JP2007052035A

JP2007052035A - レベル計測装置

Info

Publication number: JP2007052035A
Application number: JP2006281246A
Authority: JP
Inventors: Bernhard Michalski; ミカルスキー，ベルンハルド; Wolfram Lutke; ルティケ，ヴォルフラム
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-01-19
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2007-03-01
Also published as: EP1352220B1; EP1352220A1; JP2004520582A; CN1486418A; EA200300811A1; CN1236291C; WO2002057723A1; EA005301B1; DE10102571A1

Abstract

【課題】信号生成装置、サンプリング装置および送受信装置が互いに最適に接続されたレベル計測装置を作成する。
【解決手段】特にパルス信号に適した充填レベル計測装置１は、信号生成装置１０と送受信装置２０とサンプリング装置３０とを備え、これらが少なくとも一つのラインノード２１０を有するカプリング装置４０によって接続されている。
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、容器内の媒体のレベルを求めるためのレベル計測装置に係わる。

既知のレベル計測装置は、この目的のために、伝送時間方式、例えば、導かれたパルスを使うTDR方式、あるいは媒体の方向での放射によるパルスエコー方式を使用する。この方式においては、光速で伝播するパルス形の電磁信号が使用される。媒体の表面は、この信号の伝播にとってむらになっており、これによってこの信号は送信機に対して反射される。反射された送信信号の伝送時間の算出を可能にするために、ナノセカンド領域で時間計測を行う必要がある。この場合、一般的に、電子回路は直接伝送時間を計測するには動作が遅すぎるので、エコー信号の変化は、適した方法で時間延長スケールに変える必要がある。この目的のために、パルスは定期的に送信され、パルスからパルスに進行する位置で、サンプリング回路によって信号サンプルが取り出される。

数千の個々の周期から構成されうる計測サイクルが経過した後、信号の全伝送路を表す、時間の変換された信号の変化が得られる。この信号から、媒体表面とレベル計測装置との間の距離、すなわちレベルの値を算出することができる。産業上で利用される計測範囲は、数十センチメートル以上から５０ｍを超える範囲に亘る。

この種の既知のレベル計測装置（例えば特許文献１参照）は、無線周波送信信号と、無線周波信号をサンプリングするためのサンプリング制御信号の両方を生成する信号生成装置と、送受信装置（送信および／または受信装置）と、サンプリング制御信号によって制御され, 無線周波信号をサンプリングするためのサンプリング装置と、を備え、該信号生成装置、該送受信装置、および該サンプリング装置は、カプリング装置によって接続される。様々な計測範囲の要件を満たすために、信号生成装置とサンプリング回路は、従来の計測装置において様々に変更されてきた。しかし、このことは、信号生成装置と送受信装置間、および送受信装置とサンプリング装置間で、好ましくないロスをもたらすこととなる。
特開２０００−０５５７１５号公報

したがって、本発明の目的は、上記の不都合を回避し、特には、信号生成装置、サンプリング装置および送受信装置が互いに最適に接続されたレベル計測装置を作成することである。

この目的は、無線周波送信信号と、この無線周波送信信号をサンプリングするためのサンプリング制御信号の両方を生成するための信号生成装置と、送受信（送信および／または受信）装置と、前記サンプリング制御信号によって制御され、前記無線周波送信信号をサンプリングするためのサンプリング装置と、を備え、前記信号生成装置、前記送受信装置、および前記サンプリング装置が、少なくとも一つのラインノード（line node）を備えるカプリング装置によって接続される、ことを特徴とする本発明のレベル計測装置によって達成される。

本発明の他の実施例においては、信号生成装置は、無線周波送信信号を基準としてサンプリング信号を遅延させるために使用される比較器回路、ビート発振器回路あるいは調整遅延回路（regulated delay circuit）を備える。

本発明の他の実施例は、ダイオードリング回路、あるいは少なくとも一つのダイオードと一つの保持キャパシタ（holding capacitor）、あるいはミキサー回路を備えるサンプリング回路を具備するレベル計測装置に係わる。

さらに、本発明の他の実施例においては、無線周波送信信号はバースト信号である。

本発明は、レベル計測装置の送受信特性を、その構成要素の一つを最適化することによって、異なる信号および／または計測範囲のために、簡単に互いに整合させることを可能にする。

さらに、本発明は、送受信装置の簡単で強固な、計測装置の他の部分からのDCデカプリングを使用するので、本発明によるレベル計測装置は、危険エリアあるいは用途における使用に特に適している。

以下の説明において、本発明は、様々な実施例を使用し、添付の図面を使用かつ参照して詳細に説明かつ記載される。簡単のため、同一の構造および動作上同一である構成要素あるいは部品には、同じ符号を付している。

図１ａは、容器２に実装され、容器に含まれた媒体３のレベルを計測するために使用されるレベル計測装置１を示している。図１ａに示されるように、レベル計測装置１は送信信号５１を生成し、媒体３の方向に送出する。この目的のために、送信信号５１は媒体３に沈めた導波路５に導かれ、媒体表面４から反射される。反射信号５２は、算出対象レベルに必要な、レベル計測装置１と媒体表面４との間の距離に関する情報が得られたレベル計測装置１に導かれる。図１ａは、送信信号および反射信号５１、５２の実現可能な信号形もそれぞれ図示している。

図１ｂは、図１ａとは異なり、レベルを計測するために使用される送信信号５１が、導かれるのではなく、アンテナ６によって媒体３の方向に送出されたレベル計測装置１を示している。アンテナ６は、媒体表面４から反射された信号５２の受信にも使用される。それぞれの場合における導波路５とアンテナ６は、レベル計測装置１の送受信装置２０（この点に関しては図２を参照）を表している。以下の文章では、導波路５あるいはアンテナ６が使用できる場合には常に、送受信装置２０という用語が使用される。

図２は、基本的に信号生成装置１０、送受信装置２０、サンプリング装置３０、およびカプリング装置４０を備えるレベル計測装置１の構成を表す図である。カプリング装置４０は、信号生成装置１０を送受信装置２０に接続し、送受信装置２０をサンプリング装置３０に接続する。

信号生成装置１０において生成された無線周波信号５３は、カプリング装置４０を介して送信信号５５として送受信装置２０に印加され、送受信装置２０から媒体３に送出される（図１ａ、１ｂ参照）。反射信号５２（図１ａ、１ｂ参照）は送受信装置２０に受信され、カプリング装置４０を介してサンプリング装置３０に転送される。

信号生成装置１０によって生成されたサンプリング制御信号５４は、送受信装置２０から受信された反射信号５２のサンプリングを制御する。サンプリング装置３０の出力側で得られた時間延長（extended-time）受信信号５７は、よりよく処理されるために、好ましくは増幅器５０で増幅される。

図３は、本発明によるレベル計測装置１の第一の変形例１００を表す図である。この場合、カプリング装置４０は、本発明によって、変圧器１１０を備える。変圧器１１０は、送信巻線１１２、受信巻線１１４、および送受信装置におけるカプリング用巻線１１６を備え、図３に示されたように配線される。変圧器１１０によって実現される、レベル計測装置１の受信部からの送信部のDCデカプリング１１８によって、たとえ危険な環境下でも、レベル計測装置を使用することが可能になる。終端抵抗器１２０は、変圧器１１０を備えるカプリング装置４０を信号生成装置１０、送受信装置２０、サンプリング装置３０に整合させるために使用される。

図４は、本発明によるレベル計測装置１の第二の変形例２００を示している。この場合、カプリング装置４０は、本発明によって、少なくとも一つのラインノード２１０を備える。ラインノード２１０は、図４に示したように、好ましくは3つのカプリング抵抗器２１２、２１４、２１６に接続される。カプリング抵抗器２１２、２１４、２１６は複素インピーダンス、例えばキャパシタであってもよく、これによっても本発明の第一の変形例１００（ここでは図3を参照）と同じように、DCデカプリングが実現される。カプリング抵抗器２１２、２１４、２１６を混合された複合体あるいは０に向かうようにすることも考えられる。後者の場合、ノード２１０から離してさらに配線することは必要ない。信号生成装置１０、送受信装置２０とサンプリング装置３０が、電源および負荷インピーダンスを適宜選択することによって互いに整合されれば、このような実施例が可能である。

本発明と図４ａによるカプリング装置４０の他の特別な実施例を、図４ｂに図示する。この場合、カプリング抵抗器２１２，２１４，２１６が一緒に接続され、カプリングブリッジ２２０を形成している。

図５ａ―５ｅは、カプリング装置40がそれぞれλ/４カプラーを備えた、本発明によるレベル計測装置１の第三の変形例３００の実施例を示している。図５ａに示された実施例は、図示されたように配線され、終端抵抗器３２２を備える、いわゆるWilkinsonカプラー３２０である。図５ｂは、図示されたように配線され、終端抵抗器３３２を備える、いわゆるLangeカプラー３３０を具備したカプリング装置４０を示している。図５ｃは、図示されたように配線され、終端抵抗器３４２を備える方向性カプラー３４０を具備したカプリング装置４０を示している。図５ｄは、図示されたように配線され、終端抵抗器３５２を備えるラインカプラー３５０を具備した、さらなるカプリング装置４０を示している。

図５ａ―５ｄに図示されたλ/４カプラーは、従来の回路基板上に、受動構造として簡単に、それ故安価に実現することができる。λ/４カプラーを備えたこのようなカプリング装置４０は、例えば短い距離での非常に正確な計測に使用される、バースト信号と高周波に特に適している。

図５ｅは、内部導線３６４とシールド導線３６２とを備え、図示されたように配線され、終端抵抗器３６６を備える、同軸ラインカプラー３６０を具備した、さらなるλ/４カプラーを示している。その構造のために、同軸ラインカプラー３６０を備えたこのようなカプリング装置４０は、例えば１GHz未満の低い周波数のバースト信号に特に適しており、従って長い距離を算出する用途に特に適している。

図６は、本発明によるレベル計測装置１の第四の変形例４００を示している。この場合、カプリング装置４０は、本発明によるサーキュレータ４１０を備える。図５ａと５ｂに示されたカプリング装置と同様に、このようなカプリング装置４０も、共振λ/４構造に基づき、同様に狭帯域的に設計することができる。

図７ｂ―７ｄは、図３―６に既に示した本発明によるレベル計測装置１の変形例のそれぞれと一緒に使用される信号生成装置１０の様々な実施例を示している。
図７ａは、信号生成装置１０の動作を説明するために使用されている。前述したように、信号生成装置１０は周期的な無線周波送信信号５３と、この信号に同期するサンプリング制御信号５４を生成する。サンプリング制御信号５４の遅延時間は、定義的に制御することができ、そしてサンプリング制御信号がサンプリング装置３０に供給される。無線周波送信信号５３とサンプリング制御信号５４との時間差Δｔは、レベル計測装置１と媒体表面４（図１参照）との間の各時間において計測された距離地点の直接の値であり、光速によって関連付けられる。直線性、ドリフト、正確さが異なり、それ故この距離計測結果に異なる影響を及ぼす様々な信号生成装置１０が図示されている。

図７ｂに示された信号生成装置１０は、比較器１５０、第一のRCコンビネーション１５１、および第二のRCコンビネーションを備える。時定数の異なるRC部１５１、１５２は、高速電圧比較器１５０に接続される。速度の速い方のRC 部１５１は、送信クロック発振器１５３において生成される矩形波信号によって周期的に充電および放電される。速度の遅い方のRC部１５２は、計測サイクルスタート回路１５４によって供給される信号によって求められる、各計測サイクルごとに充電および放電される。

分解能と計測対象レベル計測のための距離によって、計測サイクルは数万送信クロックで構成される。RC部１５２にかかる充電電圧は非常にゆっくり上昇するので、新しい送信クロックはそれぞれ、RC部１５１にかかる充電電圧に対して、比較器１５０において異なるスイッチング閾値になる。したがって、サンプリングクロックは、各送信サイクルを持つ送信クロックを基準として、一定の時間増分の分だけ遅延される。RC部１５１、１５２はｅ関数にしたがって充電および放電されるが、結果として時間増分は線形関数に従い、その結果、距離サンプリング増分も直線的に示されることができる。時間ベースの延長係数は、二つのRC部１５１、１５２の時間定数の比率から直接得られる。

無線周波送信信号５３を得るために、発振器１５３の出力信号が、送信信号整形段１５７において再整形される。この送信信号整形段１５７では、所望の用途によって、無線周波送信信号５３がバーストあるいはパルス信号として整形される。同様に、比較器１５０の出力信号も、サンプリング信号整形段１５８においてパルス整形され、無線周波送信信号５３の信号形、すなわちバーストあるいはパルスに従って、サンプリング信号５４が生成される。

比較器１５０を備える信号生成装置１０は、図７ｂに示したように、構成するのが簡単であり、単純な用途に対しては十分正確であり、また非常に安価である。
図７ｃは、この場合ビート発振器回路１６０を備える信号生成装置１０のさらなる実施例を示している。

固定周波数発振器１６１は、送信クロック発振器１５３（図７ｂ参照）と同様に、送信クロックを供給する。その動作周波数が、固定周波数発振器の周波数からわずかに異なる調整可能発振器１６２は、サンプリング制御信号を生成する。わずかな周波数の違いのために、発振器１６２は、固定周波数発振器１６１の各周波数周期とさらにわずかな時間増分Δｔの分だけ遅くなる。定義的に時間増分を生成するには、発振器１６２の周波数は、ビート検波器１６４においてミキシングされる事によって生成されたビート周波数を使って調整される。このために、ビート検波器１６４の出力信号から調整可能発振器１６２への制御信号を生成する調整回路１６３が使用される。

時間ベースの延長係数は、固定周波数発振器１６１の周波数およびビート検波器１６４のビート周波数から得られる。図７ｃに示された回路がクオーツ発振器を使って構成された場合、特別な安定性と正確さが顕著となる。図７ｂに示した実施例と同様に、サンプリング信号５４あるいは無線周波送信信号５３の所望のバーストあるいはパルス信号形は、それぞれパルス整形段１６６、１６５で得ることができる。

図７ｄは、この場合調整遅延回路１７０を含む信号生成装置１０の他の実施例を示している。二つの抵抗器と一つのキャパシタで構成されるRC部１７１は、一方では送信クロックをあらかじめ決定する固定周波数発振器１７２によって駆動され、もう一方ではのこぎり波発生器１７３によって間接的に駆動される。のこぎり波発生器１７３ののこぎり波電圧Uｓは、計測対象距離地点における値である。

RC部１７１の電圧―時間動作はｅ関数であるので、減算器１７５を介して補正信号を供給するフィードバックループ１７４を使って線形化が実現される。後続の積分器１７６と組み合わせて、閉鎖制御ループが構成されることによって、時間増分がのこぎり波電圧ステップに直接比例する。図７ｃ、７ｅと同様に、サンプリング信号５４あるいは無線周波送信信号５３の所望のバーストあるいはパルス信号形は、それぞれパルス整形段１７８、１７７で得ることができる。信号生成装置のこの実施例１７０において、比較的手頃な価格で実現できる高い正確さは有利であった。さらに、D/Aコンバータの助けを借りて、直接駆動が可能である。

図８ａ―８ｄは、図３―６に既に示された本発明によるレベル計測装置１の各変形例と共に使用することができる、サンプリング装置の様々な実施例を示している。
図２に示すように、サンプリング装置３０は、カプラー装置４０によって供給された反射無線周波受信信号５６を時間延長受信信号５７に変換するために使用される。このサンプリング処理は、送信クロック周期ごとに一回行われる。サンプリング時間は、信号生成装置１０のサンプリング制御信号５４によってあらかじめ決定される。

図８ａにおけるサンプリング装置を表す図は、スイッチング素子５１０と、スイッチング素子の出力側における充電キャパシタ５１１を示している。このサンプリング装置は、一般にサンプル・ホールド回路という用語でも知られている。高速信号をサンプリングするためには、図８ｂに示すように、スイッチング素子５１０を高速スイッチングダイオード５１２に交換する。図８ｂにおける配置は一例であり、キャパシタとスイッチングダイオードを交換することも可能である。

図８ｃでは、図示された構成において4つの高速スイッチングダイオード５１４ａ―５１４ｄを含むダイオードブリッジ５１３が、スイッチング素子の代わりに示されている。図８ｂに示された実施例とは異なり、このダイオードブリッジは、パルスインバータ５１５によって生成される相補信号によって駆動される。パルスインバータの入力制御信号は、信号生成装置１０のサンプリング制御信号５４によって供給される。カプリング装置４０の反射無線周波信号５６（同じく図２参照）は、ダイオードブリッジ５１３の一つの入力に接続される。このサンプリング装置の時間延長受信信号５７は、充電キャパシタ５１９を介して利用することができる。

これまで図８ａ―８ｃにおいて述べてきたサンプリング装置は、サンプリングパルス信号に特に適している。一方、サンプリングバースト信号に関しては、図８ｄによる配置が有利である。この配置においては、リングハイブリッド５１８と二つのミキサーダイオード５１７で構成される対称形ミキサー回路５１６が使用される。このミキサー回路の動作は、図９におけるレベル計測装置の全体を表す図に従った一節で述べることとする。

図９は、図７ｃによるビート発生器回路１６０を備え、Langeカプラー３３０（図５ｂ参照）として構成されたカプリング装置４０と、図８ｄによるサンプリング装置３０に接続された、本発明によるレベル計測装置１の信号発生装置１０を示している。この例では、ビート発生器回路１６０の出力側でのパルス整形段は、反射受信信号５６の時間ベースを延長するためのミキサー回路を必要とするバースト信号を生成する。従って、図８ｄによる配置は、実現可能な平面型の実施例と関連して、そのかなり簡単な構造のために有利であることが判明した。

図１０は、パルス信号に特に適した、本発明によるレベル計測装置１を示している。この場合、信号発生装置１０は、変圧器１１０（図３参照）として構成されたカプリング装置４０と図８ｃによるサンプリング装置３０に接続されている、図７ｄによる調整遅延回路１７０を備える。信号発生装置１０の出力でのパルス整形段は、この例ではパルス信号を発生する。反射受信信号５６の時間ベースを延長するために、図８ｃからのダイオードリング５１３を備えるサンプリング装置３０が設けられる。この全体配置によって、安価で、同じように正確なレベル計測装置が提供される。

図１ａは、レベル計測装置の全体を表す図である。図１ｂは、レベル計測装置の全体を表す図である。レベル計測装置の構成を表す図である。本発明によるレベル計測装置の第一の変形例の構成を表す図である。本発明によるレベル計測装置の第二の変形例の構成を表す図である。図４ａによるレベル計測装置のカプリング装置の特別な実施例を表す図である。図５ａは、本発明によるレベル計測装置の第三の変形例の実施例の構成を表す図である。図５ｂは、本発明によるレベル計測装置の第三の変形例の実施例の構成を表す図である。図５ｃは、本発明によるレベル計測装置の第三の変形例の実施例の構成を表す図である。図５ｄは、本発明によるレベル計測装置の第三の変形例の実施例の構成を表す図である。図５ｅは、本発明によるレベル計測装置の第三の変形例の実施例の構成を表す図である。本発明によるレベル計測装置の第四の変形例の構成を表す図である。本発明による信号生成装置と、この装置によって得られる信号を表す図である。図７ａによる信号生成装置の実施例を示す図である。図７ａによる信号生成装置の他の実施例を示す図である。図７ａによる信号生成装置のさらなる実施例を示す図である。本発明によるサンプリング装置を表す図である。図８ａによるサンプリング装置の実施例を示す図である。図８ａによるサンプリング装置の他の実施例を示す図である。図８ａによるサンプリング装置のさらなる実施例を示す図である。バースト信号に特に適した本発明の実施例を表す図である。パルス信号に特に適した本発明の実施例を表す図である。

Claims

無線周波送信信号と、該無線周波送信信号をサンプリングするためのサンプリング制御信号の両方を生成するための信号生成装置と、
送受信装置と、
前記サンプリング制御信号によって制御され、前記無線周波送信信号をサンプリングするためのサンプリング装置と、
を備え、
前記信号生成装置、前記送受信装置、および前記サンプリング装置が、少なくとも一つのラインノードを備えるカプリング装置によって接続される、
ことを特徴とするレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用される比較器回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用されるビート発振器回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用される調整遅延回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、ダイオードリング回路と保持キャパシタを備える、
ことを特徴とする請求項２乃至４の一つに記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、少なくとも一つのダイオードと一つの保持キャパシタを備える、
ことを特徴とする請求項２乃至４の一つに記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、ミキサー回路を備える、
ことを特徴とする請求項２乃至４の一つに記載のレベル計測装置。
前記無線周波送信信号はバースト信号である、
ことを特徴とする請求項１又は７に記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、ダイオードリング回路と保持キャパシタを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、少なくとも一つのダイオードと一つの保持キャパシタを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記サンプリング装置は、ミキサー回路を備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用される比較器回路を備える、
ことを特徴とする請求項９乃至１１の一つに記載のレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用されるビート発振器回路を備える、
ことを特徴とする請求項９乃至１１の一つに記載のレベル計測装置。
前記信号生成装置は、前記無線周波送信信号を基準として、前記サンプリング信号を遅延させるために使用される調整遅延回路を備える、
ことを特徴とする請求項９乃至１１の一つに記載のレベル計測装置。
前記無線周波送信信号はバースト信号である、
ことを特徴とする請求項９乃至１１の一つに記載のレベル計測装置。