pulse sequence. The masking is preferably carried out in that the first sequence control circuit (8) actuates the switch (10) in accordance with the predetermined bit sequence. The desired periodic binary-weighted pulse sequence is thus available at the output of the switch (10).
  • a first pulse shaper (9) is fed with this binary pulse sequence. This generates steep-edged transmission pulses from the rectangular pulses, which - in the case shown - are sent to the TDR sensor (19).
  • Such a TDR sensor consisting of a transmitter unit (4) and a conductive element, is described, for example, in the already cited US Pat. No. 5,233,352.
  • the pulse sequence generated by the pulse frequency generator (7) is also present at the input of the time delay circuit (11). Via the time delay circuit (1 1) a second continuous pulse sequence with the pulse repetition time ⁇ R is generated, which is time-delayed compared to the first periodic binary pulse sequence.
  • the time delay ⁇ s is adjustable; it is set to the respectively desired value by means of the second sequence control circuit (14).
  • a second pulse shaper (12) is fed with the second time-delayed pulse sequence and uses it to generate a sequence of steep-edged pulses with the pulse repetition duration ⁇ R.
  • a sampling circuit (13) samples the echo signal delivered by the TDR sensor (19) in time windows, which are determined by the sequence of the sampling pulses, and thereby generates a sampled propagation time signal.
  • the second sequence control circuit (14) adjusts the time delay circuit (11). The adjustment is preferably carried out in equidistant steps of the time delay ⁇ s .
  • the integrator (15) integrates the sampled echo signal if the first sequence control circuit (8) has not suppressed the associated transmit pulse.
  • the integrator integrates the sampled echo signal inverted by means of the inverter (16). Depending on the desired characteristic of the measuring system, a non-linear amplitude weighting is carried out by means of a weighting device (20) connected upstream of the inverter (16).
  • the integrator (15) delivers the integrated echo signal at its output.
  • the integrated echo signal is converted into digital measurement data by the A / D converter (17) on command of the second sequence control circuit (14) at certain times.
  • the integrator (15) is then reset by the second sequence control circuit (14).
  • An evaluation unit (18) uses the digital measurement data supplied by the A / D converter (17) to determine the transit time of the transmit / echo pulses and from this the respective fill level of the product (1) in the container ( 2).
  • the sampling circuit (13) only delivers those instantaneous values of the echo signals which originate from an actually transmitted and not from a previously suppressed transmission pulse. If the transmit pulse last transmitted was not suppressed in accordance with the binary pulse sequence, the integrator integrates the sampled values. If the last transmission pulse of the binary pulse sequence has been suppressed, the inverted sample value is integrated.
  • the integration is expediently carried out over the simple sequence length L of the binary transmission sequence, then the position of the integrator (15) reached for evaluation (this is indicated by the arrows in FIG. 2) and then the integrator (15) is reset.
  • the time position of an integration interval in relation to the binary pulse shape is, incidentally, irrelevant to this special embodiment of the device according to the invention.
  • the invention makes it possible that after the transmission of a transmission pulse on the TDR sensor (19) (or the antenna) no longer has to be waited until the resulting echo signal has completely subsided. From this it follows that the pulse repetition frequency and thus the measuring speed can be increased. In other words: Since it is possible to increase the number of measured values available within a certain time interval, the signal-to-noise ratio and thus the quality of the level measurement can be significantly improved.
  • the pulse repetition frequency is already sufficiently high, one benefits according to the invention from the fact that only a relatively small intrinsic disturbance of the measurements due to stray echoes occurs.
  • the vagabond echo signals have their cause in overreach.
  • 3 and 4 represent a second and a third preferred embodiment of the device according to the invention, which differ from the embodiment shown in FIG. 1 by two separate scanning circuits 21, 24. For the rest, however, they have a corresponding structure.
  • the pulses generated by the second pulse shaper 12 are transmitted via a Switch S A given to either the first or the second sampling circuit 21, 24.
  • the first and also the second sampling circuit are illustrated in FIGS. 3 and 4 by a sampling switch 22 and 25 and an integrator 23 and 26, respectively.
  • the mode of operation of the embodiment shown in FIG. 3 is as follows:
  • the selection between the two sampling circuits 21, 24 takes place, as mentioned, via the switch S A , the control input of which is controlled by the first sequence control circuit 8.
  • the sampler signal is then applied by the second pulse shaper 12 to the respective sampling circuit 21 or 24 via switch S A.
  • the two sampling circuits 21 and 24 each have the integrator 23 and 26, the outputs of which are directed to the integrator 15 operating as a differentiating circuit.
  • the difference between the interchanged signal from the first sampling circuit 21 and the "only" noise signal from the second sampling circuit 24 is formed.
  • FIGS. 3 and 4 essentially consists in the fact that the embodiment according to FIG. 3 manages with only one second pulse shaper 12.
  • the sampling circuit 21 is driven by the second pulse shaper 12 and the sampling circuit 24 by an identical third pulse shaper 12a.
  • the pulse shapers 12 and 12a are selected by a switch S B.
  • the further function and effect corresponds to the embodiment of the invention shown in FIG. 3.
  • the advantage of the embodiment according to FIG. 4 is that the very steep-edged signals of the pulse shapers 12, 12a are not sent via a switch but directly to the

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstands eines Füllguts (1) in einem Behälter (2). Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung vorzuschlagen, welche sich kostengünstig realisieren lassen und die sich darüber hinaus durch eine erhöhte Messgenauigkeit auszeichnen. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Sendesignale in Form einer ersten binär gewichteten Pulsfolge von Sendepulsen mit einer vorgegebenen Pulswiederholdauer (τR) und einer vorgegebenen Pulssequenzlänge (L) in Richtung der Oberfläche (3) des Füllguts (1) ausgesendet werden; die Echosignale der an der Oberfläche (3) des Füllguts (1) reflektierten Sendepulse werden mit einer zweiten vorzugsweise kontinuierlichen Pulsfolge von Abtastpulsen der Pulswiederholdauer τR abgetastet, wobei die zweite Pulsfolge gegenüber der ersten Pulsfolge Zeitverzögerung (τS) aufweist, wobei Komponenten der Abtastwerte, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τ = τS entsprechen, bestehen bleiben, während Komponenten, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τS < τ < τS + L . τR entsprechen, ausgelöscht werden. Anhand der gewichteten Abtastwerte wird der Füllstand des Füllguts (1) in dem Behälter (2) bestimmt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines
Füllguts in einem Behälter
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter.
Zur Detektion des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältern werden in zunehmendem Maße berührungslos arbeitende Meßsysteme eingesetzt. Als Meßstrahlung werden Mikrowellen, Ultraschallwellen, elektromagnetische Pulse, Lichtpulse, - oder in besonders kritischen Anwendungen - radioaktive Strahlen verwendet.
Bei einer Vielzahl von Einsatzgebieten, z. B. in der Petrochemie, Chemie und Lebensmittelindustrie, sind hochgenaue Messungen des Füllstandes von Flüssigkeiten oder Schüttgütern in Behältern (Tanks, Silos, usw. ) gefordert. Deshalb kommen hier in zunehmendem Maße TDR-Sensoren zum Einsatz, bei denen kurze elektromagnetische Hochfrequenzimpulse oder kontinuierliche Mikrowellen auf eine leitfähiges, langgestrecktes Element, z. B. eine Stab- oder eine Seilsonde, eingekoppelt und mittels des leitfähigen Elements in den Behälter, in dem das Füllgut gelagert ist, hineingeführt werden. TDR ist übrigens die Abkürzung für Time Domain Reflectometry.
Physikalisch gesehen wird bei dieser Meßmethode der Effekt ausgenutzt, daß an der Grenzfläche von zwei unterschiedlichen Medien, z. B. Luft und Öl oder Luft und Wasser, infolge der sprunghaften Änderung (Diskontinuität) der Dielektrizitätszahlen beider Medien ein Teil der geführten elektromagnetischen Pulse bzw. der geführten Mikrowellen reflektiert und über das leitfähige Element zurück in eine Empfangsvorrichtung geleitet wird. Der reflektierte Anteil der elektromagnetischen Pulse bzw. der Mikrowellen ist dabei um so größer, je unterschiedlicher die Dielektrizitätszahlen der beiden Medien sind. Anhand der Laufzeit der Pulse oder Wellen läßt sich die
Entfernung zur Grenzfläche bestimmen. Bei Kenntnis der Leerdistanz des Behälters kann nachfolgend der Füllstand des Füllguts in dem Behälter berechnet werden.
Sensoren mit geführten hochfrequenten Signalen (Pulse oder Wellen) zeichnen sich gegenüber Sensoren, die hochfrequente Pulse oder Wellen frei abstrahlen (Freifeld-Mikrowellen-Systeme (FMR) bzw. 'echte Radar-Systeme') durch eine wesentlich geringere Dämpfung aus. Grund hierfür ist, daß der Leistungsfluß ganz gezielt entlang der Stab- oder Seilsonde bzw. des leitfähigen Elements erfolgt. Weiterhin haben die Sensoren mit geführten hochfrequenten Signalen im Nahbereich eine höhere Meßgüte als frei abstrahlende Sensoren.
Ein weiterer Vorteil von Sensoren mit geführten hochfrequenten Signalen liegt in der hohen Sicherheit und Zuverlässigkeit der entsprechenden Füllstandsmessung. Dies rührt daher, daß die Messung mit geführten Sendesignalen unabhängiger ist von den Produkteigenschaften des Füllguts, der
Behälterkonstruktion (z.B. Werkstoffe, Geometrie) oder den sonstigen Betriebsbedingungen (z.B. Staub, Ansatz).
Aus der US-PS 5,233,352 ist eine Füllstandsmessvorrichtung bekannt geworden, bei der zwei Pulsgeneratoren zwei binäre Pulsfolgen erzeugen. Die zweite Pulsfolge ist gegenüber der ersten Pulsfolge zeitlich verzögert, wobei die zeitliche Verzögerung variabel ausgestaltet ist und so bemessen wird, daß die Zeitverzögerung infolge der Laufzeit der ersten Pulsfolge gleich ist der eingestellten Zeitverzögerung zwischen den beiden Pulsfolgen. Die korrekte Zeitverzögerung wird mittels Autokorrelation der beiden Pulsfolgen ermittelt.
Ein Nachteil der bekannt gewordenen Lösung ist darin zu sehen, daß zum Betreiben der bekannten Meßvorrichtung hochfrequente Pulsfolgen eingesetzt werden müssen. Nur so läßt sich eine ausreichend hohe Meßgenauigkeit erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung vorzuschlagen, welche sich kostengünstig realisieren lassen und die sich darüber hinaus durch eine erhöhte Meßgenauigkeit auszeichnen. Die Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst: Sendesignale in Form einer ersten binär gewichteten Folge von Sendepulsen (--> erste binäre Pulsfolge) werden mit einer vorgegebenen Pulswiederholdauer τR und einer vorgegebenen Sequenzlänge L in Richtung der Oberfläche des Füllguts ausgesendet; nachfolgend werden die
Echosignale der an der Oberfläche des Füllguts reflektierten Sendepulse mit einer zweiten vorzugsweise kontinuierlichen Folge von Abtastpulsen der Pulswiederholdauer τR abgetastet, wobei die zweite Pulsfolge gegenüber der ersten Pulsfolge eine Zeitverzögerung (rs ) aufweist und wobei Komponenten der Abtastwerte, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τ = τs entsprechen, bestehen bleiben, während Komponenten, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τ < τ < τ + L • τR entsprechen, ausgelöscht werden. Anhand der Abtastwerte wird der Füllstand des Füllguts in dem Behälter bestimmt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens - ebenso wie der erfindungsgemäßen Vorrichtung - gegenüber den bislang bekannt gewordenen Lösungen liegt darin, daß Echosignale mit einer Laufzeit größer als der Kehrwert der Pulsfolgefrequenz (--> Pulswiederholdauer) und kleiner als die Sequenzlänge L der Sendepulsfolge nicht in das Meßergebnis und damit nicht in die Berechnung des Füllstandes eingehen. Es ist daher nicht mehr notwendig, nach dem Aussenden eines Sendepulses so lange zuzuwarten, bis das entsprechende Echosignal vollständig abgeklungen ist. Folglich kann die Pulsfolgefrequenz erhöht und damit die Meßgeschwindigkeit gesteigert werden. Oder anders ausgedrückt: Durch das Vorhanden- sein einer größeren Anzahl von Meßwerten innerhalb eines definierten
Zeitintervalls läßt sich das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Güte der Füllstandsmessung verbessern. Betrachtet man die Sache von der Warte, daß die Pulsfolgefrequenz bereits ausreichend hoch ist, so profitiert man davon, daß das Meßergebnis frei ist von Eigenstörungen, die durch vagabundierende Echosignale (Überreichweiten) hervorgerufen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Abtastwerte gemittelt bzw. integriert. Ist der zuletzt ausgesendete Sendepuls gemäß der binären Pulsfolge nicht unterdrückt worden, so werden die Abtastwerte aufintegriert; ist hingegen der zuletzt ausgesendete
Sendepuls gemäß der binären Sequenz unterdrückt worden, so wird der invertierte Abtastwert aufintegriert. Der Integrator liefert die Überlagerung aller Momentanwerte der Echosignale an den Stellen τ = rs + k • τR . Vorteilhafterweise wird die Integration über die einfache Sequenzlänge L der binären Sendepulsfolge durchgeführt.
Bevorzugt wird die binär gewichtete Sendepulsfolge mittels eines rückgekoppelten Schieberegisters gesteuert.
Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest die folgenden Komponenten vorgesehen sind: eine Signalerzeugungseinheit, die eine erste binär gewichtete Folge von Sendepulsen mit einer Pulswiederholdauer τR und einer Sequenzlänge L und eine zweite kontinuierliche Folge von Abtastpulsen mit einer Pulswiederholdauer τR erzeugt; eine Sende- /Empfangseinheit, die die erste binäre Pulsfolge in Richtung der Oberfläche des Füllguts aussendet und die reflektierten Echosignale empfängt; eine Zeitverzögerungsschaltung, die die zweite Pulsfolge gegenüber der ersten Pulsfolge zeitlich verzögert (--> Zeitverzögerung τs ) eine Abtastschaltung, die an der Oberfläche reflektierte Echosignale der ersten Pulsfolge mit den Abtastpulsen der zweiten kontinuierlichen Pulsfolge abtastet, wobei Komponenten der Abtastwerte, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τ = r5 entsprechen, bestehen bleiben, während Komponenten, die Echosignalen mit einer Laufzeit von z < τ < τ + L • τR entsprechen, ausgelöscht werden; eine Auswerteeinheit, die anhand der Abtastwerte den Füllstand des Füllguts in dem Behälter bestimmt.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Sensor um einen Sensor, der mit elektromagnetischen Pulsen arbeitet. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf elektromagnetische Pulse begrenzt, sie kann auch mit anderen Signalen (Ultraschall-, Mikrowellen- oder Licht-Pulsen) arbeiten. Im Falle der Nutzung von elektromagnetischen Pulsen handelt es sich bei der Sendeeinheit um eine Anordnung, bei der die Sendepulse längs eines leitfähigen Elements in das Medium hineingeführt werden. Diese Anordnung ist als solche aus dem Stand der Technik bestens bekannt.
Betrachtet man zuerst den Stand der Technik, so zeigt sich folgendes: Im Falle eines einzelnen Sende-/Echopulses liefert die Abtastschaltung einen Abtastwert des Echosignals nach der Zeitdauer rs . Handelt es sich um eine kontinuierliche Folge von Sendepulsen, so liefert die Abtastschaltung die Überlagerung, also die Summe, aller Momentanwerte des Echosignals an den Stellen τ = τi + k • τR , wobei k > 0 ist.
Wird hingegen, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine periodische binär gewichtete Pulsfolge der Sequenzlänge L verwendet, so liefert die Abtastschaltung die Überlagerung nur jener Komponenten der Echosignale, die von einem tatsächlich gesendeten und nicht von einem unterdrückten Sendepuls herrühren.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen Integrator vor, der eine Mittelung bzw. eine Integration der Abtastwerte durchführt.
Darüber hinaus schlägt eine günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vor, daß es sich bei der ersten binär gewichteten Pulsfolge um eine Pseudo-Zufallsfolge handelt. Bevorzugt wird die erste binär gewichtete Pulsfolge mittels eines rückgekoppelten Schieberegisters erzeugt.
Als besonders günstig hat es sich herausgestellt, wenn die Signalerzeugungseinheit einen Pulsfrequenzgenerator, eine erste Ablaufsteuerung und einen Pulsformer aufweist, wobei der Pulsfrequenzgenerator eine kontinuierliche Pulsfolge mit der Pulswiederholdauer τR erzeugt, wobei die erste Ablaufsteuerung aus der Pulsfolge eine periodische binär gewichtete Pulsfolge mit der Sequenzlänge L erzeugt und wobei der Pulsformer aus den Pulsen der binär gewichteten Pulsfolge steilflankige Sendepulse erzeugt.
Weiterhin wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeregt, daß die Zeitverzögerungsschaltung mit der vom Pulsfrequenzgenerator erzeugten Pulsfolge gespeist wird und daß die Zeitverzögerungsschaltung aus der Pulsfolge eine um die Zeitverzögerung rs verzögerte Pulsfolge erzeugt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine zweite Ablaufsteuerung vorgesehen, die eine Folge von Abtastpulsen mit der Pulswiederholdauer τr erzeugt und die die Verzögerungsschaltung in äquidistanten Schritten verstellt. Bevorzugt nimmt die zweite Ablaufsteuerung die Verstellung der Zeitverzögerungsschaltung in äquidistanten Schritten der Verzögerungszeit τs vor. Weiterhin ist vorgesehen, daß die zweite Ablaufsteuerung den Integrator nach Integration der reflektierten Abtastpulse zurücksetzt, wobei die Integration bevorzugt über die Sequenzlänge L oder deren Vielfache durchgeführt wird.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung;
Fig. 2: eine Veranschaulichung der Auf- und Ab-Integration der Abtastwerte;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 4: eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Pulsfrequenzgenerator (7) erzeugt eine kontinuierliche Folge von Pulsen, die gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine fest vorgegebene Pulswiederholfrequenz bzw. Pulswiederholdauer τR aufweisen. Möglich ist es, eine binäre Gewichtung der Pulsfolge durch ein rückgekoppeltes Schieberegister zu erzeugen. Ein derartiges Schieberegister ist beispielsweise in dem Buch 'Kryptologie' von Patrick Horster, Seiten 56-59, B.l. Verlag 1985 beschrieben. Auf die gesonderte Darstellung des Schieberegisters in Fig. 1 wurde verzichtet.
Bei den Pulsen handelt es sich im dargestellten Fall um Rechteckpulse, wobei die Erfindung keineswegs auf diese spezielle Pulsform beschränkt ist. Die Pulswiederholdauer τR ist so gewählt, daß auch bei Zurücklegen der maximalen Laufstrecke sichergestellt ist, daß ein nachfolgender Sendepuls erst dann abgesendet wird, wenn der vorhergehende Sendepuls als Echosignal zurückgekommen ist. Die Frequenz der Pulse liegt je nach Anwendungsfall in der Größenordnung von einigen 100 kHz bis ca. 10 MHz.
Die erste Ablaufsteuerschaltung (8) wird mit der ersten Pulsfolge getaktet. Die Ablaufsteuerschaltung (8) erzeugt aus der kontinuierlichen Pulsfolge eine periodische binär gewichtete Pulsfolge, indem sie gewisse Pulse aus der Pulsfolge ausblendet. Die Ausblendung erfolgt bevorzugt dadurch, daß die erste Ablaufsteuerschaltung (8) den Schalter (10) entsprechend der vorgegebenen Bitfolge betätigt. Am Ausgang des Schalters (10) steht somit die gewünschte periodische binär gewichtete Pulsfolge zur Verfügung. Mit dieser binären Pulsfolge wird ein erster Pulsformer (9) gespeist. Dieser erzeugt aus den Rechteckpulsen steilflankige Sendepulse, die -im dargestellten Fall- auf den TDR-Sensor (19) gegeben werden. Ein derartiger TDR-Sensor, bestehend aus Sendeeinheit (4) und leitfähigem Element, wird beispielsweise in der bereits zitierten US-PS 5,233,352 beschrieben.
Die von dem Pulsfrequenzgenerator (7) erzeugte Pulsfolge liegt auch am Eingang der Zeitverzögerungsschaltung (11 ) an. Über die Zeitverzögerungsschaltung (1 1 ) wird eine zweite kontinuierliche Pulsfolge mit der Pulswiederholdauer τR erzeugt, die gegenüber der ersten periodischen binären Pulsfolge zeitverzögert ist. Die Zeitverzögerung τs ist einstellbar; sie wird mittels der zweiten Ablaufsteuerschaltung (14) auf den jeweils gewünschten Wert eingestellt.
Ein zweiter Pulsformer (12) wird mit der zweiten zeitverzögerten Pulsfolge gespeist und erzeugt daraus eine Folge von steilflankigen Pulsen mit der Pulswiederholdauer τR . Eine Abtastschaltung (13) tastet in Zeitfenstern, die durch die Folge der Abtastpulse bestimmt sind, das vom TDR-Sensor (19) gelieferte Echosignal ab und erzeugt dadurch ein abgetastetes Laufzeitsignal. Die zweite Ablaufsteuerschaltung (14) verstellt die Zeitverzögerungsschaltung (11). Vorzugsweise erfolgt die Verstellung in äquidistanten Schritten der Zeitverzögerung τs . Der Integrator (15) integriert das abgetastete Echosignal auf, falls die erste Ablaufsteuerschaltung (8) den zugehörigen Sendepuls nicht unterdrückt hat. Für den Fall, daß der zuletzt ausgesendete Sendepuls von der ersten Ablaufsteuerschaltung (8) unterdrückt wurde, integriert der Integrator (15) das mittels des Invertierers (16) invertierte abgetastete Echosignal auf. Je nach gewünschter Kennlinie des Mess-Systems erfolgt mittels einer dem Invertierer (16) vorgeschalteten Gewichtungsvorrichtung (20) eine nichtlineare Amplitudenwichtung. Der Integrator (15) liefert an seinem Ausgang das integrierte Echosignal. Das integrierte Echosignal wird von dem A/D Wandler (17) auf Befehl der zweiten Ablaufsteuerschaltung (14) zu bestimmten Zeitpunkten in digitale Meßdaten umgewandelt. Anschließend wird der Integrator (15) von der zweiten Ablaufsteuerschaltung (14) zurückgesetzt. Eine Auswerteeinheit (18), insbesondere ein Digitalrechner, ermittelt aus den digitalen Meßdaten, die von dem A/D Wandler (17) geliefert werden, die Laufzeit der Sende-/Echopulse und daraus den jeweiligen Füllstand des Füllguts (1) in dem Behälter (2).
Fig. 2 veranschaulicht anhand einer Tabelle die Auf- und Ab-Integration der Abtastwerte. Dargestellt sind drei Perioden einer binären Sequenz, die sich durch das Bitmuster 11 10010 beschreiben läßt. Die Abtastung der reflektierten Echosignale erfolgt jeweils an den Stellen τ = r + k • τR , wobei k > 0 ist. In der ersten Periode, sprich in der Anlaufphase, wird keine Integration vorgenommen. Wie bereits gesagt, liefert die Abtastschaltung (13) nur diejenigen Momentanwerte der Echosignale, die von einem tatsächlich gesendeten und nicht von einem in der Vergangenheit unterdrückten Sendepuls herrühren. Ist der zuletzt ausgesendete Sendepuls gemäß der binären Pulsfolge nicht unterdrückt worden, so integriert der Integrator die Abtastwerte auf. Ist der letzte Sendepuls der binären Pulsfolge unterdrückt worden, so wird der invertierte Abtastwert aufintegriert. Folglich liefert der Integrator nur die Überlagerung aller Komponeten der Echosignale an den Stellen τ = r5 + k • τR . Alle Laufzeitsignale, die eine Laufzeit aufweisen, die größer ist als der Kehrwert der Pulsfolgefrequenz der ersten binären Pulsfolge und kleiner ist als die Sequenzlänge L der ersten Pulsfolge, gehen nicht in das Meßergebnis ein. Zweckmäßigerweise führt man die Integration über die einfache Sequenzlänge L der binären Sendefolge aus, übernimmt anschließend den jeweils erreichten Stand des Integrators (15) zur Auswertung (in Fig. 2 ist dies angedeutet durch die Pfeile) und setzt sodann den Integrator (15) zurück. Die zeitliche Position eines Integrationsintervalls in Bezug zur binären Pulsfoige ist übrigens ohne Belang für diese spezielle Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung ermöglicht es, daß nach dem Senden eines Sendepulses auf den TDR-Sensor (19) (oder die Antenne) nicht mehr zugewartet werden muß, bis das resultierende Echosignal vollständig abgeklungen ist. Hieraus folgt, daß die Pulsfolgefrequenz und somit die Meßgeschwindigkeit erhöht werden können. Oder anders ausgedrückt: Da es gelingt, die innerhalb eines gewissen Zeitintervalls zur Verfügung stehende Anzahl der Meßwerte zu steigern, läßt sich das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Güte der Füllstandsmessung erheblich verbessern.
Ist hingegen die Pulsfolgefrequenz bereits hinreichend hoch, so profitiert man erfindungsgemäß davon, daß nur noch eine relativ geringe Eigenstörung der Messungen durch vagabundierende Echos auftritt. Die vagabundierenden Echosignale haben übrigens ihre Ursache in Überreichweiten.
Die Fig. 3 und 4 stellen eine zweite und eine dritte bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar, die sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführung durch zwei separate Abtastschaltungen 21 , 24 unterscheiden. Im übrigen sind sie aber von entsprechendem Aufbau.
Diese Ausführungsformen verbessern das oben erwähnte Signal-Rausch- Verhalten noch weiter, indem sie im Prinzip jeweils nur durch Rauschen bestimmte Signale erfaßt und diese von den mit Rausch behafteten Echosignale quasi "abzieht", um so nahezu rauschfreie Signale zu erhalten. Die ausschließlich vom Rauschen bestimmten Signale erhält man in einer Art Leerlaufbetrieb, wenn keine Sendepulse zur Messung auf das TDR-Gerät 19 gegeben werden.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden dazu die vom zweiten Pulsformer 12 erzeugten Pulse über einen Schalter SA entweder auf die erste oder die zweite Abtastschaltung 21 , 24 gegeben. Die erste wie auch die zweite Abtastschaltung werden in den Fig. 3 und 4 jeweils durch einen Abtastschalter 22 bzw. 25 und einen Integrator 23 bzw. 26 veranschaulicht.
Die Funktionsweise der in Fig. 3 dargestellten Ausführung ist wie folgt:
Das Selektieren zwischen den beiden Abtastschaltungen 21 , 24 geschieht, wie erwähnt, über den Schalter SA, dessen Steuereingang von der ersten Ablaufsteuerschaltung 8 angesteuert wird. Das Samplersignal wird dann vom zweiten Pulsformer 12 über Schalter SA an die jeweilige Abtastschaltung 21 bzw. 24 angelegt.
Die beiden Abtastschaltungen 21 und 24 haben jeweils den Integrator 23 bzw. 26, deren Ausgänge auf den als Differenzierschaltung arbeitenden Integrator 15 geleitet werden. Hier wird die Differenz dem verauschten Signal aus der ersten Abtastschaltung 21 und dem "nur"-Rauschsignal aus der zweiten Abtastschaltung 24 gebildet.
Der Unterschied zwischen den Ausführungen der Fig. 3 und 4 besteht im wesentlichen darin, daß die Ausführung nach Fig. 3 mit nur einem zweiten Pulsformer 12 auskommt. Demgegenüber werden in der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung die Abtastschaltung 21 vom zweiten Pulformer 12 und und die Abtastschaltung 24 von einem identischen dritten Pulsformer 12a angesteuert. Die Pulsformer 12 und 12a werden durch einen Schalter SB selektiert. Die weitere Funktion und Wirkung entspricht der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.
Der Vorteil der Ausführung nach Fig. 4 ist, daß die sehr steilflankigen Signale der Pulsformer 12, 12a nicht über einen Schalter sondern direkt an die
Abtastschaltungen 21 und 24 geführt werden. Dadurch bleibt die Signalform der Pulse erhalten. Bezugszeicheniiste
1 Füllgut
2 Behälter
3 Oberfläche des Füllguts
4 Sendeeinheit
5 leitfähiges Element
6 Signalerzeugungseinheit
7 Pulsfrequenzgenerator
8 erste Ablaufsteuerschaltung
9 erster Pulsformer
10 Schalter
11 Zeitverzögerungsschaltung
12 zweiter Pulsformer
13 Abtastschaltung
14 zweite Ablaufsteuerschaltung
15 Integrator
16 Invertierer
17 A/D Wandler
18 Auswerteeinheit
19 TDR Sensor
20 Gewichtungsvorrichtung
12a dritter Pulsformer
21 zweite Abtastschaltung
22 Abtastschalter
23 Integrator
24 dritte Abtastschaltung
25 Abtastschalter
26 Integrator
SA Schalter
SB Schalter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts (1 ) in einem Behälter (2), wobei Sendesignale in Form einer ersten binär gewichteten Folge von Sendepulsen mit einer vorgegebenen Pulswiederholdauer (τκ ) und vorgegebener Sequenzlänge (L) in Richtung der Oberfläche (3) des Füllguts
(1 ) ausgesendet werden, wobei Echosignale der an der Oberfläche (3) des Füllguts (1 ) reflektierten Sendepulse mit einer zweiten vorzugsweise kontinuierlichen Folge von Abtastpulsen der Pulswiederholdauer τR abgetastet werden, wobei die zweite Pulsfolge gegenüber den Sendepulsen eine Zeitverzögerung (r aufweist, wobei Komponenten der Abtastwerte, die Echosignalen mit einer Laufzeit von x = τ entsprechen, bestehen bleiben, während Komponenten, die Echosignalen mit einer Laufzeit von rs < τ < τ + L • τR entsprechen, ausgelöscht werden und wobei anhand der Abtastwerte der Füllstand des Füllguts (1 ) in dem Behälter
(2) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei eine Teilmenge der Abtastwerte in Funktion der binären Gewichtung der Sendepulsfolge invertiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei Abtastwerte mit einer nichtlinearen Amplitudenfunktion gewichtet werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, wobei Abtastwerte gemittelt bzw. integriert werden und wobei die Mittelung bzw. die Integration der Abtastwerte über die einfache oder mehrfache Pulssequenzlange (L) der binären Gewichtung der Sendepulsfolge durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die binäre Gewichtung der Sendepulsfolge mittels eines rückgekoppelten Schieberegister erzeugt wird.
6. Vorrichtung zur Bestimmung des Füllstandes eines Füllguts in einem Behälter, mit zumindest einer Signalerzeugungseinheit (6), die eine erste binär gewichtete Folge von Sendepulsen mit einer Pulswiederholdauer (τR ) und einer Sequenzlänge (L) und eine zweite kontinuierliche Pulsfolge von Abtastpulsen mit einer Pulswiederholdauer {τR ) erzeugt, mit einer Sendeeinheit (4), die die erste binär gewichtete Pulsfolge in Richtung der Oberfläche (3) des Füllguts (1) aussendet, mit einer Zeitverzögerungsschaltung (11), die die zweite kontinuierliche Abtastpulsfolge gegenüber der ersten binär gewichteten Sendepulsfolge zeitlich um τ verzögert, mit einer Abtastschaltung (13), die an der Oberfläche (3) reflektierte Echosignale der ersten Pulsfolge mit den Abtastpulsen der zweiten kontinuierlichen Pulsfolge abtastet, wobei Komponenten der Abtastwerte, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τ = τs entsprechen, bestehen bleiben, während die Komponenten, die Echosignalen mit einer Laufzeit von τs < τ < r9 + L » τR entsprechen, ausgelöscht werden, und mit einer Auswerteeinheit (18), die anhand der Abtastwerte den Füllstand des Füllguts (1 ) in dem Behälter (2) bestimmt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Signalerzeugungseinheit (6) einen Pulsfrequenzgenerator (1 ), eine erste Ablaufsteuerung (8) und einen ersten Pulsformer (9) aufweist, wobei der Pulsfrequenzgenerator (1 ) eine Pulsfolge mit der Pulswiederholdauer (τR ) erzeugt, wobei die erste Ablaufsteuerung (8) aus der Pulsfolge eine binär gewichtete Pulsfolge mit der Pulssequenzlange (L) erzeugt und wobei der Pulsformer (9) aus den Pulsen der binär gewichteten Pulsfolge steilflankige Sendepulse erzeugt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei es sich bei der binären Gewichtung der Pulsfolge durch
Ablaufsteuerung (8) um eine Pseudo-Zufallsfolge handelt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei in der Ablaufsteuerung (8) ein rückgekoppeltes Schieberegister vorgesehen ist, das eine Pseudo-Zufallsfolge zur Gewichtung der ersten Pulsfolge erzeugt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Zeitverzögerungsschaltung (11) mit der Pulsfolge des Pulsfrequenzgenerators (1 ) gespeist wird und aus der Pulsfolge eine um die Zeitverzögerung τs verzögerte Pulsfolge erzeugt.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei eine zweite Ablaufsteuerschaltung (14) vorgesehen ist, die die Zeitverzögerungsschaltung (11 ) in vorgegebenen Schritten verstellt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei die zweite Ablaufsteuerung (14) die Verstellung der Zeitverzögerungsschaltung (11 ) in äquidistanten Schritten der Verzögerungszeit (τs ) vornimmt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 10, wobei aus der um τs verzögerten Impulsfolge durch einen zweiten Pulsformer (12) steilflankige Abtastpulse erzeugt werden, mit deren Hilfe der Abtaster (13) Echosignale abtastet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei Abtastpulse durch eine Gewichtungsvorrichtung (20) nichtlinear in der Amplitude gewichtet werden.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei abgestastete Echosignale gesteuert von der Ablaufsteuerung (8) in einem Invertierer (16) in der Polarität umgedreht werden.
16. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Integrator (15) vorgesehen ist, der Abtastwerte integriert bzw. mittelt.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die zweite Ablaufsteuerung (14) den Integrator (15) nach Integration der Abtastpulse über die Sequenzlänge L oder Vielfache davon zurücksetzt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 6 mit zwei Abtastschaltungen (21 , 24), wobei die eine Abtastschaltung zur Abtastung von Signalen im Leerlaufbetrieb, also ohne Sendepulse, und die andere Abtastschaltung zur Abtastung von Echosignalen im Meßbetrieb dient.
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