EP1360464A1 - Mit mikrowellen arbeitendes füllstandsmessgerät - Google Patents

Mit mikrowellen arbeitendes füllstandsmessgerät

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Publication number
EP1360464A1
EP1360464A1 EP02703534A EP02703534A EP1360464A1 EP 1360464 A1 EP1360464 A1 EP 1360464A1 EP 02703534 A EP02703534 A EP 02703534A EP 02703534 A EP02703534 A EP 02703534A EP 1360464 A1 EP1360464 A1 EP 1360464A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sequence
signal
level
measuring device
intermediate frequency
Prior art date
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Ceased
Application number
EP02703534A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Spanke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Priority to EP02703534A priority Critical patent/EP1360464A1/de
Publication of EP1360464A1 publication Critical patent/EP1360464A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284—Electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
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    • G01S13/10—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves
    • G01S13/103—Systems for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse modulated waves particularities of the measurement of the distance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/288—Coherent receivers
    • G01S7/2886—Coherent receivers using I/Q processing

Definitions

  • the invention relates to a level measuring device working with microwaves.
  • level measuring devices working with microwaves are often used.
  • electromagnetic waves are known to be emitted against a medium to be measured, in particular in a center frequency range of approximately 0.5 GHz to 30 GHz, as an open space wave or as a guided wave by means of a surface waveguide. Due to electrical impedance jumps within the measuring volume comprising the filling material, the waves, in particular on the filling material surface, are partially reflected and fed to the level measuring device as an echo signal via surface waveguides or via antenna.
  • the determination of the fill level in such fill level measuring devices is often based on the pulse radar method, in which short microwave pulses, so-called bursts, are emitted or guided against the fill material at a shot rate in the range of a few megahertz, where they are at least partially reflected and in the manner described above Level meter are fed back as an echo signal.
  • a transit time of the microwave pulses measured between a point in time at which the transmission signal is transmitted and a point in time at which the echo signal is received, serves here as a measure of the fill level to be determined.
  • US-A 56 14 911, EP-A 955 527 and DE-A 44 07 369 each show a level measuring device working with microwaves, which determines the level according to the pulse radar method and which comprises:
  • a microwave transmission / reception unit for generating an analog intermediate frequency signal influenced by the fill level by means of a pulsed transmission signal and a reception signal
  • an envelope evaluation unit with an amplitude demodulator for the intermediate frequency signal for generating an analog envelope signal.
  • the envelope signal can, as described in DE-A 4407 369, e.g. serve to trigger a counter level triggered in such a way that an average of two counter levels of the counter level represents the level-dependent runtime.
  • the analog envelope signal can also, e.g. described in EP-A 955 527, first digitized and, periodically modulated with a rectangular window, temporarily stored in sections.
  • a corresponding evaluation method in particular implemented in a microcomputer, both the time of transmission of the transmission signal and the time of reception of the echo signal can be determined and the transit time can be calculated accordingly.
  • the level measuring device described in DE-A 44 07 369 also includes a phase evaluation unit with an analog quadrature demodulator for the intermediate frequency signal for generating an analog first quadrature signal representing the real component of the intermediate frequency signal and an analog second quadrature signal representing the imaginary component of the intermediate frequency signal.
  • the discrete structure of both the envelope and the phase evaluation unit has proven to be a disadvantage of this level measuring device. Because of this structure, in particular also because of the high proportion of analog processing component, an increase in the shot rate can namely of the transmission signal and / or a clock rate of the measuring and evaluation cycle, for example to increase the measuring accuracy and / or the evaluation speed, can only be carried out to a very small extent. Furthermore, in order to ensure sufficient accuracy of the determined transit time, each of the components used must belong to a type class of low scatter and high long-term stability, and must also be wired with high precision and accordingly with great effort.
  • the invention consists, according to a first variant, of a fill level measuring device working with microwaves, in particular with a microwave burst, for generating a fill level measured value which represents a fill level in a container, which comprises fill level measuring device:
  • a transmission / reception unit for generating an intermediate frequency signal influenced by the fill level by means of a transmission signal and a reception signal
  • control unit with a volatile data memory, in which a scanning sequence representing the intermediate frequency signal is stored at least temporarily during operation.
  • the invention consists in a level measuring device working with microwaves, in particular with a microwave burst, for generating a level measuring value which represents a level in a container, which level level measuring device comprises:
  • a transmission / reception unit for generating an intermediate frequency signal influenced by the fill level by means of a transmission signal and a reception signal, - a converter element,
  • control unit with a volatile data memory in which a digital phase sequence is stored at least temporarily during operation
  • the level measuring device comprises a logarithmizer for the intermediate frequency signal.
  • the fill level measuring device determines the fill level measured value by means of amplitude information obtained from the scanning sequence.
  • the fill level measuring device determines the fill level measured value by means of phase information obtained from the scanning sequence.
  • At least temporarily a first signal sequence is stored in the volatile data memory, which represents a numerically performed multiplication of the scanning sequence by a digital sine sequence and / or at least temporarily a second signal sequence is stored in the volatile data memory which is numerical represented multiplication of the scanning sequence represented by a digital cosine sequence.
  • a volatile data memory stores, at least temporarily, a first quadrature signal sequence which represents a numerically performed downmixing of at least part of the first signal sequence and / or at least temporarily a second quadrature signal sequence is stored in the volatile data memory, which represents a numerically performed downmixing of at least a part of the second signal sequence.
  • a volatile data memory stores, at least temporarily, a first mean value sequence, in particular serving to generate the first quadrature signal sequence, which represents and / or is a curve of a temporal mean value of at least a region of the first signal sequence volatile data memory, at least temporarily, a second average value sequence, in particular serving to generate the second quadrature signal sequence, which represents a profile of a temporal average value of at least a region of the second signal sequence.
  • a data record corresponding to a phase of a scan sequence data record of the scan sequence is stored in the volatile data memory, said data record numerically dividing that of a data record of the first quadrature signal sequence with a data record of the second that is essentially the same Quadrature signal sequence represented.
  • a volatile data memory stores, at least temporarily, a first digital phase sequence which corresponds to a temporal phase profile of at least part of the intermediate frequency signal.
  • At least temporarily a digital envelope curve is stored in the volatile data memory, which represents a temporal amplitude profile of the intermediate frequency signal.
  • At least temporarily a data record corresponding to a phase of a scan sequence data record of the scan sequence is stored in the volatile data memory, said data record numerically dividing the scan sequence data record with an envelope curve data record of the envelope curve that is essentially identical to the latter represents.
  • at least temporarily a second digital phase sequence is stored in the volatile data memory, which corresponds to a temporal phase profile of at least part of the intermediate frequency signal.
  • a basic idea of the invention is to generate digitally stored raw data, that is to say data with the highest possible proportion of information on the measurement volume, in particular on the fill level, and with the lowest possible proportion of analog preprocessing, on which subsequent evaluation methods, in particular those for determining the fill level, based.
  • the invention is also based on the surprising finding that, in spite of the associated increased memory expenditure, a considerable improvement in the evaluation speed can be achieved with high accuracy at the same time.
  • An advantage of the invention is that both the conversion of the intermediate frequency signal and the processing of the sampling sequence for determining the level measurement value in a very simple manner to changing framework conditions, such as a change in the shot rate, a drift in the center frequency of the transmission signal or a change in the clock rate of the evaluation can be adapted.
  • Another advantage of the invention consists in a considerable reduction in the circuitry outlay required to ensure a sufficiently good signal-to-noise ratio of the intermediate frequency signal to be digitized.
  • FIG. 1 shows a level measuring device mounted on a container for measuring a level in the container
  • FIG. 2 shows schematically, in the manner of a block diagram, functional elements of a level measuring device working with microwaves
  • 3 shows schematically, in the manner of a block diagram, functional elements of an advantageous development of the level measuring device from FIG. 2,
  • FIG. 4 shows, schematically and in a very simplified manner, a digitally stored scanning sequence generated by means of the filling level measuring device from FIG. 2, which represents an intermediate frequency signal influenced by the filling level, as well as signal sequences derived therefrom and used for filling level measurement,
  • FIG. 5 schematically shows a preferred embodiment of a method which can be implemented in the fill level measuring device of FIG. 2 for processing the digitally stored scanning sequence of FIGS. 4 and
  • FIG. 6 shows schematically and in a very simplified manner the digitally stored scanning sequence from FIG. 4 and, according to a further preferred embodiment, other digital signal sequences derived therefrom.
  • FIG. 1 and 2 show an exemplary embodiment of a level measuring device working with microwaves, which is mounted on a container 200 which can be filled with a product 201.
  • the fill level measuring device is used to determine a fill level in the container 200 determined by the fill material 201 based on the pulse radar method and by means of a corresponding control unit 3 to present a fill level, e.g. deliver digital, level measurement value XH ZU.
  • the fill level measuring device has a transducer element 1, in particular fastened to an electronics housing 100, by means of which high-frequency pulsed and, in comparison, lower-frequency pulsed electromagnetic transmission waves Si are coupled into a measuring volume comprising the filling material 201 and, in particular in the direction of the Filling material 201, are emitted as a free space wave.
  • a center frequency of the transmission signal S 2 is here, as in the case of such level measuring devices working with microwaves usual, in a frequency range of a few gigahertz, especially in the frequency range from 0.5 GHz to 30 GHz.
  • the converter element 1 can, for example, as shown, be a horn antenna, a rod antenna, a parabolic antenna or also a planar antenna, which emits electromagnetic microwaves serving as transmission waves ST.
  • a horn antenna e.g. also, as mentioned at the beginning
  • a parabolic antenna e.g. also, as mentioned at the beginning
  • surface waves guided via waveguides can be used for level measurement.
  • the transmission waves Si are at least partially reflected and thus converted into corresponding echo waves Ei which run back in the direction of the transducer element 1 and are received by it.
  • a transmitter / receiver stage 2 coupled to the converter element 1 is used to generate and process line-guided and mutually coherent wave packets of predeterminable pulse shape and pulse width, so-called bursts, and to generate an analog intermediate frequency signal ZF influenced by the fill level by means of the bursts.
  • the pulse shape of an individual burst usually corresponds to that of a needle-like or a half-wave-like pulse with a predefinable pulse width; however, if necessary, other suitable pulse shapes can also be used for the bursts.
  • the transmission / reception unit 2 is accommodated in the electronics housing 100 and, according to FIG. 2, comprises an electronic burst generator 21 for generating a first burst sequence serving as a transmission signal S 2 .
  • the transmission signal S 2 is carried, as is customary in the case of such level measuring devices, with a center frequency, which is approximately in the range between 0.5 and 30 GHz, and is clocked with a shot rate, which in a frequency range of a few megahertz, in particular a frequency range of 1 MHz to 10 MHz is set; Center frequency and / or shot rate can, however, if necessary, be above the frequency ranges specified in each case.
  • the transmission signal S 2 present at a first signal output of the burst generator 21 is transmitted to the transmission / reception unit 2 by means of a directional coupler 22 introduced into the converter element 1 connected to a first signal output of the directional coupler 22 and converted there into the transmission waves Si.
  • the transmission signal S 2 is also present practically simultaneously at a second signal output of the directional coupler 22.
  • the echo waves Ei generated in the measurement volume in the manner described above are, as already mentioned, received again by the fill level measuring device by means of the converter element 1 and converted back into a second burst sequence serving as a received signal E 2 and also present at the second signal output of the directional coupler 22. Accordingly, the directional coupler is output 22 a by means of the transmission signal S 2 and the received signal E 2 formed sum signal S 2 + E 2 can be tapped.
  • the transceiver unit 2 further preferably comprises mixer electronics 23 which serve to temporally expand the high-frequency signal sum, so that the center frequency and the shot rate decrease to a lower level Frequency range of a few kilohertz are shifted.
  • the signal sum S 2 + E 2 For temporal stretching of the signal sum S 2 + E 2 , it is fed to a first signal input of the mixer electronics 23 connected to the second signal output of the directional coupler 22. Simultaneously with the signal sum, a third burst sequence serving as a mixed signal M 2 is applied to a second signal input of the mixer electronics 23.
  • a clock rate with which the mixed signal M 2 is clocked is set somewhat lower than the shot rate of the transmission signal S 2 .
  • the mixed signal M 2 has practically the same center frequency as the transmit signal S 2 .
  • the mixed signal M 2 is likewise generated by means of the burst generator 21 and, as shown in FIG. 2, can be tapped off via a second signal output of the burst generator 21.
  • the signal sum is amplitude-modulated with the mixed signal M 2 and then low-pass filtered.
  • the Signal sum S 2 + E 2 is mapped onto a signal serving as an intermediate frequency signal ZF, which is temporally stretched by a time expansion factor compared to the signal sum and is accordingly low-frequency.
  • the time expansion factor corresponds to a quotient of the shot rate of the transmission signal S 2 divided by a difference between the shot rate of the transmission signal S 2 and the clock rate of the mixed signal M 2 .
  • a center frequency of the intermediate frequency signal ZF generated in this way is usually in a fill level measuring device in a frequency range from 50 to 200 kHz; if necessary, the frequency range can also be selected higher or lower.
  • the intermediate frequency signal ZF can be pre-amplified in a suitable manner before it is output from the transceiver unit 2, and the signal curve can thus be adapted to subsequent circuits.
  • the level measurement device further comprises a control unit 3, which can also be accommodated in the electronics housing 100.
  • control unit 3 also serves in particular to digitize the intermediate frequency signal ZF and to store it in sections so that both amplitude and phase information about the intermediate frequency signal ZF is simultaneously available in digital form for determining the level measurement value XH.
  • the intermediate frequency signal ZF is supplied to the control unit 3, as shown schematically in FIG. 2, preferably via a low-pass filter 31, for example a passive or an active RC filter, of predefinable filter order and of an adjustable cut-off frequency.
  • the low-pass filter 31 is used to band-limit the intermediate frequency signal IF to avoid aliasing errors and thus to preprocess it accordingly for digitization.
  • the cut-off frequency is set to less than 0.5 times, in particular but at most 0.2 times, a sampling frequency with which the portion of the intermediate frequency signal ZF that is passed is sampled. In the event that If the intermediate frequency signal ZF is already band-limited in the required manner, the low-pass filter 31 may also be omitted.
  • the low-pass filter 31 is coupled to a signal input of an A / D converter (analog-to-digital converter) 32 of the control unit 3, which serves to convert the intermediate frequency signal ZF, which is supplied via the low-pass filter 31, in particular directly, into a representative, convert digital intermediate frequency signal ZFD.
  • a / D converters 32 can be used for this purpose, e.g. serial or parallel converting A / D converters can be used, which can be clocked with the sampling frequency mentioned above.
  • a suitable type of A / D converter is e.g. that of a sampling A / D converter LTC 1415 from Linear Technilogy Corp. with a resolution of 12 bits and a permissible sampling frequency of less than or equal to 1.25 MHz.
  • a reference voltage of the A / D converter 32 must be set accordingly so that an expected minimum signal value input of the converter sets at least one bit, in particular the highest significant bit (MSB), of the intermediate frequency signal ZF D.
  • MSB highest significant bit
  • a DC component must be added to the signal present at the output of the low-pass filter 31 in such a way that it acts on the A / D converter 32 practically as a DC signal of variable amplitude.
  • the low-pass filter 31, as shown in FIG. 3, is coupled to the A / D converter 32 via a logarithmic generator 37.
  • the logarithm generator 37 for example of the type AD637 or AD8307 from Analog Devices, is used to compress the amplitude information of the intermediate frequency signal ZF while maintaining the phase information in such a way that instead of the 12-bit A / D converter mentioned above, e.g. an 8-bit A / D converter can also be used to achieve an essentially equally high accuracy.
  • the logarithm 37 may e.g. also be directly upstream of the low-pass filter 31.
  • the digital intermediate frequency signal ZF D present on the output side of the A / D converter 32 is loaded in sections, for example via an internal data bus, into a volatile data memory 33 of the control unit 3 and there as a finite scanning sequence AF inform, which currently represents the intermediate frequency signal ZF, of an ensemble of digitally stored data sets, in particular for a digital fill level computer 34 of the control unit 3, is kept available.
  • Static and / or dynamic read-write memories for example, can serve as data memories 33.
  • the level computer 34 has, at least temporarily, access to the data memory 33 and the data records stored therein, for example via internal data bus.
  • the fill level computer 34 can, for example, as shown schematically in FIG. 2, be advantageously implemented by means of a microprocessor 30 and computer programs running in it.
  • control unit 3 further comprises a memory manager 35 designed as a separate subcircuit, which communicates with the microprocessor 30, for example via an internal data bus, to manage the data memory 33, in particular the sampling of the digital intermediate frequency signal ZF D and to control the generation of the scan sequence AF, and thus to relieve the microprocessor 30.
  • the memory manager 35 is preferably clocked many times, in particular eight, ten or twelve times, faster than the A / D converter 32.
  • the memory manager 35 is preferably in a programmable function memory, e.g. implemented a PAL (programmable array logic) or an FPGA (field programmable gate array). If necessary, the memory manager 35 can also be implemented by means of the microprocessor 30 or another microprocessor (not shown here) and corresponding computing programs running therein.
  • a programmable function memory e.g. implemented a PAL (programmable array logic) or an FPGA (field programmable gate array). If necessary, the memory manager 35 can also be implemented by means of the microprocessor 30 or another microprocessor (not shown here) and corresponding computing programs running therein.
  • Using the memory manager 35 e.g. an average or median formation over a plurality of scanning sequences, which is customary for such level measuring devices, can also be realized.
  • the determination of the level measurement value X H according to the pulse radar method is based on the evaluation of the current level dependent transit time of the echo waves E ⁇ which can now be determined with high accuracy by means of the scanning sequence AF in the data memory 33 and the amplitude and phase information.
  • the amplitude information of the intermediate frequency signal ZF e.g. a digital rectification of the scanning sequence AF implemented in the fill level computer 34, i.e. a simple formation of the absolute value of all data tuples of the scanning sequence AF, with subsequent maximum detection, in which selected data tuples of local maxima are used to model an amplitude profile of the intermediate frequency signal ZF inform a digital envelope ENV.
  • the evaluation methods known per se to the person skilled in the art for determining the transit time can readily be applied to such a digitally generated envelope, cf. in particular EP-A 668 488, EP-A 882 957, EP-A 1 069 438, WO-A 94/14 037, WO-A 95/08 780. If necessary, however, others can also Methods known to those skilled in the art can be used for digital amplitude demodulation.
  • the two previously mentioned quadrature signal sequences Q and I which represent the real component and the imaginary component of the intermediate frequency signal ZF in digital form, can also be derived to obtain the phase information.
  • the scanning sequence AF can be performed at least in sections, in particular in the area of a previously digitally detected useful echo, by means of the fill level computer 34 on the one hand with a digital sine sequence and on the other hand with a digital cosine sequence of predeterminable, especially at the center frequency of the intermediate frequency signal ZF in approximately the same frequency multiplied and thus a first and a second digital, for example, are also stored in the data memory 33, signal sequence SIN a and F COSAF produced, see FIG. Fig. 4.
  • these signal sequences SINAF, COS A F can be digitally low-pass filtered and then easily converted numerically into a corresponding amplitude or phase value in accordance with the known trigonometric relationships, from which the level measurement value X H is practically direct can be calculated, cf. see also DE-A 44 07 369, in which this process, which is also referred to as a downward-mixing mixture, is described.
  • a first approximate based on a first data record en R serving as a reference point and a second data record env N serving as a level or useful echo, of the digitally available envelope curve ENV especially in a range up to a half or a quarter wavelength of the digital intermediate frequency signal ZF D accurate, determination of the transit time.
  • data tuples q ij, (j index of the currently selected quadrature data sets), which is practically a downmixing of the scan sequence AF, digitally representing the scan sequence AF, represent now, preferably using one of each quadrature data set of the two ), starting with a start data tuple, for example in the expected or already determined index area of the second data record env, that data tuple q ⁇ ⁇ iN des Useful echoes determined that best matches a data tuple C ⁇ RI R formed at the reference point.
  • the two data tuples q R / ⁇ , q N / i N found in this way can then easily be repeated, for example, by repeatedly using a numerically implemented arctangent function, ie arctan (q R / iR), arctan (qj ⁇
  • the level measurement value XH is determined on the basis of the two quadrature signal sequences Q, I by first of all or at least a proportion of the data tuples q j / i j relevant to the level measurement that can be generated by means of the signal sequences Q, I , are formed and stored in the data memory 33 inform a phase sequence Q / l corresponding to a time course of the phase of the intermediate frequency signal.
  • the data sets env R , env N are compared with one another, taking into account the predetermined reference point or useful echo, that their phase values derived from the associated data tuples q R / i R , q N / i N , as mentioned above, in match these areas as closely as possible, cf. Fig. 4.
  • the digital low-pass filter used for evaluating the signal sequences SINAF, COS A F and realized by means of the fill level computer 34 is advantageously replaced as follows in accordance with a preferred embodiment of the invention.
  • the two digital signal sequences SINAF, COSAF are initially also stored, for example in data memory 33.
  • the quadrature signal sequences Q, I are based on a profile of a periodically determined time average of the signal sequence SINAF and a periodically determined time average of the signal sequence COSAF is determined, the temporal mean values being determined advantageously only for the regions of interest of the reference point or the useful echo, that is to say in the region of the first and / or the second data record envR, env N.
  • averaging sequence SIN AF, COS AF which represents the variation of the time average of at least a portion of the signal sequences SIN A F or COS A F accordingly, is the one hand, with an at least two selected or calculated maxima of the signal sequence SIN a F or COSAF representing first data ensemble and on the other hand, each representing a likewise at least two selected or calculated minima of the signal sequence Sina F or COSAF second data Ensemble a, esp. linear performed regression, see FIG. For this purpose, Fig. 5.
  • a parameter set for the time course of the mean value functionally descriptive formation rule For example, a 0 x + b 0 , a u x + b u (FIG.), can be easily determined by the mean value being formed from the two parameters of the two parameter sets which represent the envelopes of the signal sequences SINAF and COSAF, which correspond to one another e.g. 0.5 (a 0 + a u ), 0.5 (b o + b u ).
  • the phase information required for millimeter-accurate level measurement is practically direct, without generating the quadrature signal sequences Q, I obtained from the scan sequence AF.
  • the data set ⁇ VR is first selected from the envelope curve ENV or determined from the scan sequence AF and furthermore in the scan sequence AF the exact data record af R is determined, its location or transit time position , eg represented by the associated data record index, best with the location or Runtime position of the associated data record env R matches.
  • a data tuple af R / env R corresponding to the phase of the data set af R in particular proportional to the sine of this phase, can be obtained very quickly and easily.
  • a data set division over the entire envelope curve ENV and the entire scan sequence AF is preferably carried out, and the intermediate frequency signal ZF is thus practically standardized to an amplitude curve represented by the envelope curve ENV.
  • a digital phase sequence AF / ENV generated in this way is also stored in the data memory 33 in order to digitally image a phase curve of at least part of the intermediate frequency signal ZF.
  • the two data tuples afR / env R , af N / env N relevant for the runtime measurement can be easily rescaled into phase-proportional data.
  • phase information using the data tuple af R / env R is by means of a from the data env N and a corresponding thereto collocated record af N of the sampling AF initially a corresponding data tuple af N / env N for the useful echo to determine to re-scale both data tuples in the manner described above into phase-proportional data and to form a difference between the two calculated values thus obtained.
  • the transit times obtained for determining the level measurement value XH from the scanning sequence AF for example by means of the envelope curve ENV and the phase sequence AF / ENV or by means of the quadrature signal sequences Q, I Evaluation methods can be implemented in the manner known to the person skilled in the art, for example as a computer program running in the microprocessor 30.
  • the program codes required for this can also be easily implemented in an, in particular permanent, writable memory 36 of evaluation stage 3, for example an EPROM, a flash EEPROM or EEPROM, to which the microprocessor 30 reads data during operation.
  • the microprocessor 30 is implemented by means of a digital signal processor, for example of the type ADSP21065 from Analog Devices. If necessary, e.g. in addition to the microprocessor 30, an additional signal processor can also be provided.
  • the level gauge can e.g. connected to a fieldbus, not shown, and thus connected to a remote control room and to an external power supply that feeds the level measuring device, set via an internal supply unit 4.
  • the level measurement device further comprises a communication unit 5 with corresponding data interfaces 51.
  • the communication unit 5 can also, especially for visualizing measuring device data and / or for setting the level measuring device To enable location, have a corresponding display and control unit 52.

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Abstract

Das, insb. mit Mikrowellen-Burst arbeitende, Füllstandsmeßgerät dient dem Erzeugen eines den Füllstand in einem Behälter (200) repräsentierenden Füllstandsmeßwerts (XH). Dazu umfaßt das Füllstandsmeßgerät eine Sende/Empfangseinheit (2) zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten Zwischenfrequenzsignals (ZF) mittels eines Sendesignals (S2) und eines Empfangssignals (E2). Ferner weist das Füllstandsmeßgerät ein Wandlerelement (1) auf, das im Betrieb vom Sendesignal (S2) angesteuert, insb. gepulste, Sendewellen (S1) in den Behälter (200) einkoppelt und das von einem Füllgut (201) reflektierte Echowellen (E1) in das Empfangssignal (E2) wandelt. Das Zwischenfrequenzsignal (ZF) ist einer Steuerungseinheit (3) des Füllstandsmeßgeräts zugeführt und dort inform einer Abtastfolge (AF) in einem flüchtigen Datenspeicher (33) digital gespeichert. Dadurch ist bei der Ermittlung des Füllstands sowohl eine Amplituden- als auch eine Phaseninformation verfügbar. Das Füllstandsmeßgerät ist damit in der Lage den Füllstand hochgenau, insb. millimetergenau, und sehr schnell zu messen.

Description

Mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät
Die Erfindung betrifft ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät.
Zur, insb. quasi-kontinuierlichen, Füllstandsmessung in Behältern, z.B. in einem Flüssigkeitstank oder in einem Schüttgutbehälter, werden oftmals mit Mikrowellen arbeitende Füllstandsmeßgeräte verwendet. Bei der Füllstandsmessung mit einem solchen Füllstandsmeßgerät werden, basierend auf dem Radarprinzip, bekanntlich elektromagnetische Wellen, insb. in einem Mittenfrequenzbereich von etwa 0.5 GHz bis 30 GHz, mittels einer Antenne als Freiraumwelle oder mittels eines Oberflächenwellenleiters als geführte Welle gegen ein zu bemessendes Füllgut ausgesendet. Aufgrund von elektrischen Impedanzsprüngen innerhalb des das Füllgut umfassenden Meßvolumens werden die Wellen, insb. an der Füllgutoberfläche, teilweise reflektiert und via Oberflächenwellenleiter bzw. via Antenne dem Füllstandmeßgerät als Echosignal zugeführt.
Die Ermittlung des Füllstands basiert bei derartigen Füllstandsmeßgeräten häufig auf dem Pulsradar-Verfahren, bei dem kurze Mikrowellenimpulse, sogenannte Bursts, mit einer Schußrate im Bereich von einigen Megahertz gegen das Füllgut abgestrahlt bzw. geführt, dort zumindest teilweise reflektiert und in der oben beschriebenen Weise dem Füllstandmeßgerät als Echosignal wieder zugeführt werden. Eine Laufzeit der Mikrowellenimpulse, gemessen zwischen einem Zeitpunkt des Aussendens des Sendesignals bis zu einem Zeitpunkt des Empfangens des Echosignals dient hierbei als ein Maß für den zu bestimmenden Füllstand.
So ist z.B. in der US-A 56 14 911 , der EP-A 955 527 und der DE-A 44 07 369 jeweils ein mit Mikrowellen arbeitendes Füllstandsmeßgerät gezeigt, das den Füllstand nach dem Pulsradar-Verfahren ermittelt und das umfaßt:
- eine Mikrowellen-Sende/Empfangseinheit zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten analogen Zwischenfrequenzsignals mittels eines gepulsten Sendesignals und eines Empfangssignals
- ein Wandlerelement, - das im Betrieb vom Sendesignal angesteuert Sendewellen in den Behälter einkoppelt und
-- das von einem Füllgut reflektierte Echowellen in das Empfangssignal wandelt, sowie
- eine Hüllkurvenauswerteeinheit mit einem Amplidutendemodulator für das Zwischenfrequenzsignal zum Erzeugen eines analogen Hüllkurvensignals.
Das Hüllkurvensignal kann, wie in der DE-A 4407 369 beschrieben, z.B. dazu dienen, eine Zählerstufe schwellwertegetriggert so anzusteuern, daß ein Mittelwert zweier Zählerstände der Zählerstufe die füllstandsabhängige Laufzeit repräsentiert. Das analoge Hüllkurvensignal kann aber auch, wie z.B. in der EP-A 955 527 beschrieben, zunächst digitalisiert und, periodisch mit einem Rechteckfenster moduliert, abschnittsweise zwischengespeichert werden. Anhand einer somit erzeugten Hüllkurven-Abtastfolge kann mittels eines entsprechenden, insb. in einem Mikrocomputer implementierten, Auswerteverfahrens sowohl der Zeitpunkt des Aussendens des Sendesignals als auch der Zeitpunkt des Empfangene des Echosignals bestimmt und die Laufzeit entsprechend berechnet werden.
Es hat sich ferner gezeigt, daß für eine hochgenaue, insb. millimetergenaue, Bestimmung des Füllstands, wie z.B. in der EP-A 1 069 438 oder in der DE-A 44 07 369 beschrieben, neben der auf das Hüllkurvensignal abgebildeten Amplitudeninformation des Zwischenfrequenzsignals auch eine Information über eine Phasenlage des Empfangssignals im Vergleich zum Sendesignal erforderlich sein kann. Zur Gewinnung einer solchen zusätzlichen Phaseninformation umfaßt das in der DE-A 44 07 369 beschriebene Füllstandsmeßgerät außerdem eine Phasenauswerteeinheit mit einem analogen Quadraturdemodulator für das Zwischenfrequenzsignal zum Erzeugen eines den Realanteil des Zwischenfrequenzsignals repräsentierenden analogen ersten und eines den Imaginäranteil des Zwischenfrequenzsignals repräsentierenden analogen zweiten Quadratursignals.
Als nachteilig bei diesem Füllstandsmeßgerät hat sich vor allem der diskrete Aufbau sowohl der Hüllkurven- als auch der Phasenauswerteeinheit herausgestellt. Aufgrund dieses Aufbaus, insb. auch aufgrund des hohen Anteils analog verarbeitender Bauelement, kann nämlich eine Erhöhung der Schußrate des Sendesignals und/oder einer Taktrate des Meß- und Auswertezyklusses, z.B. zur Erhöhung der Meßgenauigkeit und/oder der Auswertegeschwindigkeit, nur in einem sehr geringen Maße vorgenommen werden. Des weiteren muß zur Gewährleistung einer ausreichenden Genauigkeit der ermittelten Laufzeit sowohl jedes der verwendeten Bauelemente einer Typklasse von geringer Streuung und hoher Langzeitstabilität angehören als auch hochgenau und dementsprechend aufwendig verdrahtet werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, ein insb. millimetergenau messendes, Füllstandsmeßgerät anzugeben, das zur Ermittlung des Füllstands sowohl eine Amplituden- als auch eine Phaseninformation verwendet und das eine deutliche Erhöhung der Auswertegeschwindigkeit bei der Füllstandsmessung ermöglicht. Ferner soll das Füllstandsmeßgerät auch einen hohen Integrationsgrad aufweisen können.
Zur Lösung der Aufgabe besteht die Erfindung nach einer ersten Variante in einem mit Mikrowellen, insb. mit Mikrowellen-Burst, arbeitendes Füllstandsmeßgerät zum Erzeugen eines Füllstandsmeßwerts, der einen Füllstand in einem Behälter repräsentiert, welches Füllstandsmeßgerät umfaßt:
- eine Sende/Empfangseinheit zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten Zwischenfrequenzsignals mittels eines Sendesignals und eines Empfangssignals,
- ein Wandlerelement,
- das im Betrieb vom Sendesignal angesteuert, insb. gepulste, Sendewellen in den Behälter einkoppelt und
- das von einem Füllgut reflektierte Echowellen in das Empfangssignal wandelt, sowie
- eine Steuerungseinheit mit einem flüchtigen Datenspeicher, in dem im Betrieb zumindest temporär eine das Zwischenfrequenzsignal repräsentierende Abtastfolge gespeichert ist.
Des weiteren besteht die Erfindung nach einer zweiten Variante in einem mit Mikrowellen, insb. mit Mikrowellen-Burst, arbeitendes Füllstandsmeßgerät zum Erzeugen eines Füllstandsmeßwerts, der einen Füllstand in einem Behälter repräsentiert, welches Füllstandsmeßgerät umfaßt:
- eine Sende/Empfangseinheit zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten Zwischenfrequenzsignals mittels eines Sendesignals und eines Empfangssignals, - ein Wandlerelement,
- das im Betrieb vom Sendesignal angesteuert, insb. gepulste, Sendewellen in den Behälter einkoppelt und
- das von einem Füllgut reflektierte Echowellen in das Empfangssignal wandelt, sowie
- eine Steuerungseinheit mit einem flüchtigen Datenspeicher, in dem im Betrieb zumindest temporär eine digitale Phasenfolge gespeichert ist,
- die eine Normierung des Zwischenfrequenzsignals auf einen Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals repräsentiert und
- die mit einem zeitlichen Phasenverlauf des Zwischenfrequenzsignals korrespondiert.
Nach einer bevorzugten ersten Ausgestaltung beider Varianten der Erfindung umfaßt das Füllstandsmeßgerät einen Logarithmierer für das Zwischenfrequenzsignal.
Nach einer bevorzugten zweiten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung bestimmt das Füllstandsmeßgerät den Füllstandsmeßwert mittels einer aus der Abtastfolge gewonnenen Amplitudeninformation.
Nach einer bevorzugten dritten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung bestimmt das Füllstandsmeßgerät den Füllstandsmeßwert mittels einer aus der Abtastfolge gewonnenen Phaseninformation.
Nach einer bevorzugten vierten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine erste Signalfolge gespeichert, die eine numerisch durchgeführte Multiplikation der Abtastfolge mit einer digitalen Sinusfolge repräsentiert und/oder ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine zweite Signalfolge gespeichert, die eine numerisch durchgeführte Multiplikation der Abtastfolge mit einer digitalen Cosinusfolge repräsentiert.
Nach einer bevorzugten fünften Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine erste Quadratursignalfolge gespeichert, die eine numerisch durchgeführte Abwärtsmischung zumindest eines Teils der ersten Signalfolge repräsentiert und/oder ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine zweite Quadratursignalfolge gespeichert, die eine numerisch durchgeführte Abwärtsmischung zumindest eines Teils der zweiten Signalfolge repräsentiert.
Nach einer bevorzugten sechsten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine, insb. der Erzeugung der ersten Quadratursignalfolge dienende, erste Mittelwertfolge, gespeichert, die einen Verlauf eines zeitlichen Mittelwerts zumindest eines Bereichs der ersten Signalfolge repräsentiert und/oder ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine, insb. der Erzeugung der zweiten Quadratursignalfolge dienende, zweite Mittelwertfolge, gespeichert, die einen Verlauf eines zeitlichen Mittelwerts zumindest eines Bereichs der zweiten Signalfolge repräsentiert.
Nach einer bevorzugten siebenten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär ein mit einer Phase eines Abtastfolgen-Datensatzes der Abtastfolge korrespondierender Datensatz gespeichert, der eine numerische Division des eines Datensatzes der ersten Quadratursignalfolge mit einem zu diesem im wesentlichen ortsgleichen Datensatz der zweiten Quadratursignalfolge repräsentiert.
Nach einer bevorzugten achten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine erste digitale Phasenfolge gespeichert, die mit einem zeitlichen Phasenverlauf zumindest eines Teils des Zwischenfrequenzsignals korrespondiert.
Nach einer bevorzugten neunten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine digitale Hüllkurve gespeichert, die einen zeitlichen Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals repräsentiert.
Nach einer bevorzugten zehnten Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär ein mit einer Phase eines Abtastfolgen-Datensatzes der Abtastfolge korrespondierender Datensatz gespeichert, der eine numerische Division des Abtastfolgen-Datensatzes mit einem zu diesem im wesentlichen ortsgleichen Hüllkurven-Datensatz der Hüllkurve repräsentiert. Nach einer bevorzugten elften Ausgestaltung der ersten Variante der Erfindung ist im flüchtigen Datenspeicher zumindest temporär eine zweite digitale Phasenfolge gespeichert, die mit einem zeitlichen Phasenverlauf zumindest eines Teils des Zwischenfrequenzsignals korrespondiert.
Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, digital abgespeicherte Rohdaten zu erzeugen, also Daten mit einem höchst möglichen Anteil an Informationen zum Meßvolumen, insb. zum Füllstand, und mit einem geringst möglichen Anteil analoger Vorverarbeitung, auf denen nachfolgende Auswerteverfahren, insb. solche zur Füllstandsermittlung, beruhen. Dabei basiert die Erfindung auch auf der überraschenden Erkenntnis, daß trotz eines damit einhergehenden erhöhten Speicheraufwandes, insgesamt ein erhebliche Verbesserung der Auswertegeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Genauigkeit erzielt werden kann.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sowohl die Umwandlung des Zwischenfrequenzsignals als auch die Verarbeitung der Abtastfolge zur Ermittlung des Füllstandsmeßwerts in sehr einfacher Weise an sich verändernde Rahmenbedingungen, wie z.B. eine Veränderung der Schußrate, einer Drift der Mittenfrequenz des Sendesignals oder einer Änderung der Taktrate der Auswertung, angepaßt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht ferner in einer erheblichen Verringerung des schaltungstechnischen Aufwandes, der zur Gewährleistung eines ausreichend guten Signal-zu-Rausch-Verhältnisses des zu digitalisierenden Zwischenfrequenzsignals erforderlich ist.
Nachfolgend werden die Erfindung und weitere Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein auf ein Behälter montiertes Füllstandsmeßgerät zum Messen eines Füllstands im Behälter,
Fig. 2 zeigt schematisch nach der Art eines Blockschaltbildes Funktionselemente eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgeräts, Fig. 3 zeigt schematisch nach der Art eines Blockschaltbildes Funktionselemente einer vorteilhaften Weiterbildung des Füllstandsmeßgeräts von Fig. 2,
Fig. 4 zeigt schematisch und sehr stark vereinfacht eine mittels des Füllstandsmeßgeräts von Fig. 2 erzeugte, digital gespeicherte Abtastfolge, die ein vom Füllstand beeinflußtes Zwischenfrequenzsignal repräsentiert, sowie nach einer bevorzugten Ausgestaltung davon abgeleitete, der Füllstandsmessung dienende Signalfolgen,
Fig. 5 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines im Füllstandsmeßgerät von Fig. 2 implementierbaren Verfahrens zur Verarbeitung der digital gespeicherten Abtastfolge von Fig. 4 und
Fig. 6 zeigt schematisch und sehr stark vereinfacht die digital gespeicherte Abtastfolge von Fig. 4 sowie nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung davon abgeleitete andere digitale Signalfolgen.
In Fig. 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgeräts dargestellt, das auf einen mit einem Füllgut 201 befüllbaren Behälter 200 montiert ist.
Das Füllstandsmeßgerät dient dazu, einen durch das Füllgut 201 bestimmten Füllstand im Behälter 200 basierend auf dem Pulsradar-Verfahren zu ermitteln und mittels einer entsprechenden Steuerungseinheit 3 einen diesen Füllstand momentan repräsentierenden, z.B. digitalen, Füllstandsmeßwert XH ZU liefern.
Dazu weist das Füllstandsmeßgerät gemäß Fig. 1 ein, insb. an einem Elektronikgehäuse 100 befestigtes, Wandlerelement 1 auf, mittels dem hochfrequent geträgerte und im Vergleich dazu niederfrequenter gepulste elektromagnetische Sendewellen Si in ein das Füllgut 201 umfassendes Meßvolumen eingekoppelt und, insb. in Richtung des Füllguts 201 , als Freiraumwelle ausgesendet werden. Eine Mittenfrequenz des Sendesignals S2 liegt hier, wie bei derartigen, mit Mikrowellen arbeitenden Füllstandsmeßgeräten üblich, in einem Frequenzbereich von einigen Gigahertz, insb. im Frequenzbereich von 0.5 GHz bis 30 GHz.
Das Wandlerelement 1 kann z.B., wie dargestellt, eine Hornantenne, eine Stabantenne, eine Parabolantenne oder auch eine Planarantenne, sein, die als Sendewellen ST dienende elektromagnetische Mikrowellen abstrahlt. Anstelle solcher Freiraumwellen können aber z.B. auch, wie eingangs erwähnt, via Wellenleiter geführte Oberflächenwellen zur Füllstandsmessung verwendet werden.
Aufgrund von Impedanzsprüngen innerhalb des Meßvolumens, insb. an einer Oberfläche des Füllguts 201 , werden die Sendewellen Si zumindest teilweise reflektiert und somit in entsprechende Echowellen Ei gewandelt, die in Richtung des Wandlerelements 1 zurücklaufen und von diesem empfangen werden.
Eine an das Wandlerelement 1 angekopplte Sende-/ Empfangsstufe 2 dient dazu, leitungsgeführte und zueinander kohärente Wellenpakete von vorgebbarer Pulsform und Pulsweite, sogenannte Bursts, zu erzeugen und zu verarbeiten sowie mittels der Bursts ein von dem Füllstand beeinflußtes, analoges Zwischenfrequenzsignal ZF zu generieren. Die Pulsform eines einzelnen Bursts entspricht üblicherweise der eines nadelartigen oder eines halbwellenartigen Impulses von vorgebbarer Pulsweite; es können hier aber auch, falls erforderlich, andere geeignete Pulsformen für die Bursts verwendet werden.
Die Sende-/Empfangseinheit 2 ist im Elektronikgehäuse 100 untergebracht und umfaßt gemäß Fig. 2 einen elektronischen Burst-Generator 21 zum Erzeugen einer als ein Sendesignal S2 dienenden ersten Burstfolge. Das Sendesignal S2 ist, wie bei derartigen Füllstandsmeßgeräten üblich, mit einer Mittenfrequenz getragen., die in etwa im Bereich zwischen 0.5 und 30 GHz liegt, und mit einer Schußrate getaktet, die auf einen Frequenzbereich von einigen Megahertz, insb. einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz, eingestellt ist; Mittenfrequenz und/oder Schußrate können aber auch, falls erforderlich, oberhalb der jeweils angegebenen Frequenzbereiche liegen.
Das an einem ersten Signalausgang des Burst-Generators 21 anliegende Sendesignal S2 wird mittels eines Richtkopplers 22 der Sende-/ Empfangseinheit 2 in das an einem ersten Signalausgang des Richtkopplers 22 angeschlossene Wandlerelement 1 eingeleitet und dort in die Sendewellen Si gewandelt. Praktisch gleichzeitig liegt das Sendesignal S2 außerdem an einem zweiten Signalausgang des Richtkopplers 22 an.
Die in der oben beschriebenen Weise im Meßvolumen erzeugten Echowellen Ei werden, wie bereits erwähnt, vom Füllstandsmeßgerät mittels des Wandlerelements 1 wieder empfangen und in eine als Empfangssignal E2 dienende, ebenfalls am zweiten Signalausgang des Richtkopplers 22 anliegende zweite Burstfolge zurückgewandelt. Dementsprechend ist ausgangs des Richtkopplers 22 eine mittels des Sendesignals S2 und des Empfangssignals E2 gebildete Signalsumme S2 + E2 abgreifbar.
Aufgrund dessen, daß die Mittenfrequenz und/oder die Schußrate des Sendesignals S2, wie bei solchen Füllstandsmeßgeräten üblich, so hoch eingestellt ist, daß ein direktes Auswerten der am zweiten Signalausgang des Richtkopplers 22 anliegenden Signalsumme, insb. ein direktes Messen der Laufzeit, praktisch nicht mehr oder nur mit einem hohen technischen Aufwand möglich wäre, umfaßt die Sende-/Empfangseinheit 2 ferner bevorzugt eine Mischerelektronik 23, die dazu dient, die hochfrequent geträgerte Signalsumme zeitlich zu dehnen, und zwar so, daß die Mittenfrequenz und die Schußrate in einen niedrigeren Frequenzbereich von einigen Kilohertz verschoben werden.
Zum zeitlichen Dehnen der Signalsumme S2 + E2 wird diese einem mit dem zweiten Signalausgang des Richtkopplers 22 verbundenen ersten Signaleingang der Mischerelektronik 23 zugeführt. Gleichzeitig mit der Signalsumme ist einem zweiten Signaleingang der Mischerelektronik 23 eine als ein Mischsignal M2 dienende dritte Burstfolge angelegt. Eine Taktrate, mit der das Mischsignal M2 getaktet ist, ist dabei etwas kleiner eingestellt als die Schußrate des Sendesignals S2. Das Mischsignal M2 weist jedoch praktisch dieselbe Mittenfrequenz wie das Sendesignal S2 auf. Das Mischsignal M2 wird ebenfalls mittels des Burst- Generators 21 erzeugt und ist, wie in Fig. 2 dargestellt, über einen zweiten Signalausgang des Burst-Generators 21 abgreifbar.
Mittels der Mischerelektronik 23 wird die Signalsumme mit dem Mischsignal M2 amplitudenmoduliert und anschließend tiefpaßgefiltert. Somit wird die Signalsumme S2 + E2 auf ein als Zwischenfrequenzsignal ZF dienendes Signal abgebildet, das um einen Zeitdehnungsfaktor gegenüber der Signalsumme zeitlich gedehnt und dementsprechend niederfrequent ist. Der Zeitdehnungsfaktor entspricht dabei einem Quotienten der Schußrate des Sendesignals S2 geteilt durch eine Differenz der Schußrate des Sendesignal S2 und der Taktrate des Mischsignals M2. Eine Mittenfrequenz des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals ZF liegt bei derartigen Füllstandsmeßgeräten üblicherweise in einem Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz; falls erforderlich kann der Frequenzbereich aber auch höher oder niedriger gewählt werden.
Selbstverständlich kann das Zwischenfrequenzsignal ZF, falls erforderlich, vor seiner Ausgabe aus der Sende-/ Empfangseinheit 2 in geeigneter Weise vorverstärkt und somit in seinem Signalverlauf an nachfolgende Schaltungen angepaßt werden.
Zum Ansteuern der Sende-/Empfangseinheit 2 und zum Erzeugen des Füllstandsmeßwerts XH aus dem Zwischenfrequenzsignal ZF umfaßt das Füllstandsmeßgerät ferner eine Steuerungseinheit 3, die ebenfalls im Elektronikgehäuse 100 untergebracht sein kann.
Erfindungsgemäß dient die Steuerungseinheit 3 insb. auch dazu, das Zwischenfrequenzsignal ZF so zu digitalisieren und abschnittsweise so abzuspeichern, daß zur Ermittlung des Füllstandsmeßwerts XH gleichzeitig sowohl eine Amplituden- als auch eine Phaseninformation über das Zwischenfrequenzsignal ZF in digitaler Form zur Verfügung gehalten wird.
Zu diesem Zweck ist das Zwischenfrequenzsignal ZF der Steuerungseinheit 3, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, bevorzugt über ein Tiefpaßfilter 31 , z.B. einem passiven oder einem aktiven RC-Filter, von vorgebbarer Filterordnung und von einstellbarer Grenzfrequenz zugeführt. Das Tiefpaßfilter 31 dient dazu, das Zwischenfrequenzsignal ZF zur Vermeidung von Aliasing-Fehler bandzubegrenzen und somit für eine Digitalisierung entsprechend vorzuverarbeiten. Die Grenzfrequenz ist gemäß dem bekannten Nyquist- Abtasttheorem dazu auf weniger als das 0,5-fache, insb. aber auf höchstens das 0,2-fache, einer Abtastfrequenz eingestellt, mit der der passierengelassene Anteil des Zwischenfrequenzsignals ZF abgetastet wird. Für den Fall, daß das Zwischenfrequenzsignal ZF bereits in der erforderlichen Weise bandbegrenzt ist, kann ggf. auch auf das Tiefpaßfilter 31 verzichtet werden.
Ausgangsseits ist das Tiefpaßfilter 31 an einen Signaleingang eines A/D-Wandlers (Analog-zu-Digital-Wandler) 32 der Steuerungseinheit 3 gekoppelt, der dazu dient, das via Tiefpaßfilter 31 , insb. direkt, zugeführte Zwischenfrequenzsignal ZF in ein dieses repräsentierendes, digitales Zwischenfrequenzsignal ZFD umzuwandeln. Als A/D-Wandler 32 können hierzu dem Fachmann bekannte, z.B. seriell- oder parallel-umsetzende, A/D-Wandler verwendet werden, die mit der oben erwähnten Abtastfrequenz getaktet werden können. Ein dafür geeigneter A/D-Wandlertyp ist z.B. der eines Sampling A/D Converters LTC 1415 von Linear Technilogy Corp. mit einer Auflösung von 12 Bit und einer zulässigen Abtastfrequenz von kleiner gleich 1,25 MHz.
Für den Fall, daß der verwendete A/D-Wandler 32, wie z.B. vorgenannter LTC 1415, zum Umformen von ausschließlich positiven Signalwerten vorgesehen ist, ist eine Referenzspannung des A/D-Wandlers 32, entsprechend so einzustellen, daß ein zu erwartender minimaler Signalwert eingangs des Wandlers wenigstens ein Bit, insb. das höchste signifikante Bit (MSB), des Zwischenfrequenzsignals ZFD setzt. Anders gesagt, dem ausgangs des Tiefpaßfilters 31 anliegenden Signal ist ein Gleichanteil so aufzuaddieren, daß es auf den A/D-Wandler 32 praktisch als ein Gleichsignal von veränderlicher Amplitude wirkt.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Tiefpaßfilter 31, wie in Fig. 3 dargestellt, über einen Logarithgmierer 37 mit dem A/D-Wandler 32 gekoppelt. Der Logarithgmierer 37, beispielsweise vom Typ AD637 oder AD8307 der Firma Analog Devices, dient dazu, die Amplitudeninformation des Zwischenfrequenzsignals ZF unter Beibehaltung der Phaseninformation derart zu verdichten, daß anstelle des oben erwähnten 12-Bit A/D-Wandlers nunmehr z.B. auch ein 8-Bit A/D-Wandler zum Erreichen einer im wesentlichen gleich hohen Genauigkeit verwendet werden kann. Falls erforderlich, kann der Logarithgmierer 37 z.B. auch dem Tiefpaßfilter 31 direkt vorgeschaltet sein.
Das ausgangsseits des A/D-Wandlers 32 anliegende digitale Zwischenfrequenzsignal ZFD wird, z.B. via internen Datenbus, abschnittweisweise in einen flüchtigen Datenspeicher 33 der Steuerungseinheit 3 geladen und dort als eine das Zwischenfrequenzsignal ZF momentan repräsentierende endliche Abtastfolge AF inform eines Ensembles digital gespeicherten Datensätzen, insb. für einen digitalen Füllstandsrechner 34 der Steuerungseinheit 3, verfügbar gehalten. Als Datenspeicher 33 können hierbei z.B. statische und/oder dynamische Schreib-Lese-Speicher dienen.
Zum Erzeugen des Füllstandsmeßwerts XH aus der Abtastfolge AF hat der Füllstandsrechner 34, z.B. via internen Datenbus, zumindest temporär einen, insb. Daten lesenden, Zugriff auf den Datenspeicher 33 und die darin abgelegten Datensätze. Der Füllstandsrechner 34 kann z.B., wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, in vorteilhafter Weise mittels eines Mikroprozessors 30 und in diesem ablaufender Rechenprogramme realisiert sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfaßt die Steuerungseinheit 3 ferner einen als separate Teilschaltung ausgeführten Speichermananger 35, der mit dem Mikroprozessor 30, z.B. via internen Datenbus, kommunizierend dazu dient, den Datenspeicher 33 zu verwalten, insb. das Sampling des digitalen Zwischenfrequenzsignals ZFD und das Erzeugen der Abtastfolge AF zu steuern, und somit den Mikroprozessor 30 zu entlasten. Um eine ausreichend hohe Rechengeschwindigkeit zu erreichen, ist der Speichermananger 35 bevorzugt um ein Vielfaches, insb. um ein 8-, 10- oder 12- faches, schneller getaktet als der A/D-Wandler 32.
Der Speichermananger 35 ist bevorzugt in einen programmierbaren Funktionsspeicher, z.B. ein PAL (programmable array logic) oder ein FPGA (field programmable gate array), implementiert. Falls erforderlich, kann der Speichermananger 35 aber auch mittels des Mikroprozessors 30 oder eines weiteren, hier nicht gezeigten, Mikroprozessors und entsprechenden, darin ablaufenden Rechenprogrammen realisiert sein.
Mittels des Speichermanangers 35 kann z.B. auch eine für derartige Füllstandsmeßgeräte übliche Mittelwert- oder Medianbildung über mehrere Abtastfolgen realisiert werden.
Die Ermittlung des Füllstandsmeßwerts XH nach dem Pulsradar-Verfahren basiert, wie bereits erwähnt, auf der Auswertung einer vom momentanen Füllstand abhängigen Laufzeit der Echowellen E^ die mittels der Abtastfolge AF im Datenspeicher 33 verfügbar gehaltenen Amplituden- und Phaseninformation nunmehr hochgenau bestimmt werden kann.
Zur Gewinnung der Amplitudeninformation des Zwischenfrequenzsignals ZF kann z.B. eine im Füllstandsrechner 34 implementierte digitale Gleichrichtung der Abtastfolge AF, also eine einfache Betragsbildung aller Datentupel der Abtastfolge AF, mit einer anschließenden Maximumsdetektion dienen, bei der ausgewählte Datentupel lokaler Maxima zur Modellierung eines Amplitudenverlaufs des Zwischenfrequenzsignals ZF inform einer digitalen Hüllkurve ENV, verwendet werden. Auf eine solche digital erstellte Hüllkurve können die dem Fachmann zur Ermittlung der Laufzeit an und für sich bekannten Auswerteverfahren ohne weiteres angewendet werden, vgl. hierzu insb. die EP-A 668 488, die EP-A 882 957, die EP-A 1 069 438, die WO-A 94/14 037, die WO-A 95/08 780. Falls erforderlich, können aber auch andere dem Fachmann bekannten Verfahren zur digitalen Amplitudendemodulation verwendet werden.
Neben der Hüllkurve ENV können aus der Abtastfolge AF ferner auch die beiden bereits erwähnten, den Realanteil bzw. den Imginäranteil des Zwischenfrequenzsignals ZF in digitaler Form repräsentierenden Quadratursignalfolgen Q bzw. I zur Gewinnung der Phaseninformation abgeleitet werden. Dazu kann z.B. die Abtastfolge AF zumindest abschnittsweise, insb. im Bereich eines zuvor digital detektierten Nutzechos, mittels des Füllstandsrechners 34 zum einen mit einer digitalen Sinusfolge und zum anderen mit einer digitalen Cosinusfolge von vorgebbarer, insb. zur Mittenfrequenz des Zwischenfrequenzsignals ZF in etwa gleicher Frequenz, multipliziert und somit eine erste und eine zweite digitale, z.B. ebenfalls im Datenspeicher 33 abgespeicherte, Signalfolge SINAF und COSAF erzeugt werden, vgl. Fig. 4.
Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß die Quadratursignalfolgen Q, I unter Ausnutzung der bekannten Beziehung
ferner auch zur Erzeugung der erwähnten digitalen Hüllkurve ENV, also auch zur Gewinnung der Amplitudeninformation, verwendet werden können.
Zur Generierung der digitalen Quadratursignalfolgen Q, I können diese Signalfolgen SINAF, COSAF Z.B. digital tiefpaß-gefilter und anschließend ohne weiteres entsprechend der bekannten trigonometrischen Beziehungen numerisch in einen entsprechenden Amplituden- bzw. Phasenwert umgewandelt werden, woraus sich der Füllstandsmeßwert XH praktisch direkt berechnen läßt, vgl. hierzu auch die DE-A 44 07 369, in der dieses auch als Abwärts-Qudraturmischung bezeichnete Verfahren beschrieben ist.
Nach einer bevorzugten, der hochgenauen, insb. millimetergenauen, Bestimmung des Füllstandsmeßwerts XH dienenden Weiterbildung der Erfindung erfolgt anhand eines als Referenzpunkt dienenden ersten Datensatzes en R und eines als Füllstands- oder Nutzecho dienenden zweiten Datensatzes envN der digital vorgehaltenen Hüllkurve ENV zunächst eine näherungsweise, insb. in einem Bereich bis zu einer halbe oder einer viertel Wellenlänge des digitalen Zwischenfrequenzsignals ZFD genaue, Ermittlung der Laufzeit.
Wie die Auswahl der beiden, die in der Abtastfolge AF immanente Amplitudeninformation im Bereich des Referenzpunktes bzw. des Nutzechos partiell repräsentierenden Datensätze envR, envN aus einer solchen digitalisierten Hüllkurve durchzuführen ist, ist dem Fachmann für solche, insb. nach dem Puls- Radar-Prinzip arbeitende, Füllstandsmeßgeräte bekannt und zumindest in der DE- A 44 07 369 oder der EP-A 10 69438 ausführlich beschrieben, so daß auf eine detailiertere Darstellung dieses Verfahrensschrittes verzichtet werden kann. Ferner sei darauf hingewiesen, daß die Datensätze env , en N, falls erforderlich, auch direkt aus der Abtastfolge AF ermittelbar sind.
Zur endgültigen Bestimmung der den Füllstand repräsentierenden Laufzeit wird nunmehr, vorzugsweise anhand jeweils eines aus einzelnen Quadratur- Datensätzen der beiden, praktisch eine Abwärtsmischung der Abtastfolge AF digital repräsentierenden Quadratursignalfolgen Q, I gebildeten Datentupels q ij, (j = Index der aktuell gewählten Quadratur-Datensätze), beginnend mit einem z.B. im erwarteten oder bereits bestimmten Index-Bereich des zweiten Datensatzes env liegenden Startdatentupels, datensatzweise jenes Datentupel qι\ iN des Nutzechos ermittelt, das mit einem am Referenzpunkt gebildeten Datentupel C{RI R am besten übereinstimmt. Die beiden so aufgefundenen Datentupel qR/Ϊ , qN/iN können dann z.B. unter wiederholter Anwendung einer numerisch umgesetzten Arcustangens-Funktion, also arctan(qR/iR), arctan(qj\|/iι\ι), ohne weiteres in mit der Laufzeit praktisch direkt korrespondierende Phasenwerte umskaliert werden.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bestimmung des Füllstandsmeßwerts XH anhand der beiden Quadratursignalfolgen Q, I dadurch, daß zunächst alle oder zumindest ein für die Füllstandsmessung relevanter Anteil der Datentupel qj/ij, die mittels der Signalfolgen Q, I generierbar sind, gebildet und im Datenspeicher 33 inform einer mit einem zeitlichen Verlauf der Phase des Zwischenfrequenzsignals korrespondierenden Phasenfolge Q/l abgespeichert werden. Daran anschließend werden z.B. die Datensätze envR, envN so unter Berücksichtigung des vorab bestimmten Referenzpunkts bzw. Nutzechos aufeinander abgeglichen, daß deren aus den jeweils zugehörigen Datentupeln qR/iR, qN/iN abgeleiteten Phasenwerte, wie oben erwähnt, in diesen Bereichen möglichst genau übereinstimmen, vgl. Fig. 4.
Zur Verbesserung der vorgenannten Methode zur Bestimmung der Quadratursignalfolgen Q, I ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das der Auswertung der Signalfolgen SINAF, COSAF dienende und mittels des Füllstandsrechners 34 realisierte digitale Tiefpaßfilter in vorteilhafter Weise wie folgt ersetzt. Die beiden digitalen Signalfolgen SINAF, COSAF werden zunächst ebenfalls, z.B. im Datenspeicher 33, abgespeichert. Abweichend von der herkömmlicher Weise nachgelagerten Tiefpaßfilterung, die im vorliegenden Falle der digitalen Signalverarbeitung einen imensen Rechen- und Speicheraufwand bedeuten würde, werden die Quadratursignalfolgen Q, I anhand eines Verlaufs eines periodenweise ermittelten zeitlichen Mittelwerts der Signalfolge SINAF und eines periodenweise ermittelten zeitlichen Mittelwerts der Signalfolge COSAF bestimmt, wobei die zeitlichen Mittelwerte in vorteilhafter Weise lediglich für die interessierenden Bereiche des Referenzpunkts bzw. des Nutzechos, also im Bereich des ersten und/oder des zweiten Datensatzes envR, envN ermittelt werden. Es hat sich hierbei ferner überraschenderweise gezeigt, daß sich der numerisch ohnehin sehr schnell und sehr einfach bestimmbare Verlauf des zeitlichen Mittelwerts der beiden Signalfolgen SINAF, COSAF dadurch noch erheblich einfacher, insb. auch mit weniger Rechenaufwand, bestimmen läßt, daß lediglich ausgewählte Datensätze der Signalfolgen SINAF, COSAF, vorzugsweise lokale, mit dem vorgenannten Bereich des ersten und/oder zweiten Datensatzes envR, envN korrespondieren Maxima und Minima, zur Berechnung des zeitlichen Verlaufs der Mittelwerte herangezogen werden.
Zur Generierung einer solchen, in vorteilhafter Weise ebenfalls digital abgespeicherten, Mittelwertfolge SINAF , COSAF , die den Verlauf des zeitlichen Mittelwerts zumindest eines Bereichs der Signalfolgen SINAF bzw. COSAF entsprechend repräsentiert, wird einerseits jeweils über ein wenigstens zwei ausgewählte oder berechnete Maxima der Signalfolge SINAF bzw. COSAF repräsentierendes erstes Datenensemble und anderseits jeweils über ein ebenfalls wenigstens zwei ausgewählte oder berechnete Minima der Signalfolge SINAF bzw. COSAF repräsentierendes zweites Datenensemble eine, insb. lineare, Regression durchgeführt, vgl. hierzu Fig. 5. Abgeleitet von den somit erhaltenen zwei Parametersätzen für die Bildungsvorschriften der durch Regression ermittelten Funktionen, die dann praktisch die Einhüllenden der Signalfolgen SINAF bzw. COSAF beschreiben, kann ein Parametersatz für eine den zeitlichen Verlauf des Mittelwerts funktionell beschreibende Bildungsvorschrift, beispielsweise a0 x + b0, au x + bu (Fig.) , dadurch leicht ermittelt werden, daß der Mittelwert von den jeweils einander entsprechenden zwei Parametern der beiden die Einhüllenden der Signalfolgen SINAF bzw. COSAF repräsentierenden Parametersätze gebildet wird, also z.B. 0,5 (a0 + au), 0,5 (bo +bu).
Dieses vorgenannte Verfahren beruht insb. auf der überraschenden Erkenntnis, daß selbst bei linearer Regression, also obwohl die Bestimmung des Mittelwerts sehr stark vereinfacht worden ist, der Meßfehler, der im Vergleich zu den tatsächlichen zeitlichen Mittelwerten der beiden Signalfolgen SINAF bzw. COSAF im Bereich des ersten und/oder des zweiten Datensatzes envR, envN auftritt, praktisch vernachlässigbar klein ist.
Vergleichsuntersuchungen zwischen dem die digitale Tiefpaßfilterung und dem die Mittelwertbildung umsetzenden Verfahren haben ergeben, daß mit letzterem Verfahren eine Verringerung des Rechenaufwands um den Faktor 10 bis 50 bei vergleichbarer Meßgenauigkeit ohne weiteres erreicht werden kann. Es sei an dieser Stelle noch erwähnt, daß zur hochgenauen Bestimmung lokaler Maxima oder Minima der Quadratursignalfolgen Q, I z.B. auch das in der eigenen, nicht vorveröffentlichten U.S.-Anmeldung 60/264,028 beschriebene, der Ermittlung eines lokalen Extremas einer digitalen Datenfolge dienende Verfahren angewendet werden kann.
Nach einer anderen bevorzugten, insb. ebenfalls der Reduzierung von für die Ausmessung der Laufzeit aus der Abtastfolge AF benötigter Rechenzeit und benötigtem Speicherplatz dienenden, Weiterbildung der Erfindung wird unter Verzicht auf die Generierung der Quadratursignalfolgen Q, I, die zur millimetergenauen Füllstandsmessung benötigte Phaseninformation praktisch direkt aus der Abtastfolge AF gewonnen. Dies erfolgt dadurch, daß, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, zunächst der Datensatz ΘΠVR aus der Hüllkurve ENV selektiert bzw. aus der Abtastfolge AF ermittelt und ferner in der Abtastfolge AF genau jener Datensatz afR bestimmt wird, dessen Orts- bzw. Laufzeitposition, z.B. repräsentiert durch den zugehörigen Datensatz-Index, am besten mit der Ortsbzw. Laufzeitposition des zugehörigen Datensatzes envR übereinstimmt. Mittels einer einfachen Division der numerischen Werte beider Datensätze afR, env läßt sich sehr einfach und schnell ein mit der Phase des Datensatzes afR korrespondieres, insb. zum Sinus dieser Phase proportionales, Datentupel afR/envR gewinnen.
Bevorzugt wird aber auch hier zunächst, wie auch in Fig. 6 gezeigt, eine datensatzweise Division über die gesamte Hüllkurve ENV und die gesamte Abtastfolge AF durchgeführt und somit praktisch eine Normierung des Zwischenfrequenzsignals ZF auf einen durch die Hüllkuπ/e ENV repräsentierten Amplitudenverlauf vorgenommen. Eine so erzeugte digitale Phasenfolge AF/ENV wird ferner im Datenspeicher 33 abgelegt, um so einen Phasenverlauf zumindest eines Teils des Zwischenfrequenzsignals ZF digital abzubilden.
Zur Bestimmung der den Füllstand repräsentierenden Laufzeit kann nunmehr anhand jeweils eines aus einem Abtastfolgen-Datensatz afj der Abtastfolge AF und einem Hüllkurven-Datensatz envj der digitalen Hüllkurve ENV gebildeten Datentupels af/envj (j = Index der aktuell gewählten Quadratur-Datensätze), wiederum vorzugsweise beginnend mit einem z.B. im erwarteten oder vorbestimmten Bereich des Datensatzes env und einem entsprechend zugehörigen, also praktisch phasengleichen Datensatz afN der Abtastfolge AF liegenden Startdatensatzes, durch datensatzweisen Vergleich jenes Datentupel afN/envN des Nutzechos ermittelt werden, das mit dem Datentupel afR/envR des Referenzpunktes am besten übereinstimmt. Durch Anwendung einer numerisch umgesetzten Arcussinus-Funktion können die beiden für die Laufzeitmessung relevanten Datentupel afR/envR, afN/envN ohne weiteres in phasenproportionale Daten umskaliert werden.
Durch die vorbeschriebene numerische Division einzelner Datensätze der Abtastfolge durch die jeweils orts - und damit auch phasengleichen Datensätze der Hüllkurve ENV wird die in der Abtastfolge AF praktisch in Kombination mit der Amplitudeninformation enthalten Phaseninformation von der Amplitudeninformation getrennt und somit praktisch aus der Abtastfolge AF herausgelöst.
Eine weitere Möglichkeit zur Gewinnung der Phaseninformation unter Verwendung des Datentupels afR/envR besteht darin, mittels eines aus dem Datensatz envN und einem dazu entsprechend ortsgleichen Datensatz afN der Abtastfolge AF zunächst ein entsprechendes Datentupel afN/envN für das Nutzecho zu ermitteln, beide Datentupel in der oben beschriebenen Weise in phasenproportionale Daten umzuskalieren und eine Differenz der beiden so erhaltenen Rechenwerte zu bilden. Durch eine Multiplikation dieser so gewonnenen Phasendifferenz mit einer momentanen Wellenlänge des Zwischenfrequenzsignals ZF, die bei Füllstandsmeßgeräten der beschriebenen Art ohne weiteres als digital verfügbar vorausgesetzt werden kann, ist ein entsprechender Korrekturwert für den aus dem Datentupel aftsj/envN direkt abgeleiteten Phasenwert ermittelbar.
Falls erforderlich, können aber auch andere als die hier vorgeschlagenen Verfahren zur digitalen Gewinnung einer Amplituden- und/oder Phaseninformation aus der Abtastfolge AF angewendet werden.
Die zur Bestimmung des Füllstandsmeßwerts XH aus der Abtastfolge AF, z.B. mittels der Hüllkurve ENV und der Phasenfolge AF/ENV oder mittels den Quadratursignalfolgen Q, I, gewonnenen Laufzeiten erforderlichen Auswerteverfahren können in der dem Fachmann bekannten Weise z.B. als im Mikroprozessor 30 ablaufendes Rechenprogramm realisiert sein. Die dazu jeweils erforderlichen Programmcodes können ohne weiters in einem, insb. permanent, beschreibbaren Speicher 36 der Auswertstufe 3, z.B. einem EPROM, einem Flash-EEPROM oder EEPROM, implementiert werden, auf den der Mikroprozessor 30 im Betrieb Daten lesend zugreift.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, den Mikroprozessor 30 mittels eines digitalen Signalprozessors, beispielsweise vom Typ ADSP21065 der Firma Analog Devices, zu realisieren. Falls erforderlich, kann in der Steuerungseinheit 3 z.B. neben dem Mikroprozessor 30 auch ein zusätzlicher Signalprozessor vorgesehen sein.
Das Füllstandsmeßgerät kann z.B. an einen, nichtdargestellten, Feldbus angeschlossen und so mit einer entfernten Meßwarte und mit einer externen Energieversorgung verbunden sein, die eine das Füllstandsmeßgerät, über eine interne Versorgungseinheit 4 eingestellt, speist. Zum Senden von Meßgerätedaten, insb. auch des Füllstandsmeßwerts XH, an den Feldbus umfaßt das Füllstandsmeßgerät des weiteren eine Kommunikationseinheit 5 mit entsprechenden Datenschnittstellen 51. Ferner kann die Kommunikationseinheit 5 auch, insb. zum Visualisieren von Meßgerätedaten und/oder um ein Einstellen des Füllstandsmeßgeräts vor Ort zu ermöglichen, eine entsprechende Anzeige- und Bedieneinheit 52 aufweisen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mit Mikrowellen, insb. mit Mikrowellen-Burst, arbeitendes Füllstandsmeßgerät zum Erzeugen eines Füllstandsmeßwerts (XH), der einen Füllstand in einem Behälter (200) repräsentiert, welches Füllstandsmeßgerät umfaßt:
- eine Sende/Empfangseinheit (2) zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten Zwischenfrequenzsignals (ZF) mittels eines Sendesignals (S2) und eines Empfangssignals (E2),
- ein Wandlerelement (1),
-- das im Betrieb vom Sendesignal (S2) angesteuert, insb. gepulste, Sendewellen (Si) in den Behälter (200) einkoppelt und
- das von einem Füllgut (201) reflektierte Echowellen (Ei) in das Empfangssignal (E2) wandelt, sowie
- eine Steuerungseinheit (3) mit einem flüchtigen Datenspeicher (33), in dem im Betrieb zumindest temporär eine das Zwischenfrequenzsignal (ZF) repräsentierende Abtastfolge (AF) gespeichert ist.
2. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 , das den Füllstandsmeßwert (XH) mittels einer aus der Abtastfolge (AF)'gewonnenen Amplitudeninformation bestimmt.
3. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, das den Füllstandsmeßwert (XH) mittels einer aus der Abtastfolge (AF) gewonnenen Phaseninformation bestimmt.
4. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine erste Signalfolge (SINAF) gespeichert ist, die eine numerisch durchgeführte Multiplikation der Abtastfolge (AF) mit einer digitalen Sinusfolge repräsentiert und/oder
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine zweite Signalfolge (COSAF) gespeichert ist, die eine numerisch durchgeführte Multiplikation der Abtastfolge (AF) mit einer digitalen Cosinusfolge repräsentiert.
5. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 4,
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine erste Quadratursignalfolge (Q) gespeichert ist, die eine numerisch durchgeführte Abwärtsmischung zumindest eines Teils der ersten Signalfolge (SINAF) repräsentiert und/oder
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine zweite Quadratursignalfolge (I) gespeichert ist, die eine numerisch durchgeführte Abwärtsmischung zumindest eines Teils der zweiten Signalfolge (COSAF) repräsentiert.
6. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine, insb. der Erzeugung der ersten Quadratursignalfolge (Q) dienende, erste Mittelwertfolge (SINAF ), gespeichert ist, die einen Verlauf eines zeitlichen Mittelwerts zumindest eines Bereichs der ersten Signalfolge (SINAF) repräsentiert und/oder
- bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine, insb. der Erzeugung der zweiten Quadratursignalfolge (I) dienende, zweite Mittelwertfolge (COSAF ), gespeichert ist, die einen Verlauf eines zeitlichen Mittelwerts zumindest eines Bereichs der zweiten Signalfolge (COSAF) repräsentiert.
7. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär ein mit einer Phase eines Abtastfolgen- Datensatzes (a ) der Abtastfolge (AF) korrespondierender Datensatz (q ij) gespeichert ist, der eine numerische Division des eines Datensatzes (q) der ersten Quadratursignalfolge (Q) mit einem zu diesem im wesentlichen ortsgleichen Datensatz (ij) der zweiten Quadratursignalfolge (I) repräsentiert.
8. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 7, bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine erste digitale Phasenfolge (Q/l) gespeichert ist, die mit einem zeitlichen Phasenverlauf zumindest eines Teils des Zwischenfrequenzsignals (ZF) korrespondiert.
9. Füllstandsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine digitale Hüllkurve (ENV) gespeichert ist, die einen zeitlichen Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals (ZF) repräsentiert.
10. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 9, bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär ein mit einer Phase eines Abtastfolgen-Datensatzes (afj) der Abtastfolge (AF) korrespondierender Datensatz (af envj) gespeichert ist, der eine numerische Division des Abtastfolgen-Datensatzes (a ) mit einem zu diesem im wesentlichen ortsgleichen Hüllkurven-Datensatz (env,) der Hüllkurve (ENV) repräsentiert.
11. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 9 oder 10, bei dem im flüchtigen Datenspeicher (33) zumindest temporär eine zweite digitale Phasenfolge (AF/ENV) gespeichert ist, die mit einem zeitlichen Phasenverlauf zumindest eines Teils des Zwischenfrequenzsignals (ZF) korrespondiert.
12. Mit Mikrowellen, insb. mit Mikrowellen-Burst, arbeitendes Füllstandsmeßgerät zum Erzeugen eines Füllstandsmeßwerts (XH), der einen Füllstand in einem Behälter (200) repräsentiert, welches Füllstandsmeßgerät umfaßt:
- eine Sende/Empfangseinheit (2) zum Erzeugen eines vom Füllstand beeinflußten Zwischenfrequenzsignals (ZF) mittels eines Sendesignals (S2) und eines Empfangssignals (E2),
- ein Wandlerelement (1),
-- das im Betrieb vom Sendesignal (S2) angesteuert, insb. gepulste, Sendewellen (Si) in den Behälter (200) einkoppelt und
- das von einem Füllgut (201) reflektierte Echowellen (Ei) in das Empfangssignal (E2) wandelt, sowie
- eine Steuerungseinheit (3) mit einem flüchtigen Datenspeicher (33), in dem im Betrieb zumindest temporär eine digitale Phasenfolge (AF/ENV) gespeichert ist,
- die eine Normierung des Zwischenfrequenzsignals (ZF) auf einen Amplitudenverlauf des Zwischenfrequenzsignals (ZF) repräsentiert und
- die mit einem zeitlichen Phasenverlauf des Zwischenfrequenzsignals (ZF) korrespondiert.
13. Füllstandsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 12, das einen Logarithgmierer (37) für das Zwischenfrequenzsignal (ZF) umfaßt.
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