JP4095960B2 - 伝播時間原理に基づき動作する充填レベル測定装置を用いた、容器内媒体の充填レベル測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、伝播時間原理に基づき動作する充填レベル測定装置を用いて、容器内媒体の充填レベルを測定する方法に関する。

この型の充填レベル測定装置それ自体は知られている。その装置は通常、容器内の、「充填物質」とも呼ばれる媒体の上方に設置される。媒体の充填レベルを判定するため、測定装置から媒体に向けて、充填レベル測定装置によって生成された高周波信号、超音波信号または光信号が送信され、その信号は媒体の表面で反射される。これらの反射信号は、有用信号とも呼ばれ、充填レベル測定装置によって記録される。その伝播時間は、媒体の反射面から測定装置までの距離によって決まる。容器の形が分かっていれば、容器内の媒体の充填レベルが判定できる。

この種の充填レベル測定装置としては、例えば、マイクロ波測定信号またはレーダー測定信号によるものが知られており、それによると、アンテナから媒体にレーダー信号が自由に放射され、媒体から戻ってきて受信される。また、レーダー測定信号を用いた別の充填レベル測定装置も知られており、それによると、レーダー測定信号は充填物質内まで伸びた導波路によって導かれる。

上記伝播時間の原理に基づく充填レベル測定装置の主な問題点は、充填レベル測定装置が充填物質表面からの反射信号のみならず容器内の所謂干渉位置からの不要な反射物もまた受信することである。例えば、容器内に設置された物体または容器の形によって発生した干渉信号が充填物質表面からの所望の有用信号に重畳され、測定信号の評価中には、有用信号がもはやそれと識別できなくなったり、あいまいになってしまう。

一方、干渉信号からは、測定装置の動作状況がチェックでき、充填物質に関する追加情報（誘電率、導電率、含水量、温度、混合比、泡形成、位相分離などの情報）も一緒に得られるようなたくさんの情報が得られる。しかしながら、この形態では、これはまだ実現されていない。

例えば、DE-A-412 33 324には、送受信アンテナを備えた自由放射レーダー装置が記載されている。この場合、容器の床からの信号が用いられ、あいまいにしか識別されえないとはいえ、容器内の媒体の充填レベルが判定される。しかしながら、そこに記載された単なる液体測定方法では、未知の充填レベルを判定するには、非常に正確な誘電率が分かっていなければならず、充填物質の透磁率も必要とされることがある。しかしながら、この種の情報は、常に取得できるとは限らず、また容器内の媒体の物理特性は変化し得る。こうした状況から、この参考文献では、充填レベルを直接計測するには、床信号の時間変位を用いるか、測定曲線の信号評価の際は、残留信号にウインドウを掛け、ウインドウ内の充填レベル信号を識別するようになっている。

また、EP-A-0 457 801では、導かれたレーダー信号を備えた充填レベル測定装置の較正用に静水管（stilling tube）内の干渉位置を用いるようになっている。その場合、明確な偏波信号（polarizable signal）が必要であり、偏波面は偏波装置によって変更可能である。それによって、干渉位置での干渉反射強度が変えられる。偏波装置を用いると、高価になり、余分な費用が発生するのみならず、例えば、TDR充填レベル測定装置で単線または同軸導波路が用いられている場合、信号が偏波されないことがよくある。

WO-A-00/43808では、インタフェース測定との関連で誘電率が決まる、TDR充填レベル測定装置が記載されている。充填物質の二つの「製品境界層」として、二つの反射面が論じられており、その場合、干渉信号のうちのひとつが導波路の終端、または容器内の床でも生成される。本引用例では、媒体の誘電率の計測が論じられているが、その計測には誤差が含まれる。

更に、導かれたレーダー測定信号を備えた過去の充填レベル測定装置には、既にあたえられている反射位置、すなわち、既知の干渉位置がその形状から決まっている導波路が備わっている。 しかしながら、そこから上記方向に送信された信号の総合評価は現時点でまだ実現されていない。

このように、例えば、米国特許3,474,337には、導波路に導かれたレーダー信号を備えた充填レベル測定装置が記載されている。所謂「TDRシステム（Time Domain Reflectometry）」で、この場合、同軸導波路内の幾何学的反射位置が基準位置として用いられている。しかしながら、本米国特許で記載され、保護されている特徴には、少なくとも二つの分離された導路を備えた導波路が例外なく含まれ、そのほかの特徴が比較的一般的用語で記載されている。本特許によって、干渉位置での反射のみから、充填レベルまたは他の特徴を判定することは出来ない。干渉信号は充填物質からの反射との関連でのみ評価される。

従って、本発明の目的は、伝播時間の原理に基づく測定装置を用いて、容器内の媒体の充填レベルを判定する測定信号および情報が、これまでよりもっと総合的に、実際、媒体の物理特性が正確に分かっていなくても評価でき、しかも、測定信号のうち、媒体の表面で反射された信号が識別されないか、または、あいまいにしか識別されない場合でも、媒体の充填レベルが判定できる方法を提供することである。

この目的は、本発明によれば、伝播時間原理に基づき動作する充填レベル測定装置を用いて、容器内の媒体の充填レベルを測定する方法によって達成される。同方法は、以下のステップ、すなわち、
ａ）前記充填レベル測定装置から前記容器内に送信されて戻ってくる測定信号が前記容器内のどの箇所で反射されたものなのかを判定する際の基準となる基準信号データを、前記容器内で反射されて戻ってくる測定信号の伝播時間の関数として取得するステップと、
ｂ）前記容器内の特定箇所の位置であって基準となる位置ｘ ^（０） を求めるステップと、
ｃ）前記充填レベル測定装置から前記容器内に送信されて戻ってきた実際の測定信号からなる測定曲線を、或る第１の時点ｔ^（１）と、それよりも後の第２の時点ｔ^（２）で、それぞれ取得するステップと、
ｄ）前記測定曲線または前記測定曲線から選択した信号データを前記基準信号データと比較し、前記実際の測定信号の中から、前記容器内の媒体表面からの反射信号である有用信号と、前記容器内の媒体表面以外の箇所からの反射信号である干渉信号とを探し出すステップと、
ｅ）前記第１及び第２の時点ｔ^（１）、ｔ^（２）で取得されたそれぞれの測定曲線に互いに対応する少なくとも１つの干渉信号が明白に存在し、また、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線に有用信号が明白に存在し、かつ、前記第２の時点ｔ^（２）で取得された測定曲線に有用信号が明白には存在しない場合、前記基準となる位置ｘ^（０）と、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線上における前記特定箇所に対応する干渉信号の位置ｘ^（１）と、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線上における、前記基準となる位置ｘ^（０）から有用信号の位置までの距離に相当する充填レベルＬ^（１）と、前記第２の時点ｔ^（２）で取得された測定曲線上における前記特定箇所に対応する干渉信号の変化後の位置ｘ^（２）とを用いて、次の式



により、前記第２の時点ｔ^（２）における未知の充填レベルＬ^（２）を決定するステップと、を含んでいる。

本発明による方法の別の実施形態では、基準信号データを少なくともひとつの既知の測定曲線から取得するか、または既知の測定装置および／または容器に特有のデータに基づいて決定する。

本発明による方法の更に別の実施形態では、空容器内での測定を評価して得られる基準信号データを用いる。
本発明による方法の更に別の実施形態では、基準信号データまたは測定曲線の信号データを選択する時は、測定曲線の極値を用いる。

本発明による方法の更に別の実施形態では、基準信号データは基準曲線の形で存在する。
本発明による方法の更に別の実施形態では、基準曲線は減算または相関によって測定曲線と比較する。この場合、減算または相関は、信号データの一部にのみ限定可能である。

本発明による方法の更に別の実施形態では、既知の容器または測定装置に特有の特徴データに基づき、干渉信号と有用信号を区別してもよい。この場合、既知の容器設置物に基づいて、または測定装置の容器内突出部分に基づいて、測定距離がいくつかの領域に分割することができる。

本発明による方法の更に別の実施形態では、干渉信号と有用信号は、与えられる信号情報によって区別される。この場合、信号情報としては、信号データの振幅、符号、位相関係、幅および／または形式が考えられる。

本発明による方法の更に別の実施形態では、測定曲線から選択された信号データを基準曲線の対応する信号データと比較し、信号データの経時変化を有用信号と干渉信号を区別するのに用いる。

本発明による方法の更に別の実施形態では、干渉信号が時間経過ともに有用信号と逆方向に変化することを利用して、干渉信号と有用信号を区別し、および／または充填レベルを伝播時間の関数として決定するため、場合に応じて、検知された干渉または有用信号からの情報に重み付けを行う。

本発明による方法の更に別の実施形態では、充填レベル信号があいまいで、識別できない場合、所望の充填レベルは、既知の幾何学的位置に対応する、測定曲線の少なくとも二つ以上の干渉信号の時間変位に基づいて決定される。

本発明による方法の更に別の実施形態は、充填レベルが既に判明している場合に、関してである。その場合、気体相の伝播速度の補正率（correction factor）を決めるのに、媒体上の容器内の既知の幾何学的位置に対応する、測定曲線上の少なくとも二つの干渉信号の時間変位を用いる。この補正率は、決定した充填レベルを較正する。

本発明による方法の更に別の実施形態では、実際の測定信号の伝播時間が本来対応する基準信号データの伝播時間と一致する、測定曲線上の位置の信号が測定装置の状態または機能についての情報を取得するのに用いる。

本発明による方法の更に別の実施形態では、伝播時間原理に基づく、異なった充填レベル測定装置を用いる。
本発明の背景にある基本的な考え方のひとつは、容器内の攪拌器または他の設置物からの信号は測定曲線上で実際認識できるが充填レベル信号は認識できない場合、これは、既知の充填レベル測定装置によって示唆されているように、容器が空であることを意味する必要はなく、場合によっては、むしろ容器内の媒体の反射面が撹伴器または他の容器内設置物の下方になければならないことを意味する必要があるということである。

別の基本的な考え方では、レーダーおよび容器内の媒体の小さな誘電率を使用した充填レベル測定装置の場合、充填レベル信号が認識できず、攪拌器または他の容器設置物からの信号が期待された位置で認識できないと、これらの事実から、攪拌器または他の容器設置物からおよび攪拌または他の容器設置物への測定装置の信号の、誘電率の効果によりもたらされる効果的な経路が長くなり、攪拌器が遠く離れているように思われるため、媒体の充填レベルは、容器内の攪拌器または他の設置物の上方になければならないことが結論付けられる。

更に、本発明では、タンク、多分そこに配置されていると思われる静水管、バイパス管またはレーダー信号を用いている充填レベル測定装置のケーブル状の導波路の終端錘でさえ、多量の信号を発生し、測定信号から作成された伝播時間曲線上のそれらの位置から、充填レベルが推論できる。二つの干渉信号の距離と干渉信号が発生する反射位置の実際の距離が分かれば、測定信号の伝播速度が分からなくとも、伝播時間に基づく充填レベル測定装置の充填レベルは推測できる。レーダー信号を扱う場合、伝播速度は材質パラメータ、例えば、誘電率に依存するので、このように、材質パラメータは前もって分かっている必要はない。

別の基本的な考え方では、求められた有用信号、すなわち、充填物質の表面からの測定信号の反射波が、ある特徴または背景特徴を表す信号の“シンク（sink）”から読み取れない場合でも、このシンクまたは特徴のパターンは、充填レベル信号によって変化し、実際の特徴のパターンを既知のパターンと比較すれば、未知の充填レベルが判定できる。この問題は、充填レベル測定装置の近くでよく起こる。この場合、未知の充填レベル反射信号が送信信号の自然崩壊のため、あいまいにしか区別できない危険性が多い。

本発明による方法によれば、測定の精度と信頼性が増し、未知の充填レベル値とともに充填物質および測定装置の状態についての情報も取得できる。
要約すれば、本発明によれば、測定信号から直接充填レベル信号が読み取れない場合でも、有利な方法で充填レベルを判定することができる。更に、測定信号から作成された測定曲線上の充填レベル信号が存在しない領域を考慮の対象から除外できる。また、本発明によれば、測定装置および／または充填物質の状況が充填レベルに依存せず判断できる。その結果、単一の時間変位済み干渉信号に基づいて、充填レベルを推測し伝播速度を知ることができる。誘電率によって生じた二つの干渉信号の時間変位を評価することによっても、伝播速度が分からなくても、充填レベルが判定できる。

以下、好ましい実施の形態と図面とを参照しつつ、本発明をより詳細に説明する。
説明の便宜上、誤解を招かない限り、以下同一の装置、モジュールまたは部品並びに充填物質および媒体には、同一の参照番号を付与することとする。

図１は、容器１２に搭載された、レーダ−を用いた充填レベル測定装置１０および容器内への突起物の代表的な配置の概略を一例として示す。容器１２に存在する媒体１６の充填レベル１４を判定するためのレーダー充填レベル測定装置１０は、図に概略的に示したケーブルを介して電気的に駆動され、例えば、モニター（不図示）に接続される。レーダー充填レベル測定装置１０は、この目的のため、 図に示したホーンアンテナから、レーダー信号、好ましくはパルス測定信号を媒体１６の方向に送信する。これらの信号は、媒体１６の表面１８で反射される。これを、図１の両方向矢印２０で示す。反射された測定信号は ホーンアンテナで受信され、レーダー充填レベル測定装置１０で、送信測定信号と比較される。測定信号の送信から反射信号の受信までの時間は、登録され、レーダー充填レベル測定装置１０と媒体１６の表面１８間の距離を測るものさしとして使われる。容器１２の形を考慮して、この距離を媒体１６の求める充填レベルに変換する。受信信号中に充填レベル信号、すなわち、媒体１６の表面１８で反射された信号とはっきり識別できるものがない場合、媒体１６の充填レベルは、本発明による方法により決定する。

図１には、更に、注入管２２と、上部側管２６および下部側管２８付きバイパス管２４が記載されている。上部側管２６でも、レーダー充填レベル測定装置１０から送信された測定信号が同様に反射され、本発明による方法では、この干渉信号を未知の充填レベルの決定に利用する。

ここで、「干渉信号」として指定されているのは、媒体の表面から反射されていないものである。 本発明による方法では、それらの信号は、文字通り「干渉する」のではなく、実際は、未知の充填レベルを判定する働きをする。「干渉信号」という名称は、先行技術からきたものであり、先行技術では、これらの信号は、実際の充填レベル信号を隠蔽したり、またはその明白な識別を妨げることができるという意味で、干渉する。未知の充填レベルを判定するための既知の方法は、明白な充填レベル信号が取得できなければ、あまり役に立たず、従って、充填レベルは、一意的に決定できない。

レーダー充填レベル測定装置１０を容器１２の、斜線で示した位置１１に設置した場合、干渉信号は、注入管２２の上部で反射され、本発明による方法では、この干渉信号を未知の充填レベルの判定に利用する。

念のため、図１に示した充填レベル測定装置は、自由放射測定装置であってもかまわないことを付け加えておく。例えば、超音波充填レベル測定装置と同様に、プレーナアンテナを備えた充填レベルレーダー装置またはロッドアンテナを備えた充填レベルレーダー装置も考えられる。伝播時間原理に基づく、これらの充填レベル測定装置でも、上記干渉信号は発生し、充填信号が明白に識別されないか、または全く識別されない場合、本発明による方法との関連で、これらの干渉信号が未知の充填レベルを決定するために使われる。

未知の充填レベルを判定するための方法が実施できない場合の充填レベル測定装置の別の構造を図２に示す。この装置は、ＴＤＲ充填レベル測定装置３０と呼ばれるもので、そこでは、導波路３２によって導かれるマイクロ波またはレーダー信号が使われる。測定信号は、媒体１６内まで伸びている導波路３２に導かれ、媒体１６の表面１８で反射され、導波路３２を通ってＴＤＲ充填レベル測定装置３０に導かれる。この信号の動きを、図２の両方向矢印３４および３５で示す。

また、ＴＤＲ充填レベル測定装置３０では、図１で説明したように、測定信号が媒体の反射面１８まで行き、ＴＤＲ充填レベル測定装置３０まで戻ってくる伝播時間（すなわち、ＴＤＲ充填レベル測定装置３０と媒体１６間の距離）を登録し、それによって、未知の充填レベルを決定する。しかしながら、この場合、受信測定信号中には、充填レベル用の明白な信号が含まれることとする。そうでない場合は、本発明による方法では、干渉信号を用いて、および／または個々の信号または信号パターンの時間変位を特別に評価して充填レベルを決定する。ＴＤＲ充填レベル測定装置での干渉信号は、導波路３２の近くで容器設置物がある場所ならどこでも発生する。図２の例では、はしご３６および攪拌器３８がそれに当たる。

容器１２内の媒体１６の反射面１８からの信号があいまいな場合、媒体の充填レベルを決定するためには、以下のとおり、図１および２の例に従って、本発明による方法を充填レベル測定装置に適用する。

最初に、基準信号データは、例えば、より早い時点で取得済みか、または既知の装置および／または容器に特有のデータから作成された少なくともひとつ以上の既知の測定曲線の基準信号データとなり得る信号の伝播時間の関数として取得される。後者の場合、その信号は、例えば、はしご３６、注入管２２、バイパス管の横形管２６および２８または攪拌器３８から生じた上記信号に関するものである。また、容器内の導波路を真っ直ぐに伸ばしておくために、導波路３２の終端に取り付けた錘４０は、一般にＥＯＬ信号（ライン終端信号）と称される、目立った信号を発生する。導波路３２を容器の床まで引っ張るのに、ここに示された終端錘４０の代わりに、導波路３２の別の実施形態または別の適用物・容器を用いることもできる。このような接続物もＥＯＬ信号を発生する。

一番簡単なのは、空の容器１２内で充填レベル測定装置を使っていわゆる空測定を行って干渉位置および反射位置から信号を取得することである。基準信号となるべき種々の信号は、その振幅および信号フォームを参照して、分析され、特徴づけられ、関連の距離情報は、測定装置までの距離情報として、および／または容器内の信号の伝播速度を考慮し、伝播時間情報として、信号に付加される。空測定時の信号が伝播時間曲線に併合される場合、人々は、それを容器（およびその設置物）の「特徴」とも云う。

実際の測定信号、または充填レベル測定装置と媒体表面間の測定距離に沿った測定曲線の中から選択された信号データは、基準信号データと比較され、測定信号中の干渉信号および有用信号が求められ、マークされる。干渉信号および有用信号は、それぞれ、どういう形態で充填レベルを決定しまたは媒体および充填レベル測定装置の機能についての情報を取得するかを参照して、評価し、重み付けをする。本発明による方法で用いる基準信号データまたは測定曲線の信号データは、例えば、測定曲線の極値として、選択する。

上記で述べたように、基準信号は、基準曲線の形に配置でき、実際の測定曲線と比較できる。また、選択された基準信号だけを使う場合は、これらの基準信号は、測定距離または伝播時間に関する実際の測定信号と比較される。このような比較は、信号の形状および時間関係（伝播時間）の変化、すなわち、時間変位を見出して評価することを目的とするものであり、関連する信号データの相関によって行われたり、減算によって行われたり、または測定曲線上の極値の位置と基準曲線上の極値との比較によって行なわれることが望ましい。

干渉信号と有用信号とを識別する際、特に、これらの信号は、それぞれ、既知の容器設置物または測定装置の容器に突起している部分のような、既知の容器および測定装置特有の特徴データに基づいて識別できる時、ある役割を果たす。すなわち、これらの信号のお陰で、測定距離または測定距離を表す信号を干渉または有用信号のそれぞれを探索する特定の領域に分割できる。このような場合の評価には、実際に関心のある領域のみ探索できるという利点がある。これによって、関心のない信号を評価する時間および資源が節約できる。

信号データの振幅、符号、位相関係、幅および／または形状を、特に、注目している領域の信号を評価するための信号情報として利用するのが望ましい。その場合、干渉信号は、有用信号とは逆方向に経時変化を起す。これは、興味のあることである。なぜならば、例えば、レーダー信号を用いて上昇しつつある充填レベルを測定する場合、充填レベル信号の下方にある干渉信号は、すべて、媒体の伝播速度が減少するため、下方へ、すなわち、充填レベル反射波とは逆方向に移動するからである。

既知の反射位置の干渉信号が明白に識別できる場合で、本発明による方法で充填レベルを判定する実例について以下に述べる。このため、図２に示した、導波路３２を備えたＴＤＲ充填レベル測定装置を例にとる。図３ａおよび３ｂは例として測定信号の測定曲線４２ａおよび４２ｂを示す。その場合、図３ａでは、時点ｔ^（１）における測定信号振幅がＴＤＲ充填レベル測定装置までの距離ｘの関数としてプロットされている。図３ａの伝播時間曲線４２ａの初期において明確に認識できる信号４４は、ＴＤＲ充填レベル測定装置３０で生成された測定信号が導波路３２と結合することによって生じたものである。この信号は有力な基準信号で、「基底基準信号」と称される。伝播時間曲線４２ａの終端の別の信号４６ａは、導波路３２の終端からのＥＯＬ信号である。図３ａの時点ｔ^（１）で、充填レベル信号４８は、明白に識別でき、これは、媒体の表面で反射されたものである。ここでは便宜上充填レベル信号４８と呼ばれる、この信号は、基底基準信号４４とＥＯＬ信号４６ａの間に位置している。

図３ｂの場合、後の時点ｔ^（２）で、測定曲線４２上に充填レベル信号が明白に認識されない場合、時点ｔ^（２）における容器内の媒体の未知の充填レベルＬ^（２）は、導波路終端からの既知の反射信号であるＥＯＬ信号４６ｂを用いて決定する（図３ｂ参照）。測定曲線４２ａと４２ｂを比べると、実際は、容器内の導波路の長さは変わっていないにもからわらず、初期測定のＥＯＬ信号４６ａが時間経過につれて明らかにＥＯＬ信号４６ｂにシフトするように見える。これに基づいて、充填レベルは以下のように判定することができる。

最初に、測定曲線４２ａの直接認識できる充填レベル信号４８およびＥＯＬ信号４６ａの明白なシフトｘ^（１）−ｘ^（０）から定数Ｂ＝（ｘ^（１）−ｘ^（０））/L⁽¹⁾が得られる。この場合 , L⁽¹⁾は、ゾンデ終端の実位置ｘ^（０）に対する測定曲線４２ａ上の充填レベル信号４８から得られる充填レベルである。時点ｔ^（２）で充填レベルが直接判定できない場合、式Ｌ^（２）＝（ｘ^（２）−ｘ^（０））／Ｂを使って、先に取得した値Ｂおよびゾンデ終端信号の明白なシフトｘ^（２）−ｘ^（０）から充填レベルＬ^（２）が求められる。

容器内の媒体が無減衰で非磁性の誘電体の場合は、Ｂ＝√ε−１（ここで、√εはεの平方根を表す）である。この場合、εは媒体の誘電率である。干渉信号から充填レベルを求める既知の方法では、誘電率が分かっていなければならない。一方、上記本方法では、この値はわからなくてもよい。その代わり、媒体が変化する場合でも、測定装置が自ら較正し、ユーザーは新たな較正にタッチする必要はない。更に、既知の方法に比べ、非常に高い精度が達成される。固定した前もって選択した値の誘電率が計算に用いられ、例えば、粒状物質の含水量が変化するため、その値は、実際の値と一致しないと考えられる場合、図４に示すように、表示される充填レベルと実際の充填レベルとの間には、誤った関係が成立すると考えられる。媒体の誘電率によって、測定曲線上の充填レベル信号後の信号の時間係数がシフトするため、図４で示すグラフでは、大きすぎるか、または小さすぎる誘電率を用いて充填レベルを判定する場合、推定する充填レベルの登録に誤差が生じる。

図５のグラフは、別な方法で充填レベルＬを決定する場合を示す。このグラフは、好ましくはレーダー装置で、伝播時間原理に基づいて充填レベルを測定した場合の例である。このグラフには、測定曲線上における受信信号の位置に対する、または場合によっては伝播時間に対する、相対充填レベルがプロットされている。未知の充填レベルは、上記式と、一方ではＥＯＬ信号５０により、他方では充填レベル信号５２により作成した限界線を用いて判定する。このことは、グラフより自明である。

実際の充填レベル値が直接測定できなかったり、または判定のための反射位置が明白でない場合、すなわち、ＥＯＬ信号４５ａおよび４５ｂ、または測定距離反射位置が異なる充填レベルより下の設置物からのべつの信号を用いる場合、Ｌの最終有効値が出力される。また、最終的に判明したＬの変化率値を用いてＬの値を変化させ、警告または故障報告が発せられ可能性もある。これらの反応はすべて、選択的に発生し、また遅延時間が調整できる。

上記プロセスは、いかなる既知の干渉反射にも適用できる。本発明の方法によれば、既知プロセスと違い、容器内の媒体の実際の誘電率は分からなくてもよい。その代わり、 媒体の表面から直接受信した充填レベル信号とともに、媒体の表面以外の既知反射位置からの信号、すなわち、既知の重要な干渉信号が少なくともひとつ存在する場合、充填レベル測定装置が自己較正する。

本発明の方法によれば、特に、測定距離の上端および下端における測定値も推定できる。この場合、例えば、レーダーアンテナで反射された干渉信号が重畳されるため、原則として、直接測定は不可能である。多分容器または測定装置内に設置されるノズルが固有共鳴することによる干渉信号が強力である場合は、充填レベル信号の振幅が大きく、その結果、干渉信号の重畳のために検知できる時に、直接充填レベル信号が常に使用可能であり、一方、充填レベル信号が二つの干渉信号の間にあり、これらの信号を超えない時には、反射位置の信号をシフトすることにより充填レベル値を補間することができる。また、本方法は、与えられた測定状態とは関係なく、適用できる。一方、従来の方法では、オペレーターがＥＯＬ信号のシフトに基づいて測定するか、または直接充填レベル反射波を測定するか決めなければならない。

少なくとも二つの信号と反射位置、好ましくは導波路の下方領域のデータが分かっている場合、本発明による方法を以下に説明する。便宜上、その方法は、導波路の終端錘４０の始めと終わりの二つの反射位置（図２を参照）を用い、図６を参照して説明する。原則として、図６は、図２に示す導波路３２を備えたレーダー充填レベル測定装置３０の例に戻る。この場合、導波路３２の終端錘４０（図２参照）の終端位置５４および５６は、お互いに既知の距離ａだけ物理的に離れている。図６の下方には、空の容器で測定した測定信号から測定曲線が作成されている。また、終端錘４０の終端位置５４および５６からの反射信号５８および６０と一緒に基底信号４４（図３ａ，ｂ参照）が認識できる。これは、空測定なので、充填レベル信号は存在しない。便宜上、容器内の設置物からの干渉信号も省略してある。

以下、図６に示す種類の空容器用測定曲線を充填レベル信号と思われる直接信号から作成したものでない実際の測定曲線と比較する場合を考える。終端錘４０の終端位置からの反射信号５８および６０は時間的にひとつの測定曲線からもう一方の測定曲線に変位している。充填レベルが終端位置５４より上方にあると仮定した場合の上方反射信号５８の空容器における位置からのシフト分をΔｘ_１とし、下方反射信号６０の同時点における空容器の位置からのシフト分をΔｘ_２とし、一方、aは、二つの反射位置５４および５６の物理的距離とすると、充填レベルは、式Ｌ＝Δｘ_２a/(Δｘ_{２ −} Δｘ₁)から明確に求められる。

導波管３２上における媒体の開始点（at start of medium）では、誘電率が非常に小さい場合（図４を参照）、ほぼ満タンの容器が存在しているように見えるため、上記式の分母Δｘ_{２ −} Δｘ₁が最小値を超える場合、最初、零とは異なる充填レベルを示す。その時だけ、容器内に実際に充填物質が存在することが保証される。充填レベルが反射位置５４より下方、すなわち、無視できる変位Δｘ₁によって認識できる状態なら、a/(Δｘ_{２ −} Δｘ₁)の最終判定値が充填レベルの計算に用いられる。本方法は、誘電率が小さく含水量が少ない充填物質、例えば、多分発泡プラスチックの測定に適している。

既知の反射位置が二つ以上存在する場合は、充填レベルがもっと正確に判定できる。その場合、常に充填物質によってカバーされる最上方の反射位置と最下方の反射位置を上記式において使用し、反射位置の中間の変位はそのチェック用に使用する。

複数の反射位置を用いる上記最後の方法は、故意に複数の反射位置を備えた導波路を用いて簡単に実現できる。これに適したものとしては、既知の種類の導波路すべて、例えば、ソマーフェルド（Sommerfeld）導波路（単線導波路）、ガウボー（Goubau）導波路（誘電体被覆単線導波路）、リーチャ（Lecher）線路（複線導波路）、同軸線路、マイクロストリップ導路、または何らかの断面、例えば、矩形または円形断面の中空導路がある。

反射位置に適しているのは、幾何学形状が局部的に変化したもの、例えば金属または誘電体構造の断面が変化したもの（厚くしたもの、狭くしたもの、またはその他の不規則物）、電界が零以外の位置で誘電特性が変化したもの、磁界が零以外の位置で磁性特性が変化したもの、または電流密度が零以外の位置で導電率が変化したものである。

このような一連の反射位置の全体が、総エネルギーのほんの一部のみが個々の反射位置で反射されるという条件で、導波路に沿って配置されているのが望ましい。それらの反射位置は、等距離でもよいし、そうでなくてもよい。それらは、似ていてもよいし、違っていてもよい。

図７は、このような反射位置を複数配置した導波路３２の一例を示す。スリーブ６２に具現化した反射位置が、導波路（ここでは好ましくはワイヤケーブル状のソマーフェルド導波路３２）上に適切な方法で、充填物質からの機械的な負荷に耐えられるようにしっかりと固定されている。

こうした反射位置での反射波の、すなわち、測定装置で受信する信号の、振幅および伝播時間の変化は、充填物質表面または位相境界などで発生すれば、本発明の方法によって登録され、評価される。

故意に配置した複数の反射位置を備えた導波路の伝播時間信号曲線の一例を図８に示す。この例も、ワイヤケーブル状のソマーフェルド導波路３２に関するもので、その上には、七つの等間隔の同様な金属増厚部（metalic thickenings）、好ましくはスリーブ６２状のものが、固定、ねじ止め、クランプ止め、および／または溶接されている。パルス信号で励起された、別々の反射位置で発生した反射信号は、伝播時間曲線６４上では、２−８と番号付けされている。増厚部は、負の送信信号が主要な負の反射波となるように作られており、原則として、空中から充填物質まで移行する正の充填レベル信号と区別される。また、反射位置は、他の信号と比べ、例えば、相互相関によって増幅された特殊な信号形態をとるように作ってもよい。伝播時間曲線６４から、反射波Ｎｏ．１は、図３ａ，ｂの既知の基底信号に対応した、ソマーフェルド導波路３２への移行からのものと認識される。反射波Ｎｏ．２からＮｏ．８は、七つの増厚部６２から発生し、一方、反射波Ｎｏ．９およびＮｏ．１０は、それぞれ、終端錘４０の始まり５４および終わり５６から発生したものである（図６参照）。

複数の反射位置により、充填レベルを判定すると、局部的に依存した複素誘電率ε＝ε _１＋ iε ₂も部分的に決まる。これを図９に示す。このプロセスでは、空容器の伝藩時間曲線６６の干渉信号の位置xi⁽⁰⁾および振幅Ai⁽⁰⁾と実際の伝播時間曲線６８の干渉信号の位置xi⁽¹⁾および振幅Ai⁽¹⁾を比較する。これらの値が変化しない位置には、明白な充填物質は存在しない。位置の変化により、伝播時間（屈折率nによって決まる）が部分的に決まり、今度は伝播時間が誘電率の実部ε _１が決まる。振幅の変化により、含水率αが決まり、今度は含水率により、誘電率の虚部ε _２が決まる。当業者には、この計算の正式な関係はよく分かっており、例えば、Ｍ．ドレッセル（M.Dressel）およびＧ．グルーナー（G.Gruner）の著書「固体の電気力学」ケンブリッジ大学出版、ケンブリッジ（２００２）に書かれている。

誘電関数（dielectric function）には伝播速度および含水量についての情報が含まれる。例えば、充填レベル測定の補正率は、媒体上方での伝播速度に由来する。これにより、例えば、充填物質上方の異なる気体の光速度に対する影響は、より正確な測定値を得るために、静水管の‘特徴（signature）’（溶接の継ぎ目または穴などのたくさんの小さな幾何学的干渉物での偶発的反射の重畳）を使用した高精度のレーダータンクレベル測定で補償される。これまで必要だったような偏り（polarization）を変えるための高価な機器も必要ない。更に、媒体の特性、すなわち、導電率、含水量、温度、混合比、分離化、階層化（layering）、泡形成などの特性に関する結論を引き出すため、媒体の伝播速度および／または含水量を用いることができる。充填物質の表面上方での信号減衰が大きい場合、測定信頼性が信号減衰のため低下すると断言できる。

これまで示したように、本発明による方法のいろいろな実施形態により、以下が可能となる。
・ 充填レベルが存在し得ない、測定曲線上の範囲、すなわち、測定距離の範囲を決めるのに、充填レベルによって発生しない信号を用いることができる。
・ 装置の状態または測定能力を決めるのに、充填レベルによって発生しない信号を用いることができる。
・ 充填物質の特性、例えば複素誘電率、導電率、含水量、温度、混合状態、泡形成などの特性を決めるのに、充填レベルによって発生しない信号を用いることができる。そういった目的で、本発明では、充填レベルによって発生しない、例えば、代わりに、容器またはタンク自体、バイパス管、静水管および測定システムまたはタンクの一部としての別の導波路から、または上記物体に付加したマーキングからの干渉信号を用いる。しかしながら、また、これらの充填レベルによって発生しない反射信号は、充填レベル測定装置の結合部から得ることもできる。

また、本発明では、ここで言及した信号は、数個またはたくさんの信号を重畳したものでもよい。
また、特に重要なのは、本発明の方法による測定信号を評価したとき、実際の測定値と初期の時点の測定値を比べても、測定曲線上に何ら不変化領域が見つからない場合は、容器が既に溢れていることを示す。

図1は、容器内の媒体の充填レベルを決定するための自由放射レーダー測定装置の概略図である。 図２は、導波路によって導かれたレーダー信号を用いた、容器上の充填レベル測定装置の概略図である。 図３ａ，ｂは、異なる時点における既知の干渉信号を用いた充填レベル測定装置の二つの測定曲線の概略図である。 図４は、誘電率の選択が、実際の充填レベルと比較した、表示される充填レベルに与える影響を概略的に示すグラフである。 図５は、本発明による充填レベル決定のためのグラフである。 図６は、導波路とその終端錘に二つの反射位置を備えた充填レベル測定装置を、それに対応する伝播時間曲線と共に示す概略図である。 図７は、導波路とこの導波路上のもうひとつの反射位置とを備えた充填レベル測定装置の概略図である。 図８は、導波路とこの導波路上の複数の反射位置とを備えた充填レベル測定装置の伝播時間曲線の概略図である。 図９は、二つの異なる充填レベル用の図８に対応する伝播時間曲線の概略と、本発明による複素誘電率を決定するためのグラフとを示す図である。

Claims (12)

1. 伝播時間原理に基づき動作する充填レベル測定装置を用いて、容器（１２）内の媒体（１６）の充填レベル（１４）を測定する方法であって、
   前記充填レベル測定装置から前記容器内に送信されて戻ってくる測定信号が前記容器内のどの箇所で反射されたものなのかを判定する際の基準となる基準信号データを、前記容器内で反射されて戻ってくる測定信号の伝播時間の関数として取得するステップと、
   前記容器内の特定箇所の位置であって基準となる位置ｘ ^（０） を求めるステップと、
   前記充填レベル測定装置から前記容器内に送信されて戻ってきた実際の測定信号からなる測定曲線を、或る第１の時点ｔ^（１）と、それよりも後の第２の時点ｔ^（２）で、それぞれ取得するステップと、
   前記測定曲線または前記測定曲線から選択した信号データを前記基準信号データと比較し、前記実際の測定信号の中から、前記容器内の媒体表面からの反射信号である有用信号と、前記容器内の媒体表面以外の箇所からの反射信号である干渉信号とを探し出すステップと、
   前記第１及び第２の時点ｔ^（１）、ｔ^（２）で取得されたそれぞれの測定曲線に互いに対応する少なくとも１つの干渉信号が明白に存在し、また、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線に有用信号が明白に存在し、かつ、前記第２の時点ｔ^（２）で取得された測定曲線に有用信号が明白には存在しない場合、前記基準となる位置ｘ^（０）と、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線上における前記特定箇所に対応する干渉信号の位置ｘ^（１）と、前記第１の時点ｔ^（１）で取得された測定曲線上における、前記基準となる位置ｘ^（０）から有用信号の位置までの距離に相当する充填レベルＬ^（１）と、前記第２の時点ｔ^（２）で取得された測定曲線上における前記特定箇所に対応する干渉信号の変化後の位置ｘ^（２）とを用いて、次の式
   により、前記第２の時点ｔ^（２）における未知の充填レベルＬ^（２）を決定するステップと、
   を備えることを特徴とする充填レベル測定方法。
2. 前記基準信号データは、空にされた前記容器内の特定箇所で反射されて戻ってくる測定信号の伝播時間の関数として取得されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記基準信号データを取得する際、または前記測定曲線の信号データを選択する際、測定曲線の極値として取得または選択することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記基準信号データは、実際の測定曲線と比較可能な基準曲線の形で表されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記基準曲線は、減算または相関により前記測定曲線と比較されることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記減算または相関は、前記信号の一部に対してのみ適用されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記充填レベル測定装置が超音波充填レベル測定装置であることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の方法。
8. 前記充填レベル測定装置が光学式充填レベル測定装置であることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の方法。
9. 前記充填レベル測定装置がマイクロ波レーダー信号を用いた充填レベル測定装置であることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の方法。
10. 前記充填レベル測定装置が自由放射レーダー測定装置であることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記充填レベル測定装置が導波路により導かれるマイクロ波レーダー信号を用いることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記充填レベルに加え、媒体の複素誘電率が決定されることを特徴とする請求項９から１１までのいずれかに記載の方法。