JP3149407B2 - マイクロ波で動作する充填レベル測定装置 - Google Patents

マイクロ波で動作する充填レベル測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はマイクロ波で動作す
る充填レベル測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】その種の無接触動作する測定装置は、多
数の産業部門において使用される。多数の適用例、例え
ばオイル産業において、充填レベル測定の際マイクロ波
がアンテナを用いて充填物の表面へ送信され、そして、
その表面にて反射されたエコー信号が受信される。エコ
ー振幅を距離の関数として表すエコー関数が形成され、
該エコー関数から、確率的な有効エコー及びそれの走行
伝搬時間が求められる。走行伝搬時間から充填物表面と
アンテナとの間の間隔が求められる。反射されたマイク
ロ波を用いての距離測定の方法は、パルスレーダであ
る。周期的に短いマイクロ波パルスが送信され、該マイ
クロ波パルスは、充填物表面で反射され、そして、距離
間隔に依存する走行伝搬時間の後再び受信される。時間
の関数としての信号振幅は、エコー関数を成す。当該の
エコー関数の各値は、アンテナから所定の間隔をおいて
反射されたエコーの振幅に相応する。
【０００３】ＤＥ−Ａ３１０７４４４に記載されている
マイクロ波で動作する充填レベル測定装置は、下記の構
成素子を有する；即ち ―信号繰り返しレートｆｓを有するマイクロ波パルスの
生成のため送信パルスー発生器を有し、前記繰り返しレ
ートｆｓは、作動中アンテナを介して、被測定充填レベ
ルの方向に送信され、充填物表面にて反射され、それの
エコー信号が受信されるものであり、 −マイクロ波パルスの生成のための基準パルス発生器を
有し、前記マイクロ波パルスは、送信パルス発生器によ
り生成されるマイクロ波パルスと同じものであるが、送
信号繰り返しレートｆｓとはわずかな周波数差だけ異な
る基準繰り返しレートを有し、 −第１の混合器を有し、 −−前記の第１混合器の第１の入力側に、基準パルス発
生器の出力信号信号が加わり、 −−第１の混合器の第２の入力側にエコー信号が加わり −−第１混合器の出力側に、エコー信号に比して時間的
に時間拡大率だけスローダウンされた、ないし、拡大さ
れた中間周波信号が現れ、前記時間拡大率は、送信―繰
り返しレートと周波数差との商に等しいものであのであ
る。
【０００４】中間周波信号はエコー信号と同じ特性経過
を有しているが、エコー信号に対して時間拡大率だけ延
ばされている。数ＭＨｚの送信―繰り返しレート、例え
ば１０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数差及び数ＧＨｚのマイ
クロ波周波数の場合、中間周波信号の周波数は、１００
ＫＨｚを下回る。これにより、信号ピックアップ及び／
又は信号評価のため一層より緩慢で、また有利なコスト
の構成部品の使用が可能になる。
【０００５】通常中間周波信号が復調され、サンプリン
グ値から１つのエンベローブが作成され、該エンベロー
ブはメモリ内に格納され、格納されたものはさらなる処
理のためアクセス可能である。エンベローブ、包絡線
は、典型的に最大値を有し、該最大値は、充填レベル表
面におけるマイクロ波パルスの反射に基因する。１つの
基準時点と、中間周波信号の最大値との間の時間間隔及
び時間拡大率から、充填レベル表面のところまで、及び
その戻り経路までのマイクロ波パルスの実際の往復走行
伝搬時間が測定可能である。前記の走行伝搬時間は、充
填レベル表面から充填レベル測定装置までの距離に対す
る尺度を成す。
【０００６】中間周波信号の２つの点間の時間差ΔＴと
エコー信号の所属の点間の時間差Δｔとの間で下記の関
係式が成立つ。
【０００７】ΔＴ＝（ｆs／Δｆ）Δｔ． 但し ΔＴ 中間周波信号の２つの点間の時間差 Δｔ エコー信号の所属の点間の実際の時間差 ｆs 送信―繰り返しレート Δｆ 送信―繰り返しレートｆｓと基準繰り返しレート
ｆrとの差周波数（ｆs―ｆr） ｆｓ／Δｆ＝時間拡大率に等しい 従って、充填レベル測定の精度は、量ΔＴ、ｆｓ及びΔ
ｆがどの位高い精度を以て知られているかに依存する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題とすると
ころは、前述の技術水準から出発し、精度の高い測定に
適するマイクロ波で動作する充填レベル測定装置を提供
することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前記課題の解決のため、
本発明によれば、マイクロ波で動作する充填レベル測定
装置において、下記の構成要素を有し、即ち; ―信号繰り返しレートを有するマイクロ波パルスの生成
のため送信パルスー発生器を有し、前記繰り返しレート
を有するマイクロ波パルスは、作動中アンテナを介し
て、被測定充填レベルの方向に送信され、充填物表面に
て反射され、それのエコー信号が受信されるものであ
り、 −マイクロ波パルスの生成のための基準パルス発生器を
有し、前記マイクロ波パルスは、送信パルス発生器によ
り生成されるマイクロ波パルスと同じであるが、送信号
繰り返しレートとはわずかな周波数差だけ異なる基準繰
り返しレートを有し、 ―第１の混合器を有し、 −−前記の第１混合器の第１の入力側に、エコー信号が
加わり、 −−第１の混合器の第２の入力側に基準パルス発生器の
出力信号が加わり −−第１混合器の出力側に、エコー信号に比して時間的
に時間拡大率だけスローダウンされた、ないし、拡大さ
れた中間周波信号が現れ、前記時間拡大率は、送信―繰
り返しレートと周波数差との商に等しいものであり、 ―中間周波信号のサンプリングのための第１サブ回路を
有し、 −−該第１サブ回路では２つの順次連続する２つのサン
プリング間の時間間隔が１つの単位時間に等しいもので
あり、 ―差信号の生成のための手段を有し、該差信号は、差周
波て変化するものでり、 ―単位時間に基づいてそれの周期期間を決定するための
第２サブ回路を有し、 −評価回路を有し、該評価回路は、単位時間における時
間拡大率を決定し、当該の単位時間における時間拡大率
を用いて中間周波信号の２つの時点間の前記単位時間に
て生じる時間間隔から、前記の２つのサンプリング点に
相応するエコー信号の２つの点間の実際の時間間隔を求
めるように構成されているのである。
【００１０】差信号のサンプリング及び中間周波信号の
サンプリングが同じ単位時間に基づくことにより、求め
られるべき走行伝搬時間は、当該の単位時間の変動又は
変化に全く無関係である。単位時間を定める構成部分の
周波数への効果影響―例えば温度に依存する変動は、距
離精度への影響を及ぼさなくなる。
【００１１】本発明の実施形態によれば、固定的な単位
時間を設定する単一のクロック発生器を設ける。
【００１２】本発明のさらなる実施形態によれば、差信
号の生成のための手段は、第２混合器を有し、 −該第２混合器の第１入力側に信号が加わり、 −−該信号は、送信―繰り返しレートを以て変化し、 −前記第２混合器の第２入力側に次のような信号が加わ
る、即ち、 −−基準繰り返しレートを以て変化する信号が加わるも
のであり、 −−前記第２混合器の出力側に差信号が現れるように構
成されているのである。
【００１３】また本発明のさらなる実施形態によれば、
前記送信パルス発生器は、下記の構成素子を有し； ―発振器を有し、該発振器の周波数は送信―繰り返しレ
ートに等しいものであり、 −発振器に後置接続されたパルス発生器を有し、 −−前記発生器は、発振器の出力信号を制御信号に変換
するものであり、 −制御信号により制御されるマイクロ波源を有し、該マ
イクロ波源はマイクロ波パルスを送信するものである。
【００１４】なおまた、本発明のさらなる実施形態によ
れば、基準発生器は、下記構成要素を有し、即ち; ―発振器を有し、該発振器の周波数は基準―繰り返しレ
ートに等しいものであり、 −発振器に後置接続されたパルス発生器を有し、 −−前記発生器は、発振器の出力信号を制御信号に変換
するものであり、 −制御信号により制御されるマイクロ波源を有し、該マ
イクロ波源はマイクロ波パルスを送信するものである。
【００１５】また、本発明のさらなる実施形態によれ
ば、中間周波信号のサンプリングのための第１サブ回路
は、サンプルホールド回路及びサンプルホールド回路の
出力側に接続されたＡ／Ｄ変換器を有するのである。
【００１６】更に本発明のさらなる実施形態によれば、
差信号のサンプリングのための第２サブ回路は、下記構
成素子を有する； −コンパレータを有し、 −−該コンパレータの出力側には、サンプリング時点で
の差信号が所定の限界値より大である場合第１のレベル
を有する信号レベルが現れるように構成されており、 −−サンプリング時点での差信号が所定限界値より小で
ある場合、当該のコンパレータの出力側には第２信号レ
ベルを有する信号が現れるように構成されており、 −コンパレータに接続された側縁検出器を有し、 −−該側縁検出器は、差信号の１つの周期期間の始まり
を識別するものであり、 −カウンタを有し、 −−該カウンタは、差信号の所定数の周期期間中経過す
る単位時間の数を計算するように構成されているのであ
る。
【００１７】なお、また本発明のさらなる実施形態によ
れば、差信号の所定数の周期期間の経過後、カウンタ状
態を読出し、それにより、差周波数の周期期間を求める
ために使用される手段が設けられているのである。
【００１８】本発明及びさらなる利点を１実施例を説明
した図を用いて詳述する；同じエレメントには同じ参照
符号を付してある。
【００１９】
【実施例】図１にはマイクロ波で動作する充填レベル測
定装置１が示してあり、このマイクロ波で動作する充填
レベル測定装置は、充填物３で充填されている容器５上
に取付られている。充填レベル測定装置１は、アンテナ
７を有し、該アンテナ７を介して、その充填レベルを測
定すべき充填物の方向にマイクロ波パルスを送信する。
送信されたマイクロ波パルスは、充填レベル表面にて反
射され、それのエコー信号が受信される。作動中のマイ
クロ波パルスがたどる経路は、矢印で示されている。
【００２０】図２は、本発明の充填レベル測定装置の回
路構成の１実施例を示す。
【００２１】送信―繰り返しレートｆｓを以てマイクロ
波パルスの生成をするための送信パルスー発生器が示し
てある。この送信パルスー発生器は、その周波数が送信
―繰り返しレートｆｓに等しい発振器９を有する。発振
器９は、例えば高い周波数安定性を有する水晶発振器で
ある。発振器９にはパルス発生器１１が後置接続されて
いる。このパルス発生器１１は発振器９の出力信号を制
御信号Ｓに変換する。制御信号により制御信号Ｓは、例
えば短い矩形波パルスの形態を有する。制御信号Ｓによ
り、相応にマイクロ波を送信するマイクロ波源１３、例
えばガンダイオードが制御される。制御信号Ｓは、例え
ばトリガ信号の形態で供給され得、該トリガ信号によ
り、マイクロ波源１３がオン、オフされる。代替選択的
にマイクロ波源１３を永久的にオン投入状態にしてお
き、そして、制御信号Ｓに依存して開又は閉、阻止状態
になるゲート回路を設け得る。制御信号Ｓの中間周波信
号は、送信―繰り返しレートｆｓの逆数値である。この
場合制御信号Ｓは一連の矩形パルスであり、矩形パルス
の持続時間は、マイクロ波パルスの持続時間に等しいも
のであり、、例えば１ｎｓ（ナノ秒）である。送信され
たマイクロ波パルスは、方向性結合器１５を介してアン
テナ７へ伝送され、容器５内に送信される。
【００２２】エコー信号は、アンテナ７を介してピック
アップ受信され、方向性結合器１５を介して混合器１７
の第１入力側に加わる。勿論、全く同様に送受信のため
の単一のアンテナの代わりに、２つのアンテナが使用可
能であり、そのうちの１つは送信用、もう一つは受信用
である。
【００２３】付加的に基準パルスー発生器が設けられて
いる。この基準パルスー発生器は送信パルスー発生器に
より生ぜしめられたマイクロ波と同一のマイクロ波パル
スの発生に用いられ、この送信パルスー発生器により生
ぜしめられたマイクロ波パルスは、送信―繰り返しレー
トｆｓとはわずかな周波数差Δｆだけ異なる基準繰り返
しレートｆｒを有する。周波数差は、数Ｈｚ、例えば４
０Ｈｚである。基準パルス発生器は、送信パルス発生器
と類似に構成されている。それは、発振器１９を有し、
この発振器１９の周波数は、基準繰り返しレートｆｒの
周波数に等しい。発振器１９には、パルス発生器２１が
後置接続されており、このパルス発生器は、発振器１９
の出力信号を制御信号Ｓ′に変換し、そして、制御信号
Ｓ′により制御されるマイクロ波源２３が設けられてお
り、このマイクロ波２３はマイクロ波パルスを送信す
る。
【００２４】基準パルス発生器の出力信号は、混合器１
７の第２入力側に加わる。混合器の出力側には中間周波
信号ＺＦが現れる。基準パルス発生器により生ぜしめら
れたマイクロ波パルスによりエコー信号のタイムリー適
時のサンプリングが行われるため基準繰り返しレートｆ
ｒは送信号繰り返しレートｆｓよりわずかに小さくセッ
トされる。中間周波信号ＺＦは、エコー信号に比して時
間的に時間拡大率（Zeitdehnungsfaktor）だけスローダ
ウンないし延ばされている。前記時間拡大率は、送信―
繰り返しレートｆｓと周波数差Δｆとの商に等しい。
【００２５】数ＭＨｚの送信―繰り返しレート、例えば
１０Ｈｚ〜１００Ｈｚの周波数差及び数ＧＨｚのマイク
ロ波周波数の場合、中間周波信号の周波数は、１００Ｋ
Ｈｚを下回る。混合器１７にはＬＰＦフィルタ２５が後
置接続されており、このＬＰＦフィルタ２５は、中間周
波信号ＺＦの所望の周波数を通過させ、就中、ＧＨｚ領
域における周波数に対して非通過性である。典型的に
は、そのようなフィルタの遮断周波数は、数１００ＫＨ
ｚである。フィルタリングされた中間周波信号ＺＦは、
復調器２６に供給される。これは、例えば簡単な整流器
であってよい。
【００２６】フィルタリングされ、復調された中間周波
信号ＺＦは、第１のサブ回路２７に供給され、該第１の
サブ回路は、中間周波信号ＺＦのサンプリングのため使
用される。
【００２７】図示の実施例では、サンプリングは、サン
プルホールド回路２９及びＡ／Ｄ変換器３１を用いて行
われる。サンプルホールド回路の最も簡単な形態が図３
に示してある。このサンプルホールド回路は、前置接続
されたスイッチ３５を有するコンデンサ３３を有する。
スイッチ３５が閉じられると、コンデンサ３３は加わる
中間周波信号ＺＦに相応してチャージされる。それに引
き続いて、スイッチ３５は開かれ、コンデンサ３５に最
後に加わる電圧がＡ／Ｄ変換される。そのようにして得
られたサンプリング値は、そこにてスイッチ３５の開か
れた時点での中間周波信号ＺＦの振幅に相応する。単位
時間τを設定するクロック発生器３７が設けられてお
り、前記単位時間を以て、サンプルホールド回路２９及
びＡ／Ｄ変換器３１がクロック制御される。２つの順次
連続するスイッチ開放間の時間間隔は単位時間τであ
る。同様に中間周波信号ＺＦの順次連続する２つのサン
プリングの時間間隔は、１つの単位時間τに等しい。デ
ジタルサンプリング値は、メモリ３９内に例えばＲＡＭ
内に格納される。
【００２８】図４は、中間周波信号ＺＦのそのように作
成された記録の例を示す。時間Ｔの関数として中間周波
信号ＺＦの振幅がプロットしてあり、ここで点により表
された２つのサンプリング値間の間隔がそれぞれ１つの
単位時間τを成す。記録は２つの明瞭な最大値を示す。
第１の最大値は、方向性結合器１５を介して直接混合器
１７へ達する送信されたマイクロ波パルスの成分に対応
付けられている。第２の最大値は、同一マイクロ波パル
スの送信された、充填レベル表面にて反射された成分に
対応付けられている。
【００２９】勿論、エコー信号ないし中間周波信号ＺＦ
の他の際立った点間の時間間隔に関与せしめられてもよ
い。構成及び評価が以下述べるものと相違するのはたん
に、際立った点の識別のため設けられるべき手段におい
てである。
【００３０】記憶されたサンプリング値から２つの最大
値の位置を求め、それの時間間隔を求める評価ユニット
４１が設けられている。このことは、例えば計算ユニッ
ト４０を用いて行われる。それらの両最大値間の時間間
隔ΔＴは単位時間τの倍数ｎである。時間間隔ΔＴから
は時間拡大率を用いてマイクロ波パルスの実際の走行伝
搬時間１が求められ得る。
【００３１】既述のように時間拡大率は、送信―繰り返
しレートｆｓと周波数差Δｆとの商に等しいものであ
り、、測定の精度は、実質的に当該の量に依存する。
【００３２】差周波数Δｆを以て変化する差信号Ｄの生
成のための手段が設けられている。前記手段は有利に第
２の混合器４３を有し、この第２混合器４３の第１入力
側に、送信―繰り返しレートｆｓを以て変化する信号が
加わり、そして、第２混合器４３の第２入力側に基準―
繰り返しレートｆｒを以て変化する信号が加わる。混合
器４３の出力信号は、差信号Ｄ及び明らかに一層より高
い周波数信号を含む。混合器４３の出力信号はＬＰＦフ
ィルタ４５に加わり、ＬＰＦフィルタ４５は比較的高周
波の信号をフィルタリングし、それの出力側に純然たる
差信号Ｄが現れる。
【００３３】入力信号として混合器４３に例えば両発振
器９，１９の出力信号が加わり得る。亦図２の実施例に
て示したように、両パルス発生器１１，２１の出力信号
を使用することもできる。
【００３４】差信号Ｄのサンプリングのため、及びそれ
の周期期間Ｐの決定のため第２のサブ回路４７が設けら
れている。ここで差信号Ｄの２つの順次連続するサンプ
リング間の時間間隔は、同様に単位時間τに等しい。
【００３５】有利には、固定した単位時間τを設定する
単一のクロック発生器３７が設けられている。代替選択
的に２つ又はそれより多くのクロック発生器を設けるこ
ともでき、それらのクロック発生器は、唯一のベースク
ロック発生器から導出され、同一の特性を有する、即
ち、それの例えば周囲温度の変動に基因する、規定クロ
ックとの偏差が相一致し得るものである。
【００３６】図２に示す実施例では第２サブ回路４７
は、コンパレータ４９を有し、このコンパレータにはＬ
ＰＦフィルタ４５の出力信号が加わる。コンパレータの
出力側には、サンプリング時点での差信号Ｄが所定の限
界値Ｗより大である場合、第１の信号レベルＨを有する
信号が現れ、そして、サンプリング時点での差信号Ｄが
所定の限界値Ｗより小である場合、第２の信号レベルＬ
を有する。
【００３７】図５は、差信号Ｄの例を示し、該差信号Ｄ
は、次のようにして生成される、即ち、前述のようにパ
ルス発生器の出力信号が差信号の形成のため使用され、
そしてパルス発生器が一連の矩形波パルスを送出するす
るのである。
【００３８】図６は、差信号Ｄの例を示し、該差信号Ｄ
は、次のようにして生成される、即ち、上述のように発
振器９，１９の出力信号が差信号の形成のため使用され
るようにするのである。
【００３９】それぞれ限界値Ｗが記入されており、サン
プリングは点で示されている。限界値Ｗは任意の固定的
に調整セッティングされた値であり、この任意の固定的
に調整セッティングされた値は、最小の値より大であ
り、そして、差信号Ｄの発生最大値より小である。
【００４０】コンパレータ４９には、側縁検出器５０が
接続されており、この側縁検出器５０は、差信号Ｄの１
つの周期期間Ｐの始まりを識別する。このことは、例え
ば次のようにして行われる、即ちコンパレータ４９の出
力側に順次連続して現れる各２つの信号レベルを比較す
るのである。このために、例えば、コンパレータ４９の
出力信号を或ときは直接的に、或ときは、遅延線路―こ
れは単位時間τだけの遅延を生じさせるーを介してナン
ド（ＮＡＮＤ）結合回路の各入力側に加え得る。ナンド
条件が充足されるその２度目ごとに１つの新たな周期期
間が始まる。而して、例えば、第１の信号レベルＨが第
２信号レベルＬにつづく時にも１つの新たな周期期間Ｐ
の始まりが生起し得る。周期期間の始まりが、図５及び
図６に矢印で示す。
【００４１】カウンタ５１が設けられており、該カウン
タ５１は、差信号Ｄの所定数ｘの周期期間中、経過する
単位時間τの数ｍを計数する。例えば、側縁検出器５０
から第１の信号―これはカウンタ５１を周期期間始まり
と共にスタートするー及び第２信号が出力され、該第２
信号は、所定の数ｘの経過後、即ち（ｘ＋１）周期期間
の始まりと共にカウンタ５１をストップする。例えば、
図２には示されていないマイクロコントローラをカウン
タ状態の読出のために設けることができる。マイクロコ
ントローラを、例えば第２サブ回路４７又は評価回路４
１内に設け得る。
【００４２】カウンタ状態ｍは、整数であり、単位時間
τにおけるｘ周期期間の持続時間を指示する。同様に周
期期間Ｐは下記式により与えられる。
【００４３】Ｐ＝（１／ｘ）ｍτ ｘ周期期間の持続時間は、そのようにして、精度τで求
められる。周期期間Ｐの相対誤差は、次の通りである。
【００４４】 ΔＰ／Ｐ＝Δ（ｘＰ）／（ｘＰ）＝τ／（ｍ／τ） 単位時間τが設定されているので、持続時間Ｐが測定さ
れる精度は、それに亘って当該の測定が実施される周期
期間Ｐの数により決定される。カウンタ状態ｍは、周期
期間の数ｘと、各周期期間Ｐごとの単位時間τの数との
積に等しい。
【００４５】周囲条件、例えば発振器９，１９の周波数
安定性へ影響を及ぼす温度はたんに緩慢に変化するの
で、周期期間Ｐの決定を、規則的時間間隔をおいて実施
すれば事足り、ここで、前記規則的時間間隔は周囲条件
が変化するタイムスケールに比して小である。
【００４６】測定される周期期間Ｐは、評価ユニット４
１内に伝送される。そこで、測定される周期期間Ｐは、
例えばメモリ５３内に格納され、前記メモリ５３の内容
は、周期期間Ｐの各新たな測定ごとに更新される。評価
ユニット４１内に、さらなるメモリ５５が設けられてお
り、その中に送信―繰り返しレートｆｓが格納される。
当該値は、工場側で記憶され以降もはや変更されない。
【００４７】評価ユニット４１内にて計算ユニット５７
が設けられており、該計算ユニット５７は、周期期間Ｐ
から単位時間τでの時間拡大率を決定する。周期期間Ｐ
は周波数差の逆数に等しいので、時間拡大率は送信―繰
り返しレートｆｓと、周期期間Ｐとの積に等しい。周期
期間Ｐは、既に所望の単位時間τにて得られており、そ
の結果時間拡大率に対して下記の関係性が成り立つ。
【００４８】 ｆｓ／Δｆ＝ｆｓＰ＝ｆｓ（１／ｘ）ｍ［τ］ 単位時間において当該の時間拡大率を用いて評価ユニッ
ト４１にて、例えば計算ユニット５７にて単位時間τに
て存在している、中間周波信号ＺＦの２つのサンプリン
グ点間の時間間隔から、２つのサンプリング点に相応す
るエコー信号の２つの点間の実際の時間間隔Δｔが求め
られる。
【００４９】このことを図４に示す中間周波信号ＺＦの
例に即して説明する。勿論、それに対して実際の時間間
隔が求められるべき２つのサンプリング点は、エコー信
号のなお他の際だった点、例えばアンテナと、基準レフ
レクタにより生ぜしめられたエコーとの間隔に相応する
ようにしてもよい。
【００５０】前述のようにマイクロ波パルスの走行伝搬
時間は図４の中間周波信号ＺＦの２つの最大値間の時間
間隔ΔＴ＝ｎτに相応する。前記の時間間隔ΔＴは、エ
コー信号の２つの所属点間の実際の時間間隔Δｔに相応
し、この実際の時間間隔Δｔは、対応するマイクロ波パ
ルスの走行伝搬時間ｌに等しい。
【００５１】容器底部と充填レベル測定装置との間の距
離間隔Ｈは、公知なものとして前提とされている。従っ
て、アンテナ７から充填物表面までの往復のマイクロ波
パルスの実際の走行伝搬時間から充填レベルｈは、マイ
クロ波の伝搬速度ｃの関与のもとで次のように求められ
る； ｈ＝Ｈ−（ｃ１）／２ 下記が成立つ 送受信パルス間の所期の実際の時間差に対して下記が成
立つ； Δｔ＝ｘ（ｎ／ｍ）ｆｓ 結果は、時定数τに依存しない。当該の時定数における
エラー誤差及び／又は温度又は時間に関してのそれの変
化は、測定精度に影響を及ぼさない。当該の式に関与す
る単一のエラー誤差源は、送信―繰り返しレートｆｓで
ある。著しく周波数安定性のある水晶発振器の使用によ
り、当該誤差を著しくわずかに抑さえることができる。
比較的わずかなエラー誤差Δｆ／ｆ＜１０-6を有する発
振器が入手可能である。
【００５２】勿論、時定数τは、サンプリングの精度を
定める程度に限り影響を及ぼす。１つのマイクロ波パル
スは、１ｍｍの距離区間ｓに対してｔs＝ｓ／ｃの走行
伝搬時間を要する。但し、ｃは、真空中の光の速度ｃ＝
又は≒３ １０8にほぼ等しいマイクロ波パルスの伝搬速
度である。従って、走行伝搬時間ｔs≒又は＝３ １０
-12ｓである。４ＭＨｚの送信―繰り返しレート及び４
０Ｈｚの周波数差Δｆの場合時間拡大率は１０5に等し
い。１／２ｍｍの充填レベル変化に相応する中間周波信
号ＺＦの時間差ΔＴを分解し得るには、当該の数値例で
は単位時間τを次のように選定しなければならない、即
ち、充填物表面における反射により生じる中間周波信号
ＺＦの最大値を１０-7ｓだけ分解できるように選定しな
ければならない。このことを行い得るようにするため、
単位時間τが相応に小にセットされるか、又は、最大値
の値の検出識別が例えば、中間周波信号ＺＦの形態の評
価により、及び／又は複数の中間周波信号ＺＦに亘る平
均化により改善されるようにする。単位時間τを例えば
値１０-6ｓに低減できる。このことは１ＭＨｚの周波数
に相応する。
【００５３】本発明によれば、差信号の周期期間Ｐのカ
ウントのためにも同じ単位時間τが使用される。４０Ｈ
ｚの差周波数Δｆの場合、周期期間Ｐは、２５ １０-3
ｓである。その上で差信号Ｄが変化するタイムスケール
は、その上で中間周波信号ＺＦが変化するタイムスケー
ルと明らかに異なるけれども、上述のように本発明によ
り両信号のサンプリングのため同じ単位時間τを使用す
ることが可能である。単位時間τはアプリケーションに
より設定される、走行伝搬時間測定に対する精度により
設定される。差信号Ｄの決定の精度は、それに亘って差
信号Ｄが評価される周期期間の数ｘにより調整セッティ
ングされるべきものである。
【００５４】
【発明の効果】本発明により、前述の技術水準から出発
し、精度の高い測定に適するマイクロ波で動作する充填
レベル測定装置を実現することができ、また、求められ
るべき走行伝搬時間は、当該の単位時間の変動又は変化
に全く無関係となり、単位時間を定める構成部分の周波
数への効果影響―例えば温度に依存する変動は、距離精
度への影響を及ぼさなくなるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】容器上に取り付けられた充填レベル測定装置の
概念図。
【図２】本発明の充填レベル測定装置の回路構成を示す
回路略図。
【図３】図２のサンプルホールド回路の１実施例の回路
略図。
【図４】中間周波信号ＺＦの記録の１例の波形図
【図５】図２のパルス発生器の出力信号を差信号Ｄの形
成のため使用する場合に対する差信号Ｄの１例を示す波
形図。
【図６】図２の発振器の出力信号を差信号Ｄの形成のた
め使用する場合に対する差信号Ｄの１例を示す波形図。
【符号の説明】
１ 充填レベル測定装置 ３ 充填物 ５ 容器 ７ アンテナ ９ 発振器 １１ パルス発生器 １３ マイクロ波源 １５ 方向性結合器 １７ 混合器 １９ 発振器 ２１ パルス発生器 ２３ マイクロ波源 ２５ ＬＰＦフィルタ ２６ 復調器 ２７ 第１サブ回路 ２９ サンプルホールド回路 ３１ Ａ／Ｄ変換器 ３３ コンデンサ ３５ スイッチ ３７ クロック発生器 ３９ メモリ ４０ 計算ユニット ４１ 評価回路 ４３ 混合器 ４５ ＬＰＦフィルタ ４７ 第２サブ回路 ４９ コンパレータ ５０ 側縁検出器 ５１ カウンタ ５３ メモリ ５７ 計算ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ローラント ミュラー ドイツ連邦共和国 シュタイネン イム ヴォルフィッシュビュール 27−１ (72)発明者 ベルント シュトリュット ドイツ連邦共和国 シュタイネン ヒュ ージンガーシュトラーセ １ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01F 23/284

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 マイクロ波で動作する充填レベル測定装
    置において、 下記の構成要素を有し、即ち ―信号繰り返しレート（ｆｓ）を有するマイクロ波パル
    スの生成のため送信パルスー発生器を有し、前記繰り返
    しレート（ｆｓ）を有するマイクロ波パルスは、作動中
    アンテナ（７）を介して、被測定充填レベルの方向に送
    信され、充填物表面にて反射され、それのエコー信号が
    受信されるものであり、 −マイクロ波パルスの生成のための基準パルス発生器を
    有し、前記マイクロ波パルスは、送信パルス発生器によ
    り生成されるマイクロ波パルスと同じであるが、送信号
    繰り返しレート（ｆｓ）とはわずかな周波数差（△ｆ）
    だけ異なる基準繰り返しレート（ｆｒ）を有し、 ―第１の混合器（１７）を有し、 −−前記の第１の混合器（１７）の第１の入力側に、エ
    コー信号が加わり、 −−第１の混合器の第２の入力側に基準パルス発生器の
    出力信号が加わり −−第１混合器の出力側に、エコー信号に比して時間的
    に時間拡大率だけスローダウンされた、ないし、拡大さ
    れた中間周波信号（ＺＦ）が現れ、前記時間拡大率は、
    送信―繰り返しレート（ｆｓ）と周波数差（△ｆ）との
    商に等しいものであり、 ―中間周波信号（ＺＦ）のサンプリングのための第１サ
    ブ回路（２７）を有し、 −−該第１サブ回路（２７）では２つの順次連続する２
    つのサンプリング間の時間間隔が１つの単位時間（τ）
    に等しいものであり、 ―差信号（Ｄ）の生成のための手段を有し、該差信号
    （Ｄ）は、差周波（Δｆ）て変化するものであり、 ―単位時間（τ）に基づいてそれの周期期間（Ｐ）を決
    定するための第２サブ回路（４７）を有し、 −評価回路（４１）を有し、 該評価回路（４１）は、前記周期期間（Ｐ）から単位時
    間（τ）における時間拡大率を決定し、 当該の単位時間（τ）における時間拡大率を用いて中間
    周波信号（ＺＦ）の２つの時点間の前記単位時間（τ）
    にて生じる時間間隔（ΔＴ）から、前記の２つのサンプ
    リング点に相応するエコー信号の２つの点間の実際の時
    間間隔（Δｔ）を求めるように構成されていることを特
    徴とするマイクロ波で動作する充填レベル測定装置。
  2. 【請求項２】 固定的な単位時間（τ）を設定する単一
    のクロック発生器（３７）が設けられていることを特徴
    とする請求項１記載の充填レベル測定装置。
  3. 【請求項３】 差信号（Ｄ）の生成のための手段は、第
    ２混合器（４３）をを有し、 −該第２混合器の第１入力側に信号が加わり、 −−該信号は、送信―繰り返しレート（ｆｓ）を以て変
    化し、 −前記第２混合器（４３）の第２入力側に次のような信
    号が加わる、即ち、 −−基準繰り返しレート（ｆｒ）を以て変化する信号が
    加わるものであり、 −−前記第２混合器（４３）の出力側に差信号（Ｄ）が
    現れるように構成されていることを特徴とする請求項１
    記載の充填レベル測定装置。
  4. 【請求項４】 前記送信パルス発生器は、下記の構成素
    子を有し； ―発振器（９）を有し、該発振器（９）の周波数は送信
    ―繰り返しレート（ｆｓ）に等しいものであり、 −発振器（９）に後置接続されたパルス発生器（１１）
    を有し、 −−前記発生器（１１）は、発振器（９）の出力信号を
    制御信号（Ｓ）に変換するものであり、 −制御信号（Ｓ）により制御されるマイクロ波源（１
    ３）を有し、該マイクロ波源（１３）はマイクロ波パル
    スを送信するものであることを特徴とする請求項１記載
    の充填レベル測定装置。
  5. 【請求項５】 基準発生器は、下記構成要素を有し； ―発振器（１９）を有し、該発振器（１９）の周波数は
    基準―繰り返しレート（ｆｒ）に等しいものであり、 −発振器（１９）に後置接続されたパルス発生器（２
    １）を有し、 −−前記発生器（２１）は、発振器（１９）の出力信号
    を制御信号（Ｓ′）に変換するものであり、 −制御信号（Ｓ′）により制御されるマイクロ波源（２
    ３）を有し、該マイクロ波源（２３）はマイクロ波パル
    スを送信するものであることを特徴とする請求項１記載
    の充填レベル測定装置。
  6. 【請求項６】 中間周波信号（ＺＦ）のサンプリングの
    ための第１サブ回路（２７）は、サンプルホールド回路
    （２９）及びサンプルホールド回路の出力側に接続され
    たＡ／Ｄ変換器（３１）を有することを特徴とする請求
    項１記載の充填レベル測定装置。
  7. 【請求項７】 差信号（Ｄ）のサンプリングのための第
    ２サブ回路（４７）は、下記構成素子を有する； −コンパレータ（４９）を有し、 −−該コンパレータ（４９）の出力側には、サンプリン
    グ時点での差信号が所定の限界値（Ｗ）より大である場
    合第１のレベルを有する信号レベル（Ｈ）が現れるよう
    に構成されており、 −−サンプリング時点での差信号（Ｄ）が所定限界値
    （Ｄ）より小である場合、当該のコンパレータ（４９）
    の出力側には第２信号レベル（Ｌ）を有する信号が現れ
    るように構成されており、 −コンパレータ（４９）に接続された側縁検出器（５
    ０）を有し、 −−該側縁検出器は、差信号の１つの周期期間の始まり
    を識別するものであり、 −カウンタ（４９）を有し、 −−該カウンタ（４９）は、差信号（Ｄ）の所定数
    （ｘ）の周期期間中経過する単位時間（τ）の数（ｍ）
    を計算するように構成されていることを特徴とする請求
    項１記載の充填レベル測定装置。
  8. 【請求項８】 差信号（Ｄ）の所定数（ｘ）の周期期間
    の経過後、カウンタ状態を読出し、それにより、差周波
    数（Δｆ）の周期期間（Ｐ）を求めるために使用される
    手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の
    充填レベル測定装置。
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