KR101568294B1

KR101568294B1 - 층상 매질들의 충전 레벨 측정 방법

Info

Publication number: KR101568294B1
Application number: KR1020140009787A
Authority: KR
Inventors: 토마스 베버; 슈테판 슈바이거
Original assignee: 식아게
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2015-11-11
Also published as: EP2759813B1; KR20140096001A; US9316480B2; DK2759813T3; CN103968916A; US20140210488A1; CN103968916B; EP2759813A1

Abstract

본 발명은 제 1 매질(14) 및 상기 제 1 매질 위에 배치된 적어도 하나의 제 2 매질(16), 특히 폼층(foam layor)을 갖는 용기(12) 내부의 충전 레벨 측정 방법에 관한 것으로서, 상기 방법에서는 특히 상기 용기(12) 내에 배치된 프로브(probe)(28)를 따라서 전자기 신호가 전송되고, 상기 용기(12) 내에서 반사된 신호의 신호 파형(Ｓ)이 기록되며, 이 경우 상기 신호 파형(Ｓ)을 참고로 상기 제 1 매질(14) 및/또는 상기 제 2 매질(16)의 경계 지점(18, 20)까지의 신호 전송 시간(ｔ)이 결정되고 그리고 상기 신호 전송 시간(ｔ)으로부터는 상기 제 1 매질(14)의 충전 레벨 및/또는 상기 제 2 매질(16)의 충전 레벨이 결정된다. 이 경우 상기 경계 지점(18, 20)은 기준 위치(reference position)(ｔ ₀) 이후부터 적분된(integrated) 신호 파형(Ｓ)으로부터 검출된다.

Description

층상 매질들의 충전 레벨 측정 방법 {METHOD FOR MEASURING THE FILLING-LEVEL OF STRATIFIED MEDIUMS}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른, 제 1 매질 및 상기 제 1 매질 위에 배치된 적어도 하나의 제 2 매질, 특히 폼층(foam layer)을 갖는 용기 내부의 충전 레벨 측정 방법 그리고 상기 충전 레벨 측정 방법용으로 형성된 센서에 관한 것이다.

공지된 충전 레벨 측정 방법은, 충전 레벨을 측정해야 할 용기 내부로 전자기 신호를 전송하고 반사되는 신호를 평가하는 것에 근거한다. 제약 없이 신호를 송출할 수 있는 가능성은 레이더(radar)에서 행해지는 방식과 같다. 제어되지 않는 파동 전파(wave propagation)로 인해 시간 영역 반사 측정법(TDR, Time Domain Reflectometry)이 선호되는 경우가 많다. 라인 파동 저항(line wave resistance)의 불연속부(discontinuity) 간격을 검출하기 위해서는, 전자기 신호의 전송 시간들 결정을 기본으로 한다. 레이더와 차이점은, 전자기파들이 밖으로 송출되지 않고, 오히려 도체를 따라서 가이드 된다는 것이다. 상기 도체는 단일 로드 프로브 또는 동축 프로브(single rod or coaxial probe)로서 형성되었으며, 상기 단일 로드 프로브 또는 동축 프로브는 탱크 내에 수직으로 또는 비스듬히 삽입되고 그리고 측정 영역 전체를 커버하기 위해 가능한 바닥에 아주 가깝게 도달한다.

TDR-측정 시에는 도체 내부에 매우 짧은 전기적 전송 (임)펄스(transmission impulse)가 공급되고 그리고 상기 전송 펄스는 마주 놓인 말단부 방향으로 상기 도체를 통과한다. 상기 펄스가 장소상 파동 저항의 변동과 동등한 간섭 지점(interference point)을 만나면, 일부 전송 에너지는 라인 유입구 쪽으로 재반사된다. 전송 펄스 전송과 반사 수신 사이 소요 시간으로부터는 간섭 지점의 위치가 정확하게 산출될 수 있다. 간섭 지점의 중요한 예는 경계면인데, 상기 경계면은 2개의 매질 간 경계면과 같이 상이한 물리적 또는 화학적 특성들을 갖는 2개의 공간적 영역을 분리한다.

수신 시점을 정확하게 결정할 수 있기 위해서는 수신 신호의 파형이 샘플링되어 디지털 평가에 공급된다. 이 경우 예를 들면 신호 파형에서 국부적인 극 위치(extremum point)들이 조사되고 그리고 상기 극 위치들의 시간적 위치는 경계면에서의 반사에 할당된다.

예를 들면 용기 내에 다수의 매질이 있는 경우와 같이 다수의 경계면이 존재할 경우 어려움이 발생한다. 이는 오일 탱크의 바닥에 모이는 물의 경우와 관계된다. 중요한 경우는 액체의 표면에 형성되는 폼 형성물이다. 이러한 경우에는 본래의 매질의 충전 상태를 검출하고자 하는 경우가 많다. 그러나 폼의 경계면에서의 반사는 매질의 측정 펄스와 혼동될 수 있고, 또는 심지어 유의적인 측정 결과가 더 이상 제시되지 않는 방식으로 상기 측정 펄스와 상기 폼의 경계면에서의 반사가 병합될 수 있다. 단지 개별적인 반사 신호들의 검출용으로만 설계된 종래의 평가 알고리즘은 즉 상기와 같은 측정 상황들을 다룰 수 없다.

에코 신호(echo signal)에서 분리층들로부터 얻어지는 펄스들이 상호 간에 충분한 간격을 갖기 위해서 분리층들이 특정한 간격을 가져야 한다는 실제로 자주 주어지지 않는 필수 전제 조건은, 다수의 경계층의 다중 에코 분할에 대한 종래의 평가 알고리즘 확장에마저 지장을 준다. 매질들의 개별적인 층들이 본질적으로 전혀 균일하지 않은 경우에는 상황이 훨씬 더 어려워진다. 예를 들면 폼의 경우, 밀도와 더불어 상대적인 유전 상수(dielectric constant)가 미지 함수, 흔히 단조 함수에 따라 증가함으로써, 에코 신호에서는 서로 오버랩되는 다수의 작은 펄스들이 발생한다.

가능한 해결책은 전송 펄스의 대역폭을 증가시키는 것이다. 상기와 같은 전송 펄스 대역폭 증가에 의해서는, 인접하여 나란히 놓인 경계층들에 의해 생성되는 에코 펄스들이 오히려 분리된다. 물론 그와 동시에 전자 장치 디자인에 대한 요구 사항들, 가령 샘플링 비율 및 후속 신호 확인도 한 층 더 강화된다. 또한, 10GHz를 넘는 매우 높은 주파수에서는 표피 효과(skin effect)에 의해 단일 로드 프로브 내 감쇠 현상도 강력히 증가하여, 결과적으로 신호대 잡음 비(signal-to-noise-ratio)가 불충분해 질 수 있다. 게다가 대역폭 증가는 아직, 폼과 매질에서 생성되는 에코를 구별해야 하는 문제 그리고 매질의 충전 레벨로서 폼 레벨이 제시되지 않거나, 매질의 틀린 충전 레벨이 제시되거나, 또는 최악의 경우 측정값이 전혀 제시되지 않는 것에 대해 보증해야 하는 문제를 해결하지 못한다.

다른 하나의 해결책은 단일 로드 프로브 대신 동축 프로브를 사용하는 것이다. 상기 동축 프로브에 의해서는 폼에 대한 저항력이 향상될 수 있는데, 말하자면 에코는 주로 동축 덕트(coaxial duct) 내부에서 필드 공간 편차들에 의해 야기되기 때문이다. 단지 작은 개구들을 갖는 동축 덕트의 바람직한 설계에 의해 덕트 내부로의 폼 유입을 최소화할 수 있다. 그러나 역시 단일 로드 프로브에 비해 활용 가능성(possible application)은 제한되는데, 그 이유는 측정될 매질의 성분들이 동축 덕트 내에 퇴적될 수 있기 때문이다. 이러한 것은 센서의 이용 가능성에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 위생 요건을 갖추어야 하는 적용예들에서 사용이 절대 불가능하다. 그 외에도, 상기와 같은 방식에 의해서는 폼 자체의 충전 레벨도 결정될 수 없다.

처음부터 화학적 시제들의 첨가에 의해 또는 최적화된 프로세스 파라미터들을 갖는 장치의 작동에 의해 폼 형성물을 감소시키는 접근 방식은 대부분의 적용예들에서 실현 가능하지 않다. 화학적 시제들은 프로세스 매질에 나쁜 영향을 주고 그리고 식료품 영역에서는 더더욱 거의 고려될 수 없다. 최적화된 프로세스 파라미터들에 의해서는 상기와 같은 문제가 완화될 수는 있으나, 스타팅 작동 단계에서 바로 홈 형성물을 상기와 같은 방식에 의해 미연에 아주 충분히 방지할 수는 없다.

유럽 특허 EP 2 365 302 A1호는, 첫 번째에는 용기로 전환되는 프로브의 전환부에서의 전환 펄스 및 상기 경계면에서의 에코를 참고로 그리고 두 번째에는 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스(artifact puls)를 참고로 경계면에 대한 간격 및 상기 경계면을 형성하는 매질의 상대적인 유전 상수를 결정하는 방법을 기술한다. 이러한 측정들이 서로 일치하지 않는 경우, 추가의 경계층의 존재가 추론되고, 그리고 모든 충전 레벨이 측정될 때까지 상기 방법이 반복적으로 상기 추가의 경계층에 적용된다. 이러한 방법은 2개의 기준 펄스, 즉 프로브 시작 부분의 전환 펄스 및 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스에 대한 정확한 정보를 요구한다. 이 경우 충분한 정확성을 달성하기 위해 전자 장치에 대한 요구 조건이 높아지고, 이러한 요구 조건들은 상응하는 제조 비용을 초래한다. 이러한 방법으로 조차도, 동축 프로브와 달리 매우 많은 간섭 작용들에 노출되어 있는 단일 로드 프로브의 전환 펄스로부터 전송 에너지의 전송 비율이 충분히 정확하게 추론될 수 없다. 또한, 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스는 상이한 매질들 내에서의 전파에 의해 당분간 완전히 정의하기 어려운 방식으로 지연 및 약화되고, 그 때문에 다수의 측정 상황에서 신뢰할 수 있는 기준으로서 이용되지 않는다. 그 밖에, 충전 레벨들이 낮은 경우에는 아티팩트 펄스 역시 측정 펄스들에 의해 오버랩될 수 있으며, 그 결과 기준조차 틀리게 된다.

독일 특허 DE 100 51 151 A1호는 용기의 제 2 액체 위에서 부유하는 제 1 액체의 상부 경계면과 하부 경계면의 위치를 결정하기 위한 TDR-방법을 기술한다. 그러나 상기 문서에서는 2개의 경계면에서 상응하는 에코가 검출되고 그리고 구별되는 것과 같은 내용이 보다 정확히 설명되지 않는다. 뿐만 아니라, 이 경우도 역시 평가는 아티팩트 펄스를 기본으로 하며, 상기 아티팩트 펄스는 상기 독일 특허 100 51 151 A1호에서 재순환되는 기준 임펄스로 표현된다. 이러한 방법은 전술한 중대한 단점들을 갖는다.

미국 특허 US 6,724,197 B2호에는 충전 레벨 센서가 공지되어 있으며, 상기 센서에 의해서는 겹쳐서 층을 이룬 매질들 중 하부 매질의 충전 레벨이 결정될 수 있다. 그러나 이를 위해서는 특수한 그리고 비용이 많이 드는 프로브 형태가 필수적이다.

미국 특허 US 5,723,979 A호는 액체 혼합물들 내에서 측정하기 위한 TDR-충전 레벨 센서를 공개한다. 그러나 상기 문서에서는 프로브 형태만 기술된다. 평가 방법, 더구나 다수의 경계층들의 거리 결정에 대한 내용은 기술되지 않는다.

미국 특허 US 6,445,192 B1호에는 신호 형태의 기울기(gradient) 특성을 참고로 TDR-센서의 이중 경계면들에서 트윈 펄스들이 분리된다. 그러나 간섭층 아래에 있는 매질의 충전 상태를 측정하기 위한 것과 같은 내용에 대해서는 설명되지 않는다.

독일 특허 DE 101 96 640 T1호에는 TDR-방법을 사용하여 저장 용기들 내 다수의 물질의 충전 레벨들을 측정하기 위해 사용되는 레이더-레벨 전송기를 위한 향상된 임계값 조정에 대해 공지되어 있다. 이 경우 상이한 물질들의 레벨을 파악하기 위해 각각 특정 재료 경계면과 관련한 다수의 임계값이 사용된다.

독일 특허 DE 100 44 888 A1호에는 오버랩되는 충전 물질들의 유전 상수 및 층 두께가 펄스 레이더의 에코 곡선의 진폭 비율로부터 결정된다.

추후 공개된 독일 특허 DE 10 2012 101 725호는 진폭 예상값들을 참고로 TDR-충전 레벨 센서의 신호 파형에서, 측정될 매질 또는 상기 측정될 매질 위에 있는 간섭층 또는 폼층의 경계면에서 생성되는 제 1 측정 펄스 및 제 2 측정 펄스를 확인(identify)한다. 상기 진폭 예상값들은 특히 매질의 공지된 상대적인 유전 상수 및 빈 용기 내 프로브 끝 부분에서 생성되는 아티팩트 펄스의 기준 진폭으로부터 산출된다.

그러므로 종래 기술에서는 대개 다수의 경계층을 분할할 수 있는 가능성이 주어지는 한, 상기 방법 모두가 경계층들에서 펄스들을 검출하는 것을 기본으로 한다. 그러나 두께가 얇은 층들 그리고 특히, 매우 상이한 방식으로 형성되고 서로 뒤섞여 흐르는 다수의 펄스를 형성할 수 있는 폼 때문에 개별적인 펄스들 검출하는 데는 실패한다. 상기와 같은 결과는 상당한 측정 오류들을 나타내거나 또는, 기록된 신호에서 다수의 펄스가 식별할 수 없을 정도로 서로 병합되어 더 이상 측정 펄스가 검출되지 않는 경우 센서 에러 상태들을 나타낸다. 그 때문에 TDR-센서들은 통상적으로 폼 측정에 사용될 수 없다.

따라서 본 발명의 과제는 다수의 층을 갖는 용기 내부의 충전 레벨 측정을 개선하는 것이다.

상기 과제는 청구항 1에 따른 제 1 매질 및 상기 제 1 매질 위에 배치된 적어도 하나의 제 2 매질을 갖는 용기 내부의 충전 레벨 측정 방법 그리고 청구항 15에 따른 상기 방법용으로 형성된 센서를 통해서 해결된다. 이 경우 본 발명에 토대가 되는 기본적인 아이디어는 용기 내에서 반사되는 신호의 신호 파형을 경계 지점이 있는 위치에서 평가할 뿐만 아니라 프로브의 기준 위치에서부터 신호 파형을 적분하는 것이다. 이러한 경우 적분된 신호 파형이 생성되는데, 상기 신호 파형은 신호 파형이 각각 적분될 때까지의 프로브 위치의 함수 자체이거나 또는 프로브 위치의 함수 또는 상기 프로브 위치와 단조 관련된 시간 함수이다. 이를테면, 경계 지점 앞에서 반사되는 신호 성분들의 히스토리(history)도 함께 고려된다.

신호 파형은 바람직하게는 용기 내에서 반사되는 전송 신호, 예를 들면 마이크로파 신호의 수신 강도의 진폭값들의 불연속적으로 샘플링된 시간열이다. 이 점에서 적분은 관찰 지점까지의 신호 파형의 개괄적인 척도 형성을 의미한다. 이를 위해 가장 간단한 경우 상기 불연속적인 샘플링 값들이 합산된다. 이러한 샘플링 값들의 합산은 계단 함수(step function)에 의한 적분 근사값에 상응한다. 그러나 사다리꼴 방법(trapezoidal method) 또는 룬게-쿠타 방법(Runge-Kutta-method)과 같은 더욱 정밀한 적분 방법들도 고려될 수 있다.

본 발명이 갖는 장점은, 추가의 매질들 또는 폼과 같은 간섭층이 상부에 놓이는 경우에도 특정 매질의 표면까지 측정이 가능하다는 것이다. 이러한 측정은, 구체적인 곡선 형태에 전혀 상관없이 그리고 특히, 신호 파형에서 펄스들이 얼마나 잘 확인될 수 있는지와 전혀 상관없이 적분에 의해 성취된다. 마찬가지로 신호 파형의 개별적인 진폭값들 또한 항상 제어하기 어려운 경계 조건(boundary conditions)의 다수의 종속성이 야기될 수 있는 임계값들 또는 그와 유사한 것과 덜 비교된다. 이로 인해 측정은 극히 견고하고 계속해서 신호 파형들(상기 신호 파형에서는 대개 펄스들이 검출될 수 없음)도 유의적으로 평가한다. 이 경우 측정될 매질 위에 있는 층들은 심지어, 실제로 밀도가 상이한 폼층들 사이에서 다수의 경계 지점을 형성하는 폼의 많은 경우와 같이 본질적으로 불균일할 수 있다. 종래 기술과 달리, 본 발명은 TDR-센서들을 전반적으로 폼 측정에 실제로 사용할 수 있도록 한다.

기준 위치는 바람직하게 프로브의 시작 부분이다. 프로브가 예를 들어 센서 헤드(sensor head) 내부에 나사로 고정되어 있다면, 반드시 프로브의 물리적인 시작 부분이 사용되는 것이 아니라, 오히려 원하는 충전 레벨 측정 영역의 발단부가 사용된다. 신호 파형에서는 이러한 기준 위치가 예컨대 펄스로 검출될 수 있는데, 상기 펄스는 거의 불가피하게 센서 헤드에서 프로브로 가는 전환부에서 생성된다. 그러나 상기 기준 위치는 센서의 구조적인 특성들로부터도 도출될 수 있으며, 또는 작업 이후부터 또는 작동 장소에서도 교정(calibrating)될 수 있다.

신호 전송 시간은 바람직하게 신호 전송 시간 간격으로부터 합산되는데, 상기 신호 전송 시간 간격들은 개개의 신호 전송 간격에 속하는 프로브 위치에서의 신호 전파 지연을 상기 개개의 프로브 위치까지 적분된 신호 파형에 의한 보정을 통해 고려한다. 제 2 매질 내부로 침투되는 전송 신호는 그곳에서 공기와 비교 시 더 높은 전기적 상대 유전 상수에 의해 지연된다. 이러한 지연은 경계 지점의 간격과 더불어 충전 레벨을 결정하기 위해 신호 전송 시간을 등가의 신호 경로로 변환할 때 보정된다. 그러나 유전 상수는 규칙적으로 공지되지 않거나, 또는 폼이 불균일할 때 상기 유전 상수는 극단적인 경우 신호 파형의 샘플링 지점에서 샘플링 지점으로 변경된다. 그 때문에 상기와 같은 바람직한 개선예에서는 시간 조정(time adjustment)이 실시된다. 상기와 같은 방법으로 상기 프로브 위치까지 반사된 신호 성분들을 고려하기 위해, 시간 조정 시 각각 관찰된 프로브 위치에서 작용하는 유전 상수는 그때까지 적분된 신호 파형에 의해 사정(査定)된다.

상기 보정에는 바람직하게 추가로 용기 내 특정 파동 전파에 종속적인 주변 상수도 들어간다. 결정적으로 용기에 의해, 특히 상기 용기의 기하학적 구조에 의해 정해진 프로브의 특정 주변은 마찬가지로 신호 파형에도 작용한다. 이러한 영향은 단일 로드 프로브의 경우에 증대된다. 상대적인 유전 상수 및 시간 조정을 사정할 경우 이러한 영향들에 비종속적으로 되기 위해, 주변 상수가 결정 또는 확정된다. 시간 조정은 예컨대 적어도 2개의 영향 변수, 즉 적분된 신호 파형 및 주변 상수를 고려한다.

상기 주변 상수는 바람직하게 빈 용기와 관련하여 교정 측정(calibration measurement) 시 결정되고, 상기 교정 측정 시에는 프로브 끝 부분에서 생성되는 아티팩트 펄스 범위에 대한 신호 파형의 적분이 이루어진다. 상기 프로브 끝 부분에서는 반사 후 여러 경계 지점들에 남아 있는 신호 에너지가 반사된다. 용기가 빈 경우, 이러한 것은 실제로 전체 신호이며, 그 결과 눈에 띄는 펄스가 생성된다. 상기 펄스는 수동 또는 자동으로 명확히 확인될 수 있고, 게다가 프로브 길이에 의해 정해진 고정된 시간적 위치에도 존재하는데, 그 이유는 공기와는 다른 상대적인 유전 상수 때문에 빈 용기에서는 신호 지연들이 존재하지 않기 때문이다. 아티팩트 펄스에 의거해, 용기 또는 장치에 종속적인 다수의 팩터 그리고 그와 더불어 관련된 조정 단계들 및 산출들이 생략될 수 있다. 종래 기술에 대한 논의 시 기술된 아티팩터 펄스 측정과 관련한 문제들은 여기에서 기술되지 않는데, 그 이유는 빈 용기에서는 제어된, 매우 간단한 상황에서 측정되기 때문이다. 아티팩트 펄스가 주변 상수에 대한 특히 간단한 그리고 신뢰할 수 있는 척도를 의미하기 하지만, 원칙적으로 상기 아티팩트 펄스 의해 보정된 장치 및 용기 특유의 영향들은 모델링(modeling) 또는 점검될 수 있다. 또한, 아티팩트 대신 전송 펄스 또는 센서 헤드와 프로브 간 전환부에서의 전환 펄스를 사용하는 것도 생각할 수 있다.

경계 지점은 바람직하게 적분된 신호 파형과 임계값의 비교에 의해 검출된다. 다시 말해서, 적분된 신호 파형이 임계값(threshold)을 초과할 때까지, 기준 위치에 상응하는 시점부터 더욱더 이후에 관찰되는 시점까지의 신호 파형은 순차적으로 적분된다. 이 경우 바로 앞에서 기술한 더욱더 이후에 관찰되는 시점은 검색된 경계 지점의 위치에 속하는 것으로 간주되어 충전 레벨로 변환된다. 이러한 방식에 의해, 안정적이고 그리고 신호 파형의 형태에 전혀 상관없이, 예컨대 특히 신호 파형에서 펄스들이 확인될 수 있는지에 상관없이 경계 지점을 결정하기 위한 매우 간단한 방법이 제시된다.

비교를 위해 바람직하게 신호 파형의 제 2의 적분이 이루어지는데, 그러나 제 2 적분에는 신호 파형 자체 대신 상기 신호 파형의 절대값 또는 점별(pointwise) 제곱된 신호 파형이 토대가 된다. 신호 파형은 즉 음의 값(negative value)들도 취할 수 있다. 이러한 상황은 예컨대 기공이 있는 폼 상부에 상대적으로 더 조밀한 폼이 위치하는 경우에 발생한다. 다른 하나의 예는 동축 프로브 내 기포이다. 신호 전송 시간을 결정하기 위해서, 특히 시간 조정을 위해서는 상기와 같은 연산 부호를 고려하는 것이 적절하다. 그러나 신호 파형에서 음의 부분들은 반사된 전송 에너지에 부합한다. 임계값은 이미 각각 관찰된 프로브 위치 상부에서 어느 정도의 전송 에너지가 반사에 의해 소실되었는지 측정하기 때문에, 이 경우에는 상기와 같은 연산 부호는 고려되지 않는다. 이러한 상황은 절대값 형성 또는 제곱에 의해 생성되며, 이 경우 후자는 물리적으로 구체적인 에너지 척도를 나타낸다. 절대값 또는 점별 제곱 대신 도출된 다른 변수들도 고려될 수 있다.

바람직하게 경계 지점은 신호 파형 샘플링 비율에 의해 미리 정해진 단계들에서 기준 위치부터 중지 판단 기준(abort criterion)까지, 더 정확히 말하자면 개개의 단계까지 적분된 신호 파형 또는 신호 파형 절대값의 상응하는 적분 또는 점별 제곱된 신호 파형 절대값의 상응하는 적분이 임계값을 초과하는지 판단하는 중지 판단 기준까지 신호 파형을 적분하는 반복법(iterative method)으로 검출된다. 상기와 같은 반복법은 디지털 프로세싱을 위한 알고리즘으로 변환될 수 있다.

결정될 신호 전송 시간은 바람직하게 처음에는 0으로 설정되고 각각의 단계에서, 몫으로 산출되는 증분(increment) 만큼 증가되며, 상기 증분의 합의 분자는 주변 상수 및 적분된 신호 파형으로부터 형성되고, 상기 증분의 차의 분모는 주변 상수 및 적분된 신호 파형으로부터 형성된다. 따라서 시간 간격들이 신호 파형에서 신호 전송 경로들에 직접 상응하지 않고, 이러한 경우 매질 내부에서 공기와 다른 상대적인 유전 상수에 의해 계속해서 신호 지연이 발생하는 것을 보정하기 위해, 반복적인 방식으로 시간 조정이 이루어진다. 이러한 유전 상수는 제시된 증분 산출에 의해 모든 위치에서 사정된다. 이 경우 전술한 바와 같이, 한편으로는 상기 모든 위치 상부에서 이미 반사에 의해 소실되고 적분된 산호 파형에서 파악되는 신호 성분들 그리고 파동 전파에 미치는 구체적인 주변 영향들이 유입되며, 상기 주변 영향들은 주변 상수 그리고 특히 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스에 대한 적분에 의해 고려된다.

임계값은 바람직하게 교정 측정에 의해 결정되며, 상기 교정 측정 시에는 용기 내에 단지 제 1 매질만 존재하고 그리고 상기 제 1 매질의 경계 지점에서의 에코 신호 범위의 신호 파형 임계값 적분이 이루어진다. 이는 제어된 상황에서, 더 정확히 말하자면 방해가 되는 제 2 매질 없는 제어된 상황에서 알맞은 임계값을 결정하는 간단한 방법이다. 이로 인해, 쉽게 검출 및 측정되는 눈에 띄는 매질 펄스가 형성되는 것이 보장되며, 그리고 나서 임계값 적분은 상기 매질 펄스를 통해 적분된다. 여느 때와 마찬가지로 적분은 신호 파형의 개별 값들이 관여된 관찰된 영역에서의 신호 파형의 간략한 척도를 의미한다. 상기와 같은 척도는 예를 들어 간단히 신호 파형의 값들의 합산에서 있을 수 있는 수치 적분에 의해 결정될 수 있다.

제 1 매질의 경계 지점을 검출하기 위한 임계값은 바람직하게 임계값 적분의 90% 내지 110%로 설정된다. 따라서 상기 임계값은 거의 또는 완전히 임계값 적분과 동일시된다. 동일함(identity)의 소정의 감소가 유의적인데, 이 경우 100% 미만의 값은 임계값이 또한 잡음 영향들 하에서도 실제로 초과되고 그에 따라 필시 경계 지점의 간격을 다소 과소평가하는 측정 값이 발생되는 것에 대해 보증한다. 반대로 100%를 초과하는 값은 상기 경계 지점의 간격을 과대평가하고 그에 따라 상부의, 제 2 매질 내부의 충전 값이 계속해서 틀리게 제시되는 것에 대해 보증한다.

제 2 매질의 경계 지점을 검출하기 위한 임계값은 바람직하게 마찬가지로 임계값 적분의 5% 내지 30%로 설정된다. 상기 임계값은 즉 거의 0이며, 경계 지점으로서 이미 순수한 잡음이 검출되지 않을 정도의 크기일 뿐이다. 따라서 가장 상부 경계 지점, 즉 제 2 매질의 충전 레벨 및 특히 폼 표면이 측정된다. 임계값이 0으로부터 멀리 벗어나면 벗어날수록, 상기 임계값은 잡음과는 더 확실히 구별되지만, 그러나 또한 상기 임계값은 상기 구별을 위해 가장 상부 경계 지점의 간격을 더욱더 과대평가하는데, 즉 상기 임계값은 점점 제 2 매질의 더 깊은 곳에서 상기 가장 상부 경계 지점의 간격을 측정한다.

또한, 임계값을 100%에 근접한 값뿐만 아니라 0보다 조금 높은 값으로도 설정하는 것도 생각할 수 있는데, 다시 말해 효과적으로 2개의 임계점을 사용하는 것도 생각할 수 있다. 그렇게 하여 제 2 매질의 가장 상부 경계 지점 및 제 1 매질의 경계 지점이 측정된다. 즉, 2개의 충전 레벨이 얻어지고, 그와 동시에 제 2 매질의 층 두께 또는 폼 층의 층 두께도 얻어진다.

제 2 매질의 경계 지점은 바람직하게, 적분된 신호 파형이 상기 경계 지점 이후부터 계통적으로(systematically) 0과 구별됨으로써 검출된다. 적분된 신호 파형이 0과 구별되는 즉시, 제 1 신호 반사가 일어나고, 그리하여 상기 위치에서 신호는 가장 상부 매질 내부로 유입된다. 그러나 단지 0과 비교하는 것만으로는 실제로 충분하지 않은데, 그 이유는 상기 신호는 잡음 효과에 의해서도 유입되기 때문이다. 그러나 상대적으로 더 큰 영역에 대해 적분된 신호 파형이 관찰되면, 0과의 차가 계통적으로 또는 단지 잡음 때문에 발생하는지 검출될 수 있다. 이와 같은 접근법은 임계값 방법에 대한 대안이며, 이 경우 상기 2 가지 방법 모두, 즉 상기와 같은 접근법 및 임계값 방법 모두 사용될 수 있으며, 그리고 상기 2 가지 방법 모두 공동으로 타당하거나 또는 결과들이 다 같이 잘못 산출될 수 있다.

신호 파형, 적분된 신호 파형 및/또는 임계값은 바람직하게 드리프트 보정값(drift correction value)만큼 스케일링(scaling)된다. 상기 드리프트 보정값은 예를 들면 프로브 시작 부분에서의 전환 펄스 또는 전송 펄스 자체가 사전에 습득된 기준 전환 펄스와 비교됨으로써 결정된다. 상기 전환 펄스는 전반적으로 충전 레벨과는 무관한데, 결과적으로 상기 충전 레벨의 변동의 원인은 드리프트들일 수 있다. 이러한 경우 상기와 같은 드리프트들이 나머지 신호 파형과 동일한 정도로 전환 펄스를 스케일링하는 것이 수용된다.

신호 파형은 바람직하게 충전 레벨에 종속적인 진폭 특성 곡선에 의해 리스케일링(re-scaling)된다. 더 정확히 말하자면, 상부 측정 영역에서는 다중 반사가 발생하는데, 상기 다중 반사 시에는 매질 표면에서 프로브 시작 부분으로 되돌아가는 신호 성분들이 또다시 용기 내부로 반사된다. 이와 같은 다중 반사는 전적으로 여러 번 반복될 수 있다. 이러한 방식에 의해서 효과적으로는 본래의 전송 펄스에 직접 그리고 상기 본래의 전송 펄스를 오버랩하는 방식으로 계속해서 보조 펄스(daughter puls)들이 뒤따라 전송되며, 상기 보조 펄스들은 각각의 다중 반사에 의해 계속해서 약화된다. 결과로는 상부 측정 영역에서 상대적으로 더 높은 진폭이 발생한다. 이러한 작용은 모델링될 수 있거나 또는 충전 레벨들이 상이한 경우에 측정될 수 있고 그리고 상기와 같은 방식으로 충전 레벨에 종속적인 진폭 특성 라인이 결정될 수 있으며, 상기 진폭 특성 라인은 충전 레벨에 따라 다중 반사로 인한 신호 강화(signal enhancement)를 팩터로서 포함한다. 상기 진폭 특성 라인은 상부 측정 영역에서 1을 초과하고, 그리고 상기 다중 반사가 더 이상 중요한 역할을 하지 않는 충전 레벨들에서는, 감쇠 작용 때문에 거리가 상대적으로 더 클 때 더욱이 1 미만으로 떨어지도록 하기 위해 1로 감소한다. 진폭 특성 라인을 이용하여 신호 파형을 리스케일링 함으로써 상기와 같은 간섭 작용이 보정된다.

하기에서는 또한, 본 발명이 추가의 장점들 및 특징들과 관련해 실시예들과 연관된 첨부된 도면을 참조해서 설명된다.

도 1은 용기 내에 설치된 충전 레벨 센서의 개략적인 횡단면도이고,
도 2는 도 1에 따른 충전 레벨 센서의 센서 헤드의 구성도(block diagram)이며,
도 3은 비교 대상으로서 2개의 매질의 경계 지점의 명확하게 분리된 측정 펄스들과 관련하여 예시적으로 나타낸 개략적인 신호 파형이며,
도 4는 액체 및 상기 액체 위에 배치된 두께가 두꺼운 폼층을 갖는 용기의 실시예로서, 상부 도면은 제 1 매질의 경계 지점으로서 검출되는 시점이 식별되는 신호 파형을 예시적이고 개략적으로 도시한 도면이고,
중간 도면은 적분된 신호 파형 및 임계값 초과를 도시한 도면이며
하부 도면은 공기에서의 소요 시간과 비교해 보정된 소요 시간을 도시한 도면이고,
도 5는 액체 및 상기 액체 위에 배치된 상대적으로 두께가 더 얇고 밀도가 계속해서 증가되는 폼층을 갖는 용기의 실시예로서 도 4에 따라 도시한 도면이며,
도 6은 액체 및 상기 액체 위에 배치되는 상대적으로 두께가 더 얇고 도 5와는 농도가 다른 폼층을 갖는 용기의 실시예로서 도 4에 따라 도시한 도면이고, 그리고
도 7은 단지 폼만 존재하는 용기의 실시예로서 도 4에 따라 도시한 도면이다.

도 1은 충전 레벨 센서(12)로서 액체 또는 일반적으로 하나의 매질(14)을 갖는 탱크 또는 용기(12) 내에 설치된 TDR-센서(10)를 개략적으로 보여준다. 상기 매질(14) 위에는 제 2 매질(16), 예컨대 상이한 농도의 폼이 존재하거나 또는 본래의 매질(14)로서 물 위에 있는 제 2 매질(16)로서 오일 층이 존재한다. 제 2 매질 내 상대적인 유전율(permittivity) 또는 유전 상수(

_r ₂)는 공기나 상기 매질(14) 그 어느 쪽에도 상응하지 않으며 그리고 상기 제 2 매질(16) 내부에서 상이한 높이로 변할 수 있다.

매질(14)은 제 2 매질(16)에 대해 제 1 경계면(18) 또는 제 1 경계 지점을 형성하고, 상기 제 2 매질(16)은 그 위쪽에 있는 공기에 대해 제 2 경계면(20)을 형성한다. 센서(10)는, 적어도 상기 경계면(20, 22)들 중 하나의 경계면에 대한 거리를 검출하고 상기 검출로부터 공지된 설치 위치에서 충전 레벨 및 필요할 경우 용기(12)의 기하학적 구조를 이용해 마찬가지로 매질(14) 또는 제 2 매질(16)의 양도 도출할 목적으로 형성되었다. 이 경우 기본적인 접근법은 전술한 그리고 원래 공지된 TDR-방법에 상응하되, 그러나 상기 접근법은 계속해서 더 설명될 향상된 평가에서 구별된다. 액체들용 충전 레벨 센서로서 센서(10)의 형성이 매우 주된 애플리케이션(application)이기는 하지만, 상기 센서(10)는 원칙적으로 다른 매질들을 위해서도 사용될 수 있다. 다른 매질들용으로의 사용 시에는 특히 벌크 물질(bulk material) 또는 과립(granulate)도 생각할 수 있다.

센서(10)는 바람직하게 공동의 기판상에 배치된 제어 장치(26)를 갖는 센서 헤드(24)를 구비한다. 대안적으로는 커넥터를 통해 연결된 다수의 회로 기판 또는 플렉스 프린트 캐리어를 생각할 수 있다. 상기 제어 장치(26)에는 프로브(28)가 연결되어 있으며, 이 경우 상기 프로브는 개방된 단일 로드 프로브로서 형성되어 특히 위생 분야 적용예들에서 쉽게 세척될 수 있다는 장점을 갖는다. 물론 상기 프로브(28)는 동축 프로브일 수도 있다.

센서 헤드(24) 내에 제공된 제어 장치(26) 또는 상기 제어 장치의 기판은 도 2에서 블록 회로도로 도시되어 있다. 고유한 제어 및 평가 유닛(30)은 예컨대 마이크로 프로세서, ASIC, FPGA 또는 유사한 디지털 로직 칩(digital logic chip) 그리고 그런 종류의 다수의 모듈의 조합과 같은 디지털 모듈 상에 구현되어 있다. 마찬가지로 전술된 바와 같이, 경계면(18, 20)의 간격 및 그와 더불어 용기(12) 내 충전 레벨을 검출하기 위해, 측정 시에는 신호, 바람직하게는 펄스가 마이크로파 센서(32)를 통해 프로브(28) 상에 제공되고, 경계면(18, 20)에서 생성되어 마이크로파 수신기(34)에서 수신되는 반사 펄스의 전송 시간이 측정된다. 상기 마이크로파 수신기(34)의 수신 신호는 평가를 위해 증폭기(36)에서 증폭 후 디지털/아날로그 변환기(38)에 의해 디지털화된다.

도 3은 설명을 위해 경계면(18, 20)들에서 명확하게 분리된 측정 펄스(40, 42)들을 갖는 개략적인 신호 파형을 보여준다. 상기와 같은 신호 파형에서 종래의 평가들은 측정 펄스(40, 42)들의 위치를 신속하게 알아낼 수 있었다. 측정 펄스(40, 42)들이 서로 뒤섞여 전송되는 경우에는 어려움이 발생한다. 제 2 매질(16)이 근본적으로 불균일하고 그리하여 그 수를 정확히 알 수 없는 오버랩 되는 다수의 펄스가 형성되는 경우 측정 펄스(40, 42)들을 확인하는 것과 같은 문제는 지금까지 해결될 수 없었다.

신호 파형은 그 밖에도 추가의 펄스들을 포함하는데, 즉 센서 헤드(24)와 프로브(28) 간 전환부에 있는 프로브 시작 부분에서 생성되는 전환 펄스(44) 그리고 전송 펄스(46)도 포함한다. (도면에 더 이상 도시되지 않는 보다 오른쪽) 프로브 끝 부분에서는 계속해서 아티팩트 펄스가 생성되는데, 상기 프로브 끝 부분에서는 반사 후 경계면(18, 20)들에 남아있는 전송 신호의 잔류 에너지가 반사된다.

더 이상 식별이 불가능한 측정 펄스(40, 42)들과 관련해 일반적인 경우에도 매질(14, 16)들의 본 발명에 따른 충전 레벨을 결정할 수 있기 위해, 하기에 기술된 처리 방법이 수행된다:

신호 파형에서 반사 진폭들은 용기(12) 내 임피던스 변동 척도인 동시에 개개의 경계층(18, 20)의 상대적인 전기적 유전 상수의 변동 척도이기도 하다. 신호 파형에서 펄스의 높이는 상기와 같은 유전 상수 변동 및 이미 상부에서 이루어진 반사에 의해 소실된 신호 에너지의 상기와 같은 변동에 좌우된다. 개개의 반사된 펄스의 형태는 유지되는데, 펄스들은 단지 그 높이로 구별된다.

따라서 신호 파형(S)은, n개의 펄스들의 높이(a _n ) 및 상이한 시간적 위치(t _n )들에 의해 상이하게 스케일링되는 펄스 형태(s(t))의 선형 중첩부로서 간주될 수 있다:

.

일정한 펄스 형태(s(t))는, 신호 파형(S)에 대한 적분이 높이로 스케일링되는 상기 펄스 형태(s(t))에 대한 적분들로 이루어짐을 의미하기도 한다:

.

신호 파형(S)뿐만 아니라 상기 신호 파형의 진폭들, 그와 더불어 신호 파형에 대한 적분(I(t)) 또한 각각 유전 상수(

_r )의 함수들이다. 더 나아가 이 경우에는 다음과 같은 식이 적용된다:

.

도 3에 도시된 바와 같이, 전기적 파장의 신호 전파 속도(c)들은 상이한 층들에서 구별되는데, 보다 정확히 말하면 유전 상수(

_r )에 따라 구별된다. 실제로

_r =1의 식을 갖는 공기에서는 진공 광속(c ₀)이 취해질 수 있는 반면, 매질(14, 16) 들 내부에서는 속도가

만큼 지연된다. 그러므로 제 1 매질(14) 또는 제 2 매질(16)의 유전 상수(

_r ₁,

_r ₂)에서 신호 전송 시간의 시간 단계(

T), 예를 들면 아날로그/디지털-변환기(38)의 샘플링 주기에 등가인 경로는 다음과 같다:

- 공기의 경우:

- 제 1 매질(14)의 경우:

그리고

- 제 2 매질(16)의 경우:

.

보통 경계면(18, 20)들의 간격들은 계통적으로 과대평가되기 때문에 상기와 같은 내용은 바람직하게 평가 시 상응하는 시간 조정을 통해 고려될 수 있다. 그러나 유전 상수들은 매질(14, 16)들에 대한 인식 부족 때문에 혹은 예컨대 높이에 의해 변동되는 밀도를 갖는 불균일한 폼의 경우에도 원칙적으로 사전에 공지되어 있지 않다.

도 3에 따른 상황에서와 같이, 제 1 매질(14)의 측정 펄스(40) 진폭(A ₁)이 결정될 수 있는 한, 해당 유전 상수(

_r ₁)가 산출될 수 있다. 이와 관련하여 부가적으로 참조되는 전술한 독일 특허 DE 10 2012 101 725호에 상세하게 설명되는 접근법에서는, 제일 먼저 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스의 기준 진폭(A _end )이 결정된다. 상기 기준 진폭 결정에 의해서는 용기의 기하학적 구조 효과 그리고 기타 신호 변동들이 고려될 수 있다. 기준 진폭(A _end )은 예를 들면 산출되거나, 모의 실험되거나 또는 용기(12)가 빈 상태에서 마찬가지로 반복적으로 교정 측정하여 결정된다. 이러한 경우에는 아래의 식이 적용된다:

.

모든 펄스와 같이, 아티팩트 펄스 또한 아래와 같은 관계식

을 충족하며, 결과적으로 특히 아티팩트 펄스의 진폭(A _end )은 아티팩트 펄스의 면적에 비례한다.

공기의 파장 임피던스에서 제 1 매질(14)의 파장 임피던스로 전화되는 제 2 매질(16) 내부에서의 연속적인 파장 임피던스 전환으로 인해 오버랩되는 다수의 펄스가 초래한다. 이러한 경우,

_r ₁이 A ₁ 및 A _end 로부터 산출될 수 없는 것과 마찬가지로, 도 3에서와 같은 단일 펄스 평가가 더 이상 가능하지 않다.

그러나 신호 파형(S)에 대한 적분 평가 및 아티팩트 펄스에 대한 상응하는 적분 평가 또는 추가의 적분 평가는 가능하며, 상기 추가의 적분들은 제어된 상황에서 예를 들면 빈 용기에서 또는 제 2 매질(16)을 갖지 않은 용기에서 파라미터로서 결정된다. 다시 말하자면 신호 파형(S)은 결코 더 이상 불연속 펄스로 분리되지 않고, 오히려 유전 상수의 변동 때문에 모든 지점에서 가상적인 또는 실제의 반사가 가정된다. 이러한 경우 제 2 매질(16)이 없는 비교 상황에서와 같이 많은 신호 에너지가 반사된 신호 파형(S)에서 위치가 확인되고, 그리고 상기 위치는 제 1 경계면(18)으로서 검출된다. 상기 제 1 경계면의 간격을 정확하게 측정하기 위해, 바람직하게는 신호 전송 시간을 경로로 변환 시 제 2 매질(16)에 의한 지연이 고려되어야 한다.

이러한 접근법은 간소화된 가정을 전제하며, 그러나 이 경우 실제 측정들에서는 상기와 같은 간소화에도 불구하고 우수한 측정 결과가 유지됨을 알 수 있다. 더 정확히 말하자면, 제 1 경계면(18)에 도착하는 전송된 신호 에너지는 제 1 경계면(18) 상부에서의 임피던스 변동 곡선과 무관한 것으로 간주된다. 예컨대, 신호의 동일한 에너지 손실은, 어떠한 방식으로 상부 공기층에서 1인 유전 상수가 제 1 경계면(18)의 유전 상수(

_r ₁)으로 변동되는지에 상관없이, 즉 예를 들면 상기 제 1 경계면(18)에서 바로 점프 시, 점점 더 밀도가 높아지는 폼의 경우 또는 모든 임의의 다른 특성에 의한 것과 같이 제 2 경계면(20)과 제 1 경계면(18) 사이에서 단조 증가하는 방식으로든 아니든 간에 반사에 의해 가정된다. 상기와 같은 근사값에 대한 견고한 측정들에서는 가정하건대, 특히 비정상적인 파형이 실제로 발생하지 않는다.

상기와 같은 일반적인 생각들은 예시적으로 구체적인 알고리즘으로 설명될 수 있다. 그러나 본 발명은 상기와 같은 알고리즘으로 한정되지 않고, 오히려 전술한 접근법의 다른 변환도 포함한다.

독일 특허 DE 2012 101 725호와 유사하게 제 1 단계에서는 준비 단계로서 TDR-센서(10)의 구체적인 설치 상황의 주변 영향들을 파악하기 위해 용기(12)가 빈 상태에서 프로브 끝 부분의 아티팩트 펄스가 측정된다. 그러나 본원에 소개된 적분 방법에 상응하게 상기 아티팩트 펄스의 진폭이 결정되는 것이 아니라, 아티팩트 펄스 범위의 신호 파형(S)에 대한 적분(I _end )이 형성되며, 그러나 이 경우 전술한 바와 같이 비례 관계가 지속된다.

제 2 준비 단계에서는 용기(12)가 단지 제 1 매질(14)로만 채워지는데, 유의할 점은 또한 제 2 매질(16)로서 폼이 형성되지 않거나 또는 상기 폼이 용해되었다는 것이다. 상기와 같은 제어 환경에서는, 제 1 경계면(18)에서 명확하게 검출 가능한 측정 펄스(40) 또는 매질 펄스가 발생되는 것이 보장된다. 이러한 경우 상기 측정 펄스(40)에 대해 적분(I _Medium )이 이루어진다. 이러한 측정은 제 1 매질(14)의 유전 상수(

_r ₁)의 상이한 영향들을 보정하기 위해 우선적으로 이루어지고, 그로 인해 대안적으로는 상기 측정은 유전 상수(

_r ₁)의 비종속적인 측정 또는 기본값(default), 예를 들면 공지된 펄스 형태(s(t))를 이용한 상기 I _Medium 의 후속 산출로 대체될 수 있다.

이러한 경우 고유한 측정 동안 신호 파형(S)은 프로브 시작 부분 또는 선택된 그리고 가능한 가장 높은 충전 레벨에 상응하게 초기값(t ₀)에서 관찰된 개개의 시점(t)까지 적분된다. 즉, 적분된 신호 파형

이 형성되고, 상기 신호 파형은 관찰된 개개의 시점(t)의 함수이다.

이 경우 경계면(18)의 위치는 적분된 신호 파형(I _S )과 기준(I _Medium )을 비교함으로써 발견된다. 이를 위해 관계식

이 어디에 적용되는지 측정되며, 이 경우 K는 스케일링 팩터(scaling factor)이다. K가 1 근처에서 선택되면, t는 제 1 경계면(18)의 위치에 상응한다. 그와 달리 0보다 불과 약간 높은 곳에서 K가 선택되면, 제 2 경계면(20)의 위치가 발견된다. 추가로, 조합은 제 2 매질(16)의 층 두께 측정을 가능하게 한다.

그러나 발견된 t는 공기, 즉 제 2 매질(16)의 신호 경로 값들 그리고 경우에 따라서는 또한 제 1 매질(14) 내 성분들로 이루어진 신호 전송 시간에만 상응한다. 그 때문에 상이한 파동 전파 속도를 이용한 시간 조정에 의해 등가 경로가 보정되지 않는 경우에는 충전 레벨들이 계통적으로 과소평가된다. 상기와 같은 시간 조정은 적분된 신호 파형(I _S )의 사용 하에 가능하며, 추가로 주변 영향들이 예컨대 I _end 에 의해 고려되는 경우에 훨씬 더 정확해진다. 구체적으로 이러한 경우 시간 조정은 항(term)

을 이용한 전술한 산출법

과 유사하게 이루어질 수 있다.

실제 변환에서 신호 파형(S)은 전형적으로 불연속적인 샘플링들의 시간열(

)로서 존재한다. 그 때문에 바람직한 한 실시예에서는, 평가를 반복적으로 실행하고, 적분된 신호 파형(I _S ) 및 시간 조정을 단계적으로 산출하는 것이 제안된다. 이를 위해 초기에는 모든 값들이 0에서 시작되고 그리고 나서 t ₀의 측정 영역의 처음부터 시작하여 후속 샘플링들 동안 단계적으로 반복 조정된다. I _s 가 기준값(I _Medium )으로부터 도출되는 임계값(K·I _Medium )에 도달하면 중지 판단 기준으로서 사용된다.

이러한 경우 유사 코드(pseudocode)로 하기와 같은 예시적인 반복 평가가 표시될 수 있다:

이 경우 유의할 점은, 아티팩트 펄스 자체처럼 I _end 가 음의 값이라는 것이다. 또한, 시간 조정

을 위해 보정값이 바람직하게 [0, 1 ... 1]과 같은 간격으로 놓여 있는지를 검사해야 하는데, 그 이유는 그렇지 않으면 상기 보정값이 타당해 보이지 않을 수 있기 때문이다.

상기와 같은 결과는 이미 매질(14, 16)들 내 상이한 신호 전파 속도만큼 보정된 신호 전송 시간(t)을 나타내며, 이때 샘플링 단계들은 상기 신호 전송 시간의 단위이다. 샘플링 비율이 공지되며, 결과적으로 이러한 것은 절대적인 전송 시간으로 곧 바로 그리고 진공 광속(c ₀)을 이용해 간격으로도 환산될 수 있다. 바람직하게는 사전에, 간단한 곱셈을 통해 샘플링 단계들의 신호 전송 시간을 간격으로 전환하는 상기와 같은 환산을 실행하는 상수가 산출된다.

특히 제 2 매질(16)이 폼인 경우, 계속해서 특수한 상황이 발생할 수 있다. 즉, 간격이 증가함에 따라 유전 상수가 단조 증가하지 않고, 오히려 역 연산 부호를 갖는 임피던스 점프들도 발생하는 상황도 생각할 수 있다. 이러한 상황은 예를 들면, 상대적으로 더 조밀한 폼층이 상대적으로 더 얇은 폼층에 놓이거나 기포가 형성되는 경우에 발생한다. 결과는 역 연산 부호를 갖는 반사 펄스이거나 신호 파형(S)에서의 음의 값이다. 이러한 음의 값은 신호 침투 깊이가 증가함에도 불구하고 IS의 일시적인 감소하는 상황을 야기한다. 그에 따라 경계면(18)의 간격이 과대평가되는데, 최악의 경우에는 심지어 임계값(K·IMedium)에 결코 도달하지 못한다. 그러나 매질(14) 내에 파장이 존재할 때까지 재반사되는 에너지는 거의 그로 인한 임피던스 변동의 개별 단계들과 무관하다. 따라서 중지 상황은 바람직하게 연산 부호에 관련된 신호 파형(S) 대신 상기 신호 파형의 절대값 또는 제곱에 기인해야 한다. 이를 위해 제 2 적분(T _Stop )이 도입되는데, 상기 제 2 적분은 절대값을 통해 또는 매우 유사한 방식으로 제곱 또는 적합한 유사 모멘트(moment)를 통해 합산한다.

이러한 경우 상기 유사 부호로 요약될 수 있는 추가의 바람직한 평가 실시예가 얻어진다:

상기 의사 코드에서는, 적분이 각각 신호 파형(S) 값들의 합산에 의해 가장 간단한 방식으로 이루어진다. 본 발명은 또한 수치적 적분의 다른 방법들도 포함한다. 유사하게는 시간 조정을 위한 구체적인 공식도 교체될 수 있다. 이 경우 바람직하게 마찬가지로 적분된 신호 파형이 사용되는데, 그 이유는 상기 신호 파형은 개별 적분 단계에서 관찰되는 시점을 초과하여 반사에 의해 소실된 신호 에너지를 고려하기 때문이다. 그러나 특히 신호 파형(S)으로부터 전환 펄스(44) 또는 기타의 정보들과 같은 다른 펄스가 사용될 수 있음으로써, 주변 영향들은 I _End 에 의한 아티팩트 펄스와 다르게도 고려될 수 있다.

준비 단계에서 신호 파형(S)은 계속해서 상이한 유형들에 맞게 보정될 수 있다. 예를 들면 드리프트 영향들을 사정하기 위해 프로브 시작 부분에서의 전환 펄스(44) 또는 전송 펄스(46)가 기준과 비교됨으로써, 드리프트들을 보정하기 위한 리스케일링, 특히 온도 보정이 이루어질 수 있다.

추가의 보정 가능성은 진폭 특성 곡선에 대한 신호 파형을 교정하는 것이다. 신호 파형(S)은 작은 시간 동안 용기의 상부 영역에 상응하게 지나치게 높은데, 그 이유는 프로브 시작 부분과 경계면(18, 20) 사이에서 다중 반사가 발생하기 때문이다. 이러한 영향은 사전에 측정될 수 있고 위치 또는 시간 종속적인 유리 계수(advantage factor)로 표현할 수 있으며, 이러한 경우 상기 유리 계수는 진폭 특성 라인에 의해 조정된다. 이러한 내용 또한 부가적으로 인용되는 독일 특허 DE 10 2012 101 725호에 상세하게 설명되어 있다.

후속해서 본 발명은 매질(16)로서 상이한 폼층들을 예로 든 도 4 내지 도 7에 따라 설명된다.

도 4의 상부 도면은 제 1 매질(14)로서 액체 및 그 위에 배치된 제 2 매질(16)로서 두꺼운 폼층을 갖는 용기(12)의 예에서, 상기 제 1 매질(14)의 경계 지점(18)으로서 검출된 시점이 식별되는 신호 파형(S)을 보여준다.

이와 관련하여 맨 먼저 유의해야 할 점은, 다중 반사에 의해 초기 신호 강화를 조정하기 위해, 전술한 바와 같이 제 1 단계에서 상대적으로 더 높은 곡선 흐름이 진폭 특선 라인에 의해 교정되었다는 것이다. 실제로 평가에 기본이 되는 신호 파형(S)은 예컨대 상대적으로 더 낮은 곡선이고, 상기 더 낮은 곡선에서는 적분된 신호 파형(I _S )으로서 측정된 면적이 회색으로 강조된다. 대략 70번째 샘플링 때의 수직선에서는 제 1 경계면(18)이 검출되었다.

도 4는 중간 도면에서는 개별 샘플링 포인트까지 적분된 신호 파형(I _S )이 도시되며, 상기 신호 적분은 도 4의 상부 도면의 신호 파형(S) 아래 회색의 면적을 단계적으로 적분한다. 도 4의 상부 도면에서 수직선 위치에 상응하는 약 70번째 샘플링 때에는 적분된 신호 파형(I _S )에 의해 회색의 얇은 선으로 도시된 임계값이 초과되는데, 이것에서 평가는 제 1 경계면(18)을 검출한다. 상기 임계값은 다수의 실시예에서 K·I _Medium 이다. 파선은 전송 펄스의 전체 에너지에 상응하고 일러야 프로브 끝 부분에서 초과될 수 있다.

도 4의 하부 도면은 시간 조정을 도시한다. 파선은 최대 속도(c ₀)를 갖는 공기 내 비간섭 파동 전파에 상응한다. 실선으로 나타난 바와 같이, 보정 계수

에 의해 등가 경로 전파에 필요한 조정된 시간은 더욱 서서히 증가한다. 도 4에서 대략 70번째 샘플링 값인 중지 판단 기준에 상응하는 샘플링 값에서 제 1 경계면(18)까지 조정된 신호 전송 시간이 확인될 수 있고, 상기 신호 전송 시간은 충전 레벨로 환산될 수 있다.

도 5는 매우 유사하게 제 1 매질(14)로서 액체 및 그 위에 배치된 제 2 매질(16)로서 상대적으로 더 얇고 밀도가 연속적으로 증가하는 폼층을 갖는 용기(12)의 추가 예를 보여준다.

도 6의 실시예에서는 폼층이 또 한 번 다른 농도 및 두께를 갖는다.

도 7은 용기(12) 내에 단일 매질(14, 16)로서 폼만 존재하는 경우를 도시한다. 이 경우 임계값은, 우선 음의 충전 레벨에 상응할 수 있고 그 때문에 매질(14)이 용기(12) 내에 존재하지 않는 결말을 허용하는 값들에 대한 K의 조정에 따라, 훨씬 더 뒤쪽에서 비로소 초과된다. 종래의 알고리즘은 눈에 띄는 제 1 펄스 또는 2개의 보조 펄스 중 하나의 보조 펄스를 검출하고 폼이 제외된 원래 빈 용기에도 불구하고 상응하는, 그러나 너무 높은 충전 레벨을 출력(output)해 낼 수 있다.

제 2 매질(16)의 충전 레벨이 측정되며, 이러한 충전 레벨은 전술한 바에 따라 거의 0에서 K를 선택함으로써 달성될 수 있다. 그러나 대안적으로 제 2 경계면(20)은 적분된 신호 파형(I _S )이 계통적으로 0과 구별된다는 사실도 인식할 수 있다. 이러한 것은 각각 도 4 내지 도 7의 중간 도면에서 알 수 있다. 동일한 시점에 있어, 또한 도 4 내지 도 7의 하부 도면에서 조정된 시점은 처음으로 계통적으로 보정되지 않은 시간의 최초 통과 직선과 다르다. 이 경우 계통적 편차는, 약간의 편차가 단지 잡음 영향들로 인해 계속해서 평가되지 않음을 각각 의미한다. 이러한 것은 예컨대 평탄 필터(smoothing filter)에 의해 구별될 수 있다.

본 발명에서는 제 1 매질 위에 위치하는 제 2 매질(16)의 층과 함께 상기 매질(14)의 충전 레벨 측정에 대해 기술되었다. 그러나 또한, 매질 위에 추가의 층이 없는 경우에도 동일한 접근법으로 상기 매질의 충전 레벨이 측정된다. 가이드 되지 않은 파장, 즉 레이더 센서와 같이 프로브(28)를 갖지 않는 센서(10)로의 프로세스 보편화 또한 근본적으로 고려될 수 있다.

Claims

제 1 매질(14) 및 상기 제 1 매질 위에 배치된 적어도 하나의 제 2 매질(16)을 갖는 용기(12) 내부의 충전 레벨 측정 방법으로서,
상기 방법에서는
상기 용기(12) 내에 배치된 프로브(probe)(28)를 따라서 전자기 신호가 전송되고, 상기 용기(12) 내에서 반사된 신호의 신호 파형(S)이 기록되며, 상기 신호 파형(S)을 참고로 상기 제 1 매질(14) 또는 상기 제 2 매질(16) 중 적어도 하나의 경계 지점(18, 20)까지의 신호 전송 시간(t)이 결정되고 그리고 상기 신호 전송 시간(t)으로부터는 상기 제 1 매질(14)의 충전 레벨 또는 상기 제 2 매질(16)의 충전 레벨 중 적어도 하나가 결정되며,
상기 경계 지점(18, 20)은 기준 위치(reference position)(t₀) 이후부터 적분된(integrated) 신호 파형(I_S)으로부터 검출되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항에 있어서,
상기 기준 위치(t₀)는 프로브의 시작 부분(beginning of the probe)인,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
개개의 프로브 위치까지 적분된 신호 파형(I_S)에 의한 보정을 통해 개개의 신호 전송 간격에 속하는 프로브 위치에서의 신호 전파 지연을 고려하는 신호 전송 시간 간격들로부터 상기 신호 전송 시간(t)이 합산되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 3항에 있어서,
상기 보정에는 추가로 상기 용기(12) 내 특정 파동 전파(specific wave propagation)에 종속적인 주변 상수도 포함되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 4항에 있어서,
상기 주변 상수는 빈 용기(12)와 관련한 교정 측정(calibration measurement) 시 결정되고, 상기 교정 측정 시에는 프로브 끝 부분에서 생성되는 아티팩트 펄스(artifact puls)의 범위에 대한 신호 파형(S)의 적분(I_end)이 이루어지는,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 경계 지점(18, 20)은 적분된 신호 파형(I_S)과 임계값(threshold)(K·I_Medium)의 비교에 의해 검출되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 6항에 있어서,
신호 파형(S)의 비교를 위해 제 2의 적분이 이루어지고, 제 2 적분(I_Stop)에는 상기 신호 파형(S) 자체 대신 상기 신호 파형의 절대값(
) 또는 점별(pointwise) 제곱된 신호 파형(S²)이 토대가 되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 6항에 있어서,
상기 경계 지점(18, 20)은 신호 파형(S)의 샘플링 비율에 의해 미리 정해진 단계들에서 기준 위치(t₀)부터 중지 판단 기준(abort criterion)까지, 즉 개개의 단계(
)까지 적분된 신호 파형(I_S) 또는 신호 파형(S) 절대값(
)의 상응하는 적분(I_Stop) 또는 점별 제곱된 신호 파형(S²) 절대값(
)의 상응하는 적분(I_Stop)이 임계값(K·I_Medium)을 초과하는지 판단하는 중지 판단 기준까지 신호 파형(S)을 적분하는 반복법(iterative method)으로 검출되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 3항에 있어서,
신호 전송 시간(t)은 처음에는 0으로 설정되어 모든 단계(
)에서, 몫으로 산출되는 증분(increment)
만큼 증가되고, 상기 증분의 합의 분자
는 주변 상수(I_end)와 적분된 신호 파형(I_S)으로부터 형성되고, 상기 증분의 차 분모
는 주변 상수(I_end)와 적분된 신호 파형(I_S)으로부터 형성되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 6항에 있어서,
상기 임계값(K·I_Medium)은 교정 측정에 의해 결정되며, 상기 교정 측정 시에는 상기 용기(12) 내에 단지 제 1 매질(14)만 존재하고 그리고 상기 제 1 매질(14)의 경계 지점(18)에서의 에코 신호(echo signal)(40) 범위의 신호 파형(S)의 임계값 적분(I_Medium)이 이루어지는,
충전 레벨 측정 방법.
제 10항에 있어서,
상기 제 1 매질(14)의 경계 지점(18)을 검출하기 위한 임계값(K·I_Medium)은 임계값 적분(I_Medium)의 90% 내지 110%로 설정되고, 상기 제 2 매질(16)의 경계 지점(20)을 검출하기 위한 임계값(K·I_Medium)은 임계값 적분(I_Medium)의 5% 내지 30%로 설정되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
적분된 신호 파형(I_S)이 상기 제 2 매질(16)의 경계 지점(20) 이후부터 계통적으로(systematically) 0과 구별됨으로 인해 상기 제 2 매질(16)의 경계 지점(20)이 검출되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 신호 파형(S), 적분된 신호 파형(I_S) 또는 임계값(K·I_Medium) 중 적어도 하나가 드리프트 보정값(drift correction value)만큼 스케일링(scaling)되는,
충전 레벨 측정 방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 신호 파형(S)이 충전 레벨에 종속적인 진폭 특성 곡선에 의해 리스케일링(re-scaling) 되는,
충전 레벨 측정 방법.
전자기 신호를 전송 및 수신하기 위한 송신기(32) 및 수신기(34) 그리고 신호 전송 시간을 참고로 용기(12) 내 제 1 매질(14) 또는 제 2 매질(16) 중 적어도 하나의 충전 레벨을 결정하기 위해 형성된 제어 장치(30)를 갖는 센서(10)로서,
상기 제어 장치(30)는 제 1항 또는 제 2항에 따른 방법으로 충전 레벨을 결정하기 위해 형성된,
센서(10).
제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 2 매질(16)은 폼층(foam layer)인,
충전 레벨 측정 방법.
제 15항에 있어서,
상기 전자기 신호는 마이크로파 신호인,
센서(10).
제 15항에 있어서,
상기 센서(10)는 TDR 충전 레벨 센서인,
센서(10).