WO2007042367A1 - Method for determining the level based on the propagation time of a high-frequency test signal - Google Patents

Method for determining the level based on the propagation time of a high-frequency test signal Download PDF

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WO2007042367A1
WO2007042367A1 PCT/EP2006/066377 EP2006066377W WO2007042367A1 WO 2007042367 A1 WO2007042367 A1 WO 2007042367A1 EP 2006066377 W EP2006066377 W EP 2006066377W WO 2007042367 A1 WO2007042367 A1 WO 2007042367A1
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frequency
control
difference
signal
time
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Application number
PCT/EP2006/066377
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German (de)
French (fr)
Inventor
Dominik Buser
Bernhard Michalski
Stefan Scherr
Original Assignee
Endress+Hauser Gmbh+Co.Kg
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F23/00Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/22Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
    • G01F23/28Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
    • G01F23/284Electromagnetic waves

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the level on the basis of the duration of a high-frequency measurement signal, which is transformed by means of a transformation process with a certain transformation factor in a low-frequency intermediate frequency signal.
  • measuring devices under the name Micropilot or Levelflex are produced and distributed, which operate according to the transit time measurement method and serve to determine and / or monitor a level of a medium in a container.
  • TDR Time Domain Reflection
  • the distance of the measuring device to the medium surface can be determined. Taking into account the geometry of the container interior of the level of the medium is then determined as a relative or absolute size.
  • the transit time measurement method can essentially be divided into two determination methods: The first determination method is based on a time measurement which requires a pulse train modulated signal for the distance covered; A second widely used method of determination is the determination of the swept frequency difference of the transmitted continuous high frequency signal to the reflected, received high frequency signal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). In general, the following is not limited to a specific investigation.
  • a general problem with all transit time measuring methods with high-frequency measuring signals in the GHz range (gigahertz) is that for evaluating the high-frequency measuring signals.
  • Frequency measurement signals must be used high-frequency components that are designed for such high frequency ranges. These high-frequency components have the disadvantage that their production is complicated and the purchase is very expensive.
  • One way to evaluate the high-frequency measurement signals with cheap low-frequency components is to map the high-frequency measurement signals by means of a sequential sampling in the low frequency range.
  • the method for sequential scanning of high-frequency measurement signals represents a possibility of transformation into the low-frequency range, in which method a time-expanded intermediate-frequency signal is generated from a multiplicity of high-frequency, periodically sampled measurement signals.
  • This additional processing step is carried out because there are no correspondingly cost-effective data processing units, eg DSPs (Digital Signal Processors), which can reliably process high-frequency measurement signals.
  • DSPs Digital Signal Processors
  • One approach to generating a time-extended intermediate frequency signal is the mixer principle, where two oscillators produce two oscillations with slightly different frequencies. Due to the slight 'detuning' of the frequencies of the two oscillations, a phase shift increases linearly with each measurement period, which corresponds to a linearly increasing time delay.
  • the mixer principle is described, for example, in DE 31 07 444 A1 by means of a high-resolution impulse radar method.
  • a generator generates first microwave pulses and emits them via an antenna with a predetermined transmission repetition frequency in the direction of the surface of the medium.
  • Another generator generates reference microwave pulses that correspond to the first microwave pulses, but differ slightly from those in the repetition frequency.
  • the echo signal and the reference signal are mixed, for example, by a frequency converter or mixer, whereby an intermediate frequency signal is produced.
  • the intermediate frequency signal has the same course as the echo signal, but is compared to this stretched by a transformation factor which is equal to a quotient of the pulse repetition frequency and the frequency difference between the pulse repetition frequency of the first microwave pulses and sampling frequency of the reference microwave pulses.
  • a transformation factor which is equal to a quotient of the pulse repetition frequency and the frequency difference between the pulse repetition frequency of the first microwave pulses and sampling frequency of the reference microwave pulses.
  • the advantage of the transformation to the intermediate frequency is that relatively slow and thus inexpensive electronic components can be used for signal acquisition and / or signal evaluation.
  • This sampling circuit has two oscillators, of which at least one is variable in frequency, with one oscillator controlling the transmitting generator and the other oscillator controlling the sampling pulse generator.
  • a frequency mixer forms the difference between the two frequencies which is used to set or regulate the transformation factor, which is as constant as possible, to a desired value via a feedback branch.
  • the disadvantage of the adjustment of the difference frequency to a desired value according to the prior art is that the control takes a very long time and under certain circumstances comes to a Einregelung on a wrong target value of the difference frequency.
  • the invention has for its object to ensure a fast, safe and accurate adjustment of the difference frequency of the signals from two oscillators to a predetermined target value of the difference frequency by a control algorithm.
  • This object is achieved by a method for determining the level on the basis of the duration of a high-frequency measurement signal, which is transformed by means of a transformation process with a certain transformation factor in a low-frequency intermediate frequency signal, wherein the transformation factor of a difference frequency or a difference time of a difference signal between a pulse repetition signal with a pulse repetition frequency and a sampling signal with a sampling frequency is generated and determined, the pulse repetition frequency and / or the sampling frequency is changed by a control with a controlled variable by a corresponding control algorithm / is so that the difference frequency to a desired value of the difference frequency or the Differential time is controlled to a target value of the difference time, wherein between at least two values of the difference frequency or between at least two values of the difference time in Ab dependent on the controlled variable a gradient is determined, wherein based on the gradient and the difference frequency or the difference time at the set control variable, an operating point of the control is determined, and accordingly the control algorithm is adjusted.
  • the gradient it is possible to determine the position of the operating point of the control in the safe and critical control range, taking into account the measured value of the difference frequency or the difference time at the operating point. If the operating point is in a critical control range, the controlled variable is set to a defined state with a work point in the safe control range, and from there the control algorithm is started and executed. If, after determination of the gradient, the operating point has been localized in the safe control range, then the control algorithm in the control / evaluation unit changes the controlled variable, so that the current position approaching the setpoint of the operating point.
  • the polarization or the sign of the difference frequency of the difference signal or the difference time is determined by means of the gradient.
  • the polarization or the sign of the difference frequency or difference time it is possible to detect whether the first oscillator or sampling clock oscillator is clocked slower or faster relative to the second oscillator or Sendetaktoszillator.
  • This polarization detection is necessary because only the difference frequency between the sampling frequency with respect to the pulse repetition frequency will be determined by the structure of the control loop, no matter which oscillator is clocked faster or slower to generate the sampling frequency or the pulse repetition frequency.
  • the sampling clock oscillator with the sampling frequency normally has a slightly slower clock cycle than the transmit clock oscillator with the pulse repetition frequency. The case that the sampling clock oscillator has a faster clock cycle or a higher frequency than the transmit clock oscillator is not desired in the transformation process, thus preventing the differential frequency from being adjusted to a desired value in this critical control region.
  • An expedient embodiment of the invention is that a control characteristic of the difference signal is recorded by the difference frequency or the difference time is determined and stored in dependence on the changing control variable.
  • the control characteristic can be recorded by going through the entire range of the controlled variable once and determining and storing the corresponding values of the difference frequency or difference time.
  • These data are displayed in a diagram, whereby according to the difference time a pole or according to the difference frequency a zero with a reversal point in the diagram becomes recognizable. Because of this pole or zero point, at least two identical values of the difference frequency or the difference time can be determined for two different control variables.
  • One of these values or operating points lies in a critical control range, in which the sampling clock oscillator has a faster clock cycle compared with the transmit clock oscillator.
  • the other operating point is a safe control range in which the sampling clock oscillator has a slower clock cycle than the transmit clock oscillator. Based on the gradient and the diagram can be made a statement about the Einregelungsvorgang. In the diagram, a suitable setpoint of the operating point is determined, to which the control adjusts with the control algorithm. In addition, the control behavior of the control loop can be monitored, as this may change due to external influences or aging phenomena. Thus, with regard to the predictive maintenance of the device, the control loop is checked for errors and old monitored.
  • the control algorithm resets the operating point in a defined safe control range by the controlled variable is reset to a minimum value when the operating point is determined in a critical control range of the scheme.
  • the operating point is transferred to a safe control range by the controlled variable, e.g. a control voltage is regulated back to a defined minimum value which lies within the safe control range.
  • the control algorithm in the control / evaluation unit changes the control variable stepwise, so that the current operating point is constantly approaching the setpoint of the operating point.
  • the control algorithm adjusts the operating point to the desired value of the operating point by the control variable is changed continuously when the operating point is determined in a defined safe control range of the scheme.
  • the control algorithm adjusts the actual difference frequency to the setpoint value of the difference frequency or the current difference time to the setpoint value of the difference time by the control variable, e.g. a control voltage is continuously reduced or increased, depending on whether the current operating point is located above or below the setpoint of the operating point.
  • a fault is detected by the control algorithm, if the operating point is permanently determined in the disturbance range above a maximum limit of the difference frequency or below a minimum limit of the difference time. Since a difference time below this minimum limit value or because of the difference frequency above this maximum limit value can not occur in the closed-loop control, a hardware fault must be present.
  • This detection of a disturbance of the control loop can be represented as a message on a display of the filling level measuring device or transmitted via the field bus to a control center or other field devices.
  • the control / evaluation unit or the entire meter re-initializes and thus brings the control in a defined initial state.
  • an error counter is incremented when this limit is exceeded, or is decremented when this Limit value is maintained. If the measured values of the difference time or the difference frequency deviate to some extent from the predetermined setpoint values of the difference time or the predetermined setpoint values of the difference frequency, eg +1 ⁇ s (microsecond) or 1 mHz (milli hertz), an error counter is activated. The error counter is incremented by "one” if the current reading is outside the set limits and decremented by "one” if the current reading meets the set limits.
  • a maximum count of the error counter is set, in which the error counter is deleted, the control algorithm is interrupted and the operating point in a defined safer control range of the control characteristic by returning the controlled variable to a minimum value is offset. If the error counter generates a so-called overflow, if the current count value exceeds the set maximum count value, for example 100, a regulation in a safe control range is restarted by reducing the controlled variable to a minimum value.
  • the maximum count of the error counter determines the fault tolerance of the control system or control loop.
  • An advantageous embodiment of the method according to the invention is to be seen in that as a control variable up to a first tolerance value, a large deviation of the difference frequency of the desired value of the difference frequency or the difference time from the target value of the difference time a pulse width modulated control signal is effected by the control algorithm.
  • the first tolerance value determines in which range of the deviations of the current difference time or the current difference frequency from the setpoint values of which a pulse-width-modulated control signal is used for controlling and activating the frequency regulation unit.
  • the pulse width modulated control signal is suitable for large deviations of the current difference time or the current difference frequency of their setpoints, since large changes in the controlled variable or control voltage can be achieved while fine adjustment of the difference frequency or difference time to the setpoint for small deviations only difficult is possible.
  • This first tolerance value of a large control deviation is, for example, 5 ms (millisecond).
  • a supplementary advantageous variant of the method according to the invention is to be seen in that as a control variable at a second tolerance value of a mean deviation of the difference frequency of the setpoint of the difference frequency or the difference time from the setpoint of the difference time a pulse-modulated control signal is generated by the control algorithm. From a second tolerance value, for the reasons described above, namely that a pulse-width-modulated control signal for finely adjusting the actual value is adjusted to the setpoint value of the difference time or differential value. frequency is not suitable, a pulse train modulated control signal applied. Depending on their operating frequency, the control / evaluation unit or microcontroller generate short pulses which result in the control signal which is modulated by pulse train. The microcontroller generates maximum short pulses which, depending on the required control variable, drive the frequency control unit as a corresponding pulse train.
  • This second tolerance value of a mean control deviation is for example 1 ⁇ s (microsecond).
  • a tendency of the system deviation is determined and a is generated, which is added to the subsequent pulse train modulated control signals or to the pulse width modulated control signals. If the current deviation of the difference time, for example, in the range of a few microseconds microsecond and / or this corresponds to a tendency error, so is not readjusted immediately, but these minimal changes are included in the subsequent pulse train modulated or pulse width modulated control signals.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a device for determining the level in a container
  • FIG. 2 shows an embodiment of the control circuit of the device for generating the intermediate frequency with the transmitting / receiving unit and control / evaluation unit.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of a schematic state diagram of the signals in the control circuit shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 an embodiment of the device 1 according to the invention for determining the distance d or the level 1 is shown on the basis of the transit time t of high-frequency measurement signals S HF .
  • the device 1 mainly a connected to the transmitter 2 measuring unit 3, by means of which the high-frequency measurement signal S RF or transmission signal S ⁇ x is coupled into a filling material 5 comprehensive process space 6 of the container 7 and sent out.
  • the measuring unit 3 is inserted through an opening, for example a nozzle, into the process space 6 of the container 7.
  • the transmission signal S ⁇ x in the process space 6 of the container 7 radiates freely.
  • a surface waveguide 3b in the device 1 for level measurement which measures the high-frequency measurement signal S HF due to the skin effect on the surface thereof, can also be used as measuring unit 3, as shown in FIG along leads.
  • Transmitting / receiving unit 17 is generated and transmitted to the emitting measuring unit 2.
  • Sending transmitted signals S T ⁇ which have for example been reflected again on the surface 4 of the medium 5, are received by measuring unit 2 and passed back to the transmitting / receiving unit 17, in which the received reflection signals S RX are pre-processed.
  • the high-frequency measurement signals S HF consisting of transmission signals S T ⁇ and reflection signals S RX are, for example, in the transmitting / receiving unit 17 via a sampling method or a sequential sampling with two frequency-shifted slightly in the frequency high-frequency pulse sequences in a time-stretched, lower-frequency intermediate frequency signal S. 2F converted.
  • the intermediate frequency signal S ZF mixed down in this way can then be evaluated in the low-frequency range by a control / evaluation unit 15 and the transit time t or the travel x of the emitted high-frequency measurement signal S HF can be determined.
  • a transmission signal S.sub. ⁇ x is emitted, for example, along a Sommerfeld or Goubausch surface waveguide 3b or coaxial waveguide, which in the case of a discontinuity of the DK Value (dielectric constant) of the surface waveguide 3b surrounding filling material 5 is reflected back. Due to the impedance jumps caused by the filling material 5 within the process space 6 of the container 7, in particular at the boundary layer 4 between free space and filling material 5 in the container 7, the transmission signal S ⁇ x is at least partially reflected back. Due to this, a corresponding, usually weaker reflection signal S RX in the opposite direction on the surface waveguide 3b to the transmitting / receiving unit 17 runs back.
  • the free radiated from the antenna 3a and at the lossless Oberflä- Chen chenwellenleiter 3b guided high-frequency measurement signals S HF propagate in the free process space 6 of the container 7 in an atmosphere of air or inert gas approximately at the speed of light C 0 .
  • These transmission signals S ⁇ x are partially or completely reflected back to surfaces 4 of media having a higher dielectric constant value, for example the filling material 4, than the air or the protective gas in the radiation cone of the antenna 3a or in the vicinity of the surface waveguide 3b .
  • About the measured transit time t of the transmitted signal S ⁇ x to the reflected reflection signal S RX is determined by a conversion over the formula of the wave velocity, the distance traveled distance x or distance d.
  • This difference distance or this distance d corresponds to the height h of the container 7 minus the level 1 of the filling material 5 in the container 7. Since the height h of the container 7 or the position of the coupling of the transmission signal S ⁇ x is known, thus the level 1 and possibly even the volume, or with knowledge of the density of the filling material 5, the mass of the filling material 5 in the container 7 determine.
  • the task of the communication / supply unit 14 is to control the communication with, for example, a remote control center or another measuring device or field device via a field bus 9 and to measure the measured values, e.g. the level 1, or to receive configuration data of the device 1 and to send.
  • the fieldbus 9 operates according to the usual communication standards, e.g. Foundation Fieldbus or Profibus PA, and is designed, for example, in a usual in process instrumentation two-wire technology.
  • the supply of the device 1 with energy can be done in addition to the power supply of the device 1 via the field bus 9 according to the two-wire standard by means of a separate power supply line 8.
  • the communication / supply unit 14 may be configured as an integral part of the control / evaluation unit 15.
  • Fig. 2 shows an embodiment of a block diagram of the device 1 is shown, which shows the transmitter 2 of the device for generating the intermediate frequency S ZF with a transmitting / receiving unit 17 and control / evaluation unit 15.
  • the transmitting / receiving unit 17 can basically be converted into an HF circuit part 21 with a transmitting pulse generator 18, sampling circuit 19, and transmitting / receiving dipole 23, in which in principle HF signals are generated and processed, and a LF circuit part 20 with transmitting clock oscillator 13, sampling clock oscillator 12, frequency converter 11, in which in principle LF signals are generated and processed, are divided.
  • the individual circuit elements in the RF circuit part 21 are constructed according to experience in analog circuit technology, ie analog measurement signals are generated and processed.
  • the individual circuit elements in the LF circuit part 20 can be constructed either on the basis of digital circuit technology and / or analog circuit technology. Under the From the point of view of the rapid progress of digital signal processing, it is also conceivable to design the RF circuit part 21 with digital circuit elements. There are also the most diverse variations of the individual circuit elements in digital and analog circuit technology conceivable, which are not explicitly carried out here. Therefore, the following description of the embodiment of Fig. 2 is to be considered as an example of many possible embodiments.
  • the communication / supply unit 14 has not been shown explicitly again in FIG. 2 for reasons of reducing the representation to the essentials.
  • transmitter / receiver unit 17 In the transit time measurement of pulsed high-frequency measurement signals S HF coupled to the measuring unit 3 transmitter / receiver unit 17 is used to mutually coherent wave packets of predeterminable pulse shape and pulse width, so-called bursts or short wave packets to produce and process.
  • the pulse shape of a single burst or a single short wave packet usually corresponds to needle-shaped or sinusoidal, half-wave pulses of predeterminable pulse width. However, if necessary, other suitable pulse shapes may be used for these bursts.
  • the transmitting / receiving unit 17 comprises a transmitting pulse generator 18 triggered by the transmitting clock oscillator 13 for generating a first burst sequence serving as a transmitting signal S T ⁇ .
  • the pulses of the transmission signal S T ⁇ are carried at a high frequency f HF of the transmit pulse generator 18, which is approximately in the range between 0.5 and 78 GHz, and moreover triggered with a pulse repetition frequency f PRF or shot rate, which has a frequency range of some Megahertz, in particular a frequency range from 1 MHz to 10 MHz is set.
  • This pulse repetition frequency f PRF for driving the transmit pulse generator 18 is generated by a transmit clock oscillator 13.
  • the high frequency f HF and / or pulse repetition frequency f PRF can also, if necessary, be outside the respectively specified frequency ranges.
  • the applied to the signal output of the transmission pulse generator 14 transmission signal S TX is by means of a transmitting / receiving switch 23, in particular by means of a directional coupler or a hybrid coupler, the transmitting / receiving unit 17 in the at a first signal output of the transmitting / receiving switch 23 connected measuring unit 3, for example, antenna 3a or surface waveguide 3b, coupled.
  • the transmission signal S ⁇ x is also applied to the second signal output of the transmission / reception switch 23.
  • the reflection measuring signals S RX generated in the measuring volume 6 of the container 5 in the manner described above are again received by the device 1 by means of the measuring unit 3 and coupled out at the second signal output of the transmitting / receiving switch 23. Accordingly, at the second signal output of the transmitting / receiving switch 23, by means of the transmission signal S T ⁇ and the reflection measurement signal S RX formed total measurement signal S TX + S RX are tapped.
  • the transmitting / receiving unit 2 further comprises a sampling circuit 19 which temporally expands the high-frequency-carrying total measuring signal S TX + S RX in such a way that the high frequency f HF and the pulse repetition frequency f PRF are transformed into a lower frequency range of a few hundred kilohertz.
  • the total measuring signal Sx ⁇ + Si "of the sampling circuit 19 is a sampling signal Ss applied amp i of the sampling oscillator 12 at a second signal input.
  • a sampling frequency f Samp i or clock rate at which the sampling signal Ss amp i is clocked is normally set slightly smaller than the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S ⁇ x .
  • the total measurement signal S TJC + S I « is mapped to an intermediate frequency signal S ZF , which is time-stretched by a transformation factor K ⁇ compared to the total measurement signal S TJC + S I «. Due to the frequency offset between the pulse repetition frequency f PRF and the sampling frequency f Samp i, this sampling circuit 19 samples the total measurement signal S TX + S RX in each phase with different phase angles, resulting in a time-expanded intermediate frequency signal S ZF having the above-described transformation factor k ⁇ .
  • the sampling circuit 19 is designed, for example, as an HF frequency converter or RF mixer with a sampling pulse generator having the same phase position and frequency of the burst sequence as the transmission pulse generator 18, or a fast sampling switch.
  • a sampling switch for example, RF diodes or fast transistors can be used.
  • the transformation factor k ⁇ with which the total measurement signal Sx x -I-Si Ot is converted into a lower-frequency intermediate frequency signal S 2F corresponds to a quotient of the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S ⁇ x divided by a difference of the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S ⁇ x and the sampling frequency f sam p i of the sampling signal S Sa ⁇ h
  • An intermediate frequency f IF of the intermediate frequency signal S IF generated in this way is included such devices 1 for determining the level 1 usually in a frequency range of 50 to 200 kHz; if necessary, the frequency range can be selected higher or lower.
  • the intermediate frequency f IF is set to about 160 kHz in the measuring instruments of the applicant.
  • the dependence of the intermediate frequency f 1 on the ratio of the sampling frequency f Samp i and the pulse repetition frequency fp R p as shown in the second equation (equation 2) can be derived from the first equation (equation 1). [0036]
  • the intermediate frequency signal S IF, k over the total measuring signals S TX + S RX by a transformation factor is zeitgedehnt ⁇ , found in a suitable manner by a filter / amplifier unit 22 as a filtered intermediate frequency signal S zp amplified and filtered, before it is evaluated in the control / evaluation unit 15 or other evaluation circuits as echo curve or envelope.
  • This difference frequency f s " eeP is determined for two reasons; First, by this control circuit 24, the instantaneous control and triggering of the sampling clock oscillator 17 and possibly also the Sendetaktoszillators 18 by the control / off value unit 15 checks and second, from the quotient of the known or measured pulse repetition frequency f PRF and the difference frequency f s " eeP a Transformation factor k ⁇ in the control / evaluation unit 15 determined. In the control / evaluation unit 15, the transit time t of the measurement signals, as well as the fill level 1, can also be determined by echo signal evaluation of the filtered intermediate frequency signal S ZF and by the knowledge of the transformation factor k ⁇ .
  • This difference frequency f s "ee P or its difference time t s " e e P is processed and measured in the control / evaluation unit 15.
  • the difference time t s " e e p corresponds to the reciprocal of the difference frequency f s " e e P - via a feedback branch controls the control / evaluation unit 15 the controllable sampling clock oscillator 13 according to the determined difference frequency fs " eeP or the difference time t SweeP again.
  • the controllable sampling clock oscillator 13 and possibly the Sendetaktoszillators 12 is effected by a frequency control unit 10, the output of voltage controlled oscillators, eg VCO or oscillator with a parallel variable-frequency capacitance diode, a control voltage V c as the corresponding control variable c_var or the digitally controllable oscillators, eg NCO , outputs a digital control value V dlg as a control variable c_var.
  • the frequency control unit 10 is adjusted by means of a so-called three-level control by an up-control signal R Up and a down-control signal R D ⁇ wn of the control / evaluation unit 15 so that an applied to the output of the frequency control unit 10 controlled variable c_var controls the controllable sampling oscillator 12 accordingly.
  • the appropriate control of the sampling oscillator 12 takes place in the manner that the generation of the defined target value for the difference frequency f sweep _ setpomt between the pulse repetition frequency f PRF and the sampling frequency f samp e i is effected.
  • a control voltage V c or a digital control value V d i g can be used as controlled variable c_var.
  • the frequency control unit 10 is configured, for example, as an RC element or a charge pump, which stabilizes the control voltage Vc, which regulates the sampling frequency f Samp i of the sampling oscillator 12.
  • upregulation signals R Up for example, the charge voltage of the charge pump is increased and lowered with down-regulation signals R D ⁇ wn .
  • the adjusted control variable c_var or control voltage V c is determined by the control / evaluation unit 15 via a measuring line. This determination is necessary because normally only the difference frequency f sweep is determined and the actually generated control variable c_var or control voltage V c is needed to determine the gradient.
  • a microcontroller 16 is integrated, which controls the control and executes the control algorithm.
  • control characteristic con_char of the difference time t sweep with the safe control range E and critical control ranges A, B, C, F and the fault range D.
  • the difference time t SweeP and on the abscissa of the coordinate system the control voltage V c is displayed as a controlled variable c_var.
  • a control variable c_var an analog control voltage V c has been displayed in this example; regardless, any other controlled variable c_var such as a digital control value V dlg or a mechanical controlled variable is applicable.
  • the control characteristic con_char of the difference time t swee P is shown completely in FIG.
  • control characteristic con_char of the difference time t sweep or the properties determined in sections can be generated, for example, by that the control voltage V c or control variable c_var is continuously changed at the sampling oscillator 12 of FIG. 2 and corresponding values of the difference time t sweep or difference frequency fs " eeP are determined and stored by the control / evaluation unit 15. From the determination of these values, it is possible to deduce the position of the current operating point OP in the corresponding control ranges A, B, C, D, E, F.
  • the control algorithm is interrupted and a renewed adjustment in a safe control range E is started.
  • the initiation of the control in a safe control range E takes place, for example, in that the control voltage V c is brought to a minimum value of the control voltage V mm and consequently increased continuously until a desired value of the operating point OP_setpoint or a desired value of the difference time t SweeP _ setPomt the control / evaluation unit 15 is determined.
  • An operating point OP can not be in the critical control ranges A, B, since the control voltage V c according to the invention can be set only between a minimum value of the control voltage V mm and a maximum value of the control voltage V max . These limiting values of the control voltage V c were therefore generated because this difference time t s "ee p below a minimum limit value of the difference time ts" e e P _mm, for example less than 1 ms (millisecond) lie, and here operating points OP and Grad Grad not exactly determined can be.
  • the position of the setpoint of the operating point OP_setpoint is chosen so that a Einregel the difference time t SweeP or difference frequency f s " eep by a corresponding control voltage V c is easily possible. If, on the other hand, the position of the reference value of the difference time t Sw ee P _set P omt or of the reference value of the difference frequency fs W ee P _set P omt is selected so that a slight change in the control voltage V c results in a large change in the differential time t SweeP or difference frequency f s eeP caused by the operating point OP is at a point of the control characteristic con_char, at which the gradient is very high, so an exact adjustment to the setpoint of the operating point OP_setpoint is difficult is possible.
  • the control voltage V c Due to the grad grad is determined with what accuracy the control voltage V c must be changed so that a certain change in the differential time t SweeP or difference frequency f s " eeP can be achieved. Consequently, upon detection of a large gradient, the control voltage V c is changed with a higher accuracy by a more exact, slower control algorithm that makes only small changes in the voltage. However, if the gradient grad is small, the control voltage V c is changed in larger change steps , as here is a change in the difference time t SweeP not so strong.
  • the control characteristic con_char or the control characteristic of the differential time t swe e P has a pole point at a specific pole position control voltage V Po i.
  • the control characteristic con_char are the sampling frequency f SamP i e of the controlled sampling oscillator 12 and the pulse repetition frequency f PRF of the pulse repetition oscillator 13 exactly the same. Due to the pole of the control characteristic con_char of the difference time ts " eeP , it is possible to generate the same difference time t SweeP by means of a first control voltage V C i in the safe control range E and by means of a second control voltage V C2 in the critical control range F.
  • the first control voltage V C i in the safe control range E is correspondingly smaller than the pole position control voltage V Po i and the second control voltage V C2 in the critical control range F is correspondingly greater than the pole position control voltage V Po i.
  • a maximum limit value of the difference time t Swe e P _max which is above the setpoint of the difference time t Sw ee P _set P omt, the control algorithm is interrupted and the control of the difference time t SweeP or the corresponding difference frequency f s " eeP in the safe control range E started again.
  • Fig. 4 is a state diagram of the signals of the control loop 24 of FIG. 2 is shown.
  • the state diagram consists of five signal characteristics, all of which follow the same time unit or time scale t s .
  • the uppermost, first signal characteristic of the supply voltage P indicates the time of initialization of the microcontroller Int_ ⁇ C or the start time of the voltage supply of the microcontroller 16 or of the entire control / evaluation unit 15.
  • the third and fourth signal characteristics indicate the control signals R c for up-regulation R 1J p and for down-regulation R D ⁇ wn , which indicate signals for driving a frequency regulation unit 10.
  • the fifth signal characteristic represents the control voltage V c , which is output, for example, from the frequency control unit 10 and controls a voltage-controlled sampling clock oscillator 12.
  • the feedback of the control loop 24 or the control of the sampling clock oscillator 12 via a frequency control unit 10 is achieved by the signal characteristics three, four and five.
  • the second signal characteristic of the difference signal S s " eeP with the varying difference time t SweeP represents the generated control result of the control loop 24.
  • the microcontroller 16 or the control / evaluation unit 15 is initialized. It happens that due to lying rule process phases and the operating state or transient response of the electrical components in this state a not previously definable current control voltage V act applied to the sampling oscillator 12. For this reason, in the method according to the invention, first a work point detection OP_ID is performed which, in a first control step, determines a first difference time t SweeP i with the corresponding current control voltage V act or fourth control voltage V C4 . Subsequently, in a further control step, a second control voltage V C2 is set and a corresponding second differential time t SweeP2 is determined.
  • a gradient grad or a slope is determined. The same can be done by generating a first control voltage V cl and a third control voltage V C3 and determining the corresponding difference times t SweeP i, t s " eep2 .
  • determining the grad grad and by determining the exceeding of the limit value of the difference frequency ts "ee P _set P omt it can be determined very quickly whether the operating point OP of the control in a critical control range A, B, C, F or a safe control range E is located.
  • FIG. 4 the example of FIG. 3 has been taken up, that the current control voltage V act was located in the critical control range F during the initialization of the microcontroller Init_ ⁇ C or the initialization of the control / evaluation unit 15 and a critical control range F corresponding gradient exists.
  • the control algorithm down-regulates the current control voltage V act to a minimum value of the control voltage V mm , whereby a new control phase in the safe control range E is started.
  • this Einregelungsphase there is a large deviation of the current difference time t s "ee P to the setpoint of the difference time t Sw ee P _set P omt before.
  • Vc 1 first control voltage
  • V max Maximum value of the control voltage
  • A, B, C, F are critical control ranges

Abstract

The invention relates to a method for determining the level (l) based on the propagation time (t) of a high-frequency test signal (SHF) that is transformed into a low-frequency intermediate frequency signal (SZF). According to the invention, the transformation factor (kT) is determined from a differential frequency (fSweep) between a pulse repetition frequency (fPRF) and a sampling frequency (fSampl), the pulse repetition frequency (fPRF) or the sampling frequency (fSampl) being modified based on a regulation process using a control variable (c_var) by means of an adequate control algorithm in such a way that a setpoint value of the differential frequency (fSweep-setpoint) is regulated. A gradient (grad) is determined from at least two values, an operating point (OP) of the regulation process being determined based on the gradient (grad) and the differential frequency (fSweep) or the differential time (tSweep) when the control variable (c_var) has been adjusted, and the control algorithm being adjusted accordingly. The aim of the invention is to ensure that the differential frequency between the frequencies of two oscillators is quickly, safely, and accurately adjusted to a predetermined setpoint value of the differential frequency with the aid of a control algorithm.

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten MesssignalsMethod for determining the fill level based on the transit time of a high-frequency measurement signal
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals, das mittels eines Transformationsverfahrens mit einem bestimmten Transformationsfaktor in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal transformiert wird.The present invention relates to a method for determining the level on the basis of the duration of a high-frequency measurement signal, which is transformed by means of a transformation process with a certain transformation factor in a low-frequency intermediate frequency signal.
[0002] Derartige Verfahren zur Ermittlung und Überwachung des Füllstandes in einem Behälter werden häufig in den Messgeräten der Automations- und Prozesssteuerungstechnik eingesetzt. Von der Anmelderin werden beispielsweise Messgeräte unter dem Namen Micropilot oder Levelflex produziert und vertrieben, welche nach dem Laufzeit-Messverfahren arbeiten und dazu dienen, einen Füllstand eines Mediums in einem Behälter zu bestimmen und/oder zu überwachen. Nach der Methode der geführten Mikrowelle bzw. der Zeitbereichreflektometrie oder der TDR-Messmethode (Time Domain Reflection) wird ein Hochfrequenzimpuls entlang eines Sommer- feldschen oder Goubauschen Wellenleiters oder entlang eines Koaxialwellenleiters ausgesendet, welcher bei einer Diskontinuität des DK- WertesSuch methods for detecting and monitoring the level in a container are often used in the measuring devices of automation and process control technology. By the applicant, for example, measuring devices under the name Micropilot or Levelflex are produced and distributed, which operate according to the transit time measurement method and serve to determine and / or monitor a level of a medium in a container. According to the guided microwave or time domain reflectometry method or the Time Domain Reflection (TDR) measuring method, a high-frequency pulse is emitted along a Sommerfeld or Goubauschen waveguide or along a coaxial waveguide, which at a discontinuity of the DK value
(Dielektrizitätskonstanten) des den Wellenleiter umgebenden Mediums teilweise zurückreflektiert wird. Nach der freistrahlenden Laufzeitmessmethode werden beispielsweise Mikrowellen über eine Antenne in einen Freiraum bzw. Prozessraum ausgesendet, und die an der Mediumsoberfläche reflektierten Echowellen werden nach der abstandsabhängigen Laufzeit des Signals wieder von der Antenne empfangen. Anhand der Zeitdauer zwischen dem Aussenden der Hochfrequenzimpulse und dem Empfang der reflektierten Echosignale lässt sich der Abstand des Messgerätes zu der Mediumsoberfläche ermitteln. Unter Berücksichtigung der Geometrie des Behälterinnern wird dann der Füllstand des Mediums als relative oder absolute Größe ermittelt. Die Laufzeit-Messmethode lässt sich im wesentlichen in zwei Ermittlungsverfahren einteilen: Das erste Ermittlungsverfahren beruht auf einer Zeitmessung, die ein impulsfolgenmoduliertes Signal für die zurückgelegte Wegstrecke erfordert; ein zweites weit verbreitetes Ermittlungsverfahren ist die Bestimmung der Kippfrequenzdifferenz des ausgesendeten kontinuierlichen Hochfrequenzsignals zum reflektierten, empfangenen Hochfrequenzsignal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). Im Allgemeinen wird in den folgenden Ausführungen keine Beschränkung auf ein bestimmtes Ermittlungsverfahren vorgenommen.(Dielectric constant) of the medium surrounding the waveguide is partially reflected back. After the free-radiating transit time measurement method, for example, microwaves are transmitted via an antenna into a free space or process space, and the echo waves reflected at the medium surface are received again by the antenna according to the distance-dependent transit time of the signal. Based on the time duration between the emission of the high-frequency pulses and the reception of the reflected echo signals, the distance of the measuring device to the medium surface can be determined. Taking into account the geometry of the container interior of the level of the medium is then determined as a relative or absolute size. The transit time measurement method can essentially be divided into two determination methods: The first determination method is based on a time measurement which requires a pulse train modulated signal for the distance covered; A second widely used method of determination is the determination of the swept frequency difference of the transmitted continuous high frequency signal to the reflected, received high frequency signal (FMCW - Frequency-Modulated Continuous Wave). In general, the following is not limited to a specific investigation.
[0003] Ein allgemeines Problem bei allen Laufzeitmessmethoden mit hochfrequenten Messsignalen im GHz-Bereich (Gigahertz) ist, dass zur Auswertung des hoch- frequenten Messsignale Hochfrequenzbauteile verwendet werden müssen, die für solch hohe Frequenzbereiche ausgelegt sind. Diese Hochfrequenzbauteile haben den Nachteil, dass ihre Herstellung aufwendig und die Anschaffung sehr teuer ist. Eine Möglichkeit die hochfrequenten Messsignale mit günstigen Niederfrequenz-Bauteilen auszuwerten besteht darin, die hochfrequenten Messsignale mittels einer sequentiellen Abtastung in den Niederfrequenzbereich abzubilden. Das Verfahren zur sequentiellen Abtastung von hochfrequenten Messsignalen stellt eine Möglichkeit der Transformation in den Niederfrequenzbereich dar, wobei in diesem Verfahren aus einer Vielzahl gleichsam hochfrequente, periodisch abgetasteter Messsignale ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal erzeugt wird. Dieser zusätzliche Verarbeitungsschritt wird durchgeführt, weil es keine entsprechend kostengünstigen Datenverarbeitungseinheiten, z.B. DSPs (Digitale Signal Prozessoren), gibt, welche hochfrequente Messsignale zuverlässig verarbeiten können. Ein Ansatz zur Erzeugung eines zeitgedehnten Zwischenfrequenzsignals ist das Mischerprinzip, bei dem zwei Oszillatoren zwei Schwingungen mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen erzeugen. Durch die geringfügige 'Verstimmung' der Frequenzen der beiden Schwingungen entsteht eine linear mit jeder Messperiode ansteigende Phasenverschiebung, was einer linear ansteigenden Zeitverzögerung entspricht. Das Mischerprinzip wird beispielsweise in der DE 31 07 444 Al mittels eines hochauflösenden Impulsradar- Verfahrens beschrieben. Ein Generator erzeugt erste Mikrowellenpulse und strahlt sie über eine Antenne mit einer vorgegebenen Sende Wiederholfrequenz in Richtung der Oberfläche des Füllguts aus. Ein weiterer Generator erzeugt Referenz-Mikrowellenpulse, die den ersten Mikrowellenpulsen entsprechen, sich jedoch von diesen in der Wiederholfrequenz geringfügig unterscheiden. Das Echosignal und das Referenzsignal werden beispielsweise durch einen Frequenzumsetzer bzw. Mischer gemischt, wodurch ein Zwischenfrequenzsignal entsteht. Das Zwischenfrequenzsignal hat den gleichen Verlauf wie das Echosignal, ist gegenüber diesem jedoch um einen Transformationsfaktor gestreckt, der gleich einem Quotienten aus der Pulsrepetierfrequenz und der Frequenzdifferenz zwischen der Pulsrepetierfrequenz der ersten Mikrowellenpulse und Abtastfrequenz der Referenz- Mikrowellenpulse ist. Bei einer Pulsrepetierfrequenz von einigen Megahertz, einer Frequenzdifferenz von wenigen Hertz und einer Mikrowellenfrequenz von einigen Gigahertz liegt die Frequenz des Zwischenfrequenzsignals weit unterhalb von 200 kHz. Der Vorteil der Transformation auf die Zwischenfrequenz ist, dass relativ langsame und damit kostengünstige elektronische Bauteile zur Signalerfassung und/ oder Signalauswertung verwendet werden können. Verwiesen wird in diesem Zusammenhang auch auf das Deutsche Gebrauchsmuster DE 29815069 Ul, das diese bekannte Transformationstechnik bei einem TDR - Füllstandsmessgerät beschreibt. Diese Abtastschaltung besitzt zwei Oszillatoren, von denen wenigstens einer in der Frequenz variierbar ausgestaltet ist, wobei ein Oszillator den Sendegenerator und der andere Oszillator den Abtastpulsgenerator steuert. Ein Frequenzmischer bildet aus den beiden Frequenzen die Differenz, welche zur Einstellung bzw. Regelung des möglichst konstanten Transformationsfaktors auf einen Sollwert über einen Rückkopplungszweig verwendet wird.[0003] A general problem with all transit time measuring methods with high-frequency measuring signals in the GHz range (gigahertz) is that for evaluating the high-frequency measuring signals. Frequency measurement signals must be used high-frequency components that are designed for such high frequency ranges. These high-frequency components have the disadvantage that their production is complicated and the purchase is very expensive. One way to evaluate the high-frequency measurement signals with cheap low-frequency components is to map the high-frequency measurement signals by means of a sequential sampling in the low frequency range. The method for sequential scanning of high-frequency measurement signals represents a possibility of transformation into the low-frequency range, in which method a time-expanded intermediate-frequency signal is generated from a multiplicity of high-frequency, periodically sampled measurement signals. This additional processing step is carried out because there are no correspondingly cost-effective data processing units, eg DSPs (Digital Signal Processors), which can reliably process high-frequency measurement signals. One approach to generating a time-extended intermediate frequency signal is the mixer principle, where two oscillators produce two oscillations with slightly different frequencies. Due to the slight 'detuning' of the frequencies of the two oscillations, a phase shift increases linearly with each measurement period, which corresponds to a linearly increasing time delay. The mixer principle is described, for example, in DE 31 07 444 A1 by means of a high-resolution impulse radar method. A generator generates first microwave pulses and emits them via an antenna with a predetermined transmission repetition frequency in the direction of the surface of the medium. Another generator generates reference microwave pulses that correspond to the first microwave pulses, but differ slightly from those in the repetition frequency. The echo signal and the reference signal are mixed, for example, by a frequency converter or mixer, whereby an intermediate frequency signal is produced. The intermediate frequency signal has the same course as the echo signal, but is compared to this stretched by a transformation factor which is equal to a quotient of the pulse repetition frequency and the frequency difference between the pulse repetition frequency of the first microwave pulses and sampling frequency of the reference microwave pulses. With a pulse repetition frequency of a few megahertz, a frequency difference of a few hertz and a microwave frequency of a few gigahertz, the frequency of the intermediate frequency signal is well below 200 kHz. The advantage of the transformation to the intermediate frequency is that relatively slow and thus inexpensive electronic components can be used for signal acquisition and / or signal evaluation. Reference is also made in this context to the German Utility Model DE 29815069 Ul, which describes this known transformation technique in a TDR - level gauge. This sampling circuit has two oscillators, of which at least one is variable in frequency, with one oscillator controlling the transmitting generator and the other oscillator controlling the sampling pulse generator. A frequency mixer forms the difference between the two frequencies which is used to set or regulate the transformation factor, which is as constant as possible, to a desired value via a feedback branch.
[0005] Der Nachteil bei der Einregelung der Differenzfrequenz auf einen Sollwert nach dem Stand der Technik ist, dass die Regelung sehr lange Zeit in Anspruch nimmt und es unter bestimmten Umständen zu einer Einregelung auf einen falschen Sollwert der Differenzfrequenz kommt.The disadvantage of the adjustment of the difference frequency to a desired value according to the prior art is that the control takes a very long time and under certain circumstances comes to a Einregelung on a wrong target value of the difference frequency.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch einen Regelalgorithmus eine schnelle, sichere und exakte Einregelung der Differenzfrequenz der Signale von zwei Oszillatoren auf einen vorbestimmten Sollwert der Differenzfrequenz zu gewährleisten.The invention has for its object to ensure a fast, safe and accurate adjustment of the difference frequency of the signals from two oscillators to a predetermined target value of the difference frequency by a control algorithm.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bestimmung des Füllstands anhand der Laufzeit eines hochfrequenten Messsignals, das mittels eines Transformationsverfahrens mit einem bestimmten Transformationsfaktors in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal transformiert wird, gelöst, wobei der Transformationsfaktor aus einer Differenzfrequenz oder einer Differenzzeit eines Differenzsignals zwischen einem Pulsrepetiersignal mit einer Pulsrepetierfrequenz und einem Abtastsignal mit einer Abtastfrequenz erzeugt und ermittelt wird, wobei die Pulsrepetierfrequenz und/oder die Abtastfrequenz anhand einer Regelung mit einer Regelgröße durch einen entsprechenden Regelalgorithmus so verändert werden/wird, dass die Differenzfrequenz auf einen Sollwert der Differenzfrequenz oder die Differenzzeit auf einen Sollwert der Differenzzeit geregelt wird, wobei zwischen zumindest zwei Werten der Differenzfrequenz oder zwischen zumindest zwei Werten der Differenzzeit in Abhängigkeit von der Regelgröße ein Gradient bestimmt wird, wobei anhand des Gradienten und der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit bei eingestellter Regelgröße ein Arbeitspunkt der Regelung bestimmt wird, und dementsprechend der Regelalgorithmus angepasst wird. Durch die Ermittlung des Gradienten ist es möglich die Lage des Arbeitspunktes der Regelung in dem sicheren und kritischen Regelbereich, unter Berücksichtigung des Messwerts der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit an dem Arbeitspunkt, zu bestimmen. Liegt der Arbeitspunkt in einem kritischen Regelbereich, wird die Regelgröße in einen definierten Zustand mit einem Arbeitpunkt im sicheren Regelbereich gesetzt, und von dort wird der Regelalgorithmus gestartet und ausgeführt. Ist nach Ermittlung des Gradienten der Arbeitspunkt im sicheren Regelbereich lokalisiert worden, so ändert der Regelalgorithmus in der Regel-/ Auswerteeinheit die Regelgröße, so dass sich der aktuelle Ar- beitspunkt dem Sollwert des Arbeitspunktes annähert.This object is achieved by a method for determining the level on the basis of the duration of a high-frequency measurement signal, which is transformed by means of a transformation process with a certain transformation factor in a low-frequency intermediate frequency signal, wherein the transformation factor of a difference frequency or a difference time of a difference signal between a pulse repetition signal with a pulse repetition frequency and a sampling signal with a sampling frequency is generated and determined, the pulse repetition frequency and / or the sampling frequency is changed by a control with a controlled variable by a corresponding control algorithm / is so that the difference frequency to a desired value of the difference frequency or the Differential time is controlled to a target value of the difference time, wherein between at least two values of the difference frequency or between at least two values of the difference time in Ab dependent on the controlled variable a gradient is determined, wherein based on the gradient and the difference frequency or the difference time at the set control variable, an operating point of the control is determined, and accordingly the control algorithm is adjusted. By determining the gradient, it is possible to determine the position of the operating point of the control in the safe and critical control range, taking into account the measured value of the difference frequency or the difference time at the operating point. If the operating point is in a critical control range, the controlled variable is set to a defined state with a work point in the safe control range, and from there the control algorithm is started and executed. If, after determination of the gradient, the operating point has been localized in the safe control range, then the control algorithm in the control / evaluation unit changes the controlled variable, so that the current position approaching the setpoint of the operating point.
[0008] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polarisation oder das Vorzeichen der Differenzfrequenz des Differenzsignals oder der Differenzzeit mittels des Gradienten ermittelt wird. Durch die Ermittlung der Polarisation bzw. des Vorzeichens der Differenzfrequenz bzw. Differenzzeit ist es möglich zu erkennen, ob der erste Oszillator bzw. Abtasttaktoszillator gegenüber dem zweiten Oszillator bzw. Sendetaktoszillator langsamer oder schneller getaktet ist. Diese Polarisations-Erkennung ist notwendig, da durch den Aufbau des Regelkreises nur die Differenzfrequenz zwischen der Abtastfrequenz gegenüber der Pulsrepetierfrequenz ermitteln wird, egal welcher Oszillator zur Erzeugung der Abtastfrequenz oder der Pulsrepetierfrequenz schneller oder langsamer getaktet ist. Der Abtasttaktoszillator mit der Abtastfrequenz weist im Normalfall einen etwas langsameren Taktzyklus als der Sendetaktoszillator mit der Pulsrepetierfrequenz auf. Der Fall, dass der Abtasttaktoszillator einen schnelleren Taktzyklus bzw. eine höhere Frequenz als der Sendetaktoszillator aufweist, ist bei dem Transformationsverfahren nicht erwünscht, demzufolge wird ein Einregeln der Differenzfrequenz auf einen Sollwert in diesem kritischen Regelbereich verhindert.In a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that the polarization or the sign of the difference frequency of the difference signal or the difference time is determined by means of the gradient. By determining the polarization or the sign of the difference frequency or difference time, it is possible to detect whether the first oscillator or sampling clock oscillator is clocked slower or faster relative to the second oscillator or Sendetaktoszillator. This polarization detection is necessary because only the difference frequency between the sampling frequency with respect to the pulse repetition frequency will be determined by the structure of the control loop, no matter which oscillator is clocked faster or slower to generate the sampling frequency or the pulse repetition frequency. The sampling clock oscillator with the sampling frequency normally has a slightly slower clock cycle than the transmit clock oscillator with the pulse repetition frequency. The case that the sampling clock oscillator has a faster clock cycle or a higher frequency than the transmit clock oscillator is not desired in the transformation process, thus preventing the differential frequency from being adjusted to a desired value in this critical control region.
[0009] Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist, dass eine Regelkennlinie des Differenzsignals aufgenommen wird, indem die Differenzfrequenz oder die Differenzzeit in Abhängigkeit von der sich ändernden Regelgröße bestimmt und abgespeichert wird. Die Regelkennlinie kann aufgenommen werden, indem der gesamte Bereich die Regelgröße einmalig durchlaufen wird und die entsprechenden Werte der Differenzfrequenz bzw. Differenzzeit ermittelt und abgespeichert werden. Diese Daten werden in einem Diagramm dargestellt, wobei entsprechend der Differenzzeit eine Polstelle oder entsprechend der Differenzfrequenz eine Nullstelle mit einer Umkehrstelle im Diagramm erkennbar wird. Aufgrund dieser Polstelle bzw. Nullstelle können zumindest zwei identische Werte der Differenzfrequenz bzw. der Differenzzeit bei zwei unterschiedlichen Regelgrößen ermittelt werden. Einer dieser Werte bzw. Arbeitspunkte liegt in einem kritischen Regelbereich, in dem der Abtasttaktoszillator gegenüber dem Sendetaktoszillator einen schnelleren Taktzyklus aufweist. Der andere Arbeitspunkt liegt in einem sicheren Regelbereich, in dem der Abtasttaktoszillator gegenüber dem Sendetaktoszillator einen langsameren Taktzyklus aufweist. Anhand des Gradienten und dem Diagramm kann eine Aussage über den Einregelungsvorgang getroffen werden. In dem Diagramm wird ein geeigneter Sollwert des Arbeitspunktes ermittelt, auf den die Regelung mit dem Regelalgorithmus einregelt. Außerdem kann das Regelverhalten des Regelkreises überwacht werden, da sich dieses aufgrund äußerer Einflüsse oder Alterungserscheinungen ändern kann. Somit wird im Hinblick auf die vorausschauende Wartung der Vorrichtung der Regelkreis auf Fehler und Alte- rungserscheinungen überwacht.An expedient embodiment of the invention is that a control characteristic of the difference signal is recorded by the difference frequency or the difference time is determined and stored in dependence on the changing control variable. The control characteristic can be recorded by going through the entire range of the controlled variable once and determining and storing the corresponding values of the difference frequency or difference time. These data are displayed in a diagram, whereby according to the difference time a pole or according to the difference frequency a zero with a reversal point in the diagram becomes recognizable. Because of this pole or zero point, at least two identical values of the difference frequency or the difference time can be determined for two different control variables. One of these values or operating points lies in a critical control range, in which the sampling clock oscillator has a faster clock cycle compared with the transmit clock oscillator. The other operating point is a safe control range in which the sampling clock oscillator has a slower clock cycle than the transmit clock oscillator. Based on the gradient and the diagram can be made a statement about the Einregelungsvorgang. In the diagram, a suitable setpoint of the operating point is determined, to which the control adjusts with the control algorithm. In addition, the control behavior of the control loop can be monitored, as this may change due to external influences or aging phenomena. Thus, with regard to the predictive maintenance of the device, the control loop is checked for errors and old monitored.
[0010] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt in einen definierten sicheren Regelbereich zurücksetzt, indem die Regelgröße auf einen Minimalwert zurückgesetzt wird, wenn der Arbeitspunktes in einem kritischen Regelbereich der Regelung ermittelt wird. Der Arbeitspunkt wird in einen sicheren Regelbereich überführt, indem die Regelgröße, z.B. eine Regelspannung auf einen definierten Minimalwert, der im sicheren Regelbereich liegt, zurück geregelt wird. Von diesem Minimalwert ausgehend ändert der Regelalgorithmus in der Regel-/Auswerteeinheit die Regelgröße schrittweise, so dass sich der aktuelle Arbeitspunkt dem Sollwert des Arbeitspunktes beständig annähert.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that the control algorithm resets the operating point in a defined safe control range by the controlled variable is reset to a minimum value when the operating point is determined in a critical control range of the scheme. The operating point is transferred to a safe control range by the controlled variable, e.g. a control voltage is regulated back to a defined minimum value which lies within the safe control range. Starting from this minimum value, the control algorithm in the control / evaluation unit changes the control variable stepwise, so that the current operating point is constantly approaching the setpoint of the operating point.
[0011] Eine sehr vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dassA very advantageous variant of the method according to the invention is that
[0012] der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt auf den Sollwert des Arbeitspunkts einregelt, indem die Regelgröße stetig verändert wird, wenn der Arbeitspunkt in einem definierten sicheren Regelbereich der Regelung ermittelt wird. Der Regelalgorithmus regelt die aktuelle Differenzfrequenz auf den Sollwert der Differenzfrequenz oder die aktuelle Differenzzeit auf den Sollwert der Differenzzeit ein, indem die Regelgröße, z.B. eine Regelspannung, kontinuierlich erniedrigt oder erhöht wird, je nachdem ob der aktuelle Arbeitspunkt oberhalb oder unterhalb des Sollwerts des Arbeitspunktes lokalisiert wird.The control algorithm adjusts the operating point to the desired value of the operating point by the control variable is changed continuously when the operating point is determined in a defined safe control range of the scheme. The control algorithm adjusts the actual difference frequency to the setpoint value of the difference frequency or the current difference time to the setpoint value of the difference time by the control variable, e.g. a control voltage is continuously reduced or increased, depending on whether the current operating point is located above or below the setpoint of the operating point.
[0013] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass von dem Regelalgorithmus eine Störung erkannt wird, falls der Arbeitspunkt permanent im Störungsbereich oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzfrequenz oder unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit ermittelt wird. Da eine Differenzzeit unterhalb dieses minimalen Grenzwertes oder da Differenzfrequenz oberhalb dieses maximalen Grenzwerts in der Regelung nicht vorkommen können, muss einen Störung der Hardware vorliegen. Diese Feststellung einer Störung des Regelkreises kann als Meldung an einem Display der Füllstands- mes s Vorrichtung dargestellt werden oder über den Feldbus an eine Leitstelle oder andere Feldgeräte übermittelt werden. Des Weiteren ist es möglich, dass durch die Feststellung einer Störung des Regelkreises die Regel-/ Auswerteinheit bzw. das gesamte Messgerät neu initialisiert und somit die Regelung in einen definierten Anfangszustand bringt.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that a fault is detected by the control algorithm, if the operating point is permanently determined in the disturbance range above a maximum limit of the difference frequency or below a minimum limit of the difference time. Since a difference time below this minimum limit value or because of the difference frequency above this maximum limit value can not occur in the closed-loop control, a hardware fault must be present. This detection of a disturbance of the control loop can be represented as a message on a display of the filling level measuring device or transmitted via the field bus to a control center or other field devices. Furthermore, it is possible that by determining a fault in the control loop, the control / evaluation unit or the entire meter re-initializes and thus brings the control in a defined initial state.
[0014] In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei einem definierten Grenzwert der Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit von dem Sollwert der Differenzzeit in dem Regelalgorithmus ein Fehlerzähler inkrementiert wird, wenn dieser Grenzwert überschritten wird, oder dekrementriert wird, wenn dieser Grenzwert eingehalten wird. Falls die Messwerte der Differenzzeit oder der Differenzfrequenz ein gewisses Maß von den vorgegebenen Sollwerten der Differenzzeit oder den vorgegebenen Sollwerten der Differenzfrequenz abweichen, z.B. +1 μs (Mikrosekunde) oder 1 mHz (Millihertz), wird ein Fehlerzähler aktiviert. Der Fehlerzähler wird um „eins" erhöht, falls der aktuelle Messwert außerhalb der festgesetzten Grenzen liegt und um „eins" erniedrigt, falls der aktuelle Messwert die festgesetzten Grenzen einhält.In an advantageous embodiment of the method according to the invention it is proposed that at a defined limit of the deviation of the difference frequency of the desired value of the difference frequency or the difference time of the setpoint of the difference time in the control algorithm, an error counter is incremented when this limit is exceeded, or is decremented when this Limit value is maintained. If the measured values of the difference time or the difference frequency deviate to some extent from the predetermined setpoint values of the difference time or the predetermined setpoint values of the difference frequency, eg +1 μs (microsecond) or 1 mHz (milli hertz), an error counter is activated. The error counter is incremented by "one" if the current reading is outside the set limits and decremented by "one" if the current reading meets the set limits.
[0015] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass ein maximaler Zählwert des Fehlerzählers eingestellt wird, bei dem der Fehlerzähler gelöscht wird, der Regelalgorithmus unterbrochen wird und der Arbeitspunkt in einen definierten sichereren Regelbereich der Regelkennlinie durch Zurückfahren der Regelgröße auf einen Minimalwert versetzt wird. Erzeugt der Fehlerzähler einen so genannten Überlauf, wenn der aktuelle Zählwert den festgesetzte maximale Zähl wert von beispielsweise 100 überschreitet, wird eine Einregelung in einem sicheren Regelbereich erneut gestartet, indem die Regelgröße auf einen Minimalwert zurückgefahren wird. Der maximale Zählwert des Fehlerzählers bestimmt hierbei die Fehlertoleranz des Regelsystems bzw. Regelkreises.According to an advantageous embodiment of the method according to the invention it is provided that a maximum count of the error counter is set, in which the error counter is deleted, the control algorithm is interrupted and the operating point in a defined safer control range of the control characteristic by returning the controlled variable to a minimum value is offset. If the error counter generates a so-called overflow, if the current count value exceeds the set maximum count value, for example 100, a regulation in a safe control range is restarted by reducing the controlled variable to a minimum value. The maximum count of the error counter determines the fault tolerance of the control system or control loop.
[0016] Eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Regelgröße bis zu einem ersten Toleranzwert eine große Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal von dem Regelalgorithmus bewirkt wird. Der erste Toleranzwert legt fest, in welchem Bereich der Abweichungen der aktuellen Differenzzeit bzw. der aktuellen Differenzfrequenz von deren Sollwerten ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal zur Regelung und Ansteuerung der Frequenzregeleinheit angewendet wird. Das pulswei- tenmodulierte Regelsignal eignet sich für große Abweichungen der aktuellen Differenzzeit bzw. der aktuellen Differenzfrequenz von deren Sollwerten, da große Änderungen in der Regelgröße bzw. Regelspannung erreicht werden können, während eine Feineinregelung der Differenzfrequenz bzw. Differenzzeit auf den Sollwert bei kleinen Abweichungen nur erschwert möglich ist. Dieser erste Toleranzwert einer großen Regelabweichung liegt beispielsweise bei 5 ms (Millisekunde).An advantageous embodiment of the method according to the invention is to be seen in that as a control variable up to a first tolerance value, a large deviation of the difference frequency of the desired value of the difference frequency or the difference time from the target value of the difference time a pulse width modulated control signal is effected by the control algorithm. The first tolerance value determines in which range of the deviations of the current difference time or the current difference frequency from the setpoint values of which a pulse-width-modulated control signal is used for controlling and activating the frequency regulation unit. The pulse width modulated control signal is suitable for large deviations of the current difference time or the current difference frequency of their setpoints, since large changes in the controlled variable or control voltage can be achieved while fine adjustment of the difference frequency or difference time to the setpoint for small deviations only difficult is possible. This first tolerance value of a large control deviation is, for example, 5 ms (millisecond).
[0017] Eine ergänzende vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass als Regelgröße bei einem zweiten Toleranzwert einer mittleren Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal von dem Regelalgorithmus erzeugt wird. Ab einem zweiten Toleranzwert wird aus den zuvor beschriebenen Gründen, nämlich dass ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal zur Feineinregelung des Istwerts auf den Sollwert der Differenzzeit bzw. Diffe- renzfrequenz nicht geeignet ist, ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal angewendet. Die Regel-/Auswerteinheit bzw. Mikrocontroller erzeugen abhängig von deren Betriebsfrequenz kurze Pulse, die das impulsfolgenmodulierte Regelsignal ergeben. Der Mikrocontroller erzeugt maximal kurze Pulse, die je nach erforderlicher Regelgröße als eine entsprechende Pulsfolge die Frequenzregeleinheit ansteuern. Dieser zweite Toleranzwert einer mittleren Regelabweichung liegt beispielsweise bei 1 μs (Mikrosekunde) .A supplementary advantageous variant of the method according to the invention is to be seen in that as a control variable at a second tolerance value of a mean deviation of the difference frequency of the setpoint of the difference frequency or the difference time from the setpoint of the difference time a pulse-modulated control signal is generated by the control algorithm. From a second tolerance value, for the reasons described above, namely that a pulse-width-modulated control signal for finely adjusting the actual value is adjusted to the setpoint value of the difference time or differential value. frequency is not suitable, a pulse train modulated control signal applied. Depending on their operating frequency, the control / evaluation unit or microcontroller generate short pulses which result in the control signal which is modulated by pulse train. The microcontroller generates maximum short pulses which, depending on the required control variable, drive the frequency control unit as a corresponding pulse train. This second tolerance value of a mean control deviation is for example 1 μs (microsecond).
[0018] Weiterhin wird vorgeschlagen, dass bei einem dritten Toleranzwert einer kleinen oder tendenziellen Regelabweichung der Differenzfrequenz von dem Sollwert der Differenzfrequenz oder der Differenzzeit vom Sollwert der Differenzzeit nicht sofort mit einer entsprechenden Regelgröße entgegen geregelt wird, sondern eine Tendenz der Regelabweichungen bestimmt wird und ein tendenzielles Regelsignal, das zu den nachfolgenden impulsfolgenmodulierten Regelsignalen oder zu den pulsweitenmo- dulierten Regelsignalen hinzugefügt wird, erzeugt wird. Liegt die aktuelle Regelabweichung der Differenzzeit beispielsweise im Bereich von einigen μs (Mikrosekunde) und/oder entspricht diese einer tendenziellen Regelabweichung, so wird nicht sofort nachgeregelt, sondern diese minimalsten Änderungen werden in die späteren impulsfolgenmodulierten oder pulsweitenmodulierten Regelsignale mit eingerechnet. Da sich solche kleinen Regelabweichungen unterhalb des dritten Toleranzwertes nur sehr schwer durch ein Nachregeln bzw. ein Nachführen der Regelgröße korrigieren lassen, wird durch die rechnerische Integration dieser tendenziellen Regelabweichungen in die größeren und mittleren Regelabweichungen eine Möglichkeit geschaffen, die Regelung genauer und stabiler zu gestalten. Ein Überschwingen und ein folgendes Einschwingen der Regelung kann dadurch vermieden werden.Furthermore, it is proposed that at a third tolerance value of a small or tendency deviation of the difference frequency of the target value of the difference frequency or the difference time from the target value of the difference time is not immediately controlled with a corresponding control variable, but a tendency of the system deviation is determined and a is generated, which is added to the subsequent pulse train modulated control signals or to the pulse width modulated control signals. If the current deviation of the difference time, for example, in the range of a few microseconds microsecond and / or this corresponds to a tendency error, so is not readjusted immediately, but these minimal changes are included in the subsequent pulse train modulated or pulse width modulated control signals. Since such small control deviations below the third tolerance value can only be corrected very difficult by readjustment or tracking of the controlled variable, the computational integration of these tendency deviations into the larger and medium control deviations creates a possibility for making the control more accurate and stable. An overshoot and a subsequent settling of the control can be avoided.
[0019] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Zur Vereinfachung sind in den Zeichnungen identische Teile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen worden. Es zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to the following drawings. For simplicity, identical parts have been given the same reference numerals in the drawings. It shows:
[0020] Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Ermittlung des Füllstandes in einem Behälter;Fig. 1 shows an embodiment of a device for determining the level in a container;
[0021] Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des Regelkreis der Vorrichtung zur Erzeugung der Zwischenfrequenz mit der Sende-/Empfangseinheit und Regel-/Auswerteeinheit;2 shows an embodiment of the control circuit of the device for generating the intermediate frequency with the transmitting / receiving unit and control / evaluation unit.
[0022] Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Regelkennlinie mit den sicheren und kritischen Regelbereichen und dem Störungsbereich; und3 shows an embodiment of the control characteristic with the safe and critical control areas and the fault area; and
[0023] Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines schematischen Zustandsdiagramms der Signale in des in Fig. 2 dargestellten Regelkreises.4 shows an exemplary embodiment of a schematic state diagram of the signals in the control circuit shown in FIG. 2.
[0024] In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Ermittlung der Distanz d bzw. des Füllstands 1 anhand der Laufzeit t von hochfrequenten Messsignalen SHF aufgezeigt. Dazu weist die Vorrichtung 1 vornehmlich eine mit dem Messumformer 2 verbundene Messeinheit 3 auf, mittels der das hochfrequente Messsignal SHF bzw. Sendesignal Sτx in einen das Füllgut 5 umfassenden Prozessraum 6 des Behälters 7 eingekoppelt und ausgesendet wird. Die Messeinheit 3 ist durch eine Öffnung, z.B. einen Stutzen, in den Prozessraum 6 des Behälters 7 eingeführt. Die Messeinheit 3 bzw. das Wandlerelement kann, wie in Fig. 1 dargestellt, als eine Antenne 3a und insbesondere als eine Hornantenne, eine Stabantenne, eine Parabolantenne oder auch eine Planarantenne, ausgestaltet sein, die das Sendesignal Sτx in den Prozessraum 6 des Behälters 7 frei abstrahlt. Anstelle von in den Prozessraum 6 frei abstrahlenden Antennen 3a kann als Messeinheit 3, wie in der Fig. 2 dargestellt, auch ein Oberflächenwellenleiter 3b in der Vorrichtung 1 zur Füllstandsmessung verwendet werden, der das hochfrequente Messsignal SHF aufgrund des Skin-Effekts an dessen Oberfläche entlang führt.In Fig. 1, an embodiment of the device 1 according to the invention for determining the distance d or the level 1 is shown on the basis of the transit time t of high-frequency measurement signals S HF . For this purpose, the device 1 mainly a connected to the transmitter 2 measuring unit 3, by means of which the high-frequency measurement signal S RF or transmission signal S τx is coupled into a filling material 5 comprehensive process space 6 of the container 7 and sent out. The measuring unit 3 is inserted through an opening, for example a nozzle, into the process space 6 of the container 7. The measuring unit 3 or the transducer element, as shown in Fig. 1, as an antenna 3a and in particular as a horn antenna, a rod antenna, a parabolic antenna or a planar antenna, be configured, the transmission signal S τx in the process space 6 of the container 7 radiates freely. Instead of antennas 3a which radiate freely in the process space 6, a surface waveguide 3b in the device 1 for level measurement, which measures the high-frequency measurement signal S HF due to the skin effect on the surface thereof, can also be used as measuring unit 3, as shown in FIG along leads.
[0025] In dem Messumformer 2 der Vorrichtung 1 werden die Sendesignale Sτx in einerIn the transmitter 2 of the device 1, the transmission signals S τx in a
Sende-/Empfangseinheit 17 erzeugt und an die aussendende Messeinheit 2 übermittelt. Ausgesandte Sendesignale STχ, die beispielsweise wieder an der Oberfläche 4 des Füllguts 5 reflektiert worden sind, werden von Messeinheit 2 empfangen und zurück an die Sende -/Empfangseinheit 17 geleitet, in der die empfangenen Reflexionssignale SRX vorverarbeitet werden. Die hochfrequenten Messsignale SHF, bestehend aus Sendesignalen STχ und aus Reflexionssignalen SRX, werden beispielsweise in der Sende- /Empfangseinheit 17 über ein Abtastverfahren bzw. eine sequentielle Abtastung mit zwei in der Frequenz leicht versetzten Hochfrequenzimpulsfolgen in ein zeitgedehntes, niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal S2F umgewandelt. Das auf diese Weise herunter gemischte Zwischenfrequenzsignal SZF kann anschließend im niederfrequenten Bereich von einer Regel-/Auswerteeinheit 15 ausgewertet werden und die Laufzeit t bzw. der Laufweg x des ausgesandten hochfrequenten Messsignals SHF ermittelt werden.Transmitting / receiving unit 17 is generated and transmitted to the emitting measuring unit 2. Sending transmitted signals S T χ, which have for example been reflected again on the surface 4 of the medium 5, are received by measuring unit 2 and passed back to the transmitting / receiving unit 17, in which the received reflection signals S RX are pre-processed. The high-frequency measurement signals S HF , consisting of transmission signals S T χ and reflection signals S RX are, for example, in the transmitting / receiving unit 17 via a sampling method or a sequential sampling with two frequency-shifted slightly in the frequency high-frequency pulse sequences in a time-stretched, lower-frequency intermediate frequency signal S. 2F converted. The intermediate frequency signal S ZF mixed down in this way can then be evaluated in the low-frequency range by a control / evaluation unit 15 and the transit time t or the travel x of the emitted high-frequency measurement signal S HF can be determined.
[0026] Dementsprechend wird bei der Methode der geführten Mikrowelle, der Zeitbe- reichsreflektometrie bzw. der TDR - Messmethode (Time Domain Reflection) ein Sendesignal Sτx beispielsweise entlang eines Sommerfeldschen oder Goubauschen Oberflächenwellenleiters 3b oder Koaxialwellenleiters ausgesendet, welches bei einer Diskontinuität des DK- Wertes (Dielektrizitätskonstanten) des den Oberflächenwellenleiter 3b umgebenden Füllguts 5 zurückreflektiert wird. Durch die vom Füllgut 5 verursachten Impedanzsprünge innerhalb des Prozessraums 6 des Behälters 7, insbesondere an der Grenzschicht 4 zwischen Freiraum und Füllgut 5 im Behälter 7, wird das Sendesignal Sτx zumindest teilweise zurück reflektiert. Aufgrund dessen ein entsprechendes, meist schwächeres Reflexionssignal SRX in entgegengesetzter Richtung an dem Oberflächenwellenleiter 3b zur Sende-/Empfangseinheit 17 zurück läuft.[0026] Accordingly, in the guided microwave method, the time domain reflectometry or the time domain reflection (TDR) measuring method, a transmission signal S.sub.τx is emitted, for example, along a Sommerfeld or Goubausch surface waveguide 3b or coaxial waveguide, which in the case of a discontinuity of the DK Value (dielectric constant) of the surface waveguide 3b surrounding filling material 5 is reflected back. Due to the impedance jumps caused by the filling material 5 within the process space 6 of the container 7, in particular at the boundary layer 4 between free space and filling material 5 in the container 7, the transmission signal S τx is at least partially reflected back. Due to this, a corresponding, usually weaker reflection signal S RX in the opposite direction on the surface waveguide 3b to the transmitting / receiving unit 17 runs back.
[0027] Die von der Antenne 3a frei abgestrahlten und die an dem verlustfreien Oberflä- chenwellenleiter 3b geführten hochfrequenten Messsignale SHF breiten sich im freien Prozessraum 6 des Behälters 7 in Luft- oder Schutzgas-Atmosphäre näherungsweise mit Lichtgeschwindigkeit C0 aus. Diese Sendesignale Sτx werden an im Abstrah- lungskegel der Antenne 3 a oder in der Nähe des Oberflächen Wellenleiters 3b befindlichen Oberflächen 4 von Medien mit einem höheren DK- Wert, beispielsweise dem Füllgut 4, als dem der Luft oder des Schutzgases teilweise oder vollständig zurückreflektiert. Über die gemessene Laufzeit t des ausgesendeten Sendesignals Sτx zum reflektierten Reflexionssignal SRX wird durch eine Umrechnung über die Formel der Wellengeschwindigkeit die zurückgelegte Laufstrecke x bzw. Distanz d ermittelt. Diese Differenzstrecke bzw. diese Distanz d entspricht der Höhe h des Behälters 7 minus dem Füllstand 1 des Füllguts 5 im Behälter 7. Da die Höhe h des Behälters 7 bzw. die Position der Einkopplung des Sendesignals Sτx bekannt ist, lässt sich somit der Füllstand 1 und gegebenenfalls sogar das Volumen, bzw. bei Kenntnis der Dichte des Füllguts 5, die Masse des Füllguts 5 im Behälter 7 ermitteln.The free radiated from the antenna 3a and at the lossless Oberflä- Chen chenwellenleiter 3b guided high-frequency measurement signals S HF propagate in the free process space 6 of the container 7 in an atmosphere of air or inert gas approximately at the speed of light C 0 . These transmission signals S τx are partially or completely reflected back to surfaces 4 of media having a higher dielectric constant value, for example the filling material 4, than the air or the protective gas in the radiation cone of the antenna 3a or in the vicinity of the surface waveguide 3b , About the measured transit time t of the transmitted signal S τx to the reflected reflection signal S RX is determined by a conversion over the formula of the wave velocity, the distance traveled distance x or distance d. This difference distance or this distance d corresponds to the height h of the container 7 minus the level 1 of the filling material 5 in the container 7. Since the height h of the container 7 or the position of the coupling of the transmission signal S τx is known, thus the level 1 and possibly even the volume, or with knowledge of the density of the filling material 5, the mass of the filling material 5 in the container 7 determine.
[0028] Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 hat die Aufgabe die Kommunikation mit einer beispielsweise entfernten Leitstelle oder einem anderen Messgerät bzw. Feldgerät über einen Feldbus 9 zu regeln und die Messwerte, z.B. den Füllstand 1, oder Konfigurationsdaten der Vorrichtung 1 zu empfangen und zu versenden. Der Feldbus 9 arbeitet nach den üblichen Kommunikationsstandards, wie z.B. Foundation Fieldbus oder Profibus-PA, und ist beispielsweise in einer in der Prozessmesstechnik üblichen Zweileitertechnik ausgestaltet. Die Versorgung der Vorrichtung 1 mit Energie kann zusätzlich zur Energieversorgung der Vorrichtung 1 über den Feldbus 9 nach dem Zweileiter-Standard mittels einer separaten Energieversorgungsleitung 8 erfolgen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 kann als ein integraler Teil der Regel- /Aus werteeinheit 15 ausgestaltet sein.The task of the communication / supply unit 14 is to control the communication with, for example, a remote control center or another measuring device or field device via a field bus 9 and to measure the measured values, e.g. the level 1, or to receive configuration data of the device 1 and to send. The fieldbus 9 operates according to the usual communication standards, e.g. Foundation Fieldbus or Profibus PA, and is designed, for example, in a usual in process instrumentation two-wire technology. The supply of the device 1 with energy can be done in addition to the power supply of the device 1 via the field bus 9 according to the two-wire standard by means of a separate power supply line 8. The communication / supply unit 14 may be configured as an integral part of the control / evaluation unit 15.
[0029] In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Blockschaltbildes der Vorrichtung 1 gezeigt, das den Messumformer 2 der Vorrichtung zur Erzeugung der Zwischenfrequenz SZF mit einer Sende-/Empfangseinheit 17 und Regel-/ Auswerteeinheit 15 zeigt. Die Sende -/Empfangseinheit 17 kann grundlegend in einen HF-Schaltungsteil 21 mit Sendeimpulsgenerator 18, Abtastschaltung 19, und Sende-/Empfangsweiche 23, in dem grundsätzlich HF-Signale erzeugt und verarbeitet werden, und einen NF- Schaltungsteil 20 mit Sendetaktoszillator 13, Abtasttaktoszillator 12, Frequenzumsetzer 11, in dem grundsätzlich NF-Signale erzeugt und verarbeitet werden, eingeteilt werden. Die einzelnen Schaltungselemente im HF-Schaltungsteil 21 sind erfahrungsgemäß in analoger Schaltungstechnik aufgebaut, d.h. es werden analoge Messsignale erzeugt und verarbeitet. Dahingegen können die einzelnen Schaltungselemente im NF-Schaltungsteil 20 entweder auf der Basis von digitaler Schaltungstechnik und/oder analoger Schaltungstechnik aufgebaut sein. Unter dem Ge- sichtspunkt des rasanten Fortschritts der digitalen Signalverarbeitung ist es auch denkbar, den HF-Schaltungsteil 21 mit digitalen Schaltungselementen auszuführen. Es sind auch die verschiedensten Variationen der einzelnen Schaltungselemente in digitaler und analoger Schaltungstechnik denkbar, die hier nicht explizit ausgeführt werden. Deshalb ist die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsform aus Fig. 2 nur als ein Beispiel aus vielen möglichen Ausführungsmöglichkeiten anzusehen. Die Kommunikations-/Versorgungseinheit 14 wurde aus Gründen der Reduktion der Darstellung auf das Wesentliche nicht in Fig. 2 nochmals explizit dargestellt.In Fig. 2 shows an embodiment of a block diagram of the device 1 is shown, which shows the transmitter 2 of the device for generating the intermediate frequency S ZF with a transmitting / receiving unit 17 and control / evaluation unit 15. The transmitting / receiving unit 17 can basically be converted into an HF circuit part 21 with a transmitting pulse generator 18, sampling circuit 19, and transmitting / receiving dipole 23, in which in principle HF signals are generated and processed, and a LF circuit part 20 with transmitting clock oscillator 13, sampling clock oscillator 12, frequency converter 11, in which in principle LF signals are generated and processed, are divided. The individual circuit elements in the RF circuit part 21 are constructed according to experience in analog circuit technology, ie analog measurement signals are generated and processed. On the other hand, the individual circuit elements in the LF circuit part 20 can be constructed either on the basis of digital circuit technology and / or analog circuit technology. Under the From the point of view of the rapid progress of digital signal processing, it is also conceivable to design the RF circuit part 21 with digital circuit elements. There are also the most diverse variations of the individual circuit elements in digital and analog circuit technology conceivable, which are not explicitly carried out here. Therefore, the following description of the embodiment of Fig. 2 is to be considered as an example of many possible embodiments. The communication / supply unit 14 has not been shown explicitly again in FIG. 2 for reasons of reducing the representation to the essentials.
[0030] Bei der Laufzeitmessung von gepulsten hochfrequenten Messsignalen SHF wird die an die Messeinheit 3 angekoppelte Sende-/ Empfangseinheit 17 dazu eingesetzt, zueinander kohärente Wellenpakete von vorgebbarer Pulsform und Pulsweite, so genannte Bursts bzw. kurze Wellenpakete, zu erzeugen und zu verarbeiten. Die Pulsform eines einzelnen Bursts bzw. eines einzelnen kurzen Wellenpakets entspricht üblicherweise nadeiförmigen oder sinusoiden, halbwellenförmigen Impulsen von vorgebbarer Pulsweite. Es können aber auch, falls erforderlich, andere geeignete Pulsformen für diese Bursts verwendet werden. Die Sende-/Empfangseinheit 17 umfasst hierzu einen von dem Sendetaktoszillator 13 getriggerten Sendeimpuls- generator 18 zum Erzeugen einer als ein Sendesignal STχ dienenden ersten Burstfolge. Die Impulse des Sendesignals STχ sind mit einer Hochfrequenz fHF des Sendeimpuls- generators 18 geträgert, die in etwa im Bereich zwischen 0.5 und 78 GHz liegt, und überdies mit einer Pulsrepetierfrequenz fPRF bzw. Schussrate getriggert, die auf einen Frequenzbereich von einigen Megahertz, insbesondere einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 10 MHz eingestellt ist. Diese Pulsrepetierfrequenz fPRF zum Ansteuern des Sendeimpulsgenerators 18 wird von einem Sendetaktoszillator 13 erzeugt. Die Hochfrequenz fHF und/oder Pulsrepetierfrequenz fPRF können aber auch, falls erforderlich, außerhalb der jeweils angegebenen Frequenzbereiche liegen.In the transit time measurement of pulsed high-frequency measurement signals S HF coupled to the measuring unit 3 transmitter / receiver unit 17 is used to mutually coherent wave packets of predeterminable pulse shape and pulse width, so-called bursts or short wave packets to produce and process. The pulse shape of a single burst or a single short wave packet usually corresponds to needle-shaped or sinusoidal, half-wave pulses of predeterminable pulse width. However, if necessary, other suitable pulse shapes may be used for these bursts. For this purpose, the transmitting / receiving unit 17 comprises a transmitting pulse generator 18 triggered by the transmitting clock oscillator 13 for generating a first burst sequence serving as a transmitting signal S T χ. The pulses of the transmission signal S T χ are carried at a high frequency f HF of the transmit pulse generator 18, which is approximately in the range between 0.5 and 78 GHz, and moreover triggered with a pulse repetition frequency f PRF or shot rate, which has a frequency range of some Megahertz, in particular a frequency range from 1 MHz to 10 MHz is set. This pulse repetition frequency f PRF for driving the transmit pulse generator 18 is generated by a transmit clock oscillator 13. However, the high frequency f HF and / or pulse repetition frequency f PRF can also, if necessary, be outside the respectively specified frequency ranges.
[0031] Das an dem Signalausgang des Sendeimpulsgenerators 14 anliegende Sendesignal S TX wird mittels einer Sende-/Empfangsweiche 23, insbesondere mittels eines Richtkopplers oder eines Hybrid-Kopplers, der Sende-/Empfangseinheit 17 in das an einem ersten Signalausgang der Sende -/Empfangsweiche 23 angeschlossene Messeinheit 3, z.B. Antenne 3a oder Oberflächenwellenleiter 3b, eingekoppelt. Praktisch gleichzeitig liegt das Sendesignal Sτx außerdem an dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 an. Die in der oben beschriebenen Art und Weise im Messvolumen 6 des Behälters 5 erzeugten Reflexionsmesssignale SRX werden, wie bereits erwähnt, von der Vorrichtung 1 mittels der Messeinheit 3 wieder empfangen und am zweiten Signalausgang der Sende -/Empfangsweiche 23 ausgekoppelt. Dementsprechend kann am zweiten Signalausgang der Sende- /Empfangsweiche 23 eine mittels des Sendesignals STχ und des Reflexionsmesssignals SRX gebildete Gesamtmesssignal STX+SRX abgegriffen werden.The applied to the signal output of the transmission pulse generator 14 transmission signal S TX is by means of a transmitting / receiving switch 23, in particular by means of a directional coupler or a hybrid coupler, the transmitting / receiving unit 17 in the at a first signal output of the transmitting / receiving switch 23 connected measuring unit 3, for example, antenna 3a or surface waveguide 3b, coupled. Practically at the same time, the transmission signal S τx is also applied to the second signal output of the transmission / reception switch 23. As already mentioned, the reflection measuring signals S RX generated in the measuring volume 6 of the container 5 in the manner described above are again received by the device 1 by means of the measuring unit 3 and coupled out at the second signal output of the transmitting / receiving switch 23. Accordingly, at the second signal output of the transmitting / receiving switch 23, by means of the transmission signal S T χ and the reflection measurement signal S RX formed total measurement signal S TX + S RX are tapped.
[0032] Ein direktes Auswerten der am zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 8 anliegenden hochfrequenten Gesamtmesssignale STX+SRX, insbesondere ein direktes Messen der Laufzeit t, ist praktisch nicht mehr oder nur mit einem hohen technischen Aufwand, z.B. durch Einsatz von Hochfrequenzelektronik-Bauteilen, möglich. Aufgrund dessen umfasst die Sende-/Empfangseinheit 2 ferner eine Abtastschaltung 19, die das hochfrequent geträgerte Gesamtmesssignal STX+SRX zeitlich in dergestalt dehnt, dass die Hochfrequenz fHF und die Pulsrepetierfrequenz fPRF in einen niedrigeren Frequenzbereich von einigen hundert Kilohertz transformiert werden. Zum zeitlichen Dehnen des Gesamtmesssignals STX+SRX wird dieses einem mit dem zweiten Signalausgang der Sende-/Empfangsweiche 23 verbundenen ersten Signaleingang der Abtastschaltung 19 zugeführt. Gleichzeitig mit dem Gesamtmesssignal Sxχ+Si« ist an einem zweiten Signaleingang der Abtastschaltung 19 ein Abtastsignal Ssampi des Abtastoszillators 12 angelegt. Eine Abtastfrequenz fSampi bzw. Taktrate, mit der das Abtastsignal Ssampi getaktet ist, ist im Normalfall etwas kleiner eingestellt als die Pulsrepetierfrequenz fPRF des Sendesignals Sτx. Mittels der Abtastschaltung 19 wird das Gesamtmesssignal STJC+SI« auf ein Zwischenfrequenzsignal SZF abgebildet, das um einen Transformationsfaktor Kτ gegenüber dem Gesamtmesssignal STJC+SI« zeitlich gedehnt ist. Diese Abtastschaltung 19 tastet aufgrund des Frequenzversatzes zwischen der Pulsrepetierfrequenz fPRF und der Abtastfrequenz fSampi das Gesamtmesssignal STX+SRX in jeder Periode bei unterschiedlicher Phasenlage ab, wodurch ein zeitgedehntes Zwischenfrequenzsignal SZF mit dem zuvor beschriebenen Transformationsfaktor kτ entsteht. Die Abtastschaltung 19 ist beispielsweise als ein HF- Frequenzumsetzer bzw. HF-Mischer mit einem Abtastimpulsgenerator, der die gleiche Phasenlage und Frequenz der Burstfolge wie der Sendeimpulsgenerator 18 aufweist, oder ein schneller Abtastschalter ausgestaltet. Als Abtastschalter können beispielsweise HF-Dioden oder schnelle Transistoren zum Einsatz kommen.A direct evaluation of the voltage applied to the second signal output of the transmitting / receiving switch 8 high-frequency total measurement signals S TX + S RX , in particular a direct measurement of the transit time t, is practically no longer or only with a high technical complexity, eg by using high-frequency electronics Components, possible. Because of this, the transmitting / receiving unit 2 further comprises a sampling circuit 19 which temporally expands the high-frequency-carrying total measuring signal S TX + S RX in such a way that the high frequency f HF and the pulse repetition frequency f PRF are transformed into a lower frequency range of a few hundred kilohertz. For temporally stretching the total measurement signal S TX + S RX , this is supplied to a first signal input of the sampling circuit 19 connected to the second signal output of the transmitting / receiving switch 23. At the same time, the total measuring signal Sxχ + Si "of the sampling circuit 19 is a sampling signal Ss applied amp i of the sampling oscillator 12 at a second signal input. A sampling frequency f Samp i or clock rate at which the sampling signal Ss amp i is clocked is normally set slightly smaller than the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S τx . By means of the sampling circuit 19, the total measurement signal S TJC + S I «is mapped to an intermediate frequency signal S ZF , which is time-stretched by a transformation factor K τ compared to the total measurement signal S TJC + S I «. Due to the frequency offset between the pulse repetition frequency f PRF and the sampling frequency f Samp i, this sampling circuit 19 samples the total measurement signal S TX + S RX in each phase with different phase angles, resulting in a time-expanded intermediate frequency signal S ZF having the above-described transformation factor k τ . The sampling circuit 19 is designed, for example, as an HF frequency converter or RF mixer with a sampling pulse generator having the same phase position and frequency of the burst sequence as the transmission pulse generator 18, or a fast sampling switch. As a sampling switch, for example, RF diodes or fast transistors can be used.
[0033] Der Transformationsfaktor kτ, mit dem das Gesamtmesssignal Sxx-I-SiOt in ein niederfrequenteres Zwischenfrequenzsignal S2F umgewandelt wird, entspricht dabei einem Quotienten der Pulsrepetierfrequenz fPRF des Sendesignals Sτx geteilt durch eine Differenz der Pulsrepetierfrequenz fPRF des Sendesignal Sτx und der Abtastfrequenz f sampi des Abtastsignals SSaπψh The transformation factor k τ , with which the total measurement signal Sx x -I-Si Ot is converted into a lower-frequency intermediate frequency signal S 2F corresponds to a quotient of the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S τx divided by a difference of the pulse repetition frequency f PRF of the transmission signal S τx and the sampling frequency f sam p i of the sampling signal S Saπψh
[0034][0034]
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(Gl. 1) [0035] Eine Zwischenfrequenz fZF des so erzeugten Zwischenfrequenzsignals SZF liegt bei derartigen Vorrichtungen 1 zur Ermittlung des Füllstands 1 üblicherweise in einem Frequenzbereich von 50 bis 200 kHz; falls erforderlich kann der Frequenzbereich aber auch höher oder niedriger gewählt werden. Empirisch wird in den Messgeräten der Anmelderin die Zwischenfrequenz fZF auf ca. 160 kHz eingestellt. Die Abhängigkeit der Zwischenfrequenz f^ von dem Verhältnis von Abtastfrequenz fSampi und Pulsrepetierfrequenz fpRp, wie in der zweiten Gleichung (Gl. 2) gezeigt, lässt sich aus der ersten Gleichung (Gl. 1) herleiten. [0036]An intermediate frequency f IF of the intermediate frequency signal S IF generated in this way is included such devices 1 for determining the level 1 usually in a frequency range of 50 to 200 kHz; if necessary, the frequency range can be selected higher or lower. Empirically, the intermediate frequency f IF is set to about 160 kHz in the measuring instruments of the applicant. The dependence of the intermediate frequency f 1 on the ratio of the sampling frequency f Samp i and the pulse repetition frequency fp R p as shown in the second equation (equation 2) can be derived from the first equation (equation 1). [0036]
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Figure imgf000014_0001
(Gl. 2)(Equation 2)
[0037] Falls erforderlich, wird das Zwischenfrequenzsignal SZF, das gegenüber der Gesamtmesssignale STX+SRX um einen Transformationsfaktor kτ zeitgedehnt ist, in geeigneter Weise durch eine Filter-/Verstärkereinheit 22 als ein gefiltertes Zwischenfrequenzsignal Sgefzp verstärkt und gefiltert, bevor es in der Regel-/ Auswerteeinheit 15 oder weiteren Auswertungsschaltungen als Echokurve oder Hüllkurve ausgewertet wird.[0037] If necessary, the intermediate frequency signal S IF, k over the total measuring signals S TX + S RX by a transformation factor is zeitgedehnt τ, found in a suitable manner by a filter / amplifier unit 22 as a filtered intermediate frequency signal S zp amplified and filtered, before it is evaluated in the control / evaluation unit 15 or other evaluation circuits as echo curve or envelope.
[0038] Diese Differenzfrequenz fseeP wird aus zwei Gründen bestimmt; erstens wird durch diesen Regelkreis 24 die momentane Ansteuerung und Triggerung des Abtasttaktoszillators 17 und möglicherweise auch des Sendetaktoszillators 18 durch die Regel- /Aus werteeinheit 15 überprüft und zweitens wird aus dem Quotienten der bekannten oder gemessenen Pulsrepetierfrequenz fPRF und der Differenzfrequenz fseeP ein Transformationsfaktor kτ in der Regel-/ Aus werteeinheit 15 ermittelt. In der Regel- /Auswerteeinheit 15 kann ferner auch schon die Laufzeit t der Messsignale, sowie der Füllstand 1 durch Echosignalauswertung des gefilterten Zwischenfrequenzsignals SZF und durch die Kenntnis des Transformationsfaktors kτ ermittelt werden.This difference frequency f s " eeP is determined for two reasons; First, by this control circuit 24, the instantaneous control and triggering of the sampling clock oscillator 17 and possibly also the Sendetaktoszillators 18 by the control / off value unit 15 checks and second, from the quotient of the known or measured pulse repetition frequency f PRF and the difference frequency f s " eeP a Transformation factor k τ in the control / evaluation unit 15 determined. In the control / evaluation unit 15, the transit time t of the measurement signals, as well as the fill level 1, can also be determined by echo signal evaluation of the filtered intermediate frequency signal S ZF and by the knowledge of the transformation factor k τ .
[0039] In dieser Ausgestaltung wird in dem NF-Schaltungsteil 20 der Sende-In this embodiment, in the LF circuit part 20, the transmission
/Empfangseinheit 17 durch das sequentielle Abtasten der Pulsrepetierfrequenz fPRF mit der Abtastfrequenz fsampi mittels eines Frequenzumsetzers 11 eine Differenzfrequenz f sweep zwischen dem Abtasttaktoszillator 13 und dem Sendetaktoszillator 12 ermittelt. Diese Differenzfrequenz fs„eeP bzw. deren Differenzzeit tseeP wird in der Regel- /Aus werteeinheit 15 verarbeitet und gemessen. Die Differenzzeit tseep entspricht dem Kehrwert der Differenzfrequenz fseeP- Über einen Rückkoppelzweig steuert die Regel-/ Auswerteeinheit 15 den ansteuerbaren Abtasttaktoszillator 13 entsprechend der ermittelten Differenzfrequenz fs„eeP oder der Differenzzeit tSweeP wieder an. Durch diesen Aufbau ist ein Regelkreis 24 geschaffen worden, der die Differenzfrequenz fseeP weitgehend auf dem gewünschten Sollwert der Differenzfrequenz fsWeeP_setPomt, z.B. 21,73913 Hz, einstellt. Das Ansteuern des steuerbaren Abtasttaktoszillators 13 und gegebenenfalls des Sendetaktoszillators 12 erfolgt durch eine Frequenzregeleinheit 10, die bei spannungsgesteuerten Oszillatoren, z.B. VCO oder Oszillator mit einer parallelen frequenzveränderlicher Kapazitätsdiode, eine Regelspannung Vc als entsprechende Regelgröße c_var ausgibt oder die bei digital ansteuerbaren Oszillatoren, z.B. NCO, einen digitalen Regelwert Vdlg als Regelgröße c_var ausgibt. Die Frequenzregeleinheit 10 wird mittels einer so genannten Dreipunktregelung durch ein Aufwärts - Regelsignal RUp und ein Abwärts-Regelsignal RDθwn von der Regel-/Auswerteeinheit 15 so eingestellt, dass eine am Ausgang der Frequenzregeleinheit 10 anliegende Regelgröße c_var den steuerbaren Abtastoszillator 12 entsprechend ansteuert. Die entsprechende Ansteuerung des Abtastoszillators 12 erfolgt in der Art und Weise, dass die Erzeugung des definierten Sollwerts der Differenzfrequenz fsweep_setpomt zwischen der Pulsrepetierfrequenz fPRF und der Abtastfrequenz fSamPie bewirkt wird. Als Regelgröße c_var kann beispielsweise entweder ein Regelspannung Vc oder ein digitaler Regelwert Vdig verwendet werden. Die Frequenzregeleinheit 10 ist beispielsweise als ein RC- Glied bzw. eine Ladungspumpe ausgestaltet, welche die Regelspannung Vc, die die Abtastfrequenz fSampi des Abtastoszillators 12 regelt, stabilisiert. Mit Aufwärts-Re- gelsignalen RUp wird beispielsweise die Ladungsspannung der Ladungspumpe erhöht und mit Abwärts-Regelsignalen RDθwn erniedrigt. Die eingestellte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung Vc wird über eine Messleitung von der Regel-/ Auswerteeinheit 15 ermittelt. Diese Ermittlung ist notwendig, da im Normalfall nur die Differenzfrequenz fsweep ermittelt wird und zur Bestimmung des Gradienten die tatsächlich erzeugte Regelgröße c_var bzw. Regelspannung Vc benötigt wird. In der Regel- /Aus werteeinheit 15 ist beispielsweise ein Mikrocontroller 16 integriert, der die Regelung steuert und den Regelalgorithmus ausführt. In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit tsweep mit den sicheren Regelbereich E und kritischen Regelbereichen A, B, C, F, sowie dem Störungsbereich D dargestellt. Auf der Ordinate des Koordinatensystems ist die Differenzzeit tSweeP und auf der Abszisse des Koordinatensystems ist die Regelspannung Vc als Regelgröße c_var angezeigt. Als Regelgröße c_var ist in diesem Beispiel eine analoge Regelspannung Vc angezeigt worden; dessen ungeachtet ist auch jede andere Regelgröße c_var wie beispielsweise ein digitaler Regelwert Vdlg oder eine mechanische Regelgröße anwendbar. Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t sweeP ist in Fig. 3 komplett dargestellt, jedoch ist es auch möglich, dass nur abschnittsweise einzelne Eigenschaften, wie z.B. Grenzwertüberschreitung und/oder der Gradient grad der Regelkennlinie con_char bei einer aktuellen Regelspannung Vact, ermittelt werden. Die Regelkennlinie con_char der Differenzzeit tsweep bzw. die abschnittsweise bestimmte Eigenschaften können beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass an dem Abtastoszillator 12 aus Fig. 2 die Regelspannung Vc bzw. Regelgröße c_var stetig verändert wird und entsprechende Werte der Differenzzeit tsweep bzw. Differenzfrequenz fs„eeP von der Regel-/Auswerteeinheit 15 bestimmt und abgespeichert werden. Aus der Ermittlung dieser Werte kann auf die Lage des aktuellen Arbeitspunktes OP in den entsprechenden Regelbereichen A, B, C, D, E, F zurück geschlossen werden. Liegt der Arbeitspunkt OP in einem kritischen Regelbereich A, B, C, F oder einem Störungsbereich D, so wird der Regelalgorithmus unterbrochen und eine erneute Einregelung in einem sicheren Regelbereich E gestartet. Die Initiierung der Regelung in einem sicheren Regelbereich E erfolgt beispielsweise dadurch, dass die Regelspannung Vc auf einen Minimalwert der Regelspannung Vmm gebracht wird und folglich stetig erhöht wird, bis ein Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint bzw. ein Sollwert der Differenzzeit tSweeP_setPomt durch die Regel-/Auswerteeinheit 15 ermittelt wird. Ein Arbeitspunkt OP kann nicht in den kritischen Regelbereichen A, B liegen, da die Regelspannung Vc sich erfindungsgemäß nur zwischen einem Minimalwert der Regelspannung Vmm und einem Maximalwert der Regelspannung Vmax einstellen lässt. Diese Begrenzungswerte der Regelspannung Vc wurden deshalb erzeugt, da diese Differenzzeit ts„eep unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit ts„eeP_mm, z.B. unter 1 ms (Millisekunde), liegen und hier Arbeitspunkte OP und Gradienten grad nicht exakt ermittelt werden können./ Receiving unit 17 by the sequential sampling of the pulse repetition frequency f PRF at the sampling frequency fs amp i by means of a frequency converter 11, a difference frequency fs weep between the sampling clock oscillator 13 and the transmit clock oscillator 12 determined. This difference frequency f s "ee P or its difference time t s " e e P is processed and measured in the control / evaluation unit 15. The difference time t s " e e p corresponds to the reciprocal of the difference frequency f s " e e P - via a feedback branch controls the control / evaluation unit 15 the controllable sampling clock oscillator 13 according to the determined difference frequency fs " eeP or the difference time t SweeP again. By this structure, a control loop 24 has been created, the difference frequency f s " eeP largely on the desired setpoint of the difference frequency fs WeeP _ setPomt , eg 21.73913 Hz, sets. The controllable sampling clock oscillator 13 and possibly the Sendetaktoszillators 12 is effected by a frequency control unit 10, the output of voltage controlled oscillators, eg VCO or oscillator with a parallel variable-frequency capacitance diode, a control voltage V c as the corresponding control variable c_var or the digitally controllable oscillators, eg NCO , outputs a digital control value V dlg as a control variable c_var. The frequency control unit 10 is adjusted by means of a so-called three-level control by an up-control signal R Up and a down-control signal R Dθwn of the control / evaluation unit 15 so that an applied to the output of the frequency control unit 10 controlled variable c_var controls the controllable sampling oscillator 12 accordingly. The appropriate control of the sampling oscillator 12 takes place in the manner that the generation of the defined target value for the difference frequency f sweep _ setpomt between the pulse repetition frequency f PRF and the sampling frequency f samp e i is effected. For example, either a control voltage V c or a digital control value V d i g can be used as controlled variable c_var. The frequency control unit 10 is configured, for example, as an RC element or a charge pump, which stabilizes the control voltage Vc, which regulates the sampling frequency f Samp i of the sampling oscillator 12. With upregulation signals R Up , for example, the charge voltage of the charge pump is increased and lowered with down-regulation signals R Dθwn . The adjusted control variable c_var or control voltage V c is determined by the control / evaluation unit 15 via a measuring line. This determination is necessary because normally only the difference frequency f sweep is determined and the actually generated control variable c_var or control voltage V c is needed to determine the gradient. In the rule / off value unit 15, for example, a microcontroller 16 is integrated, which controls the control and executes the control algorithm. FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the control characteristic con_char of the difference time t sweep with the safe control range E and critical control ranges A, B, C, F and the fault range D. On the ordinate of the coordinate system, the difference time t SweeP and on the abscissa of the coordinate system, the control voltage V c is displayed as a controlled variable c_var. As a control variable c_var an analog control voltage V c has been displayed in this example; regardless, any other controlled variable c_var such as a digital control value V dlg or a mechanical controlled variable is applicable. The control characteristic con_char of the difference time t swee P is shown completely in FIG. 3, but it is also possible that only individual properties, such as exceeding the limit value and / or the gradient grad of the control characteristic con_char at a current control voltage V act , are determined. The control characteristic con_char of the difference time t sweep or the properties determined in sections can be generated, for example, by that the control voltage V c or control variable c_var is continuously changed at the sampling oscillator 12 of FIG. 2 and corresponding values of the difference time t sweep or difference frequency fs " eeP are determined and stored by the control / evaluation unit 15. From the determination of these values, it is possible to deduce the position of the current operating point OP in the corresponding control ranges A, B, C, D, E, F. If the operating point OP is within a critical control range A, B, C, F or a fault range D, then the control algorithm is interrupted and a renewed adjustment in a safe control range E is started. The initiation of the control in a safe control range E takes place, for example, in that the control voltage V c is brought to a minimum value of the control voltage V mm and consequently increased continuously until a desired value of the operating point OP_setpoint or a desired value of the difference time t SweeP _ setPomt the control / evaluation unit 15 is determined. An operating point OP can not be in the critical control ranges A, B, since the control voltage V c according to the invention can be set only between a minimum value of the control voltage V mm and a maximum value of the control voltage V max . These limiting values of the control voltage V c were therefore generated because this difference time t s "ee p below a minimum limit value of the difference time ts" e e P _mm, for example less than 1 ms (millisecond) lie, and here operating points OP and Grad Grad not exactly determined can be.
[0041] Die Lage des Sollwerts des Arbeitspunktes OP_setpoint ist so gewählt, dass ein Einregeln der Differenzzeit tSweeP bzw. Differenzfrequenz fseep durch eine entsprechende Regelspannung Vc leicht möglich ist. Ist hingegen die Lage des Sollwerts der Differenzzeit tSweeP_setPomt bzw. des Sollwerts der Differenzfrequenz fsWeeP_setPomt so gewählt, dass eine geringfügige Änderung der Regelspannung Vc eine große Änderung der Differenzzeit tSweeP bzw. Differenzfrequenz fseeP verursacht, indem der Arbeitspunkt OP an einer Stelle der Regelkennlinie con_char liegt, an der der Gradient grad sehr groß ist, so ist eine exakte Einregelung auf den Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint nur erschwert möglich ist. Aufgrund des Gradienten grad wird bestimmt mit welcher Genauigkeit die Regelspannung Vc verändert werden muss, damit eine bestimmte Änderung der Differenzzeit tSweeP bzw. Differenzfrequenz fseeP erreicht werden kann. Demzufolge wird bei Ermittlung eines großen Gradienten grad die Regelspannung Vc mit einer höheren Genauigkeit durch einen exakteren, langsameren Regelalgorithmus, der nur kleine Änderungen der Spannung vornimmt verändert. Ist hingegen der Gradient grad klein, wird die Regelspannung Vc in größeren Änderungsschritten verändert, da sich hier eine Änderung der Differenzzeit tSweeP nicht so stark auswirkt.The position of the setpoint of the operating point OP_setpoint is chosen so that a Einregel the difference time t SweeP or difference frequency f s " eep by a corresponding control voltage V c is easily possible. If, on the other hand, the position of the reference value of the difference time t Sw ee P _set P omt or of the reference value of the difference frequency fs W ee P _set P omt is selected so that a slight change in the control voltage V c results in a large change in the differential time t SweeP or difference frequency f s eeP caused by the operating point OP is at a point of the control characteristic con_char, at which the gradient is very high, so an exact adjustment to the setpoint of the operating point OP_setpoint is difficult is possible. Due to the grad grad is determined with what accuracy the control voltage V c must be changed so that a certain change in the differential time t SweeP or difference frequency f s " eeP can be achieved. Consequently, upon detection of a large gradient, the control voltage V c is changed with a higher accuracy by a more exact, slower control algorithm that makes only small changes in the voltage. However, if the gradient grad is small, the control voltage V c is changed in larger change steps , as here is a change in the difference time t SweeP not so strong.
[0042] Die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik der Differenzzeit tSweeP weist bei einer bestimmten Polstellen-Regelspannung VPoi eine Polstelle auf. An dieser Polstelle der Regelkennlinie con_char sind die Abtastfrequenz fSamPie des angesteuerten Abtastoszillators 12 und die Pulsrepetierfrequenz fPRF des Pulsrepetieroszillators 13 exakt gleich. Aufgrund der Polstelle der Regelkennlinie con_char der Differenzzeit t s„eeP ist es möglich, die selbe Differenzzeit tSweeP mittels einer ersten Regelspannung VCi im sicheren Regelbereich E und mittels einer zweiten Regelspannung VC2 im kritischen Regelbereich F zu erzeugen. Die erste Regelspannung VCi im sicheren Regelbereich E ist hierbei entsprechend kleiner als die Polstellen-Regelspannung VPoi und die zweite Regelspannung VC2 im kritischen Regelbereich F ist entsprechend größer als die Polstellen-Regelspannung VPoi ausgelegt. Oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzzeit tSweeP_max, der über dem Sollwert der Differenzzeit tSweeP_setPomt liegt, wird der Regelalgorithmus unterbrochen und die Regelung der Differenzzeit tSweeP bzw. der entsprechenden Differenzfrequenz fseeP im sicheren Regelbereich E wieder erneut gestartet. Durch die Bildung dieses maximalen Grenzwerts der Differenzzeit tSweeP_max ist eine schnelle Regelung der Differenzzeit tSweeP auf einen Sollwert der Differenzzeit t sweep_setpoint erst möglich. Die Regelung in dem kritischen Regelbereich C um die Polstelle, in der die Differenzzeit tSweeP hohe, unzweckmäßige Werte annimmt und dadurch lange Mess- und Regelzeiten verursacht, wird folglich verhindert. Der konträre Fall, dass die Regelkennlinie con_char bzw. die Regelcharakteristik der Differenzfrequenz fs„eeP - gewissermaßen der Kehrwert der Differenzzeit tSweeP - eine Nullstelle mit einem Umkehrpunkt aufweist, ist aufgrund der Analogie zu obigen Ausführungen in Fig. 2 nicht explizit ausgeführt worden.The control characteristic con_char or the control characteristic of the differential time t swe e P has a pole point at a specific pole position control voltage V Po i. At this Polstelle the control characteristic con_char are the sampling frequency f SamP i e of the controlled sampling oscillator 12 and the pulse repetition frequency f PRF of the pulse repetition oscillator 13 exactly the same. Due to the pole of the control characteristic con_char of the difference time ts " eeP , it is possible to generate the same difference time t SweeP by means of a first control voltage V C i in the safe control range E and by means of a second control voltage V C2 in the critical control range F. In this case, the first control voltage V C i in the safe control range E is correspondingly smaller than the pole position control voltage V Po i and the second control voltage V C2 in the critical control range F is correspondingly greater than the pole position control voltage V Po i. Above a maximum limit value of the difference time t Swe e P _max, which is above the setpoint of the difference time t Sw ee P _set P omt, the control algorithm is interrupted and the control of the difference time t SweeP or the corresponding difference frequency f s " eeP in the safe control range E started again. By forming this maximum limit value of the difference time t SweeP _ max , rapid control of the difference time t SweeP to a setpoint value of the difference time t swee p _set p oint is only possible. The control in the critical control range C around the pole, in which the difference time t swe e P assumes high, inappropriate values and thereby causes long measurement and control times, is thus prevented. The contrary case that the control characteristic con_char or the control characteristic of the difference frequency f s "ee P - to a certain extent the reciprocal of the difference time t swe e P - has a zero point with a reversal point is not explicit due to the analogy to the above explanations in FIG have been carried out.
[0043] In Fig. 4 ist ein Zustandsdiagramm der Signale des Regelkreises 24 aus Fig. 2 aufgezeigt. Das Zustandsdiagramm besteht aus fünf Signalkennlinien, die alle derselben Zeiteinheit bzw. Zeitskala ts folgen. Die oberste, erste Signalkennlinie der Versorgungsspannung P zeigt den Zeitpunkt der Initialisierung des Mikrocontrollers Int_μC bzw. den Startzeitpunkt der Spannungs Versorgung des Mikrocontrollers 16 bzw. der gesamten Regel-/Auswerteeinheit 15 an. Die dritte und vierte Signalkennlinie gibt die Regelsignale Rc zur Aufwärts -Regelung R1Jp und zur Abwärts-Regelung RDθwn an, die Signale zur Ansteuerung einer Frequenzregeleinheit 10 aufzeigen. Die fünfte Signalkennlinie stellt die Regelspannung Vc dar, die beispielsweise von der Frequenzregeleinheit 10 ausgegeben wird und einen spannungsgesteuerten Abtasttaktoszillator 12 steuert. Die Rückkopplung des Regelkreises 24 bzw. die Ansteuerung des Abtasttaktoszillators 12 über eine Frequenzregeleinheit 10 wird durch die Signalkennlinien drei, vier und fünf erreicht. Die zweite Signalkennlinie des Differenzsignals SseeP mit der variierenden Differenzzeit tSweeP stellt das erzeugte Regelergebnis des Regelkreises 24 dar.In Fig. 4 is a state diagram of the signals of the control loop 24 of FIG. 2 is shown. The state diagram consists of five signal characteristics, all of which follow the same time unit or time scale t s . The uppermost, first signal characteristic of the supply voltage P indicates the time of initialization of the microcontroller Int_μC or the start time of the voltage supply of the microcontroller 16 or of the entire control / evaluation unit 15. The third and fourth signal characteristics indicate the control signals R c for up-regulation R 1J p and for down-regulation R Dθwn , which indicate signals for driving a frequency regulation unit 10. The fifth signal characteristic represents the control voltage V c , which is output, for example, from the frequency control unit 10 and controls a voltage-controlled sampling clock oscillator 12. The feedback of the control loop 24 or the control of the sampling clock oscillator 12 via a frequency control unit 10 is achieved by the signal characteristics three, four and five. The second signal characteristic of the difference signal S s " eeP with the varying difference time t SweeP represents the generated control result of the control loop 24.
[0044] Durch Einschalten der Versorgungsspannung P wird der Mikrocontroller 16 bzw. die Regel-/Auswerteeinheit 15 initialisiert. Dabei kommt es vor, dass aufgrund zurück- liegender Regelprozessphasen und dem Betriebszustand oder Einschwingverhalten der elektrischen Bauteile in diesem Zustand eine nicht zuvor definierbare aktuelle Regelspannung Vact am Abtastoszillator 12 anliegt. Aus diesem Grund wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren zuerst eine Arbeitspunkterkennung OP_ID durchgeführt, die in einem ersten Regelschritt eine erste Differenzzeit tSweePi mit der entsprechenden aktuellen Regelspannung Vact bzw. vierten Regelspannung VC4 ermittelt. Darauf folgend wird in einem weiteren Regelschritt eine zweite Regelspannung VC2 eingestellt und eine entsprechende zweite Differenzzeit tSweeP2 ermittelt wird. Aus dem Quotienten der Differenz der ersten Differenzzeit tSweePi und zweiten Differenzzeit tSweep2 zu der Differenz der entsprechenden Regelspannungen VC4, VC2 wird ein Gradient grad bzw. eine Steigung bestimmt. Entsprechendes ist auch mit Erzeugen einer ersten Regelspannungen Vc l und einer dritten Regelspannung VC3 und Ermitteln der entsprechenden Differenzzeiten tSweePi, tseep2 durchführbar. Durch die Ermittlung des Gradienten grad und durch die Ermittlung des Überschreitens oder Einhaltens des Grenzwerts der Differenzfrequenz ts„eeP_setPomt kann sehr schnell bestimmt werden, ob der Arbeitspunkt OP der Regelung in einem kritischen Regelbereich A, B, C, F oder in einem sicheren Regelbereich E liegt. In Fig. 4 ist das Beispiel aus Fig. 3 aufgegriffen worden, dass die aktuelle Regelspannung Vact bei der Initialisierung des Mikro- controllers Init_μC bzw. der Initialisierung der Regel-/Auswerteeinheit 15 im kritischen Regelbereich F lokalisiert wurde und ein diesem kritischen Regelbereich F entsprechender Gradient grad existiert. In diesem Fall regelt der Regelalgorithmus die aktuelle Regelspannung Vact auf einen Minimalwert der Regelspannung Vmm herunter, wodurch eine erneute Einregelungsphase im sicheren Regelbereich E gestartet wird. Beim Start dieser Einregelungsphase liegt eine große Abweichung der aktuellen Differenzzeit ts„eeP zum Sollwert der Differenzzeit tSweeP_setPomt vor. Weshalb die aktuelle Differenzfrequenz tSweeP durch eine plusweitenmodulierte Regelung C_PWM mit puls- weitenmodulierten Regelsignalen RPWM, die sowohl als Aufwärts-Regelsignale RUp als auch Abwärts-Regelsignale RDθwn ausgestaltet sind, verändert wird. Die Aufwärts- Regelsignale RUp und Abwärts-Regelsignale RDθwn steuern hierbei die Frequenzregeleinheit 10 an, welche eine entsprechende Regelspannung Vc erzeugt. Ein an der Frequenzregeleinheit 10 anliegendes Aufwärts -Regelsignal RUp bewirkt einen Anstieg der Regelspannung Vc am Ausgang der Frequenzregeleinheit 10. Hingegen bewirkt ein an der Frequenzregeleinheit 10 anliegendes Abwärts-Regelsignal RDθwn ein Absinken der Regelspannung Vc Ist die Abweichung der aktuellen Differenzzeit tSvιeep zum Sollwert der Differenzzeit ts„eeP_setPomt nur noch gering, so wird in eine impulsfolgenmodulierte Regelung C_Toggle mit impulsfolgenmodulierten Regelsignalen Rτoggie gewechselt, in der die Frequenzregeleinheit 10 nur noch mit kurzen Impulsfolgen von sehr kurzen Impulsen angesteuert wird. Durch die kurzen Impulse der impulsfolgen- modulierten Regelsignale Rτoggie ist es möglich, dass nur noch eine geringfügige Änderung der Differenzfrequenz tSweeP vorgenommen werden kann. Durch dieses Verfahren, dass bei geringen Abweichungen der Differenzzeit tSweeP von dem Sollwert der Differenzzeit tSweeP_setPomt ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal Rτoggie zur Feineinregelung eingesetzt wird, tritt nur ein geringes Einschwingverhalten der Regelung auf. Ist die Differenzzeit tSweeP auf den Sollwert der Differenzzeit tSweeP_setPomt eingeregelt, so ist der Sollwert des Arbeitspunktes OP_setpoint im sicheren Regelbereich E eingestellt. Durch einzelne kurze Impulse des Abwärts-Regelsignals RDθwn und des Aufwärts-Regelsignals RUp kann bei einer eingeregelten Differenzzeit tSweeP auf den Sollwert der Differenzzeit tsweeP_setPomt einer tendenziellen Regelabweichung entgegengewirkt werden. Hierzu wird beispielsweise die Periode je nach Tendenz der Regelabweichung unterbrochen, bzw. ein oder mehrer kurze Impulse werden ausgelassen. [0045] BezugszeichenlisteBy switching on the supply voltage P, the microcontroller 16 or the control / evaluation unit 15 is initialized. It happens that due to lying rule process phases and the operating state or transient response of the electrical components in this state a not previously definable current control voltage V act applied to the sampling oscillator 12. For this reason, in the method according to the invention, first a work point detection OP_ID is performed which, in a first control step, determines a first difference time t SweeP i with the corresponding current control voltage V act or fourth control voltage V C4 . Subsequently, in a further control step, a second control voltage V C2 is set and a corresponding second differential time t SweeP2 is determined. From the quotient of the difference of the first difference time t SweeP i and second difference time t sweep2 to the difference of the corresponding control voltages V C4 , V C2 , a gradient grad or a slope is determined. The same can be done by generating a first control voltage V cl and a third control voltage V C3 and determining the corresponding difference times t SweeP i, t s " eep2 . By determining the grad grad and by determining the exceeding of the limit value of the difference frequency ts "ee P _set P omt it can be determined very quickly whether the operating point OP of the control in a critical control range A, B, C, F or a safe control range E is located. In FIG. 4, the example of FIG. 3 has been taken up, that the current control voltage V act was located in the critical control range F during the initialization of the microcontroller Init_μC or the initialization of the control / evaluation unit 15 and a critical control range F corresponding gradient exists. In this case, the control algorithm down-regulates the current control voltage V act to a minimum value of the control voltage V mm , whereby a new control phase in the safe control range E is started. At the start of this Einregelungsphase there is a large deviation of the current difference time t s "ee P to the setpoint of the difference time t Sw ee P _set P omt before. Which is why the current difference frequency t SweeP is changed by a plus-width-modulated control C_PWM with pulse-width-modulated control signals R PWM , which are configured both as up-control signals R Up and down-control signals R Dθwn . The up-control signals R Up and down-control signals R Dθwn in this case control the frequency control unit 10, which generates a corresponding control voltage V c . On the other hand, an applied to the frequency control unit 10 up-control signal R Up causes an increase in the control voltage V c at the output of the frequency control unit 10. On the other hand, applied to the frequency control unit 10 down-control signal R Dθwn causes a drop in the control voltage V c Is the deviation of the current difference time t Svιeep the setpoint of the difference time ts " e e P _set P omt only small, so is in a pulse train modulated control C_Toggle with pulse train modulated control signals Rτ ogg ie changed, in which the frequency control unit 10 is driven only with short pulse trains of very short pulses. Due to the short pulses of the impulse sequence modulated control signals Rτ ogg i e , it is possible that only a slight change in the difference frequency t SweeP can be made. By this method, that with small deviations of the difference time t SweeP from the setpoint of the differential time t Sw ee P _set P omt a pulse train modulated control signal Rτ ogg ie is used for fine adjustment, only a small transient response of the control occurs. If the difference time t swe e P is adjusted to the setpoint of the difference time t Sw ee P _set P omt, then the setpoint of the operating point OP_setpoint is set in the safe control range E. By single short pulses of the down-control signal R Dθwn and the up-control signal R-up of an overall system deviation can be counteracted at a time t the adjusted difference sweep to the target value of the difference time ts weep _ setPomt. For this purpose, for example, the period is interrupted depending on the tendency of the control deviation, or one or more short pulses are omitted. [0045] List of Reference Numerals
1. Vorrichtung1. Device
2. Messumformer2. Transmitter
3. Messeinheit [0046] 3a Antenne3. Measuring unit 3a Antenna
[0047] 3b Oberflächenwellenleiter3b surface waveguide
1. Oberfläche, Grenzschicht1st surface, boundary layer
2. Füllgut; Medium2. contents; medium
3. Prozessraum3rd process room
4. Behälter4. container
5. Energieversorgungsleitung5. Power supply line
6. Feldbus6. Fieldbus
7. Frequenzregeleinheit7. Frequency control unit
8. Frequenzumsetzer8. Frequency converter
9. erster Oszillator, Abtasttaktoszillator9. first oscillator, sampling clock oscillator
10. zweiter Oszillator, Sendetaktoszillator10. second oscillator, transmit clock oscillator
11. Kommunikations-/Versorgungseinheit11. Communication / supply unit
12. Regel-/Auswerteeinheit12. Control / evaluation unit
13. Mikrocontroller13. microcontroller
14. Sende -/Empfangseinheit14. Transceiver unit
15. Sendeimpulsgenerator15. Transmit pulse generator
16. Abtastschaltung16th sampling circuit
17. NF-Schaltungsteil17. LF circuit part
18. HF-Schaltungsteil18. RF circuit part
19. Verstärker-/Filtereinheit19. Amplifier / filter unit
20. Sende -/Empfangsweiche 21. Regelkreis20. Transceiver 21. Control circuit
[0048] SHF hochfrequentes MesssignalS HF high-frequency measurement signal
[0049] Sτx SendesignalS τx transmission signal
[0050] SRX ReflexionssignalS RX reflection signal
[0051] SzpZwischenfrequenzsignal[0051] Szp Intermediate Frequency Signal
[0052] Ss„eep Differenzsignal[0052] S s "ee p differential signal
[0053] SPRF Pulsreptiersignal[0053] S PRF Pulse Reception Signal
[0054] fPRF PulsreptierfrequenzF PRF pulse repetition frequency
[0055] Ssampie Abtastsignal[0055] mp Ssa ie sampling signal
[0056] fsampie Abtastfrequenz[0056] mp ie sampling frequency fsa
[0057] fsweep DifferenzfrequenzFs weep difference frequency
[0058] tSweep Differenzzeit[0058] t Sw ee p difference time
[0059] ts„eepi erste Differenzzeit[0059] t s "ee p i first difference time
[0060] ts„eep2 zweite DifferenzzeitT s "eep2 second difference time
[0061 ] f sweep_setpoint Sollwert der DifferenzfrequenzF sweep_setpoint setpoint of the difference frequency
[0062] ts„eep_setpomt Sollwert der DifferenzzeitTs "eep_setpomt setpoint of the difference time
[0063] ts„eep_max maximaler Grenzwert der Differenzzeit[0063] t s "ee p _ m a x maximum limit value of the difference time
[0064] ts„eep_mm minimaler Grenzwert der Differenzzeit[0064] ts "ee p _ mm minimum limit value of the difference time
[0065] P Versorgungsspannung[0065] P supply voltage
[0066] Init_μC Initialisierung des MikrocontrollersInit_μC Initialization of the microcontroller
[0067] C_PWM plusweitenmodulierte RegelungC_PWM plus-width modulated control
[0068] C_Toggle impulsfolgenmodulierte RegelungC_Toggle pulse-sequence modulated control
[0069] OP Arbeitspunkt[0069] OP operating point
[0070] OP_setpoint Sollwert des Arbeitspunkt[0070] OP_setpoint setpoint of the operating point
[0071 ] OP_ID Arbeitspunkterkennung[0071] OP_ID Work Point Detection
[0072] Rc RegelsignaleR c control signals
[0073] RUp Aufwärts-RegelsignaleR up up-control signals
[0074] RDOWΠ Abwärts-RegelsignaleR DOWΠ down-regulation signals
[0075] RPWM pulsweitenmoduliertes RegelsignalR PWM pulse width modulated control signal
[0076] Rτoggie impulsfolgenmoduliertes Regelsignal[0076] Rτ ogg i e pulse train modulated control signal
[0077] c_var RegelgrößeC_var controlled variable
[0078] c_varl erste RegelgrößeC_varl first controlled variable
[0079] c_var2 zweite RegelgrößeC_var2 second controlled variable
[0080] grad Gradient; Änderungsmaß; SteigungDegree gradient; of change; pitch
[0081 ] Vc Regelspannung[0081] Vc control voltage
[0082] Vc l erste Regelspannung[0082] Vc 1 first control voltage
[0083] VC2 zweite Regelspannung[0083] V C2 second control voltage
[0084] Vc3 dritte Regelspannung [0085] VC4 vierte RegelspannungVc 3 third control voltage [0085] V C4 fourth control voltage
[0086] Vmax Maximalwert der Regelspannung[0086] V max Maximum value of the control voltage
[0087] Vmm Minimalwert der Regelspannung[0087] V mm Minimum value of the control voltage
[0088] Vact aktuellen Regelspannung, Istwert der Regelspannung[0088] V act current control voltage, actual value of the control voltage
[0089] Vset Sollwert der Regelspannung[0089] V set setpoint of the control voltage
[0090] Vpoi Polstellen-Regelspannung[0090] Vp o i pole position control voltage
[0091] Vdlg digitaler Regel wertV dlg digital rule value
[0092] con_char Regelkennlinie[0092] con_char control characteristic
[0093] E sichere RegelbereicheE safe control areas
[0094] A, B, C, F kritische RegelbereicheA, B, C, F are critical control ranges
[0095] D Störungsbereich[0095] D disturbance region
[0096] kτ TransformationsfaktorK τ transformation factor
[0097] d Distanz[0097] d distance
[0098] h HöheH height
[0099] 1 Füllstand[0099] 1 level
[0100] t Laufzeit[0100] t running time
[0101] ts Zeitskala[0101] t s time scale
[0102] x Laufstrecke [0102] x running distance

Claims

Ansprücheclaims
[0001] Verfahren zur Bestimmung des Füllstands (1) anhand der Laufzeit (t) eines hochfrequenten Messsignals (SHF), das mittels eines Transformationsverfahrens mit einem bestimmten Transformationsfaktors (kτ) in ein niederfrequenteres Zwi- schenfrequenzsignal (SZF) transformiert wird, wobei der Transformationsfaktor (kτ) aus einer Differenzfrequenz (fsWeeP) oder einer Differenzzeit (tseeP) eines Differenzsignals (Ss„eeP) zwischen einem Pulsrepetiersignal (SPRF) mit einer Pulsrepetierfrequenz (fPRF) und einem Abtastsignal (SSamPi) mit einer Abtastfrequenz (f sampi) erzeugt und ermittelt wird, wobei die Pulsrepetierfrequenz (fPRF) und/oder die Abtastfrequenz (fsamPi) anhand einer Regelung mit einer Regelgröße (c_var) durch einen entsprechenden Regelalgorithmus so verändert werden/wird, dass die Differenzfrequenz (fseeP) auf einen Sollwert der Differenzfrequenz (f sweep_setpomt) oder die Differenzzeit (tSweeP) auf einen Sollwert der Differenzzeit (t sweeP_setpomt) geregelt wird, wobei zwischen zumindest zwei Werten der Differenzfrequenz (fs„eep) oder zwischen zumindest zwei Werten der Differenzzeit (t s„eep) in Abhängigkeit von der Regelgröße (c_var) ein Gradient (grad) bestimmt wird, wobei anhand des Gradienten (grad) und der Differenzfrequenz (fs„eeP) oder der Differenzzeit (tSweep) bei eingestellter Regelgröße (c_var) ein Arbeitspunkt (OP) der Regelung bestimmt wird, und dementsprechend der Regelalgorithmus angepasst wird.[0001] Method for determining the filling level (1) on the basis of the transit time (t) of a high-frequency measuring signal (S HF ) which is transformed by means of a transformation method with a specific transformation factor (k τ ) into a lower-frequency intermediate frequency signal (S ZF ), wherein the transformation factor (k τ ) of a difference frequency (fs W ee P ) or a difference time (t s " e e P ) of a difference signal (Ss" ee P ) between a pulse repetition signal (S PRF ) with a pulse repetition frequency (f PRF ) and a sampling signal (S S on P i) with a sampling frequency (f sam p i) is generated and determined, wherein the pulse repetition frequency (f PRF ) and / or the sampling frequency (fsam P i) based on a control with a controlled variable (c_var) by a corresponding control algorithm is / will be changed so that the difference frequency (f s " eeP ) to a setpoint of the difference frequency (f swee p _set p omt) or the difference time (t Swe e P ) to a setpoint d the difference time (ts weeP _ setpomt ) is regulated, wherein a gradient (grad) is determined between at least two values of the difference frequency (fs " eep ) or between at least two values of the difference time (ts" eep ) as a function of the controlled variable (c_var) , wherein on the basis of the gradient (grad) and the difference frequency (fs " eeP ) or the difference time (t sweep ) with set control variable (c_var) an operating point (OP) of the control is determined, and accordingly the control algorithm is adjusted.
[0002] 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Polarisation oder das Vorzeichen der2. The method of claim 1, wherein the polarization or the sign of the
Differenzfrequenz (fs„eep) des Differenzsignals (Ss„eeP) oder der Differenzzeit (t s„eep) mittels des Gradienten (grad) ermittelt wird.Difference frequency (f s "ee p ) of the difference signal (S s " ee P ) or the difference time (ts " eep ) by means of the gradient (grad) is determined.
[0003] 3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Regelkennlinie (con_char) des Differenzsignals (Ss„eep) aufgenommen wird, indem die Differenzfrequenz (fsWeeP) oder die Differenzzeit (ts„eeP) in Abhängigkeit von der sich ändernden Regelgröße (c_var) bestimmt und abgespeichert wird.3. The method of claim 1, wherein a control characteristic (con_char) of the difference signal (Ss "ee p ) is recorded by the difference frequency (fs W ee P ) or the difference time (t s " ee P ) in dependence on the changing control variable (c_var) is determined and stored.
[0004] 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, wobei der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt (OP) in einen definierten sicheren Regelbereich (E) zurücksetzt, indem die Regelgröße (c_var) auf einen Minimalwert zurückgesetzt wird, wenn der Arbeitspunktes (OP) in einem kritischen Regelbereich (A; B; C; F) der Regelung ermittelt wird.4. The method of claim 1 or 3, wherein the control algorithm resets the operating point (OP) in a defined safe control range (E) by the controlled variable (c_var) is reset to a minimum value when the operating point (OP) in one critical control range (A; B; C; F) of the control is determined.
[0005] 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Regelalgorithmus den Arbeitspunkt (OP) auf den Sollwert des Arbeitspunkts (OP_setpoint) einregelt, indem die Regelgröße (c_var) stetig verändert wird, wenn der Arbeitspunkt (OP) in einem definierten sicheren Regelbereich (E) der Regelung ermittelt wird5. The method of claim 3 or 4, wherein the control algorithm adjusts the operating point (OP) to the setpoint of the operating point (OP_setpoint) by the controlled variable (c_var) is changed continuously when the operating point (OP) in a defined safe Control range (E) of the scheme is determined
[0006] 6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, wobei von dem Regelalgorithmus eine Störung erkannt wird, falls der Arbeitspunkt (OP) permanent im Störungsbereich (D) oberhalb eines maximalen Grenzwerts der Differenzfrequenz (fseeP) oder unterhalb eines minimalen Grenzwerts der Differenzzeit (tSweeP) ermittelt wird.6. The method of claim 3, 4 or 5, wherein of the control algorithm a Fault is detected if the operating point (OP) permanently in the fault range (D) above a maximum limit value of the difference frequency (f s " eeP ) or below a minimum limit value of the difference time (t SweeP ) is determined.
[0007] 7. Verfahren nach Anspruch 1, 3, 4, 5 oder 6, wobei bei einem definierten7. The method of claim 1, 3, 4, 5 or 6, wherein at a defined
Grenzwert der Regelabweichung der Differenzfrequenz (fseeP) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fs„eep_setpomt) oder der Differenzzeit (tSweeP) von dem Sollwert der Differenzzeit (ts„eeP_setPomt) in dem Regelalgorithmus ein Fehlerzähler inkrementiert wird, wenn dieser Grenzwert überschritten wird, oder dekre- mentriert wird, wenn dieser Grenzwert eingehalten wird.Limit value of the deviation of the difference frequency (f s " eeP ) from the setpoint value of the difference frequency (fs" ee p _set p o m t) or the difference time (t Swe e P ) from the setpoint value of the difference time (ts "ee P _set P o m t) in the control algorithm, an error counter is incremented if this limit is exceeded or decentred if this limit is met.
[0008] 8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein maximaler Zählwert des Fehlerzählers eingestellt wird, bei dem der Fehlerzähler gelöscht wird, der Regelalgorithmus unterbrochen wird und der Arbeitspunkt (OP) in den definierten sichereren Regelbereichen (E) der Regelkennlinie (con_char) durch Zurückfahren der Regelgröße (c_var) auf einen Minimalwert versetzt wird.8. The method of claim 7, wherein a maximum count of the error counter is set, in which the error counter is deleted, the control algorithm is interrupted and the operating point (OP) in the defined safer control areas (E) of the control characteristic (con_char) by Returning the controlled variable (c_var) to a minimum value.
[0009] 9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 7, wobei als Regelgröße (c_var) bis zu einem ersten Toleranzwert eine große Regelabweichung der Differenzfrequenz (fsWeeP) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fsWeeP_setPomt) oder der Differenzzeit (t sweeP) vom Sollwert der Differenzzeit (ts„eeP_setPomt) ein pulsweitenmoduliertes Regelsignal (RPWM) von dem Regelalgorithmus bewirkt wird.9. The method of claim 1 or 7, wherein as a controlled variable (c_var) up to a first tolerance value, a large deviation of the difference frequency (fs W ee P ) of the desired value of the difference frequency (fs W ee P _set P o m t) or the difference time (t swee P ) from the target value of the difference time (t s "ee P _set P omt) a pulse width modulated control signal (R PWM ) is effected by the control algorithm.
[0010] 10. Verfahren nach Anspruch 1, 7 oder 9, wobei als Regelgröße (c_var) bis zu einem zweiten Toleranzwert einer mittleren Regelabweichung der Differenzfrequenz (fs„eeP) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fsWeeP_setPomt) oder der Differenzzeit (tSweeP) vom Sollwert der Differenzzeit (ts„eeP_setPomt) ein impulsfolgenmoduliertes Regelsignal (Rτoggie) von dem Regelalgorithmus bewirkt wird.10. The method of claim 1, 7 or 9, wherein as a controlled variable (c_var) up to a second tolerance value of a mean deviation of the difference frequency (f s "ee P ) of the desired value of the difference frequency (fs W ee P _set P o m t) or the difference time (t Swe e P ) from the setpoint of the difference time (t s "ee P _set P o m t) a pulse train modulated control signal (Rτ ogg i e ) is effected by the control algorithm.
[0011] 11. Verfahren nach Anspruch 1, 7, 9 oder 10, wobei bis zu einem dritten Toleranzwert einer tendenziellen Regelabweichung der Differenzfrequenz (fseeP) von dem Sollwert der Differenzfrequenz (fsWeeP_setPomt) oder der Differenzzeit (t sweeP) vom Sollwert der Differenzzeit (ts„eeP_setPomt) nicht sofort mit einer entsprechenden Regelgröße (c_var) entgegen geregelt wird, sondern eine Tendenz der Regelabweichungen bestimmt wird und ein tendenzielles Regelsignal (SDπft) ,das zu dem impulsfolgenmodulierten Regelsignal (RToggie) oder zu dem pulswei- tenmodulierten Regelsignal (RPWM) hinzugefügt wird, erzeugt wird. 11. The method of claim 1, 7, 9 or 10, wherein up to a third tolerance value of a tendency deviation of the difference frequency (f s " eeP ) of the desired value of the difference frequency (fs W ee P _set P o m t) or the difference time (t swee P ) from the target value of the difference time (t s "ee P _set P o m t) is not immediately countered with a corresponding control variable (c_var), but a tendency of the control deviations is determined and a tendency control signal (S Dπft ), which is added to the pulse sequence modulated control signal (R i Togg e) or to the pulse-width control signal tenmodulierten (R PWM) is generated.
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