EP1322922A2 - Verfahren zur erfassung des grenzstandes eines gutes und vorrichtung hierzu - Google Patents

Verfahren zur erfassung des grenzstandes eines gutes und vorrichtung hierzu

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Publication number
EP1322922A2
EP1322922A2 EP01985756A EP01985756A EP1322922A2 EP 1322922 A2 EP1322922 A2 EP 1322922A2 EP 01985756 A EP01985756 A EP 01985756A EP 01985756 A EP01985756 A EP 01985756A EP 1322922 A2 EP1322922 A2 EP 1322922A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
time
rod
sampling window
rods
signal
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01985756A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herrmann Best
Markus Hertel
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.)
Kessler Michael
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Kessler Michael
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
Priority claimed from DE20016962U external-priority patent/DE20016962U1/de
Application filed by Kessler Michael, Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Kessler Michael
Publication of EP1322922A2 publication Critical patent/EP1322922A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01F23/2845—Electromagnetic waves for discrete levels

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the limit level of a good with a given dielectric constant, using a holder as a process implementation in which at least one electrically conductive rod is arranged with one end, the other end of which immerses in the good to be monitored when the limit level is reached, whereby the end of the rod seated in the holder is connected via an electrical line to an electrical circuit for generating high-frequency transmit pulses, which has an echo amplifier for receiving the echoes, the high-frequency transmit pulses as guided microwaves according to the principle of time-domain reflectometry, TDR Measurement, via the line on the rod are given, the signals reflected at the boundary layer of the material to air are returned to the echo amplifier for evaluation and the reflection signal is stretched in time, and three temporally successive areas, namely transmission pulse (para Section I), transit time (section II) and time sampling window (section III) can be distinguished, the time sampling window starting at a start time, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a time domain reflectometer
  • sensors for fill level or limit level measurement based on time domain reflectometry are known, for which US-A-5,609,059 provides an overview.
  • TDR time domain reflectometry
  • Such sensors work as continuous systems and are based on the transit time measurement of electromagnetic signals that propagate along an open waveguide, namely the evaluation of the transit time and the reflection of a pulse on the waveguide.
  • the waveguide projects into the medium or not and signals a limit value in the former case.
  • the waveguide is, for example, a Sommerfeld line, a Goubau line, a coaxial cable, a microstrip or a coaxial or parallel arrangement of two lines, for example two probe rods.
  • the wave resistance changes due to the different dielectric constants of the medium compared to air.
  • the medium acts at the interface with the external medium or also in the case of layer formation a discontinuity in the transmission properties of the immersing waveguide within the medium due to the sudden change in its dielectric properties, so that pulses propagating along or within the waveguide are at least partially reflected at these locations.
  • the distance or height of a boundary layer can thus be determined from the back-reflected signal by comparing the time of reception of the back-reflected pulse with the time of transmission.
  • a transit time measurement takes place via an evaluation of the echo amplitude. An amplitude evaluation is not possible with small DK values.
  • a transmit pulse is generated and transmitted with each period of a transmit trigger signal.
  • the back-reflected signal is fed to a signal sampling circuit in order to make the short-time process displayable and evaluable. This is triggered with the trigger signal of the sampling frequency, the periodic signal being sampled at the sampling trigger times.
  • the sampling device By means of a time-proportional delay of the sampling trigger signal compared to the transmission trigger signal, the sampling device generates an output signal whose amplitude profile is given by the corresponding instantaneous values of the probe signal.
  • the output signal thus represents a time-stretched image of the probe signal. After amplification and filtering, this output signal or a temporal section of the same forms the reflection profile, from which the transit time of the back-reflected signal and thus the distance of the boundary layer can be determined.
  • the problem with sensors of this type is the high sensitivity to interference from high-frequency interference signals.
  • An interference signal which couples onto the waveguide, is superimposed on the back-reflected signal and is also detected by the broadband scanning circuit.
  • a typical narrow-band interference signal is simulated in tests for electromagnetic compatibility (EMC) by a carrier oscillation with a fundamental frequency of 80 MHz to 1 GHz with a low-frequency amplitude modulation (e.g. 1 kHz). If the carrier frequency is close to an integer multiple of the sampling frequency, i.e. within a so-called "Frequency reception window", this interference cannot be suppressed by low-pass filtering after the sampling device.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the interference signal is sampled at the sampling frequency in the manner of a band-pass sampling, an oscillation is superimposed on the reflection profile compared to the undisturbed case, which complicates its evaluation and may falsify it.
  • a TDR point level sensor which consists of a waveguide immersed in a good, to which a sampling circuit is connected, which has a transmission pulse generator for generating a pulsed high-frequency wave signal, a receiver for receiving the high-frequency wave signal, and a transmission - / Receive separation for separating the transmitted and received radio frequency wave signal, a scanner for sampling the received radio frequency wave signal, a scanning pulse generator for controlling the scanner and a buffer for temporary storage of the received radio frequency wave signal.
  • the sampling circuit has two oscillators, at least one of which can be varied in frequency, one of which controls the transmission generator and the other controls the sampling pulse generator.
  • a frequency mixer forms the difference from the two frequencies, which becomes the setpoint for setting the time expansion factor.
  • the reflected signal from such a device is difficult or difficult to evaluate because the signal and the reflected Almost superimpose the signal and it is very difficult to separate it sufficiently with a great deal of structural effort.
  • the invention has for its object to provide a method for detecting the limit level of a good as well as for determining the dielectric constant of the good and a time domain reflectometer for use as a limit switch for detecting the limit level of a good for performing the method, which on the one hand has increased immunity to interference , universal, namely regardless of temperature, pressure or in particular the nature of the medium, liquid or bulk, should be applicable and should also be suitable for goods with a low dielectric constant DK (DK between 1, 8 to 5).
  • This object is achieved by a method for detecting the limit level of a good with a given dielectric constant, using a holder as a process implementation in which at least one electrically conductive rod is arranged with one end, the other end of which immerses in the good to be monitored when the limit level is reached ,
  • the end of the rod seated in the holder being connected via an electrical line to an electrical circuit for generating high-frequency transmission pulses, which has an echo amplifier for receiving the echoes, the high-frequency transmission pulses as guided microwaves according to the principle of time domain reflectometry, TDR measurement, are applied to the rod via the line, the signals reflected at the boundary layer of the material to the air being fed back into the echo amplifier for evaluation and the reflection signal being stretched in time, and three successive areas, namely Se ndepuls (section I), transit time (section II) and time sampling window (section III) can be distinguished, the time sampling window starting at a start time, characterized by the following features: a) in both operating states of the goods to be recorded,
  • a first covered condition is recognized by the fact that the reflection signal has the following properties within the time sampling window:
  • a third different covered state is recognized by the fact that the reflection signal has the following properties within the time sampling window:
  • a time-domain reflectometer for use as a limit switch for detecting the limit level of a good with a given dielectric constant, with a holder as a process implementation in which at least one electrically conductive rod is arranged with one end, the other end of which is reached when the limit level is reached in immerses the goods to be monitored, the end of the rod seated in the holder being connected via an electrical line to an electrical circuit for generating high-frequency transmission pulses, which has an echo amplifier for receiving the reflection signals, echoes, the high-frequency transmission pulses being guided microwave based on the principle of time domain reflectometry, TDR Measurement, can be applied to the rod via the line, and the signals reflected at the boundary layer of the material to the air are fed back into the echo amplifier for evaluation and time-stretched, the wave resistances of the rod and the process execution being selected such that three are temporally used in the evaluation successive areas, namely transmission pulse (section I), transit time (section II) and time sampling window (section III) can be distinguished,
  • An important advantage of the invention is that, in contrast to the prior art, it enables reliable evaluation even with small DK values.
  • a time-domain reflectometer for use as a limit switch for detecting the limit level of a good with a given dielectric constant consists of a holder for carrying out the process, in which at least one electrically conductive rod is arranged with one end, the other end of which dips into the goods to be monitored when the limit level is reached, wherein the end of the rod sitting in the holder is connected via an electrical line to an electrical circuit for generating high-frequency transmission pulses which can be applied to the rod as a guided microwave according to the principle of time-domain reflectometry, TDR measurement, whereby the signals reflected at the boundary layer of the good to the air are fed back into the electrical circuit for evaluation, the wave resistance of the rod being selected such that it differs from the wave resistance of the good and the curve shape of the reflection signal obtained for the order the level is used, and up to three significant points of the curve shape are evaluated.
  • the material preferably has a dielectric constant greater than 1.8.
  • the invention is based on the fact that the wave reflected at a joint has the same shape as the traveling wave; only the direction of the returning shaft and the amplitude have changed. If two parallel rods are used in the process implementation, the wave resistance is between the bars changed by the good in between.
  • the wave resistance of such an arrangement is calculated as follows:
  • the idle measurement is understood to mean that reflection signal from the transmission pulse which is reflected at the bar ends when idling, that is to say without the bar ends being in contact with the material.
  • the strength of the reflection depends on the DK value, which at high DK values means that the majority is reflected at the transition from air to the medium and the rod ends immersed in the material have hardly any effects on the signal curve.
  • the shape of the reflected pulse is evaluated because, with different wave resistances, there are not only reflections with different amplitudes and different polarities, but also deformations of the reflected signal as a function of the dielectric constant, DK value, of the material and depending on the wetting of the Rods with the good comes. If the DK value of the goods is greater than 10, the momentum is almost completely reversed at the end of the bars, since there is almost a short circuit.
  • Typical media with a high DK value are water with ⁇ r ⁇ 80 or Pril with ⁇ r »40.
  • Mean DK values are in the range of 5-10; typical media here are vinegar, honey and ethanol. Here, only limited reflections form on the rods, which are, however, far higher than in media with DK values less than 5.
  • Low DK values are in the range of> 1-5, where 1 is the DK value of air.
  • Typical media in this area are coffee powder, plaster, rice, salt and sugar. With these DK values, only a small reflection forms on the rods, since the DK values do not differ much from air, so that almost the case of the line with an open end is present.
  • the results obtained with the invention show that the invention is outstandingly predestined to limit the detection of media of all types, in particular bulk goods or liquids or viscous media, such as honey, with adhering behavior, because the method according to the invention and the time domain reflectometer are one can withstand a certain range of attachments without adulteration and is still able to recognize that there is no good or medium on the bars.
  • the time-domain reflectometer according to the invention recognizes considerably more goods than known sensors of the prior art, as it is also insensitive to build-up of the medium on the rods with small DK values of the medium and allows reliable evaluation even with small DK values.
  • the wave resistances and dimensions of the process implementation are preferably selected so that a reflection signal is produced which has up to six significant points for the reliable evaluation of the limit level. Up to six significant points of the curve shape are thus preferably evaluated.
  • the curve shape of the reflection signal is preferably sampled after A / D conversion with the aid of the electronic circuit, significant points falling in the time-sampling window, in particular high point, low point, local high point, local low point, being determined from the curve shape and their position being fed to an evaluation , By evaluating the characteristic curve shape according to the invention, it is advantageously possible to use short rod lengths even with a relatively slow rise time of the transmission pulse of approximately 300-600 ps.
  • the usability of short rod lengths is a further advantage over the amplitude evaluation, in which considerably longer rods have to be used.
  • the process can in particular be a process screw connection.
  • the process implementation is a tubular process implementation with an external metal thread, within which there is at least one insulating body as an insulating holder for the rods and the same.
  • the time sampling window can be variable and the start time of the same can be defined in that the reflection signal deviates from the reference value by a predetermined value or in particular falls below this by a predetermined value.
  • a coaxial line being used as the line, the length of which can be used for the predefinable extension of the propagation time between the incoming transmission pulses and the returning reflection signals and thus for their temporal separability
  • the inner conductor of the coaxial line with one rod and the other rod is connected via the outer conductor to the ground of the electrical circuit or is capacitively coupled to it.
  • the electrical circuit preferably has a delay circuit in which a square-wave voltage is generated for the transmission pulse, which is then applied to two branches and delayed, the delay in the first branch delivering the transmission pulse and being greater than the delay in the second branch which Sampling pulse delivers, the time expansion is carried out by means of a sequential sampling circuit.
  • the time expansion factor does not have to be known.
  • the reflected signal is sampled by a four-diode sampling circuit and fed via the echo amplifier and via an A / D converter to a microprocessor or microcontroller, which evaluates the reflected signal and the result "coverage detected” or “no cover detected” outputs to a display unit or converts it into a switching signal.
  • the starting time of the time sampling window can generally always be recognized on the basis of the reflections which arise on the coupling of the runtime line to the process implementation due to different wave resistances.
  • the determination of the starting time in this way has the advantage that the time expansion factor of the electronic circuit only has to be present with an accuracy of approximately ⁇ 10% to ⁇ 20%, so that the electronic circuit can be implemented with little effort.
  • a plurality of curves can run during section II, e.g. by averaging over a plurality of curves, a baseline is determined which functions as a reference voltage, the starting time of the time sampling window being defined by the fact that the reflection signal deviates from the baseline by a predetermined value, and it is determined whether the time-stretched signal obtained from the reflection signal has a high point, a first low point, a second low point and / or a local low point and a local high point and thus a turning point within the time sampling window.
  • the time-stretched signal obtained from the reflection signal can be converted and evaluated analog-digital several times in one cycle, a plurality of values being determined and a voltage mean value being formed therefrom, which serves as a baseline for evaluating the high point, after which it is determined whether the value of the time-stretched signal is more than a predetermined value below the baseline, with which the start time of the reflection is determined, then the time-stretched signal with the maximum repetition rate of the sampling is determined in further cycles from this determined start time and a query is made as to whether a high point , a second low point or a local low point and a local high point is contained in the time-stretched signal.
  • Either filters e.g. FIR filter
  • two counters namely a counter for "coverage detected” and a counter for "no coverage detected” are used and the detection is then given to one of the counters.
  • the line is preferably a coaxial line, the selectable length of which is used for the predefinable extension of the transit time between the incoming transmission pulses and the returning reflection signals and thus for their differentiation by the electronic circuit, and thus represents a transit time line for the process implementation, the inner conductor of the coaxial line with the one rod and the other rod is connected to the ground of the electrical circuit via the outer conductor.
  • the runtime line is thus coupled to the process execution.
  • the characteristic impedance of the coaxial line can be chosen to match that of the process. In a preferred embodiment of the invention, however, the resistance of the coaxial line is chosen to be unadapted to that of the process implementation.
  • the insulating body in the process implementation consists of layers of different materials with different dielectric constants, for example Peek and Teflon, so that it is a layered dielectric, the materials sealing the process implementation on the one hand and having the minimum thickness that is necessary for the formation of the process Reflection signal for determining the start time of the time sampling window is required.
  • the process is preferably cylindrical and preferably consists of an electrically insulating material, such as Teflon (PTFE) or PEEK, within which the rods are located. This material can also serve to protect the rods when used in chemically aggressive media.
  • the rods have a coating, such as Teflon, ceramic or PEEK, the thickness of the coating preferably being between 0.1 mm and 1 mm when using Teflon or PEEK.
  • the length of the rods projecting from the process is between 2 and 15 cm, preferably between 5 and 7 cm.
  • the length of the delay line from the electrical circuit to the connection to the ends of the rods located in the process implementation is at least 30 cm, preferably 30 cm to 60 cm, in order to simplify the time separation between the transmission pulse and the reflection signal.
  • the distance between the bars is preferably between 10 mm and 30 mm.
  • the wave resistance can be selected via the ratio of this distance to the diameter of the rods.
  • the height of the process is preferably between 2 cm and 5 cm. In one embodiment of the invention the process is carried out pressure-tight, preferably up to pressures of 30 bar.
  • Figure 1 is a block diagram of a measuring device arranged thereon
  • Figures 2 a, b an equivalent circuit diagram of the process implementation (a) with the for
  • FIG. 3 measured echo curves of different goods
  • FIG. 4 a flowchart of an evaluation algorithm for point level detection using two counters for “detection” and “non-detection”,
  • FIG. 5 a schematic cross section through a process implementation
  • FIGS. 6a-d individual echo curves with those used for their evaluation
  • Figure 1 shows the basic structure of a measuring circuit with a cylindrical process implementation 12, which protrudes into a container 10 which contains a good, the medium 11.
  • the coaxial cable 13 is connected to the rear ends of the rods 3, 4 and serves as a delay line.
  • the coaxial cable 13 ends in a TDR circuit 14, which has two branches 18, 19.
  • each period of a transmit trigger signal XTS which is generated by a trigger generator 23 and is delayed by a constant time period by means of a first delay stage 20 and which has a pulse repetition frequency fPRF
  • a transmission pulse XS is generated and transmitted by a transmission stage 17.
  • a typical pulse repetition frequency is between a few 100 kHz to a few MHz.
  • a signal sampling circuit here a four-diode sampling circuit 22
  • the TDR circuit 14 the transmission pulse XS of the transmission stage 17 and the reflection signal XSonde are sampled and time-stretched so that the signal e.g. can be evaluated more easily in a microcontroller or microprocessor 16.
  • the periodically back-reflected signal XSonde is fed to the signal sampling circuit 22 in order to be able to display and evaluate the short process in a time-stretched manner close. This is triggered with the trigger signal XTA of the sampling frequency fA, the trigger signal XTA being delayed with the aid of a second delay stage 21 and a variable period of time and the periodic signal XSonde being sampled at the sampling trigger times.
  • This variable delay can be influenced by the microprocessor 16.
  • sampling trigger signal compared to the transmission trigger signal By a time-proportional delay of the sampling trigger signal compared to the transmission trigger signal, for example by a slightly lower frequency of the sampling trigger signal XTA compared to the transmission trigger signal XTS, or by a phase modulation of the sampling trigger signal XTA compared to the transmission trigger signal XTS
  • Signal sampling device 22 an output signal whose amplitude profile is given by the corresponding instantaneous values of the probe signal.
  • the output signal therefore represents a time-stretched image of the probe signal XSonde.
  • this output signal or a temporal section thereof forms the reflection profile XVideo, from which the transit time of the back-reflected signal and thus the distance of the boundary layer can be determined.
  • the reflection profile XVideo is fed via an A / D converter 24 to the microprocessor 16, which evaluates the reflection profile according to the invention and the result "coverage detected” or "no coverage detected”, e.g. outputs to a display unit 25 or converts it into a switching signal.
  • the measurement curves of the reflection signals are evaluated in software as described above and maxima and / or minima and / or turning points are determined. It follows from these characteristic curve points that the reflected signal changes at different dielectric constants DK, so that the DK value of a good can also be approximately determined with the invention.
  • the course of the curve which is in principle always similar, differs significantly with regard to the DK value of the material to be measured. It can be seen from the curves that the higher the DK value of a good, the higher the curve-like elevation between the transmission pulse and the reflection signal.
  • FIGS. 2a, b show an equivalent circuit diagram of the process implementation (FIG. 2a) with the voltages associated with the equivalent circuit diagram (FIG. 2b).
  • FIG. 2a an equivalent circuit diagram of the process execution is shown to explain the invention, starting on the left with a TDR circuit, followed by a runtime line which is led to the rods in the process execution.
  • TDR circuit and delay line have a characteristic impedance of 75 ohms each.
  • the process implementation is, for example, a tubular, metallic process implementation with several incorporated insulating materials with different dielectric constants, in which metallic rods are arranged as probes with one end each, the rods being wettable or releasable by an increasing or decreasing level of the material.
  • the insulating materials each have a characteristic impedance of 140 ohms or 170 ohms
  • the metallic process implementation itself has one of -245 ohms.
  • the bars have a characteristic impedance of 250 ohms; the wave resistance of the goods or the ends of the bars is not known.
  • This sequence corresponds to the voltages of the reflection signals shown in FIG. 2b when excited with a positive voltage jump. It is important here that when the two rods are idle, the reflection signal on the one hand shows an increase compared to the transmission pulse, which on the other hand has the same sign as the transmission pulse. In the case of a short circuit, the curve of the voltage of the reflection signal shows a decrease, which has the opposite sign as the transmission pulse.
  • FIG. 3 shows measured echo curves of various goods, which were obtained when excited with a pulse 30 with a process implementation according to FIG. 4.
  • To the left of the diagram is the transmit pulse that is applied to the bars.
  • To the right of this are the different reflections of different goods, including an idle curve LLeeriau, namely Pril, honey and coffee.
  • Between the transmission pulse and the reflection signal there is a relatively straight curve part L reflects line and allows sufficient time separation of the transmission pulse from the reflection signal.
  • the curve shape of the time-stretched reflection signal at the echo amplifier is used to determine the limit level, e.g. three significant points of the reflection signal lying within a predetermined time sampling window are evaluated numerically or by means of curve discussion.
  • the idle curve corresponds to a reflection signal with the same sign direction as the transmission pulse. If the voltage value of the reflection signal or of the time-stretched signal exceeds a predetermined value, the free end of the rod or rods is recognized as not wetted, the rods are idle. A switching signal is received if the rods have just gone into idle.
  • the limit level of the goods is considered to be recognized if either only a high point or low point corresponding to the sign direction of the transmit pulse is detected, which is above a predetermined voltage threshold and the high point has the opposite sign direction as the transmit pulse (almost short circuit).
  • the good has a DK value> 10. If two low points or two high points corresponding to the sign direction of the transmission pulse are detected, which are relatively far apart in time and have the same sign direction as the transmission pulse and exceed the one between the two If the voltage difference measured at a low point is a predetermined threshold, then a limit level of a good is also recognized, which has a DK value between 5 and 10.
  • a limit level of the goods is recognized when a low point with the same sign direction as the transmit pulse, or high point corresponding to the sign direction of the transmit pulse, and a subsequent high point with an opposite sign direction as the transmit pulse are recognized, which are close in time and thus a quasi - Form a turning point and the voltage difference measured between the low point and the high point exceeds a predetermined threshold.
  • the quasi-inflection point of the curve for coffee is defined here by two extreme points located close to one another in time, minima and maxima according to FIG. 3. If the material has a high dielectric constant with a DK value above 10, the feature is recognized that only a high point occurs which is above a predetermined voltage threshold and has the opposite sign direction as the transmission pulse (fast short circuit).
  • the material has an average dielectric constant with a DK value between 5 and 10
  • the feature is recognized that two low points occur, which are relatively far apart in time and have the same sign direction as the transmission pulse, the voltage difference measured between the two low points exceeds a predetermined threshold.
  • the good has a low dielectric constant with a DK value ⁇ 5
  • the feature is recognized that a low point with the same sign direction as the transmit pulse and a subsequent high point with the opposite sign direction as the transmit pulse occur, which are close in time and thus one Form a quasi-inflection point, the voltage difference measured between the low point and the high point exceeding a predetermined threshold.
  • the two low points of the reflection signal which are relatively far apart in time, have e.g. a time interval between 3 to 10 msec.
  • the time-stretched signal obtained from the reflection signal is converted and evaluated analog-digital several times in one cycle, a plurality of values being determined and a voltage mean value being formed therefrom, which is the baseline for triggering the starting point of the time sampling window and the evaluation of the high point is used, after which it is determined whether the value of the time-stretched signal is more than a predetermined value below the baseline, with which the starting time of the reflection is determined, and then in further cycles from this determined starting time determines the time-stretched signal with the high repetition rate of the sampling and inquires whether a high point, a second low point or a quasi inflection point is contained in the time-stretched signal.
  • Two counters are preferably used for the level detection, namely a counter for "detection” and a counter for "non-detection", for example using an evaluation algorithm according to the flow chart of FIG. 5.
  • the detection of the state “covered” or “not covered” is preferably filtered, for example, by an FIR filter and only then output.
  • the repetition frequency can be increased, for example, for the purpose of increasing the immunity to interference.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a process implementation.
  • the process implementation which sits for example on a pressure tank, is a cylindrical process implementation 1 with a metal thread, within which there is a holder 8, 9, which is made of an insulating material, and rods 3, 4, at the ends of which a line 6 is located , 7 of a coaxial line 5, which is a delay line.
  • the characteristic impedance of the coaxial line can be matched to that of the electrical circuit, but it is not matched to the characteristic impedance of the process implementation, so that there are jumps between the characteristic impedances and thus a desired reflection arises at the process implementation, which serves to start the reflection signal to be clearly determined.
  • the characteristic impedance of the coaxial line and the electrical circuit can be, for example, between 65 ohms and 85 ohms, preferably 75 ohms.
  • the electrically insulating material 8 can be a disk 8 made of Teflon, the ends of the rods 3, 4 being additionally guided through a disk 9 made of PEEK (polyether ether ketone), which is placed on the disk made of Teflon.
  • the cylindrical process implementation 1 has a height s of approximately 4 cm.
  • the rods 3, 4 are arranged symmetrically within the cylinder 1, which protrude through the Teflon cylinder 1.
  • the rods 3, 4 have a free rod length between 2 to 15 cm, preferably from 5 to 7 cm.
  • the process can also be carried out in a cylindrical process only from an electrically insulating material, such as Teflon (PTFE) or PEEK (polyether ether ketone), which is a partially crystalline thermoplastic, within which the rods are located.
  • PTFE Teflon
  • PEEK polyether ether ketone
  • the wave resistance is the process implementation not or not exactly adapted to the characteristic impedance of the transit time or the coaxial line.
  • the time-domain reflectometer according to the invention has the advantage that a good reflection of the reflected pulses is achieved, in particular due to two parallel bars, which have sufficient time separation from the transmitting pulses due to the delay line, so that the reflection properties, namely the resulting curve shapes of the reflected signals can be evaluated well.
  • the rods are coated with Teflon or with ceramic, the thickness of the Teflon layer preferably being between 0.1 mm and 1 mm when using Teflon.
  • the distance (d) of the rods is between 10 mm to 30 mm, and the height (s) of the process can be between 2 cm and 5 cm.
  • FIGS. 6a-d show individual echo curves with the extreme values used for their evaluation.
  • 6a shows an idle echo curve.
  • An idle, uncovered, is recognized if the reflection signal within the time sampling window has the following properties: There is only a low point TP, which falls below a predetermined first threshold (threshold 1).
  • the threshold 1 is determined from the baseline and a predetermined offset.
  • the 6b shows an echo curve for Pril.
  • the first covered state is recognized by the fact that the reflection signal within the time sampling window has the following properties: There is a high point HP which exceeds a predetermined second threshold (threshold 2).
  • the threshold 2 is determined from the baseline and the specified offset.
  • 6c shows an echo curve for honey.
  • the second covered state is recognized by the fact that the reflection signal within the time sampling window has the following properties:
  • the second low point TP2 is a predetermined amount ⁇ s below the low point TP1. 6d shows an echo curve for coffee.
  • the third covered state is recognized when the reflection signal within the time sampling window has the following properties:
  • the threshold 1 is determined from the baseline and a predetermined offset.
  • the starting time of the time sampling window is determined as follows:
  • the baseline in area III is undercut by a predetermined amount.
  • the starting time of the time sampling window can generally always be recognized on the basis of the reflections which arise on the coupling of the runtime line to the process implementation due to different wave resistances.
  • the determination of the starting time in this way has the advantage that the time expansion factor of the electronic circuit 14 only has to be present with an accuracy of approximately ⁇ 10% to ⁇ 20%, so that the electronic circuit 14 can be implemented with little effort.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes mit gegebener Dielektrizitätskonstante, unter Verwendung einer Halterung, in der zwei elektrisch leitende Stäbe angeordnet sind, die bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut eintauchen und mit einer elektrischen Schaltung verbunden sind. Diese erzeugt Hochfrequenz-Sendepulse, die nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie über die Leitung auf die Stäbe aufgegeben werden. Die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale werden anhand ihrer Kurvenform ausgewertet.

Description

Verfahren zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes und Vorrichtung hierzu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes mit gegebener Dielektrizitätskonstante, unter Verwendung einer Halterung als Prozeßdurchführung, in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab mit einem Ende angeordnet sind, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei das in der Halterung sitzende Ende des Stabes über eine elektrische Leitung mit einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Hochfrequenz-Sendepulsen verbunden ist, die zum Empfang der Echos einen Echoverstärker aufweist, wobei die Hochfrequenz-Sendepulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie, TDR- Messung, über die Leitung auf den Stab aufgegeben werden, wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in den Echoverstärker zur Auswertung zurückgeleitet werden und das Reflexionssignal zeitgedehnt wird, und drei zeitlich aufeinanderfolgende Bereiche, nämlich Sendepuls (Abschnitt I), Laufzeit (Abschnitt II) und Zeitabtastfenster (Abschnitt III) unterschieden werden, wobei das Zeitabtastfenster zu einem Startzeitpunkt beginnt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ebenso betrifft die Erfindung ein Zeitbereichs- reflektometer für die Anwendung des Anspruchs 1.
Zur Bestimmung des Grenz- oder Füllstandes von Medien in einem Behältnis sind Sensoren für die Füllstands- bzw. Grenzstandsmessung auf der Basis der Zeitbereichsreflektometrie (time domain reflectometry, TDR) bekannt, wozu die US-A- 5,609,059 eine Übersicht gibt. Derartige Sensoren arbeiten als kontinuierliche Systeme und basieren auf der Laufzeitmessung elektromagnetischer Signale, die sich entlang eines offenen Wellenleiters ausbreiten, nämlich die Auswertung der Laufzeit und der Reflexion eines Impulses auf dem Wellenleiter. Entsprechend dem Füllstand des Mediums ragt der Wellenleiter in das Medium hinein oder nicht und signalisiert im erstgenannten Fall einen Grenzwert. Der Wellenleiter ist beispielsweise eine Sommerfeldleitung, eine Goubau-Leitung, ein Koaxialkabel, ein Mikrostreifen oder eine koaxiale oder parallele Anordnung von zwei Leitungen, zum Beispiel zwei Sondenstäbe. Kommen diese mit dem Medium in Berührung, so ändert sich der Wellenwiderstand aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten des Mediums im Vergleich zu Luft. Das Medium bewirkt an der Grenzfläche zum Außenmedium bzw. auch im Falle von Schichtbildung innerhalb des Mediums aufgrund der sprunghaften Änderung seiner dielektrischen Eigenschaften eine Diskontinuität in den Übertragungseigenschaften des eintauchenden Wellen-Ieiters, so daß sich entlang bzw. innerhalb des Wellenleiters ausbreitende Pulse an diesen Stellen wenigstens teilweise reflektiert werden. Aus dem rückreflektierten Signal kann somit die Distanz bzw. Höhe einer Grenzschicht bestimmt werden, indem der Zeitpunkt des Empfangs des rückreflektierten Pulses mit dem Zeitpunkt des Aussendens verglichen wird. Hierbei findet über eine Auswertung der Echo-Amplitude eine Laufzeitmessung statt. Bei kleinen DK-Werten ist eine Amplituden-Auswertung nicht möglich.
Einen Überblick über die Vorgänge von Impulsen auf Leitungen gibt Wolfgang Hilberg: Impulse auf Leitungen, Oldenbourg Verlag 1981. Eine Welle läuft auf einer Leitung unverändert fort, solange die Leitungseigenschaften und insbesondere der Querschnitt gleich bleiben. Ändert sich dies plötzlich, so wird an dieser Stelle die hinlaufende Welle gespalten in eine reflektierte, rücklaufende, Teilwelle und in eine gebrochene, weitergehende Teilwelle. Die an der Stoßstelle reflektierte Welle hat dieselbe Form wie die hinlaufende Welle; lediglich die Laufrichtung der rücklaufenden Welle sowie die Amplitude haben sich geändert. Wird eine Sprungwelle auf das offene Leitungsende einer Leitung, d.h. beim Übergang eines bestimmten Wellenwiderstandes zum Wellenwiderstand ∞ sowie bei angepaßten Verhältnissen am Eingang, aufgegeben, so verdoppelt sich die Spannung der rücklaufenden Welle und der Strom kehrt sich um. Im Falle eines Kurzschlusses der Leitungsenden wird die Spannung mit umgekehrten Vorzeichen reflektiert, der Strom verdoppelt sich bei gleichem Vorzeichen.
Im Betrieb eines TDR-Sensors wird mit jeder Periode eines Sende-Triggersignals ein Sendepuls erzeugt und ausgesendet. Das rückreflektierte Signal wird einer Signalabtastschaltung zugeführt, um den zeitlich kurzen Vorgang zeitgedreht darstellbar und auswertbar zu machen. Diese wird mit dem Triggersignal der Abtastfrequenz getriggert, wobei das periodische Signal zu den Abtast-Triggerzeitpunkten abgetastet wird. Durch eine zeitproportionale Verzögerung des Abtast- Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal erzeugt die Abtasteinrichtung ein Ausgangssignal, dessen Amplitudenverlauf durch die entsprechenden Augenblickswerte des Sondensignals gegeben ist. Das Ausgangssignal stellt somit ein zeitgedehntes Bild des Sondensignals dar. Nach Verstärkung und Filterung bildet dieses Ausgangssignal bzw. ein zeitlicher Ausschnitt desselben das Reflexionsprofil, aus welchem die Laufzeit des rückreflektierten Signals und damit der Abstand der Grenzschicht ermittelt werden kann.
Problematisch bei derartigen Sensoren ist die hohe Störempfindlichkeit gegenüber hochfrequenten Störsignalen. Ein Störsignal, welches auf den Wellenleiter einkoppelt, überlagert sich dem rückreflektierten Signal und wird ebenfalls von der breitbandigen Abtastschaltung erfaßt. Ein typisches schmalbandiges Störsignal wird bei Tests zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) durch eine Trägerschwingung mit einer Grundfrequenz von 80 MHz bis 1 GHz mit einer niederfrequenten Amplitudenmodulation (z.B. 1 kHz) nachgebildet. Befindet sich die Trägerfrequenz in der Nähe eines ganzzahligen Vielfachen der Abtastfrequenz, d.h. innerhalb eines sogen. „Frequenzempfangsfensters", so kann diese Störung durch eine Tiefpaßfilterung nach der Abtasteinrichtung nicht unterdrückt werden. Da das Störsignal nach Art einer Bandpaßabtastung mit der Abtastfrequenz abgetastet wird, ist dem Reflexionsprofil gegenüber dem ungestörten Fall eine Schwingung überlagert, welche dessen Auswertung erschwert und u.U. verfälscht. Aufgrund des Meßprinzips mit einer breitbandigen Empfangsschaltung und einer Sonde, die als Stabantenne wirkt, ist der Einkoppelfaktor von Störungen sehr hoch. Damit ist das Nutzsignal bei einer Störung, die in einem Frequenzempfangsfenster liegt, in der Regel nur schwer auswertbar.
Durch die DE 298 15 069 U1 ist ein TDR-Grenzstandssensor bekannt geworden, welcher aus einem in ein Gut eintauchenden Wellenleiter besteht, an den eine Samplingschaltung angeschlossen ist, welche einen Sendeimpulsgenerator zur Erzeugung eines gepulsten Hochfrequenzwellensignals, einen Empfänger zum Empfang des Hochfrequenzwellensignals, eine Sende-/Empfangstrennung zum Trennen des gesendeten und empfangenen Hochfrequenzwellensignals, einen Abtaster zum Abtasten des empfangenen Hochfrequenzwellensignals, einen Abtastpulsgenerator zur Steuerung des Abtasters und einen Zwischenspeicher zur temporären Speicherung des empfangenen Hochfrequenzwellensignals aufweist. Die Samplingschaltung besitzt zwei Oszillatoren, von denen wenigstens einer in der Frequenz variierbar ist, deren einer den Sendegenerator und der andere den Abtastpulsgenerator steuert. Ein Frequenzmischer bildet aus den beiden Frequenzen die Differenz, welche zur Einstellung des Zeitdehnungsfaktors auf einen Sollwert wird. Das reflektierte Signal einer derartige Vorrichtung ist jedoch nur schlecht bzw. schwer auszuwerten, weil sich das Signal und das reflektierte Signal fast überlagern und nur sehr schwer mit einem hohen baulichen Aufwand noch ausreichend zu trennen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes sowie zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante des Gutes und ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, welches zum einen eine erhöhte Störsicherheit aufweist, universell, nämlich unabhängig von Temperatur, Druck oder insbesondere der Beschaffenheit des Mediums, Flüssigkeit oder Schüttgut, einsetzbar sein soll und auch für Güter mit kleiner Dielektrizitätskonstante DK (DK zwischen 1 ,8 bis 5) geeignet sein soll.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes mit gegebener Dielektrizitätskonstante, unter Verwendung einer Halterung als Prozeßdurchführung, in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab mit einem Ende angeordnet sind, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei das in der Halterung sitzende Ende des Stabes über eine elektrische Leitung mit einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Hochfrequenz-Sendepulsen verbunden ist, die zum Empfang der Echos einen Echoverstärker aufweist, wobei die Hochfrequenz- Sendepulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichs- reflektometrie, TDR-Messung, über die Leitung auf den Stab aufgegeben werden, wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in den Echoverstärker zur Auswertung zurückgeleitet werden und das Reflexionssignal zeitgedehnt wird, und drei zeitlich aufeinanderfolgende Bereiche, nämlich Sendepuls (Abschnitt I), Laufzeit (Abschnitt II) und Zeitabtastfenster (Abschnitt III) unterschieden werden, wobei das Zeitabtastfenster zu einem Startzeitpunkt beginnt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) bei beiden Betriebszuständen des zu erfassenden Gutes, nämlich Bedeckung, Kurzschluss bzw. Fastkurzschluss, sowie Nichtbedeckung, Leerlauf, wird ein Reflexionssignal an der Grenzschicht Stab-Medium bzw. Stab-Luft erzeugt durch die Änderung des Wellenwiderstandes, welche an der Grenzschicht Stab-Medium oder Stab- Luft vorliegt, b) die am Echoverstärker erhaltene Kurvenform des zeitgedehnten Reflexionssignals dient zur Bestimmung des Grenzstandes, wobei innerhalb des Zeitabtastfensters mindestens drei signifikante Punkte des Reflexionssignals numerisch bzw. mittels Kurvendiskussion ausgewertet werden und aus mindestens einem Kurvenverlauf während des Abschnitts II eine Referenzspannung ermittelt wird, wobei c) eine Nichtbedeckung, Leerlauf, daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt nur ein Tiefpunkt vor, der unterhalb einer vorgegebenen ersten Schwelle liegt, welche sich von der Referenzspannung durch einen Offset unterscheidet, d) ein erster Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Refexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt ein Hochpunkt vor, welcher oberhalb einer vorgegebenen zweiten Schwelle liegt, wobei diese zweite Schwelle ebenfalls aus der Referenzspannung und dem Offset ermittelt wird, e) ein zweiter unterschiedlicher Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegen zwei Tiefpunkte vor,
• der zeitlich zweite Tiefpunkt liegt um einen vorgegebenen Betrag unterhalb des ersten Tiefunktes, f) ein dritter unterschiedlicher Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt ein Tiefpunkt vor, der unterhalb einer vorgegebenen ersten Schwelle liegt, welche sich von der Referenzspannung durch einen Offset unterscheidet,
• zwischen dem Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters und dem Tiefpunkt befindet sich ein Wendepunkt, der zwischen einem lokalen Hochpunkt und einem lokalen Tiefpunkt liegt, wobei der lokale Tiefpunkt und der lokale Hochpunkt einen vorgegebenen Mindestabstand überschreiten.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes mit gegebener Dielektrizitätskonstante, mit einer Halterung als Prozeßdurchführung, in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab mit einem Ende angeordnet ist, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei das in der Halterung sitzende Ende des Stabes über eine elektrische Leitung mit einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Hochfrequenz-Sendepulsen verbunden ist, die zum Empfang der Reflexionssignale, Echos, einen Echoverstärker aufweist, wobei die Hochfrequenz-Sendepulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie, TDR- Messung, über die Leitung auf den Stab aufgebbar sind, und die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in den Echoverstärker zur Auswertung zurückgeleitet und zeitgedehnt werden, wobei die Wellenwiderstände des Stabes und der Prozeßdurchführung so gewählt sind, dass in der Auswertung drei zeitlich aufeinanderfolgende Bereiche, nämlich Sendepuls (Abschnitt I), Laufzeit (Abschnitt II) und Zeitabtastfenster (Abschnitt III) unterschieden werden können, wobei die innerhalb des Zeitabtastfensters ermittelten Kurvenformen der Reflexionssignale zur Bestimmung des Grenzstandes dient.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie im Gegensatz zum Stand der Technik auch bei kleinen DK-Werten eine zuverlässige Auswertung ermöglicht.
Ein Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes mit gegebener Dielektrizitätskonstante besteht aus einer Halterung als Prozeßdurchführung, in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab mit einem Ende angeordnet ist, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut eintaucht, wobei das in der Halterung sitzende Enden des Stabes über eine elektrische Leitung mit einer elektrischen Schaltung zur Erzeugung von Hochfrequenz-Sendepulsen verbunden ist, die als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie, TDR- Messung, über die Leitung auf den Stab aufgebbar sind, wobei die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in die elektrische Schaltung zur Auswertung zurückgeleitet werden, wobei der Wellenwiderstand des Stabes so gewählt ist, dass er sich vom Wellenwiderstand des Gutes unterscheidet und die erhaltene Kurvenform des Reflexionssignals zur Bestimmung des Grenzstandes dient, und bis zu drei signifikante Punkte der Kurvenform ausgewertet werden. Bevorzugt weist das Gut eine Dielektrizitätskonstante größer als 1 ,8 auf.
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass die an einer Stoßstelle reflektierte Welle dieselbe Form wie die hinlaufende Welle hat; lediglich die Laufrichtung der rücklaufenden Welle sowie die Amplitude haben sich geändert. Bei Verwendung von zwei parallelen Stäben in der Prozeßdurchführung wird der Wellenwiderstand zwischen den Stäben durch das dazwischen befindliche Gut verändert. Der Wellenwiderstand einer solchen Anordnung errechnet sich wie folgt:
Z - . In (i*_)
Z Wellenwiderstand / Ohm εr relative Dielektrizitätskonstante (DK-Wert) a Abstand zwischen den Mittelpunkten der Stäbe / mm d Durchmesser der Stäbe / mm
Unter der Leerlaufmessung wird dasjenige Reflexionssignal aus dem Sendepuls verstanden, welches bei Leerlauf an den Stabenden reflektiert wird, das heißt, ohne dass die Stabenden mit dem Gut in Berührung stehen. Bei Grenzstand hängt die Stärke der Reflexion vom DK-Wert ab, was bei hohen DK-Werten dazu führt, dass der größte Teil am Übergang von Luft zum Medium reflektiert wird und die in das Gut eintauchenden Stabenden kaum noch Auswirkungen auf den Signalverlauf haben.
Erfindungsgemäß wird die Form des reflektierten Impulses ausgewertet, weil es bei unterschiedlichen Wellenwiderständen nicht nur zu Reflexionen mit unterschiedlich hohen Amplituden und unterschiedlichen Polaritäten, sondern auch zu Verformungen des reflektierten Signals in Abhängigkeit der Dielektrizitätskonstante, DK-Wert, des Gutes und in Abhängigkeit der Benetzung der Stäbe mit dem Gut kommt. Ist der DK-Wert des Gutes größer als 10, so tritt - am Ende der Stäbe eine fast vollständige Umkehr des Impulses ein, da fast ein Kurzschluß herrscht. Typische Medien mit einem hohen DK-Wert sind Wasser mit εr ~ 80 oder Pril mit εr » 40.
Mittlere DK-Werte liegen im Bereich von 5-10; hier sind typische Medien Essig, Honig und Ethanol. Hier bilden sich an den Stäben nur bedingt hohe Reflexionen aus, die jedoch weitaus höher sind als bei Medien mit DK-Werten kleiner 5. Niedrige DK-Werte liegen im Bereich von >1-5, wobei 1 der DK-Wert von Luft ist. Typische Medien in diesem Bereich sind Kaffeepulver, Gips, Reis, Salz und Zucker. Bei diesen DK-Werten bildet sich an den Stäben nur eine kleine Reflexion aus, da sich die DK-Werte nicht stark von Luft unterscheiden, so dass somit beinahe der Fall der Leitung mit offenem Ende vorliegt. Allerdings deckt das Erkennen von Gütern mit DK-Werten > 1 ,8 bereits ein Spektrum von 95% aller verwendeten Güter im Bereich der Prozeßautomation ab.
Bei hoher Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert >10 wird das Merkmal d), bei mittlerer Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert zwischen 5 bis 10 das Merkmal e) und bei kleiner Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert < 5 das Merkmal f) erkannt.
Die mit der Erfindung gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass die Erfindung in hervorstechender Weise geradezu prädestiniert ist, um Medien aller Art, insbesondere Schüttgüter oder Flüssigkeiten oder viskose Medien, wie Honig, mit anhaftendem Verhalten grenzwertmäßig zu erkennen, weil das erfindungsgemäße Verfahren wie auch das Zeitbereichsreflektometer einen gewissen Bereich von Anhaftungen ohne Verfälschungen ertragen kann und immer noch zu erkennen imstande ist, dass sich kein Gut oder Medium an den Stäben befindet. Das erfindungsgemäße Zeitbereichsreflektometer erkennt erheblich mehr Güter als bekannte Sensoren des Standes der Technik wie es auch unempfindlich gegenüber Anhaftungen des Mediums an den Stäben bei kleinen DK-Werten des Mediums ist und eine zuverlässige Auswertung auch bei kleinen DK-Werten erlaubt.
Die Wellenwiderstände und Abmessungen der Prozeßdurchführung sind vorzugsweise so gewählt, daß damit ein Reflexionssignal entsteht, welches bis zu sechs signifikante Punkte zur sicheren Auswertung des Grenzstandes aufweist. Vorzugsweise werden somit bis zu sechs signifikante Punkte der Kurvenform ausgewertet. Die Kurvenform des Reflexionssignals wird vorzugsweise nach A/D- Wandlung mit Hilfe der elektronischen Schaltung abgetastet, wobei signifikante Punkte, welche in das Zeitabtastfenster fallen, insbesondere Hochpunkt, Tiefpunkte, lokaler Hochpunkt, lokaler Tiefpunkt, der Kurvenform ermittelt und ihre Lage einer Auswertung zugeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Auswertung der charakteristischen Kurvenform ist es vorteilhafterweise möglich, selbst bei relativ langsamer Anstiegszeit des Sendepulses von ca. 300-600 ps kurze Stablängen zu verwenden. Die Verwendbarkeit von kurzen Stablängen ist ein weiterer Vorteil gegenüber der Amplitudenauswertung, bei welcher erheblich längere Stäbe zur Anwendung kommen müssen. Die Prozeßdurchführung kann insbesondere eine Prozeßverschraubung sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Prozeßdurchführung eine rohrförmige Prozeßdurchführung mit einem äußeren Metallgewinde, innerhalb derselben sich mindestens ein Isolierkörper als isolierende Halterung für die Stäbe sowie dieselben befinden.
Das Zeitabtastfenster kann variabel sein und der Startzeitpunkt desselben kann dadurch definiert sein, daß das Reflexionssignal um einen vorgegebenen Wert vom Referenzwert abweicht oder insbesondere diesen um einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Vorzugsweise werden zwei parallel in der Halterung angeordnete Stäbe verwendet, wobei als Leitung eine Koaxialleitung verwendet wird, deren wählbare Länge zur vorgebbaren Laufzeitverlängerung zwischen den hinlaufenden Sendepulsen und den rücklaufenden Reflexionssignalen und damit zu deren zeitlicher Trennbarkeit dient, wobei der Innenleiter der Koaxialleitung mit dem einen Stab und der andere Stab über den Außenleiter mit Masse der elektrischen Schaltung verbunden oder kapazitiv an diese angekoppelt ist.
Die elektrische Schaltung weist vorzugsweise eine Verzögerungsschaltung auf, in der eine Rechteckspannung für den Sendeimpuls generiert wird, welche anschließend auf zwei Zweige gegeben und verzögert wird, wobei die Verzögerung des ersten Zweiges den Sendeimpuls liefert und größer ist als die Verzögerung des zweiten Zweiges, die den Abtastimpuls liefert, wobei die Zeitdehnung mittels eines Sequentiell-Sampling-Schaltkreises erfolgt. Der Zeitdehnungsfaktor muß dabei nicht bekannt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das reflektierte Signal durch eine Vier-Dioden-Samplimg-Schaltung abgetastet und über den Echoverstärker sowie über einen A/D-Wandler einem Mikroprozesser oder Mikrokontroler zugeführt, welcher das reflektierte Signal auswertet und das Ergebnis "Bedeckung erkannt" oder "keine Bedeckung erkannt" an eine Anzeigeeinheit ausgibt oder in ein Schaltsignal umsetzt.
Der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters kann allgemein immer anhand der Reflexionen erkannt werden, welche an der Ankopplung der Laufzeitleitung an die Prozeßdurchführung aufgrund unterschiedlichen Wellenwiderstände entstehen. Die Ermittlung des Startzeitpunktes auf diese Weise bringt den Vorteil mit sich, daß der Zeitdehnungsfaktor der elektronischen Schaltung nur mit einer Genauigkeit von ca. ±10% bis ±20% vorliegen muß, so daß die elektronische Schaltung mit wenig Aufwand realisiert werden kann.
Aus einer Mehrzahl von Kurven verlaufen während des Abschnitts II kann z.B. durch Mittelung über eine Mehrzahl von Kurven eine Baseline bestimmt werden, welche als Referenzspannung fungiert, wobei der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters dadurch definiert ist, daß das Reflexionssignal um einen vorgegebenen Wert von der Baseline abweicht, und ermittelt wird, ob das aus dem Reflexionssignal gewonnene zeitgedehnte Signal innerhalb des Zeitabtastfensters einen Hochpunkt, einen ersten Tiefpunkt, einen zweiten Tiefpunkt und/oder einen lokalen Tiefpunkt und einen lokalen Hochpunkt und somit einen Wendepunkt aufweist.
Das aus dem Reflexionssignal gewonnene zeitgedehnte Signal kann mehrfach in einem Zyklus analog-digital gewandelt und ausgewertet werden, wobei eine Mehrzahl von Werten ermittelt und daraus ein Spannungs-Mittelwert gebildet wird, der als Baseline für die Auswertung des Hochpunktes dient, wonach festgestellt wird, ob der Wert des zeitgedehnten Signals um mehr als einen vorgegebenen Wert unterhalb der Baseline liegt, womit der Startzeitpunkt der Reflexion ermittelt wird, danach wird in weiteren Zyklen von diesem ermittelten Startzeitpunkt aus das zeitgedehnte Signal mit der maximalen Wiederholrate der Abtastung ermittelt und abgefragt, ob ein Hochpunkt, ein zweiter Tiefpunkt oder ein lokaler Tiefpunkt und ein lokaler Hochpunkt im zeitgedehnten Signal enthalten ist.
Für die Grenzstandserfassung können entweder Filter, z.B. FIR-Filter, oder zwei Zähler verwendet werden und zwar ein Zähler für "Bedeckung erkannt" und ein Zähler für "keine Bedeckung erkannt" verwendet werden und die Erkennung danach auf einen der Zähler aufgegeben wird.
In der Halterung sind vorzugsweise zwei parallele Stäbe angeordnet. Die Leitung ist vorzugsweise eine Koaxialleitung, deren wählbare Länge zur vorgebbaren Laufzeitverlängerung zwischen den hinlaufenden Sendepulsen und den rücklaufenden Reflexionssignalen und damit zu deren Unterscheidbarkeit durch die elektronische Schaltung dient, und damit eine Laufzeitleitung an der Prozeßdurchführung darstellt, wobei der Innenleiter der Koaxialleitung mit dem einen Stab und der andere Stab über den Außenleiter mit Masse der elektrische Schaltung verbunden ist. Die Laufzeitleitung ist somit an die Prozeßdurchführung angekoppelt.
Der Wellenwiderstand der Koaxialleitung kann an denjenigen der Prozeßdurchführung unangepasst gewählt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Weilenwiderstand der Koaxialleitung jedoch an denjenigen der Prozeßdurchführung unangepasst gewählt.
Der Isolierkörper innerhalb der Prozeßdurchführung besteht in einer Ausführungsform der Erfindung schichtweise aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, beispielsweise Peek und Teflon, so daß er ein geschichtetes Dielektrikum ist, wobei die Materialien einerseits die Prozeßdurchführung abdichten und andererseits die Mindestdicke aufweisen, welche für die Entstehung des Reflexionssignals zur Bestimmung des Startzeitpunktes des Zeitabtastfensters erforderlich ist. Die Prozeßdurchführung ist vorzugsweise zylinderförmig und besteht vorzugsweise aus elektrisch isolierendem Material, wie Teflon (PTFE) oder PEEK, innerhalb demselben sich die Stäbe befinden. Dieses Material kann zugleich zum Schutz der Stäbe beim Einsatz in chemisch agressiven Medien dienen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Stäbe eine Beschichtung, wie Teflon, Keramik oder PEEK, auf, wobei bei der Verwendung von Teflon oder PEEK die Dicke der Beschichtung vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm beträgt. In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die aus der Prozeßdurchführung herausragende Länge der Stäbe zwischen 2 bis 15 cm, vorzugsweise 5 bis 7 cm.
Die Länge der Laufzeitleitung von der elektrischen Schaltung bis zum Anschluss an die in der Prozeßdurchführung sitzenden Enden der Stäbe beträgt in einer Ausführungsform der Erfindung mindestens 30 cm, vorzugsweise 30 cm bis 60 cm, um die zeitliche Trennung zwischen Sendepuls und Reflexionssignal zu vereinfachen. Der Abstand der Stäbe beträgt vorzugsweise zwischen 10 mm und 30 mm. Der Wellenwiderstand läßt sich über das Verhältnis dieses Abstandes zum Durchmesser der Stäbe wählen. Die Höhe der Prozeßdurchführung beträgt vorzugsweise zwischen 2 cm und 5 cm. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Prozeßdurchführung druckdicht, vorzugsweise bis zu Drücken von 30 bar, ausgeführt.
Kurzbezeichnung der Zeichnung, in der zeigen:
Figur 1 : ein Blockschaltbild einer Meßeinrichtung mit daran angeordneter
Prozeßdurchführung ,
Figuren 2 a, b: ein Ersatzschaltbild der Prozeßdurchführung (a) mit den zum
Ersatzschaltbild zugehörigen Spannungen (b),
Figur 3: gemessene Echokurven von verschiedenen Gütern,
Figur 4: ein Flußdiagramm eines Auswertealgorithmus für die Grenzstandserfas- sung unter Verwendung von zwei Zählern für "Erkennung" und "Nichterkennung",
Figur 5: einen schematischen Querschnitt durch eine Prozeßdurchführung,
Figuren 6a-d: einzelne Echokurven mit den zu ihrer Auswertung benutzten
Extremwerten.
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßschaltung mit einer zylinder- förmigen Prozeßdurchführung 12, welche in einen Behälter 10 ragt, welcher ein Gut, das Medium 11 , enthält. Das Koaxialkabel 13 ist an die hinteren Enden der Stäbe 3, 4 angeschlossen und dient als Laufzeitleitung. Das Koaxialkabel 13 endet in einer TDR-Schaltung 14, welche zwei Zweige 18, 19 aufweist.
Im Betrieb des TDR-Sensors bzw. der TDR-Sensorelektronik 14 wird mit jeder Periode eines Sende-Triggersignals XTS, welches von einem Trigger-Generator 23 erzeugt und mittels einer ersten Verzögerungsstufe 20 um eine konstante Zeitdauer verzögert wird und welches eine Pulsrepetierfrequenz fPRF aufweist, durch eine Sendestufe 17 ein Sendepuls XS erzeugt und ausgesendet. Eine typische Pulsrepetierfrequenz liegt zwischen einigen 100 kHz bis zu einigen MHz.
In einer Signalabtastschaltung, hier eine Vier-Dioden-Sampling-Schaltung 22, der TDR-Schaltung 14 werden der Sendepuls XS der Sendestufe 17 und das Reflexionssignal XSonde abgetastet und zeitgedehnt, damit das Signal z.B. in einem Mikrokontroller oder Mikroprozessor 16 einfacher ausgewertet werden kann.
Das periodisch rückreflektierte Signal XSonde wird der Signalabtastschaltung 22 zugeführt, um den zeitlich kurzen Vorgang zeitgedehnt darstellbar und auswertbar zu machen. Diese wird mit dem Triggersignal XTA der Abtastfrequenz fA getriggert, wobei das Triggersignal XTA mit Hilfe einer zweiten Verzögerungsstufe 21 und eine variable Zeitdauer verzögert und das periodische Signal XSonde zu den Abtast-Triggerzeitpunkten abgetastet wird. Diese variable Verzögerung kann durch den Mikroprozessor 16 beeinflußt werden. Durch eine zeitproportionale Verzögerung des Abtast-Triggersignals gegenüber dem Sende-Triggersignal, beispielsweise durch eine etwas geringere Frequenz des Abtast-Triggersignals XTA gegenüber dem Sende-Triggersignal XTS, oder durch eine Phasenmodulation des Abtast-Triggersignals XTA gegenüber dem Sende-Triggersignal XTS, erzeugt die Signalabtasteinrichtung 22 ein Ausgangssignal, dessen Amplitudenverlauf durch die entsprechenden Augenblickswerte des Sondensignals gegeben ist. Das Ausgangssignal stellt somit ein zeitgedehntes Bild des Sondensignals XSonde dar.
Nach Verstärkung in einem Echoverstätker 15 und Filterung bildet dieses Ausgangssignal bzw. ein zeitlicher Ausschnitt desselben das Reflexionsprofil XVideo, aus welchem die Laufzeit des rückreflektierten Signals und damit der Abstand der Grenzschicht ermittelt werden kann. Das Reflexionsprofil XVideo wird über einen A/D-Wandler 24 dem Mikroprozessor 16 zugeführt, welcher das Reflexionsprofil erfindungsgemäß auswertet und das Ergebnis "Bedeckung erkannt" oder "keine Bedeckung erkannt" z.B. an eine Anzeigeeinheit 25 ausgibt oder in ein Schaltsignal umsetzt.
Die Messkurven der Reflexionssignale werden wie vorstehend beschrieben softwaremäßig ausgewertet und Maxima und/oder Minima und/oder Wendepunkte bestimmt. Aus diesen charakteristischen Kurvenpunkten ergibt sich, dass sich das reflektierte Signal bei unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten DK ändert, so dass mit der Erfindung auch der DK-Wert eines Gutes näherungsweise bestimmt werden kann. Der Kurvenverlauf, der im Prinzip immer ähnlich ist, unterscheidet sich signifikant bezüglich des DK-Wertes des zu messenden Gutes. Den Kurvenverläufen ist zu entnehmen, dass je höher der DK-Wert eines Gutes liegt, desto höher ist die kurvenmäßige Überhöhung zwischen Sendepuls und Reflexionssignal.
Schwierigkeiten können sich nur bei niedrigen DK-Werten von Gütern ergeben, wenn diese unter dem Wert von DK « 2,2...3 liegen, jedoch lassen sich Güter mit einem kleinen DK-Wert in der Größenordnung von 2,2...3 und darunter noch genau diskriminieren, insbesondere bei der Verwendung von zwei parallel zueinander verlaufenden Stäben, wobei mit der erfindungsgemäßen Prozeßdurchführung sowohl Güter mit hohem als auch mit niedrigerem DK-Wert gut ausgewertet werden können.
Die Figuren 2 a, b zeigen ein Ersatzschaltbild der Prozeßdurchführung (Fig. 2a) mit den zum Ersatzschaltbild zugehörigen Spannungen (Fig. 2b). In Figur 2a ist zur Erläuterung der Erfindung ein Ersatzschaltbild der Prozeßdurchführung dargestellt, links beginnend mit einem TDR-Schaltkreis, auf den eine Laufzeitleitung folgt, die an die Stäbe in der Prozeßdurchführung geführt ist. TDR- Schaltkreis und Laufzeitleitung besitzen einen Wellenwiderstand von beispielsweise je 75 Ohm. Die Prozeßdurchführung stellt zum Beispiel eine rohrförmige, metallische Prozeßdurchführung dar mit mehreren inkorporierten Isoliermaterialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten, in denen metallische Stäbe als Sonden mit je einem Ende angeordnet sind, wobei die Stäbe durch einen steigenden oder fallenden Pegel des Gutes benetzbar oder freigebbar sind. Die Isoliermaterialien besitzen zum Beispiel je einen Wellenwiderstand von 140 Ohm bzw. 170 Ohm, die metallische Prozeßdurchführung selbst einen solchen von -245 Ohm. Die Stäbe weisen zum Beispiel einen Wellenwiderstand von 250 Ohm auf; der Wellenwiderstand des Gutes oder der Enden der Stäbe sei nicht bekannt.
Dieser Abfolge entsprechen die in Figur 2b gezeigten Spannungen der Reflexionssignale bei Anregung mit einem positiven Spannungssprung. Wesentlich ist hierbei, dass im Falle des Leerlaufs der beiden Stäbe das Reflexionssignal gegenüber dem Sendepuls zum einen eine Überhöhung zeigt, welche zum anderen das gleiche Vorzeichen wie der Sendeimpuls hat. Im Falle des Kurzschlusses zeigt der Verlauf der Spannung des Reflexionssignals eine Absenkung, die das umgekehrte Vorzeichen wie der Sendeimpuls besitzt.
Figur 3 zeigt gemessene Echokurven verschiedener Güter, welche bei Anregung mit einem Puls 30 mit einer Prozeßdurchführung gemäß der Figur 4 gewonnen worden sind. Links im Diagramm befindet sich der Sendepuls, welcher auf die Stäbe aufgegeben wird. Rechts davon sind die unterschiedlichen Reflexionen unterschiedlicher Güter einschließlich einer Leerlaufkurve LLeeriau angegeben, nämlich von Pril, von Honig und von Kaffee. Zwischen Sendepuls und Reflexions- signal befindet sich ein relativ gerades Kurventeil LLautzeit, welches die Laufzeit- leitung widerspiegelt und eine ausreichende zeitliche Trennung des Sendepulses vom Reflexionssignal ermöglicht.
Die erhaltene Kurvenform des zeitgedehnten Reflexionssignals am Echoverstärker dient zur bestimmung des Grenzstandes, wobei z.B. drei signifikante, innerhalb eines vorgegebenen Zeitabtastfensters liegende Punkte des Reflexionssignals numerisch bzw. mittels Kurvendiskussion ausgewertet werden.
Man erkennt, dass die Leerlaufkurve einem Reflexionssignal mit gleicher Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls entspricht. Überschreitet der Spannungswert des Reflexionssignal bzw. des zeitgedehnten Signals einen vorgegebenen Wert, so wird das freie Ende des oder der Stäbe als unbenetzt erkannt, die Stäbe befinden sich im Leerlauf. Sind die Stäbe gerade in den Leerlauf übergegangen, so wird ein Schaltsignal erhalten.
Der Grenzstand des Gutes gilt dann als erkannt, wenn entweder nur ein Hochpunkt, bzw. Tiefpunkt entsprechend der Vorzeichenrichtung des Sendepulses, erkannt wird, welcher über einer vorgegebenen Spannungsschwelle liegt und der Hochpunkt die umgekehrte Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls aufweist (Fast- Kurzschluß). In diesem Fall besitzt das Gut einen DK-Wert > 10. Werden zwei Tiefpunkte, bzw. zwei Hochpunkte entsprechend der Vorzeichenrichtung des Sendepulses, erkannt, welche zeitlich relativ weit auseinander liegen und die gleiche Vorzeichen richtung wie der Sendepuls aufweisen und überschreitet die zwischen den beiden Tiefpunkten gemessene Spannungsdifferenz eine vorgegebene Schwelle, so wird ebenfalls ein Grenzstand eines Gutes erkannt, welches einen DK-Wert zwischen 5 bis 10 aufweist.
Ebenso wird ein Grenzstand des Gutes erkannt, wenn ein Tiefpunkt mit gleicher Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls, bzw. Hochpunkt entsprechend der Vorzeichenrichtung des Sendepulses, und ein darauf folgender Hochpunkt mit umgekehrter Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls erkannt werden, welche zeitlich nah beieinander liegen und dadurch einen Quasi-Wendepunkt bilden und die zwischen dem Tiefpunkt und dem Hochpunkt gemessene Spannungsdifferenz eine vorgegebene Schwelle überschreitet. Der Quasi-Wendepunkt der Kurve für Kaffee ist hier definiert durch zwei zeitlich nahe beieinander liegende Extrempunkte, Minima und Maxima gemäß der Figur 3. Wenn das Gut eine hohe Dielektrizitätskonstante mit einem DK-Wert über 10 besitzt, wird das Merkmal erkannt, dass nur ein Hochpunkt auftritt, welcher welcher über einer vorgegebenen Spannungsschwelle liegt und die umgekehrte Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls aufweist (Fast-Kurzschluß).
Wenn das Gut eine mittlere Dielektrizitätskonstante mit einem DK-Wert zwischen 5 bis 10 besitzt, wird das Merkmal erkannt, dass zwei Tiefpunkte auftreten, welche zeitlich relativ weit auseinander liegen und die gleiche Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls aufweisen, wobei die zwischen den beiden Tiefpunkten gemessene Spannungsdifferenz eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Wenn das Gut eine kleine Dielektrizitätskonstante mit einem DK-Wert < 5 besitzt, wird das Merkmal erkannt, dass ein Tiefpunkt mit gleicher Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls und ein darauf folgender Hochpunkt mit umgekehrter Vorzeichenrichtung wie der Sendepuls auftreten, welche zeitlich nah beieinander liegen und dadurch einen Quasi-Wendepunkt bilden, wobei die zwischen dem Tiefpunkt und dem Hochpunkt gemessene Spannungsdifferenz eine vorgegebene Schwelle überschreitet.
Die beiden Tiefpunkte des Reflexionssignals, welche zeitlich relativ weit auseinander liegen, besitzen z.B. einen zeitlichen Abstand zwischen 3 bis 10 msec. Hingegen besitzen der Tiefpunkt von dem darauf folgenden Hochpunkt des Reflexionssignals bei einem Gut mit einem kleinen DK-Wert, zwischen 1 ,5-5, einen zeitlichen Abstand von typischerweise nur 0,1 bis 3 msec.
Gemäß den Grundlagen eines TDR-Sensors wird das aus dem Reflexionssignal gewonnene zeitgedehnte Signal mehrfach in einem Zyklus analog-digital gewandelt und ausgewertet, wobei eine Mehrzahl von Werten ermittelt und daraus ein Spannungs-Mittelwert gebildet wird, der als Grundlinie, Baseline, für die Auslösung des Startpunktes des Zeitabtastfensters und die Auswertung des Hochpunktes dient, wonach festgestellt wird, ob der Wert des zeitgedehnten Signals um mehr als einen vorgegebenen Wert unterhalb der Grundlinie liegt, womit der Startzeitpunkt der Reflexion ermittelt wird, danach wird in weiteren Zyklen von diesem ermittelten Startzeitpunkt aus das zeitgedehnte Signal mit der hoher Wiederholrate der Abtastung ermittelt und abgefragt, ob ein Hochpunkt, ein zweiter Tiefpunkt oder ein Quasi-Wendepunkt im zeitgedehnten Signal enthalten ist. Für die Grenzstandserfassung werden vorzugsweise zwei Zähler verwendet und zwar ein Zähler für "Erkennung" und ein Zähler für "Nichterkennung", wobei z.B. ein Auswertealgorithmus gemäß dem Flußdiagramm von Figur 5 verwendet wird. Die Detektion des Zustandes "bedeckt" bzw. "nicht bedeckt" wird vorzugsweise z.B. durch ein FIR-Filter gefiltert und erst dann ausgegeben. Die Wiederholfrequenz kann z.B. zu dem Zweck erhöht werden, die Störunempfindlichkeit zu vergrößern.
In Figur 4 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Prozeßdurchführung gezeigt. Die Prozeßdurchführung, welche beispielsweise auf einem Drucktank sitzt, ist eine zylinderförmige Prozeßdurchführung 1 mit einem Metallgewinde, innerhalb derselben sich eine Halterung 8, 9, welche aus einem isolierenden Material ausgeführt ist, sowie Stäbe 3, 4 befinden, an deren Enden je eine Leitung 6, 7 einer Koaxialleitung 5 geführt ist, welche eine Laufzeitleitung darstellt. Der Wellenwiderstand der Koaxialleitung kann an denjenigen der elektrischen Schaltung angepasst sein, er ist jedoch nicht an den Wellenwiderstand der Prozeßdurchführung angepasst, so dass zwischen den Wellenwiderständen Sprünge bestehen und dadurch auch an der Prozeßdurchführung eine gewünschte Reflexion entsteht, welche dazu dient, den Beginn des Reflexionssignals eindeutig zu bestimmen. Der Wellenwiderstand der Koaxialleitung und der elektrischen Schaltung kann beispielsweise zwischen 65 Ohm und 85 Ohm, vorzugsweise bei 75 Ohm, liegen.
Das elektrisch isolierende Material 8 kann eine Scheibe 8 aus Teflon sein, wobei die Enden der Stäbe 3, 4 durch eine zusätzlich durch eine Scheibe 9 aus PEEK (Polyetheretherketon) geführt sind, die auf die Scheibe aus Teflon aufgesetzt ist. Die zylinderförmige Prozeßdurchführung 1 besitzt eine Höhe s von ungefähr 4 cm. Die Stäbe 3, 4 sind innerhalb des Zylinders 1 symmetrisch angeordnet, welche den Teflon-Zylinder 1 durchragen. Die Stäbe 3, 4 weisen eine freie Stablänge zwischen 2 bis 15 cm auf, vorzugsweise von 5 bis 7 cm.
Die Prozeßdurchführung kann auch eine zylinderförmige Prozeßdurchführung nur aus einem elektrisch isolierenden Material, wie Teflon (PTFE) oder PEEK (Polyetheretherketon), welches ein teilkristalliner Thermoplast ist, innerhalb derselben sich die Stäbe befinden. Auch hier ist der Wellenwiderstand der Prozeß- durchführung nicht bzw. nicht genau an den Wellenwiderstand der Laufzeit- bzw. der Koaxialleitung angepasst.
Das erfindungsgemäße Zeitbereichsreflektometer besitzt den Vorteil, dass damit, insbesondere aufgrund von zwei parallel verlaufenden Stäben, eine gute Reflexion der reflektierten Pulse erreicht wird, welche durch die Laufzeitleitung eine ausreichende zeitliche Trennung von den Sendepulsen aufweisen, so dass die Reflexionseigenschaften, nämlich die sich ergebenden Kurvenformen der reflektierten Signale, gut ausgewertet werden können. In einer weiteren Ausführungsvariante des Zeitbereichsreflektometers sind die Stäbe mit Teflon oder mit Keramik beschichtet, wobei bei der Verwendung von Teflon die Dicke der Teflonschicht vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm beträgt. In einer weiteren Ausführung der Erfindung beträgt der Abstand (d) der Stäbe zwischen 10 mm bis 30 mm, wie auch die Höhe (s) der Prozeßdurchführung zwischen 2 cm und 5 cm betragen kann.
Die Figuren 6a-d zeigen einzelne Echokurven mit den zu ihrer Auswertung benutzten Extremwerten. Fig. 6a zeigt eine Leerlauf-Echokurve. Ein Leerlauf, Nichtbedeckung, wird erkannt, wenn das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt: Es liegt nur ein Tiefpunkt TP vor, der eine vorgegebene erste Schwelle (Schwelle 1) unterschreitet. Die Schwelle 1 wird ermittelt aus der Baseline und einem vorgegebenen Offset.
Fig. 6b zeigt eine Echokurve für Pril. Der erste Bedecktzustand wird daran erkannt, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt: Es liegt ein Hochpunkt HP vor, der eine vorgegebene zweite Schwelle (Schwelle 2) überschreitet. Die Schwelle 2 wird ermittelt aus der Baseline und dem vorgegebenen Offset.
Fig. 6c zeigt eine Echokurve für Honig. Der zweite Bedecktzustand wird daran erkannt, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
- Es liegen zwei Tiefpunkte TP1 , TP2 vor, welche die gleiche Richtung haben wie der Sendepuls.
- Der zweite Tiefpunkt TP2 liegt um einen vorgegeben Betrag Δs unterhalb des Tiefpunktes TP1. Fig. 6d zeigt eine Echokurve für Kaffee. Der Zustand dritte Bedecktzustand wird erkannt, wenn das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
- Es liegt nur ein Tiefpunkt TP vor, der eine vorgegebene erste Schwelle (Schwelle 1) unterschreitet. Die Schwelle 1 wird ermittelt aus der Baseline und einem vorgegebenen Offset.
- Zwischen dem Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters und dem Tiefpunkt TP liegt ein Wendepunkt vor, des sich zwischen einem lokalen Tiefpunkt LTP und einem lokalen Hochpunkt LHP befindet. Der lokale Tiefpunkt LTP und der lokale Hochpunkt überschreiten hierbei einen vorgegebenen Mindestabstand.
Der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters wird dabei ermittelt wie folgt:
- Es wird im Abschnitt II eine Baseline ermittelt.
- Die Baseline im Bereich III wird um einen vorgegebenen Betrag unterschritten.
Der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters kann allgemein immer anhand der Reflexionen erkannt werden, welche an der Ankopplung der Laufzeitleitung an die Prozeßdurchführung aufgrund unterschiedlichen Wellenwiderstände entstehen. Die Ermittlung des Startzeitpunktes auf diese Weise bringt den Vorteil mit sich, daß der Zeitdehnungsfaktor der elektronischen Schaltung 14 nur mit einer Genauigkeit von ca. ±10% bis ±20% vorliegen muß, so daß die elektronische Schaltung 14 mit wenig Aufwand realisiert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes (11) mit gegebener Dielektrizitätskonstante, unter Verwendung einer Halterung (1) als Prozeßdurchführung, in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab (3,4) mit einem Ende angeordnet sind, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut (11) eintaucht, wobei das in der Halterung (1) sitzende Ende des Stabes (3,4) über eine elektrische Leitung (5, 13) mit einer elektrischen Schaltung (14) zur Erzeugung von Hochfrequenz- Sendepulsen verbunden ist, die zum Empfang der Echos einen Echoverstärker (15) aufweist, wobei die Hochfrequenz-Sendepulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie, TDR-Messung, über die Leitung (5, 12) auf den Stab (3,4) aufgegeben werden, wobei die an der Grenzschicht des Gutes (11) zur Luft reflektierten Signale in den Echoverstärker (15) zur Auswertung zurückgeleitet werden und das Reflexionssignal zeitgedehnt wird, und drei zeitlich aufeinanderfolgende Bereiche, nämlich Sendepuls (Abschnitt I), Laufzeit (Abschnitt II) und Zeitabtastfenster (Abschnitt III) unterschieden werden, wobei das Zeitabtastfenster zu einem Startzeitpunkt beginnt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) bei beiden Betriebszuständen des zu erfassenden Gutes (11), nämlich Bedeckung, Kurzschluss bzw. Fastkurzschluss, sowie Nichtbedeckung, Leerlauf, wird ein Reflexionssignal an der Grenzschicht Stab-Medium bzw. Stab-Luft erzeugt durch die Änderung des Wellenwiderstandes, welche an der Grenzschicht Stab-Medium oder Stab-Luft vorliegt, b) die am Echoverstärker (15) erhaltene Kurvenform des zeitgedehnten Reflexionssignals dient zur Bestimmung des Grenzstandes, wobei innerhalb des Zeitabtastfensters mindestens drei signifikante Punkte des Reflexionssignals numerisch bzw. mittels Kurvendiskussion ausgewertet werden und aus mindestens einem Kurvenverlauf während des Abschnitts II eine Referenzspannung ermittelt wird, wobei c) eine Nichtbedeckung, Leerlauf, daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt nur ein Tiefpunkt (TP) vor, der unterhalb einer vorgegebenen ersten Schwelle liegt, welche sich von der Referenzspannung durch einen Offset unterscheidet, d) ein erster Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Refexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt ein Hochpunkt (HP) vor, welcher oberhalb einer vorgegebenen zweiten Schwelle liegt, wobei diese zweite Schwelle ebenfalls aus der Referenzspannung und dem Offset ermittelt wird, e) ein zweiter unterschiedlicher Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegen zwei Tiefpunkte (TP1 , TP2) vor,
• der zeitlich zweite Tiefpunkt (TP2) liegt um einen vorgegebenen Betrag unterhalb des ersten Tiefunktes (TP1), f) ein dritter unterschiedlicher Bedecktzustand daran erkannt wird, daß das Reflexionssignal innerhalb des Zeitabtastfensters folgende Eigenschaften besitzt:
• es liegt ein Tiefpunkt (TP) vor, der unterhalb einer vorgegebenen ersten Schwelle liegt, welche sich von der Referenzspannung durch einen Offset unterscheidet,
• zwischen dem Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters und dem Tiefpunkt (TP) befindet sich ein Wendepunkt, der zwischen einem lokalen Hochpunkt (LHP) und einem lokalen Tiefpunkt (LTP) liegt, wobei der lokale Tiefpunkt (LTP) und der lokale Hochpunkt (LHP) einen vorgegebenen Mindestabstand überschreiten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters dadurch definiert ist, daß das Reflexionssignal um einen vorgegebenen Wert vom Referenzwert abweicht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei parallel in der Halterung (1) angeordnete Stäbe (3,4) verwendet werden, wobei als Leitung eine Koaxialleitung (5, 13) verwendet wird, deren wählbare Länge zur vorgebbaren Laufzeitverlängerung zwischen den hinlaufenden Sendepulsen und den rücklaufenden Reflexionssignalen und damit zu deren zeitlicher Trennbarkeit dient, wobei der Innenleiter der Koaxialleitung (5, 13) mit dem einen Stab (3, 4) und der andere Stab (3, 4) über den Außenleiter mit Masse der elektrischen Schaltung (14) verbunden oder kapazitiv an Masse angekoppelt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß bei hoher Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert >10 das Merkmal d), bei mittlerer Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert zwischen 5 bis 10 das Merkmal e) und bei kleiner Dielektrizitätskonstante des Gutes mit einem DK-Wert < 5 das Merkmal f) erkannt wird .
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
- aus einer Mehrzahl von Kurvenverläufen während des Abschnitts II eine Baseline als Referenzspannung bestimmt wird,
- der Startzeitpunkt des Zeitabtastfensters dadurch definiert ist, daß das Reflexionssignal um einen vorgegebenen Wert von der Baseline abweicht, und
- ermittelt wird, ob das aus dem Reflexionssignal gewonnene zeitgedehnte Signal innerhalb des Zeitabtastfensters einen Hochpunkt, einen ersten Tiefpunkt, einen zweiten Tiefpunkt oder einen lokalen Tiefpunkt und einen lokalen Hochpunkt und somit einen Wendepunkt aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Grenzstandserfassung entweder Filter, z.B. FIR-Filter, oder zwei Zähler verwendet werden und zwar ein Zähler für "Bedeckung erkannt" und ein Zähler für "keine Bedeckung erkannt" verwendet werden und die Erkennung danach auf einen der Zähler aufgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu sechs signifikante Punkte (TP, TP1 , TP2, HP, LTP, LHP) der Kurvenform ausgewertet werden.
8. Zeitbereichsreflektometer für den Einsatz als Grenzwertschalter zur Erfassung des Grenzstandes eines Gutes (11) mit gegebener Dielektrizitätskonstante, mit einer Halterung (1) als Prozeßdurchführung (1 , 12), in der wenigstens ein elektrisch leitender Stab (3,4) mit einem Ende angeordnet ist, dessen anderes Ende bei Erreichen des Grenzstandes in das zu überwachende Gut (11) eintaucht, wobei das in der Halterung (1) sitzende Ende des Stabes (3,4) über eine elektrische Leitung (5, 13) mit einer elektrischen Schaltung (14) zur Erzeugung von Hochfrequenz-Sendepulsen verbunden ist, die zum Empfang der Reflexionssignale, Echos, einen Echoverstärker (15) aufweist, wobei die Hochfrequenz-Sendepulse als geführte Mikrowelle nach dem Prinzip der Zeitbereichsreflektometrie, TDR-Messung, über die Leitung (5, 13) auf den Stab (3,4) aufgebbar sind, und die an der Grenzschicht des Gutes zur Luft reflektierten Signale in den Echoverstärker (15) zur Auswertung zurückgeleitet und zeitgedehnt werden, wobei die Wellenwiderstände des Stabes (3,4) und der Prozeßdurchführung (1, 12) so gewählt sind, dass in der Auswertung drei zeitlich aufeinanderfolgende Bereiche, nämlich Sendepuls (Abschnitt I), Laufzeit (Abschnitt II) und Zeitabtastfenster (Abschnitt III) unterschieden werden können, wobei die innerhalb des Zeitabtastfensters ermittelten Kurvenformen der Reflexionssignale zur Bestimmung des Grenzstandes dient
9. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu sechs signifikante Punkte (TP, TP1 , TP2, HP, LTP, LHP) der Kurvenform ausgewertet werden.
10. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Halterung (1) zwei parallele Stäbe (3,4) angeordnet sind und die Leitung eine Koaxialleitung (5, 13) ist, deren wählbare Länge zur vorgebbaren Laufzeitverlängerung zwischen den hinlaufenden Sendepulsen und den rück- aufenden Reflexionssignalen und damit zu deren Unterscheidbarkeit durch die elektronische Schaltung (14) dient, und damit eine Laufzeitleitung an der Prozeßdurchführung (1 , 12) darstellt, wobei der Innenleiter der Koaxialleitung (5, 13) mit dem einen Stab und der andere Stab über den Außenleiter mit Masse der elektrische Schaltung (14) verbunden ist.
11. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenwiderstand der Koaxialleitung (5, 13) an denjenigen der Prozeßdurchführung (1 ,12) unangepasst gewählt ist.
12. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßdurchführung (1 , 12) eine rohrförmige Prozeßdurchführung (12) mit einem äußeren Metallgewinde ist, innerhalb derselben sich mindestens ein Isolierkörper als isolierende Halterung für die Stäbe (3, 4) sowie dieselben befinden.
13. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierkörper innerhalb der Prozeßdurchführung (1 , 12) schichtweise aus verschiedenen Materialien, beispielsweise Peek und Teflon, mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten besteht und somit ein geschichtetes Dielektrikum ist, wobei die Materialien einerseits die Prozeßdurchführung abdichten und andererseits die Mindestdicke aufweisen, welche für die Entstehung des Reflexionssignals zur Bestimmung des Startzeitpunktes des Zeitabtastfensters erforderlich ist.
14. Zeitbereichsreflektometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozeßdurchführung (1 , 12) zylinderförmig ist und aus elektrisch isolierendem Material, wie Teflon (PTFE) oder PEEK, besteht, innerhalb derselben sich die Stäbe (3,4) befinden.
15. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (3,4) eine Beschichtung, wie Teflon, Keramik oder PEEK, aufweisen, wobei bei der Verwendung von Teflon oder PEEK die Dicke der Beschichtung vorzugsweise zwischen 0,1 mm bis 1 mm beträgt.
16. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Prozeßdurchführung (1 ,12) herausragende Länge der Stäbe zwischen 2 bis 15 cm, vorzugsweise 5 bis 7 cm, beträgt.
17. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Laufzeitleitung (5) von der elektrischen Schaltung (14) bis zum Anschluss an die in der Prozeßdurchführung (1 , 12) sitzenden Enden der Stäbe (3,4) mindestens 30 cm, vorzugsweise 30 cm bis 60 cm, beträgt.
18. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) der Stäbe (3,4) zwischen 10 mm und 30 mm beträgt.
19. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Prozeßdurchführung (1 ,12) zwischen 2 cm und 5 cm beträgt.
20. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozeßdurchführung druckdicht ausgeführt ist, vorzugsweise bis zu Drücken von 30 bar.
21. Zeitbereichsreflektometer nach einem der Ansprüche 8 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierte Signal durch eine Vier-Dioden-
Samplimg-Schaltung (22) abgetastet und über den Echoverstärker (15) sowie über einen A/D-Wandler (24) einem Mikroprozesser (16) zugeführt wird, welcher das reflektierte Signal auswertet und das Ergebnis "Bedeckung erkannt" oder "keine
Bedeckung erkannt" an eine Anzeigeeinheit (25) ausgibt oder in ein Schaltsignal umsetzt.
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