JPH06511563A - マイクロ波によって動作する充填状態測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 マイクロ波によって動作する充填状態測定装置本発明は、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、バ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。バルスレーダでは、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く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、アンテナの近接 領域における基準反射個所から到来する、エコー関数の部分を前身て決められた しきい値と比較しかつこのしきい値を上回っているかないし下回っているかを指 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１２０表面との間の距離Ｅをめる。アンテナ１４ の、容器１０のそこからの距離りは既知であるので、この距離りと測定された距 離Ｅとの間の差からめる充填状態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。を磁波の伝 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（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の入力結合ビン３６に接続されている。

スイッチ２８のその都度短時間の開成の際に、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２ ６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める距離Ｅをめる。

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）（Ｓ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１０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。とし＼う 特表十〇−５１１５６３（５） 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ｔ、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ｔ、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ｔ７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、付着物別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人ツノ側には、対数化器４２の出力側から包絡線信 号Ｈ３が供給されかつ第２入力端にはしきい埴信号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入力端に供給される包 絡線信号Ｈ３が第２入力端に供給されるしきい愼信号Ｓ　Ｗ　＋より大きいかま た１ま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ＥＮ、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ＥＮ、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Ｈ３，ないしＨ３，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ＥＮ。

を示している。２つの包絡線信号Ｈ３，およびＨＳ　ｂの波形図には、コンパレ ータ５１のしきい値ＳＷｌ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ＥＮＩを発生するので、このイネーブル信号ＥＮ、によって決められ る時間ウィンドウＴ１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ＳＷ、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ＨＳ　、が時間ウィンドウＴ１においてし きい値ＳＷ、を上回っていることがわかる。それ故にコンパレータ５１の出ノＪ 信号は第１の信号値、例えば低い信号慣をとり、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Ｈ５，は時間ウィンドウＴ、におい てしきいＩＩ！ＬＳＷ＋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Ｅ　Ｎ　＋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ＳＷｌ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 Ｈ８を種々異なったしきい値５　ｗ、、ｓ　ｗ、・・・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ＥＮｔ、・ＥＮＩ・・・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。

この穐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ＳＷ、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 しきい埴および／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＃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１こよっ て動作する、上述の形式のエコー関数を発生するｕｌずれの別の距離測定装置に も使用することができる。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 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しかつ該しきい値を上回っているないし下 回っていることを指示する信号を発生するための装置構成を特徴とする充填状態 測定装置。
2. 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. 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. 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. 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. 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. ７．複数のコンパレータが置けられており、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. 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。