JP2695046B2 - マイクロ波によって動作する充填状態測定装置 - Google Patents

マイクロ波によって動作する充填状態測定装置

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JP2695046B2 JP6513777A JP51377793A JP2695046B2 JP 2695046 B2 JP2695046 B2 JP 2695046B2 JP 6513777 A JP6513777 A JP 6513777A JP 51377793 A JP51377793 A JP 51377793A JP 2695046 B2 JP2695046 B2 JP 2695046B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、充填状態を測定すべき充填物の表面に送信
波を送波しかつ前記表面にて反射されるエコー波を受波
するためのアンテナと、前記アンテナによって受波され
たエコー波から、距離の関数としてのエコー振幅を表す
エコー関数を形成しかつ該エコー関数から、マイクロ波
の、前記アンテナから前記充填物表面までの走行遅延時
間を求めかつここから前記充填物表面の、前記アンテナ
からの距離を測定する受信および評価回路とを備えた、
マイクロ波によって動作する充填状態測定装置に関す
る。
マイクロ波を用いて充填状態を測定するために、反射
されるマイクロ波を用いた比較的短い距離を測定するこ
とを可能にするすべての公知の方法を使用することがで
きる。最もよく知られている例は、パルスレーダおよび
周波数変調連続波（持続波）レーダ（FMCWレーダ）であ
る。パルスレーダでは、周期的に短いマイクロ波送信パ
ルスが送出され、これらパルスは測定すべき対象によっ
て反射されかつ距離に依存する走行遅延時間の後に再び
受信される。時間を介して受信された信号振幅がエコー
関数を表している。このエコー関数のそれぞれの値は、
アンテナから所定の距離において反射されたエコーの振
幅に相応する。FMCW方法では、連続的なマイクロ波が送
信され、これらは例えばのこぎり波関数に従って周期的
にリニヤに周波数変調されている。それ故に受信された
それぞれのエコー信号の周波数は、受信の時点において
送信信号が有している瞬時周波数に比して、周波数差を
有しており、それは、エコー信号の走行遅延時間に依存
している。したがって、送信信号と受信信号との間の周
波数差、すなわち２つの信号の混合および混合信号の周
波数スペクトルの評価によって得ることができる周波数
差は、反射面の、アンテナからの距離に相応し、かつ周
波数特性曲線の高さは、エコー振幅の大きさに相応す
る。それ故にこのフーリエスペクトルはこの場合エコー
関数を表している。
マイクロ波を用いた充填状態測定における特別な問題
は、アンテナに、充填物の付着物が形成される可能性が
あるという点にある。この危険は、粉塵または粉末状の
充填物において特に、殊にアンテナが湿るとき、並びに
粘着性およびねばねばした充填物の場合に生じる。マイ
クロ波アンテナは確かに、ある程度の汚れには耐えられ
るが、汚れ層が著しく厚くなるとき、うまく作動しな
い。この場合、レーダ信号はアンテナの領域において完
全に吸収され、その結果有効エコー波はもはや検出可能
ではない。その場合従来の方法によってはもはや、ビー
ム路に反射体が存在していないかどうか、またはアンテ
ナの外側のビーム路に著しい減衰が存在しているかどう
か（例えば充填物上の泡）、またはアンテナが付着物形
成によって機能し難くなっているかどうかをもはや区別
することはできない。
本発明の課題は、アンテナにおける付着物形成並びに
例えばアンテナの損傷またはアンテナの欠損のような別
の障害の検出を可能にする、冒頭に述べた形式の、マイ
クロ波によって動作する充填状態測定装置を提供するこ
とである。
この課題を解決するために、本発明による充填状態測
定装置は、アンテナまたはその近傍領域における基準反
射個所に由来する、エコー関数の部分を前以て決められ
たしきい値と比較するための装置、及び、前記エコー関
数の比較された部分が所定しきい値を超過する場合、ア
ンテナにおける充填物の付着物形成がないか、又は、少
ししかないことを示し、且つ、前記エコー関数の比較さ
れた部分が前記所定しきい値を超過していない場合、前
記アンテナの充填物の付着物の形成が所定の量を超過し
ていないことを指示する信号を発生するための装置を有
している。
本発明は、アンテナの近接領域の反射に由来する、エ
コー関数の部分は、アンテナに充填物の付着物が付着し
ているとき、特徴的に変化するという認識に基づいてい
る。この種の反射は、殊に、それが例えばホーンアンテ
ナとして形成されているとき、アンテナ自体の状態に由
来（起因）する可能性がある。それ故にこのフーリエス
ペクトルはこの場合エコー関数を表している。しかし、
有効信号に重畳されるおそれがある障害のある近接反射
が発生しないように、アンテナをできるだけ良好に整合
することによってインピーダンスの急激な変化を回避す
るようにしているが、実際には例えばホーンアンテナに
おいてアンテナ入力結合およびホーン部の領域において
内部反射が存在する。本発明の充填状態測定装置におい
て使用される基準反射個所は、エコー関数において、ア
ンテナ入力結合によって惹き起こされる反射とは明らか
に区別可能である、出来るだけ顕著な、良好に再現可能
な基準反射を惹き起こすべきである。この種の基準反射
個所が既存していなければ、本発明の有利な実施例によ
れば、基準反射体がアンテナ入力結合部から所定の距離
のところに取り付けられる。基準反射個所から由来す
る、エコー関数の部分が比較されるしきい値は、アンテ
ナに付着物が形成されていないかまたはほんの僅かしか
形成されていないとき、エコー関数のこの部分がしきい
値を上回るが、アンテナにおける付着物形成が所定の大
きさを上回るとき、しきい値より下にあるように、調整
設定されている。それ故にしきい値を上回っていること
ないし下回っていることを指示する信号によって、充填
状態測定装置が申し分なく動作しているかどうかまたは
アンテナにおける付着物形成によって測定が障害を受け
ているかどうかが検出される。
本発明の有利な別の特徴および利点は、図面に基づい
た実施例の以下の説明から明らかである。図において、 第１図は、マイクロ波によって動作する充填状態測定装
置の原理を示す概略図であり、 第２図は、アンテナにおける付着物形成および別の障害
を検出するための装置を備えた充填状態測定装置のブロ
ック回路略図であり、 第３図は、アンテナにおいて付着物形成が存在していな
いときの従来のアンテナのエコー関数を示す波形図であ
り、 第４図は、第３図と同じアンテナにおいて付着物形成が
存在している場合のエコー関数を示す波形図であり、 第５図は、アンテナにおいて付着物形成が存在していな
いときの、基準反射体を装備しているアンテナのエコー
関数を示す波形図であり、 第６図は、第５図と同じアンテナにおいて付着物形成が
存在している場合のエコー関数を示す波形図であり、 第７図は、第２図の充填状態測定装置の機能を説明する
ための波形図である。
第１図には、高さＨまで充填物12が充填されている容
器10が示されている。充填状態Ｈを測定するために、容
器10の上方にアンテナ14が取り付けられている。このア
ンテナによって、充填物12の表面に電磁波が送波されか
つこの表面において反射されたエコー波を受波すること
ができる。送波される電磁波は、送受切換器18を介して
アンテナ14に接続されている送信回路16によって発生さ
れる。アンテナ14によって受波されるエコー波は、送受
切換器18を介して受信および評価回路20に供給される。
受信および評価回路は、送信回路14からアンテナ14に供
給される送信信号とアンテナ14から供給される受信信号
とから、アンテナ14と充填物12の表面との間の距離Ｅを
求める。アンテナ14の、容器10のそこからの距離Ｄは既
知であるので、この距離Ｄと測定された距離Ｅとの間の
差から求める充填状態Ｈが得られる。
測定すべき距離は電磁波の伝搬速度の割には非常に小
さいので、十分な測定精度を得るために、マイクロ波領
域にある非常に短い波によって動作されなければならな
い。アンテナ14は勿論このように短い波の送波および受
波に対して形成されている。アンテナは例えば、第１図
に示されているように、ホーン放射器を装備している。
距離Ｅを測定するために、レーダ技術から公知である
いずれの方法も使用することができる。これらの方法は
すべて、アンテナから反射する表面を経てアンテナに戻
るまでの電磁波の走行遅延時間を測定することに基づい
ている。電磁波の伝搬速度は周知であるので、測定され
た走行遅延時間から、進んだ距離を計算することができ
る。検出捕捉すべき表面において反射される有効エコー
の他に、障害エコーも発生する可能性があるので、通
例、全体の受信信号が、受信信号の強度分布を距離の関
数として表しているエコー関数に変換される。このエコ
ー関数から有効信号が求められかつその走行遅延時間が
検出される。
１つの公知のレーダ方法は、周期的に短い送信パルス
が送信されかつ送信パルスのその都度の送信に続いてい
る受信フェーズにおいて、送信パルスの周波数を有する
エコー信号が検出されるパルスレーダである。この場
合、その都度の受信フェーズの経過中に受信される、時
間に関する信号振幅が、直接エコー関数を表している。
このエコー関数のそれぞれの値は、アンテナから所定の
距離において反射されるエコーの振幅に相応している。
それ故に、有効エコーの、エコー関数における位置が直
接、測定すべき距離を指示する。
走行遅延時間の直接的な測定は、周波数変調連続波
（持続波）方法（FMCW方法）においては回避される。こ
の方法では、例えばのこぎり波関数に従って周期的にリ
ニヤに周波数変調されている連続的なマイクロ波が送波
される。それ故に、その都度受信されるエコー信号の周
波数は、送信信号が受信の時点において有している瞬時
周波数に比して、エコー信号の走行遅延時間に依存して
いる周波数差を有している。したがって、送信信号と受
信信号との周波数差、すなわち２つの信号の混合および
この混合信号のフーリエスペクトルの評価によって得る
ことができる周波数差は、反射面の、アンテナからの距
離に相応し、かつ周波数特性曲線の高さは、エコー振幅
の大きさに相応する。それ故に、このフーリエスペクト
ルはこの場合、エコー関数を表している。
アンテナは、このプロセスに対する入力結合のために
用いられ、その際出来るだけ良好な整合によって、有効
信号を隠蔽するおそれがある障害となる近接反射が発生
しないように、インピーダンスの急激な変化は回避され
るべきである。にも拘わらず実際には、例えばホーン放
射器においてアンテナ入力結合部およびホーンの領域に
おいて内部反射がある。
マイクロ波を用いた充填状態測定における特別な問題
は、アンテナに充填物の付着物が形成されることがある
点にある。この危険は、粉塵または粉末状の充填物にお
いて特に、殊にアンテナが湿るとき、並びに粘着性およ
びねばねばした充填物の場合に生じる。マイクロ波アン
テナは確かに、ある程度の汚れには耐えられるが、汚れ
層が著しく厚くなるとき、うまく作動しない。この場
合、レーダ信号はアンテナの領域において完全に吸収さ
れ、その結果有効エコー波はもはや検出可能ではない。
その場合従来の方法によってはもはや、ビーム路に反射
体が存在していないかどうか、またはアンテナの外側の
ビーム路に著しい減衰が存在しているかどうか（例えば
充填物上の泡）、またはアンテナが付着物形成によって
機能し難くなっているかどうかをもはや区別することは
できない。
第２図には、アンテナにおける付着物形成並びに場合
によっては別の障害を検出するために付加的に措置が講
ぜられている、パルスレーダ方法に従って動作する充填
距離測定装置の送信回路および受信並びに評価回路のブ
ロック略図が示されている。
第２図にも、ホーン放射器として形成されているアン
テナ13が略示されている。発生器24は、送波すべきマイ
クロ波の周波数を有する周波数を有する連続的な最高周
波数振動を発生し、それはビームスプリッタ26を介して
スイッチ28に供給される。スイッチ28は、トリガー30に
よってクロック発生器32から供給されるクロック信号CL
に基いて発生されるトリガー信号TRによって周期的に操
作される。スイッチ28の出力側は、第１図の送受切換器
の役割を果たす方向性結合器34を介してアンテナ14の入
力結合ピン36に接続されている。スイッチ28のその都度
短時間の閉成の際に、短い送信パルスがアンテナ14から
送波される。この送信パルスに基づいてアンテナによっ
て受信されるエコー信号は、方向性結合器34を介して、
混合器34の一方の入力側に供給される。この混合器の第
２の入力側には、発生器24の出力信号からビームスプリ
ッタ26を介して分岐された信号が供給される。２つの信
号の混合によって混合器38において得られる包絡線信号
は、増幅器40において増幅され、この増幅器には、エコ
ー信号の走行遅延時間に依存している減衰を補償する対
数化器２が後置接続されている。対数化器42の出力側に
おいて送出される増幅されかつ対数化された、エコー関
数を表している包絡線信号HVは、電子評価回路44に供給
され、それはそこから、有効エコーの走行遅延時間およ
び求める距離Ｅを求める。
第２図の回路のここまで説明した部分は、反射される
電磁波によって動作する距離測定装置の従来の構成に相
応し、それは当業者には周知である。第３図の波形図に
は、アンテナにおける付着物形成またはその他の障害が
存在していない場合の、この種の従来の距離測定装置
の、包絡線信号HSによって表されるエコー関数が示され
ており、かつ第４図には、アンテナにおける付着物形成
が著しい場合の、相応のエコー関数が示されている。時
点tOは、トリガー30によってスイッチ28に供給されるト
リガーパルスの開始に相応する。このトリガーパルスに
よってスイッチ28は閉成される。時点tSにおいて、スイ
ッチ28によって発生される送信パルスはアンテナ14の入
力結合ピン36に到来する。これによりエコー関数に顕著
なピークが現れる。これに続いて、ホーン放射器の領域
における反射に由来する下降する振幅のエコー振幅が続
く。時点tEにおいて、第３図の波形図は、有効エコーの
受信に相応する別の顕著なピークを有している。
第４図の波形図から、アンテナに著しい付着物が形成
されている場合、アンテナの領域においてエコー関数の
形が特徴的に変化していることがわかる。というのは、
付着物による吸収に基づいてこの領域から僅かなエネル
ギーしか反射されないからである。さらに、第４図のエ
コー関数において、有効信号から由来するエコー振幅
が、それがもはや評価され得ない程に著しく減衰してい
る。
アンテナ14における付着物形成の検出は、第２図の距
離測定装置の場合、アンテナ領域からの反射に由来す
る、エコー関数の部分の特徴的な変化の評価に基づいて
行われる。このことは、第３図および第４図の図示の形
状を有するエコー関数において全く可能である。しかし
アンテナ領域において、顕著な反射ピークを有する基準
エコーを発生する基準反射個所が存在するとき、一層効
果的である。数多くの場合において、この種の基準反射
個所は、既存のアンテナ部分、例えばホーン放射器の縁
によって形成することができる。この種の基準反射個所
が存在しないとき、有利にはアンテナ領域に特別な基準
反射体が取り付けられる。第２図には、アンテナ14のホ
ーン放射器の縁に、それがホーン放射器の内部に突出す
るように取り付けられているこの種の基準反射体46が示
されている。基準反射体は、ねじ止めされた薄板部分、
線材を湾曲に曲げたもの、切り欠きまたは溝などとする
ことができる。エコー関数の、入力結合部によって惹き
起こされるピークと基準反射体によって惹き起こされる
ピークとの一義的な分離を可能にするために、アンテナ
縁の近傍に配置すると有利である。場合によっては、基
準反射体は、アンテナの前方から僅かな距離間隔をおい
たところに配置することもできる。
第５図および第６図には、第３図および第４図の波形
図に類似した、この種の付加的な基準反射体を具備した
アンテナのエコー関数が、付着物が形成されていない場
合および形成されている場合について示されている。第
５図の波形図に示されているエコー関数は、時点tSにお
ける入力結合部によって惹き起こされるピークおよび時
点tEにおける有効エコーによって惹き起こされるピーク
のほかに付加的に、時点tRにおける基準反射体46によっ
て惹き起こされるピークを含んでいる。第６図のエコー
関数から、付着物刑によって惹き起こされる特徴的な変
化が殊に基準ピークの領域において非常に顕著でありか
つ２つの状態の一義的な区別を可能にすることがわか
る。
付着物形成によって惹き起こされる、エコー関数の特
徴的な変化を評価するために、第２図の回路は、論理制
御回路50および振幅コンパレータ51を有している。コン
パレータ51の第１入力側には、対数化器42の出力側から
包絡線信号HSが供給されかつ第２入力側にはしきい値信
号SW1が供給される。振幅コンパレータ51は、従来のよ
うに、その出力信号が、第１入力側に供給される包絡線
信号HSが第２入力側に供給されるしきい値信号SW1より
大きいかまたは小さいかに依存して２つの信号値の一方
または他方をとるように、構成されている。振幅コンパ
レータ51はさらに、論理制御回路50の出力側からイネー
ブル信号EN1が供給される制御入力側を有している。論
理制御回路50には、クロック発生器32から供給されるク
ロック信号CLおよび送信時点を決定する、トリガー30の
出力信号TRが供給される。論理制御回路はこれら２つの
信号に基づいて、振幅コンパレータ51が送信パルスの送
信後の所定の時間ウィンドウの期間にのみ振幅比較の実
施を行え得るようにするイネーブル信号EN1を発生す
る。
コンパレータ51および論理制御回路50の機能は第７図
の波形図から明らかである。これらの波形図は、第５図
ないし第６図のエコー関数に相応する包絡線信号HSaな
いしHSbの時間的な経過、並びにクロック発生器32から
供給されるクロック信号CL、トリガー30から供給される
トリガー信号TRおよび論理制御回路50によって発生され
るイネーブル信号EN1を示している。２つの包絡線信号H
SaおよびHSbの波形図には、コンパレータ51のしきい値S
W1が示されている。論理制御回路50は、トリガー信号TR
の開始後クロック信号CLによって正確に決められる時間
間隔においてイネーブル信号EN1を発生するので、この
イネーブル信号EN1によって決められる時間ウィンドウT
1は、基準反射体46によって惹き起こされる基準エコー
が包絡線信号において出現する時間間隔に相応する。こ
の時間ウィンドウにおいて、コンパレータ51は包絡線信
号HSをしきい値SW1と比較する。付着物形成のないアン
テナに相応する包絡線信号HSaが時間ウィンドウT1にお
いてしきい値SW1を上回っていることがわかる。それ故
にコンパレータ51の出力信号は第１の信号値、例えば低
い信号値をとり、それは、アンテナ14において障害とな
る付着物形成が存在しないことを指示している。これに
対して、付着物形成を有するアンテナに相応する包絡線
信号HSbは時間ウィンドウT1においてしきい値SW1を下回
っており、その結果コンパレータ51の出力信号は第２の
信号値、選択された実施例では高い信号値をとり、それ
は、充填状態測定を誤らせる可能性があるかまたは不可
能にする可能性があるアンテナに付着物形成が存在して
いることを指示している。
イネーブル信号EN1の時間位置および持続時間並びに
コンパレータしきい値SW1の高さは、回路を種々異なっ
た作動条件に整合することができる３つの調整設定可能
なパラメータを形成する。イネーブル信号の時間位置の
選択により殊に、基準反射体の種々異なった位置への整
合が可能になる。イネーブル信号の持続時間は、基準エ
コーが、その形状に依存して最適に利用されるように調
整設定される。コンパレータしきい値の高さは、そこか
ら充填状態測定の障害発生が予測される、付着物形成の
程度に依存して選択される。
コンパレータの出力信号は種々の方法において使用す
ることができる。最も簡単な場合、付着物形成を指示し
または操作員に警告して、必要な措置を講じるようにす
る警告をトリがするために用いることができる。しか
し、付着物形成にも拘わらず、例えば送信出力を高める
および／または受信増幅度を高めることによって測定の
続行を可能にする自動的な措置をとるようにすることも
できる。
第２図に示されているように、コンパレータ50に対し
て付加的に、包絡線信号HSを種々異なったしきい値S
W2，SW3…と比較しかつ同じまたは異なっていることが
できるイネーブル信号EN2，EN3…を論理制御回路50から
受け取る別のコンパレータ52,53…を設けることができ
る。この種の付加的なコンパレータにより、付着物形成
の監視の一層精密な区別、その時の汚れの程度の指示ま
たは別の原因の障害の監視が可能になる。例えば、第７
図に図示のしきい値SW1より高く調整設定されているし
きい値を有するコンパレータは、これら付着物形成が測
定を妨害するかまたは不可能にする前に、付着物形成の
開始を指示することができる。付着物形成が著しい場合
に存在する、基準エコーの振幅よりさらに下方にあるし
きい値を有するコンパレータは、アンテナシステムまた
は電子装置全体の故障を指示することができる。種々異
なったしきい値および／または時間ウィンドウを有する
このおよび場合によっては別のコンパレータの出力信号
は、論理評価回路54に供給することができ、そこでこの
出力信号は、欠陥および障害の一層正確な検出および一
層精密な区別にための評価される。
付着物形成のこれまで説明してきた検出法は、例に挙
げられたパルスレーダ装置の場合と同様に、周波数変調
連続掃引レーダ装置にもまたはマイクロ波によって動作
する、上述の形式のエコー関数を発生するいずれの別の
距離測定装置にも使用することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ゲルスト，ペーター ドイツ連邦共和国 79576 ヴァイル アム ライン ジーベン ヤッヘルテン （番地なし) (56)参考文献 特開 昭60−125524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−90129（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−192985（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−44369（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−84524（ＪＰ，Ｕ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】充填状態を測定すべき充填物の表面に送信
    波を送波しかつ前記表面にて反射されるエコー波を受波
    するためのアンテナと、前記アンテナによって受波され
    たエコー波から、距離の関数としてのエコー振幅を表す
    エコー関数を形成しかつ該エコー関数から、マイクロ波
    の、前記アンテナから前記充填物表面までの走行遅延時
    間を求めかつここから前記充填物表面の、前記アンテナ
    からの距離を測定する受信および評価回路とを備えた、
    マイクロ波によって動作する充填状態測定装置におい
    て、 アンテナまたはその近傍領域における基準反射個所に由
    来する、エコー関数の部分を前以て決められたしきい値
    と比較するための装置、及び、前記エコー関数の比較さ
    れた部分が所定しきい値を超過する場合、アンテナにお
    ける充填物の付着物形成がないか、又は、少ししかない
    ことを示し、且つ、前記エコー関数の比較された部分が
    前記所定しきい値を超過していない場合、前記アンテナ
    の充填物の付着物の形成が所定の量を超過していないこ
    とを指示する信号を発生するための装置を有しているこ
    とを特徴とする充填状態測定装置。
  2. 【請求項２】前記反射基準個所は、アンテナの部分によ
    って形成されている請求項１記載の充填状態測定装置。
  3. 【請求項３】アンテナはホーン放射器を有しかつ前記基
    準反射個所は該ホーン放射器の縁によって形成されてい
    る請求項２記載の充填状態測定装置。
  4. 【請求項４】前記基準反射個所は、アンテナまたはその
    近傍領域に取り付けられている基準反射体によって形成
    されている請求項１記載の充填状態測定装置。
  5. 【請求項５】アンテナはホーン放射器を有しかつ前記基
    準反射体は該ホーン放射器の縁に取り付けられている請
    求項４記載の充填状態測定装置。
  6. 【請求項６】受信および評価回路は、エコー関数を表し
    ている包絡線信号を発生するための装置を有しており、
    かつ少なくとも１つのコンパレータが設けられており、
    該コンパレータは、一方の入力側に前記包絡線信号が供
    給されかつ他方の入力側にしきい値信号が供給されかつ
    出力側に、前記入力信号のいずれが比較的大きな値を有
    しているかに依存して、２つの信号値の一方または他方
    をとる信号を送出し、かつ論理制御回路が設けられてお
    り、該論理制御回路は、前記１つのコンパレータないし
    各コンパレータに、エコー関数において基準反射個所に
    由来するエコー信号が現れる時間ウィンドウの期間に比
    較を許容するイネーブル信号を送出する請求項１から５
    までのいずれか１項記載の充填状態測定装置。
  7. 【請求項７】複数のコンパレータが設けられており、該
    コンパレータには種々異なったしきい値信号および／ま
    たは種々異なったイネーブル信号が供給される請求項６
    記載の充填状態測定装置。
  8. 【請求項８】前記コンパレータの出力側は、論理評価回
    路に接続されている請求項７記載の充填状態測定装置。
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